JP2020165925A - 切羽前方探査システムにおける切羽前方速度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置コストを抑制しつつ、より簡単なアルゴリズムによるデータ解析でトンネル坑内の切羽前方の反射面を推定する。【解決手段】切羽掘削毎に多成分記録装置３に記録された弾性波から直達波を抽出し、この直達波データに基づいてトンネル坑内の弾性波速度を測定し、多成分記録装置３に記録された弾性波から直達波と反射波とを分離抽出する弾性波分離抽出し、分離抽出された弾性波についてエンベロープ計算を行い、エンベロープ計算された弾性波についてピーク抽出を行い、ピーク抽出された直達波のピーク値で反射波振幅を基準化し、反射波のピーク付近の波形を切り出し、反射波の反射係数をエンベロープの比で算出し、相関係数を計算し、相関係数の正負により、反射波の位相を判定する位相を判定し、反射係数から速度分布を算出し、当該速度分布から弾性波の反射面の３次元位置を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル等の掘削を行う場合の切羽前方探査における、切羽前方速度推定方法に関するものである。

トンネル工事においては、トンネルの掘削や支保を安全かつ効率良く施工するために、地山の弾性波速度分布を推定することが行われ、また、掘削面である切羽前方の地質変化を把握し、その対策を講じることが安全かつ迅速な掘削作業を行う上で必要となるため、切羽前方の探査が行われる。

切羽前方の探査を行う手法については、従来から種々の手法が提案されている。切羽掘削に支障を与えることなく、切羽前方の地質構造の３次元的評価を可能にする切羽前方探査装置として、特開２００１−９９９４５号公報（特許文献１）に開示された装置がある。特許文献１では、トンネル坑内において発生させた弾性波が切羽前方の弾性波反射面において鏡面反射した弾性波（反射波）を、トンネル坑内に設置した複数の地震計により計測し、３次元空間に反射面を仮定し、測定波形を重合処理することにより、反射面を推定する方法が提案されている。

また、弾性波の３成分受振によるトンネル切羽前方の高精度イメージングに関する技術として、非特許文献１に示されたものがあり、この非特許文献１では、トンネル坑内において発生させた弾性波が切羽前方の弾性波反射面において鏡面反射した弾性波（反射波）を、トンネル坑内に設置した３成分地震計により計測し、測定された波形を重合処理した後、３成分データにより重み付けを行うことで、３次元的に反射面を推定する方法が提案されている。

さらに、トンネル坑内切羽前方の反射面に凹凸があっても、反射面を３次元的に推定可能にする切羽前方速度推定方法として、特開２０１５−１５８４３７号公報（特許文献２）に開示された技術がある。特許文献２では、発破により切羽から発生する弾性波を３成分地震計で計測して、多成分記録装置に記録することを切羽掘削毎に繰り返し、切羽掘削毎に記録された弾性波から直達波を抽出して、この直達波に基づいて切羽のトンネル坑内の弾性波速度分布を推定し、切羽掘削毎に記録された弾性波から反射波を抽出して、この反射波に基づいて反射・回折点及び反射面の３次元位置空間を推定する方法が提案されている。

特開２００１−９９９４５公報 特開２０１５−１５８４３７公報

芦田譲、他２名、"弾性波の３成分受振によるトンネル切羽前方の高精度イメージング"、土木学会論文集Ｎｏ．６８０／ＩＩＩ−５５，ｐｐ１２３−１２９，２００１．６

しかしながら、上述した特許文献１及び非特許文献１に開示された技術を含むこれまでの切羽前方探査技術においては、トンネルの施工管理の面で十分に成果が挙がっているとはいえなかった。

一般に、トンネルの施工管理の上では下記のような要望に応える必要がある。
Ａ．トンネルに損傷を与えないこと、
Ｂ．工事を出来るだけ中断しないこと、
Ｃ．切羽前方探査の探査結果を迅速に入手できること、
Ｄ．追加のコスト、及び手間をかけないこと、
Ｅ．施工現場に常駐する一般技術者操作できること、
等である。

