JP4577957B2

JP4577957B2 - Tunnel diagnostic equipment

Info

Publication number: JP4577957B2
Application number: JP2000242011A
Authority: JP
Inventors: 晋一服部; 隆史島田; 公一郎甲斐; 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: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: JP2002055088A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トンネル構造物壁面の内部に存在する欠陥を、音響弾性波を用いて診断するトンネル診断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトンネル診断は、音響信号を用い、ハンマー等発振源から投入された音響パルス信号の遅延時間を計測し、覆工部の厚み、あるいは欠陥部までの距離を計測しようとしていた。
図８は、従来のトンネル診断装置を示す構成図である。
図８において、１１１はハンマー、１１２は衝撃受信センサ、１１３は受信装置、１１４はオシロスコープ、１１５は測定対象であるトンネル覆工である。
図８の従来技術では、ハンマー１１１の発振源からトンネル覆工１１５に投入された音響信号を衝撃受信センサ１１２によって検出し、受信装置１１３で受信し、オシロスコープ１１４で観視する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では、パルスの高周波成分がコンクリートを構成する骨材により散乱されて信号が深部まで到達できず、深部計測が困難であった。また表層に近い部分に欠陥が存在する場合、欠陥部から反射する音響反射信号と、パルス信号の入射によって対象物表面に発生する表面波とが干渉し、欠陥部から反射する信号波を容易に識別できない課題があった。
【０００４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、診断の対象構造物の深部及び表層部の両領域に存在する欠陥部を効率的に診断できるトンネル診断装置を得ることを目的としている。
【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診断装置においては、トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射すると共に入射された低周波の音響弾性波に対するトンネル覆工の第一の応答振動を受信するよう構成された低周波探査子、トンネル覆工に高周波の音響弾性波を入射すると共に入射された高周波の音響弾性波に対するトンネル覆工の第二の応答振動を受信するよう構成された高周波探査子、低周波探査子によって受信された第一の応答振動または高周波探査子によって受信された第二の応答振動を用いて、トンネル覆工内の欠陥の有無を判定する信号処理装置、低周波探査子及び高周波探査子の切替えを判定する探査子切替え判定機構、この探査子切替え判定機構によって切替えを判定された場合に探査子の切替えを行う探査子切替え機構を備え、信号処理装置は、トンネル覆工内の欠陥の有無の判定に用いた応答振動から反射エネルギーレベルを算出し、探査子切替え判定機構は、算出された反射エネルギーレベルを、予め設定されたエネルギーレベルと比較し、この比較結果により探査子の切替えを判定するものであり、低周波探査子及び高周波探査子の各探査子は、トンネル覆工に音響弾性波を入射する音響発振子と、音響発振子によって入射された音響弾性波に対するトンネル覆工の応答振動を受信する音響受信センサとを有し、音響発振子及び音響受信センサは、トンネル覆工への当接面が同一面を形成するよう配置されているものである。
【０００６】
さらに、低周波探査子は、トンネル覆工の深層部の欠陥を検出するよう構成されているものである。
また、高周波探査子は、トンネル覆工の表層部の欠陥を検出するよう構成されているものである。
【０００８】
加えて、音響弾性波は、周波数が連続的に変化する連続波であるものである。
また、信号処理装置は、トンネル覆工の共振振動によって生成された応答振動の共振周波数により、欠陥の有無を判定するものである。
また、信号処理装置は、共振周波数を基にしてトンネル覆工の音響速度を算出し、算出された音響速度により、欠陥の有無を判定するものである。
また、信号処理装置によるトンネル覆工の音響速度の算出は、予め得られたトンネル覆工の厚みの２倍の値に共振周波数を乗ずることによって行われるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、一般的なトンネル覆工構造と欠陥を示す図である。
図１において、１は地山、２は地山１を覆うトンネル覆工、３はトンネル覆工２の表面であるトンネル覆工表面、４はトンネル覆工２に生じたクラック、５はトンネル覆工２に生じたジャンカ、６はトンネル覆工２のコールドジョイント、７は地山１とトンネル覆工２の間に生じた空洞である。
【００１２】
図２は、この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置を示す構成図である。
