JP3448593B2

JP3448593B2 - 土木構造物の傷検出方法

Info

Publication number: JP3448593B2
Application number: JP2000009706A
Authority: JP
Inventors: 清蔵宮田; 弘行青木
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2003-09-22
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: JP2001201492A

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、橋梁、
高速道路等の土木構造物に生じたひび割れ、コールドジ
ョイント（接合不良）、空洞等の傷の検出方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最近、トンネルや高速道路等の土木構造
物において、コンクリート片の落下事故が頻発してい
る。そのため列車が脱線したり、列車の屋根が破壊され
る等の重大な事態を引き起こし、社会的に大きな問題と
なっている。このようなコンクリート片の落下は、コン
クリート壁に生じたひび割れ、空洞、あるいはコールド
ジョイント（ＣＪ）等の傷が原因となって起こる。コー
ルドジョイントとは、コンクリートを施工する際、一度
に流し込まずに時間差を生じたため冷えた部分と後から
施工した部分との間に継ぎ目ができる現象であり、一般
に不良工事とされている。このような土木構造物に生じ
た各種の傷を正確かつ効率的に検出する技術の開発が望
まれていた。

【０００３】従来の傷検出方法は、例えばトンネルの場
合、人間が目視により壁面の傷を判断したり、あるいは
ハンマーでトンネル壁の各所を叩いて回り、その音で内
部の異常を検知するという原初的な方法が採られてい
る。この方法は、検査する人間の目と耳の経験則に頼っ
たものであり、十分に正確であるとは言い難かった。ま
た、検査の際には、列車等の運行を止めねばならないと
いう欠点もあった。さらに最大の問題点として、上記の
方法は、常時継続的に傷を検出するものではないので、
検査で一旦正常と判断された箇所に後から傷を生じたよ
うな場合を見過ごしてしまう恐れがあった。

【０００４】また、別の検出方法として、超音波、レー
ザ、電磁波等を土木構造物に入射し、その反射を捉えて
画像処理等を行うことにより内部の傷を検出する方法が
知られている。例えば、特開昭６３−２４７６０８号
は、測定対象のコンクリートに超音波の送波器と受波器
を設置し、コンクリートを共振状態とする周波数の超音
波を送波して、コンクリートの厚さ及び内在するひび割
れの位置を測定するものである。これらは、上述の方法
と同様に、測定対象である土木構造物の各所において逐
次測定する必要があるため手間がかかり、また常時継続
的に傷を検出するものでもない。仮に、各所の検査を一
度に、かつ常時行おうとすれば、土木構造物に多数の送
波器と受波器を設置しなければならず、莫大な設備費が
必要となるので実現不可能であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の状況に鑑
み、本発明は、土木構造物を常時継続的にモニタリング
でき、したがって、列車等の運行に支障を来すことな
く、傷の発生を速やかに検出することができ、また検出
精度に優れて、安価に実施可能な土木構造物の傷検出方
法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の土木構造物の傷検出方法は、第一に、土木
構造物に所定の間隔をおいて複数の音響センサを備え、
前記複数の音響センサにより前記土木構造物を減衰しつ
つ伝搬する弾性波の強度を測定して前記弾性波の発生源
から進行方向へ向かう理想的な減衰曲線を取得し、前記
複数の音響センサの内のある特定の音響センサの測定値
が前記理想的な減衰曲線から予測される値に比較して小
さいときに、前記特定の音響センサから前記弾性波の発
生源寄りの位置に傷の存在を認識することを特徴とす
る。

【０００７】これによれば、複数の音響センサにより、
土木構造物を減衰しつつ伝搬する弾性波の強度が測定さ
れる。そして土木構造物のある箇所に傷が存在すると、
弾性波はその傷の位置で反射するため、傷を越えて伝搬
し難く、それ以降の強度が傷を境に不連続的に減少する
ため、その減少する位置を捉えることにより傷の存在が
認識される。なお、上記弾性波は、列車等の車両が土木
構造物に接触し又は圧力を与えるときに土木構造物に誘
起する弾性波を利用すると都合がよい。

