フジタ技術研究報告第 49 号 2013 年

S 波震源を用いたトンネル前方探査

村 山 秀 幸概

丹 羽 廣 海要

筆者らは、トンネル施工中に切羽前方地山を予測する手法として、トンネル浅層反射法探（SSRT：Shallow Seismic Reflection
survey for Tunnels）を開発してきた。SSRT は、震源として探査用発破、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現場条件や地山条件によって選択でき、坑内はもとより掘削以前に坑外から切羽前方を探査することも可能であり汎用性が高い。従来の SSRT では、P 波を用いた VSP 処理によって切羽前方を予測してきたが、S 波を併用できればトンネル
切羽前方の地下水性状や地山物性の推定の可能性が示唆され、施工性の向上や安全管理に寄与することが期待できる。本稿では、S 波震源装置として打撃角度が調整可能な油圧インパクタ、車載自走型の S 波バイブレータの比較実験を実施し、受振装置としては 1 成分と 3 成分の受振器を比較検討することより S 波を用いたトンネル前方探査の可能性を検証した。

Tunnel seismic reflection survey using S-wave as a seismic source

Abstract

The authors have developed a Shallow Seismic Reflection survey for Tunnels (SSRT)
to evaluate geological features ahead of the tunnel face. For SSRT surveys， ahydraulic impactor， vibrator or explosives can be used as the seismic source
according to the construction methods and geological conditions of each tunnel.
Vertical seismic profiling using the P-wave has been used in conventional SSRT.
And if S-wave can be used together, it is thought that it may become possible todetermine the ground physical properties for instance groundwater. This paper
describes experiments comparing different seismic source equipments and one or
three component receivers to use the S-wave for tunnel survey.

キーワード： 切羽前方探査、SSRT、S 波、油圧
インパクタ、バイブレータ－55－

フジタ技術研究報告 第 49 号

§１.はじめに筆者らは、山岳トンネルの施工時調査手法として弾性波反射法の VSP処理に 基づ く ト ン ネ ル 浅層反射法探査（Shallow Seismic Reflection survey for Tunnels、以下SSRTと称す）を開発・適用1)～5)してきた。SSRTは、震源として小薬量の探査用発破、機械震源（バイブレータ、油圧イ
図1 P波とS波（SH波とSV波）の伝播模式図

ンパクタ）を選択可能なことを特徴とし、波形処理手法として
は、切羽前方と後方地山のVSP処理による反射構造の推定、屈折法による測線直下の弾性波速度の推定、坑内と坑屈折・透過外（地表）に受振装置と震源を配置する弾性波トモグラフィ

境界面による切羽前方地山の速度構造の推定2)など、様々な施工

反射

条件と種々の探査目的に応じてトンネル切羽の前方地山を評価・予測することを可能としてきた。
P波→（境界面）→P波＋SV波

一方、地山トラブルは坑口周辺で発生することが多いことを考慮し、SSRTではトンネル掘削前に坑口近傍からも切
羽前方地山を探査することを可能とし、坑外SSRTと称してSV波→（境界面）→SV波＋P波

SH波→（境界面）→SH波

図2 P波とS波における境界面での伝播挙動の相違（剛性率、ヤング率、体積弾性率など）が算出でき、切羽いる4)、5)。一般に坑外では、発破の使用が制限されることか

前方地山の物性を推定できる可能性が期待できる。

ら、坑外SSRTでは機械震源を基本とし、探査深度が200m以上から、P波とS波を併用する切羽前方探査は、従来の以上必要な場合にはバイブレータ、それ以下の場合にはP波のみとは異なる様々なメリットが期待できると言える。

油圧インパクタを震源に採用する。
さらに、その適用が発破工法のトンネルに限定されるが、本稿では、S 波を併用する SSRT の開発を目指し、S 波段発となる掘削発破を震源に活用し、トンネル掘削サイクル