本発明は、上記従来からの要望に応えるためになされたものであって、トンネルの施工管理がより一層効率よく行える切羽前方探査における切羽前方速度推定方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明の切羽前方探査における前方速度推定方法は、切羽から離れた後方所定の位置に、発破信号検知手段及び弾性波記録手段を設置すると共に、１または複数の地震計をトンネル坑内壁面に設置して、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に前記切羽から発生する弾性波を前記地震計でそれぞれ受振、計測し、前記弾性波記録手段に記録することを切羽掘削毎に繰り返し、切羽掘削毎に前記弾性波記録手段に記録された弾性波から反射波を抽出して、当該反射波に基づいて反射面の３次元位置を推定する切羽前方速度推定方法であって、切羽掘削毎に前記弾性波記録手段に記録された弾性波から直達波と反射波とを分離抽出する弾性波分離抽出ステップと、分離抽出された弾性波についてエンベロープ計算を行うエンベロープ演算ステップと、エンベロープ計算された弾性波についてピーク抽出を行うピーク抽出ステップと、ピーク抽出された直達波のピーク値で反射波振幅を基準化する弾性波基準化ステップと、反射波のピーク付近の波形を切り出す波形切出しステップと、反射波の反射係数をエンベロープの比で算出する反射係数演算ステップと、相関係数を計算する相関係数演算ステップと、相関係数の正負により、反射波の位相を判定する位相を判定ステップと、反射係数から速度分布を算出し、当該速度分布から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定ステップと、を有することを特徴とするものである。

本発明の１つの態様は、前記弾性波分離抽出を行った後に、受振波形を積分して変位波形に変換し、幾何減衰補正するステップと、初動時刻をそろえるようにシフト（０ウェイ変換）して直達波の振幅の変位波形を得るステップと、得られた変位波形データをスタックするステップと、を含み、その次段階でエンベロープ演算ステップを実行する、ことを特徴とするものである。

本発明の別の態様は、前記弾性波分離抽出を行った後に、受振波形を積分して変位波形に変換し、幾何減衰補正するステップと、変位波形に対して２ウェイ変換を行い、この変換により反射波の振幅の変位波形を得るステップと、この変位波形データにフィルター処理を施すとともにスタックするステップと、を含み、その次段階でエンベロープ演算ステップを実行する、ことを特徴とするものである。

本発明の第１の特徴の切羽前方速度推定方法及びこれに用いる切羽前方速度推定システムによれば、簡易なアルゴリズムにより解析を容易に行い、切羽前方速度を推定することができる。また、これらの結果として、本発明によれば、装置コストを抑制しつつ、より簡単なアルゴリズムによるデータ解析でトンネル坑内の切羽前方の反射面を３次元的に精度良く推定し得る切羽前方速度推定方法及びこれに用いる切羽前方速度推定システムを実現することができる。

本発明の一実施の形態に係る切羽前方速度推定システムの中の地震波データ収集部のハードウェア構成を表すブロック図である。 前記実施の形態に係る切羽前方速度推定システムの中のデータ解析部（ＰＣ）のハードウェア構成を表すブロック図である。 前記実施の形態において実行される切羽前方探査の処理手順の概要を説明するフローチャート トンネル弾性波探査における探査状況概要を示す模式図である。 反射波の振幅演算において、速度構造と反射係数、および想定される波形の関係を表す図である。 速度推定の基本的動作の流れを表すフローチャートである。 切羽前方速度推定システムに組み込んだプログラムにより図６に示された動作を具体的に実行する処理動作を表すフローチャート ３次元粘性弾性差分法によって波形を計算し、本発明の切羽前方速度推定手法を適用した場合の、反射波の速度が４ｋｍ／ｓである層と、２ｋｍ／ｓである層の２層構造のモデル（モデルＡ）を示す図である。 ３次元粘性弾性差分法によって波形を計算し、本発明の切羽前方速度推定手法を適用した場合の、反射波の速度が４ｋｍ／ｓである２つの層の間に２ｋｍ／ｓである層が狭在する構造のモデル（モデルＢ）を示す図である。 （ａ）に図８に示されたモデルＡで計算された速度振幅の波形を示す波形図である。（ｂ）前記（ａ）の波形にを積分して変位波形に変換し、幾何減衰補正をし、その後、初動時刻をそろえるようにシフト（０ウェイ変換）した直達波の振幅の変位波形を示す波形図である。（ｃ）前記（ａ）の受振波形を積分して変位波形に変換し、幾何減衰補正をし、その後、２ウェイ変換した反射波の振幅の変位波形を示す波形図である。 図１０（ｂ）に示された変位波形をスタックした波形と、そのエンベロープを示す図である。 図１０（ｃ）に示された変位波形をスタックした波形と、そのエンベロープを示す図である。 図８に示されたモデルＡで計算された反射係数列と推定速度モデルを示す図である。 図９に示されたモデルＢの波形と反射波抽出の処理結果を示す図である。 図９に示されたモデルＢで計算された反射係数列と推定速度モデルを示す図である。 本発明において考案されたアルゴリズムをＴＦＴ探査システムに組み込んで実測データに適用したときの波形例を示す図である。 本発明において考案されたアルゴリズムをＴＦＴ探査システムに組み込んで実測データに適用した場合の直達波抽出および反射波抽出の処理結果を示す図である。

