JP5181213B2 - 線材の変状検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロックボルト、アースアンカー、鉄筋などのように母材（岩盤、地盤、コンクリートなど）に埋設されている線材の伸縮変状を検知し、その伸縮の大きさにかかる情報を出力する線材の変状検知装置に関するものである。

ロックボルトやアースアンカー、鉄筋などは地盤工学、岩盤工学、コンクリート工学において頻繁に用いられる補強材である。ロックボルトはトンネル壁面などに打ち込み、またアンカーボルトは切土斜面などに打ち込んで、崩落や地滑りなどの災害を防止するための補強がなされる。これらは施工後も長期にわたってその強度を保持し、構造物の安定を保持するために重要な役割を果たすものである。
しかし、ロックボルトやアースアンカーなどの補強材を用いた場合でも、経時的な劣化や予期しない地盤変動のために、崩落や地滑りなどの災害を生じることがある。このような災害が生じる前に、通常予兆的な規模の小さい崩落又は地滑りが先行することが多いことから、ロックボルトやアースアンカーなどの補強材を用いたトンネル壁面や切土斜面などに、歪みゲージやロードセルを設けて、異常をモニタリングしている（例えば、特許文献１を参照）。

しかしながら、歪みゲージやロードセルを用いたモニタリングは、コストが高価であり、また、測定値から危険度を判定するのに時間及びコストがかかることから、迅速な処置が困難であるという問題が指摘されている。
そこで、高価な歪みゲージやロードセルに代えて、安価かつ容易に地殻異常を感知できる装置が知られている（特許文献２）。かかる装置を用いることにより、測定値から危険度を判定するためのデータ処理を要することなく、着色頭部の露出や報知用ＬＥＤの点灯など、視覚的かつ直感的に地殻異常を感知できるため、対応策を講じるための時間及びコストが少なく、迅速な対応が望まれる補強したトンネル壁面、切土斜面に対して適切なモニタリングが行えるものである。

このように、社会インフラが経年化し、ロックボルトやアースアンカーなどの補強材の機能が保持されているかどうかを検証する必要に迫られており、今後施工するロックボルトやアースアンカーなどについては、現状把握、変状検知などの機能を低コストで実現できることが要望されている。

先行技術文献

特開２００２−５４９２２号公報 特開２００４−１６３１１８号公報

上記特許文献２で開示されている装置では、追従する打抜突起部と、ロックボルトなどの露出端に追従する被打抜変位部とからなり、トンネル壁面等、打抜突起部、被打抜変位部の順に積層し、ロックボルト又はアンカーボルトの変位又は変形によって、打抜突起部が被打抜変位部を貫通することで、地殻異常を感知するように構成されている。そのため、トンネル壁面などの露出部に近い部分の挙動１つを観察しているにすぎないことが課題として挙げられる。すなわち、ロックボルトなどは長いものでは全長が１０ｍ程度に及ぶため、ロックボルトなどの全長にわたって複数の変位を検知し、それぞれの変位情報を露出部周辺に表示することができることが望まれる。

また、岩盤内には幾つもの不連続面があり、そのどれか特定のものがずれることがある。これは、岩盤の安定性を脅かす現象であるが、それが表面からどの深さで起こっているかを知ることは非常に重要である。これを達成するためには、ロックボルトなどの全長にわたって複数の変位を観察し、それらのデータを比較し、局所的変形がどこに集中しているかを見極めることから達成されることになる。

また、上記特許文献２で開示されている装置では、測定値から危険度を判定するためのデータ処理回路を要することなく、着色頭部の露出や報知用ＬＥＤの点灯など、視覚的かつ直感的に地殻異常を感知できるのであるが、露出部の不具合やＬＥＤ点灯回路などに不具合が生じたときのバックアップ検知機能が設けられていない。
数年にわたるモニタリングをする場合には、電気系統に不具合が生じることはある程度覚悟しなければならない。その時のための現実的なバックアップ検知機能を持っていることは実務上非常に重要である。

さらに、上記特許文献２で開示されている装置では、片側が露出していることが前提になっているため、両端が埋設されている場合などに対する対応が困難である。鉄筋などのように両端が埋設されている場合においても、検知機能が発揮できるように、柔軟な設計が可能な装置が望まれている。

上述した課題を解決すべく、本発明は、母材に埋設されている線材の全長ないしは任意の２点間の伸縮変状を検知し、その伸縮の大きさにかかる情報を原位置で情報出力できる装置を提供する。
特に、伸縮の大きさにかかる情報を原位置で光の色で表示する装置を提供する。
また、電気系統に不具合が生じることを想定し、全く電気系統を使用しないバックアップ検知機能を備えた装置を提供する。

本発明者は、鋭意研究を行い、改良を重ねた結果、本発明の線材の変状検知装置を完成した。
本発明の第１の観点からは、母材に埋設されている線材の伸縮変状の検知装置であって、以下の１ａ）〜１ｅ）の特徴を有する線材変状検知装置が提供される。
１ａ）線材の長手方向にケーシング部材が設けられ、
１ｂ）ケーシング部材内部には、線材の両端に設けられた固定部材の間に第１の剛性ケーブルと弾性体が直列に連結されており、
１ｃ）弾性体につながる固定部材にスイッチ部が固定形成され、
１ｄ）スイッチ部が第１の剛性ケーブル上の接触点との相対変位を検出し、
１ｅ）上記変位に応じて情報を出力する情報出力回路が備えられている。

上記１ａ）〜１ｅ）の特徴を有することにより、線材が長手方向に伸縮変状を生じた場合に、弾性体が伸縮変状し、接触点がスイッチ部に対して相対変位することで、情報出力回路から情報出力される。

