(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-05-19
(45)【発行日】2022-05-27
(54)【発明の名称】トンネル内空変位計測方法
(51)【国際特許分類】
G01C 15/00 20060101AFI20220520BHJP
E21D 9/00 20060101ALI20220520BHJP
E21F 17/00 20060101ALI20220520BHJP
G01C 7/06 20060101ALI20220520BHJP
【FI】
G01C15/00 104A
E21D9/00 Z
E21F17/00
G01C7/06
(21)【出願番号】P 2017060861
(22)【出願日】2017-03-27
【審査請求日】2020-02-26
(73)【特許権者】
【識別番号】000195971
【氏名又は名称】西松建設株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】394017446
【氏名又は名称】マック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002321
【氏名又は名称】特許業務法人永井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山下 雅之
(72)【発明者】
【氏名】三井 善孝
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 健
(72)【発明者】
【氏名】宮原 宏史
(72)【発明者】
【氏名】戴 昊
【審査官】國田 正久
(56)【参考文献】
【文献】特開2017-020972(JP,A)
【文献】特開2002-174519(JP,A)
【文献】特開2010-249709(JP,A)
【文献】特開2012-251774(JP,A)
【文献】特開2000-352297(JP,A)
【文献】特開昭62-293115(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01C 15/00
G01C 7/06
E21D 9/00
E21F 17/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
トンネルにおいて、切羽を掘削した後、覆工コンクリートが打設するまでの時間におけるトンネル内壁面の地山の変位を計測する方法であって、
1台のトータルステーションと、
トンネル内を移動自在である移動用自動車と、
前記移動用自動車に対して設けられた架台と、
この架台に対して設けられた3Dレーザースキャナと、
この3Dレーザースキャナの姿勢を自動で整準する、前記架台と前記3Dレーザースキャナとの間の整準機構と、
前記
1台のトータルステーションにより前記3Dレーザースキャナの三次元位置を検知するための、前記3Dレーザースキャナと一体化して設けられたターゲット
と、前記移動用自動車の後部の前記架台両側部にそれぞれ設けられた2つのターゲットを含む、少なくとも3点のターゲットと、を有し、
前記切羽の掘削後に前記移動
用自動車が切羽近くに移動するステップと、
前記トータルステーションが、前記移動用自動車から離間した位置において、その既知の位置情報を基礎として、前記少なくとも3点のターゲットを捉えることにより3Dレーザースキャナにおける位置、方位及び傾きについての三次元位置を検知するステップと、
前記3Dレーザースキャナが動作してトンネル内壁面の三次元のローカル点群データを得るステップと、
前記
1台のトータルステーションによる前記3Dレーザースキャナの前記三次元位置に基づいて、前記ローカル点群データを絶対座標系に変換するステップと、
前記絶対座標系に変換された点群データをトンネル座標系の点群データに変換するステップと、
を有することを特徴とするトンネル内空変位計測方法。
【請求項2】
前記移動用自動車側における操作端末から無線で前記トータルステーションを作動させて3Dレーザースキャナの前記三次元位置を検知する請求項1記載のトンネル内空変位計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トンネル内空の変位計測方法に関する。特に、切羽を掘削してから覆工コンクリートが打設されるまでの間のトンネル内壁面の地山の変位を計測するためのトンネル内空変位計測方法に関する。
【背景技術】
【0002】
山岳等トンネルにおいて、切羽を掘削してから覆工コンクリートが打設されるまでの間のトンネル内壁面の地山の変位を計測して、その後の挙動を追跡することは、例えばトンネルの安全性を判断したり、安定したトンネル覆工体を形成するために重要である。例えば、トンネル内壁面の地山の変位を計測して、変位量が好ましくは1~2週間に1mm程度となることで、掘削後の地山が安定したと判断されて、覆工コンクリートが施工されるよう管理されている。
