JP2844816B2

JP2844816B2 - トンネル構造物の検査装置

Info

Publication number: JP2844816B2
Application number: JP2072481A
Authority: JP
Inventors: 春視荒木
Original assignee: Aero Asahi Corp
Current assignee: Aero Asahi Corp
Priority date: 1990-03-22
Filing date: 1990-03-22
Publication date: 1999-01-13
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: JPH03272488A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、トンネル構造物の検査装置に関し、より具
体的にはレーダ方式によりトンネル覆工面及びその背部
を非破壊検査する装置に関する。

［従来の技術］レーダ方式により地中埋設物体を探査する方法又は装
置としては、昭和63年特許出願公開第58278号、昭和63
年特許出願公開第304188号、平成１年特許出願公開第18
0487号、平成１年特許出願公開第274092号などがある。

これらは専ら、地中の水道管、ガス管などの探査用に
開発されたもので、道路面からインパルス状の電波を送
信し、反射の有無による地中埋設物の有無を知り、反射
波の遅延時間により地中埋設物の深さを知るものであ
る。

［発明が解決しようとする課題］近年の道路・鉄道の土木構造物設計思想として、地滑
り地、崩壊・雪崩多発地区では、基盤岩にトンネルを掘
削して災害を回避するといった考え方が定着している。
しかしトンネルによっても危険が完全に回避できるわけ
ではない。地滑りや崩壊などの原因になる地質構造や地
下水が、トンネル構造物に経年変化として変形・変質を
与え、最終的にトンネル構造物の破壊を招くからであ
る。

トンネル構造物の経年変化は、現象的には力学的変
化、物理的変化、及び化学的変化に分類できる。力学的
変化としては、応力場の変化が原因でトンネル断面形状
に変位を生じ、亀裂、落盤、剥離、圧挫、盤ぶくれ、目
地切れ、食い違いなどとなって現われる。物理的変化と
しては、覆工面の背面における土砂流出、粘土鉱物の膨
潤や凍結膨張などがあり、物理的変化の信号は力学的は
変化を助長する。化学的変化としては、風化作用による
岩質変化、鉱泉水、温泉水又は地下水によるコンクリー
トや鋼材の腐食などがあり、化学的変化の進行は力学的
な変化をもたらす。

上記従来例は、このようなトンネル構造物の状態を的
確に探査できるものではなかった。即ち、トンネル内で
は電波が多重反射し、これにより従来の装置では、覆工
面の背面の空洞、地下水などと共に覆工面のコンクリー
トや鋼材の腐食状況を検査することが困難であった。

そこで本発明は、これらを容易に且つ精度よく探査で
きるトンネル構造物の検査装置を提示することを目的と
する。

［課題を解決するための手段］本発明に係るトンネル構造物の検査装置は、トンネル
構造物に電磁波を照射する狭指向性の送信アンテナと、
当該送信アンテナに所定周波数範囲の信号を供給する掃
引発振回路と、当該トンネル構造物からの反射波を受信
する第１の受信アンテナと、トンネル内の多重反射波を
受信する第２の受信アンテナと、当該第１及び第２の受
信アンテナによる受信電波から、当該トンネル構造物の
一次反射成分の、所定周波数についての反射の有無及び
その遅延時間を求める演算手段とからなることを特徴と
する。

［作用］上記掃引発振回路により、浅い部分から深い部分にわ
たり、それぞれに適した周波数の電波で検査を行なうこ
とができ、夫々で必要な分解能を容易に確保できる。ま
た、第２の受信アンテナにより、多重反射成分を除去で
きるので、深い部分を精度よく調査できるようになる。

［実施例］以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成ブロック図を示す。
第２図はトンネル断面における本実施例のアンテナ配置
を模式的に示す。先ず、第２図を説明する。10は探査対
象に電波を照射する送信アンテナ、12,14は反射波を受
信する受信アンテナである。受信アンテナ12は直截反射
波を受信する向きに配置され、受信アンテナ14は直接反
射波以外の、トンネル内の多重反射波を受信する向きに
配置されている。送信アンテナ10は狭指向性（例えば、
10゜程度）のアンテナ、例えばパラボラ・アンテナが好
ましく、受信アンテナ12,14は無指向性又は比較的広い
指向性のアンテナでよい。受信アンテナ12はまた、目的
及び測定対象物までの距離などを勘案して、狭指向性の
アンテナの方がよい場合もありうる。

