JP4336264B2 - 変位計測装置 - Google Patents
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Description
本発明の変位計測装置1について説明する前に、変位計測の考え方について簡単に説明する。
ここでは、図1及び図2(a)に示すように、円形断面形状の中空部Cを有する構造物Sにおける、同一断面内の内壁S1に設置されたn個(nは3以上)の各計測点に関し、任意の計測点ak+1が、ak+1’に移動した場合の基準計測点a0(前記各計測点のうちの1点)に対する相対的な位置座標を求める場合を考える。
なお、本発明では、任意の計測点ak+1の基準計測点a0に対する相対変位を求めることを目的とするため、基準計測点a0の位置座標は、前記変位前後で変化しない不動点であり、別途計測により既知となった基準点である。
Xak+1=Xak+Lak×cosθak
Yak+1=Yak+Lak×sinθak (1−1)
Lak:変位前の任意の計測点ak〜ak+1間における内壁S1の弦長
θak:変位前の任意の計測点ak〜ak+1間における内壁S1の水平角
(水平基準線に対する角度)
k:0〜n−1(但し、k=n−1の場合には、an=a0となる)
Xak+1’=Xak’+Lak’×cosθak’
Yak+1’=Yak’+Lak’×sinθak’ (1−2)
Lak’:変位後の任意の計測点ak〜ak+1間における内壁S1の弦長
θak’:変位後の任意の計測点ak〜ak+1間における内壁S1の水平角
Lak’=Lak+△Lak
θak’=θak+△θak (1−3)
Δθak=(δak+δak+1)/2 (1−4)
δak:変位前後の任意の計測点akにおける内壁S1の水平角変化量
Xak+1’=Xak’+(Lak+△Lak)×cos{θak+ (δak+δak+1)/2}
Yak+1’=Yak’+(Lak+△Lak)×sin{θak+ (δak+δak+1)/2}
(1−5)
Xak+2’=Xak+1’+(Lak+△Lak)×cos{θak+1+ (δak+1+δak+2)/2}
Yak+2’=Yak+1’+(Lak+△Lak)×sin{θak+1+ (δak+1+δak+2)/2}
(1−6)
前記の場合において、各計測点akの位置座標を算出する場合には、各計測点akについて、反時計回り(a0→a1・・→ak→・・→an-1→a0)に順次位置座標を算出する場合と、時計回り(a0→an-1・・→ak→・・→a1→a0)に順次位置座標を算出する場合とがある(図1)。通常は、各場合について、距離変化量計測手段及び角度変化量計測手段の機器等による計測誤差が存在するため、算出された基準計測点a0’の位置座標(Xa0’,Ya0’)(以下、「基準計測点算出座標」という)は、既知の基準計測点a0の位置座標(Xa0,Ya0)と一致しない。そのため、以下の方法により、算出された各計測点akの位置座標(Xak’,Yak’)の値を補正することが必要になる。
第1補正方法は、最も簡単な補正方法であり、基準計測点算出座標(Xa0',Ya0')の値と、既知である真の基準計測点座標(Xa0,Ya0)の値の差を計測点の数(n)で除すことにより補正値(H1x,H1y)を算出して(式(2−1))、算出された各計測点akの位置座標(Xak’,Yak’)から、前記補正値(H1x,H1y)を減ずる演算を行うことにより、補正後の各計測点akの位置座標(X1ak’,Y1ak’)の値を求める方法である(式(2−2))。
H1y=(Ya0’−Ya0)/n (2−1)
H1x:第1補正方法により算出したX座標の補正値
H1y:第1補正方法により算出したY座標の補正値
Y1ak’=Yak’−H1y (2−2)
X1ak’:第1補正方法により補正した計測点akにおける変位後のX座標
Y1ak’:第1補正方法により補正した計測点akにおける変位後のY座標
第2補正方法は、各計測点akについて、時計回りと反時計回りで位置座標(Xa0',Ya0'),(Xa0",Ya0”)を算出し、1回の算出で生じる誤差を同等として、位置座標を算出するための演算を行った回数(基準計測点から対象とする計測点までの数)で重み付けして、両者の重み付け平均値をとった値を算出すべき位置座標(X2ak’,Y2ak’)の値とする方法である(式(3−1))。
