JPH0626893A - 地中内の歪み測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】地中に設置した強磁性管内に検出ヘッドを挿入
し、この検出ヘッドを強磁性管の軸方向に線形変位さ
せ、その周面方向に回転走査し、地中の歪み変位を連続
的に、かつ短時間にて検出するとともに、施工管理を正
確に行える地中内の歪み測定方法及び測定装置を提供す
る。 【構成】地中に穿設した穴にコンクリートを介在させて
強磁性管を埋設し、強磁性管に加えられる地中歪みを強
磁性管の磁気的特性の変動に変換し、この磁気的特性の
変動を検出する磁気検出器を備える検出ヘッドを強磁性
管内に挿入し、検出ヘッドを強磁性管の軸方向に線形変
位させ、もしくは回転変位させながら連続的に走査し、
強磁性管に加えられる地中歪みによる応力を強磁性管全
体にわたって連続的に検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地中内に生じる応力、
および歪み変位を計測する地中内の歪み測定方法及びそ
の測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、トンネル工事、シールド工事等
の地下構造物の建設の際には、予め地中内の歪み応力、
その分布を測定し、この測定結果を建設現場の作業員の
安全管理に資するように利用している。トンネル工事を
例にとり地中の歪み測定手段について説明すると、図９
（Ａ）に示すように地山面４０に穿設したトンネル４１
の周面軸方向に、打ち込んだコンクリート中に多数の鋼
棒４２・・・を設置してパイプ・ルーフを形成する。そ
して、鋼棒４２の外周面には所定距離を隔てて周方向と
軸方向とにストレンゲージを２個づつ貼着させ、これに
よりブリッジを形成した検出部４３Ａ、４３Ｂ、４３
Ｃ、４３Ｄ・・数百個を、図９（Ｂ）に示すように縦設
する。これら検出部４３Ａ、４３Ｂ・・は図示しない信
号伝送線及び切換スイッチを介してメータ、もしくは記
録計に入力するように接続されている。そして、図９
（Ｂ）に示すように、地山面４０に歪み変位が発生する
と、これによる力Ｆが鋼棒４２の伸びに変換され、これ
をストレンゲージの伸縮に変換して電気抵抗の変動信号
に変換し、検出部４３Ａ、４３Ｂ・・から送られて来る
信号を切換スイッチを切り換えてメータ、記録計に入力
させて個々に検知し、これにより実線４４で示すように
各検出部にて検出した値を用いてグラフに描き、歪み応
力分布を把握するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の測定方法によれ
ば、ストレンゲージを所定間隔毎に設置してある関係
上、離散的な地中歪みしか測定出来ず、連続的に歪みを
測定し得ないという問題がある。このため、図９（Ｂ）
に示すように、例えば、検出部４３Ｂと４３Ｃとの間の
特定点Ｐで歪み変位が発生したとすると、実線で示すよ
うにしか検知し得ず、点線で示すように特定点Ｐで歪み
変位が発生したのを検知し得ない。このため、最先の現
場掘削点から未掘削の特定点Ｐ迄の距離Ｍを正確に把握
出来ず、掘削作業をこのまま続行して良いか、否かを正
確に判断出来ず、施工管理を正確に行うことが出来ない
という問題がある。さらに、切換スイッチの切換えによ
り多箇所の測定点を個別的に検出するため、狭い作業空
間での測定操作時間が長くかかるという問題がある。

【０００４】また、ストレンゲージを多箇所に設けてあ
るため、信号伝送線の数が厖大となり、このため信号伝
送線の結束直径が大きくなり、操作性、ならびに作業性
に劣る問題がある。さらに、ストレンゲージと信号伝送
線の接続部分が設置数に対応して増大するため、断線、
接続不良事故が発生する頻度が高くなり、信号伝送線が
切断した場合には、鋼棒を外部に取り出さない限り、修
理が不可能である。その他に、ストレンゲージ数の増大
に伴う信号伝送線の数の増大と、鋼棒にストレンゲージ
を貼着するに要する作業時間の増大とから、製造費用が
大幅に増加するという問題もある。

