JP2021025231A

JP2021025231A - 掘削管理装置および方法

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Publication number: JP2021025231A
Application number: JP2019141576A
Authority: JP
Inventors: 青野　泰久; Yasuhisa Aono; 泰久青野; 竹内　啓五; Keigo Takeuchi; 啓五竹内; 多田　浩幸; Hiroyuki Tada; 浩幸多田
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2021-02-22
Anticipated expiration: 2039-07-31
Also published as: JP7330008B2

Abstract

【課題】人の立ち入ることが困難な箇所での掘削状況を直感的に視認することができる掘削管理装置および方法を提供する。【解決手段】掘削手段による掘削を管理するための装置１００であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測する三次元計測装置１と、管理対象物の映像を撮影する撮影装置２と、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定し、この判定結果に基づいて、掘削状況を示す情報を管理対象物の映像に重ね合わせるための画像を作成する演算手段４と、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示する表示手段１６とを備えるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばニューマチックケーソンの作業室のような人の立ち入ることが困難な箇所での掘削作業を管理するのに好適な掘削管理装置および方法に関するものである。

従来より、橋梁や建物の基礎、シールドトンネルの立坑、下水ポンプ場、地下調整池、地下鉄や道路トンネルなどの施工の際にニューマチックケーソン工法が利用される場合がある。ニューマチックケーソン工法は、函（躯体）の最下部に作業室と称する密閉された部屋に高圧の空気を送って地下水の浸入を防ぎ、地上と同じような状態で掘削を行い函（躯体）を沈設する工法である。近年の掘削は、作業室の天端に設置した天井走行ケーソンショベルを、地上の操作室から遠隔操作することにより行われている。

ニューマチックケーソン工事では、ケーソンの過沈下や傾きを防止するため、開口率（地盤と接する刃口周りの掘り残し範囲）という指標により、ケーソン支持力の変動状況を管理している。従来の方法では、掘削・排土・沈下という一連の作業終了毎に、作業員が掘り残し土の形状を測定し、開口率を算出するのが一般的であった。

しかし、このような方法は、高圧な環境下での作業となるため、作業時間が限定され、さらに作業空間への入退出時の加減圧管理など作業外の時間もかかるため、掘削の進捗に伴う開口率をリアルタイムに把握することが困難であった。また、高圧環境下での繰り返し作業は作業員の健康障害の要因となる可能性もあった。こうした問題を解決するための技術として、例えば非特許文献１に記載のものが知られている。これは、ショベルに取り付けた計測機器の計測結果を分析し、掘り残し土量を可視化するものである。

また、ニューマチックケーソン工事の際のショベル同士の接触も問題になっている。その問題を解決するためにショベルの位置をモニタリングする方法として、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。

『ニューマチックケーソンの掘り残し土量の可視化技術「Ｔ−ケーソンスキャナ（登録商標）」を開発２０１７年度大成建設株式会社』、［online］、［平成３１年１月２１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.taisei.co.jp/about_us/wn/2017/171030_3456.html＞

特開平３−２２１６１７号公報

しかし、上記の非特許文献１の技術では、掘削量を直感的に視認できないため、掘削すべきところの掘削ができなかったり、掘削する必要ない箇所を掘削してしまう可能性があり、その結果、ケーソンが傾いたり、予定通りにケーソンが沈下しないおそれがある。また、上記の特許文献１の技術では、天井走行ケーソンショベルの位置を平面図、側面図と掘削箇所の映像を２画面以上で確認しており、操縦者が認識する情報量が多く、判断ミスが生じやすい。その結果、ショベル同士が接触する可能性が高い。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、人の立ち入ることが困難な箇所での掘削状況を直感的に視認することができる掘削管理装置および方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る掘削管理装置は、掘削手段による掘削を管理するための装置であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測する形状計測手段と、管理対象物の映像を撮影する撮影手段と、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定し、この判定結果に基づいて、掘削状況を示す情報を管理対象物の映像に重ね合わせるための画像を作成する演算手段と、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示する表示手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の掘削管理装置は、上述した発明において、掘削手段の位置および姿勢を計測する位置姿勢計測手段をさらに備え、表示手段は、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するとともに、計測した掘削手段の位置および姿勢を示す情報を可視化表示することを特徴とする。

