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【発明の名称】 覆工体の背面検査装置及びその背面検査方法
【発明者】 【氏名】長倉 博
【要約】 【課題】より信頼性が高く簡易な覆工体の背面検査。

【解決手段】層構造体の表面側層である覆工層２の表面側に接合される第１受振器６と、その表面側に接合される第２受振器７と、覆工層２の物性により影響され難い低周波の振動を覆工層２に付与する加振器５とを用いて、第１受振器６と第２受振器７とが受振する第１物理量と第２物理量の比である伝達関数の値を計算する。第１物理量と第２物理量は、その低周波の周波数ωの関数で表され、特に、位相速度ＣＲが求められ、基準値との比較から明瞭に背面層の欠陥を検出することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】層構造体の表面側層である覆工層の表面側に接合される第１受振器と、前記表面側に接合される第２受振器と、低周波の振動を前記覆工層の表面側から前記層構造体に付与する加振器と、前記第１受振器と前記第２受振器とが受振する第１物理量と第２物理量の比である伝達関数を計算する計算機とを含む覆工体の背面検査装置。
【請求項２】請求項１において、前記第１受振器と前記第２受振器は、前記加振器から異なる２位置に一直線上に配置され、前記第１物理量と前記第２物理量は、それぞれに速度に対応する関数ｖ１（ｔ）とｖ２（ｔ）である覆工体の背面検査装置。
【請求項３】請求項１において、前記第１受振器と前記第２受振器は、前記加振器から異なる２位置に一直線上に配置され、前記第１物理量と前記第２物理量は、それぞれに加速度に対応する関数ａ１（ｔ）とａ２（ｔ）である覆工体の背面検査装置。
【請求項４】請求項２において、前記伝達関数がＶ２（ω）／Ｖ１（ω）で定義され、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波の位相速度ＣＲが次式：ＣＲ＝ω０Ｌ／Ａｒｇ［Ｈ（ω０）］
で定義され、前記Ｌは前記第１受振器と前記第２受振器の間の距離であり、前記位相速度の測定値と基準値との相違により前記覆工層の背面の状況の相違が判断される覆工体の背面検査装置。
【請求項５】請求項３において、前記伝達関数がＡ２（ω）／Ａ１（ω）で定義され、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波の位相速度ＣＲが次式：ＣＲ＝ω０Ｌ／Ａｒｇ［Ｈ（ω０）］
で定義され、前記Ｌは前記第１受振器と前記第２受振器の間の距離であり、前記位相速度の測定値と基準値との相違により前記覆工層の背面の状況の相違が判断される覆工体の背面検査装置。
【請求項６】層構造体の表面側層である覆工層の表面側に接合される第１受振器と、低周波の振動を前記覆工層の表面側から前記層構造体に付与する加振器と、前記加振器の加振力に対応する第１物理量ｆ（ｔ）と前記第１受振器が受振する第２物理量ｖ（ｔ）とを計算する計算機とを含み、前記第１物理量ｆ（ｔ）と前記第２物理量ｖ（ｔ）とに基づいて前記覆工層の背面の状況の相違が判断される覆工体の背面検査装置。
【請求項７】請求項６において、伝達関数がＨ（ω）＝Ｖ（ω）／Ｆ（ω）で定義され、ここで、Ｆ（ω）＝Ｆ［ｆ（ｔ）］，Ｖ（ω）＝Ｆ［ｖ（ｔ）］であり、Ｆ［］はフーリエ変換を示し、ばね定数ｋが次式：ｋ＝−Ｉｍ［Ｈ（ω０）］×ω０で定義され、前記ばね定数ｋの測定値と基準値との相違により前記覆工層の背面の状況の相違が判断される覆工体の背面検査装置。
【請求項８】請求項１〜７から選択される１請求項において、前記覆工層はトンネルの地盤を覆うコンクリート層である覆工体の背面検査装置。
【請求項９】請求項８において、前記低周波は、数百Ｈｚ以下である覆工体の背面検査装置。