図２において、１１は低周波探査子で、１１ａは低周波の音響弾性波をトンネル覆工２に注入する低周波音響発振子、１１ｂは低周波音響発振子１１ａによって注入された低周波の音響弾性波に対するトンネル覆工２の応答振動（第一の応答振動）を受信する低周波受信センサである。１２は高周波探査子で、１２ａは高周波の音響弾性波をトンネル覆工２に注入する高周波音響発振子、１２ｂは高周波音響発振子１２ａによって注入された高周波の音響弾性波に対するトンネル覆工２の応答振動（第二の応答振動）を受信する高周波受信センサである。１３は低周波音響発振子１１ａ、高周波音響発振子１２ａを駆動する駆動波形信号を生成する駆動制御装置、１４は駆動制御装置１３によって生成された駆動波形信号を駆動電流に変換増幅して低周波音響発振子１１ａ、高周波音響発振子１２ａに出力する発振電流生成装置である。１５は低周波受信センサ１１ｂ、高周波受信センサ１２ｂによって検出された受信信号を増幅する受信信号増幅器、１６は増幅された受信信号が入力される可変帯域フィルタである。１７は設定表示装置である。２０は可変帯域フィルタ１６の出力が入力される受信信号処理装置で、波形メモリ２１と、ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）演算機構２２と、反射エネルギーレベル演算装置２３と、探査子切替え判定機構２４と、低周波探査子１１及び高周波探査子１２を切替える探査子切替え機構２５とを有する。
【００１３】
図３は、この発明の実施の形態１の一体型探査子構造を示す図である。
図３において、３１は音響発振子、３２は音響受信センサ、３３は音響発振子３１及び音響受信センサ３２を音響探査子ヘッドの筐体３４に支持する支持機構である。低周波探査子１１及び高周波探査子１２は、図３に示される探査子と同じ構造である。
音響発振子３１は、音響弾性波を発振するため対象面に当接することにより、音響弾性波をトンネル覆工に入射することが可能になる。一方、音響信号を検出する音響受信センサ３２も音響弾性波を使用するため、対象面に当接することにより、対象物からの音響信号を検出することが可能になる。音響発振子を支持機構３３により探査子ヘッドに固定し、また音響受信センサ３２を支持機構３３により探査子ヘッドに固定し、音響発振子３１の当接面、及び音響受信センサ３２の当接面が同一平面内に存在するよう一体にて音響探査子ヘッドに装備する。
音響探査子を以上のような構造にすることにより、音響発振子３１及び音響受信センサ３２の相対的位置関係を固定し、一体にて音響探査ヘッドに装備し、発振、受信の信号特性を一定にでき、かつトンネルのような狭所作業において操作性を改善できる。
【００１４】
図４は、この発明の実施の形態１の駆動信号波形（チャープ波）例を示す図であり、駆動制御装置１３から低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａに出力される信号波形の１例を示す図であり、時間と共に周波数が変化するチャープ波を示している。
図４において、縦軸は信号波形の電流、横軸は時間を示す。
図５は、この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置のピーク周波数の検出例を示す図である。
図６は、この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の覆工内部の欠陥状況を示す図である。
図７は、この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の検査のフローを示す図である。
【００１５】
次に、動作について説明する。
図２において、駆動制御装置１３からは低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａを駆動する駆動波形信号が生成され、発振電流生成装置１４に出力される。ここで、もちろん低周波音響発振子１１ａに対して生成される駆動波形信号と、高周波音響発振子１１ｂに対して生成される駆動波形信号は、周波数の帯域が異なっており、後者の帯域の方が高い帯域に設定されている。発振電流生成装置１４は、駆動波形信号を低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａを駆動する駆動電流に変換増幅し、低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａに印加する。低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａは、印加された駆動電流の大きさに応じた歪みを発生するように構成されているため、音響発振子を測定対象面であるトンネル覆工２の表面に接触させることで、トンネル覆工２に音響弾性波を注入することが可能となる。駆動制御装置１３が出力する駆動波形は図４に示すとおりである。
【００１６】
低周波音響発振子１１ａまたは高周波音響発振子１２ａから注入された音響弾性波は、トンネル覆工２内部を伝搬し、覆工の内部構造に依存した特徴周波数で共振し、応答する。内部に欠陥がない場合は、覆工背面まで音響弾性波が伝搬し、覆工表面と、覆工背面の距離に対応する縦振動が発生する。この振動現象は、覆工表面に圧接されている低周波受信センサ１１ｂから受信信号として検出され、受信信号増幅器１５により増幅され、可変帯域フィルタ１６で予め設定された周波数帯域の信号が、受信信号処理装置２０内の波形メモリ２１に取り込まれる。この受信波形に対し、ＦＦＴ演算処理を行い周波数応答が波形メモリ２１に出力される。
【００１７】
トンネルの地山を形成する岩盤は、一般に頁岩、花崗岩、安山岩などであり、例えば音響速度が約５０００ｍ／ｓｅｃ程度、密度が２．０〜２．５ｋｇ／ｍ³程度の値が得られる。
一方、トンネル覆工２のコンクリートは、音響速度が約３５００ｍ／ｓｅｃ〜４０００ｍ／ｓｅｃ程度であり、（Ｅ＝１．４×１０⁵ 〜１．９×１０⁵ｋｇｆ／ｃｍ²）密度も約２．１〜２．２ｋｇ／ｍ³程度である。
音響インピーダンスは、Ｚ＝ρ・ｖで表され、覆工の音響インピーダンスをＺ₁、地山の音響インピーダンスをＺ₂とすると、反射係数ｒが、
【数１】

