JP2001324461A - 構造物非破壊検査装置と構造物非破壊検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トンネルなどの構造物を非破壊検査すること
ができる装置を提供する。 【解決手段】 構造物３の内部の経年変化を検出する構
造物非破壊検査装置において、検査対象の構造物３に予
め埋設された熱源２と、熱源の熱放射に基づいて構造物
の表面に現れる温度分布を検出する検出手段とを設け
る。構造物の内部に空隙や亀裂４が発生すると、それら
の熱抵抗のために熱源２からの熱放散が変化し、構造物
の表面に温度分布の変化が現れる。そのため、検出手段
の検出結果を基に構造物内部の空隙や亀裂を非破壊で検
出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネルなどの構
造物の経年変化による劣化を非破壊で検査する検査装置
と検査方法に関し、特に、効率的な検査を可能にしたも
のである。

【０００２】

【従来の技術】鉄道や道路のトンネルの多くはコンクリ
ートで成形されているが、経年変化によりコンクリート
構造物の内部に空隙や亀裂が発生する。こうした空隙や
亀裂が発達すると、列車等が通過する時の振動や風圧で
コンクリートの一部が剥離して落下し、大きな事故を引
き起こす原因になる。そのため、トンネル構造物の内部
の空隙や亀裂を早期に発見して処置することが必要にな
る。

【０００３】従来、鉄道などのトンネル構造物の非破壊
検査では、ハンマーでトンネルの壁を叩き、その音によ
って内部の空隙や亀裂を発見する音響検査方法が行われ
ている。また、地下鉄では、ヒーターを備えた検査車両
から放熱して構造物表面を十分に加熱し、その後の表面
の冷却状況を赤外線サーモメータで観察する検査方法が
行われている。この方法では、構造物に空隙などが存在
すると、冷却時の構造物表面の温度分布にむらが生じる
ため、赤外線サーモメータなどを用いて構造物の空隙を
発見することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、音響検査は、
検査員が構造物の壁を直接叩かなければならないため、
広く且つ高いトンネル内部を逐一検査することは極めて
困難であり、検査員の作業負担も大きい。また、構造物
内の空隙の存在を音によって聞き分けるには、可成りの
熟練が必要である。

【０００５】また、従来のヒーター加熱による検査方法
では、トンネル表面を加熱する大掛かりなヒーターが必
要であり、また、ヒーターによる加熱後、定められた時
間で熱の拡散状況を検出する必要がある。そのため、こ
うした装備を持つ検査車両が赴いたときでなければ構造
物の非破壊検査を行うことはできないと云う問題点があ
る。

【０００６】本発明は、こうした従来の問題点を解決す
るものであり、トンネルなどの構造物の内部劣化を効率
的に検査することができる非破壊検査装置を提供し、ま
た、その非破壊検査方法を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、構
造物の内部の経年変化を検出する構造物非破壊検査装置
において、検査対象の構造物に予め埋設された熱源と、
熱源の熱放射に基づいて構造物の表面に現れる温度分布
を検出する検出手段とを設けている。

【０００８】また、構造物の内部の経年変化を検出する
構造物非破壊検査方法において、検査対象の構造物に予
め熱源を埋設し、熱源の温度と構造物の周囲の温度との
温度差が一定になるように熱源の温度を維持し、構造物
の表面に現れる温度分布の時間的な変化を検出してい
る。

【０００９】また、検査対象の構造物に予め熱源を埋設
し、熱源をオン・オフして構造物の表面温度を変化さ
せ、そのときに構造物の表面に現れる温度分布の時間的
な変化を検出している。

【００１０】構造物の内部に空隙や亀裂が発生した場
合、それらの熱抵抗のために熱源からの熱放散が変化
し、構造物の表面に温度分布の変化が現れる。そのた
め、構造物の表面に現れる温度分布の時間的な変化を簡
単な構成の検出手段で検出することにより、構造物内部
の空隙や亀裂を非破壊で検出することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の非破壊検査では、予めト
ンネルなどの構造物の建設時に、構造物内にヒーター線
や温水パイプを熱源として埋設し、トンネル完成後、こ
の熱源の熱がトンネル表面に拡散する状況をサーモメー
タなどで測定し、構造物内部に発生した空隙や亀裂を検
出する。

