JP2019113514A - Tunnel cut-out probe method - Google Patents

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Abstract

To improve the probe accuracy of a tunnel's cut-out front ridge.SOLUTION: An elastic wave is generated by hitting the ridge multiple times at a predetermined time interval in a predetermined drilling length of the drilling bit 14 every time, multiple vibration data of the elastic wave divided by each blow with an accelerometer installed in the excavator 10 and the plurality of vibration data of the elastic wave divided by a plurality of speedometer R installed in the cut for each blow are acquired for each drilling length, stacking processing is performed after shifting the initial time relative to the vibration data to be the maximum for an intercorrelation function for a plurality of vibration data acquired by the speedometer R, and the running time curve is found by reading the initial time from the vibration data stacked in the speedometer R at the time when the drilling bit 14 hits the ridge G using the initial time of the vibration data at the vibration time of the accelerometer P.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、トンネル切羽前方探査方法に関し、特に、打撃振動により生じた弾性波を用いてトンネルの切羽前方地山の状態を探査するトンネル切羽前方探査方法に関するものである。   The present invention relates to a tunnel face forward search method, and more particularly, to a tunnel face forward search method for searching for a state of a front face of a tunnel face using elastic waves generated by impact vibration.

トンネル切羽前方地山の状態を的確に予測することは、安全で経済的に施工するために必要不可欠である。そして、切羽前方地山の状態を探査する技術として、切羽から水平ボーリングを行い、試料(コア)を採取して物性を観察する技術や、ボーリング孔内にカメラを挿入して、直接地山の状態を観察する技術などが用いられていた。しかし、これらの技術は、費用が高額であること、作業期間中は工事ができないことなどの問題がある。そこで、コアを採取しないノンコアボーリングによる探査が行われることが多くなった。   Accurately predicting the condition of the front of the tunnel face is essential for safe and economical construction. Then, as a technique for detecting the state of the face in front of the face, horizontal boring is carried out from the face, and a sample (core) is collected to observe physical properties, or a camera is inserted into the borehole, Techniques for observing the state have been used. However, these techniques have problems such as high cost and inability to perform construction during the work period. Therefore, exploration by non-core boring which does not collect the core is often performed.

ノンコアボーリングによる探査である削孔検層法では、インパルス振動が用いられる場合が多い。具体的には、台車の上に多数の掘削機が取り付けられた大型の油圧式掘削機で時間をおいて打撃を繰り返すなど、本来の掘削作業ではない計測用の振動を発生させることで探査を行うものである。そして、油圧式掘削機の油圧ドリフタに設置された加速度計などを用いて打撃時間を特定して、切羽表面に設置した受振器に到達した時間の遅れと波形から地山の状態を特定している。   In the drilling logging method which is the exploration by non-core boring, impulse vibration is often used. Specifically, a large hydraulic excavator with many excavators mounted on a bogie repeatedly strikes at time, etc. It is something to do. Then, the impact time is specified using an accelerometer or the like installed in the hydraulic drifter of the hydraulic excavator, and the state of the earth is specified from the delay in time and waveform that reached the geophone installed on the face surface. There is.

このノンコアボーリングによる探査は、山岳トンネルの施工に用いられる大型の油圧式掘削機を利用できること、削孔速度や掘削機の油圧データを用いて地山の硬軟の程度を定量的に評価できるなどの利点がある。   In this non-core boring survey, it is possible to use a large hydraulic excavator used for construction of mountain tunnels, and to quantitatively evaluate the degree of hardness of the ground using drilling speed and hydraulic data of the drilling machine. There is an advantage.

ここで、ノンコアボーリングによるトンネル切羽前方探査については、特許文献1(特許第2710740号明細書)および特許文献2(特許第4157635号明細書)に記載された技術が知られている。   Here, as for the tunnel face forward exploration by non-core boring, the technology described in patent documents 1 (patent 2710740 specification) and patent documents 2 (patent 4157635 specification) is known.

特許文献1には、切羽表面に複数の受振器を設置し、油圧ドリフタによって切羽前方を削孔する際に生じる弾性波を計測する技術が記載されている。当該技術では、油圧ドリフタに取り付けられた加速度計の打撃データと各受振器の計測データとを比較して、スペクトル解析とジオモトグラフィ解析を行い、切羽前方地山の地質断面や物性分布を比較している。   Patent Document 1 describes a technique of installing a plurality of geophones on the face surface and measuring an elastic wave generated when drilling in front of the face by a hydraulic drifter. In this technology, the impact data of the accelerometer attached to the hydraulic drifter and the measurement data of each geophone are compared, the spectrum analysis and the geomotry analysis are performed, and the geological cross section and physical property distribution of the face front earth pile are compared doing.

