JP6507023B2 - 内空変位計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、山岳トンネル内の任意に選定した測定断面における鉛直方向の内空変位を計測する内空変位計測方法に関する。

山岳トンネルを施工するにあたり、不良地山に対してはインバート部を施工して断面を閉合し、トンネルを構造的に安定させて変状を抑制している。しかし、膨張性地山等を含む地域では、トンネル供用開始後にインバート部を隆起させるほどの盤ぶくれを生じることがあり、この場合には、本設の路盤部を掘削してインバート部の補修や打替え作業を行うなどしていた。このような作業をトンネルの供用中に実施することは、施工が煩雑となりやすいだけでなく工費も膨大となる。

そこで近年では、新設のトンネルを施工するにあたって本設施工を行う前に、閉合後における支保工の変形のみでなくインバート部の変形を経時観測し、必要に応じて対策工を施工して変形の収束を確認している。トンネルの経時観測としては、日常の施工管理のために実施される計測項目（計測Ａ）である、内空変位・天端沈下の測定に加えて、地山条件等に応じて追加する計測項目（計測Ｂ）である、盤ぶくれ測定を実施している。

この場合、内空変位・天端沈下の測定は、トータルステーションによる測定が一般的である。また、盤ぶくれ測定は、例えばインバート部に沈下棒を立て、レベル測量等によりその高さを計測する、もしくは、特許文献１で示すように、インバート部から隆起や変状を生じる地盤を貫通してその下方に位置する変形しない堅牢な地盤に至るまで地盤を掘削し、この掘削孔に地中変位計測装置を設置することで、地中変位を計測するなどしていた。

特開２００８−１８５４９８号公報

しかし、天端沈下の測定および盤ぶくれ測定より得られる鉛直方向の変位は、いずれも基準点と測定点との差から得られる絶対変位であって、トンネル壁面間の相対変位を表すものではない。また、内空変位の測定は、トンネル断面の水平方向および斜め方向の変形状態をトンネル壁面間の相対変位で表すものの、鉛直方向の変形状態を表すことができない。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、トンネル断面の鉛直方向の変形状態を、トンネル壁面間の内空変位として計測するための内空変位計測方法を提供することである。

かかる目的を達成するため本発明の内空変位計測方法は、トンネル内の任意に選定した測定断面において、互いに対抗する一対の側壁部のうちの一方と天端にそれぞれ測定点を設定するとともに、該天端に設定された測定点の鉛直下方に位置するインバート部上にも測定点を設定した後、前記側壁部に設定した測定点に対する天端に設定した測定点の鉛直方向変位を光波測距儀にて計測し、前記測定断面の上部鉛直方向変位量を算定するとともに、前記側壁部に設定した測定点に対するインバート部上に設定した測定点の鉛直方向変位を沈下計にて計測し、前記測定断面の下部鉛直方向変位量を算定して、前記上部鉛直方向変位量及び前記下部鉛直方向変位量から、前記測定断面における鉛直方向の内空変位を計測することを特徴とする。

上記の内空変位計測方法によれば、前記上部鉛直方向変位量及び前記下部鉛直方向変位量をともに、前記側壁部に設定した測定点からみた相対変位として計測ことから、前記測定断面における鉛直方向の変形状態を、トンネル壁面間の相対変位、つまり内空変位として表すことができるため、日常の施工管理のために実施される計測項目（計測Ａ）における内空変位の測定と同様の指標として取り扱うことが可能となる。

本発明の内空変位計測方法は、前記沈下計が、密閉した単一水槽よりなる基準水槽と、水圧検知部にて区画された空気室と水が充填される液室とを備える沈下計本体と、一端が前記基準水槽の底部に、他端が前記沈下計本体の液室に連結されて、該液室と前記基準水槽とを連通するとともに、水が充填される連通水管と、一端が前記基準水槽の頂部に、他端が前記沈下計本体の空気室に連結されて、該空気室と前記基準水槽とを連通させる大気圧調整管とを備え、前記大気圧調整管に、開閉バルブが設置されることを特徴とする。

上記の内空変位計測方法によれば、沈下計が、開閉バルブを閉めることで注入されている水を液室側に封じ込めることができることから、姿勢に配慮することなく沈下計を自在に取り扱うことができるため、沈下計の設置作業を容易に行うことが可能となる。

本発明によれば、トンネル内の任意に選定した測定断面を光波測距儀と沈下計の両者を併用して測定することにより、測定断面における鉛直方向の変形状態を、トンネル壁面間の内空変位で表すことが可能となる。