送信アンテナ10及び受信アンテナ12,14は、２つの台
座16,18を介して台車20に取り付けられている。台座18
は鉛直線を回転中心として水平面内で回転自在に台車20
に取り付けられ、台座16は地面に並行な線を回転中心と
して回転自在に台座18に取り付けられている。即ち、台
座16はアンテナ10,12,14と共に、矢印17a,17bに示すよ
うに回転させることにより、台座18上で＋90゜の横方
向、上方向及び−90゜の横方向に向けることができる。
従って、アンテナ10,12,14は一体に、地面に対して２方
向に回転自在である。

第１図において、22は0.3〜3GHzの周波数で発振する
掃引発振回路、24は掃引発振回路22を起動するトリガ信
号を発生するトリガ発生回路、26は掃引発振回路22の出
力を増幅して送信アンテナ10に供給するアンプである。
28は、受信アンテナ12の受信電波を増幅するアンプ、30
は受信アンテナ14の受信電波を増幅するアンプである。

34,36はそれぞれアンプ28,30の出力から、掃引発振回
路22の各周波数帯域における反射波の有無及びその遅延
時間を演算処理し、反射強さ及び遅延時間を示す信号を
出力する演算処理回路である。38は演算処理回路34,36
の出力を加算、減算又は一方を選択して映像モニタ装置
40に供給する合成回路である。映像モニタ装置40は、合
成回路38の出力を映像信号化する回路を含んでいる。

なお、掃引発振回路22、トリガ発生回路24、演算処理
回路34,36及び合成回路38の機能は、具体的には、米国
ヒューレット・パッカード社製造のネットワーク・アナ
ライザHP8753により実現されている。理解を容易にする
ために、第１図では演算処理回路34とは別に演算処理回
路36を設け、合成回路38を設けているが、これは理解を
容易にするためであり、上記ネットワーク・アナライザ
では、両演算処理回路34,36及び合成回路38の機能を操
作パネルは外部コマンド若しくはソフトウェア制御によ
り選択できるようになっている。

映像モニタ装置40の画面では、例えば、画面横方向を
台車20の移動位置、台座16又は台座18の回転角度とし、
画面縦方向を探査しようとする方向の深さ方向とし、反
射量（又はその規格値）に応じたカラー表示の画像を表
示する。

演算処理回路34,36及び合成回路38の出力は、詳細な
検討のために、調査位置を示す調査位置信号と共に記録
装置42に印加され、紙、磁気ディスクその他の媒体に記
録される。調査位置信号は、台車20の車輪の回転量から
得られる。

電磁波は、周波数が高い程地層内へ浸透しにくくなる
が、逆に分解能は高くなる。そこで、探査対象及びその
深さに応じて、掃引周波数の範囲又は判断する周波数を
選択する。換言すれば、深い部分の探査には、低い周波
数の反射波を分析に使用し、浅い部分の探査には、高い
周波数の反射波を分析に使用する。

各探査箇所に応じて具体的に説明する。

（１）覆工面コンクリートの変質調査応力変形が覆工面に及ぶと、コンクリートにヒビ割れ
が生じ、このヒビ割れ部に地下水が染み込むと、石灰質
が溶脱され、コンクリートが多孔質化し、脆弱になる。
多孔質コンクリートでは電波の減衰が大きいので、例え
ば、コンクリート背面からの反射波の強度を見れば、多
孔質化している箇所を判別できる。この調査のために
は、例えば２〜3GHzの高周波を利用する。

（２）覆工面鋼材の腐食調査覆工コンクリートには鉄骨が埋め込まれており、その
鋼材は経年変化及び風化作用により腐食する。すると、
覆工コンクリートの強度が低下し、トンネル陥没の要因
となる。鋼材は電磁波に対して大きな反射率を持つが、
その反射率は鋼材の酸化腐食により低下する。これに応
じて、電波は覆工背面のより深部にまで到達するように
なる。従って、本来あるべき箇所からの反射が少なくな
れば、鋼材の腐食を推定できる。この調査のためには、
例えば１〜2GHzの高周波を利用する。

