JP2008286619A

JP2008286619A - 性状評価装置及び性状評価方法

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Publication number: JP2008286619A
Application number: JP2007131311A
Authority: JP
Inventors: Tomomoto Shiotani; 智基塩谷; Aggelis Dimitrios; デミトリアスアジェリス; Kazuhiro Kasai; 和弘笠井; Masayuki Watanabe; 雅之渡辺; Masatoshi Kurokawa; 昌俊黒川
Original assignee: Tobishima Corp
Current assignee: Tobishima Corp
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2027-05-17
Also published as: JP4726242B2

Abstract

【課題】トンネル背面空洞の評価などに際し、正確な評価が出来、しかもコストも安価になしえ、また複雑、煩雑な作業を必要としないトンネル背面空洞の評価装置など測定対象物の性状評価装置および性状評価方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】測定対象物を打撃する打撃具と、打撃によって生ずる測定対象物の共振振動及びたわみ振動を検出する検出器と、最大振動振幅を最大電圧値として設定し、最大電圧値のしきい値を最大電圧値に１未満の数値を乗じた値で複数個設定するしきい値電圧設定器と、共振振動からたわみ振動へ移行すると思われる時刻を基準時刻として設定する基準時刻設定器と、複数のしきい値電圧を越える全体の振動数を計測し、基準時刻前後の複数のしきい値電圧を越える振動数を計測する計測器とを備え、全体の振動数と基準時刻前後の振動数とにより、打撃箇所の性状を評価する、ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば、トンネル背面空洞を検知し、該空洞状態を評価するトンネル背面空洞の評価装置など測定対象物の性状評価装置及び性状評価方法に関するものである。

従来、トンネルの背面に存する空洞を検知し、該空洞状態の評価をするためには、例えばグラウト注入における注入量、あるいは注入圧力の大小等によって管理し、評価したり、あるいは、衝撃弾性波法、打音法により弾性波を励起し、信号波形が収録できる装置を用いて、弾性波の高度な波形特徴（持続時間、周波数など）を利用してトンネル背面空洞の評価をするものとしていた。
特開２００１−８２９０５号公開公報

しかしながら、前記従来のトンネル背面空洞の評価方法あるいはトンネル背面空洞の評価装置、例えばグラウト注入における注入量、あるいは注入圧力の大小等によって評価する評価方法あるいは評価装置では、実際問題としてグラウト注入量あるいはグラウト注入圧力によっての充填性状把握が比較的困難であり、正確な検出、評価が困難との課題があった。

また、衝撃弾性波法、打音法によって弾性波を励起し、信号波形が収録できる装置を用いて、弾性波の高度な波形特徴（持続時間、周波数など）を取得し評価する評価方法あるいは評価装置では、高価なデジタル波形収録装置が必須であり、また評価にウェーブレット変換など複雑な信号処理が必要となり、使用する機器のコストや作業コストが高騰すると共に、複雑、煩雑な検出、評価作業を要するとの課題があった。
かくして、本発明はこれら従来の課題に鑑みて創案されたものであり、例えば、トンネル背面空洞の評価などに際し、正確な評価が出来、しかもコストも安価になしえ、また複雑、煩雑な作業を必要としないトンネル背面空洞の評価装置など測定対象物の性状評価装置および性状評価方法を提供することを目的とするものである。

