JP2002106291A - 電磁波を用いた切羽前方地質予測方法 - Google Patents
電磁波を用いた切羽前方地質予測方法Info
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- JP2002106291A JP2002106291A JP2000304314A JP2000304314A JP2002106291A JP 2002106291 A JP2002106291 A JP 2002106291A JP 2000304314 A JP2000304314 A JP 2000304314A JP 2000304314 A JP2000304314 A JP 2000304314A JP 2002106291 A JP2002106291 A JP 2002106291A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 切羽前方の反射面の先の地質を予測できるよ
うにすること。 【解決手段】 現在の地質の状況を表す反射データから
電磁波の速度を決定して現在の地山の比誘電率を算定
し、電磁波伝播により生じる振幅の減衰から伝播距離に
対する距離減衰を推定し、これを補正することによって
反射位相から本来の反射係数を算出して反射面以降に現
出する地質の比誘電率を推定し、これにより反射面以降
の地質を予測するようにした。
うにすること。 【解決手段】 現在の地質の状況を表す反射データから
電磁波の速度を決定して現在の地山の比誘電率を算定
し、電磁波伝播により生じる振幅の減衰から伝播距離に
対する距離減衰を推定し、これを補正することによって
反射位相から本来の反射係数を算出して反射面以降に現
出する地質の比誘電率を推定し、これにより反射面以降
の地質を予測するようにした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル等を掘削
形成する場合において、掘削面である切羽の前方の未掘
削地層の地質を電磁波を利用して予測する電磁波を用い
た切羽前方地質予測方法に関するものである。
形成する場合において、掘削面である切羽の前方の未掘
削地層の地質を電磁波を利用して予測する電磁波を用い
た切羽前方地質予測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば地山を掘削してトンネル等の空間
を形成する場合、円筒状の前胴前部にカッタヘッドを回
転自在に設け、該カッタヘッドに地盤を破壊するディス
クカッタを多数取り付けて成るトンネルボーリングマシ
ン（以下、ＴＢＭと略称する）を用い、前胴の後部に連
結されている後胴をメイングリッパで位置保持した状態
で、カッタヘッドを回転駆動させつつスラストシリンダ
によって前胴を後胴に対して前進させることにより、地
盤の掘削を行なっている。
を形成する場合、円筒状の前胴前部にカッタヘッドを回
転自在に設け、該カッタヘッドに地盤を破壊するディス
クカッタを多数取り付けて成るトンネルボーリングマシ
ン（以下、ＴＢＭと略称する）を用い、前胴の後部に連
結されている後胴をメイングリッパで位置保持した状態
で、カッタヘッドを回転駆動させつつスラストシリンダ
によって前胴を後胴に対して前進させることにより、地
盤の掘削を行なっている。
【０００３】このようにして地山にトンネル等の空間を
形成していく場合、安全且つ確実な施工を行なうために
は、掘削すべき前方の地盤中に、掘削作業に支障を来す
ことになる可能性のある破砕帯や空洞があるか否かを探
査する必要が生じる。
形成していく場合、安全且つ確実な施工を行なうために
は、掘削すべき前方の地盤中に、掘削作業に支障を来す
ことになる可能性のある破砕帯や空洞があるか否かを探
査する必要が生じる。
【０００４】このため、従来においては、トンネル壁面
切羽での地質観察結果を基に予測を行ない、必要に応じ
て探りボーリングによる調査を行なう方法、弾性波を使
用する方法、あるいは電磁波を用いた地盤探査方法が用
いられてきている。例えば、軟岩掘削用シールドマシン
では、その面盤に電磁波レーダアンテナを搭載し、掘削
前方の埋設物や障害物を発見する目的で探査を行なって
いる。
切羽での地質観察結果を基に予測を行ない、必要に応じ
て探りボーリングによる調査を行なう方法、弾性波を使
用する方法、あるいは電磁波を用いた地盤探査方法が用
いられてきている。例えば、軟岩掘削用シールドマシン
では、その面盤に電磁波レーダアンテナを搭載し、掘削
前方の埋設物や障害物を発見する目的で探査を行なって
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来における
電磁波を利用した切羽前方探査は、送信した電磁波の反
射波による反射面位置の特定までの処理を行うことに留
