(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの切羽近傍の地山に１つの振動計を埋設するとともに、
該振動計よりトンネル坑口側の地山に複数の発破孔を所定間隔毎に設け、
前記発破孔に装填した爆薬を順次起爆して発生させた弾性波が切羽前方の地層境界面から反射してくる反射波を、前記各振動計で受振して、
受振した弾性波の反射波を解析することによって切羽前方の地山の地質構造を探査することを特徴とする地質探査方法。
【請求項２】
トンネルの切羽近傍の左右両側の地山にそれぞれ１つの振動計を埋設し、
該振動計よりトンネル坑口側の左右両側の地山にそれぞれ複数の発破孔を所定間隔毎に設け、
前記発破孔に装填した爆薬を順次起爆して発生させた弾性波が切羽前方の地層境界面から反射してくる反射波を、前記各振動計で受振して、
受振した弾性波の反射波を解析することによって切羽前方の地山の地質構造を探査することを特徴とする地質探査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、弾性波反射法を利用したトンネル切羽前方の地質探査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、弾性波反射法を利用したトンネル切羽前方の探査方法としては、図８に示したような探査方法がある。この方法においては、切羽100 の後方に、通常1.5 ｍ間隔で深さ1.5 ｍの発破孔110 を２４本設置し、さらに、その後方15〜16ｍの位置に、深さ2.4 ｍの受振孔120、121 をトンネルの左右にそれぞれ一本づつ設置して、その中に埋設したケーシング内に振動計を挿入固定する。そして、切羽側に近い１番目の発破孔に少量のダイナマイトを装填して電気雷管で起爆させる。このときに発生する弾性波の直接波と、切羽前方の反射面130 で反射して戻ってきた反射波とを記録装置140 にて記録する。
以下同様に、各発破孔に装填した少量のダイナマイトを順次起爆して、直接波と間接波とを記録して、２４本の全ての発破孔に関して上記同様の操作を行う。このようにして、図９に示したような波形を得る。
【０００３】
このようにして得られた波形にメディアンフィルター等の種々の波形処理を施して、各反射波の走行時間から地層境界面の位置を予測するものである。
ところが、上述したような従来の探査方法では、以下の多くの問題点がある。
（１）受振位置が切羽の約50ｍ後方となるため、切羽からの前方の実質的な探査距離はせいぜい100 ｍであり、探査距離が相対的に短い。
（２）受振位置が切羽の約50ｍ後方となるため、発生した弾性波の伝播特性にトンネル空洞が強い影響を与え、反射面の検出の感度の低下を招いたり、測定結果の誤差要因となる。
【０００４】
（３）切羽後方の地山における弾性波の速度を計測して、切羽前方の反射面の位置を予測するため、切羽の前後で弾性波の速度が異なる場合には、反射面の位置予測の誤差が大きくなるという問題がある。
（４）受振位置から切羽までの区間は既に掘削済みの区間であるので探査の必要はなく、このような無駄な探査区間が長いという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、弾性波反射法による地質探査方法において、発破孔の位置と振動計の位置を従来の位置から変更して、より正確な地質境界面の位置の予測が可能な地質探査方法を提供することを目的としてなされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる請求項１の地質探査方法は、トンネルの切羽近傍の地山に１つの振動計を埋設するとともに、該振動計よりトンネル坑口側の地山に複数の発破孔を所定間隔毎に設け、前記発破孔に装填した爆薬を順次起爆して発生させた弾性波が切羽前方の地層境界面から反射してくる反射波を、前記各振動計で受振して、受振した弾性波の反射波を解析することによって切羽前方の地山の地質構造を探査することを特徴とするものである。
請求項２の地質探査方法は、トンネルの切羽近傍の左右両側の地山にそれぞれ１つの振動計を埋設し、該振動計よりトンネル坑口側の左右両側の地山にそれぞれ複数の発破孔を所定間隔毎に設け、前記発破孔に装填した爆薬を順次起爆して発生させた弾性波が切羽前方の地層境界面から反射してくる反射波を、前記各振動計で受振して、受振した弾性波の反射波を解析することによって切羽前方の地山の地質構造を探査するようにしたものである。
【０００７】
