JP2019158637A - Tunnel construction management system and determination method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トンネルの施工を管理するトンネル施工管理システムおよびトンネル内の施工が必要な箇所を判定する方法に関する。 The present invention relates to a tunnel construction management system for managing tunnel construction and a method for determining a place where construction in a tunnel is necessary.
ＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method）工法によるトンネルの掘削工事では、トンネル切羽に装薬した爆薬により発破を行い、発破により発生したズリを搬出した後、アタリ取りと呼ばれる、その後の覆工に支障を生じる出っ張り（アタリ）を取り除く作業が行われる。 In tunnel excavation work using the NATM (New Austrian Tunneling Method) method, blasting is carried out with explosives charged in the tunnel face, and the burrs generated by the blasting are carried out. An operation to remove the protrusion is performed.
従来、アタリ取りでは、作業員がトンネル切羽直下に立ち入り、設計断面に対して堀り足りていない箇所を目視にて確認し、レーザーポインタ等で指示し、指示された箇所をブレーカー掘削している。これでは、地山の崩落等により作業員に危険を生じ、作業に時間を要するという問題があった。 Conventionally, in clamming, an operator enters directly under the tunnel face, visually confirms where there is not enough excavation with respect to the design cross section, indicates with a laser pointer, etc., and breaks off the indicated location. . In this case, there is a problem that a worker is in danger due to a collapse of a natural ground and the work takes time.
そこで、作業員による目視判定を不要にし、工期を短縮するべく、三次元スキャナを用いて掘削壁面の計測を行い、基準断面と比較し、比較結果に基づきアタリ取りを行う技術が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。 Therefore, in order to eliminate the need for visual judgment by workers and shorten the construction period, a technique has been proposed in which a drilling wall surface is measured using a three-dimensional scanner, compared with a reference cross section, and ridden based on the comparison result. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2).
上記特許文献１および２に記載された技術では、トンネル内を細かく計測して三次元スキャナの絶対座標を取得するため、その絶対座標の取得までに時間がかかり、その結果、掘削が必要な箇所の判定に時間がかかるという問題があった。また、三次元スキャナを三脚上に設置すると、その位置がアタリ取り作業の支障になる場合、三次元スキャナと三脚を移動して、再度その絶対位置を取得する作業が必要となるため、さらに多くの労力と時間を要するという問題もあった。 In the techniques described in Patent Documents 1 and 2, since the absolute coordinates of the three-dimensional scanner are acquired by measuring the inside of the tunnel finely, it takes time to acquire the absolute coordinates, and as a result, the location where excavation is necessary There was a problem that it took time to judge. In addition, if the 3D scanner is placed on a tripod, the position of the 3D scanner interferes with the clamming work, so it is necessary to move the 3D scanner and tripod and acquire the absolute position again. There was also a problem of requiring labor and time.
そこで、トンネル内の掘削等の施工が必要な箇所の判定を短時間で実施することが可能でアタリ取り作業の支障にならないシステムや方法の提供が望まれていた。 Therefore, it has been desired to provide a system and a method that can determine a portion that requires construction such as excavation in a tunnel in a short period of time and does not hinder hitting work.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、トンネルの施工を管理するトンネル施工管理システムであって、
トンネル内を三次元計測する計測手段と、
トンネル内に配置され、予め計測された位置座標を有する３以上の球状ターゲットと、
トンネル内の１以上の箇所の位置座標を計算する演算手段とを含み、
計測手段は、３以上の球状ターゲットを含むトンネル内を、計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測し、
演算手段は、計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測された計測結果に基づき、計測手段の位置座標を計算し、計算した計測手段の位置座標と計測手段の計測結果とに基づき、トンネル内の複数の箇所の位置座標を計算する、トンネル施工管理システムが提供される。
The present invention has been made in view of the above problems, and is a tunnel construction management system for managing tunnel construction,
Measuring means for three-dimensional measurement in the tunnel;
Three or more spherical targets placed in the tunnel and having pre-measured position coordinates;
Computing means for calculating position coordinates of one or more points in the tunnel,
The measuring means measures three-dimensionally in a tunnel including three or more spherical targets by changing the measurement point interval and the measurement range.
The calculation means calculates the position coordinates of the measurement means based on the measurement results measured three-dimensionally by changing the measurement point interval and the measurement range, and based on the calculated position coordinates of the measurement means and the measurement results of the measurement means, A tunnel construction management system is provided that calculates the position coordinates of a plurality of locations.
本発明によれば、トンネル内の施工が必要な箇所の判定を短時間で実施することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to implement the determination of the location which needs construction in a tunnel for a short time.
図１は、トンネル施工管理システムの構成例を示した図である。トンネル施工管理システムは、トンネルの施工管理、例えばトンネルの形状の把握、情報の収集、工事の安全・安心、重機等の工事車両の姿勢制御のために使用される。トンネルの形状の把握には、切羽側の一次覆工前の掘削壁面におけるアタリ取りのモニタリング等があり、情報の収集には、掘削土量や吹付量等の施工量の情報、ロックボルトや鋼製支保工等の位置の情報等の収集があり、安全・安心には、切羽面や側壁の変位の計測等がある。ここでは、トンネル施工管理システムは、アタリ取りが必要な箇所を判定し、アタリ取りを実施することができるシステムとして説明する。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a tunnel construction management system. The tunnel construction management system is used for tunnel construction management, for example, grasping the shape of a tunnel, collecting information, safety and security of construction, and attitude control of construction vehicles such as heavy machinery. The grasp of the tunnel shape includes the monitoring of clamming on the excavation wall before the primary lining on the face side, and the collection of information includes information on construction volume such as excavated soil volume and spray volume, rock bolts and steel Information such as the position of manufacturing supporters is collected, and for safety and security, displacement of the face and side walls is measured. Here, the tunnel construction management system will be described as a system that can determine a place where attrition is necessary and perform attrition.
