弾性波を用いた埋設物探査手法に関する基礎的検討

弾性波を用いた埋設物探査手法に関する基礎的検討
Fundamental Study on Detecting Buried Object using Seismic Reflection Method
R&D センター

程塚保行

YASUYUKI

R&D センター

松田拓

TAKU

MATSUDA豪治

GOJI

TOMURA

知的財産部

戸村土木技術部

長谷川

土木技術部

矢野大阪支店

井上

HODOTSUKA

HIROAKI

HASEGAWA

安則

YASUNORIYANO

淳一

JUNICHI弘明

INOUE

試掘確認が困難な深度 1～10m の埋設物は，ボーリング掘削による探針などが行われ，調査に多大な労力を要している。そのために，この深度の効率的な探査手法の開発が求められており，探査手法の確立のために，深度 2.5ｍの矩形函渠を対象に反射法弾性波探査手法を用いた基礎的実験と数値シミュレーションを実施した。実験の事前検討として矩形函渠から反射する波を高密度に受振する測定配置と反射点を抽出するデータ処
理方法を数値シミュレーションで検討し，その測定配置とデータ処理方法を実験で適用した。その結果，比較的に精度よく矩形函渠上面の位置を特定することができた。このことにより，本研究で用いた測定配置及びデータ処理方法は，埋設物の探査手法として適用可能であることを確認した。
キーワード：地下埋設物，反射法弾性波探査，矩形函渠，数値シミュレーション

Exploration of buried objects at a depth of 1 to 10 m, which is difficult to confirm by test pitting, takes
labor for exploration, such as probe by boring. Therefore, the development of an efficient exploration
method for this depth is required. In order to establish the exploration method, fundamental experiments
and numerical simulations using the seismic reflection method were carried out for the box culvert at a
depth of 2.5 m. As a preliminary study of the experiment, the measurement arrangement for receiving thereflected waves from the box culvert at high density and the data processing method for extracting thereflection points were considered by numerical simulation, and the measurement arrangement and the dataprocessing method were applied in the experiment. As a result of the experiment, it was possible to identify
the position of the upper surface of the box culvert with relatively high accuracy. From these it wasconfirmed that the measurement method and data processing method used in this study can be applied asa method for exploring buried objects.
Key Words: Underground buried object, Seismic reflection method, Box culvert, Numerical simulation

１． はじめに高いが，探査深度が 1~2ｍ程度と浅く，また，深度 1ｍ以浅であっても地下水位以深では電磁波の減衰が大きく地下埋設物や地下構造物の施工の際には，事前に既存探査が困難な場合が多い。そこで，深度 1~10m の非掘埋設物を把握する必要がある。それらの既存埋設物は，削の探査手法として，数十ｍの深さの地層の分布を調べ一般に試掘による目視で確認される。試掘確認が困難なる目的で利用される反射法弾性波探査を用いることとし

深度 1~10m の埋設物は，ボーリング掘削による探針なた。この手法を埋設物探査に応用するためには地下の局どが行われ，調査に多大な労力を要する。よって，この所的な位置から反射する波を測定する方法やその反射位1)。

置を特定するデータ処理方法を確立する必要がある 2）。

深度の効率的な探査手法の開発が求められている

一方，非掘削の調査手法として電磁波の反射波を用いる

本研究では，深度 1~10m の埋設物を探査する手法の地中レーダー探査は，短時間の測定が可能であり精度も確立のための基礎的な検討として，深度 2.5ｍにある既61

三井住友建設技術研究開発報告

図-1

第 20 号

図-2

起振点-受振点配置と弾性波速度モデル

図-3

入力波形（リッカーウェーブレット）

図-4

探査波形（数値シミュレーション）

探査レイアウト

知の埋設物を対象に，数値シミュレーションによる測定配置やデータ処理手順などの埋設物探査手法についての事前検討と，その検討結果を踏まえて実施した埋設物探査実験の結果について報告する。

２． 埋設物探査手法概要
地層と比較して埋設管のような小さな物体で散乱し反射した波を測定するためには，埋設管の大きさより小さな波長の波を起振し，埋設管から反射してきた波を高密度に測定する必要がある。松原（1994）ら 3)は，小型のバイブレータ振源を用いて深度 1.5～2.0m の埋設物から反射した波を捉えている。更に，Bachrach(2010)ら 4)は高密度に展開した受振器を用いて深度 1.5ｍに埋設された埋設管から反射した波をマイグレーションなどのイメージング処理を適用することにより検出している。本研究では，Bachrach(2010)らの手法を応用し，埋設物の検出に加えて，埋設物から反射する波を反射点として抽出し埋設物の位置を特定する手法を数値シミュレーショ

2 に示す。測線長は 6ｍとし，起振点は 1ｍ間隔で 7 点，ンで検討し，実験で適用した。実験の探査レイアウトを受振点は 0.2m 間隔で 31 点配置した。弾性波速度モデル

