JP4391875B2

JP4391875B2 - 埋設管の検査方法

Info

Publication number: JP4391875B2
Application number: JP2004124348A
Authority: JP
Inventors: 卓士皆木; 隆志二宮
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: JP2005308486A

Description

本発明は衝撃弾性波法により埋設管を検査する場合に使用する検査装置及びその検査装
置の主要部である振動センサー並びにその検査装置を使用して埋設管を検査する方法に関
するものである。

近来、下水管路や農水管路においては、埋設管の経年に伴う腐食摩耗や破損により陥没
や漏水等の事故が増加しつつある。このため適切な劣化診断とその診断結果に基づく適切
な修繕・更新が要請されている。
この下水管路や農水管路の劣化診断においては、一般に、修繕・改築工事の順番及び工
事方法を決定するために、調査流域を構成する要素区域間の劣化進行度の順位付けや定量
的な劣化レベルの進行度の把握が必要である。
従来では、目視やＴＶカメラを用いて外観調査を行い、必要に応じコア抜きにより得た
試料の物性を調査しているが、直視し得る劣化しか捉えることができず、管外周や肉厚内
の劣化が見逃されてしまい、劣化の程度を適切に定量的に把握することが困難である。ま
たは、定量的なデータを収集するには、コアを大量に抜く必要があり、健全管体の強度低
下が余儀なくされ、作業コストの過大化も避けられない。

非破壊試験法として、超音波法、打音法、衝撃弾性波法が知られている。
しかしながら、超音波法では、入力波としての超音波が高周波であり、エネルギーも小
さいので、入力波をコンクリート中に伝播させ難く、コンクリート製品の検査には適さな
い。
打音法では、マイクロフォン等の非接触式の音響機器で信号を受信しているために、周
囲の雑音の影響を受け易い、打撃点の裏面側の反射の影響を受け易い、定量的な解析・診
断に個人差が生じ易い等の不都合があり、診断精度に問題がある。
衝撃弾性波法は、被検査体に打撃等の機械的衝撃で弾性波を入力し、被検査体に接触さ
せた振動子が受振した波形の周波数スペクトルを求め、その周波数スペクトルの解析・判
定により劣化診断を行う方法であり、本出願人においては、衝撃弾性波法を利用した埋設
管の診断システムを既に提案している。（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文
献２等）

特開２００４−０２８９７６号公報皆木、鎌田、野崎、船橋，弾性波によるコンクリート下水管路の劣化診断手法に関する基礎研究，コンクリート工学年次論文集，２００２，ＶＯＬ２４，Ｎｏ１，ｐ．１５３９−１５４４

図７は本出願人が提案した衝撃弾性波法を利用した埋設管の検査方法に使用する検査装
置を示している。
図７において、２０’は台車、２１ａ’は台車２０’に取付けた第１アーム、Ａ’は第
１アーム２１ａ’の先端に装着した振動センサー、２１ｂ’は台車２０’に取付けた第２
アーム、Ｂ’は第２アーム２１ｂ’の先端に装着したハンマー、４’は制御ユニット、５
’は操作・データ記録及び解析を行うコンピュータであり、第１アームの操作によって振
動センサーを被検査管体の内面に接触させ、次いで第２アームを操作し、更にハンマーを
操作して管体内面を打撃し、この打撃により発生した弾性波を振動センサーに受振させ、
その受振波形の周波数スペクトルを高速フーリエ変換プログラムで求め、この周波数スペ
クトルの解析判定に基づき埋設管の劣化診断を行っている。

今、入力点での入力を図８の（イ）に示すインパルスＩとすると、このインパルスＩが
管端での反射、クラック等の欠陥箇所での反射・透過を経て入力点に到来し、その到来波
ｘには、管体の曲げ剛性EI、減衰係数ｃ、経過時間ｔ、入力点と受振点との距離Ｌ等が関
与し、

ｘ＝ｘ（EI，ｃ，Ｌ，ｔ）
で表すことができ、入力弾性波が図８の（ロ）に示すようにｆ（ｔ）であるとすると、
出力Ｘは

で表すことができる。

この受振波Ｘの周波数スペクトルを求めると、前記した管端や欠陥箇所での反射のため
に複雑な分布パターンとなり、固有振動周波数で最大ピークとなり、管体にひび割れが存
在すると、管体の曲げ剛性の低下のために固有振動周波数（最大ピーク周波数）が低周波
域側にシフトし、同周波数スペクトルの（低周波域成分）／（高周波域成分）の比が増加
し、最大ピーク値が減少し、特に、管体のひび割れが管軸方向であるときは、分割された
質量の異なるコンクリート部分が衝撃によってそれぞれ別個に振動するものの、連成振動
における相互作用により減衰時間に影響が現れるために所定強度以上のピーク本数が少な
くなり、劣化の程度、ひび割れのパターンに応じた情報を得ることができて定量的な劣化
診断を行うことが可能になる。

