(57)【要約】【課題】水の有無に関わらず弾性波速度と減衰率を低い費用で正確に計測する。【解決手段】側面に開口が設けられた筒状容器２２、該筒状容器２２に設置される膨張可能なチューブ２４、該チューブ２４内に挿入される送信センサ２６Ｓ、前記チューブ２４内に液体２８を注入し排出するための注排出管３０、前記送信センサ２６Ｓを外部と接続する信号線３２を有する送信プローブ２０Ｓと、同様な構成の、受信センサ２６Ｒ１、２６Ｒ２を含む受信プローブ２０Ｒ１、２０Ｒ２とを地盤（１０）の孔（１２）に挿入し、送信プローブ２０Ｓと受信プローブ２０Ｒ１、２０Ｒ２内の液体２８を加圧してチューブ２４を膨張させて孔壁に当接させ、送信センサ２６Ｓに高周波数の連続波を発生させた時に受信センサ２６Ｒ１、２６Ｒ２で受信される信号を検出して、孔壁を伝播する弾性波の速度と減衰率を検出する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔内に挿入可能な、側面に開口が設けられた筒状容器と、
該筒状容器に設置される膨張可能なチューブと、
該チューブ内に挿入されるセンサと、
前記チューブ内に液体を注入し排出するための注排出管と、
前記センサを外部と接続する信号線と、
を備えたことを特徴とする孔内プローブ。
【請求項２】
孔内に挿入可能な、側面に開口が設けられた筒状容器、該筒状容器に設置される膨張可能なチューブ、該チューブ内に挿入される送信センサ、前記チューブ内に液体を注入し排出するための注排出管、前記送信センサを外部と接続する信号線を有する送信プローブと、
孔内に挿入可能な、側面に開口が設けられた筒状容器、該筒状容器に設置される膨張可能なチューブ、該チューブ内に挿入される受信センサ、前記チューブ内に液体を注入し排出するための注排出管、前記受信センサを外部と接続する信号線を有する受信プローブと、
前記送信プローブ及び受信プローブ内の液体を加圧し、前記送信プローブと受信プローブのチューブを膨張させて孔壁に当接させる加圧手段と、
前記送信センサに高周波数の連続波を発生させる手段と、
前記受信センサで受信される信号を検出する手段と、
該受信された信号から孔壁を伝播する弾性波の速度と減衰率を検出する手段と、
を備えたことを特徴とする地盤の孔内検層装置。
【請求項３】
前記送信プローブと受信プローブの間隔を所定間隔とする連結棒を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の地盤の孔内検層装置。
【請求項４】
前記連結棒の長さが可変とされていることを特徴とする請求項３に記載の地盤の孔内検層装置。
【請求項５】
前記連続波が疑似ランダム波とされていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の地盤の孔内検層装置。
【請求項６】
前記連続波の周波数が可変とされていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の地盤の孔内検層装置。
【請求項７】
請求項２乃至６のいずれかに記載の地盤の孔内検層装置を、地盤の孔に挿入し、
送信プローブと受信プローブの液体を加圧してチューブを孔壁に当接させ、
送信センサに高周波の連続波を発生させた時に受信センサで受信される信号を検出して、孔壁を伝播する弾性波の速度と減衰率を検出することを特徴とする地盤の孔内検層方法。
【請求項８】
前記連結棒で連結した前記送信プローブと受信プローブを同じ孔に挿入することを特徴とする請求項７に記載の地盤の孔内検層方法。
【請求項９】
前記連結棒の長さを変えて測定することを特徴とする請求項８に記載の地盤の孔内検層方法。
【請求項１０】
前記送信プローブと受信プローブを別の孔に挿入することを特徴とする請求項７に記載の地盤の孔内検層方法。
【請求項１１】
前記連続波を疑似ランダム波とすることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の地盤の孔内検層方法。
【請求項１２】
前記連続波の周波数を変えて測定することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の地盤の孔内検層方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、孔内プローブ並びに、これを用いた地盤の孔内検層装置及び方法に係り、特に、トンネル前方の岩盤の健全性評価に用いるのに好適な、地盤の弾性波速度と減衰率を低い費用で正確に測定することが可能な、孔内プローブ並びに、これを用いた地盤の孔内検層装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新オーストラリアトンネル工法（ＮＡＴＭ）など、山岳トンネルの前方探査は、トンネルの崩落を防ぐために重要である。最近では、博多でトンネルの崩落により地表面が陥没し、大きな被害を出している。トンネルの崩落を防ぐためには、適切な前方調査を行い、適切な施工方法を選定する必要がある。このためには、弾性波速度や亀裂の有無を調査する必要があるが、現状の前方探査手法は、これらを正確に把握することが難しい。
