(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射する音響発振子、
この音響発振子によって入射された音響弾性波が上記トンネル覆工によって励振された反射信号を検出する受信センサ、
この受信センサによって検出された反射信号の反射エネルギ−レベルを算出すると共に、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閾値と比較することにより剥離欠陥の有無を判定する信号処理装置を備え、
上記信号処理装置は、反射信号の減衰特性を計測する減衰特性計測機能と、
上記剥離欠陥有りと判定した場合に、反射信号の減衰時定数を、予め記憶されている減衰時定数の閾値と比較することにより、剥離欠陥の種類を識別する剥離欠陥識別機能とを有することを特徴とするトンネル診断装置。
【請求項２】
信号処理装置は、反射信号をＦＦＴ演算した後、反射エネルギーレベルを算出することを特徴とする請求項１記載のトンネル診断装置。
【請求項３】
反射信号は、可変帯域フィルタを介して信号処理装置に入力され、積算され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。
【請求項４】
音響弾性波は、低周波から高周波へ向けて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。
【請求項５】
上記反射エネルギーレベルと比較するための閾値は、トンネル覆工内部の剥離欠陥部と覆工表面とが形成する板構造の横振動によって励起された反射信号を、信号処理装置によって剥離欠陥有りと判定されるように、設定されてい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。
【請求項６】
上記反射エネルギーレベルと比較するための閾値は、予めコアリングにより剥離欠陥の存在が確認された反射エネルギーレベルを用いて設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項記載のトンネル診断装置。
【請求項７】
上記反射エネルギーレベルと比較するための閾値は、上限値及び下限値を有すると共に、信号処理装置は、反射エネルギーレベルが、上記上限値を越えたとき剥離欠陥有りと判定し、反射エネルギーレベルが上記下限値より小さいとき剥離欠陥無しと判定し、反射エネルギーレベルが上記上限値と下限値の間のときは、不定状態とすることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項記載のトンネル診断装置。
【請求項８】
上記反射エネルギーレベルと比較するための閾値の上限値は、剥離欠陥無しの場合の反射エネルギーレベルの内、最大の反射エネルギーレベルを用いて設定されていることを特徴とする請求項７記載のトンネル診断装置。
【請求項９】
上記反射エネルギーレベルと比較するための閾値の下限値は、剥離欠陥有りの場合の反射エネルギーレベルの内、最小の反射エネルギーレベルを用いて設定されていることを特徴とする請求項７または請求項８記載のトンネル診断装置。
【請求項１０】
信号処理装置は、剥離欠陥有りと判定した場合に、反射エネルギーレベルを用いて、剥離の厚みを推定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項記載のトンネル診断装置。
【請求項１１】
信号処理装置は、剥離欠陥無しと判定した場合に、反射信号の減衰特性を用いて、トンネル覆工の音速または圧縮強度を推定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項記載のトンネル診断装置。
【請求項１２】
信号処理装置は、剥離欠陥無しと判定した場合に、トンネル覆工背面までの縦振動を用いて、トンネル覆工の厚みを推定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項記載のトンネル診断装置。
【請求項１３】
トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射し、上記入射した音響弾性波の上記トンネル覆工によって励振された反射信号から反射エネルギ−レベルを算出すると共に、上記算出された反射エネルギーレベルを用いて、上記トンネル覆工の欠陥の有無を判定し、上記欠陥有りと判定した場合に、反射信号の減衰時定数を、予め記憶されている減衰時定数の閾値と比較することにより、剥離欠陥の種類を識別することを特徴とするトンネル診断方法。
【請求項１４】
トンネル覆工への音響弾性波の入射は、上記トンネル覆工表面に圧接された鉄及びコバルト系の磁歪素子からなる音響発振子により行われると共に、反射信号の検出は、上記トンネル覆工表面に圧接された鉄及びコバルト系の磁歪素子からなる受信センサによって行われることを特徴とする請求項１３記載のトンネル診断方法。
【請求項１５】
トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射し、上記入射した音響弾性波の上記トンネル覆工によって励振された反射信号から反射エネルギーレベルを算出すると共に、上記算出された反射エネルギーレベルを用いて上記トンネル覆工の剥離欠陥の有無を判定する第一の手順、
この第一の手順によって剥離欠陥有りと判定された場合に、反射エネルギーレベルを用いて、上記剥離の厚みを推定する第二の手順、
上記第一の手順によって剥離欠陥有りと判定された場合に、反射信号の減衰時定数を、予め記憶されている減衰時定数の閾値と比較することにより、剥離欠陥の種類を識別する第三の手順を含むことを特徴とするトンネル診断方法。
【請求項１６】
