JP7707488B2 - Method and system for evaluating the soundness of tunnel supports - Google Patents
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Description
本発明は、トンネル支保工の健全性評価方法と健全性評価システムに関する。 The present invention relates to a tunnel support integrity evaluation method and integrity evaluation system.
山岳トンネルの施工においては、地山の性状(もしくは状態、挙動等)を把握するべく、切羽を目視観察したり、支保工や地山の変形もしくは応力状態を測定する坑内計測が一般に行われている。
トンネルの施工管理方法は、例えば直接ひずみ法等を用いて坑内変位に関する管理基準値を設定し、掘進に伴い坑内変位を随時計測しながら、計測値と管理基準値を比較する方法により行われている。しかしながら、直接ひずみ法を用いた坑内変位に関する管理基準値の設定は、地山の安定性確保を目的としたものであり、トンネルを支持する支保工の健全性を評価するものではない。トンネルを支持する支保工の掘削段階ごとの健全性が適正に評価されることにより、施工安全性の高いトンネル施工を実現することができる。
In the construction of mountain tunnels, it is common to carry out underground measurements to grasp the characteristics (or condition, behavior, etc.) of the ground, such as visually observing the tunnel face and measuring the deformation or stress state of the supports and the ground.
Tunnel construction management is carried out by, for example, setting management reference values for tunnel displacement using the direct strain method, and then measuring the tunnel displacement as it progresses and comparing the measured values with the management reference values. However, setting management reference values for tunnel displacement using the direct strain method is intended to ensure the stability of the ground, and is not intended to evaluate the soundness of the shoring that supports the tunnel. By properly evaluating the soundness of the shoring that supports the tunnel at each excavation stage, tunnel construction with high construction safety can be achieved.
ここで、特許文献1には、トンネル現場において山岳トンネルの変位量予測方法を提供する、トンネルの最終変位量予測方法が提案されている。具体的には、任意に標準モデルとして設定した三次元有限要素法モデルによって、掘削進行状況を反映した三次元有限要素法シミュレーション解析を行い、地山種別及び支保構造並びに掘削工法別毎に、各計測ポイントの初期変位速度と地山剛性比との関係式と、少なくとも最終変位量と地山剛性比との関係式とを得る第1手順と、トンネルの掘削後に、切羽前面に設置した3Dレーザースキャナによる計測によって各計測ポイントの初期変位速度データを取得する第2手順と、第1手順によって得た初期変位速度と地山剛性比との関係式に当て嵌め、掘削部位の地山剛性比を算出し、最終変位量と地山剛性比との関係式に基づいて、各計測ポイントの最終変位量を算出する第3手順とを有する最終変位量予測方法である。 Here, Patent Document 1 proposes a method for predicting the final displacement of a tunnel, which provides a method for predicting the displacement of a mountain tunnel at a tunnel site. Specifically, the method includes a first step of performing a three-dimensional finite element method simulation analysis reflecting the excavation progress status using a three-dimensional finite element method model arbitrarily set as a standard model, and obtaining a relationship equation between the initial displacement speed and the ground stiffness ratio of each measurement point and at least a relationship equation between the final displacement and the ground stiffness ratio for each ground type, support structure, and excavation method; a second step of acquiring initial displacement speed data for each measurement point by measurement using a 3D laser scanner installed in front of the face after excavation of the tunnel; and a third step of calculating the ground stiffness ratio of the excavation part by fitting it to the relationship equation between the initial displacement speed and the ground stiffness ratio obtained in the first step, and calculating the final displacement of each measurement point based on the relationship equation between the final displacement and the ground stiffness ratio.
特許文献1に記載の予測方法は、トンネルの最終変位量を予測するものであり、上記するように、トンネルを支持する支保工の掘削段階ごとの健全性を評価するものではない。 The prediction method described in Patent Document 1 predicts the final displacement of a tunnel, but as mentioned above, does not evaluate the soundness of the support structure that supports the tunnel at each excavation stage.
本発明は、トンネルを支持する支保工の掘削段階ごとの健全性を適正に評価することのできる、トンネル支保工の健全性評価方法と健全性評価システムを提供することを目的としている。 The present invention aims to provide a tunnel support integrity evaluation method and system that can properly evaluate the integrity of the tunnel support at each excavation stage.
前記目的を達成すべく、本発明によるトンネル支保工の健全性評価方法の一態様は、
トンネルの掘削に伴い施工される支保工の応力を特定し、支保工の健全性を評価する、トンネル支保工の健全性評価方法であって、
トンネルの掘削段階ごとに、設定された前記支保工の計測位置を三次元レーザスキャナにより撮像して三次元座標を取得し、掘削段階ごとの該計測位置における変位量を特定するとともに、掘削段階が進んだ際の増分変位量を特定する、A工程と、
コンピュータにおいて、前記支保工に関する支保工モデルを作成し、該支保工モデルに対して前記増分変位量を付与することにより、掘削段階ごとに該支保工モデルに発生する応力を算定する、B工程と、
算定された掘削段階ごとの前記応力に基づいて、前記支保工の健全性を評価する、C工程とを有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, one aspect of the tunnel support soundness evaluation method according to the present invention includes:
A method for evaluating the soundness of a tunnel support, comprising: identifying stress in a support constructed in association with excavation of a tunnel and evaluating the soundness of the support;
Step A includes capturing an image of the measurement position of the support set for each excavation stage of the tunnel using a three-dimensional laser scanner to obtain three-dimensional coordinates, determining the amount of displacement at the measurement position for each excavation stage, and determining the incremental amount of displacement as the excavation stage progresses;
A step B includes creating a support model for the support in a computer and calculating stress generated in the support model for each excavation stage by applying the incremental displacement to the support model;
The method is characterized by having a step C of evaluating the soundness of the support structure based on the calculated stress for each excavation stage.
本態様によれば、三次元レーザスキャナを使用してトンネルの掘削段階ごとに、支保工の計測位置の三次元座標を取得して変位量を特定し、掘削段階が進んだ際の増分変位量を特定した後、支保工モデルに対して増分変位量を付与し、掘削段階ごとに支保工モデルに発生する応力を算定して支保工の健全性を評価することにより、掘削段階ごとの支保工の健全性を適正に評価することができる。ここで、三次元レーザスキャナの三次元座標は、トラバース測量等によって求めておくことで、三次元座標を有する三次元レーザスキャナにより、支保工の計測位置における三次元座標が特定される。
三次元レーザスキャナを適用することにより、支保工における様々な計測位置ごとに計測機器を設置することを不要にして、各計測位置における速やかな変位計測が可能になる。従来の支保工の応力計測では、支保工の各所に応力計を取り付け、吹付けコンクリート(二次吹付け)に応力計を埋設する方法により行われていることから、支保工の多様な計測位置での応力計測が不可能であり、計測位置の臨機な変更も不可能であり、さらには、支保工に設置された応力計は基本的に二次吹付けの内部に残置(埋め殺し)されることから、応力計の設置に手間がかかり、応力計測に費用を要する等、様々な課題が存在している。三次元レーザスキャナを適用することにより、これらの課題を全て解消することができる。
コンピュータにて作成した支保工モデルに対して、掘削段階が進んだ際の増分変位量を付与して応力解析を実施することにより、支保応力の逆解析にて支保工の全域に生じている応力を高精度に特定することができる。ここで、支保工モデルには、二次元の梁バネモデルや、二次元もしくは三次元のFEM(Finite Element Method)解析モデル等が含まれる。
According to this aspect, a three-dimensional laser scanner is used to obtain three-dimensional coordinates of the measurement position of the shoring for each excavation stage of the tunnel to identify the amount of displacement, and after identifying the incremental displacement amount as the excavation stage progresses, the incremental displacement amount is applied to the shoring model, and the stress generated in the shoring model for each excavation stage is calculated to evaluate the soundness of the shoring, thereby making it possible to properly evaluate the soundness of the shoring for each excavation stage. Here, the three-dimensional coordinates of the three-dimensional laser scanner are obtained in advance by a traverse survey or the like, and the three-dimensional coordinates of the measurement position of the shoring are identified by the three-dimensional laser scanner having the three-dimensional coordinates.
