平成27年度

超音波を用いた岸壁内部点検手法について
国立研究開発法人土木研究所
国立研究開発法人土木研究所
国立研究開発法人土木研究所

寒地土木研究所
寒地土木研究所
寒地土木研究所

寒地機械技術チーム
寒地機械技術チーム
道北支所

○岸 寛人
山口 和哉
平 伴斉

社会資本の老朽化に関する問題が顕在化しており、鋼矢板岸壁内部の空洞に起因したエプロンの陥没も発生している。岸壁の内部点検には地中レーダ探査法が利用されているが、海水面以下では減衰が大きく点検は困難となる。これらの課題に対し、超音波のパラメトリック送信技術を利用して、非接触で水中から岸壁内部の点検を行う手法の開発に取り組んでいる。本稿
ではこれまでの研究内容について報告する。
キーワード：超音波、岸壁、内部空洞、点検

1. はじめに

2. 点検手法と計測装置

近年、社会資本の老朽化に関する問題が顕在化している。国土交通省によると、港湾施設においては建設後50年を経過する岸壁が、2013年時点で約8%であったものが2023年には全体の約32％、更に2033年には約58％と急速に増大することから、今後一斉に補修や改修が必要になると予想されている1）。老朽化が進行した岸壁では、損傷箇所などから内部の土砂が流出する。これにより岸壁内部に空洞が生じ、空洞箇所上のエプロンが陥没する現象の発生要因となる（図-1）。
岸壁の内部点検には、非破壊で路面下空洞探査を行える地中レーダ探査法が使用されている。地中レーダ探査法とは、地上から地中に向けて電磁波を照射し、空洞などからの反射波を測定することで地中の状況を推定・把握する手法である。しかし、水分を多く含む海面水位以下の地中では、地中レーダによる探査は困難であり2）、3）、効率的に岸壁の内部探査を行う技術は確立されていない。
これらの課題に対して、東京大学生産技術研究所と共同で、超音波のパラメトリック送信技術を利用した岸壁内部点検手法の開発に取り組んでいる4）、5）。本稿ではこれまでの研究内容について報告する。

通常、音波は「周波数が高いほど指向性が良く透過性が低い」、「周波数が低いほど指向性が悪く透過性が高い」という性質を持っている。このため周波数が高い音波は、物体表面の細かい形状の計測に向いており、海底の地形を計測する深浅測量や濁った水中でも撮影可能な音響カメラなどに利用されている。一方、周波数が低い音波は透過性が良いため、海底下数十ｍの地層探査などに利用されている。この両者の長所を合わせもつのがパラメトリック送信技術である。1つの送受波器から周波数がわずかに異なる音波（以下、1次波という）を同時かつ同軸方向に送信すると、差の周波数の音波（以下、2次波という）が発生する。2次波は周波数が低いため透過性が良いが、同時に1次波の周波数と同等の指向性も有している6）、7）。この技術は前述の海底下地層探査の方位分解能を向上させる方法として利用されているが、これを岸壁内部の劣化・損傷状況調査へ応用する方法（図-2）を検討した。
本手法による水中構造物の内部点検を実現するため、パラメトリック送受波器（東京大学生産技術研究所とMaterials Systems Inc.との共同開発）を導入し、試験を行っている。パラメトリック送受波器およびそれを駆動するパワーアンプの外観を図-3に示す。パラメトリック送受波器は、同心円状に5つの送信チャンネルと5つの受信チャンネルが配置されたアニュラアレイである。焦点距離が標準の状態で1.5mとなるように素子が配置されており、パラメトリック送受波器の前面（図-3左の黒い円部分）はわずかに凹面状になっている。また焦点距離は送波タイミングを電子的に制御することで±0.5mの範囲で変更することができる。1次波の中心周波数は100kHzであり、2次波周波数は5～20kHzを使用できる。
このパラメトリック送受波器を水中に垂下し、岸壁に

図-1 鋼矢板岸壁の損傷による裏込め土の吸い出し（左）と岸壁内部の空洞化により陥没したエプロン（右）Norihito Kishi, Kazuya Yamaguchi, Tomonari Taira垂直に超音波を送信する。送信した超音波の一部は岸壁表面で反射するが、一部は岸壁内部へ透過し、岸壁内部に空洞がある場合には空洞の壁面でも反射が起こる（さらに一部は空洞壁面の内部に透過する）。これらの反射波をパラメトリック送受波器で受信することで、横軸時間、縦軸振幅で表される波形を取得する。これを鉛直方向または水平方向に移動させて計測することで岸壁内部の2次元断面図が得られる。

