JP6584010B2 - トンネル切羽前方探査方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル切羽前方探査方法に関し、例えば、トンネルの発破掘削時の振動により生じた地震波を用いてトンネルの切羽前方の断層帯等を探査するトンネル切羽前方探査方法に関するものである。

トンネルは地中深くに建設される線状構造物であるため、技術的、経済的な理由からトンネル全長に渡って十分な調査を行うことが難しい状況にある。山岳トンネルの事前調査では、ほとんどの場合に屈折法弾性波探査が行われ、そこで求めた弾性波速度等を総合的に評価して地山が区分され、その区分に対応させて予め用意されている標準設計（標準支保パターン等）を適用して設計を行う。

しかし、設計の支保パターンと施工時の支保パターンとで異なる場合も多い。この原因の１つとして、従来の地表から行う弾性波探査では地山深部のトンネル掘削地点まで弾性波が十分に届かないこともあり、探査精度を向上させることが難しく弾性波速度を正しく評価できない点が挙げられている。このような場合、施工中にトンネルの坑内から切羽前方の調査を行う切羽前方調査が有効である。

また、発明者らは、掘削時の発破を、トンネルルート上の地表面に設置した受振器で計測し、その走時と事前調査の弾性波探査データとを合わせてトモグラフィ解析を行い、トンネルの切羽前方の地山の弾性波速度分布を予測する方法を開発した。この場合、弾性波速度分布を精度良く予測するには、受振器の設置数や発振点（発破する位置）の数を増やして波線数を多くする必要があるが、地形条件から必要な受振器を設置することが難しく十分な予測精度を確保できない場合がある。このような場合に、別の方法としてトンネル坑内に受振器を設置して施工中にトンネルの坑内から切羽前方の地山を探査する反射法弾性波探査が有効である。代表的な反射法弾性波探査法には、ＴＳＰ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）法やＨＳＰ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）法等がある。

なお、トンネル切羽前方の探査技術については、例えば、特許文献１〜５に記載がある。特許文献１には、トンネル掘削のための発破を震源とする弾性波に基づいてトンネル切羽前方の地質を推定する技術が開示されている。

また、特許文献２には、トンネル掘削における段発の各段の発破を震源とする地震波を坑内の地震計により計測することでトンネル切羽前方の地質を探査する技術が開示されている。

また、特許文献３には、トンネルの外部に設置された坑外記録装置の内蔵時計と、トンネルの内部に設置された坑内記録装置の内蔵時計とをＧＰＳ時刻に同期させた状態で、トンネルの切羽で発破を行った場合に、坑外記録装置と坑内記録装置との各々に記録された受振データに基づいてトンネル切羽前方の地質を予測する技術が開示されている。

また、特許文献４には、トンネル掘削において切羽の発破により生じた発破振動を、切羽よりも前方の地上面に設置された受振器により受振することでトンネル切羽前方の地質の状況を予測する技術が開示されている。

また、特許文献５には、トンネルの地山で発生するアコースティックエミッションを、トンネルの抗壁面から地山に向かって打ち込まれたロックボルトを通じて受振し測定することでトンネルの崩壊を判断する技術が開示されている。

特開２０１３−１７４５８０号公報 特開平１０−３１１８８０号公報 特開平２０１１−４３４０９号公報 特開平２０１５−１９０７８９号公報 特開平２００１−３５５３８４号公報

ところで、トンネルの掘削工事を安全かつ経済的に実施するためには、トンネルの切羽前方に存在する断層帯の位置や幅等に関する情報を事前に把握し、それに応じて支保の変更や補助工法の適用等のような対策を立てることが重要である。特に、トンネルの坑口近傍は、地形や地質構造が複雑であり、予想外の変状等に遭遇することがあるので、その状態を早期にかつ的確に把握することが必要とされている。しかし、上記したＴＳＰ法やＨＳＰ法等のような探査方法においては、トンネルの切羽前方に幅の広い断層帯等が存在する場合に、実際と予測との間で反射位置が大きく異なる場合がある、という問題がある。

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、その目的は、トンネルの切羽前方の探査精度を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明のトンネル切羽前方探査方法は、（ａ）トンネル切羽前方の地山に対してトンネルを掘削するための発破により生じた地震波によって前記トンネルの切羽前方の断層帯から反射する反射波を、前記トンネルの坑壁に設置された複数の第１の受振手段により測定するステップと、（ｂ）前記第１の受振手段の測定値に基づいて反射波形を抽出するステップと、（ｃ）前記発破により生じた地震波を地表に設置された複数の第２の受振手段により測定するステップと、（ｄ）前記第２の受振手段の測定値に基づいてトモグラフィ法の解析処理により前記トンネルの切羽前方の地山の弾性波速度を計算し、速度モデルを作成した後、前記速度モデルに基づいて反射波の理論走時を計算するステップと、（ｅ）前記（ｂ）ステップで得られた反射波形のデータと、前記（ｄ）ステップで得られた理論走時を用いて反射エネルギー分布を形成した後、前記反射エネルギー分布から速度境界面の位置を抽出するステップと、（ｆ）前記（ｅ）ステップで得られた速度境界面の位置のデータの収束判定を実施し、収束しない場合は収束するまで、前記（ｅ）ステップで得られた速度境界面の位置のデータを用いて前記（ｄ）ステップを実施し、そこで得られた理論走時の計算結果を用いて前記（ｅ）ステップを実施することを繰り返すステップと、を有することを特徴とする。

また、請求項２に記載の本発明は、上記請求項１記載の発明において、前記（ｅ）ステップの後、収束判定の前に、前記（ｅ）ステップで算出された速度境界面の位置のデータが１回目の算出データの場合は、収束判定をせずに、前記（ｅ）ステップで算出された速度境界面の位置のデータを用いて前記（ｄ）ステップを実施し、そこで得られた理論走時の計算結果を用いて前記（ｅ）ステップを実施することを特徴とする。

