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JP7666121B2 - Strain Measurement System - Google Patents
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Description

本発明は、トンネル内に設置された鋼製支保工のひずみを計測するひずみ計測システムに関する。 The present invention relates to a strain measurement system that measures strain in steel supports installed inside a tunnel.

山岳トンネル工事において、土被りが小さく地山強度比が小さい場合や膨張性を有する地山の場合は、鋼製支保工に大きな土圧が生じる可能性があるため、鋼製支保工の安定性と妥当性(寸法やピッチ等)確認を目的とした鋼製支保工のひずみ計測(応力測定)が実施されることがある。 In mountain tunnel construction, when the soil cover is thin and the ground strength ratio is low, or when the ground is expansive, large earth pressure may be exerted on the steel supports, so strain measurements (stress measurements) of the steel supports may be carried out to confirm their stability and appropriateness (dimensions, pitch, etc.).

例えば、トンネル等の構造物の内空変位を計測し、構造物の変状を監視する技術が検討されている(例えば、特許文献1参照。)。この文献に開示された技術においては、構造物の内側に内空変位センサである梁の一端を固定し、梁の表面にひずみ計測が可能な装置を設置し、計測されたひずみから、構造物の鉛直方向および水平方向の変位を算出する。そして、内空変位センサに取り付けられたひずみ検出用デバイスの信号をひずみ計測装置が取得する。 For example, technology is being considered for measuring internal displacement of structures such as tunnels and monitoring deformation of the structures (see, for example, Patent Document 1). In the technology disclosed in this document, one end of a beam that acts as an internal displacement sensor is fixed inside the structure, and a device capable of measuring strain is installed on the surface of the beam, and the vertical and horizontal displacement of the structure is calculated from the measured strain. Then, a strain measuring device acquires a signal from a strain detection device attached to the internal displacement sensor.

また、地震時のトンネルの覆工挙動をリアルタイムに把握するための計測システムも検討されている(例えば、特許文献2参照。)。この文献に開示されたトンネル覆工挙動の計測システムでは、トンネルの覆工表面にひずみゲージを有するセンサと、このセンサに接続される無線送信装置とを配置する。そして、無線送信装置からのトンネルの覆工表面の変状情報をトンネルの外で無線受信装置により受信し、トンネル覆工変状情報解析装置で覆工表面の変状情報を解析する。 Measurement systems for understanding the behavior of tunnel linings during earthquakes in real time are also being considered (see, for example, Patent Document 2). In the tunnel lining behavior measurement system disclosed in this document, a sensor with a strain gauge is placed on the tunnel lining surface, and a wireless transmission device connected to this sensor. Information about the deformation of the tunnel lining surface from the wireless transmission device is received by a wireless receiving device outside the tunnel, and the deformation information of the lining surface is analyzed by a tunnel lining deformation information analysis device.

特開2013-047629号公報JP 2013-047629 A 特開2009-300323号公報JP 2009-300323 A

しかしながら、従来技術では、鋼製支保工のひずみ計測を行なう場合、鋼製支保工に設置されたひずみゲージを有線でデータロガーに接続している。従って、ひずみ計測を開始するためには、掘削を一時的に止め、掘削の影響が及ばない後方までケーブルを配線する必要があるため、鋼製支保工の建込み直後からひずみ計測を開始することができない。そして、ケーブルの配線は、側壁にはわすため、ケーブルの防護も必要になり、手間と費用を要していた。 However, with conventional technology, when measuring strain on steel supports, the strain gauges installed on the steel supports are connected to a data logger by wire. Therefore, in order to start strain measurement, it is necessary to temporarily stop excavation and run cables to the rear where they are not affected by the excavation, so strain measurement cannot start immediately after erecting the steel supports. In addition, because the cables are routed along the side walls, they also need to be protected, which is time-consuming and costly.

また、計測されたひずみデータは、ケーブル末端のデータロガーに集約される。従って、多大なひずみが発生した場合、データロガーと切羽まで距離があるため、切羽への緊急退避指示が遅れてしまう虞があった。 In addition, the measured strain data is collected in a data logger at the end of the cable. Therefore, if a large amount of strain occurs, there is a risk that the emergency evacuation command to the tunnel face may be delayed due to the distance between the data logger and the tunnel face.

さらに、従来技術では、ひずみの計測地点と日々掘削が進む切羽までの距離は計測されていない。そのため、リアルタイムに地山挙動予測ができなかった。 Furthermore, conventional technology does not measure the distance between the strain measurement point and the tunnel face where excavation progresses day by day. As a result, it was not possible to predict ground behavior in real time.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消し、鋼製支保工の建込み直後からひずみの計測を開始することができ、リアルタイムに地山挙動予測を行うことができるひずみ計測システムを提供することにある。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a strain measurement system that resolves the above-mentioned problems, can start measuring strain immediately after the steel support is erected, and can predict ground behavior in real time.

本発明のひずみ計測システムは、トンネルに設置された鋼製支保工のひずみを計測するひずみ計測システムであって、前記鋼製支保工に取り付けられ、計測したひずみ計測値を含む計測データを無線送信するひずみ計測装置と、切羽前で作業するトンネル工事用作業車に設置され、前記ひずみ計測装置から受信した前記計測データによって前記鋼製支保工のひずみを監視する監視装置とを具備し、前記監視装置は、前記計測データの受信時の電波強度に基づいて計測時の切羽までの計測距離を推定する計測距離推定部と、前記ひずみ計測値と前記計測距離とを計測数とした逆解析手法によって、地山弾性係数と、初期応力とを地山特性として推定する未知数推定部と、前記地山特性を用いた順解析によって内空変位やせん断応力分布を算出し、管理値と比較することで支保工適合性を確認する適合性判定部と、を具備することを特徴とする。
さらに、本発明のひずみ計測システムにおいて、前記監視装置は、前記計測データを受信すると、過去分の前記計測データと比較し、前記ひずみ計測値の変化量が予め設定された危険閾値を超えた場合、警告を報知するひずみ監視部を具備する
らに、本発明のひずみ計測システムにおいて、前記計測距離推定部は、前記計測データの受信時の前記電波強度に基づいて推定した前記ひずみ計測装置と前記監視装置との直線距離と、前記ひずみ計測装置が取り付けられた前記鋼製支保工が設置されているトンネル面と前記監視装置との直線距離と、切羽と前記監視装置との距離とに基づいて前記計測距離を算出する。

