JP2018159640A - トンネル切羽面の監視システムおよび監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切羽面でのレーザ光の反射性能を考慮せずとも、切羽面の変状の検知を可能とすること
【解決手段】トンネル切羽面の監視システムであって、切羽面Ｘに対してレーザ光１１を照射するラインレーザ１０と、レーザ光１１によって切羽面Ｘに描かれた輪郭線１２を撮影するデジタルカメラ２０と、デジタルカメラ２０による撮影データから、輪郭線１２の変化を切羽面Ｘの変状として検知する解析装置３０と、を少なくとも備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネルの切羽面の変状を検知するための監視システムおよび監視方法に関する。

トンネルの切羽面の変位や肌落ち（崩落）などの変状を検知するためのシステムとして、以下の特許文献１，２に記載の監視システムが知られている。
この監視システムは、レーザ距離計を用いて、切羽面までの距離（変位量）の変化を随時計測し、この変位量に応じて崩落の予測を行うものである。

特開２００５−３３１３６３号公報 特開２０１６−８８７１号公報

しかし、前記特許文献１，２に記載のシステムでは、以下の問題がある。
（１）切羽面でのレーザ光の反射性能を考慮しなければならない。
レーザ光の反射光量を確保するために、特許文献１では、切羽面（吹付面）に反射板を設置する必要があり、特許文献２では、切羽面（吹付面）中のレーザ光の照射目標位置に再帰性反射塗料を付着させる必要があった。
当該作業は、切羽に接近して行う危険作業になってしまう。
また、切羽面が水に濡れていると、レーザ光１１が乱反射して十分な計測が実施できない場合があった。
（２）二次元的な計測が困難である。
レーザ距離計は、切羽面上の照射箇所単位での計測作業となるため、
計測作業がスポット的であり、切羽面全体の変状を検知するためには、多数のレーザ距離計を用意しなければならない。

よって、本発明は、切羽に接近する必要がなく、かつ切羽面でのレーザ光の反射性能を考慮せずとも、切羽面の変状の検知が可能な手段の提供を目的とする。

上記課題を解決すべくなされた本願の第１発明は、トンネル切羽面の監視システムであって、切羽面に対してレーザ光を照射する、ラインレーザと、前記ラインレーザのレーザ光によって切羽面に描かれた輪郭線を前記ラインレーザの照射方向と異なる角度から撮影する、デジタルカメラと、前記デジタルカメラによる撮影データから、輪郭線の変化を切羽面の変状として検知する、解析装置と、を少なくとも備えることを特徴とする。
また、本願の第２発明は、前記第１発明において、前記ラインレーザを複数設け、各ラインレーザのレーザ光が非交差状態または交差状態で切羽面に照射された状態で、デジタルカメラによる撮影を行うことを特徴とする。
また、本願の第３発明は、前記第１発明または第２発明において、レーザ光の照射箇所を変更自在な態様で前記ラインレーザを配置してあることを特徴とする。
また、本願の第４発明は、トンネル切羽面の監視方法であって、ラインレーザのレーザ光による輪郭線が、切羽面に単数本又は複数本照射された状態で、デジタルカメラによる撮影を行い、解析装置でもってデジタルカメラによる撮影データ中の輪郭線の変化を切羽面の変状として検知することを特徴とする。

本発明によれば、以下に記載する効果を奏する。
（１）切羽に接近する必要が無い。
レーザ光による輪郭線が描かれた切羽面をデジタルカメラで撮影した撮影データを用いて切羽面の変状を検知するため、切羽面に反射体や反射性の良い塗料を塗布する必要が無い。
（２）切羽面でのレーザ光の反射を考慮する必要が無い。
切羽面に反射体や反射性の良い塗料を塗布する必要が無いため、レーザ光の反射性能を考慮する必要も無い。
（３）簡易な情報処理で検知作業が実施できる。
切羽面上に描かれた輪郭線を、新旧の撮影データ上で比較することによって、切羽面の変状を早期に検知することができる
また、切羽面上に描かれた輪郭線を、撮影データから生成した見かけの断面図上で比較することによっても、切羽面の変状を早期に検知することができる。
（４）切羽面の変状を面的に検知することができる。
輪郭線を切羽面上に複数本表示させた状態の撮影データを用いることで、切羽面の変状を面的に検知することができる。

実施例１に係る切羽面の監視システムの全体構成を示す概略図。 画像処理前後のデジタルカメラの撮影データを示すイメージ図。 実施例２に係る切羽面の監視システムの全体構成を示す概略図。