ＮＡＴＭ工法によるトンネルは、爆薬による発破や自由断面掘削機等の掘削機を使用し、地山や地中を掘削することにより形成される。トンネル出入口は、トンネル坑口と呼ばれ、掘削方向における掘削面は、切羽１０と呼ばれる。一次覆工は、掘削したままの状態では崩落の危険性があるため、アーチ状の鋼製の支保工１１を一定間隔で設置し、コンクリートを吹き付け、トンネル壁面を補強する作業である。一次覆工後は、ロックボルト１２を打ち込み、防水シートでコンクリート壁面を覆い、二次覆工として、さらに内側にコンクリートの打設が行われる。なお、図１中、「Ｓ．Ｌ」は、Spring Lineで、トンネル内空断面で、上半アーチの始まる線である。 The tunnel by the NATM construction method is formed by excavating natural ground and underground using excavators such as blasting with explosives and free section excavators. The tunnel doorway is called a tunnel wellhead, and the excavation surface in the excavation direction is called a face 10. The primary lining is an operation to reinforce the tunnel wall surface by installing arch-shaped steel supporters 11 at regular intervals, spraying concrete, because there is a risk of collapsing when excavated. After the primary lining, the lock bolt 12 is driven in, the concrete wall surface is covered with a waterproof sheet, and concrete is placed further inside as a secondary lining. In FIG. 1, “SL” is a spring line, which is a line where the upper half arch starts in the sky section in the tunnel.
トンネルは、一定距離掘削するたびに一次覆工が行われる。トンネル施工管理システムは、一定距離掘削した後にアタリ取りが必要な箇所を判定し、アタリ取りを実施する。このアタリ取りが完了した後、一次覆工が行われる。すなわち、発破や掘削機による掘削、アタリ取り、一次覆工の繰り返しにより、トンネルが形成される。 The tunnel is primarily lined every time a certain distance is excavated. The tunnel construction management system determines the location where it needs to be removed after excavating a certain distance, and performs the attack removal. After this crushing is completed, primary lining is performed. That is, a tunnel is formed by repeating blasting, excavation with an excavator, clawing, and primary lining.
トンネル施工管理システムは、アタリ取りが必要な箇所を判定し、アタリ取りを実施するため、掘削が必要な箇所を掘削する掘削手段を備える車両を含む。掘削手段を備える車両としては、アタリを削り、取り除く作業（はつり）に用いる鏨（チゼル）を連続的に打撃するブレーカー２０を採用することができる。 The tunnel construction management system includes a vehicle provided with excavation means for excavating a portion that requires excavation in order to determine a portion that requires clawing and to perform clawing. As a vehicle provided with excavation means, a breaker 20 that continuously hits a chisel used for cutting (removing) claws can be employed.
トンネル施工管理システムは、アタリ取りが必要か否かを判定するために、トンネル内を三次元計測する計測手段として、例えば三次元（３Ｄ）スキャナ２１を備える。３Ｄスキャナ２１は、レーザー光を照射してからレーザー光が返ってくる時間を計測し、距離に換算する。３Ｄスキャナ２１は、レーザー光の照射角度も計測し、換算した距離および計測した照射角度に基づき、３Ｄスキャナ２１に対する計測対象の相対位置の座標を算出する。相対位置の座標は、３Ｄスキャナ２１の座標を（０，０，０）とした場合の計測対象の座標である。３Ｄスキャナ２１は、ブレーカー２０の運転席の屋根（ルーフ）上に免震架台を介して搭載される。免震架台は、免震装置を備える架台であり、免震装置としては、積層ゴム、転がり支承、すべり支承を含むものや、これらとダンパーとから構成されるものを用いることができる。 The tunnel construction management system includes, for example, a three-dimensional (3D) scanner 21 as a measuring unit that three-dimensionally measures the inside of the tunnel in order to determine whether or not it is necessary to perform clamming. The 3D scanner 21 measures the time when the laser beam returns after irradiating the laser beam, and converts it to a distance. The 3D scanner 21 also measures the irradiation angle of the laser beam, and calculates the coordinates of the relative position of the measurement target with respect to the 3D scanner 21 based on the converted distance and the measured irradiation angle. The relative position coordinates are the coordinates of the measurement target when the coordinates of the 3D scanner 21 are (0, 0, 0). The 3D scanner 21 is mounted on the roof of the driver's seat of the breaker 20 via a base isolation frame. The base isolation frame is a frame including a base isolation device. As the base isolation device, one including a laminated rubber, a rolling bearing, and a sliding bearing, or one composed of these and a damper can be used.
３Ｄスキャナ２１は、３つの計測モードを有する。３つの計測モードは、広範囲を低密度で計測する第１モードと、第１モードより狭い特定の範囲を、第１モードより高い密度（中密度）で計測する第２モードと、第２モードよりさらに狭い範囲を、第２モードより高い密度（高密度）で計測する第３モードである。各モードの詳細や各モードの使用方法については後述する。 The 3D scanner 21 has three measurement modes. The three measurement modes include a first mode for measuring a wide range at a low density, a second mode for measuring a specific range narrower than the first mode at a higher density (medium density) than the first mode, and a second mode. In the third mode, a narrower range is measured at a higher density (high density) than in the second mode. Details of each mode and how to use each mode will be described later.
