(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を走査しながら計測対象に投射して画像を取り込む画像取込機能と、走査点までの距離を計測する視差式測距機能と、走査点の方向を検知する測角機能とを有する光学式スキャナー装置を用いて、トンネル内壁に光を水平方向及び鉛直方向に走査しながら投射し、その走査範囲の全走査点について、前記視差式測距機能により得られた走査点までの距離を示す距離データと前記測角機能により得られた走査点の方向を示す方向データとを演算処理することによって三次元座標を求め、この三次元座標から内空変位計測情報と内空断面形状計測情報とを取得すると共に、前記画像取込機能により取り込んだトンネル内空の画像から切羽面画像情報を取得することを特徴とするトンネル内施工状態検知方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル内の内空変位、内空断面形状、および切羽面などのトンネルの施工状態を検知する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりトンネルにおける施工管理は、（ａ）内空変位計測（天端沈下計測）、（ｂ）内空断面形状計測、および（ｃ）切羽面調査によっておこなわれている。
【０００３】
（ａ）内空変位計測は、トンネル掘削後の地山の動きを、トンネル内壁の経時変位を測定することにより定量的にとらえるものであり、この計測結果に基づいてトンネルの安定性を判断している。
この計測方法の代表例を図４（ａ）に示す。トンネル内空の一断面上の計測対象位置にプリズム８１ａを固定するとともに、トンネル１の略幅中央に光波式測距測角装置８３を配置する。そして、光波式測距測角装置８３から投射された光波８５を前記プリズム８１ａにて反射し、この反射された光波光８７を同装置に取り込んで、両者間の相対距離および相対方位を、すなわち相対座標を測定する。一方、絶対座標が既知の座標基点にプリズム８１ｂを配置し、このプリズム８１ｂの相対座標を同様に計測することで光波式測距測角装置８３の絶対座標がわかり、この絶対座標を介して前記計測対象位置の絶対座標を算出する。そして、この座標データを所期の期間取得して、トンネル掘削後の地山の動きを定量的にとらえるものである。
【０００４】
（ｂ）内空断面形状計測はトンネル掘削方向の適宜間隔毎にその内空断面形状を計測するものであり、この計測結果は余堀り管理や二次覆工コンクリートの余巻き管理に使用される。
この計測方法の代表例を図４（ｂ）に示す。この計測は断面測定機８９でなされ、この断面測定機８９は、三脚台に取り付けられた自動旋回装置と、この自動旋回装置に取り付けられたレーザー式測距儀とで構成される。この測定機８９を計測対象のトンネル内壁１ａの下方に配置し、自動旋回装置によって、前記測距儀の光軸方向を内壁面に対して垂直にするとともに、この内壁面に沿って旋回させてレーザー光８６を投射し、その反射光８８を受光することで内壁面までの距離を測定する。そして、その時の旋回角度データと距離データとによって内空断面形状を把握するものである。
【０００５】
（ｃ）切羽面調査は切羽面３の地質状態を見て地質判定をするものであり、この判定結果に基づいて掘削方法や支保工などの施工方法の選定がなされる。
この切羽面３の調査方法は、図４（ｃ）に示すようにデジタルカメラ９１などによって切羽面３を撮像し、この画像を識者が見て地質判定するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの計測・調査は、各々互換性のない専用機器によってなされるため、
▲１▼各々の機器について操作方法、特性の熟知が必要、
▲２▼各々の測定に高価な専用機器を各々使用しており不経済、
▲３▼各々の機器について保守点検が必要で管理が煩雑、
という問題がある。
【０００７】
また、各計測機器については、内空変位計測では計測断面毎にプリズムを設置することが必要であり、内空断面形状計測にあっても、各計測断面毎に逐次機器を移動して計測しなければならず、両者とも操作性が悪いという問題がある。
【０００８】
更には、近年のトンネル施工技術の高度化にともない、内空変位計測や内空断面形状計測に対して、点や線の情報だけでなく面としての情報を把握することが求められているが、前記方法では、プリズム設置位置のみの点の情報もしくは断面形状曲線という線の情報しか得られない。
【０００９】