本実施の形態におけるトンネルに光波測距儀と沈下計を設置した状態を示す図である。 本実施の形態における沈下計を示す図である。 本実施の形態における沈下計を一本の棒状体に成形した状態を示す図である。 本実施の形態における測定断面の変形状態を示す図である。 本実施の形態における沈下計の設置方法を示す図である。 本実施の形態における沈下計の設置方法の他の事例を示す図である。

以下に、本発明のトンネル内における任意に選定した測定断面について、鉛直方向の内空変位を計測するための内空変位計測方法を、図１〜図７を用いて説明する。

本発明は、トンネル内の測定断面において、側壁部に設置した測定点に対する天端の鉛直方向変位を光波測距儀にて、また側壁部に設置した測定点に対するインバート部の鉛直方向変位を沈下計にてそれぞれ計測し、これらの鉛直変位量を利用して鉛直方向の内空変位を計測する方法である。

本実施の形態では、膨張性地山に山岳トンネルの施工するにあたり、吹付コンクリートおよび鋼製支保工にて支保構造を構築するとともに吹付コンクリートによるインバート部を構築し、断面を仮閉合した状態において、測定断面における鉛直方向の内空変位を計測する場合を例にとり、以下に説明する。

まず、内空変位の測定対象であるトンネル５０の概略と、内空変位計測方法に用いる装置およびその配置について説明する。

図１で示すように、トンネル５０は、切羽５２の後方に、図示しない吹付コンクリート工と鋼製支保工５３とによる支保構造が構築されているとともに、吹付コンクリートによりインバート部５４が構築されている。そして、切羽５２の近傍に、鉛直方向の内空変位を測定しようとする測定断面５５が設定されている。

測定断面５５には、天端および対をなす側壁部の一方に測定点Ｇ１、Ｇ２が設定されており、測定点Ｇ１、Ｇ２にはそれぞれ光波測距儀４にて視準可能な反射ターゲット１、２が設置されている。また、測定断面５５から見て坑口５１側に位置する鋼製支保工５３には光波測距儀４が設置されているとともに、坑口５１には基準点Ｇ０が設定されて、反射ターゲット３が設置されている。

光波測距儀４としては、距離と角度を同時に測定し、その結果を記憶及び出力することが可能で、かつパソコン等の端末装置５に出力結果を通信可能な通信機能を備えたトータルステーションを採用している。

また、測定断面５５には、インバート部５４の上面であって、天端に設けられた測定点Ｇ１の鉛直下方に測定点Ｇ３が設定されており、測定点Ｇ２およびＧ３の間には沈下計１０が設置されている。沈下計１０は、側壁部に設定した測定点Ｇ２に対するインバート部５４に設定した測定点Ｇ３の鉛直方向の相対変位を計測できるものであれば、いずれを用いてもよいが、本実施の形態では、水盛りの原理を利用した沈下計を採用している。

以下に、本実施の形態で採用している水圧を利用した沈下計１０の詳細を説明する。

図２で示すように、沈下計１０は、基準水槽１１と、沈下計本体１２と、これらを連通する連通水管１３とを備えている。基準水槽１１は、密閉容器よりなる単一水槽であり、側部には内部の水面位置が目視確認可能に形成されている。一方、沈下計本体１２は、筒状の密閉容器よりなり、その内方が水圧検知部１２３を介して液室１２１と空気室１２２に区画されている。

そして、沈下計本体１２の液室１２１は、基準水槽１１の底部と連通水管１３を介して連通されており、基準水槽１１内に水面が形成されるよう、液室１２１と連通水管１３に水が充填されている。この基準水槽１１内の水面が、沈下計１０の基準水面となる。

また、沈下計本体１２の空気室１２２は、基準水槽１１の頂部と大気圧調整管１４を介して連通されており、基準水槽１１に必要に応じて通気口を設けることで、空気室１２２内と基準水槽１１内の両者の気圧が、常に大気圧に維持されている。

さらに、沈下計本体１２の水圧検知部１２３は、図示しないが、水位計等に広く用いられているベローズ管および差動トランスを備えている。そして、水圧検知部１２３は、測定ケーブル１５及びデータロガー１６に外部接続されている。

このような構成の沈下計１０は、沈下量を把握したい任意の測定点に沈下計本体１２を設置するとともに、測定点より高所に基準水槽１１を設置し、基準水槽１１の水面を基準水面として、基準水面に対する測定点の沈下量を計測するものである。