探査に関する既往の知見と課題を整理すると共に、2 箇所に影響を与えずに、日常的かつ連続的に切羽前方を探査のトンネル現場において検証実験を実施した結果についてする連続SSRTを開発した5)。連続SSRTは、坑内と坑外に述べる。S 波震源装置としては、打撃角度が調整可能な油同時に振動記録装置を設置することを特徴とするため、発圧インパクタ、車載自走型の S 波バイブレータの比較検証

破時刻を高精度で記録する必要がある。そのため、坑外でを実施した。受振装置としては、上下動用と水平動のジオフ受信したGPS刻時信号を光ケーブルで坑内に伝送する装ォンを比較検討した。最後に、現場における P 波と S 波を併置の開発、原子時計であるルビジウム素子を用いた高精度用する SSRT 探査結果を示し、S 波を併用するトンネル前の刻時装置を坑内に携行し掘削作業中は観測機器を坑内方探査の適用性を検証した結果について述べる。

に常設する手法を開発し実用化した。
以上のように従来のSSRTは、P波（縦波、疎密波）を用§２. S 波の特性と既往研究いた探査技術であるが、最近、S波（横波、せん断波）を用いる手法が注目されつつある6)、7)。S波はP波と比較して振2.1 S 波の特性

幅が大きく振動エネルギが高いことから減衰しづらいこと、

S波はP波より遅れて伝播するため観測記録からS波のみ

P波が固体、液体、気体（音波）を伝播するのに対して、S波を分離抽出することが困難であり、P波を用いた各種の探査は固体のみを伝播することなどから、S波は地下水探査へに比べてその普及が遅れていると言える8)。

の応用が期待できる。一方、地山のP波速度とS波速度が

図1、2に示すように、S波は、波の進行方向と粒子の振動求まり密度が既知な場合には、地山の動的弾性パラメータ方向が垂直な波であり、地表面に平行に振動するものを－56－

S 波震源を用いたトンネル前方探査

SH波、地表面に垂直なものをSV波と称する。SV波はSV

外ではTSPにより算出される地山物性値を岩盤分類に応用

波のまま伝播するほかに、反射・屈折によりP波から変換しする事例も報告11)されている。

たりP波に変換したりすることが知られている。しかしながら、一方、Petronioら7)は、TSWD（Tunnel SeismicWhile

SH波はSH波としてしか伝播しないので、取り扱いが比較

Drilling）と称するトンネル施工中の探査手法を提案してお的容易となる。よって、S波を用いたトンネル前方探査におり、本手法は連続SSRTの開発コンセプトと類似する。

いて対象となるのはSH波となる。

TSWDでは、トンネル坑外に設置した3成分ジオフォンと坑

S波探査用震源としては、古くからハンマと木板を用いる

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板たたき法が主流であり現在も用いられているが、最近で行い、TBMトンネルの切削に伴うノイズ信号を震源として、

はS波発震用の油圧インパクタやバイブレータが開発され

地震波干渉法12)、13)に基づく自己相関処理によりトンネル周ている8)。なお、一般に単独孔の発破震源においてS波を辺の反射面を抽出しており、その反射面分布と地質データ

効率的に発生させることは困難とされている。

（RMR値）を比較検証している。さらに、得られた振動記録
からP波とS波（トンネル軸方向と直交方向）の周波数分析を

2.2 S 波探査の既往研究実施し、S/N比が高く品質よい波形記録であることが示され

土木・建築構造物における耐震設計では、地盤のS波特ており、S波を主体とする波形処理により地山の反射面分布性の把握が必要不可欠であり、主にボーリング孔を利用すを抽出している。なお、TSWDは、地震波干渉法という最近る速度検層（PS検層）や音波検層により地盤のP波とS波速

注目されている探査概念を導入しており、S波探査と共に今

度や減衰特性などが把握されている9)。

後発展が期待される手法であるが、国内のトンネルにおける本格的な適用報告例は少ない14)、15)。

以下に、S波を用いた山岳トンネルの地山探査に関する以上の既往研究から、S波の発震装置と観測装置に関し既往研究を述べる。
国内で切羽前方探査という用語を普及させ、トンネルにては、S波の発生効率と品質が高い震源とS波の測定に有おける適用実績が最も多いTSP10)は、当初P波用探査装置

