技術研究報告第 47 号 2021.11

戸田建設株式会社

TDEM 法(電磁探査法)による大土被り及び，膨潤性地山のトンネル探査
APPLICATION OF TIME DOMAIN ELECTRO MAGNETIC METHODS TO TUNNEL SURVEYSIN SWELLING GROUND AND LARGE OVERBURDEN TUNNELS

原 敏 昭*1，斎 藤 章*2
Toshiaki HARA, Akira SAITO
In geophysical exploration of tunnel routes, the seismic refraction survey is usually used. However, even when dynamite is used as a seismic source, themaximum depth of investigation is approximately in a range of 100 to 200 m. The Time Domain Electro-Magnetic Method (TDEM), which is usually usedin resource exploration, has a depth of exploration of several hundred meters or more. To investigate the applicability of the TDEM to surveying of tunnels
beneath large overburden, the results of seismic refraction survey and TDEM obtained from two tunnels with overburden >200 m are compared withexcavation results. In swelling rocks resistivity could decrease with increasing Cation Exchange Capacity (CEC), and thus one aim of this paper is to determine
the presence or absence of swelling Neogene mudstone from the resistivity values analyzed by the TDEM. Furthermore, sensitivity of the TDEM to the low
resistivity layer, and the reliability of TDEM analysis, are verified by numerical simulation. The results suggest that the TDEM is effective for determining thelayer boundary for a given tunnel, which is typically difficult to verify using seismic refraction surveys when overburden exceeds 200 m. The TDEM can also
detect swelling low resistivity layers.
Keywords : Significant overburden, Resistivity，Swelling ground，Numerical simulation
時間領域電磁探査法，トンネル，比抵抗値，膨潤性地山，数値シュミュレーション

1. はじめに
生活基盤の整備・効率化や安全性の確保などのために，日本各地

すい手法ではあるが，実際の構造の比抵抗値が大きく変化してもでトンネルの建設が進められている．近年はリニア新幹線，高速道

測定される見掛比け抵抗値は飽和してある狭い範囲しかとらない 3)路などを用途とするトンネルの建設も多く，土被りの大きな工事や現象を示す．また，目的とする探査深度の数倍の長い測線を必要と岩石の吸水膨張による膨潤性地山などの地質的に施工が困難な工し，さらに同じ測線を何度も行き来しながら測定を行うため，一般事も多くなっている．そうした工事のための事前調査として，各種には測線に沿った伐開も必要となり，急峻な地形，国立公園などでの物理探査技術が用いられているが，中でも屈折法弾性波探査が最の山岳トンネルでは適応しにくい場合もある．
筆者らは従来，主に鉱山・地熱開発等の地下数百～数千 m の地も標準的に使われる技術となっている．これは，弾性波速度が岩盤の力学的性状と密接な関係があり，トンネルの地山分類の重要な要下深部資源探査技術として発達してきた TDEM 法(Time Domain

素の一つとなっているからである．

Electro-Magnetic Methods，以下 TDEM 法と記す)を，土木分野で主にしかしながら，屈折法弾性波探査では調査が難しい地質構造を有対象となる地下数 m～300m 程度の断層破砕帯・熱水変質帯の位置する場所も多い．大きな探査深度が期待できる火薬を震源に使用しと規模，地層境界，地下水の分布状況等の調査に適用する研究開発

た調査においても，探査深度は 100m 程度といわれている 1)．100mを行ってきた 4）．

を超えるような大土被りのトンネルや，弾性波速度に大きな差の認

電磁探査の中では，
特に本論文で対象としている深部ほど低比抵められない複雑な地質構造などでは，その解決策として従来行われ抗になるＱ型 5)呼ばれる構造に対しては，TDEM 法が有利とされててきたはぎとり法の解析に代わり，トモグラフィ的解析法が主流といる 6)．そこで，本研究では日本のトンネル工事でよく遭遇する 200

なりつつある 2）．しかし，こうしたトモグラフィ的な技術を導入しm を超える土被り及び膨潤性地山を対象として，その有効性を調べてもその探査深度は 200m 程度と考えられ，その調査には深さ 200m

る．具体的には，屈折法弾性波探査と TDEM 法の事前調査結果を 2を超えるようなボーリングが必要となるので，山岳地では効率や経つのトンネルで実際の掘削結果と対照し，トンネル調査への適用性

済性の面での問題は大きい．

やその探査精度について検討する．さらに，現地での調査結果を踏
まえ，数値シミュレーションにより極めて低い比抵抗値の地層に対このような背景から，電気・電磁探査法をトンネル調査に適用する場合も多くなってきている．電気・電磁探査法の目的の一つは，する TDEM 法の適用性を検証する．

求められる比抵抗構造を他の調査データと併せて検討して，地質構
造や地下水の分布状況等を把握することである．地下の比抵抗分布2. TDEM 法

を測定する技術として，二次元比抵抗探査などの直流比抵抗法が広2.1 TDEM 法の探査原理く使われている．測定装置，技術などは比較的単純であり，使いやTDEM 法は電磁場の地下への拡散現象を時間の関数として捉え，*1 戸田建設㈱土木技術部 博士（工学）Technology Division (Civil Engineering), TODA CORPORATION, Dr. Eng.

