(57)【要約】【課題】刃口部の内周面における作業室への露出領域と地盤への貫入領域との境界を特定する刃口部境界特定装置及びこれを利用したケーソン沈設方法を提供する。【解決手段】刃口部境界特定装置１００は、ニューマチックケーソン１の作業室Ｒ内を照明する照明部１０と、作業室Ｒ内の画像Ｆを撮像する撮像部２０と、画像Ｆの画像解析部３２とを含む。撮像部２０は、画像Ｆの画素毎に所定の波長帯域における光の強度分布を検出する。画像解析部３２は、撮像部２０により検出された前記強度分布に基づいて、刃口部４の内周面４ａのうちの作業室Ｒに露出する露出領域と内周面４ａのうちの地盤Ｇ内に貫入している貫入領域との境界Ｗを特定する。ケーソン沈設方法は、刃口部境界特定装置１００の境界Ｗの特定結果を利用して刃口部４の下方地盤Ｇ２の掘削量を調整しつつ、ニューマチックケーソン１を地盤Ｇの地表面側から所定深さまで沈下させて設置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
刃口部を下端部に備えたニューマチックケーソンにおける刃口部内側の作業室内に設けられ、当該作業室内を照明する照明部と、
前記作業室内に設けられ前記作業室内の画像を撮像する撮像部であって、前記画像の画素毎に、所定の波長帯域における光の強度分布を検出可能な撮像部と、
前記撮像部により検出された前記強度分布に基づいて、前記刃口部の内周面のうちの前記作業室に露出している露出領域と前記内周面のうちの地盤内に貫入している貫入領域との境界を特定する画像解析部と、
を含む、刃口部境界特定装置。
【請求項２】
前記画像解析部は、前記境界の特定結果に基づいて、前記刃口部の前記地盤への貫入幅を演算する、請求項１に記載の刃口部境界特定装置。
【請求項３】
前記刃口部の前記内周面からの反射光についての前記強度分布の第１のモデルデータと、前記刃口部の貫入する前記地盤における前記作業室に露出している露出地盤面からの反射光についての前記強度分布の第２のモデルデータとの少なくとも一方を予め記憶する記憶部をさらに含み、
前記画像解析部は、前記記憶部に記憶された前記第１のモデルデータと前記第２のモデルデータとの少なくとも一方と、前記撮像部により取得された前記強度分布のデータとの差分値に基づいて、前記境界を特定する、請求項１又は２に記載の刃口部境界特定装置。
【請求項４】
前記撮像部は、所定波長帯域の光を１ｎｍから１０ｎｍのうちの所定の波長間隔で分光し、当該波長間隔で前記強度分布を検出する、請求項１〜３のいずれか一つに記載の刃口部境界特定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の前記刃口部境界特定装置の前記境界の特定結果を利用して前記刃口部の下方地盤の掘削量を調整しつつ、前記ケーソンを前記地盤の地表面側から所定深さまで沈下させて設置する、ケーソン沈設方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、刃口部の内周面における作業室への露出領域と地盤への貫入領域との境界を特定する刃口部境界特定装置、及び、ケーソン沈設方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築構造物の基礎工事や地下構造物の築造等のための工法の一つとして、例えば、特許文献１等に開示されたケーソン沈設工法がある。この工法は、有底筒状に形成され筒底の下部に地盤掘削用の作業室を備えたニューマチックケーソンや無底筒状に形成されたオープンケーソン等のケーソン（函）を地盤上に配置し、このケーソンの周壁内側の地盤及び周壁下端の刃口部の下方地盤を掘削しつつ、その自重により又は荷重を加える等して、ケーソンを所定の深さまで徐々に沈下させて設置し、地盤中に基礎や地下構造物等を構築する工法である。
【０００３】
この種の工法におけるケーソンの沈設方法では、ケーソンを沈下させる力である沈下力（主にケーソンの自重）とこの沈下力に抵抗する力である地盤等からの沈下抵抗力とがバランスしている状態では、ケーソンは沈下することなく静止している。この沈下抵抗力は、主に、ケーソンの周壁の外面に作用する周面摩擦力と、ケーソンの刃口部の内周面に作用する地盤からの反力（地盤反力）とからなる。詳しくは、刃口部の内周面は刃口部先端から上方に向かうほどケーソンの中心軸側に近づくように傾斜したテーパー状に形成されており、この傾斜した内周面に、地盤からの反力が作用している。そして、ケーソンの沈設方法では、例えば、ケーソンがその刃口部を地盤内に貫入させて静止した状態で、刃口部の内周面の下方地盤の一部をケーソンの内側から掘削することにより、ケーソンに作用する地盤からの反力を適度に低減させる。その結果、沈下抵抗力が沈下力より低くなり、ケーソンが沈下し始める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３７２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、この種のケーソンの沈設方法において、ケーソンの刃口部の地盤への貫入状況を把握することは、ケーソン沈下の施工管理上重要な事項である。
【０００６】
本発明は、このような実状に着目してなされたものであり、刃口部の地盤への貫入状況をリアルタイムに把握可能な情報として、刃口部の内周面における露出領域と地盤への貫入領域との境界を特定する情報を取得する刃口部境界特定装置、及び、これを利用したケーソン沈設方法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】
