JP2001296112A - 歪観測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対象物の歪を良好に検出しうる歪観測装置を
提供する。 【解決手段】 対象物１に対して光ファイバケーブル２
を、長手方向の伸び歪を与えた状態で固定し、その一端
に接続した歪検出装置５で光ファイバ内の歪分布を検出
して対象物の歪を観測する。この構成により、光ファイ
バケーブル２は日中或いは夏期に昇温してもたるむとい
うことがなく、対象物の歪に対応して伸縮し、歪分布が
変化し、この歪分布から対象物の歪発生の場所、大きさ
等を確実に検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地盤、橋梁、トン
ネル等に生じる歪を観測する装置に関し、特に光ファイ
バを利用した歪観測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】山、崖等における地盤崩落、土石流等の
監視並びに予知は災害防止上きわめて重要である。従
来、地盤変動を監視するための方法としては、ひずみゲ
ージを利用したセンサを監視すべき適宜個所に取り付け
る方法が知られているが、観測対象がきわめて広域に亘
ることから、多くの観測点にそれぞれセンサを取り付け
て信号線によって監視場所に接続する必要があり、きわ
めてコスト高となるという問題があった。また、ひずみ
ゲージを利用したセンサは耐久性にも問題があった。

【０００３】そこで、これに代わる方法として最近、光
ファイバを利用した監視システムが提案されている（例
えば、特開平１０−１９７２９８号公報参照）。この公
報に記載されているシステムは、岩盤、斜面等の対象物
に光ファイバを取り付けておき、その一端から光ファイ
バ中におけるブリルアン散乱光を測定することで光ファ
イバ中に生じる長手方向歪の分布を測定し、これによっ
て対象物に生じた変動を検出しようとするものである。
そして、岩盤、斜面等の対象物に対する光ファイバの取
り付けには、光ファイバケーブルを直接岩盤等の対象物
に接着剤で仮固定し、その後、光ファイバケーブルを、
適当に間隔をあけた位置で固定治具によって対象物に固
定する方法、或いは光ファイバケーブルを塩ビパイプの
外周にケーブル固定バンドを使用して固定し、次にその
塩ビパイプを固定治具を使用して対象物に固定する方法
等が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光ファ
イバケーブルを岩盤等の対象物に直接取り付けた場合或
いは塩ビパイプを用いて取り付けた場合、対象物の歪検
出は理論的には可能かも知れないが、実際には正確な検
出が困難であるという問題があった。すなわち、岩盤や
斜面等の対象物の歪を光ファイバで検出するには、対象
物に生じた歪によって光ファイバに長手方向の伸びを生
じさせる必要があるが、単に光ファイバケーブルを対象
物に取り付けただけでは、光ファイバケーブルが真直に
見えても実はたるんでいることが多く、この場合、対象
物に歪が生じても光ファイバケーブルのたるみを吸収す
る程度までの歪では、光ファイバに伸び歪がほとんど発
生せず、このため光ファイバの長手方向の歪分布に変化
がなく、従って対象物の歪検出はできない。また、光フ
ァイバケーブルをたるみの無い状態で敷設しておいて
も、夏冬の温度差、或いは昼夜の温度差等によって、光
ファイバケーブルに熱膨張が生じ、光ファイバケーブル
にたるみを生じてしまう面もあり、やはり良好な歪検出
はできない。更に、対象物に生じる歪によっては、光フ
ァイバケーブルを固定している二点間距離が短くなる場
合があり、その場合には光ファイバは単にたるむのみで
あるので、やはり歪検出はできない。このように、従来
の装置では対象物の良好な歪検出は期待できなかった。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、光ファイバを用いて対象物の歪を良好に検出する
ことの可能な歪観測装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、対象物に対し
て、光ファイバを有する光ファイバケーブルを固定する
に際し、その光ファイバケーブルに長手方向の伸び歪を
与え、その状態で固定するという構成としたものであ
る。この構成により、歪を観測すべき対象物に固定した
光ファイバケーブルには常に、該光ファイバケーブルを
張った状態に保つ引張応力が生じており、このため日中
或いは夏期に昇温しても光ファイバケーブルが伸びてた
るむということがなく、対象物に歪が生じた時には、そ
の歪の方向が光ファイバケーブルを伸ばす方向であって
も縮める方向であっても、その歪に応じて、光ファイバ
ケーブルを構成する光ファイバには長手方向の歪の変化
（伸び或いは縮み）が確実に生じる。かくして、光ファ
イバの長手方向の歪分布を測定することで対象物の歪発
生の場所、大きさ等を確実に検出できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係る歪観測装
置は、歪を観測すべき対象物に取り付けた光ファイバケ
ーブルと、その光ファイバケーブルを構成する光ファイ
バの一端に接続され、該光ファイバに生じた長手方向の
歪分布を検出する歪検出装置とを備え、前記光ファイバ
ケーブルを、これに長手方向の伸び歪を付与した状態で
前記対象物に固定していることを特徴とする。以下、詳
細に説明する。

