JP5986362B2 - Method and apparatus for extracting discontinuity of tunnel face - Google Patents
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Description
本発明は、トンネル切羽面などの走向・傾斜を測定して断層や亀裂などの面構造（不連続面）を抽出する方法とその装置に関するものである。 The present invention relates to a method and apparatus for extracting a surface structure (discontinuous surface) such as a fault or a crack by measuring a strike / inclination of a tunnel face.
従来、山岳トンネル等を掘削する際には、トンネル切羽面やその周囲の地山の状態を把握するため、クリノメータと呼ばれる計測器を用いてトンネル切羽面の走向・傾斜を測定していた。トンネル切羽面の走向・傾斜がわかれば、岩盤の崩れが起こり易いか否かなどのトンネル掘削時における地山の安定性を評価することができる。
クリノメータは、傾斜計（振り子）とコンパス（磁石）と水準器とを備えたもので、計測する面に直接当てたり、計測する面に平行になるように置かれた図板に当てる（見通し法）などして、計測する面の方位角と最大傾斜角とを読み取ることで測定面の走向・傾斜を測定する（例えば、特許文献１参照）。
一方、３次元スキャナーを用いてトンネル切羽面の３次元形状を計測してトンネル切羽面を監視する方法も提案されている。この監視方法では、掘削したトンネル切羽面の３次元形状を計測するとともに、現在の３次元形状と過去に計測した３次元形状とを比較してトンネルの断面形状の変位量を計測することでトンネル切羽面の状態を監視する。そして、上記変位量が所定量を超えた場合に切羽崩壊の危険性があると判定する（例えば、特許文献２参照）。
Conventionally, when excavating a mountain tunnel or the like, in order to grasp the state of the tunnel face and surrounding ground, the measuring direction and inclination of the tunnel face have been measured using a measuring instrument called a clinometer. If the direction and inclination of the face of the tunnel are known, it is possible to evaluate the stability of natural ground during tunnel excavation, such as whether or not rock collapse is likely to occur.
The clinometer is equipped with an inclinometer (pendulum), a compass (magnet), and a level, and is applied directly to the surface to be measured, or applied to a board placed parallel to the surface to be measured (line-of-sight method). ) And the like, and the azimuth angle and the maximum inclination angle of the surface to be measured are read to measure the strike / inclination of the measurement surface (see, for example, Patent Document 1).
On the other hand, a method of monitoring the tunnel face by measuring the three-dimensional shape of the tunnel face using a three-dimensional scanner has been proposed. This monitoring method measures the three-dimensional shape of the excavated tunnel face and compares the current three-dimensional shape with the three-dimensional shape measured in the past to measure the displacement of the tunnel cross-sectional shape. Monitor the condition of the face. And when the said displacement amount exceeds predetermined amount, it determines with there being a risk of face collapse (for example, refer patent document 2).
しかしながら、クリノメータを用いて走向・傾斜を測定する方法では、計測すべき面を選定したり、その不連続面の連続方向を見極めたりする必要があるため、専門的な知識が必要であった。また、トンネル切羽面の面積が大きい場合には、計測する面の数が限られるだけでなく、岩盤が崩れやすい状態にあるトンネル切羽面においては、クリノメータを計測する面に直接当てる作業は安全上問題があった。
また、クリノメータは磁石で方位を測定するため、トンネル坑内の鋼製資機材や周囲の地山の影響で磁場が狂うことがある。また、クリノメータを直接岩盤に当てないで計測する見通し法を用いることも考えられるが、トンネル坑内では見通し法を行える場所が限定されるだけでなく、図板の置き方に個人差が出るなど精度が悪かった。
なお、３次元スキャナーを用いてトンネル切羽面を監視する方法では、切羽面の凹凸形状については検出しているが、トンネル切羽面やその周囲の面の走向・傾斜については計測していないので、地山の安定性を評価するためのデータを得ることは困難である。
However, in the method of measuring the strike / inclination using a clinometer, it is necessary to select a surface to be measured or to determine the continuous direction of the discontinuous surface, and thus specialized knowledge is required. In addition, when the area of the tunnel face is large, not only the number of faces to be measured is limited, but in the face of the tunnel face where the rock is easily collapsed, it is safe to apply the work directly to the face that measures the clinometer. There was a problem.
In addition, since the clinometer measures the direction with a magnet, the magnetic field may be distorted by the effects of steel materials and surrounding ground in the tunnel. It is also possible to use a line-of-sight method in which the clinometer is not applied directly to the rock mass, but not only the places where the line-of-sight method can be used in the tunnel mine are limited, but there are individual differences in the way the plates are placed. Was bad.
In addition, in the method of monitoring the tunnel face using a 3D scanner, the uneven shape of the face is detected, but the strike and inclination of the tunnel face and the surrounding surface are not measured. It is difficult to obtain data for evaluating the stability of natural ground.
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、トンネル切羽の不連続面を効率よくかつ安全に抽出できる方法とその装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the conventional problems, and an object of the present invention is to provide a method and apparatus capable of efficiently and safely extracting a discontinuous surface of a tunnel face.
