(57)【要約】【課題】レイアウト上の制約を無くして探査の自由度を高めつつ、不連続面を精度よく検出することができる弾性波探査システムを提供する。【解決手段】受振器５の振動検知部５ａは、内蔵タイマ５ｃによって弾性波ＥＷの発生時刻に同期された基準時刻ｔ１に基づく取得開始時刻ｔ０からｔ４までの所定の時間内において、弾性波ＥＷによる反射波ＲＷや直達波による振動値を取得している。このため、受振器５がトリガハンマ３や無線送受信機７に無線接続されているにもかかわらず、受振器５が管理する基準時刻とトリガハンマ３による弾性波の発生時刻との間で同期がとられ、解析コンピュータ９は、両時刻間で、ずれのない精度よい振動値データを用いて地質解析することができる。しかも、受振器５がトリガハンマ３に無線接続されていることから、地質の解析に好ましい位置に受振器の配置を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人為的に発生された弾性波の伝播に応じた振動値を解析手段で解析して地質探査を行う弾性波探査システムであって、
前記弾性波の発生時刻情報を無線送信する振動発生時刻送信手段と、
前記弾性波の伝播に応じた振動値を検知する受振手段と、を含み、
前記受振手段は、
前記振動発生時刻送信手段から無線送信された前記発生時刻情報を受信する受信手段と、
前記受振手段が管理する基準時刻を、前記発生時刻情報による前記弾性波の発生時刻に同期させる同期手段と、
前記発生時刻に同期された前記基準時刻に基づく取得開始時刻から所定の時間内において、前記弾性波の伝播に応じた振動値を取得する振動値取得手段と、
前記振動値取得手段で取得した前記振動値を前記解析手段に無線送信する送信手段と、
を備えていることを特徴とする弾性波探査システム。
【請求項２】
複数の前記受振手段を備え、
前記受振手段それぞれで管理される前記基準時刻が前記同期手段によって互いに同期されることを特徴とする請求項１記載の弾性波探査システム。
【請求項３】
前記取得開始時刻は、前記発生時刻情報による前記弾性波の発生時刻からさかのぼった時刻であることを特徴とする請求項１又は２記載の弾性波探査システム。
【請求項４】
前記送信手段から無線送信される前記振動値を受信すると共に前記振動値を解析して地質探査を行う解析手段を更に備え、
前記解析手段は、少なくとも一の前記受振手段から前記振動値を複数回受信して、複数回受信した前記振動値をスタッキング処理することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の弾性波探査システム。
【請求項５】
超磁歪素子を用いて人為的に前記弾性波を発生させる振動発生手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の弾性波探査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性波を用いて地質探査を行う弾性波探査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル等の地下空間を掘削する際の地山には、断層や破砕帯などの不連続面があり、このような不連続面が想定より多くて地山の地質が悪いような場合、切羽の崩壊、多大な変状、突発的な湧水等が多く発生してしまい、掘削速度に大きな影響を与えることがあった。そこで、トンネル内の前方探査を精度よく行う技術として、地山に人為的に弾性波を与えて、その反射波を複数の受振器で検知してコンピュータなどで解析することで、トンネル前方の断層や破砕帯などの不連続面を精度よく検出する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
