JP2020041994A - 地中変位計および地中変位算定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネル掘削に伴い切羽前方の地山に生じる水平方向及び鉛直方向の変位を、同一の計測地点で計測することの可能な、地中変位計及び地山の変位計測方法を提供する。【解決手段】地中に削孔された孔内に設置されて地中変位を計測する地中変位計であって、直列に配置される複数の長尺部材と、隣り合う該長尺部材どうしを連結する複数のジョイント部材と、該ジョイント部材に収納され、板面にひずみセンサが設置される起歪板を備える２体の計測部と、を備え、前記ジョイント部材が、直列に配置され、前記長尺部材の端部に接続される一対の継手スリーブと、一対の該継手スリーブ間に配置され、該継手スリーブが互いに直交する方向に回動自在となるように接続される中空筒体とを有し、該中空筒体の内側に２体の前記計測部が、前記起歪板の板面を互い直交する方向に向けて、一対の前記継手スリーブに跨って並列に設置されることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、トンネル構築予定領域周辺の切羽前方における地山変位を計測する地中変位計および地中変位計を用いた地中変位算定方法に関する。

従来より、地中にトンネル構造物を構築するべく掘削作業を行うと、トンネル構築予定領域の周辺地山にゆるみが生じて鉛直方向に変位が生じるだけでなく、トンネル軸線方向やトンネル横断方向等への水平変位も生じるなど、周辺地山に３次元的な影響を与えることが知られている。特に、軟弱な不良地山でのトンネル工事は、掘削時にも切羽崩落等の可能性があることから、切羽前方の先行変位を事前に計測することが重要となっている。

このような中、トンネル掘削時における周辺地山の変位をモニタリング可能な計測機として、重力加速度センサ等を用いた傾斜計が広く知られている。この傾斜計は、トンネル軸方向に延在するボーリング孔を切羽前方の天端部に削孔し、このボーリング孔に設置されてトンネル掘削時における天端の沈下計測を行うものであり、地山の鉛直方向の変位を計測することはできるものの、水平方向の変位を計測することができない。

一方、鉛直方向と水平方向の変位を計測可能な変位計として、リンク型変位計が知られている。リンク型変位計は、例えば特許文献１で開示されているように、地山の変位を感知する感知手段が内装された筒体と中継ロッドとを交互に接続してなり、これをトンネル工事周辺地盤に設置して、地盤の水平変位や鉛直変位を連続的に算定するものである。

特開２０００−３９３１６号公報

しかし、リンク型変位計は、水平方向の変位を計測する感知手段と鉛直方向の変位を計測する感知手段が、リンク型変位計の長手方向に位置をずらして設置されることから、水平変位と鉛直変位の計測値点が同一地点とならない。

また、リンク型変位計はその断面径が大きく、広い設置空間を確保できる場合、例えば、既設トンネル内に敷設されている線路に対して支持部材を介して設置し、既設トンネル近傍の掘削工事に伴う地盤の緩みを計測するような場合に好適である。しかし、地山に設けたボーリング孔に挿入・設置して、地山の変位を測定する場合には、ボーリング孔を規格の大きい口径とせざるを得ず、適しているとはいえない。

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、トンネル掘削に伴い切羽前方の地山に生じる水平方向及び鉛直方向の変位を、同一の計測地点で計測することの可能な、地中変位計及び地山の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地中変位計は、地中に削孔された孔内に設置されて地中変位を計測する地中変位計であって、直列に配置される複数の長尺部材と、隣り合う該長尺部材どうしを連結する複数のジョイント部材と、該ジョイント部材に収納され、板面にひずみセンサが設置される起歪板を備える２体の計測部と、を備え、前記ジョイント部材が、直列に配置され、前記長尺部材の端部に接続される一対の継手スリーブと、一対の該継手スリーブ間に配置され、該継手スリーブが互いに直交する方向に回動自在となるように接続される中空筒体とを有し、該中空筒体の内側に２体の前記計測部が、前記起歪板の板面を互い直交する方向に向けて、一対の前記継手スリーブに跨って並列に設置されることを特徴とする。

本発明の地中変位計によれば、２体の計測部が並列に配置された状態で、それぞれの起歪板の板面を直交させてジョイント部材に収納されている。したがって、地中変位計を地中に設置する際に、起歪板の板面をそれぞれ鉛直方向及び水平方向に向けて配置することで、ジョイント部材の配置位置を計測地点とし、この計測地点で鉛直方向および水平方向の計測値の両者を取得できる。これにより、１つの計測地点で、鉛直方向および水平方向の計測値に基づく鉛直方向及び水平方向の地中変位の両者を算出することが可能となる。

本発明の地中変位計は、前記計測部が、記起歪板の一端を一方の前記継手スリーブに固定する固定具と、他端を他方の前記継手スリーブに対して前記板面と平行な方向に摺動自在に押圧する押圧具と、を備えることを特徴とする。

本発明の地中変位計によれば、一対の継手スリーブが何れに回動しても、前記起歪板は、ひずみセンサが設置される板面と直交する方向にのみ変形するため、２体の計測部各々で計測したい方向の変位を精度よく計測することが可能となる。

本発明の地中変位計は、前記ジョイント部材に、前記継手スリーブと前記長尺部材との間に配置されて両者を接続する金具本体と、該金具本体の外面に先端を前記孔の孔壁に向けて放射状に設置される複数の支持棒材と、を有する連結金具を一対備え、前記支持棒材は、長手方向に伸縮する弾性棒材を１本含む少なくとも３本以上設置されることを特徴とする。