上記の検査装置において、アームはギア機構により傾動され、ギアの遊びによるガタツ
キが避けられず、振動センサーの受振波でこのガタツキ箇所に衝突音が発生し、この衝突
音やハンマー打撃により発生する弾性波がアームを経て振動センサーに伝播され、この伝
播波がノイズとなって測定誤差となる問題がある。
このため、アームに防振機構を組み込んでいるが、検査装置の構造の複雑化、高価格化
が避けられない。

本発明の目的は、埋設管を衝撃弾性波法により検査する場合、弾性波信号を受振する振
動センサーへのノイズの侵入を簡易な構成で防止して検査装置全体の簡易な構成を保持し
つつ高精度のデータを得ることにある。

本発明に係る埋設管の検査方法は、振動センサー本体がケース内に弾性支持具により支承され、振動センサー本体の接触子がケース外に頭出され、該接触子の接触圧力が前記弾性支持具を経て伝達されて接触圧力制御信号を発生する圧力センサーがケース内に設けられている振動センサーを使用して埋設管を検査する方法であり、振動センサーをケースにおいて支持した支持手段と、打撃具を支持した支持手段とが架台上に搭載され、振動センサー内の圧力センサーからの制御信号によって接触子の接触圧力を所定圧力に設定するための制御機構及び打撃具操作機構が設けられた検査装置を埋設管の被検査管体内に導入し、振動センサー支持手段を操作して接触子を被検査管体内面に所定の圧力で接触させ、而る
のち、打撃具支持手段を操作して被検査管体内面を打撃し、前記振動センサー本体が受振した波形の周波数スペクトルを求め、この周波数スペクトルの解析・判定により埋設管の劣化診断を行い、前記の打撃・受振の間、打撃具支持手段の作動で発生する弾性波が検査装置を伝って接触子に伝播するのを前記弾性支持具で軽減乃至は防止することを特徴とする。

本発明に係る振動センサーでは、振動センサー本体の接触子の接触圧力を設定するため
の圧力センサーをセンサーのケース内に設けており、振動センサー支持手段に圧力センサ
ーを設ける必要がないから、センサー支持手段の構造を簡易化できる。また、振動センサ
ー支持手段側からのノイズを、弾性支持治具のバネ常数の調整、またはゴムや発泡材やゲ
ル材等の除振部材の弾性支持治具への付加により軽減もしくは遮断でき、正確な受振波デ
ータを得ることができると共に振動センサー支持手段に除振機構を設ける必要がないので
、センサー支持手段の構造を簡易化できる。
本発明に係る検査装置では、ハンマー打撃により発生する弾性波の一部の振動センサー
支持手段及びハンマー支持手段を経ての振動センサー接触子への伝播を振動センサー内の
弾性支持治具により軽減乃至は防止でき、また、振動センサー支持手段及びハンマー支持
手段のギア機構の遊びでの衝突音発生源となり得る受振弾性波の一部の両支持手段への伝
播を振動センサー内の弾性支持治具により軽減乃至は防止できるので、正確な受振波デー
タを得ることができると共に振動センサー支持手段及びハンマー支持手段に除振機構を設
ける必要がないので、これら支持手段の構造を簡易化できる。
本発明に係る埋設管の検査方法では、ノイズの無い受振波から正確な周波数スペクトル
を求めることができ、埋設管の劣化診断を正確に行うことができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１の（イ）は本発明に係る振動センサーの実施例を一部を断面で示す側面図、図１の
（ロ）は図１の（イ）におけるロ−ロ断面図、図１の（ハ）は図１の（イ）におけるハ−
ハ断面図、図１の（ニ）は同上実施例の上面図である。
図１において、１１はケースであり、１１１センサー本体収容室と圧力伝達治具収納室
１１２とを備えている。１２はケース１１の圧力伝達治具収納室１１２内に上下に摺動可
能に収容された圧力伝達治具であり、圧縮に対して剛直な六面壁立体から構成されている
。１３はケース下端に螺子等で固着された下蓋であり、ロードセル等の圧力センサー１４
が固定され、この圧力センサー１４の接触子１４１が圧力伝達治具１２の下面に接触され
ている。１０は振動センサー本体であり、螺子式接触子１０１が着脱可能とされ、長さの
異なる接触子１０１の交換により接触子１０１の突出長さが所定長さに設定されている。
１５は弾性支持治具であり、筒形であって圧力伝達治具１２の上面に載置され、この筒
形弾性支持治具１５内に振動センサー本体１０が差し込まれ、振動センサー本体１０の上
側鍔部１０２（ナットの螺合により設けることができる）が支持治具１５の上端で支承さ
れ、振動センサー本体下端部１０３が圧力伝達治具上面の孔１２１に挿通されている。１
０４は振動センサー本体１０の電気ケーブル、１４２は圧力センサー１４の電気ケーブル
であり、圧力伝達治具１２のケーブル挿通孔１２２を経てケース１１より引出されている
。

