技術資料

自走装置を用いた樋門・樋管函体の３次元変位計測技術の開発
小宮山

一重＊

牧野正敏＊＊

山﨑貴志＊＊＊

五十嵐匡＊＊＊＊

１．はじめに
北海道には泥炭性軟弱地盤が広く分布（図－１）しており、長期にわたり沈下する特性を有している１）。泥
炭性軟弱地盤上における河川構造物の樋門・樋管では、地盤沈下により函体周辺に空洞が発生し、その空洞が水みちとなり、洪水時には破堤を引き起こし大きな災害を発生させる要因となる２）。
この対策として、函体が堤体と一体となって地盤沈下に追従する柔構造樋門・樋管が建設されており、動態観測として函体沈下量と函体継手部の開きなどを盛土完了後６ヶ月程度まで人力で計測している。

図－１

北海道の泥炭性軟弱地盤分布図１）

函体内には、沈下測定鋲と継手変位測定鋲が設置されており、函体沈下量は沈下測定鋲の高さをレベルとスタッフを用いて計測し、函体継手部の開きは、継手双方に設置されている継手変位測定鋲間の開きを金尺などを用いて計測している（写真－１）。しかし、計測値は１次元であるため変位方向が判別しづらいという難点があるほか、函体高さが1.5m 以下の小規模な函体内での計測作業は苦渋を伴っている。なお、平成22年度現在、北海道開発局が管理している樋門・樋管
写真－１

沈下測定鋲の沈下量計測状況（左側）と継手変位測定鋲間の開き計測状況（右側）図－２

北海道開発局管理の樋門・樋管における函体高さ、口径別割合1,480箇所３）のうち、函体の高さ・口径が1.5m 以下の樋門・樋管は約800箇所（54.1%）と半数以上を占めている（図－２）。
このことから、函体の詳細な動態把握と函体内における人力作業の軽減を目的に、トータルステーション（以下、TS という）と小型クローラ式自走装置（以下、自走装置という）を用いて、測定鋲の座標を３次元（X,Y, Z）で計測する「変位計測技術」を開発した。

２．変位計測システム概要
測定鋲の座標を３次元（X, Y, Z）で計測する方法として、TS を函体の外（吐き口側または呑み口側）に設置し、測定鋲を直接視準する方法がある。しかし、函体の撓みや継手部の変形が大きい場合は、測定鋲を20

寒地土木研究所月報№700

2011年９月

TS で直接視準することが困難であるため、函体内か改造箇所ら計測する技術が必要である。併せて、小規模函体内①計測装置搭載用キャリアの取付（伸縮式）における人力作業の軽減を図るために、小型機械をベ②点検用カメラの移設ースにした函体内の測定鋲を計測するシステムとし③走行用カメラ増設た。また、システム構成は、自走装置に搭載する計測④照明装置の増設

部の「変位計測装置」、変位計測装置の操作、座標の⑤装置用電源 BOX の増設算出を行う「変位計測ソフト」、計測したデータを管理する「帳票管理ソフト」とした（図－３、図－４）。

ὐᬌ↪ࠞࡔ࡜
ᾖ᣿ⵝ⟎ⵝ⟎↪㔚Ḯ $1:ආɦย‫ܭ‬ᥙ‒ዒ৖‒Љ˳‒⸘᷹ⵝ⟎↪ࠠࡖ࡝ࠕિ❗ㇱ⿛ⴕ↪
ࠞࡔ࡜⿛ⴕ↪
㔚Ḯ $1:

ᙻแ‒

写真－３

自走装置（改造後）

表－１

自走装置主要諸元ዒ৖‫٭‬ˮย‫ܭ‬ᥙ

図－３

変位計測システムによる計測イメージ図Љ˳‫‒ٳ‬⋅⊱⋁⋚⊾⋄⊱⊽⊯⋞‒Љ˳ϋ‒ย‫ݣܭ‬ᝋᥙ

‫٭‬ˮᚘยᘺፗ‒ᙻแ‒⇑∇∏ᙻ᣼ɤᚌெ‒⁄⁅‟․‥․‵‒

ஜų˳‫ݡ‬ųඥឋų᣽ᆢ᠍ឋ᣽
ѣщเᬝѣ૾ࡸ
ឥᘍᡮࡇ
ឥᘍဇ
ǫȡȩ

−∞⇜∞ុᩉᚘ

ᚘย͌‒

໯ዴᡫ̮‒

દ˺ဇ ⁂‵‒ᐯ

ឥ

ᘺ

ໜ౨ဇ
ǫȡȩ

ፗ

ༀųଢ

図－４

ᚘยᘺፗȷༀଢဇᩓเ

変位計測システム機器構成

̬ᜱሁኢ
દ˺ᘺፗ

２．１

自走装置

દ˺ᘺፗ

変位計測システムのベースとなる自走装置は、次の条件を満たす自走装置（写真－２）を用いて、小規模函体内の計測作業を効率的に行うための改造を施した（写真－３、表－１）
。