第一の手順によって剥離欠陥無しと判定された場合に、反射信号の減衰特性を用いて、トンネル覆工中の音速またはトンネル覆工の圧縮強度を推定する第四の手順、
この第四の手順によって推定されたトンネル覆工中の音速またはトンネル覆工の圧縮強度を用いて、トンネル覆工の厚みを推定する第五の手順、
上記第四の手順によって推定されたトンネル覆工中の音速またはトンネル覆工の圧縮強度を用いて、上記トンネル覆工は健全であると判定する第六の手順、
上記第五の手順によって推定されたトンネル覆工の厚みを用いて、上記トンネル覆工は健全であると判定する第七の手順を含むことを特徴とする請求項１５記載のトンネル診断方法。
【発明の詳細な説明】
【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及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル覆工は、コンクリート構造体で、モルタルと骨材の混合物であり、剥離に至る欠陥モードとしてクラック、ジャンカ等がある。クラックは、覆工内の亀裂、空隙であり、ジャンカは、コンクリート成分の内のモルタル分が流出、あるいは過小の領域であり、骨材が不十分なモルタル成分で埋められた状態、場合によっては微少空隙が多数存在する状態と言える。このような現象が発生すると、コンクリート内部で、構造的に不安定な状態を顕現し、剥落の危険につながる。
トンネルの覆工を診断する方法としては、従来よりハンマーを使った打音検査がある。これはハンマーをトンネル覆工表面に打診し、この時に発生する衝撃弾性波により覆工内部の欠陥を検知しようとするものである。
また、超音波を用い超高周波の音響を覆工内部に入射し、覆工内部の欠陥を捉えようとする方式として超音波探査方式がある。この方法はパルス性の超高周波音響信号を使用することに特徴がある。原理としては覆工内部の欠陥部から反射される音響信号の伝搬時間から欠陥部の位置を検出しようとするものである。周波数が高いため音響信号の指向性が高く分解能高い計測ができるメリットがある。
【０００３】
また、電磁波レーダによる方法もあり、電磁波を入射し、誘電率の異なる境界面からの反射を捉えることにより、覆工内部の空隙、覆工背面の空隙を検出する。
さらに、最近では、赤外線を用いた非接触のトンネル覆工検査方法が発明されているが、この方法は、トンネル覆工を加熱し、覆工表層に存在する剥離部位の温度差を赤外線により検出し、剥離の有無を非接触に検出する。非接触であるため高速な計測が可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ハンマーを用いた方法では、ハンマリングを一定の力で行うことができなかったり、また、判断基準も実施者の経験や勘によるところが大きく、診断結果が曖昧になる課題があり、また診断結果を定量的に残せない課題もあった。
これを解決するため、ハンマーの打撃音をマイク等で集音し、ＦＦＴアナライザ等により解析する方法も考えられている。但しこの方法でもデータの定量性は実現できるが、打診表面からの反響波を空中伝搬により記録するため、伝搬する音響の帯域が制限され、このため覆工内部の情報が欠落するという課題があった。さらには空中伝搬を使用する関係上、周囲の雑音の影響を受けやすく、また、ハンマリングの衝撃で発生する表面波の影響により、内部から伝搬してくる反響音が干渉を受けるという課題があった。またハンマー自身の固有振動音が干渉するという課題もあった。
【０００５】
以上を解決するため、一定の加振力で鋼をトンネル壁面に打ち付け、衝撃音を加速度センサで受信し、ＦＦＴアナライザで解析する方法が考えられた。この方法では衝撃音が内部の欠陥部にて反射してくる反射時間から欠陥部位までの距離を計測する原理を用いている。しかし、この方法では加振が機械的な制御のため衝撃音の入力を正確に制御できないこと、また対象表面の状況によっても加振が影響を受ける可能性があり、さらには、欠陥部からの反射信号は一般に小さく、反射信号の立上がりを分解能高く検出できない課題がある。また衝撃により覆工表層に発生する表面波の影響でトンネル覆工内部より返ってくる反射信号が遮蔽され精度高い計測ができない課題もある。
【０００６】
一方、超音波を用いる方法では、高周波のため、覆工を構成するコンクリートの骨材の影響を受け深部へ、信号が到達しないという問題がある。また高周波の音響信号を効率良く注入し、接触面の凹凸影響を避けるため、研削、グリース塗布等前処理が不可欠であり、計測のための準備に多大の時間と手間を要するという課題がある。
【０００７】
電磁波レーダによる方法は、電磁波の反射現象を利用するため、空洞等ボリュームのある変状は検出可能であるが、クラック等の剥離の検出精度は低い課題がある。また、電磁波のため、漏水、鉄骨等により信号が減衰し、検出が困難になる課題がある。さらに直接的な構造不安定は検出不可である。
【０００８】
また、赤外線を用いた方法では、覆工壁面に入射されるエネルギーに限界があり、表層部（０〜２０ｍｍ）の剥離しか検知できない。また、ジャンカの存在を検知することが困難、コンクリートの機械強度は検出困難、さらに覆工厚の計測が困難という課題がある。
【０００９】
従来の各方法及びその課題については上述のとおりであるが、構造的不安定な状況から剥離を検知するためには、構造不安定がもたらす振動現象を捉えるのが、最も直接的で、信頼性の高い検出方法といえる。従来の方法の内の打音、衝撃弾性波法は、打診のエネルギーが大の場合、振動を励起する可能性がある。しかし、これらの方法は衝撃性の音響信号がもつ周波数帯域の中で、とくにコンクリートを構成する骨材による散乱を受けず、浸透性の高い低周波領域を、選択的に駆動することができず、また低周波振動を高感度に検出する方法を提供するものではなかった。
