(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの内面に設置された複数の起振手段を作動させ、該各起振手段によって前記トンネルを取り囲む地盤に伝播された弾性波を前記内面に設置された受振手段で反射波データとしてそれぞれ受振し、該反射波データを解析することにより、前記トンネルの切羽前方に拡がる地山を探査するトンネル切羽の前方探査方法において、
前記トンネル近傍における前記地盤内の弾性波速度を評価して基準弾性波速度とし、
前記反射波データと前記基準弾性波速度とを用いて前記地盤内の反射強度分布を作成し、
前記反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分してそれぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとし、
前記不均質ゾーンと前記均質ゾーンとの境界における反射強度を、前記切羽から見て前記不均質ゾーンから前記均質ゾーンへと変化する境界の場合には、波形極性が、軟質材料内を進んできた弾性波が硬質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出する一方、前記切羽から見て前記均質ゾーンから前記不均質ゾーンへと変化する境界の場合には、波形極性が、硬質材料内を進んできた弾性波が軟質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出し、
前記強度算出ステップで算出された各境界での反射強度を、反射係数と反射強度との間で得られている対応関係に照合することで、前記各境界での反射係数を求め、
前記各境界での反射係数を用いて前記不均質ゾーン及び前記均質ゾーンにおける弾性波速度を修正弾性波速度として算出し、
該修正弾性波速度を用いてトンネル軸線上での前記各境界の位置を修正することを特徴とするトンネル切羽の前方探査方法。
【請求項２】
前記修正弾性波速度のうち、Ｐ波速度Ｖp及びＳ波速度Ｖsを用いてそれらの比Ｖp／Ｖsを算出する請求項１記載のトンネル切羽の前方探査方法。
【請求項３】
前記受振手段を互いに直交する３成分が計測できるように構成するとともに、該３成分のうち、１つが鉛直方向又はトンネル軸線に直交しかつ該トンネル軸線を含む鉛直面と平行になるように、残り２つがいずれもトンネル軸線と非平行になるように前記受振手段を配置した請求項１又は請求項２記載のトンネル切羽の前方探査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として山岳トンネルの地山を掘削する際に採用されるトンネル切羽の前方探査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
山岳トンネルを掘削するにあたり、切羽前方に拡がる地山の性状を適切かつ高い精度で把握することは、支保工及び補助工を含めた掘削工事全体を効率よくかつ安全に進めていく上で非常に重要である。
【０００３】
トンネル切羽前方探査を行う技術として、ドリルジャンボ（パーカッション型削孔機）やノンコア先進ボーリングマシン（ロータリー・パーカッション型削孔機）を利用したノンコア削孔による穿孔探査が実用化されており、打撃ピストンで発生させた打撃エネルギーをロッドを介して先端の掘削ビットに伝達し、該ビットで岩盤を削孔することによって、削孔速度やフィード圧といった削孔時のパラメータを計測するとともに、該削孔時のパラメータを用いて削孔エネルギーの大きさを評価し、前方地山の良否を判断できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１４２６５９号公報
【特許文献２】特開２００１−２４９１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、切羽前方の地山探査は、断層などの脆弱層を対象とするだけでは不十分であって、掘削工事における安全性や作業効率の面では、湧水箇所の特定もきわめて重要であるところ、上述したノンコア削孔による穿孔探査は、前方地山に存在する脆弱層を予測することはできても、出水を起こさせることなく湧水箇所を予測することは困難であるという問題を生じていた。
【０００６】
