JP2005331363A - トンネル切羽監視方法とトンネル切羽測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トンネル切羽面の高精度の三次元データを、容易かつ早期に測定することが可能なトンネル切羽面監視方法を提案することを課題とする。
【解決手段】 トンネル切羽面Ｋの形状を測定する切羽形状測定工程と、切羽形状測定工程により複数回測定されたトンネル切羽面の形状を比較してトンネル切羽面Ｋの変位を検出する切羽形状比較工程と、を含むトンネル切羽監視方法であって、切羽形状測定工程は、測距手段１０の原点から発光されるレーザ光をトンネル切羽面Ｋの複数の測点に順次照射して、トンネル切羽面Ｋ上の測点で反射された前記レーザ光を原点において検知することで原点と測点との距離を順次測定する測距段階と、測距段階の測定結果に基づき複数の測点の位置データを算出することによりトンネル切羽面Ｋの３次元データを作成する３次元データ作成段階とを含むトンネル切羽監視方法とトンネル切羽測定装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トンネル切羽面の変位を測定することによりトンネル切羽面の状況を把握する、トンネル切羽監視方法とトンネル切羽測定装置に関する。

トンネル工事では、トンネル崩壊の危険性を予測し、工事の安全性の判断、支保工の変更時期の判断、補助工法の採否等を決定する上で、切羽面の状況を把握することが最も重要な作業のうちのひとつである。
このような、トンネルの切羽面の状況を測定する手段としては、トンネル切羽面を目視で、あるいはハンマなどを用いて観察する方法が行われてきた。しかし、この方法によるトンネル切羽面の測定は、観測者の技術力や熟練度などによる差がでることや、切羽面のスケッチ等では大まかなデータしか得ることができないことなどにより、客観性に欠けるという問題を有していた。

そのため、切羽面の状況を客観的に測定する方法として、作業員による切羽面の目視調査及びハンマによる打音調査を行うとともに、デジタルカメラにより切羽面を撮影し、この画像データと作業員による観察結果に基づいて地山判定資料として切羽面の状況を測定する方法が開示されている（特許文献１参照）。また、本出願人は、切羽面の測定対象となる位置に反射物を設置して、その反射物に照射したビームの出射と反射の時間差や位相差によりもとめた測距データを用いて、切羽面の凹凸３次元情報を入手する方法を開発し、実用化に至っている（特許文献２参照）。
特開平１０−３９０４２号公報（［００１４］−［００２１］、図１） 特開平９−２８７９４８号公報（［０００６］−［００１５］、図１）

しかしながら、前者のデジタルカメラによる画像データを用いる測定方法では、二次元データからなる画像データを用いるため、切羽面に存在する凹凸に関する三次元データを殆ど得ることができず、正確な判断を下すことが困難であった。

一方、後者の切羽面に設置された反射物にビームを照射することによる方法は、作業員が切羽面直下に入り直接反射物を設置する必要があり、作業が困難な場合があった。また、切羽面をより正確に測定する場合には、反射物を多数設置する必要があり、この設置に要する手間や費用がかさむという問題を有する場合があった。

本発明は、前記の問題点を解決することを目的とするものであり、トンネル切羽面の高精度の三次元データを、容易かつ早期に測定することが可能なトンネル切羽監視方法とこれに使用するトンネル切羽測定装置を提案することを課題とする。

このような課題を解決するために、請求項１に係る発明は、トンネル切羽面上の複数の測点を測定することによりトンネル切羽面の形状を測定する切羽形状測定工程と、前記切羽形状測定工程により複数回測定されたトンネル切羽面の形状を比較してトンネル切羽面の変位を検出する切羽形状比較工程と、を含むトンネル切羽監視方法であって、前記切羽形状測定工程は、測距手段の原点から発光されるレーザ光をトンネル切羽面の複数の測点に順次照射して、前記トンネル切羽面上の測点で反射された前記レーザ光を前記原点において検知することで前記原点と前記測点との距離を順次測定する測距段階と、前記測距段階の測定結果に基づき、前記複数の測点の位置データを算出することによりトンネル切羽面の３次元データを作成する３次元データ作成段階と、を含むことを特徴としている。

