JP5523532B2 - 三次元変位計測方法及び三次元変位計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に工事中および供用中の地盤や構造物の三次元変位計測方法及び該方法に使用される三次元変位計測装置に係り、特に、トンネル掘削工事や土留め工事の際に生ずる地盤などの三次元変位計測に使用される三次元変位計測方法及び三次元変位計測装置に関するものである。

従来、トンネル掘削工事や土留め工事の際に生ずる変位計測に使用される地盤などの変位計測装置あるいは変位計測方法としては、特開２００５−１２７９９２号公報に記載されているように、1つのレーザー距離計を用い、これにより移動体の二次元座標を計測する装置及び方法が一般に知られている。

また、特開２００２−２５７５４５号公報に記載されているように、構造物が鉛直方向へ変位した場合の鉛直変位、あるいは水平変位を地上レベルのレーザー距離計で簡易に遠隔測定する方法や装置が一般に知られている。

特開２００５−１２７９９２号公報 特開２００２−２５７５４５号公報

しかしながら、前記特開２００５−１２７９９２号公報に記載された装置や方法では、いわゆる移動体の二次元座標は計測できるものの、三次元座標についてまでは計測できないとの課題があった。

また、特開２００２−２５７５４５号公報に記載された装置や方法では、二次元変位を計測するためには、２台のレーザー距離計が必要となってしまう。このように、例えば１台のレーザー距離計で、測定物の三次元変位を簡易に、精度よく計測できないことが課題とされていた。

かくして、本発明は前記従来の課題を解決するために創案されたものであり、例えば１台のレーザー距離計と測定部材との組み合わせにより三次元変位が計測できる三次元変位計測装置を構成してなり、これにより測定物の三次元変位を瞬時に、簡易に、精度よく計測できる三次元変位計測方法及び三次元変位計測装置を提供することを目的とするものである。

本発明による三次元変位計測方法及び三次元変位計測装置は、
1台のレーザー距離計を測定箇所から離間した計測装置設置箇所に設置し、
前記測定箇所には、設定角度が鉛直方向及び水平方向の２軸で変更可能な測定面を備えた測定部材が設置され、
前記測定面は、前記１台のレーザー距離計より送出されたレーザービームを、直交する状態で受け止める角度、鉛直方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度及び水平方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度に調整して各々固定でき、各々固定された各々の測定面で前記送出されたレーザービームを受け止めてなり、
前記１台のレーザー距離計は、前記測定部材を用いて、レーザー距離計と測定面との間の距離を各々測定し、測定された各々の時系列における距離の違いから前記測定部材が設置された箇所での三次元変位を測定できる、
ことを特徴とし、
または、
測定箇所から離間させて計測装置設置箇所に設置した1台のレーザー距離計と、前記測定箇所に設置された測定部材と、を有し、
前記測定部材は、設定角度が鉛直方向及び水平方向の２軸で変更可能な測定面を備え、前記測定面は、前記１台のレーザー距離計より送出されたレーザービームを、直交する状態で受け止める角度、鉛直方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度及び水平方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度に調整できて各々固定でき、各々固定された各々の測定面で前記送出されたレーザービームを受け止めてなり、
前記１台のレーザー距離計により前記レーザー距離計と測定面との間の距離が各々測定可能とされ、測定された各々の時系列における距離の違いから前記測定部材が設置された箇所の三次元変位を測定できる、
ことを特徴とし、
または、
測定箇所から離間させて計測装置設置箇所に設置した1台のレーザー距離計と、前記測定箇所に設置された測定部材と、前記１台のレーザー距離計で計測された測定データを取り込み、演算処理、保存、管理する管理装置と、を有し、
前記測定部材は、設定角度が鉛直方向及び水平方向の２軸で変更可能な測定面を備え、前記測定面は、前記１台のレーザー距離計より送出されたレーザービームを、直交する状態で受け止める角度、鉛直方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度及び水平方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度に調整できて各々固定でき、各々固定された各々の測定面で前記送出されたレーザービームを受け止めてなり、
前記１台のレーザー距離計によりレーザー距離計と測定面との間の距離が各々測定可能とされ、測定された各々の時系列における距離の違いから、前記測定部材が設置された箇所の三次元変位を測定でき、
前記管理装置は、前記測定された各々の距離のデータを取り込んで、前記測定部材が設置された箇所の三次元変位を連続的に監視する、
ことを特徴とし、
または、
前記設定角度が鉛直方向及び水平方向の２軸で変更可能な測定面の角度設定は、手動であるいはリモートコントロールで制御出来る、
ことを特徴とするものである。