また、請求項３に記載の本発明は、上記請求項１または２記載の発明において、前記トンネルの切羽の発破毎に前記（ａ）〜（ｆ）のステップを実施し、発破毎に断層帯の最適な速度境界面位置および弾性波速度のデータを算出し、その算出データを前記発破が実施される度に更新することを特徴とする。

本発明によれば、トンネルの切羽前方の断層帯の速度境界位置および地山の弾性波速度の測定精度を向上させることができるので、トンネルの切羽前方の探査精度を向上させることが可能になる。

本発明の一実施の形態に係るトンネル切羽前方探査時におけるトンネル坑内の平面図である。 図１のトンネル切羽前方探査時に用いた探査装置を構成する受振器の要部拡大側面図である。 図１のトンネル切羽前方探査により計測した発破地震波形の一例の波形図である。 図１のトンネル切羽前方探査により得られた波形データの処理手順を示すフロー図である。 図１のトンネル切羽前方探査により得られた波形データに対するイメージング処理の説明図である。 本発明の一実施の形態に係るトンネル切羽前方探査フロー図である。 （ａ）は反射法における受振器の配置と波線経路とを示す説明図、（ｂ）はトモグラフィ法における受振器の配置と波線経路とを示す説明図である。 反射法による解析結果を示す説明図である。 トモグラフィ法による解析結果を示す説明図である。 （ａ）は図９に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図、図（ｂ）は図１０（ａ）のＩ−Ｉ線断面の速度分布を示すグラフである。 図１０（ａ）に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図である。 図１１に続く反射法による解析結果を示す説明図である。 図１２に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図である。 図１３に続く反射法による解析結果を示す説明図である。 数値計算モデルの地層構造外観を示すグラフである。 速度境界面とトンネルとの位置関係を示すグラフである。 波動伝播の数値シミュレーションから求めた発振点に最も近い受振点の計算波形図である。 図８の計算波形を図４で示したデータ処理により求めた反射波形図である。 従来方法であって探査区間の伝播速度である弾性波速度を用いて求めた反射エネルギーの分布を示すグラフである。 本実施の形態のトンネル切羽前方探査方法であってトンネル切羽前方の弾性波速度を利用し、差分法による走時を用いて反射エネルギーを求めた結果を示すグラフである。 実験現場の地質縦断図である。 トンネルの切羽から４６．２ｍ離れた受振器で計測した切羽進行１０ｍ（探査発破１０回）分の波形図である。 反射エネルギーの評価断面図である。 従来の方法による反射エネルギーの分布である。 弾性波探査の弾性波速度を利用して差分法の走時を用いた反射エネルギーの分布である。 図１１において地山を区分けしたセルの状態の一部を拡大して示した説明図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

発破掘削時の振動を利用したトンネル切羽前方探査方法

反射法の計測概要

図１は本実施の形態に係るトンネル切羽前方探査時におけるトンネルの平面図、図２は図１のトンネル切羽前方探査時に用いた探査装置を構成する受振器の要部拡大側面図である。

本実施の形態のトンネル切羽前方探査方法においては、例えば、トンネルＨを掘削するための発破を発振点とし、反射法による処理と、トモグラフィ法による処理との両方を用いてトンネルＨの切羽Ｋの前方の低速度層（断層帯）Ｄ等を探査する。この場合、トンネルＨの掘削のための発破を発振点とするので、トンネルＨの切羽前方の探査の発振点を別に設ける場合に比べて、トンネルＨの掘削効率を向上させることができる。また、反射法とトモグラフィ法との両方の解析データを使用することにより、トンネルＨの切羽前方の探査精度を向上させることができる。

反射法による探査処理では、例えば、多点発振−多点受振で行い、トンネルＨの切羽Ｋの後方の位置Ｐ１，Ｐ２間の範囲にある複数個のロックボルトＲＢの各々の頭部に受振器Ｓ１を取り付けて発破振動を計測する。なお、切羽Ｋの位置Ｐｋから位置Ｐ１までの距離は、例えば４５ｍ、位置Ｐ１から位置Ｐ２までの距離は、例えば１５ｍである。

受振器Ｓ１は、例えば、トンネルＨの坑壁の片側側面においてトンネル軸方向に沿って所定の間隔毎に一列に設置された１２個のロックボルトＲＢの各々の頭部に装着されている。ロックボルトＲＢは、トンネルＨの支保用具であり、トンネルＨの坑壁面内において複数のトンネル軸方向線と複数のトンネル周方向線との交点に設置されている。各ロックボルトＲＢは、トンネルＨの坑壁面に対して直交した状態で地山の地盤Ｇに打設されており、各ロックボルトＲＢの頭部に螺合されたナットＮ１（図２参照）により固定されている。なお、受振器Ｓ１の配置は上記したものに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば、トンネルＨの坑壁面において周方向線に沿って９０度ずつ離れた位置に配置するとともに、トンネル軸方向に沿って所定の間隔毎に配置しても良い。これにより、受振点を増やすことができるので、受振精度を向上させることができる。

