JP7470614B2 - A method for estimating three-dimensional velocity structure ahead of the face in a face-ahead detection system - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 令和元年１０月２４日 日本応用地質学会で発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act Announced at the Japan Society of Engineering Geology on October 24, 2019

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、切羽前方三次元速度構造推定方法に関し、特に、トンネル施工の安全と品質において重要となる断層破砕帯や地質境界などを把握し、とりわけ、地震波の反射面の三次元構造と岩盤の硬軟を把握するための手法に関するものである。 The present invention relates to a method for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of a tunnel face in a survey ahead of the tunnel face when excavating a tunnel, etc. In particular, it relates to a method for identifying fault zones and geological boundaries, which are important for the safety and quality of tunnel construction, and in particular, for identifying the three-dimensional structure of the reflection surface of seismic waves and the hardness and softness of the rock mass.

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。弾性波を利用した反射法による切羽前方三次元速度構造推定方法として、特許文献１（特開２０１６－０９５１４０号）や非特許文献１に示されたものがある。 In tunnel construction, the elastic wave velocity distribution of the ground is estimated to ensure safe and efficient tunnel excavation and support work, and exploration is carried out ahead of the face, as understanding geological changes ahead of the excavation face and taking measures are necessary for safe and rapid excavation work. Examples of methods for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the face using a reflection method that utilizes elastic waves are shown in Patent Document 1 (JP 2016-095140 A) and Non-Patent Document 1.

いずれの方法でも、受振点と起振点を焦点とする楕円上において、反射エネルギーの大きさから反射面の分布を推定することを要旨としている。 The gist of both methods is that the distribution of reflecting surfaces is estimated from the magnitude of reflected energy on an ellipse whose foci are the receiving point and the excitation point.

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。 A technology for high-precision imaging of the area in front of a tunnel face using three-component reception of elastic waves is shown in Non-Patent Document 1, which proposes a method for estimating the reflection surface in three dimensions by measuring elastic waves (reflected waves) that are generated inside the tunnel and specularly reflected by an elastic wave reflection surface in front of the face using a three-component seismometer installed inside the tunnel, stacking the measured waveforms, and then weighting the three-component data.

特開２０１６－０９５１４０号JP 2016-095140 A

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，ｐｐ１２３－１２９，２００１．６Yuzuru Ashida and two others, "High-precision imaging of the tunnel face using three-component elastic wave reception," Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers, No. 680/III-55, pp. 123-129, June 2001

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方法の技術においては、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。例えば、上記従来技術による切羽前方三次元速度構造推定結果は、マイグレーションによる反射エネルギーのイメージングとして得られるのみで、反射面の性状を推定しているものではない。 However, the conventional methods for detecting the area ahead of the tunnel face, including the techniques disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, have not been sufficient in terms of tunnel construction management. For example, the results of estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the tunnel face using the above-mentioned conventional techniques are obtained only as an image of the reflected energy due to migration, and do not estimate the properties of the reflecting surface.

また、従来の切羽前方三次元速度構造推定方法では、反射面の三次元的な分布を推定する際には、周辺の地山の地質構造や地質性状を考慮したり、計測する成分に重み付けを行うことが必要であり、そのような切羽前方三次元速度構造推定結果は操作の実施者の考察により異なり、バラツキが生じる可能性がある。 In addition, with conventional methods for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the face, when estimating the three-dimensional distribution of reflection surfaces, it is necessary to take into account the geological structure and geological properties of the surrounding ground and to weight the components to be measured, and the results of such estimations of the three-dimensional velocity structure ahead of the face can vary depending on the considerations of the person performing the operation, which can lead to variability.

本発明は、上記従来技術における不具合を解決するためになされたものであって、トンネルの切羽前方探査において、弾性波データを処理してデータ解析を行う実施者の技量によらず、切羽前方三次元速度構造を推定する方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the problems in the conventional technology described above, and aims to provide a method for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of a tunnel face in a survey ahead of the face of a tunnel, regardless of the skill of the person who processes the elastic wave data and performs the data analysis.

上記目的を達成するため、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、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三次元速度構造推定方法であって、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、前記抽出された反射波より成る弾性波データのうち、切羽前方から伝播する反射波より成る弾性波データを抽出する前方反射波抽出ステップと、前記切羽前方から伝播する反射波より成る弾性波データを抽出した後、各地震計において取得された３成分弾性波データから、複数の弾性波データを解析し、速度構造を推定するデータ解析ステップと、を有することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the method of estimating forward velocity in a forward exploration of a tunnel face of the present invention comprises installing a blasting signal detection means and an elastic wave recording means at a predetermined rear position away from the tunnel face, installing a plurality of seismometers on the inner wall surface of the tunnel, drilling blasting holes at the tunnel face in the tunnel and loading them with explosives, measuring the blasting signal generated from the blasting device to detonate the explosives, receiving and measuring the elastic waves generated from the tunnel face when the explosives are detonated with the seismometers, and recording the waves in the elastic wave recording means, repeating the above steps for each excavation of the tunnel face, extracting reflected waves from the elastic waves recorded in the elastic wave recording means for each excavation of the tunnel face, and calculating the forward velocity based on the reflected waves. This method for estimating a three-dimensional velocity structure ahead of the face, which estimates the three-dimensional position of a reflection surface, is characterized by having an elastic wave separation and extraction step for separating and extracting direct waves and reflected waves from the elastic waves recorded in the elastic wave recording means for each excavation of the face, a forward reflected wave extraction step for extracting elastic wave data consisting of reflected waves propagating from ahead of the face from the elastic wave data consisting of the extracted reflected waves, and a data analysis step for analyzing multiple elastic wave data from the three-component elastic wave data acquired by each seismometer after extracting the elastic wave data consisting of reflected waves propagating from ahead of the face, and estimating the velocity structure.

