(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル施工時、切り羽面に対し施工に関連する情報を投影することで、トンネル施工の支援を行うトンネル施工情報投影システムにおいて、
前記切り羽面に投影する、トンネルの掘進距離に応じたデータを記憶するパーソナルコンピューターと、
前記パーソナルコンピューターと接続され、前記パーソナルコンピューターからの入力に基づいて前記切り羽面に投影を行うプロジェクターと、
切り羽との間の距離を測定すると共に、規定の基準点を前記切り羽面に照射するトータルステーションと、からなり、
前記パーソナルコンピューターは、前記トータルステーションと切り羽との間の距離からトンネルの掘進距離を演算し、
前記トータルステーションによって照射された前記切り羽面上の４つの前記基準点に基づいて、演算された掘進距離に応じたオリジナルの座標系の前記データを補正し、投影用座標系の補正データを生成し、前記補正データを前記プロジェクターに入力することを特徴とするトンネル施工情報投影システム。
【請求項２】
前記データが設計断面形状データであることを特徴とする請求項１に記載のトンネル施工情報投影システム。
【請求項３】
前記データが設計断面形状データからオフセットしたデータであることを特徴とする請求項１に記載のトンネル施工情報投影システム。
【請求項４】
前記データがロックボルト施工データであることを特徴とする請求項１に記載のトンネル施工情報投影システム。
【請求項５】
前記データが削孔位置工データであることを特徴とする請求項１に記載のトンネル施工情報投影システム。
【請求項６】
前記データが作業情報データであることを特徴とする請求項１に記載のトンネル施工情報投影方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの掘削工事において用いられ、トンネルの切り羽面に施工情報を投影するトンネル施工情報投影システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にトンネルの掘削工事では、トンネル切り羽に削孔を穿設し、これに火薬を装薬し、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。
【０００３】
切り羽面に対して、トンネルの施工に関連する情報を示すことができれば、施工の効率を向上させることができるので、これまでいくつかそのような提案がなされてきた。例えば、特許文献１（特開平５−７９８４１号公報）には、トンネル切り羽面に発破孔などをレーザーによってマーキングする技術が開示されている。
【特許文献１】特開平５−７９８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来のシステムにおいては、切り羽へのマーキングのためにレーザーが用いられるので、基本的にスポット状の表示を１箇所において行えるのみであり、トンネル施工を支援するため、切り羽に表示する情報量が非常に限定的である、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記のような問題を解決するために、請求項１に係る発明は、トンネル施工時、切り羽面に対し施工に関連する情報を投影することで、トンネル施工の支援を行うトンネル施工情報投影システムにおいて、前記切り羽面に投影する、トンネルの掘進距離に応じたデータを記憶するパーソナルコンピューターと、前記パーソナルコンピューターと接続され、前記パーソナルコンピューターからの入力に基づいて前記切り羽面に投影を行うプロジェクターと、切り羽との間の距離を測定すると共に、規定の基準点を前記切り羽面に照射するトータルステーションと、からなり、前記パーソナルコンピューターは、前記トータルステーションと切り羽との間の距離からトンネルの掘進距離を演算し、前記トータルステーションによって照射された前記切り羽面上の４つの前記基準点に基づいて、演算された掘進距離に応じたオリジナルの座標系の前記データを補正し、投影用座標系の補正データを生成し、前記補正データを前記プロジェクターに入力することを特徴とする。
【０００６】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のトンネル施工情報投影システムにおいて、前記データが設計断面形状データであることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載のトンネル施工情報投影システムにおいて、前記データが設計断面形状データからオフセットしたデータであることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４に係る発明は、請求項１に記載のトンネル施工情報投影システムにおいて、前記データがロックボルト施工データであることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項５に係る発明は、請求項１に記載のトンネル施工情報投影システムにおいて、前記データが削孔位置工データであることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項６に係る発明は、請求項１に記載のトンネル施工情報投影方法において、前記データが作業情報データであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のトンネル施工情報投影システムによれば、トンネル施工時、切り羽面に表示する情報量を増大させることができるので、トンネル施工の支援に大きく資することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るトンネル施工情報投影システムの概略構成例を説明する図である。
