(57)【要約】【課題】掘削機のバケットによって掘り出される土砂を考慮して、未掘削部分の立体的な表面形状を正確に計測できる計測システムを提供する。【解決手段】ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されるケーソン周壁の下部となる基部内側に形成される作業室の周縁部の未掘削部分の表面形状を計測する計測システム４０のコンピュータ４１は、計測器６１〜６５の計測値を入力する度にバケットの三次元位置を計算し、計算した三次元位置の履歴に基づき未掘削部分の表面形状を予測する。【選択図】図２
2020090796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されるケーソン周壁の下部となる基部の内側の作業室の天井面となるスラブの下面に設けられた掘削機によって前記作業室の周縁部の地面下の未掘削部分を掘削する際に、その未掘削部分の表面形状を計測する計測システムであって、
前記掘削機のバケットの三次元位置を順次計測する計測手段と、
前記計測手段によって計測された三次元位置の履歴に基づき前記未掘削部分の表面形状を予測する予測手段と、
を備える計測システム。
【請求項２】
前記計測手段によって計測される三次元位置が、前記ケーソンの高さ方向の位置を表したＺ座標値と、前記ケーソンの高さ方向に直交するＸＹ平面上における位置を表したＸ座標値及びＹ座標値とによって表され、
前記予測手段は、前記計測手段によって計測される三次元位置の履歴の中の同一のＸ座標値及びＹ座標値を取る三次元位置のうち、最小のＺ座標値を取る三次元位置を前記未掘削部分の表面上の点の位置として予測する
請求項１に記載の計測システム。
【請求項３】
前記掘削機が、
前記スラブの下面に沿って移動する走行体と、
前記走行体に取り付けられ、前記ケーソンの高さ方向に平行な軸周りに前記走行体に対して旋回する旋回体と、
前記旋回体に取り付けられ、前記旋回体に対して上下に傾動するとともに伸縮するブームと、
前記ブームの先端に設けられ、前記ブームに対して上下左右に回転する前記バケットと、
を有し、
前記計測手段が、
前記走行体の位置を計測して、その計測値を出力する位置計測器と、
前記旋回体の旋回角を計測して、その計測値を出力する旋回角計測器と、
前記ブームの傾斜角を計測して、その計測値を出力する傾斜角計測器と、
前記ブームの長さを計測して、その計測値を出力するブーム長計測器と、
前記バケットの回転角を計測して、その計測値を出力する回転角計測器と、
前記位置計測器、前記旋回角計測器、前記傾斜角計測器、前記ブーム長計測器及び前記回転角計測器によって出力される計測値を入力する度に、これらの計測値から前記バケットの三次元位置を算出する三次元位置算出手段と、
を有する
請求項１又は２に記載の計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されるケーソン周壁の下部となる基部内側に形成される作業室の周縁部の未掘削部分の表面形状を計測する計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されるケーソンの周壁の下部の内側には作業室が形成されており、その作業室の気圧が高圧に制御されることによって、作業室の地面における地下水の浸入が防止されている。作業室の天井面にはレールが設置されており、そのレールに沿って走行可能な掘削機によって作業室の地面を掘削する。そうすると、ケーソン周壁が地盤から受ける抵抗力が低下し、ケーソン周壁が沈下する。
【０００３】
地盤からケーソン周壁に付与される抵抗力は、地盤の形状、特に作業室の周縁の未掘削部分によって囲われた開口の形状及びその面積に依存する。そのため、開口の形状及びその面積を計測すれば、抵抗力も推定でき、ひいてはケーソンの沈下状態も予測することができる。例えば特許文献１に開示されているように、未掘削部分の開口の形状及び面積を計測するために、計測対象物までの距離及びレーザー光の仰俯角を計測するレーザー式の測定器が利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−８２４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、未掘削部分の土砂を掘り起こすべく、掘削機のバケットが地面に差し込まれた場合、バケットによって掘り出される土砂はケーソン周壁を支持する力を発揮しないため、それも考慮する必要がある。