(57)【要約】【課題】掘削現場におけるガスの発生箇所を、簡易な構成で、かつ立体的に特定することが可能な手段を提供する。【解決手段】掘削現場でのガスの発生を検知するためのガス計測装置であって、レーザー型のガスセンサであって、該レーザーの反射面までのガスの累積濃度、または前記反射面でのガス濃度を測定可能な、ガスセンサと、前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第１の回転軸と、平面視して、前記第１の回転軸と直交する方向に、該第１の回転軸を回転自在とする、第２の回転軸と、を少なくとも備える。そして、前記第１の回転軸および第２の回転軸の回転角度、ならびに、前記ガスセンサおよび距離計の測定値を情報処理装置で集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成する。【選択図】図１
2017096703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削現場でのガスの発生を検知するためのガス計測装置であって、
レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面までのガスの累積濃度、または前記反射面でのガス濃度を測定可能な、ガスセンサと、
前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、
前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第１の回転軸と、
平面視して、前記第１の回転軸と直交する方向に、該第１の回転軸を回転自在とする、第２の回転軸と、
を少なくとも備えたことを特徴とする、
ガス計測装置。
【請求項２】
ガス計測装置と、情報処理装置と、からなるガス濃度可視化システムであって、
前記ガス計測装置は、
レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面までのガスの累積濃度を測定可能な、ガスセンサと、
前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、
前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第１の回転軸と、
平面視して、前記第１の回転軸と直交する方向に、該第１の回転軸を回転自在とする、第２の回転軸と、を少なくとも備え、
前記情報処理装置は、
前記ガスセンサから得る累積濃度を、前記距離計から得る距離で除算した値を、前記反射面でのガス濃度とする、ガス濃度算出手段と、
前記ガス計測装置の設置位置の座標、前記第１の回転軸および第２の回転軸の回転角度、前記距離計から得る距離、ならびに前記ガス濃度を集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成する、分布図生成手段と、
を少なくとも備えたことを特徴とする、
ガス濃度可視化システム。
【請求項３】
ガス計測装置と、情報処理装置と、からなるガス濃度可視化システムであって、
前記ガス計測装置は、
レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面でのガス濃度を測定可能な、ガスセンサと、
前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、
前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第１の回転軸と、
平面視して、前記第１の回転軸と直交する方向に、該第１の回転軸を回転自在とする、第２の回転軸と、を少なくとも備え、
前記情報処理装置は、
前記ガス計測装置の設置位置の座標、前記第１の回転軸および第２の回転軸の回転角度、前記距離計から得る距離、ならびに前記ガス濃度を集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成する、分布図生成手段と、
を少なくとも備えたことを特徴とする、
ガス濃度可視化システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載のガス濃度可視化システムでもって、掘削現場の立体形状とガス濃度を測定する作業を、掘削作業の進行に併せて実施し、
前記測定結果から、掘削現場の想定外の形状変化またはガスの発生を検知することを特徴とする、
掘削現場の監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、岩盤や地盤などの掘削現場でのガスの発生を検知するためのガス計測装置およびガス濃度可視化システム、ならびに掘削現場の監視方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル掘削などの岩盤や地盤の掘削工事では、掘削中に発生したガスによる爆発事故の危険性を考慮しなければならない。
