JP2011133410A

JP2011133410A - トンネル覆工の変状監視方法

Info

Publication number: JP2011133410A
Application number: JP2009294390A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Seshimo; 雄一瀬下; Tomio Tsuzuki; 富雄都築; Mitsuyoshi Tsunekuni; 光義恒国; Takuya Kato; 拓也加藤; Kiwamu Tsuno; 究津野; Takahito Funabashi; 孝仁舟橋
Original assignee: Railway Technical Research Institute; Tokyo Electric Power Services Co Ltd
Current assignee: Railway Technical Research Institute; Tokyo Electric Power Services Co Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: JP5636672B2

Abstract

【課題】鉄道トンネル覆工のひび割れや変形などの変状の進行をリアルタイムに監視することにより、覆工コンクリートの剥落潜在リスクを回避することができるトンネル覆工の変状監視方法を提供する。
【解決手段】鉄道トンネル覆工３に生じた変状４を監視するための方法であって、列車ｔがトンネル内を通過する際に発生する振動により、鉄道トンネル覆工３に伝播する上記振動の加速度の周波数特性を繰り返し計測して蓄積し、この蓄積されたデータから逸脱した上記加速度の周波数特性を検知することにより、上記鉄道トンネル覆工３に生じた変状の進行を監視することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、新幹線や在来線などの鉄道トンネルのコンクリート片の剥落を未然に防ぐためのトンネル覆工の変状監視方法に関するものである。

一般的に、新幹線や在来線などに用いられるトンネルは、覆工材料の経年的な劣化や、地圧作用などにより、覆工コンクリートに、ひび割れや変形が生じてしまう。この覆工コンクリートに生じたひび割れや変形は、コンクリート片の剥落につながり、大量輸送機関を担っている鉄道においては、たとえ小規模なトンネル覆工のコンクリート剥落であっても社会的な影響が大きい。

このため、維持管理されている鉄道トンネルの検査は、２年に１回の実施が義務づけられている。この検査は、通常は夜間など列車の運行が行われていない時間帯において、目視や打音検査、レーザ検査、赤外線検査などを行い、トンネル覆工コンクリートに異常がないかを確認している。またこの検査では、覆工コンクリートの剥落に関し、変状の状態に応じて、
１．早期に補修が必要な箇所
２．当分の間補修は必要ないが、状態を監視する必要がある箇所
３．問題なし
の３つに分類する作業を行い、その結果に応じて維持管理を実施している。

しかし、２年に１回の検査により、上記１にある早期に補修が必要な箇所と判定された場合には、早期の補修により対応しているものの、上記２にある当分の間補修は必要ないが、状態を監視する必要がある箇所と判定された場合には、次回の検査時に注意して調査するにとどまっている。また、対象箇所に剥落のリスクが潜在しているものの、列車の運行されていない時間帯でしか調査することができないため、開発が進められている大型の検査機械などでは、調査時間の制限や費用の面から頻繁に導入することが困難であるという理由により、離散的な状態監視になってしまっている。

このため、監視でもっとも重要な要素である、変状がどれくらい進行したのか、また剥落が発生する恐れはないのか、といった把握が、連続的に精度良く確認できない状況にあり、これが覆工コンクリートの剥落の原因の一つであると考えられている。

そこで、例えば、下記特許文献においては、トンネルの壁面内部に、列車の進行方向（トンネルの長さ方向）に沿って、所定間隔で弾性波（アコステックエミッション）を検出する複数個のＡＥセンサを設け、列車のトンネル通過時に複数個のＡＥセンサで、それぞれ検出された弾性波レベルと、ＡＥセンサ毎に予め定めた設定レベルとの弾性波レベル偏差によって、トンネルの壁内部のクラックを検出するトンネル異常監視装置が提案されている。

この従来のトンネル異常監視装置では、ＡＥセンサに予め定めたレベルを設定しておき、トンネルの長さ方向に間隔おいて複数箇所に設けることにより、トンネル内部のクラックを検出するため、大型の検査機械の導入や列車の運行時間帯に関係なく調査することが可能である。

