(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性波の伝播時間に基づいて掘進するトンネルの切羽前方の地質を探査する地質探査システムであって、
弾性波を発振する弾性波発振手段と、
前記弾性波発振手段から弾性波を発振した発振時刻を検出する発振時刻検出手段と、
弾性波を受振する弾性波受振手段と、
前記弾性波受振手段が弾性波を受振した受振時刻を検出する受振時刻検出手段と、
前記発振時刻検出手段が検出した発振時刻と前記受振時刻検出手段が検出した受振時刻とに基づいて算出される前記弾性波発振手段から前記弾性波受振手段に至る弾性波の伝播時間から、トモグラフィ解析を用いてトンネルの切羽前方の弾性波速度分布を生成する解析手段と、
前記発振時刻検出手段が検出する発振時刻と前記受振時刻検出手段が検出する受振時刻とを同一の時間軸上に合わせる同期手段と、
を有し、
トンネル坑内に、前記弾性波発振手段又は前記弾性波受振手段の何れか一方が配置され、
切羽前方の地表部に、前記弾性波発振手段又は前記弾性波受振手段の何れか他方が二次元的又は三次元的に複数配置され、
前記発振時刻検出手段及び前記受振時刻検出手段は、前記弾性波受振手段が配置されるトンネル坑内又は切羽前方の地表部の何れか他方に配置されて同一の時刻情報を備えており、
前記同期手段は、前記弾性波発振手段から弾性波が発振されると、前記弾性波発振手段が配置されるトンネル坑内又は切羽前方の地表部の何れか一方に配置された無線伝送手段によりトリガ信号を前記発振時刻検出手段及び前記受振時刻取得手段に無線伝送し、
前記発振時刻検出手段は、前記トリガ信号の受信タイミングを前記弾性波発振手段から弾性波を発振した発振時刻とする、地質探査システム。
【請求項２】
前記受振時刻検出手段は、前記トリガ信号を受信すると前記弾性波受振手段が弾性波を受振する受振時刻の検出を開始する、請求項１に記載の地質探査システム。
【請求項３】
トンネル坑内に、前記弾性波発振手段又は前記弾性波受振手段の何れか一方が複数配置される、請求項１又は２に記載の地質探査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル掘進時などに地質の探査を行う地質探査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
山岳トンネル工事や都市部のシールドトンネル工事などでは、切羽前方に断層破砕帯などの軟質な地層が存在すると、トンネルの掘進に先立ち支保パターンの変更、地盤の補強や改良などを行う必要があるため、トンネル掘進を安全かつ合理的に行うため、トンネル切羽前方の地質状況を事前に探査して精度良く把握しておく必要がある。
【０００３】
このため、従来から、切羽前方の地質を探査する手段として、地表部から発振した弾性波の屈折波を利用する屈折法弾性波探査や、切羽から発振した弾性波の反射波を利用する反射波弾性波探査が行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
屈折法弾性波探査は、地層構成の把握には有効であるが、トンネル掘進に影響を及ぼす断層破砕帯などの低速度層の把握には不向きであり、更には、土被りが深くなればなるほど探査の信頼性が低下する。
【０００５】
また、反射法弾性波探査は、断層破砕帯などの地質不連続面の位置を把握することは可能であるが、地質の硬軟の程度までは把握することが困難であるため、低速度層である断層破砕帯などの軟弱部と高速度層である硬質部との区別がつきづらく、切羽前方に存在する断層破砕帯を高精度に把握することができない。特に、低土被りの環境では、地表面においても弾性波が反射するため、地質の解析精度が著しく低下する。
【０００６】
そこで、近年、地質の硬軟の程度も把握できるように、切羽から発振した弾性波の直接波を利用する探査手法が考えられるようになった（特許文献１参照）。
【０００７】
この探査手法は、発振点から発振した弾性波の直接波を受振点で受振し、この弾性波の伝播速度をトモグラフィ解析することで、地山を切断した断面の地質構造を把握するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−０１４８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の探査手法は、二次元の探査であるため、地山を切断した断面の地質構造しか解析することができなかった。このため、解析対象断面から外れた位置に解析対象断面よりも硬質な高速度層が存在すると、受振点では、弾性波の直接波を観測する前に、この高速度層からの屈折波や反射波が初動として観測されるため、トモグラフィ解析の解析精度が低下し、切羽前方の地質の硬軟の程度が適切に把握できないという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、切羽前方の地質の硬軟の程度を高精度に把握することができる地質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】
【００１６】
本発明に係る地質探査システムは、弾性波の伝播時間に基づいて掘進するトンネルの切羽前方の地質を探査する地質探査システムであって、弾性波を発振する弾性波発振手段と、弾性波発振手段から弾性波を発振した発振時刻を検出する発振時刻検出手段と、弾性波を受振する弾性波受振手段と、弾性波受振手段が弾性波を受振した受振時刻を検出する受振時刻検出手段と、発振時刻検出手段が検出した発振時刻と受振時刻検出手段が検出した受振時刻とに基づいて算出される弾性波発振手段から弾性波受振手段に至る弾性波の伝播時間から、トモグラフィ解析を用いてトンネルの切羽前方の弾性波速度分布を生成する解析手段と、発振時刻検出手段が検出する発振時刻と受振時刻検出手段が検出する受振時刻とを同一の時間軸上に合わせる同期手段と、を有し、トンネル坑内に、弾性波発振手段又は弾性波受振手段の何れか一方が配置され、切羽前方の地表部に、弾性波発振手段又は弾性波受振手段の何れか他方が二次元的又は三次元的に複数配置され、発振時刻検出手段及び受振時刻検出手段は、弾性波受振手段が配置されるトンネル坑内又は切羽前方の地表部の何れか他方に配置されて同一の時刻情報を備えており、同期手段は、弾性波発振手段から弾性波が発振されると、弾性波発振手段が配置されるトンネル坑内又は切羽前方の地表部の何れか一方に配置された無線伝送手段によりトリガ信号を発振時刻検出手段及び受振時刻取得手段に無線伝送し、発振時刻検出手段は、トリガ信号の受信タイミングを弾性波発振手段から弾性波を発振した発振時刻とする。
