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造成技術

ドローンによるレーザ測量

基準点を設置することなく、短時間に高精度な測量データを取得

土木工事現場での測量は、従来、光波測量器やGNSS測量器によるものが一般的でしたが、近年では、高精度に測量が可能で3次元図面を出力できる3D地上レーザ測量が普及しています。また、ドローンによる写真測量の実績も増え、精度も向上しています。しかし、写真測量では、高低差のある複雑な地形や、樹木がある場合などに精度の高い測量データを得ることが難しく、課題となっていました。

鹿島では、日本で初めてドローンに3Dレーザスキャナを搭載して大分川ダム堤体で計測を実施。高密度・高精度のデータを得ることに成功しました。

なお、本システムは、ニコン・トリンブル、ルーチェサーチとの共同開発です。

特許登録済

図版:大分川ダム堤体を計測中のレーザスキャナを搭載したドローン

大分川ダム堤体を計測中のレーザスキャナを搭載したドローン

図版:レーザスキャナを搭載したドローン

レーザスキャナを搭載したドローン

キーワード

ドローン、3Dレーザ測量
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特長・メリットココがポイント

写真測量の際に必要な基準点の設置不要

ドローンによる写真測量では、あらかじめ基準点(ターゲット)を地表面に複数箇所設置する必要がありますが、ドローンによるレーザ測量では、機体に内蔵されたGNSSとジャイロセンサにより、機体位置・傾き情報を正確に得たうえで、地表面に向けてレーザを照射することで得られる距離により計測を行うため、基準点設置の必要がありません。

図版:堤体部点群データ

堤体部点群データ

樹木があっても計測可能

レーザ照射は樹木の隙間を通り、地表面まで到達するため、樹木の伐採前、除根前でも地山を計測することが可能です。測量した結果は高精度な点群データで出力されることから高低差が取れ、複雑な地形でも精度の高いデータが得られます。

図版:伐採前レーザ測量樹木処理前データと樹木データ処理後 出力例

伐採前レーザ測量 樹木処理前データ

樹木データ処理後 出力例

短時間の飛行で高精度なデータを取得

測量では、事前にPC上にて設定したルートに従い、自律飛行が可能です。20haの広さをわずか13分間の飛行で測量することができます。高精度と言われる地上レーザ測量の結果と比較して、90%の測量点が±4.5cmの範囲に収まっていることを確認しました。従来のセスナ機等による航空レーザ測量と比較して安価で、かつ、現場内での離着陸が可能なため、現場の必要に応じて都度測量することができます。

適用実績

図版:大分川ダム建設(一期・二期)工事

大分川ダム建設
(一期・二期)工事

場所:大分県大分市

工期:2013年9月~2019年3月

発注者:国土交通省九州地方整備局

規模:中央コア型ロックフィルダム
堤高91.6m、堤頂長496.2m、
堤体積378.1万m3

ドローンを用いた写真測量による土量管理

高度な3次元図面を短時間で作成、誤差±6cmまで精度向上

大規模造成工事では、現地形の測量を行い土量の算出を行うことが工事の進捗管理のために不可欠です。従来は光波測量器による地上測量が一般的でしたが、広大な造成現場などでは測量・図面化・計算の一連の作業に手間と時間を要していました。

近年はドローンによる写真測量が増えていますが、鹿島では、ドローンやカメラなどの機器選定、使用ソフトの組み合わせや補正プログラムの高度化により誤差±6cmまで精度を高め、土量計算などの工事進捗管理に迅速に利用できるシステムとして完成させ、実工事に適用しました。

なお、本システムはリカノスとの共同開発です。

特許登録済

図版:ドローン操縦・撮影の様子

ドローン操縦・撮影の様子

キーワード

ドローン、写真測量、土量管理、施工管理
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測量手順と造成工事での適用

準備工

空撮を行う範囲内で地形変更を伴わない位置に基準点(ターゲット)を複数設置する。別途、地上測量により基準点の座標を測量する。(2回目以降も同じ基準点を使用するため、この作業は1回のみでよい)

図版:基準点(ターゲット)

基準点(ターゲット)

ドローンによる空撮

ドローンにより対象エリアの空撮を行う。この際、準備工で設置した基準点(ターゲット)が写るように撮影する。

図版:写真測量に用いるドローン

写真測量に用いるドローン

図版:ドローン操縦・撮影の様子

ドローン操縦・撮影の様子

データ処理

空撮により得られた写真データを、テータ処理ソフトで合成し3次元データ化する。この3Dデータを3DCADで読み込むことで、現地形平面図、縦横断図の作成や土量計算による工事の進捗管理を行うことができる。

