本発明は、道路用、鉄道用、あるいは水路用などのトンネルの掘削工事における施工中の切羽前方の地質を探査する方法に関するものである。

トンネルの掘削においては、切羽前方の地質を適切に探査することによって、断層・破砕帯や含水層などによる地山不良個所の有無を事前に探査し、探査結果に応じた適切な機器及び工法で切羽の掘削作業を行うことが重要である。

従来、トンネルの切羽前方の地質探査方法としては、ボーリングによる方法(例えば特許文献1参照)や、大型の油圧ドリルを用いて切羽前方の地山へ水平に穿孔し、そのときの打撃力やトルクの変化、穿孔時間などを計測することによって、地質の硬軟や地下水の状況などを予測する探りノミと呼ばれる方法や、弾性波探査による方法などがある。弾性波探査による切羽前方地質探査方法としては、VSP(vertical seismic profile;弾性波反射法)処理を応用した手法が知られており、これは、人工震源(発破や機械震源)と受振器及び記録装置等を用い、起振源から地中へ向けて弾性波を発生させ、地質の境界面からの反射波を受振し、その受振データにフィルタリング等の波形処理を施すことによって切羽前方の地山変化を相対的に判定する方法(例えば特許文献2,3参照)である。

しかしながら、このような弾性波探査では、トンネル施工中にトンネル地質(主に切羽前方地質)を探査するためには、探査機器が坑内を占有するため休日等の坑内作業のない日を選定し、探査機器(受振器、発破や機械震源、記録装置ほか)を坑内に搬入して切羽近傍を占有して探査を実施する必要があるといった問題が指摘される(探査は準備を入れて1.5日程度)。また弾性波探査は、必ず人工震源と受振器(含む記録装置)の組合せによって実行され、このため人工震源として、ダイナマイト等による発破や、バイブレータや油圧インパクタ等による機械震源を用いる必要があった。

一方、地山の地下構造をイメージングする技術として、地中又は地表へ向かう振動が地中の反射点で反射した地中反射波を、地表に配置した異なる二地点に配置した受振器で同時刻に測定し、それらの測定データの波形について相互相関処理を行うことにより、一方を震源とし、他方を受振点として観測したような振動波形を合成することによって作成した擬似反射波の合成ショット記録に、所定の処理を加えて統合し、測定区域における地下構造の可視化データを得ることのできる地震波干渉法(Seismic Interferometry)が知られている(下記の非特許文献1参照)。

特開平8−177380号公報

特開2001−141835号公報

特開2000−170478号公報

白石和也,松岡俊文,川中卓:地震波干渉法概説,地学雑誌,第117巻,第5号,pp.863−869,2008.

しかしながら、地震波干渉法による地下構造イメージングを利用して、施工中のトンネル切羽前方の地質を探査する技術は確立されていなかった。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題とするところは、専用の人工震源を用いることなく、トンネルの掘削工事における施工中の切羽前方の地質を高精度で探査可能とすることにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項1の発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法は、トンネルの坑内に受振手段を設置し、トンネル掘削工事の施工に付随する作業によって発生する地盤のノイズ振動を震源として、この震源からの直接波と、切羽前方の地質変化による境界面で反射した反射波を前記受振手段で受振し、その受振記録を、自己相関(auto-correlation)を用いた地震波干渉法により解析して前記反射波から前記直接波走時を除去することにより得られる、震源を仮想受振点とする複数の反射波の重ね合わせにより、前記切羽前方の地質状況を予測することを特徴とするものである。

上述の方法において、地震波干渉法とは、異なる受振点で観測された振動記録の相互相関により、あたかも一つの受振点位置を仮想的な震源として、他の受振点で観測を行ったような振動波形を合成することができる信号処理手法である。そしてこの手法によれば、震源を仮想受振点とする複数の反射波の重ね合わせにより、切羽前方の地質変化による境界面の存在をイメージングすることができる。したがって従来ノイズとされてきた振動記録を地盤探査に有効に活用することによって、地質探査のための特別な専用の震源を不要とすることができる。

請求項2の発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法は、請求項1に記載の方法において、地盤のノイズ振動が、発破掘削トンネルの施工における発破、ダンプによるずり輸送、こそく、ロックボルト用削孔のいずれかにより発生するもの、又は機械掘削トンネルの施工における機械掘削、ダンプによるずり輸送、ロックボルト用削孔のいずれかにより発生するものであることを特徴とするものである。

