(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルボーリングマシンで地山を掘削してトンネル等の空間を形成する際に切羽前方の地質状況を探査するためのトンネル切羽前方探査方法であって、
前記トンネルボーリングマシンが地山を掘削することにより生じる掘削振動で生じる弾性波を前記トンネルボーリングマシンに受振手段として設置された複数の加速度計により検出するステップと、
前記複数の加速度計により得られた複数のデータに対して相互相関関数を計算することにより前記複数の加速度計における前記弾性波の各到達時刻を得るステップと、
前記各到達時刻と前記複数の加速度計の設置間隔から地山弾性波速度を演算するステップとを有し、
該地山弾性波速度から前記地山の硬堅、軟弱を判別するようにしたことを特徴とするトンネル切羽前方探査方法。
【請求項２】
前記複数の加速度計によって収録された少なくとも２つの収録データに対してＳＷＤの解析方法を適用し、前記地山の弾性波速度を演算する請求項１記載のトンネル切羽前方探査方法。
【請求項３】
先進ボーリング掘削によって地山にトンネル等の空間を掘削形成する際に切羽前方の地質状況を探査するためのトンネル切羽前方探査方法であって、
先進ボーリング掘削のための掘削用ドリルのビットから発生する振動により地山に生じた弾性波を地山に設けた受振手段により受振して収録するステップと、
収録した振動データと前記掘削用ドリルの打撃タイミングを示すタイミングデータとから、前記弾性波が地山を前記掘削用ドリルのビットから前記受振手段まで伝播する伝播時間を得るステップと、
前記伝播時間と、前記掘削用ドリルのドリル・パイプの長さと、前記掘削用ドリルと前記受振手段との間の距離とから前記弾性波の前記地山における弾性波速度を計算するステップとを有し、
前記弾性波速度から前記切羽前方の地質状況を判別するようにしたことを特徴とするトンネル切羽前方探査方法。
【請求項４】
先進ボーリング掘削時に掘削用ドリルのビットから一定周期で振動を発生させるようにした請求項３記載のトンネル切羽前方探査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地山にトンネル等を掘削形成する場合において、掘削面である切羽の前方の未掘削地層の地質状況を探査するためのトンネル切羽前方探査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、地山を掘削してトンネル等の空間を形成する工事を行う場合、トンネル切羽の前方地質状況を調査することにより地山の各部の弾性波速度を推定し、推定された弾性波速度を基準に地山の岩盤等級を区分して、各岩盤等級ごとにトンネルの掘削や支保の対処方法を検討することが行われている。このような調査を行うことによりトンネルの掘削や支保を安全に且つ効率良く施工することができる。
【０００３】
掘削しようとする地山の弾性波速度分布を推定する方法としては、従来から、ボーリング孔を利用して地山の弾性波速度を計測する弾性波速度検層方法が広く用いられている。この方法は、火薬等を用いて地山に人工的に振動を生じさせることにより弾性波（地震波）を発生させ、その弾性波を所定の測定点において計測することにより地山の弾性波速度分布を推定する方法である。その代表的な方法として、ボーリング孔口近傍で振動を発生させボーリング孔内に複数設置した振動計により弾性波を測定する方法、ボーリング孔内において複数回の振動を発生させボーリング孔口近傍に設置した振動計により測定する方法などが公知である。
【０００４】
