Φ-OTDR光ファイバひずみとトンネルライナーひずみの変換法およびトンネル安全監視への応用

トンネルの「呼吸」を観測する

現代の道路や鉄道のトンネルは山岳、河川、人口密集地の下を通っており、目に見えない亀裂やゆっくり進行する変形がすぐに災害につながることがあります。本研究は、長い光ファイバをトンネルの連続的な神経のように使い、ライニングの伸び縮みをリアルタイムで「伝えさせる」方法を提示します。本稿は、コンクリート内部でこれらのファイバがひずみにどう反応するかを解明するだけでなく、その信号を現場の作業者に対する自動安全警報へと変換する手法も示します。

単一センサから連続的な神経へ

従来のトンネル監視はライニングの要所に取り付けた個別の計器に頼ってきました。これらは高精度ですが測定点が限られ、現地での読み取りや保守が必要になることが多いです。分布型光ファイバセンシングは異なるアプローチを提供します：一本のケーブルをコンクリートに接着または埋め込めば、その全長にわたってひずみを測定できます。本研究で用いた位相感度型光時分割反射法（Φ-OTDR）は、短いレーザーパルスを通常の通信ケーブルに送り、ガラス内のわずかな散乱エコーを受信します。ライニングが変形すると、そのエコーが変化し、数千箇所でファイバがどれだけ伸びたり圧縮されたかが明らかになります。

なぜファイバとコンクリートは同じように動かないのか

実際のトンネル現場では、光ファイバを剥き出しのままにすることはできません。曲げやコンクリート打設、施工時の衝撃に耐えるためにプラスチックや金属の保護層で覆う必要があります。しかしこれらの層の存在により、ガラス芯線は周囲のコンクリートと全く同じ変形をするわけではありません。さらにファイバは温度のゆっくりとした変化や長期クリープにも敏感で、構造体が静止しているときでもひずみ測定値に徐々にドリフトが現れます。もし生データをそのまま使えば、ライニングにかかる応力を過小・過大評価してしまいます。本稿の核心は、保護されたファイバが“感じる”ものを周囲のコンクリートの真のひずみに翻訳する方法です。

模型トンネルの製作と曲げ試験

この翻訳を明らかにするために、研究チームは実際のトンネルライニングと同じ寸法・配筋パターンを持つ大型コンクリート梁を3本鋳造しました。梁の内部には装甲光ケーブルと従来の電気式ひずみゲージを対応する位置に設置しました。次に2種類の試験を行いました。動的試験では、梁をミニチュア橋のように荷重を制御速度で増加させ、ファイバとゲージの応答を記録しました。静的試験では、梁を荷重無負荷の状態で30分以上放置し、ファイバひずみが自身の材料特性や環境の影響でどのようにクリープするかを観察しました。得られたデータは、構造ひずみとファイバひずみが荷重や時間に対してほぼ直線的に増加するが、その増加率は異なることを示しました。

ファイバの読みを構造ひずみに変換する

試験結果に直線方程式を慎重に当てはめることで、著者らはファイバの応答を2つの成分に分離しました：一つはコンクリートの実際の曲げに起因する成分、もう一つは環境要因による時間依存の蓄積です。そこから、時間依存のドリフトを差し引きつつ、ファイバの読みを通常の構造センサが示すひずみに変換する単純な式を導き出しました。平均的には、コンクリートひずみはファイバひずみの約1.26倍であり、監視時間とともに増える小さな項を差し引く形になります。この変換を中国四川省の実際の高速道路トンネルで適用した際、変換後のファイバ結果は同じ位置に設置された高精度の振動ワイヤ式ゲージの値と良く一致し、約5％以内の差に収まりました。

生データから自動警報へ

ファイバの読みがトンネル挙動を確実に表していると確認したうえで、研究者らはさらに一歩進み、これらを核にしたデジタル安全プラットフォームを構築しました。デモ用トンネルでは、ケーブルをアーチ部、側壁、下部側領域にU字型に敷設し、毎分データを収集する中央ユニットに接続しました。プラットフォーム内のソフトウェアは、ひずみを応力に変換し、ライニングが負担する軸力や曲げモーメントを算出し、中国のトンネル・コンクリート設計基準に基づく安全率を評価しました。これらの値は事前設定した閾値と比較され、任意の区間が危険域に近づくと監視室でのアラーム発報や現場作業員の携帯への警告送信が行われるよう設計されており、ファイバをリアルタイムの早期警報ネットワークの中核にしています。

地下作業の安全性を高める

非専門家にとっての主要な成果は、一本の堅牢な光ケーブルが適切に変換されればトンネルの連続的な健全性モニタになり得るという点です。本研究は、制御された実験室試験によってその変換を確立する方法を示し、実際の施工プロジェクトで検証しました。較正されたファイバ測定値を自動解析と明確な安全閾値と組み合わせることで、トンネル運用者は荷重変化に伴うライニング全体の“呼吸”を監視し、亀裂や崩壊が起きる前に異常を検知できます。この手法は、目に見えない地下構造の安全を静かに見守る光の神経系によって、将来の地下建設・運用が守られる方向を示しています。

引用: Cao, K., Xie, Z., Zhou, F. et al. Transformation method of Φ-OTDR optical fiber strain and tunnel liner strain and its application in tunnel safety monitoring. Sci Rep 16, 13842 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43749-5

キーワード: トンネル安全, 光ファイバセンシング, 構造健全性モニタリング, ひずみ測定, 早期警報システム