本発明はかかる従来の課題に鑑みて成されたもので、内空変位計測と内空断面形状計測と切羽面撮像とを一台の装置を用いて容易にかつ高精度におこなうことができるとともに、トンネル内空の面情報を収集可能なトンネル内施工状態検知方法を提供することを目的とする。
【００１０】
かかる目的を達成するために請求項１に示す発明は、光を走査しながら計測対象に投射して画像を取り込む画像取込機能と、走査点までの距離を計測する視差式測距機能と、走査点の方向を検知する測角機能とを有する光学式スキャナー装置を用いて、トンネル内壁に光を水平方向及び鉛直方向に走査しながら投射し、その走査範囲の全走査点について、前記視差式測距機能により得られた走査点までの距離を示す距離データと前記測角機能により得られた走査点の方向を示す方向データとを演算処理することによって三次元座標を求め、この三次元座標から内空変位計測情報と内空断面形状計測情報とを取得すると共に、前記画像取込機能により取り込んだトンネル内空の画像から切羽面画像情報を取得することを特徴とする。
【００１１】
上記発明によれば、計測対象たるトンネル内壁に光を走査しながら投射し、視差式測距機能と測角機能とを用いて、前記光で走査した走査範囲の全走査点の方向と距離とを認知し、このデータを演算処理して、前記全走査点の三次元座標、すなわちトンネル内壁の三次元座標を収集する。したがい、トンネル内空形状を三次元計測することができて、内空変位計測情報と内空断面形状計測情報とを取得できる。また、画像取込機能を用いて、前記走査範囲の全走査点の画像を収集するので、この画像を合成などして切羽面の地質状況、湧水状況、温度分布などの切羽面全体の画像情報を取得することができる。
つまり、一台の前記光学式スキャナー装置を用いて、内空変位計測情報と内空断面形状計測情報と切羽面画像情報とを取得することで、内空変位計測と内空断面形状計測と切羽面撮像とをおこなうことができる。
【００１２】
また、この光学式スキャナー装置を用いて、トンネル内壁を光で走査するだけで、前記演算処理を介して、その走査範囲のトンネル内壁の三次元座標を収集できる。このため、計測断面毎に機器を逐一移動することなく、トンネルの任意位置について容易にかつ短時間で内空変位計測と内空断面形状測定とをおこなうことができる。
【００１３】
更には、トンネル内壁を走査してその走査範囲のトンネル内壁の三次元座標がわかるので、トンネル内空の面情報を収集することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明に係るトンネル内施工状態検知方法による観測時の様子を示す斜視図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。また、図２は本実施形態に使用した走査距離計の概略構成を示す斜視図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態のトンネル内施工状態検知方法は一台の計測装置で実施され、この計測装置は、トンネル１内における絶対座標が任意の座標基点に配置される光学式スキャナー装置５と、この光学式スキャナー装置５からの出力データを取り込んで演算処理などする図示なしのコンピュータとからなる。
【００１６】
本実施形態にあっては、前記光学式スキャナー装置５としては、特開平９−１１３２６２号公報で開示されている走査距離計を使用しており、その詳細構成は前記公報に記載されているので、ここではその概要のみを説明する。
【００１７】
この走査距離計５は、その内部のレーザー発信器からのレーザー光を上下左右に走査しながら、このレーザー光をトンネル内壁１ａに投射するとともに、この走査点９ｃからの反射光９ｂを受けて画像を取り込む画像取込機能と、任意の走査点９ｃまでの距離を計測する視差式測距機能と、その走査点９ｃの方向を検知する測角機能とを有している。
【００１８】
すなわち、この走査距離計５は、投光窓５４ａからレーザー光９ａを、その投射方向を検知して走査しながらトンネル内壁１ａに投射し、この走査点９ｃからの反射光９ｂを受光窓５４ｂから逐一取り入れて、走査点９ｃについての投光窓５４ａと受光窓５４ｂとの視差を算出し、この視差から走査点９ｃまでの距離を逐一算出するようになっている。また、前記走査点９ｃの画像データも逐一投光窓５４ａを介して取り込むようになっている。そして、かかる走査距離計５からは、走査範囲９ｄの走査点の距離データ、投射方向データおよびその画像データが外部出力される。
【００１９】
図２に、この走査距離計の概略構成を、本発明の理解に必要な程度にその構成要素を絞って示す。