ところで、近年、トンネルの大断面掘削や高速掘削の要求が高まるにつれ、トンネルを施工する場合、円筒状の前胴前部にカッタヘッドを回転自在に設け、該カッタヘッドに地盤を破壊するディスクカッタを多数取り付けて成るトンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと略称する）を用いた機械化施工が多くなってきているが、ＴＢＭを用いたトンネル施工時には、ＴＢＭの水没や軟弱層におけるトラップを避けるために掘削事前の地質情報が必須であり、切羽前方探査の重要性が非常に増大している。掘削事前の地質情報としては、地表踏査や物理探査（電気探査、地震探査など）のデータがある。また、現在、切羽前方の地質を予測する方法として、ＴＳＰ法（地震反射法）やＨＳＰ法、あるいは電磁波反射法を用いた数ｍの切羽近傍探査法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＴＢＭを用いてトンネルを掘削する場合には、施工時に切羽前方の地質をリアルタイムで知る方法が必須となる上、ＴＢＭの掘削速度が速い場合は切羽前方十ｍ〜数十ｍの中間的探査距離を迅速に調査することが重要となる。しかし、掘削事前の地質情報は概査程度と考えられ、ＴＢＭのトラップ層を捉えられない場合が多い。
【０００６】
ＴＳＰ法（地震反射法）は切羽前方１００〜１５０ｍを調査する調査法であるが、切羽を止める必要があり、電磁波反射法は切羽近傍探査であるため、探査深度が数ｍ〜十数ｍと短いという問題点を有している。
【０００７】
また、前述の弾性波速度検層方法のうち、前者の方法では、複数個の振動計をボーリング孔内に設置しなければならないため、その作業は煩雑であり、かつ探査に非常に時間がかかっていた。さらに、上記振動計は非常に高価であるが、孔内崩れなどで回収が困難になるトラブルも多く発生していた。また、後者の方法では、ボーリング孔の先端部より順次火薬震源を挿入するためのロッドを出し入れする必要があり、測定に時間がかかっていた。また、いずれにしても、爆薬を使用する場合が多く、手続きや取扱いで制限を受ける。
【０００８】
このように、ＴＢＭの掘削速度が速い場合は、切羽前方十ｍ〜数十ｍの中間的探査距離を迅速に調査することが重要となるにも拘らず、このような調査方法は未だ開発されていないのが現状である。
【０００９】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができるトンネル切羽前方探査方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明によれば、トンネルボーリングマシンで地山を掘削してトンネル等の空間を形成する際に切羽前方の地質状況を探査するためのトンネル切羽前方探査方法であって、前記トンネルボーリングマシンが地山を掘削することにより生じる掘削振動で生じる弾性波を前記トンネルボーリングマシンに受振手段として設置された複数の加速度計により検出するステップと、前記複数の加速度計により得られた複数のデータに対して相互相関関数を計算することにより前記複数の加速度計における前記弾性波の各到達時刻を得るステップと、前記各到達時刻と前記複数の加速度計の設置間隔から地山弾性波速度を演算するステップとを有し、該地山弾性波速度から前記地山の硬堅、軟弱を判別するようにしたトンネル切羽前方探査方法が提案される。
【００１１】
掘削振動により生じた弾性波は地山内を球面状に伝播して切羽前方の弾性波反射面または何等かの反射体により反射されるか、或いは回り込んでＴＢＭに戻ってくる。このＴＢＭに戻ってきた弾性波を受振手段で収録して弾性波速度を演算し、弾性波速度が速い場合は地山は硬堅、遅い場合は地山は軟弱と判断することができる。ＴＢＭの掘削動作により生じる掘削振動を利用するので、特に弾性波発生装置を必要としないという利点がある。
