JP7090981B2 - Tunnel construction management system, judgment method and construction management system - Google Patents

Tunnel construction management system, judgment method and construction management system Download PDF

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Description

本発明は、トンネルの施工を管理するトンネル施工管理システムおよびトンネル内の施工が必要な箇所を判定する方法に関する。 The present invention relates to a tunnel construction management system for managing tunnel construction and a method for determining a location in the tunnel where construction is required.

NATM(New Austrian Tunneling Method)工法によるトンネルの掘削工事では、トンネル切羽に装薬した爆薬により発破を行い、発破により発生したズリを搬出した後、アタリ取りと呼ばれる、その後の覆工に支障を生じる出っ張り(アタリ)を取り除く作業が行われる。 In tunnel excavation work by the NATM (New Austrian Tunneling Method) method, blasting is performed by the explosive charged on the tunnel face, and after the blasting is carried out, the subsequent lining work, which is called atari removal, is hindered. Work is done to remove the bulge (atari).

従来、アタリ取りでは、作業員がトンネル切羽直下に立ち入り、設計断面に対して堀り足りていない箇所を目視にて確認し、レーザーポインタ等で指示し、指示された箇所をブレーカー掘削している。これでは、地山の崩落等により作業員に危険を生じ、作業に時間を要するという問題があった。 Conventionally, in Atari removal, a worker enters directly under the tunnel face, visually confirms the part that is not dug with respect to the design cross section, gives an instruction with a laser pointer, etc., and excavates the instructed part with a breaker. .. This causes a danger to the workers due to the collapse of the ground and the like, and there is a problem that the work takes time.

そこで、作業員による目視判定を不要にし、工期を短縮するべく、三次元スキャナを用いて掘削壁面の計測を行い、基準断面と比較し、比較結果に基づきアタリ取りを行う技術が提案されている(例えば、特許文献1および2参照)。 Therefore, in order to eliminate the need for visual judgment by workers and shorten the construction period, a technique has been proposed in which the excavated wall surface is measured using a three-dimensional scanner, compared with the reference cross section, and atari is removed based on the comparison result. (See, for example, Patent Documents 1 and 2).

特開2010-217017号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-21017 特開2010-217018号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-21018

上記特許文献1および2に記載された技術では、トンネル内を細かく計測して三次元スキャナの絶対座標を取得するため、その絶対座標の取得までに時間がかかり、その結果、掘削が必要な箇所の判定に時間がかかるという問題があった。また、三次元スキャナを三脚上に設置すると、その位置がアタリ取り作業の支障になる場合、三次元スキャナと三脚を移動して、再度その絶対位置を取得する作業が必要となるため、さらに多くの労力と時間を要するという問題もあった。 In the techniques described in Patent Documents 1 and 2, since the inside of the tunnel is measured in detail and the absolute coordinates of the three-dimensional scanner are acquired, it takes time to acquire the absolute coordinates, and as a result, the location where excavation is required. There was a problem that it took a long time to judge. In addition, if the 3D scanner is installed on a tripod and its position interferes with the work of removing atari, it is necessary to move the 3D scanner and the tripod to acquire the absolute position again, which is even more. There was also the problem that it took labor and time.

そこで、トンネル内の掘削等の施工が必要な箇所の判定を短時間で実施することが可能でアタリ取り作業の支障にならないシステムや方法の提供が望まれていた。 Therefore, it has been desired to provide a system and a method that can determine a part requiring construction such as excavation in a tunnel in a short time and do not hinder the work of removing atari.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、トンネルの施工を管理するトンネル施工管理システムであって、
トンネル内を三次元計測する計測手段と、
トンネル内に配置され、予め計測された位置座標を有する3以上の球状ターゲットと、
トンネル内の1以上の箇所の位置座標を計算する演算手段とを含み、
計測手段は、3以上の球状ターゲットを含むトンネル内を、計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測し、
演算手段は、計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測された計測結果に基づき、計測手段の位置座標を計算し、計算した計測手段の位置座標と計測手段の計測結果とに基づき、トンネル内の複数の箇所の位置座標を計算する、トンネル施工管理システムが提供される。
The present invention has been made in view of the above problems, and is a tunnel construction management system for managing tunnel construction.
A measuring means that measures the inside of a tunnel in three dimensions,
With three or more spherical targets placed in the tunnel and having pre-measured position coordinates,
Including arithmetic means for calculating the position coordinates of one or more points in the tunnel.
The measuring means three-dimensionally measures the inside of the tunnel including three or more spherical targets by changing the measurement point interval and the measurement range.
The calculation means calculates the position coordinates of the measurement means based on the measurement results measured three-dimensionally by changing the measurement point interval and the measurement range, and the tunnel is based on the calculated position coordinates of the measurement means and the measurement results of the measurement means. A tunnel construction management system is provided that calculates the position coordinates of multiple points within.

本発明によれば、施工が必要な箇所の判定を短時間で実施することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to determine a location requiring construction in a short time.

トンネル施工管理システムの構成例を示した図。The figure which showed the configuration example of the tunnel construction management system. 球状ターゲットの構成例を示した図。The figure which showed the structural example of the spherical target. トンネル施工管理システムにより実施される掘削作業の全体の流れを示したフローチャート。A flowchart showing the overall flow of excavation work carried out by the tunnel construction management system. パターンマッチングにより計測手段の位置を特定する作業を説明する図。The figure explaining the work of specifying the position of a measuring means by pattern matching. 球状ターゲットを使用して計測手段の位置を確定する作業の流れを示したフローチャート。A flowchart showing a work flow for determining the position of a measuring means using a spherical target. 球状ターゲットを使用して計測手段の位置を確定する作業について説明する図。The figure explaining the work of fixing the position of a measuring means using a spherical target.