By applying a three-dimensional laser scanner, it becomes unnecessary to install measuring equipment at each measurement position in the shoring, and it becomes possible to quickly measure displacement at each measurement position. Conventional stress measurement of shoring is performed by attaching a stress meter to each position of the shoring and burying the stress meter in the shotcrete (secondary shotcrete), which means that it is impossible to measure stress at various measurement positions in the shoring, and it is also impossible to change the measurement position at any time. Furthermore, since the stress meter installed in the shoring is basically left inside the secondary shotcrete (buried), various problems exist, such as the time and effort required to install the stress meter and the cost required for stress measurement. By applying a three-dimensional laser scanner, all of these problems can be solved.
By performing stress analysis by applying incremental displacements as the excavation stage progresses to a computer-created shoring model, it is possible to accurately identify the stress occurring throughout the entire shoring area through back analysis of the shoring stress. Here, the shoring model includes a two-dimensional beam-spring model, a two-dimensional or three-dimensional FEM (Finite Element Method) analysis model, etc.
また、本発明によるトンネル支保工の健全性評価方法の他の態様は、
前記B工程において、
前記支保工は、吹付けコンクリートと鋼製支保工を含み、
前記支保工モデルは、吹付けコンクリートモデルと鋼製支保工モデルを含み、
前記吹付けコンクリートモデルと前記鋼製支保工モデルのそれぞれの掘削段階ごとの応力を算定し、
前記C工程において、
前記吹付けコンクリートと前記鋼製支保工のそれぞれの健全性を評価することを特徴とする。
Another aspect of the tunnel support soundness evaluation method according to the present invention is to
In the step B,
The support includes shotcrete and steel support;
The support model includes a shotcrete model and a steel support model,
Calculating stresses in each of the excavation stages of the shotcrete model and the steel support model;
In the step C,
The method is characterized in that the soundness of the sprayed concrete and the steel support are evaluated.
本態様によれば、支保工に含まれる吹付けコンクリートと鋼製支保工の計測位置における変位量と、掘削段階が進んだ際の増分変位量を特定し、それぞれの支保応力の逆解析にてそれぞれの支保工に実際に生じている応力を特定することにより、支保工ごとの健全性を適正に評価することができる。従って、例えば、吹付けコンクリートと鋼製支保工の双方の発生応力がそれぞれの降伏強度等よりも大きな場合は、双方の支保工の仕様見直しをはじめとする対策工を講じることになり、鋼製支保工のみが不適な場合は鋼製支保工のみに関して対策工を講じることができる。
ここで、吹付けコンクリートの健全性が不十分と評価される場合は、吹付けコンクリートのクラックや剥落の恐れあり、鋼製支保工の健全性が不十分と評価される場合は、鋼製支保工の変形や座屈の恐れがある。
According to this aspect, the soundness of each support can be properly evaluated by specifying the displacement amount at the measurement position of the shotcrete and steel support included in the support, the incremental displacement amount as the excavation stage progresses, and specifying the stress actually occurring in each support by back-analysis of the stress of each support. Therefore, for example, if the stress occurring in both the shotcrete and the steel support is greater than the yield strength of each, measures such as reviewing the specifications of both supports will be taken, and if only the steel support is unsuitable, measures can be taken only for the steel support.
If the soundness of the sprayed concrete is assessed as insufficient, there is a risk of the sprayed concrete cracking or spalling, and if the soundness of the steel supports is assessed as insufficient, there is a risk of the steel supports deforming or buckling.
また、本発明によるトンネル支保工の健全性評価方法の他の態様は、
前記B工程において、
前記支保工モデルを三次元モデルとして作成し、
前記支保工モデルに対して、面的に前記増分変位量を付与することを特徴とする。
Another aspect of the tunnel support soundness evaluation method according to the present invention is to
In the step B,
The support model is created as a three-dimensional model,
The method is characterized in that the incremental displacement amount is applied to the support model in a planar manner.
本態様によれば、支保工の三次元モデル(FEM解析モデル等)に対して面的に増分変位量を付与することにより、より一層高精度な解析結果が得られ、支保工の健全性をより一層精緻に評価することができる。 According to this aspect, by applying incremental displacement amounts to a three-dimensional model of the support (such as an FEM analysis model), it is possible to obtain analysis results with even higher accuracy and to more precisely evaluate the soundness of the support.
また、本発明によるトンネル支保工の健全性評価方法の他の態様は、
前記支保工の損傷が確認されている複数のトンネル施工事例から、前記支保工の損傷時の許容ひずみを設定する、D工程と、
前記許容ひずみに対して、管理対象のトンネルの掘削半径を乗じることにより、前記支保工の管理基準値を設定する、E工程とをさらに有し、
前記C工程では、算定された掘削段階ごとの前記応力に基づいて、前記支保工の健全性を評価することに加えて、前記管理基準値と、掘削段階ごとの前記計測位置における前記変位量を比較することにより、前記支保工の健全性を評価することを特徴とする。
Another aspect of the tunnel support soundness evaluation method according to the present invention is to
Step D: setting an allowable strain when the support is damaged based on a plurality of tunnel construction cases in which damage to the support has been confirmed;
The method further includes a step E of setting a management reference value of the support by multiplying the allowable strain by the excavation radius of the tunnel to be managed,
In step C, in addition to evaluating the soundness of the support based on the calculated stress for each excavation stage, the soundness of the support is evaluated by comparing the control standard value with the amount of displacement at the measurement position for each excavation stage.
本態様によれば、掘削段階ごとの支保工の応力に基づいた健全性の評価に加えて、支保工の変位量に関する計測値と管理基準値との比較に基づく健全性の評価を行うことにより、例えば双方の評価がともに好ましい場合に支保工が健全であるとし、少なくとも一方の評価が好ましくない場合に支保工が健全でないとすることで、より一層信頼性の高い健全性評価を実現できる。
また、本態様では、支保工の損傷が確認されている複数のトンネル施工事例から支保工の損傷時の許容ひずみを設定し、当該許容ひずみに対して管理対象のトンネルの掘削半径を乗じて支保工の管理基準値を設定することにより、支保工の損傷時のひずみと管理対象のトンネルの規模(掘削半径)が反映された、支保工の健全性を評価できる管理基準値を設定することができる。そして、この管理基準値と、トンネルの掘進に伴う支保工の変位量に関する計測値とを比較して支保工の適否を判定することにより、支保工の健全性を適正に評価することができる。
According to this embodiment, in addition to evaluating the soundness of the shoring based on the stress at each excavation stage, an evaluation of the soundness is also performed based on a comparison of the measured values regarding the displacement of the shoring with the control standard value. For example, if both evaluations are favorable, the shoring is deemed to be sound, and if at least one of the evaluations is unfavorable, the shoring is deemed to be unsound, thereby achieving an even more reliable soundness evaluation.