受振器Ｓ１をロックボルトＲＢの頭部に装着した理由は、例えば、一般的にロックボルトＲＢの材質が振動を伝え易い鉄であることからウェーブガイド（導波棒）としての機能を期待できること、トンネルＨの坑壁に新たに削孔して受振器Ｓ１を設置する必要が生じないので計測の準備作業を軽減できること等の利点からである。そのため、受振器Ｓ１の設置は、図２に示すように、ナットＮ２に固定加工した受振器Ｓ１をロックボルトＲＢの頭部に取り付けることにより行った。また、受振器Ｓ１には、ロックボルトＲＢの軸方向の振動を感度良く計測するため、例えば、共振周波数が高い２８Ｈｚの可動線輪型（ＭＣ型）の速度地震計を用いた。各受振器Ｓ１の感度は、例えば、３５．４Ｖ／ｍ／ｓである。また、各受振器Ｓ１は、通信ケーブル等を通じて記録装置Ｍに電気的に接続されている。

記録装置Ｍは、受振器Ｓ１で得られた波形データを記録する装置である。この記録装置Ｍとしては、例えば、入力チャンネル数が１６ｃｈ、ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）分解能が２４ビット、サンプリング周波数が１２ｋＨｚの地震波記録装置が使用されている。記録装置ＭはトリガボックスＴＢを介して発破器（図示せず）と電気的に接続されている。記録装置Ｍは電源が入ると計測ソフトが起動し、事前に設定した計測条件でトリガー待ちの状態になる。発破時に発破器からトリガー信号を取り込むと、波形の取り込みを開始し、例えば、１２ｋＨｚのサンプリング周波数で７秒間の計測データを収録する。なお、計測データ収録後、ＵＳＢケーブル等を通じて記録装置Ｍを探査装置のコンピュータに接続し、そのコンピュータのメモリに計測データを保存するようになっている。

探査は、トンネルＨの切羽Ｋの中央部に削孔した探査用の装薬孔に瞬発***を使用した少量の爆薬（親ダイ）を挿入しておき、掘削発破時に先行させて発破することにより探査に使用する振動を発生させて行う。

図３は図１のトンネル切羽前方探査により計測した発破地震波形の一例の波形図である。

本実施の形態においては、トンネル掘削のための芯抜き発破の時間Ｔ１の前に、瞬発***を用いて切羽中央部で探査用の小規模な発破を行い、２段目の芯抜き発破の振動が受振器Ｓ１に到達するまでの時間Ｔ２（１８０ｍｓ程度）の地震波形のうち、切羽前方１００ｍ程度の地山予測に必要な時間Ｔ３（１００ｍｓ程度）の波形データを探査に用いる。１０回の切羽進行分の発破振動を継続的に収録し、収録データから探査発破の波形データを切り出して、反射波のデータ処理およびトモグラフィ法によるデータ処理を行う。

反射法探査のデータ処理

図４は図１のトンネル切羽前方探査により得られた波形データから反射波形を抽出する処理手順を示すフロー図である。

探査終了後、探査装置内のコンピュータのメモリに保存した波形データを解析用のコンピュータに転送し、図４に示す処理手順で波形データ処理を行い、反射波形を抽出する。これは、記録装置Ｍで収録された波形データには、トンネルＨの切羽前方の速度境界面からの反射波の他に、発振点から受振点までの直接波や探査地点後方からの反射波、さらにはノイズ等が含まれているので、図４に示すデータ処理によって、これらを取り除くためである。以下、図４のデータ処理について説明する。

まず、記録装置Ｍで収録された波形データから初動の立ち上がりを取り出すことで、発振点からトンネルＨの坑壁を通じて伝播する弾性波速度（Ｖｐ）を算出する（ステップ１０２ａ）。ここでは、弾性波速度は、例えば、４．６ｋｍ／ｓである。

続いて、記録装置Ｍで収録された波形データからバンドパスフィルタによりノイズを除去した後（ステップ１０２ｂ）、反射波の振幅が発振点からの距離に応じて減衰することを考慮して、距離による減衰が無いように球面発散補正により反射波の振幅を高める（ステップ１０２ｃ）。

続いて、メディアンフィルタおよびＦＫフィルタ等により直接波（第一波（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｗａｖｅ：以下、Ｐ波という）および第二波（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｗａｖｅ：以下、Ｓ波という））を除去した後（ステップ１０２ｄ，１０２ｅ）、反射波の波形を明確にするために反射波の振幅を増大（抽出）する（ステップ１０２ｆ）。

続いて、ステップ１０２ｆの振幅増大によりノイズも増大するので、そのノイズをバンドパスフィルタにより除去した後（ステップ１０２ｇ）、各波形の時間軸を補正した状態で波形同士を重ねることで反射波の振幅を大きくする（ステップ１０２ｈ）。

このようにして得られた反射波形を用いて、後述の方法により、トンネルＨの切羽前方の低速度層Ｄの速度境界面（反射面）の位置等を特定する。

差分法による走時を用いた反射エネルギー評価

図５は図１のトンネル切羽前方探査により得られた波形データに対するイメージング処理の説明図である。

イメージング処理には、図５に示すディフラクションスタック（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｃｋ：以下、ＤＳという）法を用いた。ＤＳ法では、トンネルＨの切羽前方および周辺地山を含む３次元座標空間に一定間隔で仮想の格子点ＧＰを設け、発振点ＳＰから広がった波がその格子点ＧＰにおいて反射して受振点ＲＰ（受振器Ｓ１が設置された箇所）に戻ると仮定する。

１ヶ所の発振点ＳＰから発生した弾性波が、ある格子点ＧＰで反射して受振点ＲＰに到達する場合、波線理論から地山の弾性波速度に応じて弾性波の伝播経路が求まり、この走時（伝播時間）が発振点ＳＰから格子点ＧＰまでの走時ＴＳと、受振点ＲＰから格子点ＧＰまでの走時ＴＲとを合計した走時ＴＳＲ（走時ＴＳ＋走時ＴＲ）として計算できる。この伝播時間から、その格子点ＧＰに対応する波形トレース上での位置が特定できる。それらの位置での波形振幅（片振幅）を合算した値を無次元化し、反射エネルギー（反射波振幅の２乗）を求めて、格子点ＧＰに与える。ここで、１つの反射エネルギーは、発振点ＳＰと受振点ＲＰとを焦点とする楕円曲面の軌跡上に卓越して分布する。