【０００３】
例えば、トンネルナビと呼ばれる、水平削孔を行う際にドリルジャンボの先端に取り付けた削孔ロッドの加速度を計測し、削孔エネルギーを取得して、変換式を用いて弾性波速度を計測する切羽前方探査手法（特許文献１、２参照）があり、手間がかからないという長所がある。
【０００４】
又、コアボーリングと称する、水平にコア（岩心）を採取しつつ行うコア抜きボーリングを行い、取得したコアの物理試験を行い弾性波速度や亀裂情報を取得する方法もあり、物性を直接正確に取得できるという長所がある。
【０００５】
又、ＰＳ検層と称する、水平ボーリングを行って、Ｐ波、Ｓ波速度の計測装置を挿入し、速度を取得する方法もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１８２１７１号公報
【特許文献２】特開２００４−１３２０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、トンネルナビでは、パラメータを推定して計算を行うため、誤差、ばらつきが大きいだけでなく、細かい亀裂は見えない。又、コアボーリングは、コストが高く、工期が余分にかかるため、測定に使える休止時間が、例えば１週間に１回８時間程度しかないという現場工程に合わせて実施することが難しい。更に、ＰＳ検層は、装置の外形が大きいため、別途ボーリングが必要であるだけなく、水がないと使えない、孔壁が凸凹していると使えない、得られた速度の精度が悪いなどの問題点を有する。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、弾性波速度を低い費用で正確に計測すると共に、亀裂があると弾性波の振幅が減衰し減衰率が大きくなることを利用し、弾性波の減衰率を計測することで亀裂の有無などの情報も把握可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、孔内に挿入可能な、側面に開口が設けられた筒状容器と、該筒状容器に設置される膨張可能なチューブと、該チューブ内に挿入されるセンサと、前記チューブ内に液体を注入し排出するための注排出管と、前記センサを外部と接続する信号線と、を備えたことを特徴とする孔内プローブにより、前記課題を解決するものである。
【００１０】
本発明は、又、孔内に挿入可能な、側面に開口が設けられた筒状容器、該筒状容器に設置される膨張可能なチューブ、該チューブ内に挿入される送信センサ、前記チューブ内に液体を注入し排出するための注排出管、前記送信センサを外部と接続する信号線を有する送信プローブと、孔内に挿入可能な、側面に開口が設けられた筒状容器、該筒状容器に設置される膨張可能なチューブ、該チューブ内に挿入される受信センサ、前記チューブ内に液体を注入し排出するための注排出管、前記受信センサを外部と接続する信号線を有する受信プローブと、前記送信プローブ及び受信プローブ内の液体を加圧し、前記送信プローブと受信プローブのチューブを膨張させて孔壁に当接させる加圧手段と、前記送信センサに高周波数の連続波を発生させる手段と、前記受信センサで受信される信号を検出する手段と、該受信された信号から孔壁を伝播する弾性波の速度と減衰率を検出する手段と、を備えたことを特徴とする地盤の孔内検層装置により、同様に前記課題を解決するものである。
【００１１】
ここで、前記送信プローブと受信プローブの間隔を所定間隔とする連結棒を更に備えることができる。
【００１２】
又、前記連結棒の長さを可変とすることができる。
【００１３】
又、前記連続波を疑似ランダム波とすることができる。
【００１４】
又、前記連続波の周波数を可変とすることができる。
【００１５】
本発明は、又、前記地盤の孔内検層装置を、地盤の孔に挿入し、送信プローブと受信プローブの液体を加圧してチューブを孔壁に当接させ、送信センサに高周波の連続波を発生させた時に受信センサで受信される信号を検出して、孔壁を伝播する弾性波の速度と減衰率を検出することにより同様に前記課題を解決するものである。
【００１６】
ここで、前記連結棒で連結した前記送信プローブと受信プローブを同じ孔に挿入することができる。
【００１７】
又、前記連結棒の長さを変えて測定することができる。
【００１８】
又、前記送信プローブと受信プローブを別の孔に挿入することができる。
【００１９】
又、前記連続波を疑似ランダム波とすることができる。
【００２０】
