(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填するとともに、切羽から離れた後方所定の位置に地震計及び記録装置を設置し、
爆薬を起爆して発生する弾性波を前記地震計で受振、計測し、前記記録装置に記録することを切羽掘進毎に繰り返し、
切羽掘進毎に前記記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出して、当該直達波に基づいて切羽のトンネル坑内の弾性波速度分布を推定し、切羽掘進毎に前記記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出して、当該反射波に基づいて反射点及び反射面を推定するとともに、当該反射点及び反射面の分布パターンから切羽前方の地質構造を推定し、
前記反射波の抽出に当たり、切羽前方の地質構造の探査に要求される分解能の最大値及び最小値を設定する一方、解析に使用する弾性波波長を分解能の４倍に設定し、前記直達波から算出した前記トンネル坑内の弾性波速度に基づいて反射波伝播速度を算出して、当該反射波伝播速度から解析に使用する弾性波周波数を設定し、
前記反射点及び反射面の推定に当たり、切羽前方の範囲の任意の解析点において反射により生ずる弾性波のうち回折波の重合処理を行い、反射波を検出し、さらに、前記解析点の間隔は弾性波伝播距離が弾性波波長の最小値の４分の１を超えない範囲に設定する、
ことを特徴とするトンネル弾性波探査方法。
【請求項２】
トンネル坑内に設置され、発破を震源とする弾性波を計測する地震計、及び前記地震計により計測される弾性波を記録する記録装置と、前記記録装置により記録された弾性波の解析を行う解析装置とを備え、
前記解析装置は、
前記記録装置に切羽掘進毎に記録された弾性波から直達波を抽出して、当該直達波に基づいて切羽のトンネル坑内の弾性波速度を測定する直達波処理手段と、
前記記録装置に切羽掘進毎に記録された弾性波から反射波を抽出して、当該反射波に基づいて弾性波の反射点及び反射面を推定するとともに、当該反射点及び反射面の分布パターンから切羽前方の地質構造を推定する反射波処理手段とを有し、
前記反射波処理手段は、
前記反射波の抽出に当たり、切羽前方の地質構造の探査に要求される分解能の最大値及び最小値を設定する一方、解析に使用する弾性波波長を分解能の４倍に設定し、前記直達波から算出した前記トンネル坑内の弾性波速度に基づいて反射波伝播速度を算出して、当該反射波伝播速度から解析に使用する弾性波周波数を設定し、
前記反射点及び反射面の推定に当たり、切羽前方の範囲の任意の解析点において反射により生ずる弾性波のうち回折波の重合処理を行い、反射波を検出し、さらに、前記解析点の間隔は弾性波伝播距離が弾性波波長の最小値の４分の１を超えない範囲に設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のトンネル弾性波探査方法に用いるトンネル弾性波探査システム。
【請求項３】
地震計は、発破を起爆する発破器の爆薬に点火電流を供給するための発破母線に設置され、発破点火時の電流を検出し、電流検出信号を出力する非接触式の電流センサと、トンネル坑壁に設置され、発破による弾性波の振動を計測し、振動計測信号を出力する可搬型の電気機械式の受振センサと、前記電流センサの電流検出信号に基づいてパルス信号を出力し、前記受振センサの振動計測信号に基づいて弾性波信号を出力する検知器とにより構成され、記録装置は、前記検知器から出力される前記パルス信号及び前記弾性波信号を記録する可搬型の不揮発性の記憶装置が採用され、前記電流センサ及び前記受振センサは前記検知器を介して前記記憶装置に電気的に接続される請求項２に記載のトンネル弾性波探査システム。
【請求項４】
受振センサはジオフォンが採用される請求項３に記載のトンネル弾性波探査システム。
【請求項５】
記憶装置はＩＣレコーダが採用される請求項３又は４に記載のトンネル弾性波探査システム。
【請求項６】
検知器及び記憶装置は別体又は一体に構成される請求項３乃至５のいずれかに記載のトンネル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、トンネル等の掘削を行う場合に用いるトンネル弾性波探査方法及びこれに用いるトンネル弾性波探査システムに関し、特に、トンネル坑壁付近の弾性波速度の測定と、切羽前方の地質構造の予測に使用するトンネル弾性波探査方法及びこれに用いるトンネル弾性波探査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、トンネル工事においては、トンネルの掘削や支保を安全かつ効率良く施工するために、地山の弾性波速度分布を推定することが行われ、また、掘削面である切羽前方の地質変化を把握し、その対策を講じることが安全かつ迅速な掘削作業を行う上で必要となるため、切羽前方の探査が行われる。
【０００３】