【０００８】本発明の歪観測装置によって歪を観測しよ
うとする対象物は、地盤、トンネル、橋梁、建築物等歪
や崩落等の発生の恐れがあるものであれば任意であり、
特に、観測対象が数１００ｍから数キロｍに及ぶような
広域に亘るものが光ファイバ採用の効果を十分に発揮さ
せることができるのでメリットが大きい。

【０００９】対象物に取り付ける光ファイバケーブルと
しては、単に光ファイバのみからなるものを用いてもよ
いが、施工時、使用中等における破損、劣化等を防止す
る上から、光ファイバを適当な鞘体で覆装したものを用
いることが好ましい。鞘体としては、金属、プラスチッ
ク等任意であるが、耐食合金製のものが強度が大きく且
つ耐環境性に優れているので好ましい。また、鞘体を用
いる場合には、適当な間隔、例えば０．５〜２．０ｍ間
隔で鞘体と光ファイバを固定しておくことが好ましい。
この構成とすると、光ファイバ及び鞘体が張力を受けて
伸びる場合、両者が一体的に伸びることとなり、鞘体を
張った状態に固定するのみで、光ファイバを張った状態
に固定したのと同様な効果を得ることができ、対象物に
対する固定作業を容易且つ確実とできる。更に、光ファ
イバを鞘体に適当な間隔で固定しておく場合には、光フ
ァイバに長手方向の伸び歪を付与した状態で鞘体に固定
しておくことが好ましい。この構成とすると、光ファイ
バのたるみを一層防止でき、感度良く歪を観測できると
共に光ファイバケーブルの敷設時に光ファイバケーブル
に付与する伸び歪を小さく設定できる。

【００１０】対象物に対する光ファイバケーブルの取付
は、光ファイバケーブルの全長を対象物に対して接着剤
等によって固定する構成でもよいし、光ファイバケーブ
ルの、長手方向に適当な間隔をあけた複数の個所のみを
対象物に接着剤或いは適当な固定手段によって固定する
構成でもよいが、後者の方が、施工性に優れ且つ対象物
の表面形状に制約を受けにくい等の利点が得られるので
好ましい。光ファイバケーブルを対象物に対して長手方
向に間隔をあけた複数個所で固定するための構造として
は、各固定点において光ファイバケーブルがその位置に
ある対象物と一体に移動するように固定することができ
るものであれば任意であり、対象物に応じて適宜設計す
ればよい。例えば、図１〜図３に示すように、対象物が
山１における地盤の場合には、光ファイバケーブル２を
敷設すべき経路に沿って適当な間隔をあけて杭３を植設
し、その杭３に光ファイバケーブル２を適当な固定治具
４を用いて固定してゆけばよい。また、対象物が金属製
の橋梁の場合には、その橋梁の光ファイバケーブルを敷
設すべき経路に適当な間隔をあけて固定治具を溶接、ボ
ルト止め等によって固定し、その固定治具で光ファイバ
ケーブルを固定してゆけばよい。なお、光ファイバを鞘
体で覆装した構成の光ファイバケーブルを用いる場合に
は、鞘体を介して光ファイバを対象物に対して固定する
こととなり、従って、通常は鞘体を固定治具で押しつぶ
して内側の光ファイバを固定することとなるが、前記し
たように、光ファイバを適当な間隔で鞘体に固定してい
る場合には、必ずしも鞘体を押しつぶして光ファイバを
固定する必要はなく、鞘体のみを固定してもよい。光フ
ァイバケーブルを対象物に対して固定する位置の間隔
（図１〜図３の実施例では杭３の間隔）は、歪検出の単
位となるものであるので、要求される対象物の歪検出精
度に応じて定められ、例えば、地盤の歪、崩落等を観測
する場合には、５〜３０ｍ程度に、構造物の場合には
０．５〜２０ｍ程度に定められる。なお、光ファイバケ
ーブルを対象物に固定する位置の間隔を大きくとり且つ
その間の光ファイバケーブルをフリーな状態とした場合
には、その固定点間に位置する光ファイバケーブルが自
重で下方に湾曲し、その湾曲により、固定点間距離の変
化とその変化に伴って生じる光ファイバの歪変化との関
係に若干の誤差が生じることもある。このような場合に
は固定点間における光ファイバケーブルを適当な手段で
支持し光ファイバケーブルが水平な直線状を保つように
することが、上記誤差を小さくして測定精度を増すこと
ができるので好ましい。光ファイバケーブルを支持する
手段としては、光ファイバケーブルの上方に光ファイバ
ケーブルに沿って支持用ケーブルを張り、その支持用ケ
ーブルで光ファイバケーブルの適当な個所を吊り下げて
支持する構成、対象物に光ファイバケーブルを載置する
部材を取付け、それで光ファイバケーブルを支持する構
成等を挙げることができる。