In addition, in this embodiment, the allowable strain when the shoring is damaged is set from multiple tunnel construction cases where damage to the shoring has been confirmed, and the allowable strain is multiplied by the excavation radius of the tunnel to be managed to set the control standard value for the shoring, thereby making it possible to set a control standard value that reflects the strain when the shoring is damaged and the scale (excavation radius) of the tunnel to be managed and that allows the soundness of the shoring to be evaluated.The soundness of the shoring can be properly evaluated by comparing this control standard value with the measured value of the displacement of the shoring associated with the excavation of the tunnel to determine whether the shoring is suitable or not.
ここで、「複数のトンネル施工事例」とは、建設会社の保有する過去のトンネル施工実績の他にも、日本トンネル技術協会や土木学会等から公表されている、支保工の損傷が確認されているトンネル施工事例を含んでいる。支保工には、吹付けコンクリートと鋼製支保工、ロックボルト等が含まれ、「支保工の損傷」には、上記するように、吹付けコンクリートのクラックや剥落、鋼製支保工の変形や座屈、ロックボルトの座金の変形やロックボルトの破断等が挙げられる。 Here, "multiple tunnel construction cases" include not only the past tunnel construction records held by construction companies, but also tunnel construction cases where damage to shoring has been confirmed that have been published by the Japan Tunneling Association, the Japan Society of Civil Engineers, etc. Shoring includes sprayed concrete, steel shoring, rock bolts, etc., and "damage to shoring" includes, as mentioned above, cracks and spalling of sprayed concrete, deformation and buckling of steel shoring, deformation of rock bolt washers, and breakage of rock bolts, etc.
支保工の損傷時のひずみ(支保工(もしくはトンネル壁面)の変位量/トンネルの掘削半径)として、例えば2%以下(1乃至2%程度)を設定することができる。 The strain when the support is damaged (displacement of the support (or tunnel wall) / tunnel excavation radius) can be set to, for example, 2% or less (approximately 1 to 2%).
また、本発明によるトンネル支保工の健全性評価システムの一態様は、
トンネルの掘削に伴い施工される支保工の応力を特定し、支保工の健全性を評価する、トンネル支保工の健全性評価システムであって、
三次元レーザスキャナと、評価装置とを有し、
前記三次元レーザスキャナは、
トンネルの掘削段階ごとに、設定された前記支保工の計測位置を三次元レーザスキャナにより撮像して三次元座標を取得し、
前記評価装置は、
掘削段階ごとの前記計測位置における変位量を特定するとともに、掘削段階が進んだ際の増分変位量を特定する、変位量特定部と、
前記支保工に関する支保工モデルを作成し、該支保工モデルに対して前記増分変位量を付与することにより、掘削段階ごとに該支保工モデルに発生する応力を算定する、応力算定部と、
算定された掘削段階ごとの前記応力に基づいて、前記支保工の健全性を評価する、評価部とを有することを特徴とする。
In addition, one aspect of the tunnel support soundness evaluation system according to the present invention is to
A tunnel support integrity evaluation system that identifies stress in a support constructed during tunnel excavation and evaluates the integrity of the support,
A three-dimensional laser scanner and an evaluation device are included.
The three-dimensional laser scanner includes:
At each stage of excavation of the tunnel, the measurement position of the set support is imaged by a three-dimensional laser scanner to obtain three-dimensional coordinates;
The evaluation device includes:
A displacement amount specifying unit that specifies a displacement amount at the measurement position for each excavation stage and specifies an incremental displacement amount as the excavation stage progresses;
A stress calculation unit that creates a support model for the support and calculates a stress generated in the support model for each excavation stage by applying the incremental displacement amount to the support model;
The present invention is characterized in that it has an evaluation unit that evaluates the soundness of the support structure based on the stress calculated for each excavation stage.
本態様によれば、三次元レーザスキャナを使用してトンネルの掘削段階ごとに、支保工の計測位置の三次元座標を取得して変位量を特定し、評価装置において、掘削段階が進んだ際の増分変位量を特定し、作成した支保工モデルに対して増分変位量を付与し、掘削段階ごとに支保工モデルに発生する応力を算定して支保工の健全性を評価することにより、掘削段階ごとの支保工の健全性を適正に評価することができる。 According to this aspect, a 3D laser scanner is used to obtain the 3D coordinates of the measurement position of the support for each excavation stage of the tunnel to determine the amount of displacement, and the evaluation device determines the incremental displacement amount as the excavation stage progresses, assigns the incremental displacement amount to the created support model, and calculates the stress generated in the support model for each excavation stage to evaluate the soundness of the support, thereby making it possible to properly evaluate the soundness of the support for each excavation stage.
また、本発明によるトンネル支保工の健全性評価システムの他の態様において、
前記評価装置は、
前記支保工の損傷が確認されている複数のトンネル施工事例を格納する、格納部と、
前記複数のトンネル施工事例に基づいて、支保工の損傷時の許容ひずみを設定する、許容ひずみ設定部と、
前記許容ひずみに対して、管理対象のトンネルの掘削半径を乗じることにより、前記支保工の管理基準値を設定する、管理基準値設定部とをさらに有し、
前記評価部では、算定された掘削段階ごとの前記応力に基づいて、前記支保工の健全性を評価することに加えて、前記管理基準値と、掘削段階ごとの前記計測位置における前記変位量を比較することにより、前記支保工の健全性を評価することを特徴とする。
In another aspect of the tunnel support integrity evaluation system according to the present invention,
The evaluation device includes:
A storage unit for storing a plurality of tunnel construction examples in which damage to the support structure has been confirmed;
An allowable strain setting unit that sets an allowable strain when the support is damaged based on the plurality of tunnel construction examples;
and a management reference value setting unit that sets a management reference value for the support by multiplying the allowable strain by an excavation radius of a tunnel to be managed,
The evaluation unit is characterized in that in addition to evaluating the soundness of the support based on the calculated stress for each excavation stage, the evaluation unit also evaluates the soundness of the support by comparing the control standard value with the amount of displacement at the measurement position for each excavation stage.
本態様によれば、掘削段階ごとの支保工の応力に基づいた健全性の評価に加えて、支保工の変位量に関する計測値と管理基準値との比較に基づく健全性の評価を行うことにより、より一層信頼性の高い健全性評価を実現できる。 According to this embodiment, in addition to evaluating the soundness based on the stress of the support at each excavation stage, the soundness is evaluated based on a comparison between the measured values of the displacement of the support and the control standard value, thereby achieving a more reliable soundness evaluation.
本発明のトンネル支保工の健全性評価方法と健全性評価システムによれば、トンネルを支持する支保工の掘削段階ごとの健全性を適正に評価することができる。 The tunnel support integrity evaluation method and system of the present invention make it possible to properly evaluate the integrity of the tunnel support at each excavation stage.
以下、実施形態に係るトンネル支保工の健全性評価システムと健全性評価方法について、添付の図面を参照しながら説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く場合がある。 Below, the tunnel support soundness assessment system and method according to the embodiment will be described with reference to the attached drawings. Note that in this specification and the drawings, substantially identical components may be designated by the same reference numerals to avoid redundant explanation.
[実施形態に係るトンネル支保工の健全性評価システム]
はじめに、図1乃至図6を参照して、実施形態に係るトンネル支保工の健全性評価システムの一例について説明する。ここで、図1は、実施形態に係るトンネル支保工の健全性評価システムの一例を示す全体構成図である。また、図2は、健全性評価システムを構成するコンピュータのハードウェア構成の一例を示す図であり、図3は、健全性評価システムを構成する評価装置の機能構成の一例を示す図である。
[Tunnel support soundness evaluation system according to the embodiment]
First, an example of a tunnel support soundness evaluation system according to an embodiment will be described with reference to Fig. 1 to Fig. 6. Here, Fig. 1 is an overall configuration diagram showing an example of a tunnel support soundness evaluation system according to an embodiment. Fig. 2 is a diagram showing an example of a hardware configuration of a computer constituting the soundness evaluation system, and Fig. 3 is a diagram showing an example of a functional configuration of an evaluation device constituting the soundness evaluation system.
