(57)【要約】【課題】本発明は、簡略な構成でより正確に切羽前方部の地山状況を探査できる弾性波を用いた切羽前方探査方法を提供する。【解決手段】切羽前方探査方法は、トンネル１の側壁に複数の発振点３を設けるとともに、該発振点３を挟んで切羽１ａの近傍と坑口１ｂ近傍の両者に受振点３を備えることにより、切羽１ａの前方部の反射面１３及び既施工区間の後方地質不連続面１３ｂからの反射波を同時に測定して切羽前方探査及び切羽後方探査を同時に行い、切羽後方探査の解析結果と、後方地質不連続面１３ｂに関する既知情報とを比較してずれを評価し弾性波速度を補正した上で、補正した弾性波速度を用いて切羽１ａ前方の反射面１３を再解析することにより、切羽１ａ前方の反射面１３について、地質不連続面としての規模や性状を、より正確に推定するものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
既施工区間に、出現位置や規模、性状に係る既知情報を得ている地質不連続面を有するトンネルの切羽前方探査方法であって、
前記トンネルの側壁に、複数の発振点を配置するとともに、該発振点の配置区間を挟んだ坑口近傍及び切羽近傍各々に、切羽前方探査用受振点及び切羽後方探査用受振点を配置する第１の工程と、
前記発振点より地山に弾性波を発生させ、切羽前方探査、及び切羽後方探査を同時に実施する第２の工程と、
切羽後方探査から得た地質不連続面の出現位置と、該地質不連続面の既知情報とのずれを精査し、ずれを補正する弾性波速度を算定した後、
該弾性波速度を用いて切羽前方探査の結果を解析し、切羽前方前に位置する反射面の出現位置や構成要素に係る反射面情報を抽出する第３の工程と、
切羽後方探査から得た前記後方地質不連続面の構成要素に係る後方地質不連続面情報と、該後方地質不連続面に関する既知情報との比較をもとに、第３の工程で抽出した切羽前方に位置する反射面の反射面情報、及び反射面に関する地質不連続面としての規模及び性状を評価する第４の工程により構成されることを特徴とする切羽前方探査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、施工中のトンネルにおいて、切羽前方の地山状況を弾性波を用いて探査する切羽前方探査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、トンネル切羽前方部の地質状況を推定する地質探査方法として、図８に示すように、複数の発振点１５から地山に弾性波を発生させ、反射面１４での反射波を坑口近傍に位置する１点の受振点１６で受振するＴＳＰ法や、図９に示すように、１点の発振点１５から地山に弾性波を発生させ、反射面１４での反射波を坑口近傍に位置する複数の受振点１６で受振するＨＳＰ法等の、弾性波反射法を適用する現場が増加している。
弾性波反射法による地質探査方法は、トンネル坑壁で少量の火薬を爆発させ、これによって地山に生じた直接波および反射波を、高感度の地震計によって受振し、ここで得られた地震波から反射波を抽出して地質不連続面の位置を推定し、その方向をトンネル方向に延長することで地質不連続面となっている断層や地質境界などの出現位置を推定しようとするものである。
【０００３】
これらは、より正確な地質不連続面の推定を実施することを目的に、例えば特許文献１に示すように、発振点の位置と振動計の位置を従来の位置から変更する等、様々な方法が考案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１２２６７３号公報（図１参照）
【０００５】
上述する弾性波反射法による探査の可能な対象は、地質不連続面の前後で音響インピーダンスが異なる面であり、実際の地質変化としては、断層・破砕帯、貫入岩帯及び層理面などの地質不連続面となる。このとき、抽出される個々の地質不連続面について、出現位置のみならず、反射の強弱を表すパラメータである反射エネルギー（反射強度）や地質硬化の変化パターンも示されることから、探査結果を評価する際には、反射強度の大きさ、硬軟の変化パターンをもとに、地質不連続面の出現の可能性やその規模・性状を評価する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、探査結果の評価において、抽出された地質不連続面の反射強度は、探査範囲内での相対的な評価であることから、実際には断層破砕帯などの急激な地質変化のない地山であっても、亀裂面などの規模の小さな地質不連続面が顕著に現れるため、解釈を誤る可能性がある。
