トンネル健全度判定装置、トンネル健全度判定セット、トンネル健全度判定方法
【課題】精度の高い収束変位に基づき、トンネルの健全性を迅速に判定することができるトンネル健全度判定装置等を提供する。
【解決手段】トンネル健全度判定装置１０が、トンネル１の内周面の変位を測定位置５で実測した実測値を用いて、当該実測値とトンネル１の内周面の変位の収束値との関係を示す関係式について重回帰分析を行い、トンネル１の内周面の変位の収束値を算出する収束変位予測手段３１と、トンネル１の内周面の変位の収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いてトンネル１の健全度に関する指標値を算出する指標値算出手段３３と、を具備する。
【解決手段】トンネル健全度判定装置１０が、トンネル１の内周面の変位を測定位置５で実測した実測値を用いて、当該実測値とトンネル１の内周面の変位の収束値との関係を示す関係式について重回帰分析を行い、トンネル１の内周面の変位の収束値を算出する収束変位予測手段３１と、トンネル１の内周面の変位の収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いてトンネル１の健全度に関する指標値を算出する指標値算出手段３３と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル健全度判定装置、トンネル健全度判定セット、トンネル健全度判定方法に関する。より詳しくは、トンネルの内周面の収束変位を用いて、トンネルの健全度に関する指標値を算出するトンネル健全度判定装置、トンネル健全度判定セット、トンネル健全度判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から山岳トンネル工事においては、安全かつ経済的にトンネルを建設するため、掘削中に観察、計測したデータを設計、施工にフィードバックして掘削を進める工夫がとられてきた。
【０００３】
建設プロジェクトの生産性向上の観点からは、観察・計測データのフィードバックには迅速性が求められており、情報通信技術を用いた計測管理が普及してきている。
【０００４】
例えば、特許文献１〜３には、システムの構成は違えど、情報通信技術を利用して計測データの管理・運用を支援するシステムが示されている。
【０００５】
また、山岳トンネルにおける坑内変位は掘削が進行するにつれてその変位も増加するという特徴を持っている。そのため、より迅速に計測データを設計・施工にフィードバックするために、掘削初期の計測データから最終値（収束値）を予測する技術も発展している。
【０００６】
特許文献４では、掘削初期段階の坑内変位速度から円弧曲線を用いた近似的手法によって最終坑内変位を予測する手法が考案されている。また、非特許文献１では、指数関数によって近似する手法や類似トンネル工事の実績から最終坑内変位を予測する手法が考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２３４１７１号公報
【特許文献２】特開２００７−４０７７３号公報
【特許文献３】特開平８−１４５６７０号公報
【特許文献４】特許第３３０８３７１号
【非特許文献１】土木学会岩盤力学委員会編“トンネルの地質調査と岩盤計測”土木学会、１９９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
山岳トンネル工事における計測管理の目的は、計測データを逐次反映することによりその生産効率を最大化することである。具体的には、計測データを逐次分析することによって切羽崩落や大変形による支保変状等のトラブルを未然に防止するための適切な支保パターン・対策工を選定することである。
【０００９】
支保パターンの適正・対策工実施の必要性を判断するためには、トンネル坑内変位データだけでは判断材料として乏しい。そのため、計測データをインプットとして地盤の剛性等の指標をアウトプットとして求める再現解析技術がトンネル健全度を判断する際によく活用されてきた。
【００１０】
特許文献１〜３における計測管理システムはあくまでデータの管理・運用といった従来の計測管理手法の延長にある。そのため、変位収束を待ってからデータ分析（再現解析）を実施しており、データ分析に基づき適切な対策工を実施等するためには時間がかかっていた。
【００１１】
これに対し、特許文献４、非特許文献１には最終変位の予測手法が示されているが、これらをそのまま用いる場合、その精度には課題が残されている。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、精度の高い収束変位に基づき、トンネルの健全性を迅速に判定することができるトンネル健全度判断システム等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述した目的を達するための第１の発明は、トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定装置であって、前記トンネルの内周面の変位を所定の測定位置で実測した実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測手段と、前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出手段と、を具備することを特徴とするトンネル健全度判定装置である。
【００１４】
また、第１の発明のトンネル健全度判定装置は、前記指標値に基づいて前記トンネルの健全度を判定するトンネル健全度判定手段を更に具備することも望ましい。
【００１５】
また、前記指標値算出手段は、前記収束値と、前記地質条件値、前記構造物条件値とを用いて、前記トンネルの内周面の変位の収束時の前記トンネルの内周面とその周囲の変位、応力状態を算出し、前記変位、応力状態に基づいて、前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する。
【００１６】
前記変位は、例えば、前記トンネルの内周面の天端沈下量または内空変位量であり、前記指標値は、例えば、坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲のうち少なくとも１つを含むものである。
【００１７】
また、前記関係式は、前記実測値の測定位置と前記トンネルの切羽との距離を変数として含み、前記実測値は、前記測定位置を固定し、前記切羽が所定の位置に達するごとに実測したものである。
【００１８】
前述した目的を達するための第２の発明は、トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定セットであって、前記トンネルの内周面の変位を実測する変位測定装置と、トンネル健全度判定装置とを備え、前記トンネル健全度判定装置は、前記変位測定装置により所定の測定位置で実測した前記トンネルの内周面の変位の実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測手段と、前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出手段と、を具備することを特徴とするトンネル健全度判定セットである。
【００１９】
前述した目的を達するための第３の発明は、トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定方法であって、前記トンネルの内周面の変位を所定の測定位置で実測する変位測定工程と、前記変位の実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測工程と、前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出工程と、を具備することを特徴とするトンネル健全度判定方法である。
【００２０】
上記構成により、トンネルの内周面の変位を所定の測定位置で実測し、この実測値とトンネルの内周面の変位の収束値との関係を示す関係式の重回帰分析を行い、トンネルの内周面の変位の収束値を算出して予測する。この変位は、例えばトンネルの内周面の天端沈下量または内空変位量であり、当該関係式は、実測値の測定位置とトンネルの切羽との距離を変数として含み、変位の実測は測定位置を固定し、切羽が所定の位置に達するごとに行う。
【００２１】