ところで、トンネル内には凹凸箇所が多く、前方探査を行う探査システムのケーブルなどがこの凹凸箇所に引っかかって自由なシステム構成機器のレイアウトができなかったり、または、ケーブルの長さにより探査範囲が限定されていたりした。さらに、凹凸箇所への引っかかりによりケーブルの断線が発生するおそれもあった。そこで、弾性波を発生するための振動発生用部材（トリガハンマ）、弾性波による振動を検知する受振器、及び振動値を解析する解析コンピュータ（データロガー）といったシステム構成機器を無線で接続して、機器を設置するレイアウト上の制約を無くし、探査の自由度を高める技術が提案されている（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−１０６２９０号公報
【特許文献２】特開２００１−３０５２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の無線接続された前方探査システムでは、機器を設置するレイアウト上の制約を無くして探査の自由度を高めることは可能であるものの、振動発生用部材、受振器、及び解析コンピュータのそれぞれが管理する時刻が時間の経過とともに徐々にずれてしまうことについては考慮されていなかった。そのため、前方探査システムの各構成部材間での時刻が徐々にずれてしまい、トンネル等の掘削現場において、精度よく不連続面を検出することができない可能性があった。
【０００５】
そこで、本発明は、構成機器が無線接続されてレイアウト上の制約を無くして探査の自由度を高めつつ、不連続面を精度よく検出することができる弾性波探査システム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】
本発明は、人為的に発生された弾性波の伝播に応じた振動値を解析手段で解析して地質探査を行う弾性波探査システムであって、弾性波の発生時刻情報を無線送信する振動発生時刻送信手段と、弾性波の伝播に応じた振動値を検知する受振手段とを含み、この受振手段は、振動発生時刻送信手段から無線送信された発生時刻情報を受信する受信手段と、受振手段が管理する基準時刻を、発生時刻情報による弾性波の発生時刻に同期させる同期手段と、発生時刻に同期された基準時刻に基づく取得開始時刻から所定の時間内において、弾性波の伝播に応じた振動値を取得する振動値取得手段と、振動値取得手段で取得した振動値を解析手段に無線送信する送信手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、弾性波の発生時刻に同期された基準時刻に基づく取得開始時刻から所定の時間内において、弾性波の伝播に応じた振動値を取得している。このため、受振手段が振動発生時刻送信手段に無線接続されているにもかかわらず、受振手段が管理する基準時刻と発生時刻情報による弾性波の発生時刻との間で時刻同期がとられ、両時刻間でのずれがなく、精度よく振動値を取得することができる。振動値データが精度よく取得されることから、解析手段は、高精度の振動値を用いて解析することができる。しかも、受振手段が振動発生時刻送信手段に無線接続されていることから、地質の解析に好ましい位置に受振手段の配置を行うことができる。これらの結果、不連続面を精度よく検出することが可能となる。
【０００８】
さらに、複数の受振手段を備え、受振手段それぞれで管理される基準時刻が同期手段によって互いに同期されることが好ましい。複数の受振手段間で時刻同期させることにより、不連続面を更に精度よく検出することができる。
【０００９】
取得開始時刻は、発生時刻情報による弾性波の発生時刻からさかのぼった時刻であることが更に好ましい。この場合、弾性波の発生時刻前後の振動値を取得することで、人為的に弾性波を発生させる際に起こる「誤動作」を検知して、その影響を含めて振動値を解析することができ、不連続面を一層精度よく検出することが可能となる。なお、ここで用いる「誤動作」とは、例えば、トリガハンマといった振動発生用部材で岩石を打撃して弾性波を人為的に発生させる際、トリガハンマが岩石に垂直にあたらず、岩石の角などにあたり、所定の弾性波が発生されないことを意味する。
【００１０】