本発明の１つの態様として、前記データ解析ステップにおいては、弾性波の測定記録をユニットごとに、Ｘ、Ｙ、Ｚ成分に分け、ＣＳＶファイルを作成し、波形を確認後に不良波形の削除等を行い、解析対象とする波形を抽出し準備する波形を抽出ステップと、起振点、受振点座標をＣＳＶファイルに追記してジオメトリーの入力を実行するジオメトリー入力ステップと、各ユニット毎に、初動が最も明瞭な波形成分（Ｘ，ＹまたはＺ）を使用して直達波の速度を読み取る初動読み取りステップと、記録波形中の反射波データに対して、フィルター処理を行ってノイズを除去するノイズ除去ステップと、速度（τ－ρ）フィルター処理を行って前方からの反射波を抽出する速度フィルター処理ステップと、ミュート処理を行って速度フィルターによって生じた初動前の波形を除去するミュート処理ステップと、前記ノイズ除去処理、速度フィルター処理、およびミュート処理の各処理波形に対し、処理の適正、不適正を確認する処理確認ステップと、を有することを特徴とするものである。 In one aspect of the present invention, the data analysis step includes a waveform extraction step in which the elastic wave measurement record is divided into X, Y, and Z components for each unit, a CSV file is created, and after checking the waveform, defective waveforms are deleted, and the waveform to be analyzed is extracted and prepared; a geometry input step in which the coordinates of the vibration source and vibration receiver are added to the CSV file to input the geometry; an initial motion reading step in which the speed of the direct wave is read for each unit using the waveform component (X, Y, or Z) with the clearest initial motion; a noise removal step in which noise is removed by filtering the reflected wave data in the recorded waveform; a velocity filter processing step in which a velocity (τ-ρ) filter processing is performed to extract the reflected wave from the front; a mute processing step in which a mute processing is performed to remove the waveform before the initial motion generated by the velocity filter; and a process confirmation step in which the noise removal processing, velocity filter processing, and mute processing are confirmed for appropriateness or inappropriateness of the processed waveforms.

また、本発明の他の態様として、前記データ解析ステップにおいては、速度構造を推定するに当たって、反射波のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分の３成分波形を演算により合成処理して、
ｒ＝√（Ｘ²＋Ｙ²＋Ｚ²）
ここで、ｒ：反射波の強さ、Ｘ、Ｙ、Ｚ：反射波のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分の各成分の強さ、
の演算を行って反射波の強さを求めるステップと、
合成波の反射波の入射方向への投影成分
ｒ×ｃｏｓθ
を求めることで、時間変化毎の反射波の到来方向を再現し、また、到来方向上の任意の地点（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）における反射波エネルギーの大きさとして、
ｒ×ｃｏｓθ（Ｔ_i）
ここで、
Ｔ_i：反射波の時間軸上における位置（時刻情報）
の演算を行って到来方向上の任意の地点を時間データとして求めるステップと、受振点毎に反射点の反射エネルギーを算出するステップと、を有することを特徴とするものである。 In another aspect of the present invention, in the data analysis step, when estimating the velocity structure, three component waveforms of X component, Y component, and Z component of the reflected wave are synthesized by calculation,
r = √( ^X2 + ^Y2 + ^Z2 )
Here, r is the strength of the reflected wave, X, Y, Z are the strengths of the X, Y, and Z components of the reflected wave,
A step of calculating the strength of the reflected wave by performing the calculation of
Projection component of the composite wave in the direction of the reflected wave r × cosθ
By calculating the above, the arrival direction of the reflected wave for each time change can be reproduced, and the magnitude of the reflected wave energy at any point (x _i , y _i , z _i ) on the arrival direction can be calculated as follows:
r×cosθ(T _i )
here,
T _i : Position of the reflected wave on the time axis (time information)
and calculating the reflected energy of a reflection point for each receiving point.

さらに、本発明の他の態様として、前記データ解析ステップにおいては、前記受振点毎に反射点の反射エネルギーを算出した結果により、岩盤中を伝播する弾性波の速度を既知のパラメータとして与え、反射体の空間分布モデルを設定するステップと、当該反射体の空間分布モデルの各微小空間要素からの反射振幅を推定し、ディフラクションスタック処理の３次元アルゴリズムにより、Ｘ，Ｙ，Ｚ３成分の座標変換結果に対してマイグレーションによるイメージング処理を実行するステップと、を有することを特徴とするものである。 In another aspect of the present invention, the data analysis step includes a step of setting a spatial distribution model of reflectors by giving the speed of elastic waves propagating through the rock as a known parameter based on the result of calculating the reflection energy of the reflection point for each receiving point, and a step of estimating the reflection amplitude from each minute spatial element of the spatial distribution model of the reflectors and performing imaging processing by migration on the coordinate transformation results of the three components X, Y, and Z using a three-dimensional algorithm for diffraction stack processing.

さらに、本発明の他の態様として、前記データ解析ステップにおいては、ディフラクションスタッキング処理に加えて速度解析処理を実行し、前記速度解析処理では、複数の反射面区間の平均速度を算出し、切羽前方の地質の硬軟を予測する、ことを特徴とするものである。 In another aspect of the present invention, the data analysis step includes a velocity analysis process in addition to the diffraction stacking process, and the velocity analysis process calculates the average velocity of multiple reflection surface sections and predicts the hardness or softness of the geology ahead of the drilling face.

本発明の第１の特徴の切羽前方三次元速度構造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三次元速度構造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。 The first feature of the present invention, the method for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the tunnel face and the system for estimating the velocity ahead of the tunnel face used therein, makes it possible to easily perform analysis using a simple algorithm and estimate the velocity ahead of the tunnel face. As a result, the present invention can realize a method for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the tunnel face and a system for estimating the velocity ahead of the tunnel face used therein, which can accurately estimate the reflection surface ahead of the tunnel face in three dimensions through data analysis using a simpler algorithm while suppressing equipment costs.

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。FIG. 2 is a block diagram showing the hardware configuration of a seismic wave data collection unit in a face speed estimation system according to one embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 is a block diagram showing the hardware configuration of a data analysis unit (PC) in the face speed estimation system according to the embodiment. 前記実施の形態におけるトンネル弾性波探査における探査状況を模式的に示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a typical exploration situation in tunnel elastic wave exploration in the embodiment. 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A flowchart for explaining an outline of a processing procedure for face ahead inspection executed in the embodiment. 前記実施の形態におけるフィルター処理、ミュート処理の各処理が適正に行われているかを確認するための波形図である。FIG. 11 is a waveform diagram for checking whether each of the filtering and muting processes in the embodiment is being performed properly. 前記実施の形態における反射波が時間の変化に伴い様々な成分を含む状態の一例を示す、Ｘ－Ｚ平面における反射波成分を示す図である。10A to 10D are diagrams showing reflected wave components in the XZ plane, illustrating an example of a state in which the reflected wave in the embodiment includes various components as time changes. 図６の反射波を取得した地点において得られた反射波のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分を示す図である。7 is a diagram showing the X component, the Y component, and the Z component of the reflected wave obtained at the point where the reflected wave in FIG. 6 was obtained. FIG. 図７における反射波のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分から合成処理により合成波を求める手法を説明する解説図である。8 is an explanatory diagram for explaining a method of obtaining a composite wave by a synthesis process from the X component, Y component, and Z component of the reflected wave in FIG. 7. 反射波エネルギーの大きさを求める演算による合成処理によって得られた反射波のＸ、Ｙ、Ｚ合成波形の一例を示す波形である。11 is a waveform showing an example of an X, Y, and Z composite waveform of a reflected wave obtained by a composite process using a calculation to determine the magnitude of reflected wave energy. 切羽前方に設定された範囲において、反射エネルギーの分布を求めて反射面のイメージングを行う手法を説明する解説図である。FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating a method for obtaining the distribution of reflected energy and imaging the reflecting surface in a range set in front of the face. 速度スキャン図の取得処理において表示される各弾性波速度、断面における波のイメージを表す図である。FIG. 13 is a diagram showing elastic wave velocities and an image of waves in a cross section displayed during the process of acquiring a velocity scan diagram. ３ＤＴＦＴ結果により得られた反射面位置および速度値を表示した最終結果をＸＹＺ三次元図形で表示した図である。This is a diagram showing the final results of displaying the reflecting surface position and velocity values obtained from the 3D TFT results in an XYZ three-dimensional figure.

