JPH03272488A

JPH03272488A - トンネル構造物の検査装置

Info

Publication number: JPH03272488A
Application number: JP2072481A
Authority: JP
Inventors: Harumi Araki; 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: 1991-12-04
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: JP2844816B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
非破壊検査する傘会共＃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１８０４８７号、平成１年特許出願公開第２
７４０９２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、反射の有無により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、物理的変化の進行は力学的な変化
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受信アンテナと、当該
受信アンテナによる受信電波から、所定周波数について
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。

また、第２の発明では、更に、トンネル内の多重反射波
を受信する第２の受信アンテナを設け、演算手段では、
第２の受信アンテナの受信電波により多重反射成分を除
去して、−次反射波の、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。

［作用コ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、それぞれに適した馬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。

［実施例コ以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

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
接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０３〜３ＧＨｚ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、トリが発生回路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、米国ヒユーレット・パラ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又は外部コマンド
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３４．８６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。調査位置信号は例えば、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か
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−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
工背面での地下水浸潤は、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２００〜３
００ＭＨｚ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２００〜３００Ｍ　Ｈ２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ｌＯ〜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 −はねや異常出水の予測は、トンネル掘削時の重要な課
題である。山はね現象は、音生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、上記ヒユーレット・バ
ラカード柱製造のネットワーク・アナライザでは、０３
〜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１
４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３
４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４
０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か演算処理回路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、横方向か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）を記録袋ｊｌｉ４２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１８．２０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。

［発明の効果コ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状態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１６，１８２０：台車　２２：掃引発振回路
　２４・トリガ発生回路　２６２８．３０：アンプ　３
４，３６：演算処理回路３８二合或回路　４０：映像モ
ニタ装ｗ　４２：記録装置

Claims

【特許請求の範囲】

（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受信
アンテナと、当該受信アンテナによる受信電波から、所
定周波数について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。
（２）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。