特開 2022-177992 ひずみ計測システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022177992

(43)【公開日】2022-12-02

(54)【発明の名称】ひずみ計測システム

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20221125BHJP

   E21D 11/40 20060101ALI20221125BHJP

   E21D 9/00 20060101ALI20221125BHJP

   G01C 15/00 20060101ALI20221125BHJP

   G01S 11/06 20060101ALI20221125BHJP

【ＦＩ】

G01B7/16 R

E21D11/40 A

E21D9/00 C

G01C15/00 104D

G01S11/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021084466

(22)【出願日】2021-05-19

(71)【出願人】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(74)【代理人】

【識別番号】100162363

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】藤岡 大輔

(72)【発明者】

【氏名】中岡 健一

【テーマコード（参考）】

2D155

2F063

【Ｆターム（参考）】

2D155BA06

2D155LA13

2F063AA25

2F063BA15

2F063BA16

2F063BC02

2F063DA02

2F063DA05

2F063DC08

2F063EC22

2F063EC25

2F063KA01

2F063LA27

2F063NA01

(57)【要約】

【課題】鋼製支保工の建込み直後からひずみの計測を開始することができ、リアルタイムに地山挙動予測を行うことができるひずみ計測システムを提供する。
【解決手段】トンネルに設置された鋼製支保工のひずみを計測するひずみ計測システムであって、鋼製支保工に取り付けられ、計測したひずみ計測値を含む計測データを無線送信するひずみ計測装置１０と、切羽前で作業するトンネル工事用作業車であるドリルジャンボに設置され、ひずみ計測装置１０から受信した計測データによって鋼製支保工のひずみを監視する監視装置２０とを備える。監視装置２０は、計測データを受信すると、過去分の計測データと比較し、ひずみ計測値の変化量が予め設定された危険閾値を超えた場合、警告を報知するひずみ監視部４３を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

トンネルに設置された鋼製支保工のひずみを計測するひずみ計測システムであって、
前記鋼製支保工に取り付けられ、計測したひずみ計測値を含む計測データを無線送信するひずみ計測装置と、
切羽前で作業するトンネル工事用作業車に設置され、前記ひずみ計測装置から受信した前記計測データによって前記鋼製支保工のひずみを監視する監視装置と、を具備することを特徴とするひずみ計測システム。

【請求項2】

前記監視装置は、前記計測データを受信すると、過去分の前記計測データと比較し、前記ひずみ計測値の変化量が予め設定された危険閾値を超えた場合、警告を報知するひずみ監視部を具備することを特徴とする請求項１記載のひずみ計測システム。

【請求項3】

前記監視装置は、前記計測データの受信時の電波強度に基づいて計測時の切羽までの計測距離を推定する計測距離推定部と、
前記ひずみ計測値と前記計測距離とを計測数とした逆解析手法によって、地山弾性係数と、初期応力とを地山特性として推定する未知数推定部と、
前記地山特性を用いた順解析によって内空変位やせん断応力分布を算出し、管理値と比較することで支保工適合性を確認する適合性判定部と、を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載のひずみ計測システム。

【請求項4】

前記計測距離推定部は、前記計測データの受信時の前記電波強度に基づいて推定した前記ひずみ計測装置と前記監視装置との直線距離と、前記ひずみ計測装置が取り付けられた前記鋼製支保工が設置されているトンネル面と前記監視装置との直線距離と、切羽と前記監視装置との距離とに基づいて前記計測距離を算出することを特徴とする請求項３に記載のひずみ計測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トンネル内に設置された鋼製支保工のひずみを計測するひずみ計測システムに関する。

【背景技術】

【0002】

山岳トンネル工事において、土被りが小さく地山強度比が小さい場合や膨張性を有する地山の場合は、鋼製支保工に大きな土圧が生じる可能性があるため、鋼製支保工の安定性と妥当性（寸法やピッチ等）確認を目的とした鋼製支保工のひずみ計測（応力測定）が実施されることがある。

【0003】

例えば、トンネル等の構造物の内空変位を計測し、構造物の変状を監視する技術が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。この文献に開示された技術においては、構造物の内側に内空変位センサである梁の一端を固定し、梁の表面にひずみ計測が可能な装置を設置し、計測されたひずみから、構造物の鉛直方向および水平方向の変位を算出する。そして、内空変位センサに取り付けられたひずみ検出用デバイスの信号をひずみ計測装置が取得する。

