(57)【要約】【課題】装置コストを抑制しつつ、より簡単なアルゴリズムによるデータ解析でトンネル坑内の切羽前方の反射面を３次元的に精度良く推定する。【解決手段】切羽掘削毎に多成分記録装置３に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定し、多成分記録装置３に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定し、反射波の遅延時間から上下方向及び左右方向について反射波到来方向を判定し、一の単成分地震計（３−１）に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する。【選択図】図１
2018025487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切羽から離れた後方所定の位置に、発破信号検知器及び多成分記録装置を設置すると共に、少なくとも３個の単成分地震計を、前記切羽に向かって一の単成分地震計の上下方向の位置が他の単成分地震計と異なり且つ他の単成分地震計の左右方向の位置が一の単成分地震計に対して左右に振り分けられるようにトンネル坑内壁面に設置して、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に前記切羽から発生する弾性波を前記単成分地震計でそれぞれ受振、計測し、前記多成分記録装置に記録することを切羽掘削毎に繰り返し、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射・回折波を抽出して、当該反射・回折波に基づいて反射面の３次元位置を推定するトンネル弾性波探査方法であって、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する速度測定ステップと、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延測定ステップと、
反射波の遅延時間から上下方向及び左右方向について反射波到来方向を判定する方向判定ステップと、
一の単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定ステップと、
を有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】
切羽から離れた後方所定の位置に、発破信号検知器及び多成分記録装置を設置すると共に、少なくとも３個の単成分地震計を互いに一定距離以上離してトンネル坑内壁面に設置し、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に前記切羽から発生する弾性波を前記単成分地震計でそれぞれ受振、計測し、前記多成分記録装置に記録することを切羽掘削毎に繰り返し、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射・回折波を抽出して、当該反射・回折波に基づいて反射面の３次元位置を推定するトンネル弾性波探査方法であって、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する速度測定ステップと、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延測定ステップと、
前記弾性波速度及び前記反射波遅延時間から弾性波伝搬距離を算出し、該弾性波伝搬距離及び前記単成分地震計の幾何学的距離関係から見かけの振源を設定する設定ステップと、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出して重合処理し、当該重合処理の結果から前記見かけの振源の位置を特定する特定ステップと、
真の振源と前記見かけの振源との中間位置を演算により求めて、該中間位置に基づき弾性波の反射面の３次元空間位置を推定する反射面推定ステップと、
を有することを特徴とするトンネル弾性波探査方法。
【請求項３】
切羽から離れた後方所定の位置に、発破信号検知器及び多成分記録装置を設置すると共に、複数個の単成分地震計を、前記切羽に向かって一の単成分地震計の上下方向の位置が他の単成分地震計と異なり、且つ他の単成分地震計の左右方向の位置が前記一の単成分地震計に対して左右となるように２組に振り分けられて該振り分けられた組内の単成分地震計が切羽方向の異なる位置となるようにトンネル坑内壁面に設置して、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に前記切羽から発生する弾性波を前記単成分地震計でそれぞれ受振、計測し、前記多成分記録装置に記録し、前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射・回折波を抽出して、当該反射・回折波に基づいて反射面の３次元位置を推定するトンネル弾性波探査方法であって、
前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する速度測定ステップと、
前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延測定ステップと、
一の単成分地震計と、一の組内の一の単成分地震計と、他の組内の一の単成分地震計と、のそれぞれの位置を含む面を地震計配置面として、複数個の単成分地震計で形成し得るすべての組合せの地震計配置面について、前記多成分記録装置に記録された弾性波から、反射波の各成分を抽出して重合処理する重合ステップと、
切羽方向と直交する地震計配置面を基準の地震計配置面として、該基準の地震計配置面と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、上下方向について反射波到来方向を判定し、前記基準の地震計配置面と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、左右方向について反射波到来方向を判定する方向判定ステップと、
一の組内または他の組内の各単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定ステップと、
を有することを特徴とするトンネル弾性波探査方法。
【請求項４】
切羽から離れた後方所定の位置に、発破信号検知器及び多成分記録装置を設置すると共に、複数個の単成分地震計を、前記切羽に向かって一の単成分地震計の上下方向の位置が他の単成分地震計と異なり、且つ他の単成分地震計の左右方向の位置が前記一の単成分地震計に対して左右となるように２組に振り分けられて該振り分けられた組内の単成分地震計が切羽方向の異なる位置となるようにトンネル坑内壁面に設置して、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に前記切羽から発生する弾性波を前記単成分地震計でそれぞれ受振、計測し、前記多成分記録装置に記録することを切羽掘削毎に繰り返し、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射・回折波を抽出して、当該反射・回折波に基づいて反射面の３次元位置を推定するトンネル弾性波探査方法であって、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する速度測定ステップと、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延測定ステップと、
一の単成分地震計と、一の組内の一の単成分地震計と、他の組内の一の単成分地震計と、のそれぞれの位置を含む面を地震計配置面として、複数個の単成分地震計で形成し得るすべての組合せの地震計配置面について、前記多成分記録装置に切羽掘削毎に記録された弾性波から、反射波の各成分を抽出して重合処理する重合ステップと、
切羽方向と直交する地震計配置面を基準の地震計配置面として、該基準の地震計配置面と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、上下方向について反射波到来方向を判定し、前記基準の地震計配置面と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、左右方向について反射波到来方向を判定する方向判定ステップと、
一の単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定ステップと、
を有することを特徴とするトンネル弾性波探査方法。
【請求項５】
トンネル坑内に設置され、発破器から発生する発破信号を計測する発破信号検知器、発破を震源とする弾性波を計測し単成分弾性波信号を出力する少なくとも３個の単成分地震計、及び発破信号と前記３個の単成分地震計のそれぞれにより受振された複数成分の弾性波信号を記録する多成分記録装置と、
前記多成分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、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する弾性波速度計測手段と、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、
反射波の遅延時間から上下方向及び左右方向について反射波到来方向を判定する反射波到来方向判定手段と、
一の単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定手段と、
を有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６】
トンネル坑内に設置され、発破器から発生する発破信号を計測する発破信号検知器、発破を震源とする弾性波を計測し単成分弾性波信号を出力する少なくとも３個の単成分地震計、及び発破信号と前記３個の単成分地震計のそれぞれにより受振された複数成分の弾性波信号を記録する多成分記録装置と、
前記多成分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、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する弾性波速度計測手段と、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、
前記弾性波速度及び前記反射波遅延時間から弾性波伝搬距離を算出し、該弾性波伝搬距離及び前記単成分地震計の幾何学的距離関係から見かけの振源を設定する見かけの振源設定手段と、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出して重合処理し、当該重合処理の結果から前記見かけの振源の位置を特定する見かけの振源特定手段と、
真の振源と前記見かけの振源との中間位置を演算により求めて、該中間位置に基づき弾性波の反射面の３次元空間位置を推定する反射面推定手段と、
を有することを特徴とする請求項２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７】