図-1 に示す。の矩形函渠は，上面が深度 2.5ｍにあり，大きさは幅2.5m×深度 2.5m とし，弾性波速度は Vp=3600m/s とし３． 数値シミュレーションによる事前検討た。その周囲は埋戻し土を想定し弾性波速度をVp=500m/s とした。数値シミュレーションの入力波形は，埋設物探査実験に先立って，実験を模擬した数値シミュレーションによる事前検討を行った。

中心周波数 300Hz のリッカーウェーブレットとした（図-3）。
数値シミュレーションにより計算した受振点の速度（１）数値シミュレーションデータの作成

振幅の探査波形を図-4 に示す。探査波形の反射波の双数値シミュレーションは，実験で計画した起振点-受曲線の頂点を青矢印で示す。起振点が 0～3m における振点の配置と実験地を模擬した 2 次元の弾性波速度モデ

反射波の双曲線の頂点はすべて 3.5ｍ地点で反射波の双ルを設定して，波線理論 5)により受振点の速度振幅を計曲線形状が同様となっている。そして，起振点が矩形函算した。起振点-受振点の配置と弾性波速度モデルを図-渠から遠ざかるにつれて到来時間が遅くなっている。探62弾性波を用いた埋設物探査手法に関する基礎的検討

図-7

図-5

重合断面（数値シミュレーション）

波線図（数値シミュレーション）

図-8

深度変換結果の反射点分布（数値シミュレーション）
デルの埋戻し土の弾性波速度（Vp=500m/s）で重合前時間マイグレーション 6)および深度変換 6)を適用した。この重合前時間マイグレーションは，探査波形における反射波を地下の反射点位置にイメージする処理である。そして，深度変換は，弾性波速度データを用いて時系列デ
図-6

重合前時間マイグレーション後の深度変換結果（数値シミュレーション）ータを深度データに変換する処理である。重合前時間マイグレーション後の深度変換結果を図-6 に示す。図中青矢印の反射波が集中してイメージされた反射点位置は，査波形の反射波の波線経路を図-5 に示す。起振点が 0~3

矩形函渠上面に対応する。また，図中青矢印と図-5 のｍの反射波のほとんどは矩形函渠の上面の隅角部（3.5

波線図の反射点の整合性から，反射波の振幅が反射点へｍ地点）で反射している。すなわち，矩形函渠の隅角部イメージできていることが確認できる。

から反射する波は，起振点位置が変わっても反射波の双7 起振点分の深度変換結果の振幅を足し合わせた重合曲線の頂点が矩形函渠の隅角部直上となり，起振点と矩断面を図-7 に示す。重合断面から，矩形函渠の上面と形函渠の隅角部との距離に応じた到来時間となることを3.5ｍ付近の隅角部が認められる。

示している。一方，起振点が 4~6ｍの探査波形の反射波の双曲線の頂点は，起振点の位置とほぼ同一であり，そ（３）反射点の抽出れぞれ起振点位置の反射波が同一時間に到来している。

探査結果として矩形函渠の位置座標を得るために、反これは，図-5 の波線図に示すように 4~6ｍ起振点の下部射波の振幅に閾値を設定して反射点を抽出した。反射点に矩形函渠が位置しているためである。の抽出の際には，図-6 の深度変換結果と図-7 の重合断面の反射点位置の分布や精度を比較する目的で，それぞ（２）数値シミュレーションデータの処理
探査波形の直接波をミュートで除去し，速度構造モれ反射点を抽出した。深度変換結果から抽出した反射点分布を図-8 に，重合断面から抽出した反射点分布を図-

63

三井住友建設技術研究開発報告

図-9

第 20 号

重合断面の反射点分布

図-11

測線配置

表-1

実験機器

（数値シミュレーション）

図-10

データ処理フロー（数値シミュレーション）

9 に示す。両者とも反射点の分布位置はおおむね同一であるが，深度変換結果の反射点分布の方が反射点の抽出数が多く且つ矩形函渠隅角部（3.5ｍ地点）の反射点の集中が顕著である。この隅角部の反射点の集中は，矩形函渠の隅角部位置の把握を容易にする重要な特徴である
ため，反射点の抽出には深度変換結果を用いることとした。
以上のデータ処理フローを図-10 に示す。この手順を基本とした処理フローを次章の埋設管探査実験で用いた。

４．埋設物探査実験
実験は，片側 2 車線の道路上の規制帯内で実施した

図-12

データ処理フロー（探査実験）（図-11）。実験エリアには深度 2.5ｍで 2.7m×2.8m 程度の大きさの矩形函渠が道路の車線方向に敷設されており，0.2m の固定展開とし，起振点は 1ｍ間隔で 7 点配置した。

これを探査対象とした。測線はこの矩形函渠を横断する実験エリアの隣の対向車線には車両が走行し，その上部方向に配置し，測線長は道路幅の 6ｍとした。

は鉄道が走行しており，その振動ノイズが 10Hz 付近の周波数帯域で卓越していた。そのため，バイブレータ振（１）実験データの取得源の起振周波数は 20～400Hz とした。

