３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム
【課題】トンネル掘削工事の作業が煩雑になることなく簡便に断面の計測、掘削断面、覆工断面の評価、管理を行うことができ、工期の短縮、施工精度の向上を図る。
【解決手段】トンネル壁面の複数箇所に設置されるターゲットのトンネル座標のデータ記憶手段と、トンネル断面の基準データ記憶手段と、比較断面の表示属性のデータ記憶手段と、３次元の計測データのターゲットの位置を認識してターゲットのスキャナ座標とデータ記憶手段に格納されたトンネル座標を求める認識処理手段と、ターゲットのスキャナ座標およびトンネル座標に基づき座標変換パラメータを求めスキャナ座標の計測データをトンネル座標の計測データに変換する座標変換処理手段と、トンネル座標の計測データと基準データとを比較演算して比較断面データを求める比較演算処理手段と、出力処理手段とを備え、表示属性のデータ２０３と比較断面データ２０８に基づき比較断面の情報を出力する。
【解決手段】トンネル壁面の複数箇所に設置されるターゲットのトンネル座標のデータ記憶手段と、トンネル断面の基準データ記憶手段と、比較断面の表示属性のデータ記憶手段と、３次元の計測データのターゲットの位置を認識してターゲットのスキャナ座標とデータ記憶手段に格納されたトンネル座標を求める認識処理手段と、ターゲットのスキャナ座標およびトンネル座標に基づき座標変換パラメータを求めスキャナ座標の計測データをトンネル座標の計測データに変換する座標変換処理手段と、トンネル座標の計測データと基準データとを比較演算して比較断面データを求める比較演算処理手段と、出力処理手段とを備え、表示属性のデータ２０３と比較断面データ２０８に基づき比較断面の情報を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削、ズリ出し、当たり取り、覆工の各工程を含む作業サイクルを繰り返し行ってトンネルの掘削、掘進を行う際に、当たり取りや覆工の前又は後の少なくともいずれかに３次元レーザスキャナを切羽面の後方に設置して３次元の計測を行い、計測断面と基準断面との比較を行って比較断面の情報を出力する３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
山岳トンネル等の標準的な地下掘削工法として、ＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method)がある。ＮＡＴＭは、地山の持つ支保能力、強度を有効に利用してトンネルの安定を保つという考え方のもとに、吹き付けコンクリート、ロックボルト、鋼製支保工等の支保材を適宜に用いて、地山と一体化したトンネル構造物を建設する工法である。ＮＡＴＭでは、現場計測により施工管理を行い、地山挙動を把握し、力学的に検討等も行う。そのため、工事中に多くのデータを収集し、そのデータを分析、評価、さらには対策を提示する一連の計測管理作業が非常に重要な要素となる。とりわけ、計測作業、そのデータの分析、評価結果の出力を円滑に行うことが要求される。
【０００３】
一般にトンネルの掘削工事では、トンネル切羽に穿孔をして火薬を装薬し、爆破した後、ズリ出し、当たり取り、支保工、一次覆工、ロックボルトの打設を行う。これを１サイクルとして、大体１．５ｍ前後のピッチで掘削の施工サイクルを繰り返し行って掘進する。そして、後方において、トンネル内空断面の変位、地山の挙動を計測し、地山の挙動が安定したことを確認してから最終的な二次覆工を行う。この二次覆工の断面は、トンネルの掘削工事における工事完成の設計断面になる。
【０００４】
二次覆工のコンクリート厚（二次覆工厚）は、地山の強度や安定度などにより決められる。それに伴い内側（裏側）の支保工の採否、一次覆工のコンクリート吹き付け厚、回数なども決まり、これらの条件に応じて最初の掘削断面も決まってくる。
【０００５】
当たり取りは、二次覆工のコンクリート厚を確保する断面不足箇所のはつりであり、通常は、作業者の目視判断により行われる。二次覆工前の一次覆工断面において、当たり取りが不十分である場合には、機械設備を再配置して当たり取りの作業をしなければならなくなり、そのための作業時間と費用の無駄が多くなる。逆に余堀は、コンクリート吹き付けにより一次覆工で埋められるものであるが、余堀の量が多いことは、ズリ出しの作業量、一次覆工のコンクリート吹き付け量が多くなるため、同様に作業時間と費用の無駄が多くなる。
【０００６】
トンネルの掘削工事において、できるだけ無駄な作業や費用、各作業に要する時間を少なくし効率よく工事を行うため、施工サイクルの中での計測管理作業は、非常に重要な要素であり、従来より種々のトンネル内の計測技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１は、トンネル内の天井にレーザトランシットを設置してレーザ光線をターゲットに照射し、光波式測距儀の位置と設置姿勢を検出して光波式測距儀によりトンネルの切羽の内空断面の計測を行い内空断面形状を求めるものである。また、特許文献２は、切羽後方に配置した光波式測距儀によりトンネルの内空断面の計測を行い、各変位や吹き付け厚、覆工厚の量を展開図に図形、記号又はマークの大きさで表示するものである。特許文献３は、トータルステーション、測量用ターゲット、３次元レーザスキャナーを使ってトンネルの立体測量を行い、３次元座標における立体図形を２次元座標に投影して画面に描画するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２６２７９８０号公報
【特許文献２】特許第３８４２７７１号公報
【特許文献３】特開２００６−１６２４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のトンネル掘削工事では、コンクリート吹き付けによる一次覆工、ロックボルト打設までのサイクルを繰り返すことにより掘進し、その後方で断面計測を行い内空断面の評価を行っているのが一般的であった。それは、従来のトンネル内空断面の計測システムでは、上記特許文献の提案にもあるようにトータルステーション、ターゲット、測距儀その他の設備が多く、それらの設置や設定、計測作業が煩雑になり多くの労力と時間を要するからである。しかも、トンネル掘削工事の１サイクルの中途に従来の計測作業を組み込むと、１サイクルに要する作業時間が長くなり、工期を短縮することができないなどの問題も生じる。
【０００９】
本発明は、トンネル掘削工事の１サイクルの中で作業が煩雑になることなく簡便に断面の計測、掘削断面、覆工断面の評価、管理を行うことができ、工期の短縮、施工精度の向上を図ることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのために本発明は、掘削、ズリ出し、当たり取り、覆工の各工程を含む施工サイクルを繰り返し行ってトンネルの掘削、掘進を行う際に、前記当たり取りや前記覆工の前又は後の少なくともいずれかに３次元レーザスキャナを切羽面の後方に設置して３次元の計測を行い、計測断面と基準断面との比較を行って比較断面の情報を出力する３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システムであって、トンネル壁面の複数箇所に設置されるターゲットのそれぞれのトンネル座標のデータを格納するターゲットデータ記憶手段と、トンネル断面の基準データを格納する基準データ記憶手段と、前記比較断面の表示属性のデータを格納する表示属性データ記憶手段と、前記３次元の計測による計測データに基づき前記ターゲットの位置を認識して前記認識したターゲットのスキャナ座標と前記ターゲットデータ記憶手段に格納されたトンネル座標とを求めるターゲット認識処理手段と、前記ターゲット認識処理手段により求めたターゲットの前記スキャナ座標と前記トンネル座標に基づき座標変換パラメータを求めスキャナ座標の前記計測データをトンネル座標の計測データに変換する座標変換処理手段と、前記トンネル座標の計測データと前記基準データ記憶手段に格納された基準データとを比較演算して比較断面データを求める比較演算処理手段と、前記表示属性データ記憶手段に格納された表示属性のデータと前記比較断面データに基づき比較断面の情報を出力する出力処理手段とを備え、当たりおよび余掘量に応じた表示属性により比較断面の情報を出力することを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記ターゲット認識処理手段は、前記計測データから前記ターゲットの標識面における交差するライン情報の交点を求めることにより前記スキャナ座標を求めることを特徴とする。また、前記ターゲットデータ記憶手段は、前記ターゲットのそれぞれの識別情報としてパターンを格納し、前記ターゲット認識処理手段は、前記３次元の計測を行って取得される計測データのデータ抜けを検出し、前記データ抜けのパターンを前記ターゲットデータ記憶手段に格納されたパターンと照合して前記ターゲットの位置を認識することを特徴とする。前記ターゲット認識処理手段は、前記検出したデータ抜けのパターンに囲まれた領域の前記計測データから前記ターゲットのスキャナ座標を求めることを特徴とする。前記表示属性として、少なくとも色相、彩度、輝度、点滅の有無、点滅の周波数の
