JP7231359B2 - 応力測定装置及び応力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル構築の際に掘削坑の内壁面に吹き付けられる吹き付けコンクリート内の応力を測定する応力測定装置及び応力測定方法に関する。

山岳トンネルなどのトンネル工事では、地山（天然の状態にある地盤・岩盤）を掘削して坑（掘削坑）を形成した後に、鋼製支保材の建て込みと吹付コンクリートによる一次覆工（支保）とロックボルト打設とによる支保構造物を構築することを繰り返し、その後、コンクリートで更に二次覆工することにより、トンネルを完成させている。

そして、特許文献１には、トンネル工事において、切羽近傍の地山における地中の変位を計測する地中変位計を掘削坑の内側から挿入し、掘削に伴う地山の変化やゆるみを確認し、その確認結果に基づいて、ロックボルトの施工本数を決めるなどして支保構造物の施工を行う技術が開示されている。

特開平８－１４９０５号公報

ところで、前記吹き付けコンクリートは、地山の掘削後、早期に地山に密着して吹き付け施工され、トンネル周辺地山の挙動に敏感に反応する部材である。本願の発明者は、トンネル工事において、吹き付けコンクリート内の応力を測定することは、トンネルの安定性と支保構造物の妥当性を検討する上で需要な施工管理項目であることに着目した。

ここで、特許文献１に記載の地中変位計を前記吹き付けコンクリートに挿入して測定した変位（歪み）から前記吹き付けコンクリート内の応力を測定することが考えられるが、この方法では、地中変位計を挿入したポイントにおける応力を測定できるだけであり、吹き付けコンクリートの応力分布を測定することはできない。また、前記吹き付けコンクリートの変位、つまり、歪みの測定にあたっては、地山の挙動に敏感に反応する前記吹き付けコンクリートの歪みに追従して、その歪みを適切に捉えることが求められる。

そこで、本発明は、このような実状に着目してなされたものであり、吹き付けコンクリート内の連続的な応力分布を測定可能な応力測定方法及び応力測定方法及び応力測定方法を提供することを目的とする。

上記課題に対して、本発明に係る応力測定装置は、その一態様として、トンネル構築において掘削坑の周壁面に吹き付けられた吹き付けコンクリート内の応力を測定する。応力測定装置は、前記吹き付けコンクリート内に埋設される埋設ケーブルと、歪測定部と、応力測定部と、を含む。前記埋設ケーブルは、光ファイバーケーブルと、保護部材とからなる。前記光ファイバーケーブルは、前記周壁面に沿って延設されると共に入射された光を導く。前記保護部材は、前記光ファイバーケーブルに沿って設けられ前記光ファイバーケーブルを保護するための部材である。前記歪測定部は、前記光ファイバーケーブルによって導かれる反射光に基づいて、前記光ファイバーケーブルの延設方向に沿った前記光ファイバーケーブルの歪みの分布を測定する。前記応力測定部は、前記吹き付けコンクリートについての応力と歪みとの関係を示すデータを予め記憶すると共に、前記歪測定部による測定結果と前記データとに基づいて、前記延設方向に沿った前記吹き付けコンクリート内の応力の分布を測定する。そして、前記埋設ケーブルは、その表面において凸状の部位を当該埋設ケーブルの延設方向に断続的に有する。

また、上記課題に対して、本発明に係る応力測定方法は、その一態様として、トンネル構築において掘削坑の周壁面に吹き付けられた吹き付けコンクリート内の応力を測定する応力測定方法である。前記応力測定方法は、（１）入射された光を導く光ファイバーケーブルと前記光ファイバーケーブルに沿って設けられ前記光ファイバーケーブルを保護する保護部材とからなる埋設ケーブルであって、その表面において凸状の部位を当該埋設ケーブルの延設方向に断続的に有する埋設ケーブルを、前記周壁面に沿って延設することと、（２）前記埋設ケーブルを埋設するように、前記周壁面にコンクリートを吹き付けることと、（３）前記光ファイバーケーブルによって導かれる反射光に基づいて、前記光ファイバーケーブルの延設方向に沿った前記光ファイバーケーブルの歪みの分布を測定することと、（４）前記吹き付けコンクリートについての応力と歪みとの関係を示すデータを予め記憶すると共に、前記歪みの分布の測定結果と前記データとに基づいて、前記延設方向に沿った前記吹き付けコンクリート内の応力の分布を測定することと、を含む。

本発明に係る応力測定装置及び応力測定方法によると、前記吹き付けコンクリート内に埋設された前記光ファイバーケーブルと前記保護部材とからなる前記埋設ケーブルは、その表面において凸状の部位を有しているため、前記吹き付けコンクリートと前記埋設ケーブルとの付着力が向上する。そして、前記凸状の部位は、前記埋設ケーブルの延設方向に断続的に有しているため、前記吹き付けコンクリートが前記埋設ケーブルの延設方向に歪むと、この歪みに追従して前記光ファイバーケーブルを前記埋設ケーブルの延設方向に歪ませることができる。そのため、この光ファイバーケーブルの歪みを測定することにより、前記吹き付けコンクリートの歪みを適切に捉えることができる。そして、前記光ファイバーケーブルによって導かれる反射光に基づいて、前記光ファイバーケーブルの延設方向に沿った前記光ファイバーケーブルの歪みの分布を測定し、予め記憶した前記吹き付けコンクリートについての応力と歪みとの関係を示すデータと前記歪みの分布の測定結果とに基づいて、前記吹き付けコンクリート内の応力の分布を前記延設方向に沿って連続的に測定することができる。さらに、前記保護部材により、コンクリートの吹き付け時における光ファイバーケーブルの破損等を確実に防止又は抑制することができる。

このようにして、吹き付けコンクリートの歪みに追従して光ファイバーケーブルの歪みを適切に捉えると共に、吹き付けコンクリート内の連続的な応力分布を測定可能な応力測定装置及び応力測定方法を提供することができる。

