JP4535581B2

JP4535581B2 - Tunnel lining inspection method

Info

Publication number: JP4535581B2
Application number: JP2000242010A
Authority: JP
Inventors: 晋一服部; 隆史島田; 隆博坂本; 修一中村; 義信山口; 精一松井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; West Japan Railway Co
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; West Japan Railway Co
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2000-08-10
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: JP2002055091A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トンネル覆工の構造物の内部に音響弾性波を注入して、内部に存在する異常部位を検出するトンネル覆工検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトンネル覆工検査方法は、ハンマーを使った打音検査が行われている。これはトンネル覆工面をハンマーで打振したときに発生する衝撃弾性波により、覆工内部の欠陥を検知するものである。この場合、ハンマーを装備した保守要員が計測車両、又は徒歩で検査の対象となる覆工位置へ移動する。そして、計測車両のバケット上又は対象地点に組まれた足場の上でハンマーを振り、その打音から覆工の状態を判断していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のトンネル覆工検査方法は以上のように行われていたので、保守要員が手動でハンマーを打振するため、ハンマリングを一定の力で行うのが困難であり、判断基準も実施者の経験や勘によるところが大きいことにより、診断結果を定量的に把握することができないという問題点があった。
さらに、打振位置はチョーク等で打振点に直接マーキングするが、該当する目地からの位置を目算で手帳等に記録してハンマリング終了後に詰所においてトンネル展開図等の管理図面に転記するため、打振点の特定が明確ではないという問題点があった。
【０００４】
この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、トンネル覆工内部に注入された音響弾性波の反射エネルギーレベルを算出することにより、トンネル覆工内部の状態を定量的に把握することができるトンネル覆工検査方法を提供することを目的とするものである。
さらに、基準点となる所定の位置からの音響探査子の位置を検出することにより、探査位置の精度を向上させることができるトンネル覆工検査方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるトンネル覆工検査方法は、音響探査子から音響弾性波をトンネル覆工の構造物に注入して、トンネル覆工の構造物の内部に存在する異常部位を検出するトンネル覆工検査方法において、音響探査子は、トンネル内を通過する軌道上を走行可能な計測車両に搭載されたアーム機構に配置され、軌道上の原点からのキロ程，基準マーキング，又は基準位置からの計測車両の変位情報と、計測車両上の基準点からの音響探査子の変位情報とに基づき、音響探査子の探査位置を計測して音響探査子を位置決めし、探査位置に接触させた音響探査子から音響弾性波を注入し、探査位置に対応して音響弾性波の反射エネルギーレベルを演算してトンネル覆工の内部の状態を判定するものである。
また、覆工位置を検出、表示及び記録するものである。
また、演算結果を表示及び記録するものである。
また、反射エネルギーレベルを棒グラフで表示するものである。
また、反射エネルギーレベルが同じである複数の探査位置を等高線で表示したものである。
【０００６】
また、アーム機構は、１軸又は複数軸の自由度を有する関節アーム機構とし、予めプログラムされた教示プログラムに基づくプレイバックにより、又は、予め計測動作がプログラミングされたプログラムにより、予め計画された探査位置に位置決めするものである。
さらに、音響探査子は音響弾性波の指向角と計測深度とから決定される計測範囲の幅、又は上記計測範囲の幅より狭い距離だけシフトさせるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はトンネル覆工の一部を示す断面図で、欠陥の状態を示している。図２は実施の形態１の構成を示すブロック図である。図１及び図２において、１は地山、２は地山１の内側に構成されたトンネル覆工で、所定の覆工厚（巻厚）とされている。なお、２ａは覆工表面部であり、２ｂは地山１とトンネル覆工２との間に存在する空洞、２ｃはクラック及び２ｄはジャンカである。３はトンネル覆工２の覆工表面部２ａに圧接可能な音響探査子で、後述の駆動制御装置４から駆動電流が音響発振子（図示せず）に供給されることにより、連続的に周波数が変化する音響弾性波を発生してトンネル覆工２に注入すると共に、トンネル覆工２での振動現象による受信信号を受信する。４は駆動制御装置で、図３に示すように周波数が連続的に変化する駆動電流を音響探査子３に供給する。５は信号増幅器で、音響探査子３が受信した受信信号を増幅する。
【０００８】
６は信号処理装置で、信号増幅器５で増幅された受信信号から反射エネルギーレベルを演算して、反射エネルギーレベルを閾値と比較して内部欠陥の判定を行う。７は出力表示器で、信号処理装置６の演算結果を表示する。８は反射エネルギーレベル記憶装置で、信号処理装置６で演算された反射エネルギーレベルを記録する。９は探査データ記憶装置で、音響弾性波を注入した探査位置、反射エネルギーレベル及びトンネル覆工２の巻厚をセットにして記録する。１０は後述の計測車両１４に搭載されたバケット上に配置された手動操作の関節アーム機構で、音響探査子３を所定の位置に移動させると共に姿勢制御を行う。１１は関節アーム機構１０を駆動する駆動装置、１２は手動操作機構で、オペレータが駆動装置１１を介して関節アーム機構１０を手動で操作する。１３は関節アーム機構１０の位置を検出する関節アーム位置検出器、１４は軌道上を走行可能な計測車両である。１５は計測車両１４の位置を検出する車両位置検出器で、軌道上の原点からのキロ程、基準マーキング又は基準位置からの変位情報を出力する。１６は探査位置計測装置で、音響探査子３の位置を計測する。１７は計測位置データ記憶装置で、探査位置計測装置１６が計測した音響探査子３の位置を記憶する。
【０００９】
次に動作について説明する。図１から図３において、軌道上の計測車両１４をオペレータが操作して検査しようとするポイントに移動させる。計測車両１４の位置を車両位置検出器１５が検出して現在の位置情報を出力する。この位置情報により該当する位置に到達したことをオペレータが確認して、バケット１４を操作して探査位置の近傍へ移動させる。バケット上のオペレータは手動操作機構１２により駆動装置１１を介して関節アーム機構１０を手動操作して、音響探査子３を覆工表面部２ａ上の所定の探査位置に位置決めする。ここで、音響探査子３の位置は関節アーム位置検出器１３によりバケット１４の基準点からの変位情報として出力される。さらに、車両位置検出器１５は計測車両１４の軌道上における基準点からの変位情報を出力する。そして、探査位置計測装置１６は音響探査子３の変位情報と計測車両１４の変位情報とを基に、音響探査子３の探査位置を計測して計測位置データ記憶装置１７に記憶する。
【００１０】
音響探査子３の位置決めが完了すると、駆動制御装置４から図３に示す駆動電流が音響探査子３の音響発振子（図示せず）に与えられる。ここで、音響発振子（図示せず）は印加された駆動電流の大きさに応じた音響弾性波を発生する。このため、音響探査子３を計測対象のトンネル覆工２の覆工表面部２ａの探査位置に圧接接触させることにより、トンネル覆工２に音響弾性波を注入することができる。
音響探査子３から注入された音響弾性波はトンネル覆工２の内部を伝搬して、トンネル覆工２の内部構造に依存した特徴周波数で共振する。トンネル覆工２の内部に異常がない場合は、地山１側の覆工背面まで音響弾性波が伝搬して、覆工表面部２ａと覆工背面との距離（巻厚）に対応した縦振動が発生する。
【００１１】
もし、トンネル覆工２の内部にクラック２ｃ，ジャンカ２ｄ等の剥離欠陥が存在していると、これらの欠陥部と覆工表面部２ａとが形成する板構造の深度及び広さによって異なった振動現象を示す。この振動現象は覆工表面部２ａに圧接されている音響探査子３により受信信号として検出される。そして、この受信信号は信号増幅器５により増幅されて信号処理装置６内に取り込まれる。信号処理装置６は取り込んだ受信信号に対してＦＦＴ演算処理を行い周波数応答を作成する。さらに、信号処理装置６は周波数応答に対して式（１）により、反射エネルギーＥ_Rの計算を行う。なお、式（１）において、Ｋは定数、ｆ₁は周波数積分の下限周波数、ｆ₂は周波数積分の上限周波数である。
【００１２】
【数１】