例えば、メタンガスは、無色無臭の気体であり、人の五感による感知は困難であるため、燃焼式や光学式のガスセンサを用いて検知を行う必要がある。
公知のガスセンサは、測定箇所における被検出ガスの濃度をピンポイントで測定することが可能であるものの、面的または立体的に被検出ガスの濃度分布を把握するには、大量のセンサを測定箇所に配置しておかなければならず、トンネルや地下構造物などの広大な空間において、ガスが発生する箇所を特定したりするような使用法には不向きである。
【０００３】
ところで、ガス濃度を計測する公知の装置として、以下の特許文献１に記載の発明がある。
特許文献１に記載のガスの可視化装置は、メタンガスに吸収される波長の検出用赤外線を、二次元的に照射する赤外線面状照射手段を用いて、ガスの漏洩関連情報を二次元可視画像として表示する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−２８８８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１に記載の装置には、以下のような問題がある。
（１）局所的な二次元表示に留まる。
特許文献１に記載の可視化装置は、ガスの漏洩関連情報を二次元の可視画像として表示する、と記載されているものの、あくまでイメージセンサによる撮影範囲中でのガスの分布を可視化するものであり、三次元的な可視化もできないため、トンネルや地下構造物などの広大な空間でガスの発生箇所を特定する使用法には適していない。
（２）装置全体の大きさや可搬性について考慮されていない。
土木工事では、現場内に各種の土木機械器具が設置されており、大掛かりな装置は設置しづらい面がある。また、トンネル工事のように、測定対象の形状が変化していく場所では、測定装置は容易に持ち運べるような構成であることが好ましい。
しかし、特許文献１に記載の可視化装置は、工場内でのタンクや配管でのガス漏れを検知するために、常置しておくことを前提とするものであり、装置全体の大きさや可搬性については何ら考慮されていない。
【０００６】
よって、本発明は、岩盤や地盤などの掘削現場におけるガスの発生箇所を、簡易な構成でかつ立体的に特定することが可能な手段の提供と、掘削作業の進捗に応じて、掘削現場の立体形状とガス濃度の変化を検知可能な手段の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決すべくなされた本願の第１発明は、掘削現場でのガスの発生を検知するためのガス計測装置であって、レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面までのガスの累積濃度、または前記反射面でのガス濃度を測定可能な、ガスセンサと、前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第１の回転軸と、平面視して、前記第１の回転軸と直交する方向に、該第１の回転軸を回転自在とする、第２の回転軸と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
また、本願の第２発明は、ガス計測装置と、情報処理装置と、からなるガス濃度可視化システムであって、前記ガス計測装置は、レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面までのガスの累積濃度を測定可能な、ガスセンサと、前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第１の回転軸と、平面視して、前記第１の回転軸と直交する方向に、該第１の回転軸を回転自在とする、第２の回転軸と、を少なくとも備え、前記情報処理装置は、前記ガスセンサから得る累積濃度を、前記距離計から得る距離で除算した値を、前記反射面でのガス濃度とする、ガス濃度算出手段と、前記ガス計測装置の設置位置の座標、前記第１の回転軸および第２の回転軸の回転角度、前記距離計から得る距離、ならびに前記ガス濃度を集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成する、分布図生成手段と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
また、本願の第３発明は、ガス計測装置と、情報処理装置と、からなるガス濃度可視化システムであって、前記ガス計測装置は、レーザー型のガスセンサであって、レーザーの反射面でのガス濃度を測定可能な、ガスセンサと、前記反射面までの距離を計測可能な、距離計と、前記ガスセンサおよび距離計を、起立または倒伏するように回転自在とする、第１の回転軸と、平面視して、前記第１の回転軸と直交する方向に、該第１の回転軸を回転自在とする、第２の回転軸と、を少なくとも備え、前記情報処理装置は、前記ガス計測装置の設置位置の座標、前記第１の回転軸および第２の回転軸の回転角度、前記距離計から得る距離、ならびに前記ガス濃度を集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成する、分布図生成手段と、を少なくとも備えたことを特徴とする。