まっていた。したがって、切羽前方に掘削作業に支障を
来すことになる可能性のある破砕帯や空洞があるか否か
を探査し、反射面までの地質を予測することはできる
が、反射面の奥の地質が現在掘削中の地質に比べてどの
ように変化するかを判定する方法がなかった。
電磁波を利用した切羽前方探査は、送信した電磁波の反
射波による反射面位置の特定までの処理を行うことに留
まっていた。したがって、切羽前方に掘削作業に支障を
来すことになる可能性のある破砕帯や空洞があるか否か
を探査し、反射面までの地質を予測することはできる
が、反射面の奥の地質が現在掘削中の地質に比べてどの
ように変化するかを判定する方法がなかった。
【０００６】本発明の目的は、従来技術における上述の
問題点を解決することができる、電磁波を用いた切羽前
方地質予測方法を提供することにある。
問題点を解決することができる、電磁波を用いた切羽前
方地質予測方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、電磁波を用いて特定したいくつかの反
射面とその電磁波の反射データとから、現在掘削中の地
質に比べて反射面より先の地質がどのように変化するか
を予測するようにしたものである。
め、本発明では、電磁波を用いて特定したいくつかの反
射面とその電磁波の反射データとから、現在掘削中の地
質に比べて反射面より先の地質がどのように変化するか
を予測するようにしたものである。
【０００８】本発明によれば、電磁波反射データに基づ
いて地質予測を行うための方法であって、現在の地質の
状況を表す反射データから電磁波の速度を決定して現在
の地山の比誘電率を算定し、電磁波伝播により生じる振
幅の減衰から伝播距離に対する距離減衰を推定し、これ
を補正することによって反射位相から本来の反射係数を
算出して反射面以降に現出する地質の比誘電率を推定
し、これにより反射面以降の地質を予測するようにした
ことを特徴とする電磁波を用いた切羽前方地質予測方法
が提案される。
いて地質予測を行うための方法であって、現在の地質の
状況を表す反射データから電磁波の速度を決定して現在
の地山の比誘電率を算定し、電磁波伝播により生じる振
幅の減衰から伝播距離に対する距離減衰を推定し、これ
を補正することによって反射位相から本来の反射係数を
算出して反射面以降に現出する地質の比誘電率を推定
し、これにより反射面以降の地質を予測するようにした
ことを特徴とする電磁波を用いた切羽前方地質予測方法
が提案される。
【０００９】本発明による電磁波切羽地質予測は上述の
如き構成であるから、従来のシステムにデータベースを
付加し、当該の処理を行うことで反射面より先の地質の
予測が可能となり、トンネル機械掘削の水没などの工程
を妨げるトラブルをさらに減少させるのに役立つ。ま
た、本発明の方法は、トンネルの覆工内や覆工裏の調査
にも応用することが可能である。
如き構成であるから、従来のシステムにデータベースを
付加し、当該の処理を行うことで反射面より先の地質の
予測が可能となり、トンネル機械掘削の水没などの工程
を妨げるトラブルをさらに減少させるのに役立つ。ま
た、本発明の方法は、トンネルの覆工内や覆工裏の調査
にも応用することが可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態の一例につき詳細に説明する。図１は、本発明
の方法によって切羽前方の地質予測を行うことができる
ように構成された切羽前方探査装置の実施の形態の一例
を示す概略構成図である。切羽前方探査装置１は、ＴＢ
Ｍ１００によって地山を掘削してトンネルを形成する場
合において、掘削面である切羽前方の未掘削地層の地質
予測を電磁レーダを用いて行うことができるように構成
されている。
施の形態の一例につき詳細に説明する。図１は、本発明
の方法によって切羽前方の地質予測を行うことができる
ように構成された切羽前方探査装置の実施の形態の一例
を示す概略構成図である。切羽前方探査装置１は、ＴＢ
Ｍ１００によって地山を掘削してトンネルを形成する場
合において、掘削面である切羽前方の未掘削地層の地質
予測を電磁レーダを用いて行うことができるように構成
されている。
【００１１】ＴＢＭ１００のカッタフェース１０１の面
盤１０２に設けられた凹部１０３内には電磁レーダのア
ンテナ装置２が収納されており、アンテナ装置２は、伝
送ケーブル３を介して電磁レーダ装置本体を含んで構成
されるレーダ探査制御器４と電気的に接続されている。
伝送ケーブル３によって接続されているアンテナ装置２
とレーダ探査制御器４とによって公知の電磁レーダ装置
１０が構成されている。ここで、符号３Ａで示されてい
るのはケーブル接続用のコネクタである。
盤１０２に設けられた凹部１０３内には電磁レーダのア
ンテナ装置２が収納されており、アンテナ装置２は、伝
送ケーブル３を介して電磁レーダ装置本体を含んで構成
