(57)【要約】【課題】振動や電気ノイズなどの予測不可能な外乱の影響を受けず、また、地表部を占有する必要のない地盤探査システムを提供することである。【解決手段】本発明の地盤探査システムは、宇宙線ミュー粒子を計数する計数手段と、前記計数手段により宇宙線ミュー粒子を計数する向きを変化させる角度変化手段と、前記計数手段により宇宙線ミュー粒子を計数する位置を変化させる位置変化手段と、前記角度変化手段で向きを変化させながら前記計数手段によって宇宙線ミュー粒子を計数するとともに、前記位置変化手段で向きを変化させながら前記計数手段によって宇宙線ミュー粒子を計数することによって、宇宙線ミュー粒子の位置分布および角度分布を求める宇宙線ミュー粒子分布取得手段と、前記分布取得手段で求めた宇宙線ミュー粒子の位置分布および角度分布に基づいてトモグラフィ解析を行うトモグラフィ解析手段と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙線ミュー粒子を計数する計数手段と、
前記計数手段により宇宙線ミュー粒子を計数する向きを変化させる角度変化手段と、
前記計数手段により宇宙線ミュー粒子を計数する位置を変化させる位置変化手段と、
前記角度変化手段で向きを変化させながら前記計数手段によって宇宙線ミュー粒子を計数するとともに、前記位置変化手段で向きを変化させながら前記計数手段によって宇宙線ミュー粒子を計数することによって、宇宙線ミュー粒子の位置分布および角度分布を求める宇宙線ミュー粒子分布取得手段と、
前記分布取得手段で求めた宇宙線ミュー粒子の位置分布および角度分布に基づいてトモグラフィ解析を行うトモグラフィ解析手段と、
を備えたことを特徴とする地盤探査システム。
【請求項２】
前記トモグラフィ解析手段による解析結果を可視化して表示する解析結果表示手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の地盤探査システム。
【請求項３】
前記計数手段が、２つのシンチレータの両方を通過した宇宙線ミュー粒子を計数するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の地盤探査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤探査システムに関し、特に地盤の密度分布を測定する地盤探査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近では、都市部におけるインフラストラクチャの老朽化等により、地盤中に空洞が発生し、社会問題となっている。そこで、従来、これらの空洞の存在を調査する地盤探査システムの研究が行われている。
【０００３】
たとえば特許文献１に記載の発明では、被探査地域の複数の測定地点で常時微動の時刻歴波形を測定した結果をスペクトル分析して、該複数の測定地点の各々のスペクトルを得て、前記測定地点の１つを基準点とし、その基準点と他の測定地点の振動数毎のスペクトル振幅値の比を算出し、該振幅値の比のバラツキを求め、そのバラツキが大きい程、空洞の存在の可能性が大きいと判定するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９２４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、都市部におけるインフラストラクチャの老朽化による空洞を調べるには、ノイズに影響されず、地表部を占有しないで行うことが重要である。
【０００６】
しかし、従来の調査方法を都市部で行うには、予測不可能な交通振動や工場の振動、あるいは送電線からの電気ノイズの影響により十分な成果をあげているとは言い難い。また、さらに地表部の道路などで行うには、その道路を占有するため交通規制が必須であり、交通渋滞などの発生が懸念される。
【０００７】
特許文献１に記載の発明においても、予測不可能な交通振動や工場の振動の影響を受けるため、精度の高い探知をするのは困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、振動や電気ノイズなどの予測不可能な外乱の影響を受けず、また、地表部を占有する必要のない地盤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】
【０００９】
本発明は上記の目的を達成するために、地下構造物（地下鉄、共同溝、洞道、下水管など）で宇宙線ミュー粒子を測定することにより、上部の地盤の密度分布を解析し、これにより地盤の空洞を探査する。
【００１０】