ところが、特許文献１に記載の技術では、測定器によって照射されたレーザー光はバケット又は掘り出される土砂によって遮光されてしまって、その掘削箇所の底には入射しない。そのため、バケットによって掘り出される土砂が未掘削部分の一部であるものとして、不正確な計測が実施されてしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、掘削機のバケットによって掘り出される土砂を考慮して、未掘削部分の立体的な表面形状を正確に計測できる計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するために、ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されるケーソン周壁の下部となる基部の内側の作業室の天井面となるスラブの下面に設けられた掘削機によって前記作業室の周縁部の地面下の未掘削部分を掘削する際に、その未掘削部分の表面形状を計測する計測システムは、前記掘削機のバケットの三次元位置を順次計測する計測手段と、前記計測手段によって計測された三次元位置の履歴に基づき前記未掘削部分の表面形状を予測する予測手段と、を備える。
【０００８】
以上によれば、未掘削部分の表面形状が掘削動作中の掘削機のバケットの三次元位置の履歴に基づき予測されたものである。ここで、未掘削部分の土砂を掘り起こすべく、掘削機のバケットが地面に差し込まれた場合、バケットの三次元位置は掘削箇所の底を表していると言える。従って、予測される未掘削部分の表面形状は、バケットによって掘り出される土砂を除外したものとなる。よって、未掘削部分の立体的な表面形状を正確に計測できる。
【０００９】
好ましくは、前記計測手段によって計測される三次元位置が、前記ケーソンの高さ方向の位置を表したＺ座標値と、前記ケーソンの高さ方向に直交するＸＹ平面上における位置を表したＸ座標値及びＹ座標値とによって表され、前記予測手段は、前記計測手段によって計測される三次元位置の履歴の中の同一のＸ座標値及びＹ座標値を取る三次元位置のうち、最小のＺ座標値を取る三次元位置を前記未掘削部分の表面上の点の位置として予測する。
【００１０】
掘削機のバケットが未掘削部分に差し込まれた時のバケットの位置は、それまでのバケットの軌跡の中で最も低い位置になっていると考えられる。そうすると、計測された三次元位置の履歴の中の同一のＸ座標値及びＹ座標値を取る三次元位置のうち、最小のＺ座標値を取る三次元位置は、未掘削部分の表面上の点の位置としてみなせる。よって、掘削機のバケットによって掘り出される土砂を考慮して、未掘削部分の立体的な表面形状を正確に計測できる。
【００１１】
好ましくは、前記掘削機が、前記スラブの下面に沿って移動する走行体と、前記走行体に取り付けられ、前記ケーソンの高さ方向に平行な軸周りに前記走行体に対して旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられ、前記旋回体に対して上下に傾動するとともに伸縮するブームと、前記ブームの先端に設けられ、前記ブームに対して上下左右に回転する前記バケットと、を有し、前記計測手段が、前記走行体の位置を計測して、その計測値を出力する位置計測器と、前記旋回体の旋回角を計測して、その計測値を出力する旋回角計測器と、前記ブームの傾斜角を計測して、その計測値を出力する傾斜角計測器と、前記ブームの長さを計測して、その計測値を出力するブーム長計測器と、前記バケットの回転角を計測して、その計測値を出力する回転角計測器と、前記位置計測器、前記旋回角計測器、前記傾斜角計測器、前記ブーム長計測器及び前記回転角計測器によって出力される計測値を入力する度に、これらの計測値から前記バケットの三次元位置を算出する三次元位置算出手段と、を有する。
【００１２】
以上によれば、位置計測器、旋回角計測器、傾斜角計測器、ブーム長計測器及び回転角計測器はレーザー光を照射するものではないため、障害物の影響を受けない。よって、未掘削部分の表面形状を正確に計測することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、掘削機のバケットによって掘り出される土砂を考慮して、未掘削部分の表面形状を正確に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ニューマチックケーソン工法によって地盤に沈下するケーソンの下部を示した鉛直断面図である。
