安−２４

斜面監視手法への適用に向けた微小電位観測について（独）土木研究所

寒地土木研究所

○伊藤憲章

伊東佳彦

坂本多朗

１．はじめに
北海道では平成 8 年の豊浜トンネル崩位 信 号 (SES: Seismic Electric Signals

落 以 降 も 、平 成 9 年 の 第 ２ 白 糸 ト ン ネ ル 、と 称 す る )を 捕 ら え よ う と す る 手 法 で あ

平 成 13 年 の 北 見 北 陽 、平 成 16 年 の え りる。本手法の特徴は、複数の電極を長測も斜面など大規模岩盤崩落が発生してお線と短測線として直交に配置すること、り、貴重な人命・国民の財産が失われてこの電極配置から様々な方向から得られいます。このため開発局では斜面評価やる電位信号を捕らえると同時に外的ノイ監視、あるいは早期発見などの各種対ズ を 判 定 す る こ と 、計 測 間 隔 は 1 秒 ～ 10策・研究が鋭意進められてきました。し秒で精密な連続観測を実施することなど

かし、岩盤崩壊は地すべりと異なり、一が挙げられる。

般にわずかな予兆で急激に発生するため、

図 -1 に 、微 小 電 位 計 測 を 岩 盤 斜 面 の 崩

依然その評価、対策は万全とは言えない

壊 監 視 技 術 に 適 用 す る イ メ ー ジ を 、 図 -2

状況にあります。に岩盤斜面における電極の配置例を示す。

近年、その斜面監視への重要性が高まるにつれ、様々な分野で斜面観測技術へ気象条件その他の外的要因の適用を目指した新しい技術の開発が進められています。微小電位観測は、地震予知の分野で研究が進められている地電位を応用した手法であり、岩盤の破壊過岩盤破壊程で発生する微小な電位変化を地盤内に地下水位変動設置した電極を用い連続的に測定することで、斜面の現象を捉えるようとする斜面監視技術であります。本発表は、微小電位観測の概要および実験例について紹

図 -1

介するものであります。

微小電位計測による岩盤斜面
監視技術イメージ２．微小電位観測の概要

基準電極（共通(-)電極）

微小電位計測による岩盤崩落監視技術
は、ギリシアにおける地震予知手法であ電極

る VAN 法 （ 地 電 位 ） を 応 用 し た も の であ る 。VAN 法 と は 地 盤 内 に 設 置 し た 電 極間の電位差を精密かつ連続的に観測し、地震前後に発生すると考えられている電Noriaki Ito, Yoshihiko Ito, Taro Sakamoto

図 -2

岩盤斜面における電極配置例

これまでの室内実験・現場計測で観測された特徴的な電位変化の傾向
ゆっくりとした大きな変化

パルス的な変化の把握、およびデータの処理・評価手法など多くの課題がある。

周波数の変化

３．室内における基礎実験
電位

電位時間

図 -3

供試体破壊前に微小電位の発生傾向が電位時間変化するなど、一軸圧縮試験時における時間微小電位の特性について、北海道に分布発生する微小電位のパターンする岩種の違いによる影響等を検討するための基礎実験を行った。

主に室内実験における研究によれば、図-3 に 示 す よ う に 岩 石 の 破 壊 過 程 で は 、い３．１

試験概要

くつかのパターンで微小電位が発生する

本試験で用いた岩種は、北海道で採取ことが明らかとなりつつあるが、その規した砂岩、火山角礫岩、凝灰角礫岩、安則性や再現性に関しては不明確な点が多山 岩 、 熔 結 凝 灰 岩 の 5 種 類 で あ る 。 表 -1

