JP2020090798A - 計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】掘り残し部分の立体的な表面形状をリアルタイムに計測できる計測システムを提供する。【解決手段】ニューマチックケーソン工法により埋設されるケーソン底部の作業室の周縁部の掘り残し部分の表面形状をリアルタイムに計測する計測システム４０は、掘削機の旋回体の旋回角をリアルタイムに計測する旋回角計測器６２と、掘削機の旋回体に設けられ、作業室の周縁に向けてレーザー光を照射することによってレーザー光の入射箇所までの距離とレーザー光の照射方向の仰俯角とをリアルタイムに計測する距離・仰俯角計測器６３と、旋回角計測器６２及び距離・仰俯角計測器６３の計測値から掘り残し部分の表面上又は前記作業室の内周面若しくは天井面上の点の位置をリアルタイムに算出するコンピュータ４１と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されるケーソン周壁の下部となる基部内側に形成される作業室の周縁部の掘り残し部分の表面形状をリアルタイムに計測する計測システムに関する。

ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されるケーソンの周壁の下部の内側には作業室が形成されており、その作業室の気圧が高圧に制御されることによって、作業室の地面における地下水の浸入が防止されている。作業室の天井面にはレールが設置されており、そのレールに沿って走行可能な掘削機によって作業室の地面を掘削する。そうすると、ケーソン周壁が地盤から受ける抵抗力が低下し、ケーソン周壁が沈下する。

地盤からケーソン周壁に付与される抵抗力は、地盤の形状、特に作業室の周縁の掘り残し部分によって囲われた開口の形状及びその面積に依存する。開口の形状及びその面積を計測すれば、抵抗力も推定でき、ひいてはケーソンの沈下状態も予測することができる。掘り残し部分の開口の形状及び面積を計測する技術として、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示されているように、レーザー式の測定器が掘削機の前部に設けられており、レーザー光が計測器によって照射され、計測器から計測対象物までの距離がこの計測器によって計測される。この計測器はレーザー光を上下方向に揺動させるものであり、レーザー光の照射方向の仰俯角も計測できる。ところが、距離と仰俯角だけでは二次元の情報となり、開口の形状を三次元的にリアルタイムに計測することができない上、開口の面積もリアルタイムに計測することができない。

特開２０１７−８２４６３号公報

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、掘り残し部分の立体的な表面形状をリアルタイムに計測できる計測システムを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されるケーソン周壁の下部となる基部の内側の作業室の天井面となるスラブの下面に設けられた掘削機によって前記作業室の周縁部の地面下の掘り残し部分を掘削する際に、その掘り残し部分の表面形状をリアルタイムに計測する計測システムは、前記掘削機の旋回体の旋回角をリアルタイムに計測して、その計測値を出力する旋回角計測器と、前記掘削機の旋回体に設けられ、前記作業室の周縁に向けてレーザー光を照射しながら前記レーザー光を上下方向に偏向することによって、前記レーザー光の入射箇所までの距離と前記レーザー光の照射方向の仰俯角とをリアルタイムに計測し、その計測値を出力する距離・仰俯角計測器と、前記旋回角計測器及び前記距離・仰俯角計測器によって出力される計測値を入力し、これらの計測値から前記掘り残し部分の表面上又は前記作業室の内周面若しくは天井面上の点の位置をリアルタイムに算出するコンピュータと、を備える。

以上によれば、距離及び仰俯角が距離・仰俯角計測器によってリアルタイムに計測され、旋回角が旋回角計測によってリアルタイムに計測され、掘り残し部分の表面上又は作業室の内周面若しくは天井面上の点の位置が距離、仰俯角及び旋回角からリアルタイムに算出されるため、掘り残し部分の表面の立体的な形状をリアルタイムに計測することができる。それゆえ、掘削中に掘り残し部分の表面形状が変化しても、変化後の形状に即座に対応できる。

複数台の前記距離・仰俯角計測器が前記掘削機の旋回体に設けられ、前記コンピュータが、前記距離・仰俯角計測器ごとに、前記掘り残し部分の表面上又は前記作業室の内周面若しくは天井面上の点の位置をリアルタイムに算出する。

以上によれば、何れかの距離・仰俯角計測器によって照射されるレーザー光が障害物に入射したものとしても、他の距離・仰俯角計測器の計測値に基づいて掘り残し部分の表面形状をリアルタイムに計測することができる。

２台の前記距離・仰俯角計測器が前記掘削機のブームの左側及び右側にそれぞれ設けられているとともに、前記掘削機の掘削箇所の左側及び右側にそれぞれ前記レーザー光を照射し、前記コンピュータが、前記距離・仰俯角計測器ごとに、前記掘り残し部分の表面上又は前記作業室の内周面若しくは天井面上の点の位置をリアルタイムに算出する。

以上によれば、２台の距離・仰俯角計測器がブームの左側及び右側にそれぞれ設けられているため、掘削機の旋回体の旋回方向が右旋回と左旋回の一方のみの場合でも、２台の距離・仰俯角計測器の少なくとも一方に照射されたレーザー光が確実に掘り残し部に入射し得る。

