JP7623240B2

JP7623240B2 - 山留め壁変位算出装置、山留め壁変位算出方法、及びプログラム

Info

Publication number: JP7623240B2
Application number: JP2021111992A
Authority: JP
Inventors: 直寛濁川; 美治浅香
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2021-07-06
Filing date: 2021-07-06
Publication date: 2025-01-28
Anticipated expiration: 2041-07-06
Also published as: JP2023008432A

Description

本発明は、地盤の掘削管理のための山留め壁変位算出装置、山留め壁変位算出方法、及びプログラムに関する。

地盤の垂直な掘削面には、崩落を防止するために山留め壁が施工される。山留め壁をリアルタイムに管理するため、例えば、特許文献１に記載された計測システムが知られている。この計測システムによれば、山留め壁に設けられた傾斜計から取得した傾斜角データに測点間距離を乗じて水平変位量に変換し、山留め下端から逐次上方に累積することで、山留め壁の水平変位分布を求めている。

特開２０２０－１９７０８２号公報

特許文献１に記載された技術によれば、山留め壁の傾斜角を計則するために、3軸MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度センサ（以下、加速度センサ）を用いている。加速度センサは、例えば、山留め芯材に取り付けられ、山留め壁の振動を検出する。加速度センサの検出値には、地盤の常時微動だけでなくその他の外的要因（交通振動、工事振動など）が計測時間帯に依らず常に含まれている（図５及び図９参照）。加速度センサの検出値を用いて山留め壁の変位を計算する場合、外的要因に基づく振動の影響を除外した真値を用いることが理想的である。

しかしながら特許文献１に記載された技術によれば、山留め壁の変位を計算する際に加速度の検出データを計算用に抜き出す場合、抜き出すデータの時間スパンによって実際に山留め壁が変位していない状況において、変位が算出されてしまう可能性がある。

本発明は、山留め壁の変位を正確に算出することができる山留め壁変位算出装置、山留め壁変位算出方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、掘削された壁面に設けられた山留め壁の３軸方向の振動を検出する検出部と、検出データに基づいて、所定時間間隔のデータ単位を複数個生成し、各前記データ単位の正規分布における外れ値の閾値を超えるデータを除外する第１フィルタ処理を行い、前記第１フィルタ処理が行われた各前記データ単位の平均値を算出し昇順に並び替え、少なくとも前記平均値の最大値及び最小値の前記データ単位を除外する第２フィルタ処理を行い、前記第２フィルタ処理後の複数の前記データ単位の平均値を前記山留め壁の加速度として算出し、前記加速度に基づいて、前記山留め壁の変位を算出する演算部と、を備える山留め壁変位算出装置である。

本発明によれば、山留め壁の変位の算出において、検出データに第１フィルタ処理及び第２フィルタ処理を行うことで、検出部の検出データからノイズを除去し算出結果の精度を向上することができる。

また、本発明の前記閾値は、前記正規分布の標準偏差σに対してプラスマイナス１．３σであってもよい。

本発明によれば、第１フィルタ処理において閾値を超えるデータを除去することにより、検出データからノイズを除去することができる。

また、本発明の前記第２フィルタ処理は、前記最大値及び前記最小値の前記データ単位を除外してもよい。

本発明によれば、第２フィルタ処理においてノイズの影響が大きいデータ単位を除外することで、算出結果の精度を向上することができる。

また、本発明の前記第２フィルタ処理は、前記最大値側の２個の前記データ単位及び前記最小値側の２個の前記データ単位を除外してもよい。

本発明によれば、第２フィルタ処理においてノイズの影響が大きいデータ単位を除外する数を増やすことで、算出結果の精度を向上することができる。

本発明の一態様は、掘削された壁面に設けられた山留め壁の３軸方向の振動を検出する工程と、検出データに基づいて、所定時間間隔のデータ単位を複数個生成する工程と、各前記データ単位の正規分布における外れ値の閾値を超えるデータを除外する第１フィルタ処理を行う工程と、前記第１フィルタ処理が行われた各前記データ単位の平均値を算出し昇順に並び替え、少なくとも前記平均値の最大値及び最小値の前記データ単位を除外する第２フィルタ処理を行う工程と、前記第２フィルタ処理後の複数の前記データ単位の平均値を前記山留め壁の加速度として算出する工程と、前記加速度に基づいて、前記山留め壁の変位を算出する工程と、を備える山留め壁変位算出方法である。

