JP4167994B2 - トンネル検査装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル検査装置及び方法に関し、特にトンネル覆工面内の非破壊検査を行う場合に好適なトンネル検査装置及び方法に関する。

従来、鉄道等のトンネル覆工面内の非破壊検査は、高所作業車に作業員が乗車して、覆工面（コンクリート面）をハンマ等で叩き、当該箇所の打撃音の違いを聞き取ることで、覆工面内の異常の有無を判断し、異常が有ると判断された箇所を詳細に検査するようにしていた。しかし、前述のような打撃による検査は、作業員の感覚の違い等による個人差が大きく、作業に熟練度を要する。また、検査を行う箇所が特定しずらく、記録性が乏しい。さらに、高所作業を伴うため、危険性が高い等といった問題を抱えていた。

このような実状を鑑み、特許文献１に記載されているようなトンネル検査装置が提案されている。特許文献１に記載のトンネル検査装置は、電磁波の反射を利用してトンネル覆工面内の検査を行うというものであり、電磁波の発信と受信を行うアンテナを検査対象となる覆工面（壁面）に近接させて検査を行う。特許文献１に記載のトンネル検査装置の構成は、検査を行うためのアンテナと、前記アンテナを支持し、検査壁面に近接させるための多軸マニピュレータとを主要部としており、前記検査装置はトンネル内を走行可能な車両に搭載され、トンネル覆工面をトンネルの縦断面方向（車両進行方向）へ走査可能に構成されている。

このような構成のトンネル検査装置によれば、作業員による高所作業が不要となる。また、検査はアンテナから発信された電磁波の反射波を解析することにより行われるため、個人差による影響が少なく、安定したレベルの検査結果を得ることができる。また、コンピュータ等により検査箇所を記録することができるため、検査記録を確実に採ることが可能となる。
特開２００２−７１８２７号公報

上記のようなトンネル検査装置によれば、従来の課題は解決することができるように思われる。しかし、電化トンネルには、トロリー線をトンネルのクラウン部から吊下げられる下束という構造物が、通常、数十メートル毎に設置されており、トンネル覆工面の検査を行う際の妨げになることが指摘されている。

特許文献１に記載のトンネル検査装置を含め、現在市場に提供されている多軸マニピュレータによってアンテナを支持するトンネル検査装置では、トンネルクラウン部を対象にトンネルを走査する場合、前記下束に前記マニピュレータが接触するため、下束前にて前記アンテナを下げ、下束を回避して検査を行うようにしているものが殆どである。これは特に、円弧形・馬蹄形の断面形状を有するトンネルでは、下束とトンネル覆工面（壁面）との間隔が狭く、この狭い間隔にマニピュレータを通してトンネル壁面の検査を行うことが困難であるということに起因する。

このため、マニピュレータ型のトンネル検査装置は、下束を回避するための時間がかかると共に、下束回避の度にアンテナの位置設定を行う必要がある。また、下束との接触を避けるため、通常下束の前後１．５ｍ程度における覆工面は検査することができないという問題点もある。

さらに、マニピュレータを使用したトンネル検査装置は、一般的に多軸になるほど構成・制御が複雑になるという問題もある。つまり、多軸マニピュレータを有するトンネル検査装置で円弧形・馬蹄形の断面形状を有するトンネルの覆工面に沿って、保持アンテナを移動させるようにした場合には、リンク数を増やす必要が生じ、構成が複雑となり、その制御も複雑となるのである。