もし、ある格子点ＧＰが実際の反射点に相当すれば、この格子点ＧＰの反射エネルギーが大きい値を示す。これらの格子点ＧＰに接する平面を速度境界面として特定することができる。さらに、反射エネルギーの正負から、境界前後での物性の変化が分かる。すなわち、反射エネルギーが正の場合には、境界面の前後で物性が硬質から軟質に変化し、負の場合には、軟質から硬質に変化することになる。

ここで、従来の方法は、発破した地山区間の弾性波速度のみを用いて速度境界面の位置を予測するため、トンネルＨの切羽前方の地山に弾性波速度の異なる層があると速度境界面の位置を精度良く求めることができない。そこで、本実施の形態においては、上記反射法により得られる速度境界面の位置の情報と、トモグラフィ法等により得られる速度分布の情報との両方を用いてトンネルＨの切羽前方の地山の状態を探査する。以下、その具体例について図６のフロー図に沿って図７〜図１４を参照して説明する。

反射法およびトモグラフィ法での観測状態の説明

図７は本実施の形態のトンネル切羽前方探査における受振器の配置と波線経路とを示している。本実施の形態のトンネル切羽前方探査法においては、トンネルＨの掘削のための発破を反射法およびトモグラフィ法の両方で用いる発振点とし、トンネルＨ内の複数の受振器Ｓ１を反射法で用いる受振点とし、地山Ｙの地表の複数の受振器Ｓ２をトモグラフィ法で用いる受振点とする。

まず、図７（ａ）は反射法における受振器の配置と波線経路とを示している。反射法の測定では、図１で説明したように、トンネルＨの掘削のために切羽で実施する発破を発振点とし、低速度層Ｄの速度境界面からの反射波をトンネルＨ内の複数個の受振器Ｓ１で測定する。

一方、図７（ｂ）はトモグラフィ法における受振器の配置と波線経路とを示している。トモグラフィ法による測定では、トンネルＨの掘削のために切羽で実施する発破を発振点とし、トンネルＨの切羽で発破により生じた弾性波を地山Ｙの地表の複数個の受振器Ｓ２で測定する。

なお、発破によるトンネルＨの掘削作業において、掘削長が所定の長さ（例えば、５０ｍ）になる度に、受振器Ｓ１，Ｓ２の設置位置をトンネルＨの掘削方向に向かって移動する。

トンネル切羽前方探査方法の具体例の説明

まず、反射法については、所定回数の事前測定が必要なので、反射法とトモグラフィ法との両方を用いた探査処理に先立って、トンネルＨの掘削ための所定回数（例えば、１０回）の発破の度に反射法による反射波の測定を実施する。なお、この際、トモグラフィ法による測定については実施しても良いし、実施しなくても良い。

続いて、図６の右側の反射法の処理では、トンネルＨの掘削のための第１の発破（反射法およびトモグラフィ法の両方法を実施する最初の発破）により生じた発破地震波をトンネルＨ内の受振器Ｓ１で測定し、解析用のコンピュータに転送して、その観測波形データから反射波形を抽出する（図６のステップ１００〜１０２）。また、同時に、発振点および受振点の位置座標データを解析用のコンピュータに入力する（図６のステップ１０３）。なお、反射波形の抽出処理は、図４で説明したので説明を省略する。

続いて、トンネルＨの切羽前方の地山の弾性波速度は既知か否かを判定する（図６のステップ１０４）。すでに屈折法弾性波探査やトモグラフィ法を実施しているなどで既知の場合は、その弾性波速度を用いて理論走時を計算し（図６のステップ１０５）、さらにその理論走時の計算結果を用いてイメージング処理により反射エネルギー分布を作成し（図６のステップ１０７）、その反射エネルギー分布から地山Ｙｂ（低速度層Ｄ）の速度境界面を抽出する（図６のステップ１０８）。一方、ステップ１０４で既知でない場合は、図８に示すように、トンネルＨの切羽前方の全体が切羽付近の地山Ｙａの速度Ｖａであると仮定し（図６のステップ１０６）、その速度Ｖａを用いて理論走時を計算し（図６のステップ１０５）、さらにその理論走時の計算結果を用いてイメージング処理により反射エネルギー分布を作成し（図６のステップ１０７）、その反射エネルギー分布から地山Ｙｂ（低速度層Ｄ）の速度境界面ＲＳ１，ＲＳ２を抽出する（図６のステップ１０８）。なお、図８は反射法による解析結果を示す説明図である。

その後、反射法の測定が１回目か否かを判定する（図６のステップ１０９）。１回目でなければ、収束している（地山Ｙｂ（低速度層Ｄ）の反射境界面ＲＳ１，ＲＳ２が前回と同じ）か否かの判定（図６のステップ１１０）に移行するが、ここでは、１回目なので、図６の左側のトモグラフィ解析処理フローの♯１に移行し、反射法で得られた地山Ｙｂ（低速度層Ｄ）の速度境界面ＲＳ１，ＲＳ２の位置の情報を、トモグラフィ法での初期速度モデルを作成する情報として使用する。

一方、図６の左側のトモグラフィ解析処理（図６の左側）では、トンネルＨの掘削のための上記第１の発破により生じた地震波を地山Ｙの地表の受振器Ｓ２で測定し、解析用のコンピュータに転送して、その観測波形データから初動走時を読み取り、走時曲線を作成する（図６のステップ２００〜２０２）。同時に、発振点および受振点の位置座標データを解析用のコンピュータに入力する（図６のステップ２０３）。

