JP4577957B2 - トンネル診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トンネル構造物壁面の内部に存在する欠陥を、音響弾性波を用いて診断するトンネル診断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトンネル診断は、音響信号を用い、ハンマー等発振源から投入された音響パルス信号の遅延時間を計測し、覆工部の厚み、あるいは欠陥部までの距離を計測しようとしていた。
図８は、従来のトンネル診断装置を示す構成図である。
図８において、１１１はハンマー、１１２は衝撃受信センサ、１１３は受信装置、１１４はオシロスコープ、１１５は測定対象であるトンネル覆工である。
図８の従来技術では、ハンマー１１１の発振源からトンネル覆工１１５に投入された音響信号を衝撃受信センサ１１２によって検出し、受信装置１１３で受信し、オシロスコープ１１４で観視する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では、パルスの高周波成分がコンクリートを構成する骨材により散乱されて信号が深部まで到達できず、深部計測が困難であった。また表層に近い部分に欠陥が存在する場合、欠陥部から反射する音響反射信号と、パルス信号の入射によって対象物表面に発生する表面波とが干渉し、欠陥部から反射する信号波を容易に識別できない課題があった。
【０００４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、診断の対象構造物の深部及び表層部の両領域に存在する欠陥部を効率的に診断できるトンネル診断装置を得ることを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるトンネル診断装置においては、トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射すると共に入射された低周波の音響弾性波に対するトンネル覆工の第一の応答振動を受信するよう構成された低周波探査子、トンネル覆工に高周波の音響弾性波を入射すると共に入射された高周波の音響弾性波に対するトンネル覆工の第二の応答振動を受信するよう構成された高周波探査子、低周波探査子によって受信された第一の応答振動または高周波探査子によって受信された第二の応答振動を用いて、トンネル覆工内の欠陥の有無を判定する信号処理装置、低周波探査子及び高周波探査子の切替えを判定する探査子切替え判定機構、この探査子切替え判定機構によって切替えを判定された場合に探査子の切替えを行う探査子切替え機構を備え、信号処理装置は、トンネル覆工内の欠陥の有無の判定に用いた応答振動から反射エネルギーレベルを算出し、探査子切替え判定機構は、算出された反射エネルギーレベルを、予め設定されたエネルギーレベルと比較し、この比較結果により探査子の切替えを判定するものであり、低周波探査子及び高周波探査子の各探査子は、トンネル覆工に音響弾性波を入射する音響発振子と、音響発振子によって入射された音響弾性波に対するトンネル覆工の応答振動を受信する音響受信センサとを有し、音響発振子及び音響受信センサは、トンネル覆工への当接面が同一面を形成するよう配置されているものである。
【０００６】
さらに、低周波探査子は、トンネル覆工の深層部の欠陥を検出するよう構成されているものである。
また、高周波探査子は、トンネル覆工の表層部の欠陥を検出するよう構成されているものである。
【０００８】
加えて、音響弾性波は、周波数が連続的に変化する連続波であるものである。
また、信号処理装置は、トンネル覆工の共振振動によって生成された応答振動の共振周波数により、欠陥の有無を判定するものである。
また、信号処理装置は、共振周波数を基にしてトンネル覆工の音響速度を算出し、算出された音響速度により、欠陥の有無を判定するものである。
また、信号処理装置によるトンネル覆工の音響速度の算出は、予め得られたトンネル覆工の厚みの２倍の値に共振周波数を乗ずることによって行われるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、一般的なトンネル覆工構造と欠陥を示す図である。
図１において、１は地山、２は地山１を覆うトンネル覆工、３はトンネル覆工２の表面であるトンネル覆工表面、４はトンネル覆工２に生じたクラック、５はトンネル覆工２に生じたジャンカ、６はトンネル覆工２のコールドジョイント、７は地山１とトンネル覆工２の間に生じた空洞である。
【００１２】
図２は、この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置を示す構成図である。