また、特許文献2には、トンネルボーリングマシン(TBM)に複数の加速度計を設置し、TBMによって掘削する際に生じる弾性波がカッタ前方の弾性波反射面で反射して帰ってきた波のデータに相互相関関数を用いて地山の硬軟を解析する技術が記載されている。また、先行ボーリング掘削を行う際に、油圧ドリフタと切羽表面に加速度計を設け、削孔ビットが打撃した際に発生した弾性波から地質状況を判別する技術が記載されている。   Further, in Patent Document 2, a plurality of accelerometers are installed in a tunnel boring machine (TBM), and data of waves returned when elastic waves generated when excavating with TBM are reflected by an elastic wave reflection surface in front of a cutter The technique of analyzing the hardness of the ground using the cross correlation function is described in [4]. In addition, there is described a technique of providing an accelerometer on a hydraulic drifter and a face surface and performing geological drilling from the elastic wave generated when the drilling bit is struck, when performing preliminary boring.

なお、特許文献3(特開2016−017900号公報)には、油圧ドリフタと削孔ビットとをつなぐシャフト上に複数の受振器を設置して、その計測値の相互相関関数を求める技術が記載されている。   Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2016-017900) describes a technique in which a plurality of geophones are installed on a shaft connecting a hydraulic drifter and a drilling bit, and the cross-correlation function of the measured values is obtained. It is done.

特許第2710740号明細書Patent No. 2710740 specification 特許第4157635号明細書Patent No. 4157635 specification 特開2016−017900号公報JP, 2016-017900, A

ここで、ノンコアボーリングの探査においては、打撃の開始時間は油圧ドリフタの振動を基準としているが、得られた計測データをそのまま他の計測データ(切羽表面の受振器の計測データなど)と比較することは好ましくないことが分かった。   Here, in the non-core boring survey, the impact start time is based on the vibration of the hydraulic drifter, but the obtained measurement data is compared with other measurement data (measurement data of a surface striker on the face surface, etc.) as it is Was found to be undesirable.

すなわち、油圧ドリフタは、その構造上、大きなノイズが発生しやすく、真の打撃時間が特定しにくいからである。具体的には、掘削機先端の削孔ビットが岩盤を打撃した振動よりも油圧ドリフタから発生するノイズの方が大きくなるために、加速度計による計測波の最初のピークはノイズであって、その前の小さい波が打撃振動であり、当該打撃振動を捉えにくいからである。   That is, the hydraulic drifter is likely to generate a large noise due to its structure, and it is difficult to identify the true impact time. Specifically, the first peak of the measurement wave by the accelerometer is noise because the noise generated from the hydraulic drift is larger than the vibration of the drilling bit at the tip of the drilling machine hitting the bedrock. It is because it is hard to catch the said striking vibration since the small wave in front is striking vibration.

しかしながら、前述した特許文献1および特許文献2に記載の技術では、何れも油圧ドリフタに取り付けられた加速度計の計測値について、打撃時間を特定するための補正等は行っていない。   However, in the techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, correction or the like for identifying the impact time is not performed for the measurement values of the accelerometer attached to the hydraulic drifter.

また、特許文献3に記載の技術では、シャフトに受振器を設置することは容易ではないことから、実工事でシャフト上の受振器から計測データを得ることは困難である。また、孔内に破砕したズリが残っている場合、削孔ビットと岩の間に入るなどしてノイズが発生することがあり、正確な解析を行うためには切羽表面の加速度計によるデータも補正する必要がある。   Moreover, in the technique described in Patent Document 3, it is not easy to install the geophone on the shaft, so it is difficult to obtain measurement data from the geophone on the shaft in actual construction. In addition, if a fractured slip remains in the hole, noise may be generated as it enters between the drill bit and the rock, etc., and for accurate analysis, data from an accelerometer on the face may also be generated. It needs to be corrected.

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、トンネルの切羽前方地山の探査精度を向上させることができるトンネル切羽前方探査方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made from the above technical background, and it is an object of the present invention to provide a tunnel face front exploration method capable of improving the exploration accuracy of the tunnel front face mine.