トンネル坑壁付近の弾性波速度を測定する方法としては、トンネル坑壁付近で数回の小発破を行ったりトンネル坑壁に設けたボーリング孔壁内を打撃したりするなど坑壁に人工的に振動を生じさせることにより弾性波（地震波）を発生させ、その弾性波を所定の測定点で地震計により測定することが周知である。また、トンネル坑内の切羽から離れた後方の坑壁位置に地震計を設置し、地震計で切羽の発破振動を計測することを切羽掘進サイクル毎に行い、得られた発破振動データに基づいて切羽の弾性波速度を求めることが例えば特許文献１により提案されている。
【０００４】
また、切羽前方の探査を行う方法としては、探査用の発破を行い、この発破による弾性波を地震計により計測し、この計測した弾性波により切羽前方の地質変化を推定するＴＳＰ（Tunnel Seismic Prediction）法や特許文献２による方法、特許文献３による方法が知られている。例えば、特許文献２による方法では、切羽後方の坑壁において発破等（火薬爆発法、垂錘落下方式など）による弾性波を発生させ、切羽前方の地質変化面などで反射した弾性波（反射波）を地震計により計測し、ＰＣで解析を行い、弾性波の反射面位置を計測することで、切羽前方の地質変化面を推定する手法が提案されている。なお、この手法では、反射波の解析結果から地質構造を推定する判定基準は不明である。また、トンネル掘削における段発の各段の発破を震源とする弾性波を地震計により計測し、記録装置に記録する切羽前方探査手法が特許文献３により提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−７５２４７公報
【特許文献２】特許第３１１９７５３号公報
【特許文献３】特許第３０２２８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のトンネル坑壁付近の弾性波速度を測定する方法や切羽前方の探査を行う方法では、次のような問題がある。
（１）上記従来の弾性波速度分布の推定方法は、トンネルの掘削作業に組み込むことができないため、トンネルの掘削作業に影響する。また、この推定方法の場合、トンネル坑壁における弾性波速度の分布を評価することができない、すなわち、掘削済み区間の弾性波速度分布を推定することができないため、掘削済み区間の支保設計の評価、検証に活用することができない。
（２）上記従来の切羽前方の探査方法では、探査のための発破を行うことが必要で、切羽での掘削作業が少なからず中断される。これに対して、特許文献３の切羽前方の探査方法の場合、トンネル掘削のための発破を震源として利用できるため、切羽での掘削作業が中断されることがないが、２つの地震計他、多くの専用の探査基材を必要とし、コストが増大する。また、上記従来の探査方法では、反射波の解析結果から、切羽前方探査に求められる切羽前方の地質構造を推定することができない。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、この種のトンネル弾性波探査方法において、トンネル坑内の弾性波探査をトンネルの掘削作業に組み込み、日常の作業に影響を受けることなしに弾性波探査を行えるようにすること、トンネル坑内の弾性波速度を切羽の掘削直後に把握し、支保設計の評価、検証に活用できるようにすること、トンネルの切羽前方の探査区間の地質構造を切羽掘削の直後に推定できるようにすること、切羽前方探査の反射面の位置決め精度の向上を図ること、切羽前方探査に求められる地質構造を推定できるようにすること、及びこの方法に用いるトンネル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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のトンネル弾性波探査方法は、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填するとともに、切羽から離れた後方所定の位置に地震計及び記録装置を設置し、爆薬を起爆して発生する弾性波を前記地震計で受振、計測し、前記記録装置に記録することを切羽掘進毎に繰り返し、切羽掘進毎に前記記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出して、当該直達波に基づいて切羽のトンネル坑内の弾性波速度分布を推定し、切羽掘進毎に前記記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出して、当該反射波に基づいて反射点及び反射面を推定するとともに、当該反射点及び反射面の分布パターンから切羽前方の地質構造を推定し、前記反射波の抽出に当たり、切羽前方の地質構造の探査に要求される分解能の最大値及び最小値を設定する一方、解析に使用する弾性波波長を分解能の４倍に設定し、前記直達波から算出した前記トンネル坑内の弾性波速度に基づいて反射波伝播速度を算出して、当該反射波伝播速度から解析に使用する弾性波周波数を設定し、前記反射点及び反射面の推定に当たり、切羽前方の範囲の任意の解析点において反射により生ずる弾性波のうち回折波の重合処理を行い、反射波を検出し、さらに、前記解析点の間隔は弾性波伝播距離が弾性波波長の最小値の４分の１を超えない範囲に設定する、ことを要旨とする。