本実施形態に係る応力測定装置の概略構成を説明するための図である。 図１に示すＡ－Ａ矢視断面図である。 図１に示すＢ―Ｂ矢視断面図であると共に、吹き付けコンクリート内に埋設する埋設ケーブルの延設経路を説明するための概念図でもある。 図１及び図３に示すＣ部を掘削坑の内側から視た部分拡大斜視図である。 上記実施形態の応力測定装置の概略のブロック図である。 前記埋設ケーブルの外観を示す図である。 前記埋設ケーブルの断面図である。 前記吹き付けコンクリートの歪みを説明するための概念図である。 前記吹き付けコンクリート６の材齢に伴う弾性係数の変化の一例を説明するための図である。 前記吹き付けコンクリート６内の応力と歪みの関係を示す図である。 応力測定方法及びトンネル施工方法を説明するための工程図であり、切羽近傍の天端における掘進方向断面である。 図１１に続く工程図である。 前記応力測定方法及びトンネル施工方法を説明するための別の図である。 前記埋設ケーブルの変形例を説明するための図である。 図１４に示す埋設ケーブルの断面図である。 前記埋設ケーブルの別の変形例を説明するための図である。 図１６に示す埋設ケーブルの断面図である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態における応力測定装置１００の概略構成を示す図であり、山岳トンネルの支保構造物の構築に適用した場合を示している。図１は、切羽Ｗ側に向って視たトンネルの横断面図でもある。図２は図１に示すＡ－Ａ矢視断面図であり、図３は図１に示すＢ―Ｂ矢視断面図であると共に、後述する埋設ケーブル１０の延設経路を説明するための概念図でもある。図４は、図１及び図３に示すＣ部を後述する掘削坑１の内側から視た部分拡大斜視図である。

まず、応力測定装置１００を用いて構築されるトンネルについて説明する。

本実施形態のトンネルは、山岳トンネルであり、例えば、ＮＡＴＭ工法により構築される。トンネルの主要部である掘削坑１は、地山２をブレーカーや自由断面掘削機や発破等により掘削して形成される。

図１に示すように、本実施形態では、掘削坑１の頂部は、周辺地山が本来有している耐荷能力を積極的に活用するために、アーチ状（略半円）に形成される。また、図２～図４に示すように、掘削坑１の周壁面３の頂部及び左右側部に沿うように、鋼製支保材（鋼アーチ支保工）４がトンネル掘進方向に所定の間隔Ｓを空けて設けられている。鋼製支保材４は、例えばＨ鋼であり、掘削坑１のトンネル掘進方向と直交する断面の断面形状（図１参照）に合わせて、周壁面３の周方向に延びるように湾曲したアーチ状に形成されている。間隔Ｓは、地山２の土圧等に応じて定められ、例えば、１ｍ程度である。また、図４に示すように、周壁面３と鋼製支保材４との間には、金網５が周壁面３の頂部及び左右側部に沿うように設置されている。金網５は、鉄筋が網目状に組まれることにより形成されている。なお、図１～図３では、金網５は、図の簡略化のため、図示省略されている。

そして、掘削坑１の周壁面３には、コンクリートが吹き付けられ、周壁面３は、鋼製支保材４と周壁面３に吹き付けられた吹き付けコンクリート６とにより一次支保されている。吹き付けコンクリート６は、隣り合う鋼製支保材４，４の間と、鋼製支保材４と周壁面３との間の空間を埋めるように、周壁面３の頂部及び左右側部の全周に亘って吹き付けられている。吹き付けコンクリート６のコンクリート厚ｔ１は、地山の土圧等に応じて予め定められる。吹き付けコンクリート６が周壁面３に吹き付けられた状態で、吹き付けコンクリート６の内周面は鋼製支保材４としてのＨ鋼の内側（周壁面３と反対側）のフランジ面と面一になるように吹き付けられる。また、図示を省略したが、隣り合う鋼製支保材４，４の間における周壁面３の周方向に離間した位置において、複数のロックボルトが掘削坑１の内側から吹き付けコンクリート６を貫通して地山に到達するように打設されている。前記ロックボルトの打設本数、打設位置及び打設深さ等は、地山２の土圧等に応じて定められる。鋼製支保材４と吹き付けコンクリート６による一次覆工（支保）とロックボルト打設とによる支保構造物の構築が繰り返され、その後、図示を省略したが、吹き付けコンクリート６の内側からコンクリートで更に二次覆工することにより、トンネルが完成する。

次に、応力測定装置１００について説明する。図５は応力測定装置１００の概略のブロック図であり、図６は後述する埋設ケーブル１０の外観を示す部分拡大図であり、図７は埋設ケーブル１０の断面図である。

応力測定装置１００は、トンネル構築において掘削坑１の周壁面３に吹き付けられた吹き付けコンクリート６内の応力σを測定するものである。

図５に示すように、応力測定装置１００は、吹き付けコンクリート６内に埋設される埋設ケーブル１０と、埋設ケーブル１０の一端部に接続される装置本体部２０とを備えて構成される。

図６に示すように、埋設ケーブル１０は、周壁面３の頂部及び左右側部に沿って延設されると共に、光ファイバーケーブル１１と、保護部材１２とからなるケーブルであり、吹き付けコンクリート６内に埋設される部材である。なお、埋設ケーブル１０の延設経路については、後に詳述する。

本実施形態では、埋設ケーブル１０は、所定の若材齢時における吹き付けコンクリート６の弾性係数Ｅ以下の弾性係数Ｅ’を有する（Ｅ≧Ｅ’）。なお、これら弾性係数Ｅ及び弾性係数Ｅ’の詳細については、後に詳述する。