上記課題を解決するため、請求項1に記載の本発明のトンネル切羽前方探査方法は、トンネル切羽前方の地山に対し、掘削機のロッドの先端に設けられた削孔ビットにより所定の削孔長おきに所定の時間間隔で複数回打撃して弾性波を発生させ、前記掘削機に設置された第1の受振器による各打撃で分割された前記弾性波の複数の振動データ、およびトンネル切羽に設置された複数の第2の受振器による各打撃ごとに分割された前記弾性波の複数の振動データを削孔長ごとに取得し、前記第2の受振器で取得された複数の前記振動データに対して、当該振動データの相互相関関数が最大となる前記振動データを基準にして初動時刻をシフトさせた後にスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを削孔長ごとに求め、前記第1の受振器で取得された前記振動データに対して、前記第2の受振器の前記振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを削孔長ごとに求め、予め求められた前記掘削機が発振する発振時間と前記第1の受振器におけるスタッキングされた前記振動データの初動時刻を用いて、前記削孔ビットが地山を打撃した時刻でのそれぞれの前記第2の受振器におけるスタッキングされた前記振動データから初動時刻を読み取って走時曲線を求めてトモグラフィ解析を行い弾性波速度分布を求める、ことを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, according to the tunnel face front search method of the present invention according to claim 1, predetermined pitting is carried out by using a drilling bit provided at the tip of the rod of the drilling machine for the ground in front of the tunnel face A plurality of vibration data of the elastic wave divided by each impact by the first geophone installed in the excavator, generating a elastic wave by striking the plural times at predetermined time intervals every long, and a tunnel face The plurality of vibration data of the elastic wave divided for each impact by the plurality of second geophones installed in each are acquired for each drilling length, and the plurality of vibrations obtained by the second geophone Stacking processing is performed on the data after shifting the initial movement time with reference to the vibration data that maximizes the cross correlation function of the vibration data, and the stacked vibration data is determined for each drilling length, 1 The vibration data acquired by the vibrator is shifted in accordance with the vibration data of the second geophone to perform stacking processing, and the stacked vibration data is determined for each drilling length and determined in advance. The second time at the time when the drilling bit hits the ground using the oscillation time at which the excavating machine oscillates and the initial movement time of the stacked vibration data in the first geophone It is characterized in that an initial motion time is read from the stacked vibration data in the geophone, a travel time curve is determined, a tomographic analysis is performed, and an elastic wave velocity distribution is determined.

請求項2に記載の発明のトンネル切羽前方探査方法は、上記請求項1に記載の発明において、何れか一つの前記第2の受振器を基準受振器とし、当該基準受振器で取得された振動データに対して、相互相関関数が最大となる前記振動データを基準にして初動時刻をシフトさせた後にスタッキング処理を行ってスタッキングされた振動データを求め、前記基準受振器以外の前記第2の受振器で取得された前記振動データに対しては、前記基準受振器の前記振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを求める、ことを特徴とする。   In the tunnel face forward search method of the invention according to claim 2, in the invention according to claim 1, any one of the second geophones is used as a reference geophone, and the vibration acquired by the reference geophone The data is subjected to stacking processing after shifting the initial movement time with reference to the vibration data for which the cross correlation function is maximized, to obtain stacked vibration data, and the second vibration receiver other than the reference geophone The vibration data acquired by the device is shifted in accordance with the vibration data of the reference geophone and subjected to a stacking process to obtain stacked vibration data.

請求項3に記載の発明のトンネル切羽前方探査方法は、上記請求項2に記載の発明において、前記基準受振器は、前記掘削機に最も近い位置に設置された前記第2の受振器である、ことを特徴とする。   In the tunnel face forward exploration method according to claim 3, in the invention according to claim 2, the reference geophone is the second geophone installed at a position closest to the excavator. , It is characterized.

請求項4に記載の発明のトンネル切羽前方探査方法は、上記請求項1〜3の何れか一項に記載の発明において、前記スタッキング処理では、前記相互相関関数が所定値を下回る前記振動データは除外する、ことを特徴とする。   In the tunnel face forward search method of the invention according to claim 4, in the invention according to any one of claims 1 to 3, in the stacking process, the vibration data in which the cross correlation function falls below a predetermined value is It is characterized by excluding.

請求項5に記載の発明のトンネル切羽前方探査方法は、上記請求項1〜4の何れか一項に記載の発明において、前記走時曲線を求める際には、前記振動データの初動時刻を局所定常AR(autoregressive:自己回帰)モデルを用いて自動的に読み取る、ことを特徴とする。   In the tunnel face forward search method according to the fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, when obtaining the travel time curve, the initial motion time of the vibration data is locally It is characterized in that it is automatically read using a stationary AR (autoregressive) model.

本発明によれば、予め掘削機の発振時間を求めておき、ロッドの先端に設けられた削孔ビットが地山を打撃した際の弾性波がそれぞれの第2の受振器に届くまでの時間を第1の受振器と第2の受振器との初動時刻と発振時間とから計測し、削孔ビットと第2の受振器との距離から弾性波の速度を求めているので、トンネルの切羽前方地山の探査精度を向上させることが可能になる。   According to the present invention, the oscillation time of the drilling machine is obtained in advance, and the time until the elastic wave when the drilling bit provided at the tip of the rod strikes the ground reaches the respective second geophones Since the velocity of the elastic wave is determined from the distance between the drilling bit and the second geophone, by measuring the initial motion time and oscillation time of the first geophone and the second geophone, the face of the tunnel It will be possible to improve the search accuracy of the foreland.