ᡫ̮૾ඥ
໯ዴ.#0

２．２

ų9g&g*᳸OOᲢ˦጑ࡸᲣ
ųMIųMIˌɦųȋȃǱȫ൦እȐȃȆȪȸ 8 gᲮஜųᩓൢȢȸǿgᲬ̾ųஇ᭗ųMOJᲢOOKPᲣųǫȩȸųɢဒእ
ųǫȩȸųɢဒእ
ųᴢᴷᴵᲢ߼ӫᲣdࡇŴᴙᴱᴜᲢɥɦᲣ᳸ࡇ
ų.'&9g໊ųȋȃǱȫ൦እȐȃȆȪȸ 8 gᲮஜųᲢᚘยᘺፗဇᲬஜŴༀଢဇᲬஜᲣ
ų+2ᲢǯȭȸȩᢿᲣų᧸൦‫׹‬ȎȸȈȑǽǳȳ
ųǳȳȈȭȸȩ
ų+'''I

変位計測装置

変位計測装置は、電動雲台、レーザー距離計等を用選定条件いて構成した（写真－４）。また、測定鋲の座標を計測①防水性を有すること。

するには、変位計測装置の向き、傾きを把握する必要②無線通信で遠隔操作が可能であること。

があることから、三角測量の原理を応用し、レーザー③カメラ画像により函体内の状況を確認できること。

距離計に取付けた三角板を用いて端部３点を計測して測定鋲の座標を求めるシステムとした。なお、変位計測装置の動作制御は、変位計測ソフトで行う。

ὐᬌ↪ࠞࡔ࡜
ਃⷺ᧼

㔚േ㔕บ

⿛ⴕ↪
㔚Ḯ $1:

写真－２

࡟࡯ࠩ࡯〒㔌⸘

自走装置（改造前）
写真－４

寒地土木研究所月報№700

2011年９月 変位計測装置21

２．３変位計測ソフト

表－３

変位計測システム計測精度（30 ～ 50m 地点）

変位計測ソフトは、電動雲台とレーザー距離計の制御、座標の算出を行う。測定鋲の座標は、函体の外（吐き口側または呑み口側）に設置した TS 器械点の座標（X, Y, Z）を基に、次の①～③の計測値を用いて算出する。
① TS と変位計測装置間の距離 㧔න૏㧦mm㧕㪊㪇㫄

࿾ὐ
ゲ
ᣇะ
ᢿ㕙
ᣇะ
㋦⋥
ᣇะ

③変位計測装置と測定鋲間の距離ฝ

Ꮐ

਄

ฝ

Ꮐ

਄

ฝᐔဋ㩿㪇㪄㪌㪇㫄㪀㪎㪅㪉㪇㪉㪅㪉㪌㪊㪅㪇㪌㪋㪅㪋㪌㪈㪅㪌㪌㪊㪅㪇㪌㪎㪅㪉㪇

㪋㪅㪋㪌

㪉㪅㪏㪇

㪊㪅㪉㪏

㪊㪅㪍㪇

㪋㪅㪈㪌

㪎㪅㪏㪌

㪌㪅㪌㪌

㪈㪅㪐㪇 㪈㪇㪅㪌㪇 㪈㪉㪅㪈㪇㪊㪅㪎㪇㪐㪅㪇㪌㪌㪅㪎㪋㪈㪅㪌㪇㪊㪅㪇㪇

㪈㪅㪇㪇㪇㪅㪌㪇㪋㪅㪌㪇㪉㪅㪇㪇㪋㪅㪇㪇㪎㪅㪇㪇㪊㪅㪌㪇㪊㪅㪇㪇㪊㪅㪈㪊㪊㪅㪐㪎㪊㪅㪌㪇㪉㪅㪍㪌㪌㪅㪈㪏㪎㪅㪎㪎㪌㪅㪇㪌㪌㪅㪈㪉㪋㪅㪇㪈㪊㪅㪎㪊ᐔဋ㪌㪇㫄਄㪋㪅㪈㪇ᐔဋ②変位計測装置の方向角㪋㪇㫄Ꮐ㪊㪅㪎㪏㪌㪅㪐㪏㪋㪅㪇㪈̪65 ⋥ធⷞḰߩ⸘᷹୯ࠍ⌀୯ߣߒߚ႐วߩᏅ