*2 早稲田大学創造理工学部名誉教授 Ph. Dr.

School of Creative Science and Engineering, Waseda University, Ph. Dr.

10-1

TDEM(電磁探査法)による大土被り及び，膨潤性地山のトンネル探査地下深部の比抵抗構造を調べる電磁探査法である 7)．本研究では，

ラムまたはチューラム測定配置が適している．磁気センサとして地上に設置したループ送信源に電流を流し，磁場を発生させる（図は，誘導コイル・フラックスゲ―ト磁力計，MI磁力計，超電導磁

1 参照）．その電流を急激に遮断すると，それまでの磁場も急激に減力計 (SQUID)などが使われている．通常,磁場センサは鉛直方向

少しようとするが，その変化を妨げるように地下に渦電流が誘導さの磁場変化を測定するために地上に水平 (コイル軸を鉛直方向)れる．この渦電流は，その電流経路の比抵抗に応じて熱になって減に設置する．断層調査の場合には，水平方向2成分も同時に測定す

衰し，高比抵抗の地層ほど速く，低比抵抗の地層ほど遅く減衰する．

ることがある．なお，測定装置は小型であり，とくに測定のため

この渦電流が作る 2 次磁場の減衰過程を測定することにより,地下に伐開等整地する必要はない．

の比抵抗構造を調べることができる．こうした渦電流の減衰は磁場

トンネル調査での TDEM 法は，主として低比抵抗地域に用いるの変化を伴い，時間とともに新しい渦電流を地下深部へ誘導していインループ測定法と，高比抵抗地域に用いるアウトループ測定法のくため，こうした渦電流のつくる磁場をより長時間地上の受信コイ

2 方法が用いられ，探査を行う際には探査開始前にテストを行い，ルで測定することによって，さらに深部の比抵抗分布が測定できる．

その結果に基づき，その地域及び各現場での要求品質に応じた探査

送信電流を切ってから測定するため，測定中に一次磁場はない．こ法を選択する．

れに対し，周波数領域電磁探査法の場合は，送信側からの磁場と地下からの磁場の両方を測っているため，ノイズの影響を消すのは極めて難しい．

図 2 TDEM 法の概念

図 1 TDEM 法の探査原理

2.2 探査方法
TDEM 法で用いる送信ケーブル形態としては，ループ状のものと，両側を接地した線電流 (ダイポール) 源がある (図 2 参照) ．ループ状の送信源は探査目的に応じて―辺 5m から数 100m
以上まで様々である．深さ 100m 程度までの調査には，一辺 20～60m 程度のループがよく使われる．深さ数 100m までの調査の場
合，一辺が 100m 前後のループを敷設する．それ以上の探査深度が要求される場合は，一辺 lkm 程度のループを敷設するか，あるいは長さ数 km の線電流を用いる．また，地下深部からの信号を測定するために送信信号はなるべく大きくする必要がある．通常，数10 A 以上の大電流を地中に流すことから，接地抵抗を十分下げる必要がある．そのため，ケーブルの両端でトタン板等を地下に埋設し，接地電極とする．また，電源としては交流の数 10 kVA 以上の発電機を使用することが多い．ループソースの場合，ループとセンサの配置は様々な組合せで行うことができるが，トンネル調査に適した配置としては図 3 に示すものである．
測線上での比抵抗構造を調査する方法としては，インループまたはアウトループ測定配置が適している．断層構造等の3次元的な比抵抗異常部を捕捉するためには，大 (固定) ループやスリング

図 3 TDEM 法の測点配置

10-2

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2.3 解析方法

(1)インループ測定
TDEM 法の送信源は探査目的に応じて一辺 5m から数 100m 以上

解析は，一般に図6に示すフローに沿って行われる．測定電庄値の矩形ループをトンネル測線上に設置する．深さ 150m 程度までのは雑音処理のためのスタッキングおよび各種のフィルタリングを調査には，60m 程度の大きさが必要であり，また深さ数 100m まで行った後，磁場変化率 (dhz/dt)に変換し，さらに式(1)式～式(4)をの調査の場合，１辺 100m 前後のループを敷設する．インループ測用いて見かけ比抵抗値ρaに変換する．時間領域の電磁法の場合，時定法の概要を図 4 に示す．送信ループは，60×60 m の矩形送信ルー

間の早いEarly timeの領域と，電流遮断後，時間の経過したLate

プをトンネル測線上及び周辺に設置し，一般にはセンサをループ内

timeの領域で見掛け比抵抗の漸近的な式を用いている．これらは，に配置する．

ループ送信源の場合とダイポール送信源の場合で異なる．

図 4 では，まず No.30+40～No.31+00 に送信ループを設置し，送

ル－プ送信源の場合:

信ループ内の No.30+50 から No.30+90 まで 10m ピッチで測定を行𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 − 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