【０００８】また、土木構造物を伝搬する弾性波は、傷
の位置で反射されるため、その反射波を捉えることによ
っても傷を検出できることを見出した。すなわち本発明
は、土木構造物に、所定の間隔をおいて複数の音響セン
サを備え、前記複数の音響センサにより前記土木構造物
を伝搬する弾性波を捉え、前記複数の音響センサの内の
ある特定の音響センサが、弾性波の伝搬速度から予測さ
れる時刻に前記弾性波を捉え、かつ前記予測される時刻
よりも遅い時刻に前記弾性波の反射波を捉えたときに、
前記特定の音響センサから前記弾性波の進行方向寄りの
位置に傷の存在を認識するものである。

【０００９】また本発明の第二の傷検出方法は、トンネ
ルに、所定の間隔をおいて複数の音響センサを備え、前
記トンネル内を列車が通過中に、前記列車がトンネル壁
に空気圧の変動を与えることによって前記トンネル壁に
振動が加わったときに、前記トンネルの傷から発生して
周囲に伝搬する弾性波を前記複数の音響センサにより測
定して前記弾性波の強度分布を取得し、前記強度分布に
おける最大強度の位置に傷の存在を認識することを特徴
とする。

【００１０】これによれば、トンネルが振動する際、傷
が存在すると、その傷が擦れ合う等して弾性波を発生
し、周囲へ向かって減衰しつつ伝搬するため、その弾性
波を複数の音響センサにより捉えて最大強度となる位置
を求めることにより傷の存在が認識される。なお、上記
振動としては、トンネル内を通過する列車がトンネル壁
に空気圧の変動を与えることによって加える振動を利用
すると都合がよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態により本発明を
詳細に説明する。図１は、本発明の第一の傷検出方法の
原理を説明する図である。図１において、測定対象とす
る土木構造物１は、コンクリート、鉄骨等から構成され
る構造物であり、具体例として、トンネル、橋梁、高速
道路等が挙げられる。

【００１２】土木構造物１には、所定の間隔をおいて複
数の音響センサ２が備えられる。そして、後述するよう
な列車の通過等を原因として土木構造物１に弾性波３が
誘起され、例えば図１のＡ地点からＢ地点へ向かって弾
性波３が伝搬する。弾性波３は、土木構造物１中を減衰
しつつ伝搬するが、その伝搬する過程において、複数の
音響センサ２により弾性波３の強度が測定される。音響
センサ２は、その設置した位置での弾性波３の強度に依
存した信号を発生するので、弾性波３の強度を測定する
ことができる。これにより、Ａ地点からＢ地点へ向かう
弾性波３の減衰曲線４が得られる。ここで、土木構造物
１にひび割れ、コールドジョイント、空洞等の傷５が存
在すると、弾性波３は、傷５を越えて伝搬し難く、Ａ地
点から傷５の位置まで伝搬して消滅するか、あるいは図
１に示すように、傷５を境に不連続的に強度が減少して
しまう。したがって、ある特定の音響センサ２Ａの測定
値ａが、傷５がなかったときの理想的な減衰曲線（点線
部分）から予測される値ｂと比較して小さいときに、特
定の音響センサ２Ａより弾性波３の発生源（Ａ地点）寄
りの位置に傷５の存在が認識される。なお、特定の音響
センサ２Ａの測定値が小さいことのみをもって傷５の存
在を判断しても良いが、傷５から弾性波３の進行方向
（Ｂ地点）寄りに設けられた特定の音響センサ２Ａ以外
の他の音響センサ２の測定値が、特定の音響センサ２Ａ
と同様に小さい値を示すことを確認した方が、より検出
精度に優れるため好ましい。特定の音響センサ２Ａのみ
が小さい測定値を示すときは測定誤差による場合がある
ためである。