【0003】
トンネル内壁面の地山の変位を計測する従来の方法では、掘削後に吹付けコンクリートによって覆われたトンネル内壁面の所定の位置に、複数のターゲットを配設し、これらのターゲットを、作業の邪魔になり難い位置として、トンネル肩部に固定したトータルステーションで視準したり、測定作業毎に、三脚を用いて作業員がトンネル坑内の路盤上に据え付けたトータルステーションで視準したりすることによって行われていた(例えば、特許文献1参照)。
また、トータルステーションで測定したターゲットの三次元座標を、例えばトンネル坑外の現場事務所に設けた管理コンピュータに、情報通信端末やトンネル坑内の無線通信基地局を介して、無線通信によって転送することでトンネル内壁面の地山の変位を管理することも提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0004】
他方で近年では、3Dレーザースキャナを使用してより多くの点についてのデータを取得して、トンネル内空変位を検知する技術も提案されている(特許文献3、特許文献4)
【0005】
この種の3Dレーザースキャナを使用してより多くの点についての点群データを取得する手法は、トンネル内空変位を検知する情報としてきめ細かい多点群のデータとなり、今後の技術動向として有用である。
しかし、例えば特許文献4のように、3Dレーザースキャナをトンネル底面に設置して計測する形態では、施工サイクルを短くするのに十分でないものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開平5-99670号公報
【文献】特開2008-298432号公報
【文献】特開2014-2027号公報
【文献】特開2014-98704号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
そこで、本発明の主たる課題は、トンネルの施工サイクルを短くすることが可能なトンネル内空変位計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため本発明のトンネル内空変位計測方法は、
トンネルにおいて、切羽を掘削した後、覆工コンクリートが打設するまでの時間におけるトンネル内壁面の地山の変位を計測する方法であって、
トータルステーションと、
トンネル内を移動自在である、3Dレーザースキャナを搭載した移動用自動車と、
前記トータルステーションにより前記3Dレーザースキャナの三次元位置を検知するための、前記3Dレーザースキャナと一体化して設けられた少なくとも3点のターゲットと、を用い、
切羽の掘削後に前記移動用自動車が切羽近くに移動するステップと、
前記トータルステーションが、前記移動用自動車から離間した位置において、その既知の位置情報を基礎として、前記ターゲットを捉えることにより3Dレーザースキャナの三次元位置を検知するステップと、
前記3Dレーザースキャナが動作してトンネル内壁面のローカル点群データを得るステップと、
前記トータルステーションによる前記3Dレーザースキャナの三次元位置に基づいて、前記ローカル点群データを絶対座標系に変換するステップと、
絶対座標系に変換された点群データをトンネル座標系の点群データに変換するステップと、
を有することを特徴とするものである。
【0009】
前述のように、3Dレーザースキャナを使用してより多くの点についての点群データを取得する手法は、トンネル内壁面の地山の変位を精度よく計測するのに有効である。
しかるに、特許文献3では3次元計測器によりトンネル断面上の複数ターゲットを計測してそのトンネル座標を取得し、3Dレーザースキャナにより各ターゲットを含むトンネル壁面形状データを取得することを基本とする。
この場合、トンネル断面上に複数のターゲットをトンネル方向に逐次設置する必要があり、きわめて手間が大きいものとなると考えられる。
特許文献4の方法も同様であり、その結果、きわめて手間が大きいものとなると考えられる。
【0010】
本発明においては、その設置位置が既知とされる(たとえばトンネル後方の設置位置が既知ターゲットを計測することにより、トータルステーションの位置情報を取得することができる。)トータルステーションにより、3Dレーザースキャナと一体化して設けられた少なくとも3点のターゲット検知し、3Dレーザースキャナの三次元座標を取得するものである。
この状態で3Dレーザースキャナによるスキャンによりトンネル内壁面のローカル点群データを得ると、そのローカル点群データは、3Dレーザースキャナの三次元座標により、絶対座標上での点群データに変換でき、さらにトンネル座標系の点群データに変換することができる。
したがって、3Dレーザースキャナのスキャンによる基礎データに基づき、最終的にトンネル座標系の多数の点群データを得ることができることは、変位計測の精度を高めることに大きく寄与する。
