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JP7623232B2 - Tunnel construction management method - Google Patents
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Description

本発明は、トンネル掘削において適切な施工法を選択するためのトンネル施工管理方法に関する。 The present invention relates to a tunnel construction management method for selecting an appropriate construction method for tunnel excavation.

トンネルを施工する場合、所定の掘削工程毎に測量を行い、掘削箇所が計画通りに施工されているか管理される。常に変化する地山を相手に施工するトンネル施工現場では、正確な測量、地山観察により現場情報を出来るだけ早く収集して適切な対応をする施工管理することが重要である。 When constructing a tunnel, surveying is carried out at each designated excavation stage to ensure that the excavation is being carried out according to plan. At tunnel construction sites, where construction is being carried out on constantly changing ground, it is important to manage the construction by collecting on-site information as quickly as possible through accurate surveying and ground observation, and then taking appropriate action.

例えば、山岳トンネルを掘削するNATM(New Austrian Tunneling Method)において、トンネル周辺地山の安定の確保を行うと共に、地山の性状に応じて適切な施工を行うために、計測工Aと呼ばれる計測により地山が管理されている。計測工Aにおいて、例えば、地山を経時的に計測し、トンネルの変位挙動が管理される。計測工Aにより、トンネルの変位挙動の特性を確認、評価し、次に施工する工法を判断している。計測工Aを実施する計測対象の断面は、地山性状に対応して、トンネルを掘削する進行方向10~30m間隔毎に設けられる。 For example, in the New Austrian Tunneling Method (NATM) for excavating mountain tunnels, the ground is managed by measurements known as measurement work A to ensure the stability of the ground around the tunnel and to carry out appropriate construction according to the ground's properties. In measurement work A, for example, the ground is measured over time and the deformation behavior of the tunnel is managed. Measurement work A confirms and evaluates the characteristics of the tunnel's deformation behavior and determines the next construction method to be used. The cross sections to be measured for measurement work A are set up at intervals of 10 to 30 m in the direction of tunnel excavation according to the ground properties.

トンネルの掘削を進めて切羽面が形成されると、3次元の自動計測が可能な3次元の測量装置を用いて測点の初期値を計測後、12から24時間毎に測点を自動計測し、測点における増分変位が自動的に記録される。基本的に、1断面当たり5箇所の測点に対して計測が行われる。 As the tunnel is excavated and the face is formed, the initial values of the measurement points are measured using a 3D surveying device capable of automatic 3D measurements, and then the measurement points are automatically measured every 12 to 24 hours, and the incremental displacement at the measurement points is automatically recorded. Basically, measurements are taken at five measurement points per cross section.

特開2008-298432号公報JP 2008-298432 A 特開2014-2027号公報JP 2014-2027 A 特開2020-133118号公報JP 2020-133118 A 特開2020-172784号公報JP 2020-172784 A

上述したように、計測工Aの対象となる断面は、地山性状に対応して所定間隔毎に設けられる。そして、所定箇所の測点に対して経時的に計測が行われ、この測点における座標の変位がトンネル掘削によるトンネル変形挙動として数値化され管理されている。 As mentioned above, the cross sections that are the subject of measurement work A are set at predetermined intervals in accordance with the characteristics of the ground. Measurements are then taken over time at measurement points at predetermined locations, and the displacement of the coordinates at these measurement points is quantified and managed as the tunnel deformation behavior due to tunnel excavation.

低強度で不連続の塑性流動地山は、トンネル施工中に大変形を引き起こす可能性がある。このような地山に対するトンネル施工においては、標準的な計測工Aに基づいて地山の変形を把握するために測量を行っても、正確にトンネルの変位挙動を把握、評価することは困難であるという課題がある。従って、標準的な計測工Aによれば、地山に最適な掘削工法やトンネル支保構造をリアルタイムに選択する判断ができず、再施工が発生する虞がある。 Low-strength, discontinuous plastic flow ground can cause large deformation during tunnel construction. When constructing a tunnel in such ground, even if surveying is carried out to grasp the deformation of the ground based on standard measurement method A, there is a problem that it is difficult to accurately grasp and evaluate the displacement behavior of the tunnel. Therefore, with standard measurement method A, it is not possible to determine in real time which excavation method or tunnel support structure is optimal for the ground, and there is a risk that construction will have to be re-done.

更に、計測工Aの対応のための測点数や計測断面数を増加させることは、計測工に多大な時間と労力及び、費用の負担の増加を伴うため、掘削面における変位挙動の予測、評価を行うことに限界がある。特許文献1から4に記載された発明によれば、トンネル掘削面を計測し計測結果をリアルタイムに表示することが記載されているが、トンネル変形挙動に対応する施工法を選択することはまだ提案されていなかった。 Furthermore, increasing the number of measurement points and cross sections to be measured in response to measurement work A requires a great deal of time, effort, and cost for the measurement work, so there are limitations to predicting and evaluating the displacement behavior at the excavation surface. According to the inventions described in Patent Documents 1 to 4, it is described that the tunnel excavation surface is measured and the measurement results are displayed in real time, but there has been no proposal yet to select a construction method that corresponds to the tunnel deformation behavior.

本発明は、掘削した地山性状及び地山におけるトンネル変形挙動に対応する施工法をリアルタイムに選択できるトンネル施工管理方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a tunnel construction management method that can select a construction method in real time that corresponds to the excavated ground properties and the tunnel deformation behavior in the ground.

本発明は、トンネルの掘削後の施工面における複数の測点の3次元座標を異なる時刻において少なくとも2回の測量を行う工程と、前記測量において取得されたデータの差分に基づいて、前記トンネルの変形挙動を算出する工程と、前記トンネルの3次元画像に前記変形挙動に対して設定された閾値に応じた表示画像を重ね合わせて表示する工程と、前記変形挙動の閾値に応じた施工方法を表示する工程と、を備えるトンネル施工管理方法である。 The present invention is a tunnel construction management method comprising the steps of: measuring the three-dimensional coordinates of a plurality of measurement points on the construction surface after excavation of a tunnel at least twice at different times; calculating the deformation behavior of the tunnel based on the difference in data obtained in the measurements; superimposing and displaying a display image corresponding to a threshold value set for the deformation behavior on a three-dimensional image of the tunnel; and displaying a construction method corresponding to the threshold value for the deformation behavior.