トンネル施工管理システムは、三次元計測した計測結果に基づき、トンネル内の切羽１０上の１以上の箇所の位置座標を計算する演算手段を含む。演算手段は、位置座標の計算に加えて、設計データと比較して施工、例えば掘削が必要な箇所や施工量を判定する。演算手段は、上記の位置座標の計算、設計データとの比較に基づく判定を実施することができる装置であればいかなる装置であってもよく、例えばＰＣ２２やタブレット端末等を挙げることができる。ＰＣ２２は、３Ｄスキャナ２１とケーブルや無線ＬＡＮ等により通信可能に接続され、ブレーカー２０内の運転席に配置される。ここでは、演算手段を運転席から持ち運び自在なＰＣ２２として説明するが、演算手段は、運転席に備え付けられたモニタ付きコンピュータ等であってもよい。施工量は、上述した掘削土量や吹付量等である。 The tunnel construction management system includes calculation means for calculating position coordinates of one or more locations on the face 10 in the tunnel based on the three-dimensional measurement result. In addition to the calculation of the position coordinates, the calculation means determines the location and the construction amount that require construction, for example, excavation, compared with the design data. The calculation means may be any device as long as it can perform the determination based on the calculation of the position coordinates and the comparison with the design data, and examples thereof include a PC 22 and a tablet terminal. The PC 22 is communicably connected to the 3D scanner 21 via a cable, a wireless LAN, or the like, and is disposed at the driver's seat in the breaker 20. Here, the calculation means will be described as the PC 22 that can be carried from the driver's seat, but the calculation means may be a computer with a monitor provided in the driver's seat. The construction amount is the amount of excavated soil or the amount of spraying described above.
トンネル施工管理システムは、３Ｄスキャナ２１の位置座標を計算するために、トンネル内に予め計測された位置座標を有する３以上の球状ターゲットを備え、３以上の球状ターゲットは、例えばブレーカー２０よりトンネル坑口側に配置される。球状ターゲットは、例えば図２に示すような基準球２３であり、球状面２４と、内部に再帰反射する反射手段を有する切り欠き部２５とを備える。図２（ａ）は、基準球２３を一方の側から見た図で、図２（ｂ）は、その裏側から見た図である。 In order to calculate the position coordinates of the 3D scanner 21, the tunnel construction management system includes three or more spherical targets having position coordinates measured in advance in the tunnel, and the three or more spherical targets are, for example, a tunnel wellhead from the breaker 20. Placed on the side. The spherical target is, for example, a reference sphere 23 as shown in FIG. 2, and includes a spherical surface 24 and a notch 25 having a reflecting means for retroreflecting inside. FIG. 2A is a view of the reference sphere 23 viewed from one side, and FIG. 2B is a view of the reference sphere 23 viewed from the back side.
球状面２４は、反射機能を高めるためにガラスの粉等を含む特殊な塗料が塗布されている。切り欠き部２５は、基準球２３の一部に円形に、表面に向けてその径が拡張するようにくり抜かれた部分で、基準球２３の中心であって、切り欠き部２５の内部に、再帰反射する反射手段としてプリズム２６が配設されている。切り欠き部２５の開口からプリズム２６までの通路２７は、光の反射機能を高めるために白色で、滑らかな表面（曲面）とされている。 The spherical surface 24 is coated with a special paint containing glass powder or the like in order to enhance the reflection function. The cutout portion 25 is a portion of the reference sphere 23 that is cut out in a circular shape so that its diameter expands toward the surface, and is the center of the reference sphere 23 and inside the cutout portion 25. A prism 26 is provided as a retroreflecting reflecting means. The passage 27 from the opening of the notch 25 to the prism 26 is white and has a smooth surface (curved surface) in order to enhance the light reflection function.
基準球２３の切り欠き部２５内のプリズム２６は、光波測距儀で基準球２３の位置を測量するときのみ使用される。３Ｄスキャナ２１で三次元計測する際は、球状面２４が使用されるため、球状面２４が３Ｄスキャナ２１に向けられるように配置される。 The prism 26 in the notch 25 of the reference sphere 23 is used only when the position of the reference sphere 23 is measured by the light wave rangefinder. When the 3D measurement is performed by the 3D scanner 21, the spherical surface 24 is used, and thus the spherical surface 24 is arranged so as to be directed to the 3D scanner 21.
基準球２３の内部であって、その中心に設けられるプリズム２６の位置座標は、予め光波測距儀により測量され、その座標値が与えられている。位置座標は、絶対座標であり、その座標値は、例えば緯度、経度、標高からなる値である。３Ｄスキャナ２１で計測される計測点までの距離は、球状面２４までの距離となるが、基準球２３の半径が既知であるため、球状面２４までの距離に基準球２３の半径を加算することで、基準球２３の中心までの距離を求めることができ、その距離に基づいて、その中心の位置座標を求めることができる。 The position coordinates of the prism 26 provided in the center of the reference sphere 23 are measured in advance by a light wave rangefinder, and the coordinate values are given. The position coordinates are absolute coordinates, and the coordinate values are values composed of, for example, latitude, longitude, and altitude. The distance to the measurement point measured by the 3D scanner 21 is the distance to the spherical surface 24, but since the radius of the reference sphere 23 is known, the radius of the reference sphere 23 is added to the distance to the spherical surface 24. Thus, the distance to the center of the reference sphere 23 can be obtained, and the position coordinates of the center can be obtained based on the distance.
再び図１を参照して、３Ｄスキャナ２１は、最初に、３以上の基準球２３が存在するトンネル坑口側を三次元計測する。そして、ＰＣ２２は、トンネル坑口側を三次元計測した計測結果と、３以上の基準球２３の位置座標とに基づいて３Ｄスキャナ２１の位置座標を計算する。 Referring again to FIG. 1, the 3D scanner 21 first three-dimensionally measures the tunnel wellhead side where three or more reference spheres 23 exist. Then, the PC 22 calculates the position coordinates of the 3D scanner 21 based on the measurement result obtained by three-dimensionally measuring the tunnel wellhead side and the position coordinates of three or more reference spheres 23.