また、本願の第４発明は、前記第２発明または第３発明に記載のガス濃度可視化システムでもって、掘削現場の立体形状とガス濃度を測定する作業を、掘削作業の進行に併せて実施し、前記測定結果から、掘削現場の想定外の形状変化またはガスの発生を検知することを特徴とする、掘削現場の監視方法を提供するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、以下に記載する効果を奏する。
（１）ガス濃度の三次元分布を表示することができる。
ガスセンサによる測定値と、距離計による測定値を組み合わせることで、ガス濃度の三次元分布図を求めることができる。
（２）掘削現場の立体形状を表すことができる。
距離計による測定値から、掘削現場の立体形状を表すこともできる。
よって、トンネルの掘削現場のように、測定箇所の形状が逐一変化するような場所であっても、その都度、背景空間を把握出来る点で有益である。
（３）「立体形状」と「ガス濃度」の測定値を相互に有効活用できる。
ガス濃度が急激に増加したことを確認できれば、将来的に地盤の緩みや微視的な亀裂の発生の検知または発生可能性を予測できるため、構造に対する安全対策を事前に準備しておくことができる。
同様に、立体形状の変化によって地盤の緩みが発生したことを検知できれば、将来的にガスの噴出数値の増加の可能性を予測できるので、換気などの安全対策を事前に準備しておくこともできる。
（４）測定箇所の自由度に優れる。
同じ設置場所から、トンネルの側壁側の表面だけでなく前方の切羽側表面のガス濃度を測定することができる。
例えば、第２の回転軸がトンネルの軸方向を向くように計測装置を設置し、第１の回転軸でもってガスセンサと距離計を起立させた状態で、第２の回転軸でもってガスセンサと距離計を移動させれば、トンネルの長手方向の縦断面状に被検出ガスの濃度を測定することができる。
また、この状態から、第１の回転軸でもってガスセンサと距離計を水平方向からやや角度を持たせて倒した状態から、第２の回転軸でもってガスセンサと距離計を移動させることで、前方の切羽表面における被検出ガスの濃度を測定することができる。
（５）可搬性に優れる。
複数の回転軸を設けた雲台を有する三脚に、ガスセンサや距離計をセットすることで、容易にシステムを構築することができる。よって、システム一式の持ち運びは容易となり、掘削現場で邪魔になることもない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施例に係るガス濃度可視化システムの構成を示す概略斜視図。
【図２】三次元状に表示したガス濃度分布図の一例を示す図。
【図３】トンネル側壁面側のガス濃度を測定する方法を説明する概略斜視図。
【図４】トンネル切羽面側のガス濃度を測定する方法を説明する概略図。
【図５】本発明の第２実施例に係るガス濃度可視化システムの構成を示す概略斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【実施例】
【００１１】
［実施例１］
＜１＞全体構成
図１に、本発明の第１実施例に係るガス濃度可視化システムの構成を示す。
本実施例に係るガス濃度可視化システムＡは、掘削現場でのガス濃度などの各種計測値を計測するガス計測装置Ｂと、ガス計測装置Ｂによる各種の計測値から、三次元化したガス濃度分布図を生成する、情報処理装置Ｃと、を少なくとも含んで構成する。
なお、図１には図示しないが、本発明に係るガス計測装置Ｂおよびガス濃度可視化システムＡは、各装置を駆動するためのバッテリーを設けておくこともできる。
以下、各構成要素の詳細について説明する。
【００１２】
＜２＞ガス計測装置
ガス計測装置Ｂは、掘削現場内の測定箇所におけるガス濃度や、該測定箇所までの距離、ガス計測装置の姿勢や座標等の各種計測値を計測するための装置である。
本実施例では、前記「測定箇所」として、掘削途中のトンネル側壁表面や切羽表面を想定している。
図１に示すように、ガス計測装置Ｂは、ガスセンサ１０、距離計２０、第１の回転軸３０および第２の回転軸４０を少なくとも備える。
なお、本実施例では、前記ガスセンサ１０および距離計２０を箱体に収納しておき、各装置のレーザー照射口のみを箱体から露出させた状態としている。
これは、トンネルの掘削現場などは粉塵が大量に発生することから、該粉塵によって、各装置が動作不良を起こさないようにするためである。
以下、各構成要素の詳細について説明する。
【００１３】
＜２．１＞ガスセンサ
ガスセンサ１０は、ガスの発生を検知するための装置である。
本実施例では、ガスセンサ１０に、種々の波長のレーザーを照射し、標的からの乱反射坑を受光し、反射して帰ってくる光のうち、検知対象とするガスを吸収する波長の光の強度の低下を測定することで、照射空間内のガスの累積濃度（濃度×距離［ｐｐｍ・ｍ］）を測定可能なレーザー反射型のセンサを用いている。
