地山探査方法
【課題】弾性波における種々のデータ解析法を併用して、地山探査を高精度に行う。
【解決手段】トンネルの計画段階では、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振し、これをデジタル波形で保存するとともに弾性波屈折法により解析する。トンネルの施工段階では、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た探査データをデジタル波形で保存し、これを弾性波屈折法により解析するとともに、トンネルの坑内に設けた起震源から発振された弾性波を坑内に設けた受振点で受振して得た探査データをデジタル波形で保存し、これをＶＳＰ法により解析する。また、計画段階で得た探査データを弾性波屈折法により再解析する。施工段階においてＶＳＰ法により得た解析結果を、施工段階で弾性波屈折法により得た解析結果及び計画段階の探査データを再解析して得た解析結果と比較、対照する。
【解決手段】トンネルの計画段階では、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振し、これをデジタル波形で保存するとともに弾性波屈折法により解析する。トンネルの施工段階では、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た探査データをデジタル波形で保存し、これを弾性波屈折法により解析するとともに、トンネルの坑内に設けた起震源から発振された弾性波を坑内に設けた受振点で受振して得た探査データをデジタル波形で保存し、これをＶＳＰ法により解析する。また、計画段階で得た探査データを弾性波屈折法により再解析する。施工段階においてＶＳＰ法により得た解析結果を、施工段階で弾性波屈折法により得た解析結果及び計画段階の探査データを再解析して得た解析結果と比較、対照する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの路線を構成する周辺地質である地山の探査方法に関し、特に、トンネルの新規着工における計画段階からの地山探査結果を、その後の施工段階、あるいは竣工後のトンネルの保守管理などでも利用できるようにして、探査データを有効利用する技術である。
【背景技術】
【０００２】
トンネル工事においては、計画、設計段階において、トンネル路線を構成する地質（地山とも言う）の事前調査が行われる。地表からの弾性波屈折法や、比抵抗電気探査法などの物理探査、ボーリング調査などを実施し、これらの資料に基づき新規トンネルの計画、設計がなされる。
【０００３】
かかる調査手法のうち、特に、弾性波屈折法は、トンネル路線の地山状況を弾性波速度という物理量で区分して、評価基準を定量化することができる手法として重要であり、トンネル設計において多用されている。
【０００４】
しかし、現実には、上記弾性波屈折法で十全な事前調査を行ったにもかかわらず、実際のトンネルの施工段階において、事前予測された地山区分、地山状況と、実際の掘削現場での切羽により確認される地質状況とが、大きく異なるケースにしばしば遭遇する。
【０００５】
地山状況の事前調査結果と、掘削現場での実際の切羽状況とのかかる不一致の技術的な原因としては、主に、地質状況の複雑さや弾性波屈折法の探査原理的な調査限界（調査精度）に起因しているものと考えられる。
【０００６】
すなわち、弾性波屈折法は、その探査原理からして、元々は水平構造の探査方法であって、地山の鉛直構造の探査では精度の高い探査が行えないこと、解析に際しては弾性波速度は地山深部に向かう程高くなると想定しているため、中間層に上位層より弾性波速度が低い弾性波低速度帯が存在するとその層より以深の探査ができないこと、また、ほぼ同一の弾性波速度を有する層厚は地山深部に向かうにつれて厚くなるとの解析上の想定を行っているため、中間層に上位層より層厚が薄い層が存在するとその薄層については探査できないことなどの解析技術的な面からの探査限界がある。
【０００７】
そこで、トンネル計画段階における弾性波屈折法では予測し得ない地山性状が考えられることとなり、トンネル施工段階で、トンネル坑内で弾性波反射法（一部、電磁波を用いる場合もある）を実施することにより、事前探査では十分に得られなかった地質情報を、掘削時に精度高く取得して、切羽前方地質の予測に役立てる手法が提案されている。
【０００８】
このように地表側からの探査手法と、トンネル坑内側からの探査手法とが、それぞれトンネルの地山探査手法として幾つか提案されているが、両手法は、個々各別に独立して実施されており、現状では、両手法を解析方法として関係づける形では実施されていない。
【０００９】
また、トンネルの着工は、トンネルの計画、設計段階からかなりの長年月が経ってから行われるのが普通であり、通常３〜５年、極端な場合には、１０年以上経過してから着工される場合もあるため、トンネルの計画、設計段階の事前調査における生波形が散在、紛失されたりして、解析上両手法を関連づけて実施しにくい面がある。
【００１０】
また、最近の測定データ（波形）は、全てデジタルデータとして保管可能であるが、数年前まではアナログデータ（紙への印刷）しかない場合があり、近年の施工時の探査に過去の事前調査結果が利用できないケースも多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
かかる現状に鑑み、本発明者は、施工時の地山探査として、坑内と地表を同時にあるいは連続的に測定し、解析上、両手法を関連づけて、より確度の高い探査を実施できるようにすることが必要と考えた。
【００１２】
また、本発明者は、データの散逸、データ形式の違いなどにより、トンネル計画段階での事前調査結果と、施工段階の調査結果とを、同じ解析手法を適用して比較検討することができない現状は、地山状況の高精度の把握という観点からは、早急に解決すべき問題であると考えた。
【００１３】
例えば、従来から実施されているトンネル坑内からの切羽前方探査であるＴＳＰ法では、データの取得方法が特殊であり、且つ解析方法も切羽前方探査に限定されるため、ＴＳＰ法以外の他の手法で解析できるような互換性のあるデータとして利用することができない。すなわち、ＴＳＰ法により取得された既存のデータや新たに坑内や地表で測定されたデータを、他手法にかけて解析することにより、その結果を比較対照することができない。
【００１４】
本発明者は、取得データを、種々の解析手法で利用できるようにすることにより、同じ取得データを多面的に考察して、より精度の高い地山状況の把握が行えるようにすることが必要であると考えた。地山状況を精度高く把握することは、トンネル施工時の最適工法の選択に不可欠であり、且つ最適工法を適用することにより施工時の安全確保、工期の短縮などが図れるものである。
【００１５】
さらに、解析手法の適用に関しては、例えば、弾性波屈折法、弾性波反射法、弾性波直接法などの手法を併用できるようにすることが必要と考えた。これは、取得したデータを共有して、適用可能な手法を併用して解析することにより、それぞれの手法の原理的な限界を互いに補完しながらデータからの地山状況の把握を行うことができ、単一手法のみを使用して解析する場合に比べて、より精度の高い探査が行えるためである。
【００１６】
本発明の目的は、弾性波における種々のデータ解析法を併用して、地山探査を高精度に行うことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の地山探査方法は、トンネル路線を構成する地山状況を探査する方法であって、前記トンネルの計画段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第１の探査データをデジタル波形で保存し、該第１の探査データを弾性波屈折法により解析して、前記トンネルの計画段階における地山状況を探査し、前記トンネルの施工段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第２の探査データと、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第３の探査データとをそれぞれデジタル波形で保存し、前記第２の探査データを弾性波屈折法により解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析するとともに、前記トンネルの計画段階において保存した前記第１の探査データを弾性波屈折法により再解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析した解析結果と、前記第２の探査データを弾性波屈折法により解析して得た解析結果及び前記第１の探査データを弾性波屈折法により再解析して得た解析結果とを比較、対照して、前記第３の探査データのＶＳＰ法による解析結果の精度を高めることを特徴とする。
【００１８】
