JP2009299316A - 変位測定装置及び変位測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切羽の進行に伴う切羽前方の地山の変位をリアルタイムで監視でき、連続で、且つ安定した掘削を可能にする変位測定装置及び変位測定方法を提供する
【解決手段】切羽ＴａにボアホールＨを掘削し、ボアホールＨ内に変位計３を設置固定する。変位計３は、地山Ｍの変位を検出し、検出された変位データは、無線信号によって坑道Ｔ内の受信装置５に送信される。送信部１３から受信装置５への変位データの送信は、有線ではなく、無線信号にて行われるので、地山Ｍの掘削に伴う切羽Ｔａの進行に支障をきたさない。したがって、切羽Ｔａの進行に伴う地山Ｍの変位をリアルタイムで監視でき、連続で、且つ安定した掘削を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、坑道を形成する際に、切羽前方の地山で生じる変位を計測する変位測定装置及び変位測定方法に関する。

トンネル等の地下空間を掘削する際の地山の変位には、切羽前方地山コアのトンネル軸方向の変形である押出し変位、切羽前方地山のトンネル中心方向への変形である先行変位、切羽通過後の地山のトンネル断面形状に対するトンネル中心方向への変形である内空変位がある。

ＮＡＴＭ工法では地山変位の制御を目的としたコンクリート吹付けとロックボルトの打設を行う。切羽前方の地山の補強工法には、固結剤注入、先受けボルト打設、鏡止めボルト打設等がある。これらの地山補強による効果を把握し、工事の安全性を確保するため、トンネル支保に発生する応力状況、深度方向の地山変位状況を計測するための変位計測装置が知られている（特許文献１参照）。

この種の変位計測装置は、切羽前方の地山に縦長のボアホールを削孔し、そのボアホール内に設置固定される変位計を備える。この変位計は、ボアホール内に設置される変位ロッドと、変位記録計とを備えている。変位記録計は、ボアホール内に設置固定されるケーシングと、そのケーシング内に収容された変位検出部及び記録部とを備えている。変位検出部では、変位ロッドを介して伝達された地山の変位を検出し、その変位量を電気信号に変換する。記録部では、変位検出部から送られる電気信号を変位データとして記録する。

切羽の進行に伴って切羽前方の地山が変位すると、ボアホールの形状が変化して変位ロッドが変位する。この変位は変位検出部で検出され、記録部に経時的に記録される。切羽が記録部の近傍まで到達すると、掘削が停止されて記録部が回収され、地山の変位量が分析される。その分析結果に基づき、適切な補強対策を施すことで、切羽前方コアの変形をコントロールできるようになる。
特開２００４−３１６１１７号公報

しかしながら、従来の変位計測装置では、記録部を回収するまで地山の変位量を取得することはできなかった。そのため、掘削進行中にリアルタイムでの地山の変位を監視することはできず、場所に応じて地山の状態変化が著しく大きな場合などには、岩盤崩落などの危険性もあり、また、補強工法を併用した掘削では、その効果を定量的に捉えることはできず、結果として、掘削が不安定になる可能性もあった。

そこで本発明は、切羽の進行に伴う切羽前方の地山の変位をリアルタイムで監視でき、連続で、且つ安定した掘削を可能にする変位測定装置及び変位測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、切羽前方の地山に形成された縦長のボアホール内に設置固定可能である変位計を備え、坑道を形成するための切羽の進行に伴って切羽前方で生じる地山の変位を計測する変位測定装置において、変位計は、ボアホール内に設置される変位ロッドと、変位ロッドを介して伝達される地山の変位を検出する変位検出部と、変位検出部で検出された変位に関する変位データを無線信号によって送信する送信部と、を有し、坑道内に配置され、且つ送信部から送信された変位データを受信する受信部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、地山の変位を示す変位データは、送信部を介して坑道内に配置された受信部に送信される。特に、送信部から受信部への変位データの送信は、有線ではなく、無線信号にて行われるので、地山の掘削に伴う切羽の進行に支障をきたさない。したがって、切羽の進行に伴う地山の変位をリアルタイムで監視でき、連続で、且つ安定した掘削を可能にする。

さらに、送信部は、低周波電磁波を利用した無線信号によって変位データを送信すると好適である。地山中には、水などの導電性の物体が含まれている可能性が高い。一般の無線通信では、伝送速度の観点から高周波数帯域、例えば、Ｍｈｚ〜ＧＨｚの電波が利用されるが、この種の無線通信では、導電性の物体を含む地山での減衰性が大きく、無線信号を適切に受信部に送ることができない。しかしながら、上記構成では、数ＫＨｚの低周波電磁波を利用した無線信号を利用するので、ボアホール内及び地山中の電気物性影響によらず、受信部に変位データを送信できる。