【図２】計測システムのブロック図である。
【図３】計測システムのコンピュータによって実行される処理の流れを示したフローチャートである。
【図４】計測システムのコンピュータによって実行される処理の流れを示したフローチャートである。
【図５】計測システムの表示デバイスに表示される画面の一例を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００１６】
１．  ニューマチックケーソン工法
図１は、ニューマチックケーソン工法において地盤に埋設されたケーソン１０の底部の断面図である。ケーソン１０は、軸線が上下方向に延びる筒状の周壁１１を備える。その軸線に直交する周壁１１の断面形状は例えば円形状、小判状又は四角形状である。周壁１１の下部となる基部１２の内周面１３が内側に傾斜することによって基部１２の厚さが下に向かうにつれて漸減し、これにより基部１２の下端に刃口部１４が形成されている。基部１２の内側の下端よりも上の位置にはスラブ１５が設けられており、周壁１１の内側の空間がスラブ１５によってスラブ１５の下側の作業室１７とスラブ１５の上側の空間に区切られている。作業室１７は、周囲の内周面１３と、上側の天井面（スラブ１５の下面）１６と、下側の地面１とによって囲われている。
【００１７】
筒状のマンシャフト１８及びマテリアルシャフト１９がスラブ１５を貫通して、作業室１７と地上がマンシャフト１８及びマテリアルシャフト１９によって連通している。また、高圧空気が地上のコンプレッサから送気管２０によって作業室１７に供給され、作業室１７内が高気圧に制御される。そのため、地面１から作業室１７内への地下水の浸入が防止される。
【００１８】
作業室１７の天井面１６にはガイドレール２５が設置され、掘削機３０がガイドレール２５に沿って走行する。例えば、ガイドレール２５は、周壁１１の径方向に沿って直線状に又は周壁１１の周方向に沿って環状に設置されている。
【００１９】
掘削機３０は走行体３１、旋回体３２、ブーム３３及びバケット３４を有する。走行体３１はガイドレール２５に懸下した状態に取り付けられ、ガイドレール２５に沿って走行する。旋回体３２は走行体３１に取り付けられ、油圧モータ等によって走行体３１に対して相対的に旋回する。旋回体３２の旋回軸はケーソン１０の高さ方向に対して平行であるとともに、ガイドレール２５の延在方向に対して垂直である。ブーム３３は旋回体３２に取り付けられ、油圧シリンダ等によって旋回体３２に対して相対的に上下に傾動する。また、ブーム３３は油圧シリンダ等によって伸縮する。バケット３４はブーム３３の先端に取り付けられ、ブーム３３に対して相対的に上下に回転する。また、バケット３４は、ブーム３３の長手方向に平行な軸周りに、ブーム３３に対して相対的に左右に傾動する。なお、ブーム３３が伸縮式ではなく、その長さが一定であってもよい。
【００２０】
掘削機３０は、無線式又は有線式のリモートコントローラによって遠隔操作される。従って、作業員は作業室１７の外から、リモートコントローラによって走行体３１の走行、旋回体３２の旋回、ブーム３３の傾動、ブーム３３の伸縮、バケット３４の回転等の操縦が行える。作業室１７又は掘削機３０には、掘削機３０及び地面１の観察用のカメラ９０が設置され、そのカメラ９０によって撮影される映像が作業室１７の外に設置されたディスプレイにリアルタイムに表示される。なお、作業員が、後述のように予測される未掘削部分２の表面形状や各種のデータ（沈下量、刃先抵抗力、周面摩擦及び作業室１７内の気圧等）を元に総合的に判断しながら、作業室１７内にて掘削機３０を操縦してもよい。
【００２１】
作業員が掘削機３０を操縦して、地面１を、特に作業室１７の内周面１３の近傍の未掘削部分２を掘削する。そうすると、地面１と作業室１７の内周面１３との間の境界線３が下降するとともに、地盤から基部１２に作用する抵抗力（以下、刃先抵抗力という）が減少する。そのため、ケーソン１０の自重等によってケーソン１０が沈下する。ケーソン１０の沈下に伴い未掘削部分２が隆起して、刃先抵抗力が上昇する。刃先抵抗力等がケーソン１０の自重等とほぼ釣り合ったところで、ケーソン１０の沈下が停止する。未掘削部分２とは、作業室１７の周縁部の地面１下の土砂であって、ケーソン１０の自重等に対して抵抗し得るものをいう。未掘削部分２を土砂サンドルと称呼することもある。なお、バケット３４にすくい上げられた土砂は、旋回体３２の旋回後にバケット３４が左又は右に傾動してひっくり返ることによって、バケット３４から掘削箇所周辺の土砂バケット（図示略）に落下する。
