地震波干渉法に基づく坑内ノイズ振動を用いた切羽前方探査

フジタ技術研究報告―切羽予報の現場運用システムの開発―
第59号 2023年

地震波干渉法に基づく坑内ノイズ振動を用いた切羽前方探査―切羽予報の現場運用システムの開発―

概村山秀幸

荒井靖仁

池田奈央

要

筆者らは、山岳トンネルにおいてリアルタイムに切羽前方の地質情報を提供できる弾性波探査法として地震波干渉法に注目し開発を進めてきた。切羽近傍作業で発生する様々な振動を前方探査に活用することを試行した結果、掘削発破の振動を用いて毎日の切羽性状を天気予報のようにリアルタイムに予測する切羽予報と称するシステムを実用化した。一方、発破を用いない現場における切羽予報として、切羽から坑口間で発生するノイズ振動であるずり出し時に注目しさらなる開発を進めている。本稿は、切羽予報の現場運用による実用化とずり出し時の振動を切羽予報に適用するための課題を述べる。

Geological sur vey ahead of tunnel face based on seismic interferometr yusing seismic noise waves while tunnel working
̶ development for on-site operation system of tunnel face forecasts ̶Abstract
The authors have been developing seismic interferometr y as a seismic exploration that can provide geologicalinformation ahead of a mountain tunnel face in real time. As a result of trial studies to utilize various seismic waves
generated around a tunnel face for tunnel forward exploration, we had put into practical use a system called tunnel face
forecasts that predicts daily face properties in real time like a weather forecast using the seismic waves of drill blasting.
On the other hand, as for tunnel face forecasts in a tunnel works that does not use blasting, we are focusing on seismic
noise waves generated between the tunnel face and entrance at the time of mucking works, and further development
is being promoted. This paper describes the practical application of tunnel face forecasts on site operation and thechallenges of applying the seismic waves during mucking works to tunnel face forecasts.

キーワード：切羽前方探査、地震波干渉法、自己相関、
切羽予報、掘削発破、ずり出し― 71 ―

フジタ技術研究報告 第59号

羽予報システムの現場運用による実用化について述べ§1．はじめにる8～10）。

筆者らは、トンネル坑内に高精度の刻時装置（原子§2．坑内振動ノイズの適用性検証時計）を用いた観測機器を常設し、掘削発破を震源に2.1活用することで施工サイクルに影響を与えない切羽前

各種坑内振動ノイズの適用性検証の概括

1）
方探査手法（連続 SSRT と称す）を実用化してきた。

表 1 に、各種坑内作業で発生する振動発生源と観測

しかしながら、本手法では20発破程度のデータを蓄積

機器の配置を作業状況写真と併記して示す。各種の振してから波形処理（VSP）を行う必要があり、観測開動ノイズは、ずり出し作業におけるダンプ走行、ベル始から結果が得られるまでに10日程度のタイムラグがトコンベア搬出を除き、切羽近傍で発生しており観測発生する。一方、地震波干渉法の原理を導入すれば、機器を切羽後方 100～300 m 付近に配置することを基

1 つの受振点で 1 回の発破振動から切羽前方の反射イ

本 と し た。地 震 波 干 渉 法 と し て は、自 己 相 関 処 理

メージが得られ、結果の即時性と観測機材の簡素化が（auto-correlation）を実施し切羽前方地山の反射イメー期待できる。そこで、従来坑内作業で発生する振動はジを得ている。自己相関処理では、同一の波形記録にノイズとして扱われてきたが、様々な振動ノイズの切おいて過去の波形が現在の波形とどれだけ似ているか

2～7）

羽前方探査への適用性を検証してきた。

を示しており、ある時間ごとに自己相関が大きくなる

本稿では、坑内で発生する振動ノイズのうち地震波とは、元の波形はその時間で周期性・類似性（繰り返干渉法に基づく切羽前方探査に有効な振動発生源を検し現象）を持つことを示している。

