平成29年度

パラメトリックソーナーによるコンクリート水中部の非接触劣化度調査について
国立研究開発法人土木研究所寒地土木研究所寒地機械技術チーム○小林 勇一澤口 重夫
北海道開発局 札幌開発建設部 施設整備課
岸寛人（前 国立研究開発法人土木研究所寒地土木研究所寒地機械技術チーム）
高度成長期以降に集中的に整備されたインフラが一斉に老朽化し、今後、同時期に修繕や更新が必要となることが懸念されている。インフラ施設の安全性・信頼性を確保するためには、構造物の状態を的確に把握・診断し、計画的に対処する必要がある。しかし、コンクリート構造物水中部の検査は、通常、潜水士の目視により行われており、潜水士の主観に依存する部分が大きく、定量的な検査が難しい。そこで、コンクリート構造物水中部の定量的な非接触、非破壊劣化度検査手法の提案に向けた基礎検討として、鋼矢板岸壁の内部空洞調査用に製作したパラメトリックソーナーを使用し、水中のコンクリート供試体の計測試験を実施した。
キーワード：健全度、長寿命化、維持・管理、コンクリート水中部、超音波、教師あり学習

1. はじめに
高度成長期以降に集中的に整備されたインフラが一斉に老朽化し、今後、同時期に修繕や更新が必要となることが懸念されている。例えば、建設後50年を経過する橋梁は、2013年には約18%だったが、2023年には約43%、2033年には約67%と急激に増加する見込みである1)（表1）。予算の制約がある中で、インフラ施設の安全性・信頼性を確保するためには、構造物の状態を的確に把握・診断し、計画的に対処する必要がある。
地上からの目視確認が困難である、コンクリート構造物の水中部（橋梁下部工、港湾構造物、河川構造物、ダム）についても、劣化や損傷が懸念されている。特に寒冷地では、凍結融解による劣化も加わることから、さらに厳しい状況にある（写真-1）。

しかし、水中部のコンクリートの検査は、通常、潜水士の目視により行われており、潜水士の主観に依存する部分が大きく、定量的な検査が難しい。空気中のコンクリートの検査では、目視や打音のほか、打撃試験や超音波などによる定量的な調査手法が多くある2)。その一方、水中部のコンクリートでは、打撃試験3)、超音波伝達法4)、およびレーザー干渉法5)があるが、その事例は非常に少ない。そのため、コンクリート構造物水中部の定量的な調査手法が求められている。
寒地機械技術チームでは、水中構造物の定量的な調査技術として、既往の研究において、超音波のパラメトリックソーナーを活用し、非接触、非破壊で鋼矢板岸壁の内部空洞を調査する技術を開発した6)。一方、コンクリート内部の音速度と圧縮強度、弾性係数には相関性がみられることから7)、パラメトリックソーナーにより水中部のコンクリート内部の音速度を計測することができれば、劣化度の定量的な検査に利用できる可能性がある。

表-1 建設後 50 年を経過するインフラ施設

2013年 2023年 2033年
道路橋(橋長2m以上)[約70万のうち40万橋]
河川管理施設(水門等)[約1万施設]港湾岸壁(水深-4.5m以深)[約5千施設]約18% 約43% 約67%
約25% 約43% 約64%
約8%