また、算出した収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて再現解析等を行い、変位収束時のトンネルの内周面とその周囲の変位、応力状態を算出し、この変位、応力状態に基づいてトンネルに関する指標値を算出する。この指標値に基づいて、例えば基準値と比較するなどしてトンネルの健全度を判定する。地質条件値は、例えば地盤構成、地表面形状、土被り厚、地盤強度、単位体積重量等の、トンネル周囲の地質条件等を示すパラメータである。構造物条件値は、例えば、トンネル形状、支保（吹付けコンクリート等）の剛性および断面性状等の、トンネルの構造条件等を示すパラメータである。また、トンネルに関する指標値は、例えば坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲のうち少なくとも１つを含むものである。この判定結果により、支保パターンの見直しや、対策工の実施を行うことができる。
【００２２】
従って、トンネルの収束変位は、変位の収束後にこれを実測するのではなく、収束前に実測したトンネルの変位を用いて早期に予測することができる。また、一連のトンネル健全度判定処理を情報通信技術を用いて連動・自動化することで、早期に取得したデータからトンネル健全度を判定する坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲といった指標を瞬時に得ることができる。従って、トンネルの健全度を判定し、適切な対策工を実施等するために時間がかからず、迅速な対応が可能になる。
【００２３】
また、トンネルの収束変位の予測の際には、所定の測定位置で実測した実測値を用いて、当該実測値とトンネルの内周面の変位の収束値との関係を示す関係式の重回帰分析を行い、収束値を算出する。従って、個々のトンネルの状況に応じた予測が可能になる。また、トンネルの掘削の進行とともに実測変位のデータを増やしてゆくことにより、重回帰分析を行った関係式の精度を上昇させ、変位の収束値の予測精度を上昇させることができる。
【００２４】
これにより、トンネルの掘削工事の際に、切羽崩落や大変形による支保変状等のトラブルを未然に防ぎ、切羽進行の継続性を確保することや、過剰変位の発生による縫返し（再掘削）等の手戻りを防止することが容易になり、また早期に対策工を実施することにより対策工法の効率化が可能になる。また、過剰な地盤の緩み、変位を事前に防止することで、覆工コンクリートの設計厚の確保が容易になる。従って、トンネル工事の生産性向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、精度の高い収束変位に基づき、トンネルの健全性を迅速に判定することができるトンネル健全度判定装置等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】トンネルの掘削と、坑内変位の測定を説明する図
【図２】トンネル健全度判定装置のハードウェア構成を示す図
【図３】トンネル健全度判定セットの機能構成を示す図
【図４】トンネル健全度判定方法の流れを示すフローチャート
【図５】収束変位の算出について説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下図１から図４を参照しながら、本発明のトンネル健全度判定装置等の実施形態について説明する。
【００２８】
図１は、掘削を行い本実施形態のトンネル健全度判定装置等で健全度を判定するトンネル１について示す図で、（ａ）図はトンネル長軸方向に沿った断面を、（ｂ−１）図、（ｂ−２）図は（ａ）図の線Ａ−Ａ’（測定位置５）における断面（トンネル１の内周面）をそれぞれ示す。
【００２９】
本実施形態のトンネル健全度判定装置１０は、変位測定装置２０とともにトンネル健全度判定セット４０を構成する。
【００３０】
トンネル健全度判定セット４０では、トンネル１を掘削する際、変位測定装置２０により所定の測定位置５でトンネル１の内周面の変位を実測する。変位の実測は切羽の進行に伴い、定期的に行う。
【００３１】
トンネル健全度判定装置１０は、この実測値（実測変位）を用いて、トンネル１の内周面の変位の収束値（収束変位）を算出し、これに基づき再現解析を行い、変位収束時のトンネル１の内周面ならびにその周囲の地盤等の変位・応力状態を算出する。さらに、この変位・応力状態に基づいてトンネル１に関する各種の指標値を算出し、これに基づいてトンネル１の健全度を判定する。この判定結果に応じて支保パターンの見直し、対策工の実施等を行うことができる。
【００３２】
図１で３ａ、３ｂ、３ｃは切羽であり、トンネル１を掘削した先端部である。本実施形態では図１のａで示す方向にトンネル１の掘削を進行し、その際の切羽が３ａ、３ｂ、３ｃの順に形成されるものとする。測定位置５と切羽３ａ、３ｂ、３ｃの距離は、それぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３とする。
【００３３】
本実施形態では、（ｂ−１）図に示すように、測定位置５において、トンネル１の内周面に沿って５箇所の測定点５ａ〜５ｅを設ける。測定点５ａは、トンネル１の内周面で、上端部のトンネル幅方向中央位置に設けられる。測定点５ｂ〜５ｅは、トンネル１の内側面に設けられる。測定点５ｂ、５ｃはトンネル掘削方向（図１の矢印ａ）に対して左側に、測定点５ｄ、５ｅはトンネル掘削方向に対して右側に設けられる。測定点５ｂと５ｄ、測定点５ｃと５ｅはそれぞれ同じ高さ位置に設けられている。
【００３４】
本実施形態において、変位測定装置２０で実測するトンネル１の内周面の変位は、天端沈下量と内空変位量である。
【００３５】
天端沈下量は、測定点５ａの垂直方向変位量であり、（ｂ−２）図のＤ１で示される。内空変位量は、トンネル１の内周面に設けた測定点間の距離の変化量をあらわすもので、本実施形態では、測定点５ｂと５ｄの距離の変化量ならびに測定点５ｃと５ｅの距離の変化量とする。それぞれ、（ｂ−１）図、（ｂ−２）図のＤ２、Ｄ２’、Ｄ３、Ｄ３’を用いてＤ２−Ｄ２’（測定点５ｂと５ｄの距離の変化量）、Ｄ３−Ｄ３’（測定点５ｃと５ｅの距離の変化量）で示される。変位測定装置２０は、例えば予め基準値として測定した上記の測定点５ａの位置やＤ２、Ｄ３の値と、新たに測定した測定点５ａの位置やＤ２’、Ｄ３’の値を比較して上記の天端沈下量や内空変位量を実測することができる。
【００３６】
しかしながら、測定点の位置、あるいは内空変位等の測定方法についてはこれに限ることはない。例えば測定点５ａと５ｂの距離から内空変位の測定を行ってもよい。
【００３７】
図２はトンネル健全度判定装置１０のハードウェア構成を示す図である。トンネル健全度判定装置１０は、図２に示すように、制御部１１、記憶部１２、表示部１３、通信部１４、入力部１５、出力部１６等がバス１７を介して接続されて構成される。
【００３８】
制御部１１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｓｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等により構成される。
【００３９】
ＣＰＵは、記憶部１２、ＲＯＭ、記録媒体等に格納されるプログラムをＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス１７を介して接続された各部を駆動制御する。これにより、制御部１１のＣＰＵは後述するトンネル健全度判定の処理を実行する。ＲＯＭは、コンピュータのブートプログラムやＢＩＯＳ等のプログラム、データ等を恒久的に保持する。ＲＡＭは、ロードしたプログラムやデータを一時的に保持するとともに、制御部１１が各種処理を行うために使用するワークエリアを備える。
【００４０】
記憶部１２は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）等であり、制御部１１が実行するプログラムや、プログラム実行に必要なデータ、ＯＳ（オペレーティング・システム）等が格納されている。これらのプログラムコードは、制御部１１により必要に応じて読み出されてＲＡＭに移され、ＣＰＵに読み出されて実行される。
【００４１】
表示部１３は、例えば液晶パネル、ＣＲＴモニタ等のディスプレイ装置と、ディスプレイ装置と連携して表示処理を実行するための論理回路（ビデオアダプタ等）で構成され、後述するトンネル健全度判定の処理に係る画面を表示する。
