(57)【要約】【課題】  トンネル断面の巨視的な内空変位を常時実用上十分な計測精度で得ることを可能とすると共に、簡単な機構でメンテナンスフリーを可能とする。【解決手段】  トンネル内空変位計測システムは、覆工４１に植設された支柱４２１〜４２９の各基端部に棒状変位計４１１，４１６，４２１，４２６，４３１，４３６，４４１，４４６の各端部、支柱４２１〜４２９の各先端部に棒状変位計４１３，４１４，４２３，４２４，４３３，４３４，４４３，４４４の各端部、支柱４２１〜４２９の各基端部と各先端部に棒状変位計４１２，４１５，４２２，４２５，４３２，４３５，４４２，４４５の各端部をそれぞれピン結合する。棒状変位計４１１〜４１６，４２１〜４２６，４３１〜４３６，４４１〜４４６からの軸方向変位に応じた信号に基づきトンネルの下端部の既知の２節点を基点として順次、３つの棒状変位計の交点座標を連続的に算出してトンネルの変状を測定する。【選択図】  図１４
2006177822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの内壁に植設されトラス構造の束材をなす剛性大なる複数の支柱と、
隣接する前記支柱の基端部に各端部がピン結合され前記トラス構造の上弦材をなす複数の伸縮可能な第１の棒状変位計と、
隣接する前記支柱の先端部に各端部がピン結合され前記トラス構造の下弦材をなす複数の伸縮可能な第２の棒状変位計と、
隣接する前記支柱の基端部と先端部に各端部がピン結合され前記トラス構造の斜材をなす複数の伸縮可能な第３の棒状変位計と、
前記複数の第１〜第３の棒状変位計から出力される軸方向の変位に応じた信号に基づいて、前記トンネルの下端部の２点を既知の２節点と仮定し、前記既知の２節点を基点として順次、相対する２つの前記棒状変位計の交点である節点座標を連続的に算出して前記トンネルの変状を測定する制御装置と
を具備することを特徴とするトンネル内空変位計測システム。
【請求項２】
前記第１〜第３の棒状変位計は、
一端が閉塞された第１のパイプと、
前記第１のパイプの他端近傍の外周または内周に形成された摺動部が一端近傍の内周または外周に摺動可能に嵌合すると共に、他端が閉塞された第２のパイプと、
前記第１のパイプの前記他端側に一端が取り付けられた第１のシャフトと、
前記第２のパイプ内に一端が取り付けられた第２のシャフトと、
前記第２のパイプ内の空間において前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に支持された検出部と
を有することを特徴とする請求項１記載のトンネル内空変位計測システム。
【請求項３】
前記第１のシャフトは、前記第２のパイプ内に保持されたベアリング内を摺動可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載のトンネル内空変位計測システム。
【請求項４】
前記検出部は、前記第１のシャフトまたは前記第２のシャフトのいずれか一方または両方に引張ばねを介して支持されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のトンネル内空変位計測システム。
【請求項５】
前記第２のシャフトは、その一端部外周に雄ねじが形成され、ナットの回動に応じて前記検出部にプリテンションを付加可能に前記第２のパイプ内に取り付けられていることを特徴とする請求項２〜請求項４のうちのいずれか１項に記載のトンネル内空変位計測システム。
【請求項６】
前記検出部は、
両端に前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に支持されるための係止部を有すると共に、略中央部に長円孔が形成された起歪部と、
空隙部と、前記空隙部を挟んで前記棒状変位計の軸方向に平行に延びる溝とが形成され、前記起歪部に前記長円孔を塞ぐように固定されたゲージベースと、
前記溝に固定されて延びる光ファイバと、
前記光ファイバの前記空隙部内に位置する部分に形成されたファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサと
を有することを特徴とする請求項２〜請求項５のうちのいずれか１項に記載のトンネル内空変位計測システム。
【請求項７】
前記ゲージベースは、前記空隙部の前記軸方向に平行な周囲にその形状に沿って、他の部分の厚さに比べて厚さが薄い薄肉部が形成されていることを特徴とする請求項６に記載のトンネル内空変位計測システム。
【請求項８】
前記検出部は、
中央部がくびれた起歪部と、
前記起歪部の前記中央部の表面または裏面の少なくとも一面に添着されたひずみゲージと
を有することを特徴とする請求項２〜請求項５のうちのいずれか１項に記載のトンネル内空変位計測システム。
【請求項９】
トンネルの内壁に剛性大なる複数の支柱をトラス構造の束材を構成するように植設し、
軸方向の変位に応じた信号を出力する複数の伸縮可能な複数の第１の棒状変位計の各端部を前記トラス構造の上弦材を構成するように隣接する前記支柱の基端部にピン結合により取り付け、
軸方向の変位に応じた信号を出力する複数の伸縮可能な複数の第２の棒状変位計の各端部を前記トラス構造の下弦材を構成するように隣接する前記支柱の先端部にピン結合により取り付け、
軸方向の変位に応じた信号を出力する複数の伸縮可能な複数の第３の棒状変位計の各端部を前記トラス構造の斜材を構成するように隣接する前記支柱の基端部と先端部にピン結合により取り付け、
前記複数の第１〜第３の棒状変位計からの信号に基づいて、前記トンネルの下端部の２点を既知の２節点と仮定し、前記既知の２節点を基点として順次、相対する２つの前記棒状変位計の交点である節点座標を連続的に算出して前記トンネルの変状を測定することを特徴とするトンネル内空変位計測方法。
【請求項１０】
トンネルの内壁に設置され、その軸方向に加えられた変位を検出し、前記変位に応じた信号を出力するトンネル内空変位計であって、
一端が閉塞された第１のパイプと、
前記第１のパイプの他端近傍の外周または内周に形成された摺動部が一端近傍の内周または外周に摺動可能に嵌合すると共に、他端が閉塞された第２のパイプと、
前記第１のパイプの前記他端側に一端が取り付けられると共に、前記第２のパイプ内に保持されたベアリング内を摺動可能に構成された第１のシャフトと、
前記第２のパイプ内に一端が取り付けられた第２のシャフトと、
前記第２のパイプ内の空間において前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に引張ばねを介して支持された検出部とを有し、
前記第２のシャフトは、その一端部外周に雄ねじが形成され、ナットの回動に応じて前記検出部にプリテンションを付加可能に前記第２のパイプ内に取り付けられ、
前記検出部は、両端に前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に支持されるための係止部を有すると共に、略中央部に長円孔が形成された起歪部と、空隙部と、前記空隙部を挟んで前記棒状変位計の軸方向に平行に延びる溝とが形成される共に、前記空隙部の前記軸方向に平行な周囲にその形状に沿って、他の部分の厚さに比べて厚さが薄い薄肉部が形成され、前記起歪部に前記長円孔を塞ぐように固定されたゲージベースと、前記溝に固定されて延びる光ファイバと、前記光ファイバの前記空隙部内に位置する部分に形成されたファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサとを有していることを特徴とするトンネル内空変位計。
【請求項１１】
前記検出部に換えて、中央部がくびれた起歪部と、前記起歪部の前記中央部の表面または裏面の少なくとも一面に添着されたひずみゲージとを有する検出部を有することを特徴とする請求項１０記載のトンネル内空変位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの内空変位を検出するトンネル内空変位計測システム、トンネル内空変位計測方法およびこれらに用いられるトンネル内空変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
橋梁、トンネルやビルディング等の土木建築構造物の崩落や倒壊等の重大事故は、社会的・経済的損害が甚大なだけでなく、人命の損失も招くため、高い信頼性と安全性が要求される。そこで、従来より、土木建築構造物の変位を監視してその信頼性や安全性を評価することが行われている。このうち、トンネル内空の変位計測については、以下に示す各種のものがある。
まず、第１の従来例としては、アンカー手段を有する検出器本体に、回動可能な滑車とこの滑車の回動量を検出し電気信号を出力する変位計測用変換器と滑車に掛け渡されるワイヤの各端側の検出器本体に対する引出方向角度をそれぞれ検出する第１および第２の相対角度計測用変換器がそれぞれ取り付けられてなる変位計測用検出器を、トンネル内壁の複数の被測定個所にアンカー手段でそれぞれ設置し、１本のワイヤの一端をトンネル内壁の基準個所に固定し、このワイヤを複数の変位計測用検出器の各滑車に順次掛け渡し、その他端に一定張力を付与せしめる張力付与手段を連結し、変位計測用検出器および第１、第２の相対角度計測用変換器からそれぞれ出力される当該被測定個所の隣接する被測定個所または基準個所に対する区間変位および相対角度に対応する電気信号に基づいて、基準個所からの各変位計測用検出器の位置座標を所定の演算により求めるトンネル内空の変位計測方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、第２の従来例としては、光ファイバを任意の区間で任意の回数だけ往復して構造物に敷設し、光ファイバの伸張による歪みに基づいて構造物の変形量を測定する構造物の変形量測定装置がある（例えば、特許文献２参照。）。
さらに、第３の従来例としては、レーザ距離計を所定間隔をおいて所定数だけトンネル内壁面両側に配設し、レーザ距離計からのレーザ光をトンネル内壁面の所定範囲に向けて投光することで、レーザ距離計からトンネル内壁までの距離を測定し、その信号をコンピュータに送信して演算処理し、必要な表示をしながらトンネル内径の変位を監視することによりトンネル内壁面の隆起や歪み等を検知しているトンネル内壁面の変位監視システムがある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−１５１７０６号公報（特許請求の範囲第２項，第３頁右上欄第１１行目〜第６頁左上欄第７行目、第１図，第５図）
【特許文献２】特開平１１−２３７２１９号公報（請求項１，［００１４］〜［００２５］、図１，図２）
