JP7470614B2

JP7470614B2 - 切羽前方探査システムにおける切羽前方三次元速度構造推定方法

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Publication number: JP7470614B2
Application number: JP2020177538A
Authority: JP
Inventors: 匡志中谷; 浩之山本; 杉夫今村; 賢治太田; 亨高橋
Original assignee: Hazama Ando Corp
Current assignee: Hazama Ando Corp
Priority date: 2020-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2024-04-18
Anticipated expiration: 2040-10-22
Also published as: JP2022068710A

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

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。

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。

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。

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。

特開２０１６－０９５１４０号

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

しかしながら、上述した特許文献１及び非特許文献１に開示された技術を含むこれまでの切羽前方探査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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施の形態に係る切羽前方速度推定システムの中の地震波データ収集部のハードウェア構成を表すブロック図である。前記実施の形態に係る切羽前方速度推定システムの中のデータ解析部（ＰＣ）のハードウェア構成を表すブロック図である。前記実施の形態にお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。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。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。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。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。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。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。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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

弾性波解析ユニットとしてのＰＣ１０は、図２に示すように、弾性波解析のための各種指示が入力される操作入力部１１と、弾性波解析用の各種アプリケーション（ソフトウェア）及び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。

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

記憶部１２は、少なくとも読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、計測データメモリとを有しており、それぞれのメモリが必要に応じて使用される。ここで、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。

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。

（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。

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。

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

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

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

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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims

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。
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。
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。
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。
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。