JP7005272B2 - 切羽前方探査方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル等の掘削施工に際し、切羽前方の地質構造の予測に使用する切羽前方探査方法に関する。

山岳トンネルを掘削するにあたり、切羽前方に拡がる地山の性状を適切かつ高い精度で把握することは、支保工を含めた掘削工事全体を効率よくかつ安全に進めていく上で重要である。

近時のトンネルの掘削施工では、１点の発振点から地山に弾性波を発生させ、反射面での反射波を坑口近傍に位置する複数の受振点で受振するＨＳＰ（Horizontal Seismic Profiling）法や、探査用の発破を行い、この発破による弾性波を地震計により計測し、この計測した弾性波により切羽前方の地質変化を推定するＴＳＰ（Tunnel Seismic Prediction）法など、弾性波（弾性波反射法）を用いた切羽前方探査の技術が広く利用されている。

この種の弾性波反射法を用いた切羽前方探査方法が特許文献１により提案されている。
この切羽前方探査方法を図１０に示している。この切羽前方探査方法では、複数の受振器がトンネル壁面付近に設けられ、切羽掘削のための発破や掘削ドリル等により生じ、切羽前方の不連続面に反射して戻ってくる波形を測定する。

この手法では、まず、切羽Ｔ１から離れたトンネルＴの壁面の左右に、ドリル等で穴Ｈを空け、それぞれに複数の受振器Ｓ（受振点）を設置する。この場合、例えば、左右に４個ずつ受振器Ｓを設置する。さらにその後方のトンネルＴの壁面上に複数の受振器Ｓを設置する。この場合、複数の受振器ＳをトンネルＴの壁面の円周上に設置する。例えば、円周上の５個の受振器Ｓは、水平ラインの両端に２個、垂直ラインの上端に１個、その間に２個配置する。また、この場合、受振器Ｓはかぎ型プレートを用いてトンネル壁面に取り付ける。かぎ型プレートは受振器取付部と台部からなり、台部には中央にアンカ用に穴が設けられ、受振器取付部には中央に受振器用の穴が設けられる。トンネルＴの壁面にアンカ用にドリルで穴を空け、かぎ型プレートの台部を穴に合わせて設置し、アンカを穴に設置して、岩盤に連結する。アンカは、アンカの周りの壁面をグラウトで固め、ねじで締め付け、トンネルＴの壁面に固定する。そして、受振器取付部の穴に受振器Ｓを取り付ける。

次に、切羽掘削のため発破、ブレーカー、掘削ドリル等で振動を与え、振動波を発生させる。この際の発破、ブレーカー、掘削ドリル等の振動が発生するポイントが発振点である。
このようにして切羽掘削により発生する発振点から振動を発生し、切羽前方の断層に反射してトンネルＴ内へ戻ってくる振動波を、トンネルＴの壁面の複数の受振器Ｓで測定する。複数の発振点と複数の受振器Ｓの組み合わせから数多くの測定波を得る。

そして、次の処理手順により、切羽前方の地質構造を推定する。
まず、発振点から受振点に伝播した直接波を利用してトモグラフィ解析を行う。受振点で測定された直接波のデータを格納したデータ収集装置は取り外され、パーソナルコンピュータに接続される。パーソナルコンピュータ上でデータ収集装置から読み出された直接波のデータに基づいてトモグラフィ解析を行う。トモグラフィ解析を行うことにより、発振点と受振点間の地盤の速度分布を算出する。トンネルＴの地質状況と、発振点、受振点間の地盤の速度分布から切羽前方地盤の速度分布を仮定する。
次に、発振点と受振点を含む切羽前方に格子点を設定する。
続いて、仮定された速度分布を用いて、発振点から格子点で反射され受振点までの理論的伝播時間を算出する。
次いで、格子点毎に、該格子点を介する複数の前記受振点で測定された波形に対して、前記理論的伝送時間だけシフトさせ、この波形の振幅をすべて足し合わせる。
そして、足し合わせた波形の振幅に基づいて、振幅が正の値でその絶対値が大きい格子点を堅岩部として前記振幅が負の値でその絶対値が大きい格子点を弱層部として、地質を推定する手段と地質を推定する。

このようにこの切羽前方探査方法では、トンネル坑内で人工的に発生させた地震波の切羽前方の反射面で鏡面反射した反射波を検出し、この反射波データを用いて切羽前方の地質変化を推定する。坑壁埋設型の多成分受振器を用いたことで、地震波の入射方向が正確となり、切羽前方の反射面の推定精度を向上させることができる。