本発明に係る地質探査システムによれば、弾性波発振手段と弾性波受振手段とがトンネル坑内と切羽前方の地表部とに別れて配置されるため、発振時刻検出手段により検出される弾性波の発振時刻と、受振時刻検出手段により検出される弾性波の受振時刻とにより、弾性波の伝播速度を計測することができる。そして、切羽前方の地表部に、弾性波発振手段又は弾性波受振手段の何れか他方を二次元的又は三次元的に複数配置することで、切羽前方における弾性波の伝播経路を増加させることができるとともに、解析手段により三次元の弾性波速度分布を生成することができるため、周囲の地質状態を考慮しながら切羽前方の地質の硬軟の程度を高精度に把握することができる。そして、発振時刻検出手段と受振時刻検出手段との時間軸を同期させることで、トモグラフィ解析の精度を向上させることができる。そして、発振時刻検出手段及び受振時刻検出手段が同一の時刻情報を備えることで、発振時刻検出手段と受振時刻検出手段との時間軸を一致させることができ、弾性波発振手段から弾性波が発振されたことをトリガ信号の無線伝送により発振時刻検出手段及び受振時刻検出手段に通知することで、発振時刻検出手段及び受振時刻検出手段において弾性波発振手段から弾性波が発振されたタイミングを略リアルタイムに知ることができる。これにより、弾性波発振手段から弾性波受振手段に至る弾性波の伝播時間を高精度に算出することができる。
【００１７】
そして、受振時刻検出手段は、トリガ信号を受信すると弾性波受振手段が弾性波を受振する受振時刻の検出を開始することが好ましい。このように、受振時刻検出手段はトリガ信号を受信してから受振時刻の検出を開始することで、受振時刻検出手段が検出する受振時刻のみによって、弾性波発振手段から弾性波受振手段に至る弾性波の伝播時間を高精度に算出することができる。
これらの場合、トンネル坑内に、弾性波発振手段又は弾性波受振手段の何れか一方が複数配置されることが好ましい。このように、トンネル坑内でも、弾性波発振手段又は弾性波受振手段の何れか一方を複数配置することで、切羽前方における弾性波の伝播経路を大幅に増加させることができるため、切羽前方の地質の硬軟の程度を更に高精度に把握することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、切羽前方の地質の硬軟の程度を高精度に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態に係る地質探査システムを示す縦断面図である。
【図２】弾性波受振装置の配置例を示した平面図である。
【図３】波形取得装置による波形及び時刻情報の記録例を示した図である。
【図４】三次元トモグラフィ解析の手順を示したフローチャートである。
【図５】第２の実施形態に係る地質探査システムを示す縦断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る地質探査システムを示す縦断面図である。
【図７】第４の実施形態に係る地質探査システムを示す縦断面図である。
【図８】第５の実施形態に係る地質探査システムを示す縦断面図である。
【図９】比較例のシミュレーション結果である弾性波速度分布を示している。
【図１０】実施例のシミュレーション結果である弾性波速度分布を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明に係る地質探査システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、全図中、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
【００２１】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る地質探査システムを示す縦断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る地質探査システム１は、トンネルＡを掘進するにあたり、事前に、トンネルＡ坑内と切羽前方の地表部との間における弾性波の伝播速度を算出して、切羽前方の地質の硬軟の程度を探査するものである。なお、図１に示すように、トンネルＡの切羽前方には、低速度層である断層破砕帯Ｂが存在している。
【００２２】
地質探査システム１は、トンネルＡ坑内で弾性波を発振するための発振側設備１０と、切羽前方の地表部に到達した弾性波を受振するための受振側設備２０と、発振側設備１０で検出した情報と受振側設備２０で検出した情報とに基づいて切羽前方の地質の硬質の程度を把握するための解析コンピュータ３０と、で構成される。
【００２３】
発振側設備１０は、弾性波発振装置１１と、発振時刻検出装置１２と、時刻情報受信装置１３と、光伝送路１４と、刻時装置１５と、を備える。
【００２４】
弾性波発振装置１１は、トンネルＡ坑内の切羽に配置されて、切羽前方に向けて弾性波を発振する発振点である。弾性波発振装置１１は、例えば、ハンマーや機械式発振器（例えば電磁ハンマー、油圧インパクタ、バイブレータ）などにより構成されるが、通常、トンネルＡを掘進する際は、一日に４回程度切羽で発破が行われるため、この発破を弾性波発振装置１１に適用することが好ましい。なお、１０〜２０ｍ程度の低土被り環境では、ハンマーや機械式発振器により発振させた弾性波が地表面にまで伝達されるが、１００ｍ以上の高土被り環境では、発破のような高エネルギーの弾性波を発生させないと弾性波が地表面にまで伝達されないため、土被りの程度に応じて弾性波発振装置１１に用いる手段を決定することも好ましい。