ちなみに、湧水箇所の予測方法としては、水抜き先進ボーリングや地山の電気探査あるいは電磁探査が知られているが、前者の方法では、多くの費用と長時間のトンネル掘削中断を余儀なくされ、後者の方法では、十分な精度が確保できるには至っていない。
【０００７】
一方、TSP(Tunnel Seismic Prediction)、HSP(Horizontal Seismic Profiling)、反射トモグラフィー(TRT, True Reflection Tomography)といった弾性波の反射波を利用して切羽前方の探査を行う、いわゆる坑内弾性波探査も知られている（特許文献１，２）。
【０００８】
しかしながら、かかる坑内弾性波探査では、トンネル坑内に設置された起振点で起振した後、同じトンネル坑内に設置された受振点で反射波を受振することにより、トンネル切羽の前方地山に存在する反射面をある程度推定することができるものの、実際の地山の良否に対応する形で反射面を特定することは必ずしも容易ではない。
【０００９】
加えて、湧水場所を予測するという点では、ノンコア削孔による穿孔探査と同様、従来の坑内弾性波探査でもやはり困難であるという問題も生じていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、トンネル切羽の前方地山に存在する反射面を、実際の地山の良否に対応する形で特定することが可能なトンネル切羽の前方探査方法を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、断層などの脆弱層のみならず、湧水箇所についてもその存在位置を予測可能なトンネル切羽の前方探査方法を提供することを目的とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係るトンネル切羽の前方探査方法は請求項１に記載したように、トンネルの内面に設置された複数の起振手段を作動させ、該各起振手段によって前記トンネルを取り囲む地盤に伝播された弾性波を前記内面に設置された受振手段で反射波データとしてそれぞれ受振し、該反射波データを解析することにより、前記トンネルの切羽前方に拡がる地山を探査するトンネル切羽の前方探査方法において、
前記トンネル近傍における前記地盤内の弾性波速度を評価して基準弾性波速度とし、
前記反射波データと前記基準弾性波速度とを用いて前記地盤内の反射強度分布を作成し、
前記反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分してそれぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとし、
前記不均質ゾーンと前記均質ゾーンとの境界における反射強度を、前記切羽から見て前記不均質ゾーンから前記均質ゾーンへと変化する境界の場合には、波形極性が、軟質材料内を進んできた弾性波が硬質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出する一方、前記切羽から見て前記均質ゾーンから前記不均質ゾーンへと変化する境界の場合には、波形極性が、硬質材料内を進んできた弾性波が軟質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出し、
前記強度算出ステップで算出された各境界での反射強度を、反射係数と反射強度との間で得られている対応関係に照合することで、前記各境界での反射係数を求め、  
前記各境界での反射係数を用いて前記不均質ゾーン及び前記均質ゾーンにおける弾性波速度を修正弾性波速度として算出し、
該修正弾性波速度を用いてトンネル軸線上での前記各境界の位置を修正するものである。
【００１３】
また、本発明に係るトンネル切羽の前方探査方法は、前記修正弾性波速度のうち、Ｐ波速度Ｖp及びＳ波速度Ｖsを用いてそれらの比Ｖp／Ｖsを算出するものである。
【００１４】
また、本発明に係るトンネル切羽の前方探査方法は、前記受振手段を互いに直交する３成分が計測できるように構成するとともに、該３成分のうち、１つが鉛直方向又はトンネル軸線に直交しかつ該トンネル軸線を含む鉛直面と平行になるように、残り２つがいずれもトンネル軸線と非平行になるように前記受振手段を配置したものである。
【００１５】
