(57)【要約】【課題】セグメントのスキンプレートの損傷部位および損傷度を容易に診断できるセグメント、スキンプレートの診断システムおよび診断方法を提供する。【解決手段】セグメントのスキンプレートに設けられた光ファイバセンサ２０と、光ファイバセンサ２０に接続されて、スキンプレートの全体歪みを定期的に計測する歪み計測部２１ａと、歪み計測部２１ａによって計測され、かつ時期的に隣り合う計測回における全体歪みどうしの差分を算出する差分算出部２２ａと、この差分算出部２２ａによって算出された差分歪みが所定値を超えていた場合に、この差分歪みに基づいて、スキンプレートの損傷部位および損傷度を逆解析する逆解析部２２ｂとを備えているので、セグメントのスキンプレートの損傷部位および損傷度を容易に診断できる。【選択図】図３
2019210764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドトンネルを構成するセグメントであって、
一対の主桁と、当該一対の主桁の端部どうしを連結する一対の継手板と、前記主桁および前記継手板に固定されて、地山側を覆うスキンプレートとを有し、
前記スキンプレートのトンネルの内側を向く内面および／または地山側を向く外面に、前記スキンプレートの歪みを計測可能な光ファイバセンサが設けられていることを特徴とするセグメント。
【請求項２】
前記光ファイバセンサは、前記スキンプレートの板面を平面視において網の目状に区画してなる複数の領域を通るように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセグメント。
【請求項３】
請求項１または２に記載のセグメントのスキンプレートに設けられた光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサに接続されて、前記スキンプレートの全体歪みを定期的に計測する歪み計測部と、
前記歪み計測部によって計測され、かつ継時的に異なる計測回における前記全体歪みどうしの差分を算出する差分算出部と、
この差分算出部によって算出された差分歪みが所定値を超えていた場合に、この差分歪みに基づいて、前記スキンプレートの損傷部位および損傷度を逆解析する逆解析部と、
を備えていることを特徴とするスキンプレートの診断システム。
【請求項４】
前記逆解析部によって逆解析された前記損傷度が所定値を超えていた場合に、警告を報知する警告報知部を備えることを特徴とする請求項３に記載にスキンプレートの診断システム。
【請求項５】
請求項１または２に記載のセグメントのスキンプレートの損傷を診断するスキンプレートの診断方法であって、
前記光ファイバセンサを用いて前記スキンプレートの全体歪みを定期的に計測する歪み計測ステップと、
前記歪み計測ステップによって計測され、かつ継時的に異なる計測回における前記全体歪みどうしの差分を算出する差分算出ステップと、
この差分算出ステップによって算出された差分歪みが所定値を超えていた場合に、この差分歪みに基づいて、前記スキンプレートの損傷部位および損傷度を逆解析する逆解析ステップと、
を備えていることを特徴とするスキンプレートの診断方法。
【請求項６】
前記逆解析部によって逆解析された前記損傷度が所定値を超えていた場合に、警告報知部が警告を報知する警告報知ステップを備えることを特徴とする請求項５に記載にスキンプレートの診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドトンネルの施工に使用されるセグメント、当該セグメントのスキンプレートの診断システムおよび診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールドトンネルの構築に用いられるセグメントとして、鋼殻にコンクリートを充填して硬化させた合成セグメントが知られている。このような合成セグメントは、主として、圧縮力に対してはコンクリートが抵抗し、引張力に対しては鋼殻が抵抗することによって高耐力および高剛性が得られるものである。  鋼殻は、一対の主桁と、当該一対の主桁の端部どうしを連結する一対の継手板と、主桁および継手板に固定されて、地山側を覆うスキンプレートとによって構成されている。  
【０００３】
スキンプレートは、主として止水を目的とするものであり、その外面は地山に接している。このため、スキンプレートは時間の経過に伴って腐食される場合がある。この場合、腐食箇所においてスキンプレートに減肉等の損傷が生じることがあるが、この損傷の箇所および程度を知ることは容易ではない。  
【０００４】
一方、構造物の診断方法の一例として特許文献１に記載のものが知られている。  この構造物の診断方法は、歪みと応力との関係及び歪みの繰り返しと疲労劣化との関係が既知の構造物の診断対象部材上に沿って光ファイバを取り付け、対象部材全体の初期歪みを光ファイバにより計測し、光ファイバにより対象部材上の特定部位の歪み履歴を連続的に監視し、初期歪み及び歪み履歴と前記関係とから特定部位の健全度を診断し、光ファイバにより対象部材全体の歪み分布を間欠的に計測し、初期歪み及び歪み分布と前記関係とから部材全体の健全度を診断すると共にその診断結果に基づき対象部材上の連続監視部位を更新するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５７５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上述した従来の構造物の診断方法をセグメントのスキンプレートの診断方法に適用しようとすると以下のような問題がある。