図1は、トンネル施工管理システムの構成例を示した図である。トンネル施工管理システムは、トンネルの施工管理、例えばトンネルの形状の把握、情報の収集、工事の安全・安心、重機等の工事車両の姿勢制御のために使用される。トンネルの形状の把握には、切羽側の一次覆工前の掘削壁面におけるアタリ取りのモニタリング等があり、情報の収集には、掘削土量や吹付量等の施工量の情報、ロックボルトや鋼製支保工等の位置の情報等の収集があり、安全・安心には、切羽面や側壁の変位の計測等がある。ここでは、トンネル施工管理システムは、アタリ取りが必要な箇所を判定し、アタリ取りを実施することができるシステムとして説明する。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a tunnel construction management system. The tunnel construction management system is used for tunnel construction management, for example, grasping the shape of a tunnel, collecting information, safety and security of construction, and controlling the attitude of construction vehicles such as heavy machinery. Understanding the shape of the tunnel includes monitoring the removal of atari on the excavated wall surface before the primary lining on the face side, and collecting information includes information on the amount of excavated soil and the amount of sprayed soil, rock bolts and steel. Information on the position of the support work, etc. is collected, and for safety and security, there is measurement of displacement of the face surface and side walls. Here, the tunnel construction management system will be described as a system capable of determining a location where atari removal is necessary and carrying out atari removal.

NATM工法によるトンネルは、爆薬による発破や自由断面掘削機等の掘削機を使用し、地山や地中を掘削することにより形成される。トンネル出入口は、トンネル坑口と呼ばれ、掘削方向における掘削面は、切羽10と呼ばれる。一次覆工は、掘削したままの状態では崩落の危険性があるため、アーチ状の鋼製の支保工11を一定間隔で設置し、コンクリートを吹き付け、トンネル壁面を補強する作業である。一次覆工後は、ロックボルト12を打ち込み、防水シートでコンクリート壁面を覆い、二次覆工として、さらに内側にコンクリートの打設が行われる。なお、図1中、「S.L」は、Spring Lineで、トンネル内空断面で、上半アーチの始まる線である。 The tunnel by the NATM method is formed by blasting with explosives or excavating the ground or the ground using an excavator such as a roadheader. The tunnel entrance / exit is called a tunnel entrance, and the excavation surface in the excavation direction is called a face 10. Since there is a risk of collapse in the state of being excavated, the primary lining is a work of installing arch-shaped steel supports 11 at regular intervals, spraying concrete, and reinforcing the tunnel wall surface. After the primary lining, the lock bolt 12 is driven in, the concrete wall surface is covered with a waterproof sheet, and the concrete is further placed inside as the secondary lining. In FIG. 1, "SL" is a Spring Line, which is an empty cross section inside the tunnel and is a line where the upper half arch starts.

トンネルは、一定距離掘削するたびに一次覆工が行われる。トンネル施工管理システムは、一定距離掘削した後にアタリ取りが必要な箇所を判定し、アタリ取りを実施する。このアタリ取りが完了した後、一次覆工が行われる。すなわち、発破や掘削機による掘削、アタリ取り、一次覆工の繰り返しにより、トンネルが形成される。 The tunnel is primarily lining every time it is excavated a certain distance. The tunnel construction management system determines the points where atari removal is necessary after excavating a certain distance, and carries out atari removal. After this atari removal is completed, the primary lining is performed. That is, a tunnel is formed by repeating blasting, excavation with an excavator, atari removal, and primary lining.

トンネル施工管理システムは、アタリ取りが必要な箇所を判定し、アタリ取りを実施するため、掘削が必要な箇所を掘削する掘削手段を備える車両を含む。掘削手段を備える車両としては、アタリを削り、取り除く作業(はつり)に用いる鏨(チゼル)を連続的に打撃するブレーカー20を採用することができる。 The tunnel construction management system includes a vehicle equipped with an excavation means for excavating a part requiring excavation in order to determine a part requiring atari removal and carry out the atari removal. As the vehicle provided with the excavation means, a breaker 20 that continuously hits the chisel used for the work of scraping and removing the atari (chipping) can be adopted.

トンネル施工管理システムは、アタリ取りが必要か否かを判定するために、トンネル内を三次元計測する計測手段として、例えば三次元(3D)スキャナ21を備える。3Dスキャナ21は、レーザー光を照射してからレーザー光が返ってくる時間を計測し、距離に換算する。3Dスキャナ21は、レーザー光の照射角度も計測し、換算した距離および計測した照射角度に基づき、3Dスキャナ21に対する計測対象の相対位置の座標を算出する。相対位置の座標は、3Dスキャナ21の座標を(0,0,0)とした場合の計測対象の座標である。3Dスキャナ21は、ブレーカー20の運転席の屋根(ルーフ)上に免震架台を介して搭載される。免震架台は、免震装置を備える架台であり、免震装置としては、積層ゴム、転がり支承、すべり支承を含むものや、これらとダンパーとから構成されるものを用いることができる。 The tunnel construction management system includes, for example, a three-dimensional (3D) scanner 21 as a measuring means for three-dimensionally measuring the inside of the tunnel in order to determine whether or not it is necessary to remove atari. The 3D scanner 21 measures the time during which the laser beam is returned after irradiating the laser beam, and converts it into a distance. The 3D scanner 21 also measures the irradiation angle of the laser beam, and calculates the coordinates of the relative position of the measurement target with respect to the 3D scanner 21 based on the converted distance and the measured irradiation angle. The coordinates of the relative position are the coordinates of the measurement target when the coordinates of the 3D scanner 21 are (0, 0, 0). The 3D scanner 21 is mounted on the roof of the driver's seat of the breaker 20 via a seismic isolation frame. The seismic isolation pedestal is a pedestal provided with a seismic isolation device, and as the seismic isolation device, one including laminated rubber, rolling bearings, sliding bearings, or one composed of these and a damper can be used.

3Dスキャナ21は、3つの計測モードを有する。3つの計測モードは、広範囲を低密度で計測する第1モードと、第1モードより狭い特定の範囲を、第1モードより高い密度(中密度)で計測する第2モードと、第2モードよりさらに狭い範囲を、第2モードより高い密度(高密度)で計測する第3モードである。各モードの詳細や各モードの使用方法については後述する。 The 3D scanner 21 has three measurement modes. The three measurement modes are the first mode, which measures a wide range with low density, the second mode, which measures a specific range narrower than the first mode with a higher density (medium density) than the first mode, and the second mode. This is the third mode in which a narrower range is measured with a higher density (higher density) than the second mode. Details of each mode and how to use each mode will be described later.