本発明は、送信手段から無線送信される振動値を受信すると共に振動値を解析して地質探査を行う解析手段を更に備え、解析手段は、少なくとも一の受振手段から振動値を複数回受信して、複数回受信した振動値をスタッキング処理することが好ましい。このような複数の振動値によるスタッキング処理、すなわち振動値の重ね合わせ処理により、振動値の振幅の大きさを際立たせて、不連続面を一層精度よく検出することができる。
【００１１】
超磁歪素子を用いて人為的に弾性波を発生させる振動発生手段を更に備えることが好ましい。超磁歪素子を用いると一定の弾性波を繰り返し発生させることができ、不連続面を精度よく検出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、探査の自由度を高めつつ、不連続面を精度よく検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明に係る弾性波探査システムの好適な実施形態について説明する。
【００１４】
図１に示されるように、トンネルの掘削工事に伴って、坑内Ｔの最先端部分である切羽Ｔａが前進する。この切羽Ｔａの前進の際、地山Ｍに断層、破砕帯、地層境界面、空洞などといった不連続面Ｓがあると、切羽Ｔａの崩壊や突発的な湧水等が発生してしまい、トンネルの掘削速度や工費などに大きな影響を及ぼしてしまう場合がある。そこで、トンネルの掘進にあたり、切羽Ｔａ前方における不連続面Ｓといった地質情報を精度よく予測評価することが重要となる。そのため、掘進に先だって不連続面Ｓの探査を行っておく必要がある。弾性波探査システム１は、このような切羽Ｔａ前方における不連続面Ｓを探査するためのシステムである。
【００１５】
弾性波探査システム１は、図１及び図２に示されるように、弾性波ＥＷを切羽Ｔａ前方に向かって人為的に発生させるための部材であて、弾性波ＥＷの発生時刻を示すトリガ信号（発生時刻情報）を生成するトリガハンマ３と、トリガハンマ３により発生された弾性波ＥＷが不連続面Ｓで反射して戻ってくる反射波ＲＷによる振動値を検知する複数の受振器（受振手段）５と、複数の受振器５との間で双方向に無線通信が可能であり、トリガ信号をトリガハンマ３から受信して受振器５にそのトリガ信号を無線送信する無線送受信機（振動発生時刻送信手段）７と、複数の受振器５で受信された反射波ＲＷによる振動値等をコンピュータ解析することで不連続面Ｓの位置、傾き、規模、相対的な軟硬などを検出する解析コンピュータ（解析手段）９と、を備えている。
【００１６】
トリガハンマ３は、坑内Ｔにおける所定の岩石を垂直方向に打撃することで人為的にＰ波及びＳ波からなる弾性波ＥＷを切羽Ｔａ前方を含む全方位に向かって発生させるための振動発生用部材であり、無線送受信機７及び解析コンピュータ９に信号線Ｌで有線接続される。トリガハンマ３は、打撃面側に配置され、内蔵する圧電素子で打撃を検知する打撃検知部３ａと、打撃検知部３ａで検知された検知電圧を弾性波ＥＷの発生時刻を示すトリガ信号として無線送受信機７及び解析コンピュータ９に送信する送信部３ｂとを有している。
【００１７】
このようなトリガハンマ３は、無線送受信機７を介して、打撃検知部３ａで検知した打撃のトリガ信号を複数の受振器５に同時に無線送信する。また、この無線送信と同時に、トリガハンマ３は、信号線Ｌを介して、解析コンピュータ９にトリガ信号を有線送信する。さらに、トリガハンマ３は、岩石への打撃によって、上述した掘進方向前方への弾性波ＥＷに加え、坑内Ｔの坑壁を直接伝播する弾性波ＥＷ（直達波ともいう）も発生させ、この直達波は坑壁を介して受振器５へ直接伝播される。なお、岩石に対するトリガハンマ３による打撃の際、トリガハンマ３が岩石の面に対して垂直にあたらず、岩石の角などにあたって「誤動作」が発生する場合がある。
【００１８】