い 。 一 方 、 現 場 に お け る 計 測 で は 、 図 -1に試験に用いた岩石名と産地、および採に示すように気象条件（気温、湿度、降取形状を示す。

雨他）やその他の外的要因（電磁場環境試験は、基本物性を把握するための比の変動など）によって地盤の微小電位が重・吸水率試験と超音波速度試験、圧縮変化すると考えられる。また、地盤内の時の微小電位計測として一軸圧縮試験と電気的な性状変化として地下水の変動や微小電位計測試験を組み合わせた試験を含水比の変化なども微小電位の変化に影行 っ た 。微 小 電 位 の 計 測 は 、写 真 -1 お よ響を与えると考えられる。

び 図 -4 に 示 す よ う に 供 試 体 の 上 下 端 面

積雪寒冷地において微小電位計測を実に銅板を設置して電極とし、載荷板との施 す る 場 合 、 冬 季 に 気 温 が 0℃ 以 下 と な間には絶縁シートを挟み載荷試験機と絶り地盤の凍結・融解現象が発生すること縁した。微小電位計測器は、既存の電位から、電位計測データに何らかの影響を計測器を用いてデータサンプリング速度与えることが想定される。積雪寒冷地に0.5sec で 計 測 し た 。

お け る 既 往 研 究 1)と し て は 、 地 盤 の 比 抵

計測時の供試体には、これまでの微小抗と自然電位の変化に注目し、地盤の凍電位計測の研究成果を踏まえて最も大き結深度を把握する研究がなされており、
表 -1

凍結・融解地盤における長期的な現場観試験供試体概要測結果から、自然電位が気温や地中温度

岩石名

産地の変動に敏感であり相関性があることが

中粒砂岩

三笠市

細粒砂岩

三笠市

火山角礫岩（水冷破砕岩）

神恵内村

岩塊

3

凝灰角礫岩（水冷破砕岩）

古平町

岩塊

3

示されている。
以上から、微小電位計測を岩盤斜面の採取形状

供試体数量（個）3

整形済みコア
3

安山岩

浜益村

岩塊

3

崩壊監視技術へ適用するためには、計測

安山岩

奥尻町

ボーリングコア

3に 用 い る 電 極 材 料 の 選 定 や 設 置 方 法 2)、

細粒砂岩

厚田村

ボーリングコア

3熔結凝灰岩札幌市岩塊

3

細粒砂岩

乙部町

ボーリングコア

3豊浦町

ボーリングコア

観 測 シ ス テ ム の 構 築 、種 々 の 外 的 要 因（ 気凝灰角礫岩

象変動など）に伴う微小電位の変動傾向

合計633大値を示したものである。試料採取位置が１箇所のみの熔結凝灰岩と火山角礫岩
では、微小電位最大値のバラツキが小さく、採取位置が複数ある砂岩，凝灰角礫岩および安山岩では値のバラツキが大きい。また、砂岩と安山岩に比較的大きな値を示すものがあることがわかる。
これまでの研究では、微小電位の最大値は供試体の含水比と正の相関があると
写 真 -1

基礎実験における圧縮試験状況
50120000

応 力 （ kN/m2)40微小電位-ひずみ

80000

3060000

204000010

応力-ひずみ02000000.00

0.25

0.500.75

微小電位（ｍＶ）

100000-101.00

軸ひずみ（％）（ a）
図 -4３．２

応 力 （ KN/m2)のものを用いた。

試験結果

2400

81800

01200-8微小電位-ひずみ600

微 小 電 位 発 生 傾 向 の 計 測 結 果 例 を 図 -500.00に 示 す 。挙 動 は 、大 き く (a)～ (c)の 3 パ タ

0.25

種 ： 熔 結 凝 灰 岩 ）で あ る 。(b)は 微 小 電 位50000（岩種：火山角礫岩）である。ここでは岩種別に示されているが、これらの発生

応 力 （ KN/m2)