上記課題に対して、本発明に係る刃口部境界特定装置は、その一態様として、刃口部を下端部に備えたニューマチックケーソンにおける刃口部内側の作業室内に設けられ、当該作業室内を照明する照明部と、前記作業室内に設けられ前記作業室内の画像を撮像する撮像部であって、前記画像の画素毎に、所定の波長帯域における光の強度分布を検出可能な撮像部と、前記撮像部により検出された前記強度分布に基づいて、前記刃口部の内周面のうちの前記作業室に露出している露出領域と前記内周面のうちの地盤内に貫入している貫入領域との境界を特定する画像解析部と、を含む。
【０００８】
また、本発明に係るケーソン沈設方法は、その一態様として、前記刃口部境界特定装置の前記境界の特定結果を利用して前記刃口部の下方地盤の掘削量を調整しつつ、前記ケーソンを前記地盤の地表面側から所定深さまで沈下させて設置する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る刃口部境界特定装置の上記一態様によると、照明部によって、刃口部を下端部に備えたニューマチックケーソンの刃口部内側の作業室内が照明され、作業室内に設けられ前記作業室内の画像を撮像する撮像部によって、画像の画素毎に所定の波長帯域における光の強度分布が検出され、画像解析部によって、撮像部により検出された前記強度分布に基づいて、刃口部の内周面のうちの作業室に露出している露出領域と刃口部の内周面のうちの地盤内に貫入している貫入領域との境界が特定される。これにより、ケーソンの沈設の際に、刃口部の内周面のうちの作業室への露出領域と地盤内への貫入領域との境界を特定した特定結果の情報を常時取得できるため、この境界の特定結果の情報により、刃口部の地盤への貫入状況をリアルタイムに把握（モニタリング）することができ、ひいては、ケーソン沈下の施工管理をより確実且つ安全に行うことができる。
【００１０】
本発明に係るケーソン沈設方法の上記一態様によると、前記刃口部境界特定装置の測定結果を利用して刃口部の下方地盤の掘削量を調整しつつ、ケーソンを地盤の地表面側から所定深さまで沈下させて設置する構成である。したがって、例えば、刃口部境界特定装置により得られた前記境界の特定結果の情報に基づいて現時点における刃口部の地盤への貫入幅を推定することができると共に、さらに、この推定した貫入幅に基づいて現時点における地盤からの反力の合計を推定することができる。そして、主にこの推定した地盤からの反力の合計とケーソンの周壁に作用する周面摩擦力とからなる沈下抵抗力が沈下力（主にケーソンの自重）よりも適度に低くなるように、刃口部の下方地盤の掘削量を調整して、ケーソンの沈下を開始させることができる。その結果、ケーソンを地盤の地表面側から所定深さまで、安全に沈下させて設置させることができる。
【００１１】
このようにして、刃口部の地盤への貫入状況をリアルタイムに把握可能な情報として、刃口部の内周面における露出領域と地盤への貫入領域との境界を特定する情報を取得する刃口部境界特定装置、及び、これを利用したケーソン沈設方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る刃口部境界特定装置の概略構成及び刃口部境界特定装置の特定結果を利用したケーソン沈設方法を説明するための概念図である。
【図２】前記刃口部境界特定装置の概略構成を説明するための概念図である。
【図３】刃口部の地盤への貫入状態の一例を示すための刃口部先端を含む拡大断面である。
【図４】前記刃口部境界特定装置の撮像部により撮像されて得られた画像の一例である。
【図５】前記撮像部により撮像された複数の画像を並べて示した一例である。
【図６】前記刃口部境界特定装置の画像解析部における画像解析内容を説明するための概念図の一例である。
【図７】前記画像解析部による貫入幅の演算結果の一例を示す概念図である。
【図８】前記刃口部境界特定装置の特定結果を利用したケーソン沈設方法を説明するための別の概念図である。
【図９】前記画像解析部の画像解析の変形例を説明するための概念図の一例である。
【図１０】前記刃口部境界特定装置の記憶部に記憶されるモデルデータの変形例を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面参照して、本発明に係る刃口部境界特定装置及びケーソン沈設方法の実施形態について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る刃口部境界特定装置１００の概略構成及び刃口部境界特定装置１００の特定結果を利用したケーソン沈設方法を説明するための概念図である。本実施形態においては、ニューマチックケーソン１を沈設させて橋脚等の基礎を構築するケーソン沈設工法に、本発明に係る刃口部境界特定装置１００の特定結果を利用したケーソン沈設方法を適用した場合について、以下に説明する。
【００１５】
まず、ニューマチックケーソン１の概略の構造等について説明する。
【００１６】