【0004】

また、地震時のトンネルの覆工挙動をリアルタイムに把握するための計測システムも検討されている（例えば、特許文献２参照。）。この文献に開示されたトンネル覆工挙動の計測システムでは、トンネルの覆工表面にひずみゲージを有するセンサと、このセンサに接続される無線送信装置とを配置する。そして、無線送信装置からのトンネルの覆工表面の変状情報をトンネルの外で無線受信装置により受信し、トンネル覆工変状情報解析装置で覆工表面の変状情報を解析する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３－０４７６２９号公報

【特許文献2】特開２００９－３００３２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来技術では、鋼製支保工のひずみ計測を行なう場合、鋼製支保工に設置されたひずみゲージを有線でデータロガーに接続している。従って、ひずみ計測を開始するためには、掘削を一時的に止め、掘削の影響が及ばない後方までケーブルを配線する必要があるため、鋼製支保工の建込み直後からひずみ計測を開始することができない。そして、ケーブルの配線は、側壁にはわすため、ケーブルの防護も必要になり、手間と費用を要していた。

【0007】

また、計測されたひずみデータは、ケーブル末端のデータロガーに集約される。従って、多大なひずみが発生した場合、データロガーと切羽まで距離があるため、切羽への緊急退避指示が遅れてしまう虞があった。

【0008】

さらに、従来技術では、ひずみの計測地点と日々掘削が進む切羽までの距離は計測されていない。そのため、リアルタイムに地山挙動予測ができなかった。

【0009】

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消し、鋼製支保工の建込み直後からひずみの計測を開始することができ、リアルタイムに地山挙動予測を行うことができるひずみ計測システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明のひずみ計測システムは、トンネルに設置された鋼製支保工のひずみを計測するひずみ計測システムであって、前記鋼製支保工に取り付けられ、計測したひずみ計測値を含む計測データを無線送信するひずみ計測装置と、切羽前で作業するトンネル工事用作業車に設置され、前記ひずみ計測装置から受信した前記計測データによって前記鋼製支保工のひずみを監視する監視装置とを具備することを特徴とする。
さらに、本発明のひずみ計測システムにおいて、前記監視装置は、前記計測データを受信すると、過去分の前記計測データと比較し、前記ひずみ計測値の変化量が予め設定された危険閾値を超えた場合、警告を報知するひずみ監視部を具備する。
さらに、本発明のひずみ計測システムにおいて、前記監視装置は、前記計測データの受信時の電波強度に基づいて計測時の切羽までの計測距離を推定する計測距離推定部と、前記ひずみ計測値と前記計測距離とを計測数とした逆解析手法によって、地山弾性係数と、初期応力とを地山特性として推定する未知数推定部と、前記地山特性を用いた順解析によって内空変位やせん断応力分布を算出し、管理値と比較することで支保工適合性を確認する適合性判定部とを具備する。
さらに、本発明のひずみ計測システムにおいて、前記計測距離推定部は、前記計測データの受信時の前記電波強度に基づいて推定した前記ひずみ計測装置と前記監視装置との直線距離と、前記ひずみ計測装置が取り付けられた前記鋼製支保工が設置されているトンネル面と前記監視装置との直線距離と、切羽と前記監視装置との距離とに基づいて前記計測距離を算出する。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ひずみ計測装置の取り付けにケーブルの配線、防護作業が不要であるため、ひずみ計測装置の取り付けに伴い掘削を止めることなく、鋼製支保工１の建込み直後からひずみの計測及び監視を切羽付近で開始することができ、リアルタイムに地山挙動予測を行うことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明に係るひずみ計測システムの実施形態の構成を示すシステム構成図である。

【図2】図１に示すひずみ計測システムの構成を示すブロック図である。

【図3】図２に示す未知数推定部による未知数推定動作の解析モデルを示す図である。

【図4】図２に示す計測距離推定部による計測距離推定動作を説明するための説明図である。

【図5】図２に示す未知数推定部及び適合性判定部による未知数推定動作及び適合性判定動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。
本実施形態のひずみ計測システムは、図１を参照すると、鋼製支保工１に取り付けられたひずみ計測装置１０と、ドリルジャンボ２に設置された監視装置２０とを備えている。