いずれかの情報を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、トンネル壁面の複数箇所に埋め込まれたアンカーにそれぞれトンネル座標を有するターゲットを取り外し可能に装着して３次元レーザスキャナによる３次元の計測を行うので、トンネル座標を取得したターゲットを繰り返し使って、ターゲットを損傷することなく、ターゲットをトンネル壁面に固定したのと同様に、簡便に３次元の計測を行うことができる。しかも、サイクル単位で爆破を繰り返し掘進する作業の測定工程でターゲットの装着と取り外しを行うだけで、ターゲットの装着時に逐一トンネル座標を計測する必要がなく、トータルステーションによる計測を省くことができる。したがって、トンネル掘削工事の１サイクルの中で、ターゲットの装着、取り外し、３次元レーザスキャナによる３次元の計測の作業により、作業が煩雑になることなく簡便に断面の計測、掘削断面、覆工断面の評価、管理を行うことができ、工期の短縮、施工精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システムの実施形態を説明する図である。
【図２】３次元レーザスキャナによる計測データからの座標変換を説明する図である。
【図３】当たりと余掘の出力例を説明する図である。
【図４】計測データを座標変換し断面データの展開図を出力する処理の流れを説明する図である。
【図５】出力する展開図を説明する図である。
【図６】３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工方法を説明する図である。
【図７】トンネル掘削施工方法の施工サイクルを説明する図である。
【図８】断面計測で使用されるターゲットの実施形態を示す図である。
【図９】ターゲット本体の標識面の構成例を示す図である。
【図１０】データ抜けのパターンの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システムの実施形態を説明する図、図２は３次元レーザスキャナによる計測データからの座標変換を説明する図、図３は当たりと余掘の出力例を説明する図、図４は計測データを座標変換し断面データの展開図を出力する処理の流れを説明する図、図５は出力する展開図を説明する図である。図中、１００は３次元レーザスキャナ、２００は計測データの処理装置、２０１はターゲットデータ、２０２は設計データ、２０３は表示属性データ、２０４はスキャナの計測データ、２０５は座標変換パラメータ、２０６は基準断面データ、２０７はトンネル座標の計測データ、２０８は比較断面データ、２１１はスキャナ座標変換処理部、２１２はターゲット認識処理部、２１３はパラメータ演算処理部、２１４は基準データ演算処理部、２１５はトンネル座標変換処理部、２１６は断面比較演算処理部、２１７は比較断面出力処理部を示す。
【００１５】
本実施形態において、３次元（３Ｄ）レーザスキャナ１００は、例えば図６に示し後述するようにトンネル内の切羽後方の一次覆工面３の底盤４に設置され、水平方向、垂直方向にレーザのスキャンを行い、それぞれの水平角（０〜３６０°）および鉛直角（上方に０〜９０°、下方に０〜６０°）におけるレーザ照射点までの距離を計測するものである。計測データの処理装置２００は、３次元レーザスキャナ１００から水平角および鉛直角に対応した距離の計測データを取り込み、この計測データに基づき各種演算処理を行うコンピュータである。ターゲット３００L1、３００L2、３００R1、３００R2は、それぞれト
ンネル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を持ち、一次覆工面３の左右の壁面３L 、３R に取り外し可能に装着されている。
【００１６】
ターゲットデータ２０１は、各ターゲット３００L1、３００L2、３００R1、３００R2のトンネル座標のデータやデータ抜けパターンなどの判別・認識情報が格納される記憶部であり、各ターゲットのトンネル座標は、例えばアンカー設置時にトータルステーション等を使用することにより坑外の基準地点の公共座標、トンネルの平面線形（平面上のトンネル中心のライン）、縦断線形（高低のトンネル中心のライン）、断面のデータから予め求められ記憶部に記憶される。
【００１７】
設計データ２０２は、例えば掘削するトンネルの完成時における平面線形、縦断線形、断面（二次覆工断面）、覆工厚等のデータが格納される記憶部である。表示属性データ２０３は、基準断面データとトンネル座標の計測データとの比較結果を出力する表示属性として、例えば色相や彩度、輝度、点滅の有無や周期等のデータが格納される記憶部である。
【００１８】
スキャナの計測データ２０４は、３次元レーザスキャナ１００により計測された３次元の計測データが格納される記憶部であり、水平角および鉛直角と距離のデータや、これらのデータから３次元レーザスキャナ１００の原点座標（０，０，０）に基づき算出される３次元のスキャナ座標のデータである。
【００１９】
座標変換パラメータ２０５は、スキャナの計測データ２０４に格納されているスキャナ座標のデータをトンネル座標に変換する変換パラメータが格納される記憶部であり、各ターゲット３００のスキャナ座標とトンネル座標に基づき求められる。
【００２０】
基準断面データ２０６は、トンネル座標の計測データと比較する二次覆工断面、一次覆工断面、掘削断面の基準データが格納される記憶部であり、例えば設計データ２０２から求められる。
【００２１】
トンネル座標の計測データ２０７は、座標変換パラメータ２０５に基づきスキャナの計測データ２０４として格納されたスキャナ座標のデータからトンネル座標に変換されたデータが格納される記憶部である。
【００２２】
比較断面データ２０８は、トンネル座標の計測データ２０７を基準断面データ２０６と比較演算したデータが格納される記憶部であり、比較演算した断面の差が当たりや余掘量を表している。
【００２３】
スキャナ座標変換処理部２１１は、３次元レーザスキャナ１００により計測された距離ｄのデータとそのときの水平角θおよび鉛直角φからスキャナ座標のデータに変換するものであり、距離ｄ＝０のデータがスキャナ座標の原点座標（０，０，０）となる。ターゲット認識処理部２１２は、スキャナの計測データ２０４からターゲットの位置を認識し、そのターゲットのスキャナ座標とトンネル座標を抽出する処理を行うものである。
【００２４】
例えば３次元レーザスキャナ１００の正面をｘ軸の方向とし、図２に示すようにｘ軸を基準とする水平角θ、ｘｙ平面を基準とする鉛直角φを定義すると、計測された距離ｄのデータに基づきスキャナ座標変換処理部２１１によりスキャナ座標の計測データ（ｘs ，ｙs ，ｚs ）
ｘs ＝ｄ cosφ cosθ
ｙs ＝ｄ cosφ sinθ
ｚs ＝ｄ sinφ
が求められる。
【００２５】
パラメータ演算処理部２１３は、ターゲット認識処理部２１２により抽出された各ターゲットのスキャナ座標とトンネル座標に基づき、スキャナ座標のデータからトンネル座標に変換するための座標変換パラメータ２０５を算出する処理を行うものである。トンネル座標変換処理部２１５は、座標変換パラメータ２０５に基づきスキャナ座標の計測データをトンネル座標の計測データ２０７に変換する処理を行うものである。これらの変換処理は、周知であり例えば特許文献３に記載されたアルゴリズムを使用することができ、スキャナ座標（ｘs ，ｙs ，ｚs ）からトンネル座標 ( xti, yti, zti )を求めることができる。
【００２６】
基準データ演算処理部２１４は、設計データ２０２から当たりや余掘量を求めるための基準断面データ２０６を生成する処理を行うものである。断面比較演算処理部２１６は、トンネル座標の計測データ２０７と基準断面データ２０６との比較を行い各断面における当たりや余掘量の演算処理を行うものであり、各断面での当たりや余掘量を比較断面データ２０８として求める。
【００２７】
比較断面出力処理部２１７は、表示属性データ２０３に基づき比較断面データ２０８の当たりや余掘量に応じた例えば色相や彩度、輝度、点滅の有無や周期等に基づき表示属性を決定して出力する処理を行うものである。比較断面データ２０８の当たりや余掘量に応じて表示属性を決定して出力する処理では、設計断面・二次覆工断面のラインである設計ラインから（一次＋二次）の覆工厚ｔ1 を加算して基準断面のラインを求める。
【００２８】
そうすると、当たりは、この基準断面のラインより坑内側に掘削断面のラインがあり、余掘は、地山側に掘削断面のラインがある。表示属性では、例えば図３に示すようにこれらの当たり、余掘に対しその量に応じて色相や彩度、輝度を設定し、さらに、当たりに対して強調する表示属性を設定する。強調する表示属性は、特に注意を喚起するためのものであり、特別に彩度を大きい目立つ色に設定したり、高輝度にしたり、点滅させたりする。また、比較断面の情報の出力としては、上記のような展開図による出力だけでなく、断面図や差分の数値、テーブルその他の情報による出力であってもよい。
【００２９】
３次元の計測を行い掘削断面のデータと基準断面データとの比較演算により比較断面データを所望の表示属性で出力する処理としては、例えば図４（Ａ）に示すようにまず、３次元のスキャナ座標の計測データを求めて記憶部に格納する（ステップＳ１１）。
【００３０】
次に、３次元の計測データからデータ抜けのパターンを検出し（ステップＳ１２）、そのパターンをターゲットの認識パターンと照合する（ステップＳ１３）。そして、ターゲットの認識パターンに登録されているトンネル座標を取得すると共に（ステップＳ１４）、データ抜けのパターンの中の３次元の計測データからターゲットの中心位置Ｏのスキャナ座標を求める（ステップＳ１５）。