【００２２】
ニューマチックケーソン工法の施工中にケーソン１０の沈下状態をリアルタイムに正確に把握するためには、刃先抵抗力及びその分布が重要な指標になる。刃先抵抗力及びその分布は、未掘削部分２の表面形状、特に境界線３の形状に依存する。そこで、図２に示す計測システム４０を用いて、未掘削部分２の表面形状及び境界線３の立体的な形状をリアルタイムに計測する。ここで、ケーソン１０の沈下状態とは、ケーソン１０が沈下していること、その沈下が停止していること、ケーソン１０が傾いていること等をいう。刃先抵抗力の分布とは、基部１２の周方向に沿った分布のことをいう。境界線３は未掘削部分２の稜線となる。
【００２３】
２．  計測システム
計測システム４０は、コンピュータ４１、記憶部４２、表示デバイス５１、入力デバイス５２、位置計測器６１、旋回角計測器６２、傾斜角計測器６３、ブーム長計測器６４及び回転角計測器６５を備える。
【００２４】
コンピュータ４１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、バス及びハードウェアインタフェース等を有する。
【００２５】
記憶部４２は、半導体メモリ又はハードディスクドライブ等からなる記憶装置である。記憶部４２には、コンピュータ４１によって読取可能且つ実行可能なプログラム４３が格納されている。コンピュータ４１の機能及び演算処理は、プログラム４３によって実現される。
【００２６】
記憶部４２には、履歴データ４６が蓄積される。履歴データ４６は、掘削機３０のバケット３４の三次元位置の履歴からなるデータである。掘削機３０のバケット３４の三次元位置は、直交座標系によって定義される。直交座標系の座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸）が互いに直交し、バケット３４の三次元位置はＸ座標値、Ｙ座標値及びＺ座標値によって表される。その三次元座標系はケーソン１０を基準としたものであり、図１に示すようにＺ軸が周壁１１の軸線に対して平行であるとともに、ケーソン１０の高さ方向に対しても平行である。Ｘ軸及びＹ軸は天井面１６、刃口部１４及びガイドレール２５に対して平行である。ＸＹ座標値は天井面１６、刃口部１４及びガイドレール２５に平行なＸＹ面上における二次元的な位置を表す。Ｚ軸の正の向きは上向きであり、Ｚ座標値は高さを表す。以下、この三次元座標系を絶対座標系という。絶対座標系はワールド座標系ともいう。
【００２７】
履歴データ４６はコンピュータ４１によって蓄積されたものである。ここで、コンピュータ４１が非常に短い周期で掘削機３０のバケット３４の三次元位置を次々に算出するが、そのように次々に算出された三次元位置の時系列的な配列が履歴データ４６である。なお、履歴データ４６は記憶部４２ではなく、コンピュータ４１のＲＡＭに格納されるものとしてもよい。
【００２８】
記憶部４２には、表面形状データ４５が記録される。表面形状データ４５は、掘削機３０による未掘削部分２の掘削の進捗に従ってコンピュータ４１によって更新されるリアルタイムのデータである。表面形状データ４５は、未掘削部分２の表面の立体的な形状を表現するために、未掘削部分２の表面上の各点の三次元位置を絶対座標系によって定義するものである。表面形状データ４５は、履歴データ４６から抽出されたものである。具体的には、表面形状データ４５は、履歴データ４６の中の同一のＸ座標値及びＹ座標値を取る三次元位置のうち、最小のＺ座標値を取る三次元位置の集合である。そのような最小のＺ座標値を取る三次元位置は、未掘削部分２の表面上の各点のＸＹＺ座標値である。なお、表面形状データ４５はコンピュータ４１のＲＡＭに格納されるものとしてもよい。
【００２９】
また、記憶部４２には、内面形状データ４４が予め格納されている。内面形状データ４４は、作業室１７の内周面１３及び天井面１６の立体的な形状の設計データである。内面形状データ４４は、作業室１７の内周面１３及び天井面１６の立体的な形状を表現するために、内周面１３及び天井面１６上の各点の位置を絶対座標系によって定義するものである。
