こうえいフォーラム第 17 号 / 2009.2

減量通水条件での水路トンネル調査診断技術の開発
A NEW AND MORE EFFICIENT SYSTEM FOR ASSESSING AGING WATER TUNNELS WHILE
MAINTAINING LIMITED OPERATION藤原鉄朗 *・小谷

拓 *・永吉洋之 *・吉田典明 *Tetsuro FUJIWARA, Taku KOTANI, Hiroyuki NAGAYOSHI and Noriaki YOSHIDA

A large number of water tunnels for supplying industrial and city water were constructedduring the period of high economic growth. Water tunnels are a very important componentof social infrastructure, but it is rare for them to be inspected or investigated since theinspection works require suspension of the water supply. Therefore, a new inspection method
was required that does not involve supply interruption so that repair and maintenance canbe achieved more efficiently. This paper considers an inspection method for water tunnels
under reduced water supply with a newly developed inspection vehicle.

Keywords ：reduced water supply, water tunnels, inspection method, laser scanningtechnology, radar scanning technology

1. 本研究開発の背景
平成 18 年 8 月広島県工業用水道事業において発生した隧道の崩落は、約 3 週間にわたる給水制限により工業生産や市民生活に大きな損害をもたらした。工業用水道の施設には、トンネル構造を有するものが多くある。今回の事
故は、トンネル覆工背面の空洞や断層部が、経年的にトンネル構造の不安定化をもたらし、最終的に崩落を生じさせる可能性があることを知らしめた。
これらのトンネルの経年的な変状の把握には、トンネル内部からの点検が不可欠であるが、現在のトンネル診断技図－ 1

術においてはトンネルの断水が不可欠であり、年間通水が崩落した水路トンネル一般的な工業用水道においては、代替水源を有しない限りこれらの点検や診断が実施できないという問題点がある。
本研究開発は、上記の問題点に対し、減量通水（通常時の通水量に比べて流量を制限した通水状態）を実施しながらトンネル点検調査を実施する技術を開発するものであ

2. 研究の実施体制と検討内容
本研究開発は、（独）水資源機構との共同研究として、以下の内容で実施した。

り、これらの技術開発によりトンネルの崩落事故等を未然①調査機（有人自走台車）の仕様等の検討に防ぎ、トンネルの長寿命化に資することを目的として実②

既存調査技術を適用した調査機の設計、試作施した。

③

付帯機能の検討、技術開発③ -1

調査時における通信・連絡手段③ -2

調査時における位置確認手法③ -3

トンネル内中心線の測量手法④

実証実験の計画立案および実施⑤

実験の結果を踏まえた改良点の検討* コンサルタント国内事業本部 社会システム事業部 インフラマネジメント部

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減量通水条件での水路トンネル調査診断技術の開発フォーム（台車や台船）が必要である。
調査機の仕様等の検討

既往の実績を踏まえると通常のレーザー・レーダ計測における実施可能な条件は、図－ 3 に示す赤破線の範囲であ既存調査技術を適用したる。しかし、工業用水や上水用の水路トンネルについては調査機の設計、試作