また、本発明の第２の観点からは、母材に埋設されている線材の伸縮変状の検知装置であって、以下の２ａ）〜２ｅ）の特徴を有する線材変状検知装置が提供される。
２ａ）線材の長手方向にケーシング部材が設けられ、
２ｂ）ケーシング部材内部には、線材の長手方向の任意の２点間に設けられた固定部材の間に第１の剛性ケーブルと弾性体が直列に連結されており、
２ｃ）弾性体につながる固定部材にスイッチ部が固定形成され、
２ｄ）スイッチ部が第１の剛性ケーブル上の接触点との相対変位を検出し、
２ｅ）上記変位に応じて情報を出力する情報出力回路が備えられている。

上記２ａ）〜２ｅ）の特徴を有することにより、線材が長手方向に伸縮変状を生じた場合に、弾性体が伸縮変状し、接触点がスイッチ部に対して相対変位することで、情報出力回路から情報出力される。

また、本発明の第３の観点からは、母材に埋設されている線材の伸縮変状の検知装置であって、以下の３ａ）〜３ｇ）の特徴を有する線材変状検知装置が提供される。
３ａ）線材の長手方向にケーシング部材が設けられ、
３ｂ）ケーシング部材内部には、線材の長手方向の任意の２点間に設けられた固定部材の間に、もしくは、線材の長手方向の任意の２点間に設けられた固定部材の間に、第１の剛性ケーブルと弾性体が直列に連結されており、
３ｃ）弾性体につながる固定部材にスイッチ部が固定形成され、
３ｄ）スイッチ部が第１の剛性ケーブル上の接触点との相対変位を検出し、
３ｅ）第１の剛性ケーブルにおいて、弾性体と連結される端部に、径がテーパ状に拡がる第２の剛性ケーブルが連結され、
３ｆ）第１の剛性ケーブルの露出部で、第１の剛性ケーブルもしくは第２の剛性ケーブルの側面の接触点との相対変位を検出する第２のスイッチ部を備え、
３ｇ）上記変位に応じて情報を出力する情報出力回路が備えられている。

上記３ａ）〜３ｇ）の特徴を有することにより、線材が長手方向に伸縮変状を生じた場合に、第１のスイッチ部及び／又は第２のスイッチ部を介して、情報出力回路から情報出力される。

鉱山などにおいては採掘現場が深部（地下数百ｍ、あるいはそれよりも深い場所）になるにつれ、岩盤内に蓄えられているひずみエネルギーが大きいため、ロックボルト等の線材を挿入した後に、周辺領域でいわゆる山はね現象（ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ）が発生することがある。これは、地山内の特定箇所に蓄えられたひずみエネルギーが一挙に解放される不安定現象であり、その際に岩盤が破壊される他、既に存在している不連続面などに変形が生じて、ロックボルト等の線材には非常に大きな伸びが生じることが知られている。

この時、場合によっては１００〜３００ｍｍ程度の伸びが一瞬でロックボルトに発生することがある。かかる場合においても、破断しないロックボルト等の線材が開発されるなどして、地下深部における鉱山採掘の現場の安全性が保たれるような技術開発が現在も整備されつつある。このような、極端な現象が生じる場合、ロックボルトはある程度破壊している岩盤をかろうじて安定させる貴重な補強部材として位置づけられることになり、その状態における伸びの状況を正確に把握することは非常に重要になる。上記の構成要件３ｅ）及び３ｆ）により形成される第２のスイッチ部を更に設けることで、１ｍｍ以下の変位から３００ｍｍ程度の変位までの大きな変形に対応することができる。

また、本発明の第４の観点からは、母材に埋設されている線材の伸縮変状の検知装置であって、以下の４ａ）〜４ｆ）の特徴を有する線材変状検知装置が提供される。
４ａ）線材の長手方向に少なくとも対向する２本のケーシング部材が設けられ、
４ｂ）ケーシング部材内部には、それぞれ同じように、線材の両端に設けられた固定部材の間に、及び／又は、線材の長手方向の任意の２点間に設けられた固定部材の間に、少なくとも１組の第１の剛性ケーブルと弾性体が直列に連結されており、
４ｃ）弾性体につながる固定部材にスイッチ部が固定形成され、
４ｄ）スイッチ部が第１の剛性ケーブル上の接触点との相対変位を検出し、
４ｅ）各々のケーシング部材からの相対変位の差から曲げ変位を検出し、
４ｆ）上記変位に応じて情報を出力する情報出力回路が備えられている。

上記４ａ）〜４ｆ）の特徴を有することにより、線材が長手方向に伸縮変状を生じた場合に、弾性体が伸縮変状し、接触点がスイッチ部に対して相対変位すること、また、各々のケーシング部材からの相対変位の差から曲げ変位を検出することで、情報出力回路から情報出力される。
土質材料の場合には応力集中などによって発生する破壊面が不連続面となり、その面にそってずれ変形が生じることから、不連続面と交差する線状のロックボルトやグランドアンカー等の線材は伸び縮みだけではなく、曲げ変形も発生することになる。このため、線材の長手方向の伸縮変状のみならず、曲げ変位も検出することとしたものである。

ここで、母材に埋設される線材には中空のものとソリッドのものが存在する。中空のものについては、その空間内に剛性ケーブルを設置する。また、ソリッドなものについてはその側面と母材の間にケーブルに固定する形で小径のパイプを取り付けて、そのパイプの中に変位計測のための剛性ケーブルを設置する。

また、スイッチ部は、接触点の移動部位に導電体が形成され、該導電体が情報出力回路の電源供給ポイントとなるものが好ましい態様である。

また、スイッチ部は、第１の剛性ケーブルを滑車輪軸に巻きつけ、該輪軸の側周部に情報出力回路の電源供給ポイントとなる導電体を設けたものが好ましい態様である。

また、スイッチ部は、接触点の移動部位に可変抵抗部が形成され、該可変抵抗部の抵抗値を接触点の相対変位に応じて変化させるものが好ましい態様である。

また、第１の剛性ケーブルの露出部もしくは第１の剛性ケーブルに設けられた長尺棒の露出部の位置を計測することにより、母材に埋設されている線材の伸縮変状を検知することが好ましい態様である。
全く電気系統を使用しないバックアップ検知機能を、第１の剛性ケーブルを用いて実現したものである。