本実施の形態では、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）を構築し、トンネル掘削現場への適用を行う。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）の三次元構造を推定する処理を組み合わせたアルゴリズムを提示し、その有用性について検証する。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三次元速度構造推定方法を提案する。 In this embodiment, a tunnel face velocity estimation system (tunnel face tester: TFT exploration) is constructed that uses excavation blasting at the tunnel face as the excitation source, and is applied to a tunnel excavation site. The details of the TFT exploration can be referenced in the Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism's New Technology Information System (registration number: TH-170003-A). In the following explanation, an algorithm is presented that combines processing to estimate the three-dimensional structure on the other side (rear side) of a velocity discontinuity detected in front of the tunnel face, and its usefulness is verified. In addition, a method for estimating the three-dimensional velocity structure in front of the tunnel face is proposed by incorporating the above algorithm into a TFT exploration system and applying it to actual data.

以下、本発明の切羽前方三次元速度構造推定方法を実施するための切羽前方探査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切羽前方三次元速度構造推定のためのデータ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。 Below, an embodiment of a face ahead detection system for implementing the face ahead three-dimensional velocity structure estimation method of the present invention will be described with reference to the drawings. Figure 1 is a block diagram showing the hardware configuration of a data collection unit in a face ahead detection system according to one embodiment of the present invention. Figure 2 is a block diagram showing the hardware configuration of a data analysis unit that receives data collected by the data collection unit of the above embodiment and performs data processing and analysis for estimating the face ahead three-dimensional velocity structure.

図１及び図２において、切羽前方探査システムは、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。 In Figures 1 and 2, the face-ahead exploration system is configured with a data collection unit A (shown in Figure 1) that records elastic wave signals generated by blasting, and a PC (personal computer) 10 (shown in Figure 2) as an elastic wave analysis unit.

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発破信号出力部１－１とを内蔵するトリガーユニットＢ、及び、発破を振源とする弾性波を受振し、受振した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。 The data collection unit A is installed inside the tunnel and consists of a trigger unit B incorporating a blasting signal detector 1 that measures the blasting signal generated by the blasting device, a blasting signal output unit 1-1 that outputs the blasting signal, and a receiving unit C that receives elastic waves generated by the blasting as a vibration source and records the received elastic wave signals. The receiving unit C is equipped with a seismometer 2 that receives and measures the elastic waves generated by the blasting as a vibration source and outputs elastic wave signals, an elastic wave digital recording device 3 that records the blasting signal and the elastic wave signal of the seismometer 2, a data output unit 4 that outputs and records the elastic wave data recorded in the elastic wave digital recording device 3 to an external recording medium, and a communication unit 5 that transmits the elastic wave data recorded in the elastic wave digital recording device 3 to the above-mentioned PC 10 or another unit, such as a server for storing data.

トリガーユニットＢにおいて、発破信号検知器１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もので、非接触式の電流センサーが用いられる。電流検出信号は発破信号出力部１－１へ送付される。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ーが採用される。 In trigger unit B, blasting signal detector 1 is installed on a blasting main line to supply ignition current to the explosives in the blasting device that detonates the blast, detects the current output from the blasting device when the blasting is ignited, and outputs a current detection signal; a non-contact current sensor is used. The current detection signal is sent to blasting signal output unit 1-1. A commercially available non-contact DC current sensor is used as the current sensor.

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取り付けられており、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、及び所定の取り付け態様で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個が図示されているが、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。 The receiving unit C is installed on the head of the support rock bolt in the tunnel. The rock bolt is usually inserted into a hole drilled about 3 to 4 m into the wall of the tunnel, and grout is injected into the hole to integrate it with the natural ground of the tunnel wall. The receiving unit C is attached to the head of the rock bolt by pressure contact with a clamp, screw, etc., and the seismometer 2 is installed inside the receiving unit C. Note that the seismometer 2 does not have directionality by itself, but depending on the installation method, for example, by arranging at least three or more seismometers 2 at predetermined positions and in a predetermined installation manner, it is possible to estimate the strike and inclination of the reflecting surface. Therefore, although one seismometer 2 is shown in Figure 1, multiple seismometers may be installed. In addition, in the present invention, the type of the seismometer 2 may be a single component measurement type or a three-dimensional measurement type.

弾性波デジタル記録装置３は、受振ユニットＣ内において、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。弾性波デジタル記録装置３としては、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。また弾性波デジタル記録装置３として、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。 The elastic wave digital recording device 3 is connected to the seismometer 2 within the receiving unit C, and can record the blast signal output from the blast signal detector 1 and the elastic wave signal output from the seismometer 2. As the elastic wave digital recording device 3, for example, a commercially available 8-channel multi-channel recorder is used. Furthermore, as the elastic wave digital recording device 3, a recording device using a stationary recording device such as a hard disk or an externally removable recording medium such as an optical disk, CD, or DVD may also be used.

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。 The data output unit 4 is connected to the elastic wave digital recording device 3 and outputs the recorded data to an external recording medium. The communication unit 5 is connected to the elastic wave digital recording device 3 and transmits the recorded data to other units, such as an elastic wave analysis unit or a server for storing data. In this case, the data output unit 4 may be a card slot for SD memory cards or other memory cards or PC cards, a terminal for USB memory, various card memory readers/writers, various disk drivers, or other interface devices. The communication unit 5 is also connected to a public communication network such as the Internet in order to transmit the data recorded in the elastic wave digital recording device 3 via communication and to receive data requests from the outside.

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）及び処理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から送信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。 As shown in FIG. 2, the PC 10 as an elastic wave analysis unit includes an operation input section 11 into which various instructions for elastic wave analysis are input, a memory section 12 into which various applications (software) and processing data for elastic wave analysis are stored, a display section 13 on which information for elastic wave analysis processing or processing results are displayed, a data reading section 14 which reads out elastic wave data and the like stored in an external recording medium, a communication section 15 which receives data transmitted from the data collection section A, and a control section 16 which controls the operation of each of the above functional sections and performs various calculation processes.