【００１１】対象物に固定した光ファイバケーブルには
所定の伸び歪を与えた状態としておく。光ファイバケー
ブルに伸び歪を与えた状態で対象物に固定するには、例
えば、図１〜図３において、一つの固定治具４で光ファ
イバケーブル２を杭３に固定した後、その光ファイバケ
ーブル２を引っ張って所定の伸び歪を与え、その状態で
隣接した杭３に光ファイバケーブル２を固定治具４で固
定するという動作を順次繰り返して敷設してゆけばよ
い。ここで、光ファイバケーブルに一定に伸び歪を与え
て固定してゆく具体的な方法としては、光ファイバケー
ブルに張力をかけ、その時の伸び歪を実測し、その伸び
歪が所定値になった時点で固定治具で固定する方法、光
ファイバケーブルの伸び歪と張力の関係を予め測定して
おき、光ファイバケーブルにかける張力の調整によって
所定の伸び歪を光ファイバケーブルに生じさせ、その状
態で光ファイバケーブルを固定する方法、光ファイバケ
ーブルに張力をかけ、その時の光ファイバ内の歪分布を
光ファイバの一端に接続した歪検出装置（詳細は後述）
によって測定し、固定しようとする部位の歪が所定値に
なった時点で固定治具で固定する方法等を挙げることが
できる。

【００１２】光ファイバケーブルに与える伸び歪は、光
ファイバケーブルを構成する部材（光ファイバケーブル
が光ファイバのみで構成される場合は光ファイバ、光フ
ァイバと鞘体で構成される場合は光ファイバと鞘体）の
それぞれが、弾性を有する範囲内で伸びを生じ、これに
よってそれらの内部に引張応力を生じ、日中や夏期にお
いて光ファイバケーブルが加熱されて熱膨張しようとし
た際に、その熱応力を上記引張応力が吸収して光ファイ
バケーブルを構成する各部材にたるみを生じさせること
がないように（引張応力が残存するように）選定する。
具体的には、光ファイバケーブルに付与しておく伸び歪
を、光ファイバ自体の伸び歪が０．０５〜１．０％の範
囲となるように選定することが好ましい。０．０５％以
上の伸び歪が付与されていれば、前記温度差等の日常的
変化によるたるみが十分に打ち消されるからである。
又、伸び歪を１．０％以内に留めることで対象物の歪に
由来する伸び歪を測定するための伸び代も十分に残せる
からである（因みに、光ファイバ自体の伸び限界は１．
５〜２％程度である）。光ファイバケーブルは、光ファ
イバのみで構成されている場合もあるが、鞘体などの他
部材と複合されていることが多く、光ファイバが他部材
に引張り固定されている場合には上記０．０５％が光フ
ァイバケーブルでは０．０１％で済むことがあり、逆
に、他部材に余長を付けて固定されている場合には、通
常の余長のレベルとの関係で、上記１．０％が光ファイ
バケーブルでは１．２％に相当することもある。即ち、
光ファイバケーブルに付与しておく伸び歪としては、
０．０１〜１．２％が好ましい範囲となる。

【００１３】対象物の歪を、光ファイバケーブルを伸ば
す方向の歪だけでなく、縮ませる方向の歪についても十
分に測定できるようにしておきたい時は、光ファイバケ
ーブルに付与しておく伸び歪を０．４〜１．２％（光フ
ァイバ自体では０．５〜１．０％）の範囲内で選定する
とよい。

【００１４】更には、光ファイバケーブルを縮ませる方
向の測定が主眼のときは光ファイバケーブルに０．６〜
１．６％（光ファイバ自体に０．７〜１．５％）の範囲
内の伸び歪を付与して、縮み方向の測定範囲を大きく確
保しておくのがよい。

【００１５】光ファイバの一端に接続してその光ファイ
バに生じた長手方向の歪分布を検出する歪検出装置（図
１の符号５参照）としては公知のものを適宜使用でき、
例えば、光ファイバ内のブリルアン散乱光を利用して光
ファイバの長手方向の歪分布を測定するＢＯＴＤＲ（Ｂ
ｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍ
ａｉｎ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を用いることが
でき、更に具体的には、安藤電気株式会社製の光ファイ
バ歪／損失アナライザＡＱ８６０２、ＡＱ８６０２Ｂ等
を用いることが好ましい。

