JP6600252B2 - トンネル切羽面の変位監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル切羽面の変位監視装置に関するものであり、詳しくは、掘削直後の切羽面を監視して変位が発生した場合には、作業員に対して、変位発生位置や変位の程度をいち早く報知することが可能な技術に関するものである。

トンネル工事において、未固結地山や断層破砕帯等の軟弱地山を掘削する際に、切羽が崩落することがある。このような切羽の崩壊は、安全な作業を行う上で支障となる場合があるため、事前にその兆候を察知して適切な処置を施す必要がある。そこで、切羽の状態を監視して、崩落の危険性が高まった場合に警告を発生するシステムが開発されている（特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１に記載された技術は、切羽観察記録を作成する際にフリーハンドのスケッチではなく、常に一定の方向や位置から見た正確な切羽観察記録を容易に作成するための装置及び方法に関するものである。この技術は、切羽近似平面がトンネル切羽に対して所定の位置に形成され、互いの位置関係が既知である複数の基準点を切羽近似平面に対してマーキングする。そして、基準点とともに、トンネル切羽を撮影平面上に撮影して得た写真画像に基づいて切羽観察記録を作成するようになっている。

特許文献２に記載された技術は、トンネルなどの切羽面の不連続面検出や切羽面における地質境界検出を行うための測量システムに関するものである。この技術は、測量すべきトンネル切羽面について、デジタルカメラで撮影を行ってトンネル切羽面の中心投影画像を取得する。そして、少なくともデジタルカメラ撮影におけるカメラ位置、カメラ姿勢及び焦点距離の値、さらに、カメラレンズのゆがみ、カメラレンズ中心位置のずれの値を使用した中心投影画像から正射投影画像への変換式を用いて解析し、トンネル切羽面の正射投影画像を取得することにより、切羽面の測量を行うようになっている。

また、トンネルの切羽後方に取り付けたレーザー変位計により、切羽の押出変位を連続的に測定する方法がある。この方法では、計測データに基づいて、変位速度や崩落に至るまでの予測時間等のデータを算出する。そして、累積変位量や変位速度が、予め設定した管理基準値を超えると、警告灯を点滅して警報を発生するようになっている。

特開平８−２８５５８３号公報 特開２００８−２６７８４３号公報

しかし、監視員により目視で切羽面を監視する方法では、常時監視することが困難であり、監視員の感覚に頼った管理となってしまう。また、特許文献１に記載された技術では、自動的に切羽観察記録を作成することはできるが、切羽面の変位に対する判断は人手に頼っており、崩落等の危険を瞬時に報知することはできない。また、特許文献２に記載された技術では、画像に基づいて切羽面の測量を行うことはできるが、切羽面の変位に対する判断は人手に頼ることになり、特許文献１と同様の問題があった。

さらに、レーザー変位計を用いて切羽の押出変位を連続的に測定する方法では、警告灯を用いて崩落等の危険を報知することはできるが、どの位置で変位が発生しているのかを報知することはできないため、適切な待避を行うことができない場合があった。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、作業者や監視員の感覚に頼らずに、正確かつ適切な情報に基づいて、迅速に切羽面の変位を報知することが可能なトンネル切羽面の変位監視装置を提供することを目的とする。

本発明のトンネル切羽面の変位監視装置は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明のトンネル切羽面の変位監視装置は、初期形状データ取得手段と、初期形状データ記憶手段と、現形状データ取得手段と、切羽面変位情報作成手段と、切羽面変位情報投影手段とを備えたことを特徴とするものであり、さらに、警報発生手段を備えることが可能である。

初期形状データ取得手段は、形成した切羽面の初期形状データを取得するための手段である。初期形状データ記憶手段は、取得した切羽面の初期形状データを記憶するための手段である。現形状データ取得手段は、切羽面の現形状データを取得するための手段である。切羽面変位情報作成手段は、初期形状データ記憶手段に記憶した切羽面の初期形状データと、現形状データ取得手段により取得した現形状データとの比較に基づいて、初期形状データと現形状データとの差違を示す切羽面変位情報を作成するための手段である。切羽面変位情報投影手段は、作業者が識別可能となるように、切羽面に対して切羽面変位情報に基づく画像を投影するための手段である。

上述した構成からなるトンネル切羽面の変位監視装置において、切羽面変位情報投影手段は、投影する画像の色相、彩度、明度の少なくとも一つにより、初期形状データと現形状データとの差違を表現することが可能である。

また、上述した構成からなるトンネル切羽面の変位監視装置において、警報発生手段は、切羽面変位情報における初期形状データと現形状データとの差違が閾値を超えた場合に警報を発生するための手段である。

