フジタ技術研究報告第 52 号 2016 年

トンネル前方探査における地震波干渉法の試行

村 山 秀 幸概

丹 羽 廣 海要

筆者らは、トンネル施工中の地質調査手法として、トンネル浅層反射法探査（SSRT：Shallow Seismic Reflection survey for
Tunnels）を開発してきた。SSRT は、現場条件に応じて探査用発破、機械震源（油圧インパクタ、バイブレータ）、トンネル掘削用
段発発破を震源に選択でき、坑内からはもとより掘削以前に坑口から切羽前方を探査することも可能な汎用性の高い調査手法である。前報では、従来の SSRT における P 波を用いた VSP 処理に加え、トンネル切羽前方の地下水性状や地山物性の推定に有効な S 波を用いた探査について検証した。本報では、さらに新しい概念として地震波干渉法を切羽前方探査に導入する考え
方とその適用性を検証した結果を述べる。地震波干渉法では特別な震源が不要であり、従来ノイズとされてきた坑内の掘削作業で発生する様々な振動ノイズを切羽前方探査に活用できる可能性が示唆されると同時に、坑内観測機器の簡素化が期待できる。

Application study of seismic interferometry ahead of tunnel faces

Abstract

The authors have developed a survey of Shallow Seismic Reflection for Tunnels(SSRT) to evaluate the geological features ahead of tunnel faces. The previous paper
described vertical seismic profiling using the S-wave survey that could be useful interms of the presence of groundwater or the presumption of the physical properties of
the ground. This paper describes an application study of the seismic interferometry
method as a new survey idea for areas ahead of tunnels. Seismic interferometry canbe applied to the tunnel survey without special seismic sources. Therefore, it can besurmised that the various seismic noises that occur in tunnel work could be useful fortunnel surveys and for downsizing the measurement system in tunnels.

キーワード： トンネル切羽前方探査、SSRT、地震波干渉法、自己相関、S 波－15－フジタ技術研究報告 第 52 号

§１．はじめに

表1 トンネル切羽前方探査における現在までの取り組みに関するまとめ

筆者らは、山岳トンネルの施工時調査手法として弾性波

弾性波反射法（ VSP処理）
震反 射 法 の VSP 処 理 に 基 づ く ト ン ネ ル 浅 層 反 射 法 探 査（Shallow Seismic Reflection survey for Tunnels，以源

地震波干渉法（ 自己相関処理）

発破（ 探査用 専用機械震源
発破（ 掘削用
発破， 掘削用 （ イ ン パク タ ， 段発発破）
段発発破）
バイ ブ レ ータ）

機械振動ノ イ ズ
（ 削孔， 切削，
重ダン プ 走行
等）

P波探査

○
（ SSRT,連続
SSRT）○（ SSRT， 坑外
SSRT）

△

△

た。筆者らのトンネル切羽前方探査に対する現在までの取

S波探査

△

○
（ S波SSRT)－－

り組みについて、探査原理別にまとめて表1に示す。

※○： 実用化済み， △： 検証実施中， －： 未着手

下SSRTと称す）を開発し、様々な現場で検証を進めてき

SSRTは、弾性波反射法のVSP処理が基本原理であり、連続SSRTにおける最大の技術課題は、坑内に常設す

小薬量の探査用発破を震源として坑内に多発震・多受振

る振動記録装置の時刻校正にあり、この課題に対して、点の測線を配置する。トンネル工事での発破使用では、事GPS信号を坑外から坑内に光ケーブルで伝播する方式 8)

前に各種の許可申請が必要となり、トンネル掘削方式に発と、坑外でGPS信号に校正した高精度の原子時計を坑内破が採用されている場合を除き、坑内での発破使用にはに携行し常設する方式9)を考案し実用化に至った。

制約がある。よって、SSRT開発当初から使用制限の無い

山岳トンネル工事では、地質構造、地山物性、地下水

機械震源（油圧インパクタ、バイブレータ）に着目した1)。こ等が主な注目すべき事象である。P波は地質構造の把握

れら探査用発破、機械震源を用いて実用化したP波探査に有効であるが、地山物性や地下水性状を把握するためをSSRTと称することにした2)。

にはS波を併用した探査が有効と考えられ、S波探査の開この開発初期段階では、「一般に、発破掘削によるトン発に着手した10),11)。S波探査では、先行するP波の影響を

