斜面の浅い部分のせん断ひずみ計測による崩壊監視の提案
玉

手

聡*1 堀

智 仁*1 伊 藤

和

也*1 吉

川

直

孝*1

土砂崩壊は建設業における労働災害の多くを占め，その防止は安全行政における重要なテーマのひとつに位置づけられている．斜面工事では，土砂崩壊自体を防止する安全対策の実施が原則として推奨される措置であり，具体的には土止め支保工の採用による仮設設備の導入や掘削勾配の変更によるハード的な対策が講じられる．しかしながら災害復旧工事では，緩みや劣化を生じた斜面近傍でやむを得ず緊急的に作業する場合があり，崩壊を想定した安全対策も必要となる．従って，災害復旧工事では斜面崩壊自体の防止のみではなく労働災害の防止という視点から安全対策を考える必要がある．そこで本研究では労働者が土砂の直撃を受けないように避難させることを目的に，計測的手法により崩壊予兆の把握が可能かについて検討した．特に本研究では，工事中の仮設的な計測を考慮して設置と使用が容易な「表層ひずみ棒」を考案し，その性能を確認するための大型模型実験を行った．本実験では掘削終了から約 7 分後に小崩壊が再現され，さらにその 9 分後に大崩壊が観察された．この時に計測されたせん断ひずみ増分は小崩壊の約 7 分前から 0.01%/分以上を示し，約 2 分前からは加速度的に増加した．すなわち，崩壊プロセスにはクリープ的破壊モードが確認され，そのモードは比較のため計測した変位のそれとも一致した．以上のとおり，本研究では土砂崩壊による被災防止の観点から表層ひずみ棒による簡易計測を考案し，実験的検討から斜面崩壊の予兆を検知しうる可能性があることを明らかにした．そして警報システムの導入により，崩壊前に現場労働者へ避難を促し，土砂の直撃を受けさせないようにする新たな安全対策を提案した．

キーワード: 土砂崩壊，2 次災害，大型模型実験，簡易計測，せん断ひずみ，崩壊予兆．

1

はじめに

え小規模な崩壊であっても人間を直撃すると命に関わる

土砂崩壊は建設業における労働災害の多くを占めてお重大な災害を引き起こすことを意味している．特に斜面り，その防止は安全行政における重要なテーマのひとつを補強する擁壁工事では法先の切土や基礎部の掘削が行に位置づけられている 1)．斜面の崩壊危険性を施工前，

われる．労働者は一時的に不安定な斜面に近接して作業

施工中，施工後で比較すると，一般的に施工中は最も危する場合があり，その崩壊予兆に気づかず逃げ遅れて土険性が高くなる 2)．そのため，工事では事前対策が原則

砂の生き埋めとなっている．

となっており，構造的な補強や勾配変更による安定化な斜面崩壊の計測には，図 1 に示すような地すべりを対

どのハード的な崩壊防止が行われる．しかしながら，例

象とする様々な方法が存在する．本節ではまずこれらをえば災害復旧のような緊急的な作業では想定外の崩壊が概説し，中小規模の斜面工事における適用を考察する．

発生する危険性もあり，ハードのみの対策には限界も感はじめに，GPS 計測は米国が開発した人工衛星から発じられる．斜面工事の安全をより確実なものにするには，信される電波を受信し，位置を求める測位の方法である．

崩壊を抑止するだけでなく，仮に崩壊したとしても労働その実施では上空視界の確保が必要とされ 4)，また mm

者の生命を守る方策の検討が必要となる．その一つには単位の精度を得るためには 1 回の計測に 1 時間以上を崩壊前に避難することが挙げられる．

要する．即時性にやや劣るために変位が速い急傾斜地での崩壊計測には不向き 5)とされており，工事中の斜面にそこで本研究では，労働者が土砂の直撃を受けないよ
う避難させることを目的に，計測的手法によって崩壊予ついても適用は容易でないように思われる．

兆を捉えられないか実験的に調査した．これは従来，地次に，斜面の変位増分を測定する方法がある．そのセ山監視人が目視で行ってきた斜面の観察を，電気式計測

ンサーは伸縮計とも呼ばれ，またワイヤー式変位計を用で補助するものである．この検討では工事中の仮設的ないた方法が地盤工学会基準(JGS 1725-2003)に示されて使用を考慮して，簡易計測を重要条件に位置づけた．

いる 6)．手法上飛来物等がワイヤーに接触すると誤検知

本論文では初めに斜面工事における安全上の問題点をする問題があり，また正確な計測には不動点の確保も課考察し，次いで大型模型斜面による切土掘削実験の概要

題となる．

を述べる．そして斜面の浅い部分のせん断ひずみ増分とさらに，傾斜増分を計測する方法には地表面と地中内崩壊過程の関係から崩壊予兆の検知に対する適用を考察の 2 つがあり,計器はそれぞれ地表傾斜計と坑内傾斜計

し，最後に，警報で労働者に避難を促すことによって土と呼ばれる．地すべりでは地盤中にひずみが累積し，そ砂の直撃を受けさせないようにする安全対策を提案する．

れが地表面の傾斜変動となって現れることが多い．このような段階では伸縮計の設置は難しく地表傾斜計が地す

2

研究背景と既往の計測技術

べりの早期検知に有効と言われている 7)．坑内傾斜の測工事中に発生した土砂災害による死因は窒息と圧迫が定では挿入式傾斜計や固定式傾斜計が用いられるが，直約 5 割を占め，またその約 6 割は崩壊土量が 50m3 未満