特開２００１－９９９４５公報

しかしながら、上記従来の切羽前方探査方法（以下の説明で、手法３という。）では、切羽から離れたトンネルの壁面の左右にドリル等で穴を空け、左右の岩盤内部に複数の受振器を設置し、また、実際の施工においては、トンネル壁面から深度４ｍ程度の削孔を行い、穴に受振器を設置した後、グラウト等により岩盤と受振器を一体化する必要があり、このため、受振器の設置に際して、大掛かりな準備作業を必要とし、また、切羽周辺が占有されるために、通常のトンネルの施工作業を中断しなければならない、という問題がある。

本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、この種の切羽前方探査方法において、トンネル坑内に地震計を大掛かりな準備作業を不要として簡易に設置できるようにすること、しかも、地震計の簡単な設置でありながら、切羽前方の反射面の３次元的な分布状況や反射面位置の出現する方向を精度よく推定できるようにすること、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方法は、
トンネル内に地震計を設置し、トンネル内で地震波を発生させてトンネル切羽前方の地質境界面で反射した反射波を前記地震計により受振し、前記反射波の波形データを既知の解析処理により解析を行って前記反射波の反射面位置を計測することにより、切羽前方の地質境界面を推定する切羽前方探査方法において、
地震計として、中心にロックボルト挿通部を有するケース内に少なくともｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３次元的方向の受振センサーを有する多成分受振センサーを配置してなる受振ユニットを用い、
前記受振ユニットの設置位置とするトンネルの坑壁面所定の位置にロックボルトを一端から打ち込み前記ロックボルトの他端を前記坑壁面上に受振ユニット取付部として残し、
前記受振ユニットを前記ロックボルト挿通部に前記坑壁面に打ち込んだ前記ロックボルトの前記受振ユニット取付部を通し、前記ｘ方向の受振センサーをトンネルの軸方向に、前記ｙ方向の受振センサーをトンネルの鉛直方向に、前記ｚ方向の受振センサーを前記ロックボルトの軸方向となるようにして前記坑壁面上に設置した後、前記ロックボルトの前記受振ユニット取付部にナットを締め込むことにより、前記受振ユニットを前記坑壁面上に圧接して前記坑壁に一体的に設置することで、
少なくとも３方向の受振センサーをトンネルの孔壁面に固定し、
前記受振ユニットの各受振センサーにより前記坑壁を伝播する地震波を捉え、取得した各地震波の波形データをデータ処理して前記各波形データからフィルタ処理により得られる中心周波数を含む特定の周波数領域に限定して当該特定の周波数領域の計測波形を取り出し、当該個々の計測波形から初動波形と同様の特徴を有する反射波の波形を抽出して、当該各反射波の波形データに基づいて、当該各反射波の反射面位置を計測する、
ことを要旨とする。
この場合、複数のロックボルトを少なくともトンネルの坑壁の天端、左右側壁にそれぞれ坑壁面に対して直交させて打ち込み、複数の受振ユニットを少なくとも前記各ロックボルトを介してトンネルの坑壁の天端、左右側壁に圧接して設置することが好ましい。

本発明の切羽前方探査方法によれば、次のような本発明独自の各別な効果を奏する。
この方法では、地震計として、少なくとも３方向の受振センサーをトンネルの孔壁面に固定し、各受振センサーにより坑壁を伝播する地震波を捉え、取得した各地震波の波形データをデータ処理して各波形データからフィルタ処理により得られる中心周波数を含む特定の周波数領域に限定して当該特定の周波数領域の計測波形を取り出し、当該個々の計測波形から初動波形と同様の特徴を有する反射波の波形を抽出して、当該各反射波の波形データに基づいて、当該各反射波の反射面位置を計測する。このようにすることで、複数の受振器を坑壁内部に埋設して反射波を計測する例えば手法３などのような従来の手法と３成分の反射波において概ね同様の計測特性が得ることができる。
そして、この方法では、地震計として、中心にロックボルト挿通部を有するケース内に少なくともｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の受振センサーを有する多成分受振センサーを配置してなる受振ユニットを用いる。そして、トンネルの坑壁面所定の位置にロックボルトを一端から打ち込み、ロックボルトの他端を坑壁面上に受振ユニット取付部として残す。このようにして受振ユニットをロックボルト挿通部に坑壁面に残したロックボルト他端の受振ユニット取付部を通し、ｘ方向の受振センサーをトンネルの軸方向に、ｙ方向の受振センサーをトンネルの鉛直方向に、ｚ方向の受振センサーをロックボルトの軸方向となるようにして坑壁面上に設置し、ロックボルトの受振ユニット取付部にナットを締め込むことにより、受振ユニットを坑壁面上に圧接して坑壁に一体的に設置して、少なくとも３方向の受振センサーをトンネルの孔壁面に固定する。
したがって、この方法によれば、トンネル坑内に地震計を大掛かりな準備作業を不要として簡易に設置することができ、しかも、このような地震計のトンネル坑壁面上への簡易な設置でありながら、従来の手法と同様に、切羽前方の反射面の３次元的な分布状況を精度よく推定することができる。