送信部は、変位ロッドよりもボアホールの奥側に配置されていると好適である。変位ロッドよりも先に送信部が切羽の進行に干渉してしまうことが無い。したがって、切羽の進行に伴う変位ロッドの変位を送信部が邪魔してしまうことがなく、地山の変位を精度良く確実に検出でき、且つ、送信部から変位データを安定して送信できる。

また、本発明は、切羽前方の地山に形成された縦長のボアホール内に設置固定可能である変位計を備えた変位測定装置によって、坑道を形成するための切羽の進行に伴って切羽前方で生じる地山の変位を計測する変位測方法において、切羽前方の地山に縦長のボアホールを削孔し、ボアホール内に、変位計を設置固定し、坑道を形成するために切羽を進行させながら、切羽前方の地山の変位を変位計で計測し、変位計で計測された地山の変位を無線信号によって坑道内に配置された受信部に送信する、ことを特徴とする。本発明によれば、切羽の進行に伴う地山の変位をリアルタイムで監視でき、連続で、且つ安定した掘削を可能にする。

本発明によれば、切羽の進行に伴う地山の変位をリアルタイムで監視でき、連続で、且つ安定した掘削を可能にする。

以下、図面を参照して本発明に係る変位測定装置の好適な実施形態について説明する。

図１に示されるように、トンネル掘削工事で形成された坑道Ｔの最先端部分の面は切羽Ｔａであり、トンネル掘削工事の進行に伴って切羽Ｔａは前進する。切羽Ｔａの前進に伴い、切羽前方でのコアとなる地山Ｍの変位などに応じた補強工事などが必要である。このような補強工事を効果的に行う為には、切羽Ｔａの前方の地山Ｍｎの補強による効果を定量的に把握し、工事の安全性を確保する必要がある。変位測定装置１は、切羽前方の地山Ｍの変位を測定するための装置である。

変位測定装置１による測定を行う場合には、切羽Ｔａから測定用のボアホールＨを削孔する。ボアホールＨは縦長の孔であり、変位測定装置１は、ボアホールＨに設置固定される変位計３と、変位計３から送信された信号を受診して出力する受信装置（受信部）５とを備えている。受信装置５は、ボアホールＨの外である坑道Ｔ内に設置されている。

図２及び図３に示されるように、変位計３は、筒型の多点変位計である。変位計３は、複数の変位ロッド７の軸方向の変位を検出する変位検出部９と、変位検出部９で検出された電気信号（変位データ）を無線信号として送信する送信部１３と、バッテリー１５とを備えている。

変位検出部９は、変位ロッド７の軸方向の変位量を電気信号に変換するセンサ部９ａと、センサ部９ａに対して物理的及び電気的に接続される変位計測端子台９ｂと、変位計測端子台９ｂを介してセンサ部９ａから受け付けた電気信号の抵抗変化を検出するためのブリッジ回路９ｃと、ブリッジ回路９ｃによる検出信号を増幅させる増幅回路９ｄと、増幅回路９ｄで増幅された検出信号を変位データとして演算する演算部９ｅとを備えている。バッテリー１５は、演算部９ｅなどの駆動電源である。

送信部１３は、無線送信回路１３ａと送信アンテナ１３ｂとを備えている。無線送信回路１３ａは、変位検出部９の演算部９ｅからの電気信号を読み取り、その電気信号を変位データとして変調し、送信アンテナ１３ｂから無線信号として送信させる。無線送信回路１３ａは、低周波電磁波を利用した無線信号によって変位データを送信している。

一般の無線通信では、伝送速度の観点から高周波数帯域、例えば、Ｍｈｚ〜ＧＨｚの電波が利用される。図６に示されるように、高周波数帯域を利用した無線通信の場合、空気中での距離減衰は小さい（図６の二点鎖線参照）。しかしながら、地山Ｍ中では、水などの導電性の物体が含まれている可能性が高いため、距離減衰は非常に大きくなってしまう（図６の破線参照）。

本実施形態では、高周波数帯域の電波を利用するのではなく、数ＫＨｚの低周波電磁波を利用した無線信号を利用する。数ＫＨｚの低周波電磁波の場合、地中での距離減衰（図６の一点鎖線参照）は空気中での距離減衰（図６の実線参照）に略等しく、地中からでも変位データを適切に送ることができる。

図３に示されるように、変位検出部９、送信部１３及びバッテリー１５は、円筒状のケーシング１７内に収容されている。ケーシング１７は、外径Ｄ１が６５ｍｍ程度のアクリルパイプであり、防水構造になっている。ケーシング１７内には、先端側、すなわちボアホールＨの奥側から順番に送信部１３、バッテリー１５及び変位検出部９が配置されている。さらに、送信部１３とバッテリー１５などのその他の要素との間には、ケーシング１７の外径Ｄ１よりも大きな寸法Ｄ２となるような隙間が形成されている。この隙間は、絶縁空間として機能し、送信部１３からの無線信号の送信に対して、バッテリー１５などのその他の要素が電気的な影響を与えにくい構成になっている。

