(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル等の歪検出対象の面に複数系統の光ファイバを敷設するとともに、各光ファイバの敷設長を変えることにより基端部から先端部に行くほど重複して敷設された光ファイバの本数が少なくなるように複数に分割された検出区域を形成する一方、各検出区域において相対向する部分には上記基端部と反対側を基端部として同様に複数系統の光ファイバを敷設し、さらに各光ファイバを時分割により切り換えて、各光ファイバに作用する応力を検出するようにしたことを特徴とする光ファイバを用いた歪検出方法。
【請求項２】
〔請求項１〕に記載する光ファイバを用いた歪検出方法において、
合成樹脂製の保護管内に各光ファイバを挿入し、一定の検出間隔毎に各光ファイバと保護管との間を固着して各光ファイバに初期歪みを与えるとともに、各光ファイバを歪検出対象に設けた複数の溝内に配設して接着剤により固着し、さらに各光ファイバと保護管との固着部分を固定具により歪検出対象に固定することを特徴とする光ファイバを用いた歪検出方法。
【請求項３】
〔請求項１〕に記載する光ファイバを用いた歪検出方法において、
合成樹脂製の保護管内に各光ファイバを挿入し、一定の検出間隔毎に各光ファイバと保護管との間を固着して各光ファイバに初期歪みを与えるとともに、各光ファイバを歪検出対象に配設して接着剤により固着し、さらに各光ファイバと保護管との固着部分を固定具により歪検出対象に固定することを特徴とする光ファイバを用いた歪検出方法。
【請求項４】
〔請求項２〕又は〔請求項３〕に記載する光ファイバを用いた歪検出方法において、
各光ファイバに与える初期歪みは、光ファイバを配設する歪検出対象の温度特性に応じて予め求めた歪み量にほぼ等しくなるようにしたことを特徴とする光ファイバを用いた歪検出方法。
【請求項５】
基端部から先端部に行くほど重複して敷設された本数が少なくなるように、トンネル等の歪検出対象の面に複数系統敷設した光ファイバと、上記歪検出対象の相対向する部分に、上記基端部と反対側を基端部として同様に複数系統敷設した光ファイバとを有して、各検出区域における光ファイバの重複数が同数になるように構成するとともに、
各光ファイバの選択を時分割により切り換える光スイッチ手段と、この光スイッチ手段を介して選択された光ファイバに作用する応力を検出する歪検出手段とを有することを特徴とする光ファイバを用いた歪検出システム。
【請求項６】
〔請求項５〕に記載する光ファイバを用いた歪検出システムにおいて、
各光ファイバにより実測した歪量と各光ファイバの設置時における初期歪との差から求まる歪変化量が所定値を越えた場合に作動する警報手段を有することを特徴とする光ファイバを用いた歪検出システム。
【請求項７】
〔請求項５〕又は〔請求項６〕の何れか一つに記載する光ファイバを用いた歪検出システムにおいて、
各光ファイバの温度分布を測定する温度計測手段を追加し、この温度計測手段にも光スイッチ手段を介して選択された光ファイバからの温度情報が入力されるように構成するとともに、各光ファイバにより実測した温度分布と各光ファイバの設置時における初期温度分布との差から求まる温度変化量を検出し、さらにこの温度変化量に基づく見かけ歪分で検出歪の実測値を補正するように構成したことを特徴とする光ファイバを用いた歪検出システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバを用いた歪検出方法及び歪検出システムに関し、特にトンネルや橋梁等の構造物の覆工の変形、応力割れなどを検知する際に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、経年変化しているトンネルの検査については、全般的に目視検査と破壊検査に大きく依存している。道路トンネルのひび割れ検査は、作業者がトンネル内を徒歩または高所作業車にて移動し、目視観察による調査を中心に行なっている。また、覆工背面の空洞探査、覆工圧の測定は、コアボーリングを行ない、内視鏡などを用いて調査している。
【０００３】
また鉄道トンネルでは、トンネルの新旧、構造種別に関わりなく、２年を越えない期間に１回の周期で検査、所謂全般検査を実施している。この全般検査は、主に徒歩による目視で行ない、覆工表面のひび割れの発生、レンガコンクリートブロックなど覆工材料の目地切れ及び漏水など、変状の発生及び進行の箇所を探し出すことを目的として行なわれている。
【０００４】