で表されるため、値は小さいが覆工の巻き厚面で音響反射面が形成される。
【００１８】
また、覆工内部にクラック等の欠陥が発生している場合は、クラック面で空気と接する境界層が形成されるため、式（１）の密度ρ２、音響速度ｖ２がともに大幅に下がり強い反射層が形成される。
さらに、ジャンカ等の欠陥層が存在する場合も、クラックの場合と同じく、ジャンカ端面で空気と接する境界層が形成されるため、上記の密度ρ２、音響速度ｖ２がともに下がり、同じく反射層が形成される。
以上のように、健全なトンネル覆工では巻き厚位置で、欠陥が存在する場合は、その欠陥との境界面で音響インピーダンスのギャップが生じる。このため、覆工表面より連続的に変化する連続音響波が入力されると、覆工音響速度と、巻き厚あるいは欠陥部深度から決定される固有振動数で共振現象が発生する。
【００１９】
次に、トンネル覆工内部の振動現象について説明する。
欠陥が存在しない場合の地山の縦振動は、覆工の巻き厚、覆工の音響速度から、以下の周波数で表される。
【数２】

ここで、ｆは縦振動の共振周波数、ｄは覆工の巻き厚、ｖは覆工コンクリートの音響速度である。
今、図４に示す駆動波形がトンネル覆工に注入されると、式（２）に示す縦振動周波数で共振振動が発生し、受信波形をＦＦＴ演算処理した結果、式（２）の共振周波数ｆがピークとして検知される。
ピーク周波数の検出例を図５に示す。
式（２）より音響速度が予め得られている場合は、
【数３】

が得られる。すなわち、覆工位置ｄが式（３）より算出される。
内部に欠陥がある場合は、欠陥深度が式（３）で同じく求められる。
一方、健全な覆工位置ｄが予め与えられている場合は式（２）から、
【数４】

