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山岳トンネル技術

3Dマッチ®

3Dレーザースキャナによるトンネル変位計測システム

山岳トンネルでは、安全上、切羽周辺の地山を監視することが非常に重要です。通常の変位計測では、切羽に3~5箇所のターゲットを設置して、光波測定器により測定点の変位量を測定しますが、この手法では、トンネル全体の面的挙動を正確に把握することはできません。また、3Dレーザースキャナで面的にトンネル壁面の形状を計測する手法では、面上の任意の点が時間経過とともにどのくらい変位したかを捉えることはできませんでした。

そこで鹿島は、画像処理技術を用いて、3Dレーザースキャナによる測定結果から変位量を算出できる計測システム「3Dマッチ」を開発しました。

図版:3Dマッチメイン画面

3Dマッチメイン画面

特許登録済
第43回岩盤力学に関するシンポジウム 優秀講演論文賞 2015年1月

キーワード

3Dレーザースキャナ、テンプレートマーチング、画像処理、計測、山岳トンネル
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システムの概要

3Dマッチは、構造物の形状を面的に測定できる3Dレーザースキャナと、面の凹凸などの特徴を認識する画像処理技術(テンプレートマッチング)を組み合わせたもので、これまで3~5箇所の限られた測定点で計測していたトンネルの変位を、無数のターゲットで測定したかのように、面的に捉えることが可能になりました。

テンプレートマッチングとは、画像の中から特定のパターンを検出しマッチングする技術で、防犯やセキュリティ管理の分野で、人物特定の技術として応用が進んでいます。

レーザースキャナで取得した画像を用いて、変形前後のトンネル壁面の微細な凹凸のパターンを探し出しマッチングすることで、任意の点が時間経過とともにどのくらい変位しているのかを面的にかつ精度よく把握することができます。

図版:3Dマッチ測定風景

3Dマッチ測定風景

図版:測定器(3Dレーザースキャナ)

測定器(3Dレーザースキャナ)

図版:テンプレートマッチングを用いた任意点の追跡方法

テンプレートマッチングを用いた任意点の追跡方法

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システムの特長

切羽だけでなく壁面などの周辺も高精度に把握

本システムを初適用した三遠南信小嵐トンネル調査坑工事では、切羽及び切羽周辺の変位を高精度かつ面的に捉えられることを確認しました。

図版:周辺壁面の測定結果

周辺壁面の測定結果

切羽崩落等の安全性の確保

時間経過とともに面的に変位を把握することができるため、断層に起因する大変位や局所変位の発生の予兆を捉えることができ、安全対策を講じるための判断に使用することができます。

図版:切羽変位計測結果(奥行方向変位)

切羽変位計測結果(奥行方向変位)

適用実績

図版:三遠南信小嵐トンネル調査坑工事

三遠南信小嵐トンネル
調査坑工事

場所:長野県飯田市

工期:2014年1月~2017年3月

発注者:国土交通省中部地方整備局

規模:工事延長L=1,810m

学会論文発表実績

  • 「山岳トンネルにおける定点追尾システムを利用した3Dスキャナ変位計測」土木学会第68回年次学術講演会,2013年
  • 「3Dレーザースキャナ変位計測『3Dマッチ』」しこくNo.92,2014年1月
  • 「トンネルを支える計測技術『3Dマッチ』」土木技術Vol.69,No.11,2014年11月
  • 「3Dレーザースキャナと画像処理技術を用いた変位計測システムの開発」第43回岩盤力学に関するシンポジウム講演集,2015年
  • 「3Dレーザースキャナ変位計測システム『3Dマッチ』」建設機械Vol.51,No.7,2015年7月

ロックボルト削孔データによる周辺地質の3次元評価

削孔検層システムを利用し、地球統計学手法により解析

山岳トンネルでは、安全及び品質管理上、地山に応じた適切な支保パターンを選定することが不可欠ですが、従来の切羽観察によって地山を評価し支保パターンを選定する方法では、切羽に出現しないトンネル周辺の断層の分布に気づかず補強や対策が手遅れになり、大きな変状や坑壁の崩落に至る恐れがあります。

一方、坑壁弾性波など、従来の手法でトンネル周辺の地質状況を日常的に調べることは、工期や工費の面で現実的ではありません。

そこで、鹿島では、トンネル周囲に打設するロックボルトの削孔データを取得・解析し、その結果を地球統計学手法によって処理することで、トンネル周辺の地質状況を3次元的に評価するシステムを開発しました。

特許登録済

図版:トンネル周辺の地山状況(破壊エネルギー係数分布)

トンネル周辺の地山状況(破壊エネルギー係数分布)

キーワード

山岳トンネル、地山評価、ロックボルト、破壊エネルギー、地球統計学、CIM
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特長・メリットココがポイント

日常的な施工サイクルの中で周辺地山を評価可能

本システムでは、ドリルジャンボでロックボルトの穴を削孔する際に得られる「破壊エネルギー係数」を利用することで、特別な作業を行うことなく、日常の施工サイクルの中で地質状況を評価することができます。