【００１３】
このようにして検出された反射エネルギーレベルは、正常時における縦振動では小さいが、内部に欠陥が存在する場合には高くなる。信号処理装置６で算出された反射エネルギーレベルは実測データにより決定された閾値と比較して判断する。この場合、反射エネルギーレベルが閾値を超えている探査位置に対しては出力表示器７に剥離異常を表示する。そして、反射エネルギーが閾値より小さい探査位置に対しては非剥離を表示する。
また、非剥離の状態では周波数応答によりトンネル覆工２の巻厚を推定することができる。剥離が存在しない場合にはトンネル覆工２の内部で縦振動現象が励起される。この縦振動はトンネル覆工２の巻厚及びトンネル覆工２内の音響速度から式（２）の周波数で共振する。式（２）において、ｆ_Lは縦振動の共振周波数、ｖはトンネル覆工２内の音響速度、ｄはトンネル覆工２の巻厚である。
ｆ_L＝ｖ／２・ｄ・・・・・（２）
即ち、周波数応答において式（２）で示す周波数ピークが現れる。
従って、このピーク周波数から式（３）を使用してトンネル覆工２の巻厚を求めることができる。
ｄ＝ｖ／２・ｆ_L・・・・・（３）
以上の結果に基づいて、探査位置に対応した反射エネルギーレベル及びトンネル覆工２の巻厚を一組にして探査データ記録装置９に記録する。
【００１４】
図４は音響探査子３の指向角を模式的に示した説明図である。図４は音響探査子３の指向角を約４５度とした例である。図４において、計測深度をＬとしたとき、探査可能な範囲はＷとなる。ここで、音響探査子３を探査可能範囲Ｗ、又は探査可能範囲Ｗより短い距離だけ移動させることにより、次の計測ポイントの位置１９では探査可能な範囲が重なる。従って、計測深度内を効率よく、かつ広域をカバーする探査が可能となる。
音響探査子３の移動は、バケット上のオペレータが手動操作機構１２を操作して、順次所定の探査位置へ移動させることにより、バケット上で計測できる範囲の計測を行うことができる。
【００１５】
実際のトンネルではバケット上で行う計測範囲より広範な領域を計測することが必要となる。このため、オペレータはバケットを次の計測箇所に移動させて作業を続行する。さらに、広範囲の計測を行うには計測車両１４を移動させて作業を行う。このようにして、複数の探査位置での計測を行うことができる。
このようにして所定の探査位置で得られた計測結果は図５に示すように表示される。図５（ａ）において、検出された反射エネルギーレベルが０．０５とすると、棒グラフ２０のように表示される。さらに、しきい値を０．０４に設定している場合、検出された反射エネルギーがしきい値を超えているので異常と判定された例である。状態表示部２１は、しきい値以下を正常として○印、しきい値を超えて所定値までを要監視として△印、それ以上を異常としてＸ印とする。さらに正常時には枠内を「青」、要監視時には枠内を「灰」、異常時には異常の度合によって、例えば度合の大きい方から「赤」、「オレンジ」、「黄」のように３段階のカラー表示する。
【００１６】
また、図５（ｂ）は複数箇所の探査位置で検出された反射エネルギーレベルをマッピングしたもので、探査位置を区画で示して縦区画４〜７、横区画３３〜３６の範囲の例が示されている。各探査位置毎に検出された反射エネルギーレベルの値が表示されると共に、図５（ａ）の場合と同様にしきい値に対して○、△、Ｘ印及びカラー表示がされる。
図６は反射エネルギーレベルを等高線で表示したものである。信号処理装置６において、各探査位置で得られた反射エネルギーレベルに基づいて、探査位置間の反射エネルギーレベルを補完演算して、等エネルギーレベルの輪郭を等高線で結ぶ処理を行う。そして、演算結果はクラック、ジャンカ等の欠陥部が存在する深さとして出力表示器７に表示される。この例では、探査位置を座標で示して縦座標４〜９、横座標６〜１３の範囲が示されている。
【００１７】
等高線は、例えばＡで示した範囲では欠陥部が６ｃｍ〜８ｃｍのところに存在する。Ｂは８〜１０ｃｍ、Ｃは１０〜１２ｃｍ、Ｄは１２〜１４ｃｍ、Ｅは１４〜１６ｃｍ、Ｆは１６〜１８ｃｍ、Ｇは１８ｃｍ以上の深さに欠陥部が存在する。なお、○印は従来の打音検査により「異常あり」と診断されたデータを、比較のために示したものである。
さらに、欠陥部が存在する深さに応じて等高線を色別するとか明暗度で表示することにより、欠陥部の把握が容易になる。
以上のように、基準点からの音響探査子３の位置を検出し、音響弾性波を注入した位置に対応して音響弾性波の反射エネルギーレベルを演算してトンネル覆工２の内部の状態を判定することにより、トンネル覆工２の内部の状態を定量的に把握することができるので、トンネル覆工２の状態を時間的変化として管理できる。
【００１８】
実施の形態２．
図７は実施の形態２の構成を示すブロック図である。図７において、２〜９は実施の形態１のものと同様のものである。図７において、自動制御される計測車両２２は軌道上を探査位置まで移動する。なお、計測車両２２の操作は予め設定された移動指令信号により制御される。計測車両２２の位置は車両位置検出器２３で行い、軌道上の原点からのキロ程、基準マーキング又は基準位置からの変位信号をアーム位置制御器２４へ出力する。計測車両２２が該当する探査位置の近傍に到達すると、アーム位置制御装置２４がアーム駆動装置２５を介して関節アーム機構２６を操作して、音響探査子３を予め計画された探査位置に位置決めする。この場合、アーム駆動装置２５への信号出力は計測パターンデータベース２７に設定されている計測パターンにより行われる。音響探査子３の位置はアーム位置検出器２８により計測車両２２の基準点からの変位信号として出力される。アーム位置制御装置２４は車両位置検出器２３からの変位信号とアーム位置検出器２８からの変位信号とを基に、関節アーム機構２６の先端に配置された音響探査子３の探査位置の計測を行い、計測位置データ記憶装置２９に記憶する。
【００１９】
以上の動作は、産業用ロボット等で一般的なティーチング・プレイバック制御の応用例である。計測パターンは予め想定される計測動作を事前にオペレータが教示し、その経路情報を計測パターンデータベース２７に記憶しておくものである。
実際の計測作業時は先程記述した動作を、アーム位置制御装置２４が随時計測パターンデータベース２７から移動制御情報を読み出して実行することにより実現される。
以上はオペレータが介在して計測パターンを教示する例を説明したが、軌道上から見たトンネル覆工２の位置情報が既に数値データとして得られている場合は、関節アーム機構２６と架線等トンネル設備の干渉を考慮しながら事前に計測動作をシミュレーション等によりプログラミングが可能となる。
ここで探査位置について説明する。探査位置は、キロ程、および基準マーキング、および基準位置からの変位情報により計算される。キロ程は軌道上の原点を単位に管理されるため、計測車両２２の位置はキロ程にて絶対位置が管理できる。
【００２０】
一方、探査位置の近傍に設定される基準点は、例えば計測車両２２の位置が決定し、探査位置の近傍に移動したバケット位置を基準に設定することが可能である。一例として関節アーム機構２６の原点位置を基準点と設定することが考えられる。次にバケットを操作し、計測を行う位置での変位を変位情報とすれば計測点は式（４）から式（６）の演算により、絶対的な位置情報として出力される。
ｘ＝Ｘｋｉｌｏ＋Ｘｒｅｆ＋Ｘｄｉｓｐ・・・・（４）
ｙ＝Ｙｋｉｌｏ＋Ｙｒｅｆ＋Ｙｄｉｓｐ・・・・（５）
ｚ＝Ｚｋｉｌｏ＋Ｚｒｅｆ＋Ｚｄｉｓｐ・・・・（６）
図８にこれらの基準点、および探査位置の関係の一例を示す。図８において、Ｘｋｉｌｏ、Ｙｋｉｌｏ、Ｚｋｉｌｏは計測車両位置のキロ程の座標を示す。Ｘｒｅｆ、Ｙｒｅｆ、Ｚｒｅｆは関節アーム機構の基準点座標、Ｘｄｉｓｐ、Ｙｄｉｓｐ、Ｚｄｉｓｐは基準点座標から音響探査子位置までの変位座標である。また、音響探査子位置はｘ、ｙ、ｚである。
ここで添字ｋｉｌｏはキロ程の座標を示す。ｒｅｆは関節アーム機構の基準点座標、ｄｉｓｐは基準点座標から音響探査子位置までの変位座標であることを示す。
【００２１】
図９は関節アーム機構２６の機構模式図である。図９の例では、関節アーム機構２６は直交アーム機構を構成しており、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿ったスライド機構３０，３１，３２を有している。さらに音響探査子３の姿勢を自由な角度に移動するため、回転軸α軸３３、β軸３４が装備されている。
この場合、基準点を原点とする音響探査子３の位置（Ｘｄｉｓｐ、Ｙｄｉｓｐ、Ｚｄｉｓｐ）は、図２の探査位置計測装置１６（図７の場合はアーム位置制御器２４）において式（７）から式（９）のように計算される。
Ｘｄｉｓｐ＝Ｘａ＋ＤｓｉｎＡ・ｃｏｓＢ・・・・（７）
Ｙｄｉｓｐ＝Ｙａ＋ＤｓｉｎＡ・ｓｉｎＢ・・・・（８）