【特許文献３】特開２００１−６６１６８号公報（請求項１，［０００６］〜［０００７］，［００１８］〜［００２１］、図１，図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した第１の従来例では、滑車、これに掛け渡されるワイヤ、ワイヤに一定張力を付与せしめる張力付与手段など複雑な機構を必要とするため、故障しやすいと共に、設置後のメンテナンスが必要であるという問題があった。したがって、遠隔地から自動的に、長期間に亘って経時的に、簡易に、安定的に、トンネル内空の変位計測を行うことができないという問題があった。一方、上記した第２の従来例では、ひび割れ等の局部的な変形形状（変状）しか検出できないため、崩落や倒壊等の重大事故に直接結びつくようなトンネル断面の巨視的な内空変位を計測できないという問題があった。また、上記した第２の従来例では、いわゆるＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）の原理を利用しているため、例えば、１００με以下のひずみに対して計測精度が低くて測定誤差が生じるため、実用上十分な計測精度が得られないという問題があった。また、上記した第３の従来例では、レーザ距離計を所定角度回動させる回動支持機構を必要とするため、設置環境によっては回動支持機構がさび等によって回動しなくなるおそれがあり、設置後のメンテナンスが必要であるという問題があった。したがって、遠隔地から自動的に、長期間に亘って経時的に、簡易に、安定的に、トンネル内空の変位計測を行うことができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、トンネル断面の巨視的な内空変位を常時実用上十分な計測精度で得ることを可能とすると共に、簡単な機構でメンテナンスフリーを可能とするトンネル内空変位計測システム、トンネル内空変位計測方法およびトンネル内空変位計を提供することを目的としている。
本発明の請求項１の目的は、特に、面内の角変形および座屈等の面外変形に伴う測定誤差（曲げによる干渉）および機能上の不具合（破損やかじり）を回避することを可能とすると共に、トンネルの地山または覆工の表面に設置する構造とし、かつ、複雑な機構を必要とせず、後施工を可能とすると共に、設置後のメンテナンスも容易であり、ある棒状変位計に何らかの原因で不具合が発生した場合であっても、当該棒状変位計だけを取り替えるだけで良いトンネル内空変位計測システムを提供することにある。
本発明の請求項２の目的は、特に、引張ひずみだけでなく圧縮ひずみの測定も可能とすると共に、各棒状変位計の最大予想変位を想定しその最大予想変位を充分にカバーし得る可動範囲の棒状変位計を設計することを可能とし、設計の自由度が大きいと共に、予想以上の変位に際し破損等の不具合を防止することを可能とするトンネル内空変位計測システムを提供することにある。
【０００７】
本発明の請求項３の目的は、特に、棒状変位計が軸方向以外は大きな曲げ剛性を有すると共に、支柱から棒状変位計に変位を伝えやすく、またトンネル内を列車や自動車等の車両が走行した場合であっても、風圧等による影響を受けにくいトンネル内空変位計測システムを提供することにある。
本発明の請求項４の目的は、特に、各棒状変位計にプリテンションを与えることを可能とすると共に、このトンネル内空変位計測システムをトンネルに設置する際に各棒状変位計の摺動部に所定のプリテンション（変位）を与えることにより、引張ひずみだけでなく圧縮ひずみも測定することを可能とすると共に、棒状変位計の座屈を防止することを可能とするトンネル内空変位計測システムを提供することにある。
本発明の請求項５の目的は、特に、各棒状変位計ごとに内部で微細なプリテンションを与えることにより棒状変位計の初期出力調整が可能となり、各棒状変位計の組み立ての作業性向上を可能とするトンネル内空変位計測方法を提供することにある。
本発明の請求項６の目的は、特に、測定対象物がひずみの大きい鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合でも、高精度な検出を可能とし、実用上十分な計測精度を得ることを可能とすると共に、支柱の長さを短くすることを可能とするトンネル内空変位計測方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の請求項７の目的は、特に、棒状変位計が低反力で軸方向に伸縮することを可能とするトンネル内空変位計測方法を提供することにある。
本発明の請求項８の目的は、特に、測定対象物がひずみの大きい鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合でも、高精度な検出が可能とし、実用上十分な計測精度を得ることを可能とすると共に、支柱の長さを短くすることを可能とし、しかも、起歪部に加えられたひずみにより起歪部が湾曲した場合にその湾曲成分を相殺することを可能とするトンネル内空変位計測方法を提供することにある。
本発明の請求項９の目的は、特に、面内の角変形および座屈等の面外変形に伴う測定誤差（曲げによる干渉）および機能上の不具合（破損やかじり）を回避することを可能とすると共に、トンネルの地山または覆工の表面に設置する構造とし、かつ、複雑な機構を必要とせず、後施工を可能とすると共に、設置後のメンテナンスも容易であり、ある棒状変位計に何らかの原因で不具合が発生した場合であっても、当該棒状変位計だけを取り替えるだけで良いトンネル内空変位計測方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の請求項１０の目的は、特に、引張ひずみだけでなく圧縮ひずみの測定も可能とすると共に、各棒状変位計の最大予想変位を想定しその最大予想変位を充分にカバーし得る可動範囲の棒状変位計を設計することを可能とし、設計の自由度が大きいと共に、予想以上の変位に際し破損等の不具合を防止することを可能とし、棒状変位計が軸方向以外は大きな曲げ剛性を有すると共に、支柱から棒状変位計に変位を伝えやすく、またトンネル内を列車や自動車等の車両が走行した場合であっても、風圧等による影響を受けにくく、各棒状変位計にプリテンションを与えることを可能とすると共に、トンネルに設置する際に各棒状変位計の摺動部に所定のプリテンション（変位）を与えることにより引張ひずみだけでなく圧縮ひずみも測定することを可能とし、座屈を防止することを可能とし、各棒状変位計ごとに内部で微細なプリテンションを与えることにより棒状変位計の初期出力調整が可能となり、各棒状変位計の組み立ての作業性向上を可能とし、測定対象物がひずみの大きい鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合でも、高精度な検出を可能とし、実用上十分な計測精度を得ることを可能とすると共に、低反力で軸方向に伸縮することを可能とするトンネル内空変位計を提供することにある。
本発明の請求項１１の目的は、特に、測定対象物がひずみの大きい鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合でも、高精度な検出が可能とし、実用上十分な計測精度を得ることを可能とすると共に、起歪部に加えられたひずみにより起歪部が湾曲した場合にその湾曲成分を相殺することを可能とするトンネル内空変位計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載した本発明に係るトンネル内空変位計測システムは、上述した目的を達成するために、
トンネルの内壁に植設されトラス構造の束材をなす剛性大なる複数の支柱と、
隣接する前記支柱の基端部に各端部がピン結合され前記トラス構造の上弦材をなす複数の伸縮可能な第１の棒状変位計と、
隣接する前記支柱の先端部に各端部がピン結合され前記トラス構造の下弦材をなす複数の伸縮可能な第２の棒状変位計と、
隣接する前記支柱の基端部と先端部に各端部がピン結合され前記トラス構造の斜材をなす複数の伸縮可能な第３の棒状変位計と、
前記複数の第１〜第３の棒状変位計から出力される軸方向の変位に応じた信号に基づいて、前記トンネルの下端部の２点を既知の２節点と仮定し、前記既知の２節点を基点として順次、相対する２つの前記棒状変位計の交点である節点座標を連続的に算出して前記トンネルの変状を測定する制御装置と
を具備することを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載した本発明に係るトンネル内空変位計測システムは、請求項１のシステムであって、
前記第１〜第３の棒状変位計は、
一端が閉塞された第１のパイプと、
前記第１のパイプの他端近傍の外周または内周に形成された摺動部が一端近傍の内周または外周に摺動可能に嵌合すると共に、他端が閉塞された第２のパイプと、
前記第１のパイプの前記他端側に一端が取り付けられた第１のシャフトと、
前記第２のパイプ内に一端が取り付けられた第２のシャフトと、
前記第２のパイプ内の空間において前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に支持された検出部と
を有することを特徴としている。
請求項３に記載した本発明に係るトンネル内空変位計測システムは、請求項２のシステムであって、
前記第１のシャフトは、前記第２のパイプ内に保持されたベアリング内を摺動可能に構成されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項４に記載した本発明に係るトンネル内空変位計測システムは、請求項２または請求項３のシステムであって、
前記検出部は、前記第１のシャフトまたは前記第２のシャフトのいずれか一方または両方に引張ばねを介して支持されることを特徴としている。
請求項５に記載した本発明に係るトンネル内空変位計測システムは、請求項２〜請求項４のうちのいずれか１項のシステムであって、
前記第２のシャフトは、その一端部外周に雄ねじが形成され、ナットの回動に応じて前記検出部にプリテンションを付加可能に前記第２のパイプ内に取り付けられていることを特徴としている。
請求項６に記載した本発明に係るトンネル内空変位計測システムは、請求項２〜請求項５のうちのいずれか１項のシステムであって、
前記検出部は、
両端に前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に支持されるための係止部を有すると共に、略中央部に長円孔が形成された起歪部と、
空隙部と、前記空隙部を挟んで前記棒状変位計の軸方向に平行に延びる溝とが形成され、前記起歪部に前記長円孔を塞ぐように固定されたゲージベースと、
前記溝に固定されて延びる光ファイバと、
前記光ファイバの前記空隙部内に位置する部分に形成されたファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサと
を有することを特徴としている。
【００１３】
請求項７に記載した本発明に係るトンネル内空変位計測システムは、請求項６のシステムであって、