トンネル坑内に設置され、発破器から発生する発破信号を計測する発破信号検知器、発破を震源とする弾性波を計測し単成分弾性波信号を出力する少なくとも複数の単成分地震計、及び発破信号と前記複数の単成分地震計のそれぞれにより受振された複数成分の弾性波信号を記録する多成分記録装置と、
前記多成分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、
前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する弾性波速度計測手段と、
前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、
一の単成分地震計と、一の組内の一の単成分地震計と、他の組内の一の単成分地震計と、のそれぞれの位置を含む面を地震計配置面として、複数個の単成分地震計で形成し得るすべての組合せの地震計配置面について、前記多成分記録装置に記録された弾性波から、反射波の各成分を抽出して重合処理する重合処理手段と、
切羽方向と直交する地震計配置面を基準の地震計配置面として、該基準の地震計配置面と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、上下方向について反射波到来方向を判定し、前記基準の地震計配置面と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、左右方向について反射波到来方向を判定する反射波到来方向判定手段と、
一の組内または他の組内の各単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定手段と、
を有することを特徴とする請求項３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８】
トンネル坑内に設置され、発破器から発生する発破信号を計測する発破信号検知器、発破を震源とする弾性波を計測し単成分弾性波信号を出力する少なくとも複数の単成分地震計、及び発破信号と前記複数の単成分地震計のそれぞれにより受振された複数成分の弾性波信号を記録する多成分記録装置と、
前記多成分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、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する弾性波速度計測手段と、
切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、
一の単成分地震計と、一の組内の一の単成分地震計と、他の組内の一の単成分地震計と、のそれぞれの位置を含む面を地震計配置面として、複数個の単成分地震計で形成し得るすべての組合せの地震計配置面について、前記多成分記録装置に切羽掘削毎に記録された弾性波から、反射波の各成分を抽出して重合処理する重合処理手段と、
切羽方向と直交する地震計配置面を基準の地震計配置面として、該基準の地震計配置面と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、上下方向について反射波到来方向を判定し、前記基準の地震計配置面と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、左右方向について反射波到来方向を判定する反射波到来方向判定手段と、
一の単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定手段と、
を有することを特徴とする請求項４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。
【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係り、特に、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ものである。
【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】
切羽前方の探査を行う手法については、従来から種々の手法が提案されている。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として、特許文献１では、トンネル坑内において発生させた弾性波が切羽前方の弾性波反射面において鏡面反射した弾性波（反射波）を、トンネル坑内に設置した複数の地震計により計測し、３次元空間に反射面を仮定し、測定波形を重合処理することにより、反射面を推定する方法が提案されている。
また、弾性波の３成分受振によるトンネル切羽前方の高精度イメージングに関するものとして、非特許文献１では、トンネル坑内において発生させた弾性波が切羽前方の弾性波反射面において鏡面反射した弾性波（反射波）を、トンネル坑内に設置した３成分地震計により計測し、測定された波形を重合処理した後、３成分データにより重み付けを行うことで、３次元的に反射面を推定する方法が提案されている。
さらに、トンネル坑内切羽前方の反射面に凹凸があっても、反射面を３次元的に推定可能にするトンネル弾性波探査方法として、特許文献２では、発破により切羽から発生する弾性波を３成分地震計で計測して、多成分記録装置に記録することを切羽掘削毎に繰り返し、切羽掘削毎に記録された弾性波から直達波を抽出して、この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、切羽掘削毎に記録された弾性波から反射・回折波を抽出して、この反射・回折波に基づいて反射・回折点及び反射面の３次元位置空間を推定する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９９９４５公報
【特許文献２】特開２０１５−１５８４３７公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】芦田譲、他２名、“弾性波の３成分受振によるトンネル切羽前方の高精度イメージング”、土木学会論文集Ｎｏ．６８０／ＩＩＩ−５５，ｐｐ１２３−１２９，２００１．６
【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、上述した特許文献１及び非特許文献１に開示された技術においては、反射面が平滑であると仮定し、トンネル坑内で発生した弾性波が反射面で鏡面反射するものとして反射波を解析しているため、反射面に凹凸があるなどの場合には、（特に探査距離が短いケースでの誤差が大きくなり）推定精度が低下するという問題があった。また、回析波の影響が考慮されていないことから、解析対象波形がより限定されたものとなって、正確な地質境界面の推定が困難となることも想定される。
また、上述した特許文献２に開示された技術においては、トンネル坑内の切羽前方の反射面に凹凸がある場合であっても、反射面を３次元的に精度良く推定することができ、特許文献１及び非特許文献１における課題は解消されているが、トンネル弾性波探査システムの構成として３成分地震計を必要とするため、装置コストが増大し、データ解析アルゴリズムが複雑となるという事情があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、装置コストを抑制しつつ、より簡単なアルゴリズムによるデータ解析でトンネル坑内の切羽前方の反射面を３次元的に精度良く推定し得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を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の第１の特徴のトンネル弾性波探査方法は、切羽から離れた後方所定の位置に、発破信号検知器及び多成分記録装置を設置すると共に、少なくとも３個の単成分地震計を、前記切羽に向かって一の単成分地震計の上下方向の位置が他の単成分地震計と異なり且つ他の単成分地震計の左右方向の位置が一の単成分地震計に対して左右に振り分けられるようにトンネル坑内壁面に設置して、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に前記切羽から発生する弾性波を前記単成分地震計でそれぞれ受振、計測し、前記多成分記録装置に記録することを切羽掘削毎に繰り返し、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射・回折波を抽出して、当該反射・回折波に基づいて反射面の３次元位置を推定するトンネル弾性波探査方法であって、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する速度測定ステップと、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延測定ステップと、反射波の遅延時間から上下方向及び左右方向について反射波到来方向を判定する方向判定ステップと、一の単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定ステップと、を有する、ことを要旨とする。
【０００９】
また、本発明の第２の特徴のトンネル弾性波探査方法は、切羽から離れた後方所定の位置に、発破信号検知器及び多成分記録装置を設置すると共に、少なくとも３個の単成分地震計を互いに一定距離以上離してトンネル坑内壁面に設置し、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に前記切羽から発生する弾性波を前記単成分地震計でそれぞれ受振、計測し、前記多成分記録装置に記録することを切羽掘削毎に繰り返し、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射・回折波を抽出して、当該反射・回折波に基づいて反射面の３次元位置を推定するトンネル弾性波探査方法であって、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する速度測定ステップと、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延測定ステップと、前記弾性波速度及び前記反射波遅延時間から弾性波伝搬距離を算出し、該弾性波伝搬距離及び前記単成分地震計の幾何学的距離関係から見かけの振源を設定する設定ステップと、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出して重合処理し、当該重合処理の結果から前記見かけの振源の位置を特定する特定ステップと、真の振源と前記見かけの振源との中間位置を演算により求めて、該中間位置に基づき弾性波の反射面の３次元空間位置を推定する反射面推定ステップと、を有する、ことを要旨とする。
【００１０】