ネルは堅硬地山からなりトラブルが少ないあるいは規模が除去することが観測データのS/N比向上に必須となる。そ小さい傾向にあるが、発破が使用できない機械掘削におこで、P波の影響を相殺可能なP波S波併用の油圧インパ

けるトンネルは軟質地山でありトラブルの頻度、規模共にクタ、S波用バイブレータを震源として現場で検証した10),11)。

大きくなる傾向がある。よって、機械掘削トンネルにおいてその結果、S波探査を坑内での観測システムとして実用化

切羽前方探査に対するニーズが高い」と考え、探査用発破

したが、適用現場において地山物性や地下水が課題となと併用して機械震源によるSSRTの実用化に注力した。

ることは無かったため、P波とS波を併用した地山評価が真一方、フルフェイスのTBMでは切羽において地山観察に必要な現場において、さらに検証する必要がある。

ができず、脆弱地山に遭遇した場合、胴締め等によって掘一般に、発破はP波探査においてS波成分が少なく得ら進不能に陥る事例が少なからずあること、トンネルでは土れる周波数領域も広いことから最も有効な震源とされてい被りの薄い坑口付近において地山トラブルの発生頻度がる。そこで、段発発破においてS波が抽出可能かを小薬量高いこと等が知られている。よって、特殊条件における探の探査発破と比較して検証した12)。その結果、芯抜きを伴査として、機械震源を用いたTBM探査3)と坑外から坑口付

う掘削発破ではS波が相応に発生していることを確認でき

近を探査する手法 4) を実用化した。さらに、同時期に発震たが、先行波であるP波の影響をいかに除去するかが障壁

点と受振点を坑内と坑外に展開し弾性波ジオトモグラフィとなり、発破S波によるSSRTの実用化には至っていない。

ーによる地山評価も試行している5),6)。

地震波干渉法は、従来の弾性波探査と原理が異なり特発破掘削のトンネルでは、常に段発発破を用いて掘削

別な震源が必要ない。すなわち、トンネル工事における発しており、この発破振動を震源に活用するのが連続SSRT破、削孔、切削、重ダンプ走行等の従来ノイズとされてきたである 7)~9) 。本手法の特徴は、DS電気雷管の段間時間振動を活用し切羽前方探査を可能とする画期的な概念で（瞬発雷管から2段目までの時間差約250ms）を利用するあり、P波、S波共に適用できる。本報告では、地震波干渉

こと、坑内に探査機器（測線）を常設することにあり、施工

法を切羽前方探査に導入するための基本的な考え方、音サイクルに影響を与えずに探査することが可能となった。

響場シミュレーション、現場適用について述べる13)。

－16－

トンネル前方探査における地震波干渉法の試行§２．S 地震波干渉法の概要と適用事例

ジングに地震波干渉法が適用されつつある17)。
一方で、前述のClaerboutは、地中にある震源からの波を 地 表 で 観 測 し た 透 過 波 記 録 の 自 己 相 関 （ auto-

2.1 地震波干渉法の概要
本手法の理論提唱は古く、1968 年に Claerbout14)によcorrelation）により、地表に震源および受振器を設置したって一次元モデルにおける反射記録が自己相関とする反射記録が抽出できることを示した。自己相関とは、（auto-correlation）から導かれることが示され、2006 年頃

同一の波形記録において過去の波形が現在の波形とどれから物理探査分野

15)～17)で急速に注目されはじめた。

だけ似ているかを示しており、ある時間ごとに自己相関が

図1に地震波干渉法の概念図16)を示す。地震干渉法では、異なる二点間で同時に観測された振動記録の相互相大きくなる現象とは、元の波形はその時間で周期性・類似性（繰り返し現象）を持つことを示している。

関処理（cross-correlation）により、一方を震源として他方を受振点とする擬似的な振動記録を合成することができる。
図1では、振動記録T(xA, xi, t)とT(xB, xi, t)の相互相関処理により、仮想振動記録R(xA, xB, t)を合成できる。すなわ
ち震源から点Bに到達した波（走時 tB ）とその波が地表面で反射し地中を伝播して点Aに達した反射波（走時 tA ）の相互相関によって、走時tA-tBに点Bを震源として点Aで観測される反射波が合成される。
図1の例では、震源を自然地震と仮定しており、相互相関処理では、個別の二つの波形がどれだけ似ているかを示すことができる18)。地震探査の分野では、受動的観測記
図 1 地震波干渉法の概念図 16)