されるレーダ探査制御器４と電気的に接続されている。
伝送ケーブル３によって接続されているアンテナ装置２
とレーダ探査制御器４とによって公知の電磁レーダ装置
１０が構成されている。ここで、符号３Ａで示されてい
るのはケーブル接続用のコネクタである。
【００１２】アンテナ装置２は、後述するように、送信
・受信アンテナ素子２１を含んでおり、レーダ探査制御
器４から送られてくる電磁波を送信・受信アンテナ素子
２１から切羽前方の探査すべき未掘削の地盤に向けて発
射し、地盤内で反射されて戻ってきた電磁波は送信・受
信アンテナ素子２１で受信され、レーダ探査制御器４に
入力される。ここで、アンテナ装置２が取りつけられて
いるカッタフェース１０１が回転した場合に、電磁レー
ダ１０による地盤内の探査位置が周期的に変化するよ
う、アンテナ装置２は、面盤１０２の回転中心Ｐから離
れた面盤１０２の外周縁１０２Ａ近くに設けられた凹部
１０３内に収納されている。この凹部１０３は、アンテ
ナ装置２を収納するための収納室として働くものであ
る。ここで、送信・受信アンテナ素子２１は，送信及び
受信に分かれた別体型のものと、送信・受信を切り換え
て使用する一体型のどちらでも良い。
・受信アンテナ素子２１を含んでおり、レーダ探査制御
器４から送られてくる電磁波を送信・受信アンテナ素子
２１から切羽前方の探査すべき未掘削の地盤に向けて発
射し、地盤内で反射されて戻ってきた電磁波は送信・受
信アンテナ素子２１で受信され、レーダ探査制御器４に
入力される。ここで、アンテナ装置２が取りつけられて
いるカッタフェース１０１が回転した場合に、電磁レー
ダ１０による地盤内の探査位置が周期的に変化するよ
う、アンテナ装置２は、面盤１０２の回転中心Ｐから離
れた面盤１０２の外周縁１０２Ａ近くに設けられた凹部
１０３内に収納されている。この凹部１０３は、アンテ
ナ装置２を収納するための収納室として働くものであ
る。ここで、送信・受信アンテナ素子２１は，送信及び
受信に分かれた別体型のものと、送信・受信を切り換え
て使用する一体型のどちらでも良い。
【００１３】上述の如く構成された電磁レーダ１０によ
って得られたデータを円状測線データとして解析し、切
羽前方の破砕帯、空洞等を電磁波の反射面として捉えて
三次元的に探査するため、電磁レーダ１０で取得された
データはレーダ探査制御器４から出力され一旦ＤＡＴテ
ープレコーダ５に記録された後、ＧＰＩＢユニット６を
介してパーソナルコンピュータ７に入力される。また
は、電磁レーダ１０で取得されたデータはレーダ探査制
御器１１からＡ／Ｄ変換装置１２に送られて、ＧＰＩＢ
インターフェイスを通じてパーソナルコンピュータ７に
セットされているＧＰＩＢカードを介してパーソナルコ
ンピュータ７内のハードディスク装置に取り込まれる。
ここで、レーダ探査制御器１１とＡ／Ｄ変換装置１２と
の間にＤＡＴテープレコーダ１３をオプションで設ける
ようにすることもできる。ＧＰＩＢユニット６からのデ
ータはパーソナルコンピュータ７にセットされているＧ
ＰＩＢボード８を介してパーソナルコンピュータ７内に
取り込まれ、ここで後述する所定のデータ処理が施さ
れ、これにより得られた処理結果に基づく探査結果が表
示部９上に所定の表示形態で表示される。切羽前方探査
装置１によれば、電磁レーダ１０を用いて切羽１０４前
方の未掘削地盤中の探査位置を変えて、その反射波によ
るデータを円状測線データとして解析するようにしたの
で、未掘削地盤中の空洞や水による反射面の位置の探査
を良好に行なうことができる。
って得られたデータを円状測線データとして解析し、切
羽前方の破砕帯、空洞等を電磁波の反射面として捉えて
三次元的に探査するため、電磁レーダ１０で取得された
データはレーダ探査制御器４から出力され一旦ＤＡＴテ
ープレコーダ５に記録された後、ＧＰＩＢユニット６を
介してパーソナルコンピュータ７に入力される。また
は、電磁レーダ１０で取得されたデータはレーダ探査制
御器１１からＡ／Ｄ変換装置１２に送られて、ＧＰＩＢ
インターフェイスを通じてパーソナルコンピュータ７に
セットされているＧＰＩＢカードを介してパーソナルコ
ンピュータ７内のハードディスク装置に取り込まれる。
ここで、レーダ探査制御器１１とＡ／Ｄ変換装置１２と
の間にＤＡＴテープレコーダ１３をオプションで設ける
ようにすることもできる。ＧＰＩＢユニット６からのデ
ータはパーソナルコンピュータ７にセットされているＧ
ＰＩＢボード８を介してパーソナルコンピュータ７内に
取り込まれ、ここで後述する所定のデータ処理が施さ
れ、これにより得られた処理結果に基づく探査結果が表
示部９上に所定の表示形態で表示される。切羽前方探査
装置１によれば、電磁レーダ１０を用いて切羽１０４前
方の未掘削地盤中の探査位置を変えて、その反射波によ
るデータを円状測線データとして解析するようにしたの
