(57)【要約】【課題】既設トンネルの健全性を容易かつ速やかに診断することができる既設トンネルの健全性診断方法を提供する。【解決手段】既設トンネルの覆工コンクリートに生じているひび割れの深さを測定する第１ステップと、覆工コンクリートの力学特性を測定する第２ステップと、覆工コンクリートの巻厚を測定する第３ステップと、上記ひび割れの深さ、上記覆工コンクリートの力学特性および上記巻厚に基づいて、既設トンネルに作用している土圧の大きさと分布態様を逆解析により推定する第４ステップと、上記土圧の大きさと分布態様に基づいて覆工コンクリートに作用する断面力を求め、この断面力と覆工コンクリートの残存耐力との比較により、既設トンネルの健全性を判定する第５ステップとを有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設トンネルの覆工コンクリートに生じているひび割れの深さを測定する第１ステップと、上記覆工コンクリートの力学特性を測定する第２ステップと、上記覆工コンクリートの巻厚を測定する第３ステップと、上記ひび割れの深さ、上記覆工コンクリートの力学特性および上記巻厚に基づいて、上記既設トンネルに作用している土圧の大きさと分布態様を逆解析により推定する第４ステップと、上記土圧の大きさと分布態様に基づいて上記覆工コンクリートに作用する断面力を求め、この断面力と上記覆工コンクリートの残存耐力との比較により、上記既設トンネルの健全性を判定する第５ステップとを有することを特徴とする既設トンネルの健全性診断方法。
【請求項２】
上記第１ステップでは、上記覆工コンクリートの表面に打撃を加えて、そのときに発生する衝撃弾性波の波動信号を、上記ひび割れに到達する前と通過した後の２地点で採取するとともに、各地点で採取した波動信号からレイリー波の振幅をそれぞれ求め、その振幅比に基づいて、上記ひび割れの深さを求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の既設トンネルの健全性診断方法。
【請求項３】
上記第２ステップでは、上記覆工コンクリートの表面に打撃を加えて、そのときに発生する衝撃弾性波の波動信号を、打撃面と同じ表面上の異なる複数の地点で採取するとともに、上記複数の地点で採取した波動信号からレイリー波の走行速度を求め、このレイリー波の走行速度に基づいて、上記覆工コンクリートの力学特性を導き出すようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の既設トンネルの健全性診断方法。
【請求項４】
上記第３ステップでは、上記既設トンネル内の空間から上記覆工コンクリートに向けて電磁波を照射し、その電磁波が地中の各層間の境界面に反射して照射位置に戻ってくるまでの時間、各反射波の位相および振幅を測定し、それら測定結果に基づいて、上記覆工コンクリートの巻厚を求めるようにしたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の既設トンネルの健全性診断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、既設トンネルの健全性診断方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
既設トンネルの健全性診断においては、トンネル覆工に作用する外力、すなわち土圧の大きさやその分布態様を把握することが最も重要な要素と考えられている。しかしながら、築造されてから幾年も経過した既設トンネルにおいて、それらを求めることは非常に難しいとされている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
従来では、上記土圧の大きさや分布態様を測定する方法として、コアボーリングによる測定方法が知られている。この測定方法においては、先ず、トンネル横断面の数カ所でコアボーリングを行って、地盤の初期地圧や地盤材料の弾塑性的な物性を調査する。その後、上記コアボーリングを行った箇所にロックボルト等を埋設して、その部位における変位または応力の計測を行い、当該計測結果に基づいて上記土圧の大きさや分布態様を求めるようにしている。
【０００４】
【非特許文献１】
社団法人日本道路協会「道路トンネル維持管理便覧」、平成５年１１月、ｐ．１１５−１２２