また、ケーシング部材の内部に、挿入方向側の端部のみ固定された第２の剛性ケーブルを更に備え、第２の剛性ケーブルの自由端部の位置を計測することにより、母材に埋設されている線材の伸縮変状を検知することが好ましい態様である。
全く電気系統を使用しないバックアップ検知機能を、第１の剛性ケーブルとは独立に実現したものである。なお、線材の中空間に余裕がある場合には用いられる態様である。

また、第１の剛性ケーブルの露出部に設けられた色付き反射シールを観測することにより、母材に埋設されている線材の伸縮変状を検知することが好ましい態様である。
かかる態様によれば、電気系統に故障が生じた場合においても、バックアップ検知機能として色付き反射シールが露出部に設けられているので、視覚的に色で変形量を確認することができる。

ここで、第１の剛性ケーブル又は第２の剛性ケーブルは、温度計測手段を備えていることが好ましい。温度計測手段を備えることにより、温度変化に伴う膨張・収縮を考慮して、線材の伸縮変状を検知することが可能となる。

また、上記の線材は、具体的には、ロックボルト，アースアンカー，若しくはコンクリート内に埋設される鉄筋材である。

また、情報出力回路は、発光ダイオードの発光回路であることが好ましい態様である。線材の伸縮量を、原位置でいつでも光の色によって確認できるようにするものである。

また、情報出力回路は、発光ダイオードの発光回路であり、伸縮変位もしくは曲げ変位の時間変化率を算出し、所定の閾値より大きな変化率の場合に、前記発光ダイオードの発光パターンを一時的に変更することを特徴とすることが好ましい態様である。
かかる態様によれば、通常の状態においては一定時間間隔でデータを記憶し、変位（あるいは曲げ）を記憶すると共に、その時間変化率を計算し、それらが管理基準値に照らし合わせて、警告を発するレベルである状態になった場合は、発光ダイオードの発光表示パターンを一時的に変更し、点滅、あるいは警告音を発するなどして周辺に危険を周知することができる。

また、情報出力回路は、伸縮変位もしくは曲げ変位の時間変化率を算出し、所定の閾値より大きな変化率の場合に、予め設定されたインターバルの時間よりも短い時間インターバルで伸縮変位もしくは曲げ変位の変位データを記憶することが好ましい態様である。
かかる態様によれば、地震などにより急激な加振があった場合には、その瞬間から一定時間、例えば６０秒程度、短い時間インターバルで全データ（変位、加速度など）を自動でメモリにデータ保存するようにし、このデータ保存作業が終了した後は、通常のモニタリング状態に戻ることができる。

本発明の線材変状検知装置では、母材に埋設されている線材の全長ないしは任意の２点間の伸縮変状を検知し、その伸縮の大きさにかかる情報を原位置で情報出力できるといった効果を有する。

また、伸縮の大きさにかかる情報を原位置で光の色で表示できる。
さらに、電気系統に不具合が生じた場合に、電気系統を使用しないバックアップ検知機能が作動していることから、伸縮の大きさを目視で確認が行える。

実施例１の線材変状検知装置の構造模式図 片側が露出している線材（ロックボルト）に装着する場合の説明図 ロックボルトのケーシングの位置の説明図 実施例１の線材変状検知装置をロックボルトに装着した様子の側面断面図 実施例１の線材変状検知装置をロックボルトに装着した様子を示す模式図 スイッチの構造説明図 スイッチの動作説明図 スイッチの詳細説明図 実施例１の線材変状検知装置の電気配線図 実施例１の線材変状検知装置の全体構成図 中空のロックボルトを用いた装着の様子を示す図 実施例２の線材変状検知装置をロックボルトに装着した様子の側面断面図 実施例２の線材変状検知装置をロックボルトに装着した様子を示す模式図 実施例３の線材変状検知装置の説明図 実施例４の線材変状検知装置の説明図 鉄筋コンクリートの適用例 岩盤不連続面における適用例 実施例５のテーパを有する部分を持つ剛性ケーブルの説明図 実施例５の弾性体から構成される第１のスイッチ部および第２のスイッチ部と、テーパを有する部分を持つ剛性ケーブルの説明図 実施例５の第２のスイッチ部の動作説明図であり、（１）は小変形が生じた状態であり、（２）は大変形が生じた状態である。 実施例５の装置模式図 実施例６の色付き反射シールを第１の剛性ケーブルに取り付けたイメージ図 実施例６の色付き反射シールと併用する窓の例 実施例６の変形量を色付き反射シールによって視認する例 実施例６の色付き反射シールを第１の剛性ケーブルに装着したスイッチの構造（バックアップ機能部分のみ）を示している。 実施例７の覆工コンクリートの表面に軸力モニタリングユニットを設置する構成の説明図 実施例８のデータ処理プログラムのフローチャート 実施例９の曲げを含む変形を受けるロックボルト等の線材の模式図 実施例９の壁面近くの不連続面に沿ってずれが生じた場合の説明図 実施例９の奥側の不連続面に沿ってずれが生じた場合の説明図 実施例９の複数のペアの剛性ケーブル配置 実施例９の変位計測用の剛性ケーブル配置（１） 実施例９の変位計測用の剛性ケーブル配置（２）