【００３１】
次に、ターゲットの計測データによる中心位置Ｏのスキャナ座標とそのターゲットの持つ（登録されている）トンネル座標から座標変換パラメータを算出し（ステップＳ１６）、その座標変換パラメータにより計測データの座標をトンネル座標に変換する（ステップＳ１７）。さらに、設計データから基準データを求め（ステップＳ１８）、トンネル座標に変換した計測データの掘削断面と基準データの基準断面とを比較演算し（ステップＳ１９）、その比較演算した比較断面のデータに表示属性を設定して（ステップＳ２０）、比較断面のデータを設定された表示属性により展開して出力する（ステップＳ２１）。比較断面の情報の出力は、図５に示すように切羽面を上にしてトンネルの天端の中央から両側に展開すると、作業者が切羽面に向かって見る状況に対応するので、トンネルの掘削断面
の各地点の状況が把握しやすいものとなる。
【００３２】
次に、３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工方法について説明する。図６は３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工方法を説明する図、図７はトンネル掘削施工方法の施工サイクルを説明する図である。図中、１は切羽面、２は掘削壁面、３は一次覆工面、４は底盤、５は掘削断面、６は基準断面、７はロックボルト、３１はアンカー、１００は３次元レーザスキャナ、２００は計測データの処理装置、３００はターゲットを示す。また、下の添字Ｌは左壁面、Ｒは右壁面、Ｕは天端面をそれぞれ示している。
【００３３】
トンネルの掘削工事における一次覆工前の坑内の様子を側面図で示したのが図６（Ａ）であり、上面図で示したのが図６（Ｂ）であり、掘削工事の先端部の切羽面１に近い掘削断面を示したのが図６（Ｃ）である。図６において、切羽面１、掘削壁面２は、発破や機械を使って掘削した状態とし、一次覆工面３は、当たり取りをした掘削壁面の上にコンクリート吹き付けをした面としている。
【００３４】
図６（Ｃ）に示す掘削断面５は、掘削壁面２の断面形状を示し、基準断面６は、例えば設計断面や計画断面より二次覆工厚だけ大きくした一次覆工に対応する断面形状を示している。３次元（３Ｄ）レーザスキャナ１００は、トンネル内の切羽後方の底盤４に設置され、例えば水平方向、垂直方向にレーザのスキャンを行い、それぞれの水平角（０〜３６０°）および鉛直角（上方に０〜９０°、下方に０〜６０°）におけるレーザ照射点までの距離を計測するものである。計測データの処理装置２００は、３次元レーザスキャナ１００から水平角および鉛直角に対応した距離の計測データを取り込み、この計測データに基づき各種演算処理を行うコンピュータである。ターゲット３００は、トンネル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を持ち、一次覆工面３の左右の壁面３L 、３R に取り外し可能に装着されている。トンネル座標は、所謂国土地理院により設定されている公共座標が用いられ、さらにこの公共座標に基づき設定されたトンネル独自のローカル座標を用いてもよい。
【００３５】
３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工方法の施工サイクルは、図７に示すようにまず、切羽面１を１サイクルの作業ピッチ、例えば１．５ｍ程度の掘削を行って（ステップＳ３１：掘削工程）、掘削したズリ出しを行う（ステップＳ３２：ズリ出し工程）。この掘削には、例えば切羽面１の所定の各位置に穿孔してその中に火薬を装薬し点火して爆破する発破掘削や機械掘削がある。
【００３６】
その後、ステップＳ３３〜Ｓ３８からなる計測工程を実行する。計測工程では、一次覆工面３の左右の壁面３L 、３R の所定の位置にターゲット３００L1、３００L2、３００R1、３００R2を装着し（ステップＳ３３）、切羽後方の一次覆工面３の底盤４に３次元レーザスキャナ１００、計測データの処理装置２００を設置して（ステップＳ３４）、掘削壁面２の計測を行う（ステップＳ３５）。次に、計測データを処理して掘削断面データと基準断面データとの比較処理を行い（ステップＳ３６）、掘削断面と基準断面との比較断面データを出力する（ステップＳ３７）。そして、ターゲット３００L1、３００L2、３００R1、３００R2を取り外す（ステップＳ３８）。
【００３７】
比較断面データの出力に基づき当たり取りを行う（ステップＳ３９：当たり取り工程）。当たり取りを行った後、コンクリート吹き付けによる一次覆工を行い（ステップＳ４０：覆工工程）、ロックボルト７の打設を行うことにより地山の補強を行う（ステップＳ４１：補強工程）。引き続き掘削施工を行う場合には（ステップＳ４２）、作業を終了することなく、再度ステップＳ３１に戻って同様の作業を繰り返し行う。
【００３８】
当たり取り工程および覆工工程は、地山の持つ支保能力、強度、安定度などに応じて適宜に前後したり、コンクリート吹き付け作業を一次、二次に分けたりして実行される。例
えば、地山が弱く岩片や土砂の崩落の恐れが高い場合には、まず、簡単なコンクリート吹き付けを行って、掘削面を整え安定させた後、当たり取りを行うことがある。また、当たり取りでは、作業者の目視判断により行い、その後に断面計測を行い当たり取りの確認を行うこともある。
【００３９】
したがって、図７で説明した施工サイクルでは、ズリ出し工程の後に直ちに３次元レーザスキャナ１００による計測工程を行い、その出力を観て当たり取り工程を行ったが、３次元レーザスキャナ１００による計測工程は、ステップＳ３９の当たり取り工程の後やステップＳ４０の覆工工程の後で行うようにしてもよい。また、ズリ出し工程の後か、当たり取り工程の後か、覆工工程の後のいずれか１回だけでなく、それぞれの工程、当たりの状況、当たり取りの状況、地山の状況に応じて複数回の計測を行うようにしてもよい。
【００４０】
図８は断面計測で使用されるターゲットの実施形態を示す図、図９はターゲット本体の標識面の構成例を示す図、図１０はデータ抜けのパターンの例を示す図である。図中、３００はターゲット、３０１は外枠、３０２は本体、３０３は台座、３０４はボルト、３０５は回転軸を示す。
【００４１】
ターゲット３００は、例えば図８（Ａ）に示すように外枠３０１に回転軸３０５で標識面となる本体３０２を回転自在に取り付け、この外枠３０１を台座３０３に回転軸３０５と直交する軸で回転自在に取り付け、台座３０３にボルト３０４を取り付けている。一次覆工面３には、ネジ穴を有するアンカー３１が打設され、ターゲット３００は、このアンカー３１のネジ穴にターゲット３００のボルト３０４を螺合することにより装着される。ターゲット３００は、掘削時の爆破等に伴う破片の飛散による損傷を防ぐために装着、取り外しを行うので、前記の手順に限定されるものではなく、爆破の後で計測の前までであれば、何時装着してもよいし、計測の後で爆破の前であれば何時取り外してもよい。勿論保護カバーで覆うようにして取り外さずに使用することもできる。
【００４２】
本実施形態において、アンカー３１は、ターゲット３００の取り付け金具であって、アンカーボルト、グリップアンカーなどのボルトインアンカーの部類に限らず、接着するものでもよい。また、アンカー３１は、逆に頭をボルトとしターゲット３００のネジ穴に螺合してもよいし、アンカー３１としてロックボルト７や支保工などの現場構造物を使用してもよい。さらに、ボルト、ナットを有する中間部材を介して取り付け、固定するものであってもよい。また、図８（Ｂ）に示すターゲット３００は、嵌合穴を有するアンカー３１′が一次覆工面３に打設され、この嵌合穴に磁石３０４′で吸着させるようにしたものである。
【００４３】
ターゲット３００は、一次覆工面３のアンカー３１に装着されると、図示縦軸Ｒv を中心に回転しても、横軸Ｒh を中心に回転しても、本体３０２の中心位置Ｏの座標は変わらない。この本体３０２の中心位置Ｏの座標がターゲット３００のトンネル座標（ｘ，ｙ，ｚ）となる。本体３０２の表面は、中心位置Ｏで交差するライン情報を有する標識面として、例えば図８、図９（Ａ）に示すように×のマークでその左右の領域３１１を低い反射強度の面とし、上下の領域３１２を高い反射強度の面として、反射強度を変えることにより、計測データで識別できるようになっている。図示方向のスキャンによる計測データｄで×のマークの境界ラインｍ１、ｍ２を検出すると、本体３０２の中心位置Ｏを精度よく求めることができる。
【００４４】
同様に、図９（Ｂ）に示すように＋のマークでその左上と右下の領域３１１に対し、左下と右上の領域３１２の反射強度を変えることにより、計測データで識別できるようにしてもよい。しかし、図示方向のスキャンでは、領域の境界がスキャンの間に入り×のマークの場合よりも縦の境界ラインの検出精度が低くなるので、求められる本体３０２の中心
位置Ｏの精度が低くなる。したがって、検出精度を上げるための画像処理を採用することが必要になる。＋や×のマークのほか、円やその他中心位置Ｏの検出が可能なマークを採用してもよい。
【００４５】
計測データの処理装置２００では、３次元レーザスキャナ１００から水平角θおよび鉛直角φに対応した距離Ｌの計測データを取り込むと、３次元レーザスキャナ１００の原点座標に基づくスキャナ座標（ xsi, ysi, zsi）のデータを求める。このスキャナ座標（
