凹部ベースの事前分割に基づく発破岩片検出法の研究

トンネルの残土が重要な理由

山を貫くトンネルを発破すると、いつも破砕された岩の混乱した山が残ります。これらの岩片の大きさは、トラックが運搬する速度、規格外の大きな塊を再度発破する頻度、さらには破砕土が建設資材として再利用できるかどうかに大きな影響を与えます。しかし、稼働中のトンネルという過酷で粉塵の多い環境では、何千個もの不規則な石のサイズを信頼性高く測るのは容易ではありません。本研究は、三次元で個々の岩を“見て”分離する新しい方法を提示し、現場が各発破の成功度をより正確に判断し、次回の発破を改善する手助けをします。

乱雑な山から計測可能な塊へ

山岳トンネル工事では、掘削の主な方法として依然として穿孔・発破が用いられています。各発破の後、作業員は次の作業に進む前に残土を片付けなければなりません。大型の塊が多く残ると、二次破砕や追加の発破が必要になり、進行が遅れコストが増加します。一方で、現代の持続可能性目標はより細かな破砕を促し、廃棄ではなく再利用できる割合を高めようとしています。したがって、岩片サイズの分布は発破設計の良否を直接示す指標ですが、手作業による測定やふるい分け機などの従来手法は、忙しいトンネル現場には遅すぎて実用的ではありません。

写真だけでは不十分な理由

過去10年で、写真から岩片サイズを推定する画像ベースのソフトウェアが普及しました。Split DesktopやWipFragのようなツールは、2D写真の色や明るさの差を見て明らかなブロック境界を自動的にトレースします。しかし、トンネル環境はカメラ向きでないことが多いです。粉塵、照明のムラ、重なり合った断片がこれらのアルゴリズムを混乱させ、1つの塊を多数に分割したり、複数の塊をまとめてしまったりします。ピクセル単位で分類を試みる深層学習アプローチは精度が高い場合もありますが、大量で厳密にラベル付けされた画像データが必要であり、各石の片面しか捉えられません。真の三次元形状や容積を復元することはできません。

レーザースキャンと見えない凹みの利用

これらの限界を克服するために、著者らは3Dレーザースキャンに着目しました。三脚に据えたスキャナーが破砕残土をレーザーで走査し、断片の全面を捉えた密な“点群”を記録します。本手法の鍵となる考え方は、岩が互いに押し合う場所に自然にできる凹状の隙間を利用することです。点群では、これらの凹みは表面の向きが内側に曲がる領域として現れます。研究者らは、各点の近傍を探索し、その表面方向が近傍とどう比較されるかを確認して、内側に曲がる領域にある点を検出する凹部ベースの事前分割アルゴリズムを設計しました。これらの凹部点とその近接点を取り除くことで、実質的に塊の間の自然な隙間に沿って山を“切る”ことができます。

境界の鋭利化と岩の数え上げ

隙間領域を取り除くと、残った点は個々の岩片に大まかに対応する分離した塊を形成します。距離に基づくクラスタリング手法が近接する点を候補ブロックとしてまとめます。事前分割で一部の境界点が除去されているため、著者らは第2の洗練手順を加えます：各クラスタの縁にある点を推定し、続いて除去した凹部領域から互換性のある点を選択的に戻すために、単純な平坦性チェックを用います。これにより隙間で失われた縁が補われ、隣接するブロックは区別されたままになります。最後に、各断片に対して有向境界ボックスという標準的な幾何学ツールをきつく当てはめ、三主寸法を推定して残土全体の粒度分布をまとめます。

実際のトンネルでの試験と比較

チームは、中国の仙岳山トンネルの発破残土で本手法を実地試験し、通常の施工条件下で市販の3Dレーザースキャナーを使用しました。実世界データに対して、本手法は厚さ約30センチメートル以上の大きな断片の80％超を正しく分割し、誤検出率は20％未満でした。過分割や未分割は主にスキャナーの制約に関連しており、特定の角度での粗いサンプリングや小石が大きな塊の間の凹部を隠すことが原因でした。研究者らはまた、本手法を、基本的な距離クラスタリング、表面方向チェック付きクラスタリング、領域成長、人気のあるスーパーボクセルベース手法を含む四つの一般的な3D点群アルゴリズムと比較しました。これらの代替手法はいずれも、断片サイズが大きく異なる場合に大きな岩を多くに分割したり、別々の岩を合体させたりして苦戦しました。

トンネル工事への示唆

簡潔に言えば、本研究は接触する石の間にできる自然な凹みをまず切り取ることで、3Dスキャンにおいて一つの岩を別の岩とより確実に区別できることを示しています。この凹部ベースの事前分割と改良されたクラスタリングを組み合わせることで、トンネル内での発破岩片の数やサイズ推定がより信頼できるものになります。計算速度の向上や非常に複雑な残土への対応など、さらなる改良は必要ですが、この手法はすでに発破の効果を確認し今後の発破を微調整する実用的な手段を提供します。岩片サイズのより良い把握は残土運搬時間の短縮、手戻り作業の削減、掘削物の賢い再利用の支援につながり、安全で迅速かつ持続可能な地下工事に貢献します。

引用: Xiao, Y., Lei, M., Jia, C. et al. Research on a detection method for blast rock fragments based on concavity-based pre-segmentation. Sci Rep 16, 14935 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38799-8

キーワード: トンネル発破, 岩片, 3Dレーザースキャン, 点群分割, 粒度分布