証し、そのうち掘削発破振動の優位性を示すと共に、

表 2 に、各種振動ノイズの切羽前方探査への適用性

ずり出し時の振動ノイズの探査可能性と課題についてとその評価を示す。本検証は、①モデル波形を用いた考察する。さらに、毎日掘削のために使用する段発発音響シミュレーションによる検証、②現場観測データ

破の振動ノイズを活用し、切羽の地質情報をリアルタを音響シミュレーションの入力波形として用いた検証、イムに提供、共有化することを目的として開発した切③現場観測データを自己相関処理し従来の連続 SSRT

表1
坑内作業

振動発生源

各種坑内作業における振動発生源と観測機器の配置
振動源と観測機器の配置

削孔：発破孔、
油圧削岩機
ロックボルト（ジャンボ）
孔

掘 削：発 破、機械

ずり出し
（こそく）

発破（爆薬）：段発発破（DS 雷管）

機械：油圧ブレーカー、自由断面掘
削機など［切羽近傍］
ホイールローダー、油圧ブレーカー［坑内～坑外搬出］ダンプ走行、ベル
トコンベア搬出― 72 ―

作業状況写真地震波干渉法に基づく坑内ノイズ振動を用いた切羽前方探査

表2
坑内作業

―切羽予報の現場運用システムの開発―

各種振動ノイズに対する切羽前方探査への適用性検証方法とその評価
振動発生源実施した検証手法

切羽前方探査への適用性評価

油圧削岩機：油圧削岩機の打撃周波数
・切羽近傍での観測データを音響シ ×（不適）ミュレーションの入力波形として検 から切羽前方探査には不適、音響シミュレーションで反射を検出不可能
証実施［発破（爆薬）］段発発破（DS 雷管）

・単発、段発のモデル波形を入力波形として、音響シミュレーションで検証
・現場観測データの自己相関結果と従来手法（連続 SSRT）の反射記録との対比

削 孔：発 破 孔、ロックボルト孔

掘削：発破、機械〇（良 好）： 1 段 目 波 形（段 間 250ms）の自己相関処理で切羽前方を検知可能※現場での連続観測（約200発破）から有効性を確認⇒「発破干渉法（切羽予報）」として検証中［機 械］油 圧 ブ レ ー・現場観測データの自己相関結果と ？（不明確）：観測データ数が少なくカー、自由断面掘削機
切羽観察結果の対比
検証が不十分など

ずり出し（こそく）：切羽近傍での振動発生源［切羽近傍］ホイール ・切羽近傍での観測データを音響シ ×（不適）が様々であり、音響シミュレーショ
ミュレーションの入力波形として検ローダー、油圧ブレーンで反射を検出不可能
証実施
カー［坑内～坑外搬出］ダ ・現場観測データの自己相関結果とンプ走行、ベルトコン 従来手法（連続 SSRT）の反射記録との対比
ベア搬出

表3△（可能性あり？）：観測データ数が少なく検証が不十分であるが、原理的には可能性あり

段発発破と主な掘削機械で発生する振動ノイズの周波数と探査可能距離の目安
想定周波数 λ地山弾性波速度 Vp=4000 m/s における往復到達距離［（Vp/λ）/2］

50 Hz

40 m

油圧ブレーカー（300～600回／分）

5 ～10 Hz200～400 m

段発掘削発破（DS 雷管：公称段間時間：250 ms）

4 Hz（250 ms）
5 Hz（200 ms）
3.3 Hz（150 ms）

500 m
400 m
300 m

機械や発破による振動発生回数
油圧削岩機（3000回／分）における反射記録や切羽観察記録との比較などで実施

圧ブレーカーが発生する振動は、様々な振動源からのした。

波形が重なり合い、②による検証から有意な反射イ

油圧削岩機の振動ノイズは、油圧ハンマーの打撃にメージが得られなかったため切羽前方探査に「不適」

よって発生しており周期性があり、②による検証からとした。一方、ずり出し作業時における切羽から坑口切羽前方数 10 m 付近に強い反射イメージが出現した。

間で作業となるダンプ走行やベルトコンベアからの振表 3 に示す段発発破と主な掘削機械で発生する振動ノ

動ノイズは、既存報告11）から切羽前方探査に有益な可イズの周波数と探査可能距離の目安より、油圧ハン能性がある。ずり出し時の振動源は坑内を移動するこマーの打撃周波数から切羽前方 40 m 付近に強い反射とから、表 1 に示した観測機器の配置において、切羽が出現し、それ以深の探査が不能となることがわかる。