本発明者らは、切羽での掘削発破を起振源とした切羽前方速度推定システム（トンネルフェイステスター：ＴＦＴ探査）を開発し、トンネル掘削現場への適用を重ねてきた。ＴＦＴ探査の内容は、国土交通省新技術情報提供システム（登録番号：ＴＨ−１７０００３−Ａ）で参照することができる。

以下の説明では、切羽前方に探知された速度不連続面の向こう側（奥側）の速度を推定する方法として考案した処理を組み合わせたアルゴリズムを提示し、その実用性ないしは有用性についてシミュレーション波形を用いて検討する。また、上記アルゴリズムをＴＦＴ探査システムに組み込んで実データへ適用した切羽前方速度推定方法を提案する。

以下、本発明の切羽前方探査システムにおける前方速度推定方法、及びこれに用いる切羽前方探査における前方速度推定システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る切羽前方探査システムにおけるデータ収集部のハードウェア構成を表すブロック図である。図２は、上記実施の形態のデータ収集部で収集されたデータを受け取ってデータの処理及び解析を行うデータ解析部のハードウェア構成を表すブロック図である。図３は上記実施の形態において実行される切羽前方探査の処理手順を説明するフローチャートである。

図１及び図２において、切羽前方速度推定システムは、発破によって発生した弾性波信号を記録するデータ収集部Ａ（図１に示される）と、弾性波解析ユニットとしてのＰＣ（パーソナルコンピュータ）１０（図２に示される）とを備えて構成される。

データ収集部Ａは、トンネル坑内に設置され、発破器から発生する発破信号を計測する発破信号検知器１と、発破信号を出力する装置１−１とを内蔵するトリガーユニットＢと、発破を振源とする弾性波を受振し、受振し弾性波信号を記録する受振ユニットＣとから成る。受振ユニットＣは、発破を振源とする弾性波を受振、計測し弾性波信号を出力する地震計２と、発破信号及び地震計２の弾性波信号を記録する弾性波デジタル記録装置３と、弾性波デジタル記録装置３に記録された弾性波データを外部記録媒体へ出力し記録するためのデータ出力部４と、弾性波デジタル記録装置３に記録された弾性波データを上記ＰＣ１０、或いは他のユニット、例えばデータを格納するためのサーバへ送信するための通信部５とを備えて成る。

トリガーユニットＢは、発破を起爆する発破器の爆薬に点火電流を供給するための発破母線に設置され、発破点火時に発破器から出力される電流を検出し、電流検出信号を出力する非接触式の電流センサと、発破信号を出力する装置とを備えており、電流センサーは一般に市販される非接触式の直流電流センサが採用される。

受振ユニットＣは、トンネル坑内の支保工ロックボルトの頭部に設置される。ロックボルトは通常、トンネルの壁面を３〜４ｍ程度削孔した孔に挿入されて、この孔にグラウト材を注入してトンネル坑壁の地山に一体化されている。ロックボルトの頭部には受振ユニットＣがクランプ、ねじなどにより圧接して構成されており、該受振ユニットＣ内に内蔵される形で地震計２が設置されている。なお、地震計２単体では指向性を持たないが、設置のし方により、例えば、少なくとも３個以上の地震計２を所定位置に配置することにより、反射面の走向・傾斜を推定可能にするものである。したがって、図１において、地震計２は１個が示されているが、複数個設置されていてもよい。また、本発明において、地震計２の型式は単成分測定式であっても良いし、３次元測定式であっても良い。