効なジオフォンを選定すると同時に、得られた記録を周波として販売された。現在ではS波の測定と処理が可能となり、数分析等で吟味し品質の高い波形記録が得られているか国内でも導入事例が報告されている7)。TSPでは、側壁にを検証できることなどが重要と考えられる。一方、S波処理長さ約1。5mの発破孔を複数削孔し、水をタンピング材としに関しては、TSPのような地山の区間速度に拘らず、まずて小薬量（50g程度）の探査用発破を実施し震源とする。受はP波と同様に一様なS波速度でVSP処理することにより、

振器は、側壁に発破孔と同様に長さ約2mの受振孔を削孔

切羽前方の反射面を抽出することが肝要と考えられる。

し専用ケーシングを埋設して3成分加速度計を両側の側壁§３.現場における S 波探査の試行実験に設置する。TSPで得られた波形記録は、専用システムで処理されるため、どの程度の品質でS波が記録されているかあるいは、受振記録の周波数特性などをユーザーが検

3.1 A トンネルでの試行実験証することができない。

(1)トンネル概要

三谷ら6)は、TSPにおいてP波とS波の速度が得られる優Aトンネルは、延長373m、内空断面積63m2の道路トン位性に着目し現場検証を実施している。その結果、TSPでネルであり、トンネル地質は、西南日本内帯の領家帯に属得られるP波とS波の速度分布は直接波を処理することからする変成岩類が分布し、岩種は砂質および泥質の片麻岩

側壁近傍の地山速度に強く依存すること、速度変化の絶対から構成される。

値は信頼性が低いことなどを指摘しており、P波とS波の速(2)探査仕様度分布から算出される各種地山の力学パラメータは、そのa)震源と受振器

物理的意味を議論できる段階に無いとしている。なお、海S波用震源としては、SSRTにおいて通常P波の震源とし－57－

フジタ技術研究報告 第 49 号(a)左からの打撃(b)右からの打撃
写真1 油圧インパクタによるS波発震方法(35゜左右傾斜)(a)油圧インパクタにて板を固定(b)大ハンマによる打撃
写真2 油圧インパクタで固定した板たたき法震源ても使用している油圧インパクタを使用した。写真1に示す

100Hz上下動

ように、本震源は、ベースプレートの打撃角度を左右で鉛直から35゜まで傾けることができ、傾斜させた方向からベー
スプレートを打撃することにより、せん断波を地盤に伝播さ30Hz上下動用を水平に設置せ易い構造となっている。さらに、左右からの打撃記録にお←2軸スパイク

ける振幅を適切に揃えて減算処理すれば、S/N比の高いS
波記録の取得が期待できる。なお、今回は通常のP波発震
トンネル横断方向となる鉛直方向の上下打撃とS波発震となる右および左から

30Hz水平動

写真3 ジオフォン(受振器)の設置状況の打撃を各5回ずつスタッキングし１発震点の記録とした。
さらに写真2に示すように、油圧インパクタのS波記録と比較する目的で、大ハンマを用いた板たたき法で発震した記録を数箇所で取得した。
P波の卓越周波数は、150-180Hz程度3)となることが分かっており、P波を用いたSSRTでは分解能向上のため通常よりやや高周波数領域となる卓越周波数100Hzのジオフォンを使用する。一方、S波の卓越周波数は、概ねP波の半分程度となることから、S波受振用としては卓越周波数30Hzのジオフォンを使用することとした。

off‐set:1m
写真4 測線配置状況（発震点オフセット1m）

写真3に各ジオフォンの設置状況を示す。P波用には、－58－

S 波震源を用いたトンネル前方探査

図3 油圧インパクタ上下ショットの記録（P波、100Hz上下動ジオフォン）

図4 油圧インパクタ(35゜傾斜)の左右ショット減算処理後の記録（S波、30Hz水平動ジオフォン）

図5 油圧インパクタ(35゜傾斜)の左右ショット減算処理後の記録（S波、30Hz上下動ジオフォンの水平方向設置）－59－フジタ技術研究報告 第 49 号(a)油圧インパクタ(減算処理後)(b)板たたき法
図6 震源別のS波記録の比較（30Hz水平動ジオフォン）

