JP2018109311A - 地山状況予測方法および坑内撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】迅速に位置合わせを行うことを可能とし、かつ、切羽近傍において歪みの少ない画像を安全に取得することを可能とした地山状況予測方法および坑内撮影装置を提案する。【解決手段】トンネル周壁面に向けてレーザー光を照射するレーザー光照射手段３と、レーザー光照射手段３の切羽側に配設された撮影手段６と、撮影手段６を支持する支持架台５と、レーザー光照射手段３の坑口側に設けられた操作手段４とを備える坑内撮影装置１であって、レーザー光照射手段３は、少なくともトンネル軸方向に沿って移動可能であり、撮影手段６は支持架台５によって水平軸を中心に回転可能に支持されており、支持架台５はレーザー光照射手段３に固定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、地山状況予測方法および坑内撮影装置に関する。

トンネルを安全かつ経済的に施工するためには、トンネル周辺の地山状況を把握することが重要である。切羽前方の地山状況の変化を早期に把握することができれば、岩盤崩壊や剥落の危険性がある場合でも安全対策を事前に講じることができるとともに、地山状況に応じた掘削方法の採用、支保の設置、補助工法の選定・採用が可能となる。
切羽前方の地山状況を予測する方法として、例えば特許文献１には、定点カメラで切羽を正面から適宜撮影し、複数の撮影画像により地質パターンを分析し、この地質パターンを用いて切羽前方の地山状況を予測するトンネル前方地質判定システムが開示されている。

特許文献１のトンネル前方地質判定システムは、トンネル施工に支障をきたすことがないように、定点カメラをトンネル天端に設置するため、カメラの設置作業に手間がかかる。また、切羽を撮影した２次元の画像データを利用して、定性的に３次元的な地質の判定を行う必要があるため、判定結果に個人差が生じるおそれがある。そのため、切羽の画像データとトンネル壁面の画像データとを組み合わせることで、３次元的な展開画像を作成して地山状況を予測する場合がある。

撮影した画像から地山状況を判断するためには、歪みの少ない画像を取得する必要があるため、カメラをトンネル中心軸に据え付けるのが望ましい。トンネル中心軸にカメラを据え付ける方法として、特許文献２には、光線を水平方向に照射する光線照射部と、この光線を直角方向に屈折させる屈折部と、この屈折部を水平軸回りに回転させて照射方向を変化させる駆動部とを備える光線照射装置を利用してカメラを所望の位置に据え付ける方法が開示されている。特許文献２の設置方法では、光線を水平方向、鉛直方向およびトンネル周方向に照射させることで、光線照射装置をトンネル中心軸上の所望の位置に据え付けた後、この光線照射装置から水平方向に照射された光線を利用してカメラをトンネル中心軸上に据え付けている。

特開平０４−１２０４９５号公報 特開平０４−２８６９１２号公報

支保工が設置される前の素掘り状態のトンネル壁面を撮影するためには、切羽近傍にカメラを設置する必要があるため、設置作業の安全性を確保するためには、作業を迅速に行う必要がある。ところが、特許文献２の設置方法は、光線照射装置とカメラとを個別に据え付ける必要があるため、作業に手間と時間がかかる。
このような観点から、本発明は、迅速に位置合わせを行うことを可能とし、かつ、切羽近傍において歪みの少ない画像を安全に取得することを可能とした地山状況予測方法および坑内撮影装置を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の地山状況予測方法は、レーザー光照射手段と撮影手段とを備える坑内撮影装置を所定の位置に配置する位置合わせ作業と、前記撮影手段を利用してトンネル壁面を撮影する撮影作業と、撮影された画像を利用して展開写真を作成する写真加工作業と、前記展開写真を利用して切羽前方の地山状況を予測する予測作業とを備えるものである。前記位置合わせ作業では、レーザー光照射手段によりトンネル周壁面に向けてレーザー光を照射し、トンネル壁面に照射されたレーザー光の線と既設の支保工との位置関係に応じて前記坑内撮影装置の向きおよび前記坑内撮影装置の位置を修正する。

