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。

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。

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。

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。

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RGB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。

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。

削孔検層システムとは、油圧ドリルを用いて岩盤を削孔する際に得られる削孔データ（削孔速度・打撃圧・給進力・トルク等）を利用して、簡便で迅速にトンネル切羽前方の地質状況を予測できるシステムです。

リアルタイムで切羽前方を探査でき、これまでに地質予測手法として、数多くの現場で適用されてきました。

また、多くの適用事例からノウハウやデータが蓄積されているため、トンネル支保パターンの選定の目安としても活用可能です。

特許登録済

削孔検層システム詳細

本システムは、下図に示すように、孔曲がりを抑制する専用の削孔ツールスと削孔データを計測するためのセンサーと収録装置、及び、評価ソフトで構成されています。地質状況の評価にあたっては、主に破壊エネルギー係数Evを用います。この係数は岩盤の破壊に要した油圧ドリルの仕事量に相当し、一般に、硬岩の場合は大きく、軟岩の場合は小さな値となります。また、削孔時の観察項目（くり粉の性状、削孔水の色、湧水量）も考慮して切羽前方地質を評価します。本システムは汎用性が高く、ロータリーパーカッションドリルやトンネルジャンボなど、どのような油圧ドリルにも取り付けることができます。

システムの概要

ダムなどの建設現場に従事する技術者は、現場で使用する材料（例えば、砕石など）の表面状況を見て、粒度が「粗い」または「細かい」という評価を行っています。画像粒度モニタリングは、このような使用材料の表面状況（二次元情報）を定量化することで、粒度分布の判定を行います。

測定手順は、対象材料を水平かつ薄く敷き均してデジタルカメラで撮影し、画像をコンピュータに取り込みます。この画像を解析して各粒子の輪郭を識別し、複数の監視粒径（例えば、40mm、20mm、10mmなど）毎に粒子を抽出した後、二次元画像情報の定量化指標である粒度インデックスIiを算出します。粒度インデックスIiと各粒径の通過質量百分率の関係を近似した相関式を介することで、粒度インデックスIiから監視粒径毎に通過質量百分率を推定します。デジタルカメラ撮影～画像解析～粒度分布の推定に要する時間は10秒程度です。

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。

山岳トンネル工事では、施工中、前方の断層や切羽状況を完全に把握することは困難です。そのため、予期せぬ断層による切羽崩壊や肌落ち災害などの重篤災害の根絶に至っていません。そこで鹿島は、切羽と前方5mまでの地質状況をリアルタイムに完全に可視化する「スマート切羽ウォッチャー」を開発しました。

これは、切羽写真の画像解析による崩落危険予測と、コンピュータジャンボの穿孔データによる前方地質のリアルタイム予測の2つの解析技術を組み合せて、切羽の崩落危険度をリアルタイムに可視化するものです。本システムにより、従来の経験に頼った地質評価を変革し、切羽崩落災害の危険性を大きく低減することができるようになりました。

平成30年度土木学会賞　技術開発賞
平成30年度岩の力学連合会　技術賞
平成30年度ARMS10 Outstanding Paper Award　優秀論文賞
特許登録済及び特許出願中

地質状況を自動でリアルタイムに高精度に定量評価

スマート切羽ウォッチャーは、『切羽写真の画像解析による切羽剥落危険度評価システム』と『コンピュータジャンボによる施工時の穿孔データを利用した3次元リアルタイム地質予測システム』、さらに、これらのシステムによる地山評価結果を現場事務所や本社などとリアルタイムに共有するクラウドシステムで構成されています。解析時間は、それぞれ10秒と1分程度であり、解析結果は切羽や現場事務所、本社等でも確認できます。これにより、切羽の剥落危険度を踏まえた適切な鏡吹付けコンクリートの施工や前方とトンネル周辺の地質状況を踏まえた適切な補助工法の迅速な適用判断が可能となり、トンネル掘削の安全性を飛躍的に向上させることができます。

適切な対策工による安全性の向上

適切な鏡吹付けコンクリートによる肌落ち災害の防止

切羽写真の画像解析による剥落危険度の定量的な評価に基づいて、地山状況に応じた適切な鏡吹付けコンクリートをリアルタイムに提示し、切羽の安全性を向上させることができます。

• 切羽写真を画像解析することにより、切羽の風化度と割れ目交差密度を定量評価します。
• 全国の400切羽以上の切羽写真とこれらの剥落状況のデータベースに基づいて、剥落危険度を定量評価します。
• 切羽で解析結果を確認できるため、適切な鏡吹付け厚を施工し、肌落ち災害の防止に貢献します。