【００１６】上記構成の歪観測装置では、歪を観測すべ
き対象物に取り付けた光ファイバケーブルが常に伸び歪
を生じた状態に保たれており、このためその光ファイバ
ケーブルを構成する光ファイバも常に伸び歪を生じた状
態に保たれており、歪検出装置はその光ファイバに生じ
ている歪分布を観測している。いま、対象物に歪が生じ
ると、その歪に応じて光ファイバケーブル、ついては光
ファイバにも変位が生じ、その変位のうちの光ファイバ
長手方向成分に応じて光ファイバは伸縮する。すなわ
ち、対象物の歪が光ファイバを引き伸ばす方向に生じた
場合には、光ファイバを更に引き伸ばし、逆に対象物の
歪が光ファイバの固定点間距離を小さくする方向に生じ
た場合には光ファイバは自身の内部引張応力によって収
縮し、当初にあった伸び歪が小さくなる。このため、光
ファイバは対象物の歪に応じて長手方向の伸び量が変化
し、長手方向の歪分布が変化する。従って、歪検出装置
が計測している光ファイバの長手方向の歪分布におい
て、対象物の歪に応じて光ファイバに歪が生じた部分に
異常が見られ、この計測データから、光ファイバに歪が
生じた部分及びその大きさを検出することができる。以
上のようにして、対象物に生じた歪を直ちに確実に観測
でき、しかも、対象物の歪を光ファイバが伸びる方向の
みならず収縮する方向についても検出できる。

【００１７】本発明の歪観測装置を山の斜面等の地盤の
観測に適用することで、地盤の変位、崩落等の地盤変動
を検出でき、地盤崩落の予知及び監視を行うことができ
る。また、この歪観測装置をトンネルの内壁の観測に適
用することで、トンネル内壁の変位や崩落を検出でき、
トンネル崩落の予知及び監視を行うことができる。ま
た、この歪観測装置を橋梁、建築物等の変位観測に適用
することで、橋梁、建築物等の変位を観測でき、橋梁、
建築物等の倒壊等の異常の予知及び監視を行うことがで
きる。

【００１８】

【発明の効果】以上のように、本発明は、対象物に取り
付けた光ファイバケーブルを、これに長手方向の伸び歪
を与えた状態としているので、その光ファイバケーブル
は、日中或いは夏期に昇温しても伸びてたるむというこ
とがなく、常に張った状態で且つ内部に引張応力を残し
た状態に保たれており、このため対象物に歪が生じた
時、その歪の方向が光ファイバケーブルを伸ばす方向で
あっても縮める方向であっても、光ファイバケーブルを
構成する光ファイバには直ちにその歪に応じて長手方向
の歪（伸び或いは縮み）が生じ、その光ファイバの長手
方向の歪分布を測定することで対象物の歪発生の場所、
大きさ等を確実に検出できるという効果を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略構成図

【図２】図１の実施例における光ファイバケーブルの取
り付け状態を示す概略断面図

【図３】図２の杭及び固定治具を示す概略断面図

【符号の説明】

１ 山 ２ 光ファイバケーブル ３ 杭 ４ 固定治具 ５ 歪検出装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 兼之 神奈川県川崎市川崎区殿町２丁目17番８号 第一高周波工業株式会社内 (72)発明者 田畑 和文 東京都中央区築地３丁目５番４号 日鐵溶 接工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA06 AA65 CC00 CC14 CC40 DD11 EE02 FF00 FF12 FF32 KK02 LL02 PP01 PP22 SS13 TT02 UU03 2F076 BA11 BB09 BD01 BD02 BD06

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 歪を観測すべき対象物に取り付けた光フ
   ァイバケーブルと、その光ファイバケーブルを構成する
   光ファイバの一端に接続され、該光ファイバに生じた長
   手方向の歪分布を検出する歪検出装置とを備えた歪観測
   装置において、前記光ファイバケーブルを、これに長手
   方向の伸び歪を付与した状態で前記対象物に固定してい
   ることを特徴とする歪観測装置。
2. 【請求項２】 前記光ファイバケーブルを長手方向に間
   隔をあけた複数個所で前記対象物に固定していることを
   特徴とする請求項１記載の歪観測装置。
3. 【請求項３】 前記光ファイバケーブルに付与した長手
   方向の伸び歪の大きさを、０．０１〜１．２％としたこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の歪観測装置。
4. 【請求項４】 前記光ファイバケーブルが、光ファイバ
   とそれを覆装する鞘体で構成されていることを特徴とす
   る請求項１から３のいずれか１項記載の歪観測装置。
5. 【請求項５】 前記光ファイバケーブルが、光ファイバ
   とそれを覆装する鞘体で構成されると共に、前記光ファ
   イバが鞘体に対して伸び歪を生じた状態で固定されてい
   ることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載
   の歪観測装置。