JP3759144B2 - トンネル補強材剥離検知方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの内壁面を補強している補強材の剥離を検知するトンネル補強材剥離検知方法及び装置に関する。

従来、経年変化しているトンネルの検査については、全般的に目視検査と破壊検査に大きく依存している。道路トンネルのひび割れ検査は、作業者がトンネル内を徒歩または高所作業車にて移動し、目視観察による調査を中心に行なっている。また、覆工背面の空洞探査、覆工圧の測定は、コアボーリングを行ない、内視鏡などを用いて調査している。

また鉄道トンネルでは、トンネルの新旧、構造種別に関わりなく、２年を越えない期間に１回の周期で検査、所謂全般検査を実施している。この全般検査は、主に徒歩による目視で行ない、覆工表面のひび割れの発生、レンガコンクリートブロックなど覆工材料の目地切れ及び漏水など、変状の発生及び進行の箇所を探し出すことを目的として行なわれている。

上記全般検査で変状などの異常が発見された箇所については、変状の原因を究明し適切な処置をとる必要から、更に詳細な検査、所謂個別作業を実施するという２段階の検査方式がとられている。

上記のようにしてトンネルのひび割れ検査を行なった結果、補強が必要な箇所には、例えば繊維シートなどの補強材を接着剤にて固定するなどの補強工事を行なう。この補強工事を行なった箇所についても、繊維シートの剥離を上記ひび割れ検査の場合と同様に目視により検査している。

一方、最近では、補強材として電気的に導通性を有する炭素繊維シートを使用し、炭素繊維糸状の電気抵抗の変化を測定して構造物の疲労、劣化を検出するようにした構造物のモニタリング方法が考えられている（例えば、特許文献１参照。）。これは構造物の疲労、劣化状態に応じて炭素繊維シートの単糸が破断して電気抵抗が変化することを利用したものである。
特開平１０−２５３５６１号公報

上述した従来の目視によるトンネルひび割れ検査方法では、ひび割れ検査を行なう場合、トンネル内が暗いため、トンネル壁面の変状を見逃す確率が高く、アーチ部などの高所の変状を把握し難く、また、得られる検査結果に個人誤差などがあり、客観性に乏しいと共に、調査に多大な時間と費用を要するという問題がある。

また、トンネルのひび割れを繊維シートで補強した場合においても、その補強箇所の異常を目視により検査しなければならず、ひび割れ検査の場合と同様の問題がある。

また、補強材として電気的に導通性を有する炭素繊維シートを使用し、炭素繊維糸状の電気抵抗の変化を測定して構造物の疲労、劣化を検知するようにした構造物のモニタリング方法は、鉄道トンネルのように架線等の電気設備が設けられる場合には導電体である炭素繊維シートを使用することに問題がある。すなわち、壁面から炭素繊維シートが剥離した場合に、この剥離した炭素繊維シートによって電気設備に短絡事故が発生する可能性があるので、電気設備が設けられているトンネルには炭素繊維シートを使用することができない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、トンネル内の補強箇所における補強材の剥離を遠隔地点で正確に計測し得るトンネル補強材剥離検知方法及び装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、トンネル内の壁面を補強した補強材の表面に光ファイバを固定し、前記光ファイバの歪みと位置の関係を計測して補強材の剥離を検知するトンネル補強材剥離検知方法において、前記トンネル内面の補強材の表面に光ファイバを張力をかけながらひび割れの上に一方の固定端が位置するように固定すると共に、剥離監視位置における光ファイバの歪みを歪み計測器で計測し、前記剥離監視位置の歪みが引張り歪みから圧縮歪みに変化した状態を検出して補強材の剥離を検知することを特徴とする。

第２の発明は、トンネル内の壁面を補強した補強材の表面に光ファイバを固定し、前記光ファイバの歪と位置の関係を計測して補強材の剥離を検知するトンネル補強材剥離検知装置において、前記トンネル内面の補強材の表面に光ファイバを張力をかけながらひび割れの上に一方の固定端が位置するように固定する固定手段と、剥離監視位置における光ファイバの歪みを計測する歪み計測器と、この歪み計測器により計測された歪みを記憶する記憶手段と、前記歪み計測器により今回計測された歪と前記記憶手段に記憶された前回計測時の歪みとを比較し、計測された歪が引張り歪みから圧縮歪みに変化した状態を検出して補強材の剥離を検知する手段とを具備したことを特徴とする。