ニューマチックケーソン１は、円筒、角筒等の所定の断面形状を有し、筒形状をなして上下方向に延びる周壁２を有するものである。本実施形態では、ニューマチックケーソン１は、全体として、概ね円筒形状であり、鉛直方向に所定個数に分割されており、下から順に、ケーソン基部３と、図示省略したケーソン中間部と、同じく図示省略したケーソン頂部とにより構成される。図１では、ニューマチックケーソン１の構築途中の状態が示されている。詳しくは、ニューマチックケーソン１のうちのケーソン基部３の大半が地盤Ｇ内に沈下して静止している状態が示されている。
【００１７】
周壁２は、ケーソン基部３、前記ケーソン中間部及び前記ケーソン頂部の外周壁からなる。例えば、前記ケーソン中間部及び前記ケーソン頂部は、それぞれ、ケーソン基部３の最大外径より若干小さい外径を有して形成される。
【００１８】
ケーソン基部３は、ニューマチックケーソン１の最下端部を構成するものであり、円筒部３ａと隔壁部３ｂとからなる。
【００１９】
円筒部３ａは、円筒状に形成され上下方向に延び、ニューマチックケーソン１の周壁２の下端部を構成する。円筒部３ａの径方向内側の内部空間は、隔壁部３ｂにより上下方向に二分されており、下側の空間が地盤掘削用の後述する作業室Ｒを構成する。円筒部３ａの下端部は、刃口部４を構成する。刃口部４は、ニューマチックケーソン１の下端部の備えられるものである。刃口部４は、図１に示すように、ケーソン沈下時に地盤Ｇ（詳しくは、後述する下方地盤Ｇ２）に貫入する部位であり、概ね円筒状に形成されている。刃口部４の内周面４ａは、刃口部先端４ｂから上方（言い換えると、隔壁部３ｂ側）に向かうほどニューマチックケーソン１の中心軸Ｚ側に近づくように傾斜したテーパー状に形成されている。詳しくは、刃口部４の最下端部における内周面４ａの傾斜角（つまり、中心軸Ｚに対する内周面４ａの傾斜角）は、例えば、その上側の内周面４ａにおける前記傾斜角よりも大きくなるように設定されている。
【００２０】
また、円筒部３ａは、具体的には、その上端側の外径が下端側の外径よりも若干小さくなるように、段付き状の外周面を有して形成されている。前記ケーソン中間部及び前記ケーソン頂部の外周壁は、円筒部３ａにおける上端側の外径に合せた外径で形成されている。なお、円筒部３ａの外周面は段付き状に限らず、同一外径を有していてもよい。この場合、ニューマチックケーソン１に対する沈下抵抗力の一部を構成する円筒部３ａ（周壁２）に作用する周面摩擦力は段付き状の場合よりも大きくなる。
【００２１】
作業室Ｒは、ニューマチックケーソン１における刃口部内側の空間、つまり、作業員や後述する掘削機５等により地盤を掘削するための地盤掘削用の空間であり、刃口部４の内周面４ａと隔壁部３ｂとにより区画されている。作業室Ｒ内には外部から空気等が供給されており、作業室Ｒ内は圧気状態になっている。これにより、地盤から作業室Ｒ内への地下水、泥及びガス等の流入を抑制又は防止して、掘削作業の安全及び効率化を図っている。なお、この作業室Ｒ内の圧気により生じる揚圧力はニューマチックケーソン１の沈下力に抗する沈下抵抗力の一部を構成する。
【００２２】
隔壁部３ｂは、前述したように、円筒部３ａの径方向内側の内部空間を上下方向に二分し、作業室Ｒの天井壁となる部位である。本実施形態では、隔壁部３ｂの作業室Ｒ側の壁面（下面）には、掘削機５の走行ガイド用のガイドレール６が取り付けられている。掘削機５は、地盤Ｇのうちの、刃口部４の内側の地盤Ｇ１や、刃口部４の下方に位置する下方地盤Ｇ２を掘削するものである。掘削機５は、例えば、作業室Ｒ外からの遠隔操作により、ガイドレール６に沿って走行して掘削対象領域の近傍まで移動し、地盤Ｇ１及び下方地盤Ｇ２を掘削可能に構成されている。なお、刃口部４の内側の地盤Ｇ１と下方地盤Ｇ２との境は厳密に区分けされるものではない。
【００２３】
また、隔壁部３ｂには、貫通孔３ｂ１がガイドレール６等と干渉しない位置に開口されている。この貫通孔３ｂ１は、隔壁部３ｂの上側の壁面に設置される筒状のマンロック７及びマテリアルロック８の内部空間と作業室Ｒとの間を連通する。図１では、マンロック７の内部空間との連通用の貫通孔３ｂ１と、マテリアルロック８の内部空間との連通用の貫通孔３ｂ１が示されている。図示省略したが、作業室Ｒの圧気用の配管及び作業室Ｒ内のガスモニタリング用等の貫通孔がそれぞれ、適宜の位置に形成されている。なお、マンロック７には、上方開口部から下方開口部を経て作業室Ｒまで到達する階段が形成されており、この階段を通って、作業員が作業室Ｒ内に入室可能とされている。また、マンロック７には、途中に減圧室が設けられており、作業員は圧気された作業室Ｒでの作業終了後、この減圧室を経由して地上側に退出可能になっている。そして、マテリアルロック８は、作業室Ｒにおいて掘削した土砂をクレーン等によって排出する際等に利用される。
【００２４】
ここで、ケーソン沈設施工の際に、ケーソン基部３の刃口部４は、図１に示すように、下方地盤Ｇ２に貫入する。この刃口部４の内周面４ａは傾斜しているため、刃口部４における下方地盤Ｇ２へ貫入している幅である貫入幅Ｂは、刃口部４の下方地盤Ｇ２への貫入深さが深くなるほど（言い換えると、内周面４ａにおける地盤Ｇに貫入している部位についての刃口部先端４ｂからの高さ範囲Ｈが高くなるほど）広くなる。貫入幅Ｂは、言い換えると、内周面４ａにおける地盤Ｇに貫入している部位についての刃口部先端４ｂからの高さ範囲Ｈが高くなるほど広くなる。貫入幅Ｂとは、詳しくは、刃口部４のうち下方地盤Ｇ２に接触している内周面４ａについての水平方向（つまり、ニューマチックケーソン１の中心軸Ｚと直交する方向）の幅をいう。また、貫入幅Ｂは、下方地盤Ｇ２からの反力がケーソン基部３に作用する幅、つまり沈下抵抗力の一部を構成する地盤反力の作用幅（作用面積）を表すものともいえ、その意味においてケーソン沈下の施工管理上重要なパラメーターの一つである。貫入幅Ｂが狭くなるほど、刃口部４に作用する地盤反力の合計が小さくなり、沈下抵抗力が小さくなる。このような貫入幅Ｂは、以下に詳述する刃口部境界特定装置１００により演算（測定）可能である。
