JP2008185498A - 地中変位計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地下水位が高い地中内に設置した場合であっても、耐水性に優れているために長期間の使用にも耐え、しかも精度よく計測できる地中変位計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】地中変位計測装置であって、筒状収納部材と、上端部を閉塞する上端閉塞部と、下端部を閉塞する下端閉塞部と、筒状収納部材に収納される計測部形成部とを有し、計測部形成部は、ＦＢＧによって構成された検出部と、検出された検出信号を伝送する単一の伝送用光ファイバケーブルと、検出部と伝送用光ファイバケーブルとを被覆保護する被覆保護部と、下端と下端閉塞部とを連結し、被覆保護部に張力を付加する張力付加部材とを有し、 光ファイバケーブルは、外部から筒状収納部へ挿入され、検出部を設置後に折り返されて外部へ退出するよう構成された、ことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定地盤内の地中変位を計測する地中変位計測装置に関するものである。

一般に、地中変位計測装置とは、地盤地中内の変位・変動が予測される地中内に設置され、当該地盤の地表面や地表面近傍位置に設置した構造物などの隆起・変形を招来する地中変位量を計測する装置と指標されている。
ここで、従来、地中変位計測装置としては、地中の変位量を電気信号へ変換する計測装置、電気抵抗の変化から地中の伸縮量を計算する計測装置などいわゆる電気式計測装置が一般に知られている。

しかし、このような従来の電気式計測装置では、以下の様な課題が生じていた。
すなわち、地中内変動が起きる地盤内では地下水位が高く、従来の電気式地中変位計測装置では、電線、その他金属部材で形成された計測装置構成部材の腐食、絶縁不良やショートなどが起こりやすく、もって計測装置の耐久性に限界が認められ、長期間の使用ができないとの課題があった。
また、複数個の電気式地中変位計測装置を同時に用いる際には、通常、電気信号の伝送を行うにつき、１個の地中変位計測装置で１本のケーブルが必要となるため、複数本の伝送用ケーブルを用意しなければならないこととなり、その結果、ケーブルの材料費と設置費用がきわめて高価になってしまうとの課題があった。
さらに、電気式の地中変位計測装置であると、電気信号が通常の状態で伝送できる距離は最大１km程度とされており、それ以上の距離の場合は増幅装置が必要となるので、この点からも機械費用や設置費用が割高になるとの課題があった。

そこで近年、光ファイバセンサを利用した地中変位計測装置が開発されるに至った（特開２００４−１６３２９４号公報参照）。
しかして、この装置により従来の電気式地中変位計測装置の課題はほとんどが解決されるものとなった。

すなわち、いわゆるＦＢＧ式光ファイバセンサを利用することにより、伝送信号の減衰が激しい電線を用いる必要がない。また、ＦＢＧ式光ファイバセンサは電気信号ではなく光信号を用いて計測を行うもので、単一の、すなわち１本の光ファイバケーブルで多数の地中計測装置を同時に接続し、計測可能となるため、伝送用光ケーブルの本数は伝送用電線に比較し圧倒的に少なくてすむものとなる。
さらに、光信号は長距離の伝送でも減衰が少なく、最大約９kmまで増幅装置を用いずに伝送可能とされる。

特開２００４−１６３２９４号公報

かくして、本発明はいわゆるＦＢＧ式光ファイバセンサを利用した地中変位計測装置に、さらに改良を加え、品質を向上させたものであって、特に、地中内変動が起きる地盤内では地下水位が高く、耐水性の高い装置が要請されていることに応え開発されたものである。
すなわち、地下水位が高い地中内に設置した場合であっても、耐水性に優れているために長期間の使用にも耐え、しかも精度よく計測できる地中変位計測装置を提供することを目的とするものである。