また、電磁波レーダ、あるいは赤外線方式では原理的に覆工内部の構造的不安定を直接的に検知する方法ではなく、電気的、熱的特性から間接的に内部構造を検出するものである。
【００１０】
また、従来技術では、単一方式でトンネル覆工の診断を行う十分なデータが得られないため、トンネル覆工の健全性診断を種々の方法を組合せ、あるいは逐次、幾度も検査を行わなければならないという課題があった。このため診断に要する時間が長期化し、多大のコストを要するという課題があった。
【００１１】
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、コンクリートを構成する骨材による散乱を受けず、トンネル覆工の表層部及び深部の欠陥を検出するトンネル診断装置を得ることを第一の目的にしている。
また、コンクリートを構成する骨材による散乱を受けず、トンネル覆工の表層部及び深部の欠陥を網羅的に検出するトンネル診断方法を得ることを第二の目的にしている。
【００１２】
【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音響発振子、この音響発振子によって入射された音響弾性波がトンネル覆工によって励振された反射信号を検出する受信センサ、この受信センサによって検出された反射信号の反射エネルギ−レベルを算出すると共に、算出された反射エネルギーレベルを予め設定された閾値と比較することにより剥離欠陥の有無を判定する信号処理装置を備え、信号処理装置は、反射信号の減衰特性を計測する減衰特性計測機能と、剥離欠陥有りと判定した場合に、反射信号の減衰時定数を、予め記憶されている減衰時定数の閾値と比較することにより、剥離欠陥の種類を識別する剥離欠陥識別機能とを有するものである。
【００１３】
また、信号処理装置は、反射信号をＦＦＴ演算した後、反射エネルギーレベルを算出するものである。
また、反射信号は、可変帯域フィルタを介して信号処理装置に入力され、積算されるものである。
【００１４】
さらに、音響弾性波は、低周波から高周波へ向けて変化する連続波であるものである。
また、反射エネルギーレベルと比較するための閾値は、トンネル覆工内部の剥離欠陥部と覆工表面とが形成する板構造の横振動によって励起された反射信号を、信号処理装置によって剥離欠陥有りと判定されるように、設定されているものである。
また、反射エネルギーレベルと比較するための閾値は、予めコアリングにより剥離欠陥の存在が確認された反射エネルギーレベルを用いて設定されているものである。
【００１５】
さらにまた、反射エネルギーレベルと比較するための閾値は、上限値及び下限値を有すると共に、信号処理装置は、反射エネルギーレベルが、上限値を越えたとき剥離欠陥有りと判定し、反射エネルギーレベルが下限値より小さいとき剥離欠陥無しと判定し、反射エネルギーレベルが上限値と下限値の間のときは、不定状態とするものである。
また、反射エネルギーレベルと比較するための閾値の上限値は、剥離欠陥無しの場合の反射エネルギーレベルの内、最大の反射エネルギーレベルを用いて設定されているものである。
また、反射エネルギーレベルと比較するための閾値の下限値は、剥離欠陥有りの場合の反射エネルギーレベルの内、最小の反射エネルギーレベルを用いて設定されているものである。
【００１６】
加えて、信号処理装置は、剥離欠陥有りと判定した場合に、反射エネルギーレベルを用いて、剥離の厚みを推定するように構成されているものである。
また、信号処理装置は、剥離欠陥無しと判定した場合に、反射信号の減衰特性を用いて、トンネル覆工の音速または圧縮強度を推定するように構成されているものである。
また、信号処理装置は、剥離欠陥無しと判定した場合に、トンネル覆工背面までの縦振動を用いて、トンネル覆工の厚みを推定するように構成されているものである。
【００１７】
さらに、この発明に係わるトンネル診断方法においては、トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射し、入射した音響弾性波のトンネル覆工によって励振された反射信号から反射エネルギ−レベルを算出すると共に、算出された反射エネルギーレベルを用いて、トンネル覆工の欠陥の有無を判定し、欠陥有りと判定した場合に、反射信号の減衰時定数を、予め記憶されている減衰時定数の閾値と比較することにより、剥離欠陥の種類を識別するものである。
また、トンネル覆工への音響弾性波の入射は、トンネル覆工表面に圧接された鉄及びコバルト系の磁歪素子からなる音響発振子により行われると共に、反射信号の検出は、トンネル覆工表面に圧接された鉄及びコバルト系の磁歪素子からなる受信センサによって行われるものである。
【００１８】
また、トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射し、入射した音響弾性波のトンネル覆工によって励振された反射信号から反射エネルギーレベルを算出すると共に、算出された反射エネルギーレベルを用いてトンネル覆工の剥離欠陥の有無を判定する第一の手順、
この第一の手順によって剥離欠陥有りと判定された場合に、反射エネルギーレベルを用いて、剥離の厚みを推定する第二の手順、
第一の手順によって剥離欠陥有りと判定された場合に、反射信号の減衰時定数を、予め記憶されている減衰時定数の閾値と比較することにより、剥離欠陥の種類を識別する第三
の手順を含むものである。
【００１９】
また、第一の手順によって剥離欠陥無しと判定された場合に、反射信号の減衰特性を用いて、トンネル覆工中の音速またはトンネル覆工の圧縮強度を推定する第四の手順、