健全性評価システム100は、トンネルの掘削に伴い施工される支保工の応力を特定し、支保工の健全性を評価する健全性評価システムである。 The soundness assessment system 100 is a soundness assessment system that identifies the stress of supports constructed during tunnel excavation and evaluates the soundness of the supports.
健全性評価システム100は、三次元レーザスキャナ10と、評価装置20とを有する。図示例の健全性評価システム100は、三次元レーザスキャナ10と評価装置20がネットワーク30を介して計測データを送受信可能に接続されている形態である。ここで、三次元レーザスキャナ10と評価装置20がネットワーク30にて接続されず、有線にてデータの送受信を行う形態であってもよい。 The soundness assessment system 100 has a three-dimensional laser scanner 10 and an evaluation device 20. The illustrated example of the soundness assessment system 100 is configured such that the three-dimensional laser scanner 10 and the evaluation device 20 are connected to be able to send and receive measurement data via a network 30. Here, the three-dimensional laser scanner 10 and the evaluation device 20 may not be connected via the network 30, and may send and receive data via a wired connection.
三次元レーザスキャナ10は、支保工に設定される複数の計測位置に対してレーザーを照射し、反射レーザーを受光して計測位置の三次元座標を取得する。より厳密には、三次元レーザスキャナ10の三次元座標がトラバース測量等により特定されており、三次元座標を有する三次元レーザスキャナ10により、支保工の複数の計測位置の三次元座標が特定される。 The three-dimensional laser scanner 10 emits a laser to multiple measurement positions set on the support structure, receives the reflected laser, and obtains the three-dimensional coordinates of the measurement positions. More precisely, the three-dimensional coordinates of the three-dimensional laser scanner 10 are determined by a traverse survey or the like, and the three-dimensional coordinates of the multiple measurement positions on the support structure are determined by the three-dimensional laser scanner 10 having the three-dimensional coordinates.
評価装置20は、図3に示すように各種の機能を備えているが、その内容は以下で詳説する。三次元レーザスキャナ10と評価装置20はいずれも、コンピュータにより構成されているが、図2を参照する以下の説明では、評価装置20を取り上げて説明する。 The evaluation device 20 has various functions as shown in FIG. 3, which are described in detail below. Both the 3D laser scanner 10 and the evaluation device 20 are configured using computers, but the following explanation, which refers to FIG. 2, focuses on the evaluation device 20.
評価装置20を構成するパーソナルコンピュータは、接続バス26により相互に接続されているCPU(Central Processing Unit)21、主記憶装置22、補助記憶装置23、通信IF24、及び入出力IF(interface)25を備えている。主記憶装置22と補助記憶装置23は、コンピュータが読み取り可能な記録媒体である。尚、上記の構成要素はそれぞれ個別に設けられてもよいし、一部の構成要素を設けないようにしてもよい。 The personal computer constituting the evaluation device 20 includes a CPU (Central Processing Unit) 21, a main memory device 22, an auxiliary memory device 23, a communication IF 24, and an input/output IF (interface) 25, which are interconnected by a connection bus 26. The main memory device 22 and the auxiliary memory device 23 are computer-readable recording media. Note that each of the above components may be provided separately, or some of the components may not be provided.
CPU21は、MPU(Microprocessor)やプロセッサとも呼ばれ、CPU21は、単一のプロセッサであってもよいし、マルチプロセッサであってもよい。CPU21は、評価装置20の全体の制御を行う中央演算処理装置である。CPU21は、例えば、補助記憶装置23に記憶されたプログラムを主記憶装置22の作業領域にて実行可能に展開し、プログラムの実行を通じて周辺機器の制御を行うことにより、所定の目的に合致した機能を提供する。 The CPU 21 is also called an MPU (Microprocessor) or a processor, and may be a single processor or a multiprocessor. The CPU 21 is a central processing unit that performs overall control of the evaluation device 20. The CPU 21 provides functions that meet a specified purpose, for example, by expanding a program stored in the auxiliary storage device 23 in an executable manner in the working area of the main storage device 22, and controlling peripheral devices through the execution of the program.
主記憶装置22は、CPU21が実行するコンピュータプログラムや、CPU21が処理するデータ等を記憶する。主記憶装置22は、例えば、フラッシュメモリ、RAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)を含む。補助記憶装置23は、各種のプログラム及び各種のデータを読み書き自在に記録媒体に格納し、外部記憶装置とも呼ばれる。補助記憶装置23には、例えば、OS(Operating System)、各種プログラム、各種テーブル等が格納される。OSは、例えば、通信IF24を介して接続される外部装置等とのデータの受け渡しを行う通信インターフェースプログラムを含む。評価装置20に対する外部装置等には、三次元レーザスキャナ10、計測員の所属する部署にあるホストコンピュータ、他の計測員等の携帯するスマートフォンやタブレット等が含まれる。 The main memory 22 stores the computer programs executed by the CPU 21 and the data processed by the CPU 21. The main memory 22 includes, for example, a flash memory, a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory). The auxiliary memory 23 stores various programs and various data in a readable and writable recording medium, and is also called an external memory device. The auxiliary memory 23 stores, for example, an OS (Operating System), various programs, various tables, and the like. The OS includes, for example, a communication interface program that transfers data to and from external devices connected via the communication IF 24. External devices for the evaluation device 20 include the three-dimensional laser scanner 10, a host computer in the department to which the measurer belongs, and smartphones and tablets carried by other measurers, etc.
補助記憶装置23は、例えば、主記憶装置22を補助する記憶領域として使用され、CPU21が実行するコンピュータプログラムや、CPU21が処理するデータ等を記憶する。補助記憶装置23は、不揮発性半導体メモリ(フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM))を含むシリコンディスク、ハードディスクドライブ(HDD:Hard Disk Drive)装置、ソリッドステートドライブ装置等である。また、補助記憶装置23として、CDドライブ装置、DVDドライブ装置、BDドライブ装置といった着脱可能な記録媒体の駆動装置が例示され、着脱可能な記録媒体として、CD、DVD、BD、USB(Universal Serial Bus)メモリ、SD(Secure Digital)メモリカード等が例示される。 The auxiliary storage device 23 is used, for example, as a storage area that supports the main storage device 22, and stores computer programs executed by the CPU 21, data processed by the CPU 21, etc. The auxiliary storage device 23 is a silicon disk including a non-volatile semiconductor memory (flash memory, EPROM (Erasable Programmable ROM)), a hard disk drive (HDD: Hard Disk Drive) device, a solid state drive device, etc. Examples of the auxiliary storage device 23 include drives for removable recording media such as CD drives, DVD drives, and BD drives, and examples of removable recording media include CDs, DVDs, BDs, USB (Universal Serial Bus) memories, and SD (Secure Digital) memory cards, etc.
入出力IF25は、評価装置20に接続する機器との間でデータの入出力を行うインターフェイスである。入出力IF25には、例えば、キーボード、タッチパネルやマウス等のポインティングデバイス、マイクロフォン等の入力デバイス等が接続する。評価装置20は、入出力IF25を介して、入力デバイスを操作する操作者からの操作指示等を受け付ける。 The input/output IF 25 is an interface that inputs and outputs data between devices connected to the evaluation device 20. Input devices such as a keyboard, a touch panel, a mouse, or other pointing device, and a microphone are connected to the input/output IF 25. The evaluation device 20 receives operation instructions, etc. from an operator who operates the input device via the input/output IF 25.