Y2ak’={k×Yak’+(n−k)×Yak”)/n (3−1)
X2ak’:第2補正方法により補正した計測点akにおける変位後のX座標
Y2ak’:第2補正方法により補正した計測点akにおける変位後のY座標
Xak’:時計回りで算出した計測点akにおける変位後のX座標
Yak’:時計回りで算出した計測点akにおける変位後のY座標
Xak”:反時計回りで算出した計測点akにおける変位後のX座標
Yak”:反時計回りで算出した計測点akにおける変位後のY座標
図3に示すように、本実施形態では、本発明の変位計測装置1を用いて、円形断面形状の内部空間を有するトンネルTの同一円形断面内の空間変位を計測する。なお、このトンネルTにおける円形断面の中心点Oを通る鉛直方向の垂線が、内壁T1と交わる交点を基準計測点(a0)として、以下中心角度が45度の等間隔となるように、他の7つの計測点を設定し、他の第1計測点(a1)〜第7計測点(a7)の基準計測点(a0)に対する相対変位を算出することとする。
図5に示すように、このワイヤ式変位計測器から構成される距離変化量計測装置20は、略円柱形状であり、下面がトンネルTの内壁T1の計測点に固着されている。そして、側面部からワイヤ21が延出しており、その先端部は、トンネルTの内壁T1の隣接する一方の計測点に固着されている繋止部材25に、所定の張力を有した状態で繋止されている。また、ワイヤ21の中間部には、トンネルTの内壁面T1に固着されているプーリ26が介装されており、このプーリ26によってワイヤ21は内壁T1に沿って配置されている。
なお、プーリ26の数は限定されるものではなく、ワイヤ21が内壁S1に沿って配置されるように、その数および配置を設定することが好ましい。また、ワイヤ21全体をチューブ内に挿通させ、このチューブを内壁T1に貼り付けることによって、ワイヤ21を内壁T1に沿って配置してもよく、この構成では、内壁T1の距離変化量を正確に計測することができる。
また、本実施形態では、ワイヤ21を用いて距離変化量計測装置20を構成しているが、トンネルTの内壁T1に沿って光ファイバーケーブルを設置し、光ファイバーケーブル内を通過する光の伝達時間の変位を計測することにより、内壁T1の周方向の距離変化量を計測してもよい。このとき、光ファイバーケーブルをトンネルTの内壁T1に埋設した場合には、トンネルTの内部空間を有効に利用することができる。
なお、前記センサは、各計測点に設けるのではなく、距離計測装置20(図5参照)のワイヤ21の中間点に設けることもできる。
また、出力装置4は、変位算出装置2の各種解析結果やデータ等を出力させるための役割を果たす手段であり、ディスプレイ4a、プリンタ4b及び記録媒体書込装置4cを備えている。
角度変化量入力手段11bは、各角度変化量計測装置30で計測された隣接する各計測点における内壁T1の変形前後の角度変化量データを入力して、角度算出手段12b及び記憶手段17に出力するための手段である。
角度算出手段12bは、入力された角度変化量データから隣接する各計測点間における内壁T1の角度データを算出して、位置座標算出手段14及び記憶手段17に出力するための手段である。
さらに、計測日時は、変位前後の任意の計測時点を指定するものであっても、予め設定されている所定の計測時点であってもよい。
算出された補正値データは、記憶手段17に記憶されるとともに、位置座標補正手段16に出力される。
なお、この記憶手段17に格納されている各種データは、格納データ管理手段(図示せず)を介して、適宜抽出することができるようになっているとともに、適切な箇所に記憶できるようになっている。また、この記憶手段17は、プログラム記憶部(図示せず)を有しており、全体装置を駆動し、各種操作を実行するための各プログラムが格納されている。
また、距離変化量計測手段のその他の手段として、レーザー発生器と、標点とを組み合わせたレーザー式測距装置等を用いることもできる。
また、距離算出手段12a、角度算出手段12b、位置座標算出手段14、補正値算出手段15、位置座標補正手段16に入力される各種データは、記憶手段17に一旦記憶されている各種データを用いるものであってもよい。
