JP2010071672A - 地下水圧計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静的な地下水圧だけでなく、振動エネルギーの伝播によって変動する動的な地下水圧も正確に計測することが可能な地下水圧計測装置を提供する。
【解決手段】地中に掘削した掘削孔４内に挿入して地下水圧を計測するための水圧計測プローブ２を備えた地下水圧計測装置Ａであって、水圧計測プローブ２を、静的な地下水圧を計測するための静圧計測用センサ（水圧センサ）７と、地中に振動エネルギーが伝播することによって変動する動的な地下水圧を計測するための動圧計測用センサ（ハイドロホン）８とを備えて形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、地中に掘削した掘削孔内に水圧計測プローブを挿入して地下水圧を計測する地下水圧計測装置に関する。

従来、水圧計測プローブを地中に掘削したボーリング孔（掘削孔）内に挿入して、地下水圧（間隙水圧）を計測することが行われている（例えば、特許文献１参照）。そして、水圧計測プローブの水圧センサが地上に設けたデータロガー（記録装置）にケーブルで接続され、水圧センサの計測結果が順次データロガーに記録される。また、例えばトンネル構築に伴い地下水圧の計測を行うような場合など、地下水圧の計測を数十年にわたって継続的に行なう場合も多々ある。
特許第３０４４５０４号公報

しかしながら、上記従来の地下水圧計測装置の水圧計測プローブにおいては、例えば２秒に１回程度の割合で地下水圧を計測することが限度であり、静的な地下水圧（静圧）を計測することは可能であるが、動的な地下水圧（動圧）を正確に計測することができないという問題があった。

すなわち、地震時（や発破時など）には、例えば２００Ｈｚ（１秒間に２００回の振動）程度の振動エネルギーが地中（地盤）を伝播し、図６の破線で示すように、この振動エネルギーの伝播によって地下水圧が急激に変動するが、従来の地下水圧計測装置では、図６の実線で示すように、地震時の地下水圧のピーク圧力や振幅を正確に記録することができず、また、振動エネルギーの到達時間や通過時間を正確に記録することができない。このため、静圧時の地下水圧と動圧時の地下水圧を正確に区分することができず、地震による影響（振動エネルギーの伝播による影響）を正確に捉えることができないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑み、静的な地下水圧だけでなく、振動エネルギーの伝播によって変動する動的な地下水圧も正確に計測することが可能な地下水圧計測装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の地下水圧計測装置は、地中に掘削した掘削孔内に挿入して地下水圧を計測するための水圧計測プローブを備えた地下水圧計測装置であって、前記水圧計測プローブが、静的な地下水圧を計測するための静圧計測用センサと、前記地中に振動エネルギーが伝播することによって変動する動的な地下水圧を計測するための動圧計測用センサとを備えて形成されていることを特徴とする。

この発明においては、水圧計測プローブが従来の水圧センサと同様の静圧計測用センサに加えて、例えばハイドロホンや振動計などの動圧計測用センサを備えていることによって、地震時や発破時に地中に伝播する振動エネルギーによって変動する動的な地下水圧を正確に計測することが可能になる。

また、本発明の地下水圧計測装置においては、前記動圧計測用センサがハイドロホンであることが望ましい。

この発明においては、例えば動圧計測用センサに振動計を用いた場合、掘削孔内に挿入設置した水圧計測プローブ自体の揺れ（振動）が影響するが、動圧計測用センサにハイドロホンを用いた場合には、振動エネルギーとともに伝播する音圧を計測するため、水圧計測プローブ自体の揺れの影響がなく、地震時や発破時に地中に伝播する振動エネルギーによって変動する動的な地下水圧をより正確に計測することが可能になる。

さらに、本発明の地下水圧計測装置においては、前記水圧計測プローブと、前記静圧計測用センサ及び前記動圧計測用センサの計測信号を入力して記録する記録装置とが同軸ケーブルで直列に接続されていることがより望ましい。

この発明においては、水圧計測プローブに静圧計測用センサと動圧計測用センサの２つのセンサを備えた場合においても、これら静圧計測用センサと動圧計測用センサを１本の同軸ケーブルでデータロガーなどの記録装置に接続することができる。そして、このようにケーブルを１本の同軸ケーブルにすることで、例えば水圧計測プローブを掘削孔内に挿入する際などに容易に取り扱うことが可能になる（ハンドリングをよくすることが可能になる）。

また、本発明の地下水圧計測装置においては、前記地中の帯水層毎に前記掘削孔内を区画する遮水手段を備えるとともに、各前記帯水層の地下水圧を計測する複数の前記水圧計測プローブを備えており、前記複数の水圧計測プローブが同軸ケーブルで直列に接続されていてもよい。