弾性波デジタル記録装置３は、受振ユニットＣに内蔵されており、地震計２と接続されており、発破信号検知器１から出力される発破信号と地震計２からそれぞれ出力される弾性波信号とを記録可能である。記録装置として、例えば、一般に市販される８チャンネルのマルチチャンネルレコーダが採用される。また、ハードディスクのような設置型記録装置や光ディスク、ＣＤ或いはＤＶＤのような外部取り出し可能な記録媒体を用いた記録装置が使用されてもよい。

データ出力部４は、弾性波デジタル記録装置３に接続され、記録されたデータを外部記録媒体へ出力する。通信部５は、弾性波デジタル記録装置３に接続され、記録されたデータを他のユニット、例えば弾性波解析ユニットやデータを格納するためのサーバへ送信する。この場合、データ出力部４としては、ＳＤメモリカード他各種のメモリカード用又はＰＣカード用のカードスロット、ＵＳＢメモリ用の端子、各種のカードメモリリーダー／ライター、各種のディスクドライバーなどの各種のインタフェース機器が用いられる。また、通信部５は、弾性波デジタル記録装置３に記録されたデータを通信により送出したり外部からのデータ要求を受信したりするために、インターネットなどの公衆通信ネットワークに接続される。

弾性波解析ユニットとしてのＰＣ１０は、図２に示すように、弾性波解析のための各種指示が入力される操作入力部１１と、弾性波解析用の各種アプリケーション（ソフトウェア）及びデータが格納される記憶部１２と、弾性波解析処理のための情報或いは処理結果が表示される表示部１３と、外部記録媒体に格納された弾性波データ等を読み出すデータ読取部１４と、データ収集部Ａから送付されたデータを受信する通信部１５と、上記各機能部の動作をコントロールしまた各種演算処理を行う制御部１６とを備える。

操作入力部１１は、キーボード、タッチパネル、音声入力マイクロホンなどのデータ入力機器により構成され、この操作入力部１１により、制御部１６における各種処理動作に必要なコマンドおよびデータが入力される。

記憶部１２は、少なくとも読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、計測データメモリとを有しており、それぞれのメモリが必要に応じて使用される。ここで、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）は、弾性波デジタル記録装置３に切羽掘削毎に記録される弾性波から直達波を抽出し、当該直達波に基づいて切羽のトンネル坑内の弾性波速度を測定する手段としての直達波処理プログラム、及び弾性波デジタル記録装置３に切羽掘削毎に記録される弾性波から反射波を抽出し、当該反射波に基づいて弾性波の反射・回折点及び反射面の位置を推定する手段としての反射波・回折波処理プログラムを含む各種のプログラムが格納されている。またランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に対しては、処理動作に際してデータの書き込み、読み出しが実行される。そして計測データメモリには、発破信号を計測して得られた発破計測データ及び弾性波を計測して得られた弾性波計測データが格納される。

表示部１３は液晶その他のディスプレイ機器からなり、弾性波の解析により得られた坑内弾性波速度及び切羽前方の弾性波反射面などこの弾性波探査システムの動作中における種々の状態情報や処理情報などが表示される。データ読取部１４としては各種のメモリカードスロット、各種のカードメモリリーダー／ライター、各種のディスクドライバーなど各種のインタフェース機器が用いられる。通信部１５はデータ収集部Ａから通信により送られてきた記録データを受信するためにインターネットなどの公衆通信ネットワークに接続される。制御部１６は、例えば、ＣＰＵなどからなり、３次元弾性波などのデータ解析処理を実行したり、解析結果をサーバへ送付したりする。

