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。

3Dマッチ測定風景

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。

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

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。

現場での撮影風景

• 油圧ジャンボでは、切羽前方30～50mまで探査することが可能で、通常、測定時間は2～3時間程度です。
• 専用の削孔ツールスを用いることで、孔曲がりを抑えることができます。
• ロッド継ぎ足し時の記録装置の停止や再開の操作は自動化されており、開始と終了の操作のみで測定・記録が可能です。
• データの処理も現場事務所のパソコンで短時間に行うことができるので、迅速な地質評価が可能となり、施工のサイクルへ組み込みやすく、工費・工期の面から有利です。
• 深度やフィード圧による補正も可能であり、より定量的に地質状況の評価を行うことができます。
• これまでに数多くの現場で適用され、ノウハウやデータが蓄積されているため、支保パターンの選定の目安としても活用可能です。

ダムなどの建設工事では、工事現場周辺で入手できる材料を有効的に使用することが基本であり、工事中は使用材料の品質管理を入念に行います。アースダムやロックフィルダム、台形CSGダムなどでは、使用材料の粒度分布を定期的に測定し、使用できる材料か否かを判断します。

鹿島では、市販のデジタルカメラで撮影した材料の画像を解析することで、使用材料の粒度分布を推定し、所定の品質を満足するか否かを瞬時に判定するシステム（画像粒度モニタリング）を開発しました。

本システムを活用することで、使用材料のリアルタイムな品質管理が可能となり、ダムなどの建設工事の高度化ならびに合理化に貢献できます。

平成23年度ダム工学会賞技術開発賞
特許登録済

システムの構成

実際の施工現場での適用実績あり

画像粒度モニタリングはすでに鹿島の建設現場で活躍しています。

• CSG製造時のCSG材品質管理（最大粒径80mm）
• ロック材の品質管理（最大粒径500mm）
• CSG材製造管理（最大粒径80mm）

迅速な判定が可能

従来の粒度試験方法に比べて、粒度分布を得るために要する時間を大幅に短縮できます。

• CSG材の場合、15分程度（従来の簡易方法による試験の場合は1時間）
• ロック材の場合、2～3時間程度（従来の試験方法の場合1日程度）

新しい品質管理方法で試験回数を大幅低減

台形CSGダム建設工事のCSG材品質管理に導入し、新しく構築したCSG材品質管理フローに従って管理を行いました。

• 本システムでCSG材粒度の変動を検知した場合に、従来方法による試験を実施（従来は、品質変動の有無を考慮せずに、定時または定量毎に試験を実施していた）
• リアルタイムに品質変動を監視することにより、品質変動の大小に応じた試験頻度の設定が可能となった（実績として、従来方法による試験回数が約40%低減）

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

システムとしての機器構成

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。

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。

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。