なお、本発明においては、振動計が発破孔より後方に位置しているため従来のようなメディアンフィルターを使用した解析処理ができないので、各反射波の初動を基準として各反射波の走行時間を計測するとよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる地質探査方法を、その実施の形態を示した図面に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
図１に示したように、トンネル１の切羽面10から２ｍ後方（坑口側）の左右両側に受振孔41、42を削孔して、その受振孔の中にケーシングを埋設し、そのケーシング内に振動計51、52 を挿入して固定する。
そして、前記受振孔から更に１５ｍ後方の左右両側の地山に施工用の油圧ドリルを用いて、1.5ｍ間隔でそれぞれ２４本の発破孔Ｌ１，Ｌ２，・・・，Ｌ２４とＲ１，Ｒ２，・・・，Ｒ２４を削孔し、各発破孔の中にはそれぞれダイナマイトを装填した起爆装置を埋設する。
【００１０】
次に、発火器６１からの電気信号によって後方の発破孔Ｌ１のダイナマイトを起爆して、孔壁膨張にともなう弾性波（Ｐ波）を発生させ、切羽前方の反射面（地層境界面）９に当たって反射してきた反射波と直接波とを、前記左側の振動計51にて受振して記録装置７にて記録する。同様にして、スイッチボックス62からの信号に基づいて、前方から２番目、３番目、・・・の発破孔Ｌ２，Ｌ３，・・・のダイナマイトを順次起爆して、２４回の爆発の波動を記録装置７にて記録する。
右側の発破孔Ｒ１，Ｒ２，・・・，Ｒ２４についても同様に、順次ダイナマイトを起爆して、右側の振動計52で受振した直接波と反射波とを記録装置７にて記録する。
【００１１】
そして、分析装置８においては、前記記録装置７に記録された直接波と反射波とを後述する分析手法によって分析して、前記反射面の位置を３次元的に予測し、反射波の振幅（あるいは反射エネルギー）から反射面の硬軟を予測する。
【００１２】
次に、直接波と反射波とに基づいて反射面の位置を予測する分析手法を説明する。
図２は、切羽と、発破孔と、振動計と、切羽前方においてトンネル軸と直交する反射面と、を模式的に示したものであり、
時間td(i)は(i)番目の発破孔Ｒ（i）から発生した地震波が直接振動計52に到達するまでの時間を示し、時間tｒ(i)は(i)番目の発破孔Ｒ（i）から発生した地震波が切羽10の前方の反射面９にて反射して振動計52に到達するまでの時間を示している。
【００１３】
発破孔からの地震波の振幅は伝播距離に反比例して減衰するため、反射面で反射して戻ってくる反射波の振幅はかなり小さくなっている。そのため、発破孔の位置を順次ずらして複数回（例えば24回）の発破を行い、後述する波形解析により振動計で受振した地震波を重合（重ね合わせ）して反射波を増幅する。
【００１４】
次に、波形解析方法を説明する。
切羽１０の前方で反射した場合には、直接波の走行時間はtd(i)であり、反射波の走行時間はtr(i)であるので、地山での地震波の伝播速度をＶとすると、振動計52から前方の反射面までの距離ＬはＶ（tｒ(i)−td(i)）／２  と表されるのである。
なお、地震波の振幅は伝播距離Ｒに反比例して減衰するので、受振された地震波の振幅に伝播距離Ｒを乗ずることによって振幅の減衰を補正する。実際には伝播速度Ｖと伝播距離Ｒと観測時刻ｔとの関係はＲ＝Ｖ・ｔと表せるため、受振された波形に観測時刻ｔを乗じて補正する。
１番目の発破孔から２４番目の発破孔まで順次爆薬を爆発させて２４回分の地震波を受振して、２４回分のデータから反射面までの距離を予測するので精度良く予測することができる。
【００１５】
このようにして得られた複数の波形データを観測すると、直接波と反射波の到達時間は、図３の（Ａ）のように発破孔が近づくに連れて早くなる。
次に、図３の（Ａ）の各波形データの振幅に観測時刻ｔを乗じて減衰補正を行う。その後、直接波の到達時間td(i)を加算して図３の(Ｂ)のように直接波を一列に整列させて速度フィルターによって直接波を除去する。
そして、図３の（Ｃ）の各波形データから前記到達時間td(i)を減じて各波形データの初動のタイミングを整列させ、その走行時間から振動計から反射面までの距離を求めることが可能になるのである。
前述したように、振幅補正を行うことによって直接波の影響は十分に低減することができる。
以上は図２の模式的な場合の説明である。
【００１６】
次に、図４のような一般的な場合（反射面が傾斜している場合）の数値シュミレーション手法による結果を説明する。数値シュミレーションにおける24回分のデータの計算は、3次元スカラー波動方程式を差分近似式で離散化し、解析領域の境界に透過境界条件を設定して行った。
