JP2019015040A - 掘削支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】客観的に実際の切羽形状と設計上の切羽形状との比較を行えるだけでなく、掘削不足領域を示すマーカーを作業者が容易に認識できるように切羽に直接投影表示でき、掘削作業を適切に支援できる掘削支援システムの提供。【解決手段】トンネルの切羽形状を測定する測定手段と、この測定手段による測定時の切羽形状及び予め記録した設計上の切羽形状を比較し、その差分から算出した掘削の過不足度合いに応じて設計上の切羽形状に比べて掘削量が不足している掘削不足領域を検出する比較検出手段とを備えた掘削支援システムであって、前記掘削不足領域であることを示すマーカーを、切羽に直接投影して表示するマーカー表示手段を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、掘削支援システムに関するものである。

トンネルを掘削する際、掘削先端である切羽の形状が、設計している形状（計画断面）通りに掘削できているか否かの確認は、従来は作業者の目視で行っていた。

しかし、客観的な判断基準がないため誤差が生じ、これにより種々の問題が生じていた。即ち、アタリ（掘削が足りない状態）のまま次工程に進むと、吹付コンクリートまたは覆工コンクリートの厚さ不足の問題が生じたり、これを防ぐための手戻り作業（掘削のやり直し）が生じる。一方、過掘り（掘削し過ぎた状態）となるとズリ出しの作業量が増え施工コストの増大に繋がる。

そこで、目視に代えて、例えば特許文献１に開示されるように、所定のタイミングで切羽形状を３Ｄスキャナを用いて計測し、基準データと比較して掘削の過不足を検出する技術が提案されているが、計測時に作業を中断する必要があるなど、未だ作業者にとって扱い易い技術とは言い難く、更なる改良が要望されているのが現状である。

特許第５５００７０９号公報

本発明は、上述のような現状に鑑みなされたもので、客観的に実際の切羽形状と設計上の切羽形状との比較を行えるだけでなく、掘削不足領域を示すマーカーを作業者が容易に認識できるように切羽に直接投影表示でき、掘削作業を適切に支援できる極めて実用性に秀れた掘削支援システムを提供するものである。

本発明の要旨を説明する。

トンネルの切羽形状を測定する測定手段と、この測定手段による測定時の切羽形状及び予め記録した設計上の切羽形状を比較し、その差分から算出した掘削の過不足度合いに応じて設計上の切羽形状に比べて掘削量が不足している掘削不足領域を検出する比較検出手段とを備えた掘削支援システムであって、前記掘削不足領域であることを示すマーカーを、切羽に直接投影して表示するマーカー表示手段を備えたことを特徴とする掘削支援システムに係るものである。

また、トンネルの切羽形状を測定する測定手段と、この測定手段による測定時の切羽形状及び予め記録した設計上の切羽形状を比較し、その差分から算出した掘削の過不足度合いに応じて設計上の切羽形状に比べて掘削量が不足している掘削不足領域を検出する比較検出手段とを備えた掘削支援システムであって、前記掘削不足領域であることを示すマーカーを、前記掘削機に設けた表示部に表示される切羽に重ねて表示するマーカー表示手段を備えたことを特徴とする掘削支援システムに係るものである。

また、請求項１記載の掘削支援システムにおいて、前記マーカー表示手段は前記切羽にプロジェクションマッピングを行うプロジェクターを含むことを特徴とする掘削支援システムに係るものである。

また、請求項１〜３いずれか１項に記載の掘削支援システムにおいて、前記マーカー表示手段は、前記掘削不足領域の掘削不足度合いに応じて色分けされたマーカーを表示するように構成されていることを特徴とする掘削支援システムに係るものである。

また、請求項１〜４いずれか１項に記載の掘削支援システムにおいて、前記マーカー表示手段は、前記測定手段及び前記比較検出手段によりリアルタイムに得られる比較検出結果に基づいてリアルタイムにマーカー表示を更新するように構成されていることを特徴とする掘削支援システムに係るものである。

また、請求項１〜５いずれか１項に記載の掘削支援システムにおいて、前記測定手段は、前記掘削機に取り付けられるものであることを特徴とする掘削支援システムに係るものである。

また、請求項１〜６いずれか１項に記載の掘削支援システムにおいて、前記測定手段はステレオ計測により切羽形状を三次元測定するものであることを特徴とする掘削支援システムに係るものである。

本発明は上述のように構成したから、客観的に実際の切羽形状と設計上の切羽形状との比較を行えるだけでなく、掘削不足領域を示すマーカーを作業者が容易に認識できるように切羽に直接投影表示でき、掘削作業を適切に支援できる極めて実用性に秀れた掘削支援システムとなる。

