(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーと、
構造物の長方向に沿って設けられ、それぞれ凹凸状に形成された各面を持ち、これら凹凸状の各面を対向配置させると共にこれら凹凸状の各面の間に前記光ファイバーを直線状に敷設し、前記構造物に生じる３次元方向のうち少なくとも１方向の変形に応じて互いに位置ずれを生じ、この位置ずれにより前記光ファイバーに対して３次元方向のうち少なくとも１方向の伸長を与える一対の光ファィバー取付治具と、
前記光ファイバーに与えられた伸長による前記光ファイバーの全長に亘る歪み分布に基づいて前記構造物の変形量を求める歪分布計測手段と、
を具備したことを特徴とする構造物の変位量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバーを使用して構造物の３次元変形量を測定する構造物の変形量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような変形量を測定する装置には、例えば構造物としてトンネル内壁の変形量を測定するものとして以下の技術がある。
第１の技術としては、図６に示すようにトンネル１内において、トンネル通路上の任意の位置に測定点２を挟んで高さ角及び水平角を測定する２台のディジタルトランシット３、４を例えば７〜８ｍ離して水平に設置し、かつこれらディジタルトランシット３、４の前面のトンネル内壁１ａに視準尺５を貼り付ける。
【０００３】
このような準備の後、各ディジタルトランシット３、４において互いに視準尺５を視準させて視準線を一致させる。そして、各ディジタルトランシット３、４の望遠鏡を通して視準尺５の両端に貼り付けられている視準標６を視準し、この後に互いを視準する。これにより、任意に設置した各ディジタルトランシット３、４の位置座標が決定される。
【０００４】
この後に、各ディジタルトランシット３、４を用いて測定点２を視準することによって、測定点２の座標が定まる。このようにして全ての測定点２に対する視準が行われる。
【０００５】
全ての測定点２に対する視準が終了すると、これら測定点２の位置座標は、例えばラップトップ型のパーソナルコンピュータ７にインプットされ、このパーソナルコンピュータ７により全ての測定点２の位置座標を用いて座標計算して各測定点２間の間隔が算出される。
【０００６】
そうして、以上の作業をトンネル１の各断面位置で定期的に行い、トンネル内壁１ａの変形量を求める。
第２の技術は、図７に示すようにトンネル内壁１ａに複数の格子型光ファイバーセンサ８ａ〜８ｄを取り付けている。これら格子型光ファイバーセンサ８ａ〜８ｄは、図８に示すように光ファイバー９の先端にコア１０を設け、このコア１０内に格子状のスリット１１を設けたものとなっている。
【０００７】
このような構成であれば、トンネル内壁１ａが変形すると、この変形に応じてコア１０内のスリット１１のピッチが変化する。このスリット１１のピッチが変化すると、光ファイバー９の端部から入射した光の後方散乱光の周波数が変化するので、この後方散乱光の周波数を測定することによりトンネル内壁１ａの変形量が求められる。
【０００８】
第３の技術は、特開平５−１５３０１６号公報に記載されている技術で、図９に示すようにトンネル内壁１ａに変形量測定ケーブル１２を貼り付けたものとなっている。
【０００９】
この変形量測定ケーブル１２は、図１０に示すようにケーブル本体１３内に光ファイバー９を貫通させるとともに、この光ファイバー９にコイルスプリング１４を併設したものとなっている。
【００１０】
このような構成であれば、トンネル内壁１ａが変形すると、この変形に応じて変形量測定ケーブル１２内のコイルスプリング１４のピッチが変化する。このコイルスプリング１４のピッチが変化することにより、光ファイバー９の曲げ状態が変化し、光ファイバー９内に伝送される光の伝送ロス量が変化するので、この光伝送ロス量を測定することによりトンネル内壁１ａの変形量が求められる。
【００１１】
第４の技術は、図１１に示すようにトンネル内壁１ａに光ファイバー９を貼り付け、かつこの光ファイバー９の端部に歪分布計測器１５を接続したものとなっている。
【００１２】
このような構成であれば、歪分布計測器１５は、光ファイバー９にレーザパルス光を照射する。