他方で、本発明においては、3Dレーザースキャナを移動用自動車に搭載させ、ターゲットを一体化させてある。その結果、トンネル方向に移動を繰り返しながら、所定のトンネル区間ごと、短時間での移動、3Dレーザースキャナの三次元位置の検知及び点群データの取得が可能となり、結果として、掘削の施工サイクル時間を短縮できることにつながる。
さらに、特許文献3及び4のように、トンネル得る壁面に少なくとも3点のターゲットを施工サイクルごと設置する手間がないので、掘削施工サイクル時間の短縮に寄与する。
【0011】
移動用自動車に対して架台が設けられ、この架台に対して設けられた3Dレーザースキャナの姿勢を自動で整準する、架台と3Dレーザースキャナとの間の整準機構を備えるのが望ましい。
整準機構を設けることで、3Dレーザースキャナによるスキャン開始までの準備時間を短縮できる。
【0012】
他方で、移動用自動車側における操作端末から無線でトータルステーションを作動させて3Dレーザースキャナの三次元位置を検知することができる。
トータルステーションとしては、ターゲットの中心を、自動的に見つけ出して測定する機能を備える自動視準・自動追尾タイプのモータ-搭載型トータルステーションを使用できる。かかるトータルステーションを、例えば移動車の50m~100m程度後方に設置し、移動用自動車側における操作端末から無線で動作させることにより、移動用自動車のターゲットを捉えて3Dレーザースキャナの位置情報を迅速に取得できる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、トンネル内空変位計測を迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明の実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。
【0016】
本発明の実施の形態においては、例えば
図1、
図2に示す移動車(例えば自動車)10が、
図3に示すように、トンネル1内を走行するようにしている。
移動車10には、例えばそのルーフに設置台11を取り付け、その設置台11に3Dレーザースキャナ20を搭載させてある。
【0017】
また、設置台11には、トータルステーション30に対するターゲット(例えば基準球)12が設けられている。ターゲット12は、移動車10の前側に設置された3Dレーザースキャナ20に付設して1個、後部の両側部に一対で2個設けられている。
後部の一対のターゲット12、12は、必要により設置される伸縮機構(設置台11上の基台14に対して設けられるが、詳細機構は図示せず)13により、幅方向の離間間隔を拡大及び縮小するようになっている。
ターゲット12、12相互の離間間隔を拡大させることにより、3Dレーザースキャナ20の三次元位置の計測精度が高まる。
必要ならば、基台14を設置台11に沿って前後移動可能にすることもできる。
【0018】
トンネル1の切羽の掘削後の適宜の時点で、移動車10は切羽近くに移動し、その後方、たとえば50~100m後方には、適宜の時点でトータルステーション30が設置される。
【0019】
この状態で、予め又は適宜の時点で、トータルステーション30の設置位置情報を取得しておく。例えば、トンネル測量と同じく、抗口側の位置が既知の後方ターゲット31(
図3参照)との位置関係に基づき、トータルステーション30の設置位置情報を取得しておく。
【0020】
その後、トータルステーション30を作動させ、3Dレーザースキャナ20を捉えて、各ターゲット12、12、12の位置関係に基づき、3Dレーザースキャナ20の三次元位置(位置、方位、傾き)情報を取得する。
【0021】
この場合、移動車10を運転して移動した計測作業員がトータルステーション30を作動させるのは、離間距離の関係で無駄な時間を要することになるので、計測作業員が所持する操作端末、たとえばタブレットPC31により、無線で無線端末32を介して遠隔操作によりトータルステーション30を作動させることが好ましい。
【0022】
3Dレーザースキャナ20は動作して、その設置位置近傍の三次元の点群データを取得する(
図3に網点でスキャニング範囲を模式的に示した。)。
この3Dレーザースキャナによるローカル点群データは、無線端末33を介して、無線で無線端末32に送信され、トンネル構内の公知の信号伝送システム34により、抗外の事務所のパソコン35により伝送される。
36はトータルステーション30の操作用パソコンであり、必要により、切羽のマーキングシステムなどにも利用可能となっている。
【0023】
図5にトンネル内空変位計測方法の実施の形態例を示してある。これに基づき説明すると、切羽の掘削後に移動車10が切羽近くに移動するステップを有する(
図3及び
図4参照)。
【0024】
トータルステーション30が移動車10から離間した位置において、その既知の位置情報を基礎として、ターゲット12、12、12を捉えることにより3Dレーザースキャナ20の三次元位置を検知するステップを有する。