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。

実施例１の線材変状検知装置は、相対変位を光の色に変換するものである。
図１に、実施例１の線材変状検知装置の構造模式図を示している。実施例１の線材変状検知装置は、図１に示すように、線材１０の両端に設けられた固定部材の間に、変位計測線として用いる第１の剛性ケーブル２１と弾性体４１が直列に連結されており、弾性体４１につながる固定部材となるベースプレート１００に、スイッチ部１６が固定形成され、スイッチ部１６が第１の剛性ケーブル２１上の接触点（スイッチ部１６に接する矢印で示す部位）との相対変位の変化を検出し、その変化に応じて発光ダイオードでフルカラーの色を表示できるＬＥＤ発光部１３により構成されている。
実施例１の線材変状検知装置は、上記構成を有することにより、線材１０が長手方向に伸縮変状を生じた場合に、弾性体４１が伸縮変状し、接触点がスイッチ部１６に対して相対変位することで、ＬＥＤ発光部１３から情報出力される。
すなわち、第１の剛性ケーブル２１と相対変位を光の色に変換するスイッチ部１６および相対変位によって光の色を発するＬＥＤ発光部１３が、線材１０の両端Ａ，Ｂの２点間に設けられており、スイッチ部１６によって、線材１０の両端Ａ，Ｂの２点間の伸縮量を検知し、ＬＥＤ発光部１３によって原位置で光の色で表示するものである。

実施例１の線材変状検知装置の具体例構造を説明するために、片側が露出して埋設されている線材としてロックボルトの装着例について図２を参照して説明する。図２に示すように、ロックボルト１は通常岩盤内に掘削された直径数ｃｍの穴に挿入され、この余空間にセメントグラウト２が注入される。セメントグラウト２が固化した後に、岩盤に変形が生じると、ロックボルト１がその変形を抑制する効果を発揮する。露出している端部にはフェイスプレート４とナット５が装着され、表面での変位抑制効果を確実なものにしている。

図３にロックボルトの設置状況を軸方向から見た図を示す。図３（ａ）は岩盤内に掘削されている孔、ロックボルト１、および本発明の線材変状検知装置を挿入するためのケーシング６を示す。図３（２）に示すように、この状態で表面にフェイスプレート４とナット５が装着されロックボルト１が完成する。
図４は、ロックボルトの設置状態の側面断面図を示している。ケーシング６は最奥部でロックボルト端部に固定部材７を用いて固定する。

図５に線材変状検知装置をロックボルト１に装着ものの構成模式図を側面断面図として示したものである。ケーシング６で確保した空間を利用して、ロックボルト１の最奥部に変位計測用の第１の剛性ケーブル２１を固定する。この第１の剛性ケーブル２１には温度計測機能を付けておくことが望ましい。
なお、第１の剛性ケーブル２１そのものに装着しなくても、別に温度計測装置をケーシング６内などに配備することも可能である。この第１の剛性ケーブル２１の表面側端部は相対変位を光の色に変換するスイッチ部１６に連結させる。また、変位計測結果を表示させるＬＥＤ発光部１３を設けている。

次に、図６を参照して、相対変位を計測し、その結果を光の色に変換するスイッチの一例を説明する。図６のＡ側のベースプレート５１に回転体４２を取り付け、これに図６のＢ側から変位計測のための剛性ケーブルを添わせ、その終点を緊張力導入のバネなどの弾性体につないでいる。回転体４２には４本の接触点（４４Ｒ，４４Ｇ，４４Ｂ，４４Ｒ'）を設けている。これらの４本の接触点は、それぞれ、フルカラーＬＥＤ５０（Red, Green,
Blue）に電力を供給するための接触点である。４つめのRed は、１つめのRedと同じ場所を指す。これらの接触点に接触できる位置に、電源（図示しない）からの電力供給ポイントを設置する。この電力供給ポイントは、ベースプレート５１に固定しているばねなどの弾性体５２に取り付けられており、一定の圧力を持って４つの接触点に接する構造となっている。

次に、上記スイッチの一例の動作について説明する。
図７（１）は、上記スイッチの一例の初期状態を示している。この状態では、電力供給ポイントは、接触点４４Ｒに接しており、ＬＥＤは赤く点灯している。
図７（２）は、ＡＢ間が少し伸びた状態を示している。回転体が回転し、電力供給ポイントが接触点４４Ｒと接触点４４Ｇに接し、赤色と緑色のＬＥＤ回路に電力を供給している。この状態ではＬＥＤは黄色に点灯する。電力供給ポイントは弾性体に取り付けられているため、このように２つの接触点に接触している状態は瞬間的ではなく、一定期間持続する。
次に、図７（３）は、さらに変形が増大した状態を示している。回転が進むため、電力供給ポイントは接触点４４Ｇのみに接触する状態となる。以後、回転が進むごとに電力は１点、もしくは２点に供給されることになり、単独色もしくは混合色が点灯されることとなる。

図８に、回転体４２と接触点（４４Ｒ，４４Ｇ，４４Ｂ，４４Ｒ'）の拡大図を示す。電力供給の状態の変化により、図８のように４つの接触点を設けた場合には、６色の色が概ねＰ／２の変位ごとに表示されることになる。ここで、Ｐは接触ポイントの設置ピッチである。なお、このピッチは回転体の直径Ｄ、接触ポイントの直径Ｄなどを勘案して決めるものであるが、これが小さくなればなるほど変位計測の精度は向上することになる。

図９に、実施例１の線材変状検知装置の機能を発揮するための電気配線図を示す。ここに示した例は、相対変位を光の色に変換するスイッチの一例であり、この他にも変位計測精度、測定ストローク、変位と色の設定などについては状況に応じて様々な方式が考えられる。

図１０に、実施例１の線材変状検知装置の全体像を示す。また図１１に、中空のボルトを用いた場合を示す。この場合は、ロックボルト１自身の中空スペースに剛性ケーブル４０を通せばよいだけで、それ以外はケーシング６を用いる場合と基本的に差はない。

