JP2004138497A - 岩盤計測用の弾性波発生方法と装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】肉体的労力や機械的なハンマー装置に依存せず、また地表面を破砕することなしに一定の衝撃波を所定の間隔で確実に発生させる。
【解決手段】計測対象となる岩盤に正負電極４１，４２を所要の間隔をおいて当接する。高電圧パルス発生手段１によって両電極間に高電圧パルスを印可し、電極間に放電を生じさせ、岩盤中に衝撃波を生じさせる。高電圧パルス発生手段と両電極とを導通する導通手段４３からの電磁波検知信号を、衝撃波を計測する計測センサ８の測定開始信号とする。正負電極は、掘削孔内面の当接させる位置まで膨張する膨張体４４によって径方向に変位される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤を計測するための弾性波を発生させる方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
地質縦断面図を作成するために、岩盤の力学的特性や岩盤状況が推測調査される。この調査は、一般には、岩盤に振動を起こし、その波の伝播を観測することにより行われる。具体的には、人工的に弾性波を発信し、この弾性波を地表面あるいは地中に埋設されたセンサ（速度計、加速時計）によって受信し、その到達時間を計測することで、岩盤の密度、剛性、不連続面等の違いを計測する。
【０００３】
弾性波を発信させる方法として、従来は、作業員がハンマを手で持ち、岩盤の所定箇所を殴打して行うのが最も一般的である。
また、ハンマ部材を機械的に往復動させて岩盤に衝突させることにより、岩盤に弾性波を発生させる方法も考えられる。
更には、地表面の所定箇所を発破によって爆破し、その衝撃波をセンサで感知する方法も採られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、手動によるハンマ操作は、作業員に多大な肉体的負担を強いることになる。また、衝撃波を定間隔で発生させるのが難しい。しかも、ハンマの所定箇所に感圧センサを固定して衝撃波の開始時点を計測することから、ハンマの操作がやっかいとなる。
機械的なハンマ装置を用いる場合、ハンマ部材のストロークを大きくとる必要があるため、装置が大型化するばかりでなく、電力消費量も大となり、計測に要するコストが増大する。
発破の場合、地表面が広範囲に破砕される。また、使用時に所定官庁への届出を要し、安全性を充分に確保する必要があり、さらには暴発音による周囲環境への影響も考慮しなければならない。
【０００５】
本発明の目的は、作業員の肉体的労力や機械的なハンマー装置に依存することなく、また地表面を破砕することなしに一定の衝撃波を所定の間隔で安全かつ確実に発生させる、岩盤計測用の衝撃波発生方法と装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を達成するための手段】
本発明は、上記した目的を達成するために次の構成を備える。
すなわち、請求項１に係る本発明方法は、先ず、計測対象となる岩盤に正負電極を所要の間隔をおいて当接する。次いで、高電圧パルス発生手段によって両電極間に高電圧パルスを印可し、電極間に放電を生じさせることによって、岩盤中に衝撃波を生じさせる、ものである。
【０００７】
また、請求項２に係る本発明方法は、先ず、計測対象となる岩盤に正負電極を所要の間隔をおいて当接する。次いで、高電圧パルス発生手段によって両電極間に高電圧パルスを印可し、電極間に放電を生じさせることによって、岩盤中に衝撃波を生じさせる。そして、両電極間に高電圧パルスを印可したときに高電圧パルス発生手段と両電極とを導通する導通手段から生じる電磁波の検知信号を、上記衝撃波を計測する計測センサの測定開始信号とする、ものである。
【０００８】
正負電極は、岩盤に穿設した掘削孔内に挿入されて当接されるのが望ましい。正負電極を掘削孔に挿入し、その内壁面に当接させるには、作動流体によって膨張収縮可能な膨張体を用いると良い。作動流体は、空気、窒素その他の気体、水その他の液体であるとを問わない。
計測センサの測定開始信号は、計測センサによる測定の零点となる時を指示するための信号を意味する。
【０００９】
また、本発明装置は、次の構成を備える点に特徴がある。