また、本発明に係る掘削管理方法は、掘削手段による掘削を管理するための方法であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測するステップと、管理対象物の映像を撮影するステップと、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定し、この判定結果に基づいて、掘削状況を示す情報を管理対象物の映像に重ね合わせるための画像を作成するステップと、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するステップとを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の掘削管理方法は、上述した発明において、掘削手段の位置および姿勢を計測するステップをさらに備え、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するとともに、計測した掘削手段の位置および姿勢を示す情報を可視化表示することを特徴とする。

本発明に係る掘削管理装置によれば、掘削手段による掘削を管理するための装置であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測する形状計測手段と、管理対象物の映像を撮影する撮影手段と、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定し、この判定結果に基づいて、掘削状況を示す情報を管理対象物の映像に重ね合わせるための画像を作成する演算手段と、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示する表示手段とを備えるので、掘削箇所の掘削状況を直感的に視認することができ、施工不具合の発生を未然に防止することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の掘削管理装置によれば、掘削手段の位置および姿勢を計測する位置姿勢計測手段をさらに備え、表示手段は、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するとともに、計測した掘削手段の位置および姿勢を示す情報を可視化表示するので、掘削手段の位置および姿勢を示す情報を直感的に視認することができ、複数の掘削手段どうしが接触する事態を未然に防止することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る掘削管理方法によれば、掘削手段による掘削を管理するための方法であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測するステップと、管理対象物の映像を撮影するステップと、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定し、この判定結果に基づいて、掘削状況を示す情報を管理対象物の映像に重ね合わせるための画像を作成するステップと、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するステップとを備えるので、掘削箇所の掘削状況を直感的に視認することができ、施工不具合の発生を未然に防止することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の掘削管理方法によれば、掘削手段の位置および姿勢を計測するステップをさらに備え、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するとともに、計測した掘削手段の位置および姿勢を示す情報を可視化表示するので、掘削手段の位置および姿勢を示す情報を直感的に視認することができ、複数の掘削手段どうしが接触する事態を未然に防止することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る掘削管理装置の実施の形態を示す概略構成図である。図２は、本発明に係る掘削管理装置の実施の形態を示す概略配置図であり、（１）は側面図、（２）はＢ−Ｂ断面図である。図３は、高さと色の関係を例示する図である。図４は、本発明に係る掘削管理方法の実施の形態を示す概略手順図である。図５は、映像に重ね合わせる高さ情報を示す画像の説明図である。図６は、画像の作成方法の説明図であり、（１）は上面図、（２）は側面図である。図７は、掘削箇所の映像と高さデータを重ね合わせた映像にショベルまでの距離と方向を表示した図である。

以下に、本発明に係る掘削管理装置および方法の実施の形態について、ニューマチックケーソンの作業室の掘削管理に適用する場合を例にとり、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本発明に係る掘削管理装置１００は、三次元計測装置１と、撮影装置２と、データ転送装置３と、視認装置４とを備える。

三次元計測装置１は、二軸の傾斜計５と、演算装置６と、三次元スキャナ７（形状計測手段）と、耐圧保護容器８とを備える。作業室は大気圧よりも大きい圧力が作用するため、二軸の傾斜計５、演算装置６、三次元スキャナ７は耐圧保護容器８に格納されている。二軸の傾斜計５はケーソンの傾きを計測する。三次元スキャナ７は掘削箇所の形状を計測する。演算装置６はこれらの計測結果に基づいて、掘削箇所の高さを判定したデータを演算し、演算したデータをデータ転送装置３に転送する。本実施の形態の三次元スキャナ７としては三次元レーザースキャナを用いているが、本発明はこれに限るものではなく、形状を計測できるものであれば、三次元レーザースキャナでなくてもよい。