【００１２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記複数の加速度計によって収録された少なくとも２つの収録データに対してＳＷＤの解析方法を適用し、前記地山の弾性波速度を演算するトンネル切羽前方探査方法が提案される。
【００１３】
請求項３の発明によれば、先進ボーリング掘削によって地山にトンネル等の空間を掘削形成する際に切羽前方の地質状況を探査するためのトンネル切羽前方探査方法であって、先進ボーリング掘削のための掘削用ドリルのビットから発生する振動により地山に生じた弾性波を地山に設けた受振手段により受振して収録するステップと、収録した振動データと前記掘削用ドリルの打撃タイミングを示すタイミングデータとから、前記弾性波が地山を前記掘削用ドリルのビットから前記受振手段まで伝播する伝播時間を得るステップと、前記伝播時間と、前記掘削用ドリルのドリル・パイプの長さと、前記掘削用ドリルと前記受振手段との間の距離とから前記弾性波の前記地山における弾性波速度を計算するステップとを有し、前記弾性波速度から前記切羽前方の地質状況を判別するようにしたことを特徴とするトンネル切羽前方探査方法が提案される。
【００１４】
請求項４の発明によれば、請求項３の発明において、先進ボーリング掘削時に掘削用ドリルのビットから一定周期で振動を発生させるようにしたトンネル切羽前方探査方法が提案される。
【００１９】
非火薬震源として、先進ボーリング掘削時のドリルビットによる振動を用いるので、手続きや取扱いで制限を受けることがなく、地山の弾性波速度を簡易的に且つ迅速に測定することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００２１】
図１には、地山を掘削してトンネル等の空間を形成する際に本発明の方法により切羽前方の地質状況を探査することができるようにしたＴＢＭ１００が示されている。ＴＢＭ１００の掘削動作時に生じる掘削振動に因って切羽前方に生じる弾性波をＴＢＭ１００において検出するため、ＴＢＭ１００の面盤１０１の近傍、メイン・グリッパ１０２及び後続台車１０３には、加速度計ＲＣＶ−Ｃ、ＲＣＶ−Ｆ、ＲＣＶ−Ｍ、ＲＣＶ−Ｂがそれぞれ図示の如く配設されている。なお、図１はＴＢＭ１００の掘削時の状況を示しているのでメイン・グリッパ１０２は反力を取るため、拡大されている。
【００２２】
図２には、ＴＢＭ１００を用いて地山１１０を掘削した場合にＴＢＭ１００の面盤１０１に取り付けられたカッター１０１Ａによる掘削振動が地山１１０内を球面状に伝播し、前方の弾性波反射面１０４によって球面状に伝播していった掘削振動が弾性波反射面１０４で反射して戻ってくる様子が示されている。
【００２３】
この掘削振動の反射波ＲＷのデータを収録するため、ＴＢＭ１００に配設された加速度計ＲＣＶ−Ｃ、ＲＣＶ−Ｆ、ＲＣＶ−Ｍ、ＲＣＶ−Ｂが用いられる。なお、地山１１０内に弾性波反射面１０４の如き何等かの反射体がない場合でも、ＴＢＭ１００の動作によって生じる掘削振動は回り込んでＴＢＭ１００に到達するので、加速度計ＲＣＶ−Ｆ、ＲＣＶ−Ｍ、ＲＣＶ−Ｂでこれらの振動を収録することができる。
【００２４】
このようにして収録された反射波ＲＷ又は回り込み振動のデータを、加速度計ＲＣＶ−Ｃ、ＲＣＶ−Ｆ、ＲＣＶ−Ｍ、ＲＣＶ−Ｂからの出力を受け取っているコンピュータシステムによって解析処理し、ＴＢＭ１００の前方の地山１１０における弾性波速度を演算する。この弾性波速度の演算は、加速度計ＲＣＶ−Ｃ、ＲＣＶ−Ｆ、ＲＣＶ−Ｍ、ＲＣＶ−Ｂのうちの少なくとも２つによって収録されたデータに基づいて実行することができる。
【００２５】
解析方法は、主として、石油業界で研究が進んでいるＳＷＤ（ＳｅｉｓｍｉｃＷｈｉｌｅ  Ｄｒｉｌｌｉｎｇ）の解析方法が使用可能である。ＳＷＤの解析法では、フィルタリング、デコンボルーション、マイグレーション等の一連の波動信号処理を行うが、本発明の解析方法はこれに準じた解析法となる。