また本発明の地盤探査システムは、宇宙線ミュー粒子を計数する計数手段と、前記計数手段により宇宙線ミュー粒子を計数する向きを変化させる角度変化手段と、前記計数手段により宇宙線ミュー粒子を計数する位置を変化させる位置変化手段と、前記角度変化手段で向きを変化させながら前記計数手段によって宇宙線ミュー粒子を計数するとともに、前記位置変化手段で向きを変化させながら前記計数手段によって宇宙線ミュー粒子を計数することによって、宇宙線ミュー粒子の位置分布および角度分布を求める宇宙線ミュー粒子分布取得手段と、前記分布取得手段で求めた宇宙線ミュー粒子の位置分布および角度分布に基づいてトモグラフィ解析を行うトモグラフィ解析手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また本発明の地盤探査システムは、前記トモグラフィ解析手段による解析結果を可視化して表示する解析結果表示手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１２】
また本発明の地盤探査システムは、前記計数手段が、２つのシンチレータの両方を通過した宇宙線ミュー粒子を計数するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、振動や電気ノイズなどの予測不可能な外乱の影響を受けず、また、地表部を占有する必要のない地盤探査システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による地盤探査システムの一実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示した地盤探査システム１の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図１に示した地盤探査システム１の原理を示すブロック図である。
【図４】本実施形態の地盤探査システム１による測定範囲の一例を示す概略側断面図である。
【図５】地盤中の空洞によるミュー粒子の角度分布依存性を示す図であり、（ａ）は地盤の様子を示す側断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したＡ点の各角度位置での宇宙線ミュー粒子の同時通過数を示すグラフであり、（ｃ）は（ａ）に示したＢ点の各角度位置での宇宙線ミュー粒子の同時通過数を示すグラフである。
【図６】本実施形態の地盤探査システム１のパソコン１３で実行されるトモグラフィ解析のフローチャートを示す図である。
【図７】（ａ）は初期モデルの例を示す側断面図であり、（ｂ）は位置と角度を変えて宇宙線ミュー粒子の係数を行うすなわち宇宙線ミュー粒子の透過率を測定する様子を示す側断面図であり、（ｃ）はトモグラフィ解析を行った結果である地盤の密度分布を示す側断面図であり、（ｄ）は複数の断面で測定することによる３次元可視化への応用を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明による地盤探査システムの一実施形態の構成を示す概略図である。
【００１７】
図１を参照して分かるように、本実施形態の地盤探査システム１は、台車６に搭載された２つのシンチレータ２ａおよび２ｂを有して構成され、この２つのシンチレータ２ａおよび２ｂによって宇宙線ミュー粒子を検出する。
【００１８】
２つのシンチレータ２ａおよび２ｂはフレーム７の両端に設けられ、フレーム７は軸８において回動可能に軸支されている。図１に示すように、本実施形態では、シンチレータ２ａおよび２ｂの大きさは３０〜５０ｃｍ程度であり、シンチレータ２ａとシンチレータ２ｂとの間隔は２ｍ程度にしている。フレーム７の軸８付近には、台車６の位置を検出する位置検出器４および、フレーム７の回動角度を検出する角度検出器５が搭載されている。
【００１９】
フレーム７は、図示しないモータ等の駆動手段によって軸８を中心にして回動させられる。このフレーム７の回動角度は角度検出器５で検出され、図示しない制御手段では、この検出結果に基づきモータの角度位置のフィードバック制御を行う。すなわち、制御手段は、フレーム７をモータによって回動させ、フレーム７を所定角度位置で停止させることができる。角度検出器５としてはモータのエンコーダやジャイロ等を用いることができる。
【００２０】
また、台車６は、図示しないモータ等の移動手段によって移動可能に構成されている。台車６の位置は位置検出器４によって検出される。位置検出器４としてはたとえばＧＰＳを用いることができる。
【００２１】
シンチレータ２ａおよび２ｂは宇宙線ミュー粒子の通過に応じて発光し、この発光は光電子増倍管３ａおよび３ｂによって検出され、その検出結果はディスクリミネータ１１によって分析される。すなわち、ディスクリミネータ１１は、発光の検出結果のうち所定のエネルギーよりも高いものを分別して、宇宙線ミュー粒子が通過したときのエネルギーを判別する。ディスクリミネータ１１は安定化電源１０から電源供給される。
【００２２】