【００１３】また、図１に示すように、土木構造物１中
を伝搬する弾性波３は、傷５の境界面で反射され、反射
波３１となる。したがって、この反射波３１を捉えるこ
とによっても傷５を検出することができる。すなわち、
傷５が存在すると、ある特定の音響センサ２Ｂによっ
て、まずＡ地点からＢ地点へ伝搬する弾性波３が時刻ｔ
₁に捉えられ、その後、傷５により反射された反射波３
１が時刻ｔ₁ ＋ｔ₂に再び捉えられる。ここで、ｔ₁は
弾性波３の伝搬速度から予測することができる。またｔ
₂は、弾性波３が、特定の音響センサ２Ｂの位置を通過
してから傷５の位置で反射され再び戻るまでの遅れ時間
である。このような遅れ時間ｔ₂が観測されたとき、特
定の音響センサ２Ｂから弾性波３の進行方向（Ｂ地点）
寄りの位置に傷５の存在が認識される。さらに、遅れ時
間ｔ₂の長さ、及び弾性波３（反射波３１）の伝搬速度
から、特定の音響センサ２Ｂから傷５までの距離ｘを求
めることができる。その場合、特定の音響センサ２Ｂの
遅れ時間ｔ₂のみから距離ｘを求めても良いし、あるい
は傷５より弾性波３の発生源（Ａ地点）寄りの位置に設
けられた複数の音響センサ２によって測定されたそれぞ
れの遅れ時間を統計的に処理することにより、傷５の位
置をより精度良く検出することもできる。

【００１４】上述の、弾性波３の強度を測定する方法
と、傷５からの反射波３１を捉える方法は、どちらか一
方を採用して傷を検出しても良いし、あるいは併用して
も良い。併用した場合、傷５の検出をより精度良く行う
ことができるため好ましい。

【００１５】複数の音響センサ２を設置する間隔ｄは、
伝搬する弾性波３の強度や、土木構造物１中での弾性波
３の減衰率等により適宜設定することができるが、弾性
波３の発生源（Ａ地点）から、傷５がなかった場合の弾
性波３の測定可能な限界までの距離Ｄより短く設定する
ことが好ましい。間隔ｄが距離Ｄより長いと、特定の音
響センサ２Ａで測定された値が小さいときに、傷５の存
在によるものか、あるいは傷５は存在せずに自然に減衰
したものかを判別しにくい場合があるためである。ま
た、間隔ｄは全ての音響センサ２について一定、すなわ
ち等間隔とすることもできるし、あるいは異なるように
することもできるが、それぞれの間隔ｄを予め把握して
おくことは無論である。

【００１６】音響センサ２としては、土木構造物１を伝
搬する弾性波３を検出してその強度に依存した信号を発
生できるものであれば用いることができ、検出感度や伝
搬する弾性波３の周波数等を考慮して適宜選択される。
具体的には、動電型（可動コイル型、ダイナミック型）
マイクロホン、コンデンサ型（静電型）マイクロホン、
あるいは圧電型マイクロホン等が挙げられる。圧電型マ
イクロホンとしては、セラミック系、高分子系、及びセ
ラミックス−高分子複合系のいずれも使用可能である
が、後述するような、本発明の第二の傷検出方法におけ
る音響センサとして兼用する場合は、高分子系、及びセ
ラミックス−高分子複合系の圧電型マイクロホンが、よ
り広帯域に検出可能であるので好適に用いられる。ま
た、検出する弾性波３の周波数によって、超音波セン
サ、振動センサ等とよばれるものも本発明でいう音響セ
ンサに含まれる。

【００１７】音響センサ２を土木構造物１に設置する手
段としては、土木構造物１を伝搬する弾性波３を捉える
ことができれば特に限定されずに種々の手段を採用する
ことができる。具体的には、土木構造物１の壁面に音響
センサ２を貼り付けたり、ねじ止め等により取り付けた
り、あるいは土木構造物１中に音響センサ２を埋め込む
等の手段を挙げることができる。音響センサ２を貼り付
ける場合は、種々の接着剤、粘着剤等を介して行うこと
ができる。

