特許 7405369 浮石判定方法及び浮石判定支援システム

(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】2023-12-18

(45)【発行日】2023-12-26

(54)【発明の名称】浮石判定方法及び浮石判定支援システム

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/00 20060101AFI20231219BHJP

   E21D 9/093 20060101ALI20231219BHJP

   G01D 21/00 20060101ALI20231219BHJP

【ＦＩ】

E21D9/00 C

E21D9/093 F

G01D21/00 D

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020071505

(22)【出願日】2020-04-13

(65)【公開番号】P2021167538

(43)【公開日】2021-10-21

【審査請求日】2023-03-20

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （１）研究集会での発表 公開日 ：令和０１年１２月０１日 文章の種類：ポスター 公開場所 ：国際岩の力学会２０１９特別会議 ― 第５回若手研究者国際岩の力学シンポジウム＆革新的未来のための岩盤工学シンポジウム（Ｔｈｅ ５ｔｈ ＩＳＲＭ Ｙｏｕｎｇ Ｓｃｈｏｌａｒｓ’ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｒｏｃｋ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｆｕｔｕｒｅ） 沖縄コンベンションセンター（沖縄県宜野湾市真志喜４－３－１） （２）刊行物への掲載 発行日 ：令和０２年０１月２０日 刊行物 ：レーザー学会学術講演会第４０回年次大会講演予稿集 発行者 ：一般社団法人 レーザー学会 （３）刊行物への掲載 発行日 ：令和０２年０３月０１日 刊行物 ：令和２年電気学会全国大会講演論文集 発行者 ：一般社団法人 電気学会

(73)【特許権者】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(73)【特許権者】

【識別番号】591114803

【氏名又は名称】公益財団法人レーザー技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】新村 亮

(72)【発明者】

【氏名】谷口 信博

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健一郎

(72)【発明者】

【氏名】奥澤 康一

(72)【発明者】

【氏名】島田 義則

(72)【発明者】

【氏名】コチャエフ オレグ

(72)【発明者】

【氏名】倉橋 慎理

【審査官】石川 信也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０６５６４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２５２８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１４９０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０１７６４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１９９７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２１９３３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ ９／００

Ｅ２１Ｄ ９／０９３

Ｇ０１Ｄ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

浮石の有無を観測する観測地点が設定されたトンネルの切羽を加振する一方で、前記観測地点で振動を検知し、振動情報を実振動情報として取得する情報取得工程と、
該情報取得工程で取得した前記実振動情報と、あらかじめ設定した基準振動情報とに基づいて、前記観測地点における浮石の有無を判定する浮石判定工程と、を備え、
前記基準振動情報は、切羽の健全部から取得した振動情報に基づいて設定され、
前記浮石判定工程は、前記実振動情報と前記基準振動情報との間で、振動開始後収束するまでの時間、卓越周波数、及び振幅の３つの評価指標のうち少なくともいずれか１つが乖離している場合に、前記観測地点に浮石有りと判定することを特徴とする浮石判定方法。

【請求項2】

請求項１に記載の浮石判定方法であって、
前記情報取得工程で、浮石を叩き落すコソク作業により前記切羽を打撃して加振することを特徴とする浮石判定方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の浮石判定方法であって、
前記浮石判定工程で判定した浮石の有無に係る情報を、切羽の画像データに重ねて出力装置に出力することを特徴とする浮石判定方法。

【請求項4】

請求項１または２に記載の浮石判定方法であって、
前記浮石判定工程で判定した浮石の有無に係る情報を、切羽に出力することを特徴とする浮石判定方法。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の浮石判定方法に用いる浮石判定システムにおいて、
加振によりトンネルの切羽に生じる振動を検知し、振動情報を実振動情報として取得する振動計測装置と、
前記実振動情報から取得した、振動開始後収束するまでの時間、卓越周波数、及び振幅の３つの評価指標に基づいて、浮石判定を支援する判定支援装置と、を備え、
該判定支援装置は、
健全な切羽から取得した振動情報に基づき、基準振動情報を設定する基準情報設定手段と、
前記３つの評価指標について、前記実振動情報と前記基準振動情報との比較情報を取得する情報比較手段と、
前記比較情報に基づいて判定した浮石の有無に係る情報を画像表示する画像表示手段と、を備えることを特徴とする浮石判定支援システム。

【請求項6】

請求項５に記載の浮石判定支援システムにおいて、
前記判定支援装置が、
前記比較情報に基づいて、前記３つの評価指標について前記実振動情報と前記基準振動情報との間で乖離の有無を検出し、少なくとも１つが乖離している場合に、浮石有りと判定する浮石判定手段を備えることを特徴とする浮石判定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トンネル切羽における浮石の有無を判定するための浮石判定方法、及び浮石判定支援システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、発破や機械掘削などにより地山を掘り進めたのち、天井面や側壁面をコンクリートで覆工する作業を繰り返す山岳トンネル施工において、施工現場の安全を確保するべく、様々な管理方法が検討されている。