本発明によれば、トンネル掘削後の施工面を経時的に3次元測量することにより、トンネルの変形挙動をリアルタイムに把握することができると共に、変形挙動に応じた施工方法を選択することができる。 According to the present invention, by performing three-dimensional surveying of the construction surface after tunnel excavation over time, it is possible to grasp the deformation behavior of the tunnel in real time and to select a construction method according to the deformation behavior.

また、本発明の前記施工面は、地山の掘削面と掘削面に施工されたコンクリートの表面とを含み、前記トンネルの変形挙動を算出する工程は、トンネルにおいて周方向の所定長と延長方向の所定長に基づいて設定された仮想単位平面に対応する前記施工面において複数の3次元座標を計測する工程と、前記複数の3次元座標の平均値を算出する工程と、前記平均値の経時的な差分を算出する工程と、を備えていてもよい。 The construction surface of the present invention may include an excavation surface of the natural ground and a surface of concrete applied to the excavation surface, and the process of calculating the deformation behavior of the tunnel may include a process of measuring a plurality of three-dimensional coordinates on the construction surface corresponding to a virtual unit plane set based on a predetermined circumferential length and a predetermined extension length of the tunnel, a process of calculating an average value of the plurality of three-dimensional coordinates, and a process of calculating the difference in the average value over time.

本発明によれば、レーザースキャナー等の測量機器を用いてトンネルの掘削面や、掘削面に施工されたコンクリートの表面の変形をリアルタイムに算出することで、トンネルの変化を早期に把握することができる。 According to the present invention, by using surveying equipment such as a laser scanner to calculate deformations in real time on the excavated surface of a tunnel and on the surface of concrete applied to the excavated surface, changes in the tunnel can be grasped at an early stage.

また、本発明の前記閾値は、前記差分の大きさに応じて段階的に設定されていてもよい。 In addition, the threshold value of the present invention may be set in stages according to the magnitude of the difference.

本発明によれば、閾値に応じた施工方法を設定することで、トンネルのリアルタイムな変形に応じた適切な施工方法を表示することができる。 According to the present invention, by setting a construction method according to a threshold value, it is possible to display an appropriate construction method according to the real-time deformation of the tunnel.

また、本発明は、前記変形挙動の状態に応じて表示された前記施工方法を選択し、前記施工方法を前記トンネルに施工してもよい。 The present invention may also include selecting the construction method displayed according to the state of the deformation behavior, and implementing the construction method on the tunnel.

本発明によれば、管理者は、表示された施工方法を選択してトンネルに施工することで、トンネルの変化に早期に対応した施工管理を行うことができる。 According to the present invention, the manager can select the displayed construction method and carry out construction work on the tunnel, allowing construction management to quickly respond to changes in the tunnel.

本発明によれば、掘削した地山性状及び地山におけるトンネル変形挙動に対応する施工法をリアルタイムに選択できる。 According to the present invention, a construction method that corresponds to the excavated ground properties and the tunnel deformation behavior in the ground can be selected in real time.

トンネル施工管理方法において用いられる出来形測量管理システムの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a completed form survey management system used in a tunnel construction management method. トンネル内の測量方法の概要を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an overview of a surveying method inside a tunnel. 管理装置の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a management device. トンネルの構成を示すトンネル軸方向に沿った断面図である。4 is a cross-sectional view taken along the tunnel axis direction, showing the configuration of the tunnel. FIG. トンネルの構成を示す径方向の断面図である。FIG. 2 is a radial cross-sectional view showing the configuration of the tunnel. トンネルの測量方法を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a method for surveying a tunnel. トンネルの時系列の測量方法を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a method for time-series surveying of a tunnel. コンクリートの厚みを計算する方法を示す図である。FIG. 1 illustrates a method for calculating the thickness of concrete. トンネルの早期閉合とその後の測量について説明する図である。This is a diagram explaining the early closure of a tunnel and subsequent surveying. トンネル施工管理方法の処理の流れを示すフローチャートである。1 is a flowchart showing a process flow of a tunnel construction management method.

以下、図面を参照しつつ、本発明に係るトンネル施工管理方法の実施形態について説明する。トンネル施工管理方法には、トンネル内の形状を三次元的に測量することができる管理システムが用いられる。先ず、管理システムについて説明する。 Below, an embodiment of a tunnel construction management method according to the present invention will be described with reference to the drawings. The tunnel construction management method uses a management system that can measure the shape inside a tunnel in three dimensions. First, the management system will be described.

図1に示されるように、トンネル施工管理方法において用いられる出来形の施工管理システム1は、トンネル内の三次元形状を測量するレーザースキャナー10(三次元スキャナー)と、トンネル内の3次元座標を測量するトータルステーション30と、レーザースキャナー10及びトータルステーション30の測量データに基づいてトンネルの施工を管理する管理装置20とを備える。 As shown in FIG. 1, the completed form construction management system 1 used in the tunnel construction management method includes a laser scanner 10 (three-dimensional scanner) that measures the three-dimensional shape inside the tunnel, a total station 30 that measures the three-dimensional coordinates inside the tunnel, and a management device 20 that manages the construction of the tunnel based on the measurement data from the laser scanner 10 and the total station 30.

レーザースキャナー10は、例えば、レーザー光を照射して反射光の一部を受光するレーザーセンサー11と、レーザーセンサー11を回転自在に支持すると共に回転駆動する本体部12とを備える。レーザーセンサー11は、レーザー光の発光部(不図示)と、受光部(不図示)とを備える。レーザーセンサー11は、例えば、上下方向や左右方向に回転しながら面的にレーザー光を対象物に照射して、対象物から反射した一部の反射光を受信した時間を計測し、点群データを生成する。 The laser scanner 10, for example, includes a laser sensor 11 that irradiates laser light and receives a portion of the reflected light, and a main body 12 that rotatably supports the laser sensor 11 and drives it to rotate. The laser sensor 11 includes a laser light emitter (not shown) and a light receiver (not shown). The laser sensor 11, for example, irradiates a target object with laser light in a planar manner while rotating in the vertical and horizontal directions, measures the time it takes to receive a portion of the reflected light from the target object, and generates point cloud data.