100Hz上下動ジオフォンを地盤に固定した2軸スパイクの形にリンキング現象が発生している。この原因は、地盤に上下方向に設置し、近傍にS波専用に筐体を加工した

固定した2軸スパイクの固有周波数がS波の周波数に近い

30Hz水平動ジオフォンを設置した。さらに、汎用性を考慮ため共振したと考えられ、2軸スパイクでの記録は好ましくして2軸スパイクの水平方向に上下動用の30Hzジオフォン

ないと言える。一方、図4の30Hz水平動の左右ショットのを設置し波形記録を比較することとした。

減算処理後の記録は、S/N比が高く品質が良いと言える。

写真4に測線配置状況を示す。受振点間隔は1.5mで計

図6に、同一発震位置における油圧インパクタの30Hz24箇所とし各受振点に写真-3で示した3個のジオフォンを

水平動の減算処理後と板たたき法による記録を比較して設置した。発震点も受振器と同様に間隔を1.5mとして、受示す。図より、板たたき法では非常に良質なS波が発震さ

振点からの発震点のオフセット距離を1mとした。

れていることが分かる。しかしながら、探査対象が数100mb)振動記録装置となる切羽前方探査用の震源としては、発震エネルギが小振動記録装置は、多 チャンネル地 震 探 鉱 機

さくS波震源としては不十分と考えられる。

（G-DAPS Light）を使用した。発震信号（TB）は油圧イン
パク タ 側 から 探 鉱 機に 有 線で 送 信し 、 総 チャ ンネ ル 数

3.2 B トンネルでの試行実験

72ch、サンプリング間隔0.5ミリ秒、データ長2秒として記録(1)トンネル概要
B トンネルは、延長 567m、内空断面積 58.6m2 の道路ト

した。
(3)波形記録と周波数特性の比較

ンネルであり、トンネル地質は秩父帯に属する頁岩と砂岩

図3、4、5に、P波およびS波における波形記録と卓越周およびその互層から構成される。

波数を各々示す。各々の図では、探査測線の切羽側、中(2)探査仕様

心点、坑口側において発震した波形記録と各発震点におa)震源と受振器

いて記録された波形の周波数特性を示している。

B トンネルでは A トンネルでの実験結果を踏まえ、さらに

図 3 の 100Hz 上 下 動 に お け る P 波 の 卓 越 周 波 数 は高品質で振動エネルギが大きいことが期待できる S 波震源100-160Hz程度で、従来と比較するとやや低い値を示すを採用した。写真 5 に示す油圧インパクタは、打撃角度をがP波記録として遜色ない。

60゜まで傾斜することが可能であり発生する S 波の品質向

図 4、 5は 共 に 左 右 の 打 撃 記 録 を 減 算 処 理 した 後 の上が期待できる。ただし、本インパクタは写真 1 に示したよ

30Hz水平動と30Hz上下動のジオフォンを水平方向に設

うに左右に傾斜することは不可能であり、左右の打撃はベ置した記録である。卓越周波数は、共に40-80Hz程度と考ースマシンの前後を入れ替えて別途実施する必要がある。

えられるが、30Hz上下動を水平方向に設置した記録は波写真 6 に示す S 波バイブレータは、車載自走型であり坑－60－

S 波震源を用いたトンネル前方探査

S波発震用小型バイブレータ

バイブレータのマスをS波用に変更

写真5 油圧インパクタによるS波発震(60゜片側傾斜)

S波バイブレータによる発震状況

写真6 車載型S波バイブレータの構造と発震状況

100Hz上下動

発震点
24SP@1.5m
30Hz水平動
トンネル横断方向

off‐set:1m

off‐set:2m（ インパクタ）（ バイブレータ）

写真7 受振器と測線配置状況（インパクタ発震オフセット1m、バイブレータ発震オフセット2m）

内での機動性に優れ、マスダンパーの設置方向を鉛直か算処理した記録を示し、図 8 の S 波バイブレータの記録をら水平方向に変更することで P 波から S 波の発震装置にそれぞれ示す。