【図２】第１パーソナルコンピューターが記憶保持するトンネル設計データの構造を説明する図である。
【図３】掘進距離（ＴＤ）を取得する工程の手順を説明するフローである。
【図４】補正処理のために基準点を合わせる作業を行っている様子を示す図である。
【図５】基準点情報を第１パーソナルコンピューターに取り込むための基準点取得処理のフローチャートを示す図である。
【図６】原データから投影用データへのデータ補正を概念的に説明する図である。
【図７】本発明の実施形態に係るトンネル施工情報投影システムにおける投影処理のフローチャート（その１）を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係るトンネル施工情報投影システムにおける投影処理のフローチャート（その２）を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係るトンネル施工情報投影システムにおける投影処理のフローチャート（その３）を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るトンネル施工情報投影システムによる投影表示例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係るトンネル施工情報投影システムによる投影表示例を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係るトンネル施工情報投影システムによる投影表示例を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態に係るトンネル施工情報投影システムによる投影表示例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るトンネル施工情報投影システムの概略構成例を説明する図である。
【００１４】
図１はトンネル掘削工事における切り羽付近で、本実施形態に係るトンネル施工情報投影システムを用いて、切り羽面に各種情報を投影表示する際の状況を示している。本実施形態に係るトンネル施工情報投影システムによって、トンネルの切り羽面に施工情報を投影することで、施工支援を行うものである。
【００１５】
本実施形態に係るトンネル施工情報投影システムにおいては、切り羽面に各種情報を投影表示するためにプロジェクター１０を用いる。プロジェクター１０としては、パーソナルコンピューターと接続可能で、当該パーソナルコンピューターから入力される画像データを投影表示することが可能であれば、どのようなものも用いることができるが、ある程度の光量の光源をもったものを用いることが好ましい。
【００１６】
プロジェクター１０へ画像データ等を入力するために第１パーソナルコンピューター２０が用いられる。この第１パーソナルコンピューター２０としては現在普及している汎用
のものを用いることができる。第１パーソナルコンピューター２０のハードディスクなどの記憶部には、トンネル設計データが記憶される。第１パーソナルコンピューター２０が記憶保持するトンネル設計データの構造を図２に示す。このようなトンネル設計データとしては、「線形データ」及びこれを補完する「補完データ」とから構成されている。「線形データ」には、トンネルの掘進距離（ＴＤ：Ｔｕｎｎｅｌ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ）に応じた「縦断データ」、「横断データ」、「設計断面形状データ」が記憶される。これらの「線形データ」に属する各データは、トンネル施工の発注に基づくデータである。
【００１７】
また、「補完データ」としては、トンネルの掘進距離（ＴＤ）に応じた「ロックボルト施工データ」、「補正用基準点データ」、「作業情報データ」、「削孔位置データ」とから構成されている。「削孔位置データ」以外のデータは、トンネルの施工準備段階で用意され得るデータであるが、「削孔位置データ」はトンネルを掘り進むうちに蓄積されるログデータである。
【００１８】
上記のデータのうち、「設計断面形状データ」は掘進距離（ＴＤ）に対応する設計断面の形状を記憶するデータである。また、「ロックボルト施工データ」は掘進距離（ＴＤ）に対応したロックボルト施工に関連する情報を保持するデータである。このようなデータは、打設するロックボルトの本数、それぞれのロックボルト打設角度などを含むものである。
【００１９】