同時計数回路１２は、ディスクリミネータ１１による判別結果に基づき、シンチレータ２ａおよび２ｂの両方を通過した宇宙線ミュー粒子の数を計数する。宇宙線ミュー粒子は直進するため、フレーム７を所定角度位置で停止させ、シンチレータ２ａおよび２ｂの両方を通過した宇宙線ミュー粒子を計数することにより、シンチレータ２ａとシンチレータ２ｂとを結んだ方向に直進する宇宙線ミュー粒子の数を調べることができ、フレーム７の角度位置を変えてその都度宇宙線ミュー粒子を計数することにより、宇宙線ミュー粒子の角度分布を求めることができる。また、台車６の位置を変えてその都度宇宙線ミュー粒子を計数することにより、宇宙線ミュー粒子の位置分布を求めることができる。パソコン１３では、収集したデータを保管するとともに、このような宇宙線ミュー粒子の各種分布を求めることができる。
【００２３】
地盤探査システム１の台車６は、探査対象の地盤の下方のトンネル（坑道）等に配置し、探査を行う。安定化電源１０、ディスクリミネータ１１、同時計数回路１２、パソコン１３のそれぞれは、台車６に搭載されて台車６とともにトンネル（坑道）等に配置してもよいし、台車６とは別に、トンネル（坑道）等の外たとえば地上に配置してもよい。
【００２４】
図２は、図１に示した地盤探査システム１の構成の一例を示すブロック図である。
【００２５】
シンチレータ２ａおよび２ｂとしては、たとえばプラスチックシンチレータを用いることができる。
【００２６】
ディスクリミネータ１１としては、光電子増倍管３ａによる検出結果を分析するディスクリミネータ１１ａおよび、光電子増倍管３ｂによる検出結果を分析するディスクリミネータ１１ｂを設けるようにしてもよい。また、ディスクリミネータ１１ａおよびディスクリミネータ１１ｂのそれぞれには、信号を増幅する増幅器を内蔵するようにしてもよい。
【００２７】
ディスクリミネータ１１ａおよびディスクリミネータ１１ｂに電源供給する安定化電源１０は、たとえば高電圧回路および低電圧回路を有して構成される。
【００２８】
また、図１に示した同時計数回路１２は、図２に示すように、ディスクリミネータ１１ａおよびディスクリミネータ１１ｂの両方から宇宙線ミュー粒子を検出する信号が入力されたときに、検出信号を出力する同時計数回路１２ａと、同時計数回路１２ａからの検出信号を計数するカウンタ１２ｂとを有する構成であってもよい。
【００２９】
図３は、図１に示した地盤探査システム１の原理を示すブロック図である。
【００３０】
図３に示すように、宇宙線ミュー粒子２０がシンチレータ２ａおよび２ｂを通過すると、その旨が、光電子増倍管３ａおよび光電子増倍管３ｂ、ならびにディスクリミネータ１１ａおよびディスクリミネータ１１ｂを介して同時計数回路１２ａに入力され、同時計数回路１２ａでは、ディスクリミネータ１１ａからの検出信号とディスクリミネータ１１ｂからの検出信号とがほぼ同時に報告されたことから、ひとつの宇宙線ミュー粒子２０がシンチレータ２ａおよび２ｂを通過したとみなし、宇宙線ミュー粒子２０の検出信号をカウンタ１２ｂに出力し、カウンタ１２ｂではカウント数を１増加させる。
【００３１】
これに対し、同時計数回路１２ａは、ディスクリミネータ１１ａからの検出信号またはディスクリミネータ１１ｂからの検出信号の一方のみが報告された場合には、その宇宙線ミュー粒子２０は、シンチレータ２ａまたは２ｂの一方のみを通過した、すなわち、現在のフレーム７の角度位置とは異なる角度のものであるとみなし、カウンタ１２ｂによるカウント数は増加させない。
【００３２】
次に、本実施形態の地盤探査システム１の動作について説明する。
【００３３】
図４は、本実施形態の地盤探査システム１による測定範囲の一例を示す概略側断面図である。
【００３４】
本実施形態では、地盤探査システム１を図４に示す坑道内の３つの観測点に順次配置し、各観測点において、フレーム７の角度位置を異ならせながら、各角度位置での宇宙線ミュー粒子のシンチレータ２ａおよび２ｂの同時通過数をカウントする（角度分布測定）。
【００３５】
宇宙線ミュー粒子は地盤を通過する際に、その数が減少する特性が知られており、地表からの距離が長ければ宇宙線ミュー粒子の数は減る。ところが、その地盤中の通過経路に空洞があると、その分だけ宇宙線ミュー粒子の数が減らなくなる。
【００３６】
坑道内で測定位置（観測点）およびフレーム７の角度位置を変えることで、各位置、各方向での宇宙線ミュー粒子の数を得ることができ、これにより地盤の空洞との状態を解析するトモグラフィ解析に適用できるデータを取得することができる。
【００３７】
これは、通常のトモグラフィを９０度回転させたものと同様である。すなわち、本実施形態の地表と坑道が、通常のトモグラフィのボーリング孔に相当する。
【００３８】
宇宙線ミュー粒子の物質中の透過特性は、物質の密度と透過距離との積および天頂角に依存する。この特性は既知であるので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００３９】
本実施形態の地盤探査システム１では、パソコン１３においてトモグラフィ解析を行う。
【００４０】