【０００９】
また、本発明のトンネル弾性波探査システムは、トンネル坑内に設置され、発破を震源とする弾性波を計測する地震計、及び前記地震計により計測される弾性波を記録する記録装置と、前記記録装置により記録された弾性波の解析を行う解析装置とを備え、前記解析装置は、前記記録装置に切羽掘進毎に記録された弾性波から直達波を抽出して、当該直達波に基づいて切羽のトンネル坑内の弾性波速度を測定する直達波処理手段と、前記記録装置に切羽掘進毎に記録された弾性波から反射波を抽出して、当該反射波に基づいて弾性波の反射点及び反射面を推定するとともに、当該反射点及び反射面の分布パターンから切羽前方の地質構造を推定する反射波処理手段とを有し、前記反射波処理手段は、前記反射波の抽出に当たり、切羽前方の地質構造の探査に要求される分解能の最大値及び最小値を設定する一方、解析に使用する弾性波波長を分解能の４倍に設定し、前記直達波から算出した前記トンネル坑内の弾性波速度に基づいて反射波伝播速度を算出して、当該反射波伝播速度から解析に使用する弾性波周波数を設定し、前記反射点及び反射面の推定に当たり、切羽前方の範囲の任意の解析点において反射により生ずる弾性波のうち回折波の重合処理を行い、反射波を検出し、さらに、前記解析点の間隔は弾性波伝播距離が弾性波波長の最小値の４分の１を超えない範囲に設定する、ことを要旨とする。
また、このシステムにおいて、地震計は、発破を起爆する発破器の爆薬に点火電流を供給するための発破母線に設置され、発破点火時の電流を検出し、電流検出信号を出力する非接触式の電流センサと、トンネル坑壁に設置され、発破による弾性波の振動を計測し、振動計測信号を出力する可搬型の電気機械式の受振センサと、前記電流センサの電流検出信号に基づいてパルス信号を出力し、前記受振センサの振動計測信号に基づいて弾性波信号を出力する検知器とにより構成され、記録装置は、前記検知器から出力される前記パルス信号及び前記弾性波信号を記録する可搬型の不揮発性の記憶装置が採用され、前記電流センサ及び前記受振センサは前記検知器を介して前記記憶装置に電気的に接続されることが望ましい。
この場合、受振センサはジオフォンが採用されることが好ましい。
記憶装置はＩＣレコーダが採用されることが好ましい。
また、この場合、検知器及び記憶装置は別体に構成されてもよく一体に構成されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のトンネル弾性波探査方法及びこの方法に用いるトンネル弾性波探査システムによれば、切羽の発破を震源とする弾性波を地震計で受振、計測し、記録装置に記録することを切羽掘進毎に繰り返し、切羽掘進毎に記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、当該直達波に基づいて切羽のトンネル坑内の弾性波速度分布を推定するようにしたので、トンネル坑内の弾性波探査をトンネルの掘削作業に組み込み、日常の作業に影響を受けることなしに弾性波探査を行うことができ、また、トンネル坑内の弾性波速度を切羽の掘削直後に把握し、支保設計の評価、検証に活用することができる。
また、この方法及びシステムによれば、切羽掘進毎に記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、当該反射波に基づいて反射点及び反射面を推定するとともに、当該反射点及び反射面の分布パターンから切羽前方の地質構造を推定し、反射波の抽出に当たり、切羽前方の地質構造の探査に要求される分解能の最大値及び最小値を設定する一方、解析に使用する弾性波波長を分解能の４倍に設定し、直達波から算出したトンネル坑内の弾性波速度に基づいて反射波伝播速度を算出して、当該反射波伝播速度から解析に使用する弾性波周波数を設定し、反射点及び反射面の推定に当たり、切羽前方の範囲の任意の解析点において反射により生ずる弾性波のうち回折波の重合処理を行い、反射波を検出し、さらに、解析点の間隔は弾性波伝播距離が弾性波波長の最小値の４分の１を超えない範囲に設定するようにしたので、トンネルの切羽前方の探査区間の地質構造を切羽掘削の直後に推定することができ、また、切羽前方探査の反射面の位置決め精度の向上を図ることができ、さらに、切羽前方探査に求められる地質構造を推定することができる。
このようにしてトンネル坑内弾性波の調査、トンネル切羽前方の探査の２つの探査を一括して実施することができる。