う．5 地点で測定した後送信ループを撤収し，今度は No.30+90～
No.30+50 に同じく矩形送信ループを設置する．その後，同様に

𝜌𝜌𝑎𝑎 =−𝜇𝜇0 𝑎𝑎3 𝜕𝜕ℎ𝑧𝑧 −2⁄3
3𝐼𝐼

𝐼𝐼 2⁄3 𝜇𝜇 𝑎𝑎4⁄3おいて測定を行う．以下，このループ撤収・ループ設置・測定の作業を繰り返し，トンネル縦断方向の比抵抗測定を行う．

ダイポール送信源の場合:

31+50

31+00

30+70

30+90
30+80

30+60

30+50

30+40

50m移 動・・・・・・・・・・・・(1)𝜕𝜕ℎ𝑧𝑧 −2⁄3𝜌𝜌𝑎𝑎 = 202⁄3 𝜋𝜋01⁄3 𝑡𝑡 5/3 �− 𝜕𝜕𝜕𝜕 �

𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 − 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

No.31+00 から No.31+40 まで 10m ピッチでセンサを設置し，各点に� 𝜕𝜕𝜕𝜕 �

2𝜋𝜋𝜇𝜇0 𝑟𝑟 4 𝜕𝜕ℎ𝑧𝑧 −2⁄3

送信機

𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 − 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝜌𝜌𝑎𝑎 =𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 − 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝜌𝜌𝑎𝑎 = 402⁄30𝜋𝜋𝑡𝑡 5/3 � 𝜕𝜕𝜕𝜕 �

3𝑝𝑝

� 𝜕𝜕𝜕𝜕 �・・・・・・・・(2)・・・・・・・・・・・(3)𝑝𝑝2⁄3 𝜇𝜇 𝑎𝑎𝑎𝑎 2⁄3 𝜕𝜕ℎ𝑧𝑧 −2⁄3

・・・・・・・・・(4)ここで，μOは真空の透磁率 4π×10-7［H/m］，tは送信遮断後の経受信機

ト ンネ ル測 線

過時間［s］,αは送信ループの半径［m］，Iは送信電流値［A］，r

セ ンサ
＠10m

は送受信点間距離［m］，pは電気ダイポールモーメントで送信電流値とダイポール長との積［Am］である．
この見掛け比抵抗値を送信遮断後の経過時間ごとにプロットし送 信ル ープ
60m ×60m

た見掛け比抵抗曲線を作成する．次にこの見掛け比抵抗データか

図 4 インループ測定概要

ら比抵抗構造の初期モデルを決定する．見掛け比抵抗曲線から各測定点下の比抵抗構造を求める際には1次元のインバージョンが使(2)アウトループ測定
地表にケーブルを一辺 60m の矩形状に配置する（送信ループ）．
センサはトンネル軸線上で，ループの外側 10m の位置に設置する(図 5)．測定に際しては，送信ループに電流を流し，これを OFF にした後，磁場の変化を記録する．一回の測定が終了したら送信ルー
プとセンサをトンネル軸に沿って 10m 移動させ再び計測する．トンネル軸に沿ってこれを順次繰り返す．

送信ループとセンサの距離は一定 (間隔 10 m)(1 測定ごとに移動する)

図 5 アウトループ測定概要
図 6 TDEM 法の解析処理フロー例

10-3

TDEM(電磁探査法)による大土被り及び，膨潤性地山のトンネル探査

われる．これは水平多層構造を仮定した各層の比抵抗・層厚を測査，二次元比抵抗探査に比べて，以下に挙げるトンネル掘削上問題

定デー夕から非線形最小二乗法により求めるものである．インとなる地質情報が精度よく取得できる特徴がある (以後，本論文でバージョンによって求められた層厚・比抵抗値等の解のもつ誤差

述べる電気探査は，二次元比抵抗探査と記す) ．

や独立性を評価するために，等価層解析やリゾルーション・マト

①探査深度が，屈折法弾性波探査・二次元比抵抗探査において地下リックスを検討する．一方，地下の比抵抗構造をより視覚化する

100m 程度なのに対し，TDEM 法のトンネル探査では探査深度が‘300m までの探査実績がある．

ために最近ではスムースインバージョンと呼ばれる処理が併用される．これは地下の比抵抗値が連続的に変化する多層水平成層構②地質急変箇所 (断層破砕帯，熱水変質帯) の位置，規模が解明造を仮定し，その層厚を固定して各層の比抵抗値のみをインバーできる．

ジョンによって自動的に求めるものである．各層厚は地表から地③地層境界が明確になる．

下深部に向かって対数的に厚くなるように与える．この解析方法④地下水の状態を把握できる．

から得られた結果は，地下の比抵抗構造を深度方向および水平方⑤屈折法弾性波探査では探査不可能である，上層が硬岩，下層が向の比抵抗の連続的な変化として等値線で図化できる．このた軟岩といった地質構造（逆転層）が解明可能である．