本発明の第１の実施の形態による切羽前方探査方法（手法１）を示す図 手法１における受振センサーの設置形式を示す図 手法１の概念を示す図 本発明の第２の実施の形態による切羽前方探査方法（手法２）を示す図 手法２における受振センサーの設置形式を示す図 手法２の概念を示す図 手法１、手法２及び従来の手法（手法３）による計測データの周波数特性を示す図 手法１及び手法３によるｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３成分の地震波の計測データからフィルタ処理により２０－２５０Ｈｚの周波数帯の計測波形を取り出して表示した図 手法１、手法２及び手法３のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の計測波形から抽出した初動波形（最初の波長（１波長目）の波形）の軌跡を描いた図（リサージュ図形） 従来の切羽前方探査方法（手法３）を示す図

次に、この発明を実施するための形態について図を用いて説明する。
図１、図２及び図３に第１の実施の形態を示している。
図１に示すように、この切羽前方探査方法（以下、手法１という。）は、弾性波反射法を利用したもので、トンネルＴ内に地震計１を設置し、トンネルＴ内で地震波を発生させてトンネル切羽前方の地質境界面で反射した反射波を地震計１により受振し、反射波の波形データを既知の解析処理により解析を行って反射波の反射面位置を計測することにより、切羽前方の地質境界面を推定する。

この手法１では、図２に示すように、地震計１として、中心にロックボルト挿通部１０を有するケース１１内に少なくともｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３次元的方向の受振センサー１２を有する多成分受振センサー１２を配置してなる受振ユニット１２Ｕと、この受振ユニット１２Ｕで取得した波形データを記録するデータロガーなどの記録装置（図示省略）とを用いる。また、この受振ユニット１２ＵをトンネルＴ内に設置するために、ＮＡＴＭ工法の支保工において岩盤に打ち込まれるロックボルトに着目し、ロックボルト２を受振ユニット１２Ｕの設置アンカーとして使用する。
ロックボルト２は、受振ユニット１２Ｕの設置位置とするトンネルＴの坑壁面所定の位置にロックボルト２の一端から打ち込み、ロックボルト２の他端の一部（この場合、３ｃｍ程度）を坑壁面上に受振ユニット取付部２１として残しておく。受振ユニット１２Ｕは中心のロックボルト挿通部１０に坑壁Ｗに打ち込んだロックボルト２の受振ユニット取付部２１を通し、ｘ方向の受振センサー１２をトンネルＴの軸方向に、ｙ方向の受振センサー１２をトンネルＴの鉛直方向に、ｚ方向の受振センサー１２をロックボルト２の軸方向となるようにしてトンネルＴの坑壁Ｗの坑壁面上に設置した後、ロックボルト２の受振ユニット取付部２１にナット３を締め込むことにより、坑壁Ｗに反力を取って、受振ユニット１２Ｕを坑壁面上に圧接して坑壁Ｗに一体的に設置する。そして、この受振ユニット１２Ｕの各受振センサー１２に通信ケーブルを介して又は無線により記録装置を接続し、この記録装置を受振ユニット１２Ｕの近傍に設置する（図示省略）。

また、この場合、図１（ａ）に示すように、トンネルＴ内の坑壁面の一点に受振ユニット１２Ｕを設置してこの一点での計測でも坑壁Ｗ（岩盤）の挙動（多成分（３成分）の反射波）を計測して、切羽前方の反射面の分布を推定することが可能であるが、複数のロックボルト２を少なくともトンネルＴの坑壁Ｗの天端、左右側壁にそれぞれ坑壁面に対して直交させて打ち込み、複数の受振ユニット１２Ｕを各ロックボルト２を介して少なくともトンネルＴの坑壁Ｗの天端、左右側壁に圧接して設置することが好ましく、この場合、図３（ｂ）に示すように、３本のロックボルト２を使用し、その１本をトンネルＴの坑壁Ｗの天端壁面に鉛直方向に向けて打ち込み、残りの２本をそれぞれトンネルＴの左右の両側壁面に水平方向に向けて打ち込み、３つの受振ユニット１２Ｕ（以下、多成分受振センサー１２という場合がある。）を各ロックボルト２を介してトンネルＴの天端、左右両側壁の壁面に圧接して設置する。このようにすることにより、合計９チャンネル分の地震波を取ることができ、切羽前方の反射面の推定精度を向上させることができる。