第３の発明は、前記第２の発明において、固定手段により光ファイバを複数回折り返して固定することを特徴とする。

本発明によれば、トンネル覆工の内壁面を補強した補強材の剥離を検知する場合に、補強材の表面上にひび割れと直交する方向に光ファイバを配設してひび割れ上に一方の固定端が位置するように固定し、上記光ファイバの歪みが引張り歪みから圧縮歪みに変化する位置を検知するようにしたので、補強材の剥離を確実に検知することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るトンネルひび割れ検知装置の構成を示す図である。図１では、トンネル覆工のひび割れ部分の進行を検知するために、トンネル１の長手方向に沿って内壁に光ファイバ２を敷設している。光ファイバ２を敷設する際に、図２に示すようにトンネル覆工３のひび割れ４をまたぐように、かつ緩みがないように光ファイバ２を接着剤により壁面に固定する。この場合、光ファイバ２は、ひび割れ４をまたいだ両側において例えば固定部材５により壁面に接着固定すると共に、固定部分の間は緩みのない程度の張力をかける。上記光ファイバ２の固定間隔は、ひび割れ４の幅に極力近い方が良いが、光ファイバ２の距離分解能に応じて設定される。

光ファイバ２の距離分解能が長い場合には、図３（ａ）、（ｂ）に示すように折り返して固定することで固定間隔を短くする。図３（ａ）は、光ファイバ２を４回折り返して２．５巻（５本）のループ２ａを形成した場合である。上記光ファイバ２の各折り返し点は、所定の長さを有する固定部材５を用いて接着剤により壁面に固定する。

また、図３（ｂ）は、ひび割れ４の両側にそれぞれ２個の固定部材５を設け、この固定部材５に光ファイバ２を巻き付けて２．５巻（５本）のループ２ａを形成した場合の例を示したものである。上記光ファイバ２は、固定部材５に巻き付ける所で接着剤により固定する。

上記のように光ファイバ２を折り返して２．５巻（５本）のループ２ａを形成した場合には、例えば光ファイバ２の距離分解能が２ｍであっても、ひび割れ４に対する光ファイバ２の固定間隔を１／５の４０ｃｍとすることができる。

また、ひび割れ４が複数ある場合は、次のひび割れ４との間の光ファイバ２に緩み、つまり、あそび部を設け、各ひび割れ４部分における光ファイバ２の張力が互いに影響しないようにしている。

そして、上記光ファイバ２の始端部には、例えば光ファイバ損失分布測定器（ＯＴＤＲ：Optical Time Domain Reflectometry）や歪み分布測定器（ＢＯＴＤＲ：Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）等の歪み計測器６が接続され、光ファイバ２の末端には終端処理用ループ（図示せず）が設けられる。上記歪み計測器６は、例えばトンネルの外部、すなわち遠隔地点において、光ファイバ２に接続される。また、上記歪み計測器６の計測結果は、演算処理装置７に入力される。この演算処理装置７は、歪み計測器６の計測値から上記ひび割れ４の幅を求めるためのもので、その詳細については後述する。

次に上記歪み計測器６として用いられる歪み分布測定器（ＢＯＴＤＲ）について説明する。この歪み分布測定器（ＢＯＴＤＲ）は、光ファイバの散乱光を分析することにより、光ファイバにかかる歪み量を計測するもので、後方ブリルアン散乱光の周波数シフト、すなわち入射光の光周波数からブリルアン散乱光スペクトルの中心周波数を引いた値が光ファイバに加わった引張り応力、すなわちそれと等価な引張り応力による相対伸びである光ファイバの伸び歪みと共に変化することに着目し、ブリルアン周波数シフトの変化量から、光ファイバ（あるいは光ケーブル）の歪み分布を測定している。

上記歪み分布測定器（ＢＯＴＤＲ）は、光ファイバの片端からパルスを入射し、該光ファイバ内で生じるブリルアン散乱光及びレーリー散乱光の後方散乱光をコヒーレント検波方法により好感度に検知する。このとき、散乱光の光波と光ファイバ中の音波との相互作用により入射したパルス光の光周波数に対して上方及び下方にシフトしたブリルアン散乱光が検知されることを利用し、ブリルアン散乱光の周波数シフト分布から光ファイバの歪み分布を測定する。

図４は、歪み分布測定器（ＢＯＴＤＲ）１０の基本構成を示す図である。光源１１から発光した光周波数νのＣＷ光は、光周波数シフタ１２によりΔνの周波数シフトを受け、光周波数ν＋Δνのパルス光として被測定光ファイバ１３の片端から入射される。このパルス光の入射により光ファイバ１３内で散乱光が発生する。この散乱光のうち、後方散乱光が光周波数νのＣＷ光（ローカル光）と合波され、検波器１４へ入射される。