The strain measurement system of the present invention is a strain measurement system that measures strain in steel supports installed in a tunnel, and comprises a strain measuring device that is attached to the steel supports and wirelessly transmits measurement data including measured strain measurement values, and a monitoring device that is installed on a tunnel construction work vehicle working in front of the tunnel face and monitors the strain in the steel supports using the measurement data received from the strain measuring device . The monitoring device is characterized by comprising: a measurement distance estimation unit that estimates the measurement distance to the tunnel face at the time of measurement based on the radio wave intensity at the time the measurement data is received, an unknown quantity estimation unit that estimates the natural ground elastic modulus and initial stress as natural ground characteristics by an inverse analysis method using the strain measurement value and the measurement distance as measurement numbers, and a suitability determination unit that calculates internal displacement and shear stress distribution by forward analysis using the natural ground characteristics, and compares them with control values to confirm the suitability of the support .
Furthermore, in the strain measurement system of the present invention, the monitoring device is provided with a strain monitoring unit that, upon receiving the measurement data, compares it with past measurement data and issues a warning if the change in the strain measurement value exceeds a predetermined danger threshold .
Furthermore , in the strain measurement system of the present invention, the measurement distance estimation unit calculates the measurement distance based on the straight-line distance between the strain measurement device and the monitoring device estimated based on the radio wave intensity at the time the measurement data is received, the straight-line distance between the tunnel face on which the steel support to which the strain measurement device is attached is installed and the monitoring device, and the distance between the face and the monitoring device.

本発明によれば、ひずみ計測装置の取り付けにケーブルの配線、防護作業が不要であるため、ひずみ計測装置の取り付けに伴い掘削を止めることなく、鋼製支保工1の建込み直後からひずみの計測及び監視を切羽付近で開始することができ、リアルタイムに地山挙動予測を行うことができるという効果を奏する。 According to the present invention, since no cable wiring or protective work is required to install the strain measuring device, excavation does not need to be stopped in order to install the strain measuring device, and strain measurement and monitoring can be started near the face immediately after the steel support 1 is erected, which has the effect of enabling prediction of ground behavior in real time.

本発明に係るひずみ計測システムの実施形態の構成を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing a configuration of an embodiment of a strain measurement system according to the present invention. 図1に示すひずみ計測システムの構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing the configuration of the strain measurement system shown in FIG. 1 . 図2に示す未知数推定部による未知数推定動作の解析モデルを示す図である。3 is a diagram showing an analytical model of an unknown quantity estimation operation by the unknown quantity estimation unit shown in FIG. 2 . 図2に示す計測距離推定部による計測距離推定動作を説明するための説明図である。3 is an explanatory diagram for explaining a measured distance estimation operation by a measured distance estimation unit shown in FIG. 2 . 図2に示す未知数推定部及び適合性判定部による未知数推定動作及び適合性判定動作を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing an unknown quantity estimating operation and a compatibility determining operation by an unknown quantity estimating unit and a compatibility determining unit shown in FIG. 2 .

次に、本発明を実施するための形態(以下、単に「実施形態」という)を、図面を参照して具体的に説明する。
本実施形態のひずみ計測システムは、図1を参照すると、鋼製支保工1に取り付けられたひずみ計測装置10と、ドリルジャンボ2に設置された監視装置20とを備えている。
Next, a mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as an "embodiment") will be specifically described with reference to the drawings.
Referring to FIG. 1 , the strain measurement system of this embodiment includes a strain measurement device 10 attached to a steel support 1 and a monitoring device 20 installed in a drill jumbo 2 .

鋼製支保工1は、トンネルを構築するNATM工法(New Austrian Tunneling Method)で用いられるアーチ状の鋼材である。NATM工法では、トンネルを掘削する毎に、鋼製支保工1を切羽近傍のトンネル坑壁に建て込み、鋼製支保工1は、予め設定された間隔L毎に設置される。 The steel support 1 is an arch-shaped steel material used in the New Austrian Tunneling Method (NATM) method for constructing tunnels. In the NATM method, the steel support 1 is erected into the tunnel wall near the tunnel face each time a tunnel is excavated, and the steel support 1 is installed at a preset interval L.

ひずみ計測装置10は、建て込み前の鋼製支保工1に取り付けられ、鋼製支保工1の建込によってトンネル内に設置される。なお、本実施形態では、鋼製支保工1の天井面、両側面の3か所にひずみ計測装置10を取り付けたが、ひずみ計測装置10の取り付け箇所及び個数には、特に制限はない。 The strain measuring device 10 is attached to the steel support 1 before it is erected, and is installed inside the tunnel when the steel support 1 is erected. In this embodiment, the strain measuring device 10 is attached to three locations on the ceiling surface and both sides of the steel support 1, but there is no particular limit to the locations and number of the strain measuring devices 10 to be attached.

ドリルジャンボ2は、切羽前で作業するトンネル工事用作業車である。なお、監視装置20は、ドリルジャンボ2の代わりにエレクター等の他のトンネル工事用作業車に設置しても良い。 The drill jumbo 2 is a tunnel construction work vehicle that works in front of the tunnel face. Note that the monitoring device 20 may be installed in other tunnel construction work vehicles, such as an erector, instead of the drill jumbo 2.

ひずみ計測装置10は、図2を参照すると、ひずみゲージ11、ブリッジ12と、アンプ13と、ひずみ計測部14と、測定結果記憶部15と、通信制御ユニット16と、無線ユニット17と、バッテリ18とを備えている。 Referring to FIG. 2, the strain measurement device 10 includes a strain gauge 11, a bridge 12, an amplifier 13, a strain measurement section 14, a measurement result storage section 15, a communication control unit 16, a wireless unit 17, and a battery 18.

