フジタ技術研究報告第 43 号 2007 年

ワイヤレスセンサを用いた大断面シールドセグメントの挙動計測
岸 下 崇 裕概磯 崎 智 史*1

米 澤 敏 行*2佐 藤工*2

小 幡 克 実*3

門 田 俊 一*4

要

シールドトンネルに使用される鉄筋コンクリート製セグメントは，長期耐久性及び止水性の観点からセグメントのひび割れ，剥離や欠けなどの不具合を抑制することが必要とされている。一般的にこれらの不具合は，掘進反力の影響を強く受ける，組立て後の１～3 リングまでに多く見られることが判明している。
そこで筆者らは，シールド機付近のセグメントの挙動（セグメント間の目開き量等）をリアルタイムに計測が可能で，煩わしい配線作業がなく短時間で設置可能なワイヤレスセンサを用いた計測システム（以後ＳＲＷ計測システム）を現場へ適用した。
SRW 計測システムを現場へ適用した結果，以下の知見が得られた。
① 直線・曲線区間とも，変形量の 90%以上が 1 リング掘進時に発生することが分った。
② リング間は，3 リング後もジャッキ推進力の影響を受け目開きおよび目違いともに変動する傾向にあることが分った。
③ リング間の目開きより，1 リング掘進中のセグメントの挙動は，横や縦方向に潰れるのではなく，全体的に圧縮されていることが分った。

Measurement of Segment Behaviors in a Shield Tunnel Having a Large Diameter Using
Wireless Sensing System
Abstract
When constructing shield tunnels with RC segments, it is vital for long-term durability andwaterproofness to prevent occurrence of cracks, detachments and chippings of the concrete.
Generally, these defects are found mostly between the first and third segments where jackreaction forces strongly act.
In order to understand the mechanical behaviors of segments for rational excavation control,openings and gaps between segments are measured in real time using a wireless sensing system.
This system is called the “SRW system (Shield Real time Wireless measurement system)”. By
adopting this system, complicated and time-consuming wiring works become unnecessary, andstrain gage type sensors for the measurement can be installed in quite a short time.
The SRW system has already been applied to a large-diameter shield tunnel, and the following
technical findings were obtained;(1) 90 % of total displacements occurred within one ring both in straight and curved sections.
(2) Openings and gaps still occurred even within three rings by the influence of jack reaction
forces.
(3) The first segment ring tended to be compressed rather than moving horizontally andperpendicularly.
キーワード： ワイヤレスセンサ，シールドセグメ
ント，挙動計測＊１ 土木本部 技術統括部 ＊２ 横浜支店
－1－－59－＊３ FBS MN 事業部 ＊４ フジタリサーチ

フジタ技術研究報告 第 43 号

§１．はじめにめにセグメントのリング間およびセグメント間に設置した目開き計・目違い計，計測されたデータを転送するための鉄筋コンクリート製セグメントは，長期耐久性および止2.4GHz 帯のワイヤレスセンサ（発信機・受信機）と計測さ水性の観点から，施工時におけるセグメントのひび割れ，れたデータを管理するパソコンから構成される。ＳＲＷ計剥離，欠けなどの不具合を抑制することが必要である。土測システムの概略図を図２に，セグメントに設置された目

木学会シールドトンネル施工時荷重検討部会によるアン開き計・目違い計を写真１，ワイヤレス発信機を写真２に，ケート調査の結果 1) によると、これらの不具合は大半が，シールドセグメントに取り付けた状況を写真３に示す。受セグメント組立て時から掘進の推力を強く受ける掘進時

信機は，シールド機中央に障害物があるため１台で全ワ（テールブラシ通過後まで）に多く見られことが判明した。

イヤレスセンサを受信することが出来ず，前方の左右２箇

図１に不具合発生状況のアンケート結果を示す。

所に設置した。写真４に受信機の設置状況を示す。

また土圧などの外部からの影響もあり，高品質の施工一般的にセグメントの不具合は，図１に示されるように，を行うには，各セグメントの相対的な動きをリアルタイムに反力の影響を大きく受ける，シールドから１リングないし３計測して，シールド機の制御等の施工管理に反映させ、リング目に多く見られている。そこで本計測では，図２で不具合の発生を防止することが望まれている。