径 100mm 以上のボーリング孔を基盤まで設ける必要がの小規模崩壊によるものとなっている 3)．これは，たとあり，作業は比較的大がかりとなる．また，埋設した傾斜計は一般に回収が不可能であるため費用も高くなる．

*1 建設安全研究グループ－25－

労働安全衛生総合研究所特別研究報告

JNIOSH-SRR-NO.42(2012)
表 1 実験に使用した関東ロームの物理特性

GPS衛星

傾斜角
GPS
受信機

地表傾斜計

土粒子密度 s (g/cm3)

2.759

砂(0.075～2mm)%

6.2

シルト(0.005～0.075mm)%

45.3

粘土(0.005mm 未満)%48.5

液性限界 wL(%)

158.3

塑性限界 wp(%)

97.7

ワイヤー式
変位計

不動点

パイプ
ひずみ計

移動杭
坑内傾斜計

掘削孔

基盤

塑性指数 Ip

60.6

最大乾燥密度dmax (g/cm3)0.665

最適含水比 wopt (%)

102.0

図 1 代表的な地すべり計測の方法

ブルーシート4m

また，パイプひずみ計 8)は斜面内部に生じた水平変位擁壁の分布を計測して，すべり面の深さを知るために用いられるセンサーである．測定にはたわみ性パイプをプレボ

1.7m

ーリングした坑内に設置するが，その深さは基盤までと切土位置なるため坑内傾斜計と同様にその計測は大がかりとなる．
以上のように，既往の多くの手法は比較的大がかりで0.5×4=2.0m

あり，コストも要する．施工中の仮設的な計測では簡便

S4で低コストなことが必要条件であり，既往の装置に代わ

S1

る新たな手法が必要とされている．また災害復旧のよう

2. 0

な緊急の工事では監視人を配置しつつも不安定な斜面近

S2

S3

m

60°

70°

3.5m

模型斜面

75°

S6

S7

況では崩壊を想定した安全対策，すなわち人的な被災防

3.5m

コーン貫入
試験

2.0m

4

30°

傍でやむを得ず作業する場合も考えられ，そのような状

切土位置
崩壊はS7

S5

1.0m

7.8m

止の観点から安全対策を講ずる必要がある．

図 2 模型斜面の概要切土掘削の位置

従来，監視人が目視で斜面を観察してきたが，崩壊予0兆の察知には限界もあった．特に微増する初期の変化をいち早く知るためには計測的手法が必要となる．そこで貫入深さ d (m)本研究では危険の早期把握により労働者を避難させることを目的に新たな計測的手法を検討することとした．
3
1)

大型模型斜面の切土掘削実験-1

qc=345d-2

地盤条件
崩壊土砂の撤去作業を実物大規模で再現する実験を行った 9)．本研究ではこの実験を大型模型実験という．土

-3

試料には最適含水比に調整した関東ローム(表 1 参照)を

0

500

1000

1500

コーン貫入抵抗 qc (kN/m2)

用い，建設機械で盛土して模型斜面を作製した．図 2 は模型斜面の概要を示す．模型斜面は土の自重のみで締固図 3 模型斜面の貫入抵抗の分布

め，緩く堆積した崩壊土砂の状態を模擬した ．
0

模型斜面は高さ 3.5m に 30 度の勾配を有し，長さ 1.7m

RI (1)RI (2)RI (3)砂置換の天端が与えられている．斜面の幅は 4m であり，擁壁と模型斜面の間には摩擦を軽減するためのブルーシート
天端からの深さ (m)を配置した．図 3 は斜面天端にて実施したコーン貫入試
験の結果を示す．貫入抵抗(qc)は貫入深さ(d)に対してほぼ直線的に増加する傾向が見られ，自重による締固めの効果を確認できる．なお qc-d 関係に細かな値の増減が生-1-2

じているが，その理由は重機による盛土の際に試料の一部がブロック化したためと考えられる．図 4 は RI 法 10)-30.6と砂置換法 11)で求めた土の湿潤密度t と含水比 w の分布を示す．値に計測手法の違いによる差は見られるが，t

0.8

1.0

1.2

1.4

湿潤密度 t (g/cm3)

は 1.0 から 1.2g/cm3 であり w は 100%前後となっている．

－26－

30

60
90
120
含水比 w (%)

図 4 模型斜面の密度と含水比の分布150

斜面の浅い部分のせん断ひずみ計測による崩壊監視の提案

S1 S2 S3 S4

S5■：変位計(DTP)
L15●：ひずみ棒(MPS)▲：傾斜計(ASG)
L10(S6,S7)