図版:合成した画像(イメージ)

合成した画像(イメージ)

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特長・メリットココがポイント

空撮からデータ処理まで1日で完了

実際の造成現場で、2haの範囲を計測した結果、空撮からデータ処理まで1日で完了しました。従来の地上からの光波測量やGPSを利用した測量方法に比べて極めて短時間で作業ができ、施工進捗に近い状態で適切に土量を把握することができます。

高精度で信頼性の高い地形データを取得可能

解像度のよいデジタルカメラの採用と、複数の写真データ解析ソフトの最適化により、地形データ(標高)の精度を向上させ、信頼度の高い地形データを得ることができました。本システムと3Dレーザスキャナーによる地上測量との比較を行ったところ、約28万点の測定点のうち、90%以上が±6cm以下の範囲に収まり、高い相関で一致しました。

光波測量に比べてコストは5分の1以下

本システムと地上3Dレーザ測量及び光波測量で所要時間と概算費用の比較を行った結果、所要時間、測定にかかる人数を大幅に削減でき、費用についても光波測量の5分の1以下になることがわかりました。

図版:各測定方法の所要時間、概算費用比較

各測定方法の所要時間、概算費用比較(2014年調べ)

適用実績

図版:造成工事現場

造成工事現場

場所:北関東

学会論文発表実績

  • 「ドローンによる空撮測量の精度と実施工への適用について」,国際ドローンシンポジウム第2回,2016年
  • 「ドローンを用いた空撮測量の実工事への適用」,建設機械Vol52,No8,2016年8月
  • 「ドローンを用いた空撮測量の実工事への適用」,建設機械施工Vol68,No.8,2016年8月
  • 「ドローンによる空撮測量の精度検証と施工管理への適用」,土木学会第71回年次学術講演会,2016年

落球探査による地盤物性評価手法
「トリクレーター®

簡便かつ迅速に道路や盛土の品質を確認

盛土や地山の物性評価として一般に実施されている平板載荷試験や現場CBR試験などは、比較的大掛かりな反力装置を要し時間や労力がかかることから、試験頻度に限界があります。一方、品質管理の観点では、盛土などの物性を全体的に評価しうる多点測定のニーズが高まっています。

トリクレーターは、加速度センサーを内蔵した球状底面の金属製重錘を地表に落下させ、着地時に得られる加速度応答から地盤の変形・強度特性を理論的で迅速に評価できる手法です。Hertz理論に基づき変形係数を同定し、地盤反力係数や現場CBR等へ変換できるほか、Vesić理論を応用して地盤の粘着力や内部摩擦角の評価にも展開できます。

特許出願中

図版:トリクレーターの実施状況

トリクレーターの実施状況

キーワード

落球探査、加速度応答、変形係数、強度定数、理論、迅速、簡便
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システム概要と測定原理

トリクレーターでは、迅速性や機動性を追及する一方、測定深度や精度などの性能面を重視し、重錘の質量約21kg、落下高さ50cmを標準仕様としています。これにより、操作や移動が人力で無理なく行われ、一般的な盛土施工で実施される層厚(30cm)以上の深度を測定対象とすることができます。システムとしては、加速度センサーを内蔵した重錘とパソコンを接続した機器から構成され、1回の測定はほぼ瞬時に終了し、同時に加速度波形や変形係数などの計算値が表示されます。

変形係数の評価は、Hertzによる弾性球体(重錘と地球)の衝突理論に立脚しており、地盤が軟らかいほど重錘着地時の接触時間は長く、硬いほど短くなる挙動(加速度応答)を利用して変形係数を評価します。また、Vesićによる球空洞の拡張理論に基づき、強度定数である粘着力や内部摩擦角も評価可能となります。

以上のように、地盤物性の理論的評価に加え、操作の迅速性から1地点につき落下位置を移動させながら多数回の繰返し測定を行う平均処理により、測定値の信頼性が一層高まるので、道路や鉄道をはじめとする土工現場で豊富な適用実績を有しています。

図版:システムとしての機器構成

システムとしての機器構成

図版:変形係数に関する測定原理

変形係数に関する測定原理

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特長・メリットココがポイント

変形係数の評価

各種の盛土において、トリクレーターと平板載荷試験で測定された変形係数を比較しました。

  • 粘性土から礫質土までの幅広い地盤材料および安定処理土に対して良好な相関性を示しています。
  • 重錘の底面が球状で落下エネルギーが大きいため、礫粒子や地盤面不陸の影響が緩和されます。
  • 締固めの従来管理指標である乾燥密度に比較して、変形係数は、転圧回数に伴う変化が敏感で、性能設計の面からも今後のニーズが期待されます。

