JP7166971B2 - 地盤変動観測システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル工事などの地下工事に伴う地盤変動を観測する地盤変動観測システム及び方法に関する。

例えばシールドトンネル工事においては、トンネル掘削に伴う地盤沈下や、裏込め注入量の過多などによる地盤隆起を生じる恐れがあり、トンネル工事の進行中、常に、地上で測量を行って、地上に影響が出ていないかを監視する必要がある。

特許文献１は、シールド工事における地盤沈下量抑制方法に関するもので、掘進計画路線上の地表面及び地中に沈下計を設置し、掘進中の地盤の地表面及び掘削面直上の動き、すなわち沈下量を計測している。そして、沈下計の計測値は、公衆回線や無線を介して立坑用地内の中央管理室に伝送している。
そして、沈下計の沈下データと、シールド機側のジャイロ等の位置・測量システムにより求めたシールド機の位置データとを関連づけることで、沈下量を予測し、事前にシールド機の切羽水圧、土砂取込み量、掘進速度、シールド機の姿勢、泥水粘性、裏込め注入量、カッター圧力等の制御を行って、沈下量を抑制している。

特許文献２は、シールド機の掘進に伴う先行沈下や後続沈下などで誘発される路面変化を管理する路面変状管理システムに関するもので、特許文献１のように沈下計を用いる場合、計測準備作業が繁雑であることから、人為操作により路面を測量するオートレベルを用いている。そして、オートレベルを用いて測量する場合に、片手で操作可能な携帯電話を入力端末としてその通信機能を利用し、レベルを視準しながら計測者が携帯電話を操作して入力処理を完了することができるようにしている。

特許文献３は、衛星を用いて観測点の変位を継続的に観測するシステムに関するもので、観測対象の斜面（崩壊のおそれがある斜面、あるいは地すべりの兆候のある斜面）上に設定される複数の観測点に、衛星からの電波を受信して自身の３次元座標位置を検出可能な測位手段（ＧＮＳＳセンサ）を配置し、複数の観測点を測位することで、斜面の変動を観測している。

特開２００７－２８４９０３号公報 特開２０１２－０３６５７１号公報 特開２０１６－１５３７２６号公報

ところで、大深度法（大深度地下の公共的使用に関する特別措置法）の施行により、住宅地などの民地の地下（地下４０ｍ以深）を通るトンネル工事が計画ないし一部実施されている。

このようなトンネル工事の場合、地上側が住宅地などであることから、特許文献１のような沈下計を設置して、設置した沈下計を維持管理することは困難である。また、特許文献２のようなオートレベルを用いた測量も自由には行えず、しかも人為操作であることから効率が悪く、また、継続的な観測は不可能である。
また、地上側が住宅地などであることから、特許文献３のような地盤へのＧＮＳＳセンサの設置や設置されたＧＮＳＳセンサの維持管理も困難である。

本発明は、このような実状に鑑み、民地の地下で工事が行われる場合であっても、十分な数の測位用のセンサを設置することができて、地下工事に伴う地盤変動を確実かつ継続的に観測することができる地盤変動観測システム及び方法を提供することを課題とする。

本発明に係る地盤変動観測システムは、地下でのトンネル工事に伴う地盤変動を観測するシステムである。ここで、トンネル掘削予定領域の直上部の観測対象の地盤に設置されている複数の電柱のそれぞれが観測点として選定されている。前記システムは、前記複数の電柱のそれぞれに取付けられ、衛星からの電波を受信し、自身の３次元座標位置を検出して送信する複数のＧＮＳＳセンサと、前記複数のＧＮＳＳセンサの検出データを継続的に受信することで、前記複数の電柱の高さ方向の座標位置の時間変化を演算する演算処理部と、を含み、前記複数の電柱のそれぞれを観測点として、前記トンネル工事に伴う地盤変動を観測することを特徴とする。

また、本発明に係る地盤変動観測方法は、地下でのトンネル工事に伴う地盤変動を観測する方法である。前記方法は、トンネル掘削予定領域の直上部の観測対象の地盤に設置されている複数の電柱のそれぞれを観測点として選定することと、前記複数の電柱のそれぞれに、衛星からの電波を受信し、自身の３次元座標位置を検出して送信するＧＮＳＳセンサを取付けることと、前記複数のＧＮＳＳセンサの検出データを継続的に受信することで、前記複数の電柱の高さ方向の座標位置の時間変化を演算することと、を含み、前記複数の電柱のそれぞれを観測点として、前記トンネル工事に伴う地盤変動を観測することを特徴とする。

