JP4271522B2 - トンネル内空変位の測定方法 - Google Patents
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また、このトンネル内空変位の測定方法は、設定される原点と、基準点または測点間が、少なくとも数m(例えば、20〜30m)以上の非常に長い距離に対し、トンネル変形部に設定された測点の非常に小さい変位(例えば、1〜10mm程度)、すなわちトンネル内空変位を測定する方法である。後記する発明も同様である。
そして、(c経過データ測定工程)所定時間経過した後に、測角手段の回転にともない、初期座標系が回転した経過座標系において、基準点の経過基準点水平角及び経過基準点鉛直角を、測点の経過測点水平角及び経過測点鉛直角を、それぞれ測定する。その後、(d回転角算出工程)初期基準点水平角及び経過基準点水平角に基づいて、初期座標系の水平面回転角を算出し、初期基準点鉛直角及び経過基準点鉛直角に基づいて、初期座標系の鉛直面回転角を算出する。
それから、(e測点データ変換工程)水平面回転角に基づいて、経過座標系の経過測点水平角を、初期座標系の初期座標系経過測点水平角に変換し、鉛直面回転角に基づいて、経過座標系の経過測点鉛直角を、初期座標系の初期座標系経過測点鉛直角に変換する。(f測点位置算出工程)このようにして求めた初期測点水平角、初期測点鉛直角、初期座標系経過測点水平角及び初期座標系経過測点鉛直角と、初期測点斜距離とに基づいて、適宜計算を行うことにより、所定時間経過後の測点の位置を、初期座標系で算出することができる。
また、斜距離は、初期座標系において1回の測定を行うのみであり、その他は水平角、鉛直角を測角するのみであるため、測定に手間が掛からず、測定時間を短縮することができる。
そして、(E測点データ変換工程)この水平面回転角に基づいて、経過座標系の経過測点水平角を初期座標系の初期座標系経過測点水平角に、鉛直面回転角に基づいて、経過座標系の経過測点鉛直角を初期座標系の初期座標系経過測点鉛直角に、それぞれ変換する。
それから、(F測点位置算出工程)初期測点水平角と、初期測点鉛直角と、初期座標系経過測点水平角と、初期座標系経過測点鉛直角と、初期測点斜距離とに基づいて、適宜な計算を行うことにより、所定時間経過後の測点の位置を、初期座標系で算出することができる。
なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。
第1実施形態に係るトンネル内空変位の測定方法について、図1から図3を適宜参照して説明する。
参照する図面において、図1は、トンネル変形前において、第1実施形態に係るトンネル内空変位の測定方法を模式的に示す斜視図である。図2(a)は、トンネル変形前後において、図1におけるXY平面(水平面)に、基準点及び測点に係る水平角を投影して示す図面である。図2(b)は、トンネル変形前後において、図1におけるXZ平面(鉛直面)に、基準点及び測点に係る鉛直角を投影して示す図面である。図3は、トンネル変形前後において、原点Oと測点P、P’の位置関係を拡大して示す拡大斜視図である。
なお、以下の説明において、トンネル100の紙面奥側を前方、紙面手前側を後方とし、外力の影響を受けない前方側及び後方側の範囲を、外力影響範囲外とする。また、説明の都合上、トンネル100について、後記する原点Oを中心とし、長手方向(トンネルの軸方向)をX軸方向、幅方向をY軸方向、鉛直上向き方向をZ軸方向とする3次元座標軸を設定する。
また、測点Pは、この所定時間中に、測点P’に変位した場合を想定して説明する(図2、図3参照)。
したがって、斜距離LOPは、式(1)に示すように、斜距離LOP’と等しいとみなすことができる。
以下、式(1)を前提条件として、各工程について詳細に説明する。
図1に示すように、トンネル変形部の所定位置に、トンネル軸方向(X方向)に対して垂直となる輪切り断面A1を設定する。そして、輪切り断面A1の頂部(天端部位ともいわれる)に、測点Pを設定する。また、トンネル変形部の前方側のトンネル変形部外の頂部に基準点B1を設定する。測点P、基準点B1には、例えば、測定用ターゲットプリズム、反射鏡等を有し、反射機能を備えたターゲット装置が設置され、後記するトータルステーションTS(測角手段、測距手段)から照射された光波を反射可能となっている。