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記コアボーリングによる測定方法にあっては、地盤の物性等を直接的に求めることができるという利点があるものの、長期に亘るモニタリングが必要になるという問題点や、コアボーリングの実施に際して多大な費用がかかるという問題点などがあった。
【０００６】
このため、既設トンネルの健全性診断において、上記のようなコアボーリングによる土圧測定方法を採用するのは現実的ではなく、この種の土圧測定方法を用いずに、既設トンネルの健全性を容易かつ速やかに診断することができる健全性診断方法が強く要望されている。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、既設トンネルの健全性を容易かつ速やかに診断することができる既設トンネルの健全性診断方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明に係る既設トンネルの健全性診断方法は、既設トンネルの覆工コンクリートに生じているひび割れの深さを測定する第１ステップと、上記覆工コンクリートの力学特性（強度、弾性係数）を測定する第２ステップと、上記覆工コンクリートの巻厚を測定する第３ステップと、上記ひび割れの深さ、上記覆工コンクリートの力学特性および上記巻厚に基づいて、上記既設トンネルに作用している土圧の大きさと分布態様を逆解析により推定する第４ステップと、上記土圧の大きさと分布態様に基づいて上記覆工コンクリートに作用する断面力を求め、この断面力と上記覆工コンクリートの残存耐力との比較により、上記既設トンネルの健全性を判定する第５ステップとを有することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の既設トンネルの健全性診断方法における上記第１ステップにおいて、上記覆工コンクリートの表面に打撃を加えて、そのときに発生する衝撃弾性波の波動信号を、上記ひび割れに到達する前と通過した後の２地点で採取するとともに、各地点で採取した波動信号からレイリー波の振幅をそれぞれ求め、その振幅比に基づいて、上記ひび割れの深さを求めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の既設トンネルの健全性診断方法における上記第２ステップにおいて、上記覆工コンクリートの表面に打撃を加えて、そのときに発生する衝撃弾性波の波動信号を、打撃面と同じ表面上の異なる複数の地点で採取するとともに、上記複数の地点で採取した波動信号からレイリー波の走行速度を求め、このレイリー波の走行速度に基づいて、上記覆工コンクリートの力学特性を導き出すようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の既設トンネルの健全性診断方法における上記第３ステップにおいて、上記既設トンネル内の空間から上記覆工コンクリートに向けて電磁波を照射し、その電磁波が地中の各層間の境界面に反射して照射位置に戻ってくるまでの時間、各反射波の位相および振幅を測定し、それら測定結果に基づいて、上記覆工コンクリートの巻厚を求めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項１〜４の何れかに記載の発明によれば、既設トンネルの覆工コンクリートに生じているひび割れの深さと、覆工コンクリートの力学特性と、覆工コンクリートの巻厚とを測定した後、それら測定データを用いて、既設トンネルに作用している土圧の大きさと分布態様を逆解析により推定し、その後、推定した土圧の大きさと分布態様に基づいて覆工コンクリートに作用する断面力を求め、この断面力と覆工コンクリートの残存耐力との比較により、既設トンネルの健全性を判定するようにしたので、従来のようなコアボーリングによる土圧測定が不要となり、既設トンネルの健全性を容易かつ速やかに診断することができる。
【００１３】