次に、実施例２の線材変状検知装置について説明する。実施例２の線材変状検知装置は、電源供給、発光ダイオードを用いた電気回路、スイッチ接触部分の腐食などの現象が生じる場合を想定して、バックアップ機能を設けたものである。最も簡素で、信頼できる変位計測機能としては、図１２と図１３に示されるように、剛性ケーブル６０にものさし６１（実際にはノギスを装着することが望ましい）を装着した構造である。
ロックボルト１の伸縮はナット５、あるいはフェイスプレート４にマーキングしている固定ポイント（図中の三角形のポイント６３）と、その前を横切るものさし６１の目盛りで読み取ることができる。

ロックボルトなどにおいて、その両端間の変位を計測すれば、それがどのような力を受けて伸縮しているかに関する全体像が判明する。ただ、ロックボルトなどのようにセメントグラウトに固着されている線材の場合、その部分によって伸縮状態が異なるのが現状である。また、岩盤内における特定の個所の亀裂付近で大きな変位が生じた場合、その箇所だけでロックボルトが局所的に伸縮する場合がある。このような状況を正確に把握することも、非常に重要である。これを可能にする一例として、ケーブルケーシングを複数個設置する例を示す。図１４（１）は、フェイスプレート４に３つのケーシング（６ａ，６ｂ，６ｃ）を設け、３つの相対変位を計測する例である。
図１４（２）にその側面図を示す。３個のケーシングを利用して、同様の線材変状検知装置を３セット用意し、ＡＢ間、ＡＣ間、ＡＤ間の相対変位を計測し、それらをすべて発光ダイオードによって光の色として表示させている。

次に、実施例４の線材変状検知装置について説明する。
図１５は、実施例４の線材変状検知装置の模式図を示している。実施例４の線材変状検知装置においては、接触点８１の移動部位に可変抵抗部となるスライド抵抗８０が設けられ、接触点８１がスライド抵抗８０の抵抗値を変化させるつまみをスライド移動させることにより、スライド抵抗８０の抵抗値を接触点８１の相対変位に応じて変化させている。
また、その抵抗値をデジタル化して、ＬＥＤの点滅パターンを決めるマイコン８２が搭載されており、マイコン８２からＬＥＤ発光部１３に信号が送られる。

また、鉄筋コンクリートにおいては、通常、鉄筋を外側から見ることはできない。しかしながら、図１６（１）に示すように、例えば梁構造において鉄筋の端部を露出させることは構造上可能である。図１６（２）は、本発明の線材変状検知装置を中空鉄筋に対して使用する例を示す。また、両端が埋設されている場合においても、図１６（３）に示すように、本発明の線材変状検知装置を内蔵する細いケーシングを設置することによって、同様の計測システムを構築することが可能である。

また、図１７に示すように、岩盤内には幾つもの不連続面があり、そのどれか特定のものがずれることがある。これは、岩盤の安定性を脅かす現象であるが、それが表面からどの深さで起こっているかを知ることは非常に重要である。実施例４の線材変状検知装置の構成にすれば、ロックボルトの全長に渡って複数の変位を観察でき、そのデータを比較して、局所的変形がどこに集中しているかを見極めることが可能である。

実施例５では、上述の本発明の第３の観点の線材の伸縮変状の検知装置について説明する。特に、大変形に対応するため上述の実施例に追加として設けられる第２のスイッチ部の構成、すなわち、第１の剛性ケーブルにおいて、弾性体と連結される端部に、径がテーパ状に拡がる第２の剛性ケーブルが連結されている具体的な実施形態と、第１の剛性ケーブルの露出部で、第１の剛性ケーブルもしくは第２の剛性ケーブルの側面の接触点との相対変位を検出する第２のスイッチ部の具体的な実施形態について説明する。

先ず、第１の剛性ケーブルにおいて、弾性体と連結される端部に、径がテーパ状に拡がる第２の剛性ケーブルが連結されている具体的な実施形態について、図１８を参照して説明する。図１８は、大変形に対応するために必要なテーパ（位置により断面の大きさが異なる形状）を有する部分を持つ剛性ケーブルを示している。これは、長さＬ１の第１の剛性ケーブル２１（直径Ｄ１）の一端がテーパを有する長さＬ２の第２の剛性ケーブル２２に直結されている構成とされるものである。テーパを有する第２の剛性ケーブル２２は、第１の剛性ケーブル２１との結合部２３では直径Ｄ１であるが、他端では直径Ｄ２を有している。なお、第２の剛性ケーブル２２は、第１の剛性ケーブル２１の構成材料とは異なる材料（例えば、プラスチックや柔軟なワイヤーなど）で形成されるものでもよく、第１の剛性ケーブルと同様に、長手方向の伸縮の剛性が高いものであってもよい。

次に、第１の剛性ケーブルの露出部で、第１の剛性ケーブルもしくは第２の剛性ケーブルの側面の接触点との相対変位を検出する第２のスイッチ部の具体的な実施形態について、図１９を参照して説明する。図１９は、バネなど弾性体から構成される第１のスイッチ部および第２のスイッチ部と、テーパを有する部分を持つ剛性ケーブルを示している。図１９では、通常のロックボルト等の線材の伸びを計る方向がｘ軸方向としている。
また、図１９において、弾性体４１は、１Ｆ（４１ａ）でロックボルト等の線材の基盤に固定されており、１Ｍ（４１ｂ）はｘ軸方向における稼働点となり、ロックボルト等の線材の伸び（変形が例えば３０ｍｍ程度以下の範囲）を計測するものとする。
また、第２のスイッチ部として新たに設置される弾性体７１は、２Ｆ（７１ａ）でロックボルト等の線材の基盤に固定されており、２Ｍ（７１ｂ）はｙ軸方向における稼働点となり、稼働点２Ｍ（７１ｂ）は隙間を介して固定部７２と対面している。この弾性体７１から構成される第２のスイッチ部により、大変形（３０ｍｍ程度以上から３００ｍｍ程度）を計測する機能を果たすことになる。