Ｚｄｉｓｐ＝Ｚａ＋Ｚｏ＋ＤｃｏｓＡ・・・・（９）
ここで、Ｘａ、Ｙａ、Ｚａはそれぞれ各直交スライド機構３０〜３２の変位量、Ａ、Ｂはそれぞれ回転軸３３，３４の回転角、Ｚｏはバケット上の基準点からアーム機構の原点までの変位量を示す。
以上のように計算された探査位置情報は計測ポイント毎に図２の計測位置データ記憶器１７（図７の場合はアーム位置制御器２４）に格納される。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、軌道上の原点からのキロ程，基準マーキング，又は基準位置からの計測車両の変位情報と、計測車両上の基準点からの音響探査子の変位情報とに基づき、音響探査子の探査位置を計測して音響探査子を位置決めし、探査位置に接触させた上記音響探査子から音響弾性波を注入し、探査位置に対応して音響弾性波の反射エネルギーレベルを演算してトンネル覆工の内部の状態を判定することにより、トンネル覆工内部の状態を定量的に把握することができるので、トンネル覆工の状態を時間的変化として管理することができる。また、計測車両により音響探査子を容易に移動させることができ、計測車両及び音響探査子の各変位情報に基づいて探査位置を計測するので、探査位置の精度を向上させることができる。
また、覆工位置を検出、表示及び記録することにより、トンネル覆工の劣化管理を容易に行うことができる。
また、演算結果を表示及び記録することにより、トンネル覆工の劣化管理を容易に行うことができる。
また、反射エネルギーレベルを棒グラフで表示することにより、劣化の度合を容易に確認することができる。
また、反射エネルギーレベルが同じである複数の探査位置を等高線で表示することにより、トンネル覆工の内部の状態を容易に把握することができる。
【００２３】
また、アーム機構は、１軸又は複数軸の自由度を有する関節アーム機構とし、予めプログラムされた教示プログラムに基づくプレイバックにより、又は、予め計測動作がプログラミングされたプログラムにより、予め計画された探査位置に位置決めするので、音響探査子を探査位置に容易に精度よく位置決めすることができる。
さらに、音響探査子を音響弾性波の指向角と計測深度とから決定される計測範囲の幅、又は上記計測範囲の幅より短い距離だけシフトさせることにより、計測深度内を効率よく計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】欠陥部が存在するトンネル覆工の一部を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１の構成を示すブロック図である。
【図３】音響探査子に供給される周波数が連続的に変化する駆動電流を示す説明図である。
【図４】音響探査子の指向角を模式的に示した説明図である。
【図５】探査位置で得られた計測結果を表示した説明図である。
【図６】探査位置で得られた計測結果を等高線で表示した説明図である。
【図７】この発明の実施の形態２の構成を示すブロック図である。
【図８】基準点及び探査位置の関係の一例を示す説明図である。
【図９】関節アーム機構の機構模式図である。
【符号の説明】
２トンネル覆工、３音響探査子、１４，２２計測車両、２０棒グラフ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a tunnel lining inspection method in which an acoustic elastic wave is injected into a tunnel lining structure to detect an abnormal portion present inside.
[0002]
[Prior art]
In conventional tunnel lining inspection methods, hammering inspection using a hammer is performed. This is to detect defects inside the lining by impact elastic waves generated when the tunnel lining surface is struck with a hammer. In this case, the maintenance staff equipped with the hammer moves to the lining position to be inspected on the measuring vehicle or on foot. Then, a hammer is shaken on the bucket of the measuring vehicle or on a scaffold assembled at the target point, and the state of the lining is determined from the hitting sound.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional tunnel lining inspection method has been carried out as described above, so that maintenance personnel manually hammer the hammer, making it difficult to perform hammering with a constant force. Due to the large amount of experience and intuition, there was a problem that the diagnostic results could not be grasped quantitatively.
In addition, the striking position is marked directly on the striking point with a chalk or the like, but the position from the relevant joint is recorded in a notebook etc. as a rough estimate, and is transferred to a management drawing such as a tunnel development drawing at the filling station after the hammering is completed. There was a problem that the identification of the striking point was not clear.
[0004]
The present invention has been made to solve the above problems, and by calculating the reflected energy level of the acoustic elastic wave injected into the tunnel lining, the state inside the tunnel lining can be quantitatively determined. The object is to provide a tunnel lining inspection method that can be grasped.
Furthermore, it aims at providing the tunnel lining inspection method which can improve the precision of a search position by detecting the position of the acoustic probe from the predetermined position used as a reference point.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