また、本発明の第３の特徴のトンネル弾性波探査方法は、切羽から離れた後方所定の位置に、発破信号検知器及び多成分記録装置を設置すると共に、複数個の単成分地震計を、前記切羽に向かって一の単成分地震計の上下方向の位置が他の単成分地震計と異なり、且つ他の単成分地震計の左右方向の位置が前記一の単成分地震計に対して左右となるように２組に振り分けられて該振り分けられた組内の単成分地震計が切羽方向の異なる位置となるようにトンネル坑内壁面に設置して、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に前記切羽から発生する弾性波を前記単成分地震計でそれぞれ受振、計測し、前記多成分記録装置に記録し、前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射・回折波を抽出して、当該反射・回折波に基づいて反射面の３次元位置を推定するトンネル弾性波探査方法であって、前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する速度測定ステップと、前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延測定ステップと、一の単成分地震計と、一の組内の一の単成分地震計と、他の組内の一の単成分地震計と、のそれぞれの位置を含む面を地震計配置面として、複数個の単成分地震計で形成し得るすべての組合せの地震計配置面について、前記多成分記録装置に記録された弾性波から、反射波の各成分を抽出して重合処理する重合ステップと、切羽方向と直交する地震計配置面を基準の地震計配置面として、該基準の地震計配置面と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、上下方向について反射波到来方向を判定し、前記基準の地震計配置面と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、左右方向について反射波到来方向を判定する方向判定ステップと、一の組内または他の組内の各単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定ステップと、を有する、ことを要旨とする。
【００１１】
また、本発明の第４の特徴のトンネル弾性波探査方法は、切羽から離れた後方所定の位置に、発破信号検知器及び多成分記録装置を設置すると共に、複数個の単成分地震計を、前記切羽に向かって一の単成分地震計の上下方向の位置が他の単成分地震計と異なり、且つ他の単成分地震計の左右方向の位置が前記一の単成分地震計に対して左右となるように２組に振り分けられて該振り分けられた組内の単成分地震計が切羽方向の異なる位置となるようにトンネル坑内壁面に設置して、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に前記切羽から発生する弾性波を前記単成分地震計でそれぞれ受振、計測し、前記多成分記録装置に記録することを切羽掘削毎に繰り返し、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射・回折波を抽出して、当該反射・回折波に基づいて反射面の３次元位置を推定するトンネル弾性波探査方法であって、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する速度測定ステップと、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延測定ステップと、一の単成分地震計と、一の組内の一の単成分地震計と、他の組内の一の単成分地震計と、のそれぞれの位置を含む面を地震計配置面として、複数個の単成分地震計で形成し得るすべての組合せの地震計配置面について、前記多成分記録装置に切羽掘削毎に記録された弾性波から、反射波の各成分を抽出して重合処理する重合ステップと、切羽方向と直交する地震計配置面を基準の地震計配置面として、該基準の地震計配置面と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、上下方向について反射波到来方向を判定し、前記基準の地震計配置面と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、左右方向について反射波到来方向を判定する方向判定ステップと、一の単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定ステップと、を有する、ことを要旨とする。
【００１２】
また、本発明の上記第１の特徴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は、トンネル坑内に設置され、発破器から発生する発破信号を計測する発破信号検知器、発破を震源とする弾性波を計測し単成分弾性波信号を出力する少なくとも３個の単成分地震計、及び発破信号と前記３個の単成分地震計のそれぞれにより受振された複数成分の弾性波信号を記録する多成分記録装置と、前記多成分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、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する弾性波速度計測手段と、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、反射波の遅延時間から上下方向及び左右方向について反射波到来方向を判定する反射波到来方向判定手段と、一の単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定手段と、を有する、ことを要旨とする。
【００１３】
また、本発明の上記第２の特徴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は、トンネル坑内に設置され、発破器から発生する発破信号を計測する発破信号検知器、発破を震源とする弾性波を計測し単成分弾性波信号を出力する少なくとも３個の単成分地震計、及び発破信号と前記３個の単成分地震計のそれぞれにより受振された複数成分の弾性波信号を記録する多成分記録装置と、前記多成分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、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する弾性波速度計測手段と、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、前記弾性波速度及び前記反射波遅延時間から弾性波伝搬距離を算出し、該弾性波伝搬距離及び前記単成分地震計の幾何学的距離関係から見かけの振源を設定する見かけの振源設定手段と、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出して重合処理し、当該重合処理の結果から前記見かけの振源の位置を特定する見かけの振源特定手段と、真の振源と前記見かけの振源との中間位置を演算により求めて、該中間位置に基づき弾性波の反射面の３次元空間位置を推定する反射面推定手段と、を有する、ことを要旨とする。
【００１４】
また、本発明の上記第３の特徴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は、トンネル坑内に設置され、発破器から発生する発破信号を計測する発破信号検知器、発破を震源とする弾性波を計測し単成分弾性波信号を出力する少なくとも複数の単成分地震計、及び発破信号と前記複数の単成分地震計のそれぞれにより受振された複数成分の弾性波信号を記録する多成分記録装置と、前記多成分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、前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する弾性波速度計測手段と、前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、一の単成分地震計と、一の組内の一の単成分地震計と、他の組内の一の単成分地震計と、のそれぞれの位置を含む面を地震計配置面として、複数個の単成分地震計で形成し得るすべての組合せの地震計配置面について、前記多成分記録装置に記録された弾性波から、反射波の各成分を抽出して重合処理する重合処理手段と、切羽方向と直交する地震計配置面を基準の地震計配置面として、該基準の地震計配置面と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、上下方向について反射波到来方向を判定し、前記基準の地震計配置面と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、左右方向について反射波到来方向を判定する反射波到来方向判定手段と、一の組内または他の組内の各単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定手段と、を有する、ことを要旨とする。
【００１５】
また、本発明の上記第４の特徴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は、トンネル坑内に設置され、発破器から発生する発破信号を計測する発破信号検知器、発破を震源とする弾性波を計測し単成分弾性波信号を出力する少なくとも複数の単成分地震計、及び発破信号と前記複数の単成分地震計のそれぞれにより受振された複数成分の弾性波信号を記録する多成分記録装置と、前記多成分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、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定する弾性波速度計測手段と、切羽掘削毎に前記多成分記録装置に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する遅延時間測定手段と、一の単成分地震計と、一の組内の一の単成分地震計と、他の組内の一の単成分地震計と、のそれぞれの位置を含む面を地震計配置面として、複数個の単成分地震計で形成し得るすべての組合せの地震計配置面について、前記多成分記録装置に切羽掘削毎に記録された弾性波から、反射波の各成分を抽出して重合処理する重合処理手段と、切羽方向と直交する地震計配置面を基準の地震計配置面として、該基準の地震計配置面と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、上下方向について反射波到来方向を判定し、前記基準の地震計配置面と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面とを、前記重合処理結果に基づき対比して、左右方向について反射波到来方向を判定する反射波到来方向判定手段と、一の単成分地震計に関する反射・回折波の解析、並びに反射波到来方向の判定結果から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定手段と、を有する、ことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の第１の特徴の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よれば、３個の単成分地震計を用いたシステム構成であるので、３成分地震計を用いたシステム構成と比較してより安価にシステムを構成することができると共に、より単純な解析アルゴリズムで解析を容易に行うことができる。また、単成分地震計には指向性が無いが、切羽に向かって上下方向及び左右方向に振り分けて適切に配置することにより、システム全体としての指向性を持たせることが可能となり、反射面の３次元位置を推定できると共に、トンネル切羽前方の地質境界面を予測することができる。また、一の単成分地震計に関する反射・回折波の解析に、反射波到来方向の判定結果を反映させることにより、切羽掘削毎の解析で想定する反射面上の回折点を３次元空間上で限定することができるので、処理対象点数を削減して処理を簡単化することができる。これらの結果として、本発明によれば、装置コストを抑制しつつ、より簡単なアルゴリズムによるデータ解析でトンネル坑内の切羽前方の反射面を３次元的に精度良く推定し得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を実現することができる。