すなわち、請求項５に係る本発明装置は、高電圧パルス発生器と、掘削孔内に挿入されるとともに先端部に計測用センサ部と励起部とを有するパッカー部とを備える。計測用センサ部は、弾性波速度を計測するに必要なセンサから成る。励起部は、計測用センサ部の後方に所定の距離を置いて配設されており、所要の間隙を置いて対向する正負電極と、この正負電極を掘削孔内面の当接させる位置までパッカー部の径方向に変位させる膨張体と、高電圧パルス発生器と正負電極とを通電させる通電手段とを有する。そして、パッカー部には、膨張体への流体供給路と、上記センサからの出力信号をデータ処理装置に導く導線の収納路が設けられている。
【００１０】
請求項６に係る本発明装置は、次の構成を備える。
すなわち、本装置は、高電圧パルス発生器と、掘削孔内に挿入されるとともに先端部に計測用センサ部と励起部とを有するパッカー部とを備える。計測用センサ部は、弾性波速度を計測するに必要なセンサから成る。励起部は、計測用センサ部の後方に所定の距離を置いて配設されており、所要の間隙を置いて対向する正負電極と、この正負電極を掘削孔内面の当接させる位置までパッカー部の径方向に変位させる膨張体と、上記高電圧パルス発生器と正負電極とを通電させる通電手段とを有する。そして、パッカー部には、上記膨張体への流体供給路と、上記センサからの出力信号をデータ処理装置に導く導線の収納路が設けられている。また、導通手段の所望位置近傍には、両電極間に高電圧パルスを印可したときに導通手段から生じる電磁波を検知する検知手段が配設され、この検知手段からの検知信号を上記計測用センサ部の測定開始信号とする。
【００１１】
正負電極は、パッカー部外表面から露出し、所要の間隙を置いて対向する内方端縁を持つ電極板によって構成するのが望ましい。これらの正負電極板は、セラミック材などの絶縁材から成る介装材に支持させ、この介装材を膨張体表面に添設させるようにすると良い。
膨張体は、伸縮性に富むゴム製のチューブ材などによって形成される。
励起部を第一の膨張体によるパッカー部径方向への膨張、収縮によって変位させる一方、計測用センサ部材を、表面にセンサ本体が取付けられた第二の膨張体に作動流体を流入あるいは排出させることによってパッカー部径方向に膨張させ、センサ本体を掘削孔内面に当接させるようにすることもできる。
また、流体供給路と導線の収納路は、パッカー部の管路がこれを兼ねる構成であっても良い。
【００１２】
【実施の最良の形態】
以下、本発明を図示した実施例に基づいて詳説する。
図１は、本発明の一実施例に係る装置の概念構成図、図２はパッカー部の概略構成図、図３はパッカー部における励起部の側面図、図４は励起部の正負電極板の配置を示す平面図、図５は図３の断面図、図６は励起部の第一の膨張体が膨張した状態を示す説明図である。
【００１３】
本装置は、高電圧パルス発生器１と、これによって発生した高電圧パルスが印可される電極を備えたパッカー部２とから成る。
高電圧パルス発生器１は、非常に高い電界電圧によって瞬間的に高電圧パルスを発生させる装置である。例えば、３０ｍ計測を行うとして、０．８μＦの容量のコンデンサを有し、これに４０ｋＶ以下の電圧をかけることによってパルスを１分間に１回発生させる装置などが用いられる。
【００１４】
パッカー部２は、掘削孔内に挿入可能な中空筒状のパッカー部本体３（図２参照）を有し、このパッカー部本体３の先端部に計測用センサ部５と励起部４とが設けられている。
励起部４は、計測用センサ部５の後方に配設されており、正負の両電極板４１，４２と、これら電極板４１，４２を高電圧パルス発生器１と電気的に接続する同軸ケーブル４３と、正負両電極板４１，４２を掘削孔内面に当接させる位置までパッカー部２の径方向に変位させる第一の膨張体４４とを有する。
【００１５】
正負両電極板４１，４２は、図３に見られるようにパッカー部本体３の軸方向に添って配設され、図４に示すように互いの内方端縁４１ａ，４２ａが所要の間隙Ｓを置いて対向している。正負両電極板４１，４２は、外端がそれぞれの端子４７に接続固定され、鋭角の三角状に形成された内方端縁４１ａ，４２ａがセラミック材などの絶縁材から成る介装材４５に支持固定されている。正負両電極板４１，４２の内方端縁頂部間の間隙Ｓは、高電圧パルスによる放電が効率良く行われる間隔に設定される。
【００１６】
