沿岸技術研究センター論文集

No.18(2018)

東京国際空港 D 滑走路の動態検証における光ファイバセンサの活用について
髙橋義典*・大村厚夫**・逸見*（一財）沿岸技術研究センター

誓一***・佐藤辰巳****調査部 主任研究員**（一財） 沿岸技術研究センター

調査役*** 国土交通省 関東地方整備局 東京空港整備事務所 保全課

施設評価係長**** パシフィックコンサルタンツ株式会社 交通基盤事業本部 インフラマネジメント部

羽田空港Ｄ滑走路は埋立構造と桟橋構造を組み合わせた構造であり，埋立構造と桟橋構造の接続部においては，護岸背面の埋立土の施工時・供用時・地震時の地盤の沈下や側方変形を抑制するために，鋼管矢板井筒構造が採用された．また，動態検証では，鋼管杭において十年を超える長期的な計測が実施されている．本稿では，鋼管矢板井筒構造を中心に設置されている光ファイバセンサと同一深度に設置されている電気式歪み計との計測値の対比を行い，光ファイバセンサによる計測への移行方法について検討した．また，滑走路の舗装の劣化状況の変化を検知するために埋設されている，光ファイバセンサにより劣化状況を検証した．
キーワード : 動態観測，光ファイバセンサ

1. はじめに

2. 鋼管矢板の歪み計測

東京国際空港（羽田空港）は，日本の国内航空ネットワークのハブ空港となっている．増加する旅客数に対して発着能力が限界に達していることに加え，国際発着枠の拡大に対する要請も強い．そこで,新たな発着能力を創出するために，沖合に 4 本目の滑走路を新設する羽田空港再拡張事業が 2007 年 3 月末に着工され，2010 年 9 月 1 日に供用開始（竣工検査翌日）した．羽田空港Ｄ滑走路の期待供用年数は 100 年と長く，今後も長期にわたり基盤施設の構造安定性・耐久性の確保及び安定的な運用を確保するために継続的に容易かつ確実に実施できる維持管理が求められている．

桟橋構造

埋立構造

-3.5-8.0-19.0-37.0-49.0

埋立構造
-61.0

連絡誘導路

凡例
〇：S G
〇：FBG

図-2 埋立／桟橋接続部 断面図

桟橋構造2.1 設置センサの特徴
図-1 埋立／桟橋接続部 平面図

鋼管杭の歪み計測には，電気式歪み計 SG（以下，SG），光学式歪み計 FBG（以下，FBG），光学式歪み計 BOTDR（以下，BOTDR），の 3 種類のセンサが設置されている．図-2 に鋼管矢板井筒部の断面およびセンサの配置を示す．

- 19 -

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No.18(2018)

い．
よって，BOTDR で分布図を作成し，計測精度の高いFBGの計測値を組み合わせる事によって，SGに代えて，鋼管杭の最大応力度と発生位置の長期モニタリングを行う方法を検討した．図-3 に BOTDR のノイズ処理前の計測値に SG と FBG（FB）の計測値をプロットした断面分布図を示す．

Ｄ滑走路におけるモニタリング計画では，鋼管杭において10年を超える長期的な計測が計画されていることから長期間の使用に耐えうるセンサが要求されている．
SG の期待耐用年数は 10 年程度であり，空港基盤施設の長期間の動態検証においては，期待耐用年数が 50年程度と長い光学式歪み計の観測データによる検証が不可欠となっている．
光学式歪み計は，光ファイバに入射した光のパルスの反射波の波長や周波数が歪み量に比例してシフトすることを利用して，歪み計測を行うものである．Ｄ滑走路では FBG と BOTDR の２種類の方式が採用されている．FBG は，SG と同じく，約 10mm のセンサ区間における歪みを測定し，計測精度は±3μ程度であり，静的のみならず動的な歪み計測が可能である．一方，BOTDRは，光ファイバ全長がセンサとなり，１ｍのセンサ区間を10cm刻みで連続して移動させることで歪み分布を測定し，計測精度は±100μ程度であり，静的ひずみ計測が可能である．表-１に電気式歪み計と，光学式歪み計の特徴を示す．
表-1 鋼管矢板への設置センサの特徴】
A-DXP 【Ａ杭（桟橋側）
10
水中部では水温変化の影響を受け，夏（◆）と冬（◆）で，FBG，BOTDR の計測値で差異がある．

0-10

余長ボックス計測区間．
（上杭と下杭の継ぎ手位置）-20

深度(m) AP-30-40BOTDR（夏：－，冬：－）はノイズ処理前の計測値．

-50-60-70

SG 2015/09/30
SG 2016/02/29
FB 2015/09/30
FB 2016/02/29
BO 2015/09/08
BO 2016/02/23-80-90-200-150-100 -50
50 100 150 200※SG の計測値はFBG の計測開始日（2010
応力度(N/mm2)
年9 月1 日）がゼロになるように補正