水深が 0.5 ～ 1.0m で通水しながら点検診断が可能なこと台車改造の方針検討が求められていた。そこで、本研究開発では、図－ 3 にお調査機の試作

ける緑破線の範囲の条件で使用可能なプラットフォームとして、有人自走台車の開発を行うものとした。

試験運転（開水路）

当然ながら、現行では水深が 1.0m 程度ある水路トンネ

試験運転（隧道）ルに対して、自在に進入可能な自走台車は市販されていない。

試験運転（性能試験）

実証実験計画の立案

深い
ボート調査（安全確保・精度向上）

1.5m

無人フロート調査（可能性調査から検討が必要）

実証実験
水深

高水位用のレーザー・レーダ
計測台車による調査（台車開発が必要）

1.0m

実証実験を踏まえた改良点の検討
0.3m

図－ 2

通常のレーザー・レーダ
計測台車による調査（現状で実施可能）

減量通水条件の診断技術開発フロー浅い

静水

0.2m/s遅い

3. 調査機仕様の検討および自走台車の開発

図－ 30.5m/s

1.0m/s

2.0m/s以上
速い

流速

流量・水位と調査診断手法の関係（1）調査項目の検討
トンネルの調査を通水状態で行う場合、配水池等の運用

また、1 から新たな台車を設計し、開発するには時間的を考慮して減量通水を行うこととなるが、調査作業の前後にも費用的にも困難であった。そこで、現在市販されていにかなりの時間をかけた減水操作と復水操作を行う必要がる台車のうち、最も深い水深に対応できると考えられる台ある。このため、調査作業に許容される時間は短時間に制車を改造する形で開発するものとした。

限されるので、調査方法としてもトンネル全体を効率的に本検討では、多様な台車の仕様を整理し、水路トンネルスクリーニングして調査できる方法を考えなければならなへの適用性を検討した。表－ 1 にこのうち最終的に案としい。て抽出された台車の例を示す。

トンネル変状形態の既往の調査結果

1),2),3)によると、外本開発では、表－ 1 に示す台車候補の中から、最も深い力により発生する変状はアーチ部に何らかの形で発生する水深に対応できる可能性があり、かつ軽量であることからことが分かる。また、突発性崩壊の場合は、アーチ部の覆「①高床式運搬車」を採用候補とし、ベースマシンとして、工背面に発生した空洞が原因で、崩壊が発生することもあ水路トンネル内への進入が可能なように改造を行うものとる。これらのことから、トンネルの健全性はアーチ部の状した。

況に代表されるといえる。したがって、減量通水状態でアーチ部の状態を把握するための調査対象として、トンネル覆工表面の「ひび割れ」、覆工の「巻厚・背面」に着目することが重要である。

表－ 1
自走台車候補把握できる点検調査方法として、以下の 2 つの計測手法
①②

大きさ
駆動装置

コスト

1,000mm

長1,900mm
幅1,800mm
高1,600mm
重 420ｋｇ
ｶﾞｿﾘﾝｴﾝｼﾞﾝ

車両標準250万円

現行では計測員は同乗不可
計測員同乗の可能性
を検討

720mm

長3,600mm
幅1,700mm
高1,830mm
重975ｋｇ
ﾃﾞｨｰｾﾞﾙｴﾝｼﾞﾝ

車両標準
270万円

重量975kg 一人乗り
堆積土砂にも強いと思われる

670mm

長2,420mm
幅1,050mm
高1,490mm
重1100ｋｇ
ﾃﾞｨｰｾﾞﾙｴﾝｼﾞﾝ

車両標準
500万円
以上

本例最小の１ｔサイ
ズ
１名操縦荷台あり
他に２ｔ、３ｔと多品種だが地上高はあまり変化なし

覆工厚や背面空洞を調査するレーダー探査

通水中の水路トンネルにおいて上記のレーザー・レーダ計測を実現するためには、計測装置を搭載するプラット

備考②農耕用乗用管理車

覆工表面を連続的に撮影するレーザースキャニング（2）調査台車の開発目標とベースマシンの選定

60対応水深
（予想）①高床式乗用台車

そこで、これらの対象に関してアーチ部の状況を正確にを実現できる減量通水調査方法を検討するものとした。

自走台車のベースマシンの検討③小型不整地運搬車

こうえいフォーラム第 17 号 / 2009.2

2) 牽引治具および座席の追加（3）ベースマシンの改造

次に、レーザー壁面連続画像計測装置およびレーダ覆工

ベースマシンは、農業用の高床式の運搬車であるため、このまま水路トンネルに導入することはできない。
本開発では、ベースマシンを水路トンネルに導入するために、主に以下の改造を行った。

背面探査装置を自走台車に搭載する方法を検討した。
振動に対する抵抗性や搭載能力から考えると調査用牽引台車を用いる方法が優位と考えられるが、台車の規模が大きくなるという欠点がある。そこで、搭載方法は、水路ト①