約32% 約58%※国土交通省ホームページ掲載データより抜粋

Yuichi Kobayashi, Shigeo Sawaguchi, Norihito Kishi

写真-1 橋脚部の凍結状況（北海道夕張郡由仁町）

そこで、コンクリート構造物水中部の定量的な非接触、3. パラメトリックソーナーによる透過波の計測
非破壊劣化度検査手法の提案に向けた基礎検討として、パラメトリックソーナーによる水中のコンクリート供試
パラメトリックソーナーにより水中部のコンクリート体の計測試験を実施した。
内部の音速度を計測することができれば、圧縮強度や弾性係数を推定できる可能性がある。
そこで、パラメトリックソーナーにより、水中のコン
2. パラメトリックソーナーの概要
クリート供試体（以下、供試体という）を透過した背面からの反射波の計測が可能であるかを確認するため、計パラメトリックソーナーは、わずかに異なる高周波測試験を実施した。
（一次波）の2つの信号を同時に高圧で送信することで、(1) 透過波の計測方法
非線形相互作用により低周波（二次波）を生成するもの
パラメトリックソーナーにより、水槽内に設置した供である6)。この二次波は海底に浸透するのに十分なほど
8)9)
試体へ超音波を照射し、その反射波形を計測した（写真
低く、海底地層探査技術として利用されている 。写真-3）。水槽の大きさは、幅2m、長さ3m、深さ1.8mであ-2にパラメトリックソーナーを示す。この装置は鋼矢板る。また、供試体は幅40cm、長さ40cm、厚さ20cmの鉄岸壁の内部空洞調査用に製作したもので、送受波器（トランスデューサ）とパワーアンプにより構成されている。 筋コンクリートである。計測方法を図-2に示す。送受波
計測方法を図-1に示す。送受波器を海中に降ろし、岸器から供試体に向け、鉛直下向きに超音波を送信し、供壁に向け垂直に音波を伝達すると、透過音の一部は岸壁試体からの反射波形を計測した。送受波器はラックピニの表面で反射するが、他は岸壁に浸透する。 岸壁内にオン式の横行装置に懸架し、水平方向に移動できるよう空洞があると、音波は空洞背面の壁面で反射する。これに設置した。
送受波器と供試体との距離は、できるだけ近づけた場らの反射波を受信することにより、岸壁裏の空洞の水平6)合と遠ざけた場合について計測することとし、ここでは長さを測ることができる 。
1 cmと47 cmとした。

送受波器

供試体
送受波器（トランスデューサ）

実験用水槽
パワーアンプ

送受波器および供試体

写真-3 計測試験状況

写真-2 パラメトリックソーナー外観

図-1 鋼矢板岸壁の内部空洞の計測方法

Yuichi Kobayashi, Shigeo Sawaguchi, Norihito Kishi

図-2 供試体背面からの反射波の計測方法

パラメトリックソーナーの設定値は、送信周波数の中心周波数を100kHz、2次波周波数を5kHz、サンプリング間隔を1μsとした。
(2) 透過波の計測結果
図-3に反射波の振幅の計測結果画像を示す。横軸は超音波送信回数、縦軸は深度を表している。ここで、深度は、超音波の受信時間に水中音速を乗じ、2で除した値である。また、パラメトリックソーナーの調整により、縦軸の距離0.05mが送受波器の表面として表示されている。
コンクリート内部の音速度が水中の約3倍であることを考慮すると、供試体の厚さは20cmであるため、供試体背面からの反射波は、供試体表面からの反射波より7cm程度遠くに現れると考えられる。
図-3より、送受波器と供試体の距離が1cmの場合、送受波器表面である0.05mから0.3m付近にかけて大きな波形が現れた。これは、超音波を送信する際に生じた残響と見られる。供試体表面からの反射波は0.06m付近、供試体背面からの反射波は0.13m付近に現れると考えられるが、残響に紛れてしまい、確認することができなかった。
距離が47cmの場合には、残響と見られる0.05mから0.3m付近にかけての波形のほかに、0.5m付近、1.1m付近に大きな波形が現れた。供試体表面からの反射波は0.52m付近に現れると考えられるため、0.5m付近の波形は供試体表面からの反射波と見られる。また、1.1m付近の波形は、送受波器と供試体の間を超音波が2回往復したことによる多重反射波と見られる。供試体背面からの反射波は、0.59m付近に現れると考えられるが、供試体表面からの反射波の小さな振幅に紛れてしまい、明確に確認することができなかった。

以上より、今回の計測では、供試体背面からの反射波を明確に確認することはできなかった。背面からの反射波を確認するためには、残響を処理する方法や、供試体の大きさについて検討する必要がある。

4. パラメトリックソーナーによる反射波形の比較
前述の透過波を計測する過程で、送受波器の移動と停止を繰り返し計測したところ、計測位置の違いにより、反射波形に違いが現れることを確認した（図-4）。
この違いには再現性があったことから、供試体の表面形状、もしくは強度の違いなどにより、反射波形に違いが現れた可能性がある。そこで、異なる2つの供試体を用いて、パラメトリックソーナーによる計測を行い、反射波形の比較を行った。

図-4 計測位置による反射波形の違い(1) 反射波形の計測方法
計測する供試体は、表面形状および強度の異なる2種類とし、それぞれを供試体A、供試体Bとした（写真4）。供試体Aは前述の透過波計測で使用したものと同じ鉄筋コンクリートであり、供試体Bは市販されているコンクリートブロックである。強度の違いを確認するため、シュミットハンマ（Silver Schmidt、proseq社）を使用して反発強度を計測した。