本発明の地山探査方法は、トンネル路線を構成する地山状況を探査する方法であって、前記トンネルの計画段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第１の探査データをデジタル波形で保存し、該第１の探査データを弾性波屈折法により解析して、前記トンネルの計画段階における地山状況を探査し、前記トンネルの施工段階において、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振し、または地表に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第２の探査データと、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第３の探査データとをそれぞれデジタル波形で保存し、前記第２の探査データを弾性波直接法により解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析するとともに、前記トンネルの計画段階において保存した前記第１の探査データを弾性波直接法により再解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析した解析結果と、前記第２の探査データを弾性波直接法により解析して得た解析結果及び前記第１の探査データを弾性波直接法により再解析して得た解析結果とを比較、対照して、前記第３の探査データのＶＳＰ法による解析結果の精度を高めることを特徴とする。
【００１９】
本発明の地山探査方法は、前記起震源は、非爆薬起震源であることを特徴とする。
【００２０】
以上の構成を有する本発明の地山探査方法は、データの保存形式が反射法、屈折法、直接法のいずれの解析手法でも利用可能になっているため、汎用性が高い探査システムと言える。トンネル路線決定の事前調査、計画段階の生のデータがデジタル値で残っており、そのデータ構造（フォーマット）が明確であれば、データを取り込んで上記手法のいずれを使用しても解析することができるのである。
【００２１】
従来においては、トンネル計画段階での調査データは、デジタル波形として保存されていることが殆どないため、現況ではその利用がなされていないが、上記構成の本発明では、施工時の調査においてデジタル波形として保存することができるので、施工段階で取得した共通のデータに対して、弾性波屈折法、弾性波反射法、あるいは弾性波直接法を適用することができる。
【００２２】
デジタル波形の保存には、汎用の公開されているデータフォーマットを使用して保存するようにすればよい。
【００２３】
さらに、本発明では、施工段階で、トンネル坑内からの探査のみならず、地表からの探査を行うように構成しているため、地山性状の把握をより高精度に行うことができる。
【００２４】
また、調査、計画段階で実施する弾性波屈折法においては、原理的に探査不能な地山性状があり、同様に、施工段階で坑内から実施する弾性波反射法も原理的な限界があるが、本発明を適用することにより、取得した同じデータに両手法を適用して解析することができるため、双方の解析結果を対照、比較することにより、双方の原理的な限界点を互いに補完することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、地表側からの弾性波探査、トンネル坑内側からの弾性波探査の測定データが、反射法、屈折法、直接法のいずれかの解析方法でも使用できる探査データとして保存されるため、解析方法ごとにデータ測定を行わずに済む。
【００２６】
併せて、必要に応じて、同一の探査データに基づき、異なる解析手法を適用した地山状況の結果を比較検討することができるため、単一の解析手法を適用して地山状況の判断を行う場合に比べて、精度の高い地山探査が行える。
【００２７】
同一の探査データに基づき、反射法、屈折法、直接法をそれぞれ適用して解析することができるため、それぞれの手法に特有の探査限界に基づく探査不能な地山性状があっても、他の手法によりかかる地山性状の探査限界の補完が行え、より精度の高い地山探査が行える。
【００２８】
起振源として、地表面を叩いて起振する起振装置などの非爆薬起振源を使用すれば、爆薬起振の場合とは異なり、発生弾性波の周波数を地山状況に合わせて変えることができ、より精度の高い地質探査が行える。また、発破起振の場合とは異なり起振位置の制限がないため、トンネル坑内側面、天井面などの自由な起振位置の選択が行える。
【００２９】
発破起振とは異なり、同一地点で複数回起振するスタッキングが行えるため、弾性波エネルギーが発破起振の場合より小さくても、地質探査を精度良く行うことができる。
【００３０】
起振装置を使用することにより、発破起振に比べて発生させる弾性波のエネルギーを小さく抑えることができ、起振位置から比較的近い箇所でも、弾性波が透過する割合が少なく、発破起振ではその詳細な探査ができない測定区間から１００ｍ程度までの比較的近い近傍区間のデータをも詳細に判別することができる。
【００３１】
本発明では、直接法を適用することができるので、直接法に適用される画像表示法で地山状況を視認できるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（Ａ）は、弾性波直接法の坑井を地表側に設けた様子を示す断面図であり、（Ｂ）は弾性波直接法の坑井を坑内に設けた場合を示す断面図である。
【図２】弾性波探査方法をトンネルの計画段階、施工段階、竣工後段階において適用するためのフロー図である。
【図３】トンネルの施工段階における地表側からの水平構造探査、坑内側からの水平構造探査、鉛直構造探査の状況を示す説明図である。
【図４】（Ａ）は弾性波屈折法、反射法を使用する水平構造探査手法における解析原理を示す説明図であり、（Ｂ）は弾性波反射法を使用する鉛直構造探査手法における解析原理を示す図であり、（Ｃ）は直接法の解析原理を示す説明図である。
【図５】タイムラグを極力排除した状態でショット時間の記録ができるようにした機器構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。本発明は、トンネルの計画段階と、トンネルの施工段階とでの探査データを共用可能にし、かかる探査データに弾性波探査法における反射法、屈折法、直接法などの異なる手法を適用して、それぞれの解析結果を比較、対照してトンネルの地山状況を精度高く把握することができる構成を有する。
【００３４】
また、トンネルの計画段階での探査データを利用することができない場合でも、トンネルの施工段階で、地表からの探査と坑内からの探査とを行い、双方で得られる探査データを共用可能にし、かかる探査データに弾性波探査方法における反射法、屈折法、直接法などの異なる手法を適用して、それぞれの解析結果を比較、対照してトンネルの施工段階での地山状況を精度高く把握することもできる。
【００３５】
さらには、地表側からの探査と、坑内側からの探査とを、竣工後のトンネルに対して適用することで、竣工後のトンネルの保守管理、あるいはトンネルの拡幅に必要な地山状況の把握を精度高く行うこともできる。
【００３６】
このように本発明では、トンネルの計画段階、施工段階、竣工後段階で、弾性波探査方法を適用して、高精度の地山探査を行うこととなるが、以下の表１に、それぞれの段階の地山探査に使用できる弾性波探査法をまとめた。
【００３７】
【表１】
【００３８】
上記表１に示すように、Ｐ波を使用する弾性波探査法は、大分類では屈折波を利用する屈折法と、反射波を利用する反射法と、直接波を利用する直接法とに分けられる。屈折法は、トンネルの計画段階の地表側からの探査、トンネルの施工段階での坑内側からの探査のいずれの場合にも適用でき、地山状況の水平構造の探査に適した地山探査方法である。
【００３９】
屈折法に関しては、トンネルの計画段階での地表側からの探査に利用することは、従来より行われていたが、トンネル施工段階で坑内側からの地山探査に適用する提案は、本発明において初めてなされたものである。坑内側から、弾性波屈折法を適用することにより、坑内の底盤直下の地山の水平構造を精度高く探査することができる。
【００４０】
本来的には、トンネルの施工段階での地山状況を、トンネルの計画段階における地山探査で確実に予測できるのが好ましいが、トンネルの計画段階での地山探査は、トンネルの路線計画に沿った地形表面からの水平構造探査であるため、実際のトンネル施工時の掘削深度における水平構造探査を十分な精度で行うことができない。そこで、本発明では、施工段階での十分な地山状況の把握のために、計画段階での探査では得られない地山情報を、坑内から弾性波屈折法を適用した水平構造探査で取得することを提案するものである。
【００４１】
反射法は、水平構造探査に利用する浅層反射法と、鉛直構造探査に適用するＶＳＰ法とに分けられる。このうち浅層反射法は、トンネル計画段階、トンネル施工段階の双方で適用できる水平構造探査法であり、本発明により提案されるものである。水平構造探査に浅層反射法を適用することは従来より知られた一般的技術であるが、トンネルにおける地山探査法として適用された例はない。
【００４２】
ＶＳＰ法は、鉛直構造探査に適用される探査手法であり、トンネル坑内からの地山探査に適用できるものである。かかるＶＳＰ法のうち、ＴＳＰ法と呼ばれる手法は、既にトンネルの施工段階で適用されているが、データの取得、管理などが独特の手法を使用するため、本発明では、かかるＴＳＰ法を採用していない。
【００４３】
直接法は、トモグラフィ解析により、トンネルの計画段階、トンネル施工段階の双方で適用可能な方法である。かかる直接法は、地中内の探査領域を挟むように坑井を設け、例えば、坑井間の地表側に設けた起振源からの弾性波を直接に坑井内の適当な深度毎に設けた受振装置で受振して、直接波の伝達状況で坑井間の地山状況を把握する地山探査方法である。
【００４４】
起振点、受振点の設置方法に関しては、上記説明の地表起振−坑井内受振の他にも、坑井内起振−地表受振、坑井内起振−坑井内受振のそれぞれに対応した設置方法がある。地表起振−坑井内受振、坑井内起振−地表受振では坑井間の水平構造探査が行え、坑井内起振−坑井内受振では坑井間方向に沿った鉛直構造探査が行えることとなる。