撮影装置２は、慣性計測装置９（位置姿勢計測手段）と、演算装置１０と、監視カメラ１１（撮影手段）と、耐圧保護容器１２とを備える。慣性計測装置９、演算装置１０、監視カメラ１１は、三次元計測装置１と同様に、耐圧保護容器１２に格納されている。この撮影装置２は、慣性計測装置９で取得した監視カメラ１１の位置、姿勢の変化量のデータと、監視カメラ１１で取得した掘削箇所の映像データを、演算装置１０からデータ転送装置３に転送する。監視カメラ１１は、撮影する方向を任意方向に変化させることのできる機能を有したものを用いるのが望ましい。

データ転送装置３は、ルーター１３と、耐圧保護容器１４とを備える。ルーター１３は、三次元計測装置１と同様に耐圧保護容器１４に格納されている。このデータ転送装置３は、三次元計測装置１の演算装置６から転送される掘削箇所の高さデータ、撮影装置２の演算装置１０から転送される監視カメラ１１の位置、姿勢の変化量のデータと、掘削箇所の映像データを、視認装置４の演算装置１５に転送する。

視認装置４は、演算装置１５（演算手段）と、モニタ１６（表示手段）とを備える。演算装置１５は、データ転送装置３から転送されたデータを分析し、掘削箇所の映像に重ね合わせる掘削高さを示す画像を作成し、掘削箇所の映像と画像を重ね合わせて、モニタ１６に可視化表示する。

また、この掘削管理装置１００は、トータルステーション１７と、三次元計測装置１と撮影装置２にそれぞれ設置したプリズム１８とをさらに備えている。トータルステーション１７は、三次元計測装置１と撮影装置２に設置したプリズム１８の位置の測量を行うために使用する。

図２は、掘削管理装置１００の配置例である。この図に示すように、ケーソン２０の下面に区画形成される作業室２２の天井２４に線状のレール２６が敷設されており、レール２６には天井走行ショベル２８が走行可能に設置されている。天井走行ショベル２８は、作業室２２の下および周囲の地盤Ｇを掘削するための掘削手段である。三次元計測装置１は作業室２２の天井スラブ３０にアンカーボルト、磁石等で設置される。撮影装置２は作業室２２の天井スラブ３０や天井走行ショベル２８に、アンカーボルトや磁石等で設置される。データ転送装置３は作業室２２の天井スラブ３０にアンカーボルトや磁石等で設置される。視認装置４は天井走行ショベル２８を遠隔操作するための図示しない地上の操作室に設置される。三次元計測装置１に三次元レーザースキャナを使用する場合、ショベル２８にレーザーが当たると、ショベル２８の奥にある掘削箇所の形状データを取得できず、計測データが欠損するおそれがある。このため、データの欠損が無いように、三次元計測装置１は複数箇所に設置し、掘削箇所すべての形状データを取得することが望ましい。同様に、撮影装置２は掘削箇所の映像に死角が無いように、複数箇所に設置することが望ましい。

次に、上記の構成を用いた掘削管理方法の実施手順について説明する。
図４に示すように、まず、ステップＳ１において、三次元計測装置１、撮影装置２、データ転送装置３を作業室２２内に設置し、視認装置４を天井走行ショベル２８の操作室に設置する。

次のステップＳ２では、作業室の基準点２点にプリズム１８を設置し、プリズム１８を測量できる位置にトータルステーション１７を据え、トータルステーション１７でプリズム１８の位置を測量し、後方後会を行う。その後、三次元計測装置１、撮影装置２に各３個プリズム１８を設置し、プリズム１８をトータルステーション１７で測量し、三次元計測装置１、撮影装置２の位置と姿勢を推定し、演算装置１５に記録する。なお、天井走行ショベル２８に設置した撮影装置２の位置や姿勢はショベル２８の移動により変化するが、これらの変化量は慣性計測装置９が取得し、演算装置１０にリアルタイムで記録される。

次のステップＳ３では、三次元計測装置１の三次元スキャナ７で掘削箇所の形状を計測する。

次のステップＳ４では、二軸の傾斜計５の計測結果と三次元スキャナ７の計測結果を演算装置６で分析する。例えば、図３に示すように、高さの閾値ｄを設定するとともに５ｃｍごとに計測点の高さを分類し、計測点に色情報を付与し、掘削箇所の高さデータを出力する。高さデータは三次元スキャナ７の中心を原点Ｏとした三次元の直交座標系の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）と色情報（Ｒ，Ｇ，Ｂ）で構成される。

