特開 2024-157703 盛土材料の掘削・採取方法、盛土材料の掘削・採取システム、及び、掘削機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024157703

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】盛土材料の掘削・採取方法、盛土材料の掘削・採取システム、及び、掘削機械

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/26 20060101AFI20241031BHJP

   E02D 17/18 20060101ALI20241031BHJP

   E02F 1/00 20060101ALI20241031BHJP

   G01C 15/00 20060101ALN20241031BHJP

【ＦＩ】

E02F9/26 B

E02D17/18 Z

E02F1/00

G01C15/00 102Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023072218

(22)【出願日】2023-04-26

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （刊行物１） ▲１▼ 開催日 令和４年１０月１４日 ▲２▼ 集会名、開催場所 令和４年度 日本応用地質学会 研究発表会 関西大学千里山キャンパス１００周年記念会館 ・オンライン開催（大阪府吹田市山手町３丁目３－３５） ▲３▼ 公開者 中島 亮、中須賀 大樹、石濱 茂崇、天下井 哲生 ▲４▼ 公開の内容 「フィルダムにおける３次元地質・土質モデルを活用したＢＩＭ／ＣＩＭの実施」 （刊行物２） ▲１▼ 発行日 令和４年１０月８日 ▲２▼ 刊行物 令和４年度 日本応用地質学会 研究発表会講演論文集 第９９頁～第１００頁 一般社団法人 日本応用地質学会 ▲３▼ 公開者 中島 亮、中須賀 大樹、石濱 茂崇、天下井 哲生 ▲４▼ 公開の内容 「フィルダムにおける３次元地質・土質モデルを活用したＢＩＭ／ＣＩＭの実施」 （刊行物３） ▲１▼ 開催日 令和４年１０月６日 ▲２▼ 集会名、開催場所 ２０２２年度全国土木技術発表会 株式会社熊谷組本社（大会議室） ・オンライン開催（東京都新宿区津久戸町２番１号） ▲３▼ 公開者 中島 亮 ▲４▼ 公開の内容 「フィルダムの施工における地質・土質モデルの活用」 （刊行物４） ▲１▼ 発行日 令和４年９月２７日 ▲２▼ 刊行物 ２０２２年度全国土木技術発表会 概要集 第５頁～第８頁 株式会社熊谷組 土木事業本部 ▲３▼公開者 中島 亮 ▲４▼ 公開の内容 「フィルダムの施工における地質・土質モデルの活用」

(71)【出願人】

【識別番号】000001317

【氏名又は名称】株式会社熊谷組

(74)【代理人】

【識別番号】100141243

【弁理士】

【氏名又は名称】宮園 靖夫

(72)【発明者】

【氏名】中島 亮

(72)【発明者】

【氏名】中須賀 大樹

(72)【発明者】

【氏名】片山 政弘

(72)【発明者】

【氏名】石濱 茂崇

(72)【発明者】

【氏名】天下井 哲生

【テーマコード（参考）】

2D015

2D044

【Ｆターム（参考）】

2D015HA03

2D015HB04

2D015HB05

2D044CA00

(57)【要約】

【課題】設計形状の掘削を行いながら、盛土材料を効率的にかつ確実に分別して掘削・採取する。
【解決手段】施工現場の３次元地形データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成するとともに、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定した後、前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成し、この合成掘削形状と別途検出した掘削機械の現在位置とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出し、前記算出された地層の深さに基づいて、前記地質の層を掘削するようにした。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

施工現場の３次元地形データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成するステップと、
前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定するステップと、
前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成するステップと、
掘削機械の現在位置を検出するステップと、
前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出するステップと、
前記算出された深さに基づいて、前記地質の層を掘削するステップと、
を備える盛土材料の掘削・採取方法。

【請求項2】

実際の地質境界の位置が前記算出された深さのデータと異なった場合には、実績を計測し、前記３次元地質モデルのデータを更新することを特徴とする請求項１に記載の盛土材料の掘削・採取方法。