【請求項１０】層構造の表面側層である覆工層の表面側の点状領域を加振すること、前記表面側の複数点で測定した複数のＲａｙｌｅｉｇｈ波の位相速度をそれぞれに計算すること、前記計算された位相速度と基準位相速度の相違を判定することとを含み、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波は、前記覆工層の物性により影響され難い低周波であり、前記低周波の周波数は数百Ｈｚ以下である覆工体の背面検査方法。
【請求項１１】層構造の表面側層である覆工層の表面側の点状領域を加振すること、前記物理量と前記加振による加振力とから前記層構造のばね定数を測定すること、前記測定されたばね定数と基準ばね定数の相違を判定することとを含み、前記弾性波は、前記覆工層の物性により影響され難い低周波であり、前記低周波の周波数は数百Ｈｚ以下である覆工体の背面検査方法。
【請求項１２】請求項１０又は１１において、前記覆工層は、コンクリート層である覆工体の背面検査方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、覆工体の背面検査装置及びその背面検査方法に関し、特に、トンネル、堤防のようにコンクリートで覆工が施されている層状構造物の覆工背面の状態を検査する覆工体の背面検査装置及びその背面検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】堤防、トンネルは、比較的に柔らかく脆い地盤が基層になっている構造体である。このような構造体は、コンクリートのような強化材料で覆工処理が施される。天井部で地盤層とコンクリート覆工体層との間で接合不良が生じる恐れがある。このような接合不良、更には、経年劣化により、背面欠陥が生じることがある。背面欠陥が生じると、偏圧により構造体の一部が崩壊する恐れがある。
【０００３】一般に、ソリッドな構造物の内部の欠陥の存在を知るための非破壊検査方法が多様に知られている。そのような非破壊検査方法として、超音波、電磁波が用いられる診断方法が知られている。トンネル等のコンクリート覆工構造物の背面欠陥は、このような診断方法では発見することが困難であり、結局、熟練者の打検がもっとも適正であるといわれる。熟練者の信頼性を上回って信頼度が高い検査方法は知られていない。
【０００４】層状構造物に関してより信頼性が高い検査方法の確立が緊急に求められている。更に、その検査方法は簡易であることが特に望まれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、より信頼性が高い覆工体の背面検査装置及びその背面検査方法を提供することにある。本発明の他の課題は、より信頼性が高く、且つ、検査方法が簡易である覆工体の背面検査装置及びその背面検査方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００７】本発明による覆工体の背面検査装置は、層構造体の表面側層である覆工層（２）の表面側に接合される第１受振器（６）と、前記表面側に接合される第２受振器（７）と、前記覆工層（２）の物性により影響され難い低周波の振動を前記覆工層（２）に付与する加振器（５）と、前記第１受振器（６）と前記第２受振器（７）とが受振する受信信号に対応する第１物理量と第２物理量の比である伝達関数を計算する計算機とを含む。第１物理量と第２物理量は、その低周波の周波数ωの関数で表され得る。受信器（６，７）の出力は時間ｔの関数であり、計算機でフーリエ変換して角周波数ωの関数に変換されることになる。
【０００８】第１受振器（６）と第２受振器（７）は、加振器（５）から異なる２位置に、特に、一直線上に配置され、第１物理量と第２物理量は、それぞれに速度に対応する関数ｖ１（ｔ）とｖ２（ｔ）である。又は、それぞれに加速度に対応するａ１（ｔ）とａ２（ｔ）である。伝達関数は、後述されるように定義される。更に、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波の位相速度ＣＲが後述されるように定義される。その位相速度の測定値と基準値との相違により覆工層（２：以下コンクリート層と称する）の背面の状況の相違が判断される。