次のステップＳ５では、撮影装置２の監視カメラ１１で掘削箇所の映像の撮影と、撮影装置２の位置、姿勢の変化量を慣性計測装置９で取得し、演算装置１０に記録する。

次のステップＳ６では、映像データと撮影装置２の位置、姿勢の変化量をリアルタイムでルーター１３を経由し、演算装置１５に転送する。

次のステップＳ７では、演算装置１５に転送された掘削箇所の高さデータと、撮影装置２の位置、姿勢の変化量を分析し、図５に示すような掘削箇所の映像に重ね合わせる画像を出力する。リアルタイムに画像を作成するために、監視カメラ１１の撮影範囲内の高さデータのみを使用し、画像の作成を行うことが好ましい。

映像に重ね合わせる高さ情報を示す画像の作成方法を図６に示す。掘削箇所の高さデータをもとに、掘削箇所の映像に重ね合わせる画像を作成する。画像は面積を持った点群、すなわち円のような基本図形の集合で構成される。監視カメラ１１のレンズを原点Ｏとした直交座標系（ξ，η，ζ）を設定し、三次元スキャナ７の座標系の高さデータを、監視カメラ１１の座標系に座標変換する。その後、高さを判定した点Ａ（ａ，ｂ，ｃ）に正確に判定結果が重なるように、モニタ画面の画像上の点Ａ’（ｄ，ｂｄ／ａ，ｃｄ／ａ）に円をプロットする。すなわち、この画像を映像に重ねると、点Ａ’にプロットされた円が点Ａに重なる。ここでｄは、カメラで撮影した範囲と、モニタ画面の大きさが一致する距離である。プロットする円の色には、ステップＳ４にて判定を行った際に計測点に付与された色情報を使用する。

次のステップＳ８では、作成した画像を映像に重ね合わせてモニタ１６に表示する。

ここではさらに、撮影装置２の慣性計測装置９の出力を分析し、各天井走行ショベル２８の位置関係を求め、ショベル２８間の距離が所定の閾値以下になると、モニタ１６の画面上に、図７に示すようなショベル２８の方向と距離の表示を行う。これは掘削作業中に１画面で掘削箇所の高さ、他のショベルまでの距離と方向を視認するために行う。

次のステップＳ９では、撮影している範囲の掘削が所定の高さまで完了している場合は、ステップＳ１０へ移行する。完了していない場合はステップＳ１１に移行する。

ステップＳ１１では、撮影している範囲内を天井走行ショベル２８で掘削を行う。掘削が進行した後に、ステップＳ３〜Ｓ８の作業を実施する。撮影している範囲内の掘削が完了するまで、ステップＳ３〜Ｓ９を繰り返し実施する。

次のステップＳ１０では、撮影している範囲以外の掘削が完了している場合は、本方法の作業を終了する。完了していない場合はステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２では、監視カメラ１１のレンズの位置を操作したり、天井走行シャベル２８を移動させたりして、撮影方向を変更する。その後、ステップＳ２〜Ｓ８の作業を実施する。撮影している範囲外の掘削が完了するまで、ステップＳ２〜Ｓ１０を繰り返し実施する。

以上の手順で、本実施の形態の掘削管理装置１００、掘削管理方法を利用することにより、ニューマチックケーソンの掘削箇所の掘削高さや、他のショベル２８までの距離と方向を直感的に視認しながら、掘削作業を行うことが可能となる。

このように、本実施の形態によれば、三次元スキャナ７で計測した掘削箇所の高さ情報、慣性計測装置９で計測したショベル２８同士の距離、監視カメラ１１で撮影した映像を重ね合わせてモニタ１６に表示し、掘削箇所の掘削状況を直接視認しながら掘削を行うことができる。掘削箇所の映像に掘削高さの情報を重ね合わせるため、ニューマチックケーソンの作業室の掘削箇所の掘削状況を直感的に視認することができ、掘削ミスによる施工不具合の発生を未然に防止することができる。また、掘削箇所の映像が表示されるモニタ１６の画面上に他のショベル２８までの方向と距離が表示され、これを視認できるため、ショベル２８同士が接触する事故発生を未然に防止することができる。