図版:ロックボルト削孔データから地山状況を3次元的に把握

ロックボルト削孔データから地山状況を3次元的に把握

周辺の地質状況を連続的、3次元的に把握

地球統計学とは、空間に分布するデータを分析し、統計学手法からデータの存在しない箇所の値を推定することで地盤全体の構造を評価する手法です。この手法を応用することで、得られた破壊エネルギー係数からデータのない箇所を高精度に推定することができ、周辺の地質状況を連続的かつ3次元的に把握できます。このため対策の要否を迅速に判断でき、想定外の過大な変位や崩落などを未然に防止することができます。

図版:地球統計学による地山評価例

地球統計学による地山評価例

供用後の維持管理、CIMへの展開も

トンネル全線のデータを取得すれば、掘削中の地山評価に活用できるだけでなく、供用後の変状発生に対する対策範囲の判断など維持管理への活用もでき、更にCIMへの展開も期待できます。

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適用実績

図版:南久保山トンネル

南久保山トンネル

場所:宮崎県延岡市

工期:2013年2月~2014年9月

発注者:国土交通省九州地方整備局

規模:トンネル延長381m、
掘削工法NATM

学会論文発表実績

  • 「支保パターン選定に寄与する地山評価技術の開発と適用実績」,トンネル工学報告集,第25巻,2015年11月
  • 「トンネル地質三次元評価システム ─ロックボルトの削孔データによる地質評価技術─」,建設機械,610,Vol.51,No.12,2015年12月

山岳トンネル切羽「風化変質判定システム」

タブレットPC内蔵カメラで撮影し、風化変質程度を数値化

山岳トンネルでは、安全及び品質管理上、掘削中の切羽観察が非常に重要です。切羽観察のうち、「風化変質」程度の判定は従来目視で行われますが、数値化しにくいため、個人により判定の差が出やすい傾向があります。

切羽における岩盤の風化変質が進行すると崩落の危険が高まります。風化変質度合を定量的に測定する方法は切羽に接近して試料を採取して分析する等がありますが、切羽全体の測定が困難であること、また、分析に時間がかかることなどが課題でした。

そこで、鹿島では、タブレットPCに内蔵されたカメラで切羽を撮影し画像を解析することで、現場で即座に風化変質度合を数値化できるシステムを開発しました。

図版:風化変質判定システム概念図

風化変質判定システム概念図

キーワード

風化変質、地山評価、山岳トンネル
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特長・メリットココがポイント

切羽全体の風化変質を数値化してコンター表示

タブレットPCに内蔵されたカメラを用いて切羽を撮影し、画素毎の色調を数値に変換、その結果をコンター図に表します。デジタルカメラのRBG値を、色調比較に適したL*a*b値に変換するプログラムを開発し、タブレットPCに搭載しています。これまでの切羽観察では、観察者の目視によって4段階に風化程度を評価していましたが、本システムでは、未風化(0)~強風化(Ⅳ)まで5段階でコンター表示することができます。色調補正のため、カラーバーを一緒に撮影することにより、同一条件での色調解析が可能です。

図版:切羽の風化部分抽出状況

切羽の風化部分抽出状況

切羽に近づくことなく客観的に判定、数分で解析可能

本システムは、切羽に近づくことなく、切羽全体の色調を一度に測定できます。また、タブレットPC内蔵のカメラを使用し、解析ソフトもタブレットPCに搭載しているため、デジタルカメラからPCへ画像を転送することなく、画面を数回タップするだけの簡単な作業で、わずか数分で解析結果が現場で得られます。

図版:現場での撮影風景

現場での撮影風景

図版:画面表示例

画面表示例

南久保山トンネルの低土被り部の切羽観察に適用、有用性を確認

南久保山トンネル新設工事では、土被りが最小で1m程度になり、地表部からトンネル天端に広がる風化変質の程度を定量的に評価することが重要でした。そこで、本システムの結果と、専門家の評価並びに、従来の定量的評価との比較を行ったところ、高い相関を持ちつつ迅速かつ安定した結果を出力できることを確認しました。

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適用実績

図版:南久保山トンネル

南久保山トンネル

場所:宮崎県延岡市

工期:2013年2月~2014年9月

発注者:国土交通省九州地方整備局

規模:トンネル延長381m、
掘削工法NATM

図版:宮古盛岡横断道路 新区界トンネル工事(1期)

宮古盛岡横断道路 
新区界トンネル工事(1期)

場所:岩手県宮古市区界地内

工期:2014年2月~2017年3月

発注者:国土交通省東北地方整備局

規模:トンネル延長4,998m、
掘削工法NATM

学会論文発表実績

  • 「山岳トンネル切羽の風化変質判定システムの開発 ─切羽観察での適用例─」,土木学会第69回年次学術講演会,2014年
  • 「支保パターン選定に寄与する地山評価技術の開発と適用実績」,トンネル工学報告集,第25巻,2015年11月

山岳トンネル技術 インデックス

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