特許 7575713 構造物及び構造物の診断方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-22

(45)【発行日】2024-10-30

(54)【発明の名称】構造物及び構造物の診断方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 11/38 20060101AFI20241023BHJP

【ＦＩ】

E21D11/38 Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2023537792

(86)(22)【出願日】2021-07-27

(86)【国際出願番号】 JP2021027761

(87)【国際公開番号】W WO2023007589

(87)【国際公開日】2023-02-02

【審査請求日】2023-10-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100164471

【弁理士】

【氏名又は名称】岡野 大和

(74)【代理人】

【識別番号】100176728

【弁理士】

【氏名又は名称】北村 慎吾

(72)【発明者】

【氏名】篠崎 聡

(72)【発明者】

【氏名】松本 安弘

(72)【発明者】

【氏名】玉松 潤一郎

【審査官】湯本 照基

(56)【参考文献】

【文献】特開平０３－１８０６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－１４０５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５６－１２１７９９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００７－１４６４９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ １１／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

管状の第１覆工と、
前記第１覆工の内側の少なくとも一部に沿って延在し、流体が浸透する多孔質体と、
前記多孔質体の内側に配置される管状の第２覆工と、
を含む構造物であり、
前記第２覆工を貫通して前記多孔質体に達するともに、前記構造物の軸方向に延びる貫通孔が形成されている、構造物。

【請求項2】

前記貫通孔から流出する前記流体を受けて流す流路を更に備える、請求項１に記載の構造物。

【請求項3】

前記多孔質体における前記流体の浸透を遮る仕切りが、前記構造物の軸方向に離間して設けられている、請求項１又は２に記載の構造物。

【請求項4】

前記流体が前記貫通孔を流れたことを検出するセンサを備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の構造物。

【請求項5】

前記多孔質体がポーラスコンクリートである、請求項１～４のいずれか一項に記載の構造物。

【請求項6】

管状の第１覆工と、
前記第１覆工の内側の少なくとも一部に沿って延在し、流体が浸透する多孔質体と、
前記多孔質体の内側に配置される管状の第２覆工と、
を含み、
前記多孔質体がポーラスコンクリートである、構造物。

【請求項7】

水を遮る壁と、
取水部から前記壁を通って出水部まで延在するとともに、前記水が浸透する多孔質体と、を備える構造物であり、
前記多孔質体の前記取水部が通常の水位よりも高い位置に配置され、
前記多孔質体は、前記取水部と、前記取水部に連通し、水平方向に対して下向きに傾斜して延びる中間部と、前記中間部に連通する前記出水部と、を含む、構造物。

【請求項8】

管状の第１覆工と、
前記第１覆工の内側の少なくとも一部に沿って延在し、流体が浸透する多孔質体と、
前記多孔質体の内側に配置される管状の第２覆工と、
前記流体が、前記第２覆工を貫通して前記多孔質体に達する貫通孔を流れたことを検出するセンサと、を含む構造物の診断方法であり、
前記センサを用いて、前記流体が前記貫通孔を流れたか判定するステップを含む、構造物の診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、構造物及び構造物の診断方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

一方側から他方側へ流体が移動することを少なくとも部分的に妨げる構造物が知られている。例えば特許文献１に例示するトンネルは、トンネル外部の水がトンネル内部に流入することを防ぐ。また、ダムは、内側に存在する水が外側に流出することを防ぐ。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】「トンネル標準示方書 [共通編]・同解説／[シールド工法編]・同解説」、土木学会、2016年制定、第1編 総論 鉄道・道路・通信トンネル p21 解説 図1.3.7 通信トンネル断面図の例

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、構造物が劣化した場合、流体の内部への流入又は外側への流出を完全に防ぐことができず、流体の圧力が構造物の局所に集中することにより構造物が破壊するおそれがある。

【0005】

本開示は、構造物が劣化した場合に流体の圧力が構造物の局所に集中することを抑制し、構造物の破壊を未然に防ぐことが可能な構造物及び構造物の診断方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一実施形態に係る構造物は、管状の第１覆工と、前記第１覆工の内側の少なくとも一部に沿って延在し、流体が浸透する多孔質体と、前記多孔質体の内側に配置される管状の第２覆工と、を含む。

【0007】

一実施形態に係る構造物は、水を遮る壁と、開口部から前記壁を通って出水口まで延在するとともに、前記水が浸透する多孔質体と、を備える構造物であり、前記多孔質体の前記開口部が通常の水位よりも高い位置に配置される。