一方、最近、光ファイバを用いた歪検出計測器（ＢＯＴＤＲ：Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)が開発された。この歪み分布計測器（ＢＯＴＤＲ）は、光ファイバのブリルアン散乱光を分析することにより、当該光ファイバに作用する歪み量を計測するものである。さらに詳言すると、後方ブリルアン散乱光の周波数シフト、すなわち入射光の光周波数からブリルアン散乱光スペクトルの中心周波数を引いた値が光ファイバに作用する応力とともに変化することに着目し、ブリルアン周波数のシフト量を介して光ファイバの歪み量を測定するものである。
【０００５】
上記歪み分布計測器では、光ファイバの一端からパルス光を入射し、この光ファイバ内でブリルアン散乱光の後方散乱光をコヒーレント検波方法により高感度に検出する。このときブリルアン散乱光が光波と光ファイバ中の音波との相互作用により誘起され、光周波数をシフトさせることを利用し、ブリルアン散乱光の周波数シフト分布から光ファイバの歪み分布を測定する。ブリルアン散乱光の周波数シフトと歪み量との関係は、次式
ｆｂ（ε）＝ｆｂ（０）（１＋Ｃε）            ・・・（１）
（但し、ｆｂ（０）：歪み量ε［％］がゼロの時のブリルアン周波数シフト、          Ｃ：比例係数（＝４．５）。）
で表されるもので、上記（１）式中の「ｆｂ（０）」は、入射光の波長が１，５００［ｎｍ］のときに１１［ＧＨｚ］となる。上記（１）式を歪み量εについて解くと、
ε＝（ｆｂ（ε）−ｆｂ（０））／Ｃｆｂ（０）  ・・・（２）
となる。
【０００６】
したがって、ブリルアン周波数のシフト量を測定することにより、光ファイバに生じている応力を求めることができる。ブリルアン周波数のシフト量を求めるためには、入射光あるいは射出光の周波数を走査してブリルアン散乱光のピーク周波数を求めるようにしている。
【０００７】
また、入射光をパルス状にして散乱光が入射光に戻ってくるまでの時間を計測することにより、光ファイバの各部分での歪みの分布を求めることができる。
【０００８】
上記光ファイバによる歪み分布計測器を利用して岩盤などの歪みを計測する例としては、従来、特開平１０−１９７２９８号に記載された方法が知られている。これは、岩盤などに光ファイバケーブルを取付け、この光ファイバケーブルの一端に歪・損失統合型パルス試験器を接続し、光ファイバケーブルに生ずる長さ方向歪みを上記パルス試験器で測定することによって、岩盤等に生ずる変状を計測するようにしたものである。ここで、光ファイバケーブルの敷設に際しては、まず、光ファイバケーブルを接着剤等を使用して岩盤の表面にたるみのないように仮固定し、次いで固定治具を使用して岩盤の表面に固定している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如き光ファイバを用いた歪検出方法を利用してトンネルの覆工の変形、ひび割れなどの変状を検知する場合、非常に低い範囲に亘って光ファイバを敷設しなければならない。また、変状が発生した位置を特定するためには、光ファイバを一定の間隔毎にトンネルの内壁面に固定する必要があり、その作業に長時間を必要とする。
【００１０】
特に鉄道トンネルの場合には、列車が通過しない夜間の限られた時間に光ファイバを敷設しなければならず、その限られた施工時間内に作業を完了することは極めて困難である。
【００１１】
また、光ファイバによる歪み計測において、温度補正を行なうものとして特開平１１−１７３９４３号に示されているように光ファイバ自身の温度による見かけ歪み量を補正するものが提案されているが、全面的に接着した場合、温度のドリフト量は接着した構造物の温度による伸び及び光ファイバの光学的特性に依存するドリフト（ブリルアン周波数シフト）の和になる。また、定点固定の場合は光ファイバ自身の被覆の伸びが影響してくるが、被覆は一般に合成樹脂でできているため温度による伸び量が安定していない。
【００１２】
さらに、従来技術における光ファイバは系統が１個であるため、これが切断されたり、故障した場合には、所定の測定が不可能になる。その上、復旧を図るにしても、例えば列車が通過しない夜間の限られた時間に当該復旧作業を行わなければならず、作業に困難が付きまとうものとなる。
【００１３】