（３）地下水分布の調査覆工背面地盤の水分変化は覆工面のコンクリートや鋼
材の劣化を早める。覆工背面の地下水分布はトンネル地
上部での土地利用とも関連しており、地上の開発が地下
水分布を変えることがある。

覆工背面地盤が岩盤の場合、土の場合と比較して、電
波の減衰は遥かに小さい。しかし、同一地盤では地層間
隙での地下水充填率が大きい程、電波の減衰は顕著なも
のとなり、電波は深部まで到達できなくなる。従って、
覆工背面での地下水湿潤は、深部からの反射率の低下に
なって現われる。この調査のためには、例えば200〜300
MHzの中間周波を利用する。

（４）覆工背面の空洞調査トンネル構造物では、地圧からの変形を避けるために
水抜き孔が設けられている。また、トンネル湧水も相当
量に達する。長い年月の間には、覆工背面から土砂が流
出し、空洞が形成される。このような覆工背面の空洞は
覆工コンクリートに応力歪みを与え、せん断破壊の原因
となる。また、地下水の貯蔵タンクになり、コンクリー
トや鋼材を変質させる。

レーダ波は地盤の不連続面で屈折反射する。反射率は
不連続面が粗いほど小さくなり、滑らかな程大きくな
る。空洞に地下水が充填しているときには、地下水によ
る減衰が加わる。空洞の大きさによっては、屈折により
送信波に対して受信波の受信点が横にシフトする。この
ような受信点のシフトは、台座18の複数の回転位置の調
査結果を比較することにより検知できる。

この調査のためには、例えば200〜300MHzの中間周波
を利用する。

（５）覆工背面地盤の亀裂調査トンネル覆工部の変形は、地盤変位によることが多
い。地盤変位は、トンネル掘削による地中応力の変化
や、地層の断層、破砕帯の変位など要因になる。

レーダ波を地中深くまで貫入させると、密度及び水分
の違いを反映した減衰及び反射があり、地層及び破砕帯
ではレーダ波の反射率が下がる。

レーダ波を地中深く貫入させるために、この調査のた
めには、例えば10〜50MHzの低周波を利用する。この調
査は、トンネル構造物のみならず、大規模地下空間の維
持管理、トンネル・ダム地質調査（試掘調査）にも利用
できる。

（６）トンネル掘削切羽の地質調査山はねや異常出水の予測は、トンネル堀削時の重要な
課題である。山はね現象は、岩中応力が岩盤の特定部分
に集中することにより発生し、異常出水も地中応力歪み
と深い関わり合いを持つ。何れも、地中の地盤に異常に
大きな圧縮応力が作用した結果の物理現象であり、異常
な応力分布には近くの断層や破砕帯が関与している。従
って、（４）で述べたように、断層や破砕帯を探知する
ことで、山はね及び異常出水の発生を予測できる。

次に、本実施例の動作を説明する。例えば、トンネル
の天盤を調べる場合、台車20をトンネル内に入れ、送信
アンテナ10を天盤に向けた状態で固定し、ゆっくり台車
20をトンネルに沿って移動させながら、掃引発振回路22
の発振周波数を掃引して送信アンテナ10から天盤にレー
ダ波を照射する。なお、上記ヒューレット・パッカード
社製造のネットワーク・アナライザでは、0.3〜3GHzを
最大1600個の任意数の帯域に分割でき、上述のように、
調査対象に応じて帯域の分割数、即ち分割幅を設定す
る。

天盤に照射された電波は、覆工面の内表面、内部及び
裏表面、並びに覆工面背部の空洞や地下水などにより反
射され、受信アンテナ12が、この直接反射波又は１次反
射波を受信する。他方、受信アンテナ14はこの直接反射
波を受信しないような方向に向けられている。直接反射
波はトンネル内で多重反射し、それが受信アンテナ14に
より受信される。

受信アンテナ12,14により受信された電波はアンプ28,
30により増幅され、演算処理回路34,36に印加される。
演算処理回路34,36は、トリガ発生回路24の発生するト
リガ信号を参照して、各周波数成分について反射波の有
無及び遅延時間を求める。即ち、演算処理回路34,36
は、分割された周波数帯域毎に、反射遅延時間に相当す
る位相で、反射強度に応じた振幅の反射強度パルス信号
を出力する。但し、演算処理回路36の出力は、多重反射
成分の、各周波数成分の反射強度及び遅延時間を含んで
いる。

