JP2023112253A - トンネル二次覆工生コンクリート量計測システム、及びトンネル二次覆工生コンクリート量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の発明は、トンネルの内空断面のノイズを除去しながら、正確にトンネルの内形状を把握することに特化しており、トンネル二次覆工の生コン打設時に必要な生コン量を把握に関する技術としての応用は難しい【解決手段】垂直方向に取得した２次元の点群データを取得する２次元スキャン部と、トンネルのセントル断面図の面積データを保存するセントル断面データ保存部と、前記２次元の点群データと、セントル断面図の面積データの差分の計算を行う差分データ計算部と、差分データの合計から必要な生コン量の計算を行う生コン計算部と、を備えることによって、トンネル施工時に必要な生コン量を、セントル断面図の面積データから正確に把握すること、及び残生コン量を削減することが可能となる。【選択図】図３

Description

本発明は、トンネル二次覆工に必要となる建築資材のレディーミクストコンクリート、いわゆる生コンクリート（以下、生コンと略す）の量を、正確に計測するシステムに関する。

トンネル二次覆工の生コン打設時に必要となる生コンは、経験値や特許文献１乃至３のような技術を用いてトンネルの形状を予測し、必要となる生コンを工事現場に持ち込む。工事現場に持ち込む生コンの不足が生じた場合、トンネル工事に多大なる影響を及ぼすため、予測量よりも多量の余剰生コンを持ち込むこととなるが、施工後、余剰生コンは工事現場近くで処分をすることとなるため、環境面、費用面からトンネル内の形状を正確に把握する必要がある。

そこでトンネル形状を正確に把握する多数発明されている。

特開２００８－１０７１７５ 特開２０１２－８３２３７ 特開２０１２－５８１６７ 特開２０１４－２０２７ 特開２０１５－２０５８３７

３Ｄレーザー・スキャナーによって、トンネルの内空断面をはじめ、道路の路面や法面の計測を行うことが知られている（特許文献１、２）。また、それらを用い、トンネルの内空変位の測定方法に３Ｄレーザー・スキャナーを用いる発明には、特許文献３及び４がある。

前記発明は、内空三次元形状を把握するために直接設計データ・概念を活用する点について開示されず、この課題は示唆もされていない。この課題を解決する発明として、トンネルの内空断面の管理は、トンネルの設計データと、実形状との比較により評価することを目的とした特許文献５がある。

しかし前記発明も、トンネルの内空断面のノイズを除去しながら、正確にトンネルの内形状を把握することに特化しており、トンネル二次覆工の生コン打設時に必要な生コン量を把握に関する技術としての応用は難しい。

前記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、 トンネル二次覆工生コンクリート量計測システムであって、垂直方向に取得した２次元の点群データを取得する２次元スキャン部と、前記２次元スキャン部によって取得した前記２次元の点群データを保存する点群データ保存部と、トンネルのセントル断面図の面積データを保存するセントル断面データ保存部と、前記点群データ保存部に保存された前記２次元の点群データと、セントル断面データ保存部に保存されたセントル断面図の面積データの差分の計算を行う差分データ計算部と、前記計算された差分データを収集するデータ収集部と、前記２次元スキャン部を、一定の時間で既定の距離を移動させる駆動部と、前記データ収集部で収集された差分データの合計から必要な生コン量の計算を行う生コン計算部と、を備えることをとしている。

本発明によれば、トンネル施工時に必要な生コン量を、セントル断面図の面積データから正確に把握することが可能となり、残生コン量を削減することが可能となる。本発明の実施は、工事原価の低減につながるとともに、環境負荷の低減にも貢献する。

本発明の実施形態に係るスキャン車両１０の外観イメージ図である。 本発明の本実施形態に係るトンネル二次覆工生コンクリート量計測装置２０の概要構成の一例を示すブロック図である。 本実施形態に係るスキャン車両１０及び装置２０と用いてトンネルＴの二次覆工生コンクリート量を計測する際における処理例を示すフローチャート図である。 本実施形態に係るスキャン車両１０のがトンネルＴ内で点群データ８０１を取得する一例を示す図である。 本実施形態に係るスキャン車両１０の上部に取り付けられている２次元スキャン部１０１を用いてトンネルＴの点群データ８０１を取得する一例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な変形が可能である。さらに、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
［１．システムの概要］