光ファイバーケーブル１１は、周壁面３の頂部及び左右側部に沿って延設されると共に入射された光を導く入射された光を導くものである。光ファイバーケーブル１１は、光路となるコアとコアを被覆するクラッドとを有して形成されている。

保護部材１２は、光ファイバーケーブル１１に沿って設けられ光ファイバーケーブル１１を保護するための部材である。

図１（図中吹き出し部分拡大図）、図６及び図７に示すように、本実施形態では、保護部材１２は、複数本の縒り紐１２ａからなる。そして、複数本の縒り紐１２ａは、光ファイバーケーブル１１を芯材とし、当該芯材の周囲を囲むように螺旋状に縒り合わされている。換言すると、保護部材１２は、複数本の縒り紐１２ａが螺旋状に縒り合わされて形成され、螺旋中心に光ファイバーケーブル１１が延伸している。縒り紐１２ａは、例えば、所定の合成樹脂からなる繊維材等からなる。縒り紐１２ａは、図では、３本であるものとして示されているが、縒り紐１２ａの本数は、これに限定されるものではなく、適宜の本数を採用することができる。各縒り紐１２ａは同じものであるが、説明の便宜上、区別する必要がある場合は、縒り紐１２ａ１、縒り紐１２ａ２、縒り紐１２ａ３という。なお、図７では、作図の簡略化のため各縒り紐１２ａの断面は円形断面で示されているが、実際は、各縒り紐１２ａは縒り合わせ具合（螺旋ピッチ）等に応じた偏平断面を有している。

本実施形態では、埋設ケーブル１０は、その表面において凸状の部位１３を埋設ケーブル１０の延伸方向に断続的に有する。具体的には、本実施形態では、埋設ケーブル１０の凸状の部位１３は、縒り紐１２ａの外面により構成されている。つまり、埋設ケーブル１０の中心線（図６では一点鎖線）を含む断面で視ると、埋設ケーブル１０の外面は、凸凹状に形成されており、この外面の凸部が凸状の部位１３に相当する。

図３及び図４に戻って、埋設ケーブル１０の延設経路について説明する。本実施形態では、埋設ケーブル１０は、掘削坑１の掘進方向に離間した複数の断面位置において周壁面３に沿って掘進方向と直交する方向（換言すると周壁面３の周方向）に延伸する測定用の測定経路１０ａと、隣接する前記断面位置における周壁面３の前記左右側部の一方の間又は前記左右側部の他方の間をコネクタ部１４を介して接続する接続用の接続経路１０ｂとを経由し、周壁面３の展開視（図３参照）で全体としてジグザグ状に連続して延設されている。埋設ケーブル１０の一端部（接続端）は、掘削坑１内において装置本体部２０（詳しくは、後述する歪測定部２１）に接続され、埋設ケーブル１０の他端部は、例えば、周壁面３の前記左右側部の下端において周壁面３に沿う接続経路１０ｂ上に位置している。埋設ケーブル１０の前記一端部側の部位は、掘削坑１の底面７に沿うと共に鋼製支保材４としてのＨ鋼の周壁面３側のフランジ面と周壁面３との間を延びる経路である引き廻し経路１０ｃ（図３参照）を経由して延設されている。

図３に示す状態において、埋設ケーブル１０の延設経路を詳述すると、埋設ケーブル１０は、測定経路１０ａを４回経由して延びており、掘削坑１の掘進方向に離間した４つの互いに平行な断面位置を通過している。また、埋設ケーブル１０は、接続経路１０ｂについては、左右交互に４回経由して延びている。各接続経路１０ｂは、例えば、鋼製支保材４としてのＨ鋼の周壁面３側のフランジ面と周壁面３との間の隙間により構成される。複数の接続経路１０ｂのうちの切羽Ｗに最も近い接続経路１０ｂ（図３では左上の接続経路１０ｂ）における埋設ケーブル１０の先端部には、例えば次の掘削が完了した後などに、次の断面位置用に埋設ケーブル１０を延長するためのコネクタ部１４が接続されることになる。

装置本体部２０は、歪測定部２１と、応力測定部２２とを備え、例えば、掘削坑１の坑口側（切羽Ｗとは反対側）における底面７に配置されている。

歪測定部２１は、光ファイバーケーブル１１によって導かれる反射光に基づいて、光ファイバーケーブル１１の延設方向に沿った光ファイバーケーブル１１の歪みεの分布を測定するものであり、光を発生させる発光部としての機能と前記反射光を受光する機能と歪みεの分布を測定する機能とを有する。

ここで、図８に示すように、周壁面３に倣ったアーチ状の断面形状を有する吹き付けコンクリート６には、その周囲の地山２の土圧Ｐ等に起因する応力σが負荷される。また、この応力σは、一般的に、掘進方向については、切羽Ｗから坑口に向かうにしたがって徐々に高くなり、切羽Ｗから所定距離離間したところで略一定の大きさになるという傾向を示す。そして、掘進方向と直交する一断面位置における応力σの大きさに着目すると、この一断面位置における応力σの大きさは地山２の掘削に伴って変化し、吹き付けコンクリート６は掘削等に伴う地山２の挙動に敏感に反応する。詳しくは、地山２の掘削が進むことにより、前記一断面位置における切羽Ｗからの距離が遠くなるにしたがって、前記一断面位置の吹き付けコンクリート６における地山２を支持する負担が大きくなるため、前記一断面位置における応力σは高くなる。つまり、切羽Ｗの近傍における応力σは、比較的に小さい。そして、更に掘削が進み、前記一断面位置が切羽Ｗから前記所定距離分だけ離間すると、その後、掘り進んでも、前記一断面位置における応力σは略変化しない。また、地山２の掘削は、既に吹き付けられた吹き付けコンクリート６が硬化する前に、その近傍で、更に地山２の掘削が進められる場合が多い。そのため、応力σにより、吹き付けコンクリート６は、吹き付け後、間もない若材齢時から、図８に示すように圧縮され、掘削坑１の中心に向かう方向について歪むと共に、周壁面３の周方向についても歪む。一方、埋設ケーブル１０の外面には凸状の部位１３が埋設ケーブル１０の延設方向に断続的に設けられているため、吹き付けコンクリート６内に埋設された光ファイバーケーブル１１における周壁面３の周方向に延伸する測定用の測定経路１０ａ上の部位は、吹き付けコンクリート６の周壁面３の周方向への歪みε’に追従して歪む。歪測定部２１は、この吹き付けコンクリート６における周壁面３の周方向の歪みε’に追従する光ファイバーケーブル１１における周壁面３の周方向の歪みεを測定する。したがって、光ファイバーケーブル１１における周壁面３の周方向の歪みεは、吹き付けコンクリート６における周壁面３の周方向の歪みε’と略等しい（ε’≒ε）。