又、前記連続波の周波数を変えて測定することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、弾性波速度と減衰率を低い費用で、誤差やばらつきが極めて少なく、正確に計測することができる。又、水の有無に関わらず計測できる。現場作業時間は１〜２時間程度、解析時間は１〜２時間程度と極めて短時間で、機械の休止時間（例えば８時間）以内に計測できる。更に、速度だけでなく減衰率から亀裂情報も把握できる。又、ボーリング孔削孔により緩んだボーリング孔の孔壁近傍だけでなく、削孔の影響を受けていない孔壁から離れた健全な部分の弾性波速度と減衰率から亀裂情報を計測することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る孔内プローブの実施形態の基本構成を示す断面図
【図２】同じく計測時を示す断面図
【図３】同じく凸凹を有する岩盤に挿入した状態を示す断面図
【図４】本発明の第１実施形態を用いて同一孔内で計測している状態を示す断面図
【図５】同じく孔壁より離れた場所を計測している状態を示す断面図
【図６】同じくボーリング孔の奥の方に挿入している状態を示す断面図
【図７】本発明による実験結果の一例を示す線図
【図８】同じく他の例を示す線図
【図９】同じく更に他の例を示す線図
【図１０】同じく更に他の例を示す線図
【図１１】同じく更に他の例を示す線図
【図１２】本発明の第２実施形態により２つの孔を用いて計測している状態を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。
【００２４】
本発明の実施形態で用いる孔内プローブの基本構成を図１に示す。この孔内プローブ２０は、例えば岩盤１０に掘られたボーリング孔１２内に挿入可能な、側面（図の上下面）に開口が設けられた、例えば金属製の筒状容器２２と、該筒状容器２２に設置される、膨張可能な例えばゴム製のチューブ（以下、ゴムチューブと称する）２４と、該ゴムチューブ２４内に挿入される、例えば圧電素子製のセンサ２６と、前記ゴムチューブ２４内に液体（例えば水）２８を注入・排出するための注排出管３０と、前記センサ２６と接続される信号線３２とを備えている。
【００２５】
図において、３４は、前記液体２８を外部から加圧するためのポンプ、３６は、前記信号線３２を介して入出力されたセンサ２６の信号により、必要な演算処理を行うコンピユータである。
【００２６】
前記ボーリング孔１２の内径Ａは例えば４ｃｍ、前記筒状容器２２の外径Ｂは例えば２ｃｍ、長さＣは例えば１５ｃｍとすることができる。
【００２７】
このような孔内プローブ２０を例えば岩盤１０に設けられたボーリング孔１２に挿入する際には、先ず図１に示したように、ゴムチューブ２４内には液体を注入せずゴムチューブ２４が縮んだ状態で挿入する。
【００２８】
ボーリング孔１２内の所定の計測位置に到達した時点で注排出管３０から、液体２８を注水し、ゴムチューブ２４を膨張させて、図２に示す如く、ボーリング孔１２の壁面に圧着させる。ゴムチューブ２４内の液体２８は、所定の圧力、例えば０．１Ｍｐａを維持する。
【００２９】
ゴムチューブ２４は、孔壁の形状に合わせて変形するため、孔壁が図３に示すように凸凹していても、ゴムチューブ２４は孔壁に密着する。従って、ボーリング孔１２内に液体が有っても無くても音波を送信・受信することができる。
【００３０】
以下、計測に２つ以上の孔内プローブを用い、１つは送信、残りは受信に用いる第１実施形態を説明する。この第１実施形態は、図４に示す如く、送信センサ２６Ｓとしての圧電素子を挿入した送信プローブ２０Ｓと、受信センサ２６Ｒ１、２６Ｒ２としての圧電素子をそれぞれ挿入した例えば２つの受信プローブ２０Ｒ１、２０Ｒ２を、長さが可変の伸縮可能な連結棒（以下、伸縮棒と称する）４０Ａ、４０Ｂで互いに連結してボーリング孔１２内に挿入し、孔壁を伝搬する弾性波の速度を測定するようにしたものである。センサ間の距離は、例えば２５ｃｍ、５０ｃｍ、１００ｃｍなどとすることができる。
【００３１】
送信する信号の周波数と孔内プローブ間の距離を変えて計測することで、図５に示す如く、音波の伝搬する深度を変えることができる。これにより、孔壁付近の緩み領域１０Ａと孔壁から離れた健全領域１０Ｂの２種類の弾性波速度と減衰率を計測することができる。例えば、緩み領域１０Ａの場合、周波数５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ、センサ間距離１．００ｍ〜２．００ｍとし、健全領域１０Ｂの場合、周波数３０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚ、センサ間距離０．３０ｍ〜０．５０ｍとすることができる。
【００３２】
実際には、図６に示す如く、調査するボーリング孔１２に、長さを調節できる、例えば塩化ビニール製の管又は棒４２などを用いて、人４４の力又はドリルジャンボ等の機械の油圧の力で所定の位置に、例えば全長Ｄが１ｍ程度のプローブ２０Ｓ＋２０Ｒ１＋２０Ｒ２を押し込んで設置する。棒４２の長さを変えることで、例えばＥ＝１ｍ〜２００ｍ先までの調査を行うことができる。
【００３３】