従来から知られている坑内弾性波探査のうち、HSPは、石油開発などの資源探査が目的である関係上、水平成層地盤が対象になっているとともに、起振手段や受振手段の配列あるいは反射波の解析手順も、地盤が水平成層構造であることが前提となっているため、断層破砕帯や亀裂集中帯が縦横斜めに複雑に交錯する山岳地帯に適用することは本来的に難しい。
【００１６】
また、坑内弾性波探査は、山岳地帯への適用が可能であるものの、反射面が数多く得られる場合がほとんどであって、その場合、どの反射面が、良質な地山と断層破砕帯や亀裂集中帯との境界になるのか、実際には特定が困難である。
【００１７】
本出願人は、この点に着眼して研究開発を重ねたところ、反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分してそれぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとすることで、断層破砕帯や亀裂集中帯といった脆弱層をより適切に発見できるというあらたな知見を得るに至った。
【００１８】
すなわち、本発明に係るトンネル切羽の前方探査方法においては、トンネルの内面に設置された複数の起振手段を作動させ、該各起振手段によってトンネルを取り囲む地盤に伝播された弾性波を上述のトンネル内面に設置された受振手段で反射波データとしてそれぞれ受振し、該反射波データを解析することにより、トンネルの切羽前方に拡がる地山を探査するにあたり、まず、トンネル近傍における地盤内の弾性波速度を評価して基準弾性波速度とする。
【００１９】
基準弾性波速度は、各起振手段によって伝播された弾性波を直接波として受振手段で受振することで評価が可能である。
【００２０】
次に、反射波データと基準弾性波速度とを用いて地盤内の反射強度分布を作成する。
【００２１】
受振手段で受振された反射波は、受振手段が設置された位置と起振手段が設置された位置とをそれぞれ焦点とし、該反射波の伝播距離を各焦点からの距離の和とした楕円上のいずれかの地点で反射された波であり、伝播距離は、起振されてからの経過時間に基準弾性波速度を乗じて求めることができる。
【００２２】
すなわち、弾性波が反射した可能性がある地点は、その反射波の時刻歴観測波形を用いてトンネル周囲に描かれた、互いに径が異なる多数の楕円上の位置として表すことが可能であり、さらに複数の起振手段からそれぞれ伝播された弾性波に対しても、同様に取り扱うことができる。
【００２３】
したがって、トンネル周囲の地盤がメッシュ状あるいは格子状に分割された解析モデルを作成した上、各時刻における反射波の振幅を、反射強度を示す指標として、上述した解析モデルの格子点と楕円とが一致する箇所にスタック（重合）するとともに、このスタックを全ての起振手段について行うことにより、実際に反射が生じている地点に相当する格子点では、振幅が加算されて大きな値となり、実際に反射が生じていない地点に相当する格子点では、振幅が相殺されて小さな値となる反射強度分布が出来上がる。
【００２４】
なお、反射強度分布の作成手順自体は、坑内弾性波探査概念その他公知の技術によって実施可能であるので、より詳細な説明についてはここでは省略する。
【００２５】
次に、反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分し、それぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとする。
【００２６】
上述したように、反射強度分布は、反射波の振幅が反射強度として各格子点に重合されたものであるが、本出願人が上述した反射波の解析を行いつつ、実際の地山状況を確認したところ、従来のように反射強度が大きな箇所の線状の連なりがそれぞれ反射面であるとして取り扱うよりも、反射強度の大きい箇所が密に分布するゾーン全体を断層破砕帯や亀裂集中帯とみなし、そうでないゾーンとの境界を地質的な反射面、すなわち岩相、風化変質帯、断層などの地質境界として取り扱った方が、実際の地山の良否により近いことがわかった。
また、従来技術、例えばTSPにおいては、反射強度の大きい反射面が数多く自動検出されるものの、反射面前後での弾性波速度を評価することは困難であるところ、本発明によれば、上述したゾーニングで得られた反射面を境界として弾性波速度の増減を行うことができるため、より精度の高い前方探査が可能になる。