【００１４】
＜２．２＞距離計
距離計２０は、前記ガスセンサ１０とは別に、前記ガスセンサ１０のレーザーの反射面までの距離を測定するための装置である。
距離計２０は、公知の計測装置を使用することができる。
【００１５】
＜２．３＞第１の回転軸・第２の回転軸
第１の回転軸３０および第２の回転軸４０は、前記ガスセンサ１０および距離計２０の姿勢を変化させるための部材である。
まず、第１の回転軸３０は、前記ガスセンサ１０および距離計２０を、起立または倒伏するように回転自在とするための部材である。
また、第２の回転軸４０は、平面視したときに、前記第１の回転軸３０と直交する方向に、該第１の回転軸３０を回転自在とするための部材である。
【００１６】
＜２．３．１＞構成の具体例
第１の回転軸３０および第２の回転軸４０は、三脚６０に取付け可能な公知の雲台５０が有するパンチルト機能を流用することができる。
【００１７】
＜２．３．２＞各回転軸の回転角度
第１の回転軸３０の回転角度は、トンネルの前後方向（水平方向）を０°としてトンネルの上方向に向かって回転するとした場合、少なくとも０°以上９０°以下を確保すれば良く、さらに９０°以上を確保すればと、ガス計測装置の後方側の空間に対しても測定が可能である点でより好ましい。
また、第２の回転軸の回転角度は、少なくとも０°以上１８０°以下を確保すれば良く、３６０°回転自在に構成しておくとより好ましい。
【００１８】
＜３＞情報処理装置
情報処理装置Ｃは、三次元状のガス濃度分布図を生成するための装置である。
情報処理装置Ｃは、前記した第１の回転軸３０および第２の回転軸４０を有する雲台５０のコントローラとして用いてもよい。
情報処理装置Ｃには、デスクトップＰＣ、ノートＰＣ、タブレット、スマートフォン等を使用することができる。
【００１９】
情報処理装置Ｃとガス計測装置Ｂとの間で情報を送受信可能に構成するにあたっては、有線・無線を問わないものとし、その他にも、ガス計測装置Ｂや情報処理装置Ｃに着脱可能な記憶媒体を介して、各種の計測値を取り込むように構成することもできる。
【００２０】
本実施例に係る情報処理装置Ｃでは、ガス濃度算出手段７０と、分布図生成手段８０と、を少なくとも具備してなる。
以下、各手段の詳細について説明する。
【００２１】
＜３．１＞ガス濃度算出手段
ガス濃度算出手段７０は、前記ガスセンサ１０から得る累積濃度から、前記反射面でのガス濃度を算出するための手段である。
より詳細には、前記ガス濃度算出手段７０は、前記累積濃度（［ｐｐｍ・ｍ］）を、前記距離計２０から得る距離（［ｍ］）で除算した値（［ｐｐｍ］）を、前記反射面でのガス濃度として算出している。
【００２２】
＜３．２＞分布図生成手段
分布図生成手段８０は、前記ガス計測装置Ｂの設置位置の座標、前記第１の回転軸３０および第２の回転軸４０の回転角度、前記距離計２０から得る距離、ならびにガス濃度を集計して、三次元状のガス濃度分布図を生成するための手段である。
より詳細には、前記分布図生成手段８０は、ガス計測装置Ｂから得られる、ある反射面上のガス濃度、前記反射面までの距離、第１の回転軸３０の角度および第２の回転軸４０の角度の値に基づいて、ある座標におけるガス濃度を求めることができる。
そして、第１および第２の回転軸の角度や、ガス計測装置Ｂの設置位置を変更しながら、各反射面のガス濃度を求めて三次元座標状にプロットしていくことにより、三次元状のガス濃度分布図と、測定空間の形状情報を生成することができる。
よって、前記ガス濃度分布図は、測定空間の立体形状をも表すことにもなる。
【００２３】
図２に、情報処理装置Ｃのモニタに表示したガス濃度分布図の例を示す。
図２では、仮想の三次元空間上にプロットした点を、レーザーの反射面である測定箇所でのガス濃度の値に応じて色分けしている。
このように、測定箇所毎にガス濃度の値で色分けされた点を表示することにより、測定箇所の立体形状と、どの測定箇所でガス濃度が高い状態であるのかを視覚的に把握することができる。
【００２４】
＜３．３＞検知手段
本発明に係る情報処理装置Ｃでは、前記掘削現場の時間経過毎に生成した複数のガス濃度分布図を対比して、前記掘削現場でのガス濃度または立体形状の変化のうち、少なくとも何れか一方の変化を検知することが可能な、検知手段９０をさらに設けることもできる（図１）。
前記したガス濃度分布図を、所定時間毎に作成していくと、ガス濃度の分布の遷移とトンネルの立体形状の変化の遷移を視覚的に捉えることができる。
【００２５】
＜４＞使用例
次に、測定箇所に応じたガス計測装置の使用方法の一例について説明する。
【００２６】
＜４．１＞使用例１：トンネル側壁面の測定（図３）
（１）初期状態
まず、ガス計測装置Ｂの座標を求める。この座標を求める方法としては、ガス計測装置Ｂの後方に複数設定した仮基準点から後方交会法によって求める方法がある。