【０００５】本発明は、上記した課題に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、地中に設置した強磁
性管内に挿入した検出ヘッドを強磁性管の軸方向に線形
変位させ、周面方向に回転変位させる走査を連続して行
い、地中内の歪み変位を連続的に、かつ短時間にて検出
可能にするとともに、施工管理を正確に行える地中内の
歪み測定方法を提供するにある。

【０００６】また、本発明の目的は、地中に設置した強
磁性管内に摺動自在の単一の検出ヘッドを設け、これを
線形変位、回転変位し、地中の歪みを連続的に測定可能
とするとともに、その製造費用を低減させ得る地中内の
歪み測定装置を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解消する
ために、本発明の方法は、地中に穿設した穴にコンクリ
ートを介在させて強磁性管を埋設し、強磁性管に加えら
れる地中歪みを強磁性管の磁気的特性の変動に変換し、
この磁気的特性の変動を検出する磁気検出器を備える検
出ヘッドを強磁性管内に挿入し、検出ヘッドを強磁性管
の軸方向に線形変位させ、もしくは回転変位させながら
走査し、強磁性管に加えられる地中歪みによる応力を強
磁性管全体にわたって連続的に検出するよう構成したも
のである。

【０００８】また、本発明の測定装置は、地中に穿設し
た穴にコンクリートを介在させて強磁性管を埋設し、強
磁性管内に摺動自在に設けた検出ヘッドの一端に検出ヘ
ッドを外部操作側から変位せしめる操作棒を取り付け、
検出ヘッド内に、励磁巻線を備える励磁コアと検出巻線
を備える検出コアとを、検出ヘッドの周面から励磁コア
及び検出コアの磁極面を強磁性管の内周面に接触するよ
う露出せしめるとともに、励磁コアの一方の磁極面から
分流する磁束の一方が強磁性管の周面方向に沿って検出
コアの一方の磁極面に、この磁束の他方が強磁性管の軸
方向に沿って検出コアの他方の磁極面に流れ、かつ検出
コアの一方の磁極面から流出する磁束が強磁性管の軸方
向に沿って流れ、検出コアの他方の磁極面から流出する
磁束が強磁性管の周面方向に沿って流れ、励磁コアの他
方の磁極面に流入するよう交叉配設したものである。

【０００９】

【作用】地中に穿設した穴にコンクリートを介在させて
強磁性管を埋設し、検出ヘッドを強磁性管内に軸方向に
線形変位させ、また回転変位させながら連続的に走査
し、地中の歪み応力により変動する強磁性管の磁気的特
性の変動を、励磁コアと検出コアとを交叉配設した磁気
検出器により検出し、強磁性管に加わる歪みを強磁性管
の磁路ブリッジのバランスの崩れに変換して検出する。

【００１０】

【実施例】以下に本発明の詳細を、添付した図面に示す
実施例に基づいて説明する。図１は本発明の方法を実施
する歪み測定装置を、地中の一部を破断して示す側面
図、図２は破断して示す鋼管内に設けた検出ヘッドの側
面を示す図、図３は図２の切断線ＡーＡから眺めた断面
図、図４は鋼管内に配設した検出ヘッド内の励磁コアと
検出コアとの配設状態を上から眺めた透視図、図５は破
断して示す鋼管内において励磁コアから検出コアに、検
出コアから励磁コアに流れる磁束の状態を説明する図、
図６は鋼管を介して流れる磁束の状態を説明する透視斜
視図である。