本発明は、トンネル切羽にみられる断層や亀裂など面構造（不連続面）を抽出する方法であって、３次元スキャナーもしくはデジタルカメラによる３次元測量などの３次元データ採取手段を用いてトンネル切羽面の３次元座標データを採取するステップと、前記トンネル切羽面を前記３次元座標データから選定されたサンプル点を頂点とする三角形網で表したトンネル切羽面のＴＩＮ（Triangulated Irregular Network）モデルを作成するステップと、前記ＴＩＮモデルの各三角形の面の走向・傾斜を算出するステップと、前記各三角形の面をシュミットネットを用いてステレオ投影して、前記三角形の面（三角形の３つの頂点を含む面）の走向・傾斜の分布を求めるステップと、前記三角形の面の走向・傾斜の分布からトンネル切羽面を単一の面と見做した時の面である掘削面と走向・傾斜が異なる不連続面を抽出するステップとを有し、前記三角形の面の走向・傾斜の分布を求めるステップでは、前記各三角形の表す面の走向・傾斜を、面の出現頻度により領域分けし、前記不連続面を抽出するステップでは、前記領域分けされた各三角形の走向・傾斜の分布から、前記掘削面と異なる方向性を示す三角形のうちの所定の頻度以上の三角形を選択し、これら選択された三角形から、走向・傾斜が所定の範囲内にある三角形を抽出し、前記抽出された三角形を同一の不連続面を有する三角形であると見做すことで、前記抽出された各三角形を互いに異なる不連続面を有する複数種類の三角形に分類し、前記不連続面を表示するステップでは、前記分類された異なる不連続面を有する複数種類の三角形の面を種類毎に区別して表示することを特徴とする。
このように、トンネル切羽面の３次元座標データを用いてトンネル切羽面の走向・傾斜を求めるようにすれば、掘削面と走向・傾斜が異なる不連続面を抽出できるとともに、不連続面の走向・傾斜のデータについても大量に採取できるので、断層などのトンネル掘削時の地山の安定性を評価するためのトンネル前方地山の想定地図を高精度で作成できる。
また、トンネル切羽直下での作業がないので、安全性が向上する。
また、前記各三角形の面をシュミットネットを用いてステレオ投影し、前記各三角形の面の走向・傾斜の分布を求めたので、専門的な知識や技術、経験を有していなくても、岩盤斜面の性状を容易に把握することができる。
The present invention is a method for extracting a plane structure (discontinuous surface) such as a fault or a crack seen in a tunnel face, and uses a three-dimensional data collection means such as a three-dimensional survey by a three-dimensional scanner or a digital camera. A step of collecting 3D coordinate data of a surface and a TIN (Triangulated Irregular Network) model of the tunnel face represented by a triangular network with the sample point selected from the 3D coordinate data as a vertex. A step of calculating a strike / inclination of each triangular surface of the TIN model, and stereo-projecting each triangular surface using a Schmitt net to include the triangular surface (including three vertices of the triangle) The surface of the tunnel is viewed as a single surface from the step of calculating the strike / slope distribution of the plane) and the strike / slope distribution of the triangular face. And a step of surface and is digging surface and strike and dip of when to extract different discontinuities, in the step of obtaining a distribution of the strike and dip of the plane of the triangle, strike and surface represented by said each triangle In the step of dividing the slope according to the appearance frequency of the surface and extracting the discontinuous surface, from the distribution of the strike / slope of each of the triangles divided into the regions, among the triangles showing the directionality different from the excavation surface selects a predetermined frequency or more triangular, seen from these selected triangles, strike and dip extracts the triangle is within a predetermined range, the extracted triangle is a triangle with the same discontinuity In the step of classifying the extracted triangles into a plurality of types of triangles having discontinuous surfaces different from each other and displaying the discontinuous surfaces, the plurality of types having the classified different discontinuous surfaces To distinguish the face of the triangle for each type and displaying.
In this way, by using the three-dimensional coordinate data of the tunnel face, it is possible to extract the discontinuity with different strike and inclination from the excavation face and to obtain the strike of the discontinuity.・ Since the slope data can be collected in large quantities, it is possible to create an assumed map of the ground ahead of the tunnel with high accuracy to evaluate the stability of the ground during tunnel excavation such as faults.
In addition, safety is improved because there is no work directly under the tunnel face.
In addition, since the surfaces of the triangles were stereo-projected using a Schmitt net and the distribution of the strike and inclination of the surfaces of the triangles was obtained, the bedrock can be obtained even if you do not have specialized knowledge, technology, or experience. The characteristics of the slope can be easily grasped.
また、本願発明は、トンネル切羽面に加えてトンネルの天端及び切羽側面のいずれか一方もしくは両方を含むトンネル切羽を撮影することを特徴とする。
これにより、トンネル切羽全体のデータを採取できるので、地山の安定性の評価の信頼性を更に向上させることができる。
また、本願発明は、前記ＴＩＮモデルに代えてＤＥＭを用いたことを特徴とする。
ＤＥＭ（Digital Elevation Model）を用いた場合には、データ数が多いため計算時間はかかるものの、ＴＩＮモデルの場合と同等以上の精度で、掘削面と走向・傾斜が異なる不連続面を抽出することができる。
Further, the present invention is characterized in that in addition to the tunnel working face surface taking a tunnel face comprising either or both of the top end and the working face side of the tunnel.
Thereby, since the data of the whole tunnel face can be collected, the reliability of the evaluation of the stability of the natural ground can be further improved.
The present invention is characterized in that a DEM is used instead of the TIN model.
When DEM (Digital Elevation Model) is used, it takes a lot of time to calculate because of the large number of data, but to extract discontinuous surfaces with different strike and inclination from the excavation surface with the same or better accuracy than the TIN model. Can do.
