JP2006292415A - 空洞の探査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 地表面からの深度の大小に拘わらず簡便で効果的に地盤内の空洞を探査することができるようにすること。
【解決手段】 地盤２内に存在する空洞３の探査方法において、被探査地域の複数の測定地点で常時微動の時刻歴波形を測定した結果をスペクトル分析して、該複数の測定地点の各々のスペクトルを得て、前記測定地点の１つを基準点とし、その基準点と他の測定地点の振動数毎のスペクトル振幅値の比を算出し、該振幅値の比のバラツキを求め、そのバラツキが大きい程、空洞３の存在の可能性が大きいと判定すること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地盤内に存在する空洞の探査方法に関し、特に簡便で精度よく空洞の存否を探査できる空洞の探査方法に関するものである。

石炭等の採掘跡や石灰洞など人工的または自然的な地盤空洞が各地に存在している。これらの空洞探査の方法として、（ａ）ボーリングにより地表面から空洞まで穿孔する方法、（ｂ）レーダー等の信号を地中に発信し、地層からの反射から空洞探査する方法、（ｃ）風、波浪、交通振動等により自然界に常に存在する微弱な振動である常時微動を測定し、これをフーリエ変換による振動数領域のスペクトルへの変換をするスペクトル分析することにより空洞探査する方法等があった（特許文献１、非特許文献１参照）。

特開平９−１５３４３号公報 日本建築学会講演「微動を用いた表面波の位相速度の推定に及ぼす地盤の不整形性の影響」（２００２年８月）

しかし、上記従来のボーリングによる探査方法は、多地点でボーリングして探査する必要があり、特に広域探査においては効果的とはいえず、労力および時間的観点から、使用し易い方法ではなかった。
また、レーダー等の信号を地中に発信し地層からの反射から空洞探査する方法は、空洞が浅い深度に存在する場合しか探査することができなかった。
また、特許文献１の探査方法では空洞上部の地盤が梁構造とみなせる場合を対象とした探査方法であるため、地表面近くの浅い深度の空洞の探査を対象とした技術と考えられる。
また、これら特許文献１および非特許文献１のいずれの常時微動の測定による探査方法でも、空洞分布状況を把握するには至っていなかった。
したがって、上記いずれの方法においても、深度の大小に拘わらず地盤内の空洞の形状や位置を正確かつ効果的に測定するに至らないものであり、空洞の調査には多大な労力と期間を要している。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、地表面からの深度の大小に拘わらず簡便で効果的に地盤内の空洞を探査することができる空洞の探査方法を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、地盤内に存在する空洞の探査方法において、被探査地域の複数の測定地点で常時微動の時刻歴波形を測定した結果をスペクトル分析して、該複数の測定地点の各々のスペクトルを得て、前記測定地点の１つを基準点とし、その基準点と他の測定地点の振動数毎のスペクトル振幅値の比を算出し、該振幅値の比のバラツキを求め、そのバラツキが大きい程、前記空洞の存在の可能性が大きいと判定することを特徴とする空洞の探査方法である。
これにより、被探査地域の複数の測定地点で常時微動の時刻歴波形を測定した結果をスペクトル分析（振動数毎の成分の分析）し、複数の測定地点スペクトルの振幅値と基準点（複数の測定地点のうち任意に定めた１地点）スペクトルの振幅値とを、振動数毎に比較し、その比を求めたときに、前記振幅値の比が各測定地点間においてバラツキがあるときは、被探査地域の地盤内に存在する空洞により前記振動数毎のスペクトルの振幅が減衰した測定地点と前記空洞が無くてスペクトルの振幅が減衰しない測定地点があることになる。そして、この傾向は前記バラツキが大きいほど、前記空洞の存在の可能性が大きくなって現れ、これにより、前記空洞の存在の判定が容易になる。
ここで、比のバラツキとは、各測定地点における振動数毎の振幅値の比のバラツキを意味するのではなく、各測定地点間における振幅値の比のバラツキを言う。つまり、基準点の振幅値の比（１．０）に対する各測定地点の振幅値の比のレベルが１．０よりどれだけ離れているかの程度を言うものである。

さらに、請求項２記載の発明は、請求項１に記載した空洞の探査方法であって、前記振幅値の比のバラツキがあるときに、前記振幅値の比の小さい測定地点の地盤内に空洞が存在すると判定することを特徴とする空洞の探査方法である。
これにより、前記振幅値の比の小さい測定地点では、地盤内の空洞により振動数毎のスペクトルの振幅が減衰しているので、この測定地点の地盤内に空洞が存在すると判定することができる。