かくして本発明によれば、例えば１台のレーザー距離計と測定部材との組み合わせにより三次元変位が計測できる三次元変位計測装置を構成してなり、これにより測定物の三次元変位を瞬時に、簡易に、精度よく計測できる三次元変位計測方法及び三次元変位計測装置が提供できるとの効果を奏する。

すなわち、従来では、例えばトンネルを掘削して支保完了後からしか測定できなかったトンネルの地山変位を、鋼製支保工建て込み直後から測定することが出来、もって、より正確に実際に発生している地山変位をとらえることが可能となり、また、正確に地山変位を測定できることで、より適切な支保パターンを選定することが可能になり、より品質の良い、より経済的なトンネルなどの構築物を構築できるものとされた。

また、現状のトンネル計測では、いわゆる三次元トータルステーションを用いて地山の三次元変位を計測しているが、十分な施工管理に必要な掘削直後からの三次元変位を高頻度で計測・把握することができなかった。そこで、早期着手、施工に支障を来さないよう、安全で、手軽に設置でき、安価なレーザー距離計を用いて、測定部材の視準面を視準直角方向二軸周りに傾斜可能とし、１回三状態の視準面までの距離計測を行うことで、距離計のみで瞬時に三次元変位を把握可能としたのである。

さらに、１台のレーザー距離計など１台のレーザー距離計のみで、測定点の三次元変位が測定可能となり、地盤や構造物の複雑な挙動を簡易な装置で正確に測定することが可能となり、特に、トンネル掘削工事では掘削直後からの地山変位をより正確に把握することで、最終変位量の予測値の精度向上が可能となり、これによって、地山の最終変位量の予測値を見越した適切な支保選定や変更が可能となるとの優れた効果を奏することになる。

本発明の実施状態を説明した説明図である。 測定部材の作動状態を説明する説明図である。 測定する水平距離の長さの違いを説明する説明図である。 三次元変位の測定を行う算出方法の説明図である。 管理装置の概略構成を説明する説明図である。 トンネルの計測箇所を説明する説明図である。 測定面の傾斜が測定精度に影響を与えないとの結果を示す説明図（１）である。 測定面の傾斜が測定精度に影響を与えないとの結果を示す説明図（２）である。 レーザー距離計と接触式変位計による測定値間の相関関係を説明する説明図である。 本発明のレーザー距離計２による三次元変位測定の概略フロー図である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

図１に示す様に、本発明を用いて掘削したトンネル１の例えば天端部分などの変位計測が瞬時に、かつ簡単に行うことができる。すなわち、本発明によれば、簡便な器具と簡単な操作で瞬時に変位計測が行えることとなる。

前述したように、本発明では、従来、例えばトンネルを掘削して支保完了後からしか測定できなかったトンネルの地山変位を、鋼製支保工建て込み直後から測定することが出来、もって、より正確に実際に発生している地山変位をとらえることが可能となり、また、正確に地山変位を測定できることで、より適切な支保パターンを選定することが可能になり、より品質の良い、より経済的なトンネルなどの構築物を構築できるものとなった。

また、現状のトンネル計測では、いわゆる三次元トータルステーションを用いて地山の三次元変位を計測しているが、十分な施工管理に必要な掘削直後からの三次元変位を高頻度で計測・把握することができないことが多々あり、そこで、早期着手、施工に支障を来さないよう、安全で、手軽に設置でき、安価なレーザー距離計を用いて、測定部材の視準面を視準直角方向二軸周りに傾斜可能とし、１回三状態の視準面までの距離計測を行うことで、距離計のみで瞬時に三次元変位を把握可能としたのである。