レーザーセンサー11は、本体部12によりy軸回り(チルト方向に)に回転自在に支持されていると共に、回転駆動される。これによりレーザーセンサー11は、対象物に対して上下方向をスキャンすることができる。本体部12は、三脚Sに載置されている。本体部12は、自体を三脚Sに対してz軸回りに回転駆動する。これにより、レーザーセンサー11は、z軸回り(水平方向に)に回転自在に支持されていると共に、回転駆動される。 The laser sensor 11 is supported by the main body 12 so as to be rotatable around the y-axis (tilt direction) and is driven to rotate. This allows the laser sensor 11 to scan the target in the vertical direction. The main body 12 is placed on a tripod S. The main body 12 is driven to rotate around the z-axis relative to the tripod S. This allows the laser sensor 11 to be supported so as to be rotatable around the z-axis (horizontal direction) and is driven to rotate.

このよう、レーザースキャナー10は、対象物の所定領域を三次元的にスキャンすることができ、所定領域における対象物の表面形状のデータを取得することができる。トータルステーション30は、トンネルT内の複数の側点の3次元の測量座標を計測する。トータルステーション30は、複数の測量座標のデータをレーザースキャナー10に出力する。レーザースキャナー10は、複数の測量座標のデータに基づいて測量座標に基づく測点を基準とした掘削面の3次元形状を計測する。 In this way, the laser scanner 10 can scan a specified area of the object in three dimensions and obtain data on the surface shape of the object in the specified area. The total station 30 measures the three-dimensional survey coordinates of multiple side points in the tunnel T. The total station 30 outputs the multiple survey coordinate data to the laser scanner 10. The laser scanner 10 measures the three-dimensional shape of the excavation surface based on the measurement points based on the survey coordinates, based on the multiple survey coordinate data.

図2に示されるように、レーザースキャナー10は、例えば、掘削が終了した際にトンネルの掘削面や、切羽鏡面の表面を測量し、表面形状のデータを取得する。レーザースキャナー10は、計測した点群データを管理装置20に出力する。レーザースキャナー10は、例えば、掘削面にコンクリートが一次吹付けされた後にコンクリートの吹付け面を測量し、表面形状のデータを取得する。また、レーザースキャナー10は、例えば、支保工が建て込まれコンクリートが支保工の表面を覆うように二次吹付けされた後にコンクリートの吹付け面の表面形状を測量し、表面形状のデータを取得する。 As shown in FIG. 2, the laser scanner 10 surveys the excavation surface of the tunnel and the surface of the face mirror when excavation is completed, for example, and obtains data on the surface shape. The laser scanner 10 outputs the measured point cloud data to the management device 20. The laser scanner 10 surveys the concrete sprayed surface after concrete is sprayed onto the excavation surface for the first time, for example, and obtains data on the surface shape. The laser scanner 10 also surveys the surface shape of the concrete sprayed surface after shoring is erected and concrete is sprayed for the second time to cover the surface of the shoring, for example, and obtains data on the surface shape.

管理装置20は、例えば、パーソナルコンピュータ(PC)、タブレット型端末装置、スマートフォン等の端末装置により実現される。管理装置20は、有線または無線によりレーザーセンサー11と通信可能に接続されている。 The management device 20 is realized by a terminal device such as a personal computer (PC), a tablet terminal device, a smartphone, etc. The management device 20 is connected to the laser sensor 11 in a wired or wireless manner so as to be able to communicate with the laser sensor 11.

図3に示されるように、管理装置20は、レーザーセンサー11から取得したデータに基づいて対象物の三次元形状を演算する演算部21と、演算部21の演算結果に基づいて生成される各種の情報を表示する表示部22と、各種データを記憶する記憶部23とを備える。 As shown in FIG. 3, the management device 20 includes a calculation unit 21 that calculates the three-dimensional shape of the object based on the data acquired from the laser sensor 11, a display unit 22 that displays various information generated based on the calculation results of the calculation unit 21, and a memory unit 23 that stores various data.

演算部21は、例えば、CPU(Central Processing Unit)などのハードウェアプロセッサがプログラム(ソフトウェア)を実行することにより実現される。これらの構成要素のうち一部または全部は、LSI(Large Scale Integration)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、GPU(Graphics Processing Unit)などのハードウェア(回路部;circuitryを含む)によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めHDD(Hard Disk Drive)やフラッシュメモリなどの記憶装置に格納されていてもよいし、DVDやCD-ROMなどの着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることでインストールされてもよい。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。 The calculation unit 21 is realized by, for example, a hardware processor such as a CPU (Central Processing Unit) executing a program (software). Some or all of these components may be realized by hardware (including circuitry) such as an LSI (Large Scale Integration), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a GPU (Graphics Processing Unit), or may be realized by a combination of software and hardware. The program may be stored in advance in a storage device such as an HDD (Hard Disk Drive) or flash memory, or may be stored in a removable storage medium such as a DVD or CD-ROM, and installed by inserting the storage medium into a drive device. The computer program may also be distributed to a computer via a communication line, and the computer that receives the distribution may execute the program.

演算部21は、レーザーセンサー11が対象物に対して三次元スキャンした計測データを取得する。演算部21は、取得したデータに基づいて、対象物の三次元形状の画像データを生成する。演算部21による計測原理の詳細な説明は特許文献1に記載されている。演算部21は、例えば、対象物の三次元形状の画像データや数値データを生成することの他に、記憶部23に記憶された設計データと計測データとを比較した管理情報を生成する。演算部21は、表示部22を制御して生成した画像データ等の表示内容を表示させる。 The calculation unit 21 acquires measurement data obtained by three-dimensionally scanning the object by the laser sensor 11. The calculation unit 21 generates image data of the three-dimensional shape of the object based on the acquired data. A detailed explanation of the measurement principle by the calculation unit 21 is described in Patent Document 1. For example, in addition to generating image data and numerical data of the three-dimensional shape of the object, the calculation unit 21 generates management information that compares the design data and measurement data stored in the memory unit 23. The calculation unit 21 controls the display unit 22 to display the display contents of the generated image data, etc.