前記ゲージベースは、前記空隙部の前記軸方向に平行な周囲にその形状に沿って、他の部分の厚さに比べて厚さが薄い薄肉部が形成されていることを特徴としている。
請求項８に記載した本発明に係るトンネル内空変位計測システムは、請求項２〜請求項７のうちのいずれか１項のシステムであって、
前記検出部は、
中央部がくびれた起歪部と、
前記起歪部の前記中央部の表面または裏面の少なくとも一面に添着されたひずみゲージと
を有することを特徴としている。
【００１４】
請求項９に記載した本発明に係るトンネル内空変位計測方法は、上述した目的を達成するために、
トンネルの内壁に剛性大なる複数の支柱をトラス構造の束材を構成するように植設し、
軸方向の変位に応じた信号を出力する複数の伸縮可能な複数の第１の棒状変位計の各端部を前記トラス構造の上弦材を構成するように隣接する前記支柱の基端部にピン結合により取り付け、
軸方向の変位に応じた信号を出力する複数の伸縮可能な複数の第２の棒状変位計の各端部を前記トラス構造の下弦材を構成するように隣接する前記支柱の先端部にピン結合により取り付け、
軸方向の変位に応じた信号を出力する複数の伸縮可能な複数の第３の棒状変位計の各端部を前記トラス構造の斜材を構成するように隣接する前記支柱の基端部と先端部にピン結合により取り付け、
前記複数の第１〜第３の棒状変位計からの信号に基づいて、前記トンネルの下端部の２点を既知の２節点と仮定し、前記既知の２節点を基点として順次、相対する２つの前記棒状変位計の交点である節点座標を連続的に算出して前記トンネルの変状を測定することを特徴としている。
【００１５】
請求項１０に記載した本発明に係るトンネル内空変位計は、上述した目的を達成するために、
トンネルの内壁に設置され、その軸方向に加えられた変位を検出し、前記変位に応じた信号を出力するトンネル内空変位計であって、
一端が閉塞された第１のパイプと、
前記第１のパイプの他端近傍の外周または内周に形成された摺動部が一端近傍の内周または外周に摺動可能に嵌合すると共に、他端が閉塞された第２のパイプと、
前記第１のパイプの前記他端側に一端が取り付けられると共に、前記第２のパイプ内に保持されたベアリング内を摺動可能に構成された第１のシャフトと、
前記第２のパイプ内に一端が取り付けられた第２のシャフトと、
前記第２のパイプ内の空間において前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に引張ばねを介して支持された検出部とを有し、
前記第２のシャフトは、その一端部外周に雄ねじが形成され、ナットの回動に応じて前記検出部にプリテンションを付加可能に前記第２のパイプ内に取り付けられ、
前記検出部は、両端に前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に支持されるための係止部を有すると共に、略中央部に長円孔が形成された起歪部と、空隙部と、前記空隙部を挟んで前記棒状変位計の軸方向に平行に延びる溝とが形成される共に、前記空隙部の前記軸方向に平行な周囲にその形状に沿って、他の部分の厚さに比べて厚さが薄い薄肉部が形成され、前記起歪部に前記長円孔を塞ぐように固定されたゲージベースと、前記溝に固定されて延びる光ファイバと、前記光ファイバの前記空隙部内に位置する部分に形成されたファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサとを有していることを特徴としている。
【００１６】
請求項１１に記載した本発明に係るトンネル内空変位計は、請求項１０の変位計であって、
前記検出部に換えて、中央部がくびれた起歪部と、前記起歪部の前記中央部の表面または裏面の少なくとも一面に添着されたひずみゲージとを有する検出部を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、トンネル断面の巨視的な内空変位を常時実用上十分な計測精度で得ることを可能とすると共に、簡単な機構でメンテナンスフリーを可能とするトンネル内空変位計測システム、トンネル内空変位計測方法およびトンネル内空変位計を提供することができる。
即ち、本発明の請求項１のトンネル内空変位計測システムによれば、トンネルの内壁に植設されトラス構造の束材をなす剛性大なる複数の支柱と、隣接する前記支柱の基端部に各端部がピン結合され前記トラス構造の上弦材をなす複数の伸縮可能な第１の棒状変位計と、隣接する前記支柱の先端部に各端部がピン結合され前記トラス構造の下弦材をなす複数の伸縮可能な第２の棒状変位計と、隣接する前記支柱の基端部と先端部に各端部がピン結合され前記トラス構造の斜材をなす複数の伸縮可能な第３の棒状変位計と、前記複数の第１〜第３の棒状変位計から出力される軸方向の変位に応じた信号に基づいて、前記トンネルの下端部の２点を既知の２節点と仮定し、前記既知の２節点を基点として順次、相対する２つの前記棒状変位計の交点である節点座標を連続的に算出して前記トンネルの変状を測定する制御装置とを具備することにより、特に、面内の角変形および座屈等の面外変形に伴う測定誤差（曲げによる干渉）および機能上の不具合（破損やかじり）を回避することが可能となると共に、トンネルの地山または覆工の表面に設置する構造とし、かつ、複雑な機構を必要とせず、後施工が可能となると共に、設置後のメンテナンスも容易であり、ある棒状変位計に何らかの原因で不具合が発生した場合であっても、当該棒状変位計だけを取り替えるだけで良い。
【００１８】
本発明の請求項２のトンネル内空変位計測システムによれば、請求項１のシステムであって、前記第１〜第３の棒状変位計は、一端が閉塞された第１のパイプと、前記第１のパイプの他端近傍の外周または内周に形成された摺動部が一端近傍の内周または外周に摺動可能に嵌合すると共に、他端が閉塞された第２のパイプと、前記第１のパイプの前記他端側に一端が取り付けられた第１のシャフトと、前記第２のパイプ内に一端が取り付けられた第２のシャフトと、前記第２のパイプ内の空間において前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に支持された検出部とを有することにより、特に、引張ひずみだけでなく圧縮ひずみの測定も可能となると共に、各棒状変位計の最大予想変位を想定しその最大予想変位を充分にカバーし得る可動範囲の棒状変位計を設計することができるため、設計の自由度が大きいと共に、予想以上の変位に際し破損等の不具合を防止することが可能となる。
本発明の請求項３のトンネル内空変位計測システムによれば、請求項２のシステムであって、前記第１のシャフトは、前記第２のパイプ内に保持されたベアリング内を摺動可能に構成されていることにより、特に、棒状変位計が軸方向以外は大きな曲げ剛性を有しているので、支柱から棒状変位計に変位を伝えやすく、またトンネル内を列車や自動車等の車両が走行した場合であっても、風圧等による影響を受けにくい。
【００１９】
本発明の請求項４のトンネル内空変位計測システムによれば、請求項２または請求項３のシステムであって、前記検出部は、前記第１のシャフトまたは前記第２のシャフトのいずれか一方または両方に引張ばねを介して支持されることにより、各棒状変位計にプリテンションを与えることが可能となるため、このトンネル内空変位計測システムをトンネルに設置する際に各棒状変位計の摺動部にスペーサ等を挟み込み所定のプリテンション（変位）を与えることにより、引張ひずみだけでなく圧縮ひずみも測定することが可能となり、棒状変位計の座屈を防止することが可能である。
本発明の請求項５のトンネル内空変位計測システムによれば、請求項２〜請求項４のうちのいずれか１項のシステムであって、前記第２のシャフトは、その一端部外周に雄ねじが形成され、ナットの回動に応じて前記検出部にプリテンションを付加可能に前記第２のパイプ内に取り付けられていることにより、特に、各棒状変位計ごとに内部で微細なプリテンションを与えることが可能となるため、各棒状変位計の初期出力調整が容易になり、各棒状変位計の組み立ての作業性が向上する。
【００２０】
本発明の請求項６のトンネル内空変位計測システムによれば、請求項２〜請求項５のうちのいずれか１項のシステムであって、前記検出部は、両端に前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に支持されるための係止部を有すると共に、略中央部に長円孔が形成された起歪部と、空隙部と、前記空隙部を挟んで前記棒状変位計の軸方向に平行に延びる溝とが形成される共に、前記空隙部の前記軸方向に平行な周囲にその形状に沿って、他の部分の厚さに比べて厚さが薄い薄肉部が形成され、前記起歪部に前記長円孔を塞ぐように固定されたゲージベースと、前記溝に固定されて延びる光ファイバと、前記光ファイバの前記空隙部内に位置する部分に形成されたファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサとを有することにより、特に、測定対象物がひずみの大きい鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合でも、高精度な検出が可能となり、実用上十分な計測精度が得られると共に、支柱の長さを短くすることが可能となる。
本発明の請求項７のトンネル内空変位計測システムによれば、請求項６のシステムであって、前記ゲージベースは、前記空隙部の前記軸方向に平行な周囲にその形状に沿って、他の部分の厚さに比べて厚さが薄い薄肉部が形成されていることにより、特に、棒状変位計が低反力で軸方向に伸縮することが可能となる。
【００２１】
本発明の請求項８のトンネル内空変位計測システムによれば、請求項２〜請求項５のうちのいずれか１項のシステムであって、前記検出部は、中央部がくびれた起歪部と、前記起歪部の前記中央部の表面または裏面の少なくとも一面に添着されたひずみゲージとを有することにより、特に、測定対象物がひずみの大きい鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合でも、高精度な検出が可能となり、実用上十分な計測精度が得られると共に、支柱の長さを短くすることが可能となり、しかも、起歪部に加えられたひずみにより起歪部が湾曲した場合にその湾曲成分を相殺することが可能となる。
【００２２】