その後、３Ｄスキャナ２１は、切羽側を三次元計測する。ＰＣ２２は、切羽側を三次元計測した計測結果と、先に計算した３Ｄスキャナ２１の位置座標とに基づいて切羽１０上の複数の箇所の位置座標を計算し、それらを点群データとして取得する。点群データは、ＰＣ２２が備えるＨＤＤ等の記憶装置に記憶される。 Thereafter, the 3D scanner 21 measures the face side three-dimensionally. The PC 22 calculates the position coordinates of a plurality of locations on the face 10 based on the measurement result obtained by three-dimensionally measuring the face side and the position coordinates of the 3D scanner 21 previously calculated, and acquires them as point cloud data. . The point cloud data is stored in a storage device such as an HDD provided in the PC 22.
ＰＣ２２は、記憶装置にトンネルの設計データも記憶する。設計データには、図１に破線で示す設計上の掘削壁面（設計断面）１３における各点の位置座標が含まれる。このため、ＰＣ２２は、取得した点群データを設計データと比較し、トンネルの内側方向に閾値以上に突出する箇所を特定し、その特定した箇所を掘削が必要な箇所と判定する。閾値は、任意に設定することができる。 The PC 22 also stores tunnel design data in the storage device. The design data includes the position coordinates of each point on the design excavation wall surface (design cross section) 13 indicated by a broken line in FIG. For this reason, PC22 compares the acquired point cloud data with design data, specifies the location which protrudes more than a threshold value to the inner side of a tunnel, and determines that the specified location is a location which needs excavation. The threshold value can be arbitrarily set.
ＰＣ２２は、表示手段としてのモニタを有し、そのモニタに判定した結果を表示する。具体的には、ＰＣ２２は、掘削が必要な箇所として判定した部分を、掘削が不要な他の部分とは区別可能に表示し、作業員に対してアタリ取りを実施する箇所を提示する。区別可能に表示する方法としては、その部分に色付けする方法や色を変更する方法等を挙げることができる。これは一例であるため、この方法に限定されるものではない。 The PC 22 has a monitor as display means, and displays the determined result on the monitor. Specifically, the PC 22 displays the part determined as the place where excavation is necessary so that it can be distinguished from other parts that do not need excavation, and presents the place to perform the catching to the worker. Examples of the display method that can be distinguished include a method of coloring the portion, a method of changing the color, and the like. Since this is an example, it is not limited to this method.
次に、図３を参照して、トンネル施工管理システムにより実施される掘削作業について詳細に説明する。トンネル内の任意の位置にブレーカー２０を停止させる（Ｓ３００）。このとき、ブレーカー２０のエンジンは停止しなくてもよい。エンジンによる振動は、免震架台により吸収することができるからである。ブレーカー２０上に搭載された３Ｄスキャナ２１により基準球２３をスキャンし、ＰＣ２２により３Ｄスキャナ２１の位置座標を計算した後、切羽側をスキャンし、切羽１０上の複数の箇所を計測し、点群データを取得する（Ｓ３０１）。ここでは、Ｓ３０１の作業を地山計測と呼ぶ。 Next, the excavation work performed by the tunnel construction management system will be described in detail with reference to FIG. The breaker 20 is stopped at an arbitrary position in the tunnel (S300). At this time, the engine of the breaker 20 may not be stopped. This is because vibration caused by the engine can be absorbed by the base isolation frame. The reference sphere 23 is scanned by the 3D scanner 21 mounted on the breaker 20, the position coordinates of the 3D scanner 21 are calculated by the PC 22, the face side is scanned, a plurality of points on the face 10 are measured, and the point cloud Data is acquired (S301). Here, the operation of S301 is called natural ground measurement.
点群データを取得した後、設計データと比較する（Ｓ３０２）。すなわち、三次元計測した切羽１０の地山断面と設計断面とを比較する。これにより、アタリ取りの必要がある箇所を判定する。判定した結果を、ＰＣ２２のモニタに比較結果として表示する（Ｓ３０３）。アタリ取りの必要がある箇所を色付けする等して他の箇所と区別可能に表示することで比較結果を表示する。 After obtaining the point cloud data, it is compared with the design data (S302). That is, the ground cross section of the face 10 measured three-dimensionally and the design cross section are compared. As a result, a place where it is necessary to remove the hitting is determined. The determined result is displayed as a comparison result on the monitor of the PC 22 (S303). The comparison result is displayed by displaying the portion that needs to be ridden in a color so that it can be distinguished from other portions.
色付けする等して区別可能に表示された部分の有無により、掘削不足の箇所の有無を確認することができ（Ｓ３０４）、掘削不足の箇所がある場合、モニタ上で確認しながら、区別可能に表示された部分を掘削し、アタリ取りを実施する（Ｓ３０５）。この間、数回程度アタリ取りの動作を停止し、３Ｄスキャナ２１での三次元計測、設計断面との比較を行い、比較結果の表示を更新する。一方、掘削不足の箇所がない場合、掘削を完了し、一次覆工を行う（Ｓ３０７）。 The presence or absence of an excavation insufficient part can be confirmed based on the presence or absence of a portion that can be distinguished by coloring or the like (S304). If there is an insufficient excavation part, it can be distinguished while checking on the monitor. The displayed portion is excavated and the claws are removed (S305). During this time, the crushing operation is stopped several times, the three-dimensional measurement by the 3D scanner 21 and the comparison with the design cross section are performed, and the display of the comparison result is updated. On the other hand, if there is no insufficient excavation, excavation is completed and primary lining is performed (S307).