【００４５】
図１（Ａ）は、トンネルの計画段階における地山探査に直接法を適用する場合を示したものである。トンネルの計画路線１に沿って、地形表面２からボーリングを行って坑井３を複数設けて直接法を適用する状況を示している。坑井３は、トンネルの計画路線１を縦断する深度まで設けておく必要がある。図１（Ｂ）は、トンネル施工段階で、トンネル坑内４から鉛直方向に坑井３を設け、坑井３に挟まれた間の地山状況を直接法により探査する状況を示している。所望の探査構造に合わせて、上記起振点、受振点の設置方法を適宜選択すればよい。
【００４６】
図２には、トンネルの計画段階、施工段階、竣工後段階での地山探査方法の適用手順を示した。図２のフローに示すように、トンネル計画段階では地表側からの地山探査が行われ、ブロックＡ１に示した弾性波屈折法（水平構造探査目的）、弾性波反射法（水平構造探査目的）、弾性波直接法の孔間弾性波トモグラフィー（水平構造探査目的、鉛直構造探査目的）のうち少なくともいずれか１種の手法を選択して適用すればよい。勿論、複数の手法を使用しても構わない。いずれの手法を採用した場合でも、測定データは、上記複数の手法で解析が行えるようにデジタル波形などのようなデータ形式で保存しておく。
【００４７】
トンネルの施工段階では、図２に示すように、地表側からの探査と、坑内側からの探査とを組み合わせて、地山探査を高精度に行う。地表側からの探査手法は、Ａ２のブロックに記載した探査方法の少なくともいずれか１種の探査方法を適用すればよい。矢印ａ１に示すように、既に、トンネルの計画段階で、上記説明のようにデジタル波形としてブロックＡ１のいずれかの探査方法で取得された利用可能な探査データがあれば、それを利用してもよい。
【００４８】
あるいは、トンネル計画段階での探査データが散逸、あるいは紙面に印刷されたアナログデータなどとして残され、デジタル解析にそのままでは利用できない場合など必要に応じて、ブロックＡ２に記載の探査方法を適用して別途探査データを取得するようにしてもよい。
【００４９】
坑内側からの探査方法としては、ブロックＢ１に記載の弾性波屈折法（水平構造探査目的）、弾性波反射法の浅層反射法（水平構造探査目的）、弾性波反射法のＶＳＰ法（鉛直構造探査目的）、弾性波直接法の孔間弾性波トモグラフィー（水平構造探査目的、鉛直構造探査目的）のうち少なくとも１種の手法を選択して適用すればよい。
【００５０】
さらに、トンネル竣工後の保守管理、あるいは交通量増大に伴うトンネル拡幅などの必要に応じて、トンネル竣工後段階での地山探査が求められる場合も想定される。かかる場合には、図２の矢印ａ２に示すように、トンネル計画段階で取得されデジタル波形などで保存された地表側からの探査データ、あるいは矢印ａ３に示すように、トンネルの施工段階で新たに取得され、デジタル波形などで保存された地表側からの探査データを利用する。
【００５１】
また、施工後、地震などで保守管理などに影響を及ぼす地山変化が起きることが予想される場合には、ブロックＡ３に示す探査手法の少なくとも１種を使用して、地表側からの地山探査を新たに行っても構わない。かかる場合にも、取得データは、前記の如くデジタル波形などで保存しておくことが必要である。
【００５２】
さらに、坑内側からの地山探査が必要な場合には、トンネル施工段階で取得され、デジタル波形として保存された探査データがある場合には、矢印ｂで示すように、トンネルの竣工後段階で利用することができる。トンネル竣工後に、大きな地山変化が生じたことが予想される場合には、ブロックＢ２に記載の少なくともいずれかの手法を適用して坑内からの地山データの取得を行えばよい。
【００５３】
次に、本発明の実施の形態を、トンネルの施工段階において、地表側からの地山探査と、坑内側からの地山探査とを行う場合を例に挙げて説明する。トンネルの施工段階で行う地表からの探査と、坑内からの探査とは、各々独立して相前後して、すなわち連続的に行う方法と、あるいは並行して行う場合とが考えられるが、いずれの方法を選択しても構わない。
【００５４】
図３は、トンネルの施工段階での地表からの探査、坑内からの探査の状況を模式的に示す説明図である。弾性波探査法は、基本的には、予め設定された起振点から、起振源により起振し、起振により発生した弾性波を、予め設置した受振点の受振装置で受振して、受振した測定波を記録し、かかる記録された測定データを解析する方法である。
【００５５】
なお、図３に記載の測線距離は、実際の距離間隔がイメージできるようにと表示したものであり、本発明はかかる数値に何ら限定されるものではない。
【００５６】
トンネルの施工段階での地表側からのかかる弾性波探査手法の適用は、以下のようにして行う。図３に模式的に示すように、トンネルの計画路線１方向に沿って、切羽前方の山上地表面に所定間隔離して受振点を設定し、それに合わせて受振装置５を設置する。受振装置５としては、地震観測に使用する市販の地震計のジオフォン、ピックアツプなどを使用すればよい。図中では、ピックアップを使用した場合について説明している。精度の高い解析を行う場合には、受振点の数を増やすようにすればよい。
【００５７】
複数の受振装置５は、図示しないが、数個ずつ１グループに接続し、各々のグループをそれぞれＡ／Ｄ変換器であるリモートユニットに接続し、リモートユニット同士をさらに１グループに接続して、さらに記録装置に接続しておけばよい。リモートユニットにより測定された弾性波の波形は、記録装置にデジタル波形として記録されるようになっている。
【００５８】
このように予め設定される複数の受振点に対応して、各々起振点を設定する。起振点は、各受振点から所定間隔離して側方に設定すればよく、かかる設定した起振点において、個々に起振することとなる。
【００５９】
起振源としては、爆薬起振と、非爆薬起振の双方を使用することができる。現場状況などにより適宜起振源を選択すればよい。例えば、爆薬起振を採用する場合には、火薬量を少量に設定した発破起振を使用すればよい。また、非爆薬起振を採用する場合には、起振点を叩いて弾性波を発生させる起振装置を使用すればよい。かかる起振装置としては、例えば、油圧インパクタ、バイブロサイスなどの起振装置を使用することができる。
【００６０】
起振源として、非爆薬起振を使用する場合には、起振装置を、複数の受振装置側方に設定した各起振点に順番に移動して、地表面上を叩いて起振し弾性波を発生させる。発生させる弾性波は、現場の地山状況に応じて周波数を変えるようにしてもよい。周波数の変更は、使用する起振装置を選択して行うようにすればよい。
【００６１】
起振は、上記要領で複数の受振装置の各々に対応して行なうが、必要に応じて、同一起振場所で、複数回起振（スタッキング、あるいは重合と呼ばれる）を行う。
【００６２】
このようにして、起振装置により各受振装置の近傍で起振させることにより発生させられた弾性波は、本発明では、前記記録装置にデジタル波形として記録、保存されることとなる。探査データをデジタル波形として保存しておくことにより、一つの探査データに弾性波反射法、弾性波屈折法などの異なるデジタル解析手法を適用することができ、地形表面下の水平構造探査を、種々の解析結果と比較対照して、切羽前方の地山状況を精度高く予測することができる。
【００６３】
因みに、予測される地山状況とは、図３の丸で囲んだ探査ターゲットに記載のように、断層構造、地質の硬軟構造などの情報である。
【００６４】
上記地表側からの探査と併せて、図３に示すように、トンネル坑内４からの探査も行う。地表側からの探査により、切羽前方の水平構造探査を行ったが、坑内からは、図３に示すように、切羽前方の鉛直構造探査を行う。併せて、坑内の底盤直下の水平構造探査を行っても構わない。
【００６５】
切羽前方探査を行う場合には、トンネル坑内４の底盤側に、トンネルの掘削方向に沿って、坑口側から切羽直前まで、受振装置６を所定間隔で設置して受振点を設定する。受振装置６は、前記地表側からの探査に際しての構成と同様に、ジオフォン、ピックアップなど使用して、底盤に設置すればよい。このようにして設定した各受振点に対して、前記と同様に、起振点を設定する。
【００６６】
起振源として非爆薬起振を使用する場合には、前記と同様に、油圧インパクタ、バイブロサイスなどの起振装置を使用する。例えば、坑口側から切羽側に向けて、順に各起振点を起振することにより、その都度発生させた弾性波を各受振点で受振すればよく、起振に際してのスタッキングなどの起振手法は、前記と同様の要領で行うことができる。
【００６７】
また、坑内に設けた受振装置６も、図示しないが、前記と同様に、複数の受振装置６を数個ずつ１グループに接続し、各々のグループをそれぞれＡ／Ｄ変換器であるリモートユニットに接続し、リモートユニット同士をさらに１グループに接続して、さらにデータロガーなどの記録装置に接続しておけばよい。リモートユニットにより測定された弾性波の波形を、記録装置にデジタル波形として記録できるようになっている。
【００６８】
このようにして、本発明では、探査データは、坑内からの弾性波探査に対して取得された測定波形をデジタル波形として保存されることとなるため、かかる坑内からの探査データに弾性波反射法のＶＳＰ法と呼ばれる鉛直構造探査法を適用して、切羽前方の鉛直構造を予測することができる。併せて、保存されているデジタル波形としての探査データに、屈折法、および／または、浅層反射法を適用することにより坑内直下の水平構造探査を行うことができる。
【００６９】