【0003】

例えば、特許文献１では、ＮＡＴＭ工法に係る一連の工程を、常時モニタリングするトンネル切羽安全監視システムが開示されている。具体的には、トンネルの切羽面全面を一つの測定面とし、この測定面に設定した複数の観測点各々を、振動可視化レーダーにて所定の周期で連続的に測定する。

【0004】

そして、切羽に振動が与えられた作業時（発破削孔やずり出し等）には、連続的に測定した結果から算出した卓越振動数や累積振幅の変化に基づいて、切羽崩落の予兆を検出する。一方、切羽に振動を生じない作業時（装薬やコンクリートの吹付等）には、連続的に測定した結果から算出した切羽面の変位量や変位速度に基づいて、切羽崩落の予兆を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１９－２１９３３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記のとおり特許文献１では、切羽面全体を一つの測定面とし、振動可視化レーダーを用いてこの切羽面をモニタリングする。そして、モニタリングによる測定結果からこの測定面の変位をリアルタイムで抽出し、切羽崩落の予兆を検出している。しかし、発破削孔からコンクリートの吹付に至るまでの切羽掘削に係る施工期間を通して、切羽全体の変位を連続的にモニタリングすることは、その作業が煩雑となる。

【0007】

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、大掛かりな装備を用いることなく、迅速かつ高い精度でトンネルの切羽に存在する浮石の有無を判定することの可能な、浮石判定方法及び浮石判定支援システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

かかる目的を達成するため本発明の浮石判定方法は、浮石の有無を観測する観測地点が設定されたトンネルの切羽を加振する一方で、前記観測地点で振動を検知し、振動情報を実振動情報として取得する情報取得工程と、該情報取得工程で取得した前記実振動情報と、あらかじめ設定した基準振動情報とに基づいて、前記観測地点における浮石の有無を判定する浮石判定工程と、を備え、前記基準振動情報は、切羽の健全部から取得した振動情報に基づいて設定され、前記浮石判定工程は、前記実振動情報と前記基準振動情報との間で、振動開始後収束するまでの時間、卓越周波数、及び振幅の３つの評価指標のうち少なくともいずれか１つが乖離している場合に、浮石有りと判定することを特徴とする。

【0009】

また、本発明の浮石判定方法は、前記情報取得工程で、浮石を叩き落すコソク作業により前記切羽を打撃して加振することを特徴とする。

【0010】

さらに、本発明の浮石判定方法は、浮石判定工程で判定した浮石の有無に係る情報を、切羽の画像データに重ねて出力装置に出力することを特徴とする。

【0011】

また、本発明の浮石判定方法は、浮石判定工程で判定した浮石の有無に係る情報を、切羽に直接出力することを特徴とする。

【0012】

本発明の浮石判定方法によれば、切羽の健全部に基づく振動情報を基準振動情報とし、この基準振動情報と観測地点で取得した実振動情報との間で、３つの評価指標を比較したうえで、浮石の有無を判定する。これにより、切羽の常時観測を行わなくとも必要時に切羽の実振動情報を取得することにより、浮石の有無を迅速かつ高い精度で判定することが可能となる。

【0013】

また、コソク作業と浮石の判定作業を並行して実施することで、浮石有りとの判定結果を得た観測地点に対して、追加のコソク作業を行えばよく、従来実施していたような、見落とし防止を目的に切羽全体を油圧ブレーカーで打撃するといった作業を防止できる。これにより、コソク作業に係る施工時間を大幅に短縮することが可能となる。

【0014】

さらに、浮石の有無に係る情報を、切羽の画像データに重ねてディスプレイ等の出力装置に出力する、またはプロジェクションマッピング手法を採用するなどして切羽に直接シンクロさせる。もしくは、切羽で浮石有りと判定された地点を、レーザーポインターを用いて照射することもできる。これにより、現場作業員が切羽における浮石の位置をより正確に認識できるため、コソク作業の作業性を向上できるとともに、作業精度を向上することが可能となる。

【0015】

本発明の浮石判定支援システムは、本発明の浮石判定方法に用いる浮石判定システムにおいて、加振によりトンネルの切羽に生じる振動を検知し、振動情報を実振動情報として取得する振動計測装置と、前記実振動情報から取得した、振動開始後収束するまでの時間、卓越周波数、及び振幅の３つの評価指標に基づいて、浮石判定を支援する判定支援装置と、を備え、該判定支援装置は、健全な切羽から取得した振動情報に基づき、基準振動情報を設定する基準情報設定手段と、前記３つの評価指標について、前記実振動情報と前記基準振動情報との比較情報を取得する情報比較手段と、前記比較情報に基づいて判定した浮石の有無に係る情報を画像表示する画像表示手段と、を備えることを特徴とする。

【0016】

また、本発明の浮石判定支援システムは、前記判定支援装置が、前記比較情報に基づいて、前記３つの評価指標について前記実振動情報と前記基準振動情報との間で乖離の有無を検出し、少なくとも１つが乖離している場合に、浮石有りと判定する浮石判定手段を備えることを特徴とする。