ひずみゲージ11は、鋼製支保工1の表面に取り付けられ、鋼製支保工1に印加された応力(ひずみ)に応じて物性値(本実施形態では抵抗値)が変化するセンサである。本実施形態では、2個のひずみゲージ11を有しているが、ひずみゲージ11の個数には、特に制限はない。 The strain gauge 11 is attached to the surface of the steel support 1 and is a sensor whose physical property value (resistance value in this embodiment) changes depending on the stress (strain) applied to the steel support 1. In this embodiment, there are two strain gauges 11, but there is no particular limit to the number of strain gauges 11.

ブリッジ12は、ひずみゲージ11を1つの抵抗として用いて、ひずみの変化に応じた抵抗値を計測し、ひずみ計測信号として出力する回路(例えば、ホイートストンブリッジ)である。そして、ブリッジ12から出力されるひずみ計測信号は、アンプ13によって強度を増幅され、ひずみ計測部14に入力される。 The bridge 12 is a circuit (e.g., a Wheatstone bridge) that uses the strain gauge 11 as a resistor to measure a resistance value corresponding to a change in strain and outputs the resistance value as a strain measurement signal. The strain measurement signal output from the bridge 12 is amplified by the amplifier 13 and input to the strain measurement unit 14.

ひずみ計測部14は、プログラム制御で動作する情報処理部である。ひずみ計測部14は、ブリッジ12からアンプ13経由で入力されるひずみ計測信号の信号強度をひずみ計測値として計測する。なお、本実施形態において、ひずみ計測部14は、ひずみ計測装置10の起動から24時間後までは1分間隔、24時間以降は10分間隔でひずみ計測値を計測する。 The strain measurement unit 14 is an information processing unit that operates under program control. The strain measurement unit 14 measures the signal strength of the strain measurement signal input from the bridge 12 via the amplifier 13 as a strain measurement value. In this embodiment, the strain measurement unit 14 measures the strain measurement value at one-minute intervals for 24 hours after the start of the strain measurement device 10, and at ten-minute intervals after 24 hours.

通信制御ユニット16は、監視装置20との間の無線通信を制御する制御部であり、ひずみ計測部14から出力される計測データを無線信号に変換する。そして、無線ユニット17は、アンテナを介して、予め設定された強度の無線信号を送信する。本実施形態では、920MHz帯の周波数を用いることにより、約20m程度の通信距離を確保する。 The communication control unit 16 is a control unit that controls wireless communication with the monitoring device 20, and converts the measurement data output from the strain measurement unit 14 into a wireless signal. The wireless unit 17 then transmits a wireless signal of a preset strength via an antenna. In this embodiment, a communication distance of approximately 20 m is ensured by using a frequency in the 920 MHz band.

ひずみ計測部14は、通信制御ユニット16が監視装置20と無線通信が可能な状態か否かを判断し、監視装置20と無線通信が可能である場合、通信制御ユニット16及び無線ユニット17を介して、計測したひずみ計測値と、固有の機器IDとからなる計測データを監視装置20に送信する。 The strain measurement unit 14 determines whether the communication control unit 16 is in a state where wireless communication with the monitoring device 20 is possible, and if wireless communication with the monitoring device 20 is possible, transmits measurement data consisting of the measured strain measurement value and a unique device ID to the monitoring device 20 via the communication control unit 16 and the wireless unit 17.

監視装置20と無線通信が不能である場合、ひずみ計測部14は、計測したひずみ計測値を、計測されたタイミングを示すタイミングデータ(時刻、測定順や間隔等)と共にフラッシュメモリ等で構成された測定結果記憶部15に記憶させる。そして、ひずみ計測部14は、監視装置20と無線通信が可能になると、測定結果記憶部15に記憶させたひずみ計測値及びタイミングデータと、固有の機器IDとからなる計測データを監視装置20に送信する。 When wireless communication with the monitoring device 20 is not possible, the strain measurement unit 14 stores the measured strain measurement value together with timing data indicating the timing of the measurement (time, measurement order, interval, etc.) in the measurement result storage unit 15 composed of a flash memory or the like. Then, when wireless communication with the monitoring device 20 becomes possible, the strain measurement unit 14 transmits measurement data consisting of the strain measurement value and timing data stored in the measurement result storage unit 15, and a unique device ID, to the monitoring device 20.

バッテリ18は、ひずみ計測装置10の各部に電源を供給する電源供給部であり、本実施形態では、ひずみ計測装置10の計測及び送信動作の持続時間を1ヵ月以上確保できる容量を備えている。 The battery 18 is a power supply unit that supplies power to each part of the strain measuring device 10, and in this embodiment, has a capacity that can ensure that the measurement and transmission operations of the strain measuring device 10 can continue for more than one month.

監視装置20は、無線ユニット21と、通信制御ユニット22と、解析装置30とを備えている。ひずみ計測装置10から送信された無線信号は、アンテナを介して監視装置20の無線ユニット21で受信され、通信制御ユニット22は、無線ユニット21によって受信された無線信号を計測データに復調する。そして、通信制御ユニット22は、復調した計測データを無線ユニット21がひずみ計測装置10からの無線信号を受信した際の受信強度と共に解析装置30に出力する。 The monitoring device 20 includes a wireless unit 21, a communication control unit 22, and an analysis device 30. The wireless signal transmitted from the strain measuring device 10 is received by the wireless unit 21 of the monitoring device 20 via an antenna, and the communication control unit 22 demodulates the wireless signal received by the wireless unit 21 into measurement data. The communication control unit 22 then outputs the demodulated measurement data to the analysis device 30 together with the reception strength when the wireless unit 21 received the wireless signal from the strain measuring device 10.

なお、監視装置20は、坑内を行き来するドリルジャンボ2に設置されている。従って、ドリルジャンボ2が坑内を行き来する際に、監視装置20は坑内に設置されたひずみ計測装置10から網羅的に計測データを受信できる。 The monitoring device 20 is installed on the drill jumbo 2 that travels through the mine. Therefore, when the drill jumbo 2 travels through the mine, the monitoring device 20 can receive comprehensive measurement data from the strain measuring device 10 installed in the mine.