図５は、地盤中の空洞によるミュー粒子の角度分布依存性を示す図であり、（ａ）は地盤の様子を示す側断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したＡ点の各角度位置での宇宙線ミュー粒子の同時通過数を示すグラフであり、（ｃ）は（ａ）に示したＢ点の各角度位置での宇宙線ミュー粒子の同時通過数を示すグラフである。
【００４１】
図５（ｂ）、（ｃ）のグラフは、縦軸が天頂角（真上をゼロ度としたときのミュー粒子の到来方向角度）であり、横軸がカウント率すなわち宇宙線ミュー粒子の同時通過数の１日の合計である。
【００４２】
宇宙線ミュー粒子は、密度と透過距離が増えると透過（カウント）率が減少する。逆に空洞があると（同じ透過距離でも密度が小さいので）透過率が増加する。
【００４３】
地盤内に空洞がなければ、図５（ｂ）および（ｃ）に実線で示すような特性を示すわけだが、図５（ａ）に示すような空洞があると、宇宙線ミュー粒子がその空洞を通る角度位置では、空洞がない場合よりも同時通過数が増える。すなわち、均質な地盤の場合、角度に応じて同時計数が変化するが、空洞のある場所では、宇宙線ミュー粒子の透過性が良いため、計数率が増加することが確認できる。
【００４４】
図５（ｂ）に示すように、Ａ点では、天頂角２５度から５５度の範囲で、破線で示すように透過率が増加し、図５（ｃ）に示すように、Ｂ地点では天頂角３０度から５０度の範囲で、破線で示すように透過率が増加している。このように位置を変えて観測することにより、空洞の位置をある程度まで絞り込むことができる。
【００４５】
この図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す例では、２点のみの測定結果を示しているが、より多くの測定点でデータを収集することにより、より精度の高いトモグラフィ解析が可能となる。
【００４６】
図６は、本実施形態の地盤探査システム１のパソコン１３で実行されるトモグラフィ解析のフローチャートを示す図である。
【００４７】
本実施形態の地盤探査システム１では、台車６やフレーム７を動かして各位置でのデータを取得したならば、まず初期モデルを設定する（Ｓ−１）。ここで、初期モデルとは、事前に調査した地質断面図や土質試験の結果などに基づいて地盤の平均密度を仮定した、地盤の層構造のモデルである。
【００４８】
続いて、地盤が、ステップ（Ｓ−１）で設定したモデルであるとした場合に、観測されるであろう宇宙線ミュー粒子の理論値を計算する（Ｓ−２）。
【００４９】
続いて、ステップ（Ｓ−２）で計算した理論値と、すでに取得した各位置でのデータとの差（残差）を計算する（Ｓ−３）。
【００５０】
続いて、ステップ（Ｓ−３）で計算した残差があらかじめ定めた許容範囲内であれば（Ｓ−４：Ｙｅｓ）、その結果を表示して（Ｓ−６）処理を終了する。
【００５１】
ステップ（Ｓ−４）において、ステップ（Ｓ−３）で計算した残差があらかじめ定めた許容範囲内でない場合には（Ｓ−４：Ｎｏ）、モデルを修正して（Ｓ−５）、ステップ（Ｓ−２）に戻り、処理を繰り返す。
【００５２】
本実施形態の地盤探査システム１によれば、宇宙線ミュー粒子の位置分布、角度分布測定技術と、トモグラフィの解析技術とを組み合わせることにより、地盤の密度を可視化することが可能となる。図４は、地盤を可視化したものの一例であり、図４の例では地盤の地質密度が均一で空洞がない場合を示している。
【００５３】
このような可視化の別の例について図７を参照して説明する。
【００５４】
図７（ａ）は初期モデルの例を示す側断面図であり、図７（ｂ）は位置と角度を変えて宇宙線ミュー粒子の係数を行うすなわち宇宙線ミュー粒子の透過率を測定する様子を示す側断面図であり、図７（ｃ）はトモグラフィ解析を行った結果である地盤の密度分布を示す側断面図であり、図７（ｄ）は複数の断面で測定することによる３次元可視化への応用を示す斜視図である。
【００５５】
図７（ａ）は通常の地質調査によって得られる断面であり、なんらかの理由（たとえばトンネルの老朽化）により、空洞の発生が懸念される。そこで、図７（ａ）を初期モデルとして、上述の宇宙線ミュー粒子の位置分布、角度分布測定およびトモグラフィの解析を行う（図７（ｂ）、図７（ｃ）参照）。
【００５６】
また、複数の断面で測定することで図７（ｄ）に示すように３次元への拡張が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、たとえば空洞の探知など地盤探査を行うシステムに適用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  地盤探査システム
２ａ、２ｂ  シンチレータ
３ａ、３ｂ  光電子増倍管
４  位置検出器
５  角度検出器
６  台車
７  フレーム
８  軸
１０  安定化電源
１１  ディスクリミネータ
１２  同時計数回路
１３  パソコン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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