示すようにセグメントを組立て設置した後，組み立てられ従来は，ノギスや鋼尺での手動計測や，センサとパソコたセグメントの所定の位置に目開き計・目違い計およびワンとを計測ケーブルにより接続した有線計測が用いられイヤレス発信機を設置し，掘進開始からテールブラシ通ていました。これらの方法で掘進中の時々刻々の変化を過およびセグメントが地中に入り安定するまでの間実施し捉えるには，多大な労力と費用が必要である。さらに有線た。煩わしい配線作業がないので掘進工程に影響を与え計測では計装ケーブルやセンサの盛替えに時間を要し，ることなく，リアルタイムにかつ連続的に計測できた。
セグメントの目開き計測は，コーキング溝内にクリップ型工事の進捗に支障を来たすため，常にシールド機付近の変位計を取り付け，目違い計測は，セグメントの表面にカ計測を実施することは困難でした。
そこで筆者らは，シールド機付近のセグメントの挙動ンチレバー型変位計を取り付けて実施した。計測された（セグメント間の目開き量等）をリアルタイムに計測が可能

値は，センサ設置時を初期値（変形量 0）とし，セグメントで，煩わしい配線作業がなく短時間で設置可能なワイヤ間の相対変形量として評価した。

レスセンサを用いた計測システム（以後ＳＲＷ計測システ
セグメント設置時

ム）を現場へ適用した。

シールド

本報告では，ＳＲＷ計測システムの概要およびシールド機付近におけるセグメントの挙動について報告する。
その他
5セグメント
組立時
21

発信機
V-Link

変換器

USBケーブル

運転台車

LAN
ケー
ブル

受信機
Base Station

掘進管理用PC 計測用PC

テール通過後

34

シールド
受信機
発信機 Base Station
V-Link

5 21

153

掘進時
（テール内）

LANケ

48

ーブ
ル

変換器

運転台車

USBケーブル掘進時（テール通過後）

掘進管理用PC 計測用PC

セグメント安定時
シールド
受信機
Base Station

数字は発生件数

図１ 不具合発生状況アンケート結果

発信機
V-Link

変換器

USBケーブル

運転台車

LAN
ケーブル

発信機
V-LinkLAN
ケーブル

7 1 掘進時（テール通過中）

掘進管理用PC 計測用PC§２．ＳＲＷ計測システム
図 2 ＳＲＷ計測システム外略図
2.1 ＳＲＷ計測システム概要

ＳＲＷ計測システムは，セグメントの挙動を計測するた－60－

ワイヤレスセンサを用いた大断面シールドセグメントの挙動計測

2.2 ワイヤレスセンサの概要
本計測では，以下の理由によりMicroStrain社2)製のワイセンサー(目違い計)レスセンサV-LinkおよびSG-Linkを採用した。
①日本において技術基準適合証明を取得しているセンサー(目開き計)②アンプが内臓されているためゲージタイプの変位計を直結することができる③セグメントと作業用ゴンドラとの隙間（約 10cm）に取り付け可能で小型であること④電池で駆動し衝撃に強いこと⑤ワイヤレス計測の実績のあること
写真 5 に V-Link および SG-Link の写真を示す。写真
写真１ 目開き・目違いセンサ

左に示す V-Link は，ゲージタイプが 4ch，シングルエンド入力が 3ch と内蔵温度センサを計測することが可能である。写真右の SG-Link は，ゲージタイプが 1ch，シングルエンド入力が 1ch と内蔵温度センサを計測することが可能である。表１にワイヤレスセンサの基本性能を示す。本計測では，V-Link を 2 台，SG-Link を 2 台計 10ch の計測を行った。シールド内には，スクリューコンベヤや金属製の機械等が存在するため，見通しや電波環境が良くなかった。そのため受信機は，2 台設置し，左右半分を分担させた。なお，シールドに取り付けた受信機からのシールドト
ンネル内の安定した通信距離は約 20m であった。

写真２ 発信機

センサー

ワイヤレス発信機
写真５ V-Link および SG-Link
写真３ ワイヤレスセンサ設置状況

表１ ワイヤレスセンサの基本性能

受信機

AD変換器

12bitsアンプ

4ゲージタイプ（350Ωまたはそれ以上）オプションで3,2ゲージタイプに対応

計測精度

±0.1％

解像度

±1bit(0.024％)

ブリッジ電源＋3V（トータルで最大50ｍA）

通信規格

2.4GHｚDSSS(2.450～2.490GHｚ）
16ｃｈ、IEEE802.15.4準拠
データロギング 32Hz～2048Hzで1,000,000データロギング