特開２００１−２６４３０３号公報

ところが、この従来のトンネル異常監視装置は、ＡＥセンサを用いて弾性波レベルの測定を行うため、当該ＡＥセンサを定間隔に配置して計測を行わないと変状に対する監視が難しいという問題がある。さらに、ＡＥセンサの数を多く設置する必要があるため、コストが嵩むという問題もある。

また、この他に既存技術として、亀裂変位計や光ファイバーを用いた方法もある。しかし、亀裂変位計を用いた場合には、変状が表面に現れている特定のひび割れにセンサをジャストポイントで設置するため、それ以外のひび割れの進展を監視することができないという問題がある。一方、光ファイバーを用いた場合には、ある程度の範囲の監視は可能であるが、剥落につながるような変状の内部への進展について監視することができないという問題がある。さらに、亀裂変位計や光ファイバーでは、ひび割れの延長距離が長くなったり、複数のひび割れが生じたりしている場合には、センサなどを多数設置する必要があるため、コストの負担が大きくなってしまうという問題もある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、鉄道トンネル覆工のひび割れや変形などの変状の進行をリアルタイムに監視することにより、覆工コンクリートの剥落潜在リスクを回避することができるトンネル覆工の変状監視方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、鉄道トンネル覆工に生じた変状を監視するための方法であって、列車がトンネル内を通過する際に発生する振動により、上記鉄道トンネル覆工に伝播する上記振動の加速度の周波数特性を繰り返し計測して蓄積し、この蓄積されたデータから逸脱した上記加速度の周波数特性を検知することにより、上記鉄道トンネル覆工に生じた変状の進行を監視することを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の本発明は、鉄道トンネル覆工に生じた変状を監視するための方法であって、列車がトンネル内を通過する際に発生する振動により、上記鉄道トンネル覆工のに伝播する上記振動のセンサ間の伝播速度の特性を繰り返し計測して蓄積し、この蓄積されたデータから逸脱した上記伝播速度の特性を検知することにより、上記鉄道トンネル覆工に生じた変状の進行を監視することを特徴とするものである。

そして、請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載されたトンネル覆工の変状監視方法によって、上記蓄積されたデータから逸脱した上記加速度の周波数特性を検知して、なおかつ請求項２に記載されたトンネル覆工の変状監視方法によって、上記蓄積されたデータから逸脱した上記伝播速度の特性を検知した際に、上記鉄道トンネル覆工に変状の進行が生じたと判断して報知することを特徴とするものである。

請求項１〜３に記載の本発明によれば、列車がトンネル内を通過する際に発生する振動を利用することにより、上記鉄道トンネル覆工に伝播する当該振動を計測して蓄積し、この蓄積されたデータから逸脱した値を検知することにより、上記鉄道トンネル覆工に生じた変状の進行を監視しているため、打音検査などの非破壊検査と比較して振動が大きい列車振動を利用することにより、安定した計測が行え、剥離につながる変状の進行をリアルタイムで監視することができるとともに、トンネル内を繰り返し通過する列車により、安定した多くのデータを取得することができる。この結果、変状の検知精度を向上させることができる。

また、請求項１および２に記載の発明によれば、上記鉄道トンネルの覆工に伝播する上記振動の加速度の周波数特性またはセンサ間の伝播速度の特性を繰り返し計測しているため、センサ周囲の変状の三次元的な進展を監視することができるとともに、上記鉄道トンネル覆工に設置する２〜３点間の伝播速度の変化や変状近傍の加速度の変化に着目しているため、上記センサの数をＡＥセンサと比較して少なくすることができる。これにより、覆工コンクリートの表面の変状だけでなく、深部の変状も監視することができる。また、設置に要する時間を短縮することができるとともに、設置コストを抑えることができる。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載されたトンネル覆工の変状監視方法によって、上記蓄積されたデータから上記加速度の周波数特性を検知して、なおかつ請求項２に記載されたトンネル覆工の変状監視方法によって、上記蓄積されたデータから逸脱した上記伝播速度の特性を検知した際に、上記鉄道トンネル覆工に変状の進行が生じたと判断して報知するため、一方の測定値に謝りがあった場合でも、他方の測定値によりその整合性を確認することができる。この結果、測定値の精度を向上させることができる。