60000

前に微小電位が上下に大きく乱れたもの

0.75-241.00

1510応力-ひずみ

40000

530000020000-5微小電位-ひずみ

10000
00.00

-100.250.500.75

傾向と岩種の違いの関係には、明確な相軸ひずみ（％）

関が認められなかった。

（ c）-151.00

次に微小電位最大値と岩種の違いを調図 -5 基 礎 実 験 に お け る 微 小 電 位

査 し た 。図 -6 は 、岩 種 ご と の 微 小 電 位 最発生傾向別計測結果例

微小電位（ｍＶ）

傍で微小電位が最大値を示したもの（岩た も の （ 岩 種 ： 細 粒 砂 岩 ）、 (c) は 破 壊 直0.50-16軸ひずみ（％）（ b）

ー ン に 分 か れ た 。(a)は 圧 縮 破 壊 ひ ず み 近

発生傾向が圧縮初期段階に最大値を示し

16応力-ひずみ

微小電位（ｍＶ）

3000な電位が発生すると考えられる湿潤状態

243600

基礎実験の微小電位計測システム図

箇所において、微小電位計測による長期

90

微小電位最大値 (ｍＶ)

80

観測を行った。当該地では、早期におい7060て可能な限り自然状態に近い岩盤崩壊時50の基礎データを収集する目的で、比較的40安定状態にある岩体に不安定化の施工を

3020

行 う 計 画 が 成 さ れ 、平 成 16 年 10 月 に 対10

象岩体の下部を発破して不安定化実験が0砂岩

図 -6

火山
角礫岩

凝灰角礫岩

熔結凝灰岩

開始された。

安山
岩

４．１

観測地の概要岩 種

観 測 地 は 、図 -8 に 示 し た 北 海 道 島 牧 郡

岩種ごとの微小電位最大値

島 牧 村 に 位 置 し 、旧 一 般 国 道 229 号 立 岩
覆道上部の日本海に面した岩盤斜面であり、第２白糸トンネル崩落現場に隣接し微小電位最大値 (mV)

80.0
砂岩
熔結凝灰岩
凝灰角礫岩
安山岩
火山角礫岩

70.0
60.0
50.0
40.0

た箇所である。
地質は、新第三紀オコツナイ層の安山岩質水冷破砕岩、火山円礫岩などから構成 さ れ 、軽 石 凝 灰 岩 を し ば し ば 挟 在 す る 。

30.0

水冷破砕岩、火山円礫岩ともこぶし大ほ

20.0

どの角礫～亜角礫をよく含有し、基質で10.0ある凝灰岩の割合が部分的に多くなると0.00.0
図 -7

10.0

20.0
30.0
吸水率 (%)

40.050.0

吸水率と微小電位最大値の関係ころがあり、固結度が低くなるところが認められる。観測対象である崩落危険岩体（対象岩体）には、礫が少なく基質が赤紫～淡灰色を呈する水冷破砕岩（ハイされており、ここでは吸水率と微小電位アロクラスタイト）と、礫が多量に含ま

最 大 値 の 関 係 を 求 め た 。 図 -7 は 、そ の 関

れ淡黄～黄灰色を呈する火砕角礫岩が分係を示したものである。全体的な傾向と布 す る 。 ま た 、 対 象 岩 体 は 、 図 -8 に 示 す

しては、吸水率が大きいほど微電位最大ようにオーバーハングを形成し、鉛直方値が小さくなっている。この結果から圧向 に 幅 10cm 程 度 の 明 瞭 な 開 口 亀 裂 が 発縮力により発生する微小電位最大値は、達しているほか、ヘアクラックや連続性吸水率が小さいものほど、換言すると岩のよい亀裂も認められる。

石内の間隙が少ないものほど大きくなることが推察される。

当 該 箇 所 で は 、 平 成 10 年 度 か ら 変 位
計 、 傾 斜 計 、 AE セ ン サ ー な ど に よ る 岩
盤崩落モニタリングが実施され、微小電４．フィールド実験