【００２７】
ここで、反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとは、反射強度の大きな地点は存在するがその密度が粗い場合、反射強度の小さな地点が密に分布しているに過ぎない場合、及び反射強度の小さな地点が粗い密度で存在しているに過ぎない場合（実質的な反射が観測されない場合も含む）を意味する。
【００２８】
次に、不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界における反射強度を以下のように算出する。すなわち、
(a)切羽から見て不均質ゾーンから均質ゾーンへと変化する境界の場合
波形極性が、軟質材料内を進んできた弾性波が硬質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出する
(b)切羽から見て均質ゾーンから不均質ゾーンへと変化する境界の場合
波形極性が、硬質材料内を進んできた弾性波が軟質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出する
例えば、(a)の場合、振幅の極性が正となる反射波だけを対象として、反射強度を算出し、(b)の場合、振幅の極性が負となる反射波だけを対象として、反射強度を算出する。反射強度は、例えば各境界における振幅値の平均という形で算出すればよい。
【００２９】
次に、上述のように算出された各境界での反射強度を、反射係数と反射強度との間で予め得られている対応関係に照合することで、各境界での反射係数を求める。
【００３０】
反射係数は、境界を挟む２つの地盤構成材料の硬さの比に主として左右されるものであって、反射強度との間に必ずしも明確な対応関係は発見されていないが、起振手段のエネルギーや均質ゾーンと不均質ゾーンとを構成する各地盤構成材料が概ね一定の条件下であれば、他のトンネル現場で得られた反射係数と反射強度との対応関係を用いることが可能である。
【００３１】
次に、各境界での反射係数を用いて不均質ゾーン及び均質ゾーンにおける弾性波速度を修正弾性波速度として算出する。算出手順は公知のものを採用することが可能であり、例えば石井吉徳による近似式を用いることができる。
【００３２】
次に、算出された修正弾性波速度を用いて、トンネル軸線上での各境界の位置を修正する。
【００３３】
上述の手順に従えば、トンネルの切羽前方に存在する脆弱層の位置を適切に予測することができるが、修正弾性波速度のうち、Ｐ波速度Ｖp及びＳ波速度Ｖsを用いてそれらの比Ｖp／Ｖsを算出するようにすれば、含水状態が高くなると、Ｐ波速度が影響を受けてその大きさが低下するため、Ｖp／Ｖsが極小値となる位置を湧水箇所として特定することができる。
【００３４】
そのため、トンネル掘削を中断することなくかつ水抜きボーリングのように湧水を発生させることなく、大規模湧水を事前予測するとともに、かかる予測を、排水濁水処理施設の増設や切羽の安定性確保あるいは水抜き導坑の準備といった事前対応に反映させることが可能となる。
【００３５】
起振手段は、トンネル周囲の地盤に弾性波を伝播させることができる限り、具体的構成は任意であって、ハンマーによる叩き操作でもかまわないが、火薬による発破を起振手段とするのが典型例となる。
【００３６】
受振手段は、反射波、場合によってはこれに加えて直接波を受振して波形データを得ることができるものであって、典型的には地震計、特に外形が円筒状をなす孔埋設型の地震センサーで構成することができるが、かかる受振手段を、互いに直交する３成分が計測できるように構成するとともに、該３成分のうち、１つが鉛直方向又はトンネル軸線に直交しかつ該トンネル軸線を含む鉛直面と平行になるように、残り２つがいずれもトンネル軸線と非平行になるように受振手段を配置したならば、切羽前方に位置する脆弱層や湧水箇所を適切に探査することができる。
【００３７】
すなわち、受振手段及び複数の起振手段は、典型的にはトンネル軸線方向に沿ってトンネルの内壁に配列されるため、起振手段から受振手段までの伝播経路を考慮すればわかるように、トンネル軸線方向と平行な反射面は比較的探査されやすいが、トンネル軸線方向と非平行な反射面は、それが直角に近くなるほど探査されにくい。
