JP2005076194A

JP2005076194A - トンネル覆工検査装置

Info

Publication number: JP2005076194A
Application number: JP2003304375A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Otaka; 達男尾高; Hiroyuki Morishima; 啓行森島; Haruyuki Obara; 治之小原; Chihiro Kamimuta; 千尋上牟田; Kanji Hara; 寛二原
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; East Japan Railway Co
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; East Japan Railway Co
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: JP4318115B2

Abstract

【課題】トンネルのコンクリート覆工の検査に適した検査装置を提供する。
【解決手段】送受信アンテナが収納された箱型の検査器１の底部を支持部材３により支持し、この支持部材を複数のエアシリンダ１５ａ、ｂ、１７ａ、ｂを有する揺動支持手段１９により支持させ、その揺動支持手段をエアシリンダ３５を有する昇降手段２０により支持し、この昇降手段をアーム部材４１に回動可能に支持させるとともに、アーム部材を基部４４に昇降手段２０と同一の回動面内で回動可能に支持し、検査器を挟んで少なくとも３つの回転部材５ａ〜ｃの転動面をアンテナ面よりも突出させて設け、揺動支持手段１９により検査器１の姿勢を制御するとともに、昇降手段２０により揺動支持手段を昇降させて高速で検査器とコンクリート表面との離間距離を調整し、３つの回転部材により検査器とコンクリート表面との間隔を一定に保持制御することにより、トンネルのコンクリート覆工の検査を自動的に行なわせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル覆工検査装置に係り、具体的には、トンネルの天井壁や側壁を構成するコンクリートの欠陥を非接触で検査する技術に属する。

コンクリート内部の欠陥を非接触で検査する方法として、送受信アンテナを備えたレーダアンテナ検査器（以下単に検査器と略す。）を検査対象のコンクリートの表面に近接して保持し、送受信アンテナから電波を送信してコンクリート内の鉄筋や内部欠陥からの反射波を送受信アンテナで受信し、その送受信データを処理して内部欠陥等を検出することが知られている。

また、送受信アンテナを複数配列したアレイアンテナ型の検査器をコンクリート表面に沿って移動させながら、全面を走査して内部欠陥を検出するとともに、その検査結果を画像化するマルチパス３次元映像化レーダ式の検査器が提案されている（特許文献１）。これによれば、アレイアンテナ型の検査器を検査対象に沿って移動させながら、一定の移動ごとに複数の送受信アンテナから順に電波を発射する一方、各送信に対応する反射波を他の複数の送受信アンテナにより受信し、得られた受信信号を合成して３次元画像を得るようにしている。

このマルチパス３次元映像化レーダ式の検査器によれば、表面に対して傾いた平面状の内部欠陥や、近傍に障害物（鉄筋など）がある場合の内部欠陥、あるいは検査対象物のコンクリートの厚みが３０ｃｍ以上であっても、高画質で、高速に内部欠陥を検知できるという利点がある。

特開２００２−３２３４５９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術は、トンネルの天井壁や側壁を覆って設けられたコンクリート覆工の検査装置を具体化することについては配慮されていない。つまり、コンクリート覆工を検査するには、検査器をコンクリート表面に対して一定の離間距離を保持しながら、コンクリート表面に沿って移動させることになるが、次に述べるような事項については配慮されていない。
（１）トンネルの距離が長い場合は、検査期間短縮のために、検査器の移動速度を高速化するとともに、検査器の検査対象面積をできるだけ大きくすることが要求される。
（２）トンネルのコンクリート表面は、深さが比較的深くかつピッチが大きな凹凸、あるいは深さが比較的浅くかつピッチの小さな凹凸があるが、これらの凹凸に合わせて検査器の姿勢を制御するとともに、コンクリート表面との離間距離を自動的に一定範囲（例えば、１〜２ｃｍ）に保持しながら、検査器を移動させることが検査精度の観点から要求される。
（３）トンネルのコンクリート覆工の断面は、一般に変形された円弧状の曲面を有するから、その円弧方向に移動させる際には、検査器の姿勢を制御してアンテナ面をその曲面に速やかに追従させて制御することが要求される。

