JPS62151706A

JPS62151706A - トンネル内空の変位計測用検出器およびそれを用いたトンネル内空の変位計測方法

Info

Publication number: JPS62151706A
Application number: JP29221485A
Authority: JP
Inventors: Keiji Tokumiya; 徳富　啓二
Original assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Current assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Priority date: 1985-12-26
Filing date: 1985-12-26
Publication date: 1987-07-06
Also published as: JPH0515210B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（ａ）　　技術分野本発明は、トンネル内壁に設置してトンネルの内空変位
状況を計測するための変位計測用検出器およびこの変位
計測用検出器を用いたトンネル内空の変位計測方法に関
するものである。

（ｂ）　　従来技術岩盤等を掘削して穿設される１〜ンネルは、岩盤の硬軟
あるいは土庄の変化等によりその内周壁の断面形態が変
形しくこれをｒ内空変位」と称している）、極端な場合
、落盤等の生じる虞れがある。そのため、トンネル（特
にＮＡＴＭ工法によるトンネル）の内空変位計測は、杭
内ｌｌ！察調査、天端沈下測定と共に日常計測項目（計
測Ａ）とされている。

従来、このような内空変位計測は、コンバージェンスメ
ジャーを用いた人手による計測方法が実施されてきた。

第６図は、この従来の内空変位計測方法を説明するため
の概略構成を示す正面図である。

同図において、１および２は、トンネル内壁３の対向す
る部位に軸心方向を一致させてそれぞれ植設されたコン
バージェンスボルトであり、一方のコンバージェンスボ
ルト１にはユニット４を介してテープ５の一端が連結さ
れ、このテープ５の他端は調整チューブ付引張装置６、
ダイヤルゲージ７およびユニット８を順次介して他方の
コンバージェンスボルト２に連結されて、いわゆるコン
バージェンスメジャーが構成される。

内空変位の計測に際して、コンバージェンスメジャーの
２つのユニット４および８を両方のコンバージェンスボ
ルト１および２に取付け。

さらに正確に２点間の距離を測定するために調整装置６
を操作してテープ５の張力が一定となるように調整する
。その後、ダイヤルゲージ７の値を読み取り、記録して
おく。適宜時間または所定時間経過後テープの張力を調
整してダイヤルゲージ７の値または最初に読み取った値
からの変化値を記録しておく。以後も同様の手順によっ
て対向するトンネル内壁３，３間の間隔（または長さ）
の変化を測定する。

ところで、このような従来の内空変位計測方法は、トン
ネル内空を横切るようにしてコンバージェンスメジャー
を設置する関係上、その設置作業、調ｖ１（較正を含む
）作業、測定作業等のために大がかりな足場を重機を用
い且つ熟練作業者によって組まねばならず、非常にコス
トが高くつくばかりでなく、高所作業のため危険性を伴
うという難点がある。その上、設置作業や計測作業の都
度、トンネル掘削作業や土砂の搬出作業等の工事を中断
しなければならないという不都合があった。

さらに、機器取付に熟練を要し且つテープ５に正確な張
力を与える必要があり、さらには計測精度を上げるため
に、コンバージェンスメジャーのユニット４，８とダイ
ヤルゲージ７を毎回の測定の都度、付属した校正装置で
校正する必要がある等、甚だ厄介な作業を伴うという麓
点がある。

また、ダイヤルゲージ７は、目視するものであるため、
読取り上の誤差が大きいという難点があるばかりでなく
、測定データを電気的に伝達することができず、遠隔地
点での計測が不可能であり、しかも人手を介した演算が
必要となるという難点がある。

また、近年では、施工管理の重要性が高まっており、計
測データの現場への迅速なフィードバックが必要であり
、電気的出力の得られる内空変位計測方法およびその方
法を実現する機器の開発が要望されているが、上述のコ
ンバージェンスメジャー等の機構的な計測では到底その
要望を満たすことはできない。