なお、上記の実施の形態では、ニューマチックケーソンの作業室の掘削管理に適用する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば土砂災害が発生し人の立ち入ることが困難な箇所での重機の遠隔操作による切土、盛土の施工にも適用することもできる。

以上説明したように、本発明に係る掘削管理装置によれば、掘削手段による掘削を管理するための装置であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測する形状計測手段と、管理対象物の映像を撮影する撮影手段と、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定し、この判定結果に基づいて、掘削状況を示す情報を管理対象物の映像に重ね合わせるための画像を作成する演算手段と、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示する表示手段とを備えるので、掘削箇所の掘削状況を直感的に視認することができ、施工不具合の発生を未然に防止することができる。

また、本発明に係る他の掘削管理装置によれば、掘削手段の位置および姿勢を計測する位置姿勢計測手段をさらに備え、表示手段は、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するとともに、計測した掘削手段の位置および姿勢を示す情報を可視化表示するので、掘削手段の位置および姿勢を示す情報を直感的に視認することができ、複数の掘削手段どうしが接触する事態を未然に防止することができる。

また、本発明に係る掘削管理方法によれば、掘削手段による掘削を管理するための方法であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測するステップと、管理対象物の映像を撮影するステップと、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定し、この判定結果に基づいて、掘削状況を示す情報を管理対象物の映像に重ね合わせるための画像を作成するステップと、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するステップとを備えるので、掘削箇所の掘削状況を直感的に視認することができ、施工不具合の発生を未然に防止することができる。

また、本発明に係る他の掘削管理方法によれば、掘削手段の位置および姿勢を計測するステップをさらに備え、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するとともに、計測した掘削手段の位置および姿勢を示す情報を可視化表示するので、掘削手段の位置および姿勢を示す情報を直感的に視認することができ、複数の掘削手段どうしが接触する事態を未然に防止することができる。

以上のように、本発明に係る掘削管理装置および方法は、ニューマチックケーソンの作業室のような人の立ち入ることが困難な箇所での掘削作業を管理するのに有用であり、特に、掘削状況を直感的に視認するのに適している。

１三次元計測装置
２撮影装置
３データ転送装置
４視認装置（演算手段）
５二軸の傾斜計
６，１０，１５演算装置
７三次元スキャナ（形状計測手段）
８，１２，１４耐圧保護容器
９慣性計測装置（位置姿勢計測手段）
１１監視カメラ（撮影手段）
１３ルーター
１６モニタ（表示手段）
１７トータルステーション
１８プリズム
２０ケーソン
２２作業室
２４天井
２６レール
２８天井走行ショベル（掘削手段）
３０天井スラブ
１００掘削管理装置

Claims

掘削手段による掘削を管理するための装置であって、
管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測する形状計測手段と、管理対象物の映像を撮影する撮影手段と、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定し、この判定結果に基づいて、掘削状況を示す情報を管理対象物の映像に重ね合わせるための画像を作成する演算手段と、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示する表示手段とを備えることを特徴とする掘削管理装置。
掘削手段の位置および姿勢を計測する位置姿勢計測手段をさらに備え、表示手段は、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するとともに、計測した掘削手段の位置および姿勢を示す情報を可視化表示することを特徴とする請求項１に記載の掘削管理装置。
掘削手段による掘削を管理するための方法であって、
管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測するステップと、管理対象物の映像を撮影するステップと、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定し、この判定結果に基づいて、掘削状況を示す情報を管理対象物の映像に重ね合わせるための画像を作成するステップと、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するステップとを備えることを特徴とする掘削管理方法。
掘削手段の位置および姿勢を計測するステップをさらに備え、作成した画像と管理対象物の映像を重ね合わせて可視化表示するとともに、計測した掘削手段の位置および姿勢を示す情報を可視化表示することを特徴とする請求項３に記載の掘削管理方法。