本発明では、下束等の配電設備が施された円弧形・馬蹄形の断面形状を有するトンネル内であっても、効率良く、簡易に、トンネル覆工面の検査を行うことを可能とするとともに、装置構成・制御を簡易なものとすることができるトンネル検査装置及び検査方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係るトンネル検査装置は、電磁波の発信・受信を行いトンネル覆工面内の検査をするためのアンテナと、前記アンテナを前記トンネル覆工面に近接させるためのアームとを備えたトンネル検査装置であって、前記アームは前記トンネル覆工面に沿って湾曲形成されると共に、当該湾曲形成された部材の延長方向への伸縮を可能に構成され、前記アンテナは前記アームの伸縮を成す部材に支持されることで前記アームの伸縮により前記トンネル覆工面の形状に沿って湾曲状にスライド可能とされることを特徴とする。
また、上記特徴を有するトンネル検査装置において、前記アームには前記アンテナを２つ設け、いずれか一方のアンテナを前記アームの伸縮を成す部材に、他方のアンテナを前記アームの伸縮しない部材にそれぞれ備え、前記一方のアンテナは、前記アームの伸縮により前記トンネル覆工面の形状に沿って湾曲状にスライド可能に構成されると良い。

上記特徴を有するトンネル検査装置において、前記アームには、台座と、前記台座を先端部に備えるブームと、前記ブームを備える基礎、および前記基礎を備える旋回台が接続され、前記基礎に備えられて前記ブームを起伏させるシリンダ機構と、前記台座に備えられて前記アームを起伏させるシリンダ機構とを有し、前記ブームはスライド機構により伸縮可能な構成とすると良い。

また、上記のような特徴を有するトンネル検査装置は、上記いずれか１に記載のアームに加え、伸縮可能に構成されたストレート構造の第２のアームと、前記第２のアームに備えられ、電磁波の発信・受信を行いトンネル覆工面内の検査をするアンテナとを備えるものであっても良い。

上記課題を解決するための本発明に係るトンネル検査方法は、トンネル覆工面に電磁波を発信・受信するアンテナを近接させて、前記トンネル覆工面内の検査を行うトンネル検査方法であって、前記アンテナを前記トンネル覆工面の形状に合わせて湾曲形成したアームの伸縮部材に備え、前記湾曲形成したアームを延長させることで前記アンテナを前記トンネル覆工面に沿って移動させ、前記トンネル覆工面と下束との間に前記アンテナを配置し、前記下束裏側に位置するトンネル覆工面内の検査を行うことを特徴とすれば良い。

上記のようにトンネル検査装置のアンテナを支持するアームを、前記トンネル覆工面の形状に沿った湾曲形状に形成することにより、トンネル覆工面に沿ってアンテナを移動させることが容易にできるため、円弧形・馬蹄形の断面形状を有するトンネル内に下束等があったとしても、それらを回避してトンネル覆工面（特に下束の陰となる箇所）の検査を行うことができる。また、アーム自体をトンネル覆工面の形状に沿って湾曲させたことにより、リンク数を増やした複雑なマニピュレータを利用する場合と異なり、簡易なアーム構成で、トンネル覆工面の形状に沿った壁面（覆工面）走査を可能とすることができる。また、アーム構成を簡易なものとすることにより、制御自体も簡易なものとすることができる。

また、前記アームをトンネル覆工面の形状に沿って伸縮可能に構成することにより、トンネル内の配電設備（下束等）に接触する虞無く、トンネルのクラウン部の覆工面を検査することができる。つまり、トンネル覆工面と下束との狭隘な隙間にも容易にアームを出し入れすることができるのである。

また、アームを、旋回台に載置された基礎と、前記基礎に備えられシリンダ機構を介して起伏を可能とするブームと、前記ブームの先端部に備えられた台座と、前記台座に備えられ、シリンダ機構を介して起伏を可能とする湾曲アームと、から成り、前記ブームと前記湾曲アームとは、それぞれスライド機構により伸縮可能に構成することにより、前記アームが５自由度を有することとなる。これにより、不使用時には装置自体をコンパクトに収納しておくことが可能となる。このため、上記トンネル検査装置をトンネル内を走行可能な車両に搭載したとしても、車両限界の範囲内にトンネル検査装置を収納することが可能となる。

また、トンネル覆工面の形状に沿って湾曲形成された第１のアームと、ストレートに形成された第２のアームとを備え、それぞれのアームにアンテナを備えるようにトンネル検査装置を構成することにより、第１のアームでは、アンテナが下束に接触しないように検査を行うようにし、第２のアームでは、トンネルの頂点部分の検査を行うようにすることで、より効率の良いトンネル検査を行うことが可能となる。