このようにして、図１に示すように、従来と同様に、トンネルＴ内の切羽において切羽掘削のための発破、ブレーカー、掘削ドリル等で振動を与え、地震波を発生させ、受振ユニット１２Ｕの各受振センサー１２により坑壁Ｗ（岩盤）を伝播する地震波を捉え、取得した各地震波の波形データに既知のデータ処理、解析処理を施して、各波形データから反射波の反射面位置を計測する。
各波形データのデータ処理、解析では、図３に示すように、受振ユニット１２Ｕの各受振センサー１２で捉え、記録装置に記録した各地震波の各波形データから特定の低周波領域の計測波形を取り出し、当該個々の計測波形から初動の波形（最初の波長（１波長目））と同様の特徴を有する反射波の波形を抽出して、当該各反射波の波形データに基づいて、当該各反射波の反射面位置を計測する。そして、この計測結果より、切羽前方の地質境界面を推定する。

さて、この手法１のように、手法３など従来の手法において岩盤内部に設置していた多成分受振センサーをトンネルＴの坑壁面にのみ設置して、従来の手法と同様に、反射波データを取得し記録装置に記録する手法では、岩盤内部の多成分受振センサーで取得される波形データと同程度の波形データは取れないというのが一般的な見方であるところ、本願発明者等は、この手法１のような多成分受振センサー１２の設置形式であっても、取得した波形データをバンドパスフィルタに掛けることによって得られるある周波数領域に限っては、岩盤内部の多成分受振センサーで取得される波形データに近似する、そのくらいの信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）で波形データを取ることができることを見出した。手法１及び手法３の両手法による計測特性は基礎実験により確認済みであり、その結果を図７、図８、及び図９に示している。

図７に図１（ｂ）に示す手法１、後述する手法２、手法３による計測データの周波数特性を示している。この周波数分析により、地震波の原波形に含まれる周波数成分を調べる。なお、手法２による計測データの周波数特性については第２の実施の形態で参照する。
図７に示すように、手法１、３の３成分（ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向）の波形データには図示のような特徴が見られ、１００Ｈｚ付近に中心周波数があることが分かる。手法１では、この１００Ｈｚを中心周波数として２０－２５０Ｈｚくらい（好ましくは５０－２００Ｈｚくらい）をターゲットとする。

図８は手法１、手法３によるｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３成分の反射波の計測データからバンドパスフィルタで２０－２５０Ｈｚの周波数帯の計測波形を取り出して表示したグラフであり、上段のグラフに手法１によるｘ方向の計測波形を実線で、手法３によるｘ方向の計測波形を破線でそれぞれ示し、中段のグラフに手法１によるｙ方向の計測波形を実線で、手法３によるｙ方向の計測波形を破線でそれぞれ示し、下段のグラフに手法１によるｚ方向の計測波形を実線で、手法３によるｚ方向の計測波形を破線でそれぞれ示している。
図８に示すように、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の各計測波形から、手法１により取得したトンネルＴ内の坑壁面の挙動と手法３により取得した坑壁Ｗ（岩盤内部（深部））の挙動が低周波（２０－２５０Ｈｚ）の領域で同じような動きが見られ、とりわけ、手法１の計測波形の初動波形（最初の波長（１波長目）の波形）と手法３の計測波形の初動波形（最初の波長（１波長目）の波形）に同じような波形が取れていることが分かる。この最初の１波長はＰ波であり、手法１の波形でも手法３の波形でも同じ揺れ方をし、この後に続く後続波の波形にはＳ波や表面波が混在されているが、後続のＰ波も同じ動きを取り、反射波のＰ波成分、つまり、一次反射波もまた同じ動きをするものと考えられる。そこで、この手法１では、特に地震波の１波長目にくるＰ波を前方探査のソースとする。

