特開 2024-87519 変位計及び地中変位算定方法

(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】P2024087519

(43)【公開日】2024-07-01

(54)【発明の名称】変位計及び地中変位算定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/00 20060101AFI20240624BHJP

   G01C 15/00 20060101ALI20240624BHJP

【ＦＩ】

G01B7/00 103Z

G01C15/00 104A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022202381

(22)【出願日】2022-12-19

(71)【出願人】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(71)【出願人】

【識別番号】591284601

【氏名又は名称】株式会社演算工房

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木梨 秀雄

(72)【発明者】

【氏名】藤岡 大輔

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 淳

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 拓也

(72)【発明者】

【氏名】西村 友宏

(72)【発明者】

【氏名】辻村 幸治

(72)【発明者】

【氏名】阪本 崇介

【テーマコード（参考）】

2F063

【Ｆターム（参考）】

2F063AA04

2F063BA15

2F063DA02

2F063DA05

2F063EA01

(57)【要約】

【課題】簡略な設備で、長孔及び長孔周辺に生じる水平方向及び鉛直方向の変位を把握する
【解決手段】長孔内に設置され、該長孔の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設けられる２体のエンコーダと、を備え、前記ジョイント部材が、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、直交する２本の回転軸を備える自在継手と、を有し、前記２本の回転軸各々に、前記継手スリーブと前記エンコーダが接続される。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

長孔内に設置され、該長孔の変位を計測する変位計であって、
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設けられる２体のエンコーダと、を備え、
前記ジョイント部材が、
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、
直交する２本の回転軸を備える自在継手と、を有し、
前記２本の回転軸各々に、前記継手スリーブと前記エンコーダが接続されることを特徴とする変位計。

【請求項2】

請求項１に記載の変位計において、
前記エンコーダが、回転伝達機構を介して前記回転軸に接続されることを特徴とする変位計。

【請求項3】

請求項１に記載の変位計において、
前記長尺部材に、セントラライザーが設けられることを特徴とする変位計。

【請求項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、前記エンコーダが接続された前記回転軸各々を、鉛直方向および水平方向に向くように設置した後、
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、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地中変位算定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、長孔及び長孔周辺の変位を計測する変位計および変位計を用いた地中変位算定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

山岳トンネル工事では、構築中のトンネル内周面に沿って支保工を設けるが、支保工は掘削の進行に伴って地圧に押されるため、内空方向に変形する場合が多い。このため、トンネルの支保工（内空変位）を計測する作業と併せて、トンネル周辺地山の岩盤変形を計測し、トンネルの安定性を評価している。

【0003】

地山は、トンネル掘削を開始すると、掘削地点の周辺で変位が生じるだけでなく、その前方においてもすでに、先行して変位が発生してる。この先行変位は、トンネル切羽が所定の地点に到達した段階で、掘削によって生じた全変位のうち、３～５割程度を占めることが知られている。したがって、切羽前方の先行変位を事前に計測することが重要となる。

【0004】

例えば、トンネル掘削時における周辺地山の変位を計測する機器として、重力加速度センサ等を用いた傾斜計が広く用いられている。傾斜計は、トンネルの天端部から切羽前方に向けて削孔したボーリング孔に設置されて、トンネル掘削に伴う天端の沈下計測を行う機器である。ところが、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。

【0005】

そこで、発明者らは特許文献１に示すように、ひずみゲージを利用した鉛直方向と水平方向の変位を計測可能な地中変位計を開発した。特許文献１の地中変位計は、ひずみセンサを設置した起歪板を２体で一組とし、これらを計測部として取り扱う。この２体の起歪板を、板面が互いに直交する方向に向けて並列配置することで、地山に生じる水平方向及び鉛直方向の変位を、同一地点で計測可能にしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２０－４１９９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１の地中変位計は、計測したひずみ量から角度を算出することで水平方向及び鉛直方向の変位を算出する。ところが、ひずみ量と角度の関係は、事前にキャリブレーションを行って取得しておく必要がある。また、ひずみ量と角度の関係は線形でないため、角度が大きくなると誤差も大きくなるといった課題がある。