さらに、１台のレーザー距離計など１台のレーザー距離計のみで、測定点の三次元変位が測定可能となり、地盤や構造物の複雑な挙動を簡易な装置で正確に測定することが可能となり、特に、トンネル掘削工事では掘削直後からの地山変位をより正確に把握することで、最終変位量の予測値の精度向上が可能となり、これによって、地山の最終変位量の予測値を見越した適切な支保選定や変更が可能となるのである。

図１において、符号２はレーザー距離計であり、ここではレーザー距離計がレーザー距離計２として１台使用される。ここで、掘削したばかりのトンネル１の開口部分には天端部分も含めて鋼製のいわゆる支保工３で被覆されている。

そして、該鋼製の支保工３に本発明の装置である測定部材４を簡単に取り付けることが出来るものとなっている。

すなわち、該測定部材４は、図２から理解されるように、例えば永久磁石からなる基部５を有しており、これにより前記鋼製からなる支保工３に簡単に固着できる構成とした。

そして、図２に示す様に本件測定部材４は、前記基部５から略直交する方向へ突出する第１回動軸６と、該第１回動軸６の先端に取り付けられ、外形状が略コ字状をなし、第２回動軸７を把持する把持部材８とを有して構成される。

また、前記第２回動軸７には略方形状をなす測定面９が回動可能に取り付けられている。

すなわち、図２から理解されるように、第２回動軸７に取り付けられた測定面９は、まず、図２（ａ）に示す様に、後述するレーザー距離計２から発射されるレーザービーム１１を例えば、直交する状態で受け止める角度に設定される（図２（ａ）、図３（ａ）参照）。

さらに、第２回動軸７に取り付けられた測定面９は、図３ｂ）に示す様に、レーザー距離計２から発射されるレーザービーム１１について鉛直方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度に設定される（図２（ｂ）、図３（ｂ）参照）。

そして、第２回動軸７に取り付けられた測定面９は、図３（ｃ）に示す様に、レーザー距離計２から発射されるレーザービーム１１について水平方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度に設定される（図２（ｃ）、図３（ｃ）参照）。

上記のように、本発明による測定部材４は、設定角度が水平方向に延出する軸線上に設けられた第１回動軸６及び鉛直方向に延出する軸線上に設けられた第２回動軸７の２軸で測定面９の傾斜角度を変更可能としたことが大きな特徴となっている。

このように、前記測定面９が２軸によって前記の三種類の傾斜角度に設定できれば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向への変位が測定部材４と測定面９までの水平距離の長さの変化で計測することが出来る。

図３に示す様に、Ｙ軸方向の変位は距離Ｌ１の長さの変化により、Ｚ軸方向の変位は距離Ｌ２の長さの変化により、Ｘ軸方向の変位は、距離Ｌ３の長さの変化により計測するものとなる。

次に、図１から理解されるように、1台のレーザー距離計２は例えばトンネル１の掘削面１２などの測定箇所から一定距離離間された計測装置設置箇所に設置される。

そして、前記測定箇所、例えばトンネル１の開口部付近には、前記したように設定角度が鉛直方向及び水平方向の２軸で変更可能な測定面９を備えた測定部材４が設置される。

この設置については前記した様に、永久磁石で構成された基部５を鋼製の支保工３などに吸着させることにより簡単に取り付けることが出来る。

ここで、前述したように、前記測定面９は、前記１台のレーザー距離計２により送出されたレーザービーム１１を、直交する状態（Ｙ軸方向）で受け止める角度（図３（ａ）参照）、鉛直方向（Ｚ軸方向）を軸として斜めに傾斜させた状態（図３（ｃ）参照）で受け止める角度及び水平方向（Ｘ軸方向）を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度（図３（ｂ）参照）に調整して各々固定できる構成とされており、この各々固定された各々の傾斜角度の測定面９で前記送出されたレーザービーム１１を受け止めて測定できる構成となっているのである。

そして、それぞれの角度における水平距離の長さの変化を計測すること、すなわち、レーザー距離計２と計測地点に設置された測定面９との間の水平距離を各々測定し、この測定された各々の水平距離の長さの違いを求めることにより前記測定部材４が設置された箇所での三次元変位をスムーズに、かつ簡易に測定できる構成としてあるのである。