本発明は、上記従来技術に鑑み、トンネル等の構造物に光ファイバを短時間で効率的に敷設できるとともに、正確に歪を検出でき、さらに敷設後の光ファイバの故障等に起因する測定不能期間を除去して歪検出の安定性も確保することができる光ファイバを用いた歪検出方法及び歪検出システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トンネル等の歪検出対象の面に複数系統の光ファイバを敷設し、各光ファイバを時分割により切り換えて、各光ファイバに作用する応力を検出するようにしたことを特徴とする。また、本発明は、トンネル等の歪検出対象の面に敷設した複数系統の光ファイバと、各光ファイバに作用する応力を検出する歪検出手段と、各光ファイバ及び歪検出手段との間に介在されて各光ファイバの選択を時分割により切り換える光スイッチ手段とを有して各光ファイバに作用する応力を検出するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
上記目的を達成する本発明は、次の点を特徴とする。
【００１６】
１）  トンネル等の歪検出対象の面に複数系統の光ファイバを敷設するとともに、各光ファイバの敷設長を変えることにより基端部から先端部に行くほど重複して敷設された光ファイバの本数が少なくなるように複数に分割された検出区域を形成する一方、各検出区域において相対向する部分には上記基端部と反対側を基端部として同様に複数系統の光ファイバを敷設し、さらに各光ファイバを時分割により切り換えて、各光ファイバに作用する応力を検出するようにしたこと。
【００１７】
２）  上記１）に記載する光ファイバを用いた歪検出方法において、
合成樹脂製の保護管内に各光ファイバを挿入し、一定の検出間隔毎に各光ファイバと保護管との間を固着して各光ファイバに初期歪みを与えるとともに、各光ファイバを歪検出対象に設けた複数の溝内に配設して接着剤により固着し、さらに各光ファイバと保護管との固着部分を固定具により歪検出対象に固定すること。
【００１８】
３）  上記１）に記載する光ファイバを用いた歪検出方法において、
合成樹脂製の保護管内に各光ファイバを挿入し、一定の検出間隔毎に各光ファイバと保護管との間を固着して各光ファイバに初期歪みを与えるとともに、各光ファイバを歪検出対象に配設して接着剤により固着し、さらに各光ファイバと保護管との固着部分を固定具により歪検出対象に固定すること。
【００１９】
４）  上記２）又は３）に記載する光ファイバを用いた歪検出方法において、
各光ファイバに与える初期歪みは、光ファイバを配設する歪検出対象の温度特性に応じて予め求めた歪み量にほぼ等しくなるようにしたこと。
【００２０】
５）  基端部から先端部に行くほど重複して敷設された本数が少なくなるように、トンネル等の歪検出対象の面に複数系統敷設した光ファイバと、上記歪検出対象の相対向する部分に、上記基端部と反対側を基端部として同様に複数系統敷設した光ファイバとを有して、各検出区域における光ファイバの重複数が同数になるように構成するとともに、
各光ファイバの選択を時分割により切り換える光スイッチ手段と、この光スイッチ手段を介して選択された光ファイバに作用する応力を検出する歪検出手段とを有すること。
【００２１】
６）  上記５）に記載する光ファイバを用いた歪検出システムにおいて、
各光ファイバにより実測した歪量と各光ファイバの設置時における初期歪との差から求まる歪変化量が所定値を越えた場合に作動する警報手段を有すること。
【００２２】
７）  上記５）又は６）の何れか一つに記載する光ファイバを用いた歪検出システムにおいて、
各光ファイバの温度分布を測定する温度計測手段を追加し、この温度計測手段にも光スイッチ手段を介して選択された光ファイバからの温度情報が入力されるように構成するとともに、各光ファイバにより実測した温度分布と各光ファイバの設置時における初期温度分布との差から求まる温度変化量を検出し、さらにこの温度変化量に基づく見かけ歪分で検出歪の実測値を補正するように構成したこと。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪検出システムを概念的に示す説明図である。同図に示すように、本形態においてはトンネル１の内周面にその軸方向に沿って複数系統（図では６系統）の光ファイバ４−１ａ、４−１ｂ、４−１ｃ及び光ファイバ４−２ａ、４−２ｂ、４−２ｃが敷設してある。ここで光ファイバ４−１ａ、４−１ｂ、４−１ｃはその長さがそれぞれ異なっており、光ファイバ４−１ａは光ファイバ４−１ｂよりも、光ファイバ４−１ｂは光ファイバ４−１ｃよりもトンネル１の基端部１ａからより良く敷設してある。