ブリルアン散乱光の周波数は、入射パルス光に対してブリルアン周波数シフトν_B だけシフトするため、光周波数シフタ１２の周波数シフト量Δνをν_B にすることにより、後方散乱光に含まれるブリルアン後方散乱光のみを検知することができる。

上記光周波数シフタ１２の周波数シフト量を変化さながら繰り返し測定を行なうことにより、光ファイバの長手方向の各位置におけるブリルアンスペクトル、すなわちブリルアン周波数シフトν_B の分布を測定することができる。ブリルアン周波数シフトν_B は、光ファイバに生じた歪みに比例して変化する。その関係を次式（１）に示す。

ν（ε）＝ν_B （０）×（１＋Ｋ×ε） ・・・（１）
ν（ε）：実測のブリルアンスペクトルの最大レベルの周波数
ν_B （０）：光ファイバの固有ブリルアン周波数シフト
（ゼロ歪みの周波数）
Ｋ：歪み係数
ε：歪み量（％）
上記歪み分布測定器１０等の歪み計測器６によりひび割れ監視区間における光ファイバの歪みを計測し、その計測値を演算処理装置７に入力する。この演算処理装置７は、例えば図５に示すようにＣＰＵ（中央処理装置）２１、入力装置２２、記憶装置２３、表示装置２４等からなっている。なお、必要に応じて演算結果等を印刷するプリンタ（図示せず）を設けても良い。上記記憶装置２３には、初期歪み用メモリ２５、初期ひび割れ幅用メモリ２６、歪／幅テーブル（歪み変化とひび割れ幅変化対応テーブル）２７、データメモリ２８等の各種メモリが設けられている。

上記初期歪み用メモリ２５には、光ファイバ２を設置した際の各ひび割れ４に対する光ファイバ歪み（初期歪み）を歪み計測器６で計測して記憶させ、初期ひび割れ幅用メモリ２６には各ひび割れ４に対する初期ひび割れ幅を計測して記憶させる。また、歪／幅テーブル２７には、予め計測しておいた光ファイバ歪み値変化量とひび割れ幅変化量との対応関係を記憶させる。

図６は予め計測した光ファイバ歪み値変化量（με）とひび割れ幅変化量（ｍｍ）との関係の一例をグラフで示し、図７は計測データの一部を数値で示したものである。なお、図６中の直線は、上記計測データを直線近似したものである。上記図６、図７に示すような計測値を演算処理装置７のＣＰＵ２１に入力し、このＣＰＵ２１で例えば計測値から光ファイバ歪み値変化量（με）とひび割れ幅変化量（ｍｍ）との関係を例えば直線近似した変換テーブルを作成し、記憶装置２３に歪／幅テーブル２７として記憶する。この結果、ひび割れ幅変化量をｙ、光ファイバ歪み値変化量をＸとすると、ひび割れ幅変化量ｙは、
ｙ＝ａＸ
の式で求めることが可能となる。なお、上式における「ａ」は、ひび割れ幅変化量と光ファイバ歪み値変化量との関係を示す係数である。

次に上記実施形態における演算処理装置７の動作を図８に示すフローチャートを参照して説明する。
演算処理装置７におけるＣＰＵ２１は、まず、処理番号Ｎ（計測位置を示す）を設定して（ステップＡ１）、歪み計測器６により各ひび割れ監視区間における光ファイバ２の歪みを計測し（ステップＡ２）、処理番号に対応した光ファイバ２上の位置Ｘ_N ，初期歪み値ε_N0 ，及び初期ひび割れ幅ｇ_N0を取得する（ステップＡ３）。次いで、ひび割れ位置に対応する歪み値ε_N を取得し（ステップＡ４）、この歪み値ε_N から初期歪み値ε_N0 を減算して歪み変化量Δε_N を取得する（ステップＡ５）。次に、ＣＰＵ２１は、上記歪み変化量Δε_N を予め歪／幅テーブル２７に記憶させておいた「歪とひび割れ幅との関係」に代入し、ひび割れ幅変化量Δｇ_N を取得する（ステップＡ６）。このひび割れ幅変化量Δｇ_N にひび割れ幅の初期値ｇ_N0 を加算して現在のひび割れ幅（推定値）ｇ_N を得る（ステップＡ７）。このひび割れ幅ｇ_N を時刻ｔとの対応を取り、データｇ（N,t）としてデータメモリ２８に保存する（ステップＡ８）。

そして、上記ひび割れ幅ｇ（N,t）及びそのひび割れ幅変化率（ｇ（N,t）-ｇ（N,t-1））を基準ひび割れ幅ｇA ，及び基準ひび割れ幅変化率ΔｇA と比較して、基準値以上になるかを評価する（ステップＡ９）。すなわち、
ｇ（N,t）＞ ｇA
ｇ（N,t）-ｇ（N,t-1）＞ ΔｇA
但し、「ｔ−１」は、１回前あるいは一定期間前を意味する。