解析装置30は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であり、キーボート等の入力部31と、液晶ディスプレイ等の表示部32と、スピーカ等の出力部33と、フラッシュメモリ等の記憶部34と、制御部40とを備えている。 The analysis device 30 is an information processing device such as a personal computer, and includes an input unit 31 such as a keyboard, a display unit 32 such as a liquid crystal display, an output unit 33 such as a speaker, a storage unit 34 such as a flash memory, and a control unit 40.

制御部40は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等を備えたマイクロコンピュータ等の情報処理部である。ROMには解析装置30がジョブを実行するための制御プログラムが記憶されている。制御部40は、ROMに記憶されている制御プログラムを読み出し、制御プログラムをRAMに展開させることで、解析装置30の制御を行い、計測装置登録受付部41、計測距離推定部42、ひずみ監視部43、未知数推定部44、適合性判定部45として機能する。 The control unit 40 is an information processing unit such as a microcomputer equipped with a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), etc. The ROM stores a control program for the analysis device 30 to execute jobs. The control unit 40 reads out the control program stored in the ROM and expands the control program into the RAM, thereby controlling the analysis device 30 and functioning as a measurement device registration acceptance unit 41, a measurement distance estimation unit 42, a strain monitoring unit 43, an unknown quantity estimation unit 44, and a compatibility determination unit 45.

計測装置登録受付部41は、建て込んだ鋼製支保工1に取り付けられたひずみ計測装置10の機器IDを受け付け、受け付けた機器IDを鋼製支保工1の支保工ID及び取り付け位置(天井面、右側面、左側面)と対応付けした計測装置情報341として記憶させる。 The measuring device registration reception unit 41 receives the device ID of the strain measuring device 10 attached to the erected steel shoring 1, and stores the received device ID as measuring device information 341 that corresponds to the shoring ID of the steel shoring 1 and the installation position (ceiling surface, right side, left side).

計測距離推定部42は、計測データが入力されると、機器IDに基づいて計測装置情報341を参照することで、その計測データを送信したひずみ計測装置10の取付け位置(天井面、右側面、左側面)を特定し、特定した取付け位置(天井面、右側面、左側面)と電波強度とに基づいて計測時の切羽までの計測距離dを推定する。 When measurement data is input, the measurement distance estimation unit 42 refers to the measurement device information 341 based on the device ID to identify the installation position (ceiling surface, right side, left side) of the strain measurement device 10 that transmitted the measurement data, and estimates the measurement distance d to the face at the time of measurement based on the identified installation position (ceiling surface, right side, left side) and radio wave intensity.

ひずみ監視部43は、計測データが入力されると、計測距離推定部42によって特定された取付け位置における過去分の計測データと比較し、ひずみ計測値の変化量が予め設定された危険閾値を超えた場合、表示部32や出力部33から作業員に退避を促す警告を報知する。これにより、リアルタイムにひずみを監視し、ひずみ増大時に警告を報知することができる。 When the measurement data is input, the strain monitoring unit 43 compares it with past measurement data at the installation position identified by the measurement distance estimation unit 42, and if the change in the strain measurement value exceeds a preset danger threshold, a warning is issued from the display unit 32 and output unit 33 to urge the worker to evacuate. This makes it possible to monitor strain in real time and issue a warning when strain increases.

未知数推定部44は、ひずみ計測値と計測距離dとを計測数とした逆解析手法によって、地山弾性係数Eと、初期応力σx0、σy0、τxy0とを地山特性として推定する。逆解析手法は、二次元弾性有限要素法を用いる。まず、図3に示す解析モデルを用い、単位あたりの初期応力σx0、σy0、τxy0と地山弾性係数Eを仮設定してひずみ(以下、単位ひずみと称す)を予め計算する。 The unknown quantity estimation unit 44 estimates the natural ground elastic modulus E R and the initial stresses σ x0 , σ y0 , and τ xy0 as natural ground properties by an inverse analysis method using the strain measurement value and the measurement distance d as measurement quantities. The inverse analysis method uses the two-dimensional elastic finite element method. First, using the analysis model shown in Figure 3, the initial stresses per unit σ x0 , σ y0 , and τ xy0 and the natural ground elastic modulus E R are provisionally set to calculate the strain (hereinafter referred to as unit strain) in advance.

次に、計測されたひずみが予め計算した単位ひずみの何倍にあたるかを計算することで、未知数となる初期応力σx0、σy0、τxy0と地山弾性係数Eを定める。なお、図3に示す解析モデルでは、地山は等方等質の弾性体であり、地山の初期応力σx0、σy0、τxy0は解析領域に全体にわたり一定とした。実際の地山は非弾性かつ非線形に挙動するが、解析結果はこれらを含めて等価な値として出力される。 Next, the unknown initial stresses σ x0 , σ y0 , τ xy0 and the natural ground elastic modulus E R are determined by calculating how many times the measured strain is larger than the previously calculated unit strain. In the analysis model shown in Figure 3, the natural ground is an isotropic elastic body, and the initial natural ground stresses σ x0 , σ y0 , τ xy0 are constant throughout the analysis domain. The actual natural ground behaves inelastically and nonlinearly, but the analysis results are output as equivalent values including these.

適合性判定部45は、未知数推定部44によって推定した地山物性を用いた順解析によって内空変位やせん断応力分布を算出し、管理値と比較することで支保工適合性を確認する。 The suitability determination unit 45 calculates the internal displacement and shear stress distribution by forward analysis using the natural ground properties estimated by the unknowns estimation unit 44, and checks the suitability of the support by comparing it with the control values.

次に、計測距離推定部42による計測距離dの推定方法について図4を参照して詳細に説明する。
計測距離推定部42には、無線ユニット21(アンテナ)と切羽との距離A(例えば、無線ユニット21をトンネル断面の中心に置いた場合は、8m)と、無線ユニット21(アンテナ)と天井面、右側面、左側面とのそれぞれの距離C、C、C(例えば、トンネル径D/2)とが固定値として設定されている。
Next, a method for estimating the measured distance d by the measured distance estimating unit 42 will be described in detail with reference to FIG.
In the measurement distance estimation unit 42, the distance A between the wireless unit 21 (antenna) and the tunnel face (e.g., 8 m when the wireless unit 21 is placed at the center of the tunnel cross section) and the distances C 1 , C 2 , C 3 between the wireless unit 21 (antenna) and the ceiling surface, right side surface, and left side surface, respectively (e.g., tunnel diameter D/2) are set as fixed values.