本実施例の概略説明図である。 トンネル掘削工程を示すフローチャートである。

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

トンネルを掘削する際、切羽形状が測定され設計上の切羽形状と比較されて掘削不足領域を示すマーカーが切羽に直接投影される。従って、このマーカーが表示された部分を掘削する必要があることが作業を中断することなく一目で認識でき（表示されていない部分は掘削不要である）、例えばマーカーがリアルタイムに更新表示されるように構成した場合には、切羽に投影されるマーカーがなくなるように掘削するだけで掘削作業を完了することが可能となる。

また、切羽に直接投影するのではなく、掘削機に設けた表示部に表示される切羽に重ねてマーカーを表示するようにすれば、作業者はこの表示部を見ながら作業を行うだけで良い。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、トンネルの切羽形状を測定する測定手段と、この測定手段による測定時の切羽形状及び予め記録した設計上の切羽形状を比較し、その差分から算出した掘削の過不足度合いに応じて設計上の切羽形状に比べて掘削量が不足している掘削不足領域を検出する比較検出手段とを備えた掘削支援システムであって、前記掘削不足領域であることを示すマーカーを、切羽に直接投影して表示するマーカー表示手段を備えたものである。

本実施例は、公知のトンネル掘削方法、即ち、掘削、ズリ出し、アタリ取り、覆工の各工程を含む施工サイクルを繰り返し行ってトンネルの掘削を行う際に用いられるもので、掘削工程における掘削作業者を補助・支援するために用いられる。掘削作業者は、掘削ショベル等の掘削機を用いて切羽を掘削する。

図１は本実施例の概略説明図であり、図中、符号１は掘削機、２は切羽（面）、３は吹付コンクリート、４はプロジェクター、５は操縦席、６は測定手段（ステレオカメラ）である。

各部を具体的に説明する。

測定手段６としては、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、ステレオカメラ（ステレオ計測用カメラ）、レーザースキャナ、３Ｄスキャナ等、切羽形状を三次元測定できればどのようなものを採用しても良い。本実施例ではステレオカメラを採用している。

比較検出手段としては、不図示のＰＣ（パーソナルコンピュータ）を用い、測定手段で測定した切羽形状の三次元形状を取り込んで、画像処理ソフトにより、予め記録されている設計上の切羽形状（計画断面）の三次元形状と比較し、座標ごとに掘削の過不足度合いを算出して各座標（領域）の掘削の過不足を判定することができるように構成している。そして、掘削量が不足している座標（領域）を掘削不足領域と判定して検出する。ＰＣと測定手段とは接続してもしなくても良いが、リアルタイムでマーカーを更新表示する場合もあるため、接続する方が好ましい。

マーカー表示手段としては、ＰＣに接続される映像光（マーカー）を照射するプロジェクター４とＰＣ中のプロジェクションマッピングソフトを採用できる。このプロジェクションマッピングソフトにより切羽の掘削不足領域と判定された部分に直接マーカーを投影表示するように設定する。即ち、画像処理ソフト中で掘削不足領域と判定された部分に対応する現実の切羽の前記切削不足領域に相当する部分にマーカーを表示する。図中、符号Ｘはマーカー表示部である。

マーカーは視認し易いように赤色等、切羽２（地山）の色とは明らかに異なる色とするのが好ましい。また、マーカーは領域の外形線だけを表示するのではなく、領域全体に重ねて表示するようにするのが好ましい。プロジェクター４により切羽２にプロジェクションマッピングすることで、作業者の掘削機１による掘削作業を極めて効率的に支援できる。

また、比較検出手段及びマーカー表示手段は、掘削し過ぎた部分を掘削過剰領域として検出し、掘削不足領域とは異なる色のマーカーで切羽に直接投影表示する構成としても良い。この場合、掘り過ぎを抑制することが可能となる。

更に、マーカー表示手段は、前記測定手段及び前記比較検出手段によりリアルタイムに得られる比較検出結果に基づいてリアルタイムにマーカー表示を更新するように構成されている。プロジェクションマッピングソフトを用いて比較検出手段による検出結果に応じてリアルタイムにマーカーの表示箇所を更新することで、作業効率を飛躍的に向上させることが可能となる。なお、リアルタイムに限らず、所定の時間間隔（例えば３０秒おき等）で測定・更新する構成としても良い。

