佐藤工業技報
No. 482023

打音検査によるセグメント背面充填状況の確認

Confirmation to filling condition of tunnel segment lining back side by hammering test

瀬谷 正巳*，歌川 紀之*，黒田 千歳*

キーワード
シールドトンネル，裏込注入，空洞探査，打音検査，外れ値，箱ひげ図研

究概要

シールド工法における裏込め注入工は，地盤沈下や既設構造物への影響を防ぐ上で非常に重要である。
裏込め注入にあたっては，通常，注入量を過不足ないように注入するが，掘削土の取込過多などの原因により注入量が足りず，空洞が完全に充填されない場合もあり得る。
そのため，今回，シールド施工の品質管理にあたり，健コン診断ポータブルを用いた打音検査により，セグメント背面の空洞の有無の確認を行った。
本論では，健コン診断ポータブルを用いた打音検査によるセグメント背面空洞の有無の確認手法について検討し，その手法の妥当性を示す。

ABSTRACT
Backfill injection method for shield tunnel lining is important to prevent above ground surface settlement andinfluence of neighborhood existing structures during shield tunnel construction. As for backfill injection, normallyinjection volume is controlled to avoid in proper quantities. But, some voids were not filled fully by the injection
material due to excessive intake by shield construction machines, etc. So, hammering inspection by instrument whichis called the KENKON-SHINDAN Portable was applied to inspect behind tunnel lining segments whether voids are
there or not. In this paper, the result is shown by examination of this method and adequately.

1 研究目的ことは出来ない。そのため，電磁波レーダー探査の代替として，健コン診断ポータブルを用いた打音検査により，セシールド工法では，掘削径がセグメント径よりわずかにグメント背面の空洞の有無を提案し，その妥当性について大きく，セグメント組み立て後，セグメント外面と地山と検証することになった。の間にテールボイドと呼ばれる空隙が残る。このテールボ

本報告では，打音検査の適用性を検証する予備計測と予イドをそのままにしておくと地山の緩みが進行し，地盤沈備計測結果を元にして定めたセグメント背面空洞の有無下や既設構造物への影響が懸念されるため，裏込め注入工として，速やかに注入材で空隙を充填しなければならない。
裏込め注入にあたっては，通常，注入量管理，注入圧管理についての確認手法について述べる。

2 計測の概要を行うことで過不足のないような注入とするが，掘削土の取込過多などの原因により注入量が足りず，空洞が完全に2.1充填されないような場合もあり得る。

「健コン診断ポータブル」について

今回，計測機器としては，打音検査用に当社で開発した

今回，当該シールド工事において「掘進時における地盤健コン診断ポータブルを用いた。

変位（地盤沈下などの返上）の抑制に関する工夫」というコンクリート内部の欠陥などを調査する方法として，コ技術提案項目があり，それに対して当初，電磁波レーダー

ンクリート表面をテストハンマーなどで叩いて音を聞く

探査によってセグメント背面の空洞の有無を把握すると「叩き点検（打音調査）」が一般的に行われているが，健いう提案を行った。しかし，今回工事は全区間で鋼製セグ

コン診断ポータブルは，叩き点検をシステム化したものでメントを使用することになっており，電磁波レーダーではある。

鋼製セグメントを透過して背面の空洞の有無を確認する* 技術センター 土木研究部
34

健コン診断ポータブルは，打撃力を検出できるインパル

2.3

スハンマ，フード付きマイクロフォン，AD コンバーター，予備計測の計測条件および計測箇所

セグメント背面空洞の有無について確認する手法を検解析用パソコンから成り（写真－1），一人の計測担当者が証するために予備計測は，計4回にわたり，それぞれ計測条マイクをセットし打撃することで，打撃箇所の計測結果件，計測箇所を変えて実施した。

