JP2011043409A - トンネル掘削中の地質探査方法及びトンネル地質探査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】坑外側記録装置の内蔵時計と坑内側記録装置の内蔵時計とを共にＧＰＳ時刻に常時同期させることにより、トンネル施工中における地質の連続探査を可能とすることである。
【解決手段】トンネル坑外に設置した坑外側記録装置に坑外側受振器の受信データを記録し、トンネル坑内に設置した坑内側記録装置１３ｂに発破振動の発震時刻と坑内側受振器の受信データとを記録し、これらの記録データに基づいて掘削中のトンネルの切羽前方の地質を予測する。坑外側記録装置に坑外用のＧＰＳ受信器を設け、このＧＰＳ受信器により受信したＧＰＳ信号によりその内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させる。トンネル坑外に坑内用のＧＰＳ受信器２１を設け、このＧＰＳ受信器２１が受信したＧＰＳ信号を接続ケーブル（光ファイバーケーブル）２４によりトンネル坑内に伝搬し、当該伝搬されたＧＰＳ信号により坑内側記録装置１３ｂの内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、掘削中のトンネルにおける地質探査の方法及び探査装置に関する。

わが国は多くの山岳地帯を有しており、かかる山岳地帯を通して、鉄道、高速道路網、水路等が縦横に張りめぐらされている。また、山岳トンネル以外にも、海峡などで隔てられた区間を結ぶ海底トンネルも設けられている。

このようなトンネルの掘削工事に際しては、その計画、設計段階において、掘削予定路線上における地質の事前調査が行われる。この事前調査は、通常、弾性波探査の手法を用いて行われるが、この探査は地表から行われるため、土被りが大きい場合にはトンネル予定ルートまで弾性波が十分届かないなど、十分な探査精度が確保できない場合がある。

そこで、事前調査だけではなく、施工中のトンネルの坑内と坑外とに観測装置を配置し、これらの観測装置により地質を探査する方法が報告されている。

非特許文献１〜３には、トンネル施工中において、トンネル掘削時の発破振動をトンネル坑外（地表上）に設置した受振器により受振し、その受振データから発破点と受振器との間の平均地山弾性波速度を求め、その値と事前に行った弾性波探査データとを合わせてトモグラフィ的な解析を行うことにより、切羽前方の地山性状の予測精度を高めるようにした探査方法が記載されている。この場合、トンネル坑内には発破時刻（発震時刻）を記録するための記録装置が設置され、坑外（地表）には受振器の受振データを記録する記録装置が設置されており、これらの記録装置に記録された発破時刻と初動時刻とに基づいて平均地山弾性波速度が算出される。

一方、非特許文献４には、トンネル施工中における地質調査において、トンネル坑外に加えて坑内にも受振器を設置し、この坑内側の受振器により発破振動を受振し、その受振データに基づいてＶＳＰ処理を基本とした反射法探査等を行うようにしたSSRT(Shallow Seismic Reflection survey for Tunnels）とも呼ばれるトンネル浅層反射法探査について記載されている。この場合、発破時刻と坑外に設置された受振器の初動データとから算出される平均地山弾性波速度は、反射法探査における反射面の位置同定に用いられることになる。

篠原・小松・森、「発破振動によるトンネル切羽前方の弾性波速度分布の予測」、第５７回年次講演会講演概要集、土木学会、平成１４年９月、Ｐ.１３３２−１３３４ 篠原「トンネルの事前調査および施工中における弾性波探査について」、第５８回年次講演概要集、土木学会、平成１５年９月、Ｐ.３１３−３１４ 篠原・塚本・浜田、「トモグラフィ的解析手法によるトンネル切羽前方の弾性波速度分布の予測」、トンネル工学報告集、土木学会、平成１６年１１月、第１４巻２００４年１１月報告集（１２）、Ｐ.７７−８２ 大野・渡辺・吉田・村山・清水、「トンネル掘削発破を起震源とした切羽前方弾性波探査の開発と現場適用」、第１５回トンネル工学報告集、土木学会、平成１７年１２月、Ｐ.１−８

上記方法において探査精度を高めるためには、トンネル坑内に設置される記録装置の内蔵時計の時刻とトンネル坑外に設置される記録装置の内蔵時計の時刻とを、計測間隔に相当する１ミリ秒以下の精度で一致させる必要がある。

非特許文献１〜３に記載される探査方法では、各記録装置にＧＰＳ（Global Positioning System ;全地球測位システム）信号を受信するためのアンテナを設け、このアンテナで受信したＧＰＳ信号により内蔵時計をＧＰＳ時刻に同期させて時刻精度を確保するようにしている。ＧＰＳ信号はＧＰＳ衛星から発せられる電波信号であり、それには時刻校正を目的とした信号（１ＰＰＳ、時刻情報）が含まれ、このＧＰＳ信号に同期させることにより、記録装置の内蔵時計をＧＰＳ衛星が持っているＧＰＳ時刻（基準時刻）に高精度に校正することができる。つまり、年間数秒程度の誤差を生じる水晶時計を用いた内蔵時計を、ＧＰＳ信号に同期させてその時刻精度を高めることができる。

