JP7307667B2 - シールドトンネルの測量システムおよびシールドトンネルの測量方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールドトンネルの測量システムおよびシールドトンネルの測量方法に関する。

レーザー測距計の水平方向の角度を変えながら複数回にわたってレーザー光を照射してトンネルの空間断面形状を計測する方法が知られている（特許文献１）。

特開２００９－７９９５３号公報

上記したトンネルの空間断面形状を計測する方法では、セグメントの空間座標（トンネルの位置や姿勢）を算出することはできない。仮に、この方法で採用されているレーザー測距計を用いてセグメントの空間座標を算出することを考えると、レーザー測距計の空間座標を測量するための複数の基準点が必要になるだけでなく、レーザー測距計によって計測可能な複数のセグメントターゲットを複数のセグメントに新たに設定しなければならない。したがって、レーザー測距計を用いてセグメントの空間座標（トンネルの位置や姿勢）を測量することは容易でなかった。

本発明は、上記課題を解決するために、シールドトンネルの位置や姿勢を容易に測量することができるシールドトンネルの測量システムおよびシールドトンネルの測量方法を提供する。

本発明は、複数のセグメントで構築されるシールドトンネルの測量システムであって、複数の前記セグメントにレーザーを照射して複数の前記セグメントの一部である複数のセグメントターゲットを含む複数の前記セグメントの空間位置情報を計測するレーザースキャナーと、前記シールドトンネルに設定された複数の基準点のうち１つの前記基準点に設置され、他の前記基準点に基づいて前記レーザースキャナーの空間座標を測量する測量機と、前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記セグメントターゲットの空間座標に基づいて前記シールドトンネルの位置および姿勢を算出する算出部と、を備えた。

この場合、前記空間位置情報の計測中および前記レーザースキャナーの空間座標の測量中を除く期間において、前記レーザースキャナーを前記シールドトンネルの軸線方向に垂直な横断面に沿って移動させる移動部を更に備え、前記移動部が前記レーザースキャナーを異なる位置に移動させる度に、前記レーザースキャナーは前記空間位置情報を計測し、前記測量機は前記レーザースキャナーの空間座標を測量してもよい。

また、本発明は、複数のセグメントで構築されるシールドトンネルの測量システムであって、複数の前記セグメントにレーザーを照射して前記シールドトンネルに設定された複数の基準点および複数の前記セグメントの一部である複数のセグメントターゲットを含む複数の前記セグメントの空間位置情報を計測するレーザースキャナーと、前記空間位置情報に含まれる複数の前記基準点の空間座標に基づいて前記レーザースキャナーの空間座標を算出し、前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記セグメントターゲットの空間座標に基づいて前記シールドトンネルの位置および姿勢を算出する算出部と、を備えた。

この場合、前記空間位置情報の計測中を除く期間において、前記レーザースキャナーを前記シールドトンネルの軸線方向に垂直な横断面に沿って移動させる移動部を更に備え、前記移動部が前記レーザースキャナーを異なる位置に移動させる度に、前記レーザースキャナーは前記空間位置情報を計測し、前記算出部は前記レーザースキャナーの空間座標を算出してもよい。

この場合、前記レーザースキャナーは、前記シールドトンネルを掘削するシールドにレーザーを照射して前記シールドに設定された複数のマシンターゲットを含む前記シールドの前記空間位置情報を計測し、前記算出部は、前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記マシンターゲットの空間座標に基づいて前記シールドの位置および姿勢を算出してもよい。

この場合、複数の前記セグメントターゲットは、前記シールドトンネルの最下部に位置する下部測点と、前記シールドトンネルの軸線方向に直交する水平方向の最外部に位置する側部測点と、を含んでもよい。

本発明は、複数のセグメントで構築されるシールドトンネルの測量方法であって、レーザースキャナーから複数の前記セグメントにレーザーを照射して複数の前記セグメントの一部である複数のセグメントターゲットを含む複数の前記セグメントの空間位置情報を計測する計測工程と、前記シールドトンネルに設定された複数の基準点のうち１つの前記基準点に設置された測量機により他の前記基準点に基づいて前記レーザースキャナーの空間座標を測量する座標測定工程と、前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記セグメントターゲットの空間座標に基づいて前記シールドトンネルの位置および姿勢を算出する算出工程と、を備えた。

この場合、前記空間位置情報の計測中および前記レーザースキャナーの空間座標の測量中を除く期間において、前記レーザースキャナーを前記シールドトンネルの軸線方向に垂直な横断面に沿って移動させる移動工程を更に備え、前記レーザースキャナーを異なる位置に移動させる度に、前記計測工程および前記座標測定工程が実行されてもよい。