本発明の地中変位計によれば、ボーリング孔内において、複数の支持棒材のうち弾性棒材を収縮した状態で鉛直上向きに配置し、他の支持棒材で地中変位計を支持するように設置すると、弾性棒材は常時、鉛直上方の孔壁を押圧するとともに、その反力での他の支持棒材も孔壁を押圧する態様となる。これにより、周辺地山に変形が生じた際にも地中変位計はボーリング孔内で位置ズレ等を生じることがなく、周辺地山の挙動に追従して隣り合う長尺部材間の角度をジョイント部材を介して変化させることが可能となる。

本発明の地中変位計測方法は、トンネル構築予定領域の周辺地山に請求項１または２に記載の地中変位計を、切羽近傍からトンネル掘進方向に延在する削孔に挿入するとともに、２体の前記計測部各々の前記起歪板が板面をそれぞれ鉛直方向および水平方向に向くようにして設置した後、最も坑口側に位置する前記長尺部材の坑口側端部を計測補助地点、複数の前記ジョイント部材の配置位置を計測地点として設定し、掘削開始前および掘削を開始し切羽位置が所定の距離だけ進むごとに複数の前記計測地点各々で計測を行い、掘削開始前および掘削開始後に計測を行った各時点における前記計測地点各々の位置座標を、前記計測補助地点の位置座標を基準とし、複数の前記計測地点で得た計測値のうちの自己よりも坑口側に位置する前記計測地点の計測値に基づいて算定し、複数の前記計測地点各々における掘削前後の位置座標の変位を、鉛直方向および水平方向各々で算定することを特徴とする。

本発明の地中変位計測方法によれば、地中に削孔した孔内に地中変位計を、２体の計測部に備える起歪板の板面がそれぞれ鉛直方向および水平方向を向くように設置するのみの簡略な設置方法で、多大な手間を要することなく、複数の計測地点各々で、トンネル掘削に伴い切羽前方の地山に生じる水平方向及び鉛直方向の変位の両者を算定することが可能となる。

また、本発明の地中変位計測方法は、トンネル構築予定領域の周辺地山に請求項１または２に記載の地中変位計を、切羽近傍からトンネル掘進方向に延在する削孔に挿入するとともに、２体の前記計測部各々の前記起歪板が板面をそれぞれ鉛直方向および水平方向に向くようにして設置した後、最も坑口側に位置する前記長尺部材の坑口側端部を計測補助地点、複数の前記ジョイント部材の配置位置を計測地点として設定し、掘削開始前および掘削を開始し切羽位置が所定の距離だけ進むごとに複数の前記計測地点各々で計測を行い、掘削開始前における前記計測地点各々の位置座標を、前記計測補助地点の位置座標を基準とし、複数の前記計測地点で得た計測値のうちの自己よりも坑口側に位置する前記計測地点の計測値に基づいて算定し、掘削開始後に計測を行った各時点における前記計測地点各々の位置座標を、掘削前に算定した前記地中変位計の最も先端側に位置する計測地点の位置座標を基準とし、複数の前記計測地点で得た計測値のうちの自己よりも先端側に位置する前記計測地点の計測値に基づいて算定し、複数の前記計測地点各々における掘削前後の位置座標の変位を、鉛直方向および水平方向各々で算定することを特徴とする。

本発明の地中変位計測方法によれば、掘削開始後の各計測地点の地山変位を、掘削作業による影響を受ける程度が最も小さい計測地点の位置座標を基準に算定することから、掘削に伴うトンネル周辺地山の挙動をより精度よく把握することが可能となる。

本発明によれば、地中に削孔した孔内に地中変位計を、２体の計測部各々に備える起歪板の板面がそれぞれ鉛直方向および水平方向を向くようにして設置することにより、複数の計測地点各々で、トンネル掘削に伴い切羽前方の地山に生じる水平方向及び鉛直方向の変位の両者を把握することが可能となる。

本実施の形態における地中変位計の設置状況を示す平面図である。 本実施の形態における地中変位計の詳細を示す平面図である。 本実施の形態における地中変位計の計測部の詳細を示す図である。 本実施の形態における地中変位計に水平方向の外力が作用した状態を示す平面図である。 本実施の形態における地中変位を算出する際の座標軸を示す図である。 本実施の形態における計測地点の位置および計測部により計測される角度を示す概念図である。 本実施の形態における第１の算定方法により算定した計測地点の位置座標を示す図である。 本実施の形態における第２の算定方法により算定した計測地点の位置座標を示す図である。 本実施の形態における地中変位計に備える計測部の配置例を示す図である。 本実施の形態における地中変位計に備える計測部の他の事例を示す図である。

本発明は、トンネルの掘削工事に伴って生じる、トンネル構築領域周辺の切羽前方における地山変位を計測するための地中変位計、および地中変位計を用いた地中変位計測方法に関するものである。本実施の形態では、地中変位計をトンネル構築予定領域の側方に位置する周辺地山に設置する場合を事例に挙げ、地中変位計測方法を説明しつつ、地中変位計の詳細および地山変位の算定方法を、図１〜図１０を用いて説明する。

≪地中変位測定方法：地中変位計１０を地山に設置≫
トンネルの掘削工事を開始するにあたって、図１の平面図で示すように、掘削開始位置近傍の地山をトンネル構築予定領域Ｔの断面より広い範囲にわたって掘削し、拡幅部Ｗを構築する。この後、拡幅部Ｗから切羽前方のトンネル掘進方向に向けて、トンネル軸線Ｃと平行にボーリング孔Ｈを設け、このボーリング孔Ｈの内方に地中変位計１０を挿入・設置する。

