1999年 12月 APA No.74-7 日本測量調査技術協会非接触三次元計測システムによるトンネル内空断面変状計測中１．技術開発の概要も注目されている災害の一つである。 1.1 1.2.2 地盤変動技術開発の目的この技術開発は帝都高速度交通営団地下鉄（以下島保関東平野は沈降盆地であり、長い地質年代の過程で営団地下鉄）の運行安全管理改善の一環として地下鉄３千メートルに及ぶ堆積層が形成されている。この層トンネルの内空断面計測システムの改善を行った事例は土粒の間に多量の水分を含んでおり、地下水を工場である。あるいはビル冷房の冷却水等として利用した経緯が安全管理対策としては種々の方法が実施されているあったことから激しい地盤の不等沈下が引き起こされが、地下鉄トンネル内空断面の変状を精密に測定し、ていた。現在は地下水の汲み上げを規制していることトンネル構造物に加わる応力を推定し、安全を確保すから沈下量は少なくなっているが地層構造等による不る事は有力な方法の一部をなしている。等沈下が構造物に影響を与える事が懸念される. 1.2 1.2.3 地下空間の高度利用技術開発の背景 1.2.1 地震と地殻変動首都圏は都市の発達が高度に進んでおり、空間利用日本は太平洋及びフィリピン海の海洋底プレートがは高層化に加えて地下空間の高度利用も進んでいる。北米及びユーラシアの大陸プレートに潜り込む地帯にこのため地下構造物の建設に伴う応力の変化も地下鉄あり、地殻運動によって生じた弧状列島である。トンネルに影響を与えている。このため、世界でも最も激しい地震、火山帯に属し、地殻活動が盛んである。このような背景のもとで、都市交通の動脈となっている地下鉄の安全管理はゆるがせにできないものとこのような地殻活動の結果、地下構造物には地殻歪みによる外力が蓄積され、また、プレート境界型大地なっている。 1.2.4 震や、規模は大きくなくとも被害が甚大となる内陸直下型地震による破壊的な力が加わる。安全管理に対する要求阪神淡路震災等を背景として、土木構造物の設計法についても見直しが始まっている。首都圏はユーラシア・プレート、北米プレート、太阪神淡路大震災では都市内高架橋が倒壊するなどの平洋プレート、フィリピン海プレートの交会部にあた大きな被害を受けた教訓を踏まえて構造物に対する安り、1923年には関東大地震が発生し、死者及び行方不全対策が研究されつつある。地震に関する安全管理に明者14万余人の大災害を被った。また、東海地震の発ついて関連内容を地道に検討し、万全の対策を講じて生が予測されており、大規模地震対策特別法が制定さおく事が要求されている。れ、対策が強化されている。更に首都圏直下型地震に対する防災対策も検討されている。人口密集地帯における直下型地震の被害の大きさは1995年発生した阪神地震災害（死者５千人以上）から我が国においては最 ― 54 ― 1.3 開発技術の概要 1.3.1 本技術開発においてはこれらの要求に応えるよる張力誤差等があり、分解能は高いにかかわらず、ために、次のフローに従い、検討し、改善を ±0.5mm を維持することは取り扱いに高度な熟練を進めた。必要とした。 ① ② 内空断面変状計測技術の現状の分析を行い、要 2.2 営団地下鉄では継続的に変位計測をおこなった結果上、解析精度の向上、作業効率性の向上）を明として、毎回測定される変位量は異常な事態になって確にした。いない場合、当然ながら変状の量が少なく、計測の誤技術的要件を満たすためのシステムの要素技術差の中に埋没していた。このため、計測データの有意について、現技術水準の特性について検討し性に関する評価は困難であった。た。 ③ 変動と誤差（S/N）求に応えるための技術的要件（計測精度の向５年周期で変状を計測するとして危険な状況になっ最も適当な要素技術を組み合わせ、計測作業方た時異常変状が検出できれば十分と考えるべきか、又法、データ処理方法を検討し、非接触三次元トはまだ危険な状況に達していないが、変状の傾向を計ンネル内空断面変状計測システムを構築した。