また、異なる二つの測定方法により測定し検知するため、比較的広範囲での変形や連続したひび割れなどの変状についても監視することができるとともに、新たに生じた変形やひび割れも検出および監視することができる。これにより、トンネル覆工に潜在する剥離のリスクを極力少なくすることができる。

本発明のトンネル覆工の変状監視方法を説明するための一実施形態を示す概略図である。本発明のトンネル覆工の変状監視方法を説明するための一実施形態を示す概略図である。二つの振動波形の立ち上がりの時間差による伝播速度の評価方法を説明するグラフである。二つの振動波形の相互相関係数が最大となる時間差による伝播速度の評価方法を説明するための（ａ）はグラフ、（ｂ）はフローチャート図、（ｃ）は相互相関係数と時間ずれを表すグラフである。加速度センサによる加速度レベル値を表すグラフである。振動特性の変化を表し、（ａ）は実験概要を説明する説明図、（ｂ）は振動加速度フーリエスペクトル図である。加速度センサ間の伝播時間を表すグラフである。図５および図６の値を計測するために鉄道トンネル覆工に配置した加速度センサを説明する説明図である。

図１〜２は、本発明のトンネル覆工の変状監視方法を説明するための概略図である。
本発明のトンネル覆工の変状監視方法に用いられる装置は、図１および図２に示すように、鉄道トンネル覆工３に生じた変状の剥落に対する要注意箇所４の周辺に設置された複数個の加速度センサ１と、この加速度センサ１により検出した振動を演算する制御装置２により概略構成されている。

そして、加速度センサ１により検出された振動を演算する制御装置２は、鉄道トンネル覆工３に伝播する列車ｔの振動を加速度センサ１を介し、この加速度センサ１の設置箇所の加速度の周波数特性（加速度レベル値）および複数の加速度センサ１間の伝播速度の特性（伝播速度値）を繰り返し演算して蓄積し、この蓄積されたデータから逸脱した加速度レベル値および伝播速度値を検知し、この検知したデータを診断して、その危険度レベルに応じて報知するものである。

以上の構成を用いた本発明のトンネル覆工の変状監視方法により、鉄道トンネル覆工３に生じた変状の進行を監視するためには、まず列車ｔが運行していない時間帯において、目視や打音検査などにより、鉄道トンネル覆工３に生じた変状を確認する。このときに、早期に補修が必要な箇所においては、早期補修により対処する。そして、当分の間補修は必要ないが、状態を監視する必要がある箇所４においては、その変状の進行を監視するために、図１または図２に示すように、当該変状箇所４の周辺に複数個の加速度センサ１を配置する。

次いで、列車ｔが運行され、変状のある鉄道トンネル覆工３に列車ｔが通過することにより、その振動が覆工コンクリートに伝播する。このときに発生する振動は、列車ｔの車輪とレールの継目との相互作用などに起因して、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの広い周波数であり、かつ鉄道トンネル覆工３全体に伝播するような高いエネルギーを持ったものである。

そして、鉄道トンネル覆工３に伝播した広い周波数帯かつ高エネルギーの上記振動は、鉄道トンネル覆工３面に取り付けられた加速度センサ１により検出され、この検出された振動が制御装置２により演算され、加速度センサ１の設置箇所の加速度レベル値と、加速度センサ１間の伝搬速度値が得られる。このようにして得られたデータは、制御装置２に逐一蓄積される。このときに計測される上記加速度レベル値は、図５の振動加速度レベルを表すグラフに示すように、鉄道トンネル覆工３内を通過する列車ｔが、速度の速い特急や重量のある貨物、または普通列車であっても、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚにおいては略同じ値を示す。このため、鉄道トンネル覆工３を通過する列車ｔの種類が異なっていても、発生する振動を繰り返し計測し蓄積するとともに、この蓄積されたデータから逸脱する加速度レベル値を検知することによって、鉄道トンネル覆工３に生じた変状箇所４の進行の監視を正確に行うことができる。ちなみに、図５のグラフは、図８に示すように、鉄道トンネル覆工３の中心より下側の４箇所の脚部、下部、中部、上部に加速度センサ１を取り付けて計測したものである。