図版:変形係数の比較

変形係数の比較

地盤反力係数の評価

変形係数は、地盤反力係数をはじめ現場CBRやN値などに変換できます。変形係数から理論的に地盤反力係数へ換算した結果と実測結果を比較しました。

  • 広範囲な地盤材料に対して、良好な相関性が得られています。
  • 平板載荷試験や現場CBR試験と同等の結果を迅速に評価できるので、補完または代用として有効です。

図版:地盤反力係数の比較

地盤反力係数の比較

強度定数の評価

強度定数である粘着力や内部摩擦角を、三軸圧縮試験結果と比較しました。

  • 内部摩擦角が卓越するφ材に対して、別途評価した内粘着力cを仮定(c材に対してはφを仮定)することで、強度定数を評価できることを確認しました。

図版:内部摩擦角の比較

内部摩擦角の比較

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適用実績

図版:南武線稲城長沼駅付近高架橋

南武線稲城長沼駅付近高架橋

場所:東京都稲城市

竣工年:2012年9月

発注者:東日本旅客鉄道

規模:延長4.3km

図版:常磐自動車道石神

常磐自動車道石神

場所:福島県南相馬市

竣工年:2011年12月

発注者:東日本高速道路

規模:延長8,367m

図版:北陸新幹線白山総合車両基地路盤他

北陸新幹線
白山総合車両基地路盤他

場所:石川県白山市

発注者:鉄道建設・運輸施設整備支援機構

図版:舗装構造評価に関する簡易試験法の適用検討業務/重錘落下試験の空港舗装への適用性検討業務

舗装構造評価に関する
簡易試験法の適用検討業務/
重錘落下試験の空港舗装への
適用性検討業務

場所:東京都大田区

調査日時:2009年11月

発注者:港湾空港技術研究所

規模:コンクリート床板および床板間の間詰めコンクリートを調査対象

学会論文発表実績

  • 「落球探査を用いた土構造物の施工管理に関する一考察」,土木学会第61回年次学術講演会Ⅲ,2006年
  • 「落球探査手法による砂礫盛土の締固め管理」,地盤工学会第42回地盤工学研究発表会,2007年
  • 「落球探査による盛土の施工管理」,土木学会第64回年次学術講演会Ⅲ,2009年
  • 「落球探査による支持地盤の地耐力評価」,土木学会第66回年次学術講演会,2011年
  • 「落球探査法による地盤物性の迅速評価」,電力土木,No.360,2012年7月

近赤外線水分計による水分量モニタリングシステム

盛土材料の水分量をリアルタイムに計測

水分量モニタリングシステムは、近赤外線水分計を用いて土砂の水分量をリアルタイム(迅速かつ連続的)に測定するシステムです。セメント改良土を用いた盛土やCSG(Cemented Sand & Gravel)ダムなどの施工において、工事現場周辺で発生する土砂を盛土材料として用いる際、盛土材料の選別や水分量管理に本システムを活用することができます。

従来の炉乾燥法などでは、測定時間が掛かり測定頻度も少なかったのに対し、本システムにより含水比のばらつきを迅速に把握できるので、密度や止水性といった盛土のばらつきを低減する品質管理に反映できます。

特許出願中

図版:CSG製造プラントに設置した近赤外線水分計

CSG製造プラントに設置した近赤外線水分計

キーワード

水分計、近赤外線水分計、水分量、含水量、含水比、品質管理、土質材料、セメント改良土、CSG工法、台形CSGダム

システムの概要

近赤外線水分計は、対象材料に含まれる水分量に応じて波長が減衰するという近赤外線の特性を利用して水分量を迅速に測定する計測方法です。鹿島は、食品分野などで実績がある近赤外線水分計を、建設現場の施工環境下で使用できるように改良しました。本システムによって、ベルトコンベア上を移動する盛土材料の水分量を連続的に測定することができます。

従来、盛土材料の品質管理では、使用する盛土材料の水分量(含水比)を1~2回/日の頻度で測定しています。また、台形CSGダムでは、CSG製造時の品質管理として、1回/1~2時間の頻度で水分量を測定します。鹿島では、本システムをCSG製造プラントやセメント改良土製造プラントなどにおける盛土材料のリアルタイム水分量モニタリングに利用し、盛土材料の選別や水分量管理に活用することで、盛土の品質を高めることができます。

図版:CSG製造プラントにおける水分量モニタリングシステム活用状況(大滝地区地すべり対策工事)