本発明の請求項９のトンネル内空変位計測方法によれば、トンネルの内壁に剛性大なる複数の支柱をトラス構造の束材を構成するように植設し、軸方向の変位に応じた信号を出力する複数の伸縮可能な複数の第１の棒状変位計の各端部を前記トラス構造の上弦材を構成するように隣接する前記支柱の基端部にピン結合により取り付け、軸方向の変位に応じた信号を出力する複数の伸縮可能な複数の第２の棒状変位計の各端部を前記トラス構造の下弦材を構成するように隣接する前記支柱の先端部にピン結合により取り付け、軸方向の変位に応じた信号を出力する複数の伸縮可能な複数の第３の棒状変位計の各端部を前記トラス構造の斜材を構成するように隣接する前記支柱の基端部と先端部にピン結合により取り付け、前記複数の第１〜第３の棒状変位計からの信号に基づいて、前記トンネルの下端部の２点を既知の２節点と仮定し、前記既知の２節点を基点として順次、相対する２つの前記棒状変位計の交点である節点座標を連続的に算出して前記トンネルの変状を測定することにより、特に、面内の角変形および座屈等の面外変形に伴う測定誤差（曲げによる干渉）および機能上の不具合（破損やかじり）を回避することが可能となると共に、トンネルの地山または覆工の表面に設置する構造とし、かつ、複雑な機構を必要とせず、後施工が可能となると共に、設置後のメンテナンスも容易であり、ある棒状変位計に何らかの原因で不具合が発生した場合であっても、当該棒状変位計だけを取り替えるだけで良い。
【００２３】
本発明の請求項１０のトンネル内空変位計によれば、トンネルの内壁に設置され、その軸方向に加えられた変位を検出し、前記変位に応じた信号を出力するトンネル内空変位計であって、一端が閉塞された第１のパイプと、前記第１のパイプの他端近傍の外周または内周に形成された摺動部が一端近傍の内周または外周に摺動可能に嵌合すると共に、他端が閉塞された第２のパイプと、前記第１のパイプの前記他端側に一端が取り付けられると共に、前記第２のパイプ内に保持されたベアリング内を摺動可能に構成された第１のシャフトと、前記第２のパイプ内に一端が取り付けられた第２のシャフトと、前記第２のパイプ内の空間において前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に引張ばねを介して支持された検出部とを有し、前記第２のシャフトは、その一端部外周に雄ねじが形成され、ナットの回動に応じて前記検出部にプリテンションを付加可能に前記第２のパイプ内に取り付けられ、前記検出部は、両端に前記第１のシャフトの他端と前記第２のシャフトの他端との間に支持されるための係止部を有すると共に、略中央部に長円孔が形成された起歪部と、空隙部と、前記空隙部を挟んで前記棒状変位計の軸方向に平行に延びる溝とが形成される共に、前記空隙部の前記軸方向に平行な周囲にその形状に沿って、他の部分の厚さに比べて厚さが薄い薄肉部が形成され、前記起歪部に前記長円孔を塞ぐように固定されたゲージベースと、前記溝に固定されて延びる光ファイバと、前記光ファイバの前記空隙部内に位置する部分に形成されたファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサとを有し、各棒状変位計の最大予想変位を想定しその最大予想変位を充分にカバーし得る可動範囲の棒状変位計を設計することが可能となり、設計の自由度が大きいと共に、予想以上の変位に際し破損等の不具合を防止することが可能となる。また、棒状変位計が軸方向以外は大きな曲げ剛性を有すると共に、支柱から棒状変位計に変位を伝えやすく、またトンネル内を列車や自動車等の車両が走行した場合であっても、風圧等による影響を受けにくく、各棒状変位計にプリテンションを与えることが可能となると共に、トンネルに設置する際に各棒状変位計の摺動部に所定のプリテンション（変位）を与えることにより引張ひずみだけでなく圧縮ひずみも測定することが可能となる。
【００２４】
これにより、作業性が向上し、測定対象物がひずみの大きい鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合でも、高精度な検出が可能となり、実用上十分な計測精度を得ることが可能となると共に、低反力で軸方向に伸縮することが可能となり、座屈を防止することが可能となる。
本発明の請求項１１のトンネル内空変位計によれば、請求項１０の変位計であって、前記検出部に換えて、中央部がくびれた起歪部と、前記起歪部の前記中央部の表面または裏面の少なくとも一面に添着されたひずみゲージとを有する検出部を有することにより、特に、測定対象物がひずみの大きい鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合でも、高精度な検出が可能となり、実用上十分な計測精度を得ることが可能となると共に、起歪部に加えられたひずみにより起歪部が湾曲した場合にその湾曲成分を相殺することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る実施の形態に基づき、図面を参照して本発明のトンネル内空変位計測システムを詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るトンネル内空変位計測システムの回路構成を示している。この例のトンネル内空変位計測システムは、光源１と、光サーキュレータ２と、光スイッチ３と、棒状変位計４１１〜４１６、４２１〜４２６、４３１〜４３６、４４１〜４４６と、光ファイバ５と、光コネクタ６と、波長計７と、制御装置８とから構成されている。棒状変位計４１１〜４１６は第１系統の計測系、棒状変位計４２１〜４２６は第２系統の計測系、棒状変位計４３１〜４３６は第３系統の計測系、棒状変位計４４１〜４４６は第４系統の計測系をそれぞれ構成している。尚、棒状変位計４１１〜４１６、４２１〜４２６、４３１〜４３６、４４１〜４４６を総称するときは、単に棒状変位計４と表す。この総称に関しては、他の構成要素でも同様である。光源１は、例えば、希土類元素添加光ファイバを、半導体レーザ等の励起用光源で励起することにより生じた自然放出光（Spontaneous Emission）が、光ファイバ内を導波するにしたがい、増幅（Amplified）される現象を利用したＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源から広帯域且つ高輝度の光出力を連続で出射する。光サーキュレータ２は、光源１から供給される光信号を光スイッチ３に供給すると共に、光スイッチ３から供給される光信号を波長計７に供給する。光スイッチ３は、制御装置８から供給される切替信号に基づいて、光サーキュレータ２から供給され、共通入出力端Ｔｃから入射された光信号を第１〜第４の入出力端Ｔ１〜Ｔ４のいずれかから出射すると共に、第１〜第４の入出力端Ｔ１〜Ｔ４のいずれかから入射された光信号を共通入出力端Ｔｃから出射して光サーキュレータ２に供給する。
【００２６】
棒状変位計４は、その内部に有するファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）センサというセンサデバイスを用いて軸方向のひずみを計測する。ここで、ＦＢＧセンサ６１とは、図２に示すように、光ファイバ６２のコア６３内に所定周期（以下、「グレーティング周期」という。）Λで所定間隔おきに所定長（以下、「グレーティング長」という。）の屈折率変化部分を形成したものをいう。グレーティング周期Λは例えば、５００ｎｍ、グレーティング長は例えば、３〜１０ｍｍである。上記屈折率変化部分は、例えば、紫外レーザ光を光ファイバ６２に照射することにより作製する。
以下、ＦＢＧセンサ６１の動作原理について説明する。ＦＢＧセンサ６１に、図３に示すように、広帯域の波長領域を有する入射光ＩＩＮを入射すると、コア６３の屈折率ｎおよびグレーティング周期Λに応じた波長（以下、「ブラッグ波長」という。）を有する反射光ＩＲが反射され、残りの波長領域の光が透過光ＩＴとして透過する。ブラッグ波長のピーク波長λＢは、コア６３の屈折率ｎおよびグレーティング周期Λを用いて、式（１）で表される。
【００２７】
λＢ＝２ｎΛ  ・・・（１）
図２および図３に示すＦＢＧセンサ６１の構造から、ＦＢＧセンサ６１に光軸方向にひずみを負荷した場合、コア６３の屈折率ｎまたはグレーティング周期Λが変化し、式（１）で表されるピーク波長λＢが変化することが予想される。その変化量ΔλＢは、式（２）で表される。
ΔλＢ＝λＢ（１−ρα）ε  ・・・（２）
ここで、εはＦＢＧセンサ６１の光軸方向に負荷したときのひずみ、ραは負荷したひずみによる光ファイバ６２の光弾性係数（例えば、約０．２２）を意味している。
ピーク波長λＢが１５５０ｎｍである場合、ピーク波長λＢの変化量ΔλＢは、〜１．２ｐｍ／με程度である。即ち、ブラッグ波長のピーク波長λＢの変化を分解能１ｐｍ（１×１０−１２ｍ）程度で計測することができれば、１με（１×１０−６）の分解能で、ＦＢＧセンサ６１の軸方向のひずみを計測可能であることが分かる。図４にブラッグ波長のピーク波長λＢのスペクトル変化の一例を示す。
【００２８】
図４において、スペクトルａは、引張ひずみに比例してピーク波長λＢが増加したことを示し、スペクトルｂは、圧縮ひずみに比例してピーク波長λＢが減少したことを示している。
この実施の形態１では、１つの系統の計測系に６本の棒状変位計４を用いているので、各棒状変位計４を構成するＦＢＧセンサが同一または重なり合うピーク波長λＢを有していると、反射光を分離できずに多点計測が不可能となる。そこで、この実施の形態１では、各棒状変位計４を構成するＦＢＧセンサの作製時に式（１）に示すグレーティング周期Λを互いに異ならせることにより、図５に示すように、異なったピーク波長λ１、λ２、・・・、λ５、λ６を有するＦＢＧセンサを作製すると共に、光源１には、図６に示すように、ピーク波長λ１、λ２、・・・、λ５、λ６を含む広帯域の波長帯域幅を有する光信号を出射可能なものを用いる。これにより、波長計７では、図７に示すように、各棒状変位計４に対応した反射光ＩＲのピーク波長λ１、λ２、・・・、λ５、λ６が分離でき、多点計測が可能となる。尚、１つの系統の計測系に用いられる６本の棒状変位計４において各ＦＢＧセンサのピーク波長λＢが異なっていれば良く、棒状変位計４を構成するＦＢＧセンサのピーク波長λＢの値は任意であるが、この実施の形態１では、例えば、棒状変位計４１１のピーク波長λＢがピーク波長λ１、棒状変位計４１２のピーク波長λＢがピーク波長λ２というように、棒状変位計４の符号の下１桁目の添え字とピーク波長λＢの添え字とが対応しているものとする。
【００２９】
図１に示す光ファイバ５は、例えば、石英ガラスからなり、光スイッチ３と対応する棒状変位計４との間、各棒状変位計４と対応する光コネクタ６との間に介挿され、これらの間において光信号を伝送する。また、光スイッチ３の第１、第２、第３および第４の入出力端Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３およびＴ４と、対応する棒状変位計４１１、４２１、４３１および４４１との間に敷設される光ファイバ５の長さは、数ｋｍであっても良い。これは、光源１から照射される光信号が広帯域で光強度が大きいからである。波長計７は、光サーキュレータ２から供給された光信号における複数のブラッグ波長のピーク波長を検出して制御装置８に供給する。