かかるトンネル切羽面の変位測定方法により、掘削直後の不安定なトンネル切羽面（以下単に「切羽面」という場合がある）の直下に作業員が入りハンマなどによる調査を行う必要がなく、また、多数の反射物を切羽面に設置することなく、高精度の３次元計測が可能なため、切羽面での作業の手間や、反射物の設置に要する手間及び費用を低減することが可能となる。また、３次元データの補正は、コンピュータにより瞬時に算出が可能なため、切羽面の状況の把握を瞬時に行うことが可能となる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のトンネル切羽監視方法であって、前記切羽形状測定工程が、前記３次元データ作成段階において算出された複数の測点の位置データのうち、隣接する所定数の測点の位置データの平均値をとる平均値算出段階と、当該平均値に基づいて前記隣接する所定数の測点で囲まれた領域の位置データを補正して補正位置データを算出することによりトンネル切羽面の３次元データを補正する３次元データ補正段階と、を含むことを特徴としている。

かかるトンネル切羽監視方法は、切羽面の３次元データの作成について、位置データを移動平均処理により補正することで、高精度な切羽面の３次元データを作成することが可能となる。そして、この高精度な３次元データを利用して変位の検出をすることにより、微量な変位であっても容易かつ確実に検出することができるため、高精度のトンネル施工管理が可能となる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のトンネル切羽監視方法であって、前記切羽形状比較工程において、所定値以上の変位が検出された場合には危険信号が発信されることを特徴とする。

かかるトンネル切羽監視方法は、切羽面の変位量が危険と予想される所定値を超えた場合に、作業員等にその危険を知らせるための危険信号を発信するため、切羽崩壊などによる事故が発生する前に、防止策工や作業員の非難等を行うことが可能となり、安全なトンネル施工が可能となる。

また、請求項４に記載の発明は、トンネル切羽面の複数の測点に順次レーザ光を照射して前記トンネル切羽面上の測点で反射された前記レーザ光を検知することで前記測点までの距離を測定する測距センサと、前記測距センサの上下方向の回転及び停止を可能にする鉛直回転装置と、前記測距センサの水平方向の回転及び停止を可能にする水平回転装置と、前記鉛直回転装置及び前記水平回転装置の任意の角度での回転及び停止を制御する制御装置と、からなる測距手段と、前記測距手段により測定された前記複数の測点までの距離により位置データを算出してトンネル切羽面の３次元データを作成する３次元データ作成手段と、前記３次元データ作成手段により複数回作成されたトンネル切羽面の３次元データを比較する切羽形状比較手段と、を備えることを特徴とするトンネル切羽測定装置である。

かかるトンネル切羽測定装置は、測距センサが上下左右に回転可能に構成されているため、切羽面全体に順次レーザ光を照射して、その形状を測定することを可能としている。また、この測距センサの回転を制御する制御装置を備えていることから、測距センサの角度調整等を測点毎に行う必要がなく、自動的に切羽面全体の測定を行うことが可能となる。さらに、測定結果は、順次３次元データに変換され、変位量の検出が行われるため、操作員は即座に切羽面の形状や変位量等を把握することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のトンネル切羽測定装置であって、前記切羽形状比較手段による複数の前記トンネル切羽面の３次元データの比較の結果、所定値以上の変位が検出された場合に、危険信号を発信する危険信号発信手段を備えることを特徴としている。

かかるトンネル切羽測定装置は、切羽面の変位が所定の変位量を超えた場合に、危険信号を発信する構成のため、熟練技術者の経験に頼ることなく、切羽崩壊の危険を予知することが可能となるため、切羽面の崩壊等の事故が発生する前に、その対策工や作業員の非難等が可能となる。

また、請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載のトンネル切羽測定装置であって、前記測距手段が、前記トンネル切羽面後方の鋼製支保工に取り付けられていることを特徴としている。

かかるトンネル切羽面の変位測定方法は、測距手段が切羽面後方の支保工に取り付けられていることにより、トンネル施工に伴い各施工機械等の移動に伴い、測距手段を移動させる必要がなく、測定と平行して、支保工組立等の各種作業を行うことができるため、早期施工が可能となる。

本発明のトンネル切羽監視方法とトンネル切羽測定装置により、トンネル切羽面の高精度の三次元データを、危険作業を伴うことなく容易かつ早期に測定することが可能となる。

本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。
なお、説明において、前方とはトンネル切羽面側をいい、後方とは坑口側をいう。

図１は、本発明のトンネル切羽測定装置の全体を示す概略図であり、図２は図１に示したトンネル切羽測定装置によるトンネル切羽監視方法の概略を示す構成図である。また、図３はトンネル切羽面の測定方法の説明用の正面図である。さらに、図４は測距手段によるトンネル切羽面の測点（以下「照射点」という場合がある）の測定方法の説明図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。

図１に示すように、本発明によるトンネル切羽測定装置１は、主にトンネル坑内Ｔに配設されてトンネル切羽面Ｋの測定を行う測距手段１０と、トンネル坑外の現場事務所Ｈなどに配設されて測距手段１０の遠隔操作及び測距手段１０の測定結果に基づいて各データの算出及び検証を行うコンピュータ２０とから構成されている。