トンネル施工管理システムは、三次元計測した計測結果に基づき、トンネル内の切羽10上の1以上の箇所の位置座標を計算する演算手段を含む。演算手段は、位置座標の計算に加えて、設計データと比較して施工、例えば掘削が必要な箇所や施工量を判定する。演算手段は、上記の位置座標の計算、設計データとの比較に基づく判定を実施することができる装置であればいかなる装置であってもよく、例えばPC22やタブレット端末等を挙げることができる。PC22は、3Dスキャナ21とケーブルや無線LAN等により通信可能に接続され、ブレーカー20内の運転席に配置される。ここでは、演算手段を運転席から持ち運び自在なPC22として説明するが、演算手段は、運転席に備え付けられたモニタ付きコンピュータ等であってもよい。施工量は、上述した掘削土量や吹付量等である。 The tunnel construction management system includes a calculation means for calculating the position coordinates of one or more points on the face 10 in the tunnel based on the measurement result measured three-dimensionally. In addition to the calculation of the position coordinates, the calculation means determines the location where construction, for example, excavation is required, and the construction amount by comparing with the design data. The calculation means may be any device as long as it can perform the above-mentioned calculation of the position coordinates and the determination based on the comparison with the design data, and examples thereof include a PC 22 and a tablet terminal. The PC 22 is communicably connected to the 3D scanner 21 by a cable, wireless LAN, or the like, and is arranged in the driver's seat in the breaker 20. Here, the calculation means will be described as a PC 22 that can be carried from the driver's seat, but the calculation means may be a computer with a monitor provided in the driver's seat or the like. The construction amount is the above-mentioned excavated soil amount, spraying amount, and the like.

トンネル施工管理システムは、3Dスキャナ21の位置座標を計算するために、トンネル内に予め計測された位置座標を有する3以上の球状ターゲットを備え、3以上の球状ターゲットは、例えばブレーカー20よりトンネル坑口側に配置される。球状ターゲットは、例えば図2に示すような基準球23であり、球状面24と、内部に再帰反射する反射手段を有する切り欠き部25とを備える。図2(a)は、基準球23を一方の側から見た図で、図2(b)は、その裏側から見た図である。 The tunnel construction management system is provided with three or more spherical targets having pre-measured position coordinates in the tunnel in order to calculate the position coordinates of the 3D scanner 21, and the three or more spherical targets are, for example, from the breaker 20 to the tunnel entrance. Placed on the side. The spherical target is, for example, a reference sphere 23 as shown in FIG. 2, and includes a spherical surface 24 and a notch portion 25 having a reflecting means that retroreflects inside. FIG. 2A is a view of the reference ball 23 viewed from one side, and FIG. 2B is a view of the reference ball 23 viewed from the back side thereof.

球状面24は、反射機能を高めるためにガラスの粉等を含む特殊な塗料が塗布されている。切り欠き部25は、基準球23の一部に円形に、表面に向けてその径が拡張するようにくり抜かれた部分で、基準球23の中心であって、切り欠き部25の内部に、再帰反射する反射手段としてプリズム26が配設されている。切り欠き部25の開口からプリズム26までの通路27は、光の反射機能を高めるために白色で、滑らかな表面(曲面)とされている。 The spherical surface 24 is coated with a special paint containing glass powder or the like in order to enhance the reflective function. The notch 25 is a portion that is circularly hollowed out in a part of the reference sphere 23 so that its diameter expands toward the surface, and is the center of the reference sphere 23 and is inside the notch 25. A prism 26 is arranged as a reflection means for retroreflective reflection. The passage 27 from the opening of the notch 25 to the prism 26 is white and has a smooth surface (curved surface) in order to enhance the light reflection function.

基準球23の切り欠き部25内のプリズム26は、光波測距儀で基準球23の位置を測量するときのみ使用される。3Dスキャナ21で三次元計測する際は、球状面24が使用されるため、球状面24が3Dスキャナ21に向けられるように配置される。 The prism 26 in the notch 25 of the reference sphere 23 is used only when measuring the position of the reference sphere 23 with a laser rangefinder. Since the spherical surface 24 is used for three-dimensional measurement by the 3D scanner 21, the spherical surface 24 is arranged so as to face the 3D scanner 21.

基準球23の内部であって、その中心に設けられるプリズム26の位置座標は、予め光波測距儀により測量され、その座標値が与えられている。位置座標は、絶対座標であり、その座標値は、例えば緯度、経度、標高からなる値である。3Dスキャナ21で計測される計測点までの距離は、球状面24までの距離となるが、基準球23の半径が既知であるため、球状面24までの距離に基準球23の半径を加算することで、基準球23の中心までの距離を求めることができ、その距離に基づいて、その中心の位置座標を求めることができる。 The position coordinates of the prism 26 inside the reference sphere 23 and provided at the center thereof are measured in advance by a light wave rangefinder, and the coordinate values are given. The position coordinates are absolute coordinates, and the coordinate values are, for example, values consisting of latitude, longitude, and altitude. The distance to the measurement point measured by the 3D scanner 21 is the distance to the spherical surface 24, but since the radius of the reference sphere 23 is known, the radius of the reference sphere 23 is added to the distance to the spherical surface 24. Therefore, the distance to the center of the reference sphere 23 can be obtained, and the position coordinates of the center can be obtained based on the distance.

再び図1を参照して、3Dスキャナ21は、最初に、3以上の基準球23が存在するトンネル坑口側を三次元計測する。そして、PC22は、トンネル坑口側を三次元計測した計測結果と、3以上の基準球23の位置座標とに基づいて3Dスキャナ21の位置座標を計算する。 With reference to FIG. 1 again, the 3D scanner 21 first three-dimensionally measures the tunnel entrance side where three or more reference balls 23 are present. Then, the PC 22 calculates the position coordinates of the 3D scanner 21 based on the measurement result obtained by three-dimensionally measuring the tunnel entrance side and the position coordinates of the three or more reference balls 23.