この発明においては、地中の複数の帯水層に対し、各帯水層の静的な地下水圧と動的な地下水圧を複数の水圧計測プローブで同時に計測することが可能になる。また、このように複数の水圧計測プローブで複数の帯水層の地下水圧を計測するように構成した場合においても、複数の水圧計測プローブが同軸ケーブルで直列に接続されているため、例えば水圧計測プローブを掘削孔内に挿入する際などに容易に取り扱うことが可能になる（ハンドリングをよくすることが可能になる）。

本発明の地下水圧計測装置によれば、水圧計測プローブが従来の水圧センサと同様の静圧計測用センサに加えて、例えばハイドロホンや振動計などの動圧計測用センサを備えていることによって、地震時や発破時に地中に伝播する振動エネルギーによって変動する動的な地下水圧を正確に計測することが可能になる。

これにより、従来の地下水圧計測装置に対し、振動エネルギーが伝播することによって変動する地下水圧のピーク圧力や振幅を正確に記録することが可能になり、また、振動エネルギーの到達時間や通過時間を正確に記録することが可能になる。よって、静圧時の地下水圧と動圧時の地下水圧を正確に区分することができ、振動エネルギーの伝播による影響を正確に捉えることができる。

以下、図１から図５を参照し、本発明の一実施形態に係る地下水圧計測装置について説明する。本実施形態は、地中に掘削した掘削孔内に水圧計測プローブを挿入して地下水圧を計測する地下水圧計測装置に関するものである。

本実施形態の地下水圧計測装置Ａは、図１及び図２に示すように、プローブ挿入管１と、水圧計測プローブ２と、データロガー（記録装置）３とを備えて構成されている。ここで、本実施形態では、地盤Ｇに、上下の不透水層Ｔ１に挟まれて地下水が帯水する複数の帯水層Ｔ２が存在するものとし、本実施形態の地下水圧計測装置Ａは、これら複数の帯水層Ｔ２の地下水圧を計測する複数の水圧計測プローブ２を備えて構成されている。

本実施形態のプローブ挿入管１は、地中に所定深度で掘削したボーリング孔（掘削孔）４内に挿入設置される単管であり、ボーリング孔４に応じた長さで形成されている。また、プローブ挿入管１には、ボーリング孔４内に挿入設置した状態で各帯水層Ｔ２を挟んで上下の不透水層Ｔ１に配される位置に、例えば水を給排することで膨縮可能に形成されたパッカー（遮水手段）５が設けられている。また、プローブ挿入管１には、上下に隣り合うパッカー５の間（すなわち帯水層Ｔ２に配される部分）に、プローブ挿入管１の外側と内側を連通させるようにプラグ６が取り付けられている。

そして、このプローブ挿入管１は、ボーリング孔４内に挿入するとともに、図示せぬ給排管から各パッカー５に水を供給して膨張させ、各パッカー５をボーリング孔４の孔面に密着させて設置される。これにより、上下に隣り合うパッカー５によって、ボーリング孔内が帯水層Ｔ２毎に区画され、各帯水層Ｔ２の位置にプラグ６を配設した状態でプローブ挿入管１が設置される。

水圧計測プローブ２は、図２に示すように、内部を密閉可能に形成された略筒状のケーシング２ａ内に、従来の水圧センサ（静圧計測用センサ７）とハイドロホン（動圧計測用センサ８）を備えて形成されている。また、水圧計測プローブ２には、ケーシング２ａの外面に、プローブ挿入管１に取り付けられたプラグ６に接続することにより、このプラグ６を介して帯水層Ｔ２の地下水（帯水層Ｔ２の地下水圧（間隙水圧））を水圧センサ７とハイドロホン８に導入するための接続部９と、この接続部９をプラグ６に接続させるための伸縮可能な伸縮機構１０とが設けられている。さらに、ケーシング２ａの外面には、水圧計測プローブ２をプローブ挿入管１内の所定位置で保持するための保持部材１１が設けられている。

また、図１及び図２に示すように、各帯水層Ｔ２の地下水圧を計測する複数の水圧計測プローブ２（各水圧計測プローブ２の水圧センサ７及びハイドロホン８）が同軸ケーブル１２で直列に接続されている。さらに、各水圧計測プローブ２の水圧センサ７及びハイドロホン８の計測信号を入力して記録するデータロガー３が、各水圧計測プローブ２に対して同軸ケーブル１２で直列に接続されている。すなわち、本実施形態の地下水圧計測装置Ａにおいては、データロガー３と複数の水圧計測プローブ２が１本の同軸ケーブル１２で接続され、複数の水圧計測プローブ２がそれぞれ各帯水層Ｔ２に配されるように所定の間隔をあけて接続されている。

ついで、上記構成からなる地下水圧計測装置Ａによって、地下水圧を計測する方法について説明するとともに、本実施形態の地下水圧計測装置Ａの作用及び効果について説明する。

