JP7116396B6 - トンネル切羽管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル切羽管理方法に関し、さらに言えば、山岳トンネル工事におけるトンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊を予見するために常時監視して、責任者や作業員、事務職員などトンネル工事関係者全員がトンネル切羽の状況をリアルタイムに（特には映像データ及び／又は画像データで）把握可能なトンネル切羽管理方法の技術分野に属する。

平成２８年１２月２６日付で「山岳トンネル工事のトンネル切羽における肌落ち災害防止対策に係るガイドライン」が厚生労働省から策定され、その後の肌落ち災害の発生状況を踏まえ、平成３０年１月１８日にガイドラインが改正された。この改正の中に、断面の制限はあるものの、「トンネル切羽監視責任者」の選任が義務付けられている。このような背景の中、山岳トンネル工事におけるトンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊の監視システムの要素技術として、作業員や事務職員などトンネル工事関係者全員がトンネル切羽の状況をリアルタイムに把握可能な技術を開発することが急務とされている。

この点、従来は、トンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊の監視事例から、警告音や警告灯によりトンネル切羽作業員に対して即座に注意喚起する技術は存在している。
また、例えば下記特許文献１には、トンネルの坑内に設置されたレーザ距離計によってトンネル切羽面の押し出し量を監視するトンネル切羽面監視方法であって、レーザ距離計によって、トンネル切羽面までの距離を計測するトンネル切羽面測定工程と、繰り返し実行されるトンネル切羽面進行工程によるトンネル切羽面の進行によってレーザ距離計からトンネル切羽面までの距離が離れ、レーザ距離計での計測距離の精度が不十分である場合に、レーザ距離計を取り外して、トンネル切羽面に近い位置に再設置する盛替え工程と、を備え、盛替え工程にてレーザ距離計を再設置した際にはレーザ距離計にＮＤフィルターを装着してレーザ光または反射光を減光し、トンネル切羽面の進行の結果、距離の計測に減光不要と判断される場合には、ＮＤフィルターを計測器から取り外す技術が開示されている。

特開２０１６－８３９９号公報

上記従来のトンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊の監視事例にあるような、警告音や警告灯でトンネル切羽作業員に対して即座に注意喚起する方法は、トンネル切羽で起きている地山の押し出し挙動を、リアルタイムでトンネル工事関係者全員に知らせるものではない。そのため、トンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊による甚大な労働災害がたびたび発生している。
また、上述した特許文献１のトンネル切羽面監視方法は、計測器によってトンネル切羽面までの距離を計測できる範囲を広げ、盛替えの頻度を軽減するのには役立つが、やはり、トンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊を予見するために常時監視し、作業員や事務職員などトンネル工事関係者全員がトンネル切羽の状況をリアルタイムに把握可能な技術ではない。

本発明は、上述した背景技術の課題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、トンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊を予見するための監視を常時行い、トンネル切羽で起きている地山の押し出し挙動を即座にトンネル工事関係者に（特には映像データ及び／又は画像データで）知らせ、リアルタイムでトンネル切羽の状況を把握でき、重篤度の高いトンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊による労働災害の発生を抑制するトンネル切羽管理方法を提供することである。

上述の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係るトンネル切羽管理方法は、切羽監視用カメラでトンネル工事におけるトンネル切羽が常時撮影され、その撮影データがディスプレイに表示されることで、トンネル切羽の状況をコンピュータによりリアルタイムに管理可能なトンネル切羽管理方法であって、
１台の水平監視用計測装置に水平方向に旋回可能な構成で搭載されたレーザー距離計を水平方向に旋回させて、トンネルのスプリングラインと天端部との間の１／２以上、３／４以下の範囲内の任意の高さにレーザー光を照射することにより、リアルタイムな計測データの変化に基づくトンネル切羽の押し出し量が計測され、その計測されたデータが予め設定した前記計測データの変化に基づく管理基準値を超えたとき、コンピュータにより、グリーンレーザ等の高速レーザー照射ユニットを作動させて、前記トンネル切羽における前記管理基準値を超えた計測点周辺にマーキングを行うと同時に、スカウター型又は透過式メガネ型の頭部に装着するタイプのウェアラブル端末に、前記レーザー距離計によるトンネル切羽のリアルタイムなトンネル切羽の押し出し量の変位データや、前記管理基準値を超えた危険箇所が可視化されて、常にトンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊が予見できる構成であることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載したトンネル切羽管理方法において、前記管理基準値は、少なくとも変位速度および絶対変位量に基づいて設定されることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載したトンネル切羽管理方法において、前記管理基準値を超えたとき、前記コンピュータにより、インターネットを介して、スマートフォンやタブレット、ＰＣ等の端末機器にてメールが発信され、前記リアルタイムなトンネル切羽の押し出し量を含むトンネル切羽状況が、映像データ及び／又は画像データで工事関係者に通知されることを特徴とする。