録として主に自然地震の観測記録を用いた地下のイメー

発破掘削トンネルにおいて振動が発生する作業【発破孔穿孔，ロックボルト穿孔】
切 羽

ロ ックボルト穿孔【発破（爆破）：段発発破】

→坑口側

→坑口側

切 羽

油圧削岩機（ジャン ボ）
切羽前方
地山

切羽前方
地山

振動

振動

発破孔
探査測線：受振器，
振動記録装置他

探査測線：受振器，
振動記録装置他【こそく（浮き石除去と切羽整形）】【ずり出し・運搬】

→坑口側

切 羽

→坑口側

切 羽

油圧ブ レーカ ー

ホイ ルロ ーダ，重ダン プ走行

切羽前方
地山

切羽前方
地山

振動

探査測線：受振器，
振動記録装置他

探査測線：受振器，
振動記録装置他

振動

機械掘削トンネルにおいて振動が発生する作業【機械掘削：自由断面掘削機】【機械掘削：TBM(トンネルボーリングマシン】
→坑口側

切 羽

切 羽

→坑口側

自由断面掘削機
切羽前方
地山

切羽前方
地山

振動

TBM

振動

探査測線：受振器，
振動記録装置他

図2 トンネル施工中にノイズ振動が発生する作業－17－

探査測線：受振器，
振動記録装置他フジタ技術研究報告 第 52 号

以上から、切羽前方探査に地震波干渉法の概念を導入する際には、図2に示すようなトンネル施工中にノイズ振動

ボーリングデータ等による地質性状の対比がなされておらず結果の検証が不十分であると言える。

が発生する作業に注目する必要がある。すなわち、発破、以上から、トンネル切羽前方探査に地震波干渉法の概

油圧削岩機による穿孔（発破孔、ロックボルト）、自由断面

念を導入するためには、Petronioらの提案するTSWDが掘削機による切削、油圧ブレーカによる掘削やこそく、ホイ

最も参考となる。

ルローダと重ダンプ走行によるずり出し作業等である。
一方、波形処理としては、相互相関と自己相関を行う場§３．地震波干渉法の切羽前方探査への導入合が想定される。例えば、連続SSRTにおける相互相関処
理とは、坑内の各受振点（12ch）において仮想震源波形を

本章では、連続SSRTを例として地震波干渉法の切羽

合成することに相当し、その合成波形を用いてVSP処理し前方探査への導入の考え方を概説する。図3に、連続切羽前方の反射記録を得る手順となる。他方で、坑内の各

SSRTの坑内観測機器配置における地震波干渉法の適用

受振点における発破振動記録を自己相関処理すると、発原理を示す。連続SSRTでは自己相関処理を実施する。

破点である切羽を仮想受振点とする切羽前方からの反射

単純化の仮定としては、地山弾性波速度は一様として、測記録を含む波形が受振点毎に得られることになり、自己相線後方となる坑口側からの反射は考慮しない。図3に示す

関の方が相互相関より解析手順として平易と考えられる。

ように各受振点では、切羽＝発破点からの直接波が記録され、その後切羽前方に想定される反射構造（断層や破砕帯等）からの反射波が記録されていると考えられる。

2.2 地震波干渉法のトンネルでの適用事例
トンネルにおける地震波干渉法の適用として、Petronio

切羽⇒ら19)は、TSWD（Tunnel Seismic While Drilling）を提案

震源

受振器

反射構造
（≒断層・破砕帯）しており、本手法は連続SSRTの開発コンセプトと類似する。
TSWDでは、坑外に設置した3成分ジオフォンと坑口付近の坑内に設置した3成分加速度計を用いて観測を行い、TBM切削時に発生するノイズ振動を震源として地震波干

直接波
単純化の仮定：・速度は一定。
・坑口側からの波の進行（反射）は考えない。

渉法に基づく自己相関処理を行い、トンネル周辺の反射

直接波の走時 T①
反射波の走時 T②

反射波

切羽で受振した
反射波の走時 T③切羽で受振した
反射波面を抽出し、その反射面分布と地質データ（RMR値）を比

T②＝T①＋T③

較検証している。さらに、得られた振動記録からP波とS波（トンネル軸と直交方向）の周波数分析を実施し、共にS/N比が高く品質がよいことを示しいる。なお、本事例はトンネル施工中に適時適用した事例ではなく、トンネル施工後に(a)切羽(発破点)で抽出される切羽前方の反射波形の概念
T②＝T①＋T③
T①