め，3次元的な不均質物質の位置や比抵抗値を同定するのに適する

以上の詳細な地質情報がトンネル掘削前に与えられることによという長所をもつ．TDEM法のデータ解析では一次元解析が使用

り，合理的な掘削工法や的確な支保を選定でき，効率的，経済的かされることが多い．本研究では次に示すように２種類の一次元イ

つ安全なトンネル施工を実施することができる．

ンバージョンを各測定点で実施し，それらの結果を総合的に判断

また，TDEM 法の欠点としては以下の項目が挙げられる．

して解析結果としている．

①探査の結果得られる物性値が比抵抗値であり，トンネルの地山(1)スムースインバージョン

評価に直接使われる力学値ではない．
②地山の比抵抗値は，地下水，岩盤の間隙率，割れ目の状態等が複スムースインバージョンは，地下の比抵抗値が連続的に変化する
水平成層構造を仮定し，測定データよりその層厚を固定して各層の雑に影響しており，地山性状の推定が難しい場合もある．

比抵抗値のみをインバージョンによって求めるものである．測定③地表の探査測線付近にある高圧線等のノイズ源により，データの品質が悪くなり，探査結果の信頼性が低下する．

データからソフトが初期モデルを設定し，隣り合う地層での比抵抗値がなめらかになるような制約条件のもと，全体の比抵抗構造を求3. 膨潤性地山での岩盤特性

めるが，境界面の深さが曖昧になる場合がある．本解析法では各測定点の深度方向データを最大 15 層に分けて解析し，イメージング

トンネルで問題となる地山の膨潤性は，スメクタイトの含有量，として比抵抗構造図を作成する．

陽イオン交換容量(Cation Exchange Capacity，以下は CEC と記す)等(2)水平多層インバージョンの岩石の膨潤性指標と，地山強度比(Competence Factor)を総合的に

本解析では，水平成層構造を仮定して，測定で得られたデータ

判断し，その可能性が評価される．この指標の中で，CEC 値は 35を最もよく再現する地層の比抵抗値と層厚を，非線形最小二乗法

cmol･kg-1 以上で膨潤性を示すとされている 8)．また，地山強度比とにより求める．ここでは地層を3層～5層とした．比抵抗コントラは，岩石の一軸圧縮強度を単位体積重量と土被り厚の積で割った値

ストの大きな地層境界に対しては，スムースインバージョンよりで，2 以下で問題になるとされている．そこで，トンネル施工管理

も境界面を捉えるのに有利と考えられる．

の際に CEC が大きく膨潤性の指標を超過するような地山を，TDEM

なお，本研究で用いた一次元逆解析ソフトは，Interpex社製IX-法を用いた比抵抗探査により事前に捉えることができれば，非常に1Dである．このプログラムは，式(1)などの見掛け比抵抗の式を有意義と考える．スメクタイト等の膨潤性粘土鉱物を含有する泥岩使って任意の電極・ループ配置のモデル計算やインバージョンをは，それを含有しない泥岩よりも比抵抗値が低くなるとされる 9)．

行うことができる

粘土鉱物が比抵抗値に与える影響は，粘土鉱物がもつ CEC 値の大

また，水平方向の構造変化が激しく，1次元インバージョンではきさと深く関連する．物理検層の分野では，CEC の値をパラメータ

地下構造を求められないと考えられる場合は，2・3次元モデル計とした式(5)，式(6)の実験式が提案され，岩石に含有される粘土鉱物

算を行う．例えば有限差分方程式あるいは積分方程式により，与の影響を定量的に評価することが行われている 10）．

えられた2・3次元の比抵抗モデルからの電磁場応答を算出するも=σRのなどが開発されている．さらに，断層構造を調査する目的で３成分磁場測定を行う場合もある．プレー卜 (板状) 解析と呼ばれ

1(σ W + BQV )F・・・・・(5)(1 − φ1 )φ1・・・・・(6)QV CEC × ρ d=る手法で，断層の位置・深度・連続性・傾斜・導電率の抽出を行う．断層の幾何学的形状は矩形と仮定し，その電気的性質はコン

ここで，F は δR(岩石の電気伝導度)と δW (水の電気伝導度)をグラ

ダクタシス (矩形の導電体の厚さと電気伝導度の積) と呼ばれるフ上にプロットしたときの傾きで定義される実験的な地層係数，QV量で与える．これら断層の幾何学的形状や電気的性質について
は，モデル計算を行って求める．

は孔隙容積 1000 cm3 あたりの交換性 Na イオンのグラム当量数，Bは対イオン(粘土鉱物表面の電荷に対して異符号の電荷をもつイオ

2.4 TDEM法探査の特徴ン)による当量伝導率であり，岩石の乾燥密度を，ρd 全孔隙率を φ1

TDEM 法によって調査した比抵抗構造は，従来の屈折法弾性波探とする．この実験式(5)，(6)より，δR(比抵抗の逆数)は，CEC の増加

10-4

技術研究報告第 47 号 2021.11

戸田建設株式会社に伴い増加する 10）．しかし，現実の室内試験ではこれらのパラメー

度が 5.6～7.5 MPa と低く，地山強度比が 1.2～1.6 と基準である 2.0

タは一般には求められておらず，これらの式を使った定量的な評価を下回るなどによるものと考えられた．この北側工区の大変位区間は困難である．ここでは，岩石の比抵抗値と CEC の関係及び岩石に対し，大規模な対策工事(鋼製支保工上下半 H-200，
H-200 インバーの膨潤特性を用いて，TDEM 法をトンネル事前調査に用いることにトストラット,先受ボルト,鏡ボルト,下向きロックボルト 9m 打設等)が施工された．南側工区は北側工区が工区境に到達した時点で，より，膨潤性泥岩の分布を検討する．