この結果、検出区域Ａの一方の面では、光ファイバ４−１ａ乃至４−１ｃでこの部分の歪みを検出することができ、同様に検出区域Ｂの一方の面では光ファイバ４−１ａ、４−１ｂで、検出区域Ｃの一方の面では、光ファイバ４−１ａのみでそれぞれ検出区域Ｂ、Ｃの歪みを検出することができる。光ファイバ４−２ａ、４−２ｂ、４−２ｃは、トンネル１の反対側の内周面に光ファイバ４−１ａ乃至４−１ｃに対向して敷設してある。これらの光ファイバ４−２ａ乃至４−２ｃもその長さがそれぞれ異なっており、光ファイバ４−２ｃは光ファイバ４−２ｂよりも、光ファイバ４−２ｂは光ファイバ４−２ａよりもトンネル１の基端部１ａと反対側の基端部１ｂからより長く敷設してある。この結果、検出区域Ａの他方の面では、光ファイバ４−１ｃのみでこの部分の歪みを検出することができ、同様に検出区域Ｂの他方の面では光ファイバ４−２ｂ、４−１ｃで、検出区域Ｃの他方の面では、光ファイバ４−２ａ、４−２ｂ、４−２ｃでそれぞれ検出区域Ｂ、Ｃの歪みを検出することができる。かくして、トンネル１の相対向する両面の各検出区域Ａ、Ｂ、Ｃにおいては敷設された光ファイバ４−１ａ乃至４−１ｃ、４−２ａ乃至４−２ｃの重複数は同数（４系統）になるように構成してある。
【００２５】
また、本形態における光ファイバ４−１ａ乃至４−１ｃ及び光ファイバ４−２ａ乃至４−２ｃは予め初期歪みを与えた状態でトンネル１に固定してある（固定方法に関しては後に詳述する）。
【００２６】
ここで、トンネル１の一方の内周面に圧縮力が作用しているときには、反対側の内周面では引張り力が作用しており、その力の絶対値はほぼ等しいものとなる。そこで、光ファイバ４−１ａ乃至４−１ｃ又は光ファイバ４−２ａ乃至４−２ｃの何れかの系統が健全であれば、所望の歪み検出を行うことができ、しかもこのとき両側の光ファイバ４−１ａ乃至４−１ｃ及び光ファイバ４−２ａ乃至４−２ｃの系統がそれぞれ検出区域Ａ、Ｂ、Ｃを相補完するように敷設されてきるので、何れの光ファイバ４−１ａ乃至４−１ｃ及び光ファイバ４−２ａ乃至４−２ｃが切断等の故障を生起した場合でも残りの光ファイバ４−１ａ乃至４−１ｃ及び光ファイバ４−２ａ乃至４−２ｃで所望の歪み検出を継続することができる。
【００２７】
これに対し、光ファイバの中には、トンネル１の全長に亘って敷設していない光ファイバ４−１ｂ、４−１ｃ及び光ファイバ４−２ａ、４−２ｂが存在するので、これの敷設作業に伴う作業能率及びコストを低減し得る。
【００２８】
図２は本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪検出システムを概念的に示す説明図である。同図に示すように、本形態においてはトンネル１の内周面にその軸方向に沿って光ファイバ４−１、４−２を複数系統（図では２系統）敷設してある。ここで複数の光ファイバ４−１、４−２は相互に隣接して配設され、このことによりトンネル１内の近傍部分における応力を複数系統の光ファイバで検出するようになっている。すなわち、図示は省略しているが、図１に示す実施の形態と同様に光スイッチ１２を介して歪み検出装置１１に接続されている。
【００２９】
また、本形態における光ファイバ４−１、４−２はトンネル１の軸方向と直角方向の歪を検出すべく、当該直角部分には予め初期歪みを与えた状態でトンネル１に固定してある（固定方法に関しては後に詳述する）。また、光ファイバ４−１、４−２の上記直角部分のうち隣接する部分はトンネル１の軸方向に沿う軸方向部分で連結してある。すなわち、光ファイバ４−１、４−２は直角方向と軸方向部分とがジグザク形状を形成して連続的に繰り返す櫛形の形状となって、これが複数系統敷設してある。
【００３０】
かかる本形態によっても光ファイバ４−１、４−２の何れかの故障は他方で補完し得る。
【００３１】
上記第１及び第２の実施の形態においては、上述の如くトンネル１内の光ファイバを敷設する際、トンネル１の内周面２に、図３に示すような例えば幅１０ｍｍ、深さ７ｍｍ程度の溝３を所定の間隔で形成し、この溝３内に光ファイバ４（第１及び第２の実施の形態における各光ファイバ４−１ａ、４−１ｂ、４−１ｃ、４−２ａ、４−２ｂ、４−２ｃ及び光ファイバ４−１、４−２を代表する光ファイバである。以下同じ。）及び保護管（チューブ）５からなる可能性を有する信号ケーブル６を配設し、接着剤７により固着する。上記信号ケーブル６は、一定の測定間隔（ゲージ長）で固定具、例えばゲージ長固定ボルト８によりトンネル１の内周面２に固定するとともに、その途中の１乃至数箇所を保護管固定ボルトで固定する。上記ゲージ長固定ボルト８は、信号ケーブル６を押さえ治具１０を介して内周面２に確実に固定する。また、保護管固定ボルトは、ゲージ長固定ボルト８の場合と同様の押さえ治具１０を用いても良いが、さらに簡易な方法で信号ケーブル６を内周面２に固定しても良い。
