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公開番号2024157703
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-08
出願番号2023072218
出願日2023-04-26
発明の名称盛土材料の掘削・採取方法、盛土材料の掘削・採取システム、及び、掘削機械
出願人株式会社熊谷組
代理人個人
主分類E02F 9/26 20060101AFI20241031BHJP(水工;基礎;土砂の移送)
要約【課題】設計形状の掘削を行いながら、盛土材料を効率的にかつ確実に分別して掘削・採取する。
【解決手段】施工現場の3次元地形データと3次元地質データとから3次元地質モデルを生成するとともに、前記3次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、施工現場の掘削形状の3次元設計形状である設計掘削形状を設定した後、前記3次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成し、この合成掘削形状と別途検出した掘削機械の現在位置とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出し、前記算出された地層の深さに基づいて、前記地質の層を掘削するようにした。
【選択図】図7
特許請求の範囲【請求項１】
施工現場の３次元地形データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成するステップと、
前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定するステップと、
前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成するステップと、
掘削機械の現在位置を検出するステップと、
前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出するステップと、
前記算出された深さに基づいて、前記地質の層を掘削するステップと、
を備える盛土材料の掘削・採取方法。
続きを表示（約 960 文字）【請求項２】
実際の地質境界の位置が前記算出された深さのデータと異なった場合には、実績を計測し、前記３次元地質モデルのデータを更新することを特徴とする請求項１に記載の盛土材料の掘削・採取方法。
【請求項３】
施工現場の土砂を掘削する掘削機械と、
前記掘削機械の現在位置の３次元座標を検出する位置検出手段と、
前記施工現場の３次元地図データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成する３次元地質モデル生成手段と、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段を有する地層深さ算出装置と、を備える盛土材料の掘削・採取システム。
【請求項４】
前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載の盛土材料の掘削・採取システム。
【請求項５】
施工現場の土砂を掘削して採取する掘削機械であって、
土砂の掘削・採取手段を備えた掘削機械本体と、
前記掘削機械の現在位置の３次元座標を検出する位置検出手段と、
前記施工現場の３次元地図データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成する３次元地質モデル生成手段と、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、
前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、
前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段と、
前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段と、
を備えた掘削機械。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィルダムなどの盛土工事の構築等に用いられる盛土材料を分別して掘削・採取する方法とそのシステム、及び、盛土材料の掘削・採取に用いられる掘削機械に関する。
続きを表示（約 4,700 文字）【背景技術】
【０００２】
フィルダムや盛土工事に用いる盛土材料については、盛土に適した材料を採取するため、地質の種類ごとにそれぞれ適用材料が決められており、掘削時に異なる材料の混入やそれによる材料ロス（捨土の増加）を可能な限り減らす必要がある。
そこで、ＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite System / 全球測位衛星システム)などの位置計測装置を用いて建設機械の現在位置を計測するとともに、盛土を掘削・採取するための設計データと現在位置との差分をリアルタイムで提供するマシンガイダンスシステムが用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。
設計データは、施工現場の地図データと地質・材質等のデータを有する地質データとから作成される３次元地質モデルと、掘削形状の設計形状データとを用いて作成される。
マシンガイダンスでは、オペレーターは、操縦席のモニター画面でバケットと設計形状の位置とを確認しながら、盛土材料を掘削・採取する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００２－８１００８号公報
特開２０１６－２１２４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、通常のマシンガイダンスは、あくまで設計データ（仕上がりの形状）を導入して掘削を行っているため、地質毎に材料を掘削・採取する必要がある場合には、設計データ通りに掘削を進めると地質境界線を越えてしまい、採取した材料に異なる地質の材料が混入するおそれがある。
また、それを防ぐには、掘削途中で地質専門技術者が頻繁に現地を確認し判別する必要があるため、多大な労力を要する、といった問題点がある。
【０００５】
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、設計形状の掘削を行いながら、盛土材料を効率的にかつ確実に分別して掘削・採取する方法、この方法を実現するためのシステム、及び、盛土材料の掘削・採取に用いられる掘削機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、盛土材料を掘削して採取する方法であって、施工現場の３次元地形データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成するステップと、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定するステップと、前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成するステップと、掘削機械の現在位置を検出するステップと、前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出するステップと、前記算出された深さに基づいて、前記地質の層を掘削するステップと、を備えることを特徴とする。