で、未掘削地盤中の空洞や水による反射面の位置の探査
を良好に行なうことができる。
【００１４】切羽前方探査装置１では、上述の如くし
て、切羽前方の反射面から反射されてくる反射電磁波に
関する電磁波反射データがパーソナルコンピュータ７の
図示しないハードディスク装置内に蓄積される。これら
の蓄積された電磁波反射データに基づいて切羽前方の地
質予測のためのデータ処理がパーソナルコンピュータ７
において実行される。この処理においては、パーソナル
コンピュータ７内の図示しない内蔵のハードディスク装
置にデータベースとして登録された反射面情報とその反
射面を特定した反射データとがその解析の対象とされ
る。
て、切羽前方の反射面から反射されてくる反射電磁波に
関する電磁波反射データがパーソナルコンピュータ７の
図示しないハードディスク装置内に蓄積される。これら
の蓄積された電磁波反射データに基づいて切羽前方の地
質予測のためのデータ処理がパーソナルコンピュータ７
において実行される。この処理においては、パーソナル
コンピュータ７内の図示しない内蔵のハードディスク装
置にデータベースとして登録された反射面情報とその反
射面を特定した反射データとがその解析の対象とされ
る。
【００１５】ここで、図２を参照して、これからの解析
処理の対象となる切羽前方の反射面Σの属性について説
明する。図２には、切羽前方に破砕帯等による反射面Σ
がある場合、ＴＢＭ１００の面盤１０２に設けられたア
ンテナ装置２からその時の探査位置に向けて発射された
パルス状の送信電磁波ＷＴが反射面Σにおいて反射し、
その反射電磁波ＷＲがアンテナ装置２に戻ってくる様子
が図解して示されている。
処理の対象となる切羽前方の反射面Σの属性について説
明する。図２には、切羽前方に破砕帯等による反射面Σ
がある場合、ＴＢＭ１００の面盤１０２に設けられたア
ンテナ装置２からその時の探査位置に向けて発射された
パルス状の送信電磁波ＷＴが反射面Σにおいて反射し、
その反射電磁波ＷＲがアンテナ装置２に戻ってくる様子
が図解して示されている。
【００１６】円状測線を用いて、この反射面Σの属性と
して、走向角α、傾斜角β、反射面Σまでの最短距離ｈ
1 θ、トンネル軸と反射面の交点までの距離Ｌ1 を求め
ることができる。但し、この場合、ε1 ｒが分かってい
ないので電磁波速度Ｖ1 は仮定された値である。
して、走向角α、傾斜角β、反射面Σまでの最短距離ｈ
1 θ、トンネル軸と反射面の交点までの距離Ｌ1 を求め
ることができる。但し、この場合、ε1 ｒが分かってい
ないので電磁波速度Ｖ1 は仮定された値である。
【００１７】上記では、１つの反射面Σについて図示し
たが、ＴＢＭ１００が図２に示した位置よりも前方に掘
進することにより、さらに反射面をいくつか特定するこ
とができ、このようにして特定された複数の反射面は、
走行角α及び傾斜角βについて常に同じ値を有してお
り、図２に示した反射面Σを含んでいる。この反射面は
ＴＢＭ１００がこの反射面を通過するまで捉えることが
できる。
たが、ＴＢＭ１００が図２に示した位置よりも前方に掘
進することにより、さらに反射面をいくつか特定するこ
とができ、このようにして特定された複数の反射面は、
走行角α及び傾斜角βについて常に同じ値を有してお
り、図２に示した反射面Σを含んでいる。この反射面は
ＴＢＭ１００がこの反射面を通過するまで捉えることが
できる。
【００１８】次に、図３を参照して、反射面Σに関して
得られた電磁波反射データから反射面Σの先の地質の予
測のためのデータ処理について説明する。なお、以下に
説明する処理を、パーソナルコンピュータ７のデータ処
理機構を用いて実行することができるようにするため、
パーソナルコンピュータ７にはこのデータ処理のための
ソフトウェアであるデータ処理プログラムが予めセット
されているが、これについては後で説明する。
得られた電磁波反射データから反射面Σの先の地質の予
測のためのデータ処理について説明する。なお、以下に
説明する処理を、パーソナルコンピュータ７のデータ処
理機構を用いて実行することができるようにするため、
パーソナルコンピュータ７にはこのデータ処理のための
ソフトウェアであるデータ処理プログラムが予めセット
されているが、これについては後で説明する。
【００１９】図３においては、ＴＢＭ１００はＹ軸方向
に掘進しており、掘削面をＸ−Ｚ平面とし、面盤１０２
は反時計方向に回転している。なお、ここでは、切羽か
ら反射面Σまでを媒体１、反射面Σを有する反射媒体を
媒体２と称することにする。
に掘進しており、掘削面をＸ−Ｚ平面とし、面盤１０２
は反時計方向に回転している。なお、ここでは、切羽か
ら反射面Σまでを媒体１、反射面Σを有する反射媒体を
媒体２と称することにする。
【００２０】ここで、反射面Σは三角形ＰＳｉＱｉ（ｉ
＝１，・・・，ｎ）を含む面であるとする。このとき、