【００２５】
次に、刃口部境界特定装置１００について、図１から図５を参照して説明する。図２は刃口部境界特定装置１００の概略構成を説明するための概念図である。図３は刃口部４の拡大断面図を示す。図４は刃口部境界特定装置１００の後述する撮像部２０により撮像されて得られた画像Ｆの一例を示し、図５は得られた複数の画像Ｆ１〜Ｆ１２を並べて示した一例である。
【００２６】
図１及び図２に示すように、本実施形態では、刃口部境界特定装置１００は、照明部１０と、撮像部２０と、本体部３０とを含んで構成されている。
【００２７】
本実施形態では、本体部３０は、表示部３１と、画像解析部３２と、記憶部３３と、を含んで構成されている。
【００２８】
刃口部境界特定装置１００は、図３に示すように、刃口部４の内周面４ａのうちの作業室Ｒに露出している露出領域Ｓ１と内周面４ａのうちの地盤Ｇ内に貫入している貫入領域Ｓ２との境界Ｗを特定するための装置である。
【００２９】
照明部１０は、作業室Ｒ内に設けられ作業室Ｒ内を照明する照明装置である。照明部１０は、例えば、図１に示すように、隔壁部３ｂの作業室Ｒ側の壁面の外縁部における周方向に間隔を空けた複数の箇所に、少なくとも刃口部４の内周面４ａを照らすようにそれぞれ取り付けられている。
【００３０】
撮像部２０は、作業室Ｒ内に設けられ作業室Ｒ内の画像Ｆを撮像するものである。そして、撮像部２０は、画像Ｆの画素（Ｐｎｍ）毎に、所定の波長帯域における光の強度Ｉの分布（以下、強度分布という）を検出可能な装置である。この強度分布つまりスペクトルについては、後に詳述する。撮像部２０の画像Ｆの画素数は、例えば、数十万から数百万のうちの所定の画素数を採用できる。図４では、各画素の単位を分かり易く示すために各画素を誇張して大きく示したが、各画素の範囲（大きさ）は実際には図４で示したものよりも狭い（小さい）。図４に示した画像Ｆでは、上側に刃口部４の内周面４ａの露出領域Ｓ１が映し出されており、下側（図中、網掛け部）に下方地盤Ｇ２のうちの作業室Ｒに露出している露出地盤面Ｇ２’が映し出されている。したがって、この画像Ｆにおいて露出地盤面Ｇ２’の映し出されている領域の紙面奥側の領域が内周面４ａのうちの貫入領域Ｓ２に対応する領域である。
【００３１】
具体的には、撮像部２０は、図１及び図５に示すように、例えば、隔壁部３ｂの作業室Ｒ側の壁面における径方向中心（つまり、ニューマチックケーソン１の中心軸Ｚが交わる位置）に取り付けられている。具体的には、ガイドレール６は隔壁部３ｂに径方向中心を避けた位置に取り付けられており、撮像部２０はガイドレール６と干渉しない隔壁部３ｂの径方向中心において中心軸Ｚ回りに３６０°回動可能に構成されている。この撮像部２０の回動は、例えば、本体部３０からの遠隔操作指令等により実行可能に構成される。
【００３２】
撮像部２０により刃口部４の内周面４ａの全周を撮像する際に、撮像部２０は、例えば、内周面４ａを中心軸Ｚ回りの所定角度範囲毎に分割して撮像する。図５では、内周面４ａを１２回に分けて撮像して得られた各画像Ｆ１〜Ｆ１２について隣合う画像の一部を互いに重ね合わせて内周面４ａの全周画像としてイメージ化して示されている。つまり、撮像部２０は、中心軸Ｚ回りに３０度ずつ回動操作され、画像Ｆにおける両サイドの領域が隣接する画像Ｆと重複するように、一回の撮像で得られる画像Ｆにおける中心軸Ｚ回りの方向の画角範囲が３０度より若干大きくなるように設定されている。この全周画像や各画像Ｆ１〜Ｆ１２は、例えば、表示部３１に表示可能に構成されている。掘削機５の操作者等は、表示部３１に表示された各画像Ｆ１〜Ｆ１２や全周画像等により、内周面４ａにおける露出領域Ｓ１と露出地盤面Ｇ２’との境界を認識することにより、露出領域Ｓ１と貫入領域Ｓ２との境界Ｗ（図４では太線部分）を視覚的に概ね把握することができる。つまり、操作者等は、刃口部４の地盤Ｇへの貫入状況を、表示部３１に表示された全周画像等の視覚的な情報によりリアルタイムに把握し、ケーソン沈下の施工管理を行うことができる。
【００３３】
ここで、操作者等が、表示部３１等に表示された前記全周画像や各画像Ｆ１〜Ｆ１２を視ただけでは、内周面４ａにおける露出領域Ｓ１と貫入領域Ｓ２との境界Ｗを正確に把握することが困難な場合等も想定される。この点、以下に詳述するように、本実施形態では、撮像部２０として後述するハイパースペクトルカメラを採用し、操作者等の視覚的な主観に頼らず客観的に境界Ｗをより確実に特定可能な情報を提供可能に構成されている。
【００３４】