介装材４５とパッカー部本体外表面との間には、第一の膨張体４４が取付けられている。第一の膨張体４４は、伸縮性に富むゴム製のチューブ材などによって形成され、内部に空気が流入されて膨張することで、介装材４５と正負電極板４１，４２をパッカー部２の径方向外方に変位させて、正負電極板４１，４２、特に両電極板内方端縁４１ａ，４２ａを掘削孔内壁面に当接させる。内部の空気を排出させることで、第一の膨張体４４は収縮し、両電極板４１，４２を掘削孔内壁面の当接状態から解除する。
【００１７】
パッカー本体３内には、図５と図６に示すように、正負両電極板４１，４２と上記高電圧パルス発生器１とを導通させる同軸ケーブル４３と、第一の膨張体４４を動作させる空気を供給する励起部エア供給菅４６と、後述するセンサ部の筒状膨張体に空気を供給するセンサ部エア供給菅５５と、センサ部のセンサから引出された導線５４とが収納されている。導線５４は、同両図に見られるようにセンサ部エア供給菅５５ととともに、同軸ケーブル４３からの電磁波による影響を受けないように隔壁を介した状態でパッカー部本体３下側に収納されている。
【００１８】
同軸ケーブル４３と励起部エア供給菅４６は、励起部４が設けられている位置のパッカー本体内部から外部に引き出され、センサ部エア供給菅５５と導線５４は、センサ部５が設けられているパッカー本体内部から外部に引き出されている。したがって、計測用センサも、同軸ケーブル４３によって電磁波障害を惹きおこされることはない。
なお、同軸ケーブル４３と正負両電極板間は、導通路に先鋭な部分が形成されないようにし、また露出部分も少なくすることで、予定しない箇所からの放電を防止してある。
【００１９】
計測用センサ部５は、衝撃波が発生した時点での弾性波を計測する。本実施例では、励起部４よりも先端側に、パッカー部本体３の軸方向に所定の間隔（５０ｃｍ）をおいて同じ構造のものが３個設けられている。これらの計測用センサ部５は、例えば特開２００２−２２７１７に開示された構造とほぼ同様なものが用いられる。すなわち、計測用センサ部５は、図７に概略的に示すように、筒状膨張体５１と、センサ５２と、筒状膨張体端部の閉塞部材５３と、センサの導線５４と、センサ部エア供給管５５とを備える。
【００２０】
筒状膨張体５１（第２の膨張体）は、励起部４の第１の膨張体４４と同じように内部に空気が流入されたときに径方向に膨張する。センサ５２は、筒状膨張体５１の周面に固定されている。筒状膨張体両端部は、閉塞部材５３によって密封されている。センサ部エア供給菅５５は、励起部エア供給管４６とともに基端部がエア圧送部７に接続され、必要に応じて筒状膨張体内に空気を供給する。センサ５２からの検知出信号を外部に出力する導線５４は、パッカー部本体３を通って外部に引出され、コンピュータ等の所定の解析装置もしくはデータ記録装置等のデータ処理部６に接続されている。
【００２１】
筒状膨張体５１の内部には、筒形状を保つためのパイプ等から成る図示しない保形体を装填しても良い。保形体は、アルミ材などの軽量な金属製素材あるいは合成樹脂材製のパイプ材から成る。筒状膨張体５１は、ゴムチューブなどのゴム材単層、または、ゴム材によって形成された内層と径方向に伸縮可能なギャザー付きの外装カバー材によって形成された外層の２層から成る。
【００２２】
閉塞部材５３は、筒状膨張体５１の両端部を密封して閉塞する。閉塞部材５３には、計測用センサ５２の検知信号を出力する導線が引出される。また、筒状膨張体内に流体を供給する管路が直接もしくは間接に接続される。
例えば、本実施例のように３つの計測点を設定するために計測用センサを３個個直列に連結する場合、閉塞部材５３は、多数ピンを備えたコネクタで、一部に流体供給路を有するものが望ましい。
計測用センサ５２には、例えば加速度センサなど弾性波速度を計測するに必要なセンサが採用される。
【００２３】
図１において、図中符号８は、同軸ケーブルの所望箇所近傍に配設した電磁波検知センサである。
高電圧パルス発生器１が稼働されて同軸ケーブル４３に瞬間的に高電圧の電流が流れると、この電磁波検知センサ８が検知信号をデータ処理部６に出力する。この出力信号は、計測用センサ部５の測定開始信号（測定ゼロ時間点）として機能する。
【００２４】
上記した装置の使用状態について説明する。
調査対象となる岩盤に所定径の掘削孔を形成する。
掘削孔内にパッカー部２を挿入し、励起部エア供給菅路４６及びセンサ部エア供給菅路５５並びに同軸ケーブル４３及び導線５４を掘削孔内から引出す。
同軸ケーブル４３を高電圧パルス発生器１に接続し、導管内の計測センサ用導線５４をデータ処理部６と接続する。
【００２５】