本発明によれば、観測対象の地盤に設置されている電柱を利用し、この電柱をＧＮＳＳセンサによる観測点とすることで、住宅地などであっても、十分な数の観測点の設定（測位用のセンサの設置）が可能となる。これにより、地下工事に伴う地盤変動を確実かつ継続的に観測することができるという効果が得られる。

地下のトンネル工事箇所と地上の電柱配置状況とを例示する平面図 電柱へのＧＮＳＳセンサの取付例を示す図 地盤変動観測システムの構成例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本実施形態では、住宅地の地下でのトンネル工事に伴う地盤変動を観測するものとし、観測対象の地盤に設置されている電柱を観測点とする。

図１は地下のトンネル工事箇所（トンネル掘削予定領域）と地上の電柱配置状況とを例示する平面図である。
地下においてトンネル工事が予定されている地上側の住宅地には、縦横斜めに交差する形で、多数の道路が走っている。そして、道路脇に沿って適当な間隔で多数の電柱が設置されている。従って、本実施形態では、トンネル掘削予定領域の直上部及びその近傍を含むように、観測対象の地盤を設定し、観測対象の地盤に設置されている多数の電柱を観測点として選定し、トンネル工事による地盤変動を観測する。ここでいう電柱は、電力会社が所有する電柱の他、通信会社などが所有する電柱を含み、使用することができる。

本実施形態では、また、測量にＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System；全球測位衛星システム）を利用する。ＧＮＳＳを利用する点については特許文献３と同様である。従って、本実施形態では、観測点である電柱にＧＮＳＳセンサを設置する。

ＧＮＳＳセンサは、測位を行うための利用者の受信機であり、測位用の衛星（ＧＰＳ衛星、グロナス衛星、ガリレオ衛星、準天頂衛星「みちびき」など）からの電波を受信し、４以上の衛星からの距離（電波の到達時間）を同時に知ることにより、自身の３次元座標位置を検出することができる。
また、ＧＮＳＳセンサを用いた測量では、ネットワーク型ＲＴＫ（リアルタイムキネマティック）測量を行う。利用者のＧＮＳＳセンサが現場で取得した衛星データと、周辺の電子基準点の測位データから作成された補正情報とを組み合わせることで、リアルタイムでｃｍ～ｍｍオーダーの測量を効率的に行うことができる。

図２は電柱へのＧＮＳＳセンサの取付例を示している。
電柱１は、観測対象の地盤Ｇ上に立設されており、下端部が地中に埋設されている。
ＧＮＳＳセンサ１０は、電柱１の比較的高所で、高圧側電力線及び低圧側電力線（共に図示せず）より下方に設定される共架用取付部２に、取付けられる。

共架用取付部２は、電柱１の円柱部に抱締め固定される槍出金具用芯付バンド２ａと、この芯付バンド２ａにより支持されて水平方向に張り出す槍出金具用アーム２ｂと、を含んで構成される。
ここにおいて、ＧＮＳＳセンサ１０は、槍出金具用アーム２ｂの先端側に上下方向（鉛直方向）に取付けられる。

ＧＮＳＳセンサ１０は、衛星電波を受信する受信用アンテナ１１を備え、自身の３次元座標位置（少なくとも高さ方向の座標位置）を検出することができる。
ＧＮＳＳセンサ１０は、また、検出データを送信する送信用アンテナ１２を備え、検出した自身の３次元座標位置（少なくとも高さ方向の座標位置）を送信することができる。
但し、３次元座標位置そのものを検出・送信する必要はなく、３次元座標位置を算出可能な測位データを検出・送信できればよい。

ＧＮＳＳセンサ１０の作動電源については、電柱１に電池ボックスやソーラー電源を取付けて、これを利用してもよいが、電力会社から、例えば、電柱１の電力線から電源供給を受けるようにすることができる。また、ＧＮＳＳセンサ１０の制御盤が必要な場合は、これもＧＮＳＳセンサ１０と共に電柱１に取付けられる。

図３は地盤変動観測システムの構成例を示している。
地盤変動検出用の多数のＧＮＳＳセンサ１０は、少なくとも１つの基準局センサ（１０Ｓ）と、それ以外の観測局センサ（１０）とに分けられる。
あるいは、地盤変動検出用の多数のＧＮＳＳセンサ（以下これを観測局センサという）１０とは別に、少なくとも１つの基準局センサ１０Ｓが設けられる。

観測局センサ１０は、電柱に取付けられて、自身の３次元座標位置に関する測位データを取得し、取得した測位データを近隣の基準局センサ１０Ｓに送信する。
基準局センサ１０Ｓは、観測局センサ１０と同じく、自身の３次元座標位置に関する測位データを取得する一方、近隣の観測局センサ１０が取得した測位データを受信して収集する。

