山岳トンネル切羽の地质を自动判定－圧缩强度、风化度、割れ目状态を定量评価－

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2019.12.11

杏吧原创（本社：东京都港区、社长：福富正人）は、滨颁罢により山岳トンネル工事の生产性を大幅に高める取り组みとして山岳トンネル统合型掘削管理システムの开発を推进しています。その一环で、このたび、トンネル切羽の地质を短时间で自动的にセンシングし、主要な地质情报である岩盘の圧缩强度、风化程度、割れ目间隔を定量的に评価する「切羽地质情报取得システム」を开発しました。

1．切羽地质情报取得システム

（１）概要
山岳トンネルは、事前の设计段阶の调査では、计画地点の地质状况を正确に把握することは困难なため、トンネル掘削时に切羽を直接観察して地质を评価し、状况に応じた最适な支保パターンを确定する作业を行います。
本システムは、トンネル掘削时の切羽観察を自动化することにより、切羽観察作业を省力化するとともに、技术者の力量によらずに正确で定量的な评価を行います。

（２）评価手法
切羽観察における地质评価の主要指标である①岩盘の圧缩强度、②风化程度、③割れ目间隔の３项目を自动でセンシングして、评価结果を定量的に算出します（図1）。

岩盘の圧缩强度
ドリルジャンボの穿孔データ（穿孔速度、打撃圧、回転圧、フィード圧）から岩盘の圧缩强度を算出するアルゴリズムを北海道大学長谷山美紀教授の指導のもと開発しました。マシンガイダンス機能付きドリルジャンボによって取得した穿孔データと、各穿孔孔の圧縮強度との関係を教師データとして、AIで回帰分析することで、穿孔データから岩盘の圧缩强度を算出します。算出した結果は圧縮強度分布図として出力します。
风化程度
切羽のマルチスペクトル画像から岩盤の風化度を算出するアルゴリズムを、筑波大学澁谷長史助教の指導のもと開発しました。マルチスペクトル画像から抽出されるスペクトル反射率曲線が岩盤の風化度によって異なることに着目して、スペクトル反射率曲線と風化関係をAIが学習することで、マルチスペクトル画像から風化度を算出します。算出結果は風化度分布図として出力します。
割れ目间隔
一般的な切羽観察では、トンネル掘削によって切羽に凹凸を作るような明瞭なものを割れ目として判别しています。本システムでは、切羽岩盘で面の向きが不连続な箇所を割れ目と捉えて评価します。日本システムウエア株式会社（本社：东京都渋谷区、社长：多田尚二）、ジーエスアイ株式会社（茨城県水戸市、社长：豊田守）の协力のもと开発したアルゴリズムを用いて、ステレオカメラで撮影した画像から切羽面の叁次元形状を取得し、形状の変化点を割れ目として抽出します。结果は割れ目分布図として出力します。

（３）データ取得?データ処理の自动化
本システムは、専用の计测车両と计测机器、中央制御室などをネットワークで结び、データ取得からデータ処理の一连の作业を自动化します。
専用の计测车両には、マルチスペクトルカメラとステレオカメラ、ハロゲン照明、制御笔颁などのデバイスが搭载されます（写真１、写真２）。タブレット端末から制御PCを通じて各デバイスに作業指示を出すことで、数分の短い時間で切羽データを取得します（写真３）。
取得したデータは制御笔颁にて演算処理され、処理结果が、即座にタブレット端末に転送されます（図２）。また、処理结果はネットワークを通じて、坑内に设置した中央制御室や现场事务所、および本社?支店等とも共有されます（図３）。

3．本システム适用の効果

これまでの切羽観察は、トンネルの掘削作业の合间を缝って短时间で行われる现场职员の目视観察による评価が中心であり、精度や定量化に课题がありました。また、正确に切羽観察を行うためには、ハンマー打撃による切羽岩盘の硬さの确认や、割れ目にクリノメータ（注1）を当てて走向倾斜を确认するなど、切羽直下での作业の必要があり安全面で课题がありました。
本システムを用いることにより、観察者による评価のばらつきをなくし、短时间で高い精度で定量的な评価を行うことができるようになります。同时に、切羽直下に立ち入る必要がなくなるため、安全性が大幅に高まります。