また、このトンネル弾性波探査システムでは、特に、地震計が、発破器の発破母線に設置され、発破点火時の電流を検出し、電流検出信号を出力する非接触式の電流センサと、トンネル坑壁に設置され、発破による弾性波の振動を計測し、振動計測信号を出力するジオフォンなどの可搬型の電気機械式の受振センサと、電流センサの電流検出信号に基づいてパルス信号を出力し、受振センサの振動計測信号に基づいて弾性波信号を出力する検知器とにより構成され、記録装置は、検知器から出力されるパルス信号及び弾性波信号を記録するＩＣレコーダなどの可搬型の不揮発性の記憶装置が採用され、電流センサ及び受振センサは検知器を介して記憶装置に電気的に接続されるので、通常のトンネルで使用する発破器の発破信号（発破時刻）を確実かつ安全に検出して、弾性波信号を検出することができ、弾性波測定の準備や作業を確実かつ容易に行うことができる。そして、発破信号の検出に非接触式の電流センサが用いられ、受振センサにジオフォンなどの可搬型の電気機械式の受振センサが採用され、記録装置にＩＣレコーダなどの不揮発性の記憶装置が採用されるので、各信号の記録の準備や作業を確実かつ容易に行うことができる。さらに、ＩＣレコーダを用いた弾性波探査により、トンネル坑内の地山の弾性波速度を評価することで、より的確な地山分類が可能となり、トンネルの設計及び施工に反映することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態におけるトンネル弾性波探査方法を示す流れ図
【図２】同方法を実施するためのトンネル弾性波探査システムを示すブロック図
【図３】同方法による探査状況を示す斜視図
【図４】同方法による探査状況を示す平面図
【図５】同方法に用いる地震計の設置状態を示す図
【図６】同方法において起振点となる切羽に削孔する掘削用発破孔、探査用発破孔を示す図
【図７】同方法に用いる地震計及びデジタル記録装置の配置と探査用発破の位置を示す斜視図
【図８】同方法において発破毎の各探査用発破の位置で発振された弾性波の起振点距離を示す図
【図９】同方法において弾性波の受振点への到達時間を示す図
【図１０】同方法において発破毎の各探査用発破の位置で発振された直達波の起振点距離及び地山弾性波速度を示す図
【図１１】同方法において反射波の処理プロセスを示す流れ図
【図１２】同方法において発破毎の各探査用発破の位置で発振された反射波の起振点距離及び地山弾性波速度を示す図
【図１３】同方法において切羽前方の地質構造の推定に用いる反射面及び反射点の分布パターンを示す図
【図１４】同方法による切羽前方の地質構造の推定において、複数の反射面の解析範囲が重複する場合を示す図
【図１５】同方法において位相変化の分布パターンにより推定する断層又は貫入岩を示す図
【図１６】同方法に用いるトンネル弾性波探査システムの特に地震計及び記録装置の構成の一例を示す図
【図１７】同方法及びトンネル弾性波探査システムとして採用する各種機材を用いた弾性波探査のイメージを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、この発明を実施するための形態について図を用いて説明する。図１にトンネル弾性波探査方法を示し、図２にこの探査方法を実施するためのトンネル弾性波探査システムを示している。
【００１３】
図１に示すように、このトンネル弾性波探査方法は、トンネル坑内の切羽から離れた後方所定の位置に地震計及びデジタル記録装置を設置するとともに、切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、爆薬を起爆して発生する弾性波（地震波）を地震計で受振、計測し、デジタル記録装置に記録することを切羽掘進毎に繰り返し、切羽掘進毎にデジタル記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出して、当該直達波に基づいて切羽のトンネル坑内の弾性波速度分布を推定し、切羽掘進毎にデジタル記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出して、当該反射波に基づいて反射点及び反射面を推定するとともに、当該反射点及び反射面の分布パターンから切羽前方の地質構造を推定し、トンネル坑内弾性波の調査、トンネル切羽前方の探査の２つの探査を一括して実施する。
【００１４】
図２に示すように、トンネル弾性波探査システムは、トンネル坑内に設置され、発破を震源とする弾性波（地震波）を計測する地震計１、及び地震計１により計測される弾性波を記録するデジタル記録装置２と、デジタル記録装置２により記録された弾性波の解析を行う解析装置としてのＰＣ（パーソナルコンピュータ）３とを備えて構成され、特に、ＰＣ３は、記録装置２に切羽掘進毎に記録された弾性波から直達波を抽出し、当該直達波に基づいて切羽のトンネル坑内の弾性波速度を測定する手段としての直達波処理プログラム３１、及び記録装置２に切羽掘進毎に記録された弾性波から反射波を抽出し、当該反射波に基づいて弾性波の反射点及び反射面を推定するとともに、当該反射点及び反射面の分布パターンから切羽前方の地質構造を推定する手段としての反射波処理プログラム３２を有し、弾性波の解析により得られた坑内弾性波速度及び切羽前方の地質構造をディスプレイに表示する。
【００１５】
以下、この探査方法及び探査システムについて詳述する。
１．探査