上述した構成からなるトンネル切羽面の変位監視装置では、掘削機械により掘削を行い、支保工を建て込み、鏡面へコンクリートを吹き付け、ロックボルトを施工して切羽面を形成する。そして、初期形状データ記憶手段の機能により、トンネル掘削完了時（鏡面へのコンクリート吹き付け終了時）におけるトンネル切羽面の初期形状データを記憶しておく。

切羽面を形成した後（鏡面へのコンクリート吹き付けを終了した後）、現形状データ取得手段の機能により、形成した切羽面の現形状データを取得する。そして、切羽面変位情報作成手段の機能により、初期形状データと現形状データとを比較して、初期形状データと現形状データとの差違を示す切羽面変位情報を作成する。切羽面変位情報とは、形成したトンネル切羽面が初期形状とどの程度相違しているかを示す情報（変位情報）であり、トンネル切羽面の膨らみ、亀裂の発生、崩落等による形状変化を示している。作成された切羽面変位情報は、切羽面変位情報投影手段の機能により、作業者が識別可能となるよう、トンネル切羽面に対して投影する。

切羽面変位情報の投影では、投影画像の色を変化させたり、明るさを変化させたりして、トンネル切羽面の形成状態の変化を表現する。例えば、トンネル切羽面の形成に伴い、現形状データと基準データとの差違が生じると、その度合いに応じて投影色を変化させる。そして、初期形状データと現形状データとの差違が閾値を超えた場合には、切羽面の崩落等の危険が発生する可能性があるため、崩落危険箇所等における投影画像の明るさを一気に増すとともに赤色表示し、あるいは、スピーカーから警報音を発生して、作業者に対して切羽面の変位状況を報知する。

本発明のトンネル切羽面の変位監視装置によれば、トンネル切羽面の初期形状データを記憶しておき、トンネル掘削工程におけるトンネル切羽面に対して、初期形状データと現形状データとの差違を示す切羽面変位情報を投影する。これにより、作業者は、切羽面の形状が初期形状と一致しているか否かを瞬時に認識することができるので、万が一、切羽面の崩落等の危険が発生した場合には、現場待避等、適切な行動を起こすことができる。

また、投影する画像の色相、彩度、明度の少なくとも一つにより、初期形状データと現形状データとの差違を表現することにより、作業者は、正確かつ適切な情報を瞬時に認識することができるので、迅速に切羽面の状態を把握することができる。

さらに、初期形状データと現形状データとの差違が閾値を超えて、切羽面の崩落等の危険が発生する可能性がある場合には、警報手段により警報を発生することにより、作業者は、いち早く切羽面の変位に気付くことができるので、さらに一層、適切な対処を行うことができる。

本発明の実施形態に係るトンネル切羽面の変位監視装置の構成を示すブロック図。 トンネル切羽面に対する変位情報の投影状態を示す模式図。

以下、図面を参照して、本発明に係るトンネル切羽面の変位監視装置（以下、変位監視装置と略記する）の実施形態を説明する。図１及び図２は本発明の実施形態に係る変位監視装置を説明するもので、図１は変位監視装置の構成を示すブロック図、図２はトンネル切羽面に対する変位情報の投影状態を示す模式図である。

＜変位監視装置の概要＞
本発明の実施形態に係る変位監視装置は、トンネル切羽面の状態を常時監視し、作業員や監視員に対してトンネル切羽面の状態を認識させるとともに、崩落等の危険が発生する可能性がある場合には、いち早く作業員にその旨を報知して、待避等、適切な処置を行うことができるようにした技術である。

＜変位監視装置の詳細＞
本発明の実施形態に係る変位監視装置１０は、図１に示すように、初期形状データ取得手段１１、初期形状データ記憶手段１２、現形状データ取得手段１３、切羽面変位情報作成手段１４、切羽面変位情報投影手段１５を備えており、さらに警報発生手段１６を備えることが可能である。以下、各手段について詳述する。

＜初期形状データ取得手段＞
初期形状データ取得手段１１は、形成した切羽面の初期形状データを取得するための手段であり、例えば、ビデオカメラ等の撮像装置及び照明装置等からなる。この初期形状データ取得手段１１は、例えば、トンネルの天端等に設置して、トンネル切羽面を撮像対象とする。この際、照度が不足していれば、投光器やＬＥＤライト等の照明装置によりトンネル切羽面に撮影光を照射することが好ましい。初期形状データ取得手段１１により取得した初期形状データは、初期形状データ記憶手段１２に記憶する。なお、形成した切羽面の初期形状データとは、掘削機械により掘削を行い、支保工を建て込み、鏡面へコンクリートを吹き付けた時点における切羽面の形状データである。