本発明の一実施の形態であるトンネル切羽前方探査を行う装置のレイアウトを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the layout of the apparatus which performs the tunnel face front search which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態であるトンネル切羽前方探査に用いられる油圧ドリフタによる地山打撃を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the ground impact by the hydraulic drifter used for the tunnel face front search which is one embodiment of this invention. 本実施の形態によるトンネル切羽前方探査の探査原理を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the search principle of the tunnel face front search by this Embodiment. 本実施の形態によるトンネル切羽前方探査において発振時間を求めるための装置のレイアウトを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the layout of the apparatus for calculating | requiring oscillation time in the tunnel face front search by this Embodiment. (a)(b)は削孔ビットを地山に押し当てて打撃したときの加速度計P1と加速度計P2とで計測された振動波形の一例を示すグラフである。(A) and (b) are graphs showing an example of vibration waveforms measured by the accelerometer P1 and the accelerometer P2 when the drill bit is hit against the ground and struck. 加速度計で取得された振動データの振動波形の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a vibration waveform of vibration data acquired with an accelerometer. 加速度計で取得された振動データの初動付近の振動波形の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the vibration waveform of the initial movement vicinity of the vibration data acquired by the accelerometer. 速度計で取得された振動データの振動波形の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the vibration waveform of the vibration data acquired by the speedometer. 速度計で取得された振動データの初動付近の振動波形の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the vibration waveform of the initial movement vicinity of the vibration data acquired by the speedometer. 速度計で取得された打撃10回分の振動データの振動波形に対して求めた相互相関関数およびその最大値の一例を示す表である。It is a table | surface which shows an example of the cross correlation function calculated | required with respect to the vibration waveform of the vibration data of 10 striking | slash acquired by the speedometer, and its maximum value. 速度計で取得されたi打撃が1から10の相関関数のうち平均値が最も大きくなるラグを用いて時間をシフトさせた振動データの波形およびこれらの波形をスタッキング処理して求められた加速データの波形の一例を示すグラフである。The waveform of vibration data whose time is shifted using the lag with the largest average value among the correlation functions 1 to 10 obtained by the speedometer and acceleration data obtained by stacking these waveforms It is a graph which shows an example of a waveform of. 加速度計で取得された振動データを速度計で取得された振動データに対応してシフトさせた振動データの波形およびこれらの波形をスタッキング処理して求められた加速データの波形の一例を示すグラフである。A graph showing an example of a waveform of vibration data obtained by shifting vibration data acquired by an accelerometer according to vibration data acquired by a speedometer and a waveform of acceleration data obtained by stacking these waveforms is there. (a)(b)はスタッキングされた加速度計の振動データの波形および当該波形から求められた初動位置の一例を示すグラフである。(A) and (b) are graphs showing an example of a waveform of vibration data of the stacked accelerometer and an initial movement position obtained from the waveform. (a)(b)はスタッキングされた速度計の振動データの波形および当該波形から求めた初動位置の一例を示すグラフである。(A) (b) is a graph which shows an example of the waveform of the vibration data of the stacked speedometer, and the initial movement position calculated | required from the said waveform. 加速度計および掘削機に最も近い位置に設置された速度計で取得された弾性波の振動データをスタッキング処理し、削孔ビットが地山を打撃した時刻を基準にして0.2mの削孔間隔で波形を整理した一例のグラフである。The vibration data of the elastic wave acquired by the speedometer installed at the position closest to the accelerometer and the excavator is subjected to stacking processing, and the drilling interval of 0.2 m based on the time when the drilling bit hit the ground Is a graph of an example in which the waveforms are organized. 加速度計および掘削機から最も遠い位置に設置された速度計で取得された弾性波の振動データをスタッキング処理し、削孔ビットが地山を打撃した時刻を基準にして0.2mの削孔間隔で波形を整理した一例のグラフである。The vibration data of elastic waves acquired by the accelerometer and the speedometer installed at the farthest position from the excavator are subjected to stacking processing, and the drilling interval of 0.2 m based on the time when the drilling bit hit the ground Is a graph of an example in which the waveforms are organized. トモグラフィ解析で求められたトンネル切羽前方の弾性波速度分布の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of elastic wave velocity distribution ahead of the tunnel face calculated | required by tomographic analysis.

以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, an embodiment as an example of the present invention will be described in detail based on the drawings. Note that, in the drawings for describing the embodiments, the same components are denoted by the same reference symbols in principle, and the repetitive description thereof will be omitted.