しかしながら、トンネル坑外に設置される記録装置は常時ＧＰＳ信号を受信することができるのに対して、トンネル坑内に配置される記録装置はＧＰＳ信号を受信することができないので、坑内に設置される記録装置については、坑外でＧＰＳ信号を受信させて時刻校正をした後に再度坑内に運び込むようにしている。

ここで、１回の発破作業に要する時間は、穿孔、装薬作業を含めても数時間程度であるので、この程度の時間であれば坑外で時刻校正した内蔵時計の精度を観測期間中において１ミリ秒以下の精度に確保することができる。しかしながら、時刻校正から数十時間から数日経過するとその誤差が大きくなり、１ミリ秒以下の精度で発破時刻を正確に記録することができなくなる。すなわち、従来の方法では、坑内の記録装置の内蔵時計を１ミリ秒以下の精度に保持しようとすると、所定時間毎に時刻校正のために記録装置を坑外に持ち出す必要があった。そのため、短期間の単発的な観測には対応することができるが、数ｍ間隔で行われるトンネル掘削の発破に合わせて、随時振動データを連続的に観測する方法には対応することができない。

一方、非特許文献４に記載される探査方法では、発破装置と坑内側受振器とに接続される坑内側の記録装置を、そのケーブルを延長することにより坑外に配置して、ＧＰＳ信号を常時受信させるようにしている。

しかしながら、この方法はトンネルの切羽が坑口から２００ｍ程度のトンネル深度が比較的浅い場合には適用することができるが、これ以上の深さにトンネルが掘り進められると、ケーブル長が長くなりすぎ、外来雑音が大きくなって振動記録の検出精度が低下するという問題を生じることになる。

本発明の目的は、坑外側記録装置の内蔵時計と坑内側記録装置の内蔵時計とを共にＧＰＳ時刻に常時同期させて、トンネル施工中における地質の連続探査を可能とすることにある。

本発明のトンネル掘削中の地質探査方法は、トンネル坑内で発生させた振動をトンネル坑外に設置した坑外側受振器とトンネル坑内に設置した坑内側受振器とで受振し、トンネル坑外に設置した坑外側記録装置に前記坑外側受振器の受振データを記録するとともにトンネル坑内に設置した坑内側記録装置に前記振動の発震時刻と前記坑内側受振器の受振データとを記録し、前記振動の発震時刻と前記坑外側記録装置が記録した受振データと前記坑内側記録装置が記録した受振データとに基づいて掘削中のトンネルの切羽前方の地質を予測するトンネル掘削中の地質探査方法であって、前記坑外側記録装置にＧＰＳ信号を受信させてその内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させるとともに、トンネル坑外に設置した受信機が受信したＧＰＳ信号を有線でトンネル坑内に伝搬し、当該伝搬されたＧＰＳ信号により前記坑内側記録装置の内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させることを特徴とする。

本発明のトンネル掘削中の地質探査方法は、トンネル坑内で発生させた振動をトンネル坑外に設置した坑外側受振器とトンネル坑内に設置した坑内側受振器とで受振し、トンネル坑外に設置した坑外側記録装置に前記坑外側受振器の受振データを記録するとともにトンネル坑内に設置した坑内側記録装置に前記振動の発震時刻と前記坑内側受振器の受振データとを記録し、前記振動の発震時刻と前記坑外側記録装置が記録した受振データと前記坑内側記録装置が記録した受振データとに基づいて掘削中のトンネルの切羽前方の地質を予測するトンネル掘削中の地質探査方法であって、前記坑外側記録装置にＧＰＳ信号を受信させてその内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させるとともに、トンネル坑外でＧＰＳ信号を受信してＧＰＳ時刻に同期された原子時計をトンネル坑内に持ち込み、該原子時計により前記坑内側記録装置の内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させることを特徴とする。

本発明のトンネル掘削中の地質探査方法は、トンネル掘削時の発破を震源とすることを特徴とする。

本発明のトンネル掘削中の地質探査方法は、前記発破は電気雷管を用いた複数段の段発発破であり、前記坑内側記録装置は１段目の発破時刻を前記発震時刻として記録することを特徴とする。

本発明のトンネル掘削中の地質探査方法は、前記坑内側受振器の受振データの解析処理においては、前記発震時刻と前記坑外側記録装置に記録された前記坑外側受振器の初動データから得られる平均地山弾性波速度を利用して反射データの距離同定が行われることを特徴とする。