計測方法 リアルタイム
LDCモード写真４ 受信機設置状況－61－

最大4kHz（スピードは、ｃｈ数に依存）
最大500Hzをノード数で分割

データ記録容量2MB（約1,000,000データ）

通信距離

屋内30ｍ、屋外70ｍ（オプション高利得アンテナ使用時：300ｍ）

内部バッテリリチウムイオン：3.7V、600ｍAｈ

動作温度－20～＋60℃（標準バッテリ、ケース）オプションケース＋バッテリーで－40～85℃

フジタ技術研究報告 第 43 号

§３．工事および計測概要

計測データは，セグメントの目開き量，目違い量に加え，ハイパーシールドより得られる掘進状況，ジャッキストローク長，テールクリアランス等も収録した。

3.1 工事概要
ワイヤレス計測は，横浜市交通局発注の「高速鉄道４号線恩田川工区土木工事」で実施した。この工事は，横

BK

A5

浜環状鉄道中山～日吉間のうち，中山駅～川和町駅（仮称）間の中で，中山駅北側から恩田川河川下を横断して，CA4●：左側ピース間○：左側リング間

青砥町までシールド工法により，延長 835m の複線トンネ●：右側ピース間ルを構築するものである。セグメントは，外径 9,260mm，内○：右側リング間

A1A2

径 8,460mm，幅 1,500mm の RC セグメントを使用した二次●：Ｋセグメントピース間

A3○：Ｋセグメントリング間

覆工省略型のシールドトンネルである。図 3 に RC セグメ

乙組・奇数リングントの概要を示す。

CK8 ピース/リング

A1B●：左側ピース間

A2⑤○：左側リング間●：右側ピース間⑦○：右側リング間

A5⑧③⑥A4●：Ｋセグメントピース間A3○：Ｋセグメントリング間

甲組・偶数リング④①

図 4 目違い・目開き計取り付け位置図②目違い計

図 3 ＲＣセグメントの概要

目開き計

3.2 計測位置
計測は，切羽に向かって左側セグメント，右側セグメントおよびＫセグメントのセグメント間とリング間において実施した。図 4 に目違い・目開き計の取り付け位置図を示す。
図中の上段は乙組み時（奇数リング）の取り付け位置図を，下段は甲組み時（偶数リング）の取り付け位置図を示す。
図で示されるように計測は，シールド機および仮設材によワイヤレス発信機

る見通しの悪いセグメント下部を避け，セグメントの上部お写真６ Ｋセグメントへの設置状況

よび左右の水平位置に設置した。写真６にＫセグメントに取り付けた状態を示す。写真で示すように計測は，リング§４．計測結果間およびピース間の目違い・目開きの計 4ch のデータをワイヤレス発信機(V-Link）用いて行った。またセグメント

セグメントの目開き挙動を図 5 に，目違い挙動を図 6 に組立て後、セグメント外面とシールド内面との離隔(テール示す。図中の左側は直線区間(253Ring)を，右側は曲線クリアランス)の計測も実施した。

区間(442Ring:曲線半径 410m の左カーブ)の結果を示し
3.3 計測方法ている。目開き量は，開く方向をプラス，縮む方向をマイ

計測機器は，シールド機が掘進し，セグメントを所定のナスとする。目違い量は，内側への移動をプラス，外側へ位置に設置した後に，シールド機に取り付けてあるゴンドの移動をマイナスで示している。なお図中にはシールドジラを用いて設置した。

ャッキの平均ストローク長を記入している。

計測は，掘進開始から，計測器が設置されたセグメントがテールブラシを通過し，地中に入り安定するまでの期

4.1 目開き挙動

間連続し，１分間に１回間隔で行った。

セグメント間の目開きは，左側，右側や K セグメントとも－62－ワイヤレスセンサを用いた大断面シールドセグメントの挙動計測に 1 リングの掘進時に縮む方向に変形し，その後はほと縦に潰れるのではなく，セグメント全体が掘進中に圧縮さんど変動していない。横方向（左側，右側）や縦方向（Kれているものと考えられる。計測セグメントがマシン後端部セグメント）ともに圧縮されていることは，セグメントが横やのテールブラシを過ぎてからの変動は見られない。テー○：左側セグメント間 ◇：左側リング間 △：Kセグメント間 □：Kセグメントリング間

2300

02000-11700-21400-31100
平均ジャッキストローク-4-5800
R254掘 進

0R255掘 進

123456789ジ ャッ キ ス ト ロ ー ク (mm )目 開 き 量 (m m)