図９（手法１）は図８の手法１及び手法３のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の計測波形から抽出した初動波形（最初の波長（１波長目）の波形）の軌跡を描いたリサージュ図形であり、これらの波形が手法１及び手法３の計測特性を表している。図９（手法１）において、実線で表した波形が手法１の波形、破線で表した波形が手法３の波形であり、どちらも同じような波形になっており、手法１が手法３と３成分において同様の計測特性が得られていることが分かる。
このように手法１による計測波形は手法３による計測波形に比べて遜色がなく、手法１によっても、手法３と概ね同様の、３次元的な指向性を持った計測が可能であることを確認した。

かくして既述の低周波領域の個々の計測波形から初動波形（最初の波長（１波長目））を取り出し、同個々の計測波形から初動波形と同様の特徴を有する後続波、つまり一次反射波の波形を抽出すれば、これら反射波の波形データについて既知の解析処理（スタッキング処理、マイグレーション処理など）を施すことにより、各反射波の反射面のイメージングを行なうことができる。

そこで、この手法１では、図３に示すように、多成分受振センサー１２によりトンネルの坑壁Ｗを伝播する３成分の地震波を捉え、取得した各地震波の波形データ（原波形）に、まず、バンドパスフィルタによりフィルタ処理を施して３成分の各波形データから２０－２５０Ｈｚの低周波領域の計測波形を取り出し、当該個々の計測波形から初動波形（最初の波長（１波長目））と同様の特徴を有する反射波の波形を抽出する。次いで、複数の測定データを重ね合わせる所謂スタッキング処理を行ない、同一成分の波形データを重ね合わせて、波形データの分解能を向上させ、このようにして３成分の個々の計測波形から初動波形（最初の波長（１波長目））と同様の特徴を有する一次反射波の波形を抽出する。そして、以上の処理により求めた時間断面を、マイグレーション処理（例えば、ディフラクション・スタック法）により、距離断面に変換して、３成分の各反射波の到来方向及び反射位置を算出し、各反射波の反射点を抽出して反射面を３次元的に予測する。かくして、トンネル掘削時にトンネルＴ内に上下左右に出現する地質境界面を推定する。

以上説明したように、この手法１によれば、地震計１として多成分受振センサー１２をトンネルＴの坑壁面に設置したものであっても、多成分受振センサー１２をトンネルＴの坑壁面にロックボルト２及びナット３により圧接して一体的に設置し、この多成分受振センサー１２により坑壁Ｗを伝播する地震波を捉え、取得した各地震波の波形データをデータ処理して各波形データから低周波領域の計測波形を取り出し、当該個々の計測波形から初動波形と同様の特徴を有する反射波の波形を抽出して、当該各反射波の波形データに基づいて、取得した各反射波の到来方向及び反射面位置を計測するようにしたので、トンネルＴ内に地震計１を大掛かりな準備作業を不要として簡易に設置することができ、しかも、この手法１によっても、複数の受振器を坑壁内部に埋設して反射波を計測する例えば手法３などのような従来の手法と３成分の反射波において概ね同様の計測特性を得ることができ、このような地震計１のトンネル坑壁面上への簡易な設置でありながら、従来の手法と同様に、切羽前方の反射面の３次元的な分布状況、すなわち、切羽前方の地質境界面を精度よく推定することができる。
そして、この手法１では、特に、受振センサー１２の設置アンカーに支保工に使用するロックボルト２を利用するので、手法３など従来の手法に比べて準備作業を簡易に短時間で行うことができ、また、施工設備を利用して計測するため、測定しやすく安価である。
また、トンネル切羽前方の地質境界面を３次元的に把握できるため、トンネルの掘削時に地質の変化が始まる部位（天端か踏前か、右側か左側か）を予測することができ、トンネルの掘削時の施工管理、安全管理に活用することができる。

図４、図５及び図６に第２の実施の形態を示している。
図４に示すように、この切羽前方探査方法（以下、手法２という。）は、手法１と同様に、弾性波反射法を利用したもので、トンネルＴ内に地震計１を設置し、トンネルＴ内で地震波を発生させてトンネルＴの切羽前方の地質境界面で反射した反射波を地震計１により受振し、反射波の波形データを既知の解析処理により解析を行って反射波の反射面位置を計測することにより、切羽前方の地質境界面を推定する。