の比較処理を行なって、ひび割れ幅ｇ（N,t）が基準値ｇA 以上であるか、また、そのひび割れ幅変化率が基準ひび割れ幅変化率ΔｇA 以上であるかを評価する。

上記の評価を行なった結果、ひび割れ幅ｇ（N,t）及びそのひび割れ幅変化率が基準値以上でなければ、位置を変更、すなわちＮの値を変更して上記と同様の処理を実行する（ステップＡ１０）。そして、計測処理を終了した後は、計測結果を表示装置２４に表示し、必要に応じて印刷する。

また、上記ステップＡ９で評価を行なった結果、ひび割れ幅ｇ（N,t）及び、ひび割れ幅変化率の一方あるいは両方が基準値以上であった場合は、警報を発すると共に警報を示すメッセージ及び計測値を表示装置２４上に表示する（ステップＡ１１）。この場合、更に、危険を示す情報を演算処理装置７から有線あるいは無線等で監視センターに送信するようにしても良い。

なお、上記歪み計測器６及び演算処理装置７は、光ファイバ２に常時接続しておいても良いが、例えば定期点検の際に光ファイバ２に接続してひび割れ幅を検知するようにしても良い。

上記のように歪み計測器６の計測結果を演算処理装置７に入力し、予め計測して歪／幅テーブル２７に記憶させておいた歪とひび割れ幅との関係からひび割れ幅を求めることにより、ひび割れ幅を高精度で検知することができる。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について説明する。
この第２実施形態は、図９に示すようにトンネル覆工３の内壁面を例えば繊維シート等の補強材３１により補強した場合において、補強材３１の剥離を光ファイバ２を利用して検知する場合の例について示したものである。

トンネル覆工３の内壁面を補強材３１により補強する際、ひび割れ４の位置を確認しておき、補強終了後、補強材３１の表面上に上記ひび割れ４と直交する方向に光ファイバ２を配設し、２点を固定部材５で接着固定する。この場合、光ファイバ２は、ひび割れ４の上に一方の固定端が位置するように例えば直径が６０ｍｍ程度の固定部材５を用いて接着固定する。上記光ファイバ２の固定部分の間は緩みのない程度の張力をかけ、その固定間隔は光ファイバ２の距離分解能に応じて設定する。光ファイバ２の距離分解能が長い場合には、上記図３に示したように折り返して固定することで固定間隔を短くする。また、上記光ファイバ２は、他の補強部分においても同様にひび割れ４の上に一方の固定端が位置するように固定部材５により固定される。

そして、上記光ファイバ２の始端部には、剥離監視位置における光ファイバ２の歪みを計測する歪み計測器６、演算処理装置７が接続され、光ファイバ２の末端には終端処理用ループ（図示せず）が設けられる。

上記の構成において、トンネル１が変形してひび割れ４の幅が広くなる際、図１０に矢印で示すように補強材３１に引張り歪みが発生し、それに伴って光ファイバ２に引張り歪みが発生する。この光ファイバ２の引張り歪みは、歪み計測器６にて計測され、その計測値が演算処理装置７に入力される。

その後、トンネル１の変形が進み、ひび割れ４の幅が広くなるに伴って光ファイバ２の引張り歪みが増大し、やがて図１１に示すように補強材３１がトンネル覆工３の内壁面から剥離する。補強材３１がトンネル覆工３の内壁面から剥離すると、剥離開始位置、すなわち、ひび割れ４の位置にある固定部材５が補強材３１と一緒に壁面から浮くために光ファイバ２の張力が減少して見かけ上、圧縮歪みが発生する。従って、歪み計測器６により計測された光ファイバ２の歪みを演算処理装置７でメモリに記憶し、常時あるいは予め設定された一定時間毎に前回計測した歪と今回計測した歪とを比較し、引張り歪みから圧縮歪みに変化した位置を検知することにより、補強材３１が剥離した位置を検知することができる。

図１２は、大型トンネルをモデルとして、補強材３１の剥離に伴う光ファイバ２の歪分布の変化状態を示したもので、横軸に光ファイバの位置（ｍｍ）をとり、縦軸に光ファイバ歪み（με）をとって示した。図１２（ａ）は、補強材３１が剥離する前における光ファイバ２の歪み発生状態を示したもので、ひび割れ４が発生している位置に大きな引張り歪みが発生している。図１２（ｂ）は、補強材３１が壁面から剥離したときの光ファイバ２の歪み発生状態を示したもので、剥離した位置に大きな圧縮歪みが発生している。

