(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
坑道の掘削に先立って坑道の周囲に対応する地山に、坑道の掘削方向に沿って削孔されたボアホール内に設置され前記坑道の掘削時に発生する地山の変位を検知する変位検知装置であって、
前記ボアホール内に該ボアホールの入り口から奥部方向に予め定められた間隔をおいて設けられる複数の変位計測点箇所にそれぞれ定着され地山の変位を検知する複数の変位センサーと、
前記複数の変位センサーに接続され前記複数の変位センサーの検知信号を各変位センサーごとに取り出す信号ケーブルと、
前記信号ケーブルに接続され前記各変位センサーごとに該変位センサーの検知信号を受けて前記各変位計測点箇所の前記ボアホールの入り口からの距離を変位発生深度として表示する変位深度表示部と、
を備えることを特徴とする地山の変位検知装置。
【請求項２】
前記変位深度表示部は、前記信号ケーブルに接続され前記各変位センサーごとに該変位センサーの検知信号を受けて点灯する複数の発光素子を有し、
前記変位発生深度の表示は、前記複数の発光素子の点灯状態によりなされる、
ことを特徴とする請求項１記載の地山の変位検知装置。
【請求項３】
前記変位深度表示部は、前記各発光素子に該発光素子に対応する前記各変位センサーを通して電力を供給するバッテリーを内蔵している、
ことを特徴とする請求項２記載の地山の変位検知装置。
【請求項４】
前記変位深度表示部は前記信号ケーブルに分離可能に接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項記載の地山の変位検知装置。
【請求項５】
前記各変位センサーは、筐体と、前記筐体内に固定された固定接点と、前記筐体内に移動可能に設けられ地山の変位量が一定値以上の時に前記固定接点に接触して検知信号を発する可動接点と、前記可動接点に一端が結合され他端が該可動接点を有する変位センサーより１つ前記ボアホールの奥部に位置する変位センサーの筐体に結合された固定用結合線とを有し、
前記固定接点及び可動接点は前記信号ケーブルに接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４に何れか１項記載の地山の変位検知装置。
【請求項６】
前記ボアホールの長さ方向において互いに隣り合う前記各変位センサーの筐体間は、前記信号ケーブル及び固定用結合線を収容する伸縮可能な収容パイプにより連結されていることを特徴とする請求項５記載の地山の変位検知装置。
【請求項７】
前記ボアホールの最も奥部に位置する最奥部の変位センサーの筐体に伸縮可能な連結パイプを介してアンカー部材が連結され、前記最奥部の変位センサーの可動接点が固定用結合線を介して前記アンカー部材に結合され、前記アンカー部材は前記ボアホールの奥部に定着されることを特徴とする請求項５または６記載の地山の変位検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地山の変位検知装置に関し、さらに詳しくは、トンネルや坑道などの地下空間を掘削する際に、切羽前方の地山で生じる変位を検知する簡易型の変位検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルなどの地下空間を掘削する際の地山の変位には、切羽前方地山コアのトンネル軸方向の変形である押出し変位、切羽前方地山のトンネル中心方向への変形である先行変位、切羽通過後の地山のトンネル断面形状に対するトンネル中心方向への変形である内空変異がある。
【０００３】
ＮＡＴＭ工法では、地山変位の制御を目的としたコンクリート吹付けとロックボルトやケーブルボルトの打設を行う。切羽前方の地山の補強工法には、固結剤注入、先受けボルト打設、鏡ボルト打設等がある。これらの地山補強による効果を把握し、工事の安全性を確保するため、トンネル支保に発生する応力状況、深度方向の地山変位状況を計測するための変位計測装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
この種の変位計測装置は、トンネルの切羽にその進行方向に沿い削孔されたボアホール内に設置固定される複数の変位ロッドと、ボアホール内に設置固定されるケーシングに、変位ロッドを介して伝達される地山の変位を検出し、その変位量を電気信号に変換する変位検出部、及び変位検出部から出力される電気信号を変位データとして記録する記録部を収納した変位記録計とから構成されている。