本発明による性状評価装置および性状評価方法は、
測定対象物を打撃する打撃具と、該打撃具による打撃によって生ずる測定対象物の共振振動及びたわみ振動を検出する検出器と、
検出された振動のうち、最大振動振幅を最大電圧値として設定すると共に、該最大電圧値のしきい値を前記最大電圧値に１未満の数値を乗じた値で複数個設定するしきい値電圧設定器と、
前記振動において、共振振動からたわみ振動へ移行すると思われる時刻を基準時刻として設定する基準時刻設定器と、
前記複数のしきい値電圧を越える全体の振動数を計測すると共に、前記基準時刻前後の複数のしきい値電圧を越える振動数を計測する計測器と、
を備え、
計測された複数のしきい値電圧を越える全体の振動数と前記基準時刻前後の複数のしきい値電圧を越える振動数とにより、前記打撃箇所の性状を評価する、
ことを特徴とし、
または、
前記打撃具は、鋼球により形成され、該鋼球の径は、測定対象物の性状により選択される打撃振動の周波数帯域により決定する、
ことを特徴とし、
または、
前記測定対象物の共振振動及びたわみ振動を検出する検出器は、音を集音する集音器、加速度計あるいはＡＥセンサである、
ことを特徴とし、
または、
前記基準時刻の設定は、測定対象物の性状を考慮して設定する、
ことを特徴とし、
または、
トンネルの背面空洞の有無を測定すべき測定対象物を打撃し、該打撃によって生ずる打撃信号を検出すると共に、該打撃信号を電圧値に変換し、取得した電圧値のうち最大電圧値を決定すると共に、前記最大電圧値に対するしきい値電圧値を前記最大電圧値に１未満の数値を乗じて複数設定してなり、
打撃してから一定時刻経過する経過時間全体で、前記設定した複数のしきい値電圧値を越える振動の数を計測すると共に、打撃してからの経過時間につき、測定対象物の共振振動からたわみ振動に変化すると思われる時刻を基準時刻と定め、該設定時刻前後に前記設定した複数のしきい値電圧値をこえる振動の数を計測し、
双方の振動数の計測結果からトンネルの背面空洞有無を評価する、
ことを特徴とするものである。

本発明による性状評価装置および性状評価方法であれば、
例えば、トンネル背面空洞の評価などに際し、正確な評価が行え、しかもその作業コストも安価になしえ、また複雑、煩雑な作業を必要としないとの優れた効果を奏する。

以下、本発明を図に示す発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
まず、本発明による性状の評価装置は、図２から理解されるように、例えばトンネル覆工面２の背面に存在する空洞３を検出、評価するために、トンネル覆工面２たる測定対象物１を打撃して、その振動を生じさせる打撃具４を用いる。
ここで、該打撃具４についての種類は、なんら限定されるものではないが、一般的にトンネル覆工面２のような比較的硬い面を継続的に打撃して計測するものであるから、耐久性があり、また変形しない部材で形成するのが好ましい。よって、例えば球状の鋼製部材である鋼球により形成した打撃具４などを使用するのが好ましい。

また、前記鋼球はその直径の径幅が異なるものを複数種類用意するものとし、例えば、測定すべき対象物の厚みが厚いものについては比較的大径の鋼球が用いられ、厚みが薄い場合については比較的小径の鋼球が用いられる等の使用の仕分けがなされる。

また、測定に際し、取得したいとする振動の周波数帯域によっても、使用する鋼球の大きさを異ならせて使用できる。
すなわち、計測、取得したい周波数帯域が低域に関する場合は、比較的大径の鋼球で打撃した方が低域の振動、すなわち低周波の振動が得やすい。これに対し、振動の周波数帯域につき、高域の振動周波数を取得したい場合は、比較的小径の鋼球を使用して打撃するものとされる。