一方、発明者が行った実験によると、鉄道トンネルの覆工コンクリートの損傷の状態が大きく変化した場合に、２００〜４００Ｈｚの高い周波数帯の加速度レベル値が大きく変化して顕著に現れることがわかった。この実験は、図６（ａ）に示すように、長さ２ｍの梁試験体を作製し、損傷の無い試験体Ａ、損傷のある試験体Ｂとして、それぞれに振動を与えて計測を行ったものである。この実験の結果、図６（ｂ）の振動加速度のフーリエスペクトル図に示すように、損傷がある場合は損傷が無い場合と比較して、２００〜４００Ｈｚの高い周波数帯において、フーリエスペクトルに違いが見られ、損傷によって振動特性が顕在化することを確認すことができた。
他方、図５の加速度レベルを表すグラフによれば、２００〜４００Ｈｚの周波数帯は、異なる種類の列車ｔが鉄道トンネル覆工３内を通過する際に、各々が発生する振動の周波数帯の内、最も差の少ない周波数帯である。これにより、鉄道トンネル覆工３内を通過する列車が発生する振動の周波数帯の内、２００〜４００Ｈｚあたりの周波数帯の変位を検知することにより、さらに正確な監視を行うことができる。

さらに、計測した上記加速度レベル値を制御装置２に蓄積するとともに、加速度センサ１により検出した振動を制御装置２により演算し、加速度センサ１間の伝播速度値を計測して、その計測データを逐一制御装置２に蓄積する。この際に計測される伝播速度値は、図７に示すように、鉄道トンネル覆工３内を通過する列車ｔが、貨物、特急、普通列車など種類に関係なく略同じ傾きを示す。このため、鉄道トンネル覆工３を通過する列車ｔの種類が異なっていても、発生する振動を繰り返し計測し蓄積するとともに、この蓄積されたデータから逸脱する加速度レベル値を検知することによって、鉄道トンネル覆工３に生じた変状箇所４の進行の監視を正確に行うことができる。

また、図７に示す伝播時間と距離の関係から求めた伝播速度値は、以下の計算により求めることができる。
伝播速度＝伝播時間Δｔ／距離ΔＬ
この際に、以下の二つの評価方法により伝播時間Δｔ求めることができる。
（１）二つの振動波形の立ち上がりの時間差に着目する方法
（２）二つの振動波形の相互相関係係数が最大となる時間差を探す方法
ちなみに、距離ΔＬは、Ａ地点からＢ地点の距離である。
（１）の評価方法は、図３に示すように、Ａ地点の振動波形とＢ地点の振動波形の立ち上がりの時間差を伝播時間Δｔとするものである。
（２）の評価方法は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ａ地点の振動波形とＢ地点の振動波形の時間ずれＴｉから、この二つの振動波形の相互相関係係数Ｃｉを算出し、さらに、上記時間ずれＴｉを変化させた時間ずれＴｉ₊₁（Ｔｉ₊₁＝Ｔｉ＋最初刻み）から、再び二つの振動波形の相互相関係係数Ｃｉを算出する。これを繰り返えすことにより、図４（ｃ）に示すように、相互相関係係数Ｃの最大値を探し、この最大値の時間ずれＴが、伝播時間Δｔとするものである。

そして、制御装置２に蓄積されたデータから逸脱した上記加速度レベル値と上記伝搬速度値から、鉄道トンネル覆工３に生じた変状の進行を監視するとともに、逸脱した値から変状箇所４の危険レベルを制御装置２により診断し、この診断により危険だと判断された場合には、例えば、鉄道トンネル覆工３内を通過する列車の運転手にランプを点灯させて報知したり、無線などを使い管理センターに報知する。