この第四の手順によって推定されたトンネル覆工中の音速またはトンネル覆工の圧縮強度を用いて、トンネル覆工の厚みを推定する第五の手順、
第四の手順によって推定されたトンネル覆工中の音速またはトンネル覆工の圧縮強度を用いて、トンネル覆工は健全であると判定する第六の手順、
第五の手順によって推定されたトンネル覆工の厚みを用いて、トンネル覆工は健全であると判定する第七の手順を含むものである。
【００２２】
【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の間の空洞である。
【００２３】
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は音響弾性波をトンネル覆工２に注入する音響発振子で、トンネル覆工２に圧接させて使用する。１２は音響発振子１１を駆動する駆動波形信号を生成する駆動制御装置、１３は駆動制御装置１２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音響発振子１１に出力する発振電流生成装置である。１４はトンネル覆工２の応答振動を受信する受信センサで、トンネル覆工２に圧接させて使用する。１５は受信センサ１４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、内部欠陥判定装置２４と、閾値決定装置２５から構成される。ＦＦＴ演算機構２２は、時間変化で表された信号を周波数変換するものであり、具体的にはその信号がどのような周波数成分で構成されているか周波数のゲイン、位相で表現する処理である。
なお、音響発振子１１は、低周波の振動を励振するため、低周波で歪みが大きい金属音響発振子とし、受信センサ１４は、低周波の振動を検出するため、低周波に感度が高い金属音響受信センサとする。この金属音響発振子及び金属音響受信センサとしては、例えば、鉄、コバルト系の磁歪素子を適用することにより、低周波で歪が大きく、また低周波で感度が高い受信センサを実現できる。
【００２４】
図３は、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）を示す図であり、駆動制御装置１２から音響発振子１１へ出力される信号波形の１例を示し、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３において、縦軸は信号波形の電流、横軸は時間を示す。
図４は、この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の剥離欠陥部の振動状況を示す模式図であり、覆工表面と欠陥部がなす板状構造部が振動しているところを示している。
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周波数応答を示す図であり、図５（ａ）は、正常時の応答、図５（ｂ）は欠陥存在時の応答である。
【００２５】
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反射エネルギーレベルとコアの照合結果を示す図である。
図６において、横軸は各サンプル点を表し、縦軸は各サンプル点での反射エネルギーレベルを示している。３１は閾値である。
図６は、各計測位置で、後述するコアリングした結果について、クラック、ジャンカ等の剥離異常を呈する現象が検出された箇所は、黒三角（クラック）、黒四角（ジャンカ）で、正常であった箇所は、白四角で示している。
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反射エネルギーレベルの閾値を決定するフローチャートである。
図７において、Ｅi はコアリングを行う第ｉ番目の計測ポイントにおける反射エネルギーレベルを表す。Ｌ1 は閾値の下限レベル、Ｌ2 は閾値の上限レベルを表す。当初Ｌ1 とＬ2 は同一のレベル、あるいはＬ1 ＞Ｌ2 である。
【００２６】
次に、動作について説明する。
図２の駆動制御装置１２から、音響発振子１１を駆動する駆動波形信号が生成され、発振電流生成装置１３に出力される。発振電流生成装置１３は、駆動波形信号を音響発振子１１を駆動する駆動電流に変換増幅し、音響発振子１１に印加する。音響発振子１１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１１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１２が出力する駆動波形は、図３に示すような低周波から高周波に至る連続波である。
音響発振子１１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、トンネル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。もし内部にクラック４、ジャンカ５、コールドジョイント６等の剥離欠陥が存在していれば、この欠陥部と覆工表面が形成する板構造の深度、広さによって異なった振動現象を示す。
【００２７】
この振動現象は、覆工表面に圧接されている受信センサ１４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演算機構２２で演算処理を行い、周波数応答を波形メモリ２１に出力する。
【００２８】
ここで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縦振動は、覆工の巻き厚、覆工の音速から、以下の周波数で共振する。
【数１】
0004553458.tif 000002
ここで、ｆL 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速である。