【００１７】
本発明の第２の特徴の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よれば、３個の単成分地震計を用いたシステム構成であるので、３成分地震計を用いたシステム構成と比較してより安価にシステムを構成することができると共に、より単純な解析アルゴリズムで解析を容易に行うことができる。また、指向性の無い単成分地震計を用いた構成であっても、反射面の３次元位置を推定できると共に、トンネル切羽前方の地質境界面を予測することができる。また、見かけの振源の位置を特定して、真の振源と見かけの振源との中間位置を求めることで、反射面の３次元空間位置を推定することができるので、解析における処理をより簡単にすることができる。これらの結果として、本発明によれば、装置コストを抑制しつつ、より簡単なアルゴリズムによるデータ解析でトンネル坑内の切羽前方の反射面を３次元的に精度良く推定し得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を実現することができる。
【００１８】
本発明の第３及び第４の特徴の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よれば、７個の単成分地震計を用いたシステム構成であるので、３成分地震計を用いたシステム構成と比較してより安価にシステムを構成することができると共に、より単純な解析アルゴリズムで解析を容易に行うことができる。また、単成分地震計には指向性が無いが、切羽に向かって上下方向及び左右方向に振り分けて適切に配置することにより、反射波到来方向の判定が可能となり、反射面の３次元位置を推定できると共に、トンネル切羽前方の地質境界面を予測することができる。また、反射・回折波の解析に、反射波到来方向の判定結果を反映させることにより、切羽掘削毎の解析で想定する反射面上の回折点を３次元空間上で限定することができるので、処理対象点数を削減して処理をより簡単化することができる。これらの結果として、本発明によれば、装置コストを抑制しつつ、より簡単なアルゴリズムによるデータ解析でトンネル坑内の切羽前方の反射面を３次元的に精度良く推定し得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を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は本発明のトンネル弾性波探査システムの構成図であり、図１（ｃ）は単成分地震計の設置態様を説明する説明図である。
【図２】本発明で用いるトンネル弾性波探査方法の概要を説明する説明図である。
【図３】図３（ａ）は探査状況を模式的に例示する説明図であり、図３（ｂ）は直進波及び反射波・回折波を例示する説明図である。
【図４】複数の単成分地震計を用いた一般的なトンネル弾性波探査方法の処理プログラムを例示する説明図である。
【図５】３個の単成分地震計を用いたトンネル弾性波探査を例示する説明図であり、図５（ａ）は反射面が単成分地震計の配置面と並行する場合の探査状況を模式的に例示する説明図であり、図５（ｂ）は３個の単成分地震計の受振波形とそれらの重合波形を例示する説明図である。
【図６】３個の単成分地震計を用いたトンネル弾性波探査を例示する説明図であり、図６（ａ）は反射面が単成分地震計の配置面と斜交する場合の探査状況を模式的に例示する説明図であり、図６（ｂ）は３個の単成分地震計の受振波形とそれらの重合波形を例示する説明図である。
【図７】第１実施形態に係るトンネル弾性波探査方法の説明図であり、図７（ａ）は３個の単成分地震計配置と探査状況を模式的に例示する説明図であり、図７（ｂ）は第１実施形態のトンネル弾性波探査方法を説明するフローチャートである。
【図８】第２実施形態に係るトンネル弾性波探査方法の説明図であり、図８（ａ）は３個の単成分地震計配置と探査状況を模式的に例示する説明図であり、図８（ｂ）は第２実施形態のトンネル弾性波探査方法を説明するフローチャートである。
【図９】第３実施形態に係るトンネル弾性波探査方法の説明図であり、図９（ａ）は７個の単成分地震計配置と探査状況を模式的に例示する説明図であり、図９（ｂ）は第３実施形態のトンネル弾性波探査方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の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の実施形態について、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態の順に図面を参照して詳細に説明する。各実施形態の具体的説明に進む前に、各実施形態に共通のトンネル弾性波探査システムの構成、並びにトンネル弾性波探査方法の概要について、図１及び図２を参照して説明する。ここで、図１（ａ）及び（ｂ）は本発明に係るトンネル弾性波探査システムの構成図であり、図１（ｃ）は単成分地震計の設置態様を説明する説明図であり、図２は本発明で用いるトンネル弾性波探査方法の概要を説明する説明図である。
【００２１】
図２に示すように、トンネル弾性波探査方法の処理概要は、まずステップＳ１で、トンネル坑内の切羽から離れた後方所定の位置に発破信号検知器１及び多成分デジタル記録装置３を設置すると共に、各実施形態の態様に応じて複数個の単成分地震計２−１〜２−Ｎをトンネル坑内壁面に設置する。次にステップＳ２で、切羽に発破孔を設けて爆薬を装填する。そしてステップＳ３では、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測するとともに、爆薬を起爆させた際に切羽を振源として発生する弾性波を各単成分地震計２−１〜２−Ｎで受振、計測し、多成分デジタル記録装置３に記録することを切羽掘削毎に繰り返す。またステップＳ４では、切羽掘削毎に多成分デジタル記録装置３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する。さらにステップＳ５では、切羽掘削毎に多成分デジタル記録装置３に記録された弾性波から反射・回折波を抽出して、当該反射・回折波に基づいて反射・回折点及び反射面の３次元空間位置を推定する。
【００２２】
また、トンネル弾性波探査システムは、図１（ａ）に示すように、トンネル坑内に設置され、発破器から発生する発破信号を計測する発破信号検知器１、発破を振源とする弾性波を計測し弾性波信号を出力する単成分地震計２−１〜２−Ｎと、発破信号及び各単成分地震計２−１〜２−Ｎの弾性波信号を記録する多成分デジタル記録装置３と、多成分デジタル記録装置３に記録された弾性波の解析を行う弾性波解析ユニットとしてのＰＣ（パーソナルコンピュータ）１０とを備えて構成される。
発破信号検知器１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、発破点火時に発破器から出力される電流を検出し、電流検出信号を出力する非接触式の電流センサで、この場合、一般に市販される非接触式の直流電流センサが採用される。
また、単成分地震計２−１〜２−Ｎは、トンネル坑内の支保工ロックボルト２０の頭部に設置される。具体的には、図１（ｃ）に示すように、ロックボルト２０は、壁面を３〜４ｍ以上削孔した孔に挿入されて、この孔にグラウト材２４を注入してトンネル坑壁の地山に一体化されている。ロックボルト２０の頭部にはＡＤユニット２１がクランプ、ねじなどにより圧接して構成されており、該ＡＤユニット２１内に内蔵される形で各単成分地震計２−１〜２−Ｎが設置されている。なお、単成分地震計２−１〜２−Ｎ単体では指向性を持たないが、本発明では、少なくとも３個以上の単成分地震計２−１〜２−Ｎを所定位置に配置することにより、反射面の走向・傾斜を推定可能にするものである。
【００２３】
また、多成分デジタル記録装置３は、発破信号検知器１及び単成分地震計２−１〜２−Ｎと通信ケーブルを介して接続されており、発破信号検知器１から出力される発破信号と単成分地震計２−１〜２−Ｎからそれそれ出力される弾性波信号とを記録可能である。記録装置として、例えば、一般に市販される８チャンネルのマルチチャンネルレコーダが採用される。また、ハードディスクのような設置型記録装置や光ディスク、ＣＤ或いはＤＶＤのような外部取り出し可能な記録媒体を用いた記録装置が使用されてもよい。
多成分デジタル記録装置３は、記録されたデータを外部記録媒体へ出力し記録するためのデータ出力部４や、記録されたデータを他のユニット、例えば弾性波解析ユニットやデータを格納するためのサーバへ送信するための通信部５を併せて備える。この場合、データ出力部４としては、ＳＤメモリカード他各種のメモリカード用又はＰＣカード用のカードスロット、ＵＳＢメモリ用の端子、各種のカードメモリリーダー／ライター、各種のディスクドライバーなどの各種のインタフェース機器が用いられる。通信部５は、多成分デジタル記録装置３に記録されたデータを通信により送出したり外部からのデータ要求を受信したりするために、インターネットなどの公衆通信ネットワークに接続される。
【００２４】
また、ＰＣ１０は、図１（ｂ）に示すように、弾性波解析のための各種指示が入力される操作入力部１１と、弾性波解析用の各種アプリケーション（ソフトウェア）及びデータが格納される記憶部１２と、弾性波解析処理のための情報或いは処理結果が表示される表示部１３と、外部記録媒体に格納された弾性波データ等を読み出すデータ読取部１４と、データ収集ユニットから送付されたデータを受信する通信部１５と、上記各機能部の動作をコントロールしまた各種演算処理を行う制御部１６とを備える。
この場合、操作入力部１１は、キーボード、タッチパネル、音声入力マイクロホンなどのデータ入力機器により構成され、この操作入力部１１により、制御部１６における各種処理動作に必要なコマンドおよびデータが入力される。
記憶部１２は、少なくとも読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、計測データメモリとを有しており、それぞれのメモリが必要に応じて使用される。ここで、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）は、多成分デジタル記録装置３に切羽掘削毎に記録される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、及び多成分デジタル記録装置３に切羽掘削毎に記録される弾性波から反射・回折波を抽出し、当該反射・回折波に基づいて弾性波の反射・回折点及び反射面の位置を推定する手段としての反射波・回折波処理プログラムを含む各種のプログラムが格納されている。またランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に対しては、処理動作に際してデータの書き込み、読み出しが実行される。そして計測データメモリには、発破信号を計測して得られた発破計測データ及び弾性波を計測して得られた３成分弾性波計測データが格納される。