工区境まで約 850 m 地点(573.60 km 付近)を掘削していた．北側工

4. 膨潤性泥岩分布域での TDEM 法区での工区境付近の大変位に対し，南側工区においても，掘削工法
および工事工程を精査する必要が生じ，追加調査により詳細な地質

膨潤性泥岩が分布している可能性のある東北支店金田一トンネ
ルで，トンネル経路に沿った鉛直断面の比抵抗構造を求めるため，情報を収集することになった．

TDEM 法を実施した．本トンネルは土被りが 300m を超えており，

4.2 追加調査

屈折法弾性波探査では捉えられていない新第三紀層の泥岩中に存(1)TDEM法

在する，極めて低比抵抗の膨潤性泥岩の分布を求めた結果を示す．

地表から，トンネル経路に沿ってTDEM法を実施した．図8の金本探査は，送信ループに断続電流を流すことによって発生する二次

田一トンネルでの測定点配置図に示すように，測定間隔は10m，測磁場を，送信ループの内側にセンサを設置するインループ測定及び点数は88点とした．金田一トンネルでは最大土被りが約320mとか外側にセンサを設置するアウトループ測定により，10m 毎の測点でなり深いことから，探査深度を大きくするため，送信はトンネル取得した． また，ボーリングコア及びトンネル切羽で採取した岩経路を中心に1辺100 mの矩形ループを設置し，送信機には石を用いて，室内試験として一軸圧縮強度試験(≦4MPa が膨潤性の指標 8)を行い，地山の膨潤性判定のため，Ｘ線定量試験，CEC 試験等を実施した．
4.1 地質概要
金田一トンネルは，延長約 8.7km，最大土被り約 320m で，南側
工区と北側工区に分けられており，TDEM 法等により，南側工区を中心に調査を行った．地表踏査・屈折法弾性波探査から得られた事
事前調査結果を図7 に示す．
トンネル掘削部は泥岩が分布しており，その上部を砂岩，凝灰角礫岩が覆っていた．また，屈折法弾性波探査によれば，工区境付近を中心とした区間のトンネル掘削高さ付近
は，弾性波速度として 2.9km/s が確認され，破砕帯などに相当する
低速度帯は認められなかった．南側工区に先行して掘削されていた北側工区では，南側工区より先に工区境(574.46 km)に到達したが，574.60 km 付近より工区境にかけて，内空変位が最大 300mm に及ぶ
大変位が発生した．この原因は，地山を構成する泥岩が膨潤性を示すこと，さらに土被りが約 320m と大きく，かつ岩石の一軸圧縮強
図 8 金田一トンネル測点配置図

工区境

南工区

(m)

北工区

400

0.7

300
1.5
1.5

1.9
1.9

2.72.7

3.33.3

200

凝灰角礫岩
砂岩

2.9

km/s

泥岩
100

泥岩

トンネル
泥岩

トンネル掘削方向→

砂岩
573.60573.80574.00574.20Distance(km)

図 7 金田一トンネル事前調査結果

10-5

574.40574.60km
km

TDEM(電磁探査法)による大土被り及び，膨潤性地山のトンネル探査

GEONICS社製EM-57を用いて12 Aの断続電流を流して送信モーメ

近では，CECが32.7～40.3 cmol(+)･kg-1と基準値付近であり，Ｘ線

ントを大きくし，有効コイル面積が200 m2のセンサを使用した．

定量試験でも基準値を超過していたが，地山強度比は4.0-6.9と膨潤性判断基準値の2を大きく上回っていた．

図9.1に，測定結果をスムースインバージョンにより解析し，そ(3)水平ボーリングの結果を色分けして比抵抗構造を示す．また，水平多層インバー
ジョン結果を，図9.1に黒点線で示した．573.60～574.30km区間の掘削終了後の北側工区境より，南側工区へ水平ボーリングを行

測定データは2層構造，574.30～574.60km区間は3層構造と解析され

い，膨潤性泥岩の分布域調査を試みた．膨潤性を示す地層のボーた．この3層構造部分の比抵抗と層厚の各測定点での平均値を表1

リングコアは，ディスキング現象(通常の連続したコアが得られなに示す．第1層から第3層までの比抵抗がそれぞれ，24.5Ωm，いで,コアが一定の厚さの円板に割れる現象11)が顕著とされるが，5.6Ωm，0.5Ωm，層厚はそれぞれ，84.3 m，104.8 mであった．特に今回の150mの水平ボーリングコアにおいても，ディスキング現象