【００３２】
上記信号ケーブル６は、図４（ａ）に示すように比較的堅い合成樹脂製の例えば外径４ｍｍ、内径２ｍｍ程度の保護管５内に光ファイバ４を挿入し、この光ファイバ４の距離分解能に応じて定まる一定の測定間隔（ゲージ長）毎に光ファイバ４と保護管５との間を予め固着しておく。この場合、各固着部５ａ、５ｂ、・・・では、光ファイバ４にある程度の初期歪み（引張り歪み）を与えた状態で固着する。前記光ファイバ４に与える初期歪みは、光ファイバ４に配設する対象構造物の温度特性に応じて予め求めた歪み量にほぼ等しくなるように設定する。すなわち、予め予想される温度によって光ファイバ４が伸びると予想される程度の引張り量で光ファイバ４を固着する。
【００３３】
上記光ファイバ４の固着方法としては、例えば所定温度以上の熱が加えられた時に接着作用を持つ部材を光ファイバ４の外側に予め塗布しておき、この光ファイバ４を保護管５内に挿入した後、保護管５の外側から加熱することによって、光ファイバ４と保護管５とを一定の測定間隔毎に固着するか、若しくは光ファイバ４を保護管５に挿入した後、外側から例えば注射器のような注入器を使用して接着剤を保護管５内に注入することによって光ファイバ４と保護管５とを一定の測定間隔毎に固着する。
【００３４】
さらに、図４（ｂ）に示すように保護管５を予め測定間隔に相当する一定の長さに切断しておき、この保護管５内に光ファイバ４を挿入した後、各保護管５の両端部を接着剤により固着するようにしても良い。この場合においても、光ファイバ４にある程度の初期歪み（引張り歪み）を与えた状態で、光ファイバ４と各保護管５との間を固着する。上記図４（ｂ）に示す方法では、各保護管５の両端部から接着剤を注入あるいは塗布できるので、光ファイバ４と保護管５との固着処理を容易に行なうことができる。
【００３５】
上記のように予め光ファイバ４と保護管５とを所定間隔毎に固着してなる信号ケーブル６を上記溝３内に配設し、光ファイバ４と保護管５との各固着部５ａ、５ｂ、・・・をゲージ長固定ボルト８でトンネル内壁面２に固定する。この場合、光ファイバ４に対する初期歪み（引張り歪み）が保たれるように固定する。
【００３６】
上記信号ケーブル６を敷設する際、トンネル軸方向と直交する方向に所定の間隔で単独に敷設、すなわち並列的に敷設しても、あるいはトンネル軸方向と直交する方向に所定の間隔で設けた信号ケーブル６を直列に接続しても良い。さらには、両者を組み合わせた状態に敷設しても良い。
【００３７】
上記のように予め光ファイバ４と保護管５とを所定間隔毎に固着し、予め光ファイバ４に初期歪みを与えた信号ケーブル６を使用することにより、ケーブルの敷設時に光ファイバ４に与える初期歪みについて、それ程注意しなくても良いので、信号ケーブル６の敷設を効率的に行なうことができ、短時間でケーブルの敷設を完了することができる。
【００３８】
上記歪み検知装置１１は、図５に示すように、上記各光ファイバ４を切換える光スイッチ１２、上記ＢＯＴＤＲ等を用いて各光ファイバ４の歪み分布を計測する歪み計測器１３、同様にＢＯＴＤＲ等を用いて各光ファイバ４の温度分布を計測する温度計測器１４、上記歪み計測器１３及び温度計測器１４の計測信号を処理すると共に上記光スイッチ１２に切換え指令を出力するＣＰＵ１５、初期歪み、初期温度、警報レベル、計測データ等を記憶するメモリ１６、計測結果等を表示する表示装置１７、計測結果が警報レベルを越えた場合に警報を発する警報器１８等からなっている。また、必要に応じてプリンタを設け、通常の計測データや異常時の計測データを印刷するようにしても良い。
【００３９】
次に上記実施形態における歪み検知動作について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００４０】
トンネル１内の信号ケーブル６を敷設した際、歪み検知装置１１におけるＣＰＵ１５は、各光ファイバ４に対する処理番号を設定すると共に光スイッチ１２に切換え指令を出力して対応する光ファイバ４に切換え、歪み計測器１３によりその光ファイバ４の歪み分布を計測してメモリ１６に初期歪みとして記憶する。また、ＣＰＵ１５は、同様にして各光ファイバ４の濃度分布を温度計測器１４により計測し、メモリ１６に初期温度として記憶する。また、このメモリ１６には、光ファイバ４の歪みが危険領域に達したことを判定するための警報レベルを予め記憶している。