が得られる。すなわち、覆工の音響速度ｖが式（４）から算出される。
覆工内部に弱いジャンカ等の欠陥が存在する場合は、覆工内の音響速度が低下する。このため式（２）が示すように、覆工までの共振周波数は、健全の場合より低下する。この関係を利用し、式（４）から音響速度を算出し、予め設定された設定値より小さい結果が得られた場合、弱いジャンカが存在すると判断することが可能になる。
【００２０】
次に、欠陥の存在状況によりピーク周波数がどのように出力されるか説明する。覆工内部での欠陥の存在状況を模式的に図６に示す。
図６において、ケース１及びケース２は、欠陥がない場合を示し、地山が覆工コンクリートと同等の音響速度を有する場合がケース１、地山の音響速度がコンクリートの音響速度より大の場合がケース２である。なお、図６中、ｆｄは健全覆工の場合の周波数である。
次に、ケース３及びケース４は、深層部に欠陥が存在する場合であるが、欠陥状況が弱度の場合がケース３、強度の場合がケース４である。
ケース５及びケース６は、欠陥が表層部に存在する場合で、欠陥状況が弱度の場合がケース５、強度の場合がケース６である。
今、欠陥が存在する領域が、ケース３及びケース４のように深層部にある場合、検出される周波数は低周波になり、低周波探査子１１の帯域内で感度高い検出が可能になる。
一方、欠陥がケース５及びケース６に示すように表層部にある場合は、検出される周波数は高周波になり、高周波探査子１２の帯域内で感度高い検出が可能になる。
【００２１】
検出される周波数応答は、次のようである。
ケース１：ピーク周波数なし
ケース２：ｆ２＝ｖ／ｄここで、ｖは覆工の音響速度、ｄは地山までの距離。
ケース３：ｆ３＝ｖ’／ｄここで、ｖ’は弱欠陥（深層）を包含した覆工の平均音響速度。ｆ３＜ｆ２の関係が成立。
ケース４：ｆ４＝ｖ／Ｌ１ここで、Ｌ１は強欠陥（深層）までの深度。ｆ２＜ｆ４＜ｆｓの関係が成立。ここでｆｓ＝ｖ／ｄｓ、ｄｓは高周波探査子の計測範囲下限値。
ケース５：ｆ５＝ｖ”／ｄここで、ｖ”は弱欠陥（表層）を包含した覆工平均音響速度。ｆ３＜ｆ２の関係が成立。
ケース６：ｆ６＝ｖ／Ｌ２ここで、Ｌ２は強欠陥（表層）までの深度。ｆｓ＜ｆ６の関係が成立。ｆｓ＝ｖ／ｄｓ。
【００２２】
次に、図７を用いて検査フローを説明する。
計測時、まず、低周波探査子１１が、受信信号処理装置２０に接続され、周波数応答が出力される（ステップＳ１）。次いで、ピーク周波数の存在（ステップＳ２）と、ピーク周波数の値により、前述のケースに対応した欠陥部の有無を検知する（第一の手順）。
すなわち、ステップＳ３で、ピーク周波数ｆの値により、ｆ＝ｆｄ（但し、ｆｄは健全覆工の場合の周波数である）のとき健全覆工を検知し（ステップＳ４）、ｆ＜ｆｄのとき欠陥（弱）を検知し（ステップＳ５）、ｆｄ＜ｆ＜ｆｓのとき、深層部欠陥（強）を検知する（ステップＳ６）。
低周波探査子１１で信号が検出できないケースは、図６のケース１及びケース６であり、この場合、ステップＳ７で探査子を高周波探査子１２に切替えることにより、識別が可能になる（第二の手順）。ピーク周波数ｆを検知することにより、ケース６が検出できる。すなわちステップＳ８でピーク周波数が有りのとき、表層部欠陥（強）を検知し（ステップＳ９）、ピーク周波数無しのとき、健全覆工未検知（ステップＳ１０）とする。
【００２３】
次に、低周波探査子１１と高周波探査子１２の自動切替えについて説明する。
図２において、ＦＦＴ演算機構２２は、波形メモリ２１に格納された受信信号をＦＦＴ変換し、周波数応答信号を算出する。探査子切替え判定機構２４は、反射エネルギーレベル演算装置２３の出力に基づき、探査子切替え機構２５により高周波探査１２に切替える。
探査子切替え判定機構２４の動作は、反射エネルギーレベル演算装置２３が出力する反射エネルギーレベルが、予め設定されたエネルギーレベルより小さい場合、切替え信号を出力するよう構成されており、この機構を利用すれば、探査子の切替えをマニュアルでなく自動で行うことが可能になる。
【００２４】
この発明は、以上のように構成されたため、覆工の表層部から深層部に至る広範囲の対象構造を計測し、かつ欠陥部が表層領域に存在するような場合においても、効率的に欠陥部を、洩れなく診断できる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
トンネル覆工に低周波の音響弾性波を入射すると共に入射された低周波の音響弾性波に対するトンネル覆工の第一の応答振動を受信するよう構成された低周波探査子、トンネル覆工に高周波の音響弾性波を入射すると共に入射された高周波の音響弾性波に対するトンネル覆工の第二の応答振動を受信するよう構成された高周波探査子、低周波探査子によって受信された第一の応答振動または高周波探査子によって受信された第二の応答振動を用いて、トンネル覆工内の欠陥の有無を判定する信号処理装置、低周波探査子及び高周波探査子の切替えを判定する探査子切替え判定機構、この探査子切替え判定機構によって切替えを判定された場合に探査子の切替えを行う探査子切替え機構を備え、信号処理装置は、トンネル覆工内の欠陥の有無の判定に用いた応答振動から反射エネルギーレベルを算出し、探査子切替え判定機構は、算出された反射エネルギーレベルを、予め設定されたエネルギーレベルと比較し、この比較結果により探査子の切替えを判定するものであり、低周波探査子及び高周波探査子の各探査子は、トンネル覆工に音響弾性波を入射する音響発振子と、音響発振子によって入射された音響弾性波に対するトンネル覆工の応答振動を受信する音響受信センサとを有し、音響発振子及び音響受信センサは、トンネル覆工への当接面が同一面を形成するよう配置されているので、低周波の音響弾性波及び高周波の音響弾性波を切替えてトンネル覆工の欠陥の検出が可能であるとともに、探査子をトンネル覆工に一定に当接でき、音響弾性波の入射及び応答振動の受信を一定の特性で行うことができる。
【００２７】
さらに、低周波探査子は、トンネル覆工の深層部の欠陥を検出するよう構成されているので、低周波探査子を用いて、トンネル覆工の深層部の欠陥を検出することができる。
また、高周波探査子は、トンネル覆工の表層部の欠陥を検出するよう構成されているので、高周波探査子を用いてトンネル覆工の表層部の欠陥を検出することができる。
【００２９】
加えて、音響弾性波は、周波数が連続的に変化する連続波であるので、トンネル覆工の共振を得やすい。
また、信号処理装置は、トンネル覆工の共振振動によって生成された応答振動の共振周波数により、欠陥の有無を判定するので、確実に判定が可能である。
【００３０】
また、信号処理装置は、共振周波数を基にしてトンネル覆工の音響速度を算出し、算出された音響速度により、欠陥の有無を判定するので、音響速度によって欠陥の有無を判定することができる。
また、信号処理装置によるトンネル覆工の音響速度の算出は、予め得られたトンネル覆工の厚みの２倍の値に共振周波数を乗ずることによって行われるので、トンネル覆工の厚みを予め得ておけば、共振周波数から音響速度の算出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なトンネル覆工構造と欠陥を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の一体型探査子構造を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の駆動信号波形（チャープ波）例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置のピーク周波数の検出例を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の覆工内部の欠陥状況を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１によるトンネル診断装置の検査のフローを示す図である。
【図８】従来のトンネル診断装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１地山、２トンネル覆工、３トンネル覆工表面、４クラック、
５ジャンカ、６コールドジョイント、７空洞、
１１低周波探査子、１１ａ低周波音響発振子、１１ｂ低周波受信センサ、
１２高周波探査子、１２ａ高周波音響発振子、１２ｂ高周波受信センサ、
１３駆動制御装置、１４発振電流生成装置、１５受信信号増幅器、
１６可変帯域フィルタ、１７設定表示装置、２０受信信号処理装置、
２１波形メモリ、２２ＦＦＴ演算機構、
２３反射エネルギーレベル演算装置、２４探査子切替え判定機構、
２５探査子切替え機構、３１音響発振子、３２音響受信センサ、
３３支持機構、３４筐体。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention, defects present in the interior of the tunnel structure wall, but about the tunnel diagnostic equipment for diagnosing using an acoustic elastic wave.
[0002]
[Prior art]
In conventional tunnel diagnosis, an acoustic signal is used to measure the delay time of an acoustic pulse signal input from an oscillation source such as a hammer and to measure the thickness of the lining portion or the distance to the defective portion.
FIG. 8 is a block diagram showing a conventional tunnel diagnostic apparatus.