ガソリンエンジンからディーゼルエンジンへの換装

ンネルの搬出搬入条件および断面形状によって、以下の 2②牽引治具（牽引台車の連結部）および座席の設置

つの方法を使い分けることとした。

③

水中カメラによる水中監視装置の装備

また、上記の双方の牽引方式を実現するために、牽引治

1) エンジン形式の変更

具と前進・後進用の座席を自走台車に追加するものとした。

現行の高床式運搬車は、ガソリンエンジンを搭載していなお、牽引部については、調査中の衝撃などによる破断のる。しかし、小断面トンネルでは換気が悪くなるため、ガ危険性が考えられたため、強度計算を行うとともに、充分ソリンエンジンを動力源として使用した場合にトンネル内な強度を確保するために、補強梁を追加した。に一酸化炭素の濃度が上がる可能性があり、危険である。
これに対して、ディーゼルエンジンは、燃料に対する空気の比率が大きく、酸素不足による不完全燃焼が起こりにくいため、二酸化炭素（CO2）、一酸化炭素（CO）と炭化水素（HC）の排出が少ない。
これに対して、ディーゼルエンジンは、燃料に対する空気の比率が大きく、酸素不足による不完全燃焼が起こりに

表－ 3

自走台車への計測装置の搭載方法の比較

計測装置の搭載方法

トンネル条件

上下流の坑口が双方使用可能である。
もしくは、水路トンネルが直径が4.0m以上あ① 調査用牽引台車方式り、水路トンネル内で自走台車のUターンが可能である。
② 自走台車搭載方式

トンネル径が2.4ｍ程度と小さく、中で自走台車のUターンが出来ない

くいため、二酸化炭素（CO2）、一酸化炭素（CO）と炭化水素（HC）の排出が少ない。
一方で、ディーゼルエンジンは、シリンダ内に燃料を噴

調査員 B
調査員 A

射して空気と混ぜ合わせるため混合状態が不均一になり易

レーザー計測装置
調査員 C

進行方向

く、粒子状物質（PM：パティキュレートマター）や窒素エンジン酸化物（NOx）を多く排出する傾向がある。しかし、これらの PM や NOx については、触媒やフィルターによる除去技術もあり、人体に対する影響を回避する対策は可能である。

水流

図－ 4

計測装置搭載方法①調査用牽引台車方式

このため、発電用水路トンネル内の調査では、坑内ボーリングなどを含めてガソリンエンジンの使用は認められておらず、ディーゼルエンジンは許可されている。このほか、

進行方向

有人自走台車の動力としてはバッテリー駆動も考えられるが、水中で重量物を運搬するための馬力を確保することは前方監視員

運転者難しい。
上記の考察から、本共同研究で開発する有人自走台車に前方照明
レーザー計測者

ついては、ディーゼルエンジンを適用することとした。なお、搭載するディーゼルエンジンは、高床式運搬車（ベースマシン）が現行搭載しているガソリンエンジンの出力を勘案し、同等以上の出力性能を有するタイプを選定した。

水流

図－ 5

計測装置搭載方法②

自走台車搭載方式

改造前後のエンジン仕様は以下のとおりである。
表－ 2

自走台車のエンジン変更について
ベースマシン

エンジン形式
始動方式
最大出力
最大出力時回転数

改造マシン

ガソリンエンジン ディーゼルエンジン
電動リコイル
電動リコイル
4.0PS
6.5PS
2.95 kW
4.8kW
1,800rpm
3,600rpm
1800rpm
3600 rpm

3) 前方照明および水中監視カメラの設置
暗く狭い水路トンネル内で自走台車が走行する際は、十分な前方確認が必要である。とくに、水中は調査員の目視では確認できないことから、これらを考慮した装備を自走台車に追加する必要がある。
そこで、自走台車には前方ライトと水中カメラを搭載し61減量通水条件での水路トンネル調査診断技術の開発た。なお、水中カメラはクローラ前方に装着し、運転者がクローラ前方に転石や土砂堆積、底版破損による窪み等がないことを確認しながら運転ができるようにした。

4. 予備試験および耐久性試験
改造した自走台車は、本来農業用の機械であることから、水流のあるところでの走行特性や水路内での耐久性については明らかではない。そこで、実際の水路トンネルに導入する前に、開水路での試走や陸上での長期耐久性試験等を実施した。図－ 9 は、開水路での走行試験の状況である。