位観測は、実験開始以前の厳冬期におけ微小電位観測による岩盤崩壊監視技術

る岩盤斜面の電位変動を把握するためにの積雪寒冷地での適用性を検証するため、

平 成 15 年 11 月 よ り 開 始 し 、他 の 計 測 と実斜面を使った岩盤モニタリングの実験

同 様 に 平 成 17 年 11 月 ま で 行 わ れ た 。

図 -8４．２

観測地箇所および観測対象岩体

観測方法

平 成 16 年 の 冬 期 に 対 象 岩 体 近 傍 で 落

観 測 機 器 配 置 図 を 図 -9 に 示 す 。電 極 は石があったことが確認された。よって落通常観測対象を包囲するように設置する石の発生時刻を把握するため、立岩覆道ことが望ましいが、当該箇所では岩盤斜上に地震計を設置した。地震計は２箇所面が急峻なため、開始当初は当時設置可に設置し、計測小屋に設置したデータロ能な 6 箇所のみであった。その後、発破ガーにてデータを記録し、不定期に回収

実 験 前 に 6 箇 所 を 増 設 す る こ と で 計 12を 行 っ た 。当 初 は 1 秒 頻 度 の 連 続 観 測 で箇所とし、不安定岩体を包囲した電極配の運用を開始したが、膨大なデータ量と置での観測を行った。

な る た め 途 中 （ 平 成 16 年 6 月 ） で 振 動

電 極 は φ 20mm 、 L=500mm の 銅 製 の棒状である。電極の設置方法は、コアド発生時のみデータを記録するトリガー方式に変更した。

リ ル で φ 50mm 、 L=6 00mm 程 度 削 孔 し

電位測定には汎用データロガー（入力

電極を孔内に固定しながら接地抵抗低減

範 囲 ： ± 2V 、 A/D 変 換 分 解 能 ： 20bit 、剤を充填した。これらの電極材料・設置

メ モ リ 容 量 ： 20MB ） を 使 用 し 、 計 測 頻

方法は過去に実施された電極性能実験で度 は 10 秒 と し た 。 デ ー タ ロ ガ ー と 電 極性能がよいと評価された手法である。まの 接 続 は 、 不 安 定 岩 体 か ら 約 100m 離 れた、上記の埋め込み式の電極の設置にはた計測室近傍に電極を設置し、この電極ハンマードリル等の機械が必要であり、急斜面での施工性には問題が残る。現場での施工性を考え、機械等を使用せずに設置できる 2 種類の表面電極を選定し、埋設型電極との施工性および微小電位変化の比較を行った。いずれの表面電極も埋設型電極の近傍となるように、ジオゲル 電 極 は 5 箇 所 、銅 製 薄 箔 電 極 は 2 箇 所に 設 置 し た 。使 用 電 極 一 覧 を 表 -2 に 示 す 。

表 -2
名称

試験供試体概要細目・型式等

備考

φ20mm,L500mm，
埋設型電極

銅製棒状

表面電極

ジオゲル電極表面電極

銅製薄箔電極φ50mm程度の孔に電極を挿入し接地抵抗低減剤を充填
φ76mm,厚さ1.4mm：応用地質製
電極部：電導性ゲル体「テクノゲル（積水化成品工業製）」
厚さ0.09mm,W==20mm,L=3.0m
導電性銅箔粘着テープ（電磁波遮断用）

：ソーラパネル

0,Y=-3940：風力発電器920
14 8,
X= -48 ,60

電極⑦：計測ボックス
6055

45

不安定岩塊

0,940

60

4000=9 000
5@ 1800

作業用足場

8500

151空m34550

電極⑧30

ＪＢ－725ＪＢ－8
ＪＢ－740

350m
45.
L=

5040

階段降昇5555)500
L=8)薬長500(装L=8567)
薬長
L=9500(装L=8長040
穿孔L=9薬長(装長)573
穿孔薬長L=8）長，装薬長
穿孔孔長(穿，装)084
孔長
L=8薬長(穿13，装)L =75 (穿孔長薬長，装841
L=6孔長(穿042
L=6電極⑩+地中温度計③
表面電極⑥ＪＢ－6