【００１２】まず、この非破壊検査の測定原理につい
て、図８を用いて説明する。

【００１３】図８（ａ）はトンネル１の断面図を示して
いる。このトンネル１の構造物３には、トンネル方向に
沿って１本の熱パイプ２が埋設されている。この熱パイ
プ２は、構造物３の周囲温度よりｔ度高い温度に管理さ
れており、この熱パイプ２の熱は周囲の構造物３に放散
される。

【００１４】図６は、構造物３の熱パイプ２の真下にお
けるトンネル表面（Ａ）の温度を、横軸にトンネル方向
の距離ｘ、縦軸に温度ｔを取って示している。図６
（ａ）は、構造物３のトンネル方向のどの位置にも空隙
が発生していないときの温度分布を示している。ここ
で、構造物３のｘ１、ｘ２、ｘ３及びｘ５の位置には、
熱パイプ２の上側に鉄筋が入っている。そのため、熱パ
イプ２の上側の構造物３の熱抵抗が減少し、熱パイプ２
から放散された熱は、構造物３の上側に伝導され易くな
り、そのため、熱パイプ２の下側の構造物３への熱放散
が減少し、トンネル１表面（Ａ）の温度が低下してい
る。また、構造物３のｘ４及びｘ６の位置には、熱パイ
プ２の下側に鉄筋が入っている。そのため、熱パイプ２
の下側の構造物３の熱抵抗が減少し、熱パイプ２から放
散された熱は、構造物３の下側に伝導され易くなり、ト
ンネル１表面（Ａ）の温度が上昇している。

【００１５】図８（ｂ）は、トンネル構造物３のｘ７の
位置で、熱パイプ２の上側に空隙４が発生した状態を示
し、図６（ｂ）は、このときのトンネル方向の温度分布
を示している。空隙４の発生により、熱パイプ２の上側
への熱抵抗が大きくなり、熱放散が熱パイプ２の下側に
集中し、構造物３のｘ７の位置でのトンネル１表面
（Ａ）温度が大きく上昇する。

【００１６】また、図８（ｃ）は、トンネル構造物３の
ｘ８の位置で、熱パイプ２の下側に空隙４が発生した状
態を示し、図６（ｃ）は、このときのトンネル方向の温
度分布を示している。空隙４の発生により、熱パイプ２
の下側への熱抵抗が大きくなり、熱放散が熱パイプ２の
上側に集中するため、構造物３のｘ８の位置でのトンネ
ル１表面（Ａ）温度が大きく低下する。

【００１７】このように、構造物の内部に空隙や亀裂が
発生した場合には、トンネル表面の温度が変化し、その
変化の方向は、空隙や亀裂の発生箇所と熱パイプとの位
置関係に依存する。従って、所定時間前のトンネル表面
の温度分布と現在の温度分布とを比較して、その差分を
見ることにより、構造物の内部に発生した空隙や亀裂を
検出することができる。

【００１８】なお、ここでは、熱パイプ２の温度を構造
物３の周囲温度よりｔ度高い温度に管理する場合につい
て説明したが、熱パイプ２の温度を構造物３の周囲温度
よりｔ度だけ低い温度に設定しても、同じように、構造
物の内部に発生した空隙や亀裂を検出することができ
る。