つまり、沈下計本体１２を設置した測定点が隆起して鉛直変位が生じると、沈下計本体１２の高さが基準水槽１１内に設定された基準水面高さに対して変位する。これに伴い、液室１２１内の水圧が変化することから、この水圧の変化を水圧検知部１２３に備えたベローズ管および差動トランスにて電気信号に変換し、測定ケーブル１５を介してデータロガー１６に送信する。

すると、データロガー１６にて、この電気信号を鉛直変位に換算し、鉛直変位量として記録する。このようにして、沈下計１は、基準水槽１１にて設定された基準水面に対する沈下計本体１２が設置された測定点の相対的な鉛直変位を計測することができるものである。

なお、データロガー１６も、光波測距儀４に通信接続されている端末装置５と通信接続されており、データロガー１６に記録されるデータは、端末装置５にも格納・出力される。

また、大気圧調整管１４には開閉バルブ１４１が設けられており、開閉バルブ１４１を閉めておけば、沈下計１０内に注入されている水が、大気圧調整管１４から沈下計本体１２の空気室１２２に入り込むことがない。これにより、沈下計１０を搬送・もしくは設置などで移動させる際に、沈下計１０の姿勢を配慮する必要がなくなるため、自在な荷姿に変形させることができ、取扱いが容易となる

さらに、基準水槽１１には、図２で示すように、頂部に給排水口１１１が設けられており、沈下計１０内の水面高さを自在に変更することができる構成となっている。

ところで、本実施の形態では、沈下計１０の連通水管１３、大気圧調整管１４及び測定ケーブル１５を束ね、これらを図３で示すような基準水槽１１の底部近傍から沈下計本体１２の近傍に至る長さの収納管１７で覆っている。また、沈下計本体１２を沈下計本体収納ケース１７１に、基準水槽１１を、基準水槽収納ケース１７２にそれぞれ収納し、沈下計本体収納ケース１７１及び基準水槽収納ケース１７２を収納管１７の両端部各々に連結している。

こうすることで、図２に示すような環状の沈下計１０を、図３で示すような１本の棒状材として扱うことができるため、測定断面５５への設置作業を容易に行うことができるものである。

上記の沈下計１０を用いた、トンネル５０内に選定した測定断面５５における内空変位計測方法を、以下に説明する。

まず、図１で示すように、トンネル５０内の任意に選定した測定断面５５において、天端に測定点Ｇ１を設定するとともに反射ターゲット１を設置し、また、一方の側壁部に測定点Ｇ２を設定するとともに反射ターゲット２を設置し、さらに、測定断面５５から見て坑口５１側に位置する鋼製支保工５３に光波測距儀４を据え付ける。

本実施の形態では、図４（ａ）で示すように、天端の測定点Ｇ１をトンネル５０のセンターライン上に設置するとともに、側壁部の測定点Ｇ２をトンネル５０のスプリングライン上に設置している。このように側壁部の測定点Ｇ２をスプリングライン上とすることで、トンネル断面上半の鉛直方向変位を光波測距儀１にて、トンネル断面下半の鉛直方向変位を沈下計１０にてそれぞれ計測するように設定している。

また、本実施の形態では、トンネル５０内の作業領域と交錯することのないよう、光波測距儀４の設置位置を鋼製支保工５３としているが、これに限定されるものではなく、いずれの位置に設置してもよい。

次に、図１で示すように、インバート部５４の上面に測定点Ｇ３を設定するとともに沈下計本体１２を設置し、側壁部に設定された測定点Ｇ２に基準水槽１１を設置し、沈下計１０を据え付ける。

沈下計１０の据え付け方法としては、図５（ａ）で示すように、インバート部５４の上面に設定された測定点Ｇ３と側壁部の測定点Ｇ２近傍を連結するように、沈下計１０を保護するための埋設保護管５８を配置する。そして、図５（ｂ）で示すように、埋設保護管５８を埋戻しトンネル５０内に作業床５６を確保する。この後、沈下計１０を沈下計本体１２から埋設保護管５８内に挿入して、図５（ｃ）で示すように沈下計本体１２をインバート部５４の上の測定点Ｇ３に設置する。

