JP2005292043A - 空洞内壁面形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 地上面上に台座等を必要とせず、また、空洞内に凹部があっても正確に空洞内の立体形状を計測することのできる空洞内壁面形状計測装置を提供する
【解決手段】 メインコントローラ１、水平角回動装置２、ガイド管３、鉛直角回動装置４、レーザ距離計５、及び信号ケーブル６により構成され、ガイド管３先端に取り付けたレーザ距離計５を、空洞２２内に固定して水平各方向及び鉛直各方向に回動させつつ空洞２２の壁面８までの距離を計測する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地中に存在する空洞内の空間の一点から空洞内壁面までの距離を測定することにより空洞の形状や容積を計測する空洞内壁面形状計測装置に関する。

地下に処理されていない防空壕等の空洞がある場合、空洞の上部を形成する地質及び地下の空洞の位置や大きさから陥没の危険性を予測し、必要ならコンクリートなどで空洞を埋め戻すことにより陥没の危険を回避する必要がある。このためには、空洞の立体的形状を計測して、埋め戻す空間の内容量をあらかじめ算出し、埋め戻しに使用するコンクリート量などを決定しなければならない。

この場合、空洞の立体的形状を計測し、その内容積を算出することができる空洞計測装置として特開平１１−３０５１８号公報に記載のものが公知である。この公報に記載された空洞計測装置について簡単に説明する。

図７は特開平１１−３０５１８号公報に記載された空洞計測装置のブロック図である。

図７において、地面から地下に存在する空洞１０Ｂに向けてボーリング孔１０が削孔され、ボーリング孔１０の底１０Ｃは空洞１０Ｂより深く削抗されている。ボーリング孔１０の周囲の地面に台座８９が設置され、台座８９にはボーリング孔１０の上部位置にガイドローラ８８と、モータ８７により回転する駆動ローラ８６とを有している。

筒状のロッド８１は、ガイドローラ８８に上下自在に支持され、駆動ローラ８６により任意の深さに自動的に移動する。ロッド８１の先端には、ガラスやアクリルなどの透明カバー８４が設けられており、透明カバー８４の内部にレーザー送受光部８３が設けられ、レーザー送受光部８３から透明カバー８４を通過して空洞１０Ｂの壁面１０Ａへレーザー光を送出しその反射光を受光しレーザー光送出から受光までのレーザ光往復時間８５を計測することで、レーザー送受光部８３から空洞１０Ｂの壁面１０Ａまでの距離を測定する。また、レーザー送受光部８３の上部には、任意の回動角度方向にレーザー送受光部８３を回動させる回動部８２が設けられている。

また、処理部９１は、レーザ送受光部８３からの信号を変換する信号変換部９５、信号変換部９５からのデータに基づいて壁面１０Ａまでの距離を算出する演算処理部９６、演算処理部９６により算出された空洞１０Ｂの立体形状や内容積を画面出力あるいは印刷出力するデータ出力部９７、及びレーザー送受光部８３を駆動するレーザー駆動部９４、ロッド８１の回動を制御する回動制御部９２、ロッド８１を上下させる駆動ローラ８６を制御するためのモータ制御部、並びにこれらを制御する制御部９８からなる。

次に、本公報に記載された空洞計測装置の動作を説明すると以下のようになる。

まず、モータ駆動部９３を制御して、筒状のロッド８１をあらかじめ設定されている計測最下位置まで降下させて停止させる。次に回動制御部９２を制御して、回動部８２によりレーザー送受光部８３を回動させ、レーザー光の送受光方向を所定の基準角度θ０へ向け、レーザ駆動部９４を制御することによりレーザー光の送受光を行いレーザー送受光部８３から壁面１０Ａまでの距離Ｌを算出する。続いて、レーザー送受光部８３を所定の角だけ回動させそして同様に壁面１０Ａまでの距離Ｌを算出する。そして、この距離をロッド８１の深さｈ及び角度θにおける壁面１０Ａまでの距離Ｌとして記憶する。