図-3 歪み（SG,FBG,BOTDR）の断面分布図
Ｄ滑走路の動態検証は、2018 年 9 月で，2010 年 9
月 1 日の供用開始（竣工検査翌日）以降約 8 年，施工開始から約11.5年が経過しようとしている．
このため，センサ寿命が 10 年程度と言われている SG による管理から光学式歪み計（FBG、BOTDR）による管理に移行が必要である．

2.2 光学式歪み計によるモニタリング方法
FBG の計測精度は±3μと，SG と同程度である．
計測点数については，SG は，鋼管全長を測定できるよう等間隔（5m 程度）に設置されているのに対して，FBG は，計測可能な波長帯が限られているため，１本の光ファイバに連装できる数が限定される．また，FBGの設置個所は，地震時の挙動計測に備えて配置されているため，必ずしも，常時の最大応力度を計測する深度・ピッチにセンサが設置されていないので，「最大応力度発生位置」を推定し難いという欠点がある．
一方，BOTDR は 10cm 刻みで計測することにより全長にわたり連続した計測ができるが，計測精度は高くな

2.3 FBG の補正方法（１）初期値の設定
FBG の計測データは，供用開始以降の応力度増分を示すものであることから，杭材自体の発生応力度を算出するためには，SG で計測している供用開始までの施工
時応力度を FBG の計測値に加算する．
（２）温度補正
SG は貼り付けられている鋼材（以下，母材）の温度伸縮に対して温度補償がされているが，光学式歪み計（FBG，BOTDR）は温度補償がないため，母材の伸縮膨張に対して温度変化の影響を受け，水中部では季節温度により変動する．
（図-4,5 参照）
FBG の初期値が温度補償されている SG と同値になるように，温度補償値（SG－FBG）を加算する．
（図-６参照）
なお，SG の計測値は FBG の計測開始日（2010 年 9 月1 日）がゼロになるように補正した上で算出して比較している．

- 20 -

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200

FBG

160

80
stress(N/mm2)

また，余長ボックスの計測区間は弛ませているため，上杭と下杭との計測区間は BOTDR の原データでは、余長ボックスの弛ませ量が表示される．
計測区間の補正では，余長ボックスの計測区間（上杭の下端部、下杭の上端部）を特定する．図-7 に BOTDRの原データに SG と FBG の計測値をプロットし，余長ボックスを特定する為の断面分布図を示す．

DATA FB z= -3.5
DATA FB z= -8.0
DATA FB z= -19.0
DATA FB z= -37.0
DATA FB z= -49.0
DATA FB z= -61.0

120

400-40-80-120

Z=-3.5, -8.0 の水中部のみで季節変動がみられる．
地中部については温度補正の必要性は小さい．

-160

No.18(2018)-2000500

1000

1500

2000

2500

3000

図-4 温度補償図（FBG）
200

SG160

DATA SG z= -3.5
DATA SG z= -8.0
DATA SG z= -19.0
DATA SG z= -37.0
DATA SG z= -49.0
DATA SG z= -61.0stress(N/mm2)

800‐1040

上杭120

水中部では水温変化の影響を受け，SG とFBG の計測値の差異が大きい．

100‐20-40

応力変化が小さい特異区間（余長部分）．

-80

深度(m) AP-160-2000500

1000

1500

2000

2500

3000

図-5 温度補償図（SG）
200

温度補正値（SG-FBG）

160

DATA ADJ z= -3.5
DATA ADJ z= -8.0
DATA ADJ z= -19.0
DATA ADJ z= -37.0
DATA ADJ z= -49.0
DATA ADJ z= -61.0

120

stress(N/mm2)

80‐30

下杭-120‐40
余長部分を登録したため，分布が実際より深い深度にずれている．

‐50‐60400‐70-40-80-120‐80-160-2000500

1000

1500

2000

2500

3000

BOTDRの初期緊張が経年的に減少した可能性があるので，補正が必要．

今回の検討では、-32m 付近から下部データを，上側にシフトした．

‐90date‐200 ‐150 ‐100 ‐50

図-6 温度補償図（SG-FBG）

50

応力度(N/mm2)