また、トンネル覆工面に電磁波を発信・受信するアンテナを近接させて、前記トンネル覆工面内の検査を行うトンネル検査方法であって、前記アンテナを前記トンネル覆工面の形状に合わせて湾曲形成したアームに備え、前記湾曲形成したアームを前記トンネル覆工面に沿って延長させることで、検査対象となる壁面に前記アンテナを近接させて、トンネル覆工面内の検査を行うという方法によれば、トンネル内の下束に接触する虞無く、トンネル覆工面、特にトンネル頂点部分（クラウン部）付近の覆工面内の検査を行うことが可能となる。

以下、本発明のトンネル検査装置及び方法に係る実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であって、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
図１は本実施形態に係るトンネル検査装置の側面図であり、図２は本実施形態に係るトンネル検査装置の平面図であり、図３は本実施形態に係るトンネル検査装置による覆工面検査の様子を示すトンネルの断面図である。

本実施形態のトンネル検査装置は、トンネル覆工面内の非破壊検査を行うためのアンテナ１２ａ、１２ｂと、前記アンテナ１２（１２ａ、１２ｂ）を支持する湾曲アーム１４と、前記湾曲アーム１４を支持するブーム１６とから成る第１のアーム１０を主要部とし、トンネル内を走行可能な車両５０に搭載されている。

前記アンテナ１２は、トンネル覆工面３０（コンクリート面）に向けて電磁波を発信し、前記電磁波の反射波を受信し、それを解析することにより覆工面内の異常の有無を検査する検査装置のアンテナを使用すれば良い。電磁波を利用した覆工面の非破壊検査は、覆工面内に空洞やジャンカ、クラック等が存在する場合、反射波が正常な覆工面を検査したものと異なるということを利用して、覆工面内の異常の有無を検知するのである。これは、電磁波が伝播する物質の比誘電率や比透磁率が異なる場合に、その境界線でそれぞれ電磁波が反射されるという現象を利用している。

前記湾曲アーム１４は、長手方向の形状をトンネル（特に円弧形・馬蹄形の断面形状を有するトンネル）覆工面３０の形状に合わせて湾曲に形成されたアームである。また、当該湾曲アーム１４は、図４に拡大図を示すように断面形状が、大きい部材１４ａと小さい部材１４ｂ（本実施形態の場合、双方共に断面矩形状とした）との組み合わせにより、連結部毎に断面形状の小さい部材１４ｂが断面形状の大きい部材１４ａに収納可能となるようにして、湾曲アーム１４の全長を可変としている。伸縮動作は、多種の方法が考えられるが、例えば図５（Ａ）に示すように、モータ等によって駆動するピニオンギア１４ｃに、ラックギア１４ｄを噛合わせたラックピニオン式を挙げることができる。このような構成によれば、プランジャ（シリンダ機構）等による直押しでは困難な円弧スライドを実現することができる。なお、湾曲アーム１４の構成は、図５（Ｂ）に示すような円弧状に形成された板１４ｅ、１４ｆを組み合わせたものであっても良い。また、ピニオンギア１４ｃの代わりにローラ１４ｇを採用しても良い。

湾曲アーム１４を上記構成とすることにより、トンネル覆工面３０に沿ってアームを伸長させることができる。このため、トンネル覆工面３０の検査を行う際に、下束３２にトンネル検査装置が接触してしまう虞が無い。また、アーム形状を湾曲としたことにより、簡易な構成で、従来（マニピュレータ型の検査装置では）困難であった下束を有する円弧形馬蹄形の断面形状を有するトンネルのトンネル覆工面３０に沿った覆工面の走査を実現することが可能となる。

前記アンテナ１２は、前記湾曲アーム１４の湾曲形状に沿って備えられる。このため、前記湾曲アーム１４を前記トンネル覆工面３０に沿って伸縮させた場合には、前記アンテナ１２も前記トンネル覆工面３０に沿って移動することとなる。よって、アンテナ１２を前記トンネル覆工面３０に沿って移動させるためのアームの操作が容易である。このため、トンネル覆工面３０の検査作業の効率化を図ることができる。