前記計測システムは、前記スラブの下面に沿って移動する前記掘削機の位置をリアルタイムに計測して、その計測値を出力する位置計測器と、前記作業室の内周面及び天井面上の各点の位置を表した内面形状データを記憶した記憶部と、を更に備え、前記コンピュータが、前記旋回角計測器及び前記距離・仰俯角計測器の計測値に加えて、前記位置計測器の計測値を入力し、前記位置計測器、前記旋回角計測器及び前記距離・仰俯角計測器の計測値から前記掘り残し部分の表面上又は前記作業室の内周面若しくは天井面上の点の位置をリアルタイムに算出し、その算出した点の位置を、前記内面形状データの各点の位置と対比することによって、その算出した点の位置が前記掘り残し部分の表面上の点と前記作業室の内周面又は天井面上の点との何れの位置であるかを判別する。

以上によれば、掘り残し部分の表面形状と作業室の内周面の形状を識別することができる。

本発明によれば、掘り残し部分の表面の立体的な形状をリアルタイムに計測することができる。

ニューマチックケーソン工法によって地盤に沈下するケーソンの下部を示した鉛直断面図である。 掘削機の正面図である。 計測システムのブロック図である。 計測システムのコンピュータによって実行される処理の流れを示したフローチャートである。 計測システムの表示デバイスに表示される画面の一例を示したものである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

１． ニューマチックケーソン工法
図１は、ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されたケーソン１０の底部の断面図である。ケーソン１０は、軸線が上下方向に延びる筒状の周壁１１を備える。その軸線に直交する周壁１１の断面形状は例えば円形状、小判状又は四角形状である。周壁１１の下部となる基部１２の内周面１３が内側に傾斜することによって基部１２の厚さが下に向かうにつれて漸減し、これにより基部１２の下端に刃口部１４が形成されている。基部１２の内側の下端よりも上の位置にはスラブ１５が設けられており、周壁１１の内側の空間がスラブ１５によってスラブ１５の下側の作業室１７とスラブ１５の上側の空間に区切られている。作業室１７は、周囲の内周面１３と、上側の天井面（スラブ１５の下面）１６と、下側の地面１とによって囲われている。

筒状のマンシャフト１８及びマテリアルシャフト１９がスラブ１５を貫通して、作業室１７と地上がマンシャフト１８及びマテリアルシャフト１９によって連通している。また、高圧空気が地上のコンプレッサから送気管２０によって作業室１７に供給され、作業室１７内が高気圧に制御される。そのため、地面１から作業室１７内への地下水の浸入が防止される。

作業室１７の天井面１６にはガイドレール２５が設置され、掘削機３０がガイドレール２５に沿って走行する。例えば、ガイドレール２５は、周壁１１の径方向に沿って直線状に又は周壁１１の周方向に沿って環状に設置されている。

図２は、掘削機３０の正面図である。図１及び図２に示すように、掘削機３０は走行体３１、旋回体３２、ブーム３３及びバケット３４を有する。走行体３１はガイドレール２５に懸下した状態に取り付けられ、ガイドレール２５に沿って走行する。旋回体３２は走行体３１に取り付けられ、油圧モータ等によって走行体３１に対して相対的に旋回する。旋回体３２の旋回軸はケーソン１０の高さ方向に対して平行であるとともに、ガイドレール２５の延在方向に対して垂直である。ブーム３３は旋回体３２に取り付けられ、油圧シリンダ等によって旋回体３２に対して相対的に上下に傾動する。また、ブーム３３は油圧シリンダ等によって伸縮する。バケット３４はブーム３３の先端に取り付けられ、ブーム３３に対して相対的に上下に回転する。また、バケット３４は、ブーム３３の長手方向に平行な軸周りに、ブーム３３に対して相対的に左右に傾動する。なお、ブーム３３が伸縮式ではなく、その長さが一定であってもよい。

掘削機３０は、無線式又は有線式のリモートコントローラによって遠隔操作される。従って、作業員は作業室１７の外から、リモートコントローラによって走行体３１の走行、旋回体３２の旋回、ブーム３３の傾動、ブーム３３の伸縮、バケット３４の回転等の操縦が行える。掘削機３０や作業室１７には、掘削機３０及び地面１の観察用のカメラ９０が設置され、そのカメラ９０によって撮影される映像が作業室１７の外に設置されたディスプレイにリアルタイムに表示される。なお、作業員が、後述のように計測される掘り残し部分２の表面形状や各種のデータ（沈下量、刃先抵抗力、周面摩擦及び作業室１７内の気圧等）を元に総合的に判断しながら、作業室１７内にて掘削機３０を操縦してもよい。

