JP3358948B2

JP3358948B2 - トンネル危険予知システム

Info

Publication number: JP3358948B2
Application number: JP22350796A
Authority: JP
Inventors: 登喜雄開; 剛俊山浦; 隆之河野; 好章井上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-08-26
Filing date: 1996-08-26
Publication date: 2002-12-24
Anticipated expiration: 2016-08-26
Also published as: JPH1062212A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネルの内壁形
状変化と外壁異常などの検出に適用されるトンネル危険
予知システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネルにおける壁面の崩壊、落石など
の危険を予知する場合、従来では図１３に示すように、
三次元距離計５０で複数点のトンネル定位置５１ａ，５
１ｂ，…，５１ｎを計測し、トンネル形状を計測記録す
る。その後、必要に応じて再度トンネル形状を計測し、
前データと比較して形状変化を調べ、その形状変化によ
ってトンネル壁面の崩壊、落石などの危険を予知するよ
うにしている。

【０００３】しかし、上記従来の危険予知方法では、連
続監視が困難であり、また、計測時には危険防止又は計
測視野の制約などからトンネル内の通行を規制する必要
があるなどの欠点があった。

【０００４】また、トンネル危険予知の一つとして、図
１４に示すようにトンネル外壁５２とそれに密着する地
盤５３との関係、例えば空洞５４や地下水５５などの間
隙が生じていないかを検出することが望まれている。こ
のような要望に対し、従来では、トンネル内壁５６を作
業員がハンマ５７で叩き、その反響音をマイクロホン５
８で集音し、周波数分析器５９により分析して状況を推
定している。しかし、この方法も、前記形状変化調査と
同様に連続監視が困難であり、また、通行規制を必要と
するなどの欠点があった。更に、トンネル内部で火災が
起きた場合、火災発生を知らずにトンネル内部に多数の
車が進入すると、重大災害に発展する危険性がある。

【０００５】図１５は、従来の火災検出方法を示したも
のである。この方法は、トンネル内の天井にレーザ投光
器６０及び受光器６１を設け、レーザ投光器６０から照
射したレーザ光６２を受光器６１でその輝度値を監視
し、規定輝度以上を正常としている。そして、トンネル
内に進入した車両８で火災９が発生すると、その火災９
によりレーザ光６２の光路が遮断されて受光器６１の輝
度値が低下するので、この輝度値の低下を検出して火災
発生の警報等を行なうようにしている。

【０００６】しかし、上記のようにレーザ投光器６０か
ら照射されるレーザ光６２の輝度値を受光器６１で監視
する方法では、トンネル内に排気ガスが充満すると、レ
ーザ光６２の輝度値が低下して誤動作するという問題が
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来のト
ンネル危険予知システムでは、トンネルにおける壁面の
崩壊、落石などの危険を予知するシステム、トンネルの
外壁とそれに密着する地盤との間に発生する空洞や地下
水などを検知するシステム、更にはトンネル内で発生す
る火災を検出する火災検出システムなど、それぞれ別々
のシステムで異常を検知しており、同一システムによる
異常検知は不可能であった。

【０００８】また、従来では、トンネル形状等を定期的
に計測し、前データと比較して形状変化を調べ、その形
状変化によってトンネル壁面の崩壊、落石などの危険を
予知しているので、連続監視が困難であり、また、計測
時には危険防止又は計測視野の制約などからトンネル内
の通行を規制する必要があるなどの欠点があった。

【０００９】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたもので、通行規制を行なうことなく連続監視が可能
で、トンネルにおける壁面の崩壊、落石などの危険を確
実に予知し得るトンネル危険予知システムを提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るトンネル危
険予知システムは、トンネル内壁全長に沿って布設固定
されるトンネル形状変化検知用光ファイバ、前記トンネ
ル内壁全長に沿ってトンネル形状変化分が伝達しないよ
うに布設されるトンネル内温度計測用光ファイバ、前記
トンネル内壁面に密着してトンネル全長に亘って布設さ
れ、その周囲が断熱材で被覆されるトンネル内壁面温度
計測用光ファイバ、の３本の光ファイバの一端をそれぞ
れ接続して折り返した１本となった光ファイバと、前記
１本となった光ファイバの一端にパルス光を入射し、該
光ファイバからのブリルアン散乱光の周波数シフト量と
受光時間を測定してトンネルの異常検知を行なう異常検
知手段とを具備したことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態を説明する。図１は本発明に係るトンネル危険
予知システムの全体構成図で、トンネル１０の内部を一
部断面して示している。