歪測定部２１は、具体的には、埋設ケーブル１０の前記一端部において光ファイバーケーブル１１に前記発光部から検査光を入射すると共に光ファイバーケーブル１１からの反射光を受光（検出）する。そして、歪測定部２１は、検出した反射光の分析を行うことで光ファイバーケーブル１１の延伸方向（換言すると、周壁面３の周方向、又は、長手方向）に沿った光ファイバーケーブル１１の歪みεの分布の計測を行う。計測した歪みεの分布の測定結果のデータＸは応力測定部２２に入力される。歪測定部２１における歪みεの分布の計測に適用する手法としては、BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer)等の既知の手法を用いることができる。本実施形態では、例えば、BOTDR方式を採用するものとする。このBOTDR方式では、歪測定部２１は、光ファイバーケーブル１１に検査光を入射すると共に反射光としてブリルアン散乱光を検出し、そのスペクトルを分析する。歪測定部２１は、検査光の入射から反射光の検出までの時間遅れによって反射光の発生位置を特定し、反射光における周波数のシフト量から前記特定した発生位置での歪みεの値を得る。このようにして、歪測定部２１は、測定経路１０ａにおいて、例えばBOTDR方式により、光ファイバーケーブル１１の歪みεを光ファイバーケーブル１１の延設方向に沿って連続的に測定し、前記延設方向に沿った連続的な分布を測定可能に構成されている。そして、光ファイバーケーブル１１の歪みεは吹き付けコンクリート６の歪みε’と略等しく、歪みε’と等価とみなされるため、歪測定部２１の測定結果は吹き付けコンクリート６における周壁面３の周方向（つまり、埋設ケーブル１０の延設方向）に沿った歪みε’の分布とみなすことができる。

図９は、材齢の進行に伴う吹き付けコンクリート６の弾性係数Ｅ（例えば、Tangent Young’s modulus、つまり、接線弾性係数）の変化の一例を説明するための図である。図９において、横軸は周壁面３に吹き付けられた時点からの材齢Ｔ（時間）を示し、縦軸は吹き付けコンクリート６の弾性係数Ｅを示す。図９に示すように、吹き付けコンクリート６は、材齢Ｔが長くなるほど、弾性係数Ｅが大きくなる。つまり、材齢Ｔが長くなるほど、吹き付けコンクリート６の剛性（強度）が高くなり、材齢Ｔが長くなって、吹き付けコンクリート６の強度が所定の設計強度に近づくにしたがって、徐々に弾性係数Ｅの変化量は少なくなる。そして、吹き付けコンクリート６が硬化して設計強度を発現すると、弾性係数Ｅは略一定値（図９では、概ね、１００００（N/mm²）程度）になる。

前述したように、本実施形態では、埋設ケーブル１０は、所定の若材齢時における吹き付けコンクリート６の弾性係数Ｅ以下の弾性係数Ｅ’を有する（Ｅ≧Ｅ’）。前記所定の若材齢時は、本実施形態では、例えば、吹き付け後、３～４時間であるものとし、この場合の埋設ケーブル１０の弾性係数Ｅ’は、１０００（N/mm²）以下の所定の値に設定されている。このように、光ファイバーケーブル１１を含む埋設ケーブル１０の弾性係数Ｅ’は比較的に低く設定されている。したがって、光ファイバーケーブル１１における周壁面３の周方向に延伸する測定用の測定経路１０ａ上の部位は、吹き付けコンクリート６の吹き付け後、間もない時期から確実に、吹き付けコンクリート６の周壁面３の周方向への歪みに、より確実に追従して歪む。

応力測定部２２は、吹き付けコンクリート６についての応力σと歪みε’との関係を示すデータＤを予め記憶すると共に、歪測定部２１による測定結果とデータＤとに基づいて、光ファイバーケーブル１１の延設方向に沿った吹き付けコンクリート６内の応力σの分布を測定するものである。応力測定部２２は、例えば、データＤを記憶する記憶部２２ａと、吹き付けコンクリート６内の応力σの分布を演算して測定結果Ｚとして出力する演算部２２ｂとを含む。

ここで、図１０には、地山２の土圧Ｐ等に起因して吹き付けコンクリート６内に生じる応力σとそのときの吹き付けコンクリート６の歪みε’との関係を示すσ－ε’曲線の一例が、所定の材齢Ｔ毎にそれぞれ示されている。図１０に示すように、σ－ε’曲線は、材齢Ｔの経過ともに変化する。例えば、材齢Ｔが４時間から２４時間における各σ－ε’曲線は、低歪みの領域（例えば、ε’≦０．２程度の領域）では、歪みε’が大きくなるほど、応力σが比較的に急に大きくなり、その後、歪みε’が更に大きくなるにしたがって応力σの増加量が漸減して略フラットになる曲線を示す。そして、材齢Ｔが長くなるほど、σ－ε’曲線は、低歪みの領域における立ち上がりが更に急峻になり、例えば、材齢Ｔが４８時間以降では、上に凸の放物線状の曲線を示し、所定の歪みε’より大きくなると、応力σが急激に低下する傾向を示している。

