(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浅層地盤改良工事において、バケットを備えたバックホウを操作することにより、予め設定された施工領域内の土と改良材とを前記バケットで混合する作業を行うためのシステムであって、
無限軌道と、前記無限軌道に対して旋回可能な旋回体と、前記旋回体の第１連結部に連結された第１アームと、前記第１アームの第２連結部に連結された第２アームと、前記第２アームの第３連結部に連結されたバケットを備えたバックホウと、
前記バックホウの位置及び方位を特定するＧＰＳ測位手段と、
前記バックホウの位置及び方位と、前記旋回体の旋回角度、前記各連結部間の距離、及び前記第１アーム，前記第２アーム，前記バケットの傾斜角度とに基づいて前記バケットの位置を特定するバケット位置特定手段と、
前記施工領域を仮想的に３次元空間座標に基づいて複数のセグメント群に分割し、前記バケット位置特定手段で特定される前記バケットの位置に基づき、前記セグメント群に含まれる何れかのセグメントを前記バケットが通過した回数を記録するバケット移動記録手段と、
各前記セグメントにおける前記通過した回数を表示するモニタと、
を備えることを特徴とする浅層地盤改良工事支援システム。
【請求項２】
前記モニタは、各前記セグメントにおける前記通過した回数を、その回数または予め設定した目標通過回数との差分の回数に応じて色分け表示する請求項１に記載の浅層地盤改良工事支援システム。
【請求項３】
請求項１に記載の浅層地盤改良工事支援システムを用いた浅層地盤改良工事方法であって、
前記施工領域を設定する第１工程と、
前記施工領域の周囲に、前記バックホウを配置する第２工程と、
前記施工領域内に改良材を配する第３工程と、
前記バケットを備えたバックホウを操作することにより、前記施工領域内の土と前記改良材とを前記バケットで混合する作業を行う第４工程とを備え、
前記第４工程において、前記セグメント群のうち前記通過した回数の少ないセグメントを判定し、そのセグメントの前記土と前記改良材とを局所的に混合する作業を含むことを特徴とする浅層地盤改良工事方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浅層地盤改良工事を支援するためのシステム及びそれを用いた浅層地盤改良工事方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、軟弱な表層地盤を、高い支持力を有する硬い表層地盤に改良する工法として、浅層地盤改良工法が知られている。浅層地盤改良工法は、例えば地表から３ｍ程度の軟弱な表層地盤を強化するために、セメント系固化材や石灰系固化材等の改良材を添加し、浅層の土と改良材とを混合した後、所定の厚さに締固め、改良材を硬化させることにより表層地盤を強化する工法である。
【０００３】
一般的な浅層地盤改良工法においては、例えば、施工する領域の地盤を掘り返し、改良される土壌の単位体積当たりに一定量の改良材が含まれるように、その領域内に改良材を万遍なく載置し、その領域内で改良材と土とが均質に混ざるように混合する。改良材と土との混合は、例えば、オペレータがバケットを装備したバックホウを操作して、改良材と土とをバケットで繰り返し掘り返すようにして行う。
【０００４】
バックホウを操作するオペレータは、熟練した経験に基づき、改良材と土との混合状態を判断する。オペレータは、例えば、改良材と土との混合物の色の変化を目視で確認し、混合状態を色の変化により判定する。オペレータは、施工する領域の混合物の色がほぼ均質になり、色むらがなくなったと判断したときに、混合する作業を終了する。
【０００５】
浅層地盤改良工法における、改良材と土との混合作業をオペレータの感覚に頼った場合、オペレータの熟練度によって混合度合いにバラつきが生じることがあった。具体的には、領域によって混合度合いに偏りが生じたり、殆ど混合されていない部分が生じたりすることがあった。
【０００６】
特許文献１は、上述のような問題を改良し、地盤改良範囲の全域にわたって、セメント系固化材と掘り返した土砂とをほぼ均等に混合、攪拌し、ばらつきのない品質による固化材入り転圧層を簡単に形成し、地盤改良による充分な支持力を得ることを目的とする技術を開示する。具体的には、地盤改良範囲を予め所定深さに掘削し、掘削で形成された溝底の地盤面であってほぼ同じ面積毎の複数箇所に、セメント系固化材を所定量ずつ均等に置いた後、該地盤面を掘り返すことによりそれぞれのセメント系固化材と掘り返した土砂とを混合、攪拌し、しかる後所定の厚さに敷き詰めて締め固めることにより、地盤改良範囲の全域にわたってセメント系固化材混入土砂による転圧層を形成する表層地盤改良工法を開示する。
【０００７】
