(57)【要約】【課題】  地中浅部の埋設物および地層構造を地表面から容易に探査できる反射法探査において、振源の振動エネルギーを大きくしつつ、その周波数を調整可能とし、縦波と横波を自由に切り替えることも可能な汎用性の高い反射法探査システムを提供する。【解決手段】  本発明の反射法探査システム１００は、地表面に設置し地中に対して磁歪素子による横波を生成する磁歪発振器１１０と、地中の埋設物もしくは地層境界で反射し地表に達した反射波を検知する検知器１２０と、検知した反射波によって埋設物もしくは地層境界の位置を推定する位置推定装置１３０と、を備えることを特徴としている。【選択図】    図１
2009025103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射法を用いて地中浅部の埋設物および地層構造を探査する反射法探査システムであって、
地表面に設置し地中に対して磁歪素子による振動を生成する磁歪発振器と、
地中の埋設物もしくは地層境界で反射し地表に達した反射波を検知する検知器と、
前記検知した反射波によって埋設物もしくは地層境界の位置を推定する位置推定装置と、
を備えることを特徴とする、反射法探査システム。
【請求項２】
前記磁歪発振器は、地面に面で接触する地表面接触部と、該地表面接触部に振動方向の端部が固定された磁歪素子と、からなることを特徴とする、請求項１に記載の反射法探査システム。
【請求項３】
前記地表面接触部の地表面との接触面積は、前記埋設物や地層境界の大きさおよびその深度、磁歪発振器の大きさ、個数、振幅および周波数に基づいて設定されることを特徴とする、請求項２に記載の反射法探査システム。
【請求項４】
前記地表面接触部は、前記磁歪素子を内包する保護ケースの一部であることを特徴とする、請求項２または３に記載の反射法探査システム。
【請求項５】
前記位置推定装置は、前記磁歪発振器の振動周波数を掃引し、最適な周波数を選択して位置を推定することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の反射法探査システム。
【請求項６】
当該反射法探査システムによる埋設物もしくは地層境界の探査は、同条件で複数回行われ、
前記位置推定装置は、複数回の測定の平均値によって位置を推定することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の反射法探査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射法を用いて地中浅部の埋設物および地層構造を探査する反射法探査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、地中に埋設された埋設物を地面を掘り起こすことなく非破壊で推定する反射法探査が用いられている。これは、物理的な振動を伴う弾性波を地中に向かって発振し、埋設物からの反射波を通じてその埋設物の位置を推定する技術である。
【０００３】
かかる反射法探査の振源として、音波、ハンマ打撃、ダイナマイト、起振車による発破等を用いた地下探査が実施されている。また、孔内に用いる探査装置においては、圧電素子や磁歪素子を用いることが検討されている（例えば、特許文献１）。さらに、高精度な探査を必要とする場合に、電磁波レーダを用いて地下浅部（現実的な測定深さは一般的に２ｍ程度）を探査する技術も考案されている。
【特許文献１】特開平１０−３１９１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した音波を用いた反射法探査の場合、振動エネルギーが小さく軟弱地盤や不飽和地盤に適用するのは困難である。このとき音波の周波数を低く設定すれば軟弱地盤に適用可能ではあるが、探査精度が低下し、埋設物もしくは地層境界を正確に推定できない問題が生じる。さらに、音波の特性上、地面に対して縦波（Ｐ波）しか発振することができない。縦波は伝達速度が高いといった特性を有するがエネルギーの減衰率が高く、所望するレベルの反射波が得られないといった問題を含んでいる。
【０００５】
また、ハンマ打撃等の地震波を用いた場合、振動エネルギーを大きくでき、探査領域を拡大することも可能となるが、周波数が低い上、任意の周波数に設定することができないので、地下深部の大雑把な地質構造の探査にしか利用できなかった。
【０００６】
さらに、孔内探査に圧電素子や磁歪素子を用いる上記の技術は、探査孔の削孔およびその削孔の事前調査を要し、探査費用および探査期間の増大を招いていた。また、探査孔の空間的制約から振源の大きさが制限され、振源の強さを大きくできないといった問題もあり、地質や対象物との距離によっては探査できない場合があった。その他にも、孔内から弾性波を発振するためには、特別な配慮が必要であった（例えば、Ｐ波を発振するためには孔内水が必要であり、Ｓ波を発振するためには孔壁に発振器を高い剛性で密着させる必要がある）。かかる技術では地面を掘り起こすことなく地表面から容易に探査を実行する反射法探査への適用については示唆されていない。