3Dレーザースキャナ20が動作してトンネル内壁面のローカル点群データを得るステップ(
図3及び
図5参照)S1を有する。
【0025】
トータルステーション30による3Dレーザースキャナの三次元位置に基づいて、ローカル点群データを絶対座標系に変換するステップS2を有する。
この場合、
図5に示すように、予め基準球(ターゲット)の探索条件を与えておき、トータルステーション30による3Dレーザースキャナの三次元位置を検知するようにする。
【0026】
続いて、絶対座標系に変換された点群データを、予め設定しておいたトンネル線形、トンネル断面条件などに基づいて、トンネル座標系の点群データに変換するステップS3を有する。
【0027】
次いで、予め、トンネル構内の障害物(風管などの各種管類など)の影響を除外するために、トンネル断面半径や反射率などを設定し、有効データのみを選定処理するステップS4を有する。
【0028】
点群データの数は膨大である。そのために、誤差が生じ易いと共に処理時間が長くなる。そこで、パターンマッチング処理などの(公知の)誤差要因除去手法を利用して、誤差補正するステップS5を有する。
【0029】
以上のステップを経た後、変位計算するS6。
【0030】
これらの一連の処理は、計測作業員が所持するタブレットPC31内で処理することができるが、必要により、一連の処理を事務所のパソコン35で処理することもできる。
【0031】
事務所のパソコン35では、トンネル内空面の図面を作成し、その経時的な変化の管理に利用する。この場合、トンネル内空面の特異点を抽出してその経時的変化を捉えること、トンネル方向の各断面図を作成することなどが有効である。
【0032】
本発明においては、その設置位置が既知とされる(たとえばトンネル後方の設置位置が既知ターゲット40を計測することにより、トータルステーション30の位置情報を取得することができる。)トータルステーション30により、3Dレーザースキャナ20と一体化して設けられた少なくとも3点のターゲット12,12,12を検知し、3Dレーザースキャナ20の三次元座標を取得するものである。
この状態で3Dレーザースキャナ20によるスキャンによりトンネル内壁面のローカル点群データを得ると、そのローカル点群データは、3Dレーザースキャナ20の三次元座標により、絶対座標上での点群データに変換でき、さらにトンネル座標系の点群データに変換することができる。
したがって、3Dレーザースキャナ20のスキャンによる基礎データに基づき、最終的にトンネル座標系の多数の点群データを得ることができることは、変位計測の精度を高めることに大きく寄与する。
他方で、本発明においては、3Dレーザースキャナ20を移動車10に搭載させ、ターゲット12,12,12を一体化させてある。その結果、トンネル方向に移動を繰り返しながら、所定のトンネル区間ごと、短時間での移動、3Dレーザースキャナ20の三次元位置の検知及び点群データの取得が可能となり、結果として、掘削の施工サイクル時間を短縮できることにつながる。
さらに、特許文献3及び4のように、トンネル得る壁面に少なくとも3点のターゲットを施工サイクルごと設置する手間がないので、掘削施工サイクル時間の短縮に寄与する。
【0033】
移動車10に対して架台11が設けられ、この架台11に対して設けられた3Dレーザースキャナ20の姿勢を自動で整準する、架台と3Dレーザースキャナ20との間の整準機構を設けられことができる。この整準機構としては、例えば特開2015-7567に記載のものを使用できる。整準機構を設けることで、3Dレーザースキャナ20によるスキャン開始までの準備時間を短縮できる。
【0034】
他方で、移動車10側における操作端末から無線でトータルステーション30を作動させて3Dレーザースキャナ20の三次元位置を検知することができる。
トータルステーション30としては、ターゲットの中心を、自動的に見つけ出して測定する機能を備える自動視準・自動追尾タイプのモータ-搭載型トータルステーションを使用できる。かかるトータルステーションを、例えば移動車の50m~100m程度後方に設置し、移動車10側における操作端末(たとえばタブレットPC31)から無線で動作させることにより、移動車10のターゲットを捉えて3Dレーザースキャナ20の位置情報を迅速に取得できる。
【0035】
前述のように、3Dレーザースキャナ20を使用してより多くの点についての点群データを取得する手法は、トンネル内壁面の地山の変位を精度よく計測するのに有効である。
3Dレーザースキャナとしては市販のものを使用でき、例えばFARO社から入手できる「Focus3D」を使用できる。
【符号の説明】
【0036】
1…トンネル、10…移動車、12…ターゲット、20…3Dレーザースキャナ、30…トータルステーション、31…タブレットPC、35…事務所のパソコン。