(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探査地山を伝播する弾性波を発生させ、その反射波または屈折波を測定して地山の地質を探査する地質探査用震源装置であって、
起震容器と、この起震容器内に配置されて短時間に供給される電気エネルギーにより急激に溶融気化される溶融気化物質と、起震容器内に充填されて溶融気化物質の溶融気化による衝撃力を伝達する伝達物質と、前記溶融気化物質に電気エネルギーを供給する電気エネルギー供給装置とを具備し、
震源位置から探査地山までの距離をＬ、この距離Ｌに対して探査地山の探査に必要な弾性波の振幅をＢ、弾性波の振幅Ｂと距離Ｌに関する係数をα、弾性波の伝播距離に対する減衰係数の最小値をｎ１、最大値をｎ２とした場合、
地質探査用震源装置の放電エネルギーＥBを、
［（Ｂ×Ｌn2）／α］1/0.75≧ＥB≧［（Ｂ×Ｌn1）／α］１/0.75で表される値とし、
前記係数αを１０≦α≦５０とし、前記減衰係数の最小値ｎ１＝１、最大値ｎ２＝３とした
ことを特徴とする地質探査用震源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル施工時などにおいて、地質探査法による震源として、電気エネルギーを用いて弾性波を発生させる地質探査用震源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、トンネル施工など、地山の掘削を必要とする作業の場合、その施工に影響を与えるような地質変化を予め探査する必要がある。従来、この探査方法には弾性波探査法と呼ばれるものがあり、この方法は、例えばトンネル側壁で発破を行い、その際に発生した弾性波が破砕帯や地質変化面、すなわち弾性波速度の変化面で反射あるいは屈折して戻ってきた弾性波を受震し、前方の地質を探査するものである。しかしこの方法では、火薬による発破作業を行なうため危険が伴うという問題がある。
【０００３】
そのため、震源に火薬の爆発に代えて、電気エネルギーにより金属などを溶融気化させる放電破壊装置を利用し、その膨張衝撃力で弾性波を発生させることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記放電破壊装置では、探査可能な範囲（距離）が正確に把握できず、必要な探査範囲をカバーできないという問題があった。
本発明は、上記課題を解決して、探査範囲に適正な振幅の弾性波を伝播させる電気エネルギーの設定を正確に行えて、正確な範囲の探査が可能な地質探査用震源装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明における課題を解決するために請求項１記載の発明は、探査地山を伝播する弾性波を発生させ、その反射波または屈折波を測定して地山の地質を探査する地質探査用震源装置であって、起震容器と、この起震容器内に配置されて短時間に供給される電気エネルギーにより急激に溶融気化される溶融気化物質と、起震容器内に充填されて溶融気化物質の溶融気化による衝撃力を伝達する伝達物質と、前記溶融気化物質に電気エネルギーを供給する電気エネルギー供給装置とを具備し、震源位置から探査地山までの距離をＬ、この距離Ｌに対して探査地山の探査に必要な弾性波の振幅をＢ、弾性波の振幅Ｂと距離Ｌに関する係数をα、弾性波の伝播距離に対する減衰係数の最小値をｎ１、最大値をｎ２とした場合、
地質探査用震源装置の放電エネルギーＥBを、［（Ｂ×Ｌn2）／α］1/0.75≧ＥB≧［（Ｂ×Ｌn1）／α］１/0.75で表される値とし、前記係数αを１０≦α≦５０とし、前記減衰係数の最小値ｎ１＝１、最大値ｎ２＝３としたものである。
【０００６】
上記構成によれば、必要最小限の放電エネルギーで、探査地山に必要な弾性波の振幅の弾性波を発生させて、探査地山に必要な弾性波の振幅を確保することができ、不必要に大きい衝撃力を発生させることなく安全にかつ正確な探査が可能となり、設備コストおよびランニングコストの低減をはかることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る地質探査用震源装置を備えた地質探査装置の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１，図２に示すように、この地質探査装置１は、トンネル側壁２に形成した装着孔３に装着する震源装置４と、震源装置４に電気エネルギーを供給する電気エネルギー供給装置（以下単に「供給装置」と称す）５と、震源装置４による衝撃力により発生した弾性波の、探査範囲の地山からの反射弾性波を検出する加速度センサ（受震器）２１とで構成されている。
【０００９】
前記震源装置４は、起震容器６と、この起震容器６内に挿入されるとともに一対の電極７同士を接続する溶融気化物質である金属細線（例えば銅：Ｃｕが用いられる）８と、起震容器６内に封入されて金属細線８の溶融気化時の衝撃力を起震容器６を介して地山に弾性波を発生させる伝達物質９（たとえば水やゼリー状物質）９とで構成されている。
【００１０】
前記供給装置５は、電源１０にエネルギー制御回路１１を介して接続されたコンデンサ１２と、このコンデンサ１２に充電蓄積された電気エネルギーを放電するための放電スイッチ１３とを備えている。
ところで、放電エネルギーＥは、コンデンサ１２の容量をＣ、充電電圧をＶとすると、Ｅ＝１／２×Ｃ×Ｖ2で表わされる。
また、供給装置５により供給される放電エネルギーＥAと、この放電エネルギーＥAにより発生する弾性波の振幅Ａ0の関係は、
Ａ0-＝α×ＥAm…（１）式で表わされる。