【0008】

一実施形態に係る構造物の診断方法は、管状の第１覆工と、前記第１覆工の内側の少なくとも一部に沿って延在し、流体が浸透する多孔質体と、前記多孔質体の内側に配置される管状の第２覆工と、前記流体が、前記第２覆工を貫通して前記多孔質に達する貫通孔を流れたことを検出するセンサと、を含む構造物の診断方法であり、前記センサを用いて、前記流体が前記貫通孔を流れたか判定するステップを含む。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、構造物が劣化した場合に流体の圧力が構造物の局所に集中することを抑制し、構造物の破壊を未然に防ぐことが可能な構造物及び構造物の診断方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態に係る構造物の断面図を示す。

【図2】第１実施形態に係る構造物の変形例の断面図を示す。

【図3】図２の構造物の側面透視図を示す。

【図4】図２に示す構造体２００の診断方法の一例を示すフローチャートである。

【図5A】第２実施形態に係る構造物の横断面図を示す。

【図5B】第２実施形態に係る構造物の正面図を示す。

【図5C】第２実施形態に係る構造物の上方からの透視図を示す。

【図6A】第３実施形態に係る構造物の横断面図を示す。

【図6B】第３実施形態に係る構造物の正面図を示す。

【図6C】第３実施形態に係る構造物の上方からの透視図を示す。

【図7A】従来のトンネルを示す。

【図7B】従来のトンネルを示す。

【図7C】従来のトンネルを示す。

【図7D】従来のトンネルを示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（トンネル）
非特許文献１に記載され図７Ａに示す従来のトンネル７００では、土壌１０００側の覆工材（一次覆工材）７１０に、腐食等で劣化する可能性のある金属等の材料を使用している。また、トンネル内空間側の覆工材（二次覆工材）７３０は一般にコンクリート等の材料を使用している。土壌１０００側の覆工材７１０は、流体１１００がトンネル７００の内部に流入することを妨げる。

【0012】

このような構造物の場合、図７Ｂに示すように、土壌１０００側の覆工材７１０が腐食等で劣化すると、土壌１０００側の覆工材７１０の内側に地下水等の流体１１００や土砂が流入する。

【0013】

トンネル内空間側の覆工材７３０の劣化が進行すると、滞留水等の影響をトンネル内空間側の覆工材７３０が直接受けることになる。これにより、下記の参考文献１に記載されるように、トンネル内空間側の覆工材７３０にひび割れが生じたり、図７Ｃに示すように、覆工材７１０及び７３０の間の継ぎ目等の隙間に水が流入したりする。ひび割れや水の流入がさらに進行すると、図７Ｄに示すように、トンネル内空間側の覆工材７３０が崩落し崩落片７４０が落下したり、大規模出水及び土砂流入により道路が陥没したりするなどのおそれがある。
［参考文献１］「トンネル・ライブラリー 第30号」、土木学会、平成31年1月15日第１版・第１刷発行、p126 表-3.3.5 トンネル補修・補強技術の種類と変遷 １山岳トンネル（鉄道・道路）／矢板工法 NATM（その3）の漏水対策の欄

【0014】

トンネル内空間側の覆工材７３０は一般的に不透明であるため、外観を目視する等の遠隔診断によって、土壌１０００側の覆工材７１０の劣化状況や健全性を、速やか且つ簡便に確認することが難しかった。

【0015】

第１実施形態に係る構造物は、覆工材の劣化状況や健全性を、速やか且つ簡便に確認することが可能な構造物を提供することを目的とする。

【0016】

以下、本開示の一実施形態に係る構造物について説明する。

【0017】

図１に示すように、トンネル、地下道等の構造物１００は、管状の第１覆工１１０と、第１覆工１１０の内側全体に沿って延在し、流体が浸透する多孔質体１２０と、多孔質体１２０の内側に配置される管状の第２覆工１３０と、を含む。また、第１覆工１１０を貫通して多孔質体１２０に達するとともに、構造物１００の軸方向（図１の紙面に直交する方向）に延びる貫通孔１４０が形成されている。

【0018】

図１に示す第１覆工１１０は円筒形である。第１覆工１１０の形状を矩形状、楕円形状等とすることもできる。以下述べる多孔質体１２０及び第２覆工１３０の形状も同様である。第１覆工１１０は流体１１００が構造物１００の内部に流入することを妨げる。第１覆工１１０を金属とすることができる。