【０００９】この場合、加振器（５＝１１）と第１受振器（６＝１２）は同じ位置に配置され、第２物理量は加振力に対応する量ｆ（ｔ）であり、第１物理量は覆工層（２）の表面側の加振位置における振動速度ｖ（ｔ）である。この場合には、伝達関数とばね定数ｋが後述するように定義される。
【００１０】覆工層は、トンネルの地盤を覆うコンクリート層（２）として特に例示され得る。一般的にコンクリート層の厚さは７００ｍｍ以下であることから、加振周波数は、数百Ｈｚ以下であることが好ましい。
【００１１】本発明による覆工体の背面検査方法は、層構造の表面側層である覆工層の表面側の点状領域を加振すること、表面側の複数点で複数の物理量（速度又は加速度）をそれぞれに測定すること、複数の物理量に基づいてＲａｙｌｅｉｇｈ波の速度（位相速度）をそれぞれに計算すること、計算された位相速度と基準位相速度の相違を判定することとを含み、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波は、覆工層の物性により影響され難い低周波であり、一般的に覆工層の厚さは７００ｍｍ以下であることから、低周波の周波数は数百Ｈｚ以下であることが好ましい。
【００１２】本発明による覆工体の背面検査方法は、あるいは、層構造の表面側層である覆工層の表面側の点状領域を加振すること、加振力と覆工層の裏側の振動速度を測定すること、加振力と振動速度とから層構造のばね定数を計算すること、測定されたばね定数と基準ばね定数の相違を判定することとを含み、弾性波は覆工層の物性により影響され難い低周波であり、一般的に覆工層の厚さは７００ｍｍ以下であることから、低周波の周波数は数百Ｈｚ以下であることが好ましい。ばね定数は、既述のように定義されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】図に一致対応して、本発明による覆工体の背面検査装置の実施の形態は、図１，２に示される物理的原理に基づいている。図１は、本原理が適用される層状構造物のモデルを示す。このモデルとしては、具体的にはトンネルの天井部が例示される。図１は、水平方向に延びる中心線を含む鉛直面でトンネルを切断した断面を示している。
【００１４】正常トンネルモデルは、図１に示されるように、地盤又は岩盤である背面層１と背面層１の表面側を覆う覆工層であるコンクリート層２とから形成されている。異常トンネルモデルでは、図２に示されるように、背面層１とコンクリート層２との間に、泥水層３が介在している。
【００１５】コンクリート層２の表面側が加振されたとき、低周波領域のＲａｙｌｅｉｇｈ波の物理的性質は、コンクリート層２の物性、厚さの影響を受けにくく背面層の影響をより強く受ける。このことは、発明者の理論的解析により明らかにされている。図３は、Ｎ（Ｎは自然数）層構造体内に生起する波動を伝達マトリックス法を用いて解析した伝播理論に基づいて層構造体表面加振条件下で特別に数値計算した結果を示している。図３で、横軸は、背面層１である岩盤のＳ波速度（ｍ／ｓ）を示し、縦軸はコンクリート層２と背面層１からなる層構造体を伝播するＲａｙｌｅｉｇｈ波の位相速度（ｍ／ｓ）を示している。Ｒａｙｌｅｉｇｈ波位相速度は、後述される伝達関数から計算される物理量である。
【００１６】図３の２つの曲線のうち値が大きい方の曲線は、図１に示される正常な層構造体に対応する正常層対応曲線Ｉである。その２つの曲線のうちの値が小さい方の曲線は、図２に示される異常な層構造体に対応する異常層対応曲線ＩＩである。このように、低周波の伝達関数により定義される物理量は、正常層構造体と異常層構造体とで明白に区別される物理量であることが分かる。本発明者は、２つの伝達関数を定義することにより、実際のパラメータを理論式に適用して現実の層構造体の解析を行った。
【００１７】Ｒａｙｌｅｉｇｈ波速度法：本発明者により名付けられるＲａｙｌｅｉｇｈ波速度法には、下記伝達関数１が用いられる。
