JP2010139451A - 反射法探査システム - Google Patents

Abstract

【課題】反射法を用いて地中浅部の埋設物および地層構造を探査する反射法探査において、さらなる探査精度の向上が可能な反射法探査システムを提供する。
【解決手段】
本発明にかかる反射法探査システム１００は、地表面に設置し地中に対して圧電素子または磁歪素子による振動１３６を生成する発振器１２０と、地中の埋設物１４６、１４８もしくは地層境界１４４で反射し地表に達した反射波１３４を検知する検知器１３０と、検知した反射波１３４によって埋設物１４６、１４８もしくは地層境界１４４の位置を推定する位置推定装置１５０と、を備え、位置推定装置１５０は、発振器１２０の振動周波数を高周波から低周波へ変化させたスイープ波１３２を印加し、位置を推定することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射法を用いて地中浅部の埋設物および地層構造を探査する反射法探査システムに関する。

従来から、地中に埋設された埋設物を地面を掘り起こすことなく非破壊で推定する反射法探査が用いられている。これは、物理的な振動を伴う弾性波を地中に向かって発振し、埋設物からの反射波を通じてその埋設物の位置を推定する技術である。

かかる反射法探査の振源として、音波、ハンマ打撃、ダイナマイト、起振車による発破等を用いた地下探査が実施されている。しかし、音波では振動エネルギーが小さく、軟弱地盤の計測に適用するのは困難であった。また、ハンマ打撃等の振源では振動エネルギーを大きくでき、探査領域を拡大することも可能となるが、周波数が低い上、任意の周波数に設定することができないため、適用範囲が地下深部の地質構造の探査に限られていた。

そこで発明者は、振源として磁歪素子を用いた反射法探査システムを開発した（特許文献１）。これにより、振源の振動エネルギーを大きくしつつ、その周波数を調整可能とし、縦波と横波を自由に切り替えることも可能となったため、幅広い地盤構造や埋設位置に対応できる汎用性の高い反射法探査システムを提供することができるようになった。

ところで反射法探査で地盤や水脈を測定する場合には問題にならないが、地中埋設物を探査する場合には、対象物に大きさの著しい差があるという問題がある。例えば直径が数ｃｍ〜数十ｃｍのケーブルや水道管、ガス管、直径数ｍ程度の下水道管、直径十数ｍ程度の地下鉄のトンネルなどである。このとき印加する振動の周波数により、低周波数の振動は到達距離が長いが小さなものは素通りしてしまう傾向にある。高周波数の振動は小さなものにも反射する（分解能が高い）が、かわりに減衰が早く、到達距離が短い傾向にある。また、反射法探査では印加する振動の波長のおおむね１／４以下の大きさの埋設物は見つけられない。そこで、このように測定対象がまちまちである場合には、複数の周波数によって探査を行うことが有効である。なかでも、振動を印加しながら徐々にその周波数を変化させる、いわゆるスイープ波を用いることが好適である。

特許文献２には、スイープ波を用いた反射法による地盤探査について記載されている。なお特許文献２では、所望のスイープ波を測定地盤に正確に印加するために、まず電磁バイブレータの予備起振を行うことで電磁バイブレータの伝達関数を求め、その伝達関数の逆フィルタを求め、スイープ基準信号と逆フィルタとの合積により駆動信号を求め、その駆動信号により電磁バイブレータを駆動する技術が開示されている。
特願２００７−１８７５０６号公報 特開平６−７５０５５号公報

上記特許文献１に記載の反射法探査システムによれば、地中浅部の埋設物を地表面から容易に探査することができる。しかし、例えば都市部の地中にはガス、上下水道、通信等のための大小さまざまな埋設物が存在し得ることから、さらなる探査精度の向上が必要である。