【0008】

さらに、ひずみセンサを設置した起歪板を２体で一組とした計測部は、地中変位計の長手方向に一定の間隔を設けて複数配置するが、地中変位計が長大になるにつれて、ひずみゲージのリード線も長大となり、取り扱いが煩雑となりやすい。また、地中変位計を延長する場合に、計測部を追加設置することが困難であった。

【0009】

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、簡略な設備で、長孔及び長孔周辺に生じる水平方向及び鉛直方向の変位を把握することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

かかる目的を達成するため、本発明の変位計は、長孔内に設置され、該長孔の変位を計測する変位計であって、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設けられる２体のエンコーダと、を備え、前記ジョイント部材が、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、直交する２本の回転軸を備える自在継手と、を有し、前記２本の回転軸各々に、前記継手スリーブと前記エンコーダが接続されることを特徴とする。

【0011】

本発明の変位計は、前記エンコーダが、回転伝達機構を介して前記回転軸に接続されることを特徴とする。

【0012】

本発明の変位計は、前記長尺部材に、セントラライザーが設けられることを特徴とする。

【0013】

本発明の地中変位算定方法は、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、前記エンコーダが接続された前記回転軸各々を、鉛直方向および水平方向に向くように設置した後、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、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。

【0014】

本発明の変位計及び地中変位算定方法によれば、隣り合う長尺部材を連結するジョイント部材に自在継手を採用し、自在継手に備えた直交する２本の回転軸各々にエンコーダが接続されている。これにより、エンコーダを利用して、隣り合う長尺部材間の鉛直方向の角度および水平方向の角度を計測値として出力し、この計測値に基づいて、ジョイント部材を計測地点とする鉛直方向及び水平方向の変位の両者を算出することが可能となる。

【0015】

また、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配置し、地中変位計として採用すれば、先行変位を含めた全変位を把握することができる。このため、この全変位と、いわゆる限界ひずみ法などで知られている地山ごとに推定する限界ひずみとの対比により。地山の塑性化を評価できる。さらに、鉛直方向の角度および水平方向の角度は、エンコーダの回転数から算出することとなるが、回転数の大小にかかわらず安定した高い精度で角度を算出することが可能となる。

【0016】

そして、エンコーダを利用することにより、ひずみゲージなどを利用してひずみ量と角度の関係を取得する場合に必要であった、事前のキャリブレーションを省略することができ、計測作業の効率化を図ることが可能となる。さらに、ジョイント部材と隣り合う長尺部材の一方をユニット化すれば、このユニットを順次継ぎ足すことにより、変位計に設ける計測地点の数を自在増減することが可能となる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、隣り合う長尺部材を連結するジョイント部材に自在継手を採用し、自在継手に備えた直交する２本の回転軸各々にエンコーダを接続する簡略な設備で、長孔及び長孔周辺に生じる水平方向及び鉛直方向の変位を把握することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施の形態における変位計の設置状況を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態におけるジョイント部材の平面を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態におけるジョイント部材の側面及びセントラライザーの詳細を示す図である

【図4】本発明の実施の形態におけるジョイント部材の断面を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態における計測地点の位置（水平方向）及び計測部により計測される角度を示す概念図である。

【図6】本発明の実施の形態における計測地点の位置（鉛直方向）及び計測部により計測される角度を示す概念図である。

【図7】本発明の実施の形態におけるジョイント部材の他の事例を示す図である。

【図8】本発明の実施の形態におけるジョイント部材（他の事例）の断面を示す図である。

【図9】本発明の実施の形態におけるジョイント部材（他の事例）の動作を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明は、長孔内に設置され、この長孔及び長孔周辺に生じる水平方向及び鉛直方向の変位を把握する変位計に関するものである。長孔は、例えば、地山に構築された削孔や埋め戻土に埋設された埋設管、もしくは地中連壁や鋼矢板などに取り付けた配管など、いずれの構造に形成された長孔をも含む。

【0020】

これらの長孔内に変位計を設置することにより、変位計が設置された長孔及び長孔周辺の変位、具体的には、地中変位や埋め戻し土の沈下、もしくは地中連壁や鋼矢板の変位（変形）などを把握することができる。本実施の形態では、トンネルの掘削工事に伴って生じる切羽前方の地中変位を計測するべく、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構築したボーリング孔内に設置し、地中変位計として採用する場合を事例に挙げ、地中変位測定方法を説明しつつ、変位計の詳細および地山変位を算定する手順を、図１～図８を用いて説明する。