切り替えることが可能である。本バイブレータは油圧インパ

図 7 より、一部 100-140Hz にピークが確認できるもののクタより大きな振動エネルギを地盤に伝播する能力がある。

卓越周波数が 50-80Hz に集中しており、S 波成分に相当

写真 7 に受振器と測線配置状況を示す。受振器は、SHする記録が得られていることが分かる。一方、図 4 の 35゜傾波の取得を目的として 30Hz 水平動ジオフォンと P 波用に

斜の油圧インパクタ記録と比較すると波形が非常にシャー

100Hz 上下動ジオフォンを使用した。発震点は、油圧インプであることから、35゜傾斜より 60゜傾斜の油圧インパクタのパクタを測線 1m オフセットとし、バイブレータは 2m オフセ

方が S 波発生の品質が高いと考えられる。

ットとした。油圧インパクタの発震は左右のショットをベース

図 8 の S 波バイブレータの卓越周波数は、油圧インパク

マシンの前後を入れ替えて実施した。スタッキングは油圧

タと同様に、一部 100-140Hz にピークが確認で卓越周波インパクタ、バイブレータ共に各発震点で 5 回ずつとした。

数が各発震点でやや不整合となっているが、S 波成分にb)振動記録装置相当する周波数 40-80Hz にピークが確認できる。図 8 の S

振動記録装置は、バイブレータの発震制御が可能な多波波形は非常にシャープであり振幅も大きいことが特徴でチャンネル地 震 探 鉱 機 （DAQⅢ）を使用した。S波バイある。なお、図 3～8 では振幅の大きさを揃えた波形表示でブレータのスイープ周波数は10-140Hz、スイープ長は14はないことから、単純に振幅の大きさから震源エネルギの秒である。総チャンネル数は48ch、サンプリング間隔は1.0

大小を比較できないが、図 8 の波形表示から、S 波バイブ

ミリ秒、データ長2秒はである。

レータの震源エネルギは、油圧インパクタより相応に大きい(3)波形記録と周波数特性の比較

ことが示唆される。

図 7 に、60゜片側傾斜の油圧インパクタの左右打撃を減－61－

フジタ技術研究報告 第 49 号

図7 油圧インパクタ(60゜片側傾斜)の左右打撃減算処理後の記録（S波、30Hz水平動ジオフォン）

図 8 S 波バイブレータの記録（S 波、30Hz 水平動ジオフォン）
3.3 まとめ

望ましいと考えられる。

以上の 2 箇所のトンネル現場で実施した試行実験から、受振装置に関しては、水平動専用の筐体に加工した

各種の S 波震源装置および受振装置に対する S 波探査へ

30Hz のジオフォンが現状で最も適用性が高く有効と考えの適用性をまとめると表 1 となる。なお、表 1 には受振装置られる。なお、10Hz の 3 成分ジオフォンも有効であるが、として 3 成分ジオフォンの適用性も併記した。各受振器に設置精度が要求されトンネル底盤等に精度よく設置するこ対しては、写真 8 に示すようにトンネル現場での試行実験とが容易ではないことが欠点となる。当初、最も汎用的な上に先立ち実験施設内において予備実験を実施している。

下動のジオフォンを 2 軸スパイクで設置する方法が安価で

表 1 に示すように、S 波震源として S 波の品質と振動エ

設置が簡便と考えていたが、スパイクの共振問題が課題とネルギ（探査深度の深さ）の観点からは S 波バイブレータがなった。しかしながら、2 軸スパイクの長さを短くすれば共振最も良好な震源と考えられる。しかしながら、坑内における周波数は大きくなることから共振を避けることは不可能でな

機動性、作業性、汎用性、コストなどを総合的に考慮すると

く更なる改良によって適用性が向上すると考えられる。

油圧インパクタの方が山岳トンネルのおける S 波探査とし

SSRT における P 波探査では、1 軸のスパイクを用いてては適用性が高いと評価した。一方、油圧インパクタの100Hz の上下動ジオフォンを地盤に設置することから、今35゜左右傾斜と 60゜片側傾斜では、S 波の発生品質におい

