(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切羽前方を探査する装置であって、
トンネルに設けられる複数の受振点および発振点と、
トモグラフィ解析により算出した前記発振点と前記受振点間の地盤の速度分布を用いて、切羽前方に仮定された複数の格子点に対して、前記発振点から前記格子点で反射され前記受振点までの理論的伝送時間を算出する手段と、
前記格子点毎に、該格子点を介する複数の前記受振点で測定された波形に対して、前記理論的伝送時間だけシフトさせ、これらの波形を足し合わせる手段と、
足し合わせた波形の振幅に基づいて、前記振幅が正の値でその絶対値が大きい格子点を堅岩部として、地質を推定する手段と、
を具備することを特徴とする切羽前方探査装置。
【請求項２】
切羽前方を探査する装置であって、
トンネルに設けられる複数の受振点および発振点と、
トモグラフィ解析により算出した前記発振点と前記受振点間の地盤の速度分布を用いて、切羽前方に仮定された複数の格子点に対して、前記発振点から前記格子点で反射され前記受振点までの理論的伝送時間を算出する手段と、
前記格子点毎に、該格子点を介する複数の前記受振点で測定された波形に対して、前記理論的伝送時間だけシフトさせ、これらの波形を足し合わせる手段と、
足し合わせた波形の振幅に基づいて、前記振幅が負の値でその絶対値が大きい格子点を弱層部として、地質を推定する手段と、
を具備することを特徴とする切羽前方探査装置。
【請求項３】
推定された地質を、３次元的に表示する表示手段を、
更に具備することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の切羽前方探査装置。
【請求項４】
コンピュータを請求項１から請求項３までのいずれかに記載の切羽前方探査装置として機能させるプログラム。
【請求項５】
コンピュータを請求項１から請求項３までのいずれかに記載の切羽前方探査装置として機能させるプログラムを記録した記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トモグラフィ解析による３次元切羽前方探査装置および記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、トンネルの掘削を行う場合、トンネルの掘削作業の安全確保に支障を与えるような断層・破砕帯ような岩盤等の位置を推定する必要があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の探査方式においては、前方探査を実施するためには、切羽の掘削作業を停止させるか、あるいは切羽の進行が停止している時に探査を行わなければならず、トンネルの掘削工程に影響を与えるという問題があった。
【０００４】
また、前方探査での探査対象となる断層・破砕帯を２次元的にしか評価できなかった。
【０００５】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、切羽掘削に支障を与えることなく、切羽前方の地質構造の３次元的評価を可能にする切羽前方探査装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、第１の発明は、切羽前方を探査する装置であって、トンネルに設けられる複数の受振点および発振点と、トモグラフィ解析により算出した前記発振点と前記受振点間の地盤の速度分布を用いて、切羽前方に仮定された複数の格子点に対して、前記発振点から前記格子点で反射され前記受振点までの理論的伝送時間を算出する手段と、前記格子点毎に、該格子点を介する複数の前記受振点で測定された波形に対して、前記理論的伝送時間だけシフトさせ、これらの波形を足し合わせる手段と、足し合わせた波形の振幅に基づいて、前記振幅が正の値でその絶対値が大きい格子点を堅岩部として、地質を推定する手段と、を具備することを特徴とする切羽前方探査装置である。
【０００７】
また、第２の発明は、切羽前方を探査する装置であって、トンネルに設けられる複数の受振点および発振点と、トモグラフィ解析により算出した前記発振点と前記受振点間の地盤の速度分布を用いて、切羽前方に仮定された複数の格子点に対して、前記発振点から前記格子点で反射され前記受振点までの理論的伝送時間を算出する手段と、前記格子点毎に、該格子点を介する複数の前記受振点で測定された波形に対して、前記理論的伝送時間だけシフトさせ、これらの波形を足し合わせる手段と、足し合わせた波形の振幅に基づいて、前記振幅が負の値でその絶対値が大きい格子点を弱層部として、地質を推定する手段と、を具備することを特徴とする切羽前方探査装置である。