この探査方法による探査時の探査状況を図３及び図４に模式的に示している。図３及び図４に示すように、まず、掘削完了区間の切羽Ｔ１後方所定の位置の坑壁壁面に地震計１をデジタル記録装置２とともに設置する。この場合、地震計１の設置位置は変えないで、固定とする。また、この場合、弾性波の受振点として、図５に示すように、壁面を２ｍ以上削孔した孔Ｔ２に地震波ガイド１１を挿入し、この孔Ｔ２にグラウト材４を注入して、地震波ガイド１１をトンネル坑壁の地山に一体化し、この地震波ガイド１１に地震計１をクランプ、ねじなどにより圧接して接合する。なお、地震波ガイド１１は振動の伝導を助ける棒鋼などが用いられ、ロックボルトを転用することも可能である。地震計１とデジタル記録装置２は通信ケーブル１２を介して接続し、データ収録を行う。データ収録後、デジタル記録装置２をＵＳＢケーブル２３（図２参照）によりＰＣ３（図２参照）に接続し、データ処理を行う。
次いで、図６に示すように、起振点となる切羽Ｔ１に掘削用発破孔Ｔ１２とともに探査用発破孔Ｔ１１を削孔する。この場合、探査用発破孔Ｔ１１は高さを地震波ガイド１１と同一とし、地震波ガイド１１を切羽Ｔ１の右側に設置した場合、この探査用発破Ｔ１１を切羽の右端部に設け、地震波ガイド１１を切羽Ｔ１の左側に設置した場合は、この探査用発破Ｔ１１を切羽Ｔ１の左端部に設ける。掘削用、探査用の各発破孔Ｔ１２、Ｔ１１に爆薬を装填し、掘削用発破は段発雷管により起爆させ、探査用発破は瞬発雷管により起爆させる。そして、図示されない発破スイッチ（発破器の信号）とデジタル記録装置２とを作動連結し、各発破の起爆と同時にデジタル記録装置２を作動させて、地震計１で受振、計測した弾性波を記録するものとする。また、この準備作業の際に、併せて切羽Ｔ１と地震計１との間の距離を計測し、デジタル記録装置２に記録しておく。
【００１６】
このようにして、切羽Ｔ１の掘削に当たり、発破スイッチをＯＮ操作して、切羽Ｔ１に装填した爆薬を起爆させると、切羽Ｔ１が爆破し、この爆発によって切羽Ｔ１から発生した弾性波は地山を伝播し、これが切羽Ｔ１後方の地震波ガイド１１に到達する。この地震波ガイド１１に到達した弾性波は地震計１で受振計測され、これがデジタル記録装置２に記録される。なお、地震計１及びデジタル記録装置２はこの弾性波の計測、記録後、自動的に停止される。
このように切羽掘削とともに、弾性波の受振、計測点は変えないで弾性波の受振、計測及び記録を切羽掘進サイクル毎に繰り返す。
そして、デジタル記録装置２に記録された各切羽Ｔ１の弾性波データは順次ＰＣ３に転送され、後述のとおり、ＰＣ３内に格納された直達波処理プログラム３１及び反射波処理プログラム３２により解析されて、その解析結果により、トンネル坑内Ｔ０の弾性波速度分布を推定し、切羽Ｔ１前方の地質変化面の位置及び地質構造を推定しながら、掘削済み区間の支保設計の評価、検証、及び切羽Ｔ１周囲の支保設計の決定を行い、必要な支保工を行いつつ、安全でかつ効率的な掘削作業を進める。
【００１７】
２．解析
２．１  解析に関する共通事項
（１）探査機材の配置、探査用発破の位置
図７に既述の探査機材の配置と探査用発破の位置を示している。図７において、地震計（受振点）の位置をＯとし、探査用発破の位置をＳｉとし、この発破に続く次の探査用発破の位置を順次Ｓｉ＋１、Ｓｉ＋２、…Ｓｉ＋ｎとし、地震計と発破毎の各探査用発破の位置との間の距離をｓｉ、ｓｉ＋１、ｓｉ＋２、…ｓｉ＋ｎとする。
（２）発破毎の各探査用発破の位置で発振された弾性波の起振点距離
図８に発破毎の各探査用発破の位置で発振された弾性波の起振点距離を示している。図８に示すように、発破毎の各探査用発破の位置Ｓｉ、Ｓｉ＋１、Ｓｉ＋２で発振された弾性波はその伝播経路から直達波と反射波に区分され、それぞれ、地震計の位置Ｏで受振される。
（３）弾性波の到達時間
図９に弾性波の受振点への到達時間を示している。図９に示すように、発破毎の各探査用発破の位置Ｓｉ、Ｓｉ＋１、Ｓｉ＋２、…で発振された各直達波の到達時間をｔｄｉ、ｔｄｉ＋１、ｔｄｉ＋２、…とし、発破毎の各探査用発破の位置Ｓｉ、Ｓｉ＋１、Ｓｉ＋２、…で発振された各反射波の到達時間をｔｒｉ、ｔｒｉ＋１、ｔｒｉ＋２、…とする。
【００１８】
２．２  トンネル坑内弾性波の推定
まず、トンネル坑内弾性波の推定を行う。図１０に発破毎の各探査用発破の位置で発振された直達波の起振点距離及び到達時間のみを示している。図１０に例示したように、坑内弾性波速度は連続する２回の直達波の探査結果を用い、式（１）により算出する。
【数１】
0005587960.tif 000002
【００１９】
２．３ トンネル切羽前方の探査
続いて、トンネル切羽前方の探査を図１１に示す反射波の処理プロセスに従って行う。
（１）反射波伝播速度の算出
図１２に発破毎の各探査用発破の位置で発振され、切羽前方で反射された反射波の起振点距離及び到達時間のみを示している。図１２において、弾性波の切羽直近の発振位置がＳｉ＋ｎのときに、この解析で使用する反射波の伝播速度（Ｖｉ＋ｎ）は探査区間の平均坑内弾性波速度を用い、式（２）により算出する。
【数２】
0005587960.tif 000003
（２）反射波の波形処理
発破毎の各探査用発破の位置で発振された弾性波はデジタル記録装置に時間及び振幅が記録され、反射波を検出するために、次のステップにより波形処理を行う。なお、この解析に用いる弾性波記録は１６点以上を目安とし、２０点以上が好ましい。
（ステップ１）