【０００７】
また、電磁波レーダを用いる地下探査は、分解能に優れ精度こそ高いものの、そのエネルギー的な制約からノイズが多く混在し、また、誘電率の高い塩水や、伝導体である金属の影響により波形が変形し易い性質があるため、塩水や金属製の埋設物によって探査結果が大きく歪められる。従って、地盤比抵抗の低い海浜地域等の探査には利用できないといった問題がある。また、ガードレールなどの金属製構造物や携帯電話などの電波機器の影響により探査結果が大きく歪められる。
【０００８】
本発明は、従来の埋設物探査が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、地中浅部の埋設物を地表面から容易に探査できる反射法探査において、振源の振動エネルギーを大きくしつつ、その周波数を調整可能とし、縦波と横波を自由に切り替えることも可能な汎用性の高い反射法探査システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、反射法を用いて地中浅部の埋設物および地層構造を探査する反射法探査システムであって、地表面に設置し地中に対して磁歪素子による振動を生成する磁歪発振器と、地中の埋設物もしくは地層境界で反射し地表に達した反射波を検知する検知器と、検知した反射波によって埋設物もしくは地層境界の位置を推定する位置推定装置と、を備えることを特徴とする、反射法探査システムが提供される。
【００１０】
本発明は、深度０〜１００ｍの地中浅部の埋設物を地表面から容易に探査できる反射法探査に、磁歪素子を適用したことを特徴としている。磁歪素子は、音波や圧電素子と比較して高エネルギーの振動が可能であり、そのストロークも長い。従って、軟弱地盤や不飽和地盤であっても埋設物の位置を確実に推定することができる。
【００１１】
また、磁歪素子は、地震波等と比較して高い周波数で振動させることが可能である。高周波の弾性波（特に横波）は、分解能が高いだけでなく、指向性が高いので拡散も少ない。従って、埋設物が小さい場合においても高精度でその位置を特定することができる。また、音波等と違い、個体の媒体を直接振動させることができるので、その設置状態を変化させることで縦波と横波を自由に切り替えることができる。
【００１２】
さらに、地表面から地中浅部の埋設物および地層構造を探査する本構成では、探査孔の削孔やその削孔のための事前調査も不要であり、探査費用および探査期間の大幅な削減が可能である。また、このような地表面では、探査孔と相違して空間的制約がないため、その振源の大きさを自由に選択することができ、例えば、磁歪素子を大型化したり、複数並置したりしてその振動の強さを大きくすることが可能である。さらに、孔内から弾性波を発振する場合と異なり、孔内水の存在や発振器の密着性など特別な配慮は不要であり、容易に探査が可能である。
【００１３】
磁歪発振器は、地面に面で接触する地表面接触部と、地表面接触部に振動方向の端部が固定された磁歪素子と、からなるとしてもよい。また、地表面接触部の地表面との接触面積は、埋設物や地層境界の大きさおよびその深度、磁歪発振器の大きさ、個数、振幅および周波数に基づいて設定されるとしてもよい。
【００１４】
かかる地表面接触部に磁歪素子の端部を固定することで磁歪素子の振動を地表面接触部に伝達することができる。また、接触面積の大きさによって弾性波伝達の指向性を調整することができるので、埋設物の大きさおよびその深度に基づいてその接触面積を設定し、対象物に応じた精度の高い地下探査が可能となる。
【００１５】
地表面接触部は、磁歪素子を内包する保護ケースの一部であってもよい。かかる構成により磁歪発振器の携帯性や収納性を向上でき、また、磁歪素子の防水および防塵も可能となるので、降雨中等の多少の悪環境下においても当該反射法探査システムを作動することができる。
【００１６】
磁歪発振器は、振動周波数を任意に変化させることが可能であり、位置推定装置は、磁歪発振器の周波数を掃引し、最適な周波数を選択して位置を推定することができる。
【００１７】
本発明では、磁歪発振器の振動周波数を任意に設定する構成を利用し、周波数を推移させ、その測定感度が高くなる（受振レベルが総合的に高くなる）周波数を導出できる。従って、比抵抗等の地面状況に拘わらず、高精度かつ安定した測定結果を得ることが可能となる。
【００１８】
反射法探査システムによる埋設物もしくは地層構造の探査は、同条件で複数回行われ、位置推定装置は、複数回の測定の平均値によって位置を推定してもよい。
【００１９】