図１９は、弾性体４１で構成される第１のスイッチ部と弾性体７１で構成される第２のスイッチ部に、第１の剛性ケーブル２１とテーパを有する第２の剛性ケーブル２２が結合されたケーブルを装着した様子を示している。ここで、図１９の右端より右側は岩盤の領域であるが、図では省略している。変位を計測するために、第１の剛性ケーブル２１と第２の剛性ケーブル２２の結合部２３を１Ｍに連結する。この時、テーパを有する部分は、引っ張りに対する剛性は高いものの、曲げに対する剛性は低いものを想定しているために、装置内で空きスペースに力を受けない状態で静置されている。第１の剛性ケーブル２１（直径Ｄ１）は２Ｍと固定部７２の間の隙間を通るように配置される。

次に、大変形に対応する第２のスイッチ部の動作について、図２０を参照して説明する。図２０（１）は小変形が生じた状態であり、図２０（２）は大変形が生じた状態である。先ず、図２０（１）では、ロックボルト等の線材に伸び変形ｕ１（小変形）が生じた状態を示している。図２０（１）に示されるように、第１のスイッチ部を構成する弾性体４１に伸びｕ１が生じて、第１の剛性ケーブル２１の図１９に示される通常位置（図中のOriginal position of 1M）から地山内にｕ１だけ引き込まれた状態になった際、第２のスイッチ部を構成する弾性体７１には変形は生じていない。また、第２の剛性ケーブル２２のテーパ部にも、力はかかっていない状態である。この状態は変形量ｕ１の大きさが限界値（例えば、３０ｍｍ程度）に達するまで継続する。

一方、図２０の（２）では、第１のスイッチ部の計測レンジを超えた大変形が生じた状態を示している。第１のスイッチ部の弾性体４１の端部（４１ｂ）は自動的に第１の剛性ケーブル２１の結合部２３から離れ、もはや機能していない状態になる。第１の剛性ケーブル２１は大きく地山内に引き込まれた状態となり、テーパの付いている部分が第２のスイッチ部を構成する弾性体７１の２Ｍ（７１ｂ）と固定部７２の間に押し入り、その距離を広げた状態になる。
この時、最初の設置位置から全体としてｕ２という大変形が生じているとした場合、第２のスイッチ部を構成する弾性体７１のはテーパの度合いから決まる量として、ｕ３という縮みの変形を生じることになる。すなわち、ｘ軸方向の大変形ｕ２を、ｙ軸方向のｕ３に縮小して捉えていることに相当する。

次に、図２１に２つのスイッチを有する実施例５の装置模式図を示す。第１のスイッチ部を構成する弾性体４１のと第２のスイッチ部を構成する弾性体７１のそれぞれに、例えば最初の３０ｍｍ程度までと、例えば３０ｍｍ以上３００ｍｍ程度までの異なるレンジの変形を計測させるのが基本である。それぞれのバネの変位計測稼働点は、ポテンショメータ（７５，８０）に接続され、それらに捕えられた変位はマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）９１を通して処理される。そして、小変形の計測結果はＬＥＤ１の表示部９２に、また大変形が生じた場合の計測結果はＬＥＤ２の表示部９３に、それぞれ色の変化を用いて表示されるようになっている。

（色付き反射シールによる変状確認）
実施例６では、上述の実施例において、変位計測用ケーブルの露出部に色付き反射シールを設け、その色を観測することにより、母材に埋設されている線材の伸縮変状を検知する具体的態様について説明する。色付き反射シールは、第１の剛性ケーブルの露出部に設けることにより、電気系統に故障が生じた場合においても、視覚的に色で変形量を遠方からでも確認することができ、自らが光る機能を失った場合のバックアップ機能として用いられる。色付き反射シールは、光を当てると変位を認識できるものである。
この反射シールの大きさは特に限定しないが、反射シールのそれぞれの色幅は数ｍｍ程度から数ｃｍである。これらは、昼間においては目視確認でき、夜間においてはライトを当てることによって、視認できる特性をもったものを利用する。図２２は、色付き反射シール１１０を変位計測用ケーブル１２０に取り付けたイメージ図を示している。
この色付き反射シール１１０について、図２３に示すような窓１１２を有する部品１１１（線材変状検知装置の基盤に固定する）と併用することにより、変位計測用ケーブル１２０の動きに応じて、窓１１２の向こう側に来る色付き反射シール１１０の色を視認することにより、電気系統に故障が生じた場合においても、視覚的に色で変形量を確認することができる。
図２４は、変形量を色付き反射シールによって視認する例を示している。変位計測用ケーブル１２０が伸縮し、色付き反射シールの中央の緑色の部分（Ｇ）が左，右へと移動することにより、窓１１２から視認される色が水色（Ｓ）、黄色（Ｙ）と変化することで、変形量を確認することができる。
図２５は、色付き反射シール１１１を変位計測用ケーブル１２０に装着したスイッチの構造（バックアップ機能部分のみ）を示している。

通常、トンネル工事などで使われるロックボルトは最終的に防水シートで覆われた後に、覆工コンクリートが打設されるため、その表面を見ることはできなくなる。したがって、軸力を可視化する装置を埋設したままにするか、あるいはそれを取り外すことが考えられる。
そのため、岩盤内にある第１の剛性ケーブルはそのままにし、それ以外の部分、すなわち、図２６（１）における軸力モニタリングユニット９０を着脱可能にすれば、覆工コンクリート打設後においても岩盤内と覆工の厚さを加えた部分（通常３００ｍｍ程度）の相対変位をモニタリングできる状態になる。
そこで、覆工コンクリートが打設された後は、図２６（２）に示されるような軸力モニタリングユニット９０（図示せず）を取り外した状態ではなく、図２６（３）に示されるように覆工コンクリート９内部にシース管１２１を設けて第１の剛性ケーブル２１の露出部の端部に新たに変位計測用のケーブル１２０を第１の剛性ケーブル２１と端部１２２で結合させて敷設し、覆工コンクリート９の表面に軸力モニタリングユニット９０を再設置することにするものである。
かかる状態とすることにより、覆工コンクリートが打設後も岩盤内部の情報を含めたトンネル構造全体の状態が最終表面において光の色等で監視できる状態になる。