また、本発明は、複数のセグメントで構築されるシールドトンネルの測量方法であって、レーザースキャナーから複数の前記セグメントにレーザーを照射して前記シールドトンネルに設定された複数の基準点および複数の前記セグメントの一部である複数のセグメントターゲットを含む複数の前記セグメントの空間位置情報を計測する計測工程と、前記空間位置情報に含まれる複数の前記基準点の空間座標に基づいて前記レーザースキャナーの空間座標を算出する座標測定工程と、前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記セグメントターゲットの空間座標に基づいて前記シールドトンネルの位置および姿勢を算出する算出工程と、を備えた。

この場合、前記空間位置情報の計測中を除く期間において、前記レーザースキャナーを前記シールドトンネルの軸線方向に垂直な横断面に沿って移動させる移動工程を更に備え、前記レーザースキャナーを異なる位置に移動させる度に、前記計測工程および前記座標測定工程が実行されてもよい。

この場合、前記計測工程では、前記レーザースキャナーから前記シールドトンネルを掘削するシールドにレーザーを照射して前記シールドに設定された複数のマシンターゲットを含む前記シールドの前記空間位置情報が計測され、前記算出工程では、前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記マシンターゲットの空間座標に基づいて前記シールドの位置および姿勢が算出されてもよい。

この場合、複数の前記セグメントターゲットは、前記シールドトンネルの最下部に位置する下部測点と、前記シールドトンネルの軸線方向に直交する水平方向の最外部に位置する側部測点と、を含んでもよい。

本発明によれば、シールドトンネルの位置や姿勢を容易に測量することができる。

本発明の第１実施形態に係るシールドトンネルの測量システムを示す概略図（側面図）である。 図１のＩＩ－ＩＩ断面図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。 本発明の第１実施形態に係るシールドトンネルの測量システムを示す概略図（平面図）である。 図１のＶ－Ｖ断面図である。 本発明の第１実施形態に係るシールドトンネルの測量システムを示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るシールドトンネルの測量方法を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るシールドトンネルの測量システムを示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るシールドトンネルの測量方法を示すフローチャートである。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。なお、図面に示す「Ｆｒ」は「前」を示し、「Ｒｒ」は「後」を示し、「Ｌ」は「左」を示し、「Ｒ」は「右」を示し、「Ｕ」は「上」を示し、「Ｄ」は「下」を示している。また、シールドトンネルの軸線方向が概ね前後方向であり、軸線方向に直交する水平方向が左右方向であり、前後方向と左右方向とに直交する方向が上下方向である。本明細書では方向や位置を示す用語を用いるが、それらの用語は説明の便宜のために用いるものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

［第１実施形態］
図１ないし図６を参照して、シールドトンネル５、シールド６およびシールドトンネル５の測量システム１について説明する。図１はシールドトンネル５の測量システム１を示す概略図（側面図）である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ断面図である。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。図４はシールドトンネル５の測量システム１を示す概略図（平面図）である。図５は、図１のＶ－Ｖ断面図である。図６はシールドトンネル５の測量システム１を示すブロック図である。なお、図１および図４に示す一点鎖線がシールドトンネル５の軸線であり、この軸線に沿う方向が軸線方向である。

［シールドトンネル］
シールドトンネル５は、シールド工法によって掘削される。図１に示すように、シールド工法とは、シールド６（シールドマシン）によって地山の崩壊を防ぎながら地山を掘削し、シールド６の後方において複数のセグメント７を組み立ててシールドトンネル５を構築する工法である。一例として、シールド６は略円筒状に形成され、シールドトンネル５は略円形断面を有している。セグメント７は、シールドトンネル５の断面に合わせて円弧状に形成されたブロックである。

［シールド］
シールド６は、マシン本体６０と、カッターヘッド６１と、複数のシールドジャッキ６２と、エレクター６３と、を有している。マシン本体６０は、略円筒状に形成され、シールドトンネル５の壁面が構築されるまでの間、掘削された地山を支える。カッターヘッド６１は、マシン本体６０の前端部に設けられ、回転しながら地山を掘削する。複数のシールドジャッキ６２は、組み立てられたセグメント７を反力としてシールド６を前進させ、カッターヘッド６１を地山（切羽）に押し付ける。エレクター６３は、マシン本体６０の内側後部に設置され、セグメント７を所定の組み立て位置に移動させる。また、マシン本体６０の内側後部には、掘削した土砂を搬出するためのスクリューコンベア６７やベルトコンベア６８等が設置されている。なお、図２および図３では、スクリューコンベア６７やベルトコンベア６８の図示を省略している。

図１および図２に示すように、エレクター６３は、マシン本体６０の軸周りに回転可能に設けられた円環状の回転部材６４と、回転部材６４に固定された支持部材６５と、支持部材６５に対して径方向に伸縮可能に設けられた把持部材６６と、を有している。把持部材６６は、セグメント７を把持した状態で径方向内側に縮み、回転部材６４によって所定の位置まで回転され、その後、径方向外側に伸びることでセグメント７を所定の位置に取り付ける。このような手順によって、図１および図３に示すように、複数のセグメント７が周方向に並設され、シールドトンネル５の壁面の１周分（１つのリング５Ｒ）が組み立てられる。

