JP6788990B2 - こそく管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルのこそく作業時に、トンネルの余掘やアタリをリアルタイムに把握することが可能な、こそく管理装置に関する。

トンネル掘削において、設計断面を精度良く施工するための方法として、以下の特許文献１に記載のシステムが知られている。
このシステムは、トンネル断面に対し、トータルステーションから測距用ビームを直接照射して、照射点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出し、この算出作業を繰り返してトンネルの断面形状を求めてから、予め入力されているトンネル断面計画線との比較に基づいて、余掘（過剰掘削）やアタリ（掘削不足）の位置を特定するものである。

そして、前記「こそく作業」とは、トンネル掘削に発破工法を用いる場合、発破後の切羽付近に浮きでている岩片や岩塊を、鉄棒などを用いて落下させる浮石落しの作業をいう。

特開２００１−１８２４８４号公報

上記した従来の方法では、以下の問題がある。
（１）測距用ビームの照射が困難である。
切羽近傍の掘削断面は、直後に立て込まれた手前の支保工との段差によって陰が生じてしまい、特許文献１に記載の構成では、切羽近傍の掘削断面にビームを照射できない場合がある。
（２）トータルステーションが掘削作業の邪魔になる。
前記（１）の問題を解決する方法としては、ビームを照射するトータルステーションを切羽近傍に配置することが考えられるが、トータルステーションが掘削作業の邪魔になるだけでなく、設置や撤去の度に作業員を危険にさらすことになり、好ましく無い。
（３）測定結果をオペレータが即座に把握できない。
特許文献１に記載の構成は、あくまで測量作業に限定した中での使用を想定しており、こそく作業などの他の作業と並行して実施することを意図していない。
よって、こそく作業に用いる建設機械を操作するオペレータが測定結果をリアルタイムに把握することはできない。

本発明は、上記課題を解決して、トンネルの余掘やアタリをリアルタイムに把握することが可能な手段の提供を目的とする。

上記の課題を解決すべくなされた本願の第１発明は、建設機械によるトンネルのこそく作業時に用いる、こそく管理装置であって、トータルステーションと、前記建設機械に設置して、前記トータルステーションによる前記建設機械の座標情報を測定するための、反射体と、前記建設機械に設置して、該建設機械の姿勢情報を測定する、センサユニットと、情報処理を行う制御手段と、を少なくとも具備し、前記制御手段は、記憶部、先端座標特定部、および出来形表示部を少なくとも備え、前記記憶部は、前記建設機械の寸法情報と、トンネルの掘削出来形の基準情報と、を記憶する機能を有し、前記先端座標特定部は、前記記憶部からの前記寸法情報と、前記トータルステーションからの座標情報と、前記センサユニットからの前記姿勢情報と、に基づいて、少なくとも前記建設機械の作業具の先端座標を特定する機能を有し、前記出来形表示部は、前記先端座標と、前記トンネルの掘削出来形の基準情報とに基づいて、トンネルの掘削出来形を表示する機能を有し、前記制御手段が、消耗検出部を更に有し、前記消耗検出部は、前記建設機械の作業具の先端を不動点に接触させた状態で得られる各種測定値の履歴から、前記作業具の消耗度を検出する機能を有することを特徴とするものである。
また、本願の第２発明は、前記第１発明において前記先端座標特定部は、前記建設機械の作業具の先端を不動点に接触させて、前記作業具の先端座標の校正を行う機能、を更に有することを特徴とするものである。

本発明によれば、以下に記載する効果を奏する。
（１）先端座標特定部でもって、建設機械の作業具の先端座標を特定することにより、こそく作業と並行して掘削出来形を測定することができる。
また、建設機械で測定箇所を直接触れながら測定するため、測定箇所の特定精度の信頼性も高くなる。
また、建て込み済みの支保工等によって測定作業が邪魔になることも無い。
また、掘削場所の近傍にトータルステーションを設置する必要がないため、人が切羽直下に入ることも、掘削作業を妨げることもない。
（２）出来形表示部でもって、測定箇所が掘削不足であるか過剰掘削であるか否かを判定することで、よりリアルタイムな掘削出来形の把握が可能となる。
（３）先端座標特定部でもって、不動点を利用した先端座標の校正を行うことにより、建設機械の作業具の先端座標をより精度高く測定することができる。
（４）先端座標特定部による作業具の先端座標を特定する機能を活かして、作業具の消耗度を検出することができる。
（５）トンネルの掘削出来形を表示する出来形表示部を、前記建設機械のオペレータ室へ搭載しておくことにより、オペレータが掘削出来形をリアルタイムに把握することができる。