図1は本発明の一実施の形態であるトンネル切羽前方探査を行う装置のレイアウトを示す概念図、図2は本発明の一実施の形態であるトンネル切羽前方探査に用いられる油圧ドリフタによる地山打撃を示す概念図である。   FIG. 1 is a conceptual view showing a layout of an apparatus for performing tunnel face forward search according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a ground with a hydraulic drifter used for tunnel face forward search according to an embodiment of the present invention. It is a conceptual diagram which shows a hit.

図1に示すように、本実施の形態であるトンネル切羽前方探査には、地山Gを掘削するための掘削機10と、掘削機10に取り付けられたパイロットセンサである加速度計(第1の受振器)Pと、切羽Sに設置された複数(本実施の形態では7台)の速度計(第2の受振器)Rと、加速度計Pおよび速度計Rで計測された振動を記録する計測装置Mとが用いられる。   As shown in FIG. 1, in the tunnel face forward search according to the present embodiment, an excavator 10 for excavating a ground G and an accelerometer (first sensor) that is a pilot sensor attached to the excavator 10 are used. Geophones P, and a plurality of (in this embodiment, seven) speedometers (second geophones) R installed on the face S, and the vibrations measured by the accelerometer P and the speedometer R are recorded. A measuring device M is used.

また、図1および図2に示すように、掘削機10は、油圧ドリフタ11と、スリーブ12を介して油圧ドリフタ11のシャンクロッド13に取り付けられるとともに先端に削孔ビット14が固定されたロッド15とを備えている。さらに、油圧ドリフタ11は、シャンクロッド13を打撃するピストン16と、シャンクロッド13を回転させるロータ17とを有している。   Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the excavator 10 is attached to the hydraulic drifter 11 and the shank rod 13 of the hydraulic drifter 11 via the sleeve 12 and the rod 15 to which the drilling bit 14 is fixed at the tip. And have. Further, the hydraulic drifter 11 has a piston 16 for striking the shank rod 13 and a rotor 17 for rotating the shank rod 13.

このような掘削機10により、油圧ドリフタ11内のピストン16が作動油によりシリンダ18内を移動し、シャンクロッド13を打撃する。シャンクロッド13は、打撃による打撃力のほかロータ17からの回転力と油圧式掘削機の推力(フィード圧)Fをスリーブ12を介してロッド15に伝達し、ロッド15は打撃力と回転力を削孔ビット14に伝達する。先端の削孔ビット14が打撃力を直接地山Gに加えることにより、地山Gが破砕される。   With such an excavator 10, the piston 16 in the hydraulic drifter 11 moves in the cylinder 18 by the hydraulic fluid and strikes the shank rod 13. The shank rod 13 transmits the rotational force from the rotor 17 and the thrust (feed pressure) F of the hydraulic excavator to the rod 15 via the sleeve 12 as well as the impact force due to an impact, and the rod 15 delivers the impact force and the rotational force. It is transmitted to the drilling bit 14. When the drilling bit 14 at the tip directly applies the striking force to the ground G, the ground G is fractured.

本実施の形態のトンネル切羽前方探査では、ロッド15の先端に設けられた削孔ビット14が地山Gを打撃した際の弾性波が各速度計Rに届くまでの時間を計測し、削孔ビット14と速度計Rとの距離から弾性波の速度を求めている。その際、削孔ビット14は削孔に伴って前進し、これにより削孔ビット14と速度計Rとを結ぶ線が辺がする。これにより、得られた弾性波の速度からトモグラフィ解析を行って途中の岩盤の物性を予測している。   In the tunnel face forward search of the present embodiment, the time taken for the elastic wave to reach each speedometer R when the drilling bit 14 provided at the tip of the rod 15 strikes the ground G is measured The velocity of the elastic wave is determined from the distance between the bit 14 and the speedometer R. At this time, the drilling bit 14 advances with drilling, whereby a line connecting the drilling bit 14 and the speedometer R has a side. In this way, tomographic analysis is performed from the obtained velocity of the elastic wave to predict physical properties of the rock on the way.

ここで、図3に本実施の形態によるトンネル切羽前方探査の探査原理を示す。   Here, FIG. 3 shows the search principle of the tunnel face forward search according to the present embodiment.

図3において、油圧ドリフタ11内のピストン16がシャンクロッド13を打撃することにより発生した振動(弾性波)は、打撃位置Aから油圧ドリフタ11を介して時間TAB後に加速度計Pの位置Bに到達し、同じ時間TACでロッド15上の位置Cまで到達する。その後、当該振動が時間(掘削機10が発振する時間:発振時間)TCD後に削孔ビット14の先端Dに到達すると岩石を破砕して地山Gに振動を発生させ、その振動が時間(伝播時間)TDE後に位置Eに到達して速度計Rで受信される。 In FIG. 3, the vibration (elastic wave) generated by the piston 16 in the hydraulic drifter 11 striking the shank rod 13 moves from the striking position A to the position B of the accelerometer P after time T AB through the hydraulic drifter 11. It arrives and reaches position C on rod 15 at the same time T AC . Thereafter, when the vibration reaches the tip D of the drilling bit 14 after a time (time when the excavator 10 oscillates: oscillation time) T CD , the rock is crushed to generate a vibration in the ground G, and the vibration is time ( Propagation time) After the TDE , the position E is reached and received by the speedometer R.