前記ブーム１６は、前記湾曲アーム１４と同様に、その全長を伸縮可能とする。本実施形態においてブーム１６は、前記湾曲アーム１４と異なり、ストレート構造で良いため、伸縮にはプランジャ等による直押しを採用することができる。もちろん、湾曲アーム１４と同様に、ラックピニオン方式を採用することもできる。また、前記ブーム１６は、基礎１８を介して旋回台２０に載置され、旋回自在としている。また、前記ブーム１６は、前記基礎１８に対して起伏可能に備えられ、シリンダ機構２２を介してその動作を可能としている。

前記ブーム１６による前記湾曲アーム１４の支持は、台座２４を介して成されている。前記台座２４は、前記ブーム１６の先端部に備えられる台であって、本実施形態では、図１に示すように、ブーム１６を伏した際に前記台座２４の上面が水平となるように備えている。

前記湾曲アーム１４は前記台座２４へ、ジョイント部２８を介して接続され、シリンダ機構２６によって、起伏動作を可能とされている。
前記起伏動作は、クレーン等のように、ワイヤの牽引によって行うようにしても良い。

上記構成の第１のアーム１０は、トンネル内を走行可能な車両５０に載置されることで、トンネル覆工面３０を縦断面方向（車両進行方向）へ走査することが可能となる。

上記のような構成のトンネル検査装置では、ブーム１６が旋廻・起伏・伸縮を可能とし、湾曲アーム１４が起伏・伸縮を可能とするため、アーム全体としては５自由度を有することとなる。このため、トンネル内において下束３２に接触する虞の無い経路を通ってトンネル覆工面３０の検査を行うことが可能となると共に、図３に一点鎖線で示す車両限界５４内に第１のアーム１０を収納することが可能となる。また、本実施形態のような構成の第１のアーム１０を有するトンネル検査装置であれば、下束３２の裏側（トンネル内に敷設されたレールに対して下束を介して裏側となる部分）にあたるトンネル覆工面３０も検査することができる。

本実施形態では、車両５０の荷台上に大型旋回台５２を設け、その上に上記構成の第１のアーム１０を載置するようにしている。
また、本実施形態では、上記第１のアーム１０の他に、トンネル頂点部分の検査を目的とした第２のアーム１１０を前記大型旋回台５２に載置するようにしている。

前記第２のアーム１１０は、アンテナ１１２と、伸縮・旋回が可能なストレートアーム１１４と、旋回・起伏・伸縮が可能なブーム１１６とから成る。第２のアーム１１０は、前記アンテナ１１２と、前記ブーム１１６の構成は、上述の第１のアーム１０と同様である。第２のアーム１１０におけるストレートアーム１１４は、直線構造の部材より構成されており、伸縮の構成としては、前記ブーム１６、１１６と同様である。また、第２のアーム１１０では、台座１２４に旋廻機能を持たせるようにしている。さらに、ストレートアーム１１４にはリンク機構１１４ａが備えられており、アンテナ１１２の振れ角度を調整可能としている。

上記のようにトンネルのクラウン部の覆工面を検査対象とする第２のアーム１１０と、それ以外のトンネル覆工面を検査対象とする第１のアーム１０とを備えるトンネル検査装置とすることにより、一度の走査で、トンネルの頂点部分と、それ以外の箇所の覆工面を同時に検査することができる。また、数回に亙ってトンネル覆工面３０の走査を行う際には、第１のアーム１０のみを稼動させれば良いこととなる。この場合、湾曲アーム１４が覆工面に沿った形状を呈しているため、下束３２の張り出し部にアームが接触する虞がなく、覆工面を連続して走査することができる。

上記構成のトンネル検査装置では、第１のアーム１０における湾曲アーム１４およびブーム１６を操作して、検査対象となるトンネルの覆工面３０へアンテナ１２を近接させる。

アンテナ１２の位置設定を行った後、検査対象（例えばトンネル下段から中段）となるトンネル覆工面を縦断面方向へ走査する。トンネルにおいて中段部分となる覆工面の走査が終了した後、湾曲アーム１４を伸長させ、トンネル上段の覆工面の走査を行う。