【0017】

本発明の浮石判定支援システムによれば、判定支援装置により、切羽の健全部に基づく基準振動情報と観測地点で取得した実振動情報との間で、収束時間、卓越周波数及び振幅の３つを評価指標に係る比較情報を出力する。これにより、現場作業員は、この比較情報を支援情報として利用し浮石の有無の判定を実施できるため、現場作業員の熟練度に影響を受けることなく、高い精度で浮石判定を実施することができる。

【0018】

また、判定支援装置が画像表示手段を備えることから、浮石判定の結果を、現場作業員が携帯する携帯端末やコソク作業に用いる機器に搭載されたディスプレイ等に視覚情報として提供することができる。これにより、コソク作業時に起こりやすい浮石の見落としを抑制でき、肌落ち等の重篤な災害の発生を抑制することが可能となる。

【0019】

さらに、判定支援装置に浮石判定手段を備えることにより、収束時間、卓越周波数及び振幅の３つを評価指標に係る比較情報に基づいて、浮石の有無を自動判定することも可能となる。これにより、より高い精度でかつ迅速に切羽の浮石判定を実施することが可能となる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、切羽の常時観測を行わなくとも必要時に切羽の実振動情報を取得することで、大掛かりな装備を用いることなく、迅速かつ高い精度でトンネルの切羽に存在する浮石の有無を判定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施の形態におけるコソク作業と並行して浮石判定作業を実施する様子を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態における浮石判定支援システムの詳細を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態におけるコソク作業と並行して浮石判定作業を実施する際の手順を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態におけるディスプレイに出力した浮石判定作業の様子を示す図である（その１）。

【図5】本発明の実施の形態におけるディスプレイに出力した浮石判定作業の様子を示す図である（その２）。

【図6】本発明の実施の形態におけるディスプレイに出力した浮石判定画面を示す図である。

【図7】本発明の実施の形態におけるディスプレイに出力した浮石判定作業の様子を示す図である（その３）。

【図8】本発明の実施の形態における浮石検知の実験結果を示す図である（浮石なしの場合）。

【図9】本発明の実施の形態における浮石検知の実験結果を示す図である（浮石ありの場合）。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明は、トンネルの切羽に振動を生じた際、切羽の健全部（浮石のない切羽面）と浮石とで振動特性が異なることを利用して、切羽における浮石の有無に係る判定を支援するものである。本実施の形態では、コソク作業を実施しつつ、浮石を判定する場合を事例に挙げ、浮石判定方法及び浮石判定支援システムを、以下に図１～図９を参照しつつ、その詳細を説明する。

【0023】

なお、コソク作業は、地山を発破や機械掘削により掘り進めたのち、地山が露出した状態の切羽に存在する浮石（地山から剥離した岩石）を叩き落す作業をいう。

【0024】

≪浮石判定支援システム≫
図１で示すように、掘削作業が終了したのちの切羽Ｆでは、油圧ブレーカーＢで打撃することによりコソク作業を行いつつ、打撃により生じた振動を利用して浮石判定支援システム１００を用いた切羽Ｆの浮石判定を実施している。

【0025】

浮石判定支援システム１００は、図１及び図２で示すように、切羽Ｆに設定された評価対象エリアＥ１内の振動情報を取得する振動計測装置１０と、振動計測装置１０を防護する防振台２０と、振動情報に基づいて浮石判定を支援する判定支援装置３０とを備えている。

【0026】

振動計測装置１０は、図２で示すように、レーザー振動計１１と、レーザー振動計１１を制御する振動計コントローラー１２と、スキャナー１３と、スキャナー１３を制御するスキャナーコントローラー１４とを備える。また、本実施の形態では、レーザー振動計１１で取得した振動波形を表示可能なオシロスコープ１５を設けているが、オシロスコープ１５は必ずしも設けなくてもよい。

【0027】

レーザー振動計１１は、計測対象物である切羽Ｆに計測用レーザーＬを照射するとともに、切羽Ｆで反射したレーザー光の周波数の変化を検知し、計測対象物の振動の速度と変位等の振動情報を取得する、いわゆるレーザードップラー振動計を採用している。その性能は、切羽Ｆの浮石判定を行うにあたり、振動計コントローラー１２を利用して、１０～２０μｍ程度の変位、及び２ＫＨｚ以下程度の振動速度を測定できるものが好適である。

【0028】

スキャナー１３は、計測用レーザーＬを所望の地点にピンポイントで照射することを目的に使用するものであるが、いわゆるガルバノスキャナを採用している。ガルバノスキャナは、レーザー光反射鏡１３１を備えており、このレーザー光反射鏡１３１は、スキャナーコントローラー１４により所望の角度に回転させるよう制御することができる。これにより、スキャナー１３を介してレーザー振動計１１の計測用レーザーＬを、切羽Ｆ上に設定した評価対象エリアＥ１内で精度よく走査させることができる。

【0029】

防振台２０は、図１で示すように、トンネル内に配置される除振台２１と、少なくともレーザー振動計１１及びスキャナー１３を収納される防音函体２２とを備える。これにより、レーザー振動計１１及びスキャナー１３は、油圧ブレーカーＢが稼働中に地山から伝わる振動や音振動の影響を抑制され、切羽Ｆの振動情報を高い精度で取得することができる。