また、本願発明は、トンネル切羽の不連続面を抽出する装置であって、トンネル切羽面の３次元座標データを採取するための３次元データ採取手段と、前記トンネル切羽面を前記３次元座標データから選定されたサンプル点を頂点とする三角形網で表したトンネル切羽面のＴＩＮモデルを作成するＴＩＮモデル作成手段と、前記ＴＩＮモデルの各三角形の頂点の３次元座標を用いて各三角形の面の走向・傾斜を算出する走向・傾斜算出手段と、シュミットネットを用いたステレオ投影を用いて各三角形の面の走向・傾斜の分布を求める走向・傾斜分布解析手段と、前記三角形の面の走向・傾斜の分布から、トンネル切羽面を単一の面と見做した時の面である掘削面の走向・傾斜と異なる走向・傾斜を有する不連続面を抽出する不連続面抽出手段と、前記抽出された不連続面を表示する表示手段とを備え、前記走向・傾斜分布解析手段は、前記各三角形の表す面の走向・傾斜を、面の出現頻度により領域分けし、前記不連続面抽出手段は、前記領域分けされた各三角形の走向・傾斜の分布から、前記掘削面と異なる方向性を示す三角形のうちの所定の頻度以上の三角形を選択し、これら選択された三角形から、走向・傾斜が所定の範囲内にある三角形を抽出し、前記抽出された三角形を同一の不連続面を有する三角形であると見做すことで、前記抽出された各三角形を互いに異なる不連続面を有する複数種類の三角形に分類し、前記表示出手段は、前記分類された異なる不連続面を有する複数種類の三角形の面を種類毎に区別して表示することを特徴とする。
このような構成を採ることにより、トンネル切羽直下での作業をすることなく、トンネル切羽面の不連続面を精度良く抽出できるトンネル切羽の不連続面の抽出装置を得ることができる。
Further, the present invention is an apparatus for extracting a discontinuous surface of a tunnel face, a three-dimensional data collecting means for collecting three-dimensional coordinate data of the tunnel face, and the three-dimensional coordinate data of the tunnel face. A TIN model creating means for creating a TIN model of a tunnel face represented by a triangular network having apexes selected from the sample points, and using the three-dimensional coordinates of the vertices of each triangle of the TIN model, A strike / tilt calculation means for calculating the strike / tilt, a strike / tilt distribution analysis means for obtaining a strike / tilt distribution of each triangular surface using a stereo projection using a Schmitt net, and a strike / from the distribution of slope discontinuities extraction hand to extract a discontinuous surface having a surface in which excavating surface strike and dip different strike and dip of when the tunnel face surface regarded as a single surface When, and a display means for displaying the extracted discontinuity, the strike and dip distribution analysis means, the strike and dip of the surface represented by the each triangle, and the area divided by the frequency of appearance of the surface, the non The continuous surface extraction means selects a triangle having a predetermined frequency or more from triangles having a different direction from the excavation surface, from the distribution of the strike and inclination of each of the triangles divided into the regions , and from these selected triangles , strike and dip extracts the triangle is within a predetermined range, the extracted triangle that be regarded as is triangle with the same discontinuity, different discontinuities each triangle which is the extracted together The display unit is classified into a plurality of types of triangles having surfaces, and the plurality of types of triangle surfaces having different classified discontinuous surfaces are distinguished and displayed for each type.
By adopting such a configuration, it is possible to obtain a device for extracting a discontinuous surface of a tunnel face that can accurately extract the discontinuous surface of the tunnel face without performing work directly under the tunnel face.
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。 The summary of the invention does not list all necessary features of the present invention, and sub-combinations of these feature groups can also be the invention.
以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail through embodiments, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims, and all combinations of features described in the embodiments are included. It is not necessarily essential for the solution of the invention.