トンネルの施工においては、発破、機械掘削、ダンプ走行など地盤振動の発生を伴う作業が多く、本発明では、このような振動によるノイズを切羽前方探査に有効に利用するものである。なお、ここで「ずり」とはトンネル掘削により発生する岩石や土砂を言い、「こそく」とは掘削によって切羽に現れた浮き石を落としたり切羽を整形したりする作業を言う。

請求項3の発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法は、請求項1又は2に記載の方法において、自己相関を用いた地震波干渉法による解析の前処理として、波形振幅の平準化を行うものである。

ここで、波形振幅の平準化とは、観測記録の全ての時刻について、観測記録の長さに対しては短く設定される単位時間内の二乗平均平方根振幅により、元の振幅値を除算する処理のことである。段発発破の観測記録や各種振動ノイズ記録を用いる場合、平準化処理を適用しないと波形振幅の大きなもの同士の相関係数が高く、一方で本来の対象である切羽前方からの反射波の抽出効果が低下するおそれがある。平準化処理により観測記録の振幅エネルギーを揃えることで、相関処理による切羽前方からの反射波抽出の効率を向上させることができる。

本発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法によれば、作業によるノイズ振動を地質探査に有効に活用することによって、地質探査のための特別な専用の震源を不要としながら、トンネル掘削中における切羽前方の地質探査を高精度で行うことができる。

発破工法によるトンネル掘削工事の施工手順及び本発明に利用可能な地盤振動の発生を伴う作業を示す説明図である。

機械掘削工法によるトンネル掘削工事の施工手順及び本発明に利用可能な地盤振動の発生を伴う作業を示す説明図である。

本発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法の好ましい実施の形態を概略的に示す説明図である。

本発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法の好ましい実施の形態において、段発発破を震源とした場合の解析手法を示す説明図である。

本発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法の好ましい実施の形態において、切羽位置での掘削発破を受振点と仮定した場合(自己相関処理)の反射波の概念を示す説明図である。

図5に示す概念を、弾性波の走時(波が到達する時間)で表わした説明図である。

本発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法の好ましい実施の形態において、1回の発破で複数の受振点で得られる自己相関処理波形の重ね合わせの概念を示す説明図である。

地質変化部分による反斜面が傾斜している場合を示す説明図である。

本発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法の好ましい実施の形態において、地質変化部分による反斜面が傾斜している場合、1回の発破で複数の受振点で得られる自己相関処理波形の重ね合わせの概念を示す説明図である。

実施例として、段発発破による受振波形と平準化処理後の波形を示す説明図である。

従来の技術(VSP処理)による反射波の処理波形と本発明に係る地震波干渉法(自己相関)による処理波形を対比して示す説明図である。

以下、本発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

トンネルの掘削には、ダイナマイトなどの爆薬を用いて発破することにより掘削する発破工法や、自由断面掘削機、大型ブレーカあるいはトンネルボーリングマシン(TBM)などを用いて掘削する機械掘削工法がある。

このうち発破工法による発破掘削トンネルの施工においては、図1に示すように、まず発破孔を穿孔し(S01)、装薬し(S02)、発破(爆破)させる(S03)。一方、この発破掘削によって発生した土砂や岩石などの「ずり」を重ダンプなどで坑外へ運搬したり(S04)、掘削によって切羽に現れた浮き石を落としたり切羽を整形したりする「こそく」作業(S05)が行われる。そして切羽後方では、坑内壁の崩壊を防止するために、鋼材の建て込み(S06)や、コンクリートの吹き付けによる覆工(S07)や、この覆工壁面から地山へ多数のボアホールを穿孔してこれにロックボルトを挿入して定着させ、ナットで締め付けることにより坑内壁の周辺地山を支保して補強する(S08)といった作業が行われる。そして、S01〜S05の作業を含む掘削工と、S06〜S08の作業を含む支保工が交互に繰り返される。

また、機械掘削工法による機械掘削トンネルの施工においては、図2に示すように、自由断面掘削機、大型ブレーカあるいはTBMなどによって機械掘削を行い(S11)、これによって発生した土砂や岩石などの「ずり」をホイルローダや重ダンプなどで坑外へ運搬(S12)することによる掘削工と、切羽後方で、坑内壁の崩壊を防止するために、鋼材の建て込み(S13)や、コンクリートの吹き付けによる覆工(S14)や、この覆工壁面から地山へ多数のボアホールを穿孔してこれにロックボルトを挿入して定着させ、ナットで締め付けることにより坑内壁の周辺地山を支保して補強する(S15)といった作業を含む支保工が交互に繰り返される。