制御装置８は、制御部と、記憶部と、操作部と、表示部と、通信部等とを有するパーソナルコンピュータ等の情報処理装置によって構成されている。制御部は、中央処理装置（ＣＰＵ）等からなり、記憶部に記憶されているトンネル内空変位計測プログラム等に基づいて、トンネル内空変位計測処理等を実行し、制御装置８の各部を制御する。即ち、例えば、トンネル内空変位計測プログラムが記憶部から読み出されると、制御部に読み込まれ、制御部の動作を制御する。
【００３０】
制御部は、トンネル内空変位計測プログラムが起動されると、トンネル内空変位計測プログラムの制御により、トンネル内空変位計測処理を実行するのである。トンネル内空変位計測処理は、波長計７から供給される複数のブラッグ波長のピーク波長を物理量（例えば、力、変位等）に変換し、得られた物理量または上記物理量に統計的処理を施した結果を記憶部に順次記憶したり、自発的にまたは外部からの要求に基づいて、通信部を介して外部に通知する処理である。
記憶部は、ＲＡＭやＲＯＭ、あるいはフラッシュメモリ等の半導体メモリ、ＦＤ（フロッピー（登録商標）・ディスク）が装着されるＦＤドライブ、ＨＤ（ハード・ディスク）が装着されるＨＤドライブ、ＭＯ（光磁気）ディスクが装着されるＭＯディスクドライブ、あるいはＣＤ（コンパクト・ディスク）−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ（Recordable）、ＣＤ−ＲＷ（Rewritable）やＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ等が装着されるＣＤ／ＤＶＤドライブ等からなる。記憶部には、制御部が実行する各種プログラムの他、各種のデータが記憶される。操作部は、テンキー、エンターキー、あるいはファンクションキー等からなるキーボードや、マウス、タッチパッド、あるいはペンデバイス等のポインティングデバイスなどを有する。表示部は、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）等からなる。通信部は、図示せぬ回線やネットワーク等を介して外部とデータ通信を行う。
【００３１】
次に、棒状変位計４の詳細について、図８〜図１３を参照して説明する。図８は本発明のトンネル内空変位計測システムに適用される棒状変位計４の構成を示す断面図、図９は図８に示す棒状変位計４の一部の構成を示す分解斜視図、図１０は図８に示す棒状変位計４の一部の構成を示す透視斜視図である。図８〜図１０において、棒状変位計４は、パイプＡ１１〜パイプＤ１４と、エンドプレート（キャップ）１５と、Ｏリング１６と、Ｏリング保持具１７と、第１のシャフト１８および第２のシャフト１９と、リニアベアリング２０と、ベアリング保持具２１と、引張ばね２２と、起歪部２３と、ゲージベース２４と、ＦＢＧセンサ２５と、固定ブッシュ２６と、ナット２７と、光ファイバ２８と、コネクタ２９とから構成されている。尚、起歪部２３と、ゲージベース２４と、ＦＢＧセンサ２５とは、検出部６５を構成している。パイプＡ１１〜パイプＤ１４は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）等からなり、略円筒状を呈している。パイプＡ１１は、その一端（図８においては左端）１１ａにエンドプレート１５が嵌合されている。エンドプレート１５は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）等からなり、略円盤状を呈しており、棒状変位計４の内部に水分や塵埃の混入を防止するために取り付けられるものである。
【００３２】
一方、パイプＡ１１の他端１１ｂから全長の１５％程度までには、パイプＢ１２の一端１２ａ側から挿入され、パイプＢ１２の内側において、図１０に矢印で示す方向に摺動可能となるようにその外径が他の部分より小さく切削加工された摺動部１１ｃが形成されている。また、第１のパイプＡ１１の他端１１ｂには、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）等からなり、略円柱状のＯリング保持具１７が嵌合された上、溶接により固着されている。このＯリング保持具１７には、軸方向の略中央外周部分に、Ｏリング１６が装着される断面矩形状の溝１７ａが形成されている。また、Ｏリング保持具１７の一端側（図８において、右端側）には、第１のシャフト１８の一端が螺合する雌ねじ穴１７ｂが形成されている。
第１および第２のシャフト１８および１９は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０３）等からなり、小径の棒状を呈している。第１のシャフト１８は、その一端がＯリング保持具１７の雌ねじ穴１７ｂに螺合されて固定されていると共に、その他端１８ａがベアリング保持具２１の略中央部に軸方向に形成された孔２１ａに挿入されてその内部に保持されたリニアベアリング２０により軸方向に摺動可能に支持されている。
【００３３】
また、第１のシャフト１８の他端１８ａは、扁平板状に形成されていると共に、引張ばね２２のフック２２ａが架けられる孔１８ｂが形成されている。ベアリング保持具２１には、光ファイバ２８が折り返して挿入される２つの孔２１ｂおよび２１ｃが形成されている。図１０に示すように、パイプＢ１２とパイプＣ１３とは、例えば、溶接等により接合され、ベアリング保持具２１は、パイプＢ１２の他端（図８において、右端側）とパイプＣ１３の段部との間に挟持固定される。また、パイプＢ１２の長さ方向の略中央部から他端１２ｂまでの内周の内径は、Ｏリング保持具１７の外径より小さく形成されており、Ｏリング保持具１７の右方への摺動限界（ストッパ）として機能するように構成されている。
起歪部２３は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ６３０）等からなり、図１１に示すように、基部２３ａと、壁部２３ｂ１および２３ｂ２と、庇部２３ｃ１および２３ｃ２とが一体に形成されて構成されている。壁部２３ｂ１および２３ｂ２は、基部２３ａの幅と同一の幅を有すると共に、基部２３ａの両端からほぼ垂直に所定寸法の高さを有して立ち上がっている。庇部２３ｃ１および２３ｃ２は、基部２３ａの幅並びに壁部２３ｂ１および２３ｂ２の幅と同一の幅を有すると共に、それぞれ対応する壁部２３ｂ１および２３ｂ２の上端から外側に向かってほぼ水平に所定寸法の長さを有して延びている。
【００３４】
起歪部２３は、例えば、ステンレス板等の薄板に対して打ち抜き加工およびプレス曲げ加工等を施すことにより作製されている。基部２３ａの略中央部には、打ち抜きにより長円孔２３ｄが形成されている。壁部２３ｂ１および２３ｂ２の基部２３ａとの接線の略中央部には、光ファイバ２８が挿入される孔２３ｂ１１および２３ｂ２１が形成されている。また、庇部２３ｃ１の略中央部には、引張ばね２２のフック２２ｂが架けられる孔２３ｃ１１（係止部）が形成されている。庇部２３ｃ２の略中央部には、第２のシャフト１９の一端１９ａに形成された孔１９ｂに一端が架けられたフック３０の他端が架けられる孔２３ｃ２１（係止部）が形成されている。
ゲージベース２４は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）等からなり、図１２および図１３に示すように、平面から見た形状が全体として略矩形状を呈しており、その両短辺２４ａおよび２４ｂから略等しい位置（中心位置）に略Ｈ字状の貫通された空隙部３１が形成されている。また、ゲージベース２４には、両長辺２４ｃおよび２４ｄから略等しい位置（この場合、中心位置）に空隙部３１を挟んで両長辺２４ｃおよび２４ｄに平行に、即ち、棒状変位計４の中心軸方向に延びる断面Ｕ字状または半円形状の溝３２ａおよび３２ｂが形成されている。
【００３５】
さらに、ゲージベース２４には、他の部分の厚さ（例えば、０．６ｍｍ）に比べてその厚さが薄い（例えば、０．２ｍｍ）薄肉部３３ａ、３３ｂ、３４ａ〜３４ｄが形成されている。薄肉部３３ａおよび３３ｂは、Ｈ字状を呈する空隙部３１を挟んでゲージベース２４の両長辺２４ｃおよび２４ｄに沿うように略同一の幅をもって一対のクランク状を呈するように形成されている。即ち、薄肉部３３ａおよび３３ｂには、それぞれ切欠部３３ａ１および３３ｂ１が形成されている。薄肉部３３ａおよび３３ｂがこのような形状を呈しているのは、薄肉部３３ａおよび３３ｂの剛性を低下させ、鋼材などの測定対象物（図示略）のひずみを拘束しないように、即ち、ひずみに応じてゲージベース２４を変形し易くするためである。一方、薄肉部３４ａおよび３４ｂは、ゲージベース２４の短辺２４ａから略等距離であって、溝３２ａを挟んで線対称の位置に略矩形状を呈して形成されている。同様に、薄肉部３４ｃおよび３４ｄは、ゲージベース２４の短辺２４ｂから略等距離であって、溝３２ｂを挟んで線対称の位置に略矩形状を呈して形成されている。薄肉部３４ａ〜３４ｄがこのような形状を呈しているのは、後述するスポット溶接を容易にさせるためである。
【００３６】
上記構成のゲージベース２４は、図１１に示すように、起歪部２３の基部２３ａ上に長円孔２３ｄを塞ぐように載置された後、図１１の薄肉部３４ａ〜３４ｄ内においてそれぞれ３個の黒丸で示すように、例えば、スポット溶接により起歪部２３の基部２３ａ上に固定される。尚、ゲージベース２４と起歪部２３の基部２３ａとを固定するための溶着には、種々の形態を採用することができ、本実施の形態のスポット溶接の他、接着剤による接着、さらに、ガス圧接のような圧接のみならず、種々の融着およびろう付け技術等で両者を固定することが可能である。また、その一部にＦＢＧセンサ２５が形成された光ファイバ２８は、図１１に示すように、起歪部２３の壁部２３ｂ１および２３ｂ２に形成された孔２３ｂ１１と孔２３ｂ２１との間に挿通された後、図１１および図１３に示すように、ＦＢＧセンサ２５が空隙部３１に位置するように、溝３２ａおよび３２ｂに嵌入され、例えば、接着剤により溝３２ａおよび３２ｂに固定される。そして、図９に示すように、起歪部２３の庇部２３ｃ１に形成された孔２３ｃ１１に引張ばね２２のフック２２ｂが架けられると共に、起歪部２３の庇部２３ｃ２に形成された孔２３ｃ２１に第２のシャフト１９の孔１９ｂとの間でフック３０が架けられることにより、検出部６５がパイプＢ１２、パイプＣ１３およびパイプＤ１４の内部空間に保持されることになる。
【００３７】
ＦＢＧセンサ２５は、上記したように、例えば、光ファイバ２８の一部に紫外のレーザ光を照射することにより作製される。ＦＢＧセンサ２５において、グレーティング長は３〜１０ｍｍ、グレーティング周期Λは５００ｎｍである。尚、ここで、パイプＡ１１を「第１のパイプ」と称し、パイプＢ１２、パイプＣ１２、パイプＤ１４を「第２のパイプ」と総称する。即ち、パイプＡ〜パイプＤは、組立前には４本のパイプからなるが、組立後はパイプＢ、パイプＣおよびパイプＤは溶接により一体化され、軸方向への摺動は、実質的に、上記定義した第１のパイプと第２のパイプの間で行われる。