また、隣接する各計測点間の距離変化量及び定点角度変化量を距離変化量計測装置20及び角度変化量計測装置30によって算出しているが、距離変化量計測装置20及び角度変化量計測装置30によって、変位前後の各計測点における位置座標及び水平角の絶対値を計測し、変位前後の各数値を変位算出装置2内で演算することにより、距離変化量及び定点角度変化量を算出してもよい。
図4及び図7を参照して、前記変位計測装置1を使用して、トンネルTの内部空間の変位を測定する方法について説明する。
また、計測された距離変化量データは、距離変化量入力手段11aを介して距離算出手段12a及び位置座標算出手段14に出力されるとともに、記憶手段17に記憶される。また、計測された角度変化量データは、角度変化量入力手段11bを介して角度算出手段12b及び位置座標算出手段14に出力されるとともに、記憶手段17に記憶される(S3)。
本発明の変位計測装置1によれば、変位前後の隣接する各計測点間における内壁T1の周方向の距離変化量(内壁T1の周方向の歪み)を計測する距離変化量計測手段20と、変位前後の隣接する各計測点における定点角度変化量を計測する角度変化量計測手段30とを備え、変位前の隣接する各計測点間における内壁T1の周方向の距離及び内壁T1の角度と、変位前後の隣接する各計測点間における内壁T1の周方向の距離変化量、及び各定点角度変化量から算出した変位前後の隣接する各計測点間における内壁角度変化量(内壁T1の径方向の歪み)に関する各データを用いて、位置座標算出手段14により変位後の各計測点の位置座標を算出することができる。従って、変位の計測を行うトンネルTの内部空間に各種の設備等が存在している場合であっても、正確に各計測点の位置座標を算出することができる。
特に、計測点の個数、距離変化量計測手段、角度変化量計測手段の種類等に関しても、計測する構造物の形状等に応じて適切に設けることができる。
また、前記実施形態では、変位前の隣接する前記各計測点間の距離及び角度を、距離変化量データ及び角度変化量データを用いて距離算出手段及び角度算出手段から算出した。しかし、測距手段及び測角手段と変位計測装置とを接続し、当該変位計測装置の一部を構成する距離入力手段及び角度入力手段を介して、記憶手段及び位置座標算出手段に出力することや、変位前の隣接する前記各計測点間の距離及び角度を、変位計測装置と別体である測距手段及び測角手段により計測して、予め記憶手段に格納してもよい。
2 変位算出装置
11a 距離変化量入力手段
11b 角度変化量入力手段
12a 距離算出手段
12b 角度算出手段
14 位置座標算出手段
15 補正値算出手段
16 位置座標補正手段
20 距離変化量計測装置
30 角度変化量計測装置
T トンネル
C 内部空間
Claims (2)
- 円形断面形状の内部空間を有する構造物における、同一円形断面内の内壁に設置された3個以上の各計測点に関し、前記各計測点のうちの1点の基準計測点に対するそれ以外の前記各計測点の変位を計測するための変位計測装置であって、
変位前後の隣接する前記各計測点間における距離変化量を計測する距離変化量計測手段と、
変位前後の隣接する前記各計測点における前記内壁の角度変化量である定点角度変化量を計測する角度変化量計測手段と、
前記各定点角度変化量の平均値を算出することにより、隣接する前記各計測点間における前記内壁の角度変化量である内壁角度変化量を算出し、変位前の隣接する前記各計測点間の距離及び角度と、前記隣接する計測点間における距離変化量及び前記内壁角度変化量に関する各データから変位後の各計測点の位置座標を算出する位置座標算出手段と、
を備えることを特徴とする変位計測装置。 - 前記位置座標算出手段により算出された前記各計測点の誤差を算出し、当該算出された誤差から前記各計測点の補正値を算出するための補正値算出手段と、
前記位置座標算出手段から算出された前記各計測点の位置座標から、前記補正値を減ずる演算を行うことにより、前記各計測点の位置座標を補正する位置座標補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の変位計測装置。
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