【請求項3】

施工現場の土砂を掘削する掘削機械と、
前記掘削機械の現在位置の３次元座標を検出する位置検出手段と、
前記施工現場の３次元地図データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成する３次元地質モデル生成手段と、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段を有する地層深さ算出装置と、を備える盛土材料の掘削・採取システム。

【請求項4】

前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載の盛土材料の掘削・採取システム。

【請求項5】

施工現場の土砂を掘削して採取する掘削機械であって、
土砂の掘削・採取手段を備えた掘削機械本体と、
前記掘削機械の現在位置の３次元座標を検出する位置検出手段と、
前記施工現場の３次元地図データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成する３次元地質モデル生成手段と、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、
前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、
前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段と、
前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段と、
を備えた掘削機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フィルダムなどの盛土工事の構築等に用いられる盛土材料を分別して掘削・採取する方法とそのシステム、及び、盛土材料の掘削・採取に用いられる掘削機械に関する。

【背景技術】

【0002】

フィルダムや盛土工事に用いる盛土材料については、盛土に適した材料を採取するため、地質の種類ごとにそれぞれ適用材料が決められており、掘削時に異なる材料の混入やそれによる材料ロス（捨土の増加）を可能な限り減らす必要がある。
そこで、ＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite System / 全球測位衛星システム)などの位置計測装置を用いて建設機械の現在位置を計測するとともに、盛土を掘削・採取するための設計データと現在位置との差分をリアルタイムで提供するマシンガイダンスシステムが用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。
設計データは、施工現場の地図データと地質・材質等のデータを有する地質データとから作成される３次元地質モデルと、掘削形状の設計形状データとを用いて作成される。
マシンガイダンスでは、オペレーターは、操縦席のモニター画面でバケットと設計形状の位置とを確認しながら、盛土材料を掘削・採取する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－８１００８号公報

【特許文献2】特開２０１６－２１２４５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、通常のマシンガイダンスは、あくまで設計データ（仕上がりの形状）を導入して掘削を行っているため、地質毎に材料を掘削・採取する必要がある場合には、設計データ通りに掘削を進めると地質境界線を越えてしまい、採取した材料に異なる地質の材料が混入するおそれがある。
また、それを防ぐには、掘削途中で地質専門技術者が頻繁に現地を確認し判別する必要があるため、多大な労力を要する、といった問題点がある。

【0005】

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、設計形状の掘削を行いながら、盛土材料を効率的にかつ確実に分別して掘削・採取する方法、この方法を実現するためのシステム、及び、盛土材料の掘削・採取に用いられる掘削機械を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、盛土材料を掘削して採取する方法であって、施工現場の３次元地形データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成するステップと、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定するステップと、前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成するステップと、掘削機械の現在位置を検出するステップと、前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出するステップと、前記算出された深さに基づいて、前記地質の層を掘削するステップと、を備えることを特徴とする。
これにより、地層毎の掘削を精度よく行うことができるので、盛土材料を効率的に分別しながら採取することができる。
また、合成掘削形状を用いることで、３次元地質モデルと計設計掘削形状との切り替えをせずに地層毎の掘削を行うことができる。
また、実際の地質境界の位置が前記算出された深さのデータと異なった場合には、実績を計測し、前記３次元地質モデルのデータを更新するようにしたので、これをサイクルとして回すことで、データの精度向上を図ることができる。

【0007】

また、本発明は、盛土材料の掘削・採取システムであって、施工現場の土砂を掘削する掘削機械と、前記掘削機械の現在位置の３次元座標を検出する位置検出手段と、前記施工現場の３次元地図データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成する３次元地質モデル生成手段と、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段を有する地層深さ算出装置と、を備えることを特徴とする。
このような構成を採ることにより、設計形状の掘削を行いながら、盛土材料を効率的に分別しながら採取することのできる盛土材料の掘削・採取システムを得ることができる。
また、前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段を設けて、オペレーターに現在の掘削状況を視認させることができるので、効率的な材料の採取・分別を行うことができる。
また、本発明は、施工現場の土砂を掘削して採取する掘削機械を、バケットなどの土砂の掘削・採取手段を備えた掘削機械本体と、前記掘削機械の現在位置の３次元座標を検出する位置検出手段と、前記施工現場の３次元地図データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成する３次元地質モデル生成手段と、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段と、前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段とから構成したので、盛土材料を効率的に分別しながら採取することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施の形態に係る盛土材料の掘削・採取システムを示す図である。