レーザー光の送受光方向を所定の角だけ回動させ、そのたびに上記の動作を繰り返し、レーザー光の送受光方向を一回転させたなら、ロッド８１を所定の長さだけ引き上げ、同様にその位置レーザー光の送受光方向１ステップずつ回転させ距離を測定記憶させる。一回転したらロッド８１を所定の長さだけ引き上げ同様の動作を繰り返す。ロッド８１が最上位置まで来たら計測は完了する。
特開平１１−３０５１８号公報

この装置で計測することにより、空洞内の立体形状をある程度正確に計測でき、その内容積をある程度高精度に算出することが可能となるが、計測の過程でレーザー送受光部８３を設置したロッド８１を上下させなければならず、ロッド８１を支えるため地表面に台座８９を設けなければならない。

例えば、地表面下５メートルの位置から深さ１０メートルに亘る空洞があったとすると、ロッド８９は１０メートル上下させる必要があることになる。従って、この空洞の形状を計測するためには、地表面上に最大１０メートル程度ロッド８１が突出しても支えることのできる台座８９を設けなければならない。

また、レーザー光の送受光方向を水平角方向に回動させながら計測するので、図８に示すように、空洞の天井面あるいは床面に凹部７１があった場合うまく計測できない場合がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、地中に存在する空洞内の空間の一点から空洞内壁面までの距離を測定することにより、地上面上に突出したロッドを支えるための台座等を必要とせず、また、空洞内天井面や床面に凹部があっても正確に空洞内の立体形状を計測することのできる空洞内壁面形状計測装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる空洞内壁面形状計測装置は、地中に存在する空洞の形状や容積を計測する空洞内壁面形状計測装置であって、レーザ距離計を前記空洞内の固定中心に対して互いに垂直な平面上を回動させる駆動手段を有することを特徴とする。

このように、本発明にかかる空洞内壁面形状計測装置によれば、レーザ距離計を、空洞内の固定中心に対して互いに垂直な平面上を回動させるので、先端にレーザー距離計を設けたロッドを地表面上に突出させた状態で上下させる必要がなく、このロッドを支えるための台座も必要としない。また、空洞内の固定中心から任意の方向（任意の鉛直角方向及び垂直角方向）における空洞内壁面までの距離を測るので、空洞内天井面や床面に凹部があっても正確に空洞内の立体形状を計測することができる。

上記のように、本発明による空洞内壁面形状計測装置によれば、レーザ距離計を、空洞内の固定中心に対して互いに垂直な平面上を回動させるので、先端にレーザー距離計を設けたロッドを地表面上に突出させた状態で上下させる必要がなく、このロッドを支えるための台座も必要としない。また、空洞内の固定中心から任意の方向（任意の鉛直角方向及び垂直角方向）における空洞内壁面までの距離を測るので、空洞内天井面や床面に凹部があっても正確に空洞内の立体形状を計測することができる。

以下、本発明にかかる空洞内壁面形状計測装置の一実施の形態について、図１乃至図６を参照して詳細に説明する。

図１は地下の空洞に本実施の形態に係る空洞内壁面形状計測装置を適用した場合の模式図を示し、図２は本実施の形態に係る空洞内壁面形状計測装置の全体構成図を示す。

本実施の形態に係る空洞内壁面形状計測装置は、メインコントローラ１、水平角回動装置２、ガイド管３、鉛直角回動装置４、レーザ距離計５、及び信号ケーブル６により構成される。

メインコントローラ１は、信号ケーブル６を介して、水平角回動装置２、鉛直角回動装置４、及びレーザ距離計５と信号の授受を行う。すなわち、メインコントローラ１は、これらの装置及び計器に必要な電源を供給すると共に、水平角回動装置２と鉛直角回動装置４に回動指令信号を与え、これらの装置からその回動角度信号を受け取る。また、メインコントローラ１は、レーザ距離計５から空洞内壁面までの距離信号を、レーザ距離計５から受け取る。そして、受け取った信号を解析することで、空洞２２の壁面８の座標を計算し、空洞の大きさを算出する。