本発明のトンネル地質探査装置は、トンネル坑内で振動を発生させる起震源と、トンネル坑外に設置されて前記起震源の発生した振動を受振する坑外側受振器と、トンネル坑外に設置されて前記坑外側受振器の受振データを記録する坑外側記録装置と、トンネル坑内に設置されて前記起震源の発生した振動を受振する坑内側受振器と、トンネル坑内に設置されて前記起震源の発震時刻と前記坑内側受振器の受振データとを記録する坑内側記録装置と、前記振動の発震時刻と前記坑外側記録装置が記録した受振データと前記坑内側記録装置が記録した受振データとを解析して掘削中のトンネルの切羽前方の地質を予測する解析装置とを有するトンネル地質探査装置であって、前記坑外側記録装置に設けられ、ＧＰＳ信号を受信する坑外用受信器と、トンネル坑外に設置され、ＧＰＳ信号を受信する坑内用受信器と、前記坑内用受信器と前記坑内側記録装置とを接続し、前記坑内用受信器が受信したＧＰＳ信号を前記坑内側記録装置に伝搬する接続ケーブルとを有し、前記坑外用受信器が受信したＧＰＳ信号により前記坑外側記録装置の内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させるとともに、前記接続ケーブルにより伝搬されたＧＰＳ信号により前記坑内側記録装置の内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させることを特徴とする。

本発明によれば、トンネル坑内に設置される坑内側記録装置の内蔵時計を、トンネル坑外に設置される坑外側記録装置の内蔵時計と同様に、ＧＰＳ時刻に常時同期させることができるので、坑内側記録装置の内蔵時計をＧＰＳ時刻に同期させるために坑外へ持ち出す作業を不要として、トンネル施工中に坑内と坑外の両側から地質を連続的に探査することができる。また、坑内の観測データの処理から得られた地質情報と、坑外の観測データから得られた地質情報とを総合的に勘案してトンネル地質を予測・評価することができるので、当該予測・評価の精度を高めることができる。この場合、坑内側受振器の受振データの解析処理においては、発破時刻（発震時刻）と坑外側受振器の初動データとから得られる平均地山弾性波速度を利用して反射データの距離同定を行うことができる。

本発明によれば、トンネル掘削のための発破を探査震源として用いるようにしたので、掘削作業のない休日等に探査を行う必要がなく、トンネルの掘削サイクルに合わせて連続的にトンネル地質の探査を行うことができる。

一般に、施工中のトンネルで探査を実施する場合、震源装置や受振装置・記録装置を坑内に配置する必要がある。震源として最も代表的なものは発破（ダイナマイト）であるが、発破を実施するためには複数の発破孔（通常２４孔程度）を削孔（穴を空ける）する必要があるので、トンネル掘削用の各種重機が輻輳する狭いトンネル坑内で掘削作業と同時に探査に関連する作業は実施することができない。よって、一般に坑内での探査作業は坑内掘削作業を実施しない土日等の休日に坑内を占有して実施することが多いが、本発明では、トンネル掘削のための発破を探査震源として用いるようにしたので、掘削作業のない休日等に探査を行う必要がない。

本発明の一実施の形態である地質探査方法が適用される施工中のトンネルを示す断面図である。 図１に示す坑外側観測装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す坑内側観測装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）は坑内側記録装置とＧＰＳ受信器との接続構造を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）に示す接続構造の変形例を示す図である。 本発明の地質探査方法の手順を示すフローチャート図である。 坑外側記録装置の初動データから得られる地山弾性波速度の変化を示す線図である。 （ａ）は弾性波反射法探査の原理を示す説明図であり、（ｂ）は反射波を受振した坑内側受振器の受振データを示す図である。 本発明の他の実施の形態であって坑内側記録装置の内蔵時計を原子時計により常時同期するようにした方法を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すトンネル１０は山岳地帯に施工中のものであり、その切羽１０ａは、図中二点鎖線で示すように、数ｍ間隔で随時発破して掘り進められる。

この施工中のトンネル１０の切羽前方の地質を本発明の一実施の形態である地質探査方法により探査するために、本発明の一実施の形態であるトンネル地質探査装置が用いられる。このトンネル地質探査装置は、解析装置１１と、トンネル坑外に設置される坑外側観測装置１２と、トンネル坑内に設置される坑内側観測装置１３とを備えている。

解析装置１１はＣＰＵやメモリ、モニタ等を備えた所謂パーソナルコンピュータとなっており、坑口１０ｂの外側にある現場事務所等に設置される。また、解析装置１１は通信装置１１ａを備えており、この通信装置１１ａにより、例えばＬＡＮ(Local Area Network)等の公衆高速回線または専用回線に接続し、当該回線を介して他の機器とデータ通信ができるようになっている。

なお、解析装置１１の設置場所は坑口外側の現場事務所等に限らず、各種回線のネットワーク上であれば、いずれの場所に設置してもよい。

坑外側観測装置１２は、トンネル１０の坑外つまり山岳地帯の地表に、トンネル１０の掘削予定路線に沿って設置される。図示する場合では、坑外側観測装置１２は、トンネル１０の掘削予定路線の最前方側に位置する前方受振点、トンネル１０の坑口１０ｂの側に位置する後方受振点、及び前方受振点と後方受振点の中間に位置する中間受振点の３つの範囲に分けて設置されている。

図２は図１に示す坑外側観測装置の構成を示すブロック図である。

図２に示すように、各坑外側観測装置１２は、それぞれ坑外側受振器１２ａと坑外側記録装置１２ｂとを備えている。坑外側受振器１２ａは、例えばジオフォンなどの小型の地震計となっており、地表面上に設置されて当該地表の振動状態を検出する。坑外側受振器１２ａは坑外側記録装置１２ｂに接続されており、坑外側受振器１２ａが観測した振動のデータつまり受振データは坑外側記録装置１２ｂに記録されるようになっている。坑外側記録装置１２ｂは内蔵時計（水晶時計）を備えており、坑外側受振器１２ａから入力された受振データは、この内蔵時計の時刻を時間軸とした波形として坑外側記録装置１２ｂに記録されるようになっている。