【００４２】
通信部１４は、通信制御装置、通信ポート等を有し、ネットワークとの通信を媒介する通信インタフェースであり、通信制御を行う。
【００４３】
入力部１５は、例えば、キーボード、マウス等のポインティング・デバイス、テンキー等の入力装置、ドライブ装置やスキャナなど、トンネル健全度判定装置１０へデータ入力を行うための周辺装置であり、入力されたデータを制御部１１へ出力する。
【００４４】
出力部１６は例えばプリンタやドライブ装置など、トンネル健全度判定装置１０からのデータ出力を行うための周辺装置である。
【００４５】
バス１７は各装置間の制御信号やデータ信号等の授受を媒介する経路である。
【００４６】
変位測定装置２０は例えば制御部、記憶部、通信部、出力部等を備えた光波測定器であり、トンネル１の内周面の変位として、前述の天端沈下量と内空変位量を実測する。天端沈下量、内空変位量等の実測変位データは記憶部等に記憶され、通信部や出力部等を介してデータの通信、出力が行われる。これらのデータは、トンネル健全度判定装置１０に入力され、記憶部１２等に記憶される。
【００４７】
図３はトンネル健全度判定セット４０の機能構成を示す図である。トンネル健全度判定セット４０は、トンネル健全度判定装置１０と、変位測定装置２０とにより構成され、トンネル健全度判定装置１０は、収束変位予測手段３１、指標値算出手段３３、健全度判定手段３５を備える。
【００４８】
収束変位予測手段３１は、制御部１１が、所定の測定位置にて変位測定装置２０により実測し、記憶部１２等に記憶した天端沈下量、内空変位量等のトンネル１の内周面の実測変位を用いて、当該実測変位とトンネル１の内周面の収束変位の関係式に基づき重回帰分析を行い、トンネル１の内周面の収束変位を算出（予測）するものである。なお、この実測変位は所定の測定位置で測定したものであるが、算出した収束変位はトンネル１の全長に渡って適用可能なものでもある。これについては後述する。
【００４９】
指標値算出手段３３は、制御部１１が、収束変位予測手段３１で算出した収束変位と、地質条件データ（地質条件値）、構造物条件データ（構造物条件値）を用いて、有限要素法等を用いた再現解析を行い、トンネル１の内周面ならびにその周囲における変位、応力状態を算出し、これに基づきトンネル１の健全度に関する指標値を算出するものである。
【００５０】
地質条件データは、例えば地盤構成、地表面形状、土被り厚、地盤強度、単位体積重量等の、トンネル１の周囲の地質条件等を示すパラメータである。構造物条件データは、トンネル形状、支保（吹付けコンクリート等）の剛性および断面性状等の、トンネル１に係る構造物の条件等を示すパラメータである。これらの値は、トンネル掘削前やトンネル掘削時の、地質調査、支保等の計画や施工状態に基づいて定めることができ、予めあるいは再現解析、指標値算出の際に入力部１５等を介してトンネル健全度判定装置１０に入力し、記憶部１２やＲＡＭ等に記憶させることができる。
【００５１】
トンネル１の健全度に関する指標値は、例えば、坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲等である。これらの値については後述する。
【００５２】
健全度判定手段３５は、制御部１１が、指標値算出手段３３により算出したトンネル１の健全度に関する指標値を、予め定める基準値と比較等し、トンネル１の健全度を判定するものである。
【００５３】
続いて、図４等を用いて、本実施形態のトンネル健全度判定装置１０等を用いたトンネル健全度判定方法について説明する。
【００５４】
まず、トンネル１の掘削を行い（ステップ１０１）、切羽が所定の位置に達すると、変位測定装置２０により、測定位置５におけるトンネル１の内周面の変位として、前述の天端沈下量と内空変位量を実測する（ステップ１０２）。
【００５５】
これらの実測変位データは、ユーザ操作等に応じて、測定位置５と切羽のトンネル長軸方向に沿った距離Ｌと紐付け、通信部等を介してトンネル健全度判定装置１０に入力し、ＲＡＭや記憶部１２等に記憶させる。または変位測定装置２０の記憶部等にこれを保存しておき、トンネル健全度判定処理の進行に応じて出力部等から出力し、トンネル健全度判定装置１０の入力部１５等を介して入力するようにしてもよい。
【００５６】
このように、トンネル１の掘削を進行しつつ、掘削先端部の切羽が（複数の）所定の位置に達した各時点で、天端沈下量と内空変位量を実測する。これにより、測定位置５とトンネル１の切羽との距離を変えながら、複数の実測変位をその収束を待たずに早期に取得する。
【００５７】
なお、本実施形態では測定位置５を固定して、トンネル掘削（切羽の進行）の各段階で変位を実測することにより、測定位置５と掘削時の切羽との距離を変えながら実測変位を取得しているが、測定位置５を変える、あるいは複数の測定位置５を設けることにより測定位置５と切羽との距離を変えて実測変位を取得することもできる。但し、本実施形態のように、測定位置５を固定し、トンネル掘削の各段階で変位を実測することは、作業性の点、少数の変位測定装置２０によりデータが得られる点などで有利である。
【００５８】
測定位置５における天端沈下量や内空変位量等の実測変位データをそれぞれ３個得るまで（ステップ１０３のＮＯ）、上記のトンネル掘削（ステップ１０１）と変位の実測（ステップ１０２）の手順を繰り返す。本実施形態では、トンネル１の掘削先端部が図１の切羽３ａ、３ｂ、３ｃに達した時点の、測定位置５におけるトンネル１の内周面の変位（天端沈下量や内空変位量等）Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３をそれぞれ実測し、測定点５と切羽３ａ、３ｂ、３ｃとの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３（図１参照）とそれぞれ紐付けてトンネル健全度判定装置１０のＲＡＭや記憶部１２等に記憶させておく。
【００５９】
このように、実測変位データをそれぞれ少なくとも３個得る（ステップ１０３のＹＥＳ）と、トンネル健全度判定装置１０の制御部１１は、ユーザ操作等に応じて、測定位置５で実測したトンネル１の内周面の実測変位と、トンネル１の内周面の収束変位の関係式に基づき重回帰分析を行い、収束変位を算出する（ステップ１０４）。
【００６０】
即ち、ステップ１０４で、トンネル健全度判定装置１０の制御部１１は、記憶部１２等に記憶した、天端沈下量や内空変位量等の実測変位Ｙと、測定位置５と切羽３ａ、３ｂ、３ｃとの距離の組合せ（Ｙ１、Ｌ１）、（Ｙ２、Ｌ２）、（Ｙ３、Ｌ３）に対して、非特許文献１に示される、切羽からの距離Ｌ、収束変位Ａ、実測変位Ｙの各変数の関係を示す式（１）
式（１）…Ｙ＝Ａ×（１−ｅｘｐ（−Ｌ／ｂ））＋Ｃ
のフィッティングを上記の値の組を用いた重回帰分析により行い、この際の収束変位Ａの値を算出する。式（１）において、ｂは収束係数、Ｃは計測遅れの補正項である。このようにして求めた収束変位Ａは、制御部１１のＲＡＭ等に記憶し、以降の処理に用いる。
【００６１】
図５は、重回帰分析による収束変位Ａの算出の例を説明する図で、切羽からの距離Ｌと変位Ｙとの関係の例を示したものである。５１ａは天端沈下量の実測変位、５１ｂは内空変位量の実測変位の例である。また、５３ａは、天端沈下量について式（１）が示す距離Ｌと変位Ｙの関係を表す近似曲線を示し、５３ｂは、内空変位量について式（１）が示す距離Ｌと変位Ｙの関係を表す近似曲線を示す。これらの近似曲線は、それぞれ上記の式（１）のフィッティングを重回帰分析により行った結果の例である。即ち、測定位置と切羽との距離Ｌが長くなる（トンネル掘削の進行）に伴って変位Ｙは増加するが、距離Ｌがある程度長くなると、変位Ｙは収束変位Ａに収束する。ステップ１０４は、この収束変位Ａの値を算出するものである。
【００６２】
なお、収束変位Ａの値は、測定位置５に限らず、トンネル１のほぼ全長に渡って適用可能なものである。即ち、トンネル１の各位置では、距離Ｌの増加（切羽の進行）に伴い内周面の変位がいずれ収束変位Ａに収束する、あるいは既に収束しているものとみなすことができるためである。
【００６３】
続いて、トンネル健全度判定装置１０の制御部１１は、算出した収束変位Ａの値と、地質条件データと、構造物条件データを用いて、有限要素法等を用いた再現解析を行い、トンネル１の内周面ならびにその周囲の地盤やトンネル１の構造物等の各所（有限要素法における節点等）の変位、応力状態等を算出する。さらに、このようにして算出した変位、応力状態を用いてトンネル１の健全度に関する指標値を算出する（ステップ１０５）。上記したように、収束変位Ａはトンネル１のほぼ全長で適用可能なものであり、この際の再現解析・指標値算出もトンネル１のほぼ全長にわたる範囲で行うことができる。