探査に要求する分解能の最大値及び最小値を設定する。ここで、解析に使用する弾性波波長（λ）は分解能の４倍に設定する。例えば、要求分解能の最大値を５．０ｍ、最小値を２．０ｍのとき、λｍａｘ＝２０．０ｍ、λｍｉｎ＝８．０ｍに設定する。
（ステップ２）
上記（１）により算出した反射波伝播速度から解析に使用する弾性波周波数（ｆ）を設定する。反射波伝播速度が５，０００ｍ／ｓｅｃのとき、弾性波周波数はｆｍｉｎ＝２５０Ｈｚ（λｍａｘ＝２０ｍ）、ｆｍａｘ＝６２５Ｈｚ（λｍｉｎ＝８ｍ）
（ステップ３）
解析に用いる弾性波はバンドパスフィルター処理によりｆｍｉｎ以上及びｆｍａｘ以下を使用する。
（ステップ４）
弾性波到達時間に反射波伝播速度（Ｖｉ＋ｎ）を乗算し、弾性波伝播距離−振幅の関係を求める。
（ステップ５）
伝播距離の減衰を補正するため、振幅を自乗し、弾性波伝播距離−反射エネルギー（：振幅の自乗）の関係を求める。ここで、反射エネルギーの極性（正負）を乗算する。
（ステップ６）
各探査の最大振幅（直達波振幅）を基準として、反射エネルギーの正規化を行う。
（ステップ７）
起振点距離、弾性波伝播距離及び波形処理後の弾性波振幅からなる複数のデータセットを作成する。
（３）反射面の推定
切羽前方の範囲の任意の解析点において反射により生ずる弾性波のうち、回折波の重合処理を行い、反射波を検出する。この重合処理では、あるデータセットにおいて、切羽前方の任意の解析点における回折波の伝播距離を求め、その位置の弾性波振幅（波形処理後）を求める。さらに、異なるデータセットにおいて、切羽前方の任意の解析点における回折波の伝播距離を求め、その位置の弾性波振幅（波形処理後）を求める。すべてのデータセットに対して同様のプロセスを繰り返し、求められた弾性波振幅（波形処理後）を加算（重合処理）し、反射エネルギーを求める。この場合、解析点間隔は伝播距離がλｍｉｎの１／４を超えない範囲に設定する。すべての解析点において、反射エネルギーの絶対値が最も大きいものを第１反射点と推定する。第１反射点の周囲の解析点のうち、反射経路差がλｍａｘ／２となる範囲（反射面解析範囲）の解析点において、第１反射点と同位相の反射エネルギーを示す反射点を選択し、反射エネルギーの絶対値を比較し、最も大きな値を示す点を第２反射点と推定する。そして、第１反射点と第２反射点を含む面を、反射面と推定する。同様の処理を繰り返し、第３反射点と第４反射点を含む面、第５反射点と第６反射点を含む面をそれぞれ、反射面と推定する。
（４）切羽前方の地質構造の推定
図１３に反射面及び反射点の分布パターンを示している。この反射面及び反射点の分布パターンから、次の手順で切羽前方の地質構造を推定する。
反射面解析範囲において反射面が単独で検出される場合、地質境界と推定する。このとき、反射エネルギーの位相の変化パターンから、軟質岩盤から硬質岩盤に変化する地質境界、又は硬質岩盤から軟質岩盤に変化する地質境界と推定する。
複数の反射面の解析範囲が重複する場合（図１４参照）、次のような判定基準により地質構造を推定する。
（ａ）同位相又は逆位相の反射面が複数出現する場合、反射面は岩種境界と推定し、反射面を大きな反射エネルギーを示す反射点を含む反射面とする。硬軟の変化は図１３による。
（ｂ）異なる位相の反射面が出現する場合、位相変化の分布パターンにより断層又は貫入岩を推定する（図１５参照）。
【００２０】
以上説明したように、このトンネル弾性波探査方法及びシステムは、トンネルの掘削進行に伴う毎回の発破を震源とする弾性波から、トンネル坑内弾性波の調査及びトンネル切羽前方の探査の２つの探査を一括して行うので、次のような効果を奏する。
（１）坑内弾性波探査を発破掘削作業に組み込むことができ、これにより、日常の作業に影響を受けることなしに弾性波探査を行うことができる。
（２）坑内弾性波速度を掘削直後に把握することができ、これを支保設計の評価、検証に活用することができる。
（３）トンネル切羽前方の探査区間の地質構造の推定をトンネル掘削直後に把握することができる。
（４）発破毎のデータから、反射波速度を見直すことができ、この反射波速度の見直しにより、切羽前方の反射面の位置決め精度を向上させることができる。
（５）反射エネルギーの分布パターンから探査に求められる地質構造を推定することができる。
【００２１】
このトンネル弾性波探査方法においては、既述のとおり、トンネル切羽で発破により発生する地震波をトンネル坑内で測定し、トンネル坑内の弾性波伝播状況を評価する手法を採っており、このような発破を震源とする弾性波探査では、発破時刻を正確に把握することが必要となる。一般的な弾性波探査では、弾性波探査用発破器を使用して、発破信号の検出を行っているが、このような弾性波探査用発破器は、特殊な機器であることから、専門の技術者（弾性波探査業者）でなければ取扱いが難しく、しかも高価なものであり、また、トンネル掘削における発破に比べて発破能力が不足するため、このような機材を通常のトンネル発破に用いることは困難で、通常のトンネル発破における発破信号の検知に使用されることはない。