基準局センサ１０Ｓの設置場所については、電柱以外でもよく、建築物の屋上などでもよい。基準局センサ１０Ｓはまた、地下工事の影響を受けない場所に設置するとよいが、離れた場所に設置すると、観測局センサ１０からの測位データの収集が難しくなることから、電柱であると電柱以外であるとを問わず、人が定期的に測量可能な場所に設置するとよい。定期的な測量により補正することで、基準局としての役目を果たすことができるからである。

基準局センサ１０Ｓは、上記のようにして、自身及び近隣の測位データを継続的に収集し、必要により適宜補正した後に、これらの測位データをクラウド２０に送る。

クラウド２０上には、観測点である多数の電柱１（センサ１０）のリアルタイムな測位データを平均化処理やフィルタ処理により平滑化するデータ処理部があり、５分程度の時間隔で、平滑化されたｍｍオーダーの測位データを得ることができる。

電柱は、隣接する道路上を走行する車両などにより、日常的に微振動し、これに取付けられるＧＮＳＳセンサもまた微振動することから、ＧＮＳＳセンサにより取得される座標位置も微振動の影響を受けるが、これらの影響は周期的であるので、上記の平均化処理やフィルタ処理により除去可能である。また、地震時の揺れについても同様に除去可能であると考える。一方で、電柱に設置することから、維持管理の点では他の場所より優れており、かつ、住宅地等においては、測量に必要な観測点の数を確保できる。

演算処理部３０は、トンネル工事の施工管理室などに置かれたコンピュータにより構成されており、クラウド２０上から、観測点である多数の電柱１（センサ１０）の時間情報を含む測位データを取得して、逐次記憶し、多数の電柱１の３次元座標位置（特に高さ方向の座標位置）の時間変化（例えば５分ごと、１時間毎、あるいは１日毎の変位量、又は、トンネル工事開始後の変位量）を演算する。

より詳しくは、トンネル工事の開始前に、多数の電柱１のそれぞれについての３次元座標位置（特に高さ方向の座標位置）を取得し、記憶する。
そして、トンネル工事の進行中に、多数の電柱１の座標位置を逐次取得し、トンネル工事開始前の座標位置との比較で、トンネル工事開始後の座標位置の変位量を算出する。
あるいは、トンネル工事の進行に合わせて、工程ごとの座標位置の変化量を算出する。

演算処理部３０はまた、地盤変動の状態を表示するディスプレイ等の表示部３１を備える。
表示部３１は、具体的には、図１のようなマップ上に、ＧＮＳＳセンサにより得られる電柱の高さ方向の座標位置の地下工事開始後の変位量を、等値線マップ（コンター図）として表示する。

表示部３１はまた、同様のマップ上に、トンネル工事の進行に合わせて、例えば１時間ごと、あるいは、１日ごとの変位量を、等値線マップとして表示することもできる。
表示部３１はまた、電柱ごとに、横軸を時間、縦軸をトンネル工事開始後の変位量とするグラフを表示することもできる。

上記のような等値線マップやグラフから、トンネル工事に伴う地盤変動を容易に把握することができる。

本実施形態によれば、トンネル工事箇所の直上部及びその周囲に設置されている電柱を観測点として地盤変動を観測することにより、住宅地などであっても、十分な数の観測点の設定（測位用のＧＮＳＳセンサの設置）が可能となる。これにより、地下工事に伴う地盤変動を確実かつ継続的に観測することができる。更に、主に電力会社、通信会社が所有して、住宅等に電力を供給、通信を行う電柱を使用することから、維持管理が効率的に行える。これにより、地下工事に伴う地盤変動を確実かつ継続的に観測することができる。本実施形態による地盤変動観測システム、地盤変動観測方法は、電柱、主に電力会社、通信会社が所有する電柱を利用するものであって、地盤変更観測が困難な住宅地などで、地盤変動観測を容易かつ効率的に実施可能とする新たなビジネスモデルを提供するものである。

また、本実施形態によれば、ＧＮＳＳセンサとして、通常の観測局センサ１０とは別に、定期的に人が測量可能な位置に基準局センサ１０Ｓを設けることにより、観測データの補正等が可能となり、観測精度を向上させることができる。また、クラウド２０又は演算処理部３０との通信機能等を基準局センサ１０Ｓに集約させることで、多数の観測局センサ１０の簡素化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、演算処理部３０が、ＧＮＳＳセンサ１０により得られる電柱１の高さ方向の座標位置の時間変化（特にトンネル工事開始後の変位量）を等値線マップとして表示する表示部３１を備えることにより、地盤変動の把握が容易、言い換えれば、一目で地盤変動の状態を把握可能となる。