振動計を何れか一方とした３次元モデルに対するシュミレーション結果に基づいた反射エネルギーのコンター図を示した図５において、Ｘ軸は図４の水平方向に相当し、Ｙ軸は図４の鉛直方向に相当し、Ｚ軸は図４のトンネル軸方向に相当している。反射面の位置は振動計の位置から前方（Ｚ軸方向）へ１００ｍのトンネル軸上で水平角110°、傾斜角60°で交差するものと仮定してシュミレーションを行った。
【００１７】
そのシュミレーション結果を図５の（Ａ）と（Ｂ）に示した。図５の（Ａ）は平面図、図５の（Ｂ）は立面図を示している。３次元モデルの反射波に対応する反射エネルギーは発破孔の位置と振動計の位置とを焦点とする一つの楕円曲面状に卓越する。そして、各発破孔と振動計の位置を焦点とするそれぞれの楕円曲面が重なるために、反射面付近に相当する位置における反射エネルギーが高くなって、反射面の像９Ａが表れる。
しかし、トンネル軸に対して反対側にも本来の反射面の像９Ａとは異なる虚像９Ｂが、平面図（Ａ）にも立面図（Ｂ）にも表れる。従って、何れの像が反射面を示しているのかを確定することはできない。
これは、発破孔と振動計の位置が一つの直線上にある場合には、前記直線を軸として楕円曲面群が対象に分布するからである。
【００１８】
次に、水平方向に離間して設置された二つの振動計51、52を用いた場合には図６の（Ａ）に示したように、水平面内における虚像は薄くなり排除することができる。このようにして、水平方向の二つの振動計を用いると水平面内における虚像を排除できる。なお、図７に示したように、さらに二つの振動計を追加して垂直方向にも配置すると、図６の（Ｂ）に示したように立面図における虚像も排除することが可能になる。
図６の（Ａ）や（Ｂ）において実像９Ａから反射面を推定し、その反射面に沿って延長した直線９Ｃがトンネル軸と交差する位置を決定することによって、反射面がトンネル軸の前方のどの位置に存在しているかを想定することが可能となる。図６の（Ａ）、（Ｂ）の場合には、反射面の位置がトンネル軸の前方100ｍであることが想定できるのである。
【００１９】
なお、発破孔の数は24個に限定されるものではなく、その個数に応じて記録装置、分析装置等を適応させれば良い。また、発破孔や受振孔の角度は若干傾斜させてもよい。
この発明の技術は、トンネル掘削に限らず、種々の応用が可能な技術であって、例えば、地盤の露出面に複数の発破孔を穿孔し、この発破孔の周囲の地盤の露出面に振動計を設置して、地質を探査することも可能である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の地質探査方法によれば、以下の効果が得られる。
（１）振動計の位置が発破の位置より切羽に近いため、反射波の減衰が少なくなるので、有効な探査距離を結果的に従来以上に長くすることができる。
（２）発生した弾性波が振動計へ入射するまでの伝播経路にトンネル空洞が存在しないので、トンネル空洞の影響を抑えることができ、反射面の検出の感度の低下や測定結果の誤差が少ない。
（３）使用する弾性波の速度は、従来より探査位置に近い岩盤のものを使用するので計測誤差を小さくすることができる。
（４）未掘削の前方領域を主な計測領域としているので、無駄な探査区間を短くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる地質探査方法の実施の形態の構成図である。
【図２】本発明の作用を説明するための模式図である。
【図３】図２における波形データの処理状況の説明図である。
【図４】シュミレーションに用いたトンネルと反射面の状態を示した模式図である。
【図５】図４における反射面の想定状況の説明図である。
【図６】振動計を複数にした場合の反射面の想定状況の説明図である。
【図７】複数の振動計の配置例の斜視図である。
【図８】従来の探査方法の説明図である。
【図９】従来の探査方法の説明図である。
【符号の説明】
１  トンネル
10  切羽
51、52  振動計
９  反射面、地層境界面
Ｌ１，Ｌ２，・・・，Ｌ２４  発破孔
Ｒ１，Ｒ２，・・・，Ｒ２４  発破孔
【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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【図９】
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