JP7316870B2 - トンネル掘削管理方法および掘削管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削管理方法および掘削管理装置に関し、例えば、山岳トンネルの切羽の天端部、肩部、側壁部の掘削管理方法および掘削管理装置に関するものである。

従来、山岳トンネルの切羽では、側壁部、肩部、天端部の掘削量の管理のために、作業員が切羽に近づき定規を当てて掘削の過不足を確認していた。しかし、崩落に巻き込まれるおそれがあるため、作業安全性を向上することが求められていた。こうした問題を解決するための一つの方法として、例えば、非特許文献１に記載の方法が知られている。この方法は、切羽近傍にて3Ｄスキャナで側壁部、肩部、天端部を計測し、掘削の過不足を確認するものである。

しかし、上記の非特許文献１の方法は、次のような課題があった。すなわち、計測を行うのは１度のみであり、掘削中にどの程度掘削が進行したのか確認することができないため、掘削の過不足が生じる可能性がある。また、掘削の過不足の情報を確認する際にＰＣのモニタを介するため、崩落の予兆を見過ごすおそれがあり、作業安全性に問題がある。

一方、本発明者らは、特許文献１に記載の計測装置を既に提案している。この装置は、直方体状の筐体内部に３Ｄスキャナとプロジェクタとを備えており、３Ｄスキャナを用いてトンネルの形状を計測し、演算装置を用いて計測結果から掘削の必要性の判定を行い、掘削の必要な箇所と不要な箇所の色が異なる画像を作成し、プロジェクタを用いてその画像をトンネル壁面に照射し、掘削の必要な箇所の指示を行うものである。

「トンネル切羽形状を迅速に計測できる簡易３Ｄスキャナの開発とその適用事例」、犬塚ら、土木学会岩盤力学委員会、第４５回岩盤力学に関するシンポジウム講演集、ｐｐ．３７－４２、２０１７

特開２０１７－５８３１２号公報

上記の従来の特許文献１の装置を切羽面の掘削管理に使用する場合は、切羽面に照射した画像は容易に視認できることから、切羽に近づかずに掘削の必要な箇所、不必要な箇所を容易に把握できる。しかし、特許文献１の装置を側壁部、肩部、天端部の掘削管理に使用する場合、以下のような問題を生じるおそれがある。

すなわち、プロジェクタから照射した画像が既設部にあたり、側壁部、肩部、天端部に画像が照射されない部分が生じるおそれがある。また、切羽近傍にプロジェクタを設置し、掘削箇所に画像を照射できたとしても、照射した画像を視認するには切羽に近づく必要があり、作業安全性が低下するおそれがある。このため、切羽の側壁部、肩部、天端部のようなトンネル掘削管理の作業安全性を向上することが求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、トンネル掘削管理の作業安全性を向上することのできるトンネル掘削管理方法および掘削管理装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るトンネル掘削管理方法は、トンネルの掘削を管理する方法であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測するステップと、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定するとともに、掘削状況を示す画像を作成するステップと、作成した画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射するステップとを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他のトンネル掘削管理方法は、上述した発明において、所定の位置から管理対象物の３次元形状データを取得する一方で、前記位置とは異なる位置から画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射することを特徴とする。

また、本発明に係るトンネル掘削管理装置は、トンネルの掘削を管理する装置であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測する形状計測手段と、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定するとともに、掘削状況を示す画像を作成する演算手段と、作成した画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射する投射手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他のトンネル掘削管理装置は、上述した発明において、形状計測手段は、所定の位置から管理対象物の３次元形状データを取得し、投射手段は、前記位置とは異なる位置から画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射することを特徴とする。

本発明に係るトンネル掘削管理方法によれば、トンネルの掘削を管理する方法であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測するステップと、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定するとともに、掘削状況を示す画像を作成するステップと、作成した画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射するステップとを備えるので、切羽の側壁部、肩部、天端部のような管理対象物またはその近傍に掘削状況を示す画像を照射することができ、切羽に近づかずに側壁部、肩部、天端部の掘削状況を確認することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他のトンネル掘削管理方法によれば、所定の位置から管理対象物の３次元形状データを取得する一方で、前記位置とは異なる位置から画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射するので、より確実に、切羽の側壁部、肩部、天端部のような管理対象物またはその近傍に掘削状況を示す画像を照射することができるという効果を奏する。