岸壁
2次波が岸壁表面を透過
1次波
パラメトリック送受波器

空洞
反射波

水中(2) 試験結果
図-6に試験結果を示す。まずパラメトリック送受波器から1mの位置に強い反射が見えており、これは鋼矢板表面からの反射を表している。次に，図中Aの位置から現れ、時間とともに1.5mから1mまで近づき、再び1.5mまで離れ、Bの位置で消える線が見えており、これが鋼矢板の後ろで前後に移動させたターゲットからの反射を表している。Aの位置で現れるのは計測を開始してからターゲットを水中（パラメトリック送受波器の正面）に投入したため、Bの位置で消えるのはターゲットを水上に回収したためである。また、ターゲットからの反射より遠い位置に複数の線が見えている。この内、2m→1m→2mおよび2.5m→1m→2.5mと移動している線は鋼矢板とターゲットの間で発生した多重反射を表している。また、送受波器の機械振動も含まれていると考えられる。
以上により、パラメトリック送受波器から送信する音波が鋼矢板を透過することおよび、それを利用することで鋼矢板背後のターゲットまでの距離を計測できることを確認した。

図-2 点検手法

0.0

パラメトリック送受波器からの距離 [m]
1.0
1.5

透過波
パラメトリック送受波器

鋼矢板木板

図-3 パラメトリック送受波器（左）とパワーアンプ（右）Norihito Kishi, Kazuya Yamaguchi, Tomonari Taira

試験水路

図-4 試験配置図（平面図）

3. パラメトリック送受波器の透過性能確認試験(1) 試験概要
寒地土木研究所実験棟内の試験水路を使用して、パラメトリック送受波器から送信される音波が鋼矢板を透過するか確認試験を行った。試験配置図および試験状況を
図-4、5にそれぞれ示す。水路幅は1.6m、水路底面から水面までの深さは約1.1mであり、パラメトリック送受波器の中心が水路幅方向の中央、水面から0.5mの深さになるよう単管で固定した。次にパラメトリック送受波器前面から1mの位置に鋼矢板（Ⅱw型、有効幅600mm、有効高さ130mm、厚さ10.3mm）を設置した。そしてパラメ
トリック送受波器から1.5mの位置にターゲットを沈め、1.5m→1m→1.5mと移動させ、その様子を計測した。強い反射を得られるよう、ターゲットにはEVA樹脂板（幅600mm、長さ845mm、厚さ20mm）を使用した。ターゲットからの反射波が鋼矢板の周囲から回り込んでこないように、鋼矢板の両側に木板を設置し、水路を塞いだ。

ターゲット（1.0mから1.5mの間で移動）

鋼矢板

送受波器

図-5 試験状況（左）とターゲット（右）パラメトリック送受波器からの距離 [m]ターゲットからの反射

鋼矢板からの反射0BA1234時間

図-6 パラメトリック送受波器から鋼矢板背後で移動するターゲットまでの距離（2次波周波数：5kHz）から水を汲み上げた。模擬空洞の大きさは、計測開始時で奥行き（鋼矢板からの垂直距離）約0.9m、深さ（バックホウが置かれた地表面を0mとする。後出の「深さ」もすべて同義とする）約1.1mであったが、注水により穴の周囲が崩れ、計測終了時には奥行き約1m、深さ約0.9mとなった。この模擬空洞がある位置において、バックホウを停止させた状態で、パラメトリック送受波器を深さ約0.35mの位置から深さ約1.75mまで降下させて計測を行った。図中のdはパラメトリック送受波器の昇降範囲の上端から模擬空洞の底部までの鉛直距離であり、計測開始時は約0.75m、計測終了時は約0.55mであった。パ
ラメトリック送受波器から鋼矢板までの水平距離は約1mとした。計測に影響を与えないよう、計測中はポンプを停止した。実験時の水路内の流速は3m/s程度であった。

4. 模擬空洞計測試験GPS移動局
アンテナ

Norihito Kishi, Kazuya Yamaguchi, Tomonari Taira

バックホウ

鋼矢板

奥⾏き
計測開始時：約0.9m
計測終了時：約1.0m

昇降装置

dモーションセンサ
パラメトリック送受波器

0.35 0.0約1m

地中
模擬空洞

水中

計測範囲
約1.4m

1.75

(1) 試験概要と試験方法
前述の室内試験により、パラメトリック送受波器から送信する超音波により鋼矢板背後の物体までの距離を計測できることを確認した。
本装置を用いて、北海道内の港にて現地計測試験を行ったところ、岸壁内部からの反射を捉えることができた8）。しかしながら使用されている港では、実際に内部がどのような状況であるか、計測結果と比較して確認することができない。そこで、鋼矢板岸壁背後に空洞が発生した状況を模擬し、その空洞の大きさを計測する方法について検討した。
計測方法を図-7に示す。パラメトリック送受波器を用いた岸壁内部計測では、送信する超音波をできるだけ垂直に壁面へ入射させる必要がある。そのためバックホウに計測機器を搭載することとした。バックホウのバケットに計測機器昇降装置を固定し、そこにパラメトリック送受波器、パラメトリック送受波器の動揺を計測するモーションセンサ（DMS-05，Teledyne TSS社）、位置情報を取得するGPS移動局アンテナ（SPS851、Trimble社）を取り付けた。位置情報の計測はRTK測位により行った。
データ収集用PCやGPS受信機本体等はバックホウ上部の旋回体側面に取り付けた計測機器収納ボックス内に固定した。各計測機器のケーブルはバックホウのアームに沿わせて、計測機器収納ボックスまで配線した。計測機器昇降装置は電動ラックピニオン式、可動範囲は3mである。
試験は、国土交通省北海道開発局帯広開発建設部が有する実物大河川実験施設である十勝川千代田実験水路にて実施した。水路の護岸の一部が鋼矢板で構成されており、その陸側に穴を掘り、水を貯めることで模擬空洞を作成し、鋼矢板岸壁背後に空洞がある状況を再現した（図-8）。模擬空洞への注水は水中ポンプを用いて水路深さ
計測開始時：約1.1m
計測終了時：約0.9m