続いて、解析条件の入力データのデータセットを作成し（図６のステップ２０４）、そのデータと、反射法で得られた地山Ｙｂの速度境界面ＲＳ１，ＲＳ２の位置の情報とを用いて、解析領域を格子状のセルに分割し、セルごとに弾性波速度を設定した初期速度モデル（以下、単に速度モデルという）を作成する（図６のステップ２０５）。速度モデルは、図９に示すように、発破を振源として求めた地山Ｙａの弾性波速度をＶａに固定し、また、地山Ｙｂおよび地山Ｙｃの速度を、上記反射法で求めた反射エネルギーの結果（速度境界面ＲＳ１，ＲＳ２の位置情報）から推定してトモグラフィ解析を行い、地山Ｙｂと地山Ｙｃのセルの弾性波速度を求める。この場合、地山Ｙｂ，Ｙｃの各々の弾性波速度は、他の屈折法から推定しても良いが、他の屈折法を行っていない場合は、地山Ｙｂ，Ｙｃの各々の弾性波速度の値が分からないので地山Ｙａの弾性波速度Ｖａと仮定する。

このトモグラフィ解析の結果、図１０（ａ）に示す地山Ｙｂの各セルの弾性波速度および地山Ｙｃの各セルの弾性波速度が求まる。これにより、図１０（ｂ）に示すように、トンネルＨの切羽前方の地山Ｙにおける速度分布が得られる。なお、地山Ｙａの各セルの弾性波速度は上記したＶａである。また、図１０（ａ）は図９に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＩ−Ｉ線断面の速度分布を示すグラフである。

続いて、図１１および図２６に示すように、地山Ｙの区分（セル）毎の弾性波速度を求める。すなわち、トモグラフィ解析の結果から地山Ｙｂの領域の平均弾性波速度Ｖｂ’を下記の数式により求める。

ただし、Ｖｂ（ｉ）は地山Ｙｂの領域の各セルｉの弾性波速度、Ａｂ（ｉ）は地山Ｙｂの領域のセルｉの面積、ｎは地山Ｙｂの領域のセルｉの個数である。

また、地山Ｙｃの領域の平均弾性波速度Ｖｃ’を下記の数式により求める。

ただし、Ｖｃ（ｉ）は地山Ｙｃの領域の各セルｉの弾性波速度、Ａｃ（ｉ）は地山Ｙｃの領域のセルｉの面積、ｎは地山Ｙｃの領域のセルｉの個数である。

なお、図１１は図１０（ａ）に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図である。また、図２６は図１１において地山を区分けしたセルの状態の一部を拡大して示した説明図である。図２６の符号ＳＦは地表面である。また、図２６において、Ｖａ（ｉ）は地山Ｙａの領域の各セルｉの弾性波速度、Ａａ（ｉ）は地山Ｙａの領域のセルｉの面積、ｎは地山Ｙａの領域のセルｉの個数である。

続いて、速度モデルに対して、全ての発振点（発破位置）および受振点（受振器Ｓ２）のペアについて観測されるであろう初動走時の理論値である理論走時を計算する（図６のステップ２０６）。続いて、各発振点および受振点のペアの観測走時と理論走時との差を計算する（図６のステップ２０７）。そして、観測走時と理論走時との差によって収束判定を実施する（図６のステップ２０８）。すなわち、理論走時と観測走時との差が最小となるようにインバージョンとレイトレーシングを繰り返して速度モデルを更新する（図６のステップ２０９）。そして、観測走時と理論走時との走時残差が許容値よりも小さくなるまでステップ２０６〜２０９を繰り返す。一方、観測走時と理論走時との走時残差が許容値よりも小さい場合は、その時点までに求められた速度分布断面が、観測走時をほぼ満足するものであると考えられ反復計算を終了する。なお、このトモグラフィ法における最終の速度分布断面の表現は、対象断面を長方形のセルに分割して、各セルに速度値を割り当て、各セルの速度値に応じた濃淡表示あるいはカラー表示で色分けすることで速度分布を視覚的に容易に把握できるようにしても良い。

次いで、上記のようにしてトモグラフィ解析のステップ２０８で収束判定がなされたら、そこで得られた理論走時と、反射法の波形処理で求めた反射波形のデータとを用いてイメージング処理により反射エネルギー分布を作成し（図６のステップ１０７）、その反射エネルギー分布から速度境界面を抽出し（図６のステップ１０８）、図１２に示すように、新たに地山Ｙｂの速度境界面ＲＳ３，ＲＳ４の位置を求める。なお、図１２は図１１に続く反射法による解析結果を示す説明図である。

続いて、反射法の測定が１回目か否かを判定する（図６のステップ１０９）。ここでは１回目でないので、新たに求められた速度境界面の収束判定を実施する（図６のステップ１１０）。ここでは、例えば、反射法の収束判定のステップ１１０で収束していないとする。その場合は、反射法で求めた新たな速度境界面ＲＳ３，ＲＳ４の位置の情報と、トモグラフィ法の入力データセット（図６のステップ２０４）の情報とを用いて、トモグラフィ解析の速度モデルを作成する（図６のステップ２０５）。このとき、新たな速度境界面ＲＳ３，ＲＳ４で区分けした地山毎の速度を各領域内の平均速度に設定する（図６のステップ２１０）。