その後、3Dスキャナ21は、切羽側を三次元計測する。PC22は、切羽側を三次元計測した計測結果と、先に計算した3Dスキャナ21の位置座標とに基づいて切羽10上の複数の箇所の位置座標を計算し、それらを点群データとして取得する。点群データは、PC22が備えるHDD等の記憶装置に記憶される。 After that, the 3D scanner 21 measures the face side three-dimensionally. The PC 22 calculates the position coordinates of a plurality of points on the face 10 based on the measurement result obtained by three-dimensionally measuring the face side and the position coordinates of the 3D scanner 21 calculated earlier, and acquires them as point cloud data. .. The point cloud data is stored in a storage device such as an HDD included in the PC 22.

PC22は、記憶装置にトンネルの設計データも記憶する。設計データには、図1に破線で示す設計上の掘削壁面(設計断面)13における各点の位置座標が含まれる。このため、PC22は、取得した点群データを設計データと比較し、トンネルの内側方向に閾値以上に突出する箇所を特定し、その特定した箇所を掘削が必要な箇所と判定する。閾値は、任意に設定することができる。 The PC 22 also stores the tunnel design data in the storage device. The design data includes the position coordinates of each point on the design excavation wall surface (design cross section) 13 shown by the broken line in FIG. Therefore, the PC 22 compares the acquired point cloud data with the design data, identifies a location that protrudes above the threshold value in the inner direction of the tunnel, and determines that the identified location is a location that requires excavation. The threshold value can be set arbitrarily.

PC22は、表示手段としてのモニタを有し、そのモニタに判定した結果を表示する。具体的には、PC22は、掘削が必要な箇所として判定した部分を、掘削が不要な他の部分とは区別可能に表示し、作業員に対してアタリ取りを実施する箇所を提示する。区別可能に表示する方法としては、その部分に色付けする方法や色を変更する方法等を挙げることができる。これは一例であるため、この方法に限定されるものではない。 The PC 22 has a monitor as a display means, and displays the determination result on the monitor. Specifically, the PC 22 displays the portion determined as a portion requiring excavation so as to be distinguishable from other portions that do not require excavation, and presents the location where the worker is to perform the atari removal. Examples of the method of displaying the parts in a distinguishable manner include a method of coloring the portion and a method of changing the color. This is an example and is not limited to this method.

次に、図3を参照して、トンネル施工管理システムにより実施される掘削作業について詳細に説明する。トンネル内の任意の位置にブレーカー20を停止させる(S300)。このとき、ブレーカー20のエンジンは停止しなくてもよい。エンジンによる振動は、免震架台により吸収することができるからである。ブレーカー20上に搭載された3Dスキャナ21により基準球23をスキャンし、PC22により3Dスキャナ21の位置座標を計算した後、切羽側をスキャンし、切羽10上の複数の箇所を計測し、点群データを取得する(S301)。ここでは、S301の作業を地山計測と呼ぶ。 Next, with reference to FIG. 3, the excavation work carried out by the tunnel construction management system will be described in detail. The breaker 20 is stopped at an arbitrary position in the tunnel (S300). At this time, the engine of the breaker 20 does not have to be stopped. This is because the vibration generated by the engine can be absorbed by the seismic isolation frame. The reference ball 23 is scanned by the 3D scanner 21 mounted on the breaker 20, the position coordinates of the 3D scanner 21 are calculated by the PC 22, the face side is scanned, and a plurality of points on the face 10 are measured to obtain a point cloud. Acquire data (S301). Here, the work of S301 is called ground measurement.

点群データを取得した後、設計データと比較する(S302)。すなわち、三次元計測した切羽10の地山断面と設計断面とを比較する。これにより、アタリ取りの必要がある箇所を判定する。判定した結果を、PC22のモニタに比較結果として表示する(S303)。アタリ取りの必要がある箇所を色付けする等して他の箇所と区別可能に表示することで比較結果を表示する。 After acquiring the point cloud data, it is compared with the design data (S302). That is, the ground cross section of the face 10 measured three-dimensionally and the design cross section are compared. As a result, it is determined where the atari needs to be removed. The determined result is displayed on the monitor of the PC 22 as a comparison result (S303). The comparison result is displayed by displaying the part that needs to be atari so that it can be distinguished from other parts by coloring it.

色付けする等して区別可能に表示された部分の有無により、掘削不足の箇所の有無を確認することができ(S304)、掘削不足の箇所がある場合、モニタ上で確認しながら、区別可能に表示された部分を掘削し、アタリ取りを実施する(S305)。この間、数回程度アタリ取りの動作を停止し、3Dスキャナ21での三次元計測、設計断面との比較を行い、比較結果の表示を更新する。一方、掘削不足の箇所がない場合、掘削を完了し、一次覆工を行う(S307)。 It is possible to confirm the presence or absence of insufficient excavation by checking the presence or absence of the part that is clearly displayed by coloring (S304), and if there is an insufficient excavation, it is possible to distinguish while checking on the monitor. Excavate the displayed part and remove the atari (S305). During this period, the operation of removing atari is stopped several times, three-dimensional measurement by the 3D scanner 21 and comparison with the design cross section are performed, and the display of the comparison result is updated. On the other hand, if there is no insufficient excavation, the excavation is completed and the primary lining is performed (S307).

ブレーカー20のアームの長さ等の制約により切羽10の全体についてアタリ取りを実施できない場合、ブレーカー20を移動する(S306)。移動後、S300の作業に戻り、アームを下げて動作を停止し、S301の地山計測を行う。 If it is not possible to remove atari on the entire face 10 due to restrictions such as the length of the arm of the breaker 20, the breaker 20 is moved (S306). After moving, the work returns to the work of S300, the arm is lowered to stop the operation, and the ground measurement of S301 is performed.

S301の地山計測では、初回の計測のみ、基準球23をスキャンし、3Dスキャナ21の位置座標を計算する。ブレーカー20を移動した後の2回目以降の計測では、切羽側のスキャンにより得られた移動前後の形状パターンのパターンマッチングにより3Dスキャナ21の位置を特定し、その位置の位置座標を計算する。 In the ground measurement of S301, the reference sphere 23 is scanned and the position coordinates of the 3D scanner 21 are calculated only for the first measurement. In the second and subsequent measurements after moving the breaker 20, the position of the 3D scanner 21 is specified by pattern matching of the shape pattern before and after the movement obtained by scanning the face side, and the position coordinates of the position are calculated.

