変位計測装置及びこれを用いたトンネルの情報化施工方法

【課題】不連続面を挟む両側岩盤の相対的変位を三次元的に検出し、計測コストの低廉化が図れる変位計測装置を提供する。
【解決手段】変位計測装置１は岩盤２内に孔井３を削孔し亀裂などの不連続面４を挟む両岩盤に固定する。変位計測装置１は固定手段５によって固定設置された前部構造体６と後部構造体７を有する。前部構造体６は孔井軸に直交する壁面８に照準９を貼着する。後部構造体７の前方には撮像手段としてのカメラ１０を設ける。カメラ１０により取得した照準９の光学画像を二値化解析してモニター画面に二値化照準画像を表示し照準中心の座標変化と照準輪郭線の変化を評価して岩盤２の相対的変位を三次元的に検出するほか、相対的な傾斜角も評価できる。照準と撮像手段からなる一系統の計測手法によって相対的な三次元変位を検出評価するので低コストでの多種計測が実現できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、土木工学分野において岩盤内構造物の安定設計施工のための岩盤挙動計測、岩盤斜面や急傾斜地における崩壊、崩落及び破壊進展を検知するための挙動監視計測をするため、又地震工学分野において岩盤内断層の三次元挙動監視計測をするための変位計測装置及びこの変位計測装置を用いたトンネルの情報化施工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
土木工学分野あるいは地震工学分野における地震発生や崩壊の多くは、岩盤内のひずみエネルギの開放に起因して発生しており、岩盤内の開削に伴う応力状態やひずみエネルギの変化を検出する目的で多くの計測が行なわれている。
【０００３】
この岩盤内に賦存する亀裂、ジョイントなどの不連続面の挙動を的確に計測するためには、空洞や坑道による緩み領域の影響を被る岩盤開削面近傍を回避した岩盤内で計測すると共に、不連続面内における変位ベクトルとその開口を評価する三次元的な計測が不可欠とされている。
【０００４】
不連続面は上記の力学的な変化によって既に岩盤内に造成されたものであるため、岩盤の健全な部分と比較して１０²〜１０³小さい剛性で変形し易く高感度及び高精度に検出するために、岩盤に穿った孔井内に設置する三次元変位計やジョイント変位計などを適用し、差動トランスなどの変位センサーを用いて相対的な三次元変位の検出を行なう変位計測装置が実用に供されていた。
【０００５】
このように岩盤に穿った孔井内に設置して、不連続面を挟む両側岩盤の相対的変位を三次元的に検出する変位計測装置としては、例えば下記に示すような従来技術があった。
【特許文献１】特開２００１−２０１３３４号公報この変位計測装置は、一方の岩盤孔井に固定する前部構造体に、互いに直交する少なくとも三面の計測面を設け、他方の岩盤孔井に固定する後部構造体には、各計測面に垂直に対向する３本の測定子を設け、これらを変位センサに接続していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の変位計測装置では、三次元変位の検出には三方向に差動トランスなどの変位センサを適用しなければならず、従って３系統の計測システムが必要となり、計測コストが高くなる問題があった。
【０００７】
又、トンネルの情報化施工においては、掘削に伴って得られる多大な局所的岩盤条件の情報を支保設計や施工に直ちに反映する必要があり、このため岩盤挙動や岩盤内の応力状態の変化を高精度に反映させる岩盤内の既存のジョイントなど不連続面における変位を直接三次元的に監視するべく、上記のような変位計測装置を不連続面に適数個設置することが望まれてはいたが、上記の理由で計測コストが上昇するという問題点があった。
【０００８】