また、請求項２〜４に記載の発明によれば、ひび割れの深さ、覆工コンクリートの力学特性および巻厚をそれぞれ精度良く測定することができ、これにより、既設トンネルの健全性の診断結果に対する信頼度を高めることができる。しかも、上記診断に必要な各パラメータの大部分を非破壊で測定することができ、上記診断に要する時間と費用を大幅に縮減することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明に係る既設トンネルの健全性診断方法の一実施形態について説明する。この健全性診断方法は、図１のフローチャートに示すように、既設トンネルの覆工コンクリートに生じているひび割れの深さを測定する第１ステップと、覆工コンクリートの力学特性を測定する第２ステップと、覆工コンクリートの巻厚を測定する第３ステップと、第１〜第３ステップにおける測定結果に基づいて、既設トンネルに作用している土圧の大きさと分布態様を逆解析により推定する第４ステップと、この第４ステップで推定した土圧の大きさと分布態様に基づいて、既設トンネルの健全性を判定する第５ステップとを有する。
【００１５】
［第１ステップ：ひび割れ深さの測定］
この第１ステップ（Ｓ１）では、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、コンクリート表面を伝播するレイリー波がひび割れ位置を通過するときにその振幅が減衰するという現象を利用して、ひび割れの深さを測定する。
【００１６】
先ず、図２（ｂ）に示すように、ひび割れ位置の両側（幅方向の両側）に加速度ピックアップ等のセンサ１０ａ、１０ｂを設置した後、それらセンサ１０ａ、１０ｂを結ぶ線分の延長線上の所定位置で覆工コンクリートの表面に打撃を加えて、そのときに発生する衝撃弾性波の波動信号を上記センサ１０ａ、１０ｂでそれぞれ採取する。すなわち、ひび割れに到達する前と通過した後の衝撃弾性波の波動信号をそれぞれ採取する。
【００１７】
次いで、各センサ１０ａ、１０ｂにより採取された波動信号からレイリー波の振幅をそれぞれ求め、両者の振幅比に基づいてひび割れの深さを求める。具体的には、両者の振幅比ｘとレイリー波の波長λとの関係から、数１の数式を用いて、ひび割れの深さＨを求める。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
なお、上記ひび割れ深さの測定においては、ひび割れ位置の両側にセンサを一つずつ設置するようにしているが、複数ずつ設置するようにしてもよい。また、打撃位置も１箇所に限られるものではなく、例えば、ひび割れ位置に関して対称となる２位置でそれぞれ打撃を加えるようにしてもよく、そうすることによって、測定誤差の低減を図ることが可能である。
【００２０】
［第２ステップ：覆工コンクリートの力学特性の測定］
この第２ステップ（Ｓ２）においては、レイリー波の走行速度がその伝播媒体の剪断剛性に依存するという性質を利用して、覆工コンクリートの力学特性を測定する。
【００２１】
先ず、図３に示すように、ハンマで覆工コンクリートの表面に打撃を加えて、そのときに発生する衝撃弾性波の波動信号を、打撃面と同じ表面上の異なる複数の地点に設けられたセンサ１１ａ、１１ｂで採取する。
【００２２】
次いで、各地点で採取した波動信号からレイリー波の走行速度（位相速度）を求め、このレイリー波の走行速度に基づいて、覆工コンクリートの各力学特性（弾性係数、圧縮強度、引張強度）を導き出す。すなわち、レイリー波の走行速度と各力学特性との間には強い相関関係がある（例えば、レイリー波の走行速度と覆工コンクリートの圧縮強度の相関係数は０．７以上であることが本発明者等によって確認されている。）ことから、当該関係を表した数式あるいは対応表を予め求めておくことによって、レイリー波の走行速度から覆工コンクリートの各力学特性を推定することができる。
【００２３】
なお、上記レイリー波の走行速度には、次の数２の関係式に基づいて推定された等価レイリー波の走行速度νＲＣを用いることが可能である。
【００２４】
【数２】
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【００２５】
この関係式において、Ｃは計測により得られた表面波（ラム波を含む。）の走行速度、Ｈは覆工コンクリートの巻厚、Ｌは上記表面波の波長、νＲＥは覆工コンクリート背部の地山を走行するレイリー波の走行速度である。この関係式に基づいて推定された等価レイリー波の走行速度νＲＣは、覆工コンクリートの形状やその背部の地山の状態に依存しないことから、この等価レイリー波の走行速度νＲＣを用いることで、覆工コンクリートの各力学特性を精度良く測定することが可能となる。
【００２６】
［第３ステップ：覆工コンクリートの巻厚の測定］