さらに、請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載した空洞の探査方法であって、前記振幅値の比は、前記スペクトルの振動数のうち地盤の卓越振動数以上の領域で、任意間隔の複数振動数で比較することを特徴とする空洞の探査方法である。
ここで、前記複数の測定地点スペクトルと基準点スペクトルとの振動数毎の振幅値の比較において、大多数は地盤の卓越振動数付近に顕著な差となって現れるが、この振動数は波長が長いため、空洞の分布・規模・深度や地質等によっては空洞の影響を受けず地表面に伝播し、稀に差となって現れない場合もある。
そのため、前記振幅値の比は、地盤の卓越振動数以上の高い振動数（波長が短い）領域で任意間隔の複数の振動数について振幅値を比較して得ることが好ましい。さらには、卓越振動数〜３０Hzの領域で任意間隔の複数の振動数について振幅値を比較して得ることがより好ましい。
これは、卓越振動数より低い振動数の領域では波長が長く、空洞によっては振幅の減衰にあまり影響を及ぼさない場合もあること、また、３０Hzより高い振動数の領域では、現状の常時微動の測定器性能上、信頼性が低下することもあるからである。
以上、これらの判定結果は、空洞分布のマップを作成することに利用することもできる。

さらに、請求項４記載の発明は、請求項１から３までのいずれかに記載した空洞の探査方法であって、前記判定結果に基づき穿孔位置を選定し、地表面から穿孔することを特徴とする空洞の探査方法である。
ここで、穿孔は、前記判定結果に基づき穿孔位置を選定するため、測定地点において空洞が存在するか否かを最小限の穿孔で、確実かつ効果的に確認することができる。なお、前記振幅値の比のバラツキがほとんどないときには、被探査地域の全域にわたって空洞が存在するか又は空洞が存在しないことを意味しており、最小限の穿孔で空洞の有無を確認することができる。

さらに、請求項５記載の発明は、請求項４に記載した空洞の探査方法であって、前記穿った孔から空洞内に挿入した測量装置により空洞内部の測量をすることを特徴とする空洞の探査方法である。
これにより、最小限の穿孔で空洞内部を容易に測量することができる。空洞内部の測量は、既存の測量方法を用いればよいが、音波による測量が効果的である。

さらに、請求項６記載の発明は、請求項１から５までのいずれかに記載した空洞の探査方法であって、被探査地域における各々の測定地点の常時微動の時刻歴波形の測定は、同時または同時性を保つ環境にて行なわれることを特徴とする空洞の探査方法である。
空洞探査において被探査地域の複数の探査地点を同時に測定することが望ましいが、探査地点が多数ある場合には、常時微動の感振器が不足し、同時に全ての地点の時刻歴波形を取得することが困難な状況がある。この場合には、探査地点をグループ分けし、それぞれの時刻歴波形が同時性を保つ環境になければ、精度の高い分布図を得ることはできない。なお、「同時性を保つ環境」とは、同一地点において、異なる時刻に常時微動の時刻歴波形の測定をした場合に、ほぼ同一の性質を持つ常時微動の時刻歴波形を記録した場合の測定環境をいう。具体的には、例えば、被測定地点（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）において空洞探査を行う場合、第１グループとして（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を測定し、第２グループとして（ａ、ｅ、ｆ、ｇ）を測定する（第１グループと第２グループの測定時刻は異なる）。この場合、ａ地点における時刻歴波形の結果から得られるスペクトルが第１グループと第２グループで近似していれば、被測定地点（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）は同時性を保つ環境にある。
これにより、各々の測定地点における常時微動の時刻歴波形の測定結果に悪影響を及ぼす測定環境の変化に影響されないより精度の高い測定をすることができる。

さらに、請求項７記載の発明は、請求項１から６までのいずれかに記載した空洞の探査方法であって、常時微動の時刻歴波形の測定から得るスペクトルは、常時微動の時刻歴波形の水平成分もしくは鉛直成分の少なくともいずれか一方を用いることを特徴とする空洞の探査方法である。
これにより、常時微動の時刻歴波形の水平成分もしくは鉛直成分の少なくともいずれか一方を用いてスペクトルを得るので、常時微動の時刻歴波形の測定および分析が容易になる。