A tunnel lining inspection method according to the present invention is a tunnel lining inspection in which an acoustic elastic wave is injected from a sound probe into a tunnel lining structure to detect an abnormal portion existing inside the tunnel lining structure. In the method, the acoustic probe is arranged on an arm mechanism mounted on a measurement vehicle capable of traveling on a track passing through a tunnel, and is measured by a distance from the origin on the track, a reference marking, or a measurement vehicle from a reference position. Based on the displacement information of the acoustic probe and the displacement information of the acoustic probe from the reference point on the measurement vehicle, the probe position of the acoustic probe is measured and the acoustic probe is positioned. An acoustic elastic wave is injected, and the reflected energy level of the acoustic elastic wave is calculated corresponding to the search position to determine the internal state of the tunnel lining.
In addition, the lining position is detected, displayed, and recorded.
The calculation result is displayed and recorded.
The reflected energy level is displayed as a bar graph.
In addition, a plurality of search positions having the same reflected energy level are displayed with contour lines.
[0006]
Further, the arm mechanism is a joint arm mechanism having a degree of freedom of one axis or a plurality of axes, and a search that is planned in advance by a playback based on a preprogrammed teaching program or a program in which a measurement operation is programmed in advance. It is positioned at a position.
Further, the acoustic probe is shifted by a width of the measurement range determined from the directivity angle of the acoustic elastic wave and the measurement depth, or a distance narrower than the width of the measurement range.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of a tunnel lining and shows a defect state. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the first embodiment. 1 and 2, 1 is a natural ground, and 2 is a tunnel lining constructed inside the natural ground 1, and has a predetermined lining thickness (coil thickness). In addition, 2a is a lining surface part, 2b is the cavity which exists between the natural ground 1 and the tunnel lining 2, 2c is a crack, and 2d is a jumper. 3 is an acoustic probe that can be pressed against the lining surface portion 2a of the tunnel lining 2, and a drive current is supplied from an after-mentioned drive control device 4 to an acoustic oscillator (not shown), so that the frequency is continuously increased. Is generated and injected into the tunnel lining 2, and a reception signal due to a vibration phenomenon in the tunnel lining 2 is received. Reference numeral 4 denotes a drive control device, which supplies a drive current whose frequency continuously changes to the acoustic probe 3 as shown in FIG. A signal amplifier 5 amplifies the received signal received by the acoustic probe 3.
[0008]
A signal processing device 6 calculates a reflected energy level from the received signal amplified by the signal amplifier 5 and compares the reflected energy level with a threshold value to determine an internal defect. Reference numeral 7 denotes an output display for displaying the calculation result of the signal processing device 6. A reflection energy level storage device 8 records the reflection energy level calculated by the signal processing device 6. Reference numeral 9 denotes an exploration data storage device that records the exploration position where the acoustic elastic wave is injected, the reflected energy level, and the winding thickness of the tunnel lining 2 as a set. Reference numeral 10 denotes a manually operated joint arm mechanism disposed on a bucket mounted on a measurement vehicle 14 described later, which moves the acoustic probe 3 to a predetermined position and performs posture control. Reference numeral 11 denotes a drive device that drives the