図２において、１１は低周波探査子で、１１ａは低周波の音響弾性波をトンネル覆工２に注入する低周波音響発振子、１１ｂは低周波音響発振子１１ａによって注入された低周波の音響弾性波に対するトンネル覆工２の応答振動（第一の応答振動）を受信する低周波受信センサである。１２は高周波探査子で、１２ａは高周波の音響弾性波をトンネル覆工２に注入する高周波音響発振子、１２ｂは高周波音響発振子１２ａによって注入された高周波の音響弾性波に対するトンネル覆工２の応答振動（第二の応答振動）を受信する高周波受信センサである。１３は低周波音響発振子１１ａ、高周波音響発振子１２ａを駆動する駆動波形信号を生成する駆動制御装置、１４は駆動制御装置１３によって生成された駆動波形信号を駆動電流に変換増幅して低周波音響発振子１１ａ、高周波音響発振子１２ａに出力する発振電流生成装置である。１５は低周波受信センサ１１ｂ、高周波受信センサ１２ｂによって検出された受信信号を増幅する受信信号増幅器、１６は増幅された受信信号が入力される可変帯域フィルタである。１７は設定表示装置である。２０は可変帯域フィルタ１６の出力が入力される受信信号処理装置で、波形メモリ２１と、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）演算機構２２と、反射エネルギーレベル演算装置２３と、探査子切替え判定機構２４と、低周波探査子１１及び高周波探査子１２を切替える探査子切替え機構２５とを有する。
【００１３】
図３は、この発明の実施の形態１の一体型探査子構造を示す図である。
図３において、３１は音響発振子、３２は音響受信センサ、３３は音響発振子３１及び音響受信センサ３２を音響探査子ヘッドの筐体３４に支持する支持機構である。低周波探査子１１及び高周波探査子１２は、図３に示される探査子と同じ構造である。
音響発振子３１は、音響弾性波を発振するため対象面に当接することにより、音響弾性波をトンネル覆工に入射することが可能になる。一方、音響信号を検出する音響受信センサ３２も音響弾性波を使用するため、対象面に当接することにより、対象物からの音響信号を検出することが可能になる。音響発振子を支持機構３３により探査子ヘッドに固定し、また音響受信センサ３２を支持機構３３により探査子ヘッドに固定し、音響発振子３１の当接面、及び音響受信センサ３２の当接面が同一平面内に存在するよう一体にて音響探査子ヘッドに装備する。
音響探査子を以上のような構造にすることにより、音響発振子３１及び音響受信センサ３２の相対的位置関係を固定し、一体にて音響探査ヘッドに装備し、発振、受信の信号特性を一定にでき、かつトンネルのような狭所作業において操作性を改善できる。
【００１４】
図４は、この発明の実施の形態１の駆動信号波形（チャープ波）例を示す図であり、駆動制御装置１３から低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａに出力される信号波形の１例を示す図であり、時間と共に周波数が変化するチャープ波を示している。
図４において、縦軸は信号波形の電流、横軸は時間を示す。
図５は、この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置のピーク周波数の検出例を示す図である。
図６は、この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の覆工内部の欠陥状況を示す図である。
図７は、この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の検査のフローを示す図である。
【００１５】
次に、動作について説明する。
図２において、駆動制御装置１３からは低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａを駆動する駆動波形信号が生成され、発振電流生成装置１４に出力される。ここで、もちろん低周波音響発振子１１ａに対して生成される駆動波形信号と、高周波音響発振子１１ｂに対して生成される駆動波形信号は、周波数の帯域が異なっており、後者の帯域の方が高い帯域に設定されている。発振電流生成装置１４は、駆動波形信号を低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａを駆動する駆動電流に変換増幅し、低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａに印加する。低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａは、印加された駆動電流の大きさに応じた歪みを発生するように構成されているため、音響発振子を測定対象面であるトンネル覆工２の表面に接触させることで、トンネル覆工２に音響弾性波を注入することが可能となる。駆動制御装置１３が出力する駆動波形は図４に示すとおりである。
【００１６】