また、入出力IF25には、例えば、液晶パネル(LCD:Liquid Crystal Display)や有機ELパネル(EL:Electroluminescence)等の表示デバイス、プリンタ、スピーカ等の出力デバイスが接続される。評価装置20では、複数の掘削段階ごとの支保工の応力算定結果や健全性評価結果が随時表示されるようになっている。 The input/output IF 25 is also connected to display devices such as liquid crystal displays (LCDs) and organic electroluminescence (EL) panels, as well as output devices such as printers and speakers. The evaluation device 20 is configured to continuously display the results of stress calculations and soundness evaluations of the support for each of the multiple excavation stages.
通信IF24は、評価装置20が接続するネットワークとのインターフェイスである。通信IF24は、インターネット等の公衆ネットワーク、携帯電話網等の無線ネットワーク、VPN(Virtual Private Network)等の専用ネットワーク、LAN(Local Area Network)等、様々なネットワークを介して、三次元レーザスキャナ10による計測値を受信し、支保工の応力算定結果や健全性評価結果に関するデータ等をホストコンピュータ等に送信する。ここで、通信IF24には、LPWA無線通信モジュールと通信アンテナ等が接続されてもよい。LPWA無線通信モジュールはLPWA無線通信(無線送信)を実現する機器であり、例えば無線チップと周辺回路を小型基板に実装した電子部品である。LPWAの主な通信方式(通信プロトコル)には、Sigfox、LoRaWAN(Long Range Wide Area Network)、NB-IoT等があるが、例えばライセンスを必要とせず、携帯電話通信の波が届き難い山岳地帯でも坑内に自営の基地局を設置することができ、低コストの通信システムを構築可能なLoRaWANを適用するのが好ましい。LoRaWANは、920MHz帯のISMバンドを使用し、13dBm以下の低い出力でも遠距離通信を可能とする、LoRa変調を採用した通信方式である。 The communication IF 24 is an interface with the network to which the evaluation device 20 is connected. The communication IF 24 receives measurement values by the three-dimensional laser scanner 10 via various networks, such as public networks such as the Internet, wireless networks such as mobile phone networks, dedicated networks such as VPNs (Virtual Private Networks), and LANs (Local Area Networks), and transmits data related to the stress calculation results and soundness evaluation results of the support to a host computer, etc. Here, an LPWA wireless communication module and a communication antenna, etc. may be connected to the communication IF 24. The LPWA wireless communication module is a device that realizes LPWA wireless communication (wireless transmission), and is, for example, an electronic component in which a wireless chip and peripheral circuits are mounted on a small substrate. The main communication methods (communication protocols) for LPWA include Sigfox, LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), NB-IoT, etc., but it is preferable to use LoRaWAN, which does not require a license, allows for the installation of self-operated base stations inside mines even in mountainous areas where mobile phone communication waves are difficult to reach, and allows the construction of a low-cost communication system. LoRaWAN is a communication method that uses LoRa modulation, using the 920 MHz ISM band and enabling long-distance communication even with low output of 13 dBm or less.
図3に示すように、評価装置20は、CPU21によるプログラムの実行により、少なくとも、通信部202、変位量特定部204、応力算定部206、評価部208、許容ひずみ設定部210、管理基準値設定部212、表示部214、及び格納部216の各種機能を提供する。ここで、上記処理機能の少なくとも一部が、DSP(Digital Signal Processor)、GPU(Graphics Processing Unit)等によって提供されてもよく、同様に、上記処理機能の少なくとも一部が、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、数値演算プロセッサ、画像処理プロセッサ等の専用LSI(large scale integration)やその他のデジタル回路等であってもよい。 As shown in FIG. 3, the evaluation device 20 provides various functions, at least a communication unit 202, a displacement amount determination unit 204, a stress calculation unit 206, an evaluation unit 208, an allowable strain setting unit 210, a control standard value setting unit 212, a display unit 214, and a storage unit 216, by executing a program by a CPU 21. Here, at least a part of the above processing functions may be provided by a DSP (Digital Signal Processor), a GPU (Graphics Processing Unit), etc., and similarly, at least a part of the above processing functions may be a dedicated LSI (large scale integration) such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array), a numerical calculation processor, an image processing processor, or other digital circuit, etc.
通信部202では、三次元レーザスキャナ10から送信された支保工の各計測位置における三次元座標に関する計測データ(計測値)が随時受信され、格納部216に随時格納される。 The communication unit 202 receives measurement data (measurement values) relating to the three-dimensional coordinates at each measurement position of the support work transmitted from the three-dimensional laser scanner 10 at any time, and stores the data in the storage unit 216 at any time.
変位量特定部204は、掘削段階ごとに計測されている、支保工の複数の計測位置における三次元座標とその座標変化量に基づき、各計測位置における掘削段階ごとの変位量を特定し、各支保工の各計測位置における掘削段階が進んだ際の増分変位量を特定する。例えば、数m間隔で建て込まれる鋼製支保工の複数の計測位置の三次元座標を、複数の掘削段階ごとに計測することにより、掘削段階ごとの増分変位量が特定される。 The displacement amount determination unit 204 determines the amount of displacement for each excavation stage at each measurement position based on the three-dimensional coordinates and the amount of change in coordinates at multiple measurement positions of the support, which are measured for each excavation stage, and determines the incremental displacement amount as the excavation stage progresses at each measurement position of each support. For example, the incremental displacement amount for each excavation stage is determined by measuring the three-dimensional coordinates of multiple measurement positions of steel support, which are erected at intervals of several meters, for each of the multiple excavation stages.
応力算定部206は、支保工に関する支保工モデルを作成し、支保工モデルに対して増分変位量を付与することにより、掘削段階ごとに支保工モデルに発生する応力を算定する。 The stress calculation unit 206 creates a support model for the support and calculates the stress generated in the support model for each excavation stage by applying an incremental displacement amount to the support model.
ここで、図4は、支保工のFEM解析モデルに対して、増分変位量を強制変位として付与した際の表示部214における表示例を示す図である。図示例の支保工モデルMは、二次元もしくは三次元のFEM解析モデルであり、断面が馬蹄形の支保工モデルMに対して増分変位量を強制載荷した際のモデル図である。 Here, FIG. 4 shows an example of the display on the display unit 214 when an incremental displacement amount is applied as a forced displacement to the FEM analysis model of the shoring. The shoring model M in the illustrated example is a two-dimensional or three-dimensional FEM analysis model, and is a model diagram of the case when an incremental displacement amount is forcedly applied to the shoring model M, which has a horseshoe-shaped cross section.
ここで、支保工が吹付けコンクリートと鋼製支保工を含む場合は、支保工モデルMは吹付けコンクリートモデルと鋼製支保工モデルの重ね梁モデルとなる。鋼製支保工モデルには、その仕様に応じたν(ポアソン比)、E(ヤング係数)、A(断面積)、及びI(断面二次モーメント)等を設定し、吹付けコンクリートモデルには、その仕様に応じたν、E、A等を設定する。尚、吹付けコンクリートに関し、そのヤング係数Eは、材令により変化することから仮定が必要になり、断面積Aも厚さのむらを考慮した仮定が必要になる。 Here, if the shoring includes shotcrete and steel shoring, the shoring model M will be a stacked beam model of the shotcrete model and the steel shoring model. For the steel shoring model, ν (Poisson's ratio), E (Young's modulus), A (cross-sectional area), I (second moment of area), etc. are set according to its specifications, and for the shotcrete model, ν, E, A, etc. are set according to its specifications. Note that for shotcrete, Young's modulus E needs to be assumed since it changes with the age of the material, and the cross-sectional area A also needs to be assumed taking into account uneven thickness.