【００３０】
表示デバイス５１は、例えば液晶ディスプレイデバイス、有機ＥＬディスプレイデバイス又はプロジェクタである。コンピュータ４１が演算処理によって映像信号を生成し、その映像信号を表示デバイス５１に出力する。そうすると、映像信号に従った画面が表示デバイス５１に表示される。
【００３１】
入力デバイス５２は、例えばスイッチ、キーボード若しくはポインティングデバイス又はこれらの組み合わせである。入力デバイス５２は、表示デバイス５１の表面に設けられたタッチパネルであってもよい。入力デバイス５２は、操作されると操作内容に応じた信号をコンピュータ４１に出力する。
【００３２】
上記コンピュータ４１、記憶部４２、表示デバイス５１及び入力デバイス５２は作業室１７の外に、例えば地上の管理室に設置されている。
【００３３】
位置計測器６１はガイドレール２５又は走行体３１に設けられている。位置計測器６１は、掘削機３０、特に走行体３１の位置をリアルタイムで計測する。具体的には、位置計測器６１は、走行体３１の回転軸（例えば、車輪の軸、油圧モータの軸等）の回転変位により生じるパルスの数を計数して、その計数値から位置をリアルタイムで演算するロータリーエンコーダー式計測器である。位置計測器６１は、無線又は有線等によって計測値をコンピュータ４１に出力する。位置計測器６１の計測値はコンピュータ４１によって絶対座標系のＸＹＺ座標値に変換されて、走行体３１の位置がＸＹＺ座標値によって表される。ガイドレール２５の設置された天井面１６がＸ軸及びＹ軸に対して平行であるため、走行体３１のＺ座標値は一定である。更にガイドレール２５がＸ軸に対して平行である場合には、走行体３１のＹ座標値が一定であり、ガイドレール２５がＹ軸に対して平行である場合には、走行体３１のＸ座標値が一定である。
【００３４】
旋回角計測器６２は走行体３１又は旋回体３２に設けられている。旋回角計測器６２は、旋回体３２の旋回角をリアルタイムで計測する。具体的には、旋回角計測器６２は、旋回体３２の旋回軸の回転変位により生じるパルスの数を計数して、その計数値から旋回角をリアルタイムで演算するロータリーエンコーダー式計測器である。旋回角計測器６２は、無線又は有線等によって計測値をコンピュータ４１に出力する。旋回角計測器６２の計測値は、ブーム３３の水平角に換算される。
【００３５】
傾斜角計測器６３は旋回体３２又はブーム３３に設けられている。傾斜角計測器６３は、ブーム３３の傾斜角をリアルタイムで計測する。具体的には、傾斜角計測器６３は、ブーム３３の傾動により生じるパルスの数を計数して、その計数値からブーム３３の傾斜角をリアルタイムで演算するロータリーエンコーダー式計測器である。傾斜角計測器６３は、無線又は有線等によって計測値をコンピュータ４１に出力する。傾斜角計測器６３によって計測される傾斜角は、例えばＸＹ平面とブーム３３の成す角である。ＸＹ平面とは、Ｘ座標軸及びＹ座標軸に対して平行な平面のことをいう。
【００３６】
ブーム長計測器６４はブーム３３に設けられている。ブーム長計測器６４は、ブーム３３の長さをリアルタイムで計測する。具体的には、ブーム長計測器６４は、ブーム３３の伸縮により生じるパルスの数を計数して、その計数値からブーム３３の長さをリアルタイムで演算するロータリーエンコーダー式計測器である。ブーム長計測器６４は、無線又は有線等によって計測値をコンピュータ４１に出力する。なお、ブーム３３が伸縮式でない場合、ブーム長計測器６４は設けられていない。
【００３７】
回転角計測器６５はブーム３３又はバケット３４に設けられている。回転角計測器６５は、バケット３４の回転角をリアルタイムで計測する。具体的には、回転角計測器６５は、バケット３４の回転により生じるパルスの数を計数して、その計数値からバケット３４の回転角をリアルタイムで演算するロータリーエンコーダー式計測器である。回転角計測器６５は、無線又は有線等によって計測値をコンピュータ４１に出力する。回転角計測器６５によって計測される回転角は、バケット３４の上下の回転に伴うブーム３３とバケット３４の成す角と、バケット３４の左右の傾動に伴うブーム３３とバケット３４の成す角とのうち片方又は両方である。
【００３８】
３．  コンピュータの処理