また、切羽前方部に伝播する弾性波の速度は、発振点と受振点間で測定される速度と同一であると仮定して解析する。このため、発振点と受振点間で測定される速度が、掘削によるゆるみの影響を受けたり、地山に低速度帯が存在することにより、実際の地山の弾性波速度とは異なる速度となっていても、この速度によって地質不連続面の位置を算定するため、地質不連続面の推定位置に誤差が生じる。
【０００７】
上記事情に鑑み、本発明は、簡略な構成でより正確に切羽前方部の地山状況を探査できる弾性波を用いた切羽前方探査方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の切羽前方探査方法は、既施工区間に、出現位置や規模、性状に係る既知情報を得ている地質不連続面を有するトンネルの切羽前方探査方法であって、前記トンネルの側壁に、複数の発振点を配置するとともに、該発振点の配置区間を挟んだ坑口近傍及び切羽近傍各々に、切羽前方探査用受振点及び切羽後方探査用受振点を配置する第１の工程と、前記発振点より地山に弾性波を発生させ、切羽前方探査、及び切羽後方探査を同時に実施する第２の工程と、切羽後方探査から得た地質不連続面の出現位置と、該地質不連続面の既知情報とのずれを精査し、ずれを補正する弾性波速度を算定した後、該弾性波速度を用いて切羽前方探査の結果を解析し、切羽前方前に位置する反射面の出現位置や構成要素に係る反射面情報を抽出する第３の工程と、切羽後方探査から得た前記後方地質不連続面の構成要素に係る後方地質不連続面情報と、該後方地質不連続面に関する既知情報との比較をもとに、第３の工程で抽出した切羽前方に位置する反射面の反射面情報、及び反射面に関する地質不連続面としての規模及び性状を評価する第４の工程により構成されることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の切羽前方探査方法を図１から図７に示す。該切羽前方探査方法は、トンネルの側壁に複数の発振点を設けるとともに、該発振点を挟んで切羽近傍と坑口近傍の両者に受振点を備えることにより、切羽前方探査、及び切羽後方探査を同時に実施し、切羽後方探査の結果から得た既施工区間の地質不連続面の出現位置と、地質不連続面に関する既知情報とを比較してずれを評価し弾性波速度を補正した上で、補正した弾性波速度を用いて切羽前方探査の結果を再解析することにより、切羽前部の反射面について、地質不連続面としての規模や性状を、より正確に推定するものである。
【００１０】
図１（ａ）に示すように、既施工区間に後方地質不連続面１３ｂを有する施工中のトンネル１には、発破孔４が備えられた複数の発振点２が設置されるとともに、該発振点２の配置区間を挟んで、坑口１ｂ近傍及び切羽１ａ近傍の各々の側壁に、受振孔５を備える受振点３が配置されている。このようなトンネル１には、切羽１ａの前方部に位置すると想定される前方地質不連続面１３ａを探査するための探査装置６が装備されている。
なお、前記後方地質不連続面１３ｂは、既施工区間に位置しているため、切羽観察により、出現位置や方向、規模、性状等、構造に係る既知情報を得ている。
また、前記後方地質不連続面１３ｂ及び前方地質不連続面１３ａは、断層・破砕帯、貫入岩帯及び層理面等を示すものであり、地山中に存在し、弾性波を反射する反射面１３である。
【００１１】
該探査装置６は、図２に示すように、受振器７、受振システム８、爆薬９、トリガーボックス１０、発破器１１、及び解析装置１２を備えている。
該発破器１１は、接続されている爆薬９の起爆に係る制御装置であり、該爆薬９は、前記トンネル１の発振点２に備えられた発破孔４に設置されて、起爆することにより地山に弾性波を発生させるものである。
また、受振器７は、前記トンネル１の受振点３に配置される受振孔５に設置され、前記爆薬９により発生した弾性波の、地山に存在する反射面１３から反射した反射波を受振する機器であり、前記受振システム８は、受振器７に接続されて、受振器７が受信した受振信号を記録するものである。