DTP(不動点)
マグネット
リミット

プラ杭(可動点)
DTPによる変位計測

▲
ASG1
■
DTP1
●
MPS1
●
MPS3

▲
ASG2
■
DTP2
●
MPS2
●
MPS4

80

4.0m

420

L05

検知部(f10)0.5

貫入スクリュー

CL
天端
R05

六角プラグ

0.5

R10
R15

0.6

0.9

ソケット

防水コネクタ
電動工具

50

単位：m

1.5

単位：mm

受圧体

0.5

法肩
斜面上での長さ

1580

図 5 センサーの種類とその配置の平面図

図 6 表層ひずみ棒(MPS)の外観

表 2 センサーの種類と応答感度2)センサー記号
ASG
DTP

計測項目
傾 斜
変 位

応答感度
0.1124 deg/0.05 mm/

MPS

せん断ひずみ0.0015 %/

切土掘削による斜面の不安定化
法先から段階的に切土掘削して模型斜面を不安定化させた．切土は図 2 に示すような S1 から S7 までの 7 段階
である．S1 から S5 は斜辺長さ 0.5m 間隔で勾配 60 度に切土した．S6 と S7 では，S5 と同じ斜面位置から勾写真 1 表層ひずみ棒(MPS)を設置する様子

配をそれぞれ 70 度と 75 度に増加させた．各切土の間に30 分のインターバルを設け，この間の変化も計測した．
3)

計測
斜面の変化を記録するために変位計，傾斜計及び後述

z

する表層ひずみ棒の 3 種類のセンサーを図 5 のように配浅いせん断ひずみ(計測深さ)

置した．変位計(DTP)は斜面中央(CL)の列に 2 個を 0.9m

すべり面

O

間隔で配置した．DTP による計測ではセンサー本体を擁壁側不動点に置き，そのワイヤーを可動点と結合させた．
変位分布

また両点の間にはマグネットリミットを配置し，最大伸傾斜計測には，応答時間を短縮するために加速度計(ASG)a) 任意なすべり位置の接線に平行な変位分布を用い，L05 列に 2 個設置した．ASG１と ASG2 は DTP

d2 y
dz2

の位置に対応させた．後述する表層ひずみ棒(MPS)はM曲線

R05 と R10 の列に同じく DTP に対応させて設置した．
表 2 はセンサーの種類と計測 1当たりの物理量を応答＋感度として示す．

O

4
1)

z
O
浅い
部分

浅い
部分

－

q曲線

z

b) せん断ひずみ増分(q)の分布c) 曲げモーメント(M)曲線の分布

表層ひずみ棒装置の概要

図 7 崩壊に伴う浅いせん断ひずみの発生概念

本研究では斜面の浅い部分で増加するせん断ひずみを計測するために「表層ひずみ棒」を考案した 12), 13), 14)．

その羽根の高さは約 5mm，ピッチは 30mm である．検

この装置は短い棒の下端にスクリューを備えたものであ知部は直径(f)10mm であり，構造は中空円筒である．円り，本稿では MPS と言う．この MPS は地盤の表面から

筒表面にはひずみゲージが貼り付けられ，外側は防水チ

回転貫入して地中に直接埋設するセンサーであり，斜面

ューブで覆われている．受圧体は円錐状であり，貫入最内の変位差によって生じるせん断ひずみ増分を棒の曲げ

後に土を押し広げて強く密着する．ひずみゲージからので捉えるものである．
2)

dy
dz

y

長後にはワイヤーを分離させてセンサー本体を保護した．

応答を出力する防水コネクターが受圧体の上面の六角プ装置の形状と構造

ラグの中央に配置されている．六角プラグの最小直径は

MPS は全長 595mm，最小直径(棒部)10mm，最大直32mm であり汎用の電動工具のソケットに契合する．

径(受圧体)質量約 3.6N の小型のセンサーであり，その外3)

観を図 6 に示す．先端スクリューは長さ 80mm であり，利便性
写真 1 は MPS を設置する様子を示す．MPS は下端に

－27－

労働安全衛生総合研究所特別研究報告

JNIOSH-SRR-NO.42(2012)

与えたスクリューにより 10 秒程度で設置が可能である．

固定端

荷重

軽量かつコンパクトな構造のため作業者 1 名で持ち運ぶ
応答出力 rs

ことができ，方法も簡単である．既往の計器の設置ではプレボーリングが必要であったが，MPS では必要無く設置の労力が軽減されている．また，使用する機材は汎用

換算せん断ひずみ qS(マイナス側)たわみ sの電動工具のみであり，特別なコストを要しない．さらLに，設置に際しては MPS 自身が土を押し広げながら斜面に貫入するため，棒との密着度が高く，さらに最後に(a)表層ひずみ棒(MPS)の曲げ変形と換算せん断ひずみ

上端の逆円錐状の受圧体が強く押し広げて土と一体化する．詳細は後述するがその結果，高い計測感度が得られ，微少な動きにも反応するものとなっている．

8

600

6

検知の概念
応答出力 rs ()図 7 はすべり面上の任意な点Ｏにおける変位分布とこれに伴って生ずるせん断ひずみについて，その発生概念を示す 15)．すべり面の接線に平行な変位成分はその近傍で急増し，すべり面から離れるにしたがって収束する．
ここで着目した変化は，すべり面から離れた場所に関連

荷重 F (N)

4)

800

400

200

F =1.31 s-0.09

42

rs=653.5qs-7.1して生じる微小なせん断変形である．変位分布の接線勾配(1 階微分)はたわみ角，すなわちせん断ひずみ増分(q)00.0であり，(b)図のように分布する． qはすべり面から離れ

