JP7660972B2 - 基準球の設置装置および基準球システム - Google Patents

Description

本発明は、支持部上に基準球を設置するための装置および基準球システムに関する。

発破によるトンネル掘削工事では、発破により発生したズリを搬出した後、その後の覆工に支障を生じる出っ張り（アタリ）を取り除く作業が行われる。アタリ取りを行う箇所は、作業員の目視により判断することができるが、その範囲が広く、手間がかかることから、三次元（３Ｄ）スキャナを用いて掘削壁面の計測を行い、基準断面と比較してアタリ取りを行う箇所を特定している（例えば、特許文献１、２参照）。

３Ｄスキャナは、レーザー光を使用し、３Ｄスキャナに対する計測対象の相対位置の座標を算出する。基準断面と比較するには、掘削壁面の各計測点の位置座標（絶対座標）が必要で、各計測点の位置座標を算出には、３Ｄスキャナの位置座標が必要となる。

３Ｄスキャナの位置座標は、予め計測された位置座標を有する基準球を使用して算出することができる（例えば、特許文献３参照）。基準球は、図１（ａ）に示すような、球状面１０と、内部に再帰反射する反射手段を有する切り欠き部１１を備えており、例えば支保工やロックボルトのワッシャー等の所定位置に、図１（ｂ）に示すような、ネジが付いた取付用マグネット１２を使用して設置することができる。

特許第５５００７０８号公報 特許第５５００７０９号公報 特開２０１９－１５８６３７号公報

しかしながら、従来の取付用マグネットでは、発破時等に基準球を取り外す際、マグネットごと取り外すと、次に全く同じ位置に設置できるとは限らないことから、基準球の位置座標を再度計測しなければならない。

そこで、取付用マグネットを残し、基準球のみを取り外すことができるが、ネジを回転させて外すため、手間がかかる。これは、設置時も同様である。また、光波測距儀により基準球の位置座標を測量する場合と、３Ｄスキャナの位置座標を算出する場合とで、基準球の向きを変える必要があるが、ネジをゆるめて向きを変えることになるため、基準球の中心位置がずれてしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、支持部上に基準球を設置するための装置であって、
一端が支持部に固定され、他端に溝を有する本体と、
一端が基準球に固定され、他端が溝に回転可能に挿入される軸体と、
本体に設けられ、溝に挿入された軸体と接触して該軸体の回転を抑止させる定着手段と
を含む、設置装置が提供される。

本発明によれば、基準球の設置および取り外しが容易になり、基準球の中心位置を変えることなく、基準球の向きを変えることが可能となる。

基準球と従来の取付用マグネットを例示した図。 トンネル施工管理システムの概要を示した図。 基準球と従来の取付マグネットの構成例を示した図。 基準球を設置するための設置装置の第１の構成例を示した図。 基準球を設置するための設置装置の第２の構成例を示した図。 基準球を設置するための設置装置の第３の構成例を示した図。

本発明の基準球の設置装置について説明する前に、基準球を使用するシステムの一例として、トンネル施工管理システムについて説明する。ここでは、基準球を使用するシステムとして、トンネル施工管理システムを例示して説明するが、基準球は、トンネルの施工管理に使用されることに限定されるものではない。

図２は、トンネル施工管理システムの概要を示した図である。トンネル施工管理システムは、トンネル形状の把握、情報の収集、工事の安全・安心、重機等の工事車両の姿勢制御のために使用され、一次覆工前のアタリ取りが必要な箇所の特定や、二次覆工前の切羽面や側壁の変位計測等を実施する。ここでは、トンネル施工管理システムは、アタリ取りを実施することができるシステムとして説明する。

ＮＡＴＭ工法によるトンネルは、爆薬による発破や自由断面掘削機等の掘削機を使用し、地山や地中を掘削することにより形成される。トンネル出入口は、トンネル坑口と呼ばれ、掘削方向における掘削面は、切羽２０と呼ばれる。トンネルは、掘削したままの状態では崩落の危険性があるため、アーチ状の鋼製の支保工２１を一定間隔で設置し、一次覆工として、コンクリートの吹き付けが行われ、トンネル壁面を補強する。一次覆工後は、ロックボルト２２を打ち込み、防水シートでコンクリート壁面を覆い、二次覆工として、さらに内側にコンクリートの打設が行われる。図２中、「S.L」は、Spring Lineで、トンネル内空断面において上半アーチの始まる線である。