表示部22は、演算部21により生成されたトンネル内の三次元形状の画像や管理情報を表示する。表示部22は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、LEDディスプレイ等の表示装置により実現される。 The display unit 22 displays an image of the three-dimensional shape inside the tunnel generated by the calculation unit 21 and management information. The display unit 22 is realized by a display device such as a liquid crystal display, an organic electroluminescence display, or an LED display.

記憶部23は、レーザーセンサー11により測量された測量データ、演算部により生成された画像データ、トンネルの設計事項を含む設計データ等を記録する。記憶部23は、HDDやフラッシュメモリ、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等の記憶装置である。 The memory unit 23 records the survey data measured by the laser sensor 11, the image data generated by the calculation unit, the design data including the design details of the tunnel, etc. The memory unit 23 is a storage device such as a HDD, flash memory, RAM (Random Access Memory), or ROM (Read Only Memory).

次に、トンネルの掘削を管理するトンネル施工管理方法について説明する。トンネル施工管理方法は、例えば、山岳トンネルの工事において適用される。山岳トンネルの施工では、地山を発破、機械または人力を用いて掘削した後、地山を支持するための支保工を構築して内部空間を保ちながら地山を掘り進めてトンネルを建設する。 Next, a tunnel construction management method for managing the excavation of a tunnel will be described. The tunnel construction management method is applied, for example, to the construction of mountain tunnels. In the construction of mountain tunnels, the ground is blasted and excavated using machinery or human power, and then supports are constructed to support the ground, and the ground is excavated while maintaining the internal space to build the tunnel.

この施工方法によれば、切羽を形成する掘削後から支保工の構築完了までの間は、切羽付近の地山が自立するという前提で施工が進められる。そのため、山岳トンネルの施工管理は、地山の崩落を防止するために掘削が行われた後の施工手順などを事前に十分に検討を行って設定する必要がある。 According to this construction method, construction is carried out on the assumption that the ground near the face will be self-sustaining from the time of excavation to form the face until construction of the support is completed. Therefore, construction management for mountain tunnels requires careful consideration in advance and the establishment of construction procedures after excavation to prevent the collapse of the ground.

図4に示されるように、施工対象のトンネルTは、最前部において掘削された切羽面T1が形成されている。切羽面T1の掘削方向に対して後方には、掘削面にコンクリートが吹付けられ、吹付コンクリートT2の層が形成される。 As shown in FIG. 4, the tunnel T to be constructed has an excavated face T1 at its front end. Behind the excavation direction of the face T1, concrete is sprayed onto the excavated face to form a layer of sprayed concrete T2.

図5に示されるように、トンネルTは、掘削面Kの表面に吹付コンクリートT2の層が形成される。吹付コンクリートT2の層には、例えば、地山に吹付けられる1次吹付けコンクリート、1次吹付けコンクリートの表面に組まれる支保工、支保工の表面に吹付けられる2次吹付けコンクリートが含まれる。次に、吹付コンクリートT2の層の表面を覆う覆工コンクリートT3の層が形成される。低強度地山のトンネル掘削では、トンネルTの底部には、掘削面Kの表面にインバート吹付コンクリートT4の層が形成された後、インバート吹付コンクリートT4の層の表面を覆うインバートコンクリートT5の層が形成される。また、トンネルTにおいて、地山に対して放射状に複数のロックボルトBが打ち込まれている。 As shown in FIG. 5, in tunnel T, a layer of sprayed concrete T2 is formed on the surface of excavation surface K. The layer of sprayed concrete T2 includes, for example, a first sprayed concrete sprayed onto the ground, a support structure assembled on the surface of the first sprayed concrete, and a second sprayed concrete sprayed onto the surface of the support structure. Next, a layer of lining concrete T3 is formed to cover the surface of the layer of sprayed concrete T2. In tunnel excavation in low-strength ground, a layer of invert shotcrete T4 is formed on the surface of excavation surface K at the bottom of tunnel T, and then a layer of invert concrete T5 is formed to cover the surface of the layer of invert shotcrete T4. In addition, in tunnel T, multiple rock bolts B are driven radially into the ground.

トンネルTの天端には、地山の表面からトンネル軸方向に向かって上方の所定角度をなして複数の鋼管フォアパイリングPが補助工法により打設されている。鋼管フォアパイリングPは、トンネル外周形状に沿って配列されている。鋼管フォアパイリングPには、シリカレジン等が圧力注入され、支保工までの掘削素掘り面の自立を確保している。 At the top of tunnel T, multiple steel pipe forepillings P are cast at a specified angle upward from the surface of the ground toward the tunnel axis using an auxiliary construction method. The steel pipe forepillings P are arranged along the outer periphery of the tunnel. Silica resin or the like is pressure-injected into the steel pipe forepillings P to ensure the independence of the excavated surface up to the support structure.

図6及び図7に示されるように、トンネルTにおいて、施工サイクルにおいて現れる掘削面の切羽において、施工管理システム1により吹付コンクリートT2の表面の形状が3次元施工される。管理装置20は、現在の吹付コンクリートT2の表面の形状の測量データと過去の吹付コンクリートT2の表面の形状の測量データとの差分に基づいて、(1)初期変形速度、(2)吹付け面出来形測量位置のトンネル変形、(3)今回掘進増分変形、を算出すると共に、(4)早期閉合増分変形のトンネル掘削影響とトンネル変形挙動特性を閾値に基づいて色分けされた色調表示を表示部に表示して可視化すると共に、トンネル変形挙動に対応させた次施工を選択する。以下、施工管理システム1に基づく具体的なトンネル施工管理方法について説明する。 As shown in Figures 6 and 7, in tunnel T, the surface shape of the sprayed concrete T2 is three-dimensionally constructed by the construction management system 1 at the face of the excavation surface that appears in the construction cycle. Based on the difference between the survey data of the surface shape of the current sprayed concrete T2 and the survey data of the surface shape of the past sprayed concrete T2, the management device 20 calculates (1) the initial deformation speed, (2) the tunnel deformation at the sprayed surface finished form survey position, and (3) the current excavation incremental deformation, and (4) visualizes the tunnel excavation impact of the early closing incremental deformation and the tunnel deformation behavior characteristics by displaying a color-coded display based on a threshold value on the display unit, and selects the next construction corresponding to the tunnel deformation behavior. Below, a specific tunnel construction management method based on the construction management system 1 will be described.