0.3

0.6

0.9

1.2

0

0

るにしたがって値は急激に減少する．しかし，斜面の浅(b)換算せん断ひずみと応答出力い部分では値がゼロとはならず，微小なせん断変形は生じていると仮定した．q曲線の接線勾配すなわち変位の 2

2

4

6

たわみ s (mm)換算せん断ひずみ qs (%)(c)たわみと荷重

図 8 表層ひずみ棒の応答感度と曲げ特性

階微分は曲げモーメント増分を意味し，(c)図のように分しかし，浅い斜面にも小さな曲げモーメント成分は発生すると考え，これを MPS で直接捉えることとした．
表層ひずみ棒の曲げ変形による応答
図 8 は MPS の応答感度と曲げ剛性を示す．(a)は片持
ち梁条件を与えた載荷試験の条件を示し，載荷による曲げ変形と換算せん断ひずみを示す．換算せん断ひずみqsは式(1)に示すとおり，MPS の有効長さ L に対するたわみ s の割合と定義し，図に示す曲げ変形(上に凸)による

qs をマイナスとした．
q s (%) 

s
100
L

(1)

ずみゲージからの出力である．qs<1 ではqs と rs の間に良好な直線関係が認められqs=1%の時に rs は 653出力する．また，(c)に示す荷重 F とたわみ s の関係もほぼ直線であり，曲げ剛性の計算値は 5.46×10 7(N･mm)である．

1)

1

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

-0.6
MPS4

-0.4

MPS2

-0.2
0.0
16:27
小崩壊

0.2

16:36
大崩壊

ASG2

0
-1
-2

ASG1

30

(b)はqs に対する応答出力 rs()の関係を示し，rs はひ

5

-0.8

崩壊予兆の解析

変位増分 d (mm)5)

換算せん断ひずみ増分 qs(%)

トは最大となり，距離が増加するに従って値は減少する．

傾斜増分 a (deg)

布することとなる．すべり面の前後位置で曲げモーメン

20
10

DTP1
DTP2

0
S6
S7
S5
S1 S2
S4
S3
-10
13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00
時刻

図 9 崩壊に至るまでの各センサーの応答比較

実験経過と計測反応
図 9 は実験開始から斜面が崩壊に至るまでの各センサ

ーの測定値の時刻歴を示す．13:00 に切土掘削(S1)を開ここで，qs の正負は表層ひずみ棒の曲げ方向を意味す

始し，最終の S7 が 16:19 に終了した．写真 2 に示すよる．S7 切土を終了しても直ぐには崩壊していない．しかうに崩壊は S7 終了から約 7 分後の小崩壊と約 16 分後のし，qs には明確な増加が見られ，約 7 分後に小崩壊が大崩壊の 2 回発生し，その時の反応が各センサーに現れ発生した．崩壊ブロックの上部に設置した MPS2 とている．MPS によるq は S4 からマイナス側 16)に増加

MPS4 では小崩壊に至るまでの反応がほぼ一致している．

を示しその後 S7 までの間，増加と収束を繰り返す．

さらに両 MPS は小崩壊後も継続した動きを示し，約 9

s

－28－

斜面の浅い部分のせん断ひずみ計測による崩壊監視の提案
も同様を繰り返す．しかし S7 以降では DTP1 と DTP2の増加が継続し，MPS と同様な変化を示している．
2)

変位に対する傾斜とせん断ひずみの反応比較
図 10 は DTP1 の変位増分(d)に対する MPS4 のqsと ASG1 のa の反応を示す． 4<d<7mm ではqs がマイナス側に大きく増加しており，小崩壊前の反応が変位と関連を持って敏感に現れている．d >9mm は後の大崩壊に対する反応を意味し，先の小崩壊前の反応に比べて小崩壊直後
16:27(te=0)

崩壊直前
16:26(te=-1)

幾分傾きは減少しているものの明確な反応を示している．

大崩壊直後
16:36(te=9)

一方，a はd=0 の時に 0 から-0.4 度まで増加してい写真 2 崩壊する斜面の様子

るが，この反応と斜面の不安定化の関係は明確でない．
4<d<7mm におけるa の増分は非常に小さく，その曲線

-0.6

-1.2

-0.4

3)
-0.8

-0.2

-0.4

0.0

て示し，左が R05 列，右は R10 列のものである．経過時
間(te)は小崩壊の発生時刻を基準とした値であり，マイナ
スの値は小崩壊から過去に遡った残り時間を意味する．
斜面下側に位置した MPS1 と MPS3 は te=0 の小崩壊
で土砂とともに落下し，MPS2 と MPS4 はその後の大崩

0.0
小崩壊
0

小崩壊

大崩壊

5
10
15
変位増分 d (mm)0

浅い部分のせん断ひずみで検知した崩壊予兆
図 11 は MPS で計測した 2 つの崩壊時の反応を拡大し傾斜増分 a (deg)

換算せん断ひずみ増分 qs (%)にはデータのバラツキが見られる．

ASG1

MPS4

大崩壊

壊で落下した．4 つの MPS には小崩壊前に直線的な値の増加が共通して現れている．そして小崩壊のブロック

5
10
15
変位増分 d (mm)内にあった MPS1 と MPS3 ではその 3 分ほど前から加図 10 変位増分に対する換算せん断ひずみ増分と傾斜増分

速度的な増加に変化している．この傾向は大崩壊前のMPS2 と MPS4 に共通している．

-0.5
R10

R05

換算せん断ひずみ増分 qs (%)