このような変位計測装置において、切羽の進行に伴い切羽前方の地山が変位すると、ボアホールの形状が変化して変位ロッドが変位する。この変位は変位検出部で検出され、記録部に経時的に記録される。そして、掘削機械によるトンネルの掘削に伴い、その切羽が変位記録計の設置箇所近傍に達したならば、掘削を停止して変位記録計を回収し、その記録部に記録されている地山の変位データを分析する。この分析結果に基づいて、切羽前方の地山に適切な補強対策を施すことにより、切羽前方コアの変形をコントロールすることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３１６１１７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、上記のような従来の変位計測装置では、変位記録計を回収して記録部に記録されている地山の変位データを分析するまで、切羽前方の地山の変位状態を把握することができない。そのため、トンネルの掘削中に地山の変位をリアルタイムに監視することができず、しかも、ロックボルトやケーブルボルトによる地山の補強対策が適切に実施できなくなるという問題がある。
また、切羽前方の地山に設置固定された変位計測装置は、トンネルの掘削時に掘削機械によって切断されてしまうものであるため、これら切断片が切削土中に混入され公害発生の要因となるほか、これら切断片の回収も面倒で煩雑になるという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、従来の変位記録計のような高価なものを用いることなく簡易な構造のもので地山の変位をリアルタイムに検知し監視できる地山の変位検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明は、坑道の掘削に先立って坑道の周囲に対応する地山に、坑道の掘削方向に沿って削孔されたボアホール内に設置され前記坑道の掘削時に発生する地山の変位を検知する変位検知装置であって、前記ボアホール内に該ボアホールの入り口から奥部方向に予め定められた間隔をおいて設けられる複数の変位計測点箇所にそれぞれ定着され地山の変位を検知する複数の変位センサーと、前記複数の変位センサーに接続され前記複数の変位センサーの検知信号を各変位センサーごとに取り出す信号ケーブルと、前記信号ケーブルに接続され前記各変位センサーごとに該変位センサーの検知信号を受けて前記各変位計測点箇所の前記ボアホールの入り口からの距離を変位発生深度として表示する変位深度表示部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の地山変位検知装置によれば、従来の変位記録計のような高価なものを用いることなく簡易な構造のもので地山の変位をリアルタイムに検知し監視することができる。しかも、ボアホール内に設置された変位センサーや信号ケーブルなどは坑道の掘削時に切断されることがないので、従来のような切断片が切削土中に混入されることによる公害の発生や切断片の回収作業が不要になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明にかかる地山変位検知装置をこれから掘削されるトンネルの周囲上部の地山に設置した状態を示すトンネルの概略縦断側面図である。
【図２】本発明にかかる地山変位検知装置をトンネルの周囲上部の地山に設置した状態を示す説明用断面図である。
【図３】本発明にかかる地山変位検知装置の一部を拡大して示す拡大断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における変位センサーの拡大断面図である。
【図５】地山に押出し変位が発生した時の地山変位検知装置の動作状況を示す説明用断面図である。
【図６】地山に沈下変位が発生した時の地山変位検知装置の動作状況を示す説明用断面図である。
【図７】地山に沈下及び押出し変位が発生した時の地山変位検知装置の動作状況を示す説明用断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施の形態１）
本発明にかかる地山変位検知装置の実施の形態について図１乃至図４を参照して説明する。
図１に示すように、トンネル１０の掘削時に発生する地山１２の変位を検知するための変位検知装置２０は、これから掘削すべきトンネル１０の切羽１００２の周囲に対応する地山１２に、トンネル１０の頂部箇所からトンネル１０の掘削方向に延在して埋設される。
なお、図１において、トンネル１０の頂部と対応する地山１２に埋設されている変位検知装置２０Ａは、トンネル空洞部１０１０が形成される以前に埋設されたものである。
【００１２】
また、地質条件の悪い地山でトンネルを掘削する場合は、図１に示すように、トンネル１０の掘削に先立って切羽１００２前方の地山１２及びトンネル１０の外周囲に対応する地山１２に複数の長尺のケーブルボルト１６Ａ，１６Ｂがそれぞれ打設されている。これにより、トンネル外周囲の地山及び切羽前方の地山を補強する。
【００１３】
なお、図１において、ケーブルボルト１６Ａと平行な残留ケーブルボルト１６Ａａ及びケーブルボルト１６Ｂと平行な残留ケーブルボルト１６Ｂａは、ケーブルボルト１６Ａ，１６Ｂが打設される一段階前に打設されたケーブルボルトが、掘削機械によるトンネル掘削時に残ったケーブルボルトである。また、図１において、符号１００４は掘削後のトンネル１０の内周壁面に吹き付けられた吹付けコンクリートであり、符号１００６は吹付けコンクリート１００４で覆工された後のトンネル１０の内周面を支持する支保工であり、１００８はトンネル１０の底面に打設されたインバートである。