本発明に係るトンネル切羽管理方法によれば、レーザー距離計を用いた切羽挙動把握手段により、リアルタイムな計測データの変化に基づくトンネル切羽の押し出し量を監視しつつ、予め設定した前記計測データの変化にかかる管理基準値（閾値）を超えたとき、グリーンレーザー等の高速レーザー照射ユニットにより前記トンネル切羽における前記管理基準値（閾値）を超えた計測点周辺のマーキングを行うと同時に、ウェアラブル端末にトンネル切羽のリアルタイムな変化状況を可視化させるので、常にトンネル工事関係者（全員）がリアルタイムでトンネル切羽の状況を（特には映像データ及び／又は画像データで）把握することができる。さらにいえば、トンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊を予見（予測）でき、安全性が向上する。そのため、トンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊による労働災害の減少に大きく寄与する。

また、前記管理基準値（閾値）を超えるような場合、インターネットを介して、スマートフォンやタブレット、ＰＣ等の端末機器にてメールを発信して、トンネル切羽状況を画像データで工事関係者（全員）に通知できるので、トンネル坑内にいない関係者でもトンネル切羽のリアルタイムな変化状況を映像データ及び／又は画像データで把握できる。

本発明のトンネル切羽管理方法の枢要な工程を示した説明図である。 Ａは、水平監視用計測装置によるレーザー光照射でトンネル切羽の押し出し量を監視している状況を示した平面図であり、Ｂは、同正面図である。なお、Ｂ図では図示の便宜上、水平監視用計測装置、レーザー光は省略した。 高速レーザー照射ユニットでトンネル切羽にマーキングによる描画を行っている状況を例示した説明図である。 Ａは、ウェアラブル端末の一例であるスカウター型のウェアラブル端末と、その着用者のスカウター型のウェアラブル端末にリアルタイムに映し出されるトンネル切羽の変化状況を可視化（映像化）させた状態を例示した説明図であり、Ｂは、ウェアラブル端末の一例である透過式メガネ型のウェアラブル端末の着用者の当該ウェアラブル端末にリアルタイムに映し出されるトンネル切羽の変化状況を可視化させた状態を例示した説明図である。 インターネット経由でＰＣやタブレット等の端末機器にメールを発信してトンネル切羽状況が通知される工程を示した説明図である。 本発明のトンネル切羽管理方法によるトンネル切羽の肌落ち監視事例を示したグラフである。 図６に係るトンネル切羽の肌落ち監視時のトンネル切羽を撮影した写真である。 Ａ、Ｂは、３Ｄレーザースキャナを用いて切羽挙動把握手段を実施した場合の前記図４の可視化に対応する説明図である。具体的には、前記ウェアラブル端末にリアルタイムに映し出されるトンネル切羽の変化状況を、当該切羽に対する各計測ポイントの設定を任意にメッシュ状に分割表示して可視化させた状態を例示した説明図である。

以下に、本発明に係るトンネル切羽管理方法の好適な実施形態を、図面にしたがって説明する。
本発明に係るトンネル切羽管理方法は、図１等に示したように、切羽監視用カメラでトンネル工事におけるトンネル切羽が常時撮影され、その撮影データがディスプレイに表示されることで、トンネル切羽の状況をコンピュータによりリアルタイムに管理可能なトンネル切羽管理方法であって、
１台の水平監視用計測装置に水平方向に旋回可能な構成で搭載されたレーザー距離計を水平方向に旋回させて、トンネルのスプリングラインと天端部との間の１／２以上、３／４以下の範囲内の任意の高さにレーザー光を照射することにより、リアルタイムな計測データの変化に基づくトンネル切羽の押し出し量が計測され、予め設定した前記計測データの変化にかかる管理基準値を超えたとき、コンピュータにより、グリーンレーザ等の高速レーザー照射ユニットを作動させて、前記トンネル切羽における前記管理基準値を超えた計測点周辺にマーキングを行うと同時に、スカウター型又は透過式メガネ型の頭部に装着するタイプのウェアラブル端末に、前記レーザー距離計によるトンネル切羽のリアルタイムなトンネル切羽の押し出し量の変位データや、前記管理基準値を超えた危険箇所が可視化されて、常にトンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊が予見できる構成であることを特徴とする。
ちなみに図中の符号Ｊは、削孔マシーンを示している。符号Ｂは、トンネルＴの天端部に吊り支持させた切羽監視用カメラを示している。そして、前記切羽監視用カメラＢでトンネル切羽１を常時撮影し、その撮像データをディスプレイ（図示省略）で表示しながら、上述したトンネル切羽管理方法に基づく崩落・崩壊を予見するための監視が常時行われる。なお、前記切羽監視用カメラＢの設置部位は、視界が良好であればトンネルＴの天端部に限らない。