また、本発明に係るトンネル掘削管理装置によれば、トンネルの掘削を管理する装置であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測する形状計測手段と、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定するとともに、掘削状況を示す画像を作成する演算手段と、作成した画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射する投射手段とを備えるので、切羽の側壁部、肩部、天端部のような管理対象物またはその近傍に掘削状況を示す画像を照射することができ、切羽に近づかずに側壁部、肩部、天端部の掘削状況を確認することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他のトンネル掘削管理装置によれば、形状計測手段は、所定の位置から管理対象物の３次元形状データを取得し、投射手段は、前記位置とは異なる位置から画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射するので、より確実に、切羽の側壁部、肩部、天端部のような管理対象物またはその近傍に掘削状況を示す画像を照射することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係るトンネル掘削管理装置の実施の形態を示す図である。 図２（１）は磁石部材、（２）はその取付後の様子を示す図である。 図３は、本発明に係るトンネル掘削管理装置の実施の形態を示す配置図であり、（１）は平面図、（２）はＡ－Ａ断面図である。 図４は、形状計測装置の設置例を示す図であり、（１）は鋼製支保工に設置する場合、（２）は設置治具、（３）はフック部材を用いて設置する場合である。 図５は、本発明に係るトンネル掘削管理方法の実施の形態を示す実施手順図である。 図６は、掘削管理画像の説明図であり、（１）は掘削の過不足の情報をプロットする前、（２）は掘削の過不足のプロット例、（３）は鳥瞰図、（４）は掘削箇所のすべての計測点をプロットした場合、（５）は掘削の過不足の状況に対応するプロットする色の凡例である。

以下に、本発明に係るトンネル掘削管理方法および掘削管理装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

本実施の形態は、３Ｄスキャナで連続的に切羽の側壁部、肩部、天端部の形状を計測し、切羽面に側壁部、肩部、天端部の掘削の過不足の情報を示し、その情報を見ながら掘削を行うものである。

図１に示すように、本実施の形態に係るトンネル掘削管理装置１０は、形状計測装置１２（形状計測手段）と、照射装置１４（照射手段）と、測量機器１６と、リモコン１８と、図示しないルーターとを備える。

形状計測装置１２は、図１（１）に示すように、３Ｄスキャナ２０と、形状計測装置用演算装置２２と、プリズム２４と、バッテリー２６と、形状計測装置用トリガ受信アンテナ２８と、形状計測装置用格納容器３０と、ドーム状の保護部材３２とを備える。形状計測装置１２は、山岳トンネル切羽の側壁部、肩部、天端部の形状計測を行うために使用する。本実施の形態では、天端部と左右の側壁、肩部の形状計測結果に欠損が無いようにするために、形状計測装置１２は２台以上使用するが、本発明はこれに限るものではなく形状計測装置１台を使用してもよい。

３Ｄスキャナ２０の計測結果は、演算装置２２に記録されるようになっている。形状計測装置１２は、岩塊が衝突しても問題ないように、堅固な構造とすることが好ましい。例えば、演算装置２２、バッテリー２６、形状計測装置用トリガ受信アンテナ２８は、堅牢な格納容器３０に格納する構造が好ましい。また、３Ｄスキャナ２０が発信と受信を行うレーザーが屈折しないよう、３Ｄスキャナ２０のセンサ部分はドーム状の保護部材３２で覆う。なお、形状計測装置１２の格納容器３０の下面には、図示しないねじ孔があけられている。このねじ孔には、図２に示すような磁石部材３４を接続可能である。磁石部材３４は、磁石からなる基板３６と、基板３６の上面に設けられたねじ部３８とを備える。このねじ部３８が格納容器３０の下面のねじ孔に螺合して接続する。

本実施の形態では、形状計測手段を３Ｄスキャナ２０（３Ｄレーザースキャナ）で構成する場合を例にとり説明するが、本発明の形状計測手段はこれに限るものではなく、切羽の側壁部、肩部、天端部の形状を計測可能な装置であれば、３Ｄスキャナでなくてもよい。

照射装置１４は、図１（２）に示すように、プロジェクタ４０と、照射装置用演算装置４２（演算手段）と、照射装置用トリガ受信アンテナ４４と、プリズム４６と、照射装置用格納容器４８と、照射装置用三脚５０とを備える。照射装置１４は、切羽の側壁部、肩部、天端部に対して掘削の過不足の画像情報を照射するために使用される。プロジェクタ４０、照射装置用演算装置４２、照射装置用トリガ受信アンテナ４４は、防塵、防水のために照射装置用格納容器４８に格納される。照射装置１４の電力は外部電源から供給される。