【００１４】
本実施の形態に示す変位検知装置２０は、トンネル１０の掘削に先立ってトンネル１０の外周囲に対応する地山１２に、トンネル１０の掘削方向に沿って削孔されたボアホール２２（例えば１２ｍ乃至２４ｍ程度の長さを有する）内に設置され、トンネル１０の掘削時に発生する地山１２の変位を検知するもので、複数の変位センサー２４１，２４２，・・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎ、多芯信号ケーブル２６、変位深度表示部２８、収容パイプ３０、アンカー部材３２、連結パイプ３４等を含んで構成され、例えば１２ｍ乃至２４ｍ程度の長さを有している。
【００１５】
各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎは、図２に示すように、ボアホール２２内に該ボアホール２２の入り口から奥部方向に予め定められた間隔、例えば１ｍ乃至２ｍの間隔をおいて設けられる複数の変位計測点箇所にそれぞれ定着され、トンネル掘削時に生じる地山１２の変位を検知するものである。
このような各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎは、図３及び図４に示すように、両端が截頭円錐形をなす電気絶縁製の円柱状の筐体２４０２と、筐体２４０２の内部に形成された空所２４０２ａ内に固定された固定接点２４０４と、筐体２４０２の空所２４０２ａ内に移動可能に設けられ地山１２の変位量が一定値以上、例えば５ｍｍ以上の時に固定接点２４０４に接触して検知信号を発する可動接点２４０６と、可動接点２４０６に一端が結合された、ピアノ線などからなる固定用結合線２４０８とを有している。
【００１６】
各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎの固定接点２４０４と可動接点２４０６は多芯信号ケーブル２６の複数の芯線２６ａ（少なくとも変位センサーの数の２倍に相当する）のうち、各変位センサーごとに選定された２本の芯線にそれぞれ接続されている。また、各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎの各固定用結合線２４０８の他端はボアホール２２の奥部方向に伸張され、当該固定用結合線２４０８の変位センサーより１つボアホール２２の奥部に位置する変位センサー、例えば図３に示すように、変位センサー２４ｍの固定用結合線２４０８の他端は変位センサー２４ｍ＋１の筐体２４０２の端部に結合されている。さらに、筐体２４０２の外周面には、リング状の凹状溝２４０２ｂが筐体２４０２の長さ方向に間隔をおいて複数形成されている。この凹状溝２４０２ｂは、変位センサーをモルタルなどによりボアホール２２内に安定して定着するためのものである。
【００１７】
多芯信号ケーブル２６は、各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎの検知信号を各変位センサーごとに取り出して変位深度表示部２８に伝送するもので、各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎの筐体２４０２内を通してボアホール２２の全長に亘り配線できる長さを有している。そして、ボアホール２２の入り口２２ａから突出する多芯信号ケーブル２６の端部は変位深度表示部２８にコネクタ３６を介して分離可能に接続されている。
【００１８】
変位深度表示部２８は、各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎごとに該変位センサーの検知信号を受けて各変位計測点箇所のボアホール２２の入り口２２ａからの距離を、トンネル掘削時に発生する地山の先行き変位深度として表示するものである。この変位深度表示部２８は、直線状に延在する表示本体２８０２と、表示本体２８０２の表面に表示本体２８０２の長さ方向に間隔をおいて配設され、各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎごとに該変位センサーの検知信号を受けて点灯する複数（変位センサーの数と同数）の発光素子２９１，２９２，・・・２９ｍ，２９ｍ＋１，・・・２９ｎを有している。また、図示省略しているが、各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎの固定接点２４０４と可動接点２４０６に接続されている多芯信号ケーブル２６の各芯線は、各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎごとに対応する各発光素子２９１，２９２，・・・２９ｍ，２９ｍ＋１，・・・２９ｎ発光素子にそれぞれ接続されている。さらに、表示本体２８０２の表面には、ボアホール２２の入り口２２ａから各変位計測点箇所までの距離を表す目盛２８０４が各発光素子の配列方向に沿って設けられている。また、変位深度表示部２８は、各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎごとに該変位センサーの固定接点２４０４と可動接点２４０６を通してそれぞれの発光素子２９１，２９２，・・・２９ｍ，２９ｍ＋１，・・・２９ｎに電力を供給し、これら発光素子２９１，２９２，・・・２９ｍ，２９ｍ＋１，・・・２９ｎを点灯させるバッテリー３８が内蔵されている。