【0019】

本実施形態では、シールドマシンで土壌１０００を掘りながら、掘った部分が崩れないように第１覆工１１０が設けられる。また第１覆工１１０をセグメントから組み立てることができる。

【0020】

多孔質体１２０には気泡や空孔が存在する。多孔質体１２０は第１覆工１１０の内側の少なくとも一部に沿って延在していればよい。例えば他の実施形態では、多孔質体１２０は、構造物１００の貫通孔１４０が設けられている側（図１の右側）に、構造物１００の上部から下部まで延在する。多孔質体１２０は、ポーラスコンクリート、軽石等とすることが、強度の点から好ましい。多孔質体１２０をスポンジ、ゼオライト、多孔質セラミックス、多孔質ガラス、多孔質繊維、発泡体、ウレタンゴム、プラスチックフォーム等としてもよい。多孔質体１２０の厚さは例えば数ｍｍから数ｃｍであるが、この範囲に限定されるものではない。

【0021】

多孔質体１２０が、第１覆工１１０の内側に吹き付けられる。多孔質体１２０をパネルとして第１覆工１１０の内側に取り付けることもできる。

【0022】

第２覆工１３０はコンクリートとすることができる。第１覆工１１０と第２覆工１３０とを同じ材料で構成することもできる。

【0023】

貫通孔１４０が、構造物１００の下部の、図１の右側に形成されている。貫通孔の他の配置も可能であり、例えば貫通孔１４０を図１の左右両側それぞれに形成することもできる。貫通孔１４０の断面形状は例えば円形状とすることができる。貫通孔１４０を、ドリル等で形成することができる。

【0024】

構造物１００は道床１５０を含む。作業者は道床１５０の上を歩くことができる。物資等を道床１５０上で運搬することもできる。道床１５０はコンクリートとすることができる。

【0025】

図２は、第１実施形態に係る構造物１００の変形例である構造物２００の断面図を示す。構造物２００は、構造物１００に類似する構成を有する。そのため、構造物２００における、構造物１００とは異なる構成について説明し、構造物１００について説明した構成の説明は省略する。

【0026】

構造物２００は、貫通孔１４０から流出する、地下水等の流体１１００を受けて貯水槽等に流す流路２６０を更に備える。また、図２に示すように、貫通孔１４０の出口には、例えばセンサとしての流量計２７０が設けられる。

【0027】

本実施形態では、流路２６０は、二次覆工１３０の下部の内面上の、道床１５０の両側に形成される。貫通孔１４０は、図３に示すように構造物１００の軸方向（図２の紙面に直交する方向）に延びて、貯水槽に連通する。

【0028】

以下、図２及び３を参照して、構造物２００の第１覆工１１０が劣化した場合の挙動について説明する。

【0029】

第１覆工１１０が劣化（ひび割れ等）すると、劣化箇所から、構造物２００の外側に存在する地下水等の流体１１００が第１覆工１１０に流入し始める。

【0030】

劣化が多孔質体１２０まで進展すると、流体１１００は多孔質体１２０に流入する。この際に、多孔質体１２０には気泡や空孔が存在するため、流体１１００は多孔質体１２０の広範囲に浸透する。そのため、流体１１００の水圧が分散緩和され、第２覆工１３０で応力が集中することを妨げ得る。その結果、第２覆工１３０が劣化することを防止できる。なお、ここまで構造物２００の挙動について説明したが、図１に示す構造物１００でも同様の挙動を示す。

【0031】

流体１１００が多孔質体１２０に更に流入すると、図２及び図３に示すように、流体１１００は、多孔質体１２０を通って貫通孔１４０に達し、その後流路２６０まで流れる。この際に、流量計２７０は、貫通孔１４０を流れる流体１１００の流量を測定する。流路２６０はその後、構造物２００の延在方向、すなわち構造物２００の軸方向に流れ、貯水槽に流入する。

【0032】

このように流体１１００が貯水槽まで流れることで、流体１１００が、構造物２００の第１覆工１１０、多孔質体１２０又は第２覆工１３０に留まることを防止できる。その結果、これら部材に大きな負荷が加わることを防止できる。

【0033】

また、流量計２７０が貫通孔１４０を流れる流体１１００の流量を測定することで、第１覆工１１０の劣化状況や健全性を確認することができる。具体的には、流体１１００が貫通孔１４０を流れたことを、流量計２７０が検出することで、第１覆工１１０が劣化していると推測できる。また、流量計２７０が大きな流量を測定した場合には、第１覆工１１０の劣化が激しいと推測できる。また、流量計２７０に代えて又はこれとともに、流路２６０に水位計を設けて同様の推測を行ってもよい。作業者が貫通孔１４０や流路２６０を目視して、第１覆工１１０の劣化状況や健全性を確認することもできる。なお、貫通孔１４０の出口等に、流体１１００が流れたことを通電により感知する通電計を設けることもできる。