ところで、浅層地盤改良工事に関する技術ではないが、下記特許文献２は、密閉式グラブバケットを用いて、浚渫対象区域の水底を精度よく容易に一定の厚さで浚渫できるようにする浚渫支援システムを提供することを目的とする技術を開示する。具体的には、バックホウのアームの先端部に軸支される密閉式のグラブバケットを水平掘り可能な構成にし、複数のセンサやＲＴＫ−ＧＰＳ受信機等の検知データに基づいて算出した垂直軸に対するグラブバケットの傾斜データと、グラブバケットの平面方向位置およびその平面方向位置での最大開口領域を示す平面方向データと、一対のシェルの刃先位置に相当する高さ方向位置を示す高さ方向データとをリアルタイムで操縦室のモニタに表示するとともに、既に浚渫した平面方向領域と、浚渫対象区域における予め設定した浚渫深さ位置を示す目標深さデータを表示する技術を開示する。
【０００８】
また、浅層地盤改良工事に関する技術ではないが、下記特許文献３は、締固め品質管理を適正に行えるだけでなく、作業面全体に亘り効率的かつ的確な無人の締固め作業が実現できる締固め管理システムを提供することを目的とする技術を開示する。具体的には、ＧＰＳアンテナ付の遠隔操作式締固め機械を、画像情報、及び衛星による施工情報を表示するモニタ画面を見ながら、オペレーターが遠隔操作する構成で、施工情報は矩形領域に締固め範囲を当てはめ表示する締固め範囲情報、最大転圧回数に対応する段階別転圧回数の夫々を色分けし各ブロックを対応した色で表示するブロック別転圧回数情報、機械の位置等を表示する締固め機械位置方向情報を具備して、締固め機械がブロック中央部分に設定される帯状通過判定領域を通過すると転圧回数を加算する転圧回数加算手段を有する技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１８４０７２号公報
【特許文献２】特開２００８−２７４５８５号公報
【特許文献３】特開平１０−１０２４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の浅層地盤改良工法における改良材と土との混合作業は、オペレータの感覚に頼っていたために、オペレータの熟練度によって混合にバラつきが生じることがあった。従って、施工する領域において、混合度合いに偏りが生じたり、充分に混合されていない部分が生じたりすることがあった。また、混合作業をオペレータの感覚に頼った場合、作業記録をトレースすることができない。そのために、施工後に混合の不足やバラつきの発生等による地盤の強度不足等の問題が生じた場合、原因の特定や補修作業を効率的に行うことが困難であった。
【００１１】
本発明は、上述したような問題を解決すべく、浅層地盤改良工法における改良材と土との混合作業を定量化し、可視化することにより、オペレータの熟練度に頼ることなく、均質な混合作業を可能にし、さらに、混合作業のトレースを可能にすることができる浅層地盤改良工事支援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】
【００１２】
本発明の一局面は、浅層地盤改良工事において、バケットを備えたバックホウを操作することにより、予め設定された施工領域内の土と改良材とを該バケットで混合する作業を行うためのシステムであって、無限軌道と、無限軌道に対して旋回可能な旋回体と、旋回体の第１連結部に連結された第１アームと、第１アームの第２連結部に連結された第２アームと、第２アームの第３連結部に連結されたバケットを備えたバックホウと、バックホウの位置及び方位を特定するＧＰＳ測位手段と、バックホウの位置及び方位と、旋回体の旋回角度、各連結部間の距離、及び第１アーム，第２アーム，バケットの傾斜角度とに基づいてバケットの位置を特定するバケット位置特定手段と、施工領域を仮想的に３次元空間座標に基づいて複数のセグメント群に分割し、バケット位置特定手段で特定されるバケットの位置に基づき、セグメント群に含まれる何れかのセグメントをバケットが通過した回数を記録するバケット移動記録手段と、各セグメントにおける通過した回数を表示するモニタと、を備える浅層地盤改良工事支援システムである。このような構成によれば、施工領域内において、バケットが通過した箇所の通過した頻度を定量的に記録することができる。それにより、バケットが通過していなかったり、バケットの通過頻度が少なかったりした箇所を特定できる。その結果、オペレータはそのような箇所を局所的に混合することにより、混合度合いが不足したり、混合度合いにバラつきが生じたりするといった問題を解決することができる。また、バケットが通過した回数の記録を保存しておくことにより、施工後に地盤強度等に不具合が生じたときに、混合状態をトレースすることもできる。また、３次元空間座標に基づいて分割されたセグメント群を用いることにより、径緯方向のみでなく、深さ（高さ）方向のバケットの通過頻度も可視化することができるために、より確実に混合度合いが不足したり、混合度合いにバラつきが生じたりするといった問題を解決することができる。
【００１３】
また、モニタは、通過回数をその回数または予め設定した目標通過回数との差分の回数に応じて予め定められた色により色分け表示する場合には、バケットを操作するオペレータが直感的に施工領域内の通過回数の分布を判断することができる点から好ましい。
