(57)【要約】【課題】電磁波を利用して長い探査距離を実現し、かつ地下水面以下でも探査を行うことが可能な地下探査装置および地下探査方法の提供。【解決手段】電磁波Ｗを地中に送信する送信機２と、送信機２から送信され、地中を透過した電磁波Ｗを受信する受信機３と、受信機３により受信した電磁波の速度および振幅の測定値から地中の物性を判定する判定装置としてのＰＣ５とを有し、送信機２または受信機３の一方は地表に配置され、他方は地中の埋設管Ｐ内に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を地中に送信する送信機と、
前記送信機から送信され、前記地中を透過した電磁波を受信する受信機と、
前記受信機により受信した電磁波の速度または走時の測定値から前記地中の物性を判定する判定装置とを有し、
前記送信機または前記受信機の一方は地表に配置され、他方は地中の埋設管内に配置されるものである地下探査装置。
【請求項２】
前記判定装置は、前記電磁波の速度または走時の測定値に加えて前記電磁波の振幅の測定値から前記地中の物性を判定するものである請求項１記載の地下探査装置。
【請求項３】
前記地表および前記地中の埋設管内に配置される前記送信機および前記受信機を同期して走行させる走行装置を有する請求項１または２に記載の地下探査装置
【請求項４】
地表または地中の埋設管内に配置された送信機から電磁波を地中に送信すること、
前記送信機から送信され、前記地中を透過した電磁波を、前記送信機が地表に配置されたものである場合には地中の埋設管内に配置された受信機により受信し、前記送信機が地中の埋設管内に配置されたものである場合には地表に配置された受信機により受信すること、
前記受信機により受信した電磁波の速度または走時の測定値から前記地中の物性を判定すること
を含む地下探査方法。
【請求項５】
前記地中の物性の判定は、前記電磁波の速度または走時の測定値に加えて前記電磁波の振幅の測定値から判定することを特徴とする請求項４記載の地下探査方法。
【請求項６】
前記電磁波の送信および受信は、前記送信機および前記受信機を地表および地中の埋設管内で同期して走行させながら行うことを特徴とする請求項４または５に記載の地下探査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を利用して地下空洞、地下亀裂や地中埋設物等を探査する地下探査装置および地下探査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地下空洞、地下亀裂や地中埋設物等を探査する地下探査技術として、電磁波の反射を利用したレーダー探査が知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。レーダー探査では、電磁波を地下へ向けて発信し、その反射波を測定して解析することにより、地下空洞等を探査する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−１９４６９３号公報
【特許文献２】特開平５−８７９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の電磁波の反射を利用したレーダー探査では、電磁波が乱反射するので減衰が大きく、探査距離が約１．５〜２ｍと短い。また、地下水が存在する場合、電磁波の減衰が非常に大きいため、地下水面以下の探査を行うことができないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明においては、電磁波を利用して長い探査距離を実現し、かつ地下水面以下でも探査を行うことが可能な地下探査装置および地下探査方法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】
【０００６】
本発明の地下探査装置は、電磁波を地中に送信する送信機と、送信機から送信され、地中を透過した電磁波を受信する受信機と、受信機により受信した電磁波の速度または走時の測定値から地中の物性を判定する判定装置とを有し、送信機または受信機の一方は地表に配置され、他方は地中の埋設管内に配置されるものであることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の地下探査方法は、地表または地中の埋設管内に配置された送信機から電磁波を地中に送信すること、送信機から送信され、地中を透過した電磁波を、送信機が地表に配置されたものである場合には地中の埋設管内に配置された受信機により受信し、送信機が地中の埋設管内に配置されたものである場合には地表に配置された受信機により受信すること、受信機により受信した電磁波の速度または走時の測定値から地中の物性を判定することを特徴とする。
【０００８】