作業員が掘削機３０を操縦して、地面１を、特に作業室１７の内周面１３の近傍の掘り残し部分２を掘削して、旋回体３２を旋回させて、土砂を掘削箇所周辺の土砂バケット（図示略）に積み込む。そうすると、地面１と作業室１７の内周面１３との間の境界線３が下降するとともに、地盤から基部１２に作用する抵抗力（以下、刃先抵抗力という）が減少する。そのため、ケーソン１０の自重等によってケーソン１０が沈下する。ケーソン１０の沈下に伴い掘り残し部分２が隆起して、刃先抵抗力が上昇する。刃先抵抗力等がケーソン１０の自重等とほぼ釣り合ったところで、ケーソン１０の沈下が停止する。掘り残し部分２とは、作業室１７の周縁部の地面１下の土砂ことをいい、掘り残し部分２を土砂サンドルと称呼することもある。

ニューマチックケーソン工法の施工中にケーソン１０の沈下状態をリアルタイムに正確に把握するためには、刃先抵抗力及びその分布が重要な指標になる。刃先抵抗力及びその分布は、掘り残し部分２の表面形状、特に境界線３の形状に依存する。そこで、図３に示す計測システム４０を用いて、掘り残し部分２の表面形状及び境界線３の立体的な形状をリアルタイムに計測する。ここで、ケーソン１０の沈下状態とは、ケーソン１０が沈下していること、その沈下が停止していること、ケーソン１０が傾いていること等をいう。刃先抵抗力の分布とは、基部１２の周方向に沿った分布のことをいう。境界線３は掘り残し部分２の稜線となる。

２． 計測システム
計測システム４０は、コンピュータ４１、記憶部４２、表示デバイス５１、入力デバイス５２、位置計測器６１、旋回角計測器６２及び距離・仰俯角計測器６３，６４，６５を備える。

コンピュータ４１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、バス及びハードウェアインタフェース等を有する。

記憶部４２は、半導体メモリ又はハードディスクドライブ等からなる記憶装置である。記憶部４２には、コンピュータ４１によって読取可能且つ実行可能なプログラム４３が格納されている。コンピュータ４１の機能及び演算処理は、プログラム４３によって実現される。

また、記憶部４２には、内面形状データ４４が予め格納されている。内面形状データ４４は、作業室１７の内周面１３及び天井面１６の立体的な形状の設計データである。内面形状データ４４は、作業室１７の内周面１３及び天井面１６の立体的な形状を表現するために、内周面１３及び天井面１６上の各点の位置を三次元座標系によって定義するものである。その三次元座標系は直交座標系であり、三次元座標系の座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）が互いに直交し、内周面１３及び天井面１６上の各点の位置は、Ｘ座標値、Ｙ座標値及びＺ座標値によって表される。その三次元座標系はケーソン１０を基準としたものであり、図１に示すように、Ｚ軸が周壁１１の軸線に対して平行であり、Ｘ軸及びＹ軸は天井面１６及び刃口部１４に対して平行である。ＸＹ座標値は、天井面１６、刃口部１４及びガイドレール２５に対して平行な面内における二次元的な位置を表す。Ｚ軸の正の向きは上向きであり、Ｚ座標値は高さを表す。以下、この三次元座標系を絶対座標系という。絶対座標系はワールド座標系ともいう。

また、記憶部４２には、表面形状データ４５が記録される。表面形状データ４５は、掘り残し部分２の表面の立体的な形状を表現するために、掘り残し部分２の表面上の各点の位置を絶対座標系によって定義するものである。表面形状データ４５は掘り残し部分２の表面上の各点の位置は、絶対座標系のＸＹＺ座標値によって表される。表面形状データ４５は、掘削機３０による掘り残し部分２の掘削の進捗に従ってコンピュータ４１によって更新されるリアルタイムのデータである。なお、表面形状データ４５はコンピュータ４１のＲＡＭに格納されるものとしてもよい。

表示デバイス５１は、例えば液晶ディスプレイデバイス、有機ＥＬディスプレイデバイス又はプロジェクタである。コンピュータ４１が演算処理によって映像信号を生成し、その映像信号を表示デバイス５１に出力する。そうすると、映像信号に従った画面が表示デバイス５１に表示される。

入力デバイス５２は、例えばスイッチ、キーボード若しくはポインティングデバイス又はこれらの組み合わせである。入力デバイス５２は、表示デバイス５１の表面に設けられたタッチパネルであってもよい。入力デバイス５２は、操作されると操作内容に応じた信号をコンピュータ４１に出力する。

上記コンピュータ４１、記憶部４２、表示デバイス５１及び入力デバイス５２は作業室１７の外に、例えば地上の管理室に設置されている。

位置計測器６１はガイドレール２５又は走行体３１に設けられている。位置計測器６１は、掘削機３０、特に走行体３１の位置をリアルタイムで計測する。具体的には、位置計測器６１は、走行体３１の回転軸（例えば、車輪の軸、油圧モータの軸等）の回転変位により生じるパルスの数を計数して、その計数値から位置をリアルタイムで演算するロータリーエンコーダー式計測器である。位置計測器６１は、無線又は有線等によって計測値をコンピュータ４１に出力する。位置計測器６１の計測値はコンピュータ４１によって絶対座標系のＸＹＺ座標値に変換されて、走行体３１の位置がＸＹＺ座標値によって表される。ガイドレール２５が天井面１６に対して平行であるため、走行体３１のＺ座標値は一定である。更にガイドレール２５がＸ軸に対して平行である場合には、走行体３１のＹ座標値が一定であり、ガイドレール２５がＹ軸に対して平行である場合には、走行体３１のＸ座標値が一定である。

