JP2530178B2 - トンネルクラック検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，導水路，道路，鉄道等に用いられるトンネ
ルの壁面に発生したクラック（ひび割れ）を的確に検出
するトンネルクラック検出装置に関するものである。

〔従来の技術およびその問題点〕

水路トンネルの多くは建設後すでに約50年を経て老朽
化し，破壊などの事故が起きた場合は電力の供給支障を
およぼし，公衆に与える影響は大きい。また道路や鉄道
などのトンネルについても老朽化が進んでおり，破壊事
故などが起きた場合は人命にかかわる危険性をはらんで
いる。このような中で，トンネルの点検，調査の重要性
はきわめて高い。

ところで，従来から一般に行なわれているトンネル壁
面のクラック検出方法としては，数人の点検者がトンネ
ル内に入り暗中で電灯などの光を壁面にあてて巡視しな
がらスケッチあるいは写真撮影する等の目視による確認
が主体であった。

また，他の検出方法としては，例えば特開昭60−4926
0号公報に示されるように，トンネルライニング内面に
超音波送受信センサを密着させて超音波を発信し，ライ
ニング外面からの反射波を受信するまでの伝播時間を計
測することにより，トンネルライニングの強度や寸法を
推定する方法がある。

しかしながら，前述の目視確認による方法は，点検者
の経験年数や主観の差等により人によってその判断が異
なり，また暗中での目視確認であるため見落しが多く，
さらにトンネルが長い場合にあっては点検者を増員する
等多くの労力が必要となるという様々の問題点があっ
た。

また，前述の超音波を用いた方法は，本来ライニング
の強度，寸法を推定するための方法であり，この方法を
トンネルのクラック検出に適用した場合次に示すような
いろいろな問題が発生する。すなわち，この超音波法で
は超音波送受信センサをライニング内面に密着させる必
要がある。従って，トンネル全域を計測するために該超
音波送受信センサをトンネル円周方向に沿って回動し，
かつ前進しようとすると，計測に多大な時間を要すると
いう不都合がある。また，超音波による方法をトンネル
のクラック検出に適用した場合，トンネルの壁面は通常
コンクリートで形成されており，コンクリート内での超
音波伝搬特性が鉄鋼などに比べ非常に悪いことおよび，
壁面の凹凸により超音波送受信センサの接触状態が変動
し易いことから十分な計測精度を得ることができないと
いう問題があった。

そこで本発明者は，レーザ光をトンネル壁面に照射
し，照射方向と異なる方向からこのレーザ散乱光を計測
した場合，壁面の凹凸によってはレーザ散乱光の差はな
いが，クラックがある場合にはシャドウイング現象によ
りレーザ散乱光が著しく小さくなるという現象に着目
し，次に示すようなクラック検出装置を提案している。
（特願昭61−273380） この装置では，第10図に示すごとくトンネルの長手方
向に沿って走行する車両の所定位置に配設され車両の前
後方向軸に垂直な方向に対してレーザビームを回転走査
するレーザ光走査系によってレーザビームをトンネル内
周面に沿って２次元的に走査するとともに該レーザ走査
手段を車両の進行に伴ってトンネル長手方向に移動する
ことによりトンネルの全壁面にレーザビームを照射し，
該レーザビームのトンネル壁面での散乱光を車両に搭載
した前記受光手段で受光するようにしている。

すなわち，その１例を第11図に示す如く，このレーザ
光走査系101において，電動モータ102によって矢印方向
に回動するミラーホルダ103に固着されたミラー104にレ
ーザ発振器105からレーザビームＬが入射せしめられる
と，該レーザビームはミラー104によって入射方向と垂
直な方向に反射され，その後，ミラーホルダ103の窓部1
06を介してトンネル壁面107に入射され，トンネル壁面1
07を円周方向に沿って走査することになる。

このようにしてトンネル壁面107に対して略垂直とな
るように入射せしめられたレーザビームＬは該トンネル
壁面107に垂直に反射されると共に散乱する。

この散乱光を検出するようにミラーの位置から距離ｌ
だけ離間して配設されたフィッシュアイからなる集光レ
ンズ108およびフォトマルチプライヤからなる受光器109
と，レーザ回転走査の始端検出を行なうべく，ミラー10
4で反射されたレーザビームを一回転毎に１回ハーフミ
ラー110を介して検出するフォトダイオードからなる受
光センサ111とから構成されており，レーザビームＬを
トンネル壁面107に対してほぼ垂直に入射せしめ，壁面
からの反射および散乱光を集光レンズ108を介して受光
路109で検出し，処理回路でこの検出値を演算処理しク
ラックの発生位置を検出するものである。