また、マーカー表示手段は、前記掘削不足領域の掘削不足度合いに応じて色分けされたマーカーを表示するように構成しても良い。この場合、例えば掘削不足度合いを掘削不足量に応じて５〜１０段階程度に分け、段階毎に色を変えて表示するように構成すると良い。

また、測定手段６は、前記掘削機１に取り付けられるもの（例えば掘削機１の上面に設置できるもの）を採用すると、トンネル内で作業スペースを確保し易くなり、測定時の設置・撤去作業を省略できる。また、リアルタイムに切羽形状を測定することも容易となる。

以上の構成の本実施例を用いたトンネル掘削工程を図２に示す。即ち、予めＰＣに計画断面（設計上の切羽形状）を取り込み、測定手段により現実の切羽形状を測定しＰＣに取り込み三次元データを取得した後、これらを比較して差分から掘削の過不足度合い（アタリ・余堀り）を算出して切削不足領域を検出し、現実の切羽の切削不足領域にマーカーをプロジェクションマッピング照射により投影し、このマーカーを目安に逐次掘削を行うことで、良好に掘削作業を行えることになる。

なお、本実施例は上述のように構成しているが、マーカーを切羽２に直接投影するのではなく、掘削機１に設けた表示部に表示される切羽に重ねて表示するようにして、作業者はこの表示部を見ながら作業を行うようにしても良い。この場合、マーカー表示手段は、掘削機１の操縦席５に設ける表示部（ディスプレイ）、及び、表示部と接続されるＰＣの比較検出手段による比較検出結果に基づいてマーカー表示部位を決定し表示部中の切羽に重ねて表示する画像処理ソフトで構成する。また、直接投影及び表示部への表示の双方を行う構成としても良い。

本実施例は上述のように構成したから、トンネルを掘削する際、切羽形状が測定され設計上の切羽形状と比較されて掘削不足領域を示すマーカーが切羽に直接投影される。従って、このマーカーが表示された部分を掘削する必要があることが作業を中断することなく一目で認識でき（表示されていない部分は掘削不要である）、例えばマーカーがリアルタイムに更新表示されるように構成した場合には、切羽に投影されるマーカーがなくなるように掘削するだけで掘削作業を完了することが可能となる。

よって、本実施例は、客観的に実際の切羽形状と設計上の切羽形状との比較を行えるだけでなく、掘削不足領域を示すマーカーを作業者が容易に認識できるように切羽に直接投影表示でき、掘削作業を適切に支援できる極めて実用性に秀れたものとなる。

Claims (7)

1. トンネルの切羽形状を測定する測定手段と、この測定手段による測定時の切羽形状及び予め記録した設計上の切羽形状を比較し、その差分から算出した掘削の過不足度合いに応じて設計上の切羽形状に比べて掘削量が不足している掘削不足領域を検出する比較検出手段とを備えた掘削支援システムであって、前記掘削不足領域であることを示すマーカーを、切羽に直接投影して表示するマーカー表示手段を備えたことを特徴とする掘削支援システム。
2. トンネルの切羽形状を測定する測定手段と、この測定手段による測定時の切羽形状及び予め記録した設計上の切羽形状を比較し、その差分から算出した掘削の過不足度合いに応じて設計上の切羽形状に比べて掘削量が不足している掘削不足領域を検出する比較検出手段とを備えた掘削支援システムであって、前記掘削不足領域であることを示すマーカーを、前記掘削機に設けた表示部に表示される切羽に重ねて表示するマーカー表示手段を備えたことを特徴とする掘削支援システム。
3. 請求項１記載の掘削支援システムにおいて、前記マーカー表示手段は前記切羽にプロジェクションマッピングを行うプロジェクターを含むことを特徴とする掘削支援システム。
4. 請求項１〜３いずれか１項に記載の掘削支援システムにおいて、前記マーカー表示手段は、前記掘削不足領域の掘削不足度合いに応じて色分けされたマーカーを表示するように構成されていることを特徴とする掘削支援システム。
5. 請求項１〜４いずれか１項に記載の掘削支援システムにおいて、前記マーカー表示手段は、前記測定手段及び前記比較検出手段によりリアルタイムに得られる比較検出結果に基づいてリアルタイムにマーカー表示を更新するように構成されていることを特徴とする掘削支援システム。
6. 請求項１〜５いずれか１項に記載の掘削支援システムにおいて、前記測定手段は、前記掘削機に取り付けられるものであることを特徴とする掘削支援システム。
7. 請求項１〜６いずれか１項に記載の掘削支援システムにおいて、前記測定手段はステレオ計測により切羽形状を三次元測定するものであることを特徴とする掘削支援システム。