表示部１３は液晶その他のディスプレイ機器からなり、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弾性波反射面などこの弾性波探査システムの動作中における種々の状態情報や処理情報などが表示される。
データ読取部１４としては各種のメモリカードスロット、各種のカードメモリリーダー／ライター、各種のディスクドライバーなど各種のインタフェース機器が用いられる。
通信部１５はデータ収集ユニットから通信により送られてきた記録データを受信するためにインターネットなどの公衆通信ネットワークに接続される。
制御部１６はマイクロコンピュータなどからなり、３次元弾性波などのデータ解析処理を実行したり、解析結果をサーバへ送付したりする。
【００２５】
次に、各実施形態の前提となる弾性波探査方法及びシステム、並びにトンネル弾性波探査方法を実現するプログラムについて詳述する。なお、以下に説明する弾性波探査方法は、複数の単成分地震計２−１〜２−Ｎを用いて一般的に行われると想定される手法を説明するものであり、各実施形態においてそのまま用いられるものではないことに留意されたい。ここで、参照する図３（ａ）は探査時の探査状況を模式的に例示する説明図であり、図３（ｂ）は直進波及び反射波・回折波を例示する説明図であり、図４は複数の単成分地震計を用いた一般的な処理プログラムを例示する説明図である。
１．探査
まず、図３（ａ）に示すように、掘削完了区間の切羽後方所定の位置の坑壁壁面に、発破信号検知器１及び多成分デジタル記録装置３を単成分地震計２−１〜２−Ｎと共に設置する。なお、同図では単成分地震計２−１のみを代表的に示し、他の単成分地震計２−２〜２−Ｎについては省略している。また、以下の説明では、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸により３次元空間を表すが、トンネル掘削方向（トンネル軸に平行な方向）をＸ軸方向とし、切羽に向かって上下方向で該Ｘ軸と直交する方向をＹ軸方向とし、また、切羽に向かって左右方向でＸ軸及びＹ軸とそれぞれ直交する方向をＺ軸方向とする。
また、ここで、切羽と単成分地震計２−１〜２−Ｎとの間の距離は、測量機器などで測定され、距離データがＰＣ１０に入力される。発破は瞬発電気雷管及びＤＳ電気雷管を用いて起爆させることとし、切羽に発破孔を削孔し、電気雷管を装着した爆薬を装填する。そして、発破母線に発破信号検知器１を装着する。
このようにして、切羽の掘削に当たって発破を行い、発破信号及び弾性波信号を多成分デジタル記録装置３に記録する。この場合、発破スイッチのＯＮ操作のみ行えばよく、この操作により、発破器から出力された電流が発破信号検知器１によって検出され、切羽に装填された爆薬は起爆し切羽が爆破される。この爆発によって切羽から発生した弾性波は地山を伝播して切羽後方の単成分地震計２−１〜２−Ｎに到達し、弾性波が単成分地震計２−１〜２−Ｎにより受振、計測される。そして、発破信号検知器１から出力された発破信号と単成分地震計２−１〜２−Ｎから出力された弾性波信号が多成分デジタル記録装置３に自動的に記録されることになる。かかるデータの収録後、多成分デジタル記録装置３に記録されたデータは、ＳＤカードなどを介してＰＣ１０に入されし、データ処理が行われる。
このような切羽の掘削と共に行う発破信号の計測及び記録、弾性波の受振、計測及び記録を、弾性波の受振、計測点を変えないで、切羽掘削サイクル毎に繰り返す。そして、多成分デジタル記録装置３に記録された各切羽の弾性波データは順次ＰＣ１０に入力され、ＰＣ１０内に格納された直達波処理プログラム及び反射・回折波処理プログラムにより解析されて、その解析結果により、トンネル坑内の弾性波速度を推定し、切羽前方の反射・回折点を推定する。
【００２６】
２．解析
２．１  解析に関する共通事項
（１）探査機材の配置、発破の位置  また図３（ａ）では、既述の探査機材と発破位置との位置関係をも示している。同図において、単成分地震計２−１の位置（受振点）をＯとし、発破の位置をＳｉとし、この発破に続く次の発破の位置を順次Ｓｉ＋１，Ｓｉ＋２，…，Ｓｉ＋ｎとし、単成分地震計２−１と発破毎の切羽の位置との間の距離をＳｉ＋１，Ｓｉ＋２，…，Ｓｉ＋ｎとする。また、以下の説明では、３個の単成分地震計２−１〜２−３を用いて探査を行う場合の解析について説明するものとし、単成分地震計２−１〜２−３の相対的な配置関係は、例えば、図５（ａ）または図５（ｂ）に示すように、単成分地震計２−１〜２−３が配される位置（Ａ，Ｂ，Ｃ）を含む地震計配置面がＸ軸方向（トンネルの切羽掘削方向）に対してほぼ垂直であるものとする。
（２）発破毎の弾性波の起振点距離  発破毎の位置Ｓｉ，Ｓｉ＋１，Ｓｉ＋２で発振された弾性波はその伝搬経路から直達波と反射波・回折波に区分され、それぞれ、単成分地震計２−１〜２−３の位置（Ａ，Ｂ，Ｃ）で受振される。
（３）弾性波の到達時間  図３（ｂ）には弾性波の受振点への到達時間を示している。同図に示すように、発破毎の位置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、発破毎の位置Ｓｉ，Ｓｉ＋１，Ｓｉ＋２，…で発振された各反射波・回折波の到達時間をｔｒｉ，ｔｒｉ＋１，ｔｒｉ＋２，…とする。
【００２７】
２．２  トンネル坑内弾性波速度の推定
まず、トンネル坑内弾性波速度の推定を行う。坑内弾性波速度は連続する２回以上の探査結果から、直達波の初動到達時間Ｔと起振点間距離Ｓから走時曲線を作成し、直達波の弾性波速度をその勾配より算出する。すなわち、次式（１）により算出する。
【数１】
2018025487.tif 000003
【００２８】
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４に示す反射・回折波の処理プロセスに従って行う。
（１）反射・回折波伝搬速度の算出（ステップＳ１０１）
弾性波の切羽の発振位置がＳｉ＋ｎのときに、この解析で使用する反射・回折波の伝搬速度は切羽直近の区間の弾性波速度Ｖｐｉ＋１〜ｎを用い、この弾性波速度Ｖｐｉ＋１〜ｎを式（１）により求める。
（２）弾性波データセットの作成（ステップＳ１０２）
各切羽で発破により発振された弾性波は多成分デジタル記録装置３に時間及び振幅が記録され、反射・回折波を検出するために、次のステップで波形処理を行い、各単成分地震計２−１〜２−３毎に弾性波データセットを作成する。
（２−１）発破信号検知器１により検出された発破時刻を０として、各単成分地震計２−１〜２−３による弾性波データの記録時刻の時刻合わせを行う（オフセット処理）。
（２−２）弾性波到達時間に弾性波伝搬速度を乗算し、弾性波伝搬距離−振幅の関係を求める。
（２−３）伝搬距離による減衰を補正するため、振幅を自乗し、弾性波伝搬距離−弾性波エネルギー（：振幅の自乗）の関係を求める。ここで、弾性波エネルギーの極性（正負）を乗算する。
（２−４）各探査の最大振幅（直達波振幅）を基準として、反射・回折波の振幅を正規化する。
（２−５）振源位置距離、弾性波伝搬距離−波形処理後の弾性波エネルギーからなる複数のデータセットを作成する。
（３）弾性波データの重合（ステップＳ１０３）
切羽前方の範囲の任意の解析点（ｘ，ｙ，ｚ）において反射・回折波の重合処理を行い、反射・回折波を検出する。ここで、任意の解析点（ｘ，ｙ，ｚ）は、例えばグリッド格子点間隔Δｇの３次元格子グリッドの格子点が割り当てられる。なお、グリッド格子点間隔Δｇは探査に要求される分解能に応じて設定される。
この重合処理においては、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反射・回折波の伝搬距離を求め、その位置の弾性波エネルギーを求める。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反射・回折波の伝搬距離を求め、その位置での弾性波エネルギーを求める。そして、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す。
そして、弾性波エネルギーを加算（重合処理）して、弾性波エネルギーの総和を求める。
（４）反射・回折点の推定（ステップＳ１０４）
弾性波エネルギーの総和が大きな値を取る点を反射・回折点と推定する。このとき、Ｘ軸近傍の解析点では、回折点に対しＹ軸対称及びＺ軸対称の解析点で偽像が生じる。このため、次のプロセスで回折点と偽像の判定を行う。
（４−１）重合後弾性波エネルギー絶対値が最大の点を反射・回折点と推定する。重合後弾性波エネルギー絶対値が最大の点に対しＹ軸対称の解析点が同極性（正負が同一）の場合は偽像と判定する。また、重合後弾性波エネルギー絶対値が最大の点に対しＺ軸対称の解析点が同極性の場合は偽像と判定する。さらに、重合後弾性波エネルギー絶対値が最大の点に対し、原点対称（Ｙ軸対称及びＺ軸対称）の解析点が同極性の場合は偽像と判定する。
（４−２）重合後弾性波エネルギー絶対値が次に大きな点を反射・回折点と推定する。重合後弾性波エネルギー絶対値が次に大きな点に対しＹ軸対称の解析点が同極性の場合は偽像と判定する。また、重合後弾性波エネルギー絶対値が次に大きな点に対しＺ軸対称の解析点が同極性の場合は偽像と判定する。さらに、重合後弾性波エネルギー絶対値が次に大きな点に対し原点対称（Ｙ軸対称及びＺ軸対称）の解析点が同極性の場合は偽像と判定する。
（４−３）以上を繰り返す。
（５）反射面の推定（ステップＳ１０５）
複数の反射・回折点が近接する場合、これらの反射・回折点を含む面を反射面と推定する。また、反射・回折点がＸ軸に近接する場合、反射・回折点を含み、受振点を法線上に含む面を反射面と推定する。
【００２９】
以上、３個の単成分地震計２−１〜２−３を用いて探査を行う場合の解析について説明したが、単成分地震計に指向性が無いために、３個の単成分地震計２−１〜２−３について、弾性波データを重合処理する場合、重合によって反射波データを強調できるのは、３個の単成分地震計２−１〜２−３の受振タイミングが同一である場合に限られる。つまり、図５（ａ）に示すように、反射面ＰＲ３が地震計配置面（Ａ，Ｂ，Ｃ）、即ち３つの受振点を含む面と並行して位置し、３個の単成分地震計２−１〜２−３について反射波伝搬距離が同一で受振タイミングが同一となるケースである。この場合、図５（ｂ）に示すように、重合によって反射波データが強調されることになる。しかしながら、図６（ａ）に示すように、反射面ＰＲ４が地震計配置面（Ａ，Ｂ，Ｃ）と斜交する場合には、単成分地震計２−１〜２−３についての反射波伝搬距離が同一ではなくなり、図６（ｂ）に示すように、受振タイミングが不揃いとなって、重合によって反射波データが強調されなくなる。これはシステム全体として指向性が無いことを意味する。