T③

観測データを検討した結果であると推察できる。
ある受振点における波形 X（i）

一方、国内のトンネルにおける地震波干渉法の適用事
例としては、伊東らの報告20)がある。本報告は、トンネルの直接波

時刻ゼロにおける
自己相関関数の計算

地震防災や維持管理を目的としており、供用中のトンネル

A(0)   X (i )  X (i )

周辺地山の堆積層の厚さや断層、褶曲などの地質構造を把握する目的で地震波干渉法を適用している。適用したトンネルは、いずれも供用中であり、山岳地の道路と鉄道お

反射波

i

T③

時刻T③における
自己相関関数の計算
A(t )   X (i )  X (i  t )i

よび都市部のトンネルである。地震波干渉法としては、疑(b)受振点波形と切羽(発破点)で自己相関処理によって似ショット記録を求めていることから相互相関処理であると抽出される切羽前方の反射波形の概念考えられる。伊東らの適用は、得られた探査結果と例えば

図3 連続SSRTにおける自己相関処理の適用原理－18－

トンネル前方探査における地震波干渉法の試行

切羽

⇒

反射構造
（≒断層・破砕帯）

受振器§４．音響場シミュレーションと現場適用事例

震源

4.1 音響場シミュレーション
B

A

B

A

(1) 概 要00BA

切羽前方探査における地震波干渉法の適用性を検証するために、単純な地盤モデルを設定し音響場シミュレー
ションを実施した。地震波の数値シミュレーションにおいて

自己相関

は、運動方程式を有限差分近似することで数値解析的に解く手法が従来から行われており、近年食い違い格子よる
定式化21)，22)が一般的に用いられている。本検討では、空図4 複数受振点での自己相関波形の重ね合わせ概念図

間4次精度・時間2次精度 23) のスタッガード格子有限差分法を実施した。
図5に、音響場シミュレーションのモデル図を示す。

受振された波形の類似性を抽出する自己相関処理（ある時刻同士の積和）では、時刻0（切羽＝発破点）における数値解析モデルは、掘削発破を震源に活用する連続値が最大（切羽での発震と受振）となり、切羽を原点（仮想SSRTの観測配置を考慮し以下とした。

受振点）として、それ以降の時刻に得られる波形に切羽前・地山弾性波速度（P波）：4000m/s

方地山からの反射構造が抽出されることが期待できる。

・受振器：水平方向速度成分、1.5m間隔に24チャンネ

図4に、1回の発破において複数の受振点で得られる自ル配置

己相関波形を重ね合わせる概念図を示す。従来のSSRT・発破位置：受振器位置（切羽側受振点ch1）から150mでは各受振点の反射記録が弾性波速度に相当する遅れ

前方を最初の発破点として2m間隔で11発破実施（傾き）を持つことから各受振点での反射記録を積算してカ・ 破 砕 帯 の 諸 元 ： 最 初 の 発 破 位 置 か ら 前 方 150m とラーバーで表示してきた。一方、自己相関では１つの受振200m位置に幅5mで2箇所においてトンネルと直交方点から処理波形を抽出することが可能となるが、図4のよう向に配置、弾性波速度（P波）3500m/sに各受振点での処理波形を重ね合わせることにより強調

数値解析における振動記録のサンプリング間隔は0.5ms、レコード長は600msである。

することが可能となる。
なお、従来からのSSRTにおけるVSPでは処理過程で震源は、爆薬型震源に相当するRicker Wavelet24)を用

地山弾性波速度を仮定する必要があるが、自己相関の処いた。連続SSRTでは、掘削に用いる段発発破（DS電気理過程で弾性波速度は必要ない。ただし、VSP処理と同雷管、公称段間時間250ms）における1段目（瞬発）から2様に得られた時間断面の波形記録から、切羽前方の距離段目までの段間時間の振動記録を処理することによって、を算出する際には弾性波速度を仮定する必要がある。

切羽前方の反射構造を抽出する。よって、数値解析による以上から、地震波干渉法（自己相関）を連続SSRTに導検討は、震源波形をパラメータとして、まず図6(a)に示すよ

入するメリットとして以下が期待できる。

うな単発発破波形（卓越周波数150Hz）を用い、次に段発①発破時刻の記録が不要になること

発破震源として図6(b)に示すように4段の段発波形を用い②1回の発破でも切羽前方の反射記録が得られることた。図6(b)の段発発破波形においては、DS雷管における③受振点は複数点が望ましいが1箇所でも可能なこと