【図2】工事着工前の施工現場の地形データと地質・土質モデルを示す図である。

【図3】ボクセルモデルと設計掘削形状の一例を示す図である。

【図4】地質境界面と設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を示す図である。

【図5】合成掘削形状の断面形状を示す図である。

【図6】携帯端末の表示画面の一例を示す図である。

【図7】本発明の盛土材料の掘削・採取方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１は本実施形態に係る盛土材料の掘削・採取システム（以下、採取システム１という）を示す図で、採取システム１は、施工現場２に配置された掘削機械としてのバックホー１０と、運搬車両２０と、施工現場２とは別の個所に設けられた管理センター３に設置された地層深さ算出装置３０とを備える。
バックホー１０は、車体本体１１と、掘削手段１２と、走行手段１３と、位置取得手段１４と、送受信機１５と、ＧＰＳアンテナ１６と、送受信アンテナ１７とを備える。
掘削手段１２は、ブーム１２a、アーム１２ｂ、及び、バケット１２ｃを備え、車体本体１１に搭載されて、施工現場２の盛土材料を掘削・採取する。
走行手段１３としては、例えば、無限軌道などの凹凸の多い場所を安定して走行できるタイプのものが好ましい。
位置取得手段１４は、ＧＰＳアンテナ１６で受信した図示しない衛星の電波から、当該バックホー１０の車体本体１１の絶対座標を取得するとともに、車体本体１１に対するバケット１２ｃの相対位置から、バケット１２ｃの位置座標を算出する。なお、バケット１２ｃの位置座標としては、施工現場２、もしくは、施工現場２近傍の所定の地点を原点とする座標系の位置座標とすることが好ましい。
算出されたバケット１２ｃの位置座標は、送受信アンテナ１７、地層深さ算出装置３０に送られる。なお、送受信アンテナ１７は、後述するように、地層深さ算出装置３０で算出された地層深さのデータを受信する。
バックホー１０の運転席１８にはオペレーター４０が乗車しており、オペレーター４０は、運転席１８に設けられた携帯端末１９を参照しながら、掘削手段１２と走行手段１３とを操作して、施工現場２の盛土材料を掘削・採取し、運搬車両２０に渡す。
携帯端末１９には、バックホー１０の現在位置と地層深さの算出値をオペレーター４０に視認させるための表示画面１９Ｇが設けられている。
運搬車両２０は、走行手段２１と荷台２２とを備え、バックホー１０で採取した土砂を荷台２２に積込んで図示しない材料置場まで運搬する。なお、図では、運搬車両２０のオペレーターについては省略した。