上述のように作業員がリモートコントローラにより掘削機３０を操縦すると、未掘削部分２が掘削機３０によって掘削されて、未掘削部分２の表面形状及び境界線３の形状が変化する。そのような掘削の最中に、未掘削部分２の表面形状及び境界線３の形状が計測システム４０によってリアルタイムに計測され、計測された形状が表示デバイス５１に模式的に三次元表示される。図３及び図４を参照して、その際のコンピュータ４１の処理について説明する。
【００３９】
ここで、図３及び図４は、プログラム４３に従ってコンピュータ４１が実行する処理の流れを示したものである。コンピュータ４１は、図３に示す一連の処理と、図４に示す一連の処理を並列的に実行する。図３に示す一連の処理は、非常に短い周期（例えば、位置計測器６１、旋回角計測器６２、傾斜角計測器６３、ブーム長計測器６４又は回転角計測器６５の計測値の１回の計測周期）で繰り返し実行される。図４に示す一連の処理についても同様である。
【００４０】
図３に示す一連の処理は、コンピュータ４１が位置計測器６１、旋回角計測器６２、傾斜角計測器６３、ブーム長計測器６４及び回転角計測器６５の計測値に基づいてバケット３４の三次元位置を繰り返し算出して、次々に算出された三次元位置の履歴を蓄積する処理である。図３に示す処理で蓄積される三次元位置の履歴が履歴データ４６である。
【００４１】
図４に示す一連の処理は、コンピュータ４１が三次元位置の履歴から未掘削部分２の表面形状を予測する処理である。図４に示す処理で予測される表面形状を表すデータが表面形状データ４５である。
【００４２】
（１）図３に示す一連の処理
（１−１）計測値の入力：ステップＳ１１
コンピュータ４１が、位置計測器６１、旋回角計測器６２、傾斜角計測器６３、ブーム長計測器６４及び回転角計測器６５から計測値を入力する。
【００４３】
（１−２）絶対座標系の座標値の算出：ステップＳ１２
次に、コンピュータ４１は、位置計測器６１、旋回角計測器６２、傾斜角計測器６３、ブーム長計測器６４及び回転角計測器６５の計測値から、絶対座標系におけるバケット３４のＸＹＺ座標値を算出する。ここで、バケット３４のＸＹＺ座標値とは、例えばバケット３４の先端のＸＹＺ座標値のことをいう。
【００４４】
具体的には、コンピュータ４１は、ブーム長計測器６４及び回転角計測器６５の計測値に基づいて、ブーム３３の基端部を原点とした第１の相対座標系におけるバケット３４の三次元座標値を算出する。更に、コンピュータ４１は、傾斜角計測器６３の計測値に基づいて、第１の相対座標系におけるバケット３４の三次元座標値を、旋回体３２と走行体３１の連結部を原点とした第２の相対座標系における三次元座標値に変換する。更に、コンピュータ４１は、旋回角計測器６２の計測値に基づいて、第２の相対座標系におけるバケット３４の三次元座標値を、走行体３１を原点とした第３の相対座標系における三次元座標値に変換する。更に、コンピュータ４１は、位置計測器６１の計測値に基づいて、第３の相対座標系におけるバケット３４の三次元座標値を、絶対座標系におけるＸＹＺ座標値に変換する。このＸＹＺ座標値がバケット３４の三次元位置である。なお、ブーム３３が伸縮式でない場合、ブーム長計測器６４が設けられていないため、ブーム長計測器６４の計測値の代わりに定数が利用される。この定数はブーム３３の長さに等しい。
【００４５】
以上のように算出されたバケット３４の三次元位置（ＸＹＺ座標値）は、バケット３４の現在位置を表している。未掘削部分２の土砂を掘り出すべくバケット３４が地面１に差し込まれている時に算出されたバケット３４の現在位置は、掘削箇所の底の三次元位置を表していると言える。つまり、バケット３４が地面１に差し込まれている時に算出されたバケット３４の現在位置は、バケット３４の上の掘り出される土砂を除外した状態で未掘削部分２の表面上の点の位置を正確に表している。
一方、バケット３４が未掘削部分２から離れている時に算出されたバケット３４の現在位置は、未掘削部分２の表面上の点の位置を表していない。
【００４６】
バケット３４が未掘削部分２に差し込まれた時のバケット３４の位置は、それまでのバケット３４の軌跡の中で最も低い位置になっていると考えられる。従って、未掘削部分２の土砂を掘り出すべくバケット３４が未掘削部分２に差し込まれている時に算出されたバケット３４の現在位置は、以前に算出された三次元位置（但し、現在位置のＸＹ座標値と等しいもの）のＺ座標値未満である。一方、バケット３４が未掘削部分２から離れている時に算出されたバケット３４の現在位置のＺ座標値は、以前に算出された三次元位置（但し、現在位置のＸＹ座標値と等しいもの）のＺ座標値以上である。