起爆時間の誤差を考慮して遅延時間（段間時間）を200～

この地震波干渉法におけるメリットは、探査結果の即時

250msとし、卓越周波数を90～150Hzとした。
な お 、 図 5 に 示 し た モ デ ル 図 で は 、 深 度 方 向 900 ～性と坑内機器の簡素化が期待でき、理想的な切羽前方探査手法になり得ると言える。

1100m、トンネル方向900～1500mの領域を示しているが、実際の解析領域は、解析境界からの反射の影響を考慮し－19－

フジタ技術研究報告 第 52 号

受振器
ch1～ch24@1.5m
切羽側ch1発破
SP1～SP11@2m
50m

150m

150m

・・・

←破砕帯（幅5m）
Vp=3500m/s
地山弾性波速度Vp=4000m/s

5m

図5 音響場シミュレーションモデル

150Hz
200ms

130Hz
220ms

110Hz

250ms

90Hz

※各段の発破で
振幅，周波数，遅延時間を変化させている．

(b)段発発破の震源波形(a)単発発破の震源波形

図6 発破震源モデル（単発発破、段発発破）

50m

150m

［解析モデル］

・・・

SP1～ 11@2m

5m（正） 振幅強度 （負）［カラーバー表示］
振幅強度の絶対値表示
振幅強度の正負表示［反射面の波形表示］
白：負の振幅黒：正の振幅図7 連続SSRTにおけるモデル計算結果（単発発破震源と段発発破震源で同一の結果）－20－

トンネル前方探査における地震波干渉法の試行

150m
50m

138m

［解析モデル］

・・・
SP1,SP75m（正） 振幅強度 （負）SP1発破［自己相関］

振幅強度の正負表示［反射面の波形表示］
白：負の振幅黒：正の振幅
破砕帯の波形（正） 振幅強度 （負）SP7発破［自己相関］［カラーバー表示］
振幅強度の絶対値表示［カラーバー表示］
振幅強度の絶対値表示
振幅強度の正負表示［反射面の波形表示］
白：負の振幅黒：正の振幅

図8 単発発破震源による地震波干渉法（自己相関）のモデル計算結果［ゲート長500ms］て深度方向2000m、トンネル方向2092mの領域を設定し、用した。
図8は、時間軸で得られた結果を地山弾性波速度

解析境界からの反射がほとんどないことを確認している。

4000m/sを用いて距離に変換している。自己相関における距離原点0mの位置は切羽＝発破点であり、処理波形(2) 連続SSRTにおけるモデル計算
図7に、単発発破震源における11発の振動記録（SP1は、この仮想受振点（切羽）において類似性が最大となる～11）にもとづき連続SSRTにおける波形処理であるVSP

ため最大振幅値を示し、それ以降に反射構造が抽出されを実施した結果を示す。図7より、切羽前方に50m間隔でる。自己相関における原点が切羽であることは、図7に示し配置した破砕帯位置を良好にイメージングしていることがた連続SSRTの距離原点0mの位置が受振点の切羽側分かる。この結果は、従来からSSRTや連続SSRTで実施（ch1）であることと異なるので注意が必要である。
図8に示した発破SP1とSP7における自己相関では、発してきた観測方法と波形処理手法の妥当性を改めて数値

破位置が12m切羽側にずれることから、両処理結果の距

シミュレーションで確認したことに相当する。
なお、連続SSRTでは段発発破における1段目（瞬発）と離原点が12mずれることになる。図8に示すように、発破

2段目の段間時間を波形処理に用いるため、図6(b)に示し

SP1と発破SP7ともに破砕帯の位置が10m程度後方にシた段発発破を震源とした結果と図6(a)に示した単発発破をフトするが2箇所の破砕帯位置を同位置でほぼ正確に捉震源とした処理結果はまったく同一となる。

えており、反射パターンも連続SSRTの処理結果である図7と一致している。

(3) 単発発破震源によるモデル計算

以上から、単発発破を震源とする場合、発破位置に依

図8に、単発発破（SP1とSP7）を震源とする自己相関処理を実施したモデル計算結果を示す。自己相関処理を実存することなくほぼ正確に切羽前方の反射構造を捉えることが可能であることが示されたと言える。

施するデータの時間長さをゲート長と称するが、単発発破の場合、レコード長600msのうち500msをゲート長として採－21－

フジタ技術研究報告 第 52 号

150m
138m

50m

［解析モデル］

・・・
SP1,SP75m

SP1発破［自己相関］

振幅強度の正負表示［反射面の波形表示］
白：負の振幅黒：正の振幅（正） 振幅強度 （負）［カラーバー表示］
振幅強度の絶対値表示（正） 振幅強度 （負）［カラーバー表示］
振幅強度の絶対値表示