測の都度把握できる程度の精度に計測し、変状傾向の開発されたシステムによる計測結果は、測点毎の計予測に基く防災対策ができるようにすべきかというよ測精度が格段に向上した他、一つの内空断面の測点数うに課題を設定した。も多くなったために、変状解析も高度化が達成され、 2.3 解析の高度化複雑な変状の形が解析できるようになった。また、計１断面の測点数が解析精度に与える影響について調測作業及び解析のコストも押さえることができ、地下査した。測点数が１断面４点であり、三角形の三辺の鉄トンネルの安全管理に貢献できた。長さとその変化量から変形は検出できるが最大歪みの方向に測点がない場合は計測精度を超える変化があっ２．営団地下鉄における従来の内空断面計測技術の現状分析 2.1 ても検出できない可能性がある。営団地下鉄の場合一断面当り４点の計測点を持っているが、変状解析の例エクステンション・メーターによる計測としては、トンネル中心鉛直線を対称軸とする４種のエクスパンション・メーター（コンバージェンス・パターンに分類して解析している。メジャー）によるトンネル内空断面変状計測はトンネ都市のように地下構造物が建設される地域ではトンルの内空断面について頂部、左右の壁面の３個所（まネルに与える影響は複雑であり複雑な変形においてもたは左右壁面に地上１ m、数 m の４個所）にフック解析精度の向上が必要と判断された。状のインデックスを設け、温度による膨張係数の小さ 2.4 開発課題いインバー製の物差しを用い、バネ秤で張力を一定にこの事から、従来の技術では測定の精度を上げるこし、インデックス間の距離を精密に計測するものであとは不可能であった。その理由はエクスパンション・る。メータの原理に基く技術は長い歴史の中で改良を重ね営団地下鉄が実施していた方法はエクステンショており、革新的に精度を上げるためには測定原理からン・メーターによる方法であった。エクステンショ見直す必要があった。また、解析の精度を高めるためン・メーターは熱膨張係数の小さいインバー（ニッケ測点を増やすことも不利な技術条件であった。エクスル36％、鉄64％の合金）を素材とし、常に張力を一定パンション・メータは測点を１点増やす場合、測定辺にし、張力による伸長及び懸垂による誤差がキャンセを２辺増やさざるを得ない。この事はコストアップにルされる工夫が施されている。端点はフックに引っかも直結している。ける事により、常に一定に設置されるように工夫されている。このようにして、各フック間の距離の変化量３．要素技術に関する調査を正確に測定する技術である。測定の原理から見直しをする必要が生じたことかしかし、インバー張力計のバネのドリフト及び摩擦にら、要素技術の現状を調査した。 ― 55 ― 3.1 測距技術を必要としないレーザー干渉方式の計器も出現距離測定機器としては一般の光波測距儀は分解能がしているが、高価であること、測点にミラーを精々±1 mm 程度であり、用いられないので、レー接合させる機構が複雑である事に加えて、高所ザー干渉計、高周波変調光波測距儀が候補としてあげの測点にミラーを運搬するために装置が必要とられた。 ① なる。レーザー干渉計の精度は高いが測定線に沿って ② 高周波変調光波測距儀は0.2mm の分解能があ反射鏡を移動させるためのガイド・レールが必るが、測定距離約20m 位までは視準軸誤差と要であり、実用的でない。なお、近年反射ミ呼ばれる変調波面の歪みによる誤差が0.5mm ラーを自動追尾することによってガイドレールに達している。図−１参照図−１ 3.2 測角技術する。図−２参照一方、角を測定する機器は近距離ほど位置誤差は少なく、加えて近年、近距離でも合焦による視準軸の変４．非接触三次元計測（角測定）技術による内空断面計測システム化が0.2秒以内、鉛直軸誤差を自動的に補正する装置 4.1 のついたセオドライトが開発されている。 3.3 三辺測量か三角測量かシステムのセットアップ及び計測非接触三次元トンネル内空断面変状計測システムは一般に測量分野では角を測定する三角測量よりは辺図−３のようにセットされ、計測を行なう。長を測定する三辺測量がよい精度が得られると言われている。これは光波測距儀の出現によって距離測定が容易になり、精度が向上したことによる。