【００３８】
一方、トンネル掘削においては、切羽前方に存在する反射面、すなわちトンネル軸線と交差する反射面を探査できなければ意味がないため、トンネル軸線方向と非平行な反射面からの反射波をできるだけ高い感度で受振する必要がある。
【００３９】
しかし、互いに直交するｘ，ｙ，ｚの３成分を計測可能な孔埋設型の地震センサーを、材軸方向であるｘ方向が従来のようにトンネルの内壁に直交するように埋設した場合、トンネル軸線に対して斜めに延びる反射面から伝播する反射波は、ｘ方向及びｙ方向と大きく交差するため、どうしてもＳ／Ｎ比が悪くなる。
【００４０】
そこで、受振手段を上述したように配置すると、トンネル軸線に対して斜めに延びる反射面から伝播する反射波をｘ成分あるいはｙ成分でダイレクトに捉えることが可能となり、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施形態に係るトンネル切羽の前方探査方法の実施手順を示したフローチャート。
【図２】火薬５及び地震計６ａ〜６ｅの配置図であり、(a)は平面図、(b)はＡ−Ａ線に沿う横断面図。
【図３】反射波に関する概念図であり、(a)は、地山内で反射した弾性波が反射波として地震計６ｄに到達する例を示した図、(b)は、解析モデルにおいて楕円と格子点との関係を示した図。
【図４】反射強度分布の一例を示した図。
【図５】反射強度分布を、均質ゾーンと不均質ゾーンとに区分するゾーニングを示した概念図。
【図６】図４の反射強度分布をゾーニングした結果を示した図であり、(a)は全体図、(b)は左上部分の拡大図。
【図７】不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界における反射強度を算出している様子を示した図。
【図８】Ｖp／Ｖsを描いたグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明に係るトンネル切羽の前方探査方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００４３】
図１は、本実施形態に係るトンネル切羽の前方探査方法の実施手順を示したフローチャートである。本実施形態に係るトンネル切羽の前方探査方法は図２に示すように、トンネル１の中空空間２に露出する切羽３の前方地山を探査する際に適用されるものであり、上記前方探査を行うにはまず、同図に示すように、トンネル１の内壁４を例えば高さが１ｍ、深さが１．５ｍとなるように水平削孔して装薬孔を形成し、該装薬孔に起振手段を構成する火薬５を装填するとともに、内壁４及び切羽３を、高さが２ｍ、深さが１．５ｍとなるように同様に水平削孔し、該孔内に地震計６ａ〜６ｅを埋設する（ステップ１０１）。
【００４４】
火薬５は、例えば計２０〜３０の個数となるよう、５０ｍ程度の長さにわたって等ピッチで配置すればよい。
【００４５】
地震計６ａ〜６ｅは、互いに直交する３成分が計測できるように構成された円筒状の地震センサーでそれぞれ構成してあり、材軸方向であるｘ方向がトンネル軸線と平行になるように切羽３に設置された地震計６ａと、火薬５が配置された側と同じ側の内壁４に設置された地震計６ｂ〜６ｅとからなる。
【００４６】
ここで、地震計６ｅは、ｘ方向が内壁４に直交するように配置してあるが、地震計６ｂ〜６ｄは、火薬５を起爆することで地盤内に発生した弾性波の反射波が伝播してくる方向を考慮し、ｘ方向及びｙ方向がトンネル軸線方向と４５゜をなすように配置してある。なお、ｚ方向は、すべての地震計６ａ〜６ｅで鉛直下方に位置決めしてある。
【００４７】
次に、火薬５を起爆するとともに、該起爆によって発生した弾性波を地震計６ａ〜６ｅで受振する（ステップ１０２）。
【００４８】
次に、地震計６ａ〜６ｅで受振した観測波形を分析することにより、トンネル１近傍における地盤内の弾性波速度を算出して基準弾性波速度Ｖ0とする（ステップ１０３）。
【００４９】
基準弾性波速度Ｖ0は、上述した観測波形のうち、火薬５の装填位置から直接伝播してきた波、すなわち直接波を用いて算出する。
【００５０】
次に、火薬５の起爆で発生した弾性波のうち、地山内で反射してきた反射波を地震計６ａ〜６ｅの観測波形から取り出し、これら反射波データと上述した基準弾性波速度Ｖ0とを用いて、地盤内の反射強度分布を作成する（ステップ１０４）。