測量機器１６は、図１（３）に示すように、トータルステーション５２と、測量用三脚５４と、測量用演算装置５６とを備える。トータルステーション５２は、形状計測装置１２、照射装置１４に各３個ずつ取り付けられたプリズム２４、４６を測量するためのものである。トータルステーション５２の測量結果は測量用演算装置５６に記録され、形状計測装置１２、照射装置１４の姿勢、位置を推定するために使用される。

ルーターは、測量用演算装置５６に記録されたトータルステーション５２の測量結果を、照射装置用演算装置４２に転送するとともに、形状計測装置用演算装置２２に記録された掘削箇所の形状計測結果を、照射装置用演算装置４２に転送するものである。

リモコン１８は、図１（４）に示すように、システム起動ボタン１８Ａ、計測開始ボタン１８Ｂ、システム終了ボタン１８Ｃ、計測タイミング切替スイッチ１８Ｄを備える。システム起動ボタン１８Ａ、終了ボタン１８Ｃは、それぞれトンネル掘削管理装置１０を起動、終了するためのボタンである。計測開始ボタン１８Ｂは、計測開始するためのトリガ信号を送信するボタン、計測タイミング切替スイッチ１８Ｄは、トリガ信号を送るタイミングを設定するための回転切替式スイッチである。このリモコン１８を操作することで、形状計測装置用演算装置２２、プロジェクタ４０と照射装置用演算装置４２にトリガ信号を送り、起動することができる。また、形状計測装置用演算装置２２、照射装置用演算装置４２に、任意のタイミングまたは所定の時間間隔でトリガ信号を送り、３Ｄスキャナ２０の計測、形状計測装置用演算装置２２から照射装置用演算装置４２への計測結果の転送、照射装置用演算装置４２内での計測結果の分析と画像の作成、プロジェクタ４０での画像の照射を行うことができる。

図３は、トンネル掘削管理装置１０の配置例である。この図に示すように、掘削箇所Ｅに対して油圧ブレーカーＭが配置される。形状計測装置１２は、３Ｄスキャナ２０が発するレーザーが、既設部の支保に遮られないように、なるべく切羽Ｋに近い位置（例えば、掘削箇所Ｅの手前の側壁）に設置するのが望ましい。また、形状計測装置１２の設置に磁石部材３４を使用する場合は、例えば、図４（１）に示すように地山Ｇに設けた鋼製支保工Ｓに設置することが望ましい。また、形状計測装置１２は、ロックボルトの座金に設置してもよい。

なお、形状計測装置１２には、取っ手５８が設けられている。この取っ手５８に対して、図４（２）に示すような設置治具６０を係合させて、切羽Ｋから離れた箇所から形状計測装置１２を所望の位置に設置してもよい。

照射装置１４は、プロジェクタ４０の照射する画像が切羽面全体に照射される位置に設置する。トータルステーション５２は、形状計測装置１２と照射装置１４のプリズム２４、４６が測量できる位置に設置する。ルーター６２は、人や重機等と接触しないよう、側壁近傍に設置する。

本実施の形態では、図３に示すように、形状計測装置１２を切羽Ｋ近傍の両側の側壁の鋼製支保工Ｓに２台設置する場合を例にとり説明するが、本発明はこれに限定されず、例えば図４（３）に示すように、肩部や天端部の吹付けコンクリートＣにアンカーボルトＢを打ち込み、フック部材６４を設置し、形状計測装置１２の取っ手５８をフック部材６４に設置してもよい。また、使用する形状計測装置１２の数は２台に限定されず、トンネル断面等の形状に応じて台数を３台以上に増やしてもよい。

上記構成の動作および作用について、図５を参照しながら説明する。
図５に示すように、まず、ステップＳ１において、構成機器（形状計測装置１２、照射装置１４、測量機器１６、ルーター６２）を図３に示す位置に設置する。

次のステップＳ２において、トータルステーション５２で形状計測装置１２と照射装置１４に取り付けたプリズム２４、４６を測量する。

次のステップＳ３において、測量用演算装置５６に記録されたトータルステーション５２の測量結果（データＡ）を、ルーター６２を経由して照射装置用演算装置４２に転送する。

次のステップＳ４において、形状計測装置１２で切羽の側壁部、肩部、天端部の計測を行う。

次のステップＳ５において、形状計測装置用演算装置２２に記録された形状計測結果（データＢ）を、ルーター６２を経由して照射装置用演算装置４２に転送する。

次のステップＳ６において、照射装置用演算装置４２内で、データＡとトンネルの形状の既知の設計データ（データＣ）を用いて、データＢの各計測箇所の掘削の過不足の分析を行う。ここでは、分析により、形状計測結果に掘削の過不足の程度により異なる色情報を付与するものとする。例えば、以下に示すように、掘削する厚さにより色を変化させる。