本実施形態では、応力測定部２２は、吹き付けコンクリート６についての応力σと歪みε’との関係を示すデータＤを、前記若材齢時から硬化時までの間の複数の時点毎に予め記憶する。具体的には、応力測定部２２の記憶部２２ａは、σ－ε’曲線について、例えば、材齢Ｔが４時間（若材齢時）から７２時間（硬化時）までの間において、１時間毎のデータＤを記憶している。なお、記憶部２２ａの記憶するデータＤの数（つまり、σとε’との対応を示すデータテーブルのテーブル数）は、特に限定されるものでなく、適宜に設定することができる。

詳しくは、応力測定部２２には、例えば、歪測定部２１から歪みεの分布の測定結果のデータＸが常時入力されている。応力測定部２２は、例えば、歪測定部２１からのデータＸの変化に基づいて、測定経路１０ａ上においてコンクリートが吹き付けられたことを検知し、その検知時刻からその測定経路１０ａの位置する断面位置における吹き付けコンクリート６の材齢Ｔの計時を開始するように構成されている。応力測定部２２は、例えば、前記断面位置の計時した材齢Ｔに一番近い材齢Ｔのσ－ε’曲線についてのデータＤを記憶部２２ａから読み出し、入力されているデータＸにおける延設方向に沿った歪みεの分布の各歪みεと一致する各歪みε’に対応する応力σを、読み出したデータＤからそれぞれ特定することにより、吹き付けコンクリート６内の応力σの分布の測定結果Ｚとして演算する。

次に、応力測定装置１００の動作について、図３に示す切羽Ｗ側に一番近い測定経路１０ａ上の断面位置における測定を一例に挙げて簡単に説明する。

応力測定部２２には、周壁面３にコンクリートが吹き付けられる前から、歪測定部２１から測定結果のデータＸが常時入力されている。この状態では、この断面位置においては、歪みε（≒歪みε’）の無いことを示すゼロレベルのデータが入力されている。そして、図３に示す切羽Ｗ側に一番近い測定経路１０ａにおいて、周壁面３にコンクリートが吹き付けられると、その直後から、地山２の土圧Ｐに起因する応力σが吹き付けコンクリート６内に生じ、吹き付けコンクリート６は周壁面３の周方向に歪み始める。一方、光ファイバーケーブル１１は、吹き付けコンクリート６の歪みε’に確実に追従して歪み、歪測定部２１が、この光ファイバーケーブル１１の歪みε（≒歪みε’）の分布を測定し、測定結果のデータＸを応力測定部２２に入力する。この測定は、所定のサンプリング時間間隔で連続して行われ、その測定結果のデータＸが常時応力測定部２２に入力される。ここで、周壁面３にコンクリートが吹き付けられると、歪測定部２１から応力測定部２２に入力されている歪みεの分布の測定結果のデータＸがゼロレベルから変化する。応力測定部２２は、データＸの変化に基づいて、この測定経路１０ａ上においてコンクリートが吹き付けられたことを検知し、この断面位置における吹き付けコンクリート６の材齢Ｔの計時を開始する。応力測定部２２は、計時した材齢Ｔに一番近い材齢Ｔのσ－ε’曲線についてのデータＤを記憶部２２ａから読み出し、入力されているデータＸにおける延設方向に沿った歪みεの分布の各歪みεと一致する歪みε’に対応する応力σを、読み出したデータＤからそれぞれ特定し、吹き付けコンクリート６内の応力σの分布の測定結果Ｚとして演算する。なお、この演算は、計時した材齢Ｔが記憶部２２ａに記憶されているいずれかの材齢Ｔと一致したときに行ってもよい。この場合、より精度のよい応力σを測定することができる。また、歪みεの分布の測定及び応力σの分布の測定は、上記のように、一つの測定経路１０ａ毎に実施する場合に限らず、複数の測定経路１０ａをまとめて測定してもよい。例えば、図３に示す５つの測定経路１０ａについて、まとめて測定する場合には、埋設ケーブル１０は、コネクタ部１４を用いずに、一度に敷設してもよい。

次に、応力測定装置１００を用いた本実施形態に係る応力測定方法の一例をトンネル施工方法と共に、図１１～図１３及び図４を参照して説明する。図１１及び図１２は、トンネルの切羽Ｗ近傍の天端における掘進方向断面を示す。図１３は掘り進んだ後に埋設ケーブル１０を延長して敷設した状態を説明するための図面である。図１３において、既設の埋設ケーブル１０は破線で示され、延長した埋設ケーブル１０は実線で示されている。以下の説明では、既に図２及び図３に示す位置まで、掘削及び支保構造物が構築されており、この位置から掘削を進めるものとして説明する。また、本例では、トンネルの施工方法として、ＮＡＴＭ工法を用いる。

本実施形態における前記応力測定方法は、トンネル構築において掘削坑の周壁面に吹き付けられた吹き付けコンクリート内の応力を測定する方法であり、（１）埋設ケーブル１０を周壁面３に沿って延設することと（ケーブル延設工程）、（２）埋設ケーブル１０を埋設するように、周壁面３にコンクリートを吹き付けることと（一次覆工工程）、（３）光ファイバーケーブル１１によって導かれる反射光に基づいて、光ファイバーケーブル１１の延設方向に沿った光ファイバーケーブル１１の歪みεの分布を測定することと（歪み測定工程）、（４）吹き付けコンクリート６についての応力σと歪みε’との関係を示すデータＤを予め記憶すると共に、歪みεの分布の測定結果とデータＤとに基づいて、光ファイバーケーブル１１の延設方向に沿った吹き付けコンクリート６内の応力σの分布を測定することと（応力測定工程）、とを含む。