一方、埋設保護管５８より露出させた基準水槽１１は、側壁部に設けられた測定点Ｇ２に設置するが、本実施の形態では、基準水槽１１の高さ範囲内に測定点Ｇ２が位置するように基準水槽１１を設置する。そして、基準水槽４の頂部に設けた給排水口１１を利用して給排水を行い、水面高さが測定点Ｇ２と合致するように調整する。こうして、基準水槽４内に基準水面が設定される。

このように沈下計１０を配置すると、施工中の現場であっても、トンネル５０内に作業エリアを確保しつつ沈下計１０を設置し、測定点Ｇ２に対する測定点Ｇ３の鉛直変位を容易に計測することができるものである。

なお、基準水槽１１と反射ターゲット２は別体として測定点Ｇ２に設置してもよいが、本実施の形態では、図３で示すように、水面高さが測定点Ｇ２と合致するように調整した基準水槽４に反射ターゲット２を取り付け、反射ターゲット２と基準水槽１１とを一体にして測定点Ｇ２に設置している。

この後、光波測距儀４にて、反射ターゲット１、２各々の初期座標を検出した後、測定断面５５における内空変位の計測を開始する。

反射ターゲット１、２各々の初期座標を検出するにあたり、図１で示すように、あらかじめ坑口５１近傍の位置座標が既知である不動位置を基準点Ｇ０として設定し反射ターゲット３を設置しておく。そして、光波測距儀４にて反射ターゲット３を視準することにより、光波測距儀４の位置座標を割り出し、その後、光波測距儀４にて反射ターゲット１、２各々の初期座標を測定する。

計測を開始してから所定日数の経過後に、光波測距儀４にて反射ターゲット１．２各々の位置座標を検出し、側壁部に設定した測定点Ｇ２’に対する天端に設定した測定点Ｇ１’の鉛直方向変位を測定する。

具体的には、図４（ａ）で示すように、反射ターゲット１の初期座標と反射ターゲット２の初期座標から、測定点Ｇ２に対する測定点Ｇ１の鉛直高さＬを測定する。次に、所定日数の経過後に測定した反射ターゲット１の位置座標と反射ターゲット２の位置座標から、図４（ｂ）で示すように、測定点Ｇ２’に対する測定点Ｇ１’の鉛直高さＬ’を測定する。

そして、初期状態の測定点Ｇ２に対する測定点Ｇ１の鉛直高さＬから、所定日数の経過後の測定点Ｇ２’に対する測定点Ｇ１’の鉛直高さＬ’を差し引くことで、側壁部に設置した測定点Ｇ２に対する天端に設置した測定点Ｇ１の鉛直方向変位を上部鉛直方向変位量として算出する。

一方で、光波測距儀１にて反射ターゲット１．２各々の位置座標を検出するのと同じタイミングで、沈下計１０を用いて、側壁部に設置した測定点Ｇ２に対するインバート部５４に設けた測定点Ｇ３の鉛直方向変位を測定する。

先にも述べたように、沈下計１０の基準水槽１１内で設定された基準水面は、側壁部に設定された測定点Ｇ２と高さ位置が合致している。また、沈下計本体１２は、インバート部５４に設けた測定点Ｇ３に設置されている。

したがって、測定点Ｇ３が隆起して鉛直変位が生じた場合には、沈下計本体１２の液室１２１内における水圧の変化を水圧検知部１２３が検知し、データロガー１６にて基準水面に対する沈下計本体１１の鉛直方向変位が記録される。この鉛直方向変位が、側壁部に設置した測定点Ｇ２に対するインバート部５４に設けた測定点Ｇ３の下部鉛直方向変位量となる。

このようにして算定された、測定点Ｇ２に対する測定点Ｇ１の上部鉛直方向変位量と測定点Ｇ２に対する測定点Ｇ３の下部鉛直方向変位量は、足し合わせることにより測定断面５５における測定点Ｇ１および測定点Ｇ３間の鉛直方向の相対変位、つまりトンネル壁面間の内空変位となる。こうして、測定断面５５における鉛直方向の変位形状を、日常の施工管理のために実施される計測項目（計測Ａ）における内空変位の測定と同様の指標で表すことができることとなる。

以降、測定断面５５における上部鉛直方向変位量および下部鉛直方向変位量が収束するまで、光波測距儀４および沈下計１０による計測を所定日数ごとに繰り返すことにより、トンネル５０内の測定断面５５における鉛直方向の内空変位を経時的に計測することが可能となる。