［シールドトンネルの測量システム］
シールドトンネル５の測量システム１は、シールドトンネル５とシールド６との位置および姿勢を測量するための仕組みである。

図１および図４に示すように、測量システム１は、レーザースキャナー１２と、エレクター６３と、トータルステーション１３と、制御装置１４と、を備えている。なお、移動部の一例としてのエレクター６３は、シールド６の構成であるが、測量システム１の構成でもある。

まず、レーザースキャナー１２やトータルステーション１３によって測量される基準点１０およびマシンターゲット１１について説明する。

＜基準点＞
図４に示すように、複数の基準点１０は、シールドトンネル５に設定されている。具体的には、複数の基準点１０は、坑内や立坑（図示せず）の床面等に設けられ、経緯度および標高（空間座標（三次元座標））が既知の点である。基準点１０は、トータルステーション１３によって測定可能な物体または印である。基準点１０は、トータルステーション１３を配置する位置を指標する共に、トータルステーション１３によってレーザースキャナー１２の位置を測量する際に用いられる。レーザースキャナー１２の位置を測量するため、少なくとも２つの基準点１０が必要になる。

＜マシンターゲット＞
図１および図５に示すように、複数のマシンターゲット１１は、シールドトンネル５を掘削するシールド６に設定されている。具体的には、２つのマシンターゲット１１が、マシン本体６０の前壁において左右方向に離間して設けられている。マシンターゲット１１は、レーザースキャナー１２によって空間位置情報を取得可能な物体または印である。マシンターゲット１１は、シールド６（または切羽）の位置および姿勢を測量する際に用いられる。なお、マシンターゲット１１は２つ以上設定されていればよい。また、複数のマシンターゲット１１は、互いに離間して配置されていればよく、その位置は自由に設定することができる。

＜レーザースキャナー＞
レーザースキャナー１２は、対象物にレーザーを照射して対象物の形状を読み取る装置である。詳細には、レーザースキャナー１２は、照射したレーザーが対象物で反射して戻ってくるまでの時間に基づいて対象物までの距離を測定し、測定した距離およびレーザーの照射角度から空間位置情報を読み取る。なお、空間位置情報とは、レーザースキャナー１２を基準とした複数の点の空間座標および角度を制御装置１４によって算出するための情報である。

レーザースキャナー１２は、複数のセグメント７にレーザーを照射して複数のセグメント７の空間位置情報を計測する。詳細は後述するが、複数のセグメント７には、これらの一部である複数のセグメントターゲット７Ｔ（図１参照）が設定されおり、空間位置情報には、複数のセグメントターゲット７Ｔの空間位置情報が含まれる。また、空間位置情報には、複数の基準点１０の空間位置情報も含まれる。また、レーザースキャナー１２は、シールド６にレーザーを照射して複数のマシンターゲット１１を含むシールド６の空間位置情報を計測する。

（セグメントターゲット）
ここで、図１および図３に示すように、第１実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１では、一例として、隣り合うセグメント７の境界（継目）がセグメントターゲット７Ｔとして利用されている。詳細には、複数のセグメントターゲット７Ｔは、シールドトンネル５の最下部に位置する下部測点７Ｄと、軸線方向に直交する水平方向の最外部（図３では最も左部（最も右部でもよい））に位置する側部測点７Ｓと、を含んでいる。レーザースキャナー１２によって取得した空間位置情報から下部測点７Ｄおよび側部測点７Ｓが特定される。

＜エレクター＞
図１および図２に示すように、エレクター６３には、レーザースキャナー１２を固定するための設置部６３Ａが設けられている。設置部６３Ａは、把持部材６６から周方向に離間した位置において支持部材６５に固定されている。エレクター６３は、レーザースキャナー１２を軸線方向に垂直な横断面に沿って周方向に移動させる。なお、設置部６３Ａは、支持部材６５に代えて、回転部材６４に設けられていてもよい。また、設置部６３Ａを省略して、レーザースキャナー１２が支持部材６５や回転部材６４に直接取り付けられていてもよい。

＜トータルステーション＞
測量機の一例としてのトータルステーション１３は、対象物までの距離と角度を同時に計測し、対象物までの水平距離、斜距離、高さを算出する装置である。図４に示すように、トータルステーション１３は、複数の基準点１０のうち１つの基準点１０に設置され、他の（１つの）基準点１０に基づいてレーザースキャナー１２の空間座標（３次元座標）を測量する。

上記したレーザースキャナー１２およびトータルステーション１３（以降、「レーザースキャナー１２等」ともいう。）は、携帯情報端末１５との間で無線通信を行うことで遠隔操作可能に構成されている。また、レーザースキャナー１２等は、制御装置１４（通信部２２）との間でデータの送受信を行うために無線通信機能を有している。