よって、より安価にシステムを構成するために、複数の単成分地震計による構成でシステム全体として指向性を持たせる手法や、或いは、陽に指向性想定せずとも３個の単成分地震計による構成で反射面の３次元位置を推定できる手法などが望まれている。ここでは、複数の単成分地震計を備える構成でシステム全体として指向性を持たせる手法として、第１実施形態及び第３実施形態を例示し、３個の単成分地震計を備える構成で反射面の３次元位置を推定できる手法として第２実施形態を例示する。
〔第１実施形態〕
【００３０】
次に、第１実施形態のトンネル弾性波探査方法及びトンネル弾性波探査システムについて図７を参照して説明する。ここで、図７は第１実施形態に係るトンネル弾性波探査方法の説明図であり、図７（ａ）は３個の単成分地震計配置と探査状況を模式的に例示し、図７（ｂ）は第１実施形態のトンネル弾性波探査方法を説明するフローチャートである。
【００３１】
第１実施形態のトンネル弾性波探査システムでは、図１（ａ）においてＮ＝３とし、３個の単成分地震計２−１〜２−３を用いて構成する。３個の単成分地震計２−１〜２−３は、切羽に向かって一の単成分地震計の上下方向（Ｚ軸方向）の位置が他の単成分地震計と異なり且つ他の単成分地震計の左右方向（Ｙ軸方向）の位置が一の単成分地震計に対して左右に振り分けられるようにトンネル坑内壁に設置される。
具体的に、図７（ａ）に示すように、基準とする一の単成分地震計２−１が天面の位置Ａに配され、他の単成分地震計の１つ（２−２）が底面に程近い左側側面の位置Ｂに配され、他の単成分地震計の１つ（２−３）が底面に程近い右側側面の位置Ｃに配されている。なお、単成分地震計２−１〜２−３が配される位置（Ａ，Ｂ，Ｃ）を含む地震計配置面は、Ｘ軸方向（トンネルの切羽掘削方向）に対してほぼ垂直であるものとする。
【００３２】
また、振源となる発破がトンネル坑内の切羽位置Ｐｓｑ１で起きるとき、同図のように切羽前方の反射面ＰＲ１を想定すると、振源で発生した弾性波は、反射面ＰＲ１上の任意の位置Ｐｄ１にある回折点で回折し、それぞれの単成分地震計２−１〜２−３で観測されることになる。ここで、観測される弾性波の波形から反射波に着目すると、地震計配置面（Ａ，Ｂ，Ｃ）に配されている単成分地震計２−１〜２−３について、それぞれの反射波到来時刻には通常、時間差が発生している。つまり、図５及び図６を参照して上述したように、単成分地震計２−１〜２−３の反射波到来時刻が同一となるのは、想定される反射面ＰＲ１が地震計配置面（Ａ，Ｂ，Ｃ）と並行して位置する（図５の）場合に限られ、それ以外は想定される反射面ＰＲ１の位置及び傾きに応じて（図６参照）、反射波到来時刻に時間差が発生することになる。第１実施形態では、このことに注目して、単成分地震計２−１〜２−３の反射波到来時刻の時間差に基づき反射波到来方向を判定するものである。
【００３３】
次に、図７（ｂ）を参照して、第１実施形態のトンネル弾性波探査方法について説明する。なお、第１実施形態においても、解析に用いるデータは、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に切羽から発生する弾性波を単成分地震計２−１〜２−３でそれぞれ受振、計測し、多成分記録装置３に記録することを切羽掘削毎に繰り返して得られるものである。また、切羽掘削毎に想定される反射面ＰＲ１上の回折点Ｐｄ１は、例えばグリッド格子点間隔Δｇの３次元格子グリッドの格子点が割り当てられ、グリッド格子点間隔Δｇは探査に要求される分解能に応じて設定されるものとする。
【００３４】
まず、速度測定ステップ（ステップＳ１１）では、切羽掘削毎に、多成分記録装置３に記録された弾性波から直達波の各成分を抽出して、トンネル坑内の弾性波速度を上記した式（１）により算出する。
次に、遅延測定ステップ（ステップＳ１２）では、地震計配置面（Ａ，Ｂ，Ｃ）に配された３箇所の単成分地震計２−１〜２−３について、反射波データからそれぞれの反射波遅延時間（ｔｒA，ｔｒB，ｔｒC）を測定する。
【００３５】
そして、方向判定ステップ（ステップＳ１３）では、基準地震計（一の単成分地震計）２−１と、切羽に向かって上下方向の位置が異なる他の単成分地震計の内の１つ（２−２または２−３）との反射波遅延時間の比較から上下方向の反射波到来方向を判定する。すなわち、反射波遅延時間差ｔｒA−ｔｒBまたはｔｒA−ｔｒCが負であれば、上方向（Ｙ軸方向で基準地震計２−１の位置より上側の位置）から反射波が到来したと判定し、反射波遅延時間差ｔｒA−ｔｒBまたはｔｒA−ｔｒCが正であれば、下方向（Ｙ軸方向で基準地震計２−１の位置より下側の位置）から反射波が到来したと判定する。
また、ステップＳ１３では、切羽に向かって左右に配される他の単成分地震計２−２及び２−３間で反射波遅延時間を比較して左右方向の反射波到来方向を判定する。すなわち、反射波遅延時間差ｔｒB−ｔｒCが負であれば、左方向（Ｚ軸方向で基準地震計２−１の位置より左（Ｂ）側の位置）から反射波が到来したと判定し、反射波遅延時間差ｔｒB−ｔｒCが正であれば、右方向（Ｚ軸方向で基準地震計２−１の位置より右（Ｃ）側の位置）から反射波が到来したと判定する。
【００３６】
次に、反射面推定ステップ（ステップＳ１４）では、反射面ＰＲ１の３次元位置を特定する。切羽掘削毎に、トンネル坑内弾性波速度及び反射波遅延時間から、弾性波伝搬距離、即ち、振源位置（Ｐｓｇ１）〜回析点（Ｐｄ１）〜基準地震計３−１の位置（Ａ）の距離を算出し、３次元格子グリッド上で上記反射波到来方向に限定される空間内で、且つ、幾何学的距離関係から該弾性波伝搬距離に合致する格子点をピックアップして、ピックアップされた格子点に弾性波エネルギーを割り当て、順次足し込んでいく。ここで、弾性波伝搬距離に合致する格子点は、完全一致ではなく、一定距離範囲内にあるものすべてが含まれる。例えば、一定距離範囲を弾性波伝搬距離±Δｇ／２の範囲とすれば、該距離範囲に収まるすべての格子点がピックアップされる。
そして、最終的に得られる３次元格子グリッド上の弾性波エネルギー分布について、所定値以上の弾性波エネルギーを持つ格子点のみを残した３次元格子点集合を形成し、該３次元格子点集合を含む反射面を形成することにより、反射面ＰＲ１の３次元位置が特定される。
【００３７】
さらに、ステップＳ１５では、ステップＳ１４で得られた反射面ＰＲ１の３次元位置から、トンネル切羽前方の地質境界面Ｐｔｂ１を予測する。なお、切羽掘削毎の発破の回数は、反射面ＰＲ１（または地質境界面Ｐｔｂ１）の推定精度を確保するために、例えば１６〜２０回程度行うのが望ましい。
【００３８】
以上説明したように、第１実施形態のトンネル弾性波探査方法及びトンネル弾性波探査システムでは、３個の単成分地震計２−１〜２−３を用いたシステム構成であるので、３成分地震計を用いたシステム構成と比較してより安価にシステムを構成することができると共に、より単純な解析アルゴリズムで解析を容易行うにことができる。
また、単成分地震計には指向性が無いが、切羽に向かって上下方向及び左右方向に振り分けて適切に配置することにより、反射波到来方向の判定が可能となり、反射面ＰＲ１の３次元位置を推定できると共に、トンネル切羽前方の地質境界面Ｐｔｂ１を予測することができる。例えば、トンネル掘削時にトンネル坑内に出現する地質境界面Ｐｔｂ１（反射面ＰＲ１）の位置や方向（例えば地質の変化が始まる部位が天端であるかまたは路前であるか或いは右側であるかまたは左側であるかといった情報など）を、表示部１３を介して表示することもでき、掘削時の施工管理、安全管理に活用することが可能である。
また、図１（ｃ）に示したように、単成分地震計２−１〜２−３は、トンネル抗壁のロックボルト２０の頭部に設置されており、支保工ロックボルトを受振センサとして利用することで、探査の準備作業をより簡単に短時間で行うことができる。
【００３９】
また、ステップＳ１３における上下方向の反射波到来方向の判定により、ステップＳ１４において処理対象となる格子点が３次元格子グリッド上でほぼ半分（Ｙ−Ｚ平面上で見た時の上半分または下半分）に削減され、さらにステップＳ１３における左右方向の反射波到来方向の判定により、ステップＳ１４において処理対象となる格子点が更にその半分（Ｙ−Ｚ平面上で見た時の左半分または右半分）に削減されることとなり、全体として、処理対象となる格子点を３次元格子グリッド上で高々４分の１に削減することができるので、解析における処理をより簡単にすることができる。また、特定される反射面に虚像が含まれることがないので、極性判定等を行う必要がなく、処理を簡単化することができる。
なお、ステップＳ１３の説明では言及しなかったが、反射波遅延時間差ｔｒA−ｔｒBまたはｔｒA−ｔｒCがほぼ零である場合には、処理対象となる格子点の３次元格子グリッド上での上下方向の範囲が、例えばトンネル底面から天面までの範囲（Ｙ−Ｚ平面上で見た時のＹ軸近傍の範囲）に限定されるので、処理対象となる格子点の数は更に少なくなる。また、反射波遅延時間差ｔｒB−ｔｒCがほぼ零である場合も同様に、処理対象となる格子点の３次元格子グリッド上での左右方向の範囲が、例えばトンネル左側面から右側面までの範囲（Ｙ−Ｚ平面上で見た時のＺ軸近傍の範囲）に限定されるので、処理対象となる格子点の数は更に少なくなる。
【００４０】
これらの結果として、装置コストを抑制しつつ、より簡単なアルゴリズムによるデータ解析でトンネル坑内の切羽前方の反射面を３次元的に精度良く推定し得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を実現することができる。
〔第１実施形態の変形例〕
【００４１】
第１実施形態の変形例は、ステップＳ１３において単成分地震計２−１〜２−３の反射波到来時刻の時間差に基づき反射波到来方向を判定すると共に、時間差と単成分地震計２−１〜２−３の幾何学的な配置から概略の反射波到来方向角度を推定して、ステップＳ１４において処理対象となる格子点をさらに削減するものである。
すなわち、ステップＳ１３において、反射波遅延時間差ｔｒA−ｔｒBまたはｔｒA−ｔｒCに基づき上下方向の反射波到来方向を判定すると共に、該時間差及び単成分地震計２−１〜２−３の幾何学的位置関係に基づき上下方向の反射波到来方向角度を推定し、また、反射波遅延時間差ｔｒB−ｔｒCに基づき左右方向の反射波到来方向を判定すると共に、該時間差及び単成分地震計２−１〜２−３の幾何学的位置関係に基づき左右方向の反射波到来方向角度を推定する。
これにより、ステップＳ１４における処理対象を３次元格子グリッド上で上下左右の反射波到来方向角度周辺の格子点に限定することができ、ステップＳ１４の処理対象となる格子点数を４分の１以下に更に削減でき、解析における処理をより一層簡単にすることができる。
〔第２実施形態〕
【００４２】
次に、第２実施形態のトンネル弾性波探査方法及びトンネル弾性波探査システムについて図８を参照して説明する。ここで、図８は第２実施形態に係るトンネル弾性波探査方法の説明図であり、図８（ａ）は３個の単成分地震計配置と探査状況を模式的に例示し、図８（ｂ）は２実施形態のトンネル弾性波探査方法を説明するフローチャートである。
【００４３】