図-3 反射波の計測結果

Yuichi Kobayashi, Shigeo Sawaguchi, Norihito Kishi

写真-4 供試体外観シュミットハンマによる反発強度計測結果を表-2に示す。反発強度はそれぞれ15箇所の平均値であり、供試体Aに比べ、供試体Bの方が低いことを確認した。
供試体からの反射波の計測方法を図-5に示す。送受波器と各供試体の距離は47cmとした。測定箇所数は、供試体Aが139箇所、供試体Bが17箇所の計156箇所とし、測定回数は各箇所50回とした。パラメトリックソーナーの設定値は、送信周波数の中心周波数を100kHz、2次波周波数を10kHz、サンプリング間隔を1μs、サンプリン
グデータ数を32,768点とした。
表-2 シュミットハンマによる反発強度計測結果

反発強度（Q）※

供試体A

供試体B

53.3

28.2

(2) 試験結果
反射波形の計測結果を2 次元等高線図で表したものを図-6に示す。横軸はサンプリングデータ番号、縦軸は測定箇所番号である。振幅は絶対値としている。測定箇所
番号は、1から139が供試体A、140から156が供試体Bである。各箇所のデータは、ノイズ除去のため、計測回数である50回のデータを平均処理している。
計測結果からは、前述の透過波の計測結果と同様に、残響、供試体表面からの反射波、および多重反射波が確認された。
図-7に、供試体Aと供試体Bの各１箇所を抽出した生波形データを示す。生波形を比較したところ、供試体表面からの反射波形に比較的大きな違いが見られることがわかった。この波形の違いを分析することで、強度の違う供試体を分類できる可能性がある。

※Q はシュミットハンマメーカー独自の単位

図-6 反射波形の計測結果（2次元等高線図）図-5 供試体からの反射波の計測方法

図-7

生波形データYuichi Kobayashi, Shigeo Sawaguchi, Norihito Kishi

5. 「教師あり学習」による反射波形の分類
供試体からの反射波形の違いにより、強度の違う供試体を分類する方法について検討を行った。
今回、反射波形を分類する方法として、機械学習の１つである「教師あり学習」の適用を検討した。教師あり学習とは、多数の学習データをアルゴリズムに入力して学習を行い、そこから得られた特徴量を新たなデータに適用することで予測や分類を行う手法である。文字認識や画像認識などによく用いられており、波形の分類にも適用できる可能性が高いと考えた。
(1) ロジスティック回帰
教師あり学習に使用するアルゴリズムは、ロジスティック回帰とした。ロジスティック回帰は、２項分析に適したアルゴリズムであり、今回のような２つの供試体の分類には適していると考えられる。ロジスティック回帰のコスト関数 θ は次式により表され、 θ が最小となる特徴量ベクトルθを求めた。
1log1λ2が見られた、供試体表面からの反射波に着目し、データの絞り込みを行った。
図-8に、供試体表面からの反射波を示す。この図は、前項の図-7で示した生波形データのうち、供試体Aの波形について、サンプリングデータ番号が700から1,000の部分を抽出したものである。
データの解析にあたり、まず、波形のエンベロープ処理を行った9)。これは、生波形が正と負の値を細かく交互に繰り返しており、そのままでは振幅を確認し難いこと、また、生波形データの平均値はほぼゼロとなってしまい、後述する標準化に支障を来すことから、波形を解析しやすくするために行った処理である。
入力データの絞り込みについては、振幅が最大となるポイントを起点とし、振幅がほぼゼロとなるポイントまでのデータを抽出することにした。振幅最大のポイントを起点とした理由は、他のポイントに比べ、演算処理により求めやすいためである。エンベロープ処理後の波形を確認したところ、振幅最大のポイントから175ポイン
ト後の振幅がほぼゼロとなっていたことから、抽出するの範囲は、振幅最大のポイントから175ポイント後までとした。

1θθ ∶ 特徴量ベクトル∶ 入力データ（振幅データ）∶ ラベル 供試体

0, 供試体1∶ データ数 測定箇所数：156 箇所∶ フィーチャー数 特徴量ベクトル数λ ∶ 正則化パラメータ∶ シグモイド関数
1
1
⋯

,1

図-8 供試体表面からの反射波(2) 入力データの絞り込み
ロジスティック回帰を行う場合、フィーチャー数がデータ数 より大きすぎると、「過学習」と呼ばれる、学習用データ以外の新しいデータの予測がうまくいかない状態に陥る。 は測定箇所数である156となるため、過学習を避けるためには、 をこれに近い数に設定する必要がある。 は特徴量ベクトル θ の数であり、θは入力データ に対応していることから、θ の数を調整するため、 の数の調整を行った。
は解析する波形の振幅データであり、1波形あたりの振幅データは、サンプリングデータ数である32,768点で構成されている。この全てのデータを とすると、である156に対し大きすぎるため、データを絞り込む必要がある。そこで、供試体Aと供試体Bに大きな違い(3) データの標準化
前項により抽出したデータをそのまま解析した場合、振幅の小さいポイントのデータが解析結果にあまり反映されず、分類がうまくいかない恐れがある。
そこで、振幅の大きさを揃え、データを解析しやすくするため、次式により の標準化を行った。