この走査距離計５は、整形されたレーザー光を放射するレーザー発信器１２と、整形されたレーザー光を、前記走査範囲９ｄの水平方向に走査する走査ディスク２０と、このレーザー光を鉛直方向に走査して、投光窓５４ａを介してトンネル内壁に投射する第１の縦型走査ミラー４６ａと、前記走査点９ｃから反射されたレーザー光を受光窓５４ｂを介して受光する、前記第１の縦型走査ミラー４６ａと同期駆動する第２の縦型走査ミラー４６ｂと、この縦型走査ミラー４６ｂからのレーザー光および前記水平方向に走査されたレーザー光の両者を前記走査ディスク２０を介して受光し視差を検知する検出器アレイ４０ｂと、前記走査点９ｃからの光を投光窓５４ａと前記第１の縦型走査ミラー４６ａと前記走査ディスク２０とを介して受光し画像を取り込む検出器４０ｂと、これら構成要素間に配置されてその間の光を中継するミラーやレンズなどの多数の中継光学機器とからなる。
【００２０】
図２（ａ）にて、この走査距離計の走査点までの距離およびその方向を計測する機構について説明する。尚、同図中、レーザー光の軌跡を波線矢印、一点鎖線矢印、二点鎖線矢印で示す。
【００２１】
レーザー発信器１２から発信されたレーザー光（波線矢印）は、レーザーコリメートミラー１４を介してその上方の走査ディスク２０に向けられる。
この走査ディスク２０は、その下面に凹面ミラーたるディンプル１８が複数形成された円盤であり、その中心に取り付けられた駆動モータ５８によって水平回転するようになっている。そして、その回転中に前記ディンプル１８にレーザー光が当たることによって前記走査範囲９ｄの水平方向にレーザー光を走査する。尚、この時の走査方向は、前記走査ディスク２０に、前記駆動モータ５８とともに設けられた位置エンコーダによって検知される。
【００２２】
このディンプル１８に反射されたレーザー光は、ストリップミラー２２ａと一次ミラー２４ａとを介して両面ミラー２６に入射する。この両面ミラー２６は、レーザー光の透過性を若干有しており、前記入射光の一部を透過し（一点鎖線矢印）その他を反射する（波線矢印）。この反射光（波線矢印）は、折れ曲がり型ミラー２８ａを介して第１の縦型走査ミラー４６ａに向けられる。
【００２３】
この第１の縦型走査ミラー４６ａは平板状ミラーであり、その端面に取り付けられた駆動モータ５６によって鉛直方向に揺動回転するようになっている。そして、その回転中にレーザー光が当たることによって前記走査範囲９ｄの鉛直方向にこのレーザー光を走査する。尚、この時の走査方向は、前記駆動モータ５６とともに設けられた位置エンコーダによって検知される。
【００２４】
この第１の縦型走査ミラー４６ａに反射されたレーザー光は、投光窓５４ａを介してトンネル内壁９ｄへ向けられ、この内壁９ｄを上下左右に走査する。そして、この走査点９ｃにて反射されたレーザー光（二点鎖線矢印）は、前記投光窓５４ａの隣に配された受光窓５４ｂを介して第２の縦型走査ミラー４６ｂに入射する。この第２の縦型走査ミラー４６ｂは、前記駆動モータ５６によって前記第１の縦型走査ミラー４６ｂと同期して揺動回転するようになっている。
【００２５】
この第２の縦型走査ミラー４６ｂに反射されたレーザー光は折れ曲がりミラー２８ｂを介して両面ミラー２６に入射する。この両面ミラー２６にて反射されたレーザー光（二点鎖線矢印）は、前述した透過レーザー光（一点鎖線矢印）とともに一次ミラー２４ｂとストリップミラー２２ｂとを介して前記走査ディスク２０のディンプル１８に入射する。そして、ディンプル１８にて反射された両レーザー光は、集光ミラー３０ｂ、レンズ、複合ミラー４２などを介して検出器アレイ４０ｂに受光される。
【００２６】
この検出器アレイ４０ｂは、光を感知する多数の受光素子を列状に配したものである。この検出器アレイ４０ｂ上の前記透過レーザー光の受光位置と、前記走査点９ｃから反射されたレーザー光の受光位置との偏差から、走査点９ｃを投光窓５４ａから見た視線と、受光窓５４ｂから見た視線との視差が算出される。
【００２７】
そして、この視差から走査距離計５から走査点９ｃまでの距離が算出され、前記二つの位置エンコーダから走査点９ｃの水平方向と鉛直方向とが算出されて、走査点９ｃの距離データとその投射方向データとして取り込まれる。
【００２８】
次いで図２（ｂ）にて、この走査距離計の走査点の画像を取り込む機構について説明する。尚、同図中、走査点からの光の軌跡を波線矢印で示す。
【００２９】