施工管理システム1により、トンネルTの施工サイクル毎に、切羽面T1において3次元の出来形測量が行われる。レーザースキャナー10は、トンネル中心であり且つ、切羽面T1から一掘進長後方に配置される。トータルステーション30は、レーザースキャナー10の後方に配置される。トータルステーション30は、複数の測点に設けられたターゲットに基づいて、測点の3次元の測量座標を計測する。トータルステーション30が計測するターゲットGは、レーザースキャナー10から最大7mの範囲内に3点が設けられ、レーザースキャナー10の3次元測量時に自動認識される。トータルステーション30は、レーザースキャナー10に測点の3次元の測量座標を送信する。 The construction management system 1 performs three-dimensional surveying of the tunnel face T1 for each construction cycle of the tunnel T. The laser scanner 10 is located at the center of the tunnel and one excavation length behind the tunnel face T1. The total station 30 is located behind the laser scanner 10. The total station 30 measures the three-dimensional surveying coordinates of the measurement points based on targets set at multiple measurement points. The targets G measured by the total station 30 are set at three points within a maximum range of 7 m from the laser scanner 10 and are automatically recognized during three-dimensional surveying by the laser scanner 10. The total station 30 transmits the three-dimensional surveying coordinates of the measurement points to the laser scanner 10.

トンネルTが2車線道路である場合、レーザースキャナー10は、切羽面T1と自体の後方20m(2D:Dは掘削幅)の範囲に対して3次元測量を行う。レーザースキャナー10は、10mの離れ位置で12.5mmの測点間隔において測量を行い、レーザースキャナー10の周辺のトンネル側部において約7mmの測点間隔において切羽面T1の3次元の出来形測量を行う。 When tunnel T is a two-lane road, laser scanner 10 performs three-dimensional surveying of the tunnel face T1 and an area 20 m behind it (2D: D is the excavation width). Laser scanner 10 performs surveying at a distance of 10 m with measurement points spaced 12.5 mm apart, and performs three-dimensional as-built surveying of tunnel face T1 with measurement points spaced approximately 7 mm apart on the side of the tunnel around laser scanner 10.

管理装置20は、レーザースキャナー10に基づく出来形測量に基づいて、トンネルTの変形挙動として、(1)初期変形速度、(2)吹付け面出来形測量位置のトンネル変形、(3)今回掘進増分変形、(4)早期閉合増分変位の各値を算出する。管理装置20は、例えば、今回測量した測点の点群データと前回測量した測点の点群データとの差を後述のコンクリート厚算定方法に基づいて算定する。管理装置20は、算出結果に基づいて表示画像を生成し、表示部22に閾値に基づいて色分けされた表示画像を色調表示する。コンクリート厚は以下の手法に基づいて算定される。 The management device 20 calculates the following values as deformation behavior of the tunnel T based on the completed form survey using the laser scanner 10: (1) initial deformation speed, (2) tunnel deformation at the sprayed surface completed form survey position, (3) current excavation incremental deformation, and (4) early closure incremental displacement. For example, the management device 20 calculates the difference between the point cloud data of the measurement point surveyed this time and the point cloud data of the measurement point surveyed previously based on the concrete thickness calculation method described below. The management device 20 generates a display image based on the calculation results, and displays the display image in a color-coded manner based on a threshold on the display unit 22. The concrete thickness is calculated based on the following method.

図8に示されるように、トンネルの施工対象領域において周方向の所定長(10cm)×延長方向の所定長(10cm)の矩形の仮想単位平面が定義される。仮想単位平面は、設計上の吹付け面上に設定される。仮想単位平面を基準としてレーザースキャナーによる3次元測量が行われる。測量は、掘削表面に対する測量と吹付けコンクリートを施工した後の表面に対する測量との少なくとも2回行われる。また、3次元測量は、後述のように掘削後の施工面や、コンクリートの表面の同じ位置に対して経時的に異なった時刻において2回以上行われる。 As shown in Figure 8, a rectangular virtual unit plane of a specified length (10 cm) in the circumferential direction by a specified length (10 cm) in the extension direction is defined in the construction area of the tunnel. The virtual unit plane is set on the sprayed surface in the design. Three-dimensional surveying is performed using a laser scanner with the virtual unit plane as a reference. Surveying is performed at least twice, once on the excavated surface and once on the surface after the sprayed concrete has been applied. In addition, three-dimensional surveying is performed more than twice at different times over time on the construction surface after excavation and on the same position on the concrete surface, as described below.

コンクリート吹付け面は、5~10mm程度の凹凸を有している。これに対して掘削面の地山は、地質により異なっているものの、同等程度の凹凸を有している。仮想単位平面内における吹付けコンクリート施工前の掘削面と施工後のコンクリートの表面に対して、レーザースキャナーを用いて5~12.5mmの間隔の格子点状に測量が行われる。測量により、仮想単位平面における吹付けコンクリート施工前と施工後のコンクリートの表面の3次元座標が集合した点群データが得られる。測量により得られた掘削面とコンクリート表面との点群データに基づいて、コンクリートの厚みが算出される。 The surface of the sprayed concrete has irregularities of about 5 to 10 mm. In contrast, the ground on the excavated surface has similar irregularities, although this differs depending on the geology. A laser scanner is used to survey the excavated surface before the sprayed concrete is applied and the surface of the concrete after application in a virtual unit plane, at grid points spaced 5 to 12.5 mm apart. The surveying produces point cloud data that is a collection of the three-dimensional coordinates of the surface of the concrete before and after the sprayed concrete is applied in the virtual unit plane. The thickness of the concrete is calculated based on the point cloud data of the excavated surface and the concrete surface obtained by the surveying.