かかる地山状況予測方法によれば、レーザー光を利用することで、坑内撮影装置の位置決めを迅速に行うことができる。切羽近傍へ坑内撮影装置を短時間で据え付けることができれば安全性が向上する。また、坑内撮影装置を所望の位置に据え付けることができれば、高品質な画像を撮影することが可能となり、ひいては、地山状況を高精度に予測することが可能となる。トンネル壁面に照射されたレーザー光を利用することで、簡易に位置決め作業を行うことができるため、坑内撮影装置を離れた位置から棒状の操作手段等を用いて位置決めを行うことも可能である。このようにすると、作業員が切羽に近づく必要がなくなるので、安全に作業を行うことができる。

前記地山状況予測方法では、撮影作業において素掘り部分の撮影とともに前記撮影手段からトンネル壁面までの距離を測定しておき、前記写真加工作業において前記距離の測定値を利用して撮影された画像の距離ひずみの補正を行うのが望ましい。
かかる地山状況予測方法によれば、撮影手段とトンネル壁面との位置関係により距離ひずみを修正するため、トンネルの中心軸に坑内撮影装置が配置されていない場合であっても、より高精度に地山状況を予測することができる。

また、本発明の坑内撮影装置は、トンネル周壁面に向けてレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、前記レーザー光照射手段の切羽側に配設された撮影手段と、前記撮影手段を支持する支持架台と、前記レーザー光照射手段の坑口側に設けられた操作手段とを備えるものであって、前記レーザー光照射手段は少なくともトンネル軸方向に沿って移動可能であり、前記撮影手段は前記支持架台によって水平軸を中心に回転可能に支持されており、前記支持架台は前記レーザー光照射手段に固定されていることを特徴としている。

かかる坑内撮影装置によれば、トンネル壁面に照射したレーザー光の線（ラインレーザー光または光跡）を利用して、坑内撮影装置の位置および向きを決定するため、坑内撮影装置の位置決めを迅速に行うことができる。また、坑内撮影は、操作手段を介して行うため、切羽内または切羽近傍に作業員が入ることなく安全に作業を行うことができる。

前記撮影手段とトンネル壁面との距離を測定する距離計を備えていれば、撮影手段からトンネル壁面までの距離を利用することで、撮影された画像に基づいて作成する展開写真に歪みが生じることを防止することができる。また、前記レーザー光照射手段が、鉛直軸を中心に回転可能であれば、坑内撮影装置の向きの修正を容易に行うことができる。

本発明の地山状況予測方法および坑内撮影装置によれば、迅速に位置合わせを行うことを可能とし、かつ、切羽近傍において歪みの少ない画像を安全に取得することが可能となる。

本発明の実施形態の坑内撮影装置の概要を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。 坑内撮影装置を利用した地山状況予測方法を示す図であって、（ａ）は位置合わせ作業を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。 坑内撮影装置による撮影作業のイメージを示す横断図である。 展開写真のイメージ図である。

本実施形態では、山岳トンネルの施工において、素掘り状態のトンネル壁面を撮影した画像を用いて切羽前方の地山状況を予測する地山状況予測方法およびこれに使用する坑内撮影装置について説明する。本実施形態の坑内撮影装置１は、図１に示すように、台車２、レーザー光照射手段３、操作手段４、支持架台５、撮影手段６、距離計７および照明手段８を備えている。

台車２は、坑内撮影装置１を支持している。台車２は、トンネル軸方向に沿って敷設されたレール２１に沿って移動可能である。すなわち、坑内撮影装置１は、台車２に載せられた状態でトンネル軸方向に沿って移動する。レール２１は、先端が切羽近傍に位置するように敷設する。なお、台車２の構成は限定されるものではない。また、台車２は、必ずしもレール２１に沿って移動する必要ない。例えば、トンネル坑内の地面を走行するものであってもよい。

レーザー光照射手段３は、トンネル壁面に向けて可視域のレーザー光を発光する装置であって、台車２に上載されている。レーザー光照射手段３は、トンネル周壁面に向けてラインレーザー光（レーザー光の線）を照射する。レーザー光照射手段３は、台車２の移動に伴い、トンネル軸方向に沿って移動する。レーザー光照射手段３は、台車２に対して、鉛直軸を中心に回転可能に取り付けられている。なお、レーザー光照射手段３（台車２）は、少なくともトンネル軸方向に対して移動可能であればよく、必ずしも回転可能に取り付けられている必要はない。なお、レーザー光照射手段３は、必ずしも台車２に上載されている必要はなく、例えば、レーザー光照射手段３が車輪等の走行手段を有している場合には、台車２を省略してもよい。