【0034】

貫通孔１４０を流れる流体１１００の濁度等の水質を測定することで、流体１１００に土砂が混入しているか確認することができる。例えば、貫通孔１４０の出口等に、測色計又は濁度計を設けることで、汚濁した水を識別できる。流体１１００の濁度が大きい場合、貫通孔１４０まで大量の土砂が流入しており、第１覆工１１０の劣化が激しいと推測できる。また、貫通孔１４０の出口等に、溶存イオンの濃度を分析する水質計を設けることもできる。

【0035】

図３を参照して、多孔質体１２０における流体１１００の浸透を遮る仕切り３１０が、構造物１００の軸方向に離間して設けられている。

【0036】

仕切り３１０は、例えば構造物２００の軸方向に隣接する多孔質体１２０同士を接続する前に、多孔質体１２０同士の端部を塞ぐことで形成できる。

【0037】

仕切り３１０を設けることで、流体１１００が多孔質体１２０に浸透する範囲を限定できる。これにより、貫通孔１４０のある部分に流体１１００が流れた場合、当該部分付近で第１覆工１１０が劣化していると特定できる。さらに、流量計２７０を仕切り３１０で区画された領域ごとに設けることで、劣化部分の特定をより容易にすることができる。

【0038】

（診断方法）
次に、一実施形態に係る構造物の診断方法について説明する。図４は、図２に示す構造物２００の診断方法の一例を示すフローチャートである。

【0039】

ステップＳ４１において、図２を参照して、センサとしての流量計２７０により、貫通孔１４０を流れる流体１１００の流量を測定する。

【0040】

ステップＳ４２において、流体１１００が貫通孔１４０を流れたか判定する。例えば、流量計２７０や水位計の測定値が、ある閾値以上であるときに、流体１１００が貫通孔１４０を流れたと判定する。この場合に、ステップ４３に進む。一方、流体１１００が貫通孔１４０を流れていないと判定した場合、ステップ４１に戻る。

【0041】

流体１１００が貫通孔１４０を流れている場合、第１覆工１１０が劣化していると推測できる。そのため、ステップＳ４３において、構造物２００の補修が必要であるとの警報を通知する。例えば、ブザーを鳴らしたり、ランプを点灯させたりすることで、警報を通知できる。

【0042】

ここで、センサが複数設けられている場合には、どのセンサを用いて流体１１００が貫通孔１４０を流れたと判定したか通知することもできる。これにより、第１覆工１１０の劣化箇所の特定を容易にすることができる。

【0043】

ステップＳ４４において、作業者は、警報を受けて、構造物２００を補修する。例えば作業者は、第１覆工１１０の劣化箇所付近を、その内側を覆う第２覆工１３０及び多孔質体１２０を除去することで露出させる。その後作業者は、劣化箇所を補修できる。

【0044】

以上の方法によって、構造物２００の保全管理を容易に行うことができる。

【0045】

（ダム及び堰）
例えば大雨が降り、ダムや堰への流入量が、放流量を上回り、水位が危険水位（最大水位）に到達することが予測される場合に、放流量を流入量相当に増加させる緊急放流が行われる。この操作を行うと、下流河川の水位が高くなる恐れがある。

【0046】

第２実施形態に係る構造物は、水位が危険水位に到達する前に、適切な流量で放流することが可能な構造物を提供することを目的とする。

【0047】

以下、本開示の第２実施形態に係る構造物について説明する。

【0048】

図５Ａ～５Ｃに示すように、ダム等の構造物５００は、水１２００を遮る壁５１０と、取水部５２０ｉから壁５１０を通って出水部５３０まで延在するとともに、水１２００が浸透する多孔質体５２０と、を備える。

【0049】

壁５１０は、例えばコンクリートである。壁５１０の高さは、危険水位よりも高い。

【0050】

多孔質体５２０は、水１２００に対向して構造物５００の幅方向に延びる取水部５２０ｉと、構造物５００の幅方向両端付近で取水部５２０ｉに連通し、水平方向に対して下向きに傾斜して延びる中間部５２０ｍと、を含む。中間部５２０ｍは、水１２００の反対側に開口し空洞である出水部５３０に連通する。多孔質体５２０の取水部５２０ｉは、通常時の水位（以下、「通常水位」と呼ぶ）よりも高い位置に配置される。出水部５３０は、通常水位よりも低い位置に配置される。