図１は、本実施の形態に係る不連続面の抽出装置１０を示す図で、不連続面の抽出装置１０は、３次元データ採取手段としての３次元レーザスキャナ１１と、ＴＩＮ（Triangulated Irregular Network）モデル作成手段１２と、走向・傾斜算出手段１３と、走向・傾斜分布解析手段１４と、不連続面抽出手段１５と、表示手段１６とを備える。不連続面の抽出装置１０の演算部１０ＡであるＴＩＮモデル作成手段１２〜不連続面抽出手段１５の各手段は、例えば、コンピュータのソフトウエアにより構成される。
３次元レーザスキャナ１１は、計測対象物にレーザ光を照射して計測対象物とセンサ間をレーザ光が往復する時間を計測することで計測対象物との間の距離を計測する距離センサ１１ａと、距離センサ１１ａを上下方向及び水平方向に移動させるセンサ移動手段１１ｂと、距離センサ１１ａで計測された距離情報とセンサ移動手段１１ｂからの距離センサ１１ａの移動方向情報とから計測対象物の３次元座標を算出する３次元座標算出手段１１ｃとを備えている。３次元レーザスキャナ１１は、図２に示すように、トンネル切羽２０の坑口側に設置されて、切羽面２１を含むトンネル切羽２０の３次元座標を採取する。本例では、３次元レーザスキャナ１１とパーソナルコンピュータとを接続し、計測現場にて不連続面の抽出を行うとともに、ディスプレイなどの表示手段１６にトンネル切羽面の面構造を表示して作業員に視認させるようにしている。
ＴＩＮモデル作成手段１２は、３次元レーザスキャナ１１で採取されたトンネル切羽２０の３次元情報からＴＩＮモデルを作成する。
走向・傾斜算出手段１３は、三角形の頂点の３次元座標のデータを用いて、当該三角形の作る面の方位角（計測する面面と水平面との交線の方向を傾斜方向を基準として測定した方向；走向）と最大傾斜角（計測する面と水平面との成す角；傾斜）とを算出して当該三角形の面の走向・傾斜を算出する。
走向・傾斜分布解析手段１４は、シュミットネットを用いたステレオ投影により、ＴＩＮモデルを構成する各三角形の面の走向・傾斜を極投影して各三角形の面の走向・傾斜の分布を求める。
不連続面抽出手段１５は、極投影された各三角形の表わす面の分布からトンネル切羽面を単一の面と見做した時の面である掘削面と走向・傾斜が異なる不連続面を抽出する。
表示手段１６は、ＴＩＮモデル作成手段１２で作成されたＴＩＮモデルの三角形の面を掘削面及び不連続面に色分けしたトンネル切羽面の面構造をディスプレイ上に表示する。
FIG. 1 is a diagram showing a discontinuous
The three-dimensional laser scanner 11 is a
The TIN
The strike / tilt calculation means 13 uses the data of the three-dimensional coordinates of the vertices of the triangle to measure the azimuth angle of the surface created by the triangle (the direction of the line of intersection between the surface to be measured and the horizontal plane with reference to the inclination direction The direction and the strike) and the maximum inclination angle (the angle between the surface to be measured and the horizontal plane; the inclination) are calculated to calculate the strike and inclination of the triangular surface.
The strike / tilt distribution analyzing means 14 performs polar projection of the strike / inclination of each triangular surface constituting the TIN model by stereo projection using a Schmitt net to obtain the strike / tilt distribution of each triangular surface.
The discontinuous surface extraction means 15 extracts a discontinuous surface having a different running direction and inclination from the excavation surface when the tunnel face is regarded as a single surface from the distribution of the surfaces represented by each of the polar projected triangles. To do.
The display unit 16 displays the surface structure of the tunnel face obtained by color-coding the triangular surface of the TIN model created by the TIN
次に、本発明によるトンネル切羽面の不連続面の抽出方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。
まず、図２に示すように、３次元レーザスキャナ１１をトンネル切羽２０の切羽面２１の手前に設置してトンネル切羽２０の３次元座標を採取する（ステップＳ１０）。
具体的には、３次元レーザスキャナ１１として、広く用いられている測定点からの距離が４００ｍまで測定可能な中距離型レーザスキャナを切羽面２１からＬ＝５〜２０ｍだけ離れた位置に設置し、切羽面２１、トンネル天端２２、及び、切羽側面２３（図４参照）を含むトンネル切羽２０をスキャニングしてトンネル切羽２０全体の３次元座標のデータを採取する。
なお、３次元レーザスキャナ１１は、設置位置が切羽面２１に近いほど分解能は高くなるが、垂直方向及び水平方向のスキャニング角度が機器により限られているので、設置位置を切羽面２１の近くに設定する場合には、３次元レーザスキャナ１１を複数箇所移動させ、各計測箇所でのトンネル切羽２０の３次元座標のデータを採取し、これらを合成してトンネル切羽２０全体の３次元座標のデータを採取する。
ステップＳ１１では、３次元レーザスキャナ１１で採取されたトンネル切羽２０の３次元座標のデータからＴＩＮモデルを作成する。
ＴＩＮモデルは、図４に示すように、トンネル切羽２０をトンネル切羽２０の３次元座標のデータから選定されたサンプル点点Ｐm，Ｐn，Ｐlを頂点とする多数の三角形Ｔkから成る三角形網で表した３次元モデルで、仮想光源を用いるなどして三角形の面に影を付けるなどのレンダリングを施すようにすれば、トンネル切羽２０の３次元的な形状を視覚化できる。図４のモデルは切羽面２１の正面から照明を当てたときのモデルで、同図において矢印Ｒ0で示した白く光っている領域がトンネルの掘削方向に垂直な面である。
ＴＩＮモデルは変化に富んだ箇所のサンプル点の数を多くし起伏の緩やかな箇所のサンプル点の数を少なくできるので、少ないサンプル点で計測対象物の３次元形状を表現できるという利点を有する。
Next, the method for extracting the discontinuity of the tunnel face according to the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, as shown in FIG. 2, the three-dimensional laser scanner 11 is installed in front of the
Specifically, as the three-dimensional laser scanner 11, a medium distance type laser scanner capable of measuring up to 400 m from a widely used measurement point is installed at a position away from the
Note that the resolution of the three-dimensional laser scanner 11 is higher as the installation position is closer to the
In step S11, a TIN model is created from the three-dimensional coordinate data of the
As shown in FIG. 4, the TIN model is a triangle composed of a large number of triangles T k whose apexes are sample point points P m , P n and P l selected from the data of the three-dimensional coordinates of the
The TIN model has an advantage that the number of sample points in a portion rich in change can be increased and the number of sample points in a portion with gentle undulations can be reduced, so that the three-dimensional shape of the measurement object can be expressed with a small number of sample points.