ここで，レーザ発振器105からトンネル中心軸に沿っ
て発せられたミラー104で反射されたレーザビームはミ
ラーホルダ103の窓部106を介して，トンネル壁面107に
ほぼ垂直に入射せしめられ，トンネル壁面107を円周方
向に沿って走査する。そして，前記トンネル壁面107に
ほぼ垂直に入射され，壁面で反射および散乱せしめられ
たレーザビームは，前記受光器109に入射する。

ここでこの壁面からの散乱光量が検出される。トンネ
ルの大きさは多種多様でありこれらの大きさの変化に柔
軟に対応できることが必要となる。しかしながら前記レ
ーザ走査機構とレーザ受光機構を車体上部に固定した構
造の装置ではトンネルの直径の中心軸に合わせ，レーザ
光軸を調整する必要があるのと散乱光を良好に検出する
ためにミラーの位置からの距離ｌを調整する必要があ
る。又トンネル内で使用するため落下する水滴から守る
ためレーザ発振器，受光器を防水する必要がある。また
構造的に受光器109で全周のレーザ散乱光量を受光する
ときにケーシングＣが視野の障害となる。さらにトンネ
ル内の埃，および外乱光によりノイズが発生し精度が低
下するという問題がある。

本発明は上記問題に鑑みたもので，トンネルクラック
検出装置の測定の精度の向上および容易化をはかること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明ではトンネルの径に合わせ，トンネ
ルの中心軸に容易に調整される防水されたレーザ走査系
により，レーザ光をトンネルの長手方向に対して直交す
るトンネル壁面の全周に走査する走査系手段と，トンネ
ル壁面からの散乱光をレーザ光軸と平行に，かつ壁面か
らの入射角度を良好になるよう調整可能なうえ，防水さ
れた集光レンズよりなる受光手段と，被検査体の円周方
向の走査起点を検出する回転信号検出手段と，これとほ
ぼトンネルの中心線上を動く移送機構とを組み合わせク
ラックの有無および位置を検出するようにしている。

〔作用〕

すなわち，トンネルの断面が円形であることに着目
し，レーザ走査系をトンネル中心に配設するとともに、
この光軸に受光器を配設し、この受光器によって，トン
ネル全周分の散乱光量を瞬時に検出するものである。

これにより，クランクのない場合，例えば，円形断面
トンネルでのレーザ散乱光量の分布はトンネル全周で第
12図（ａ）に示す如く一様になり，受光器の撮像面には
第12図（ｂ）に示す如くレーザ軌跡が丸く写像せしめら
れる。

従って，このようなレーザ光走査系および受光器から
なるクラック検出系を移送機構によって移動しながらト
ンネル壁面を検出していく。このクラック検出系のトン
ネル内の位置検出を行なうことにより，位置情報とクラ
ック検出情報（散乱光量の検出情報）とから，クラック
がトンネルのどの位置で発生しているかの情報を得るこ
とができる。

なお，レーザ光は，トンネル壁面に対して垂直に照射
せしめられるが，この照射位置から距離ｌ だけ離間した位置に受光器を配設するとよい。ここでこ
の角θはシャドウイング現象の得られる最適角度であ
る。このように受光器の入射角度がシャドウイング現象
の最適角度となるように受光器を配設すれば，検出精度
を大幅に高めることができる。

〔実施例〕

以下本発明を図に示す実施例について説明する。

第１図は本発明の第１実施例を示す概要図である。こ
の第１図において車両１に防水構造の全周スキャニング
装置２（以下スキャニング装置という）および全周セン
シングセンサ装置３（以下センシング装置という）が搭
載されている。

スキャニング装置２はフレーム３に固定され，フレー
ム３はスライドアーム４に取着され、スライドアーム４
はAC、DCモータ等５により電動されるネジ等６により上
下し、これによりスキャニング装置３は上下方向に駆動
される。

センサ装置３はトンネルの長手方向に電動により調整
出来るフレーム７で車両１に連結されるとともに，上下
に電動されるアーム８が配設される車両1aの上に搭載さ
れている。