すなわち、従来の構造物の診断方法では、光ファイバにより診断対象部材上の特定部位の歪み履歴を連続的に監視しているので、構造物の損傷部位を予め特定部位として特定しておく必要があるのに対し、セグメントのスキンプレートは、減肉する箇所は地山と接するスキンプレートの外表面側であるため、トンネル内空から直接に目視確認できず、損傷部位を予め特定することはほぼ不可能である。
【０００７】
また、従来の構造物の診断方法では、構造物全体の歪み分布を間欠的に求めて構造物全体の健全度を診断すると共に連続監視部位を更新し、連続監視部位の健全度の診断から連続監視部位の更新までのサイクルを繰り返すことにより、特定部位以外に生じている損傷部位を探索して特定しているが、この特定方法をセグメントのスキンプレートに適用すると、特定に手間がかかるとともに、損傷部位の特定の精度が低いという問題がある。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、セグメントのスキンプレートの損傷部位および損傷度を容易に診断できるセグメント、スキンプレートの診断システムおよび診断方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明のセグメントは、シールドトンネルを構成するセグメントであって、
一対の主桁と、当該一対の主桁の端部どうしを連結する一対の継手板と、前記主桁および前記継手板に固定されて、地山側を覆うスキンプレートとを有し、
前記スキンプレートのトンネルの内側を向く内面および／または地山側を向く外面に、前記スキンプレートの歪みを計測可能な光ファイバセンサが設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、スキンプレートのトンネルの内側を向く内面および／または地山側を向く外面に、スキンプレートの歪みを計測可能な光ファイバセンサが設けられているので、この光ファイバセンサによって計測されたスキンプレートの歪みに基づいて、スキンプレートの損傷部位および損傷度を容易に診断できる。
【００１１】
また、本発明の前記構成において、前記光ファイバセンサは、前記スキンプレートの板面を平面視において網の目状に区画してなる複数の領域を通るように配置されていてもよい。
【００１２】
このような構成によれば、網の目状に区画してなる複数の領域を光ファイバセンサが通るので、複数の領域の歪みを計測できる。したがって、スキンプレートの損傷部位および損傷度の診断の精度が向上する。
【００１３】
本発明のスキンプレートの診断システムは、前記光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサに接続されて、前記スキンプレートの全体歪みを定期的に計測する歪み計測部と、
前記歪み計測部によって計測され、かつ継時的に異なる計測回における前記全体歪みどうしの差分を算出する差分算出部と、
この差分算出部によって算出された差分歪みが所定値を超えていた場合に、この差分歪みに基づいて、前記スキンプレートの損傷部位および損傷度を逆解析する逆解析部と、を備えていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のスキンプレートの診断方法は、前記セグメントのスキンプレートの損傷を診断するスキンプレートの診断方法であって、
前記光ファイバセンサを用いて前記スキンプレートの全体歪みを定期的に計測する歪み計測ステップと、
前記歪み計測ステップによって計測され、かつ継時的に異なる計測回における前記全体歪みどうしの差分を算出する差分算出ステップと、
この差分算出ステップによって算出された差分歪みが所定値を超えていた場合に、この差分歪みに基づいて、前記スキンプレートの損傷部位および損傷度を逆解析する逆解析ステップと、を備えていることを特徴とする。
【００１５】
本発明においては、光ファイバセンサを用いて、スキンプレートの全体歪みを定期的に計測し、継時的に異なる計測回における全体歪みどうしの差分を算出し、この算出した差分歪みが所定値を超えていた場合に、この差分歪みに基づいて、スキンプレートの損傷部位および損傷度を逆解析部が逆解析するので、スキンプレートの損傷部位および損傷度を容易に診断できる。
【００１６】
また、本発明の前記構成において、前記逆解析部によって逆解析された前記損傷度が所定値を超えていた場合に、警告を報知する警告報知部または警告報知ステップを備えていてもよい。
【００１７】