さらに、該前記受振システム８は、トリガーボックス１０を介して前記発破器１１に接続されており、爆薬９の起爆に係るトリガー信号をも記録するものであり、解析装置１２は、該受振システム８から転送された前記受振器７が受信した受振信号及び爆薬９の起爆に係るトリガー信号を用いて、反射面１３の出現位置や、反射面の方向、強度、硬軟の変化パターン等の構成要素を含む反射情報を抽出し、該反射面１３について地質不連続面としての規模や性状を推定するものである。
【００１２】
なお、前記トンネル１は、前記坑口１ｂの近傍及び切羽１ａの近傍の２箇所に受振点３を配置していることから、これら異なる位置に配置された受振点３各々で、前記爆薬９により発生した弾性波の、地山に存在する反射面１３から反射した反射波を同時に受信することを目的に、該探査装置６には、受振器７及び受振システム８を各２台づつ設けている。
また、前記解析装置１２は、受振システム８からのデータ転送を遠隔地で実施できる図示しない受信装置を備えており、解析を現場だけでなく、例えば現場近傍の工事事務所等で実施することができる構成となっている。
【００１３】
上述する探査装置６を用いて施工中のトンネル１における切羽１ａの前方部に位置すると想定される前方地質不連続面１３ａの構造を推定する切羽前方探査方法を、図３に示すフロー図に従って詳述する。
【００１４】
（第１の工程：ステップｓ１）
まず、施工中のトンネル１に対して、発振点２と受振点３を決定し、発破孔４及び受振孔５を配置する。
【００１５】
該発振点２は、図４に示すように、前記トンネル１の側壁に配置するもので、トンネル１の軸線方向に所定の離間間隔をもって複数配置する。なお、該発振点２は、図１（ａ）に示すように、トンネル１の一方の側壁に設ける構成、もしくは図１（ｂ）に示すように、トンネル１の両側壁に設ける構成の何れを用いても良く、これらは、事前地質調査で推定された地質状況を参考に、適宜決定すればよい。また、本実施の形態では、一方の側壁に対して発振点２を２４箇所設けているが、その数量は必ずしもこれにこだわるものではない。
このように決定された該発振点２には、図４に示すように、前記発破孔４が削孔され、その内方に所定量の爆薬９が充填される。
【００１６】
一方、図１に示すように、受振点３は、前記発振点２が配置されている区間を挟んで、切羽１ａの近傍及び坑口１ｂの近傍に設けられ、トンネル１の両側壁に向かい合うように対をなして配置するものである。これらは、図５に示すように、切羽１ａの近傍では既施工区間に位置する後方地質不連続面１３ｂを探査する切羽後方探査用受振点３ａとして、また坑口１ｂの近傍では切羽１ａの前方に位置すると想定される前方地質不連続面１３ａを探査する切羽前方探査用受振点３ｂとして機能するものであり、各々に受振孔５が削孔されてその内方には、図４に示すように、切羽後方探査用受振器７ａ、切羽前方探査用受振器７ｂが設置されることとなる。
【００１７】
このように、前記トンネル１に対して前記測定装置６を配置した後、前記発破器１１を介して爆薬９を爆破させ、地山に弾性波を発生させる。該弾性波は、地山中に存在する断層破砕帯や貫入岩帯、層理面等の地質不連続面を反射面１３として反射し、反射波を生じる。この反射波を前記受振器７で受振するものである。
【００１８】
（第２の工程：ステップｓ２）
次に、発破作業を実施したことにより、前記切羽後方探査用受振器７ａ及び切羽前方探査用受振器７ｂ各々が受信した反射波等の受振信号、及び爆薬９の起爆に係るトリガー信号を、前記受振システム８ａ、８ｂに記録し、切羽前方探査、及び切羽後方探査を同時に開始する。
【００１９】
先にも述べたように、前記トンネル１には、切羽１ａの近傍に切羽後方探査用受振器７ａ、坑口１ｂの近傍に切羽前方探査用受振器７ｂが設置され、図５に示すように、切羽後方探査用受振器７ａでは、既施工区間に存在する後方地質不連続面１３ｂから反射した反射波を受振するとともに、切羽前方探査用受振器７ｂでは、切羽１ａの前方に位置する反射面１３からの反射波を受振する。これらは、１度の発破作業で両者を同時に測定することから、従来の弾性波反射方法による地質探査方法と比較しても、その作業性に支障はない。
【００２０】
次に、第２の工程で、前記受振システム８ａ、８ｂに記録した受振信号、及びトリガー信号を前記解析装置１２に転送して、前記切羽前方探査用受振器７ｂ及び切羽後方探査用受振器７ａ各々が受信した反射波を個別に解析する。これにより、既施工区間に存在する後方地質不連続面１３ｂ、切羽１ａの前方に位置する反射面１３各々に関する出現位置や、方向、反射強度を表すパラメータ、硬軟の変化パターン等の構成要素に関する後方地質不連続面情報、及び反射面情報を抽出する。