次に、本発明では、前記打撃具４による打撃によって生ずる測定対象物１の共振振動及びたわみ振動を検出する検出器（検出センサ）が用いられる。

前記の打撃音は振動として伝播する。その振動を接触型の検出器５あるいは非接触型の検出器５で検出するものとなる。

ここで、非接触型の検出器５としては、マイクロフォンなどの集音器が用いられ、接触型の検出器５としては、加速度計あるいはＡＥセンサなどが用いられる。

次いで、検出された振動は、電圧値に変換される。そして、検出された振動のうち、最大振動の振幅が最大電圧値として設定される。また、該最大電圧値に対するしきい値電圧値が複数個設定される。
すなわち、前記最大電圧値が、２．３Ｖと決定されれば、第１のしきい値電圧値はその値に０．０１を乗じた０．０２３ｖに設定され、第２のしきい値電圧は２．３Ｖに０．００１を乗じた０．００２３Ｖに設定される。
なお、このしきい値電圧値の設定は２個に限定されるものではなく、２個以上設定しても構わない。個数が多いほど、パラメータの比較が多くでき、もって評価の精度が向上する。
また、前記しきい値電圧の設定は、主に低周波数帯域の振動を取得したいときには、最大電圧値に０．０１を乗じた値、すなわち最大電圧値の１０分の１程度の値とし、また主に、高周波数帯域の振動を取得したいときには、最大電圧値に０．００１を乗じた値、すなわち最大電圧値の１００分の１程度の値とすれば、いずれの場合にも精度よく計測、評価できる。

しかして、これら最大電圧値の設定や、複数のしきい値電圧値の設定は、コンピュータを使用して行える。
さらに、前記振動計測において、いわゆる共振振動からたわみ振動へ移行すると思われる時刻を基準時刻として設定する。例えば、打撃から０．０００５ｓｅｃ経過時と設定するがごときである。

以上において、コンピュータにより、各種振動数の計測が行われる。
すなわち、前記２つの設定されたしきい値電圧、０．０２３ｖ及び０．００２３Ｖを越える振動の数が各々のしきい値電圧において、全体でいくつかが計測される。
次いで、前記基準時刻、例えば０．０００５ｓｅｃの前あるいは後において各々のしきい値電圧を越える振動の数がいくつかが計測される。
そして、計測されたそれぞれの振動数が、パラメータとして使用でき、これらの値を組み合わせたり、あるいは比率計算を行ない、これらの値を求めるだけで簡単にトンネル背面の空洞の評価が行えるものとなる。

ここで、本発明による計測、評価の手順につき、図１に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、トンネル６の背面空洞３を検知するために、当該トンネル覆工面２の調査、例えば計測対象物の構造や地盤条件などを調査する（ステップ１００）。

その後、前記の調査結果を基に、測定対象物１に対する打撃方法、例えば打撃具４として鋼球を用いるか否か、鋼球を用いる場合には、当該鋼球の大きさ、すなわち鋼球の直径などが決定される。また、打撃信号を検出する検出器５の種類、例えばマイクロフォンなど集音器である非接触型の検出器５を用いるか、あるいはＡＥセンサまたは加速度計などの接触型検出器５を用いるかを、取得すべき振動の周波数帯域が主に、広域なのか低域なのか、また感度の状態は良好なのかなどが考慮されて決定される。
次に、複数のしきい値電圧が設定される。この設定条件はすでに前述した通りである。
さらに、前述した基準時刻が設定される。ここで、基準時刻とは、打撃の開始時から一定時間経過したときの時刻を言う。例えば、打撃したときから０．０００５ｓｅｃ経過したときの時刻などをいい、基準時刻は０．０００５ｓｅｃと設定される。

かかる基準時刻の設定についても、一般に測定対象物の構造などが考慮されて決定される。すなわち、測定対象物の構造物の厚み、物性などである。当然のように、構造物の厚みが厚い場合には、当該基準時刻も長く設定されるものとなる。

以上、打撃方法、しきい値電圧及び基準時刻の設定がなされる（ステップ１０１）。

以上が決定した後、計測点、すなわちトンネル６の背面空洞３を検知するための計測箇所であるトンネル覆工面２に、打撃具４である鋼球を打撃する（ステップ１０２）。
そして、当該打撃による振動信号を、加速度計、ＡＥセンサやマイクロホン等の検出器５により検出し、前記検出した振動信号を電気信号（電圧）に変換する（ステップ１０３）。