【００２９】
次に、内部に欠陥が存在する場合は、図４に示すように覆工表面と欠陥部が構成する板構造が横振動を呈する。この振動は、板構造が厚さ２ｈ、半径ａの形状と仮定すると、下記のような周波数で共振する。
【数２】
0004553458.tif 000003
ここで、σはポアソン比、λは境界条件及び振動モードによって決まる定数（無次元）である。欠陥が表層に近く、剥離面積が大きい程、低周波の現象として現れる。
【００３０】
今、図３に示す駆動波形が、トンネル覆工２に注入されると、欠陥が存在しない場合は、式（１）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（１）の共振周波数ｆL がピークとして検知される。一方、内部に欠陥が存在する場合、式（２）に示す横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ｆT がピークとして検知される。
図５に周波数応答のＦＦＴ波形例を示し、図５（ａ）が正常時の周波数応答、図５（ｂ）が欠陥存在時の周波数応答である。
この周波数応答に対し、反射エネルギーレベル演算装置２３は、反射エネルギーレベルの計算を行う。この反射エネルギーレベルの計算は、周波数領域では、下記のように計算される。
【数３】
0004553458.tif 000004
ここで、Ｋは定数、ｆ1 は下限周波数、ｆ2 は上限周波数である。ＧはＦＦＴ演算結果の各周波数でのゲインを示している。図２に示す反射エネルギーレベル演算装置２３では、式（３）に示す演算を行い、反射エネルギーレベルを算出している。
【００３１】
一方、図２に示す構成が、通過帯域に制限がある可変帯域フィルタ１６を装備している場合は、この可変帯域フィルタの下限周波数ｆ1 、上限周波数ｆ2 と設定することにより、可変帯域フィルタの出力から得られる受信波形を直接積分することによっても反射エネルギーレベルを算出できる。
以上の正常、欠陥存在時に検出されるそれぞれの反射エネルギーレベルは、正常時の縦振動時は小さく、内部に欠陥が存在し横振動を発生するときの反射エネルギーレベルは高くなる。
これは、反射エネルギーレベルが欠陥部の呈する板構造（厚さ／広さ）に反比例するためであり、欠陥が浅く、広い程、エネルギーレベルは大になる。
【００３２】
この反射エネルギーレベルが、実際のトンネル覆工２で、どのような値を示すか以下に説明する。
図６は、実トンネルで採取された受信信号から計算された反射エネルギーレベルを計算しプロットした例である。図６中のマークは、各サンプル点でコアリングを行い、欠陥の有無を判断した結果を示している。ここでいうコアリングは覆工の壁面をドリリングマシンで刳り抜き、例えば１００φの円筒状サンプルを覆工壁面から取り出すことである。
このようにコアリングした結果、クラック状の剥離欠陥が検出されたポイントでは黒三角を付記した。またジャンカ状の剥離欠陥が検出されたポイントでは黒四角を付記した。一方このような欠陥が検出されなかった場合は、白四角にて非剥離の状態を付記している。
図６で明らかなように、クラック等剥離が内部にあるポイントでは、反射エネルギーレベルは高く、剥離が発生していない正常なポイントでは、反射エネルギーレベルは低い。
従って、剥離がある欠陥状態と、剥離がない正常状態は、反射エネルギーレベルにより２領域に区分されることがわかる。この区分けの境界値を、図６の閾値３１で示す。この正常、異常の境界を閾値として使用すれば、新しく計測したポイントの欠陥の有無が、コアリング等の破壊検査を行うことなく推定できる。
【００３３】
以下、非破壊で判定する手順を説明する。
例えば、図６に示しているポイントと異なったポイントへ行き、そこで計測し、反射エネルギーレベルを算出するものとする。その出力が図６の閾値３１より低いレベルであれば、そのポイントは健全と判定される。逆に、その出力が、図６の閾値レベルより高いレベルにあれば、そのポイントは剥離ありと判定される。すなわち、そのポイントでコアリングをすることなく覆工内部の剥離診断を非破壊で実施できる。
【００３４】
この動作を、図２において説明する。
まず計測が完了すると、波形メモリ２１の計測結果を基に、ＦＦＴ演算機構２２がＦＦＴ演算結果を出力し、さらに反射エネルギーレベル演算装置２３が反射エネルギーレベルを演算する。
内部欠陥判定装置２４には、予め図６に示す閾値３１の値を入力されており、反射エネルギーレベル演算装置２３により出力された反射エネルギーレベルに対し、反射エネルギーレベルが閾値以上か閾値以下を判断し、結果を出力する。この場合、閾値３１以上の反射エネルギーレベルに対しては、剥離異常を設定表示装置１７に出力し、閾値３１より小さい反射エネルギーレベルに対しては、非剥離状態を出力する。
以上のような手順及び計測で診断作業を、長期に亘り実施する。
保守工事の中で新たにコアリングを行う場合は、さらに本装置の判定の精度向上を図るため、そのポイントの反射エネルギーレベルを算出し、コアリングと照合した結果を、図６に追記していく。この照合によるサンプル数が増えれば増える程、この剥離有無の推定精度は向上する。
【００３５】
このためサンプルポイントを追加する場合の閾値の決定フローを、図７を用いて、以下に説明する。
まず、これまで得られたコアリングポイントに対し、さらに新たなコアリングポイントｉが得られるとき、この点で反射エネルギーレベルＥ1 を計測する（ステップＳ１）。また、コアリングによって得られたコアサンプルの所見（クラックの有無、ジャンカの有無）を記録する（ステップＳ２）。