【0021】

≪≪≪地中変位測定方法：地中変位計を地山に設置≫≫≫
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、掘削開始地点Ａの近傍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。ここでは、Ｘ軸を水平方向（+方向はトンネル軸線Ｃから遠のく方向）、Ｚ軸をトンネル軸線Ｃ方向（＋方向は掘進方向）に設定し、Ｙ軸を鉛直方向（－方向は鉛直下向き）に設定している。

【0022】

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。図１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。

【0023】

なお、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、その数も１箇所に限定されるものではない。また、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。

【0024】

さらに、図１では図示を省略しているが、ボーリング孔Ｈ内には孔壁保護用のパイプ材を設置し、パイプ材の内方に地中変位計１０を設置している。パイプ材は、地圧により断面が変形しない材料であれば、いずれの管材を採用してもよく、また、地山の状態によっては必ずしも設けなくてもよい。

【0025】

≪≪地中変位計≫≫
図１及び図２で示すように、地中変位計１０は、複数の長尺部材１と、ジョイント部材２と、セントラライザー６と、計測部７とを備える。計測部７がジョイント部材２に設けられているため、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。

【0026】

≪長尺部材≫
長尺部材１は、例えばステンレス製の高い剛性を有する長尺パイプよりなり、その部材長は、計測地点Ｐを配置したい離間距離Ｌに応じて適宜設定される。本実施の形態では、計測地点Ｐの離間距離Ｌが１０００ｍｍとなるよう長尺部材１の部材長を調整している。この長尺部材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。

【0027】

≪ジョイント部材≫
ジョイント部材２は、図２の平面図で示すように、部材本体３と直交する２本の回転軸（鉛直軸４ａ及び水平軸４ｂ）との組み合わせよりなる自在継手と、一対の継手スリーブ（水平回転スリーブ５１及び鉛直回転スリーブ５２）と、を備える。地中変位計１０をボーリング孔Ｈ内に配置する際、２本の回転軸の一方を鉛直状に、また、他方を水平状に配置する。このため、ここでは２本の回転軸を、鉛直軸４ａ及び水平軸４ｂと称する。

【0028】

部材本体３は、図２の平面図及び図３（ａ）の側面図で示すように、長方体形状の支持部材３１と、その両側各々に取り付けた鉛直軸用軸受け３２ａ及び水平軸用軸受け３２ｂと、により構成されている。鉛直軸用軸受け３２ａには鉛直軸４ａが回転自在に設置されている。また、水平軸用軸受け３２ｂには水平軸４ｂが回転自在に設置されている。これにより、部材本体３と、鉛直軸４ａ及び水平軸４ｂの組み合わせは、直交する２本の回転軸を備える自在継手として機能する。

【0029】

そして、鉛直軸４ａに水平回転スリーブ５１の一端が固定され、水平軸４ｂに鉛直回転スリーブ５２の一端が固定されている。これにより、水平回転スリーブ５１は、鉛直軸４ａを回転軸にして水平方向に揺動し、鉛直回転スリーブ５２は、水平軸４ｂを回転軸にして鉛直方向に揺動する。このように挙動する水平回転スリーブ５１の他端及び鉛直回転スリーブ５２の他端の各々に、ジョイント部材２を挟んで隣り合う長尺部材１がそれぞれ接続される。

【0030】

これらジョイント部材２を構成する水平回転スリーブ５１及び鉛直回転スリーブ５２は、各々の軸心が同一線上に位置するよう配置される。したがって、ジョイント部材２を挟んで隣り合う長尺部材１も、その軸心がジョイント部材２の軸心と同一線上に配置されることとなる。

【0031】

上記の構成を有するジョイント部材２は、自在継手としての機能が失われることの無い態様で、防水材として機能する保護部材２１によって被覆されている。保護部材２１の形状や素材、取付方法はいずれでもよいが、その外径は、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。

【0032】

≪セントラライザー≫
セントラライザー６は、図１で示すように、ジョイント部材２を挟んだ両側に対をなして配置され、長尺部材１を包持するようにして設けられている。市場で取引されているいずれの金具を採用してもよいが、図２及び図３（ｂ）では、ボーリング孔Ｈ内で地中変位計１０を３点支持する形状のセントラライザー６を採用する場合を例示している。