以下、図面を参照しながら、本願発明の構成要素および実施例について説明する。

＜１＞基本構成
図１は、本発明に係る切羽面の監視システム（以下、単に「監視システム」ともいう。）の基本構成を示す概略図である。
本発明に係る監視システムでは、トンネルの切羽の表面（切羽面Ｘ）から後方側に配置するラインレーザ１０およびデジタルカメラ２０と、前記デジタルカメラ２０からの撮影データを解析する解析装置３０と、を少なくとも備える。
本実施例では、ラインレーザ１０とデジタルカメラ２０とをユニット化した監視ユニットＡをトンネルの任意の位置に設置している。
そして、ラインレーザ１０によって切羽面に描いた輪郭線１２を、デジタルカメラ２０で撮影し、この撮影データを解析装置３０で適宜解析することで、切羽面の変状を検知する。
以下、各構成要素の詳細について説明する。

＜２＞ラインレーザ
ラインレーザ１０は、トンネルの切羽面Ｘにレーザ光１１を照射するための装置である。
ラインレーザ１０から照射するレーザ光１１は、切羽面Ｘ上に輪郭線１２を描くように構成する。
本実施例では、トンネルを側面視したときに、レーザ光１１の軌跡が切羽面Ｘに対して略直交方向となるように、ラインレーザ１０の照射方向を設定している。

＜２．１＞輪郭線の向き
本発明に係る輪郭線１２の長手方向の向きは特段限定せず、切羽面Ｘに対する上下方向、左右方向、あるいは斜め方向の中から適宜選択することができる。
本実施例では、切羽面Ｘを正面視したときに、輪郭線１２の長手方向が、切羽面Ｘの略左右方向となるようにラインレーザ１０の照射方向を設定している。

＜２．２＞レーザ光の照射位置
本発明に係るラインレーザ１０は、任意の位置や方向に調整可能に構成し１つのラインレーザ１０でもって、切羽面Ｘ上の異なる位置に輪郭線１２を照射できるようにしてもよい。

＜２．３＞レーザ光の照射時期
本発明に係るラインレーザ１０の照射タイミングは、切羽面Ｘへ常に照射しても良いし、後述するデジタルカメラ２０の撮影時にのみ照射するよう構成してもよい。

＜３＞デジタルカメラ
デジタルカメラ２０は、ラインレーザ１０によって切羽面Ｘに描かれた輪郭線１２を撮影するための装置である。
デジタルカメラ２０による撮影データは適宜解析装置３０に送られて画像解析に使用される。

＜３．１＞カメラの撮影方向
デジタルカメラ２０による撮影方向は、ラインレーザ１０によるレーザ光１１の照射方向と異なる方向としておく。
これは、デジタルカメラ２０の撮影データに、レーザ光１１の照射方向における輪郭線１２の凹凸情報を持たせるためである。
本実施例では、切羽面Ｘを側面視したときに、該切羽面の平面方向と略直交方向としたラインレーザ１０の照射方向に対し、角度θ１だけ傾斜した向きをデジタルカメラ２０による撮影方向として設定している。

＜４＞解析装置
解析装置３０は、デジタルカメラ２０による撮影データを用いて、切羽面Ｘの変状を検知するための装置である。
解析装置３０は、ＰＣなどの情報処理装置を用いることができる。
解析装置３０による各情報処理は、予め判定基準を設定してあるプログラムを実行することによって行っても良いし、過去の判定プロセスを学習して判定基準を自律的に生成する、いわゆる人工知能型のプログラムを実行することによって行っても良い。
以下、解析装置３０による切羽面Ｘの変状の検知に係る情報処理の一例について説明する。

＜４．１＞撮影データの画像処理
まず始めに、解析装置３０はデジタルカメラ２０から取得した撮影データを画像処理して、切羽面Ｘに対して前後方向に直交する態様で切断した見かけの断面図を作成する。
図２に示すデジタルカメラ２０の撮影データの画像処理前後のイメージ図を参照しながら、撮影データの画像処理方法について説明する。

＜４．１．１＞画像処理前の撮影データ
デジタルカメラ２０から取得した撮影データを図２（ａ）に示す。
この撮影データは、切羽面Ｘに照射された輪郭線１２を上方から斜めに見下ろした構図を呈している。
この撮影データで表れる輪郭線１２の軌跡と、前記した角度θ１の情報を用いて、切羽面Ｘに対して前後方向に直交する態様で横切断した見かけの断面図を生成する。