本発明による地中変位計測装置は、
筒状収納部材と、前記筒状収納部材の上端部を閉塞する上端閉塞部と、筒状閉塞部の下端部を閉塞する下端閉塞部と、該筒状収納部材に収納される計測部形成部と、を有し、
前記計測部形成部は、ＦＢＧによって構成された検出部と、該検出部が取り付けられると共に、検出された検出信号を伝送する単一の伝送用光ファイバケーブルと、前記検出部と伝送用光ファイバケーブルとを被覆保護する被覆保護部と、前記被覆保護部の下端と前記下端閉塞部とを連結し、被覆保護部に張力を付加する張力付加部材と、を有し、
前記単一の検出部つき光ファイバケーブルは、外部から前記筒状収納部へ挿入され、前記検出部を設置後に折り返されて、外部へ退出するよう構成された、
ことを特徴とし、
または、
筒状収納部材と、前記筒状収納部材の上端部を閉塞する上端閉塞部と、筒状閉塞部の下端部を閉塞する下端閉塞部と、該筒状収納部材に収納される計測部形成部と、を有し、
前記計測部形成部は、ＦＢＧによって構成された検出部と、該検出部が取り付けられると共に、検出された検出信号を伝送する単一の伝送用光ファイバケーブルと、前記検出部と伝送用光ファイバケーブルとを被覆保護する被覆保護部と、前記被覆保護部下端と前記下端閉塞部とを連結し、前記検出部及び伝送用光ファイバケーブルに張力を付加する張力付加部材と、張力が付加されない光ファイバケーブル部分に設けられたＦＢＧよりなる温度検出部と、を有し、
前記単一の検出部つき光ファイバケーブルは、外部から前記筒状収納部へ挿入され、前記検出部を設置後に折り返されて、外部へ退出するよう構成された、
ことを特徴とし、
または、
合成樹脂製の筒状収納部材と、前記筒状収納部材の上端部を閉塞する合成樹脂製上端閉塞部と、筒状閉塞部の下端部を閉塞する合成樹脂製下端閉塞部と、該筒状収納部材に収納される計測部形成部と、を有し、
前記計測部形成部は、ＦＢＧによって構成された検出部と、該検出部が取り付けられると共に、検出された検出信号を伝送する単一の伝送用光ファイバケーブルと、前記検出部つき伝送用光ファイバケーブルを被覆保護する繊維強化プラスチック材製の被覆保護部と、前記被覆保護部下端と前記下端閉塞部とを連結し、前記検出部及び伝送用光ファイバケーブルに張力を付加する繊維強化プラスチック製の張力付加部材と、張力が付加されない光ファイバケーブル部分に設けられたＦＢＧよりなる温度検出部と、を有し、
前記単一の検出部つき光ファイバケーブルは、外部から前記筒状収納部へ挿入され、前記検出部を設置後に折り返されて、外部へ退出するよう構成された、
ことを特徴とし、
または、
前記筒状収納部材を長手方向に向かい複数個接続して構成した、
ことを特徴とし、
または、
前記筒状収納部材を並列に複数個設置して構成した、
ことを特徴とするものである。

本発明による地中変位計測装置によれば、いわゆるＦＢＧ式光ファイバセンサを利用した地中変位計測装置にさらに改良を加え、特に、地中内変動が起きる地盤内では地下水位が高く、耐水性の高い装置が要請されるが、このような地下水位の高い箇所での計測であっても、充分に耐水性に優れているために長期間の使用にも耐えられ、しかも精度のよい計測ができるとの優れた効果を奏する。

以下、本発明を図に示す発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。

まず、図１から理解されるように、本発明による地中変位計測装置１は、筒状収納部材２と、前記筒状収納部材２の上端部を閉塞する上端閉塞部３と、筒状閉塞部２の下端部を閉塞する下端閉塞部４と、該筒状収納部材２に収納される計測部形成部５とを有して構成されている。

そして、前記計測部形成部５は、検出信号伝送用光ファイバケーブル７が１本用いられ、かつこの伝送用光ファイバケーブル７の所定箇所にはファイバグーティング（ＦＢＧ）２０により構成された検出部６が設けられている。
しかして、該検出部６つき伝送用光ファイバケーブル７は、前記筒状収納部材２内へ挿入されると共に、検出部６を内部へ設置した後、折り返されて外部へむけて退出する構成とされている。
そして、当該検出部６及び伝送用光ファイバケーブル７を被覆保護する被覆保護部８と、該被覆保護部８の下端と下端閉塞部４とを連結し、検出部６及び伝送用光ファイバケーブル７に一定の張力を付加する弾性係数の大きい張力付加部材９をも有している。

ここで、図１に示すように、筒状収納部材２は、塩化ビニル樹脂などの合成樹脂材で構成するとよい。該筒状収納部２は、内部に収納される検出部６や伝送用光ファイバケーブル７を地下水の浸水などから保護する保護管となるものだからである。

下端閉塞部４は、前記筒状収納部２の下端開口を塞ぐもので、図１から理解されるように、略栓状に形成されている。また、上端閉塞部３は前記筒状収納部２の上端開口を塞ぐよう略円盤状の形状になっている。