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。 The operation input unit 11 is composed of data input devices such as a keyboard, a touch panel, and a voice input microphone, and this operation input unit 11 inputs commands and data required for various processing operations in the control unit 16.

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、ＲＯＭには、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ＲＯＭには、直達波処理プログラム、反射波・回折波処理プログラムに加えて、切羽前方三次元速度構造推定のためのデータ処理を行う三次元速度構造推定処理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。 The storage unit 12 has at least a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), and a measurement data memory, and each memory is used as necessary. Here, the ROM stores various programs, including a direct wave processing program as a means for extracting direct waves from the elastic waves recorded in the elastic wave digital recording device 3 for each face excavation and measuring the elastic wave velocity in the tunnel at the face based on the direct waves, and a reflected wave/diffraction wave processing program as a means for extracting reflected waves from the elastic waves recorded in the elastic wave digital recording device 3 for each face excavation and estimating the positions of the reflection/diffraction points and reflection surfaces of the elastic waves based on the reflected waves. In addition to the direct wave processing program and the reflected wave/diffraction wave processing program, the ROM also stores a three-dimensional velocity structure estimation processing program for performing data processing for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the face. Data is written and read from the random access memory (RAM) during processing operations. The measurement data memory stores blasting measurement data obtained by measuring blasting signals and elastic wave measurement data obtained by measuring elastic waves.

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、及び三次元速度構造推定処理を実行したり、解析結果をサーバへ送付したりする。 The display unit 13 is made of an LCD or other display device, and displays various status information and processing information during operation of the elastic wave exploration system, such as the elastic wave velocity in the tunnel obtained by analyzing the elastic waves and the elastic wave reflection surface in front of the face. The data reading unit 14 uses various interface devices such as various memory card slots, various card memory readers/writers, and various disk drivers. The communication unit 15 is connected to a public communication network such as the Internet to receive recorded data sent by communication from the data collection unit A. The control unit 16 is made of, for example, a CPU, and performs data analysis processing such as 3D elastic waves and 3D velocity structure estimation processing, and sends the analysis results to a server.

（動作説明）
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、及び切羽前方三次元速度構造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。
本実施の形態に係る切羽前方探査システムにおいては、まず、発破による地震波およびその弾性波（反射波）を受信して切羽前方の地山の状態を探るトンネル弾性波探査動作を実行し、それに続いて「解析」動作もしくは切羽前方三次元速度構造推定動作を実行する。 (Operation description)
In the above-configured forward facing exploration system, the operation of implementing the elastic wave exploration method and the method of estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the facing, which are the premise of this embodiment, will be described. Note that the following explanation of the elastic wave exploration method (the operation of collecting elastic wave data) describes a method that is generally assumed to be performed using multiple seismometers 2, and is not a method specific to this embodiment.
In the tunnel face exploration system of this embodiment, first, a tunnel elastic wave exploration operation is performed to receive seismic waves generated by blasting and their elastic waves (reflected waves) to explore the condition of the ground ahead of the tunnel face, and then an "analysis" operation or an operation to estimate the three-dimensional velocity structure ahead of the tunnel face is performed.

１．探査
図３は、トンネル弾性波探査における探査状況を模式的に示す説明図である。 図３に示すように、トンネル坑内の掘削完了区間で、切羽から離れた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。地震計２には単成分地震計を使用するものとし、複数の地震計２をトンネル坑内壁面に設置する。トンネル坑内において反射波を計測する場合、全方位から反射波を取得するためには、トンネル坑内の同一測点上において放射状に計測点を設置する必要がある。そのため、上述の説明では複数の地震計２をトンネル坑内壁面に設置すると説明しているが、本手法における計測では、地震計２の設置場所は少なくとも左側壁、天端、右側壁の３カ所とする。なお、図３では地震計２が２台描かれているが、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。 1. Exploration FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic diagram of the exploration situation in tunnel elastic wave exploration. As shown in FIG. 3, in the excavation completion section in the tunnel, a trigger unit B incorporating a blasting signal detector 1 and a blasting signal output unit 1-1, and a receiving unit C incorporating an elastic wave digital recording device 3 and a seismometer 2 are installed on the wall surface of the tunnel at a predetermined position behind the face (for example, 30 m (meters) behind the face) away from the face. A single-component seismometer is used for the seismometer 2, and multiple seismometers 2 are installed on the inner wall surface of the tunnel. When measuring reflected waves in the tunnel, in order to obtain reflected waves from all directions, it is necessary to install measurement points radially on the same measurement point in the tunnel. Therefore, although the above explanation describes that multiple seismometers 2 are installed on the inner wall surface of the tunnel, in the measurement in this method, the installation locations of the seismometers 2 are at least three places: the left wall, the top end, and the right wall. Although two seismometers 2 are drawn in FIG. 3, the number is not limited. In the following description, the three-dimensional space is represented by the X-axis, Y-axis, and Z-axis. The tunnel excavation direction (direction parallel to the tunnel axis) is defined as the X-axis direction, the left-right direction toward the tunnel face that is perpendicular to the X-axis is defined as the Y-axis direction, and the up-down direction toward the tunnel face that is perpendicular to the X-axis and Y-axis, respectively, is defined as the Z-axis direction.

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。 Here, the distance between the face and the receiving unit C is measured using surveying equipment, and the distance data is input to the PC 10. Blasting is to be initiated using an instantaneous electric detonator and a DS electric detonator, and blasting holes are drilled in the face and loaded with explosives equipped with electric detonators. A blasting signal detector 1 is then attached to the blasting main line.

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。 In this way, blasting is performed when the face is excavated, and the blasting signal and the elastic wave (reflected wave) signal reflected from weak parts such as underground faults 7 are recorded in the elastic wave digital recording device 3. In this case, it is only necessary to turn on the blasting switch, and this operation causes the current output from the blasting device to be detected by the blasting signal detector 1, detonating the explosives loaded at the face and blowing up the face. The elastic waves generated from the face by this explosion propagate through the natural ground and reach the seismometer 2 behind the face, where they are received and measured by the seismometer 2. The blasting signal output from the blasting signal detector 1 and the elastic wave signal output from the seismometer 2 are then automatically recorded in the elastic wave digital recording device 3. After such data is recorded, the data recorded in the elastic wave digital recording device 3 is input to the PC 10 via an SD card or the like, and data analysis processing is performed.

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。 The measurement and recording of blasting signals, reception, measurement and recording of elastic waves, which are performed while excavating the tunnel face, are repeated for each face excavation cycle without changing the reception and measurement points of the elastic waves. This results in the generation of waveforms generated by multiple excitation points. The elastic wave data for each face recorded in the elastic wave digital recording device 3 is then input into the PC 10 in sequence via a communication means, SD card, etc., and analyzed by a direct wave processing program and a reflected wave processing program stored in the PC 10. Based on the analysis results, the elastic wave velocity inside the tunnel is estimated, and the reflection and diffraction points ahead of the face are estimated.