以上の構成を有する切羽前方探査システムにおいて、本実施の形態の前提となる弾性波探査方法、及び切羽前方速度推定方法を実現する動作について説明する。なお、弾性波探査方法（弾性波のデータを集める操作）に関する以下の説明は、複数の地震計２を用いて一般的に行われると想定される手法を説明するものであり、本実施形態に特有の手法ではないことに留意すべきである。ここで、図３は、本発明で用いる切羽前方速度推定方法の動作を説明するフローチャートである。図４は探査時の探査状況を模式的に例示する説明図である。

上記動作においては、先ず、図３に示すように、トンネル弾性波探査方法の処理概要は、まずステップＳ１で、トンネル坑内の切羽から離れた後方所定の位置に発破信号検知器１及び多成分デジタル記録装置３を設置すると共に、各実施形態の態様に応じて複数個の単成分地震計２をトンネル坑内壁面に設置する。次にステップＳ２で、切羽に発破孔を設けて爆薬を装填する。そしてステップＳ３では、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測するとともに、爆薬を起爆させた際に切羽を振源として発生する弾性波を各単成分地震計２で受振、計測し、多成分デジタル記録装置３に記録することを切羽掘削毎に繰り返す。これにより、多地点起振の弾性波の波形が得られる。またステップＳ４では、切羽掘削毎に多成分デジタル記録装置３に記録された弾性波から直達波を抽出して、当該直達波に基づいて切羽のトンネル坑内の弾性波速度分布を推定する。さらにステップＳ５では、切羽掘削毎に多成分デジタル記録装置３に記録された弾性波から反射波を抽出して、当該反射波に基づいて反射・回折点及び反射面の３次元空間位置を推定する。

上記各ステップ動作のうちステップＳ３までの動作が切羽前方速度推定動作の中の「探査」動作に相当する。

１．探査
まず、図４に示すように、掘削完了区間の切羽後方所定の位置（例えば、切羽から３０ｍ（メートル）後方）の坑壁壁面に、発破信号検知器１と発破信号出力部１−１とを内蔵したトリガーユニットＢ、及び弾性波デジタル記録装置３と地震計２とを内蔵した受振ユニットＣを設置する。なお、同図では地震計２が２台設置されているが、台数は限定されない。また、以下の説明では、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸により３次元空間を表すが、トンネル掘削方向（トンネル軸に平行な方向）をＸ軸方向とし、切羽に向かって左右方向で該Ｘ軸と直交する方向をＹ軸方向とし、また、切羽に向かって上下方向でＸ軸及びＹ軸とそれぞれ直交する方向をＺ軸方向とする。

また、ここで、切羽と受振ユニットＣとの間の距離は、測量機器などで測定され、距離データがＰＣ１０に入力される。発破は瞬発電気***及びＤＳ電気***を用いて起爆させることとし、切羽に発破孔を削孔し、電気***を装着した爆薬を装填する。そして、発破母線に発破信号検知器１を装着する。

このようにして、切羽の掘削に当たって発破を行い、発破信号及び、地中の断層７等の脆弱部から反射されて届いた弾性波（反射波）信号を弾性波デジタル記録装置３に記録する。この場合、発破スイッチのＯＮ操作のみ行えばよく、この操作により、発破器から出力された電流が発破信号検知器１によって検出され、切羽に装填された爆薬は起爆し切羽が***される。この爆発によって切羽から発生した弾性波は地山を伝播して切羽後方の地震計２に到達し、弾性波が地震計２により受振、計測される。そして、発破信号検知器１から出力された発破信号と地震計２から出力された弾性波信号が弾性波デジタル記録装置３に自動的に記録される。かかるデータの収録後、弾性波デジタル記録装置３に記録されたデータは、ＳＤカードなどを介してＰＣ１０に入力され、データ解析処理が行われる。

このような切羽の掘削と共に行う発破信号の計測及び記録、弾性波の受振、計測及び記録を、弾性波の受振、計測点を変えないで、切羽掘削サイクル毎に繰り返す。これにより、多地点起振の波形が得られたことになる。そして、弾性波デジタル記録装置３に記録された各切羽の弾性波データは、通信手段、ＳＤカードなどを介して順次ＰＣ１０に入力され、ＰＣ１０内に格納された直達波処理プログラム及び反射波処理プログラムにより解析されて、その解析結果により、トンネル坑内の弾性波速度を推定し、切羽前方の反射・回折点を推定する。