当該計測方法につき、図４を参照にして説明する。図４では計測地点の三次元変位の算出方法、すなわち算出式が示されており、当該算出式を用いることにより計測地点での三次元変位が求められる。

本発明のレーザー距離計２により、一測定箇所の三次元変位を、Ｎ回にわたり、経時的に計測する場合の概略フロー図を図１０に示す。

さらに、図５は本発明を用いて計測地点での三次元変位を連続的に監視できる簡単な構成例を示したものであり、符号１３は管理装置を示すものであり、該管理装置１３は通常、パソコンなどで構成される。図から理解されるように、該管理装置１３は、レーザー距離計２が発射したレーザービーム１１の長さデータなどを受信する受信部１４、受信されたデータより変位量などを算出する制御部１５、算出されたデータなどを保存する記憶部１６、キーボ−ドなどの入力部１７，ディスプレイなどの表示部１８、当該管理装置１３からの指示信号などを測定部材４などの制御部１５に送信する送信部１９を有して構成されている。

すなわち、レーザー距離計２で連続的に計測された距離測定データは連続的に管理装置１３に取り込まれ、管理装置１３では取り込んだ距離測定データから、計測地点における三次元変位を連続的に演算処理して計測、記録、保管すると共に、このデータを基に、将来的、経時的な挙動が監視でき、また、そのデータにおける変位状態などから収束状況を割り出したりし、地山など計測地点の安定性を評価するのである。

さらに、包括的な計測監視結果を、例えばトンネル１の掘削であれば、次の掘削段階の対応にフィードバックするなどして、いわゆる情報化施工に活用することもできるのである。

また、連続的に自動計測する場合には、得られた計測値から評価した地山の安全性を作業員に周知させることで、作業継続、作業一時中止、緊急待避等の安全管理にも活用できる。

ところで、前記測定部材４における測定面９の傾斜操作は、手動でも自動でも行うことができる。手動で行う場合には、測定地点に作業者が測定の都度待機もしくは張り付き、指示に従って、測定部材４を操作し、指示された傾斜に測定面９を回動する必要がある。そして、その場合、例えば、４５度の角度、６０度の角度、あるいは９０度の角度にスムーズに、かつ正確に設定できるよう、またそれぞれの角度になったのが明確に判断できるよう、第１回動軸６及び第２回動軸７内に窪み部（図示しない）を設けておき、所定の角度になったときには、その窪み部に内部突起部が遊嵌して一担係止するような構成としておくことが好ましい。

また、自動操作にする場合には、測定部材４内に第１回動軸６及び第２回動軸７を所定の角度に傾斜させるモータ及び該モータを作動させる制御装置を内蔵させておき、前述した管理装置１３より作動信号を発信して、前記モータを操作し、所定の傾斜角に前記測定面９を傾斜させる構成が考えられる。
このような構成とすれば、測定箇所に作業者を常時張り付けておく必要もない。

なお、本発明による変位測定において、測定面の傾斜が測定精度に及ぼす影響を把握するため、測定面を水平面に対して垂直(90°)、60°、45°に固定し、水平変位若しくは鉛直変位を付与して接触式変位計(東京測器研究所、SDP-100R、分解能：100×10^-6/mm)による測定値と比較した。

使用したレーザー距離計は、Leica製DISTO D8(公称精度±1.0mm以内)である。変位は水平、鉛直とも0mm〜50mm程度の範囲で2.5mmピッチ間隔に付与した。

レーザー距離計と測定面との距離は、5m、10m、15mの３ケースとした。なお、測定面は測定距離20ｍまでの近距離に向いた灰色に着色されたプラスチック板である。20ｍ以上200ｍまでの遠距離については、長距離専用の測定板(茶系)を用いることで、同様の測定精度を得られる。

（試験結果とその考察）

実験結果のうち、測定距離15mで、測定面が45°と60°の場合の試験結果を、図７、図８にそれぞれ示す。なお、各変位での測定値は5個のデータをプロットした。また、図９に、全ケースのレーザー距離計と接触式変位計による測定値間の相関関係を示す。