また、「補正用基準点データ」は、掘削断面内の点データである。例えば、任意に接地したプロジェクターによって、先の掘削断面形状データを、そのまま投影すると、本来の掘削断面形状を投影表示することができない。そこで、本実施形態に係るトンネル施工情報投影システムにおいては、補正用の基準点データをトータルステーションによって照射させて、この照射された点とプロジェクター１０が発する輝点とを一致させることで、第１パーソナルコンピューター２０側で基準点の位置を取得する。取得された基準点に基づいて、掘削断面形状データを補正し、これをプロジェクター１０によって投影表示し、本来の掘削断面形状の投影表示を行うようにする。
【００２０】
また、「作業情報データ」は、切り羽面に対しプロジェクター１０によって投影表示を行うテキストデータである。このような「作業情報データ」には、例えば、トンネル施工における工程などを記述したテキストデータなどを含めることができる。
【００２１】
「削孔位置データ」は、発破のための爆薬を装填するために穿設される削孔の位置に関するデータである。この削孔位置は、切り羽の状態をみて、経験的に選択されるものであるので、トンネルを掘り進む間に適宜に設定され、トンネル設計データに順次追加記憶される。
【００２２】
トータルステーション３０としては、同ステーションとレーザー光を照射した地点との間の距離・角度を計測する機能、及び、所定の位置座標が入力されると、当該位置座標を通過するレーザー光を発する機能を有するものであれば、どのようなものを用いても構わない。このようなトータルステーション３０には一般的に、外部の情報処理装置と接続可能なインターフェイスが設けられており、本実施形態においては、第２パーソナルコンピューター４０が接続されるようになっている。第２パーソナルコンピューター４０はトータルステーション３０の制御を行うと共に、先の第１パーソナルコンピューター２０と無線通信、或いは有線通信などによって、データ通信を行い得るように設定されている。
【００２３】
なお、本実施形態においては、トンネル設計データを第１パーソナルコンピューター２０に記憶させておき、このトンネル設計データの「補正用基準点データ」を第２パーソナルコンピューター４０側にデータ送信して、これに基づいてトータルステーション３０を
制御するようにしたが、必ずしもこのようなシステム構成に限定される分けではない。例えば、第２パーソナルコンピューター４０側にも、トンネル設計データを記憶保持するようにして、第１パーソナルコンピューター２０から第２パーソナルコンピューター４０側に「補正用基準点データ」を送信する処理を省略するようにしてもよい。
【００２４】
以上のように構成される本実施形態に係るトンネル施工情報投影システムのセッティング及び初期情報取得について説明する。本実施形態に係るトンネル施工情報投影システムを利用しようとする場合には、まず、図１に示すように各機器を設置する。このとき、プロジェクター１０については、なるべくセンターライン上に設置する。以後、設置したプロジェクター１０及びトータルステーション３０については、今回表示を行う切り羽面に対して、プロジェクター１０による表示を全て終えるまで移動させないようにする。
【００２５】
次に、上記のようにセッティングを確定させてから、次に表示のための基準情報となるトンネルの掘進距離（ＴＤ）を取得する工程を実行する。図３は掘進距離（ＴＤ）を取得する工程の手順を説明するフローである。
【００２６】
図３において、ステップＳ１００で工程が開始されると、次のステップＳ１０１の工程では、トンネルの掘進方向の後方にある位置座標が既に知られている数点のターゲット位置からトータルステーション３０の位置座標を特定する。
【００２７】
続く、ステップＳ１０２の工程においては、トータルステーション３０と切り羽との間の距離Ｌを測定する。そして、ステップＳ１０３の工程においては、トータルステーション３０の位置座標と、距離Ｌとから掘進距離（ＴＤ）を演算する。以後、この掘進距離（ＴＤ）に基づいて、トンネル設計データを参照する。ステップＳ１０４では、掘進距離（ＴＤ）の取得工程を終了する。
【００２８】
次に、以上のように構成される本実施形態に係るトンネル施工情報投影システムにおいては、切り羽面に種々の情報を投影情報する前段として、プロジェクター１０設置後、掘削断面形状データなどを投影する際の補正データを作成するための基準点を数点取得する必要がある。なお、基準点としては４点取得することが好ましいが、プロジェクター１０をセンターライン上に設置することができれば、取得する基準点を３点に減らすこともできる。
【００２９】
図４は、本実施形態に係るトンネル施工情報投影システムにおいて、補正処理のために基準点を合わせる作業を行っている様子を示す図である。また、図５は基準点情報を第１パーソナルコンピューターに取り込むための基準点取得処理のフローチャートを示す図である。
【００３０】
基準点取得のためには、まず第１パーソナルコンピューター２０から、掘進距離ＴＤに対応した補正用基準点データ（例として、ここでは（Ｘ1，Ｙ1）とする）を、トンネル設計データから取得して、これを第２パーソナルコンピューター４０側に送信する。
【００３１】
次に、第２パーソナルコンピューター４０は、受信した補正用基準点データに基づいて、切り羽面に対して当該基準点を照射する。ここで、切り羽面に形成される照射点をＴＳ1とする。