（打撃力，発生音）がモニターに表示されるとともにパソ

第1回目の計測では，写真－3に示すように上に凸に置いコンに記録される。

たセグメントに木枠を被せた模擬試験体を用い，セグメント背面（セグメントの上部）の条件を表－1の通りに変えてセグメントの下側から打音計測した（写真－4）。
表－1

模擬試験体のセグメント背面の条件

セグメント背面の条件

写真－1

2.2

実際の状況

空

セグメント背面に何もない状況

水水を入れた袋をセグメント背面に密着させる（写真－5）

裏込材固化前裏込材を入れた袋をセグメント背面に当て，固化前に計測（写真－6）

裏込材固化後裏込材を入れた袋をセグメント背面に当て，90分後に計測

健コン診断ポータブルの構成

予備計測の計測方法

健コン診断ポータブルでは，フード付きマイクロフォンで打撃時に発生する振動を音として捉え，その音の波形を解析することで，コンクリート内部の欠陥の位置を把握す
る1)。今回，課題となっているセグメント背面の裏込めの充填状況，空洞の有無についても健コン診断ポータブルにて計測を行うことで評価できるものと考えた。
具体的な計測方法は以下の通りである。
・ 叩き位置を決める（セグメントの場合は基本的に天頂部とする）

セグメント（上に凸）・ 叩き位置のすぐ脇（約3cm 以内）にマイクロフォンを当て，出来るだけ同一箇所で10回以上叩き，データ（打撃力，打撃音）を記録する（写真－2）

写真－3

写真－2

模擬試験体

健コン診断ポータブルの計測状況例

写真－435

模擬試験体の打音計測状況

計測データの処理

2.4

健コン診断ポータブルでは，インパルスハンマで計測した打撃力，フード付きマイクロフォンで計測した発生音（打撃音）が記録されるが，それに伴ってそれぞれに対し自動的に周波数解析（FFT 解析）を行い，その結果も記録される（図－1）。

写真－5「水」の設置状況

図－1

健コン診断ポータブルによる計測結果の例

今回の計測では，セグメント背面の充填性，空洞の有無を評価するために，振幅エネルギー量 E，周波数重心 G という値を指標として用いた。
振幅エネルギー量 E は，打撃音のエネルギーの大きさ（総和）を表す。一般に背面に空洞がある場合では，打撃音の波形の振幅は大きく，また音自体長く継続するので Eは大きく，一方で背面の充填が密だと E は小さくなる。
周波数重心 G は，周波数解析結果で最も卓越する周波数に対応する。一般に背面に空洞がある場合，音の減衰が小写真－6さいので G は大きく，背面の充填が密だと G は小さくな「裏込材」の設置状況る。
以下に，第1回目の計測で測定した模擬試験体の「空」の第2回目から第4回目の計測では，施工済セグメントを対測定結果例（図－2）と模擬試験体の「裏込材固化後」の測象として，裏込注入前のセグメントと裏込注入後のセグメ定結果例（図－3）を示す。

ントをそれぞれ計測した（写真－7）。

この2つの波形のグラフを比較した場合，明らかに振動の連続時間の異なっていることが分かる。

ハンマとマイクの波形

上記波形からFFTで求めた周波数分布

図－2
写真－7

セグメントの計測状況
36

模擬試験体の「空」の測定結果の例

3 予備計測の計測結果
第 1 回目計測

3.1
3.1.1

計測条件および計測箇所（第 1 回目）

第1回目の計測として健コン診断ポータブルを使用し，表－2に示す条件，箇所について，それぞれ10回以上打音計測を行った。
なお，本坑（実現場）内のセグメントを計測する場合，天頂部付近が最も空洞が発生しやすいと思われるので，計測箇所は基本的に天頂部付近とする。
図－3

模擬試験体の「裏込材固化後」の測定結果の例

表－2

模擬試験体の打音計測条件，計測箇所

計測回

振幅エネルギー量 E，周波数重心 G は，振動波形および第1回目

周波数解析の結果から下記式でそれぞれ求める。
・振幅エネルギー量 E の算出
振幅エネルギー量 E は，振動波形のグラフでの振幅3.1.2の二乗和として求める。

𝐸 = ∑𝑡 𝑉 2

計測条件、計測箇所
模擬試験体（空，水，裏込材固化前・後）
裏込注入済セグメント（No.3）

振幅エネルギー量および周波数重心（第 1 回目）

計測結果から振幅エネルギー量 E，周波数重心 G を求め，(1)グラフに表す（図－4）。

ここに，E：エネルギー量，V：振幅（volt）
・周波数重心 G の算出

3.1.3

周波数重心 G は，周波数分布のグラフで，振幅と周第1回目計測結果の特徴を以下に示す。

波数の積和を振幅の和で割って求める。

𝐺=

∑ 𝑉𝐻𝑍

・ 計測結果は，それぞれの計測条件，計測箇所ごとにある程度のまとまりをもって異なる領域に分布する。

(2)