【００２５】
発振時刻検出装置１２は、弾性波発振装置１１と同様にトンネルＡ坑内の切羽付近に配置されて、弾性波発振装置１１から発振される弾性波の発振時刻を検出するものである。すなわち、発振時刻検出装置１２は、内部時計（不図示）と、弾性波発振装置１１から発振される弾性波の初動を検出する初動検出センサ（不図示）とを備えている。そして、発振時刻検出装置１２は、初動検出センサが弾性波の初動を検出した時点における内部時計の時刻を記録することで、弾性波発振装置１１から発振される弾性波の発振時刻を検出する。なお、発振時刻検出装置１２は、例えば、振動を計測する振動計測装置を備え、この振動計測装置で計測した振動の波形と内部時計の時刻情報とを併せて記録し、記録した波形から弾性波の初動を検出することで、弾性波発振装置１１から発振される弾性波の発振時刻を検出するものとしてもよい。
【００２６】
時刻情報受信装置１３は、トンネルＡ坑外に配置されて、時刻情報発信装置（不図示）から発信された時刻情報を受信するものである。時刻情報発信装置は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星（不図示）や標準周波数報時局（不図示）などであり、時刻情報受信装置１３は、例えば、ＧＰＳ衛星から発信されたＧＰＳ情報に含まれるＧＰＳ時刻情報を受信する受信装置や、標準周波数報時局から発信された標準電波に含まれる標準時刻情報を受信する受信装置などである。
【００２７】
光伝送路１４は、トンネルＡ坑内に延設された光ファイバケーブル１４ａと、光ファイバケーブル１４ａの一端に接続されるとともに時刻情報受信装置１３に接続される光送信機１４ｂと、光ファイバケーブル１４ａの他端に接続されるとともに刻時装置１５に接続される光受信機１４ｃと、により構成されている。そして、時刻情報受信装置１３が時刻情報を受信すると、光送信機１４ｂは、光ファイバケーブル１４ａを通して、この時刻情報を光受信機１４ｃに光伝送する。このため、トンネルＡ坑内に配置された刻時装置１５は、時刻情報受信装置１３が受信した時刻情報を略リアルタイムに取得することができる。
【００２８】
刻時装置１５は、トンネルＡ坑内において発振時刻検出装置１２に接続されており、受信した時刻情報に発振時刻検出装置１２の内部時計を同期させるものである。これにより、発振時刻検出装置１２は、時刻情報発信装置から発信された時刻情報を基準として弾性波発振装置１１が発振した弾性波の発振時刻を検出することができる。なお、時刻情報受信装置１３がＧＰＳ衛星から発信されたＧＰＳ時刻情報を受信する場合は、このＧＰＳ時刻情報を基準として弾性波発振装置１１が発振した弾性波の発振時刻を検出することができ、時刻情報受信装置１３が標準周波数報時局から発信された標準時刻情報を受信する場合は、この標準時刻情報を基準として弾性波発振装置１１が発振した弾性波の発振時刻を検出することができる。
【００２９】
受振側設備２０は、複数の弾性波受振装置２１（２１ａ〜２１ｆ）と、波形取得装置２２と、時刻情報受信装置２３と、刻時装置２４と、を備える。なお、各弾性波受振装置２１ａ〜２１ｆは、全て同一の構成であるため、以下では、特に指定する場合を除き、弾性波受振装置２１として説明する。
【００３０】
弾性波受振装置２１は、切羽前方の地表部に配置されて、トンネルＡ坑内から伝播した振動を計測することにより発振側設備１０の弾性波発振装置１１から発振された弾性波を受振する受振点である。そして、弾性波受振装置２１は、この計測した振動の波形を波形取得装置２２に送信することが可能となっている。
【００３１】
図２は、弾性波受振装置の配置例を示した平面図である。図２に示すように、弾性波受振装置２１は、トンネルＡの切羽前方の地表部において、二次元的（平面的）又は三次元的（立体的）に分散配置される。すなわち、弾性波受振装置２１は、トンネルＡの掘進方向にのみ直線的に配置されるのではなく、トンネルＡの進行方向に複数配置されるとともに、トンネルＡの掘進方向に直交する方向にも複数配置される。なお、弾性波受振装置２１は、必ずしも図２に示すように整列して配置される必要はなく、地表の形状や環境などに応じて最適な位置に適宜配置される。
【００３２】
波形取得装置２２は、弾性波受振装置２１と同様に切羽前方の地表部に配置されて、各弾性波受振装置２１が受振した弾性波の波形を記録するデータロガーである。すなわち、波形取得装置２２は、内部時計（不図示）と、各弾性波受振装置２１が接続される複数のチャンネル（不図示）を備えている。そして、波形取得装置２２は、各チャンネルを通じて各弾性波受振装置２１から送信された振動の波形を取得し、この振動の波形と内部時計の時刻情報とを併せて記録する。このため、記録した波形から弾性波の初動を検出し、この検出した初動と記録した時刻情報とを対比することで、各弾性波受振装置２１が受振した弾性波の受振時刻を求めることが可能となる。
【００３３】
図３は、波形取得装置２２による波形及び時刻情報の記録例を示した図である。図３において、受振点ａは、弾性波受振装置２１ａから送信された波形の記録、受振点ｂは、弾性波受振装置２１ｂから送信された波形の記録、時刻ｔは、時刻情報の記録である。このように、各弾性波受振装置２１から送信された波形と時刻情報とを併せて記録しておくことで、各波形と時刻情報とを容易に対比することができるため、各波形における弾性波の初動を検出することで、各弾性波受振装置２１で受振した弾性波の受振時刻を容易に求めることが可能となる。
【００３４】