受振器５は、反射波ＲＷによる振動や直達波による振動を検知して、所定時間内における振動の振幅を示す振動値データを取得して無線送信する受振手段である。受振器５は、反射波ＲＷや直達波による振動値を検知して取得する振動検知部（振動値取得手段）５ａと、トリガハンマ３から無線送受信機７を介して無線送信されるトリガ信号を受信すると共に振動検知部５ａで取得された振動値データを解析コンピュータ９に無線送信する送受信部（受信手段、送信手段）５ｂ、受振器５が管理する基準時刻ｔ１を、送受信部５ｂで受信したトリガ信号による弾性波ＥＷの発生時刻に同期させる内蔵タイマ（同期手段）５ｃと、受振器５を駆動するための駆動電源５ｄとを備えている。
【００１９】
本実施形態では、上述した受振器５を１０個用意しており、それぞれの受振器５が所定の間隔で坑内Ｔの坑壁に配置される。受振器５は、坑壁に配置後、常に振動値を検知し、検知した振動値を不図示の一時記憶メモリに、一時的に記憶するように設定されている。受振器５は、トリガ信号をトリガハンマ３から受信すると、一時記憶メモリに記憶された振動値を、送信用の振動値データとして取得して解析コンピュータ９に無線送信する。これにより、常に振動値データを無線送信する場合に比べ、例えば電池などからなる駆動電源５ｄの省電力化及び長寿命化が図られる。
【００２０】
ここで、受振器５で取得される振動値データについて、図３を用いて説明する。図３に示されるように、１０個の受振器５で検知される振動値はＡ１〜Ａ１０でそれぞれ表わされる。受振器５がトリガハンマ３からトリガ信号を受信すると、各受振器５の内蔵タイマ５ｃで管理される基準時刻ｔ１間で時刻同期がとられ、各受振器５における基準時刻ｔ１と弾性波ＥＷの発生時刻とが同期されると共に、各受振器５の基準時刻ｔ１が相互に同期され、振動値の取得開始時刻ｔ０（０ｍｓ）から振動値データの取得が開始される。
【００２１】
振動値データの取得は、弾性波の発生時刻に同期された基準時刻ｔ１から所定の時間さかのぼった時刻（取得開始時刻ｔ０）から開始されるようになっている。これは、トリガハンマ３の打撃時に発生する「誤動作」による影響を含めた解析を行って不連続面Ｓを精度よく検出するためのものである。すなわち、打撃時に「誤動作」が発生して弾性波ＥＷが不十分である場合、そのままでは正確な振動値を検知できない。そのため、弾性波ＥＷの発生時刻前後における振動値データを比較することで、「誤動作」の発生の有無を検出し、「誤動作」の発生を検出した場合には解析コンピュータ９で振動値データを適正値に補正処理する。なお、このように時間的にさかのぼった振動値データの取得は、上述した一時記憶メモリに記憶された振動値データを用いて実行される。
【００２２】
振動値のデータ取得が取得開始時刻ｔ０で開始されると、受振器５は、最初に受振器５に伝播される直達波による振動を時刻ｔ２〜ｔ３の間で主に検知して振動値データを取得し、続いて、反射波ＲＷによる振動値を時刻ｔ３以降に検知して振動値データを取得し、時刻ｔ４（１２８ｍｓ）までの所定の時間内、振動値データを取得する。そして、各受振器５は、所定時間である１２８ｍｓ間で取得された振動値データを一括して、解析コンピュータ９に無線送信する。
【００２３】
無線送受信機７は、複数の受振器５との間で双方向に無線通信が可能な無線送受信手段であり、トリガハンマ３からのトリガ信号を受振器５の送受信部５ｂに無線送信し、受振器５の送受信部５ｂからの振動値データを受信して解析コンピュータ９に送信する。この無線送受信機７は、トリガハンマ３及び解析コンピュータ９に信号線Ｌを介して接続されている。
【００２４】
解析コンピュータ９は、反射波ＲＷ及び直達波による振動値データを解析して、不連続面Ｓの位置や傾きなどを検出するための検出手段である。解析コンピュータ９は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭなどが実装され、振動値データの解析により不連続面Ｓの位置などを検出する検出部９ａと、検出部９ａによる検出結果を表示するモニタ９ｂと、解析用のコンピュータプログラムなどが記憶された外部記憶装置９ｃと、解析コンピュータ９が管理する基準時刻を、入力されたトリガ信号によって弾性波ＥＷの発生時刻に同期させる内蔵タイマ９ｄとを備えたＰＣ装置である。