【００５１】
図３(a)は、火薬５の起爆で発生した弾性波が地山内で反射し、反射波として地震計６ｄに到達する例を示した概念図である。同図に示すように、地震計６ｄで受振された反射波は、該地震計が設置された位置と火薬５が装填された位置とをそれぞれ焦点とし、該反射波の伝播距離Ｌを各焦点からの距離の和とした楕円３２上のいずれかの地点で反射された波であり、伝播距離Ｌは、起振されてからの経過時間Ｔに基準弾性波速度Ｖ0を乗じた値、Ｔ・Ｖ0として求めることができる。
【００５２】
すなわち、弾性波が反射した可能性がある地点は、地震計６ｄで受振された反射波の時刻歴観測波形３１を用いてトンネル１周囲に描かれた、互いに径が異なる多数の楕円３２上の位置として表すことができる。
【００５３】
そして、上述の取り扱いは、他の火薬５による起振についても同様に成り立つ。
【００５４】
したがって、同図(b)のように、トンネル１周囲の地盤がメッシュ状あるいは格子状に分割された解析モデル３３を作成した上、各時刻における反射波の振幅を、反射強度を示す指標として、上述した楕円３２上に一致する格子点にスタック（重合）するとともに、このスタックを全ての火薬５による起振について行うことにより、実際に反射が生じている地点に相当する格子点では、振幅が加算されて大きな値となり、実際に反射が生じていない地点に相当する格子点では、振幅が相殺されて小さな値となる反射強度分布が出来上がる。
【００５５】
解析モデルの格子寸法については、弾性波速度が３，０００ｍ／ｓ、振動数が３００Ｈｚとすると、波長が１０ｍになることから、該格子寸法を２ｍ程度に設定すれば、反射強度分布を十分な精度で作成することが可能である。
【００５６】
図４は、反射強度分布の一例を示したものであって、同図の例では、切羽３に設置された地震計６ａのｘ方向（同図矢印方向）に沿った振幅値を、正が濃色、負が淡色となるように描いてあり、トンネル１の掘削方向は、向かって左方向になっている。なお、本実施形態では、図面の便宜上、正が濃色、負が淡色となるように描いたが、例えば正が黒、負が赤となるようにカラー表示すれば、振幅値の正負を明確に視認することができる。
【００５７】
次に、反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分し、それぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとする（ステップ１０５）。
【００５８】
図５は、このようなゾーニングを概念図で示したものであり、均質ゾーンを図形５１で、不均質ゾーンを図形５２でそれぞれ示してある。また、図６(a)は、図４で説明した反射強度分布に対し、上述のゾーニングを適用した結果を示したものであり、同図(b)は、同図(a)の左上部分を拡大したものである。
【００５９】
図６(b)でよくわかるように、ステップ１０４で作成された反射強度分布においては、反射強度の大きな地点を示すプロットが密に集まっているゾーンと、そのようなプロットがほとんど存在しない空白のゾーンとが互い違いに存在しており、前者を不均質ゾーン、後者を均質ゾーンとする。
【００６０】
上述したように、反射強度分布は、反射波の振幅が反射強度として各格子点に重合されたものであるが、従来のように、反射強度が大きな箇所の線状の連なり、図６(b)で言えば、左下から右上に向かって延びる線状の連なりがそれぞれ反射面であるとして取り扱うのではなく、本実施形態では、同図(b)にも記したように、反射強度の大きい箇所が密に分布するゾーン全体を断層破砕帯や亀裂集中帯と考えてこれを不均質ゾーンとするとともに、反射強度の大きい箇所を示すプロットがほとんど存在しない空白のゾーンを均質ゾーンとし、これらの境界を、岩相、風化変質帯、断層などの地質境界として取り扱う。
【００６１】
均質ゾーンであるのか不均質ゾーンであるのかは、例えば反射強度分布を画像処理で二値化することにより、反射強度が大きな箇所であるプロットを黒画素に変換し、次いで、全画素数に対する黒画素の数の比率を算出して適当な閾値と比較照合することで判定が可能である。
【００６２】
次に、図７に示すように不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界における反射強度を以下のように算出する（ステップ１０６）。