本発明は、上記の要求を満たし、トンネルのコンクリート覆工の検査に適した検査装置を提供することを課題とする。

本発明のトンネル覆工検査装置は、上記課題を解決するため、送受信アンテナが収納され上面がアンテナ面とされた箱型の検査器と、該検査器の底部を支持する支持部材と、複数のエアシリンダを有し前記支持部材を直交２軸方向に揺動可能に支持する揺動支持手段と、該揺動支持手段をエアシリンダにより昇降可能に支持する昇降手段と、該昇降手段を回動可能に支持するアーム部材と、該アーム部材を前記昇降手段と同一の回動面内で回動可能に支持する基部と、前記アンテナ面よりも突出させた転動面を有し前記支持部材に支持させて前記検査器を挟んで設けられた少なくとも３つの回転部材とを備えて構成することを特徴とする。

すなわち、（１）検査器を支持する支持部材を複数のエアシリンダを有し直交２軸方向に揺動可能に支持する揺動支持手段を設けたことから、検査器の姿勢を容易に制御することできる。また、（２）揺動支持手段をエアシリンダにより昇降可能に支持する昇降手段を備えていることから、高速で検査器とコンクリート表面との離間距離を調整して、検査器とコンクリート表面との間隔を一定に保持制御することができる。また、（３）アンテナ面よりも突出させた転動面を有し検査器を挟んで設けられた少なくとも３つの回転部材を備えていることから、揺動支持手段又は昇降手段のエアシリンダにより検査器をコンクリート表面に一定の力で押し付けることにより、アンテナ面がコンクリート表面に当接する前に回転部材の転動面を、常にコンクリート表面に当接させるようにすることができる。つまり、検査器とコンクリート表面との離間距離を自動的に一定範囲（例えば、１〜２ｃｍ）に保持することができる。

このように、本発明によれば、高速の応答性に優れるエアシリンダを用いて揺動及び昇降させるようにしているから、トンネルのコンクリート表面に深さが比較的深くかつピッチが大きな凹凸があっても、あるいは深さが比較的浅くかつピッチの小さな凹凸があっても、それらの凹凸の変化に高速に追従させて検査器の姿勢、及び検査器とコンクリート表面との離間間隔を一定に保持制御することができる。したがって、本発明によれば、検査器の走査速度を高速化しても、検査器の姿勢及び位置の制御を高速で追従させることができるから、長いトンネルの場合に、例えば、走査速度を高速（例えば、３〜５ｋｍ／ｈ）にする要求に対応できる。

特に、昇降手段を、アーム部材に回動自在に取り付けられた回動部材に、平行四辺形型リンクの対向する二辺の一方の辺を固定し、他方の辺に前記揺動支持手段を連結し、前記回動部材に前記エアシリンダを回動自在に連結し、該エアシリンダのピストンを前記平行四辺形型リンクの他の対向する二辺に回動自在に連結して構成すれば、エアシリンダのピストンの動きを速やかに昇降方向の動きに転換できる。

また、本発明によれば、アーム部材により昇降手段を回動可能に支持していることから、アーム部材を回動させることにより検査器を円弧に沿って移動できる。さらに、そのアーム部材を昇降手段と同一の回動面内で回動可能に基部に支持させているから、大きな円弧に沿って検査器を移動することができる。つまり、トンネルのコンクリート覆工の断面は、一般に変形された円弧状の曲面を有するので、その円弧方向に検査器の位置を移動させる際に、検査器の姿勢を制御しながら、かつその曲面に速やかに追従させて検査器の位置を制御することができる。

なお、本発明のトンネル覆工検査装置は、トンネル内を走行可能な台車を備え、該台車に前記検査器のアンテナ面をトンネルの壁面に対向させて前記基部を支持させて構成することができる。これによれば、検査器の位置及び姿勢を制御してトンネルの壁面にセットし、その状態で台車をトンネルの長手方向に移動させることにより、コンクリート覆工を長手方向に走査して検査することができる。この走査を、検査器の位置を円弧状の壁面に従ってセットし直して繰返すことにより、トンネル全体のコンクリート覆工を検査することができる。

本発明によれば、トンネルのコンクリート覆工の検査に適した検査装置を実現できる。

以下、本発明の一実施の形態について、図１〜図４を用いて説明する。図１は、本発明のトンネル覆工検査装置に係る一実施形態の主要部を示す図、図２は図１の線II-IIから見た矢視図、図３は図２の線III-IIIから見た矢視図、図４は本実施形態をトンネル内に設置した状態を示す全体図である。

