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第39回地盤工学研究発表会（新 潟）2004 年 7 月

H - 05
連結ユニバーサル変位計の開発 −基礎実験結果及び設置方法−

キーワード シールドトンネル・現場計測・変形測定（財）地域地盤環境研究所

正会員 橋本 正
正会員 水原勝由

大成建設㈱

西田義則

坂田電機㈱

正会員○才田 誠

和田幸司
正会員 樋口佳意
1．はじめに

2.2 支点位置の算出

建設工事に伴うトンネル断面の変形など，2 次元あるいは3 次

基準点を P0(0，0）とし，各支点座標を Pn(Xn，Yn）とした時

元変形計測を実施する場合，多種多様な複数の測定系によって複の座標計算式は以下のように表せる。

雑に行われることが多い。このため従来よりもシンプルな設置法で小スペースかつ高精度で自動計測が可能な計測手法が望まれ

P0 ( 0, 0), P1 ( X 1 , Y1 ・・・)
Pn ( X n , Yn )X 1 = (l1 + ∆ l1 ) ⋅ cos( θ 1 + ∆ θ 1 )ている。そこで，筆者らは連結ロッドと回転軸を用いた変位検出

Y1 = (l1 + ∆ l1 ) ⋅ sin( θ 1 + ∆ θ 1 )方法を開発した。
このユニバーサル変位計は連結ロッドの伸縮量と隣接ロッド回転軸の回転角を測定することによって，さまざまな二次元変形を測定することが可能なものである。ここでは，ユニバーサル変位計の基礎実験結果及び実際のシールドトンネル坑内での設置方法について報告する。

 2
X 2 = X 1 + (l 2 + ∆ l2 ) ⋅ cos  ∑ (θ i + ∆ θ i )  i =1 2

Y2 = Y1 + (l 2 + ∆ l 2 ) ⋅ sin  ∑ (θ i + ∆ θ i )  i =1⋅ n
X n = X n − 1 + (l n + ∆ l n ) ⋅ cos  ∑ (θ i + ∆ θ i )  i =1 n
Y n = Y n − 1 + (l n + ∆ l n ) ⋅ sin  ∑ (θ i + ∆ θ i 
 i= 1

2．ユニバーサル変位計の構造および動作
2.1 機器構造
図 1 は，つくばエクスプレス常磐新線「常新，つくばＴ他」
工事１）において内径φ6700mm のセグメント覆工内面に設置したユニバーサル変位計の設置位置図を示す。本体は小さい摩擦で回転する支点，連結ロッドの角度変化を測る傾斜計および連結ロッドの伸縮より得られる支点間距離を測る変位計で構成される。
傾斜計は，前支点から連なる連結ロッドにより固定されており，各連結ロッドの相対角度すなわち連結ロッドの回転角⊿θiを測定する。変位計は次支点に連なる連結ロッド間の伸縮⊿li

l i ：支点間距離
θ i ：初期角度∆l i ：支点間距離∆θ i ：角度変化量

2．3 ユニバーサル変位計の設置方法
つくば T 他工事では，ユニバーサル変位計をセグメントリングのリング間接続ボルトを使用した取付治具によりユニバーサル変位計を設置した。図 2 に設置状況を示す。

を測定する。
連結ロッド
変位計

支点取付治具傾斜計

連結ロッド

l2 θ変位計
傾斜計

l1

図 2 ユニバーサル変位計設置状況
2

θ1

連結ロッドは変位計の測定範囲に合わせて長さを調整し連結，

θ1 P1 ( X 1 , Y1 )結合部の傾斜計は指示値が概略ゼロとなるよう鉛直方向に固定

P0 (0,0)
図 1 ユニバーサル変位計設置位置した。連結ロッドはスパンに応じた剛性が必要であり，つくば T他工事（約 2.5mピッチ）では，外径 32mm，内径 29mm の鋼管 (I=1.7x104mm4) を使用することで良好な結果が得られた。

Development of the Universal Type Deformation Gauge‐Experimental Results and Setting Method‐：Y.Nishida , K.Wada (TaiseiCorporation ) , T.Hashimoto , K.Mizuhara ( Geo-Research Institute ) , M.Saida , K.Higuchi(Sakatadenki Co., Ltd.)- 1679 -3．ユニバーサル変位計の信頼性