次いで、ステップＳ３で、もしコアサンプルに剥離が発生していず、ステップＳ４で得られた反射エネルギーレベルＥ1 が、閾値の上限レベルＬ2 より大であれば、閾値の上限レベルＬ2 は新たに得られたＥ1 に置き換えられる（ステップＳ５）。但し、得られた反射エネルギーレベルＥi が、閾値の上限レベルＬ2 より小であれば、Ｌ2 は変化なしである。
【００３６】
ステップＳ３で、もし剥離が発生しており、ステップＳ６で得られた反射エネルギーレベルＥi が、閾値の下限レベルＬ1 より小であれば、Ｌ1 は新たに得られたＥ1 に置き換えられる（ステップＳ７）。但し、得られた反射エネルギーレベルＥi が、Ｌ1 より大であれば、Ｌ1 は変化なしである。
次いで、ステップＳ８で、追加コアリングポイントがあれば、ステップＳ１に戻り、なければ処理を終了する。
以上のように動作すると、閾値の下限レベルＬ1 は、これまで得られた剥離のあるコアサンプルの反射エネルギーレベルの集合の内、最小の反射エネルギーレベルになる。一方、閾値の上限レベルＬ2 は、これまで得られた剥離のない健全なコアサンプルの反射エネルギーレベルの集合の内、最大の反射エネルギーレベルになる。
コアサンプルの状況によっては、Ｌ1 ＜Ｌ2 となり、Ｌ1 〜Ｌ2 間は剥離とも健全とも言えない不定領域が発生する。この場合は不定状態を設定表示装置１７に出力することとなる。以上の処理は、閾値決定装置２５で実行される。
【００３７】
実施の形態１によれば、トンネル覆工内部の剥離等欠陥状況を、反射エネルギーレベルから精度高く診断することができる。
【００３８】
実施の形態２．
以下、実施の形態２につき説明する。
実施の形態２は、従来診断に要する時間が長期化し、コスト増を要した問題に対処するもので、音響弾性波を用い、コンクリート覆工内部の欠陥を逐次、網羅時に診断する方法についてのものである。
図８は、この発明の実施の形態２によるトンネル診断装置の診断機能を示す構成図である。
図８において、９０は周波数掃引機能、９１は剥離検出機能、９２は剥離厚推定機能、９３は周波数特性計測機能、９４は減衰特性計測機能であり、対象物の固有周波数にて所定時間励振し、その後その励振を遮断した後に固有周波数の振動が減衰する特性である減衰特性を、減衰時間によって計測する。９５は音速推定機能、９６は圧縮強度推定機能、９７は覆工厚推定機能である。９８はクラック・ジャンカ識別機能である。９０〜９８は受信信号処理装置２０に内蔵されている。ここで周波数特性計測機能９３は受信された信号をＦＦＴ変換し、周波数応答を算出し、またその応答からピーク周波数を算出する機能である。減衰特性計測機能９４は、音速推定機能９５と圧縮強度推定機能９６を有している。
【００３９】
一方、これらの基本機能を組合せた以下のステップが存在する。
図９は、この発明の実施の形態２によるトンネル診断装置の診断フローチャートである。
図９において、９１１は受信センサが検出した反射エネルギーレベルから剥離の有無を検出する実施の形態１に示す診断機能を実施する剥離検出ステップで、周波数掃引機能９０と剥離検出機能９１を有する。９１２は反射エネルギーレベルから剥離厚を推定する剥離厚推定ステップで、剥離厚推定機能９２を有する。
９１３は反射エネルギーレベル、減衰特性からクラック、ジャンカの識別を行うクラック・ジャンカ識別ステップで、周波数特性計測機能９３、減衰特性計測機能９４及びクラック・ジャンカ識別機能９８を有する。９１４は覆工厚推定ステップで、周波数特性計測機能９３、減衰特性計測機能９４、音速推定機能９５、圧縮強度推定機能９６及び覆工厚推定機能９７を有し、周波数特性から覆工厚ピーク周波数を検出するサブステップ、減衰特性から減衰時定数を計測するサブステップ、減衰時定数から音速、圧縮強度を推定するサブステップ、先程算出された音速と周波数応答から覆工厚を推定するサブステップから成る。
図１０は、この発明の実施の形態２によるトンネル診断装置の欠陥モードの存在位置と診断機能を示す図である。
【００４０】
図９に示す診断の流れは、大きく２つのステップに分かれる。
第一の診断ステップは、剥離の有無検出を実施する剥離検出ステップ９１１（第一の手順）である。第一の診断ステップの結果に基づき、第二の診断ステップは、剥離ありの場合は剥離厚を推定する剥離厚推定ステップ９１２（第二の手順）、及び剥離原因のクラック及びジャンカの識別を実施するクラック・ジャンカ識別ステップ９１３（第三の手順）、並びに剥離なしの場合は、音速、圧縮強度を推定する（第四の手順）と共に、覆工厚を推定する覆工厚推定ステップ９１４（第五の手順）により構成される。
以下、図９の各ステップについて説明する。なお、ステップＳ９０〜ステップＳ９８は、９０〜９８の各機能に対応している。
【００４１】
（１）第一の診断ステップ
第一の診断ステップは、計測箇所が剥離しているか否かを検出することを目的としたものである。剥離がある場合、剥離層において横振動が発生する。この横振動は欠陥形状によって決定される固有振動にて励振される。このため音響弾性波はそれ以上深部に到達しないか、大半のエネルギーが剥離層で消費、反射され、それ以上深部に伝搬しなくなる。言い換えれば、剥離が発生していれば、その剥離により、以深の診断はエネルギーが到達せず無効になる。このため、最初のステップで剥離の有無を判定する。ステップＳ９０で周波数掃引を行い、ステップＳ９１で剥離検出機能９１により、実施の形態１で述べたように反射エネルギーレベルを演算して、剥離有無を判定する。
【００４２】
（２）第二の診断ステップ
第一の診断ステップの結果に基づき、覆工内部状態をより詳細に推定する第二の診断ステップへ移行する。第二の診断ステップにおいては、第一の診断ステップにて剥離が検出された場合と、検出されなかった場合について、それぞれ異なるステップにて診断を実施する。
【００４３】
（２−１）剥離ありの場合