このような構成によれば、逆解析部によって逆解析された前記損傷度が所定値を超えていた場合に、警告を報知するので、スキンプレートの損傷を速やかに知ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、スキンプレートのトンネルの内側を向く内面および／または地山側を向く外面に光ファイバセンサが設けられているので、光ファイバセンサを用いて、スキンプレートの全体歪みを定期的に計測し、継時的に異なる計測回における全体歪みどうしの差分を算出し、この算出した差分歪みが所定値を超えていた場合に、この差分歪みに基づいて、スキンプレートの損傷部位および損傷度を逆解析部が逆解析するので、スキンプレートの損傷部位および損傷度を容易に診断できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態を示すもので、合成セグメントの概略構成を示す斜視図である。
【図２Ａ】同、光ファイバセンサの配置状態の第１例を示す平面図である。
【図２Ｂ】同、光ファイバセンサの配置状態の第２例を示す平面図である。
【図２Ｃ】同、光ファイバセンサの配置状態の第３例を示す平面図である。
【図２Ｄ】同、光ファイバセンサの配置状態の第４例を示す平面図である。
【図３】同、スキンプレートの診断システムの概略構成を示すブロック図である。
【図４】同、スキンプレートの診断システムのシステムフロー図である。
【図５】同、スキンプレートの初期全体歪みを求める方法を説明するためのもので、（ａ）は初期歪みを計測する方法を説明するための図、（ｂ）は初期歪み分布同定モデルを示す図、（ｃ）は全体歪み分布初期値を示す図である。
【図６】同、スキンプレートの全体歪みを定期的に求める方法を説明するためのもので、（ａ）は定期歪みを計測する方法を説明するための図、（ｂ）は定期歪み分布同定モデルを示す図、（ｃ）は全体歪み分布を示す図である。
【図７】同、局所歪みの増減を説明するためのもので、（ａ）は局所歪みの増減率が周囲と比べて際立っている様子を説明するための図、（ｂ）は局所歪みの変化領域を示す図である。
【図８】同、スキンプレート局所減肉同定モデルを得る方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は実施の形態のセグメントを示す斜視図である。
本実施の形態では、本発明に係るセグメントを、合成セグメント１１に適用した例を示しているが、鋼製セグメントに適用してもよい。要は、スキンプレートを有するセグメントであればどのようなセグメントにも適用できる。
【００２１】
合成セグメント１１は、鋼殻１２と、この鋼殻１２の内部に縦横に配筋された複数の鉄筋１３ａ，１３ｂと、鋼殻１２の内部に充填されたコンクリート１４とを備えている。なお、図１では鋼殻１２の内部の一部にコンクリート１４を充填した状態を示しているが、実際は鋼殻１２の内部全体にコンクリート１４が充填される。
鋼殻１２は、トンネル軸方向に所定間隔で配置された一対の主桁１５，１５と、当該一対の主桁１５，１５の端部どうしを連結し、かつトンネル軸方向に長尺な一対の継手板１６，１６と、主桁１５，１５および継手板１６，１６に固定されて、地山側を覆うスキンプレート１７とを備えている。
【００２２】
主桁１５，１５は、正面視（トンネル軸方向視）において円弧板状の鋼製板によって形成されており、トンネル半径方向外側に凸になるように、配置されるものである。
継手板１６，１６はトンネル軸方向に長尺な矩形板状の鋼製板によって形成されており、一方の継手板１６の一端部に一方の主桁１５の一端部が溶接によって結合され、他端部に他方の主桁１５の一端部が溶接によって結合されている。また、他方の継手板１６の一端部に一方の主桁１５の他端部が溶接によって結合され、他端部に他方の主桁１５の他端部が溶接によって結合されている。
【００２３】
前記鉄筋１３ａはトンネル軸方向に延在しており、その両端部は主桁１５，１５の対向する内側面に溶接等によって固定されている。鉄筋１３ｂはトンネル周方向に延在しており、その両端部は継手板１６，１６の対向する内側面に溶接等によって固定されている。
スキンプレート１７は円弧板状の鋼製板によって形成されており、トンネル半径方向外側に凸になるように、配置されるものである。スキンプレート１７の長手方向の寸法は、主桁１５のトンネル半径方向外側における長手方向の寸法とほぼ等しくなっており、スキンプレート１７の短手方向の寸法は、継手板１６の長手方向の寸法とほぼ等しくなっている。そして、スキンプレート１７はその長手方向の縁部が主桁１５の長手方向の縁部に溶接よって結合されるとともに、短手方向の縁部が継手板１６の長手方向の縁部に溶接によって結合されることによって、主桁１５および継手板１６に固定されている。
【００２４】
このような合成セグメント１１のスキンプレート１７のトンネルの内側を向く内面１７ａにはスキンプレートの歪みを計測可能な光ファイバセンサ２０が以下のようにして設けられている。
すなわち、図２Ａに示すように、スキンプレート１７の板面（内面）１７ａを平面視において、複数の縦横の線１８，１９によって網の目状に区画することによって、内面１７ａに複数（多数）の矩形状の領域１７ｄを形成する。例えば、縦方向に延びる線１８を１１本、等間隔で形成するとともに、横方向に延びる線１９を６本、等間隔で形成することによって、縦横に合計５０個の領域１７ｄを形成する。
【００２５】