走査点９ｃから反射若しくは放出された自然の光（波線矢印）は、投光窓５４ａを介して、第１の縦型走査ミラー４６ａに入射する。そして、この光は折れ曲がりミラー２８ａ、両面ミラー２６、一次ミラー２４ａ、ストリップミラー２２ａを介して走査ディスク２０のディンプル１８に入射する。そして、このディンプル１８に反射された光は集光ミラー３０ａを介して検出器４０ａに受光される。この検出器４０ａは電荷結合素子などからなり、この検出器４０ａより走査点９ｃの画像が取り込まれる。
【００３０】
前記コンピュータはＲＡＭなどの記憶手段、ＣＰＵなどの演算手段、ＣＲＴなどの表示手段、キーボードなどの入力手段からなり、前記走査距離計５から、走査点９ｃの距離データと投射方向データと画像データとを取り込んで、これら三つのデータを対応づけして記憶手段に記憶する。そして演算手段によって、前記距離データと投射方向データとから、すべての走査点の三次元座標を算出するとともに、前記個々の画像データを合成して、走査範囲９ｄのトンネル内空の全体画像を形成する。
【００３１】
そして、前記走査点の三次元座標によってトンネル内空形状を立体的に把握することができるので、所望のトンネル内空位置を指定してその三次元座標データを読み込めば、前記内空の一部の変位である内空変位計測結果や、前記内空の一断面の座標である内空断面計測結果を表示手段に表示することができる。また、前記トンネル内空の全体画像を形成できるので切羽面３の画像も表示できる。
つまり、本計測装置一台で内空変位計測、内空断面計測、切羽面撮像をおこなうことができる。
【００３２】
更には、前記三次元座標データよりトンネル内空の面情報を算出することもできて、トンネル内の施工状態を緻密に観測することができる。
【００３３】
また、これら収集された三次元座標データを汎用の画像解析ソフトなどで処理して、トンネル内空の鳥瞰図を作成できるとともに、トンネルの内容積を算出して余堀り管理や二次覆工コンクリートの余巻き管理に利用することができる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で以下の（ａ）〜（ｃ）に示すような変形が可能である。
（ａ）本実施形態においては、現場で観測結果を表示手段に表示するようにしたが、これら観測結果を通信回線を通じて遠方の識者にリアルタイムで送信し、その場所にて観測結果を表示してもよい。この場合、識者が施工現場にいなくても、次におこなう施工方法の選定ができる。
（ｂ）また、トンネル二次覆工コンクリートのひび割れ調査にも適用できる。
（ｃ）更には、トンネル坑口部およびその他の一般斜面での変形・すべりに対する計測管理にも適用できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に示す発明によれば、一台の光学式スキャナー装置によって、内空変位計測と内空断面形状計測と切羽面撮像とをおこなうことができるので、一台の機器についてのみその操作方法や特性を熟知すればよく計測能率が向上する。また、保守点検についても一台についておこなえばよくメンテナンス費用を削減できる。
【００３７】
また、計測地点が変わる度に装置を移動する必要がないので作業性に優れ、施工管理に要する作業時間を短縮できる。
【００３８】
更には、走査して三次元計測ができるので、トンネル内空の面情報を収集できて、この情報によって施工精度を向上できて、更に高度なトンネル施工管理を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトンネル内施工状態検知方法による観測時の様子を示す斜視図と、同図中のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図２】本実施形態に使用した走査距離計の概略構成を示す斜視図である。
【図３】本発明による内空変位計測の一例を示すトンネルの横断面図である。
【図４】従来の内空変位計測、内空断面形状計測、および切羽面調査の様子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  トンネル
１ａ  トンネル内壁
３  切羽面
５  光学式スキャナー装置、走査距離計
５４ａ  投光窓
５４ｂ  受光窓
９ａ  投射光
９ｂ  反射光
９ｃ  走査点
９ｄ  走査範囲
【図１】
0004533502.tif 000002
【図２】
0004533502.tif 000003
【図３】
0004533502.tif 000004
【図４】
0004533502.tif 000005