ブレーカー２０のアームの長さ等の制約により切羽１０の全体についてアタリ取りを実施できない場合、ブレーカー２０を移動する（Ｓ３０６）。移動後、Ｓ３００の作業に戻り、アームを下げて動作を停止し、Ｓ３０１の地山計測を行う。 When the claw removal cannot be performed on the entire face 10 due to restrictions such as the length of the arm of the breaker 20, the breaker 20 is moved (S306). After the movement, the process returns to the operation in S300, the arm is lowered to stop the operation, and the ground measurement in S301 is performed.
Ｓ３０１の地山計測では、初回の計測のみ、基準球２３をスキャンし、３Ｄスキャナ２１の位置座標を計算する。ブレーカー２０を移動した後の２回目以降の計測では、切羽側のスキャンにより得られた移動前後の形状パターンのパターンマッチングにより３Ｄスキャナ２１の位置を特定し、その位置の位置座標を計算する。 In the natural ground measurement in S301, only the first measurement scans the reference sphere 23 and calculates the position coordinates of the 3D scanner 21. In the second and subsequent measurements after moving the breaker 20, the position of the 3D scanner 21 is specified by pattern matching of the shape pattern before and after the movement obtained by the scan on the face side, and the position coordinates of the position are calculated.
図４を参照して、パターンマッチングについて説明する。パターンマッチングは、移動前後でスキャンし、得られた点群データから形成される切羽１０の形状パターンの中の同一の特徴部分を抽出し、その特徴部分に基づき、３Ｄスキャナ２１の位置を特定する。具体的には、移動前の３Ｄスキャナ２１の位置座標に基づき、特徴部分の位置座標を計算し、ブレーカー２０の移動後、特徴部分の位置座標は変化しないので、その特徴部分の位置座標に基づき、３Ｄスキャナ２１の位置座標を計算する。特徴部分としては、ブレーカー２０より切羽側に、一次覆工により設置された支保工１１ａやロックボルト１２ａ等とすることができる。 The pattern matching will be described with reference to FIG. In the pattern matching, scanning is performed before and after the movement, the same feature portion in the shape pattern of the face 10 formed from the obtained point cloud data is extracted, and the position of the 3D scanner 21 is specified based on the feature portion. . Specifically, the position coordinates of the feature portion are calculated based on the position coordinates of the 3D scanner 21 before the movement, and the position coordinates of the feature portion do not change after the breaker 20 is moved. Therefore, based on the position coordinates of the feature portion. The position coordinates of the 3D scanner 21 are calculated. As a characteristic part, it can be set as the support 11a, the lock bolt 12a, etc. which were installed in the face side from the breaker 20 by the primary lining.
トンネルの掘削が継続する間は、一次覆工を行い、一定距離掘削した後、再びＳ３００からＳ３０６の作業が行われる。 While tunnel excavation continues, primary lining is performed, and after excavation for a certain distance, operations from S300 to S306 are performed again.
次に、３Ｄスキャナ２１の位置を特定する方法を図５および図６を参照して説明する。図５は、３Ｄスキャナ２１の位置を特定する作業の流れを示したフローチャートで、図６は、その作業を説明する図である。 Next, a method for specifying the position of the 3D scanner 21 will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 is a flowchart showing a flow of work for specifying the position of the 3D scanner 21, and FIG. 6 is a diagram for explaining the work.
この作業では、３Ｄスキャナ２１のモードを第１モードにし、トンネル内を低密度計測し、トンネル軸方向を特定する（Ｓ５００）。低密度計測では、図６に示すように、ブレーカー２０を切羽方向に向けた状態でトンネル内の広範囲を粗く三次元計測する。粗くとは、計測点間隔を大きくし、単位面積当たりの計測点の数を少なくすることをいう。低密度計測では、例えば３Ｄスキャナ２１からの距離が３０ｍの位置で、計測点間隔が水平方向に約６０ｍｍ、垂直方向に約４２０ｍｍ間隔となるように、ブレーカー２０の後方の水平方向に約９０°、鉛直方向に約４°の角度の範囲内で方向を変えて三次元計測する。これにより、トンネル軸方向が特定され、どの方向が切羽側か、トンネル坑口側かを特定することができる。低密度計測では、広範囲であるが、計測する箇所がまばらで、その数が少ないことから、短時間（数秒）で計測が完了する。ちなみに、トンネルの中心方向を計測する際にかかる時間は、１〜２秒程度である。トンネル軸方向の特定のみであるため、短時間で完了する第１モードが使用される。 In this operation, the mode of the 3D scanner 21 is set to the first mode, the inside of the tunnel is measured with low density, and the tunnel axis direction is specified (S500). In the low density measurement, as shown in FIG. 6, the wide area in the tunnel is roughly three-dimensionally measured with the breaker 20 facing the face. “Rough” means increasing the measurement point interval and reducing the number of measurement points per unit area. In the low density measurement, for example, the distance from the 3D scanner 21 is about 90 ° in the horizontal direction behind the breaker 20 so that the distance between the measurement points is about 60 mm in the horizontal direction and about 420 mm in the vertical direction. Then, three-dimensional measurement is performed by changing the direction within an angle range of about 4 ° in the vertical direction. Thereby, the tunnel axis direction is specified, and it can be specified which direction is the face side or the tunnel wellhead side. In the low density measurement, although it is a wide range, since the measurement points are sparse and the number is small, the measurement is completed in a short time (several seconds). Incidentally, the time taken to measure the center direction of the tunnel is about 1 to 2 seconds. Since only the tunnel axis direction is specified, the first mode that is completed in a short time is used.