トンネル掘削における発破では、発破器により電流を発生させ、電気雷管及び爆薬を起爆させるのが一般的である。そこで、発破時刻を把握するには発破器から発生する発破信号、すなわち、発破器から放出される点火電流を測定すればよいが、電気雷管と結線後に発破信号を直接測定すると、回路に異常な電流が流れ、誤爆が発生する恐れがあり、作業の安全上好ましくない。
そこで、取り扱いが安全かつ容易で、しかも安価な機材が求められる。
【００２２】
次に、トンネル弾性波探査システムに使用される各種の機材について説明する。
このトンネル弾性波探査方法においては、発破を起爆する装置として、発破器、電気雷管、発破器と雷管を接続する発破母線を用い、発破器により点火電流を発生させて電気雷管を爆発させ、この爆轟衝撃によって発破（爆薬）を起爆させている。
そこで、このトンネル弾性波探査システムでは、発破器から放出される点火電流（発破信号）を利用して発破時刻を把握する構成を採っている。
【００２３】
図１６にこのトンネル弾性波探査システムの特に地震計及び記録装置の具体的な構成を示している。
図１６に示すように、地震計１は、発破を起爆する発破器５の爆薬に点火電流を供給するための発破母線５１に設置され、発破点火時の電流を検出し、電流検出信号を出力する非接触式の電流センサ１０１と、トンネル坑壁に設置され、発破による弾性波の振動を計測し、振動計測信号を出力する電気機械式の受振センサ１０２と、これら電流センサ１０１及び受振センサ１０２と電気的に接続され、電流センサ１０１の電流検出信号に基いてパルス信号を出力し、受振センサ１０２の振動計測信号に基いて弾性波信号を出力する検知器１０３とを備えて構成される。
この場合、電流センサ１０１は直流電流センサが好ましく、ここでは一般に市販される非接触式の直流電流センサを採用する。この直流電流センサ１０１はリング状のギャップ付鉄芯とホール素子を組み合わせた構造を備え、直流電流を非接触で検出し、電気信号（電流検出信号）を出力するようになっている。
受振センサ１０２は可搬型の電気機械式の受振センサが好ましく、ここでは一般に市販されるジオフォンを採用する。このジオフォンは可動コイル型のジオフォンで、コイルと永久磁石とからなる受振器本体と、受振器本体の下部に設けられるスパイクとから構成され、測定点で振動を受けて、コイルと永久磁石との間で相対運動が生じ、この運動速度に比例する電圧を出力するようになっている。
検知器１０３は、電流センサ１０１を通信ケーブルにより接続し、電流センサ１０１から出力される電流検出信号を入力するための電流センサ接続部、及び電流センサ１０１から出力された電流検出信号に基いて発破信号（パルス信号）を生成するパルス信号生成部と、受振センサ１０２を通信ケーブルにより接続し、受振センサ１０２から出力される振動計測信号を入力するための受振センサ接続部、及び受振センサ１０２から出力された振動計測信号に基いて弾性波信号を生成する弾性波信号生成部と、記録装置２を通信ケーブルにより接続し、パルス信号生成部で生成されたパルス信号及び弾性波信号生成部で生成された弾性波信号を出力する共通の記録装置接続部とを備え、電流センサ１０１で検出した電流により発生する電圧変化からパルス信号を発生し、受振センサ１０２で出力される電圧変化から弾性波信号を発生するようになっている。
記録装置２は、このような地震計に対応し、検知器１０３に電気的に接続され、検知器１０３から出力されるパルス信号及び弾性波信号を記録する不揮発性の記憶装置、すなわち不揮発性の半導体メモリを記録媒体として用いたデータ記録装置が好ましく、ここでは一般に市販される携帯用のＩＣ（Integrated Circuit）レコーダを採用する。ＩＣレコーダは、フラッシュメモリやＳＤカードなどのカード型メモリを記録媒体として用いて、音声の記録や再生を行うようにした携帯型の音声記録再生装置で、マイクロホン、Ａ／Ｄ変換器、音声符号化部、音声復号部、Ｄ／Ａ変換器、スピーカ、フラッシュメモリ及び／又はカード型メモリ、情報伝送部、出力端子などを備え、マイクロホンを通じて入力された音声信号をＡ／Ｄ変換器によりデジタルデータに変換し、音声符号化部で圧縮符号化した後、フラッシュメモリ又はカード型メモリに記録し、また、このフラッシュメモリ又はカード型メモリに記録された音声データを音声復号部によって読み出し再生した後、Ｄ／Ａ変換器によりアナログ信号に変換して、スピーカから出力し、又は情報伝送部により読み出し出力端子を通じて外部機器に伝送するようになっている。このＩＣレコーダを検知器１０３から出力されるパルス信号及び弾性波信号の記録に利用する。
なお、ここで検知器１０３と記録装置（ＩＣレコーダ）２はそれぞれ別体の機器としたが、検知器１０３が記録装置（ＩＣレコーダ）２の一部として一体に設けられてもよく、また記録装置（ＩＣレコーダ）２に着脱可能な付属部品として、また、後付けの部品として一体的に装着されてもよい。
【００２４】
このようにして地震計１は、非接触式の直流電流センサで発破信号を検出すると、電流センサが発破検出信号を検知器に入力し、ジオフォンで弾性波の振動を測定すると、ジオフォンが弾性波検出信号を検出器に入力し、検出器を通じて、発破時刻としてのパルス信号と、弾性波の振動状態である弾性波信号をＩＣレコーダに送信し、記録するようになっている。