さらに車両１には，トンネルの長手方向に沿った車両
位置を検出するために，車輪Ａに，車輪と連動して走行
距離に比例した数のパルス信号を出力する走行距離計測
用パルス発生器９（以下距離パルス発生器という）が付
設されている。又，車両１にはトンネル内の中心線上を
動くようにレーザ又は超音波等の発信器10と受信器11を
円周方向に３個配設しトンネル壁面からの位置がほぼ均
等になるように車両１を制御している。

第２図はスキャニング装置２の１実施例を示す。ケー
ス20はフレーム３に固設されるとともにレーザ発振器10
5を内蔵し，かつ蓋21をＯリング22を用い密閉し防水し
ている。ケース20の１端にはレンズケース23がＯリング
24をはさみ固設され，その内側に，レンズ調整機構25お
よびレーザビームの幅を調整するレンズ26が配設されて
いる。レンズケース23の他端には，ミラーケース27がＯ
リング28を用い固設されるとともに防水シール29により
密閉されたガラス管30がはさみ込まれている。又その内
側にはミラー104が配置されている。ミラーケース27に
は外側に冷却フィン31を形成したモータケース32がＯリ
ング33を用い固設されるとともに，その内側に電動モー
タ102,および速度検出器34が配置されている。

第３図はセンサ装置３の１実施例を示す。ケース50は
アーム８に固設されるとともに１端は蓋51で，他端はレ
ンズケース52でＯリング53,54を介し密閉され防水され
ている。その内側にはフォトマルチプライヤ等のセンサ
を内蔵した受光器109および増幅器55が配設されてい
る。レンズケース52の他端にはＯリング56によりシール
された光学ガラス57が係止されている。又レンズケース
52の内側にはフィッシュアイ等によりなる集光レンズ10
8が受光器109に係止されている。

第４図は処理回路を示すブロック図である。１次記録
装置（VTR）60には，必要に応じ印加される高圧電源61
に接続された受光器109からの散乱光を増幅器55,信号処
理回路62にて処理した散乱光情報出力と，波形整形回路
63を介して入力せしめられる受光センサ111からの回転
始端情報出力と，距離パルス発生器９から距離信号処理
回路65を介しての走行距離情報と，マイク66から入力せ
しめられる音声情報とが順次記録される。

上記受光センサ111への回転の信号は，電動モータ102
の速度検出器34からの回転信号とコントローラ67内の指
令信号作成回路68からの指令信号とを速度制御回路64に
て比較し，所定の回転速度になるようモータドライバー
69に指令し，電動モータ102の回転を制御することによ
り定周期の信号が得られる。

１次記録装置60から再生された信号はA/D変換器70に
よりデジタル化し取り込み制御回路71によりタイミング
を合わせデータを読み出す。読み出された信号は２次記
録装置72に記録されるとともに画像処理器73にて画像化
し，これをプリンタ74またはモニタ75に出力する。

第５図は各種の信号の例を示す図であり距離信号（第
５図（ａ）），回転信号（第５図（ｂ））は定められた
周期で取り込まれ，画像信号（第５図（ｃ））は刻々の
データが取り込まれている。

次にこの構成においてトンネルクラック検出装置の動
作を説明する。

測定するトンネル径Ｄに合わせ，レーザ光軸がトンネ
ル径Ｄの中心に来るように，スキャニング装置２および
センシング装置３の高さをモータ等５により電動される
ネジ等６で調整する。

次に散乱光量を最適に受光するよう前記の式に合わせ
入射角度θとなるようセンサ装置３の位置ｌをフレーム
７で電動により水平移動させ調整する。

調整後，計測動作が開始される。まずコントローラ67
の指令より電動モータ102が回転する。電動モータ102に
よって高速回転されているミラー104でレーザ発振器105
からのレーザビームＬが直角方向に反射されガラス管30
を透過してトンネル壁面に対して垂直に照射するととも
に円周方向全域に走査される。このときトンネル壁面位
置におけるレーザビームスポットの幅はレンズ26を移動
することにより所定の幅に調整する。この壁面位置全周
に走査したレーザ光の散乱光量を光学ガラス57窓を通じ
て集光レンズ108により受光器109に集光する。