トンネル軸方向の特定後、ブレーカー２０よりトンネル坑口側に配置された基準球２３の位置を特定する（Ｓ５０１）。基準球２３の位置を特定する際、３Ｄスキャナ２１のモードを第２モードにし、基準球２３の球状面２４を含むトンネル坑口側を中密度計測する。中密度計測では、トンネル軸方向が特定されているため、図６に示すように、低密度計測より範囲を絞り、基準球２３が存在する方向に限定して低密度計測より密に三次元計測する。密とは、計測点間隔を小さくし、単位面積当たりの計測点の数を多くすることをいう。基準球２３の直径を、例えば約１５０ｍｍとすると、１つの基準球２３につき、４点以上計測するために、中密度計測では、例えば３Ｄスキャナ２１からの距離が３０ｍの位置で、計測点間隔が水平方向に約５０ｍｍ、垂直方向に約５０ｍｍ間隔となるように、トンネル軸に対して水平方向に±１２°、水平面に対して鉛直方向に±２°の角度の範囲内で方向を変えて三次元計測する。これにより基準球２３の位置が特定される。ちなみに、３つの基準球２３の位置を特定するのにかかる時間は、６〜７秒程度である。基準球２３を検出し、その位置を特定するためには、ある程度の精度が必要となるため、第２モードが使用される。 After specifying the tunnel axis direction, the position of the reference sphere 23 arranged on the tunnel well side from the breaker 20 is specified (S501). When the position of the reference sphere 23 is specified, the mode of the 3D scanner 21 is set to the second mode, and the tunnel wellhead side including the spherical surface 24 of the reference sphere 23 is measured at medium density. In the medium density measurement, since the tunnel axis direction is specified, as shown in FIG. 6, the range is narrowed down from the low density measurement, and limited to the direction in which the reference sphere 23 exists, the three-dimensional measurement is denser than the low density measurement. To do. The term “dense” refers to reducing the measurement point interval and increasing the number of measurement points per unit area. If the diameter of the reference sphere 23 is about 150 mm, for example, four or more points are measured for each reference sphere 23. Therefore, in the medium density measurement, for example, the distance from the 3D scanner 21 is 30 m and the measurement point interval is Tertiary by changing the direction within an angle range of ± 12 ° horizontally to the tunnel axis and ± 2 ° vertically to the horizontal plane so that the interval is about 50 mm horizontally and about 50 mm vertically. Original measurement. Thereby, the position of the reference sphere 23 is specified. Incidentally, it takes about 6 to 7 seconds to specify the positions of the three reference spheres 23. In order to detect the reference sphere 23 and specify its position, a certain degree of accuracy is required, so the second mode is used.
基準球２３の位置を特定した後、３Ｄスキャナ２１に対する基準球２３の相対座標を計算する（Ｓ５０２）。相対座標は、基準球２３の中心座標である。基準球２３の中心座標の計算において、３Ｄスキャナ２１のモードを第３モードにし、基準球２３の球状面２４の周辺を高密度計測する。高密度計測では、図６に示すように、中密度計測より範囲をさらに絞り、基準球２３に限定してより密に三次元計測する。高密度計測では、球状面２４の周辺を細かく計測するために、例えば３Ｄスキャナ２１からの距離が３０ｍの位置で、計測点間隔が水平方向に約５ｍｍ、垂直方向に約５ｍｍ間隔となるように基準球２３の球状面２４の周辺を水平方向に０．６°、鉛直方向に０．６°の角度の範囲内で方向を変えて三次元計測する。これにより基準球２３の球状面２４の中心までの距離が特定され、基準球２３の半径を加算することで、基準球２３の相対座標が計算される。ちなみに、３つの基準球２３を計測する際にかかる時間は、３〜４秒程度である。座標を計算するためには、高い精度が必要となるため、第３モードが使用される。 After specifying the position of the reference sphere 23, the relative coordinates of the reference sphere 23 with respect to the 3D scanner 21 are calculated (S502). The relative coordinates are the center coordinates of the reference sphere 23. In the calculation of the center coordinates of the reference sphere 23, the mode of the 3D scanner 21 is set to the third mode, and the periphery of the spherical surface 24 of the reference sphere 23 is measured with high density. In the high-density measurement, as shown in FIG. 6, the range is further narrowed down compared to the medium-density measurement, and the measurement is limited to the reference sphere 23 to perform three-dimensional measurement more densely. In the high-density measurement, in order to finely measure the periphery of the spherical surface 24, for example, at a distance of 30 m from the 3D scanner 21, the measurement point interval is about 5 mm in the horizontal direction and about 5 mm in the vertical direction. The periphery of the spherical surface 24 of the reference sphere 23 is three-dimensionally measured by changing the direction within an angle range of 0.6 ° in the horizontal direction and 0.6 ° in the vertical direction. Thereby, the distance to the center of the spherical surface 24 of the reference sphere 23 is specified, and the relative coordinates of the reference sphere 23 are calculated by adding the radius of the reference sphere 23. Incidentally, the time taken to measure the three reference spheres 23 is about 3 to 4 seconds. Since high accuracy is required to calculate the coordinates, the third mode is used.
以上のように、第１モード、第２モード、第３モードに順に変えて、トンネル軸方向の特定から３つの基準球２３の計測を行うと、その計測時間は、１０〜１３秒程度となる。ちなみに、第３モードの高密度計測で、第２モードの計測範囲を細かく計測すると、１９０〜２００秒程度かかることから、このようにモードを切り替えて計測を行うことにより、基準球２３の絶対座標を短時間で取得することができる。これらの例では、３Ｄスキャナ２１と基準球２３の位置が同程度の高さにあり、離隔が３０ｍの場合としたが、３Ｄスキャナ２１と基準球２３の設置高さや離隔に応じて計測密度や計測範囲は任意に設定できる。 As described above, when the three reference spheres 23 are measured from the identification of the tunnel axis direction by sequentially changing to the first mode, the second mode, and the third mode, the measurement time is about 10 to 13 seconds. . By the way, if the measurement range of the second mode is measured finely in the high-density measurement of the third mode, it takes about 190 to 200 seconds. Therefore, the absolute coordinates of the reference sphere 23 can be obtained by switching the mode in this way. Can be acquired in a short time. In these examples, the positions of the 3D scanner 21 and the reference sphere 23 are at the same height and the separation is 30 m. However, depending on the installation height and separation of the 3D scanner 21 and the reference sphere 23, The measurement range can be set arbitrarily.