第１実施例に係るこそく管理装置の全体構成を示す概略図。 トンネルの掘削出来形の表示例を示した図。 建設機械の座標の特定作業の操作画面を示すイメージ図（１）。 建設機械の座標の特定作業の操作画面を示すイメージ図（２）。 建設機械の座標の特定作業の操作画面を示すイメージ図（３）。 建設機械の座標の特定作業の操作画面を示すイメージ図（４）。 建設機械の座標の特定作業の操作画面を示すイメージ図（５）。 建設機械の座標の特定作業の操作画面を示すイメージ図（６）。 第２実施例に係るこそく管理装置の制御手段の構成を示すブロック図。 第２実施例に係るこそく管理装置の使用方法を示すイメージ図。

以下、図面を参照しながら、本願発明の実施例について説明する。

＜１＞全体構成
図１は、本実施例に係るこそく管理装置の全体構成を示す概略図である。
本実施例に係るこそく管理装置は、トンネルの掘削現場において用いるものであり、トンネル内部に配置するトータルステーション１０と、こそく作業に用いる建設機械Ａに設置する反射体２０、およびセンサユニット３０と、各装置から得られる情報を元に情報処理を行う制御手段４０と、を少なくとも具備して構成する。これらの構成要素は、公知の通信手段によって情報を送受信可能に構成している。
以下、各構成要素の詳細について説明する。

＜２＞建設機械・作業具
建設機械Ａは、トンネルのこそく作業に用いる機械であり、こそく作業を行う作業具Ａ１を有する装置である。
建設機械Ａは、油圧ブレーカ、ツインヘッダー、バックホウなどを想定しており、油圧ブレーカの場合にはチゼル、ツインヘッダーの場合には掘削ドラム、バックホウの場合にはバケットなどが作業具Ａ１に相当する。
その他、建設機械Ａには、センサユニット３０からの測定値を制御手段４０に送信したり、前記トータルステーション１０からの測定値を制御手段が受信したりするための無線アンテナＡ２などを設けている。
その他、建設機械Ａには作業面を撮影するカメラ（図示せず）を設けておくこともできる。

＜３＞トータルステーション
トータルステーション１０は、測距用ビームを用いて、建設機械Ａの座標や、切羽Ｙまでの距離などを測定するための装置である。
トータルステーションの設置位置は、掘削作業やこそく作業の邪魔にならないよう、建設機械Ａの後方のトンネル壁面などに固定設置しておくことができる。
トータルステーション１０は公知の装置を用いれば良く、詳細な説明は省略する。
トータルステーション１０の測距用ビームは、トンネルの掘削断面ではなく、前記反射体２０へと照射するため、トンネル掘削後に立て込んだ支保工Ｘなどがビームの障害になることはない。

＜４＞反射体
反射体２０は、トータルステーション１０からの測距用ビームを、トータルステーション１０へと反射するための装置である。
反射体２０は、建設機械Ａの任意の箇所に設置する。
建設機械Ａに対する反射体２０の設置数や設置箇所は、反射体２０の性能や現場条件に応じて適宜設定することができる。
なお、反射体２０を、３６０°シャッター付きのプリズムで構成すれば、前記反射体２０は、建設機械Ａの後方に１箇所設けるのみで良い。

＜５＞センサユニット
センサユニット３０は、建設機械Ａの姿勢を把握するための装置である。
センサユニット３０は、公知の角度センサ３１などからなり、これらを建設機械Ａの本体部、ブーム、アームなど、旋回または可動する部位に設置して、適宜各部位の角度情報などを測定することができる。
図１では、センサユニット３０は、作業機械Ａの走行部に対して旋回する本体部の旋回角度を測定する角度センサ３１ａ、ブームの角度を測定する角度センサ３１ｂ、アームの角度を測定する角度センサ３１ｃ、作業具Ａ１の角度を測定する角度センサ３１ｄでもって、構成している。
これらの角度情報を元に、建設機械Ａがどのような姿勢を呈しているかの情報（姿勢情報）を求める。