これら上端閉塞部３及び下端閉塞部４についても筒状収納部２と同様に塩化ビニル樹脂などの合成樹脂材で構成するとよい。

次に、被覆保護部８の構成につき、図１，図２，図３などを参照して説明すると、まず、該被覆保護部８は、２つの構成ユニット１０，１０を挟みあわせて、検出部６や伝送用の光ファイバケーブル７を外部から完全に遮蔽し被覆保護するように構成されている。この被覆保護部８の構成ユニット１０は、図から理解されるように、上下の膨出部とその中間の棒状被覆保護部とにより形成されており、前記の棒状被覆保護部内部に検出部６が配置される構成となっている。

ここで、一方側の構成ユニット１０には検出部６つき伝送用光ファイバケーブル７を導入する導入溝１１が設けてある場合があり、該導入溝１１内に沿って検出部６つき光ファイバケーブル７を前記棒状被覆保護部に配置する。そして、その両端側は上下の膨出部によって被覆保護されると共に、挟み込まれて固定される。

この様に、検出部６つき光ファイバケーブル７が導入溝１１に沿って配設された前記一方側の構成ユニット１０には、図２に示すように他方側の構成ユニット１０が貼り付けられ、検出部６つき光ファイバケーブル７は挟み合わされて密閉状態とされ、完全に被覆保護されるものとなる。よって、地下水位の高い地中内にあっても、地下水の浸水を完全に防護でき、もって長期間の使用ができるものとされた。

ここで、２つの構成ユニット１０，１０を貼り合わせて固定する方法については何ら限定されるものではないが、例えば、接着剤で接着するなど、両構成ユニット１０，１０を貼り合わせ固着し、密閉することが考えられる。

そして、前記被覆保護部８を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成しておけば、該繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）はきわめて耐水性が高い材質であり、もって密閉性もよく、たとえ地下水位の高い地中内で使用されたとしても、内部に浸水することがなく、長期間の使用に充分耐えうるものとなる。 また、被覆保護部８の下端からは前記張力付加部材９が接続される。
この張力付加部材９としては、比較的弾性係数の大きい繊維強化プラスチック部材（ＦＲＰ）などで形成した棒状のコード部材が好ましい。そして、この張力付加部材９の下端を前記の下端閉塞部４に固着するものとなる。

以上において次に、本発明による計測装置の組み立て及び設置につき説明する。
まず、検出部６つき光ファイバケーブル７を被覆して保護する被覆保護部８を構成する構成ユニット１０の導入溝１１内に配置し、２つの構成ユニット１０，１０を貼り合わせ固着する。

ここで、前記のように、検出部６は被覆保護部８の略中間位置に設置され、また被覆保護部８の先端側から挿入された伝送用光ファイバケーブル７は被覆保護部８の後端側に設けられた例えば円柱状の突起により構成された折り返し部１２で折り返し、再度前記被覆保護部８の先端側から退出するよう構成される。

しかして、検出部６と伝送用光ファイバ７が配置された被覆保護部８は筒状収納部材２内に収納され、収納された被覆保護部８の後端側には、下端閉塞部４に接続された棒状の張力付加部材９が連結される。

その後、上端閉塞部３を上下に貫通するボルト部材１３を収納されている被覆保護部８の先端側に連結し、前記ボルト部材１３を螺合することにより、筒状収納部材２内において、一定の張力をもって被覆保護部８を配置する。

しかして、筒状収納部材２の内部は上端閉塞部３と可鍛閉塞部４とによって密閉されると共に、さらに、検出部６と伝送用光ファイバケーブル７とは被覆保護部８によって厳重に遮蔽、密閉され、もって地下水によって浸水するおそれが全くないものとなる。

このように組み立てられ、作成された地中変位計測装置１は、たとえば図５に示すような箇所の地中内に設置される。

図５に示す地盤は、例えば変形しない堅牢な地盤部分１４と、その上に位置する塑性圧により隆起し、変質する地盤部分１５とよりなる。そして当該地盤は地下水位の高い地盤となっている。

このような地盤上にトンネル２３などが形成された場合、地盤の隆起などの地中変位がダイレクトにインバート１６の隆起に直結する。よって、絶えず当該地盤の変位を計測し、監視する必要があるのである。