各基準球２３の中心座標を計算した後、各基準球２３につき予め計測された位置座標（絶対座標）と、計算した中心座標とに基づき、３Ｄスキャナ２１の位置座標（絶対座標）を計算する（Ｓ５０３）。 After calculating the center coordinates of each reference sphere 23, the position coordinates (absolute coordinates) of the 3D scanner 21 are calculated based on the position coordinates (absolute coordinates) measured in advance for each reference sphere 23 and the calculated center coordinates. (S503).
このように範囲の絞り込みを行って基準球２３の中心座標を短時間で計算し、短時間で３Ｄスキャナ２１の位置座標を求めることができ、また、３Ｄスキャナ２１で計測した切羽１０上の複数の箇所の座標を絶対座標として計算し、設計データとそのまま比較できるので、掘削が必要な箇所の判定を短時間で実施することが可能となる。 By narrowing down the range in this way, the center coordinates of the reference sphere 23 can be calculated in a short time, the position coordinates of the 3D scanner 21 can be obtained in a short time, and a plurality of points on the face 10 measured by the 3D scanner 21 can be obtained. Since the coordinates of the location can be calculated as absolute coordinates and compared with the design data as they are, the location where excavation is necessary can be determined in a short time.
また、切羽直下に作業員が入ることなく、アタリ取りを行うことができるため、地山の崩落等による災害を防止できる。また、アタリ取りが必要な箇所について、作業員の目視による確認から、３Ｄスキャナ２１によるスキャンおよびＰＣ２２による判定に代わるため、作業員の技量によらず、定量的に掘削を行うことができる。 In addition, since it is possible to perform clamming without an operator entering directly under the face, it is possible to prevent disasters caused by collapse of natural ground. Moreover, since it replaces with the scanning by the 3D scanner 21 and the determination by PC22 about the location which needs a clam removal, it can dig quantitatively irrespective of a worker's skill.
また、どの程度掘削すればよいか、モニタ上で確認しながら掘削できるので、余堀りを低減し、残土搬出量を削減することができる。適切にアタリ取りを行うことができるため、掘削壁面の凹凸が小さくなり、余吹きを減らし、吹付けコンクリート量を削減することができる。 Moreover, since excavation can be performed while confirming on the monitor how much excavation should be performed, surplus excavation can be reduced and the amount of remaining soil carried out can be reduced. Since the claw removal can be performed appropriately, the unevenness of the excavation wall surface is reduced, the excess blow can be reduced, and the amount of shotcrete can be reduced.
上記の定量的な掘削、余堀りや余吹きの低減により、掘削土量、コンクリート吹付け量、余吹き率、掘削出来形、覆工コンクリート打設予定数等の管理も可能となる。 By the above quantitative excavation and reduction of surplus digging and surplus blow, it becomes possible to manage the amount of excavated soil, the amount of concrete spray, the surplus blow rate, the shape of excavation, the planned number of lining concrete placement, and the like.
３Ｄスキャナ２１で随時三次元計測し、ＰＣ２２で設計データと比較し、その比較結果の表示を更新することで、切羽１０の変状を監視することができ、切羽面の移動量に応じて警報を発することができる。警報は、警報音として、ＰＣ２２が備えるスピーカーから発してもよいし、別途運転席に設けられるスピーカーから発してもよい。 The 3D scanner 21 can measure three-dimensionally at any time, compare the design data with the PC 22 and update the display of the comparison result to monitor the deformation of the face 10 and alarm according to the amount of movement of the face. Can be issued. The alarm may be emitted from a speaker included in the PC 22 as an alarm sound, or may be emitted from a speaker provided separately in the driver's seat.
なお、押出し性を有する地山や長期的な劣化が生じる地山等では、変状対策としてトンネル底面を逆アーチ状に仕上げられた覆工部分としてインバートが設けられるが、掘削出来形や壁面の変状の監視等は、インバートに対しても実施することができる。 It should be noted that inverted ground and long-term degraded ground, etc., an invert is provided as a lining part where the bottom of the tunnel is finished in a reverse arch shape as a countermeasure against deformation, Deformation monitoring or the like can also be performed for invert.
トンネル内の１以上の箇所の位置座標を計算することができるので、重機から近隣にいる作業員までの距離を算出することができる。これにより、重機が作業員に接近していることを検知することができ、接近を防止するために警報を発することができる。また、重機のアーム等の位置座標も計算することができるので、その姿勢を検出することができ、姿勢制御を行うことも可能である。 Since the position coordinates of one or more places in the tunnel can be calculated, the distance from the heavy machinery to the nearby worker can be calculated. Thereby, it can be detected that the heavy machinery is approaching the worker, and an alarm can be issued to prevent the approach. In addition, since the position coordinates of the arm of the heavy machinery can be calculated, the posture can be detected and the posture can be controlled.
これまで本発明のトンネル施工管理システムにより実施される掘削作業および判定方法について図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 So far, the excavation work and determination method performed by the tunnel construction management system of the present invention have been described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings, but the present invention is not limited to the above-described embodiments. However, other embodiments, additions, changes, deletions, and the like can be changed within a range that can be conceived by those skilled in the art, and as long as the effects and advantages of the present invention are exhibited in any aspect, the present invention It is included in the range.