本実施形態では、撮像部２０は、３５０ｎｍから１１００ｎｍの波長帯域における所定波長帯域の光を１ｎｍから１０ｎｍのうちの所定の波長間隔で分光し、この波長間隔で前記強度分布を検出する、いわゆるハイパースペクトルカメラからなるものである。つまり、ハイパースペクトルカメラは、言い換えると、例えば、数十バンド（種類）以上の波長刻みで分光された光の強度分布（スペクトル）の情報（ハイパースペクトル情報）を取得可能なカメラである。ハイパースペクトルカメラからなる撮像部２０は、例えば、３５０ｎｍ（近紫外）〜１１００ｎｍ（近赤外）の波長を５ｎｍ間隔で分光し、画像Ｆの画素（Ｐｎｍ）毎に前記ハイパースペクトル情報を取得可能に構成されている。このハイパースペクトル情報は、人の目や一般的なＲＧＢデジタルカメラでは捉えられない撮像対象の特性等を捉えることが可能な情報である。表示部３１には、例えば、各画像Ｆ１〜Ｆ１２や前記全周画像のそれぞれについて、波長毎に色等を異ならせて波長毎の画像として表示したり、各画素における一番強度Ｉの強い波長を代表波長として特定しその代表波長に対応する色等で各画素を示した画像として表示したりすることが可能に構成されている。
【００３５】
例えば、刃口部４を含むケーソン基部３がコンクリートからなるものとした場合、内周面４ａは概ね灰色のコンクリート面である。画像Ｆにおけるコンクリート面、つまり内周面４ａの露出領域Ｓ１が映し出されている所定の画素（例えば、図４のＰ１１）において取得されたハイパースペクトルは、例えば、波長λ毎の強度Ｉの変化が少なく略フラットなスペクトルを示す（後述する図６（ｂ）の上図）等の特定の特徴を有する。一方、画像Ｆにおける下方地盤Ｇ２の露出地盤面Ｇ２’が映し出されている所定の画素（例えば、図４のＰｎｍ）において取得されたハイパースペクトルは、例えば、波長λが長くなるほど強度Ｉが高くなるスペクトルを示す（後述する図６（ｂ）の下図）等のコンクリート面とは異なる特定の特徴を有する。
【００３６】
本体部３０は、刃口部境界特定装置１００全体の制御等をする本体であり、例えば、掘削機５の遠隔操作用の装置（図示省略）と共に地上側に設けられ、表示部３１と、画像解析部３２と、記憶部３３とを含んで構成されている。
【００３７】
表示部３１は、例えば、液晶ディスプレイからなり、前述したように各画像Ｆ１〜Ｆ１２や前記全周画像を表示可能であると共に、取得したスペクトルの結果や貫入幅Ｂの後述する演算結果等を表示可能に構成された表示機器である。
【００３８】
画像解析部３２は、撮像部２０により検出された前記強度分布（本実施形態ではハイパースペクトル）に基づいて、刃口部４の内周面４ａのうちの作業室Ｒに露出している露出領域Ｓ１と内周面４ａのうちの地盤Ｇ（下方地盤Ｇ２）内に貫入している貫入領域Ｓ２との境界Ｗを特定するように構成されている。この画像解析部３２における境界Ｗの特定方法の一例については後に詳述する。
【００３９】
記憶部３３は、少なくとも、刃口部４の内周面４ａからの反射光についての前記強度分布（スペクトル）の第１のモデルデータを予め記憶するものである。この第１のモデルデータは、例えば、撮像部２０により事前に取得してもよいし、他の施工現場でのデータや文献データ等を用いてもよい。前述したように、撮像対象のコンクリート面（内周面４ａ）に対応する領域（露出領域Ｓ１）の各画素についてのハイパースペクトルが略フラットなスペクトルを示す特徴を有する場合には、記憶部３３は、前記第１のモデルデータとして、後述する図６（ｃ）に示すようなフラットなモデルスペクトルを表すデータを記憶する。
【００４０】
また、本実施形態では、記憶部３３には、ニューマチックケーソン１の寸法等の構造データや撮像部２０の画角等のデータ等が記憶されている。具体的には、中心軸Ｚ回りの所定の角度位置における一度の撮像により取得される画像Ｆ内の全体に、刃口部４の内周面４ａが映し出されていると仮定する。そして、記憶部３３には、この場合の画像Ｆの各画素における内周面４ａの実際の空間座標位置（例えば、３次元座標位置）のデータと、この空間座標位置における刃口部４の幅（つまり貫入幅Ｂ）のデータとが、画素毎に関連付けて記憶されている。そして、各画像Ｆ１〜Ｆ１２のハイパースペクトルのデータを含む画像データは、中心軸Ｚ回りのどの角度位置における画像データであるかを判別可能に、記憶部３３に入力及び記憶される。
【００４１】
次に、画像解析部３２による境界Ｗの特定方法について図６を参照して詳述する。図６は、画像解析部３２における画像解析内容を説明するための概念図の一例である。
【００４２】
本実施形態では、画像解析部３２は、記憶部３３に記憶された前記第１のモデルデータと、撮像部２０により取得された前記強度分布（ハイパースペクトル）のデータとの差分値に基づいて、境界Ｗを特定する。
【００４３】
例えば、図６（ａ）に示すように、露出領域Ｓ１と露出地盤面Ｇ２’の境界、つまり、露出領域Ｓ１と貫入領域Ｓ２との境界Ｗが図４と比較して不明瞭な画像Ｆが取得され、人の視覚だけでは画像Ｆにおいて正確に境界Ｗを特定することが困難であるものとする。図６（ａ）に示す画像Ｆにおける上側の領域には露出領域Ｓ１が映し出されており、下側の領域には露出地盤面Ｇ２’が映し出されている。
【００４４】