図 12 は逆速度と te の関係を示す．ここで，せん断ひ-0.5

ずみ速度(vq)を単位時間当たりのqs と定義し，この vq

-0.4

-0.4

-0.3

-0.3

の絶対値の逆数を逆速度(1/vq)という 17)．本研究では vq
を 1 分間に収録したデータから近似計算して求めている．

MPS2
-0.2

-10min まで 1/vqが 1000 を超えて分布している．これは

-0.2

-0.1

MPS3

MPS1
小崩壊

0.0

図 12(a)と(b)の左側に示した全体経過の図を見ると te は

MPS4

-5

大崩壊

0
5
経過時間 te (min)

小崩壊
10 -5

vqの値が非常に小さく斜面にはほとんど動きがなかったことを意味する．その後 te =-10min から 1/vqは劇的な減少を示したが直ぐには崩壊に至らない．この te =-10minは S7 を開始した時に対応し，te=-7min はその終了時であるが，te=-7min の時に 1/vqは 100 以下に減少してい

-0.1

大崩壊

0
5
経過時間 te (min)0.0
10

る．右に拡大して示した崩壊直前の図を見ると，

図 11 崩壊直前における換算せん断ひずみ増分

te=-7min から-3min までの間，1/vqは 100 以下で停滞する よ う な 挙 動 を 示 す ． こ の ４ 分間 ， vq は 0.01 か ら

分後には再発した大崩壊に対しても数分前から反応が現

0.03%/min の速度でせん断ひずみが増加している．そのれている．

後，崩壊ブロック内にあった MPS1 と MPS3 は共に傾斜増分(a)については斜面下側の ASG1 が S3 から

te=-4min から 1/vqが直線的な減少を示しており，すなわ

マイナス側に増加を示す．しかしこの反応には，各切土

ちqs は加速度的に増加して崩壊に至っている．一方，に対するものが確認できず小崩壊に対する変化も見られ上側の崩壊ブロック外にあった MPS2 と MPS4 ではそない．小崩壊の発生場所が斜面に向かって右側であったの直線的な減少が少し遅れて te=-2min 頃から現れる．

のに対し，ASG は左側に設置されていたためとも思われ従って，崩壊ブロック内の表層ひずみ棒の方がqs の加るが，その後の全体的な大崩壊に対しても事前の増加は速度的増加は早く現れている．なお，一定速度の定常的捉えられていない．従って，今回の実験では，両 ASG

なひずみ増加はブロック内と外に共通してほぼ同時に現に共通して大崩壊の発生そのものは知ることができたが，れており，vq> 0.01 %min を検知した時刻に大きな差はそれに至る前の変化を計測することはできなかった．

見られなかった．

一方，変位増分(d)は斜面下側の DTP1 にまず明確な

以上の通り，斜面の浅い部分におけるせん断ひずみの反応が現れている．S5 では増加後に一旦収束し，S6 で増加を計測したところ，崩壊前にクリープ的破壊傾向が－29－

労働安全衛生総合研究所特別研究報告
100000
直前

10000

200

1000

150
v=0.01 %/min

100

MPS1

MPS2

崩壊部と MPS の距離 d (m)0D1 避難の猶予時間 Tr1(min)

6.6

100

10

過去

50
MPS2

S7終了

MPS1
1

30

20
10
残り時間 (min)

0

-8

-6
-4
-2
残り時間 (min)00MPS1 と MPS2

(a)

-40

100000

MPS4

0.5

0

0.5

8.2

8.5

8.3

未来
実測値

rs2
rs1
予測値

-20
0
⑥

⑤

実測値

250

③

直前

全体

MPS3

現在

せん断ひずみ qs

逆速度 1/vq (%/min)

表 3 崩壊部と MPS の距離並びに D1 避難の猶予時間

250
全体

JNIOSH-SRR-NO.42(2012)20④
逆速度 1/vq (min/%)

10000

200

1000

①

60

近似式

q s  A  te  B

150

図 13 D2 判別の方法と閾値の設定

vq=0.01 (%/min)

100

②

40

時間 te (秒)

100

MPS3
10

-30

-20
-10
経過時間 te (min)(b)

危険の判別方法の提案
MPS の計測データから D1 と D2 を判別する解析方法

S7終了
1

2)

50
MPS4
0

-8

-6
-4
-2
経過時間 te (min)0について述べる．収録データから時刻 te と換算せん断ひ0

ずみqs の回帰分析を行って，式(2)のような直線式の係数

A と B を求める．

MPS3 と MPS4

図 12 小崩壊までの逆速度の変化

q s  A  te  B(2)

確認された．すなわち，はじめに一定速度でひずみが増

ここで，A はひずみ速度であり先に述べた vqと同じ物

加(定常増加)し，その後，加速度的増加へ推移するもの

理量である．なお，後述する警報器では 0.1Hz で収録しであった．今回の実験では崩壊予兆として約 7 分前にた 6 組のデータセットに対して回帰分析が行われる．