【0014】

鋼製支保工１は、トンネルを構築するＮＡＴＭ工法（New Austrian Tunneling Method）で用いられるアーチ状の鋼材である。ＮＡＴＭ工法では、トンネルを掘削する毎に、鋼製支保工１を切羽近傍のトンネル坑壁に建て込み、鋼製支保工１は、予め設定された間隔Ｌ毎に設置される。

【0015】

ひずみ計測装置１０は、建て込み前の鋼製支保工１に取り付けられ、鋼製支保工１の建込によってトンネル内に設置される。なお、本実施形態では、鋼製支保工１の天井面、両側面の３か所にひずみ計測装置１０を取り付けたが、ひずみ計測装置１０の取り付け箇所及び個数には、特に制限はない。

【0016】

ドリルジャンボ２は、切羽前で作業するトンネル工事用作業車である。なお、監視装置２０は、ドリルジャンボ２の代わりにエレクター等の他のトンネル工事用作業車に設置しても良い。

【0017】

ひずみ計測装置１０は、図２を参照すると、ひずみゲージ１１、ブリッジ１２と、アンプ１３と、ひずみ計測部１４と、測定結果記憶部１５と、通信制御ユニット１６と、無線ユニット１７と、バッテリ１８とを備えている。

【0018】

ひずみゲージ１１は、鋼製支保工１の表面に取り付けられ、鋼製支保工１に印加された応力（ひずみ）に応じて物性値（本実施形態では抵抗値）が変化するセンサである。本実施形態では、２個のひずみゲージ１１を有しているが、ひずみゲージ１１の個数には、特に制限はない。

【0019】

ブリッジ１２は、ひずみゲージ１１を１つの抵抗として用いて、ひずみの変化に応じた抵抗値を計測し、ひずみ計測信号として出力する回路（例えば、ホイートストンブリッジ）である。そして、ブリッジ１２から出力されるひずみ計測信号は、アンプ１３によって強度を増幅され、ひずみ計測部１４に入力される。

【0020】

ひずみ計測部１４は、プログラム制御で動作する情報処理部である。ひずみ計測部１４は、ブリッジ１２からアンプ１３経由で入力されるひずみ計測信号の信号強度をひずみ計測値として計測する。なお、本実施形態において、ひずみ計測部１４は、ひずみ計測装置１０の起動から２４時間後までは１分間隔、２４時間以降は１０分間隔でひずみ計測値を計測する。

【0021】

通信制御ユニット１６は、監視装置２０との間の無線通信を制御する制御部であり、ひずみ計測部１４から出力される計測データを無線信号に変換する。そして、無線ユニット１７は、アンテナを介して、予め設定された強度の無線信号を送信する。本実施形態では、９２０ＭＨｚ帯の周波数を用いることにより、約２０ｍ程度の通信距離を確保する。

【0022】

ひずみ計測部１４は、通信制御ユニット１６が監視装置２０と無線通信が可能な状態か否かを判断し、監視装置２０と無線通信が可能である場合、通信制御ユニット１６及び無線ユニット１７を介して、計測したひずみ計測値と、固有の機器ＩＤとからなる計測データを監視装置２０に送信する。

【0023】

監視装置２０と無線通信が不能である場合、ひずみ計測部１４は、計測したひずみ計測値を、計測されたタイミングを示すタイミングデータ（時刻、測定順や間隔等）と共にフラッシュメモリ等で構成された測定結果記憶部１５に記憶させる。そして、ひずみ計測部１４は、監視装置２０と無線通信が可能になると、測定結果記憶部１５に記憶させたひずみ計測値及びタイミングデータと、固有の機器ＩＤとからなる計測データを監視装置２０に送信する。

【0024】

バッテリ１８は、ひずみ計測装置１０の各部に電源を供給する電源供給部であり、本実施形態では、ひずみ計測装置１０の計測及び送信動作の持続時間を１ヵ月以上確保できる容量を備えている。