次に、ＴＩＮモデルの各三角形の面について、三角形の頂点の３次元座標データから求めた三角形の面を示す式と水平面を示す式とから、三角形の面と水平面の交線の方向である方位角と三角形の面と水平面との成す最大傾斜角とを算出して三角形の面の走向・傾斜を算出し（ステップＳ１２）、しかる後に、シュミットネットを用いたステレオ投影により各三角形の表わす面を極投影して各三角形の表わす面の走向・傾斜の分布を求める（ステップＳ１３）。
シュミットネットを用いたステレオ投影は、地層面、節理面、断層面などの走向・傾斜を基準球面内の極（面の法線が基準球面と交わる点）とし、この極を平面上に投影したもので、これをＴＩＮモデルの各三角形の面に適用すれば、図５に示すような、各三角形の走向・傾斜の分布を得ることができる。図５においては、各三角形の表わす面の走向・傾斜は、面の出現頻度（％）により領域分けされる。なお、本例では、不連続面の抽出を目的としているので、掘削面と同じ走向・傾斜を有する三角形の面の極については投影していない。なお、掘削面の方位は、水平面内においてトンネルの進行方向と直交する方向であり、傾斜は９０°である。図５から、本例のトンネル切羽２０では、「北東−南西」の走行を持ち、北西側及び南東側に中角度で傾斜する面が卓越していること、東−西方向の走行で高角度の南傾斜の面も比較的卓越していることが分かる。
Next, with respect to each triangular surface of the TIN model, an orientation that is a direction of an intersection line of the triangular surface and the horizontal plane from an expression indicating the triangular surface obtained from the three-dimensional coordinate data of the vertex of the triangle and an expression indicating the horizontal plane. The maximum inclination angle formed by the angle, the triangular surface, and the horizontal plane is calculated to calculate the strike / inclination of the triangular surface (step S12), and then the surface represented by each triangle is represented by stereo projection using a Schmitt net. Polarity projection is performed to determine the strike / slope distribution of the surface represented by each triangle (step S13).
Stereo projection using a Schmitt net uses the strike and inclination of the formation surface, joint surface, fault surface, etc. as the pole in the reference sphere (the point where the surface normal intersects the reference sphere), and this pole is projected onto the plane. If this is applied to the surface of each triangle of the TIN model, the strike / slope distribution of each triangle as shown in FIG. 5 can be obtained. In FIG. 5, the strike / inclination of the surface represented by each triangle is divided into regions by the appearance frequency (%) of the surface. In this example, because the purpose is to extract discontinuous surfaces, the triangular surface poles having the same strike and inclination as the excavation surface are not projected. The orientation of the excavation surface is a direction orthogonal to the traveling direction of the tunnel in the horizontal plane, and the inclination is 90 °. From FIG. 5, the
次に、ステップＳ１３で得られた各三角形の走向・傾斜の分布から、掘削面と異なる方向性を示す走向・傾斜を有する三角形の面のうちの頻度の高い三角形の面を選択することで、不連続面を抽出する（ステップＳ１４）。
具体的には、シュミットネットの投影図に投影された極のうち、例えば、頻度が４％以上の極を選択するとともに、投影された極を、径ｒが傾斜β、角度θが走向αである極座標上の点と見做す。そして、走向αがαk±（Δα/２）でかつ傾斜βがβk±（Δβ/２）の範囲にあるに三角形の面を、走向・傾斜が（αk，βk）である面であるとすることで、図４に示した各三角形を、走向・傾斜の互いに異なるｎ種類の三角形の面に分類する。ここで、Δα＝Δβ＝１５°とすると、図６に示すように、頻度が４％以上である互いに走向・傾斜の異なる三角形の種類は１０種類となる。
最後に、図４の各三角形のうち抽出した１０種類の走向・傾斜を有する三角形の面を色分けして表示すれば、図７に示すような、色が塗られていない掘削面及び頻度の低い面と色分けされた不連続面とが表示されたトンネル前方地山の想定地質図を作成することができる（ステップＳ１５）。
図７のトンネル切羽の不連続面抽出図では、同系統の色を有する三角形面がそれぞれLine １、Line ２、Line ３などのラインを構成している。
Line １は、連続性の良い不連続面として認識される。この不連続面は、他の不連続面との組み合わせにより、くさび状に抜け落ちる危険性がある。また、Line ２は、比較的連続性の良い不連続面として認識され、Line １との組み合わせにより、くさび状に抜け落ちる危険性がある。また、Line ３は、流れ構造（切羽面に対して岩盤が抜け落ち易い方向）の面構造が認められる。
このように、異なる走向・傾斜を有する三角形の面を色分けして表示すれば、ライン状に連なっている不連続面の走向・傾斜を視覚的に把握できるので、トンネル地山の前方において、どのような不連続面の組み合わせが生じるかを想定することができる。また、抜け落ちの危険性についても容易に予測できるので、前記不連続面が色分けされて表示された想定地質図を、地山の安定性を評価するためのデータとして利用することができる。
Next, from the distribution of the strike / inclination of each triangle obtained in step S13, by selecting a triangular face having a high frequency among the triangle faces having the strike / inclination showing a direction different from the excavation face, A discontinuous surface is extracted (step S14).