【００１４】
またバックホウは、無限軌道と、無限軌道に対して旋回可能な旋回体と、旋回体の第１連結部に連結された第１アームと、第１アームの第２連結部に連結された第２アームと、第２アームの第３連結部に連結されたバケットとを備え、バケットの位置は、バックホウの位置及び方位と、旋回体の方位、各連結部間の距離、及び第１アーム，第２アーム，バケットの傾斜角度とに基づき、算術的に特定される。各連結部間の距離はバックホウに固有の定数であり、また、旋回体の旋回角度、第１アーム，第２アーム，バケットの傾斜角度はセンサで容易に検知することができるために、特定されたバックホウの位置に基づいて、容易かつ正確にバケットの現在位置を算術的に特定できる。
【００１５】
また、本発明の他の一局面は、上述した浅層地盤改良工事支援システムを用いた浅層地盤改良工事方法であって、施工領域を設定する第１工程と、施工領域の周囲に、バックホウを配置する第２工程と、施工領域内に改良材を配する第３工程と、バケットを備えたバックホウを操作することにより、施工領域内の土と改良材とをバケットで混合する作業を行う第４工程とを備え、第４工程において、施工領域の地盤の特性に応じて各セグメントに対するバケットの目標通過回数を予め設定し、セグメント群のうち該目標通過回数に対して通過回数の少ないセグメントを確認し、そのセグメントの土と改良材とを局所的に混合する作業を含む浅層地盤改良工事方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る浅層地盤改良工事支援システムを用いることにより、改良材と土との混合作業のバラつきを定量的に可視化することができる。また、混合作業をトレースすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本実施形態の浅層地盤改良工事支援システムを採用したバケット６を備えるバックホウ１０を操作して、浅層地盤改良工事を施工しているときの様子を示す説明図である。
【図２】図２は、バケットの形状の例を示す模式図である。
【図３】図３は、バケット移動記録装置５０のブロック図である。
【図４】図４は、バケット移動記録装置５０の処理プロセスを示すフロー図である。
【図５】図５は、施工領域を３次元的なセグメント群に区分けしたときのイメージ図を示す。
【図６】図６は、実施形態のバケット６の基準点Ｐ１を算出する方法を説明するための説明図である。
【図７】図７は、実施形態のバケット６の基準点Ｐ１を算出する方法を説明するための説明図である。
【図８】図８（ａ）は、実施形態のバケット６の基準面Ｆを説明する説明図であり、図８（ｂ）は基準線Ｌを説明する説明図である。
【図９】図９は、実施形態の浅層地盤改良工事支援システムに用いられるバケット移動記録を表示する表示画面の一例である。
【図１０】図１０は図９の座標図５１ａ付近の拡大図である。
【図１１】図１１は実施形態の浅層地盤改良工事支援システムを用いた浅層地盤改良工事の施工フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る浅層地盤改良工事支援システムの一実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態の浅層地盤改良工事支援システムを採用したバケット６を備えるバックホウ１０を操作して、浅層地盤改良工事を施工しているときの様子を示す説明図である。
【００２０】
図１に示すように、バックホウ１０は予め設定された施工領域Ｒの浅層地盤改良工事を施工している。図１は、施工領域Ｒに散布された改良材Ｃと施工領域Ｒの土Ｇをバケット６で混合しているときの様子を示している。
【００２１】
バックホウ１０は、地表を走行するための無限軌道１と、無限軌道１に対して平面方向に旋回する旋回体２と、旋回体２に設けられた操作部３と、旋回体２の第１連結部３aで一端が軸支されたブーム（第１アーム）４と、ブーム４の他の一端の第２連結部５aで一端が軸支されたアーム（第２アーム）５と、アーム５の他の一端の第３連結部６ａで軸支されたバケット６とを備える。
【００２２】
バケットの種類は特に限定されず、従来から浅層地盤改良工事に用いられている混合に適したバケットであれば特に限定なく用いられる。具体的には、例えば、図２（ａ）に示すような、底板部３６ａが格子状に形成されたスケルトンバケット３６や、図２（ｂ）に示すような、モーター４６ａで回転される複数の撹拌翼４６ｂを備えたバケットミキサー４６等が好ましく用いられる。
【００２３】