本実施の形態では、切羽を前方に見てトンネル構築予定領域Ｔの左側に位置する周辺地山の１箇所にボーリング孔Ｈを構築して地中変位計１０を設置している。しかし、地中変位計１０は、トンネル構築予定領域Ｔの周辺地山いずれの位置に設けてもよく、その数量も１箇所に限定されるものではない。

また、本実施の形態では、地中変位計１０をボーリング孔Ｈの孔壁に直接設置しているが、ボーリング孔Ｈ内に孔壁保護用のパイプ材を設置してもよく、その場合には、パイプ材の内方に地中変位計１０を設置すればよい。さらに、ボーリング孔Ｈは必ずしもトンネル軸線Ｃと平行でなくてもよく、トンネル軸線Ｃに対して所定の角度傾斜させて構築してもよい。

＜地中変位計１０：長尺部材１およびジョイント部材２＞
ボーリング孔Ｈに挿入・設置される地中変位計１０は、直列に配置される複数の長尺部材１と、隣り合う長尺部材１どうしを連結する複数のジョイント部材２と、ジョイント部材２に内装される２体の計測部３と備え、ジョイント部材２の配置位置がそれぞれ、地中変位計１０における計測地点Ｐとなる。

長尺部材１は、図１及び図２で示すように、例えばステンレス製の高い剛性を有する断面四角形状の長尺パイプよりなり、その部材長は、計測地点Ｐを配置したい間隔に応じて適宜設定される。本実施の形態では、地中変位を計測する計測地点Ｐを、例えば５００ｍｍおきに設定するべく、長尺部材１の部材長を５００ｍｍとしているが、部材長を１０００ｍｍとし計測地点Ｐの間隔を１０００ｍｍとしてもよい。

また、長尺部材１は、ボーリング孔Ｈ内に設置された際に断面視で、対向する２つの平面が鉛直方向を向き、他の２つの平面が水平方向を向くように配置される。これら長尺部材１は複数を直列に配置されて、ジョイント部材２を介して連結される。

ジョイント部材２は、計測部３を収納している中空筒体２１と、中空筒体２１の両端部各々に連結される一対の継手スリーブ（鉛直回動スリーブ２２及び水平回動スリーブ２３）と、一対の継手スリーブ各々に接続される一対の連結金具２７とを有する。

図２で示すように、中空筒体２１は、長尺部材１より内径の大きい例えばステンレス製の高い剛性を有する中空角筒体よりなり、両端部のうち一方には鉛直回動スリーブ２２の一端が、他方には水平回動スリーブ２３の一端がそれぞれ挿入される。鉛直回動スリーブ２２及び水平回動スリーブ２３は、ともに長尺部材１と同じ断面径を有する例えばステンレス製の高い剛性を有する角柱により構成される。

これら中空筒体２１と鉛直回動スリーブ２２及び水平回動スリーブ２３は、いずれも長尺部材１と同様にボーリング孔Ｈ内に設置された際に断面視で、対向する２つの平面が鉛直方向を向き、他の２つの平面が水平方向を向くように配置される。

そして、図２及び図３で示すように、鉛直回動スリーブ２２の一端と中空筒体２１の一方の端部は、軸線が水平方向に延びる水平軸ピン２５が貫通され、水平回動スリーブ２３の一端と中空筒体２１の他方の端部は、軸線が鉛直方向に延びる鉛直軸ピン２６が貫通されることにより連結される。これにより、ジョイント部材２は、中空筒体２１に対して鉛直回動スリーブ２２が、水平軸ピン２５を軸にして鉛直方向に揺動し、水平回動スリーブ２３が、鉛直軸ピン２６を軸にして水平方向に揺動する、いわゆるユニバーサルジョイントとして機能する。なお、図３は、中空筒体２１の内部を図示するため、中空筒体２１を取り外した状態となっている。

このため、中空筒体２１の内径は、鉛直回動スリーブ２２及び水平回動スリーブ２３を挿入可能なだけでなく、鉛直回動スリーブ２２の鉛直揺動及び水平回動スリーブ２３の水平揺動を許容する大きさが確保されている。一方、中空筒体２１の外径は、最小規格値（一般には径６６ｍｍ）のボーリング孔Ｈに挿入・設置が可能な程度に成形するとよい。

また、図２で示すように、中空筒体２１に一端が連結されている鉛直回動スリーブ２２及び水平回動スリーブ２３各々の他端には、それぞれ連結金具２７が接続されており、この連結金具２７を介して長尺部材１が連結される。

連結金具２７は、帯状鋼板を折り曲げ加工した長尺の金具本体２７１を備え、金具本体２７１の長手方向両端部各々に一対の接続板２７２が設けられている。一方の接続板２７２は鉛直回動スリーブ２２もしくは水平回動スリーブ２３の他端に、ボルト等の締結具２４を介して締結され、他方の接続板２７２は、長尺部材１にボルト等の締結具２４を介して締結される。

また、金具本体２７１には、連結金具２７を地中変位計１０のセントラライザーとして機能させるべく、バネ等の弾性部材を装備した長手方向に伸縮する１本の弾性棒材２７３ａと、ネジ等の長さ調整機能を備えた２本の長さ調整棒材２７３ｂとよりなる３本の支持棒材２７３が放射状に設けられている。これらはいずれも金具本体２７１に対して、その軸心から放射方向に延在するように設置されるとともに、先端にはボールキャスターが設置されている。なお、長さ調整棒材２７３ｂの数量は、２本に限定するものではなく、３本以上設けてもよい。