【0010】

地層深さ算出装置３０は、地形・地質データ取得手段３１と、地質・土質モデル作成手段３２と、設計掘削形状設定手段３３、合成掘削形状作成手段３４と、掘削位置取得手段３５と、地層深さ算出手段３６と、送受信機３７と、アンテナ３８とを備える。地質データ取得手段３１～地層深さ算出手段３６までの各手段は、コンピューターのソフトウェアとＲＡＭ，ＲＯＭなどの記憶手段から構成される。
地形・地質データ取得手段３１は、まず、図２（ａ）に示すように、工事着工前の施工現場２の３次元地形データと３次元地質データとを取り込んで、地質断面図を３次元空間上に配置する。
３次元地形データは、例えば、ドローンなどによる写真測量や３Ｄレーザースキャナーによる測量により得られる。また、３次元地質データは、予め行ったボーリング調査による地盤調査により得られる。
３次元地形データは、通常、図２（ａ）の左上の図に示すように、平面図で表せるが、平面図の各点はそれぞれ標高の情報を有しているので、３次元地質データと組み合わせることで、施工現場２の任意の方向の地質断面図を得ることができる。
そして、図２（ａ）の下側の図に示すように、配置された地質・土質の異なる層の境界点を結ぶことで、図２（ｂ）に示すような、３次元地質境界面を作成する。
図２（ａ），（ｂ）の符号２Ａ，２Ｂ，２Ｃが互いに地質・土質の異なる地層で、２Ａは第１層（表面層）、２Ｂは第２層、２Ｃは第３層である。また、Ｓ12は第１層２Ａと第２層２Ｂとの境界面、Ｓ23は第２層２Ｂと第３層２Ｃとの境界面である。
地質・土質モデル作成手段３２は、上記の地質境界面で囲まれた空間に地質ソリッドモデルを作成する。本例では、ソリッドモデルとして、図３（ａ）に示すような、ボクセルモデルを用いた。
ボクセルは３Ｄピクセルで、内部に地質などの情報を持つ立方体ｋで表せる。このボクセルモデルを用いることで、掘削土量を精度よく算出することができる。
設計掘削形状設定手段３３は、地質ソリッドモデルと予め設定しておいた盛土材料の種類や採取量、ダムの貯水容量、ダムの形状、用地などの様々な要素を考慮して、施工現場２の掘削予定形状である設計掘削形状を設定する。
設計掘削形状は、図３（ｂ）に示すように、２次元の掘削平面図で表せるが、平面図の各点には法面勾配、小段の標高などの情報が記載されており、容易に３次元化できる。

【0011】

合成掘削形状作成手段３４は、図４（ａ）に示す地層毎のサーフェイスモデルＭ（2A），Ｍ（2B），Ｍ（2C）で表された地質境界面と、図４（ｂ）に示す設計掘削形状とを合成し、図４（ｃ）に示すような、設計掘削形状と地質境界面とが組み合わされた合成掘削形状を作成する。
ここで、サーフェイスモデルＭ（2A）は掘削現場の地表面、Ｍ（2B）は第１層２Ａと第２層２Ｂとの境界面Ｓ12、Ｍ（2C）は第２層２Ｂと第３層２Ｃとの境界面Ｓ23である。したがって、これらのサーフェイスモデルＭ（2A），Ｍ（2B），Ｍ（2C）を、上からＭ（2A），Ｍ（2B），Ｍ（2C）の順に鉛直方向に配置したモデルに、設計掘削形状を重ねることにより、各地層の材料採取ラインである合成掘削形状を得ることができる。
図５は、合成掘削形状の断面形状の一例を示す図で、本例では、地質の層を、第１層２Ａ、第２層２Ｂ、第３層２Ｃの３層とした。また、同図の細い一点鎖線は地質境界線、太い一点鎖線は設計掘削形状、太い実線は合成掘削形状（材料採取ライン）である。
なお、同図では、第１層２Ａの設計掘削形状と合成掘削形状とがずれているように表示しているが、第１層２Ａの設計掘削形状と合成掘削形状とは同じであることはいうまでもない。
また、同図では、第１層２Ａの材料取ラインのみを示したが、第２層２Ｂの材料採取ラインや第３層２Ｃの材料採取ラインも同様に引くことができる。
このように、合成掘削形状を用いて盛土材料を掘削・採取することで、盛土材料を、採取材料毎に効率よく掘削・採取することができる。

【0012】

掘削位置取得手段３５は、バックホー１０の位置取得手段１４で算出したバケット１２ｃの位置座標を取得する。具体的には、ＧＰＳアンテナ１６から送られてきたバケット１２ｃの位置座標のデータが、送受信アンテナ１７を介して掘削位置取得手段３５に送られる。
地層深さ算出手段３６は、バケット１２ｃの位置座標のデータと、合成掘削形状作成手段３４で作成した合成掘削形状とから、バケット１２ｃの位置と現在掘削している層とその下部の層との境界面との距離である地層深さＤを算出する。
算出された地層深さＤは、送受信機３７からアンテナ３８を介して、バックホー１０の車体本体１１に搭載された携帯端末１９に送られる。
図６（ａ），（ｂ）は携帯端末１９の表示画面１９Ｇの一例を示す図で、（ａ）図は掘削開始直後の画面、（ｂ）図は第１層２Ａの掘削途中の画面で、２Ａは現在掘削中の地層（第１層）で、斜線で示すBpは設計掘削形状を示す。
表示画面１９Ｇは、上から見たときのバックホー１０の現在位置（ｘ，ｙ）を表示する位置表示部１９ａと、バックホー１０のバケット位置と、第１層２Ａと第２層２Ｂとの地質境界面Ｓ12との距離である地層深さＤ（図１を参照）を表示する深さ表示部１９ｂとを備えている。
オペレーター４０は、携帯端末１９の表示画面１９Ｇを見ながら盛土材料の掘削・採取を行うことで、盛土材料の採取量（掘削深さ）を適宜調整することができる。