後 P 波と S 波同時に測定可能な受振装置として、上下動て 60゜傾斜の方が高いと考えられること、トンネル掘削断面は 100Hz、水平動は 30Hz の 2 成分あるいは 3 成分のジの大きさなどの現場条件を考慮して両者を選択することがオフォンを専用筐体に加工し使用することが想定される。

－62－

S 波震源を用いたトンネル前方探査

表 1 S 波探査のための震源装置と受振装置の適用性に関するまとめ
震源装置

特 徴

適用性

油圧インパクタ・小型で機動性が高く（輸送は 4t ユニック車）、低コストである。

（35゜左右傾斜）・同一発震点で S 波の左右打撃と P 波上下打撃が可能であり作業性が高い。

○

・S 波の S/N 比がやや低いことから、現場測定時に生波形から S 波の品質を判別しづらい（左右減算処理で明確化する）。
油圧インパクタ・小型で機動性が高く（輸送は 4t ユニック車）、低コストである。

（60゜片側傾斜）・同一発震点で S 波と P 波を打撃可能であるが、S 波の左右打撃はベースマ◎

シンの前後入れ替えて実施することから作業性がやや劣る。
・S 波の S/N 比は高く、現場での生波形から S 波の品質を判別可能である。
S 波バイブレータ

・車載登載型で自走式であるが、油圧インパクタより大型であることから坑内で（車載自走型:4t トラック）の機動性や作業性がやや煩雑となる。

△

・掘削断面の小さなトンネルには不適で汎用性が低い。
・S 波の S/N 比は非常に高く、探査深度も深い。
受振装置

特 徴

適用性

30Hz 水平動ジオフォン

・水平動専用の筐体に加工する（コストアップ）。

（専用筐体）

・設置時に水平精度を要求され、簡便性にやや劣る。

30Hz 上下動ジオフォンの・汎用性があり安価で、設置も簡便である。

水平設置

・2 軸スパイクの共振対策（スパイク長さの調整）が必須となる。

（2 軸スパイク使用）

・水平方向に確実に固定する必要がある。

10Hz の 3 成分ジオフォン

・専用の筐体が大きく、設置に手間がかかる。

◎

△

○

・設置時に水平精度が要求され、簡便性に劣る§４．P 波と S 波を用いた切羽前方探査4.1 概 要P 波と S 波を用いた切羽前方探査を前述の A トンネルで実施した結果について述べる。本トンネルでは、施工中の地質調査として全線で先進ボーリングを実施している。

10Hz3成分ジオフォン（PE‐6C筐体）

よって、SSRT による P 波と S 波探査と先進ボーリングによ30Hz水平動
ジオフォン（専用筐体）

る結果、切羽観察結果を総合的に評価した。

30Hzと100Hz上下動
ジオフォン（2軸スパイク）

4.2 先進ボーリングと SSRT 前方探査結果の比較
写真8 予備実験で使用した受振装置

図9に、SSRTによる通常のP波処理によって得られた切羽前方（図右側）と切羽後方（図左側）の反射面記録をトン
ネル地質縦断、先進ボーリング記録、切羽観察による評価