3@900=2700

発破範囲
穿孔延長Ｌ=320m
装薬量 16.8kg

ＪＢ－3m
5.0
L=1

階段昇降

対象岩体

電極⑨，表面電極⑤電極④

発破範囲
穿孔延長Ｌ=8m

ＪＢ－4
ＪＢ－5
装薬量 0.9kg

6535

電極⑪80

45電極③

自然状態
での崩落
方向

285

表面電極⑦
ロックネット電極

X= -150：計測ケーブル

電極⑥+地中温度計②60
0,9900

880
48 ,
X= -1

75

電極⑤
表面電極②，④80

1,060
Y=-3：監視カメラ

80860：ジョイントボックス

70

地中温度計⑤=外気温度

14 8,X =-860
14 8,
X=-,8405580148,
X= -840

920

14 8
X= -

2048 ,8

X= -1

820
148,
X= -

14 8
X= -：地震計

,800

800

：電極＋地中温度計

148,
X= -：電極
1,040
Y=-30,
Y=-3757065

図 名【観測機器記号凡例】
白糸ノ立岩

302520ＪＢ－2402035

ＪＢ－1

向面方8）
（+）
5.5（+ ）
4（+2）
（+0）
（±断解析

GH-1

302520253035

404550

7 .91

7 .92

70

8.04

落石防止金網撤去
A=280m2

電極②+地中温度計①
表面電極①，③8.21

8 .24
8 .18

7 .95

7.97

SP83 573.1400

8 .15

変電室65標714 .91標614 .77

電極⑫+地中温度計④

標113 .93

800,960

SP=183647.00

SP=183639.00

標414.41

標314 .24

標214 .06

一 般国 道２ ２９ 号55）

183600ＪＢ－9GH-2
至小 樽

66.4電極①立 岩 覆 道

EC=1 83654.21
R=500

IP.16115104.55（-05°20

図 -9L=

観測機器配置図（平面図）

を各測定チャンネルの（－）極で共通と４．３観測システムし、（ ＋ ）極 側 に 各 電 極 を 接 続 し た 。よ っ岩盤斜面崩落が危惧される箇所は山間て観測されるのは各電極と計測室近傍の部などであることが多く、商用電源が供電極との電位差である。電位変動と気象給できない箇所や電話回線が敷設されてとの相関を把握するため 3 箇所の電極にいない箇所も多い。よってそのような条は地中温度計を併せて設置した。

件でも観測が可能なように風力発電と太観測データ
太陽光＆風力のデュアル発電d i gi t a l

計測室

ソーラーパネル

処理データ

観測データ
微小電位観測用 地中温度用
データロガー データロガー

インターネット専用サーバ※定期的データの取得※データの保管・管理※データの表示機能

風力発電

電源供給

モデム
アナログ回線(56Kモデム)

監視カメラ＆データ通信用
PC

処理データ
処理データ

データ評価

風力発電
太陽光発電

計測BOX
図 -10

微小電位観測システム概要図

データ評価

陽光発電を組み合わせたデュアル発電を４．４

観測結果利用した電源供給機能と携帯電話を利用

微小電位観測のフィールド実験では、した通信機能を有した観測システムが必

不安定化実験箇所において約 2 年間の長要となる。また、北海道のような積雪寒期観測が行われた。全体的な電位変化に冷地で観測を実施する場合，通常の観測

関 し て は 、 図 -11 に 示 す よ う に 、 微 小 電機 器 は 0℃ 程 度 ま で し か 動 作 保 障 さ れ て

位は温度変化と負の相関を示す傾向にあいないため観測機器の設置箇所の温度にり、降雨の影響も強く受けることが分か注意を払う必要がある。よって、今回のった。ただし、日降雨量の多い日には、