【００６４】
前述したように、上記の地質条件データと、構造物条件データは、トンネル掘削前あるいは掘削時の、地質調査、支保等の計画や施工状態により予め定めることができ、ステップ１０５の処理を実行する際、またはこれに先行して、入力部１５を介してトンネル健全度判定装置１０に入力され、ＲＡＭや記憶部１２等に記憶される。なお、ステップ１０５で用いるデータが多くなる場合は、実験計画法を援用することにより用いるデータを絞って上記の処理を高速化することも可能である。
【００６５】
上記の指標値は、例えば坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、緩み範囲等である。坑内変位分布は、例えば支保等の未施工状態でトンネル１の内周面やその周囲の地盤の各所の変位状態を示すものである。支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力は、事前に計画したあるいは実際に施工した鋼製支保工や吹付けコンクリート、ロックボルト等のトンネル１に係る構造物について、各所の応力状態を求めるものである。地盤の緩み範囲は、例えば地盤が塑性状態にあるかどうかを示すもので、地盤の各所での応力状態や地盤強度等に基づき求めることができる。
【００６６】
次に、トンネル健全度判定装置１０は、上記の坑内変位分布、支保工応力、吹き付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲等を、予め定めた基準値と比較して安全側にあるかを判定し、トンネルの健全度を判定する（ステップ１０６）。これらの基準値は、予め定めておき、記憶部１２等に記憶させておくことができる。なお、健全度の判定は上記のように基準値との比較により行うものに限られることはなく、また人手で行うことも可能である。
【００６７】
トンネルが健全でないと判定された場合（ステップ１０７のＮＯ）、支保パターンの見直しや、対策工の実施が行われる（ステップ１０８）。
【００６８】
トンネルが健全であると判定された場合（ステップ１０７のＹＥＳ）、そのまま掘削を続け（ステップ１０９のＮＯ）、以下上記の処理を繰り返しながら、トンネルの掘削を続け、トンネルの掘削を終了する（ステップ１０９のＹＥＳ）。上記の処理を繰り返すことで、ステップ１０２で実測するトンネル１の内周面の実測変位データが増加する。従って、ステップ１０４で収束変位Ａを算出する際に行う重回帰分析の精度が上昇し、より精度の高い収束変位Ａを算出することが可能になる。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態のトンネル健全度判定装置等では、トンネル１の内周面の変位を実測し、この実測変位とトンネル１の内周面の収束変位との関係を示す関係式の重回帰分析を行い、収束変位を算出して予測する。
【００７０】
また、算出した収束変位と、地質条件データ、構造物条件データとを用いて再現解析を行い、変位収束時のトンネル１の内周面とその周囲の変位、応力状態を算出する。さらに、この変位、応力状態に基づいてトンネル１に関する指標値を算出し、この指標値に基づいてトンネルの健全度を判定する。この判定結果により、支保パターンの見直しや、対策工の実施を行うことができる。
【００７１】
従って、トンネル１の収束変位は、変位の収束後にこれを実測するのではなく、収束前に実測したトンネルの変位を用いて早期に予測することができる。また、一連のトンネル健全度判定処理を情報通信技術を用いて連動・自動化することで、早期に取得したデータからトンネル健全度を判定する坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲といった指標を瞬時に得ることができる。従って、トンネル１の健全度を判定し、適切な対策工を実施等するために時間がかからず、迅速な対応が可能になる。
【００７２】
また、トンネル１の収束変位の予測の際には、所定の測定位置で実測した実測変位を用いて、当該実測変位とトンネル１の内周面の収束変位との関係を示す関係式の重回帰分析を行い、収束変位を算出する。従って、個々のトンネルの状況に応じた予測が可能になる。また、トンネル１の掘削の進行とともに実測変位のデータを増やしてゆくことにより、重回帰分析を行った関係式の精度を上昇させ、収束変位の予測精度を上昇させることができる。
【００７３】
これにより、トンネルの掘削工事の際に、切羽崩落や大変形による支保変状等のトラブルを未然に防ぎ、切羽進行の継続性を確保することや、過剰変位の発生による縫返し（再掘削）等の手戻りを防止することが容易になり、また早期に対策工を実施することにより対策工法の効率化が可能になる。また、過剰な地盤の緩み、変位を事前に防止することで、覆工コンクリートの設計厚の確保が容易になる。従って、トンネル工事の生産性向上を図ることができる。
【００７４】
以上、添付図面を参照しながら、本発明に係るトンネル健全度判定装置等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００７５】
１………トンネル
３ａ、３ｂ、３ｃ………切羽
５………測定位置
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ………測定点
１０………トンネル健全度判定装置
２０………変位測定装置
３１………収束変位予測手段
３３………指標値算出手段
３５………健全度判定手段
４０………トンネル健全度判定セット
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル健全度判定装置、トンネル健全度判定セット、トンネル健全度判定方法に関する。より詳しくは、トンネルの内周面の収束変位を用いて、トンネルの健全度に関する指標値を算出するトンネル健全度判定装置、トンネル健全度判定セット、トンネル健全度判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から山岳トンネル工事においては、安全かつ経済的にトンネルを建設するため、掘削中に観察、計測したデータを設計、施工にフィードバックして掘削を進める工夫がとられてきた。
【０００３】
建設プロジェクトの生産性向上の観点からは、観察・計測データのフィードバックには迅速性が求められており、情報通信技術を用いた計測管理が普及してきている。
【０００４】
例えば、特許文献１〜３には、システムの構成は違えど、情報通信技術を利用して計測データの管理・運用を支援するシステムが示されている。
【０００５】
また、山岳トンネルにおける坑内変位は掘削が進行するにつれてその変位も増加するという特徴を持っている。そのため、より迅速に計測データを設計・施工にフィードバックするために、掘削初期の計測データから最終値（収束値）を予測する技術も発展している。
【０００６】
特許文献４では、掘削初期段階の坑内変位速度から円弧曲線を用いた近似的手法によって最終坑内変位を予測する手法が考案されている。また、非特許文献１では、指数関数によって近似する手法や類似トンネル工事の実績から最終坑内変位を予測する手法が考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２３４１７１号公報
【特許文献２】特開２００７−４０７７３号公報
【特許文献３】特開平８−１４５６７０号公報
【特許文献４】特許第３３０８３７１号
【非特許文献１】土木学会岩盤力学委員会編“トンネルの地質調査と岩盤計測”土木学会、１９９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
山岳トンネル工事における計測管理の目的は、計測データを逐次反映することによりその生産効率を最大化することである。具体的には、計測データを逐次分析することによって切羽崩落や大変形による支保変状等のトラブルを未然に防止するための適切な支保パターン・対策工を選定することである。
【０００９】
支保パターンの適正・対策工実施の必要性を判断するためには、トンネル坑内変位データだけでは判断材料として乏しい。そのため、計測データをインプットとして地盤の剛性等の指標をアウトプットとして求める再現解析技術がトンネル健全度を判断する際によく活用されてきた。