【0030】

なお、防振台２０の据え付け位置と切羽Ｆとの距離Ｄは、図２で示すように、切羽Ｆ近傍に作業エリアを確保することを目的に、２０～３０ｍ程度確保している。しかし、その距離Ｄは、施工現場の作業状況やレーザー振動計１１の測定可能距離等に応じて適宜調整すると良い。

【0031】

判定支援装置３０は、振動計測装置１０との間でデータの送受信が可能となるよう、無線もしくは有線で接続されるとともに、図１で示すように、入力装置３１、出力装置３２、中央演算処理装置３３、ファイル装置３４、及びメインメモリ３５を備えている。

【0032】

入力装置３１は、例えばキーボード、スキャナー、タッチパネル等であり、出力装置３２は、ディスプレイやプリンター等が挙げられる。また、中央演算処理装置３３は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びハードウェアインタフェース等を有するコンピュータである。

【0033】

ファイル装置３４は、半導体メモリ又はハードディスクドライブ等からなる記憶装置である。詳細は後述するが、例えば、観測地点ファイル３４１、評価対象エリアファイル３４２、基準情報ファイル３４３、振動情報ファイル３４４、評価指標ファイル３４５、比較情報ファイル３４６、浮石判定結果ファイル３４７等が格納されている。

【0034】

なお、ファイル装置３４には上記のファイルに加えて、切羽Ｆの位置情報や地山の地質情報、もしくは切羽面の画像データ等、トンネル施工に必要な情報を記録したファイルを適宜格納しておくとよい。

【0035】

メインメモリ３５は、中央演算処理装置３３によって実行可能なプログラムやデータを一時的に格納するものである。詳細は後述するが、例えば評価エリア設定手段３５１、基準情報設定手段３５２、評価指標抽出手段３５３と、情報比較手段３５４、浮石判定手段３５５、画像表示手段３５６を備えている。

【0036】

上記の判定支援装置３０は、レーザー振動計１１が取得した振動情報が、振動計コントローラー１２を介して入力され、この振動情報に基づいて、現場作業員による浮石判定を支援する支援情報を出力する。また、この支援情報に基づいて現場作業員が判定した浮石の有無に係る情報や、判定新装置３０が自動判定した浮石の有無に係る情報を、出力装置３２に出力することが可能となっている。

【0037】

なお、浮石の有無に係る情報の出力は、上述した判定支援装置３０の出力装置３２だけでなく、現場作業員が携帯しているノートパソコンやタブレット端末等のディスプレイ、油圧ブレーカーＢに備えたディスプレイ等に、切羽の画像データと重ね合わせて画像出力してもよい。

【0038】

さらには、浮石の有無に係る情報を切羽Ｆに直接シンクロさせるプロジェクションマッピング手法を採用してもよいし、スマートグラス等のウェアラブル端末に出力してもよい。こうすると、現場作業員が切羽Ｆにおける浮石の位置をより正確に認識できるため、コソク作業の作業性を向上できるとともに、作業精度を向上することが可能となる。

【0039】

≪≪浮石判定方法≫≫
上記の浮石判定支援システム１００を用いた浮石判定方法について、コソク作業を行いつつ実施する場合を事例に挙げ、その手順を図３のフローに従って浮石判定支援システム１００の詳細とともに説明する。

【0040】

≪前処理：ｓｔｅｐ１～２≫
切羽Ｆの浮石判定を実施するにあたり、まず、図４（ａ）で示すように、切羽Ｆ全面を区割りするとともに、区割りにより形成されたボックスの中心に計測用レーザーＬを照射する観測地点Ｐを設定する。これら観測地点Ｐの位置情報は観測地点ファイル３４１に記録し、ファイル装置３４に格納しておく。また、観測地点Ｐの間隔は、地盤状況や検出した浮石のサイズに応じて適宜設定すればよく、本実施の形態では２０ｃｍに間隔を設定している。

【0041】

このような観測地点Ｐの設定と並行して、油圧ブレーカーＢによるコソク作業を実施する前に、現場作業員が切羽Ｆ全体を目視確認し、大まかな浮石の位置を確認しておく。

【0042】

≪浮石判定：ｓｔｅｐ３～８≫
＜評価対象エリア設定工程：ｓｔｅｐ３＞
図４（ｂ）で示すように、目視によって確認した浮石のコソク作業を実施するべく、油圧ブレーカーＢの打撃位置Ｔを決定する。この打撃位置Ｔに関する位置情報が判定支援装置３０入力されると、中央演算処理装置３３がメインメモリ３５に格納されている評価エリア設定手段３５１の指令を受け、打撃位置Ｔ近傍の未評価エリアを任意に抽出し、図４（ｃ）で示すように、浮石判定を行う評価対象エリアＥ１を設定する。

【0043】

評価対象エリアＥ１は、上記のように判定支援装置３０により自動設定してもよいし、現場作業員が適宜選択してもよい。具体的には、判定支援装置３０の出力装置３２に、図４（ａ）で示すような、切羽Ｆの画像データと観測地点ファイル３４１に記録した観測地点Ｐの位置情報とを紐づけて、画像出力しておく。こうすると現場作業員は、この出力画像を参照しつつ評価対象エリアＥ１を設定でき、その位置情報を入力装置３１を介して入力することができる。