側で発生する振動はキャンセルされ、坑口側の振動かすなわち、油圧削岩機の振動は切羽前方探査に「不適」

ら切羽前方側の反射イメージを抽出できる可能性が示となる。

唆される（後述2.3参照）。よって、その適用性として機械掘削で用いる油圧ブレーカーや自由断面掘削機は「可能性あり」とした。

が発生する振動は、③による検証から有意な反射イ

なお、油圧ブレーカーは様々な坑内作業で使用されメージは得られなかったが、現況における検証データ数

表 3 より、振動ノイズの周波数が 5～10 Hz で探査距が少なく、ここでは適用性の採否を「不明確」とした。

離が 400～200 m に相当することから、油圧ブレーずり出し作業時の切羽近傍でのホイルローダーや油カー単独の振動であれば前方探査への適用性はあると― 73 ―

フジタ技術研究報告 第59号

考えられる。

点で優位となる。

DS 雷管を用いた段発発破は、①と③の検証から適・振動エネルギーが非常に大きいため大きな振幅を用性が「良好」であり（後述2.2参照）、切羽予報とし有する波形となり坑内ノイズデータとの区別が容易でて実用化に注力している。DS 雷管の公称段間時間はある。

250 m 秒であり、誤差を考慮して 200 m 秒を自己相関・トリガー設定機能（振幅値に対してしきい値を設処理のデータ長としても表 3 から探査可能距離は 400

置ししきい値以上のデータを自動的に保存する機能。

m となるが、自己相関処理ではデータ長の半分が有効汎用的な振動記録装置に通常備わっている機能）を用となり、有効な探査可能距離は 200 m（400 m/2）程いて発破振動を自動的に保存できる。

度となる。

・火薬消費日報として、発破切羽位置、発破時刻、使用雷管の段数と数量、薬量などを発破ごとに記録す

2.2

掘削発破振動の優位性についてることが義務付けられており、これらの発破諸元が波掘削の段発発破振動を震源とする地震波干渉法の技形処理において活用できる。
以上の自動処理における掘削発破の優位性を考慮し、術成立性については、音響場シミュレーションにより3,4,7）検証している。図 1 に、音響場シミュレーション

切羽予報システムの構築を行っている。

による段発発破の 1 段目のみの振動を含むゲート長
2.3

150 ms の自己相関の計算結果を示す。図 1 より、段発ずり出し振動ノイズの可能性について

発破を震源とする地震波干渉法では、 1 段目の波形の図 2 に、ずり出し作業に発生する振動ノイズを坑内みで 2 段目以降の波形を含まないゲート長で処理すれで観測した場合の自己相関による走時モデルを示す。

ば、切羽前方の反射イメージが得られることが示され

図 2 より、受振器から切羽間で発生する振動ノイズは、たと言える。

キャンセルされ切羽前方の反射イメージに反映されな次に、リアルタイムに処理結果を得るためには、振いことがわかる。一方、振動源が受信器から坑口側に動データの回収～波形処理～処理結果の表示等を自動ある場合は、切羽前方の反射イメージが強調されて得化する必要がある。そのためには、発破振動を自動的ることができる。すなわち、受振器から後方となる坑に取得すること、初動を自動で読み取りデータを切り口側での振動ノイズを観測していることがずり出し作出すこと、切り出したデータに対して自己相関処理と業におけるノイズ振動を切羽前方予測に活用するため処理結果を自動的に表示するなど様々な機能が必要との条件となる。ただし、トンネル線形が適用区間で直なる。掘削発破は、これらの自動処理を行う上で次の線であることなどの制限があることがわかる。