りコア品質に差がある。よって、ロータリー式はRQDが25%

点の推移グラフ等と併記して示す。SSRTにおけるVSP処

以下の区間を抽出して図9にハッチングした。一方、ロータ

理では、切羽前方のP波の地山弾性波速度を3,200m/s、

リーパーカッション式は、岩級区分でD～CL級となる箇所

後方を3,600m/sとして処理し距離換算した。

を図9にハッチングし反射記録と対比することとした。

起点側坑口の先進ボーリングは、通常のロータリー式、

図 9 より、切羽後方の先進ボーリングにおける劣化箇所

その他はロ－タリーパーカッション式であり、穿孔方式によは、反射面が集中する箇所と良く一致する。一方、切羽前－63－

フジタ技術研究報告 第 49 号

トン ネルセン ター
地質縦断（切羽観察）

風化部

破砕帯

花崗岩

砂質片麻岩
（新鮮）

泥質片麻岩
泥質片麻岩

砂質片麻岩
(風化）

砂質片麻岩
（新鮮）

破砕帯

切羽評価点

R Q D 60%以下→← 破 砕 ， 脆 弱， 風化箇 所

ＤⅢａ

60
45
30
15
0

ＤⅠ－ｂ

ＤⅠ－ｂ

ＣⅡ－ｂ

ＤⅢａ

ＤⅢａ-ｓ

ＤⅢａ-ｓｄ

切羽評価点

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180
200
T.D.(m)

220

240

260

280

300

320

340

360

380

切羽前方反射面強調処理
Vp=3,200m/s

切羽後方反射面強調処理
Vp=3,600m/s

上段：反射面強度（絶対値）
下段：反射面強度（正負考慮）
最下段：反射波形（正） ← 反射面強度 → （負）図9 SSRTによる通常のP波処理によって得られた切羽前方と切羽後方の反射面記録と地質記録の対比

方の反射記録は、終点側坑口付近の風化部と先進ボーリ

本トンネルはほとんど湧水が確認されなかったが図に滲水

ングによる劣化部および反射面集中箇所がほぼ一致して箇所を明示し、S波探査結果と比較した結果、滲水箇所といる。しかしながら、探査測線から前方約 20～40m 区間に反射面記録に相関性は見られなかった。

おいて先進ボーリングで確認された劣化部と反射面が集一方、前述の探査測線から前方20～40m区間はS波で中する箇所が一致しているものの、切羽観察の評価点にも地山変化が想定されている。切羽評価点の各パラメータ差がなく施工上支障はなかった。すなわち、この 20m 区間

から、この区間は「変質が強いが強度が上昇し割れ目間隔

では、先進ボーリングと P 波探査において地山変化点が想が粗となるアンバランスな変化」を呈することがわかる。よっ定されるものの切羽観察からは変化を確認できなかったとて、この区間は地山強度が上昇したことにより切羽は安定言える。

し施工上問題なかったが、周辺地山と異なる性状であった

図10に、切羽前方のP波およびS波による反射記録を切可能性が示唆される。

羽評価点パラメータ（圧縮強度、風化変質、割れ目間隔、以上の現場適用から、先進水平ボーリングやSSRTのよ

割れ目状態）の推移と比較して示す。S波速度は初動解析

うな弾性波を用いる探査結果においては、目視による切羽を参照として2,000m/sを採用し、その結果Vp/Vs=1.6とな

観察あるいは観察に基づく評価点のみでは、判別しがた

り一般的なVp/Vs比となっている。S波による反射面は、Pい地山変化を捕らえている可能性も示唆されると言え、現

波よりコントラストがやや小さいが、2区間に反射面が集中場適用により、P波とS波併用するSSRT探査の有用性がする箇所が確認できP波探査結果とよく整合する。一方、示されたと考えられる。

－64－

S 波震源を用いたトンネル前方探査

変質が強いが，強度上昇+割れ目間
隔粗でアンバランス

全のパラメータが低下＝軟質・風化

比較的安定

2.0

先行して変質と強度が低下し，割れ目間隔と割れ目状態が低
下する．

評価レベル

3.0

4.0

5.0
圧縮強度

風化変質

割目間隔

6.0
200

220

240

0

260

280

割目状態
Distance (m)

300

320

100

距離TD(m)