図３に示された各ステップ動作のうちステップＳ４、５の動作が切羽前方速度推定動作の中の「解析」動作もしくは切羽前方速度推定動作に相当する。

２．解析
この解析動作においては、上述のようにして多地点起振の波形が得られたならば、直達波と反射波に波動場を分離して反射波の発生地点を速度不連続面の位置とする。切羽から不連続面までの弾性波の進行速度は初動走時の傾きから得られる速度と同一とみなすことが可能であるが、速度不連続面の向こう側の速度が問題となる。

ここでは、反射波の振幅情報から切羽前方の速度を推定することを考える。一般に、平面境界への垂直入射では反射波の振幅Ａ_Rは以下の式で表される。

・・・・式（１）
ここで、Ｚ₁ は入射側のインピーダンスを示し、Ｚ₂ は透過側のインピーダンスを示す。式（１）の右辺は、入射振幅Ａと反射係数との積である。式（１）からわかる通り、入射側のインピーダンスと透過側のインピーダンスとの間で、
Ｚ₂ ＜Ｚ₁
の場合（不連続面の向こう側が低インピーダンスである）、反射波形は正負が逆転する。

図５は速度構造と反射係数、および想定される波形の関係を表す図である。ｉ層中の入射波振幅をＡ_T(i) 、反射波振幅をＡ_R(I) とすれば、Ｚ_(I+1) は次の式で計算することができる。

・・・・式（２）

すなわち、地山の密度は変化しないと仮定した場合、Ｖ１は初動走時の傾きで与えられるので、反射波と直達波の振幅の比が得られればＶ２は計算することができる。図６は速度推定の基本的動作の流れを表すフローチャートである。図６において、速度推定の動作は、まずステップＳ１１で前処理動作を行う。この前処理動作では、速度フィルターやバンドパスフィルターを用いて各種フィルター処理を行ったり、振幅復元処理を行う。次にステップＳ１２で、直達波と反射波を分離抽出処理する。この処理ステップでは、ＦＫフィルターや、τ-Pフィルターなどによるフィルター処理、および各種重合処理が含まれる。そしてステップＳ１３では、直達波振幅で反射波振幅を基準化処理する。この基準化処理により、起振力のバランスが補正される。ステップＳ１４では、反射係数列を計算処理し、またステップＳ１５では上記計算の結果得られた値を速度分布に変換処理する。上記反射係数列の計算処理及び速度分布への変換処理に関しては、コンボリューションモデル等のフォワードモデルを設定してインバーションによって求めることが多い。

単純化した速度推定方法
本発明が対象とする切羽前方速度推定システムを利用するユーザーには物理探査や地球物理学の知識を要求しない。したがって、解析パラメータを変えて試行錯誤的に解析を行うことは想定しない。また、現場に設置できる一般的なパーソナルコンピュータで１時間以内に結果を出すことが要件となっている。図７は切羽前方速度推定システムに組み込んだプログラムにより図６に示された動作を具体的に実行する切羽前方速度推定の処理動作を表すフローチャートである。

図７において、速度推定の動作は、まずステップＳ２１で初動読取りを行う（ステップＳ２１）。初動読取りにより得られたデータ（受振波形）は１／Ｒ補正・積分がさ変位波形に変換され、データの補正が行われる（ステップＳ２２）。このデータ補正処理以降の処理は、補正されたデータを０ウェイ変換するか、それとも２ウェイ変換するかにより処理の流れが異なる。

ここでは、まず、０ウェイ変換する場合の処理の流れを説明する。「０ウェイ変換」処理では、上述のように受振波形を積分して変位波形に変換し、幾何減衰補正（ステップＳ２２）をした後に続く処理として、初動時刻をそろえるようにシフト（０ウェイ変換）して直達波の振幅の変位波形（データ）を得る（ステップＳ２３）。この変位波形データはスタックされ（ステップＳ２４）、次いでエンベロープ計算が行われる（ステップＳ２５）。さらに、エンベロープを基に初動付近の変位波形のピークが抽出され（ステップＳ２６）、０ウェイ変換された変位波形のピーク値で基準化が行われる（ステップＳ２７）。その後、ピーク付近のスタック波形の切り出しが行われる（ステップＳ２８）。次に変位波形の相関係数を計算し、相関係数の正、または負により位相を判断する（ステップＳ２９）。そして、弾性波の伝播媒体（地山）の密度が一定と仮定して反射係数から速度分布を計算して（ステップＳ３０）、一連の切羽前方速度推定の処理動作を終了する。