計測距離推定部42は、機器IDに基づいて計測装置情報341を参照することで、その計測データを送信したひずみ計測装置10の取付け位置(天井面、右側面、左側面)を特定する。 The measurement distance estimation unit 42 identifies the installation position (ceiling surface, right side, left side) of the strain measurement device 10 that transmitted the measurement data by referring to the measurement device information 341 based on the device ID.

また、計測距離推定部42は、受信強度に基づいて送信元のひずみ計測装置10との直線距離r(取付け位置が天井面である場合には直線距離r、取付け位置が右側面である場合には直線距離r、取付け位置が左側面である場合には直線距離r)を推定する。すなわち、計測距離推定部42は、距離の2乗に比例して減衰する無線信号の性質を用いて直線距離rを推定する。 The measurement distance estimation unit 42 also estimates the linear distance r (linear distance r1 if the installation position is on the ceiling surface, linear distance r2 if the installation position is on the right side surface, and linear distance r3 if the installation position is on the left side surface ) from the transmission source strain measurement device 10 based on the reception strength. That is, the measurement distance estimation unit 42 estimates the linear distance r using the property of a wireless signal that attenuates in proportion to the square of the distance.

そして、計測距離推定部42は、特定した取付け位置に応じた距離C、C、Cのいずれかと、直線距離rと、距離Aとを用いて、計測時の切羽までの計測距離dを推定する。例えば、ひずみ計測装置10の取付け位置が天井面である場合、
d=√(r -C )+Aを演算することで計測時の切羽までの計測距離dを推定する。
Then, the measurement distance estimation unit 42 estimates the measurement distance d to the face at the time of measurement using any one of the distances C1 , C2 , and C3 corresponding to the identified installation position, the linear distance r, and the distance A. For example, when the installation position of the strain measurement device 10 is the ceiling surface,
The measured distance d to the face at the time of measurement is estimated by calculating d = √(r 1 2 - C 1 2 ) + A.

なお、無線ユニット21(アンテナ)と切羽との距離Aと、無線ユニット21(アンテナ)と天井面、右側面、左側面とのそれぞれの距離C、C、Cとを固定値としたが、これらをレーザー距離計等の測定装置に測定した測定値としても良い。 Although the distance A between the wireless unit 21 (antenna) and the face and the distances C1 , C2 , and C3 between the wireless unit 21 (antenna) and the ceiling surface, the right side surface, and the left side surface, respectively, are set to fixed values, these may also be measured values measured using a measuring device such as a laser rangefinder.

なお、推定される計測距離dは、ひずみ計測装置10が取り付けられた鋼製支保工1と切羽との距離であり、同じ鋼製支保工1に取り付けられたひずみ計測装置10であれば、値になるはずである。従って、同じ鋼製支保工1に取り付けられたひずみ計測装置10a1、10a2、10a3のそれぞれ計測距離dが同じ値になるように調整(例えば、平均値)することで精度を向上させることができる。 The estimated measurement distance d is the distance between the steel support 1 to which the strain measuring device 10 is attached and the face, and should be a value if the strain measuring device 10 is attached to the same steel support 1. Therefore, the accuracy can be improved by adjusting (for example, averaging) the measurement distances d1 of the strain measuring devices 10a1 , 10a2 , and 10a3 attached to the same steel support 1a so that they are the same value.

さらに、隣接した鋼製支保工1間の距離Lが既知である場合、鋼製支保工1に取り付けられたひずみ計測装置10a1、10a2、10a3の計測距離dと、鋼製支保工1に取り付けられたひずみ計測装置10b1、10b2、10b3の計測距離dとの差が距離Lになるように調整(例えば、平均値)することで精度を向上させることができる。 Furthermore, when the distance L between adjacent steel supports 1 is known, the accuracy can be improved by adjusting (e.g., averaging) the difference between the measured distance da of the strain measuring devices 10a1 , 10a2 , and 10a3 attached to the steel support 1a and the measured distance db of the strain measuring devices 10b1 , 10b2 , and 10b3 attached to the steel support 1b so that it becomes distance L.

次に、未知数推定部44による未知数推定方法について図5を参照して詳細に説明する。
まず、未知数推定部44は、既知数として地山のポアソン比V、鋼製支保工1のポアソン比V、鉛直応力σy0、鋼製支保工1の支保工弾性係数Eの設定を受け付ける(ステップS101)。支保工弾性係数Eは、鋼製支保工1(H鋼)と吹付けコンクリートの透過弾性係数を入力値とする。地山のポアソン比V、は、本来は未知数であるが、解析を簡略化するため一般的な値(例えば0.35など)を入力する。
Next, the unknown quantity estimation method performed by the unknown quantity estimation unit 44 will be described in detail with reference to FIG.
First, the unknown quantity estimation unit 44 receives settings of the Poisson's ratio V R of the natural ground, the Poisson's ratio V L of the steel support 1, the vertical stress σ y0 , and the support elastic modulus E L of the steel support 1 as known quantities (step S101). The support elastic modulus E L takes the permeable elastic modulus of the steel support 1 (H-beam) and the shotcrete as input values. The Poisson's ratio V R of the natural ground is originally an unknown quantity, but a general value (e.g., 0.35) is input to simplify the analysis.

また、未知数推定部44は、未知数である地山弾性係数Eの入力を受け付ける(ステップS102)。この地山弾性係数Eは、繰返し初期値として用いる。 The unknown quantity estimating unit 44 also receives an input of the natural soil elastic modulus E R , which is an unknown quantity (step S102). This natural soil elastic modulus E R is used as an initial value for the iterations.