ＴＢＭ１００に設置した電磁レーダデータである特定の
角度に対応した点を選ぶ。ここでは、反射面Σまでの距
離がいちばん近い点として電磁レーダの軸跡上での最浅
点Ｒｉを選ぶ。図から三角形ＰＲｉＳｉ（ｉ＝１，・・
・，ｎ）はＸＹ平面と平行となる。したがって、∠Ｒｉ
ＰＳｉ＝α（走向角）、∠ＱｉＳｉＲｉ＝β（傾斜角）
となる。ここで、∠ＱｉＰＲｉ＝γ（これをスペース角
と呼ぶことにする）である角γが定義できる。Ａｉは、
面盤１０２の位置であり、ＬｉはＡｎからの距離と定義
する。したがって、ｉ＝ｎの場合はＴＢＭ１００の面盤
１０２が反射面Σと接触する位置であることを示す。
＝１，・・・，ｎ）を含む面であるとする。このとき、
ＴＢＭ１００に設置した電磁レーダデータである特定の
角度に対応した点を選ぶ。ここでは、反射面Σまでの距
離がいちばん近い点として電磁レーダの軸跡上での最浅
点Ｒｉを選ぶ。図から三角形ＰＲｉＳｉ（ｉ＝１，・・
・，ｎ）はＸＹ平面と平行となる。したがって、∠Ｒｉ
ＰＳｉ＝α（走向角）、∠ＱｉＳｉＲｉ＝β（傾斜角）
となる。ここで、∠ＱｉＰＲｉ＝γ（これをスペース角
と呼ぶことにする）である角γが定義できる。Ａｉは、
面盤１０２の位置であり、ＬｉはＡｎからの距離と定義
する。したがって、ｉ＝ｎの場合はＴＢＭ１００の面盤
１０２が反射面Σと接触する位置であることを示す。
【００２１】ここにおいて、面盤１０２の位置Ａｉにつ
いて、 である。このことから、スペース角γ、走向角α、傾斜
角βの関係がｓｉｎγ＝ｓｉｎα ｓｉｎβであること
が分かる。そして、線分ＱｉＲｉはＴＢＭ１００から発
信した電磁波が伝播する経路にほかならない。
いて、 である。このことから、スペース角γ、走向角α、傾斜
角βの関係がｓｉｎγ＝ｓｉｎα ｓｉｎβであること
が分かる。そして、線分ＱｉＲｉはＴＢＭ１００から発
信した電磁波が伝播する経路にほかならない。
【００２２】媒質１内の電磁波の伝播速度をＶ1 とし層
内伝播時間（片走時）をｔi とすると、 同様に したがって、 すなわち、 としてＶ1 が分かる。
内伝播時間（片走時）をｔi とすると、 同様に したがって、 すなわち、 としてＶ1 が分かる。
【００２３】 は、予め仮定したＶ1 を用いるのではなく、ＴＢＭ１０
０が移動した距離を使用する。また、電磁波伝播時間
（片走時）ｔi は、往復走時の半分として計測データか
ら得られる。ここにおいて、予め仮定したＶ1 と片走時
ｔi によるｈ1 θを用いず、電磁波伝播速度Ｖ1 が高精
度に求まる。逆に、高精度で求まった電磁波伝播速度Ｖ
1 を用いて、再解析を行って、反射面Σの位置を再決定
することが可能である。また、地山の比誘電率ε1 ｒ、
光速ｃを用いて、 で定義できるから、現在の位置での地山の比誘電率ε1
ｒが求まる。
０が移動した距離を使用する。また、電磁波伝播時間
（片走時）ｔi は、往復走時の半分として計測データか
ら得られる。ここにおいて、予め仮定したＶ1 と片走時
ｔi によるｈ1 θを用いず、電磁波伝播速度Ｖ1 が高精
度に求まる。逆に、高精度で求まった電磁波伝播速度Ｖ
1 を用いて、再解析を行って、反射面Σの位置を再決定
することが可能である。また、地山の比誘電率ε1 ｒ、
光速ｃを用いて、 で定義できるから、現在の位置での地山の比誘電率ε1
ｒが求まる。
【００２４】一般的には、電磁波の伝搬はＭａｘｗｅｌ
ｌ方程式によって支配される。しかし、地盤内の伝播に
関していくつかの仮定が可能であり、Ｈｅｒｍｈｏｌｔ
ｚ型方程式 で簡略化ができる。ここで、変数αおよびβは実数であ
り、 である。このＨｅｒｍｈｏｌｔｚ型方程式の一般解はｚ
方向に伝播する電場の解として、 が与えられている。また、この場合、位相の伝播速度
は、Ｖ＝ω／αとなり、ｅｘｐ（−βｚ）は距離減衰項
である。
ｌ方程式によって支配される。しかし、地盤内の伝播に
関していくつかの仮定が可能であり、Ｈｅｒｍｈｏｌｔ
ｚ型方程式 で簡略化ができる。ここで、変数αおよびβは実数であ
り、 である。このＨｅｒｍｈｏｌｔｚ型方程式の一般解はｚ
方向に伝播する電場の解として、 が与えられている。また、この場合、位相の伝播速度
は、Ｖ＝ω／αとなり、ｅｘｐ（−βｚ）は距離減衰項
である。
【００２５】変数αおよびβについて解くと、 が得られる。ここで、μ、σ、ωはそれぞれ地山の透磁
率、導電率、角周波数（＝２πｆ、ｆは使用している電
磁レーダのアンテナ周波数）である。
率、導電率、角周波数（＝２πｆ、ｆは使用している電
磁レーダのアンテナ周波数）である。
【００２６】一般的には、いくつかの層を伝播し、個々
の層を伝播する走時をｔi としｉ番目とｉ＋１番目の層
境界から反射した場合の振幅は、 となる。しかし、実際は、１層モデルで十分であるの
で、 と表せる。
の層を伝播する走時をｔi としｉ番目とｉ＋１番目の層