測距手段１０は、トンネル切羽面Ｋに順次レーザ光を照射してトンネル切羽面Ｋ上で反射されたレーザ光を検知する測距センサ１１と、この測距センサ１１の水平方向の回転及び停止を可能にする水平回転装置１２と上下方向の回転及び停止を可能にする鉛直回転装置１３と、これらの水平回転装置１２及び鉛直回転装置１３の任意の角度での回転及び停止を制御する制御装置１４と、から構成されている。

測距センサ１１は、水平回転装置１２の上に取り付けられて、水平方向の回転が可能となっている。そして、測距センサ１１が取り付けられた水平回転装置１２は、鉛直回転装置１３の上に取り付けられており、測距センサ１１の鉛直方向の回転が可能となっている。さらに、この鉛直回転装置１３は、トンネル切羽面Ｋから所定距離後方に離れた位置に配設された鋼製支保工（以下単に「支保工」という場合がある）４０に固定された取付ブラケット１５の上に取り付けられている。そして、この測距センサ１１、水平回転装置１２、鉛直回転装置１３が取り付けられた支保工４０の後方に隣接して配置されている支保工４０には制御装置１４が同じく取付ブラケット１５を介して取り付けられている。

コンピュータ２０は、図２に示すように、測距手段１０により測定された測定値により位置データを算出してトンネル切羽面Ｋの３次元データを作成する３次元データ作成手段２１と、３次元データ作成手段２１により作成された３次元データの補正を行う３次元データ補正手段２２と、この補正された３次元データを保存する３次元データ記憶手段２３と、記憶された複数のトンネル切羽面Ｋの３次元データを比較する切羽形状比較手段２４と、測距手段１０に指令を送信する操作手段２５を有している。
測距手段１０とコンピュータ２０とは、通信ケーブルＣを介して接続されており、操作手段２５により入力された指令が、制御装置１４に通信されて測距手段１０の制御を可能にしている。

また、図１に示すように、トンネル坑内Ｔと現場事務所Ｈにはそれぞれ測距手段１０の制御装置１４とコンピュータ２０に接続された非常灯（危険信号発信手段）３０が配置されている。

以下、図２を参照してコンピュータ２０における各手段について説明する。
３次元データ作成手段２１は、測距手段１０によって測定された各照射点Ｓの位置を基準点に対する座標に変換して位置データを算出する手段である。なお、基準点は任意に定める点であり、この実施形態では、測距手段１０の原点Ｏとする（図４参照）。

３次元データ補正手段２２は、補正対象とする照射点Ｓと、照射点Ｓと隣接する所定数の照射点Ｓとの位置データの平均値を順次算出することで、補正対象とする照射点Ｓの位置データの誤差を補正する移動平均処理を行い、トンネル切羽面Ｋの３次元データを作成する手段である。

本実施の形態では、図３に示すように、照射点Ｓ５の位置データの補正を行う場合には、斜線部分で示された照射点Ｓ１〜Ｓ９の９点の平均値により補正位置データＳ５’を算出するものとする（式１）。同様に照射点Ｓ８の補正を行う場合は、照射点Ｓ４〜Ｓ１２の９点の平均値により補正位置データＳ８’を算出する。このように補正対象とする照射点Ｓを移動して、順次補正位置データを算出することにより、切羽面Ｋの全位置データの補正を行い、トンネル切羽面Ｋの３次元データを作成する。

なお、本実施の形態では、補正対象の照射点Ｓ５を含むその周囲の照射点Ｓ１〜Ｓ９により位置データを補正するものとしたが、例えばＳ４〜Ｓ６の３点の平均値により補正する等、移動平均値の算出に使用する照射点Ｓの数や位置は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

３次元データ補正手段２２により作成された３次元データは３次元データ記憶手段２３により記憶される。
そして、切羽形状比較手段２４は、３次元データ記憶手段２３に予め記憶されているトンネル切羽面Ｋの３次元データと、最新のトンネル切羽面Ｋの３次元データとの比較行い、その変位を検証する手段である。この際、トンネル切羽面Ｋの変位が所定の変位量を超えた場合、切羽形状比較手段２４は、信号を発信して非常灯３０を点滅させることにより、トンネル坑内Ｔ及び現場事務所Ｈ内の作業員に危険を知らせる。