第３の発明は、コンピュータを第１の発明又は第２の発明の切羽前方探査装置として機能させるプログラムである。
第４の発明は、コンピュータを第１の発明又は第２の発明の切羽前方探査装置として機能させるプログラムを記録した記録媒体である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態に係る切羽前方探査装置は、複数の受振器がトンネル壁面付近に設けられ、切羽掘削のための発破や掘削ドリル等により生じ、切羽前方の不連続面に反射して戻ってくる波形を測定する。
【０００９】
図１は、トンネル１における複数の受振器７の設置位置を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ方向矢視図である。図１に示すように、切羽３から離れたトンネル１の壁面の左右に、ドリル等で穴５を空け、それぞれ複数の受振器（受振点）７を設置する。例えば、左右に４個ずつ受振器７を設置する。さらにその後方に、トンネル１の壁面上に複数の受振器７を設置する。この受振器７は、図２に示すように、トンネル１の壁面の円周上に複数の受振器７を設置する。例えば、円周上の５個の受振器７は、水平ラインの両端に２個、垂直ラインの上端に１個、その間に２個配置される。
【００１０】
次に、本実施の形態に係る切羽前方探査装置６のハードウェア構成を説明する。図３は、本実施の形態に係る切羽前方探査装置６のハードウェア構成図である。図３に示すように、切羽前方探査装置６は、受振器７、配線１１、受振器用プレアンプ１３、受振器プレアンプ用電源１５、発振点１７、発振点用センサ１９、発振点センサー用プレアンプ２１、データ収集装置２３、パーソナルコンピュータ２４等により構成される。
【００１１】
複数の受振器７は、前述したように切羽３から離れたトンネル１の壁面付近に設けられ、それぞれ切羽前方の不連続面に反射して戻ってくる振動波を測定する。これらの複数の受振器７は、配線１１を介して、それぞれプレアンプ１３に接続される。プレアンプ１３は、受振器７で測定された信号を増幅する。プレアンプ用電源１５は、プレアンプ１３、プレアンプ２１等に電源を供給する。
【００１２】
発振点１７は、ハンマーで切羽３をたたいたり、切羽掘削作業に関わる発破、掘削ドリル、ブレーカ等が与えた振動のポイントである。センサ１９は、プレアンプ２１に接続されており、発破、掘削ドリル、ブレーカ等からいつ振動が発生されたか調べる。プレアンプ２１は、センサ１９を介して発振点１７からの信号を増幅する。
【００１３】
データ収集装置２３は、プレアンプ１３、プレアンプ２１と接続され、複数の受振器７で測定された数多くの振動波形等のデータを格納する。データ収集装置２３は取り外し可能であり、パーソナルコンピュータ２４に接続され、パーソナルコンピュータ２４上で収集データを用いてトモグラフィ解析等を行い地質構造を３次元評価する。尚、ＣＤ−ＲＯＭ２５等の記録媒体に、処理プログラムを保持することもできる。
【００１４】
図４は、受振器７を取り付ける際のかぎ型プレート３１を示す。図４に示すように、受振器７をトンネル壁面に取り付ける場合、かぎ型プレート３１を使用する。かぎ型プレート３１は、受振器取付部３５と台部３３からなる。台部３３には、中央にアンカ用に穴３７が設けられ、受振器取付部３５には、中央に受振器７用の穴３９が設けられる。
【００１５】
図５は、受振器７をトンネル壁面４１に取り付ける方法を示す。図５に示すように、まず、トンネル壁面４１にアンカ４３用にドリルで穴を空け、かぎ型プレート３１の台部３３を穴に合わせて設置し、アンカ４３を穴に設置して、岩盤に連結させる。アンカ４３は、アンカ４３の周りの壁面をグラウト４７で固め、ねじ４５で締め付けられ、トンネル壁面４１に固定させる。また、受振器取付部３５の穴３９に受振器７を取り付ける。
【００１６】
図６は、発振点１７を示す。切羽掘削のために発破、ブレーカー、掘削ドリル等で振動を与えた時、振動波が発生する。この際の発破、ブレーカー、掘削ドリル等の振動が発生するポイントが発振点１７である。発振点１７は、切羽３全体にわたって複数箇所発生する。例えば、図６に示すように、切羽３に３箇所の発振点１７が示される。
【００１７】
次に、本実施の形態の切羽前方探査装置６を用いて前方探査を行う場合の動作を説明する。本実施の形態の前方探査は、前述したように、切羽３から離れたトンネル壁面４１上に設けられる複数の受振器１７を用いて、掘削作業中に発破、ブレーカー、掘削ドリル等により発せられる振動波を測定し、測定波をトモグラフィ解析等を用いて、切羽前方の地質構造を推定するものである。
【００１８】