図１〜３において、レーダアンテナ１はマルチパス３次元映像化レーダ式の検査器であり、箱型（例えば、縦４０ｃｍ、横１ｍ、高さ４０ｃｍ）のケーシング内の長手方向に沿って複数の送受信アンテナ素子を配列して形成されている。なお、レーダアンテナ１の上面は電波を透過させる材料で形成されたアンテナ面であり、１つの送受信アンテナ素子から電波を検査対象に向けて発射し、検査対象から反射される反射波を他の複数の送受信アンテナ素子で受信する操作を、送信する送受信アンテナ素子を順に切り換えながら繰返し、受信された反射波に基づいてコンクリート覆工内部を画像化する。この操作を、レーダアンテナ１を検査対象面２に沿って移動させながら繰返すことにより、コンクリート覆工内部の３次元の画像データを得ることができる。

レーダアンテナ１は、箱型のケーシングの底部を枠型の支持フレーム３に固定して支持されている。支持フレーム３のレーダアンテナ１の走行方向（図示矢印Ａ）の前面に、距離を離して２個のキャスタ支持台４a、４bが張り出して設けられ、それらのキャスタ支持台４a、４bにそれぞれキャスタ５a、５bが取り付けられている。また、支持フレーム３の後面に、キャスタ支持台４a、４bの間に位置させて、１個のキャスタ支持台４ｃが張り出して設けられ、このキャスタ支持台４ｃにキャスタ５ｃが取り付けられている。各キャスタ５（５ａ、５ｂ、５ｃ）の車輪６は、その転動面がレーダアンテナ１のアンテナ面よりも検査対象面２側に突出す位置に配置されている。この突出し量は、レーダアンテナ１の電波の強度及び感度に関係して決めることができるが、例えば、１〜２ｃｍ程度が好ましい。

支持フレーム３は、図２、３に示すように、レーダアンテナ１の長手方向に延在させて設けられた支持ビーム７の両端部の上面に起立して固定されたブラケット８に、ピン９を介して連結されている。また、支持ビーム７は、その中央部を挟んでピン１０を介してブラケット１１が垂下され、このブラケット１１の下部に支持ビーム１２が固定されている。そして、支持ビーム１２は、Ｌ字形（鉤形）に形成されたリンク１３の腕部に固定されている。すなわち、支持フレーム３は、リンク１３に対してピン９、１０の直交する２軸周りに、回動自由に支持されている。

また、支持ビーム７の両端部に、支持ビーム７を挟んでそれぞれ１対のエアシリンダ１５ａ，１５ｂがブラケット１６を介して取り付けられ、それらのピストンロッドの先端が支持フレーム３の下面に当接されている。また、支持ビーム１２の両端にエアシリンダ１７ａ、１７ｂが取り付けられ、それらのピストンロッドの先端が支持ビーム７の下面に当接されている。これによって、エアシリンダ１５ａ，１５ｂのピストンロッドを伸縮させることによって、レーダアンテナ１がピン９の軸回りに回動する。また、エアシリンダ１７ａ、１７ｂのピストンロッドを伸縮させることによって、レーダアンテナ１がピン１０の軸回りに回動する。したがって、エアシリンダ１５ａ，１５ｂとエアシリンダ１７ａ、１７ｂを伸縮操作することによって、リンク１３に対してレーダアンテナ１を直交２軸回りに揺動させることができるようになっている。すなわち、支持ビーム７、ブラケット８、ピン９、ピン１０、ブラケット１１、支持ビーム１２、及びエアシリンダ１５ａ，１５ｂ、１７ａ、１７ｂによって、支持フレーム３を介してレーダアンテナ１を直交２軸方向に揺動可能に支持する揺動支持手段１９が構成されている。

Ｌ字形のリンク３は、平行四辺形型リンク機構のリンクの一辺を担うものである。リンク１３の曲り角部と下方に延在する腕部の先端に、２本のロッド２１、２２が挿通され、このロッド２１、２２にそれぞれ長辺のリンク２３，２４が枢支されている。２本のリンク２３、２４の他端は、固定リンク２７に挿通されたロッド２５、２６に枢支されている。ロッド２１、２２及びロッド２５、２６は、それぞれ平行に設けられている。なお、図に表れてはいないが、平行四辺形のリンク１３、２３、２４、２７は、図１の紙面に直交する方向にそれぞれ二重に設けられている。このように構成される二重の平行四辺形リンク機構の長辺のリンク２３間に渡してロッド３０が取り付けられ、このロッド３０の中央部に回動自由にブラケット３０が連結されている。このブラケット３０の下端に、ピストンロッドの先端が連結されたエアシリンダ３１が垂下されている。エアシリンダ３１の下端は、固定リンク２７に固定して設けられたブラケット３２にピン３３を介して回動可能に支持されている。このように構成されることから、エアシリンダ３１のピストンロッドを伸縮することにより、長辺リンク２３がロッド２５回りに回動し、これによってＬ字形のリンク１３が昇降するようになっている。