【００１９】実際の非破壊検査を実施するトンネルに
は、図１（ａ）に示すように、トンネルの内表面に沿っ
て複数本の熱パイプ２を埋設し、これらの各熱パイプ２
を構造物３の周囲温度よりｔ度高い温度に管理する。こ
のときのトンネルの内周方向の温度分布は、トンネルの
内周方向の基点０からの距離をｙとして、図６（ａ）と
同様に、図７（ａ）のように表すことができる。また、
熱パイプ２の上側に空隙が発生した場合（図１（ｂ））
には、トンネルの内周方向の温度分布は、図７（ｂ）の
ように、空隙の発生位置で大きく上昇し、また、熱パイ
プ２の下側に空隙が発生した場合（図１（ｃ））には、
トンネルの内周方向の温度分布は、図７（ｃ）のよう
に、空隙の発生位置で大きく低下する。

【００２０】トンネル内の表面温度は、例えば、トンネ
ルを走行する列車に搭載された赤外線カメラで検出す
る。図４は、この赤外線カメラで撮影されたトンネル内
の温度分布を示すサーモグラフを例示しており、縦軸は
トンネルの内周方向の距離ｙを示し、横軸はトンネル方
向の入口からの距離ｘを示している。サーモグラフで
は、温度分布が色で表示され、赤色表示箇所５は、表面
温度が高い場所であり、構造物の内部に空隙が発生し、
トンネルの表面温度が高くなっている位置を示してい
る。

【００２１】図２は、この赤外線カメラ11を持つ温度検
出装置の構成をブロック図で示している。この装置は、
赤外線カメラ11の画像信号をデジタルデータに変換する
Ａ／Ｄ変換部12と、赤外線カメラ11の撮影位置を検出す
る位置センサ13と、赤外線カメラ11の画像データを位置
データと関連づけて蓄積するデータ蓄積部14と、現在の
画像データと過去の画像データとを比較する比較部16
と、比較部16の比較結果に基づいて警報を発する警報部
17と、画像データを表示する表示部15とを備えている。

【００２２】一方、トンネル構造物の温度を制御する機
構として、図３に示すように、熱パイプ22の熱源21と、
熱パイプ22の温度を検知する温度センサ23と、トンネル
内の温度を検知する温度センサ24と、熱パイプ22の温度
とトンネル内の温度との温度差を測定する温度測定部25
と、熱源21の温度を制御する温度制御部26と、熱パルス
検査のための熱源21のオン／オフを制御する熱パルス検
査制御部27と、時間を計時するタイマ28とを備えてい
る。

【００２３】構造物非破壊検査は、二通りの方法で行わ
れる。一つは、定常的に行われれる常時検査であり、こ
の検査では、熱パイプから構造物に一定の熱放散が継続
して行われるように設定し、このときの熱拡散の静特性
を監視して、その変化を検出する。他の一つは、所定時
期に実施される熱パルス検査であり、この検査では、熱
パイプで一定時間だけ構造物を加熱して構造物の温度を
変動させ、このときの熱拡散の動特性を監視する。

【００２４】常時検査では、温度制御部26が、温度測定
部25によって測定される熱パイプ22の温度とトンネル内
の温度との温度差が一定を保つように熱源21の温度を制
御する。この温度差は例えば＋５度に維持される。

【００２５】図２の温度検出装置は、トンネルを常時通
過する列車（またはトンネルを毎日最初に通過する列
車）の先頭車両に搭載され、トンネル通過時に、赤外線
カメラ11は、トンネル内の表面温度分布を撮影してその
画像信号を出力し、また、位置センサ13は、赤外線カメ
ラ11の撮影場所を示すトンネル入口からの位置ｘ及びト
ンネルの内周方向の位置ｙの情報を出力する。赤外線カ
メラ11の画像信号はＡ／Ｄ変換部12でデジタルデータに
変換され、位置センサ13の位置データと関連付けてデー
タ蓄積部14に蓄積される。また、赤外線カメラ11の画像
データは、表示部15に送られ、現在のトンネル内の温度
分布が例えば図４のように表示される。

【００２６】また、データ蓄積部14からは、位置センサ
13の位置データに対応する過去の赤外線カメラの画像デ
ータが出力され、表示部15に送られて現在のトンネル内
の温度分布と併せて表示される。