しかし、内空断面計測技術の現状や要素技術の特性を検討した結果、最も精度の高い高周波変調光波測距儀でもその誤差特性は（図−１）のごとく、近距離では視準軸誤差（変調波面を完全球面とする技術の限界により視準の誤差が測距の誤差となる）のため精度が低くなり、一方セオドライトについては視準軸の変化のない合焦技術と角測定技術が進歩したこともあって角測定の方が有利という判断であった。つまり、近距離の測定条件の下では一般測量的な距離中心の測定とちがって三角測量が三辺測量を上回る精度を確保できることを意味 ― 56 ― 図−２図−３スケールバーは三角測量における基線の役割を担う ① センタリングの不要もので両端に視準標をもち、その間隔は数ミクロンのスケールバーを用い、基線を与えバンドル調整精度で検定されている。しているため、交会法のようにセオドライトのセオドライトは内空断面に対して、同一側から視準セッテングの必要がないことは重要なことであするようにセットされる。る。セオドライトを±0.2mm の精度でセッテ視準標は耐久性の優れた材質で作成され、その形状ングすることは多大な時間を要することである及び設置位置は図―４に示すようになっている。視準標の視準面はほぼセオドライトの方向を向くようにかことは経験者ならすぐ理解できる。 ② シンプルで安定した視準標つ、落下事故が起らないように確実に固定されてい視準標はトンネル壁面の微少な変形を計測するる。代表点であり、永久標識でなければならない。計測は断面計測基準（スケ−ル・バ−２点）と内空また地下鉄運行の安全を確保する上で堅固に設断面視準標（９点）の11点について、順次水平角、高置されていなければならない。一方で観測の時度角を測定しその結果は自動的に記録される。測定後視準しやすいものである必要がある。このよう即座にバンドル法調整計算を行い精度を確認する、精な条件を満たすように設計、製作、設置された。度不良があれば即再測を行う。 4.2 ③ 測定機器の効率的配置及び効率的測定非接触三次元トンネル内空断面変状計測システ内空断面に対する測定機器の配置は視準標の視ムの優位性準にあたり、視準距離が大きく変化しないようシステムの特徴を挙げると次の項目のとおりである。に工夫されている。この事によって合焦操作による視準軸の変化が誤差として入り込まない ― 57 ― 図−４上、観測時間の短縮につながっている。測精度が格段に向上した他、一つの内空断面の測点数も多くなったために、変状解析も高度化が達成され、５．計測結果の評価複雑な変状の形が解析できるようになった。 5.1 に内空断面変状解析結果を図示したものを示す。変化計測の精度任意に抜き取った内空断面の計測結果の一例を（表 −１）に示す。図―５量を示すベクトルの縮尺は判別しやすいように拡大表示している。測点の間は補間したものである。試験的ここに示される標準偏差はシステム内部の誤差（偏な測定のため、短期間の間の変状を測定したものであ差）から算出されたもので、時間をおいた再現精度はるが微少な変化の様子が明確に理解できる。測点が多もう少し大きいと考えられている。また表−２は同一いことから、中心軸に対して対称的でない変化が起っ断面を連続観測したときの再現性を表している、これていることも読み取れる。からも十分に高い精度が保たれていることが理解できる。 5.2 解析精度開発されたシステムによる計測結果は、測点毎の計表−１ ― 58 ― 表−２図−５６．今後の課題 6.1 都市の交通の過密化は避けられない現象である。現安全管理数値基準の設定による管理システムの在では深夜の運行休止時に、線路保守作業との調整を構築しながら計測しているが、より効率的にまた、可能なトンネル内空断面の変状からトンネル構造物に発生ら深夜労働によらない計測方法の研究が必要である。している応力分布を解析し、トンネル構造物の安全許容応力を基準に数量的な管理ができることが安全管理参考文献を効率的に確実に遂行する上で重要である。１）坂井五郎他土木学会北海道支部年次技術研究発表会論文集1996年２月（朝日航洋株式会社） 6.2 交通車両の運行に左右されない計測システム ― 59 ―