１０…切羽
１１、１１ａ…支保工
１２、１２ａ…ロックボルト
２０…ブレーカー
２１…３Ｄスキャナ
２２…ＰＣ
２３…基準球
２４…球状面
２５…切り欠き部
２６…プリズム
２７…通路
10 ... face 11, 11a ... support 12,12a ... lock bolt 20 ... breaker 21 ... 3D scanner 22 ... PC
23 ... reference sphere 24 ... spherical surface 25 ... notch 26 ... prism 27 ... passage
Claims (10)
トンネル内を三次元計測する計測手段と、
トンネル内に配置され、予め計測された位置座標を有する３以上の球状ターゲットと、
トンネル内の１以上の箇所の位置座標を計算する演算手段とを含み、
前記計測手段は、前記３以上の球状ターゲットを含むトンネル内を、計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測し、
前記演算手段は、前記計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測された計測結果に基づいて前記計測手段の位置座標を計算し、計算した前記計測手段の位置座標と前記計測手段の計測結果とに基づいて前記トンネル内の１以上の箇所の位置座標を計算する、トンネル施工管理システム。 A tunnel construction management system for managing tunnel construction,
Measuring means for three-dimensional measurement in the tunnel;
Three or more spherical targets placed in the tunnel and having pre-measured position coordinates;
Computing means for calculating position coordinates of one or more points in the tunnel,
The measuring means measures the inside of the tunnel including the three or more spherical targets by changing the measurement point interval and the measurement range in a three-dimensional manner,
The calculation means calculates the position coordinates of the measurement means based on the measurement results measured three-dimensionally by changing the measurement point interval and measurement range, and the calculated position coordinates of the measurement means and the measurement results of the measurement means A tunnel construction management system that calculates position coordinates of one or more locations in the tunnel based on the above.
前記計測手段は、前記車両に免震架台を介して搭載される、請求項２または３に記載のトンネル施工管理システム。 Including a vehicle comprising means for constructing a place where the construction is necessary,
The tunnel construction management system according to claim 2 or 3, wherein the measuring means is mounted on the vehicle via a base isolation frame.
前記表示手段は、前記施工が必要な箇所を他の箇所と区別可能に表示する、請求項２〜６のいずれか１項に記載のトンネル施工管理システム。 Including display means for displaying the determination result of the computing means,
The tunnel construction management system according to any one of claims 2 to 6, wherein the display means displays a place where the construction is necessary so as to be distinguishable from other places.
前記演算手段は、前記第１の計測点間隔で前記第１の計測範囲を三次元計測した計測結果に基づいて前記各球状ターゲットの位置を特定し、
前記計測手段は、前記第１の計測点間隔とは異なる第２の計測点間隔で、前記第１の計測点間隔とは異なる第２の計測範囲を三次元計測し、
前記演算手段は、前記第２の計測点間隔で前記第２の計測範囲を三次元計測した計測結果に基づいて前記各球状ターゲットの位置座標を計算し、前記各球状ターゲットの位置座標に基づいて前記計測手段の位置座標を計算する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のトンネル施工管理システム。 The measurement means measures the first measurement range including the three or more spherical targets at a first measurement point interval, three-dimensionally,
The calculation means specifies the position of each spherical target based on a measurement result obtained by three-dimensionally measuring the first measurement range at the first measurement point interval,
The measurement means measures a second measurement range different from the first measurement point interval at a second measurement point interval different from the first measurement point interval, and three-dimensionally measures the second measurement range.
The computing means calculates position coordinates of the spherical targets based on measurement results obtained by three-dimensionally measuring the second measurement range at the second measurement point intervals, and based on the position coordinates of the spherical targets. The tunnel construction management system of any one of Claims 1-7 which calculates the position coordinate of the said measurement means.
前記演算手段は、三次元計測した計測結果に基づいてトンネル軸方向を特定する、請求項８に記載のトンネル施工管理システム。 The measurement means has a third measurement point interval different from the first measurement point interval and the second measurement point interval, and a third measurement point interval different from the first measurement range and the second measurement range. Three-dimensional measurement of the measurement range,
The tunnel construction management system according to claim 8, wherein the calculation means specifies a tunnel axis direction based on a three-dimensional measurement result.
予め計測された位置座標を有する３以上の球状ターゲットを含むトンネル内を、計測点間隔および計測範囲を変えて計測手段により三次元計測するステップと、
前記計測点間隔および計測範囲を変えて三次元計測された計測結果に基づいて前記計測手段の位置座標を計算するステップと、
トンネル内を前記計測手段により三次元計測するステップと、
トンネル内を三次元計測した計測結果と、計算された前記計測手段の位置座標とに基づいてトンネル内の複数の箇所の位置座標を計算するステップと、
前記複数の箇所の位置座標を、設計データと比較して前記施工が必要な箇所を判定するステップとを含む、判定方法。 It is a method to determine the location where construction is necessary in the tunnel,
Three-dimensionally measuring the inside of a tunnel including three or more spherical targets having pre-measured position coordinates by measuring means by changing the measurement point interval and the measurement range;
Calculating the position coordinates of the measuring means based on the measurement results measured three-dimensionally by changing the measurement point interval and the measurement range;
A step of measuring three-dimensionally in the tunnel by the measuring means;
Calculating the position coordinates of a plurality of locations in the tunnel based on the measurement result of three-dimensional measurement in the tunnel and the calculated position coordinates of the measuring means;
A step of comparing the position coordinates of the plurality of locations with design data to determine a location where the construction is necessary.
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