SP7発破
振幅強度の正負表示［自己相関］［反射面の波形表示］
白：負の振幅黒：正の振幅

破砕帯の波形疑像（発破波形）

図9 段発発破震源による地震波干渉法（自己相関）のモデル計算結果［ゲート長500ms］

150m
138m

50m

［解析モデル］

・・・
SP1,SP75m

SP1発破［自己相関］

振幅強度の正負表示［反射面の波形表示］
白：負の振幅黒：正の振幅（正） 振幅強度 （負）［カラーバー表示］
振幅強度の絶対値表示

SP7発破
振幅強度の正負表示［自己相関］［反射面の波形表示］
白：負の振幅黒：正の振幅（正） 振幅強度 （負）［カラーバー表示］
振幅強度の絶対値表示

図10 段発発破震源による地震波干渉法（自己相関）のモデル計算結果［1段目からゲート長150ms］(4) 段発発破震源によるモデル計算

さく弱い波形が確認できその位置は破砕帯位置とほぼ一

図9に、段発発破震源であるSP1とSP7を用いて自己相致することが分かる。しかしながら、距離400mと440m近傍関を実施したモデル計算結果を示す。自己相関におけるに非常に振幅強度の大きい波形が確認でき、この波形のゲート長は1段目（瞬発）～3段目の段発発破記録が含ま影響により破砕帯位置の波形、とくに発破点から遠方の破れる500msである。図9より、破砕帯位置に振幅強度が小砕帯位置における波形の識別が相対的に困難である。

－22－

トンネル前方探査における地震波干渉法の試行

1段目（瞬発）～2段目における段間時間を200ms、地4.2 現場適用事例
地震波干渉法は、連続SSRTによって切羽前方探査を

山弾性波速度4000m/sとして往復走時を考慮すると、(段間時間200ms × 地山弾性波速度4000m/s) / 往復

実施した現場において適用した。自己相関では、ゲート長

走時2 = 400m

が長い方が類似波形を抽出するために有利であるため、となる。

まず、最適なゲート長を検討するための比較を実施した。

すなわち、本来自己相関によって直接波の影響は除去

段発発破10段におけるゲート長2.5秒の振動記録を自されるはずであるが、1段目（瞬発）と2段目の直接波成分

己相関処理すると、発破波形が類似波形として抽出されるにおける発破波形の類似性が自己相関によって非常に強可能性が音響シミュレーション結果から予見されるため、試く抽出され疑像として出現していると考えられる。同様に、

行錯誤的な対応として波形の平滑化処理（AGC処理）を

距離440m位置の振幅強度が大きい波形は、2～3段目の実施し発破波形を平滑化したのちに自己相関処理した。

段間時間220mに相当する疑像と考えられる。このように考図11に、10段の全発破時間に相当する2.5秒をゲートえると、仮に自己相関におけるゲート長を800msとして、4長とし、前処理として平滑化を実施した自己相関処理結果

段目の発破記録を含めた場合、3段目と4段目の段間時間と、1段目発破から0.1秒（100ms）で2段目発破を含まないが250msであることから距離500m付近に振幅強度の大き記録をゲート長とした処理結果を対比して示す。なお、地な波形が出現することが容易に想像できる。

山弾性波速度は4000m/sである。

以上から、段発発破を震源とする自己相関では、発破

図11より、切羽（発破位置）から20～60m付近に反射波の直接波と考えられる波形の自己類似性が強調され、破が集中する傾向は両処理結果で一致しており、切羽観察

砕帯等の地山変化を抽出することが困難となると言える。

において発破切羽から80m付近までが硬軟の変化が著し

一方、地震波干渉法ではノイズを長い時間取得し処理い区間であった記録と整合している。

すること、すなわち自己相関におけるゲート長を長くすれ

しかしながら、図11の下段に示した各受振点における波

ば類似波形が抽出され易いとされている。しかしながら、図形の傾向にかなりの差があることが分かり、ゲート長が0.19、10に示した段発発破を用いたモデル計算結果から、発秒の波形の方が全体的に各受振点における波形の整合

破のように振動エネルギーが大きな震源では、発破波形の性が高いと言える。

類似性が顕著に強調されるため、ゲート長を1段目（瞬発）図12に、3つの発破（SP1、SP12、SP25）におけるゲー～2段目の段間時間内に設定すべきであることが分かる。