ここで、画像解析部３２は、具体的には、画像Ｆにおける画素毎に、図６（ｂ）に示すスペクトルを表すハイパースペクトルのデータを取得する。そして、画像解析部３２は、図６（ｃ）に示すモデルスペクトルを表す前記第１のモデルデータを記憶部３３から読み出す。そして、画像解析部３２は、取得したハイパースペクトル（取得スペクトル）のデータから前記第１のモデルデータを波長λ毎に差し引く演算処理を、一つの画像Ｆの全ての画素について実行する。そして、画像解析部３２は、波長λ毎に演算される取得スペクトルのデータと前記第１のモデルデータとの差分値の最大値ΔＩmaxが予め定めた所定の差分閾値ΔＩｃより小さいか否かを判定する。画像解析部３２は、差分値の最大値ΔＩmaxが差分閾値ΔＩｃより小さいと判定した場合（図６（ｄ）の上図の場合）、その画素（例えばＰ１１）は、露出領域Ｓ１の画素であると特定する。また、画像解析部３２は、差分値の最大値ΔＩmaxが差分閾値ΔＩｃ以上であると判定した場合（図６（ｄ）の下図の場合）、その画素（例えばＰｎｍ）は、貫入領域Ｓ２内の画素であると特定する。そして、画像解析部３２は、例えば、図６（ａ）に示す画像Ｆに露出領域Ｓ１と貫入領域Ｓ２との境界Ｗを強調する境界線を画像Ｆに描画することで、図４に示すような境界Ｗを視覚的に容易に特定可能な画像を表示部３１に表示させる。画像解析部３２は、この境界Ｗの特定のための演算、判定及び描画の処理を、画像Ｆ１〜Ｆ１２毎に実行する。そして、画像解析部３２は、境界Ｗの特定結果としての前記境界線を太線等により強調させて、表示部３１に表示（描画）する。このとき、画像解析部３２は、例えば、貫入領域Ｓ２内の画素であると特定した複数の画素のうちの境界Ｗに沿う各画素（以下、境界対応画素という）についての内周面４ａの実際の空間座標位置のデータを、境界Ｗの特定結果の情報として、境界対応画素毎に記憶部３３に保存させる。
【００４５】
また、本実施形態では、画像解析部３２は、境界Ｗの特定結果に基づいて、刃口部４の地盤Ｇへの貫入幅Ｂを演算するように構成されている。
【００４６】
具体的には、画像解析部３２は、例えば、記憶部３３に予め記憶されている刃口部４の貫入幅Ｂのデータのうち、境界Ｗの特定結果の情報として記憶部３３に記憶させた空間座標位置のデータに対応する記憶部３３内の貫入幅Ｂのデータを、境界対応画素毎に読み出す。そして、画像解析部３２は、この読み出した境界対応画素毎の貫入幅Ｂのデータを、貫入幅Ｂの演算結果として、表示部３１に表示する。このとき、画像解析部３２は、例えば、読み出した境界対応画素毎の貫入幅Ｂのデータとこれら境界対応画素の空間座標位置のデータとに基づいて、図７に示すように、刃口部４の全周に亘る貫入幅Ｂの変化状態を、表示部３１に表示させるようにしてもよい。
【００４７】
ここで、ケーソン沈設施工の際に、ケーソン基部３の上部に沈設深さに応じた所定個数の前記ケーソン中間部が鉛直方向に順次積み重ねて構築されると、ケーソン基部３が前記ケーソン中間部と共に地盤Ｇ内に沈下する。そして、さらに、前記ケーソン中間部の最上部に前記ケーソン頂部が積み重ねられると、ケーソン基部３が前記ケーソン中間部及び前記ケーソン頂部と共に地盤Ｇ内に沈下する。これにより、地表面側から所定の沈設深さまで延びるニューマチックケーソン１が地盤Ｇ内に構築される。そして、ニューマチックケーソン１の上部（つまり、前記ケーソン頂部）に、橋脚等が設置されることになる。詳しくは、作業室Ｒにおける内側の地盤Ｇ１及び下方地盤Ｇ２の掘削とこの掘削によるケーソン沈下とが、ニューマチックケーソン１の沈設深さまで順次繰り返される。つまり、刃口部４が下方地盤Ｇ２に貫入して静止している状態において、作業室Ｒ内にて下方地盤Ｇ２等が掘削されて沈下抵抗力が沈下力より低くなると、ケーソン基部３は沈下し始め、予測される所定量だけ沈下したところで静止する。その後、再び掘削を行って所定量だけ沈下させ、これを複数回繰り返すと共に、途中で前記ケーソン中間部及び前記ケーソン頂部を順次積み重ねていく。
【００４８】
また、ケーソン沈設施工における掘削の際に、刃口部４の内周面４ａに接触している下方地盤Ｇ２を制限なく掘削すると、沈下抵抗力が急激に低下し、ケーソン基部３を意図せず沈下させたり予定以上の深さまで沈下（過沈下）させたりしてしまう可能性がある。そのため、ケーソン沈下を安全に開始又は再開させるためには、掘削後においても刃口部４の内周面４ａには、下方地盤Ｇ２の一部を適度に残して接触させる必要がある。したがって、画像解析部３２により境界Ｗの特定結果に基づいて演算された刃口部４の下方地盤Ｇ２への現時点における貫入幅Ｂは、現時点における内周面４ａの下方に残されて接触している堀残し残土幅、言い換えると、地盤からの反力の大きさを把握可能なパラメーターでもある。この意味において、境界Ｗの特定結果の情報や貫入幅Ｂは、刃口部４の下方地盤Ｇ２をあとどの程度掘削可能であるかについて、その掘削量等を定める際に有用な情報となる。前記堀残し残土は、下方地盤Ｇ２そのものであり、作業室Ｒ内において刃口部４の内周面４ａの全周に亘って接触して、刃口部４の内周面４ａの下方に存在する概ね環状の残土である。
【００４９】
次に、本発明に係るケーソン沈設方法の一実施形態を、ニューマチックケーソン１を用いた場合について、図１及び図８を参照して説明する。図８は、本実施形態のケーソン沈設方法を説明するための刃口部４の拡大図の一例である。
【００５０】
前述したように、ケーソン沈設施工では、掘削と沈下が繰り返される。つまり、ケーソン基部３の沈下が停止して、ケーソン基部３が静止している場合に、その後、次の沈下を再開させるためには、再度、下方地盤Ｇ２を掘削する必要がある。そして、この掘削は適度な掘削量等で行う必要がある。
【００５１】
そのため、本実施形態におけるケーソン沈設方法では、前述した刃口部境界特定装置１００の境界Ｗの特定結果を利用して刃口部４の下方地盤Ｇ２の掘削量を調整しつつ、ニューマチックケーソン１を地盤Ｇの地表面側から所定深さまで沈下させて設置するように構成されている。
【００５２】