【００１２】トンネル１０の内部には、その壁面に沿っ
て歪み計測用光ファイバ１ａ，温度計測用光ファイバ１
ｂ及び壁面温度計測用光ファイバ１ｃの３本を布設して
いる。これらの光ファイバ１ａ〜１ｃは、片側を順次接
続して１本の連続した光ファイバ１とし、歪み計測器２
に接続している。この歪み計測器２は、光パルスを発生
して光ファイバ１に入射すると共に、ブリルアン散乱光
を受光して歪み計測を行なうもので、その計測した歪み
量を異常監視装置３へ出力する。この異常監視装置３
は、歪み計測器２で計測される歪み量を常時監視し、こ
れらを信号処理することにより、次のような警報を出力
する。

【００１３】（ａ）トンネル１０の内壁５６の形状変化
７による歪み量が設定値を越えたり、単位期間中の歪み
変化量が設定値を越える場合には、歪み検出警報４を出
力する。

【００１４】（ｂ）トンネル１０に進入した車両８など
の火災９によって起きる異常高温や、単位時間の温度上
昇が設定値を越える場合は、火災検出警報５を出力す
る。（ｃ）トンネル１０の外壁５２と地盤５３との間に空洞
５４、地下水５５などが発生し、温度計測用光ファイバ
１ｂと壁面温度計測用光ファイバ１ｃ間の温度差が規定
値以上になると、トンネル外壁異常警報６を出力する。
上記警報４〜６は、例えば警報表示ランプやブザー等を
使用して報知する。

【００１５】次に上記歪み計測用光ファイバ１ａ、温度
計測用光ファイバ１ｂ及び壁面温度計測用光ファイバ１
ｃの布設について説明する。図２は、歪み計測用光ファ
イバ１ａの布設要領を示したものである。トンネル内壁
５６に光ファイバ取付部材４０を所定の間隔で取付け、
その後、この光ファイバ取付部材４０に歪み計測用光フ
ァイバ１ａを取付けて、光ファイバ固定部材４１で固定
する。従って、以降、トンネル内壁５６と歪み計測用光
ファイバ１ａは一体化し、トンネル内壁５６の形状変化
が歪み計測用光ファイバ１ａに直接伝達される。なお、
上記歪み計測用光ファイバ１ａは、その全長をトンネル
内壁５６に接着剤などで固定しても良い。

【００１６】図３は、温度計測用光ファイバ１ｂの布設
要領を示したものである。トンネル内壁５６に光ファイ
バ取付部材４０を所定の間隔で取付け、この光ファイバ
取付部材４０に温度計測用光ファイバ１ｂを取付けて光
ファイバ保持部材４２により保持する。この場合、温度
計測用光ファイバ１ｂと光ファイバ保持部材４２との間
は束縛せず、温度計測用光ファイバ１ｂが自由に動ける
ようにしている。また、上記光ファイバ取付部材４０の
途中には、例えばコイルばね、あるいはジャバラ等の緩
衝材４３を設け、温度計測用光ファイバ１ｂがトンネル
内壁５６の変形の影響を受けずにトンネル内温度を計測
できるようにしている。

【００１７】図４は、壁面温度計測用光ファイバ１ｃの
布設要領を示したものである。壁面温度計測用光ファイ
バ１ｃは、トンネル内壁５６に接着剤などで密着布設
後、壁面温度計測用光ファイバ１ｃの外側を断熱材４４
で覆っている。すなわち、壁面温度計測用光ファイバ１
ｃは、トンネル壁面の温度に即応するが、断熱材４４に
より外気温度の影響をあまり受けないようにしている。
そして、上記壁面温度計測用光ファイバ１ｃのファイバ
長に対する温度分布と温度計測用光ファイバ１ｂのファ
イバ長に対する温度分布とを対応させて監視する。ま
た、トンネル外壁５２に空洞５４や地下水５５の流れが
発生すると、上記温度関係、所謂温度差に変化が発生す
ることで異常を検出する。次に歪み計測器２について説
明する。

【００１８】図５は、光ファイバのブリルアン散乱光を
利用した歪み計測器２のブロック図を示したものであ
る。ブリルアン散乱光を利用した歪み計測の原理は周知
であるので、以下に概要を説明する。図５において、１
１は光パルス１５を発生する光源で、発生した光パルス
１５をハーフミラー１６を介して光ファイバ１に照射す
る。光パルス１５を光ファイバ１に照射すると、光パル
スが光ファイバ１内を伝搬する時にブリルアン散乱光１
７が発生し、照射側へ戻ってきてハーフミラー１６でフ
ィルタ１８へ導かれる。このフィルタ１８で、ブリルア
ン散乱光１７の周波数を調査するため一定幅の周波数で
透過周波数を変更し、透過光のピーク値よりブリルアン
周波数を知ることができる。上記フィルタ１８を透過し
た光は、増幅器１９を介してデータ処理部２０へ送られ
る。