ト長0.1秒（100ms）の自己相関処理結果を連続SSRTに

図10に、ゲート長を1段目と2段目の段間時間200msよ

おけるVSP処理結果と対比して示す。SP1とSP12および

り小さい150msとした場合の自己相関のモデル計算結果

SP12とSP25の発破では発破切羽位置が、各々18m離れを示す。図10より、図9で見られた距離400mと450mで確ているので各々の処理結果の原点は18m離隔するが、認された段発発破の波形に起因する疑像が抽出されない

SP12とSP25の距離換算を実施する際にSP1の発破位置

ことが分かり、破砕帯位置を図8と同様にほぼ正確な位置を原点として補正し表示している。
図12より、SP1とSP12の発破において、とくに切羽前方で捉えており、反射パターンも図8と一致する。
一般に、自己相関において信頼できる処理結果は原理

40～60m区間における波形は各受振点記録における波的にゲート長の半分程度であり、ゲート長を200msと設定形においても再現性が高いことが分かる。一方、SP25にした場合には100ms程度の領域が信頼できる範囲となる。

おいては、切羽前方80m付近に顕著な波形が確認される

よって、自己相関における探査深度は、連続SSRTの約半

もののSP1やSP12のような位置での波形は顕著ではない。

分となると考えられる。一方、自己相関は1回の発破で処SP25 で 再 現 性 が 低 い の は 、 切 羽 が 36m 進 行 し SP1 と理結果を得られることが大きな利点であり即時性が高いとSP12で抽出された波形位置に起爆力の大きな発破が近言えるが、連続SSRTでは10数発の発破データを蓄積し接したことから、発破切羽近傍の反射記録が明瞭には抽てから処理するためその時間ロスが欠点と言える。

出できなかった可能性が要因として考えられる。

－23－

フジタ技術研究報告 第 52 号

200m

0m

100m

［カラーバー表示］
振幅強度の絶対値表示

SP1発破［自己相関］
ゲート長2.5秒（段発の全発破時間）

振幅強度の正負表示［反射面の波形表示］
白：負の振幅，黒：正の振幅

DISTACE(m)［カラーバー表示］
振幅強度の正負表示［積算］SP1発破［自己相関］
ゲート長0.1秒（1段目から0.1秒）

振幅強度の正負表示［各受振点］［反射面の波形表示］
白：負の振幅，黒：正の振幅

図 11 段発発破記録のゲート長の相違による自己相関結果の比較

200m

100m
掘削
発破
位置

連続SSRT（VSP処理）0m［カラーバー表示］
振幅強度の絶対値表示
振幅強度の正負表示
切羽側受振点DISTANCE(m)［カラーバー表示］
振幅強度の正負表示［積算］SP1発破（自己相関）

振幅強度の正負表示［各受振点］［反射面の波形表示］
白：負の振幅，黒：正の振幅［カラーバー表示］
振幅強度の正負表示［積算］SP12発破（自己相関）

振幅強度の正負表示［各受振点］［反射面の波形表示］
白：負の振幅，黒：正の振幅［カラーバー表示］
振幅強度の正負表示［積算］SP25発破（自己相関）

振幅強度の正負表示［各受振点］［反射面の波形表示］
白：負の振幅，黒：正の振幅

正負考慮表示

絶対値表示

凡 例
反 射面振 幅強度
カ ラーバ ー表示
振幅0

振幅最大

振幅(‐)
最大

振幅0

振幅(+)
最大

図 12 現場観測データを用いた連続 SSRT 処理と自己相関（発破 SP1、SP12、SP25）処理結果［1 段目からゲート長 100ms］－24－トンネル前方探査における地震波干渉法の試行

一方、SP1とSP12で抽出されている切羽前方40～60m

変化を抽出することが困難となることを示した。

区間における各受振点における反射面は、受振点1で切・段発発破震源の記録を自己相関処理する場合、連続羽側となり受振点12に向かうにつれて切羽深部側に徐々SSRTと同様に1段目（瞬発）から2段目の段間時刻をに変化する傾向を示し、図12の各受振点の波形記録が傾

自己相関処理のゲート長として採用することが有益で斜していることが分かる。切羽前方の反射構造がトンネルとある。また、自己相関の信頼性はゲート長の約半分程

直交する場合、各受振点での反射面は原理的には同一度で高く、自己相関処理した結果における探査深度は箇所となるはずであるが、図12のように徐々に傾斜する場

連続SSRTの約半分程度と考えられる。

合、反射面がトンネル軸と斜交している可能性が示唆され・段発発破10段の全発破時間を自己相関のゲート長としる。しかしながら、反射面の傾斜が切羽に対して受け盤で平滑化処理によって発破波形が強調されることを抑制