時刻情報受信装置２３は、刻時装置２４の近傍に配置されて、時刻情報発信装置（不図示）から発信された時刻情報を受信するものである。時刻情報発信装置は、例えば、ＧＰＳ衛星（不図示）や標準周波数報時局（不図示）などであり、時刻情報受信装置２３は、発振側設備１０の時刻情報受信装置１３と同様に、例えば、ＧＰＳ衛星から発信されたＧＰＳ情報に含まれるＧＰＳ時刻情報を受信する受信装置や、標準周波数報時局から発信された標準電波に含まれる標準時刻情報を受信する受信装置である。
【００３５】
刻時装置２４は、時刻情報受信装置２３と波形取得装置２２とに接続されており、時刻情報受信装置２３が受信した時刻情報に波形取得装置２２の内部時計を同期させるものである。これにより、波形取得装置２２は、発振側設備１０の時刻情報受信装置１３と同様に時刻情報発信装置から発信された時刻情報を基準として各弾性波受振装置２１が受振した弾性波の受振時刻を検出することができ、発振時刻検出装置１２と波形取得装置２２とを同一の時間軸上に合わせることができる。なお、時刻情報受信装置２３がＧＰＳ衛星から発信されたＧＰＳ時刻情報を受信する場合は、このＧＰＳ時刻情報を基準として各弾性波受振装置２１が受振した弾性波の受振時刻を検出することができ、時刻情報受信装置２３が標準周波数報時局から発信された標準時刻情報を受信する場合は、この標準時刻情報を基準として各弾性波受振装置２１が受振した弾性波の受振時刻を検出することができる。
【００３６】
解析コンピュータ３０は、建築事務所など任意の位置に配置されて、切羽前方の地質の硬軟の程度を解析するものである。すなわち、解析コンピュータ３０は、発振時刻検出装置１２により検出された弾性波の発振時刻と、波形取得装置２２により記録された各波形及び時刻情報から求められる弾性波の受振時刻とに基づいて、弾性波発振装置１１から各弾性波受振装置２１に至る弾性波の伝播速度を算出する。そして、解析コンピュータ３０は、この各伝播速度からトモグラフィ解析により切羽前方の弾性波速度分布を生成し、その結果をディスプレイなどに表示する。
【００３７】
上述したように、各弾性波受振装置２１は、二次元的又は三次元的に配置されているため、弾性波発振装置１１から各弾性波受振装置２１に至る各弾性波の伝播経路は三次元的に表される。そこで、解析コンピュータ３０は、各伝播経路における弾性波の伝播速度から三次元トモグラフィ解析を行い、三次元の弾性波速度分布を生成する。
【００３８】
なお、解析コンピュータ３０は、無線通信又は有線通信により、発振時刻検出装置１２及び波形取得装置２２から弾性波の発振時刻及び弾性波の受振記録を取得してもよく、これらの情報を記録した記憶媒体を作業者が持ち運ぶことにより、発振時刻検出装置１２及び波形取得装置２２から弾性波の発振時刻及び弾性波の受振記録を取得してもよい。また、各弾性波の伝播速度を算出するにあたり、弾性波発振装置１１及び各弾性波受振装置２１の位置座標が必要になるため、事前にこれらの位置座標を求めておくことが好ましい。
【００３９】
ここで、解析コンピュータ３０による三次元トモグラフィ解析について詳しく説明する。
【００４０】
従来の二次元のトモグラフィ解析では、地下構造が三次元的に変化している場合、精度の良い結果を得ることが難しかった。また、精度の良い探査を行なうためには、三次元構造の影響を受けにくい断面を設定する必要があり、本発明のようなトンネル切羽の前方地質の評価には不向きであった。
【００４１】
そこで、解析コンピュータ３０による三次元トモグラフィ解析では、Eikonal方程式（波動方程式の有限差分近似）を改良した式を用い、各弾性波線のスローネス（Slowness）の修正量に重みをつけて平均し、各格子のスローネスの修正量を求める修正SIRT法（反復的再構築法）を利用する。そして、計算によって得られた弾性波の伝播経路が計測された伝播経路に適合するまで反復計算を行う。
【００４２】
まず、計測された弾性波の、ある格子を通る波動は、次の式（１）で表される。
【数１】
0005679804.tif 000002
ここで、ｔＬは、弾性波発振装置１１から各弾性波受振装置２１に至る弾性波の伝播時間、Ｌは、弾性波発振装置１１から各弾性波受振装置２１に至る距離、Ｖは、各格子を通る弾性波の伝播速度である。
【００４３】
また、一般に、弾性波の伝播経路は直線ではなく、むしろ地層間の密度差により大きく湾曲しているため、伝播経路は、次の式（２）に示す速度モデルに従うものとする。
【数２】
0005679804.tif 000003
ここで、Ｓｉは、各節点におけるスローネス、ｔｃ及びＬｃは、計算された波動の伝播時間及び距離、ＧａｕｓｓＲは、ガウスの確率分布、ＭｉｎＤは、ある格子Ｐｎと波動Ｌとの距離である。
【００４４】
そして、これらの条件の下で、図４に示す手順に従い、三次元トモグラフィ解析を行う。図４は、三次元トモグラフィ解析の手順を示したフローチャートである。
【００４５】
図４に示すように、まず、ステップＳ１において、解析範囲と解析精度を設定し、メッシュの作成を行う。解析精度は格子間隔に左右されるため、解析精度と計算条件等を総合的に判断し、例えば、１．０ｍ間隔のメッシュとする。
【００４６】
次に、ステップＳ２において、波形取得装置２２により記録された全ての波形（図３参照）について、適切な波形を抽出し、ノイズを除去するためのフィルタリングを行う。このフィルタリングは、主に必要な周波数帯を強調し、不必要な周波数帯をカットすることと、減衰した波形を復元することの２種類を施すことにより行う。
【００４７】
次に、ステップＳ３において、波形取得装置２２により記録された各波形の初動をピックアップして各弾性波受振装置２１が弾性波を受振した受振時刻を求め、弾性波発振装置１１から各弾性波受振装置２１に至る各弾性波の伝播速度を計算する。
【００４８】
次に、ステップＳ４において、ステップＳ３で計算した各弾性波の伝播速度から、解析対象範囲である切羽前方の初期弾性波速度モデル（図１０参照）の構築を行う。このとき、事前地質調査結果等から地層境界や断層等の顕著な特徴（位置や弾性波速度等）が予測されている場合は、その情報も初期弾性波速度モデルに盛り込むことで、更に精度の高い探査が可能となる。