【００１０】
特許文献１〜３における計測管理システムはあくまでデータの管理・運用といった従来の計測管理手法の延長にある。そのため、変位収束を待ってからデータ分析（再現解析）を実施しており、データ分析に基づき適切な対策工を実施等するためには時間がかかっていた。
【００１１】
これに対し、特許文献４、非特許文献１には最終変位の予測手法が示されているが、これらをそのまま用いる場合、その精度には課題が残されている。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、精度の高い収束変位に基づき、トンネルの健全性を迅速に判定することができるトンネル健全度判断システム等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述した目的を達するための第１の発明は、トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定装置であって、前記トンネルの内周面の変位を所定の測定位置で実測した実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測手段と、前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出手段と、を具備することを特徴とするトンネル健全度判定装置である。
【００１４】
また、第１の発明のトンネル健全度判定装置は、前記指標値に基づいて前記トンネルの健全度を判定するトンネル健全度判定手段を更に具備することも望ましい。
【００１５】
また、前記指標値算出手段は、前記収束値と、前記地質条件値、前記構造物条件値とを用いて、前記トンネルの内周面の変位の収束時の前記トンネルの内周面とその周囲の変位、応力状態を算出し、前記変位、応力状態に基づいて、前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する。
【００１６】
前記変位は、例えば、前記トンネルの内周面の天端沈下量または内空変位量であり、前記指標値は、例えば、坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲のうち少なくとも１つを含むものである。
【００１７】
また、前記関係式は、前記実測値の測定位置と前記トンネルの切羽との距離を変数として含み、前記実測値は、前記測定位置を固定し、前記切羽が所定の位置に達するごとに実測したものである。
【００１８】
前述した目的を達するための第２の発明は、トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定セットであって、前記トンネルの内周面の変位を実測する変位測定装置と、トンネル健全度判定装置とを備え、前記トンネル健全度判定装置は、前記変位測定装置により所定の測定位置で実測した前記トンネルの内周面の変位の実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測手段と、前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出手段と、を具備することを特徴とするトンネル健全度判定セットである。
【００１９】
前述した目的を達するための第３の発明は、トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定方法であって、前記トンネルの内周面の変位を所定の測定位置で実測する変位測定工程と、前記変位の実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測工程と、前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出工程と、を具備することを特徴とするトンネル健全度判定方法である。
【００２０】
上記構成により、トンネルの内周面の変位を所定の測定位置で実測し、この実測値とトンネルの内周面の変位の収束値との関係を示す関係式の重回帰分析を行い、トンネルの内周面の変位の収束値を算出して予測する。この変位は、例えばトンネルの内周面の天端沈下量または内空変位量であり、当該関係式は、実測値の測定位置とトンネルの切羽との距離を変数として含み、変位の実測は測定位置を固定し、切羽が所定の位置に達するごとに行う。
【００２１】
また、算出した収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて再現解析等を行い、変位収束時のトンネルの内周面とその周囲の変位、応力状態を算出し、この変位、応力状態に基づいてトンネルに関する指標値を算出する。この指標値に基づいて、例えば基準値と比較するなどしてトンネルの健全度を判定する。地質条件値は、例えば地盤構成、地表面形状、土被り厚、地盤強度、単位体積重量等の、トンネル周囲の地質条件等を示すパラメータである。構造物条件値は、例えば、トンネル形状、支保（吹付けコンクリート等）の剛性および断面性状等の、トンネルの構造条件等を示すパラメータである。また、トンネルに関する指標値は、例えば坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲のうち少なくとも１つを含むものである。この判定結果により、支保パターンの見直しや、対策工の実施を行うことができる。
【００２２】
従って、トンネルの収束変位は、変位の収束後にこれを実測するのではなく、収束前に実測したトンネルの変位を用いて早期に予測することができる。また、一連のトンネル健全度判定処理を情報通信技術を用いて連動・自動化することで、早期に取得したデータからトンネル健全度を判定する坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲といった指標を瞬時に得ることができる。従って、トンネルの健全度を判定し、適切な対策工を実施等するために時間がかからず、迅速な対応が可能になる。
【００２３】
また、トンネルの収束変位の予測の際には、所定の測定位置で実測した実測値を用いて、当該実測値とトンネルの内周面の変位の収束値との関係を示す関係式の重回帰分析を行い、収束値を算出する。従って、個々のトンネルの状況に応じた予測が可能になる。また、トンネルの掘削の進行とともに実測変位のデータを増やしてゆくことにより、重回帰分析を行った関係式の精度を上昇させ、変位の収束値の予測精度を上昇させることができる。
【００２４】
これにより、トンネルの掘削工事の際に、切羽崩落や大変形による支保変状等のトラブルを未然に防ぎ、切羽進行の継続性を確保することや、過剰変位の発生による縫返し（再掘削）等の手戻りを防止することが容易になり、また早期に対策工を実施することにより対策工法の効率化が可能になる。また、過剰な地盤の緩み、変位を事前に防止することで、覆工コンクリートの設計厚の確保が容易になる。従って、トンネル工事の生産性向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、精度の高い収束変位に基づき、トンネルの健全性を迅速に判定することができるトンネル健全度判定装置等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】トンネルの掘削と、坑内変位の測定を説明する図
【図２】トンネル健全度判定装置のハードウェア構成を示す図
【図３】トンネル健全度判定セットの機能構成を示す図
【図４】トンネル健全度判定方法の流れを示すフローチャート
【図５】収束変位の算出について説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下図１から図４を参照しながら、本発明のトンネル健全度判定装置等の実施形態について説明する。
【００２８】
図１は、掘削を行い本実施形態のトンネル健全度判定装置等で健全度を判定するトンネル１について示す図で、（ａ）図はトンネル長軸方向に沿った断面を、（ｂ−１）図、（ｂ−２）図は（ａ）図の線Ａ−Ａ’（測定位置５）における断面（トンネル１の内周面）をそれぞれ示す。
【００２９】
本実施形態のトンネル健全度判定装置１０は、変位測定装置２０とともにトンネル健全度判定セット４０を構成する。
【００３０】
トンネル健全度判定セット４０では、トンネル１を掘削する際、変位測定装置２０により所定の測定位置５でトンネル１の内周面の変位を実測する。変位の実測は切羽の進行に伴い、定期的に行う。