＜制御装置＞
図６に示すように、算出部の一例としての制御装置１４は、所謂パーソナルコンピューターであって、演算処理部２０と、記憶部２１と、通信部２２と、を有している。

演算処理部２０は、記憶部２１に格納されたプログラムに従って演算処理を実行する。記憶部２１は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ハードディスクドライブや半導体ドライブ等の補助記憶装置を含んでいる。記憶部２１には、プログラムやデータが記憶（格納）される。通信部２２は、レーザースキャナー１２等との間でデータの送受信を無線で行う。無線通信の方式としては、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の近距離無線通信技術を用いることができる。演算処理部２０、記憶部２１および通信部２２は互いに電気的に接続されている。なお、制御装置１４には、データや演算結果等を表示する表示部（液晶ディスプレイ等）や制御装置１４に指示を入力する操作部（キーボードやマウス等）が設けられている。

［シールドトンネルの測量方法］
次に、図７を参照して、シールドトンネル５の測量システム１を用いた測量方法について説明する。図７はシールドトンネル５の測量方法を示すフローチャートである。

シールドトンネル５の工事は昼夜を問わず一日を通して行われることが多く、この場合、シールドトンネル５の測量は作業員の交代時に行われることが多い。つまり、シールドトンネル５の測量は１日に２回（半日毎）行われる。また、セグメント７（シールドトンネル５の壁面）は１日で約１０個のリング５Ｒを組み立てられるため、当該測量は約５つのリング５Ｒ毎に行われる。なお、上記した測量を実行するタイミングや実行回数は、一例であり、これらは自由に設定することができ、例えば、１つのリング５Ｒ毎に測量を行ってもよい。

シールドトンネル５の測量方法は１人の作業員で実行することができる。まず、事前準備として、作業員は、レーザースキャナー１２を設置部６３Ａに固定し、トータルステーション１３をレーザースキャナー１２よりも後方に位置する基準点１０に設置する。なお、測量時以外（掘削作業・トンネル構築作業中）では、レーザースキャナー１２やトータルステーション１３は撤去されるが、掘削作業・トンネル構築作業の邪魔にならないのであれば、レーザースキャナー１２やトータルステーション１３を撤去しなくてもよい（常設としてもよい）。

次に、作業員は、携帯情報端末１５を用いてレーザースキャナー１２を遠隔操作し、レーザースキャナー１２から複数のセグメント７にレーザーを照射して複数の基準点１０および複数のセグメントターゲット７Ｔ（５つの下部測点７Ｄ、５つの側部測点７Ｓ）を含む複数のセグメント７の空間位置情報を計測する（計測工程Ｓ１）。また、計測工程Ｓ１では、レーザースキャナー１２からシールド６にレーザーを照射して２つのマシンターゲット１１を含むシールド６の空間位置情報も計測される。レーザースキャナー１２によって取得された空間位置情報は、制御装置１４に送信され、記憶部２１に記憶される。

続いて、作業員は、携帯情報端末１５を用いてトータルステーション１３を遠隔操作し、トータルステーション１３により他の基準点１０に基づいてレーザースキャナー１２の空間座標を測量する（座標測定工程Ｓ２）。トータルステーション１３によって測量されたレーザースキャナー１２の空間座標は、制御装置１４に送信され、記憶部２１に記憶される。

ところで、シールド６内やシールドトンネル５内には、スクリューコンベア６７等が設置されていたり、取り付け前のセグメント７等の多数の資材が置かれていたりする。このため、レーザースキャナー１２からのレーザー照射を１箇所から行った場合、レーザーがスクリューコンベア６７等の障害物に遮られ、測量対象となるセグメント７やシールド６にレーザーの当たらない部分が生じることがある。レーザーの当たらない部分が生じると、空間位置情報に欠損が発生し、測量に必要な空間位置情報を取得することができない。そこで、第１実施形態に係るシールドトンネル５の測量方法では、レーザースキャナー１２が異なる複数箇所に配置され、レーザーを照射するようになっている。

作業員が制御装置１４の記憶部２１に格納された空間位置情報を確認する、または制御装置１４がプログラムに従って自動で記憶部２１に格納された空間位置情報を確認する等した結果、取得した空間位置情報に、測量に必要なマシンターゲット１１やセグメントターゲット７Ｔ等が含まれていない場合（ステップＳ３で「ＮＯ」）、レーザースキャナー１２を異なる複数箇所に移動する。具体的には、作業員は、エレクター６３を操作して、レーザースキャナー１２を横断面に沿って移動させる（移動工程Ｓ４）。移動工程Ｓ４は、空間位置情報の計測中およびレーザースキャナー１２の空間座標の測量中を除く期間において実行される。エレクター６３は、レーザースキャナー１２が先にレーザーを照射した位置とは異なる位置にレーザースキャナー１２を移動させ、レーザースキャナー１２を移動させた位置に保持する。なお、レーザースキャナー１２等と同様に、エレクター６３が、携帯情報端末１５との間で無線通信を行うことで遠隔操作可能に構成されてもよい。