さらに、制御装置２に蓄積された上記加速度レベル値および上記伝播速度値や、逸脱した上記加速度レベル値および上記伝播速度値の何れか一方に誤りがあった場合には、制御装置２により整合性を確認する。

上述の実施形態を用いたトンネル覆工の変状監視方法によれば、列車ｔがトンネル内を通過する際に発生する振動を利用することにより、鉄道トンネル覆工３に伝播する当該振動を計測して蓄積し、この蓄積されたデータから逸脱した値を検知することにより、鉄道トンネル覆工３に生じた変状の進行を監視しているため、列車ｔ振動の高いエネルギーを利用し、剥離につながる変状の進行をリアルタイムで監視することができるとともに、トンネル内を繰り返し通過する列車ｔによって、多くのデータを取得することができる。この結果、安定した計測を行うことができ、変状の検知精度を向上させることができる。

また、鉄道トンネルの覆工３に伝播する上記振動を、加速度レベル値またはセンサ間の伝播速度値により繰り返し計測しているため、センサ周囲の変状の三次元的な進展を監視することができるとともに、鉄道トンネル覆工３に設置する上記センサの数を少なくすることができる。これにより、覆工コンクリートの表面の変状だけでなく、覆工内部にまで存在する剥離につながる変状までも覆工コンクリートを伝播する列車振動の振動特性を用いて、監視することができる。また、設置に要する時間を短縮することができるとともに、設置コストを抑えることができる。

さらに、鉄道トンネル覆工３に伝播する上記振動の加速度レベル値を検知して、なおかつセンサ間の伝播速度値を検知した際に、鉄道トンネル覆工３に変状の進行が生じたと判断して報知するため、一方の測定値に謝りがあった場合でも、他方の測定値によりその整合性を確認することができる。この結果、測定値の精度を向上させることができる。

なお、上述の実施形態のおいて、加速度レベル値とセンサ間の伝播速度値との両方の値を計測する方法のみを説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、どちらか一方の値のみを制御装置２により計測しても対応可能である。この際に、例えば、加速度レベル値により局所のみを計測する場合は、用いられるセンサは、加速度センサ１の他に、速度センサまたは変位センサなどでも対応可能であり、さらに設置した局所の振動を感知するものであれば、どのようなセンサでも対応することができる。

鉄道トンネルなどの覆工コンクリートに生じた変状を監視する際に利用することができる。

１加速度センサ
２制御装置
３鉄道トンネル覆工
４変状箇所

Claims

鉄道トンネル覆工に生じた変状を監視するための方法であって、
列車がトンネル内を通過する際に発生する振動により、上記鉄道トンネル覆工に伝播する上記振動の加速度の周波数特性を繰り返し計測して蓄積し、この蓄積されたデータから逸脱した上記加速度の周波数特性を検知することにより、上記鉄道トンネル覆工に生じた変状の進行を監視することを特徴とするトンネル覆工の変状監視方法。
鉄道トンネル覆工に生じた変状を監視するための方法であって、
列車がトンネル内を通過する際に発生する振動により、上記鉄道トンネル覆工のに伝播する上記振動のセンサ間の伝播速度の特性を繰り返し計測して蓄積し、この蓄積されたデータから逸脱した上記伝播速度の特性を検知することにより、上記鉄道トンネル覆工に生じた変状の進行を監視することを特徴とするトンネル覆工の変状監視方法。
請求項１に記載されたトンネル覆工の変状監視方法によって、上記蓄積されたデータから逸脱した上記加速度の周波数特性を検知して、なおかつ請求項２に記載されたトンネル覆工の変状監視方法によって、上記蓄積されたデータから逸脱した上記伝播速度の特性を検知した際に、上記鉄道トンネル覆工に変状の進行が生じたと判断して報知することを特徴とするトンネル覆工の変状監視方法。