トンネルは、一定距離掘削するごとに、一次覆工が行われる。トンネル施工管理システムは、一定距離掘削した後であって、一次覆工前に、アタリ取りが必要な箇所を判定し、アタリ取りを実施する。トンネルは、発破や掘削機による掘削、アタリ取り、一次覆工を繰り返すことにより形成される。

トンネル施工管理システムは、アタリ取りが必要な箇所を判定し、アタリ取りを実施するため、掘削が必要な箇所を掘削する掘削手段を備えた車両を含む。この車両としては、アタリを削り、取り除く作業（はつり）に用いる鏨（チゼル）を連続的に打撃するブレーカー２３を採用することができる。

トンネル施工管理システムは、上記車両のほか、アタリ取りが必要か否かを判定するためにトンネル内を三次元計測する計測手段を備える。計測手段としては、例えば三次元（３Ｄ）スキャナ２４を採用することができる。３Ｄスキャナ２４は、レーザー光を照射し、計測対象に反射して返ってくる時間を計測し、距離に換算する。３Ｄスキャナ２４は、レーザー光の照射角度も計測し、換算した距離および計測した照射角度に基づき、３Ｄスキャナ２４に対する計測対象の相対位置の座標を算出する。

相対位置の座標は、３Ｄスキャナ２４の位置座標を（０，０，０）とした場合の計測対象の座標である。３Ｄスキャナ２４は、ブレーカー２３の運転席の屋根（ルーフ）上に免震架台を介して設置される。免震架台は、免震装置を備える架台であり、免震装置としては、積層ゴム、転がり支承、すべり支承を含むものや、これらとダンパーとから構成されるものを用いることができる。

トンネル施工管理システムは、３Ｄスキャナ２４により三次元計測した計測結果に基づき、トンネル内の切羽２０上の１以上の箇所の位置座標を計算し、設計データと比較して、掘削が必要な箇所を判定し、その施工量を計算する演算手段を備える。施工量は、掘削土量や吹付量等である。演算手段は、上記の位置座標の計算、設計データとの比較に基づく掘削箇所の判定、施工量の計算を行うことができる装置であれば、いかなる装置であってもよく、例えばＰＣ(Personal Computer)２５、タブレット端末、スマートフォン等を用いることができる。

ＰＣ２５は、３Ｄスキャナ２４とケーブルや無線ＬＡＮ(Local Area Network)等により通信可能に接続され、ブレーカー２３の運転席に配置される。なお、演算手段は、ＰＣ２５のように持ち運び自在なコンピュータに限らず、運転席に備え付けられたモニター付きコンピュータであってもよい。

トンネル施工管理システムは、３Ｄスキャナ２４の位置座標を計算するために、トンネル内に予め計測された位置座標を有する３以上の基準球２６を備える。基準球２６は、ブレーカー２３よりトンネル坑口側に配置される。

基準球２６は、球状面と切り欠き部とを有し、切り欠き部内には再帰反射する反射手段としてのプリズムを備えている。基準球２６の位置座標を計測する場合は、光波測距儀に切り欠き部を向け、光波測距儀により各基準球２６の中心点の座標を計測する。位置座標の座標値は、例えば緯度、経度、標高からなる値であり、絶対座標である。光波測距儀は、切り欠き部内のプリズムに向けて光を照射し、プリズムにより再帰反射した光を受光し、基準球２６の中心までの距離と角度を測定する。光波測距儀は、位置座標が既知の既知点に設置されるため、自機の位置座標と、測定した距離および角度とから、基準球２６の中心点の座標を算出する。

