JP2019219333A - トンネル切羽安全監視システム及びトンネル切羽安全監視方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、NATM工法による山岳トンネルの施工においては、発破(あるいは機械掘削)直後からコンクリートの二次吹付けまでの間、切羽の領域における地山がほぼ露出された状態となっている。
この支保工の建て込みを行う際、作業者が切羽に接近せざるを得ず、作業者は切羽(正確には切羽面)の崩落などの危険を有する状態下にて建て込みを行うことになる。
さらに、施工現場の安全管理においても、ICT技術を活用することで、山岳トンネルの施工における切羽の状態に対するより安全な管理手法の構築が求められている。
すなわち、トンネルの切羽面の経時的な変位を計測機器により測定し、作業者の目視では確認できない、切羽面における微少な変位を捉える。
そして、切羽監視担当者が、微少な変位が計測機器により検出することにより、肌落ちの発生を予測する等などが行え、崩落の監視の精度を上げることができる。
この手法において、レーザースキャナを用いることにより、切羽面における多くの位置の変位計測を1度のスキャンで行うことができる。
画像処理技術を用いて落石などの移動体を検出する場合、落石の検出は、切羽において崩落する岩塊が動いている可能性を示している。このため、切羽がいつ崩落しても良い状態とならないと検出されず、予測を行う際に用いるデータとして用いることができない。
計測制御サーバ40は、例えば、パーソナルコンピュータであり、振動可視化レーダー21及び22の各々から反射ビームのデータを取得し、切羽15の全面における振動及び変位を計測する。また、計測制御サーバ40は、切羽15における面の振動及び変位の各々が、それぞれに設定された振動閾値(また、振幅閾値)及び変位閾値を超えた際、警告灯などの警告通知装置51や、作業者30(掘削に用いる施工機械(掘削機械)のオペレータや坑内作業者など)の携帯するスマートフォンなどの携帯端末52に対して警告信号を送信する。
また、計測制御サーバ40は、現場詰め所や現場事務所の管理センター70に設けられたパーソナルコンピュータなどの端末71や、警告灯などの警告通知装置72に対し、無線ルーター60を介して、警告信号を送信する。また、計測制御サーバ40と、警告通知装置51、端末71及び警告通知装置72の各々とのデータの送受信は、無線あるいは有線のいずれを用いても良い。また、トンネルを掘削する作業現場以外の掘削作業に関連する部署の端末に、インターネット回線などを介して、危険信号や切羽面座標系における切羽面の状態を示す画像を送信する構成としても良い。
また、切羽面15Aに対して後方のトンネルの頂部近傍の左側壁10Lの領域に設置する。これにより、上(トンネル頂部)から下(トンネル底部)に向かって、切羽面15Aに対して計測ビームが放射される角度を有するように振動可視化レーダー21を設置しても良い。
また、本実施形態においては、振動可視化レーダー21及び振動可視化レーダー22の2台による構成を説明したが、2台に限定させるものではなく、遮蔽される状態を抑止するために複数台を配置し、切羽崩落の予測を高精度に行う構成としても良い。
本実施形態における振動可視化レーダー21及び22の各々は、DBF(Digital Beamforming)技術を用いたアンテナ多ビーム化による実開口レーダーである。以下、振動可視化レーダー21の制御を例として説明する。
計測制御サーバ40は、所定の測定周期によって、振動可視化レーダー21を制御して、複数のアンテナの各々から計測ビームをそれぞれ放射させる。そして、計測制御サーバ40は、振動可視化レーダー21からレーダー座標系における切羽面15Aの計測データを読み込む。
一方、図4(b)は、切羽面の振動及び変位を観察する際の切羽面座標系を示している。この切羽面座標系は、上記レンジ距離及びクロスレンジ角度の各々と、位相差とにより求められる、切羽面15Aの各観測点の空間座標における座標値を示している。この図4(b)において、切羽面座標系における切羽面データは、各観測点の切羽面15Aにおける位置がX軸及びY軸からなる二次元平面15H上の座標値で示され、各観測点における切羽面15Aの凹凸を示す(高さデータz)がZ軸により示されている。
すなわち、計測制御サーバ40は、レーダー座標系を、切羽面15Aの各観測点における高さデータを示す切羽面座標系に変換する処理を行う。
これら(φ1,φ2)を用いて、二次元座標系における同一の座標値(x,y)の格子状画素200において、n回目の高さデータznから、n−1回目の高さデータzn-1を減算することにより、n−1回目の計測周期と、n回目の計測周期とにおける格子状画素200の高さデータを比較することにより、格子状画素200の変位Δdを求めることができる。