すなわち、弾性波探査法により１度取得した探査データに、ＶＳＰ法、屈折法、浅層反射法のそれぞれ適用して、水平構造、鉛直構造の双方を解析することができる。図４（Ａ）、（Ｂ）に、坑内からの探査に際して弾性波反射法により水平構造探査、鉛直構造探査のそれぞれを行う場合の測定原理を簡単に図示した。
【００７０】
また、図１に示すように、坑内底盤側、山上地表面側から必要な坑井を設けて、図４（Ｃ）に示すように、起振源からの弾性波を直接に受振して、直接波解析を行うようにしてもよい。かかる直接法により得られる地山情報は、受振点に対応する断面画像として解析結果を表すこともできる。
【００７１】
また、上記のように、トンネルの施工段階では、地表側からの探査データと、坑内側からの探査データとが、連続的に取得されるため、切羽前方の地表側からの水平構造探査結果と、坑内側からの切羽前方の鉛直構造探査結果とを比較、対照することにより、切羽前方の地山状況を従来より高精度に予測することができる。
【００７２】
従来は、トンネル施工段階での探査は、坑内側からの地山探査であるため、どうしても、切羽前方の鉛直構造探査は行えるものの、切羽前方の水平構造探査の情報を加味した地山状況の把握が行えなかった。しかし、本発明では、上記の如く、切羽前方の地表側からの水平構造探査結果を加味した判断が行えるため、格段に精度の高い切羽前方地山状況の予測を行うことができる。
【００７３】
上記説明の地表側からの探査と、坑内側からの探査とは、一方の探査が終了してから他方の探査を行うようにして、連続的に行う場合について説明したが、坑内側からの探査と、地表側からの探査のいずれを先にしても構わない。現場状況に応じて、適宜判断すればよい。
【００７４】
上記説明における地表側からの探査とは、地表側における起振−受振に基づき、地表側のみでデータ取得を行い、それに基づいて地表側からの水平構造探査を行うものである。同様に、坑内側からの探査とは、坑内側における起振−受振に基づき、坑内側のみでのデータ取得、データ解析を行い、鉛直構造探査、水平構造探査を行うものである。すなわち、かかる場合には、データの取得、データの解析に際しては、地表側からの起振を坑内側で受振したり、逆に坑内側からの起振を地表側で受振したりすることがない。
【００７５】
一方、地表側および坑内側の双方の受振装置を、弾性波が受振可能な状態に設定しておき、起振を地表側から坑内側に連続的に行い、同一起振に基づく弾性波を地表側、坑内側の双方で受振できるようにしておいても構わない。かかる場合には、起振源が同一側にある場合には、起振点と受振点とが近傍に設定されているため、弾性波反射解析に必要なショット時間を大きなタイムラグを発生させることなく確定することができるが、坑内と地表側とでは数Ｋｍも離れる場合も当然に想定され、ショット時間の記録におけるタイムラグは無視できなくなる。
【００７６】
そこで、かかる場合には、図５に示すような構成を採用すればよい。すなわち、図５に示すように、地形表面側に設けた受振装置５、坑内底盤側に設けた受振装置６を、それぞれデータの一時保存を行うリモートデータステーション７を介して、記録装置８に接続しておく。記録装置８から、山上地表面側の起振源９、坑内底盤側の起振源１０にそれぞれ、無線により起振信号を発信するようにしておけばよい。
【００７７】
かかる構成を採用することにより、記録装置８側の記録開始時点で、起振源９、１０に無線で起振信号を発信して、起振源を起動させて起振させれば、弾性波解析に際して問題となるショット時間の記録における致命的なタイムラグを排除した状態で記録することができる。起振源９、１０への起振信号は、時間差を設けて発信すればよい。
【００７８】
このようにしてタイムラグを無視できる程度に抑制した状態で、ショット時間の高精度の記録が行えれば、地表側、坑内側の双方における起振を順に行うことなく、地表側、坑内側の双方で並行して起振するようにしても一向に構わない。かかる並行探査を行えば、データ取得段階で、地表側と坑内側との双方の地質情報を融合した形でのデータ取得が行えることとなる。
【００７９】
また、上記説明では、起振信号を記録装置の側から発信する場合について説明したが、受振点側から発信するようにしても構わない。この場合は、データ取得方法は上記と同じとなる。さらに、受振点と記録装置側とに、同一の正確な時計を装備し、データ記録に起振信号を発信する時刻を記録し、受振側は得られた波形信号とその時間を同時に記録するようにすれば、起振信号の時間を正確に、同時に別々の記録装置に記録することができ、波形データの解析が可能となる。
【００８０】
また、以上の説明では、起振源に非爆薬起振を使用した場合について説明したが、前記説明でも触れたように爆薬起振を使用するようにしても構わない。さらには、地表探査で爆薬起振を採用し、坑内側からの探査では非爆薬起振を採用するなど、地表側からの探査と、坑内側からの探査とで、使用する起振源を変えるようにしても構わない。
【００８１】
上記説明では、トンネル施工段階における地表側からの弾性波探査と、坑内側からの弾性波探査とを行う場合について説明したが、トンネルの施工段階での地表側からの弾性波探査と同様の要領で、トンネルの計画段階でも弾性波探査を行うことができる。弾性波探査における起振点、起振源、受振点、受振装置などの機器構成は、同様にして行えばよい。
【００８２】
トンネル計画段階では、受振装置をトンネルの計画路線に沿った地形表面に設置し、個々の受振装置の近傍で、爆薬起振、あるいは非爆薬起振により起振を行い、発生させた弾性波を受振し、受振した測定波をデジタル波形として保存すればよい。
【００８３】
また、トンネルの竣工後でも、トンネルの保守管理に際しては、地山状況の把握は重要である。さらには、竣工後のトンネルを交通量の増加に合わせて拡幅する場合も想定される。かかる場合にも、地山状況の把握は重要である。
【００８４】
そこで、トンネルの竣工後でも、必要に応じて、地表側あるいは坑内側からの弾性波探査を行い、その結果をデジタル波形として保存して、弾性波反射法、弾性波屈折法など適宜必要な解析手法を適用して地山状況を高精度に予測することができる。また、本発明の地山探査方法をトンネルの計画段階から適用していれば、計画段階での地表側からの探査データ、施工段階での地表側、坑内側からの両探査データが、デジタル波形として保存されているので、竣工後トンネル周囲の地山変化がなかったと考えられる場合には、かかるデータの再解析により必要な地山状況の把握を簡便に行うこともできる。
【符号の説明】
【００８５】
１ トンネルの計画路線
２ 山上地表面
３ 坑井
４ トンネル坑内
５ 受振装置
６ 受振装置
７ リモートデータステーション
８ 記録装置
９ 起振源
１０ 起振源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの路線を構成する周辺地質である地山の探査方法に関し、特に、トンネルの新規着工における計画段階からの地山探査結果を、その後の施工段階、あるいは竣工後のトンネルの保守管理などでも利用できるようにして、探査データを有効利用する技術である。
【背景技術】
【０００２】
トンネル工事においては、計画、設計段階において、トンネル路線を構成する地質（地山とも言う）の事前調査が行われる。地表からの弾性波屈折法や、比抵抗電気探査法などの物理探査、ボーリング調査などを実施し、これらの資料に基づき新規トンネルの計画、設計がなされる。
【０００３】
かかる調査手法のうち、特に、弾性波屈折法は、トンネル路線の地山状況を弾性波速度という物理量で区分して、評価基準を定量化することができる手法として重要であり、トンネル設計において多用されている。
【０００４】
しかし、現実には、上記弾性波屈折法で十全な事前調査を行ったにもかかわらず、実際のトンネルの施工段階において、事前予測された地山区分、地山状況と、実際の掘削現場での切羽により確認される地質状況とが、大きく異なるケースにしばしば遭遇する。
【０００５】
地山状況の事前調査結果と、掘削現場での実際の切羽状況とのかかる不一致の技術的な原因としては、主に、地質状況の複雑さや弾性波屈折法の探査原理的な調査限界（調査精度）に起因しているものと考えられる。
【０００６】
すなわち、弾性波屈折法は、その探査原理からして、元々は水平構造の探査方法であって、地山の鉛直構造の探査では精度の高い探査が行えないこと、解析に際しては弾性波速度は地山深部に向かう程高くなると想定しているため、中間層に上位層より弾性波速度が低い弾性波低速度帯が存在するとその層より以深の探査ができないこと、また、ほぼ同一の弾性波速度を有する層厚は地山深部に向かうにつれて厚くなるとの解析上の想定を行っているため、中間層に上位層より層厚が薄い層が存在するとその薄層については探査できないことなどの解析技術的な面からの探査限界がある。
【０００７】
そこで、トンネル計画段階における弾性波屈折法では予測し得ない地山性状が考えられることとなり、トンネル施工段階で、トンネル坑内で弾性波反射法（一部、電磁波を用いる場合もある）を実施することにより、事前探査では十分に得られなかった地質情報を、掘削時に精度高く取得して、切羽前方地質の予測に役立てる手法が提案されている。
【０００８】
このように地表側からの探査手法と、トンネル坑内側からの探査手法とが、それぞれトンネルの地山探査手法として幾つか提案されているが、両手法は、個々各別に独立して実施されており、現状では、両手法を解析方法として関係づける形では実施されていない。
【０００９】
また、トンネルの着工は、トンネルの計画、設計段階からかなりの長年月が経ってから行われるのが普通であり、通常３〜５年、極端な場合には、１０年以上経過してから着工される場合もあるため、トンネルの計画、設計段階の事前調査における生波形が散在、紛失されたりして、解析上両手法を関連づけて実施しにくい面がある。