レーザー光照射手段３には、操作手段４が接続されている。本実施形態の操作手段４は、棒状部材からなる。操作手段４の一端はレーザー光照射手段３に接続されていて、操作手段４の他端はレーザー光照射手段３の後方（坑口側）に配設される。なお、操作手段４の構成は限定されるものではなく、例えば、坑内撮影装置１を遠隔操作するための、有線または無線の制御手段であってもよい。レーザー操作手段３は、操作手段４を操作（押し引き）することで、トンネル軸方向（レール２１）に沿って移動するとともに、鉛直軸を中心に回転する。なお、操作手段４は、台車２の移動および回転を操作するように台車２に取り付けられていてもよい。

本実施形態のレーザー光照射手段３は、支持架台５を介して台車２に上載されている。すなわち、支持架台５は、台車２とともにレール２１に沿って移動可能である。支持架台５は、架台本体５１と、サーボモータ５２と、台座５３とを備えている。
架台本体５１は、回転体５４を介して、台車２に取り付けられている。すなわち、架台本体５１は、台車２に対して鉛直軸を中心に回転可能である。架台本体５１には、レーザー光照射手段３、撮影手段６、距離計７および照明手段８が上載されている。レーザー光照射手段３は、架台本体５１に固定されている。また、架台本体５１には、サーボモータ５２が固定されている。サーボモータ５２の出力軸は、台座５３を回転可能に支持している。本実施形態では、サーボモータ５２の前後に二つの台座５３，５３が配設されている。切羽側の台座５３には撮影手段６および距離計７が搭載されており、坑口側の台座５３には照明手段８が搭載されている。すなわち、サーボモータ５２を駆動させると、台座５３が水平軸を中心に回転するとともに、台座５３に上載された撮影手段６、距離計７および照明手段８が水平軸（トンネル軸と平行な軸）を中心に回転する。なお、支持架台５の構成は限定されるものではない。例えば、台座５３を回転させる駆動手段はサーボモータに限定されるものではなく、例えば、ステッピングモータを使用してもよい。また、台座５３を手動で回転させる場合には、サーボモータ（駆動手段）５２は省略してもよい。また、台座５３は、必ずしも複数ある必要はなく、１つのみであってもよい。

撮影手段６は、レーザー光照射手段３の切羽側に配設されたカメラであって、支持架台５によって支持されている。撮影手段６とレーザー光照射手段３との離隔距離は限定されるものではないが、本実施形態では、鋼製支保工の設置間隔の半分（鋼製支保工にピッチが１ｍの場合は約５０ｃｍ）とする。撮影手段６は、支持架台５の回転に伴って連続的にトンネル壁面を撮影する。

距離計７は、撮影手段６とトンネル壁面との距離を測定する。距離計７は、撮影手段６の側面に固定されていて、撮影手段６と常に同じ方向を向くように構成されている。本実施形態の距離計７はいわゆるレーザー距離計であって、トンネル壁面に対してレーザー光を照射して反射したレーザー光を受信するまでの時間により撮影手段６からトンネル壁面までの距離を算出する。なお、距離計７は、レーザー距離計に限定されるものではなく、例えば、超音波距離計を使用してもよい。

照明手段８は、白熱電球、ＬＥＤ照明、蛍光灯等を備えていて、トンネル坑内に光を照らすものである。本実施形態の照明手段８は、レーザー光照射手段３と撮影手段６との間に配設されている。照明手段８は、撮影手段６の撮影方向と同じ方向に光を照射するように配置されていて、撮影手段６の回転とともに水平軸を中心に回転する。なお、照明手段８の配設箇所は限定されるものではなく、例えば、撮影手段６の切羽側に配設されていてもよい。また、照明手段８は、必要に応じて配設すればよく、省略してもよい。