この歪分布計測器１５は、レーザパルス光を照射してからその後方散乱光を検出し、光ファイバー９の伸縮に応じてシフトする後方散乱光のブリルアン周波数から歪み量を求め、かつレーザパルス光を照射して後方散乱光が戻ってくる時間から位置を測定するもので、この測定結果から光ファイバー９の全長に亘る歪み分布を求めてトンネル内壁１ａの変形量を得る。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の技術では、構造物がトンネル１の場合、列車や車両などの交通規制が必要となり、かつ測定点２が定点で、かつ変形量の測定の作業を定期的に行うものとなるため、トンネル内壁１ａの変形量の全体監視、連続監視ができない。
【００１４】
又、上記第２の技術では、トンネル１のような長大な構造物の場合、構造物全体の形状変形を監視するには、多数の格子型光ファイバーセンサ８ａ〜８ｄ、…が必要となる。
【００１５】
このように多数の格子型光ファイバーセンサ８ａ〜８ｄ、…を設けた場合の対処として、格子型光ファイバーセンサ８ａ〜８ｄ、…の数点を１本の光ファイバー９で接続する例が他の文献などで報告されているが、いずれにしても測定点２が多くなると、格子型光ファイバーセンサ８ａ〜８ｄ、…や光ケーブルの敷設数が多くなる。
【００１６】
上記第３の技術では、トンネル内壁１ａなどの構造物の伸縮をコイルスプリング１４のピッチ長に変換し、光ファイバー９での光伝送ロス量からトンネル内壁１ａの変形量を求めるので、検出感度が悪い。
【００１７】
さらに、トンネル内壁１ａのような変形を監視する場合では、図９に示すようにトンネル１の長方向であるｘ方向に対する検出感度はよいが、トンネル１の幅方向であるｙ方向、トンネル１の上下方向であるｚ方向に対しては検出感度が悪い。
【００１８】
上記第４の技術では、光ファイバー９がトンネル長方向に敷設されているので、ｘ方向すなわちトンネル長方向の変形に対して例えば約２ｍ長で０．２ｍｍ程度のトンネル内壁１ａの伸長を検出できるが、トンネル１のｙ方向、ｚ方向の変形して対しては検出感度が悪い。
【００１９】
例えば、図１２に示すように光ファイバー９が、変形する前の実線で示す各点ａ、ｂ、ｃでの長さが２ｍであったものが、トンネル内壁１ａの変形により点線で示す各点ａ、ｄ、ｃでの長さ２ｍ＋０．２ｍｍに変形した場合、このときの光ファイバー９の中心点ｂでの変形量Δｌは、
Δｌ＝  ｓｉｎ（  ｃｏｓ−１（１０００／１０００．１）  ）×１０００．１                    …（１）
から約１７．４５ｍｍとなり、トンネル１のｙ方向、ｚ方向の変形して対しては検出感度が悪いことが分かる。
【００２０】
又、歪分布計測器１５は、光ファイバー９の伸縮に応じてシフトする後方散乱光のブリルアン周波数から歪み量を求るので、トンネル内壁１ａなどの圧縮変形を検出する場合には、トンネル内壁１ａに敷設する光ファイバー９を予め引っ張った状態で貼り付ける必要がある。
【００２１】
しかしながら、光ファイバー９を引っ張った状態で長時間使用すると、光ファアイバーが短寿命化してしまう。
そこで本発明は、構造物の３次元方向の変形量を高感度で検出できる構造物の変形量測定装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１によれば、光ファイバーと、構造物の長方向に沿って設けられ、それぞれ凹凸状に形成された各面を持ち、これら凹凸状の各面を対向配置させると共に
これら凹凸状の各面の間に光ファイバーを直線状に敷設し、
構造物に生じる３次元方向のうち少なくとも１方向の変形に応じて互いに位置ずれを生じ、この位置ずれにより光ファイバーに対して３次元方向のうち少なくとも１方向の伸長を与える一対の光ファィバー取付治具と、光ファイバーに与えられた伸長による光ファイバーの全長に亘る歪み分布に基づいて構造物の変形量を求める歪分布計測手段とを具備した構造物の変位量測定装置である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（１）  以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は構造物の変形量測定装置の構成図である。