図７は、測定原理を示す。図７に示すように、切羽掘削により発生する発振点１７から振動が発生し、切羽前方の断層５１に反射してトンネル１内へ戻ってくる振動波を、トンネル１壁面の複数の受振器７で測定する。従って、複数の発振点１７と複数の受振器７の組合わせから数多くの測定波が得られる。
【００１９】
次に、本実施の形態における切羽前方の地質構造を推定する処理手順を詳しく説明する。図８、図９は、切羽前方の地質構造を推定する処理手順を示すフローチャートである。
【００２０】
図８に示すように、まず、発振点１７から受振点７に伝播した直接波を利用してトモグラフィ解析を行う（ステップ８０１）。受振点７で測定された直接波のデータを格納したデータ収集装置２３は取り外され、パーソナルコンピュータ２４に接続される。パーソナルコンピュータ２４上でデータ収集装置２３から読み出された直接波のデータに基づいてトモグラフィ解析を行う。
【００２１】
トモグラフィ解析を行うことにより、発振点１７と受振点７間の地盤の速度分布を算出する（ステップ８０２）。
【００２２】
トンネル１の地質状況とステップ８０２で得られた速度分布から切羽前方地盤の速度分布を仮定する（ステップ８０３）。図１０は、切羽前方地質の速度分布を示す図である。実際には、速度分布が色相の違いとして表示される。
【００２３】
次に、発振点１７と受振点７を含む切羽前方に格子点６１を設定する（ステップ８０４）。
図１１は、切羽前方地山のグリッド化を示す。図１１に示すように、切羽前方地山中に解析上の格子点６１を複数仮定する。
【００２４】
次に、図９に示すように、ステップ８０３で仮定された速度分布を用いて、発振点１７→格子点６１→受振点７の理論的伝播時間を算出する（ステップ８０５）。図１２は、格子点６１を介して発振点１７、受振点７間の伝播時間を示す。図１２に示すように、１つの格子点（Ｇ）６１に対して、発振点１７から格子点６１を介して受振点７までの理論的伝播時間Ｔｓｒは、発振点（Ｓ）１７から格子点（Ｇ）６１までの伝播時間であるＴｓｇと、受振点７（Ｒ）から格子点（Ｇ）６１までの伝播時間であるＴｒｇを加算し（Ｔｓｒ＝Ｔｓｇ＋Ｔｒｇ）、算出される。１つの格子点６１に対して発振点１７と受振点７の組合わせ毎に計算を行う。
【００２５】
次に、測定された波形に対して、算出された理論的伝播時間Ｔｓｒだけシフトし、この波形の振幅をすべて足し合わせる（ステップ８０６）。図１３は、発振点１７から格子点６１を介して複数の受振点７ａ、７ｂ、７ｃで測定される複数の反射波を示す。図１４は、図１３の測定された波形に対する理論的伝播時間Ｔｓｒのシフト処理と波形のフェーズ・マッチを示す。図１３に示すように、発振点１７から格子点６１ａを介して受振点７に到る反射波として、受振点７ａに到る反射波７１、受振点７ｂに到る反射波７３、および受振点７ｃに到る反射波７５が測定される。
【００２６】
図１４（ａ）に示すように、波形１０１は、図１３に示した発振点１７から受振点７ａに到る波形であり、波形１０２は発振点１７から受振点７ｂに到る波形であり、波形１０３は発振点１７から受振点７ｃに到る波形である。
【００２７】
図１４（ｂ）に示すように、発振点１７から受振点７ａ、発振点１７から受振点７ｂ、発振点１７から受振点７ｃ間の理論的伝播時間はそれぞれ理論的伝播時間Ｔｓｒ１、Ｔｓｒ２、Ｔｓｒ３である。波形２０１は波形１０１を理論的伝播時間Ｔｓｒ１シフトした波形であり、波形２０２は波形１０２を理論的伝播時間Ｔｓｒ２シフトした波形であり、波形２０３は波形１０３を理論的伝播時間Ｔｓｒ３シフトした波形である。
【００２８】
次に、図１４（ｂ）の波形２０１、２０２，２０３に対して、例えば、０．０１秒間隔で３つの波形の振幅を足し合わせる。３つの波形２０１、２０２、２０３の振幅の合計値が、０．０１秒間隔でＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、…・と計算される。
【００２９】
次に、全ての格子点６１について計算したか否かを判定する（ステップ８０７）。終了していない場合は、ステップ８０５に戻り、次の格子点６１に対する計算処理を繰り返す。
【００３０】
全ての格子点６１について計算終了すると（ステップ８０７）、地質の推定処理を行う。これは、ステップ８０６の足し合わせた波形の振幅の大きい部分（フェーズ・マッチ９１した部分）を再現するものである。足し合わせた波形の振幅がプラスでその絶対値が大きい格子点６１は、堅岩部８１であり、足し合わせた波形の振幅がマイナズでその絶対値が大きい格子点６１は、弱層部８３となる（ステップ８０８）。
【００３１】