これにより、地層毎の掘削を精度よく行うことができるので、盛土材料を効率的に分別しながら採取することができる。
また、合成掘削形状を用いることで、３次元地質モデルと計設計掘削形状との切り替えをせずに地層毎の掘削を行うことができる。
また、実際の地質境界の位置が前記算出された深さのデータと異なった場合には、実績を計測し、前記３次元地質モデルのデータを更新するようにしたので、これをサイクルとして回すことで、データの精度向上を図ることができる。
【０００７】
また、本発明は、盛土材料の掘削・採取システムであって、施工現場の土砂を掘削する掘削機械と、前記掘削機械の現在位置の３次元座標を検出する位置検出手段と、前記施工現場の３次元地図データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成する３次元地質モデル生成手段と、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段を有する地層深さ算出装置と、を備えることを特徴とする。
このような構成を採ることにより、設計形状の掘削を行いながら、盛土材料を効率的に分別しながら採取することのできる盛土材料の掘削・採取システムを得ることができる。
また、前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段を設けて、オペレーターに現在の掘削状況を視認させることができるので、効率的な材料の採取・分別を行うことができる。
また、本発明は、施工現場の土砂を掘削して採取する掘削機械を、バケットなどの土砂の掘削・採取手段を備えた掘削機械本体と、前記掘削機械の現在位置の３次元座標を検出する位置検出手段と、前記施工現場の３次元地図データと３次元地質データとから３次元地質モデルを生成する３次元地質モデル生成手段と、前記３次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の３次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、前記３次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段と、前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段とから構成したので、盛土材料を効率的に分別しながら採取することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本実施の形態に係る盛土材料の掘削・採取システムを示す図である。
工事着工前の施工現場の地形データと地質・土質モデルを示す図である。
ボクセルモデルと設計掘削形状の一例を示す図である。
地質境界面と設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を示す図である。
合成掘削形状の断面形状を示す図である。
携帯端末の表示画面の一例を示す図である。
本発明の盛土材料の掘削・採取方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は本実施形態に係る盛土材料の掘削・採取システム（以下、採取システム１という）を示す図で、採取システム１は、施工現場２に配置された掘削機械としてのバックホー１０と、運搬車両２０と、施工現場２とは別の個所に設けられた管理センター３に設置された地層深さ算出装置３０とを備える。
バックホー１０は、車体本体１１と、掘削手段１２と、走行手段１３と、位置取得手段１４と、送受信機１５と、ＧＰＳアンテナ１６と、送受信アンテナ１７とを備える。
掘削手段１２は、ブーム１２a、アーム１２ｂ、及び、バケット１２ｃを備え、車体本体１１に搭載されて、施工現場２の盛土材料を掘削・採取する。
走行手段１３としては、例えば、無限軌道などの凹凸の多い場所を安定して走行できるタイプのものが好ましい。
位置取得手段１４は、ＧＰＳアンテナ１６で受信した図示しない衛星の電波から、当該バックホー１０の車体本体１１の絶対座標を取得するとともに、車体本体１１に対するバケット１２ｃの相対位置から、バケット１２ｃの位置座標を算出する。なお、バケット１２ｃの位置座標としては、施工現場２、もしくは、施工現場２近傍の所定の地点を原点とする座標系の位置座標とすることが好ましい。
算出されたバケット１２ｃの位置座標は、送受信アンテナ１７、地層深さ算出装置３０に送られる。なお、送受信アンテナ１７は、後述するように、地層深さ算出装置３０で算出された地層深さのデータを受信する。
バックホー１０の運転席１８にはオペレーター４０が乗車しており、オペレーター４０は、運転席１８に設けられた携帯端末１９を参照しながら、掘削手段１２と走行手段１３とを操作して、施工現場２の盛土材料を掘削・採取し、運搬車両２０に渡す。
携帯端末１９には、バックホー１０の現在位置と地層深さの算出値をオペレーター４０に視認させるための表示画面１９Ｇが設けられている。
運搬車両２０は、走行手段２１と荷台２２とを備え、バックホー１０で採取した土砂を荷台２２に積込んで図示しない材料置場まで運搬する。なお、図では、運搬車両２０のオペレーターについては省略した。
【００１０】
地層深さ算出装置３０は、地形・地質データ取得手段３１と、地質・土質モデル作成手段３２と、設計掘削形状設定手段３３、合成掘削形状作成手段３４と、掘削位置取得手段３５と、地層深さ算出手段３６と、送受信機３７と、アンテナ３８とを備える。地質データ取得手段３１～地層深さ算出手段３６までの各手段は、コンピューターのソフトウェアとＲＡＭ，ＲＯＭなどの記憶手段から構成される。
地形・地質データ取得手段３１は、まず、図２（ａ）に示すように、工事着工前の施工現場２の３次元地形データと３次元地質データとを取り込んで、地質断面図を３次元空間上に配置する。
３次元地形データは、例えば、ドローンなどによる写真測量や３Ｄレーザースキャナーによる測量により得られる。また、３次元地質データは、予め行ったボーリング調査による地盤調査により得られる。
３次元地形データは、通常、図２（ａ）の左上の図に示すように、平面図で表せるが、平面図の各点はそれぞれ標高の情報を有しているので、３次元地質データと組み合わせることで、施工現場２の任意の方向の地質断面図を得ることができる。
そして、図２（ａ）の下側の図に示すように、配置された地質・土質の異なる層の境界点を結ぶことで、図２（ｂ）に示すような、３次元地質境界面を作成する。
図２（ａ），（ｂ）の符号２Ａ，２Ｂ，２Ｃが互いに地質・土質の異なる地層で、２Ａは第１層（表面層）、２Ｂは第２層、２Ｃは第３層である。また、Ｓ12は第１層２Ａと第２層２Ｂとの境界面、Ｓ23は第２層２Ｂと第３層２Ｃとの境界面である。
地質・土質モデル作成手段３２は、上記の地質境界面で囲まれた空間に地質ソリッドモデルを作成する。本例では、ソリッドモデルとして、図３（ａ）に示すような、ボクセルモデルを用いた。
ボクセルは３Ｄピクセルで、内部に地質などの情報を持つ立方体ｋで表せる。このボクセルモデルを用いることで、掘削土量を精度よく算出することができる。
設計掘削形状設定手段３３は、地質ソリッドモデルと予め設定しておいた盛土材料の種類や採取量、ダムの貯水容量、ダムの形状、用地などの様々な要素を考慮して、施工現場２の掘削予定形状である設計掘削形状を設定する。
設計掘削形状は、図３（ｂ）に示すように、２次元の掘削平面図で表せるが、平面図の各点には法面勾配、小段の標高などの情報が記載されており、容易に３次元化できる。
（【００１１】以降は省略されています）

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