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泥土圧シールド工事における掘削土量自動計測システム「ドーリースキャナ」を開発

土砂運搬車両を走行させながら、精度よく効率的に計測

2021年11月19日
大成建設株式会社

 大成建設株式会社(社長:相川善郎)は、泥土圧シールド工事の掘進に伴い発生する掘削土量を正確に把握し、切羽の安定を確保して安全に施工を行うため、掘削土砂運搬車両(以下ズリ鋼車)に積載された土量を走行中に自動計測するシステム「ドーリースキャナ」を開発しました。また、西部バイパス幹線(発注者:高松市)他の工事現場において本システムの実証を行い、掘削土量計測の精度および作業効率の向上を確認しました。

 シールド工事では、周辺地盤に与える影響を最小限に抑えるため、施工時における掘削土砂の管理が重要となります。特に、掘削土量の計測は最も重要な項目であり、土質や工事規模などの条件を加味し、ポンプ圧送、連続ベルコン、ズリ鋼車などを用いた土砂運搬手段から適切な方法を選択しており、それぞれの手段に応じた計測方法が採用されています。このうち、ズリ鋼車を用いて土砂を運搬する際の土量は、これまでズリ鋼車を立坑から搬出する前に作業員がズリ鋼車の天端から土砂までの高さを複数個所メジャーにより計測してきました。そのため、計測に手間がかかり、また計測結果をその場で記入して作業終了後に事務所で再入力しなければならず、計測業務の効率化につながる高精度でリアルタイムな管理手法が求められていました。

 そこで当社は、レーザー光を照射して対象物までの距離や形状を計測できる2D-LiDARセンサを用いて、ズリ鋼車を走行させながら積載された掘削土砂の状況を検知し、掘削土量を高精度で効率的に算出する計測システム「ドーリースキャナ」を開発しました。(図1参照)

 本システムの特徴および現場実証・適用状況は以下のとおりです。

【特徴】

  1. 1

    掘削土量の計測精度を向上

    掘削土量を細かく補正できる演算方法などの採用により、ズリ鋼車の走行速度に関係なく、走行させたまま土量を高精度(計測誤差±1%未満)に計測できます。

  2. 2

    リアルタイムな掘削管理が可能

    掘削土量の情報は、工事事務所、監視室、シールドマシン運転室の各モニタにリアルタイムに表示されます。

  3. 3

    計測業務の効率化を実現

    従来の作業員による土量計測が不要となり、土量の自動計測と同時に結果を記録するため、計測作業の省人化を図り、業務の効率化を実現できます。

  4. 4

    他工種への適用が可能
    特別な装備を追加することなく、海洋土木工事で用いる土砂運搬船に積載した土量計測などにも適用が可能で、高い汎用性を有しています。

【現場実証・適用】

 本システムは現場実証において、ズリ鋼車が空の状態での容積算出と既知土量を積載した場合の計測結果に基づき基準データを設定し、土量補正の演算方法などの改善を行うことで、計測誤差±1%を実現しました。また、ズリ鋼車の走行速度に関わらず計測可能であることも併せて確認しました。
 これらの現場実証結果を踏まえ、2020年から関西地区でのシールド工事に本格導入され、掘削土量を高精度に管理し、施工管理の効率化を実現しています。(写真1、図2参照)

 今後、当社は、本システムにより泥土圧シールド工事における掘削土量計測の精度向上と業務効率化を図るとともに、これらの現場適用実績を踏まえ、さらなる普及、展開を推進してまいります

図1 ドーリースキャナ概要
図1 ドーリースキャナ概要
写真1 土量計測状況
写真1 土量計測状況
図2 土量計測 モニタ表示
図2 土量計測 モニタ表示
  1. 2D-LiDARセンサ:
    LiDAR(Light Detection and Ranging;光の検出と測距)センサは、レーザー光を照射し反射光や散乱光を検出することで、対象物までの距離や形状を測定する装置の総称です。近年では自動車において障害物や周辺車両の検出など、自動運転技術を実現するための不可欠な要素となっており、小型化や低コスト化など、積極的に開発が進められています。LiDARセンサは光源であるレーザーと受光素子によって構成されています。今回は、2次元で対象物にレーザー光を照射し、反射や散乱によって戻ってくるまでの時間(飛行時間:time-of-flight)を測定します。

    図1 ドーリースキャナ概要
    2D-LiDARセンサ 計測イメージ