【００１９】図６は、ブリルアン散乱光１７の説明図
で、縦軸に光強度（Ｉ）、横軸に周波数（ｆ）を示して
いる。図６において、光ファイバ１へ波長ｆ₀ の光パル
ス１５を入射すると、ブリルアン散乱光（Ｖε）１７が
戻ってくる。このブリルアン散乱光Ｖεの周波数シフト
量Δｆと歪み量との間には一定の関係式が成立する。従
って、ブリルアン散乱光Ｖεの周波数を計測することで
光ファイバ１そのものの歪み量が分かり、その受光時間
より位置を知ることができるため、光ファイバ１全長に
亘り、歪み量が分かる。光ファイバ歪み無しのブリルア
ン周波数Ｖｏは次に示す（１）式で、また、歪みε時の
ブリルアン周波数Ｖεは（２）式より求めることができ
る。

【００２０】

【数１】

【００２１】但し、η ：屈折率Ｘ：ポアソン比Ｖｅ：入射光波長Ｃ：歪み係数Ｅ：ヤング率 ρ ：密度 ε ：歪み量上式に基づく歪み量への換算は、図５のデ
ータ処理部２０で行なっている。

【００２２】図７は、本発明者が行なった光ファイバ１
の伸張試験結果、図８は温度試験結果を示したものであ
る。図７は、２ｍ長の光ファイバの一端を固定し、他端
を伸張したもので、伸張１０ｍｍで歪み出力０．５％と
なった。従って、光ファイバをトンネル内壁に沿って固
着配設しておけば、光ファイバの歪み量からトンネルの
変形量を知ることができる。

【００２３】図８は、伸引量ゼロ状態で恒温炉に入れた
光ファイバの温度を変化した結果て、２０℃温度変化す
ると、０．３２％の歪み出力に相当することが分かっ
た。以上のことは、歪みがかからぬように布設した温度
計測用光ファイバ１ｂで得られた歪み値であり、歪み計
測用光ファイバ１ａの歪み計測結果を補正することによ
り、温度補正した正確な歪み量が検出できることを示し
ている。

【００２４】また、歪み量は温度換算できるので、トン
ネル内の最高温度を５０℃とすると、温度値が５０℃を
越えた場合は、トンネル火災検出として警報を出力する
ことができる。

【００２５】次に上記異常監視装置３の詳細を図９によ
り説明する。歪み計測器２により計測した信号は、信号
変換部３０に入力される。この信号変換部３０は、歪み
計測用光ファイバ１ａ区間の歪み計測値を歪み測定部３
１へ、温度計測用光ファイバ１ｂ区間の歪み計測値を温
度測定部３２へ、壁面温度計測用光ファイバ１ｃ区間の
歪み計測値を壁面温度測定部３３へ出力する。また、歪
み測定部３１には、温度計測用光ファイバ１ｂ区間の歪
み計測値を入力し、温度による歪み補正を行なってい
る。例えば歪み計測用光ファイバ１ａと温度計測用光フ
ァイバ１ｂの歪み計測値が同じ値の場合は歪み無しと
し、歪み計測値か異なる場合は、歪み計測用光ファイバ
１ａの歪み量から温度計測用光ファイバ１ｂの歪み量と
の差分を真の歪み量と演算して歪み判定部３４へ出力す
る。また、この歪み判定部３４には、歪み設定部３７の
歪み設定値が入力される。この歪み設定部３７には、例
えば歪み量として１．０％、１日の変化率として０．２
％が設定される。歪み判定部３４は、歪み測定部３１に
より測定された歪み量が予め設定された１．０％を越え
たり、１日の変化率が０．２％を越えると歪み検出警報
４を出力する。図１０を例にとると、Ａ点で変化率０．
２％以上、Ｂ点で歪み量１．０％を越えるため、歪み判
定部３４はＡ点、Ｂ点で歪み検出警報４を出力する。な
お、図１０は、歪み測定部３１による測定例を示したも
ので、横軸に日（ｄａｙ）をとり、縦軸に歪み出力
（％）をとって示した。

【００２６】また、図９において、温度測定部３２は、
歪み量を温度に換算し、温度判定部３５へ入力する。ま
た、この温度判定部３５には、温度設定部３８の設定値
が入力される。この温度設定部３８は、例えば温度値と
して５０℃、１時間の温度変化として５℃が予め設定さ
れる。温度判定部３５は、温度測定部３２の測定温度と
温度設定部３８の設定温度とを比較判定し、温度値が設
定値である５０℃を越えたり、１時間の温度変化が５℃
以上であると、火災検出警報５を出力する。図１１は、
温度測定部３２により測定される１日の温度変化状況を
示したものである。温度設定部３８に対して上記の設定
を行なった場合、Ｃ点で５℃以上、Ｄ点で５０℃を越え
るので、温度判定部３５は、Ｃ点、Ｄ点で火災検出警報
５を出力する。