【００１０】
また、最近の測定データ（波形）は、全てデジタルデータとして保管可能であるが、数年前まではアナログデータ（紙への印刷）しかない場合があり、近年の施工時の探査に過去の事前調査結果が利用できないケースも多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
かかる現状に鑑み、本発明者は、施工時の地山探査として、坑内と地表を同時にあるいは連続的に測定し、解析上、両手法を関連づけて、より確度の高い探査を実施できるようにすることが必要と考えた。
【００１２】
また、本発明者は、データの散逸、データ形式の違いなどにより、トンネル計画段階での事前調査結果と、施工段階の調査結果とを、同じ解析手法を適用して比較検討することができない現状は、地山状況の高精度の把握という観点からは、早急に解決すべき問題であると考えた。
【００１３】
例えば、従来から実施されているトンネル坑内からの切羽前方探査であるＴＳＰ法では、データの取得方法が特殊であり、且つ解析方法も切羽前方探査に限定されるため、ＴＳＰ法以外の他の手法で解析できるような互換性のあるデータとして利用することができない。すなわち、ＴＳＰ法により取得された既存のデータや新たに坑内や地表で測定されたデータを、他手法にかけて解析することにより、その結果を比較対照することができない。
【００１４】
本発明者は、取得データを、種々の解析手法で利用できるようにすることにより、同じ取得データを多面的に考察して、より精度の高い地山状況の把握が行えるようにすることが必要であると考えた。地山状況を精度高く把握することは、トンネル施工時の最適工法の選択に不可欠であり、且つ最適工法を適用することにより施工時の安全確保、工期の短縮などが図れるものである。
【００１５】
さらに、解析手法の適用に関しては、例えば、弾性波屈折法、弾性波反射法、弾性波直接法などの手法を併用できるようにすることが必要と考えた。これは、取得したデータを共有して、適用可能な手法を併用して解析することにより、それぞれの手法の原理的な限界を互いに補完しながらデータからの地山状況の把握を行うことができ、単一手法のみを使用して解析する場合に比べて、より精度の高い探査が行えるためである。
【００１６】
本発明の目的は、弾性波における種々のデータ解析法を併用して、地山探査を高精度に行うことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の地山探査方法は、トンネル路線を構成する地山状況を探査する方法であって、前記トンネルの計画段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第１の探査データをデジタル波形で保存し、該第１の探査データを弾性波屈折法により解析して、前記トンネルの計画段階における地山状況を探査し、前記トンネルの施工段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第２の探査データと、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第３の探査データとをそれぞれデジタル波形で保存し、前記第２の探査データを弾性波屈折法により解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析するとともに、前記トンネルの計画段階において保存した前記第１の探査データを弾性波屈折法により再解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析した解析結果と、前記第２の探査データを弾性波屈折法により解析して得た解析結果及び前記第１の探査データを弾性波屈折法により再解析して得た解析結果とを比較、対照して、前記第３の探査データのＶＳＰ法による解析結果の精度を高めることを特徴とする。
【００１８】
本発明の地山探査方法は、トンネル路線を構成する地山状況を探査する方法であって、前記トンネルの計画段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第１の探査データをデジタル波形で保存し、該第１の探査データを弾性波屈折法により解析して、前記トンネルの計画段階における地山状況を探査し、前記トンネルの施工段階において、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振し、または地表に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第２の探査データと、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第３の探査データとをそれぞれデジタル波形で保存し、前記第２の探査データを弾性波直接法により解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析するとともに、前記トンネルの計画段階において保存した前記第１の探査データを弾性波直接法により再解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析した解析結果と、前記第２の探査データを弾性波直接法により解析して得た解析結果及び前記第１の探査データを弾性波直接法により再解析して得た解析結果とを比較、対照して、前記第３の探査データのＶＳＰ法による解析結果の精度を高めることを特徴とする。
【００１９】
本発明の地山探査方法は、前記起震源は、非爆薬起震源であることを特徴とする。
【００２０】
以上の構成を有する本発明の地山探査方法は、データの保存形式が反射法、屈折法、直接法のいずれの解析手法でも利用可能になっているため、汎用性が高い探査システムと言える。トンネル路線決定の事前調査、計画段階の生のデータがデジタル値で残っており、そのデータ構造（フォーマット）が明確であれば、データを取り込んで上記手法のいずれを使用しても解析することができるのである。
【００２１】
従来においては、トンネル計画段階での調査データは、デジタル波形として保存されていることが殆どないため、現況ではその利用がなされていないが、上記構成の本発明では、施工時の調査においてデジタル波形として保存することができるので、施工段階で取得した共通のデータに対して、弾性波屈折法、弾性波反射法、あるいは弾性波直接法を適用することができる。
【００２２】
デジタル波形の保存には、汎用の公開されているデータフォーマットを使用して保存するようにすればよい。
【００２３】
さらに、本発明では、施工段階で、トンネル坑内からの探査のみならず、地表からの探査を行うように構成しているため、地山性状の把握をより高精度に行うことができる。
【００２４】
また、調査、計画段階で実施する弾性波屈折法においては、原理的に探査不能な地山性状があり、同様に、施工段階で坑内から実施する弾性波反射法も原理的な限界があるが、本発明を適用することにより、取得した同じデータに両手法を適用して解析することができるため、双方の解析結果を対照、比較することにより、双方の原理的な限界点を互いに補完することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、地表側からの弾性波探査、トンネル坑内側からの弾性波探査の測定データが、反射法、屈折法、直接法のいずれかの解析方法でも使用できる探査データとして保存されるため、解析方法ごとにデータ測定を行わずに済む。
【００２６】
併せて、必要に応じて、同一の探査データに基づき、異なる解析手法を適用した地山状況の結果を比較検討することができるため、単一の解析手法を適用して地山状況の判断を行う場合に比べて、精度の高い地山探査が行える。
【００２７】
同一の探査データに基づき、反射法、屈折法、直接法をそれぞれ適用して解析することができるため、それぞれの手法に特有の探査限界に基づく探査不能な地山性状があっても、他の手法によりかかる地山性状の探査限界の補完が行え、より精度の高い地山探査が行える。
【００２８】
起振源として、地表面を叩いて起振する起振装置などの非爆薬起振源を使用すれば、爆薬起振の場合とは異なり、発生弾性波の周波数を地山状況に合わせて変えることができ、より精度の高い地質探査が行える。また、発破起振の場合とは異なり起振位置の制限がないため、トンネル坑内側面、天井面などの自由な起振位置の選択が行える。
【００２９】
発破起振とは異なり、同一地点で複数回起振するスタッキングが行えるため、弾性波エネルギーが発破起振の場合より小さくても、地質探査を精度良く行うことができる。
【００３０】
起振装置を使用することにより、発破起振に比べて発生させる弾性波のエネルギーを小さく抑えることができ、起振位置から比較的近い箇所でも、弾性波が透過する割合が少なく、発破起振ではその詳細な探査ができない測定区間から１００ｍ程度までの比較的近い近傍区間のデータをも詳細に判別することができる。
【００３１】
本発明では、直接法を適用することができるので、直接法に適用される画像表示法で地山状況を視認できるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（Ａ）は、弾性波直接法の坑井を地表側に設けた様子を示す断面図であり、（Ｂ）は弾性波直接法の坑井を坑内に設けた場合を示す断面図である。
【図２】弾性波探査方法をトンネルの計画段階、施工段階、竣工後段階において適用するためのフロー図である。