＜６＞制御手段
制御手段４０は、情報処理を行うための装置である。
制御手段４０は、ＰＣ、スマートフォン、タブレット等の情報処理装置と、該情報処理装置内で動作するプログラムとでもって、少なくとも、記憶部４１、先端座標特定部４２、およびディスプレイ等の出来形表示部４３の機能を実現するように動作する。
以下、各機能部の詳細について説明する。

＜６．１＞記憶部
記憶部４１は、情報処理に用いる情報を格納しておくための手段である。
より詳細には、記憶部４１は、少なくとも、前記建設機械Ａの寸法情報と、トンネルの掘削出来形の基準情報とを記憶する機能を有し、これらの情報が格納されている。
建設機械Ａの寸法情報には、建設機械Ａのブーム寸法、アーム寸法、作業具Ａ１の全長などが含まれる。
トンネルの掘削出来形の基準情報には、設計上のトンネルの掘削断面形状や線形座標などを表す情報が含まれている。

＜６．２＞先端座標特定部
先端座標特定部４２は、少なくとも、建設機械Ａの作業具Ａ１の先端座標を特定するための手段である。
より詳細には、前記建設機械Ａの作業具Ａ１の先端座標は、前記記憶部４１からの前記寸法情報と、前記トータルステーション１０からの座標情報と、前記センサユニット３０からの前記姿勢情報と、に基づいて特定することができる。
この先端座標特定部４２により、作業具Ａ１を測定箇所に接触させた状態で測定を開始すれば、接触箇所の座標を求めることができる。

［校正機能］
なお、先端座標特定部４２は、既に座標が特定されている不動点に対し、作業具Ａ１の先端を接触させて先端座標を測定し、測定した先端座標が、前記不動点の特定座標と一致するように校正作業を行うと更に精度が向上する。

＜６．３＞出来形表示部
出来形表示部４３は、トンネルの掘削出来形を表示するための手段である。
より詳細には、出来形表示部４３は、作業具Ａ１の先端座標からなる実際の掘削状況と、前記トンネルの掘削出来形の基準情報とに基づいて、トンネルの掘削出来形を表示する機能を有する。

図２は、トンネルの掘削出来形を管理するための表示例を示した図である。
トンネルの掘削断面を撮影した画像や、前記先端座標特定部４２によって描画した測定点を繋いでなる掘削線Ｂを表示した画像に、トンネルの掘削出来形の基準情報から導きだされる設計線Ｃを組み合わせてディスプレイ上に表示すると、どの箇所が、掘削過剰領域（余掘）Ｄまたは掘削不足領域（アタリ）Ｅであるのかを、視覚的に確認することができる。

また、出来形表示部４３では、ディスプレイ上の表示において、作業具Ａ１の先端座標が、掘削過剰領域Ｄに位置するのか、掘削不足領域Ｅに位置するのかがより容易に把握できるように、領域の変化に応じて着色表示を大きく変えておくことが好ましい。
また、出来形表示部４３による比較結果を表示するディスプレイは、建設機械Ａのオペレータ室に設けるように構成しておくと、オペレータ自身のリアルタイムな把握が可能である点で好ましい。

＜７＞使用方法
本実施例に係るこそく管理装置の使用手順について説明する。
なお、後述する手順はあくまで一例であり、発明の内容を限定するものでは無い。

（１）事前設定
制御手段４０の記憶部４１には、こそく作業に使用する建設機械Ａの寸法情報と、トンネルの掘削出来形の基準情報を予め入力しておく。

（２）建設機械の初期位置の特定
次に、トンネルに配置した建設機械Ａの初期位置を特定する。
図３〜７は、初期位置特定作業の手順を、タッチ式のディスプレイに表示した場合の画面イメージ図である。

（２．１）正面側を向いた状態での特定
まず、建設機械Ａを切羽正面側に向けた状態で、反射体２０とトータルステーション１０との間の位置関係を特定する。
図３は、建設機械Ａを切羽Ｙの正面側に向けるよう促す際の画面イメージ図であり、図４は、建設機械Ａが切羽正面を向いた状態で、トータスステーション１０の測距用ビームを、反射体２０に誘導する作業を行う際の画面イメージ図である。