【００４７】
（１−３）記録：ステップＳ１３
コンピュータ４１が、算出したバケット３４のＸＹＺ座標値を履歴データ４６に追記して、追記後の履歴データ４６を記憶部４２に更新記録する。なお、ステップＳ１３の開始時点で記憶部４２に履歴データ４６が記憶されていなければ、コンピュータ４１がバケット３４のＸＹＺ座標値を記憶部４２に記録し、それが初の履歴データ４６となる。
【００４８】
以上のようなステップＳ１１〜Ｓ１３の一連の処理は位置計測器６１、旋回角計測器６２、傾斜角計測器６３、ブーム長計測器６４及び回転角計測器６５の計測値がコンピュータ４１に入力される度に実行される。従って、バケット３４のＸＹＺ座標値がコンピュータ４１によって次々に算出されて、バケット３４のＸＹＺ座標値の履歴が履歴データ４６として蓄積される。ここで、位置計測器６１、旋回角計測器６２、傾斜角計測器６３、ブーム長計測器６４及び回転角計測器６５の計測値がコンピュータ４１に入力される度にステップＳ１２の処理を実行するコンピュータ４１が、これらの計測値からバケット３４のＸＹＺ座標値を算出する三次元位置算出手段に相当する。このような三次元位置算出手段、位置計測器６１、旋回角計測器６２、傾斜角計測器６３、ブーム長計測器６４及び回転角計測器６５を有する手段が、バケット３４のＸＹＺ座標値を順次計測する計測手段に相当する。バケット３４のＸＹＺ座標値の算出の度にステップＳ１３の処理を実行するコンピュータ４１が、バケット３４のＸＹＺ座標値の履歴を履歴データ４６として蓄積する蓄積手段に相当する。
【００４９】
（２）図４に示す一連の処理
（２−１）読込：ステップＳ２１
コンピュータ４１が、記憶部４２から履歴データ４６を読み込む。
【００５０】
（２−２）抽出：ステップＳ２２
コンピュータ４１が、読み込んだ履歴データ４６中の同一のＸ座標値及びＹ座標値を取る三次元位置のうち、最小のＺ座標値を取る三次元位置を抽出する。そのように抽出された三次元位置が未掘削部分２の表面上の各点のＸＹＺ座標値であり、それら三次元位置の集合が未掘削部分２の表面形状を表す。従って、コンピュータ４１が同一のＸ座標値及びＹ座標値を取る三次元位置のうち最小のＺ座標値を取る三次元位置を抽出する処理は、未掘削部分２の表面形状を予測する処理に相当する。また、ステップＳ２２の処理を実行するコンピュータ４１が予測手段に相当する。
【００５１】
ここで、バケット３４が未掘削部分２に差し込まれて、未掘削部分２の土砂がバケット３４によって掘り出されている時は、バケット３４のＺ座標値が読み出した点のＺ座標値以下である。一方、バケット３４が未掘削部分２から離れている時は、バケット３４のＺ座標値が読み出した点のＺ座標値を超えている。
【００５２】
（２−３）記録：ステップＳ２３
コンピュータ４１が、ステップＳ２２で抽出した三次元位置の集合を表面形状データ４５として記憶部４２に更新記録する。なお、ステップＳ２３の開始時点で記憶部４２に表面形状データ４５が記憶されていなければ、コンピュータ４１が抽出済みの三次元位置の集合を記憶部４２に記録し、それが初の表面形状データ４５となる。
【００５３】
（２−４）表示：ステップＳ２４
ステップＳ２４では、図５に示すように、未掘削部分２の表面モデル９３及び基部１２の内周面モデル９２がコンピュータ４１によって表示デバイス５１に表示される。具体的には、コンピュータ４１が次のような処理を行う。
【００５４】
コンピュータ４１は、座標演算処理により、表面形状データ４５に従って未掘削部分２の表面モデル９３をワールド座標系の仮想三次元空間に配置する。また、コンピュータ４１は、内面形状データ４４に従って未掘削部分２の表面モデル９３をワールド座標系の仮想三次元空間に配置する。そして、コンピュータ４１は、内周面モデル９２及び表面モデル９３を二次元座標系の平面に座標変換して、平面上の内周面モデル９２及び表面モデル９３をラスタライズ化した映像の映像信号を生成する。コンピュータ４１は、その映像信号を表示デバイス５１に出力する。そうすることで、例えば図５に示すような映像が表示デバイス５１に表示される。図５に示す太線は、地面１と作業室１７の内周面１３との間の境界線３をモデル化したものである。
【００５５】