＜初期形状データ記憶手段＞
初期形状データ記憶手段１２は、例えば、ＨＤＤ等の大容量記憶装置からなる。この初期形状データ記憶手段１２に、トンネル掘削完了時（鏡面へのコンクリート吹き付け終了時）におけるトンネル切羽面の初期形状データ（断面形状、地山状況等のデータ）を記憶しておく。初期形状データは、切羽面変位情報作成手段１４に送信されて、現形状データとともにトンネル切羽面変位情報の作成に使用する。

この初期形状データ記憶手段１２は、トンネルの掘削現場に設置したコンピュータに内蔵（付帯）していてもよいが、データ通信回線を介してデータ通信可能に設置されていてもよい。例えば、管理施設に設置したサーバー（図示せず）を初期形状データ記憶手段１２として機能させるとともに、サーバーと、初期形状データ取得手段１１、現形状データ取得手段１３、切羽面変位情報作成手段１４、切羽面変位情報投影手段１５とをデータ通信回線を介して接続することにより、情報を送受信してもよい。この場合、サーバーはクラウドシステム上に構築した仮想サーバーであってもよい。

また、データ通信回線は、データの送受信を行うことができればどのような回線であってもよく、インターネット、公衆電話回線、専用データ通信回線、無線ＬＡＮ回線、有線ＬＡＮ回線等を、単独であるいは組み合わせて用いることができる。このように、初期形状データ記憶手段１２をサーバーの機能とすることにより、湿度が高く、あるいは粉塵が存在して、コンピュータ等の精密機械にとって環境が良いとは言えない施工現場においても本発明に係る変位監視装置１０を使用することができる。

＜現形状データ取得手段＞
現形状データ取得手段１３は、トンネル掘削工程において形成したトンネル切羽面の現形状データを取得するための手段であり、例えば、ビデオカメラ等の撮像装置及び照明装置等からなる。この現形状データ取得手段１３は、例えば、トンネルの天端等に設置して、トンネル切羽面を撮像対象とする。この際、照度が不足していれば、投光器やＬＥＤライト等の照明装置によりトンネル切羽面に撮影光を照射することが好ましい。現形状データ取得手段１３により取得した現形状データは、切羽面変位情報作成手段１４に送信されて、初期形状データとともに切羽面変位情報の作成に使用する。なお、現形状データ取得手段１３は、初期形状データ取得手段１１と兼用の手段として構成してもよい。

＜切羽面変位情報作成手段＞
切羽面変位情報作成手段１４は、初期形状データ記憶手段１２に記憶したトンネル切羽面の初期形状データと、取得した現形状データとの比較に基づいて、初期形状データと現形状データとの差違を示す切羽面変位情報を作成するための手段であり、例えば、コンピュータ及びその付帯装置と、コンピュータにインストールすることによりハードウェアと協同して動作するアプリケーションプログラムとからなる。

なお、初期形状データ記憶手段１２と同様に、切羽面変位情報作成手段１４は、トンネルの掘削現場に設置したコンピュータに内蔵（付帯）していてもよいが、データ通信回線を介してデータ通信可能に設置されていてもよい。

＜切羽面変位情報投影手段＞
切羽面変位情報投影手段１５は、作業者が識別可能となるように、トンネル切羽面に対して切羽面変位情報に基づく画像を投影するための手段であり、例えば、液晶プロジェクタからなる。この切羽面変位情報投影手段１５は、例えば、トンネルの天端等に設置して、トンネル切羽面を投影対象面とする。

液晶プロジェクタは、図示しないが、光源、液晶パネル、投影レンズ系等を主要な構成要素とする機器であり、切羽面変位情報作成手段１４で作成した切羽面変位情報を映像化してトンネル切羽面に投影する。この際、トンネル切羽面に投影する情報を三次元的に表現することが好ましい。情報を三次元的に表現するには、プロジェクションマッピングの技術を用いればよい。なお、プロジェクションマッピングには、映像を三次元的に表現するためのハードウェア及びソフトウェアが必要となる。

＜警報発生手段＞
警報発生手段１６は、初期形状データと現形状データとの差違が閾値を超えた場合に警報を発生するための手段である。例えば、切羽面変位情報投影手段１５によりトンネル切羽面に投影する画像の態様（色相、彩度、明度の少なくとも一つ）を、正常な状態と比較して極端に変化させることにより、切羽面変位情報投影手段１５を警報発生として機能させてもよいし、警報を発生するための装置を別途設けてもよい。