旋回角計測器６２は走行体３１又は旋回体３２に設けられている。旋回角計測器６２は、旋回体３２の旋回角をリアルタイムで計測する。具体的には、旋回角計測器６２は、旋回体３２の旋回軸の回転変位により生じるパルスの数を計数して、その計数値から旋回角をリアルタイムで演算するロータリーエンコーダー式計測器である。旋回角計測器６２は、無線又は有線等によって計測値をコンピュータ４１に出力する。旋回角計測器６２の計測値は、コンピュータ４１によって後述の各距離・仰俯角計測器６３〜６５の水平角に換算される。ここで、距離・仰俯角計測器６３はレーザー光を照射するものであり、距離・仰俯角計測器６３の水平角とは、位置計測器６１によって計測された位置における距離・仰俯角計測器６３のレーザー光照射方向の水平角をいう。距離・仰俯角計測器６４，６５についても同様である。

図２に示すように、掘削機３０の正面から見て、距離・仰俯角計測器６３はブーム３３の基部の右脇において旋回体３２の前部に取り付けられ、距離・仰俯角計測器６４はブーム３３の基部の左脇において旋回体３２の前部に取り付けられている。距離・仰俯角計測器６３，６４は、それらによって照射されるレーザー光がバケット３４に入射することがなく、レーザー光を前方に照射するように取り付けられている。距離・仰俯角計測器６３，６４がブーム３３及びバケット３４の右側と左側にそれぞれ配置されているため、距離・仰俯角計測器６３，６４の少なくとも一方に照射されたレーザー光が確実に掘り残し部２に入射し得る。例えば、旋回体３２の旋回方向が右旋回と左旋回の一方のみの場合でも、距離・仰俯角計測器６３，６４の少なくとも一方に照射されたレーザー光が確実に掘り残し部２に入射し得る。また、例えば、旋回体３２の旋回中に、距離・仰俯角計測器６３，６４のうち一方から照射されたレーザー光が障害物（例えば、掘削箇所の周囲にある土砂バケット）に入射した場合でも、他方から照射されたレーザー光が掘り残し部２に入射し得る。
図１に示すように、距離・仰俯角計測器６５は旋回体３２の後部に取り付けられている。
なお、掘削機３０の前方及び後方以外の方向（例えば、左方、右方等）にレーザー光を照射する距離・仰俯角計測器を旋回体３２に設置してもよい。

距離・仰俯角計測器６３は、レーザー光を前方の作業室１７の周縁に向けて照射しつつ、レーザー光をＺ軸に平行な平面内で上下方向に偏向させ、これにより周囲の物体の表面をレーザー光で上下方向に走査する。従って、距離・仰俯角計測器６３は、レーザー光の照射方向の仰俯角をリアルタイムで計測するとともに、距離・仰俯角計測器６３から周囲の物体の表面のうちレーザー光の入射箇所までの距離をリアルタイムで計測する。周囲の物体の表面とは、作業室１７の内周面１３及び天井面１６並びに掘り残し部分２の表面等のことをいう。

距離・仰俯角計測器６４も距離・仰俯角計測器６３と同様に仰俯角及び距離を計測する。ここで、距離・仰俯角計測器６３，６４がブーム３３の基部の左右両側にそれぞれ設けられているため、距離・仰俯角計測器６３，６４から出射するレーザー光は掘削機３０による掘削箇所の左側及び右側それぞれにおいて掘り残し部分２の表面又は作業室１７の内周面１３に入射する。従って、距離・仰俯角計測器６３，６４から作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６又は掘り残し部分２の表面までの間に障害物が無ければ、距離・仰俯角計測器６３，６４の計測値が互いにほぼ等しい。

距離・仰俯角計測器６３の計測周期と距離・仰俯角計測器６４の計測周期が互いに等しい上、同期している。距離・仰俯角計測器６３の走査周期と距離・仰俯角計測器６４の走査周期が互いに等しい上、同期している。そのため、距離・仰俯角計測器６３による計測仰俯角と距離・仰俯角計測器６４による計測仰俯角はそれらの計測タイミングが同一であれば、互いに等しい。ここで、計測周期とは、距離及び仰俯角を１回計測するのに要する時間のことをいう。走査周期とは、走査範囲をレーザー光で１回走査するのに要する時間のことをいう。

距離・仰俯角計測器６５はレーザー光を後方の作業室１７の周縁に向けて照射し、距離・仰俯角計測器６５も距離・仰俯角計測器６３と同様に仰俯角及び距離を計測する。距離・仰俯角計測器６５から出射したレーザー光は、掘削機３０の後方の掘り残し部分２の表面又は作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６に入射する。