xsi, ysi, zsi）をトンネル座標 ( xti, yti, zti )に変換するためにターゲット３００のトンネル座標が用いられる。スキャナ座標のデータにおいてターゲット３００の中心位置Ｏを検出して、その中心位置Ｏのスキャナ座標とトンネル座標に基づきスキャナ座標のデータがトンネル座標に変換される。
【００４６】
本実施形態において、スキャナ座標のデータにおいてターゲット３００が設置されている領域を容易に認識できるようにするため、データ抜けとして認識できる、例えば反射シートや吸収シートを用いたパターン３０６が配置される。反射シートは、入射角と等しい反射角となる鏡面仕上げの高反射シートやマイクロプリズムの配列により光の入射方向に反射する高回帰性の高反射シートなどである。吸収シートは、極めて反射率が低く入射光を吸収する極低反射シートである。このようなパターン３０６は、例えば図８（Ａ）に示すように外周となる外枠３０１に配置される。
【００４７】
鏡面の高反射シートを用いたパターン３０６を有する外枠３０１では、３次元レーザスキャナ１００に正確に向いていなければ、反射光は３次元レーザスキャナ１００に戻ってこないので、反射光のデータは検出されずデータ抜けとなる。通常のターゲット装着作業において、このような外枠３０１の鏡面の高反射シートを用いたパターン３０６からの反射光が３次元レーザスキャナ１００に戻るように正確に向せることはまずないので、データ抜けによりその内側の領域をターゲット３００が存在する座標領域として容易に認識できるようになる。
【００４８】
また、高回帰性の高反射シートを用いたパターン３０６を有する外枠３０１では、反射光が発光部に戻ってくるが、受光部は発光部のそばに離れて配置されているので、反射光のデータは検出されずデータ抜けとなる。吸収シートを用いたパターン３０６を有する外枠３０１は、入射光を吸収して反射光がほとんどないので、やはりデータ抜けとなる。また、乱反射仕上げのシートを用いてもよい。要するにスキャナ座標のデータにおいてパターンを認識できるデータが取得できるシートを用いれば、そのデータに基づきターゲット３００のそれぞれのパターンとのパターンマッチングが可能となり、ターゲット３００の特定、その有するトンネル座標の取得が可能となる。
【００４９】
一般に、ターゲット３００は、数ｃｍ角のサイズであるが、数十ｃｍ角、数百ｃｍ角でもよい。図３（Ａ）に示すように外枠３０１にパターン３０６を設けると、ターゲット３００のサイズに対応して小さくなる。そこで、領域の認識がしやすいようにパターン３０６のサイズを数ｃｍ角サイズのターゲット３００に比べて数十ｃｍ角、数百ｃｍ角まで大きくする場合には、例えば図３（Ｂ）に示すようにターゲット３００の外枠３０１′に設けず、その外側に設けるようにする。
【００５０】
したがって、粗いレーザスキャン（プリスキャン）によるスキャナ座標のデータにおいてデータ抜けの領域を認識することにより、ターゲット３００が存在するスキャナ座標領域を容易に認識できる。外枠３０１の鏡面仕上げパターンを、例えば図１０に示すようにターゲット３００により特有のパターンで登録し装着すると、データ抜けのパターンを照合することによりターゲット３００を特定でき、そのトンネル座標を取得することができる。データ抜けのパターンは、図示のように矩形や多角形の辺の欠けている位置で識別す
るのではなく、矩形や多角形、円、楕円、花びら模様などの形状で識別したり、形状とその欠けている位置とを組み合わせて識別するものであってもよい。
【００５１】
また、図９に示した本体３０２の標識面の領域３１１、３１２のいずれかをパターン３０６と同様に鏡面や高回帰性の高反射仕上げの面にし、他方の領域を高い反射強度の面で構成してもよい。鏡面や高回帰性の高反射仕上げの面と高い反射強度の面とを組み合わせて使用することにより、高い反射強度のデータとデータ抜けの領域の認識を容易にすることができ同時に境界の検出を容易にすることができる。したがって、ターゲット３００の設置されている領域の認識、その特定のトンネル座標を有する中心位置Ｏの検出が容易になり、本体３０２の標識面だけでもターゲットのトンネル座標を取得できるようにすることも可能となる。
【００５２】
プリスキャンは、掘削壁面の計測スキャンで兼用してもよいし、このスキャンとは別に、ターゲット３００の領域認識のために実行してもよい。このようにターゲット３００の領域は、データ抜けの領域に基づき認識できるので、その領域をさらに高密度でレーザスキャンすることにより、高い精度で図９に示すターゲット３００の中心位置Ｏを検出し、そのトンネル座標を取得することができる。また、計測データを画面に表示することにより、作業者がターゲット３００の位置の指示を行い、その領域を高密度でレーザスキャンしてもよい。この場合には、外枠３０１を鏡面仕上げにしたターゲット３００を用いることにより、データ抜け領域からその位置の指示を的確に行うことができる。
【００５３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施形態では、当たり取り前に３次元の計測を行い、その計測断面と基準断面との比較断面の情報を出力する場合を説明したが、当たり取り後に３次元の計測を行い、あるいはコンクリート吹き付け後の当たり取り前に３次元の計測を行い、同様にして比較断面の情報を出力するように処理を行ってもよい。勿論、コンクリート吹き付けを行い一次覆工後にも３次元の計測を行い、同様の処理を行うようにしてもよいことはいうまでもない。また、比較断面の情報は、プリント出力を行うようにしてもよい。ターゲットは、一次覆工壁面のアンカーにボルトとナットの螺合又は磁石吸着により着脱自在に装着するものを示したが、壁面に固定しておき、掘削時に損傷を回避するためにカバーで覆うようにしてもよい。また、左右の壁面に装着したが、左右に壁面に限らず、底盤や天端に設置してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１…切羽面、２…掘削壁面、３…一次覆工面、４…底盤、５…掘削断面、６…基準断面、７…ロックボルト、３１…アンカー、１００…３Ｄレーザスキャナ、２００…計測データの処理装置、２０１…ターゲットデータ、２０２…設計データ、２０３…表示属性データ、２０４…スキャナの計測データ、２０５…座標変換パラメータ、２０６…基準断面データ、２０７…トンネル座標の計測データ、２０８…比較断面データ、２１１…スキャナ座標変換処理部、２１２…ターゲット認識処理部、２１３…パラメータ演算処理部、２１４…基準データ演算処理部、２１５…トンネル座標変換処理部、２１６…断面比較演算処理部、２１７…比較断面出力処理部、３００…ターゲット、３０１…外枠、３０２…本体、３０３…台座、３０４…ボルト、３０５…回転軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削、ズリ出し、当たり取り、覆工の各工程を含む作業サイクルを繰り返し行ってトンネルの掘削、掘進を行う際に、当たり取りや覆工の前又は後の少なくともいずれかに３次元レーザスキャナを切羽面の後方に設置して３次元の計測を行い、計測断面と基準断面との比較を行って比較断面の情報を出力する３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
山岳トンネル等の標準的な地下掘削工法として、ＮＡＴＭ（New Austrian Tunneling Method)がある。ＮＡＴＭは、地山の持つ支保能力、強度を有効に利用してトンネルの安定を保つという考え方のもとに、吹き付けコンクリート、ロックボルト、鋼製支保工等の支保材を適宜に用いて、地山と一体化したトンネル構造物を建設する工法である。ＮＡＴＭでは、現場計測により施工管理を行い、地山挙動を把握し、力学的に検討等も行う。そのため、工事中に多くのデータを収集し、そのデータを分析、評価、さらには対策を提示する一連の計測管理作業が非常に重要な要素となる。とりわけ、計測作業、そのデータの分析、評価結果の出力を円滑に行うことが要求される。
【０００３】
一般にトンネルの掘削工事では、トンネル切羽に穿孔をして火薬を装薬し、爆破した後、ズリ出し、当たり取り、支保工、一次覆工、ロックボルトの打設を行う。これを１サイクルとして、大体１．５ｍ前後のピッチで掘削の施工サイクルを繰り返し行って掘進する。そして、後方において、トンネル内空断面の変位、地山の挙動を計測し、地山の挙動が安定したことを確認してから最終的な二次覆工を行う。この二次覆工の断面は、トンネルの掘削工事における工事完成の設計断面になる。
【０００４】
二次覆工のコンクリート厚（二次覆工厚）は、地山の強度や安定度などにより決められる。それに伴い内側（裏側）の支保工の採否、一次覆工のコンクリート吹き付け厚、回数なども決まり、これらの条件に応じて最初の掘削断面も決まってくる。
【０００５】
当たり取りは、二次覆工のコンクリート厚を確保する断面不足箇所のはつりであり、通常は、作業者の目視判断により行われる。二次覆工前の一次覆工断面において、当たり取りが不十分である場合には、機械設備を再配置して当たり取りの作業をしなければならなくなり、そのための作業時間と費用の無駄が多くなる。逆に余堀は、コンクリート吹き付けにより一次覆工で埋められるものであるが、余堀の量が多いことは、ズリ出しの作業量、一次覆工のコンクリート吹き付け量が多くなるため、同様に作業時間と費用の無駄が多くなる。
【０００６】