【００１８】土木構造物１を伝搬する弾性波３は、種々
の手段により発生させることができる。その一例を図２
に基づいて説明する。図２は、土木構造物であるトンネ
ル１１に対して新幹線等の列車６が進入したときの様子
を示している。列車６がトンネル１１に進入すると、列
車６の周囲の圧力が急激に上昇し、圧力波７が発生す
る。発生した圧力波７はトンネル壁１１ａ及びトンネル
出口に向かって音速で進行する。なお、圧力波７はトン
ネル微気圧波ともよばれ、列車６がトンネル１１に進入
したときトンネル出口において発破音を生じる原因とし
て従来知られているものである。そして、トンネル壁１
１ａに対して圧力波７が作用する（衝撃を与える）と、
トンネル１１にはその固有振動数で決まる周波数の弾性
波３が誘起され、トンネル１１を伝搬して上述の方法に
より測定される。この弾性波３は、トンネル１１の材質
・密度によっても異なるが、例えばコンクリートの場
合、約３０００ｍ／ｓの速度でトンネル１１中を伝搬す
るので、列車６や空気中を進む圧力波７よりも約１０〜
５０倍程度速い。したがって、弾性波３は、列車６や圧
力波７に起因する雑音に影響されることなく測定するこ
とができる。このように、弾性波３を発生させるために
土木構造物１に接触し又は圧力を与えつつ移動する車両
を利用する点は、本発明の重要な特徴の一つである。

【００１９】トンネル１１に設置する複数の音響センサ
２は、所定の間隔をおくことを条件として種々のパター
ンで設置することができる。その中でも、好ましく用い
られる設置パターンの例を図３〜５に示す。図３は、ト
ンネル壁１１ａの左右の壁に、トンネル１１の進行方向
に沿って複数の音響センサ２を設置した例である。ここ
で音響センサ２を設置する高さは、特に限定されるもの
ではないが、傷の発生やコンクリート片等の落下がより
危ぶまれる位置、例えば列車が通過する線路の上方に位
置するトンネル壁等に設置することが好ましい。また図
４は、トンネル壁１１ａの左右の壁に加えて、天井部
分、及び天井部分と左右の壁の間に、トンネル１１の進
行方向に沿って複数の音響センサ２を設置した例であ
る。図３のような設置パターンであっても、トンネル１
１の全体をモニタリングすることは可能であるが、図４
のように、より多くの音響センサ２を設置することによ
って傷の検出精度を向上させることができ好ましい。図
３及び図４の他にも、音響センサ２がジグザグを描くよ
うなパターン等を採用することができる。さらに図５
は、高分子系あるいはセラミックス−高分子複合系の圧
電体等からなるフィルム状の音響センサ２をトンネル１
１内周の周方向に帯状に備え、その複数をトンネル１１
の進行方向に沿って、所定の間隔をおいて設置した例で
ある。

【００２０】図２では、トンネル１１に列車６が進入し
て弾性波３を誘起し、その弾性波３を測定対象として利
用する例について述べたが、これに限らず、車両が土木
構造物１に対して接触し又は圧力を与えつつ移動するこ
とにより土木構造物１に弾性波３を誘起し、その弾性波
３をそのまま測定対象として利用することは好適に行わ
れる。具体例として、高速道路上を自動車が走行しつつ
道路面に衝撃を与え、その衝撃により道路内部に誘起す
る弾性波を利用する場合、あるいは鉄橋等の橋梁上を自
動車や列車が走行して橋梁に衝撃を与え、その衝撃によ
って橋梁内に誘起する弾性波を利用する場合等が挙げら
れる。また、車両が土木構造物に対して直接的に作用す
る場合に限らず、例えば、高速道路や橋梁上を自動車等
が走行し、ある地点で、その自動車等がきっかけとなっ
てスイッチが作動し、適宜設けられた発振器から高速道
路や橋梁内に対して特定の周波数の弾性波が入射される
場合等、移動する車両を間接的なきっかけとして弾性波
を発生させ土木構造物に伝搬させることもできる。な
お、上記スイッチの具体例としては、走行する自動車等
に踏まれるように設けられたスイッチや、赤外線等によ
り自動車等の通過を感知して作動するスイッチ等が挙げ
られる。