【0033】

セントラライザー６は、図３（ｂ）で示すように、長尺部材１を保持する保持具６１と保持具６１を囲うように設けられる支持台６２と、支持台６２に設置される支持棒材６３と、を備えている。保持具６１は、長尺部材１より内径の大きい角筒状の管材よりなる。支持台６２は、帯状鋼板を折り曲げ形成した略三角筒状の金具であり、保持具６１を内包可能な内部空間を有する。

【0034】

支持棒材６３は、略三角筒状に形成された支持台６２の各面に設置されており、１本の弾性棒材６３１と、２本の長さ調整棒材６３２とを備える。弾性棒材６３１は、バネ等の弾性部材を装備した長手方向に伸縮可能な棒材である。長さ調整棒材６３２は、ネジ等の長さ調整機能を備えた棒材である。これらはいずれも先端に、ボールキャスターが設置されている。なお、長さ調整棒材６３２は、２本に限定するものではなく、３本以上設けてもよい。

【0035】

このような構成のセントラライザー６は、地中変位計１０の軸心がボーリング孔Ｈの軸心と合致するよう支持棒材６３のうち２本の長さ調整棒材６３２の長さを調整する。こうして、セントラライザー６に備えた３本の支持棒材６３の各々に設けたボールキャスターを孔壁に当接させながら、地中変位計１０をボーリング孔Ｈに挿入・設置する。

【0036】

このとき、弾性棒材６３１は、収縮させた状態で鉛直上向きに配置し、２本の長さ調整棒材６３２は、地中変位計１０を支持するように配置する。すると、ボーリング孔Ｈ内において、弾性棒材６３１は常時、鉛直上方の孔壁を押圧する。また、その反力で２本の長さ調整棒材６３２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。

【0037】

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。

【0038】

こうして、ボーリング孔Ｈに地中変位計１０を挿入・設置した後、図２及び図３（ａ）で示すように、ジョイント部材２に設けられている計測部７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。計測は、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各々について行う。

【0039】

≪計測部≫
計測部７によって得られる計測値は、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の、角度（水平方向の角度及び鉛直方向の角度）である。このような事象は、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に外力が作用することにより生じるものである。

【0040】

計測部７は、図２及び図３（ａ）で示すように、２体のエンコーダ７１、７２と、マイコン７３とを備えている。エンコーダ７１、７２には中空型を採用し、図４の断面図で示すように、他方のエンコーダ７２は、水平軸４ｂを貫通して配置されている。一方のエンコーダ７１も同様に、鉛直軸４ａを貫通して配置され、また、２体のエンコーダ７１、７２各々のマイコン７３は、部材本体３の支持部材３１に固定されている。

【0041】

これにより、例えば図４で示すように、ジョイント部材２近傍に水平方向の外力が作用する。すると、長尺部材１に接続された水平回転スリーブ５１が、鉛直軸用軸受け３２ａに回転自在に支持された鉛直軸４ａとともに水平方向に回転する。この鉛直軸４ａの回転を、図３（ａ）で示したエンコーダ７１が検知して、電気信号をマイコン７３に出力する。

【0042】

マイコン７３は、エンコーダ７１の出力値を処理し、回転数としてパソコンなどの端末装置に出力する。こうして出力された回転数から、図５で示すように、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α_ｘｎを計測値として得ることができる。

【0043】

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、鉛直回転スリーブ５２が、水平軸受け３２ｂに対して回転自在に支持された水平軸４ｂとともに鉛直方向に回転する。すると、水平軸４ｂの回転をエンコーダ７２が検知して、電気信号をマイコン７３に出力する。

【0044】

マイコン７３は、エンコーダ７１の出力値を処理し、回転数としてパソコンなどの端末装置に出力する。こうして出力された回転数から、図６で示すように、ジョイント部材２を介して隣り合う長尺部材１間の、鉛直方向の角度α_ｙｎを計測値として得ることができる。

【0045】

上記のとおり地中変位計１０は、ジョイント部材２を構成する鉛直軸４ａにエンコーダ７１を接続し、水平軸４ｂにエンコーダ７２を接続している。このため、長尺部材１に接続されている一対の継手スリーブ５１、５２が何れに回転しても、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、水平方向の角度α_ｘｎと鉛直方向の角度α_ｙｎの両者を、ともに計測することが可能となる。