エレクター６３がレーザースキャナー１２を異なる位置に移動させる度に、計測工程Ｓ１および座標測定工程Ｓ２が実行される。すなわち、レーザースキャナー１２は、先程とは異なる位置でレーザーを照射して空間位置情報を計測する。また、トータルステーション１３は、先程とは異なる位置に移動したレーザースキャナー１２の空間座標を測量する。なお、エレクター６３によるレーザースキャナー１２の移動が停止し、レーザースキャナー１２が移動後の位置で保持された状態で、計測工程Ｓ１および座標測定工程Ｓ２が実行される。

移動工程Ｓ４は１回以上行われることが好ましい。すなわち、レーザースキャナー１２は、少なくとも異なる２つ以上の場所からレーザーを照射して空間位置情報を２回以上計測することが好ましい。これにより、シールドトンネル５内に障害物があっても、測量対象となるセグメント７およびシールド６の全域にレーザーを当てることができる。なお、制御装置１４は、レーザースキャナー１２の空間座標と空間位置情報とを対応付けて記憶部２１に記憶する。すなわち、記憶部２１には、複数のレーザースキャナー１２の空間座標と、複数の空間位置情報とが記憶される。

作業員が制御装置１４の記憶部２１に格納された空間位置情報を確認する、または制御装置１４が自動で記憶部２１に格納された空間位置情報を確認する等した結果、測量に必要な空間位置情報が取得されたと判定された場合（ステップＳ３で「ＹＥＳ」）、制御装置１４はシールドトンネル５およびシールド６の位置・姿勢を算出する。

制御装置１４（演算処理部２０）は、レーザースキャナー１２の空間座標および空間位置情報に含まれる複数のセグメントターゲット７Ｔの空間座標に基づいてシールドトンネル５の位置および姿勢を算出する（算出工程Ｓ５）。具体的には、シールドトンネル５（複数のセグメント７で構築された各リング５Ｒ）の直径の設計値は既知であるため、下部測点７Ｄと側部測点７Ｓとの空間座標が算出されれば、各リング５Ｒの中心の空間座標、つまりシールドトンネル５（各リング５Ｒ）の位置が求められる。また、前後方向に隣り合う下部測点７Ｄの空間座標（側部測点７Ｓまたは各リング５Ｒの中心の空間座標でもよい。）を通る軸線の傾き（水平角、垂直角）からシールドトンネル５（各リング５Ｒ）の姿勢が求められる。なお、制御装置１４が下部測点７Ｄと側部測点７Ｓとの空間座標から他の部分の空間座標を算出し、他の部分の空間座標に基づいてシールドトンネル５の位置・姿勢を算出してもよい。

また、算出工程Ｓ５では、制御装置１４が、レーザースキャナー１２の空間座標および空間位置情報に含まれる２つのマシンターゲット１１の空間座標に基づいてシールド６の位置および姿勢を算出する。具体的には、シールド６の直径は既知であるため、２つのマシンターゲット１１の空間座標が算出されれば、シールド６の中心の位置（空間座標）が求められる。また、２つのマシンターゲット１１の空間座標のずれからシールド６の姿勢が求められる。また、近傍のシールドトンネル５の中心とシールド６の中心とを通る軸線の傾き（水平角、垂直角）からシールド６の姿勢を求めてもよい。なお、制御装置１４が２つのマシンターゲット１１の空間座標から他の部分の空間座標を算出し、他の部分の空間座標に基づいてシールド６の位置・姿勢を算出してもよい。

なお、算出工程Ｓ５では、取得した空間位置情報（下部測点７Ｄ、側部測点７Ｓ）からマシン本体６０とセグメント７とのギャップ（隙間）を算出し、このギャップの値からシールドトンネル５およびシールド６の位置・姿勢を求めてもよい。

以上によって、シールドトンネル５の測量が完了する。測量の結果、シールドトンネル５の位置・姿勢が設計値からずれていた場合、例えば、テーパーが付いたセグメント７を用いて各リング５Ｒを組み立てることで、シールドトンネル５の位置・姿勢が設計値に戻るように修正（調整）する。また、シールド６の位置・姿勢が設計値からずれていた場合、シールド６の向きを修正（調整）する。

以上説明した第１実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１（測量方法）では、レーザースキャナー１２が複数のセグメント７の空間位置情報を取得する構成とした。この構成によれば、隣り合うセグメント７の境界（下部測点７Ｄ、側部測点７Ｓ）等、複数のセグメント７の一部を複数のセグメントターゲット７Ｔとして利用することができる。これにより、セグメントターゲット７Ｔをセグメント７に新たに設定する必要が無くなるため、複数のシールド６で構成されるシールドトンネル５の位置や姿勢を容易に測量することができる。