第3層は，0.5Ωmと極めて低比抵抗の層が検出され，このうちが多くみられた．

574.46～574.60km区間の北側工区は，実際の工事において地山が膨これらの追加調査結果から，南側工区の工区境付近の574.30～

潤性を示した大変位区間に相当した．

574.46km 区間でも膨潤性泥岩が出現する可能性が高いと推定され(2)室内試験た．

一軸圧縮強度試験，X線定量試験，CEC試験，塑性試験等の室

4.3 トンネル掘削結果と，TDEM法及び屈折法弾性波探査結果の内試験を，南側工区(573.60km)及び北側工区(574.46km)の掘削ズリ

対比に対して行った結果を，表1に示す．北側工区の泥岩はCECが34～

トンネル掘削時の切羽観察結果をまとめたものを図9.2に示す．

115 cmol(+)･kg-1と基準値35 cmol(+)･kg-1 8)を大きく超過し，またX

南側工区の574.33～574.46km区問は膨潤性泥岩が出現し，160mm

線定量試験によるスメクタイトの含有量は基準値20％8)を超過する

を超える内空変位が発生したことにより，対策工事を必要とし試料が多く，さらに地山強度比は1.2-1.6と膨潤性判断基準値の2をた．膨潤性泥岩の出現範囲は，図9.2に示したTDEM法の水平多層下回っていた．これに対して南側工区の膨潤性のない533.60 km付

インバージョン解析結果である0.5 Ωm層の範囲と，ほぼ一致していた．

表 1 金田一トンネル室内試験結果
試験項目

地山強度比

MPa

X線定量試験

％4.00～6.90

meq/100g
cmol(+)kg-1％

32.7～40.3

一軸圧縮強度CEC
塑性指数

一方，屈折法弾性波探査結果では，573.60～574.60km区間では2

南工区(573.60 km) 北工区(574.46 km) 膨潤性
基準値
砂岩泥岩互層泥岩
10.8～20.5

5.6～7.5

24～34

10～34

≧20

―

≧70

52.1～54.9

1.40

34～115層構造であり，トンネル掘削高さの弾性波速度は，南から3.3，
2.7，2.9km/sで膨潤性泥岩を捉えていない．地表踏査の結果からは≦40

トンネル掘削高で泥岩分布が予想されていたが，膨潤性地山の出≦2.00

現可能性は示されていなかった．

≧35

400

ρ＝5.6Ωm

573.60573.80574.00574.20測

574.40574.60km線(km)図 9.1 金田一トンネル比抵抗構造図

工区境

GeologyNo

573.60573.96

泥岩

砂岩泥岩互層573.70573.80574.21

573.90574.00574.10

礫質泥岩
574.20

図 9.2 金田一トンネル切羽観察結果

10-6574.33574.30574.46km

膨潤性泥岩
574.40574.50km

技術研究報告第 47 号 2021.11

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バージョンを行い，低比抵抗層に対する探査精度を検証し，その4.4 まとめ結果を比較した．

土被りが300mを超える金田一トンネルでは，TDEM法による探5.1 フォワードモデル

査とトンネル掘削結果を比較した結果，膨潤性を示さない地層は

水平多構造モデルのフォワード計算を行い，低比抵抗層に対す比抵抗が5.6Ωm，膨潤性を示した地層は0.5Ωmとなったことからその分布を的確に捉えることができた．屈折法弾性波探査結果でる探査精度を検証した．ここで，水平多層構造モデルは金田一ト

は，弾性波速度が2.9km/sと同じ地層として捉えており，膨潤性のンネルでの水平多層インバージョンによる比抵抗構造解析結果(表有無を判別できていなかった．

2)の通りに 3 層構造とした．そして，1 層目と 2 層目の比抵抗値と層厚を固定し，最下層である第 3 層の比抵抗値を様々に変化さ本章で示したように屈折法弾性波探査で膨潤性が判別できない

せ，それぞれの電磁応答を計算して比較した．

地層でも，TDEM 法によって膨潤性を示さない岩盤と示す岩盤と金田一トンネルで使用したEM-57の直流電流遮断後のサンプリを判別できることが判明した．

ング時間は表3の通りである12)．本装置では3つの測定時間帯H，M，Lについてそれぞれ20の時間帯(gate)で測定されており，測定時

5. 数値シミュレーション
4 章で示した金田一トンネルで TDEM 法によって明らかとなっ間範囲は全体で0.008813～69.780 msecである．図10に，表2の比抵

た低比抵抗層中に存在していた膨潤性を有する極低比抵抗層が，抗モデルにおいて，3層目の比抵抗値を0.1～5.0 Ωmの範囲で変化さ

どの程度まで探査・解析が可能であるかを明らかにするために，せた場合の，測定時間帯Hでの受信コイルの起電力を示す．各起電

数値シミュレーションを行った．

力は，0.008813～1.0 msまではほぼ同じ値を示しているが，1.0msをまた，地下深部探査に有効とされるシュランベルジャー法にお過ぎると，第3層の比抵抗値の変化に応じた起電力の変化が見られいてもフォワード計算により，電極間隔(AB/2)と見掛け比抵抗の関た．