スキンプレート１７の内面１７ａに線１８，１９を形成する場合、例えば、筆記具を用いて線１８，１９を形成するが、線１８，１９は筆記具に限らず、墨つぼを使用してもよいし、けがき針を使用してもよいし、印刷等によって形成してもよい。場合によっては線１８，１９を仮想に設定してもよく、スキンプレート１７に区画が設定されればよい。また、スキンプレートの内面１７ａを網の目状に区画する場合、縦横の線１８，１９に限ることはない。例えば、スキンプレート１７の内面１７ａの長辺または短辺に対して斜めに交差する傾斜線によって網の目状に区画してもよい。
さらに、領域１７ｄはスキンプレート１７の内面１７ａに限らず、地山側を向く外面に形成してもよく、さらには内面１７ａと外面の双方に形成してもよい。
【００２６】
そして、光ファイバセンサ２０は、複数の領域１７ｄを通るように所謂一筆書きで連続して配置されている。すなわちまず、図２Ａにおいて、横方向（スキンプレート１７の内面１７ａの長辺方向）を行方向、縦方向（スキンプレート１７の内面１７ａの短辺方向）を列方向とすると、光ファイバセンサ２０は、一端部が複数の領域１７ｄのうち、左上角部の領域１７ｄに位置し、他端部が右下角部の領域１７ｄに位置している。
【００２７】
また、光ファイバセンサ２０は、行方向において延び、行方向に隣り合う全ての領域２７ｄを通るとともに平行に配置された複数の横線部２０ａと、列方向において隣り合う横線部２０ａ，２０ａの端部どうしを連結する複数の縦線部２０ｂとをそれぞれ複数本有しており、これら横線部２０ａと縦線部２０ｂとによって、複数の領域１７ｄを通るように配置されている。
【００２８】
また、光ファイバセンサ２０は、図２Ａに示す以外にも、例えば図２Ｂ〜図２Ｄに示すように配置してもよい。
図２Ｂでは、光ファイバセンサ２０は、複数の領域１７ｄを通るように所謂一筆書きで連続して配置され、一端部が複数の領域１７ｄのうち、左下角部の領域１７ｄに位置し、他端部が右下角部の領域１７ｄに位置している。
また、光ファイバセンサ２０は、列方向において延び、列方向に隣り合う全ての領域２７ｄを通るとともに平行に配置された複数の縦線部２０ｃと、行方向において隣り合う縦線部２０ｃ，２０ｃの端部どうしを連結する複数の横線部２０ｄとを有しており、これら縦線部２０ｃと横線部２０ｄとによって、複数の領域１７ｄを通るように配置されている。
【００２９】
図２Ｃでは、光ファイバセンサ２０は、複数の領域１７ｄを通るように所謂一筆書きで連続して配置され、一端部が複数の領域１７ｄのうち、左上角部の領域１７ｄに位置し、他端部が左下角部の領域１７ｄに位置している。
また、光ファイバセンサ２０は、行方向において延び、行方向に隣り合う領域２７ｄを通るとともに平行に配置された複数の横線部２０ａと、列方向において隣り合う横線部２０ａ，２０ａの端部どうしを連結する複数の縦線部２０ｂとを有している。
さらに、光ファイバセンサ２０は、列方向において延び、列方向に隣り合う全ての領域２７ｄを通るとともに平行に配置された複数の縦線部２０ｃと、行方向において隣り合う縦線部２０ｃ，２０ｃの端部どうしを連結する複数の横線部２０ｄとを有している。そして、光ファイバセンサ２０は、横線部２０ａ，２０ｄおよび縦線部２０ｂ，２０ｃによって、全ての領域１７ｄを通るように配置されている。つまり、図２Ｃでは、図２Ａと図２Ｂにそれぞれ示す光ファイバセンサ２０の配置状態を双方備えている。
【００３０】
図２Ｄでは、スキンプレート１７の内面１７ａに、縦方向に延びる線１８を７本、等間隔で形成するとともに、横方向に延びる線１９を４本、等間隔で形成することによって、縦横に合計３５個の領域１７ｄを形成する。なお、一番上および一番下の行方向に隣り合う複数の領域１７ｄは、その他の領域１７ｄに比べて、列方向の長さが短く、面積が小さくなっている。
また、光ファイバセンサ２０は、複数の領域１７ｄを通るように所謂一筆書きで連続して配置され、一端部が複数の領域１７ｄのうち、右上角部の領域１７ｄに位置し、他端部が左下角部の領域１７ｄに位置している。
また、光ファイバセンサ２０は、いわゆるロゼット型に配置されている。すなわち、光ファイバセンサ２０は、行方向と交差するような波形を有する波線部２０ｅと、行方向に延びる横線部２０ｆとを有し、一番上と一番下の行方向に隣り合う複数の領域１７ｄでは横線部２０ｆが行方向に隣り合う領域１７ｄを全て通り、中央の３行の行方向の隣り合う領域１７ｄでは、横線部２０ｆおよび波線部２０ｅが行方向に隣り合う領域１７ｄを全て通るように配置されている。
【００３１】
図２Ａ〜図２Ｄに示す光ファイバセンサ２０は、合成セグメント１１の鋼殻１２を形成する前、または、鋼殻１２の形成後でかつコンクリート１４の打設前に、スキンプレート１７の内面１７ａに接着剤等によって貼り付けて固定されている。このため、セグメント組立時に光ファイバセンサ２０が損傷する可能性が低くなる。したがって、スキンプレート１７に、外力変化（地下水の水位の変化等に起因する外力による変化等）や構造変化（スキンプレート１７の補修に伴う変化等）、さらに局所的構造変化（スキンプレート１７の腐食に起因する減肉等の変化）が生じると、その変化が生じた部分を含む少なくとも１以上の領域１７ｄの所定の部位が歪むので、この歪み量を光ファイバセンサ２０によって計測できる。