コンクリートの吹付け厚は、レーザースキャナー10から測量面までの距離に比して小さいので仮想単位平面における点群データを平均化して算出する。仮想単位平面における点群データの平均値と、吹付けコンクリートの表面の点群データの平均値との差分を算出することにより、仮想単位平面の中心点におけるコンクリートの厚みの近似値が得られる。管理装置20は、測量で得られたコンクリート表面の点群データを3次元座標で表した画像を生成し表示部22に表示する。このとき管理装置20は、コンクリート表面の点群データを厚みの閾値に応じて色調を変化させて表示する。 Since the thickness of the sprayed concrete is small compared to the distance from the laser scanner 10 to the survey surface, it is calculated by averaging the point cloud data in the virtual unit plane. By calculating the difference between the average value of the point cloud data in the virtual unit plane and the average value of the point cloud data on the surface of the sprayed concrete, an approximation of the thickness of the concrete at the centre point of the virtual unit plane is obtained. The management device 20 generates an image in which the point cloud data of the concrete surface obtained by the survey is expressed in three-dimensional coordinates, and displays it on the display unit 22. At this time, the management device 20 displays the point cloud data of the concrete surface by changing the colour tone according to the thickness threshold value.

上記手法においては吹付けコンクリートの厚みについて説明しているが、これに限らず覆工コンクリートの厚みやインバートコンクリートの厚みも同様の手法を用いて算出し、表示部22に色調を変化させて表示することができる。 The above method describes the thickness of the sprayed concrete, but the thickness of the lining concrete and the invert concrete can also be calculated using a similar method and displayed on the display unit 22 by changing the color tone.

次に、トンネルTの初期変形速度の算出方法について説明する。管理装置20は、掘削サイクルの前回に測定した測点(i-1)におけるコンクリート吹付け面の点群データP(i-1)と、前回と同じ位置において今回測定した測点(i)における点群データP(i)を用いて、仮想単位平面中心から離間した距離の平均値をそれぞれ算出し、前回の測量における表面位置と今回の測量における表面位置をそれぞれ算出する。 Next, a method for calculating the initial deformation speed of tunnel T will be described. The management device 20 uses point cloud data P(i-1) of the concrete sprayed surface at measurement point (i-1) measured last time in the excavation cycle and point cloud data P(i) at measurement point (i) measured this time at the same position as last time to calculate the average value of the distance from the center of the virtual unit plane, and calculates the surface position in the previous survey and the surface position in the current survey.

管理装置20は、前回の測量における表面位置と今回の測量における表面位置との差分に基づいて初期変形速度を算出する。管理装置20は、算出した初期変形速度をコンクリート表面の点群データにプロットした画像を生成し、表示部22に表示する。管理装置20は、例えば、初期変形速度を予め設定された閾値に応じて色調を変化させて表示する。管理装置20は、表1に示すように閾値に対応して設定された次施工の対応を表示部22に表示する。

Figure 0007623232000001
The management device 20 calculates the initial deformation speed based on the difference between the surface position in the previous survey and the surface position in the current survey. The management device 20 generates an image in which the calculated initial deformation speed is plotted on the point cloud data of the concrete surface, and displays it on the display unit 22. For example, the management device 20 displays the initial deformation speed by changing the color tone according to a preset threshold value. The management device 20 displays on the display unit 22 the response to the next construction set in correspondence with the threshold value as shown in Table 1.
Figure 0007623232000001

次に、吹付け面出来形測量位置のトンネル変形の算出方法について説明する。管理装置20は、掘削サイクルにおける前回、前々回まで測量された測点(i-1,i-2,i-3,・・・・)におけるコンクリートの吹付け面において取得された点群データP(i-1,i-2,i-3,・・・・)と、今回、前回まで測量された同じ位置の測点(i-1,i-2,i-3,・・・・)とにおいて取得された点群データP(i)を用いて、仮想単位平面の中心からそれぞれの離間した距離の平均値を算出する。管理装置20は、それぞれの平均値の差分に基づいて吹付け面出来形測量位置のトンネル変形を算出する。管理装置20は、例えば、吹付け面出来形測量位置のトンネル変形を予め設定された閾値に応じて色調を変化させて表示する。管理装置20は、表2に示すように閾値に対応して設定された次施工の対応を表示部22に表示する。

Figure 0007623232000002
Next, a method for calculating the tunnel deformation at the sprayed surface completed survey position will be described. The management device 20 calculates the average value of the distances from the center of the virtual unit plane using point cloud data P(i-1, i-2, i-3, . . .) acquired at the sprayed surface of the concrete at the measurement points (i-1, i-2, i-3, . . .) surveyed up to the previous time in the excavation cycle and point cloud data P(i) acquired at the same position (i-1, i-2, i-3, . . .) surveyed up to the previous time. The management device 20 calculates the tunnel deformation at the sprayed surface completed survey position based on the difference between the respective average values. For example, the management device 20 changes the color tone of the tunnel deformation at the sprayed surface completed survey position according to a preset threshold value and displays it. The management device 20 displays the response of the next construction set corresponding to the threshold value on the display unit 22 as shown in Table 2.
Figure 0007623232000002

次に、トンネルの今回掘進増分変形の算出方法について説明する。管理装置20は、前回測量された測点(i-1)において取得された点群データP(i-1)と、今回測量された測点(i)の前回と同じ位置から後方の点群データP(i)とを用いて、仮想単位平面の中心から離間した距離の平均値を算出する。管理装置20は、それぞれの離間した距離の平均値の差分に基づいて今回掘進増分変形を算出する。管理装置20は、今回掘進増分変形を予め設定された閾値に応じて色調を変化させて表示する。管理装置20は、表3に示すように、閾値に対応して設定された工法を表示部22に表示する。