したがって、速度計Rの初動時刻T、加速度計Pの初動時刻T、前述した発振時間TCDが分かれば、伝播時間TDEは、 Therefore, if the initial motion time T E of the speedometer R, the initial motion time T B of the accelerometer P, and the oscillation time T CD described above are known, the propagation time T DE is

DE=(T−T)−TCD
で求めることができる。
T DE = (T E −T B ) −T CD
You can ask for

以上のことから、本実施の形態のトンネル切羽前方探査は、発振時間の把握、削孔振動の計測、削孔振動の波形処理、トモグラフィ解析、弾性波速度分布の把握の流れで行われる。   From the above, the tunnel face forward search of this embodiment is performed by the flow of grasping oscillation time, measurement of drilling vibration, waveform processing of drilling vibration, tomographic analysis, grasping elastic wave velocity distribution.

すなわち、発振時間の把握として、削孔ビット14が地山Gを打撃するまでの時間(発振時間)を求める。次に、削孔振動の計測として、地山Gを削孔する際に油圧ドリフタ11内のピストン16がシャンクロッド13を打撃することにより発生する振動を加速度計Pにより計測すると同時に、シャンクロッド13およびロッド15を介して伝達されたピストン16の打撃力で削孔ビット14が地山Gを打撃する振動(弾性波)を複数の速度計Rにより計測する。次に、削孔振動の波形処理として、計測された振動データの初動位置を調整した後にスタッキング処理する。そして、発振時間と弾性波が速度計Rに到達するまでの時間(走時)と削孔ビット14の位置データとを用い、スタッキングされた振動データから走時曲線を求めてトモグラフィ解析を行い、切羽前方地山の弾性波速度分布を把握する。   That is, as a grasp of the oscillation time, the time (oscillation time) until the drilling bit 14 strikes the ground G is obtained. Next, as a measurement of drilling vibration, when the piston 16 in the hydraulic drifter 11 strikes the shank rod 13 when drilling the ground G, the accelerometer P measures the vibration generated at the same time as the shank rod 13 And the vibration (elastic wave) which the drilling bit 14 strikes the ground G by the striking force of the piston 16 transmitted via the rod 15 is measured by a plurality of speedometers R. Next, as waveform processing of drilling vibration, stacking processing is performed after the initial movement position of the measured vibration data is adjusted. Then, using the oscillation time, the time until the elastic wave reaches the speedometer R (traveling time), and the position data of the drilling bit 14, the traveling time curve is determined from the stacked vibration data to perform tomography analysis Grasp the elastic wave velocity distribution in front of the face.

さて、前述のように、地山Gの弾性波速度を求めるために、削孔ビット14が地山Gを打撃するまでの時間である発振時間を事前に把握する。ここで、回転するロッド15や地山Gを打撃する削孔ビット14に直接センサを取り付けて発振時間を計測することは困難である。そこで、本実施の形態では、ピストン16がシャンクロッド13を打撃した振動は、ロッド15を介して削孔ビット14に伝播すると同様にピストン16やシャンクロッド13を覆う油圧ドリフタ11のフレームにも間接的に伝播することに着目し、油圧ドリフタ11のフレームの振動から削孔ビット14が地山Gを打撃する発振時間を求めている。   Now, as described above, in order to obtain the elastic wave velocity of the ground G, the oscillation time which is the time until the drilling bit 14 strikes the ground G is grasped in advance. Here, it is difficult to directly attach a sensor to the rotating rod 15 or the drill bit 14 that strikes the ground G to measure the oscillation time. Therefore, in the present embodiment, the vibration of the piston 16 striking the shank rod 13 is also indirectly transmitted to the frame of the hydraulic drifter 11 covering the piston 16 and the shank rod 13 as it propagates to the drilling bit 14 via the rod 15. From the vibration of the hydraulic drifter 11's frame, the oscillation time for the drill bit 14 to strike the ground G is determined.