観 測 に 使 用 す る た め に 図 -10 に 示 す よ う

降雨に伴うと思われる顕著な電位変化がな寒冷地仕様の発電・通信機能を有した発生しているが、その電位変化量と降雨微小電位観測システムを作成した。

量の相関性は低いと思われる。

本システムは微小電位や地中温度等の図 -12 に 示 す よ う に 一 部 の 電 極 に お いデータを連続的に観測するものである。て 、 発 破 当 日 の 20:45 頃 と 21:04 頃 に 他

現場のデータロガーとパソコンで計測をの 電 極 に は み ら れ な い 50mv 程 度 の パ ル

行い、設定した時間にインターネット経

ス 的 変 動 が み ら れ た 。 こ れ は 、 22:24 頃

由 で 公 開 ftp サ ー バ ー へ デ ー タ 転 送 を 行に発生した小崩落（地震計で落石振動をう。また、ソーラーと風力のハイブリッ確認）に対する前兆的な電位変動とも考

ド発電システムを利用するとともに、発えられる。

電量、負荷消費電量等のモニターが出来るようになっている。

表面電極は埋め込み式電極と比較して、接地抵抗が大きく観測データも安定せず、

図 -11

長期観測全体データ例（発破前後）

小崩落10/13,22:24頃

0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.1
10/13 12:00

電極⑩

電極⑩：発破から２日間程度で50～80mVの大きな変動がある．
その後の変動レベルは小さい！
100

外気温

806040

温度（℃）

電位差（V）

10/13発破14:30

2010/14 0:00

図 -1210/14 12:00

10/15 0:00

10/15 12:00

10/16 0:00

10/16 12:00

010/17 0:00

長期観測詳細データ例（電極⑩の発破直後）

全体に変動幅が大きかった。これは密着６．おわりに性の低下によるものだと思われ、長期観不安定化実験は関係機関により協議し測へ利用するためには設置方法などを検た結果、岩体が安定状態にあり、維持管討する必要があると考えられる。

理 上 も 問 題 が あ る た め 平 成 17 年 度 で 計

ま た 、 平 成 17 年 8 月 中 旬 ま で は 、 幾測を終了した。よって、実岩体の崩落時

つかの電極において、他の電極と逆トレデータを収集するまでには至らなかった

ンドとなる変化や短期的、パルス的な変が、微小電位観測の現場における特性や化が示されたが、8 月中旬以降は、異常問題点を確認することができた。しかしな電位データは観測されていなかった。

ながら、微小電位観測の利点を活かした

よって、その後に関しては、周辺岩盤が斜面変状の発生やその予兆を捉えること安定した状態にあると評価した。

が可能な観測システムの確立に向けては、更なる現場での適用性検証が必要となる。

５．まとめ
今回の微小電位観測の実験により確認出来たことを下記の通りまとめる。

また同時に、地域特性と観測条件等に適した総合的な斜面監視手法の確立に向け、今後も研究を進めていきたい。

１）室内実験では、岩石の破壊過程において、いくつかのパターンで微小電位参考文献が発生することを確認

1) 高 見 雅 三 ，土 谷 富 士 夫：季 節 凍 土 に お

２）長期観測では、岩盤の破壊に起因すける電気探査－凍結・融解過程におけると考えられる電位変化がいくつかのる自然電位の変化について－，物理探電極で確認

査 学 会 第 105 回 学 術 講 演 会 論 文 集 ，３）全ての観測点で降雨に伴うと考えら

pp.117-120， 2001.

れる電位変化が示され、気象条件等の2) 加 藤 卓 朗 ，村 山 秀 幸 ，日 下 部 祐 基 ，橋外的要因によって地盤の微小電位が変本祥司，伊東佳彦，長尾年恭：微小電化することを確認

位計測による岩盤崩落監視技術に関す

４）電極の設置方法（表面、埋め込み）る基礎的研究－その１：電極材料と電による比較を行い、それぞれの特性等

極設置方法に関する検討－，土木学会

について確認第 33 回 岩 盤 力 学 に 関 す る シ ン ポ ジ ウム ， 2004.