２．解析
次に、本実施の形態における切羽前方三次元速度構造推定方法の解析処理手順について説明する。図４は、本発明で用いる切羽前方三次元速度構造推定方法の処理手順を説明する解析フローチャートである。解析手順は（１）事前処理、（２）速度構造の推定処理、（３）推定結果のイメージング処理、に分類される。 2. Analysis Next, the analytical processing procedure of the method for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the face in this embodiment will be described. Fig. 4 is an analytical flowchart explaining the processing procedure of the method for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the face used in the present invention. The analytical procedure is classified into (1) pre-processing, (2) velocity structure estimation processing, and (3) imaging processing of the estimation result.

（１）事前処理
事前処理では、切羽前方反射面から反射波抽出する処理を行う。切羽前方予測を行う上で必要となる弾性波データは、トンネル基面での切羽前方からの反射波である。そこで、バンドパスフィルターやデコンボリューション、速度フィルターなどの信号処理より、切羽前方反射面からの反射波のみを抽出する。以下に解析手順について説明する。 (1) Pre-processing In pre-processing, a process is performed to extract reflected waves from the reflection surface in front of the tunnel face. The elastic wave data required for predicting the area ahead of the tunnel face are the reflected waves from the tunnel base in front of the tunnel face. Therefore, only the reflected waves from the reflection surface in front of the tunnel face are extracted by signal processing such as band pass filters, deconvolution, and velocity filters. The analysis procedure is explained below.

（弾性波データ解析手順）
ステップＳ１：波形ファイルの準備（不良波形の削除等）
この処理ステップでは、弾性波の測定記録（ＳＥＧ２ファイル）をユニットごとに、Ｘ、Ｙ、Ｚ成分に分け、ＣＳＶファイルを作成する。また、波形を確認後に不良波形の削除等を行い、解析対象とする波形を抽出し準備する。
ステップＳ２：ジオメトリーの入力
この処理ステップでは、起振点、受振点座標を上記ＣＳＶファイルに追記し、以後の処理に供する。
ステップＳ３：初動読み取り（概略速度の決定）
この処理ステップでは、各ユニット毎に、初動が最も明瞭な波形成分（Ｘ，Ｙ，Ｚいずれの成分でもよい）を使用して初動走時を読み取る。この段階では直達波の速度を読み取って概略速度の決定が行われる。
ステップＳ４：フィルター処理（ＢＰＦ、ＡＧＣ、ＤＥＣＯＮ等）
この処理ステップでは、記録波形中の反射波をより明瞭にすることを目的に、必要に応じて、ＢＰＦ（バンドパスフィルター）、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）、ＤＥＣＯＮ（デコンボリューションフィルター）処理を行う。
ステップＳ５：速度（τ－ρ）フィルター処理
この処理ステップでは、前方からの反射波を抽出するために速度フィルター処理を行う。
ステップＳ６：ミュート（初動前）
この処理ステップでは、マイグレーションによる偽像を減らすため、速度フィルターによって生じた初動前の波形を除去する。
ステップＳ７：波形確認処理（図５参照）
この処理ステップでは、先行するステップＳ４、ステップＳ５、ステップＳ６の各処理後に波形を出力し、処理が適正に行われているかを確認する。
適正に行われていないと判断される場合は、それぞれの先行処理ステップにおける処理パラメータを変えるなどして、再度処理を行う。 (Elastic wave data analysis procedure)
Step S1: Prepare waveform file (delete defective waveforms, etc.)
In this processing step, the elastic wave measurement record (SEG2 file) is divided into X, Y, and Z components for each unit, and a CSV file is created. After checking the waveform, defective waveforms are deleted, and the waveforms to be analyzed are extracted and prepared.
Step S2: Input of geometry In this processing step, the coordinates of the vibration source and receiver points are added to the CSV file and used for subsequent processing.
Step S3: Initial reading (determining approximate speed)
In this processing step, the first motion travel time is read for each unit using the waveform component (X, Y, or Z) with the clearest first motion. At this stage, the direct wave velocity is read and the approximate velocity is determined.
Step S4: Filter processing (BPF, AGC, DECON, etc.)
In this processing step, BPF (band pass filter), AGC (automatic gain control), and DECON (deconvolution filter) processing are performed as necessary in order to make the reflected waves in the recorded waveform clearer.
Step S5: Velocity (τ-ρ) Filtering In this processing step, velocity filtering is performed to extract reflected waves from the front.
Step S6: Mute (before initial movement)
In this processing step, the pre-initiation waveform produced by the velocity filter is removed to reduce migration artifacts.
Step S7: Waveform confirmation process (see FIG. 5)
In this processing step, a waveform is output after each of the preceding steps S4, S5, and S6 to check whether the processing has been performed properly.
If it is determined that the process has not been performed properly, the process is performed again, for example by changing the process parameters in each preceding process step.

（２）速度構造の推定
以上の反射波の抽出処理を実行した後、次に速度構造の推定処理を行う。断層等の反射体により反射された弾性波は、一様な速度の岩盤中を伝播し、本システムの３成分センサーによって時系列として観測される。このＸ，Ｙ，Ｚ，３成分のデータを回転座標変換することによって、あらゆる方向から入射する反射波を合成することができる。 (2) Estimation of velocity structure After the above extraction process of reflected waves is performed, the next step is to estimate the velocity structure. Elastic waves reflected by reflectors such as faults propagate through rock masses at a uniform velocity and are observed as a time series by the three-component sensor of this system. By performing a rotational coordinate transformation of the data of the three components (X, Y, and Z), it is possible to synthesize reflected waves coming from any direction.

岩盤を媒質として弾性波が伝播する場合、任意の地点における反射波の時間変化は、様々な成分が含まれる。このような、反射波が時間の変化に伴い様々な成分を含む状態の一例を図６に示す。図６はＸ－Ｚ平面における反射波成分を示し、反射波は時間の変化に伴いＸ軸方向及びＺ軸方向へ一定の幅の範囲で様々な成分を含むことを表している。 When elastic waves propagate through rock as a medium, the reflected wave at any point contains various components as it changes over time. Figure 6 shows an example of a reflected wave that contains various components as it changes over time. Figure 6 shows the reflected wave components in the X-Z plane, and indicates that the reflected wave contains various components within a certain width range in the X-axis and Z-axis directions as it changes over time.