（ｃ）　　目的本発明は、上述した従来の電点に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、種々のトンネルあるいは各種
構造物の被測定個所における変位状況を知るために必要
な基準個所または隣接する被測定個所との間の変位およ
び相対角度を電気信号として簡便に且つ精度よく検出す
ることができ、しかも構成が簡素で、製造コストが低廉
であり何回でも再利用が可能であり、さらに携帯性にも
優れたトンネル内空の変位計測用検出器を提供すると共
に、この計測に際して被測定個所から離れた地点での計
測が可能で、高所作業による危険性が全くなく、熟練を
要せず、設置コスト、計測コストが低廉で、工事の中断
の必要がなくしかも良好な精度でトンネル内空の変位を
計測し得るトンネル内空の変位計測方法を提供すること
にある。

（ｄ）　　構成第１の発明（特許請求の範囲第１項に記載の発明）は、
上記の目的を達成させるため、トンネル内壁の被測定個
所にアンカー手段によって固定される検出器本体と、こ
の検出器本体上に回動可能に支持された滑車と、この滑
車に掛けられ両端側に所定の張力が与えられるワイヤと
、前記検出器本体上に設けられ前記滑車の前記検出器本
体に対する回動量を検出しその回動量に対応した電気信
号を出力する変位計測用変換器と、前記検出器本体上に
設けられ前記検出器本体に対する前記ワイヤの各端側の
引出方向角度をそれぞれ検出しその角度に対応した電気
信号を出力する第１および第２の相対角度計測用変換器
とからなり、前記トンネル内空の断面形態の把握に必要
な隣接する被測定個所または基準個所との間の区間変位
および相対角度に相応する電気信号が得られるように構
成したことを特徴としたものであり、第２の発明（特許
請求の範囲第２項に記載の発明）は、アンカー手段を有
する検出器本体に、回動可能な滑車と当該滑車の回動量
を検出し電気信号を出力する変位計測用変換器と当該滑
車に掛け渡されるワイヤの各端側の検出器本体に対する
引出方向角度をそれぞれ検出する第１および第２の相対
角度計測用変換器がそれぞれ取付けられてなる変位計測
用検出器を、トンネル内壁の複数の被測定個所に前記ア
ンカー手段をもってそれぞれ設置し、１本の前記ワイヤ
の一端を前記トンネル内壁の基準個所に固定し、さらに
当該ワイヤを前記複数の変位計測用検出器の各滑車に順
次掛け渡し、その他端に一定張力を付与せしめる張力付
与手段を連結し、前記変位計測用変換器および前記第１
、第２の相対角度計測用変換器からそれぞれ出力される
当該被測定個所の隣接する被測定個所または基準個所に
対する変位および相対角度に対応する電気信号をもとに
前記基準個所からの各変位計測用検出器の位置座標を演
算により求めることを特徴としたものである。

以下、第１および第２の発明（ここではこれら両発明を
総称して本発明ということがある）の構成を、添付図面
に示す実施例に基づいて詳細に説明する。

第２図は、第１の発明の一実施例の構成を示す正面図で
ある。

同図において、９は、トンネル覆工コンクリートであり
、岩盤等を掘削した後で、土砂や岩石等の落下や湧水を
止めるためのもので、その内表面がトンネル内壁３を形
成している。

１０は、トンネル内壁の変位を計測する変位計測用検出
器（以下、「変位検出器」と略称する）であり、その基
本的な構成は、検出器本体１１、アンカー手段としての
アンカー治具１２、変位計測用滑車１３、変位計測用変
換器としての変位計１４、第１および第２の角度伝達ア
ーム１５および１６．第１および第２の相対角度計測用
変換器としての角度計１７および１８、ワイヤ１９より
なっている。このうち、検出器本体１１は、七角形では
あるが板状で且つ野球のホームベース状に類似した形状
を呈しており、一端部にアンカー治具１２が溶接、ねじ
止め等の手段により一体的に固設されており、この検出
器本体１１は、アンカー治具１２をトンネル内壁３を形
成するトンネル覆工コンクリート９に植設することによ
って固定される。この検出器本体１１には、変位計測用
変換器としての変位計１４の本体部が取付けられ、一方
この変位計１４の受感部としての回動軸１４ａまたはこ
の回動軸１４ａと同心で且つ一体的に回動する支軸（図
には現われていない）には、変位計測用滑車１３が嵌合
固定されている。上記変位計１４は、この実施例の場合
、ポテンションメータが用いられている。検出器本体１
１上における滑車１３の斜め両側方の等距離位置には、
第１および第２の相対角度計測用変換器としてのポテン
ションメータよりなる角度計１７および１８の本体部が
取付けられ、一方これら角度計１７および１８の受感部
としての回動軸１７ａおよび１８ａまたはこれと一体に
回動する支軸によって第１および第２の角度伝達アーム
１５および１６の基端がそれぞれ一体的に回動するよう
に取付けられている。この細長い板状の第１および第２
の角度伝達アーム１５および１６には、それぞれ長手方
向に略−直線上に、３個の滑車２１，２２，２３および
２４，２５゜２６が回動可能に取付けられている。上記
回動軸１７ａと１４ａおよび回動軸１８ａと１４ａの間
の検出器本体１０上には案内用滑車２７および２８が回
動自在に取付けられている。そして、変位検出器ｌＯに
は、インバー線よりなるワイヤ１９が、滑車２１，２２
．２３を順次千鳥状に掛け渡され、さらに案内用滑車２
７．変位計測用滑車１３、案内用滑車２８を介し、さら
に滑車２４，２５．２６を順次千鳥状に掛け渡されて引
出されている。