３Ｄスキャナ２４の位置座標を計測する場合は、３Ｄスキャナ２４に対して球状面が向けられる。このため、３Ｄスキャナ２４は、基準球２６の球状面をスキャンし、３Ｄスキャナ２４と基準球２６との間の相対的な位置関係を取得する。これにより、ＰＣ２５が、基準球２６の位置座標と取得した相対的な位置関係から３Ｄスキャナ２４の位置座標を絶対座標として算出することができる。

なお、３Ｄスキャナ２４で基準球２６を計測する場合、３Ｄスキャナ２４で計測される距離は、球状面までの距離となるが、基準球２６の半径が既知であるため、球状面までの距離が計測できれば、計測された距離に半径を加算することで、基準球２６の中心までの距離を求めることができる。そして、その距離に基づき、基準球２６の中心の位置座標を算出することができる。

基準球２６の球状面３０の表面には、反射機能を高めるために特殊な塗料が塗布される。特に、入射光を光源の方向に反射する再帰性反射材を塗布することが反射率を高くし、基準球２６を検出しやすくなるので望ましい。再帰性反射材としては、微細なガラスビーズやガラスの粉を含むものを一例として挙げることができる。このように反射率を高めることで、基準球２６の誤認識を減らすことができる。

３Ｄスキャナ２４の位置座標を計算した後、３Ｄスキャナ２４は、ＰＣ２５からの指示に基づき、切羽側の三次元計測を行い、三次元計測の計測結果をＰＣ２５へ送信する。ＰＣ２５は、計測結果と３Ｄスキャナ２４の位置座標とに基づき、切羽側の複数の箇所の位置座標を計算し、それらを点群データとして取得する。点群データは、ＰＣ２５が備えるＨＤＤ(Hard Disk Drive)等の記憶装置に記憶される。

ＰＣ２５は、記憶装置にトンネルの設計上の掘削壁面（設計断面）における各点の位置座標を含む設計データを記憶し、取得した点群データと設計データを比較し、トンネルの内側方向に閾値以上に突出する箇所を特定し、その特定した箇所を掘削が必要な箇所と判定する。閾値は、任意に設定することができる。

ＰＣ２５は、表示手段としてモニターを有し、モニターに判定した結果を表示する。具体的には、ＰＣ２５は、掘削が必要な箇所として特定した部分を、掘削が不要な他の部分と区別可能に表示し、作業員に対してアタリ取りを実施する箇所を提示する。区別可能に表示する方法としては、その部分に色付けする方法や色を変更する方法等が挙げられる。また、どの程度掘削すればよいかを、具体的な数値や色分け等により表示することができる。

このように切羽側のアタリ取りを実施するため、３Ｄスキャナ２４を搭載したブレーカー２３は、切羽２０に近い位置に配置される。３Ｄスキャナ２４の位置座標を計算するために使用される基準球２６は、３Ｄスキャナ２４から計測可能な位置に配置されなければならない。しかしながら、発破時においては、岩石片等の飛来により基準球２６の表面が損傷し、プリズムが破損する可能性があることから、基準球２６を取り外し、発破後、取り付けることになる。

ここで、図３を参照して、基準球２６を設置するための従来の設置装置について詳細に説明する。基準球２６の球状面３０には、基準球２６の中心に向けて延びるネジ穴３１が設けられている。

基準球２６は、ネジ穴３１に、取付マグネット３３のネジ部３２を螺合することにより取付マグネット３３と連結され、支保工２１やロックボルトのワッシャー等の所定位置にマグネットによる吸着力により固定される。

基準球２６は、取付マグネット３３ごと取り外すこともできるし、ネジをゆるめ、基準球２６のみを取り外すことも可能である。

基準球２６を取付マグネット３３ごと取り外すと、取り付ける際、支保工２１やロックボルトのワッシャー等の所定位置に吸着させて固定することになるが、取り外す前後で全く同じ位置に設置することは困難であり、取り付けた後、基準球２６の位置座標を光波測距儀により再計測しなければならない。