図２Ｄのようなロゼット型に光ファイバセンサ２０を配置すると、スキンプレート１７の行方向（トンネル周方向）および列方向（トンネル軸方向）の歪みに加え、せん断方向の歪みを計測可能となって、計測精度が高くなる。
【００３２】
なお、光ファイバセンサ２０をスキンプレート１７の地山側を向く外面に設ける場合、当該光ファイバセンサ２０を保護するために、光ファイバセンサ２０を含んでスキンプレート１７の外面を樹脂膜等によってコーティングする。このため、光ファイバセンサ２０をスキンプレート１７の外面に設ける場合は、鋼殻１２を形成する前、コンクリート打設前、コンクリート打設後のいつでも光ファイバセンサ２０を固定することが可能となり、製造の自由度向上によるコスト低減が可能となる。さらにコンクリート打設後に光ファイバセンサ２０を固定する場合、製造中に光ファイバセンサ２０が損傷する可能性が低くなる。
【００３３】
前記光ファイバセンサ２０を用いた歪みの計測方法として、本実施の形態では、ブリルアン光学時間領域反射測定法（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｒｙ：ＢＯＴＤＲ）を使用する。このＢＯＴＤＲは、光ファイバセンサ２０の一方の端部から入射したパルスレーザ光が光ファイバセンサ２０中を伝送される際に生じるブリルアン散乱光を検出するものである。
【００３４】
ブリルアン散乱光の周波数は、光ファイバセンサ２０に作用する歪みや温度によって変化するため、このブリルアン散乱光を検出することによって、光ファイバセンサ２０の設置されたスキンプレート１７の歪みを測定することができる。また、光ファイバセンサ２０の一方の端部から入射させたパルスレーザ光によって励起されたブリルアン散乱光の測定機器への戻り時間を測定することで、ブリルアン散乱の生じた位置までの距離を特定することができる、つまりスキンプレート１７の歪みが生じた部位を特定することができる。  
【００３５】
本実施の形態のスキンプレートの診断システムは、図３に示すように、スキンプレート１７の内面１７ａに設けられた光ファイバセンサ２０と、この光ファイバセンサ２０が接続されている歪み計測装置２１と、この歪み計測装置２１が接続されている局所歪み特定逆解析装置２２と、この局所歪み特定逆解析装置２２が接続されているスキンプレート減肉アラーム装置２３とを備えている。
歪み計測装置２１、局所歪み特定逆解析装置２２およびスキンプレート減肉アラーム装置２３は、多数の合成セグメント１１を略筒状に組み立てることによって構築されたトンネル内部の所定の位置に設置されている。また、光ファイバセンサ２０をスキンプレート１７の外面に配置する場合、当該光ファイバセンサ２０の端部をスキンプレート１７の所定の部位を貫通させたうえで、歪み計測装置２１に接続する。
【００３６】
歪み計測装置２１は、光ファイバセンサ２０に接続された歪み計測部２１ａを備えており、この歪み計測部２１ａは、所定周波数で変調された光源からの連続発振光を光分岐器により２つに分岐し、一方の発振光（プローブ光）を光周波数変換器により中心周波数を所望周波数だけシフトさせた上で光ファイバセンサ２０の一端に導き、他方の発振光（ポンプ光）をパルス変調器および光分岐器経由で光ファイバセンサ２０の他端へ導く。
【００３７】
また、前記光源は信号発生回路および半導体レーザを有し、信号発生回路で発生した所定周波数信号で半導体レーザの注入電流を変調することにより、所定周波数で変調された連続発振光を発生する。また光周波数変換器はマイクロ波発生器と光強度変調器とを有し、連続発振光の中心周波数に対してマイクロ波発生器から出力されるマイクロ周波数に等しい周波数差を有する側帯波を発生させることにより、その中心周波数を所望周波数だけシフトさせる。光ファイバセンサ２０の両端に導かれたプローブ光およびポンプ光は、変調周波数に応じた光ファイバセンサ２０内の特定部位に相関ピークを形成する。
そして、歪み計測装置２１の歪み計測部２１ａは、その相関ピークからの出射光（ブリルアン散乱光）を光分岐器とタイミング調整器とフィルタとを介して光検出器へ導き、光検出器でブリルアン散乱光のパワーを測定することにより特定部位の歪みを計測する。
【００３８】
このような歪み計測装置２１の歪み計測部２１ａでは、光ファイバセンサ２０内の特定ポイントの歪み履歴（動的特性変化）を連続監視できるととともに、光源の連続発振光の変調周波数を変化させることにより光ファイバセンサ２０内の相関ピークが形成される部位を移動させ、例えば数ｃｍ程度の高い空間分解能で光ファイバセンサ２０内の歪み分布を求めることができる。また、パルス変調器によりポンプ光をパルス状に変調し、タイミング調整器により測定対象部位からの出射光のみを光検出器へ導くことにより、比較的長い光ファイバセンサ２０内の歪み分布を計測できる。
【００３９】