【００４９】
次に、ステップＳ５において、ステップＳ４で構築した初期弾性波速度モデルを用いて、弾性波発振装置１１から各弾性波受振装置２１に至る各弾性波の伝播時間を計算する。そして、この計算した伝播時間が波形取得装置２２により記録された計測時間に近づくまで、繰返し計算する。
【００５０】
次に、ステップＳ６において、ステップＳ５の計算結果から三次元データである弾性波速度分布を生成し、ディスプレイなどに三次元の弾性波速度分布を表示する。なお、必要に応じて、適宜諸条件を再設定し、ステップＳ４に戻って再解析を実施する。
【００５１】
そして、ディスプレイに表示された三次元の弾性波速度分布を参照することで、切羽前方の地質の硬軟の程度を把握することができ、例えば、低速度層である断層破砕帯Ｂの位置及び硬軟の程度（弾性波の伝播速度）を把握することができる。
【００５２】
このように、第１の実施形態によれば、弾性波発振装置１１と各弾性波受振装置２１とがトンネルＡ坑内と切羽前方の地表部とに別れて配置されるため、発振時刻検出装置１２が検出した弾性波の発振時刻と、波形取得装置２２が記録した各波形及び時刻情報から求められる弾性波の各受振時刻とにより、弾性波の伝播速度を計測することができる。そして、切羽前方の地表部に、弾性波受振装置２１を二次元的又は三次元的に複数配置することで、切羽前方における弾性波の伝播経路を増加させることができるとともに、解析コンピュータ３０により三次元の弾性波速度分布を生成することができるため、周囲の地質状態を考慮しながら切羽前方の地質の硬軟の程度を高精度に把握することができる。
【００５３】
また、発振時刻検出装置１２をトンネルＡ坑内に配置し、波形取得装置２２を切羽前方の地表部に配置することで、弾性波の発振時刻及び弾性波の受振時刻をリアルタイムに検出することができる。そして、時刻情報発信装置から発信された時刻情報により発振時刻検出装置１２と波形取得装置２２との時間軸が同期されるため、弾性波の発振時刻と受振時刻との時間軸上の誤差を極小にすることができる。これにより、弾性波発振装置１１から弾性波受振装置２１に至る弾性波の伝播時間を高精度に算出することができる。
【００５４】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る地質探査システムについて説明する。図５は、第２の実施形態に係る地質探査システムを示す縦断面図である。図５に示すように、第２の実施形態に係る地質探査システム２は、基本的に第１の実施形態に係る地質探査システム１と同様であり、弾性波発振装置１１が複数配置される点のみ相違する。このため、以下の説明では、第１の実施形態と相違する部分のみを説明し、第１の実施形態と同様の部分の説明を省略する。
【００５５】
地質探査システム２の発振側設備１０は、複数の弾性波発振装置１１（１１ａ〜１１ｃ）を備えており、発振時刻検出装置１２は、各弾性波発振装置１１から発振された弾性波の発振時刻を検出する。この弾性波発振装置１１は、異なる場所から弾性波を発振させることができればよい。このため、弾性波発振装置１１は、必ずしも物理的に複数個用意する必要は無く、同一の弾性波発振装置１１で、異なる時間に異なる場所から弾性波を発振させることとしてもよい。上述したように、トンネルＡの掘進に伴い切羽が前進して行くため、時間の経過とともに発破の行われる位置が移動する。そこで、異なる時刻に異なる場所で複数回行われる発破を、各弾性波発振装置１１としてもよい。なお、各弾性波発振装置１１は、二次元的（平面的）又は三次元的（立体的）に配置されることが好ましいが、直線的に配置されていてもよい。
【００５６】
そして、発振時刻検出装置１２は、各弾性波発振装置１１から発振された弾性波の発振時刻を検出し、受振側設備２０の波形取得装置２２は、各弾性波発振装置１１から発振された弾性波ごとに、各弾性波受振装置５１から送信された波形と内部時計の時刻情報とを併せて記録する。
【００５７】
そして、解析コンピュータ３０は、発振時刻検出装置１２により検出された各弾性波の発振時刻と、波形取得装置２２により記録された各波形及び時刻情報から求められる弾性波の受振時刻とに基づいて、各弾性波発振装置１１から各弾性波受振装置２１に至る弾性波の伝播速度を算出する。
【００５８】
このとき、解析コンピュータ３０は、算出した弾性波の伝播速度や、今回検出した各種情報を蓄積しておく。すなわち、発破により弾性波を発振する場合は、発破を行う毎に、発振時刻検出装置１２により検出された各弾性波の発振時刻、波形取得装置２２により記録された各波形及び時刻情報、弾性波の伝播速度などを蓄積しておき、次回の発破により弾性波を発振する場合に反映させる。
【００５９】
そして、解析コンピュータ３０は、今回算出した弾性波の伝播速度に蓄積された情報を加えてトモグラフィ解析により切羽前方の弾性波速度分布を生成し、その結果をディスプレイなどに表示する。なお、解析コンピュータ３０による解析手法は、第１の実施形態と同様である。
【００６０】
このように、トンネルＡ坑内でも、弾性波発振装置１１を複数配置し、また、過去の蓄積された情報も含めてトモグラフィ解析を行うことで、切羽前方における弾性波の伝播経路を大幅に増加させることができるため、切羽前方の地質の硬軟の程度を更に高精度に把握することができる。
【００６１】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る地質探査システムについて説明する。図６は、第３の実施形態に係る地質探査システムを示す縦断面図である。図６に示すように、第３の実施形態に係る地質探査システム３は、基本的に第１の実施形態に係る地質探査システム１と同様であり、発振側設備と受振側設備の配置が入れ替わっている点で相違する。このため、以下の説明では、第１の実施形態と相違する部分のみを説明し、第１の実施形態と同様の部分の説明を省略する。