図1

音響場シミュレーションによる掘削発破を震源とする自己相関の計算結果（ゲート長 150 ms）― 74 ―

地震波干渉法に基づく坑内ノイズ振動を用いた切羽前方探査

波干渉法を用いた切羽予報の適用を考える場合、実用ズリ出しノイズへの地震波干渉法適用 （振動源が受振器～切羽間の場合）
坑口側

受振器

切羽反射構造（断層・破砕帯）

直達波化が急務と言える。

受振記録概念図
𝑡𝑡0

・・・

直達波

§3．切羽予報の現場運用による実用化

反射波

反射波

3.1

直達波

切羽予報システムの概要

図 3 に、現場観測から波形処理・表示を自動化する・・・

・・・
𝑡𝑡0

―切羽予報の現場運用システムの開発―全体システムの概要を示す。坑内観測機器は、坑内の自己相関処理後無線 LAN および有線 LAN で公衆インターネット回線反射波とつながっており、ネットワーク上に自動処理する波・・・

形処理専用サーバーを設置し、発破データの回収から切羽予報（WEB 更新）までを一括で実施している。

（a）振動源が受振器から切羽間の場合

図 4 に、現場における発破データの取得から切羽予報までの波形処理フローを示す。発破振動は、坑内にズリ出しノイズへの地震波干渉法適用 （振動源が受振器～坑口側の場合）
坑口側

受振器

切羽

反射構造
（断層・破砕帯）

𝑡𝑡0

・・・
直達波

常設する受振器（ジオフォン 10 Hz）と振動記録装置

受振記録概念図（原子時計付き）において、ある一定値以上の振幅レベ直達波

ルの振動を自動的に取得・保存する（トリガー設定、反射波

サンプリングレイト 0.5 ms、データ長10秒）。現場で反射波

・・・

・・・

は、受信器をトンネル軸方向に 2 m 間隔で 4 か所に設𝑡𝑡0

置し、この 4 ch に対して自己相関処理を実施する。専自己相関処理後

用サーバーは10分毎に振動記録装置に新たな発破デー反射波

タが保存されていないかをチェックし、保存されてい直達波・ 発 破干渉法は、受発点間の相反定理に基づき、上図の受振 器 位置に発破点、振動源（のうち特定の1点点）の位置に受振 点 を配置したものに相当するれば自動回収する。この発破振動データに対して初動・・・ピッキングを適用し初動時間を確定する。
DS 雷管を用いた掘削発破は、 1 段目の発破記録を（b）振動源が受振器から坑口側の場合
図2

初動からデータ長 200～250 m 秒で切り出し、地山弾性波速度から距離換算した振幅強調波形を得る。さら

ずり出し時の振動ノイズを用いた自己相関による走時モデルに、発破情報（発破位置、火薬量、段数など）と紐づなお、ずり出し作業時の坑内におけるダンプの走行切羽予報システムは、天気予報のように切羽前方地けされ、切羽前方における振幅強調画像を得る。

やベルトコンベヤからの振動は、掘削発破のような自山を毎日予測し、「晴れ（地山変化が少なく安定）」、動化処理が難しいと考えられる。しかしながら、発破「雨（地山変化が激しく要注意）」、「晴れ／曇り～曇りを使用しないトンネル（機械掘削トンネル）での地震（地山変化が中程度）」を判断し、切羽予報（昨日・本図3

現場観測から波形処理・表示を自動化する全体システムの概要― 75 ―

フジタ技術研究報告 第59号

【坑内観測機器】
掘削のための段発発破の振動（毎日4～5回程度実施）

坑内振動観測機器（受振器，振動記録装置）

坑内振動記録装置[原子時計付き]（トリガー設定：ある振幅レベル以上の振動データを自動で取得）

坑外波形処理サーバー（現場設置）【坑外波形処理サーバー】＜波形処理（自己相関処理）＞＜画像処理）＞

初動ピッキング（AI,STA/LTAによる自動読取）

合成反射波形の二値化処理（パラメータの相違による緩やかな二値化で集中度の相違を表現）

1段目の発破振動の切り出し（データ長200~250m秒）

二値化画像のスムージング処理
1)集中度低画像：低いスコア
2)集中度中画像：中間スコア
3)集中度高画像：高いスコア
上記の重みづけで切羽位置での積算値を「カラーバー」で表示