坑外側記録装置１２ｂには、その内蔵時計の時刻をＧＰＳ時刻に同期させるために、坑外用受信器としてのＧＰＳ受信器１４が設けられている。この坑外用のＧＰＳ受信器１４はＧＰＳアンテナ１４ａを備えており、このＧＰＳアンテナ１４ａでＧＰＳ信号を受信できるようになっている。ＧＰＳ信号は、前述の通り、ＧＰＳ（Global Positioning System ;全地球測位システム）衛星から発せられている時刻校正を目的とした信号（１ＰＰＳ、時刻情報）を含んだ電波信号である。ＧＰＳ受信器１４がＧＰＳアンテナ１４ａでＧＰＳ信号を受信すると、坑外側記録装置１２ｂはそのＧＰＳ信号に基づいて内蔵時計をＧＰＳ時刻（基準時刻）に同期させる。つまり、坑外側記録装置１２ｂの内蔵時計は、ＧＰＳ信号により常時ＧＰＳ時刻に同期されるようになっている。

また、坑外側観測装置１２は通信装置１２ｃを備えており、この通信装置１２ｃにより、その記録データつまり坑外側記録装置１２ｂの受振データを通信装置１１ａつまり解析装置１１に送信することができるようになっている。

図３は図１に示す坑内側観測装置の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、坑内側観測装置１３は、発破起爆装置１５、震源１６、複数の坑内側受振器１３ａ及び坑内側記録装置１３ｂを備えている。

発破起爆装置１５は、この探査において震源１６を起爆するために用いられるものであり、発破器１５ａと発破母線１５ｂと発破信号検出器１５ｃを備えている。震源１６は雷管１６ａと発破（ダイナマイト）１６ｂから成っている。発破器１５ａと雷管１６ａは発破母線１５ｂにより接続されている。雷管１６ａとしては、瞬発電気雷管（通電から２ミリ秒以内で起爆するように制御される雷管）とＤＳ電気雷管（デシセコンド雷管、各段で通常２５０〜５００ミリ秒ずつ遅れて起爆するように制御される雷管）とを備えた１０段程度の段発雷管が用いられ、１段目には瞬発電気雷管が用いられ、２段目以降にはＤＳ電気雷管が用いられる構成となっている。なお、雷管１６ａの構成は上記構成に限らず、任意の構成とすることができる。

発破母線１５ｂには非接触型の電流計を入力センサとする発破信号検出器１５ｃが設置されており、発破器１５ａから各雷管１６ａに向けて高電圧の電力が供給されると、雷管１６ａと発破１６ｂが時間遅れを伴って順次爆破し、振動が発生する。この発破母線１５ｂに非接触で設置された電流計は、発破母線１５ｂに高電圧が流れたことを電気信号で発破信号検出器１５ｃに伝播し、これが数マイクロ秒の遅れで発破信号検出器１５ｃに接続されている坑内側記録装置１３ｂにパルス信号として伝達される。これにより、内部時計が基準時計に同期されている坑内側記録装置１３ｂには、入力されたパルス信号の立ち上がり時刻が発破時刻つまり発震時刻として記録される。

なお、発破は複数段の段発発破により行われるが、本実施の形態においては、坑内側記録装置１３ｂは１段目の雷管１６ａの発破の時刻を発震時刻として記録するようになっている。

坑内側記録装置１３ｂには電源１７と６つ１組の坑内側受振器１３ａが接続されている。これらの坑内側受振器１３ａは、例えばジオフォンなどの小型の地震計となっており、トンネル坑内の地盤上または側壁上に設置されて当該坑内における地盤等の振動状態を検出するようになっている。各坑内側受振器１３ａはトンネル１０の長手方向に沿って１．５ｍ〜３ｍ程度の間隔を空けて並べて設置されており、それぞれテイクアウトケーブルにより坑内側記録装置１３ｂに接続されている。坑内側受振器１３ａが観測した振動のデータつまり受振データはデジタル信号に変換された後、坑内側記録装置１３ｂに記録される。坑内側記録装置１３ｂは基準時計に同期された内蔵時計（水晶時計）を備えており、発破起爆装置１５から入力される発破時刻データ（発震時刻データ）や坑内側受振器１３ａから入力される受振データは、この内蔵時計の時刻を時間軸とした波形として坑内側記録装置１３ｂに記録されるようになっている。

また、坑内側観測装置１３は通信装置１３ｃを備えており、この通信装置１３ｃにより、坑内側記録装置１３ｂに記録された記録データつまり発破時刻データや坑内側受振器１３ａからの受振データを通信装置１１ａつまり解析装置１１に送信することができるようになっている。