また、本実施形態によれば、地下工事はトンネル工事であり、観測対象の地盤はトンネル掘削予定領域の直上部を含む地盤とする。これにより、トンネル工事に伴う地盤変動をより確実に把握することができる。

尚、以上では、地下工事の代表例であるシールドトンネルなどのトンネル工事に伴う地盤変動を観測するシステムについて説明したが、本発明が対象とする地下工事は、これに限るものではなく、トンネルのランプ部などの大規模な地下空間やトンネル以外の地下空間を構築する工事、更には開削工事なども含む。

また、以上では、３次元座標位置のうち、Ｚ軸方向（高さ方向）の座標位置の変動を捉えるようにしているが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の座標位置の変動も捉え、地盤変動を高さ方向だけでなく、全方向のベクトルとして捉えるようにしてもよい。

また、図示の実施形態はあくまで本発明を概略的に例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
尚、出願当初の請求項は以下のとおりであった。
［請求項１］
地下工事に伴う地盤変動を観測するシステムであって、
観測対象の地盤に設置されている複数の電柱のそれぞれに取付けられ、衛星からの電波を受信し、自身の３次元座標位置を検出して送信する複数のＧＮＳＳセンサと、
前記複数のＧＮＳＳセンサの検出データを継続的に受信することで、前記複数の電柱の高さ方向の座標位置の時間変化を演算する演算処理部と、
を含み、
前記電柱を観測点として地盤変動を観測することを特徴とする、地盤変動観測システム。
［請求項２］
地下工事に伴う地盤変動を観測する方法であって、
観測対象の地盤に設置されている複数の電柱のそれぞれに、衛星からの電波を受信し、自身の３次元座標位置を検出して送信するＧＮＳＳセンサを取付ける工程と、
前記複数のＧＮＳＳセンサの検出データを継続的に受信することで、前記複数の電柱の高さ方向の座標位置の時間変化を演算する工程と、
を含み、
前記電柱を観測点として地盤変動を観測することを特徴とする、地盤変動観測方法。

１ 電柱
２ 共架用取付部
２ａ 槍出金具用芯付バンド
２ｂ 槍出金具用アーム
１０ ＧＮＳＳセンサ（観測局センサ）
１０Ｓ 基準局センサ
２０ クラウド
３０ 演算処理部
３１ 表示部

Claims (4)

1. 地下でのトンネル工事に伴う地盤変動を観測するシステムであって、
   トンネル掘削予定領域の直上部の観測対象の地盤に設置されている複数の電柱のそれぞれが観測点として選定されており、
   前記システムは、
   前記複数の電柱のそれぞれに取付けられ、衛星からの電波を受信し、自身の３次元座標位置を検出して送信する複数のＧＮＳＳセンサと、
   前記複数のＧＮＳＳセンサの検出データを継続的に受信することで、前記複数の電柱の高さ方向の座標位置の時間変化を演算する演算処理部と、
   を含み、
   前記複数の電柱のそれぞれを観測点として、前記トンネル工事に伴う地盤変動を観測することを特徴とする、地盤変動観測システム。
2. 前記トンネル工事は住宅地の地下を通り、
   前記住宅地の地上には、縦横斜めに交差する形で多数の道路が存在し、前記観測点となる前記複数の電柱が前記道路脇に沿って設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の地盤変動観測システム。
3. 地下でのトンネル工事に伴う地盤変動を観測する方法であって、
   トンネル掘削予定領域の直上部の観測対象の地盤に設置されている複数の電柱のそれぞれを観測点として選定することと、
   前記複数の電柱のそれぞれに、衛星からの電波を受信し、自身の３次元座標位置を検出して送信するＧＮＳＳセンサを取付けることと、
   前記複数のＧＮＳＳセンサの検出データを継続的に受信することで、前記複数の電柱の高さ方向の座標位置の時間変化を演算することと、
   を含み、
   前記複数の電柱のそれぞれを観測点として、前記トンネル工事に伴う地盤変動を観測することを特徴とする、地盤変動観測方法。
4. 前記トンネル工事は住宅地の地下を通り、
   前記住宅地の地上には、縦横斜めに交差する形で多数の道路が存在し、
   前記選定することは、前記道路脇に沿って設置されている前記複数の電柱のそれぞれを観測点として選定することを含むことを特徴とする、請求項３に記載の地盤変動観測方法。

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