In FIG. 8, 111 is a hammer, 112 is an impact receiving sensor, 113 is a receiving device, 114 is an oscilloscope, and 115 is a tunnel lining to be measured.
In the prior art of FIG. 8, an acoustic signal input from the oscillation source of the hammer 111 to the tunnel lining 115 is detected by the impact receiving sensor 112, received by the receiving device 113, and viewed by the oscilloscope 114.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this method, the high-frequency component of the pulse is scattered by the aggregate constituting the concrete and the signal cannot reach the deep part, making it difficult to measure the deep part. If there is a defect near the surface layer, the acoustic reflection signal reflected from the defect part interferes with the surface wave generated on the surface of the object due to the incidence of the pulse signal, and the signal wave reflected from the defect part can be easily There were issues that could not be identified.
[0004]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a tunnel diagnostic apparatus capable of efficiently diagnosing a defective portion existing in both the deep portion and the surface layer portion of a structure to be diagnosed. the it is the purpose.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The tunnel diagnostic apparatus according to the present invention is configured to receive a low-frequency acoustic elastic wave in the tunnel lining and receive the first response vibration of the tunnel lining to the incident low-frequency acoustic elastic wave. Low-frequency probe, low-frequency exploration, configured to receive high-frequency acousto-acoustic waves on tunnel lining and receive second response vibration of tunnel lining against incident high-frequency acousto-acoustic waves using the second response vibration of which is received by the first response vibration or high frequency probe element received by the child, determines the signal processing device for defects in the tunnel lining, the low-frequency probing element and a high frequency probing determining exploration child switching determination mechanism switching a child, with a probing child switching mechanism for switching the probe element when it is determined to switch by the exploration sub switching determination mechanism, The signal processing device calculates the reflected energy level from the response vibration used for determining the presence or absence of defects in the tunnel lining, and the probe switching determination mechanism determines the calculated reflected energy level as a preset energy level. The comparison results are used to determine the switching of the probe. Each probe of the low-frequency probe and the high-frequency probe includes an acoustic oscillator that makes an acoustic elastic wave incident on the tunnel lining, and an acoustic oscillator. And an acoustic receiving sensor for receiving a response vibration of the tunnel lining with respect to the acoustic acoustic wave incident thereon, and the acoustic oscillator and the acoustic receiving sensor are arranged so that the contact surface to the tunnel lining forms the same surface It is what has been.
[0006]
Et al., Low frequency Tansako are those that are configured to detect defects in deep portion of the tunnel lining.
The high-frequency probe is configured to detect defects in the surface layer portion of the tunnel lining.
[0008]
In addition, the acoustic elastic wave is a continuous wave whose frequency continuously changes.
Further, the signal processing apparatus determines the presence or absence of a defect based on the resonance frequency of the response vibration generated by the resonance vibration of the tunnel lining.
The signal processing device calculates the acoustic velocity of the tunnel lining based on the resonance frequency, and determines the presence or absence of a defect based on the calculated acoustic velocity.
Further, the calculation of the acoustic velocity of the tunnel lining by the signal processing device is performed by multiplying the value obtained by multiplying the thickness of the tunnel lining obtained in advance by the resonance frequency.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a general tunnel lining structure and defects.
In FIG. 1, 1 is a natural ground, 2 is a tunnel lining covering the