【００２６】
また、３成分地震計を用いるため、波動Ｘ成分Ｙ成分、Ｙ成分Ｚ成分及びＸ成分Ｚ成分を直交軸にプロットすることで波動入射角度を推定することができる。このことにより、トンネル前方からの反射波動であるかが判断可能となる。
【００２７】
次に、図２を用いて最も簡単な地山弾性波速度の推定法につき説明する。図２は、ＴＢＭ１００の掘削振動が地山１１０内を伝播し、弾性波反射面１０４で反射して戻ってきた反射波ＲＷのデータが各加速度計ＲＣＶ−Ｃ、ＲＣＶ−Ｆ、ＲＣＶ−Ｍ、ＲＣＶ−Ｂで収録される場合を示す図である。
【００２８】
加速度計ＲＣＶ−Ｃ、ＲＣＶ−Ｆ、ＲＣＶ−Ｍ、ＲＣＶ−Ｂで収録したデータに相互相関関数を用いるなどして、ある１つのイベント（位相）を抽出し、その到達時刻を、それぞれ、ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ３とすると、例えば、ＲＣＶ−Ｃ及びＲＣＶ−Ｍの設置間隔Ｌ１から、地山弾性波速度ＶｐをＶｐ＝Ｌ１／（ｔ２−ｔ０）、また、ＲＣＶ−Ｆ及びＲＣＶ−Ｂの設置間隔Ｌ２からＶｐ＝Ｌ２／（ｔ３−ｔ１）などと推定可能である。
【００２９】
このようにして演算された弾性波速度から弾性波速度が速い場合は地山は硬堅、弾性波速度が遅い場合は地山は軟弱と判断することができる。
【００３０】
このように、ＴＢＭ１００に加速度計ＲＣＶ−Ｃ、ＲＣＶ−Ｆ、ＲＣＶ−Ｍ、ＲＣＶ−Ｂを設置し、ＴＢＭ１００の掘削動作により生じる振動を利用する構成であるから、特に弾性波発生装置を必要としない。また切羽を止めなくても切羽前方十ｍ〜数十ｍの中間的探査距離を迅速に調査することができるので、ＴＢＭ１００の掘削進度が速くても切羽前方の地質状況を事前に詳細に知ることができる。
【００３１】
本実施の形態では、加速度計ＲＣＶ−Ｃ、ＲＣＶ−Ｆ、ＲＣＶ−Ｍ、ＲＣＶ−ＢをＴＢＭ１００の一側面に設置した例を示しているが、加速度計をＴＢＭ１００の両側に設置することも勿論可能である。加速度計をＴＢＭ１００の両側に設置すれば、さらに精度を向上させることができる。すなわち、反射面がトンネル軸方向に対して右前から左奥の方向に横断する場合、加速度計をＴＢＭの右側に設置すると、反射面が同じ側にあるので伝播経路は単純で、良好な結果を得ることができるが、加速度計をＴＢＭの左側に設置すると、ＴＢＭを回避した伝播経路となり、不良な結果となる場合が多い。このように、ＴＢＭの両側で弾性波速度分布が違うことが想定できるため、加速度計をＴＢＭ１００の両側に設置すれば、さらに精度を向上させることができる。
【００３２】
上記では、加速度計で収録したデータを用いて地山弾性波速度を得るための解析法の一例を図２を参照して説明した。しかし、加速度計で収録したデータを用いて地山弾性波速度を得るための解析法は、上記説明のものに限定されるものではなく、例えば、ＳＷＤ法を用いることも可能である。周知のように、ＳＷＤ法それ自体は石油探査業界では通常行われている方法で、深度３０００ｍ以上をロータリードリルで掘削する際に、地表で振動計測を行い、フィルタリング、デコンボルーション、マイグレーション等の信号処理を行う方法である。主として、地表の振動計と地表のリグに設置した振動計から得られた２つの振動波形に対して相互相関関数を計算することで、地中伝播時間を求め、弾性波速度を推定する方法である。
【００３３】
図３には、地山にトンネル等の空間を掘削形成する際に切羽前方の地質状況を探査するため、先進ボーリング掘削時に掘削用ドリルのビットから発生する振動により地山に生じた弾性波を利用するようにした場合の、本発明の実施の形態の一例が示されている。
【００３４】
図３において、２００は、地山２１０において先進ボーリング掘削を行うために用いるロータリー・パーカッションドリルであり、スイベル２０１、ドリル・パイプ２０２、ドリル・ビット２０３を備えて成っている。