次に、取得した振動信号の最大振幅値（A）を設定すると共に、該最大振幅値（A）を参照し、あらかじめ設定された数種類（例えば、0.01A、0.1Aなど）のしきい値電圧を超える振動数（Rc：リングダウンカウント）を計数する。
さらに、設定された基準時刻の前または後での数種類（例えば、0.01A、0.1Aなど）のしきい値電圧を超える振動数（Rc：リングダウンカウント）を計数する（ステップ１０４）。
これら（Rc：リングダウンカウント）を計測した後、前記の各計測数をを利用してトンネル６の背面空洞の有無などが判断されるのである（ステップ１０５）。

ここで、図３、図４を参照して、前記各計測数によるトンネル背面空洞評価の具体例につき説明する。図３，図４に示すような振動波形図は、前述したように例えば高額なデジタル波形収録装置あるいはウェーブレット変換など複雑な信号処理が行える高額機器によらなければ生成できない。

図３及び図４に示す波形図によれば、
２つのしきい値電圧設定は、以下のようにされた。すなわち、最大振幅値Ａを示す電圧値が２．３Ｖであれば、以下の通りである。
(a) A=2.3V，a＝0.1，b=0.01，T₁=aA=0.23V，T₂=bA=0.023V

2)また、最大振幅値Ａを示す電圧値が１．３Ｖであったときには、以下の通りに設定される。
(b) A=1.3V，a＝0.1，b=0.01，T₁=aA=0.13V，T₂=bA=0.013V

3)次に、基準時間設定は、以下のようにされた。
Tev＝0.0005sec（0.5ms）

以上の条件で、検出、計測作業が行われ、そして、その結果、図３，図４のような振動波形が得られたものである。
まず、図３の波形によれば、基準時刻後の各しきい値電圧を超える波形が急速に減少しているのがわかる。従って、トンネルの背面空洞が生じていないことがわかる。

また、図４によると、逆に基準時刻後に各しきい値電圧を超える振動波形が減少せず、すなわち振動が継続しているのがわかる。従って、図４の場合は、測定した箇所にトンネル背面空洞３が生じていると判断できるのである。

しかして、本発明では、この様な図３や図４に示す波形図がなくとも、上記と同様な評価が行える。すなわち、図３の打撃の場合には、
全体時間での各しきい値電圧の振動の計測数は、
Rc (T₁) = 5回, Rc(T₂) =32回である。

そして、基準時刻前の各しきい値電圧の振動の計測数は、
Rc (T₁)f =5 回, Rc(T₂)f =6回である。

さらに、基準時刻後の各しきい値電圧の振動の計測数は、
Rc (T₁)l = 0回, Rc(T₂)l =２６回である。

よって、しきい値(T₁)の場合_、基準時刻後の振動計測数は急激に減少しているが、しきい値(T₂)の場合は_、基準時刻以後２６回計測されている。しかしながらこの計測値は空洞を示す振動ではなく、いわゆる高周波振動を示すものであることが理解でき、この結果、図３の例では波形図がなくとも、前記計測されたパラメータを参照するだけでトンネル背面空洞がないとの評価ができるものとなる。

これに対し、図４の打撃の場合は、
全体時間での各しきい値電圧の振動の計測数は、
Rc (T₁) =１６回, Rc(T₂) =２２回である。

そして、基準時刻前の各しきい値電圧の振動の計測数は、
Rc (T₁)f =４回, Rc(T₂)f =４回である。

さらに、基準時刻後の各しきい値電圧の振動の計測数は、
Rc (T₁)l =１２回, Rc(T₂)l =１８回である。

よって、図４の打撃の場合は、両しきい値の場合において、すなわち、最大電圧値の１０％のしきい値の場合、及び最大電圧値の１％のしきい値の場合においてもほぼ同様に基準時刻後の振動計測数があることが理解できる。
従ってこの様な場合は測定対象箇所に空洞があり、その空洞による振動と理解でき、この結果、図４の例では波形図がなくとも、前記計測されたパラメータを参照するだけでトンネル背面空洞があるとの評価ができるものとなる。