要するに、図１に枢要な工程を示したトンネル切羽管理方法は、トンネル工事におけるトンネル切羽１の肌落ちや崩落・崩壊を常時監視して、トンネル切羽監視責任者Ｓ（図４参照）をはじめトンネル工事関係者（全員）がトンネル切羽１の状況をリアルタイムに（特には映像データ及び／又は画像データで）把握し、常にトンネル切羽１の肌落ちや崩落・崩壊の監視（より正確には予見するため監視）を行うものである。

なお、本実施形態では、前記切羽挙動把握手段について、水平方向にレーザー光３を照射し、照射点までの距離を計測するレーザー距離計を搭載した水平監視用計測装置２を採用して実施している。

以上を踏まえ、本発明に係るトンネル切羽管理方法は、まず、図２Ａ、Ｂに示したように、切羽挙動把握手段である、照射点までの距離を計測するレーザー距離計を搭載した１台の水平監視用計測装置２によって、トンネルＴのトンネル切羽１に対し、水平方向にレーザー光３を常時照射する。
この水平監視用計測装置２は、トンネル切羽１にレーザー光３を照射して照射点で反射されたレーザー光３を検知することで前記照射点までの距離を計測するレーザー距離計と、前記レーザー距離計の水平方向の旋回と停止を可能にする水平方向旋回装置と、前記水
平方向旋回装置の任意の角度での旋回と停止を制御する制御装置とを備えている。要するに、前記水平監視用計測装置２は、レーザー距離計が水平方向に自在に旋回可能な構成とされ、トンネル切羽１に対して順次レーザー光３を設定したピッチ（本実施例では約１．０ｍ間隔で計測点Ｐを１０個（Ｎｏ．１～Ｎｏ．１０）設定）で照射し、照射点までの距離を順次、自動的に計測することが可能な装置である。
前記水平監視用計測装置２が、計測制御用のコンピュータ（通常はＰＣ、以下同じ。）１０Ａと有線で接続されて連動している。前記コンピュータ１０Ａは、前記水平監視用計測装置２の遠隔操作や、データを演算処理等する。

また、マーキング（による描画）５を行う高速レーザー照射ユニット４と前記切羽監視用カメラＢがそれぞれ、図１に示したコンピュータ１０Ｂと無線で作動自在に接続されている。但し、有線で接続してもよい。そして、前記水平監視用計測装置２と接続されたコンピュータ１０Ａは、前記コンピュータ１０Ｂに対し、データ転送自在に接続されている。その接続方法は、無線のほか有線であってもよい。

よって、上記の水平監視用計測装置２によるトンネル切羽１へのレーザー光３の照射の間、図１に例示した前記コンピュータ１０Ａで、リアルタイムな計測データＤの変化に基づくトンネル切羽１の押し出し量を常時監視する。そのとき、予め設定しておいた前記計測データＤの変化（変位速度、絶対変位量等）に基づく管理基準値（閾値）Ｋを超えるような場合、コンピュータ１０Ｂが高速レーザー照射ユニット４を作動させ、図３に示したように、同ユニット４によって前記トンネル切羽１にマーキング５を行う。前記マーキング５は、トンネル切羽１に対し、図示例のような略枠体で、例えば緑色に表示される。

一方、本実施例では、図４に例示したように、トンネル切羽監視責任者Ｓと作業員、削孔マシーンオペレーター、事務職員等の工事関係者全員に、予めウェアラブル端末としてスカウター型（図４Ａ参照）や透過式メガネ型（図４Ｂ参照）の頭部に装着するタイプのウェアラブル端末６が着用される。
そして、前記トンネル切羽１へのマーキング５と同時に、前記トンネル切羽１の変化状況を前記ウェアラブル端末６にてリアルタイムに可視化（映像化）７させる。その可視化７は、前記コンピュータ１０Ｂが無線で制御・指示して行う。図４Ａ、Ｂの右方に拡大して示したリアルタイムな可視化（された描画）７は、例えば危険度に応じて、危険な順から赤色、黄色、緑色等の色分けと、表示範囲（例えば、円や矩形、或いは斜線）の大きさを区別する等して表示される（３Ｄレーザースキャナによる面的な切羽挙動把握手段で実施した場合は一例として図８Ａ、Ｂ参照）。ちなみに本実施例では、トンネル切羽監視責任者Ｓに前記した頭部に装着するタイプのウェアラブル端末６の着用を義務づけ、片方の眼で前記ウェアラブル端末６によって可視化７されたトンネル切羽１の変化状況を見ると共に、他方の眼で、トンネル切羽１の直接的な目視を行って監視に万全が期されている。