他方、上記ステップＳ２２に続く処理として、２ウェイ変換する場合の処理の流れを説明する。上述のように受振波形を積分して変位波形に変換し、幾何減衰補正（ステップＳ２２）をした後に続く処理として、２ウェイ変換が行われ、この変換により反射波の振幅の変位波形（データ）を得る（ステップＳ３１）。この変位波形データはフィルター処理が施されるとともにスタックされ（ステップＳ３２）、次いでエンベロープ計算が行われる（ステップＳ３３）。さらに、エンベロープを基に０ウェイ変換された変位波形のピーク値で基準化が行われ（ステップＳ３４）、次いで主要イベントの抽出が行われる（ステップＳ３５）。その後、ピーク付近のスタック波形の切り出しが行われる（ステップＳ３６）。その後は、上述の０ウェイ変換した場合の処理の流れと同様に、変位波形の相関係数を計算し、相関係数の正、または負により位相を判断する（ステップＳ２９）。そして、弾性波の伝播媒体（地山）の密度が一定と仮定して反射係数から速度分布を計算して（ステップＳ３０）、一連の切羽前方速度推定の処理動作を終了する。

上記のような速度推定の処理動作について、アルゴリズムには以下のような工夫を加えた。
（１）主要なイベントを抽出するためにエンベロープを使用した。
（２）反射位相の判定を容易にするため、変位波形を使用した。
（３）反射係数はエンベロープの比で算出した。
（４）反射位相の判定は波形の相関係数を利用した。

シミュレーション波形での推定結果
３次元粘性弾性差分法によって波形を計算し本手法を適用したモデルを図８及び図９に示す。モデルＡは単純な２層構造、モデルＢは低速度帯狭在モデルで、かまぼこ型断面のトンネル空洞をモデル化している。トンネル軸と速度境界面とは直交しており、受振点は、Ｘ＝１２０（ｍ）で、トンネル切羽に向かって右壁中央、坑壁杭から１（ｍ）奥とし、起振点はトンネル切羽中心の３（ｍ）奥で、切羽は、Ｘ＝１５０（ｍ）からＸ＝１９６（ｍ）まで、２（ｍ）毎、合計２４ケースでモデル化し、波形を計算した。震源関数は中心周波数２００Ｈｚのリッカーウェーブレットとした。

上記モデルＡ、モデルＢに関し、図８は、３次元粘性弾性差分法によって波形を計算し、本発明の切羽前方速度推定手法を適用した場合の、反射波の速度が４ｋｍ／ｓである層と、２ｋｍ／ｓである層の２層構造のモデル（モデルＡ）を示す図である。また、図９は、３次元粘性弾性差分法によって波形を計算し、本発明の切羽前方速度推定手法を適用した場合の、反射波の速度が４ｋｍ／ｓである２つの層の間に２ｋｍ／ｓである層が狭在する構造のモデル（モデルＢ）を示す図である。

図１０（ａ）にモデルＡで計算された速度振幅波形を示す。これを積分して変位波形に変換し幾何減衰補正をする。その後、初動時刻をそろえるようにシフトしたものを図１０（ｂ）に示し、２ウェイ変換したものを図１０（ｃ）に示す。なお図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）において、横軸は時間を表し、その単位は秒である。

図１１に図１０（ｂ）をスタックした波形と、そのエンベロープを示し、図１２に図１０（ｃ）をスタックした波形と、そのエンベロープを示す。図１１を直達波とみなし、図１２を反射波とみなす。

図１２の星印及び△印は、検出された反射波ピークの位置を示している。これらの印のうち、△印は同位相を表す一方、星印は逆位相を表す。図１２中の０．０２秒付近および０．０７秒付近の同位相のピークは直達波の除去が不完全なための誤認識である。