0.01%/min 以上の定常増加が共通して観測され，さらにD1 を判別するための 2 次クリープ的変化は A の値が加速度的増加がブロック内の MPS では 4 分前から，ブロ設定した閾値よりも大きくなった場合とし，本研究ではック外(上部)でも 2 分前から捉えられた．

先の図 11 の結果を考慮して|A|>0.01(%/min)と仮定した．この値は MPS と警報器の電気的な応答感度の性能

6 危険予測と避難1)(表 2 参照)からも検出可能なレベルであり，値は曲げ方危険の指標化向の反転も考慮して絶対値としている．

大型模型実験では計測した斜面の浅いせん断ひずみに

表 3 は|A|>0.01 (%/min)と設定した場合の，D1 警報

クリープ破壊的な傾向が観察された．そこで，このせん

開始から崩壊までの時間を逆解析した結果を示す．ここ断ひずみの変化と崩壊危険の関係について，斉藤らが示に示した値は D1 避難の猶予時間を意味するものでありした伸縮量のひずみ速度による破壊の考え方 18)，19)を参以下，猶予時間 Tr1 と呼ぶ．また，すべり面と MPS の間

考に，次のように指標化した．

の最短距離を d で表し，これがマイナスの値であるもの① D1：一定速度で定常的にせん断ひずみが増加する 2は崩壊ブロック内にあることを意味する．先にも述べた

次クリープ的変化の場合であり，いわゆる黄色信号

とおり MPS1 と MPS3 は崩壊ブロック内に存在したの状況である．

(d=-0.4)が，MPS2 と MPS4 は崩壊ブロック外の上部に② D2：せん断ひずみが加速度的に増加する 3 次クリーあり，d=0.5m であった．Tr1 は 6.6min から 8.5min とプ的変化の場合であり，崩れ始めた特に危険な赤信なっており，0.5m 程度の設置距離であれば D1 による避号の状態である．

難時間に顕著な差は見られない．なお Tr1 については土

D1 と D2 は先の大型模型実験で発生が確認されており，の種類や掘削条件によって増減するものであり，さらに崩壊の予兆を示すものと考えられる．特に D2 は斜面が0.5m 以上の平面的な離隔を有する場合の MPS の応答感変形から崩壊に推移した危険な状況である．従って，避度については今後調査する必要がある．

難は本来 D2 前に完了すべきものと考えられるが，もしD2 を判別するための 3 次クリープ的変化は実測値と未完了の場合には緊急的な行動が必要な状況である．

予測値の差による評価の方法を用いた．図 13 は 0.1Hz－30－斜面の浅い部分のせん断ひずみ計測による崩壊監視の提案で計測する場合を例に示す．まず，直近の 1 分間に収集

表 4 崩壊 60 秒前に D2 警報させる閾値を逆解析した結果した 6 組の計測データからqs と te の関係式を式(2)のよう

MPS1

MPS2

MPS3

MPS4

1.9

1.4

3.5

3.1

に求めて先の D1 判別を行うが，同時にこの関係式から

崩壊 80 秒前の10 秒後と 20 秒後のせん断ひずみの予測値を計算させる．

A (×10-2 %/min)

そして，予測時刻となった時に予測値と実測値の差を計

rs1 (×10-3 %)

2.1

0.3

5.4

11.1

算し，2 つの差がともに閾値を上回った場合に D2 と判

rs2 (×10-3 %)

4.0

1.5

8.8

9.9

別させる．従って，D2 は 10 秒後と 20 秒後の 2 段階で判別させ，両方ともに満足した場合のみ一致と判断する．
ここで 10 秒後と 20 秒後における予測値と実測値の差の表 5 表層ひずみ棒の小型警報器の主な諸元と警報設定例
単 2 形アルカリ乾電池
連続運転時間チャンネル数
サンプリング周波数
最小二乗法による回帰計算電源

閾値をそれぞれ rs1 と rs2 という．
表 4 は先の大型模型実験における MPS の計測データ

データ収録

を逆解析して求めた rs1 と rs2 の値である．その解析条件
は小崩壊発生の 60 秒前までに D2 警報を発することとし，崩壊 80 秒前の A 値から予測値を計算し実測値との差を求めた．その結果，崩壊ブロックの外側にあった MPS2

傾向分析
D1 警報
ライト点滅

判別の閾値
|A|>0.01(%/min)

D2 警報
ライト＋警報音判別の閾値|rs1|>2.1×10-3 %and|rs2|>4.0×10-3 %の値が他に比べて小さく現れ，反応には位置による差も見られた．崩壊ブロックの内部にあった MPS1 と MPS3に着目し，ブロック内設置を前提とした閾値を安全側に選択すると|rs1|>2.1×10-3 %，|rs2|>4.0×10-3 %となる．
3)

小型警報器の試作

4.5V (3 本)
約 20 日間
1ch
0.1Hz

q s  A  te  B
1 分間(6 点)のデー
タの直線近似よる
せん断ひずみの増加速度から判別．
10 秒後と 20 秒後におけるせん断
ひずみの実測値と予測値の差から判別．