joint arm mechanism

10, and 12 denotes a manual operation mechanism. The operator manually operates the joint arm mechanism 10 via the drive device 11. Reference numeral 13 denotes a joint arm position detector that detects the position of the joint arm mechanism 10, and reference numeral 14 denotes a measurement vehicle that can travel on the track. Reference numeral 15 denotes a vehicle position detector that detects the position of the measurement vehicle 14, and outputs displacement information from the reference marking or the reference position about a kilometer from the origin on the track. Reference numeral 16 denotes an exploration position measuring device that measures the position of the acoustic probe 3. Reference numeral 17 denotes a measurement position data storage device, which stores the position of the acoustic probe 3 measured by the search position measurement device 16.
[0009]
Next, the operation will be described. 1 to 3, the measurement vehicle 14 on the track is moved to a point to be inspected by an operator. A vehicle position detector 15 detects the position of the measurement vehicle 14 and outputs current position information. The operator confirms that the corresponding position has been reached based on this position information, and operates the bucket 14 to move it to the vicinity of the search position. The operator on the bucket manually operates the joint arm mechanism 10 via the driving device 11 by the manual operation mechanism 12 to position the acoustic probe 3 at a predetermined search position on the lining surface portion 2a. Here, the position of the acoustic probe 3 is output as displacement information from the reference point of the bucket 14 by the joint arm position detector 13. Further, the vehicle position detector 15 outputs displacement information from the reference point on the track of the measurement vehicle 14. The exploration position measuring device 16 measures the exploration position of the acoustic exploration element 3 based on the displacement information of the acoustic exploration element 3 and the displacement information of the measurement vehicle 14 and stores it in the measurement position data storage device 17.
[0010]
When the positioning of the acoustic probe 3 is completed, the drive current shown in FIG. 3 is given from the drive control device 4 to the acoustic oscillator (not shown) of the acoustic probe 3. Here, an acoustic oscillator (not shown) generates an acoustic elastic wave corresponding to the magnitude of the applied drive current. For this reason, acoustic acoustic waves can be injected into the tunnel lining 2 by bringing the acoustic probe 3 into pressure contact with the search position of the lining surface portion 2a of the tunnel lining 2 to be measured.
The acoustic elastic wave injected from the acoustic probe 3 propagates through the tunnel lining 2 and resonates at a characteristic frequency depending on the internal structure of the tunnel lining 2. When there is no abnormality in the tunnel lining 2, the acoustic elastic wave propagates to the backside of the natural ground 1, and the vertical length corresponding to the distance (coil thickness) between the lining surface portion 2 a and the lining backside. Vibration occurs.
[0011]
If there are peeling defects such as cracks 2c and junkers 2d inside the tunnel lining 2, vibrations differ depending on the depth and width of the plate structure formed by these defective portions and the lining surface portion 2a. Demonstrate the phenomenon. This vibration phenomenon is detected as a received signal by the acoustic probe 3 pressed against the lining surface portion 2a. The received signal is amplified by the signal amplifier 5 and taken into the signal processing device 6. The signal processing device 6 performs an FFT operation process on the received reception signal to create a frequency response. Further, the signal processing device 6 calculates the reflected energy E _{R according} to the equation (1) with respect to the frequency response. In Equation (1), K is a constant, f ₁ is a lower limit frequency of frequency integration, and f ₂ is an upper limit frequency of frequency integration.
[0012]
[Expression 1]