続いて、ここで求められた速度モデルに対して、上記と同様に、全ての発振点（発破位置）および受振点（受振器Ｓ２）のペアについて観測されるであろう初動走時の理論値である理論走時を計算し（図６のステップ２０６）、各発振点および受振点のペアの観測走時と理論走時との差を計算し（図６のステップ２０７）、観測走時と理論走時との差によって収束判定を実施する（図６のステップ２０８）。すなわち、上記と同様に、収束していない場合は、速度モデルを修正し（図６のステップ２０９）、観測走時と理論走時との走時残差が許容値よりも小さくなるまでステップ２０６〜２０９を繰り返す一方、収束している場合は、その時点までに求められた速度分布断面が観測走時をほぼ満足するものであると考えられ反復計算を終了する。このトモグラフィ解析の結果、図１３に示す地山Ｙｂと地山Ｙｃの各セルの弾性波速度が求まる。なお、図１３は図１２に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図である。なお、この段階の最終の速度分布断面を上記したのと同様に各セルの速度値に応じた濃淡表示あるいはカラー表示で色分けしても良い。

次いで、上記のようにしてトモグラフィ解析のステップ２０８で収束判定がなされたら、そこで得られた速度モデルに基づいて反射波の理論走時を計算し（図６のステップ１０５）、前記の反射波の理論走時と、反射法の波形処理で求めた反射波形のデータとを用いてイメージング処理により反射エネルギー分布を作成し（図６のステップ１０７）、その反射エネルギー分布から速度境界面を抽出し（図６のステップ１０８）、図１４に示すように、新たに地山Ｙｂの速度境界面Ｒｓ５，Ｒｓ６の位置を求める。

続いて、収束判定を実施し（図６のステップ１１０）、この時に求めた速度境界面ＲＳ５，ＲＳ６の位置と、図１２で求めた速度境界面ＲＳ３，ＲＳ４の位置（格子点間の幅）とが同じ場合は処理を終了し、そうでない場合は、上記と同様に、反射法で求めた新たな速度境界面ＲＳ５，ＲＳ６の位置の情報と、トモグラフィ法の入力データセット（図６のステップ２０４）の情報とを用いて、再度、トモグラフィ解析により速度モデルを作成するステップ２０５に戻り、上記と同様の処理を繰り返す。なお、図１４は図１３に続く反射法による解析結果を示す説明図である。

なお、従来の反射法の解析では、地山の弾性波速度が一定であるとして直線の伝播経路を用いているため、低速度層Ｄの層厚が大きくなったり、速度変化が大きくなると予測誤差が増大したりするのに対し、本実施の形態によるトンネル切羽前方探査においては、走時をアイコーナルの式を差分法により計算して速度境界面で屈折する伝播経路を考慮できるため、複雑な速度構造でも低速度層Ｄの速度境界面位置および弾性波速度の測定精度を向上させることができる。したがって、トンネルＨの切羽前方の探査精度を向上させることができる。

また、本実施の形態においては、上記のようなトンネルＨの切羽前方の探査方法をトンネルＨの掘削のための発破毎（切羽毎）に実施し、その時々での最適な低速度層Ｄの速度境界面位置および弾性波速度を求めてデータの更新を実施する。これにより、トンネルＨを掘り進める度に、発振点を増やすことができ、測定データを増やすことができるので、トンネルＨの切羽前方における低速度層Ｄの速度境界面位置および弾性波速度の測定精度を向上させることができる。したがって、トンネルＨの切羽前方の探査精度をさらに向上させることができる。

数値シミュレーションによる探査性能の検証

ここで、数値モデルを用いて差分法によるＰ波の３次元波動伝播現象の数値シミュレーションを行い、計算により求めた波形を用いて速度境界面を予測し、解析モデルの速度境界面との比較から、本実施の形態の探査法を検証する。

計算モデル

図１５は数値計算モデルの地層構造外観を示すグラフ、図１６は速度境界面とトンネルとの位置関係を示すグラフである。

計算は、図１５および図１６に示すように、例えば、トンネル断面方向（ｘ）に１００ｍ、トンネル軸方向（ｙ）に１４０ｍ、高さ方向（ｚ）に１００ｍの範囲を解析領域として、格子点間隔が全ての方向で１ｍになるように分割数を決めた。

トンネルＨの周辺の弾性波速度が４．６ｋｍ/ｓである地山に、層厚が２０ｍの低速度層（弾性波速度 Ｖｐ＝３．０ｋｍ/ｓ）Ｄが、トンネルＨの切羽Ｋから前方に向かって距離Ｌ１（例えば５７ｍ）の位置で、トンネル断面方向に対して水平方向に３０度程度の走向角θ１、鉛直方向に６０度の傾斜角θ２の角度で交差する３次元モデルを用いた。弾性波速度の差が発生する速度境界面のうち、切羽Ｋ側を第１速度境界面ＲＳａ、切羽Ｋから離れた速度境界面を第２速度境界面ＲＳｂとする。受振点ＲＰ（図５参照）は、例えば、幅員１０ｍのトンネルＨの坑壁に切羽Ｋから１５〜２６ｍ範囲の１ｍ間隔に１２点とした。また、発振点ＳＰ（図５参照）は、例えば、トンネルＨの切羽Ｋから掘削進行方向に１〜２５ｍ範囲の発破（１ｍ間隔）に相当する２５点とした。計算モデル境界での反射波の発生を抑えるため、モデル境界には透過境界条件を与えた。計算の時間ステップは、例えば、探索の計測サンプル時間と同じ８０μｓとした。この時間ステップは差分計算の安定条件を満足している。

計算波形のデータ処理方法について以下に示す

図１７は波動伝播の数値シミュレーションから求めた発振点に最も近い受振点の計算波形図である。計算波形では、発振点ＳＰから受振点ＲＰに直接到達する直接波ＤＷが確認できるが、トンネルＨの切羽前方の速度境界面からの反射波（第１反射波ＲＷ１および第２反射波ＲＷ２）は距離減衰により振幅が小さくなるため、明瞭に確認できない。なお、直接波ＤＷ、第１反射波ＲＷ１および第２反射波ＲＷ２は、いずれもＰ波である。