水平角回動装置２は、地表面２３から空洞２２まで穿孔されたボーリング孔３１の上端部に設けられ、ボーリング孔３１に挿入されたガイド管３を介して鉛直角回動装置４を水平方向に（水平面上を）回動させる機能を持つ。すなわち、水平角回動装置２には、ガイド管３を回動させるためのサーボモータ及び回動角検出装置が組み込まれており、サーボモータは、メインコントローラ１からの信号に応じてガイド管３を所定の角度回動させる。回動角検出装置は、ガイド管３の回動角度を検出し、その角度信号をメインコントローラ１に伝送する。

ガイド管３は、水平角回動装置２と鉛直角回動装置４とを機械的に接続し、地表面２３に設けられた水平角回動装置２からの動力を空洞２２内の鉛直角回動装置４に伝える。また、ガイド管３は、中空構造になっており、管の内側に設けられた信号線を介して、鉛直角回動装置４及び鉛直角回動装置４に組み込まれたレーザ距離計５からの信号をメインコントローラ１に伝送する。

鉛直角回動装置４は、レーザ距離計５を鉛直方向に（鉛直面上を）回動させる。すなわち、ガイド管３の先端に取り付けられた鉛直角回動装置４には、その側面に取り付けられたレーザ距離計５を回動させるためのサーボモータ及び回動角検出装置が組み込まれており、サーボモータは、メインコントローラ１からの信号に応じてレーザ距離計５を所定の角度回動させる。回動角検出装置は、レーザ距離計５の回動角度を検出し、その角度信号をメインコントローラ１に伝送する。

レーザ距離計５は、レーザ送光部と受光部とを持ちレーザ光の送受光の時間差に基づいてレーザ距離計５から壁面８までの距離を計測する。レーザ距離計５は鉛直角回動装置４の側面に取り付けられ、鉛直角回動装置４により鉛直方向（鉛直面上を）に所定の角度回動させられる。一方、鉛直角回動装置４は、ガイド管３を介して水平角回動装置２により水平方向に（水平面上を）所定の角度回動させられるので、空洞２２内において、ガイド管３の先端に取り付けられた鉛直角回動装置４の位置から任意の方向での空洞２２内の壁面８までの距離を計測することができる。

なおここで、レーザ距離計５の回動方向に関して、例えば、回動の中心軸と直交する平面が水平面をなす場合は「水平方向に回動する（回動させる）」または「水平面上を回動する（回動させる）」と定義し、回動の中心軸と直交する平面が鉛直面をなす場合は「鉛直方向に回動する（回動させる）」または「鉛直面上を回動する（回動させる）」と定義する。

つまり、レーザ距離計５の回動方向を回動の中心軸と直交する平面により定義するものである。従って、「互いに垂直な平面上を回動させる」とあれば、回動軸が２つあって、この２つの回動軸と直交する２つの平面が互いに垂直であることを意味する。

図２に示すように、水平角回動装置２にはガイド管３が軸着され、ガイド管３の先端にレーザ距離計５を装備した鉛直角回動装置４が装着される。ガイド管３の先端に装着されたレーザ距離計５及び鉛直角回動装置４は、地表面２３から空洞２２まで鉛直方向に穿孔されたボーリング孔３１の保孔用ＶＵ管２１に沿わせて、吊り下ろされ、空洞天端から約１ｍ下方に固定される。

水平角回動装置２は、ボーリング孔口ＶＵ管直上部に固定され、水平角回動装置２の空間座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）とレーザ距離計５の空間座標（Ｘｊ，Ｙｊ，Ｚｊ）が確定する。そして、レーザ距離計５の計測方向、計測結果から、空洞２２内の壁面８におけるレーザ照射位置７の座標（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｚｋ）を算定する。

ガイド管３は、水平角回動装置２により、ガイド管３の中心軸を中心として水平方向（φ方向）に回動する。ガイド管３の回動に伴いその先端に取り付けられた鉛直角回動装置４及びレーザ距離計５も水平方向（φ方向）に回動する。さらに、レーザ距離計５は、鉛直角回動装置４により、鉛直方向（θ方向）に回動する。