【００２７】比較部16は、現在のトンネル内の温度分布
と過去のトンネル内の温度分布との差分を算出する。こ
の差分はデータ蓄積部14に蓄積され、また、表示部15で
表示される。また、この差分が所定値より大きい場合に
は、警報部17からアラームが発生される。

【００２８】このように、常時検査では、熱パイプから
構造物に一定の熱放散が継続して行われる、このときの
トンネル表面の温度分布の変化がトンネルを通過する列
車によって検出される。そのため、トンネル構造物の内
部に空隙や亀裂が発生した場合には、それを初期段階で
検出することができ、コンクリートの剥離にまで発展す
る以前に、適切な処置を講ずることができる。

【００２９】なお、ここでは、図２の温度検出装置を列
車に搭載する場合について説明したが、トンネルを監視
するトンネル監視センタを設け、列車で収集した情報を
トンネル監視センタに集めて監視するシステムを構築す
ることもできる。この場合、列車には、図２の温度検出
装置の内、赤外線カメラ11、Ａ／Ｄ変換部12及び位置セ
ンサ13だけを搭載し、データ蓄積部14、表示部15、比較
部16及び警報部17はトンネル監視センタ側に設け、各列
車は、測定した温度分布のデータ及び位置データを測定
後に伝送手段を通じてトンネル監視センタに伝送する。
このトンネル監視センタでは、各列車からの情報に基づ
いて、トンネル構造物における空隙や亀裂の発生をきめ
細かく監視することができる。

【００３０】また、他の非破壊検査方法である熱パルス
検査は、図２の温度検査装置を搭載した専用の検査車両
が、例えば一カ月ごとに検査対象のトンネルに赴き、時
間を掛けて検査を実行する。この熱パルス検査では、図
３の熱パルス検査制御部27が、タイマ28の計測時間に基
づいて、熱源21を例えば１時間だけオンにした後、オフ
に制御する。この熱源制御により、熱パイプ22から１時
間に渡って放熱が続き、トンネル構造物の温度は、図５
のように、放熱の間、上昇し、熱源がオフになると温度
が下降する。

【００３１】温度検査装置の赤外線カメラ11は、温度上
昇過程及び温度下降過程にあるトンネル構造物の表面温
度分布を一定時間（h1、h2、h3、‥）ごとに撮影し、位
置センサ13は、赤外線カメラ11の撮影場所の位置データ
を出力する。温度検査装置の各部の動作は常時検査の場
合と同じであり、赤外線カメラ11の画像信号はＡ／Ｄ変
換部12でデジタルデータに変換され、位置センサ13の位
置データと関連付けてデータ蓄積部14に蓄積される。比
較部16は、今回のトンネル内の温度分布と前回のトンネ
ル内の温度分布との差分を算出する。表示部15は、赤外
線カメラ11で撮影されたトンネル内の温度分布や比較部
16で算出された差分画像データを表示し、また、比較部
16によって算出された差分データが所定値より大きい場
合に、警報部17はアラームを発生する。

【００３２】このように、熱パルス検査では、熱パイプ
からの加熱で構造物の温度を上昇または下降させたとき
の熱拡散の動特性が監視され、静特性では検出しにくい
小さい空隙や亀裂を検出することが可能になる。

【００３３】なお、ここでは、鉄道のトンネル構造物に
対して非破壊検査を実施する場合を中心に説明して来た
が、本発明は、高速道路などのトンネル、地下鉄や地下
街などの地下構造物、地滑りや崖崩れ防止用に斜面に形
成される構造物などにも適用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の非破壊検査装置は、トンネルなどの構造物の経年変化
に起因する空隙や亀裂の発生を効率的に検査することが
可能である。

【００３５】この空隙や亀裂を検出する温度検査装置
は、加熱装置などの大掛かりな装置を必要としないた
め、小規模に構成することができる。また、熱拡散の静
特性は、短時間に監視することができる。そのため、検
査専用車両以外の通常車両に温度検査装置を搭載して検
査情報を収集することが可能である。