また、本実施形態では、埋設ケーブル１０は所定の若材齢時における吹き付けコンクリート６の弾性係数Ｅ以下の弾性係数Ｅ’を有する構成とし、データＤは、応力測定部２２の記憶部２２ａに、前記若材齢時から硬化時までの間の複数の時点毎に予め記憶されている。

また、本実施形態では、応力測定方法は、（５）周壁面３に沿って金網５を設置すること（金網設置工程）を更に含む。そして、上記（１）の埋設ケーブル１０を周壁面３に沿って延設すること（ケーブル延設工程）は、埋設ケーブル１０を金網５に対して移動可能に金網５に沿って延設することにより、埋設ケーブル１０を周壁面３に沿って延設し、上記（２）の周壁面３にコンクリートを吹き付けること（一次覆工工程）は、埋設ケーブル１０と伴に金網５を埋設するように、周壁面３にコンクリートを吹き付ける構成とした。

具体的には、トンネル構築時には、まず、図１１（ａ）に示す切羽Ｗに爆薬挿入用の穴（図示せず）をドリル等で削孔し、この穴にダイナマイト等の爆薬を挿入して発破・爆発させることにより、図１１（ｂ）に示すように、掘削坑１を切羽Ｗから切羽Ｗ’まで掘り進める（掘削工程）。ここで、掘り進められた掘削坑１の周壁面３は、図示省略したトンネル掘削装置等を用いて、仕上掘削が行われる。その後、図１１（ｃ）に示すように、鋼製支保材（鋼アーチ支保工）４を間隔Ｓを空けて建込む（鋼製支保工建込工程）。

次に、前記ケーブル延設工程として、図１２（ｄ）及び図１３に示すように、埋設ケーブル１０を延長する。詳しくは、図１３に示すように、既設の接続経路１０ｂのうちの切羽Ｗに最も近い接続経路１０ｂにおける埋設ケーブル１０の先端部に、次の断面位置用に埋設ケーブル１０を延長するためのコネクタ部１４を追加接続する。そして、前記金網設置工程として、周壁面３に沿って図４に示した金網５を追加して設置する。前記ケーブル延設工程では、追加接続したコネクタ部１４に延長する埋設ケーブル１０の一端部を接続し、この埋設ケーブル１０を周壁面３に沿って延設する。このとき、埋設ケーブル１０を金網５に対して移動可能に金網５に沿って延設することにより、埋設ケーブル１０を周壁面３に沿って延設する。詳しくは、図４に示すように、金網５にＳ字状のフック１５を懸架し、このフック１５を介して埋設ケーブル１０を金網５に対して移動可能に延設するとよい。延長する埋設ケーブル１０は、追加接続したコネクタ部１４から接続経路１０ｂを延び、その後、次の断面位置における測定経路１０ａを経由して周壁面３の左右側部の一方の下端から左右側部の他方の下端まで延びると共に、周壁面３の左右側部の他方の下端から、接続経路１０ｂを経由して更に次の断面位置まで延設される。

次に、前記一次覆工工程として、図１２（ｅ）に示すように、埋設ケーブル１０と伴に金網５を埋設するように、周壁面３にコンクリートを追加して吹き付け、これにより一次覆工を行う。ここで、図１１（ａ）～図１２（ｆ）に示す破線は、吹き付けコンクリート６の表面である。その後、ロックボルト（図示せず）を打設する。

次に、前記歪測定工程として、延長した埋設ケーブル１０の測定経路１０ａの断面位置における光ファイバーケーブル１１の歪みεの分布の測定を、歪測定部２１により行う。

次に、前記応力測定工程として、延長した埋設ケーブル１０の測定経路１０ａの断面位置における吹き付けコンクリート６内の応力σの分布の測定を、応力測定部２２により行う。以上により、この断面位置における吹き付けコンクリート６内の応力分布測定が完了する。ここで、例えば、施工管理者等は、応力σの分布の測定結果Ｚを監視し、この断面位置において、測定時の材齢Ｔにおける吹き付けコンクリート６の許容応力を超える大きさの応力σが生じている箇所があるか否かを確認し、トンネルの安定性と支保構造物の妥当性を分析する。仮に、許容応力を超える箇所がある場合には、例えば、この断面位置におけるロックボルトを追加したり、コンクリートを増し吹きして吹き付けコンクリート６のコンクリート厚ｔ１を若干厚くしたりする等により、その断面位置における支保構造物の強度を微調整する（分析及び修正工程）。なお、応力測定部２２が、測定して得られた応力σが許容応力を超えているか否かの判定を実行可能に構成してもよい。この場合、許容応力のデータを材齢Ｔ毎に記憶部２２ａに記憶させ、演算部２２ｂが上記判定を実行するように構成すればよい。

そして、例えば、前記掘削工程、前記鋼製支保工建込工程、前記金網設置工程、前記ケーブル延設工程、前記一次覆工工程（ロックボルト打設を含む）、前記歪測定工程、前記応力測定工程、前記分析及び修正工程、をまとめて１サイクルとする作業（以下、「第１作業」という）は、後述する覆工コンクリート１６の構築に先行して実施される。また、第１作業では、１サイクルで１スパン（例えばトンネル長さ１ｍ分）の施工が行われ、例えば、１日間で３～４サイクルの施工が行われる。

前記第１作業が実施されている場所から例えば３００ｍ程度トンネル後方の場所では、第２作業が実施される。この第２作業には、二次覆工工程が含まれる。この二次覆工工程では、図１２（ｆ）に示すように、吹き付けコンクリート６の表面に覆工コンクリート１６を構築することにより二次覆工を行う。ここで、図１２（ｆ）に示す二点鎖線は、覆工コンクリート１６の表面である。覆工コンクリート１６のコンクリート厚ｔ２は、地山２の性状等により設定される。また、第２作業（二次覆工工程）では、１サイクルで１スパン（例えばトンネル長さ１０ｍ分、つまり、第１作業の１０サイクル分）の施工が行われ、例えば、３日間で１サイクルの施工が行われる。以上の工程により、トンネルの施工が行われる。上述の第１作業と第２作業との間を３００ｍ程度離すことにより、作業の錯綜を抑制することができるので、効率よく作業を実施することができる。