この手法２では、図５に示すように、地震計１として、複数の受振センサー１３と、これらの受振センサー１３で取得した波形データを記録する記録装置（図示省略）とを用いる。また、これらの受振センサー１３をトンネルＴ内に設置するために、ＮＡＴＭ工法の支保工において岩盤に打ち込むロックボルト２に着目し、ロックボルト２を受振センサー１３の設置アンカーとして使用する。
複数のロックボルト２は、各受振センサー１３の設置位置とするトンネルＴの坑壁Ｗの坑壁面所定の位置にそれぞれロックボルト２の一端から相互に異なる方向に打ち込み、ロックボルト２の他端側の一部を坑壁面上に残してロックボルト２の他端面を受振センサー取付部２２とする。
各受振センサー１３は、坑壁面に打ち込んだ各ロックボルト２の受振センサー取付部２２にロックボルト２の長軸方向の指向性を有する単成分センサーとして取り付ける。ロックボルト２は後述するとおり長軸方向に振動しやすい性質を有することから、受振センサー１３をロックボルト２の挿入方向の単成分センサーとして取り扱い、複数の受振センサー１３を組み合わせることで、多成分受振センサーとして機能させることが可能である。そして、各受振センサー１３に通信ケーブルを介して又は無線により記録装置を接続し、この記録装置をトンネルＴ内に設置する（図示省略）。
この手法２では、トンネル断面が探査範囲に対して十分小さく無視できる場合、反射波を３次元的に計測するには、図４（ａ）に示すように、複数のロックボルト２を少なくともトンネルＴの坑壁Ｗの天端、左右側壁にそれぞれ坑壁面に対して直交又は斜交（好ましくは側壁に対して±４５°方向に斜交）させて打ち込み、複数の受振センサー１３を各ロックボルト２を介して少なくともトンネルＴの坑壁Ｗの天端、左右側壁に設置することが好ましい。なお、ロックボルト２を坑壁面に斜交させて打ち込む場合は、ロックボルト２の一端（先端）を切羽方向に向けて打ち込むことが望ましい。また、図４（ｂ）に示すように、３本以上の複数のロックボルト２をトンネルＴの坑壁面の同一地点に各ロックボルト２を相互に直交させて打ち込み、複数の受振センサー１３を各ロックボルト２を介してトンネルＴの坑壁面の同一箇所に設置するようにしてもよい。このようにすることにより全体として多成分受振センサーとして取り扱うことが可能である。なお、この場合も、ロックボルト２を坑壁面にロックボルト２の一端（先端）を切羽方向に向けて打ち込むことが望ましい。

このようにして、図４に示すように、手法３と同様に、トンネルＴ内の切羽において切羽掘削のための発破、ブレーカー、掘削ドリル等で振動を与え、地震波を発生させる。
そして、各受振センサー１３によりトンネルＴの坑壁Ｗに打ち込まれた各ロックボルト２を伝播する地震波を捉え、取得した各地震波の波形データをデータ処理して各波形データから特定の低周波領域の計測波形を取り出し、当該個々の計測波形から初動波形と同様の特徴を有する反射波の波形を抽出して、当該各反射波の走時（到来時間）から当該各反射波の走時差（到来時間の時間差）を算出し、当該各反射波の走時差に基づいて、当該各反射波の反射面位置を計測する。

さて、本願発明者等は、手法２のように、ロックボルト２をトンネルＴの坑壁面に打ち込んでロックボルト２の頭部（ロックボルト２の他端部の端面）にｚ方向の単成分受振センサー１３を取り付ける受振センサーの設置形式でも、受振センサー１３でロックボルト２の振動を取り、得られるロックボルト２の長軸方向の一成分の波形データについて、波形データをバンドパスフィルタに掛けることによって得られるある周波数領域に限っては、岩盤内部の多成分受振センサーで取得されるｚ方向の一成分の波形データに近似する波形データを取ることができることを見出した。手法２及び手法３の両手法による計測特性は基礎実験により確認済みであり、その結果を図７、図９に示している。なお、この場合、ロックボルト２の頭部周囲に、第１の実施の形態と同様に、ｘ方向、ｙ方向の受振センサー１３を併せて取り付けてある。