そして、未知数推定部44は、地山と支保工の弾性係数の比R=E/Eを計算する(ステップS103)。 Then, the unknown quantity estimation unit 44 calculates the ratio of the elastic modulus of the natural ground to that of the support, R i =E L /E R (step S103).

また、未知数推定部44は、計測値の入力としてひずみ計測値ε’、計測時の切羽までの計測距離dを受け付けると(ステップS104)、収束後のひずみεをひずみ特性曲線から予測する(ステップS105)。 Furthermore, when the unknown quantity estimating unit 44 receives the strain measurement value ε m ' and the measured distance d to the face at the time of measurement as input of the measurement values (step S104), it predicts the converged strain ε m from the strain characteristic curve (step S105).

ひずみ計測値ε’は、鋼製支保工1の設置時を起点とした値である。収束後のひずみ値εは、掘削開始時を起点とした値である。ひずみ特性曲線は、切羽までの計測距離dと、現在のひずみと収束後のひずみの比率を表したものであり、掘削データがない場合は経験的な曲線から定める。応力ひずみ関係が線形であると仮定した場合、ひずみ特性曲線は内空変位や天端沈下量から定めることができる。 The measured strain value ε m ' is a value based on the time when the steel support 1 was installed. The strain value after convergence ε m is a value based on the time when excavation began. The strain characteristic curve represents the measured distance d to the face and the ratio of the current strain to the strain after convergence, and is determined from an empirical curve if no excavation data is available. If it is assumed that the stress-strain relationship is linear, the strain characteristic curve can be determined from the internal displacement and the amount of top settlement.

また、地山は掘削する前から変形を始めている。切羽までの距離がマイナスの領域のひずみ特性曲線は、先行沈下計による先行変位計測や地表面沈下量、三次元解析などから定めることもできる。最後に、求めた地山物性を用いて内空変位やせん断応力分布を算出し、管理値より支保工適合性を確認する。 The ground also begins to deform before excavation begins. The strain characteristic curve for the area where the distance to the face is negative can also be determined from advance displacement measurements using advance settlement gauges, ground surface settlement, and three-dimensional analysis. Finally, the internal displacement and shear stress distribution are calculated using the determined ground properties, and the suitability of the support is confirmed based on the control values.

次に、未知数推定部44は、逆解析手法により、以下に示す式(6)(7)を用いて、地山特性として地山弾性係数Eと、初期応力σx0、σy0、τxy0を算出し、逆解析弾性係数の比を更新(Ri+1=E/E)する(ステップS106)。 Next, the unknown quantity estimation unit 44 uses the inverse analysis method to calculate the natural ground properties, ie, the natural ground elastic modulus E R and the initial stresses σ x0 , σ y0 , and τ xy0 , using the following equations (6) and (7), and updates the ratio of the inverse analysis elastic moduli (R i+1 = E L /E R ) (step S106).

トンネルの掘削に伴う変形を有限要素法で解析するため、鋼製支保工1内側に作用する掘削外力Ρを式(1)で求める必要がある。積分は地山要素の体積積分である。初期応力はいずれも未知数であるため、初期応力σの各成分σx0、σy0、τxy0を単位としたときの外力成分Ρ(i=1~3)を式(2)で計算する。 To analyze the deformation caused by tunnel excavation using the finite element method, it is necessary to calculate the excavation external force P acting on the inside of the steel support 1 using formula (1). The integral is the volume integral of the natural ground element. Since the initial stresses are all unknowns, the external force components P i (i = 1 to 3) are calculated using formula (2) when the components σ x0 , σ y0 , τ xy0 of the initial stress σ 0 are used as units.

Figure 0007666121000001
Figure 0007666121000001

また、地山弾性係数Eと支保工弾性係数Eとがいずれも1のときの剛性マトリクスをK、Kとしたとき、全体剛性マトリクスKは式(3)で表される。また、地山と支保工の弾性係数比をパラメータR=E/Eとすると、式(3)は式(4)となる。 In addition, when the stiffness matrices when the natural ground elastic modulus ER and the support elastic modulus EL are both 1 are KR and KL , the overall stiffness matrix K is expressed by equation (3). In addition, when the elastic modulus ratio of the natural ground to the support is the parameter R = EL / ER , equation (3) becomes equation (4).

Figure 0007666121000002
Figure 0007666121000002

有限要素法は、剛性方程式であるΡ=k・uを解くことで変位uとひずみεを求める。同様に、Kと外力成分Ρを用いて解くことにより「単位ひずみ」が求められる。鋼製支保工1のひずみが3カ所で計測されたとき、各計測点の単位ひずみとの関係は式(5)で表される。 The finite element method finds the displacement u and strain ε by solving the stiffness equation P = k u. Similarly, the "unit strain" is found by solving K * and the external force component P i . When the strain of the steel support 1 is measured at three points, the relationship with the unit strain at each measurement point is expressed by Equation (5).

Figure 0007666121000003
Figure 0007666121000003

未知数マトリクスCは最小二乗法により式(6)で求められる。鉛直応力σy0は土被り圧と等しいと仮定すれば、土被りhと平均的な地山の単位体積重量γから式(7)で与えられる。その後、残りの地山弾性係数Eと初期応力σx0、τxy0を定める。以上の流れを繰返すことで、未知数である地山弾性係数Eと、初期応力σx0、σy0、τxy0とが収束する。 The unknown matrix C is found by the least squares method using equation (6). Assuming that the vertical stress σ y0 is equal to the overburden pressure, it is given by equation (7) from the overburden h and the average unit volume weight of the ground γ. Then, the remaining ground elastic modulus E R and initial stresses σ x0 and τ xy0 are determined. By repeating the above process, the unknowns, the ground elastic modulus E R and the initial stresses σ x0 , σ y0 , and τ xy0 , converge.

Figure 0007666121000004
Figure 0007666121000004

次に、未知数推定部44は、(Ri+1-R)/Rが予め設定された許容誤差未満であるか否かを判断する(ステップS107)。 Next, the unknown quantity estimation unit 44 determines whether (R i+1 −R i )/R i is less than a preset allowable error (step S107).