また、特許文献２は、伝達関数の逆フィルタを用いて所望のスイープ波を正確に印加することを目的としている。しかし、仮に所望のスイープ波を印加したとしても、地中浅部の埋設物を対象とした場合には先に印加した振動の再反射が残留し、雑音となって測定精度を低下させてしまうという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑み、反射法を用いて地中浅部の埋設物および地層構造を探査する反射法探査において、さらなる探査精度の向上が可能な反射法探査システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために発明者らが鋭意検討したところ、低周波の振動は到達距離が長いことから、仮に地表面に極めて近い浅々部に埋設物があった場合には、再反射が長く残留しやすいのではないかと考えた。しかし、探査の対象となる深さの範囲（レンジ）を考えれば、低周波域をカットすることは難しい。そこで、スイープ波を高周波から低周波へ変化するように印加すれば、浅々部の小さい埋設物に高周波振動が反射してくる場合であっても、低周波振動の再反射の影響を排除できることに想到した。

さらにしかし、特許文献２に記載された電磁バイブレータや、従来使用されていた油圧バイブレータなどにおいては、振動特性の限界から、唐突に高周波の振動を生じさせることは極めて困難であり、高周波から低周波へ変化させるような制御は従来は全くの想定外であった。したがって特許文献２においても、当然に低周波から高周波へ周波数を変化させたスイープ波を対象としていた（例えば特許文献２の図３（ａ）参照）。

これに対し発明者らがさらに検討したところ、圧電素子または磁歪素子は極めて反応が速く、高周波振動から駆動を開始することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明にかかる反射法探査システムの代表的な構成は、地表面に設置し地中に対して圧電素子または磁歪素子による振動を生成する発振器と、振動によって生じた入射波が地中の埋設物もしくは地層境界で反射し地表に達した反射波を検知する検知器と、検知した反射波によって埋設物もしくは地層境界の位置を推定する位置推定装置と、を備え、発振器は、振動周波数を高周波から低周波へ変化させたスイープ波を、入射波として印加すること、を特徴とする。

上記の構成によれば、発振器の振源に圧電素子または磁歪素子を用いることで容易に発振周波数を調節することができ、また、地盤に印加するスイープ波を高周波から発振することが可能である。地盤に印加するスイープ波の振動周波数を、地盤内で減衰の起こりやすい高周波から減衰の起こりにくい低周波へと変化させることで、印加したスイープ波の反射波の先方部分の地表面での再反射による地盤内への残留が、後に検知するスイープ波の反射波の後方部分に与える影響を少なくすることができる。これにより、反射波の検知の際のノイズを低減させ、反射法探査システムの探査精度を向上させることが可能である。

上記の発振器の振動周波数は１０００Ｈｚから５０Ｈｚの間で変化させるとよい。発振器により印加するスイープ波の振動周波数を、１０００Ｈｚから５０Ｈｚの間で変化させることで、高周波を利用した数ｃｍ程度の小型の埋設物の探査から、低周波を利用した数ｍ以上におよぶ大型の埋設物、および、地層境界等の位置を推定することができる。これにより、地中のガス管、上下水道管、通信ケーブル等から、地下道や地下鉄などのトンネル等の埋設物、および地層構造の確実な探査が可能である。なお、１０００Ｈｚ以上となると減衰が大きいため反射波を検知することが困難であり、５０Ｈｚ以下となると波長が大きくなりすぎて想定する埋設物に反射されなくなる。

上記の発振器の継続発振時間は測定深度に応じて変化することとしてよい。発振器により印加するスイープ波の振動波の継続発振時間は、長さの設定を変えること、または、目的の周波数帯に分割して設定を行うことで、探査の目的の深度、ならびに、探査の目的の埋設物に応じた印加を行うことができる。これにより、浅々部から深部にいたるまでにおける埋設物の確実な探査が可能である。

上記の発振器は、保護ケースに内包されていることとしてよい。保護ケースに内包されていることで、水分等からの発振器への悪影響を抑えることができ、確実な探査精度の維持が可能である。また、保護ケースの地表面接触部の地表面との接触面積等を、使用環境や埋設物の大きさに基づき設定を変更してもよい。これにより、状況に応じた探査精度の維持が可能である。

本発明によれば、反射法を用いて地中浅部の埋設物および地層構造を探査する反射法探査システム探査精度を向上させることが可能である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本発明の実施形態である反射法探査システムを示す縦断面図である。反射法探査システム１００は、発振器１２０と、検知器１３０と、位置推定装置１５０とから構成されている。