トンネルの掘削工事において、できるだけ無駄な作業や費用、各作業に要する時間を少なくし効率よく工事を行うため、施工サイクルの中での計測管理作業は、非常に重要な要素であり、従来より種々のトンネル内の計測技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１は、トンネル内の天井にレーザトランシットを設置してレーザ光線をターゲットに照射し、光波式測距儀の位置と設置姿勢を検出して光波式測距儀によりトンネルの切羽の内空断面の計測を行い内空断面形状を求めるものである。また、特許文献２は、切羽後方に配置した光波式測距儀によりトンネルの内空断面の計測を行い、各変位や吹き付け厚、覆工厚の量を展開図に図形、記号又はマークの大きさで表示するものである。特許文献３は、トータルステーション、測量用ターゲット、３次元レーザスキャナーを使ってトンネルの立体測量を行い、３次元座標における立体図形を２次元座標に投影して画面に描画するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２６２７９８０号公報
【特許文献２】特許第３８４２７７１号公報
【特許文献３】特開２００６−１６２４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のトンネル掘削工事では、コンクリート吹き付けによる一次覆工、ロックボルト打設までのサイクルを繰り返すことにより掘進し、その後方で断面計測を行い内空断面の評価を行っているのが一般的であった。それは、従来のトンネル内空断面の計測システムでは、上記特許文献の提案にもあるようにトータルステーション、ターゲット、測距儀その他の設備が多く、それらの設置や設定、計測作業が煩雑になり多くの労力と時間を要するからである。しかも、トンネル掘削工事の１サイクルの中途に従来の計測作業を組み込むと、１サイクルに要する作業時間が長くなり、工期を短縮することができないなどの問題も生じる。
【０００９】
本発明は、トンネル掘削工事の１サイクルの中で作業が煩雑になることなく簡便に断面の計測、掘削断面、覆工断面の評価、管理を行うことができ、工期の短縮、施工精度の向上を図ることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのために本発明は、掘削、ズリ出し、当たり取り、覆工の各工程を含む施工サイクルを繰り返し行ってトンネルの掘削、掘進を行う際に、前記当たり取りや前記覆工の前又は後の少なくともいずれかに３次元レーザスキャナを切羽面の後方に設置して３次元の計測を行い、計測断面と基準断面との比較を行って比較断面の情報を出力する３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システムであって、トンネル壁面の複数箇所に設置されるターゲットのそれぞれのトンネル座標のデータを格納するターゲットデータ記憶手段と、トンネル断面の基準データを格納する基準データ記憶手段と、前記比較断面の表示属性のデータを格納する表示属性データ記憶手段と、前記３次元の計測による計測データに基づき前記ターゲットの位置を認識して前記認識したターゲットのスキャナ座標と前記ターゲットデータ記憶手段に格納されたトンネル座標とを求めるターゲット認識処理手段と、前記ターゲット認識処理手段により求めたターゲットの前記スキャナ座標と前記トンネル座標に基づき座標変換パラメータを求めスキャナ座標の前記計測データをトンネル座標の計測データに変換する座標変換処理手段と、前記トンネル座標の計測データと前記基準データ記憶手段に格納された基準データとを比較演算して比較断面データを求める比較演算処理手段と、前記表示属性データ記憶手段に格納された表示属性のデータと前記比較断面データに基づき比較断面の情報を出力する出力処理手段とを備え、当たりおよび余掘量に応じた表示属性により比較断面の情報を出力することを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記ターゲット認識処理手段は、前記計測データから前記ターゲットの標識面における交差するライン情報の交点を求めることにより前記スキャナ座標を求めることを特徴とする。また、前記ターゲットデータ記憶手段は、前記ターゲットのそれぞれの識別情報としてパターンを格納し、前記ターゲット認識処理手段は、前記３次元の計測を行って取得される計測データのデータ抜けを検出し、前記データ抜けのパターンを前記ターゲットデータ記憶手段に格納されたパターンと照合して前記ターゲットの位置を認識することを特徴とする。前記ターゲット認識処理手段は、前記検出したデータ抜けのパターンに囲まれた領域の前記計測データから前記ターゲットのスキャナ座標を求めることを特徴とする。前記表示属性として、少なくとも色相、彩度、輝度、点滅の有無、点滅の周波数の
いずれかの情報を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、トンネル壁面の複数箇所に埋め込まれたアンカーにそれぞれトンネル座標を有するターゲットを取り外し可能に装着して３次元レーザスキャナによる３次元の計測を行うので、トンネル座標を取得したターゲットを繰り返し使って、ターゲットを損傷することなく、ターゲットをトンネル壁面に固定したのと同様に、簡便に３次元の計測を行うことができる。しかも、サイクル単位で爆破を繰り返し掘進する作業の測定工程でターゲットの装着と取り外しを行うだけで、ターゲットの装着時に逐一トンネル座標を計測する必要がなく、トータルステーションによる計測を省くことができる。したがって、トンネル掘削工事の１サイクルの中で、ターゲットの装着、取り外し、３次元レーザスキャナによる３次元の計測の作業により、作業が煩雑になることなく簡便に断面の計測、掘削断面、覆工断面の評価、管理を行うことができ、工期の短縮、施工精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システムの実施形態を説明する図である。
【図２】３次元レーザスキャナによる計測データからの座標変換を説明する図である。
【図３】当たりと余掘の出力例を説明する図である。
【図４】計測データを座標変換し断面データの展開図を出力する処理の流れを説明する図である。
【図５】出力する展開図を説明する図である。
【図６】３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工方法を説明する図である。
【図７】トンネル掘削施工方法の施工サイクルを説明する図である。
【図８】断面計測で使用されるターゲットの実施形態を示す図である。
【図９】ターゲット本体の標識面の構成例を示す図である。
【図１０】データ抜けのパターンの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システムの実施形態を説明する図、図２は３次元レーザスキャナによる計測データからの座標変換を説明する図、図３は当たりと余掘の出力例を説明する図、図４は計測データを座標変換し断面データの展開図を出力する処理の流れを説明する図、図５は出力する展開図を説明する図である。図中、１００は３次元レーザスキャナ、２００は計測データの処理装置、２０１はターゲットデータ、２０２は設計データ、２０３は表示属性データ、２０４はスキャナの計測データ、２０５は座標変換パラメータ、２０６は基準断面データ、２０７はトンネル座標の計測データ、２０８は比較断面データ、２１１はスキャナ座標変換処理部、２１２はターゲット認識処理部、２１３はパラメータ演算処理部、２１４は基準データ演算処理部、２１５はトンネル座標変換処理部、２１６は断面比較演算処理部、２１７は比較断面出力処理部を示す。
【００１５】
本実施形態において、３次元（３Ｄ）レーザスキャナ１００は、例えば図６に示し後述するようにトンネル内の切羽後方の一次覆工面３の底盤４に設置され、水平方向、垂直方向にレーザのスキャンを行い、それぞれの水平角（０〜３６０°）および鉛直角（上方に０〜９０°、下方に０〜６０°）におけるレーザ照射点までの距離を計測するものである。計測データの処理装置２００は、３次元レーザスキャナ１００から水平角および鉛直角に対応した距離の計測データを取り込み、この計測データに基づき各種演算処理を行うコンピュータである。ターゲット３００L1、３００L2、３００R1、３００R2は、それぞれト
ンネル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を持ち、一次覆工面３の左右の壁面３L 、３R に取り外し可能に装着されている。
【００１６】
ターゲットデータ２０１は、各ターゲット３００L1、３００L2、３００R1、３００R2のトンネル座標のデータやデータ抜けパターンなどの判別・認識情報が格納される記憶部であり、各ターゲットのトンネル座標は、例えばアンカー設置時にトータルステーション等を使用することにより坑外の基準地点の公共座標、トンネルの平面線形（平面上のトンネル中心のライン）、縦断線形（高低のトンネル中心のライン）、断面のデータから予め求められ記憶部に記憶される。
【００１７】
設計データ２０２は、例えば掘削するトンネルの完成時における平面線形、縦断線形、断面（二次覆工断面）、覆工厚等のデータが格納される記憶部である。表示属性データ２０３は、基準断面データとトンネル座標の計測データとの比較結果を出力する表示属性として、例えば色相や彩度、輝度、点滅の有無や周期等のデータが格納される記憶部である。
【００１８】