Yuichi Kobayashi, Shigeo Sawaguchi, Norihito Kishi: 標準化された∶の平均∶の標準偏差標準化された の2 次元等高線図を図-9に示す。横軸は入力データ番号、縦軸は測定箇所番号を示す。

ただし、今回の試験ではテストデータ数が少なかったため、判定式の精度を確認するためには、さらに多くのテストデータによる検証が必要である。
また、今回は2種類の供試体の分類を試みたが、圧縮強度などの違いにより段階的な分類を行うためには、ニューラルネットワーク等を用いた多項分類についても検討が必要である。

6. まとめ
定量的な検査が困難であるコンクリート構造物水中部の劣化評価につながる、非破壊調査手法の提案に向けた基礎検討として、パラメトリックソーナーによる水中の図-9 標準化された の2次元等高線図
コンクリート供試体の計測試験を実施した。その結果、今回の計測方法では、コンクリート供試体内部の音速度(4) 学習用データとテストデータの設定の測定は困難であった。しかし、強度の異なる２種類の今回、測定した156箇所のうち、ランダムに選定したコンクリート供試体からの反射波形を「教師あり学習」
125箇所（約8割）を学習用データとし、残り31箇所（約により分類することで、２種類の供試体を分類できるこ2割）をテストデータとした。とがわかった。
まず、学習用データとした125箇所分の を θ に入
今後は、引き続き水中コンクリート供試体の透過波に力し、最急降下法により θ が最小となる θ を求めた。 ついて計測試験を行うとともに、反射波形の分析手法のここで、学習用データの正解ラベルを、供試体Aは検討、および水中コンクリートの物性値が反射波形に与y 0 、供試体Bは y 1 としている。
える影響についての検証を行うなど、パラメトリックソ次に、算出された θ をに適用したものを判定式
ーナーを活用した非接触・非破壊で定量的なコンクリーとして、これにテストデータである31箇所分の を入力
ト水中部の劣化度調査手法について、検討を進める。
は0から1のし、正しく判定されるかを確認した。
値をとり、計算結果が0.5未満であれば供試体A、0.5以上であれば供試体Bと判定されたことになる。
参考文献(5) テストデータの判定結果
テストデータの判定結果を図-10に示す。横軸はテス
トデータ番号（1～31）、縦軸はの計算結果である。テストデータのうち、1～28番は供試体A、29～31番は供試体Bである。
判定結果から、テストデータはすべて正しく判定されていることが確認できた。

図-10 テストデータの判定結果

1)国土交通省ホームページ：http://www.mlit.go.jp/
sogoseisaku/ maintenance/02research/02_01.html
2)魚本健人：コンクリート診断学入門 構造物の劣化対策、朝倉書店、pp.52-54、2004.
3)水野剣一、小笠原哲也、杉本英樹、森谷陽一：水中調査ロボ
ットのダム堤体点検・調査への適用、五洋建設技術年報、Vol. 46、pp.6-1 - 6-6、2016.
4)渡邉晋也：水中コンクリート構造物の非破壊検査手法に関する研究、建設の施工企画、No.753、pp.66-69、2011.
5)倉橋慎理、本越伸二、島田義則：レーザーによる水中コンクリート構造物の内部欠陥検査技術の開発、LASER CROSS、
No.344、pp.1-3、2016.
6)岸寛人、山口和哉、大槻敏行：超音波を用いた岸壁水中部の内部点検技術について、寒地土木研究所月報、No.761、
pp.11-19、2016.
7)葛目和宏、真鍋英規、小椋紀彦、山本貴士、宮川豊章：超音波トモグラフィによる ASR 劣化したコンクリート内部性状の把握に関する検討、コンクリート構造物の補修、補強、アップグレード論文報告集、第 13 巻、pp.181–188、2013.
8)海洋音響学会：海洋音響の基礎と応用、成山堂書店、
pp.277-279、2004.
9)振動技術研究会：ISO に基づく機械設備の状態監視と診断（振動 カテゴリーⅡ）、pp.68-70、2015.

Yuichi Kobayashi, Shigeo Sawaguchi, Norihito Kishi