【0044】

上記のいずれかの手段で設定された評価対象エリアＥ１に関するに位置情報は、評価対象エリアファイル３４２に記録し、ファイル装置３４に格納する。さらに、これら評価対象エリアＥ１と計測用レーザーＬを照射する観測地点Ｐに関する情報は、出力装置３２に画像出力してもよい。

【0045】

評価対象エリアＥ１の設定範囲について、図４（ｃ）では区割りしたボックスを縦方向及び横方向に４つずつ含み、観測地点Ｐが合計１６点となるよう設定しているが、その数量はこれに限定されるものではない。計測用レーザーＬが、切羽Ｆ近傍の作業エリアで作業する建設機械等に遮断されることなく、振動情報を取得できる範囲であれば、いずれに設定してもよい。

【0046】

また、評価対象エリアＥ１の設定形状は、必ずしも矩形状でなくてもよく、例えば、打撃位置Ｔを中心とした円弧状に計測用レーザーＬを設定してもよい。こうすると、複数の観測地点Ｐにおいて打撃位置Ｔとの距離を一定にできるため、観測地点Ｐ各々の振動情報から得られる３つの評価指標（収束時間、卓越周波数、振幅）のうち振幅について、より精度の高いデータを取得することができる。なお、３つの評価指標の詳細については、後述の浮石判定工程（ｓｔｅｐ６～８）に譲る。

【0047】

さらに、評価対象エリアＥ１は、油圧ブレーカーＢの打撃位置Ｔに対して１か所に限定されるものではなく、打撃位置Ｔを挟んだ左右や上下等、複数個所に設定してもよい。

【0048】

＜情報取得工程：ｓｔｅｐ４＞
評価対象エリアＥ１が設定されたところで、目視で確認した浮石のコソク作業を開始するとともに、振動計測装置１０により、評価対象エリアＥ１に含まれる１６個の観測地点Ｐ各々で振動情報を実振動情報Ｒとして取得する。

【0049】

振動計測装置１０による実振動情報Ｒの取得は、まず、振動計コントローラー１２に制御されたレーザー振動計１１が、計測用レーザーＬをスキャナー１３のレーザー光反射鏡１３１に照射する。スキャナー１３は、レーザー光反射鏡１３１をスキャナーコントローラー１４で制御しつつ回動させることにより、図５（ａ）で示すように、計測用レーザーＬの照射位置を評価対象エリアＥ１内で移動させる。

【0050】

観測地点Ｐに計測用レーザーＬが照射されると、レーザー振動計１１が、観測地点Ｐに反射したレーザー光の周波数の変化を検知し、観測地点Ｐの振動の速度や変位等の振動情報を実振動情報Ｒとして取得し、振動計コントローラー１２に格納する。なお、油圧ブレーカーＢは１秒間に５回程度切羽Ｆを打撃し、レーザー振動計１１は、１回の打撃ごとに１か所の観測地点Ｐから実振動情報Ｒを取得する。

【0051】

このように実振動情報Ｒを取得するにあたっては、振動計測装置１０のスキャナーコントローラー１４に、判定支援装置３０のファイル装置３４に格納された、観測地点ファイル３４１及び評価対象エリアファイル３４２から、観測地点Ｐ及び評価態様エリアＥ１に関する位置情報を取得させるとよい。

【0052】

こうすると、スキャナーコントローラー１４は、これらの情報を参照しつつ、図５（ａ）で示すような、１６個の観測地点Ｐの照射順序を設定し、この照射順序で計測用レーザーＬを照射するよう、レーザー光反射鏡１３１の回転速度及び回転角度を制御する。なお、観測地点Ｐ及び評価態様エリアＥ１に関する位置情報は、判定支援装置３０を用いることなくスキャナーコントローラー１４に直接入力してもよい。

【0053】

振動計測装置１０より取得された実振動情報Ｒは、振動計コントローラー１２から入力装置３１を介して判定支援装置３０に入力される。すると、中央演算処理装置３３がメインメモリ３５に格納されている評価指標抽出手段３５３の指令を受け、これらを振動情報ファイル３４４に記録し、ファイル装置３４に格納する。なお、実振動情報Ｒは、観測位置Ｐの位置情報と紐づけておく。

【0054】

また、中央演算処理装置３３は評価指標抽出手段３５３の指令を受け、実振動情報Ｒから３つの評価指標に係る情報のデータ整理を行い、評価指標ファイル３４５に記録し、ファイル装置３４に格納する。

【0055】

評価指標ファイル３４５が格納されると、図６で示すように、中央演算処理装置３３がメインメモリ３５に格納されている情報比較手段３５４の指令を受け、３つの評価指標に係る情報を出力装置３２に出力する。同じく、基準情報ファイル３４３に記録された基準振動情報Ｓ（詳細は後述する）のデータから、３つの評価指標に係る情報を出力装置３２に出力する。これら実振動情報Ｒと基準振動情報Ｓの比較情報は、出力装置３２に出力するだけでなく、比較情報ファイル３４６に記録し、ファイル装置３４に格納しておく。