図4を参照して、パターンマッチングについて説明する。パターンマッチングは、移動前後でスキャンし、得られた点群データから形成される切羽10の形状パターンの中の同一の特徴部分を抽出し、その特徴部分に基づき、3Dスキャナ21の位置を特定する。具体的には、移動前の3Dスキャナ21の位置座標に基づき、特徴部分の位置座標を計算し、ブレーカー20の移動後、特徴部分の位置座標は変化しないので、その特徴部分の位置座標に基づき、3Dスキャナ21の位置座標を計算する。特徴部分としては、ブレーカー20より切羽側に、一次覆工により設置された支保工11aやロックボルト12a等とすることができる。 Pattern matching will be described with reference to FIG. In pattern matching, scanning is performed before and after movement, the same characteristic portion in the shape pattern of the face 10 formed from the obtained point cloud data is extracted, and the position of the 3D scanner 21 is specified based on the characteristic portion. .. Specifically, the position coordinates of the feature portion are calculated based on the position coordinates of the 3D scanner 21 before the movement, and the position coordinates of the feature portion do not change after the movement of the breaker 20, so that the position coordinates of the feature portion are used as the basis. , The position coordinates of the 3D scanner 21 are calculated. As a characteristic portion, a support work 11a, a lock bolt 12a, or the like installed by a primary lining on the face side of the breaker 20 can be used.

トンネルの掘削が継続する間は、一次覆工を行い、一定距離掘削した後、再びS300からS306の作業が行われる。 While the tunnel excavation continues, the primary lining is performed, the excavation is performed for a certain distance, and then the work of S300 to S306 is performed again.

次に、3Dスキャナ21の位置を特定する方法を図5および図6を参照して説明する。図5は、3Dスキャナ21の位置を特定する作業の流れを示したフローチャートで、図6は、その作業を説明する図である。 Next, a method of specifying the position of the 3D scanner 21 will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 is a flowchart showing a flow of work for specifying the position of the 3D scanner 21, and FIG. 6 is a diagram illustrating the work.

この作業では、3Dスキャナ21のモードを第1モードにし、トンネル内を低密度計測し、トンネル軸方向を特定する(S500)。低密度計測では、図6に示すように、ブレーカー20を切羽方向に向けた状態でトンネル内の広範囲を粗く三次元計測する。粗くとは、計測点間隔を大きくし、単位面積当たりの計測点の数を少なくすることをいう。低密度計測では、例えば3Dスキャナ21からの距離が30mの位置で、計測点間隔が水平方向に約60mm、垂直方向に約420mm間隔となるように、ブレーカー20の後方の水平方向に約90°、鉛直方向に約4°の角度の範囲内で方向を変えて三次元計測する。これにより、トンネル軸方向が特定され、どの方向が切羽側か、トンネル坑口側かを特定することができる。低密度計測では、広範囲であるが、計測する箇所がまばらで、その数が少ないことから、短時間(数秒)で計測が完了する。ちなみに、トンネルの中心方向を計測する際にかかる時間は、1~2秒程度である。トンネル軸方向の特定のみであるため、短時間で完了する第1モードが使用される。 In this work, the mode of the 3D scanner 21 is set to the first mode, the inside of the tunnel is measured at a low density, and the tunnel axial direction is specified (S500). In the low density measurement, as shown in FIG. 6, a wide range in the tunnel is roughly three-dimensionally measured with the breaker 20 facing in the face direction. Coarse means increasing the distance between measurement points and reducing the number of measurement points per unit area. In low-density measurement, for example, at a position where the distance from the 3D scanner 21 is 30 m, the distance between the measurement points is about 60 mm in the horizontal direction and about 420 mm in the vertical direction, and the distance is about 90 ° in the horizontal direction behind the breaker 20. , 3D measurement is performed by changing the direction within a range of about 4 ° in the vertical direction. Thereby, the tunnel axial direction is specified, and it is possible to specify which direction is the face side or the tunnel entrance side. In low-density measurement, the measurement is completed in a short time (several seconds) because the measurement points are sparse and the number is small, although it is a wide range. By the way, it takes about 1 to 2 seconds to measure the direction of the center of the tunnel. Since only the tunnel axial direction is specified, the first mode, which is completed in a short time, is used.

トンネル軸方向の特定後、ブレーカー20よりトンネル坑口側に配置された基準球23の位置を特定する(S501)。基準球23の位置を特定する際、3Dスキャナ21のモードを第2モードにし、基準球23の球状面24を含むトンネル坑口側を中密度計測する。中密度計測では、トンネル軸方向が特定されているため、図6に示すように、低密度計測より範囲を絞り、基準球23が存在する方向に限定して低密度計測より密に三次元計測する。密とは、計測点間隔を小さくし、単位面積当たりの計測点の数を多くすることをいう。基準球23の直径を、例えば約150mmとすると、1つの基準球23につき、4点以上計測するために、中密度計測では、例えば3Dスキャナ21からの距離が30mの位置で、計測点間隔が水平方向に約50mm、垂直方向に約50mm間隔となるように、トンネル軸に対して水平方向に±12°、水平面に対して鉛直方向に±2°の角度の範囲内で方向を変えて三次元計測する。これにより基準球23の位置が特定される。ちなみに、3つの基準球23の位置を特定するのにかかる時間は、6~7秒程度である。基準球23を検出し、その位置を特定するためには、ある程度の精度が必要となるため、第2モードが使用される。 After specifying the tunnel axial direction, the position of the reference ball 23 arranged on the tunnel entrance side from the breaker 20 is specified (S501). When specifying the position of the reference sphere 23, the mode of the 3D scanner 21 is set to the second mode, and the tunnel entrance side including the spherical surface 24 of the reference sphere 23 is measured at medium density. Since the tunnel axis direction is specified in the medium density measurement, as shown in FIG. 6, the range is narrowed down from the low density measurement, and the three-dimensional measurement is performed more closely than the low density measurement by limiting to the direction in which the reference sphere 23 exists. do. Dense means to reduce the distance between measurement points and increase the number of measurement points per unit area. Assuming that the diameter of the reference sphere 23 is, for example, about 150 mm, four or more points are measured for one reference sphere 23. Therefore, in medium density measurement, for example, at a position where the distance from the 3D scanner 21 is 30 m, the measurement point interval is The direction is changed within the range of ± 12 ° in the horizontal direction with respect to the tunnel axis and ± 2 ° in the vertical direction with respect to the horizontal plane so that the interval is about 50 mm in the horizontal direction and about 50 mm in the vertical direction. Original measurement. As a result, the position of the reference ball 23 is specified. By the way, it takes about 6 to 7 seconds to specify the positions of the three reference balls 23. The second mode is used because some accuracy is required to detect the reference ball 23 and specify its position.