図－ 6

水中カメラの設置とカメラによる前方監視画像
エンジンおよびエンジン駆動伝達系の換装

牽引台車の連結部座席の追加

図－ 9

用水路における予備試験状況

水中カメラ

本試験では、順流・逆流時の走行速度の違いや車体に流水が当たることによる堰上げの程度、流水中の操作性など
図－ 7を確認した。この結果、流速が約 0.5m/s であれば、問題改造した自走台車の外観なく水路中の走行が可能なことを確認した。また、この場改造した自走台車の全形を図－ 7 に示す。また、改造後の自走台車の図面を図－ 8 に示す。

程度であった。

図－ 862

合の自走台車の走行速度は、順流・逆流時ともに時速 1.0km

改造した水中自走台車の完成図面

こうえいフォーラム第 17 号 / 2009.2

つぎに、水路トンネル内での長時間走行性や底版に転石等があった場合の安定性などを確認する目的で、陸上試験

上図に示すとおり、実験では鋼板で曲率を有した底版をを実施した。陸上試験で実施した主な調査項目と試験結果模擬した状況をつくり走行性を確認した。この結果、底版を以下に示す。の曲率は自走台車の走行性には支障を与えないことを確認した。

（1）台車の走行耐久性
自走台車と牽引台車に、通常計測時の重量の 1.5 倍荷重を疑似積載し、過負荷を与えた状態で長時間（走行時間：5 時間以上、走行距離：5.6km）の陸上走行試験を行った。

（4）基本走行性能確認
また、陸上試験では、改造した自走台車の走行可能速度、燃料消費量、回転半径を試験し、以下の結果を得た。

また、走行に当たっては前後走行の切り替え運転も行い、陸上走行で十分大きな負荷が掛かるように配慮した。

表－ 5

この結果、上記の長時間の試験でも、故障が発生しないことを確認した。

走行速度（2）不整地走行性能の確認
トンネル内では転石・段差が考えられるのでどこまで走燃料消費

行台車が走行可能なのかを実験によって確認した。この結果を表－ 4 に示す。台車が乗り越え可能な段差は、前進・回転半径

自走台車の基本走行性能

前進1速
約1 km/時
約 3,500rpm）(エンジン回転数：約-3.500rpm)
前進2速
約1.6 km/時(エンジン回転数：約2,300rpm)
前進1速

約1.6 km/L

前進1速、2速複合

約1.3 km/L

自走台車のみ約1.6 m

自走台車+牽引台車

約15 m

後進とも 100mm 程度である。ただし、転石のような凸状の障害物の場合は、クローラが自ら左右に避ける現象も認められたことから、水路中の走行には問題がないものと判断された。

5. 現地実証実験
上記の予備試験結果より、改造した自走台車は通水状態での水路トンネルに適用可能であると判断し、実際の水路表－ 4

自走台車の底版の段差への適用性

トンネルで現地実証実験を行い、台車性能の確認や調査精走行状態

障害設置

段差75ｍｍ

段差100ｍｍ

段差150ｍｍ

度等の確認を行うとともに、課題の抽出・整理等を行った。

自走台車のみ
前進

両輪

○

○

×

減量通水による実証実験を行った水路トンネルは以下の片輪○○○

とおりである。なお、S トンネル、K トンネルとも通年通自走台車のみ
後進

両輪

○○×

片輪

○

○

×

自走台車+牽引台車
前進

両輪

×××

片輪××

×

水を前提としている水路であり、断水時間の確保が難しいトンネルである。
現地実証実験では、S トンネル、T トンネルの双方でレーザー法による壁面連続画像計測とレーダ法による覆工背面（3）トンネル内走行適応性能の確認