【００２１】それぞれの音響センサから発生した信号
は、集中させてデータ解析を行い、傷が存在する場合に
はその位置が認識される。データ処理の一例を図６に示
す。図６では、複数の音響センサ２₁〜２_nからの信号
が、まずデータ中継部８に送られ、その後、無線９等の
手段によりデータ解析部１０に伝送される。信号は、音
響センサ２₁〜２_n又はデータ中継部８において適宜増
幅される。データ中継部８は、例えばトンネルの外部に
設置され、データ解析部１０は、例えば遠隔地に設けら
れた中央情報処理室に設置される。また、図６では無線
９により伝送しているが、これに代わりケーブル、光フ
ァイバ等により伝送させることもできる。また、音響セ
ンサ２₁〜２_nからの信号には、例えば列車が通過する
際の線路から発せられる音等の種々の雑音が含まれる場
合があるので、これらの雑音はデータ中継部８又はデー
タ解析部１０において統計的処理を行いバックグラウン
ドとして除くことにより、傷の検出精度を向上させるこ
とができる。

【００２２】次に、本発明の第二の傷検出方法について
説明する。図７は検出方法の原理を説明する図である。
図７に示すように、土木構造物１には、所定の間隔をお
いて複数の音響センサ２が備えられる。そして、後述す
るような列車の通過に起因して、土木構造物１に対し振
動が加えられる。この振動は、土木構造物１に外力が作
用して起こる強制振動である。すると、傷５が互いに擦
れ合い、あるいはぶつかり合う等して、傷５を発生源と
して弾性波３２が発生し、傷５の周囲へ対数的に減衰し
つつ伝搬する。そして、複数の音響センサ２により、そ
れぞれの位置における弾性波３２の強度が測定される。
これにより、傷５の位置を最高強度として周囲へ減少す
る強度分布１２が得られるので、その強度分布１２にお
ける最大強度位置１３に、傷５が存在することが認識さ
れる。

【００２３】複数の音響センサ２を設置する間隔ｓは、
適宜設定することができるが、弾性波３２が測定可能な
限界点を結ぶ距離Ｓの内に、少なくとも３個の音響セン
サ２が設置されるような間隔ｓとすることが好ましい。
３個以下であると、最大強度位置１３を求めることがで
きない場合があるためである。

【００２４】土木構造物１に対して振動を加えるための
手段を図８に示す。図８は、土木構造物であるトンネル
１１の中を、新幹線等の列車６が通過する様子を示して
いる。列車６がトンネル１１を通過中には、列車６の周
囲の空気圧１４が変動するため、その空気圧１４により
トンネル１１に対して振動を加えることができる。

【００２５】音響センサ２は、上述の、第一の傷検出方
法の説明で挙げた音響センサと同様のものを用いること
ができる。また、第一の傷検出方法と第二の傷検出方法
は別個に実施することもできるが、併用して実施するこ
ともできる。併用した場合、それぞれの方法で得られた
データを統合することによって、より高精度に傷を検出
することが可能となる。その際、第一の方法における土
木構造物１を伝搬する弾性波３と、第二の方法における
傷５から発生する弾性波３２とを測定するため、それぞ
れに適した２種類の音響センサを選択して用いることも
できるし、あるいは広帯域な周波数特性を有する１種類
の音響センサを選択して、第一及び第二の傷検出方法に
おける音響センサを兼用することができる。広帯域な周
波数特性を有する音響センサとしては、高分子系の圧電
型マイクロホンやコンデンサ型マイクロホン等が好適に
用いられる。

【００２６】第二の傷検出方法における、音響センサ２
を土木構造物１に設置する手段、土木構造物１に音響セ
ンサ２を設置するパターン、及び音響センサ２で検出し
た信号の処理方法等は、上述の第一の傷検出方法に準ず
る。