第２実施形態のトンネル弾性波探査システムでは、第１実施形態と同様に、図１（ａ）においてＮ＝３とし、３個の単成分地震計２−１〜２−３を用いて構成する。第２実施形態では、３個の単成分地震計２−１〜２−３は互いに一定距離以上離れて配されていれば良いが、図８（ａ）では図７（ａ）と同様に、単成分地震計２−１を天面の位置Ａに、単成分地震計２−２を左側側面の位置Ｂに、単成分地震計２−３を右側側面の位置Ｃに、それぞれ配するようにした。なお、単成分地震計２−１〜２−３が配される位置（Ａ，Ｂ，Ｃ）を含む地震計配置面は、Ｘ軸方向（トンネルの切羽掘削方向）に対してほぼ垂直であるものとする。
【００４４】
また、振源となる発破がトンネル坑内の切羽位置Ｐｓｑ２で起きるとき、同図のように切羽前方の反射面ＰＲ２を想定すると、振源で発生した弾性波は、反射面ＰＲ２上の複数の回折点Ｐｄａ２，Ｐｄｂ２，Ｐｄｃ２で回折し、それぞれ単成分地震計２−１〜２−３で観測されることになる。観測される弾性波の波形から反射波を抽出すると、別途算出可能な弾性波速度に基づき各単成分地震計２−１〜２−３から見かけの振源Ｐｓｓ２までの距離が分かり、各単成分地震計２−１〜２−３の幾何学的な配置に基づき見かけの振源Ｐｓｓ２の３次元位置を特定することができる。また、反射面ＰＲ２は、真の振源Ｐｓｑ２と見かけの振源Ｐｓｓ２との中間に位置することから、真の振源Ｐｓｑ２と見かけの振源Ｐｓｓ２とを結ぶ直線の中点Ｐｄｎ２は反射面ＰＲ２上に位置する点となる。したがって、切羽掘削毎に中点Ｐｄｎ２の３次元位置を算出して、これを重ね合わせることにより反射面ＰＲ２の３次元位置を推定することができる。
【００４５】
次に、図８（ｂ）を参照して、第２実施形態のトンネル弾性波探査方法について説明する。なお、第２実施形態においても、解析に用いるデータは、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に切羽から発生する弾性波を単成分地震計２−１〜２−３でそれぞれ受振、計測し、多成分記録装置３に記録することを切羽掘削毎に繰り返して得られるものである。
【００４６】
まず、速度測定ステップ及び遅延測定ステップ（ステップＳ２１）では、切羽掘削毎に、多成分記録装置３に記録された弾性波から直達波の各成分を抽出して、トンネル坑内の弾性波速度を上記した式（１）により算出する。また、地震計配置面（Ａ，Ｂ，Ｃ）に配された３箇所の単成分地震計２−１〜２−３について、反射波データからそれぞれの反射波遅延時間（ｔｒA，ｔｒB，ｔｒC）を測定する。ここで、反射波データに複数の反射波がそれぞれ異なるタイミングで受振されているケースがあるが、このようなケースでは、単成分地震計２−１〜２−３間で受振タイミングを対比して、互いに受振タイミングがより近い反射波遅延時間（ｔｒA，ｔｒB，ｔｒC）のデータセットにまとめられ、このようなデータセットが複数得られることになる。
【００４７】
次に、設定ステップ（ステップＳ２２）では、単成分地震計２−１〜２−３について、トンネル坑内弾性波速度及び反射波遅延時間から、発破毎に弾性波伝搬距離、即ち、真の振源位置（Ｐｓｇ２）から回析点（Ｐｄａ２，Ｐｄｂ２またはＰｄｃ２）を介して単成分地震計２−１〜２−３の位置（Ａ，ＢまたはＣ）に至るまでの距離を算出し、見かけの振源を想定して、幾何学的距離関係から見かけの振源の位置（Ｐｓｓ２）を設定する。ここで、反射波遅延時間（ｔｒA，ｔｒB，ｔｒC）のデータセットが複数あるケースでは、複数個の見かけの振源の位置（Ｐｓｓ２）が設定されることになる。
【００４８】
次に、特定ステップ（ステップＳ２３）では、多成分記録装置に切羽掘削毎に記録された弾性波から、単成分地震計２−１〜２−３について反射波を抽出して重合処理し、当該重合処理の結果から、見かけの振源の位置（Ｐｓｓ２）を特定する。例えば、重合処理で得られる弾性波エネルギーを、反射波遅延時間（ｔｒA，ｔｒB，ｔｒC）のそれぞれの受振タイミングを含む一定期間について時間積分して、反射波遅延時間（ｔｒA，ｔｒB，ｔｒC）のデータセット毎の積分弾性波エネルギーを求める。そして、この積分弾性波エネルギーが最も大きい値となる反射波遅延時間（ｔｒA，ｔｒB，ｔｒC）のデータセットに基づいて設定された見かけの振源を、見かけの振源Ｐｓｓ２として特定する。
【００４９】
次に、反射面推定ステップ（ステップＳ２４）では、（弾性波速度および反射波の遅延時間から、各単成分地震計から見かけの振源までの距離を算出し、）真の振源Ｐｓｇ２と見かけの振源Ｐｓｓ２との中間位置Ｐｄｎ２を演算により求める。そして、切羽掘削毎に得られる中間位置Ｐｄｎ２の重ね合わせにより弾性波の反射面ＰＲ２の３次元空間位置を推定する。
さらに、ステップＳ２５では、ステップＳ２４で得られた反射面ＰＲ２の３次元位置から、トンネル切羽前方の地質境界面Ｐｔｂ２を予測する。なお、切羽掘削毎の発破の回数は、反射面ＰＲ２（または地質境界面Ｐｔｂ２）の推定精度を確保するために、例えば１６〜２０回程度行うのが望ましい。
【００５０】
以上説明したように、第２実施形態のトンネル弾性波探査方法及びトンネル弾性波探査システムでは、指向性の無い３個の単成分地震計２−１〜２−３を用いたシステム構成であるので、より安価なシステム構成で、反射面ＰＲ２の３次元位置を推定できると共に、トンネル切羽前方の地質境界面Ｐｔｂ２を予測することができる。
また、見かけの振源Ｐｓｓ２の位置を特定して、真の振源Ｐｓｇ２と見かけの振源Ｐｓｓ２との中間位置Ｐｄｎ２を求めることで、反射面の３次元空間位置を推定することができるので、解析における処理をより簡単にすることができる。
これらの結果として、装置コストを抑制しつつ、より簡単なアルゴリズムによるデータ解析でトンネル坑内の切羽前方の反射面を３次元的に精度良く推定し得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を実現することができる。
〔第３実施形態〕
【００５１】
次に、第３実施形態のトンネル弾性波探査方法及びトンネル弾性波探査システムについて図９を参照して説明する。ここで、図９は第３実施形態に係るトンネル弾性波探査方法の説明図であり、図９（ａ）は７個の単成分地震計配置と探査状況を模式的に例示し、図９（ｂ）は第３実施形態のトンネル弾性波探査方法を説明するフローチャートである。
第３実施形態のトンネル弾性波探査システムでは、図１（ａ）においてＮ＝７とし、７個の単成分地震計２−１〜２−７を用いて構成する。単成分地震計２−１〜２−７は、切羽に向かって一の単成分地震計の上下方向（Ｚ軸方向）の位置が他の単成分地震計と異なり、且つ、他の単成分地震計の内の一の組の単成分地震計と、残りの他の組の単成分地震計とが、切羽に向かって左右方向（Ｙ軸方向）の位置が一の単成分地震計に対して左右に振り分けられ、それぞれトンネル掘削方向に並べて設置されている。また、一の単成分地震計と、一の組内の一の単成分地震計と、他の組内の一の単成分地震計と、のそれぞれの位置を含む面を地震計配置面とする。さらに、一の単成分地震計と、一の組の単成分地震計の中で一の単成分地震計に対して最も近くに配されている単成分地震計と、他の組の単成分地震計の中で一の単成分地震計に対して最も近くに配されている単成分地震計と、のそれぞれの位置を含む面が基準の地震計配置面となる。
具体的に、図９（ａ）に示すように、一の単成分地震計２−１が天面の位置Ａに配され、他の単成分地震計の内の一の組の単成分地震計（２−２〜２−４）が底面に程近い左側側面で、トンネル掘削方向に略等間隔に並ぶ位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に配され、他の単成分地震計の内の他の組の単成分地震計（２−５〜２−７）が底面に程近い右側側面で、トンネル掘削方向に略等間隔に並ぶ位置Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に配されている。したがって、基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）には単成分地震計２−１，２−３，２−６が配置していることになる。なお、基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）は、Ｘ軸方向（トンネルの掘削方向）に対してほぼ直交するものとする。
このような単成分地震計２−１〜２−７の配置により、Ｘ軸に略直交する基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）と、Ｚ軸（上下方向）に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ１）及び（Ａ，Ｂ３，Ｃ３）と、Ｙ軸（左右方向）に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ３）及び（Ａ，Ｂ３，Ｃ１）とが形成されることになる。
【００５２】
第３実施形態は、地震計自体が指向性を持つものでなくても、複数（３個）の単成分地震計を同一の地震計配置面内に配して、これらによって得られる弾性波波形を重合することにより、システム全体として指向性を持たせることができることに着目した手法である。すなわち、各単成分地震計の観測波形を重合することで、該地震計配置面内の単成分地震計配置の中心に直交する方向から到来する反射波（地震波）が強調されると共に、他の方向から到来する反射波（地震波）は打ち消し合ってノイズとして処理されることとなり、その結果として、地震計配置面に対して直交方向に指向性を発揮することができ、反射波の到来方向を判定することが可能となる。
また、第３実施形態では、上記のように、切羽方向と直交する基準の地震計配置面として、該基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ１）及び（Ａ，Ｂ３，Ｃ３）と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ３）及び（Ａ，Ｂ３，Ｃ１）と、が形成されるように７個の単成分地震計２−１〜２−７を配することにより、反射波の到来方向を判定することができると共に、切羽前方における反射面の分布を推定することができる。なお、推定される反射面は偽像を含むが基本データとの比較により判別可能である。
【００５３】
次に、図９（ｂ）を参照して、第３実施形態のトンネル弾性波探査方法について説明する。なお、第３実施形態において解析に用いるデータは、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に切羽から発生する弾性波を単成分地震計２−１〜２−７でそれぞれ受振、計測し、多成分記録装置３に記録することを試験探査の発破について行うことにより得られるものである。また、反射・回折波の解析において単成分地震計毎に想定される反射面上の回折点は、例えばグリッド格子点間隔Δｇの３次元格子グリッドの格子点が割り当てられるものとする。
【００５４】
まず、速度測定ステップ及び遅延測定ステップ（ステップＳ３１）では、多成分記録装置３に記録された弾性波から直達波の各成分を抽出して、トンネル坑内の弾性波速度を上記した式（１）により算出する。また、反射面推定ステップ（ステップＳ３５）の反射・回折波の解析に供するため、一の組内または他の組内の各単成分地震計（２−２〜２−４または２−５〜２−７）に関して多成分記録装置３に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する。