ここでαは弾性波の振幅と伝播距離に関する係数、ｍは容量と振幅に関する係数で、ｍ＝０．７５である。
また、地山を伝播する弾性波の振幅は減衰し、その減衰量は距離Ｌの１〜３乗に反比例する［Ｌ-n：ｎ１≦ｎ≦ｎ２（ｎは弾性波の伝播距離に対する減衰係数で、最小値：ｎ１＝１、最大値：ｎ２＝３）］。したがって、震源装置４から探査地山までの距離Ｌにおける弾性波の振幅Ａは、
Ａ＝Ａ0×Ｌ-n…（２）式となる。
さらに（１）式と（２）式から、
Ａ＝α×ＥAm×Ｌ-n
α＝Ａ／（ＥAm×Ｌ-n）
α＝（Ａ×Ｌn）／ＥAm…（３）式となる。
【００１１】
また、距離Ｌにおける弾性波の所定の振幅Ａを得るための放電エネルギーＥAは、
ＥAm＝（Ａ×Ｌn）／α
ＥA＝［（Ａ×Ｌn）／α］1/m…（４）式となる。
つぎに、実験により得られた伝播距離Ｌと振幅Ａの関係を図３に示す。ここでｍ＝０．７５、ｎ＝２．３、ＥＡ＝２０２５０（Ｊ）であることから、係数αは（３）式から、
α＝（Ａ０×Ｌ-1.5）／２０２５０0.75＝３０となる。
したがって、探査地山までの距離Ｌと、探査に必要な弾性波の振幅Ａが決定されれば、放電エネルギーＥＡを（４）式から求めることができる。
【００１２】
なお、ここでα＝３０としたが、図３に示すように、計測誤差等による若干のバラツキはあるため、１０≦α≦５０の範囲となるが、理想的には係数α＝３０である。
次いで加速度センサー２１の受震感度またはバックグランドのノイズレベルを考慮して、距離Ｌにおいて必要な弾性波の振幅Ｂは、
Ｂ≦α×ＥB0.75×Ｌ-n＝Ａであり、探査地山での減衰係数ｎが１≦ｎ≦３であることから、
α×ＥB0.75×Ｌ-3≦Ｂ≦α×ＥB0.75×Ｌ-1…（５）式
（５）式から放電エネルギーＥBを求めると、
（α×ＥB0.75×Ｌ-3）／Ｂ≦１≦（α×ＥB0.75×Ｌ-1）／Ｂ
α／（Ｂ×Ｌ3）≦１／ＥB0.75≦α／（Ｂ×Ｌ）
（Ｂ×Ｌ3）／α≧ＥB0.75≧（Ｂ×Ｌ）／α
［（Ｂ×Ｌ3）／α］１/0.75≧ＥB≧［（Ｂ×Ｌ）／α］１/0.75…（６）式となる。したがって、α＝３０、係数ｍを０．７５とすることで、震源装置４から距離Ｌだけ離れた探査地山において、加速度センサー２１により計測可能な弾性波の振幅を得るために必要な放電エネルギーＥBが求められることから、必要以上の放電エネルギーを使って設備コストやランニングコストが高くなることもなく、また反対に少なすぎて計測が不能になることがなく、最適な放電エネルギーＥBで探査が行える。
【００１３】
図４は、（６）式に基づいて探査に適正な放電エネルギーＥの範囲を求めたグラフである。なお、ここで使用する単位は、距離Ｌは（ｍ）、弾性波の振幅Ａ（gal＝cm/s2）、放電エネルギーＥ（Ｊ）である。
上記の地質探査装置１を用いて地質探査を行なう場合、（４）式または（６）式で求められた電気エネルギーを供給装置５に充電し、震源装置４を装着孔３に装着して砂などで込め物１４をし、金属細線８に電極７を介して供給装置５を接続し、コンデンサ１２に必要な放電エネルギーを充電蓄積した状態で放電スイッチ１３をオンし、極めて短時間で所定量の電気エネルギーを金属細線８に放電供給する。すると、金属細線８が急激に溶融気化して体積が膨張し、この溶融気化の衝撃力が伝達物質９と起震容器６とを介して地山に伝達される。すなわち、この衝撃力が震源となって地山に弾性波が発生する。そして弾性波が、探査地山の破砕帯や地質変化面で反射して戻ってきた反射弾性波を加速度センサ２１で受震することにより、前方の地質変化を探査することができる。
【００１４】
上記実施の形態によれば、震源装置４から探査地山までの距離Ｌに対応して（４）式または（６）式で得られた電気エネルギーを供給装置から供給することで、探査地山に伝播される弾性波に必要な振幅を確保することができ、正確な探査が可能になるとともに、必要以上に電気エネルギーを供給することもなく、ランニングコストの低減に寄与することができる。
【００１５】
なお、加速度センサ（受震器）２１により地山からの反射弾性波を検出するようにしたが、もちろん屈折弾性波であってもよい。
【００１６】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１記載の発明によれば、必要最小限の放電エネルギーで、探査地山に必要な弾性波の振幅の弾性波を発生させて、探査地山に必要な弾性波の振幅を確保することができ、不必要に大きい衝撃力を発生させることなく安全にかつ正確な探査が可能となり、設備コストおよびランニングコストの低減をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る震源装置を備えた地質探査装置の実施の形態を示す全体構成図である。
【図２】同地質探査用震源装置の使用状態を示す断面図である。
【図３】同地質探査用震源装置の実験による弾性波の伝播距離と振幅の関係を示すグラフである。
【図４】同地質探査用震源装置の探査地山までの距離に対する必要な電気エネルギー量の範囲を示すグラフである。
【符号の説明】
１    地質探査装置
２    トンネル側壁
３    装着孔
４    震源装置
５    電気エネルギー供給装置
６    起震容器
７    電極
８    金属細線
９    伝達物質
１０    電源
１１    エネルギー制御回路
１２    コンデンサ
１３    放電スイッチ
２１    加速度センサ
【図１】
0004067216.tif 000002
【図２】
0004067216.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004067216.tif 000005