１０ｃｍ以上の厚さの掘削が必要な場合・・・赤色
５～１０ｃｍの厚さの掘削が必要な場合・・・橙色
０～５ｃｍの厚さの掘削が必要な場合・・・・黄色
０～５ｃｍ掘りすぎている場合・・・・・・・緑色
５～１０ｃｍ掘りすぎている場合・・・・・・水色
１０ｃｍ以上掘りすぎている場合・・・・・・青色

次のステップＳ７において、図６（１）に示すような掘削管理画像に計測した箇所および掘削の過不足の情報をプロットする。図６（１）の画像の見方を以下に示す。

図形の中心側の位置・・・トンネルの切羽側の掘削箇所（側壁部、肩部、天端部のいずれか）の位置を示す
図形の外側の位置・・・トンネルの坑口側の掘削箇所（側壁部、肩部、天端部のいずれか）の位置を示す
円周方向・・・トンネルの側壁部、肩部、天端部の位置を示す
画像の右側・・・坑口から切羽を見て右側を示す
画像の左側・・・坑口から切羽を見て左側を示す
プロットする色・・・掘削の過不足を示す
プロットする図形・・・円をプロットする場合を例に説明するが、本発明はこれに限定されない

例えば、図６（２）、（３）に示す画像は、掘削箇所の坑口側、右肩部は１０ｃｍ以上の厚さの掘削が必要であることを示している。なお、図６（２）、（３）は、掘削箇所の１点の掘削の過不足をプロットしており、掘削箇所のすべての計測点をプロットすると、図６（４）に示すような掘削管理画像となる。

なお、既設部の形状計測結果を判定しないために、既設部の断面に近い位置にある点群データは判定しないようフィルターをかけてもよい。

次のステップＳ８において、掘削の過不足がプロットされた掘削管理画像は、データAを用いて照射装置用演算装置４２で補正され、照射装置１４のプロジェクタ４０で切羽面に照射される。

次のステップＳ９において、掘削が完了している場合は（Ｙｅｓ）、計測および掘削の作業を終了する。一方、ステップＳ９において、掘削が完了していない場合は（Ｎｏ）、ステップＳ１０、ステップＳ１１に進み、ステップＳ２～Ｓ１１、または、ステップＳ４～Ｓ１１の作業を繰り返し実施する。

ステップＳ１０では、油圧ブレーカー等の重機の操縦者が、切羽面に照射された画像を視認しながら、掘削の設計面よりも内側の地山の掘削を行う。

その後、任意のタイミング、または所定の時間間隔でステップＳ１１に移行して、形状計測装置１２、照射装置１４の姿勢、位置の変化の有無を判定する。判定の結果、変化した場合は（Ｙｅｓ）、ステップＳ２に移行し、変化していない場合は（Ｎｏ）、ステップＳ４に移行する。

以上の手順により、側壁部、肩部、天端部の掘削の過不足を視認しながら、側壁部、肩部、天端部の掘削を行うことが可能となる。

本実施の形態によれば、切羽に近づかずに側壁部、肩部、天端部の掘削量を確認することができる。連続的に３Ｄスキャナ２０で計測を行うので、掘削を行うと掘削の過不足の情報が更新されるため、掘削の過不足の生じる可能性が小さくなる。掘削の過不足の情報を確認する際に、モニタを参照する必要がないため、崩落が生じるタイミングを認識しやすくなり、安全性が向上する。

また、側壁部、肩部、天端部の情報を欠損することなく提示することができる。掘削箇所の掘削の過不足の情報を、切羽から離れた箇所から視認できるため、崩落に巻き込まれる可能性が減り、作業安全性が向上する。

なお、上記の実施の形態では、山岳トンネルの切羽の側壁部、肩部、天端部の掘削管理に適用する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、崩落に巻き込まれやすい切羽近傍下側のインバート部の掘削管理にも適用可能であり、このようにしても上記と同様の作用効果を奏することができる。また、上記の実施の形態では、形状計測手段が３Ｄレーザースキャナである場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、複数の写真から管理対象物の３次元形状データを取得する手段を採用してもよい。

以上説明したように、本発明に係るトンネル掘削管理方法によれば、トンネルの掘削を管理する方法であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測するステップと、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定するとともに、掘削状況を示す画像を作成するステップと、作成した画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射するステップとを備えるので、切羽の側壁部、肩部、天端部のような管理対象物またはその近傍に掘削状況を示す画像を照射することができ、切羽に近づかずに側壁部、肩部、天端部の掘削状況を確認することができる。