同一タイミングで計測した旋回角計測器６２の計測値（つまり、水平角）と距離・仰俯角計測器６３の計測値（つまり、距離及び仰俯角）を組み合わせれば、距離・仰俯角計測器６３の位置を原点とした極座標系（球座標系）の座標値に換算することができる。その極座標系の座標値は、距離・仰俯角計測器６３の位置を原点とした直交座標系の座標値に換算することができる。従って、同一タイミングの旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６３の計測値との組合せは、コンピュータ４１によって直交座標系の座標値に換算される。以下、その直交座標系を相対座標系といい、相対座標系のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸はそれぞれ絶対座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して平行である。相対座標系はローカル座標系ともいう。その相対座標系の座標値は、周囲の物体の表面（つまり、作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６又は掘り残し部分２の表面等）上の点（つまり、レーザー光の入射箇所）の位置を表す。

上述のように、絶対座標系における走行体３１の座標値及び距離・仰俯角計測器６３の座標値が位置計測器６１の計測値から換算されるため、位置計測器６１の計測値を利用して相対座標系の座標値を絶対座標系の座標値に換算することができる。従って、その相対座標系の座標値は、コンピュータ４１によって位置計測器６１の計測値に基づいて絶対座標系の座標値に換算される。その絶対座標系の座標値は、周囲の物体の表面（つまり、作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６又は掘り残し部分２の表面等）上の点（つまり、レーザー光の入射箇所）の位置を表す。

同様に、同一タイミングの旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６４の計測値との組合せはコンピュータ４１によって相対座標系の座標値に換算されとともに、その相対座標系の座標値はコンピュータ４１によって位置計測器６１の計測値に基づいて絶対座標系の座標値に換算される。
同様に、同一タイミングの旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６５の計測値との組合せはコンピュータ４１によって相対座標系の座標値に換算されとともに、その相対座標系の座標値はコンピュータ４１によって位置計測器６１の計測値に基づいて絶対座標系の座標値に換算される。

ここで、距離・仰俯角計測器６３，６４から作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６又は掘り残し部分２の表面までの間に障害物が無ければ、旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６４の計測値との組合せから換算される絶対座標系のＺ座標値は、旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６３の計測値との組合せから換算される絶対座標系のＺ座標値に等しい。これは、距離・仰俯角計測器６３のレーザー光の走査と距離・仰俯角計測器６４のレーザー光の走査は互いに同期するためである。

距離・仰俯角計測器６３から作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６又は掘り残し部分２の表面までの間に障害物が存在し、距離・仰俯角計測器６４から作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６又は掘り残し部分２の表面までの間に障害物が存在しないものとする。その場合、旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６４の計測値との組合せから換算される絶対座標系のＺ座標値は、旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６３の計測値との組合せから換算される絶対座標系のＺ座標値よりも小さい。そうした場合、旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６４の計測値との組合せから換算される絶対座標系の座標値がコンピュータ４１によって採用される。これにより、障害物の表面形状が誤って掘り残し部分２の表面形状として計測されることを防止できる。

一方、距離・仰俯角計測器６３から作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６又は掘り残し部分２の表面までの間に障害物が存在せず、距離・仰俯角計測器６４から作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６又は掘り残し部分２の表面までの間に障害物が存在したとする。その場合、旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６４の計測値との組合せから換算される絶対座標系のＺ座標値は、旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６３の計測値との組合せから換算される絶対座標系のＺ座標値よりも大きい。そうした場合、旋回角計測器６２の計測値と距離・仰俯角計測器６３の計測値との組合せから換算される絶対座標系の座標値がコンピュータ４１によって採用される。これにより、障害物の表面形状が誤って掘り残し部分２の表面形状として計測されることを防止できる。

３． コンピュータの処理
上述のように作業員がリモートコントローラにより掘削機３０を操縦すると、掘り残し部分２が掘削機３０によって掘削されて、掘り残し部分２の表面形状及び境界線３の形状が変化する。また、掘削によってケーソン１０が沈下した場合、掘り残し部分２の表面形状及び境界線３の形状が変化する。
そのような掘削の最中に、掘り残し部分２の表面形状及び境界線３の形状が計測システム４０によってリアルタイムに計測され、計測された形状が表示デバイス５１に模式的に三次元表示される。図４を参照して、その際のコンピュータ４１の処理について説明する。図４は、プログラム４３に従ってコンピュータ４１が実行する処理の流れを示したものである。図４に示すステップＳ１〜Ｓ８の一連の処理は非常に短い周期（例えば距離・仰俯角計測器６３〜６５の１計測周期）で繰り返し実行される。