∑𝑉

計測結果の特徴（第 1 回目）

特に振動エネルギーE については，その傾向が比較的顕著である

ここに，G：周波数重心，V：振幅（volt），・ 模擬試験体での計測結果と本坑（実現場）について

HZ：周波数の計測結果とでは傾向が異なる

5000
4500
4000

周波数重心Ｇ（Hz）

3500
3000
2500
2000
空1500

水
裏込材_固化前

1000

裏込材_固化後
500

本坑No.300.1

110

振幅エネルギー量Ｅ（Volt）

図－4

第 1 回目計測の計測結果（振幅エネルギー量Ｅおよび周波数重心Ｇの分布）37

3.1.4表－3

計測結果のまとめ（第 1 回目）

第1回目計測結果を以下にまとめる。

第 2～4 回計測の打音計測条件，計測箇所

計測回

計測条件、計測箇所

・ 模擬試験体で計測条件が異なると，打撃音の振幅エ
第2回目

ネルギー量 E および周波数重心 G が異なる傾向を示すことが分かった。このため，この値を求め比較する

第3回目

ことで，セグメント背面の裏込め充填状況，空洞の有無を判別できる可能性がある

第4回目

・ 実際の施工区間における判別の閾値を求めるために

裏込注入前セグメント（No.40）
裏込注入済セグメント（No.30, 35）
裏込注入前セグメント（No.57）
裏込注入済セグメント（No.3, 15, 20, 25, 30）
裏込注入前セグメント（No.71, 72）
裏込注入済セグメント（No.3, 15, 53～67）は，本坑（実現場）での測定が必要である

3.2

第2回目から第4回目計測結果の特徴を以下に示す。

第1回目の計測の結果から本坑（実現場）での計測が必要

・ 計測結果は，それぞれの計測箇所ごとにある程度のということが分かったので，第2回目から第4回目においてまとまりをもって異なる領域に分布する本坑の既掘削区間で条件，場所を変えて計測を行った。
3.2.1

計測結果の特徴（第 2 回目～第 4 回目）

3.2.3

第 2 回目～第 4 回目計測

・ 裏込の注入前と裏込の注入後では領域の位置が異なり，判別することができる。ただし，No.3の計測結果

計測条件および計測箇所（第 2 回目～第 4 回目）は，他のリングの計測結果と傾向が異なる
・ 周波数重心 Gave については，裏込注入前と裏込注

第2回目から第4回目の計測ケース，計測箇所を表－3に入後とで，はっきりした傾向が見られない示す。健コン診断ポータブルを用いて，計測対象のリングの天頂部付近で，それぞれ10回以上計測を行った。

計測結果のまとめ（第 2 回目～第 4 回目）

3.2.4
3.2.2

振幅エネルギー量 E の平均および周波数重心 G

第2回目から第4回目の計測結果を以下にまとめる。の平均（第 2 回目～第 4 回目）

・ 裏込注入前と注入後については，振幅エネルギー量
Eave の結果に基づき，判別することができる

計測結果から振幅エネルギー量 E，周波数重心 G を求め，グラフに表す。ただし，データが多くて煩雑なので，各計・ 周波数重心 Gave の結果では判別することが難しい

測箇所（セグメント）ごとに平均を求め，その値を表示す・ No.3については他のリングの計測結果と傾向が異なるため，十分に充填されていない可能性がある。再調る（図－5）。

査するか，再注入を検討した方がよい
4000

3(1)

セグメントごとの周波数重心Ｇの平均（Hz）

3500

3000
40(2)

54(4)
2500

30b(2)

15(4)

30(2)
57(4)

53(4)

55(4)
66(4)

2000

60(4)

65(4)
30(3)

40b(2)

25(3)

58(4)
59(4)

56(4)

72(4)
3(4)

61(4)
62(4)

15(3)

35(2)

20(3)

64(4)

1500

3(3)

67(4)
63(4)
71(4)

57(3)

1000

充填済セグメント（No, 計測回）
500

未充填セグメント（No, 計測回）

00.01

0.1

1

セグメントごとの振幅エネルギー量Ｅの平均（Volt）

図－5

第 2 回目～第 4 回目計測の計測結果（振幅エネルギー量 E の平均および周波数重心 G の平均の分布）38

4 判別のための閾値の検討

この判定手法を充填されたセグメントの振幅エネル
ギー量 Eave に適用する（表－4，表－5）。この結果，デー予備試験の結果に基づき，健コン診断ポータブルによるタが全て管理限界内（LCL～UCL）に収まっていることが計測で得られる振幅エネルギー量 Eave の値と周波数重分かる。なお，No.3と18日計測の N0.15の結果については，Gave の値についてセグメント背面の裏込め充填状況，空洞の有無の判別についての適用性を確認した。その結果，異常値として計算の対象からは削除した。