【図３】トンネルの施工段階における地表側からの水平構造探査、坑内側からの水平構造探査、鉛直構造探査の状況を示す説明図である。
【図４】（Ａ）は弾性波屈折法、反射法を使用する水平構造探査手法における解析原理を示す説明図であり、（Ｂ）は弾性波反射法を使用する鉛直構造探査手法における解析原理を示す図であり、（Ｃ）は直接法の解析原理を示す説明図である。
【図５】タイムラグを極力排除した状態でショット時間の記録ができるようにした機器構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。本発明は、トンネルの計画段階と、トンネルの施工段階とでの探査データを共用可能にし、かかる探査データに弾性波探査法における反射法、屈折法、直接法などの異なる手法を適用して、それぞれの解析結果を比較、対照してトンネルの地山状況を精度高く把握することができる構成を有する。
【００３４】
また、トンネルの計画段階での探査データを利用することができない場合でも、トンネルの施工段階で、地表からの探査と坑内からの探査とを行い、双方で得られる探査データを共用可能にし、かかる探査データに弾性波探査方法における反射法、屈折法、直接法などの異なる手法を適用して、それぞれの解析結果を比較、対照してトンネルの施工段階での地山状況を精度高く把握することもできる。
【００３５】
さらには、地表側からの探査と、坑内側からの探査とを、竣工後のトンネルに対して適用することで、竣工後のトンネルの保守管理、あるいはトンネルの拡幅に必要な地山状況の把握を精度高く行うこともできる。
【００３６】
このように本発明では、トンネルの計画段階、施工段階、竣工後段階で、弾性波探査方法を適用して、高精度の地山探査を行うこととなるが、以下の表１に、それぞれの段階の地山探査に使用できる弾性波探査法をまとめた。
【００３７】
【表１】
【００３８】
上記表１に示すように、Ｐ波を使用する弾性波探査法は、大分類では屈折波を利用する屈折法と、反射波を利用する反射法と、直接波を利用する直接法とに分けられる。屈折法は、トンネルの計画段階の地表側からの探査、トンネルの施工段階での坑内側からの探査のいずれの場合にも適用でき、地山状況の水平構造の探査に適した地山探査方法である。
【００３９】
屈折法に関しては、トンネルの計画段階での地表側からの探査に利用することは、従来より行われていたが、トンネル施工段階で坑内側からの地山探査に適用する提案は、本発明において初めてなされたものである。坑内側から、弾性波屈折法を適用することにより、坑内の底盤直下の地山の水平構造を精度高く探査することができる。
【００４０】
本来的には、トンネルの施工段階での地山状況を、トンネルの計画段階における地山探査で確実に予測できるのが好ましいが、トンネルの計画段階での地山探査は、トンネルの路線計画に沿った地形表面からの水平構造探査であるため、実際のトンネル施工時の掘削深度における水平構造探査を十分な精度で行うことができない。そこで、本発明では、施工段階での十分な地山状況の把握のために、計画段階での探査では得られない地山情報を、坑内から弾性波屈折法を適用した水平構造探査で取得することを提案するものである。
【００４１】
反射法は、水平構造探査に利用する浅層反射法と、鉛直構造探査に適用するＶＳＰ法とに分けられる。このうち浅層反射法は、トンネル計画段階、トンネル施工段階の双方で適用できる水平構造探査法であり、本発明により提案されるものである。水平構造探査に浅層反射法を適用することは従来より知られた一般的技術であるが、トンネルにおける地山探査法として適用された例はない。
【００４２】
ＶＳＰ法は、鉛直構造探査に適用される探査手法であり、トンネル坑内からの地山探査に適用できるものである。かかるＶＳＰ法のうち、ＴＳＰ法と呼ばれる手法は、既にトンネルの施工段階で適用されているが、データの取得、管理などが独特の手法を使用するため、本発明では、かかるＴＳＰ法を採用していない。
【００４３】
直接法は、トモグラフィ解析により、トンネルの計画段階、トンネル施工段階の双方で適用可能な方法である。かかる直接法は、地中内の探査領域を挟むように坑井を設け、例えば、坑井間の地表側に設けた起振源からの弾性波を直接に坑井内の適当な深度毎に設けた受振装置で受振して、直接波の伝達状況で坑井間の地山状況を把握する地山探査方法である。
【００４４】
起振点、受振点の設置方法に関しては、上記説明の地表起振−坑井内受振の他にも、坑井内起振−地表受振、坑井内起振−坑井内受振のそれぞれに対応した設置方法がある。地表起振−坑井内受振、坑井内起振−地表受振では坑井間の水平構造探査が行え、坑井内起振−坑井内受振では坑井間方向に沿った鉛直構造探査が行えることとなる。
【００４５】
図１（Ａ）は、トンネルの計画段階における地山探査に直接法を適用する場合を示したものである。トンネルの計画路線１に沿って、地形表面２からボーリングを行って坑井３を複数設けて直接法を適用する状況を示している。坑井３は、トンネルの計画路線１を縦断する深度まで設けておく必要がある。図１（Ｂ）は、トンネル施工段階で、トンネル坑内４から鉛直方向に坑井３を設け、坑井３に挟まれた間の地山状況を直接法により探査する状況を示している。所望の探査構造に合わせて、上記起振点、受振点の設置方法を適宜選択すればよい。
【００４６】
図２には、トンネルの計画段階、施工段階、竣工後段階での地山探査方法の適用手順を示した。図２のフローに示すように、トンネル計画段階では地表側からの地山探査が行われ、ブロックＡ１に示した弾性波屈折法（水平構造探査目的）、弾性波反射法（水平構造探査目的）、弾性波直接法の孔間弾性波トモグラフィー（水平構造探査目的、鉛直構造探査目的）のうち少なくともいずれか１種の手法を選択して適用すればよい。勿論、複数の手法を使用しても構わない。いずれの手法を採用した場合でも、測定データは、上記複数の手法で解析が行えるようにデジタル波形などのようなデータ形式で保存しておく。
【００４７】
トンネルの施工段階では、図２に示すように、地表側からの探査と、坑内側からの探査とを組み合わせて、地山探査を高精度に行う。地表側からの探査手法は、Ａ２のブロックに記載した探査方法の少なくともいずれか１種の探査方法を適用すればよい。矢印ａ１に示すように、既に、トンネルの計画段階で、上記説明のようにデジタル波形としてブロックＡ１のいずれかの探査方法で取得された利用可能な探査データがあれば、それを利用してもよい。
【００４８】
あるいは、トンネル計画段階での探査データが散逸、あるいは紙面に印刷されたアナログデータなどとして残され、デジタル解析にそのままでは利用できない場合など必要に応じて、ブロックＡ２に記載の探査方法を適用して別途探査データを取得するようにしてもよい。
【００４９】
坑内側からの探査方法としては、ブロックＢ１に記載の弾性波屈折法（水平構造探査目的）、弾性波反射法の浅層反射法（水平構造探査目的）、弾性波反射法のＶＳＰ法（鉛直構造探査目的）、弾性波直接法の孔間弾性波トモグラフィー（水平構造探査目的、鉛直構造探査目的）のうち少なくとも１種の手法を選択して適用すればよい。
【００５０】
さらに、トンネル竣工後の保守管理、あるいは交通量増大に伴うトンネル拡幅などの必要に応じて、トンネル竣工後段階での地山探査が求められる場合も想定される。かかる場合には、図２の矢印ａ２に示すように、トンネル計画段階で取得されデジタル波形などで保存された地表側からの探査データ、あるいは矢印ａ３に示すように、トンネルの施工段階で新たに取得され、デジタル波形などで保存された地表側からの探査データを利用する。
【００５１】
また、施工後、地震などで保守管理などに影響を及ぼす地山変化が起きることが予想される場合には、ブロックＡ３に示す探査手法の少なくとも１種を使用して、地表側からの地山探査を新たに行っても構わない。かかる場合にも、取得データは、前記の如くデジタル波形などで保存しておくことが必要である。
【００５２】
さらに、坑内側からの地山探査が必要な場合には、トンネル施工段階で取得され、デジタル波形として保存された探査データがある場合には、矢印ｂで示すように、トンネルの竣工後段階で利用することができる。トンネル竣工後に、大きな地山変化が生じたことが予想される場合には、ブロックＢ２に記載の少なくともいずれかの手法を適用して坑内からの地山データの取得を行えばよい。
【００５３】
次に、本発明の実施の形態を、トンネルの施工段階において、地表側からの地山探査と、坑内側からの地山探査とを行う場合を例に挙げて説明する。トンネルの施工段階で行う地表からの探査と、坑内からの探査とは、各々独立して相前後して、すなわち連続的に行う方法と、あるいは並行して行う場合とが考えられるが、いずれの方法を選択しても構わない。
【００５４】
図３は、トンネルの施工段階での地表からの探査、坑内からの探査の状況を模式的に示す説明図である。弾性波探査法は、基本的には、予め設定された起振点から、起振源により起振し、起振により発生した弾性波を、予め設置した受振点の受振装置で受振して、受振した測定波を記録し、かかる記録された測定データを解析する方法である。
【００５５】
なお、図３に記載の測線距離は、実際の距離間隔がイメージできるようにと表示したものであり、本発明はかかる数値に何ら限定されるものではない。
【００５６】