この発明は、従来の変位計測装置及びこれを用いるトンネルの情報化施工方法が有する上記の問題点を解消すべくなされたものであり、計測コストの低廉化が図れる変位計測装置及びこれを用いるトンネルの情報化施工方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、この発明の変位計測装置は、岩盤内に賦存する亀裂やジョイントなどの不連続面を貫通するように穿った孔井内に設置し、不連続面を挟んで一方の岩盤孔井に固定して計測面を備える前部構造体と、他方の岩盤孔井に固定して前記計測面に対する変位計測手段を備える後部構造体を有し、不連続面を挟む両側岩盤の相対的変位を三次元的に検出する変位計測装置において、前記計測面は、孔井軸に直交する平面体に設ける照準であり、前記変位計測手段は、この照準の位置を画像として記録する撮像手段であることを特徴とするものである。
【００１０】
変位計測装置は、不連続面を貫通するように穿った孔井内に挿入する際には前後部構造体を一体的に送り込み、不連続面を挟んで設置する時には二分割して夫々の岩盤に固定する機能を備える。
【００１１】
既存の変位を検出する変位センサの構造に代わり、不連続面を挟む岩盤にそれぞれ設置された装置の一方に、撮像手段、例えば動画用ビデオカメラあるいは静止画用カメラを組み込み、他方には輪郭線と交差線、あるいは中心点と円などの外周からなる照準を描画した平面体を組み込んだ変位計測装置を用いる。
【００１２】
撮像手段側にはＬＥＤなどの小型照明ライトをカメラ中心軸対称に配列し、照準の照度が均等になるようにする。照準は円形、矩形、菱形などの輪郭線がそれぞれの計測目的に応じて用いられ、各々に中心点を設ける。撮像手段は接続ラインで連結したコントローラを介して信号ラインにより外部に撮影画像を伝送し、これを外部の解析装置に入力する。
【００１３】
請求項２記載の変位計測方法は、前記撮像手段により取得した前記照準の光学画像を二値化解析してモニター画面に二値化照準画像を表示し、前記照準中心の座標変化と照準輪郭線の変化を評価して前記岩盤の相対的変位を三次元的に検出するものである。
【００１４】
照準画像の中心点の移動変位から二軸方向を評価すると共に、照準輪郭寸法の変位から孔井軸方向の移動を評価する。又照準輪郭の変形から岩盤の相対的傾斜を求める。
【００１５】
請求項３記載のトンネルの情報化施工方法は、亀裂やジョイントなどの不連続面が存在する岩盤内を掘削してトンネルを構築する場合、前記不連続面を貫通するように穿った孔井内に請求項１記載の変位計測装置を設置し、トンネル掘進に伴う不連続面の相対的変位を三次元的に検出し、この変位監視データを用いて局所的な変形しやすい位置と方向を抽出し、基本の支保設計を初期条件とした岩盤の挙動解析などの評価結果を適用してトンネル施工における支保の局所的な強化設計に直ちに反映させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の変位計測装置は、照準と撮像手段からなる一系統の計測手法によって相対的な三次元変位を検出評価することが可能となり、撮像手段であるカメラ配置も簡易になるため、計測装置の低廉化が実現できる。又請求項２記載の変位計測方法は、照準中心の座標変化と照準輪郭線の変化を評価するので、岩盤の相対的変位を三次元的に検出するほか、相対的な傾斜角も評価でき、低コストでの多種計測が実現できる。
【００１７】
傾斜評価においては、照準輪郭の形状を解析することによって最大傾斜角のみならず、その傾斜方位角の評価も可能であり、二画像間の比較によって相対的な三次元傾斜評価ができ、１台のカメラによって三次元変位と三次元傾斜の多成分計測を実現するため、経済的効率的な計測方法を提供できる。
【００１８】