周波数重心 Gave の値は適用できないが，振幅エネルギー量 Eave の値からセグメント背面の裏込め充填状況，空洞表－4の有無を判別できることが分かった。すなわち，振幅エネ

No データ名

ルギー量 Eave が小さければ十分に充填されていると見なすことができ，振幅エネルギー量 Eave が一定の値より大きければ充填が不十分という懸念がある（図－6）。
閾値？

充填済セグメントの振幅エネルギー量 E の平均値
Ｅave

No データ名

Ｅave

130(2)

0.137702648

1257(4)0.172502181

230b(2)0.037796153

1358(4)0.105933628

335(2)

0.187144749

1459(4)0.124569366

420(3)

0.031117088

1560(4)0.046388236

525(3)

0.039683374

1661(4)0.167878642

630(3)0.019655871

1762(4)0.102344259

15(4)0.016416953

1863(4)0.251720078

小大7853(4)0.032013406

1964(4)0.180768032

充填されている

充填されていない

954(4)

0.106090219

2065(4)0.016929476

1055(4)0.081924871

2166(4)0.042352798

1156(4)0.175517652

2267(4)0.234789166

図－6

振幅エネルギー量 Eave と充填状況の関係※ データ名は、セグメントNo，()内は計測回※ No.3、第3回計測のN0.15の結果は除く

ただし，充填と未充填を明確に判別するにあたっては，判別のための閾値が必要となる。閾値については，図－5に示した予備計測で求められた全ての充填されたセグメ

表－5表－4 の Eave に関する四分位範囲等の計算結果

ントと未充填のセグメントの振幅エネルギー量 Eave から第１四分位数 Q10.08836

求める。

第２四分位数 Q20.14622

第３四分位数 Q30.17683に基づき，充填されているセグメントと未充填セグメント

四分位範囲 IQR0.08847

を判別するに当たっては，四分位範囲を用いた外れ値の判

上限管理限界 UCL

0.30954

定法（箱ひげ図を用いた方法）を用いて閾値を定めた2)。

下限管理限界 LCL-0.04436

今回，計測で得られた振幅エネルギー量 Eave のデータ四分位範囲を用いた外れ値の判定法とは，データの分布次に，未充填セグメントの振幅エネルギー量 Eave に適において，他の観測値から外れた値（外れ値）を判定する用する（表－6，表－7）。

統計的な手法の一つである。
データを大きさ順に並び替え，データ数で四等分した時

表－6の区切り値の値を四分位数と呼ぶが，この四分位数を用いて外れ値を判定する。四分位数は，小さい方から第１四分未充填セグメントの振幅エネルギー量 E の平均値一覧

位数 Q1，第２四分位数 Q2（＝中央値 median），第３四分No データ名

Ｅave

位数 Q3と呼ばれ，Q3－Q1を四分位範囲 IQR と言う。この

140(2)

0.951631912

時，

240b(2)

1.648248758

上限管理限界 UCL ＝ Q3＋1.5×IQR

357(3)

0.758192489

下限管理限界 LCL ＝ Q1－1.5×IQR

471(4)

0.674125618

572(4)

0.621995269

として，一般に UCL を超えた値，LCL 未満の値を外れ値と判定し，逆に LCL～UCL のデータについては，所与のデータと同じ集合に含まれるとみなすことが出来る（図－表－77）。

表－4 の Eave に関する四分位範囲等の計算結果
第１四分位数 Q1

0.67413

第２四分位数 Q2

0.75819

第３四分位数 Q3

0.95163

四分位範囲 IQR

0.27751

上限管理限界 UCL

1.36789

下限管理限界 LCL

0.25787

この結果によると，「40b(2)」の値が上限管理限界を超図－7えているため，「40b(2)」のデータは削除し，残りのデータ四分位範囲による外れ値の判定（箱ひげ図）
39

3000

2800

注入済 ←

→ 未注入
40(2)

セグメントごとの周波数重心Ｇの平均（Hz）

2600

54(4)

2400

30(2)
57(4)

2200
58(4)