この地点において、Ｘ，Ｙ，Ｚ，３成分のセンサーで反射波（弾性波）を計測した場合、図７に示されるように反射波のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分が得られる。このような反射波は、本来の挙動の一部を取得したに過ぎない。 At this point, if the reflected wave (elastic wave) is measured using sensors for three components, X, Y, and Z, the X, Y, and Z components of the reflected wave are obtained, as shown in Figure 7. Such reflected waves only capture a part of the original behavior.

そこで、得られた３成分波形を演算により合成処理する。図８は反射波のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分から合成処理により合成波を求める手法を説明する解説図である。図８中において、ｘ_i、ｙ_i、ｚ_iは反射波の到来方向上の任意の地点を表す。上記演算処理は、反射波の強さ（ｒ）に関して、
ｒ＝√（Ｘ²＋Ｙ²＋Ｚ²）
ｒ：反射波の強さ
Ｘ、Ｙ、Ｚ：反射波のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分の各成分の強さ
の演算を行って反射波の強さを求め、且つ、
合成波の反射波の入射方向への投影成分
ｒ×ｃｏｓθ
を求めることで、時間変化毎の反射波の到来方向を再現する。このとき、到来方向上の任意の地点（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）における反射波エネルギーの大きさは、
ｒ×ｃｏｓθ（Ｔ_i）
ここで、Ｔ_iは反射波の時間軸上における位置（時刻情報）である。
として得られる。図９は上記演算による合成処理によって得られた反射波のＸ、Ｙ、Ｚ合成波形の一例を示す波形である。 The three component waveforms thus obtained are then synthesized by calculation. Fig. 8 is an explanatory diagram for explaining a method for obtaining a synthetic wave by synthesis processing from the X, Y, and Z components of the reflected wave. In Fig. 8, x _i , y _i , and z _i represent arbitrary points in the direction of arrival of the reflected wave. The above calculation process is carried out in relation to the strength (r) of the reflected wave,
r = √( ^X2 + ^Y2 + ^Z2 )
r: strength of reflected wave; X, Y, Z: strength of the reflected wave is calculated by calculating the strength of each of the X, Y, and Z components of the reflected wave; and
Projection component of the composite wave in the direction of the reflected wave r × cosθ
The arrival direction of the reflected wave for each time change is reproduced by calculating the following. In this case, the magnitude of the reflected wave energy at an arbitrary point (x _i , y _i , z _i ) on the arrival direction is expressed as follows:
r×cosθ(T _i )
Here, T _i is the position (time information) of the reflected wave on the time axis.
9 is a waveform showing an example of the X, Y, and Z composite waveform of the reflected wave obtained by the synthesis process according to the above calculation.

このように、切羽前方に設定された範囲において、反射エネルギーの分布を求めることで、反射面のイメージングを行うことが可能となる。図１０は上述の反射エネルギーの分布を求めて反射面のイメージングを行う手法を説明する解説図である。この手法では、伝播距離をＬ_iとし、反射波の伝播速度Ｖ_pが一定であると仮定すると、
Ｔ_i＝Ｌ_i／Ｖ_p
となり、上述の到来方向上の任意の地点（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）は時間データとして求めることができる。本実施の形態において、反射波の受振点は３点以上とし、受振点毎に反射点の反射エネルギーを算出する。 In this way, by obtaining the distribution of reflected energy in the range set in front of the face, it becomes possible to image the reflecting surface. Figure 10 is an explanatory diagram explaining the method of obtaining the distribution of reflected energy and imaging the reflecting surface. In this method, assuming that the propagation distance is _Li and the propagation speed _Vp of the reflected wave is constant,
T _i = L _i / V _p
Thus, any point (x _i , y _i , z _i ) on the arrival direction can be obtained as time data. In this embodiment, the number of receiving points for the reflected wave is three or more, and the reflected energy of the reflection point is calculated for each receiving point.

マイグレーション（データ移転）処理による地下構造のイメージングにあたって、岩盤中を伝播する弾性波の速度を既知のパラメータとして与える。適切なマイグレーション速度を推定するために、本実施の形態の切羽前方探査システムでは３Ｄ定低速度マイグレーションによる速度スキャンを採用している。反射体の空間分布モデルを図１０に示すように設定し、各微小空間要素からの反射振幅を推定する。ディフラクションスタック法の３次元アルゴリズムにより、Ｘ，Ｙ，Ｚ３成分の座標変換結果に対してマイグレーションによるイメージング処理を実行し、与えた速度に対する反射振幅分布（イメージング結果）を得る。与えた速度が、観測データに適合すれば、イメージング結果は明瞭になる。イメージが明瞭になる速度を発見することで、速度構造を推定できる。例えば、４０００ｍ／ｓから５０００ｍ／ｓまで速度を１００ｍ／ｓずつ増加させながら多くのイメージング結果を得て、その結果の中から適切な速度分布を推定するのが３Ｄの速度スキャンとなる。 When imaging underground structures using migration (data transfer) processing, the speed of elastic waves propagating through the rock mass is given as a known parameter. In order to estimate an appropriate migration speed, the face-ahead exploration system of this embodiment employs a velocity scan using 3D constant low-speed migration. A spatial distribution model of reflectors is set as shown in FIG. 10, and the reflection amplitude from each small spatial element is estimated. Using the three-dimensional algorithm of the diffraction stack method, an imaging process using migration is performed on the coordinate transformation results of the three components X, Y, and Z, and a reflection amplitude distribution (imaging result) for the given speed is obtained. If the given speed matches the observation data, the imaging result will be clear. The velocity structure can be estimated by finding the speed at which the image becomes clear. For example, 3D velocity scanning involves obtaining many imaging results while increasing the speed by 100 m/s from 4000 m/s to 5000 m/s, and estimating the appropriate velocity distribution from the results.