図１は本発明の実施形態に係るスキャン車両１０の外観イメージ図、図２は本発明の本実施形態に係るトンネル二次覆工生コンクリート量計測装置２０（以下、「計測装置２０」、と略す）の概要構成の一例を示すブロック図である。

スキャン車両１０は図１に示す通り、車体１００、２次元スキャン部１０１及び駆動部１０２からなる。図に示すスキャン車両はあくまでも一例であり、整地されていない工事中のトンネルＴを通り抜ける形状であればよく、特に定めない。

車体１００はスキャン車両１０の本体であり、以下に説明する各部が取り付けられている。車体１００には、システムを構成する計測装置２０が内蔵されていても良いし、外部の装置と通信を行う通信部１０４を設けていても良い。

図１に示す通り、２次元スキャン部１０１はスキャン車両１０の上部に取り付けられており、垂直方向に取得した２次元の点群データ８０１を取得する。２次元スキャン部１０１は、特に指定しないが、例えば二次元レーザースキャナ、またはＴＯＦカメラである。

駆動部１０２は整地されていないトンネルＴ内構内を移動するための車輪等である。図に示す駆動部１０２は一例であり、図１のように４輪でもよいが、整地されていない工事現場を移動可能であれば、３輪、５輪以上、キャタピラ、又は軌道を敷設し鉄の車輪としてもよく、特に定めない。

図１に示すスタビライザ部１０３は。２次元スキャン部１０１の水平位置を保つために、上下左右に２次元スキャン部１０１の位置を調整する。軌道を敷設していれば、スタビライザ部１０３は無くてもよい。

通信部１０４は、不図示であるが、汎用の通信プロトコル制御部から構成され、ネットワークＮＷに接続をして、２次元スキャン部１０１で取得した点群データ８０１を送信、及び駆動指示部２０７から受けた指示を受信し駆動部１０２に伝える。ここでネットワークＮＷとは、例えば、インターネット、専用通信回線（例えば、移動体通信網（基地局等を含む）、及びゲートウェイ等により構築されている。計測装置２０が、スキャン車両１０の車体１００内に内蔵されている場合は、通信部１０４は備えなくとも良い。

次に、図２を参照しながら、計測装置２０の構成について説明する。

図２は本実施形態に係る計測装置２０の概要構成の一例を示すブロック図である。図２に示すように計測装置２０は、通信部２０１、入出力インターフェース部２０２、処理部２０３、記憶部２０４、システムバス２０５及び駆動指示部２０６等を備えている。

計測装置２０は単体のコンピュータ、単体のサーバ又は複数のサーバ装置で構成されてもよい。例えば、リクエストに応じてデータベースを管理するサーバ装置等が、互いにＬＡＮ等で接続されてもよいし、車体１０の車体１００中に内蔵されていてもよい。

通信部２０１は汎用の通信プロトコル制御部から構成され、ネットワークＮＷ、及びスキャン車両１０に接続して、通信状態を制御する。計測装置２０が、スキャン車両１０の車体１００内に内蔵されている場合は、通信部２０１は備えなくても良い。

入出力インターフェース部２０２は、通信部２０１、処理部２０３及び記憶部２０４各部との間のインターフェース処理を行う。

処理部２０３は不図示であるが、記憶部２０４に格納されているプログラムをＣＰＵ等が実行することにより各部の機能を実現することができる。以下、処理部２０３内の各部の機能について説明する。

差分計算部２３１は、スキャン部１０１で取得した点群データ８０１と、あらかじめセットされているセントル断面図の面積データ８０２の差分の計算を行い、差分データ８０３を生成する。具体的動作は後述の実施例において説明する。

