土砂崩壊の予兆を「見える化」する新技術の実証試験

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05019
• Research Institution: National Institute of Occupational Safety and Health,Japan
• Principal Investigator: 玉手 聡 独立行政法人労働者健康安全機構労働安全衛生総合研究所, 労働災害調査分析センター, センター長 (10344243)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 堀 智仁 独立行政法人労働者健康安全機構労働安全衛生総合研究所, 建設安全研究グループ, 上席研究員 (20508634)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 土砂崩壊 / 労働災害 / 安全監視 / モニタリング / 支援的対策

Outline of Annual Research Achievements

作業者が土砂に生き埋めとなる労働災害は後を絶たないが，この災害は主に二つの要因が重なって発生しているものと考えられる．一つは斜面が崩れて土砂が落下したことであるが，もう一つは作業者がその危険に気づかず逃げ遅れたことではないだろうか．
本研究では，後者の問題を危険の「見える化」によって解決することを目的に崩壊の予兆を電気的計測で捉える技術を検討している．特にこの検討では工事現場での利用が可能な簡便な技術の提供を重要テーマに位置づけ「土砂崩壊の簡易危険検出システム」を開発している．
地すべり等の大規模な計測では伸縮計や傾斜計によるシステムが用いられるが，工事現場のような限られた場所と時間的制約のなかで簡単に使用できるものはないのが現状である．そこで本研究では地表面から浅い部分のせん断ひずみを計測する表層ひずみ棒センサー(以下，「MPS」と言う)と警報器で構成するシステムを検討している．
MPSは短い棒の下端にスクリューを備えたものであり，回転させて斜面に貫入設置するタイプのセンサーである．大きさは全長0.6m，最小直径(曲げ検知部)10mm，最大直径(受圧体)100mmで重量約3.5Nの小型軽量なセンサーである．曲げ検知部にはひずみゲージを同一平面上で対向するように貼り付けており一方向の曲げに反応する．したがってMPSは棒の曲げ変形によってせん断ひずみの増加を捉えるセンサーであり，従来の変位計や傾斜計とは計測する変形量が異なる．
スクリュー部を固定端とした片持ち梁条件においてたわみsを有効長L(=0.5m)で除した値を換算せん断ひずみ(%)と定義し、出力(マイクロストレイン)との関係を調査したところ良好な直線関係を確認した。また最大容量 10％に対する定格出力は約6000マイクロストレインであることがわかった。本年度は室内試験によるMPSの性能調査と警報システムの改善を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

MPSセンサーと警報器を接続して構成するシステムについて、内部のデータ通信をデジタル化する回路に改善したところ温度とノイズの影響を少なくすることができた。したがって、本研究の第一段階としては「概ね順調に進展している」と考える。
具体的に説明すると、本システムでは作業者が危険に気づきにくいクリープ的な破壊現象の判別を試みている．その方法は、ひずみが一定速度で増加する2次クリープ的な変化を第一段階の危険D1とし，さらに加速度的な増加を第二段階のD2と定義したうえでMPSの計測データからD1とD2を自動判別させるものである．この判別では収録データから時刻tと換算せん断ひずみqの関係を回帰計算して近似することとしている．
開発中の警報システムでは0.1 Hzで収録した6組のデータセットから近似式の係数(傾き)が自動計算され1分間の平均せん断ひずみ速度として10秒毎に更新する．D1は係数の値が閾値よりも大きくなった時とした．D2は実測値と予測値の乖離の程度で判別させる．その方法は近似式から計算して求めた10秒後と20秒後の予測値と実測値の差がともに閾値を上回った場合にD2とするものである．したがって，D2 は10秒後と20秒後の2段階で「And」の判別をする．
これまでの研究から土砂崩壊発生前に斜面表面に現れるせん断変形は1/100%程度の微小な場合があることがわかった。この変形から危険を確実に判別するためには微小変形を高精度に計測できる必要がある。ところが従来のアナログ通信の回路では温度変化や環境中のノイズが干渉するため精度良く危険を判別できない問題があった。そこで本年度はデータの伝送方法をデジタル通信に改めてその効果を試験したところ、従来と比べて温度変化とノイズは大幅に減少することがわかった。

Strategy for Future Research Activity

従来のアナログによるデータの通信では現場に存在するノイズや温度変化がデータに影響する問題があったが、今回これをデジタル化することで問題を解決できることが明らかとなった。これまでの予備的なテストから、約10度の温度変化に対して電圧の変化は10のマイナス4乗ミリボルト程度であり、限りなくその影響を小さくなることがわかった。また、換算して求めたひずみ速度の値は1/1000(%/min)以下であり、土砂警報の際の判定レベルとする閾値に対してワンオーダー以上小さいことも確認した。
令和3年度は本研究の第2年度として、その改善効果を室内模型実験で確認するとともに、協力現場で実証試験を行う予定である。令和2年度はコロナウイルスの流行により現場出張がかなわなかったが令和3年度は状況を見つつ実施を検討したい。実現場における温度やノイズの干渉を調査して改善効果を確認する。また、これまでの研究成果をとりまとめて国際会議への論文投稿も計画しており、現場での簡易モニタリングの実現による災害防止の可能性について海外の専門家と議論したいと考えている。
作業者が危険に気づかず逃げ遅れて土砂の生き埋めとなる労災事故は多数発生しており，人の注意力だけに依存する安全には限界があると考えられる．最終的に現場で活用可能な技術を提供できるようMPSシステムの高度化に努めたい．

Causes of Carryover

物品の購入に当たって見積金額が安い業者に発注することで当初の予算に対して1520円節約することができた。この節約金額が「次年度使用額」となっており次年度に有効に活用したいと考えている。