そして発破掘削トンネルの施工では、発破孔の穿孔(S01)、発破(S03)、重ダンプなどによるずり運搬(S04)、こそく(S05)、及びロックボルトのボアホール穿孔(S08)などは地盤のノイズ振動発生を伴うものであり、機械掘削トンネルの施工でも、機械掘削(S11)、ホイルローダや重ダンプなどによるずり運搬(S12)、及びロックボルトのボアホール穿孔(S15)などは地盤のノイズ振動発生を伴うものである。

図3において、参照符号100は地山に施工されたトンネル、101は切羽(トンネル切削面)である。発破掘削トンネルの施工では、図3(A)に示すように油圧削岩機(ジャンボ)201などによって切羽101からその前方の地山へ向けて所要数の発破孔102を水平に掘削して爆薬を入れ、この爆薬を図3(B)に示すように発破装置4によって炸裂させる。そして図3(C)に示すように、油圧ブレーカ202などを用いて、切羽101における浮き石を除去したり整形したりする「こそく」を行い、発破により発生した「ずり」を、図3(D)に示すように、ホイルローダ203や重ダンプ204などで坑外へ運搬する。なお、図3(A)における103は、坑内壁を支保するロックボルトを打ち込むためのボアホールである。

また、機械掘削トンネルの施工では、図3(E)に示すような自由断面掘削機205や、図3(F)に示すようなTBM206などを用いて切羽101の掘削を行い、掘削により発生した「ずり」を、図3(D)と同様、ホイルローダ203や重ダンプ204などで坑外へ運搬する。

これらの工程で発生する地盤のノイズ振動のデータは、所要数の受振器1で受振して記録装置2に取り込み、そのデータを、坑外の現場事務所等に設置されたパーソナルコンピュータ3で、地震波干渉法(自己相関)を用いた波形処理により解析して、切羽101の前方の地質の予測を行う。

ここで、地震波干渉法とは、1968年にClaerbout によって一次元モデルにおける反射記録が自己相関(auto-correlation)から導かれることが示され、2006年頃から物理探査分野で急速に注目されはじめたもので、前掲の非特許文献1「地震波干渉法概説」に記載されているように、異なる受振点で観測された振動記録の相互干渉により、あたかも一つの受振点位置を仮想的な震源として、他の受振点で観測を行ったような振動波形を合成することができる信号処理手法である。すなわち地震波干渉法によれば、受振点を仮想的な発震点あるいは発震点を仮想的な受振点として振動波形を合成できるので、特別な震源を用いなくても、従来ノイズとされてきた上述のような振動記録を地盤探査に有効に活用することができる。

自己相関は、信号処理において時間領域信号又は空間領域信号等の関数または数列を解析するためにしばしば用いられる数学的手法であって、信号がそれ自身を時間シフトした信号とどれだけ良く整合するかを測る尺度であり、時間シフトの大きさの関数として表されるもので、シフト量ゼロのときに最大となる。言い換えれば、自己相関とは、ある信号のそれ自身との相互相関であって、信号に含まれる繰り返しパターンを探すのに有用であり、周期性を有する場合はその周期毎に値が大きくなるので、例えば、ノイズに埋もれた周期的信号の存在を判定したり、信号中の失われた基本周波数を倍音周波数による示唆に基づいて同定したりするために用いられる。

本発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法の好ましい実施の形態では、掘削発破における1発震点のデータ(現在のデータは2.5秒,段発10発前後)を入力として自己相関解析を行う。掘削発破によって生じた振動パターンは、反射した波形にも基本的にパターンとして含まれるため、掘削発破時の観測波形に対し、自己相関を計算することにより、同一パターンが反射されることとなる、反射波に相当するパターンの値は大きくなり、また切羽101から受振点までの到達時間は相殺されるので、切羽101からの到達時間を示す波形に変換することができる。

本発明に係るトンネル掘削中の地質探査方法の好ましい実施の形態では、図4に示すように、本願の発明者らが先に開発したトンネル浅層反射法探査(SSRT:Shallow Seismic Reflection Survey for Tunnels)のうち、切羽101での段発発破を震源として坑内で連続的に振動を観測する連続SSRTにおいて自己相関を用いる地震波干渉法により解析を行う。

すなわち、図4に示すトンネル100は山岳地帯で施工され、切羽101を、数メートル間隔で発破することによって掘り進められるものである。発破によって発生する地山のノイズ振動のデータを取り込む受振器1は、たとえばジオフォンなどの小型地震計からなるものであって、坑内に複数設置され、例えばトンネル100の坑内地盤の長手方向に沿って、長手方向に沿って1.5m〜3m程度の間隔で設置され、それぞれ記録装置2に接続されている。