前記可視化７とは、具体的に、現状のトンネル切羽１の映像撮影用のカメラで実際にトンネル切羽１の映像を撮影し、前記レーザー距離計で監視している変位データと結合することで、ウェアラブル端末６にトンネル切羽１の変化状況を現実的に補完し可視化させることを意味する。このウェアラブル端末は、トンネル坑内が狭所で暗い場所が多いため、前記スカウター型や透過式メガネ型を標準タイプとして、できるだけ視界の妨げにならないものを選定する。
なお、前記可視化７（図４、図８参照）には、前記変位データ（数値）等を含む。すなわち、前記ウェアラブル端末６には映像データや画像データの他に、必要に応じ、変位データ（数値、文字）そのもの、或いは当該変位データ（例えば、前記押し出し量）の遷移状況を心電図のような折れ線グラフ（例えば、押し出し量変位を縦軸、時間を横軸）でリアルタイムに表示することもできる。
また、トンネル坑内に立ち入る工事関係者全員にバイブレーション機能を装着させたり、警告音（サイレン）等の警報手段を作動させたりすることにより当該工事関係者全員に即座に注意を喚起する等の工夫は適宜行われるところである。

さらに、上述した管理基準値Ｋを超えるような場合、前記コンピュータ１０Ｂは、図５に示したように、インターネットを介して、スマートフォンやタブレット、ＰＣ等の端末機器８に、リアルタイムなトンネル切羽１の押し出し量を含む映像データや画像データ等を添付したメール９を発信して、前記工事関係者全員にトンネル切羽状況が通知される方法が併用される。これにより、前記ウェアラブル端末６を着用しない工事関係者にもトンネル切羽１の危険状況を即座に知らせることができる。なお、図５の下図のように、トンネルＴにおけるトンネル切羽１の周辺を、ネットワークカメラＣで常に監視する。
上述の工程は、管理基準値Ｋの許容範囲内である場合は、警告灯を緑色で点灯させる等して、工事関係者に安全であることが知らされる。管理基準値Ｋを超える異常時には、トンネル切羽監視責任者Ｓ等の工事関係者に異常が知らされる。

したがって、上述したトンネル切羽管理方法により、トンネル切羽１で刻一刻と起きている地山の押し出し挙動を、トンネル工事関係者全員が絶えず知らされ、リアルタイムでトンネル切羽１の状況を把握でき、同トンネル切羽１の肌落ちや崩落・崩壊による労働災害を防止することができる。
ちなみに、本発明に係るトンネル切羽管理方法の実証実験で得られたトンネル切羽１の肌落ち監視挙動の経時変化の一例を図６に、その時の切羽写真を図７に示す。図６より、計測点ＰのＮｏ．３の変位速度が２４．１ｍｍ／ｈ程度と急激に増加した後、また、絶対変位量は、４５．５ｍｍを最大とし、肌落ちを確認した。これらの計測実績より、脆弱地山でのトンネル切羽１の押出しの挙動を十分に捉えられることが確認され、変位速度や絶対変位量等に対する管理基準値Ｋを設定することにより、トンネル切羽１の肌落ちや崩落・崩壊を予見（予測）できる可能性が非常に高いことが実証された。よって、この予見を利用すれば、トンネル工事関係者（全員）にトンネル切羽１の状況をリアルタイムに発信することで、十分に切羽作業の安全性を向上させることができる。

ここで、前記水平監視用計測装置２について補足すると、本実施例に係る水平監視用計測装置２は、施工機械の移動等の邪魔にならないスペースを考慮し、例えばアーチ状に形成されたトンネル支保工（のＨ形鋼のフランジ部等）を利用して設置される。具体的には、トンネル切羽１から所定の距離（トンネル切羽１までの距離を十分に計測できる距離）後方に離れたトンネル支保工にブラケット等の取付部材１１を介して設置される。また、前記トンネル支保工に取り付ける適正な高さレベル（計測点Ｐの高さＨに略相当する。）は、トンネルのスプリングラインと天端部との間の１／２以上、３／４以下の範囲内の任意の高さで、トンネル支保工の一側部（図２Ａでは右側部）に設置される。前記範囲内でトンネル切羽１を計測する意義は、この範囲内の押し出し量の変化がトンネル切羽１の崩落を把握（予見）するのにもっとも影響を与える部位だからである。