本実施形態の地下水圧計測装置Ａを用いて地下水圧を計測する際には、所定深度のボーリング孔４を地中に掘削し、このボーリング孔４内に水を注水するとともに、プローブ挿入管１を挿入して建て込む。そして、各帯水層Ｔ２を挟んで上下に位置する不透水層Ｔ１に配設されたパッカー５に水を供給して膨張させ、各パッカー５を各不透水層Ｔ１に密着させることによってボーリング孔４内を帯水層Ｔ２毎に区画する。

ついで、プローブ挿入管１内に、同軸ケーブル１２で接続された複数の水圧計測プローブ２を挿入する。このとき、複数の水圧計測プローブ２が１本の同軸ケーブル１２で接続されているため、そのハンドリングがよく、所定の長さの同軸ケーブル１２を挿入して、複数の水圧計測プローブ２がそれぞれ、容易に各帯水層Ｔ２の位置となる所定位置に配設されることになる。

このように各水圧計測プローブ２を所定位置に配設した段階で、伸縮機構１０を駆動して伸ばし、伸縮機構１０の先端部がプローブ挿入管１の内面に当接して押圧することで、各水圧計測プローブ２の接続部９がプローブ挿入管１のプラグ６に接続される。また、水圧計測プローブ２の接続部９とプローブ挿入管１のプラグ６が接続するとともに、水圧計測プローブ２の保持部材１１がプローブ挿入管１の内面に当接する。これにより、各水圧計測プローブ２は、伸縮機構１０の先端部と保持部材１１がプローブ挿入管１の内面に当接して保持された状態で、プローブ挿入管１の所定位置に設置される。

このように各水圧計測プローブ２を設置するとともに、同軸ケーブル１２の一端をデータロガーに接続して、各水圧計測プローブ２による各帯水層Ｔ２の地下水圧の計測を開始する。そして、地下水圧が安定している通常時には、例えば数秒に１回の割合で各水圧計測プローブ２の水圧センサ７の計測結果（計測信号）が同軸ケーブル１２を通じてデータロガー３に入力されて、各帯水層Ｔ２の静的な地下水圧が記録（計測）されてゆく。また、各水圧計測プローブ２のハイドロホン８の計測結果もデータロガー３に入力されて記録（計測）されてゆく。

一方、地震時（発破時）には、例えば２００Ｈｚ（１秒間に２００回の振動）程度の振動エネルギーが地中を伝播し、この振動エネルギーの伝播によって地下水圧が急激に変動する。このとき、各水圧計測プローブ２の水圧センサ７は、数秒に１回の割合で地下水圧を計測することが限界であるため、例えば図３に示すように、地下水圧のピーク圧力や振幅、振動エネルギーの到達時間や通過時間が正確に把握できない地下水圧波形が、各水圧センサ７による各帯水層Ｔ２の地下水圧の計測結果としてデータロガー３に記録される。これに対し、本実施形態の地下水圧計測装置Ａにおいては、各水圧計測プローブ２にハイドロホン８が備えられているため、このハイドロホン８によって、地中を振動エネルギーが伝播することにより急激に変動する音圧が計測され、図４に示すような音圧波形がデータロガー３に記録されることになる。

そして、このような水圧センサ７とハイドロホン８の計測結果を基にして、図５に示すように、地震前の静的な地下水圧（静圧時の地下水圧）、地震時の急激に変動する動的な地下水圧（動圧時の地下水圧）、地震後の静的な地下水圧（静圧時の地下水圧）を正確に区分した地下水圧波形がデータロガー３に記録されることになる。

このため、従来の地下水圧計測装置では得ることができない地震時の動的な地下水圧のピーク圧力や振幅、動的な地下水圧波形の到達時間、通過時間が正確に記録され、動的波形到達前の地下水圧、微小波到達時の地下水圧波形、主要波到達時の地下水圧波形、動的波形通過後の地下水圧が正確に得られることになる。また、本実施形態においては、地中の複数の帯水層Ｔ２の静的、動的な地下水圧がそれぞれ各水圧計測プローブ２によって計測されているため、深度別の地下水圧が正確に計測され、静的、動的な地下水圧の伝播状況、変化が確実に記録されることになる。

したがって、本実施形態の地下水圧計測装置Ａによれば、水圧計測プローブ２が水圧センサ７に加えて、ハイドロホン８を備えていることによって、地震時や発破時に地中に伝播する振動エネルギーによって変動する動的な地下水圧を正確に計測することが可能になる。