三次元のFEM解析モデル(三次元モデル)を作成した際は、三次元の支保工モデルに対して面的に増分変位量を付与することにより、より精度の高い応力解析結果が得られる。 When a three-dimensional FEM analysis model (three-dimensional model) is created, more accurate stress analysis results can be obtained by applying incremental displacement amounts to the three-dimensional support model.
図4に示すように、支保工モデルMに対して増分変位量を強制変位として付与することにより、図5に示すように支保工モデルに発生する応力が算定される。図示例では、支保工モデルMのうちの鋼製支保工モデルにおいて、最大曲げ応力274N/mm2が発生している。 As shown in Fig. 4, by applying an incremental displacement amount to the support model M as a forced displacement, the stress generated in the support model is calculated as shown in Fig. 5. In the illustrated example, a maximum bending stress of 274 N/ mm2 is generated in the steel support model of the support model M.
格納部216には、例えば鋼製支保工の降伏強度データ(例えば400N/mm2)が格納されており、評価部208では、算定された最大曲げ応力274N/mm2と降伏強度:400N/mm2を比較することにより、鋼製支保工の健全性の有無を評価する。本例では、最大発生曲げ応力が降伏強度以下であることから、健全性ありと評価される。 The storage unit 216 stores, for example, yield strength data (e.g., 400 N/mm 2 ) of the steel support, and the evaluation unit 208 evaluates the soundness of the steel support by comparing the calculated maximum bending stress of 274 N/mm 2 with the yield strength of 400 N/mm 2. In this example, since the maximum bending stress is equal to or less than the yield strength, the steel support is evaluated as sound.
格納部216には、支保工の損傷が確認されている複数のトンネル施工事例が格納されている。 Storage section 216 stores multiple tunnel construction examples where damage to supports has been confirmed.
ここで、図6には、トンネル施工事例の一例を示しており、より詳細には、過去の施工実績に基づく施工事例をまとめたテーブルである。 Figure 6 shows an example of a tunnel construction example, and more specifically, it is a table that lists construction examples based on past construction results.
図6には、Aトンネル乃至Zトンネルまでの26例に関する、土被り、地質、支保部材(支保工)の変状位置、切羽離れ、トンネル換算半径(例えば、馬蹄形のトンネルを円形に模擬した際の半径等)、変状発生時の支保パターン(支保工パターン)、計測変位量を示しており、右欄の「周方向ひずみ」は、トンネルの換算半径と計測変位量から算定している。尚、「周方向ひずみ」とは、トンネルの周方向の複数箇所(天端、内空、壁面)における、径方向のひずみのことである。また、本発明者等によりまとめられている施工実績に基づく施工事例は、図6に示す例の他にも存在するが、図6には、その一例を示している。 Figure 6 shows the soil cover, geology, deformation position of support members (shoring), face separation, tunnel conversion radius (for example, the radius when a horseshoe-shaped tunnel is simulated as a circle), support pattern (shoring pattern) at the time of deformation, and measured displacement for 26 cases from A tunnel to Z tunnel, and the "circumferential strain" in the right column is calculated from the tunnel conversion radius and measured displacement. Note that "circumferential strain" refers to the radial strain at multiple points around the circumference of the tunnel (top, inner space, wall surface). There are other construction examples based on construction performance compiled by the inventors other than the example shown in Figure 6, but Figure 6 shows one example.
ここで、周方向ひずみ:εt(%)の算定方法は、トンネルの計測変位量(半径方向変位量):Ur(m)をトンネル掘削半径(もしくは換算半径で、単位はm):Rで除し、100を乗じる方法である。 The method for calculating the circumferential strain: εt (%) is to divide the measured displacement of the tunnel (radial displacement): Ur (m) by the tunnel excavation radius (or converted radius, in m): R, and multiply it by 100.
尚、図示を省略するが、施工事例には、公知文献に記載の事例が含まれる。この公知文献としては、日本トンネル技術協会;トンネルと地下や、土木学会:トンネル工学研究発表会 論文・報告集、日本トンネル技術協会:施工体験発表会等に記載の施工事例が挙げられる。 Although illustrations are omitted, the construction examples include examples described in publicly available literature. Examples of such publicly available literature include the construction examples described in Japan Tunneling Association: Tunnels and Underground, Japan Society of Civil Engineers: Tunnel Engineering Research Presentation Papers and Reports, Japan Tunneling Association: Construction Experience Presentation, etc.
許容ひずみ設定部210では、支保工の損傷時の許容ひずみを、上記する複数の施工事例に基づき、例えば、1%乃至2%の範囲で設定する。ここで、許容ひずみを2%とすることでトンネル施工事例に基づく危険側の管理基準値を設定でき、許容ひずみを1%とすることでトンネル施工事例に基づく安全側の管理基準値を設定できる。許容ひずみ設定部210は、1%乃至2%程度の範囲で、管理対象のトンネルに対して好適な許容ひずみを自動的に設定してもよいし、施工管理者等が1%乃至2%程度の範囲で設定した許容ひずみが、許容ひずみ設定部210に入力されるようになっていてもよい。 In the allowable strain setting unit 210, the allowable strain when the support is damaged is set, for example, in the range of 1% to 2% based on the multiple construction examples described above. Here, by setting the allowable strain to 2%, a dangerous management standard value based on tunnel construction examples can be set, and by setting the allowable strain to 1%, a safe management standard value based on tunnel construction examples can be set. The allowable strain setting unit 210 may automatically set an appropriate allowable strain for the tunnel to be managed, in the range of about 1% to 2%, or the allowable strain set by a construction manager, etc., in the range of about 1% to 2% may be input to the allowable strain setting unit 210.
また、例えばひずみ1%に対してさらに安全率を見込んでもよく、安全率を見込むことでより安全側の管理基準値を設定できる。ここで、安全率としては、1.1乃至1.5程度を設定でき、例えばひずみ1%に対して安全率1.25を見込んだ場合は、許容ひずみは0.8%に設定される。 It is also possible to allow for a safety factor of, for example, 1% strain, and by allowing for a safety factor, a safer control standard value can be set. Here, the safety factor can be set to approximately 1.1 to 1.5, and for example, if a safety factor of 1.25 is allowed for 1% strain, the allowable strain is set to 0.8%.
管理基準値設定部212は、許容ひずみ設定部210にて設定されている許容ひずみに対して、管理対象のトンネルの掘削半径を乗じることにより、支保工の管理基準値を設定する。 The management standard value setting unit 212 sets the management standard value for the support by multiplying the allowable strain set in the allowable strain setting unit 210 by the excavation radius of the tunnel to be managed.
評価部208では、上記するように、算定された掘削段階ごとの応力に基づいて支保工の健全性を評価することに加えて、設定されている管理基準値と、掘削段階ごとの計測位置における変位量を比較することによっても支保工の健全性を評価する。 As described above, the evaluation unit 208 evaluates the soundness of the support structure based on the calculated stress for each excavation stage, and also evaluates the soundness of the support structure by comparing the displacement amount at the measurement position for each excavation stage with the set management standard value.
そして、例えば、二段階の支保工の健全性評価により、双方の健全性評価をともにクリアした際に支保工が健全であると判定することができる。また、少なくとも一方の健全性評価をクリアしない場合は支保工が健全でないと判定し、対策工を検討・実施することとする。 For example, by carrying out a two-stage evaluation of the soundness of a support, if both soundness evaluations are met, the support can be determined to be sound. If at least one of the soundness evaluations is not met, the support is determined to be unsound, and countermeasures will be considered and implemented.