第２のシャフト１９の一端１９ａは、直方体状（扁平板状）に形成されていると共に、フック３０が架けられる孔１９ｂが形成されている。第２のシャフト１９の外周には、その他端１９ｃから第２のシャフト１９の略中央部まで、所定形状の雄ねじ１９ｄが螺旋状に所定ピッチで形成されている。固定ブッシュ２６は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０３）等からなり、略円盤状を呈している。固定ブッシュ２６の略中央部には、第２のシャフト１９が嵌合する孔２６ａが形成されている。固定ブッシュ２６の起歪部２３に対向する面とは反端側の面の孔２６ａの周縁部には、ナット２７の凸球面加工された一端２７ａに対応して凹球面加工が施されている。
【００３８】
固定ブッシュ２６には、図９に示すように、孔２６ａを挟んで対称となる位置に、光ファイバ２８が挿入される２つの孔２６ｂおよび２６ｃが形成されている。ナット２７は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０３）からなり、略円筒状を呈しており、内周には第２のシャフト１９の雄ねじ１９ｄに螺合するための所定形状の雌ねじが螺旋状に所定ピッチで形成されている。第１および第２のシャフト１８および１９、引張ばね２２、固定ブッシュ２６およびナット２７は、パイプＣ１３の内部空間に保持された検出部６５に対して所定のプリテンションを加え且つ調整するためのものである。即ち、ナット２７を右回転または左回転させることにより、第２のシャフト１９が軸方向に移動し、引張ばね２２の付勢力が変化し検出部６５に加えられるプリテンションが調整されるのである。パイプＣ１３とパイプＤ１４とは、例えば、組立後に溶接等により接合され、固定ブッシュ２６は、パイプＣ１３とパイプＤ１４との接合部近傍の内部で固定される。光ファイバ２８は、例えば、石英ガラスからなり、その一端がコネクタ２９の第１の入力端に接続され、パイプＤ１４内を通過した後、固定ブッシュ２６の孔２６ｂを経てパイプＣ１３内に入る。パイプＣ１３内に入った光ファイバ２８は、パイプＣ１３内を通過し、ベアリング保持具２１の孔２１ｂを経てパイプＢ１２内に入った後、折り返してベアリング保持具２１の孔２１ｃを経て再びパイプＣ１３内に入る。
【００３９】
パイプＣ１３内に再び入った光ファイバ２８は、起歪部２３に固定された後、固定ブッシュ２６の孔２６ｃを経てパイプＤ１４内に入り、その他端がコネクタ２９の出力端で中継用の光ファイバ５に接続される。光ファイバ２８は、棒状変位計４の内部において光信号を伝送する。コネクタ２９には、光ファイバ５がそれぞれ接続される。棒状変位計４は、上記構造を有しているので、変位を計測すべき棒状変位計４の軸方向に対しては低反力で伸縮するが、軸方向以外に対しては大きな曲げ剛性を有しているので、軸方向に圧縮した際の座屈が確実に防止される。
次に、上記構成のトンネル内空変位計測システムのトンネルへの設置の一例について図１４および図１５を参照して説明する。まず、図１４に示すように、トンネルの半円弧状の覆工（内壁）４１に支柱４２１〜４２９を植設する。この支柱４２１〜４２９は、なるべく覆工４１が形成する円弧に垂直に設置することが望ましいが、多少傾いて設置されても良い。支柱４２１〜４２９は、例えば、帯鋼（ＳＳ４００）からなり、略矩形状を呈している。これらの支柱４２は、基端および先端近傍に取付座板５１を取り付けるための孔が１つずつ形成され、それぞれリーマ仕上げが施されている。
【００４０】
次に、図１４に示すように、図１に示す第１系統の測定系を構成する棒状変位計４１１〜４１３および４１４〜４１６が支柱４２１と支柱４２２との間および支柱４２２と支柱４２３との間に、そして、図１に示す第２系統の測定系を構成する棒状変位計４２１〜４２３および４２４〜４２６が支柱４２３と支柱４２４との間および支柱４２４と支柱４２５との間に、そして、図１に示す第３系統の測定系を構成する棒状変位計４３１〜４３３および４３４〜４３６が支柱４２５と支柱４２６との間および支柱４２６と支柱４２７との間に、そして、図１に示す第４系統の測定系を構成する棒状変位計４４１〜４４３および４４４〜４４６が支柱４２７と支柱４２８との間および支柱４２８と支柱４２９との間に、それぞれトラス（truss）構造を構成するように取り付けられる。即ち、第１系統の測定系においては、支柱４２１〜４２３がトラス構造の垂直材（構造力学の分野においては「束材」と称している。）、支柱４２１および４２２の基端部近傍側の棒状変位計４１１および４１６がトラス構造の上弦材、支柱４２１および４２２の先端部近傍側（即ち、覆工４１に遠い側）の棒状変位計４１３および４１４がトラス構造の下弦材、支柱４２１の先端と支柱４２２の基端との間および支柱４２２の基端と支柱４２３の先端との間にそれぞれ連結される棒状変位計４１２および４１５がトラス構造の斜材をそれぞれ構成している。
【００４１】
同様に、第２系統の測定系においては、支柱４２３〜４２５がトラス構造の束材、棒状変位計４２１および４２６がトラス構造の上弦材、棒状変位計４２３および４２４がトラス構造の下弦材、棒状変位計４２２および４２５がトラス構造の斜材をそれぞれ構成している。第３系統の測定系においては、支柱４２５〜４２７がトラス構造の束材、棒状変位計４３１および４３６がトラス構造の上弦材、棒状変位計４３３および４３４がトラス構造の下弦材、棒状変位計４３２および４３５がトラス構造の斜材をそれぞれ構成している。第４系統の測定系においては、支柱４２７〜４２９がトラス構造の束材、棒状変位計４４１および４４６がトラス構造の上弦材、棒状変位計４４３および４４４がトラス構造の下弦材、棒状変位計４４２および４４５がトラス構造の斜材をそれぞれ構成している。以上説明したトラス構造の上弦材をなす棒状変位計４１１、４１６、４２１、４２６、４３１、４３６、４４１および４４６を第１の棒状変位計と称し、同様に、トラス構造の下弦材をなす棒状変位計４１３、４１４、４２３、４２４、４３３、４３４、４４３および４４４を第２の棒状変位計と称し、トラス構造の斜材をなす棒状変位計４１２、４１５、４２２、４２５、４３２、４３５、４４２および４４５を第３の棒状変位計と称する。
【００４２】
次に、棒状変位計４の設置方法および光ファイバ５の接続方法の詳細について、図１４に破線でもって示す楕円Ａの部分を例にとって説明する。図１５は、図１４の楕円Ａの部分の拡大図である。尚、楕円Ａの部分において覆工４１は湾曲しているが、図１５では説明を簡単にするために覆工４１の一部を平面状のものと仮定して表している。棒状変位計４は、支柱４２に取付座板５１および取付具５２により設置する。取付座板５１は、例えば、帯鋼（ＳＳ４００）からなり、略矩形状を呈している。この取付座板５１は、一端近傍に当該取付座板５１を支柱４２に取り付けるための孔が形成され、リーマ仕上げが施されていると共に、他端近傍に棒状変位計４を取付具５２により取り付けるための２つの孔が形成されている。この２つの孔の内周には所定形状の雌ねじが螺旋状に所定ピッチで形成されている。一方、取付具５２は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０３）からなり、全体として略直方体状を呈している。この取付具５２は、その略中央部にＵ字状の切欠部が形成されていると共に、切欠部の両側には棒状変位計４を当該取付具５２を介して取付座板５１に取り付けるために、２本のボルトが挿入される２つの孔が形成されている。２本のボルトの外周には、その一端から所定位置まで、取付座板５１の２つの孔に形成された雌ねじに螺合するための所定形状の雄ねじが螺旋状に所定ピッチで形成されている。
【００４３】
まず、各棒状変位計４１１〜４１６の両端に取付具５２および２本のボルトにより取付座板５１を取り付ける。次に、支柱４２１の覆工４１側の基端近傍に、棒状変位計４１１の一端に取り付けられた取付座板５１１１を、図１５において、棒状変位計４１１の一端の取付面が紙面の奥側に向いた状態で支柱４２１に対して紙面の手前側に配置して、支柱４２１に外ねじ式ストリッパボルト（リーマボルト）とナットで相対的に回動自在に連結する。一方、支柱４２１の先端近傍に、棒状変位計４１３の一端に取り付けられた取付座板５１３１を、図１５において、棒状変位計４１３の一端の取付面が紙面の奥側に向いた状態で支柱４２１に対して紙面の手前側に配置し、かつ、棒状変位計４１２の一端に取り付けられた取付座板５１２１を、棒状変位計４１２の一端の取付面が紙面の手前側に向いた状態で上記取付座板５１３１に重ねて配置して、支柱４２１に外ねじ式ストリッパボルトとナットで相対的に回動自在に連結する。
【００４４】
図１５において、支柱４２２の覆工４１側の基端近傍に、棒状変位計４１１の他端に取り付けられた取付座板５１１２を、棒状変位計４１１の他端の取付面が紙面の奥側に向いた状態で支柱４２２に対して紙面の手前側に配置し、また、棒状変位計４１２の他端に取り付けられた取付座板５１２２を、棒状変位計４１２の他端の取付面が紙面の手前側に向いた状態で上記取付座板５１１２に重ねて配置すると共に、棒状変位計４１６の一端に取り付けられた取付座板５１６１を、棒状変位計４１６の一端の取付面が紙面の手前側に向いた状態で支柱４２２に対して紙面の奥側に配置し、また棒状変位計４１５の一端に取り付けられた取付座板５１５１を、棒状変位計４１５の一端の取付面が紙面の奥側に向いた状態で上記取付座板５１６１に重ねて配置して、支柱４２２に外ねじ式ストリッパボルトとナットで相対的に回動自在に連結する。一方、図１５において、支柱４２２の先端近傍に、棒状変位計４１３の他端に取り付けられた取付座板５１３２を、棒状変位計４１３の他端の取付面が紙面の奥側に向いた状態で支柱４２２に対して紙面の手前側に配置し、かつ、棒状変位計４１４の一端に取り付けられた取付座板５１４１を、棒状変位計４４１の一端の取付面が紙面の手前側に向いた状態で支柱４２２に対して紙面の奥側に配置して、支柱４２２に外ねじ式ストリッパボルトとナットで相対的に回動自在に連結する。
【００４５】
以下、第２〜第４系統の測定系についても同様に行う。以上説明した設置方法を採用することにより、各棒状変位計４１１〜４１６、４２１〜４２６、４３１〜４３６および４４１〜４４６は、支柱４２１〜４２３、４２３〜４２５、４２５〜４２７および４２７〜４２９の面に対して平行に設置されると共に、支柱４２１〜４２９と取付座板５１を介してピン結合されることになり、軸方向にのみ力が加わることになる。