類似の光ファイバセンサを用いた歪みの計測方法として、ＢＯＴＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）、ＢＯＦＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｒｙ）、ＢＯＦＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｏｍａｉｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）、ＢＯＣＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｒｙ）、ＢＯＣＤＡＢＯＦＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  Ｄｏｍａｉｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）などがある。これらは、歪み計測精度、空間分解能などの計測性能を向上させており、使用環境などに応じて使い分けてもよい。
【００４０】
また、前記光ファイバセンサ２０を用いた歪みの計測方法として、光ファイバブラッググレーティングセンサ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ：ＦＢＧ）を用いてもよい。ＦＢＧは、光ファイバのコア部の長手方向に、周期的に屈折率を変化させた回折格子を形成した光ファイバで、ブラッグ反射により所定波長の光信号のみを反射する特性を持つ。すなわち、広帯域なスペクトルを持った光をＦＢＧに入射すると、ＦＢＧ部ではブラッグ波長に対してのみ互いに強め合う方向に干渉し、それ以外の光成分を透過させる。ＦＢＧに作用する歪みや温度が変化すると、ブラッグ波長が一定量シフトするため、このブラッグ波長を観測することで、ＦＢＧに発生した歪みを計測することができる。
【００４１】
前記ＢＯＴＤＲをはじめとするブリルアン散乱光を用いた計測方法は、光ファイバセンサ全長にわたる歪み分布を計測することが可能である。一方、ＦＢＧは回析格子部の歪みしか計測できないが、ＢＯＴＤＲなどと比較して一般的に歪みの計測精度が高い。これらの特徴を活用し、ブリルアン散乱光を用いた計測とＦＢＧを用いた計測を併用することで、より高い精度でスキンプレートの歪み分布を計測することができる。
【００４２】
また、本実施の形態では、光ファイバセンサ２０は、図２Ａ〜図２Ｄに示すように、スキンプレート１７の内面１７ａに網の目状に形成された複数の領域１７ｄを通るため、全ての領域１７ｄの所定の部位の歪みを計測することができる。
この場合、光ファイバセンサ２０によって複数の領域１７ｄの所定の部位（所定の部位は各領域１７ｄに１箇所でもよいし、複数箇所でもよい。）を定期的に計測し、この計測された複数の領域１７ｄの所定の部位の歪みの分布をスキンプレート全体の全体歪みとして、歪み計測装置２１が当該歪み計測装置２１に設けられている歪み記憶部２１ｂに記憶させる。また、トンネル建設時において、合成セグメント１１を現場に設置した後、現場計測作業における初期の計測データとして、光ファイバセンサ２０は、スキンプレート１７の内面１７ａの全ての領域１７ｄの所定の部位の初期歪みを計測し、この計測された全ての領域１７ｄの所定の部位の初期歪みの分布をスキンプレート全体の初期全体歪みとして、歪み計測装置２１が歪み記憶部２１ｂに記憶させる。
この歪み記憶部２１ｂには、歪みを計測した日時と、スキンプレート全体の全体歪みとが対応付けられて記憶される。
【００４３】
ＦＢＧセンサ部を図２Ａ〜図２Ｄに示すスキンプレート１７に形成された領域１７ｄに配置することで、領域１７ｄの所定の部位（所定の部位は各領域１７ｄに１箇所でもよいし、複数個所でもよい。）の歪みを計測することができる。これにより、ＢＯＴＤＲを採用した実施形態と同様に、スキンプレート全体の初期全体歪みおよび全体歪みが歪み記憶部２１ｂに記憶される。
【００４４】
また、局所歪み特定逆解析装置２２には、差分算出部２２ａと、逆解析部２２ｂとが設けられている。
差分算出部２２ａは、歪み計測部２１ａによって計測され、かつ時期的に隣り合う計測回における全体歪みどうしの差分を算出する。
例えば、２回目の計測においては、光ファイバセンサ２０に接続された歪み計測部２１ａよって計測され、１回目の計測において取得した歪み記憶部２１ｂに記憶されている初期全体歪みと、この初期全体歪み計測後、所定期間経過した後の２回目の歪み計測によって計測され、歪み記憶部２１ｂに記憶されている２回目の全体歪みとの差分を差分歪みとして算出する。
【００４５】
同様にして、歪み記憶部２１ｂに記憶されている（ｎ−１：ｎは自然数）回目の全体歪みと、ｎ回目の全体歪みとの差分歪みを算出する。なお、ｎ＝１の場合は、１回目の全体歪み、すなわち初期全体歪みとなる。
そして、定期的な歪み計測において、ある時期にスキンプレート１７に、腐食に起因する減肉等の局所歪みが生じている場合、上述した全ての差分歪みを合計してなる歪み差分全体に局所歪みが付加されている。
したがって、差分算出部２２ａは、歪み計測部２１ａによって計測された今回の計測結果（全体歪み）から前回の計測結果（全体歪み）を差し引いて、差分歪み（局所歪み）を順次、算出する。