なお、受信プローブの数は２つに限定されず、１つ又は３つ以上であってもよい。
【００３４】
本実施形態によれば、高周波数の疑似ランダム波などの連続波を用いて周波数と発振振幅を制御することで、適切な単一の周波数（例えば５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚなど）を送信でき、速度と減衰率という２種類の情報、孔壁近傍と孔壁から離れた部分の情報を高精度で取得することができる。
【００３５】
又、水平削孔は、孔壁が凸凹していることが問題であったが、液体２８で満たしたゴムチューブ２４内から送信、受信する機構を持ち、ゴムチューブ２４が孔壁の凸凹に応じて変形するため、孔壁が凸凹していても計測できる。なお、チューブ２４の材質はゴムに限定されず、類似の伸縮性を持つ他の素材であってもよい。
【００３６】
又、上記の機構を持つため孔内を水で満たす必要が無い。更に、振幅を正確に計測でき、亀裂による減衰も計測できる。更に、計測装置が小型であるため、既存の水平削孔を用いることができる。又、周波数とセンサ距離を変えることで、孔壁近傍と孔壁から離れた場所の速度の両方を取得することができる。
【００３７】
又、センサに圧電素子を用いているので、送信センサと受信センサを共用できる。なお、センサは圧電素子に限定されない。
【００３８】
又、連結棒として伸縮棒を用いているので、センサ間距離を容易に変えることができる。なお、伸縮できない棒を用いることもできる。
【００３９】
棒の材質も塩化ビニールに限定されない。
【００４０】
発明者が、対象となる部材、接触面の状態、センサ間距離及び発振周波数を変えて実験を行った結果を示す。
【００４１】
図７は、コンクリート床版に対して接触面をドライとして、センサ間距離０．６０ｍ、発振周波数３９ｋＨｚで測定した結果である。Ｐ波の弾性波速度２．７ｋｍ／ｓ（音圧５５ｄＢ）、表面波の弾性波速度１．７ｋｍ／ｓ（音圧７６ｄＢ）が測定できている。
【００４２】
又、同じコンクリート床版に対して接触面をウェットとして、センサ間距離０．５５ｍ、発振周波数３９ｋＨｚで実験した結果を図８に示す。Ｐ波の弾性波速度２．７ｋｍ／ｓ（音圧７０ｄＢ）が測定できていることが分かる。表面波の弾性波速度はスケールオーバーしてしまっているが、表面波の弾性波速度も図７と同様に測定できている。
【００４３】
図９に、コンクリート床版に対して接触面をウェットとして、センサ間距離０．７０ｍ、発振周波数３９ｋＨｚで測定した結果を示す。Ｐ波の弾性波速度２．７ｋｍ／ｓ（音圧５７ｄＢ）、表面波の弾性波速度１．７ｋｍ／ｓ（音圧８５ｄＢ）共に測定できていることが分かる。
【００４４】
又、図１０に、コンクリート舗装で接触面をウェットとして、センサ間距離０．５０ｍ、発振周波数５２ｋＨｚで測定した結果を示す。Ｐ波の弾性波速度３．５ｋｍ／ｓ（音圧５９ｄＢ）が測定できている。表面波の弾性波速度はスケールオーバーしてしまっているが、測定できている。
【００４５】
図１１に、アスファルト舗装に対して接触面をウェットとして、センサ間距離０．３０ｍ、発振周波数５２ｋＨｚで測定した結果を示す。Ｐ波の弾性波速度１．８ｋｍ／ｓ（音圧４９ｄＢ）、表面波の弾性波速度１．１ｋｍ／ｓ（音圧５９ｄＢ）共に測定できている。
【００４６】
次に、２孔を用いた本発明の第２実施形態を図１２に示す。
【００４７】
本実施形態においては、１つの孔（図では下方の孔）１２Ａの所定位置に棒４２Ｓで送信プローブ２０Ｓを挿入し、他方の孔（図では上方の孔）１２Ｂに棒４２Ｒで多数（図では８個）の受信プローブ２０Ｒ１〜２０Ｒ８を挿入して、ボーリング孔１２Ａと１２Ｂの間で２次元的な計測を行うようにしたものである。
【００４８】
なお、前記実施形態においては、いずれも、本発明がトンネル前方探査に用いられていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、垂直方向の孔を用いて地盤の簡易調査も可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１０…岩盤
１０Ａ…緩み領域
１０Ｂ…健全領域
１２、１２Ａ、１２Ｂ…ボーリング孔
２０…孔内プローブ
２０Ｓ…送信プローブ
２０Ｒ１〜２０Ｒ８…受信プローブ
２２…筒状容器
２４…ゴムチューブ
２６…センサ
２６Ｓ…送信センサ
２６Ｒ１、２６Ｒ２…受信センサ
２８…液体
３０…注排出管
３２…信号線
３４…ポンプ
３６…コンピュータ
４０Ａ、４０Ｂ…伸縮（連結）棒
４２、４２Ｒ、４２Ｓ…棒
４４…人
【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】
2018194472.tif 000011
【図１０】
2018194472.tif 000012
【図１１】
2018194472.tif 000013
【図１２】
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