【００６２】
地質探査システム３は、切羽前方の地表部で弾性波を発振するための発振側設備４０と、トンネルＡ坑内に到達した弾性波を受振するための受振側設備５０と、発振側設備４０で検出した情報と受振側設備５０で検出した情報とに基づいて切羽前方の地質の硬質の程度を把握するための解析コンピュータ３０と、で構成される。
【００６３】
発振側設備４０は、弾性波発振装置４１（４１ａ〜４１ｆ）と、発振時刻検出装置４２と、時刻情報受信装置４３と、刻時装置４４と、を備える。弾性波発振装置４１ａ〜４１ｆは、一つの弾性波発振装置４１を移動させて複数の地点で弾性波を発生させるものであるが、複数の弾性波発振装置４１を複数の地点に配置して弾性波を発生させてもよい。なお、後者の場合であっても、弾性波発振装置４１ａ〜４１ｆは全て同一の構成であるため、以下では、特に指定する場合を除き、弾性波発振装置４１として説明する。
【００６４】
弾性波発振装置４１は、切羽前方の地表部からトンネルＡに向けて弾性波を発振するものであり、切羽前方の地表部において二次元的（平面的）又は三次元的（立体的）に分散配置される。すなわち、各弾性波発振装置４１は、図２に示す第１の実施形態の各弾性波受振装置２１と同様に、トンネルＡの掘進方向にのみ直線的に配置されるのではなく、トンネルＡの進行方向に複数配置されるとともに、トンネルＡの掘進方向に直交する方向にも複数配置される。
【００６５】
発振時刻検出装置４２は、弾性波発振装置４１と同様に切羽前方の地表部に配置されて、各弾性波発振装置４１から発振される弾性波の発振時刻を検出するものである。すなわち、発振時刻検出装置４２は、内部時計（不図示）と、各弾性波発振装置４１から発振される弾性波の初動を検出する複数の初動検出センサ（不図示）とを備えている。そして、発振時刻検出装置４２は、各初動検出センサが弾性波の初動を検出した時点における内部時計の時刻を記録することで、各弾性波発振装置４１から発振される弾性波の発振時刻を検出する。
【００６６】
時刻情報受信装置４３は、刻時装置４４の近傍に配置されて、時刻情報発信装置（不図示）から発信された時刻情報を受信するものである。時刻情報発信装置は、例えば、ＧＰＳ衛星（不図示）や標準周波数報時局（不図示）などであり、時刻情報受信装置４３は、例えば、ＧＰＳ衛星から発信されたＧＰＳ情報に含まれるＧＰＳ時刻情報を受信する受信装置や、標準周波数報時局から発信された標準電波に含まれる標準時刻情報を受信する受信装置である。
【００６７】
刻時装置４４は、時刻情報受信装置４３と発振時刻検出装置４２とに接続されており、時刻情報受信装置４３が受信した時刻情報に発振時刻検出装置４２の内部時計を同期させるものである。これにより、発振時刻検出装置４２は、時刻情報発信装置から発信された時刻情報を基準として、弾性波発振装置４１が発振した弾性波の発振時刻を検出することができる。なお、時刻情報受信装置４３がＧＰＳ衛星から発信されたＧＰＳ時刻情報を受信する場合は、このＧＰＳ時刻情報を基準として弾性波発振装置４１が発振した弾性波の発振時刻を検出することができ、時刻情報受信装置４３が標準周波数報時局から発信された標準時刻情報を受信する場合は、この標準時刻情報を基準として弾性波発振装置４１が発振した弾性波の発振時刻を検出することができる。
【００６８】
受振側設備５０は、弾性波受振装置５１と、波形取得装置５２と、時刻情報受信装置５３と、光伝送路５４と、刻時装置５５と、を備える。
【００６９】
弾性波受振装置５１は、トンネルＡ坑内の切羽付近に配置されて、地中を伝播してきた振動を検知して発振側設備４０の各弾性波発振装置４１から発振された弾性波を受振するセンサである。そして、弾性波受振装置５１は、この計測した振動の波形を波形取得装置５２に送信することが可能となっている。なお、弾性波受振装置５１は、切羽近傍に複数設置することが望ましい。
【００７０】
波形取得装置５２は、弾性波受振装置５１と同様にトンネルＡ坑内の切羽付近に配置されて、弾性波受振装置５１が受振した弾性波の波形を記録するデータロガーである。すなわち、波形取得装置５２は、内部時計（不図示）を備えており、弾性波受振装置５１に接続されている。そして、波形取得装置５２は、弾性波受振装置５１から送信された振動の波形と内部時計の時刻情報とを併せて記録する。このため、記録した波形から弾性波の初動を検出し、この検出した初動と記録した時刻情報とを対比することで、各弾性波発振装置４１から発振された弾性波ごとに、弾性波受振装置５１が受振した弾性波の受振時刻を求めることが可能となる。
【００７１】
時刻情報受信装置５３は、トンネルＡ坑外に配置されて、時刻情報発信装置（不図示）から発信された時刻情報を受信するものである。時刻情報発信装置は、例えば、ＧＰＳ衛星（不図示）や標準周波数報時局（不図示）などであり、時刻情報受信装置５３は、発振側設備４０の時刻情報受信装置４３と同様に、例えば、ＧＰＳ衛星から発信されたＧＰＳ情報に含まれるＧＰＳ時刻情報を受信する受信装置や、標準周波数報時局から発信された標準電波に含まれる標準時刻情報を受信する受信装置である。
【００７２】
光伝送路５４は、トンネルＡ坑内に延設された光ファイバケーブル５４ａと、光ファイバケーブル５４ａの一端に接続されるとともに時刻情報受信装置５３に接続される光送信機５４ｂと、光ファイバケーブル５４ａの他端に接続されるとともに刻時装置５５に接続される光受信機５４ｃと、により構成されている。そして、時刻情報受信装置５３が時刻情報を受信すると、光送信機１４ｂは、光ファイバケーブル１４ａを通して、この時刻情報を光受信機１４ｃに光伝送する。このため、トンネルＡ坑内に配置された刻時装置５５は、時刻情報受信装置５３が受信した時刻情報を略リアルタイムに取得することができる。
【００７３】