【００３２】
一方、プロジェクター１０からは、切り羽面に対して１つの輝点Ｐ1を投影表示する。
この輝点Ｐ1は、第１パーソナルコンピューター２０のポインティングデバイスの入力に
応じて移動するようにプログラムされている。また、輝点Ｐ1は、トンネル設計データが
記憶している「掘削断面形状データ」を規定するために用いられるオリジナルの座標系上
の位置に基づいて、投影されるようになっている。
【００３３】
次に、図５の基準点取得処理のフローチャートについて説明する。このフローチャートは、第１パーソナルコンピューター２０によって実行されるものである。ステップＳ２００で基準点取得のための処理が開始されると、続くステップＳ２０１においては、  第２パーソナルコンピューター４０に対して、補正用の基準点（Ｘ1，Ｙ1）を送信する。第１パーソナルコンピューター２０から補正用基準点（Ｘ1，Ｙ1）を受信した第２パーソナルコンピューター４０は、これに基づいて、トータルステーション３０が（Ｘ1，Ｙ1）を照射して照射点ＴＳ1を形成するように制御する。
【００３４】
ステップＳ２０２においては、第１パーソナルコンピューター２０は輝点Ｐ1を投影す
るように入力データをプロジェクター１０に送信する。
【００３５】
ステップＳ２０３においては、照射点ＴＳ1と輝点Ｐ1の一致が確認されたときに押下することが想定されているＧＵＩ上のボタンが押下されたか否かが判定される。ステップＳ２０３における判定がＹＥＳである場合にはステップＳ２０４に進む。一方、ＮＯである場合にはステップＳ２０６に進み、ポインティングデバイスからの入力に応じて輝点Ｐ1
を移動する制御を行う。
【００３６】
確認ボタンが押下された時に進み、ステップＳ２０４においては、当該輝点Ｐ1と対応
するオリジナル座標系上の点（ｘ1，ｙ1）を基準点として記憶する処理を実行する。これにより、オリジナル座標系上の点（ｘ1，ｙ1）と、投影データ補正用の基準点（Ｘ1，Ｙ1）との対応関係を把握することが可能となる。
【００３７】
ステップＳ２０５では、掘進距離ＴＤに対応する全ての基準点について、取得処理がなされたかが判定される。ステップＳ２０５における判定がＮＯである場合には、ステップＳ２０７に進み、次の基準点をトンネル設計データから取得して、再びステップＳ２０１に戻る。一方、ステップＳ２０５における判定がＹＥＳである場合には、ステップＳ２０８に進み、処理を終了する。
【００３８】
以上のような基準点取得処理を所定の掘進距離の切り羽面に対して、例えば４点行うことで、図６に示すようなオリジナル座標系と、投影用座標系との対応関係を把握することができるようになる。これに基づいて、例えば、オリジナルの座標系で規定されている掘削断面形状データを、投影用の座標系に補正して、投影用の掘削断面形状データを生成することが可能となる。図６はオリジナル座標系に基づく原データから投影用データへのデータ補正を概念的に説明する図である。なお、オリジナル座標系から投影用座標系への補正処理のためのアルゴリズムは従来周知のものを適宜選択して用いることができる。
【００３９】
以上のように、補正用の基準点を第１パーソナルコンピューター２０に取り込んだ後の投影処理について説明する。本実施形態に係るトンネル施工情報投影システムにおいては、複数の表示モードの下、種々のデータを切り羽面に投影することができるようになっている。図７及び図８は本発明の実施形態に係るトンネル施工情報投影システムにおける投影処理のフローチャートを示す図である。このフローチャートは第１パーソナルコンピューター２０によって処理されるものである。
【００４０】
ステップＳ３００で、投影処理が開始されると、続いて、ステップＳ３０１に進み、ユーザーにより、設計断面形状ラインの表示モードが要求されているか否かが判定される。ステップＳ３０１による判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ３０２に進み、トンネル設計データに記憶されているオリジナルの設計断面形状データを、投影用の設計断面形状データに補正してプロジェクター１０によって投影する。ステップＳ３０２による投影
により切り羽面に表示されるものは例えば、図１０のＬ１に示すようなものとなる。ユーザーからモード変更指示がある場合には、ステップＳ３０３による判定で、ステップＳ３０１に進む。
【００４１】
ステップＳ３０４においては、ユーザーにより、吹き付けラインの表示モードが要求されているか否かが判定される。ステップＳ３０４による判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ３０５に進み、トンネル設計データに記憶されているオリジナルの設計断面形状データを外周にａオフセットしたデータを作成し、さらにこのデータを投影用のデータに補正してプロジェクター１０によって投影する。ステップＳ３０５による投影により切り羽面に表示されるものは例えば、図１０のＬ２に示すようなものとなる。ユーザーからモード変更指示がある場合には、ステップＳ３０６による判定で、ステップＳ３０１に進む。
【００４２】