Specifically, out of the poles projected on the Schmitt net projection, for example, a pole having a frequency of 4% or more is selected, and the projected pole has a diameter r of inclination β and an angle θ of strike α. Think of it as a point on a polar coordinate. A plane having a strike direction α of α k ± (Δα / 2) and a slope β in the range of β k ± (Δβ / 2) is defined as a plane having a strike direction / slope of (α k , β k ). 4, the triangles shown in FIG. 4 are classified into n types of triangular surfaces having different strike directions and inclinations. Here, assuming that Δα = Δβ = 15 °, as shown in FIG. 6, there are 10 types of triangles having different frequencies and inclinations of 4% or more.
Lastly, if the extracted triangular faces having 10 types of strike / tilt are colored and displayed among the triangles shown in FIG. 4, the excavation face is not colored and the frequency is low as shown in FIG. An assumed geological map of the ground in front of the tunnel displaying the surface and the color-coded discontinuous surface can be created (step S15).
In the discontinuous surface extraction diagram of the tunnel face in FIG. 7, the triangular surfaces having the same
In this way, if the triangular faces with different strikes and slopes are displayed in different colors, the strike and slope of the discontinuous faces connected in a line can be visually grasped. It can be assumed whether such a combination of discontinuous surfaces occurs. Further, since the risk of dropout can be easily predicted, the assumed geological map in which the discontinuous surface is displayed in different colors can be used as data for evaluating the stability of natural ground.
このように、本実施の形態では、３次元レーザスキャナ１１を用いてトンネル切羽２０の３次元座標データを採取し、トンネル切羽２０を採取された３次元座標データから選定されたサンプル点を頂点とする三角形網で表したトンネル切羽２０のＴＩＮモデルを作成した後、ＴＩＮモデルの各三角形の面の走向・傾斜を算出し、この算出された各三角形の面の走向・傾斜のデータから切羽面２１を単一の面と見做した時の面である掘削面と走向・傾斜が異なる不連続面を抽出するようにしたので、トンネル切羽２０全体の不連続面のデータを大量に採取することができる。したがって、地山の安定性を評価するためのトンネル前方地山の想定地質図を高精度にかつ迅速に作成することができる。また、トンネル切羽直下での作業がないので、安全性が向上する。
また、本例では、レーザ光による測量によって求められた３次元座標データを用いてトンネル切羽２０の走向・傾斜を求めているので、磁場の影響を受けないだけでなく、より精密なデータを得ることができる。
更に、統計的手法を用いて不連続面を抽出しているので、個人ごとの測定誤差の低減を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, the three-dimensional laser scanner 11 is used to collect the three-dimensional coordinate data of the
Further, in this example, since the strike / inclination of the
Furthermore, since the discontinuous surface is extracted using a statistical method, it is possible to reduce the measurement error for each individual.
なお、前記実施の形態では、３次元データ採取手段として３次元レーザスキャナ１１を用いたが、デジタルカメラによる３次元測量などの他の手段を用いてもよい。
デジタルカメラによる３次元測量は、離れて配置された２つの撮影部を有するデジタルカメラを用いてステレオ撮影した画像データを合成して被撮影物の３次元画像を生成するもので、３次元レーザスキャナ１１に比較して測定精度は劣るものの、撮影時間が短くて済むので、切羽観察時間を短縮できるという利点がある。
また、前記例では、切羽面２１、トンネル天端２２、及び、切羽側面２３を含むトンネル切羽２０の３次元座標データを求めたが、切羽面２１のみの３次元座標データでも地山の安定性を十分に評価することができる。但し、本例のように、トンネル天端２２についての３次元情報も求めておけば、不連続面の性状をより把握できるので、地山の安定性の信頼性を一層向上させることができる。
In the above-described embodiment, the three-dimensional laser scanner 11 is used as the three-dimensional data collection unit. However, other units such as a three-dimensional survey using a digital camera may be used.
The three-dimensional survey by the digital camera is a method for generating a three-dimensional image of an object to be photographed by synthesizing image data obtained by stereo photography using a digital camera having two photographing units arranged apart from each other. Although the measurement accuracy is inferior to 11, the photographing time can be shortened, so that the face observation time can be shortened.
In the above example, the three-dimensional coordinate data of the
また、前記例では、トンネル切羽面のモデルとしてＴＩＮモデルを用いたが、サンプル点を規則的に配置した数値標高モデル（ＤＥＭ）を用い、サンプル点を結んだ各メッシュの面の走向・傾斜を算出してトンネル切羽の不連続面を抽出してもよい。なお、この場合には、サンプル点を結んで形成されるメッシュとしては三角形のメッシュに限らず、四角形などの多角形のメッシュを用いてもよい。また、三角形のメッシュと多角形のメッシュとの両方を用いてもよい。
また、前記例では、頻度の低い三角形の面を掘削面と見做して色分けしたが、頻度の低い三角形の面を灰色にしておき、灰色の三角形の面の走向・傾斜と灰色の三角形の面に隣接する三角形の面（掘削面もしくは不連続面）の走向・傾斜とを比較し、その差が予め設定した許容値よりも小さい場合には、灰色の三角形の面を灰色の三角形の面に隣接する三角形の面と同じと見做して同じ色に色分けすれば、連続した領域を形成する掘削面中もしくは不連続面中に独立して存在する三角形の面の数を減らせるので、不連続面の分布の傾向をより明確に視認することができる。
In the above example, the TIN model is used as a model of the tunnel face. However, using a digital elevation model (DEM) in which sample points are regularly arranged, the strike and inclination of each mesh surface connecting the sample points is determined. The discontinuity of the tunnel face may be extracted by calculation. In this case, the mesh formed by connecting the sample points is not limited to a triangular mesh, and a polygonal mesh such as a quadrilateral may be used. Further, both a triangular mesh and a polygonal mesh may be used.