【００１９】
収容パイプ３０は、ボアホール２２の長さ方向において互いに隣り合う各変位センサー２４１と２４２，・・・２４ｍと２４ｍ＋１の筐体２４０２間を連結するとともに、信号ケーブル２６及び固定用結合線２４０８を収容するものである。また、収容パイプ３０は、互いに隣り合う各変位センサーが地山１２の押出し変位、沈下変位に移動しても、これらの移動が制限されないように、伸縮可能な部材により構成されている。
【００２０】
アンカー部材３２は、変位検知装置２０のボアホール２２への挿入先端部をボアホール２２の最も奥部に固定するためのもので、このアンカー部材３２はモルタルなどによりボアホール２２内に定着される。また、アンカー部材３２はボアホール２２の最も奥部に位置する最奥部の変位センサー２４ｎの筐体２４０２に伸縮可能な連結パイプ３４を介して連結され、最奥部の変位センサー２４ｎの可動接点２４０６が固定用結合線２４０８を介してアンカー部材３２に結合されている。連結パイプ３４内には固定用結合線２４０８が収容される構成になっている。
【００２１】
次に、変位検知装置２０を利用してトンネル１０の掘削時に発生する地山１２の変位を検知する場合について説明する。
まず、図２に示すように、トンネル１０の掘削に先立ってトンネル１０の外周囲に対応する地山１２にボアホール２２をトンネル１０の掘削方向に沿って削孔する。次いで、変位検知装置２０を、そのアンカー部材３２側からボアホール２２内に差し入れ、押棒などでボアホール２２の最奥部まで押し込む。その後、モルタルなどの定着剤注入ホースをボアホール２２に差し込み、アンカー部材３２の配置箇所及び各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎの配置箇所に定着剤を注入することによりアンカー部材３２及び各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎをボアホール２２内に定着する。さらに、ボアホール２２の入り口２２ａから突出する多芯信号ケーブル２６にはコネクタ３６により変位深度表示部２８を接続する。そして、バッテリー３８の電源スイッチ（図示省略）を投入して変位検知装置２０を検知動作可能な状態に保持する。
【００２２】
このように変位検知装置２０が地山１２に設置された状態において、掘削機械によるトンネル１０の掘削が切羽１００２から切羽１００２の前方に進行されていくのに伴い、地山１２に変位が生じたとする。例えば、地山１２にトンネル延在方向の変形である押出し変位が、ｍ番目の変位センサー２４ｍが定着されている測定点箇所からｍ＋１番目の変位センサー２４ｍ＋１が定着されている測定点箇所未満の範囲に発生したとすると、図５に示す矢印Ａ方向に、変位センサー２４ｍが破線で示す位置から実線で示す位置に移動する。この場合、変位センサー２４ｍ＋１が定着されている測定点箇所には地山の変位が発生しておらず、しかも、変位センサー２４ｍの固定接点２４０４は、変位のない地山側変位センサー２４ｍ＋１に固定用結合線２４０８を介して結合されているため、変位センサー２４ｍが矢印Ａ方向に移動すると、変位センサー２４ｍの可動接点２４０６が固定接点２４０４と接触する。これにより、上記可動接点２４０６及び固定接点２４０４に接続された多芯信号ケーブル２６の芯線２６ａに接続されている発光素子２９ｍの電源回路が閉成されるため、発光素子２９ｍは点灯する。したがって、発光素子２９ｍが点灯している箇所に対応する表示本体２８０２上の目盛２８０４を視覚的に読み取ることにより、切羽１００２から掘削の進行方向の如何なる深度の地山１２に押出し変位が発生しているかを検知することができる。
【００２３】
また、地山１２にトンネル中心方向の変形である沈下変位が、ｍ番目の変位センサー２４ｍが定着されている測定点箇所からｍ＋１番目の変位センサー２４ｍ＋１が定着されている測定点箇所未満の範囲に発生したとすると、図６に示す矢印Ｂ方向に、変位センサー２４ｍを含む前後の部分が破線で示す位置から実線で示す位置に移動する。この場合、変位センサー２４ｍ＋１が定着されている測定点箇所には地山の変位が発生しておらず、しかも、変位センサー２４ｍの固定接点２４０４は、変位のない地山側変位センサー２４ｍ＋１に固定用結合線２４０８を介して結合されているため、変位センサー２４ｍを含む前後の部分が矢印Ｂ方向に移動すると、変位センサー２４ｍの可動接点２４０６が固定接点２４０４と接触する。これにより、上記可動接点２４０６及び固定接点２４０４に接続された多芯信号ケーブル２６の芯線２６ａに接続されている発光素子２９ｍの電源回路が閉成されるため、発光素子２９ｍは点灯する。したがって、発光素子２９ｍが点灯している箇所に対応する表示本体２８０２上の目盛２８０４を読み取ることにより、切羽１００２から掘削の進行方向の如何なる深度の地山１２に沈下変位が発生しているかを検知することができる。