以下、坑内撮影装置１を利用した地山状況予測方法を説明する。本実施形態の地山状況予測方法は、位置合わせ作業と、撮影作業と、写真加工作業と、予測作業とを備えている。
位置合わせ作業では、坑内撮影装置１を所定の位置に配置する。まず、レール２１をトンネル坑内に敷設する。このとき、レール２１の先端は、切羽近傍に位置させる。なお、台車２が、地盤面を直接走行する車輪を備えている場合には、レール２１を敷設する必要はない。次に、台車２をレール２１に沿って摺動させることにより、坑内撮影装置１を切羽近傍に配置する。台車２の移動は、操作手段４を押し引きすることにより行う。次に、レーザー光照射手段３によりトンネルＴの周壁面に向けてレーザー光を照射する。そして、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、トンネルＴの周壁面に照射されたレーザー光の線Ｌが既設の鋼製支保工Ｔ_Ｓと平行になるようにレーザー光照射手段３の向きを調整する。レーザー光照射手段３の向きの調整は、操作手段４を介して鉛直軸（回転体５４）を中心にレーザー光照射手段３を回動させることにより行う。レーザー光照射手段３の向きを調整したら、坑内撮影装置１の前後位置の調整を行う。前後位置の調整は、レーザー光の線Ｌが素掘り部分と既設の支保工（吹付けコンクリート又は鋼製支保工Ｔ_Ｓ）の前端縁との境界に配置されるように（重なるように）坑内撮影装置１をトンネル軸方向に沿って移動させることのより行う。坑内撮影装置１を所定の位置に配置したら、坑内撮影装置１を固定する。

坑内撮影装置１を所定の位置に据え付けたら、撮影作業を開始する。撮影作業では、撮影手段６を利用してトンネル壁面を撮影する。撮影作業では、撮影手段６によって素掘り部分を撮影するとともに、距離計７によって撮影手段６からトンネル壁面までの距離を測定する。本実施形態では、サーボモータ５２を駆動させて、図３に示すように、撮影手段６を回転させながら、連続写真を撮影する。なお、トンネル壁面は、動画によって撮影してもよい。撮影手段６による撮影時には、照明手段８によって、撮影対象部分（トンネル壁面）に光を照射する。撮影した画像は、コンピュータに送信されるとともに保存される。撮影作業では、トンネル壁面の撮影に伴い、切羽も正面から撮影する。切羽の撮影画像もコンピュータに保存する。なお、撮影画像の保存方法は限定されるものではなく、例えば、メモリーに保存したものを、コンピュータに転送してもよい。

写真加工作業では、撮影された画像を利用して展開写真を作成する。展開写真はコンピュータを利用して作成する。まず、距離の測定値を利用して撮影された画像の距離ひずみの補正を行う。すなわち、カメラからトンネル壁面までの距離の違いにより生じる距離ひずみを、距離の測定値を利用して修正する。次に、距離ひずみが補正された画像をつなぎ合わせる。このとき、トンネル壁面の画像に切羽の画像も組み合わせることにより、図４に示すように、３次元的な展開写真を作成する。
予測作業では、展開写真により亀裂Ｇ_Ｃの存在および連続性を確認するとともに、地層の変化（地層Ｇ_１と地層Ｇ_２との境界）を確認することで、切羽前方の地山状況を予測する。

本実施形態の地山状況予測方法によれば、坑内撮影装置１の位置決めを安全かつ迅速に行うことができる。すなわち、坑内撮影装置１の向きおよび位置は、支保工との位置関係に応じて調整するため、坑内撮影装置１の位置決めが容易である。また、操作手段４を利用して離れた位置から坑内撮影装置１の位置や向きの調整およびトンネル壁面や切羽の撮影を行うため、作業員が切羽に入る必要がない。
また、坑内撮影装置１の位置決めは、トンネル壁面に照射されたレーザー光の線Ｌを既設の支保工（吹付けコンクリート又は鋼製支保工Ｔ_Ｓ）の先端縁に重ね合わせることにより行うため、目視により簡易に行うことができる。そのため、位置合わせ作業及び撮影作業に要する時間を削減し、ひいては、工期短縮化を図ることができる。

また、坑内撮影装置１を所望の位置に据え付けることで、高品質な画像を撮影することが可能となり、ひいては、より高精度な地山状況の予測が可能となる。
また、撮影手段とトンネル壁面との位置関係により距離ひずみを修正するため、トンネルの中心軸に坑内撮影装置１が配置されていない場合であっても、より高精度に地山状況を予測することができる。
さらに、３次元的な展開写真を利用することで、より高精度な地山予測が可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
前記実施形態では、距離計７のより坑壁までの距離を測定して距離ひずみの補正を行う場合について説明したが、トンネルの中心に坑内撮影装置を据え付けることが可能であれば、距離計を利用した距離測定は省略してもよい。
前記実施形態では、レーザー光照射手段３（支持架台５）が鉛直軸を中心に回転可能である場合について説明したが、レーザー光照射手段３（支持架台５）は、必ずしも鉛直軸を中心に回転可能である必要はない。