また、従来、２人の作業員が、シールドトンネル５の坑内に入り、トランシットとレベルを用いてシールドトンネル５の測量を行うことが多かった。これに対し、第１実施形態に係るシールドトンネル５の測量方法によれば、１人の作業員がレーザースキャナー１２およびトータルステーション１３を設置し、これらを遠隔操作することができる。これにより、従来に比べて、人件費を削減することができ、シールドトンネル５の坑内での作業時間を短縮することができる。その結果、作業員の作業負担を軽減することができ、測量ミスを予防することができる。

また、第１実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１（測量方法）によれば、複数のセグメント７の空間位置情報に加えて、シールド６の空間位置情報も取得することができるため、シールドトンネル５の位置等と同時にシールド６の位置等も測量することができる。

また、第１実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１（測量方法）では、エレクター６３（移動部）がレーザースキャナー１２を移動させる構成とした。この構成によれば、レーザースキャナー１２を様々な位置に配置してレーザーを照射することができるため、セグメント７やシールド６の全てにレーザーを当てることができ、適正な空間位置情報を取得することができる。これにより、シールドトンネル５やシールド６の位置等を正確に測量することができる。

なお、第１実施形態に係るシールドトンネル５の測量方法では、計測工程Ｓ１が実行された後に座標測定工程Ｓ２が実行されていたが、本発明はこれに限定されない。座標測定工程Ｓ２が実行された後に計測工程Ｓ１が実行されてもよいし、計測工程Ｓ１と座標測定工程Ｓ２とが略同時に実行されてもよい。

また、第１実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１では、トータルステーション１３が測量機の一例であったが、本発明はこれに限定されない。測量機の他の例として、距離を測る光波測距儀と角度を測るセオドライトを組み合わせて採用されてもよい（図示せず）。

［第２実施形態］
次に、図８および図９を参照して、第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム２（測量方法）について説明する。図８はシールドトンネル５の測量システム２を示すブロック図である。図９はシールドトンネル５の測量方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、第１実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１（測量方法）と同一の構成には同一の符号を付し、同様の説明は省略する。

図８に示すように、第２実施形態に係る測量システム２では、トータルステーション１３が省略され、レーザースキャナー１２によって取得した空間位置情報から複数の基準点１０の空間座標が特定される。

図９に示すように、シールドトンネル５の測量システム２を用いた測量方法では、計測工程Ｓ１が実行された後、制御装置１４（演算処理部２０）は、空間位置情報に含まれる複数の基準点１０の空間座標に基づいてレーザースキャナー１２の空間座標を算出する（座標測定工程Ｓ２１）。

測量に必要な空間位置情報（基準点１０、マシンターゲット１１、セグメントターゲット７Ｔ等）を取得できていない場合（ステップＳ３で「ＮＯ」）、空間位置情報の計測中を除く期間において、作業員は、エレクター６３を操作して、レーザースキャナー１２を横断面に沿って移動させる（移動工程Ｓ４）。

エレクター６３がレーザースキャナー１２を異なる位置に移動させる度に、計測工程Ｓ１および座標測定工程Ｓ２１が実行される。すなわち、レーザースキャナー１２は、先程とは異なる位置でレーザーを照射して空間位置情報を計測する。また、制御装置１４は、先程とは異なる位置に移動したレーザースキャナー１２の空間座標を算出する。

次に、測量に必要な空間位置情報が取得された場合（ステップＳ３で「ＹＥＳ」）、制御装置１４は、レーザースキャナー１２の空間座標および空間位置情報に含まれる複数のセグメントターゲット７Ｔの空間座標に基づいてシールドトンネル５の位置および姿勢を算出する（算出工程Ｓ５）。また、算出工程Ｓ５では、制御装置１４が、レーザースキャナー１２の空間座標および２つのマシンターゲット１１の空間座標に基づいてシールド６の位置および姿勢を算出する。

以上によって、シールドトンネル５の測量が完了する。

以上説明した第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム２（測量方法）によれば、複数のシールド６で構成されるシールドトンネル５の位置や姿勢を容易に測量することができる等、第１実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１（測量方法）と同様の効果を得ることができる。

なお、第１～第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１，２（測量方法）では、隣り合うセグメント７の境界（継目）がセグメントターゲット７Ｔとして利用されていたが、本発明はこれに限定されない。セグメントターゲット７Ｔは、セグメント７の一部であれば如何なるものでもよい。例えば、制御装置１４が、取得した空間位置情報から複数のセグメント７で構築された各リング５Ｒの最下端と最左側端（または最右側端）との空間座標を算出し、これらの空間座標をセグメントターゲット７Ｔとして設定してもよい。

また、第１～第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１，２（測量方法）では、下部測点７Ｄと側部測点７Ｓの２点をセグメントターゲット７Ｔに設定したが、本発明はこれに限定されない。例えば、下部測点７Ｄに代えて、シールドトンネル５の最上部に位置する上部測点をセグメントターゲット７Ｔとして利用してもよい。また、上下左右の４点をセグメントターゲット７Ｔとして利用してもよい。