旋回体２の後部には、バックホウ１０の位置及び方位を特定する測位手段として、第１ＧＰＳ受信機１７及び第２ＧＰＳ受信機２７が装備されている。また、施工領域付近には固定局としてＧＰＳアンテナ３７が配置されている。バックホウ１０に装備された第１ＧＰＳ受信機１７及び第２ＧＰＳ受信機２７は人工衛星から電波信号を受信し、同様にＧＰＳアンテナ３７も人工衛星から電波信号を受信する。第１ＧＰＳ受信機１７及び第２ＧＰＳ受信機２７の２台の受信機を装備し、ＧＰＳアンテナ３７との位置関係を特定することによりＧＰＳジャイロを実現できる。すなわち、このような人工衛星からの情報を用いるＧＰＳ測位手段により、標高情報を含む３方位情報が特定され、バックホウ１０の基準点Ｐ２とバックホウ１０の方位を特定することができる。
【００２４】
ブーム４は、旋回体２の略重心位置の第１連結部３aを回動中心として回動自在に連結されている。また、アーム５は、ブーム４の他の一端の第２連結部５aを回動中心として回動自在に連結されている。また、バケット６は、アーム５の他の一端の第３連結部６aを回動中心として回動自在に連結されている。
【００２５】
ブーム４は、旋回体２に一端が連結された第１油圧シリンダ２４の他の一端と連結されている。また、アーム５はブーム４に一端が連結された第２油圧シリンダ２５の他の一端と連結されている。さらに、バケット６はアーム５に一端が連結された第３油圧シリンダ２６の他の一端と連結されている。各油圧シリンダはそれぞれ、旋回体２の後部に配置された図略の油圧ユニットに油圧ホースを介して連結されている。そして、操作部３内の操作席に着席したオペレータが、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための図略の操作レバーを操作することにより、各油圧シリンダの油圧が変化して、各油圧シリンダのピストンの伸縮運動により、ブーム４、アーム５、及びバケット６のそれぞれの傾斜角度が変化する。また、オペレータは、旋回体２を操作するための図略の操作レバーを操作することにより、旋回体２を平面方向に、無限軌道１に対して旋回運動させることができる。このようなオペレータの各操作レバーの操作により、施工領域Ｒ内においてオペレータの望む位置にバケット６が移動する。
【００２６】
ブーム４にはブーム４の傾斜角度を検出するブーム角度センサ１４が設けられている。また、アーム５にはアーム５の傾斜角度を検出するアーム角度センサ１５が設けられている。また、バケット６にはバケット６の傾斜角度を検出するバケット角度センサ１６が設けられている。さらに、旋回体２には、無限軌道１の進行方向に対する旋回体２の旋回角度を検出する基準角度センサ２３が設けられている。なお、ブーム角度センサ、アーム角度センサ、バケット角度センサ、基準角度センサの取付位置は、各角度を検出できる限り、特に限定されない。
【００２７】
旋回体２には操作部３が配置されている。操作部３には、バックホウ１０を操作するオペレータの操作席が設けられている。操作席の周囲には、バックホウ１０を操作するための各種操作レバー及び操作パネルが配置されている。そして、さらに、本実施形態における浅層地盤改良工事支援システムを実行するためのバケット移動記録装置５０が配置されている。
【００２８】
バケット移動記録装置５０は、第１ＧＰＳ受信機１７及び第２ＧＰＳ受信機２７により測位されたバックホウの基準点Ｐ２及びその方位情報を特定するための信号を受信して基準点Ｐ２を特定し、移動するバケットの基準点Ｐ１の現在位置を、基準点Ｐ２に基づいて特定する。基準点Ｐ２の位置は任意に規定できるが、例えば、旋回中心に規定されることが基準点Ｐ１の算出が容易になる点から好ましい。さらに、バケット移動記録装置５０は、オペレータに指定された施工領域Ｒを３次元空間座標に基づいて複数のセグメントからなるセグメント群に仮想的に分割し、セグメント群に含まれる各セグメントをバケットが通過するときの通過情報をバケット移動記録として記録する。
【００２９】
図３は、バケット移動記録装置５０のブロック図である。また、図４は、バケット移動記録装置５０の処理プロセスを示すフロー図である。
【００３０】
図３に示すバケット移動記録装置５０は、例えば汎用のパーソナルコンピュータに図４に示すような処理プロセスを実行させるプログラムをインストールすることにより実現される。コンピュータは、標準的な構成として、プロセッサであるＣＰＵ３２と、ＲＯＭ及びＲＡＭ等のメモリ３１とを含む演算制御部４０と、ＨＤＤやＳＳＤ等の補助記憶部４１と、オペレータが実空間から必要な指示や入力をするための、キーボードやマウス等の指示入力部３５と、ＣＲＴディスプレイや、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等のディスプレイデバイスである画像表示部（モニタ）３４とを備える。なお、画像表示部と指示入力部とは、タッチパネルディスプレイとして一体化されていてもよい。
【００３１】
バケット移動記録装置５０の処理プロセスにおいては、図４に示すように、装置を起動することによる開始後、はじめに、バックホウの基準点Ｐ２及び方位情報に関するＧＰＳ信号を第１ＧＰＳ受信機１７及び第２ＧＰＳ受信機２７から取得する（ステップ１：ｓ１）。第１ＧＰＳ受信機１７及び第２ＧＰＳ受信機２７により測位されたバックホウの基準点Ｐ２及び方位情報に関する信号は、バケット移動記録装置５０に接続された第１ＧＰＳ受信機１７及び第２ＧＰＳ受信機２７から、バケット移動記録装置５０の信号入力部３０に入力される。