【００５５】
次に、重合ステップ（ステップＳ３２）では、単成分地震計２−１〜２−７で形成し得るすべての組合せの地震計配置面、即ち、基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）、並びに、地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ１）、（Ａ，Ｂ３，Ｃ３）、（Ａ，Ｂ１，Ｃ３）及び（Ａ，Ｂ３，Ｃ１）について、多成分記録装置３に記録された弾性波から、地震計配置面毎に、該地震計配置面が含む３個の単成分地震計で得られる反射波の各成分を抽出して重合処理する。
【００５６】
次に、方向判定ステップ（ステップＳ３３）では、基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ１）及び（Ａ，Ｂ３，Ｃ３）とを、重合処理結果に基づき対比して、上下方向について反射波到来方向を判定する。例えば、重合処理結果として弾性波エネルギーを用いる場合には、基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）の重合処理結果が最大の弾性波エネルギーを持つとき、切羽前方方向に反射面が位置することが分かり、また、地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ１）の重合処理結果が最大の弾性波エネルギーを持つときは下方に反射面の回折点が位置し、地震計配置面（Ａ，Ｂ３，Ｃ３）の重合処理結果が最大の弾性波エネルギーを持つときは上方に反射面の回折点が位置すると判定されることになる。
また、方向判定ステップ（ステップＳ３４）では、基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ３）及び（Ａ，Ｂ３，Ｃ１）とを、重合処理結果に基づき対比して、左右方向について反射波到来方向を判定する。例えば、基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）の重合処理結果が最大の弾性波エネルギーを持つとき、切羽前方方向に反射面が位置することが分かり、また、地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ３）の重合処理結果が最大の弾性波エネルギーを持つときは左方に反射面の回折点が位置し、地震計配置面（Ａ，Ｂ３，Ｃ１）の重合処理結果が最大の弾性波エネルギーを持つときは右方に反射面の回折点が位置すると判定されることになる。
【００５７】
次に、反射面推定ステップ（ステップＳ３５）では、ステップＳ３３及びＳ３４による反射波到来方向の判定結果、並びに、一の組内または他の組内の各単成分地震計（２−２（Ｂ１）〜２−４（Ｂ３）または２−５（Ｃ１）〜２−７（Ｃ３））に関する反射・回折波の解析から弾性波の反射面の３次元位置を推定する。例えば、一の組内の各単成分地震計に関する反射・回折波の解析を行う場合には、トンネル坑内弾性波速度及び反射波遅延時間から、弾性波伝搬距離、即ち、振源位置（Ｐｓｇ５）から回析点を介して各単成分地震計２−２〜２−４の位置（Ｂ１〜Ｂ３）に至るまでの距離を算出し、３次元格子グリッド上で上記反射波到来方向に限定される空間内で、且つ、幾何学的距離関係から該弾性波伝搬距離に合致する格子点をピックアップして、ピックアップされた格子点に弾性波エネルギーを割り当て、各単成分地震計２−２〜２−４について足し合わせる。ここで、弾性波伝搬距離に合致する格子点は、完全一致ではなく、一定距離範囲内にあるものすべてが含まれる。例えば、一定距離範囲を弾性波伝搬距離±Δｇ／２の範囲とすれば、該距離範囲に収まるすべての格子点がピックアップされる。
そして、最終的に得られる３次元格子グリッド上の弾性波エネルギー分布について、所定値以上の弾性波エネルギーを持つ格子点のみを残した３次元格子点集合を形成し、該３次元格子点集合を含む反射面を形成することにより、反射面の３次元位置が推定される。
【００５８】
さらに、ステップＳ３６では、ステップＳ３５で得られた反射面の３次元位置から、トンネル切羽前方の地質境界面を予測する。なお、反射面の推定精度を上げるには、一の組内または他の組内の単成分地震計の個数を増やせば良い。反射面（地質境界面）の実用的な推定精度を確保するためには、一の組内または他の組内の単成分地震計の個数を例えば１６〜２０個とするのが望ましい。
【００５９】
以上説明したように、第３実施形態のトンネル弾性波探査方法及びトンネル弾性波探査システムでは、７個の単成分地震計を用いたシステム構成であるので、３成分地震計を用いたシステム構成と比較してより安価にシステムを構成することができると共に、より単純な解析アルゴリズムで解析を容易行うにことができる。また、単成分地震計には指向性が無いが、切羽に向かって上下方向及び左右方向に振り分けて適切に配置することにより、反射波到来方向の判定が可能となり、反射面の３次元位置を推定できると共に、トンネル切羽前方の地質境界面を予測することができる。また、一の組内または他の組内の各単成分地震計に関する反射・回折波の解析に、反射波到来方向の判定結果を反映させることにより、切羽掘削毎の解析で想定する反射面上の回折点を３次元空間上で限定することができるので、処理対象点数を削減して処理をより簡単化することができる。これらの結果として、第３実施形態によれば、装置コストを抑制しつつ、より簡単なアルゴリズムによるデータ解析でトンネル坑内の切羽前方の反射面を３次元的に精度良く推定し得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を実現することができる。
〔第３実施形態の変形例〕
【００６０】
以上、第３実施形態では試験探査の手法について説明したが、第１実施形態と同様に掘削探査に第３実施形態と同様の手法を適用しても良い。以下では、第３実施形態の変形例に係るトンネル弾性波探査方法について説明する。なお、本変形例においても、解析に用いるデータは、第１実施形態と同様に、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に切羽から発生する弾性波を単成分地震計２−１〜２−７でそれぞれ受振、計測し、多成分記録装置３に記録することを切羽掘削毎に繰り返して得られるものである。また、切羽掘削毎に想定される反射面上の回折点は、例えばグリッド格子点間隔Δｇの３次元格子グリッドの格子点が割り当てられるものとする。
【００６１】
第３実施形態の変形例のトンネル弾性波探査方法の処理概要は、第３実施形態の図９（ｂ）と同様であって、各ステップの詳細や展開が異なるだけであるので、変形例の具体的な説明も図９（ｂ）参照して行う。
まず、速度測定ステップ及び遅延測定ステップ（ステップＳ３１）では、切羽掘削毎に、多成分記録装置３に記録された弾性波から直達波の各成分を抽出して、トンネル坑内の弾性波速度を上記した式（１）により算出する。また、反射面推定ステップ（ステップＳ３５）の反射・回折波の解析に供するため、切羽掘削毎に、一の単成分地震計３−１（Ａ）に関して多成分記録装置３に記録された弾性波から反射波を抽出し、この反射波データに基づいて反射波の遅延時間を測定する。
【００６２】
次に、重合ステップ（ステップＳ３２）では、基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）、並びに、地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ１）、（Ａ，Ｂ３，Ｃ３）、（Ａ，Ｂ１，Ｃ３）及び（Ａ，Ｂ３，Ｃ１）について、多成分記録装置３に切羽掘削毎に記録された弾性波から、地震計配置面毎に、該地震計配置面が含む３個の単成分地震計で得られる反射波の各成分を抽出して重合処理する。
【００６３】
次に、方向判定ステップ（ステップＳ３３）では、基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）と、上下方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる少なくとも２つの地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ１）及び（Ａ，Ｂ３，Ｃ３）とを、重合処理結果に基づき対比して、上下方向について反射波到来方向を判定する。また、方向判定ステップ（ステップＳ３４）では、基準の地震計配置面（Ａ，Ｂ２，Ｃ２）と、左右方向に対して面の傾き角度が互いに逆極性となる地震計配置面（Ａ，Ｂ１，Ｃ３）及び（Ａ，Ｂ３，Ｃ１）とを、重合処理結果に基づき対比して、左右方向について反射波到来方向を判定する。ステップＳ３３及びＳ３４の具体的態様は第３実施形態と同様であり、これら判定が切羽掘削毎に行われる。
【００６４】
次に、反射面推定ステップ（ステップＳ３５）では、ステップＳ３３及びＳ３４による反射波到来方向の判定結果、並びに、一の単成分地震計３−１（Ａ）に関する反射・回折波の解析から弾性波の反射面の３次元位置を推定する。切羽掘削毎に、トンネル坑内弾性波速度及び反射波遅延時間から、弾性波伝搬距離、即ち、振源位置（Ｐｓｇ５）から回析点を介して一の単成分地震計３−１の位置（Ａ）に至るまでの距離を算出し、３次元格子グリッド上で上記反射波到来方向に限定される空間内で、且つ、幾何学的距離関係から該弾性波伝搬距離に合致する格子点をピックアップして、ピックアップされた格子点に弾性波エネルギーを割り当て、順次足し込んでいく。ここで、弾性波伝搬距離に合致する格子点は、完全一致ではなく、一定距離範囲内にあるものすべてが含まれる。例えば、一定距離範囲を弾性波伝搬距離±Δｇ／２の範囲とすれば、該距離範囲に収まるすべての格子点がピックアップされる。
そして、最終的に得られる３次元格子グリッド上の弾性波エネルギー分布について、所定値以上の弾性波エネルギーを持つ格子点のみを残した３次元格子点集合を形成し、該３次元格子点集合を含む反射面を形成することにより、反射面の３次元位置が推定される。
【００６５】
さらに、ステップＳ３６では、ステップＳ３５で得られた反射面の３次元位置から、トンネル切羽前方の地質境界面を予測する。なお、反射面の推定精度を上げるには、一の組内または他の組内の単成分地震計の個数を増やせば良い。反射面（地質境界面）の実用的な推定精度を確保するためには、一の組内または他の組内の単成分地震計の個数を例えば１６〜２０個とするのが望ましい。
以上説明したように、本変形例によっても第３実施形態と同等の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１  発破信号検知器
２−１〜２−Ｎ  単成分地震計
３  多成分デジタル記録装置
４  データ出力部
５  通信部
１０  ＰＣ（解析装置）
１１  操作入力部
１２  記憶部
１３  表示部（ディスプレイ）
１４  データ読取部
１５  通信部
２０  ロックボルト
２１  ＡＤユニット
【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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