これらの図７、図８、図９より以下のことが分かる。
・測定面が45°の場合、接触式変位計に対しレーザー距離計の測定値には、標準偏差σで0.4mm以内のばらつきがあるが、相関係数rは0.9995と高いことから、45°傾斜した測定面でもレーザー距離計により公称精度：２σ＝±1mm以内で水平距離を測定できる。
・測定面が60°の場合も、45°と同等の測関係数(r=0.9976)が得られていることから、測定面の傾斜が60°でも測定精度の点で問題はない。
・測定距離15m以内で、測定面の傾斜角が45°から90°の範囲内では、測定点の傾斜が水平距離の測定精度に及ぼす影響は認められない。このことから、図４に示す式により測定点の3次元変位を公称1mm以内の精度で測定できる。

なお、測定面の面積が狭く、計測に際し、レーザー距離計２から発射されたレーザービーム１１が測定面の外側に外れてしまうことも考えられる。

その場合、前記レーザー距離計２の発射位置を若干修正し、その上で前記測定面に向かって発射させれば前記測定面内にレーザービーム１１を納めることが出来、引き続き同様の手順で測定点の３次元変位を計測できる。

１ トンネル
２ レーザー距離計
３ 支保工
４ 測定部材
５ 基部
６ 第１回動軸
７ 第２回動軸
８ 把持部材
９ 測定面
１１ レーザービーム
１２ 掘削面
１３ 管理装置
１４ 受信部
１５ 制御部
１６ 記憶部
１７ 入力部
１８ 表示部
１９ 送信部

Claims (4)

1台のレーザー距離計を測定箇所から離間した計測装置設置箇所に設置し、
前記測定箇所には、設定角度が鉛直方向及び水平方向の２軸で変更可能な測定面を備えた測定部材が設置され、
前記測定面は、前記１台のレーザー距離計より送出されたレーザービームを、直交する状態で受け止める角度、鉛直方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度及び水平方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度に調整して各々固定でき、各々固定された各々の測定面で前記送出されたレーザービームを受け止めてなり、
前記１台のレーザー距離計は、前記測定部材を用いて、レーザー距離計と測定面との間の距離を各々測定し、測定された各々の距離の違いから前記測定部材が設置された箇所での三次元変位を測定できる、
ことを特徴とする三次元変位計測方法。

測定箇所から離間させて計測装置設置箇所に設置した1台のレーザー距離計と、前記測定箇所に設置された測定部材と、を有し、
前記測定部材は、設定角度が鉛直方向及び水平方向の２軸で変更可能な測定面を備え、前記測定面は、前記１台のレーザー距離計より送出されたレーザービームを、直交する状態で受け止める角度、鉛直方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度及び水平方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度に調整できて各々固定でき、各々固定された各々の測定面で前記送出されたレーザービームを受け止めてなり、
前記１台のレーザー距離計により前記レーザー距離計と測定面との間の距離が各々測定可能とされ、測定された各々の距離の違いから前記測定部材が設置された箇所の三次元変位を測定できる、
ことを特徴とする三次元変位計測装置。

測定箇所から離間させて計測装置設置箇所に設置した1台のレーザー距離計と、前記測定箇所に設置された測定部材と、前記１台のレーザー距離計で計測された測定データを取り込み、演算処理、保存、管理する管理装置と、を有し、
前記測定部材は、設定角度が鉛直方向及び水平方向の２軸で変更可能な測定面を備え、前記測定面は、前記１台のレーザー距離計より送出されたレーザービームを、直交する状態で受け止める角度、鉛直方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度及び水平方向を軸として斜めに傾斜させた状態で受け止める角度に調整できて各々固定でき、各々固定された各々の測定面で前記送出されたレーザービームを受け止めてなり、
前記１台のレーザー距離計によりレーザー距離計と測定面との間の距離が各々測定可能とされ、測定された各々の距離の違いから、前記測定部材が設置された箇所の三次元変位を測定でき、
前記管理装置は、前記測定された各々の距離のデータを取り込んで、前記測定部材が設置された箇所の三次元変位を連続的に監視する、
ことを特徴とする三次元変位計測装置。

前記設定角度が鉛直方向及び水平方向の２軸で変更可能な測定面の角度設定は、手動であるいはリモートコントロールで制御出来る、
ことを特徴とする請求項２記載の三次元変位計測装置。

Images