なお、坑内側受振器１３ａのための接続装置、坑内側記録装置１３ｂ、電源１７は、一つの筐体となっており、これをデータ収録装置２０と称している。この装置２０の機能は、時計機能（同期、校正）、ＣＰＵ制御機能（各種ＩＦの制御、発破時刻データと波形データの記録・保管、無線通信機能等）、Ａ／Ｄ変換機能（受振器のアナログデータをデジタル信号に変換する）、電源機能（停電対応機能付き）からなる。

坑内側記録装置１３ｂには、その内蔵時計の時刻を基準時計のＧＰＳ時刻に同期させるために、坑内用受信器としてのＧＰＳ受信器２１が接続されている。

図４（ａ）は坑内側記録装置とＧＰＳ受信器との接続構造を示す説明図であり、図４（ｂ）は同図（ａ）に示す接続構造の変形例を示す説明図である。

この坑内用のＧＰＳ受信器２１はトンネル坑外つまりトンネル１０の坑口１０ｂの外側に配置されており、そのＧＰＳアンテナ２１ａによりＧＰＳ信号を受信できるようになっている。

ＧＰＳ受信器２１にはトンネル１０の坑口１０ｂ付近に配置された坑外側の変調器２２が接続され、一方、坑内側記録装置１３ｂには坑内側の復調器２３が接続されており、坑内側の変調器２２と坑外側の復調器２３とが接続ケーブル２４により接続されている。この接続ケーブル２４としては、光ファイバーケーブルが用いられている。なお、変調器２２、復調器２３には、それぞれ別途のケーブル等により電源（不図示）が接続されている。

トンネル坑外に設置された坑内用のＧＰＳ受信器２１がＧＰＳ信号を受信すると、そのＧＰＳ信号は坑外側の変調器２２により変調され、接続ケーブル２４により坑内側の復調器２３にまで伝搬される。坑内側の復調器２３は受け取ったＧＰＳ信号を復調し、復調したＧＰＳ信号を坑内側記録装置１３ｂに向けて出力する。そして、ＧＰＳ信号が坑内側記録装置１３ｂに入力されると、坑内側記録装置１３ｂは入力されたＧＰＳ信号に基づいて内蔵時計の時刻をＧＰＳ時刻に同期させるようになっている。

復調器２３から坑内側記録装置１３ｂに向けてＧＰＳ信号を入力する方法としては、同軸ケーブル２５を用いた有線で入力する方法と、復調器２３に無線となるＧＰＳ信号再放射装置（通称：ＧＰＳリピータ）２６を設け、このＧＰＳ信号再放射装置２６から発信したＧＰＳ信号を坑内側記録装置１３ｂに設けたＧＰＳ受信器２７に受信させる方法とがある。なお、ＧＰＳ信号再放射装置２６の出力レベルは電波法によって制限されているので、通常の環境条件で２０ｍ程度の範囲しか信号を送信することができない。

このような構成により、トンネル坑内に設置された坑内側記録装置１３ｂの内蔵時計を、当該記録装置１３ｂをトンネル坑外に運び出すことなく、坑外側記録装置１２ｂと同様に、常時、ＧＰＳ時刻に同期させることができる。つまり、坑外側記録装置１２ｂの内蔵時計の時刻と、坑内側記録装置１３ｂの内蔵時計の時刻とを、常時、精度良く一致させた状態とすることができる。

なお、トンネル坑外に設置されるＧＰＳ受信器２１と坑内側記録装置１３ｂとを接続するための接続ケーブル２４としては、図４（ａ）に示す光ファイバーケーブルに限らず、図４（ｂ）に示すように、金属製の電線を束ねて形成した同軸ケーブルを用いることもできる。この場合、信号の減衰を考慮して、約５０〜１００ｍ間隔で増幅器２８が設けられることになる。これらの増幅器２８にも図示しない電源が接続される。

解析装置１１は、各記録装置１２ｂ，１３ｂから記録データが入力されると、これらの記録データを屈折法、反射法、トモグラフィ解析等の様々な手法で解析することになる。そして、この解析結果により、トンネル１０の切羽前方の地質（地山）が予測されるとともに、既に掘削した区間の地質の評価が行われることになる。

図５は本発明の地質探査方法の手順を示すフローチャート図であり、図６は坑外側記録装置の初動データから得られる地山弾性波速度の変化を示す線図である。また、図７（ａ）は弾性波反射法探査の原理を示す説明図であり、図７（ｂ）は反射波を受振した坑内側受振器の受振データを示す図である。

次に、図５〜図７に基づいて、本発明の地質探査方法の手順について説明する。

まず、坑口１０ｂの外側に解析装置１１が設置されるとともに、トンネル坑内に坑内側観測装置１３が設置され、トンネル坑外の地表上の複数箇所に坑外側観測装置１２が設置される。坑内側観測装置１３は、トンネル掘削による切羽１０ａの進行に伴って随時切羽側に移設される。