【００３５】
ロータリー・パーカッションドリル２００を用いて地山２１０に先進ボーリングを掘削する際に、ロータリー・パーカッションドリル２００のドリル・ビット２０３から発生する振動のデータが地山２１０に設けた受振手段である加速度計２２２により受振されて収録され、収録された振動データとロータリー・パーカッションドリル２００の打撃タイミングを示すタイミングデータとから切羽前方の地山における弾性波速度が計算される。この計算結果から切羽前方の地質状況が判別される。ロータリー・パーカッションドリル２００のスイベル２０１及び地山２１０にはそれぞれ加速度計２２１、２２２が設けられている。３００は、加速度計２２１、２２２からのデータを処理するためのＡ／Ｄ変換カード３０１及びパソコン３０２を含む処理ユニットである。
【００３６】
以下、図３を参照しながら、先進ボーリングを用いた弾性波速度測定方法について説明する。図３に示したロータリー・パーカッションドリル２００を用いる測定でも弾性波の到達時刻の測定が重要であり、ロータリー・パーカッションドリル２００の打撃時刻を発振時とし、加速度計２２１、２２２により上述のようにして収録したデータからその前方における地山２１０での弾性波速度を推定する。
【００３７】
ロータリー・パーカッションドリル２００の打撃間隔が一定している場合は、スイベル２０１に設置した加速度計２２１と切羽面に設置した加速度計２２２により収録したデータとの相互相関により切羽面前方の地山２１０の弾性波速度を推定する。
【００３８】
先ず、ドリル・ビット２０３からスイベル２０１に設置した加速度計２２１までのドリル・パイプ２０２内を伝播する弾性波４００の伝播時間を計測する。
【００３９】
次に、１つの打撃時刻があって、その打撃により発生した振動が、ドリル・ビット２０３まで伝播し、弾性波５００として地山２１０を伝播時間ｔで伝播する。その伝播速度Ｖｐは、ロータリー・パーカッションドリル２００と切羽面に設置した加速度計２２２との距離Ｘ、ドリル・パイプ２０２の長さＬとすると、Ｖｐ＝（Ｘ2 ＋Ｌ2 ）1/2 ／ｔで得られる。すなわち、ドリル・ビット２０３の先端から切羽面までの長さがＬであり、ドリル・パイプ２０２の切羽面の位置から加速度計２２２の位置までの距離がＸであれば、ドリル・ビット２０３の先端から加速度計２２２の位置までの距離は（Ｘ2 ＋Ｌ2 ）1/2 になり、これが弾性波５００が伝播した距離である。したがって、ドリル・ビット２０３の先端から加速度計２２２の位置まで弾性波５００が伝播した時間がｔと分かれば、伝播速度Ｖｐを計算することができる。例えば、Ｌ＝４００ｃｍ、Ｘ＝３００ｃｍとすると、伝播距離は５００ｃｍであり、伝播時間が２ｍｓｅｃの場合、弾性波速度はＶｐ＝２．５ｋｍ／ｓｅｃとなる。
【００４０】
この構成によれば、先進ボーリング掘削時のロータリー・パーカッションドリル２００のドリル・ビット２０３による振動を用いるので、火薬等を用いる必要がない。したがって手続きや取扱いに制限を受けることがなくなる上、ボーリング孔の先端部から順次火薬震源を挿入するためのロッドを出し入れする必要もないので、作業が容易になり、測定のための時間を大幅に短縮することができる。
【００４１】
以上、ロータリー・パーカッションドリル２００の打撃間隔が一定している場合における弾性波速度の推定方法について説明したが、ロータリー・パーカッションドリル２００の打撃間隔が可変であっても、図３に示す測定系を用いて地山２１０における弾性波速度を推定することができる。打撃間隔が可変の場合は、加速度計２２１、２２２により収録された地山２１０を伝播する弾性波のデータとロータリー・パーカッションドリル２００の打撃タイミングを示すタイミングデータとをミニソシー解析法により波形データ処理することにより地山２１０における弾性波速度を推定することができる。