これらジョイント部材２を構成する、中空筒体２１、鉛直回動スリーブ２２、水平回動スリーブ２３、連結金具２７は、各々の軸心が同一線上に位置するよう配置された状態でそれぞれ連結される。そして、これらジョイント部材２に接続される長尺部材１も、その軸心がジョイント部材２の軸心と同一線上に位置するよう接続される。

上述する構成の地中変位計１０は、地中変位計１０の軸心がボーリング孔Ｈの軸心と合致し、また、連結金具２７に備えた３本の支持部材２７３が孔壁に当接するように、支持部材２７３のうち２本の長さ調整棒材２７３ｂの長さを調整した後、孔壁にボールキャスターを当接させながら挿入・設置される。このとき、弾性棒材２７３ａを収縮させた状態で鉛直上向きに配置するとともに、２本の長さ調整棒材２７３ｂで地中変位計１０を支持するように設置する。

すると、ボーリング孔Ｈ内において、弾性棒材２７３ａは常時、鉛直上方の孔壁を押圧するとともに、その反力で２本の長さ調整棒材２７３ｂも孔壁を押圧する態様となり、地中変位計１０が孔壁に対して固定される。したがって、周辺地山に変形が生じた際にも地中変位計１０はボーリング孔Ｈ内で位置ズレ等を生じることがなく、周辺地山の挙動に追従して隣り合う長尺部材１間の角度をジョイント部材２を介して変化させることが可能となる。

≪地中変位測定方法：地山変位の測定≫
上記のとおり、ボーリング孔Ｈに地中変位計１０を挿入・設置した後、トンネル構築予定領域Ｔの掘削を開始する前と、掘削開始後であって切羽位置が所定距離だけ進むごとに、計測地点Ｐ各々について、ジョイント部材２に収納されている計測部３による計測を行うとともに、計測地点Ｐ各々の位置座標と、水平方向および鉛直方向の変位を算出する。

＜地中変位計１０：計測部３＞
計測部３は、トンネル構築予定領域Ｔを掘削することにより生じる周辺地山の変形に伴って地中変位計１０に外力が作用し、ジョイント部材２を介して連結される長尺部材１どうしが角度を持って隣り合う状態となった際に、その角度（水平方向の角度及び鉛直方向の角度）を計測するものである。本実施の形態では、図２で示すように、２体の計測部３をジョイント部材２を構成する中空筒体２１の内方に配置し、中空筒体２１でこれら２体の計測部３を保護している。

２体の計測部３はいずれも、図３で示すように、起歪板３１と、固定具３２と、押圧具３３とを備え、板バネにより構成される起歪板３１の、板面の表裏各々にひずみセンサ３４が設置されている。これら２体の計測部３は、起歪板３１の板面を互いに直交させた状態で並列に配置され、中空筒体２１の内方で鉛直回動スリーブ２２と水平回動スリーブ２３とに跨るように設置されるが、設置される向きにより水平方向の角度を計測するための水平計測部３ａ、もしくは鉛直方向の角度を計測するための鉛直計測部３ｂとして取り扱われる。

水平方向の角度を計測する水平計測部３ａは、起歪板３１の板面を水平方向に向けた状態で、起歪板３１の一端が、水平回動スリーブ２３の一端に固定具３２により固定され、起歪板３１の他端が、鉛直回動スリーブ２２の一端に押圧具３３を介して板面と平行な方向に摺動自在となる状態で押圧される。

押圧具３３は、いずれの構造のものを採用してもよいが、本実施の形態では押圧板３３１と押圧板３３１を鉛直回動スリーブ２２に固定するボルト等の固定具３３２とにより構成し、押圧板３３１と鉛直回動スリーブ２２の表面との間で起歪板３１の他端を摺動可能な程度の押圧力で挟み込む態様としている。

一方、鉛直方向の角度を計測する鉛直計測部３ｂは、起歪板３１の板面を鉛直方向に向けた状態で、起歪板３１の一端が、鉛直回動スリーブ２２の一端に固定具３２により固定され、起歪板３１の他端が、水平回動スリーブ２３の一端に押圧具３３を介して板面と平行な方向に摺動自在となる状態で押圧される。

したがって、例えば、ジョイント部材２近傍に水平方向の外力が作用すると、図４で示すように、長尺部材１に接続された水平回動スリーブ２３が中空筒体２１に対して水平方向に回動する。すると、水平計測部３ａの起歪板３１は鉛直回動スリーブ２２上を摺動しつつ、板面が撓んで水平方向に凸面を形成する。これを板面に設置されたひずみセンサ３４が検知して電気信号を出力し、この出力値から、ジョイント部材２を介して隣り合う長尺部材１間の水平方向の角度αｈを得ることができる。

このとき、鉛直計測部３ｂを構成する起歪板３１は、水平回動スリーブ２３上を板面と平行な方向に摺動するため変形することはなく、また、水平力が作用したことによる水平回動スリーブ２３の揺動を阻害することもない。

同様に、ジョイント部材２近傍に鉛直方向の外力が作用した際には、鉛直回動スリーブ２２が中空筒体２１に対して鉛直方向に回転する。すると、鉛直計測部３ｂを構成する起歪板３１は水平回動スリーブ２３上を摺動しつつ、板面が撓んで鉛直方向に凸面を形成する。これを板面に設置されたひずみセンサ３４が検知して、隣り合う長尺部材１間の鉛直方向の角度αｖを得ることができる。