境界から反射した場合の振幅は、 となる。しかし、実際は、１層モデルで十分であるの
で、 と表せる。
【００２７】ここで、データベースから１つの反射面を
選択する。現在の地盤内で、反射面解析を行った結果の
うち、最も深度の浅い（最も近い）のと同一反射面を特
定したケースを３ケース以上選択する。このとき、ここ
で、ｎ個（ｋ＝１〜ｎ）の反射位相振幅を用いることに
する。ｋ番目のデータは と表される。ここで、両辺の自然対数をとって、 となる。ここで、 である。
選択する。現在の地盤内で、反射面解析を行った結果の
うち、最も深度の浅い（最も近い）のと同一反射面を特
定したケースを３ケース以上選択する。このとき、ここ
で、ｎ個（ｋ＝１〜ｎ）の反射位相振幅を用いることに
する。ｋ番目のデータは と表される。ここで、両辺の自然対数をとって、 となる。ここで、 である。
【００２８】したがって、図４に示したように、各デー
タについてＡ−ｚの直線のグラフを描き、最小２乗法で
傾き−βを求めることで減衰定数βが求められる。
タについてＡ−ｚの直線のグラフを描き、最小２乗法で
傾き−βを求めることで減衰定数βが求められる。
【００２９】このようにして減衰定数βが求められたな
らば、電磁波の反射未処理生データに対し電波に関する
振幅減衰を補正することが可能となる。透磁率（＝μ）
は１と仮定する。αおよびβは位相速度、距離減衰にそ
れぞれ関係した値であるから予め求められるので、導電
率σ（＝比抵抗の逆数）が求まる。ここで、現在の場所
の地盤の電気的な情報が求まったことになる。含水率と
誘電率との関係を示すデータベースがあれば、含水率も
推定できる。
らば、電磁波の反射未処理生データに対し電波に関する
振幅減衰を補正することが可能となる。透磁率（＝μ）
は１と仮定する。αおよびβは位相速度、距離減衰にそ
れぞれ関係した値であるから予め求められるので、導電
率σ（＝比抵抗の逆数）が求まる。ここで、現在の場所
の地盤の電気的な情報が求まったことになる。含水率と
誘電率との関係を示すデータベースがあれば、含水率も
推定できる。
【００３０】ここにおいて、電磁波反射位相に対して求
められた減衰定数βを用いて、 として反射係数Ｒが求まる。また、反射係数Ｒは媒質１
および２の比誘電率ε1およびε2 を用いて、 と表せるので、ε2 が、 で推定できる。
められた減衰定数βを用いて、 として反射係数Ｒが求まる。また、反射係数Ｒは媒質１
および２の比誘電率ε1およびε2 を用いて、 と表せるので、ε2 が、 で推定できる。
【００３１】このように媒質１の比誘電率ε1 および反
射係数Ｒが求まれば、反射媒体（媒質２）の比誘電率ε
2 が求まり、反射媒体の含水状況が推定できるので、切
羽前方の地質予測が可能となる。
射係数Ｒが求まれば、反射媒体（媒質２）の比誘電率ε
2 が求まり、反射媒体の含水状況が推定できるので、切
羽前方の地質予測が可能となる。
【００３２】図５には、上記で説明した切羽前方の地質
の予測処理をパーソナルコンピュータ７において行わせ
るための処理プログラムを示すフローチャート２００が
示されている。次に、このフローチャート２００につい
て説明する。まず、ステップ２０１において電磁波反射
データの蓄積を行う。あるいは、これに代えてパーソナ
ルコンピュータ７内の図示しないハードディスク装置に
既に蓄積されている電磁波反射データを読み出し、読み
出された電磁波反射データを用いて以後の処理を行うこ
ともできる。
の予測処理をパーソナルコンピュータ７において行わせ
るための処理プログラムを示すフローチャート２００が
示されている。次に、このフローチャート２００につい
て説明する。まず、ステップ２０１において電磁波反射
データの蓄積を行う。あるいは、これに代えてパーソナ
ルコンピュータ７内の図示しないハードディスク装置に
既に蓄積されている電磁波反射データを読み出し、読み
出された電磁波反射データを用いて以後の処理を行うこ
ともできる。
【００３３】次に、ステップ２０２においてステップ２
０１で蓄積された現在の地質の状況を表す電磁反射デー
タから電磁波の速度を決定する。次に、ステップ２０３
に進み現在の地山の比誘電率を算定した後、ステップ２
０４において電磁波伝播により生じる振幅の減衰から伝
播距離に対する距離減衰を推定し、これを補正する。ス
テップ２０５においては、ステップ２０４の結果に基づ
いて反射位相から本来の正しい反射係数を算出する。次
に、ステップ２０６に進みステップ２０５で得られた反
射係数に基づいて反射面以降に現出する地質の比誘電率
を推定し、ステップ２０７においてステップ２０６で得
られた地山の比誘電率から地山の水分量及び比抵抗を求
める。このようにして、反射面以降の地山の水分量及び
比抵抗が予測データとして得られる。したがって、掘削
時にこの予測データを用いることにより、トンネル機械
掘削時における水没などの工期遅延の原因となるトラブ