又、連続撮影において２枚の静止画像解析の比較から相対的な三次元変位や傾斜が評価できるため、計測期間中の補正が簡易であり、温度変化や孔井内の湿潤など環境変化の影響を被らず、計測結果の信頼性を向上させることができる。
【００１９】
請求項３記載のトンネルの情報化施工方法は、不連続面を貫通するように穿った孔井内に照準と撮像手段からなる一系統の変位計測装置を設置するので、低廉な計測装置で正確な局所的岩盤条件の情報を入手することができ、この変位監視データを用いて岩盤の挙動解析を行ない、又支保の局所的な強化設計に直ちに反映させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次にこの発明の実施の形態を添付図面に基づき詳細に説明する。図１は岩盤内の亀裂やジョイントなど不連続面の三次元変形を計測するため、岩盤に穿った孔井内に光学画像による三次元変位計測装置を設置する一例を示すもので、変位計測装置１は、岩盤２内に孔井３を削孔し、亀裂などの不連続面４を挟む両岩盤に固定する。
【００２１】
変位計測装置１は、図２に示すように不連続面４を挟んだ一方の岩盤２ａ内に固定手段５によって固定設置された前部構造体６と、他方の岩盤２ｂ内に同様な固定手段５によって固定設置された後部構造体７を有する。この後部構造体７は前部構造体６とは分離した部材であるが、孔井３内に挿入する際には前後部構造体６，７を一体的に送り込み、不連続面４を挟んで設置する時には二分割し相互の岩盤２ａ，２ｂに追随した動きを妨げない状態で一定間隔を有して設置する。
【００２２】
前部構造体６は、先端が縮径する筒状部材であって、その後部に孔井軸に直交する壁面８を設け、照準９を貼着する。一方後部構造体７も筒状部材であってその前方には撮像手段としてのカメラ１０を設ける。
【００２３】
固定手段５は、各構造体６，７の径方向を横断する固定ピン５ａと、筒状部材の外面に設ける固定ガイド５ｂからなり、固定ピン５ａに圧力ライン５ｃを介して油圧力を供給し、各構造体６，７を一体化した変位計測装置１として孔井３内に挿入固定する。なお、各構造体６，７の間隙部分に孔井３内の地下水が浸入しないよう、自在に変形する耐水部材としての防水ジャケット１１が取付けられ被計測の照準９やカメラ１０を防護している。
【００２４】
次に光学画像撮影装置の詳細を図３乃至図５に基づき説明する。図３は撮像手段と照準の構成及び配置を示す説明図、図４はカメラの正面図、図５は照準の例を示す正面図である。前部構造体６の被計測面である照準９は装置の軸直交面に配置し、同軸上の後部構造体７にカメラ１０が配置される。
【００２５】
照準９は図３に示すカメラ１０のレンズ１０ａの画角ライン１０ｂ内にその外郭が収まるようカメラ照準間距離Ｌを適宜設定する。カメラ１０の周囲にはＬＥＤなどの小型照明ライト１２をその照明範囲１２ａ内に照準９が収まるように配列する。又、図４に示すよう照明ライト１２は照準９の照度が均等になるようにレンズ１０ａの中心軸に対し対称に配列する。又カメラ１０は接続ライン１３で連結したコントローラ１４を介して信号ライン１５により撮影画像を図示しない外部の解析装置に伝送する。
【００２６】
照準９は図５（ａ）に示す円形、同（ｂ）に示す矩形、同（ｃ）に示す菱形などの夫々の輪郭線９ａが夫々の計測目的に応じて用いられ、各々に中心点９ｂを形成する交差線９ｃを有する。
【００２７】
次に撮影画像による変位傾斜評価の詳細を図６乃至図８に基づき説明する。図６は撮影画像の中心点の評価方法を示す説明図、図７はカメラ軸方向の移動変位の評価方法を示す説明図、図８は照準傾斜角の評価方法を示す説明図である。動画ビデオカメラあるいは静止画カメラの撮影画像を二値化解析して、モニター画面１６に基準照準画像１７を表示し（図６（ａ））、次に移動後の移動照準画像１７ａの中心座標から中心点９ｂの移動変位ΔＸとΔＹを二軸方向について評価する（図６（ｂ））。
【００２８】