【００２５】
これらの地震計１及び記録装置２は既述のトンネル弾性波探査方法に次のように使用することができる。
図１７に示すように、まず、検知器１０３、ＩＣレコーダ２をそれぞれ発破器５の近傍適宜の位置に設置し、ジオフォン１０２を弾性波の受振点としてトンネル坑壁に固定した地震波ガイド１１（棒鋼、ロックボルト）に取り付けるとともに、非接触式の直流電流センサ１０１を鉄芯内に発破母線５１を挿通して発破器５付近に設置する。次に、ジオフォン１０２に通信ケーブルを接続して、この通信ケーブルを検知器１０３の受振センサ接続部に接続し、直流電流センサ１０１に通信ケーブルを接続して、この通信ケーブルを検知器１０３の電流センサ接続部に接続し、ＩＣレコーダ２に通信ケーブルを接続して、この通信ケーブルを検知器１０３の記録装置接続部に接続する。なお、これらの作業手順は任意である。
そして、切羽の掘削に当たり、各機器を動作状態とし、発破器５のスイッチをＯＮ操作して、切羽に装填した爆薬を起爆させると、まず、非接触式の直流電流センサ１０１で発破母線５１の上から、発破器５から放出される点火電流を検出されて、直流電流センサ１０１から電流検出信号が出力され、これが検知器１０３に入力される。そして、切羽Ｔ１が爆破し、この爆発によって切羽から弾性波が発生すると、この弾性波は地山を伝播して切羽後方の地震波ガイド１１に到達し、ジオフォン１０２で受振、測定されて、ジオフォン１０２から振動計測信号が出力され、これが検知器１０３に入力される。検知器１０３では、直流電流センサ１０１から出力された電流検出信号に基いてパルス信号生成部によりパルス信号が生成され、ジオフォン１０２から出力された振動計測信号に基いて弾性波信号生成部により弾性波信号が生成され、このパルス信号及び弾性波信号が検知器１０３から出力されて、ＩＣレコーダ２に入力される。このパルス信号及び弾性波信号はＩＣレコーダ２内部のフラッシュメモリ又はＳＤカードなどのカード型メモリに記録される。この場合、発破器５の１回のＯＮ操作で、発破は複数の段発発破で行われるため、発破器５の１回のＯＮ操作によるパルス信号と、複数の発破の爆発による複数の弾性波信号が地震計１で生成され、ＩＣレコーダ２に記録されることになる。
なお、このＩＣレコーダ２に記録されたパルス信号及び弾性波信号はＩＣレコーダ２のフラッシュメモリから通信ケーブルを用いて直接、又はカード型メモリを介して解析装置であるパソコンの記憶装置に入力される。そして、このパソコンのソフトウェアにより、パルス信号の立ち上がり時刻を発破時刻として、複数の弾性波信号のうち最初に検出した弾性波信号を受振時刻として、弾性波の伝搬時間が算出される。
【００２６】
このようにこのトンネル弾性波探査システムによれば、地震計１の電流センサ１０１として非接触式の直流電流センサを採用し、この直流電流センサ１０１を、鉄芯内に発破母線５１を挿通して、発破器５付近に設置し、発破母線５１の上から発破器５から放出される点火電流を検出するようにしたので、通常のトンネルで使用する発破器５の発破信号（発破時刻）を確実かつ安全に検出することができる。
また、地震計１の受振センサ１０２として可搬型の電気機械式の受振センサ、ここでは特にジオフォンを採用し、このジオフォン１０２を、弾性波の受振点としてトンネル坑壁に固定した地震波ガイド１１（棒鋼、ロックボルト）に取り付けて、弾性波の振動を測定するようにしたので、弾性波測定の準備や作業を確実かつ容易に行うことができる。
さらに、地震計１の検知器１０３を、直流電流センサ１０１の電気信号に基いて発破信号（パルス信号）を検出し、ジオフォン１０２からの電気信号に基いて弾性波信号を検出する形式としたので、発破信号を正確に把握して、弾性波信号を検出することができる。また、このような検知器１０３を用いることで、各信号検出の準備や作業を確実かつ容易に行うことができる。
そして、記録装置２として、不揮発性の半導体メモリを記録媒体として用いたデータ記録装置、ここでは特に携帯用のＩＣレコーダを利用したので、各信号の記録の準備や作業を確実かつ容易に行うことができる。このＩＣレコーダ２を用いた弾性波探査により、トンネル坑内の地山の弾性波速度を評価することで、より的確な地山分類が可能となり、トンネルの設計及び施工に反映することができる。
【符号の説明】
【００２７】
Ｔ０  トンネル坑内
Ｔ１  切羽
Ｔ１１  探査用発破孔
Ｔ１２  掘削用発破孔
Ｔ２  孔
１  地震計
１０１  非接触式の電流センサ（非接触式の直流電流センサ）
１０２  電気機械式の受振センサ（ジオフォン）
１０３  検知器
１１  地震波ガイド
１２  通信ケーブル
２  デジタル記録装置（ＩＣレコーダ）
２３  ＵＳＢケーブル
３  ＰＣ（解析装置）
３１  直達波処理プログラム
３２  反射波処理プログラム
４  グラウト材
５  発破器
５１  発破母線
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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