このように、起歪板３１は一対の継手スリーブ２２、２３が何れに回動しても、ひずみセンサ３４が設置される板面と直交する方向にのみ変形し、水平計測部３ａと鉛直計測部３ｂ各々で計測したい方向の角度を精度よく計測することが可能となる。

上記のとおり地中変位計１０は、並列に配置した水平計測部３ａと鉛直計測部３ｂの２体の計測部３をジョイント部材２に収納しているため、ジョイント部材２の配置位置である計測地点Ｐにおいて、水平計測部３ａの計測値である水平方向の角度αｈと鉛直計測部３ｂの計測値である鉛直方向の角度αｖの両者を、ともに計測することが可能となる。

そして、計測地点Ｐ各々において、水平方向の角度αｈと鉛直方向の角度αｖの両者を計測できることにより、水平方向及び鉛直方向の位置座標を算出することができ、これにより計測地点Ｐにおいて、地山の水平方向の変位ｕｈおよび鉛直方向の変位ｕｖの両者を算出することが可能となる。

＜計測地点Ｐの位置座標および地中変位ｕｈ、ｕｖの算出方法＞
以下に、計測地点Ｐにおける位置座標のおよび地中変位の算出方法を説明する。本実施の形態では、平面視の位置座標と水平方向の変位ｕｈを算出する方法を事例に挙げ、その算定方法を２パターン（第１の算定方法及び第２の算定方法）説明する。

なお、計測地点Ｐにおける平面視の位置座標と水平方向の変位ｕｈを算出するにあたり、図１で示すように、拡幅部Ｗに計測補助地点Ｐｓを設定し、計測補助地点Ｐｓに係る実測値を用いる。計測補助地点Ｐｓとは、地中変位計１０の最も坑口側に位置する坑口側長尺部材１ａの坑口側端部の配置位置を指し、実測値は、図６（ａ）（ｂ）で示すように、坑口側長尺部材１ａにおける坑口側端部の平面視の位置座標（ｘ０，ｙ０）と、坑口側長尺部材１ａの延在方向とトンネル軸線Ｃにより形成される角の水平方向の傾斜角βｈ０である。

また、図５で示すように、Ｘ軸はトンネル軸線Ｃ方向（＋方向は掘進方向）であり、Ｙ軸はトンネル軸線Ｃと直交する方向（−方向はトンネル軸線Ｃに近づく方向）、である。なお、鉛直方向（−方向は鉛直下向き）はＺ軸とする。

＜第１の算定方法：地中変位計１０の坑口側から先端に向かって順に算出する方法＞
第１の算定方法を説明するにあたり複数の計測地点Ｐｉ（ｉ＝１〜計測地点の数量）は、図６（ａ）で示すように、地中変位計１０の最も坑口側に位置する計測地点を計測地点Ｐ１とし、地中変位計１０の先端に向けて昇順に配置されているものとする。図６（ａ）では、事例として、計測地点Ｐｉを４点（ｉ＝１〜４）示しており、計測地点Ｐｉ間の距離はＬである。

そして、第１の算定方法では、拡幅部Ｗに位置する計測補助地点Ｐｓの実測値を基準とし、坑口側に位置する基準地点Ｐ１から先端側に向けて順に位置座標を算定する。

まず、地中変位計１０の設置後であってトンネル構築予定領域Ｔの掘削を開始する前の時点で、図６（ａ）で示すように、計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ０，ｙ０）と切羽位置長尺部材１ａのトンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈ０を実測する。併せて、各計測地点Ｐｉについて、水平計測部３ａの計測値である水平方向の角度αｈｉを計測する。

次に、各計測地点Ｐｉについて、トンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈｉを、下記（１）式と、実測した傾斜角βｈ０及び計測値である角度αｈｉにより算出する。

各計測地点Ｐｉにおける平面視の位置座標を、先に実測した計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ０，ｙ０）と（１）式で算出したβｈｉとに基づいて、（２）式より算出する。

上記の（１）式及び（２）式による算定を、地中変位計１０の坑口側に位置する計測地点Ｐ１から先端に向かって順に繰り返し、各々の位置座標（ｘｉ、ｙｉ）を算出する。

上記と同様の手順を、トンネル構築予定領域Ｔの掘削開始後であって切羽位置が所定距離だけ進むごとに繰り返し実施する。なお、計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ０、ｙ０）と坑口側長尺部材１ａのトンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈ０は、掘削作業が進むごとに変化することから、これらを実測する作業も、掘削開始前と同様に切羽位置が所定距離だけ進むごとに実施する。

図７（ａ）に位置座標の算出結果を示すグラフ、図７（ｂ）に水平計測部３ａによる計測値αｈとトンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈの一覧表を示す。なお、計測地点Ｐｉ間の距離Ｌは１０００ｍｍである。図７では、上記の第１の算定方法を切羽位置Ａ（掘削開始前）の時点、及び切羽位置Ｂ〜Ｄの時点（位置座標を算出した時点）の合計４回にわたって行っている。これを見ると、掘削作業が進んで切羽が切羽位置Ａ〜切羽位置Ｄに進むにつれて、計測補助地点Ｐｓおよび計測地点Ｐ１〜Ｐ４が徐々にトンネル軸線に近づく方向（Ｙ軸の−方向）に移動している様子が見て取れる。特に、切羽位置Ｃおよび切羽位置Ｄの時点では、計測地点Ｐ２の位置座標が他の計測地点よりトンネル軸線側に大きく移動しており、計測地点Ｐ２付近が軟弱な地盤である可能性を含んでいる様子も見て取れる。