１回の測定においては所望する測定信号とノイズが混在しているが、測定信号には繰り返し性があり、ノイズには繰り返し性がない。従って、複数回の測定を重畳、平均することで、ノイズを相殺しかつ信号を増幅することができ、測定信号のみを的確に抽出することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の反射法探査システムでは、高振動エネルギーかつ高周波数で、地中浅部の埋設物を地表面から容易に探査できる。また、その周波数も任意に調整可能であり、縦波と横波を自由に切り替えることもできる。従って、測定する地盤の状態に拘わらず、最適な条件で確実に埋設物を抽出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２２】
通常、振動エネルギーと周波数とはトレードオフの関係にある。例えば、バイブレータやハンマ打撃、ダイナマイト、起振車による発破等の高エネルギーを有する地震波では周波数が低く、高周波数を有する音波等はエネルギーが低い。従って、反射法探査システムでは、用途に応じて高エネルギーの振源と高周波数の振源とを使い分けていた。本実施形態では、高エネルギーと高周波数とを同時に達成し、周波数の変更や縦波と横波との切替も可能にした汎用性の高い反射法探査システムを提供する。
【００２３】
図１は、本実施形態における反射法探査システム１００の各構成要素を説明するための縦断面図である。図１の反射法探査システム１００は、磁歪発振器１１０と、検知器１２０と、位置推定装置１３０とを含んで構成される。本実施形態では、埋設物もしくは地層境界の位置を推定しているが、理解を容易にするため、以下、単に埋設物と略記する。従って、埋設物としているところは地層構造探査における地層境界も含んでいる。
【００２４】
また、本実施形態では、地表面から地中浅部の埋設物および地層構造を探査しているので、探査孔の削孔やその削孔のための事前調査も不要であり、探査費用および探査期間の大幅な削減が可能である。さらに、このような地表面では、探査孔と相違して空間的制約がないため、その振源の大きさを自由に選択することができ、例えば、以下に詳述する磁歪素子を大型化したり、複数並置したりしてその振動の強さを大きくすることが可能である。さらに、孔内から弾性波を発振する場合と異なり、孔内水の存在や発振器の密着性など特別な配慮は不要であり、容易に探査が可能である。
【００２５】
上記磁歪発振器１１０は、磁歪素子１１２と、地表面接触部１１４と、保護ケース１１６とから構成され、それ自体を地面に設置し、磁歪素子１１２を振動させ、地中に対して、例えば、横波１４０（Ｓ波）を生成する。
【００２６】
本実施形態は、０〜１００ｍの地中浅部の埋設物および地層構造を地表面から容易に探査できる反射法探査に、振動性能が優れた磁歪素子１１２を適用したことを特徴としている。磁歪素子１１２は、磁歪素子１１２を構成する強磁性体が磁化するとその大きさに応じて変形をきたす現象を利用した、電圧変化を一方向への体積変化に変換する素材である。その中でも特に本実施形態に用いた超磁歪材料は、変位率が大きく、応答速度が速い特性を有する。
【００２７】
上記磁歪素子１１２は、反射法探査に利用される音波や圧電素子と比較して高エネルギーの振動が可能であり、そのストローク１４２（０．１ｍｍ程度）も圧電素子の１０〜５０倍以上である。従って、対象となる地盤が軟弱地盤や不飽和地盤であったとしてもその振動エネルギーを確実に埋設物１４４に伝達することができ、地下探査の可否の事前調査も不要になる。
【００２８】
また、磁歪素子１１２は、高いエネルギー出力のみに留まらず、その振動周波数を任意に設定でき、地震波と比較して高い周波数で振動することも可能となる。かかる磁歪素子として、例えばＴＤＫ株式会社製の「Ｖ２Ｘπ２０（製品名）」を用いると、５０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの振動周波数を得ることができる。
【００２９】
一般的に振動周波数が低い場合には探査目的の埋設物を弾性波が透過してしまい、反射波を得ることができない。また、振動周波数が高い場合、弾性波が減衰して埋設物まで到達せず、たとえ埋設物に到達したとしてもその反射波も減衰するので、良好な計測結果を得るのは困難である。
【００３０】
当該反射法探査システム１００においては、周波数が高いほど精度が向上し小さな埋設物も検知可能になる。ここでは、磁歪発振器１１０から出力される高周波数の横波は指向性が高く拡散が少ないので、浅部の小さな埋設物１４４を探査するのに特に適している。しかし、周波数が高いと波長が短くなり弾性波の到達率が悪くなるので、測定可能範囲を狭めてしまう。従って測定深度との兼ね合いで周波数を決定するとよい。
【００３１】