また、本発明に係る他のトンネル掘削管理方法によれば、所定の位置から管理対象物の３次元形状データを取得する一方で、前記位置とは異なる位置から画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射するので、より確実に、切羽の側壁部、肩部、天端部のような管理対象物またはその近傍に掘削状況を示す画像を照射することができる。

また、本発明に係るトンネル掘削管理装置によれば、トンネルの掘削を管理する装置であって、管理対象物の３次元形状データを複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測する形状計測手段と、取得した３次元形状データに基づいて管理対象物における掘削状況を判定するとともに、掘削状況を示す画像を作成する演算手段と、作成した画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射する投射手段とを備えるので、切羽の側壁部、肩部、天端部のような管理対象物またはその近傍に掘削状況を示す画像を照射することができ、切羽に近づかずに側壁部、肩部、天端部の掘削状況を確認することができる。

また、本発明に係る他のトンネル掘削管理装置によれば、形状計測手段は、所定の位置から管理対象物の３次元形状データを取得し、投射手段は、前記位置とは異なる位置から画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射するので、より確実に、切羽の側壁部、肩部、天端部のような管理対象物またはその近傍に掘削状況を示す画像を照射することができる。

以上のように、本発明に係るトンネル掘削管理方法および掘削管理装置は、山岳トンネルの切羽の天端部、肩部、側壁部の掘削管理に有用であり、特に、トンネル掘削管理の作業安全性を向上するのに適している。

１０ トンネル掘削管理装置
１２ 形状計測装置（形状計測手段）
１４ 照射装置（照射手段）
１６ 測量機器
１８ リモコン
２０ ３Ｄスキャナ
２２ 形状計測装置用演算装置
２４，４６ プリズム
２６ バッテリー
２８ 形状計測装置用トリガ受信アンテナ
３０ 形状計測装置用格納容器
３２ 保護部材
３４ 磁石部材
４０ プロジェクタ
４２ 照射装置用演算装置（演算手段）
４４ 照射装置用トリガ受信アンテナ
４８ 照射装置用格納容器
５０ 照射装置用三脚
５２ トータルステーション
５４ 測量用三脚
５６ 測量用演算装置
５８ 取っ手
６０ 設置治具
６２ ルーター
６４ フック部材
Ｂ アンカーボルト
Ｃ 吹付けコンクリート
Ｅ 掘削箇所
Ｇ 地山
Ｋ 切羽
Ｍ 油圧ブレーカー
Ｓ 鋼製支保工

Claims (4)

1. トンネルの掘削を管理する方法であって、
   前記トンネル内の所定の位置に設けた形状計測装置により、管理対象物の３次元形状を複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測するステップと、取得した３次元形状に基づいて管理対象物における掘削状況を判定するとともに、掘削状況を示す画像を作成するステップと、作成した画像を、前記形状計測装置から独立して前記所定の位置とは異なる位置に設けた照射装置により、管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射するステップとを備えることを特徴とするトンネル掘削管理方法。
2. 前記形状計測装置および前記照射装置の姿勢と位置の変化の有無を判定し、姿勢と位置が変化したと判定された場合には、トータルステーションで前記形状計測装置および前記照射装置に取り付けたプリズムを測量して、トータルステーション測量結果を測量用演算装置に記録し、この測量用演算装置に記録された前記トータルステーション測量結果を照射装置用演算装置に転送することを特徴とする請求項１に記載のトンネル掘削管理方法。
3. トンネルの掘削を管理する装置であって、
   前記トンネル内の所定の位置に設けられ、管理対象物の３次元形状を複数の計測点について取得して管理対象物の位置と形状を計測する形状計測装置と、取得した３次元形状に基づいて管理対象物における掘削状況を判定するとともに、掘削状況を示す画像を作成する演算手段と、前記形状計測装置から独立して前記所定の位置とは異なる位置に設けられ、前記演算手段で作成した画像を管理対象物の対応箇所またはその近傍に投射する照射装置とを備えることを特徴とするトンネル掘削管理装置。
4. 前記形状計測装置および前記照射装置の姿勢と位置の変化の有無を判定し、姿勢と位置が変化したと判定された場合には、トータルステーションで前記形状計測装置および前記照射装置に取り付けたプリズムを測量して、トータルステーション測量結果を測量用演算装置に記録し、この測量用演算装置に記録された前記トータルステーション測量結果を照射装置用演算装置に転送することを特徴とする請求項３に記載のトンネル掘削管理装置。

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