【００３１】
トンネル健全度判定装置１０は、この実測値（実測変位）を用いて、トンネル１の内周面の変位の収束値（収束変位）を算出し、これに基づき再現解析を行い、変位収束時のトンネル１の内周面ならびにその周囲の地盤等の変位・応力状態を算出する。さらに、この変位・応力状態に基づいてトンネル１に関する各種の指標値を算出し、これに基づいてトンネル１の健全度を判定する。この判定結果に応じて支保パターンの見直し、対策工の実施等を行うことができる。
【００３２】
図１で３ａ、３ｂ、３ｃは切羽であり、トンネル１を掘削した先端部である。本実施形態では図１のａで示す方向にトンネル１の掘削を進行し、その際の切羽が３ａ、３ｂ、３ｃの順に形成されるものとする。測定位置５と切羽３ａ、３ｂ、３ｃの距離は、それぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３とする。
【００３３】
本実施形態では、（ｂ−１）図に示すように、測定位置５において、トンネル１の内周面に沿って５箇所の測定点５ａ〜５ｅを設ける。測定点５ａは、トンネル１の内周面で、上端部のトンネル幅方向中央位置に設けられる。測定点５ｂ〜５ｅは、トンネル１の内側面に設けられる。測定点５ｂ、５ｃはトンネル掘削方向（図１の矢印ａ）に対して左側に、測定点５ｄ、５ｅはトンネル掘削方向に対して右側に設けられる。測定点５ｂと５ｄ、測定点５ｃと５ｅはそれぞれ同じ高さ位置に設けられている。
【００３４】
本実施形態において、変位測定装置２０で実測するトンネル１の内周面の変位は、天端沈下量と内空変位量である。
【００３５】
天端沈下量は、測定点５ａの垂直方向変位量であり、（ｂ−２）図のＤ１で示される。内空変位量は、トンネル１の内周面に設けた測定点間の距離の変化量をあらわすもので、本実施形態では、測定点５ｂと５ｄの距離の変化量ならびに測定点５ｃと５ｅの距離の変化量とする。それぞれ、（ｂ−１）図、（ｂ−２）図のＤ２、Ｄ２’、Ｄ３、Ｄ３’を用いてＤ２−Ｄ２’（測定点５ｂと５ｄの距離の変化量）、Ｄ３−Ｄ３’（測定点５ｃと５ｅの距離の変化量）で示される。変位測定装置２０は、例えば予め基準値として測定した上記の測定点５ａの位置やＤ２、Ｄ３の値と、新たに測定した測定点５ａの位置やＤ２’、Ｄ３’の値を比較して上記の天端沈下量や内空変位量を実測することができる。
【００３６】
しかしながら、測定点の位置、あるいは内空変位等の測定方法についてはこれに限ることはない。例えば測定点５ａと５ｂの距離から内空変位の測定を行ってもよい。
【００３７】
図２はトンネル健全度判定装置１０のハードウェア構成を示す図である。トンネル健全度判定装置１０は、図２に示すように、制御部１１、記憶部１２、表示部１３、通信部１４、入力部１５、出力部１６等がバス１７を介して接続されて構成される。
【００３８】
制御部１１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｓｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等により構成される。
【００３９】
ＣＰＵは、記憶部１２、ＲＯＭ、記録媒体等に格納されるプログラムをＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス１７を介して接続された各部を駆動制御する。これにより、制御部１１のＣＰＵは後述するトンネル健全度判定の処理を実行する。ＲＯＭは、コンピュータのブートプログラムやＢＩＯＳ等のプログラム、データ等を恒久的に保持する。ＲＡＭは、ロードしたプログラムやデータを一時的に保持するとともに、制御部１１が各種処理を行うために使用するワークエリアを備える。
【００４０】
記憶部１２は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）等であり、制御部１１が実行するプログラムや、プログラム実行に必要なデータ、ＯＳ（オペレーティング・システム）等が格納されている。これらのプログラムコードは、制御部１１により必要に応じて読み出されてＲＡＭに移され、ＣＰＵに読み出されて実行される。
【００４１】
表示部１３は、例えば液晶パネル、ＣＲＴモニタ等のディスプレイ装置と、ディスプレイ装置と連携して表示処理を実行するための論理回路（ビデオアダプタ等）で構成され、後述するトンネル健全度判定の処理に係る画面を表示する。
【００４２】
通信部１４は、通信制御装置、通信ポート等を有し、ネットワークとの通信を媒介する通信インタフェースであり、通信制御を行う。
【００４３】
入力部１５は、例えば、キーボード、マウス等のポインティング・デバイス、テンキー等の入力装置、ドライブ装置やスキャナなど、トンネル健全度判定装置１０へデータ入力を行うための周辺装置であり、入力されたデータを制御部１１へ出力する。
【００４４】
出力部１６は例えばプリンタやドライブ装置など、トンネル健全度判定装置１０からのデータ出力を行うための周辺装置である。
【００４５】
バス１７は各装置間の制御信号やデータ信号等の授受を媒介する経路である。
【００４６】
変位測定装置２０は例えば制御部、記憶部、通信部、出力部等を備えた光波測定器であり、トンネル１の内周面の変位として、前述の天端沈下量と内空変位量を実測する。天端沈下量、内空変位量等の実測変位データは記憶部等に記憶され、通信部や出力部等を介してデータの通信、出力が行われる。これらのデータは、トンネル健全度判定装置１０に入力され、記憶部１２等に記憶される。
【００４７】
図３はトンネル健全度判定セット４０の機能構成を示す図である。トンネル健全度判定セット４０は、トンネル健全度判定装置１０と、変位測定装置２０とにより構成され、トンネル健全度判定装置１０は、収束変位予測手段３１、指標値算出手段３３、健全度判定手段３５を備える。
【００４８】
収束変位予測手段３１は、制御部１１が、所定の測定位置にて変位測定装置２０により実測し、記憶部１２等に記憶した天端沈下量、内空変位量等のトンネル１の内周面の実測変位を用いて、当該実測変位とトンネル１の内周面の収束変位の関係式に基づき重回帰分析を行い、トンネル１の内周面の収束変位を算出（予測）するものである。なお、この実測変位は所定の測定位置で測定したものであるが、算出した収束変位はトンネル１の全長に渡って適用可能なものでもある。これについては後述する。
【００４９】
指標値算出手段３３は、制御部１１が、収束変位予測手段３１で算出した収束変位と、地質条件データ（地質条件値）、構造物条件データ（構造物条件値）を用いて、有限要素法等を用いた再現解析を行い、トンネル１の内周面ならびにその周囲における変位、応力状態を算出し、これに基づきトンネル１の健全度に関する指標値を算出するものである。
【００５０】
地質条件データは、例えば地盤構成、地表面形状、土被り厚、地盤強度、単位体積重量等の、トンネル１の周囲の地質条件等を示すパラメータである。構造物条件データは、トンネル形状、支保（吹付けコンクリート等）の剛性および断面性状等の、トンネル１に係る構造物の条件等を示すパラメータである。これらの値は、トンネル掘削前やトンネル掘削時の、地質調査、支保等の計画や施工状態に基づいて定めることができ、予めあるいは再現解析、指標値算出の際に入力部１５等を介してトンネル健全度判定装置１０に入力し、記憶部１２やＲＡＭ等に記憶させることができる。
【００５１】
トンネル１の健全度に関する指標値は、例えば、坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲等である。これらの値については後述する。
【００５２】
健全度判定手段３５は、制御部１１が、指標値算出手段３３により算出したトンネル１の健全度に関する指標値を、予め定める基準値と比較等し、トンネル１の健全度を判定するものである。
【００５３】
続いて、図４等を用いて、本実施形態のトンネル健全度判定装置１０等を用いたトンネル健全度判定方法について説明する。
【００５４】
まず、トンネル１の掘削を行い（ステップ１０１）、切羽が所定の位置に達すると、変位測定装置２０により、測定位置５におけるトンネル１の内周面の変位として、前述の天端沈下量と内空変位量を実測する（ステップ１０２）。
【００５５】