本発明によれば、山留め壁の変位の算出において、検出データに第１フィルタ処理及び第２フィルタ処理を行うことで、検出データからノイズを除去し算出結果の精度を向上することができる。

本発明の一態様は、コンピュータに、掘削された壁面に設けられた山留め壁の変位を算出させるプログラムであって、前記山留め壁の３軸方向の振動の検出データに基づいて、所定時間間隔のデータ単位を複数個生成させ、各前記データ単位の正規分布における外れ値の閾値を超えるデータを除外する第１フィルタ処理を行わせ、前記第１フィルタ処理が行われた各前記データ単位の平均値を算出し昇順に並び替え、少なくとも前記平均値の最大値及び最小値の前記データ単位を除外する第２フィルタ処理を行わせ、前記第２フィルタ処理後の複数の前記データ単位の平均値を前記山留め壁の加速度として算出させ、前記加速度に基づいて、前記山留め壁の変位を算出させる。

本発明によれば、山留め壁の変位の算出させるプログラムが算出結果の精度を向上させることができる。

本発明によれば、山留め壁の変位を正確に算出することができることができる。

本発明の実施形態に係る山留め壁変位算出装置の構成を示すブロック図である。山留め壁に設けられた検出部の状態を示す図である。加速度センサの検出方向と重力の作用方向との関係を示す図である。山留め壁の変位算出方法を示す図である。工事の稼働時間帯の加速度波形を示す図である。工事の稼働時間帯以外の時間帯の加速度波形を示す図である。図５の加速度波形の一部を拡大した図である。図５の加速度波形の一部を拡大した図である。図５の加速度波形の一部を拡大した図である。図５の加速度波形の一部を拡大した図である。検出データを正規Ｑ－Ｑプロットした結果を示す図である。検出データを正規Ｑ－Ｑプロットした結果を示す図である。山留め壁変位算出方法の各工程を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る山留め壁変位算出装置の実施形態について説明する。

図１及び図２に示されるように、山留め壁変位算出装置１は、山留め壁２の変位を端末装置１０が算出する。山留め壁２は、例えば、地山Ｅを鉛直方向に掘削した掘削面の崩壊や湧水を防止するために設けられる壁面である。山留め壁２には、例えば、鉛直方向に沿って複数の検出部３が所定の間隔（例えば、ｌ）毎に取り付けられている。検出部３は、例えば、掘削された壁面に設けられた山留め壁２の３軸方向の振動を検出する。検出部３には、例えば、３軸ＭＥＭＳ加速度センサ（以下、適宜加速度センサと呼ぶ）が用いられる。加速度センサは、３軸方向の加速度を検出する。複数の検出部３により検出された検出データは、端末装置１０に出力される。

端末装置１０は、山留め壁２に取り付けられた検出部３から出力されるセンサ値のデータを取得し、データを解析して山留め壁２の変位を算出する。端末装置１０は、パーソナルコンピュータ、タブレット型端末、スマートフォン等の情報処理端末である。端末装置１０は、検出部３から出力されたデータを直接或いはネットワーク（不図示）を介して取得する。

端末装置１０において、例えば、検出部３から出力された検出データが記憶部１２に記憶される。記憶部１２は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、フラッシュメモリ等の記憶媒体により構成されている。記憶部１２は、端末装置１０と別体に設けられていてもよい。記憶部１２に記憶された検出データは、演算部１１に読み出される。