【００３６】その結果、構造物の内部状態を常時検査す
ることができ、構造物の経年変化による劣化を、空隙や
亀裂が発達する前に検出することができる。

【００３７】また、本発明の非破壊検査方法では、構造
物の内部の劣化を検出することができ、また、その劣化
の位置が熱パイプの内側であるか外側であるかを識別す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の非破壊検査方法における熱
パイプの配置を示す図、

【図２】実施形態の非破壊検査装置における温度検査装
置の構成を示すブロック図、

【図３】実施形態の非破壊検査装置における熱源の温度
制御機構を示すブロック図、

【図４】実施形態の非破壊検査装置で表示されるサーモ
グラフを示す図、

【図５】実施形態の非破壊検査方法における熱パルス検
査での検査時期を示す図、

【図６】本発明の非破壊検査方法で検出されるトンネル
内の距離に応じた温度分布を示す図、

【図７】本発明の非破壊検査方法で検出されるトンネル
内の周方向の温度分布を示す図、

【図８】本発明の非破壊検査方法の原理を説明する説明
図である。

【符号の説明】

１ トンネル ２ 熱パイプ ３ 構造物 ４ 空隙 ５ 赤色表示箇所 11 赤外線カメラ 12 Ａ／Ｄ変換部 13 位置センサ 14 データ蓄積部 15 表示部 16 比較部 17 警報部 21 熱源 22 熱パイプ 23、24 温度センサ 25 温度測定部 26 温度制御部 27 熱パルス検査制御部 28 タイマ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物の内部の経年変化を検出する構造
   物非破壊検査装置であって、 検査対象の構造物に予め埋設された熱源と、前記熱源の
   熱放射に基づいて前記構造物の表面に現れる温度分布を
   検出する検出手段とを備えることを特徴とする構造物非
   破壊検査装置。
2. 【請求項２】 前記熱源の温度を制御する温度制御手段
   と、前記検出手段によって検出された前記温度分布の時
   間的変化を検出する温度差分検出手段とを備えることを
   特徴とする請求項１に記載の構造物非破壊検査装置。
3. 【請求項３】 前記温度制御手段は、前記熱源の温度と
   前記構造物の周囲の温度との温度差が一定になるように
   前記熱源の温度を制御することを特徴とする請求項２に
   記載の構造物非破壊検査装置。
4. 【請求項４】 前記温度制御手段は、前記熱源を所定時
   間だけオンにして前記構造物の表面温度を上昇させ、そ
   の後、前記熱源をオフにして、前記構造物の表面温度を
   下降させることを特徴とする請求項２に記載の構造物非
   破壊検査装置。
5. 【請求項５】 前記構造物はトンネルであり、前記検出
   手段が前記トンネルを常時通過する列車に搭載されてい
   ることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の
   構造物非破壊検査装置。
6. 【請求項６】 前記温度差分検出手段は、トンネル監視
   センタに設置され、前記検出手段で検出された前記温度
   分布が、前記検出手段を搭載した列車から前記トンネル
   監視センタに伝送され、前記温度分布の時間的変化が前
   記トンネル監視センタの温度差分検出手段により検出さ
   れることを特徴とする請求項５に記載の構造物非破壊検
   査装置。
7. 【請求項７】 構造物の内部の経年変化を検出する構造
   物非破壊検査方法であって、 検査対象の構造物に予め熱源を埋設し、前記熱源の温度
   と前記構造物の周囲の温度との温度差が一定になるよう
   に前記熱源の温度を維持し、前記構造物の表面に現れる
   温度分布の時間的な変化を検出することを特徴とする構
   造物非破壊検査方法。
8. 【請求項８】 構造物の内部の経年変化を検出する構造
   物非破壊検査方法であって、 検査対象の構造物に予め熱源を埋設し、前記熱源をオン
   ・オフして前記構造物の表面温度を変化させ、そのとき
   に前記構造物の表面に現れる温度分布の時間的な変化を
   検出することを特徴とする構造物非破壊検査方法。