上記のように補強材３１がトンネル覆工３の内壁面から剥離すると、剥離開始位置にある固定部材５が補強材３１と一緒に壁面から浮くために光ファイバ２の張力が減少して見かけ上圧縮歪みが発生するので、引張り歪みから圧縮歪みに変化した位置を演算処理装置７にて検知することにより、補強材３１が剥離した位置を確実に検知することができる。また、光ファイバの引張り歪みから圧縮歪みに変化する点を検出するようにしているので、補強材３１として導電性のものを使用することなく補強材３１の剥離を検出でき、電気設備が設置される鉄道トンネル等においても安全に使用することができる。

上記演算処理装置７の検知結果は、第１実施形態と同様に表示装置に表示し、必要に応じて印刷する。また、演算処理装置７が補強材３１の剥離を検知した場合、警報を発すると共に、補強材３１が剥離した位置情報を表示装置２４に表示する。この場合、更に、上記補強材３１が剥離したことを示す危険情報を演算処理装置７から有線あるいは無線等で監視センターに送信するようにしても良い。

なお、上記歪み計測器６及び演算処理装置７は、光ファイバ２に常時接続しておいても良いが、例えば定期点検の際に光ファイバ２に接続して補強材３１の剥離を検知するようにしても良い。

本発明の一実施形態に係るトンネルひび割れ検知装置の構成を示す図。 同実施形態における光ファイバの敷設状態を示す図。 同実施形態におけるひび割れに対する光ファイバのループ装着例を示す図。 同実施形態における歪み分布測定器（ＢＯＴＤＲ）の基本構成を示す図。 同実施形態における演算処理装置の構成例を示すブロック図。 同実施形態における予め計測した光ファイバ歪み値変化量とひび割れ幅値変化量との関係を示すグラフ。 同実施形態における予め計測した光ファイバ歪み値変化量とひび割れ幅値変化量との関係を数値データで示す図。 同実施形態における演算処理装置の動作を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態に係るトンネル補強材剥離検装置の光ファイバの敷設状態を示す図。 同実施形態における補強材が剥離する前の引張り歪み発生状態を示す図。 同実施形態における補強材が壁面から剥離したときの圧縮歪み状態を示す図。 （ａ）は同実施形態における補強材が剥離する前における光ファイバの引張り歪み発生状態を示す図、（ｂ）は補強材が壁面から剥離したときの光ファイバの圧縮歪み発生状態を示す図。

符号の説明

１…トンネル、２…光ファイバ、３…トンネル覆工、４…ひび割れ、５…固定部材、６…歪み計測器、７…演算処理装置、１０…歪み分布測定器、１１…光源、１２…光周波数シフタ、１３…被測定光ファイバ、１４…検波器、２１…ＣＰＵ、２２…入力装置、２３…記憶装置、２４…表示装置、２５…初期歪み用メモリ、２６…初期ひび割れ幅用メモリ、２７…歪／幅テーブル、２８…データメモリ、３１…補強材。

Claims (3)

1. トンネル内の壁面を補強した補強材の表面に光ファイバを固定し、前記光ファイバの歪みと位置の関係を計測して補強材の剥離を検知するトンネル補強材剥離検知方法において、
   前記トンネル内面の補強材の表面に光ファイバを張力をかけながらひび割れの上に一方の固定端が位置するように固定すると共に、剥離監視位置における光ファイバの歪みを歪み計測器で計測し、前記剥離監視位置の歪みが引張り歪みから圧縮歪みに変化した状態を検出して補強材の剥離を検知することを特徴とするトンネル補強材剥離検知方法。
2. トンネル内の壁面を補強した補強材の表面に光ファイバを固定し、前記光ファイバの歪と位置の関係を計測して補強材の剥離を検知するトンネル補強材剥離検知装置において、
   前記トンネル内面の補強材の表面に光ファイバを張力をかけながらひび割れの上に一方の固定端が位置するように固定する固定手段と、剥離監視位置における光ファイバの歪みを計測する歪み計測器と、この歪み計測器により計測された歪みを記憶する記憶手段と、前記歪み計測器により今回計測された歪と前記記憶手段に記憶された前回計測時の歪みとを比較し、計測された歪が引張り歪みから圧縮歪みに変化した状態を検出して補強材の剥離を検知する手段とを具備したことを特徴とするトンネル補強材剥離検知装置。
3. 前記固定手段は、光ファイバを複数回折り返して固定することを特徴とする請求項２記載のトンネル補強材剥離検知装置。

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