図１８は図１７の計算波形を図４で示したデータ処理により求めた反射波形図である。直接波ＤＷが取り除かれ、反射波（第１反射波ＲＷ１および第２反射波ＲＷ２）を明瞭に確認することができる。このうち、第１反射波ＲＷ１は走時から切羽前方に向かって５７ｍの第１速度境界面ＲＳａによる反射である。一方、第２反射波ＲＷ２は直接波ＤＷと逆位相で伝播しており、第２速度境界面ＲＳｂによる反射波である。後続にも振幅が小さい反射波を確認できるが、これらの速度境界面で重複した反射波であると推察できる。

反射波のイメージング処理と速度境界面の特定

計算波形のデータ処理から求めた１２０の反射波形（１２（受振点数）×１０（発振点数））を用いてＤＳ法により３次元座標空間に反射エネルギーのイメージング処理を行う。

図１９は従来方法であって探査区間の伝播速度である直接波の弾性波速度（＝４．６ｋｍ/ｓ）を用いて求めた反射エネルギーの評価を示すグラフである。図中には解析モデルの第１速度境界面ＲＳａおよび第２速度境界面ＲＳｂの位置を示す。トンネルＨの切羽Ｋに近い弾性波速度が４．６ｋｍ/ｓから３．０ｋｍ/ｓに変化（すなわち、硬質から軟質に変化）する第１速度境界面ＲＳａの予測Ｅａでは、反射エネルギーの大きいプロットが第１速度境界面ＲＳａの付近に集中して正しい位置に評価している。一方、トンネルＨの切羽Ｋから離れた弾性波速度が３．０ｋｍ/ｓから４．６ｋｍ/ｓに変化（すなわち、軟質から硬質に変化）する第２速度境界面ＲＳｂの予測Ｅｂでは、解析モデルで設定した位置から前方に向かって距離Ｌ２（例えば１０．６ｍ）だけ離れた位置にプロットが集中し、２０ｍである低速度層の幅Ｗを３０．６ｍと間違った評価をしている。

これに対して、図２０は本実施の形態のトンネル切羽前方探査方法であってトンネル切羽前方の弾性波速度を利用し、差分法による走時を用いて反射エネルギーを求めた結果を示すグラフである。トンネルＨの切羽Ｋの前方に近い硬質から軟質に変化する第１速度境界面ＲＳａの予測Ｅａでは、従来の方法と同じ評価になる。一方、トンネルＨの切羽Ｋから離れた軟質から硬質に変化する第２速度境界面ＲＳｂの予測Ｅｃでは、第２速度境界面ＲＳｂの位置付近にプロットが集中して正しい位置に評価している。

以上から、差分法による走時を用いて反射エネルギーを求める本実施の形態のトンネル切羽前方探査方法では、解析モデルの速度境界面付近に反射エネルギーが集中し、速度境界面の位置を精度良く評価できることを確認した。このため、トンネルＨの切羽Ｋの前方の低速度層Ｄの位置、幅および弾性波速度等に関する情報を事前に的確に把握することができるので、支保の変更や補助工法の適用等のような対策を充分に立てることができる。また、トンネルＨの切羽Ｋの前方の探索作業が、掘削施工自体を大きく阻害することもない。したがって、短期間で安全かつ経済的にトンネルＨを掘削することができる。

適用現場と周辺の地質状況

図２１は実験現場の地質縦断図である。

ある道路トンネルにおいて現場実験を行った。地質は、古生代ペルム期の北鈴鹿層群を基盤岩とし、火成岩（緑色岩類）・チャート・粘板岩が分布する。実験は、図２１に示す終点側坑口の位置Ｐｐから１４０ｍ手前のトンネルＨの坑内で行った。トンネルＨの切羽Ｋの位置Ｐｋから坑口の位置Ｐｐが探査範囲である。発振点ＳＰの位置は、切羽進行に伴い前方（図２１の右方向）に移動する。

図中には、事前の屈折法探査による弾性波速度分布の結果を示す。坑口部にかけての低土被り部は、地盤Ｇの上部に２．６ｋｍ/ｓおよび１．０ｋｍ/ｓの低速度層Ｄ１，Ｄ２が下層から順に存在する。なお、符号ＳＦは地表、符号ＲＳｃは下部の速度境界面（下部速度境界面）、符号ＲＳｄは上部の速度境界面（上部速度境界面）を示している。地盤Ｇは、例えば、弾性波速度が４．６ｋｍ/ｓのＣＭからＣＨ級岩盤で構成される。

トンネルＨと抗口部の地質構造位置の関係からトンネルＨの切羽Ｋの位置Ｐｋが切羽前方（トンネル軸方向）の速度境界面よりも切羽上部の速度境界面に近いため、切羽上部からの反射波の影響が大きくなると予想される。そのため、実験ではトンネルＨの上部の速度境界面と反射エネルギー分布の比較からトンネル切羽前方探査方法の性能を検証する。

波形データ処理

図２２はトンネルの切羽から４６．２ｍ離れた受振器で計測した切羽進行１０ｍ（探査発破１０回）分の波形図である。探査発破は、例えば、爆薬量（２００ｇ）を使用して行った。その波形形状は同じであり、発破条件が同じであったことがわかる。なお、初動走時から求まる弾性波速度Ｖｐは４．６ｋｍ/ｓであり、屈折法による弾性波速度と一致している。

探査結果

図２３は反射エネルギーの評価断面図である。速度境界面の評価は、図２３に示すように、空間（例えば１００ｍ×１６０ｍ×１４０ｍ）を１ｍ間隔で離散化した格子点で反射エネルギーを求める。反射エネルギーは、トンネルＨの中心を通る鉛直断面で評価した。