そして、励起部エア供給菅路４６とセンサ部エア供給菅路５５をコンプレッサなどのエア圧送部７と連通させ、エア圧送部７からエアを送り込むと、励起部４の第一の膨張体４４と各計測用センサ部５の筒状膨張体５１が膨張し、励起部４の正負電極板４１，４２と計測用センサ部５のセンサ５２を掘削孔内面に圧接させる。
【００２６】
この状態で、高電圧パルス発生器１をＯＮして高電圧パルスを出力させると、励起部４の正負電極板４１，４２の間隙Ｓ間に放電が生じ、この放電によって衝撃波が発生する。
これと同時に高電圧パルスが出力されたときに同軸ケーブル４３に生じる電磁波が検知センサ８に検知される。検知信号は、データ処理部６に入力されて計測センサ５２の測定開始点として記録される。
発生した衝撃波は、岩盤中を伝って各計測センサ５２に捕捉される。
【００２７】
図８に、電圧（４０ｋＶ）、コンデンサ容量（０．８μＦ）の条件で、衝撃波を発生させたときの２．５ｍ、５ｍ、７．５ｍ、１０ｍ、１２．５ｍ離れた地点での振動波形を示す。各地点での図中左図は対応する図中右図上段の波形を拡大して示したものであり、右図下段の波形は、音波波形を示す。
図８から明らかなように、パルス放電による衝撃波は、音波波形とは異なる独自の波形から成り、地盤計測用の弾性波として十分利用可能な波形図を形成し得るものであることが解った。
継続的に弾性波を得る場合には、高電圧パルス発生器のコンデンサがパルス発生に必要な電荷を蓄える時間間隔を置いて行う。これにより、定間隔ごとの信号によって、所定領域の岩盤の力学的性質を正確に把握することができる。
【００２８】
測定を終えた後は、第一の膨張体と筒状膨張体の空気を抜くことにより、これらが収縮してパッカー部を掘削孔の径よりも小さな元の径に復元させるので、掘削孔から引き出すことにより容易に回収できる。
【００２９】
計測用センサ部材もしくは装置の構造に関し、上記したような特開２００２−２２７１７開示の構造以外のものを採用することもできる。図９から図１１はその一例を示す。
【００３０】
図中符号１０１は、アルミ製の棒材から成るロッドで、長手方向に沿って２条の溝１０２，１０３が形成されている。この溝１０２，１０３は、長手方向所定位置に、両溝が連通する広幅のセンサボックス収納室１０４を有する。センサボックス収納室１０４には、センサ１０５及びその付属機器が収納される。２条の溝の一方１０２にはセンサ用導線１０６が収められ、他方１０３にはエア供給管路１０７が納められている。センサボックス収納室１０４にはこれを取囲むようにしてゴム製の筒状体から成る膨張体１０８が取り付けられ、エア供給菅路１０７から供給されるエアによって膨張し、センサ１０５をロッド１０１の径方向外方に変位させる。なお、図中符号１０９は、膨張体の外方を覆う伸縮自在な外装材（例えばギャザー付きの布材など）である。
【００３１】
この構造の計測用センサ部材は、上記従来例のようにコネクタによって複数のセンサ部材を連結するのではなく、ロッドの予め決められた位置にセンサ及び膨張体が配設されている。このセンサ部材によれば、コネクタを有しないのでエアの漏れあるいは水の浸入を極力防止できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明方法によれば、次の効果を奏する。
岩盤に当接した正負両電極間に高電圧パルスを印可して電極間に放電を生じさせることにより、岩盤中に衝撃波を生じさせ、この衝撃波を岩盤計測用の弾性波として利用するので、作業員の肉体的労力や機械的殴打力に頼ることなく、比較的安全な作業環境下で所定の弾性波を定間隔で自動的かつ確実に発生させることができる。
【００３３】
本発明装置によれば、次の効果を奏する。
励起部の正負電極を、膨張体の膨張と収縮によって岩盤の所定箇所に当接させるようにしてあるので、掘削孔内の内壁面など狭い箇所にも正負電極を有効に当接させることができ、高電圧パルス印可による正負電極の放電から生じる衝撃力を測定対象となる岩盤に確実に生起させることができる。また、掘削孔内への装置取付け及び取外し作業も簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る装置の概念構成図。
【図２】図１の装置のパッカー部の概略構成図。
【図３】図１の装置のパッカー部における励起部の側面図。
【図４】励起部の正負電極板の配置を示す平面図。
【図５】図３の断面図。
【図６】第一の膨張体が膨張した状態を示す説明図。
【図７】計測用センサ部の概念構成図。