刻時装置５５は、トンネルＡ坑内において波形取得装置５２に接続されており、受信した時刻情報に波形取得装置５２の内部時計を同期させるものである。これにより、波形取得装置５２は、発振側設備４０の時刻情報受信装置５３と同様に時刻情報発信装置から発信された時刻情報を基準として弾性波受振装置５１が受振した弾性波の受振時刻を検出することができ、発振時刻検出装置４２と波形取得装置５２とを同一の時間軸上に合わせることができる。なお、時刻情報受信装置５３がＧＰＳ衛星から発信されたＧＰＳ時刻情報を受信する場合は、このＧＰＳ時刻情報を基準として弾性波受振装置５１が受振した弾性波の受振時刻を検出することができ、時刻情報受信装置５３が標準周波数報時局から発信された標準時刻情報を受信する場合は、この標準時刻情報を基準として弾性波受振装置５１が受振した弾性波の受振時刻を検出することができる。
【００７４】
そして、解析コンピュータ３０は、発振時刻検出装置４２により検出された各弾性波の発振時刻と、波形取得装置５２により記録された各波形及び時刻情報から求められる弾性波の受振時刻とに基づいて、各弾性波発振装置４１から弾性波受振装置５１に至る弾性波の伝播速度を算出する。そして、解析コンピュータ３０は、この各伝播速度からトモグラフィ解析により切羽前方の弾性波速度分布を生成し、その結果をディスプレイなどに表示する。なお、解析コンピュータ３０による解析手法は、第１の実施形態と同様である。
【００７５】
このように、弾性波発振装置と弾性波受振装置とを入れ替えても、弾性波の伝播経路は第１の実施形態の場合と同様であるため、実施形態１と同様に、切羽前方の地質の硬軟の程度を高精度に把握することができる。
【００７６】
［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態に係る地質探査システムについて説明する。図７は、第４の実施形態に係る地質探査システムを示す縦断面図である。図７に示すように、第４の実施形態に係る地質探査システム４は、基本的に第１の実施形態に係る地質探査システム１と同様であり、時刻の同期手法のみ相違する。このため、以下の説明では、第１の実施形態と相違する部分のみを説明し、第１の実施形態と同様の部分の説明を省略する。
【００７７】
発振側設備１０は、弾性波発振装置１１と、発振時刻検出装置１２と、地中無線送信装置６１と、を備える。
【００７８】
地中無線送信装置６１は、トンネルＡ坑内において発振時刻検出装置１２に接続されており、低周波の電波を用いて地中無線通信を行うものである。
【００７９】
そして、発振時刻検出装置１２は、初動検出センサなどにより弾性波の初動を検出すると、地中無線送信装置６１からトリガ信号を切羽前方の地表部に向けて地中無線により送信する。このトリガ信号は、弾性波の発振時刻であってもよく、単純なパルス信号などであってもよい。
【００８０】
受振側設備２０は、複数の弾性波受振装置２１（２１ａ〜２１ｆ）と、波形取得装置２２と、地中無線受信装置６２と、を備える。
【００８１】
地中無線受信装置６２は、切羽前方の地表部において波形取得装置２２に接続されており、地中無線送信装置６１から地中無線により送信されたトリガ信号を受信して波形取得装置２２に送信するものである。
【００８２】
そして、波形取得装置２２は、地中無線受信装置６２からトリガ信号を受信すると、このトリガ信号を受信した時点における内部時計の時刻を、弾性波発振装置１１から弾性波が発振された発振時刻として記録する。すなわち、地中無線送信装置６１と地中無線受信装置６２とによる地中無線は、弾性波の伝播時間に比べて桁違いに速く無視できることから、波形取得装置２２は、弾性波発振装置１１が弾性波を発振したタイミングと略同じタイミングで、発振時刻を記録することができる。その後、波形取得装置２２は、上述したように、各弾性波受振装置２１から送信された振動の波形と内部時計の時刻情報とを併せて記録する。
【００８３】
このように、波形取得装置２２で弾性波の発振時刻を記録することで、発振時刻と受振時刻との時間軸を一致させることができるため、発振側設備１０の記録情報を介在することなく、弾性波発振装置１１から各弾性波受振装置２１に至る弾性波の伝播時間を高精度に算出することができる。
【００８４】
なお、波形取得装置２２は、地中無線受信装置６２からトリガ信号が転送されるまで波形の記録を停止しており、地中無線受信装置６２から送信された開始信号を受信したタイミングで、各弾性波受振装置２１から送信される波形の記録を開始するようにしてもよい。これにより、波形取得装置２２は、波形の記録した時点を基準として各弾性波受振装置２１が受振した弾性波の受振時刻を求められることから、この受振時刻のみによって弾性波発振装置１１が弾性波を発振してから各弾性波受振装置２１が受振するまでの弾性波の伝播時間を求めることが可能となる。
【００８５】
［第５の実施形態］
次に、第５の実施形態に係る地質探査システムについて説明する。図８は、第５の実施形態に係る地質探査システムを示す縦断面図である。図８に示すように、第５の実施形態に係る地質探査システム５は、基本的に第４の実施形態に係る地質探査システム４と同様であり、発振側設備１０から受振側設備２０にトリガ信号を送信する手法のみ相違する。このため、以下の説明では、第４の実施形態と相違する部分のみを説明し、第４の実施形態と同様の部分の説明を省略する。
【００８６】
地質探査システム５は、第４の実施形態に係る地質探査システム４の地中無線送信装置６１及び地中無線受信装置６２の代わりに、通常の無線通信を行う無線親機７１及び無線子機７２が設けられ、更に、無線親機７１からトンネルＡを抜けて無線子機７２に至る経路上に複数の中継機７３（７３ａ〜７３ｅ）が設置されている。なお、各中継機７３ａ〜７３ｅは、全て同一の構成であるため、以下では、特に指定する場合を除き、中継機７３として説明する。
【００８７】
そして、発振時刻検出装置１２は、初動検出センサなどにより弾性波の初動を検出すると、無線親機７１からトリガ信号を無線送信する。すると、各中継局７３は、このトリガ信号を無線子機７２まで順次転送し、無線子機７２は、転送されてきたトリガ信号を受信して波形取得装置２２に送信する。