【0025】

監視装置２０は、無線ユニット２１と、通信制御ユニット２２と、解析装置３０とを備えている。ひずみ計測装置１０から送信された無線信号は、アンテナを介して監視装置２０の無線ユニット２１で受信され、通信制御ユニット２２は、無線ユニット２１によって受信された無線信号を計測データに復調する。そして、通信制御ユニット２２は、復調した計測データを無線ユニット２１がひずみ計測装置１０からの無線信号を受信した際の受信強度と共に解析装置３０に出力する。

【0026】

なお、監視装置２０は、坑内を行き来するドリルジャンボ２に設置されている。従って、ドリルジャンボ２が坑内を行き来する際に、監視装置２０は坑内に設置されたひずみ計測装置１０から網羅的に計測データを受信できる。

【0027】

解析装置３０は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であり、キーボート等の入力部３１と、液晶ディスプレイ等の表示部３２と、スピーカ等の出力部３３と、フラッシュメモリ等の記憶部３４と、制御部４０とを備えている。

【0028】

制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたマイクロコンピュータ等の情報処理部である。ＲＯＭには解析装置３０がジョブを実行するための制御プログラムが記憶されている。制御部４０は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出し、制御プログラムをＲＡＭに展開させることで、解析装置３０の制御を行い、計測装置登録受付部４１、計測距離推定部４２、ひずみ監視部４３、未知数推定部４４、適合性判定部４５として機能する。

【0029】

計測装置登録受付部４１は、建て込んだ鋼製支保工１に取り付けられたひずみ計測装置１０の機器ＩＤを受け付け、受け付けた機器ＩＤを鋼製支保工１の支保工ＩＤ及び取り付け位置（天井面、右側面、左側面）と対応付けした計測装置情報３４１として記憶させる。

【0030】

計測距離推定部４２は、計測データが入力されると、機器ＩＤに基づいて計測装置情報３４１を参照することで、その計測データを送信したひずみ計測装置１０の取付け位置（天井面、右側面、左側面）を特定し、特定した取付け位置（天井面、右側面、左側面）と電波強度とに基づいて計測時の切羽までの計測距離ｄを推定する。

【0031】

ひずみ監視部４３は、計測データが入力されると、計測距離推定部４２によって特定された取付け位置における過去分の計測データと比較し、ひずみ計測値の変化量が予め設定された危険閾値を超えた場合、表示部３２や出力部３３から作業員に退避を促す警告を報知する。これにより、リアルタイムにひずみを監視し、ひずみ増大時に警告を報知することができる。

【0032】

未知数推定部４４は、ひずみ計測値と計測距離ｄとを計測数とした逆解析手法によって、地山弾性係数Ｅ_Ｒと、初期応力σ_ｘ０、σ_ｙ０、τ_ｘｙ０とを地山特性として推定する。逆解析手法は、二次元弾性有限要素法を用いる。まず、図３に示す解析モデルを用い、単位あたりの初期応力σ_ｘ０、σ_ｙ０、τ_ｘｙ０と地山弾性係数Ｅ_Ｒを仮設定してひずみ(以下、単位ひずみと称す)を予め計算する。

【0033】

次に、計測されたひずみが予め計算した単位ひずみの何倍にあたるかを計算することで、未知数となる初期応力σ_ｘ０、σ_ｙ０、τ_ｘｙ０と地山弾性係数Ｅ_Ｒを定める。なお、図３に示す解析モデルでは、地山は等方等質の弾性体であり、地山の初期応力σ_ｘ０、σ_ｙ０、τ_ｘｙ０は解析領域に全体にわたり一定とした。実際の地山は非弾性かつ非線形に挙動するが、解析結果はこれらを含めて等価な値として出力される。

【0034】

適合性判定部４５は、未知数推定部４４によって推定した地山物性を用いた順解析によって内空変位やせん断応力分布を算出し、管理値と比較することで支保工適合性を確認する。

【0035】

次に、計測距離推定部４２による計測距離ｄの推定方法について図４を参照して詳細に説明する。
計測距離推定部４２には、無線ユニット２１（アンテナ）と切羽との距離Ａ（例えば、無線ユニット２１をトンネル断面の中心に置いた場合は、８ｍ）と、無線ユニット２１（アンテナ）と天井面、右側面、左側面とのそれぞれの距離Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３（例えば、トンネル径Ｄ／２）とが固定値として設定されている。