次に、図１に示す光スイッチ３の第１の入出力端Ｔ１と、第１系統を構成する棒状変位計４１１〜４１６および光ファイバ５との接続方法について、図１５を参照して説明する。図１に示す光スイッチ３の第１の入出力端Ｔ１は、図１５に示す光ファイバ５１を介して棒状変位計４１１の第１の入出力端に接続し、棒状変位計４１１の第２の入出力端は、光ファイバ５２を介して棒状変位計４１２の第１の入出力端に接続する。棒状変位計４１２の第２の入出力端は、光ファイバ５３を介して棒状変位計４１３の第１の入出力端に接続し、棒状変位計４１３の第２の入出力端は、光ファイバ５４を介して棒状変位計４１４の第１の入出力端に接続する。棒状変位計４１４の第２の入出力端は、光ファイバ５５を介して棒状変位計４１５の第１の入出力端に接続し、棒状変位計４１５の第２の入出力端は、光ファイバ５６を介して棒状変位計４１６の第１の入出力端に接続する。棒状変位計４１６の第２の入出力端は、光ファイバ５７に接続する。
【００４６】
次に、上記構成のトンネル内空変位計測システムの計測原理について説明する。この実施の形態１におけるトンネル内空変位計測システムは、上記したように設置したトラス構造の上弦材、下弦材および斜材を構成する棒状変位計４に生じるひずみを検出することによりトンネル内空（覆工）の変状を計測するものである。即ち、トンネル内空の変位をトラス節点の座標変化として検出する。トラス節点変化は、トラスの辺長変化余弦定理を用いて計算する。トラスの辺長変化余弦定理は、トンネルの下端部の２点を不動点（既知の２節点）と仮定し、この既知の２節点の変位から順次、相対する変位計の長さ（辺長）から２辺の交点（各トラスの節点座標）を連続的に算出することにより、トンネル全体の変状を測定するものである。既知の２節点は、図１４および図１５では、例えば、トンネルの左下端部の点ａ（Ｘａ，Ｙａ）およびｂ（Ｘｂ，Ｙｂ）とする。
以下、トラスの辺長変化余弦定理について説明する。図１６に示すように、既知の２節点の座標をａ（Ｘａ，Ｙａ）およびｂ（Ｘｂ，Ｙｂ）とし、求める未知の節点の座標をｃ（Ｘ，Ｙ）、角度∠ｂａｘをθａ、角度∠ｃａｂをＡとする。また、図１６に示す三角形ａｂｃが変形する前の各辺の長さをｌａ、ｌｂおよびｌｃ、三角形ａｂｃが変形した後の各辺の長さをＬａ、ＬｂおよびＬｃとすると、接点ｃの座標Ｘおよび座標Ｙは、それぞれ式（３）および式（４）で表される。
【００４７】
Ｘ＝Ｘａ＋Ｌｂcos（θａ＋Ａ）  ・・・（３）
Ｙ＝Ｙａ＋Ｌｂsin（θａ＋Ａ）  ・・・（４）
三角形ａｂｃの各辺のひずみをεａ、εｂ、εｃとすると、三角形ａｂｃが変形した後の各辺の長さＬａ、ＬｂおよびＬｃは、式（５）〜式（７）のように表される。
Ｌａ＝ｌａ（１＋εａ）  ・・・（５）
Ｌｂ＝ｌｂ（１＋εｂ）  ・・・（６）
Ｌｃ＝ｌｃ（１＋εｃ）  ・・・（７）
また、角度θａおよび角度Ａは、式（８）および式（９）で表される。
【００４８】
【数１】
2006177822.tif 000003
【００４９】
【数２】
2006177822.tif 000004
【００５０】
したがって、式（５）〜式（９）を式（３）および式（４）に代入すると、接点ｃの座標Ｘおよび座標Ｙはそれぞれ式（１０）および式（１１）で表される。
【００５１】
【数３】
2006177822.tif 000005
【００５２】
【数４】
2006177822.tif 000006
【００５３】
以下、図１６に示す未知の節点の座標ｄ（Ｘｄ，Ｙｄ）やその他の未知の節点の座標についても上記した方法と同様な方法により順次求めることができる。
次に、上記構成のトンネル内空変位計測システムの動作について説明する。図１、図１４および図１５に示す設置状態において、図１４に矢印で示すように、覆工４１の天端に力が加えられ、支柱４２５に変位が生じたとする。これにより、トラス構造の上弦材たる棒状変位計４１１、４１６、４２１、４２６、４３１、４３６、４４１、４４６、下弦材たる棒状変位計４１３、４１４、４２３、４２４、４３３、４３４、４４３、４４４および斜材たる棒状変位計４１２、４１５、４２２、４２５、４３２、４３５、４４２、４４５において、上記変位およびそれぞれの設置場所に応じた軸方向のひずみが生じる。したがって、各棒状変位計４を構成するゲージベース２４が当該ひずみに応じて引っ張られまたは圧縮される。この結果、各ゲージベース２４の空隙部３１の間隔が、引っ張りの場合には増加し、圧縮の場合には減少する。そして、空隙部３１の間隔が増減することによりゲージベース２４の溝３２ａと３２ｂに固着保持されたＦＢＧセンサ２５にひずみが加えられる。この際、ある棒状変位計４において、棒状変位計４を軸方向に圧縮する変位が加えられたとしても、第１のパイプたるパイプＡ１１に形成された摺動部１１ｃの外周全体が第２のパイプたるパイプＢ１２の内周を摺動すると共に、パイプＡ１１の他端１１ｂに取り付けられた第１のシャフト１８がパイプＢ１２とパイプＣ１３との接合部に取り付けられたリニアベアリング２０内を摺動するので、軸方向に対しては低反力で伸縮し、座屈が防止される。
【００５４】
尚、上述したように、パイプＢ１２、パイプＣ１３、パイプＤ１４は、溶接により一体化されているので、これらを第２のパイプと総称しているが、結局は、第１のパイプと第２のパイプとの間における相対摺動量に対応したひずみが、ゲージベース２４の空隙部３１の間隔を変化させることになる。
このような状態において、トンネル内空変位計測システムの光源１は、ピーク波長λ１〜λ６を含む広帯域の波長帯域幅を有し、光強度の大きい光信号を連続で出射する。一方、制御装置８の制御部は、光スイッチ３に対して共通入出力端Ｔｃと第１の入出力端Ｔ１とを接続するための切替信号を供給する。これにより、光スイッチ３は、光源１から出射され光サーキュレータ２を経て共通入出力端Ｔｃから入射された光信号を第１の入出力端Ｔ１から出射して第１系統の計測系を構成する光ファイバ５１（図１５参照）の入力端に入射する。光ファイバ５１に入射された光信号は、光ファイバ５１内を伝送された後、棒状変位計４１１を構成する光ファイバ２８内に入射され、対応するＦＢＧセンサ２５においてコア６３の屈折率ｎおよび当該ＦＢＧセンサ２５固有のグレーティング周期Λに応じたブラッグ波長（ピーク波長λ１）を有する反射光が反射され、残りの波長領域の光が透過し、光ファイバ５２内に入射される。
【００５５】
棒状変位計４１１を構成するＦＢＧセンサ２５において反射されたピーク波長λ１を有する光信号は、光ファイバ５１内を伝送された後、光スイッチ３および光サーキュレータ２を経て波長計７に入射される。以下、光ファイバ５２に入射された光信号のうち、各棒状変位計４１２〜４１６を構成するＦＢＧセンサ２５のコア６３の屈折率ｎおよび当該ＦＢＧセンサ２５固有のグレーティング周期Λに応じたブラッグ波長（ピーク波長λ２〜λ６）を有する光信号は、対応するＦＢＧセンサ２５で反射され、逆の経路を伝送された後、光スイッチ３および光サーキュレータ２を経て波長計７に入射される。
一方、光ファイバ５２に入射された光信号のうち、各ＦＢＧセンサ２５で反射されなかった光信号は、棒状変位計４１２内の光ファイバ２８およびＦＢＧセンサ２５、光ファイバ５３、棒状変位計４１３内の光ファイバ２８およびＦＢＧセンサ２５、光ファイバ５４、棒状変位計４１４内の光ファイバ２８およびＦＢＧセンサ２５、光ファイバ５５、棒状変位計４１５内の光ファイバ２８およびＦＢＧセンサ２５、光ファイバ５６、棒状変位計４１６内の光ファイバ２８およびＦＢＧセンサ２５、光ファイバ５７内を順次伝送され、光ファイバ５７の出力端から出射される。各ＦＢＧセンサ２５において光信号が反射される際には、上記したように、各ＦＢＧセンサ２５にひずみが加えられており、グレーティング周期Λが変化しているので、各ＦＢＧセンサ２５からの反射光のブラッグ波長のピーク波長λ１〜λ６が変化している（図７参照）。
【００５６】
したがって、波長計７は、光サーキュレータ２から供給された光信号における複数のブラッグ波長の変化しているピーク波長λ１〜λ６を検出して制御装置８に供給する。これにより、制御装置８の制御部は、波長計７から供給された複数のブラッグ波長のピーク波長を物理量（例えば、力、変位等）に変換し、得られた物理量を記憶部に記憶する。
次に、制御装置８の制御部は、第２系統の計測系からのデータを収集するために、光スイッチ３に対して共通入出力端Ｔｃと第２の入出力端Ｔ２とを接続するための切替信号を供給する。これにより、光スイッチ３は、光源１から出射され光サーキュレータ２を経て共通入出力端Ｔｃから入射された光信号を第２の入出力端Ｔ２から出射して第２系統の計測系を構成する光ファイバ５の入力端に入射する。この後は、上記した第１系統の計測系と同様に、各棒状変位計４２１〜４２６を構成するＦＢＧセンサ２５において光信号の反射および透過が行われる。したがって、波長計７からは第２系統の計測系に関する複数のブラッグ波長のピーク波長が供給されるので、制御装置８の制御部は、当該第２系統の計測系に関する複数のブラッグ波長のピーク波長を物理量に変換し、得られた物理量を記憶部に記憶する。以下、上記処理と同様の処理を順次繰り返すことにより、制御装置８の制御部は、第３系統の計測系および第４系統の計測系からのデータを収集する。この後、制御装置８の制御部は、収集した第１〜第４系統の計測系のデータに基づいて、上記したトラスの辺長変化余弦定理によりトンネルの変位を測定する。
【００５７】
ここで、図１７に実験結果の一例を示す。トンネル模型を内径８０００ｍｍの半円弧状のＨ型鋼（１００×１００×６×８）で作製し、油圧ジャッキで天端に最大６０ｍｍの強制変位を与える負荷を加えた。トンネル模型の内側の各節点座標には、図１４に示すＸ方向およびＹ方向に変位計を設置し、トンネル内空変位計測システムの精度検証を行った。尚、トンネル内空変位計測システムの設置範囲は、トンネル模型の対象性を考慮して１／４円とした。図１７において、初期座標とは、変位を与える前の各節点座標を意味し、変位計節点座標とは、変位を与えた後の各節点座標を変位計で計測した各接点座標を意味し、システム算出座標とは、収集されたデータに基づいて制御装置８の制御部が上記したトラスの辺長変化余弦定理により算出した座標を意味している。図１７から分かるように、変位計の計測結果と良く一致している。
このように、本実施の形態１によれば、支柱４２１〜４２９を覆工４１に取り付け、引張ひずみおよび圧縮ひずみの測定が可能な棒状変位計４を支柱４２１〜４２９の基端および先端にそれぞれ連結しているので、トンネル断面の巨視的な内空変位について、引張ひずみだけでなく圧縮ひずみの測定も可能である。
【００５８】