これらの発明によれば、地表または地中の埋設管内に配置された送信機から地中に送信された電磁波は、地中を透過して、地中の埋設管または地表に配置された受信機により受信される。このとき、地中を透過する電磁波の速度または走時は、地中の物性に応じて変化するので、受信機により受信した電磁波の速度または走時の測定値に基づいて地中の物性を判定することができる。このように電磁波が地中を透過して受信機により受信される場合、乱反射による電磁波の減衰が少なく、従来の反射式のレーダー探査と比較して数千倍から数万倍の信号強度が得られるので、探査可能距離が長くなる。また、地下水が存在する場合であっても、この地下水を透過して強い信号強度が得られるので、探査を行うことが可能となる。
【０００９】
ここで、走時とは、一般的に震源から発した地震波が観測地点に達するのに要した時間をいうが、本発明においては、電磁波が送信機から送信されてから受信機により受信されるまでに要した時間をいうものとする。すなわち、走時は単位距離を電磁波が通過するのに要する時間であり、速度と同様の概念である。なお、媒質が空気や真空の場合には、速度は速くなり、走時は小さくなる。媒質が水の場合には、速度は遅くなり、走時は大きくなる。
【００１０】
また、上記発明において、地中の物性の判定は、電磁波の速度または走時の測定値に加えて電磁波の振幅の測定値から判定するものであることが望ましい。本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、地中を透過する電磁波の振幅は、地中の物性が変わる際に変化することが分かり、前述のように電磁波の速度または走時の測定値に加えて電磁波の振幅の測定値から判定することで、より正確な物性の判定を行うことが可能となる。
【００１１】
また、本発明の地下探査装置は、地表および地中の埋設管内に配置される送信機および受信機を同期して走行させる走行装置を有することが望ましい。これにより、送信機および受信機を地表および地中の埋設管内で同期して走行させながら電磁波の送信および受信を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
（１）地表または地中の埋設管内に配置された送信機から電磁波を地中に送信し、地中を透過した電磁波を、地中の埋設管内または地表に配置された受信機により受信し、受信した電磁波の速度または走時の測定値から地中の物性を判定する構成により、電磁波を利用して長い探査距離で地下空洞、地下亀裂や地中埋設物等を探査することが可能となり、地下水面以下でも探査を行うことが可能となる。
【００１３】
（２）電磁波の速度または走時の測定値に加えて電磁波の振幅の測定値から地中の物性を判定することにより、より正確な物性の判定を行い、探査精度を向上させることが可能となる。
【００１４】
（３）送信機および受信機を地表および地中の埋設管内で同期して走行させながら電磁波の送信および受信を行うことで、地表からは確認できない地中の埋設管内の送信機または受信機を移動させながら、地下探査を連続して行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態における地下探査装置の概略構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】模擬地盤の断面図である。
【図４】供試体別の塩ビ管、ヒューム管および理論値の走時を比較したグラフを示す図である。
【図５】塩ビ管を埋め込んだ模擬地盤における振幅および走時の測定結果のグラフを示す図である。
【図６】ヒューム管を埋め込んだ模擬地盤における振幅および走時の測定結果のグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は本発明の実施の形態における地下探査装置の概略構成図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００１７】
図１および図２に示すように、本発明の実施の形態における地下探査装置１は、地表に配置されて、電磁波Ｗを地中に送信する送信機２と、埋設管Ｐ内に配置されて、送信機２から送信され、地中を通過した電磁波Ｗを受信する受信機３と、送信機２および受信機３を同期して走行させる走行装置４と、送信機２、受信機３や走行装置４等を制御するコンピュータ（以下、「ＰＣ」と称す。）５とを備える。
【００１８】
ＰＣ５には、判定結果等を表示する表示装置６等が接続されている。また、走行装置４、ＰＣ５や表示装置６は、車両７に搭載されており、探査箇所へ移動して地下探査を行うことが可能となっている。車両７には、走行装置４、ＰＣ５や表示装置６等を動作させるための発電機８が搭載されている。
【００１９】