前記の筒形弾性支持治具１５には、ケース１１と振動センサー本体１０との間での振動
の伝播を緩和乃至は遮断するために、図２の（イ）に示すバネ常数を調節したバネ製円筒
治具、図２の（ロ）に示すゴム製筒や発泡樹脂筒等の緩衝材製円筒治具、図２の（ハ）に
示す金属筒片１５０の上端または下端あるいは上下端に緩衝材製筒片１５１、１５２を固
着したもの等を使用することが好ましい。

図１において、１６はケース１１の上端に螺子等で固着された上蓋であり、前記振動セ
ンサー１０の鍔１０２の外郭よりも小さな孔１６１が設けられ、この孔１６１から振動セ
ンサー本体１０の接触子１０１が頭出され、センサー本体１０が接触子１０１の接触点の
上下変位に追従して上下に移動可能とされている。

上記の振動センサー本体１０は、振動加速度、振動速度、振動変位をピックアップする
何れの方式であってもよく、センサー素子には抵抗線ひずみゲージ、ピエゾ効果を利用し
た半導体ゲージ、圧電磁器等の圧電型加速度ピックアップ等を使用できる。
本発明に係る振動センサーは、下水管路や農水管路内で使用されるときに下水等に触れ
易い部位、特に上蓋１６、振動センサーの接触子１０１、ケース１１、下蓋１３には耐食
金属製、例えばアルミ合金製、ＳＵＳ製とすることが好ましい。

図３の（イ）は本発明に係る検査装置の実施例を示す側面図である。
図３の（イ）において、２０は台車であり、マンホールと管路との間の直交空間を経て
の管路内への搬入を容易に行い得るように図３の（ロ）に示すように中折れ可能としてあ
る。２１ａは振動センサー支持手段として台車に取付けられた第１アーム、２１ｂはハン
マー支持手段としての第２アームであり、それぞれ下端がギア機構を介してサーボモータ
軸に連結され、サーボモータの駆動により傾動可能とされている。Ａは本発明に係る振動
センサーであり、第１アーム２１ａの先端に固定されている。Ｂは打撃具としてのインパ
ルスハンマーであり、バネ式、油圧式のインパクター２２を備え、第２アーム２１ｂの先
端に固定されている。
上記アームは上下にラック機構やシリンダー機構により可動とする方式とすることもで
きる。
また、ハンマー打撃点と振動センサー接触点間の距離（入力点と出力点との間の距離）
を調整するためにアームを水平方向にも可動制御可能とすることもできる。
上記アームに代え、振動センサーを支持して管内面の所定の位置に接触子を接触させ得
、ハンマーを支持して管内面の所定の位置を打撃できるものであれば、適宜の支持手段を
使用できる。
打撃具としては、インパルスハンマー以外にハンマー、鋼球等が使用できるが、打撃は
常に同じ力で加えることが望ましいので、例えばシュミットハンマーやバネ、ピストン等
を用いてハンマー、鋼球等を打ち出すもの、または一定の高さから鋼球等を落下させるも
のを使用することが望ましい。インパルスハンマーを使用した際は、入力情報の数値デー
タを計測しておき、解析時に反映させるようにしておくことが望ましい。

図４はこの検査装置の使用状態を示している。
図４において、まず第１アーム２１ａを傾動させて振動センサーＡの接触子１０１を管
路内面に接触させ、振動センサーＡの圧力センサー〔図１の（イ）の符号１４〕の圧力信
号で第１アーム２１ａを制御して接触子１０１の接触圧を所定の圧力に設定する。次いで
、第２アーム２１ｂを所定の高さまで傾動させ、その所定の高さでハンマーＢのインパク
ター２２を動作させ管内面を打撃して入力弾性波を発生させ、振動センサーＡの接触子１
０１にその弾性波を受振させる。
本発明に係る振動センサーにおいては、図１の（イ）に示すように振動センサー本体１
０とケース１１との間に振動吸収機能に優れた弾性支持治具１５、例えばバネ常数を調節
したバネ製円筒治具、ゴム製筒や発泡樹脂筒等の緩衝材製円筒治具、金属筒片の上端また
は下端あるいは上下端に緩衝材製筒片を固着した複合治具等を介在させてあるから、図４
において、ハンマーＢの打撃振動がアーム２１ｂ，２１ａを経て振動センサー本体に伝播
するのをよく防止でき、管体を伝播してくる弾性波のみを振動センサー本体に受振させ得
てノイズを含まない正確な入力を受振できる。この場合、図１の（イ）に示すように、振
動センサー本体１０の電気ケーブル１０４を圧力伝達治具１２に設けた孔１２２を経てケ
ース１１外に引出してあり、弾性支持治具１５に電気ケーブル引出し孔を設ける必要がな
いから、支持治具１５の振動吸収機能を良好に保障でき、正確な入力の受振を確保できる
。