【0051】

水１２００の水位が取水部５２０ｉの下縁（この水位を以下「注意水位」という）以下の場合は、水１２００は多孔質体５２０に流入しない。

【0052】

水位が注意水位を越えると、構造物５００内の水１２００が取水部５２０ｉから多孔質体５２０に流入する。流入した水１２００は、多孔質体５２０内に広く浸透し、出水部５３０から構造物５００の外に放出される。

【0053】

水１２００が多孔質体５２０内に広く浸透することで、水１２００は、壁５１０に大きな水圧をかけることなく取水部５２０ｉから出水部５３０まで流れることができる。また、水１２００の多孔質体５２０への浸透速度は所定の範囲に制限されるため、水１２００が急激に出水部５３０から放出されることを妨げ得る。

【0054】

水位が、注意水位よりも高く、かつ取水部５２０ｉの上縁よりも低い間は、水位が高くなるにつれて、水１２００の取水部５２０ｉへの流入量が増加する。そのため、早急に水１２００の水位を下げることができる。なお、本実施形態では、取水部５２０ｉの上縁は、危険水位と同じ高さに配置される。

【0055】

水位が、取水部５２０ｉの上縁よりも高い場合には、水１２００の取水部５２０ｉへの流入量は水位に関わらず一定となる。これにより、水１２００が取水部５２０ｉから出水部５３０まで流れる際に、壁５１０に過大な水圧がかかることを防止できる。

【0056】

以下、本開示の第３実施形態に係る構造物について説明する。

【0057】

図６Ａ～６Ｃに、第３実施形態に係る構造物６００の断面図を示す。構造物６００は、構造物５００に類似する構成を有する。そのため、構造物５００における、構造物５００とは異なる構成について説明し、構造物５００について説明した構成の説明は省略する。

【0058】

堰等の構造物６００は、多孔質体５２０の下側に配置される空洞部６２０を含む。空洞部６２０は、水１２００に対向するとともに構造物６００の幅方向に延びる取水部６２０ｉと、構造物６００の幅方向両端付近で取水部６２０ｉに連通し、水平方向から下向きに傾斜して延びる中間部６２０ｍと、中間部６２０ｍに連通して水１２００の反対側を向く空洞部である出水部６２０оと、を含む。空洞部６２０の取水部６２０ｉは通常水位以下の位置に配置される。本実施形態では、取水部６２０ｉの上縁は通常水位と実質的に同じ高さである。出水部６２０оは、通常水位よりも低い位置に配置される。

【0059】

多孔質体５２０の出水部５２０оは、空洞部６２０の出水部６２０оに接続する。

【0060】

水１２００の水位が取水部６２０ｉの下縁（この水位を以下「低水位」という）以下の場合は、水１２００は空洞部６２０に流入しない。

【0061】

水位が低水位を越えると、構造物６００内の水１２００が取水部６２０ｉから空洞部６２０に流入する。流入した水１２００は、出水部６２０оから空洞部６２０の外に放出される。

【0062】

水位が、低水位よりも高く、かつ取水部６２０ｉの上縁以下である間は、水位が高くなるにつれて、取水部６２０ｉへの水１２００の流入量が増加する。そのため、早急に水１２００の水位を下げることができる。

【0063】

水位が、通常水位よりも高い場合には、水１２００の取水部６２０ｉへの流入量は水位に関わらず一定となる。これにより、水１２００が取水部６２０ｉから出水部６２０оまで流れる際に、壁５１０に過大な水圧がかかることを防止できる。

【0064】

水位が注意水位を越えると、構造物６００内の水１２００が取水部５２０ｉから多孔質体５２０に流入する。流入した水１２００は、多孔質体５２０内に広く浸透し、出水部６２０оから構造物６００の外に放出される。

【符号の説明】

【0065】

１００ 構造物
１１０ 第１覆工
１２０ 多孔質体
１２００ 水
１３０ 第２覆工
１４０ 貫通孔
１５０ 道床
２００ 構造物
２６０ 流路
３１０ 仕切り
５００ 構造物
５１０ 壁
５２０ 多孔質体
５２０ｉ 取水部
５２０о 出水部
５３０ 出水部
６００ 構造物
６２０ 出水部
６２０ 空洞部
６２０ｉ 取水部
１０００ 土壌
１１００ 流体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】