固定リンク２７は、アーム４１の先端部に回動可能に軸支されており、モータ４２によって軸４３回りに回動かつ固定可能に設けられている。アーム４１は、ポール４４の先端部に回動可能に軸支されており、モータ４５によって軸４６回りに回動かつ固定可能に設けられている。また、アーム４１の下端にはカウンターウエイト４７が取り付けられている。

ポール４４は、図４に示すように、台車５１に起立して設けられている。なお、図示していないが、ポール４４は、台車５１に対して上下方向に昇降可能に、例えばラックとピニオンギアを組み合わた昇降機構を介して固定されている。また、ポール４４は、搬送時の高さを低くするために、途中で折り曲げ可能に形成するのが好ましい。図４に示した例は、鉄道のトンネル内のコンクリート覆工５０を検査する例であり、台車５１はレール５２上を走行可能な車輪３を備えている。また、ポール４４を支持する基台５４は、図示矢印５５方向に移動及び固定可能に設けられている。

このように構成される本実施形態のコンクリート覆工検査装置の動作について次に説明する。まず、ポール４４を伸張してレーダアンテナ１をコンクリート覆工５０の内壁面に近付ける。そして、モータ４５を駆動してアーム４１を回動するとともに、モータ４２を駆動してレーダアンテナ１のアンテナ面がコンクリート覆工５０に概ね平行になるように粗調整する。次いで、揺動支持手段１９と昇降手段２０のエアシリンダを操作しながらレーダアンテナ１の姿勢を制御し、レーダアンテナ１をコンクリート覆工５０に押し付ける。これにより、キャスタ５ａ〜５ｃがそれぞれコンクリート覆工５０の表面に押し付けられる。このときの押し付け力は、各エアシリンダの空気圧力により検知することができる。このようにして、レーダアンテナ１のアンテナ面とコンクリート覆工５０の表面との間隔が一定に保持される。

この状態にて、レーダアンテナ１を操作して送受信アンテナ素子からコンクリート覆工５０に向けて電波を発射し、コンクリート覆工５０から反射される電波の反射波を受信し、受信波を解析、合成することによってコンクリート覆工５０内部の欠陥等の有無を検査する。そして、台車５１をトンネルの長手方向に走行させながらレーダアンテナ１から電波を送信するとともに反射波を受信して、トンネルのコンクリート覆工５０の長手方向全部にわたって検査を実行する。この走行時、トンネルの内壁に凹凸がある場合は、トンネルの内壁の凹凸に追従するキャスタ５ａ〜ｃからの反力により、エアシリンダ１５ａ、ｂ及びエアシリンダ１７ａ、ｂが伸縮し、支持フレーム３を介してレーダアンテナ１をトンネル内壁の凹凸に合わせて揺動させる。これにより、アンテナ面とトンネル内壁面との間隙を一定に保持して走行される。トンネル内壁の凹凸の深さが大きな場合は、昇降手段２０のエアシリンダ３１が伸縮して、キャスタ５ａ〜ｃを一定圧でトンネル内壁に押圧することにより、アンテナ面をトンネル内壁面の凹凸に追従させて、アンテナ面とトンネル内壁面との間隙を一定に保持する。

上述したように本実施形態によれば、応答性が速いエアシリンダ１５ａ、ｂ、１７ａ、ｂを用いてレーダーアンテナ１を揺動させるとともに、エアシリンダ３１を用いてレーダーアンテナ１を昇降させるようにしているから、トンネルのコンクリート表面に深さが比較的深くかつピッチが大きな凹凸があっても、あるいは深さが比較的浅くかつピッチの小さな凹凸があっても、それらの凹凸の変化に高速に追従させてレーダーアンテナ１の姿勢、及びレーダーアンテナ１とコンクリート表面との離間間隔を一定に保持制御することができる。例えば、エアシリンダ１５ａ、ｂ、１７ａ、ｂのストロークは５０ｍｍ、エアシリンダ３１のストロークは３００ｍｍ程度とすることができる。したがって、本実施形態によれば、レーダーアンテナ１の走行速度を高速化しても、レーダーアンテナ１の姿勢及び位置の制御を高速で追従させることができる。その結果、長いトンネルの場合に、走行による走査速度を高速（例えば、３〜５ｋｍ／ｈ）にすることができ、検査期間を短縮できる。