取付マグネット３３を取り外さない場合、光波測距儀に切り欠き部を向ける必要があり、取付マグネット３３のネジをゆるめて基準球２６を回転させるか、取付マグネット３３ごと取り外し、基準球２６を回転させた後、取り付ける必要がある。いずれにしろ、基準球２６の中心位置がずれるため、３Ｄスキャナ２４の正確な位置座標を計測することができない。

そこで、基準球２６の設置および取り外しを容易にしつつ、基準球２６の中心位置を変えることなく、基準球２６の向きを変えることを可能にするべく、図４に示すような構成の設置装置を用いる。基準球２６は、球状面３０から中心に向けて延びるネジ穴３１を有する。

設置装置は、一端が支保工２１やロックボルトのワッシャー等の支持部に固定され、他端に溝４０を有する本体４１と、一端が基準球２６に固定され、他端が溝４０に回転可能に挿入される軸体４２と、本体４１に設けられ、溝４０に挿入された軸体４２と接触して軸体４２の回転を抑止させる定着手段４３とを含む。

本体４１は、円筒形とされ、円形の一端に、支保工２１、ロックボルトのワッシャー、三脚等に固定するための三脚用のネジ穴４４、４５と、円盤状のネオジム磁石４６とが設けられる。三脚用のネジ穴４４は、カメラ三脚用のネジ穴であり、三脚用のネジ穴４５は、測量三脚用のネジ穴である。この例では、２つのネジ穴を設けているが、ネジ穴は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。ネオジム磁石４６は、ネオジム、鉄、ホウ素を主成分とする永久磁石で、吸着力が最も強力な磁石である。なお、三脚用のネジ穴４４、４５を使用する場合は、ネオジム磁石４６を取り外し、三脚のネジが直接、これらの三脚用ネジ穴４４、４５に螺合される。ここでは、磁石として、ネオジム磁石を用いているが、これに限られるものではなく、鉄を主成分とする合金磁石や、鉄の酸化物を主成分とするフェライト磁石等を用いてもよい。

また、本体４１の着脱を容易にするため、磁石を用いて固定しているが、ボルトおよびナット等を使用して固定してもよい。

本体４１の円形の他端には、一端へ向けて延びる円筒形の溝４０が設けられる。また、本体４１の側面には、溝４０の側部に貫通する穴４７が設けられ、穴４７に連続してネジ穴４８が設けられている。穴４７およびネジ穴４８には、定着手段４３を構成する締め付けネジ４３ａが挿入され、先端のネジ部がネジ穴４８に螺合されるようになっている。締め付けネジ４３ａの中央部分には、溝４０への軸体４２の挿入方向に対して垂直方向へ向けてテーパが形成された差込片である締め付けコマ４３ｂが取り付けられている。このため、締め付けネジ４３ａの先端のネジ部のネジ穴４８への螺合に伴い、その垂直方向へ向けて移動し、締め付けコマ４３ｂの軸体４２の側部に向く溝４０内に露出した面が軸体４２の側部に圧接して軸体４２の回転を抑止させる。すなわち、締め付けコマ４３ｂは、基準球２６側から見た場合、先細とされ、軸体４２側に傾斜が設けられているため、挿入されるにつれてその傾斜した面が軸体４２の側面に接触し、さらに挿入されると圧接した状態となる。

軸体４２は、一端が基準球２６のネジ穴３１に螺合するネジ部４９を有し、他端が円筒状とされた挿入部５０を有し、挿入部５０が本体４１の溝４０に挿入される。軸体４２は、基準球２６に固定され、締め付けコマ４３ｂが圧接するまでは本体４１の溝４０内を回転自在とされている。このため、締め付けネジ４３ａにより締め付けコマ４３ｂを軸体４２に圧接させることで、基準球２６を固定し、締め付けコマ４３ｂの軸体４２への圧接を解除することで、基準球２６の回転が自在となる。

基準球２６を取り外す際は、締め付けネジ４３ａを緩め、締め付けコマ４３ｂの軸体４２への圧接を解除し、基準球２６に軸体４２を付けたまま、本体４１から軸体４２を引き抜く。基準球２６を設置する場合は、締め付けネジ４３ａを緩めた状態で、基準球２６に取り付けたままの軸体４２を本体４１の溝４０に挿入し、軸体４２の挿入後、締め付けネジ４３ａを締めて、締め付けコマ４３ｂを軸体４２の側部に圧接させて固定する。