【００４１】
上記のようにメモリ１６に光ファイバ４の初期歪み、初期温度等を記憶させた後、歪み検知装置１１は、一定時間毎あるいは一定期間毎に歪み監視動作を実行する。この歪み監視動作を行なう場合、ＣＰＵ１５は、処理番号を設定して光スイッチ１２に対応する光ファイバ４に切換え（ステップＡ１，Ａ２）、歪み計測器１３によりその光ファイバ４の歪み分布を計測し（ステップＡ３）、その計測結果とメモリ１６に記憶している初期歪みとの差を光ファイバ設置後の歪み変化量として算出する（ステップＡ４）。以下同様にＣＰＵ１５は、処理番号を変更して光スイッチ１２を順次切換え、各光ファイバ４に対する歪みを計測し、その測定結果と初期歪みとの差を光ファイバ設置後の歪み変化量として算出する。
【００４２】
また、ＣＰＵ１５は、上記歪み計測と並行して各光ファイバ４に対する温度分布を温度計測器１４により計測し、あるいは上記歪み計測後に光スイッチ１２を順次切換えて各光ファイバ４に対する温度分布を計測し（ステップＡ５）、メモリ１６に記憶している光ファイバ設置時の初期温度分布との差を光ファイバ設置後の温度変化として算出する（ステップＡ６）。そして、上記温度変化による見かけ歪み分を上記光ファイバ４の対応する位置の歪み変化量から差し引き、その値をトンネル内壁面２の歪み変化量とし（ステップＡ７）、その時の時刻との対応を取り、計測データとしてメモリ１６に保存する（ステップＡ８）。また、この時のデータと前回または一定期間前における計測データとの差を歪みの時間変化率として算出する。
【００４３】
そして、ＣＰＵ１５は、上記のようにして求めたトンネル１の内周面２の歪み変化量もしくは歪みの時間変化率が予め設定した警報レベル以上であるか否かを比較判定し（ステップＡ９）、警報レベル以上でなければ次の計測処理に進むが、警報レベル以上であれば警報器１８により警報を発し、自動的にあるいはユーザの要求に応じて警報レベル以上の歪み発生位置と発生位置の歪みの経時変化を表示装置１７に表示する（ステップＡ１０）。この場合、更に、警報信号を歪み検知装置１１から有線あるいは無線等で監視センターに送信するようにしても良い。
【００４４】
上記のようにトンネル１内の所定の間隔で複数の信号ケーブル６を敷設し、これら信号ケーブル６中の光ファイバ４を光スイッチ１２で順次切換えて歪み分布を計測することにより、事故で何れかの光ファイバ４が断線等した場合でも、残りの光ファイバ４を用いて所定の歪計測を継続することができる。
【００４５】
次に、信号ケーブル６に与える初期歪みの具体的な例について説明する。例えば、固定する時に光ファイバ４の温度伸び量が４×１０-6（℃-1）であり、使用温度範囲が０℃から４０℃で、２０℃の時に設置する場合、２０℃変化すると２０×４×１０-6＝８×１０-2％の伸びちぢみが発生する。対象構造物の温度伸び量が１×１０-6（℃-1）であるとすると、温度が２０℃変化すると２０×１×１０-6＝２×１０-2％となり、その差は（８−２）×１０-2％＝６×１０-2％なので、初期歪み量を６×１０-2％以上掛けておけば、温度による見かけの歪み量が光学的特性の影響及び対象構造物の温度伸びのみにする事が出来る。
即ち、
「見かけの歪み量」＝「光学的特性の影響」＋「対象構造物の温度伸び」
となる。
【００４６】
例えば１５５０ｎｍの光を用いた測定の場合、光学的特性による影響は２×１０-6（℃-1）である（使用する光と光ファイバによる固有の値）。その時に、初期歪みを与えた温度が２０℃で、測定時の温度が３０℃の時の光学的特性による見かけの歪み量は、温度変化が１０℃なので１０×２×１０-6＝２×１０-2％となり、対象構造物の温度伸び量が１０×１×１０-6＝１×１０-2％であるから、計測時の見かけの歪み量は、（２＋１）×１０-2％＝３×１０-2％となる。
【００４７】
従って、
真の構造物の歪み量＝計測値−（敷設時の初期歪み量＋計測時の見かけの歪み量）
となる。
【００４８】
即ち、敷設時の初期歪みが６×１０-2％、現在の歪み（計測値）が１０×１０-2％であれば、実際に構造物に生じている歪みは、１０−（６＋３）×１０-2％＝１×１０-2％となる。
【００４９】
敷設した光ファイバ４は、温度上昇及び温度低下により長さが変化しようとするが、予め与えた引張り張力により変化分が吸収される。特に光ファイバ４が伸びようとする時に伸びを吸収する効果がある。また、光ファイバ４がちぢむ時も対象物（構造物）に固定されているために光ファイバ自身のちぢみの影響が出ない。