係を計算した．土木分野の探査では，電気探査として二次元比抵
表 2 金田一トンネル層構造モデル

抗探査が用いられることが多い．これは，二次元的な比抵抗分布が簡易に得られるためであるが，遠電極が取りづらいことや，100m を超える土被りに対しては，二次元比抵抗探査は探査深度が大き第１層

く，適用が困難等の問題点があるため，本検討では，探査深度が第２層大きい場合に用いられるシュランベルジャー法により検討するこ

第３層

比抵抗値(Ωm) 層厚(m) 地表からの深度 (m)地表～GL-84.3m
24.5
84.3
5.6

104.8

0.5

GL-185.1m以深ととした．また，シュランベルジャー法をはじめとして大深度に対する電気探査は，遠電極の設置，測定測線の不安定さから，急GL-84.3～GL-185.1m

5.2 インバージョン解析

峻地形や伐開の困難さが条件となる山岳トンネル探査では，適用5.1節で得られたTDEM法の数値モデル計算結果を，スムースイが難しい．これらの TDEM 法のフォワード計算による電磁応答及ンバージョンで解析した結果を図11に示す．モデルは3層構造で，び，シュランベルジャー法のフォワード計算による電極間隔

2層目と3層目の境界深度は約190 mである．トンネルは3層目に計(AB/2) と見掛け比抵抗の関係を用いて，それぞれスムースイン

表 3 測定時間(PROTEN-57)
1,000,000

第３層比抵抗値(Ωm)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.5
1.6
2.0
3.0
4.0
5.0

100,000

10,000
測
定
1,000
電
圧
(nV/m2)
100

10

1
0.0

1.0

2.0

3.0
時

4.0
5.0
間 (msec)

6.0

図 10 第 3 層目を 0.1～5.0 Ωm まで変化させたときの磁場強度

10-7

7.0

8.0

gate Ｈ(msec) Ｍ(msec) Ｌ(msec)
1
0.08813 0.352
0.881
2
0.1069
0.427
1.060
3
0.1313
0.525
1.310
4
0.1619
0.647
1.610
5
0.2006
0.802
2.000
6
0.2506
1.000
2.500
7
0.3144
1.250
3.140
8
0.3956
1.580
3.950
9
0.4994
1.990
4.990
10
0.6313
2.520
6.310
11
0.7994
3.190
7.990
12
1.014
4.050
10.140
13
1.287
5.140
12.870
14
1.636
6.540
16.360
15
2.081
8.320
20.81016
2.648 10.590
26.480173.373 13.490
33.73018
4.297 17.190
42.970195.475 21.900
54.75020
6.878 27.920
69.780TDEM(電磁探査法)による大土被り及び，膨潤性地山のトンネル探査

画されており，土被りは300 ｍである．インバージョン結果では(2)二次元比抵抗探査法：シュランベルジャー配置

地表から深度100 mまでは，3層目の比抵抗の影響を受けず，殆ん①フォワードモデル

ど違いがみられない．しかし，深度100ｍから150 m間で3層目の比

二次元比抵抗探査法は，大深度探査に汎用されるシュランベル

抵抗の影響を受け，解析した比抵抗に変化が見られる．さらに200

ジャー配置を用いた場合のフォワード計算を行った．計算モデル

mではその変化が広がり，深度400mで3層目の真の比抵抗とほぼ一は(1)と同じく，表2に示す金田一トンネルの３層構造を設定し，そ致した．

の3層目比抵抗値を0.1～5.0 Ωmまで各々変化させた場合の測定値を図11に示す深さ300m(トンネル断面での土被り高さ)での比抵抗計算した．図13に3層目の比抵抗値を変化させた場合の電気探査法

値について，3層目の比抵抗が0.5 Ωmの時(r0.5)を100 %として，そ(シュランベルジャー配置) でのフォワード計算結果を示す．図13の比抵抗を変えたときの計算結果(r0.3-2.0)との比率を図12に示す．3より，電流電極間隔が0～-150 m間では測定電圧に変化は見られな層目の比抵抗を0.3から2 Ωmまで変化させたとき，その比率は75％

いが，150 mを超えると徐々に変化が見られた．

から260％まで変化し，深部の低比抵抗層の変化に対して測定値が大きく変化することがわかった．これらの結果から，TDEM法は

れた．
m

100
10
1

(mV)

0.1

-50

深

0.01

-100

第3層比抵抗値(Ωｍ)
Third Resistivity(Ωm）

0.001

-150

Depth(m)

さ

0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0

1000

電 位 差

が可能で，膨潤性地山の探査・解析に適用可能であることが示さ

0

第3層比抵抗値(Ωm)