スキャナの計測データ２０４は、３次元レーザスキャナ１００により計測された３次元の計測データが格納される記憶部であり、水平角および鉛直角と距離のデータや、これらのデータから３次元レーザスキャナ１００の原点座標（０，０，０）に基づき算出される３次元のスキャナ座標のデータである。
【００１９】
座標変換パラメータ２０５は、スキャナの計測データ２０４に格納されているスキャナ座標のデータをトンネル座標に変換する変換パラメータが格納される記憶部であり、各ターゲット３００のスキャナ座標とトンネル座標に基づき求められる。
【００２０】
基準断面データ２０６は、トンネル座標の計測データと比較する二次覆工断面、一次覆工断面、掘削断面の基準データが格納される記憶部であり、例えば設計データ２０２から求められる。
【００２１】
トンネル座標の計測データ２０７は、座標変換パラメータ２０５に基づきスキャナの計測データ２０４として格納されたスキャナ座標のデータからトンネル座標に変換されたデータが格納される記憶部である。
【００２２】
比較断面データ２０８は、トンネル座標の計測データ２０７を基準断面データ２０６と比較演算したデータが格納される記憶部であり、比較演算した断面の差が当たりや余掘量を表している。
【００２３】
スキャナ座標変換処理部２１１は、３次元レーザスキャナ１００により計測された距離ｄのデータとそのときの水平角θおよび鉛直角φからスキャナ座標のデータに変換するものであり、距離ｄ＝０のデータがスキャナ座標の原点座標（０，０，０）となる。ターゲット認識処理部２１２は、スキャナの計測データ２０４からターゲットの位置を認識し、そのターゲットのスキャナ座標とトンネル座標を抽出する処理を行うものである。
【００２４】
例えば３次元レーザスキャナ１００の正面をｘ軸の方向とし、図２に示すようにｘ軸を基準とする水平角θ、ｘｙ平面を基準とする鉛直角φを定義すると、計測された距離ｄのデータに基づきスキャナ座標変換処理部２１１によりスキャナ座標の計測データ（ｘs ，ｙs ，ｚs ）
ｘs ＝ｄ cosφ cosθ
ｙs ＝ｄ cosφ sinθ
ｚs ＝ｄ sinφ
が求められる。
【００２５】
パラメータ演算処理部２１３は、ターゲット認識処理部２１２により抽出された各ターゲットのスキャナ座標とトンネル座標に基づき、スキャナ座標のデータからトンネル座標に変換するための座標変換パラメータ２０５を算出する処理を行うものである。トンネル座標変換処理部２１５は、座標変換パラメータ２０５に基づきスキャナ座標の計測データをトンネル座標の計測データ２０７に変換する処理を行うものである。これらの変換処理は、周知であり例えば特許文献３に記載されたアルゴリズムを使用することができ、スキャナ座標（ｘs ，ｙs ，ｚs ）からトンネル座標 ( xti, yti, zti )を求めることができる。
【００２６】
基準データ演算処理部２１４は、設計データ２０２から当たりや余掘量を求めるための基準断面データ２０６を生成する処理を行うものである。断面比較演算処理部２１６は、トンネル座標の計測データ２０７と基準断面データ２０６との比較を行い各断面における当たりや余掘量の演算処理を行うものであり、各断面での当たりや余掘量を比較断面データ２０８として求める。
【００２７】
比較断面出力処理部２１７は、表示属性データ２０３に基づき比較断面データ２０８の当たりや余掘量に応じた例えば色相や彩度、輝度、点滅の有無や周期等に基づき表示属性を決定して出力する処理を行うものである。比較断面データ２０８の当たりや余掘量に応じて表示属性を決定して出力する処理では、設計断面・二次覆工断面のラインである設計ラインから（一次＋二次）の覆工厚ｔ1 を加算して基準断面のラインを求める。
【００２８】
そうすると、当たりは、この基準断面のラインより坑内側に掘削断面のラインがあり、余掘は、地山側に掘削断面のラインがある。表示属性では、例えば図３に示すようにこれらの当たり、余掘に対しその量に応じて色相や彩度、輝度を設定し、さらに、当たりに対して強調する表示属性を設定する。強調する表示属性は、特に注意を喚起するためのものであり、特別に彩度を大きい目立つ色に設定したり、高輝度にしたり、点滅させたりする。また、比較断面の情報の出力としては、上記のような展開図による出力だけでなく、断面図や差分の数値、テーブルその他の情報による出力であってもよい。
【００２９】
３次元の計測を行い掘削断面のデータと基準断面データとの比較演算により比較断面データを所望の表示属性で出力する処理としては、例えば図４（Ａ）に示すようにまず、３次元のスキャナ座標の計測データを求めて記憶部に格納する（ステップＳ１１）。
【００３０】
次に、３次元の計測データからデータ抜けのパターンを検出し（ステップＳ１２）、そのパターンをターゲットの認識パターンと照合する（ステップＳ１３）。そして、ターゲットの認識パターンに登録されているトンネル座標を取得すると共に（ステップＳ１４）、データ抜けのパターンの中の３次元の計測データからターゲットの中心位置Ｏのスキャナ座標を求める（ステップＳ１５）。
【００３１】
次に、ターゲットの計測データによる中心位置Ｏのスキャナ座標とそのターゲットの持つ（登録されている）トンネル座標から座標変換パラメータを算出し（ステップＳ１６）、その座標変換パラメータにより計測データの座標をトンネル座標に変換する（ステップＳ１７）。さらに、設計データから基準データを求め（ステップＳ１８）、トンネル座標に変換した計測データの掘削断面と基準データの基準断面とを比較演算し（ステップＳ１９）、その比較演算した比較断面のデータに表示属性を設定して（ステップＳ２０）、比較断面のデータを設定された表示属性により展開して出力する（ステップＳ２１）。比較断面の情報の出力は、図５に示すように切羽面を上にしてトンネルの天端の中央から両側に展開すると、作業者が切羽面に向かって見る状況に対応するので、トンネルの掘削断面
の各地点の状況が把握しやすいものとなる。
【００３２】
次に、３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工方法について説明する。図６は３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工方法を説明する図、図７はトンネル掘削施工方法の施工サイクルを説明する図である。図中、１は切羽面、２は掘削壁面、３は一次覆工面、４は底盤、５は掘削断面、６は基準断面、７はロックボルト、３１はアンカー、１００は３次元レーザスキャナ、２００は計測データの処理装置、３００はターゲットを示す。また、下の添字Ｌは左壁面、Ｒは右壁面、Ｕは天端面をそれぞれ示している。
【００３３】
トンネルの掘削工事における一次覆工前の坑内の様子を側面図で示したのが図６（Ａ）であり、上面図で示したのが図６（Ｂ）であり、掘削工事の先端部の切羽面１に近い掘削断面を示したのが図６（Ｃ）である。図６において、切羽面１、掘削壁面２は、発破や機械を使って掘削した状態とし、一次覆工面３は、当たり取りをした掘削壁面の上にコンクリート吹き付けをした面としている。
【００３４】
図６（Ｃ）に示す掘削断面５は、掘削壁面２の断面形状を示し、基準断面６は、例えば設計断面や計画断面より二次覆工厚だけ大きくした一次覆工に対応する断面形状を示している。３次元（３Ｄ）レーザスキャナ１００は、トンネル内の切羽後方の底盤４に設置され、例えば水平方向、垂直方向にレーザのスキャンを行い、それぞれの水平角（０〜３６０°）および鉛直角（上方に０〜９０°、下方に０〜６０°）におけるレーザ照射点までの距離を計測するものである。計測データの処理装置２００は、３次元レーザスキャナ１００から水平角および鉛直角に対応した距離の計測データを取り込み、この計測データに基づき各種演算処理を行うコンピュータである。ターゲット３００は、トンネル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を持ち、一次覆工面３の左右の壁面３L 、３R に取り外し可能に装着されている。トンネル座標は、所謂国土地理院により設定されている公共座標が用いられ、さらにこの公共座標に基づき設定されたトンネル独自のローカル座標を用いてもよい。
【００３５】
３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工方法の施工サイクルは、図７に示すようにまず、切羽面１を１サイクルの作業ピッチ、例えば１．５ｍ程度の掘削を行って（ステップＳ３１：掘削工程）、掘削したズリ出しを行う（ステップＳ３２：ズリ出し工程）。この掘削には、例えば切羽面１の所定の各位置に穿孔してその中に火薬を装薬し点火して爆破する発破掘削や機械掘削がある。
【００３６】
その後、ステップＳ３３〜Ｓ３８からなる計測工程を実行する。計測工程では、一次覆工面３の左右の壁面３L 、３R の所定の位置にターゲット３００L1、３００L2、３００R1、３００R2を装着し（ステップＳ３３）、切羽後方の一次覆工面３の底盤４に３次元レーザスキャナ１００、計測データの処理装置２００を設置して（ステップＳ３４）、掘削壁面２の計測を行う（ステップＳ３５）。次に、計測データを処理して掘削断面データと基準断面データとの比較処理を行い（ステップＳ３６）、掘削断面と基準断面との比較断面データを出力する（ステップＳ３７）。そして、ターゲット３００L1、３００L2、３００R1、３００R2を取り外す（ステップＳ３８）。
【００３７】