【００６３】
具体的には、
(a)切羽３から見て不均質ゾーンから均質ゾーンへと変化する境界の場合には、該境界付近に存在するプロットの反射強度のうち、波形極性が、軟質材料内を進んできた弾性波が硬質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象とし、これらの平均値を算出する。
(b)切羽３から見て均質ゾーンから不均質ゾーンへと変化する境界の場合には、該境界付近に存在するプロットの反射強度のうち、波形極性が、硬質材料内を進んできた弾性波が軟質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象とし、これらの平均値を算出する。
【００６４】
例えば、(a)の場合、振幅の極性が正となる反射波だけを対象として、反射強度の平均値を算出し、(b)の場合、振幅の極性が負となる反射波だけを対象として、反射強度の平均値を算出する。
【００６５】
次に、上述のように算出された各境界での反射強度を、反射係数と反射強度との間で予め得られている対応関係に照合することにより、各境界での反射係数を求める（ステップ１０７）。
【００６６】
反射係数と反射強度との間には、必ずしも明確な対応関係は発見されていないが、火薬５による起振のエネルギーや均質ゾーンと不均質ゾーンとを構成する各地盤構成材料が概ね一定の条件下であれば、他のトンネル現場で得られた反射係数と反射強度との対応関係を用いることができる。
【００６７】
次に、各境界での反射係数を用いて不均質ゾーン及び均質ゾーンにおける弾性波速度を修正弾性波速度として算出する（ステップ１０８）。
【００６８】
算出手順は公知のものを採用することが可能であり、例えば石井吉徳による近似式を用いることができる。
【００６９】
一方、ステップ１０５で求めた不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界をトンネル軸線方向に延長することで、トンネル軸線上における不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界位置を求めておく（ステップ１０９）。
【００７０】
具体的には、図６(a)に示したように、ステップ１０５で求めた不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界における楕円の接線をトンネル軸線方向に延長し、該トンネル軸線との交差箇所（同図では正方形状のプロット）を、トンネル軸線上における不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界位置とすればよい。
【００７１】
次に、ステップ１０８で算出された修正弾性波速度を用いて、ステップ１０９で得られたトンネル軸線上での各境界の位置を修正する（ステップ１１０）。
【００７２】
各境界位置を修正するにあたっては、まず、当初のディフラクションスタック解析の解析図を用いて、切羽３から最初の反射面までの区間長をＤ1として読み取り、次に、次式、
Ｄi = (1+2ｒ1)(1+2ｒ2)・・・・・(1+2ｒ(ｉ−１)) Ｄ′i 
ここで、  
Ｄi：i番目の反射面から(i−1)番目の反射面までの区間長  
D′i：当初のディフラクションスタック解析の解析図から読図されるi番目の反射面から(i−1)番目の反射面までの区間長  
ｒi：i番目の反射面の反射係数  
ｔi：i番目の反射面から(i−1)番目の反射面までの波の伝搬時間  
から、Ｄiを順次求め、最後に、これらを次式、
ΣＤi＝Ｄ1 +Ｄ2 + ・・・・Ｄi 
のように総和することで、切羽からi番目の反射面までの距離を求めればよい。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態に係るトンネル切羽の前方探査方法によれば、反射波の解析によって得られた反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分してそれぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとし、それらの境界を地質的な反射面として取り扱うことにより、切羽３の前方地山に存在する反射面を、実際の地山の良否に対応する形で特定することが可能となる。