ステップS107で(Ri+1-R)/Rが許容誤差以上である場合、ステップS103に戻って、ステップS107で算出した地山弾性係数Eを用いて地山と支保工の弾性係数の比R=E/Eを再計算する。 If (R i+1 -R i )/R i is equal to or greater than the allowable error in step S107, the process returns to step S103 and the ratio of the elastic modulus of the ground to the support, R i =E L /E R, is recalculated using the natural ground elastic modulus E R calculated in step S107.

ステップS107で(Ri+1-R)/Rが許容誤差未満である場合、適合性判定部45は、ステップS106で算出された地山弾性係数Eと、初期応力σx0、σy0、τxy0とを用いた順解析によって内宮変位とせん断応力分布等を算出する(ステップS108)。 If (R i+1 -R i )/R i is less than the allowable error in step S107, the compatibility determination unit 45 calculates the inner displacement and shear stress distribution, etc. by direct analysis using the natural ground elastic modulus E R calculated in step S106 and the initial stresses σ x0 , σ y0 , τ xy0 (step S108).

そして、適合性判定部45は、算出した内空変位やせん断応力分布が管理値内であるか管理値超過であるかに基づいて支保適合性を確認する(ステップS109)。 Then, the suitability determination unit 45 checks the suitability of the support based on whether the calculated internal displacement and shear stress distribution are within the control values or exceed the control values (step S109).

ステップS109で算出した内空変位やせん断応力分布が管理値内である場合、支保が適合であることが確認されたことになり、処理を終了する。 If the internal displacement and shear stress distribution calculated in step S109 are within the control values, the support is confirmed to be suitable and the process ends.

ステップS109で算出した内空変位やせん断応力分布が管理値超過である場合、支保が不適合であることがと判明されたことになり、適合性判定部45は、表示部32や出力部33から作業員に支保工の見直しを促す警告を報知する。これにより、作業者は、将来的に許容値を超える変位が発生する虞を未然に察知することができ、ロックボルトの増し打ちや鋼製支保工1のランクアップを検討することができる。 If the internal displacement or shear stress distribution calculated in step S109 exceeds the control value, the support is found to be non-compliant, and the compatibility determination unit 45 issues a warning via the display unit 32 or output unit 33 to encourage the worker to review the support. This allows the worker to detect in advance the risk of a displacement exceeding the allowable value occurring in the future, and to consider installing additional rock bolts or upgrading the steel support 1.

このように、収束前のひずみ計測値ε’を入力値としたため、比較的早い段階から地山の変形挙動を捉えて逆解析に反映することができる。また、弾性であれば解析モデルに制限はないため、既知の物性を増やす等の工夫が容易である。さらに、掘削実績に伴いひずみ特性曲線を補正することで、精度向上につなげることができる。 In this way, because the measured strain value ε m ' before convergence is used as the input value, the deformation behavior of the ground can be captured at a relatively early stage and reflected in the back analysis. Also, since there are no limitations to the analysis model if it is elastic, it is easy to devise measures such as increasing the number of known physical properties. Furthermore, accuracy can be improved by correcting the strain characteristic curve based on excavation results.

以上説明したように、本実施形態は、トンネルに設置された鋼製支保工1のひずみを計測するひずみ計測システムであって、鋼製支保工1に取り付けられ、計測したひずみ計測値ε’を含む計測データを無線送信するひずみ計測装置10と、切羽前で作業するトンネル工事用作業車であるドリルジャンボ2に設置され、ひずみ計測装置10から受信した計測データによって鋼製支保工1のひずみを監視する監視装置20とを備える。
この構成により、ひずみ計測装置10の取り付けにケーブルの配線、防護作業が不要であるため、ひずみ計測装置10の取り付けに伴い掘削を止めることなく、鋼製支保工1の建込み直後からひずみの計測及び監視を切羽付近で開始することができる。そして、計測データがドリルジャンボ2に設置した監視装置20にリアルタイムに収集される。送信機であるひずみ計測装置10と受信機である監視装置20のみで構成できるため、トンネル坑内に新たにネットワークを追加することなく、リアルタイムに地山挙動予測を行うことができる。
As described above, this embodiment is a strain measurement system that measures strain in a steel support 1 installed in a tunnel, and comprises a strain measuring device 10 that is attached to the steel support 1 and wirelessly transmits measurement data including the measured strain measurement value ε m ', and a monitoring device 20 that is installed on a drill jumbo 2, a tunnel construction work vehicle that works in front of the tunnel face, and monitors the strain in the steel support 1 using the measurement data received from the strain measuring device 10.
With this configuration, no cable wiring or protective work is required to install the strain measuring device 10, so excavation does not need to be stopped in order to install the strain measuring device 10, and strain measurement and monitoring can be started near the face immediately after the steel support 1 is erected. The measurement data is then collected in real time by the monitoring device 20 installed in the drill jumbo 2. Since the system can be configured with only the strain measuring device 10 as a transmitter and the monitoring device 20 as a receiver, ground behavior can be predicted in real time without adding a new network inside the tunnel.

さらに、本実施形態において、監視装置20は、計測データを受信すると、過去分の計測データと比較し、ひずみ計測値ε’の変化量が予め設定された危険閾値を超えた場合、警告を報知するひずみ監視部43を備える。
この構成により、ひずみの増大が発生した場合、速やかに切羽作業員に緊急退避指示を出すことできる。
Furthermore, in this embodiment, the monitoring device 20 includes a strain monitoring unit 43 that, upon receiving measurement data, compares the received measurement data with past measurement data and issues a warning if the amount of change in the strain measurement value ε m ′ exceeds a preset danger threshold.
With this configuration, if an increase in strain occurs, an emergency evacuation order can be quickly issued to face workers.