[0013]
The reflection energy level detected in this way is small in the vertical vibration at the normal time, but becomes high when a defect exists inside. The reflection energy level calculated by the signal processing device 6 is determined by comparing with the threshold value determined from the actual measurement data. In this case, a peeling abnormality is displayed on the output display 7 for the search position where the reflected energy level exceeds the threshold value. Then, non-peeling is displayed for the search position whose reflected energy is smaller than the threshold value.
In the non-peeled state, the winding thickness of the tunnel lining 2 can be estimated from the frequency response. In the absence of delamination, the longitudinal vibration phenomenon is excited inside the tunnel lining 2. This longitudinal vibration resonates at the frequency of the formula (2) from the winding thickness of the tunnel lining 2 and the acoustic velocity in the tunnel lining 2. In Equation (2), f _L is the resonance frequency of longitudinal vibration, v is the acoustic velocity in the tunnel lining 2, and d is the winding thickness of the tunnel lining 2.
f _L = v / 2 · d (2)
That is, the frequency peak shown by Formula (2) appears in the frequency response.
Therefore, the winding thickness of the tunnel lining 2 can be obtained from this peak frequency using Equation (3).
d = v / 2 · f _L (3)
Based on the above results, the reflected energy level corresponding to the search position and the winding thickness of the tunnel lining 2 are recorded as a set in the search data recording device 9.
[0014]
FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing the directivity angle of the acoustic probe 3. FIG. 4 shows an example in which the directivity angle of the acoustic probe 3 is about 45 degrees. In FIG. 4, when the measurement depth is L, the searchable range is W. Here, by moving the acoustic probe 3 by a searchable range W or a distance shorter than the searchable range W, the searchable ranges overlap at the position 19 of the next measurement point. Therefore, it is possible to search within the measurement depth efficiently and cover a wide area.
The acoustic probe 3 can be moved within a range that can be measured on the bucket by an operator on the bucket operating the manual operation mechanism 12 and sequentially moving it to a predetermined search position.
[0015]
In an actual tunnel, it is necessary to measure a wider area than the measurement range performed on the bucket. For this reason, an operator moves a bucket to the next measurement location and continues work. Furthermore, in order to perform measurement over a wide range, the measurement vehicle 14 is moved to perform work. In this way, measurement at a plurality of search positions can be performed.
The measurement result obtained at the predetermined search position in this way is displayed as shown in FIG. In FIG. 5A, when the detected reflection energy level is 0.05, a bar graph 20 is displayed. Furthermore, when the threshold value is set to 0.04, the detected reflection energy exceeds the threshold value. The state display unit 21 sets the mark below the threshold value as normal, the mark ◯ as the value that exceeds the threshold value up to a predetermined value, and the mark X as the error. Furthermore, the frame is “blue” when normal, “ash” when monitoring is necessary, and the degree of abnormality when abnormal, for example, “red”, “orange”, “yellow”, etc. Display in color.
[0016]
FIG. 5B is a map of reflected energy levels detected at a plurality of search positions. The search positions are indicated by sections, and examples of ranges of vertical sections 4 to 7 and horizontal sections 33 to 36 are shown. Has been. The value of the reflected energy level detected for each exploration position is displayed, and as in the case of FIG. 5A, ◯, Δ, X marks and color are displayed for the threshold value.
FIG. 6 shows the reflected energy level as contour lines. In the signal processing device 6, the reflection energy level between the search positions is complementarily calculated based on the reflection energy level obtained at each search position, and a process of connecting the contours of the equal energy levels with contour lines is performed. Then, the calculation result is displayed on the output display 7 as a depth at which a defect portion such as a crack or a jumper exists. In this example, the search position is indicated by coordinates, and a range of ordinates 4 to 9 and abscissas 6 to 13 is shown.
[0017]
In the range indicated by A, for example, the contour line has a defect portion of 6 cm to 8 cm. B is 8 to 10 cm, C is 10 to 12 cm, D is 12 to 14 cm, E is 14 to 16 cm, F is 16 to 18 cm, and G has a depth of 18 cm or more. The circles indicate the data diagnosed as “abnormal” by the conventional hammering test for comparison.
Furthermore, by displaying the contour lines by color according to the depth at which the defective portion exists or by displaying it with brightness, it becomes easy to grasp the defective portion.
As described above, the position of the acoustic probe 3 from the reference point is detected, the reflected energy level of the acoustic elastic wave is calculated corresponding to the position where the acoustic elastic wave is injected, and the internal state of the tunnel lining 2 is determined. Since the state inside the tunnel lining 2 can be grasped quantitatively by determining, the state of the tunnel lining 2 can be managed as a temporal change.
[0018]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the second embodiment. In FIG. 7, reference numerals 2 to 9 are the same as those in the first embodiment. In FIG. 7, the automatically controlled measurement vehicle 22 moves on the track to the search position. The operation of the measurement vehicle 22 is controlled by a preset movement command signal. The position of the measurement vehicle 22 is determined by the vehicle position detector 23, and the displacement signal from the reference marking or the reference position is output to the arm position controller 24 about a kilometer from the origin on the track. When the measurement vehicle 22 reaches the vicinity of the corresponding search position, the arm position control device 24 operates the joint arm mechanism 26 via the arm drive device 25 to position the acoustic probe 3 at the planned search position. . In this case, the signal output to the arm driving device 25 is performed by the measurement pattern set in the measurement pattern database 27. The position of the acoustic probe 3 is output as a displacement signal from the reference point of the measurement vehicle 22 by the arm position detector 28. Based on the displacement signal from the vehicle position detector 23 and the displacement signal from the arm position detector 28, the arm position control device 24 measures the search position of the acoustic probe 3 arranged at the tip of the joint arm mechanism 26. And stored in the measurement position data storage device 29.
[0019]