【００２１】
このとき、解析過程で設定する波形処理に関する入力パラメーターは両者共通とし、また、解析結果の出力図において、既施工区間に存在する後方地質不連続面１３ｂの解析結果図は、探査方向を坑口１ｂ側として解釈する。
【００２２】
（第３の工程：ステップｓ３）
ところで、先にも述べたように、既施工区間の後方地質不連続面１３ｂは、切羽観察等からその規模や性状等が確認されており、既知情報が既に得られている。したがって、該後方地質不連続面１３ｂの既知情報と、切羽後方探査の解析結果より得られる後方地質不連続面１３ｂの出現位置とを比較して、出現位置にずれが生じているかを確認する。
図６に示すように、既知情報による後方地質不連続面１３ｂの出現位置と、切羽後方探査の解析結果による後方地質不連続面１３ｂａの出現位置にずれが生じている場合には、これを補正することのできる地山の真の弾性波速度を算出する。
【００２３】
この後、算定した弾性波速度を用いて、切羽前方探査用受振器７ｂが受信した受振信号を再度解析し、反射面１３に関する反射面情報を再抽出する。
なお、該後方地質不連続面１３ｂの既知情報と、切羽後方探査用受振器７ａが受信した受振信号の解析結果を比較して、後方地質不連続面１３ｂの出現位置にずれが生じてない場合には、上述する補正を行う必要はない。
【００２４】
（第４の工程：ステップｓ４）
最後に、切羽前方探査の解析結果より得られる切羽１ａの前方に位置する反射面１３に関する反射面情報を評価する。
第３の工程で算定された、切羽後方探査の解析結果より得られる後方地質不連続面情報には、後方地質不連続面１３ｂの出現位置のみではなく、後方地質不連続面１３ｂの方向、反射強度を表すパラメータ、硬軟の変化パターン等の構成要素に関する様々な情報が得られる。これらを後方地質不連続面１３ｂの既知情報と照らし合わせて、後方地質不連続面情報と、実在の後方地質不連続面１３ｂの規模や性状との関係を把握する。
【００２５】
この後、図７に示すように、後方地質不連続面情報と、実在の後方地質不連続面１３ｂの規模や性状との関係をもとに、第３の工程で解析した切羽前方探査より得られる反射面情報から、切羽１ａの前方に位置する反射面１３について、位置、方向、さらには前方地質不連続面１３ａとしての規模、及び性状を評価する。
【００２６】
この後、把握した切羽前方部の地山状況を考慮した上で掘削作業を実施し、次の探査区間に達した際には、新たな探査区間に対して、上述する手順を再度繰り返せばよい。
【００２７】
上述する構成によれば、既施工区間に存在する後方地質不連続面１３ｂからの反射波を解析する切羽後方探査と、切羽１ａの前方に位置する反射面１３からの反射波を解析する切羽前方探査を、１度の発破作業より同時に測定することが可能であるため、従来の弾性波反射方法による地質探査方法と比較しても、発破数を増やす必要が無く、測定時間にも変化がないため、作業性やコストを維持した状態で、切羽前方探査の精度を向上することが可能となる。
【００２８】
既施工区間に存在する後方地質不連続面１３ｂの出現位置を、切羽観察で知り得た既知情報と、切羽後方探査による解析結果とで比較し、ずれが生じている場合には、これを補正する弾性波速度を算定することから、地山の弾性波速度が、発破孔から受振孔区間の弾性波速度と異なる場合にも、切羽１ａの前方に出現する前方地質不連続面の出現位置を、より正確に推定することが可能となる。
また、地山の弾性波速度を求めるために、地表とトンネル１の坑内の間での弾性波探査を実施したり、新たに水平ボーリング孔を設けて、トンネル１の坑壁との間で弾性波探査を行う等の必要がない。
【００２９】
既施工区間に存在する後方地質不連続面１３ｂに関する方向、反射強度、硬軟の変化パターン等の構成要素について、切羽観察で知り得た既知情報と、切羽後方探査による解析結果との関係を把握し、これを切羽１ａの前方に位置する反射面１３に関する方向、反射強度、硬軟の変化パターン等の構成要素を比較することから、反射面１３について、前方地質不連続面１３ａとしての規模や性状に関してより具体的な評価が可能となり、探査精度の向上を図ることが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１記載の切羽前方探査方法によれば、既施工区間に、出現位置