また、差分算出部２２ａは、局所歪みが付加された歪み差分全体から局所歪みを含まない歪み差分全体を減じることによって、差分歪み（局所歪み）を算出してもよい。
【００４６】
ここで、上述したように、スキンプレート１７には、外力変化（地下水の水位の変化等に起因する外力による変化等）、構造変化（スキンプレート１７の補修に伴う変化等）および局所的構造変化（スキンプレート１７の腐食に起因する減肉等の変化）が生じる。
このうち、外力変化および構造変化は、スキンプレート１７の全体歪みの変化として現れ易いが、局所的構造変化は、スキンプレート１７の局所歪みの変化として現れ易く、全体歪みの変化として現れ難い。
このため、本実施の形態では、歪み計測装置２１ａがスキンプレート１７の全体歪みを定期的に計測し、差分算出部２２ａが、局所歪みが付加された歪み差分全体から局所歪みを含まない歪み差分全体を減じることによって、差分歪み（局所歪み）を算出する。
【００４７】
このようにして差分算出部２２ａによって算出された局所歪み（差分歪み）が所定値を超えていた場合に、逆解析部２２ｂは、この差分歪みに基づいて、スキンプレート１７の損傷部位および損傷度を逆解析する。
すなわち、局所歪みが所定値を超えていた場合を、スキンプレート１７のある部位に減肉等による局所的構造変化が生じていると判断する。この場合、局所歪みが生じている部位がどの領域１７ｄであるかが明らかになるので、逆解析によって、スキンプレート１７の損傷部位（減肉範囲）および損傷度（減肉量）を知ることができる。これについては、後述するスキンプレートの診断方法において説明する。
【００４８】
スキンプレート減肉アラーム装置２３は、逆解析部２２ｂによって逆解析されたスキンプレート１７の損傷度（減肉量）が所定値を超えていた場合に、管理者に知らせるための通知システムである。例えば、管理システムのモニター上にアラームメッセージを表示したり、警告を報知する警告報知部２３ａを備え、警告報知部２３ａは音を発するスピーカや発光するランプ等によって構成されてもよい。
【００４９】
次に、上述したスキンプレートの診断システムによるスキンプレートの診断方法について、図４に示すシステムフロー図、および図５〜図７を参照して説明する。
本診断方法では、スキンプレート１７の内面１７ａに、光ファイバセンサ２０が、図２Ｄに示すような、ロゼット型に配置されている。
【００５０】
まず、図４に示すように、合成セグメント１１を組み立て設置することによってトンネルを構築し、このトンネルの内部において、光ファイバセンサ２０および歪み計測装置２１によって、スキンプレート１７の初期全体歪みを計測し（ステップＳ１）、この計測された初期全体歪みを、全体歪み分布初期値として歪み記憶部２１ｂが記憶する（ステップＳ２）。
例えば、図５（ａ）に示すように、スキンプレート１７の内面１７ａにおいて、各領域１７ｄにおける所定の部位Ｐにおける歪みを計測する。この部位Ｐは光ファイバセンサ２０の横線部２０ｆと波線部２０ｅ上に配置されるとともに、図５（ａ）において、一番上と一番下の行の各領域１７ｄにはそれぞれ１箇所、上から２番目の行の各領域１７ｄにはそれぞれ２箇所、上から３番目および４番目の行の各領域１７ｄにはそれぞれ３箇所配置される。
【００５１】
そして、各部位Ｐで計測された計測歪みを荷重として入力することによって、図５（ｂ）に示すような、スキンプレート歪み同定モデルを得る。この同定モデルは、スキンプレート１７の内面１７ａをメッシュ分割した多数の矩形状の要素に、計測歪みを荷重として入力することによって得られたものである。
さらに、このスキンプレート歪み同定モデルに基づいて、図５（ｃ）に示すような、初期全体歪み分布を得るとともに、この初期全体歪み分布を歪み記憶部２１ｂに記憶させる（図４中のステップＳ２）。すなわちその手順は、スキンプレート１７の形状に応じて２次元平面要素もしくは３次元ソリッド要素を使用して、有限要素法による構造モデルを作成する。そして、外荷重と境界条件を構造モデルに適用することで、各要素に発生する歪みを算出する手順が一般的であるが、通常とは逆に、この構造モデルに計測歪みを多点の荷重として入力し、連続する応力と歪みの分布を逆解析によって算出するものである。
【００５２】
スキンプレート１７の初期全体歪みを計測した後、図４に示すように、定期的にスキンプレート１７の全体歪みを計測して行き（ステップＳ３）、各計測回における全体歪み分布を得るとともに、この全体歪み分布を順次、歪み記憶部２１ｂに記憶させる（ステップＳ４）。このようなスキンプレート１７の定期的な全体歪みの計測および全体歪み分布も初期全体歪みを計測した場合と同様にして行う。
そして、定期的な歪み計測において、ある時期にスキンプレート１７に、腐食等に起因する減肉等の局所歪みが生じている場合、上述した全ての差分歪みを合計してなる歪み差分全体に局所歪みが付加されている。
【００５３】
例えば、図６（ａ）に示すように、ある計測回において計測したスキンプレート１７の全体歪みに、局所的構造変化（スキンプレート１７の腐食等に起因する減肉等の変化）ＳＣに起因する局所歪みが付加されていた場合も、上記と同様にして、各部位Ｐで計測された計測歪みを荷重として入力することによって、図６（ｂ）に示すような、スキンプレート歪み同定モデルを得る。さらに、このスキンプレート歪み同定モデルに基づいて、図６（ｃ）に示すような、全体歪み分布を得るとともに、この全体歪み分布を歪み記憶部２１ｂに記憶させる。