また、昇降手段２０を、平行四辺形型のリンク機構で構成し、長辺のリンク２３の固定リンク２７よりの部分をエアシリンダ３５により昇降させているから、エアシリンダ３５のピストンの動きが増幅され、エアシリンダ３５のピストンの動きを速やかにレーダーアンテナ１の昇降方向の動きに転換できる。

また、本実施形態によれば、アーム４１により昇降手段２０を回動可能に支持していることから、アーム４１を回動させることによりレーダアンテナ１をトンネルの円弧面に沿う方向に移動できる。また、アーム４１を昇降手段２０と同一の回動面内で回動可能にポール４４に支持させているから、大きな円弧のトンネル内壁に沿ってレーダアンテナ１を移動することができる。その結果、レーダアンテナ１の姿勢を制御しながら、かつトンネル内壁面に速やかに追従させてレーダアンテナ１の位置を制御することができる。

さらに、本実施形態によれば、トンネル内を走行可能な台車５１にレーダアンテナ１を搭載していることから、台車を走行させても、揺動支持手段１９及び昇降手段２０によりレーダアンテナ１の位置及び姿勢を制御することにより、レーダアンテナ１のアンテナ面をトンネル壁面に追従させて移動することができる。これにより、コンクリート覆工を長手方向に走査して検査することができる。そして、この走査を、レーダアンテナ１の位置を円弧状の壁面に従ってセットし直して繰返すことにより、トンネル全体のコンクリート覆工を検査することができる。

なお、図示していないが、トンネルの長手方向には、緩やかな凹凸変化ではなく、例えば、５０ｍｍ程度の段差部分や覆工面から突き出たボルトなどの検査障害物がある。この場合であっても、キャスタ５の車輪６の径によっては乗り越えることができるが、衝撃を受ける場合があるので、レーダアンテナ１の進行方向前方に障害物センサを張り出して設けることが好ましい。障害物センサとしては、例えば、弾性材からなる棒状の支持部材の先端に軽量な車輪を取り付け、その車輪をバネなどにコンクリート面に押圧するように構成し、そのバネの変位あるいは棒状の支持部材の変位を検出するようにしたものを適用できる。

本発明のトンネル覆工検査装置に係る一実施形態の主要部を示す図である。図１の線II-IIから見た矢視図である。図２の線III-IIIから見た矢視図である。図１の実施形態をトンネル内に設置した状態を示す全体図である。

符号の説明

１レーダアンテナ
３支持フレーム
５ａ〜５ｃキャスタ
７支持ビーム
９ピン
１０ピン
１２支持ビーム
１３リンク
１５ａ，ｂエアシリンダ
１６ブラケット
１７ａ、ｂエアシリンダ
１９揺動支持手段
２０昇降手段
３０ロッド
３１エアシリンダ
４１アーム
４２モータ
４４ポール
４５モータ

Claims

送受信アンテナが収納され上面がアンテナ面とされた箱型の検査器と、該検査器の底部を支持する支持部材と、複数のエアシリンダを有し前記支持部材を直交２軸方向に揺動可能に支持する揺動支持手段と、該揺動支持手段をエアシリンダにより昇降可能に支持する昇降手段と、該昇降手段を回動可能に支持するアーム部材と、該アーム部材を前記昇降手段と同一の回動面内で回動可能に支持する基部と、前記アンテナ面よりも突出させた転動面を有し前記支持部材に支持させて前記検査器を挟んで設けられた少なくとも３つの回転部材とを備えてなるトンネル覆工検査装置。
前記昇降手段は、前記アーム部材に回動自在に取り付けられた回動部材に、平行四辺形型リンクの対向する二辺の一方の辺を固定し、他方の辺に前記揺動支持手段を連結し、前記回動部材に前記エアシリンダを回動自在に連結し、該エアシリンダのピストンを前記平行四辺形型リンクの他の対向する二辺に回動自在に連結してなることを特徴とする請求項１に記載のトンネル覆工検査装置。
トンネル内を走行可能な台車を備え、該台車に前記検査器のアンテナ面をトンネルの壁面に対向させて前記基部を支持させてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル覆工検査装置。