図７（ａ）に示すように、カメラ１０と照明ライト１２の軸方向のカメラ画角θ内に配置した照準９が移動して、カメラ照準間距離ＬがＬ＋ΔＺに変化した場合、図７（ｂ）の二値化照準画像における基準照準画像１７の輪郭寸法Ｄと、移動後の照準画像１７ａの輪郭寸法Ｄ１から次の式を用いて移動変位ΔＺが求まる。
Ｄ／（Ｌ＋ΔＺ）＝Ｄ１／Ｌ
ΔＺ＝Ｌ×（Ｄ−Ｄ１）／Ｄ１
【００２９】
又、カメラ軸方向に配置した照準が傾斜した場合には、図８（ａ）の二値化照準画像における基準照準画像１７の輪郭寸法Ｄと、傾斜後の照準画像１７ａの輪郭寸法Ｄ１から次の式を用いて傾斜角αが求まる。
Ｄ１／Ｄ＝cosα
α＝cos^-1（Ｄ１／Ｄ）
【００３０】
次にこの変位計測装置をトンネルの情報化施工に適用する例を図９に基づき説明する。図９は岩盤内に開削するトンネルの補強工を示す断面図である。この補強工では、岩盤２内のトンネル１８の掘進に伴う不連続面モデルの挙動を個別要素法などの解析プログラムを用いて評価し、変形の大きい不連続面４に対して最適な変形抑制効果が得られるよう、かつ経済的なロックボルト１９の配置を行なっている。
【００３１】
岩盤の局所条件に即応した的確な強化支保を施工するためには、トンネル開削後、岩盤挙動への影響が予測される不連続面４の位置に直ちに穿った孔井３内における不連続面４に対して変位計測装置を設置して不連続面４の三次元挙動を監視し、このデータを用いた分析結果及び／あるいは岩盤挙動の解析結果の情報化に基づいて岩盤挙動を効果的に抑制する支保を設計して直ちに強化支保を施工する。この工程により、所定の設計に従うロックボルト１９やグラウトなどに強化支保を組み合わせて不連続面４を含む岩盤の局所条件に対応した効果的かつ効率的な支保施工を実用工程の妨げなく行なうことができる。
【００３２】
これは岩盤挙動の大部分が既存のジョイントや不連続面に沿う滑りやダイレーションなどの変形に依存するとする原位置の現象、及び岩盤内における応力状態の変化が岩盤内の既存不連続面における変化に顕著に反映される現象に着目し、トンネル開削直後のジョイント挙動監視データから岩盤挙動を高い感度で分析評価し、不連続面と支保を組み合わせた挙動の解析評価などを適用して支保設計を行ない、トンネルなどの壁面や調査孔井から新たに得られる局所的岩盤条件及び不連続面の挙動監視データに適応する効果的かつ効率的支保を実用工程上で施工する情報化施工方法を提供するものである。
【００３３】
次に図１０乃至図１３に基づき補強工効果の検証手順を説明する。図１０はトンネルの切羽の進行を示す縦断面図、図１１は図１０のXI‐XI断面を示す断面図、図１２は切羽進行に伴う変形量のグラフであり、図１３は強化支保施工時のトンネル断面図である。
【００３４】
岩盤２内にトンネル１８を開削した後、所定の設計に従ったロックボルト１９と吹き付けコンクリート２０など、場合によっては図示しない鋼枠やグラウトなどの支保が施工される。岩盤挙動への影響が予測される不連続面４にたいしては、これを貫通して穿った調査孔井３に変位計測装置１を設置し、爾後不連続面４の三次元変位を監視する。
【００３５】
図１２は、計測を開始する切羽の位置Ａ0を原点とする場合、その後切羽がＡ1〜Ａ5まで進行する際の不連続面における変位量を表す。トンネル１８の開削切羽Ａ1の掘進を開始して段階的な進行切羽Ａ2，Ａ3，Ａ4に関連する変形データを分析し、トンネル１８の周辺岩盤２内にあるジョイントなど不連続面４のトンネル開削進行に伴う顕著な変位進行Δから判断して直ちに既存設計のロックボルト１９などに加えて図１３に示すような強化支保としてジョイントなど不連続面４の変位に抑止力のある方向にロックボルト２１などを打設する。
【００３６】