The above operation is an application example of teaching / playback control generally used in industrial robots and the like. In the measurement pattern, an operator teaches a presumed measurement operation in advance, and the path information is stored in the measurement pattern database 27.
During actual measurement work, the operation described above is realized by the arm position control device 24 reading and executing the movement control information from the measurement pattern database 27 as needed.
In the above, an example in which a measurement pattern is taught by an operator has been described. However, when the position information of the tunnel lining 2 as seen from the track is already obtained as numerical data, the joint arm mechanism 26 and the overhead wire tunnel, etc. The measurement operation can be programmed in advance by simulation or the like while considering the interference of the equipment.
Here, the search position will be described. The search position is calculated based on the kilometer, the reference marking, and the displacement information from the reference position. Since the kilometer is managed in units of the origin on the track, the absolute position of the measurement vehicle 22 can be managed in kilometer.
[0020]
On the other hand, the reference point set in the vicinity of the search position can be set, for example, based on the bucket position determined by the position of the measurement vehicle 22 and moved to the vicinity of the search position. As an example, the origin position of the joint arm mechanism 26 may be set as a reference point. Next, when the bucket is operated and the displacement at the position where the measurement is performed is used as the displacement information, the measurement point is output as absolute position information by the calculation of Expression (4) to Expression (6).
x = Xkilo + Xref + Xdisp (4)
y = Ykilo + Yref + Ydisp (5)
z = Zkilo + Zref + Zdisp (6)
FIG. 8 shows an example of the relationship between these reference points and search positions. In FIG. 8, Xkilo, Ykilo, and Zkilo indicate coordinates about a kilometer of the measurement vehicle position. Xref, Yref, Zref are reference point coordinates of the joint arm mechanism, and Xdisp, Ydisp, Zdisp are displacement coordinates from the reference point coordinates to the acoustic probe position. The acoustic probe positions are x, y, and z.
Here, the subscript “kilo” indicates coordinates in kilometer. ref represents the reference point coordinates of the joint arm mechanism, and disp represents the displacement coordinates from the reference point coordinates to the acoustic probe position.
[0021]
FIG. 9 is a schematic diagram of the joint arm mechanism 26. In the example of FIG. 9, the joint arm mechanism 26 constitutes an orthogonal arm mechanism, and includes slide mechanisms 30, 31, and 32 along the x axis, the y axis, and the z axis. Furthermore, in order to move the attitude of the acoustic probe 3 to a free angle, a rotation axis α axis 33 and a β axis 34 are provided.
In this case, the position (Xdisp, Ydisp, Zdisp) of the acoustic probe 3 with the reference point as the origin is obtained from the equation (7) in the search position measuring device 16 in FIG. 2 (arm position controller 24 in the case of FIG. 7). It is calculated as in equation (9).
Xdisp = Xa + DsinA · cosB (7)
Ydisp = Ya + DsinA · sinB (8)
Zdisp = Za + Zo + DcosA (9)
Here, Xa, Ya and Za are the displacement amounts of the orthogonal slide mechanisms 30 to 32, A and B are the rotation angles of the rotation shafts 33 and 34, respectively, and Zo is the displacement from the reference point on the bucket to the origin of the arm mechanism. Indicates the amount.
The search position information calculated as described above is stored for each measurement point in the measurement position data storage unit 17 in FIG. 2 (in the case of FIG. 7, the arm position controller 24).
[0022]
【The invention's effect】
According to the present invention, the acoustic exploration is based on the kilometer from the origin on the orbit, the reference marking, or the displacement information of the measurement vehicle from the reference position and the displacement information of the acoustic probe from the reference point on the measurement vehicle. The acoustic probe is positioned by measuring the probe's exploration position, the acoustic acoustic wave is injected from the acoustic probe that is in contact with the exploration position, and the reflected energy level of the acoustic elastic wave is calculated according to the exploration position. By determining the internal state of the tunnel lining, the internal state of the tunnel lining can be quantitatively grasped, so that the state of the tunnel lining can be managed as a temporal change. Moreover, since the acoustic probe can be easily moved by the measurement vehicle and the search position is measured based on the displacement information of the measurement vehicle and the acoustic probe, the accuracy of the search position can be improved.
Further, by detecting, displaying, and recording the lining position, it is possible to easily manage the deterioration of the tunnel lining.
In addition, by displaying and recording the calculation result, it is possible to easily manage the deterioration of the tunnel lining.
Further, the degree of deterioration can be easily confirmed by displaying the reflected energy level as a bar graph.
Further, by displaying a plurality of search positions having the same reflected energy level with contour lines, it is possible to easily grasp the internal state of the tunnel lining.
[0023]
Further, the arm mechanism is a joint arm mechanism having a degree of freedom of one axis or a plurality of axes, and a search that is planned in advance by a playback based on a preprogrammed teaching program or a program in which a measurement operation is programmed in advance. Since the acoustic probe is positioned at the position, the acoustic probe can be easily and accurately positioned at the search position.
In addition, the acoustic probe can be efficiently measured within the measurement depth by shifting the measurement range determined by the acoustic angle of the acoustic acoustic wave and the measurement depth, or by a distance shorter than the measurement range. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of a tunnel lining where a defect exists.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a drive current in which the frequency supplied to the acoustic probe changes continuously.
FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing the directivity angle of an acoustic probe.
FIG. 5 is an explanatory diagram displaying measurement results obtained at a search position.
FIG. 6 is an explanatory diagram in which measurement results obtained at a search position are displayed with contour lines.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of a relationship between a reference point and a search position.
FIG. 9 is a schematic diagram of a joint arm mechanism.
[Explanation of symbols]
2 Tunnel lining, 3 acoustic probe, 14, 22 measuring vehicle, 20 bar graph.