また、トンネル変形部の後方側の外力影響範囲外に原点Oを設定し、この原点Oに測角手段及び測距手段として、自動追尾式のトータルステーションTSを設置する。
したがって、原点O(すなわち、トータルステーションTS)、測点P、基準点B1は、トンネル100の軸方向に配置されることになる。
トンネル100の変形前(初期状態)において、トータルステーションTSが有する初期座標系で、基準点B1の初期基準点水平角θB1及び初期基準点鉛直角φB1を測定する。
さらに、トータルステーションTSで、測点Pの初期測点水平角θP及び初期測点鉛直角φP、原点Oと測点P間の初期測点斜距離LOPを測定する。
ここで、第1実施形態では、説明の都合上、トンネル変形前におけるトータルステーションTSが有する3次元座標の原点は、原点Oと一致しているとし、さらに水平角及び鉛直角の基準は、X軸と一致しているとする。
したがって、トンネル変形前の初期状態において、測点PのY座標(YP)、Z座標(ZP)は、斜距離LOPのXY平面における斜距離成分LOP−XY、XZ平面における斜距離成分LOP−XZとすると、それぞれ次に示す式(2)、式(3)で与えられる(図2、図3参照)。
ZP=LOP-XZ×sinφP=LOP×cosθP×sinφP …(3)
所定時間経過中、トンネル100は外力により、図1において、紙面右下に向かって変形する。この変形にともなって、測点Pは、前記したように、測点P’に移動する(図2、図3参照)。
また、前記したように、所定時間経過中に、トータルステーションTSは、トータルステーションTSを設置した架台のねじれ等により、水平面において水平面回転角dθ、鉛直面において鉛直面回転角dφ、それぞれ回転したとする(図2参照)。すなわち、トータルステーションTSが有する3次元座標は、初期座標系から、原点Oの位置を移動させずに、回転して経過座標系に変化したとする。
所定時間経過後、図2に示すように、トータルステーションTSが有する経過座標系で、基準点B1について、経過基準点水平角θB1’、経過基準点鉛直角φB1’を測定する。
さらに、トータルステーションTSにより、測点P’について、経過測点水平角θP’、経過測点鉛直角φP’を測定する。
次に、所定時間内に、トータルステーションTSが、水平面、鉛直面において回転した水平面回転角dθ、鉛直面回転角dφを算出する。ここで、前記したように、第1実施形態ではトータルステーションTSは、原点Oの位置を移動させずに回転したのみであるから、水平面回転角dθは次の式(4)で、鉛直面回転角dφは式(5)で、それぞれ算出される(図2参照)。
dφ=φB1−φB1' …(5)
このように算出した水平面回転角dθ、鉛直面回転角dφに基づいて、経過測点水平角θP’、経過測点鉛直角φP’について、次の式(6)、式(7)を適用することにより、所定時間経過前(つまり、トンネル変形前)の初期座標系で測点P’の水平角を示した初期座標系経過測点水平角θP’’、初期座標系で測点P’の鉛直角を示した初期座標系経過測点鉛直角φP’’に変換することができる。
φP''=φP'+dφ …(7)
その後、初期座標系経過測点水平角θP’’、初期座標系経過測点鉛直角φP’’に基づいて、初期座標系で測点P’の座標を示す。
ここで、原点Oと測点P’間の斜距離LOP’を、XY平面に投影して得られる斜距離成分LOP’−XYは、式(1)を考慮した上で、原点Oと測点P、P’は非常に離れているため、次の(8)式で与えられるとみなす。
よって、測点P’のY座標(YP’)は、測点P’の初期座標系経過測点水平角θP’’を考慮すると、次に示す式(9)で与えられる(図2(a)、図3参照)。
YP'=LOP'-XY×sinθP''=LOP×cosφP×sinθP'' …(9)
よって、測点P’のZ座標(ZP’)は、測点P’の初期座標系経過測点鉛直角φP’’を考慮すると、次に示す式(11)で与えられる。
ZP'=LOP'-XY×sinφP''=LOP×cosθP×sinφP'' …(11)
続いて、第2実施形態に係るトンネル内空変位の測定方法について、図4及び図5を適宜参照して説明する。
参照する図面において、図4は、トンネル変形前において、第2実施形態に係るトンネル内空変位の測定方法を模式的に示す斜視図である。図5(a)は、トンネル変形前後において、図4におけるXY平面(水平面)に、基準点及び測点に係る水平角を投影して示す図面である。図5(b)は、トンネル変形前後において、図4におけるXZ平面(鉛直面)に、基準点及び測点に係る鉛直角を投影して示す図面である。