合成回路38では、演算処理回路34,36の出力を、観察
目的に応じて選択又は合成して映像モニタ装置40に供給
する。即ち、全体を粗く観察したい場合には、演算処理
回路34の出力をそのまま、又は演算処理回路34の出力か
ら演算処理回路36の出力を減算して多重反射の影響を除
去した信号を、映像モニタ装置40に印加する。覆工面の
コンクリート及び鋼材のように、極く浅い部分を調査す
る場合には、高周波成分のみを見ればよく、且つ、多重
反射による長い遅延時間の反射波は無視できるから、演
算処理回路34の出力のみを映像モニタ装置40に供給すれ
ばよい。覆工背面の深部を観察したい場合には、覆工面
内表面で反射した電波が他で反射して受信アンテナ12に
入射する可能性があるので、これを除去するために、演
算処理回路34の出力から演算処理回路36の出力を減算し
た信号を映像モニタ装置40に供給する。

なお、合成回路38での減算とは、演算処理回路36から
出力される反射検出信号に対応する同じ周波数帯域及び
同じ遅延時間の反射検出信号が演算処理回路34の出力に
ある場合に、これを無反射の信号にして出力することを
いう。加算は、両演算処理回路34,36の出力に、同じ周
波数帯域及び同じ遅延時間で反射検出信号がある場合
に、強度差に関わらず、一方（例えば演算処理回路34）
の出力信号、又はどちらか強い方の出力信号を出力する
ことをいう。

映像モニタ装置40では勿論、所望のスケールで深さ方
向の反射強度パターンを映像表示する。第３図は、映像
モニタ装置40の表示例を示す。モニタ画面内で、横方向
がトンネル方向の移動位置を示し、縦方向が深さ方向を
示す。事後の検討のために、調査位置の情報と共に、演
算処理回路34,36の出力（及び合成回路38の出力）を記
録装置42により紙、磁気ディスクなどの記録媒体に記録
しておく。

トンネルの断面構造を見たいときには、台車20を停止
させ、台座16を、その断面内で回転させればよい。第４
図は、この場合の映像モニタ装置40の表示例を示す。モ
ニタ画面の横方向が、鉛直線に対する台座16の角度、即
ち、送信アンテナ10の放射ビーム方向を示し、縦方向が
深さ方向を示す。

また、台座18を水平面内で回転させることにより、送
信アンテナ10に対する受信アンテナ12,14の水平面内で
の角度位置を変更でき、これにより、例えば覆工背面の
空洞や斜め亀裂による特異的な方向への反射を検出でき
る。

本実施例では多重反射成分を除去するための受信アン
テナ14を設けている。このような多重反射は、測定対象
物までの距離が自明であれば、例えばゲート回路により
除去できるが、トンネル構造物の場合、測定対象物まで
の距離がその都度変化し、また、異なる距離のものを測
定する必要がある。本実施例では、このような状況に柔
軟に対処できるという利点がある。

アンテナ10,12,14の向きを変える構成として、台座1
8,20は一例であり、勿論、その他の構成を採用できるこ
とはいうまでもない。

［発明の効果］以上の説明から容易に理解できるように、本発明によ
れば、トンネル構造物を幅広く非破壊で調査でき、トン
ネル覆工面及びその背部の断面映像を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成ブロック図、第２図は
アンテナ及びその支持構造の概略構造図、第３図及び第
４図は測定結果の表示例である。 10:送信アンテナ、12,14:受信アンテナ、16,18:台座16,
18、20:台車、22:掃引発振回路、24:トリガ発生回路、2
6,28,30:アンプ、34,36:演算処理回路、38:合成回路、4
0:映像モニタ装置、42:記録装置

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁波によりトンネル構造物を検査する装
置であって、トンネル構造物に電磁波を照射する狭指向
性の送信アンテナと、当該送信アンテナに所定周波数範
囲の信号を供給する掃引発振回路と、当該トンネル構造
物からの反射波を受信する第１の受信アンテナと、トン
ネル内の多重反射波を受信する第２の受信アンテナと、
当該第１及び第２の受信アンテナによる受信電波から、
当該トンネル構造物の一次反射成分の、所定周波数につ
いての反射の有無及びその遅延時間を求める演算手段と
からなることを特徴とするトンネル構造物の検査装置。