以上のようなステップＳ２１〜Ｓ２４の一連の処理は非常に短い周期（位置計測器６１、旋回角計測器６２、傾斜角計測器６３、ブーム長計測器６４及び回転角計測器６５の１回の計測周期）で繰り返し実行される。従って、表面形状データ４５がリアルタイムに更新されて、未掘削部分２の表面形状が模式的にリアルタイムに表示される。
【００５６】
４．  有利な効果
以上の実施の形態では、次のような有利な効果が生じる。
【００５７】
（１）  コンピュータ４１がバケット３４の三次元位置を非常に短い周期で次々算出して、それら三次元位置の履歴の中の同一のＸ座標値及びＹ座標値を取る三次元位置のうち、最小のＺ座標値を取る三次元位置を抽出する。抽出された三次元位置が未掘削部分２の表面上の各点の位置を表し、その三次元位置の集合（つまり、表面形状データ４５）が未掘削部分２の表面の形状を表す。よって、未掘削部分２の立体的な表面形状を正確に計測することができる。
ここで、未掘削部分２を掘削すべくバケット３４が地面１に差し込まれている場合、バケット３４の三次元位置が未掘削部分２の表面上の点であるものとして表面形状データ４５が更新記録される。従って、バケット３４の上の掘り出される土砂は未掘削部分２から除外された状態で、未掘削部分２の表面形状が予測される。よって、そのように予測された未掘削部分２の表面形状から推定される刃先抵抗力は、バケット３４によって掘り出される土砂の分の抵抗力を除いた正確なものとなる。
また、バケット３４が地面１に差し込まれた場合、バケット３４の上の土砂はバケット３４の下の土砂との結合力が消失するので、バケット３４の上の土砂は刃先抵抗力に寄与しない。その後、バケット３４が土砂をすくい上げずに地面１から抜けた場合、刃先抵抗力に寄与しない土砂が未掘削部分２から除外された状態で、未掘削部分２の表面形状が予測される。つまり、算出される表面形状データは、バケット３４が地面１に差し込まれた時のバケット３４よりも下側の土砂の表面を正確に表し、見かけ上の土砂（刃先抵抗力に寄与しない土砂）の表面形状を表したものではない。
【００５８】
（２）  位置計測器６１、旋回角計測器６２、傾斜角計測器６３、ブーム長計測器６４及び回転角計測器６５はレーザー光を照射するものではないため、障害物の影響を受けずに未掘削部分２の立体的な表面形状を正確に計測することができる。
【００５９】
（３）  非常に短い周期の期間が経過する度に、図３に示す一連の処理及び図４に示す一連の処理がコンピュータ４１によって実行される。それゆえ、表面形状データ４５がリアルタイムに更新記録され、内周面モデル９２及び表面モデル９３がリアルタイムに更新表示される。それゆえ、掘削中に未掘削部分２の表面形状が変化しても、変化後の形状に即座に対応できる。また、作業員は表示デバイス５１に表示された表面モデル９３を見れば、掘削中の未掘削部分２の表面形状や境界線３の形状を実時間で把握することができる。更に、未掘削部分２や境界線３の現状からケーソン１０の沈下状態、刃先抵抗力及びその分布等を実時間で予測することができる。
【００６０】
（４）  観察用のカメラ９０のレンズが曇った場合でも、表示デバイス５１に表示された表面モデル９３から未掘削部分２の表面形状や境界線３の形状を把握することができる。
【００６１】
（５）  得られた表面形状データ４５を利用して、抵抗力も推定でき、ひいてはケーソン１０の沈下状態も予測することができる。表面形状データ４５をケーソン１０の傾斜、沈下量、刃先抵抗力、周面摩擦及び作業室１７内の気圧等の各種データを収集し或いは算出し、これら各種データと表面形状データ４５を統合管理することによって、安全な姿勢制御や沈設管理が可能となる。
【符号の説明】
【００６２】
２…未掘削部分
１０…ケーソン
１１…周壁
１２…基部
１３…内周面
１５…スラブ
１６…天井面
１７…作業室
３０…掘削機
３１…走行体
３２…旋回体
３３…ブーム
３４…バケット
４０…計測システム
４１…コンピュータ（計測手段、予測手段、三次元位置算出手段）
４２…記憶部
４５…表面形状データ
６１…位置計測器（計測手段）
６２…旋回角計測器（計測手段）
６３…傾斜角計測器（計測手段）
６４…ブーム長計測器（計測手段）
６５…回転角計測器（計測手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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