トンネル坑内に設置された坑内側記録装置１３ｂは、トンネル坑外に配置された坑内用のＧＰＳ受信器２１から接続ケーブル（光ファイバーケーブル）２４を介して伝搬されたＧＰＳ信号により、その内蔵時計の時刻がＧＰＳ信号に常時同期され、これにより内蔵時計がＧＰＳ時刻に常時校正されている。同様に、トンネル坑外に設置された坑外側記録装置１２ｂは、坑外用のＧＰＳ受信器１４が受信したＧＰＳ信号に内蔵時計の時刻が常時同期され、これにより内蔵時計がＧＰＳ時刻に常時校正されている。これにより、坑外側記録装置１２ｂの内蔵時計の時刻と坑内側記録装置１３ｂの内蔵時計の時刻とが常時ＧＰＳ時刻に校正され、各内蔵時計の時刻は正確に一致している。

トンネル１０の切羽１０ａを掘削するために切羽１０ａに装着された雷管１６ａが発破器１５ａにより発破されると、その発破が起震源となり、当該発破による振動が坑外側受振器１２ａと坑内側受振器１３ａとにより観測されるとともに、坑内側観測装置１３により発震時刻（発破時刻）が観測される。また、各受振器１２ａ，１３ａの受振データが対応する記録装置１２ｂ，１３ｂに記録されるとともに発震時刻が坑内側記録装置１３ｂに記録される。

このように、このトンネル掘削のための発破が数ｍ間隔で随時行われる度に、トンネル掘削用の発破を起震源として坑内と坑外の両側において連続的に振動の観測が行われる。

坑外側受振器１２ａは、発破点から地山を通って地表面にまで伝達された弾性波の振動を観測し、坑外側記録装置１２ｂに記録された受振データ（測定データ）は解析装置１１に入力される。坑外側受振器１２ａからの受振データが解析装置１１に入力されると、解析装置１１はその受振時刻と坑内側記録装置１３ｂが記録した発破時刻とから、発破点と坑外側受振器１２ａの設置点との間における弾性波の伝搬時間を算出する。このとき、発破が複数段の段発発破で行われることにより、１回の発破で坑外側受振器１２ａは複数の振動を観測することになるが、上記弾性波の伝搬時間を算出する際には、解析装置１１は、坑外側受振器１２ａの受振データとして、初動データつまり最初に観測した振動（最初の発破の振動）のデータを用いるようにしている。

解析装置１１には、予め発破点と坑外側受振器１２ａの設置点との間の距離情報が入力されており、解析装置１１は、これら伝搬時間と距離情報とに基づいて、発破点と坑外側受振器１２ａとの間の部分における平均地山弾性波速度を算出する。図１に一点鎖線で示すように、地山中に地質が変化する部分があると、図６に示すように、平均地山弾性波速度は地山の硬軟の変化に応じて上下することになる。したがって、この平均地山弾性波速度を各坑外側受振器１２ａについて算出・解析することにより、発破点と各坑外側受振器１２ａとの間の部分における地山性状を予測することができる。

ここで、本発明では、坑外側記録装置１２ｂの内蔵時計と坑内側記録装置１３ｂの内蔵時計とを、共にＧＰＳ時刻に常時同期させることにより、互いの時刻を精度良く一致させるようにしているので、坑外側記録装置１２ｂに記録された坑外側受振器１２ａの受振データと坑内側記録装置１３ｂに記録された発破時刻データとに基づいて算出される平均地山弾性波速度の算出精度を高めて、地山性状の予測精度を高めることができる。

なお、平均地山弾性波速度により地山性状を予測する際には、トンネル施工前に地表から行った弾性波探査の結果を合わせて用いるようにしてもよい。

一方、トンネル掘削のための発破を起震源とした振動はトンネル坑内に設置された坑内側受振器１３ａによっても受振される。この場合、発破点から放射状に発せられた弾性波は地中内を伝播し、図７（ａ）に示すように、地中内の地質が変化する境界面で反射し、この反射波が坑内側受振器１３ａにより受振される。この場合、坑内側受振器１３ａの受振データは、図７（ｂ）に示すように、発破点から各反射面までの距離情報が含まれたものとなる。

坑内側記録装置１３ｂに記録された各坑内側受振器１３ａの受振データは解析装置１１に入力され、解析装置１１はこれらの受振データをＶＳＰ処理に基づいた反射法探査により解析する。この解析においては、その反射面の位置を同定する際に、坑外側受振器１２ａにより観測した平均地山弾性波速度が用いられる。そして、この解析結果に基づいて、トンネルの切羽前方（未掘削区間）の地質（地山）が予測されるとともに、切羽後方（既掘削区間）の地質が評価されることになる。また、最終的には、坑内側記録装置１３ｂに記録された記録データ（観測データ）の解析処理から得られた地質情報と、坑外側記録装置１２ｂに記録された記録データ（観測データ）の解析処理から得られた地質情報とを総合的に勘案して、トンネル地質の予測・評価が行われる。

なお、坑内側記録装置１３ｂに記録された坑内側受振器１３ａの受振データの解析については、上記反射法探査に限らず、屈折法、トモグラフィ解析等の他の解析手法で解析するようにしてもよく、また、これらの解析手法を複数組み合わせて行うようにしてもよい。