光ファイバー上部取付治具２０と光ファイバー下部取付治具２１とが一対となって備えられている。これら光ファイバー上部取付治具２０と光ファイバー下部取付治具２１とは、それぞれ例えば弾性材料により形成され、互いに対向する面には、それぞれ凹凸状の面である波状面２２、２３が形成されている。
【００２５】
これら波状面２２、２３は、光ファイバー上部取付治具２０と光ファイバー下部取付治具２１とを突き合わせた場合、嵌合して面接触するように山と谷との位置が相互に一致するように形成されている。
【００２６】
これら波状面２２、２３の山の頂部には、それぞれ光ファイバー９を直線状に敷設するための各溝２４、２５が形成されている。すなわち、これら溝２４、２５の形成される位置は、これら溝２４、２５間を結ぶことにより直線上に配置されている。
【００２７】
又、光ファイバー下部取付治具２１の両端側には、それぞれ構造物に光ファイバー上部取付治具２０及び光ファイバー下部取付治具２１を取付けるための取付け板２６、２７が設けられている。
【００２８】
これら取付け板２６、２７には、それぞれ例えばコンクリート杭２８ａ、２８ｂを構造物に打って光ファイバー上部取付治具２０及び光ファイバー下部取付治具２１を取付けるための各取付け孔２９、３０が形成されている。
【００２９】
次に上記の如く構成された装置を用いて構造物として例えばトンネル内壁１ａの変形量の測定に適用した場合について説明する。
図２に示すように光ファイバー上部取付治具２０は、トンネル内壁１ａに対して接着剤３１などにより固定される。
【００３０】
一方、光ファイバー下部取付治具２１は、予めトンネル内壁１ａに打ち込まれた各コンクリート杭２８ａ、２８ｂを取付け板２６、２７の各取付け孔２９、３０に貫通させ、各ナット３２ａ、３２ｂによって締め付けられて、トンネル内壁１ａに取付けられる。
【００３１】
このように光ファイバー上部取付治具２０及び光ファイバー下部取付治具２１を取付ける場合、これら光ファイバー上部取付治具２０と光ファイバー下部取付治具２１との間には、光ファイバー９が各溝２４、２５に挿入される。
【００３２】
そして、これら光ファイバー上部取付治具２０と光ファイバー下部取付治具２１との間隔が調整され、光ファイバー９が双方の溝２４、２５の間に接着剤等で固定保持されて直線状に敷設される。
【００３３】
この光ファイバー９の端部には、歪分布計測器１５が接続されている。この歪分布計測器１５は、光ファイバー９内にレーザパルス光を照射してからその後方散乱光を検出し、光ファイバー９の伸長に応じてシフトする後方散乱光のブリルアン周波数から歪み量を求め、かつレーザパルス光を照射して後方散乱光が戻ってくる時間から位置を測定する機能を有している。
【００３４】
このようにトンネル内壁１ａに対する装置の取付けが終了した後、トンネル内壁１ａが例えば図３に示すようにＡ−Ｂ間でトンネル１の幅方向であるｙ方向に変形すると、このトンネル内壁１ａの変形に応じて光ファイバー上部取付治具２０が変形し、この変形を受けて光ファイバー上部取付治具２０と光ファイバー下部取付治具２１との間に敷設されている光ファイバー９が波状面２２、２３に従って伸長する。
【００３５】
又、トンネル内壁１ａがＡ−Ｂ間でトンネル１の上下方向であるｚ方向に変形すると、この変形に応じて光ファイバー上部取付治具２０が図４に示すように変形し、光ファイバー上部取付治具２０の各溝２４の位置ｈ１  が光ファイバー下部取付治具２１の各溝２５の位置ｈ２  に対してｚ方向にずれる。なお、図４は、上記図２の矢印（イ）方向から見た位置ずれを示す図である。
【００３６】
トンネル内壁１ａがＡ−Ｂ間でトンネル１の長さ方向であるｘ方向に縮むと、この変形に応じて上部取付治具２０と下部取付治具２１にずれが生じる。
図５は縮み発生時の上部取付治具２０と下部取付治具２１との各溝２４、２５の各位置関係を示したもので、本来等間隔にある各溝２４、２５が上部取付治具２０が圧縮されることによりｌ１  及びｌ２  部分では光ファイバー９を伸張することになる。
【００３７】
なお、図５は上記図２に示す矢印（イ）方向から見た位置ずれを示す図であり、×印は正常時の位置、△印は縮みによる上部取付治具２４の溝２４の位置ずれを示している。
【００３８】
このように各溝２４の位置ｈ１  と各溝２５の位置ｈ２  とがずれることにより、光ファイバー上部取付治具２０と光ファイバー下部取付治具２１との間に敷設、接着されている光ファイバー９がこれら溝２４、２５の位置ずれに従って伸長する。