低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａから注入された音響弾性波は、トンネル覆工２内部を伝搬し、覆工の内部構造に依存した特徴周波数で共振し、応答する。内部に欠陥がない場合は、覆工背面まで音響弾性波が伝搬し、覆工表面と、覆工背面の距離に対応する縦振動が発生する。この振動現象は、覆工表面に圧接されている低周波受信センサ１１ｂから受信信号として検出され、受信信号増幅器１５により増幅され、可変帯域フィルタ１６で予め設定された周波数帯域の信号が、受信信号処理装置２０内の波形メモリ２１に取り込まれる。この受信波形に対し、ＦＦＴ演算処理を行い周波数応答が波形メモリ２１に出力される。
【００１７】
トンネルの地山を形成する岩盤は、一般に頁岩、花崗岩、安山岩などであり、例えば音響速度が約５０００ｍ／ｓｅｃ程度、密度が２．０〜２．５ｋｇ／ｍ³ 程度の値が得られる。
一方、トンネル覆工２のコンクリートは、音響速度が約３５００ｍ／ｓｅｃ〜４０００ｍ／ｓｅｃ程度であり、（Ｅ＝１．４×１０⁵ 〜１．９×１０⁵ ｋｇｆ／ｃｍ² ）密度も約２．１〜２．２ｋｇ／ｍ³ 程度である。
音響インピーダンスは、Ｚ＝ρ・ｖで表され、覆工の音響インピーダンスをＺ₁ 、地山の音響インピーダンスをＺ₂ とすると、反射係数ｒが、
【数１】

で表されるため、値は小さいが覆工の巻き厚面で音響反射面が形成される。
【００１８】
また、覆工内部にクラック等の欠陥が発生している場合は、クラック面で空気と接する境界層が形成されるため、式（１）の密度ρ２、音響速度ｖ２がともに大幅に下がり強い反射層が形成される。
さらに、ジャンカ等の欠陥層が存在する場合も、クラックの場合と同じく、ジャンカ端面で空気と接する境界層が形成されるため、上記の密度ρ２、音響速度ｖ２がともに下がり、同じく反射層が形成される。
以上のように、健全なトンネル覆工では巻き厚位置で、欠陥が存在する場合は、その欠陥との境界面で音響インピーダンスのギャップが生じる。このため、覆工表面より連続的に変化する連続音響波が入力されると、覆工音響速度と、巻き厚あるいは欠陥部深度から決定される固有振動数で共振現象が発生する。
【００１９】
次に、トンネル覆工内部の振動現象について説明する。
欠陥が存在しない場合の地山の縦振動は、覆工の巻き厚、覆工の音響速度から、以下の周波数で表される。
【数２】

ここで、ｆは縦振動の共振周波数、ｄは覆工の巻き厚、ｖは覆工コンクリートの音響速度である。
今、図４に示す駆動波形がトンネル覆工に注入されると、式（２）に示す縦振動周波数で共振振動が発生し、受信波形をＦＦＴ演算処理した結果、式（２）の共振周波数ｆがピークとして検知される。
ピーク周波数の検出例を図５に示す。
式（２）より音響速度が予め得られている場合は、
【数３】

が得られる。すなわち、覆工位置ｄが式（３）より算出される。
内部に欠陥がある場合は、欠陥深度が式（３）で同じく求められる。
一方、健全な覆工位置ｄが予め与えられている場合は式（２）から、
【数４】

が得られる。すなわち、覆工の音響速度ｖが式（４）から算出される。
覆工内部に弱いジャンカ等の欠陥が存在する場合は、覆工内の音響速度が低下する。このため式（２）が示すように、覆工までの共振周波数は、健全の場合より低下する。この関係を利用し、式（４）から音響速度を算出し、予め設定された設定値より小さい結果が得られた場合、弱いジャンカが存在すると判断することが可能になる。
【００２０】
次に、欠陥の存在状況によりピーク周波数がどのように出力されるか説明する。覆工内部での欠陥の存在状況を模式的に図６に示す。
図６において、ケース１及びケース２は、欠陥がない場合を示し、地山が覆工コンクリートと同等の音響速度を有する場合がケース１、地山の音響速度がコンクリートの音響速度より大の場合がケース２である。なお、図６中、ｆｄは健全覆工の場合の周波数である。
次に、ケース３及びケース４は、深層部に欠陥が存在する場合であるが、欠陥状況が弱度の場合がケース３、強度の場合がケース４である。
ケース５及びケース６は、欠陥が表層部に存在する場合で、欠陥状況が弱度の場合がケース５、強度の場合がケース６である。
今、欠陥が存在する領域が、ケース３及びケース４のように深層部にある場合、検出される周波数は低周波になり、低周波探査子１１の帯域内で感度高い検出が可能になる。
一方、欠陥がケース５及びケース６に示すように表層部にある場合は、検出される周波数は高周波になり、高周波探査子１２の帯域内で感度高い検出が可能になる。
【００２１】
検出される周波数応答は、次のようである。
ケース１：ピーク周波数なし
ケース２：ｆ２＝ｖ／ｄ ここで、ｖは覆工の音響速度、ｄは地山までの距離。
ケース３：ｆ３＝ｖ’／ｄ ここで、ｖ’は弱欠陥（深層）を包含した覆工の平均音響速度。ｆ３＜ｆ２の関係が成立。
ケース４：ｆ４＝ｖ／Ｌ１ ここで、Ｌ１は強欠陥（深層）までの深度。ｆ２＜ｆ４＜ｆｓの関係が成立。ここでｆｓ＝ｖ／ｄｓ、ｄｓは高周波探査子の計測範囲下限値。