第一の診断ステップにて剥離が検出された場合は、ステップ９１２で、その剥離状態のより詳細な情報収集が可能になる。このため、剥離厚（表面から剥離面までの距離）の推定、及びステップ９１３でその剥離の原因となっている変状のクラック／ジャンカの識別を実施する。
剥離厚の推定は、剥離厚データベースを基に剥離厚推定機能９２によって算出される。剥離厚推定が完了すると、ステップＳ９３で周波数特性計測を行い、ステップＳ９４で減衰特性を計測することにより、減衰時定数を基にしたクラック／ジャンカデータベースからクラック、ジャンカの識別がステップＳ９８で実行される。
【００４４】
減衰時定数を基に、クラック／ジャンカデータベースからクラック及びジャンカを識別する方法は、以下の通りである。
クラック及びジャンカの減衰特性は、クラック及びジャンカの構造的特性に依存する。クラックの減衰時定数は、ジャンカの減衰時定数より大きい。
従って、クラックがある欠陥状態と、ジャンカがある欠陥状態は、減衰時定数により２領域に区分される。この区分けの境界値は閾値として予めクラック／ジャンカ識別機能９８に記録されている。新しく計測し剥離ありと判定されたポイントの減衰時定数をクラック、ジャンカの識別機能に入力すると、判定結果が出力される。
【００４５】
（２−２）剥離なしの場合
一時診断にて剥離が検出されなかった場合は、覆工深部へのエネルギー伝達が可能になり、ステップ９１４により、覆工厚が推定できる。
まず、ステップＳ９３で、周波数特性計測を実施することにより、覆工厚からの縦振動応答を計測する。次にステップＳ９４で、減衰特性計測を実施することにより、減衰時定数が計算される。ステップＳ９５、Ｓ９６で、減衰時定数−音速／圧縮強度データベースは、この減衰時定数から音速、圧縮強度をそれぞれ出力する（第四の手順）。この結果、音速が求まれば、覆工厚からの縦振動応答（式１）に、得られた音速値を適用し、ステップＳ９７で、覆工厚さが求められることになる。
覆工厚の推定値から、覆工が設計巻厚を確保しているかを確認する（第七の手順）。また、表面から覆工背面までの平均音速またはトンネル覆工の圧縮強度の推定値から、覆工内部に音速の低下した部分（弱ジャンカ状態）が存在していないか診断する（第六の手順）。
【００４６】
以上の診断フローを、トンネル覆工内部の欠陥（トラック、ジャンカ）とその存在位置（表層：０〜２５ｃｍ、深層：覆工背面）別に分類した表を図１０に示す。
この診断アルゴリズムは、以上のように構成されているため、これらの欠陥モード診断において、表層、深層、健全の各部分において、それぞれに合致した手法を適用することにより、各診断モードの診断が実現できる。
【００４７】
実施の形態２によれば、覆工内部の欠陥状況を反射エネルギーレベルから精度高く診断することができる。
【００４８】
【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音響発振子、この音響発振子によって入射された音響弾性波がトンネル覆工によって励振された反射信号を検出する受信センサ、この受信センサによって検出された反射信号の反射エネルギ−レベルを算出すると共に、算出された反射エネルギーレベルを予め設定された閾値と比較することにより剥離欠陥の有無を判定する信号処理装置を備え、信号処理装置は、反射信号の減衰特性を計測する減衰特性計測機能と、剥離欠陥有りと判定した場合に、反射信号の減衰時定数を、予め記憶されている減衰時定数の閾値と比較することにより、剥離欠陥の種類を識別する剥離欠陥識別機能とを有するので、トンネル覆工の表層部及び深部の剥離欠陥を効率よく判定することができるとともに剥離欠陥の種類を識別することができる。
【００４９】
また、信号処理装置は、反射信号をＦＦＴ演算した後、反射エネルギーレベルを算出するので、ＦＦＴ演算後の反射エネルギーレベルを算出することができる。
また、反射信号は、可変帯域フィルタを介して信号処理装置に入力され、積算されるので、所定の周波数帯域の反射信号について、反射エネルギーレベルを算出することができる。
【００５０】
さらに、音響弾性波は、低周波から高周波へ向けて変化する連続波であるので、剥離欠陥を検出しやすい波形とすることができる。
また、反射エネルギーレベルと比較するための閾値は、トンネル覆工内部の剥離欠陥部と覆工表面とが形成する板構造の横振動によって励起された反射信号を、信号処理装置によって剥離欠陥有りと判定されるように、設定されているので、剥離欠陥を容易に判定することができる。
【００５１】
また、反射エネルギーレベルと比較するための閾値は、予めコアリングにより剥離欠陥の存在が確認された反射エネルギーレベルを用いて設定されているので、剥離欠陥の判定を有効に行うことができる。
さらにまた、反射エネルギーレベルと比較するための閾値は、上限値及び下限値を有すると共に、信号処理装置は、反射エネルギーレベルが、上限値を越えたとき剥離欠陥有りと判定し、反射エネルギーレベルが下限値より小さいとき剥離欠陥無しと判定し、反射エネルギーレベルが上限値と下限値の間のときは、不定状態とするので、剥離欠陥有りと剥離欠陥無しと、不定状態を判定することができる。
【００５２】
また、反射エネルギーレベルと比較するための閾値の上限値は、剥離欠陥無しの場合の反射エネルギーレベルの内、最大の反射エネルギーレベルを用いて設定されているので、剥離欠陥有りを精度よく判定することができる。
また、反射エネルギーレベルと比較するための閾値の下限値は、剥離欠陥有りの場合の反射エネルギーレベルの内、最小の反射エネルギーレベルを用いて設定されているので、剥離欠陥無しを精度よく判定することができる。
【００５３】