図4に示すように、測点P、基準点B1、トータルステーションTSを、第1実施形態と同様に、設定・設置し、さらにトータルステーションTSの後方側でトンネル100の頂部に、他の基準点B2を設定する。
トータルステーションTSで、基準点B1、B2、について、初期基準点水平角θB1、θB2及び初期基準点鉛直角φB1、φB2、初期基準点斜距離LOB1、LOB2を測定する(図4、図5参照)。
さらに、トータルステーションTSで、測点Pの初期測点水平角θP及び初期測点鉛直角φP、初期原点O(変位する前の原点)と測点P間の初期測点斜距離LOPを測定する(図4、図5参照)。
また、初期座標系における基準点B1のY座標(YB1)、Z座標(ZB1)は、次の式(12)、式(13)でそれぞれ与えられ、基準点B2のY座標(YB2)、Z座標(ZB2)は、次の式(14)、式(15)でそれぞれ与えられる。
ZB1=LOB1-XZ×sinφB1=LOB1×cosθB1×sinφB1 …(13)
YB2=LOB2-XY×sinθB2=LOB2×cosφB2×sinθB2 …(14)
ZB2=LOB2-XZ×sinφB2=LOB2×cosθB2×sinφB2 …(15)
所定時間経過後、トータルステーションTSで、基準点B1、B2について、経過基準点水平角θB1’、θB2’、経過基準点鉛直角φB1’、φB2’をそれぞれ測定する(図4参照)。
さらに、トータルステーションTSで、測点P’について、経過測点水平角θP’、経過測点鉛直角φP’を測定する(図4参照)。
次に、トータルステーションTSの水平面回転角dθ、鉛直面回転角dφ、Y軸方向の変位量dY、Z軸方向の変位量dZを算出する。
ここで、第1実施形態と同様、原点Oと測点P、P’は非常に離れており、トンネル変形中(所定時間経過中)、斜距離はほとんど変化しないとみなす。すなわち、基準点B1について、斜距離LOB1と斜距離LO’B1は等しいものとみなし(式(16)参照)、さらにそのXY平面における斜距離成分(LOB1−XYとLO’B1−XY)も等しいとみなす(式(17)参照)。基準点B2についても同様とする(式(18)、式(19)参照)。
LOB1-XY=LO'B1-XY …(17)
LOB2=LO'B2 …(18)
LOB2-XY=LO'B2-XY …(19)
LO'B2-XY×sin(θB2'+dθ)=YB2+dY …(21)
水平面と同様に、基準点B1について、斜距離LOB1と斜距離LO’B1は等しいものとみなし(式(16)参照)、さらにそのXZ平面に投影した斜距離成分(LOB1−XZとLO’B1−XZ)も等しいとみなす(式(22)参照)。基準点B2についても同様とする(式(23)参照)。
LOB2-XZ=LO'B2-XZ …(23)
LO'B2-XZ×sin(φB2'+dφ)=ZB2+dZ …(25)
このように算出した水平面回転角dθ、鉛直面回転角dφに基づいて、第1実施形態と同様に、経過測点水平角θP’、経過測点鉛直角φP’について、次の式(26)、式(27)をそれぞれ適用することにより、所定時間経過前(つまり、トンネル変形前)の初期座標系で測点P’の水平角を示した初期座標系経過測点水平角θP’’、初期座標系で測点P’の鉛直角を示した初期座標系経過測点鉛直角φP’’に変換することができる。
φP''=φP'+dφ …(27)
その後、初期座標系経過測点水平角θP’’、初期座標系経過測点鉛直角φP’’に基づいて、初期座標系で測点P’の座標を示す。
ここで、原点Oと測点P’間の斜距離LOP’を、XY平面に投影して得られる斜距離成分LOP’−XYは、第1実施形態と同様、前記した式(1)を考慮することにより、次の(28)式で与えられるとみなす。
よって、測点P’のY座標(YP’)は、測点P’の初期座標系経過測点水平角θP’’を考慮すると、次に示す式(29)で与えられる(図5(a)参照)。
YP'=LOP'-XY×sinθP''=LOP×cosφP×sinθP'' …(29)
よって、測点P’のZ座標(ZP’)は、測点P’の初期座標系経過測点鉛直角φP’’を考慮すると、次に示す式(31)で与えられる。