natural ground

1, 3 is a tunnel lining surface which is the surface of the

tunnel lining

2, 4 is a crack generated in the

tunnel lining

2, and 5 is a tunnel covering. A jumper generated in the work 2, a cold joint 6 of the tunnel lining 2, and a cavity 7 formed between the ground 1 and the tunnel lining 2.
[0012]
FIG. 2 is a block diagram showing a tunnel diagnosis apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 2, 11 is a low-frequency probe, 11a is a low-frequency acoustic oscillator that injects a low-frequency acoustic elastic wave into the tunnel lining 2, and 11b is a low-frequency acoustic that is injected by the low-frequency acoustic oscillator 11a. This is a low-frequency receiving sensor that receives the response vibration (first response vibration) of the tunnel lining 2 with respect to the elastic wave. 12 is a high-frequency probe, 12a is a high-frequency acoustic oscillator that injects high-frequency acoustic elastic waves into the tunnel lining 2, and 12b is a response of the tunnel lining 2 to high-frequency acoustic elastic waves injected by the high-frequency acoustic oscillator 12a. This is a high-frequency receiving sensor that receives vibration (second response vibration). Reference numeral 13 denotes a low-frequency acoustic oscillator 11a and a drive control device that generates a drive waveform signal for driving the high-frequency acoustic oscillator 12a. Reference numeral 14 denotes a low-frequency by converting and amplifying the drive waveform signal generated by the drive control device 13 into a drive current. This is an oscillation current generator that outputs to the acoustic oscillator 11a and the high-frequency acoustic oscillator 12a. Reference numeral 15 denotes a low-frequency reception sensor 11b, a reception signal amplifier that amplifies the reception signal detected by the high-frequency reception sensor 12b, and 16 denotes a variable band filter to which the amplified reception signal is input. Reference numeral 17 denotes a setting display device. Reference numeral 20 denotes a received signal processing device to which the output of the variable band filter 16 is inputted. A waveform memory 21, an FFT (Fast Fourier Transform) computing mechanism 22, a reflected energy level computing device 23, and a probe switching determination. It has a mechanism 24 and a probe switching mechanism 25 for switching the low frequency probe 11 and the high frequency probe 12.
[0013]
FIG. 3 is a diagram showing an integrated probe structure according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 3, 31 is an acoustic oscillator, 32 is an acoustic reception sensor, and 33 is a support mechanism for supporting the acoustic oscillator 31 and the acoustic reception sensor 32 on a housing 34 of the acoustic probe head. The low frequency probe 11 and the high frequency probe 12 have the same structure as the probe shown in FIG.
The acoustic oscillator 31 abuts on the target surface to oscillate an acoustic elastic wave, thereby allowing the acoustic elastic wave to enter the tunnel lining. On the other hand, since the acoustic reception sensor 32 that detects an acoustic signal also uses acoustic acoustic waves, the acoustic signal from the object can be detected by contacting the object surface. The acoustic oscillator is fixed to the probe head by the support mechanism 33, and the acoustic reception sensor 32 is fixed to the probe head by the support mechanism 33. The contact surface of the acoustic oscillator 31, and the contact surface of the acoustic reception sensor 32 Are installed on the acoustic probe head so that they exist in the same plane.
By making the acoustic probe as described above, the relative positional relationship between the acoustic oscillator 31 and the acoustic reception sensor 32 is fixed, and the acoustic probe is integrally provided to the oscillation probe and reception signal characteristics are constant. In addition, the operability can be improved in a narrow work such as a tunnel.
[0014]
FIG. 4 is a diagram showing an example of a drive signal waveform (chirp wave) according to Embodiment 1 of the present invention, and shows a signal waveform output from the drive control device 13 to the low frequency acoustic oscillator 11a or the high frequency acoustic oscillator 12a. It is a figure which shows an example, and has shown the chirp wave from which a frequency changes with time.
In FIG. 4, the vertical axis represents the current of the signal waveform, and the horizontal axis represents time.
FIG. 5 is a diagram showing a detection example of the peak frequency of the tunnel diagnostic apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a defect state inside the lining of the tunnel diagnostic apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an inspection flow of the tunnel diagnostic apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
[0015]
Next, the operation will be described.
In FIG. 2, a drive waveform signal that drives the low-frequency acoustic oscillator 11 a or the high-frequency acoustic oscillator 12 a is generated from the drive control device 13 and is output to the oscillation current generation device 14. Here, of course, the drive waveform signal generated for the low-frequency acoustic oscillator 11a and the drive waveform signal generated for the high-frequency acoustic oscillator 11b have different frequency bands. Is set to a high bandwidth. The oscillation current generator 14 converts and amplifies the drive waveform signal into a drive current for driving the low-frequency acoustic oscillator 11a or the high-frequency acoustic oscillator 12a, and applies it to the low-frequency acoustic oscillator 11a or the high-frequency acoustic oscillator 12a. Since the low-frequency acoustic oscillator 11a or the high-frequency acoustic oscillator 12a is configured to generate distortion according to the magnitude of the applied drive current, the tunnel lining 2 that is the measurement target surface is used as the acoustic oscillator. It is possible to inject an acoustic elastic wave into the tunnel lining 2 by making contact with the surface. The drive waveform output by the drive control device 13 is as shown in FIG.
[0016]
The acoustic acoustic wave injected from the low-frequency acoustic oscillator 11a or the high-frequency acoustic oscillator 12a propagates through the tunnel lining 2 and resonates and responds at a characteristic frequency depending on the internal structure of the lining. When there is no defect inside, the acoustic elastic wave propagates to the back surface of the lining, and longitudinal vibration corresponding to the distance between the lining surface and the back surface of the lining occurs. This vibration phenomenon is detected as a reception signal from the low-frequency reception sensor 11b pressed against the lining surface, amplified by the reception signal amplifier 15, and a signal in a frequency band set in advance by the variable band filter 16 is received signal. The waveform is stored in the waveform memory 21 in the processing device 20. An FFT calculation process is performed on the received waveform, and a frequency response is output to the waveform memory 21.
[0017]
The rock mass forming the natural ground of the tunnel is generally shale, granite, andesite, and for example, the acoustic velocity is about 5000 m / sec and the density is about 2.0 to 2.5 kg / m ³ .
On the other hand, the concrete of the tunnel lining 2 has an acoustic velocity of about 3500 m / sec to 4000 m / sec, and (E = 1.4 × 10 ^{5 to} 1.9 × 10 ⁵ kgf / cm ² ) density of about 2 It is about 1 to 2.2 kg / m ³ .
The acoustic impedance is expressed as Z = ρ · v, where the acoustic impedance of the lining is Z ₁ and the acoustic impedance of the natural ground is Z ₂ , the reflection coefficient r is
[Expression 1]

Therefore, although the value is small, the acoustic reflection surface is formed by the thick surface of the lining.
[0018]
In addition, when a defect such as a crack is generated inside the lining, a boundary layer in contact with the air is formed on the crack surface, so that the density ρ2 and the acoustic velocity v2 in Expression (1) are both greatly reduced and strong reflection occurs. A layer is formed.
Further, when a defect layer such as a jumper is present, a boundary layer in contact with air is formed at the end face of the jumper, as in the case of a crack. Therefore, both the density ρ2 and the acoustic velocity v2 are lowered, and a reflection layer is also formed. Is done.
As described above, in the case of a sound tunnel lining, when a defect exists at the winding thickness position, an acoustic impedance gap occurs at the boundary surface with the defect. For this reason, when a continuous acoustic wave that changes continuously from the lining surface is input, a resonance phenomenon occurs at the natural frequency determined from the lining acoustic velocity and the winding thickness or defect depth.
[0019]
Next, the vibration phenomenon inside the tunnel lining will be described.
The vertical vibration of the natural ground when there is no defect is represented by the following frequency from the winding thickness of the lining and the acoustic speed of the lining.
[Expression 2]

Here, f is the resonance frequency of longitudinal vibration, d is the winding thickness of the lining, and v is the acoustic velocity of the lining concrete.
Now, when the drive waveform shown in FIG. 4 is injected into the tunnel lining, resonance vibration occurs at the longitudinal vibration frequency shown in Equation (2), and the received waveform is subjected to FFT calculation processing. As a result, the resonance frequency of Equation (2) is obtained. f is detected as a peak.
An example of detecting the peak frequency is shown in FIG.
If the acoustic velocity is obtained in advance from equation (2),
[Equation 3]

Is obtained. That is, the lining position d is calculated from the equation (3).
If there is a defect inside, the defect depth is also obtained by equation (3).
On the other hand, if a healthy lining position d is given in advance, from equation (2),
[Expression 4]