【0036】

計測距離推定部４２は、機器ＩＤに基づいて計測装置情報３４１を参照することで、その計測データを送信したひずみ計測装置１０の取付け位置（天井面、右側面、左側面）を特定する。

【0037】

また、計測距離推定部４２は、受信強度に基づいて送信元のひずみ計測装置１０との直線距離r（取付け位置が天井面である場合には直線距離r_１、取付け位置が右側面である場合には直線距離r_２、取付け位置が左側面である場合には直線距離r_３）を推定する。すなわち、計測距離推定部４２は、距離の２乗に比例して減衰する無線信号の性質を用いて直線距離rを推定する。

【0038】

そして、計測距離推定部４２は、特定した取付け位置に応じた距離Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３のいずれかと、直線距離rと、距離Ａとを用いて、計測時の切羽までの計測距離ｄを推定する。例えば、ひずみ計測装置１０の取付け位置が天井面である場合、
ｄ＝√（r_１ ^２－Ｃ_１ ^２）＋Ａを演算することで計測時の切羽までの計測距離ｄを推定する。

【0039】

なお、無線ユニット２１（アンテナ）と切羽との距離Ａと、無線ユニット２１（アンテナ）と天井面、右側面、左側面とのそれぞれの距離Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３とを固定値としたが、これらをレーザー距離計等の測定装置に測定した測定値としても良い。

【0040】

なお、推定される計測距離ｄは、ひずみ計測装置１０が取り付けられた鋼製支保工１と切羽との距離であり、同じ鋼製支保工１に取り付けられたひずみ計測装置１０であれば、値になるはずである。従って、同じ鋼製支保工１_ａに取り付けられたひずみ計測装置１０_ａ1、１０_ａ２、１０_ａ３のそれぞれ計測距離ｄ_１が同じ値になるように調整（例えば、平均値）することで精度を向上させることができる。

【0041】

さらに、隣接した鋼製支保工１間の距離Ｌが既知である場合、鋼製支保工１_ａに取り付けられたひずみ計測装置１０_ａ1、１０_ａ２、１０_ａ３の計測距離ｄ_ａと、鋼製支保工１_ｂに取り付けられたひずみ計測装置１０_ｂ1、１０_ｂ２、１０_ｂ３の計測距離ｄ_ｂとの差が距離Ｌになるように調整（例えば、平均値）することで精度を向上させることができる。

【0042】

次に、未知数推定部４４による未知数推定方法について図５を参照して詳細に説明する。
まず、未知数推定部４４は、既知数として地山のポアソン比Ｖ_Ｒ、鋼製支保工１のポアソン比Ｖ_Ｌ、鉛直応力σ_ｙ０、鋼製支保工１の支保工弾性係数Ｅ_Ｌの設定を受け付ける（ステップＳ１０１）。支保工弾性係数Ｅ_Ｌは、鋼製支保工１（Ｈ鋼）と吹付けコンクリートの透過弾性係数を入力値とする。地山のポアソン比Ｖ_Ｒ、は、本来は未知数であるが、解析を簡略化するため一般的な値（例えば０．３５など）を入力する。

【0043】

また、未知数推定部４４は、未知数である地山弾性係数Ｅ_Ｒの入力を受け付ける（ステップＳ１０２）。この地山弾性係数Ｅ_Ｒは、繰返し初期値として用いる。

【0044】

そして、未知数推定部４４は、地山と支保工の弾性係数の比Ｒ_ｉ＝Ｅ_Ｌ／Ｅ_Ｒを計算する（ステップＳ１０３）。

【0045】

また、未知数推定部４４は、計測値の入力としてひずみ計測値ε_ｍ’、計測時の切羽までの計測距離ｄを受け付けると（ステップＳ１０４）、収束後のひずみε_ｍをひずみ特性曲線から予測する（ステップＳ１０５）。

【0046】

ひずみ計測値ε_ｍ’は、鋼製支保工１の設置時を起点とした値である。収束後のひずみ値ε_ｍは、掘削開始時を起点とした値である。ひずみ特性曲線は、切羽までの計測距離ｄと、現在のひずみと収束後のひずみの比率を表したものであり、掘削データがない場合は経験的な曲線から定める。応力ひずみ関係が線形であると仮定した場合、ひずみ特性曲線は内空変位や天端沈下量から定めることができる。