ZP'=LOP-XY×sinφP''=LOP×cosθP×sinφP'' …(31)
TS トータルステーション
O 原点
O’ 原点(所定時間経過後)
P 測点
P’ 測点(所定時間経過後)
dθ 水平面回転角
θB1 基準点水平角
θB1’ 経過基準点水平角
θP’ 経過測点水平角
θP’’ 初期座標系経過測点水平角
dφ 鉛直面回転角
φB1 基準点鉛直角
φB1’ 経過基準点鉛直角
φP’ 経過測点鉛直角
φP’’ 初期座標系経過測点鉛直角
LOP 初期基準点斜距離
LOP’ 経過測点斜距離
Claims (2)
- 時間とともに変形する変形部を有するトンネルの輪切り断面方向におけるトンネル内空変位を測定する方法であって、
(a)前記輪切り断面上に測点を、前記変形部外に基準点を、当該基準点と別に且つ前記変形部外に原点を、前記トンネルの軸方向に設定し、当該原点に測角手段を設置する、設定・設置工程と、
(b)前記測角手段の初期座標系において、前記基準点の初期基準点水平角及び初期基準点鉛直角と、前記測点の初期測点水平角及び初期測点鉛直角とをそれぞれ測定し、測距手段により前記原点に対する前記測点の初期測点斜距離を測定する、初期データ測定工程と、
(c)所定時間経過後、前記測角手段の回転にともない、前記初期座標系が回転した経過座標系において、
前記基準点の経過基準点水平角及び経過基準点鉛直角と、前記測点の経過測点水平角及び経過測点鉛直角とを、それぞれ測定する経過データ測定工程と、
(d)前記初期基準点水平角及び前記経過基準点水平角に基づいて、前記初期座標系の水平面回転角を算出し、
前記初期基準点鉛直角及び前記経過基準点鉛直角に基づいて、前記初期座標系の鉛直面回転角を算出する、回転角算出工程と、
(e)前記水平面回転角に基づいて、前記経過座標系の経過測点水平角を、前記初期座標系の初期座標系経過測点水平角に変換し、
前記鉛直面回転角に基づいて、前記経過座標系の経過測点鉛直角を、前記初期座標系の初期座標系経過測点鉛直角に変換する、
測点データ変換工程と、
(f)前記初期測点水平角と、前記初期測点鉛直角と、前記初期座標系経過測点水平角と、前記初期座標系経過測点鉛直角と、前記初期測点斜距離とに基づいて、所定時間経過後の前記測点の位置を、前記初期座標系で算出する測点位置算出工程と、
を有することを特徴とするトンネル内空変位の測定方法。 - 時間とともに変形する変形部を有するトンネルの輪切り断面方向におけるトンネル内空変位を測定する方法であって、
(A)前記輪切り断面上に測点を、前記変形部外に少なくとも2つの基準点を、トンネル内に原点を、前記トンネルの軸方向に設定し、当該原点に測角手段を設置する、設定・設置工程と、
(B)前記測角手段の初期座標系において、前記基準点の初期基準点水平角及び初期基準点鉛直角と、前記測点の初期測点水平角及び初期測点鉛直角とをそれぞれ測定し、測距手段により前記原点に対する前記基準点の初期基準点斜距離及び前記測点の初期測点斜距離をそれぞれ測定する、初期データ測定工程と、
(C)所定時間経過後、前記測角手段の回転及び移動にともない、前記初期座標系が回転及び移動した経過座標系において、
前記基準点の経過基準点水平角及び経過基準点鉛直角と、前記測点の経過測点水平角及び経過測点鉛直角とを、それぞれ測定する経過データ測定工程と、
(D)前記初期基準点水平角、前記経過基準点水平角及び前記初期基準点斜距離に基づいて、前記初期座標系の水平面回転角及び水平変位量を算出し、
前記初期基準点鉛直角、前記経過基準点鉛直角及び前記初期基準点斜距離に基づいて、前記初期座標系の鉛直面回転角及び鉛直変位量を算出する、回転角・変位量算出工程と、
(E)前記水平面回転角に基づいて、前記経過座標系の経過測点水平角を、前記初期座標系の初期座標系経過測点水平角に変換し、
前記鉛直面回転角に基づいて、前記経過座標系の経過測点鉛直角を、前記初期座標系の初期座標系経過測点鉛直角に変換する、
測点データ変換工程と、
(F)前記初期測点水平角と、前記初期測点鉛直角と、前記初期座標系経過測点水平角と、前記初期座標系経過測点鉛直角と、前記初期測点斜距離とに基づいて、所定時間経過後の前記測点の位置を、前記初期座標系で算出する測点位置算出工程と、
を有することを特徴とするトンネル内空変位の測定方法。
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