次に、計測地点Ｐｉ（ｉ＝１〜計測地点の数量）各々について、切羽位置Ａ（掘削開始前）の時点の位置座標（初期座標）と切羽位置Ｂ〜Ｄの時点（掘削が所定距離だけ進んだ時点）各々における位置座標の差を算出し、切羽位置Ｂ〜Ｄの時点各々における水平方向の変位ｕｈを算出する。なお、水平方向の変位ｕｈは、図５で示すようなｘ−ｙ平面内のｘ方向変位ｕｘおよびｙ方向変位ｕｙから成るベクトル（ｕｘ、ｕｙ）である。

この場合には、先に算出した切羽位置Ａ（掘削開始前）における計測地点Ｐｉ各々の平面視における位置座標を初期座標として、（３）式の（ｘｉ０，ｙｉ０）に代入し、各計測値Ｐｉの変位ｕｈｉを算出する。

なお、拡幅部Ｗの計測補助地点Ｐｓの変位ｕｈについても、計測地点Ｐｉと同様に上記の（３）式により算定できる。この場合には、先に実測した切羽位置Ａ（掘削開始前）における計測補助地点Ｐｓの位置座標を初期座標として、（３）式の（ｘｉ０，ｙｉ０）に代入し、切羽位置Ｂ〜Ｄの時点各々における計測補助地点Ｐｓの位置座標を（ｘｉ、ｙｉ）に代入することで変位ｕｈを算出する。

また、鉛直方向の変位ｕｖを算定する場合には、計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ０、ｙ０）と切羽位置長尺部材１ａのトンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈ０に代えて、計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ０、ｚ０）と切羽位置長尺部材１ａのトンネル軸線Ｃに対する鉛直方向の傾斜角βｖ０を実測する。併せて、各計測地点Ｐｉについて、鉛直計測部３ｂを用いて鉛直方向の角度αｖｉをそれぞれ計測する。これらを用いて、上記の手順により、計測地点Ｐｉ各々の鉛直方向の位置座標および鉛直方向の変位ｕｖを算定すればよい。なお、鉛直方向の変位ｕｖは、図５で示すようなｘ−ｚ平面内のｘ方向変位ｕｘおよびｚ方向変位ｕｚから成るベクトル（ｕｘ、ｕｚ）である。

上記の地中変位計測方法によれば、地中に削孔したボーリング孔Ｈ内に地中変位計１０を、２体の計測部３に備える起歪板３１の板面がそれぞれ鉛直方向および水平方向を向くように設置するのみの簡略な設置方法で、多大な手間を要することなく、複数の計測地点Ｐｉ各々で、トンネル掘削に伴い切羽前方の地山に生じる水平方向変位ｕｈ及び鉛直方向の変位ｕｖの両者を算定することが可能となる。なお、実際に管理する値は、算出した水平方向の変位ｕｈおよび鉛直方向の変位ｕｖを各方向成分に分解した値ｕｘ、ｕｙ、ｕｚである。

＜第２の算定方法：地中変位計１０の先端から後端（切羽側）に向かって算出する方法＞
第１の算定方法では、各計測地点Ｐｉ（ｉ＝１〜計測地点の数量）としたが、第２の算定方法では、各計測地点Ｐｉ（ｉ＝０〜（計測地点の数量−１））と設定している。つまり、地中変位計１０の最も坑口側に位置する計測地点を計測地点Ｐ１とし、地中変位計１０の先端に向けて昇順に配置され、最も先端側に位置する計測地点の１つ手前をＰ（ｎ−１）とする。そして、地中変位計１０の最も先端側に位置する計測地点を計測地点Ｐｎとし、拡幅部Ｗに設定した計測補助地点Ｐｓを計測地点Ｐ０としている。なお、図６（ｂ）では、事例として、計測地点を４点示している（ｉ＝０〜３、ｎ＝４）。

そして、第２の算定方法では、第１の算定方法と異なり、地中変位計１０の先端側に位置する計測地点Ｐｎの位置座標を基準とし、坑口側に向けて最も坑口側に位置する計測地点Ｐ１および計測補助地点Ｐｓに至るまで順に位置座標を算定する。

まず、地中変位計１０の設置後であってトンネル構築予定領域Ｔの掘削を開始する前の時点で、第１の算定方法により、計測地点Ｐｉ（ｉ＝０〜（ｎ−１））、Ｐｎ各々について、トンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈｉ、βｈｎ、位置座標（ｘｉ、ｙｉ）、（ｘｎ，ｙｎ）を各々算出する。なお、Ｐ０（計測補助地点Ｐｓ）の位置座標（ｘ０，ｙ０）および傾斜角βｈ０は、第１の算定方法で示したように、実測値を用いる。

そして、上記の算出結果のうち、地中変位計１０の最も先端側に位置する計測地点Ｐｎの位置座標（ｘｎ，ｙｎ）およびトンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈｎを、掘削作業を開始した後にも変動することのない固定値として取り扱うこととし、以降の（４）式及び（５）式に用いる。

トンネル構築予定領域Ｔの掘削作業を開始し、切羽位置が所定の距離だけ進んだところで、各計測地点Ｐ１〜Ｐ（ｎ−１）について、水平計測部３ａの計測値である水平方向の角度αｈｉを計測する。

次に、各計測地点Ｐｉについて、トンネル軸線Ｃに対する傾斜角βｈｉを、（４）式により算出する。このとき、水平方向の角度αｈｎおよびトンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈｎはともに、掘削開始前の時点で第１の算定方法により算定した計測地点Ｐｎの計測値および算定値である。