【0046】

そして、計測値である水平方向の角度α_ｘｎと鉛直方向の角度α_ｙｎから、計測地点Ｐ各々位置座標を算出することができる。また、これら位置座標の算出結果により、計測地点Ｐにおける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。

【0047】

≪≪≪地中変位算出方法≫≫≫
以下に、計測地点Ｐにおける位置座標および地中変位の算出方法を説明する。図５及び図６で示すように、Ｘ軸は水平方向（－方向はトンネル軸線Ｃに近づく方向）であり、Ｙ軸は鉛直方向（－方向は鉛直下向き）である。そして、Ｚ軸をトンネル軸線Ｃ方向（＋方向は掘進方向）に設定する。

【0048】

≪計測地点Ｐにおける水平方向の位置座標（ｘｉ、ｚｉ）≫
複数の計測地点Ｐｉ（ｉ＝１～計測地点の数ｎ）は、図５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５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、図１を参照して説明した離間距離Ｌである。

【0049】

そして、拡幅部Ｗに位置する掘削開始地点Ａ近傍の計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ_０、ｚ_０）の実測値を基準とし、坑口側に位置する計測地点Ｐ１から先端側に向けて順に位置座標を算定する。計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ_０、ｚ_０）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の坑口側端部であり、地中変位計１０の起点（原点）となる地点である。

【0050】

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５で示すように、計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ_０，ｚ_０）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角度α_ｘ０を実測する。

【0051】

併せて、各計測地点Ｐｉについて、計測部７より水平方向の角度α_ｘｉを計測する。なお、図５では、計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ_０，ｚ_０）＝（０，０）、及び角度α_ｘ０＝πの場合を例示している。

【0052】

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β_ｘｉを、下記（１）式と計測値である角度α_ｘｉにより算出する。

【0053】

各計測地点Ｐｉにおける平面視の位置座標（ｘ_ｉ，ｚ_ｉ）を、先に実測した計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｘ_０，ｚ_０）と（１）式で算出したβ_ｘｉとに基づいて、（２）式より算出する。

【0054】

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（ｘ_ｉ，ｚ_ｉ）を算出する。

【0055】

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（ｘ_０，ｚ_０）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。

【0056】

≪計測地点Ｐにおける鉛直方向の位置座標（ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）≫
鉛直方向の計測地点Ｐにおける位置座標（ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）も、水平方向の位置座標（ｘ_ｉ，ｚ_ｉ）と同様の手順で算出できる。つまり、地中変位計１０の起点（原点）となる拡幅部Ｗに位置する掘削開始地点Ａ近傍の計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｙ_０，ｚ_０）の実測値を基準とし、坑口側に位置する計測地点Ｐ１から先端側に向けて順に位置座標を算定する。

【0057】

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で示すように、計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｙ_０，ｚ_０）と坑口側長尺部材１ａのトンネル軸線Ｃに対する鉛直方向の角度α_ｙ０を実測する。

【0058】

併せて、各計測地点Ｐｉについて、計測部７より鉛直方向の角度α_ｙｉを計測する。なお、図５では、計測補助地点Ｐｓの位置座標（ｙ_０，ｚ_０）＝（０，０）、及び鉛直方向の角度α_ｙ０＝πの場合を例示している。

【0059】

次に、各計測地点Ｐｉについて、トンネル軸線Ｃに対する鉛直方向の傾斜角β_ｙｉを、下記（３）式と計測値である角度α_ｙｉにより算出する。

【0060】

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（ｙ_０，ｚ_０）と（１）式で算出したβ_ｙｉとに基づいて、（４）式より算出する。

【0061】

≪≪≪地中変位測定方法：計測地点Ｐの水平方向の変位ｕ_ｈの算出≫≫≫
計測地点Ｐｉ（ｉ＝１～計測地点の数ｎ）各々について、掘削開始前の時点の位置座標（初期座標）と、掘削が所定距離だけ進んだ時点各々における位置座標との差を算出し、掘削が所定距離だけ進んだ時点各々における、水平方向の変位ｕ_ｈを算出する。