空洞２２内において、レーザ距離計５は、壁面８にレーザ光を照射し、レーザ距離計５から、このレーザ光線が壁面８に照射された位置（レーザ照射位置７）までの距離を測定する。

レーザ照射位置７までの距離計測は、まず、レーザ距離計５の計測方向の基準方向を定める。ここで、基準方向をφ＝０、θ＝０の方向とし、基準方向におけるレーザ照射位置７までの距離を計測する。

次に、メインコントローラ１は指令を発し、鉛直角回動装置４によりレーザ距離計５を鉛直方向にΔθだけ回動させ、その方向におけるレーザ照射位置７までの距離を計測させる。ここで、レーザ距離計５の鉛直回転角は、鉛直角回動装置４に装備された回動角検出装置によりメインコントローラ１にフィードバックされる。計測した距離と角度（鉛直角θ及び水平角φ）はメインコントローラ１に伝送され記憶される。

基準方向からレーザ距離計５を鉛直方向にΔθだけ回動させた方向におけるレーザ照射位置７までの距離の計測が完了したら、メインコントローラ１は、鉛直角回動装置４によりレーザ距離計５を、さらに、鉛直方向にΔθだけ回動させ、その方向におけるレーザ照射位置７までの距離を計測し、計測した距離と角度を記憶する。

このように、メインコントローラ１は、レーザ距離計５を鉛直方向に、Δθ刻みで回動させ、その方向におけるレーザ照射位置７までの距離を計測し、計測した距離と角度を記憶する。そして、θ＝３６０°になるまでΔθ刻みで計測を続ける。従って、例えばΔθ＝５°とすれば、メインコントローラ１は、７２方位での鉛直断面データを得ることとなる。

鉛直角θ＝０からθ＝３６０°までの計測が完了したら、メインコントローラ１は水平角回動装置２に指令を発し、ガイド管３を介してレーザ距離計５を水平方向にΔφだけ回動させる。そして、水平角度をその角度に固定した状態で、レーザ距離計５を鉛直方向に、Δθ刻みで回動させ、その各々の方向におけるレーザ照射位置７までの距離をθ＝３６０°になるまで計測する。このとき、レーザ距離計５の水平回転角は、水平角回動装置２に装備された回動角検出装置によりメインコントローラ１にフィードバックされる。計測した距離と角度（鉛直角及び水平角）はメインコントローラ１に伝送され記憶される。

鉛直角θ＝０からθ＝３６０°までの計測が完了したら、さらに、レーザ距離計５を水平方向にΔφだけ回動させ、同様に、水平角度をその角度に固定した状態でレーザ距離計５を鉛直方向にΔθ刻みで回動させ、その各々の方向におけるレーザ照射位置７までの距離をθ＝３６０°になるまで計測する。

このように、レーザ距離計５を水平方向にΔφ刻みで回動させ各角度において鉛直方向の各方向における計測動作を行い、φ＝１８０°になるまで繰り返す。従って、例えばΔφ＝５°とすれば、メインコントローラ１は、水平角で５°ずつ異なった鉛直断面データを３６面分得ることとなる。

次に、計測対象となる空洞について説明する。図３は、計測対象となる空洞の断面図である。

図３に示すように、計測対象となる空洞２２は、地表面２３下２〜１０ｍの位置にあって、幅５〜３０ｍ、深さ３〜１５ｍのものであり、Ｄ級軟岩あるいは土砂層を掘削して形成されている（図３（ａ））。

空洞の位置を特定するために、まず、資料の収集・分析・聞き込み調査を行い、大まかな見当を付けた上で、レーダー探査あるいは表面波探査で、空洞２２の表面分布範囲と概略の分布深さを明らかにする。

次いで、空洞分布が予想される中央部において、直径８６ｍｍのオールコアボーリングを行う（図３（ｂ））。ボーリング孔は孔壁の崩壊防止を図るため、ＶＵ管２１（φ９０ｍｍ）にて保孔する。なお、採取した試料は、コア観察、超音波伝播速度測定、一軸圧縮強度試験、単位体積重量測定などに用いる。