締め付けネジ４３ａには、レバー４３ｃが設けられ、レバー４３ｃを所定の方向に回転することにより締め付けネジ４３ａを締め、その反対方向に回転することにより締め付けネジ４３ａを緩めることができる。

このような構成では、基準球２６を挿すだけで容易に設置することができ、基準球２６を引き抜くだけで容易に取り外すことができる。また、締め付けネジ４３ａを緩めるだけで、軸体４２の先端は、溝４０の底部に接触した状態で、軸体４２を中心として回転させることができるため、基準球２６の中心の座標は変化せず、光波測距儀による再計測は必要ない。

なお、図５に示すように、締め付けコマ４３ｂを使用せず、軸体４２の側面に締め付けネジ４３ａの先端を直接押し当て、あるいはプラスチックやゴム等で作製された押当部材を介して押し当てて固定することも可能である。図５は、設置装置の第２の構成例を示した図である。図５（ａ）に、締め付けネジ４３ａの先端を、軸体４２の側面に直接押し当てる例を、図５（ｂ）に、押当部材５１を介して押し当てる例を、それぞれ示す。

ただし、押し当てて固定する場合、軸体４２の側面に押し当てられる締め付けネジ４３ａの先端等の面積が小さく、点で固定された状態となる。これでは、基準球２６が回転しないように固定することが難しい。したがって、図４に示す例のように、軸体４２の側面に締め付けコマ４３ｂを圧接させ、押し当てる面積を増やし、線で固定された状態とすることが望ましい。なお、押当部材５１を、軸体４２の側面に隣接する曲面を有するものとし、締め付けネジ４３ａにより軸体４２へ向けて移動させ、軸体４２の側面にその曲面を密着させ、面で固定された状態とすることも可能である。基準球２６が動かないように固定する意味においては、このように面で固定することがより望ましい。また、押当部材５１は、軸体４２の側面に隣接した場合、摩擦抵抗が大きい素材であることが望ましく、プラスチック製やゴム製のものが望ましい。

図６は、設置装置の第３の構成例を示した図である。図６に示す例は、図４に示した例と同様、基準球２６にネジ穴３１が設けられ、本体４１、軸体４２、定着手段から構成される。本体４１は、一端に三脚用のネジ穴４４、４５、ネオジム磁石４６を備える。また、本体４１は、他端に溝４０を有する。

軸体４２は、一端がネジ切りされ、座金の機能を有する、一端や他端に比較して拡張した拡張部５２を有し、他端に円筒形の挿入部５３を備える。挿入部５３は、本体４１の溝４０に挿入される。

図６に示す例では、定着手段が、本体４１に固定され、溝４０の底部に露出するように配設されるネオジム磁石５４とされている。この例では、ネオジム磁石を用いているが、磁石であれば、合金磁石やフェライト磁石等の他の磁石であってもよい。

図６に示す例では、鉄製の軸体４２を、基準球２６に取り付けたまま持ち上げることにより、ネオジム磁石５４から離間させることで、取り外すことができる。一方、本体４１の溝４０に軸体４２を挿入し、軸体４２をネオジム磁石５４に近づけ、軸体４２の端部を磁気吸着させることにより基準球２６を設置することができる。基準球２６は、磁気吸着により固定されているため、吸着力を超える力を加えることにより容易に回転させることができる。

挿入部５３は、図４に示した挿入部５０に比較して、径が大きく、長さが短くなっている。径を大きくしているのは、溝４０の底部に配設されるネオジム磁石５４に吸着させる面の面積を大きくし、基準球２６を回転しないように固定するためである。また、長さを短くしているのは、溝４０への軸体４２の挿入を容易にするためである。