Figure 0007623232000003
Next, a method for calculating the current tunnel excavation incremental deformation will be described. The management device 20 calculates the average value of the distance from the center of the virtual unit plane using the point cloud data P(i-1) acquired at the previously surveyed measurement point (i-1) and the point cloud data P(i) rearward from the same position as the previous time of the currently surveyed measurement point (i). The management device 20 calculates the current excavation incremental deformation based on the difference between the average values of the respective distances. The management device 20 displays the current excavation incremental deformation by changing the color tone according to a preset threshold value. The management device 20 displays the construction method set corresponding to the threshold value on the display unit 22 as shown in Table 3.
Figure 0007623232000003

次に、早期閉合増分変形の算出方法について説明する。管理装置20は、早期閉合されたコンクリート吹付け面の全断面における測点(aa)の点群データP(2)と、早期閉合前の全断面における測点の点群データP(1)を用いて、仮想単位平面の中心から離間した距離の平均値を算出する。管理装置20は、それぞれの離間した距離の平均値の差分に基づいて早期閉合増分変形を算出する。管理装置20は、表4に示すように早期閉合増分変形を予め設定された閾値に応じて色調を変化させて表示する。

Figure 0007623232000004
管理装置20は、閾値に対応して設定された工法を表示部22に表示する。 Next, a method for calculating the early closure incremental deformation will be described. The management device 20 calculates the average value of the distance from the center of the virtual unit plane using point cloud data P(2) of the measurement point (aa) in the entire cross section of the early closed concrete sprayed surface and point cloud data P(1) of the measurement point in the entire cross section before early closure. The management device 20 calculates the early closure incremental deformation based on the difference between the average values of the respective distances. The management device 20 displays the early closure incremental deformation by changing the color tone according to a preset threshold value as shown in Table 4.
Figure 0007623232000004
The management device 20 displays on the display unit 22 the construction method set in accordance with the threshold value.

図9に示されるように、以降のトンネル掘削の施工において、トンネル掘削による増分変形は、早期閉合の有無にかかわらず、上記の今回掘削増分変形として確認、評価される(表4)。

Figure 0007623232000005
As shown in Fig. 9, in the subsequent tunnel excavation construction, the incremental deformation due to tunnel excavation is confirmed and evaluated as the current excavation incremental deformation described above, regardless of whether early closure occurs or not (Table 4).
Figure 0007623232000005

次にトンネル施工管理方法の処理の流れを説明する。レーザースキャナー10の3次元測量の対象となる施工面は、地山の掘削面と掘削面に施工されたコンクリートの表面とを含む。コンクリートの表面とは、吹付けコンクリートの表面、覆工コンクリートの表面、インバートコンクリートの表面等、掘削面に施工されたコンクリートの表面を含む。 Next, the processing flow of the tunnel construction management method will be explained. The construction surface that is the subject of 3D surveying by the laser scanner 10 includes the excavation surface of the natural ground and the surface of the concrete applied to the excavation surface. The concrete surface includes the surface of concrete applied to the excavation surface, such as the surface of sprayed concrete, the surface of lining concrete, and the surface of invert concrete.

図10は、トンネル施工管理方法の処理各工程の流れが示されている。レーザースキャナー10を用いてトンネルの掘削後の施工面における複数の測点の3次元座標を異なる時刻において少なくとも2回の測量を行う(ステップS10)。この測量においては、管理装置20により、トンネルTにおいて周方向の所定長と延長方向の所定長に基づいて設定された仮想単位平面に対応する施工面において測量された複数の3次元座標の平均値を算出し、更に平均値の経時的な差分を算出することで、コンクリート厚や、コンクリートの表面の経時的な移動量が算出される。即ち、管理装置20は、測量において取得されたデータの差分に基づいて、トンネルTの変形挙動を算出する(ステップS12)。 Figure 10 shows the flow of each process of the tunnel construction management method. Using a laser scanner 10, the three-dimensional coordinates of multiple measurement points on the construction surface after excavation of the tunnel are measured at least twice at different times (step S10). In this measurement, the management device 20 calculates the average value of multiple three-dimensional coordinates measured on the construction surface corresponding to a virtual unit plane set based on a predetermined circumferential length and a predetermined extension length of the tunnel T, and further calculates the difference in the average value over time to calculate the concrete thickness and the amount of movement of the concrete surface over time. In other words, the management device 20 calculates the deformation behavior of the tunnel T based on the difference in the data acquired in the measurement (step S12).

次に、管理装置20は、トンネルの3次元画像を生成し、3次元画像に対してデータの差分の大きさに応じて段階的に設定された閾値に応じた色彩を用いた表示画像を重ね合わせて表示する(ステップS14)。管理者は、表示部22に表示された画像に基づいてリアルタイムにトンネルTの変形挙動を把握することができる。次に管理装置20は、変形挙動の閾値に応じた施工方法を表示する(ステップS16)。管理者は、変形挙動の状態に応じて表示部22に表示された施工方法を選択し、選択した施工方法をトンネルTに施工する(ステップS18)。 Next, the management device 20 generates a three-dimensional image of the tunnel, and overlays a display image using colors corresponding to thresholds that are set in stages according to the magnitude of the difference in data on the three-dimensional image (step S14). The administrator can grasp the deformation behavior of the tunnel T in real time based on the image displayed on the display unit 22. Next, the management device 20 displays a construction method corresponding to the threshold value of the deformation behavior (step S16). The administrator selects the construction method displayed on the display unit 22 according to the state of the deformation behavior, and constructs the tunnel T using the selected construction method (step S18).

管理者は、表示部22に表示された施工方法を選択することで、トンネルのリアルタイムの変形挙動に応じた適切な施工方法を早急に施工することができる。
上記各ステップは、所定のトンネル掘削サイクル毎に行われる。
By selecting a construction method displayed on the display unit 22, the manager can quickly carry out construction using an appropriate construction method that corresponds to the real-time deformation behavior of the tunnel.
The above steps are performed for each predetermined tunnel excavation cycle.