この受光器109からの出力は増幅器55により所定の信
号レベルに増幅し，信号処理回路62にて計測中に信号レ
ベルが外乱によりドリフトしたときの基準レベル（例え
ばＤレベル）へのオフセット調整，信号レベルが表面状
態によって低下したときの増幅などの信号処理を実施し
画像信号（第５図（ｃ））として第１次記録装置へ入力
する。このとき受光器109の受光感度は高圧電源61によ
り供給する感度に比例した印加電圧によって設定し，ト
ンネルの表面状況が計測中に変化しレーザ光の表面反射
率と乱反射成分などの変化によって受光感度が低下した
ときは高圧電源61からの印加電圧を受光感度の低下量に
応じて調整することにより受光感度は一様に保持され
る。

次に円周方向の壁面位置に対応したレーザ光量の検出
の始点として所定の位置におけるレーザ光Ｌを反射ミラ
ー110を通じてレンズ112により受光センサ111へ集光す
る。

集光された受光センサ111の出力はコントローラ67の
波形回路によって所定の回転信号の第５図（ｂ）レベル
と波形に整形し１次記録装置へ入力する。

トンネルの長手方向の位置については車輪Ａと連動し
た距離パルス発生器９による。距離パルス発生器９は車
両の走行に伴なって変化するレーザ走査位置を検出する
ためのものでありこのパルス信号を距離信号処理回路62
にて車両１の走行速度の変動にかかわらず常に所定の距
離に比例した信号（例えば１パルス/mm;車両がトンネル
の長手方向に1mm走行する毎に１パルス信号を出力）に
処理して距離信号（第５図（ａ））として１次記録装置
60へ入力する。

以上によって検出した信号とマイク66からの音声情報
は車両の走行に伴って順次一次記録装置60に記録され
る。記録された一連のデータはオンラインまたはオフラ
インにより処理される。

すなわち,1次記録装置60から再生された信号はA/D変
換器70によりデジタル化し，取込制御回路71によりタイ
ミングよくデータを読み出す。本発明例（第５図）では
距離信号は距離信号処理回路65から出力された信号で例
えば車両１が1mm走行毎に１回出力する信号である。回
転信号はコントローラ67の波形整形回路からの出力信号
でレーザ光１走査あたり１回出力する信号である。画像
信号は信号処理回路62からの出力信号でありレーザ光１
走査あたりの出力する信号である。回転信号と画像信号
の出力位置は被検査体の円周方向の位置に対応してお
り，双方は同期化された信号である。画像信号の読み出
しでは，距離信号の立ち下がり（又は立ち上がり）を検
出し，次に回転信号の立ち下がり（又は立ち上がり）を
検出後，画像信号の取込みを行なうものである。

このように回転信号を被検査体の内面位置を起点とし
てその位置から画像信号を例えば1mmピッチのサンプリ
ング速度でサンプリングすれば被検査体の内面位置に対
して1mmピッチのデータが得られ，これを画像で表現で
き被検査体の内面性状を精度良く検査出来る。

次に第６図に示す第２実施例について説明する。この
第６図は第２実施例の概要図を斜視図にしたものであり
第１実施例とはスキャニング装置２は同一であり，セン
サ装置３の受光器109が単一でなく複数となっている。
従って第１実施例と同じ部品は同一記号にて表示すると
共に説明は省略する。

上記センサ装置３は散乱光を受光すべく入射角度θと
なる位置に調節されるのは第１実施例と同じであるが，
受光器109をトンネル内の中心軸を基準にして同間隔で
配置し各集光レンズ108を通し，受光器109_１〜ｎにより
各々全周に走査したレーザビームの散乱光量をセンシン
グする。

第７図は第２実施例の処理回路を示すブロック図であ
る。受光器109_１〜ｎが複数になるのにともない各々に
高圧電源61_１〜ｎ，増幅器55_１〜ｎが設けられている。

この構成においてその動作を説明する。

被検査体の形状（例えばトンネル径）が大きくなると
受光感度がその距離の２乗に比例して低下するためその
計測範囲に対してある程度限界がある。そのため受光感
度を向上させ計測範囲を増大を増大させるとともに精度
をアップさせるため受光器109_１〜ｎを複数としてい
る。