基準球23の位置を特定した後、3Dスキャナ21に対する基準球23の相対座標を計算する(S502)。相対座標は、基準球23の中心座標である。基準球23の中心座標の計算において、3Dスキャナ21のモードを第3モードにし、基準球23の球状面24の周辺を高密度計測する。高密度計測では、図6に示すように、中密度計測より範囲をさらに絞り、基準球23に限定してより密に三次元計測する。高密度計測では、球状面24の周辺を細かく計測するために、例えば3Dスキャナ21からの距離が30mの位置で、計測点間隔が水平方向に約5mm、垂直方向に約5mm間隔となるように基準球23の球状面24の周辺を水平方向に0.6°、鉛直方向に0.6°の角度の範囲内で方向を変えて三次元計測する。これにより基準球23の球状面24の中心までの距離が特定され、基準球23の半径を加算することで、基準球23の相対座標が計算される。ちなみに、3つの基準球23を計測する際にかかる時間は、3~4秒程度である。座標を計算するためには、高い精度が必要となるため、第3モードが使用される。 After specifying the position of the reference sphere 23, the relative coordinates of the reference sphere 23 with respect to the 3D scanner 21 are calculated (S502). The relative coordinates are the center coordinates of the reference sphere 23. In the calculation of the center coordinates of the reference sphere 23, the mode of the 3D scanner 21 is set to the third mode, and the periphery of the spherical surface 24 of the reference sphere 23 is measured at high density. In the high-density measurement, as shown in FIG. 6, the range is further narrowed down from the medium-density measurement, and the three-dimensional measurement is performed more closely by limiting to the reference sphere 23. In high-density measurement, in order to measure the periphery of the spherical surface 24 in detail, for example, at a position where the distance from the 3D scanner 21 is 30 m, the distance between measurement points is about 5 mm in the horizontal direction and about 5 mm in the vertical direction. Three-dimensional measurement is performed by changing the direction around the spherical surface 24 of the reference sphere 23 within an angle range of 0.6 ° in the horizontal direction and 0.6 ° in the vertical direction. As a result, the distance to the center of the spherical surface 24 of the reference sphere 23 is specified, and the relative coordinates of the reference sphere 23 are calculated by adding the radius of the reference sphere 23. By the way, it takes about 3 to 4 seconds to measure the three reference balls 23. The third mode is used because high accuracy is required to calculate the coordinates.

以上のように、第1モード、第2モード、第3モードに順に変えて、トンネル軸方向の特定から3つの基準球23の計測を行うと、その計測時間は、10~13秒程度となる。ちなみに、第3モードの高密度計測で、第2モードの計測範囲を細かく計測すると、190~200秒程度かかることから、このようにモードを切り替えて計測を行うことにより、基準球23の絶対座標を短時間で取得することができる。これらの例では、3Dスキャナ21と基準球23の位置が同程度の高さにあり、離隔が30mの場合としたが、3Dスキャナ21と基準球23の設置高さや離隔に応じて計測密度や計測範囲は任意に設定できる。 As described above, when the three reference balls 23 are measured by specifying the tunnel axial direction by changing to the first mode, the second mode, and the third mode in order, the measurement time is about 10 to 13 seconds. .. By the way, in the high-density measurement of the third mode, it takes about 190 to 200 seconds to measure the measurement range of the second mode in detail. Therefore, by switching the mode in this way, the absolute coordinates of the reference sphere 23 are obtained. Can be obtained in a short time. In these examples, the positions of the 3D scanner 21 and the reference ball 23 are at the same height and the distance is 30 m, but the measurement density and the measurement density are determined according to the installation height and the distance between the 3D scanner 21 and the reference ball 23. The measurement range can be set arbitrarily.

各基準球23の中心座標を計算した後、各基準球23につき予め計測された位置座標(絶対座標)と、計算した中心座標とに基づき、3Dスキャナ21の位置座標(絶対座標)を計算する(S503)。 After calculating the center coordinates of each reference sphere 23, the position coordinates (absolute coordinates) of the 3D scanner 21 are calculated based on the position coordinates (absolute coordinates) measured in advance for each reference sphere 23 and the calculated center coordinates. (S503).

このように範囲の絞り込みを行って基準球23の中心座標を短時間で計算し、短時間で3Dスキャナ21の位置座標を求めることができ、また、3Dスキャナ21で計測した切羽10上の複数の箇所の座標を絶対座標として計算し、設計データとそのまま比較できるので、掘削が必要な箇所の判定を短時間で実施することが可能となる。 By narrowing down the range in this way, the center coordinates of the reference sphere 23 can be calculated in a short time, and the position coordinates of the 3D scanner 21 can be obtained in a short time. Since the coordinates of the above points can be calculated as absolute coordinates and compared with the design data as they are, it is possible to determine the points requiring excavation in a short time.

また、切羽直下に作業員が入ることなく、アタリ取りを行うことができるため、地山の崩落等による災害を防止できる。また、アタリ取りが必要な箇所について、作業員の目視による確認から、3Dスキャナ21によるスキャンおよびPC22による判定に代わるため、作業員の技量によらず、定量的に掘削を行うことができる。 In addition, since it is possible to remove atari without a worker entering directly under the face, it is possible to prevent disasters due to the collapse of the ground. Further, since the location where the atari needs to be removed is replaced with the scan by the 3D scanner 21 and the determination by the PC 22 from the visual confirmation by the worker, the excavation can be quantitatively performed regardless of the skill of the worker.

また、どの程度掘削すればよいか、モニタ上で確認しながら掘削できるので、余堀りを低減し、残土搬出量を削減することができる。適切にアタリ取りを行うことができるため、掘削壁面の凹凸が小さくなり、余吹きを減らし、吹付けコンクリート量を削減することができる。 In addition, since excavation can be performed while checking on the monitor how much excavation should be performed, it is possible to reduce the amount of surplus soil carried out. Since the atari can be appropriately removed, the unevenness of the excavated wall surface can be reduced, the residual blowing can be reduced, and the amount of sprayed concrete can be reduced.