【００１１】図１乃至図３において、地中１に穿設され
た穴に長さＬの鋼管３を挿入した上、その周囲にコンク
リート２を打ち込んで鋼管３を埋設し固定する。そし
て、鋼管３内には、摺動自在に挿通された有底円筒状の
合成樹脂製検出ヘッド５の底部側には、外部操作側に突
出する操作棒４が連接され、その開口部側には止め６が
検出ヘッド５の周面の端部に連接されている。図４に示
すように、この検出ヘッド５の内部には、軟磁性材から
なる板状の励磁コア７の両端に交流電源と接続された励
磁巻線８、８が巻回され、この励磁コア７の両磁極面
９、１０は検出ヘッド５の周面から露出するとともに
（図２、参照）、鋼管３の内周面と一様に接触するよう
に曲面状に形成されている。そして、コ字型形状の軟磁
性材からなる検出コア１１の両脚１２、１３には検出巻
線１４、１４が巻回され、両脚１２、１３の検出磁極面
１５、１６も同様に検出ヘッド５の周面から露出すると
ともに、図６に示すように、鋼管３の内周面と一様に接
触するように曲面状に形成されている。図５、図６に示
すように、この励磁コア７及び検出コア１１は鋼管３に
対し、励磁コア７の一方の磁極面９から分流した一方の
磁束が鋼管３の周面方向に沿って検出コア１１の一方の
脚１３の磁極面１６に流れ込み、他方の磁束が鋼管３の
軸方向に沿って検出コア１１の他方の脚１２の磁極面１
５に流れ込み、検出コア１１の一方の脚１３の磁極面１
６から流出する磁束が鋼管３の軸方向に沿い、また検出
コア１１の他方の脚１２磁極面１５から流出する磁束が
鋼管３の周面方向に沿って流れ、そして励磁コア７の他
方の磁極面１０に合一となって流れ込むように交叉配設
されている。そして、交叉配設した励磁コア７と検出コ
ア１１とは、検出ヘッド５内に合成樹脂材１７により埋
め込まれている。

【００１２】なお、励磁コア７に巻回された励磁巻線
８、８、及び検出コア１１に巻回された検出巻線１４、
１４は、操作棒４内に挿通された導線を介し外部に設け
た励磁用交流電源と、電圧計や記録計、もしくは情報処
理装置とにそれぞれ接続されている。

【００１３】このように構成した装置の作用を、図７に
示すΔＬ／Ｌ、即ち、歪みε及び磁界Ｈと、透磁率μｘ
と、検出出力との関係を模式的に示す特性線図を参照し
て説明する。図７のΔＬ／Ｌ＝ε、歪み０の点に磁界Ｈ
を発生させ、これにより所定の透磁率μｘが得られるよ
うに交流電源の励磁電流を設定して励磁コア７の励磁巻
線８、８に励磁電流を流す。これにより、励磁コア７の
一方の磁極面９から流出した磁束は鋼管３の周面に沿
い、点線で示す一方の磁束が鋼管３の周面方向に沿って
検出コア１１の脚１３の端面１６に流入し、さらに、実
線で示す他方の磁束が鋼管３の軸方向に沿って、検出コ
ア１１の脚１２の磁極面１５に流入する。一方、検出コ
ア１１の脚１２の磁極面１５から流出する点線で示す磁
束は鋼管３の周面方向に沿って流れ、検出コア１１の他
方の脚１３の磁極面１６から流出する実線で示す磁束は
鋼管３の軸方向に沿って流れる。次いで、実線と点線で
示す磁束が励磁コア７の他方の磁極面１０に流れ込む。
従って、鋼管３における励磁コア７と検出コア１１との
間に形成される鋼管３の磁路ブリッジのインピーダンス
がバランスし、これを検出巻線１４、１４により検出す
るが、点線で示す磁束と実線で示す磁束とが等しいため
その出力は零である。

【００１４】いま、土砂、もしくは粘土質の地山等の地
中に設置された鋼管３内に挿入された検出ヘッド５を、
操作棒４の操作により鋼管３の軸方向に線形変位させ、
もしくは回転変位させながら鋼管３の全長、及び全周面
にわたって連続的に走査する。その間に、図６に示すよ
うに、地中の変位による力Ｆがコンクリート２を介して
長さＬの鋼管３の周面に加えられ、鋼管３に歪みが発生
して軸方向に＋ΔＬ伸びると、鋼管３の直径は減少する
ものの、軸方向に伸びるため、その体積は変動を生ぜ
ず、従って、鋼管３は＋ΔＬ／Ｌ＝εの線形歪みを発生
し、これにより、鋼管３の軸方向の透磁率μｘがこれに
対応して増加するが、その周面方向の透磁率μｙは変動
しない。このため、鋼管３の磁路ブリッジのバランスが
崩れ、これを検出巻線１４、１４により検出し、電圧計
や記録計、もしくは情報処理装置に入力される。また、
鋼管３を−ΔＬだけ縮める力Ｆが鋼管３に加えられる
と、これにより透磁率μｘが小なる方向に変動し、この
ため鋼管３の磁路ブリッジのバランスが崩れ、検出巻線
１４、１４により検出される出力が小となり、電圧計や
記録計、もしくは情報処理装置に入力される。このよう
にして、短時間にて検出ヘッド５を１回走査するだけ
で、この走査時間における歪み分布が検出可能である。
ちなみに、この走査時間は、１点当たりほぼ２秒程度で
歪み分布を十分検出出来る。この検出出力を鋼管３の断
面積で除算した値を記録、もしくは表示させて応力を測
定することが出来る。