走行装置４は、送信機２に設けられた車輪２ａ、受信機３に設けられた車輪３ａ、送信機２および受信機３にそれぞれ連結されたワイヤー１０ａ，１０ｂ、ワイヤー１０ａ，１０ｂをガイドするガイドローラ１１ａ，１１ｂ，１１ｃや、ワイヤー１０ａ，１０ｂを巻き取る巻き取りローラ１２等により構成されている。巻き取りローラ１２は図示しないモータにより回転駆動される。
【００２０】
送信機２に設けられた車輪２ａは、電磁波Ｗが地面から地中に対して垂直方向に送信されるように、送信機２の姿勢を維持しながら送信機２を走行させるためのものである。一方、受信機３の車輪３ａは、埋設管Ｐの内面に接触して回転することにより、受信機３の姿勢を送信機２側と平行に維持して受信機３を走行させ、送信機２から地中に送信された電磁波Ｗを垂直に受信させるためのものである。
【００２１】
また、送信機２および受信機３とＰＣ５とは、図示しない信号ケーブルにより接続されている。送信機２は、この信号ケーブルを通じてＰＣ５から電磁波Ｗの送信指示がなされると、地中へ向けて電磁波Ｗを送信する。受信機３は、この送信機２から送信された電磁波Ｗを受信し、受信信号をこの信号ケーブルを通じてＰＣ５へ送る。ＰＣ５は、この受信機３から送られた受信信号から電磁波Ｗの速度および振幅の測定値を算出し、この算出結果に基づいて地中の物性を判定する判定装置として機能するものである。
【００２２】
上記構成の地中探査装置１では、地表に配置された送信機２から電磁波Ｗを地中に送信し、地中を透過した電磁波Ｗを、地中の埋設管Ｐ内に配置された受信機３により受信し、受信機３により受信した電磁波Ｗの速度および振幅の測定値から地中の物性を判定する。このとき、巻き取りローラ１２によりワイヤー１０ａ，１０ｂを巻き取り、送信機２および受信機３を同期して走行させることにより、地下探査を連続して行う。
【００２３】
本実施形態における地中探査装置１では、電磁波Ｗが地中を透過して受信機３により受信されるので、乱反射による電磁波Ｗの減衰が少なく、従来の反射式のレーダー探査と比較して数千倍から数万倍の信号強度が得られるので、探査可能距離が長くなる。また、地中に地下水が存在する場合であっても、この地下水を透過して強い信号強度が得られるので、探査を行うことが可能であり、本実施形態における地中探査装置１では、受信機３により受信した電磁波の速度および振幅の測定値から地中の物性を判定することが可能である。すなわち、本実施形態における地中探査装置１では、電磁波Ｗを利用して長い探査距離で地下空洞、地下亀裂や地中埋設物等を探査することが可能であり、地下水面以下でも探査を行うことが可能である。
【００２４】
なお、本実施形態においては、送信機２を地表に配置し、受信機３を埋設管Ｐ内に配置した構成であるが、送信機２を埋設管Ｐ内に配置し、受信機３を地表に配置した構成とすることも可能である。この場合、埋設管Ｐ内に配置された送信機２から電磁波Ｗを地中に送信し、地中を透過した電磁波Ｗを、地表に配置された受信機３により受信し、受信機３により受信した電磁波Ｗの速度および振幅の測定値から地中の物性を判定することが可能である。
【実施例】
【００２５】
上記実施形態における地中探査装置１を用いて地中の空洞の抽出試験を行った。この試験では、大きく水で充填された空洞（以下、「水空洞」と称す。）と、空気で充填された空洞（以下、「空気空洞」と称す。）との２種類の空洞を想定して行った。これは、臨海部の砂地盤に埋設された埋設管Ｐとしての下水管の破損により、砂と地下水が下水管内に流入した場合、以下の事象が想定されるためである。
（１）先ず下水管上部の砂が下水管に流入することで、下水管近傍に地下水で充填された空洞が形成される。
（２）砂地盤での地下水面下の空洞は上部の剥離崩壊を起こしやすいので，空洞が上部へ進行する。
（３）空洞が地表近くに到達し，ある程度の大きさになると陥没を起こす。
【００２６】
そこで、本実施例では、図３に示す模擬地盤において、供試体としての水（水空洞の模擬）、砂（健全な地盤の模擬）、空気（空気空洞の模擬）を作成して測定を行った。模擬空洞は、ビニルシートで遮水した埋設管Ｐとしての塩ビ管とヒューム管を埋め込んだ水槽に、図３に示したように供試体と砂を入れることで再現した。このとき、供試体の地盤厚に占める割合は、１０％とした。これは比較的小さな空洞を想定したものである。また、地下水を再現するために、全体の１／３の地表から８０ｃｍの位置まで水を入れ、地下水位とした。
【００２７】
まず、理論値の数値実験を行った。ここに、第１層の地下水面上の砂、第２層の地下水面下の砂、供試体に分けて、模擬空洞実験装置での走時の理論値を算出する。一般的な誘電率は、以下の通りである。
乾いた砂；４〜６
湿潤した砂；１０〜３０
水；８１
空気；１
（出典；Ｄａｎｉｅｌｓ，１９９６）
【００２８】
これより、各層の誘電率を次のように置く。
第１層（乾燥から湿潤状態の砂）；誘電率＝４〜３０（平均値１７を採用）
第２層（湿潤状態の砂）；誘電率＝１０〜３０（平均値２０を採用）
供試体の水；誘電率＝８１