警報発生装置としては、例えば、図２に示すように、アンプ及びスピーカーや回転灯を挙げることができる。すなわち、スピーカーから警報音を発生したり、回転灯を点灯、点滅させたりして、警報を発生する。また、上述した投影画像による警報と警報発生装置による警報との双方を行ってもよい。

＜切羽面変位情報の投影＞
以下、本実施形態の変位監視装置１０を用いて、トンネル切羽面に対して切羽面変位情報を投影する手順を説明する。切羽面変位情報を作成するには、初期形状データ取得手段１１の機能により、鏡面へのコンクリート吹き付け終了時における切羽面の初期形状データを取得する。例えば、ビデオカメラにより、形成したトンネル切羽面を撮影して初期形状データを取得する。取得した初期形状データは、初期形状データ記憶手段１２に記憶しておく。

一方、その後のトンネル切羽面の現形状データは、現形状データ取得手段１３の機能により取得する。例えば、ビデオカメラにより、トンネル切羽面の現状を撮影して現形状データを取得する。この現形状データは、コンピュータの一時記憶領域に記憶しておく。

そして、切羽面変位情報作成手段１４の機能により、初期形状データと現形状データとを用いて、両データの差違を演算し、切羽面変位情報を作成する。演算結果である切羽面変位情報は、切羽面変位情報投影手段１５の機能により、画像としてトンネル切羽面に投影する。当該投影する画像は、色相、彩度、明度の少なくとも一つにより、初期形状データと現形状データとの差違を表現する。

図２を参照して、上述した手順について説明する。図２（ａ）はトンネル切羽面を形成した当初の投影状態、図２（ｂ）はトンネル切羽面の形成から時間が経過した時点の投影状態、図２（ｃ）は警告発生を行う時点の投影状態を示す。

トンネル掘削によりトンネル切羽面を形成した当初には、トンネル切羽面に初期形状データを投影する。そして、トンネル切羽面の形状が変化するに従い、初期形状データと現形状データとの差違を、投影画像の色相、彩度、明度の少なくとも一つにより表現する。さらに、初期形状データと現形状データとの差違が閾値を超えてトンネル切羽面の崩落等が生じる可能性がある場合には、投影画像の色彩を変化させたり、一気に明るさを増したりして、作業者に対してトンネル切羽面の形状変化が異常であることを報知する。また、同時に、警報発生装置であるスピーカーから警報音を発生する。切羽面変位情報として、等高線を用いて、トンネル切羽面の状態を表現してもよい。

＜他の実施形態＞
上述した実施形態は、本発明に係るトンネル切羽面の変位監視装置の基本的な態様であるが、他の技術を組み合わせることにより、より一層多面的に、トンネル切羽面の変位監視を行うことができる。例えば、ボーリング調査や弾性波を用いた解析技術等によりトンネル地山の地質を把握し、各地質に対してトンネル切羽面がどのような変位を来した場合に、トンネル切羽面の崩壊や出水等が発生するのかをデータとして蓄積しておく。そして、トンネル地山とトンネル切羽面との変位との関係に基づいて、崩落や出水が発生する危険性や、その発生予想時刻等を演算して、警報を発生することが可能である。このような技術を用いることにより、より一層迅速にトンネル切羽面の変位を報知することが可能となる。

１０ 変位監視装置
１１ 初期形状データ取得手段
１２ 初期形状データ記憶手段
１３ 現形状データ取得手段
１４ 切羽面変位情報作成手段
１５ 切羽面変位情報投影手段
１６ 警報発生手段

Claims (3)

1. 形成した切羽面の初期形状データを取得する初期形状データ取得手段と、
   前記取得した切羽面の初期形状データを記憶する初期形状データ記憶手段と、
   前記切羽面の現形状データを取得する現形状データ取得手段と、
   前記記憶した切羽面の初期形状データと、前記取得した現形状データとの比較に基づいて、前記初期形状データと前記現形状データとの差違を示す切羽面変位情報を作成する切羽面変位情報作成手段と、
   作業者が識別可能となるように、前記切羽面に対して前記切羽面変位情報に基づく画像を投影する切羽面変位情報投影手段と、
   を備えたことを特徴とするトンネル切羽面の変位監視装置。
2. 前記切羽面変位情報投影手段は、投影する画像の色相、彩度、明度の少なくとも一つにより、初期形状データと現形状データとの差違を表現する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル切羽面の変位監視装置。
3. 前記切羽面変位情報における前記初期形状データと前記現形状データとの差違が閾値を超えた場合に警報を発生する警報発生手段を備えた、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のトンネル切羽面の変位監視装置。

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