さらに、図５には本発明による基準時刻前のしきい値を越えた振動の計測数と基準時刻後のしきい値を越えた振動の計測数の比率を求めることによってもいわゆるトンネル覆工面の評価が簡単に、かつ容易に行えることとなる。前記パラメータを利用してグラフ化することも出来る。

図６では、本発明で求めたパラメータを利用し、充填性状評価マップを作成した例を示している。この様な利用により、例えばトンネル背面の充填性状を瞬時に把握することも出来る。
この様に、本発明では、簡易なパラメータのみで評価可能であり、もって安価なアナログ収録装置でも充分に対応出来る。
よって、トンネル覆工工事の施工管理として活用できるし、また、調査箇所を打撃するのみで空洞の有無を検出可能である。したがって、専門の検査員が不要である。
さらに、調査対象毎に設定しきい値電圧やRc算出範囲を決定することで、様々なトンネル構造物の背面空洞や充填性調査に利用できるものとなる。

本発明による性状評価装置および性状評価方法は、トンネル覆工工事の施工管理として活用できるし、調査箇所を打撃するのみで空洞の有無を検出可能であり、専門の検査員が不要であり、調査対象毎に設定しきい値電圧やＲｃ算出範囲を決定することで、様々なトンネル構造物の背面空洞や充填性調査に利用できる。

本発明の構成を説明するフローチャートである。本発明の構成を説明する概略説明図である。振動波形図を説明する概略説明図（その１）である。振動波形図を説明する概略説明図（その２）である。振動数のパラメータを使用し、充填性状評価を棒グラフにして評価を行った説明図である。振動数のパラメータを使用し、充填性状評価マップ例にして評価を行った説明図である従来のグラウト注入量で評価を行った従来例の構成説明図である。

符号の説明

１測定対象物
２トンネル覆工面
３空洞
４打撃具
５検出器
６トンネル

Claims

測定対象物を打撃する打撃具と、該打撃具による打撃によって生ずる測定対象物の共振振動及びたわみ振動を検出する検出器と、
検出された振動のうち、最大振動振幅を最大電圧値として設定すると共に、該最大電圧値のしきい値を前記最大電圧値に１未満の数値を乗じた値で複数個設定するしきい値電圧設定器と、
前記振動において、共振振動からたわみ振動へ移行すると思われる時刻を基準時刻として設定する基準時刻設定器と、
前記複数のしきい値電圧を越える全体の振動数を計測すると共に、前記基準時刻前後の複数のしきい値電圧を越える振動数を計測する計測器と、
を備え、
計測された複数のしきい値電圧を越える全体の振動数と前記基準時刻前後の複数のしきい値電圧を越える振動数とにより、前記打撃箇所の性状を評価する、
ことを特徴とする性状評価装置。
前記打撃具は、鋼球により形成され、該鋼球の径は、測定対象物の性状により選択される打撃振動の周波数帯域により決定する、
ことを特徴とした請求項１記載の性状評価装置。
前記測定対象物の共振振動及びたわみ振動を検出する検出器は、音を集音する集音器、加速度計あるいはＡＥセンサである、
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の性状評価装置。
前記基準時刻の設定は、測定対象物の性状を考慮して設定する、
ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の性状評価装置。
トンネルの背面空洞の有無を測定すべき測定対象物を打撃し、該打撃によって生ずる打撃信号を検出すると共に、該打撃信号を電圧値に変換し、取得した電圧値のうち最大電圧値を決定すると共に、前記最大電圧値に対するしきい値電圧値を前記最大電圧値に１未満の数値を乗じて複数設定してなり、
打撃してから一定時刻経過する経過時間全体で、前記設定した複数のしきい値電圧値を越える振動の数を計測すると共に、打撃してからの経過時間につき、測定対象物の共振振動からたわみ振動に変化すると思われる時刻を基準時刻と定め、該設定時刻前後に前記設定した複数のしきい値電圧値をこえる振動の数を計測し、
双方の振動数の計測結果からトンネルの背面空洞有無を評価する、
ことを特徴とするトンネルの背面空洞有無評価方法。