56(4)

2000

59(4)

3(4)
72(4)

61(4)

62(4)

1800

15(3)
35(2)
67(4)

64(4)

1600

63(4)
1400

71(4)
1200

充填済セグメント（No, 計測回）
未充填セグメント（No, 計測回）

57(3)

1000
0.251

0.10.309
注入済のUCL

0.443
未注入のLCL

0.622

1

セグメントごとの振幅エネルギー量Ｅの平均（Volt）（0.1～1の範囲のデータに限定）

図－8

振幅エネルギー量 E の平均および周波数重心 G の平均の分布と判別の区分について，再度，四分位範囲を用いた外れ値の判定方法をむ）を判別する閾値を決める（図－8，図－9）。

適用する（表－8，表－9）。その結果，データが全て管理・充填済セグメントの上限管理限界 UCL は約0.30であ限界内（LCL～UCL）に収まっていることが分かる。

り，この値を閾値として Eave がこの値未満となったセグメントについては「充填」と判定する

表－8

未充填セグメントの・未充填セグメントの下限管理限界 LCL は，約0.44であ振幅エネルギー量 E の平均値一覧
No データ名り，この値を閾値として Eave がこの値以上となった

Ｅave

セグメントについては「不完全充填」と判定する
・充填済セグメントの UCL～未充填セグメントの LCL

140(2)

0.951631912

257(3)

0.758192489（0.30≦

371(4)

0.674125618

ついては，充填セグメントとも未充填セグメントとも

472(4)0.621995269

判断できないので「不完全充填の疑い」と見なす※ 第2回計測のNo.40bの結果は除く＜0.44）の範囲の値となったセグメントに

この内，判別結果が「不完全充填の疑い」の場合は再計測を行い，それでも「不完全充填の疑い」のままだったら表－9

表－8 の Eave に関する四分位範囲等の計算結果「不完全充填」と同等に扱い，再注入を検討する。

第１四分位数 Q10.66109

なお，今後，計測を実施するに伴い，閾値の大きさが実第２四分位数 Q2

0.71616状に合わないと判断された時は，再度，閾値について検討

第３四分位数 Q30.80655を行うものとする。

四分位範囲 IQR0.14546

上限管理限界 UCL1.02474

下限管理限界 LCL

0.44290

振幅エネルギー量Ｅave0.251
充填されたセグメント

ここで，上記の四分位範囲を用いて求めた上限および下図－9限の管理限界値から，以下の通り，充填済セグメントと未充填セグメント（完全に充填されていないセグメントを含0.30
充填0.44

不完全充填の疑い

不完全充填

未充填セグメント

振幅エネルギー量 E の平均値を用いた
充填状況判別の閾値

400.622

5 まとめい」と判定される可能性がある・ 判別の結果が，「不完全充填の疑い」「不完全充填」以下に，今回の結果をまとめる。の場合は，再注入を検討する

・ 予備調査の結果から，健コン診断ポータブルを用い今回の検討によって，シールドトンネルの裏込め注入工た計測で得られる振幅エネルギー量 E の値からセグの充填確認，空洞の有無の確認として健コン診断ポータブ

メント背面の裏込め充填状況，空洞の有無を判別でルを用いた打音検査が有効であることが分かった。

きることが分かった

今後は，今回，計測において異常値を示した箇所の調査

・ 閾値の決定に際しては，四分位範囲を用いた外れ値なども行った上で，より確実な判別手法を確立し，施工のの判定法（箱ひげ図を用いた方法）を用いた品質向上につなげたいと考えている。

・ 計測箇所ごとの振幅エネルギー量 E の平均値 Eave
によって参考文献

Eave < 0.30 ：充填されている（空洞はない）

1) 北川真也，鍋谷雅司，歌川紀之，森山守，木村定雄：打音法を用いた道路橋鉄筋コンクリート床版の劣化検知に
0.44≦ Eave ：不完全充填
ついて，佐藤工業技術研究所報 No.37，2012と判別する
2) 青木勇太，松田眞一：外れ値を検出する方法の特徴比・ 今回，未充填セグメントの背面が完全に空洞か，水較，南山大学紀要「アカデミア」理工学編 第 21 巻，pp.60-76，2021.03
で満たされているかは必ずしも明らかではないので，
0.30≦ Eave

< 0.44 ：不完全充填の疑い

空洞が水で満たされている場合は，「不完全充填の疑41