この後、計測地点Ｐｉにおける平面視の位置座標を、掘削開始前の時点で第１の算定方法により算定した計測地点Ｐｎの位置座標（ｘｎ，ｙｎ）と、（４）式で算出したβｈｉとに基づいて、（５）式より算出する。

上記の（４）式及び（５）式による算定を、地中変位計１０の先端側に位置する計測地点Ｐ（ｎ−１）から最も坑口側に位置する計測地点Ｐ１及び拡幅部ｗに位置する計測地点Ｐ０（計測補助地点Ｐｓ）に向かって順に繰り返し、各計測地点Ｐｉの位置座標（ｘｉ、ｙｉ）をそれぞれ算出する。

上記と同様の作業を、切羽位置が所定距離だけ進むごとに繰り返す。こうすると、掘削開始後では、各計測地点Ｐｉの位置座標を、水平計測部３ａの計測値である水平方向の角度αｈ１〜αｈ（ｎ−１）を計測するのみで算定でき、第１の算定方法のように、計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ０、ｙ０）と切羽位置長尺部材１ａのトンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈ０を、繰り返し実測する必要が無い。

図８（ａ）に位置座標の算出結果を示すグラフ、図８（ｂ）に水平計測部３ａによる計測値αｈとトンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈの一覧表を示す。なお、計測地点Ｐｉ間の距離Ｌは１０００ｍｍである。図８では、切羽位置Ａ（掘削開始前）の時点では第１の算定方法により計測地点Ｐ０〜Ｐ４各々について位置座標を算定し、切羽位置Ｂ〜Ｄの時点各々で、第２の算定方法により計測地点Ｐ０〜Ｐ３の位置座標を算定している。なお、切羽位置Ｂ〜Ｄの時点では、前述したようにＰ４（地中変位計１０の最も先端側に位置する計測地点Ｐｎ）は、掘削作業を開始した後にも変動することのない固定値として取り扱っている。

図８を見ると、第１の算定方法と同様に、掘削作業が進んで切羽が切羽位置Ａ〜切羽位置Ｄに進むにつれて、計測補助地点Ｐ０〜Ｐ３が徐々にトンネル軸線に近づく方向（Ｙ軸の−方向）に移動している様子が見て取れる。また、切羽位置Ｄの時点で、計測地点Ｐ２の位置座標が他の計測地点よりトンネル軸線側に大きく移動している様子も見て取れる。

なお、各計測地点Ｐｉ各々の水平方向の変位ｕｈを算出する方法は、第１の算定方法で示した方法と同様に、（３）式を用いればよい。

また、鉛直方向の変位ｕｖを算定する場合には、掘削開始前の計測地点Ｐ０（計測補助地点Ｐｓ）の位置座標（ｘ０、ｙ０）と切羽位置長尺部材１ａのトンネル軸線Ｃに対する水平方向の傾斜角βｈ０に代えて、計測地点Ｐ０（計測補助地点Ｐｓ）の位置座標（ｘ０、ｚ０）と切羽位置長尺部材１ａのトンネル軸線Ｃに対する鉛直方向の傾斜角βｖ０を実測する。併せて、各計測地点Ｐｉ、Ｐｎについて、鉛直計測部３ｂの計測値である鉛直方向の角度αｖｉ、αｖｎを計測する。これらを用いて上記と同様の手順により、計測地点Ｐｉ、Ｐｎ各々の鉛直方向の位置座標および鉛直方向の変位ｕｖを算定すればよい。

上記の地中変位計測方法によれば、掘削後の各計測地点Ｐｉの地山変位を、掘削作業による影響を受ける程度が最も小さい計測地点Ｐｎの位置座標を基準に算定することから、掘削に伴うトンネル構築予定領域Ｔの周辺地山の挙動をより精度よく把握することが可能となる。

また、第１の算定方法と第２の算定方法を併せて実施し算定結果の比較検証を行うと、水平方向の変位ｕｈおよび鉛直方向の変位ｕｖの信頼性をより高めることができる。

本発明の地中変位計および地中変位計を用いた地中変位計測方法は、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、ジョイント部材２に計測部３として水平計測部３ａと鉛直計測部３ｂをそれぞれ１体ずつ採用したが、必ずしもこれに限定するものではなく、図９で示すように、両者を２体ずつ設置してもよい。この場合には、水平計測部３ａと鉛直計測部３ｂの各々で固定具３２と押圧具３３の位置が逆転するように配置するとよい。

また、例えば、水平計測部３ａを２体、鉛直計測部３ｂを１体という具合に、地盤特性や変位を把握した方向の重要度等により、変則的な数量で設置してもよく、さらには、鉛直回動スリーブ２２及び水平回動スリーブ２３の内面及び外面の両者を利用して、最大８体の計測部３を設けることも可能である。

さらに、計測部３は、必ずしも図３で示すような構造に限定されるものではなく、例えば、図１０で示すように、鉛直回動スリーブ２２及び水平回動スリーブ２３各々に対して、起歪板３１と、これに直交して設置される押圧板３３１の両者を一体に備える構成としてもよい。こうすると、起歪板３１を鉛直回動スリーブ２２もしくは水平回動スリーブ２３に固定する固定具３２、および押圧板３３１を鉛直回動スリーブ２２もしくは水平回動スリーブ２３に固定する固定具３３２、の両者が不要となり、また、押圧板３３１も別途製作する必要がないため、部材点数を減少させてより簡略な構成とすることが可能となる。