Claims

In the tunnel lining inspection method for injecting an acoustic elastic wave from the acoustic probe into the tunnel lining structure and detecting an abnormal part existing inside the tunnel lining structure,
The acoustic probe is arranged in an arm mechanism mounted on a measurement vehicle capable of traveling on a track passing through a tunnel,
The acoustic probe according to the kilometer from the origin on the orbit, the reference marking, or the displacement information of the measurement vehicle from the reference position and the displacement information of the acoustic probe from the reference point on the measurement vehicle. Measure the exploration position and position the acoustic probe,
The acoustic acoustic wave is injected from the acoustic probe that is in contact with the exploration position, and the reflected energy level of the acoustic elastic wave is calculated corresponding to the exploration position to determine the internal state of the tunnel lining. Tunnel lining inspection method characterized by this.

The tunnel lining inspection method according to claim 1, wherein the lining position is detected, displayed, and recorded.

The tunnel lining inspection method according to claim 1, wherein the calculation result is displayed and recorded.

Tunnel lining inspection method according to claim 2 or claim 3 said reflected energy level and displaying a bar graph.

The tunnel lining inspection method according to claim 2 or 3, wherein a plurality of search positions having the same reflected energy level are displayed by contour lines.

The arm mechanism is a joint arm mechanism having a degree of freedom of one axis or a plurality of axes, and the exploration planned in advance by a playback based on a preprogrammed teaching program or a program in which a measurement operation is programmed in advance. The tunnel lining inspection method according to any one of claims 1 to 5 , wherein positioning is performed at a position .

The acoustic Tansako are one of claims 1, characterized in that to shifted narrower distance than the width of, or the measurement range of the measuring range determined by the directional angle of the acoustic elastic wave and measurement depth of claim 6 The tunnel lining inspection method according to claim 1.