ルを減少させることができる。
０１で蓄積された現在の地質の状況を表す電磁反射デー
タから電磁波の速度を決定する。次に、ステップ２０３
に進み現在の地山の比誘電率を算定した後、ステップ２
０４において電磁波伝播により生じる振幅の減衰から伝
播距離に対する距離減衰を推定し、これを補正する。ス
テップ２０５においては、ステップ２０４の結果に基づ
いて反射位相から本来の正しい反射係数を算出する。次
に、ステップ２０６に進みステップ２０５で得られた反
射係数に基づいて反射面以降に現出する地質の比誘電率
を推定し、ステップ２０７においてステップ２０６で得
られた地山の比誘電率から地山の水分量及び比抵抗を求
める。このようにして、反射面以降の地山の水分量及び
比抵抗が予測データとして得られる。したがって、掘削
時にこの予測データを用いることにより、トンネル機械
掘削時における水没などの工期遅延の原因となるトラブ
ルを減少させることができる。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、電磁波を用いて特定し
たいくつかの反射面とその電磁波の反射データとから、
現在掘削中の地質に比べて反射面より先の地質がどのよ
うに変化するかを予測するようにしたので、この予測デ
ータを用いて掘削工事を行うようにすれば、トンネル機
械掘削時の水没などの工期遅延の原因となるトラブルを
減少させることができる。また、本発明の方法は、トン
ネルの覆工内や覆工裏の調査にも応用することが可能で
あり、このような工事においても上述した効果と同様の
効果が期待できる。
たいくつかの反射面とその電磁波の反射データとから、
現在掘削中の地質に比べて反射面より先の地質がどのよ
うに変化するかを予測するようにしたので、この予測デ
ータを用いて掘削工事を行うようにすれば、トンネル機
械掘削時の水没などの工期遅延の原因となるトラブルを
減少させることができる。また、本発明の方法は、トン
ネルの覆工内や覆工裏の調査にも応用することが可能で
あり、このような工事においても上述した効果と同様の
効果が期待できる。
【図１】本発明の方法によって切羽前方の地質予測を行
うことができるように構成された切羽前方探査装置の実
施の形態の一例を示す概略構成図。
うことができるように構成された切羽前方探査装置の実
施の形態の一例を示す概略構成図。
【図２】ＴＢＭから発射された送信電磁波が反射面にお
いて反射し、その反射電磁波が戻ってくる様子を説明す
るための説明図。
いて反射し、その反射電磁波が戻ってくる様子を説明す
るための説明図。
【図３】反射面に関して得られた電磁波反射データから
反射面の先の地質の予測のためのデータ処理について説
明するための説明図。
反射面の先の地質の予測のためのデータ処理について説
明するための説明図。
【図４】反射位相振幅と距離とから減衰定数を求めるた
めの方法を説明するための説明図。
めの方法を説明するための説明図。
【図５】切羽前方の地質の予測処理をパーソナルコンピ
ュータにおいて行わせるための処理プログラムを示すフ
ローチャート。
ュータにおいて行わせるための処理プログラムを示すフ
ローチャート。
１ 切羽前方探査装置 ２ アンテナ装置 ４ レーダ探査表示器 ７ パーソナルコンピュータ ９ 表示部 １０ 電磁レーダ装置 ２１ 送信・受信アンテナ素子 １００ ＴＢＭ １０１ カッタフェース １０２ 面盤 １０３ 凹部 ＷＲ 反射電磁波 ＷＴ 送信電磁波
Claims (3)
- 【請求項１】 電磁波反射データに基づいて地質予測を
行うための方法であって、 現在の地質の状況を表す反射データから電磁波の速度を
決定して現在の地山の比誘電率を算定し、 電磁波伝播により生じる振幅の減衰から伝播距離に対す
る距離減衰を推定し、 これを補正することによって反射位相から本来の反射係
数を算出し、算出された前記本来の反射係数から前記反
射面以降に現出する地質の比誘電率を推定して前記反射
面以降の地質を予測するようにしたことを特徴とする電
磁波を用いた切羽前方地質予測方法。 - 【請求項２】 推定された前記比誘電率から前記反射面
以降の地山の水分量を算出するようにした請求項１記載
の電磁波を用いた切羽前方地質予測方法。 - 【請求項３】 推定された前記比誘電率から前記反射面
以降の地山の比抵抗を算出するようにした請求項１記載
の電磁波を用いた切羽前方地質予測方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000304314A JP2002106291A (ja) | 2000-10-04 | 2000-10-04 | 電磁波を用いた切羽前方地質予測方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000304314A JP2002106291A (ja) | 2000-10-04 | 2000-10-04 | 電磁波を用いた切羽前方地質予測方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002106291A true JP2002106291A (ja) | 2002-04-10 |