図 14 は表層ひずみ棒用に試作した小型警報器(以下，
表層ひずみ棒

「警報器」という)の構造と斜面に設置した使用イメージ

ペグ

接続図

内部図

を示す．表 5 は警報器の諸元と先に提案した警報閾値のブザー

設定例を示す．警報器の接続ケーブルを MPS 上端の防水コネクターに接続するとユニットの電源がＯＮとなり，自動的に計測を開始する．電源には単 2 乾電池 3 本を使用するが，起動はサンプリング前後の短時間に限定する

防水
コネクタ

ことによって省電力化されており，通常約 20 日間の連LED
単2乾電池3本

続運転が可能となっている．なお，運転中に作動した

アンプとCPUとメモリ
接続ケーブルD1 と D2 の警報の頻度によって運転時間は減少する．計測は MPS1 本に対して警報器 1 台の関係であり，サンプ(a) 小型警報器の接続と内部の構造

リング周波数は 0.1Hz である．
警報器の内部には電子回路が組み込まれており，デー
タの収録と D1 と D2 の判別が自動的に実行される．警

警報器

報は，例えば表 5 に示す閾値から判別し，発することが可能である．D1 警報では赤色ライトが点滅して現場に第一段の危険を知らせる．さらに，D2 警報では赤色ライトの点滅が早くなるとともにブザーが鳴って第 2 段の警報を知らせる 20)．なお，パソコンとの接続により，閾値の変更やデータの回収を行うことができる．
掘削をドラグ・ショベル等の建設機械で行う場合には，
たとえ小規模な崩壊が発生しても労働者の直接的な被災

表層ひずみ棒(埋設)(b) 斜面に設置した表層ひずみ棒と警報器には至らないが，労働者がいるところで崩壊すると命に図 14 小型警報器の構造と使用イメージ

関わる．そのため，モニタリング位置は掘削後の作業を想定する必要があり，MPS は図 5 のように最終掘削面

斜面現場における避難速度 21)は 0.5 から 1.3m/sec との上方へ設置して用いることが有効と考える．

言われており，中小規模な現場における比較的短距離な

MPS を崩壊ブロック内に設置した場合は，その位置に避難への適用を前提とすれば，数分の避難時間は労働者

関わらずほぼ同様な反応が現れることを実験から確認しの命を十分救うものとなる．なお簡易計測による予兆把たが，この崩壊ブロックの位置を現場で正確に予測する

握には性能的な限界があることも念頭におく必要がある．

ことは容易でない．従って，配置場所については「崩壊特に崩壊規模が大きな場合には避難時間も長く必要とな

すると労働者に危害が及ぶ部分」への設置を基本とし，るため，危険レベルの考え方も変える必要がある 22)．

その作業は掘削前に行っておくことが必要である．

－31－

労働安全衛生総合研究所特別研究報告

JNIOSH-SRR-NO.42(2012)

以上の通り，施工中における現場斜面の変化を簡易に

土砂の直撃を受けさせないようにできる．さらに D2計測し， その崩壊危険性を知る ための表層ひずみ棒

警報では危険の増加を確認することができ，避難が未(MPS)を開発した．さらにその収録データを現場で直接完了な場合にも緊急的な行動を促して，重篤な人的被解析して，危険を D1 と D2 の 2 つのレベルで判別する災を防げることを述べた．

ための警報器を製作した．この作製では，施工中の仮設⑦ 表層ひずみ棒に接続して使用する小型警報器を試作的な使用を考慮して，コンパクトで簡易に使用できるよ

し，現場における崩壊監視のコンセプトを示した．本う工夫した．このように斜面工事における安全監視の補警報器は乾電池 3 本で約 20 日間駆動するものであり，

助と災害復旧のような危険を伴う作業での安全対策を提ケーブル接続のみで自動的に計測を開始する．現場で案した．なお警報ランプとブザーの認知性については改計測して直ちに警報を発することが可能であり，崩壊

善すべき部分も残されており，引き続き性能的な向上に前に避難させることができる．このように，土砂の直も取り組みたいと考えている．

撃による労働災害を防止する安全対策を提案した．
以上の通り，本研究では土砂崩壊による人的被災防止

7 まとめの観点から表層ひずみ棒による簡易計測を考案し，実験

本研究では土砂崩壊による労働者の被災防止をという的検討から崩壊予兆が捉えられることを明らかにした．

観点から安全対策を検討した．この検討では労働者が土そして D1 と D2 の 2 段階で危険レベルを定義し，警報

砂の直撃を受けないように避難させることを目的に，計により労働者を避難させる新たな安全対策を提案した．

測的手法による崩壊予兆の把握について実験的に調査しなお表層ひずみ棒による予兆把握には，崩壊機序の違い

た．特に本研究では工事中の仮設的な使用を考慮して，や装置の簡便さによる性能的な限界があることも念頭に設置と使用が容易な表層ひずみ棒を考案し，その性能を置く必要がある．ここで提案した簡易計測は，従来目視確認するための大型模型実験を行った．本研究で明らかで行ってきた地山監視を補助することが主目的であり，にした主な内容は次の通りである．

土質や施工条件の違いによって警報時間や反応には差を① 斜面工事中の崩壊は遅れて発生する場合があり，この生じる可能性もあることに注意が必要である．従って，ような時間遅れが現場作業員に誤った安全の判断を

実務では性能を過信せず補助的な利用とすることも提案与える可能性もあることがわかった．さらに，一度崩したい．簡易計測による避難への適用については，引き壊した斜面には再崩壊の危険があり，不用意に近づく