比較断面データの出力に基づき当たり取りを行う（ステップＳ３９：当たり取り工程）。当たり取りを行った後、コンクリート吹き付けによる一次覆工を行い（ステップＳ４０：覆工工程）、ロックボルト７の打設を行うことにより地山の補強を行う（ステップＳ４１：補強工程）。引き続き掘削施工を行う場合には（ステップＳ４２）、作業を終了することなく、再度ステップＳ３１に戻って同様の作業を繰り返し行う。
【００３８】
当たり取り工程および覆工工程は、地山の持つ支保能力、強度、安定度などに応じて適宜に前後したり、コンクリート吹き付け作業を一次、二次に分けたりして実行される。例
えば、地山が弱く岩片や土砂の崩落の恐れが高い場合には、まず、簡単なコンクリート吹き付けを行って、掘削面を整え安定させた後、当たり取りを行うことがある。また、当たり取りでは、作業者の目視判断により行い、その後に断面計測を行い当たり取りの確認を行うこともある。
【００３９】
したがって、図７で説明した施工サイクルでは、ズリ出し工程の後に直ちに３次元レーザスキャナ１００による計測工程を行い、その出力を観て当たり取り工程を行ったが、３次元レーザスキャナ１００による計測工程は、ステップＳ３９の当たり取り工程の後やステップＳ４０の覆工工程の後で行うようにしてもよい。また、ズリ出し工程の後か、当たり取り工程の後か、覆工工程の後のいずれか１回だけでなく、それぞれの工程、当たりの状況、当たり取りの状況、地山の状況に応じて複数回の計測を行うようにしてもよい。
【００４０】
図８は断面計測で使用されるターゲットの実施形態を示す図、図９はターゲット本体の標識面の構成例を示す図、図１０はデータ抜けのパターンの例を示す図である。図中、３００はターゲット、３０１は外枠、３０２は本体、３０３は台座、３０４はボルト、３０５は回転軸を示す。
【００４１】
ターゲット３００は、例えば図８（Ａ）に示すように外枠３０１に回転軸３０５で標識面となる本体３０２を回転自在に取り付け、この外枠３０１を台座３０３に回転軸３０５と直交する軸で回転自在に取り付け、台座３０３にボルト３０４を取り付けている。一次覆工面３には、ネジ穴を有するアンカー３１が打設され、ターゲット３００は、このアンカー３１のネジ穴にターゲット３００のボルト３０４を螺合することにより装着される。ターゲット３００は、掘削時の爆破等に伴う破片の飛散による損傷を防ぐために装着、取り外しを行うので、前記の手順に限定されるものではなく、爆破の後で計測の前までであれば、何時装着してもよいし、計測の後で爆破の前であれば何時取り外してもよい。勿論保護カバーで覆うようにして取り外さずに使用することもできる。
【００４２】
本実施形態において、アンカー３１は、ターゲット３００の取り付け金具であって、アンカーボルト、グリップアンカーなどのボルトインアンカーの部類に限らず、接着するものでもよい。また、アンカー３１は、逆に頭をボルトとしターゲット３００のネジ穴に螺合してもよいし、アンカー３１としてロックボルト７や支保工などの現場構造物を使用してもよい。さらに、ボルト、ナットを有する中間部材を介して取り付け、固定するものであってもよい。また、図８（Ｂ）に示すターゲット３００は、嵌合穴を有するアンカー３１′が一次覆工面３に打設され、この嵌合穴に磁石３０４′で吸着させるようにしたものである。
【００４３】
ターゲット３００は、一次覆工面３のアンカー３１に装着されると、図示縦軸Ｒv を中心に回転しても、横軸Ｒh を中心に回転しても、本体３０２の中心位置Ｏの座標は変わらない。この本体３０２の中心位置Ｏの座標がターゲット３００のトンネル座標（ｘ，ｙ，ｚ）となる。本体３０２の表面は、中心位置Ｏで交差するライン情報を有する標識面として、例えば図８、図９（Ａ）に示すように×のマークでその左右の領域３１１を低い反射強度の面とし、上下の領域３１２を高い反射強度の面として、反射強度を変えることにより、計測データで識別できるようになっている。図示方向のスキャンによる計測データｄで×のマークの境界ラインｍ１、ｍ２を検出すると、本体３０２の中心位置Ｏを精度よく求めることができる。
【００４４】
同様に、図９（Ｂ）に示すように＋のマークでその左上と右下の領域３１１に対し、左下と右上の領域３１２の反射強度を変えることにより、計測データで識別できるようにしてもよい。しかし、図示方向のスキャンでは、領域の境界がスキャンの間に入り×のマークの場合よりも縦の境界ラインの検出精度が低くなるので、求められる本体３０２の中心
位置Ｏの精度が低くなる。したがって、検出精度を上げるための画像処理を採用することが必要になる。＋や×のマークのほか、円やその他中心位置Ｏの検出が可能なマークを採用してもよい。
【００４５】
計測データの処理装置２００では、３次元レーザスキャナ１００から水平角θおよび鉛直角φに対応した距離Ｌの計測データを取り込むと、３次元レーザスキャナ１００の原点座標に基づくスキャナ座標（ xsi, ysi, zsi）のデータを求める。このスキャナ座標（
xsi, ysi, zsi）をトンネル座標 ( xti, yti, zti )に変換するためにターゲット３００のトンネル座標が用いられる。スキャナ座標のデータにおいてターゲット３００の中心位置Ｏを検出して、その中心位置Ｏのスキャナ座標とトンネル座標に基づきスキャナ座標のデータがトンネル座標に変換される。
【００４６】
本実施形態において、スキャナ座標のデータにおいてターゲット３００が設置されている領域を容易に認識できるようにするため、データ抜けとして認識できる、例えば反射シートや吸収シートを用いたパターン３０６が配置される。反射シートは、入射角と等しい反射角となる鏡面仕上げの高反射シートやマイクロプリズムの配列により光の入射方向に反射する高回帰性の高反射シートなどである。吸収シートは、極めて反射率が低く入射光を吸収する極低反射シートである。このようなパターン３０６は、例えば図８（Ａ）に示すように外周となる外枠３０１に配置される。
【００４７】
鏡面の高反射シートを用いたパターン３０６を有する外枠３０１では、３次元レーザスキャナ１００に正確に向いていなければ、反射光は３次元レーザスキャナ１００に戻ってこないので、反射光のデータは検出されずデータ抜けとなる。通常のターゲット装着作業において、このような外枠３０１の鏡面の高反射シートを用いたパターン３０６からの反射光が３次元レーザスキャナ１００に戻るように正確に向せることはまずないので、データ抜けによりその内側の領域をターゲット３００が存在する座標領域として容易に認識できるようになる。
【００４８】
また、高回帰性の高反射シートを用いたパターン３０６を有する外枠３０１では、反射光が発光部に戻ってくるが、受光部は発光部のそばに離れて配置されているので、反射光のデータは検出されずデータ抜けとなる。吸収シートを用いたパターン３０６を有する外枠３０１は、入射光を吸収して反射光がほとんどないので、やはりデータ抜けとなる。また、乱反射仕上げのシートを用いてもよい。要するにスキャナ座標のデータにおいてパターンを認識できるデータが取得できるシートを用いれば、そのデータに基づきターゲット３００のそれぞれのパターンとのパターンマッチングが可能となり、ターゲット３００の特定、その有するトンネル座標の取得が可能となる。
【００４９】
一般に、ターゲット３００は、数ｃｍ角のサイズであるが、数十ｃｍ角、数百ｃｍ角でもよい。図３（Ａ）に示すように外枠３０１にパターン３０６を設けると、ターゲット３００のサイズに対応して小さくなる。そこで、領域の認識がしやすいようにパターン３０６のサイズを数ｃｍ角サイズのターゲット３００に比べて数十ｃｍ角、数百ｃｍ角まで大きくする場合には、例えば図３（Ｂ）に示すようにターゲット３００の外枠３０１′に設けず、その外側に設けるようにする。
【００５０】
したがって、粗いレーザスキャン（プリスキャン）によるスキャナ座標のデータにおいてデータ抜けの領域を認識することにより、ターゲット３００が存在するスキャナ座標領域を容易に認識できる。外枠３０１の鏡面仕上げパターンを、例えば図１０に示すようにターゲット３００により特有のパターンで登録し装着すると、データ抜けのパターンを照合することによりターゲット３００を特定でき、そのトンネル座標を取得することができる。データ抜けのパターンは、図示のように矩形や多角形の辺の欠けている位置で識別す
るのではなく、矩形や多角形、円、楕円、花びら模様などの形状で識別したり、形状とその欠けている位置とを組み合わせて識別するものであってもよい。
【００５１】
また、図９に示した本体３０２の標識面の領域３１１、３１２のいずれかをパターン３０６と同様に鏡面や高回帰性の高反射仕上げの面にし、他方の領域を高い反射強度の面で構成してもよい。鏡面や高回帰性の高反射仕上げの面と高い反射強度の面とを組み合わせて使用することにより、高い反射強度のデータとデータ抜けの領域の認識を容易にすることができ同時に境界の検出を容易にすることができる。したがって、ターゲット３００の設置されている領域の認識、その特定のトンネル座標を有する中心位置Ｏの検出が容易になり、本体３０２の標識面だけでもターゲットのトンネル座標を取得できるようにすることも可能となる。
【００５２】
プリスキャンは、掘削壁面の計測スキャンで兼用してもよいし、このスキャンとは別に、ターゲット３００の領域認識のために実行してもよい。このようにターゲット３００の領域は、データ抜けの領域に基づき認識できるので、その領域をさらに高密度でレーザスキャンすることにより、高い精度で図９に示すターゲット３００の中心位置Ｏを検出し、そのトンネル座標を取得することができる。また、計測データを画面に表示することにより、作業者がターゲット３００の位置の指示を行い、その領域を高密度でレーザスキャンしてもよい。この場合には、外枠３０１を鏡面仕上げにしたターゲット３００を用いることにより、データ抜け領域からその位置の指示を的確に行うことができる。