探査の 2 つを実施した。双方のトンネルとも、予定の時径の小さな水路トンネルの底版には曲率がある場合もあ間内で減量通水中の計測を終了することができ、その際のることから、これらの曲率をもった底版での自走台車の走走行速度は約 1.0km/h であった。また、調査中、漏油等行性能を試験的に確認した。試験状況を図－ 10 に示す。の問題は発生せず、無事作業を完了することができた。
本実証実験においては、水深が約 0.5m で流速が 1m/s以下程度、水深 0.9m で流速 0.3m/s 以下程度であれば調査は可能であることが確認できた。しかし、本実験では確認できなかったが、流速についてはさらに高くても調査は可能であると判断される。調査状況を下図に示す。

図－ 10

底版の曲率への適用性試験状況63減量通水条件での水路トンネル調査診断技術の開発

断水状態

図－ 11

S トンネル

進入前の準備状況
減量通水水状態

図－ 14

T トンネル

レーザー計測結果の比較

T トンネル

レーダ計測結果の比較

断水状態
減量通水状態

図－ 15

図－ 12

断水状態と減量通水状態で、一部、背面からの反射位置に差が生じているが、これは調査実施時期の違いで覆工背面の滞水量が変化していることにより、計測精度の差ではない。

S トンネルでの計測状況

6

研究開発のまとめと今後の課題
本研究開発では、減量通水条件で適用可能な診断手法を検討し、水中自走台車を開発して実際の水路トンネルで検証実験を行った。この結果、水深を 1.0m 以下に低下させることができれば、通水状態でも断水状態時と同等に水路トンネルを診断できることを確認した。自走台車への機材の搭載については、調査用牽引台車方式が振動への抵抗性や搭載能力から優れるが、台車が大掛かりになるという問題点があることが明らかになった。このため、自走台車への機材の搭載については、小断面（トンネル径 2.4m 程度）
図－ 13

T トンネル

進入前の準備状況のトンネルに対しては①自走台車搭載方式、大断面（トンネル径 4.0m 以上）のトンネルに対しては②調査用牽引台

本実証実験で得られたレーザー法による壁面連続画像計
測とレーダ法による覆工背面探査の結果例を図－ 14 および図－ 15 に示す。
当初、自走台車の振動の影響や流水の影響により、計測精度が低下する可能性も懸念されていたが、レーザー法・レーダ法ともに、減量通水状態であっても、断水状態の場合と同等に計測できることを確認した。

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車方式を適用することとした。
また、本研究開発では、通水状態における水路トンネル内外の通信手段や簡便な中心線測量手法についても同時に検討を行ったが、いずれも確実に機能する手法を提示することができなかった。
本研究開発成果を踏まえ、今後、水路トンネル診断に求められる技術について以下に整理する。

こうえいフォーラム第 17 号 / 2009.2（1）直径 2.2m 以下の小断面水路トンネル診断
今回開発した自走台車は直径 2.2m 以下の水路トンネルに適用するには大きすぎてトンネル内に導入できない。しかし、工業用水トンネルには、トンネル施工の最小断面で掘削されているものも多く、覆工の内径は 1.5m 程度ものもあり、実際にこれらの小断面の水路トンネルへの適用に関する問い合わせが多くきている。
（2）水位 1.0m 以浅に低下できない水路トンネル診断
今回開発した自走台車は水位が 1.0m 以上ある場合には適用できない。また、台車方式では、これ以上水深がある箇所への進入は難しいと判断される。このため、これらの水深が深い箇所の診断については台船方式を適用する必要がある。ただし、通水条件での台船の使用については、安定性や安全性などに種々の問題が考えられるため、慎重な検討を要する。

（3）水路トンネル内外の通信手法の確立
水路トンネル内外の通信手段については、通水条件下の調査で今後不可欠な技術となるため、早急に開発する必要がある。ただし、これまでの検討では、水路トンネル内では無線が適用できず、また、ダイバーが用いる水中電話も適用できないことが確認されており、新しい通信手段（簡易有線法など）の検討が必要である。
参考文献
1)

森充広、藤原鉄朗他：農業用水路機能診断における非破壊調査技術の有効性、農土論集、230、pp.123-130、20042)

藤原鉄朗、森充広他：壁面連続画像計測システムによる農業用水路の急速診断事例、農業土木学会講演要旨集、2006

3)

森充広、藤原鉄朗他：農業用水路変状データベース及び診断システムの開発、農土学会、2005

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