２．４

帳票管理ソフト

変位計測ソフトで算出した座標値を取り込み、沈下試験結果から、計測精度は０～ 40m 地点の平均値

測定鋲と継手変位測定鋲の座標値を一つの帳票で管理が約３～４mm、50m 地点の平均値が約６mm となっすることができる。

た。
この計測精度は、一般的に土木工事の GNSS 測量に用いられている RTK 法の公称測定精度（±20mm３．変位計測システム計測試験（構内試験）＋２×10－6×測定距離）４）、スタティック法の公称測変位計測システムの計測精度を検証するため、寒地定精度（２周波：±５mm ＋１×10－6×測定距離、１土木研究所構内で、断面形状1.2m ×1.2m、延長50m

周波：±10mm ＋２×10－6×測定距離）４）と同等の精の樋門を想定し、０～ 50m 地点まで10m 間隔で測定度であるといえる。

鋲を各３箇所ずつ設置して、計測試験を行った（図－５）。測定鋲を TS で直接視準した計測値を真値とし４．変位計測システム計測試験（実樋門試験）て計測値の差を検証した結果を表－２、３に示す。
現場適用性試験を実樋門４箇所（表－４）で実施しᤲႺ૾Ӽ‒ย‫ܭ‬ᥙɥ‒≋ආɦย‫ܭ‬ᥙ⇁े‫≌ܭ‬್ૺ૾Ӽ‒‧•類による方法で実施した。

…• ‒ย‫ܭ‬ᥙ߼‒≋ዒ৖‫٭‬ˮᥙ⇁े‫≌ܭ‬①変位計測システムによる計測‥• ‒② TS で測定鋲を直接視準する計測․• ‒Oย‫ܭ‬ᥙӫ‒≋ዒ৖‫٭‬ˮᥙ⇁े‫≌ܭ‬‣•⁆⁅た。なお、計測精度を検証するため、計測は次の３種