ケース５：ｆ５＝ｖ”／ｄ ここで、ｖ”は弱欠陥（表層）を包含した覆工平均音響速度。ｆ３＜ｆ２の関係が成立。
ケース６：ｆ６＝ｖ／Ｌ２ ここで、Ｌ２は強欠陥（表層）までの深度。ｆｓ＜ｆ６の関係が成立。ｆｓ＝ｖ／ｄｓ。
【００２２】
次に、図７を用いて検査フローを説明する。
計測時、まず、低周波探査子１１が、受信信号処理装置２０に接続され、周波数応答が出力される（ステップＳ１）。次いで、ピーク周波数の存在（ステップＳ２）と、ピーク周波数の値により、前述のケースに対応した欠陥部の有無を検知する（第一の手順）。
すなわち、ステップＳ３で、ピーク周波数ｆの値により、ｆ＝ｆｄ（但し、ｆｄは健全覆工の場合の周波数である）のとき健全覆工を検知し（ステップＳ４）、ｆ＜ｆｄのとき欠陥（弱）を検知し（ステップＳ５）、ｆｄ＜ｆ＜ｆｓのとき、深層部欠陥（強）を検知する（ステップＳ６）。
低周波探査子１１で信号が検出できないケースは、図６のケース１及びケース６であり、この場合、ステップＳ７で探査子を高周波探査子１２に切替えることにより、識別が可能になる（第二の手順）。ピーク周波数ｆを検知することにより、ケース６が検出できる。すなわちステップＳ８でピーク周波数が有りのとき、表層部欠陥（強）を検知し（ステップＳ９）、ピーク周波数無しのとき、健全覆工未検知（ステップＳ１０）とする。
【００２３】
次に、低周波探査子１１と高周波探査子１２の自動切替えについて説明する。
図２において、ＦＦＴ演算機構２２は、波形メモリ２１に格納された受信信号をＦＦＴ変換し、周波数応答信号を算出する。探査子切替え判定機構２４は、反射エネルギーレベル演算装置２３の出力に基づき、探査子切替え機構２５により高周波探査１２に切替える。
探査子切替え判定機構２４の動作は、反射エネルギーレベル演算装置２３が出力する反射エネルギーレベルが、予め設定されたエネルギーレベルより小さい場合、切替え信号を出力するよう構成されており、この機構を利用すれば、探査子の切替えをマニュアルでなく自動で行うことが可能になる。
【００２４】
この発明は、以上のように構成されたため、覆工の表層部から深層部に至る広範囲の対象構造を計測し、かつ欠陥部が表層領域に存在するような場合においても、効率的に欠陥部を、洩れなく診断できる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射すると共に入射された低周波の音響弾性波に対するトンネル覆工の第一の応答振動を受信するよう構成された低周波探査子、トンネル覆工に高周波の音響弾性波を入射すると共に入射された高周波の音響弾性波に対するトンネル覆工の第二の応答振動を受信するよう構成された高周波探査子、低周波探査子によって受信された第一の応答振動または高周波探査子によって受信された第二の応答振動を用いて、トンネル覆工内の欠陥の有無を判定する信号処理装置、低周波探査子及び高周波探査子の切替えを判定する探査子切替え判定機構、この探査子切替え判定機構によって切替えを判定された場合に探査子の切替えを行う探査子切替え機構を備え、信号処理装置は、トンネル覆工内の欠陥の有無の判定に用いた応答振動から反射エネルギーレベルを算出し、探査子切替え判定機構は、算出された反射エネルギーレベルを、予め設定されたエネルギーレベルと比較し、この比較結果により探査子の切替えを判定するものであり、低周波探査子及び高周波探査子の各探査子は、トンネル覆工に音響弾性波を入射する音響発振子と、音響発振子によって入射された音響弾性波に対するトンネル覆工の応答振動を受信する音響受信センサとを有し、音響発振子及び音響受信センサは、トンネル覆工への当接面が同一面を形成するよう配置されているので、低周波の音響弾性波及び高周波の音響弾性波を切替えてトンネル覆工の欠陥の検出が可能であるとともに、探査子をトンネル覆工に一定に当接でき、音響弾性波の入射及び応答振動の受信を一定の特性で行うことができる。
【００２７】
さらに、低周波探査子は、トンネル覆工の深層部の欠陥を検出するよう構成されているので、低周波探査子を用いて、トンネル覆工の深層部の欠陥を検出することができる。
また、高周波探査子は、トンネル覆工の表層部の欠陥を検出するよう構成されているので、高周波探査子を用いてトンネル覆工の表層部の欠陥を検出することができる。
【００２９】
加えて、音響弾性波は、周波数が連続的に変化する連続波であるので、トンネル覆工の共振を得やすい。
また、信号処理装置は、トンネル覆工の共振振動によって生成された応答振動の共振周波数により、欠陥の有無を判定するので、確実に判定が可能である。
【００３０】
また、信号処理装置は、共振周波数を基にしてトンネル覆工の音響速度を算出し、算出された音響速度により、欠陥の有無を判定するので、音響速度によって欠陥の有無を判定することができる。