自己相関処理による切羽前方からの反射波形の作成
反射波形の合成（画像化）

発破情報（位置，薬量，段数など）【公開用WEBサーバー】
毎日9時に切羽予報を更新
スコア別に切羽予報を確定・表示「晴れ」，「曇り」，「雨」

図4

大型モニター（切羽予報の表示）

現場における発破データの取得から切羽予報までの波形処理フロー

図5

振幅強調画像の二値化処理から切羽予報を確定する手順― 76 ―

地震波干渉法に基づく坑内ノイズ振動を用いた切羽前方探査

3.2

日・明日の予報、長期予報）として関係者に公開・周知するシステムである。

―切羽予報の現場運用システムの開発―

適用現場の概要と考察

切羽予報の運用は、四国横断自動車道（阿南～小松

切羽予報では、前方地山の変化を自動的に判断する島）令和元− 4 年度横断道羽ノ浦トンネル工事（トンために、発破振動から得られた複数の反射イメージをネル延長 753 m、国土交通省四国地方整備局徳島河川重ねた振幅強調波形の画像を画像処理によって自動処国道事務所発注）で実施した。本トンネルは、起点側理する。

（小松島側）から延長 600 m 区間に中生代白亜紀の秩

図 5 に、振幅強調画像の二値化処理から切羽予報を父帯北帯に属する砂岩、泥岩およびその互層が分布し確定する手順を示す。図 5 より、二値化を行うパラ発破掘削が計画されおり切羽予報をこの区間で運用しメータ b 値を0.55、0.60、0.65として 3 種類の二値化た。運用区間には一部断層破砕帯が想定されるが比較画像を作成する。これらの画像は、振幅強度の集中度的安定な地質と想定されていた。なお、終点側（阿南の違いを表わしており、高い集中度の画像＝地山変化側）の 153 m 区間には黒瀬帯の蛇紋が分布し機械掘削が顕著な箇所、中程度の集中度の画像＝地山変化が中となっている。

程度の箇所、低い集中度の画像＝地山変化が少ない箇

切羽予報は、毎日現場で行う昼の安全作業打合せま所を抽出していることになる。パタメータ b 値は試行でに関係者に周知するために、夜勤作業での発破を含錯誤的に決定している。

めて毎日 9 時に専用 WEB に表示する切羽予報を自動次に、各々 3 つの画像の切羽位置で画素数を積算し、更新して公開することとした。

積算値が50以上の場合「1（画素が集中している）」、50

図 6 に切羽予報と切羽評価点（国交省方式）を比較未満の場合「0（画素が集中してない）」として二値化して示す。切羽予報は、発破掘削区間である TD 60 mバーを 3 つ作成する。最後に、切羽位置で 3 つの二値付近から TD 560 m 付近までの延長約 500 m 区間で運化バーを統合して最終的な積算値バーを作成（最小 0 、用した。図 6 より、切羽予報と切羽の地質性状の変化

最大 3 ）して、積算値が「0」の場合「晴れ」、「1」の傾向がよく一致しており、切羽予報の現場での有用性

場合「晴れ／曇り」、「2」の場合「曇り」、「3」の場合が示されたと言える。なお、切羽予報はあくまでも地「雨」として切羽予報を確定する。

山性状の相対的な評価を天気予報的に予測するシステ

本日の切羽予報は、切羽前方 5 m までの積算値の平ムであり、切羽性状を絶対評価することは困難である。

均値、明日が 5～10 m 区間、長期が 10～30 m 区間の一方、本現場において「雨」と予報された区間には、平均値として予報を確定する。切羽の進行に伴い新た相対的に切羽性状が不安定であったものの大きなトラな処理画像が加わることで、これらの予報は適時更新ブルは発生していない。

される。

図6

切羽予報と切羽評価点の対比― 77 ―

フジタ技術研究報告 第59号

第53号、pp. 9-18、2017.