さらに、本実施形態において、監視装置20は、計測データの受信時の電波強度に基づいて計測時の切羽までの計測距離dを推定する計測距離推定部42と、ひずみ計測値ε’と計測距離dとを計測数とした逆解析手法によって、地山弾性係数Eと初期応力σx0、σy0、τxy0とを地山特性として推定する未知数推定部44と、推定した地山特性を用いた順解析によって内空変位やせん断応力分布を算出し、管理値と比較することで支保工適合性を確認する適合性判定部45とを備える。
この構成により、比較的早い段階から地山の変形挙動を捉えて逆解析に反映することができる。
Furthermore, in this embodiment, the monitoring device 20 is equipped with a measurement distance estimation unit 42 that estimates the measurement distance d to the face at the time of measurement based on the radio wave intensity when the measurement data is received, an unknown quantity estimation unit 44 that estimates the ground elasticity coefficient E R and initial stresses σ x0 , σ y0 , τ xy0 as ground characteristics by an inverse analysis method using the strain measurement value ε m ' and the measurement distance d as measurement numbers, and a suitability determination unit 45 that calculates internal displacement and shear stress distribution by forward analysis using the estimated ground characteristics and compares them with control values to confirm the suitability of the support.
This configuration makes it possible to capture the deformation behavior of the ground at a relatively early stage and reflect it in the back analysis.

さらに、本実施形態において、計測距離推定部42は、計測データの受信時の電波強度に基づいて推定したひずみ計測装置と監視装置20との直線距離rと、ひずみ計測装置10が取り付けられた鋼製支保工1が設置されているトンネル面(取り付け位置)と監視装置20との直線距離Cと、切羽と監視装置20との距離Aとに基づいて計測距離dを算出する。 Furthermore, in this embodiment, the measurement distance estimation unit 42 calculates the measurement distance d based on the linear distance r between the strain measuring device and the monitoring device 20, which is estimated based on the radio wave intensity when the measurement data is received, the linear distance C between the tunnel face (mounting position) on which the steel support 1 to which the strain measuring device 10 is attached is installed and the monitoring device 20, and the distance A between the face and the monitoring device 20.

以上、実施形態をもとに本発明を説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described above based on an embodiment. This embodiment is merely an example, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications are possible in terms of the combination of each component, and that such modifications are also within the scope of the present invention.

1 鋼製支保工
2 ドリルジャンボ
10 ひずみ計測装置
11 ひずみゲージ
12 ブリッジ
13 アンプ
14 ひずみ計測部
15 測定結果記憶部
16 通信制御ユニット
17 無線ユニット
18 バッテリ
20 監視装置
21 無線ユニット
22 通信制御ユニット
30 解析装置
31 入力部
32 表示部
33 出力部
34 記憶部
40 制御部
41 計測装置登録受付部
42 計測距離推定部
43 ひずみ監視部
44 未知数推定部
45 適合性判定部
341 計測装置情報
REFERENCE SIGNS LIST 1 Steel support 2 Drill jumbo 10 Strain measurement device 11 Strain gauge 12 Bridge 13 Amplifier 14 Strain measurement section 15 Measurement result memory section 16 Communication control unit 17 Wireless unit 18 Battery 20 Monitoring device 21 Wireless unit 22 Communication control unit 30 Analysis device 31 Input section 32 Display section 33 Output section 34 Memory section 40 Control section 41 Measurement device registration reception section 42 Measurement distance estimation section 43 Strain monitoring section 44 Unknown quantity estimation section 45 Conformity determination section 341 Measurement device information

Claims (3)

トンネルに設置された鋼製支保工のひずみを計測するひずみ計測システムであって、
前記鋼製支保工に取り付けられ、計測したひずみ計測値を含む計測データを無線送信するひずみ計測装置と、
切羽前で作業するトンネル工事用作業車に設置され、前記ひずみ計測装置から受信した前記計測データによって前記鋼製支保工のひずみを監視する監視装置と、を具備し、
前記監視装置は、前記計測データの受信時の電波強度に基づいて計測時の切羽までの計測距離を推定する計測距離推定部と、
前記ひずみ計測値と前記計測距離とを計測数とした逆解析手法によって、地山弾性係数と、初期応力とを地山特性として推定する未知数推定部と、
前記地山特性を用いた順解析によって内空変位やせん断応力分布を算出し、管理値と比較することで支保工適合性を確認する適合性判定部と、を具備することを特徴とするひずみ計測システム。
A strain measurement system for measuring strain in a steel support structure installed in a tunnel,
A strain measuring device that is attached to the steel support and wirelessly transmits measurement data including a measured strain measurement value;
A monitoring device is installed on a tunnel construction vehicle working in front of the tunnel face and monitors the strain of the steel support structure using the measurement data received from the strain measuring device .
The monitoring device includes a measurement distance estimation unit that estimates a measurement distance to a face at the time of measurement based on radio wave intensity at the time of receiving the measurement data;
an unknown quantity estimation unit that estimates a natural ground elastic modulus and an initial stress as natural ground characteristics by an inverse analysis method using the strain measurement value and the measured distance as measurement quantities;
A strain measurement system characterized by comprising a suitability determination unit that calculates internal displacement and shear stress distribution by direct analysis using the ground characteristics and compares them with control values to confirm the suitability of the support structure .
前記監視装置は、前記計測データを受信すると、過去分の前記計測データと比較し、前記ひずみ計測値の変化量が予め設定された危険閾値を超えた場合、警告を報知するひずみ監視部を具備することを特徴とする請求項1記載のひずみ計測システム。 The strain measurement system according to claim 1, characterized in that the monitoring device is provided with a strain monitoring unit that, upon receiving the measurement data, compares the received measurement data with past measurement data and issues a warning if the amount of change in the strain measurement value exceeds a preset danger threshold. 前記計測距離推定部は、前記計測データの受信時の前記電波強度に基づいて推定した前記ひずみ計測装置と前記監視装置との直線距離と、前記ひずみ計測装置が取り付けられた前記鋼製支保工が設置されているトンネル面と前記監視装置との直線距離と、切羽と前記監視装置との距離とに基づいて前記計測距離を算出することを特徴とする請求項に記載のひずみ計測システム。 The strain measurement system described in claim 1, characterized in that the measurement distance estimation unit calculates the measurement distance based on the straight-line distance between the strain measuring device and the monitoring device estimated based on the radio wave intensity at the time the measurement data is received, the straight-line distance between the tunnel face on which the steel support to which the strain measuring device is attached is installed and the monitoring device, and the distance between the face and the monitoring device.
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