【００３２】
図４に示すように、信号入力部３０から入力されたバックホウの基準点Ｐ２及び方位情報を特定するための信号を経緯情報及び方位情報に変換することにより、基準点Ｐ２及び方位が特定される（ステップ２：ｓ２）。具体的には、図３を参照すれば、信号入力部３０から入力されたバックホウの基準点Ｐ２及び方位情報を特定するための信号は、演算制御部４０に出力され、演算制御部４０で演算処理されて基準点Ｐ２の経緯情報及び方位情報に変換される。この基準点Ｐ２は、オペレータに基準点Ｐ２の現在位置を認識させるために、モニタ３４上に表示させた地図に表示させることが好ましい。
【００３３】
浅層地盤改良工事の施工に際し、オペレータは施工領域Ｒで工事を開始するためにバケット移動記録装置５０に施工領域Ｒを指定するための指示を入力する。なお、オペレータは施工領域Ｒの指定後、または指定前に施工領域Ｒで工事を開始する前に、バックホウを施工領域Ｒの周囲に予め配置しておく。施工領域Ｒを指定されたバケット移動記録装置５０は、オペレータから指定された施工領域Ｒを規定する（ステップ３：ｓ３）。具体的には、オペレータは、指示入力部３５から施工領域Ｒを入力して指定する。施工領域の指定は、例えば、オペレータがモニタ３４に示された施工領域の地図上で、区割りされた施工領域の範囲をタッチペン等により指示したり、カーソルにより矩形状の範囲を選択したりするような方法で施工領域を指定する。また、このとき、施工領域の指定においては、地盤改良する施工領域の深さ範囲である掘削深さも指定する。掘削深さを指定することにより、後述するように、３次元空間座標に基づいて立体的に混合度合いやバラつきの情報を得ることができるようになる。掘削深さは、例えば、キーボードから、例えば、３．０ｍ等のように数値入力することもできる。
【００３４】
そして、バケット移動記録装置５０は、規定した施工領域Ｒを仮想的に複数のセグメント群に分割する（ステップ４：ｓ４）。具体的には、バケット移動記録装置５０は規定した施工領域Ｒを複数のセグメント（ブロック）に区分けされたセグメント群に分割する演算を行う。図５は、規定した施工領域Ｒに３次元的な複数のブロックからなるセグメント群を形成したときのイメージ図を示す。バケット移動記録装置５０は、図５に示すように、規定した施工領域Ｒに、平面方向のｘ方向（第１方向）と、ｘ方向に平面方向で垂直なｙ方向（第２方向）と、ｘ方向及びｙ方向に垂直なｚ方向（第３方向）を有する３次元空間座標を仮想的に形成する。そして、形成した３次元空間座標において、それぞれ一定の長さの辺を有する立方体のブロックを積み重ねたようなセグメント群を形成するように３次元空間座標を分割する。なお各ブロックの一辺の長さは測位手段の精度に応じて適宜調整されるが、例えば、ＧＰＳ測位手段を用いる場合、１０〜８０ｃｍ、さらには２０〜５０ｃｍのような立方体のブロックからなるセグメント群を形成することが精度に優れる点から好ましい。
【００３５】
そして、バケット移動記録装置５０は、バケット６の基準点Ｐ１の現在位置を特定するために、ブームの傾斜角度，アームの傾斜角度，バケットの傾斜角度，及び旋回角度を取得する（ステップ５：ｓ５）。
【００３６】
バックホウ１０に装備されたブーム角度センサ１４はブーム４の傾斜角度を、アーム角度センサ１５はアーム５の傾斜角度を、バケット角度センサ１６はバケット６の傾斜角度をそれぞれ検知する。また、基準角度センサ２３は無限軌道１の進行方向に平行な方向に対する旋回体３の旋回角度を検出する。ブーム角度センサ１４、アーム角度センサ１５、バケット角度センサ１６により検知されたブーム４の傾斜角度、アーム５の傾斜角度、バケット６の傾斜角度に関する電気信号、及び基準角度センサ２３により検知された旋回体２の旋回角度に関する電気信号は信号入力部３０に入力される。信号入力部３０は検知された傾斜角度に関する各信号を演算制御部４０に出力する。演算制御部４０は入力された角度に関する信号を具体的な角度情報である、ブーム角度α，アーム角度β，バケット角度γ，及び旋回角度θに変換する。得られた角度情報はメモリ３１に保存される。
【００３７】
そして、バケット移動記録装置５０は、メモリ３１に記憶されたバックホウの基準点Ｐ２の位置及び方位情報、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、旋回角度θを用いることによりバケット６の基準点Ｐ１の現在位置を特定する（ステップ６：ｓ６）。
【００３８】
図６及び図７を参照して３次元空間座標上のバケット６の位置を特定する方法の一例について説明する。図６（ａ）は、バックホウ１０を側面から見たときの模式図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）から基準点Ｐ１の位置を特定するために用いる必要な要素を抽出してｘ−ｚ平面に投影した説明図である。また、図７（ａ）は、バックホウ１０を上面から見たときの模式図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）から基準点Ｐ１の位置を特定するために用いる必要な要素を抽出してｘ−ｙ平面に投影した説明図である。