ステップＳ３０７においては、ユーザーにより、掘削断面形状ラインの表示モードが要求されているか否かが判定される。ステップＳ３０７による判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ３０８に進み、トンネル設計データに記憶されているオリジナルの設計断面形状データを外周にｂオフセットしたデータを作成し、さらにこのデータを投影用のデータに補正してプロジェクター１０によって投影する。ステップＳ３０５による投影により切り羽面に表示されるものは例えば、図１０のＬ３に示すようなものとなる。ユーザーからモード変更指示がある場合には、ステップＳ３０９による判定で、ステップＳ３０１に進む。
【００４３】
ステップＳ３１０においては、ユーザーにより、ロックボルト表示モードが要求されているか否かが判定される。ステップＳ３１０による判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ３１１に進み、トンネル設計データに記憶されているオリジナルのロックボルト施工データを、投影用のロックボルト施工データに補正してプロジェクター１０によって投影する。ステップＳ３１１による投影により切り羽面に表示されるものは例えば、図１１のＬｂに示すようなものとなる。ユーザーからモード変更指示がある場合には、ステップＳ３１２による判定で、ステップＳ３０１に進む。
【００４４】
ステップＳ３１３においては、ユーザーにより、削孔表示モードが要求されているか否かが判定される。ステップＳ３１３による判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ３１４に進み、第１パーソナルコンピューター２０のディスプレイに削孔位置入力画面を表示する。この削孔位置入力画面は切り羽面を模したものであり、掘削断面形状データに基づいて作成することができる。この表示画面からユーザーは、切り羽面における、削孔を設ける位置をポインティングデバイスなどによって入力することができるようになっている。
【００４５】
ステップＳ３１５で、ユーザーによって削孔位置の入力が全て完了したかを否かを判定する。当該判定がＹＥＳであると、ステップＳ３１６に進み、ユーザーによって入力された削孔位置データをトンネル設計データに追加する。このような削孔位置データをトンネル設計データにログすることによって、施工中の情報をトンネル設計データに残しておくことが可能となる。ステップＳ３１７においては、トンネル設計データに記憶した削孔位置データを、投影用のロックボルト施工データに補正してプロジェクター１０によって投影する。ステップＳ３１７による投影により切り羽面に表示されるものは例えば、図１２のＨに示すようなものとなる。ユーザーからモード変更指示がある場合には、ステップＳ３１８による判定で、ステップＳ３０１に進む。
【００４６】
テップＳ３１９で、ユーザーにより、作業情報表示モードが要求されているか否かが判定される。ステップＳ３１９による判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ３２０に進
み、トンネル設計データに記憶されているテキストデータである作業情報データを取得して、これをプロジェクター１０によって投影する。
【００４７】
ステップＳ３２０による投影により切り羽面に表示されるものは例えば、図１３のMに
示すようなものとなる。ユーザーからモード変更指示がある場合には、ステップＳ３２１による判定で、ステップＳ３０１に進む。
【００４８】
なお、本実施形態においては、作業情報表示モードで表示する情報を、トンネル設計データに記憶されているテキストデータであることを例に説明したが、作業情報表示モードで表示する情報については、第１パーソナルコンピューター２０から適宜入力された情報を表示するように構成することもできる。このような構成によれば、例えば、緊急で作業員に報知すべき事項などを第１パーソナルコンピューター２０から入力し、即座に切り羽面に表示させることができる。
【００４９】
ステップＳ３２２においては、ユーザーによって処理終了が要求されたか否かが判定される。当該判定がＹＥＳであるときにはステップＳ３２３に進み、処理を終了する。
【００５０】
以上のような本発明のトンネル施工情報投影システムによれば、トンネル施工時、切り羽面に表示する情報量を増大させることができるので、トンネル施工の支援に大きく資することが可能となる。
【００５１】
なお、上記の実施形態においては、プロジェクター１０により設計断面形状ライン、吹き付けライン、掘削断面形状ライン、ロックボルト情報、削孔情報、作業情報を投影表示する場合につき説明したが、本発明のトンネル施工情報投影システムでは、これらに限らず、その他の種々の情報を切り羽面に投影表示するように設定することが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０・・・プロジェクター
２０・・・第１パーソナルコンピューター
３０・・・トータルステーション
４０・・・第２パーソナルコンピューター
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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