（２．２）左右側を向いた状態での特定
次に、建設機械Ａを左右に９０°旋回した状態で、反射体２０とトータルステーション１０との間の位置関係を特定する。
図５は、建設機械Ａの作業具Ａ１を右側に９０°旋回した時の反射体２０の座標を取得する際の画面イメージ図であり、図６は、前記作業具Ａ１を左側に９０°旋回した時の反射体２０の座標を取得する際の画面イメージ図である。

（２．３）特定完了
図７は、建設機械Ａの初期位置の特定が完了した際の画面イメージ図である。
初期位置が特定されると、あとは建設機械Ａの寸法情報と、センサユニット３０の測定値からなる建設機械Ａの姿勢情報とに基づいて、作業具Ａ１の先端座標を求めることができる。

（３）ガイダンスの開始
図８は、こそく作業時のガイダンスが開始された状態の画面イメージ図である。
建設機械Ａによるこそく作業時の際には、作業具Ａ１の先端座標を逐一求めて、トンネルの掘削出来形の基準情報と対比するようにディスプレイ上に表示しておけば、リアルタイムに、余掘かアタリかを把握することができる。

＜１＞消耗検出部
図９は、第２実施例に係るこそく装置に設ける制御手段の構成図である。
実施例に係るこそく装置には、制御手段４０にさらに消耗検出部４４を設けるように構成することができる。
消耗検出部４４は、前記建設機械Ａの作業具Ａ１の先端を不動点Ｆに接触させた状態で得られる測定値の履歴から、前記作業具Ａ１の消耗度を検出する機能を有する。

＜２＞使用方法
図１０を参照しながら、消耗検出部４４の使用方法の一例について説明する。
まず、建設機械Ａの位置を固定したまま、ある不動点Ｆに対し作業具Ａ１の先端を接触させた状態で、先端座標を取得する。
この先端座標と、前記不動点Ｆの座標とにズレが生じている場合には、作業具Ａ１の消耗が進んでいることがわかる。
その他にも、消耗検出部４４は、建設機械Ａの位置を固定したまま、ある不動点Ｆに対し作業具Ａ１の先端を接触させた状態で取得したセンサユニット３０の測定値のズレによっても、作業具Ａ１の消耗を検知することもできる。

１０ トータルステーション
２０ 反射体
３０ センサユニット
４０ 制御手段
４１ 記憶部
４２ 先端座標特定部
４３ 出来形表示部
４４ 消耗検出部
Ａ 建設機械
Ａ１ 作業具
Ｂ 掘削線
Ｃ 設計線
Ｄ 過剰掘削領域
Ｅ 掘削不足領域
Ｆ 不動点
Ｘ 支保工
Ｙ 切羽

Claims (2)

1. 建設機械によるトンネルのこそく作業時に用いる、こそく管理装置であって、
   トータルステーションと、
   前記建設機械に設置して、前記トータルステーションによる前記建設機械の座標情報を測定するための、反射体と、
   前記建設機械に設置して、該建設機械の姿勢情報を測定する、センサユニットと、
   情報処理を行う制御手段と、を少なくとも具備し、
   前記制御手段は、記憶部、先端座標特定部、および出来形表示部を少なくとも備え、
   前記記憶部は、前記建設機械の寸法情報と、トンネルの掘削出来形の基準情報と、を記憶する機能を有し、
   前記先端座標特定部は、前記記憶部からの前記寸法情報と、前記トータルステーションからの座標情報と、前記センサユニットからの前記姿勢情報と、に基づいて、少なくとも前記建設機械の作業具の先端座標を特定する機能を有し、
   前記出来形表示部は、前記先端座標と、前記トンネルの掘削出来形の基準情報とに基づいて、トンネルの掘削出来形を表示する機能を有し、
   前記制御手段が、消耗検出部を更に有し、
   前記消耗検出部は、前記建設機械の作業具の先端を不動点に接触させた状態で得られる各種測定値の履歴から、前記作業具の消耗度を検出する機能を有することを特徴とする、
   こそく管理装置。
2. 前記先端座標特定部は、前記建設機械の作業具の先端を不動点に接触させて、前記作業具の先端座標の校正を行う機能、を更に有することを特徴とする、
   請求項１に記載のこそく管理装置。