トンネルの施工段階での地表側からのかかる弾性波探査手法の適用は、以下のようにして行う。図３に模式的に示すように、トンネルの計画路線１方向に沿って、切羽前方の山上地表面に所定間隔離して受振点を設定し、それに合わせて受振装置５を設置する。受振装置５としては、地震観測に使用する市販の地震計のジオフォン、ピックアツプなどを使用すればよい。図中では、ピックアップを使用した場合について説明している。精度の高い解析を行う場合には、受振点の数を増やすようにすればよい。
【００５７】
複数の受振装置５は、図示しないが、数個ずつ１グループに接続し、各々のグループをそれぞれＡ／Ｄ変換器であるリモートユニットに接続し、リモートユニット同士をさらに１グループに接続して、さらに記録装置に接続しておけばよい。リモートユニットにより測定された弾性波の波形は、記録装置にデジタル波形として記録されるようになっている。
【００５８】
このように予め設定される複数の受振点に対応して、各々起振点を設定する。起振点は、各受振点から所定間隔離して側方に設定すればよく、かかる設定した起振点において、個々に起振することとなる。
【００５９】
起振源としては、爆薬起振と、非爆薬起振の双方を使用することができる。現場状況などにより適宜起振源を選択すればよい。例えば、爆薬起振を採用する場合には、火薬量を少量に設定した発破起振を使用すればよい。また、非爆薬起振を採用する場合には、起振点を叩いて弾性波を発生させる起振装置を使用すればよい。かかる起振装置としては、例えば、油圧インパクタ、バイブロサイスなどの起振装置を使用することができる。
【００６０】
起振源として、非爆薬起振を使用する場合には、起振装置を、複数の受振装置側方に設定した各起振点に順番に移動して、地表面上を叩いて起振し弾性波を発生させる。発生させる弾性波は、現場の地山状況に応じて周波数を変えるようにしてもよい。周波数の変更は、使用する起振装置を選択して行うようにすればよい。
【００６１】
起振は、上記要領で複数の受振装置の各々に対応して行なうが、必要に応じて、同一起振場所で、複数回起振（スタッキング、あるいは重合と呼ばれる）を行う。
【００６２】
このようにして、起振装置により各受振装置の近傍で起振させることにより発生させられた弾性波は、本発明では、前記記録装置にデジタル波形として記録、保存されることとなる。探査データをデジタル波形として保存しておくことにより、一つの探査データに弾性波反射法、弾性波屈折法などの異なるデジタル解析手法を適用することができ、地形表面下の水平構造探査を、種々の解析結果と比較対照して、切羽前方の地山状況を精度高く予測することができる。
【００６３】
因みに、予測される地山状況とは、図３の丸で囲んだ探査ターゲットに記載のように、断層構造、地質の硬軟構造などの情報である。
【００６４】
上記地表側からの探査と併せて、図３に示すように、トンネル坑内４からの探査も行う。地表側からの探査により、切羽前方の水平構造探査を行ったが、坑内からは、図３に示すように、切羽前方の鉛直構造探査を行う。併せて、坑内の底盤直下の水平構造探査を行っても構わない。
【００６５】
切羽前方探査を行う場合には、トンネル坑内４の底盤側に、トンネルの掘削方向に沿って、坑口側から切羽直前まで、受振装置６を所定間隔で設置して受振点を設定する。受振装置６は、前記地表側からの探査に際しての構成と同様に、ジオフォン、ピックアップなど使用して、底盤に設置すればよい。このようにして設定した各受振点に対して、前記と同様に、起振点を設定する。
【００６６】
起振源として非爆薬起振を使用する場合には、前記と同様に、油圧インパクタ、バイブロサイスなどの起振装置を使用する。例えば、坑口側から切羽側に向けて、順に各起振点を起振することにより、その都度発生させた弾性波を各受振点で受振すればよく、起振に際してのスタッキングなどの起振手法は、前記と同様の要領で行うことができる。
【００６７】
また、坑内に設けた受振装置６も、図示しないが、前記と同様に、複数の受振装置６を数個ずつ１グループに接続し、各々のグループをそれぞれＡ／Ｄ変換器であるリモートユニットに接続し、リモートユニット同士をさらに１グループに接続して、さらにデータロガーなどの記録装置に接続しておけばよい。リモートユニットにより測定された弾性波の波形を、記録装置にデジタル波形として記録できるようになっている。
【００６８】
このようにして、本発明では、探査データは、坑内からの弾性波探査に対して取得された測定波形をデジタル波形として保存されることとなるため、かかる坑内からの探査データに弾性波反射法のＶＳＰ法と呼ばれる鉛直構造探査法を適用して、切羽前方の鉛直構造を予測することができる。併せて、保存されているデジタル波形としての探査データに、屈折法、および／または、浅層反射法を適用することにより坑内直下の水平構造探査を行うことができる。
【００６９】
すなわち、弾性波探査法により１度取得した探査データに、ＶＳＰ法、屈折法、浅層反射法のそれぞれ適用して、水平構造、鉛直構造の双方を解析することができる。図４（Ａ）、（Ｂ）に、坑内からの探査に際して弾性波反射法により水平構造探査、鉛直構造探査のそれぞれを行う場合の測定原理を簡単に図示した。
【００７０】
また、図１に示すように、坑内底盤側、山上地表面側から必要な坑井を設けて、図４（Ｃ）に示すように、起振源からの弾性波を直接に受振して、直接波解析を行うようにしてもよい。かかる直接法により得られる地山情報は、受振点に対応する断面画像として解析結果を表すこともできる。
【００７１】
また、上記のように、トンネルの施工段階では、地表側からの探査データと、坑内側からの探査データとが、連続的に取得されるため、切羽前方の地表側からの水平構造探査結果と、坑内側からの切羽前方の鉛直構造探査結果とを比較、対照することにより、切羽前方の地山状況を従来より高精度に予測することができる。
【００７２】
従来は、トンネル施工段階での探査は、坑内側からの地山探査であるため、どうしても、切羽前方の鉛直構造探査は行えるものの、切羽前方の水平構造探査の情報を加味した地山状況の把握が行えなかった。しかし、本発明では、上記の如く、切羽前方の地表側からの水平構造探査結果を加味した判断が行えるため、格段に精度の高い切羽前方地山状況の予測を行うことができる。
【００７３】
上記説明の地表側からの探査と、坑内側からの探査とは、一方の探査が終了してから他方の探査を行うようにして、連続的に行う場合について説明したが、坑内側からの探査と、地表側からの探査のいずれを先にしても構わない。現場状況に応じて、適宜判断すればよい。
【００７４】
上記説明における地表側からの探査とは、地表側における起振−受振に基づき、地表側のみでデータ取得を行い、それに基づいて地表側からの水平構造探査を行うものである。同様に、坑内側からの探査とは、坑内側における起振−受振に基づき、坑内側のみでのデータ取得、データ解析を行い、鉛直構造探査、水平構造探査を行うものである。すなわち、かかる場合には、データの取得、データの解析に際しては、地表側からの起振を坑内側で受振したり、逆に坑内側からの起振を地表側で受振したりすることがない。
【００７５】
一方、地表側および坑内側の双方の受振装置を、弾性波が受振可能な状態に設定しておき、起振を地表側から坑内側に連続的に行い、同一起振に基づく弾性波を地表側、坑内側の双方で受振できるようにしておいても構わない。かかる場合には、起振源が同一側にある場合には、起振点と受振点とが近傍に設定されているため、弾性波反射解析に必要なショット時間を大きなタイムラグを発生させることなく確定することができるが、坑内と地表側とでは数Ｋｍも離れる場合も当然に想定され、ショット時間の記録におけるタイムラグは無視できなくなる。
【００７６】
そこで、かかる場合には、図５に示すような構成を採用すればよい。すなわち、図５に示すように、地形表面側に設けた受振装置５、坑内底盤側に設けた受振装置６を、それぞれデータの一時保存を行うリモートデータステーション７を介して、記録装置８に接続しておく。記録装置８から、山上地表面側の起振源９、坑内底盤側の起振源１０にそれぞれ、無線により起振信号を発信するようにしておけばよい。
【００７７】
かかる構成を採用することにより、記録装置８側の記録開始時点で、起振源９、１０に無線で起振信号を発信して、起振源を起動させて起振させれば、弾性波解析に際して問題となるショット時間の記録における致命的なタイムラグを排除した状態で記録することができる。起振源９、１０への起振信号は、時間差を設けて発信すればよい。
【００７８】
このようにしてタイムラグを無視できる程度に抑制した状態で、ショット時間の高精度の記録が行えれば、地表側、坑内側の双方における起振を順に行うことなく、地表側、坑内側の双方で並行して起振するようにしても一向に構わない。かかる並行探査を行えば、データ取得段階で、地表側と坑内側との双方の地質情報を融合した形でのデータ取得が行えることとなる。
【００７９】
また、上記説明では、起振信号を記録装置の側から発信する場合について説明したが、受振点側から発信するようにしても構わない。この場合は、データ取得方法は上記と同じとなる。さらに、受振点と記録装置側とに、同一の正確な時計を装備し、データ記録に起振信号を発信する時刻を記録し、受振側は得られた波形信号とその時間を同時に記録するようにすれば、起振信号の時間を正確に、同時に別々の記録装置に記録することができ、波形データの解析が可能となる。
【００８０】
また、以上の説明では、起振源に非爆薬起振を使用した場合について説明したが、前記説明でも触れたように爆薬起振を使用するようにしても構わない。さらには、地表探査で爆薬起振を採用し、坑内側からの探査では非爆薬起振を採用するなど、地表側からの探査と、坑内側からの探査とで、使用する起振源を変えるようにしても構わない。
【００８１】