【0062】

水平方向の変位ｕ_ｈは、図５で示すようなｘ－ｚ平面内のｘ方向変位ｕ_ｘおよびｚ方向変位ｕ_ｚから成るベクトル（ｕ_ｘ，ｕ_ｚ）である。先に算出した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、初期座標として下記（５）式の（ｘ_ｉ０，ｚ_ｉ０）に代入し、各計測地点Ｐｉの変位ｕ_ｈｉを算出する。

【0063】

≪≪≪地中変位測定方法：計測地点Ｐの鉛直方向の変位ｕ_ｖの算出≫≫≫
同様の手順で、計測地点Ｐｉ（ｉ＝１～計測地点の数ｎ）各々について、掘削開始前の時点の位置座標（初期座標）と、掘削が所定距離だけ進んだ時点各々における位置座標との差を算出し、掘削が所定距離だけ進んだ時点各々における、鉛直方向の変位ｕ_ｖを算出する。

【0064】

鉛直方向の変位ｕ_ｖは、図６で示すようなｙ－ｚ平面内の、ｙ方向変位ｕ_ｙおよびｚ方向変位ｕ_ｚから成るベクトル（ｕ_ｙ、ｕ_ｚ）である。先に算出した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、初期座標として下記（６）式の（ｙ_ｉ０，ｚ_ｉ０）に代入し、各計測地点Ｐｉの変位ｕ_ｖｉを算出する。

【0065】

なお、拡幅部Ｗの計測補助地点Ｐｓの水平方向の変位ｕ_ｈ、鉛直方向のｕ_ｖについても、計測地点Ｐｉと同様に上記の（５）式および（６）式により算定できる。この場合には、先行して実測した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（５）式の（ｘ_ｉ０，ｚ_ｉ０）、および（６）式の（ｙ_ｉ０，ｚ_ｉ０）に代入すればよい。

【0066】

上記の地中変位計１０によれば、ジョイント部材２に備えた自在継手をなす鉛直軸４ａ、水平軸４ｂ各々にエンコーダ７１、７２を接続する。このような簡略な構成で、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の変位ｕ_ｈ及び鉛直方向の変位ｕ_ｖ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ｕ_ｈおよび鉛直方向の変位ｕ_ｖを各方向成分に分解したｕ_ｘ、ｕ_ｙ、ｕ_ｚである。

【0067】

また、地中変位算定方法で水平方向の変位ｕ_ｈ及び鉛直方向の変位ｕ_ｖを算出するにあたり、エンコーダ７１、７２の回転数から、隣り合う長尺部材１間の水平方向の角度α_ｘｉ、及び鉛直方向の角度α_ｙｉを計測値として取得することができる。これにより、ひずみゲージなどを利用して計測値を取得する場合に必要であった、事前のキャリブレーションを省略でき、計測作業の効率化を図ることが可能となる。また、回転数の大小にかかわらず、安定した高い精度でこれら角度α_ｘｉ、角度α_ｙｉを算出することが可能となる。

【0068】

さらに、図１で示すように、計測地点Ｐｉの離間距離Ｌをなすジョイント部材２と長尺部材１の組み合わせを１つのユニットとして製作しておけば、このユニットを継ぎ足すことにより、地中変位計１０の長さを自在調整することも可能となる。

【0069】

また、変位計により先行変位を含めた全変位を把握することができるため、この全変位と、いわゆる限界ひずみ法などで知られている地山ごとに推定する限界ひずみとの対比により。地山の塑性化を評価できる。

【0070】

本発明の変位計及び地中変位算定方法は、上記実施の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。

【0071】

例えば、本実施の形態では、図２及び図３（ａ）で示すように、計測部７を取り付けるジョイント部材２に、部材本体３と鉛直軸４ａ及び水平軸４ｂとの組み合わせよりなる自在継手を採用した。しかし、これに限定するものではなく、市場で一般に取引されている自在継手を採用してもよい。以下に、カルダンジョイントを採用した場合の事例を示す。

【0072】

≪ジョイント部材の他の事例≫
ジョイント部材２は、図７～図９で示すように、カルダンジョイント８と一対の継手ボックス５３、５４を備えている。

【0073】

一対の継手ボックス５３、５４は、図９で示すように、カルダンジョイント８が備える十字軸の一方の軸８１、及び他方の軸８２にそれぞれ設置されている。一方の軸８１には、図７（ａ）の平面図で示すように、一方の継手ボックス５３の一端が接続され、他端にジョイント部材２を挟んで隣り合う長尺部材１の一方が接続されている。