図７（手法２）に図４（ａ）に示す手法２による計測データの周波数特性を示している。この周波数分析により、地震波の原波形に含まれる周波数成分を調べる。図７（手法２）に示すように、手法２による計測データの周波数特性は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向のどの波形データも他の手法１、３のものより大きく表れ、ピークの形も特徴的で、１００Ｈｚ付近に中心周波数があり、特にｚ方向の波形データに最も大きな反応が見られる。そこで、この手法２でもまた、この１００Ｈｚを中心周波数として２０－２５０Ｈｚくらい（好ましくは、５０－２００Ｈｚくらい）をターゲットとする。なお、手法２の周波数特性には５００Ｈｚ当たりに手法３の周波数特性には見られないピークがある。これはロックボルト２の共振（３００Ｈｚ－５００Ｈｚ）によるものとみられる。この手法２では、ターゲットとしている周波数帯域と異なるため、ロックボルト２の共振は大きく影響しない。
そして、第１の実施の形態と同様に、手法２、手法３によるｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３成分の反射波の実際の計測データからバンドパスフィルタで２０－２５０Ｈｚの周波数帯の計測波形を取り出したところ、手法２では、ｘ方向の成分、ｙ方向の成分は適正に取れない結果となったが、ｚ方向の波形データは手法３のｚ方向の波形データと概ね同様の動きが見られ、とりわけ、両手法２、３の計測波形の初動波形の最初の２分の１波長内の範囲に同じような波形が取れており、ｚ方向の反応は適正に取れることが分かった。この初動波形はＰ波であり、手法２の波形でも手法３の波形でも同じ揺れ方をし、この後に続く後続波の波形にはＳ波や表面波が混在されているが、後続のＰ波も同じ動きを取り、反射波のＰ波成分、すなわち、一次反射波もまた同じ動きをするものと考えられる。そこで、この手法２では、特に地震波の２分の１波長目にくるＰ波を前方探査のソースとする。

図９（手法２）は手法２及び手法３のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の計測波形から抽出した初動波形（１波長目の波形）の軌跡を描いたリサージュ図形で、これらの波形が手法２及び手法３の計測特性を表している。図９において、実線で表した波形が手法２の波形、破線で表した波形が手法３の波形であり、手法２と手法３とではｘ成分、ｙ成分ともに異なる波形になっているものの、どちらもｚ成分については同じような波形が見られ、手法２がｚ成分（ロックボルトの長軸方向の成分）で手法３と同様の挙動が得られていることが分かる。
このように手法２による計測波形はｚ成分については手法３による計測波形に比べて遜色がなく、ロックボルト２頭部の受振センサー１３で、ロックボルト２の振動の伝播特性を使って、ｚ方向（ロックボルトの長軸方向）の波形データを計測できることを確認した。

したがって、既述の低周波領域の個々の計測波形から初動波形を取り出し、同個々の計測波形から初動波形と同様の特徴を有する後続波を抽出することで、反射波を推定することができる。つまり、初動波形と同様の特徴を有する後続波が一次反射波となる。これらの一次反射波は、図４（ａ）に示すように、異なる計測位置の受振センサ１３で計測されるので、反射面から戻ってくる時間が異なり、各反射波間で到来時間の差が生じる。この時間差、つまり走時差を利用して、各一次反射波の到来方向及び位置を求めることができる。
また、図４（ｂ）に示すように、複数のロックボルト２を同一地点において異なる方向に打ち込む場合でも同様で、各反射波の各受振センサー１３に到達する時間が違うので、この時間差から、各反射波の到来方向及び位置を求めることができる。この場合、例えば、切羽前方の右側に地質境界面があると見込まれるときは、複数のロックボルト２を右側の坑壁Ｗに集中してそれぞれ異なる方向に向けて打ち込み、各ロックボルト２の頭部に受振センサー１３を取り付けておけば、各反射波の到来方向及び位置をより適切に求めることができる。また、この場合、各ロックボルト２をトンネルＴの坑壁Ｗに切羽方向に向けて差し込むことで、より強い反応を取ることができる。

かくして既述の低周波領域の個々の計測波形から初動波形を取り出して、同個々の計測波形から初動波形と同様の特徴を有する後続波、つまり一次反射波の波形を抽出し、これら一次反射波の異なる走時からこれら一次反射波の走時差を算出すれば、各一次反射波の走時差に基づいて、各一次反射波の反射面位置を計測することができる。

そこで、この手法２では、図６に示すように、複数の受振センサー１３により坑壁Ｗに打ち込まれた各ロックボルト２を伝播する地震波を捉え、取得した各地震波の波形データをフィルタ処理して各波形データから２０－２５０Ｈｚの特定の低周波領域の計測波形を取り出し、当該個々の計測波形から初動波形と同様の特徴を有する一次反射波の波形を抽出して、これら一次反射波の走時から各一次反射波の走時差を算出し、各一時反射波の走時差に基づいて、各一次反射波の反射位置を計測し、各反射波の反射点を抽出して反射面を予測する。かくして、トンネルＴの掘削時にトンネルＴ内に上下左右に出現する地質境界面を推定する。