そこで、トンネル２３のインバート１６を掘削し、この掘削孔に前記地中変位計測装置１を設置するのである。

すると、被覆保護部８の上部膨出部と下部膨出部との中間位置に設置された棒状被覆保護部内の検出部６が、地中の変化により、例えば棒状被覆保護部と共に伸縮してひずみを生じ、該ひずみを検出することにより地中変位を計測することになる。
本発明では、検出部６の構成につき、図４に示すような、ファイバグレーティング型光ファイバセンサ、すなわちファイバグレーティング（ＦＢＧ）をセンサとして使用している、
ここで、ＦＢＧタイプのセンサ原理につき、若干説明しておく。

まず、図４に示すように、光ファイバケーブル７のコア２１内に複数のブラッグ回折格子１７を形成する。
そして、ブラッグ回折格子１７に入射光１８が入射されると、ブラッグ回折格子１７の間隔ｘとコア２１の屈折率の積に比例する周波数を持つ反射光１９が発生する。

しかして、光ファイバケーブル７にひずみが生じると、ブラッグ回析格子１７の間隔ｘが変化するため、反射光１９の周波数も変化する。そして、ファイバグレーティング（ＦＢＧ）２０を利用したセンサ、すなわちファイバグレーティングセンサは、この変化量をもとにひずみを計算するものとなる。

ＦＢＧ、すなわちファイバグレーティング２０は光ファイバケーブル７のコア内ブラッグ回析格子１７を入射光１８を用いてＧｅドープ領域に形成されたもので、格子間隔ｘで決まる特定の波長λの光を反射する特徴を有する。

今、長さLの光ファイバケーブル７が張力を受けてΔLだけ伸張したとき、ひずみをεとして

と定義し、ファイバグレーティング２０の格子間隔ｘも同じ比率でのびると仮定すれば、温度が一定のもとでは波長も同じ比率

で変化することとなる。
従って、反射光１９の波長を計測することでひずみεが得られることとなる。

しかして、ファイバグレーティング２０を検出部６として構成すれば、その物体の歪みをファイバグレーティング２０の歪みとして検出することができるのである。

また、ファイバグレーティング２０の透過光２２は反射成分が欠落したスペクトルとなるので、欠落した波長を計測しても同様の計測が可能となる。

このように、ファイバグレーティング２０は、光ファイバケーブル７のコア２１内の屈折率を周期的に変化させたブラッグ回折格子１７を有して構成されており、該ファイバグレーティング波長選択性をひずみ測定に応用したものと言える。

また、ファイバグレーティング型光ファイバセンサの前記ファイバグレーティング２０には１mmあたり約２０００個のブラッグ回折格子１７が配置可能と言われているのである。

なお、図２に示すように、張力付加部材９によって張力が付加されない光ファイバケーブル部分、換言すれば被覆保護部８が伸縮しない部分、すなわち例えば、被覆保護部８の上方部分膨出部にファイバグレーティング（ＦＢＧ）２０よりなる温度検出部２４を設けておくことが考えられる。

ファイバグレーティング（ＦＢＧ）２０は温度によっても変化するものであり、この温度検出部２４によって温度変化の部分のひずみだけ計測できれば、それを本来のひずみ計測値の補正に使用することができるからである。
また、本発明の様に光ファイバケーブル７を使用する計測装置の場合は、１本の光ファイバケーブル７の長さ方向各箇所に間隔をあけて複数の検出部６を装着し、該光ファイバケーブル７を複数個の筒状収納部材２内に直列状態にして長手方向に接続し、長尺な計測装置を構成すれば、地中内深い箇所から地表面まで複数層からなる地盤の変位をそれぞれの検出部６で計測できる装置とすることができる（図１０参照）。
さらに、図５に示すようなトンネル２３内において、その長手方向へ向け、所定間隔をあけた状態で本発明による計測装置を設置することもでき、もって精度の高い地中変位計測、監視ができるものとなる（図９参照）。

本発明による地中変位計測装置は、地中内の地下水位が高い箇所であって、供用中のトンネル２３の変状監視や変状が継続的に進行している供用中のトンネル２３におけるインバートの盤ぶくれ、さらには供用中のトンネル２３における側壁・アーチ部の変形の長期監視など計測箇所が坑口から離れており、長距離の信号伝送が必要な変状監視にきわめて有効である。
さらには、地中内の地下水位が高い箇所であって、遠隔地の地すべり斜面の防災監視、地すべり斜面と、信号を受信し地すべりを監視する場所が離れている場合の地すべり斜面の防災監視などにもきわめて有効なものとなる（図１１参照）。