上記において、出力点と入力点の間隔が短いと、弾性波が管体欠陥箇所点を反射して入
力点に至るまでの距離が長くなり、その間での減衰が大きくなって欠陥情報が弱くなるか
ら、出力点と入力点との距離は管体長さの１／４以上とすることが好ましい。

図４において、台車を中折れ箇所で分離して振動センサーとハンマー間の間隔を所望値
に設定することができる。この場合、ハンマー→第２アーム→台車→管体→台車→第１ア
ームの経路を経てのハンマー打撃音の振動センサー本体への伝播が弾性支持治具で遮断さ
れ、この場合も、管体を伝播してくる弾性波のみを振動センサー本体に受振させ得てノイ
ズを含まない正確な入力を受振できる。

上記において、振動センサーが受振する弾性波中の固有振動周波数成分が最大ピーク値
を呈し（以下、この最大ピーク値を呈する周波数を最大ピーク周波数ともいう）、被検査
管体にクラック等の欠陥があると、管の曲げ剛性の低下のために最大ピーク周波数が低周
波域側にシフトされる。同じ理由で、（低周波成分）／（高周波成分）の比も大きくされ
る。また、被検査管体にクラック等の欠陥があると、振動が伝播し難くなって最大ピーク
の強度値が小さくされる。また、管体に周方向クラックがあると、分割された質量の異な
るコンクリート部分が衝撃によってそれぞれ別個に振動するものの、連成振動における相
互作用により減衰時間に影響が現れるために所定強度以上のピーク本数が少なくされる。

この場合、埋設管内の水位、埋設管の土圧等の環境条件により弾性波の出力波形が変化
することは、前記した振動の基本式〔数１〕において減衰係数ｃや実質的な曲げ剛性EIの
変化(土圧が高くなると、管の拘束度が増し、実質的に剛性EIが高くなる)を想定すれば明
らかである。
しかしながら、本発明者等の鋭意実験結果によれば、前記したピーク周波数、（低周波
成分）／（高周波成分）の比、ピーク本数は実質的に変化せず、受振弾性波の波高値の減
少にとどまる（これは、管内水位の上昇に比例して管内の水中に出力弾性波の一部が放出
され、管上土圧の上昇に比例して覆土中に出力弾性波の一部が放出されるものと推定され
る）。
実験結果によれば、ＪＩＳＡ５３０３Ｂ型１種に基づく呼び径２５０ｍｍのコンク
リートヒュームの出力弾性波の波高値に対する水位ｘ％での補正係数ａは、

〔式２〕ａ＝１／（−０．００５ｘ＋１）
で与えられ、覆土厚さｙｍでの補正係数ｂは、

〔式３〕ｂ＝１／（−０．２８ｙ＋１．１４）
で与えられる。

本発明に係る埋設管の検査方法により埋設管の劣化診断を行うには、接合された管体ご
とに、弾性波を入力し、その入力に対する受振弾性波を記録し、この受振弾性波を高速フ
ーリエ変換プログラムで処理して周波数スペクトルを得、この周波数スペクトルを解析し
て劣化判定するが、診断基準の統一のために入力及び入力点と出力点の位置や距離が極力
同じにされる。
前記の数式１から明らかなように、出力は入力ｆ（ｔ）のレベル(波高値)により変化さ
れる。従って入力のレベル差の影響を排除するために、（出力波の周波数スペクトル）／
（入力波の周波数スペクトル）で与えられる伝達関数を解析することが有効である。
インパルスハンマーによる入力弾性波の時間長さはほぼ１２０μｓである。受振弾性波
の測定時間は通常８００×１０μｓとされる。周波数スペクトルの周波数は０．５〜１０
ｋＨｚ（０．５ｋＨｚ以下の低周波域は雑音排除のためにカット）とされる。