上記説明では、トンネル施工段階における地表側からの弾性波探査と、坑内側からの弾性波探査とを行う場合について説明したが、トンネルの施工段階での地表側からの弾性波探査と同様の要領で、トンネルの計画段階でも弾性波探査を行うことができる。弾性波探査における起振点、起振源、受振点、受振装置などの機器構成は、同様にして行えばよい。
【００８２】
トンネル計画段階では、受振装置をトンネルの計画路線に沿った地形表面に設置し、個々の受振装置の近傍で、爆薬起振、あるいは非爆薬起振により起振を行い、発生させた弾性波を受振し、受振した測定波をデジタル波形として保存すればよい。
【００８３】
また、トンネルの竣工後でも、トンネルの保守管理に際しては、地山状況の把握は重要である。さらには、竣工後のトンネルを交通量の増加に合わせて拡幅する場合も想定される。かかる場合にも、地山状況の把握は重要である。
【００８４】
そこで、トンネルの竣工後でも、必要に応じて、地表側あるいは坑内側からの弾性波探査を行い、その結果をデジタル波形として保存して、弾性波反射法、弾性波屈折法など適宜必要な解析手法を適用して地山状況を高精度に予測することができる。また、本発明の地山探査方法をトンネルの計画段階から適用していれば、計画段階での地表側からの探査データ、施工段階での地表側、坑内側からの両探査データが、デジタル波形として保存されているので、竣工後トンネル周囲の地山変化がなかったと考えられる場合には、かかるデータの再解析により必要な地山状況の把握を簡便に行うこともできる。
【符号の説明】
【００８５】
１ トンネルの計画路線
２ 山上地表面
３ 坑井
４ トンネル坑内
５ 受振装置
６ 受振装置
７ リモートデータステーション
８ 記録装置
９ 起振源
１０ 起振源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル路線を構成する地山状況を探査する方法であって、
前記トンネルの計画段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第１の探査データをデジタル波形で保存し、該第１の探査データを弾性波屈折法により解析して、前記トンネルの計画段階における地山状況を探査し、
前記トンネルの施工段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第２の探査データと、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第３の探査データとをそれぞれデジタル波形で保存し、前記第２の探査データを弾性波屈折法により解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析するとともに、前記トンネルの計画段階において保存した前記第１の探査データを弾性波屈折法により再解析し、
前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析した解析結果と、前記第２の探査データを弾性波屈折法により解析して得た解析結果及び前記第１の探査データを弾性波屈折法により再解析して得た解析結果とを比較、対照して、前記第３の探査データのＶＳＰ法による解析結果の精度を高めることを特徴とする地山探査方法。
【請求項２】
トンネル路線を構成する地山状況を探査する方法であって、
前記トンネルの計画段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第１の探査データをデジタル波形で保存し、該第１の探査データを弾性波屈折法により解析して、前記トンネルの計画段階における地山状況を探査し、
前記トンネルの施工段階において、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振し、または地表に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第２の探査データと、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第３の探査データとをそれぞれデジタル波形で保存し、
前記第２の探査データを弾性波直接法により解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析するとともに、前記トンネルの計画段階において保存した前記第１の探査データを弾性波直接法により再解析し、
前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析した解析結果と、前記第２の探査データを弾性波直接法により解析して得た解析結果及び前記第１の探査データを弾性波直接法により再解析して得た解析結果とを比較、対照して、前記第３の探査データのＶＳＰ法による解析結果の精度を高めることを特徴とする地山探査方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の地山探査方法において、前記起震源は、非爆薬起震源であることを特徴とする地山探査方法。
【請求項１】
トンネル路線を構成する地山状況を探査する方法であって、
前記トンネルの計画段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第１の探査データをデジタル波形で保存し、該第１の探査データを弾性波屈折法により解析して、前記トンネルの計画段階における地山状況を探査し、
前記トンネルの施工段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第２の探査データと、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第３の探査データとをそれぞれデジタル波形で保存し、前記第２の探査データを弾性波屈折法により解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析するとともに、前記トンネルの計画段階において保存した前記第１の探査データを弾性波屈折法により再解析し、
前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析した解析結果と、前記第２の探査データを弾性波屈折法により解析して得た解析結果及び前記第１の探査データを弾性波屈折法により再解析して得た解析結果とを比較、対照して、前記第３の探査データのＶＳＰ法による解析結果の精度を高めることを特徴とする地山探査方法。
【請求項２】
トンネル路線を構成する地山状況を探査する方法であって、
前記トンネルの計画段階において、地表に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振して得た第１の探査データをデジタル波形で保存し、該第１の探査データを弾性波屈折法により解析して、前記トンネルの計画段階における地山状況を探査し、
前記トンネルの施工段階において、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波を地表に設けた受振点で受振し、または地表に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第２の探査データと、トンネル坑内に設けた起震源から発振された弾性波をトンネル坑内に設けた受振点で受振して得た第３の探査データとをそれぞれデジタル波形で保存し、
前記第２の探査データを弾性波直接法により解析し、前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析するとともに、前記トンネルの計画段階において保存した前記第１の探査データを弾性波直接法により再解析し、
前記第３の探査データをＶＳＰ法により解析した解析結果と、前記第２の探査データを弾性波直接法により解析して得た解析結果及び前記第１の探査データを弾性波直接法により再解析して得た解析結果とを比較、対照して、前記第３の探査データのＶＳＰ法による解析結果の精度を高めることを特徴とする地山探査方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の地山探査方法において、前記起震源は、非爆薬起震源であることを特徴とする地山探査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２３０６８９（Ｐ２０１０−２３０６８９Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５７４４８（Ｐ２０１０−１５７４４８）
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【分割の表示】特願２００１−２０２５３６（Ｐ２００１−２０２５３６）の分割
【原出願日】平成１３年７月３日（２００１．７．３）
【出願人】（３０２０６０９２６）株式会社フジタ (285)
【出願人】（５９２０３６３９１）株式会社地球科学総合研究所 (4)
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【分割の表示】特願２００１−２０２５３６（Ｐ２００１−２０２５３６）の分割
【原出願日】平成１３年７月３日（２００１．７．３）
【出願人】（３０２０６０９２６）株式会社フジタ (285)
【出願人】（５９２０３６３９１）株式会社地球科学総合研究所 (4)
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