【００４２】
ミニソシーとは、土木工事で用いられるランマーを震源として用い、記録時間よりも短い間隔で連続発振して記録をとる探査方式である。ランマーのエンジンの回転数の上下により制御される発振間隔はランダムであることが要求される。
【００４３】
以下、図４を参照してミニソシーデータの処理原理につき説明する。
【００４４】
図４（ａ）に示すようにパルスをランダムな時間間隔で発生させる。そこで、（ｂ）のような反射面があると、震源の各パルスからの反射波が返り、（ｃ）に示す現場地震記録が得られる。例えば、４０秒間にわたってｎ個のパルス列を発生させ、５秒間の記録をとるとすれば、現場地震記録は４５秒間記録する。また、レファレンストレース上のパルスの発生間隔をｔ１、ｔ２、・・・、ｔｎとする。この場合におけるミニソシーの処理手順は以下の通りである。
（１）現場地震記録（ｃ）をウィンドー長が５秒のｎ個のセグメントに分割する。
（２）セグメントをｔｎ−ｔ１、ｔｎ−ｔ２、・・・、０だけ時間シフトしてメモリー上に貯える。
（３）図４の（ｄ）〜（ｆ）のような各セグメントをたし合わせることにより、パルス波震源の場合と同じような記録が得られる（図４の（ｇ））。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、ＴＢＭの掘削動作により生じる掘削振動を利用し、地山内を球面状に伝播して切羽前方の弾性波反射面または何等かの反射体により反射されるか、或いは回り込んでＴＢＭに戻ってきた弾性波を受振手段で収録して弾性波速度を演算し、弾性波速度が速い場合は地山は硬堅、遅い場合は地山は軟弱と判断するようにしたので、切羽を止めなくても切羽前方十ｍ〜数十ｍの中間的探査距離を迅速に調査することができるので、ＴＢＭの掘削進度が速くても切羽前方の地質状況を事前に詳細に知ることができる。また、特に弾性波発生装置を必要としないという利点も得られる。
【００４６】
また、先進ボーリング掘削時に掘削用ドリルのビットから発生する振動により地山に生じた弾性波を地山に設けた受振手段により受振して収録し、収録した振動データと前記掘削用ドリルの打撃タイミングを示すタイミングデータとから切羽前方の地山における弾性波速度を計算し、前記切羽前方の地質状況を判別するようにした方法によれば、非火薬震源として、先進ボーリング掘削時のドリルビットによる振動を用いるので、手続きや取扱いで制限を受けることがなく、地山の弾性波速度を簡易的に且つ迅速に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により切羽前方の地質状況を探査することができるようにしたＴＢＭの実施の形態の一例を示す図。
【図２】図１に示したＴＢＭを用いて切羽前方の地質状況を探査する方法を説明するための図。
【図３】先進ボーリング掘削時における本発明の方法の実施の形態の一例を示す図。
【図４】ミニソシーデータの処理原理を説明するための説明図。
【符号の説明】
１００  ＴＢＭ
１０１  面盤
１０１Ａ  カッター
１０２  メイン・グリッパ
１０３  後続台車
１０４  弾性波反射面
１１０、２１０  地山
２００  ロータリー・パーカッションドリル
２０１  スイベル
２０２  ドリル・パイプ
２０３  ドリル・ビット
２２１、２２２  加速度計
３００  処理ユニット
３０１  Ａ／Ｄ変換カード
３０２  パソコン
４００、５００  弾性波
ＲＣＶ−Ｃ、ＲＣＶ−Ｆ、ＲＣＶ−Ｍ、ＲＣＶ−Ｂ  加速度計
ＲＷ  反射波
【図１】
0004157635.tif 000002
【図２】
0004157635.tif 000003
【図３】
0004157635.tif 000004
【図４】
0004157635.tif 000005