【0047】

また、地山は掘削する前から変形を始めている。切羽までの距離がマイナスの領域のひずみ特性曲線は、先行沈下計による先行変位計測や地表面沈下量、三次元解析などから定めることもできる。最後に、求めた地山物性を用いて内空変位やせん断応力分布を算出し、管理値より支保工適合性を確認する。

【0048】

次に、未知数推定部４４は、逆解析手法により、以下に示す式（６）（７）を用いて、地山特性として地山弾性係数Ｅ_Ｒと、初期応力σ_ｘ０、σ_ｙ０、τ_ｘｙ０を算出し、逆解析弾性係数の比を更新（Ｒ_ｉ＋１＝Ｅ_Ｌ／Ｅ_Ｒ）する（ステップＳ１０６）。

【0049】

トンネルの掘削に伴う変形を有限要素法で解析するため、鋼製支保工１内側に作用する掘削外力Ρを式（１）で求める必要がある。積分は地山要素の体積積分である。初期応力はいずれも未知数であるため、初期応力σ_０の各成分σ_x０、σ_ｙ０、τ_xｙ０を単位としたときの外力成分Ρ_ｉ（ｉ＝１～３）を式（２）で計算する。

【0050】

【数1】

【0051】

また、地山弾性係数Ｅ_Ｒと支保工弾性係数Ｅ_Ｌとがいずれも１のときの剛性マトリクスをＫ_Ｒ、Ｋ_Ｌとしたとき、全体剛性マトリクスＫは式（３）で表される。また、地山と支保工の弾性係数比をパラメータＲ＝Ｅ_Ｌ／Ｅ_Ｒとすると、式（３）は式（４）となる。

【0052】

【数2】

【0053】

有限要素法は、剛性方程式であるΡ＝ｋ・ｕを解くことで変位ｕとひずみεを求める。同様に、Ｋ^＊と外力成分Ρ_ｉを用いて解くことにより「単位ひずみ」が求められる。鋼製支保工１のひずみが３カ所で計測されたとき、各計測点の単位ひずみとの関係は式（５）で表される。

【0054】

【数3】

【0055】

未知数マトリクスＣは最小二乗法により式（６）で求められる。鉛直応力σ_ｙ０は土被り圧と等しいと仮定すれば、土被りhと平均的な地山の単位体積重量γから式（７）で与えられる。その後、残りの地山弾性係数Ｅ_Ｒと初期応力σ_ｘ０、τ_ｘｙ０を定める。以上の流れを繰返すことで、未知数である地山弾性係数Ｅ_Ｒと、初期応力σ_ｘ０、σ_ｙ０、τ_ｘｙ０とが収束する。

【0056】

【数4】

【0057】

次に、未知数推定部４４は、（Ｒ_ｉ＋１－Ｒ_ｉ）／Ｒ_ｉが予め設定された許容誤差未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０７）。

【0058】

ステップＳ１０７で（Ｒ_ｉ＋１－Ｒ_ｉ）／Ｒ_ｉが許容誤差以上である場合、ステップＳ１０３に戻って、ステップＳ１０７で算出した地山弾性係数Ｅ_Ｒを用いて地山と支保工の弾性係数の比Ｒ_ｉ＝Ｅ_Ｌ／Ｅ_Ｒを再計算する。

【0059】

ステップＳ１０７で（Ｒ_ｉ＋１－Ｒ_ｉ）／Ｒ_ｉが許容誤差未満である場合、適合性判定部４５は、ステップＳ１０６で算出された地山弾性係数Ｅ_Ｒと、初期応力σ_ｘ０、σ_ｙ０、τ_ｘｙ０とを用いた順解析によって内宮変位とせん断応力分布等を算出する（ステップＳ１０８）。