ここで、空洞の位置を特定するため、地表面上に座標の原点を定め、原点から水平面上を互いに直交するようにＸ座標軸、Ｙ座標軸を定め、鉛直方向にＺ座標軸を定める。

続いて、ガイド管３の先端に装着されたレーザ距離計５及び鉛直角回動装置４を、地表面２３から保孔用ＶＵ管２１に沿わせて降下させ、空洞天端から約１ｍ下方に固定し、空洞２２の形状及び大きさを計測する。

次に、空洞内におけるレーザ距離計５の計測動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。これらの動作はメインコントローラ１の指令により行われる。

メインコントローラ１は、まずＳＴ１で、レーザ距離計５の位置座標（Ｘｊ，Ｙｊ，Ｚｊ）を確定し記憶する。レーザ距離計５の位置座標（Ｘｊ，Ｙｊ，Ｚｊ）は、水平角回動装置２の座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）とガイド管３の長さから算定することができ、水平角回動装置２の座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）は地表面上に定めた座標の原点からの方向及び距離から定めることができる。

次いでＳＴ２で、レーザ距離計５の水平回動角（φ）及び鉛直回動角（θ）を記憶する。これらの角度は水平角回動装置２および鉛直角回動装置４に組み込まれた回動角検出装置から伝送されたものである。なお、計測開始時点におけるこれらの角度の初期値はφ＝０、θ＝０となる。

続いてＳＴ３で、その方向におけるレーザ照射位置７までの距離を計測し、ＳＴ４で、レーザ照射位置７の座標（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｚｋ）を算定し記憶する。レーザ照射位置７の座標（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｚｋ）は、その時の水平回動角及び鉛直回動角を各々φ、θ、レーザ照射位置７までの距離をＲとすれば（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｚｋ）＝（Ｘｊ＋Ｒ・ｓｉｎθ・ｃｏｓφ，Ｙｊ＋Ｒ・ｓｉｎθ・ｓｉｎφ，Ｚｊ＋Ｒ・ｃｏｓθ）となる。

次いでＳＴ５でレーザ距離計５を鉛直角でΔθだけ回動させ、ＳＴ６で鉛直角が３６０°回動したかどうかを判定し、３６０°に至っていない場合は、ＳＴ２に戻りＳＴ２からＳＴ５までの動作を繰り返す。

鉛直角が３６０°回動していたならば、ＳＴ７に進み、レーザ距離計５を水平角でΔφだけ回動させ、次いで、ＳＴ８で鉛直角が１８０°回動したかどうかを判定する。水平回動角が１８０°に至っていない場合は、ＳＴ２に戻りＳＴ２からＳＴ７までの動作を繰り返す。そして、水平回動角が１８０°になったところで、計測を終了する。

以上の計測から得られるレーザ照射位置７の座標（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｚｋ）は離散値となるが、これらの値から補間を行うことで、任意の断面における空洞２２の壁面座標を求めることができる。また、このようにして、任意の断面における空洞の形状も求めることができる。

図５（ａ）は、Ｙ≒１４ｍの平面（鉛直平面）における空洞２２の鉛直断面を描いたもので、図５（ｂ）はＺ≒１４ｍの平面（地下約１４ｍでの水平面）における空洞２２の水平断面を描いたものである。また、得られたデータから、三次元空間座標を使用して空洞内壁面形状を三次元図化することも可能である。

さらに、この計測データから、空洞の底面から１ｍ毎の断面形状を求めその断面積を算出し、台形公式を用いて容積を算出することも可能である。ここで容積をＶとし各断面における断面積をＳ_ｉとすると、
Ｖ＝１／２・Σ（Ｓ_ｉ＋Ｓ_ｉ＋１）・Δｈ （Δｈ＝１）
で表される。

本実施の形態において、空洞２２の底に水が溜まっている場合に、使用するレーザ距離計５の種類によっては、水たまり部分の距離計測がうまくゆかない場合がある。すなわち、照射するレーザ光が水に吸収され空洞２２の壁面８まで届かないため距離計測不能となる場合である。かかる場合は、緑色レーザを使用したレーザ距離計５を用いるのが好ましい。緑色レーザ光は水に吸収されないので水たまりの有無にかかわらず壁面８までの距離が計測できるからである。