【0056】

＜基準振動情報Ｓの設定：ｓｔｅｐ５＞
実振動情報Ｒと比較する基準振動情報Ｓは、切羽Ｆの健全部を代表する振動情報であり、浮石判定を行う前に事前に設定しておく。その設定方法はいずれの手段によるものであってもよいが、例えば、過去のトンネル施工における切羽Ｆの健全部に係る情報から振動波形を取得し、基準情報ファイル３４３に入力しておく。

【0057】

もしくは、浮石判定の対象となっている切羽Ｆについて、基準振動情報Ｓを設定するための試験測定をあらかじめ実施し、基準振動情報Ｓを設定してもよい。この場合の設定方法は、以下のとおりである。

【0058】

まず、現場作業員の目視により健全部と浮石とを含むことを確認した領域を、試験エリアに設定する。なお、少なくとも健全部を含むことが確認されていれば、その領域を試験エリアに設定してもよい。次に、上記＜情報取得工程：ｓｔｅｐ４＞の手順で、振動計測装置１０を用いて試験エリア内の健全部の振動情報と浮石の振動情報とを、それぞれ複数を取得する。これら試験エリアの振動情報が、入力装置３１を介して判定支援装置３０に入力されると、中央演算処理装置３３がメインメモリ３５に格納されている基準情報設定手段３５２の指令を受ける。

【0059】

基準情報設定手段３５２の指令を受けた中央演算処理装置３３は、健全部の振動情報と浮石の振動情報に基づいて、適宜の統計手法により切羽Ｆの健全部に係る情報として最適な基準振動情報Ｓを設定し、これを基準情報ファイル３４３に記録し、ファイル装置３４に格納する。

【0060】

＜浮石判定工程：ｓｔｅｐ６＞
上記のとおり事前に設定した基準振動情報Ｓと、観測地点Ｐにおける実振動情報Ｒと間で３つの評価指標（収束時間、卓越周波数、振幅）を比較し、実振動情報Ｒと基準振動情報Ｓとの間で少なくとも１つの評価指標に乖離があった場合に、実振動情報Ｒを取得した観測地点Ｐは、浮石であると判定する。

【0061】

≪≪浮石の検知実験≫≫
これら浮石判定に用いる３つの評価指標は、発明者らが鋭意検討の結果に得た、加振された浮石が、その形状や周囲との接触の状態によって決まる固有のモードで振動する、という知見に基づき、選定された指標である。なお、収束時間、卓越周波数及び振幅の３つの評価指標のうち、収束時間とは、振動開始後収束するまでの時間をいう。

【0062】

図８及び図９に、浮石を検知する実証試験を行った結果を示す。試験は、浮石が存在する地山表面を油圧ブレーカーＢで打撃することにより加振し、振動計測装置１０を用いて地山の健全部と浮石の振動情報をそれぞれ取得した。なお、地山の健全部と浮石は、打音検査を行うことにより事前にその位置を確認した。

【0063】

図８（ａ）（ｂ）に地山の健全部（浮石のない状態）から取得した振動情報を、図９（ａ）（ｂ）に浮石から取得した振動情報を示す。図８及び図９はともに、上段が、時間と振幅の関数としてプロットしたグラフであり、下段が、信号の連続ウェーブレット変換の絶対値であり、時間と周波数の関数としてプロットしたスカログラムである。

【0064】

図８及び図９を比較すると、健全部と比較して浮石は、卓越周波数が低い、振幅が大きい、さらには収束時間が長いといった特徴を有してことがわかる。つまり、切羽Ｆの健全部を代表する基準振動情報Ｓを事前に設定し、この基準振動情報Ｓと実振動情報Ｒとを３つの評価指標で比較することにより、実振動情報Ｒを取得した観測地点Ｐについて、浮石の有無を検知できるといえる。

【0065】

このため、判定支援装置３０では、３つの評価指標について、観測地点Ｐで取得した実振動情報Ｒと切羽Ｆの健全部を代表する基準振動情報Ｓとの比較情報を取得することとし、浮石判定を支援することとした。この比較情報を用いた浮石の有無に係る判定は、現場作業員が行ってもよいし、判定支援装置３０が行ってもよい。

【0066】

＜作業員による浮石の判定；ｓｔｅｐ６－１＞
浮石の判定を現場作業員が行う場合には、図６で示すように、出力装置３２に比較情報を出力する。

【0067】

３つの評価指標に係る情報は、前述した試験結果と同様に、基準振動情報Ｓと実振動情報Ｒの各々について、時間と振幅の関数としてプロットしたグラフと、時間と周波数の関数としてプロットしたスカログラムを表示している。しかし、その出力方法は、実振動情報Ｒと基準振動情報Ｓとの間で視覚的に比較が可能な状態であれば、いずれの手段で出力してもよい。

