JP7076086B2 - トンネル内空変位計測方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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）。

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）

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。

特開平５－９９６７０号公報 特開２００８－２９８４３２号公報 特開２０１４－２０２７号公報 特開２０１４－９８７０４号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

移動車例の平面図である。 移動車例の正面図である。 本発明例の概要説明図である。 機器構成例の説明図である。 データの処理ステップ例のフロー図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

以上のステップを経た後、変位計算するＳ６。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (2)

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。
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。

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