演算部１１は、検出データに基づいて各種の演算処理を行う。演算部１１は、演算処理において、記憶部１２から検出データを読み出すと共に、演算処理に必要な他のデータやプログラムを読み出し、演算処理を実行する。演算部１１の算出結果は、表示部１３に表示される。表示部１３は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等の表示装置により構成されている。表示部１３は、端末装置１０と別体に設けられていてもよい。表示部１３は、スマートフォン、タブレット型端末により構成されていてもよい。

図３に示されるように、演算部１１は、検出部３の検出データに基づいて、重力の作用方向と、水平方向の加速度を検出することで検出部３の現在の位置の傾斜角を算出する。図示する三次元直交座標系において、加速度センサがy軸周りを回転するときの加速度センサによって検出される加速度値をa_ｘとすると、y軸回りの傾斜角θ_yは次式（１）で計算される。
θ_ｙ＝ｓｉｎ^－１（α_ｘ／１Ｇ）（１）

この傾斜角θ_yに基点（山留め壁２の下端）からの距離lを乗じることで、センサ位置の水平変位δ_xは次式で計算される。なお、「１Ｇ」は、地球に加わる重力加速度である。
δ_ｘ＝ｌ・ｓｉｎθ_ｙ（２）

よって、検出される加速度α_ｘ、検出部３間の距離ｌ、および測点の水平変位量δ_ｘの相関関係は、θが十分に小さい場合の近似式ｓｉｎθ=θとすると、式（１）と式（２）とを用いて次式（３）で表される。
ｌ＝δ_ｘ・（１Ｇ／α_ｘ）（３）

図４に示されるように、山留め壁２の最下部の起点となる測点Ｐ_１から設置間隔ｌ離れた２番目の検出部３の水平変位量をδ_１とする。測点Ｐ_１から設置間隔ｌ×ｎ離れた（ｎ＋１）番目の検出部３の測点Ｐ_ｎ＋１において、水平変位量はδ_ｎである。そうすると、測点Ｐ_ｎ＋１における水平変位量δ_ｎは、次式（４）で示される。
δ_ｎ＝ｌ（θ_１＋θ_２＋…＋θ_ｎ－１＋θ_ｎ）（４）
但し、基準線：Ｐ_１を通る鉛直方向の直線、θ_ｎ：基準線に対する傾斜角、δ_ｎ：基準線に対する変位、ｌ：測点間距離である。

加速度センサは様々な外的要因によって常に変動する加速度値を検出する。従って、上記計算において、実際の検出部３の変位に基づいて生じた加速度以外の加速度が含まれ、誤差が生じる。上記計算において重力の作用方向を決定するため、理想的には振動の影響を含まないa_z方向の加速度値の計測値（以下、真値）を得ることが望ましい。

図５には、工事の稼働時間帯の加速度波形が示されている。図６には、工事の稼働時間帯以外の時間帯の加速度波形が示されている。図示するように、工事の稼働時間帯において検出部３の検出データには、地盤の常時微動やその他の外的要因（交通振動、工事振動など）によって、計測時間帯に依らず常に振動が検出されている。

図７には、図５における工事の稼働時間帯において２１１秒を始点とした加速度波形から抽出した０．６２５秒間（７．８１２５ｍｓ×８０プロット）の波形が示されている。図８には、図５における工事の稼働時間帯において２３０秒を始点とした加速度波形から抽出した０．６２５秒間（７．８１２５ｍｓ×８０プロット）の波形が示されている。図７においてサンプリングされた時間帯Ａに対して、図８においてサンプリングされた時間帯Ｂには、外的要因によるスパイクノイズが多く含まれている。

山留め壁２の変位の計算に用いる加速度の代表値として加速度波形の単純平均をとると、図７の時間帯Ａの平均値は、μ１＝０．００４７２５であり、図８の時間帯Ｂの平均値は、μ２＝０．００４３９５である。上記の通り、加速度の計算用に抽出する時間帯によっては、実際に山留め壁２が変位していなくても、変位が計算上現れる可能性がある。