図２は上記の発振器１２０の拡大図である。発振器１２０は、保護ケース１２６内に振源１２２を内包させて備えている。保護ケース１２６に内包されていることで、水分等からの発振器１２０への悪影響を抑えることができ、確実な探査精度の維持が可能である。また、保護ケース１２６の地表面接触部の地表面との接触面積等を、使用環境や埋設物の大きさに基づき設定変更してもよい。これにより、状況に応じた探査精度の維持が可能である。

振源１２２には圧電素子または磁歪素子を用いることができ、駆動信号によって伸縮動作することにより振動１３６を生じさせることができる。このように振源１２２に圧電素子または磁歪素子を用いることで、地盤に印加するスイープ波１３２を高周波から発振し始めることが可能である。

また振源１２２は、振動方向を地表面１１０に対して平行に振動する方向に配置されており、地盤内１４０に、振動１３６によって生じた入射波である横波を印加する。高周波数の横波（Ｓ波）は指向性が高く拡散が少ないので、浅部の小さな埋設物１４６を探査するのに特に適している。しかし、周波数が高いと波長が短くなり入射波の到達率が悪くなるので、測定可能範囲を狭めてしまう。従って測定深度との兼ね合いで周波数を決定するとよい。

検知器１３０は、地盤内１４０の埋設物（１４６、１４８）もしくは地層境界１４４で反射し地表に達した反射波１３４を検知する。検知器１３０は検知した反射波を信号として取り出せるものであればよく、加速度センサや速度センサ、歪みセンサなどを用いた地震計を好適に用いることができる。

位置推定装置１５０は、発振器１２０の振源１２２に駆動信号を伝達し、発振器１２０から地盤内１４０に所定の入射波を印加させる。本実施形態では、発振器１２０は、入射波としては高周波から低周波へ変化するスイープ波１３２を用いる。

図３は発振器１２０の振動１３６の振動周波数を高周波から低周波へ変化させたスイープ波１３２を示す図である。縦軸は振幅、横軸は時間を表している。このスイープ波１３２の信号を位置推定装置１５０から発振器１２０に伝達し、振源１２２を駆動させて発振器１２０から地盤内１４０へスイープ波１３２を印加させる。

また位置推定装置１５０は、検知器１３０から出力される測定データを受信して、これに所定の処理を行うことにより埋設物（１４６、１４８）もしくは地層境界１４４の位置（深さ）を推定する。また位置推定装置１５０においては、遅延時間を軸として、信号強度に応じて色分けした画像を表示可能である。

図４は埋設物１４６の例として埋設管を配した人工地盤において、スイープ波１３２を用いた反射法システムにより行った探査実験の実験結果である。図４（ａ）はスイープ波１３２を高周波から低周波へと変化させた実験結果であり、図４（ｂ）はスイープ波１３２を低周波から高周波へと変化させた実験結果である。なお図４において縦軸は発振から到達までの遅延時間（往復走時）であって、上が原点（ゼロ）である。横軸は位置（絶対位置）であって、少しずつ位置をずらして複数回測定し、１つの画面に並べて表示したものである。

図４（ｂ）を参照すると、埋設管と地層境界の反射波の検知結果１５６が混在して分離されていないことがわかる。一方、図４（ａ）では、埋設管の反射波１５２と地層境界の反射波１５４が混在せず分離して検知されていることが確認できる。

この測定結果から考察すると、図３（ｂ）では、スイープ波１３２の振動周波数を低周波から高周波へ変化させたことにより、先に印加された低周波の振動が埋設管と地表面で往復するように再反射し、後から印加された高周波の振動と重なり合ってノイズとなってしまったものと考えられる。

一方、図３（ａ）では、スイープ波１３２の振動周波数を高周波から低周波へと変化させたことにより、先に印加した高周波の振動は早期に減衰し、後に印加した低周波を検知する際には既に消失しているため、ノイズが低減したものと考えられる。