さらに磁歪素子１１２の振動周波数を任意に変化させることが可能なので、後述する位置推定装置１３０は、磁歪発振器１１０の周波数を掃引し、最適な（感度の高い）周波数を選択して位置を推定することができる。例えば、地盤が軟らかくなると波形伝達速度ｖが小さくなり、等しい周波数であっても波長λが短くなる。このとき、波長λ＝ｖ／ｆに基づき、波形伝達速度ｖの変化に合わせて振動周波数ｆ（Ｈｚ）を変化させることで、波形伝達速度ｖが小さい軟弱地盤や不飽和地盤であっても最適な波長λを維持することが可能となる。従って、高精度かつ安定した測定結果を得ることができる。
【００３２】
上記地表面接触部１１４は、上述した磁歪素子１１２の端部を固定支持しつつ、地表面と面接触する。ここでは、磁歪発振器１１０自体を地中に横たわらせて下部を埋めることで接触面積を大きくしている。
【００３３】
図２は、磁歪素子１１２の地表面接触部１１４への固定構造を説明するための説明図である。地表面接触部１１４の内面に磁歪素子１１２を単に設置するだけでは磁歪素子１１２の伸縮が制限され、その振動が地表面接触部１１４に十分に伝わらない。図２に示すように磁歪素子１１２の端部を地表面接触部１１４の主たる面１１４ａと垂直な面１１４ｂに固定することで磁歪素子１１２の振動を地表面接触部１１４に効率よく伝達することができる。
【００３４】
また、地表面接触部１１４の地表面との接触面積は、埋設物（または地層境界）の大きさおよびその深度、磁歪発振器の大きさ、個数、振幅および周波数に基づいて設定されてもよい。また、接触面積の大きさによって弾性波伝達の指向性を調整することができるので、埋設物１４４の大きさおよびその深度に基づいてその接触面積を設定し、対象物に応じた精度の高い地下探査が可能となる。本実施形態の対象の一つである軟弱地盤では弾性波が減衰しやすいので、指向性を高めることが特に重要となる。
【００３５】
地表面接触部１１４の地表面との接触面積を一定に保ったまま振動エネルギーを高くしたい場合に、磁歪素子１１２として大型なものを用いることもできるが、複数並列配置で対応することもできる。この場合、複数の磁歪素子１１２を、極性を合わせて正確に平行に配置し、同位相の信号を印加する。
【００３６】
上記保護ケース１１６は、図２に示した円柱形状に加え、矩形形状、平板形状等様々な形状で構成され、磁歪素子１１２を内包して保護する。このとき、地表面接触部１１４も保護ケース１１６の一部を成すこととなる。かかる構成により磁歪発振器１１０の携帯性や収納性を向上でき、また、磁歪素子１１２の防水および防塵も可能となるので、降雨中等の多少の悪環境下においても当該反射法探査システム１００を動作することができる。
【００３７】
上記検知器１２０は、地中の埋設物１４４（または地層境界）で反射して地表に達した反射波１４６を検知する。
【００３８】
上記位置推定装置１３０は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む計算機で構成され、検知した反射波１４６に基づいて、埋設物１４４（または地層境界）の位置を推定する。
【００３９】
また、位置推定装置１３０は、反射法探査システム１００による埋設物（または地層構造）の探査を同条件の下複数回行わせ、その複数回の測定の平均値によって位置を推定することができる。１回の測定においては所望する測定信号とノイズが混在しているが、測定信号には繰り返し性があり、ノイズには繰り返し性がない。従って、複数回の測定を重畳、平均することで、ノイズを相殺しかつ信号を増幅することができ、測定信号のみを的確に抽出することができる。
【００４０】
続いて上述した反射法探査システム１００を用いた具体的な探査方法を述べる。
【００４１】
図３は、反射法探査システム１００の設置例を示した説明図である。図３（ａ）では、地表面を上空から見た場合の平面図が、図３（ｂ）では、地下への振動伝達を表すための縦断面図が示されている。
【００４２】
本実施形態の磁歪素子１１２は、音波等と違い、個体の媒体を直接振動させることができるので、磁歪発振器１１０の設置状態を縦置きまたは横置きに変化させ縦波と横波を自由に切り替えることができる。従って、縦波（Ｐ波）および横波（Ｓ波）のどちらも利用することができる。
【００４３】
例えば、縦波による反射法探査を行う場合、図３（ｂ）の波線で示すように、磁歪発振器１１０を地表面１５０に垂直に設置し、地面に垂直な振動を生成する。また、横波による反射法探査を行う場合、図３（ｂ）の実線で示すように、磁歪発振器１１０を水平に設置または埋設し、地面に平行な振動を生成する。
【００４４】
縦波は、疎密波とも言われ、伝達速度が速いが指向性に乏しく振源から広い角度をもって拡散する傾向にあり、消散し易い。縦波に比べ横波は、指向性が高く消散し難いので振動が埋設物に届きやすく、安定した測定結果を得ることができる。また、周波数を高くしても指向性を維持できるので、ｋＨｚオーダーで地下探査を遂行できる。