【００５３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施形態では、当たり取り前に３次元の計測を行い、その計測断面と基準断面との比較断面の情報を出力する場合を説明したが、当たり取り後に３次元の計測を行い、あるいはコンクリート吹き付け後の当たり取り前に３次元の計測を行い、同様にして比較断面の情報を出力するように処理を行ってもよい。勿論、コンクリート吹き付けを行い一次覆工後にも３次元の計測を行い、同様の処理を行うようにしてもよいことはいうまでもない。また、比較断面の情報は、プリント出力を行うようにしてもよい。ターゲットは、一次覆工壁面のアンカーにボルトとナットの螺合又は磁石吸着により着脱自在に装着するものを示したが、壁面に固定しておき、掘削時に損傷を回避するためにカバーで覆うようにしてもよい。また、左右の壁面に装着したが、左右に壁面に限らず、底盤や天端に設置してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１…切羽面、２…掘削壁面、３…一次覆工面、４…底盤、５…掘削断面、６…基準断面、７…ロックボルト、３１…アンカー、１００…３Ｄレーザスキャナ、２００…計測データの処理装置、２０１…ターゲットデータ、２０２…設計データ、２０３…表示属性データ、２０４…スキャナの計測データ、２０５…座標変換パラメータ、２０６…基準断面データ、２０７…トンネル座標の計測データ、２０８…比較断面データ、２１１…スキャナ座標変換処理部、２１２…ターゲット認識処理部、２１３…パラメータ演算処理部、２１４…基準データ演算処理部、２１５…トンネル座標変換処理部、２１６…断面比較演算処理部、２１７…比較断面出力処理部、３００…ターゲット、３０１…外枠、３０２…本体、３０３…台座、３０４…ボルト、３０５…回転軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削、ズリ出し、当たり取り、覆工の各工程を含む施工サイクルを繰り返し行ってトンネルの掘削、掘進を行う際に、前記当たり取りや前記覆工の前又は後の少なくともいずれかに３次元レーザスキャナを切羽面の後方に設置して３次元の計測を行い、計測断面と基準断面との比較を行って比較断面の情報を出力する３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システムであって、
トンネル壁面の複数箇所に設置されるターゲットのそれぞれのトンネル座標のデータを格納するターゲットデータ記憶手段と、
トンネル断面の基準データを格納する基準データ記憶手段と、
前記比較断面の表示属性のデータを格納する表示属性データ記憶手段と、
前記３次元の計測による計測データに基づき前記ターゲットの位置を認識して前記認識したターゲットのスキャナ座標と前記ターゲットデータ記憶手段に格納されたトンネル座標とを求めるターゲット認識処理手段と、
前記ターゲット認識処理手段により求めたターゲットの前記スキャナ座標と前記トンネル座標に基づき座標変換パラメータを求めスキャナ座標の前記計測データをトンネル座標の計測データに変換する座標変換処理手段と、
前記トンネル座標の計測データと前記基準データ記憶手段に格納された基準データとを比較演算して比較断面データを求める比較演算処理手段と、
前記表示属性データ記憶手段に格納された表示属性のデータと前記比較断面データに基づき比較断面の情報を出力する出力処理手段と
を備え、当たりおよび余掘量に応じた表示属性により比較断面の情報を出力することを特徴とする３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム。
【請求項２】
前記ターゲット認識処理手段は、前記計測データから前記ターゲットの標識面における交差するライン情報の交点を求めることにより前記スキャナ座標を求めることを特徴とする請求項１に記載の３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム。
【請求項３】
前記ターゲットデータ記憶手段は、前記ターゲットのそれぞれの識別情報としてパターンを格納し、前記ターゲット認識処理手段は、前記３次元の計測を行って取得される計測データのデータ抜けを検出し、前記データ抜けのパターンを前記ターゲットデータ記憶手段に格納されたパターンと照合して前記ターゲットの位置を認識することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム。
【請求項４】
前記ターゲット認識処理手段は、前記検出したデータ抜けのパターンに囲まれた領域の前記計測データから前記ターゲットのスキャナ座標を求めることを特徴とする請求項３に記載の３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム。
【請求項５】
前記表示属性として、少なくとも色相、彩度、輝度、点滅の有無、点滅の周波数のいずれかの情報を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム。
【請求項１】
掘削、ズリ出し、当たり取り、覆工の各工程を含む施工サイクルを繰り返し行ってトンネルの掘削、掘進を行う際に、前記当たり取りや前記覆工の前又は後の少なくともいずれかに３次元レーザスキャナを切羽面の後方に設置して３次元の計測を行い、計測断面と基準断面との比較を行って比較断面の情報を出力する３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システムであって、
トンネル壁面の複数箇所に設置されるターゲットのそれぞれのトンネル座標のデータを格納するターゲットデータ記憶手段と、
トンネル断面の基準データを格納する基準データ記憶手段と、
前記比較断面の表示属性のデータを格納する表示属性データ記憶手段と、
前記３次元の計測による計測データに基づき前記ターゲットの位置を認識して前記認識したターゲットのスキャナ座標と前記ターゲットデータ記憶手段に格納されたトンネル座標とを求めるターゲット認識処理手段と、
前記ターゲット認識処理手段により求めたターゲットの前記スキャナ座標と前記トンネル座標に基づき座標変換パラメータを求めスキャナ座標の前記計測データをトンネル座標の計測データに変換する座標変換処理手段と、
前記トンネル座標の計測データと前記基準データ記憶手段に格納された基準データとを比較演算して比較断面データを求める比較演算処理手段と、
前記表示属性データ記憶手段に格納された表示属性のデータと前記比較断面データに基づき比較断面の情報を出力する出力処理手段と
を備え、当たりおよび余掘量に応じた表示属性により比較断面の情報を出力することを特徴とする３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム。
【請求項２】
前記ターゲット認識処理手段は、前記計測データから前記ターゲットの標識面における交差するライン情報の交点を求めることにより前記スキャナ座標を求めることを特徴とする請求項１に記載の３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム。
【請求項３】
前記ターゲットデータ記憶手段は、前記ターゲットのそれぞれの識別情報としてパターンを格納し、前記ターゲット認識処理手段は、前記３次元の計測を行って取得される計測データのデータ抜けを検出し、前記データ抜けのパターンを前記ターゲットデータ記憶手段に格納されたパターンと照合して前記ターゲットの位置を認識することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム。
【請求項４】
前記ターゲット認識処理手段は、前記検出したデータ抜けのパターンに囲まれた領域の前記計測データから前記ターゲットのスキャナ座標を求めることを特徴とする請求項３に記載の３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム。
【請求項５】
前記表示属性として、少なくとも色相、彩度、輝度、点滅の有無、点滅の周波数のいずれかの情報を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の３次元レーザスキャナを用いたトンネル掘削施工支援システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２１７０１８（Ｐ２０１０−２１７０１８Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６４６４４（Ｐ２００９−６４６４４）
【出願日】平成２１年３月１７日（２００９．３．１７）
【出願人】（５９９０９８１２７）株式会社ソーキ (28)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１７日（２００９．３．１７）
【出願人】（５９９０９８１２７）株式会社ソーキ (28)
【Ｆターム（参考）】
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