また、信号処理装置によるトンネル覆工の音響速度の算出は、予め得られたトンネル覆工の厚みの２倍の値に共振周波数を乗ずることによって行われるので、トンネル覆工の厚みを予め得ておけば、共振周波数から音響速度の算出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なトンネル覆工構造と欠陥を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の一体型探査子構造を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の駆動信号波形（チャープ波）例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置のピーク周波数の検出例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の覆工内部の欠陥状況を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の検査のフローを示す図である。
【図８】従来のトンネル診断装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 地山、２ トンネル覆工、３ トンネル覆工表面、４ クラック、
５ ジャンカ、６ コールドジョイント、７ 空洞、
１１ 低周波探査子、１１ａ 低周波音響発振子、１１ｂ 低周波受信センサ、
１２ 高周波探査子、１２ａ 高周波音響発振子、１２ｂ 高周波受信センサ、
１３ 駆動制御装置、１４ 発振電流生成装置、１５ 受信信号増幅器、
１６ 可変帯域フィルタ、１７ 設定表示装置、２０ 受信信号処理装置、
２１ 波形メモリ、２２ ＦＦＴ演算機構、
２３ 反射エネルギーレベル演算装置、２４ 探査子切替え判定機構、
２５ 探査子切替え機構、３１ 音響発振子、３２ 音響受信センサ、
３３ 支持機構、３４ 筐体。

Claims (7)

1. トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射すると共に入射された低周波の音響弾性波に対する上記トンネル覆工の第一の応答振動を受信するよう構成された低周波探査子、
   上記トンネル覆工に高周波の音響弾性波を入射すると共に入射された高周波の音響弾性波に対する上記トンネル覆工の第二の応答振動を受信するよう構成された高周波探査子、
   上記低周波探査子によって受信された第一の応答振動または上記高周波探査子によって受信された第二の応答振動を用いて、上記トンネル覆工内の欠陥の有無を判定する信号処理装置、
   上記低周波探査子及び上記高周波探査子の切替えを判定する探査子切替え判定機構、
   この探査子切替え判定機構によって切替えを判定された場合に探査子の切替えを行う探査子切替え機構を備え、
   上記信号処理装置は、上記トンネル覆工内の欠陥の有無の判定に用いた応答振動から反射エネルギーレベルを算出し、
   上記探査子切替え判定機構は、上記算出された反射エネルギーレベルを、予め設定されたエネルギーレベルと比較し、この比較結果により探査子の切替えを判定するものであり、
   上記低周波探査子及び高周波探査子の各探査子は、
   上記トンネル覆工に音響弾性波を入射する音響発振子と、
   上記音響発振子によって入射された音響弾性波に対する上記トンネル覆工の応答振動を受信する音響受信センサとを有し、
   上記音響発振子及び上記音響受信センサは、上記トンネル覆工への当接面が同一面を形成するよう配置されていることを特徴とするトンネル診断装置。
2. 低周波探査子は、トンネル覆工の深層部の欠陥を検出するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載のトンネル診断装置。
3. 高周波探査子は、トンネル覆工の表層部の欠陥を検出するよう構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のトンネル診断装置。
4. 音響弾性波は、周波数が連続的に変化する連続波であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項記載のトンネル診断装置。
5. 信号処理装置は、トンネル覆工の共振振動によって生成された応答振動の共振周波数により、欠陥の有無を判定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項記載のトンネル診断装置。
6. 信号処理装置は、共振周波数を基にしてトンネル覆工の音響速度を算出し、上記算出された音響速度により、欠陥の有無を判定することを特徴とする請求項５記載のトンネル診断装置。
7. 信号処理装置によるトンネル覆工の音響速度の算出は、予め得られたトンネル覆工の厚みの２倍の値に共振周波数を乗ずることによって行われることを特徴とする請求項６記載のトンネル診断装置。

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