Is obtained. That is, the acoustic speed v of the lining is calculated from the equation (4).
When a defect such as a weak jumper is present inside the lining, the acoustic speed in the lining is reduced. For this reason, as shown in Equation (2), the resonance frequency up to the lining is lower than in the case of soundness. Using this relationship, the acoustic velocity is calculated from the equation (4), and when a result smaller than a preset value is obtained, it can be determined that a weak jumper exists.
[0020]
Next, how the peak frequency is output according to the presence of defects will be described. FIG. 6 schematically shows the presence of defects inside the lining.
In FIG. 6, Case 1 and Case 2 show the case where there is no defect, and the case where the natural ground has an acoustic velocity equivalent to that of the lining concrete is Case 1 and the acoustic velocity of the natural mountain is greater than the acoustic velocity of the concrete. Is Case 2. In FIG. 6, fd is a frequency in the case of a sound lining.
Next, Case 3 and Case 4 are cases where a defect exists in the deep layer portion. Case 3 is a case where the defect state is weak, and Case 4 is a case where the defect is strong.
Case 5 and case 6 are cases where a defect exists in the surface layer portion. Case 5 is when the defect state is weak, and case 6 is when the defect is strong.
If the area where the defect exists is in the deep layer as in the case 3 and the case 4, the detected frequency becomes a low frequency, and detection with high sensitivity is possible within the band of the low frequency probe 11.
On the other hand, when the defect is in the surface layer as shown in Case 5 and Case 6, the detected frequency becomes a high frequency, and detection with high sensitivity is possible within the band of the high-frequency probe 12.
[0021]
The detected frequency response is as follows.
Case 1: No peak frequency Case 2: f2 = v / d where v is the acoustic speed of the lining and d is the distance to the ground.
Case 3: f3 = v ′ / d where v ′ is the average acoustic velocity of the lining including the weak defect (deep layer). The relationship f3 <f2 is established.
Case 4: f4 = v / L1 Here, L1 is a depth to a strong defect (deep layer). The relationship f2 <f4 <fs is established. Here, fs = v / ds, ds is the lower limit value of the measurement range of the high-frequency probe.
Case 5: f5 = v ″ / d where v ″ is the lining average acoustic velocity including a weak defect (surface layer). The relationship f3 <f2 is established.
Case 6: f6 = v / L2 where L2 is the depth to the strong defect (surface layer). The relationship of fs <f6 is established. fs = v / ds.
[0022]
Next, an inspection flow will be described with reference to FIG.
At the time of measurement, first, the low-frequency probe 11 is connected to the reception signal processing device 20 and a frequency response is output (step S1). Next, the presence / absence of a defect corresponding to the above-described case is detected based on the presence of the peak frequency (step S2) and the value of the peak frequency (first procedure).
That is, in step S3, the sound lining is detected when f = fd (where fd is the frequency in the case of sound lining) according to the value of the peak frequency f (step S4), and when f <fd, the defect is detected. (Weak) is detected (step S5), and when fd <f <fs, a deep layer defect (strong) is detected (step S6).
Cases in which the signal cannot be detected by the low-frequency probe 11 are case 1 and case 6 in FIG. 6. In this case, identification can be made by switching the probe to the high-frequency probe 12 in step S7 (second case). Procedure). Case 6 can be detected by detecting the peak frequency f. That is, when there is a peak frequency in step S8, a surface layer defect (strong) is detected (step S9), and when there is no peak frequency, sound lining is not detected (step S10).
[0023]
Next, automatic switching between the low-frequency probe 11 and the high-frequency probe 12 will be described.
In FIG. 2, the FFT operation mechanism 22 performs FFT conversion on the received signal stored in the waveform memory 21 and calculates a frequency response signal. The probe switching determination mechanism 24 switches to the high frequency probe 12 by the probe switching mechanism 25 based on the output of the reflected energy level calculation device 23.
The operation of the probe switching determination mechanism 24 is configured to output a switching signal when the reflected energy level output from the reflected energy level calculation device 23 is smaller than a preset energy level. For example, the probe can be switched automatically instead of manually.
[0024]
Since the present invention is configured as described above, even when a wide range of target structures from the surface layer portion to the deep layer portion of the lining are measured and the defect portion exists in the surface layer region, the defect portion is efficiently obtained. Can be diagnosed without omission.
[0025]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
Low frequency probe configured to receive low frequency acousto-acoustic wave on tunnel lining and receive first response vibration of tunnel lining against incident low frequency acoustoelastic wave, high frequency on tunnel lining The first response vibration received by the low-frequency probe and the high-frequency probe configured to receive the second response vibration of the tunnel lining against the incident high-frequency acoustic elastic wave or by using the second response vibration of which is received by the RF probe terminal determines the signal processing device for defects in the tunnel lining, exploration child determines switching of the low-frequency probing element and a high frequency probing terminal switching determination mechanism, comprising a probe child switching mechanism for switching the probe element when it is determined to switch by the exploration sub switching determination mechanism, the signal processing device, the presence or absence of a defect in the tunnel lining The reflected energy level is calculated from the response vibration used for the determination, and the probe switching determination mechanism compares the calculated reflected energy level with a preset energy level and determines the switching of the probe based on the comparison result. Each of the low-frequency and high-frequency probes is an acoustic oscillator that receives an acoustic elastic wave on the tunnel lining, and a response vibration of the tunnel lining to the acoustic elastic wave that is incident by the acoustic oscillator. Since the acoustic oscillator and the acoustic reception sensor are arranged so that the contact surface to the tunnel lining forms the same surface, the low-frequency acoustic elastic wave and the high-frequency acoustic reception sensor are received. with switching the acoustic elastic wave can be detected defects of the tunnel lining, Tansako can abut constant the tunnel lining and the reception of the incident and the response vibration of the acoustic elastic wave one It can be carried out at the property.
[0027]
Furthermore, since the low-frequency probe is configured to detect a defect in the deep portion of the tunnel lining, the defect in the deep portion of the tunnel lining can be detected using the low-frequency probe.
In addition, since the high-frequency probe is configured to detect a defect in the surface portion of the tunnel lining, the defect in the surface portion of the tunnel lining can be detected using the high-frequency probe.
[0029]
In addition, since the acoustic elastic wave is a continuous wave whose frequency continuously changes, it is easy to obtain the resonance of the tunnel lining.
Moreover, since the signal processing apparatus determines the presence or absence of a defect based on the resonance frequency of the response vibration generated by the resonance vibration of the tunnel lining, the determination can be made with certainty.
[0030]
Further, the signal processing device calculates the acoustic velocity of the tunnel lining based on the resonance frequency, and determines the presence or absence of a defect based on the calculated acoustic velocity, so the presence or absence of a defect can be determined based on the acoustic velocity. .
In addition, the calculation of the acoustic velocity of the tunnel lining by the signal processing device is performed by multiplying the value obtained by multiplying the thickness of the tunnel lining obtained in advance by the resonance frequency, so that the thickness of the tunnel lining is obtained in advance. If so, the acoustic velocity can be calculated from the resonance frequency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a general tunnel lining structure and defects.
FIG. 2 is a block diagram showing a tunnel diagnosis apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an integrated probe structure of the tunnel diagnostic apparatus according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 4 is a diagram showing an example of a drive signal waveform (chirp wave) of the tunnel diagnostic apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a peak frequency detection example of the tunnel diagnostic apparatus according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 6 is a diagram showing a defect state inside the lining of the tunnel diagnostic apparatus according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 7 is a diagram showing an inspection flow of the tunnel diagnostic apparatus according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 8 is a block diagram showing a conventional tunnel diagnostic apparatus.
[Explanation of symbols]
1 ground, 2 tunnel lining, 3 tunnel lining surface, 4 cracks,
5 Junka, 6 Cold joint, 7 Cavity,
11 Low frequency probe, 11a Low frequency acoustic oscillator, 11b Low frequency reception sensor,
12 high frequency probe, 12a high frequency acoustic oscillator, 12b high frequency receiving sensor,
13 drive controller, 14 oscillating current generator, 15 reception signal amplifier,
16 variable band filter, 17 setting display device, 20 received signal processing device,
21 waveform memory, 22 FFT operation mechanism,
23 reflection energy level calculation device, 24 prober switching determination mechanism,
25 prober switching mechanism, 31 acoustic oscillator, 32 acoustic reception sensor,
33 support mechanism, 34 housing.

