JP3119753B2 - トンネル切り羽の前方予知方法 - Google Patents
トンネル切り羽の前方予知方法Info
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Description
ける切り羽前方の地質状況を的確に且つ迅速に予知でき
る方法に関し、更に詳しく述べると、人工的に発生させ
た弾性波を利用して切り羽前方の不連続面を検知する方
法に関するものである。
羽の前方の地質状況を調査する方法としては、先進ボー
リングによる方法や地下レーダによる方法がある。先進
ボーリングによる方法は、切り羽から前方にボーリング
を行い、コアを採取して地質を調査する方法であり、地
下レーダによる方法は切り羽前方に電波を放射し、反射
してくる電波を受信して地質を調査する方法である。
械化が進むにつれて、切り羽前方の地質状況を的確に予
知することは益々重要な技術的課題となっている。勿
論、予知のために長時間にわたって掘削工事を中断する
ことは許されず、短時間で前方にある地質境界、割れ
目、断層や破砕帯の位置を検出できなければならない。
工事の中断時間が長く、また切り羽での段取り替えも必
要なので、機械化施工には不向きである。また地下レー
ダによる方法は、地中では電波の到達距離が短いため、
切り羽から離れた場所の地質状況を調査できない。また
伝播速度が速いため検出した信号の振幅のみを問題にせ
ざるを得ないが、振幅は地盤の僅かな不規則性にも影響
されるので、地質状況を大局的に把握するのが困難であ
る。
欠点を解消し、切り羽前方の地質状況を予知するのに、
掘削工事の中断時間を極力短くでき、工事の効率化を図
ることができるような方法を提供することである。
に複数の受振器を埋設し、起振源で人工的に弾性波を発
生させ、地盤を伝播する弾性波を検出し、屈折法により
トンネル周辺の地盤の弾性波速度を求め、次にその速度
と同じ位相速度をもつ反射波のみを抽出し、その反射波
の出現時間と弾性波速度によって切り羽から不連続面ま
での距離を求める方法である。この方法で特に重要な点
は、上記のようにトンネル周辺の地盤の弾性波速度を求
め、その速度と同じ位相速度をもつ反射波のみを抽出す
る点である。
設するのが望ましい。また起振点は坑道に沿って適当な
間隔をおいて前後2箇所に設定し、それぞれの起振点で
発生する弾性波を測定するのが好ましい。
播し、切り羽前方にある不連続面(地質境界、割れ目、
断層、破砕帯など)で反射する。その弾性波(屈折波や
反射波)は、トンネル坑内に設けた複数の受振器で検出
され電気信号に変換される。まず得られた測定データに
屈折法の解析方法を適用してトンネル周囲の地盤の弾性
波速度を求め、受振器で検出した弾性波信号のうち、ト
ンネル周囲の地盤の弾性波と同じ位相速度をもつ反射波
のみを抽出することにより、切り羽前方以外の方向から
来る不要な直接波や散乱波などを除外できる。従って取
り出した必要な反射波について、その出現時間と弾性波
速度を掛け算すると、切り羽から不連続面までの距離が
求まる。また反射波の特性から、不連続面よりも前方の
地質状況(例えば、硬い岩であるとか、断層のように軟
質な地盤であるとか等)を推定することも可能である。
方法の原理説明図である。トンネル10の坑内の適当な
位置に複数の受振器12を埋設しておく。受振器12
は、通常、トンネル坑道方向に沿って1列に一定の間隔
で配置する。これらの受振器12は、トンネル掘削機械
による掘削工事の邪魔にならないような孔壁に設置して
おけばトンネル掘削工事中も設置したままでよく、予知
作業の都度、設置したり撤去する必要がなくなるため、
好ましい。多数の受振器を設置すると、測定精度が向上
するため好ましいが、信号処理回路も複雑化するため、
適当なチャンネル数が選ばれる。使用する受振器は、3
成分型が望ましいが、場合によっては上下動またはトン
ネル坑軸方向の水平動1成分型だけでもよい。そして適