図示例の評価装置20は、二段階の支保工の健全性評価機能を有しているが、例えば、許容ひずみ設定部210と管理基準値設定部212を具備しない形態であってもよい。この形態では、算定された掘削段階ごとの応力のみに基づいて支保工の健全性が評価されることになる。 The illustrated evaluation device 20 has a two-stage support soundness evaluation function, but may have a form that does not include, for example, the allowable strain setting unit 210 and the control standard value setting unit 212. In this form, the soundness of the support is evaluated based only on the calculated stress for each excavation stage.
健全性評価システム100によれば、三次元レーザスキャナ10を使用してトンネルの掘削段階ごとに、支保工の計測位置の三次元座標を取得して変位量を特定し、評価装置20において、掘削段階が進んだ際の増分変位量を特定し、作成した支保工モデルMに対して増分変位量を付与し、掘削段階ごとに支保工モデルMに発生する応力を算定して支保工の健全性を評価することにより、掘削段階ごとの支保工の健全性を適正に評価することができる。 According to the soundness evaluation system 100, the three-dimensional laser scanner 10 is used to obtain the three-dimensional coordinates of the measurement position of the support for each excavation stage of the tunnel to determine the amount of displacement, and the evaluation device 20 determines the incremental displacement amount as the excavation stage progresses, assigns the incremental displacement amount to the created support model M, and calculates the stress generated in the support model M for each excavation stage to evaluate the soundness of the support, thereby making it possible to properly evaluate the soundness of the support for each excavation stage.
また、三次元レーザスキャナ10を適用することにより、支保工における様々な計測位置ごとに計測機器を設置することを不要にして、各計測位置における速やかな変位計測が可能になる。 In addition, by applying the three-dimensional laser scanner 10, it becomes unnecessary to install measuring equipment at each of the various measurement positions in the support structure, and it becomes possible to quickly measure displacement at each measurement position.
[第1実施形態に係るトンネル支保工の健全性評価方法]
次に、図7を参照して、第1実施形態に係るトンネル支保工の健全性評価方法の一例について説明する。ここで、図7は、第1実施形態に係るトンネル支保工の健全性評価方法の一例のフローチャートである。
[Method for evaluating the soundness of tunnel support according to the first embodiment]
Next, an example of the tunnel support soundness evaluation method according to the first embodiment will be described with reference to Fig. 7. Here, Fig. 7 is a flowchart of the example of the tunnel support soundness evaluation method according to the first embodiment.
この健全性評価方法は、トンネルの掘削に伴い施工される支保工の応力を特定し、支保工の健全性を評価する評価方法である。 This method of evaluating soundness identifies the stresses in the supports that are constructed during tunnel excavation and evaluates the soundness of the supports.
まず、トンネルの掘削段階ごとに、設定された支保工の計測位置を三次元レーザスキャナにより撮像して三次元座標を取得する(ステップS10)。 First, at each stage of tunnel excavation, the measurement positions of the set supports are imaged using a 3D laser scanner to obtain 3D coordinates (step S10).
そして、掘削段階ごとの計測位置における変位量を特定するとともに、掘削段階が進んだ際の増分変位量を特定する(ステップS12)。以上、ステップS10、S12をまとめて、A工程とする。 Then, the amount of displacement at the measurement position for each excavation stage is determined, and the incremental amount of displacement as the excavation stage progresses is determined (step S12). Steps S10 and S12 are collectively referred to as process A.
次に、コンピュータにおいて、支保工に関する支保工モデルを作成し、支保工モデルに対して増分変位量を付与することにより、掘削段階ごとに支保工モデルに発生する応力を算定する(ステップS14,B工程)。 Next, a support model for the support is created in the computer, and the stress generated in the support model at each excavation stage is calculated by applying an incremental displacement to the support model (step S14, process B).
次に、算定された掘削段階ごとの応力に基づいて、支保工の健全性を評価する(ステップS16、C工程)。 Next, the soundness of the support is evaluated based on the calculated stresses for each excavation stage (step S16, process C).
支保工の健全性評価の結果、例えば応力が降伏強度を超える場合は、支保工が健全でないとして、何らかの対策工の検討と実施を行う(ステップS18)。一方、応力が降伏強度以下の場合は、現状の支保工が健全であると評価することができる。 If the evaluation of the soundness of the support structure shows that the stress exceeds the yield strength, for example, the support structure is deemed to be unsound, and some kind of countermeasure is considered and implemented (step S18). On the other hand, if the stress is equal to or less than the yield strength, the current support structure can be evaluated as sound.
[第2実施形態に係るトンネル支保工の健全性評価方法]
次に、図8を参照して、第2実施形態に係るトンネル支保工の健全性評価方法の一例について説明する。ここで、図8は、第2実施形態に係るトンネル支保工の健全性評価方法の一例のフローチャートである。
[Method of evaluating the soundness of tunnel support according to the second embodiment]
Next, an example of the tunnel support soundness evaluation method according to the second embodiment will be described with reference to Fig. 8. Here, Fig. 8 is a flowchart of an example of the tunnel support soundness evaluation method according to the second embodiment.
図8において、左欄のフローチャートは、原則的に図7に示すフローチャートと同様である。この左欄のフローにより、第一段の支保工の健全性評価を行う(ステップS16)。 In Figure 8, the flowchart in the left column is essentially the same as the flowchart shown in Figure 7. This flow in the left column is used to evaluate the soundness of the first stage of support (step S16).
一方、図8において、右欄のフローチャートでは、まず、支保工の損傷が確認されている複数のトンネル施工事例から、支保工の損傷時の許容ひずみを設定する。許容ひずみは、1%乃至2%程度の範囲で設定するのがよく、安全率をさらに見込む場合は、より安全側の許容ひずみが設定される(ステップS20,D工程)。 In the flowchart on the right side of Figure 8, the allowable strain in the event of support damage is set based on multiple tunnel construction examples in which support damage has been confirmed. The allowable strain should be set in the range of about 1% to 2%, and if an additional safety factor is required, a safer allowable strain is set (step S20, process D).
次に、許容ひずみに対して、管理対象のトンネルの掘削半径を乗じることにより、支保工の管理基準値を設定する(ステップS22,E工程)。 Next, the allowable strain is multiplied by the excavation radius of the tunnel to be managed to set the support management standard value (step S22, process E).
次に、トンネルの掘削段階ごとに、設定された支保工の計測位置を三次元レーザスキャナにより撮像して三次元座標を取得し(ステップS24)、管理基準値と、掘削段階ごとの計測位置における変位量を比較することにより、第二段の支保工の健全性評価を行う(ステップS26、C工程)。 Next, for each stage of excavation of the tunnel, the measurement positions of the set support are imaged using a 3D laser scanner to obtain 3D coordinates (step S24), and the soundness of the second stage of support is evaluated by comparing the displacement at the measurement positions for each excavation stage with the management standard values (step S26, process C).
最後に、第一段と第二段の支保工の健全性評価の結果の少なくとも一方が健全であるか否かを判定し(ステップS30)、双方ともに健全でないと評価される場合は、何らかの対策工の検討と実施を行う(ステップS18)。一方、いずれか一方が健全である、もしくは双方ともに健全であると評価される場合は、現状の支保工が健全であると評価することができる。 Finally, it is determined whether at least one of the results of the soundness assessment of the first and second stages of support is sound (step S30), and if neither is assessed to be sound, some kind of countermeasure work is considered and implemented (step S18). On the other hand, if either one or both are assessed to be sound, the current support can be assessed to be sound.