供試体の砂；誘電率＝１０〜３０（平均値２０を採用）
供試体の空気；誘電率＝１
【００２９】
電磁波の速度＝光速√（誘電率）から、第１層の電磁波の速度および走時は次のように求められる。
第１層の速度＝０．３／√１７＝０．７２８（ｍ／ｎｓｅｃ）
第１層の走時＝層厚／速度＝０．８／０．７２８＝１０．９９ｎｓｅｃ
【００３０】
同様にして、各層毎の走時を計算した結果を表１に示した。ここで、供試体別の走時＝第１層の走時＋第２層の走時＋各供試体の走時である。また、供試体別の走時において、健全地盤の砂との比を「健全地盤との比」と示した。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
供試体の地盤厚に占める割合は僅か１０％であるが、表１から分かるように健全地盤に比べて走時は水空洞の場合は１０．７％増加し、空気空洞の場合は８．２％減少している。この数値実験結果は、小さな空洞でも検出が可能であることを示唆している。
【００３３】
次に、実測値との比較を行った。模擬空洞実験装置における塩ビ管とヒューム管の実測値と理論値の比較を表２および図４に示した。図４は供試体別の塩ビ管、ヒューム管および理論値の走時を比較したグラフである。なお、塩ビ管およびヒューム管自体の走時は無視している。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
これらの実測値と理論値の比較からわかるように、走時は、水空洞＞健全地盤（砂）＞空気空洞の関係があり、健全地盤との比をみても類似した傾向を示した。
【００３６】
上記の結果から、地表から電磁波を地中へ送信し、地下で透過波を受信して、透過波の走時を測定することにより、塩ビ管およびヒューム管において、理論値と同様に、走時は水空洞＞健全地盤（砂）＞空気空洞の関係があることが分かった。また、健全地盤との比をみても類似した傾向を示すことから、この特性を利用することにより、空気あるいは水で充填された空洞の抽出が可能であることが分かった。
【００３７】
具体的な空洞の有無の判定に用いる閾値については、本数値実験で供試体の地盤厚に占める割合が１０％の時の健全地盤との走時の比が一つの目安となる。すなわち、走時は健全地盤に比べ、水空洞の場合は１０．７％増加し、空気空洞の場合は８．２％減少する。なお、この値は暫定値であり、フィールド試験を積み重ねることによって、信頼性を向上させることが可能である。
【００３８】
なお、上記実施例においては、電磁波の走時の測定値から地中の物性を判定しているが、走時に代えて電磁波の速度の測定値を用いることで、同様に地中の物性を判定することが可能であることは言うまでもない。
【００３９】
また、上記実施例では電磁波の走時の測定値のみから地中の物性を判定しているが、走時の測定値に加えて、振幅の測定値から判定することも可能である。図５は塩ビ管を埋め込んだ模擬地盤における振幅および走時の測定結果を示している。図６はヒューム管を埋め込んだ模擬地盤における振幅と走時との測定結果を示している。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、塩ビ管の振幅の測定値において、空気、砂および水の境界付近に変曲点が現れており、この変曲点の位置が地中の物性が変化する位置であることが分かる。また、同図（ｂ）に示すように走時の測定値は、空気、砂および水で異なっており、地中の物性により異なる値となっている。したがって、これらの測定結果を総合的に判断することで、より正確な物性の判定を行うことが可能となる。
【００４１】
一方、図６（ａ），（ｂ）に示すように、ヒューム管の振幅および走時の測定値においては、図５（ａ），（ｂ）に示す塩ビ管の測定値のような明確な測定結果は得られていないが、振幅および走時の両方の測定結果から総合的に判断することで、物性の判定を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の地下探査装置および地下探査方法は、地下空洞、地下亀裂や地中埋設物等を探査する装置および方法として有用である。特に、本発明は、下水管の破損により、砂と地下水が下水管内に流入した場合に発生する下水管の周辺の空洞を探査する装置および方法として好適である。
【符号の説明】
【００４３】
１  地下探査装置
２  送信機
３  受信機
４  走行装置
５  コンピュータ（ＰＣ）
６  表示装置
７  車両
８  発電機
１０ａ，１０ｂ  ワイヤー
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ  ガイドローラ
１２  巻き取りローラ
【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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