Claims

A low-frequency probe configured to receive a first response vibration of the tunnel lining with respect to the incident low-frequency acousto-acoustic wave, and a low-frequency acousto-acoustic wave incident on the tunnel lining;
A high-frequency probe configured to receive a high-frequency acoustic elastic wave in the tunnel lining and to receive a second response vibration of the tunnel lining to the incident high-frequency acoustic elastic wave;
The low first response vibrations received by frequency probing element or with a second response vibration of which is received by the high frequency probing element determines a signal processing device for defects in the tunnel lining,
A prober switching determination mechanism for determining switching between the low-frequency probe and the high-frequency probe;
A prober switching mechanism that switches the probe when switching is determined by this prober switching determination mechanism ,
The signal processing device calculates the reflected energy level from the response vibration used to determine the presence or absence of defects in the tunnel lining,
The probe switching determination mechanism compares the calculated reflected energy level with a preset energy level, and determines the probe switching based on the comparison result.
Each of the above low frequency probe and high frequency probe is
An acoustic oscillator for injecting acoustic elastic waves into the tunnel lining;
An acoustic reception sensor that receives a response vibration of the tunnel lining with respect to an acoustic elastic wave incident by the acoustic oscillator;
The acoustic diagnostic device and the acoustic reception sensor are arranged so that the contact surfaces to the tunnel lining form the same surface.

Low frequency Tansako is claim 1 Symbol placement tunnel diagnostic apparatus, characterized in that it is configured to detect defects in deep portion of the tunnel lining.

The tunnel diagnostic apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the high-frequency probe is configured to detect a defect in a surface layer portion of the tunnel lining.

The tunnel diagnostic apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the acoustic elastic wave is a continuous wave whose frequency continuously changes.

The signal processing apparatus, the resonance frequency of the generated response vibration by resonance of the tunnel lining, tunnel diagnostic apparatus of any one of claims 1 to 4, characterized in that to determine the presence or absence of a defect .

6. The tunnel diagnosis apparatus according to claim 5 , wherein the signal processing device calculates an acoustic velocity of the tunnel lining based on the resonance frequency, and determines the presence / absence of a defect based on the calculated acoustic velocity.

7. The tunnel diagnosis apparatus according to claim 6 , wherein the calculation of the acoustic velocity of the tunnel lining by the signal processing device is performed by multiplying a value obtained by multiplying a thickness of the tunnel lining obtained in advance by a resonance frequency. .