【0068】

これにより現場作業員は、３つの評価指標について実振動情報Ｒを基準振動情報Ｓと相対比較し、乖離の有無を確認する。３つの評価指標のうちの少なくとも１つが乖離している場合に、観測地点Ｐが浮石であるもしくは観測地点Ｐに浮石有りと判定できる。このとき、例えば、入力装置３１及び出力装置３２を兼ね備えたタッチパネルに、比較情報と併せて判定結果の入力画面を表示しておく。

【0069】

すると、現場作業員は、比較情報を確認しつつ、浮石の有無に係る判定結果をタッチパネルを介して判定支援装置３０に入力できる。判定支援装置３０に入力に入力された浮石の有無に係る情報は、浮石判定結果ファイル３４７に記録させ、ファイル装置３４に格納する。

【0070】

＜判定支援装置による自動判定：ｓｔｅｐ６－２＞
判定支援装置３０が、観測地点Ｐについて浮石の有無を自動判定する場合には、基準振動情報Ｓを設定する際に、これと併せて３つの評価指標各々について、健全部と判定可能な許容域を設定しておくとよい。

【0071】

すると、中央演算処理装置３３がメインメモリ３５に格納されている浮石判定手段３５５の指令を受け、比較情報ファイル３４６に記録されている基準振動情報Ｓと実振動情報Ｒとの比較情報を参照し、実振動情報Ｒが、３つの評価指標それぞれについて基準振動情報Ｓの許容域に収まれば乖離なしと判断し、観測地点Ｐは健全部であると判定する。

【0072】

一方、３つの評価指標のうち少なくとも１つが許容域に収まらなければ乖離ありと判断し、観測地点Ｐは浮石であるもしくは観測地点Ｐに浮石有りと判定する。そして、この判定結果を、観測地点Ｐの位置情報と紐づけて浮石判定結果ファイル３４７に記録し、ファイル装置３４に格納する。

【0073】

≪画像表示≫
浮石判定結果ファイル３４７に浮石の判定結果が記録されると、中央演算処理装置３３がメインメモリ３５に格納されている画像表示手段３５６の指令を受け、判定結果を出力装置３２に出力する。出力方法はいずれでもよいが、ディスプレイに画像情報として表示する事例を、図５（ｂ）に示す。

【0074】

図５（ｂ）では、計測用レーザーＬを照射する観測地点Ｐを設定する際に切羽Ｆ全面を区割りした際のボックスを色付けすることで、浮石の判定結果を視認可能な画像として表示している。これら浮石の判定結果は、切羽Ｆの画像データ上に重ね合わせて、出力装置３２に出力するだけでなく、現場作業員が携帯するタブレット端末や、油圧ブレーカーＢに搭載されているディスプレイ上に表示すると良い。こうすると、切羽上で浮石判定を実施したエリアを確認でき、判定作業の見落としを抑制できるとともに作業性を大幅に向上することが可能となる。

【0075】

＜追加工程：ｓｔｅｐ７～８＞
上記のコソク作業を行いつつ浮石判定を行う作業を、図５（ｃ）（ｄ）で示すように、事前に目視で確認した浮石の位置ごと（ｓｔｅｐ２）に繰り返し実施する。こうして、切羽Ｆ全面に設定した観測地点Ｐのすべてに対して浮石判定を実施したか否かを確認する。

【0076】

≪未評価エリアの浮石判定工程：ｓｔｅｐ９～１１≫
切羽Ｆに設定した複数の観測地点Ｐのうち、浮石判定が実施されていない観測地点Ｐが存在する場合には、図７（ａ）で示すように、未評価の観測地点Ｐを含む未評価エリアＥ２を設定し、その位置情報を入力装置３１を介して判定支援装置３０に入力する。すると、中央演算処理装置３３がメインメモリ３５に格納されている評価エリア設定手段３５１の指令を受けを、この情報を評価対象エリアファイル３４２に記録し、ファイル装置３４に格納する。

【0077】

次に、図７（ｂ）で示すように、この未評価エリアＥ２の近傍に、切羽Ｆを振動させるための加振点Ｔ２を設定する。こののち、加振点Ｔ２を油圧ブレーカーＢで打撃しつつ、上記の浮石判定工程（ｓｔｅｐ６～８）の要領で、未評価エリアＥ２内の観測地点Ｐ各々に対して、浮石の有無に係る判定を行う。

【0078】

判定結果である浮石の有無に係る情報は、浮石判定結果ファイル３４７に記録され、ファイル装置３４に格納される。また、中央演算処理装置３３がメインメモリ３５に格納されている画像表示手段３５６の指令を受け、図７（ｃ）で示すように、判定結果を出力装置３２に出力する。併せて、現場作業員が携帯するタブレット端末や、油圧ブレーカーＢに搭載されているディスプレイ上に表示してもよい。

【0079】

≪後処理工程：ｓｔｅｐ１２～１３≫
切羽Ｆ全体に設定したすべての観測地点Ｐ各々で、浮石の有無に係る判定を実施したのち、浮石ありと判定された観測地点Ｐについて、油圧ブレーカーＢを用いてコソク作業を行う。上記の手順により、浮石と判定されたすべての観測地点Ｐについてコソク作業が終了する。