【００５０】
なお、上記実施の形態では、トンネル１の内周面２に溝３を設け、この溝３内に信号ケーブル６を配設するようにした場合について示したが、特に溝３を設けずに信号ケーブル６をトンネル内周面２に接着剤で固着し、ゲージ長固定ボルト８及び保護管固定ボルトで固定するようにしても良い。また、上記実施形態では、歪み検知装置１１を光ファイバ４に常時接続している場合について説明したが、例えば定期点検の際に歪み検知装置１１を光ファイバ４に接続してトンネル内周面の歪みを検知するようにしても良い。さらに、上記実施の形態では歪検出対象をトンネルとした場合であるが、かかる対象をトンネルに限定する必要はない。歪を検出する必要があるものに対しては全て適用し得、その対象の歪検出範囲が広ければ、広い程、有用なものとなる。例えば、橋梁等を対象とする場合でも良好に適用し得る。
上述した歪検出方法は、トンネル等の歪検出対象の面に複数系統の光ファイバを敷設し、各光ファイバを時分割により切り換えて、各光ファイバに作用する応力を検出するようにしたので、何れかの光ファイバが切断等の故障を生起した場合でも残りの光ファイバを介して所望の歪検出を継続することができる。したがって、故障した光ファイバの復旧作業を行っている間も、中断することなく歪検出を継続することができる。
また、上述した歪検出システムは、トンネル等の歪検出対象の面に敷設した複数系統の光ファイバと、各光ファイバに作用する応力を検出する歪検出手段と、各光ファイバ及び歪検出手段との間に介在されて各光ファイバの選択を時分割により切り換える光スイッチ手段とを有して各光ファイバに作用する応力を検出するようにしたので、何れかの光ファイバが切断等の故障を生起した場合でも残りの光ファイバを介して所望の歪検出を継続することができる。したがって、故障した光ファイバの復旧作業を行っている間も、中断することなく歪検出を継続することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、〔請求項１〕に記載する発明は、トンネル等の歪検出対象の面に複数系統の光ファイバを敷設するとともに、各光ファイバの敷設長を変えることにより基端部から先端部に行くほど重複して敷設された光ファイバの本数が少なくなるように複数に分割された検出区域を形成する一方、各検出区域において相対向する部分には上記基端部と反対側を基端部として同様に複数系統の光ファイバを敷設し、さらに各光ファイバを時分割により切り換えて、各光ファイバに作用する応力を検出するようにしたので、何れかの光ファイバが切断等の故障を生起した場合でも残りの光ファイバを介して所望の歪検出を継続することができる。したがって、故障した光ファイバの復旧作業を行っている間も、中断することなく歪検出を継続することができる。しかも、かかる作用・効果を得るためのコストを可及的に低減し得る。すなわち、光ファイバの敷設長を変えたので、その敷設長が短い光ファイバは敷設等のためのコストを低減できる。また、このように敷設長を短くしてもその検出範囲を補完するように対向する面に敷設する光ファイバの敷設長を調節したので、所定の歪検出は不都合なく良好にこれを行い得る。
【００５２】
〔請求項２〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する光ファイバを用いた歪検出方法において、合成樹脂製の保護管内に各光ファイバを挿入し、一定の検出間隔毎に各光ファイバと保護管との間を固着して各光ファイバに初期歪みを与えるとともに、各光ファイバを歪検出対象に設けた複数の溝内に配設して接着剤により固着し、さらに各光ファイバと保護管との固着部分を固定具により歪検出対象に固定するようにしたので、〔請求項１〕に記載する発明の作用・効果に加え、光ファイバの敷設時にこの光ファイバに初期歪みを与える必要がなくなるので、信号ケーブルの敷設を効率的に行なうことができ、短時間でケーブルの敷設を完了することができるという作用・効果も奏する。
このため、施工時間が限られている鉄道トンネル等においても特に良好に実施することが可能となる。また、信号ケーブルを接着剤でトンネル内壁面に固着し、さらに固定ボルトで固定するようにしているので、接着剤が固化するまで待つことなく敷設作業を完了することができるという効果も奏する。
【００５３】
〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する光ファイバを用いた歪検出方法において、合成樹脂製の保護管内に各光ファイバを挿入し、一定の検出間隔毎に各光ファイバと保護管との間を固着して各光ファイバに初期歪みを与えるとともに、各光ファイバを歪検出対象に配設して接着剤により固着し、さらに各光ファイバと保護管との固着部分を固定具により歪検出対象に固定するようにしたので、〔請求項１〕に記載する発明の作用・効果に加え、光ファイバの敷設時にこの光ファイバに初期歪みを与える必要がなくなるので、信号ケーブルの敷設を効率的に行なうことができ、短時間でケーブルの敷設を完了することができるという作用・効果も奏する。
【００５４】
〔請求項４〕に記載する発明は、〔請求項２〕又は〔請求項３〕に記載する光ファイバを用いた歪検出方法において、各光ファイバに与える初期歪みは、光ファイバを配設する歪検出対象の温度特性に応じて予め求めた歪み量にほぼ等しくなるようにしたので、温度上昇及び温度低下に伴う光ファイバの長さ変化を吸収して安定した検知動作を行なうことができる。
【００５５】
〔請求項５〕に記載する発明は、基端部から先端部に行くほど重複して敷設された本数が少なくなるように、トンネル等の歪検出対象の面に複数系統敷設した光ファイバと、上記歪検出対象の相対向する部分に、上記基端部と反対側を基端部として同様に複数系統敷設した光ファイバとを有して、各検出区域における光ファイバの重複数が同数になるように構成するとともに、各光ファイバの選択を時分割により切り換える光スイッチ手段と、この光スイッチ手段を介して選択された光ファイバに作用する応力を検出する歪検出手段とを有するので、何れかの光ファイバが切断等の故障を生起した場合でも残りの光ファイバを介して所望の歪検出を継続することができる。したがって、故障した光ファイバの復旧作業を行っている間も、中断することなく歪検出を継続することができる。しかも、かかる作用・効果を得るためのコストを可及的に低減し得る。すなわち、光ファイバの敷設長を変えたので、その敷設長が短い光ファイバは敷設等のためのコストを低減できる。また、このように敷設長を短くしてもその検出範囲を補完するように対向する面に敷設する光ファイバの敷設長を調節したので、所定の歪検出は不都合なく良好にこれを行い得る。
【００５６】
〔請求項６〕に記載する発明は、〔請求項５〕に記載する光ファイバを用いた歪検出システムにおいて、各光ファイバにより実測した歪量と各光ファイバの設置時における初期歪との差から求まる歪変化量が所定値を越えた場合に作動する警報手段を有するので、歪変形が危険な領域に達していることを、例え何れかの光ファイバが故障している場合でも良好に告知することができる。
【００５７】
〔請求項７〕に記載する発明は、〔請求項５〕又は〔請求項６〕の何れか一つに記載する光ファイバを用いた歪検出システムにおいて、各光ファイバの温度分布を測定する温度計測手段を追加し、この温度計測手段にも光スイッチ手段を介して選択された光ファイバからの温度情報が入力されるように構成するとともに、各光ファイバにより実測した温度分布と各光ファイバの設置時における初期温度分布との差から求まる温度変化量を検出し、さらにこの温度変化量に基づく見かけ歪分で検出歪の実測値を補正するように構成したので、温度変化による誤差を生起することなく所定の歪検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪検出システムを概念的に示す説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバを用いた歪検出システムを概念的に示す説明図である。
【図３】同実施形態における信号ケーブルをゲージ長固定ボルトにより固定する部分の構成を示す図。
【図４】同実施形態における信号ケーブルの構成例を示す図。
【図５】同実施形態における歪み検知装置の構成を示すブロック図。
【図６】同実施形態における歪み検知動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
１  トンネル
２  内壁面
３  溝
４  光ファイバ
５  保護管
６  信号ケーブル
７  接着剤
８  ゲージ長固定ボルト
１１  歪み検知装置
１２  光スイッチ
１３  歪み計測器
１４  温度計測器
１５  ＣＰＵ
１６  メモリ
１７  表示装置
１８  警報器
【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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