Family
ID=18785379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000304314A Pending JP2002106291A (ja) | 2000-10-04 | 2000-10-04 | 電磁波を用いた切羽前方地質予測方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002106291A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103076635A (zh) * | 2013-01-07 | 2013-05-01 | 山东大学 | Tbm施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法 |
| CN104407394A (zh) * | 2014-11-26 | 2015-03-11 | 山东大学 | 基于电阻率跨孔ct的地铁盾构区间孤石精细化探测方法 |
| CN104932023A (zh) * | 2015-06-23 | 2015-09-23 | 华中科技大学 | 一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置及其探测方法 |
| CN105068128A (zh) * | 2015-07-30 | 2015-11-18 | 山东大学 | 土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法 |
| CN105334541A (zh) * | 2015-12-01 | 2016-02-17 | 山东大学 | 适用于tbm的便携式电阻率法超前预报系统及其方法 |
| CN105807336A (zh) * | 2016-03-11 | 2016-07-27 | 山东大学 | 适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置及试验方法 |
| CN110045412A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-07-23 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种基于tbm碎岩微震信息掌子面前方不良地质体探测方法 |
-
2000
- 2000-10-04 JP JP2000304314A patent/JP2002106291A/ja active Pending
Cited By (9)
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|---|---|---|---|---|
| CN103076635A (zh) * | 2013-01-07 | 2013-05-01 | 山东大学 | Tbm施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法 |
| CN104407394A (zh) * | 2014-11-26 | 2015-03-11 | 山东大学 | 基于电阻率跨孔ct的地铁盾构区间孤石精细化探测方法 |
| CN104932023A (zh) * | 2015-06-23 | 2015-09-23 | 华中科技大学 | 一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置及其探测方法 |
| CN104932023B (zh) * | 2015-06-23 | 2017-06-20 | 华中科技大学 | 一种基于光纤电流传感器的隧道超前探测装置及其探测方法 |
| CN105068128A (zh) * | 2015-07-30 | 2015-11-18 | 山东大学 | 土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法 |
| CN105334541A (zh) * | 2015-12-01 | 2016-02-17 | 山东大学 | 适用于tbm的便携式电阻率法超前预报系统及其方法 |
| CN105807336A (zh) * | 2016-03-11 | 2016-07-27 | 山东大学 | 适用于多地球物理探测方法的综合孤石探测模型试验装置及试验方法 |
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