この第３ステップ（Ｓ３）においては、地中レーダー法と呼ばれる測定方法によって覆工コンクリートの巻厚を測定する。地中レーダー法とは、物質を通過する電磁波の速度が物質の比誘電率に依存し、その電磁波の一部が、比誘電率の変化する物質の境界面で反射するという性質を利用して、検査対象物の深度を測定する方法である。
【００２７】
先ず、既設トンネル内の空間から覆工コンクリートに向けて電磁波を照射する。次いで、その電磁波が地中の各層間の境界面に反射して照射位置に戻ってくるまでの時間、各反射波の位相および振幅を測定し、それら測定結果に基づいて、覆工コンクリートの巻厚を求めるとともに、覆工コンクリートと地山との間に空洞が存在するか否かを判定し、存在する場合には、その大きさを求める。
【００２８】
なお、上記地中レーダー法においては、対象物の比誘電率の設定が重要であり、その値はコンクリートの状態（湿潤の程度、密度等）や周辺地質の状態如何によって変化することが知られている。このため、簡単なコア抜き等を利用して比誘電率を実測し、この実測結果に基づいて比誘電率の設定を行うようにすれば、覆工コンクリートの巻厚をより一層正確に求めることが可能である。
【００２９】
［第４ステップ：土圧の大きさと分布態様の推定］
この第４ステップ（Ｓ４）では、第１ステップで求めたひび割れの深さ、第２ステップで求めた覆工コンクリートの力学特性、第３ステップで求めた覆工コンクリートの巻厚を用いて、既設トンネルに作用している土圧の大きさと分布態様を逆解析により推定する。すなわち、有限要素法や骨組み構造解析法等の数値解析法を利用して、第１ステップ〜第３ステップで求めた覆工コンクリートに係る既知データから、覆工コンクリートに作用している荷重（未知データ）を求めるという逆問題を解析する。
【００３０】
［第５ステップ：既設トンネルの健全性の判定］
この第５ステップ（Ｓ５）では、第４ステップで推定した上記土圧の大きさと分布態様に基づき、既設トンネルの各断面について、覆工コンクリートに作用する断面力を求め、この断面力と各断面における残存耐力との比較により、既設トンネルの健全性を判定する。例えば、既設トンネルのすべての断面について、残存耐力が断面力を上回る場合には、その既設トンネルは健全であると判定することができ、一方、残存耐力が断面力を下回る部位が一つでも存在する場合には、その既設トンネルは補修が必要であると判定することができる。
【００３１】
次に、図３に示す既設トンネルのモデルを用いて、既設トンネルの健全性の診断方法を具体的に説明する。このトンネルは、１９２３年に水力発電用水路トンネルとして築造された、直径約３ｍの標準馬蹄型の既設トンネルである。このトンネルの構造を詳細に観察したところ、当該トンネルは次のような境界条件で築造されたと推測される。
【００３２】
（１）アーチ部からスプリングラインにかけては一体で施工され、スプリングラインが施工継目になっている。縦断方向のひび割れは、スプリングラインより上方のアーチ部にのみ存在し、他の部分には無い。
（２）側壁と敷部も施工継目になっている。この部分には縦断方向のひび割れは全く無い。
【００３３】
前述した第１ステップ〜第３ステップに従って、ひび割れの深さ、覆工コンクリートの力学特性および巻厚を求めたところ、次のようなデータが得られた。
すなわち、縦断方向のひび割れはアーチ部に水平に２本あり、スプリングラインより上方の２２度および５９度の位置にあった。深さは何れも約１５ｃｍであり、覆工コンクリート面にほぼ直交していた。
覆工コンクリートの力学特性については、圧縮強度が約３０Ｎ／ｍｍ２  、引張強度が約３Ｎ／ｍｍ２  、弾性係数が約３０ＧＰａであった。また、覆工コンクリートの巻厚は約３０ｃｍであった。
【００３４】
トンネルに作用する荷重条件は次のように設定した。
先ず、水圧は施工継目を通して内外バランスしているとして考えないこととした。また、ひび割れの無い初期の状態においては、トンネルに等分布の土圧が作用しているとし、トンネルの上面と両側面には０．１ＭＰａの等分布荷重を載荷し、敷部はこれに対する反力でバランスしていると考えた。
【００３５】