その後、トンネル１８の壁面に吹き付けコンクリート２０やグラウトを施してトンネル壁面を完成させ、トンネルの変形に大きな影響を有するジョイントなど不連続面４については、トンネル開削のその後の進行においても継続して監視し、任意期間のトンネル開削進捗後（切羽位置Ａ5）において強化支保としてのロックボルト２１の効果を現場監視データに基づいて検証する。
【００３７】
このようにトンネルの情報化施工においても、不連続面４を貫通するように穿った孔井３内に照準と撮像手段からなる一系統の変位計測装置１を設置するので、低廉な計測装置で局所的岩盤条件の情報を入手することができ、この変位監視データを用いて岩盤挙動と支保効果を組み合わせた予測評価及び／又は解析評価を適用して的確な支保をして直ちに施工に反映させることができ、トンネルなどの壁面や調査孔井から新たに得られる局所的岩盤条件に応じて直ちに支保設計するために実用工程を妨げない監視法と評価法を提供することにより岩盤条件への即応性の向上を図り、効果的かつ効率的支保の施工が可能になる。以上に説明した岩盤内不連続面変位監視と岩盤及び支保の挙動評価を実用工法に組み込む改善に伴い、支保設計の合理化、支保施工の信頼性向上の効果を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】変位計測装置の設置状況を示す断面図である。
【図２】変位計測装置の断面図である。
【図３】撮像手段と照準の構成及び配置を示す説明図である。
【図４】カメラの正面図である。
【図５】照準の例を示す正面図である。
【図６】撮影画像の中心点の評価方法を示す説明図である。
【図７】カメラ軸方向の移動変位の評価方法を示す説明図である。
【図８】照準傾斜角の評価方法を示す説明図である。
【図９】トンネルの補強工を示す断面図である。
【図１０】トンネルの切羽の進行を示す縦断面図である。
【図１１】図１０のXI‐XI断面を示す断面図である。
【図１２】切羽進行に伴う変形量のグラフである。
【図１３】強化支保施工時のトンネル断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１変位計測装置
２岩盤
３孔井
４不連続面
５固定手段
６前部構造体
７後部構造体
８壁面
９照準
１０カメラ
１１防水ジャケット
１２照明ライト

【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩盤内に賦存する亀裂やジョイントなどの不連続面を貫通するように穿った孔井内に設置し、不連続面を挟んで一方の岩盤孔井に固定して計測面を備える前部構造体と、他方の岩盤孔井に固定して前記計測面に対する変位計測手段を備える後部構造体を有し、不連続面を挟む両側岩盤の相対的変位を三次元的に検出する変位計測装置において、前記計測面は、孔井軸に直交する平面体に設ける照準であり、前記変位計測手段は、この照準の位置を画像として記録する撮像手段であることを特徴とする変位計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の変位計測装置を用い、前記撮像手段により取得した前記照準の光学画像を二値化解析してモニター画面に二値化照準画像を表示し、前記照準中心の座標変化と照準輪郭線の変化を評価して前記岩盤の相対的変位を三次元的に検出する変位計測方法。
【請求項３】
亀裂やジョイントなどの不連続面が存在する岩盤内を掘削してトンネルを構築する場合、前記不連続面を貫通するように穿った孔井内に請求項１記載の変位計測装置を設置し、トンネル掘進に伴う不連続面の相対的変位を三次元的に検出し、この変位監視データを用いて局所的な変形しやすい位置と方向を抽出し、基本の支保設計を初期条件とした岩盤の挙動解析などの評価結果を適用してトンネル施工における支保の局所的な強化設計に直ちに反映させることを特徴とするトンネルの情報化施工方法。

【図１】