10000

低比抵抗層の下位に存在するさらに低い比抵抗層を探査すること

0.0001(m) -200

0

-200

-400

-600

-800

-1000

電極間隔(AB/2) [m]-250

図 13 第 3 層目を 0.1～5.0 Ωm まで変化させたときの電位差

-300

-350

0.01

0.10

1.00

10.00

②インバージョン解析

Ωm‘Resistivity(Ωm)
比抵抗値(Ωｍ)

金田一トンネルの構造を模した比抵抗3層構造の最下層の比抵抗

図 11 第 3 層目を 0.1～5.0 Ωm まで変化させたときのスムースインバージョン結果

300

値を0.1から5.0 Ωm まで様々な二次元比抵抗探査法の数値モデル計算を行った結果をスムースインバージョンで解析できるかを
TDEM法の際と同様に検証した．図14に，第3層目の比抵抗値を変％化させた場合の二次元比抵抗探査法 (シュランベルジャー配置)
でのスムースインバージョン結果を示す．図14より，比抵抗値の変化は各測定値とも，地表～GL-50 mまで約25 Ωmを示し，その後250

徐々に比抵抗値は低下し，GL-150 m以下で各計算時に設定した第3層の比抵抗値を示していることがかる．すなわち，25 Ωm 層の下200位層が表2の3層目比抵抗層になってしまい，膨潤性を示さない層150

0

深 -100
第3層比抵抗値(Ωm)

100

0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.5
1.6
2.0
3.0
4.0
5.0

-200
さ
（

第3層目を100％としたときの割合(％)

-400

50

-300

）

ｍ

-400

0
0.3

1.0
第3層比抵抗値(Ωｍ)

1.7

-500

2.0

Ωｍ

-600
0

図 12 第 3 層目の比抵抗を 100％とし，第 3 層
を 0.3～2 Ωm まで変化させた時の比率

5

10

15
比抵抗値(Ωm)20

図 14 第 3 層目を 0.1～5.0 Ωm まで変化させた
ときのスムースインバーッジョン結果

10-8

25

30

技術研究報告第 47 号 2021.11

戸田建設株式会社

れた.

と，示す層の区別ができていない．この結果は，探査対象区間が2層構造であることを示しており，Aトンネルでの25 Ωm層の下位に今後，膨潤性地山の深度及び広がりを，本手法の導入により積膨潤性のない地層 (5.6 Ωm層) と，膨潤性のある地層 (0.5 Ωm)

極的に調べていくことが，トンネル施工の事前調査にとって非常に有効であると考える．

の判別ができないことがわかる．この直流比抵抗法における低比抵抗構造に対する限界は，Saturation Effect6)として知られている．

参考文献
1) 土木学会：より良い山岳トンネルの事前調査・事前設計に向けて，土木学会 p186，2007
2) 林宏一・斎藤秀樹 1998：高精度屈折法地震探査の開発と適用例，物理探査，51，p471-492，1998
3) 物理探査学会：物理探査ハンドブック，1998
4) 原敏昭・西牧均・和田一成・斎藤章：TDEM法のトンネル調査への展
開，応用地質，38，p337-348，1998
5) 狐崎長琅：応用地球物理学の基礎，古今書院，p114-116，2001
6) Fitterman, V. D. : Equivalence Behavior of Three Electrical Sounding
Methods as applied Hydrogeological ,1988
7) 斎藤章：物理探査学会第10回基礎講座講習会テキスト,p47-52，1994
8) 土木学会:トンネル標準示方書山岳工法・同解説，土木学会，土木学会，
p45，201
9) Waxman, M.H., and Smith L.J.：Electrical Conductivities in Oil-Bearing Shaly
Sands, SPE Transactions Volume 243, p 107-122,1963
10) 高倉伸―:高密度電気・電磁探査法による比抵抗構造の調査と解釈に関する研究，京都大学大学院工学研究科資源工学研究科博士論文，第 5 章～第 6
章, 200411) 菅原勝彦・亀岡美友・斎藤敏明・岡行俊・平松良雄：コアディスキング
現象に関する研究，日本鉱業会誌，1089，p797-803，1994
12) GEONICS LIMITED : PROTEM 57 D ‘(C) ‘OPERATING MANUAL, p36.1992.

(3)まとめ数値シミュレーションによる検討により，極めて低い比抵抗値を示す地層に対するTDEM法の有効性を検証した結果，低比抵抗層に対する感度が高く，5.6 Ωmという低比抵抗値層の下位に存在するさらに低比抵抗の0.5 Ωm層が精度良く探査できることがわ
かった．

6. 結論
土被り300m以上のトンネルで，低比抵抗層中で膨潤性の無い層と，膨潤性のある極めて低い比抵抗層を分離して探査することができた．さらに，数値シミュレーションによる検討により，極めて低い比抵抗値を示す地層に対するTDEM法の有効性を検証した
結果，5.6 Ωmという低比抵抗値層の下位に存在するさらに低比抵抗の0.5 Ωm層が探査できることがわかった．
本論文では，TDEM法を用いることにより，土被り200m以上のトンネル地山の比抵抗分布を探査できることがわかり，さらに膨潤性地山の特徴の一つである低比抵抗層を探査できることが示さ

10-9