以上説明したように、手法２によれば、地震計１として複数の受振センサー１３をロックボルト２を介してトンネルＴの坑壁面に設置したものであっても、トンネルＴの坑壁面所定の位置に複数のロックボルト２を相互に異なる方向に打ち込み、複数の受振センサー１３を坑壁面上に残したロックボルト２他端の他端面の受振センサー取付部２２にロックボルト２の長軸方向の指向性を有する単成分センサーとして取り付けて、各受振センサー１３により各ロックボルト２を伝播する地震波を捉え、取得した各地震波の波形データをデータ処理して各波形データから特定の低周波領域の計測波形を取り出し、当該個々の計測波形から初動波形と同様の特徴を有する反射波の波形を抽出して、当該各反射波の走時差に基づいて、当該各反射波の反射面位置を計測するようにしたので、トンネルＴ坑内に地震計１を大掛かりな準備作業を不要として簡易に設置することができ、しかも、この手法２によっても、複数の受振器１３を岩盤内部に埋設して反射波を計測する例えば手法３などのような従来の手法とロックボルトの長軸方向の成分の反射波において概ね同様の挙動が得ることができ、このような地震計１のトンネルＴの坑壁面上への簡易な設置でありながら、従来の手法と同様に、切羽前方の反射面の３次元的な分布状況、すなわち、切羽前方の地質境界面を精度よく推定することができる。
そして、この手法２においても、特に、受振センサー１３の設置アンカーに支保工に使用するロックボルト２を利用するので、手法３など従来の手法に比べて準備作業を簡易に短時間で行うことができ、また、施工設備を利用して計測するため、測定しやすく安価である。
また、トンネル切羽前方の地質境界面を３次元的に把握できるため、トンネルの掘削時に地質の変化が始まる部位（天端か踏前か、右側か左側か）を予測することができ、トンネルの掘削時の施工管理、安全管理に活用することができる。

Ｔ トンネル
Ｗ 坑壁
１ 地震計
１０ ロックボルト挿通部
１１ ケース
１２ 受振センサー（多成分受振センサー）
１２Ｕ 受振ユニット
１３ 受振センサー（Ｚ方向の単成分受振センサー）
２ ロックボルト
２１ 受振ユニット取付部
２２ 受振センサー取付部
３ ナット

Claims (2)

1. トンネル内に地震計を設置し、トンネル内で地震波を発生させてトンネル切羽前方の地質境界面で反射した反射波を前記地震計により受振し、前記反射波の波形データを既知の解析処理により解析を行って前記反射波の反射面位置を計測することにより、切羽前方の地質境界面を推定する切羽前方探査方法において、
   地震計として、中心にロックボルト挿通部を有するケース内に少なくともｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３次元的方向の受振センサーを有する多成分受振センサーを配置してなる受振ユニットを用い、
   前記受振ユニットの設置位置とするトンネルの坑壁面所定の位置にロックボルトを一端から打ち込み前記ロックボルトの他端を前記坑壁面上に受振ユニット取付部として残し、
   前記受振ユニットを前記ロックボルト挿通部に前記坑壁面に打ち込んだ前記ロックボルトの前記受振ユニット取付部を通し、前記ｘ方向の受振センサーをトンネルの軸方向に、前記ｙ方向の受振センサーをトンネルの鉛直方向に、前記ｚ方向の受振センサーを前記ロックボルトの軸方向となるようにして前記坑壁面上に設置した後、前記ロックボルトの前記受振ユニット取付部にナットを締め込むことにより、前記受振ユニットを前記坑壁面上に圧接して前記坑壁に一体的に設置することで、少なくとも３方向の受振センサーをトンネルの孔壁面に固定し、
   前記受振ユニットの各受振センサーにより前記坑壁を伝播する地震波を捉え、取得した各地震波の波形データをデータ処理して前記各波形データからフィルタ処理により得られる中心周波数を含む特定の周波数領域に限定して当該特定の周波数領域の計測波形を取り出し、当該個々の計測波形から初動波形と同様の特徴を有する反射波の波形を抽出して、当該各反射波の波形データに基づいて、当該各反射波の反射面位置を計測する、
   ことを特徴とする切羽前方探査方法。
2. 複数のロックボルトを少なくともトンネルの坑壁の天端、左右側壁にそれぞれ坑壁面に対して直交させて打ち込み、複数の受振ユニットを少なくとも前記各ロックボルトを介してトンネルの坑壁の天端、左右側壁に圧接して設置する請求項１に記載の切羽前方探査方法。

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