（１）計測値の入力：ステップＳ１
コンピュータ４１が、位置計測器６１、旋回角計測器６２及び距離・仰俯角計測器６３〜６５から計測値を入力する。

（２）絶対座標系の座標値の算出：ステップＳ２
次に、コンピュータ４１は、位置計測器６１、旋回角計測器６２及び距離・仰俯角計測器６３の計測値から絶対座標系のＸＹＺ座標値を算出する。具体的には、まず、コンピュータ４１は、旋回角計測器６２及び距離・仰俯角計測器６３の計測値から極座標系の座標値に換算した上で、極座標系の座標値を相対座標系の座標値に変換する。そして、コンピュータ４１は、位置計測器６１の計測値に基づいて、相対座標系の座標値を絶対座標系のＸＹＺ座標値に変換する。
このように算出されたＸＹＺ座標値は、距離・仰俯角計測器６３によって照射されたレーザー光が作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６、掘り残し部分２の表面又は障害物の表面に入射した箇所の位置を表す。以下では、このＸＹＺ座標値を第１の前方計測点座標値という。

同様にして、コンピュータ４１は、旋回角計測器６２及び距離・仰俯角計測器６４の計測値から相対座標系の座標値を算出し、位置計測器６１の計測値に基づいて相対座標系の座標値を絶対座標系のＸＹＺ座標値を変換する。このＸＹＺ座標値は、距離・仰俯角計測器６４によって照射されたレーザー光が作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６、掘り残し部分２の表面又は障害物の表面に入射した箇所の位置を表す。以下では、このＸＹＺ座標値を第２の前方計測点座標値という。

同様にして、コンピュータ４１は、旋回角計測器６２及び距離・仰俯角計測器６５の計測値から相対座標系の座標値を算出し、位置計測器６１の計測値に基づいて相対座標系の座標値を絶対座標系のＸＹＺ座標値を変換する。このＸＹＺ座標値は、距離・仰俯角計測器６５によって照射されたレーザー光が作業室１７の内周面１３若しくは天井面１６、掘り残し部分２の表面又は障害物の表面に入射した箇所の位置を表す。以下では、このＸＹＺ座標値を後方計測点座標値という。

（３）比較：ステップＳ３
次に、コンピュータ４１は、第１の前方計測点座標値と第２の前方計測点座標値を比較して、Ｚ座標値の小さい方（つまり高さの低い方）を特定して採用する。以下、このように採用されものを採用計測点座標値という。

なお、コンピュータ４１は、旋回角計測器６２及び距離・仰俯角計測器６３の計測値から求まる相対座標系の座標値と、旋回角計測器６２及び距離・仰俯角計測器６４の計測値から求まる相対座標系の座標値を比較してもよい。この場合、コンピュータ４１は、両者の座標値のうち、ｚ座標値の小さい方を特定して採用した上で、位置計測器６１の計測値に基づいてその座標値を絶対座標系の座標値に変換してもよい。その絶対座標系の座標値が採用計測点座標値となる。

（４）対比：ステップＳ４
次に、コンピュータ４１は、内面形状データ４４を参照して、採用計測点座標値を内面形状データ４４の各値（内周面１３又は天井面１６上の各点のＸＹＺ座標値）と対比する。そして、コンピュータ４１は、採用計測点座標値が内面形状データ４４の何れかの値（内周面１３又は天井面１６上の何れかの点のＸＹＺ座標値）と一致するか否か判定する。肯定判定の場合、コンピュータ４１の処理がステップＳ６に移行し、否定判定の場合、コンピュータ４１の処理がステップＳ５に移行する。

ここで、距離・仰俯角計測器６３又は距離・仰俯角計測器６４のレーザー光が作業室１７の内周面１３又は天井面１６に入射した場合、採用計測点座標値が内面形状データ４４の何れかの値と一致する。従って、採用計測点座標値は、作業室１７の内周面１３又は天井面１６上の点の位置を表す。一方、距離・仰俯角計測器６３又は距離・仰俯角計測器６４のレーザー光が掘り残し部分２の表面に入射した場合、採用計測点座標値が内面形状データ４４の何れの値とも相違する。従って、採用計測点座標値は、掘り残し部分２の表面上の点の位置を表す。
よって、コンピュータ４１は、採用計測点座標値が掘り残し部分２の表面上の点と作業室１７の内周面１３又は天井面１６上の点の何れの位置であるかを判別することができる。

（５）記録：ステップＳ５
対比の判定結果が否定である場合、コンピュータ４１が記憶部４２中の表面形状データ４５に採用計測点座標値を記録する。具体的には、コンピュータ４１が、表面形状データ４５の各点のＸＹＺ座標値のうち採用計測点座標値のＸＹ座標値と等しいものを、採用計測点座標値に更新する。このように記録される採用計測点座標値は現状の掘り残し部分２の表面上の点の位置を表す。一方、ステップＳ４における対比の結果が肯定判定の場合、採用計測点座標値は作業室１７の内周面１３又は天井面１６上の点の位置を表し、その採用計測点座標値は記録されない。
表面形状データ４５の更新後、コンピュータ４１の処理がステップＳ６に移行する。