加えて、信号処理装置は、剥離欠陥有りと判定した場合に、反射エネルギーレベルを用いて、剥離の厚みを推定するように構成されているので、剥離の厚みを推定することができる。
また、信号処理装置は、剥離欠陥無しと判定した場合に、反射信号の減衰特性を用いて、トンネル覆工の音速または圧縮強度を推定するように構成されているので、剥離欠陥無しと判定した場合に、トンネル覆工の音速または圧縮強度を推定することができる。
また、信号処理装置は、剥離欠陥無しと判定した場合に、トンネル覆工背面までの縦振動を用いて、トンネル覆工の厚みを推定するように構成されているので、トンネル覆工の厚みを推定し、健全性を判定することができる。
【００５４】
さらに、この発明に係わるトンネル診断方法においては、トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射し、入射した音響弾性波のトンネル覆工によって励振された反射信号から反射エネルギ−レベルを算出すると共に、算出された反射エネルギーレベルを用いて、トンネル覆工の欠陥の有無を判定し、欠陥有りと判定した場合に、反射信号の減衰時定数を、予め記憶されている減衰時定数の閾値と比較することにより、剥離欠陥の種類を識別するので、トンネル覆工の表層部及び深部の欠陥を効率よく判定することができるとともに剥離欠陥の種類を識別することができる。
また、トンネル覆工への音響弾性波の入射は、トンネル覆工表面に圧接された鉄及びコバルト系の磁歪素子からなる音響発振子により行われると共に、反射信号の検出は、トンネル覆工表面に圧接された鉄及びコバルト系の磁歪素子からなる受信センサによって行われるので、確実に欠陥を検出することができる。
【００５５】
また、トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射し、入射した音響弾性波のトンネル覆工によって励振された反射信号から反射エネルギーレベルを算出すると共に、算出された反射エネルギーレベルを用いてトンネル覆工の剥離欠陥の有無を判定する第一の手順、
この第一の手順によって剥離欠陥有りと判定された場合に、反射エネルギーレベルを用いて、剥離の厚みを推定する第二の手順、
第一の手順によって剥離欠陥有りと判定された場合に、反射信号の減衰時定数を、予め記憶されている減衰時定数の閾値と比較することにより、剥離欠陥の種類を識別する第三の手順を含むので、トンネル覆工の表層部及び深部の剥離欠陥を効率よく判定することができるとともに剥離欠陥の種類を識別することができる。
【００５７】
また、第一の手順によって剥離欠陥無しと判定された場合に、反射信号の減衰特性を用いて、トンネル覆工中の音速またはトンネル覆工の圧縮強度を推定する第四の手順、
この第四の手順によって推定されたトンネル覆工中の音速またはトンネル覆工の圧縮強度を用いて、トンネル覆工の厚みを推定する第五の手順、
第四の手順によって推定されたトンネル覆工中の音速またはトンネル覆工の圧縮強度を用いて、トンネル覆工は健全であると判定する第六の手順、
第五の手順によって推定されたトンネル覆工の厚みを用いて、トンネル覆工は健全であると判定する第七の手順を含むので、音速またはトンネル覆工の圧縮強度及びトンネル覆工の厚みを推定するとともにトンネル覆工が健全であることを判定することができる。
【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駆動信号波形（チャープ波）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剥離欠陥部の振動状況を示す模式図である。
【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周波数応答を示す図である。
【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反射エネルギーレベルとコアの照合結果を示す図である。
【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反射エネルギーレベルの閾値を決定するフローチャートである。
【図８】  この発明の実施の形態２によるトンネル診断装置の診断機能を示す構成図である。
【図９】  この発明の実施の形態２によるトンネル診断装置の診断フローチャートである。
【図１０】  この発明の実施の形態２によるトンネル診断装置の欠陥モードの存在位置と診断機能を示す図である。
【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  音響発振子、
１２  駆動制御装置、１３  発振電流生成装置、１４  受信センサ、
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  内部欠陥判定装置、
２５  閾値決定装置、３１  閾値、９０  周波数掃引機能、
９１  剥離検出機能、９２  剥離厚推定機能、９３  周波数特性計測機能、
９４  減衰特性計測機能、９５  音速推定機能、９６  圧縮強度推定機能、
９７  覆工厚推定機能、９８  クラック・ジャンカ識別機能。
【図１】
0004553458.tif 000005
【図２】
0004553458.tif 000006
【図３】
0004553458.tif 000007
【図４】
0004553458.tif 000008
【図５】
0004553458.tif 000009
【図６】
0004553458.tif 000010
【図７】
0004553458.tif 000011
【図８】
0004553458.tif 000012
【図９】
0004553458.tif 000013
【図１０】
0004553458.tif 000014