1500

経時時間（時間）a)直線区間(253Ring)○：左側セグメント間 ◇：左側リング間 ▽：右側セグメント間 ☆：右側リング間

2300

目 開 き 量 (m m)

平均ジャッキストローク

02000-11700-21400-31100-4-5800
R443掘 進0R444掘 進

123456789ジ ャ ッ キ ス ト ロ ー ク (mm )1500

経時時間（時間 ）b)曲線区間(442Ring)
図 5 セグメント目開きの経時変化○：左側セグメント間 ◇：左側リング間 △：Kセグメント間 □：Kセグメントリング間

2300

目 違 い 量 (m m)

平均ジャッキストローク

32000

21700

1140001100-1-2800
R254掘 進

0R255掘 進

123456789ジ ャ ッ キ ス ト ロ ー ク (mm )4500

経時時間（時間 ）a)直線区間(253Ring)○：左側セグメント間 ◇：左側リング間 ▽：右側セグメント間 ☆：右側リング間

2300

目 違 い 量 (m m)

平均ジャッキストローク

32000

21700

1140001100
800-1-2R443掘 進

0R444掘 進

1234

56

経時時間（時間）b)曲線区間(442Ring)
図 6 セグメント目違いの経時変化－63－789500ジ ャ ッ キ ス ト ロ ー ク (mm )4フジタ技術研究報告 第 43 号

分った。

ルブラシによる拘束圧と土水圧との差が大きくないことを⑤ リング間の目開きより，1 リング掘進中のセグメントの示唆していると考えられる。

挙動は，横や縦方向に潰れるのではなく，全体的にリング間の目開きは，セグメント間と同様に 1 リング目の圧縮されていることが分った。

掘進時に縮む方向に変形するが，その後組立て時におけるジャッキの伸縮に合わせて微小な変動を示す傾向に

今後は，計測されたデータをさらに分析し，組立て後 1ある。これは，3 リング掘進後においてもジャッキ推力の影～3 リング間におけるセグメント挙動を解明し，施工管理響が及んでいることを意味している。K セグメントは，掘進手法について検討する予定である。

直後から変動が確認されるものではなく，ある時点で急激参考文献な変動を示している。掘進開始時点から終了時点まで，推力は常に 35,000～40,000kN を示しており，K セグメント

1)の急激な変動の要因ではないと考えられる。また曲線区

土木学会：シールドトンネルの施工時荷重，トンネル・ライブラリー第 17 号，平成 18 年 10 月間においては曲線内側のリング間のみ目開きが開く挙動

2)

MicroStrain 社 HP http://www.microstrain.com/

を示すことが確認された。なおセグメント間，リング間ともに目開きは，変形量の 90%以上が 1 リング掘進中に発生している。
4.2 目違い挙動
セグメント間の目違いは，目開きと同様に 1 リング目の掘進時に変形し，その後ほとんど変動していない。またリング間の目違いは，K セグメントの内側方向への動きが大きい。これは，253 リング組立て後のテールクリアランスが少ないために拘束圧が大きく，比較的重量の軽い K セグメントが動き易かったためと考えられる。また目開きと同様掘進直後から変動が確認されるものではなく，ある時点で急激な変動を示している。一般にセグメントが急激な変動を起こす要因としては，推力の変動，テールブラシによる拘束圧の変動、等が考えられる。しかし今回はテールブラシの拘束圧を計測していないため，確認することが出来なかった。

§５．おわりにワイヤレスセンサを用いた，シールドセグメントのリアルタイム計測システムを開発し，現場に適用した。以下に現場計測により得られた結果とシールドセグメントの挙動について示す。
① 総延長の約５％に当たる３０リングについてワイヤレス計測を行い，センサの設置や計測の容易さ，また施工への影響が無いことを検証し，本計測システムが有効であることが確認できた。

ひ と こ と② セグメント組立てから安定するまで連続的にリアルタ

本年度は，SRW 計測システムの開イムの貴重なデータを得ることが出来た。

発を行い，現場へ適用した。今後は，③ 直線・曲線区間とも，変形量の 90%以上が 1 リング掘セグメント挙動を解明し，施工管理手進時に発生することが分った。

法について検討する予定である。

④ リング間は，3 リング後もジャッキ推進力の影響を受け目開きおよび目違いともに変動する傾向にあることが岸下 崇裕－64－