つまり、油圧ドリフタ11内のピストン16がシャンクロッド13を打撃することにより発生した振動(弾性波)は、打撃位置から油圧ドリフタ11を介して所定時間後に加速度計Pに伝播し、同時刻にロッド15上のある位置(図3の位置C)まで伝播する。その後、当該振動が削孔ビット14に到達すると岩石を破砕して地山Gに振動を発生させ、その振動が速度計Rで受信される。   That is, the vibration (elastic wave) generated by the piston 16 in the hydraulic drifter 11 striking the shank rod 13 propagates to the accelerometer P after a predetermined time from the striking position via the hydraulic drifter 11, and the rod at the same time It propagates to a certain position on 15 (position C in FIG. 3). Thereafter, when the vibration reaches the drill bit 14, the rock is broken to generate a vibration in the ground G, and the vibration is received by the speedometer R.

そこで、図4に示すように、油圧ドリフタ11と削孔ビット14に受振器として加速度計P1、P2をそれぞれ取り付けてピストン16の打撃による振動を発生させ、加速度計P1に弾性波が到達する時間と加速度計P2に弾性波が到達する時間との時間差を把握する。この時間差は前述した発振時間になる。   Therefore, as shown in FIG. 4, accelerometers P1 and P2 are attached to the hydraulic drifter 11 and the drilling bit 14 as geophones, respectively, to generate vibrations due to the impact of the piston 16, and time for elastic waves to reach the accelerometer P1. And the time difference between the time when the elastic wave arrives at the accelerometer P2 is grasped. This time difference is the above-mentioned oscillation time.

例えば、油圧ドリフタ11内の打撃位置から油圧ドリフタ11の後部に設けられた加速度計1までの距離を0.6m、当該打撃位置から削孔ビット14に設けられた加速度計2までの距離を4.1m(シャンクロッド13の長さ0.44m+ロッド15の長さ3.66m)としたとき、削孔ビット14を地山Gに押し当てて打撃したときの加速度計P1と加速度計P2とで計測された振動波形の一例を図5(a)および図5(b)に示す。   For example, the distance from the striking position in the hydraulic drift 11 to the accelerometer 1 provided at the rear of the hydraulic drift 11 is 0.6 m, and the distance from the striking position to the accelerometer 2 provided on the drilling bit 14 is 4 .1 m (0.44 m in length of shank rod 13 + 3.66 m in length of rod 15), the accelerometer P1 and the accelerometer P2 when the drilling bit 14 is hit against the ground G and struck An example of the measured vibration waveform is shown in FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b).

図示するように、長さ3.66mのロッド15を使用した場合は、0.709msの時間差(つまり発振時間)になっているので、加速度計P1の振動波形の初動時刻が分かれば削孔ビット14の打撃時刻を求めることができる。   As shown in the figure, when using a rod 15 having a length of 3.66 m, the time difference (that is, the oscillation time) is 0.709 ms, so if you know the start time of the vibration waveform of the accelerometer P1, the drilling bit It is possible to determine 14 strike times.

なお、2本目以降のロッド15を継ぎ足す場合には、同様にして、ロッド15の一本あたりの弾性波の伝搬時間を求める。したがって、ロッド15を継ぎ足した場合には、継ぎ足したロッドの本数に対応した伝播時間だけ、発振時間が長くなる。例えば継ぎ足すロッド15の長さを3.05m、伝搬時間が0.611msとした場合、ロッド15を2本継ぎ足すと、発振時間は、0.709ms+(0.611ms×2)=1.931msとなる。   When the second and subsequent rods 15 are added, the propagation time of the elastic wave per rod 15 is similarly determined. Therefore, when the rods 15 are added, the oscillation time becomes longer by the propagation time corresponding to the number of added rods. For example, assuming that the length of the rod 15 to be added is 3.05 m and the propagation time is 0.611 ms, the oscillation time is 0.709 ms + (0.611 ms × 2) = 1.931 ms when two rods 15 are added. It becomes.

以上のようにして発振時間を求めたならば,次に、削孔振動の計測を行う。すなわち、油圧ドリフタ11内のピストン16によりシャンクロッド13を所定の時間間隔で複数回打撃し、トンネルの切羽前方の地山Gに対して削孔ビット14により所定の削孔長おきに弾性波を発生させる。そして、掘削機10に設置された加速度計Pで各打撃ごとに分割された弾性波の振動データを取得するとともに、トンネル切羽Sに設置された複数の速度計Rで各打撃ごとに分割された弾性波の振動データを削孔長おきに取得する。   After the oscillation time is determined as described above, next, the measurement of drilling vibration is performed. That is, the shank 16 in the hydraulic drifter 11 strikes the shank rod 13 a plurality of times at a predetermined time interval, and the ground wave G in front of the face of the tunnel is subjected to elastic waves every predetermined drilling length by the drilling bit 14 generate. And while acquiring the vibration data of the elastic wave divided for every hitting with accelerometer P installed in excavator 10, it was divided for each hitting with a plurality of speedometers R installed in tunnel face S. Vibration data of elastic waves are acquired every drilling length.