2.4 BOTDR の補正方法● SG● FBG（生値）

BOTDR の鉛直ひずみ分布は計測装置内の保存されている原データから計測区間を特定し，計測点の位置情報（設置標高）を設定する．
BOTDR の計測区間について，ノイズの除去処理後，SG に近似するように，温度補正及び初期値補正（供用開始時の SG の計測値の付加）を加算する．
(1)ノイズ処理及び計測区間の特定ノイズ処理は 1m 区間の代表値に中央値を採用した．
上杭と下杭の鋼管矢板の接合部には余長ボックスが設けられている.BOTDR の断面分布図は上杭，下杭の余長ボックスの標高から計測区間を設定し，SG の応力度分布に合うように，上杭及び下杭をそれぞれシフトする．なお，BOTDR は設置時に，圧縮しても弛まないように初期緊張を行い，鋼管矢板に固定している．
（写真-1参照）

100 150 200※SG の計測値は FBG の計測開始日（2010年9 月1 日）がゼロになるように補正

ノイズ処理前――- BO 生値―-― BO ノイズ処理―-― BO ノイズ処理＋下杭部シフト

図-7 ノイズ処理及び計測区間の特定図【A 杭（埋立側】(2)電気式歪み計の計測値による初期値補正
BOTDRの計測データは供用開始以降の応力度増分を示しているものであることから，SG で計測している供用開始までの施工時応力度を初期値として取り扱った．なお，BOTDR は 1m 間隔の計測点であるが、SG は約 5m 間隔の測定であるため、スプライン曲線による補間曲線を設定した．

3. D 滑走路・誘導路の舗装歪み計測
3.1 舗装歪みのモニタリング方法
Ｄ滑走路では、鋼管杭のほか，舗装の歪み計測にも光学式歪み計を使用し，年に１～2 回程度の離陸時の航空機載荷試験を行い，長期的にモニタリングを実施している．
P4P5（初期緊張，仮固定）（固定冶具取り付け）

写真-1 BOTDR 初期緊張，固定状況 2)

図-8 光学式歪み計埋設位置図- 21 -

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表-3 計測値と設計値の推定結果との比較(埋立部)

P1,2,3 埋立部：３段

P4,5 桟橋部：２段

図-9 光学式歪み計埋設断面図

3.2 舗装歪みの計測結果
航空機の通過時に舗装に発生する歪みは，舗装体の温度によって弾性係数が大きく変化するため，毎年同季節に測定された経年変化の傾向を解析した．なお，荷重は３区分し，代表機種として，大型機が B777、中型機がB767、小型機が B737 とした．
航空機の輪荷重は，個別機体差，離陸時の揚力の大きさで変化する．また，計測歪みは埋設計器（FBG）に対する車輪通過位置の影響でも変化する．
2010 年 9 月の供用開始以降の計測値の最大値・最小値・変動値（最大－最小）に着目して、経年変化傾向の解析を行ったが、供用開始以降の期間において舗装（基層）歪みの増加傾向は見られない．
（埋立部）（２）桟橋部の舗装歪み
桟橋部舗装の計測歪みについて，供用開始以降の計測日（全９回）毎の最大値を整理し，設計値と比較した．
P4 測点の計測値は設計値（解析値）と同程度，P5 測点の計測値は設計値（解析値）以下であり，桟橋部舗装の劣化の兆候はないと判断された．
表-4 計測値と設計値の推定結果との比較(桟橋部)（桟橋部）※桟橋部（P4,P5）の解析値は車輪通過速度とPC 床版の方向性を考慮し、FEM 解析にて算出．

4. おわりにSG による鋼管杭のモニタリングにおいては，施工開始後 11.5 年が経過し，SG の耐用年数が迫っている．今後2～3年を光学式歪み計での長期モニタリング体制への移行期間とし，新たなデータを追加し，より精度の高い整合調整を行うものである．

図-10 舗装歪みの経年変化図

5. 謝辞

3.3 舗装の健全度（１）埋立部の舗装歪み
埋立部舗装の計測歪みについて，供用開始以降の計測日（全９回）毎の最大値を整理し，多層弾性理論から算出した設計値と比較した．歪みは概略 100～200μであり、航空機（大・中・小型機）の差異は小さく，舗装温度 40℃では計測値＜設計値（多層弾性理論の解析値）であり、基層部分に特段の劣化は見られない．
表-2 多層弾性理論による設計値の推定結果（大型機）

本稿は，国土交通省関東地方整備局東京空港整備事務所発注による「東京国際空港Ｄ滑走路基盤施設動態検証業務」での成果の一部をまとめたものである．
検討に際し，整備局関係者には，貴重なご意見・ご指導をいただいた．ここに，記して厚く御礼申し上げます．

参考文献
1) 国土交通省関東地方整備局東京空港整備事務所: 東京
国際空港Ｄ滑走路基盤施設動態検証業務 報告書（平成 28 年 3月，平成 29 年 3 月）．
2) Ｄ滑走路の計測計画と長期モニタリングについて, 東京国際空港建設技術報告会（第五回）．

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