適切な補助工法の迅速判断による地山トラブルの防止

切羽観察では確認できない切羽前方やトンネル周辺５ｍまでの地質分布図を高精度に可視化できるため、断層や弱層を事前に把握しながら、適切な補助工法により地山トラブルを防止できます。

• 発破やロックボルト施工時の穿孔データにより、切羽前方とトンネル周辺の高密度な地質情報として、地山の硬軟の指標となる破壊エネルギー係数を取得します。
• 地質の予測及び可視化には、地質分布の特徴を反映した空間補完が可能な「クリギング」という手法を利用するため、高精度な予測が可能です。
• クリギングの解析パラメータ（バリオグラム）を最適化することで、切羽前方やトンネル周辺5ｍまでの地質状況を高精度に可視化することができます。

※クリギング：資源開発分野で発達した地球統計学による空間補完の手法

インフラ構造物の安全な施工管理や適切な維持管理のためには、構造物の変状や応力状態を適切に把握する必要があります。分布型光ファイバ計測技術は、光ファイバの線上のひずみ・温度の“分布”を計測することが可能な一方、これまで計測精度や処理速度が課題とされていました。しかし、近年の光部品の高分解能化やコンピュータの計算処理速度の向上により、実用可能な高速・高精度の光ファイバ計測技術を開発しました。これによって、変状発生前の予兆、リアルタイムな応力状態を可視化し、施工時の安全管理やトラブル防止に繋げることができます。

さらに、光ファイバは長寿命なため、長期的な維持管理まで活用することでインフラのライフタイムの全ステージにおける品質管理が可能となります。

特許登録済及び特許出願中

光ファイバセンサのケーソン沈設施工管理システム（イメージ）

本システムの概要と特長

本システムは、汎用性の高い廉価な光ファイバケーブルを、対象となる構造物に張り巡らすように敷設し、新たに開発されたレイリー計測式光アナライザ（計測器）を用いることで、光ファイバケーブル全長に生じるわずかなひずみを、高速かつ、高精度に、リアルタイムに検知することができます。本システムの特長は以下の通りです。

• 従来5分以上かかっていた光ファイバ1本あたりの計測時間が約5秒と大幅に短縮できるため、リアルタイムなモニタリングが可能
• 従来の光ファイバ計測では、ブリルアンを計測しているためひずみの計測精度は±100μ程度だが、本システムではレイリー散乱を計測できるため、精度±1μ以下で微小なひずみも検知が可能
• 計測結果は即時にグラフ化されクラウド上に送られることで、現場事務所や遠隔地の本支店等からも常に最新データがリアルタイムに共有・確認が可能

新しい光ファイバセンサで用いる散乱光

熟練オペレータや経験豊富な社員が不足する中、シールドトンネルが長大化し、これまで以上にシールド工事の安全・品質を確保したうえで生産性の向上が求められています。そうした中、高品質のトンネル（線形･内空･出来形品質を確保した高水密･高耐久の覆工）を構築するため、これまで熟練技術者の「暗黙知」によるところの大きかった掘進管理手法を見直す必要があります。

そこで、CIMを活用してシールド掘進・セグメント組立計画を3次元モデルで即時に可視化し、デジタル掘進組立指示書を作成するシールド工事の掘進･組立計画支援システム「KaCIM’S^※」を開発・実用化しました。

※KaCIM’S：Kajima Construction Information Modeling /Management Shield System

特許登録済

従来工法との比較

従来の線形管理手法は、先ずトンネル内の測量結果を方眼紙へ記録します。前日の測量結果からどのように推移したかを管理するため、ロール状の方眼紙を用い、現在の位置・前日からの推移状況から翌日の掘進計画を立案します。計画ができたら、指示書へ記載します。これらの作業は、すべて手作業の為に時間を要し、計画立案も経験者の「暗黙知」によるところが多いものでした。

KaCIM’Sでは、掘進計画から指示書作成を一つのシステムで行う事が可能です。指示書作成も、掘進方位などの必要情報を入力するだけで、掘進計画のシミュレーションが行われ、蛇行量やクリアランス、余掘り量を定量的かつ即座に3次元モデルで図化して将来予測の妥当性を確認することができます。従来手法ではできなかったリアルタイム図化・確認が行えるため、経験の浅い技術者でも、検討時間の短縮と計画精度の向上が図れます。

品質向上効果