【００３９】
図６（ａ）中、αはブーム角度センサ１４により検知された傾斜角度から特定された第１連結部３aと第２連結部５aとを結ぶ線分Ｌ１の鉛直方向に対する角度、βはアーム角度センサ１５により検知された傾斜角度から特定された第２連結部５aと第３連結部６aとを結ぶ線分Ｌ２の鉛直方向に対する角度、γはバケット角度センサ１６により検知された傾斜角度から特定された第３連結部６aとバケット６の基準点Ｐ１とを結ぶ線分Ｌ３の鉛直方向に対する角度、φはバックホウ１０の旋回中心上に設定された基準点Ｐ２と第１連結部３aとを結ぶ線分Ｌ０の無限軌道１に向かう垂線に対する角度を示す。φは定数である。また、線分Ｌ０は長さｄ０を有し、線分Ｌ１は長さｄ１を有し、線分Ｌ２は長さｄ２を有し、線分Ｌ３は長さｄ３を有する。各線分の長さはバックホウ１０の設計により特定される固有の定数である。図６（ｂ）に示すように、側面をｘ−ｚ平面に投影した場合、基準点Ｐ１のｘ座標及びｚ座標は、基準点Ｐ２の座標と上記角度等を用いて、例えば、ベクトルを用いた一般的な座標変換の計算を行うことにより算出することができる。
【００４０】
また、図７（ａ）中、θは基準角度センサ２３により検知された無限軌道１の進行方向に対する旋回体２の旋回角度を示す。図７（ｂ）に示すように、バックホウ１０の上面をｘ−ｙ平面に投影した場合、基準点Ｐ１と基準点Ｐ２とを結ぶ線分とｙ軸との成す角度がθになるために、回転による一般的な座標変換の計算を行うことにより基準点Ｐ２から基準点Ｐ１のｘ座標及びｙ座標を算出することができる。このようにして、バケット６の基準点Ｐ１の３次元空間座標上の現在位置を算出できる。
【００４１】
オペレータは、施工領域の指定後に工事を開始する。工事の開始に際して、オペレータは、バケット移動記録装置５０に対して指示入力部３５から測定開始の指示を入力する（ステップ７：ｓ７）。そして、工事開始後、オペレータの操作によりバケット６が移動する。
【００４２】
工事開始後、オペレータのバックホウ６の操作により、バックホウ６の基準点Ｐ２の位置と方位及びバケット６の基準点Ｐ１の位置が変化する。第１ＧＰＳ受信機１７及び第２ＧＰＳ受信機２７はバックホウ６の基準点Ｐ２の位置及び方位の変化をリアルタイムで測位し、その測位情報を信号入力部３０に入力する。同様に、ブーム角度センサ１４、アーム角度センサ１５、バケット角度センサ１６、基準角度センサ２３は、ブーム４の傾斜角度、アーム５の傾斜角度、バケット６の傾斜角度、及び旋回体２の旋回角度をリアルタイムに検知し、その情報を信号入力部３０に入力する。そして、リアルタイムに更新されるそれらのデータに基づき、バケット６の基準点Ｐ１の３次元空間座標上の現在位置を示す座標が演算される。このようにして、バックホウ１０及びバケット６が移動することにより、基準点Ｐ１の座標がリアルタイムで更新される（ステップ８：ｓ８）。
【００４３】
ステップ８において、オペレータのバックホウ６の操作により、基準点Ｐ１の座標が変化し、変化する基準点Ｐ１が各ブロック間の境界を超えたとき、演算制御部４０は、新たに到達したブロックにおいて、基準点Ｐ１が通過した情報として、通過回数１回を加える。このようにして、バケット６の現在位置を示す基準点Ｐ１が通過した回数をカウントする。すなわち、バケット６の現在位置が各ブロックを通過するときに、ブロックごとに１カウント追加する（ステップ９：ｓ９）。リアルタイムで更新されるバックホウ１０の現在位置の座標は、モニタ３４にリアルタイムで表示される。また、モニタ３４には作業の進行に伴い、各ブロックを通過した回数が表示される。そして、オペレータはモニタ３４を参照して、ブロック間で通過回数のバラつきが少なくなるように混合作業を進める。
【００４４】
また、バケット６の通過した回数のカウントは、上述したような現在位置を示す基準点Ｐ１が各ブロックを通過するときをカウントする代わりに、バケット６上の特定の基準面または基準線が通過する複数ブロックを一度にカウントしてもよい。具体的には、図８（ａ）に示すようにバケット６に斜線で示したような基準面Ｆを基準点Ｐ１に基づいて設定し、基準面Ｆが通過する複数のブロックを一度に同時にカウントしてもよい。または、図８（ｂ）に示すようにバケット６に破線で示したような基準線Ｌを基準点Ｐ１に基づいて設定し、基準線Ｌが通過する複数のブロックを一度に同時に複数カウントしてもよい。
【００４５】