この健全性評価方法によれば、より評価精度の高い支保工の健全性評価を実現できる。 This soundness assessment method makes it possible to achieve more accurate assessment of the soundness of support structures.
尚、上記実施形態に挙げた構成等に対し、その他の構成要素が組み合わされるなどした他の実施形態であってもよく、ここで示した構成に本発明が何等限定されるものではない。この点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。 Note that the configurations described in the above embodiments may be combined with other components, and the present invention is not limited to the configurations shown here. In this regard, changes can be made without departing from the spirit of the present invention, and can be determined appropriately according to the application form.
10:三次元レーザスキャナ
20:評価装置
30:ネットワーク
100:トンネル支保工の健全性評価システム(健全性評価システム)
202:通信部
204:変位量特定部
206:応力算定部
208:評価部
210:許容ひずみ設定部
212:管理基準値設定部
214:表示部
216:格納部
M:支保工モデル
10: 3D laser scanner 20: Evaluation device 30: Network 100: Tunnel support soundness evaluation system (soundness evaluation system)
202: Communication unit 204: Displacement amount determination unit 206: Stress calculation unit 208: Evaluation unit 210: Allowable strain setting unit 212: Control standard value setting unit 214: Display unit 216: Storage unit M: Support model
Claims (6)
トンネルの掘削段階ごとに、設定された前記支保工の計測位置を三次元レーザスキャナにより撮像して三次元座標を取得し、掘削段階ごとの該計測位置における変位量を特定するとともに、掘削段階が進んだ際の増分変位量を特定する、A工程と、
コンピュータにおいて、前記支保工に関する支保工モデルを作成し、該支保工モデルに対して前記増分変位量を付与することにより、掘削段階ごとに該支保工モデルに発生する応力を算定する、B工程と、
算定された掘削段階ごとの前記応力に基づいて、前記支保工の健全性を評価する、C工程とを有することを特徴とする、トンネル支保工の健全性評価方法。 A method for evaluating the soundness of a tunnel support, comprising: identifying stress in a support constructed in association with excavation of a tunnel and evaluating the soundness of the support;
Step A includes capturing an image of the measurement position of the support set for each excavation stage of the tunnel using a three-dimensional laser scanner to obtain three-dimensional coordinates, determining the amount of displacement at the measurement position for each excavation stage, and determining the incremental amount of displacement as the excavation stage progresses;
A step B includes creating a support model for the support in a computer and calculating stress generated in the support model for each excavation stage by applying the incremental displacement to the support model;
A method for evaluating the integrity of a tunnel support, comprising a step C of evaluating the integrity of the support based on the stress calculated for each excavation stage.
前記支保工は、吹付けコンクリートと鋼製支保工を含み、
前記支保工モデルは、吹付けコンクリートモデルと鋼製支保工モデルを含み、
前記吹付けコンクリートモデルと前記鋼製支保工モデルのそれぞれの掘削段階ごとの応力を算定し、
前記C工程において、
前記吹付けコンクリートと前記鋼製支保工のそれぞれの健全性を評価することを特徴とする、請求項1に記載のトンネル支保工の健全性評価方法。 In the step B,
The support includes shotcrete and steel support;
The support model includes a shotcrete model and a steel support model,
Calculating stresses in each of the excavation stages of the shotcrete model and the steel support model;
In the step C,
2. A method for evaluating the integrity of a tunnel support according to claim 1, characterized in that the integrity of each of the sprayed concrete and the steel support is evaluated.
前記支保工モデルを三次元モデルとして作成し、
前記支保工モデルに対して、面的に前記増分変位量を付与することを特徴とする、請求項1又は2に記載のトンネル支保工の健全性評価方法。 In the step B,
The support model is created as a three-dimensional model,
3. The method for evaluating the soundness of a tunnel support according to claim 1, further comprising the step of applying the incremental displacement amount to the support model in a planar manner.
前記許容ひずみに対して、管理対象のトンネルの掘削半径を乗じることにより、前記支保工の管理基準値を設定する、E工程とをさらに有し、
前記C工程では、算定された掘削段階ごとの前記応力に基づいて、前記支保工の健全性を評価することに加えて、前記管理基準値と、掘削段階ごとの前記計測位置における前記変位量を比較することにより、前記支保工の健全性を評価することを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のトンネル支保工の健全性評価方法。 Step D: setting an allowable strain when the support is damaged based on a plurality of tunnel construction cases in which damage to the support has been confirmed;
The method further includes a step E of setting a management reference value of the support by multiplying the allowable strain by the excavation radius of the tunnel to be managed,
4. A method for evaluating the integrity of a tunnel support as described in any one of claims 1 to 3, characterized in that in step C, in addition to evaluating the integrity of the support based on the calculated stress for each excavation stage, the integrity of the support is evaluated by comparing the control standard value with the amount of displacement at the measurement position for each excavation stage.
三次元レーザスキャナと、評価装置とを有し、
前記三次元レーザスキャナは、
トンネルの掘削段階ごとに、設定された前記支保工の計測位置を三次元レーザスキャナにより撮像して三次元座標を取得し、
前記評価装置は、
掘削段階ごとの前記計測位置における変位量を特定するとともに、掘削段階が進んだ際の増分変位量を特定する、変位量特定部と、
前記支保工に関する支保工モデルを作成し、該支保工モデルに対して前記増分変位量を付与することにより、掘削段階ごとに該支保工モデルに発生する応力を算定する、応力算定部と、
算定された掘削段階ごとの前記応力に基づいて、前記支保工の健全性を評価する、評価部とを有することを特徴とする、トンネル支保工の健全性評価システム。 A tunnel support integrity evaluation system that identifies stress in a support constructed during tunnel excavation and evaluates the integrity of the support,
A three-dimensional laser scanner and an evaluation device are included.
The three-dimensional laser scanner includes:
At each stage of excavation of the tunnel, the measurement position of the set support is imaged by a three-dimensional laser scanner to obtain three-dimensional coordinates;
The evaluation device includes:
A displacement amount specifying unit that specifies a displacement amount at the measurement position for each excavation stage and specifies an incremental displacement amount as the excavation stage progresses;
A stress calculation unit that creates a support model for the support and calculates a stress generated in the support model for each excavation stage by applying the incremental displacement amount to the support model;
A tunnel support integrity evaluation system, characterized by having an evaluation unit that evaluates the integrity of the support based on the stress calculated for each excavation stage.
前記支保工の損傷が確認されている複数のトンネル施工事例を格納する、格納部と、
前記複数のトンネル施工事例に基づいて、支保工の損傷時の許容ひずみを設定する、許容ひずみ設定部と、
前記許容ひずみに対して、管理対象のトンネルの掘削半径を乗じることにより、前記支保工の管理基準値を設定する、管理基準値設定部とをさらに有し、
前記評価部では、算定された掘削段階ごとの前記応力に基づいて、前記支保工の健全性を評価することに加えて、前記管理基準値と、掘削段階ごとの前記計測位置における前記変位量を比較することにより、前記支保工の健全性を評価することを特徴とする、請求項5に記載のトンネル支保工の健全性評価システム。 The evaluation device includes:
A storage unit for storing a plurality of tunnel construction examples in which damage to the support structure has been confirmed;
An allowable strain setting unit that sets an allowable strain when the support is damaged based on the plurality of tunnel construction examples;
and a management reference value setting unit that sets a management reference value for the support by multiplying the allowable strain by an excavation radius of a tunnel to be managed,
The tunnel support integrity evaluation system of claim 5, characterized in that the evaluation unit evaluates the integrity of the support based on the calculated stress for each excavation stage, and also evaluates the integrity of the support by comparing the control standard value with the displacement amount at the measurement position for each excavation stage.
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