次に、上述の「速度構造の推定」処理を行う解析手順について図４のフローチャートを参照して説明する。
（速度構造の推定解析手順）
ステップＳ８：マイグレーション対象波形（成分、UNIT）の選択
どのUNITの記録を利用してマイグレーションを実施するか、また、各成分毎に行うか、３成分すべてを使用して行うかを、波形記録等の品質などを参考に決定する。
ステップＳ９：マイグレーション対象領域の設定
マイグレーションを行い、イメージングする前方範囲を決める。
デフォルトは、Ｘ＝２００ｍ、Ｙ＝Ｚ＝１００ｍとする。
ステップＳ１０：マイグレーション（初期速度）
切羽前方の反射面分布の概略を把握するため、初動読み取りで決めた概略速度を用いて、定速度でマイグレーションを行う。
結果は、Ｖｏｘｌｌｅｒで確認する。
ステップＳ１１：反射面の概略推定
Ｖｏｘｌｌｅｒの表示やビットマップ（Ｂｉｔｍａｐ）図により、顕著な反射面の数や概略の位置を確認する。
ステップＳ１２：マイグレーション速度解析
反射面の概略推定結果を基に、速度解析で確認する速度範囲を決め、マイグレーション速度解析を実施する。
ステップＳ１３：Ｖｏｘｌｌｅｒによるイメージ確認
Ｖｏｘｌｌｅｒにより、マイグレーション後のイメージの確認を行う。
ステップＳ１４：速度スキャン図の取得
マイグレーション速度解析の結果得られる各弾性波速度、断面における波の状態（強さ）のイメージを表示する。図１１はステップＳ１４の処理において表示される各弾性波速度、断面における波のイメージを表す図である。図１１において、横方向は弾性波速度を表し、縦方向は反射面の深度を表す。図１１の事例では、弾性波速度の方向に１０種類のイメージが表され、反射面の深度方向に７種類（全部で７０個）のイメージが表されることにより波の状態がイメージ表示されており、これらのイメージの中で最も波形が鮮明なイメージが選択されて速度構造の推定処理が実行される。 Next, the analysis procedure for performing the above-mentioned "estimation of velocity structure" process will be described with reference to the flowchart of FIG.
(Procedure for estimating velocity structure)
Step S8: Selection of waveform (component, UNIT) to be migrated. Decide which UNIT's record to use for migration, and whether to migrate each component or all three components, based on the quality of the waveform record, etc.
Step S9: Setting of migration target region Migration is performed and the forward range to be imaged is determined.
The default is X=200m, Y=Z=100m.
Step S10: Migration (initial speed)
In order to obtain an overview of the distribution of reflectors ahead of the face, migration is performed at a constant speed using the approximate speed determined in the initial reading.
Check the results in Voxler.
Step S11: Approximate Estimation of Reflective Surfaces The number and approximate locations of significant reflective surfaces are confirmed using the Voxller display or a bitmap diagram.
Step S12: Migration velocity analysis Based on the rough estimation result of the reflecting surface, the velocity range to be confirmed by the velocity analysis is determined, and the migration velocity analysis is carried out.
Step S13: Image confirmation by Voxler The image after migration is confirmed by Voxler.
Step S14: Acquisition of a velocity scan diagram The image of each elastic wave velocity and the state (strength) of the wave in the cross section obtained as a result of the migration velocity analysis is displayed. FIG. 11 is a diagram showing the image of each elastic wave velocity and the wave in the cross section displayed in the processing of step S14. In FIG. 11, the horizontal direction represents the elastic wave velocity, and the vertical direction represents the depth of the reflection surface. In the example of FIG. 11, 10 types of images are displayed in the direction of the elastic wave velocity, and 7 types of images (70 in total) are displayed in the depth direction of the reflection surface to display the image of the wave state, and the image with the clearest waveform among these images is selected to execute the estimation process of the velocity structure.

次に、「推定結果のイメージング」処理を行う解析手順について図４のフローチャートを参照して説明する。
推定結果のイメージングの処理手順
ステップＳ１５：反射面と平均速度値の決定
マイグレーション速度解析データ（各速度値の３次元データボリューム）から抽出したＸＹ断面（トンネル軸上）、ＸＺ断面（トンネル軸を通る断面）の各データ、ならびに表示用にデータの最大値と最小値を抽出したデータファイルを使用して、顕著な反射面の抽出を行う。
その結果、抽出した反射面までの平均速度値が得られる。
ステップＳ１６：反射面の走向／傾斜・実速度の計算・ファイル出力
上記処理で抽出された各反射面の向き、傾斜角ならびに平均速度から反射面間の実速度（区間速度）を計算し、ＣＳＶファイルに出力する。
ステップＳ１７：３ＤＴＦＴ結果の図化（Ｖｏｘｌｌｅｒ）
Ｖｏｘｌｌｅｒに、マイグレーション後のデータや反射面の位置データファイルを入力して、反射面位置および速度値を表示した最終結果図を得る（図１２）。図１２は３ＤＴＦＴ結果により得られた図を示す。図１２において、３ＤＴＦＴ結果はＸＹＺ三次元図形で表示される。 Next, the analysis procedure for performing the "imaging of the estimation result" process will be described with reference to the flowchart of FIG.
Processing procedure for imaging of estimated results Step S15: Determination of reflection surfaces and average velocity values Prominent reflection surfaces are extracted using each data of the XY cross section (on the tunnel axis) and the XZ cross section (cross section passing through the tunnel axis) extracted from the migration velocity analysis data (three-dimensional data volume of each velocity value), as well as a data file in which the maximum and minimum values of the data have been extracted for display.
As a result, an average velocity value to the extracted reflecting surface is obtained.
Step S16: Calculate the strike/dip of reflection surface and actual velocity and output the file. The actual velocity (interval velocity) between reflection surfaces is calculated from the direction, dip angle, and average velocity of each reflection surface extracted in the above process, and output to a CSV file.
Step S17: Graphing 3D TFT results (Voxler)
The data after migration and the reflection surface position data file are input into Voxler to obtain a final result diagram showing the reflection surface position and velocity value (Figure 12). Figure 12 shows the diagram obtained by the 3D TFT result. In Figure 12, the 3D TFT result is displayed as an XYZ three-dimensional figure.

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、様々な方向からの反射波により成る弾性波データのうち、切羽前方からの反射波のみにより成る弾性波データを抽出してからデータ解析を行うため、切羽前方三次元速度構造の推定の解析時間を短縮するとともに、当該解析の実施者による解釈が不要となり、解析結果の均一性を図ることができる。 As is clear from the above explanation, according to the present invention, elastic wave data consisting only of waves reflected from in front of the face is extracted from elastic wave data consisting of waves reflected from various directions, and then data analysis is performed. This shortens the analysis time for estimating the three-dimensional velocity structure in front of the face, eliminates the need for interpretation by the person performing the analysis, and ensures uniformity in the analysis results.