続き研究を継続させ，崩壊の検知性能と警報の認知性能

ことは危険なことが明らかになった．

を向上させたいと考えている．

② 表層ひずみ棒で斜面の浅い部分のせん断ひずみを計測したところ，崩壊の約 7 分前には一定速度の増加が謝

辞現れ，さらに約 2 分前には加速度的に増加するデータ

本研究の実施にご協力頂いた東京都市大学大学院生のが計測された．すなわちクリープ的破壊モードが斜面

三國智温さん及び卒業生の野田昌志氏と山本希氏並びに崩壊のプロセスに確認され，その増加傾向は比較のたご指導賜った片田敏行教授と末政直晃教授に心よりお礼

め計測した変位のそれとも一致することがわかった．

申し上げます．

③ 変位計は不動点確保や占有面積の問題から工事現場での使用が容易でないことがある．また傾斜計では，

参

考

文

献

今回崩壊の発生そのものを知ることはできたが，それ1)

厚生労働省．労働災害防止計画．2008：1-21．

に至る前の変化を計測することはできなかった．一方，

2)

豊澤康男，伊藤和也，堀井宣幸．土砂崩壊災害防止の観点

表層ひずみ棒は単体の出力から崩壊前の反応を捉えから見た斜面掘削工事における施工上の問題点．第 41 回

ることができた．表層ひずみ棒の大きさは長さ約

地盤工学研究発表会論文集，2006：1-2．

60cm とコンパクトであり工事の妨げにもなりにくい

3)

ため，現場での計測に広く適用できる可能性がある．

伊藤和也，豊澤康男，堀井宣幸．切土掘削工事現場における斜面崩壊による労働災害の調査・分析．労働安全衛生総④ せん断ひずみの 2 次クリープ的変化と 3 次クリープ的合研究所特別研究報告，JNIOSH-SRR-NO.35(2007)．

変化の発生をそれぞれ危険レベル D1 と D2 と定義し2008：7-18．

た．D1 はせん断ひずみ速度 A を閾値に，D2 は収録

4)

データの傾向から予測した値と実測値の差 rs1，rs2 を神谷康司，藤井哲也，増成友宏．GPS 変位計測による上空障害物の影響調査と精度改善手法の検討．土木学会第61 回年次学術講演会概要集．2006：435-436．

閾値として判別する方法を提案した．
⑤ 大型模型実験の計測データを逆解析して求めた D1 警

5)

報と D2 警報の設定値を例示した．D2 警報について

古野電気株式会社：http://www.furuno.co.jp/product/gps/terrain/principle.html.

6)は，予測値と計測値の差を用いた加速度的な増加の判別を導入し，崩壊 1 分前に警報を発するために必要な地盤調査の方法と解説．伸縮計を用いた地表面移動測定方法(JGS 1725-2003)．地盤工学会．2004：619-627．

7)

閾値の試算結果を示した．
⑥ D1 警報で数分の避難時間を確保できれば，中小規模地盤調査の方法と解説：水管式地盤傾斜計を用いた地表面の傾斜変動量測定方法(JGS 1721-2003)．地盤工学会．

の工事現場では労働者をほぼ避難させることができ，－32－

2003：628-634

斜面の浅い部分のせん断ひずみ計測による崩壊監視の提案
8)

16)

地盤調査の方法と解説．地中ひずみ計を用いた地すべり面
測定方法(JGS 1731-2003)．地盤工学会．2003：643-651．

9)

斜面における土砂撤去の実験的モデル化と崩壊計測．第47 回地盤工学研究発表会論文集．2012：1647-1648．

玉手聡，堀智仁，伊藤和也，吉川直孝， 三國智温，末政17)

直晃，片田敏行．実大規模実験による斜面の浅いせん断ひずみと崩壊予兆の解析．第 47 回地盤工学研究発表会論文

19)

13)

20)

ション実験，http://www.jniosh.go.jp/group/construction/

2012：1-11．

simulation/simulation.html
21)

Satoshi Tamate, PENETRATION-TYPE PIPE STRAIN

豊澤康男，堀井宣幸．現場避難実験による土石流発生時の避難時間の検討．産業安全研究所特別研究報告，
NIIS-SRR-NO.25(2002)；2003：25-37．

玉手聡，貫入型パイプひずみ計，P2012-32330A，公開特22)

許公報．2012：1-13．
15)(独)労働安全衛生総合研究所：土砂崩壊の実大シミュレー

玉手聡，貫入型パイプひずみ計，P4942348，特許公報．

GAUGE, US. Patent No. 7,762,143 B2, 2010.7.27.
14)

斉藤迪孝，斜面崩壊の予測について，土と基礎，1972；
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12)

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地盤調査の方法と解説：RI 計器による土の密度試験の方法(JGS 1614-2003)．地盤工学会．2003：592-604．

11)

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10)

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玉手聡，遠藤明．斜面工事における簡易な安全監視のため

玉手聡，伊藤和也，Surendara B Tamrakar．表層ひずみのスクリュー貫入形表層ひずみ計の開発とその適用性に計測による施工時斜面の崩壊監視に関する実験的研究．土関する実験的研究，労働安全衛生総合研究所特別研究報告，

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－33－