探査データの測定は，高感度で高密度測定が可能なレーザードップラー振動計と高周波数帯域の起振ができるバイブレータ振源を使用した（表-1）。受振点の間隔は64（２）実験データの処理データ処理フローを図-12 に示す。図-10 のデータ処

弾性波を用いた埋設物探査手法に関する基礎的検討

図-13

図-14

探査波形図（探査実験）
図-15

重合断面（探査実験）

図-16

反射点分布（探査実験）

重合前時間マイグレーション後の深度変換結果（探査実験）

理フローに，相互相関とバンドパスフィルタ，反射波速度解析を加えた。相互相関は，実験に用いたバイブレータ振源によって起振される周波数変調の探査データを時

深度 1ｍ付近は埋土境界からの反射波，深度 2.5ｍ付近系列の探査波形に変換するために適用した。バンドパスは矩形函渠上面からの反射波と推定される。この矩形函フィルタは，探査波形を起振周波数帯域に制限しノイズ渠上面から反射した波を抽出した反射点分布と重合処理除去を目的として適用した。そして，重合前時間マイグを適用した重合断面をそれぞれ作成した。

レーションを適用するために必要な実験地の地盤の弾性波速度を得るために反射波速度解析を行った。測定デー（３）探査結果

タと発振波形を用いて相互相関処理を適用した探査波形

重合断面を図-15 に示す。深度 1ｍ付近に埋土境界がを図-13 に示す。探査波形はやや不明瞭であるが，これ測線の始点から終点まで連続して認められる。そして，はバックグラウンドノイズや表面波，PS 変換波などの深度 2.5ｍ付近の振幅の大きな反射波の分布は，矩形函反射波以外の影響が含まれていることが原因と思われる。

渠の上面の既存情報の位置及び深度とも概ね整合していそのために，前章の数値シミュレーションの探査波形のる。その矩形函渠の下部の深度 4ｍ付近にもやや小さなような明瞭な双曲線形状は認められないが，直接波とそ振幅の波の分布が認められるが，その波の分布幅が矩形のサイドローブの後に反射波と思われる波がいくつか認

函渠上面の反射波分布と同様であり，その深度（4ｍ）められる。その反射波を抽出するため，探査波形に起振が矩形函渠と埋土境界の間の深度の差（1.5ｍ）を矩形周波数帯域のバンドパスフィルタを適用し，直接波とそ函渠の深度（2.5ｍ）に足した深度と一致するため，このサイドローブをミュートにより除去した。その後，反れは埋土境界と矩形函渠上面の間で多重反射した波と推射波速度解析を実施して得られた弾性波速度データ定される。

（Vp＝360m/s）を用いて重合前時間マイグレーション

深度変換結果から抽出した反射点分布を図-16 に示す。

を適用し深度変換を行った。深度変換結果を図-14 に示

その反射点分布の幅は矩形函渠の上面と概ね一致していす。深度 1ｍ付近と深度 2.5ｍ付近に比較的振幅の大きる。そして，その反射点は，反射点分布と既存情報とのな反射波が認められる。これらの反射波は既存情報から比較から 10～20cm の位置精度で検出できていることが65

三井住友建設技術研究開発報告第 20 号確認できた。

参考文献
1） 社団法人全国地質調査業協会連合会：防災・維持管

５．まとめ

理分野における物理探査の適用，報告書，2007．
2） 今吉隆ほか：3D 極浅層反射法地震探査の適用性に

深度 1~10m の埋設物を探査する手法の確立のための基礎的な検討として，既知の深度 2.5ｍの矩形函渠を対関する基礎実験，物理探査学会第 145 回学術講演会
論文集，pp.109-112，2021．

象に埋設物探査実験を実施した。その実験の事前検討と

3） 松原由和ほか：ポータブルバイブレータの極浅層反して、数値シミュレーションで測定配置やデータ処理手

射法探査への適用，物理探査学会第 91 回学術講演順などの埋設物探査手法について検討した。その結果，

会論文集，pp.62-66，1994．

探査実験で計画した測線配置や起振点間隔及び受振点間4） R.Bachrach,M.Reshef:3D ultra shallow seismic imaging

隔で矩形函渠が探査可能であること，重合前時間マイグ

of buried pipe using dense receiver array: Practical andレーション後の深度変換結果から反射点を抽出すること

theoretical considerations, GEOPHYSICS,Vol.75, No. 6,

により矩形函渠上面の位置及び形状の把握が容易になる

G45–G51, 2010.

ことが確認できた。これらの数値シミュレーションでの検討結果を基に，埋設物探査実験を実施した。その結果，矩形函渠から反射した波が検出でき、その反射点分布から比較的精度よく矩形函渠上面の位置を特定することができた。今後の課題として既存情報がない埋設物を対象とした探査手法の検討と探査波形の S/N 比の向上が挙げられる。

665） 綾瀬一起ほか：近地地震波の伝播に関する理論，地震 第 2 輯，42 巻,3 号，pp.391-403，1989．
6） 物理探査学会：物理探査ハンドブック，pp.75-81，
1998．