【００３９】
歪分布計測器１５は、光ファイバー９内にレーザパルス光を照射してからその後方散乱光を検出し、光ファイバー９の伸長に応じてシフトする後方散乱光のブリルアン周波数から歪み量を求め、かつレーザパルス光を照射して後方散乱光が戻ってくる時間から位置を測定し、この測定結果から光ファイバー９の全長に亘る歪み分布を求めてトンネル内壁１ａのｙ方向、ｚ方向の各変形量を得る。
【００４０】
又、トンネル内壁１ａがトンネル１の長方向であるｘ方向に変形した場合は、上記同様に、歪分布計測器１５が光ファイバー９のｘ方向への伸縮に応じてシフトする後方散乱光のブリルアン周波数から歪み量を求る、この歪み量からトンネル内壁１ａのｘ方向の変形量を求める。
【００４１】
このように上記一実施の形態においては、それぞれ波状面２２、２３を持った光ファイバー上部取付治具２０と光ファイバー下部取付治具２１との間に光ファイバー９を敷設し、トンネル内壁１ａの変形に応じて光ファイバー９に３次元方向の伸長を与えてトンネル内壁１ａの変形量を求めるようにしたので、トンネル内壁１ａの３次元方向、すなわちトンネル１の幅方向であるｙ方向、トンネル１の上下方向であるｚ方向及びトンネル１の長方向であるｘ方向の各変形量をいずれも光ファイバー９の伸長方向の変位に拡大して変換することができ、高感度でトンネル内壁１ａの３次元方向の各変形量を検出できる。
【００４２】
なお、本発明は、上記一実施の形態に限定されるものでなく次の通り変形してもよい。
例えば、構造物としては、トンネル内壁１ａに限らず、各種の構造物の変形量の測定に適用できることは言うまでもない。
【００４３】
又、トンネル内壁１ａの変形量を測定する前の初期状態においては、光ファイバー９を直線状に敷設しているが、これに限らず例えば曲面を持つ構造物に対しては、光ファイバー９を予め湾曲させて敷設し、このときの後方散乱光のブリルアン周波数を基準として構造物の変形量を求めるようにしてもよい。
【００４４】
又、光ファイバー上部取付治具２０及び光ファイバー下部取付治具２１には、それぞれ波状面２２、２３を形成しているが、これに限らず凹凸状の面であれば適用できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明の請求項１によれば、構造物の長方向に沿って設けられた光ファイバーの全長に亘る歪み分布に基づいて構造物の変形量を高感度で検出できる構造物の変位量測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる構造物の変形量測定装置の一実施の形態を示す構成図。
【図２】同装置をトンネル内壁に取付けた状態を示す図。
【図３】トンネル内壁のｙ方向への変形による光ファイバーの伸長を示す図。
【図４】光ファイバーを敷設する各溝のトンネル内壁のｚ方向への変形による位置ずれを示す図。
【図５】縮み発生字の上部及び下部取付治具の各溝の位置関係を示す図。
【図６】ディジタルトランシットを用いた従来の変形量測定装置の構成図。
【図７】格子型光ファイバーセンサを用いた従来の変形量測定装置の構成図。
【図８】同格子型光ファイバーセンサの具体的な構成図。
【図９】変形量測定ケーブルを用いた従来の変形量測定装置の構成図。
【図１０】同変形量測定ケーブルの具体的な構成図。
【図１１】歪分布計測器を用いた従来の変形量測定装置の構成図。
【図１２】同装置でのトンネルのｙ方向及びｚ方向の変形に対する検出感度の悪い作用を示す模式図。
【符号の説明】
１…トンネル、
１ａ…トンネル内壁、
９…光ファイバー、
１５…歪分布計測器、
２０…光ファイバー上部取付治具、
２１…光ファイバー下部取付治具、
２２，２３…波状面、
２４，２５…溝、
２６，２７…取付け板、
２８ａ，２８ｂ…コンクリート杭。
【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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【図８】
0003546130.tif 000009
【図９】
0003546130.tif 000010
【図１０】
0003546130.tif 000011
【図１１】
0003546130.tif 000012
【図１２】
0003546130.tif 000013