3.3 閉合誤差の補正
つくば T 他工事のセグメント覆工の断面周方向のように設置

3.1 測定精度確認試験
2000 年に筆者等が発表したユニバーサル変位計２）は連結ロッした場合，円周上の基点から順次累積して変位座標を求めることド結合部の隣接ロッドとの角度差を検出し，二回累積して変位をで，始点と終点の座標は理論上一致するものであり，不一致分は求める方式であった。今回は，各連結ロッドの鉛直に対する傾斜誤差と考えなければならない。この誤差の修正方法の一つとして角を直接求める方式に改良し，変位換算時の累積回数を一回とす

は，始終点を不動点とし，最終点変位を比例配分して差し引く補ることで測定精度の改善を期待している。

正法（図 6）が考えられる。
1

図 3 は傾斜計の分解能と検出信号の安定度を確認するための
変位 mm

持する真鍮棒の片側をヒータ線で加熱することによって微小角変位 mm試験装置を示す。傾斜計を取り付けた長さ 2.5m のＨ鋼両端を支0.50-0.5

度変化を与えるものであり，動作範囲 10 秒を連続的に制御する-12.5ことができる。図 4 はこの試験装置で得られた測定結果であり

5.07.5

10.0

12.5

15.0

17.520.0

測点距離 m

傾斜角1 秒（スパン 2.5m に対して 0.012mm）の連続変化を測図 6 両端を不動点とする閉合補正1定できることが確認された。
変位計
傾斜計

変位 m

変位 mm

Ｈ鋼0.50-0.5

ヒーター
加熱電源-1

真鍮台2.557.51012.5
測点距離 m1517.520

図 7 一次回帰法による閉合補正
図 3 真鍮台の熱膨張を利用した傾斜計試験装置

しかし，この方法（図 6）では個々に誤差を含む各点センサの以外の誤差が変形パターンを乱すことが考えられる。一方，始点の距離に対する累積変位の一次回帰線を求め，測定結果との差を求めた場合，個々のセンサの誤差によるばらつきを含めた評価ができると考えた。そこで，今回は後者による補正を採用した。図

No.1

14:59

15:09

No.2
No.3

7 は一次回帰法による補正結果を示したものであり，図 6 と比較変位換算傾斜して誤差の分布が一様に評価されることが分かる。図 8 は補正

15:19

15:29

15:39

結果の経時変化と温度変化との関係を示したものである。

16:08

変位 mm

図 4 微少変化に対する傾斜計の応答
3.2 ユニバーサル変位計のランニング試験

変位 mm

測定時刻

地表面の 4 点のコンクリートブロックに 2 台ずつのユニバー

7/7:0

7/7

7/6

7/6:0

7/5

7/5:0

7/4

7/4:0

7/3

7/3:0

期間7 日間，０，６，１２，18 時の各測点変位を示す。

7/2

7/2:0

角から求めた区間変位を累積して得られた変形分布であり，測定

7/1

7/1:0

サル変位計をセットし，4 台は進行方向，4 台は戻り方向に向け，計器間をワイヤーで連結してランニング試験した。図 5 は傾斜

1.2
10.8
0.6
0.4
0.2
0-0.2-0.4-0.6-0.8

4035302520
151050-5-102.5m

温度 ℃

傾斜 sec

うち始終点センサのみが誤差を持たないことになるため，始終点
1098
765432
1014:47

5m
7.5m
10m
12.5m
15m
17.5m20m
温度

図 8 各測点変位の経時変化

4 まとめ
今回，トンネル断面の変形挙動を高精度に計測する手法として連結ユニバーサル変位計の開発を行った。開発に際しては，個別計測器の測定精度や温度特性等の基本特性について室内実験を1実施し，温度変化等の厳しい条件下においても 1mm 以下の微小変位 mm
変位 m0.5な変位量が高精度かつ信頼性の高いデータを得られることが検0証できた。また，実際のシールドトンネル現場では，設置作業の-0.5

方法および施工性について検討を行い，実用性についても確認す

-12.5

57.5

1012.5
測点距離 m1517.520ることができた。課題としては，累積計算した始終点変位の閉合誤差の問題がある。今後，実測結果を踏まえ，より高精度の計測

図 5 0,6,12,18 時 7 日間の変位分布が可能な計測器および評価方法の研究開発を進める予定である。

この試験は，経時的な計測データの安定性の確認を目的に実施＜参考文献＞ １) 種田，高嶋，西田，新井，小山，水原：連結ユニバーサルしたものである。
試験期間中の変位量は若干のバラツキが見られ変位計を用いたトンネル断面の変形挙動計測，第39回地盤工学研究発表会，2004.7

るがほぼ±0.5mm 以内で安定していることがわかる。

2) 橋本，藤原，西田，他：ユニバーサル変位計の開発，第2回地盤計測技術に関するシンポジウム研究論文集 2000．

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