第１図は、第２の発明の一実施例を説明するための模式
的断面図である。

同図において、ｔｏ、１０・・・は、それぞれ第２図に
示したトンネル内空変位計測用の変位検出器であり、ト
ンネル内空の測定断面の性状。

測定目的、測定個所等に応じて所定間隔おきに必要数を
配置する。この例の場合、被測定個所は６個所であり、
変位検出器１０も６個配設されている。１９は、インバ
ー線よりなるワイヤであり、一端は、基準個所Ｍｏに固
定され、第２図の実施例に示したような要領で、各変位
検出器１０に順に掛け渡され、その他端は、最後の被測
定個所Ｍ５の近傍において重錘２９が連結され一定の張
力が負荷されるように構成されている。

次に、このように構成された実施例の動作につき説明す
る。

先ず、トンネル内壁の所定断面において、基準個所Ｍｏ
およびこの基準個所Ｍｏから区間Ｌ１〜Ｌ５を設けて被
測定個所Ｍ１〜Ｍ５に。

それぞれ変位検出器１０を各アンカー治具１２によって
固定する。そして、各変位検出器１０に掛け渡されたワ
イヤ１９の一端を基準個所ＭＯに固定し、ワイヤ１９の
他端を末端の被測定個所Ｍ５の近傍に延出し重錘２９を
連結し吊下げる。これによって、ワイヤ１９の各部には
一定の張力が常時付与されることになる。このような状
態において、例えば、被測定個所Ｍ１が垂直方向に沈下
（変位）したと仮定すると、変位検出器１０が共に沈下
するから、変位計測用滑車１３は、反時計回りに回動す
る。これと同時に、第１の角度伝達アーム１５は、時計
回りに僅かに回動し、第２の角度伝達アーム１６は反時
計回りに僅かに回動する。この変位計測用滑車１３の検
出器本体１１に対する相対回動角の変化を変位計１４が
検出し、その回動角に対応した電気信号、換言すれば１
区間Ｌ１の変位（この場合、マイナス変位）に対応した
電気信号を出力する。また、第１および第２の角度伝達
アーム１５および１６の検出器本体１１に対する相対角
度変化を角度計１７および１８がそれぞれ検出し、その
相対角度変化に対応した電気信号、換言すれば、隣接し
た区間Ｌ１゜Ｌ２との間の相対角度変化（この場合、プ
ラス角度変化）に対応した電気信号を出力する。

第３図（イ）および（ロ）は、隣接する区間の相対角度
変化の検出原理を説明するための説明図である。

同図（イ）において、隣接する被測定個所と当該被測定
個所との間に張られるワイヤ１９１と１９２のなす相対
角度をθ、このワイヤ１９１゜１９２と任意の角度で交
叉する２本の線分をＬａ　、　Ｌｂ　、これら線分Ｌａ
およびＬｂがワイヤ１９＋　と１９２に対し交叉する角
度をＡ＋。