前述のように、本発明では、坑外側記録装置１２ｂの内蔵時計と坑内側記録装置１３ｂの内蔵時計とをＧＰＳ時刻に常時同期させることができるので、坑外側記録装置１２ｂに記録された受振データと坑内側記録装置１３ｂに記録された発震時刻に基づいて算出される平均地山弾性波速度の精度を高くすることができる。これにより、坑内側記録装置１３ｂの受振データに基づき行われる平均地山弾性波速度を用いた反射法探査においても、その地山性状の予測精度を高めることができる。

このように、本発明では、坑外側記録装置１２ｂの内蔵時計と坑内側記録装置１３ｂの内蔵時計とをＧＰＳ時刻に常時同期させることができるので、坑内側記録装置１３ｂの内蔵時計をＧＰＳ時刻に同期させるためにトンネル坑外へ持ち出す作業を不要にして、数ｍ間隔で随時行われるトンネル掘削の発破に合わせて、坑内と坑外の両側から地質を連続的に探査することができる。

また、本発明では、坑内側観測装置１３による観測データの処理から得られた地質情報と、坑外側観測装置１２による観測データから得られた地質情報とを総合的に勘案してトンネル地質を予測・評価することができるので、当該予測・評価の精度を高めることができる。この場合、坑内側受振器１３ａの受振データの解析処理において、坑外側観測装置１３により観測した平均地山弾性波速度を利用して反射データの距離同定を行うことにより、その観測精度をさらに高めることができる。

さらに、本発明では、トンネル掘削のための発破を探査震源として用いるようにしたので、掘削作業のない休日等に探査を行う必要がなく、掘削サイクルに合わせて連続的にトンネル地質の探査を行うことができる。

図８は本発明の他の実施の形態であって坑内側記録装置の内蔵時計を原子時計により常時同期するようにした方法を示す説明図である。

図４に示す場合では、トンネル坑外に配置した坑内用のＧＰＳ受信器２１を光ファイバーケーブルや同軸ケーブル等の接続ケーブル２４（有線構造）により坑内側記録装置１３ｂに接続してＧＰＳ信号を坑内側記録装置１３ｂに伝搬させるようにしている。

これに対して、図８に示す場合では、トンネル坑外においてＧＰＳアンテナ３１によりＧＰＳ信号を受信させてＧＰＳ時刻に同期させた原子時計３２をトンネル坑内に持ち込み、この坑内に持ち込んだ原子時計３２により坑内側記録装置１３ｂの内蔵時計を常時ＧＰＳ時刻に同期させるようにしている。

原子時計とは、原子や分子の特定のエネルギー準位間の遷移を発振器として用いた時計であり、本実施の形態においては、原子時計３２として、比較的安価で広く普及しつつあるルビジウム時計を用いている。なお、原子時計３２としては、原子としてルビジウムを用いたルビジウム時計に限らず、アンモニア分子やセシウムを利用した他の原子時計を用いるようにしてもよい。

原子時計３２の誤差は１ヶ月間に数μ秒程度であるので、原子時計３２を１度トンネル坑外でＧＰＳ信号によりＧＰＳ時刻に同期させると、１ヶ月程度は連続で坑内側記録装置１３ｂの時刻を正確にＧＰＳ時刻に校正することができる。本実施の形態においては、現場運用を考え、トンネル掘削作業が行われない毎週日曜日に原子時計３２をトンネル坑外に持ち出してＧＰＳ時刻に同期させるようにしている。

これにより、図４に示す構造の場合と同様に、トンネル施工中においても、坑外側記録装置１２ｂの内蔵時計と坑内側記録装置１３ｂの内蔵時計とを原子時計３２によりＧＰＳ時刻に常時同期させることができる。したがって、坑外側記録装置１２ｂに記録された受振データと坑内側記録装置１３ｂに記録された発震時刻とに基づいて算出される平均地山弾性波速度の精度を高くするとともに、平均地山弾性波速度を用いた反射法探査における地山性状の予測精度を高めることができる。

なお、このような原子時計３２を用いた方法は、延長が比較的長いトンネル１０において用いられ、延長が比較的短いトンネル１０においては、図４に示す光ファイバーケーブル等の有線を用いた方法が用いられる。また、このような原子時計３２を用いた方法は、図４に示す接続ケーブル２４を用いた有線構造の場合に比べて、光ファイバーケーブルや同軸ケーブルを敷設する必要がない分、保守管理の点で有利である。

以上の説明から解るように、本発明は、トンネル掘削用に常時使用している発破（ダイナマイト）で発生する大きな振動を切羽前方探査に活用する手法であり、特別に探査用の震源（探査用に配置した発破や機械震源等）を準備することなく、トンネル探査が可能になるものである。