【００２７】また、図９において、壁面温度測定部３３
は、歪み量を温度に換算し、壁面温度判定部３６へ出力
する。また、この壁面温度判定部３６には、温度測定部
３２による測定温度及び壁面温度設定部３９の壁面設定
温度が入力される。壁面温度判定部３６は、温度測定部
３２の測定温度と壁面温度測定部３３の測定温度との温
度差を求め、その温度差が壁面温度設定部３９に設定し
た温度を越えるとトンネル外壁異常警報６を出力する。
図１２は、温度測定部３２と壁面温度測定部３３により
測定される温度差の変化状況を示したもので、実線Ｅが
温度差、破線Ｆが壁面温度設定部３９に設定した温度値
を示している。通常時は温度差が一定範囲Ｈにあるが、
Ｇ点では温度差が規定値を越えるため、壁面温度判定部
３６はトンネル外壁異常警報６を出力する。

【００２８】上記のようにしてトンネルにおける危険を
予知し、警報を発することができる。また、本発明は、
トンネルの他、崩壊、落石の危険のある壁面、斜面など
の危険予知システムに適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、光
ファイバを利用してトンネルの形状変化、トンネル火災
及びトンネル外壁の異常検出を同一システムで行なうこ
とができると共に、従来方法では困難であった異常の連
続監視が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル危険予知シ
ステムの全体構成図。

【図２】同実施形態における歪み計測用光ファイバの布
設要領を説明するための図。

【図３】同実施形態における温度計測用光ファイバの布
設要領を説明するための図。

【図４】同実施形態における壁面温度計測用光ファイバ
の布設要領を説明するための図。

【図５】同実施形態における歪み計測器の構成を示すブ
ロック図。

【図６】同実施形態におけるブリルアン散乱光の説明
図。

【図７】同実施形態における光ファイバの伸張試験結果
を示す図。

【図８】同実施形態における光ファイバの温度試験結果
を示す図。

【図９】同実施形態における異常監視装置の構成を示す
ブロック図。

【図１０】同実施形態における歪み出力の変化状況を示
す図。

【図１１】同実施形態における温度の変化状況を示す
図。

【図１２】同実施形態における温度差の変化状況を示す
図。

【図１３】従来のトンネル形状変化の調査方法を示す
図。

【図１４】従来のトンネル内壁異常検出方法を示す図。

【図１５】従来のトンネル火災検出方法を示す図。

【符号の説明】

１ａ歪み計測用光ファイバ１ｂ温度計測用光ファイバ１ｃ壁面温度計測用光ファイバ２歪み計測器３異常監視装置８車両１０トンネル３０信号変換部３１歪み測定部３２温度測定部３３壁面温度測定部３４歪み判定部３５温度判定部３６壁面温度判定部３７歪み設定部３８温度設定部３９壁面温度設定部４０光ファイバ取付部材４１光ファイバ固定部材４２光ファイバ保持部材４３緩衝材４４断熱材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０１Ｋ 11/12 Ｇ０１Ｋ 11/12 ＦＧ０２Ｂ 6/00 Ｇ０２Ｂ 6/00 Ｂ (72)発明者井上好章長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (56)参考文献特開平６−341814（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−110160（ＪＰ，Ａ) 特開平３−135743（ＪＰ，Ａ) 特開平２−242119（ＪＰ，Ａ) 特開平６−186091（ＪＰ，Ａ) 特開平８−4499（ＪＰ，Ａ) 特開平５−312000（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 21/00 E21D 9/06 G01B 11/16 G01C 7/06 G01K 1/14 G01K 11/12 G02B 6/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル内壁全長に沿って布設固定され
るトンネル形状変化検知用光ファイバ、前記トンネル内
壁全長に沿ってトンネル形状変化分が伝達しないように
布設されるトンネル内温度計測用光ファイバ、前記トン
ネル内壁面に密着してトンネル全長に亘って布設され、
その周囲が断熱材で被覆されるトンネル内壁面温度計測
用光ファイバ、の３本の光ファイバの一端をそれぞれ接
続して折り返した１本となった光ファイバと、前記１本となった光ファイバの一端にパルス光を入射
し、該光ファイバからのブリルアン散乱光の周波数シフ
ト量と受光時間を測定してトンネルの異常検知を行なう
異常検知手段と、を具備したことを特徴とするトンネル危険予知システ
ム。