（６）対比：ステップＳ６
次に、コンピュータ４１は、内面形状データ４４を参照して、後方計測点座標値を内面形状データ４４の各値（内周面１３又は天井面１６上の各点のＸＹＺ座標値）と対比する。そして、コンピュータ４１は、後方計測点座標値が内面形状データ４４の何れかの値（内周面１３又は天井面１６上の何れかの点のＸＹＺ座標値）と一致するか否か判定する。肯定判定の場合、コンピュータ４１の処理がステップＳ８に移行し、否定判定の場合、コンピュータ４１の処理がステップＳ７に移行する。

ここで、距離・仰俯角計測器６５のレーザー光が作業室１７の内周面１３又は天井面１６に入射した場合、後方計測点座標値が内面形状データ４４の何れかの値と一致する。従って、後方計測点座標値は、作業室１７の内周面１３又は天井面１６上の点の位置を表す。一方、距離・仰俯角計測器６５のレーザー光が掘り残し部分２の表面に入射した場合、後方計測点座標値が内面形状データ４４の何れの値とも相違する。従って、後方計測点座標値は、掘り残し部分２の表面上の点の位置を表す。
よって、コンピュータ４１は、後方計測点座標値が掘り残し部分２の表面上の点と作業室１７の内周面１３又は天井面１６上の点の何れの位置であるかを判別することができる。

（７）記録：ステップＳ７
対比の判定結果が否定である場合、コンピュータ４１が記憶部４２中の表面形状データ４５に後方計測点座標値を記録する。具体的には、コンピュータ４１が、表面形状データ４５の各点の座標値のうち後方計測点座標値のＸＹ座標値と等しいものを、後方計測点座標値に更新する。このように記録される後方計測点座標値は現状の掘り残し部分２の表面上の点の位置を表す。一方、ステップＳ６における対比の結果が肯定判定の場合、後方計測点座標値は作業室１７の内周面１３又は天井面１６上の点の位置を表し、その後方計測点座標値は記録されない。
表面形状データ４５の更新後、コンピュータ４１の処理がステップＳ８に移行する。なお、ステップＳ４，Ｓ５の処理とステップＳ６，Ｓ７の処理が並列的に実行されてもよい。

（８）表示：ステップＳ８
ステップＳ８では、図５に示すように、掘り残し部分２の表面モデル９３及び基部１２の内周面モデル９２がコンピュータ４１によって表示デバイス５１に表示される。具体的には、コンピュータ４１が次のような処理を行う。

コンピュータ４１は、座標演算処理により、表面形状データ４５に従って掘り残し部分２の表面モデル９３をワールド座標系の仮想三次元空間に配置する。また、コンピュータ４１は、内面形状データ４４に従って掘り残し部分２の表面モデル９３をワールド座標系の仮想三次元空間に配置する。そして、コンピュータ４１は、内周面モデル９２及び表面モデル９３を二次元座標系の平面に座標変換して、平面上の内周面モデル９２及び表面モデル９３をラスタライズ化した映像の映像信号を生成する。コンピュータ４１は、その映像信号を表示デバイス５１に出力する。そうすることで、例えば図５に示すような映像が表示デバイス５１に表示される。図５に示す太線は、地面１と作業室１７の内周面１３との間の境界線３をモデル化したものである。

以上のようなステップＳ１〜Ｓ８の一連の処理は距離・仰俯角計測器６３〜６５の計測値がコンピュータ４１に入力される度に実行される。従って、掘り残し部分２の表面上の各点の位置がコンピュータ４１によって時間の経過に伴って順次算出されて、掘り残し部分２の表面形状がリアルタイムに計測される。

４． 有利な効果
以上の実施の形態では、次のような有利な効果が生じる。

（１） 距離及び仰俯角が距離・仰俯角計測器６３〜６５によって計測されるとともに、旋回角が旋回角計測器６２によって計測されるため、掘り残し部分２の表面の立体的な形状を計測することができる。

（２） 距離・仰俯角計測器６３〜６５の計測値がコンピュータ４１に入力される度に、コンピュータ４１がステップＳ１〜ステップＳ８の処理を実行する。それゆえ、距離・仰俯角計測器６３〜６５の計測値がコンピュータ４１に入力される度に、表面形状データ４５がリアルタイムに更新記録され、内周面モデル９２及び表面モデル９３がリアルタイムに更新表示される。それゆえ、掘削中に掘り残し部分２の表面形状が変化しても、変化後の形状に即座に対応できる。また、作業員は表示デバイス５１に表示された表面モデル９３を見れば、掘削中の掘り残し部分２の表面形状や境界線３の形状を実時間で把握することができる。更に、掘り残し部分２や境界線３の現状からケーソン１０の沈下状態、刃先抵抗力及びその分布等を実時間で予測することができる。