また、検出感度の比較的高いＦＢＧセンサ２５を用いているので、測定対象物がひずみの大きい鉄の場合は勿論、ひずみの小さいコンクリートの場合でも、高精度な検出が可能であると共に、束材としての支柱４２の長さを短くすることができる。各棒状変位計４ごとにプリテンションを与えていると共に、摺動部１１ｃを設けているので、このトンネル内空変位計測システムをトンネルに設置する際に各棒状変位計４の摺動部に所定のプリテンション（変位）を与えることにより、引張ひずみだけでなく圧縮ひずみも測定することができると共に、棒状変位計の座屈を防止することができる。例えば、０〜４０ｍｍの可動範囲がある場合には、±２０ｍｍの引張ひずみおよび圧縮ひずみを高精度で測定することができ、実用上十分な計測精度が得られる。さらに、本実施の形態１によれば、トンネルの地山または覆工の表面に設置する構造であると共に、複雑な機構を必要としないため、後施工が可能であり、設置後のメンテナンスも容易である。例えば、ある棒状変位計４に何らかの原因で不具合が発生した場合であっても、当該棒状変位計４だけを取り替えれば良い。１つの系統に６本の棒状変位計４が接続可能であるので、光ファイバの収まりが良い。また、棒状変位計４は、軸方向以外は大きな曲げ剛性を有しているので、支柱４２１〜４２９から棒状変位計４に変位が正確に伝わり、またトンネル内を列車や自動車等の車両が走行した場合であっても、風圧等による影響を受けにくい。  さらに、低反力で軸方向に伸縮する棒状変位計４と支柱４２１〜４２９とをピン結合によりトラス構造としているので、面内の角変形および座屈等の面外変形に伴う測定誤差（端部の曲げによる干渉）および機能上の不具合（破損やかじり）を回避することができる。さらに、各棒状変位計４の最大予想変位を想定し任意の可動範囲の棒状変位計４を設計することができるため、設計の自由度が大きいと共に、破損等の不具合を防止することができる。
【００５９】
実施の形態２．
上述した実施の形態１では、トンネル内空変位の検出に、起歪部２３と、ゲージベース２４と、ＦＢＧセンサ２５とからなる検出部６５（図１１参照）を用いる例を示したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、本発明は、トンネル内空変位の検出にひずみゲージを有する検出部を用いても良い。図１８は、本発明の実施の形態２に係るトンネル内空変位計測システムを構成する検出部７１の構成を示している。この例の検出部７１は、起歪板７２と、ひずみゲージ７３および７４とから構成されている。
起歪板７２は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ６３０）等からなり、図１８に示すように、横長矩形状を呈する起歪板７２の中間部には、短辺方向からくびれを呈した起歪部７２１が形成され、両端側には、幅広の保持部７２２および７２３が形成されている。起歪板７２の起歪部７２１の表面７２ａに、図１８（ａ）に示すように、ひずみゲージ７３が接着、蒸着、融着、スパッタリングその他の手段により添着され、起歪部７２１の裏面７２ｂに、図１８（ｂ）に示すように、ひずみゲージ７４が同様に添着されている。一方の保持部７２２の端部略中央部には、図９に示す引張ばね２２のフック２２ｂが架けられる孔７２２１が形成され、他方の保持部７２３の端部略中央部には、図９に示す第２のシャフト１９の一端１９ａに形成された孔１９ｂとの間でフック３０が架けられる孔７２３１が形成されている。
【００６０】
起歪板７２がこのような形状を呈しているのは、起歪部７２１の剛性を低下させ、測定対象物（図示略）の共同を拘束せずに起歪部７２１を変形し易くするためである。ひずみゲージ７３および７４は、４ゲージ法測定モードの８線式であり、ポリイミド系樹脂のフィルムからなるゲージベース上に、厚さ数μｍを有し、銅・ニッケル系合金またはニッケル・クロム系合金からなり、蛇行状の抵抗箔（ゲージ抵抗）Ｒ１〜Ｒ４が接着されて構成されている。起歪部７２１の表面７２ａおよび裏面７２ｂにひずみゲージ７３および７４を添着するのは、起歪部７２１に加えられたひずみにより起歪部７２１が湾曲した場合にその湾曲成分を相殺するためであるが、片面にのみ添着するようにしても良い。ゲージ抵抗Ｒ１〜Ｒ４により図１９に示すように、ブリッジ回路を構成すると共に、ゲージ抵抗Ｒ１とゲージ抵抗Ｒ４との接続点と、ゲージ抵抗Ｒ２とゲージ抵抗Ｒ３との接続点との間にブリッジ電源により電圧Ｅを印加すると、式（１２）で表される、４個のゲージ抵抗Ｒ１〜Ｒ４にそれぞれ加えられたひずみε１〜ε４の大きさおよび極性に応じたブリッジの出力電圧ｅｏが得られる。
【００６１】
ｅ０＝（Ｋｓ／４）・（ε１−ε２＋ε３−ε４）・Ｅ  ・・・（１２）
式（１２）において、Ｋｓは４個のゲージ抵抗Ｒ１〜Ｒ４が等しいと仮定されたゲージ率である。
上記構成の検出部７１は、図９に示す検出部６５に換えて、起歪板７２の端部７２２に形成された孔７２２１に引張ばね２２のフック２２ｂが架けられると共に、起歪板７２の端部７２３に形成された孔７２３１に第２のシャフト１９の孔１９ｂとの間でフック３０が架けられることにより、検出部７１がパイプＣ１３の内部空間に保持される。この場合、図９に示す光ファイバ２８に換えて、ひずみゲージ７３および７４の各端子にそれぞれ接続されるケーブルが固定ブッシュ２６の孔２６ｂおよび２６ｃと、ベアリング保持具２１の孔２１ｂおよび２１ｃとに順次挿入され、図８に示すコネクタに接続される。また、各棒状変位計間も光ファイバ５および光コネクタ６ではなくケーブルで接続される。さらに、光源１、光サーキュレータ２、光スイッチ３、波長計７に換えて、ブリッジ電源、スキャナ、データロガー等が設けられる。
このように、本実施の形態２によれば、検出感度の比較的高いひずみゲージを用いているので、上記した実施の形態１の場合と略同様の効果が得られる。
【００６２】
以上、この実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、本発明は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の設計の変更等が可能である。
例えば、上述した各実施の形態では、パイプＡ１１〜Ｄ１４は、略円筒状である例を示したが、これに限定されない。例えば、パイプＡ１１〜Ｄ１４は、略角筒状であっても良い。また、上述した各実施の形態では、パイプＡ１１の他端１１ｂの近傍の外周に形成された摺動部１１ｃがパイプＢ１２の一端１２ａの近傍の内周に摺動可能に嵌合する例を示したが、これに限定されず、パイプＡ１１の他端１１ｂの近傍の内周に形成された摺動部がパイプＢ１２の一端１２ａの近傍の外周に摺動可能に嵌合するように構成しても良い。
また、上述した各実施の形態では、パイプ１２〜１４は、別個に設けられる例を示したが、これに限定されず、組立てが可能であれば一体に形成しても良い。また、上述した各実施の形態では、検出部は引張ばね２２を介して第１のシャフト１８に取り付けられる例を示したが、これに限定されず、検出部は直接第１のシャフト１８に取り付けても良いし、第２のシャフト１９にも引張ばねを介して取り付けても良い。
また、上述した実施の形態１では、起歪部２３は、基部２３ａと、壁部２３ｂ１および２３ｂ２と、庇部２３ｃ１および２３ｃ２とが一体に形成されて構成されている例を示したが、これに限定されず、起歪部は、基部２３ａのみからなり、その両端に係止部をなす孔がそれぞれ形成されているとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１に係るトンネル内空変位計測システムの構成を示すシステム構成図である。
【図２】ＦＢＧセンサの構成を模式的に示す概念図である。
【図３】ＦＢＧセンサの動作原理を模式的に示す概念図である。
【図４】ＦＢＧセンサの動作原理を模式的に示す概念図である。
【図５】ＦＢＧセンサの多点計測原理を模式的に示す概念図である。
【図６】ＦＢＧセンサの多点計測原理を模式的に示す概念図である。
【図７】ＦＢＧセンサの多点計測原理を模式的に示す概念図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る棒状変位計の構成の一例を示す断面図である。
【図９】図８に示す棒状変位計の一部の構成を示す分解斜視図である。
【図１０】図８に示す棒状変位計の一部の構成を示す透視斜視図である。
【図１１】図８に示す棒状変位計に用いられる検出部の構成を示す斜視図である。
【図１２】図１１に示す検出部を構成するゲージベースの平面図である。
【図１３】図１２に示すゲージベースにＦＢＧを取り付けた状態を示す平面図である。
【図１４】図１のトンネル内空変位計測システムをトンネルに設置した一例を示す概念図である。
【図１５】図１４の破線Ａで囲んだ部分の拡大図である。
【図１６】トラスの辺長変化余弦定理を説明するための概念図である。
【図１７】図１の本発明の実施の形態１に係るトンネル内空変位計測システムの模擬的実験結果の一例を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態２に係るトンネル内空変位計測システムの一部を構成する検出部の構成を示すもので、（ａ）は、表面を示す平面図、（ｂ）は、その裏面を示す底面図である。
【図１９】図１８に示すひずみゲージでもってホイートストンブリッジを構成してなる回路図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  光源
２  光サーキュレータ
３  光スイッチ
４，４１１〜４１６，４２１〜４２６，４３１〜４３６，４４１〜４４６  棒状変位計
５，５１〜５７，６２  光ファイバ
６  光コネクタ
７  波長計
８  制御装置
Ａ１１  パイプ（第１のパイプ）
Ｂ１２〜Ｄ１４  パイプ（第２のパイプ）
１１ａ，１２ａ，１９ａ，２７ａ  一端
１１ｂ，１２ｂ，１８ａ，１９ｃ  他端
１１ｃ  摺動部
１５  エンドプレート
１６  Ｏリング
１７  Ｏリング保持具
１７ａ，３２ａ，３２ｂ  溝
１７ｂ  雌ねじ穴
１８ｂ，１９ｂ，２１ａ〜２１ｃ，２６ａ〜２６ｃ，２３ｂ１１，２３ｂ２１，２３ｃ１１，２３ｃ２１，７２２１，７２３１  孔
１８，１９  シャフト
１９ｄ  ねじ山
２０  リニアベアリング
２１  ベアリング保持具
２２  引張ばね
２２ａ，２２ｂ，３０  フック
２３，７２  起歪部
２３ａ  基部
２３ｂ１，２３ｂ２  壁部
２３ｃ１，２３ｃ２  庇部
２３ｄ  長円孔
２４  ゲージベース
２４ａ，２４ｂ  短辺
２４ｃ，２４ｄ  長辺
２５，６１  ＦＢＧセンサ
２６  固定ブッシュ
２７  ナット
２８  光ファイバ
２９  コネクタ
３１  空隙部
３３ａ，３３ｂ，３４ａ〜３４ｄ  薄肉部
３３ａ１，３３ｂ１  切欠部
４１  覆工
４２１〜４２９  支柱
５１，５１１１，５１１２，５１２１，５１２２，５１３１，５１３２，５１４１，５１５１，５１６１  取付座板
５２  取付具
６３  コア
６５，７１  検出部
７２１  中央部
７２２，７２３  保持部
７２ａ  表面
７２ｂ  裏面
７３，７４  ひずみゲージ
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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