図２４は従来の方法による反射エネルギーの分布であり、図２５は弾性波探査の弾性波速度を利用して差分法の走時を用いた反射エネルギーの分布である。実際は色彩が示される。ここでは色彩を示していないが、暖色になるほど硬質から軟質に変化する反射が強く、寒色になるほど軟質から硬質に変化する反射が強いことを表す。図中には弾性波探査による速度境界面（下部の速度境界面ＲＳｃおよび上部の速度境界面ＲＳｄ）を重ねて示している。

図２４に示すように、従来の解析法による反射エネルギーは、発振点ＳＰと受振点ＲＰとを焦点とする楕円状に分布しており、速度境界（下部の速度境界面ＲＳｃおよび上部の速度境界面ＲＳｄ）と整合していない。これに対して、図２５に示すように、差分法の走時を用いた反射エネルギー分布は、トンネルＨの切羽周辺の地表ＳＦ、下部の速度境界面ＲＳｃおよび上部の速度境界面ＲＳｄなどの速度境界面と整合する分布になっており、弾性波速度の異なる地山が存在する場合でも速度境界面を正しい位置に予測できることが分かる。この結果、従来の方法では予測が難しかったトンネルＨが速度境界面に鋭角に交差する場合でも速度境界面の位置を精度良く評価できることが可能である。

以上から、開発したトンネル切羽前方探査法が複雑な地質構造で、弾性波速度が変化する地山においても速度境界面の予測に有効である。このため、トンネルＨの坑口近傍（低土被り部）のように地形や地質構造が複雑な箇所であっても、その状態を事前に早期にかつ的確に把握することができるので、支保の変更や補助工法の適用等のような対策を充分に立てることができる。したがって、短期間で安全かつ経済的にトンネルＨを掘削することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。

例えば、掘削発破の振動を利用して、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）の時刻情報をもとに、坑内の発振時刻と、地表に設置した受振器の受振時刻とから走時を求め、弾性波探査の計測データと合わせてトモグラフィ解析を行い、トンネルの切羽前方の地山の弾性波速度を求めても良い。この弾性波速度を本実施の形態の探査法に適用することにより、信頼性の高いトンネル切羽前方の地山の把握が可能になる。

また、上記の説明では、トンネル内での発破を発振源として地山表面に設けた受振器で地震波を測定するトモグラフィ法について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、地山表面での発破を発振源として地山表面に設けた受振器で地震波を測定する屈折法におけるトモグラフィ法を用いても良い。

以上のように、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法は、地山に対して発破によりトンネルを掘削する際に、発破により生じた弾性波を用いてトンネル切羽前方の断層帯を探査するトンネル切羽前方探査方法に適用して有効である。

Ｙ 地山
Ｇ 地盤
Ｈ トンネル
Ｋ 切羽
Ｄ，Ｄ１，Ｄ２ 低速度層
Ｓ１，Ｓ２ 受振器
ＲＢ ロックボルト
Ｎ１，Ｎ２ ナット
Ｍ 記録装置
ＴＢ トリガボックス
ＳＰ 発振点
ＲＰ 受振点
ＧＰ 格子点
ＲＳ１〜ＲＳ６ 速度境界面
ＲＳａ 第１速度境界面
ＲＳｂ 第２速度境界面
ＲＳｃ 下部の速度境界面
ＲＳｄ 上部の速度境界面
ＲＷ１ 第１反射波
ＲＷ２ 第２反射波

Claims (3)

1. （ａ）トンネル切羽前方の地山に対してトンネルを掘削するための発破により生じた地震波によって前記トンネルの切羽前方の断層帯から反射する反射波を、前記トンネルの坑壁に設置された複数の第１の受振手段により測定するステップと、
   （ｂ）前記第１の受振手段の測定値に基づいて反射波形を抽出するステップと、
   （ｃ）前記発破により生じた地震波を地表に設置された複数の第２の受振手段により測定するステップと、
   （ｄ）前記第２の受振手段の測定値に基づいてトモグラフィ法の解析処理により前記トンネルの切羽前方の地山の弾性波速度を計算し、速度モデルを作成した後、前記速度モデルに基づいて反射波の理論走時を計算するステップと、
   （ｅ）前記（ｂ）ステップで得られた反射波形のデータと、前記（ｄ）ステップで得られた理論走時を用いて反射エネルギー分布を形成した後、前記反射エネルギー分布から速度境界面の位置を抽出するステップと、
   （ｆ）前記（ｅ）ステップで得られた速度境界面の位置のデータの収束判定を実施し、収束しない場合は収束するまで、前記（ｅ）ステップで得られた速度境界面の位置のデータを用いて前記（ｄ）ステップを実施し、そこで得られた理論走時の計算結果を用いて前記（ｅ）ステップを実施することを繰り返すステップと、
   を有することを特徴とするトンネル切羽前方探査方法。
2. 前記（ｅ）ステップの後、収束判定の前に、前記（ｅ）ステップで算出された速度境界面の位置のデータが１回目の算出データの場合は、収束判定をせずに、前記（ｅ）ステップで算出された速度境界面の位置のデータを用いて前記（ｄ）ステップを実施し、そこで得られた理論走時の計算結果を用いて前記（ｅ）ステップを実施することを特徴とする請求項１記載のトンネル切羽前方探査方法。
3. 前記トンネルの切羽の発破毎に前記（ａ）〜（ｆ）のステップを実施し、発破毎に断層帯の最適な速度境界面位置および弾性波速度のデータを算出し、その算出データを前記発破が実施される度に更新することを特徴とする請求項１または２記載のトンネル切羽前方探査方法。

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