なお、応力測定装置１００は、光ファイバーケーブル１１の歪みε、及び、吹き付けコンクリート６内の応力σを常時測定しており、材齢Ｔの経過に伴う各断面位置（測定経路１０ａ）における掘削の進行等に伴う歪みε（≒歪みε’）の変化及び応力σの変化を常時監視することができる。そして、応力測定装置１００は、掘削坑１の掘削が進むと、一度に測定される断面位置は徐々に増加し、一度に複数の断面位置（測定経路１０ａ）における測定結果を取得することができる。また、掘削の進行等に伴い、各断面位置における吹き付けコンクリート６に負荷される応力σが徐々に大きくなると同時に、材齢Ｔの経過に伴い吹き付けコンクリート６の許容応力も増加する。施工管理者等は、掘削の進行に伴い変化する各断面位置における応力σとその測定時における材齢Ｔに応じた許容応力に基づいて引き続き、各断面位置についての前記分析及び修正工程を継続する。

かかる本実施形態による応力測定装置１００及び応力測定装置１００を用いた応力測定方法によれば、吹き付けコンクリート６内に埋設された埋設ケーブル１０は、その表面において凸状の部位１３を有しているため、吹き付けコンクリート６と埋設ケーブル１０との付着力が向上する。そして、凸状の部位１３は、埋設ケーブル１０の延設方向に断続的に有しているため、吹き付けコンクリート６が埋設ケーブル１０の延設方向に歪むと、この歪みに追従して光ファイバーケーブル１１を埋設ケーブル１０の延設方向に歪ませることができる。そのため、この光ファイバーケーブル１１の歪みεを測定することにより、吹き付けコンクリート６の歪みε’を適切に捉えることができる。そして、光ファイバーケーブル１１によって導かれる反射光に基づいて、光ファイバーケーブル１１の延設方向に沿った光ファイバーケーブル１１の歪みεの分布を測定し、予め記憶した吹き付けコンクリート６についての応力σと歪みε’との関係を示すデータＤと歪みεの分布の測定結果とに基づいて、吹き付けコンクリート６内の応力σの分布を延設方向に沿って連続的に測定することができる。さらに、埋設ケーブル１０における保護部材１２により、コンクリートの吹き付け時における光ファイバーケーブル１１の破損等を確実に防止又は抑制することができる。
このようにして、吹き付けコンクリート６の歪みε’に追従して光ファイバーケーブル１１の歪みεを適切に捉えると共に、吹き付けコンクリート６内の連続的な応力σの分布を測定可能な応力測定装置１００及び応力測定方法を提供することができる。

本実施形態において、埋設ケーブル１０は所定の若材齢時における吹き付けコンクリート６の弾性係数Ｅ以下の弾性係数Ｅ’を有し、応力測定部２２は、吹き付けコンクリート６についての応力σと歪みε’との関係を示すデータＤを、前記若材齢時から硬化時までの間の複数の時点毎に予め記憶する構成とした。このため、前記若材齢時以降の吹き付けコンクリート６内の応力σについて、吹き付け後、間もない時期から確実に測定することができる。なお、本実施形態では、若材齢の一例として、３～４時間であるものとしたが、これに限らず、例えば、２４時間程度でもよい、この場合、埋設ケーブル１０の弾性係数Ｅ’は７０００（N/mm²）以下であればよい。

ここで、前述したように切羽Ｗの近傍における吹き付けコンクリート６の応力σは比較的に小さい。したがって、切羽Ｗの近傍において、吹き付けコンクリート６の応力σが若材齢時における吹き付けコンクリート６の許容応力より低くなること、増し吹き等することなく予め確保することが容易な場合もある。この場合、若材齢から吹き付けコンクリート６の応力σを測定する必要がない。したがって、このような場合は、設計強度近傍の強度が発現している材齢Ｔ又は硬化時（例えば、材齢Ｔが２～３日）から光ファイバーケーブル１１の歪みε及び吹き付けコンクリート６の応力σを測定するように構成してもよい。この場合、埋設ケーブル１０の弾性係数Ｅ’は若材齢時の吹き付けコンクリートの弾性係数Ｅ以下に限定されるものではなく、埋設ケーブル１０は、例えば２～３日の材齢Ｔにおける吹き付けコンクリート６の弾性係数Ｅ以下、具体的には、１００００（N/mm²）以下であればよい。

本実施形態において、保護部材１２は、複数本の縒り紐１２ａからなり、複数本の縒り紐１２ａは、光ファイバーケーブル１１を芯材とし、当該芯材の周囲を囲むように螺旋状に縒り合わされるものとした。これにより、埋設ケーブル１０の凸状の部位１３を容易に形成することができると共に、光ファイバーケーブル１１の保護する構造を容易に形成することができ、且つ、縒り紐１２ａを採用することにより、低剛性の埋設ケーブル１０を容易に形成することができる。

本実施形態において、埋設ケーブル１０は、周壁面３の展開視で全体としてジグザグ状に連続して延設される構成とした。これにより、一つの装置本体部２０により、複数の断面位置における光ファイバーケーブル１１の歪みεの分布を測定することができ、各断面位置の測定用に高価な装置本体部２０（特に、歪測定部２１）をそれぞれ設ける必要がなく、装置コスト及び測定コストを低廉化することができる。