例えば、図１４（ｂ）における波形の振幅の合計値Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、…の中でフェーズ・マッチ９１している部分は、プラスの値が大きくなる。フェーズ・マッチ９１していない部分では各波にプラスとマイナスが混在するので合計すると「０」に近い値となる。従って、格子点６１ａは堅岩部８１となる。次に、その格子点６１ａに隣接する格子点６１ｂ、６１ｃ…についても同様に計算し判断する。
【００３２】
そして、格子点６１ａ、６１ｂ、６１ｃ…が堅岩部と評価される。また、波形を足し合わせた時、マイナスでその絶対値が大きくなるものを含む格子点があれば、それは弱層部と評価される。
【００３３】
次に、等速度線を表示する（ステップ８０９）。
【００３４】
図１５は、この等速度線を表わしたもので、切羽前方の地質構造の３次元評価を示す。図１５に示すように、足し合わせた波形の振幅がプラスでその絶対値が大きい格子点６１を３次元的に連ねたものが、堅岩部８１であり、例えば白色部で表される。波形の振幅がマイナスでその絶対値が大きい格子点６１を３次元的に連ねたものが、弱層部８３であり、例えば斜線部で表される。
【００３５】
このように本実施の形態によると、通常の掘削作業における発破、掘削ドリル等により生じ、切羽前方の不連続面から反射して戻ってくる振動波を、切羽３から離れたトンネル壁面４１に設置した複数の受振器７で測定することにより、切羽掘削作業を実施中に前方探査が可能であり、トンネル１の掘削工程に全く影響を与えることがない。
【００３６】
また、受振器７で測定した波形をトモグラフィ解析して切羽前方の地盤の速度分布を算出し、切羽前方で設定された複数の格子点６１を用いて切羽前方の不連続面の３次元評価を行うことにより、より高精度な地質探査を可能となり、的確な対策工の計画・施工ができる。
【００３７】
尚、図８、図９のフローチャートに示す切羽前方の地質構造を推定する処理を行うプログラムをＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に保持し、ネットワーク等を介して流通させることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、切羽掘削に支障を与えることなく、切羽前方の地質構造の３次元的評価を可能にする切羽前方探査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トンネル１における複数の受振器７の設置位置を示す平面図
【図２】図１のＡ−Ａ方向矢視図
【図３】本実施の形態に係る切羽前方探査装置６のハードウェア構成図
【図４】受振器７を取り付ける際のかぎ型プレート３１を示す図
【図５】受振器７をトンネル壁面４１に取り付ける方法を示す図
【図６】発振点１７を示す図
【図７】測定原理を示す図
【図８】切羽前方の地質構造を推定する処理手順を示すフローチャート
【図９】切羽前方の地質構造を推定する処理手順を示すフローチャート（続き）
【図１０】切羽前方地質の速度分布を示す図
【図１１】切羽前方地山のグリッド化を示す図
【図１２】格子点６１介して発振点１７、受振点７間の伝播時間を示す図
【図１３】発振点１７から格子点６１を介して複数の受振点７で測定される複数の反射波を示す図
【図１４】測定された波形に対する理論的伝播時間Ｔｓｒのシフト処理と波形のフェーズ・マッチを示す図
【図１５】切羽前方の地質構造の３次元評価を示す図
【符号の説明】
１………トンネル
３………切羽
５………穴
６………切羽前方探査装置
７………受振器（受振点）
１３、２１………プレアンプ
１７………発振点
１９………センサ
２３………データ収集装置
２４………パーソナルコンピュータ
６１………格子点
【図１】
0003583961.tif 000002
【図２】
0003583961.tif 000003
【図３】
0003583961.tif 000004
【図４】
0003583961.tif 000005
【図５】
0003583961.tif 000006
【図６】
0003583961.tif 000007
【図７】
0003583961.tif 000008
【図８】
0003583961.tif 000009
【図９】
0003583961.tif 000010
【図１０】
0003583961.tif 000011
【図１１】
0003583961.tif 000012
【図１２】
0003583961.tif 000013
【図１３】
0003583961.tif 000014
【図１４】
0003583961.tif 000015
【図１５】
0003583961.tif 000016