【0074】

他方の軸８２には、図７（ｂ）の側面図で示すように、他方の継手ボックス５４の一端が接続され、。他端にジョイント部材２を挟んで隣り合う長尺部材１の他方が接続されている。これら長尺部材１にはそれぞれ、図３（ｂ）を参照して説明したセントラライザー６が設置されている。そして、一対の継手ボックス５３、５４に計測部７が収納されている。

【0075】

計測部７は、図８の断面図で示すように、エンコーダ７１、７２及びマイコン７３と、回転伝達機構７４を備えている。エンコーダ７１、７２には、シャフト型を採用している。エンコーダ７１は、固定治具５３１を介して、一方の継手ボックス５３内に配置されている。また、マイコン７３も一方の継手ボックス５３内に設置されている。

【0076】

なお、図示を省略しているが、エンコーダ７２も、固定治具５３１と同様の固定治具を介して、他方の継手ボックス５４内に配置されている。また、エンコーダ７２のマイコン７３は、図８で示すように、他方の継手ボックス５４内に設置されている。

【0077】

回転伝達機構７４は、タイミングベルト７４３と一対のプーリ７４１、７４２を備える。一方のプーリ７４１は一方の軸８１に固定され、他方のプーリ７４２はエンコーダ７１のシャフトに設置されている。これら一対のプーリ７４１、７４２にタイミングベルト７４３が掛け回されることで、一方の軸８１の回転・揺動が、エンコーダ７１に伝達される。

【0078】

上記の回転伝達機構７４は、他方の継手ボックス５４にも設けられている。つまり、図９で示すように、一方のプーリ７４１が他方の軸８２に固定され、他方のプーリ７４２がエンコーダ７２（図示せず）のシャフトに固定されている。これら一対のプーリ７４１、７４２にタイミングベルト７４３が掛け回されることで、他方の軸８２の回転・揺動が、エンコーダ７２に伝達される。

【0079】

このような構成を備えるジョイント部材２を備える地中変位計１０をボーリング孔Ｈ内に設置する際に、例えば図７で示すように、一方の軸８１を水平状に配置して水平軸とし、他方の軸８２を鉛直状に配置して鉛直軸とする。これにより、長尺部材１を介してジョイント部材２に水平方向及び鉛直方向の外力が作用すると、図９で示すように、一対の継手ボックス５３、５４が一方の軸８１及び他方の軸８２とともに回転する。

【0080】

すると、回転伝達機構７４を介して一方の軸８１及び他方の軸８２に接続されたエンコーダ７１、７２各々が、この回転を検知して電気信号を出力する。マイコン７３は、エンコーダ７１、７２の出力値を処理し、回転数としてパソコンなどの端末装置に出力する。こうして出力された回転数から、図５及び図６で示すように、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α_ｘｎ及び鉛直方向の角度α_ｙｎを計測値として得ることができる。

【符号の説明】

【0081】

１０ 地中変位計（変位計）
１ 長尺部材
１ａ 坑口側長尺部材
２ ジョイント部材
３ 部材本体
３１ 支持部材
３２ａ 鉛直軸用軸受け
３２ｂ 水平軸用軸受け
４ａ 鉛直軸（回転軸）
４ｂ 水平軸（回転軸）
５１ 水平回転スリーブ（継手スリーブ）
５２ 鉛直回転スリーブ（継手スリーブ）
５３ 継手ボックス
５３１ 固定治具
５４ 継手ボックス
６ セントラライザー
６１ 保持具
６２ 支持台
６３ 支持棒材
６３１ 弾性棒材
６３２ 長さ調整棒材
７ 計測部
７１ エンコーダ
７２ エンコーダ
７３ マイコン
７４ 回転伝達機構
７４１ プーリ
７４２ プーリ
７４３ タイミングベルト
８ カルダンジョイント
８１ 一方の軸（回転軸）
８２ 他方の軸（回転軸）
Ｈ ボーリング孔
Ｔ トンネル構築予定領域
Ｗ 拡幅部
Ａ 掘削開始地点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】