【００４５】
また、図３（ａ）の平面図では、横波を発生させるための２つの設置例が示されている。従来では、図３（ａ）の点線で示されるように検知器１２０が設置されている方向に対して直交する方向に磁歪発振器１１０を設置し、その長手方向に振動していた。これは、検知器１２０が設置されている方向に振動した場合、その検知器１２０によって抵抗が増大し、また、検知器１２０に縦波が直接影響してしまい、所望する検知結果が得られないと考えられていたためである。
【００４６】
しかし、実験の繰り返しにより、磁歪発振器１１０が従来敬遠されていた方向、即ち、図３（ａ）の実線で示されるように、検知器１２０の方向に向けた方が良好な実験結果が得られることが分かった。かかる現象を詳細に検討したところ、検知器１２０に直接影響を与えると考えられていた地表面を伝わる縦波が、伝達中に減衰（消散）しており、検知器１２０に実質的な影響を与えていないことが判明した。従って、磁歪発振器１１０の方向を検知器１２０に向けることで、さらに高精度に埋設物１４４を検出することができるようになった。
【００４７】
また、従来では横波の影響を回避するため、磁歪発振器１１０と検知器１２０との距離を大きくとっていたが、上記の磁歪発振器１１０を検知器１２０に向ける配置では、縦波の影響が薄いため、その距離を著しく短縮することができる。例えば、本実施形態の反射法探査システム１００において、磁歪発振器１１０と検知器１２０とを５０ｃｍ程度近づけても良好な試験結果を得ることができた。以下に、上述した磁歪発振器１１０の３つの設置に関する測定結果を比較する。
【００４８】
図４は、磁歪発振器１１０の設置状態による埋設物１４４の測定結果を示した図である。かかる図４（ａ）は、磁歪発振器１１０を地表面１５０に対して垂直に設置し縦波を加える場合の探査結果を、図４（ｂ）は、検知器１２０と直交する方向に設置し横波を加える場合の探査結果を、図４（ｃ）は、検知器の方向に設置し横波を加える場合の探査結果を示している。ここで対象となる埋設物は３ｍ程度の深度を想定している。
【００４９】
図４（ａ）では、地中に放射された振動の振幅が減衰し、その反射波をほとんど得られず、表面波２００のみが検知され、埋設物を判別することができない。図４（ｂ）では、埋設管と思われるポイント２０２があり、埋設物の存在を知っていれば特定できるかもしれないが、地表面を伝わる横波のエネルギーが強すぎて測定結果が表面波２００に埋もれる結果となった。かかる２つの場合と比べて、図４（ｃ）では、表面波はほとんど検知されず、埋設物も、地面中浅部に設けられた埋設管２１０および深部に設けられた水槽底板２１２も検知されている。この結果から、検知器１２０の方向に設置した場合の精度の高さが理解できる。
【００５０】
また、ここで、検知器１２０を磁歪発振器１１０の両側に対称的に配置しているのは、一方に偏らせると反射パスが長くなって検出精度が低下するからであり、両側に近接して配置することで効率的に反射波を検出することができる。
【００５１】
また、実際の反射法探査では、磁歪発振器１１０を複数箇所に設置し、それぞれに対して、検知器１２０の検知信号を複数取得する。従って、磁歪発振器１１０と検知器１２０との位置関係を維持しつつ、その組み合わせ全てを移動手段によって推移させる。
【００５２】
上述したような反射法探査システム１００では、高振動エネルギーかつ高周波数で、地中浅部の埋設物を地表面から容易に探査できる。また、その周波数も任意に調整可能であり、縦波と横波を自由に切り替えることもできる。従って、測定する地盤の状態に拘わらず、最適な条件で確実に埋設物を抽出することが可能となる。
【００５３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、反射法を用いて地中浅部の埋設物および地層構造を探査する反射法探査システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】反射法探査システムの各構成要素を説明するための縦断面図である。
【図２】磁歪素子の地表面接触部への固定構造を説明するための説明図である。
【図３】反射法探査システムの設置例を示した説明図である。
【図４】磁歪発振器の設置状態による埋設物の測定結果を示した図である。
【符号の説明】
【００５６】
１００  …反射法探査システム
１１０  …磁歪発振器
１１２  …磁歪素子
１１４  …地表面接触部
１１６  …保護ケース
１２０  …検知器
１３０  …位置推定装置
【図１】
2009025103.tif 000003
【図２】
2009025103.tif 000004
【図３】
2009025103.tif 000005
【図４】
2009025103.tif 000006