上記の定量的な掘削、余堀りや余吹きの低減により、掘削土量、コンクリート吹付け量、余吹き率、掘削出来形、覆工コンクリート打設予定数等の管理も可能となる。 By the above-mentioned quantitative excavation and reduction of surplus digging and surplus blowing, it is possible to manage the amount of excavated soil, the amount of concrete sprayed, the surplus blowing rate, the excavated form, the planned number of lining concrete to be placed, and the like.

3Dスキャナ21で随時三次元計測し、PC22で設計データと比較し、その比較結果の表示を更新することで、切羽10の変状を監視することができ、切羽面の移動量に応じて警報を発することができる。警報は、警報音として、PC22が備えるスピーカーから発してもよいし、別途運転席に設けられるスピーカーから発してもよい。 By measuring three-dimensionally with the 3D scanner 21 at any time, comparing it with the design data with the PC22, and updating the display of the comparison result, the deformation of the face 10 can be monitored, and an alarm is given according to the amount of movement of the face surface. Can be emitted. The alarm may be emitted from a speaker provided in the PC 22 as an alarm sound, or may be emitted from a speaker separately provided in the driver's seat.

なお、押出し性を有する地山や長期的な劣化が生じる地山等では、変状対策としてトンネル底面を逆アーチ状に仕上げられた覆工部分としてインバートが設けられるが、掘削出来形や壁面の変状の監視等は、インバートに対しても実施することができる。 In addition, in the ground with extrudability and the ground where long-term deterioration occurs, an invert is provided as a lining part where the bottom of the tunnel is finished in a reverse arch shape as a countermeasure against deformation. Deformation monitoring and the like can also be carried out for inverts.

トンネル内の1以上の箇所の位置座標を計算することができるので、重機から近隣にいる作業員までの距離を算出することができる。これにより、重機が作業員に接近していることを検知することができ、接近を防止するために警報を発することができる。また、重機のアーム等の位置座標も計算することができるので、その姿勢を検出することができ、姿勢制御を行うことも可能である。 Since the position coordinates of one or more points in the tunnel can be calculated, the distance from the heavy machine to the nearby worker can be calculated. As a result, it is possible to detect that the heavy equipment is approaching the worker, and it is possible to issue an alarm to prevent the approach. Further, since the position coordinates of the arm and the like of the heavy machine can be calculated, the posture can be detected and the posture can be controlled.

これまで本発明のトンネル施工管理システムにより実施される掘削作業および判定方法について図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 So far, the excavation work and the determination method carried out by the tunnel construction management system of the present invention have been described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings, but the present invention is not limited to the above-described embodiments. However, other embodiments, additions, changes, deletions, etc. can be made within the range that can be conceived by those skilled in the art, and the present invention can be used as long as the actions and effects of the present invention are exhibited in any of the embodiments. It is included in the range.

10…切羽
11、11a…支保工
12、12a…ロックボルト
20…ブレーカー
21…3Dスキャナ
22…PC
23…基準球
24…球状面
25…切り欠き部
26…プリズム
27…通路
10 ... Face 11, 11a ... Supporting work 12, 12a ... Lock bolt 20 ... Breaker 21 ... 3D scanner 22 ... PC
23 ... Reference sphere 24 ... Spherical surface 25 ... Notch 26 ... Prism 27 ... Passage

Claims (11)