【００２７】さらに本発明は、土木構造物に対して車両
等が作用していない状態であっても、土木構造物に設置
した複数の音響センサにより、傷が発生したり成長した
りする瞬間に放出されるいわゆるアコースティックエミ
ッションを検出することができる。例えば、夜間の列車
を運行していない時間帯に、傷に溜まっていた水が凍っ
て膨張し、その膨張力で傷が成長する瞬間等を捉えるこ
とができる。また、トンネル等でコンクリート片が落下
する等した場合も、その落下音を捉えることができ、さ
らにそれぞれの音響センサの測定値を比較することによ
りコンクリート片の落下地点をも特定することができ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上、本発明の傷検出方法は、土木構造
物を常時継続的にモニタリングできる。例えば、トンネ
ル等を通過する列車を利用して測定を行うので、列車が
通過するごとにデータを得ることができ、傷の発生を速
やかに、かつ高精度に検出することができる。また本発
明は、複数の音響センサを土木構造物に設置するだけで
済み、超音波発振器等を必要としないので、極めて安価
に実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の傷検出方法を説明する概念図
である。

【図２】本発明の第一の傷検出方法における弾性波を
誘起するための手段を説明する概念図である。

【図３】本発明の第一の傷検出方法における音響セン
サの設置パターンを示す図である。

【図４】本発明の第一の傷検出方法における音響セン
サの設置パターンを示す図である。

【図５】本発明の第一の傷検出方法における音響セン
サの設置パターンを示す図である。

【図６】本発明の第一の傷検出方法における測定デー
タの処理方法を示す概念図である。

【図７】本発明の第二の傷検出方法を説明する概念図
である。

【図８】本発明の第二の傷検出方法における振動を加
えるための手段を説明する概念図である。

【符号の説明】

１土木構造物２音響センサ２Ａ特定の音響センサ２Ｂ特定の音響センサ２₁〜２_n 音響センサ３弾性波３１反射波３２弾性波４減衰曲線５傷６列車７圧力波８データ中継部９無線１０データ解析部１１トンネル１１ａトンネル壁１２強度分布１３最大強度位置１４空気圧

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】土木構造物に、所定の間隔をおいて複数
の音響センサを備え、前記複数の音響センサにより前記
土木構造物を減衰しつつ伝搬する弾性波の強度を測定し
て前記弾性波の発生源から進行方向へ向かう理想的な減
衰曲線を取得し、前記複数の音響センサの内のある特定
の音響センサの測定値が前記理想的な減衰曲線から予測
される値に比較して小さいときに、前記特定の音響セン
サから前記弾性波の発生源寄りの位置に傷の存在を認識
する土木構造物の傷検出方法。
【請求項２】土木構造物に、所定の間隔をおいて複数
の音響センサを備え、前記複数の音響センサにより前記
土木構造物を伝搬する弾性波を捉え、前記複数の音響セ
ンサの内のある特定の音響センサが、前記弾性波の伝搬
速度から予測される時刻に前記弾性波を捉え、かつ前記
予測される時間よりも遅い時刻に前記弾性波の反射波を
捉えたときに、前記特定の音響センサから前記弾性波の
進行方向寄りの位置に傷の存在を認識する土木構造物の
傷検出方法。
【請求項３】前記複数の音響センサの間隔が、前記弾
性波の発生源から前記弾性波の測定可能な限界までの距
離より短く設定されてなる請求項１又は２記載の土木構
造物の傷検出方法。
【請求項４】前記弾性波が、前記土木構造物に接触し
又は圧力を与えつつ移動する車両により誘起される請求
項１〜３のいずれか記載の土木構造物の傷検出方法。
【請求項５】前記土木構造物がトンネルであり、前記
車両が列車であり、列車がトンネルに進入する際に列車
の周囲に発生する圧力波がトンネル壁に作用してトンネ
ル壁に誘起する弾性波を測定対象とする請求項４記載の
土木構造物の傷検出方法。
【請求項６】前記トンネルの進行方向に沿って、複数
の音響センサが所定の間隔をおいてトンネル壁に備えら
れてなる請求項５記載の土木構造物の傷検出方法。
【請求項７】トンネルに、所定の間隔をおいて複数の
音響センサを備え、前記トンネル内を列車が通過中に、
前記列車がトンネル壁に空気圧の変動を与えることによ
って前記トンネル壁に振動が加わったときに、前記トン
ネルの傷から発生して周囲に伝搬する弾性波を前記複数
の音響センサにより測定して前記弾性波の強度分布を取
得し、前記強度分布における最大強度の位置に傷の存在
を認識するトンネルの傷検出方法。