次に、本実施の形態に係るトンネル切羽面Ｋの変位測定方法について説明する。

［切羽形状測定工程］
（１）測距段階
まず、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、測距センサ１１の原点Ｏから発光されるレーザ光を上下方向に角度α毎、水平方向に角度β毎に順次照射し、照射したレーザ光とトンネル切羽面Ｋ上の照射点Ｓで反射されたレーザ光の位相差を検出する。これにより、図３に示すようにトンネル切羽面Ｋに格子状に配置された照射点Ｓまでの距離を前記角度α及びβ毎に測定する。
この時、測距センサ１１の上下方向の回転は、コンピュータ２０により入力された指令あるいはコンピュータ２０に予め入力されてあるプログラムによる指令が制御装置１４に送信されて、この指令により制御装置１４から送られた信号により鉛直回転装置１３により行われる。また、同様に測距センサ１１の水平方向の回転も制御装置１４の信号により水平回転装置１２により行われる。

本実施の形態では、まず所定の列Ｒａの照射点Ｓを、鉛直回転装置１３により測距センサ１１を上下方向に角度αずつ回転させながら全て測定した後、水平回転装置１２により水平方向に角度β回転させて次の列Ｒｂに移行して、列Ｒａと同様に列Ｒｂの全照射点Ｓの測定を行う。この作業を繰り返すことによりトンネル切羽面Ｋの全照射点Ｓを測定する。なお、トンネル切羽面Ｋの照射点Ｓの測定の順序は、上記に限定されるものではなく、例えば、測距センサ１１を水平方向に回転させながら１行分の全照射点Ｓの測定をした後、鉛直回転装置１３により次の行に移行して測定する工程を繰り返し行う方法でもよい。

（２）３次元データ作成段階
次に、図２に示すように、３次元データ作成手段２１により、測距手段１０により測定された各照射点Ｓの位置を、所定の基準点（本実施の形態では測距センサ１１の原点Ｏ）を基準とする座標に変換して位置データを算出する。

（３）平均値算出段階
さらに、３次元データ補正手段２２によって前記位置データを移動平均処理することで、位置データの誤差を補正する。

（４）３次元データ補正段階
そして、各位置データの間を連続させ、トンネル切羽面Ｋの３次元データを作成する。このとき、位置データは移動平均処理されているため、実際のトンネル切羽面Ｋの形状に近似した高精度な切羽形状が作成される。

［切羽形状比較工程］
（５）変位検出段階
次に、コンピュータ２０の３次元データ記憶手段２３に３次元データを記憶させ、磁気記録媒体等を介してコンピュータ２０の図示しない表示手段等によって３次元データを画像に変換して表示する。そして、切羽形状比較手段２４により、作成した最新の３次元データと、過去に測定し作成した３次元データとの座標を比較することで、トンネルＴの断面形状の変位を容易かつ確実に検出する。
その結果、検出された変位量が所定の数値を超えた場合には、切羽形状比較手段２４から自動的に信号が送信されて、トンネル坑内Ｔ及び作業事務所Ｈ内の非常灯３０が点滅する。

したがって、本実施形態に係るトンネル切羽監視方法では、位置データを移動平均処理して補正することによって高精度なトンネル切羽面Ｋの３次元データを作成し、この３次元データの変位を座標等により検出することで、微量の変位量であっても容易かつ確実に検出することができる。

また、測定は、コンピュータ２０と制御装置１４とを用いて自動的に行うため、高精度な測定を短時間で行うことが可能なため、測定のためにトンネル工事を止めることが無く、全体として施工期間を短縮することが可能となる。

また、変位が検出された際には、非常灯３０等により即座に知らされるため、迅速な補修作業や非難等が可能となる。

また、トンネル切羽面Ｋに消耗品を設置することなく、最小限の設備により正確な測定を行うことが可能なため、経済的にも優れている。

また、本実施の形態により作成された３次元データを地山データとともに電子データとして保存することにより、今後のトンネル施工工事における切羽崩壊予測に利用することが可能となる。

また、測距手段１０の各装置は、支保工４０に取付ブラケット１５を介して取り付けられているため、トンネル施工に使用される施工機械及び運搬機械等の移動や各種配管・配線設備等の設置等への障害とはならない。また、レーザ光による検出が可能な距離内であれば、トンネル切羽面Ｋの進行とともに測距手段１０を移動する必要はなく、装置設置に要する手間を省略することが可能である。

以上、本発明の好適な実施形態についての一例を説明したが、本発明は当該実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、前記実施の形態では、測距手段を支保工に設置するものとしたが、これに限定されるものではなく、例えばトンネル路面上に設置しても良い。
また、前記実施の形態では１台の測距センサにより順次測点を測定する構成としたが、これに限定されるものではなく、複数の測距センサにより同時に測定することで、測定時間を短縮する構成としてもよい。