In the above example, the infrequent triangular surface is color-coded considering the excavated surface, but the infrequent triangular surface is grayed out, and the gray triangle surface strikes and slopes and the gray triangular surface Compare the strike / slope of a triangular surface (excavated surface or discontinuous surface) adjacent to the surface, and if the difference is less than the preset tolerance, the gray triangular surface is replaced with the gray triangular surface. If it is considered the same as the triangular face adjacent to the color and color-coded to the same color, the number of triangular faces that exist independently in the excavation surface or discontinuous surface forming a continuous region can be reduced. The distribution tendency of the discontinuous surface can be visually recognized more clearly.
また、前記例では、シュミットネットを用いたステレオ投影により、ＴＩＮモデルの各三角形の面の走向・傾斜の分布を求めた後、不連続面を抽出したが、算出されたＴＩＮモデルの各三角形の面に走向・傾斜から直接不連続面を抽出するようにしてもよい。
具体的には、図８（ａ）に示すように、互いに隣接する三角形の面ｓp，ｓqの走向・傾斜を比較し、走向・傾斜の差が予め設定した許容値よりも小さい場合には、図８（ｂ）に示すように、互いに隣接する三角形の面ｓp，ｓqの走向・傾斜が同じであると見做す。このような操作を繰り返すことにより、図８（ｃ）に示すように、ＴＩＮモデルの三角形の面を許容値の大きさによって決まる複数の面Ｓ0，Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3，…，…，Ｓnに分類することができる。その結果、掘削面（Ｓ0）と不連続面（Ｓ1〜Ｓn）とを区別することができるので、掘削面と走向・傾斜が異なる不連続面が確実に抽出することができる。
更に、複数の面の頻度（％）をそれぞれ算出し、頻度の少ない面については掘削面と見做せば、掘削面と走向・傾斜が異なる不連続面を確実に抽出することができる。
したがって、走向・傾斜が互いに異なる複数の面を色分けして表示することで、実施の形態と同様のトンネル前方地山の想定地質図を作成することができる。
In the above example, the distribution of the strike and slope of each triangular surface of the TIN model is obtained by stereo projection using a Schmitt net, and then the discontinuous surface is extracted. You may make it extract a discontinuous surface directly from a strike and inclination to a surface.
Specifically, as shown in FIG. 8 (a), together face s p of adjacent triangles, to compare the strike and dip of s q, it is smaller than the allowable value difference strike and dip is preset as shown in FIG. 8 (b), be regarded as the plane s p triangles adjacent to each other, the strike and dip of s q are the same. By repeating such an operation, as shown in FIG. 8C, a triangular surface of the TIN model has a plurality of surfaces S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ,. ..., it can be classified into S n. As a result, the excavation surface (S 0 ) and the discontinuous surfaces (S 1 to S n ) can be distinguished, so that a discontinuous surface having a different strike and inclination can be reliably extracted.
Further, by calculating the frequency (%) of each of the plurality of surfaces and regarding the less frequent surface as an excavation surface, it is possible to reliably extract discontinuous surfaces having different strike and inclination from the excavation surface.
Therefore, the same geological map of the tunnel front ground as in the embodiment can be created by displaying a plurality of different colors with different strike directions and inclinations.
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the embodiment. It is apparent from the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
本発明によれば、トンネル切羽の不連続面を効率よくかつ安全に抽出できるので、地山の安定性評価を高精度にかつ迅速に行うことができる。 According to the present invention, the discontinuity of the tunnel face can be extracted efficiently and safely, so that the stability evaluation of the natural ground can be performed with high accuracy and speed.
１０ 不連続面の抽出装置、１１ ３次元レーザスキャナ、
１２ ＴＩＮモデル作成手段、１３ 走向・傾斜算出手段、
１４ 走向・傾斜分布解析手段、１５ 不連続面抽出手段、１６ 表示手段、
２０ トンネル切羽、２１ 切羽面、２２ トンネルの天端、２３ 切羽側面。
10 Discontinuous surface extraction device, 11 3D laser scanner,
12 TIN model creation means, 13 strike / tilt calculation means,
14 strike / slope distribution analysis means, 15 discontinuous surface extraction means, 16 display means,