また、切羽101を発破掘削するための発破装置4は、爆薬を起爆させる段発雷管への起爆電流を検出した検出信号が記録装置2に出力されるようになっており、すなわち段発発破における最初の発破時刻が、記録装置2に発震時刻として記録されるようになっている。

したがって、上記構成において、トンネル100の切羽101を発破掘削するために、図3(A)に示す切羽101の前方の地山へ穿孔された発破孔102内に装填された爆薬が、発破装置4から雷管への起爆電流によって炸裂すると、その発破点Pが起震源となり、それによる弾性波が複数の受振器1により受振され、各受振データが記録装置2に記録されると共に最初の発震時刻(発破時刻)が記録装置2に記録される。

受振器1で受振された受振データは記録装置2に記録されると共に、坑外の現場事務所等に設置されたパーソナルコンピュータ3へ送られる。パーソナルコンピュータ3では、受振データと、記録装置2に記録された発破時刻から、弾性波の伝搬時間を算出する。

このとき、図4に示すように、地山中に破砕帯や断層などによる地質変化部分Qが存在する場合は、発破点Pを起震源とする弾性波の一部は、地質変化部分Qの境界面で反射するので、受振器1は、発破点Pからの直接波のほか、地質変化部分Qからの反射波を受振することができる。そしてこの場合の受振器1の受振データは、図5に示すように、発破点Pから各反射面までの距離情報が含まれたものとなる。

詳しくは図5において、T₁は、切羽101上の発破点Pで発生した弾性波が直接、坑内側受振器1Bに到達するまでの直接波の走時であり、T₂は、発破点Pで発生した弾性波が切羽101の前方地山内の地質変化部分Qによる反射面で反射して坑内側受振器1Bに到達するまでの反射波の走時である。

図5から、反射波の走時T₂は、切羽101上の発破点Pで発生した弾性波が地質変化部分Qによる反射面で反射して切羽101へ戻るまでの走時T₃と、直接波の走時T₁の和、すなわち T₂=T₁+T₃ であることがわかる。

したがって図6に示すように、時刻0(発破時刻)における自己相関関数を次式;

により算出でき、最大の値(矢印A₀)となる。また、発破時刻から走時tのT₃経過時点(坑内側受振器1Bによる反射波の受振時点)における自己相関関数を次式;

により算出していくと、走時T₃の時に再び大きな値(矢印A_t)となる。反射波の走時T₂から直接波の走時T₁を除去すれば、この時刻が、切羽101上の発破点Pを受振点と仮定した場合の反射波の走時に対応していることから、T₃が反射波の往復走時として得られることになる。したがって、弾性波の伝播速度をVとすれば、図5に示す発破点Pから反射面までの距離Lは、 L=V×T₃/2 として求めることができるのである。

図7は、1発の発破によって複数の受振点で得られる自己相関処理波形の重ね合わせの概念を示すものである。すなわち図7に示すように、トンネル100の坑内地盤の長手方向に沿って多数の受振器1(1₁,1₂,・・・1_n−1,1_n)を、所定間隔で設置した場合、切羽101を発破することによる各受振器1₁,1₂,・・・1_n−1,1_nへの直接波及び反射波の到達時刻は、図7の(I)の受振波形の重ね合わせに示すように、震源位置からの距離が遠い受振器ほど遅く(走時が長く)なる。

そこで、上述のような自己相関処理を行うことによって、図7の(I)に示す各受振器1₁,1₂,・・・1_n−1,1_nの受振波形から直接波の走時を減算すれば、図7の(II)の受振波形の重ね合わせに示すように、切羽101(発破点)を仮想受振点とする振動記録が得られ、これは切羽前方に存在する断層や破砕帯等の地質変化部分Qの反射構造を反映するものとなる。

したがって、この手法によれば、発破時刻の記録が不要であり、1発の発破でも複数の受振点によって切羽前方からの複数の反射記録を得て重ね合わせることができ、段発発破を震源として用いることによって、受振点が1カ所でも解析可能であるといったメリットがある。

なお、図7に示す基本モデルでは、地質変化部分Qによる反斜面がトンネル100の掘進方向に対してほぼ直交する面をなしているものと仮定しているが、断層や破砕帯による地質変化部分Qは、図8に示すように傾斜しているのがふつうである。