トンネルの施工を管理するトンネル施工管理システムであって、
トンネル内を三次元計測する計測手段と、
トンネル内に配置され、予め計測された位置座標を有する3以上の球状ターゲットと、
トンネル内の1以上の箇所の位置座標を計算する演算手段とを含み、
前記計測手段は、該計測手段に対して施工対象とは異なる、前記3以上の球状ターゲットが配置される側のトンネル内を、計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測し、
前記演算手段は、前記計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測された計測結果に基づいて前記計測手段の位置座標を計算し、計算した前記計測手段の位置座標と前記計測手段が前記施工対象を三次元計測した計測結果とに基づいて前記トンネル内の前記施工対象の1以上の箇所の位置座標を計算する、トンネル施工管理システム。
It is a tunnel construction management system that manages the construction of tunnels.
A measuring means that measures the inside of a tunnel in three dimensions,
With three or more spherical targets placed in the tunnel and having pre-measured position coordinates,
Including arithmetic means for calculating the position coordinates of one or more points in the tunnel.
The measuring means three-dimensionally measures the inside of the tunnel on the side where the three or more spherical targets are arranged , which is different from the construction target for the measuring means, by changing the measurement point interval and the measurement range.
The calculation means calculates the position coordinates of the measurement means based on the measurement results measured three-dimensionally by changing the measurement point interval and the measurement range, and the calculated position coordinates of the measurement means and the measurement means perform the construction. A tunnel construction management system that calculates the position coordinates of one or more points of the construction target in the tunnel based on the measurement result of three-dimensional measurement of the target.
前記演算手段は、設計データと比較して施工が必要な箇所を判定する、請求項1に記載のトンネル施工管理システム。 The tunnel construction management system according to claim 1, wherein the calculation means determines a location requiring construction by comparing with design data. 前記演算手段は、設計データと比較して施工が必要な箇所の施工量を算出する、請求項2に記載のトンネル施工管理システム。 The tunnel construction management system according to claim 2, wherein the calculation means calculates the construction amount of a portion requiring construction by comparing with design data. 前記施工が必要な箇所を施工する手段を備える車両を含み、
前記計測手段は、前記車両に免震架台を介して搭載される、請求項2または3に記載のトンネル施工管理システム。
Including vehicles equipped with means for constructing the parts requiring construction.
The tunnel construction management system according to claim 2 or 3, wherein the measuring means is mounted on the vehicle via a seismic isolation frame.
前記演算手段は、前記車両の移動後、移動前に計算した前記計測手段の位置座標と移動前後のトンネル内の前記施工対象を三次元計測した計測結果とを用いて移動後の該計測手段の位置座標を計算する、請求項4に記載のトンネル施工管理システム。 The calculation means of the measurement means after the movement using the position coordinates of the measurement means calculated after the movement of the vehicle and before the movement and the measurement result of three-dimensional measurement of the construction target in the tunnel before and after the movement. The tunnel construction management system according to claim 4, which calculates position coordinates. 前記演算手段は、トンネル内の前記施工対象を三次元計測した計測結果として得られた移動前後の形状パターンのパターンマッチングにより移動後の計測手段の位置を特定する、請求項4または5に記載のトンネル施工管理システム。 The calculation means according to claim 4 or 5, wherein the calculation means specifies the position of the measurement means after the movement by pattern matching of the shape pattern before and after the movement obtained as a measurement result of three-dimensional measurement of the construction target in the tunnel. Tunnel construction management system. 前記演算手段の判定結果を表示する表示手段を含み、
前記表示手段は、前記施工が必要な箇所を他の箇所と区別可能に表示する、請求項2~6のいずれか1項に記載のトンネル施工管理システム。
A display means for displaying the determination result of the calculation means is included.
The tunnel construction management system according to any one of claims 2 to 6, wherein the display means displays a portion requiring construction so as to be distinguishable from other locations.
前記計測手段は、第1の計測点間隔で、前記3以上の球状ターゲットを含む第1の計測範囲を三次元計測し、
前記演算手段は、前記第1の計測点間隔で前記第1の計測範囲を三次元計測した計測結果に基づいて前記各球状ターゲットの位置を特定し、
前記計測手段は、前記第1の計測点間隔とは異なる第2の計測点間隔で、前記第1の計測点間隔とは異なる第2の計測範囲を三次元計測し、
前記演算手段は、前記第2の計測点間隔で前記第2の計測範囲を三次元計測した計測結果に基づいて前記各球状ターゲットの位置座標を計算し、前記各球状ターゲットの位置座標に基づいて前記計測手段の位置座標を計算する、請求項1~7のいずれか1項に記載のトンネル施工管理システム。
The measuring means three-dimensionally measures the first measuring range including the three or more spherical targets at the first measuring point interval.
The calculation means identifies the position of each spherical target based on the measurement result of three-dimensionally measuring the first measurement range at the first measurement point interval.
The measuring means three-dimensionally measures a second measurement range different from the first measurement point interval at a second measurement point interval different from the first measurement point interval.
The calculation means calculates the position coordinates of each spherical target based on the measurement result of three-dimensionally measuring the second measurement range at the second measurement point interval, and based on the position coordinates of each spherical target. The tunnel construction management system according to any one of claims 1 to 7, which calculates the position coordinates of the measuring means.
前記計測手段は、前記第1の計測点間隔および前記第2の計測点間隔とは異なる第3の計測点間隔で、前記第1の計測範囲および前記第2の計測範囲とは異なる第3の計測範囲を三次元計測し、
前記演算手段は、三次元計測した計測結果に基づいてトンネル軸方向を特定する、請求項8に記載のトンネル施工管理システム。
The measuring means has a third measurement point interval different from the first measurement point interval and the second measurement point interval, and a third measurement range different from the first measurement range and the second measurement range. Three-dimensional measurement of the measurement range,
The tunnel construction management system according to claim 8, wherein the calculation means specifies a tunnel axial direction based on a measurement result measured three-dimensionally.
トンネル内の施工が必要な箇所を判定する方法であって、
施工対象とは異なる、予め計測された位置座標を有する3以上の球状ターゲットが配置される側のトンネル内を、計測点間隔および計測範囲を変えて計測手段により三次元計測するステップと、
前記計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測された計測結果に基づいて前記計測手段の位置座標を計算するステップと、
トンネル内の前記施工対象を前記計測手段により三次元計測するステップと、
トンネル内の前記施工対象を三次元計測した計測結果と、計算された前記計測手段の位置座標とに基づいてトンネル内の前記施工対象の複数の箇所の位置座標を計算するステップと、
前記複数の箇所の位置座標を、設計データと比較して前記施工が必要な箇所を判定するステップとを含む、判定方法。
It is a method to determine the part that needs to be constructed in the tunnel.
A step of three-dimensionally measuring the inside of the tunnel on the side where three or more spherical targets having pre-measured position coordinates, which are different from the construction target, are placed by the measuring means by changing the measurement point interval and the measurement range.
A step of calculating the position coordinates of the measuring means based on the measurement result measured three-dimensionally by changing the measurement point interval and the measurement range, and
A step of three-dimensionally measuring the construction target in the tunnel by the measuring means,
A step of calculating the position coordinates of a plurality of places of the construction object in the tunnel based on the measurement result of three-dimensional measurement of the construction object in the tunnel and the calculated position coordinates of the measurement means.
A determination method including a step of comparing the position coordinates of the plurality of locations with design data to determine a location requiring construction.
掘削工事の施工管理を行うシステムであって、
施工対象を三次元計測する計測手段と、
予め計測された位置座標を有する3以上の球状ターゲットと、
施工対象の1以上の箇所の位置座標を計算する演算手段とを含み、
前記計測手段は、該計測手段に対して前記施工対象とは異なる、前記3以上の球状ターゲットが配置される側を、計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測し、
前記演算手段は、前記計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測された計測結果に基づいて前記計測手段の位置座標を計算し、計算した前記計測手段の位置座標と前記計測手段が前記施工対象を三次元計測した計測結果とに基づいて前記施工対象の1以上の箇所の位置座標を計算する、施工管理システム。
It is a system that manages excavation work.
A measuring means that measures the construction target in three dimensions,
With 3 or more spherical targets with pre-measured position coordinates,
Including a calculation means for calculating the position coordinates of one or more points to be constructed.
The measuring means three-dimensionally measures the side on which the three or more spherical targets , which are different from the construction target, are arranged with respect to the measuring means by changing the measurement point interval and the measurement range.
The calculation means calculates the position coordinates of the measurement means based on the measurement results measured three-dimensionally by changing the measurement point interval and the measurement range, and the calculated position coordinates of the measurement means and the measurement means perform the construction. A construction management system that calculates the position coordinates of one or more points of the construction target based on the measurement result of three-dimensional measurement of the target.
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