【００１５】このように鋼管３の全長、全周にわたって
連続的に歪み応力を測定出来るので、図８（Ａ）に示す
ように、地山面２０に設置された鋼管３の一部が掘削に
より切羽側２１に露出すると、実線で示した鋼管３が点
線で示すように撓み、鋼管３の３１側が伸び、その反対
側３２が圧縮するが、この場合でも、伸び、圧縮が連続
的に検出される。さらに、図８（Ｂ）に示すように、一
定の規則性を持ち、かつ多少開口した割れ目面を持ち、
矢印方向に変位している節理２２と呼称される岩盤に鋼
管３を設置しても、歪み応力分布曲線２３に示すよう
に、節理２２の変位による歪みを連続的に測定すること
が出来る。

【００１６】歪み変位を測定する場合には、検出した
値、即ち歪みεに鋼管３の長さを掛けた値、ΔＬ＝ε×
Ｌとなるように信号処理すればよい。

【００１７】なお、直径３０ｃｍの鋼管３に対し設計上
必要な荷重１０トンを加えた場合に、１０トンの荷重
を、鋼管３の円の面積、Ｓ＝πＤ² ＝７．０７ｃｍ² で
除算し、１０、０００／７．０７≒１４００ｋｇｆ／ｃ
ｍ² の応力が発生し、１トンの荷重を加えた場合には１
４０ｋｇｆ／ｃｍ² の応力を発生するが、これらの値は
上述した検出器の検出許容感度内に入っており、十分に
検出可能である。

【００１８】なお、本実施例では板状の励磁コアを用い
たが、コ字型形状を有するものでも用い得ることは言う
迄もない。また、検出コアに設けた検出巻線からの検出
信号を閾値と比較させ、これを超える場合にブザーを吹
鳴させるように構成すると、作業中の作業員に警報を報
知させることも可能であり、また、信号伝送線を地上の
管理センターに布設して遠隔測定をすることも可能であ
る。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように本発明の方法によれ
ば、地中に穿設した穴にコンクリートを介在させて強磁
性管を埋設し、強磁性管に加えられる地中歪みを強磁性
管の磁気的特性の変動に変換し、この磁気的特性の変動
を検出する磁気検出器を具備する検出ヘッドを強磁性管
内に挿入し、検出ヘッドを強磁性管の軸方向に線形変位
させ、もしくは回転変位させながら走査し、強磁性管に
加えられる地中歪みによる応力を強磁性管全体にわたっ
て連続的に検出するよう構成したので、強磁性管を介し
て加えられる地中の歪み応力を連続的に検出することが
出来、これにより強磁性管のどの点に地中歪み応力が発
生したかを正確に検知が可能となる。このため、地山面
がどの程度ゆるんだか、またどの点に発生しているかを
検出ヘッド走査領域内にて連続的に検出することが出
来、従って、これに応じて安全対策を配慮した掘削施工
管理を正確に行える。さらに、検出ヘッドを走査するだ
けであるから、狭い作業空間の中でも短時間にて歪み検
出が行える。

【００２０】また、本発明によれば、地中に穿設した穴
にコンクリートを介在させた強磁性管を埋設し、強磁性
管内に摺動自在に設けた検出ヘッドの一端に検出ヘッド
を外部操作側から変位せしめる操作棒を取り付け、検出
ヘッド内に、励磁巻線を備える励磁コアと検出巻線を備
える検出コアとを、検出ヘッドの周面から強磁性管の内
周面に接触せしめる励磁コア及び検出コアの磁極面を露
出せしめるとともに、鋼管に加えられる地中歪みを磁気
的に検出するする構成にしてあるので、操作棒を変位さ
せて検出ヘッドを強磁性管内で線形変位させ、もしくは
回転変位させ、連続的に地中の変動による歪みを測定す
ることが出来。しかも、検出ヘッドに単一の磁気検出器
を具備する関係上、信号伝送線の数を従来の測定装置に
比し大幅に減少させることが出来、これにより断線、接
続不良の電気的事故を激減させることが可能となる他、
製作時の配線作業の簡単化、測定時の操作性を改善する
ことが出来、製造費用を大幅に低減することが出来る。
また、強磁性管中に検出ヘッドを挿入する構成であるか
ら、断線等の電気的故障発生時には、これを新品と簡単
に取り替えることが可能であり、その後の測定作業に支
障を与えることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 地中に設けた穴に打ち込まれたコンクリート
に歪み測定装置を設けた本発明の全体の構成図である。