なお、図２（ａ）において示したトンネルの切羽面Ｘと周壁Ｙとの境界線や周壁Ｙと地面Ｚとの境界線はあくまで説明の便宜上付与したもので、画像処理の対象には輪郭線１２が少なくとも含まれていればよい。

＜４．１．２＞画像処理後の撮影データ（見かけの断面図）
解析装置３０で生成した見かけの断面図を、図２（ｂ）に示す。
この見かけの断面図では、上下方向に凹凸状を呈する輪郭線１２でもって、切羽面Ｘをレーザ光１０で横切断した際の表面形状が表れている。

なお、図２（ｂ）において仮想線で示したトンネルの周壁Ｙや切羽面Ｘの基準位置を示す線は、あくまで説明の便宜上付与したもので、見かけの断面図には、あくまで輪郭線１２が表示されていればよい。

＜４．２＞画像の比較
解析装置３０では、新旧の見かけの断面図に表れている輪郭線１２同士を比較し、輪郭線１２の位置にズレが生じていたり、輪郭線１２の消失があったりした場合に、切羽面に肌落ち等の変状が生じていると判定する。

＜４．３＞変形例
なお、本実施例では、解析装置３０でもって画像処理した見かけの断面図の新旧を比較することで切羽面Xの変状を検知しているが、デジタルカメラ２０の撮影データそのものの新旧を比較することで、切羽面Xの変状を検知するよう構成してもよい。

＜５＞まとめ
このように、本実施例に係る監視システムによれば、ラインレーザ１０を照射してなる切羽面Xの撮影データを、変状検知の判定材料として利用することで、切羽面Xの変状を早期に検知することができる。

＜１＞全体構成
図３は、本発明に係る切羽面の監視システムの第２実施例を示す概略図である。
本実施例では、トンネルの切羽面Ｘの後方に配置する、複数台の撮影ユニットＡ（Ａ_１〜Ａ_７）と、これらの撮影ユニットＡから得られる撮影データを受信する解析装置３０とで構成している。
そして、各撮影ユニットＡのラインレーザ１０のレーザ光１１を、切羽面Xの異なる位置、異なる向きに照射して互いに交差させることで、切羽面Ｘに、縦三本、横四本の計七本の輪郭線１２（１２ａ〜１２g）からなる格子模様を表示したものである。
解析装置３０では、各撮影ユニットから得られる撮影データを適宜解析・比較して、輪郭線１２の位置にズレが生じていたり、輪郭線１２の消失があったりした場合に、切羽面Xに変状が生じていると判定する。

＜２＞変形例
なお、本発明は、本実施例のようにラインレーザ１０と同数のデジタルカメラ２０を設けることを必須の構成とするものではなく、複数台のラインレーザ１０による複数本の輪郭線１２を、一台のデジタルカメラ２０でまとめて撮影し、この撮影データを画像処理または比較作業を行うように構成しても良い。

＜３＞まとめ
本実施例に係る監視システムによれば、同時刻での切羽面の変状を全体的かつ面的に捉えることができる。

Ａ 撮影ユニット
１０ ラインレーザ
１１ レーザ光
１２ 輪郭線
２０ デジタルカメラ
３０ 解析装置
Ｘ 切羽面
Ｙ 周壁
Ｚ 地面

Claims (4)

1. トンネル切羽面の監視システムであって、
   切羽面に対してレーザ光を照射する、ラインレーザと、
   前記ラインレーザのレーザ光によって切羽面に描かれた輪郭線を前記ラインレーザの照射方向と異なる角度から撮影する、デジタルカメラと、
   前記デジタルカメラによる撮影データから、輪郭線の変化を切羽面の変状として検知する、解析装置と、
   を少なくとも備えることを特徴とする、
   トンネル切羽面の監視システム。
2. 前記ラインレーザを複数設け、各ラインレーザのレーザ光が非交差状態または交差状態で切羽面に照射された状態で、デジタルカメラによる撮影を行うことを特徴とする、
   請求項１に記載のトンネル切羽面の監視システム。
3. レーザ光の照射箇所を変更自在な態様で前記ラインレーザを配置してあることを特徴とする、請求項１または２に記載のトンネル切羽面の監視システム。
4. トンネル切羽面の監視方法であって、
   ラインレーザのレーザ光による輪郭線が、切羽面に単数本又は複数本照射された状態で、デジタルカメラによる撮影を行い、
   解析装置でもってデジタルカメラによる撮影データ中の輪郭線の変化を切羽面の変状として検知することを特徴とする、
   トンネル切羽面の監視方法。

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