また、地中変位計１０は、端末装置（図示せず）無線接続させておくとよい。端末装置は、演算処理装置、入力部、出力部及び記憶部等を備えた、いわゆるノート型パソコンやタブレット端末である。そして、地中変位計１０に備えた計測部３の電気信号を入力部より端末装置に入力させるととともに、演算処理装置に上記第１の算定手段により計測地点Ｐの位置座標および水平方向の変位ｕｈ及び鉛直方向の変位ｕｖを算定する第１の算定部を格納しておく。

同様に、演算処理装置に上記第２の算定手段により計測地点Ｐの位置座標および水平方向の変位ｕｈ及び鉛直方向の変位ｕｖを算定する第２の算定部を格納しておく。こうすると、管理者は現場や管理事務所等において、端末装置に備えたディスプレィ等の出力装置に、図７及び図８で示すような計測地点Ｐの算出結果を表示させ、トンネル構築予定領域Ｔの周辺地山の変形挙動をモニタリングすることが可能となる。

１ 長尺部材
２ ジョイント部材
２１ 中空筒体
２２ 鉛直回動スリーブ（一対の継手スリーブ）
２３ 水平回動スリーブ（一対の継手スリーブ）
２４ 締結具
２５ 水平軸ピン
２６ 鉛直軸ピン
２７ 連結金具
２７１ 金具本体
２７２ 接続板
２７３ 支持棒材
２７３ａ 弾性棒材
２７３ｂ 長さ調整棒材
３ 計測部
３ａ 水平計測部
３ｂ 鉛直計測部
３１ 起歪板
３２ 固定具
３３ 押圧具
３３１ 押圧板
３３２ 固定具
３４ ひずみセンサ
１０ 地中変位計
Ｈ ボーリング孔
Ｐ 計測地点
Ｔ トンネル構築予定領域
Ｗ 拡幅部

Claims (5)

1. 地中に削孔された孔内に設置されて地中変位を計測する地中変位計であって、
   直列に配置される複数の長尺部材と、
   隣り合う該長尺部材どうしを連結する複数のジョイント部材と、
   該ジョイント部材に収納され、板面にひずみセンサが設置される起歪板を備える２体の計測部と、を備え、
   前記ジョイント部材が、
   直列に配置され、前記長尺部材の端部に接続される一対の継手スリーブと、
   一対の該継手スリーブ間に配置され、該継手スリーブが互いに直交する方向に回動自在となるように接続される中空筒体とを有し、
   該中空筒体の内側に２体の前記計測部が、前記起歪板の板面を互い直交する方向に向けて、一対の前記継手スリーブに跨って並列に設置されることを特徴とする地中変位計。
2. 請求項１に記載の地中変位計において、
   前記計測部が、前記起歪板の一端を一方の前記継手スリーブに固定する固定具と、他端を他方の前記継手スリーブに対して前記板面と平行な方向に摺動自在に押圧する押圧具と、を備えることを特徴とする地中変位計。
3. 請求項１または２に記載の地中変位計において、
   前記ジョイント部材に、前記継手スリーブと前記長尺部材との間に配置されて両者を接続する金具本体と、該金具本体の外面に先端を前記孔の孔壁に向けて放射状に設置される複数の支持棒材と、を有する連結金具を一対備え、
   前記支持棒材は、長手方向に伸縮する弾性棒材を１本含む少なくとも３本以上設置されることを特徴とする地中変位計。
4. トンネル構築予定領域の周辺地山に請求項１から３のいずれか１項に記載の地中変位計を、切羽近傍からトンネル掘進方向に延在する削孔に挿入するとともに、２体の前記計測部各々の前記起歪板が板面をそれぞれ鉛直方向および水平方向に向くようにして設置した後、
   最も坑口側に位置する前記長尺部材の坑口側端部を計測補助地点、２体の前記計測部が収納される複数の前記ジョイント部材の配置位置を計測地点として設定し、
   前記掘削開始前、および掘削を開始し切羽位置が所定の距離だけ進むごとに、複数の前記計測地点各々で計測を行い、
   掘削開始前および掘削開始後に計測を行った各時点における前記計測地点各々の位置座標を、前記計測補助地点の位置座標を基準とし、複数の前記計測地点で得た計測値のうちの自己よりも坑口側に位置する前記計測地点の計測値に基づいて算定し、
   複数の前記計測地点各々における掘削前後の位置座標の変位を、鉛直方向および水平方向各々で算定することを特徴とする地中変位算定方法。
5. トンネル構築予定領域の周辺地山に請求項１から３のいずれか１項に記載の地中変位計を、切羽近傍からトンネル掘進方向に延在する削孔に挿入するとともに、２体の前記計測部各々の前記起歪板が板面をそれぞれ鉛直方向および水平方向に向くようにして設置した後、
   最も坑口側に位置する前記長尺部材の坑口側端部を計測補助地点、２体の前記計測部が収納される複数の前記ジョイント部材の配置位置を計測地点として設定し、
   前記掘削開始前および掘削を開始し切羽位置が所定の距離だけ進むごとに複数の前記計測地点各々で計測を行い、
   掘削開始前における前記計測地点各々の位置座標を、前記計測補助地点の位置座標を基準とし、複数の前記計測地点で得た計測値のうちの自己よりも坑口側に位置する前記計測地点の計測値に基づいて算定し、
   掘削開始後に計測を行った各時点における前記計測地点各々の位置座標を、掘削前に算定した前記地中変位計の最も先端側に位置する計測地点の位置座標を基準とし、複数の前記計測地点で得た計測値のうちの自己よりも先端側に位置する前記計測地点の計測値に基づいて算定し、
   複数の前記計測地点各々における掘削前後の位置座標の変位を、鉛直方向および水平方向各々で算定することを特徴とする地中変位算定方法。

Images