ただし、軸体４２の挿入部５３の長さが短すぎると、基準球２６を取り付けた場合の安定性が低下するため、ある程度の長さとし、拡張した拡張部５２を設けることが望ましい。

この構成においても、基準球２６を挿すだけで容易に設置することができ、基準球２６を引き抜くだけで容易に取り外すことができる。また、ネオジム磁石５４の吸着力を超える力を加えるだけで、軸体４２を中心として、基準球２６を回転させることができるため、基準球２６の中心の座標は変化せず、光波測距儀による再計測は必要ない。

図６に示した例では、溝４０の底部にネオジム磁石５４を配設しているが、溝４０の底部に限定されるものではない。例えば、軸体４２の挿入部５３を非磁性とし、拡張部５２が接触する本体４１の頂部にネオジム磁石５４を配設し、拡張部５２を吸着させて固定するものであってもよい。

これまで本発明の基準球２６の設置装置について図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。したがって、本発明では、図４～図６に例示したような設置装置と、基準球とを含む、基準球システムを提供することも可能である。

１０、３０…球状面
１１…切り欠き部
１２、３３…取付マグネット
２０…切羽
２１…支保工
２２…ロックボルト
２３…ブレーカー
２４…３Ｄスキャナ
２５…ＰＣ
２６…基準球
３１、４４、４５、４８…ネジ穴
３２、４９…ネジ部
４０…溝
４１…本体
４２…軸体
４３…定着手段
４３ａ…締め付けネジ
４３ｂ…締め付けコマ
４３ｃ…レバー
４６、５４…ネオジム磁石
４７…穴
５０、５３…挿入部
５１…押当部材
５２…拡張部

Claims (7)

1. 支持部上に基準球を設置するための装置であって、
   一端が前記支持部に固定され、他端に溝を有する本体と、
   一端が前記基準球に固定され、他端が前記溝に回転可能に挿入される軸体と、
   前記本体に設けられ、前記溝に挿入された前記軸体と接触して該軸体の回転を抑止させる定着手段と
   を含み、
   前記本体は、該本体の側面から前記溝への前記軸体の挿入方向に対して垂直方向へ延び、該溝の側部に貫通する穴と、該穴に連続するネジ穴とを有し、
   前記定着手段は、前記穴に挿入され、一端に前記ネジ穴に螺合されるネジ部を有する締め付けネジと、前記締め付けネジの長手方向の中央部分に取り付けられ、前記垂直方向へ向けてテーパが形成され、前記ネジ部の前記ネジ穴への螺合に伴って前記溝内に露出する面が前記軸体の側面に圧接する差込片と、前記締め付けネジの他端に設けられ、該締め付けネジを回転させるためのレバーとを含む、設置装置。
2. 支持部上に基準球を設置するための装置であって、
   一端が前記支持部に固定され、他端に溝を有する本体と、
   一端が前記基準球に固定され、他端が前記溝に回転可能に挿入される軸体と、
   前記本体に設けられ、前記溝に挿入された前記軸体と接触して該軸体の回転を抑止させる定着手段と
   を含み、
   前記軸体は、前記溝に挿入される挿入部と、前記挿入部が前記溝に挿入された場合に前記本体の頂部に接触し、前記挿入部の径に比較して拡張した拡張部とを備え、
   前記定着手段は、前記溝の底部に一部が露出するように前記本体に配設され、前記溝に挿入された前記挿入部の先端を吸着する磁石を含む、設置装置。
3. 前記挿入部は、非磁性であり、前記拡張部は、磁性を有し、
   前記磁石は、前記溝の底部に代えて、前記拡張部が接触する前記本体の頂部に、該拡張部を吸着するように配設される、請求項２に記載の設置装置。
4. 前記本体は、前記一端に設けられ、前記支持部に吸着する固定用磁石を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の設置装置。
5. 前記軸体は、ネジ穴を有する前記基準球に螺合するネジ部を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の設置装置。
6. 前記本体は、前記支持部に設けられるネジ部が螺合されるネジ穴を前記一端に有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の設置装置。
7. 基準球と、請求項１～６のいずれか１項に記載の設置装置とを含む、基準球システム。