当な位置に設置した起振源14により弾性波を発生させ
る。起振源14は、屈折法の解析方法を適用するために
複数箇所設ける。起振源としては、火薬爆発法、重錘落
下方式、その他任意の方法であってよい。起振源14で
発生した弾性波は、四方に広がり、一部は直接、一部は
反射したり散乱して、受振器12で検出される。切り羽
16の前方に不連続面18(地質境界、割れ目、断層、
破砕帯など反射面)があると、そこで弾性波が反射して
戻り、受振器14で検出される。
タから、次の〜の手順で、トンネル切り羽前方の地
質状況を予知することができる。 屈折法の解析方法を適用してトンネル周辺の地盤の弾
性波速度を求める。 次に、適切なデータ処理(振幅調整や各種フィルタ処
理など)を施し、直接波や散乱波など不要な信号を除去
し、既に上記で求めた弾性波速度と同じ位相速度をも
つ反射波のみを抽出する。 その反射波の出現時間と弾性波速度を用いて、切り羽
から不連続面(反射面)までの距離を計算する。また受
振器で得られる反射波の特性から、不連続面よりも前方
の地質状況を推定することも可能である。
示している。これは、起振源からの距離に応じて各受振
器で検出した弾性波の観測結果である。このように、各
受振器では屈折波と反射波が同時に測定される。屈折波
の速度は簡単に求めることができる。それに対して反射
波の識別は、通常難しい。図2の実測データは、反射波
の判別が容易な例である。しかしトンネル前方からの反
射波は、屈折波と同じ速度で出現するので、同じ位相を
トレースすると、図3に示すように、右上がりと左上が
りの違いはあるものの、屈折波と反射波の走時曲線の傾
斜角度は同じである。従って、反射波を抽出するために
は、屈折波と同じ速度で傾きが逆の波の群を抽出すれば
よい。これが速度フィルタと呼ばれる処理である。つま
り特定の速度の波だけを時間−距離のチャートから抽出
し、その他を抑える処理である。この処理をするため
に、屈折波から速度を決定しておくのである。
なる地点に設定するのが好ましい。その理由は、それに
よってトンネル坑近傍での地質構造も明瞭に把握できる
からである。例えば図4のAは、坑道に垂直な方向に不
連続面があり、手前側の弾性波速度がV1 、前方寄りの
弾性波速度がV2 (ここではV1 <V2 )とした場合の
屈折波の走時である。また図4のBは、坑道に平行な方
向に不連続面があり、上層側の弾性波速度がV1 、下方
側の弾性波速度がV2 (ここではV1 <V2 )とした場
合の屈折波の走時である。このような走時が得られるの
は、下方側の弾性波速度V2 が速いと、ある程度離れた
位置では起振源14からの弾性波は下方側の地盤を伝わ
る方が早く受振器12に到達するためである。その結
果、図4のAとBでは、両方の屈折波の走時は同じよう
になる。
A,Bに示すように区別できる。図5のAのように、坑
道に垂直な方向に不連続面がある場合は、両起振源14
a,14bによる屈折波の走時(それぞれ符号a,bで
示す)は平行になる。走時曲線が折れ曲がる位置は一定
(不連続面の位置)である。それに対して図5のBのよ
うに、坑道に平行な方向に不連続面がある場合は、両起
振源14a,14bによる屈折波の走時(それぞれ符号
a,bで示す)は平行にはならない。走時曲線が折れ曲
がる位置が異なる。これによってトンネル坑道近傍の地
質状況を把握できることになる。従って反射波の走時
も、図6に示すようにトンネル坑道近傍の地質状況によ
って変わる。図6のAは図5のAに対応しており、反射
波はV1 とV2 の速度となる。図6のBは図5のBに対
応しており、反射波はV2 の速度となる。
の地盤の弾性波速度をV1 、不連続面18よりも前方の
地盤の弾性波速度をV2 とする。もしV1 =V2 ならば
反射は生じない(不連続面ではない)。V1 ≠V2 であ
れば反射が現れ、入射波と反射波の振幅の比は速度比に
よって決まるので、反射波の振幅から弾性波速度V2を