ケーシング１７の後端部、すなわちボアホールＨの入り口側の端部には、加圧チューブ１９から供給される高圧水で後方が拡開される固定アンカー２１が設けられている。固定アンカー２１は、加圧チューブ１９から供給される高圧水によって拡がり、所定位置で変位計３を固定する。

図４及び図５に示されるように、変位ロッド７には、掘削機によって切断可能な材質のＦＲＰロッドが用いられている。変位ロッド７の前端、すなわちボアホールＨの奥側の端部は変位検出部９（図３参照）に固定され、後端は測定点アンカー２３に固定される。本実施形態では、長さの異なる６本の変位ロッド７が設けられており、ボアホールＨの軸方向に沿った６カ所の測定点Ｐ１〜Ｐ６での測定ができるようになっている。なお、この測定点については６カ所に限定されず、例えば、８カ所でも測定可能である。

測定点アンカー２３には、断面形状を小さく変形させた真鍮管を加圧チューブ１９からの水圧により膨張させ、前後何れの方向にも移動しないよう強固に地山Ｍへ固定することが可能な水圧式アンカーが用いられている。

受信装置５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭなどが実装された制御基板、モニタ及び外部記憶装置などを備えたＰＣ装置などであり、ボアホールＨ内ではなく、坑道Ｔ内に設置されている。受信装置５は、変位計３の送信アンテナ１３ｂから発信された無線信号を受信する受信アンテナ５ａと、受信アンテナ５ａで受信した信号を増幅する増幅回路５ｂと、所定の周波数のみを選択透過させるバンドパスフィルタ５ｃと、バンドパスフィルタ５ｃを透過した変調信号を復調する復調回路５ｄと、復調回路によって復調された信号から地山Ｍの変位データを割り出し、モニタなどに出力する演算出力部５ｅとを備えている。

次に、変位測定装置１を利用した切羽Ｔａ前方の地山Ｍの変位を測定する方法について説明する。まず、切羽Ｔａから掘削による影響範囲外の十分離れた位置まで、掘削装置２５によってコアとなる地山Ｍに測定用のボアホールＨを削孔する。次に、変位計３ボアホールＨ内に差し入れ、押し棒などで最深部まで押し込む。その後で、加圧チューブ１９から圧力水を供給して固定アンカー２１を広げ、変位計３を固定する。

固定アンカー２１で変位計３を固定した後、加圧チューブ１９で各測定点アンカー２３に圧力水を供給し、各測定点アンカー２３を膨張させることで、各変位ロッド７の後端を固定する。

図５に示されるように、ケーシング１７内に収容された変位検出部９のセンサ部９ａは、ボアホールＨの最深部である距離Ｌ_０に位置決めされている。この位置は、地山Ｍの変位を測定する上での基準となる不変位置Ｐ_０である。また、６本の変位ロッド７の後端である各測定点Ｐ１〜Ｐ６は、切羽Ｔａからそれぞれ距離Ｌ_１〜Ｌ_６に位置決めされている。

各測定点とセンサ部９ａとの間の距離Ｌｄは、式（１）となる。
Ｌｄ＝Ｌ_０−Ｌｎ （ｎ＝１） ・・・（１）

変位検出部９は、各変位ロッド７を介して不変位点Ｐ_０と各測定点Ｐ１〜Ｐ６との間の距離Ｌｄの変化を検出することで、測定点Ｐ１〜Ｐ６の変位を連続して自動的に測定する。切羽Ｔａの前方の地山Ｍに変位が生ずると、これに伴って変位ロッド７が変位し、この変位がセンサ部９ａで検出される。センサ部９ａは、変位ロッド７の変位を電気信号の変位データに変換して演算部９ｅに通知する。演算部９ｅでは、センサ部９ａから受け付けた変位データに基づいて地山Ｍの変位を割り出す。

変位検出部９は、切羽Ｔａから十分に離れ、掘削により地山Ｍが影響を受けない位置に設置されるので、不変位点Ｐ_０に対する各測定点Ｐ１〜Ｐ６でのトンネル軸方向の変位が正しく測定される。

送信部１３の無線送信回路１３ａは、変位データを定期的に読み出して変調し、無線信号として送信アンテナ１３ｂから発信させる。

受信装置５は、変位計３から送信された無線信号を受信し、モニタなどの出力手段に出力する。モニタには、切羽Ｔａの前方の地山Ｍの経時的な変位がリアルタイムで出力されるようになる。作業者は、モニタに出力された情報から地山Ｍの変形状況を容易に把握でき、この情報に基づいて適切な補強対策を施して切羽Ｔａの前方の地山Ｍの応力状況、変位を把握でき、安定化工法の設計を可能とし、トンネル施工の工期を短縮してコストを低減できる。