図-7 試験方法

図-8 注水した模擬空洞（左）と計測状況（右）(2) 試験結果
計測結果を図-9に示す。2次波周波数は8kHzである。
まずパラメトリック送受波器から1.14mの位置に強い反射が見えており、鋼矢板の表面を表している。次に、パラメトリック送受波器からの距離が2.07m（鋼矢板からの距離0.93m）の位置に、深さ0.35m～0.99mの間で反射があり、これは鋼矢板より遠い位置からの反射を表している。この反射について、図-7の模擬空洞の奥行きおよび深さと比較する。模擬空洞の奥行きは計測時間中に約0.9から1m（図-7）に変化しており、図-9の計測結果の反射の位置（鋼矢板からの距離0.93m）がこの間に含まれている。また模擬空洞の深さも約1.1mから0.9mに変化しているが、図-9の反射の下端は深さ0.99mであり、模擬空洞の深さの変化の範囲に含まれている。
以上から、この反射は模擬空洞の奥側の壁面であると言える。壁面の反射が深くなるにつれ遠ざかっているのは、水中ポンプにより注水する過程で壁面の洗掘が起こりえぐられたことなどが考えられるが、計測終了までにさらに穴の壁面の崩壊が進んだため、詳細な形状は確認できなかった。
計測結果として出力する図については、さらにわかりやすいものとなるよう、解析方法、描画方法ともに改善していく予定である。

洞の奥行きを計測できることを確認した。図-6や図-9のような計測結果は、各計測データについて個別に解析を実施したものであるが、現在、簡易な操作で複数データを処理するソフトウェアを作成中である。たとえば1つの岸壁について複数箇所で鉛直方向にパラメトリック送受波器を走査し計測を行い、位置・動揺データと統合して処理することで、複数箇所の内部断面画像を得ることを検討している。
パラメトリック送受波器を用いた点検手法により、これまで見ることができなかった岸壁水中部の内部状態を可視化し、今後老朽化が進行するとされる水中構造物のアセットマネジメントに寄与したいと考えている。

謝辞：寒地土木研究所寒冷沿岸域チームの皆様には2次元造波水路における性能試験についてご協力いただきました。また、国土交通省北海道開発局帯広開発建設部および寒地土木研究所寒地河川チーム、水環境保全チームの皆様には、十勝川千代田実験水路現地試験におけるフィールド提供や現場調整について多大なご協力をいただ
きました。ここに厚くお礼申し上げます。

パラメトリック送受波器からの距離[m]
1.14

2.07

3.10

参考文献

1.74

深さ[m]

0.64

0.35

0

図-9 計測結果（2次波周波数：8kHz）

5. まとめパラメトリック送受波器を用いて岸壁内部状況を計測する手法を検討、開発し、室内試験および実験水路現地試験により、本装置が鋼矢板背後の物体までの距離や空Norihito Kishi, Kazuya Yamaguchi, Tomonari Taira

1) 国土交通省港湾局，今後の港湾施設の維持管理等の課題に対する対応方針（2014）p. 2
2) 利岡徹馬，”レーダ探査による河床部探査実験”，地質ニュース，537 号，24-28（1999）
3) 小池豊，三木偉信，”三次元地中レーダを活用した鋼矢板
岸壁エプロン部の補修履歴と吸出し空洞の評価”，海洋開発論
文集，第 26 巻（2010）
4) Abukawa, K., Asada, A. and Igarashi, T., “ThreeDimensional Diagnostic Method of Quay Wall using Focusing
Acoustic Parametric Probe and Imaging Sonar”, OCEANS' 2012(2012).
5) Abukawa, K., Asada, A., Mizuno, K., Igarashi, T., Kishi, N.
and Akimoto, K., “Diagnostic Evaluation of Quay Wall using
Three-Dimensional Acoustic Measurement Systems”, UnderwaterTechnology 2013 (2013).
6) 海洋音響学会編，海洋音響の基礎と応用（（株）成山堂書店，東京，2009），p. 277-2797) F. Madricardo, S. Buogo, P. Calicchia, G. B. Cannelli, S.
Donnici and A. Lezziero: “Acoustical Prospecting in
Extremely Shallow Water in The Venice Lagoon: First Resultsand Comparisons”, Proceedings of the Eigth European
Conference on Underwater Acoustics, 2006.
8) 岸 寛人，山口 和哉，浅田 昭，虻川 和紀，藤澤 慶，“パラメトリック送信技術を用いた水中構造物内部点検手法について”，海洋音響学会 2015 年度研究発表会講演論文集，3538（2015）