生コン計算部２３２は、差分計算部２３１で生成された差分データ８０３の合計から必要な生コン量の計算を行い、必要な生コンデータ量８０４を生成する。具体的動作は後述の実施例において説明する。

記憶部２０４は、例えばハードディスクドライブ及びＳＳＤ等により構成されている。この記憶部２０４には、スキャン部１０１で取得した点群データ８０１を保存する点群データ保存部２４１、あらかじめセットされているセントル断面図の面積データ８０２を保存するセントル断面データ保存部２４２、及び差分データ８０３を収集するデータ収集部２４３等で構築されている。点群データ保存部２４１、セントル断面データ保存部２４２及びデータ収集部２４３は専用の別サーバに設置しても良いし、設置しなくても良い。なお、記憶部２０４は、本発明における記憶手段及び入力及びデータ記憶手段の一例である。

駆動指示部２０６は、２次元スキャン部１０１を搭載したスキャン車両１０を、一定の時間で既定の距離を移動させるように駆動部１０１へ指示を出す。具体的動作は後述の実施例において説明する。

［２．トンネル二次覆工生コンクリート量計測システムによる生コンデータ生成実施例］
次に本実施形態に係るスキャン車両１０及び計測装置２０を用いて、トンネル二次覆工時に必要となる、生コンクリート量を計測する実施例について、図３乃至図５を参照しながら説明する。図３は本実施形態に係るスキャン車両１０及び装置２０と用いてトンネルＴの二次覆工生コンクリート量を計測する際における処理例を示すフローチャート図、図４は本実施形態に係るスキャン車両１０のがトンネルＴ内で点群データ８０１を取得する一例を示す図、及び図５は本実施形態に係るスキャン車両１０の上部に取り付けられている２次元スキャン部１０１を用いてトンネルＴの点群データ８０１を取得する一例を示す図である。

（ステップＳ１１）
はじめに、計測前にトンネルＴのセントル断面図の面積データ８０２をセントル断面データ保存部２４２に保存する。トンネルＴのセントル断面図とはトンネルＴの壁面部分のコンクリートを打設するための移動式型枠の断面部分の図であり、トンネルＴの外枠となる。

（ステップＳ１２）
次に、スキャン車両１０をトンネルTの坑口側部ＳＴに設置する。計測をスタートさせる地点であっても良い。

（ステップＳ１３）
次に、図４に示すように、スキャン車両１０の上部に取り付けられている２次元スキャン部１０１がトンネルＴの点群データ８０１を取得し、点群データ保存部２４１に保存を行う。

（ステップＳ１４）
差分計算部２３１は、点群データ保存部２４１に保存されたトンネルＴの点群データ８０１から、セントル断面データ保存部２４２に保存されているセントル断面図の面積データ８０２の差分計算を行い、差分データ８０３として保存をする。この計算により、計測ポイントのトンネルＴ掘削部分とセントル部分との差ＧＰを求めることが可能となり、必要な生コンデータ８０４の一部となる。

（ステップＳ１５）
スキャン車両１０の位置がトンネルＴの切羽側部ＥＤに位置するか否かを判定する。当該判定は、あらかじめ記憶部２０４に保存しておいても良いし、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、又はあらかじめ設けたセンサーで感知するなどしても良いし、方法は定めない。

（ステップＳ１６）
駆動指示部２０６は、２次元スキャン部１０１を搭載したスキャン車両１０を、一定の時間でトンネルＴの切羽側部ＥＤ方向に、既定の距離を移動させるように駆動部１０１へ指示を出す。一定の時間及び距離は、２次元スキャン部１０１の種類や性能で適宜定めることとするが、距離は短いほど点群データ８０１の数（サンプリング数）ＳＰが増え、精度が上がる。スキャン車両１０移動後は、ステップＳ１３に戻り、点群データ８０１取得を繰り返す。