上述したように、トンネル施工管理方法によれば、レーザースキャナーを用いた3次元測量に基づいて、管理装置20により地山の変形に関する評価項目を可視化してリアルタイム表示することができる。また、トンネル施工管理方法によれば、管理装置20により地山の変形の状態に応じた対策となる工法をリアルタイムで表示することができる。 As described above, according to the tunnel construction management method, the management device 20 can visualize and display in real time evaluation items related to ground deformation based on three-dimensional surveying using a laser scanner. In addition, according to the tunnel construction management method, the management device 20 can display in real time construction methods that serve as countermeasures according to the state of ground deformation.

トンネル施工管理方法によれば、管理装置20は、トンネル掘削影響とトンネル変形挙動特性の(1)初期変形速度、(2)吹付け面出来形測量位置のトンネル変形、(3)今回掘進増分変形、(4)早期閉合増分変形閾値が色調を用いて可視化された画像により表示すると共に、対策となる工法を表示することができる。トンネル施工管理方法によれば、管理装置20による表示内容に基づいて、地山性状とトンネル変形挙動に対応して次に施工する工法をリアルタイムに選択できる。トンネル施工管理方法によれば、管理装置20による表示内容に基づいて、測量結果に基づくトンネル変形挙動に対応した施工を適切に選択することができる。 According to the tunnel construction management method, the management device 20 can display the tunnel excavation impact and tunnel deformation behavior characteristics (1) initial deformation speed, (2) tunnel deformation at the sprayed surface finished form survey position, (3) current excavation incremental deformation, and (4) early closure incremental deformation threshold in an image visualized using color tones, as well as display a construction method to be used as a countermeasure. According to the tunnel construction management method, the next construction method to be used in response to the ground properties and tunnel deformation behavior can be selected in real time based on the display content by the management device 20. According to the tunnel construction management method, the construction method that corresponds to the tunnel deformation behavior based on the survey results can be appropriately selected based on the display content by the management device 20.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、トンネル施工管理方法は、山岳トンネルの施工を例示したが、山岳トンネル以外のトンネルの施工に適用してもよい。また、上記実施形態において例示した測量方法は、1例であり同様の結果が得られるのであれば他の測量機器、方法が用いられてもよい。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the invention. For example, the tunnel construction management method has been exemplified for the construction of mountain tunnels, but it may also be applied to the construction of tunnels other than mountain tunnels. In addition, the surveying method exemplified in the above embodiment is just one example, and other surveying equipment and methods may be used as long as similar results are obtained.

1 施工管理システム
10 レーザースキャナー
11 レーザーセンサー
12 本体部
20 管理装置
21 演算部
22 表示部
23 記憶部
30 トータルステーション
B ロックボルト
G ターゲット
K 掘削面
P 鋼管フォアパイリング
T トンネル
T1 切羽面
T2 吹付コンクリート
T3 覆工コンクリート
T4 インバート吹付コンクリート
T5 インバートコンクリート
Reference Signs List 1 Construction Management System 10 Laser Scanner 11 Laser Sensor 12 Main Unit 20 Management Device 21 Calculation Unit 22 Display Unit 23 Memory Unit 30 Total Station B Rock Bolt G Target K Excavation Surface P Steel Pipe Forepiling T Tunnel T1 Face T2 Sprayed Concrete T3 Lining Concrete T4 Invert Sprayed Concrete T5 Invert Concrete

Claims (4)

トンネルの掘削後の施工面における複数の測点の3次元座標を異なる時刻において少なくとも2回の測量を行う工程と、
前記測量において取得されたデータの差分に基づいて、前記トンネルの変形挙動を算出する工程と、
前記トンネルの3次元画像に前記変形挙動に対して設定された閾値に応じた表示画像を重ね合わせて表示する工程と、
前記変形挙動の状態に応じた施工方法を表示する工程と、を備え
前記変形挙動の特性として、初期変形速度、吹付け面出来形測量位置のトンネル変形、トンネルの今回掘進増分変形、および早期閉合増分変形のそれぞれについて閾値を設定し、当該閾値に応じて色調を変化させて表示することを特徴とする、
トンネル施工管理方法。
A step of measuring three-dimensional coordinates of a plurality of measurement points on a construction surface after excavation of a tunnel at least twice at different times;
calculating a deformation behavior of the tunnel based on a difference between the data acquired in the survey;
A step of superimposing a display image corresponding to a threshold value set for the deformation behavior on the three-dimensional image of the tunnel and displaying the display image;
and displaying a construction method according to the state of the deformation behavior ,
As the characteristics of the deformation behavior, threshold values are set for the initial deformation speed, the tunnel deformation at the position of the sprayed surface completed form survey, the current tunnel excavation incremental deformation, and the early closing incremental deformation, and the color tone is changed according to the threshold value .
Tunnel construction management methods.
前記施工面は、地山の掘削面と掘削面に施工されたコンクリートの表面とを含み、
前記トンネルの変形挙動を算出する工程は、
トンネルにおいて周方向の所定長と延長方向の所定長に基づいて設定された仮想単位平面に対応する前記施工面において複数の3次元座標を計測する工程と、
前記複数の3次元座標の平均値を算出する工程と、
前記平均値の経時的な差分を算出する工程と、を備えることを特徴とする、
請求項1に記載のトンネル施工管理方法。
The construction surface includes an excavation surface of the natural ground and a surface of concrete constructed on the excavation surface,
The step of calculating the deformation behavior of the tunnel includes:
A step of measuring a plurality of three-dimensional coordinates on the construction surface corresponding to a virtual unit plane set based on a predetermined length in a circumferential direction and a predetermined length in an extension direction of the tunnel;
calculating an average value of the plurality of three-dimensional coordinates;
and calculating a difference in the average value over time.
A tunnel construction management method according to claim 1.
前記閾値は、前記差分の大きさに応じて段階的に設定されていることを特徴とする、
請求項2に記載のトンネル施工管理方法。
The threshold value is set in stages according to the magnitude of the difference.
A tunnel construction management method according to claim 2.
前記変形挙動の状態に応じて表示された前記施工方法を選択し、前記施工方法を前記トンネルに施工することを特徴とする、
請求項1から3のうちいずれか1項に記載のトンネル施工管理方法。
The construction method displayed according to the state of the deformation behavior is selected, and the construction method is applied to the tunnel.
A tunnel construction management method according to any one of claims 1 to 3.
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