CSG製造プラントにおける水分量モニタリングシステム活用状況
(大滝地区地すべり対策工事)

図版:水分量(含水比)のリアルタイム測定結果例

水分量(含水比)のリアルタイム測定結果例

特長・メリットココがポイント

リアルタイムの
水分量把握による詳細な品質管理

従来の測定方法では困難だった水分量のリアルタイムな把握が可能となり、これによってより詳細な品質管理が可能となります。

  • JISで規定される炉乾燥法の測定時間は12~24時間/1回試料、電子レンジ法の測定時間は5~10分/1回、RI法の測定時間は1分程度/1回
  • 近赤外線水分計は10秒程度/試料

図版:水分量(含水比)の測定に要する時間の比較

水分量(含水比)の測定に要する時間の比較

様々な地盤材料への適用が可能

これまでに、以下に示すような多様な地盤材料に対して適用しています。

  • 砂質土
  • 砂礫、CSG材
  • 粘性土
  • セメントなどによる改良土、安定処理土

図版:適用した地盤材料の例

適用した地盤材料の例

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適用実績

図版:大滝地区地すべり対策

大滝地区地すべり対策

場所:奈良県吉野郡

竣工年:2011年12月

発注者:国土交通省近畿地方整備局

規模:CSG盛土工22.5万m3
水中不分離コンクリート2.5万m3
鋼管杭工64本(Φ800 L=33.5~55.5m)

遠心力を利用した遠心模型実験

実規模レベルの応力状態を再現できる地盤の模型実験

遠心模型実験は、模型地盤に重力のn倍の遠心加速度を作用させた状態で、実物の1/n倍に小型化した模型地盤の実験を行うことで、実際に近い地盤挙動を調べる実験手法です。実規模の実験に比べ、低コスト、短工期で地盤の挙動を再現できることから、地盤工学分野で広く利用されています。

鹿島技術研究所で保有する遠心模型実験装置は、国内トップクラスの載荷性能、最先端の計測機器、並びに様々な荷重条件を再現できる制御装置を備えています。また、羽田空港D滑走路工事をはじめとした実工事における設計・施工法の検証や、切羽補強工法といった新技術の研究開発等、遠心模型実験に関する豊富な実績を有しています。さらに地盤改良など地盤関連工事の信頼性の向上並びに合理化に、遠心模型実験装置を活用できます。

図版:切羽補強工法の補強効果検証実験(掘削模擬装置)

切羽補強工法の補強効果検証実験(掘削模擬装置)

図版:実験後の切羽崩壊形状

実験後の切羽崩壊形状

キーワード

遠心力、遠心模型実験、地盤と構造物の相互作用、静的挙動、動的挙動、地震、液状化
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実験原理と適用例

地盤の挙動は、土自体の重さなど地盤の応力状態によって変化します。小型化した模型実験では、地盤の応力状態が実際の地盤と異なるため、埋立による粘性土地盤の圧密による沈下、盛土や切土による斜面のすべり、地震時の砂地盤の液状化など地盤に関わる問題を再現できません。

遠心模型実験では、重力加速度の数十~数百倍の範囲でn倍の遠心加速度を載荷することによって、1/n倍の小さな模型の中に実物と同じ応力状態を作り出し、実現象とほぼ対応した挙動の再現が可能です。縮小した小型模型を利用する遠心模型実験は、試験体製作のコスト縮減に寄与するだけでなく、長期間にわたる地盤の浸透現象が模型内ではn2倍の速さで進行することによる実験時間の短縮、実物では不可能に近い観測地震波の入力といった利点があります。2010年に供用を開始した羽田空港D滑走路の設計では、接続部の長期的な変形予測法の検証実験に、本実験装置を活用しました。

図版:遠心模型実験の原理

遠心模型実験の原理

図版:羽田空港D滑走路の護岸接続部の基礎地盤を模擬した遠心模型実験

羽田空港D滑走路の護岸接続部の基礎地盤を模擬した遠心模型実験

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特長・メリットココがポイント

遠心模型実験装置

  • 9.8(4.9)kN の試験体を搭載した状態で遠心加速度100(200)G の実験が可能です。
  • コンピュータによる完全自動運転が可能です。
  • 試験体の変形や破壊の状況を写真・ビデオカメラにより映像として計測可能です。
  • 192ch 同時サンプリングが可能です。
  • 動的加振時に油圧ジャッキにより揺動架台を回転腕に固定することにより、精度の高い計測が可能です。

図版:遠心模型実験装置

遠心模型実験装置

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遠心模型実験の運転状況(動画)