Ａ２およびＢ１．Ｂ２とすると、相対角度θは、次式の
関係のようになる。

θ＝Ａｓ　＋Ａ２−１８０”・・・・・・（１）θ＝Ｂ
！＋Ｂｚ−１８０°・・・・・・（２）この関係は、第
３図（ロ）に示すように、相対角度θが上述の場合より
大きい場合にも成立する。このことから、変位検出器本
体１１が覆工コンクリート９に対しどのような角度で取
付けられても角度Ａｔ、Ａ２またはＢｌ　、Ｂ２が判れ
ば上記（１）式または（２）式より相対角度０が求めら
れることが理解できる。

第４図（イ）、（ロ）、（ハ）は、それぞれトンネル内
空変位の計測原理を説明するための図であり、同図（イ
）は、トンネル中心方向にΔＸの沈下が発生したとき、
同図（ロ）は、真横方向にΔＸの移動が発生したとき、
同図（ハ）は、ΔＸの沈下とΔＸの横方向移動が同時に
発生したときの状態を模式的に示した図である。

いま、任意の被測定個所Ｍｉにおける初期設置相対角度
をθ、隣接する変位検出器間の長さく区間距離）をそれ
ぞれＱｉ、Ｑｉ−ｔとすると、被測定個所Ｍｉの移動量
（変換量）は、Ｍｉ−＋〜Ｍｉ＋ｘの角度およびＱｉ、
Ｑｉ−＋の長さの変化量を計測することにより求めるこ
とができる。

即ち、例えば、初期区間距離Ｑを２０００ｍ＋。

初期相対角度を１５０°、被測定個所Ｍｉにおける移動
量ΔＸとして、第４図（イ）の場合下方向に５１１１１
．（ロ）の場合左横方向に５ｍ、（ハ）の場合下方向お
よび左横方向に５１１ｍ１の移動がそれぞれあったとす
ると、各場合の区間変位Ｑ１−１゜Ｑｉ、被測定個所Ｍ
ｉ−ｔ　、　Ｍｉ　、　Ｍｉｎｔにおける相対角度θ１
−１．θｉ、θｉ＋１は、次表の通り変化する。（ただ
し変位の単位：ｍ、角度の単位：度）。

二二で、相隣る被測定個所ＭｉｙＭｉ÷１での変位計１
４による観測値をＬｉ　、　Ｌｉｆ＋　とすると、各々
の区間変位量Ωｉは、Ｑｉ　＝Ｌｉ＋＋　−Ｌｉ　　　　　　　　　・旧・・
（３）にて与えられる。これが上表（）内数値である。

このようにして、各被測定個所ＭＯ・・・Ｍｉ・・・Ｍ
ｎにおける相対角度θ、区間変位Ｑの値を知ることがで
きる。

第５図は、トンネル内空変位計測装置の一実施例の構成
を示すブロック図である。

同図において、１０ａ、１０ｚ　、１０ｉ　、−１０ｎ
は、第２図に示す変位検出器であり、その各出力値ΔＥ
ｏ、ΔＥｔ、ΔＥｉ・・・ΔＥｎは。

接続ケーブルを介してスキャナ３０に伝達される。スキ
ャナ３０は、上記変位および相対角度に対応した各出力
値ΔＥｏ、ΔＥｉ　、・・・ΔＥｎを演算器３１の切換
指令に応じて順次演算器３１に入力せしめる。演算器３
１は、初期データ設定器３２により供給されるデータ、
および上記各出力値ΔＥｏ、ΔＥｌ、ΔＥｉ・・・ΔＥ
ｎに基づき各変位検出器の位置座標を演算し、その座標
値信号をバッファ３３に順次出力して行く。バッファ３
３に出力された座標値信号は、Ｘ−Ｙプロッタ３４に出
力されこのＸ−Ｙプロッタ３４により各変位検出器の位
置がそれぞれプロットされる。これら複数の変位検出器
は、トンネル内空の輪郭を形成するトンネル内壁に沿う
ようにして設置されているので、Ｘ−Ｙプロッタ３４に
よって、プロットされた点またはこの点を順次結んで描
かれた線図よりトンネル内空の断面形態を把握すること
ができ、その形態の変化から地盤の沈下、落盤等を予測
することができる。