【００２５】
この解析コンピュータ９は、複数の受振器５での振動値データ（図３参照）を解析して、不連続面Ｓの位置や傾きなどを検出して、モニタ９ｂにその結果を表示する解析手段である。解析コンピュータ９は、トリガハンマ３からトリガ信号を受信したら、トリガ信号に基づいて内蔵タイマ９ｄによる時刻同期をとると共に、複数の受振器５からの振動値データを受信して、複数の振動値データ、受振器５の配置位置、トリガハンマ３による打撃位置などをコンピュータ解析することにより、不連続面Ｓの位置や傾きを検出する。そして、解析コンピュータ９は、検出された不連続面Ｓの位置や傾きなどをモニタ９ｂに出力表示する。なお、コンピュータ解析の際、同じ受振器５から振動値データを複数回受信するようにして、複数の振動値データをスタッキング処理、すなわち振動値の重ね合わせ処理により、振動値データにおける振幅の大きさを際立たせて、解析精度を向上させるようにしてもよい。
【００２６】
次に、上述した弾性波探査システム１を利用した不連続面Ｓの解析方法について説明する。まず、トンネルの坑内Ｔの坑壁に所定の間隔で１０個の受振器５をそれぞれ配置して固定する。受振器５を坑壁に配置する際、受振器５がトリガハンマ３や解析コンピュータ９などに有線接続されていないことから、受振器５の配置や固定が容易に行えると共に、配置レイアウトを自由にすることができる。その後、１０個の受振器５の電源をＯＮにする。
【００２７】
続いて、トリガハンマ３によって坑内Ｔの所定の岩石を垂直方向に打撃して人為的に弾性波ＥＷを発生させる。この際、トリガハンマ３から、無線送受信機７を介してトリガ信号が受振器５に同時に無線送信され、弾性波ＥＷの発生時刻と各受振器５で管理される各基準時刻ｔ１と解析コンピュータ９で管理される基準時刻とがすべて同期され、同期された基準時刻ｔ１に基づく取得開始時刻ｔ０から振動値データの収集が開始される（図３参照）。なお、本実施形態では、トリガハンマ３による「誤動作」の影響を含めた解析を行うため、取得開始時刻ｔ０は、弾性波ＥＷの発生時刻から所定の時間さかのぼった時刻となっている。
【００２８】
トリガハンマ３での岩石の打撃により、まず、直達波が坑壁を直接伝播して受振器５に伝わり、振動値データの取得を開始した受振器５は、直達波による振動値データを取得する。続いて、トリガハンマ３での岩石の打撃による弾性波ＥＷが地山Ｍ中を進行し、不連続面Ｓで反射して反射波ＲＷが生成される。直達波による振動値データを取得中または取得終了した複数の受振器５は、この反射波ＲＷによる振動値データを検知して取得し（ｔ２〜ｔ３）、取得開始時刻から所定時間が経過した時刻ｔ４（１２８ｍｓ）で振動値データの取得を終了する。振動値データの取得の終了後、複数の受振器５それぞれは、無線送受信機７を介して、所定時間における振動値データを一括して解析コンピュータ９に無線送信する。
【００２９】
複数の受振器５それぞれから振動値データを受信した解析コンピュータ９は、各受振器５で取得された振動値データや、予めＲＡＭ及びＲＯＭなどに記憶されている各受振器５の配置位置やトリガハンマ３の打撃位置などの情報に基づいて、検出部９ａにより不連続面Ｓの位置及び傾きを検出する。なお、解析コンピュータ９は、受信した振動値データのうち、弾性波ＥＷの発生時刻前後における振動値データを比較して「誤動作」の発生を検出した場合、振動値データを適正値に補正処理する。そして、解析コンピュータ９は、検出部９ａで検出された不連続面Ｓの位置及び傾きをモニタ９ｂに出力する。これにより、切羽Ｔａ前方における不連続面Ｓといった地質情報が精度よく予測評価される。なお、受振器５が振動値データを連続して取得且つ送信し、解析コンピュータ９がその一部の振動値データを用いて、地質探査のための解析を行うようにしてもよい。
【００３０】