【００２７】
（２）計測の開始点
次に、ガスセンサ１０および距離計２０による計測の開始点を設定する。
図３では、第１の回転軸３０の角度を９０°とし、第２の回転軸４０の角度を０°に設定した位置を開始点に設定している。
このとき、ガスセンサ１０および距離計２０の測定箇所Ｄ（Ｄ１）はトンネルの側壁Ｅの右端近傍に位置した状態となる。
この状態から測定箇所Ｄ１の累積濃度および距離を計測する。
【００２８】
（３）第２の回転軸による移動および計測
次に、第２の回転軸４０による回転運動を行い、ガスセンサ１０および距離計２０の向きをトンネルの側壁Ｅの周方向に移動させて、次の測定箇所Ｄ２の累積濃度および距離を計測する。
この動作を、トンネルの側壁Ｅの左端近傍に達する箇所である測定箇所Ｄ９まで繰り返すことで、トンネルのある横断面での累積濃度の分布が計測できたことになる。
【００２９】
（４）ガス計測装置の移動
次に、ガス計測装置Ｂの位置をトンネルの前後方向に移動させて、前記（１）〜（３）と同様の測定を行い、異なる横断面での累積濃度分布を計測する。
このように、複数の横断面での累積濃度分布を順次測定していくことで、情報処理装置Ｃで三次元処理を行うデータを蓄積していく。
【００３０】
（５）ガス濃度分布図の生成
測定作業の終了後、または測定作業と並行して、取得した各測定値から、三次元状のガス濃度分布図を生成し、情報処理装置Ｃのモニタに表示する。
各横断面でのガス濃度分布図を合成する際には、前記（１）で求めたガス計測装置Ｂの座標情報を反映させればよい。
【００３１】
＜４．２＞使用例２：トンネル切羽の測定（図４）
（１）初期状態
前記使用例１と同様、ガス計測装置Ｂの座標を求める。
【００３２】
（２）計測の開始点
次に、第１の回転軸３０の回転角度は、は０°に近い状態（θ１）で倒伏した状態とする。第２の回転軸４０の回転角度の初期位置は水平方向（０°）とする。
この状態で、測定箇所Ｄの累積濃度および距離を計測する。
【００３３】
（３）第２の回転軸による移動および計測
第２の回転軸による回転動作で、ガスセンサ１０および距離計２０を、次の測定箇所Ｄ２まで移動させて、累積濃度および距離を計測していく。
この動作を、第２の回転軸４０が一周するまで繰り返せば、切羽Ｆ上において円形の軌跡に沿うように位置した測定箇所Ｄ（Ｄ１〜Ｄ８）でのガス濃度を測定できる。
【００３４】
（４）第１の回転軸による移動及び計測
次に、第１の回転軸３０の回転角度を変えて、前記（３）と同様の測定を行っていく。
ガス計測装置Ｂの高さが低い場合には、第２の回転軸４０を全周に渡って回転させる必要は無い。
この測定を順次繰り返していくことで、図４（ｂ）に示すように、切羽Ｆに放射円状の軌跡に沿ったガス濃度分布の測定が可能となる。
【００３５】
（５）ガス濃度分布図の生成
前記使用例１と同様、取得した各測定値から、三次元状のガス濃度分布図を生成し、情報処理装置Ｃのモニタに表示する。
【００３６】
＜４．３＞使用例３：掘削作業の進捗に併せた測定作業
前記した使用例１および２の作業を、掘削作業が進む度に繰り返して実施することで、複数の三次元状のガス濃度分布図を得ることができる。
そして、前記分布図を対比したり、複数の分布図を統合してなる遷移図を確認したりすることで、掘削現場の立体形状やガス濃度についての変化を検知することができる。
ガス濃度の急激な増加を検知できれば、掘削現場内での地盤の緩みや微視的な亀裂の発生の検知または発生可能性を予測することができ、構造に対する安全対策を事前に準備しておくことができる。
同じように、掘削現場の立体形状の変化として表れる地盤の緩み等を検知できれば、将来的にガスの噴出数値の増加の可能性を予測でき、換気などの安全対策を事前に準備しておくことができる。
【００３７】
［実施例２］
図５に、本発明の第２実施例に係るガス濃度可視化システムの構成を示す。
前記した第１実施例に係るガス濃度可視化システムＡと異なる点は、ガスセンサ１０に、測定箇所であるレーザーの反射面でのガス濃度を測定可能なセンサを用いることにより、情報処理装置Ｃ内の前記ガス濃度算出手段７０を省略できた点である。
本実施例に係る構成によれば、ガス計測装置Ｂから得られるガス濃度および距離の測定値をそのまま用いて、三次元状のガス濃度分布図を生成することができる。
【符号の説明】
【００３８】
Ａ    ガス濃度可視化システム
Ｂ    ガス計測装置
Ｃ    情報処理装置
Ｄ    測定箇所
Ｅ    側壁
Ｆ    切羽
１０  ガスセンサ
２０  距離計
３０  第１の回転軸
４０  第２の回転軸
５０  雲台
６０  三脚
７０  ガス濃度算出手段
８０  分布図生成手段
９０  検知手段
【図１】
2017096703.tif 000003
【図２】
2017096703.tif 000004
【図３】
2017096703.tif 000005
【図４】
2017096703.tif 000006
【図５】
2017096703.tif 000007