請求項１記載の発明によれば、地表面からの深度の大小に拘わらず簡便で効果的に地盤内の空洞を探査することができる。
さらに、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果とともに、効果的に地盤内の空洞の存在を判定することができる。
さらに、請求項３記載の発明によれば、上記請求項１又は２に記載した発明の効果とともに、空洞探査の信頼性を向上することができる。
さらに、請求項４記載の発明によれば、上記請求項１から３までのいずれかに記載した発明の効果とともに、空洞の存否を確実かつ効果的に確認することができる。
さらに、請求項５記載の発明によれば、上記請求項４に記載した発明の効果とともに、空洞内に挿入した測量装置により確実に空洞内部の測量をすることができる。
さらに、請求項６記載の発明によれば、請求項１から５までのいずれかに記載した発明の効果とともに、精度よく空洞探査をすることができる。
さらに、請求項７記載の発明によれば、請求項１から６までのいずれかに記載された発明の効果とともに、空洞探査が容易になる。

以下、本発明における実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る地盤内に存在する空洞の探査装置を示し、図２は図１の探査装置を用いて空洞探査をする方法を示すフローチャートであり、図３は前記探査装置で得られた離散化された時刻歴データの一例を示す。図４は図３の時刻歴データのスペクトルの一例を示す。図５（ａ）は前記スペクトルの基準点のものに対する比（振幅値の比）の一例を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）の振幅値の比により判定される空洞を示す。さらに、図６は前記スペクトルの基準点のものに対する比（振幅値の比）の他の例を示す。

図１に示すように、地表面１にて地盤２内に存在する空洞３を探査する探査装置Ａは、被探査地域の複数の測定地点の地表面１に設置され各測定地点の常時微動を感知する感振器４と、感振器４で得られた信号を増幅する増幅器５と、増幅器５で増幅された信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器６と、感振器４またはＡ／Ｄ変換器６で得られた時刻歴振動データを収録するデータ収録部７と、データ収録部７に収録した時刻歴振動データを振動数毎にスペクトル分析する波形処理部８と、波形処理部８で得られたスペクトルの振幅を各々の測定地点について求め、そのうちの１つの測定地点を基準点とし、各測定地点におけるスペクトルと前記基準点におけるスペクトルとの振幅値の比を算出する比較部９と、該振幅値の比をグラフに表示する表示部１０とを備えている。

図１の探査装置Ａを用いて地盤２内に存在する空洞３の探査を図２に示すフローチャートに従って行うことができる。
まず、探査地域を選定し（ステップＳ１）、その地域内で現場探査をする（ステップＳ２）。そして、地域内の複数の測定地点に感振器４を設置し（ステップＳ３）、感振器４により常時微動を電気信号に変換し（ステップＳ４）、この電気信号を増幅器で増幅し（ステップＳ５）、さらにＡ／Ｄ変換器６により連続する電気信号の離散値（デジタル値）への変換をし、離散化された時刻歴データを得る（ステップＳ６）。図３はこの場合の離散化された時刻歴データの一例を示す。
一方、上記感振器４の設置位置を測量し（ステップＳ７）、測量した感振器４の設置位置情報をデータ収録部７に入力し（ステップＳ８）、前記離散化された時刻歴データとこれに対応する感振器４の位置情報のデータをデータ収録部７に収録する（ステップＳ９）。これを所定地点数の測定について繰り返す（ステップＳ１０）。これにより、各測定地点の位置情報と各測定地点の時刻歴データとが、関連付けられ、収録される。
つぎに、波形処理部８において、所定地点全ての時刻歴データ、すなわち全時刻歴データについてフーリエ変換による振動数領域のスペクトルへの変換をするスペクトル分析をする（ステップＳ１１）。図４はこの場合のスペクトルの一例を示す。ここで、図４（ａ）は０ｍ（基準点）におけるスペクトルを示し、図４（ｂ）は基準点から３ｍ離れた位置のスペクトルを示す。
つぎに、基準点のスペクトルの振幅に対する各測定地点のスペクトルの振幅値の比を算出する（ステップＳ１２）。そして、振幅値の比のバラツキが大きい程、空洞３の存在の可能性が大きいと判定する（ステップＳ１３）。たとえば、図５（ａ）に示すように、振幅値の比のバラツキがあるときは、図５（ｂ）に示すように、地盤２内の空洞３により振動数毎の振幅値の比が小さくなるところがあり、前記振幅値の比の小さい測定地点の地盤２内に空洞３が存在すると判定することができる。
なお、前記振幅値の比のバラツキは、各測定地点毎に複数振動数に対応する比の値の最大値や平均値などで整理し、空洞分布のマップの作成に利用することができる。
また、前記振幅値の比は、地盤の卓越振動数以上の高い振動数（波長が短い）領域で任意間隔の複数の振動数について振幅値を比較して得ることが好ましい。さらには、卓越振動数〜３０Hzの領域で任意間隔の複数の振動数について振幅値を比較して得ることがより好ましい（一例として、図５において、４Hz〜１８Hzで抽出している）。