本実施形態において、埋設ケーブル１０を金網５に対して、例えば、Ｓ字状のフック１５を用いて移動可能に金網５に沿って延設することにより、埋設ケーブル１０を周壁面３に沿って延設する構成とした。これにより、光ファイバーケーブル１１が吹き付けコンクリート６の歪みε’に追従して歪むことを阻害することなく、埋設ケーブル１０を容易に周壁面３に沿って延設することができる。

なお、埋設ケーブル１０における光ファイバーケーブル１１の保護構造は、図６及び図７に示す構造に、限定されるものではない。例えば、図１４及び図１５（変形例１）や図１６及び図１７（変形例２）に示す変形例を採用することもできる。

詳しくは、図１４及び図１５に示す変形例１では、保護部材１２は、図６及び図７と同様に、複数本の縒り紐１２ａが螺旋状に縒り合わされて形成されているが、光ファイバーケーブル１１は、互いに隣接する縒り紐１２ａの間の領域Ｖにおいて縒り紐１２ａに沿って螺旋状に延伸している。つまり、光ファイバーケーブル１１は、３本の縒り紐１２ａ１，１２ａ２，１２ａ３のうちの互いに隣接する２本の縒り紐（例えば、縒り紐１２ａ１，１２ａ２）の埋設ケーブル外面側におけるＶ溝状の領域Ｖに沿って螺旋状に連続して延びている。なお、図７では、作図の簡略化のため各縒り紐１２ａの断面は円形断面で示されているが、実際は、各縒り紐１２ａは縒り合わせ具合（螺旋ピッチ）等に応じた偏平断面を有している。変形例１においても、埋設ケーブル１０の凸状の部位１３は、縒り紐１２ａの外面により構成されている。

また、図１６及び図１７に示す変形例２では、保護部材１２は、光ファイバーケーブル１１の外周を被覆するように設けられると共に、内部に骨材１７を有するものとしてもよい。具体的には、骨材１７として砂等を含む接着剤を光ファイバーケーブル１１の外周に塗布することにより保護部材１２を形成してもよい。この場合、埋設ケーブル１０の凸状の部位１３は、保護部材１２における骨材１７に対応した部位により構成されている。また、これに限らず、面粗度の粗い（ざらざらした）表面を得ることが可能な塗料を、塗料を光ファイバーケーブル１１の外周面に塗布することにより保護部材１２を形成してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態についてそれぞれ説明したが、本発明は上記各実施形態に制限されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形及び変更が可能である。

１…掘削坑
３…周壁面
５…金網
６…吹き付けコンクリート
１０…埋設ケーブル
１０ａ…測定経路
１０ｂ…接続経路
１１…光ファイバーケーブル
１２…保護部材
１２ａ…縒り紐
１３…凸状の部位
２１…歪測定部
２２…応力測定部
１００…応力測定装置

Claims (4)

1. トンネル構築において掘削坑の周壁面に吹き付けられた吹き付けコンクリート内の応力を測定する応力測定方法であって、
   前記掘削坑の掘進方向に間隔を空けた位置で前記周壁面に沿うように複数の支保材を建て込むことと、
   入射された光を導く光ファイバーケーブルと前記光ファイバーケーブルに沿って設けられ前記光ファイバーケーブルを保護する保護部材とからなり、前記吹き付けコンクリートが設計強度を発現する前である所定の若材齢時における前記吹き付けコンクリートの弾性係数以下の弾性係数を有する埋設ケーブルを、互いに隣り合う支保材の間の前記周壁面に沿って前記周壁面の左右側部の一方から前記左右側部の他方まで延設すると共に、前記左右側部の他方から連続して前記互いに隣り合う支保材のうちの切羽側の支保材を切羽側に超えるように延設することと、
   前記隣り合う支保材の間の空間及び前記支保材と前記周壁面との間の空間を埋めると共に前記埋設ケーブルの切羽側の先端部が露出するように、前記周壁面にコンクリートを吹き付けることで、前記埋設ケーブルの大半を埋設することと、
   前記埋設ケーブルの前記先端部に、前記埋設ケーブルを延長するためのコネクタ部を接続することと、
   前記光ファイバーケーブルによって導かれる反射光に基づいて、前記光ファイバーケーブルの延設方向に沿った前記光ファイバーケーブルの歪みの分布を測定することと、
   前記吹き付けコンクリートについての応力と歪みとの関係を示すデータを予め記憶すると共に、前記歪みの分布の測定結果と前記データとに基づいて、前記延設方向に沿った前記吹き付けコンクリート内の応力の分布を測定することと、
   を含む、応力測定方法。
2. 前記吹き付けコンクリートの材齢を計時することを更に含み、
   前記光ファイバーケーブルの歪みの分布を測定することは、前記光ファイバーケーブルの歪みの分布を、前記所定の若材齢時から測定し、
   前記吹き付けコンクリート内の応力の分布を測定することは、前記吹き付けコンクリートについての応力と歪みとの関係を示すデータを、前記若材齢時から複数の時点毎に予め記憶すると共に、前記歪みの分布の測定結果と前記データとに基づいて、前記若材齢以降の前記延設方向に沿った前記吹き付けコンクリート内の応力の分布を測定する、
   請求項１に記載の応力測定方法。
3. 前記周壁面に沿って金網を設置することを更に含み、
   前記埋設ケーブルを延設することは、前記埋設ケーブルを前記金網に対して移動可能に前記金網に沿って延設することにより、前記埋設ケーブルを前記周壁面に沿って延設し、
   前記周壁面にコンクリートを吹き付けることは、前記埋設ケーブルと伴に前記金網を埋設するように、前記周壁面にコンクリートを吹き付ける構成とした、請求項１又は２に記載の応力測定方法。
4. 前記掘削坑の掘削及び前記吹き付けコンクリートの吹き付けは、所定のトンネル長毎に行われ、
   前記コネクタ部を、次の掘削の後に前記周壁面に吹き付けられる吹き付けコンクリートによって埋設する、請求項１～３のいずれか一つに記載の応力測定方法。

Images