伝達関数１：伝達関数からＲａｙｌｅｉｇｈ波位相速度が計算される。図４は、その伝達関数を定義する物理量を測定する測定装置を示している。水溜まりや空洞などの欠陥４が、背面層１とコンクリート層２の間に存在する恐れがある。その測定装置は、加振器５と、第１受振器６と、第２受振器７とから構成されている。加振器５は、正弦状の加振力をコンクリート層２に与える慣用手段である。加振器５は、数百Ｈｚ以下の低周波を発生する。コンクリート層２の厚さが５００ｍｍ程度の厚さであれば、加振器５と第１受振器６との間の離隔距離は１０ｍ程度であることが適正である。この場合、第１受振器６と第２受振器７との間の離隔距離は１ｍ程度であることが適正である。
【００１８】図５は、測定系の回路ブロックを示している。一種の加速度計である第１受振器６は、それが配置されているコンクリート層２の部位の振動を検出して第１受振波形信号ｖ１（ｔ）を出力する。時系列電圧信号として取り出され得る第１受振波形信号ｖ１（ｔ）は、速度に対応する（Ｒａｙｌｅｉｇｈ波の速度データを含む）電気信号である。一種の加速度計である第２受振器７は、それが配置されているコンクリート層２の部位の振動を検出して第２受振波形信号ｖ２を出力する。時系列電圧信号として取り出され得る第２受振波形信号ｖ２（ｔ）は、速度に対応する（Ｒａｙｌｅｉｇｈ波の速度データを含む）電気信号である。
【００１９】第１受振波形信号ｖ１（ｔ）と第２受振波形信号ｖ２（ｔ）は、ＦＦＴアナライザ８に入力される。ＦＦＴアナライザ８は、信号波形を角周波数ωを変数とするデータ信号に変換する慣用手段である。第１受振波形信号ｖ１（ｔ）と第２受振波形信号ｖ２（ｔ）は、ＦＦＴアナライザ８により、フーリエ変換され、Ｖ１（ω）とＶ２（ω）に変換される。伝達関数Ｈ（ω）は、次式で定義される。
Ｈ（ω）＝Ｖ２（ω）／Ｖ１（ω）
この伝達関数が用いられて、下記物理量ＣＲが定義される。ＣＲは、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波の位相速度と呼ばれる。
ＣＲ＝ω０Ｌ／Ａｒｇ［Ｈ（ω０）］
ここで、ω０は用いられる周波数である。Ｌは、第１受振器６と第２受振器７の間の離隔距離であり、そのＬは受振器にレーザ測長器等を付設させて、高い精度で測定することもできる。
【００２０】加振器５により与えられる加振力は、背面層１とコンクリート層２からなる媒質中を伝播する。加振周波数が低周波である場合、表層領域を伝播するＲａｙｌｅｉｇｈ波は、コンクリート層２の物性にほとんど影響されず、背面層１である背面岩盤の地質に大きく依存する。図３に示されるように、岩盤Ｓ波速度とＲａｙｌｅｉｇｈ波のＳ波位相速度の関係は、コンクリート層２の物性に余り影響されず背面層１の物性に大きく依存している。背面層１の側に図４に示される欠陥４が存在すると、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波のＳ波は、背面層である欠陥４から大きく影響される。その影響は、伝達関数Ｈ（ω）に現れる。ω０とＬは、欠陥４の存否に係わらず一定であるから、欠陥４の存否に対応して、両伝達関数Ｈ（ω）により記述される両位相速度ＣＲに明瞭な差異が現れる。コンクリート層２の物性値に正負１０％の変動があった時のＲａｙｌｅｉｇｈ波の変動の範囲が図３にエラーバーで示されるように、その差異は確実に明白に現れる。欠陥４が存在しない領域は、欠陥４が存在する領域に対して圧倒的に広いので、複数場所で測定を行うことにより、欠陥４が存在しない領域のＣＲは容易に高信頼度で推定され得る。そのように推定されるＣＲが、欠陥４が存在するかどうかを判定するための基準値として設定される。
【００２１】ばね定数法：本発明者により名付けられるばね定数法には、下記伝達関数２が用いられる。
伝達関数２：図６は、伝達関数を測定する測定装置を示している。欠陥４が、背面層１とコンクリート層２の間に存在する恐れがある。その測定装置は、加振器１１と、受振器１２とから構成されている。加振器１１は、正弦状の加振力をコンクリート層２に与える慣用手段である。加振器１１は、数百Ｈｚ以下の低周波を発生する。加振器１１と受振器１２との間の離隔距離は、実質的に零であることが適正である。