【0060】

そして、適合性判定部４５は、算出した内空変位やせん断応力分布が管理値内であるか管理値超過であるかに基づいて支保適合性を確認する（ステップＳ１０９）。

【0061】

ステップＳ１０９で算出した内空変位やせん断応力分布が管理値内である場合、支保が適合であることが確認されたことになり、処理を終了する。

【0062】

ステップＳ１０９で算出した内空変位やせん断応力分布が管理値超過である場合、支保が不適合であることがと判明されたことになり、適合性判定部４５は、表示部３２や出力部３３から作業員に支保工の見直しを促す警告を報知する。これにより、作業者は、将来的に許容値を超える変位が発生する虞を未然に察知することができ、ロックボルトの増し打ちや鋼製支保工１のランクアップを検討することができる。

【0063】

このように、収束前のひずみ計測値ε_ｍ’を入力値としたため、比較的早い段階から地山の変形挙動を捉えて逆解析に反映することができる。また、弾性であれば解析モデルに制限はないため、既知の物性を増やす等の工夫が容易である。さらに、掘削実績に伴いひずみ特性曲線を補正することで、精度向上につなげることができる。

【0064】

以上説明したように、本実施形態は、トンネルに設置された鋼製支保工１のひずみを計測するひずみ計測システムであって、鋼製支保工１に取り付けられ、計測したひずみ計測値ε_ｍ’を含む計測データを無線送信するひずみ計測装置１０と、切羽前で作業するトンネル工事用作業車であるドリルジャンボ２に設置され、ひずみ計測装置１０から受信した計測データによって鋼製支保工１のひずみを監視する監視装置２０とを備える。
この構成により、ひずみ計測装置１０の取り付けにケーブルの配線、防護作業が不要であるため、ひずみ計測装置１０の取り付けに伴い掘削を止めることなく、鋼製支保工１の建込み直後からひずみの計測及び監視を切羽付近で開始することができる。そして、計測データがドリルジャンボ２に設置した監視装置２０にリアルタイムに収集される。送信機であるひずみ計測装置１０と受信機である監視装置２０のみで構成できるため、トンネル坑内に新たにネットワークを追加することなく、リアルタイムに地山挙動予測を行うことができる。

【0065】

さらに、本実施形態において、監視装置２０は、計測データを受信すると、過去分の計測データと比較し、ひずみ計測値ε_ｍ’の変化量が予め設定された危険閾値を超えた場合、警告を報知するひずみ監視部４３を備える。
この構成により、ひずみの増大が発生した場合、速やかに切羽作業員に緊急退避指示を出すことできる。

【0066】

さらに、本実施形態において、監視装置２０は、計測データの受信時の電波強度に基づいて計測時の切羽までの計測距離ｄを推定する計測距離推定部４２と、ひずみ計測値ε_ｍ’と計測距離ｄとを計測数とした逆解析手法によって、地山弾性係数Ｅ_Ｒと初期応力σ_ｘ０、σ_ｙ０、τ_ｘｙ０とを地山特性として推定する未知数推定部４４と、推定した地山特性を用いた順解析によって内空変位やせん断応力分布を算出し、管理値と比較することで支保工適合性を確認する適合性判定部４５とを備える。
この構成により、比較的早い段階から地山の変形挙動を捉えて逆解析に反映することができる。

【0067】

さらに、本実施形態において、計測距離推定部４２は、計測データの受信時の電波強度に基づいて推定したひずみ計測装置と監視装置２０との直線距離ｒと、ひずみ計測装置１０が取り付けられた鋼製支保工１が設置されているトンネル面（取り付け位置）と監視装置２０との直線距離Ｃと、切羽と監視装置２０との距離Ａとに基づいて計測距離ｄを算出する。

【0068】

以上、実施形態をもとに本発明を説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

【符号の説明】

【0069】

１ 鋼製支保工
２ ドリルジャンボ
１０ ひずみ計測装置
１１ ひずみゲージ
１２ ブリッジ
１３ アンプ
１４ ひずみ計測部
１５ 測定結果記憶部
１６ 通信制御ユニット
１７ 無線ユニット
１８ バッテリ
２０ 監視装置
２１ 無線ユニット
２２ 通信制御ユニット
３０ 解析装置
３１ 入力部
３２ 表示部
３３ 出力部
３４ 記憶部
４０ 制御部
４１ 計測装置登録受付部
４２ 計測距離推定部
４３ ひずみ監視部
４４ 未知数推定部
４５ 適合性判定部
３４１ 計測装置情報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】