具体的には、図８に示すように、刃口部４が下方地盤Ｇ２に貫入して、ケーソン基部３が静止している状態で、刃口部境界特定装置１００によって、境界Ｗを特定すると共に、この特定結果に基づいて現時点における貫入幅Ｂを演算し、貫入幅Ｂの演算結果を取得する。そして、この得られた貫入幅Ｂにより、現時点におけるケーソン基部３（刃口部４）に作用する地盤反力の作用幅が分かるため、刃口部４に作用する地盤反力の合計を推定できる。そして、主にこの推定した地盤反力の合計と予め推定可能な周面摩擦力とからなる沈下抵抗力が沈下力よりも適度に低くなるような、刃口部４の下方地盤Ｇ２の掘削量を決定する。そして、決定した掘削量に応じて下方地盤Ｇ２（堀残し残土）における作業室Ｒ側に露出する法面（つまり、露出地盤面Ｇ２’）を刃口部４の内周面４ａ側に向って掘削する。図８に網掛けされた領域が掘削領域である。図８に示す二点鎖線で示した部分が、掘削後の下方地盤Ｇ２の（堀残し残土）の法面（露出地盤面Ｇ２’）である。この掘削後の貫入幅Ｂは掘削前の貫入幅Ｂよりも適度に狭くなっているため、沈下抵抗力が適度に低くなり、沈下がゆっくりと再開する。そして、この沈下中においても貫入幅Ｂの演算（測定）は継続され、沈下に伴い貫入幅Ｂは大きくなり、予測される所定量だけ沈下したところで沈下が再び停止する。これを複数回繰り返すと共に、途中で前記ケーソン中間部及び前記ケーソン頂部を順次積み重ねることにより、地表面側から所定の沈設深さまで延びるニューマチックケーソン１を地盤Ｇ内に構築する。
【００５３】
また、この沈設施工の際に、ケーソン基部３を略鉛直方向に沈下させることが求められる。そのため、下方地盤Ｇ２の掘削量（言い換えると堀残し残土幅）が内周面４ａの周方向に亘って略均一になるように、下方地盤Ｇ２の一部が掘削される。この掘削により、ケーソン基部３が傾斜せずに略鉛直方向に沈下する。このとき、刃口部４の貫入幅Ｂは、図７に示すように、内周面４ａの周方向に亘って若干のバラツキがあっても、所定のバラツキの範囲内であれば、ケーソン基部３を傾斜せずに略鉛直方向に沈下させることが可能である。
【００５４】
かかる本実施形態による刃口部境界特定装置１００によれば、照明部１０によって、ニューマチックケーソン１の作業室Ｒ内が照明され、作業室Ｒ内に設けられ作業室Ｒ内の画像を撮像する撮像部２０によって、画像Ｆの画素Ｐｎｍ毎に所定の波長帯域における光の強度分布（スペクトル）が検出され、画像解析部３２によって、撮像部２０により検出された強度分布に基づいて、刃口部４の内周面４ａのうちの作業室Ｒに露出している露出領域Ｓ１と刃口部４の内周面４ａのうちの地盤Ｇ内に貫入している貫入領域Ｓ２との境界Ｗが特定される。これにより、ケーソン沈設の際に、露出領域Ｓ１と貫入領域Ｓ２との境界Ｗを特定した特定結果の情報を常時取得できるため、この境界Ｗの特定結果の情報により、刃口部４の地盤Ｇへの貫入状況をリアルタイムに把握（モニタリング）することができ、ひいては、ケーソン沈下の施工管理をより確実且つ安全に行うことができる。
【００５５】
本発明に係るケーソン沈設方法の上記一態様によると、刃口部境界特定装置１００の境界Ｗの特定結果を利用して刃口部４の下方地盤Ｇ２の掘削量を調整しつつ、ニューマチックケーソン１を地盤Ｇの地表面側から所定深さまで沈下させて設置する構成である。したがって、例えば、刃口部境界特定装置１００により得られた境界Ｗの特定結果の情報に基づいて現時点における刃口部４の地盤Ｇへの貫入幅Ｂを演算することができると共に、さらに、この演算した貫入幅Ｂに基づいて現時点における地盤Ｇからの反力の合計を推定することができる。そして、主にこの推定した地盤Ｇからの反力の合計とニューマチックケーソン１の周壁２に作用する周面摩擦力とからなる沈下抵抗力が沈下力（主にケーソン自重）よりも適度に低くなるように、刃口部４の下方地盤Ｇ２の掘削量を調整して、ケーソン沈下を開始させることができる。その結果、ニューマチックケーソン１を地盤Ｇの地表面側から所定深さまで、安全に沈下させて設置させることができる。
【００５６】
このようにして、刃口部４の地盤Ｇへの貫入状況をリアルタイムに把握可能な情報として、刃口部４の内周面４ａにおける露出領域Ｓ１と地盤Ｇへの貫入領域Ｓ２との境界Ｗを特定する情報を取得する刃口部境界特定装置１００、及び、これを利用したケーソン沈設方法を提供することができる。
【００５７】
本実施形態では、画像解析部３２は、境界Ｗの特定結果に基づいて、刃口部４の地盤Ｇへの貫入幅Ｂを演算する構成である。これにより、演算した貫入幅Ｂに基づいて、現時点における内周面４ａの下方に残されて接触している堀残し残土幅や、ニューマチックケーソン１に作用する地盤からの反力の大きさを、推定することができるため、ケーソン沈設施工をより安全かつ確実に行うことができる。
【００５８】
本実施形態では、撮像部２０は、所定波長帯域の光を１ｎｍから１０ｎｍのうちの所定の波長間隔で分光し、当該波長間隔で強度分布（ハイパースペクトル）を検出するいわゆるハイパースペクトルカメラからなるものとした。これにより、操作者等が表示部３１等に表示された前記全周画像や各画像Ｆ１〜Ｆ１２を視ただけでは、内周面４ａにおける露出領域Ｓ１と貫入領域Ｓ２との境界Ｗを正確に把握することが困難な場合でも、操作者等の視覚的な主観に頼らず客観的に境界Ｗをより確実に特定可能な情報を提供することができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、スペクトルの波長帯域は３５０ｎｍから１１００ｎｍであるものとし、スペクトルの波長間隔は５ｎｍとしたが、これに限らず、刃口部４の内周面４ａの材質や下方地盤Ｇ２の土質等に応じて、適宜の波長帯域及び波長間隔を採用することができる。