本発明に係る埋設管の検査方法により埋設管の劣化診断を行うには、例えば図５に示す
フローに従って進めることができる。この場合、一本の管体の衝撃弾性波試験を行えば、
次の管体内に検査装置を移行させるが、陥没が過酷な場合は衝撃弾性波試験を行うまでも
なく重劣化と判定する。
図４において、３はＴＶカメラを示し、陥没の程度はＴＶカメラの監視により行い、管
路内面を監視しつつ検査装置を移行させる。４は制御ユニット、５は操作信号を入力した
り、データ記録、高速フーリエ変換を行うパソコンやＴＶカメラモニタを示している。
埋設管の劣化診断を行うには、まず、埋設管路の各管体に対し、本発明に係る検査装置
を使用して衝撃弾性波試験を行い、振動センサーが受振する入力弾性波をパソコンに保存
し、高速フーリエ変換ソフトによりその入力弾性波をフーリエ変換して周波数スペクトル
の伝達関数を求める。埋設深さｙ（ｍ）を測定し、また管内水位ｘ（％）を測定しておき
、前記の式２及び式３により補正係数を算出し、埋設深さに対する補正及び管内水位によ
る補正を行い、補正された周波数スペクトルの伝達関数を求める。
この補正した周波数スペクトルの伝達関数を解析し、最大ピークのスペクトル強度値４
０％以上のピーク本数を求め、ピーク本数が２本以下であれば〔図６の（ロ）参照〕、軸
方向クラック在りと診断し、ピーク本数が３本以上であれば〔図６の（ハ）、図６の（ニ
）参照〕、最大ピークの強度値を解析し、予め求めておいた健全管体の周波数スペクトル
伝達関数〔図６の（イ）参照〕と比較して最大ピークの強度値が顕著に減少しているもの
〔図６の（ハ）参照〕では周方向クラック在りと診断し、最大ピークの強度値の減少程度
が小さなもの〔図６の（ニ）参照〕では管厚み減少と診断することができる。

なお、図６の（イ）〜（ニ）に示す周波数スペクトルの伝達関数は、ＪＩＳＡ５３０
３Ｂ型１種の呼び径２５０ｍｍ、管長さ２ｍのコンクリート製ヒューム管について、入力
点と受振点との距離を１９５０ｍｍとし、ハンマーにインパルスハンマーを使用し、振動
センサー本体にキーエンス社製ＧＨ−３１３Ａを使用し、弾性支持具にゴムを使用し、受
信アンプにキーエンス社製ＧＡ−２４５を、データロガーにキーエンス社製ＮＲ−２００
０をそれぞれ使用し、高速フーリエ変換プログラムに株式会社アブティック製を使用して
求めたものである。

本発明に係る振動センサーの実施例を示す図面である。本発明に係る振動センサーにおける弾性支持具の異なる例を示す図面である。本発明に係る検査装置の実施例を示す図面である。本発明に係る埋設管の検査方法を説明するために使用した図面である。本発明に係る埋設管の検査方法の実施例でのフローチャートである。本発明に係る埋設管の検査方法の実施例での受振波の各種周波数スペクトルを示す図面である。従来の埋設管検査装置を示す図面である。衝撃弾性波法における入力を示すために使用した図面である。

符号の説明

Ａ振動センサー
Ｂハンマー
１０振動センサー本体
１０１接触子
１１ケース
１４圧力センサー
１５弾性支持具
２０台車
２１ａ振動センサー支持手段
２１ｂハンマー支持手段

Claims

振動センサー本体がケース内に弾性支持具により支承され、振動センサー本体の接触子がケース外に頭出され、該接触子の接触圧力が前記弾性支持具を経て伝達されて接触圧力制御信号を発生する圧力センサーがケース内に設けられている振動センサーを使用して埋設管を検査する方法であり、振動センサーをケースにおいて支持した支持手段と、打撃具を支持した支持手段とが架台上に搭載され、振動センサー内の圧力センサーからの制御信号によって接触子の接触圧力を所定圧力に設定するための制御機構及び打撃具操作機構が設けられた検査装置を埋設管の被検査管体内に導入し、振動センサー支持手段を操作して接触子を被検査管体内面に所定の圧力で接触させ、而るのち、打撃具支持手段を操作して被検査管体内面を打撃し、前記振動センサー本体が受振した波形の周波数スペクトルを求め、この周波数スペクトルの解析・判定により埋設管の劣化診断を行い、前記の打撃・受振の間、打撃具支持手段の作動で発生する弾性波が検査装置を伝って接触子に伝播するのを前記弾性支持具で軽減乃至は防止することを特徴とする埋設管の検査方法。