や規模、性状に係る既知情報を得ている地質不連続面を有するトンネルの切羽前方探査方法であって、前記トンネルの側壁に、複数の発振点を配置するとともに、該発振点の配置区間を挟んだ坑口近傍及び切羽近傍各々に、切羽前方探査用受振点及び切羽後方探査用受振点を配置する第１の工程と、前記発振点より地山に弾性波を発生させ、切羽前方探査、及び切羽後方探査を同時に実施する第２の工程と、切羽後方探査から得た地質不連続面の出現位置と、該地質不連続面の既知情報とのずれを精査し、ずれを補正する弾性波速度を算定した後、該弾性波速度を用いて切羽前方探査の結果を解析し、切羽前方前に位置する反射面の出現位置や構成要素に係る反射面情報を抽出する第３の工程と、切羽後方探査から得た前記後方地質不連続面の構成要素に係る後方地質不連続面情報と、該後方地質不連続面に関する既知情報との比較をもとに、第３の工程で抽出した切羽前方に位置する反射面の反射面情報、及び反射面に関する地質不連続面としての規模及び性状を評価する第４の工程により構成される。
【００３１】
これにより、既施工区間に存在する後方地質不連続面からの反射波を解析する切羽後方探査と、切羽の前方に位置する反射面からの反射波を解析する切羽前方探査を、１度の発破作業より同時に測定することが可能であるため、従来の弾性波反射方法による地質探査方法と比較しても、発破数を増やす必要が無く、測定時間にも変化がないため、作業性やコストを維持した状態で、切羽前方探査の精度を向上することが可能となる。
【００３２】
既施工区間に存在する後方地質不連続面の出現位置を、切羽観察で知り得た既知情報と、切羽後方探査による解析結果とで比較し、ずれが生じている場合には、これを補正する弾性波速度を算定することから、地山の弾性波速度が、発破孔から受振孔区間の弾性波速度と異なる場合にも、切羽の前方に出現する前方地質不連続面の出現位置を、より正確に推定することが可能となる。
また、地山の弾性波速度を求めるために、地表とトンネルの坑内の間での弾性波探査を実施したり、新たに水平ボーリング孔を設けて、トンネルの坑壁との間で弾性波探査を行う等の必要がない。
【００３３】
既施工区間に存在する後方地質不連続面に関する方向、反射強度、硬軟の変化パターン等の構成要素について、切羽観察で知り得た既知情報と、切羽後方探査による解析結果との関係を把握し、これを切羽１ｂの前方に位置する反射面に関する方向、反射強度、硬軟の変化パターン等の構成要素を比較することから、反射面について、前方地質不連続面としての規模や性状に関してより具体的な評価が可能となり、探査精度の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る切羽前方探査方法の発振点及び受振点の配置を示す図である。
【図２】本発明に係る切羽前方探査方法の探査装置を示す図である。
【図３】本発明に係る切羽前方探査方法のフロー図を示す図である。
【図４】本発明に係る切羽前方探査方法のトンネル内の探査装置の配置状況を示す図である。
【図５】本発明に係る切羽前方探査方法の反射波の受振位置を示す図である。
【図６】本発明に係る切羽前方探査方法による地盤不連続面の出現位置の補正を示す図である。
【図７】本発明に係る切羽前方探査方法による地盤不連続面の探査結果を示す図である。
【図８】従来の地質探査方法を示す図である（ＴＳＰ探査方法）。
【図９】従来の地質探査方法を示す図である（ＨＳＰ探査方法）。
【符号の説明】
１  トンネル
１ａ  切羽前方
１ｂ  坑口
２  発振点
３  受振点
４  発破孔
５  受振孔
６  探査装置
７  受振器
８  受振システム
９  爆薬
１０  トリガーボックス
１１  発破器
１２  解析装置
１３  反射面
１３ａ  前方地質不連続面
１３ｂ  後方地質不連続面
１４  反射面
１５  発振点
１６  受振点
【図１】
2004346567.tif 000003
【図２】
2004346567.tif 000004
【図３】
2004346567.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004346567.tif 000008
【図７】
2004346567.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004346567.tif 000011