図９には、図５における工事の稼働時間帯の加速度波形から０秒を始点とした６０秒間（７．８１２５ｍｓ×７６８０プロット）の波形を抽出した結果が示されている。図１０には、図５における工事の稼働時間帯の加速度波形から１７０秒を始点とした６０秒間（７．８１２５ｍｓ×７６８０プロット）の波形を抽出した結果が示されている。

図１１及び図１２には、データの正規性を正規Ｑ－Ｑプロットした結果が示されている。正規Ｑ－Ｑプロットには、観測値が正規分布に従う場合において、観測値そのものに対する期待値が示されている。正規Ｑ－Ｑプロットにおいては、プロットが一直線上に並んだ場合、観測値は正規分布に従っている傾向がある。図示するように、図１１及び図１２の正規Ｑ－Ｑプロットには、直線分布からずれる明確な変曲点が現れている。

そこで、変位の算出において、正規分布から外れた変曲点の外側のデータを「外れ値」に設定し、変位計算に影響しないように外れ値を除外する第１フィルタを設定する。第１フィルタは、標準偏差σに対してμ±１．３σから外れるデータ（全データの上下１０％、即ち全体の２０％）を除外する。第１フィルタ処理を行うと、スパイクノイズ（図５、図９、図１０参照）が除去される。なお、第１フィルタの処理後のデータは、正規性が担保されていても、外的要因の影響が大きい時間帯を意図せず抽出した場合、平均値そのものが真値から大きく外れてしまう虞がある。そこで、第１フィルタ処理後のデータに対して以下に示す第２フィルタ処理を行う。

演算部１１は、例えば、検出データに基づいて、６０秒間等の連続した所定時間間隔のデータ単位を生成する。なお、データ単位あたりのデータ数は統計学上１０００個以上が望ましいため、サンプリング間隔は０．０６ｓ以下とする。演算部１１は、時間的に連続するように複数個（例えば１０個）のデータ単位を生成する。演算部１１は、各データ単位の正規分布における外れ値の閾値を超えるデータを除外する第１フィルタ処理を行う。閾値は、標準偏差σに対してプラスマイナス１．３σである。

第２フィルタは、例えば、以下の各工程により処理される。演算部１１は、第１フィルタ処理が行われた複数のデータ単位の各平均値を算出し、各データ単位を平均値に基づいて昇順に並び替える。演算部１１は、並び替えた複数のデータ単位のうち、少なくとも最大値及び最小値のデータ単位を除外する。演算部１１は、例えば、並び替えた複数のデータ単位の最大側および最小側から１個または２個を除外する。演算部１１は、残りの複数のデータ単位のうち、８個または６個の平均値に基づいて、再度平均値を算出する。演算部１１は、第２フィルタ処理後の複数のデータ単位の平均値を山留め壁の加速度として算出する。

図には、山留め壁変位算出方法の各工程が示されている。検出部３は、掘削された壁面に設けられた山留め壁２の３軸方向の振動を検出する（ステップＳ１００）。演算部１１は、検出データに基づいて、所定時間間隔のデータ単位を複数個生成する（ステップＳ１０２）。演算部１１は、各データ単位の正規分布における外れ値の閾値を超えるデータを除外する第１フィルタ処理を行う（ステップＳ１０４）。演算部１１は、第１フィルタ処理が行われた各データ単位の平均値を算出し昇順に並び替え、少なくとも平均値の最大値及び最小値のデータ単位を除外する第２フィルタ処理を行う（ステップＳ１０６）。

演算部１１は、第２フィルタ処理後の複数のデータ単位の平均値を山留め壁２の加速度として算出する（ステップＳ１０８）。演算部１１は、加速度に基づいて、山留め壁２の変位を算出する（ステップＳ１１０）。

上述したように、山留め壁変位算出装置１によれば、３軸ＭＥＭＳ加速度センサを用いた山留め壁２の変位の算出において、検出データに第１フィルタ処理及び第２フィルタ処理を行うことで、ノイズを除去し算出結果の精度を向上することができる。山留め壁変位算出装置１によれば、３軸ＭＥＭＳ加速度センサを用いることにより、計測にかかるコストを低減することができる。