これにより、従来の地下水圧計測装置に対し、振動エネルギーが伝播することによって変動する地下水圧のピーク圧力や振幅を正確に記録することが可能になり、動的な地下水圧の周波数解析が可能になる。また、振動エネルギーの到達時間や通過時間を正確に記録することが可能になり、静圧時の地下水圧と動圧時の地下水圧を正確に区分することができ、動的波形到達前の地下水圧、微小波到達時の地下水圧波形、主要波到達時の地下水圧波形、動的波形通過後の地下水圧を正確に記録することが可能になる。よって、例えばトンネル構築に伴い地下水圧の計測を行うような場合などで特に重要になる地震や発破の前後の地下水圧変化（地震や発破による影響、振動エネルギーの伝播による影響）を正確に捉えることが可能になる。

また、本実施形態の地下水圧計測装置Ａにおいては、水圧計測プローブ２に水圧センサ７とハイドロホン８の２つのセンサを備えた場合においても、１本の同軸ケーブル１２でデータロガー３に接続することができる。そして、このようにケーブルを１本の同軸ケーブル１２にすることで、水圧計測プローブ２をボーリング孔４内に挿入する際などに容易に取り扱うことが可能になる（ハンドリングをよくすることが可能になる）。

また、本実施形態のように、地中の帯水層Ｔ２毎にボーリング孔４内をパッカー５で区画し、各帯水層Ｔ２の地下水圧を計測する複数の水圧計測プローブ２を同軸ケーブル１２で直列に接続することによって、各帯水層Ｔ２の静的な地下水圧と動的な地下水圧を複数の水圧計測プローブ２で同時に計測することが可能になる。また、このように複数の水圧計測プローブ２を同軸ケーブル１２で直列に接続することによって、水圧計測プローブ２をボーリング孔４内に挿入する際などにやはり容易に取り扱うことが可能になる。

以上、本発明に係る地下水圧計測装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、水圧計測プローブ２の動圧計測用センサがハイドロホン８であるものとしたが、地震時や発破時などに地中を振動エネルギーが伝播することによって急激に変動する地下水圧を計測することが可能であれば、例えば地震計（振動計）などを動圧計測用センサに用いてもよい。

また、本発明の地下水圧計測装置は、静圧計測用センサ７と動圧計測用センサ８を具備する水圧計測プローブ２を備えて形成されていればよく、他の構成は特に限定を必要としない。例えば、本実施形態では、同軸ケーブル１２でデータロガー（記録装置）３と複数の水圧計測プローブ２が直列に接続されているものとしたが、１つの水圧計測プローブ２で地下水圧を計測するようにしてもよい。また、各水圧計測プローブ２の静圧計測用センサ７と動圧計測用センサ８にそれぞれケーブルを接続してもよく、各センサ７、８をそれぞれ個別の記録装置３に接続するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る地下水圧計測装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る地下水圧計測装置の水圧計測プローブを示す図である。 本発明の一実施形態に係る地下水圧計測装置の水圧計測プローブに備えた水圧センサによる計測結果を示す図である。 本発明の一実施形態に係る地下水圧計測装置の水圧計測プローブに備えたハイドロホンによる計測結果を示す図である。 本発明の一実施形態に係る地下水圧計測装置による計測結果を示す図である。 従来の地下水圧計測装置による計測結果を示す図である。

符号の説明

１ プローブ挿入管
２ 水圧計測プローブ
２ａ ケーシング
３ データロガー（記録装置）
４ ボーリング孔（掘削孔）
５ パッカー（遮水手段）
６ プラグ
７ 水圧センサ（静圧計測用センサ）
８ ハイドロホン（動圧計測用センサ）
９ 接続部
１０ 伸縮機構
１１ 保持部材
１２ 同軸ケーブル
Ａ 地下水圧計測装置
Ｇ 地盤
Ｔ１ 不透水層
Ｔ２ 帯水層

Claims (4)

1. 地中に掘削した掘削孔内に挿入して地下水圧を計測するための水圧計測プローブを備えた地下水圧計測装置であって、
   前記水圧計測プローブが、静的な地下水圧を計測するための静圧計測用センサと、前記地中に振動エネルギーが伝播することによって変動する動的な地下水圧を計測するための動圧計測用センサとを備えて形成されていることを特徴とする地下水圧計測装置。
2. 請求項１記載の地下水圧計測装置において、
   前記動圧計測用センサがハイドロホンであることを特徴とする地下水圧計測装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の地下水圧計測装置において、
   前記水圧計測プローブと、前記静圧計測用センサ及び前記動圧計測用センサの計測信号を入力して記録する記録装置とが同軸ケーブルで直列に接続されていることを特徴とする地下水圧計測装置。
4. 請求項３記載の地下水圧計測装置において、
   前記地中の帯水層毎に前記掘削孔内を区画する遮水手段を備えるとともに、各前記帯水層の地下水圧を計測する複数の前記水圧計測プローブを備えており、
   前記複数の水圧計測プローブが同軸ケーブルで直列に接続されていることを特徴とする地下水圧計測装置。

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