【００８８】
無線子機７２から送信されたトリガ信号を受信した波形取得装置２２は、このトリガ信号を受信した時点における内部時計の時刻を、弾性波発振装置１１から弾性波が発振された発振時刻として記録する。すなわち、中継機７３を介した無線親機７１と無線子機７２との間の無線通信は、弾性波の伝播時間に比べて桁違いに速く無視できることから、波形取得装置２２は、弾性波発振装置１１が弾性波を発振したタイミングと略同じタイミングで、発振時刻を記録することができる。その後、波形取得装置２２は、上述したように、各弾性波受振装置２１から送信された振動の波形と内部時計の時刻情報とを併せて記録する。
【００８９】
このように、中継機７３を介した無線通信によりトリガ信号を発振側設備１０の発振時刻検出装置１２から受振側設備２０の波形取得装置２２に送信することでも、第４の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００９０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第１の実施形態では、各弾性波受振装置２１が受振した弾性波の受振時刻は、波形取得装置２２が記録した各波形及び時刻情報に基づいて解析コンピュータ３０が検出するものとして説明したが、波形取得装置２２が検出するものとしてもよい。
【００９１】
なお、各実施形態は、適宜組み合わせることが可能である。例えば、第２の実施形態で説明した弾性波発振装置と弾性波受振装置とを入れ替える配置を、他の実施形態に適用してもよい。また、第３の実施形態で説明した過去の蓄積された情報も含めてトモグラフィ解析を行う手法を、他の実施形態に適用してもよい。
【実施例】
【００９２】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００９３】
まず、実施例に対する比較例として、二次元トモグラフィ解析を行うために、トンネルＡの切羽前方に断層破砕帯Ｂが存在する二次元モデルを作成し、トンネルＡ坑内に１１個の弾性波発振装置１１を直線状に配置し、切羽前方の地表部に１５個の弾性波受振装置２１を直線状に配置した。また、この二次元モデルでは、断層破砕帯Ｂにおける弾性波の伝播速度Ｖｐを３ｋｍ／ｓとし、その他の位置における弾性波の伝播速度Ｖｐを４ｋｍ／ｓとした。そして、各弾性波発振装置１１から各弾性波受振装置２１に至る弾性波の伝播速度をシミュレーションし、二次元トモグラフィ解析により、切羽前方の弾性波速度分布を生成した。図９は、比較例のシミュレーション結果である弾性波速度分布を示しており、この弾性波速度分布から把握される弾性破砕帯をＢ’で示している。
【００９４】
一方、実施例として、三次元トモグラフィ解析を行うために、トンネルＡの切羽前方に断層破砕帯Ｂが存在する三次元モデルを作成し、トンネルＡ坑内に６０個の弾性波発振装置１１を三次元的に配置し、切羽前方の地表部に３６個の弾性波受振装置２１を二次元的に配置した。また、この三次元モデルでは、断層破砕帯Ｂにおける弾性波の伝播速度Ｖｐを３ｋｍ／ｓとし、その他の位置における弾性波の伝播速度Ｖｐを４ｋｍ／ｓとした。そして、各弾性波発振装置１１から各弾性波受振装置２１に至る弾性波の伝播速度をシミュレーションし、三次元トモグラフィ解析により、切羽前方の弾性波速度分布を生成した。図１０は、実施例のシミュレーション結果である弾性波速度分布を示しており、この弾性波速度分布から把握される弾性破砕帯をＢ’で示している。
【００９５】
図９に示すように、比較例では、断層破砕帯Ｂ’の位置や硬軟の程度がある程度把握可能であるが、明瞭であるとは言い難い。また、解析対象断面から外れた位置の地層が不明であるため、弾性波速度分布から把握される断層破砕帯Ｂ’の位置に断層破砕帯が存在するか否かの判断が難しい。
【００９６】
これに対し、図１０に示すように、実施例では、弾性波速度分布が三次元的に表示されるため、解析された断層破砕帯Ｂ’の位置や硬軟の程度を明確に把握することが可能である。しかも、断層破砕帯Ｂ’が広がりを持った領域として示されるため、弾性波速度分布から把握される断層破砕帯Ｂ’の位置に断層破砕帯が存在するか否かの判断を容易に行うことができる。
【符号の説明】
【００９７】
１〜６…地質探査システム、１０…発振側設備、１１（１１ａ〜１１ｃ）…弾性波発振装置、１２…発振時刻検出装置、１３…時刻情報受信装置、１４…光伝送路、１４ａ…光ファイバケーブル、１４ｂ…光送信機、１４ｃ…光受信機、１５…刻時装置、２０…受振側設備、２１（２１ａ〜２１ｆ）…弾性波受振装置、２２…波形取得装置（受振時刻検出手段）、２３…時刻情報受信装置、２４…刻時装置、２６…地中無線受信装置、３０…解析コンピュータ（受振時刻検出手段、解析手段）、４０…発振側設備、４１（４１ａ〜４１ｆ）…弾性波発振装置、４２…発振時刻検出装置、４３…時刻情報受信装置、４４…刻時装置、５０…受振側設備、５１…弾性波受振装置、５２…波形取得装置（受振時刻検出手段）、５３…時刻情報受信装置、５４…光伝送路、５４ａ…光ファイバケーブル、５４ｂ…光送信機、５４ｃ…光受信機、５５…刻時装置、６１…地中無線送信装置、６２…地中無線受信装置、７１…無線親機、７２…無線子機、７３（７３ａ〜７３ｅ）…中継機、Ａ…トンネル、Ｂ…断層破砕帯。
【図１】
0005679804.tif 000004
【図２】
0005679804.tif 000005
【図３】
0005679804.tif 000006
【図４】
0005679804.tif 000007
【図５】
0005679804.tif 000008
【図６】
0005679804.tif 000009
【図７】
0005679804.tif 000010
【図８】
0005679804.tif 000011
【図９】
0005679804.tif 000012
【図１０】
0005679804.tif 000013