【0080】

上記のとおり浮石判定方法は、切羽Ｆの健全部に基づく振動情報を基準振動情報Ｓとし、この基準振動情報Ｓと観測地点Ｐで取得した実振動情報Ｒとの間で、３つの評価指標（収束時間、卓越周波数及び振幅）を比較したうえで、浮石の有無を判定する。これにより、切羽Ｆの常時観測を行わなくとも必要時に切羽Ｆの実振動情報を取得することにより、浮石の有無を迅速かつ高い精度で判定することが可能となる。

【0081】

また、浮石有りとの判定結果を得た観測地点Ｐに対してのみ、追加のコソク作業を行えばよく、従来実施していたような、見落とし防止を目的に切羽Ｆ全体を油圧ブレーカーＢで打撃するといった作業を防止できる。これにより、コソク作業に係る施工時間を大幅に短縮することが可能となる。

【0082】

浮石判定支援システム１００は、判定支援装置３０により、切羽Ｆの健全部に基づく基準振動情報Ｓと観測地点Ｐで取得した実振動情報Ｒとの間で、収束時間、卓越周波数及び振幅の３つを評価指標に係る比較情報を出力する。これにより、現場作業員は、この比較情報を支援情報として利用し浮石の有無の判定を実施できるため、現場作業員の熟練度に影響を受けることなく、高い精度で浮石判定を実施することができる。

【0083】

また、判定支援装置３０が画像表示手段３５６を備えることから、浮石判定の結果を、現場作業員が携帯する携帯端末やコソク作業に用いる機器に搭載されたディスプレイ等に視覚情報として提供することができる。これにより、コソク作業時に起こりやすい浮石の見落としを抑制でき、肌落ち等の重篤な災害の発生を抑制することが可能となる。

【0084】

さらに、判定支援装置３０に浮石判定手段３５５を備えることにより、収束時間、卓越周波数及び振幅の３つを評価指標に係る比較情報に基づいて、浮石の有無を自動判定することも可能となる。これにより、より高い精度でかつ迅速に切羽の浮石判定を実施することが可能となる。

【0085】

なお、本発明における浮石判定方法及び浮石判定支援システムは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0086】

例えば、本実施の形態では、浮石判定をコソク作業と並行させて行ったが、このようなトンネル施工の作業時に生じる切羽の振動を利用して行ってもよいし、浮石判定を目的として、他の手段で切羽Ｆを打撃することで切羽Ｆに振動を生じさせてもよい。

【0087】

この場合、切羽Ｆを加振する手段として油圧ブレーカーＢに限定するものではなく、例えば、衝撃波励起用レーザーを切羽Ｆに照射し、切羽Ｆに振動を生じさせてもよい。

【0088】

また、本実施の形態では、振動計測装置１０にレーザー振動計１１とスキャナー１３を採用したが、切羽Ｆに設定した観測地点Ｐの振動情報を取得する手段であればいずれを採用してもよい。例えば、振動可視化レーダーを用いると、切羽Ｆとの間に障害物が存在しなければ、切羽Ｆに設定した複数の観測地点Ｐの振動を一度に取得することができる。

【0089】

さらに、本実施の形態では、浮石の有無に係る情報を画像表示する場合を事例に挙げたが、現場作業員が浮石の位置を視認できればその手段はいずれでもよく、例えば、浮石有りと判定された観測地点Ｐを、切羽Ｆ上でレーザーポインターを用いて照射するなどしてもよい。

【0090】

また、本実施の形態では、切羽Ｆに対して評価対象エリアＥ１を設定し、評価対象エリアＥ１に含まれる観測地点Ｐについて振動情報を取得したが、必ずしもこれに限定されるものではない。地盤状況や切羽Ｆの面積等に応じて評価対象エリアＥ１を設けず、切羽Ｆに設定したすべての観測地点Ｐに対して連続して振動情報を取得してもよい。

【符号の説明】

【0091】

１００ 浮石判定支援システム
１０ 振動計測装置
１１ レーザー振動計
１２ 振動計コントローラー
１３ スキャナー
１３１ レーザー光反射鏡
１４ スキャナーコントローラー
１５ オシロスコープ
２０ 防振台
２１ 除震台
２２ 防音函体
３０ 判定支援装置
３１ 入力装置
３２ 出力装置
３３ 中央演算処理装置
３４ ファイル装置
３４１ 観測地点ファイル
３４２ 評価対象エリアファイル
３４３ 基準情報ファイル
３４４ 振動情報ファイル
３４５ 評価指標ファイル
３４６ 比較情報ファイル
３４７ 浮石判定結果ファイル
３５ メインメモリ
３５１ 評価エリア設定手段
３５２ 基準情報設定手段
３５３ 評価指標抽出手段
３５４ 情報比較手段
３５５ 浮石判定手段
３５６ 画像表示手段

Ｆ 切羽
Ｂ 油圧ブレーカー
Ｐ 観測地点
Ｔ１ 打撃位置
Ｔ２ 加振点
Ｅ１ 評価対象エリア
Ｅ２ 未評価エリアＥ２
Ｒ 実振動情報Ｒ
Ｌ 計測用レーザー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】