§4．おわりに

6） 川崎慎治、田中康久、村山秀幸、新井智之、菅原宗、
今野正明、由井紀光、東中元基倫、小沢光幸：AI 初本稿では、坑内作業で発生する振動ノイズのうち地動キングを利用したトンネル切羽前方探査の自動化

震波干渉法に基づく切羽前方探査に有効な振動発生源に向けて、第141回（2019年秋季）物理探査学会学を検証し、そのうち掘削発破振動の優位性を示すと共術講演会、pp. 17-20、2019.10.に、ずり出し時の振動ノイズの探査可能性と課題につ

7） 村山秀幸、池田奈央、川崎真治、今野正明、由井紀

いて考察した。さらに、毎日掘削のために使用する発光：掘削発破を活用する地震波干渉法による切羽地破の振動ノイズを活用し、切羽の地質情報をリアルタ質の評価について、土木学会トンネル工学報告集、イムに提供、共有化することを目的として開発した切第30巻、Ⅰ-14、2020.11.

羽予報システムの現場運用による実用化について述べ

8） 村山秀幸、池田奈央、野正裕介、正木重雄、由井光紀、齋藤秀雄、太田芳宏：地震波干渉法による切羽た。

予報の現場運用について、土木学会第78回年次学術

山岳トンネルでは、毎日繰り返し作業となるなかで講演会、Ⅲ-169、2023.9.

切羽災害が発生しており、一見すると見落としがちな

9） 村山秀幸、池田奈央、野正裕介、由井光紀、齋藤秀

切羽情報の変化を関係者で共有することが減災に繋が雄、太田芳宏：掘削発破を用いた地震波干渉法によると考え、切羽予報はその一環であると考えている。

る切羽予報の現場運用について、土木学会トンネル

通常天気予報では、当日朝の予報が雨の場合でも工学報告集、第33巻、2023.11.（投稿中）20％は降らないこと、さらに 1 週間前の長期予報では10） 伊東俊一郎、相澤隆生、松岡俊文：地震波干渉法に50％程度の的中率しかないことが統計的に示されていよるトンネル地山の可視化、土木学会トンネル工学

11）

る 。この天気予報の的中率の良否はさておき、天気報告集、第20巻、pp. 59-62、2010.11
11） 気 象 庁：天 気 予 報 の 精 度 の 例 年 値 と そ の 特 徴、

予報のようにトンネル関係者がいつも気になる情報となり、作業前に常に切羽予報を確認する習慣がつけば、切羽災害の減災に繋がると考え実用化に注力したい。

https://www.data.jma.go.jp/fcd/yoho/kensho/expln_reinen.html［2023/8/29確認］

ひとこと

謝辞：本研究は長年に渡る株式会社地球科学総合研究

ここ10数年間地震波干渉法に所とのトンネル探査に関する共同技術開発の成果であ拘って研究を進め、ようやく切る。一方、現場観測においては、弊社広島支店羽ノ浦羽予報として結実しました。今トンネル作業所所属の関係者に多大なるご便宜を賜っ後ずり出し振動の活用がうまくた。ここに関係各位に深謝致します。

できれば、SSRT からの一連の弾性波探査による切羽前方探査手

参 考 文 献法の研究開発がライフワークと

1） 村山秀幸、丹羽廣海、大野義範、押村嘉人、渡辺義
孝：ルビジウム刻時装置を用いた連続的な切羽前方探査の開発と適用、土木学会トンネル工学報告集、第20巻、pp. 51-58、2010.11.
2） 村山秀幸、野田克也、石川浩司、藤原明、清水信
之：切羽前方探査における地震波干渉法の試行、土木学会トンネル工学報告集、第22巻、pp. 169-176、2012.11.
3） 村山秀幸、丹羽廣海、野田克也、新部貴夫、東中基
倫：切羽前方探査における地震波干渉法の適用性検証、土木学会トンネル工学報告集、第23巻、pp.
11-18、2013.11.
4） 村山秀幸、丹羽廣海：トンネル前方探査における地震波干渉法の試行、フジタ技術研究報告、第52号、
pp. 15-26、2016.
5） 村山秀幸、新井智之：トンネル前方探査における地震波干渉法の試行（その 2 ）、フジタ技術研究報告、― 78 ―

村山秀幸

して終着点に達すると考えます。