上述した演算部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することで実現される。これらの各機能部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）等のハードウェア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、予め記憶部１２が有する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記憶装置にインストールされてもよい。

プログラムは、端末装置１０等のコンピュータに、掘削された壁面に設けられた山留め壁２の変位を算出させる。プログラムは、山留め壁２の３軸方向の振動の検出データに基づいて、所定時間間隔のデータ単位を複数個生成させ、各データ単位の正規分布における外れ値の閾値を超えるデータを除外する第１フィルタ処理を行わせ、第１フィルタ処理が行われた各データ単位を昇順に並び替え、少なくとも最大値及び最小値のデータ単位を除外する第２フィルタ処理を行わせ、第２フィルタ処理後の複数のデータ単位の平均値を山留め壁２の加速度として算出させ、加速度に基づいて、山留め壁２の変位を算出させる。

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、端末装置１０は、ネットワークを介して接続されたサーバ装置であってもよく、ネットワークを介して算出結果を提供してもよい。

１山留め壁変位算出装置
２山留め壁
３検出部
１１演算部

Claims

掘削された壁面に設けられた山留め壁の３軸方向の振動を検出する検出部と、
検出データに基づいて、所定時間間隔のデータ単位を複数個生成し、各前記データ単位の正規分布における外れ値の閾値を超えるデータを除外する第１フィルタ処理を行い、前記第１フィルタ処理が行われた各前記データ単位の平均値を算出し昇順に並び替え、少なくとも前記平均値の最大値及び最小値の前記データ単位を除外する第２フィルタ処理を行い、前記第２フィルタ処理後の複数の前記データ単位の平均値を前記山留め壁の加速度として算出し、前記加速度に基づいて、前記山留め壁の変位を算出する演算部と、を備える、
山留め壁変位算出装置。
前記閾値は、前記正規分布の標準偏差σに対してプラスマイナス１．３σである、
請求項１に記載の山留め壁変位算出装置。
前記第２フィルタ処理は、前記最大値及び前記最小値の前記データ単位を除外する、
請求項１または２に記載の山留め壁変位算出装置。
前記第２フィルタ処理は、前記最大値側の２個の前記データ単位及び前記最小値側の２個の前記データ単位を除外する、
請求項１または２に記載の山留め壁変位算出装置。
掘削された壁面に設けられた山留め壁の３軸方向の振動を検出する工程と、
検出データに基づいて、所定時間間隔のデータ単位を複数個生成する工程と、
各前記データ単位の正規分布における外れ値の閾値を超えるデータを除外する第１フィルタ処理を行う工程と、
前記第１フィルタ処理が行われた各前記データ単位の平均値を算出し昇順に並び替え、少なくとも前記平均値の最大値及び最小値の前記データ単位を除外する第２フィルタ処理を行う工程と、
前記第２フィルタ処理後の複数の前記データ単位の平均値を前記山留め壁の加速度として算出する工程と、
前記加速度に基づいて、前記山留め壁の変位を算出する工程と、を備える、
山留め壁変位算出方法。
コンピュータに、掘削された壁面に設けられた山留め壁の変位を算出させるプログラムであって、
前記山留め壁の３軸方向の振動の検出データに基づいて、所定時間間隔のデータ単位を複数個生成させ、
各前記データ単位の正規分布における外れ値の閾値を超えるデータを除外する第１フィルタ処理を行わせ、
前記第１フィルタ処理が行われた各前記データ単位の平均値を算出し昇順に並び替え、少なくとも前記平均値の最大値及び最小値の前記データ単位を除外する第２フィルタ処理を行わせ、
前記第２フィルタ処理後の複数の前記データ単位の平均値を前記山留め壁の加速度として算出させ、
前記加速度に基づいて、前記山留め壁の変位を算出させる、
プログラム。