推定できる。また反射波の位相によって両弾性波速度の
大小関係が分かる。即ち、反射波が入射波と同位相の場
合は、V1 <V2 であり、不連続面の前方に硬い岩のよ
うなものが存在するものと推定できる。そして、反射波
の振幅が大きいほど、V2 はV1 よりも大きい。また反
射波が入射波と逆位相の場合は、V1 >V2 であり、不
連続面の前方は断層のように軟質なものであると推定で
きる。そして、反射波の振幅が大きいほど、V2 はV1
よりも小さい。
に示し、またその装置の内部で行われる解析の流れを図
8に示す。多数の受振器12はケーブル13と一体化さ
れ装置20に接続されている。また起振源14もケーブ
ル15によって装置20に接続される。起振源14から
はトリガー信号が送られ、各受振器12で地盤の振動を
電気信号に変換し、得られた検知信号は装置20に送ら
れる。
ワン化して、小型軽量化を図っている。これによって作
業性が向上し、データ取得と判定の時間を短縮でき、且
つ作業コストが低減する。装置20は、各受振器12に
対応した多数の増幅器22、それら各増幅器22に対応
した多数のバンドパスフィルタ24、その出力をデジタ
ル信号に変換するマルチチャンネルA/D変換器26、
装置全体を制御するCPU28、プログラムやデータを
格納するメモリ30、処理手順や解析結果を表示する表
示装置32、解析結果を記録する記録装置34、処理手
順などを入力するキーボード36などからなる。
に従った処理を、CPUがメモリに内蔵されているプロ
グラムにより自動的に行う。まず受振器で振動を検出
し、初動を読み取る。そして初動走時を作成し、速度を
決定する。速度フィルタを作成し、反射波を抽出して、
波形調整を行う。反射時間を決定し、既に得られている
速度と反射時間とを掛け算して反射位置を決定する。
用し、切り羽前方の不連続面からの反射波のみを抽出し
て、該不連続面までの距離を求める方法であるから、受
振器をトンネル掘削工事の邪魔にならない位置に設置し
ておくことで、掘削工事を長時間にわたって中断するこ
となく、切り羽前方の予知が可能となる。実際には、デ
ータ取得時に約10分程度、施工機械を止めるだけでよ
く、掘削工事の機械化にマッチした方法である。また反
射波の特性(位相及び振幅)から、不連続面の前方の地
質状況を把握することも可能となる。
て)は、装置内にプログラムとして組み込むことがで
き、そうすると、予知操作は表示装置に表示されるメニ
ューに沿って行えばよいので、地震探査の専門技術者で
なくても行うことができ、現場で容易に且つ迅速に切り
羽前方の不連続面の位置や状況などを判定できる。
説明図。
図。
Claims (3)
- 【請求項1】 トンネル坑内に複数の受振器を埋設し、
起振源で人工的に弾性波を発生させ、地盤を伝播する弾
性波を検出し、まず屈折法によりトンネル周辺の地盤の
弾性波速度を求め、次にその速度と同じ位相速度をもつ
反射波のみを抽出し、その反射波の出現時間と弾性波速
度によって切り羽から不連続面までの距離を求めること
を特徴とするトンネル切り羽の前方予知方法。 - 【請求項2】 トンネル坑内で坑道に沿って一列に複数
の受振器を埋設する請求項1記載のトンネル切り羽の前
方予知方法。 - 【請求項3】 異なる複数の箇所で起振源により人工的
に弾性波を発生させる請求項1又は2記載のトンネル切
り羽の前方予知方法。
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JP35576692A JP3119753B2 (ja) | 1992-12-18 | 1992-12-18 | トンネル切り羽の前方予知方法 |
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
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