図６（ｂ）に示すスキンプレート歪み同定モデルでは、符号ＳＬで示す部分の値が大きくなっており、図６（ｃ）に示す全体歪み分布では、符号ＳＨで示す四角形の内部の部分が、局所歪みを含まない全体歪み分布より、色および／または明度が異なっている。したがって、このＳＨで示す部分（領域）に局所歪みが生じていると推測できる。
【００５４】
次に、前記差分算出部２２ａ（図３参照）が、局所歪みが付加された歪み差分全体から局所歪みを含まない歪み差分全体を減じることによって、差分歪みを算出する（差分算出ステップ）。この場合、上述したように、差分算出部２２ａは、局所歪みが付加された歪み差分全体から局所歪みを含まない歪み差分全体を減じることによって、差分歪み（局所歪み）を算出してもよいし、歪み計測部２１ａによって計測された今回の計測結果（全体歪み）から前回の計測結果（全体歪み）を差し引いて、差分歪み（局所歪み）を算出してもよい。
【００５５】
次に、差分算出ステップによって算出された差分歪が所定値を超えているか否かを差分算出部２２ａが判断する。
この場合、例えば、算出された差分歪み（局所歪み）の増減率を求める（図４中のステップＳ５）。
例えば、図６（ｃ）に符号ＳＨで示す四角形の内部の部分において、図７（ａ）に示すように、矩形状の各要素ｅにおいて、歪み分布の増減率（図４におけるＳ４とＳ２の差分）が周囲の要素ｅに比して±５％超である場合に、差分歪みが所定値を超えているとして判断する。つまり、各要素ｅに発生している歪みの値と、隣接する周囲の要素ｅに発生している歪みの値とを比較し、比較した歪みの値の差が際立っている場合（例えば±５％超変化している場合）における、要素間を局所歪みの領域の境界ｂとする。
【００５６】
そして、図７（ｂ）に示すように、スキンプレート１７の内面１７ａを多数の矩形状の要素にメッシュ分割したモデルに、局所歪みの領域ＫＲつまり局所歪みの増減の大きい領域Ｒを表示させ、さらに、図８に示すように、スキンプレート局所減肉同定モデルを得る（逆解析ステップ）。同定荷重は、スキンプレート１７が供用時に受ける荷重を求めるもので、基本的には供用時の土水圧に基づいて定める。
すなわち、上記で特定された損傷部位における要素の板厚を減肉（Δｔ）させた逆解析モデルに、上記同定荷重を入力値として与えることで、局所ひずみ増減（１−ｐ）と等価と見做せる減肉量をパラメトリックに変更しながら繰り返し計算で探索的に求める。
このようにして、局所減肉領域を求めた後、局所減肉量Δｔを求める（逆解析ステップ（図４中のステップＳ６））。そして、局所減肉量Δｔを判定し（図４中のステップＳ７）、当該局所減肉量Δｔが閾値（例えば、スキンプレート１７の全肉厚（３ｍｍ）の１０％（０．３ｍｍ））を超えた場合、つまり逆解析部２２ｂによって逆解析されたスキンプレート１７の損傷度（局所減肉量Δｔ）が所定値（閾値）を超えていた場合に、警告報知部２３ａが音やランプ等によって警告を報知する（警告報知ステップ（図４中のステップＳ８））。
【００５７】
その後、スキンプレート１７の減肉箇所の補修対策を検討したうえで、補修を実施する。
一方、スキンプレート１７の損傷度（局所減肉量Δｔ）が所定値を超えていない場合、次の供用ステージへと進み（図４中のステップＳ９）、上述した場合と同様にしてスキンプレート１７の全体歪みを定期的に計測する。
【００５８】
以上のように、本実施の形態によれば、光ファイバセンサ２０を用いて、スキンプレート１７の全体歪みを歪み計測部２１ａによって定期的に計測し、時期的に隣り合う計測回における全体歪みどうしの差分を差分算出部２２ａが算出し、この算出した差分歪みが所定値を超えていた場合に、この差分歪みに基づいて、スキンプレート１７の損傷部位および損傷度を逆解析部２２ｂが逆解析するので、スキンプレート１７の損傷部位（減肉範囲）および損傷度（局所減肉量Δｔ）を容易に診断できる。
また、逆解析部２２ｂによって逆解析された損傷度（局所減肉量Δｔ）が所定値（閾値）を超えていた場合に、警告報知部２３ａが警告を報知するので、スキンプレート１７の損傷を速やかに知ることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１１  合成セグメント
１２  鋼殻
１３ａ，１３ｂ  鉄筋
１４  コンクリート
１５  主桁
１６  継手板
１７  スキンプレート
１７ａ  内面
１７ｄ  領域
２０  光ファイバセンサ
２１ａ  歪み計測部
２２ａ  差分算出部
２２ｂ  逆解析部
２３ａ  警告報知部
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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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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