レーザー光照射手段３、サーボモータ５２、撮影手段６、距離計７および照明８の制御は、無線または有線により坑内撮影装置１に接続された制御手段により、坑内撮影装置１の坑口側に離れた位置において行えばよい。なお、坑内撮影装置１の制御には、操作手段４を利用してもよい。
レーザー光照射手段３の構成は限定されるものではなく、例えば、回転するポリゴンミラーを用いてレーザー光をトンネルＴの周壁面に照射してレーザー光の光跡によりトンネルの周壁面にレーザー光の線を表示するものであってもよい。

前記実施形態では、レーザー光の線Ｌが既設の鋼製支保工Ｔ_Ｓと平行になるようにレーザー光照射手段３の向きを調整したが、レーザー光照射手段３の向きは、鋼製支保工Ｔ_Ｓとの位置関係に応じて適宜調整すればよい。例えば、レーザー光の線Ｌと鋼製支保工Ｔ_Ｓとが略平行となるように、鋼製支保工Ｔ_Ｓを目安にして、レーザー光照射手段３の向きを調整すればよい。また、レーザー光の線Ｌと既設の鋼製支保工Ｔ_Ｓとの内角が所定の角度になるようにレーザー光照射手段３の向きを調整してもよい。
また、前記実施形態では、レーザー光の線Ｌが素掘り部分と既設の支保工（吹付けコンクリート又は鋼製支保工Ｔ_Ｓ）の端縁との境界に配置されるように坑内撮影装置１の前後位置を調整したが、レーザー光照射手段３の前後位置は、支保工との位置関係に応じて適宜調整すればよい。例えば、レーザー光の線Ｌと支保工の端縁との間隔が所定の範囲内に収まるように坑内撮影装置１の前後位置を調整してもよい。

１ 坑内撮影装置
２ 台車
３ レーザー光照射手段
４ 操作手段
５ 支持架台
６ 撮影手段
７ 距離計
Ｌ レーザー光の線
Ｔ トンネル

Claims (5)

1. レーザー光照射手段と撮影手段とを備える坑内撮影装置を所定の位置に配置する位置合わせ作業と、
   前記撮影手段を利用してトンネル壁面を撮影する撮影作業と、
   撮影された画像を利用して展開写真を作成する写真加工作業と、
   前記展開写真を利用して切羽前方の地山状況を予測する予測作業と、を備える地山状況予測方法であって、
   前記位置合わせ作業では、レーザー光照射手段によりトンネル周壁面に向けてレーザー光を照射し、トンネル壁面に照射されたレーザー光の線と既設の支保工との位置関係に応じて坑内撮影装置の向きおよび前記坑内撮影装置の位置を修正することを特徴とする、地山状況予測方法。
2. 前記撮影作業では、素掘り部分の撮影とともに、前記撮影手段からトンネル壁面までの距離を測定し、
   前記写真加工作業では、前記距離の測定値を利用して撮影された画像の距離ひずみの補正を行うことを特徴とする、請求項１に記載の地山状況予測方法。
3. トンネル周壁面に向けてレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、
   前記レーザー光照射手段の切羽側に配設された撮影手段と、
   前記撮影手段を支持する支持架台と、
   前記レーザー光照射手段の坑口側に設けられた操作手段と、を備える坑内撮影装置であって、
   前記レーザー光照射手段は、少なくともトンネル軸方向に沿って移動可能であり、
   前記撮影手段は、前記支持架台によって水平軸を中心に回転可能に支持されており、
   前記支持架台は、前記レーザー光照射手段に固定されていることを特徴とする坑内撮影装置。
4. 前記撮影手段とトンネル壁面との距離を測定する距離計を備えていることを特徴とする、請求項３に記載の坑内撮影装置。
5. 前記レーザー光照射手段は、鉛直軸を中心に回転可能であることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の坑内撮影装置。

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