Claims (5)

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、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三次元速度構造推定方法であって、
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、
前記抽出された反射波より成る弾性波データのうち、切羽前方から伝播する反射波より成る弾性波データを抽出する前方反射波抽出ステップと、
前記切羽前方から伝播する反射波より成る弾性波データを抽出した後、各地震計において取得された３成分弾性波データから、複数の弾性波データを解析し、速度構造を推定するデータ解析ステップと、
を有することを特徴とする切羽前方三次元速度構造推定方法。 A method for estimating a three-dimensional velocity structure ahead of a tunnel face, comprising the steps of: installing a blasting signal detection means and an elastic wave recording means at a predetermined rear position away from the tunnel face; installing a plurality of seismometers on the inner wall of the tunnel; drilling blasting holes at the tunnel face inside the tunnel and loading them with explosives; measuring a blasting signal generated from an explosion device to detonate the explosives; receiving and measuring elastic waves generated from the tunnel face when the explosives are detonated with the seismometers; and recording the elastic waves in the elastic wave recording means; repeating the above steps every time the tunnel face is excavated; extracting reflected waves from the elastic waves recorded in the elastic wave recording means every time the tunnel face is excavated; and estimating the three-dimensional position of the reflecting surface based on the reflected waves;
an elastic wave separation and extraction step of separating and extracting direct waves and reflected waves from the elastic waves recorded in the elastic wave recording means for each drilling face;
A forward reflected wave extraction step of extracting elastic wave data consisting of a reflected wave propagating from a front of the face from among the extracted reflected wave elastic wave data;
a data analysis step of extracting elastic wave data consisting of reflected waves propagating from in front of the face, and then analyzing a plurality of elastic wave data from the three-component elastic wave data acquired by each seismometer to estimate a velocity structure;
A method for estimating a three-dimensional velocity structure ahead of a face, comprising: 前記データ解析ステップにおいては、
弾性波の測定記録をユニットごとに、Ｘ、Ｙ、Ｚ成分に分け、ＣＳＶファイルを作成し、波形を確認後に不良波形の削除等を行い、解析対象とする波形を抽出し準備する波形を抽出ステップと、
起振点、受振点座標をＣＳＶファイルに追記してジオメトリーの入力を実行するジオメトリー入力ステップと、
各ユニット毎に、初動が最も明瞭な波形成分（Ｘ，ＹまたはＺ）を使用して直達波の速度を読み取る初動読み取りステップと、
記録波形中の反射波データに対して、フィルター処理を行ってノイズを除去するノイズ除去ステップと、
速度（τ－ρ）フィルター処理を行って前方からの反射波を抽出する速度フィルター処理ステップと、
ミュート処理を行って速度フィルターによって生じた初動前の波形を除去するミュート処理ステップと、
前記ノイズ除去処理、速度フィルター処理、およびミュート処理の各処理波形に対し、処理の適正、不適正を確認する処理確認ステップと、
を有することを特徴とする請求項１に記載された切羽前方三次元速度構造推定方法。 In the data analysis step,
A waveform extraction step in which the elastic wave measurement record is divided into X, Y, and Z components for each unit, a CSV file is created, and after checking the waveform, defective waveforms are deleted, and the waveform to be analyzed is extracted and prepared;
A geometry input step of inputting the geometry by adding the coordinates of the vibration source and the vibration receiver to a CSV file;
an initial motion reading step of reading the speed of a direct wave for each unit using the waveform component (X, Y or Z) with the clearest initial motion;
a noise removal step of removing noise from the reflected wave data in the recorded waveform by filtering the data;
A velocity filtering step of performing velocity (τ-ρ) filtering to extract reflected waves from the front;
a muting process step for removing a waveform before the initial movement generated by the velocity filter by performing a muting process;
a process confirmation step of confirming whether the process is appropriate or inappropriate for each of the processed waveforms of the noise removal process, the velocity filter process, and the mute process;
The method for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the face according to claim 1, further comprising: 前記データ解析ステップにおいては、速度構造を推定するに当たって、
反射波のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分の３成分波形を演算により合成処理して、
ｒ＝√（Ｘ²＋Ｙ²＋Ｚ²）
ここで、
ｒ：反射波の強さ
Ｘ、Ｙ、Ｚ：反射波のＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分の各成分の強さ
の演算を行って反射波の強さを求めるステップと、
合成波の反射波の入射方向への投影成分
ｒ×ｃｏｓθ
を求めることで、時間変化毎の反射波の到来方向を再現し、また、到来方向上の任意の地点（ｘ_i、ｙ_i、ｚ_i）における反射波エネルギーの大きさとして、
ｒ×ｃｏｓθ（Ｔ_i）
ここで、
Ｔ_i：反射波の時間軸上における位置（時刻情報）
の演算を行って到来方向上の任意の地点を時間データとして求めるステップと、
受振点毎に反射点の反射エネルギーを算出するステップと、
を有することを特徴とする請求項２に記載された切羽前方三次元速度構造推定方法。 In the data analysis step, in estimating the velocity structure,
The three components of the reflected wave, X, Y, and Z, are synthesized through calculations.
r = √( ^X2 + ^Y2 + ^Z2 )
here,
r: strength of reflected wave; X, Y, Z: a step of calculating the strength of each of the X, Y, and Z components of the reflected wave to obtain the strength of the reflected wave;
Projection component of the composite wave in the direction of the reflected wave r × cosθ
By calculating the above, the arrival direction of the reflected wave for each time change can be reproduced, and the magnitude of the reflected wave energy at any point (x _i , y _i , z _i ) on the arrival direction can be calculated as follows:
r×cosθ(T _i )
here,
T _i : Position of the reflected wave on the time axis (time information)
A step of calculating an arbitrary point on the arrival direction as time data by performing the above calculation;
Calculating the reflected energy of a reflection point for each receiving point;
The method for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the face according to claim 2, further comprising: 前記データ解析ステップにおいては、前記受振点毎に反射点の反射エネルギーを算出した結果により、岩盤中を伝播する弾性波の速度を既知のパラメータとして与え、反射体の空間分布モデルを設定するステップと、
当該反射体の空間分布モデルの各微小空間要素からの反射振幅を推定し、ディフラクションスタック処理の３次元アルゴリズムにより、Ｘ，Ｙ，Ｚ３成分の座標変換結果に対してマイグレーションによるイメージング処理を実行するステップと、
を有することを特徴とする請求項３に記載された切羽前方三次元速度構造推定方法。 In the data analysis step, the velocity of the elastic wave propagating through the rock mass is given as a known parameter based on the result of calculating the reflected energy of the reflection point for each receiving point, and a spatial distribution model of the reflector is set;
A step of estimating a reflection amplitude from each minute spatial element of the spatial distribution model of the reflector, and performing an imaging process by migration on the coordinate transformation result of the three components X, Y, and Z by a three-dimensional algorithm of the diffraction stack process;
The method for estimating the three-dimensional velocity structure ahead of the face according to claim 3, further comprising: 前記データ解析ステップにおいては、ディフラクションスタッキング処理に加えて速度解析処理を実行し、
前記速度解析処理では、複数の反射面区間の平均速度を算出し、切羽前方の地質の硬軟を予測する、
ことを特徴とする請求項１に記載された切羽前方三次元速度構造推定方法。 In the data analysis step, a velocity analysis process is performed in addition to a diffraction stacking process;
In the velocity analysis process, an average velocity of a plurality of reflection surface sections is calculated, and the hardness or softness of the geology ahead of the face is predicted.
A method for estimating a three-dimensional velocity structure ahead of a face according to claim 1.

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