本発明実施例の概略構成を説明する構成説明図（その１）である。 本発明実施例の概略構成を説明する構成説明図（その２）である。 本発明実施例の概略構成を説明する構成説明図（その３）である。 ファイバブラッググレーティングセンサの原理を説明する説明図である 本発明の使用状態を説明する説明図である。 本発明による計測装置の組み立て状態を説明する構成説明図（その１）である。 本発明による計測装置の組み立て状態を説明する構成説明図（その２）である。 本発明による計測装置の組み立て状態を説明する構成説明図（その３）である。 本発明による計測装置の設置例を説明する説明図（その１）である。 本発明による計測装置の設置例を説明する説明図（その２）である。 本発明による計測装置の設置例を説明する説明図（その３）である。

符号の説明

１ 地中変位計測装置
２ 筒状収納部
３ 上端閉塞部
４ 下端閉塞部
５ 計測部形成部
６ 検出部
７ 伝送用光ファイバケーブル
８ 被覆保護部
９ 張力付加部材
１０ 構成ユニット
１１ 導入溝
１２ 折り返し部
１３ ボルト部材
１４ 変形しない堅牢な地盤部分
１５ 塑性圧により隆起し、変質する地盤
１６ インバート
１７ ブラッグ回析格子
１８ 入射光
１９ 反射光
２０ ファイバグレーティング
２１ コア
２２ 透過光
２３ トンネル
２４ 温度検出部

Claims (5)

1. 筒状収納部材と、前記筒状収納部材の上端部を閉塞する上端閉塞部と、筒状閉塞部の下端部を閉塞する下端閉塞部と、該筒状収納部材に収納される計測部形成部と、を有し、
   前記計測部形成部は、ＦＢＧによって構成された検出部と、該検出部が取り付けられると共に、検出された検出信号を伝送する単一の伝送用光ファイバケーブルと、前記検出部と伝送用光ファイバケーブルとを被覆保護する被覆保護部と、前記被覆保護部の下端と前記下端閉塞部とを連結し、被覆保護部に張力を付加する張力付加部材と、を有し、
   前記単一の検出部つき光ファイバケーブルは、外部から前記筒状収納部へ挿入され、前記検出部を設置後に折り返されて、外部へ退出するよう構成された、
   ことを特徴とする地中変位計測装置。
   
2. 筒状収納部材と、前記筒状収納部材の上端部を閉塞する上端閉塞部と、筒状閉塞部の下端部を閉塞する下端閉塞部と、該筒状収納部材に収納される計測部形成部と、を有し、
   前記計測部形成部は、ＦＢＧによって構成された検出部と、該検出部が取り付けられると共に、検出された検出信号を伝送する単一の伝送用光ファイバケーブルと、前記検出部と伝送用光ファイバケーブルとを被覆保護する被覆保護部と、前記被覆保護部下端と前記下端閉塞部とを連結し、前記検出部及び伝送用光ファイバケーブルに張力を付加する張力付加部材と、張力が付加されない光ファイバケーブル部分に設けられたＦＢＧよりなる温度検出部と、を有し、
   前記単一の検出部つき光ファイバケーブルは、外部から前記筒状収納部へ挿入され、前記検出部を設置後に折り返されて、外部へ退出するよう構成された、
   ことを特徴とする地中変位計測装置。
   
3. 合成樹脂製の筒状収納部材と、前記筒状収納部材の上端部を閉塞する合成樹脂製上端閉塞部と、筒状閉塞部の下端部を閉塞する合成樹脂製下端閉塞部と、該筒状収納部材に収納される計測部形成部と、を有し、
   前記計測部形成部は、ＦＢＧによって構成された検出部と、該検出部が取り付けられると共に、検出された検出信号を伝送する単一の伝送用光ファイバケーブルと、前記検出部つき伝送用光ファイバケーブルを被覆保護する繊維強化プラスチック材製の被覆保護部と、前記被覆保護部下端と前記下端閉塞部とを連結し、前記検出部及び伝送用光ファイバケーブルに張力を付加する繊維強化プラスチック製の張力付加部材と、張力が付加されない光ファイバケーブル部分に設けられたＦＢＧよりなる温度検出部と、を有し、
   前記単一の検出部つき光ファイバケーブルは、外部から前記筒状収納部へ挿入され、前記検出部を設置後に折り返されて、外部へ退出するよう構成された、
   ことを特徴とする地中変位計測装置。
   
4. 前記筒状収納部材を長手方向に向かい複数個接続して構成した、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の地中変位計測装置。
   
5. 前記筒状収納部材を並列に複数個設置して構成した、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の地中変位計測装置。

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