あるか流れ盤であるかの判断はできない。

しようと試みたが、発破毎における自己相関結果の再以上のように、各受振点における自己相関結果を対比

現性が課題となった。

することによって、反射構造の傾斜に関しても今後議論で・自己相関における各受振点における波形の連続性ときる可能性が示されたと言える。

傾きから地質境界面の傾斜構造を検討できる可能性を示唆した。

§５．おわりに

一般に、地震波干渉法で採用すべきノイズデータは、①一見すると無相関で個々のシグナルを識別不能なラ

本稿では、筆者らのトンネル切羽前方探査における現

ンダムな波動場を観測したデータ

在までの取り組みを冒頭で総括した。その後、現在取り組②振動源は少なくても非定常な振動が生じている波動

んでいるトンネル切羽前方探査に地震波干渉法の概念を

場の観測データ

導入するための考え方、音響場シミュレーションによる単発と考えられている。トンネル掘削のための段発発破記録は、

発破および段発発破のモデル実験結果を述べ、最後に現初動が明確に判別できる波形記録であり、本来地震波干場適用事例として、現場観測記録を用いてゲート長をパラ

渉法には適さない振動記録である可能性も十分考えられメータとした自己相関処理を実施した結果について述べた。

るが、本稿で実施した音響場シミュレーション結果から、段本稿から得られた知見を以下に列挙する。

発発破を震源とする地震波干渉法の実用化に関して、そ・P波を用いた切羽前方探査はほぼ実用化に至ったが、の方位性を示すことができたと考えている。

発破を震源とするS波探査の実用化は現段階で困難である。

一方、トンネル工事では坑内でノイズ振動源となりえる多くの作業を実施しており、これらの振動記録を地震波干渉

・新しい概念として地震波干渉法（自己相関）の考え方を法に応用することを現在鋭意進めているが障壁も高い。

切羽前方探査に導入することで、即時性の向上、探査

最後に、雑感を述べる。山岳トンネル工事において重大機器の簡素化が期待できる。

な地山トラブルが発生することはごく稀であり、ほとんどのト・音響場シミュレーションによるモデル実験結果から、従ンネルが多少のトラブルを除き問題は発生していない。当来からのSSRTや連続SSRTにおけるVSP処理結果が社においてもSSRT開発当初に、延長100m規模の断層

有効な切羽前方予測手法であることを示した。

破砕帯に遭遇した事例はあるが、それ以降、ほとんど重大

・単発発破震源におけるモデル実験から、地震波干渉な地山トラブルが発生していないのが実状である。よって、

法の相互相関処理によって破砕帯等の切羽前方の地通常のトンネルであれば、SSRTや連続SSRTを常時実施

質変化を精度よく予測できることを示した。

する必要性は低く、これらの探査法は、特殊な目的や地山・段発発破震源におけるモデル実験から、複数の発破がにおいて実施されているトンネルB計測に相当する調査法含まれる振動記録（時間）をゲート長として自己相関処

であると位置付けることができる。連続SSRTの開発コンセ

理すると、発破波形の類似性が顕著に強調され、地山

プトは、トンネルA計測として日常的に地山を監視すること－25－

フジタ技術研究報告 第 52 号であり、掘削発破に注目したことからその目的を達成できる手法ではあるものの、坑内における探査機材の簡素化が課題であると言える。地震波干渉法は1回の発破で結果が得られる即時性と、坑内探査機材の簡素化が期待でき、A計測としてより有益な探査手法となり得ると考えている。すなわち、地震波干渉法によって日常的に地山を監視し、何らかの異常があれば、SSRTや連続SSRT、あるいは水平ボーリングのような削孔調査を随時実施するという各調査手法の利点を生かした棲み分けができるまでに、地震波干渉法を発展させることが、今後のトンネル切羽前方探査の研究開発における大きな着眼点であると考えている。

波と S 波による切羽前方探査と先進ボーリング結果の比較検討、岩の力学国内シンポジウム＆第 6 回日韓ジョイ
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－26－

ひ と こ と本研究の実施期間において NETIS 登
録技術である SSRT が他社施工のトンネルで初めて採 用されました。本技 術が他社でも認められたことは、長年周辺技術の開発に従事してきた担当者として、
村山秀幸

無類の喜びを感じる次第です。