掘削により切羽Ｔａが進行すると、変位ロッド７が切羽Ｔａから露出する。変位ロッド７は掘削機により切断可能な材質のＦＲＰであり、掘削時に掘削機が変位ロッド７を切断するので、特に除去作業を行う必要がない。変位ロッド７を固定する測定点アンカー２３は水圧式の加圧アンカーであるので、前後何れ方向にも移動しないよう強固に固定することが可能であり、正確な測定結果が得られる。

上述の変位測定装置１によれば、地山Ｍの変位を示す変位データは、送信部１３から坑道Ｔ内に配置された受信装置５の受信アンテナ５ａに送信される。特に、送信部１３から受信装置５への変位データの送信は、有線ではなく、無線信号にて行われるので、地山Ｍの掘削に伴う切羽Ｔａの進行に支障をきたさない。したがって、切羽Ｔａの進行に伴う地山Ｍの変位をリアルタイムで監視でき、連続で、且つ安定した掘削を可能にする。

さらに、送信アンテナ１３ｂは、数ＫＨｚの低周波電磁波を利用した無線信号を利用するので、ボアホールＨ内及び地山Ｍ中の電気物性影響によらず、受信装置５に変位データを送信できる。

さらに、送信部１３は、変位ロッド７よりもボアホールＨの奥側に配置されているため、変位ロッド７よりも先に送信部１３が切羽Ｔａの進行に干渉してしまうことが無い。したがって、切羽Ｔａの進行に伴う変位ロッド７の変位を送信部１３が邪魔してしまうことがなく、地山Ｍの変位を精度良く確実に検出でき、且つ、送信部１３から変位データを安定して送信できる。

なお、本発明は、上述に実施形態に限定されない。例えば、送信部からの無線信号を受診する受信装置（受信部）は、坑道内の所定位置に固定されていてもよいし、切羽の前進に伴ってトンネル軸方向に移動可能であってもよい。

また、上述の実施形態では、変位検出部で検出された変位データは、送信部によってそのまま読み込まれて無線送信されていた。しかしながら、変位検出部で検出された変位データを記録するデータロガー（データ記録部）を変位計に設け、送信部は、データロガーに記録されている変位データを読み込んで無線送信するようにしても良い。この形態では、データロガーにおいてバックアップ用の変位データを保持することができる。そのため、例えば、無線送信時のエラーにより、何回かのリトライで変位データを送信できなくても、データロガーに変位データを記録しているので、次回の送信時に、再度、変位データを送信できるようになる。その結果、受信装置（受信部）側でのデータ欠損を防止することができる。

本発明の実施形態に係る変位測定装置によって切羽前方の地山の変位を測定している状態を示す概略的な側面図である。 本実施形態に係る変位測定装置のブロック図である。 本実施形態に係る変位計の側面図である。 本実施形態に係る変位計をボアホール内に設置した状態を示す側面図である。 切羽から各測定点までの距離を示す側面図である。 高周波数帯域の電波と低周波電磁波との減衰率を空気中と地中とで対比して示すグラフである。

符号の説明

１…変位測定装置、３…変位計、５…受信装置（受信部）、７…変位ロッド、９…変位検出部、１３…送信部、Ｔａ…切羽、Ｍ…地山、Ｈ…ボアホール。

Claims (4)

1. 切羽前方の地山に形成された縦長のボアホール内に設置固定可能である変位計を備え、坑道を形成するための切羽の進行に伴って切羽前方で生じる地山の変位を計測する変位測定装置において、
   前記変位計は、
   前記ボアホール内に設置される変位ロッドと、前記変位ロッドを介して伝達される地山の変位を検出する変位検出部と、前記変位検出部で検出された変位に関する変位データを無線信号によって送信する送信部と、を有し、
   前記坑道内に配置され、且つ前記送信部から送信された前記変位データを受信する受信部を備えることを特徴とする変位測定装置。
2. 前記送信部は、低周波電磁波を利用した無線信号によって前記変位データを送信することを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
3. 前記送信部は、前記変位ロッドよりも前記ボアホールの奥側に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の変位測定装置。
4. 切羽前方の地山に形成された縦長のボアホール内に設置固定可能である変位計を備えた変位測定装置によって、坑道を形成するための切羽の進行に伴って切羽前方で生じる地山の変位を計測する変位測定方法において、
   切羽前方の地山に縦長のボアホールを削孔し、
   前記ボアホール内に、前記変位計を設置固定し、
   坑道を形成するために前記切羽を進行させながら、切羽前方の地山の変位を前記変位計で計測し、
   前記変位計で計測された前記地山の変位を無線信号によって前記坑道内に配置された受信部に送信する、ことを特徴とする変位測定方法。

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