図９は、モニタ３４に示されるバケット移動記録を表示する表示画面の一例を示す。また、図１０は図９の座標図５１ａ付近の拡大図である。図９及び図１０においては、基準点Ｐ１の現在位置が（ｘ，ｙ，z）＝（１．９１，１．８８，−１．２０）のときの情報を表示している。図９中、表示部５１は、指定した施工領域に基づいて形成された仮想の３次元空間座標から抽出した、基準点Ｐ１の現在位置のｚ座標であるｚ＝−１．２０のときのｘｙ平面を断面した碁盤目状の座標図５１ａが示されている。座標図５１ａの各ブロックにはバケット６の通過回数が表示されている。さらに、表示部５１には、バックホウ１０のおおよその現在位置を示す、バックホウモデル５１ｂが表示されている。座標図５１ａにはバックホウモデル５１ｂとの重なり部分が示されており、重なり部分では通過回数が隠れている。通過回数の隠れた部分は、表示部５１の紙面上方の表示部５１ｃに現在位置のｘ方向に沿った通過回数が、表示部５１の紙面右方の表示部５１ｄに現在位置のｙ方向に沿った通過回数が表示されている。表示部５２には、基準点Ｐ１の現在位置のｘｙ座標（x＝１．９１，y＝１．８８）が表示されている。
【００４６】
また、表示部５３は、基準点Ｐ１の現在位置のｚ座標であるｚ＝−１．２０のときのｙｚ平面を断面視したときのバックホウ１０の位置を示すバックホウモデル５３ａが表示されている。表示部５３は、z軸方向、すなわち深さ（高さ）方向における、基準点Ｐ１の現在位置を模式的に示している。表示部５３を参照することにより、オペレータは、現在のバケット６の深度を直感的に理解できる。
【００４７】
表示部５４には、基準点Ｐ１の現在位置のｚ座標（ｚ＝−１．２０）が深度として表示されており、さらに、その隣の表示部５５には、施工領域の深さとして予め指定された深さ（−３．０ｍ）が表示されている。さらに表示部５６ａ及び表示部５６ｂには、測定開始または測定中止をカーソルで指示するための入力部が表示されている。
【００４８】
図９及び図１０に示すように、座標図５１ａの各ブロックには基準点Ｐ１が通過した回数の通過回数を示す数字が示されている。そして、この数字はオペレータのバックホウ１０の操作による、バケット６の基準点Ｐ１の現在位置が変化するときに実質的にリアルタイムで通過回数が更新される。図１０を参照すれば、座標図５１ａにおいて、各ブロックに通過回数が０〜９回の何れかの回数が表示されている。座標図５１ａの通過回数は、０〜９回のように大きくばらついており、０回のブロックでは混合が殆ど行われておらず、９回のブロックでは充分に混合されていると判断できる。オペレータは、このような通過回数の数値を参照することにより、充分に混合が成されている領域と、混合が不充分な領域とを認識することができる。
【００４９】
図９及び図１０では、バケット６の基準点Ｐ１の現在位置が（ｘ，ｙ，z）＝（１．９１，１．８８，−１．２０）のときのｘｙ平面を断面した碁盤目状の座標図５１ａを一例として表示している。バケット６をｚ軸方向に移動させた場合には、その変化したｚ値を含む層においてｘｙ平面を断面した碁盤目状の座標図及びそのときの通過回数が表示される。
【００５０】
上述のようにして通過回数が記録され、モニタ上に表示される。また、モニター上には現在のバケット６が位置する座標のｚ値を含む層のｘｙ平面を断面したときの通過回数が表示されるほか、任意のｚ値を指定することにより、指定されたｚ値を含む層のｘｙ平面を断面したときの通過回数を表示させることもできる。
【００５１】
本処理プロセスは、オペレータの工事完了の判断の後、オペレータによるバケット移動記録装置５０に対する指示入力部３５からの測定終了の指示の入力で終了する（ステップ１０：ｓ１０）。
【００５２】
なお、通過回数の記録は、必要に応じて、バケット移動記録装置５０の補助記憶部４１に保存される。補助記憶部４１に記憶された通過回数データは、施工後に混合の不足やバラつきの発生等による地盤の強度不足等の問題が生じた場合に、施工時の混合状態を再確認するためのトレーサビリティを可能にする。
【００５３】
上述したようなバケット移動記録装置５０を備えたバックホウ１０を用いた、本実施形態の浅層地盤改良工事支援システムを用いた浅層地盤改良工事の一実施形態のフローを図１１のフロー図を参照して説明する。
【００５４】
浅層地盤改良工事の施工においては、はじめに、オペレータは、施工に際しバケット移動記録装置５０に対して施工領域Ｒを指示入力部３５から指定する。そして、バックホウ１０を走行させて予め設定された施工領域Ｒの周辺へ移動する（ステップ１：Ｓ１）。そして、セメント系固化材等の改質材を施工領域に散布する（ステップ２：Ｓ２）。例えば、セメント系固化材の散布は、フレキシブルコンテナに充填されたセメント系固化材をクレーン等で施工領域の上方で懸架し、フレキシブルコンテナの下方の口を開放することにより、施工領域Ｒに予め計量されたセメント系固化材を落下させる。
【００５５】
そして、施工領域Ｒに予め計量された改質材を混合する作業を開始する。混合する作業の開始に際しては、予め、施工領域の全域に改質材が万遍なく配分されるように、バックホウ１０を操作して予備的に地面を掘り返すような作業をしてもよい。
【００５６】