340

360

380

180

P波の強反射箇所は，風化・変質，強度，割れ目間隔・状態の変化区間と一致し，各種
パラメータに対する感度が高い．

距離変換速度
3200m/sec

評価レベル

P波処理

0

0.0

100

180

湧水（滲水箇所）とS
波反射分布に規則性は見なれない！

湧水

滲水

滲水

1.0

滲水

2.0
200

0
220

240

260

100
320

280 距離TD(m) 300

340

360

380

180

P波の反射面分布と調和的であるが，特別にS波強反射箇所と各種パラメータの相関性が敏感であるとは言えない．

距離変換速度
2000m/sec

S波処理

0

100

180

図10 切羽前方のP波とS波による反射記録の対比と切羽評価点パラメータ§５．おわりに

検証実験を現場で実施しており、観測配置を工夫することによって、発破においてもS波が品質よく取得できる可能

本稿では、S波を用いたSSRT切羽前方の開発を目的と性が示されつつある。

して実施した試行実験について述べた。その結果、S波の地下構造探査等における震源としての発破作業におい震源装置としては、油圧インパクタ（35゜左右傾斜打撃、ては、発破孔に爆薬を装填しダンピング材を用いて発破孔

60゜片側傾斜打撃の2タイプ）、S波バイブレータ（車載自を十分閉塞することによって、爆破の影響を周辺に与えな走型）を検証し、各震源の特性を把握すると同時に、山岳

いように配慮する。SSRTの探査用発破では、タンピング材

トンネルにおける油圧インパクタの優位性を確認した。さらとして水を用いることから、いわゆる鉄砲発破状態となり発に、受振装置に関しては、卓越周波数30Hzのジオフォン

破孔の側壁においてせん断波の発生が期待できる。同様

を水平動専用に筐体加工したタイプが最も有効であることに、掘削発破（段発発破）においては、各発破孔は粘土等を示した。最後に、現場においてP波とS波を用いた切羽によるタンピングを十分実施するものの複数孔で構成され前方探査を実施し、各探査結果を水平ボーリング結果と切る第1段目の発破は芯抜きのための発破であり、発破で破羽観察結果と比較することにより、P波とS波を併用する探砕される岩盤と周辺の岩盤がこすれてせん断波が発生す

査手法の有効性を示し、今後、地下水の豊富なトンネルなる可能性が期待できると言える。

どへの適用性を確認した。

現在、探査用発破、掘削用発破を震源とする観測記録

一般に、発破震源は、S波を分離抽出することが困難でから、このせん断波の発生現象が確認されつつあるが、Pあり、発破はS波の発生が少ない震源であるとされてきた。

波とS波を分抽出し前方探査に反映させることが課題とな

現在、SSRTにおける小薬量の探査用の発破震源と連続っている。今後、発破を震源とするS波探査に関してさらにSSRTにおける掘削発破（段発発破）のS波成分に関する開発を進める計画としている。

－65－

フジタ技術研究報告 第 49 号

参考文献
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5) 村山秀幸、丹羽廣海、大野義範、押村嘉人、渡辺義孝：
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6) 三谷一貴、友野雄士、青木智幸、山上順民、今井博：ト
ンネル切羽前方弾性波反射法探査における速度解析について、土木学会第 66 回年次学術講演会（平成 23 年度）、
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by the tunnel-seismic-while-drilling (TSWD)
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9) 例えば、佐々宏一、芦田讓、菅野強：建設・防災技術者のための物理探査、森北出版株式会社、pp.113-117、
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10) 例えば、社団法人日本道路協会：道路トンネル観察・計測指針-平成 21 年改訂版-、pp.69-80、2001.2.
11) Zhang、 L.、 Qiu、 D.、 Li、 S. and Zhang、 D.、 :Study of advance surrounding rock classification
based on TSP203 and extenics、 ASCE Conf. Proc.、
2011.
12) Gerard Thomas Schustet : Seismic inertferometry、
Cambridge University Press、 2009.
13)物理探査学会：物理探査（小特集：地震波干渉法）、第61 巻、第 2 号、pp.85-144、2008.4.
14)伊東俊一郎、相澤隆生、松岡俊文：地震波干渉法によるトンネル地山の可視化、土木学会トンネル工学報告集、第 20 巻、pp.59-62、2010.11.
15)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.

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ひ と こ とトンネル技術者にとって、「湧水の予測と対策」は、施工性と安全性を向上させるうえで悲願と言えます。そこで S波に注目した地下水探査の開発を目指すものの、切羽から湧水があれば直村山

秀幸

ぐに水を抜き地下水を低下 させることが施工の基本であり、S 波探査開発の障壁となっています。