【図２】 破断して示す鋼管内に設けた摺動自在の検出
ヘッドの側面を示す図である。

【図３】 図２の切断線ＡーＡから眺めた図である。

【図４】 検出ヘッド内に設けた励磁コアと、検出コア
との鋼管に対する配設関係を上から眺めた透視図であ
る。

【図５】 破断して示す鋼管内における励磁コアから検
出コアに、検出コアから励磁コアに流れるそれぞれの磁
束の流れ方向を説明する図である。

【図６】 鋼管内に配設した励磁コアと検出コア、及び
励磁コアから検出コアに、検出コアから励磁コアに流れ
るそれぞれの磁束の流れ方向を説明する透視斜視図であ
る。

【図７】 鋼管に及ぼされる歪み及び磁界と、透磁率
と、検出出力との関係を説明する特性図である。

【図８】 図８（Ａ）は鋼管の端部側が切羽側にて撓ん
だ状態を示す図、図８（Ｂ）は節理岩盤に埋設した鋼管
にて測定した歪み応力分布曲線を示す図である。

【図９】 図９（Ａ）はトンネルにパイプ・ルーフを設
けた従来の技術を示す図、図９（Ｂ）はストレンゲージ
を離散的に配設した従来の技術により検出した歪み分布
曲線を示す図である。

【符号の説明】

１ 地中、２ コンクリート、３ 鋼管、４ 操作棒、
５ 検出ヘッド、７励磁コア、８ 励磁巻線、９及び１
０ 検出ヘッドから露出している励磁コアの磁極面、１
１ 検出コア、１２及び１３ 検出コアの脚、１４ 検
出巻線、１５及び１６ 検出ヘッドから露出している検
出コアの両脚の磁極面。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地中に穿設した穴にコンクリートを介在
   させて強磁性管を埋設し、上記強磁性管に加えられる地
   中歪みを該強磁性管の磁気的特性の変動に変換し、上記
   磁気的特性の変動を検出する磁気検出器を具備する検出
   ヘッドを上記強磁性管内に挿入し、上記検出ヘッドを上
   記強磁性管の軸方向に線形変位させ、もしくは回転変位
   させながら連続的に走査し、上記強磁性管に加えられる
   地中歪みによる応力を検出することを特徴とする地中内
   の歪み測定方法。
2. 【請求項２】 地中に穿設した穴にコンクリートを介在
   させて強磁性管を埋設し、上記強磁性管内に摺動自在に
   設けた検出ヘッドの一端に外部操作側から該検出ヘッド
   を変位せしめる操作棒を取り付け、上記検出ヘッド内
   に、励磁巻線を備える励磁コアと検出巻線を備える検出
   コアとを、該検出ヘッドの周面から上記励磁コア及び検
   出コアの磁極面を上記強磁性管の内周面に接触するよう
   露出せしめるとともに、上記励磁コアの一方の磁極面か
   ら分流する磁束の一方が上記強磁性管の周面方向に沿っ
   て上記検出コアの一方の磁極面に流れ込み、該磁束の他
   方が上記強磁性管の軸方向に沿って該検出コアの他方の
   磁極面に流れ込み、かつ上記検出コアの一方の磁極面か
   ら流出する磁束が上記強磁性管の軸方向に沿って流れ、
   該検出コアの他方の磁極面から流出する磁束が該強磁性
   管の周面方向に沿って流れ、上記励磁コアの他方の磁極
   面に流入するよう交叉配設させたことを特徴とする地中
   内の歪み測定装置。