上記説明した如く、発振器１２０の振源１２２に圧電素子または磁歪素子を用いることで容易に発振周波数を調節することができ、また、地盤に印加するスイープ波１３２を高周波から発振することが可能である。地盤に印加するスイープ波１３２の振動周波数を、地盤内１４０で減衰の起こりやすい高周波から減衰の起こりにくい低周波へと変化させることで、印加したスイープ波１３２の反射波１３４の先方部分の地表面での再反射による地盤内１４０への残留が、後に検知するスイープ波１３２の反射波１３４の後方部分に与える影響を少なくすることができる。これにより、反射波１３４の検知の際のノイズを低減させ、反射法探査システム１００の探査精度を向上させることが可能である。

また、本発明の実施形態において、上記発振器１２０の振動周波数は、１０００Ｈｚから５０Ｈｚの間で変化させることができる。発振器１２０の振動１３６によって生じた入射波であるスイープ波１３２は、１０００Ｈｚ以上となると減衰が大きいため反射波を検知することが困難であり、５０Ｈｚ以下となると波長が大きくなりすぎて想定する埋設物に反射されなくなるためである。発振器１２０の振動１３６より発振し、地盤内１４０へ印加するスイープ波１３２の振動周波数を、１０００Ｈｚから５０Ｈｚの間で変化させることで、高周波を利用した数ｃｍ程度の小型の埋設物１４６の探査から、低周波を利用した数ｍにおよぶ大型の埋設物１４８、および、地層境界１４４等の位置を推定することができる。これにより、地中のガス管、上下水道管、通信ケーブル等から、地下道や地下鉄などのトンネル等の埋設物、および地層構造の確実な探査が可能である。

なお、上記の発振器の継続発振時間は、測定深度ｈに応じて設定することができる。地中の伝搬速度は地質によって定まるため、測定深度ｈに対して振動の往復伝搬時間や片道伝搬時間は算出することができる。そこで測定対象となる深度に基づき、測定深度ｈに対する往復伝搬時間や片道伝搬時間よりも継続発振時間を短く設定する。往復伝搬時間より短くすることにより、検知器１３０で検知しているときに発振器１２０から振動を印加することを防止し、発振器１２０から検知器１３０に伝わる直接波を除外することができる。またさらに片道伝搬時間よりも短くすることにより、埋設物近傍で入射波と反射波が干渉して振動が減衰してしまうことを防止することができる。また、継続発振時間を短くした場合には、複数回計測した結果を重ね合わせるスタッキングを行うことにより、信号を強めつつノイズを打ち消すことができ、Ｓ／Ｎ比（シグナル／ノイズ比）を高めることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、反射法を用いて地中浅部の埋設物および地層構造を探査する反射法探査システムに利用することができる。

本実施形態における反射法探査システムの縦断面図である。 図１の発振器の拡大図である。 図１のスイープ波を示す図である。 本実施形態における反射法探査システムの探査実験の結果である。

符号の説明

１００ … 反射法探査システム、１１０ … 地表面、１２０ … 発振器、１２２ … 振源、１２６ … 保護ケース、１３０ … 検知器、１３２ … スイープ波、１３４ … 反射波、１３６ … 振動、１４０ … 地盤内、１４４ … 地層境界、１４６ … 小型の埋設物、１４８ … 大型の埋設物、１５０ … 位置推定装置、１５２ … 埋設管の反射波、１５４ … 地層境界の反射波、１５６ … 検知結果

Claims (4)

1. 反射法を用いて地中浅部の埋設物および地層構造を探査する反射法探査システムであって、
   地表面に設置し地中に対して圧電素子または磁歪素子による振動を生成する発振器と、
   前記振動によって生じた入射波が前記地中の埋設物もしくは地層境界で反射し地表に達した反射波を検知する検知器と、
   前記検知した反射波によって前記埋設物もしくは地層境界の位置を推定する位置推定装置と、
   を備え、
   前記発振器は、振動周波数を高周波から低周波へ変化させたスイープ波を、前記入射波として印加することを特徴とする反射法探査システム。
2. 前記発振器の振動周波数は１０００Ｈｚから５０Ｈｚの間で変化することを特徴とする請求項１に記載の反射法探査システム。
3. 前記発振器の継続発振時間は測定深度に応じて変化することを特徴とする請求項１または２に記載の反射法探査システム。
4. 前記発振器は、保護ケースに内包されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の反射法探査システム。