第２のアーム１１０を備えている場合には、上記走査と同時に、トンネル頂点部分の覆工面を走査することもできる。トンネル頂点部分を走査する場合には、下束３２を回避してその都度アンテナ１１２の位置合わせを行う必要があるが、複数のアームを備える従来のトンネル検査装置では、下束３２毎に全てのアームに回避経路をとらせる必要があったのに対し、本実施形態では、第２のアーム１１０のみを回避させれば良いため、走査に要する時間を削減することができる。

上記実施形態のように、湾曲アーム１４を有する構成としたことにより、円弧形や馬蹄形の断面を有するトンネルであっても、その覆工面に沿ってアンテナを走査させることができる。つまり、本発明では、伸縮制御のみという簡単な制御で覆工面の湾曲に沿ったトンネル覆工面の走査が可能となる。

本発明に係るトンネル検査装置の概略を示す側面図である。 本発明に係るトンネル検査装置の概略を示す平面図である。 本発明に係るトンネル検査装置によるトンネル検査の様子を示す図である。 本実施形態における第１のアームによるトンネル検査の様子を示した図３の拡大図である。 本発明の実施形態における湾曲アームの構成を示す概略図である。

符号の説明

１０………第１のアーム、１２（１２ａ、１２ｂ）………アンテナ、１４………湾曲アーム、１６………ブーム、１８………基礎、２０………旋回台、２２………シリンダ機構、２４………台座、２６………シリンダ機構、２８………ジョイント部、３０………トンネル覆工面、３２………下束、５０………車両、５２………大型旋回台、５４………車両限界、１１０………第２のアーム、１１２………アンテナ、１１４………ストレートアーム、１１６………ブーム。

Claims (5)

1. 電磁波の発信・受信を行いトンネル覆工面内の検査をするためのアンテナと、前記アンテナを前記トンネル覆工面に近接させるためのアームとを備えたトンネル検査装置であって、
   前記アームは前記トンネル覆工面に沿って湾曲形成されると共に、当該湾曲形成された部材の延長方向への伸縮を可能に構成され、前記アンテナは前記アームの伸縮を成す部材に支持されることで前記アームの伸縮により前記トンネル覆工面の形状に沿って湾曲状にスライド可能とされることを特徴とするトンネル検査装置。
2. 前記アームには前記アンテナを２つ設け、いずれか一方のアンテナを前記アームの伸縮を成す部材に、他方のアンテナを前記アームの伸縮しない部材にそれぞれ備え、前記一方のアンテナは、前記アームの伸縮により前記トンネル覆工面の形状に沿って湾曲状にスライド可能とされることを特徴とする請求項１に記載のトンネル検査装置。
3. 前記アームには、台座と、前記台座を先端部に備えるブームと、前記ブームを備える基礎、および前記基礎を備える旋回台が接続され、
   前記基礎に備えられて前記ブームを起伏させるシリンダ機構と、
   前記台座に備えられて前記アームを起伏させるシリンダ機構とを有し、
   前記ブームはスライド機構により伸縮可能な構成としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトンネル検査装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載のアームに加え、伸縮可能に構成されたストレート構造の第２のアームと、
   前記第２のアームに備えられ、電磁波の発信・受信を行いトンネル覆工面内の検査をするアンテナとを備えたことを特徴とするトンネル検査装置。
5. トンネル覆工面に電磁波を発信・受信するアンテナを近接させて、前記トンネル覆工面内の検査を行うトンネル検査方法であって、
   前記アンテナを前記トンネル覆工面の形状に合わせて湾曲形成したアームの伸縮部材に備え、
   前記湾曲形成したアームを延長させることで前記アンテナを前記トンネル覆工面に沿って移動させ、
   前記トンネル覆工面と下束との間に前記アンテナを配置し、
   前記下束裏側に位置するトンネル覆工面内の検査を行うことを特徴とするトンネル検査方法。

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