20 Tunnel face, 21 Face face, 22 Tunnel top, 23 Face side.
Claims (4)
３次元データ採取手段を用いてトンネル切羽面の３次元座標データを採取するステップと、
前記トンネル切羽面を前記３次元座標データから選定されたサンプル点を頂点とする三角形網で表したトンネル切羽面のＴＩＮモデルを作成するステップと、
前記ＴＩＮモデルの各三角形の面の走向・傾斜を算出するステップと、
前記各三角形の面をシュミットネットを用いてステレオ投影して、前記三角形の面の走向・傾斜の分布を求めるステップと、
前記三角形の面の走向・傾斜の分布からトンネル切羽面を単一の面と見做した時の面である掘削面と走向・傾斜が異なる不連続面を抽出するステップと、
前記抽出された不連続面を表示するステップとを有し、
前記三角形の面の走向・傾斜の分布を求めるステップでは、前記各三角形の表す面の走向・傾斜を、面の出現頻度により領域分けし、
前記不連続面を抽出するステップでは、
前記領域分けされた各三角形の走向・傾斜の分布から、前記掘削面と異なる方向性を示す三角形のうちの所定の頻度以上の三角形を選択し、これら選択された三角形から、走向・傾斜が所定の範囲内にある三角形を抽出し、前記抽出された三角形を同一の不連続面を有する三角形であると見做すことで、前記抽出された各三角形を互いに異なる不連続面を有する複数種類の三角形に分類し、
前記不連続面を表示するステップでは、
前記分類された異なる不連続面を有する複数種類の三角形の面を種類毎に区別して表示することを特徴とするトンネル切羽の不連続面の抽出方法。 A method for extracting a discontinuous surface of a tunnel face,
Collecting the three-dimensional coordinate data of the tunnel face using the three-dimensional data collecting means;
Creating a TIN model of the tunnel face representing the tunnel face represented by a triangular network having a sample point selected from the three-dimensional coordinate data as a vertex;
Calculating the strike / inclination of each triangular surface of the TIN model;
Stereo-projecting each triangular surface using a Schmitt net to determine the strike / slope distribution of the triangular surface;
Extracting a discontinuous surface having a different strike / inclination from the excavation surface when the tunnel face is regarded as a single surface from the distribution of the strike / inclination of the triangular surface;
Displaying the extracted discontinuous surface,
In the step of obtaining the strike / slope distribution of the triangular surface, the strike / slope of the surface represented by each triangle is divided into regions according to the appearance frequency of the surface,
In the step of extracting the discontinuous surface,
A triangle having a predetermined frequency or more is selected from triangles having a different direction from the excavation surface from the distribution of the strike and inclination of each of the triangles divided into the regions, and the strike and inclination are determined from the selected triangles. of extracting the triangle is within the range, it be regarded as certain the extracted triangle triangles having the same discontinuity, of a plurality of types having mutually different discontinuities each triangle which is the extracted Classify into triangles,
In the step of displaying the discontinuous surface,
A method for extracting a discontinuous surface of a tunnel face, characterized in that a plurality of types of triangular surfaces having different discontinuous surfaces classified as described above are distinguished and displayed for each type.
トンネル切羽面の３次元座標データを採取するための３次元データ採取手段と、
前記トンネル切羽面を前記３次元座標データから選定されたサンプル点を頂点とする三角形網で表したトンネル切羽面のＴＩＮモデルを作成するＴＩＮモデル作成手段と、
前記ＴＩＮモデルの各三角形の頂点の３次元座標を用いて各三角形の面の走向・傾斜を算出する走向・傾斜算出手段と、
シュミットネットを用いたステレオ投影を用いて各三角形の面の走向・傾斜の分布を求める走向・傾斜分布解析手段と、
前記三角形の面の走向・傾斜の分布から、トンネル切羽面を単一の面と見做した時の面である掘削面の走向・傾斜と異なる走向・傾斜を有する不連続面を抽出する不連続面抽出手段と、
前記抽出された不連続面を表示する表示手段とを備え、
前記走向・傾斜分布解析手段は、
前記各三角形の表す面の走向・傾斜を、面の出現頻度により領域分けし、
前記不連続面抽出手段は、
前記領域分けされた各三角形の走向・傾斜の分布から、前記掘削面と異なる方向性を示す三角形のうちの所定の頻度以上の三角形を選択し、これら選択された三角形から、走向・傾斜が所定の範囲内にある三角形を抽出し、前記抽出された三角形を同一の不連続面を有する三角形であると見做すことで、前記抽出された各三角形を互いに異なる不連続面を有する複数種類の三角形に分類し、
前記表示出手段は、
前記分類された異なる不連続面を有する複数種類の三角形の面を種類毎に区別して表示することを特徴とするトンネル切羽の不連続面の抽出装置。 An apparatus for extracting a discontinuous surface of a tunnel face,
3D data collection means for collecting 3D coordinate data of the tunnel face,
A TIN model creating means for creating a TIN model of the tunnel face represented by a triangular net having the sample point selected from the three-dimensional coordinate data as a vertex;
Strike / tilt calculating means for calculating the strike / inclination of the surface of each triangle using the three-dimensional coordinates of the vertices of each triangle of the TIN model;
A strike / tilt distribution analysis means for obtaining the strike / tilt distribution of each triangular surface using stereo projection using a Schmitt net;
A discontinuity that extracts a discontinuous surface having a strike / inclination different from the strike / inclination of the excavation surface when the tunnel face is regarded as a single surface from the distribution of the strike / inclination of the triangular surface. Surface extraction means;
Display means for displaying the extracted discontinuous surface,
The strike / tilt distribution analysis means is:
The direction and inclination of the surface represented by each triangle is divided into regions according to the appearance frequency of the surface,
The discontinuous surface extraction means includes
A triangle having a predetermined frequency or more is selected from triangles having a different direction from the excavation surface from the distribution of the strike and inclination of each of the triangles divided into the regions, and the strike and inclination are determined from the selected triangles. of extracting the triangle is within the range, it be regarded as certain the extracted triangle triangles having the same discontinuity, of a plurality of types having mutually different discontinuities each triangle which is the extracted Classify into triangles,
The display means is
An apparatus for extracting a discontinuous surface of a tunnel face, wherein the plurality of types of triangular surfaces having different discontinuous surfaces classified are classified and displayed for each type.
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