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。

AI画像粒度モニタリングのイメージ

システムの概要

「AI画像粒度モニタリングシステム」は、地盤材料の画像から土粒子の輪郭を識別し解析することで、対象材料の粒度分布を測定するシステムです。土粒子の形状や色調を事前に機械学習したAIが、画像内の土粒子を認識します。画像上での各土粒子の大きさ（ピクセル数）をもとに、対象材料の粒度分布を求めます。

さらに、スマートデバイスでも土粒子の撮影・解析が可能なため、いつでも・どこでも・誰でも・簡単に対象材料の粒度分布が測定できます。

システムの構成

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、操作や移動が一人で無理なく行え、一般的な盛土施工で実施される層厚（30cm）程度の深度が測定対象となります。システムとしては、加速度センサーを内蔵した重錘とタブレットから構成され、1回の測定はほぼ瞬時に終了し、加速度波形や地盤特性値が表示されます。

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が長く、硬いほど短くなる現象を利用します。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できます。

姉妹技術に「打球探査」があり、トンネル切羽などの岩盤、骨材、コンクリートの評価に最適です。トリクレーターと打球探査を総称して「Qスター^®」といいます。

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