また、第１～第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１，２では、エレクター６３が移動部の一例であったが、本発明はこれに限定されない。移動部の他の例として、上下方向および左右方向に移動可能なアームスタンドやロボットアーム（いずれも図示せず）が設けられ、アームスタンド等にレーザースキャナー１２が取り付けられてもよい。また、アームスタンド等は、手動で動かしてもよいし、モーター等を遠隔操作して動かしてもよい。

また、第１～第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１，２では、レーザースキャナー１２がエレクター６３によって移動可能に設けられていたが、本発明はこれに限定されない。１箇所に固定したレーザースキャナー１２が測量に必要な基準点１０、マシンターゲット１１およびセグメントターゲット７Ｔの空間位置情報を計測できるのであれば、レーザースキャナー１２を移動させる必要はない。つまり、移動工程Ｓ４を省略することができる。

また、第１～第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１，２では、１つのレーザースキャナー１２が設けられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、測量に必要な基準点１０、マシンターゲット１１およびセグメントターゲット７Ｔの空間位置情報を計測できるように、複数のレーザースキャナー１２が設けられていてもよい。この場合、レーザースキャナー１２を移動させる必要はなく、移動工程Ｓ４を省略することができる。

また、第１～第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１，２では、レーザースキャナー１２等が携帯情報端末１５によって無線で遠隔操作されていたが、本発明はこれに限定されない。レーザースキャナー１２等は、携帯情報端末１５と有線通信する構成としてもよい。また、携帯情報端末１５が省略され、レーザースキャナー１２等が、制御装置１４によって遠隔操作（有線または無線）される構成としてもよい。また、レーザースキャナー１２等が制御装置１４との間で無線通信する構成であったが、本発明はこれに限定されない。レーザースキャナー１２等は、制御装置１４と有線通信する構成としてもよい。

また、第１～第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１，２（測量方法）では、レーザースキャナー１２が移動される度に空間位置情報が取得されるため、複数のレーザースキャナー１２の空間座標と複数の空間位置情報とがそれぞれ対応付けられて記憶部２１に記憶されていたが、本発明はこれに限定されない。算出工程Ｓ５において、制御装置１４が、記憶部２１に記憶された複数の空間位置情報から共通する空間座標を目印にして複数の空間位置情報を繋ぎ合わせ、１つの空間位置情報を生成してもよい。そして、この１つの空間位置情報に基づいて、シールドトンネル５とシールド６との位置・姿勢を算出してもよい。

なお、第１～第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１，２では、制御装置１４が算出部の一例であったが、これに限らず、演算処理部２０が算出部として捉えられてもよいし、演算処理部２０と記憶部２１に記憶されたプログラムとが算出部として捉えられてもよい。また、制御装置１４の演算処理部２０はプログラムに従って演算処理を行うプロセッサーであったが、これに限らず、制御装置１４は、集積回路等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現されてもよい。

また、第１～第２実施形態に係るシールドトンネル５の測量システム１，２（測量方法）では、シールドトンネル５とシールド６との位置・姿勢を求めていたが、これに限らず、少なくともシールドトンネル５（セグメント７）の位置・姿勢を求めることができればよい。

なお、上記実施形態の説明は、本発明に係るシールドトンネルの測量システムおよびシールドトンネルの測量方法における一態様を示すものであって、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明は技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよく、特許請求の範囲は技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様を含んでいる。

１，２ 測量システム
５ シールドトンネル
６ シールド
７ セグメント
７Ｄ 下部測点
７Ｓ 側部測点
７Ｔ セグメントターゲット
１０ 基準点
１１ マシンターゲット
１２ レーザースキャナー
１３ トータルステーション（測量機）
１４ 制御装置（算出部）
６３ エレクター（移動部）
Ｓ１ 計測工程
Ｓ２，Ｓ２１ 座標測定工程
Ｓ３ 移動工程
Ｓ４ 算出工程

Claims (10)