これらの実測変位データは、ユーザ操作等に応じて、測定位置５と切羽のトンネル長軸方向に沿った距離Ｌと紐付け、通信部等を介してトンネル健全度判定装置１０に入力し、ＲＡＭや記憶部１２等に記憶させる。または変位測定装置２０の記憶部等にこれを保存しておき、トンネル健全度判定処理の進行に応じて出力部等から出力し、トンネル健全度判定装置１０の入力部１５等を介して入力するようにしてもよい。
【００５６】
このように、トンネル１の掘削を進行しつつ、掘削先端部の切羽が（複数の）所定の位置に達した各時点で、天端沈下量と内空変位量を実測する。これにより、測定位置５とトンネル１の切羽との距離を変えながら、複数の実測変位をその収束を待たずに早期に取得する。
【００５７】
なお、本実施形態では測定位置５を固定して、トンネル掘削（切羽の進行）の各段階で変位を実測することにより、測定位置５と掘削時の切羽との距離を変えながら実測変位を取得しているが、測定位置５を変える、あるいは複数の測定位置５を設けることにより測定位置５と切羽との距離を変えて実測変位を取得することもできる。但し、本実施形態のように、測定位置５を固定し、トンネル掘削の各段階で変位を実測することは、作業性の点、少数の変位測定装置２０によりデータが得られる点などで有利である。
【００５８】
測定位置５における天端沈下量や内空変位量等の実測変位データをそれぞれ３個得るまで（ステップ１０３のＮＯ）、上記のトンネル掘削（ステップ１０１）と変位の実測（ステップ１０２）の手順を繰り返す。本実施形態では、トンネル１の掘削先端部が図１の切羽３ａ、３ｂ、３ｃに達した時点の、測定位置５におけるトンネル１の内周面の変位（天端沈下量や内空変位量等）Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３をそれぞれ実測し、測定点５と切羽３ａ、３ｂ、３ｃとの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３（図１参照）とそれぞれ紐付けてトンネル健全度判定装置１０のＲＡＭや記憶部１２等に記憶させておく。
【００５９】
このように、実測変位データをそれぞれ少なくとも３個得る（ステップ１０３のＹＥＳ）と、トンネル健全度判定装置１０の制御部１１は、ユーザ操作等に応じて、測定位置５で実測したトンネル１の内周面の実測変位と、トンネル１の内周面の収束変位の関係式に基づき重回帰分析を行い、収束変位を算出する（ステップ１０４）。
【００６０】
即ち、ステップ１０４で、トンネル健全度判定装置１０の制御部１１は、記憶部１２等に記憶した、天端沈下量や内空変位量等の実測変位Ｙと、測定位置５と切羽３ａ、３ｂ、３ｃとの距離の組合せ（Ｙ１、Ｌ１）、（Ｙ２、Ｌ２）、（Ｙ３、Ｌ３）に対して、非特許文献１に示される、切羽からの距離Ｌ、収束変位Ａ、実測変位Ｙの各変数の関係を示す式（１）
式（１）…Ｙ＝Ａ×（１−ｅｘｐ（−Ｌ／ｂ））＋Ｃ
のフィッティングを上記の値の組を用いた重回帰分析により行い、この際の収束変位Ａの値を算出する。式（１）において、ｂは収束係数、Ｃは計測遅れの補正項である。このようにして求めた収束変位Ａは、制御部１１のＲＡＭ等に記憶し、以降の処理に用いる。
【００６１】
図５は、重回帰分析による収束変位Ａの算出の例を説明する図で、切羽からの距離Ｌと変位Ｙとの関係の例を示したものである。５１ａは天端沈下量の実測変位、５１ｂは内空変位量の実測変位の例である。また、５３ａは、天端沈下量について式（１）が示す距離Ｌと変位Ｙの関係を表す近似曲線を示し、５３ｂは、内空変位量について式（１）が示す距離Ｌと変位Ｙの関係を表す近似曲線を示す。これらの近似曲線は、それぞれ上記の式（１）のフィッティングを重回帰分析により行った結果の例である。即ち、測定位置と切羽との距離Ｌが長くなる（トンネル掘削の進行）に伴って変位Ｙは増加するが、距離Ｌがある程度長くなると、変位Ｙは収束変位Ａに収束する。ステップ１０４は、この収束変位Ａの値を算出するものである。
【００６２】
なお、収束変位Ａの値は、測定位置５に限らず、トンネル１のほぼ全長に渡って適用可能なものである。即ち、トンネル１の各位置では、距離Ｌの増加（切羽の進行）に伴い内周面の変位がいずれ収束変位Ａに収束する、あるいは既に収束しているものとみなすことができるためである。
【００６３】
続いて、トンネル健全度判定装置１０の制御部１１は、算出した収束変位Ａの値と、地質条件データと、構造物条件データを用いて、有限要素法等を用いた再現解析を行い、トンネル１の内周面ならびにその周囲の地盤やトンネル１の構造物等の各所（有限要素法における節点等）の変位、応力状態等を算出する。さらに、このようにして算出した変位、応力状態を用いてトンネル１の健全度に関する指標値を算出する（ステップ１０５）。上記したように、収束変位Ａはトンネル１のほぼ全長で適用可能なものであり、この際の再現解析・指標値算出もトンネル１のほぼ全長にわたる範囲で行うことができる。
【００６４】
前述したように、上記の地質条件データと、構造物条件データは、トンネル掘削前あるいは掘削時の、地質調査、支保等の計画や施工状態により予め定めることができ、ステップ１０５の処理を実行する際、またはこれに先行して、入力部１５を介してトンネル健全度判定装置１０に入力され、ＲＡＭや記憶部１２等に記憶される。なお、ステップ１０５で用いるデータが多くなる場合は、実験計画法を援用することにより用いるデータを絞って上記の処理を高速化することも可能である。
【００６５】
上記の指標値は、例えば坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、緩み範囲等である。坑内変位分布は、例えば支保等の未施工状態でトンネル１の内周面やその周囲の地盤の各所の変位状態を示すものである。支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力は、事前に計画したあるいは実際に施工した鋼製支保工や吹付けコンクリート、ロックボルト等のトンネル１に係る構造物について、各所の応力状態を求めるものである。地盤の緩み範囲は、例えば地盤が塑性状態にあるかどうかを示すもので、地盤の各所での応力状態や地盤強度等に基づき求めることができる。
【００６６】
次に、トンネル健全度判定装置１０は、上記の坑内変位分布、支保工応力、吹き付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲等を、予め定めた基準値と比較して安全側にあるかを判定し、トンネルの健全度を判定する（ステップ１０６）。これらの基準値は、予め定めておき、記憶部１２等に記憶させておくことができる。なお、健全度の判定は上記のように基準値との比較により行うものに限られることはなく、また人手で行うことも可能である。
【００６７】
トンネルが健全でないと判定された場合（ステップ１０７のＮＯ）、支保パターンの見直しや、対策工の実施が行われる（ステップ１０８）。
【００６８】
トンネルが健全であると判定された場合（ステップ１０７のＹＥＳ）、そのまま掘削を続け（ステップ１０９のＮＯ）、以下上記の処理を繰り返しながら、トンネルの掘削を続け、トンネルの掘削を終了する（ステップ１０９のＹＥＳ）。上記の処理を繰り返すことで、ステップ１０２で実測するトンネル１の内周面の実測変位データが増加する。従って、ステップ１０４で収束変位Ａを算出する際に行う重回帰分析の精度が上昇し、より精度の高い収束変位Ａを算出することが可能になる。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態のトンネル健全度判定装置等では、トンネル１の内周面の変位を実測し、この実測変位とトンネル１の内周面の収束変位との関係を示す関係式の重回帰分析を行い、収束変位を算出して予測する。
【００７０】
また、算出した収束変位と、地質条件データ、構造物条件データとを用いて再現解析を行い、変位収束時のトンネル１の内周面とその周囲の変位、応力状態を算出する。さらに、この変位、応力状態に基づいてトンネル１に関する指標値を算出し、この指標値に基づいてトンネルの健全度を判定する。この判定結果により、支保パターンの見直しや、対策工の実施を行うことができる。
【００７１】
従って、トンネル１の収束変位は、変位の収束後にこれを実測するのではなく、収束前に実測したトンネルの変位を用いて早期に予測することができる。また、一連のトンネル健全度判定処理を情報通信技術を用いて連動・自動化することで、早期に取得したデータからトンネル健全度を判定する坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲といった指標を瞬時に得ることができる。従って、トンネル１の健全度を判定し、適切な対策工を実施等するために時間がかからず、迅速な対応が可能になる。