先にも述べたように、光波測距儀４および沈下計１０は、端末装置５に接続されている。よって、測定点Ｇ２に対する測定点Ｇ１の上部鉛直方向変位量、測定点Ｇ２に対す測定点Ｇ３の下部鉛直方向変位量、及び上部鉛直方向変位量と下部鉛直方向変位量から得られる測定断面５５における鉛直方向の内空変位は、端末装置５に格納される。

上記のとおり本発明によれば、トンネル５０内の任意に選定した測定断面５５における鉛直方向の変形状態を、光波測距儀４と沈下計１０の両者を併用して測定することにより、トンネル５０の壁面間の相対変位、つまり内空変位として表すことが可能となる。

本発明の鉛直変位計測装置１は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、鉛直方向の内空変位を単独で算出したが、これに限定されるものではなく、日常の施工管理のために実施される計測項目（計測Ａ）の内空変位測定と同時に測定することが可能である。この場合には、天端に設定した測定点Ｇ１および側壁部に設定した測定点Ｇ２を、計測Ａの内空変位測定を行う際に設定する測定点と共有させればよい。

また、本実施の形態では、トンネル５０の断面を仮閉合した状態において測定断面５５における鉛直方向の内空変位を測定する方法を説明したが、必ずしもこれに限定するものではない。例えば、インバート部５４上に路盤５７が構築されたトンネル５０について、鉛直方向の内空変位を測定することも可能である。

この場合には、図６（ａ）で示すように、インバート部５４上に敷設されている路盤５７を、インバート部５４上に設定した測定点Ｇ３から側壁部に至る長さだけ溝状に掘削し、沈下計１０を保護するための埋設保護管５８を配置する。そして、図５（ｂ）で示すように、埋設保護管５８の埋戻しを行う。この後、図５（ｃ）で示すように沈下計１０を沈下計本体１２側から埋設保護管５８内に挿入して、沈下計本体１２をインバート部５４の上の測定点Ｇ３に設置するとともに、基準水槽１１を側壁部の測定点Ｇ２に設置すればよい。

このようにして、既設トンネルの定期点検時に測定断面５５における鉛直方向の内空変位計測方法を採用すると、既設トンネルの変状対策工の選定に係る状況把握に算定結果を利用することも可能となる。

１ 光波測距儀
２ 反射ターゲット
３ 反射ターゲット
４ 反射ターゲット
５ 端末装置
１０ 沈下計
１１ 基準水槽
１１１ 給排水口
１２ 沈下計本体
１２１ 液室
１２２ 空気室
１２３ 水圧検知部
１３ 連通水管
１４ 大気圧調整管
１４１ 開閉バルブ
１５ 測定ケーブル
１６ データロガー
１７ 収納管
１７１ 沈下計本体収納ケース
１７２ 基準水槽収納ケース
５０ トンネル
５１ 坑口
５２ 切羽
５３ 鋼製支保工
５４ インバート部
５５ 測定断面
５６ 作業床
５７ 路盤
５８ 埋設保護管

Claims (2)

1. トンネル内の任意に選定した測定断面において、互いに対抗する一対の側壁部のうちの一方と天端にそれぞれ測定点を設定するとともに、該天端に設定された測定点の鉛直下方に位置するインバート部上にも測定点を設定した後、
   前記側壁部に設定した測定点に対する天端に設定した測定点の鉛直方向変位を光波測距儀にて計測し、前記測定断面の上部鉛直方向変位量を算定するとともに、
   前記側壁部に設定した測定点に対する、前記インバート部上に設定した測定点の鉛直方向変位を沈下計にて計測し、前記測定断面の下部鉛直方向変位量を算定して、
   前記上部鉛直方向変位量及び前記下部鉛直方向変位量から、前記測定断面における鉛直方向の内空変位を計測することを特徴とする内空変位計測方法。
2. 請求項１に記載の内空変位計測方法において、
   前記沈下計が、密閉した単一水槽よりなる基準水槽と、
   水圧検知部にて区画された空気室と水が充填される液室とを備える沈下計本体と、
   一端が前記基準水槽の底部に、他端が前記沈下計本体の液室に連結されて、該液室と前記基準水槽とを連通するとともに、水が充填される連通水管と、
   一端が前記基準水槽の頂部に、他端が前記沈下計本体の空気室に連結されて、該空気室と前記基準水槽とを連通させる大気圧調整管とを備え、
   前記大気圧調整管に、開閉バルブが設置されることを特徴とする内空変位計測方法。

Images