【００２４】
さらにまた、地山１２にトンネル延在方向の変形である押出し及び沈下による変位が、ｍ番目の変位センサー２４ｍが定着されている測定点箇所からｍ＋１番目の変位センサー２４ｍ＋１が定着されている測定点箇所未満の範囲に発生したとすると、図７に示す矢印Ｃ方向に、変位センサー２４ｍを含む前後の部分が破線で示す位置から実線で示す位置に移動する。この場合、変位センサー２４ｍ＋１が定着されている測定点箇所には変位が発生しておらず、しかも、変位センサー２４ｍの固定接点２４０４は、変位のない地山側変位センサー２４ｍ＋１に固定用結合線２４０８を介して結合されているため、変位センサー２４ｍを含む前後の部分が矢印Ｃ方向に移動すると、変位センサー２４ｍの可動接点２４０６が固定接点２４０４と接触する。これにより、上記可動接点２４０６及び固定接点２４０４に接続された多芯信号ケーブル２６の芯線２６ａに接続されている発光素子２９ｍの電源回路が閉成されるため、発光素子２９ｍが点灯する。したがって、発光素子２９ｍが点灯している箇所に対応する表示本体２８０２上の目盛２８０４を読み取ることにより、切羽１００２から掘削の進行方向の如何なる深度の地山１２に押出し及び沈下変位が発生しているかを検知することができる。
【００２５】
このような本実施の形態に示す変位検知装置２０によれば、ボアホール２２内にボアホール２２の入り口２２ａから奥部方向に予め定められた間隔をおいて設けられる複数の変位計測点箇所に複数の変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎをそれぞれ定着し、そして、変位計測点箇所に発生した地山の変位を、該変位計測点箇所に定着されている変位センサーの可動接点２４０６が固定接点２４０４と接触することで検知し、この検知信号を信号ケーブル２６により取り出し、変位深度表示部２８に各変位センサー２４１，２４２，・・・２４ｍ，２４ｍ＋１，・・・２４ｎに対応して設けられた発光素子２９１，２９２，・・・２９ｍ，２９ｍ＋１，・・・２９ｎを点灯制御する構成にしたので、発光素子２９ｍが点灯している箇所に対応する表示本体２８０２上の目盛２８０４を読み取ることにより、ボアホール２２の入り口２２ａから変位の生じた箇所までの距離を容易に確認でき、しかも、地山の変位をリアルタイムに検知し監視することができる。したがって、地山の応力状況及び変位を確実に把握することが可能になり、地山の安定化工法の設計も可能となり、トンネル施工の工期の短縮し、コストを低減できる。
【００２６】
また、本実施の形態によれば、従来の変位記録計のような高価な構成要素を用いることなく、固定接点２４０４と可動接点２４０６とを有する簡易なスイッチ式の変位センサーと、該変位センサーで点灯制御される発光素子により地山の変位を検知することができるため、変位検知装置２０の低コスト化が可能になり、しかも、ボアホール２２内に設置された変位センサーや信号ケーブルなどは坑道の掘削時に切断されることがないので、従来のような切断片が切削土中に混入されることによる公害の発生や切断片の回収作業が不要になるという利点がある。
また、本実施の形態によれば、変位深度表示部２８は信号ケーブル２６にコネクタ３６を介して分離可能に接続できるため、変位深度表示部２８を新たに埋設された変位検知装置２０に利用することができる。
【００２７】
なお、本発明にかかる変位検知装置２０はトンネル掘削時の地山の変位検出に限らず、坑道などの地下空間を掘削する際に生じる地山の変位検知にも利用することができる。
また、本発明にかかる変位検知装置２０の設置箇所は、本実施の形態に示すように１箇所に限らず、地山の性状に応じて複数箇所であってもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１０……トンネル
１２……地山
２０……変位検知装置
２２……ボアホール
２４１〜２４ｎ……変位センサー
２４０２……筐体
２４０４……固定接点
２４０６……可動接点
２４０８……固定用結合線
２６……多芯信号ケーブル
２８……変位深度表示部
２８０２……表示本体
２８０４……目盛
２９１〜２９ｎ……発光素子
３０……収容パイプ
３２……アンカー部材
３４……連結パイプ
３６……コネクタ
３８……バッテリー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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