【図８】衝撃波を発生させたときの２．５ｍ、５ｍ、７．５ｍ、１０ｍ、１２．５ｍ離れた地点で計測された振動波形を、音波波形と対比して示す図（図中右図）と、右図の振動波形の拡大図（図中左図）を示す図。
【図９】本発明に用いられる計測用センサ部材の他例を示す概略説明。
【図１０】図９の要部の横断面図
【図１１】図９のロッドの縦断面図。
【符号の説明】
１　　　　高電圧パルス発生器。
２　　　　パッカー部。
３　　　　パッカー部本体。
４　　　　励起部。
４１，４２　電極板。
４３　　　同軸ケーブル。
４４　　　第一の膨張体。
４６　　　励起部エア供給菅。
５　　　　計測用センサ部。
５１　　　筒状膨張体。
５２　　　センサ。
５４　　　導線。
５５　　　センサ部エア供給菅。
６　　　　データ処理部。
７　　　　エア圧送部。
８　　　　電磁波検知センサ

Claims (10)

1. 計測対象となる岩盤に正負電極を所要の間隔をおいて当接し、
   高電圧パルス発生手段によって両電極間に高電圧パルスを印可し、電極間に放電を生じさせることによって、岩盤中に衝撃波を生じさせる、
   ことを特徴とする岩盤計測用の弾性波発生方法。
2. 計測対象となる岩盤に正負電極を所要の間隔をおいて当接し、
   高電圧パルス発生手段によって両電極間に高電圧パルスを印可し、電極間に放電を生じさせることによって、岩盤中に衝撃波を生じさせ、
   両電極間に高電圧パルスを印可したときに高電圧パルス発生手段と両電極とを導通する導通手段から生じる電磁波の検知信号を、上記衝撃波を計測する計測センサの測定開始信号とする、
   ことを特徴とする岩盤計測用の弾性波発生方法。
3. 前記正負電極が、岩盤に穿設した掘削孔内に挿入されて当接される、
   請求項１もしくは２記載の岩盤計測用の弾性波発生方法。
4. 前記正負電極を、膨張体を作動流体によって膨らませることにより、掘削孔の径方向に変位させて掘削孔内壁面に当接させる、
   請求項３記載の岩盤計測用の弾性波発生方法。
5. 高電圧パルス発生器と、掘削孔内に挿入されるとともに先端部に計測用センサ部と励起部とを有するパッカー部とを備え、
   計測用センサ部は、弾性波速度を計測するに必要なセンサから成り、
   励起部は、計測用センサ部の後方に所定の距離を置いて配設されており、所要の間隙を置いて対向する正負電極と、この正負電極を掘削孔内面の当接させる位置までパッカー部の径方向に変位させる膨張体と、上記高電圧パルス発生器と正負電極とを通電させる通電手段とを有し、
   上記パッカー部には、上記膨張体への流体供給路と、上記センサからの出力信号をデータ処理装置に導く導線の収納路が設けられている、
   ことを特徴とする岩盤計測用の弾性波発生装置。
6. 高電圧パルス発生器と、掘削孔内に挿入されるとともに先端部に計測用センサ部と励起部とを有するパッカー部とを備え、
   計測用センサ部は、弾性波速度を計測するに必要なセンサから成り、
   励起部は、計測用センサ部の後方に所定の距離を置いて配設されており、所要の間隙を置いて対向する正負電極と、この正負電極を掘削孔内面の当接させる位置までパッカー部の径方向に変位させる膨張体と、上記高電圧パルス発生器と正負電極とを通電させる通電手段とを有し、
   上記パッカー部には、上記膨張体への流体供給路と、上記センサからの出力信号をデータ処理装置に導く導線の収納路が設けられ、
   上記導通手段の所望位置近傍には、両電極間に高電圧パルスを印可したときに導通手段から生じる電磁波を検知する検知手段が配設され、この検知手段からの検知信号を上記計測用センサ部の測定開始信号とする、
   ことを特徴とする岩盤計測用の弾性波発生装置。
7. 前記正負電極板が絶縁材から成る介装材に支持され、
   この介装材が前記膨張体の表面に添設されている、
   請求項５もしくは６記載の装置。
8. 前記膨張体は、ゴム製のチューブ材から成る、
   請求項５もしくは６記載の装置。
9. 前記励起部が第一の膨張体によってパッカー部の径方向に膨張される一方、
   前記計測用センサ部材はセンサ本体が第二の膨張体の表面に取り付けられ、作動流体によって膨張体をパッカー部径方向に膨張させることによって掘削孔内面に当接される、
   請求項５もしくは６記載の装置。
10. 前記流体供給路と導線の収納路とが共通する、
    請求項５もしくは６記載の装置。

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