（３） 距離・仰俯角計測器６３〜６５の何れかによって照射されたレーザー光が障害物に入射したものとしても、他によって照射されたレーザー光が掘り残し部分２、内周面１３又は天井面１６に入射する。それゆえ、障害物があっても、掘り残し部分２の表面又は内周面１３若しくは天井面１６の形状をリアルタイムに計測することができる。
特に、距離・仰俯角計測器６３，６４は掘削箇所近傍の形状計測に利用されるため、距離・仰俯角計測器６３，６４の計測値は重要である。ステップＳ３の比較処理において、距離・仰俯角計測器６３，６４の計測値から計測される第１の前方計測点座標値と第２の前方計測点座標値のうち、Ｚ座標値の小さい方が採用されるため、障害物の表面形状が誤って掘り残し部分２の表面形状として計測されることを防止できる。つまり、掘削箇所近傍の表面形状が正確に計測される。

（４） 内面形状データ４４が記憶部４２に予め記録されているため、距離・仰俯角計測器６３〜６５の計測値が掘り残し部分２の表面又は内周面１３若しくは天井面１６の何れに起因したものであるかを識別できる。

（５） 距離・仰俯角計測器６３，６４によって照射されるレーザー光が掘削機３０による掘削箇所の近傍であるので、掘削箇所の周囲の土砂が崩れた場合でも、掘り残し部分２の表面形状をリアルタイムに計測することができる。

（６） 観察用のカメラ９０のレンズが曇った場合でも、表示デバイス５１に表示された表面モデル９３から掘り残し部分２の表面形状や境界線３の形状を把握することができる。

（７） 掘削中或いは施工中だけでなく、他の局面（例えば、ケーソン１０が自然沈下した場合）でも、掘り残し部２の表面形状をリアルタイムに計測することができる。

（８） 得られた表面形状データ４５を利用して、抵抗力も推定でき、ひいてはケーソン１０の沈下状態も予測することができる。表面形状データ４５をケーソン１０の傾斜、沈下量、刃先抵抗力、周面摩擦及び作業室１７内の気圧等の各種データを収集し或いは算出し、これら各種データと表面形状データ４５を統合管理することによって、安全な姿勢制御や沈設管理が可能となる。

２…掘り残し部分
１０…ケーソン
１１…周壁
１２…基部
１３…内周面
１５…スラブ
１６…天井面
１７…作業室
３０…掘削機
３２…旋回体
３３…ブーム
４０…計測システム
４１…コンピュータ
４２…記憶部
４４…内面形状データ
４５…表面形状データ
６１…位置計測器
６２…旋回角計測器
６３，６４，６５…距離・仰俯角計測器

Claims (4)

1. ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されるケーソン周壁の下部となる基部の内側の作業室の天井面となるスラブの下面に設けられた掘削機によって前記作業室の周縁部の地面下の掘り残し部分を掘削する際に、その掘り残し部分の表面形状をリアルタイムに計測する計測システムであって、
   前記掘削機の旋回体の旋回角をリアルタイムに計測して、その計測値を出力する旋回角計測器と、
   前記掘削機の旋回体に設けられ、前記作業室の周縁に向けてレーザー光を照射しながら前記レーザー光を上下方向に偏向することによって、前記レーザー光の入射箇所までの距離と前記レーザー光の照射方向の仰俯角とをリアルタイムに計測し、その計測値を出力する距離・仰俯角計測器と、
   前記旋回角計測器及び前記距離・仰俯角計測器によって出力される計測値を入力し、これらの計測値から前記掘り残し部分の表面上又は前記作業室の内周面若しくは天井面上の点の位置をリアルタイムに算出するコンピュータと、を備える計測システム。
2. 複数台の前記距離・仰俯角計測器が前記掘削機の旋回体に設けられ、
   前記コンピュータが、前記距離・仰俯角計測器ごとに、前記掘り残し部分の表面上又は前記作業室の内周面若しくは天井面上の点の位置をリアルタイムに算出する
   請求項１に記載の計測システム。
3. ２台の前記距離・仰俯角計測器が前記掘削機のブームの左側及び右側にそれぞれ設けられているとともに、前記掘削機の掘削箇所の左側及び右側にそれぞれ前記レーザー光を照射し、
   前記コンピュータが、前記距離・仰俯角計測器ごとに、前記掘り残し部分の表面上又は前記作業室の内周面若しくは天井面上の点の位置をリアルタイムに算出する
   請求項１に記載の計測システム。
4. 前記スラブの下面に沿って移動する前記掘削機の位置をリアルタイムに計測して、その計測値を出力する位置計測器と、
   前記作業室の内周面及び天井面上の各点の位置を表した内面形状データを記憶した記憶部と、を更に備え、
   前記コンピュータが、前記旋回角計測器及び前記距離・仰俯角計測器の計測値に加えて、前記位置計測器の計測値を入力し、前記位置計測器、前記旋回角計測器及び前記距離・仰俯角計測器の計測値から前記掘り残し部分の表面上又は前記作業室の内周面若しくは天井面上の点の位置をリアルタイムに算出し、その算出した点の位置を、前記内面形状データの各点の位置と対比することによって、その算出した点の位置が前記掘り残し部分の表面上の点と前記作業室の内周面又は天井面上の点の何れの位置であるかを判別する
   請求項１から３の何れか一項に記載の計測システム。

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