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載荷装置

動的加振装置

  • 加振テーブル上に最大2.5kN の試験体を搭載し、100G の遠心場で実験が行なえるので、多様な振動実験が可能です。
  • 50G場においても実物換算で500Galの大加振が行なえるので、大地震時の地盤の挙動が再現可能です。
  • 実物換算で0.1 ~ 16Hz の広範囲で加振が行なえるので、実際の地震動が再現可能です。

その他の載荷装置

  • トンネル掘削模擬装置
  • 凍土造成装置
  • 模型傾斜(水平震度載荷)装置

図版:載荷装置:動的加振装置

載荷装置:動的加振装置

主な実験対象

  • 大深度地下構造物
  • トンネル掘削
  • 大規模盛土・切土斜面
  • 補強土構造物
  • 杭と地盤の相互作用
  • 各種構造物(橋梁基礎・トンネルなど)と地盤の動的相互作用の解明
  • 液状化地盤の挙動把握および対策工法の検証
  • 土構造物の地震時安定性の検証 など
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適用実績

図版:造成対策

本邦の建設会社で初めて遠心模型実験装置を導入した1990年以降、土木系・建築系で数多くの利用実績があります。

学会論文発表実績

  • 「凍結工法に適用する凍上・解凍沈下予測手法の検討 ─遠心模型凍上実験─」,土木学会第66回年次学術講演会,2011年
  • 「遠心力載荷試験装置による杭式改良地盤の液状化実験 ─その1 実験概要・水圧挙動─」,第46 回地盤工学研究発表会,2011年
  • 「遠心力載荷試験装置による杭状改良地盤の液状化実験 ─その2 地表面沈下─」,第46 回地盤工学研究発表会,2011年
  • 「地盤変形の影響を考慮した鋼管矢板井筒護岸の設計(その2) ─遠心模型実験に対する弾・粘塑性構成式の適用性検討─」,地盤工学会第42回地盤工学研究発表会,2007年

3D-NAViシステム

全地球衛星測位システム(GNSS)を利用した
位置誘導・測量システム

本システムはRTK-GNSS測位法を利用した位置誘導・測量システムです。

2D或いは3D-CADで作成した設計データをノートパソコンやタブレット端末に展開し、GNSSから得られる現在位置を表示することにより、目標位置への誘導が容易に行え、現在位置での測量作業を短時間で行うことができます。

また、ワンマンで測量作業を行うことが可能で、測量作業の大幅な効率化が図れます。

RTK-GNSS:測りたい移動局(未知点)の他に位置が分かっている固定局(既知点)を必要とする相対測位方式で、位置情報と誤差情報をリアルタイムに算定し移動局の測位を行う。

図版:システムイメージ図

システムイメージ図

キーワード

GNSS測量、RTK-GNSS、ポイント誘導、法杭誘導、方向杭誘導、標高差測定、座標差測定、座標記録、施工の効率化
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本システムの特長と主要構成機器

  • 測量作業の大幅な効率化が図れます。
  • リアルタイムに現在位置が表示されるので、ワンマンで測量作業ができます。
  • 夜間や濃霧の中でも測量作業ができます。
  • 短時間で現在位置、標高差を測定できます。

図版:システム主要構成機器

システム主要構成機器

本システムの機能

誘導システム

  • ポイント誘導:指定した点への誘導
  • 法杭誘導:法面切出し位置、盛出し位置への誘導
  • 方向杭誘導:方向杭の設置位置への誘導

図版:位置誘導画面

位置誘導画面

測量システム

  • 座標測定・記録:現在位置の測定・記録
  • 標高差測定:現在標高と設計データとの標高差の測定
  • 座標差測定:登録された既知点座標と測定座標との差の測定

図版:座標記録画面・測量状況

座標記録画面・測量状況

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適用実績

図版:徳之島ダム

徳之島ダム

場所:鹿児島県大島郡

竣工年:2012年1月

発注者:九州農政局

規模:堤体積88.9万m3

図版:第二浜田ダム

第二浜田ダム

場所:島根県浜田市

発注者:島根県

規模:堤体積32.8万m3

図版:鶴田ダム施設改造工事

鶴田ダム施設改造工事

場所:鹿児島県薩摩郡

発注者:国土交通省九州地方整備局

規模:基礎掘削18万m3
減勢工コンクリート7.2万m3

図版:京極発電所

京極発電所

場所:北海道虻田郡

発注者:北海道電力

規模:堤体積125.1万m3

図版:胆沢ダム堤体盛立

胆沢ダム堤体盛立

場所:岩手県奥州市

竣工年:2014年3月

発注者:国土交通省東北地方整備局

規模:堤体積1,350万m3

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