図１３に、計算された反射係数列と推定速度モデルを示す。誤認識があるものの、０．０４秒付近の速度境界は明瞭に捕らえられている。

図１４に、モデルＢの波形と反射波抽出の処理結果を示す。０．０５秒付近に、図１２では存在しなかった同位相の反射波ピークが検出されている。

図１５に、モデルＢで反射係数列と推定速度モデルを示す。誤認識があるものの、０．０４秒付近の低速度帯は明瞭に捕らえられている。

本発明において考案されたアルゴリズムをＴＦＴ探査システムに組み込んで実測データに適用した。このときの波形例を図１６に示す。また上記実測データに適用した場合の直達波抽出および反射波抽出の処理結果を図１７に示す。上記アルゴリズムを適用したトンネルは上記実測データを取得したときは施工中であり、工事の進行に伴って反射波抽出の処理結果の妥当性の評価が検討される。

切羽での掘削発破を起振源とするトンネルの切羽前方探査において、切羽前方の速度推定アルゴリズムを考案し、シミュレーション波形にて検討を行った結果、適用可能と判断できる結果を得た。また、切羽前方探査システムに組み込んで実測データへの適用を試みることが可能である。本手法は、施工管理上有用な情報を必要なタイミングで提供可能な方法である。

Ａ データ収集部
Ｂ トリガーユニット
Ｃ 受振ユニット
１０ ＰＣ（弾性波解析ユニット）
１ 発破信号検知器
１−１ 発破信号出力部
２ 地震計
３ 弾性波デジタル記録装置
４ データ出力部
５ 通信部
１１ 操作入力部
１２ 記憶部
１３ 表示部
１４ データ読取部
１５ 通信部
１６ 制御部

Claims (3)

1. 切羽から離れた後方所定の位置に、発破信号検知手段及び弾性波記録手段を設置すると共に、１または複数の地震計をトンネル坑内壁面に設置して、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填し、発破器から発生し爆薬を起爆させる発破信号を計測し、爆薬を起爆させた際に前記切羽から発生する弾性波を前記地震計でそれぞれ受振、計測し、前記弾性波記録手段に記録することを切羽掘削毎に繰り返し、切羽掘削毎に前記弾性波記録手段に記録された弾性波から反射波を抽出して、当該反射波に基づいて反射面の３次元位置を推定する切羽前方速度推定方法であって、
   切羽掘削毎に前記弾性波記録手段に記録された弾性波から直達波と反射波とを分離抽出する弾性波分離抽出ステップと、
   分離抽出された弾性波についてエンベロープ計算を行うエンベロープ演算ステップと、
   エンベロープ計算された弾性波についてピーク抽出を行うピーク抽出ステップと、
   ピーク抽出された直達波のピーク値で反射波振幅を基準化する弾性波基準化ステップと、
   反射波のピーク付近の波形を切り出す波形切出しステップと、
   反射波の反射係数をエンベロープの比で算出する反射係数演算ステップと、
   相関係数を計算する相関係数演算ステップと、
   相関係数の正負により、反射波の位相を判定する位相を判定ステップと、
   反射係数から速度分布を算出し、当該速度分布から弾性波の反射面の３次元位置を推定する反射面推定ステップと、
   を有することを特徴とする切羽前方速度推定方法。
2. 前記弾性波分離抽出を行った後に、
   受振波形を積分して変位波形に変換し、幾何減衰補正するステップと、
   初動時刻をそろえるようにシフト（０ウェイ変換）して直達波の振幅の変位波形を得るステップと、
   得られた変位波形データをスタックするステップと、を含み、
   その次段階でエンベロープ演算ステップを実行する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の切羽前方速度推定方法。
3. 前記弾性波分離抽出を行った後に、
   受振波形を積分して変位波形に変換し、幾何減衰補正するステップと、
   変位波形に対して２ウェイ変換を行い、この変換により反射波の振幅の変位波形を得るステップと、
   この変位波形データにフィルター処理が施すとともにスタックするステップと、を含み、
   その次段階でエンベロープ演算ステップを実行する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の切羽前方速度推定方法。

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