Cavity Geometry Evaluation beneath Shield Tunnel Linings using Ground Penetrating Radar and Acoustic Sensing

現代の都市の賑やかな街路の遥か下には、社会を動かし続けるインフラという隠れた世界が存在しています。地下鉄、ユーティリティ・トンネル、そして地下通路は、巨大な機械によって掘り進められ、周囲の土を食い止めるためのコンクリート製のリングが残されます。これらのリングを確実に固定するために、作業員は新しいコンクリートと周囲の土との間のわずかな隙間に、グラウトと呼ばれるセメントのような厚いペーストを充填します。このバックフィリング（裏詰め）は極めて重要であり、トンネルを支え、地面の移動を防ぐ役割を果たします。しかし、もしこのグラウトが完璧に注入されなかったり、時間の経過とともに漏れ出したりすると、トンネル壁の背後に空気の空洞ができることがあります。これらの隠れた空洞は構造を弱体化させ、突然の崩落を招く恐れがあるため非常に危険ですが、トンネルの内部からは、コンクリートが完璧に滑らかに見えるため、その存在は目に見えません。

何十年もの間、エンジニアたちは、トンネルを破壊することなくこれらの空隙を見つけ出す方法を模索してきました。彼らは、地中に電波を送り込み、物質の変化を探る地中探査レーダーや、温度差を捉えるサーマルカメラなどのツールを使用してきました。しかし、これらの手法には、ほとんどの現代的なトンネルで使用されている鉄筋コンクリートに関する「盲点」があります。この壁の内側にある、鉄筋（リバー）と呼ばれる鋼鉄の格子は、混沌とした信号を生み出し、エンジニアがまさに発見しようとしている欠陥をしばしば隠してしまいます。レーダー波が鋼鉄に当たると、信号は混乱した状態で跳ね返ってきます。そのため、反射が鋼鉄の棒によるものなのか、それとも壁の背後にある危険な穴によるものなのかを判別することは、極めて困難になります。この不確実性により、トンネルの運営者は、自社のインフラの安全性について推測に頼らざるを得ない状況に置かれています。

高麗大学校と建国大学校の研究チームは、従来のレーダーに、シンプルでありながらしばしば見落とされがちなツールである「マイクロフォン」を組み合わせるという、異なるアプローチを試みることにしました。彼らの目的は、これらの隠れた空洞を検出し、その寸法を推定することでした。そのために、彼らは研究室でトンネルライニングの大型モデルを製作しました。彼らは、約38センチメロの間隔で配置された現実的な鉄筋格子のグリッドを備えた、厚い鉄筋コンクリート板を構築しました。その下に、地面を模した二枚目のコンクリート板を配置しました。この下のプレートには、空洞をシミュレートするために4つの明確な空隙を彫り込みました。2つは正方形、2つは円形で、幅や直径は30から60センチメートルに及びます。彼らは、残りの隙間をバックフィルとして機能させるためにモルタルで満たし、特定の空洞部分のみを空の状態にしました。

研究チームはその後、鉄筋コンクリート板の表面に対して2種類の異なるテストを実施しました。まず、地中探査レーダーユニットを使用し、特定のラインに沿ってドラッグしながらエリアをスキャンしました。レーダー画像は予想通りの結果を示しました。鉄筋が強い曲線を描く反射を作り出し、画像の中で支配的な存在となりました。レーダーは空洞がある領域で何かが異なっていることは検知できましたが、空洞からの信号は鉄筋からの信号と絡み合っていました。研究者たちは、これらの重なり合った信号を分離するために「ウェーブレット変換」と呼ばれる数学的手法を用いることができることを見出し、空洞が大きくなるにつれて信号強度が増すことも確認できました。しかし、鉄筋が原因で、穴の端を明確に定義したり、空洞が正方形か円形かを判断したりすることは非常に困難でした。研究では、レーダーを用いた寸法推定の精度は低下する可能性があり、形状の特定は依然として課題であると結論付けられました。

次に、チームはマイクロフォンへと切り替えました。電波を送る代わりに、彼らは特殊なハンマーを使用してコンクリートの表面を叩き、鋭い音と振動をプレート内に伝播させました。コンククトの表面からわずか2センチメートルの位置に保持された高感度なマイクロフォンは、その叩打に応答して振動する空気粒子に耳を傾けました。ここでの論理は、プレートの下に穴がある場合にプレートがどのように振る舞うかに基づいています。コンクリートが強固で、地面によって完全に支持されている場合、それは硬く、曲がることに抵抗します。しかし、コンクリートの下に空洞がある場合、その部分のプレートはトランポリンのように柔軟になります。叩かれたとき、この柔軟な部分は、固形の部分とは異なる性質を持つ音を発生させます。

マイクロフォンによる結果は、驚くほど明快でした。研究者たちは、調査ラインに沿ったあらゆる地点でプレートの「柔軟性」を測定しました。コンクリートが固形である場所では、柔軟性は低く安定していました。しかし、マイクロフォンが空洞の上を通過すると、柔軟性が劇的に上昇しました。データは、穴が位置する場所に正確に柔軟性の急上昇を示しており、これによりチームは高い精度で空洞の境界を特定することができました。マイクロフォンは、鉄筋による影響をほとんど受けませんでした。プレートが穴の上でたわむ音は、鉄筋のノイズを無視できるほど明確だったのです。チームは、穴の存在を検出できるだけでなく、そのサイズを相対的に推定することもできることを発見しました。より大きな空洞は柔軟性のより大きな増加を引き起こし、マイクロフォンは30センチメートルと60センチメートルの穴を明確に区別できました。

最も示唆に富む発見は、空洞の形状が音にどのように影響したかという点でした。正方形の穴と円形の穴を比較した際、研究者たちは、同じ幅であっても、正方形の穴の方が円形の穴よりも柔軟性が増す範囲が広いことに気づきました。これは、円形の形状は端に向かって細くなっていくのに対し、正方形の形状は調査ラインの全長にわたって全幅を維持するためです。しかし、研究では、音響センシング法は空洞の境界を記述する上で明確な利点を示したものの、詳細な空洞の形状に関連する柔軟性の違いは無視できる程度であったことも指摘されました。この微妙な違いにより、研究者たちは空洞のサイズを推測することはできても、柔軟性だけに基づいて正方形か円形かを確実に判別することはできなかったのです。レーダーが鉄筋の信号から穴の信号を分離するのに苦労した一方で、マイクロフォンは、地面が欠落している場所を示すクリアで直接的なマップを提供しました。

本研究は、地中探査レーダーは有用なツールではあるものの、鉄筋の干渉により、鉄筋コンクリート背後の空洞の正確な幾何学的形状をマッピングする能力には限界がある、と結論付けています。対照的に、マイクロフォンを用いた音響センシングは、これらの隠れた空隙を検出し、その寸法を推定するためのより信頼性の高い方法を提供します。トンネル壁がどのように振動するかを「聴く」ことで、エンジニアはレーダー画像のみを用いるよりもはるかに高い精度で空洞の境界を特定できます。このことは、将来的にこれら2つの手法を組み合わせることで、トンネル検査員が壁の背後に潜む隠れた危険をより鮮明に把握できるようになり、都市の地下動脈の安全を確保できることを示唆しています。