さらに、図６に示すように、前記振幅値の比のバラツキがほとんどないときに（なお、図６における各振動数を示す記号は図５（ａ）と同じである。）、前記測定地点のいずれかにおいて地表面１から地盤２内に穿孔する。これにより、測定地点において空洞３が存在するか否かを確認することができる。なお、この場合、空洞３が存在するときは、その空洞３は複数の測定地点の全域にわたって存在しているものである。
さらに、前記穿った孔から空洞３内に挿入した測量装置により空洞３の内部の測量をする。これにより、前記孔から空洞３内に挿入した測量装置により、空洞３の内部を容易に測量することができる。
さらに、被探査地域における常時微動の時刻歴波形の測定は、各々の測定地点が同時または同時性を保つ環境にて測定する。これにより、各々の測定地点における常時微動の時刻歴波形の測定結果に悪影響を及ぼす測定環境の変化に影響されないより精度の高い測定をすることができる。このため、空洞の存否を精度よく測定することができる。
さらに、常時微動の時刻歴波形の測定から得るスペクトルは、常時微動の時刻歴波形の水平成分もしくは鉛直成分の少なくともいずれか一方を用いることである。これにより、常時微動の時刻歴波形の水平成分もしくは鉛直成分の少なくともいずれか一方を用いてスペクトルを得るので、常時微動の時刻歴波形の測定が容易になる。

なお、上記実施の形態において、増幅器５を使用しているが、これに限定されず、感振器４の電気信号が必要なレベルのものであれば、増幅器５を省略することができる。

本発明は、例えば電力業界において送電線の鉄塔等を建設する際に、建設場所の地盤内に空洞が存在する否かを容易に判定することができる。

本発明の実施の形態に係る地盤内に存在する空洞の探査装置を示すブロック図である。 図１の探査装置を用いて空洞探査をする方法を示すフローチャートである。 図１の探査装置で得られた離散化された時刻歴データの一例を示すグラフである。 図３の時刻歴データのスペクトルの一例を示すグラフであり、（ａ）は基準点のものであり、（ｂ）は基準点から３ｍ離れた測定地点のものである。 （ａ）は前記スペクトルの基準点のものに対する比（振幅値の比）の一例を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）の振幅値の比により判定される空洞を示す説明図である。 前記スペクトルの基準点のものに対する比（振幅値の比）の他の例を示すグラフである。

符号の説明

１ 地表面
２ 地盤
３ 空洞
４ 感振器
５ 増幅器
６ Ａ／Ｄ変換器
７ データ収録部
８ 波形処理部
９ 比較部
１０ 表示部
Ａ 探査装置

Claims (7)

1. 地盤内に存在する空洞の探査方法において、
   被探査地域の複数の測定地点で常時微動の時刻歴波形を測定した結果をスペクトル分析して、該複数の測定地点の各々のスペクトルを得て、
   前記測定地点の１つを基準点とし、その基準点と他の測定地点の振動数毎のスペクトル振幅値の比を算出し、該振幅値の比のバラツキを求め、そのバラツキが大きい程、前記空洞の存在の可能性が大きいと判定することを特徴とする空洞の探査方法。
2. 請求項１に記載した空洞の探査方法であって、
   前記振幅値の比のバラツキがあるときに、前記振幅値の比の小さい測定地点の地盤内に空洞が存在すると判定することを特徴とする空洞の探査方法。
3. 請求項１又は２に記載した空洞の探査方法であって、
   前記振幅値の比は、前記スペクトルの振動数のうち地盤の卓越振動数以上の領域で、任意間隔の複数振動数で比較することを特徴とする空洞の探査方法。
4. 請求項１から３までのいずれかに記載した空洞の探査方法であって、
   前記判定結果に基づき穿孔位置を選定し、地表面から穿孔することを特徴とする空洞の探査方法。
5. 請求項４に記載した空洞の探査方法であって、
   前記穿った孔から空洞内に挿入した測量装置により空洞内部の測量をすることを特徴とする空洞の探査方法。
6. 請求項１から５までのいずれかに記載した空洞の探査方法であって、
   被探査地域における各々の測定地点の常時微動の時刻歴波形の測定は、同時または同時性を保つ環境にて行なわれることを特徴とする空洞の探査方法。
7. 請求項１から６までのいずれかに記載した空洞の探査方法であって、
   常時微動の時刻歴波形の測定から得るスペクトルは、常時微動の時刻歴波形の水平成分もしくは鉛直成分の少なくともいずれか一方を用いることを特徴とする空洞の探査方法。
   

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