図２７にデータ処理プログラムのフローチャートを示す。通常状態においては一定時間間隔でデータを記憶し、変位もしくは曲げ変状をメモリにデータ保存すると共に、その時間変化率を計算する（ステップＳ１〜Ｓ３）。それらを管理基準値と比較し（ステップＳ４，Ｓ６）、警告を発するレベルであると判断した場合は、ＬＥＤの表示パターンを一時的に変更し、点滅、あるいは警告音を発するなどして周辺に危険を告知する（ステップＳ５，Ｓ７）。
また、地震などにより急激な加振があった場合（ステップＳ８）には、その瞬間から一定時間、例えば６０秒程度、短い時間インターバルで全データ（変位、加速度など）をメモリにデータ保存するようにする（ステップＳ９）。このデータ保存処理が終了した後は、通常のモニタリングモードに変えるものとする（ステップＳ１０）。
上記のデータ保存は、地震時あるいは鉱山などにおいて起こるロックバースト（岩盤の局所的破壊によって起こる小規模な地震）が対象となるが、ロックボルトの構造が地震時にどのように挙動したかを記録・分析することは、安全性確認に非常に有用である。

（線材の曲げ変状を検知する構造）
地盤内の不連続面は、岩盤などの場合、当初から存在する岩盤の亀裂であることが多い。
一方、土質材料の場合には応力集中などによって発生する破壊面が不連続面となり、その面にそってずれ変形が生じる。その際、不連続面と交差する線状のロックボルトやグランドアンカー等の線材は伸び縮みだけではなく、曲げ変形も発生することになる。

図２８に曲げを含む変形を受けるロックボルト等の線材の模式図を示す。変形を受けていない長さＬのロックボルト１（Original form）に伸縮および曲げ変形が同時に作用し、Deformedの状態になっている。この際、ロックボルト１の中心線に沿って全体としてΔＬの伸縮（伸びであるか、縮みであるかは、個別のケースによる）をしている。変位計測ケーブルを１本使うだけであれば、それを配置した個所における伸縮量のみが検知できることになる。

一方、図２９に示すように、ロックボルト１の上下に２本の変位計測用の剛性ケーブル（ｔ１−ｔ２，ｂ１−ｂ２）を配置した場合、上下の剛性ケーブルは曲げによる影響を受けて異なる伸縮量を計測することになる。この時に検知される変位の差は、曲げ変形の大きさを示す指標となり、地盤内に不連続面が生じ、それに沿ってずれ変形が生じていることを確認する根拠となる。これは、地盤の変形の状態や、安定性を評価する上できわめて重要な情報となる。

また、複数の変位計測用の剛性ケーブルを装着する場合には、地盤内のどのあたりにずれ変形が生じているかを知ることができる。図３０に示すように、壁面（左側とする）近くに不連続面が生じてずれ変形が発生している場合、Ｕ_{ｔ１−ｔ２}(ｔ１―ｔ２間の変位)とＵ_{ｂ１−ｂ２}(ｂ１―ｂ２間の変位)の差によりそれが確認できる。この時、Ｕ_{ｔ１−ｔ２}とＵ_{ｂ１−ｂ２}に殆ど差異が生じないことは図からも明らかにわかる。

一方、図３１のように奥側に不連続面が発生してずれが認められる場合には、Ｕ_{ｔ１−ｔ２}とＵ_{ｂ１−ｂ２}には殆ど違いが無く、Ｕ_{ｔ１−ｔ２}とＵ_{ｂ１−ｂ２}に有意な差が検知できることでそれを確認することができる。このように、ロックボルト１の両側にペアとなる変位ケーブルを配置することによって、曲げ変形の大きさ、およびその発生位置を特定できることがわかる。

また、不連続面に沿う地盤のずれ変形は必ずしも縦方向に生じるとは限らない。そのような場合、図３２（１）（２）に示されるように、複数のペアケーブル（１３０，１３１）を装着することで、それぞれの方向における曲げの程度を確認することができるため、それらの結果から総合的にずれ変形の方向を特定することが可能となる。かかる場合、通常のロックボルト１においてケーブルがボルトの外側に設置される場合（図３２（１）参照）と、中空のロックボルト１Ａにおいてケーブルが内壁に設置される場合（図３２（２）参照）が存在する。なお、図中において、２はセメントグラウトを示している。
以上のような背景から、地盤の奥行き方向に短いケーブル（１３２Ｓ〜１２５Ｓ）、長いケーブル（１３２Ｌ〜１２５Ｌ）の２種類のケーブルを設置し、縦と横の曲げ変形をとらえる目的を達成したい場合には、図３３（１）と図３３（２）に示されるように、合計８本の変位計測用の剛性ケーブルを設置すればよいことがわかる。図３３において、（１）は通常のロックボルト１においてケーブルがボルトの外側に設置される場合であり、（２）は中空のロックボルト１Ａにおいてケーブルが内壁に設置される場合である。なお、図中において、２はセメントグラウトを示している。

本発明の線材変状検知装置は、母材に埋設されている線材の伸縮量をモニタリングするシステムに有用である。

符号の説明

１ ロックボルト
２ セメントグラウト
３ 母材
４ フェイスプレート
５ ナット
６ ケーシング
１０ 線材
１３ 情報出力回路（ＬＥＤ発光部）
１６ スイッチ部
２１ 第１の剛性ケーブル
４１，５２ 弾性体
８０ スライド抵抗
８１ 接触点
８２ マイコン
１００ ベースプレート

Claims (16)