【００７２】
また、トンネル１の収束変位の予測の際には、所定の測定位置で実測した実測変位を用いて、当該実測変位とトンネル１の内周面の収束変位との関係を示す関係式の重回帰分析を行い、収束変位を算出する。従って、個々のトンネルの状況に応じた予測が可能になる。また、トンネル１の掘削の進行とともに実測変位のデータを増やしてゆくことにより、重回帰分析を行った関係式の精度を上昇させ、収束変位の予測精度を上昇させることができる。
【００７３】
これにより、トンネルの掘削工事の際に、切羽崩落や大変形による支保変状等のトラブルを未然に防ぎ、切羽進行の継続性を確保することや、過剰変位の発生による縫返し（再掘削）等の手戻りを防止することが容易になり、また早期に対策工を実施することにより対策工法の効率化が可能になる。また、過剰な地盤の緩み、変位を事前に防止することで、覆工コンクリートの設計厚の確保が容易になる。従って、トンネル工事の生産性向上を図ることができる。
【００７４】
以上、添付図面を参照しながら、本発明に係るトンネル健全度判定装置等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００７５】
１………トンネル
３ａ、３ｂ、３ｃ………切羽
５………測定位置
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ………測定点
１０………トンネル健全度判定装置
２０………変位測定装置
３１………収束変位予測手段
３３………指標値算出手段
３５………健全度判定手段
４０………トンネル健全度判定セット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定装置であって、
前記トンネルの内周面の変位を所定の測定位置で実測した実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測手段と、
前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出手段と、
を具備することを特徴とするトンネル健全度判定装置。
【請求項２】
前記指標値に基づいて前記トンネルの健全度を判定するトンネル健全度判定手段を更に具備することを特徴とする請求項１記載のトンネル健全度判定装置。
【請求項３】
前記指標値算出手段は、前記収束値と、前記地質条件値、前記構造物条件値とを用いて、前記トンネルの内周面の変位の収束時の前記トンネルの内周面とその周囲の変位、応力状態を算出し、前記変位、応力状態に基づいて、前記トンネルの健全度に関する指標値を算出することを特徴とする請求項１記載のトンネル健全度判定装置。
【請求項４】
前記変位は、前記トンネルの内周面の天端沈下量または内空変位量であることを特徴とする請求項１記載のトンネル健全度判定装置。
【請求項５】
前記指標値は、坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載のトンネル健全度判定装置。
【請求項６】
前記関係式は、前記実測値の測定位置と前記トンネルの切羽との距離を変数として含み、
前記実測値は、前記測定位置を固定し、前記切羽が所定の位置に達するごとに実測したものであることを特徴とする請求項１記載のトンネル健全度判定装置。
【請求項７】
トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定セットであって、
前記トンネルの内周面の変位を実測する変位測定装置と、トンネル健全度判定装置とを備え、
前記トンネル健全度判定装置は、
前記変位測定装置により所定の測定位置で実測した前記トンネルの内周面の変位の実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測手段と、
前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出手段と、
を具備することを特徴とするトンネル健全度判定セット。
【請求項８】
トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定方法であって、
前記トンネルの内周面の変位を所定の測定位置で実測する変位測定工程と、
前記変位の実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測工程と、
前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出工程と、
を具備することを特徴とするトンネル健全度判定方法。
【請求項１】
トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定装置であって、
前記トンネルの内周面の変位を所定の測定位置で実測した実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測手段と、
前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出手段と、
を具備することを特徴とするトンネル健全度判定装置。
【請求項２】
前記指標値に基づいて前記トンネルの健全度を判定するトンネル健全度判定手段を更に具備することを特徴とする請求項１記載のトンネル健全度判定装置。
【請求項３】
前記指標値算出手段は、前記収束値と、前記地質条件値、前記構造物条件値とを用いて、前記トンネルの内周面の変位の収束時の前記トンネルの内周面とその周囲の変位、応力状態を算出し、前記変位、応力状態に基づいて、前記トンネルの健全度に関する指標値を算出することを特徴とする請求項１記載のトンネル健全度判定装置。
【請求項４】
前記変位は、前記トンネルの内周面の天端沈下量または内空変位量であることを特徴とする請求項１記載のトンネル健全度判定装置。
【請求項５】
前記指標値は、坑内変位分布、支保工応力、吹付けコンクリート応力、ロックボルト応力、地盤の緩み範囲のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載のトンネル健全度判定装置。
【請求項６】
前記関係式は、前記実測値の測定位置と前記トンネルの切羽との距離を変数として含み、
前記実測値は、前記測定位置を固定し、前記切羽が所定の位置に達するごとに実測したものであることを特徴とする請求項１記載のトンネル健全度判定装置。
【請求項７】
トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定セットであって、
前記トンネルの内周面の変位を実測する変位測定装置と、トンネル健全度判定装置とを備え、
前記トンネル健全度判定装置は、
前記変位測定装置により所定の測定位置で実測した前記トンネルの内周面の変位の実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測手段と、
前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出手段と、
を具備することを特徴とするトンネル健全度判定セット。
【請求項８】
トンネルの掘削を行う際に前記トンネルの健全度を判定するためのトンネル健全度判定方法であって、
前記トンネルの内周面の変位を所定の測定位置で実測する変位測定工程と、
前記変位の実測値を用いて、前記実測値と前記トンネルの内周面の変位の収束値の関係を示す関係式について重回帰分析を行い、前記収束値を算出する収束変位予測工程と、
前記収束値と、地質条件値、構造物条件値とを用いて前記トンネルの健全度に関する指標値を算出する指標値算出工程と、
を具備することを特徴とするトンネル健全度判定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１６３０１７（Ｐ２０１１−１６３０１７Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７５４８（Ｐ２０１０−２７５４８）
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
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