上述の弾性波探査システム１によれば、内蔵タイマ５ｃによって弾性波ＥＷの発生時刻に同期された基準時刻ｔ１に基づく取得開始時刻ｔ０からｔ４までの所定の時間内において、弾性波ＥＷによる反射波ＲＷや直達波による振動値を取得している。このため、受振器５がトリガハンマ３や無線送受信機７に無線接続されているにもかかわらず、受振器５が管理する基準時刻とトリガハンマ３による弾性波の発生時刻との間で時刻同期がとられ、両時刻間でのずれがなく、精度よく振動値データを取得することができる。振動値データが精度よく取得されることから、解析コンピュータ９は、高精度の振動値を用いて地質解析することができる。しかも、受振器５がトリガハンマ３や無線送受信機７に無線接続されていることから、地質の解析に好ましい位置に受振器５の配置を行うことができる。これらの結果、不連続面Ｓを精度よく検出することが可能となる。
【００３１】
さらに、複数の受振器５それぞれで管理される基準時刻ｔ１が各内蔵タイマ５ｃによって互いに同期されている。複数の受振器５間で基準時刻ｔ１が同期されることにより、解析コンピュータ９で各振動値データを相互に比較することができるため、不連続面Ｓを更に精度よく検出できる。
【００３２】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、トリガハンマ３と解析コンピュータ９とは信号線Ｌを介して有線接続されていたが、トリガハンマ３と解析コンピュータ９とがそれぞれ無線手段を有し、相互に無線接続されるようにしてもよい。この場合、トリガハンマ３による弾性波ＥＷの発生時刻と解析コンピュータ９の内蔵タイマで管理される基準時刻とが、上述したトリガハンマ３と受振器５との間における基準時刻ｔ１の時刻同期と同様な方法で同期されることが好ましい。
【００３３】
また、上記実施形態では、振動発生用部材であるトリガハンマ３を用いたが、トリガハンマ３に代えて、振動発生用部材として発破を用いてもよく、さらに、超磁歪素子、ＴＢＭ（トンネル・ボーリング・マシーン）の振動、ブレーカーの振動、または電磁制御式発振装置などの振動発生手段を用いて、人為的に弾性波ＥＷを発生させるようにしてもよい。例えば、振動発生源として超磁歪素子を用いた振動発生手段によれば、弾性波ＥＷを複数回発生させる場合であっても均一な弾性波ＥＷを発生されることができ、電磁制御式発振装置といった振動発生手段によれば、Ｐ波よりも分解能の高いＳ波を強く発生させることができ、これらにより、不連続面Ｓの解析の精度を一層高くすることができる。
【００３４】
また、上記実施形態では、直達波と不連続面Ｓからの反射波ＲＷとによる振動を受振器５で検知して不連続面Ｓの位置や傾きを検出するようにしたが、直達波による振動のみを受振器５で検知して、坑壁近辺の地質を調査する弾性波探査システムに、本発明が用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る弾性波探査システムによって切羽前方の不連続面を検出している状態を示す概略的な側面図である。
【図２】本実施形態に係る弾性波探査システムのブロック図である。
【図３】受振器で取得される振動値データを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…弾性波探査システム、３…トリガハンマ、３ａ…打撃検知部、３ｂ…送信部、５…受振器（受振手段）、５ａ…振動検知部（振動値取得手段）、５ｂ…送受信部（送信手段、受信手段）、５ｃ…内蔵タイマ（同期手段）、５ｄ…駆動電源、７…無線送受信機（振動発生時刻送信手段）、９…解析コンピュータ、９ａ…検出部、９ｂ…モニタ、９ｃ…外部記憶装置、９ｄ…内蔵タイマ、Ｌ…信号線、Ｍ…地山、Ｓ…不連続面、Ｔ…坑内、Ｔａ…切羽、ＥＷ…弾性波、ＲＷ…反射波、ｔ０…取得開始時刻、ｔ１…基準時刻。
【図１】
2010038790.tif 000003
【図２】
2010038790.tif 000004
【図３】
2010038790.tif 000005