【0013】

次に、本発明による盛土材料の掘削・採取方法について、図７のフローチャートを参照して説明する。
始めに施工現場の３次元地形データと３次元地質データとを取得し（ステップＳ１０）、３次元地質モデルである地質・土質モデルを作成する（ステップＳ１１）。
次に、地質・土質モデルと予め設定した地質・土質毎の採取量から、掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定（ステップＳ１２）した後、地質・土質モデルと設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する（ステップＳ１３）。
ステップＳ１４では、ＧＮＳＳの一つであるＧＰＳを用いて、バックホー１０の現在位置を検出する。なお、ＧＬＯＮＡＳＳなどのＧＰＳ以外のＧＮＳＳを用いてもよい。
また、バックホー１０の現在位置の検出は、ステップＳ１０～Ｓ１３の処理と並行して行ってもよい。
次に、バックホー１０の現在位置と合成掘削形状とから、バックホー１０の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さＤを算出（ステップＳ１５）し、この算出された地層の深さのデータを携帯端末１９に送る（ステップＳ１６）。
オペレーター４０は、携帯端末１９の表画面１９Ｇに表示された地質の層の深さＤに基づいて、盛土材料の掘削・採取を行う（ステップＳ１７）。
ステップＳ１４～Ｓ１７の動作は、現在掘削している地層の掘削・採取が終了するまで継続する（ここでは、現在掘削している地層の掘削・採取が終了した時点をＥＮＤとした）。
これにより、地質境界面付近で慎重な掘削を行うことができるので、異なる材料の混入を防ぐことができる。

【0014】

このように、本発明によれば、掘削時に異なる材料の混入やそれによる材料ロス（捨土の量）を最小限に抑えることができるので、設計形状の掘削を行いながら、盛土材料を効率的に採取・分別することができる。
なお、実際の地質境界の位置が算出された深さのデータと異なった場合には、随時実績を計測して地質・土質モデルのデータを修正・更新することが好ましい。これにより、地質境界面を修正できるので、以降の掘削精度を向上させることができる。

【0015】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

【0016】

例えば、前記実施の形態では、掘削機械としてバックホー１０を用いたが、ショベルカーやブルドーザーなどの他の掘削機械を用いてもよい。
また、前記実施の形態では、地層深さ算出装置３０を施工現場２とは別の場所に設けられた管理センター３に設けたが、地層深さ算出装置３０をバックホー１０に搭載してもよい。

【符号の説明】

【0017】

１ 盛土材料の掘削・採取システム、２ 施工現場、３ 管理センター、
１０ バックホー、１１ 車体本体、１２ 掘削手段、１２ａ ブーム、
１２ｂ アーム、１２ｃ バケット、１３ 走行手段、１４ 位置取得手段、
１５ 送受信機、１６ ＧＰＳアンテナ、１７ 送受信アンテナ、１８ 運転席、
１９ 携帯端末、１９Ｇ 表示画面、
２０ 運搬車両、２１ 走行手段、２２ 荷台、
３０ 地層深さ算出装置、３１ 地形・地質データ取得手段、
３２ 地質・土質モデル作成手段、３３ 設計掘削形状設定手段、
３４ 合成掘削形状作成手段、３５ 掘削位置取得手段、３６ 地層深さ算出手段、
３７ 送受信機、３８ アンテナ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】