【００６０】
また、本実施形態では、画像解析部３２は、記憶部３３に記憶された刃口部４の内周面４ａからの反射光についての強度分布の第１のモデルデータと、撮像部２０により取得された強度分布のデータとの差分値に基づいて、境界Ｗを特定するものとしたが、これに限らない。例えば、記憶部３３に、露出地盤面Ｇ２’からの反射光についての強度分布の第２のモデルデータを予め記憶させる。下方地盤Ｇ２の露出地盤面Ｇ２’に対応する領域の各画素についてのハイパースペクトルが、波長λの増大に伴って強度Ｉの高くなる特徴を有する場合には、記憶部３３は、前記第２のモデルデータとして、図９（ｃ）に示すような一定勾配のモデルスペクトルを表すデータを記憶する。画像解析部３２は、この第２のモデルデータと、撮像部２０により取得された強度分布のデータとの差分値に基づいて、境界Ｗを特定してもよい。この場合、画像解析部３２は、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、画像Ｆにおける画素毎にハイパースペクトルのデータを取得し、この取得したハイパースペクトル（取得スペクトル）のデータから前記第２のモデルデータを波長λ毎に差し引く演算処理を、一つの画像Ｆの全ての画素について実行する。そして、画像解析部３２は、波長λ毎に演算される差分値の最大値ΔＩmaxが予め定めた所定の差分閾値ΔＩｃより小さいか否かを判定する。画像解析部３２は、差分値の最大値ΔＩmaxが差分閾値ΔＩｃ以上であると判定した場合（図９（ｄ）の上図の場合）、その画素（例えばＰ１１）は、露出領域Ｓ１の画素であると特定する。また、画像解析部３２は、差分値の最大値ΔＩmaxが差分閾値ΔＩｃより小さいと判定した場合（図６（ｄ）の下図の場合）、その画素（例えばＰｎｍ）は、貫入領域Ｓ２内の画素であると特定する。また、画像解析部３２は、取得スペクトルのデータと、第１のモデルデータ又は第２のモデルデータとの差分値に限らず、取得スペクトルのデータと第１のモデルデータとの差分値と、取得スペクトルのデータと第２のモデルデータとの差分値との両方の差分処理を実行してもよい。画像解析部３２は、記憶部３３に記憶された第１のモデルデータと第２のモデルデータとの少なくとも一方と、撮像部２０により取得された強度分布（取得スペクトル）のデータとの差分値に基づいて、境界Ｗを特定すればよい。
【００６１】
また、本実施形態では、画像解析部３２は、取得スペクトルのデータと第１のモデルデータや第２のモデルデータとの差分値に基づいて、境界Ｗを特定したが、これに限らず、取得スペクトルのデータとモデルデータとの相関値に基づいて境界Ｗを特定してもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、刃口部４の内周面４ａからの反射光のスペクトルは略フラットな分布を示す特徴を有し、下方地盤Ｇ２の露出地盤面Ｇ２’からの反射光のスペクトルは一定勾配の分布を示す特徴を有するものとしたが、スペクトルの特徴は、これに限らない。例えば、図１０に示すように、所定の波長においてピーク性のある分布を示す特徴を有する場合もある。したがって、第１のモデルデータや第２のモデルデータは、刃口部４の内周面４ａの材質や下方地盤Ｇ２の土質等に応じて定まるスペクトルの分布の特徴に応じて、定めればよい。
【００６３】
また、撮像部２０としてのハイパースペクトルカメラにより取得したデータにより教師データを作製し、一般的なＲＧＢデジタルカメラにより撮像した撮像データによる境界Ｗが教師データによる境界Ｗに一致するように、ディープラーニング等の手法により学習させることもできる。この学習により、ＲＧＢデジタルカメラの撮像データの情報のみから一定の確からしさで境界Ｗを特定するアルゴリズムが構築されれば、以降は、撮像部２０として、高価なハイパースペクトルカメラに代って、安価なＲＧＢデジタルカメラを採用し、境界特定の評価を行うことができるというメリットがある。
【００６４】
また、上記説明では、ニューマチックケーソン１を橋脚の基礎としたが、ニューマチックケーソン１は、橋脚に限らず他の建築構造物の基礎として用いることができる。また、ニューマチックケーソン１は、建築構造物の基礎に限らず、地下構造物として用いることもできる。また、ニューマチックケーソン１は、円筒状のみでなく、角筒状等のあらゆる形状を適用することができる。
【００６５】
以上、本発明の実施形態及びその変形例について説明したが、本発明は上述の実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて更なる変形や変更が可能であることはもちろんである。
【符号の説明】
【００６６】
１…ニューマチックケーソン
４…刃口部
４ａ…内周面
１０…照明部
２０…撮像部
３２…画像解析部
３３…記憶部
１００…刃口部境界特定装置
Ｂ…貫入幅
Ｇ…地盤
Ｇ２…下方地盤
Ｇ２’…露出地盤面
Ｒ…作業室
Ｓ１…露出領域
Ｓ２…貫入領域
Ｗ…境界
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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