また、本実施の形態において、水平角回動装置２は地表面に設けガイド管３を介してレーザ距離計５を回動させたが水平角回動装置２を１つの装置に鉛直角回動装置４と共に組み込んでも良い。

１つの装置に、レーザ距離計５と水平角回動装置２と鉛直角回動装置４とを組み込むことにより、水平方向の回動動力を伝達するガイド管３が必要でなくなる。従って、水平角回動装置２等を組み込んだ上記装置をロープなどでボーリング孔３１からつり下げ固定することが可能になる。

さらに、レーザ距離計５を回動させる水平角及び鉛直角は、お互いに回転軸が略直交していれば十分で２つの回転角は必ずしも水平と鉛直である必要はない。

また、レーザ距離計５は、空洞天端から約１ｍ下方に固定されるとしたが、
レーザ距離計５の固定位置は、空洞天端から約１ｍ下方でなくても良く、空洞２２の中であれば任意の位置に固定して良い。

また、本実施の形態において、空洞２２の壁面の座標を直角座標系で表現したが、これを円筒座標系あるいは球面座標系で表しても良いことはいうまでもない。

このように、本実施の形態によれば、レーザ距離計５を、空洞２２内に固定して水平角方向及び鉛直角方向に回動させつつ空洞２２の壁面８までの距離を計測するので、先端にレーザー距離計５を設けたロッドを地表面上突出させた状態で上下させる必要がなく、このロッドを支えるための台座も必要としない。また、空洞２２内の固定中心から任意の方向（任意の鉛直角方向及び垂直角方向）における空洞２２内壁面８までの距離を測るので、空洞内天井面や床面に凹部があっても正確に空洞内の立体形状を計測することができる。

地下の空洞に本発明の一実施の形態における空洞内壁面形状計測装置を適用した場合の模式図である。 本発明の一実施の形態における空洞内壁面形状計測装置の全体構成図である。 計測対象となる空洞の断面図である。 本発明の一実施の形態における空洞内壁面形状計測装置の動作を表すフローチャートである。 計測結果を断面図として表したものである。 空洞の容積計算を説明するための模式図である。 従来技術を説明するための図である。 従来技術の問題点を説明するための図である

符号の説明

１ メインコントローラ
２ 水平角回動装置
３ ガイド管
４ 鉛直角回動装置
５ レーザ距離計
６ 信号ケーブル
７ レーザ照射位置
８ 壁面
２２ 空洞

Claims (6)

1. 地中に存在する空洞の形状や容積を計測する空洞内壁面形状計測装置であって、
   レーザ距離計を前記空洞内の固定中心に対して互いに垂直な平面上を回動させる駆動手段を有することを特徴とする空洞内壁面形状計測装置。
2. 地中に存在する空洞の形状や容積を計測する空洞内壁面形状計測装置であって、
   前記空洞内の空間に固定されたレーザー距離計の距離測定方向を鉛直角方向及び水平角方向に回動させる手段と、
   空洞内の前記レーザー距離計の位置と、当該レーザー距離計の計測方向と、当該レーザー距離計により計測した空洞内壁面までの距離とから空洞の立体形状を計測する演算処理部を備えることを特徴とする空洞内壁面形状計測装置。
3. 前記レーザー距離計は、当該空洞に連通する孔や管を介して前記レーザー距離計を先端に取り付けた所定の長さのロッドを前記空洞内に挿入することにより、前記空洞内に固定されることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載の空洞内壁面形状計測装置。
4. 前記レーザー距離計の距離測定方向を鉛直角方向及び水平角方向に回動させる手段は、前記ロッドの先端に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の空洞内壁面形状計測装置。
5. 前記レーザー距離計の距離測定方向を水平角方向に回動させる手段は、前記ロッド全体を回転させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の空洞内壁面形状計測装置。
6. 前記レーザー距離計緑色レーザを用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の空洞内壁面形状計測装置。

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