᠆૾Ӽ

O

③従来手法（レベルとスタッフ及び金尺）による計測
ただし、②において TS から測定鋲が直接視準でき•ない場合は、測量道具（ピンポールとプリズム（写真－‣•

図－５５））を測定鋲にあてて計測した。

構内試験イメージ図

試験状況を写真－６～ 10に、変位計測システムと表－２࿾ὐゲᣇะᢿ㕙ᣇะ㋦⋥ᣇะᐔဋᐔဋ

変位計測システム計測精度（０～ 20m 地点）

TS 直接視準による計測値との差を表－５に、変位計㧔න૏㧦mm㧕

測システム及び TS 直接視準による計測値と従来手法

O

O

਄ฝᏀ਄ฝᏀ਄ฝ㪌㪅㪇㪇㪇㪅㪋㪇㪉㪅㪊㪇㪋㪅㪉㪌㪈㪅㪇㪇

㪈㪅㪈㪌㪊㪅㪏㪌㪈㪅㪎㪌㪊㪅㪉㪌㪇㪅㪉㪇㪉㪅㪉㪇㪍㪅㪐㪌㪍㪅㪉㪇㪌㪅㪍㪇㪌㪅㪈㪌㪌㪅㪍㪌㪉㪅㪍㪇 㪈㪇㪅㪋㪇㪉㪅㪇㪇㪋㪅㪇㪇

㪈㪅㪌㪇㪊㪅㪌㪇

㪌㪅㪇㪇㪊㪅㪌㪇㪉㪅㪇㪇㪋㪅㪇㪇㪈㪅㪌㪇㪉㪅㪋㪇㪉㪅㪉㪇㪊㪅㪌㪏㪋㪅㪍㪌㪊㪅㪏㪎

㪊㪅㪉㪎㪊㪅㪏㪊㪉㪅㪎㪏

㪌㪅㪇㪌

㪉㪅㪎㪊

㪊㪅㪐㪊

̪65 ⋥ធⷞḰߩ⸘᷹୯ࠍ⌀୯ߣߒߚ႐วߩᏅ

22

（レベルとスタッフ及び金尺）による計測値との差を表OᏀ㪊㪅㪏㪐－６に示す。
表－４

試験実施場所▤ℂ੐ോᚲฬᮘ㐷ฬᧅᏻᴡᎹ੐ോᚲዊᴧᎹᮘ㐷ǞO㨪 ㅪጤ⷗ᴛᴡᎹ੐ോᚲᤘᩕᮘ㐷O㨪 ㅪᔒᢥ೎ᮘ㐷O㨪 ㅪධ㧤ภᮘ㐷O㨪 ㅪජᱦᎹᴡᎹ੐ോᚲᢿ㕙ᒻ⁁

寒地土木研究所月報№700

2011年９月

ࡇࡦࡐ࡯࡞

ࡊ࡝࠭ࡓ

写真－５

ピンポールとプリズム（左）、函体内での計測状況
（右）

写真－９

写真－６

測定鋲にレーザー光を照射している状況

TS で変位計測装置を視準している状況

写真－10
表－５

操作用ＰＣによる測定鋲確認状況
TS 直接視準による計測値との差㧔න૏㧦mm㧕

ᮘ㐷ฬ

写真－７

樋門函体（高さ1.5m）の中での計測状況（遠くに見えるのが、函体外の TS）

ዊᴧᎹᮘ㐷ᑧ㐳 O ᤘᩕᮘ㐷ᑧ㐳 O ᔒᢥ೎ᮘ㐷ᑧ㐳 O ධ㧤ภᮘ㐷ᑧ㐳 O ᐔ ဋ ୯ᴉਅ᷹ቯ㍋ߣ⛮ᚻᄌ૏᷹ቯ㍋⸘᷹Ꮕゲᮮᢿ㋦⋥ὐᢙᐔဋᣇะᣇะᣇะ᷹ቯ㧙



̪65 ⋥ធⷞḰߩ⸘᷹୯ࠍ⌀୯ߣߒߚ႐วߩᐔဋ୯

写真－８

樋管函体（内径1.6m）の中での計測状況

寒地土木研究所月報№700

2011年９月 23

表－６測定鋲（写真－11）の計測は、レーザー距離計との距

従来手法による計測値との差㧔න૏㧦mm㧕

ᴉਅ᷹ቯ㍋
ᮘ㐷ฬᄌ૏⸘᷹ࠪࠬ࠹ࡓ㨀㧿⋥ធⷞḰ⛮ᚻᄌ૏᷹ቯ㍋
ᄌ૏⸘᷹
ࠪࠬ࠹ࡓ

離が遠いため、測定鋲の中心に照準を合わせることが困難となり、計測誤差が大きくなる可能性がある。

㨀㧿⋥ធⷞḰ᷹ቯ㍋᷹ቯ ⸘᷹ ᷹ቯ ⸘᷹ ᷹ቯ ⸘᷹ ᷹ቯ ⸘᷹ὐᢙ Ꮕ ὐᢙ Ꮕ ὐᢙ Ꮕ ὐᢙዊᴧᎹᮘ㐷ᑧ㐳 O ᤘᩕᮘ㐷ᑧ㐳 O ᔒᢥ೎ᮘ㐷ᑧ㐳 O ධ㧤ภᮘ㐷ᑧ㐳 O ᐔ ဋ ୯Ꮕ   

         㧙 㧙 㧙 㧙*O

写真－11

̪ᓥ᧪ᚻᴺߩ⸘᷹୯ࠍ⌀୯ߣߒߚ႐วߩᐔဋ୯

高い位置にある測定鋲̪⛮ᚻᄌ૏᷹ቯ㍋ߪ‫ޔ‬ੑኻߢ  ὐߣߒߚ

試験結果から、TS 直接視準による計測値との差（表②測定鋲の形状による影響－５）は、横断方向が4.2mm、鉛直方向が4.4mm と軸実樋門に設置されている測定鋲は、樋門毎に大き方向の0.5mm に比べ、大きい結果となった。樋門別