近来、マイクロコンピュータ等を使用することにより、
容易に座標値を演算することができ。

これをＸ−Ｙプロッタ３４に転送することにより瞬時に
して図形処理が可能であるので、施工管理に寄与すると
ころは多大である。

このように構成され且つ動作する本実施例に係るトンネ
ル内空の変位検出器は、その基本的構成が検出器本体１
１、アンカー治具１２、変位計測用滑車１３、変位計１
４．第１．第２の角度伝達アーム１５，１６．角度計１
７，１８、ワイヤ１９よりなる簡素な構成であるため、
携帯性がよい上、製作コストがあまりかからず、設置作
業は、アンカー治具１２をトンネル覆工コンクリート９
に植え込むだけでよいから設置および取外しが可能であ
り再利用も図れ、取り付けの順番も任意でよい等の利点
がある。

また、この変位検出器は、変位および角度に応じた電気
信号が得られるので、遠隔計測、計測現場への迅速なフ
ィードバック、マイクロコンピュータ等による自動演算
処理、図形処理が可能で、目視による計測と違って読取
り誤差の混入する余地がなく、人間の手を介した演算を
排除することができこの点で計測精度の向上が図られる
。そして、ワイヤ１９には、常時１重錘２９によって一
定の張力が付与されているので、従来の内空変位計測方
法のように張力を測定の都度調整する必要がない等、取
扱いが容易であり、計測作業に熟練を何ら必要としない
。

また、ワイヤ１９の張る角度を検出するのに。

２つの角度計１７．１８、角度伝達アーム１５゜１６を
設けであるため、変位検出器１０のトンネル内壁３に対
する取付姿勢に何ら制限を受けることがなく、一定の精
度を確保することができる。

また、第１図に示す実施例によれば、複数の変位検出器
１０．１０・・・およびワイヤ１９、重錘２９は、すべ
てトンネル内壁３に沿って配設されるので、従来のコン
バージェンスメジャーのように、トンネル内空を横切る
ような障害となるものがなく、従って、工事を中断する
必要が全くない。また、計測に際して高所に登る必要が
ないため、危険性がなく、熟練も要せず、その分従来の
方法に比べ、設置コスト、計測コストも大幅に低減化で
きる。

さらに、各変位検出器１０から出力される電気信号を、
例えば第５図に示すトンネル内空変位計測装置によって
処理することによって、迅速且つ正確にトンネル内空の
状況を知ることができ、施工管理上、頗る好都合な情報
が得られる。そして、この情報は、変位検出器の数を増
やし、１区間距難を小さくすることにより、容易に検出
精度を向上することができる。

尚５本発明は、上述し且つ図面に示した実施例のみに限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
において種々の変形実施が可能であることは勿論である
。

例えば、上述した実施例においては、検出器本体１１と
アンカー治具１２とを回動不能に固定しであるが、第３
図について説明したところより明らかなように、これら
両者を回動軸１４ａを中心として相対的に回動し得るよ
うに構成してもよい。

また、第１．第２の角度伝達アーム１５゜１６およびこ
れらの上に取付けられた滑車２１〜２６は、必須なもの
ではなく、要は、変位検出器１０から、引出されるワイ
ヤ１９の両端便の引出方向を検知すればよいのであるか
ら、例えば、一端が回動軸１７ａ、または１８ａを中心
として回動する感知レバーの他端に感知ピン（ローラで
もよい）を設け、このピンが常時ワイヤ１９に当接する
ように上記感知レバーをばねでもって付勢した構成とし
てもよい。

また、この感知レバーまたは、第１．第２の角度伝達ア
ーム１５．１６の枢支点は、第２図示の位置に限らず、
例えば、配置上の制約が許す限り、変位計測用滑車１３
に近い位置であってもよい。そして、案内用滑車２７．
２８を省略してもよい。

さらに、変位計測用変換器および第１の相対角度計測用
変換器として、ポテンショメータ式の変位計および角度
計を用いた例につき説明したが、ロータリエンコーダ、
あるいはひずみゲージ式の角度計または変位計等を用い
てもよく、要は、回動量（回動角）を検出し、それに対
応した電気信号を出力する変換器であれば、その形式１
種類、構造を問うものではない。