また、測距手段の測距センサと鉛直回転装置と水平回転装置と制御装置としてそれぞれ個別の装置を設けるものとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、鉛直回転機能と水平回転機能とを備えた測距センサと制御装置とにより測距手段を構成してもよい。

また、危険を知らせる手段として非常灯を点滅させる構成としたが、これに限定されるものではなく、例えばスピーカ等により音で非常を知らせる構成としてもよい。
また、トンネル切羽面に変位が検出された際に、トンネル坑内と現場事務所内の作業員にその危険性を知らせる構成としたが、これに限定されるものではなく、例えば、当該作業現場を管轄する役所や本社所属部署等に電話回線等を通じて危険信号を発信する構成としてもよい。また、電話回線等を通じて接続した場合、危険信号のみではなく、作成された３次元データ等を送信してもよい。

また、切羽形状の変位の検出に関して、コンピュータの座標計算等により自動的に検出する構成としたが、これに限定されるものではなく、例えば操作者がコンピュータの画面上に映し出された３次元データを検証することにより、変位を検出してもよい。

本発明のトンネル切羽測定装置の全体を示す概略図である。 図１に示したトンネル切羽測定装置によるトンネル切羽監視方法の概略を示す構成図である。 トンネル切羽面の測定方法の説明用の正面図である。 測距手段によるトンネル切羽面の測点の測定方法の説明図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。

符号の説明

１ トンネル切羽測定装置
１０ 測定手段
１１ 測距センサ
１２ 水平回転装置
１３ 鉛直回転装置
１４ 制御手段
１５ 取付ブラケット
２０ コンピュータ
２１ ３次元データ作成手段
２２ ３次元データ補正手段
２４ 切羽形状比較手段
３０ 非常灯（危険信号発信手段）
４０ 支保工（鋼製支保工）
Ｋ トンネル切羽面
Ｓ 照射点（測点）

Claims (6)

1. トンネル切羽面上の複数の測点を測定することによりトンネル切羽面の形状を測定する切羽形状測定工程と、
   前記切羽形状測定工程により複数回測定されたトンネル切羽面の形状を比較してトンネル切羽面の変位を検出する切羽形状比較工程と、
   を含むトンネル切羽監視方法であって、
   前記切羽形状測定工程は、測距手段の原点から発光されるレーザ光をトンネル切羽面の複数の測点に順次照射して、前記トンネル切羽面上の測点で反射された前記レーザ光を前記原点において検知することで前記原点と前記測点との距離を順次測定する測距段階と、
   前記測距段階の測定結果に基づき、前記複数の測点の位置データを算出することによりトンネル切羽面の３次元データを作成する３次元データ作成段階と、を含むことを特徴とするトンネル切羽監視方法。
2. 前記切羽形状測定工程が、前記３次元データ作成段階において算出された複数の測点の位置データのうち、隣接する所定数の測点の位置データの平均値を算出する平均値算出段階と、
   当該平均値に基づいて前記隣接する所定数の測点で囲まれた領域の位置データを補正して補正位置データを算出することによりトンネル切羽面の３次元データを補正する３次元データ補正段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のトンネル切羽監視方法。
3. 前記切羽形状比較工程において、所定値以上の変位が検出された場合には危険信号が発信されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトンネル切羽監視方法。
4. トンネル切羽面の複数の測点に順次レーザ光を照射して前記トンネル切羽面上の測点で反射された前記レーザ光を検知することで前記測点までの距離を測定する測距センサと、前記測距センサの上下方向の回転及び停止を可能にする鉛直回転装置と、前記測距センサの水平方向の回転及び停止を可能にする水平回転装置と、前記鉛直回転装置及び前記水平回転装置の任意の角度での回転及び停止を制御する制御装置と、からなる測距手段と、
   前記測距手段により測定された前記複数の測点までの距離により位置データを算出してトンネル切羽面の３次元データを作成する３次元データ作成手段と、
   前記３次元データ作成手段により複数回作成されたトンネル切羽面の３次元データを比較する切羽形状比較手段と、
   を備えることを特徴とするトンネル切羽測定装置。
5. 前記切羽形状比較手段による複数の前記トンネル切羽面の３次元データの比較の結果、所定値以上の変位が検出された場合に、危険信号を発信する危険信号発信手段を備えることを特徴とする請求項４に記載のトンネル切羽測定装置。
6. 前記測距手段が、前記トンネル切羽面後方の鋼製支保工に取り付けられていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のトンネル切羽測定装置。

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