さや形状が異なっており（写真－12）、中心に凹凸がにみると、昭栄樋門及び南８号樋門での差が横断方向ある測定鋲の計測では、レーザー距離計のレーザーと鉛直方向で大きくなっている。要因は、TS 直接視光が影響をうけて反射光を受光できず、計測できな準による計測時に用いた測量道具（ピンポールとプリい場合があった。

ズム）は、ピンポールを手で持ち、鉛直及び水平調整を目視で行うため、計測誤差が大きくなったと推定される。よって、計測距離が90m 未満であれば、計測距離と誤差の相関関係は無いもの判断する。
また、従来手法による計測値との差（表－６）では、
写真－12

計測手法の違いによる明確な差は現れなかった。

実樋門に設置されている測定鋲

変位計測システムの計測誤差は次のような要因で生じると考えられるが、GNSS 測量（RTK 法、スタティック法）の公称測定精度と同等であるため、変位量の管理には有効な精度といえる。
①変位計測システムの計測誤差③函体内の段差自走装置は80mm 程度の段差を乗り越えることが可能であるが、函体継手ゴムの変形により、段差が大きい箇所では、人力による補助が必要であった。

（TS、レーザー距離計の機器の計測精度を含む）② TS による三角板計測時の視準誤差③レーザー距離計のレーザー光を測定鋲中心に合わせる時の視準誤差④測定鋲表面の凹凸等によるレーザー距離計の計測誤差⑤水流に起因する自走装置の振動による計測誤差

これらの課題の対応策として、次のことが考えられる。
①に対しては、測定鋲が函体の外にあるため、レーザー光を直接目視で確認することで、計測精度を維持できる。②に対しては、測定鋲の設置時に、表面に凹凸が無い形状を選定することで回避できる。③に対しては、本研究で用いた自走装置よりも走破性が高い機

５．課題及び対応策種を使用することで、今後、対応が可能と考える。

実樋門試験から、次の課題が判明した。
①高い位置に設置されている測定鋲の計測翼壁など、函体の外の高い位置に設置されている
24

寒地土木研究所月報№700

2011年９月

６．おわりに

参考文献

樋門・樋管函体の動態観測において、沈下量と継手部の開きの計測は人力で行われ、計測値（変位量）は１次元で管理されている。本技術の開発により、測定鋲

１）（独）土木研究所寒地土木研究所：泥炭性軟弱地盤対策工マニュアル、pp.3-7、2011.
２）佐藤厚子、西本聡：柔構造樋門の圧密沈下挙動の座標を３次元（X, Y, Z）で計測することが可能となに つ い て、 北 海 道 開 発 土 木 研 究 所 月 報、p.13、り、函体の動態を３次元で詳細に把握することができ2006.

る。また、自走装置を用いることで、函体内における３）北海道開発局ホームページ：河川管理施設一覧、人力作業の軽減に寄与できるものである。さらに、河http://www.hkd.mlit.go.jp/zigyoka/z_kasen/

川工事における情報化施工技術の一般化に向けた普及

saigai/pdf/kasensisetsu.pdf５）推進が図られている ことから、河川構造物の維持管

４）国土交通省国土地理院ホームページ：測量機器性

理においても３次元座標での管理が求められてくるこ

能基準、とも想定され、本技術の活用が期待できる。

http://psgsv.gsi.go.jp/koukyou/kihon/seino/

今後は、実樋門で計測を試行することにより、樋門・樋管の維持管理に貢献していきたい。

index.htm
５）国土交通省情報化施工推進会議（第８回）、資料３
情報化施工技術の一般化・実用化の方針、

謝辞：変位計測技術の開発にあたり、ご協力をいただ

http://www.mlit.go.jp/sogoseisaku/

いた北海道開発局及び札幌開発建設部の関係各位に心kensetsusekou/kondankai/ICTsekou/8siryo/3.

から感謝を表します。

pdf

小宮山一重＊

牧野正敏＊＊

山﨑貴志＊＊＊

五十嵐匡＊＊＊＊

Kazushige KOMIYAMA

Masatoshi MAKINO

Takashi YAMAZAKI

Tadashi IGARASHI

寒地土木研究所
技術開発調整監
寒地機械技術チーム

寒地土木研究所
技術開発調整監
寒地機械技術チーム

寒地土木研究所
技術開発調整監
寒地機械技術チーム

寒地土木研究所
技術開発調整監
寒地機械技術チーム

寒地土木研究所月報№700

2011年９月 25