1. 複数のセグメントで構築されるシールドトンネルの測量システムであって、
   複数の前記セグメントにレーザーを照射して複数の前記セグメントの一部である複数のセグメントターゲットを含む複数の前記セグメントの空間位置情報を計測するレーザースキャナーと、
   前記シールドトンネルに設定された複数の基準点のうち１つの前記基準点に設置され、他の前記基準点に基づいて前記レーザースキャナーの空間座標を測量する測量機と、
   前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記セグメントターゲットの空間座標に基づいて前記シールドトンネルの位置および姿勢を算出する算出部と、
   前記空間位置情報の計測中および前記レーザースキャナーの空間座標の測量中を除く期間において、前記レーザースキャナーを前記シールドトンネルの軸線方向に垂直な横断面に沿って移動させる移動部と、を備え、
   前記移動部が前記レーザースキャナーを異なる位置に移動させる度に、前記レーザースキャナーは前記空間位置情報を計測し、前記測量機は前記レーザースキャナーの空間座標を測量することを特徴とするシールドトンネルの測量システム。
2. 複数のセグメントで構築されるシールドトンネルの測量システムであって、
   複数の前記セグメントにレーザーを照射して前記シールドトンネルに設定された複数の基準点および複数の前記セグメントの一部である複数のセグメントターゲットを含む複数の前記セグメントの空間位置情報を計測するレーザースキャナーと、
   前記空間位置情報に含まれる複数の前記基準点の空間座標に基づいて前記レーザースキャナーの空間座標を算出し、前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記セグメントターゲットの空間座標に基づいて前記シールドトンネルの位置および姿勢を算出する算出部と、
   前記空間位置情報の計測中を除く期間において、前記レーザースキャナーを前記シールドトンネルの軸線方向に垂直な横断面に沿って移動させる移動部と、を備え、
   前記移動部が前記レーザースキャナーを異なる位置に移動させる度に、前記レーザースキャナーは前記空間位置情報を計測し、前記算出部は前記レーザースキャナーの空間座標を算出することを特徴とするシールドトンネルの測量システム。
3. 隣り合う前記セグメントの継目が前記セグメントターゲットとされていることを特徴とする請求項１または２に記載のシールドトンネルの測量システム。
4. 前記レーザースキャナーは、前記シールドトンネルを掘削するシールドにレーザーを照射して前記シールドに設定された複数のマシンターゲットを含む前記シールドの前記空間位置情報を計測し、
   前記算出部は、前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記マシンターゲットの空間座標に基づいて前記シールドの位置および姿勢を算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシールドトンネルの測量システム。
5. 複数の前記セグメントターゲットは、
   前記シールドトンネルの最下部に位置する下部測点と、
   前記シールドトンネルの軸線方向に直交する水平方向の最外部に位置する側部測点と、を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のシールドトンネルの測量システム。
6. 複数のセグメントで構築されるシールドトンネルの測量方法であって、
   レーザースキャナーから複数の前記セグメントにレーザーを照射して複数の前記セグメントの一部である複数のセグメントターゲットを含む複数の前記セグメントの空間位置情報を計測する計測工程と、
   前記シールドトンネルに設定された複数の基準点のうち１つの前記基準点に設置された測量機により他の前記基準点に基づいて前記レーザースキャナーの空間座標を測量する座標測定工程と、
   前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記セグメントターゲットの空間座標に基づいて前記シールドトンネルの位置および姿勢を算出する算出工程と、
   前記空間位置情報の計測中および前記レーザースキャナーの空間座標の測量中を除く期間において、前記レーザースキャナーを前記シールドトンネルの軸線方向に垂直な横断面に沿って移動させる移動工程と、を備え、
   前記レーザースキャナーを異なる位置に移動させる度に、前記計測工程および前記座標測定工程が実行されることを特徴とするシールドトンネルの測量方法。
7. 複数のセグメントで構築されるシールドトンネルの測量方法であって、
   レーザースキャナーから複数の前記セグメントにレーザーを照射して前記シールドトンネルに設定された複数の基準点および複数の前記セグメントの一部である複数のセグメントターゲットを含む複数の前記セグメントの空間位置情報を計測する計測工程と、
   前記空間位置情報に含まれる複数の前記基準点の空間座標に基づいて前記レーザースキャナーの空間座標を算出する座標測定工程と、
   前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記セグメントターゲットの空間座標に基づいて前記シールドトンネルの位置および姿勢を算出する算出工程と、
   前記空間位置情報の計測中を除く期間において、前記レーザースキャナーを前記シールドトンネルの軸線方向に垂直な横断面に沿って移動させる移動工程と、を備え、
   前記レーザースキャナーを異なる位置に移動させる度に、前記計測工程および前記座標測定工程が実行されることを特徴とするシールドトンネルの測量方法。
8. 隣り合う前記セグメントの継目が前記セグメントターゲットとされていることを特徴とする請求項６または７に記載のシールドトンネルの測量方法。
9. 前記計測工程では、前記レーザースキャナーから前記シールドトンネルを掘削するシールドにレーザーを照射して前記シールドに設定された複数のマシンターゲットを含む前記シールドの前記空間位置情報が計測され、
   前記算出工程では、前記レーザースキャナーの空間座標および前記空間位置情報に含まれる複数の前記マシンターゲットの空間座標に基づいて前記シールドの位置および姿勢が算出されることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載のシールドトンネルの測量方法。
10. 複数の前記セグメントターゲットは、
    前記シールドトンネルの最下部に位置する下部測点と、
    前記シールドトンネルの軸線方向に直交する水平方向の最外部に位置する側部測点と、を含むことを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載のシールドトンネルの測量方法。

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