以上の条件に対して、偏圧荷重を載荷し、ひび割れが発生している応力状態と等価となるような状況を推測した。すなわち、偏圧荷重の設定条件を複数パターン作成して、各設定条件のときに作用する応力状態を汎用の解析ソフト等を用いて有限要素法等により解析し、当該応力状態が、ひび割れが発生している応力状態と一致するか否かをそれぞれ判定することにより、ひび割れが発生している応力状態と等価となるような荷重条件を導き出すようにした。その結果、図４に示すように、トンネル左側部の上半分の位置に０．４ＭＰａ、トンネル上部の左側約１／３の位置に０．４ＭＰａの荷重を載荷すると、スプリングラインより上部の覆工表面の約１／２のゾーン（図４のａ部分）が引張りとなり、そのゾーンにおける応力の大きさが覆工コンクリートの引張強度（３Ｎ／ｍｍ２  ）を超えて、ひび割れが発生する条件と一致することが判明した。なお、図４に示すように、覆工コンクリートのアーチ部の外周側にも引張りゾーン（図４のｂ部分）が表れるが、この部分の応力は３Ｎ／ｍｍ２  以下であり、ひび割れは発生しないと推定される。
【００３６】
そして、上記のようにして求めた土圧の大きさと分布態様、覆工コンクリートの力学特性、ひび割れ深さ等を用いて、ひび割れが発生している部位の残存耐力と、当該部位に作用する断面力とを求め、両者の比較により、当該部位における安定性を検証した。この例では、残存耐力が約８Ｎ、断面力が約４Ｎとなったので、現時点での安定性は十分にあると考えられる。ただし、今後ひび割れは進展する可能性もあるので、定期的に安全性の検証を行う必要があると考えられる。
【００３７】
以上のように、本実施形態によれば、第１ステップにおいて、既設トンネルの覆工コンクリートに生じているひび割れの深さを測定し、第２ステップにおいて、覆工コンクリートの力学特性を測定し、第３ステップにおいて、覆工コンクリートの巻厚を測定し、第４ステップにおいて、第１〜第３ステップで求めたひび割れの深さ、覆工コンクリートの力学特性および巻厚に基づいて、既設トンネルに作用している土圧の大きさと分布態様を逆解析により推定し、第５ステップにおいて、第４ステップで得られた土圧の大きさと分布態様に基づいて覆工コンクリートに作用する断面力を求め、この断面力と覆工コンクリートの残存耐力との比較により、既設トンネルの健全性を判定するようにしたので、従来のようなコアボーリングによる土圧測定が不要となり、既設トンネルの健全性を容易かつ速やかに診断することができる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、第１ステップにおいて、既設トンネルの覆工コンクリートに生じているひび割れの深さを測定し、第２ステップにおいて、覆工コンクリートの力学特性を測定し、第３ステップにおいて、覆工コンクリートの巻厚を測定するようにしたが、その測定順序は如何なる順序であってもよく、例えば、各ステップの処理を並行して行うようにしてもよい。また、本実施形態で示した各パラメータ（覆工コンクリートの力学特性、巻厚、ひび割れの深さ）の測定方法は一例であって、各パラメータの測定に、その他の非破壊測定方法を適用することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜４の何れかに記載の発明によれば、従来のようなコアボーリングによる土圧測定が不要となり、既設トンネルの健全性を容易かつ速やかに診断することができる。
また、請求項２〜４に記載の発明によれば、ひび割れの深さ、覆工コンクリートの力学特性および巻厚をそれぞれ精度良く測定することができるので、上記診断結果に対する信頼性を高めることができる。しかも、上記診断に必要な各パラメータの大部分を非破壊で測定することができ、上記診断に要する時間と費用を大幅に縮減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る既設トンネルの健全性診断方法の一実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図２】ひび割れ深さの測定方法を説明するための模式図である。
【図３】覆工コンクリートの力学特性の測定方法を説明するための模式図である。
【図４】既設トンネルの健全性診断のモデルに用いたトンネルの横断面図である。
【図５】図４の既設トンネルに作用する土圧の大きさと分布態様を示す模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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