現場では、「発破で大きな振動を起こしているのでそれを取れば探査できる」とよく言われるが、実際には、扱っている時間が1ミリ秒以下で非常に精密な値であり、また、各種装置もかなりの精密機械で、防水・防塵対策も重要である。よって、それを実現する本発明は、単純ではなく、格別な効果をもたらすものである。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１０ トンネル
１０ａ 切羽
１０ｂ 坑口
１１ 解析装置
１１ａ 通信装置
１２ 坑外側観測装置
１２ａ 坑外側受振器
１２ｂ 坑外側記録装置
１２ｃ 通信装置
１３ 坑内側観測装置
１３ａ 坑内側受振器
１３ｂ 坑内側記録装置
１３ｃ 通信装置
１４ ＧＰＳ受信器（坑外用）
１４ａ ＧＰＳアンテナ
１５ 発破起爆装置
１５ａ 発破器
１５ｂ 発破母線
１５ｃ 発破信号検出器
１６ 震源
１６ａ 雷管
１６ｂ 発破（ダイナマイト）
１７ 電源
２０ データ収録装置
２１ ＧＰＳ受信器（坑内用）
２１ａ ＧＰＳアンテナ
２２ 変調器
２３ 復調器
２４ 接続ケーブル
２５ 同軸ケーブル
２６ ＧＰＳ信号再放射装置
２７ ＧＰＳ受信器
２８ 増幅器
３１ ＧＰＳアンテナ
３２ 原子時計

Claims (6)

1. トンネル坑内で発生させた振動をトンネル坑外に設置した坑外側受振器とトンネル坑内に設置した坑内側受振器とで受振し、トンネル坑外に設置した坑外側記録装置に前記坑外側受振器の受振データを記録するとともにトンネル坑内に設置した坑内側記録装置に前記振動の発震時刻と前記坑内側受振器の受振データとを記録し、前記振動の発震時刻と前記坑外側記録装置が記録した受振データと前記坑内側記録装置が記録した受振データとに基づいて掘削中のトンネルの切羽前方の地質を予測するトンネル掘削中の地質探査方法であって、
   前記坑外側記録装置にＧＰＳ信号を受信させてその内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させるとともに、
   トンネル坑外に設置した受信機が受信したＧＰＳ信号を有線でトンネル坑内に伝搬し、当該伝搬されたＧＰＳ信号により前記坑内側記録装置の内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させることを特徴とするトンネル掘削中の地質探査方法。
2. トンネル坑内で発生させた振動をトンネル坑外に設置した坑外側受振器とトンネル坑内に設置した坑内側受振器とで受振し、トンネル坑外に設置した坑外側記録装置に前記坑外側受振器の受振データを記録するとともにトンネル坑内に設置した坑内側記録装置に前記振動の発震時刻と前記坑内側受振器の受振データとを記録し、前記振動の発震時刻と前記坑外側記録装置が記録した受振データと前記坑内側記録装置が記録した受振データとに基づいて掘削中のトンネルの切羽前方の地質を予測するトンネル掘削中の地質探査方法であって、
   前記坑外側記録装置にＧＰＳ信号を受信させてその内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させるとともに、
   トンネル坑外でＧＰＳ信号を受信してＧＰＳ時刻に同期された原子時計をトンネル坑内に持ち込み、該原子時計により前記坑内側記録装置の内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させることを特徴とするトンネル掘削中の地質探査方法。
3. 請求項１または２記載のトンネル掘削中の地質探査方法において、トンネル掘削時の発破を震源とすることを特徴とするトンネル掘削中の地質探査方法。
4. 請求項３記載のトンネル掘削中の地質探査方法において、前記発破は電気雷管を用いた複数段の段発発破であり、前記坑内側記録装置は１段目の発破時刻を前記発震時刻として記録することを特徴とするトンネル掘削中の地質探査方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のトンネル掘削中の地質探査方法において、前記坑内側受振器の受振データの解析処理においては、前記発震時刻と前記坑外側記録装置に記録された前記坑外側受振器の初動データから得られる平均地山弾性波速度を利用して反射データの距離同定が行われることを特徴とするトンネル掘削中の地質探査方法。
6. トンネル坑内で振動を発生させる起震源と、トンネル坑外に設置されて前記起震源の発生した振動を受振する坑外側受振器と、トンネル坑外に設置されて前記坑外側受振器の受振データを記録する坑外側記録装置と、トンネル坑内に設置されて前記起震源の発生した振動を受振する坑内側受振器と、トンネル坑内に設置されて前記起震源の発震時刻と前記坑内側受振器の受振データとを記録する坑内側記録装置と、前記振動の発震時刻と前記坑外側記録装置が記録した受振データと前記坑内側記録装置が記録した受振データとを解析して掘削中のトンネルの切羽前方の地質を予測する解析装置とを有するトンネル地質探査装置であって、
   前記坑外側記録装置に設けられ、ＧＰＳ信号を受振する坑外用受信器と、
   トンネル坑外に設置され、ＧＰＳ信号を受振する坑内用受信器と、
   前記坑内用受信器と前記坑内側記録装置とを接続し、前記坑内用受信器が受信したＧＰＳ信号を前記坑内側記録装置に伝搬する接続ケーブルとを有し、
   前記坑外用受信器が受信したＧＰＳ信号により前記坑外側記録装置の内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させるとともに、前記接続ケーブルにより伝搬されたＧＰＳ信号により前記坑内側記録装置の内蔵時計をＧＰＳ時刻に常時同期させることを特徴とするトンネル地質探査装置。

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