【００２２】図７は、その測定系の回路ブロックを示している。加振器１１は、加振力をコンクリート層２に与える。加振器１１は、その加振力に対応する電圧信号ｆ（ｔ）を出力する。一種の加速度計である受振器１２は、それが配置されているコンクリート層２の部位の振動速度を検出して受振波形信号ｖ（ｔ）を出力する。
【００２３】加振力信号ｆ（ｔ）と受振波形信号ｖ（ｔ）は、ＦＦＴアナライザ１３に入力される。ＦＦＴアナライザ１３は、既述のアナライザと同じであり、角周波数ωを変数とするデータ信号にフーリエ変換する慣用手段である。加振力信号ｆ（ｔ）と受振波形信号ｖ（ｔ）は、ＦＦＴアナライザ１３により、Ｆ（ω）とＶ（ω）に変換される。機械インピーダンスと呼ばれる伝達関数Ｈ（ω）は、次式で定義される。
Ｈ（ω）＝Ｆ（ω）／Ｖ（ω）
この伝達関数が用いられて、下記物理量ｋが定義される。ｋは、本発明者によりばね定数と呼ばれる。
ｋ＝−Ｉｍ［Ｈ（ω０）］×ω０ここで、ω０は用いられる角周波数である。Ｉｍは、機械インピーダンスである伝達関数の虚数部を示す。図８の曲線Ｉ，ＩＩは、この定義による値が用いられている。図８の横軸は図３の横軸に同じであり、その縦軸はばね定数ｋ（Ｎ／ｍ）を示している。
【００２４】加振器１１により与えられる加振力は、背面層１とコンクリート層２からなる媒質中を伝播する。低周波では、ばね定数ｋは、コンクリート層２の物性に余り影響されず背面層１の物性（Ｓ波速度）に大きく依存する。背面層１の側に図６に示される欠陥４が存在すると、その影響は、図８に示されるように、伝達関数Ｈ（ω）に現れる。ω０は、欠陥４の存否に係わらず一定であるから、欠陥４の存否に対応して、両伝達関数Ｈ（ω）により記述される両ばね定数ｋに明瞭な差異が現れる。背面欠陥があれば、ばね定数は著しく低下する。
【００２５】
【実施例】図９は、図３と図８に示される理論解析に用いられた複数のパラメータの値を示している。両方法に関して正弦状の加振力を付与する場合について記述されているが、インパクト加振による検査を行うことができる。Ｒａｙｌｅｉｇｈ波速度法では、受振器６と受振器７の振動速度波形ｖ１（ｔ）、ｖ２（ｔ）又は振動加速度波形ａ１（ｔ），ａ２（ｔ）における初動時刻の差Δｔを距離Ｌで割ることによって、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波速度ＣＲを算出する（ＣＲ＝Δｔ／Ｌ）。ばね定数法では、ω０を零に近づける極限で、【数１】

としてｋを算出する。本発明は、トンネル天頂部に限られずその側部の検査にも有効に適用され得る。トンネルの湾曲面に沿う検査も既述の実施の形態がほとんどそのまま適用され、堤防、岸壁、盛り土の土手、崖にもそのまま適用され得る。
【００２６】
【発明の効果】本発明による覆工体の背面検査装置及びその背面検査方法は、高信頼度の検査方法を確立することができる。具体的には、低周波弾性波を利用することにより、コンクリートの物性、層厚にほとんど影響されず、覆面背面の媒質のＳ波速度を同定することが可能であることが理論的に明らかにされた。背面の欠陥の有無により、Ｒａｙｌｅｉｇｈ波（位相）速度及び地盤のばね定数に有意な差が生じ、異常検知が可能であることが理論的に明らかにされた。このような理論的に高信頼度が明白である両方法は、広範囲のスクリーニング検査と、１点スポット的検査にそれぞれに適正に対処することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
【出願日】 平成１１年１１月１８日（１９９９．１１．１８）
【代理人】 【識別番号】１００１０２８６４
【弁理士】
【氏名又は名称】工藤 実 （外１名）
【公開番号】 特開２００１−１９４３４９（Ｐ２００１−１９４３４９Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願平１１−３２７７３２