そして、本実施形態のバケット移動記録装置５０による、バケット移動記録を開始する（ステップ３：Ｓ３）。測定開始の指示により、バケット移動記録装置５０は、バケット６の基準点Ｐ１の現在位置の記録を開始する。そして、オペレータはバックホウ１０を操作して混合作業を開始する（ステップ４：Ｓ４）。バケット移動記録装置５０は、バケット６の基準点Ｐ１や基準線Ｌや基準面Ｆの移動による各ブロックの通過回数をリアルタイムで記録する。操作部３のモニタには各ブロックを通過した回数が表示される。オペレータは各ブロックのバケット６の通過回数を確認する（ステップ５：Ｓ５）。通過回数は、ｘ−ｙ平面だけでなく、任意のｚ値を指定し、そのｚ値を含む層のｘｙ平面を断面した碁盤目状の座標図及びそのときの通過回数をモニター上に表示させることにより、３次元的に通過回数の少ないところをスクリーニングするようにして確認することもできる。オペレータは３次元的に各ブロックの通過回数を確認し、全ブロックが目標通過回数に達しているかどうかを判定する（ステップ６：Ｓ６）。目標通過回数は、その地盤を充分に混合するために要求される最小混合回数が設定される。このような目標通過回数は、地盤の土質や含水率等によって適宜選択される。また、本システムを用いて混合回数情報のデータを蓄積していくことにより、地盤の特性に応じてより最適な回数を特定することもできる。そして、各ブロックの通過回数が目標回数に達している場合（ＹＥＳ）には、混合作業を終了する（ステップ８：Ｓ８）。一方、各ブロックの通過回数が目標回数に達していない場合（ＮＯ）には、目標回数に達していないブロックを局所的に混合し（ステップ７：Ｓ７）、再度、各ブロックのバケット６の通過回数を確認する（ステップ６：Ｓ６）。そして、各ブロックの通過回数が目標回数に達した場合（ＹＥＳ）には、混合作業を終了する（ステップ８：Ｓ８）。このような浅層地盤改良工事支援システムを用いた浅層地盤改良工事によれば、混合が不充分な領域を低減させることができる。
【００５７】
以上、浅層地盤改良工事支援システムの一実施形態を詳しく説明したが、本発明に係る浅層地盤改良工事支援システムは上述したような形態に限られず、本発明の効果を損なわない限り、目的や状況に応じて変更して適宜、使用できる。具体的な一例としては、以下のような態様が例示される。
【００５８】
上述した実施形態では、モニタに通過回数を数値で表した例を示したが、数値で直接的に示す代わりに、その回数に応じて予め定められた色により色分けして間接的に通過回数を表示してもよい。具体的には、例えば、０回は白色、１〜３回は赤色、４〜６回は緑色、７回〜９回は青色のように色分けして間接的に通過回数を表示してもよい。このように通過回数を色分けして間接的に表示することにより、煩雑な工事現場でもオペレータが直感的に施工領域内の通過回数の分布を判断することができる点から好ましい。また、別の表示方法としては、例えば、通過回数が、予め設定された目標通過回数を超えると青色、目標通過回数よりも１〜２回少ない場合には黄色、３回以上少ない場合には赤色等により表示してもよい。このような目標通過回数との差分を色分けする表示にすることにより、オペレータは全ての領域を目標通過回数を超える青色にするように作業を進めるだけで、施工領域内の全ての領域が目標通過回数を達するように容易に作業できる。
【００５９】
また、上述した実施形態では、バックホウに備えられた操作部でオペレータが操作した例を示したが、バックホウから操作部を隔離した操作部からバックホウを遠隔操作するような形態であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る浅層地盤改良工事支援システムは、浅層地盤改良工法における改良材と土との混合作業を定量化し、可視化することにより、オペレータの熟練度に頼ることなく、均質な混合作業を可能にし、さらに、混合作業のトレースを可能にすることに寄与する。
【符号の説明】
【００６１】
１      無限軌道
２      旋回体
３      操作部
３a    第１連結部
４      ブーム（第１アーム）
５      アーム（第２アーム）
５a    第２連結部
６      バケット
６ａ    第３連結部
１０    バックホウ
１４    ブーム角度センサ
１５    アーム角度センサ
１６    バケット角度センサ
１７    第１ＧＰＳ受信機
２４    第１油圧シリンダ
２５    第２油圧シリンダ
２６    第３油圧シリンダ
２７    第２ＧＰＳ受信機
３４    画像表示部（モニタ）
３６    スケルトンバケット
３６ａ  底板部３６ａ
３７    ＧＰＳアンテナ
４６    バケットミキサー
４６ａ  モーター
４６ｂ  撹拌翼
５０    バケット移動記録装置
Ｐ１    バケット６の基準点
Ｐ２    バックホウ１０の基準点
【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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