この受光器109_１〜ｎからの出力は各々増幅器55
_１〜ｎにより所定の信号レベルに増幅し，信号処理回路
62によって各受光器109_１〜ｎの感度差補正（受光素子
のもつ感度のバラツキ補正）と第８図に示す各データの
個数に対し積分し，その個数の平方根に比例してデータ
のノイズレベルを低減させる演算処理を行なう。また計
測中に信号レベルが外乱によりドリフトしたときの基準
レベル（例えば０レベル）へのオフセットを実施し第７
図に示す画像信号として一次記録装置60へ出力する。こ
のとき受光器109_１〜ｎの受光感度は高圧電源61_１〜ｎ
により供給する感度に比例した印加電圧によって設定
し，トンネルの表面状況が計測中に変化し，レーザ光の
表面反射率と乱反射成分などの変化によって受光感度が
低下したときには高圧電源61_１〜ｎからの印加電圧を受
光感度の低下量に応じて調整することにより受光感度は
一様に保持されるのは第１実施例と同じである。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明では被検査体に合わせレーザ
光を被検査体の中心軸に容易に調整出来るようにし，か
つ受光手段への散乱光の入射角度を最適になるよう被検
査体の長手方向に受光手段の位置を調整出来るように
し，又レーザ走査手段と受光手段を防水構造にしている
ため導水路トンネル内等でも計測出来る。

さらに受光手段に散乱光に応じて高圧電源から印加電
圧を加えるとともに受光手段を複数設けたため，例えば
受光手段が４個のときは従来技術に比べ約２倍に検出精
度を向上することが出来る。例えば第９図に示すごとく
受光器を４個使用したときのトンネル径に対する検出精
度を示したもので，計測に必要なデータ検出精度をノイ
ズ／受光レベル（＝S/N）＝40dBとすると検査出来るト
ンネル径は従来技術の3m（イ）から本発明の5.8m（ロ）
まで約２倍向上することが確認出来た。

以上のごとく本発明によれば容易に中心軸および入射
角度を調整出来ると共にセンサーの感度を向上したので
精度が向上するという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す概要図，第２図は本
発明の全周スキャニング装置を示す図，第３図は本発明
の全周センシングセンサ装置を示す図，第４図はトンネ
ルクラック検出装置の処理回路部を示すブロック図，第
５図（ａ），（ｂ）および（ｃ）は壁面にクラックが存
在している場合の出力波形を示す図，第６図は本発明の
第２実施例を示す斜視図，第７図はトンネルクラック検
出装置の処理回路部を示すブロック図，第８図（ａ）お
よび（ｂ）はクラックについてのデータを演算処理する
概要図，第９図はトンネル径に対する検出精度を示す
図，第10図は従来例を示す計測車の斜視図，第11図は従
来例を示すクラック検出装置の概要図，第12図（ａ）お
よび（ｂ）はクラック検出装置の受光器で検出される散
乱光分布およびレーザ軌跡を示す図。 101……レーザビーム走査系 102……電動モータ、103……ミラホルダ 104……ミラー、105……レーザ発振器 106……窓、107……トンネル壁面 108……集光レンズ、109……受光器 110……ハーフミラ、111……受光センサ １……車両 ２……全周スキャニング装置 ３……全周センシング装置 ５……モータ、６……ネジ ９……走行距離計測用パルス発生器 10……発信器、11……受信器 34……速度検出器、60……１次記録装置 61……高圧電源、62……信号処理回路 63……波形整形回路、64……速度制御回路 65……距離信号処理回路、66……マイク 67……コントローラ 68……指令信号作成回路 70……A/D変換器、71……取込み制御回路 72……２次記録装置、73……画像処理器 74……プリンタ、75……モニタ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光をトンネルの長手方向に対して直
   交するトンネル壁面の全周に走査する走査手段と、トン
   ネル壁面からの散乱光量を受光する受光手段と、走査手
   段と受光手段との相対位置を調整する調整手段と、トン
   ネルの長手方向に対して走査手段と受光手段とを移送す
   る移送手段とからなるトンネルクラック検出装置におい
   て、トンネルの円周方向の壁面までの距離を所定間隔毎
   に測定するとともに、トンネルの中心位置を検出しなが
   らトンネルの中心位置線上を防水型の走査手段および受
   光手段とを移送させる移送手段と、移送手段に付設され
   トンネルの長手方向の所定の走行距離に合わせて所定の
   パルスを発生する計測用パルス発生手段と、計測用パル
   ス発生手段からの所定のパルスに同期させて走査手段に
   トンネル壁面の全周を走査する指令を出力する制御手段
   とからなることを特徴とするトンネルクラック検出装
   置。
2. 【請求項２】請求項１のトンネルクラック検出装置にお
   いて、受光手段はトンネルの中心軸に平行に少なくとも
   ２個以上設け、および／あるいは、受光手段は高圧電源
   に接続されていることを特徴とするトンネルクラック検
   出装置。