また、切羽面における肌落ち現象を模擬した実験や、コンピュータシミュレーションによる解析的検討などを実施して基礎データを蓄積し、切羽崩落を予測する評価指標の基準値の設定に反映させることも可能である。
すなわち、本実施形態によれば、トンネルの掘削における切羽面を一つの面とし、この面における複数の観測点(多点)の各々の変位及び振動などの状態を、所定の周期で連続的(時系列)に測定することにより、この測定結果をそれぞれの評価指標と比較しているため、切羽面における岩塊や土砂などが動き出す前の緩み状態を推定し、切羽面の崩落の予兆を事前に検知(あるいは推定)することが可能となり、切羽近傍における作業の安全性を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、ミリ波の電波としての計測ビームを放射する振動可視化レーダーを用いることにより、切羽面での空間分解能が5cm程度の間隔(図5(a)における格子状の観測点の分解能)で計測結果が得られ、切羽面における観測点の分解能を向上させることが可能となり、切羽面における微少な変位も検出することにより、高精度に確実に切羽面の崩落の予兆を検知することができる。
また、本実施形態によれば、振動可視化レーダーが切羽後方の支保工などに取り付けられていることにより、トンネル施工に使用される施工機械及び運搬機械等の移動や、トンネル内における各種配管や配線設備等の設置等への障害とはならず、かつ振動可視化レーダーによる計測が可能な距離内であれば、トンネル切羽面の進行とともに振動可視化レーダーを移動する必要はなく、振動可視化レーダーを含むトンネル切羽安全監視システムの各々の装置の設置に要する時間及び人手を省略することが可能である。
また、本実施形態によれば、計測制御サーバにより取得された切羽面の観測における計測データを、データベースなどに電子データとして保存しておくことにより、後に行う他の地山でのトンネル工事における切羽崩落の予知の精度向上に資する基礎資料として活用することが可能となる。
Claims (9)
- 掘削を行うトンネルの切羽の状態を監視するトンネル切羽安全監視システムであり、
前記切羽の全面が計測ビームの照射範囲に含まれる位置に配置された振動可視化レーダーと、
前記切羽の切羽面からの前記計測ビームに対する反射ビームの計測結果から前記切羽面の全面の変位を検出する変位検出サーバと
を備えることを特徴とするトンネル切羽安全監視システム。 - 複数の前記振動可視化レーダーが前記切羽面に前記計測ビームを照射可能な前記トンネルの内周面に設けられている
ことを特徴とする請求項1に記載のトンネル切羽安全監視システム。 - 前記変位検出サーバが、
複数の前記振動可視化レーダーのレーダー座標系から生成した、前記切羽面の所定の位置各々の凹凸を示す切羽面座標系を合成して生成する際、前記レーダー座標系において前記切羽近傍にある掘削用機械により前記計測ビームが遮蔽されて欠損した領域を、それぞれ他のレーダー座標系により補完して合成する
ことを特徴とする請求項2に記載のトンネル切羽安全監視システム。 - 前記振動可視化レーダーの放射する前記計測ビームの各々が、それぞれ異なる周波数の電波が用いられている
ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載のトンネル切羽安全監視システム。 - 前記振動可視化レーダーが第1振動可視化レーダー及び第2振動可視化レーダーの各々であり、前記トンネルの左右の側壁にそれぞれ設けられ、前記計測ビームの放射方向が前記切羽の面である前記切羽面に向けられている
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のトンネル切羽安全監視システム。 - 前記振動可視化レーダーが、前記トンネルの坑内に設けられた前記切羽面の近傍の支保工に固定された取り付け部材に備えられている
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のトンネル切羽安全監視システム。 - 前記取り付け部材がロックボルトの頭部に取り付けた釣り下げ部材に懸架された配置台である
ことを特徴とする請求項6に記載のトンネル切羽安全監視システム。 - 前記計測ビームの放射方向が前記切羽面に対して所定の角度を有するように、前記振動可視化レーダーを配置する
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のトンネル切羽安全監視システム。 - 掘削を行うトンネルの切羽の状態を監視するトンネル切羽安全監視方法であり、
前記切羽の全面が計測ビームの照射範囲に含まれる位置に配置された振動可視化レーダーから前記計測ビームを放射する過程と、
前記切羽の切羽面からの前記計測ビームに対する反射ビームの計測結果から前記切羽面の全面の変位を検出する過程と
を含むことを特徴とするトンネル切羽安全監視方法。
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