（ｅ）　　効果以上詳述したように、第１の発明によれば、トンネルあ
るいは各種構造物の被測定個所における変位状況を知る
ために必要な基準個所または隣接する被測定個所との間
の変位および相対角度に正確に対応した電気信号が簡便
に得られ、しかも構成が簡素で、製造コストが低置で、
設置、撤収および取扱いが簡単で何回でも再利用でき、
加えて携帯性にも優れたトンネル内空の変位計測用検出
器を提供することができる。

さらに、第２の発明によれば、第１の発明に係る変位計
測用検出器を用いているため、上記数々の利点が得られ
るのは勿論のこと、トンネル内空の変位計測に際し、被
測点個所から離隔した地点での遠隔集中計測が可能で、
高所に登る必要がないため安全であり、設置や計測に熟
練者の手を煩わす必要がなく、従って設置コスト、計測
コストが低減化でき、本来の掘削工事を中断をさせずに
すみ、しかも良好な精度で、トンネル内空の形状を把握
するに充分な情報を迅速に得ることのできるトンネル内
空の変位計測方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第２の発明の一実施例を説明するための模式
的断面図、第２回は、第１の発明の一実施例の構成を示
す正面図、第３図（イ）および（ロ）は、それぞれ隣接
する区間の相対角度の検出原理を説明するための説明図
、第４図（イ）、（ロ）、（ハ）は、それぞれ第２の発
明におけるトンネル内空変位の計測原理を説明するため
の図、第５図は、第２の発明に係るトンネル内空変位計
測装置の一実施例の構成を示すブロック図、第６図は、
従来の内空変位計測方法を説明するための概略構成を示
す正面図である。３・・・・・・トンネル内壁、９・・・・・・トンネル覆工コンクリート、１０・・・
・・・変位検出器。１１・・・・・・検出器本体、１２・・・・・・アンカー治具、１３・・・・・・変位計測用滑車、１４・・・・・・変位計、１７．１８・・・・・・角度計、１５．１６・・・・・・第１．第２の角度伝達アーム。１９・・・・・・ワイヤ、２９・・・・・・重錘、３０・・・・・・スキャナ。３Ｉ・・・・・・演算器、３２・・・・・・初期データ設定器、３３・・・・・・バッファ、３４・・・・・・Ｘ−Ｙプリンタ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）トンネル内壁の被測定個所にアンカー手段によっ
て固定される検出器本体と、この検出器本体上に回動可
能に支持された滑車と、この滑車に掛けられ両端側に所
定の張力が与えられるワイヤと、前記検出器本体上に設
けられ前記滑車の前記検出器本体に対する回動量を検出
しその回動量に対応した電気信号を出力する変位計測用
変換器と、前記検出器本体上に設けられ前記検出器本体
に対する前記ワイヤの各端側の引出方向角度をそれぞれ
検出しその角度に対応した電気信号を出力する第１およ
び第２の相対角度計測用変換器とからなり、前記トンネ
ル内空の断面形態の把握に必要な隣接する被測定個所ま
たは基準個所との間の変位および相対角度に相応する電
気信号が得られるように構成したことを特徴とするトン
ネル内空の変位計測用検出器。
（２）アンカー手段を有する検出器本体に、回動可能な
滑車と当該滑車の回動量を検出し電気信号を出力する変
位計測用変換器と当該滑車に掛け渡されるワイヤの各端
側の検出器本体に対する引出方向角度をそれぞれ検出す
る第１および第２の相対角度計測用変換器がそれぞれ取
付けられてなる変位計測用検出器を、トンネル内壁の複
数の被測定個所に前記アンカー手段をもってそれぞれ設
置し、１本の前記ワイヤの一端を前記トンネル内壁の基
準個所に固定し、当該ワイヤを前記複数の変位計測用検
出器の各滑車に順次掛け渡し、その他端に一定張力を付
与せしめる張力付与手段を連結し、前記変位計測用変換
器および前記第１、第２の相対角度計測用変換器からそ
れぞれ出力される当該被測定個所の隣接する被測定個所
または基準個所に対する区間変位および相対角度に対応
する電気信号をもとに前記基準個所からの各変位計測用
検出器の位置座標を所定の演算により求めることを特徴
とするトンネル内空の変位計測方法。