1. 母材に埋設されている線材の伸縮変状の検知装置であって、
   前記線材の長手方向にケーシング部材が設けられ、
   前記ケーシング部材内部には、前記線材の両端に設けられた固定部材の間に第１の剛性ケーブルと弾性体が直列に連結されており、
   前記弾性体につながる固定部材にスイッチ部が固定形成され、
   前記スイッチ部が第１の剛性ケーブル上の接触点との相対変位を検出し、その変位に応じて情報を出力する情報出力回路が備えられ、
   前記線材が長手方向に伸縮変状を生じた場合に、前記情報出力回路から情報出力されることを特徴とする線材変状検知装置。
2. 母材に埋設されている線材の伸縮変状の検知装置であって、
   前記線材の長手方向にケーシング部材が設けられ、
   前記ケーシング部材内部には、前記線材の長手方向の任意の２点間に設けられた固定部材の間に第１の剛性ケーブルと弾性体が直列に連結されており、
   前記弾性体につながる固定部材にスイッチ部が固定形成され、
   前記スイッチ部が第１の剛性ケーブル上の接触点との相対変位を検出し、その変位に応じて情報を出力する情報出力回路が備えられ、
   前記線材が長手方向に伸縮変状を生じた場合に、前記情報出力回路から情報出力されることを特徴とする線材変状検知装置。
3. 母材に埋設されている線材の伸縮変状の検知装置であって、
   前記線材の長手方向にケーシング部材が設けられ、
   前記ケーシング部材内部には、前記線材の両端に設けられた固定部材の間に、もしくは、前記線材の長手方向の任意の２点間に設けられた固定部材の間に、第１の剛性ケーブルと弾性体が直列に連結されており、
   前記弾性体につながる固定部材に第１のスイッチ部が固定形成され、
   前記第１のスイッチ部が前記第１の剛性ケーブル上の接触点との相対変位を検出し、
   更に、前記第１の剛性ケーブルにおいて、弾性体と連結される端部に、径がテーパ状に拡がる第２の剛性ケーブルが連結され、
   前記第１の剛性ケーブルの露出部で、前記第１の剛性ケーブルもしくは前記第２の剛性ケーブルの側面の接触点との相対変位を検出する第２のスイッチ部を備え、前記第１のスイッチ部及び／又は前記第２のスイッチ部の状態に応じて情報を出力する情報出力回路が備えられ、
   前記線材が長手方向に伸縮変状を生じた場合に、前記第１のスイッチ部及び／又は前記第２のスイッチ部を介して、前記情報出力回路から情報出力されることを特徴とする線材変状検知装置。
4. 母材に埋設されている線材の伸縮変状の検知装置であって、
   前記線材の長手方向に少なくとも対向する２本のケーシング部材が設けられ、
   前記ケーシング部材内部には、それぞれ同じように、前記線材の両端に設けられた固定部材の間に、及び／又は、前記線材の長手方向の任意の２点間に設けられた固定部材の間に、少なくとも１組の第１の剛性ケーブルと弾性体が直列に連結されており、
   前記弾性体につながる固定部材にスイッチ部が固定形成され、
   前記スイッチ部が第１の剛性ケーブル上の接触点との相対変位を検出し、
   各々のケーシング部材からの相対変位の差から曲げ変位を検出し、
   その変位に応じて情報を出力する情報出力回路が備えられ、
   前記線材が長手方向に伸縮変状もしくは曲げ変状を生じた場合に、前記情報出力回路から情報出力されることを特徴とする線材変状検知装置。
5. 前記ケーシング部材は、前記線材の中空に設けられる、若しくは前記線材の中空をケーシング部材として用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の線材変状検知装置。
6. 前記スイッチ部は、前記接触点の移動部位に導電体が形成され、該導電体が前記情報出力回路の電源供給ポイントとなるものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の線材変状検知装置。
7. 前記スイッチ部は、第１の剛性ケーブルを滑車輪軸に巻きつけ、該輪軸の側周部に前記情報出力回路の電源供給ポイントとなる前記導電体を設けたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の線材変状検知装置。
8. 前記スイッチ部は、前記接触点の移動部位に可変抵抗部が形成され、該可変抵抗部の抵抗値を前記接触点の相対変位に応じて変化させるものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の線材変状検知装置。
9. 前記第１の剛性ケーブルの露出部もしくは前記第１の剛性ケーブルに設けられた長尺棒の露出部の位置を計測することにより、母材に埋設されている線材の伸縮変状を検知することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の線材変状検知装置。
10. 前記第１の剛性ケーブルの露出部に設けられた色付き反射シールを観測することにより、母材に埋設されている線材の伸縮変状を検知することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の線材変状検知装置。
11. 前記ケーシング部材の内部に、挿入方向側の端部のみ固定された第３の剛性ケーブルを更に備え、前記第３の剛性ケーブルの自由端部の位置を計測することにより、母材に埋設されている線材の伸縮変状を検知することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の線材変状検知装置。
12. 前記第１の剛性ケーブルもしくは第３の剛性ケーブルは、温度計測手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の線材変状検知装置。
13. 前記線材は、ロックボルト，アースアンカー，若しくはコンクリート内に埋設される鉄筋材であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の線材変状検知装置。
14. 前記情報出力回路は、発光ダイオードの発光回路であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の線材変状検知装置。
15. 前記情報出力回路は、発光ダイオードの発光回路であり、伸縮変位もしくは曲げ変位の時間変化率を算出し、所定の閾値より大きな変化率の場合に、前記発光ダイオードの発光パターンを一時的に変更することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の線材変状検知装置。
16. 前記情報出力回路は、伸縮変位もしくは曲げ変位の時間変化率を算出し、所定の閾値より大きな変化率の場合に、予め設定されたインターバルの時間よりも短い時間インターバルで伸縮変位もしくは曲げ変位の変位データを記憶することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の線材変状検知装置。