【００７４】
また、本実施形態に係るトンネル切羽の前方探査方法によれば、地震計６ｂ〜６ｄを、火薬５を起爆することで地盤内に発生した弾性波の反射波が伝播してくる方向を考慮し、ｘ方向及びｙ方向がトンネル軸線方向と４５゜をなすように配置したので、切羽前方に位置する脆弱層を適切に探査することができる。
【００７５】
すなわち、材軸方向であるｘ方向が従来のようにトンネル１の内壁４に直交するように埋設した場合、トンネル軸線に対して斜めに延びる反射面から伝播する反射波は、ｘ方向及びｙ方向と大きく交差するため、どうしてもＳ／Ｎ比が悪くなるが、上述のように構成したならば、トンネル軸線に対して斜めに延びる反射面から伝播する反射波をｘ成分あるいはｙ成分でダイレクトに捉えることが可能となり、Ｓ／Ｎ比を大幅に高めることが可能となる。
【００７６】
本実施形態では特に言及しなかったが、修正弾性波速度のうち、Ｐ波速度Ｖp及びＳ波速度Ｖsを用いてそれらの比Ｖp／Ｖsを算出するようにしてもよい。
【００７７】
図８は、算出されたＶp／Ｖsを描いたグラフである。Ｐ波速度Ｖp及びＳ波速度Ｖsについては、トンネル軸直交方向に対して斜めとなる方向のうち、火薬５及び地震計６ａ〜６ｅが設置された側からの方向（以下、斜め正面方向）から到来する反射波の場合、地震計６ｂ，６ｄのｘ軸成分と地震計６ｃのｙ軸成分で観測される波形は主としてＰ波であり、地震計６ｂ，６ｄのｙ軸成分と地震計６ｃのｘ軸成分で観測される波形は主としてＳ波である場合が多く、トンネル軸直交方向に対して斜めとなる方向のうち、火薬５及び地震計６ａ〜６ｅが設置された側と反対の側からの方向（以下、斜め背面方向）から到来する反射波の場合、地震計６ｂ，６ｄのｘ軸成分と地震計６ｃのｙ軸成分で観測される波形は主としてＳ波であり、地震計６ｂ，６ｄのｙ軸成分と地震計６ｃのｘ軸成分で観測される波形は主としてＰ波である場合が多いため、反射波の到来方向を考慮しつつ、それぞれの成分ごとに観測波形を分析することで、Ｐ波速度Ｖp及びＳ波速度Ｖsを得ることが可能である。
【００７８】
かかる構成によれば、含水状態が高くなると、Ｐ波が影響を受けてその大きさが低下するため、Ｖp／Ｖsが極小値となる位置を湧水箇所として特定することができる。
【００７９】
そのため、トンネル掘削を中断することなくかつ水抜きボーリングのように湧水を発生させることなく、大規模湧水を事前予測することができるとともに、かかる予測を、排水濁水処理施設の増設や切羽の安定性確保あるいは水抜き導坑の準備といった事前対応に反映させることが可能となる。
【００８０】
また、本実施形態では、地震計６ｂ〜６ｄを、ｘ方向及びｙ方向がトンネル軸線方向と４５゜をなすように、ｚ方向を鉛直下方を向くように配置する構成としたが、ｘ方向及びｙ方向とトンネル軸線方向とがなす角度は必ずしも４５゜である必要はなく、反射波の到来方向を考慮しつつ、０゜より大きく９０゜より小さい範囲で、すなわちｘ方向及びｙ方向がトンネル軸線と非平行となるように設置してかまわない。
【００８１】
なお、トンネル軸線が水平でない場合には、ｚ軸方向がトンネル軸線に直交しかつ該トンネル軸線を含む鉛直面と平行になるように地震計６ｂ〜６ｄを設置すればよい。
【００８２】
また、本実施形態及び上述の変形例では、地震計６ｂ〜６ｄを、ｘ方向及びｙ方向がトンネル軸線方向と非平行となるように配置する構成としたが、受振時のＳ／Ｎ比に問題がないのであれば、各地震計をどのように設置するかは任意であり、従来と同様、ｘ方向及びｙ方向がトンネル軸線方向と平行となるように配置してもかまわない。
【符号の説明】
【００８３】
１            トンネル
３            切羽
４            内壁（トンネル内面）
５            火薬（起振手段）
６ａ〜６ｅ    地震計（受振手段）
５１            均質ゾーン
５２            不均質ゾーン
【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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