すなわち図8のように、地質変化部分Qがトンネル100の掘進方向と直交する面に対して傾斜角度θをなす場合、発破点をO、発破点Oからトンネル100の掘進方向へ延びる直線と地質変化部分Qによる反斜面との交点をF、トンネル100の坑内に設置した受振器1₁,1₂,・・・1_n−1,1_nのうち最も切羽101側の受振器1₁の位置をA、最も坑口側の受振器1_nの位置をBとすると、発破点Oから地質変化部分Qによる反斜面で反射してA又はBへ到達する弾性波は、反斜面を対称軸として発破点Oと対称な点O’からの直接波と仮定することができる。したがって、線分AB、CB、O'A、O'B、O'Cは、 O'A+AB>O'B =O'C+CB =O'A+CB ∴AB>CB である。

そして図9に示すように、切羽101を発破することによる各受振器1₁,1₂,・・・1_n−1,1_nへの直接波及び反射波の到達時刻は、図9の(I)の受振波形に示すように、震源位置からの距離が遠い受振器ほど遅く(走時が長く)なるが、上述のような自己相関処理を行うことによって、図9の(I)に示す各受振器1₁,1₂,・・・1_n−1,1_nの受振波形から直接波の走時を減算すれば、図9の(II)の受振波形に示すように、切羽101(発破点)を仮想受振点とする振動記録が得られ、これは切羽前方に存在する断層や破砕帯等の地質変化部分Qの傾斜のみに起因する反射波の走時の差を抽出したものとなるので、この受振波形から、地質変化部分Qの傾斜構造を推定することができる。

トンネル掘削において切羽での段発発破を震源として切羽前方の地質変化部分からの反射波を連続的に観測する連続SSRTの手法について、本発明の自己相関を用いた地震波干渉法による解析を試行した。適用したトンネルの地質は、花崗閃緑岩からなり、地山新鮮部の弾性波速度は4,000〜4,500m/sと想定され、主に空中写真判読によるリニアメント観察から数カ所で断層が発達している可能性が指摘されていた場所である。

図10の(A)は、各12chの受振点で得られた発破管理番号SP1,SP12,SP25の受振記録波形(元波形)を、走時を揃えて、ほぼ全発破時間に相当する2.5秒分を示すものである。SP1とSP12、SP12とSP25は、共に切羽位置が約18m離隔しており、SP12がSP1とSP25の中間点に位置する。段発発破は、共にDS雷管を用いた10段であり、SP1,SP12,SP25の装薬量はそれぞれ106.6kg、72.4kg、128.5kgであり、加背割りは補助ベンチ付き全断面工法である。DS雷管の公称段間時間は1〜9段目までが250ms、10段目以降が300msである。

図10の(A)を参照すると、受振記録波形は、発破点からの直接波が顕著に記録されていることがわかる。よって、自己相関処理において発破点からの直接波を類似の波形として検出する可能性が考えられることから、AGC処理による波形振幅の平準化処理を実施した。図10の(B)は平準化処理後の波形を示すものである。この図から、直接波の影響がかなり小さくなり、反射波の分布が想定される時間領域の波形が相対的に持ち上がっていることがわかる。

図11は、AGCによる平準化処理後のSP1,SP12,SP25の掘削発破による受振記録波形を自己相関処理し、距離断面(Vp=4,000m/sを採用)に変換した波形を、従来の技術による連続SSRTのVSP処理による反射波形及び坑内SSRTのVSP処理による反射波形と対比して示すものである。自己相関波形において抽出された記録は、先に説明した図7の重ね合わせの手法によって、12chの受振記録を重ね合わせて濃淡バーでも表示している。また、図11に表示された矢印は、強い反射が抽出された箇所をマーキングして示すものである。

連続SSRTでは、解析に用いる掘削発破区間の反射記録が得られないが、自己相関処理波形SP1,SP12,SP25では発破による切羽位置を原点とする反射記録が得られる。よって、各発破における自己相関波形の原点位置はそれぞれ18mの離隔がある。

自己相関処理波形SP1,SP12,SP25は、従来の連続SSRT及び坑内SSRTのVSP処理による反射波形と比較すると、切羽前方の地山の地質変化部分による反射面の構造をほぼ反映した処理波形であることがわかる。

1 受振器 2 記録装置 3 パーソナルコンピュータ(解析手段) 100 トンネル 101 切羽 201 油圧削岩機 202 油圧ブレーカ 203 ホイルローダ 204 重ダンプ P 発破点 Q 地質変化部分