（ステップＳ１７）
ステップＳ１５にて、スキャン車両１０の位置がトンネルＴの切羽側部ＥＤに位置するとの判定を行った場合、生コンデータ計算２３２は、差分計算部２３１で生成された差分データ８０３の合計から必要な生コン量の計算を行い、必要な生コンデータ量８０４を生成する。サンプリング数ＳＰによって、計算方法を変更する必要があり、サンプリング数ＳＰが少ないほど予測値が増えるため、精度が下がり、サンプリング数ＳＰが多いほど予測値が減少し、精度が上がることとなる。

１０ スキャン車両
２０ トンネル二次覆工生コンクリート量計測サーバ
１００ 車体

１０１ ２次元スキャン部
１０２ 駆動部
１０３ スタビライザ部
１０４ 通信部
２０１ 通信部
２０２ 入力インターフェース部
２０３ 処理部
２０４ 記憶部
２０５ システムバス部
２０７ ２次元スキャン制御部
２０６ 駆動指示部
２３１ 差分計算部
２３２ 生コン計算部
２４１ 点群データ保存部
２４２ セントル断面データ保存部
２４３ データ収集部
８０１ 点群データ
８０２ セントル断面図の面積データ
８０３ 差分データ
８０４ 必要な生コンデータ
Ｔ 施工を行うトンネル
ＮＷ ネットワーク
ＧＰ トンネルＴの掘削部分とセントル部分との差
ＳＰ 点群データ８０１の数（サンプリング数）
ＳＴ トンネルＴの坑口側部（計測ポイントスタート地点）
ＥＤ トンネルＴの切羽側部（計測ポイント終了地点）

Claims (5)

1. トンネル二次覆工生コンクリート量計測システムであって、
   垂直方向に取得した２次元の点群データを取得する２次元スキャン部と、
   前記２次元スキャン部によって取得した前記２次元の点群データを保存する点群データ保存部と、
   トンネルのセントル断面図の面積データを保存するセントル断面データ保存部と、
   前記点群データ保存部に保存された前記２次元の点群データと、セントル断面データ保存部に保存されたセントル断面図の面積データの差分の計算を行う差分データ計算部と、
   前記計算された差分データを収集するデータ収集部と、
   前記２次元スキャン部を、一定の時間で既定の距離を移動させる駆動部と、
   前記データ収集部で収集された差分データの合計から必要な生コン量の計算を行う生コン計算部と、
   を備えることを特徴とするトンネル二次覆工生コンクリート量計測システム。
2. 請求項１の二次覆工生コンクリート量計測システムであって、
   前記２次元の点群データを取得する２次元スキャナ部は、二次元レーザースキャナまたはＴＯＦカメラである、
   ことを特徴とトンネル二次覆工生コンクリート量計測システム。
3. 請求項１の二次覆工生コンクリート量計測システムであって、
   前記駆動部が前記２次元スキャン部を一定の時間で既定の距離を移動させる際に、前記スキャナ部の水平位置が一定に保持されるよう動作するスタビライザ部と、
   を備えることを特徴とトンネル二次覆工生コンクリート量計測システム。
4. 請求項３の二次覆工生コンクリート量計測システムであって、
   前記駆動部が前記２次元スキャン部を一定の時間で既定の距離を移動させる際に、切羽側部方向に移動するよう指示をする駆動指示部と、
   を備えることを特徴とトンネル二次覆工生コンクリート量計測システム。
5. トンネル二次覆工生コンクリート量計測方法であって、
   垂直方向に取得した２次元の点群データを取得する２次元スキャンステップと、
   前記２次元スキャンをするステップによって取得した前記２次元の点群データを保存するステップと、
   トンネルのセントル断面図の面積データを保存するステップと、
   前記点群データ保存と、セントル断面データの差分の計算を行う差分データ計算ステップと、
   前記計算された差分データを収集するデータ収集ステップと、
   前記２次元スキャンステップ時に、一定の時間で既定の距離を移動させる駆動をするステップと、
   前記データ収集ステップで収集された差分データの合計から必要な生コン量の計算を行う生コン計算ステップと、
   を含むことを特徴とトンネル二次覆工生コンクリート量計測方法。
   

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