以上に本発明の実施例を図面に基づいて説明したが、本発明は、図示例の限りではなく、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。
例えば、本実施例では、前記管理基準値Ｋを、変位速度（変化率）と絶対変位量に基づいて設定しているがこれに限定されない。前記トンネル切羽１の近傍位置に音感知センサーを設置し、トンネル切羽１（岩盤）にクラックが入った場合の音の有無、更には音の周波数等を管理基準値Ｋの設定要素に採用することもできる。要するに、本発明に係る前記「リアルタイムな計測データＤの変化」には音の要素も含む。
また、本実施例では、前記管理基準値Ｋを超えたときに、トンネル切羽１へのマーキング５とウェアラブル端末６への可視化７を実行して監視しているが、前記管理基準値Ｋを
超えなくてもトンネル切羽１へのマーキング５とウェアラブル端末６への可視化７を実行する機能は当然に備えている。よって、前記管理基準値Ｋへあと少しで到達する（例えば、変位データが管理基準値Ｋの８０％の）時点等でトンネル切羽１へのマーキング５及び／又はウェアラブル端末６への可視化７を実行することは適宜行われるところである。
また、トンネル切羽１に対するグリーンレーザー等の高速レーザー照射ユニット４によるマーキング５には、前記段落［００２３］で説明した、ウェアラブル端末６への可視化７のバリエーションのうち、前記変位データ（例えば、前記押し出し量）の遷移状況を心電図のような折れ線グラフでリアルタイムに表示する手法を含む。

１ トンネル切羽
２ 水平監視用計測装置
３ レーザー光
４ 高速レーザー照射ユニット（グリーンレーザー）
５ マーキング
６ ウェアラブル端末
７ 可視化
８ 端末機器
９ メール
１０Ａ コンピュータ
１０Ｂ コンピュータ
１１ 取付部材（ブラケット）
Ａ 警告灯
Ｂ 切羽監視用カメラ
Ｃ ネットワークカメラ
Ｄ 計測データ
Ｈ 計測点の高さレベル
Ｊ 削孔マシーン
Ｋ 管理基準値（閾値）
Ｐ 計測点
Ｓ トンネル切羽監視責任者
Ｔ トンネル

Claims (3)

1. 切羽監視用カメラでトンネル工事におけるトンネル切羽が常時撮影され、その撮影データがディスプレイに表示されることで、トンネル切羽の状況をコンピュータによりリアルタイムに管理可能なトンネル切羽管理方法であって、
   １台の水平監視用計測装置に水平方向に旋回可能な構成で搭載されたレーザー距離計を水平方向に旋回させて、トンネルのスプリングラインと天端部との間の１／２以上、３／４以下の範囲内の任意の高さにレーザー光を照射することにより、リアルタイムな計測データの変化に基づくトンネル切羽の押し出し量が計測され、その計測されたデータが予め設定した前記計測データの変化に基づく管理基準値を超えたとき、コンピュータにより、グリーンレーザ等の高速レーザー照射ユニットを作動させて、前記トンネル切羽における前記管理基準値を超えた計測点周辺にマーキングを行うと同時に、スカウター型又は透過式メガネ型の頭部に装着するタイプのウェアラブル端末に、前記レーザー距離計によるトンネル切羽のリアルタイムなトンネル切羽の押し出し量の変位データや、前記管理基準値を超えた危険箇所が可視化されて、常にトンネル切羽の肌落ちや崩落・崩壊が予見できる構成であることを特徴とする、トンネル切羽管理方法。
2. 前記管理基準値は、少なくとも変位速度および絶対変位量に基づいて設定されることを特徴とする、請求項１に記載したトンネル切羽管理方法。
3. 前記管理基準値を超えたとき、前記コンピュータにより、インターネットを介して、スマートフォンやタブレット、ＰＣ等の端末機器にてメールが発信され、前記リアルタイムなトンネル切羽の押し出し量を含むトンネル切羽状況が、映像データ及び／又は画像データで工事関係者に通知されることを特徴とする、請求項１又は２に記載したトンネル切羽管理方法。

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