なお、削孔ビット14による打撃は、例えば1秒間に50〜60回に設定される。但し、岩盤の硬軟などの要因によって、打撃回数や打撃間隔は各打撃で同一とはならない。よって、所定の時間間隔とは、一定の時間間隔という意味を有するものではない。   The impact by the drilling bit 14 is set, for example, 50 to 60 times per second. However, due to factors such as the hardness of the rock, the number of impacts and the impact interval are not the same for each impact. Therefore, the predetermined time interval does not have the meaning of a fixed time interval.

加速度計Pで取得された10回の打撃による振動データの振動波形の一例を図6に、当該振動データの初動付近の振動波形の一例を図7に示す。また、速度計Rで取得された10回の打撃による振動データの振動波形の一例を図8に、当該振動データの初動付近の振動波形の一例を図9に示す。なお、本実施の形態では、各速度計Rにおける各削孔長で10回の打撃による10種類の振動データを取得しているが、取得する振動データの数は複数であればよく、取得数は限定されない。   FIG. 6 shows an example of the vibration waveform of the vibration data of the ten impacts obtained by the accelerometer P, and FIG. 7 shows an example of the vibration waveform near the initial movement of the vibration data. Further, FIG. 8 shows an example of a vibration waveform of vibration data of ten impacts obtained by the speedometer R, and FIG. 9 shows an example of a vibration waveform near the initial movement of the vibration data. In the present embodiment, although 10 types of vibration data are obtained by 10 impacts with each drilling length in each speedometer R, the number of acquired vibration data may be plural, and the number of acquired Is not limited.

図7に示すように、ピストン16がシャンクロッド13を打撃することにより発生した振動が掘削機10のフレームを伝播したものであることから、波形がパルス状にならないため、波の立ち上がりを読み取る初動に最大0.32msのばらつきが生じている。また、図8に示すように、1回目と3回目の打撃では、削孔ビット14が地山Gを打撃する際に破砕したずりが削孔ビット14と地山Gとの間に挟まったことが原因と思われるノイズ(異常な部分)が発生している。さらに、図9に示すように、前述した加速度計Pの初動誤差により、受振波形の初動位置に最大0.3msのばらつきが生じている。   As shown in FIG. 7, since the vibration generated by the piston 16 striking the shank rod 13 is the one transmitted through the frame of the excavator 10, the waveform does not become pulse-like, so an initial movement to read the rising of the wave Has a variation of up to 0.32 ms. Further, as shown in FIG. 8, in the first and third strikes, the fractured bit was caught between the drilling bit 14 and the ground G when the drilling bit 14 hit the ground G. The noise (abnormal part) that seems to be the cause is occurring. Furthermore, as shown in FIG. 9, due to the above-described initial movement error of the accelerometer P, a maximum variation of 0.3 ms occurs in the initial movement position of the received waveform.

さて、これら複数回(本実施の形態では10回)の打撃による振動データの振動波形をそのままでスタッキング処理(波形データを時系列で足し合わせる処理)すると、S/N比が低下して初動時刻の読み取りに誤差を生じる。そこで、本実施の形態では、各振動波形間の相互相関関数を求め、相互相関関数が最大となる振動データを基準にして初動時刻を調整した後にスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを求めている。スタッキング処理によりランダムノイズが打ち消し合って小さくなるために、振動データの振動波形のS/N比が向上する。その際、相互相関関数が所定値(本実施の形態では0.9以下)を下回る振動データは除外している。   Now, if the vibration waveform of the vibration data due to the plurality of impacts (10 times in this embodiment) is stacked as it is (processing to add waveform data in time series), the S / N ratio decreases and the initial motion time Error in the reading of Therefore, in the present embodiment, the cross correlation function between the vibration waveforms is determined, and the initial movement time is adjusted based on the vibration data for which the cross correlation function is maximum, the stacking process is performed, and the stacked vibration data is determined. ing. Since the random noise is canceled out and reduced by the stacking process, the S / N ratio of the vibration waveform of the vibration data is improved. At that time, vibration data whose cross correlation function is less than a predetermined value (in the present embodiment, 0.9 or less) is excluded.

相互相関関数が最大となる振動データを求める際に使用する速度計である基準速度計(基準受振器)Rは任意の一つでよい。この場合、掘削機10に最も近い位置に設置された速度計を基準速度計Rとすることが望ましい。これは、削孔ビット14からの振動は距離の2乗に反比例して小さくなるので、遠い速度計Rでは伝達した弾性波とノイズとの区別がしにくくなるからである。基準速度計Rによる以上の処理は、削孔長ごとの振動データについて行う。   The reference speedometer (reference geophone) R, which is a speedometer used when obtaining vibration data for maximizing the cross correlation function, may be any one. In this case, it is desirable that the speedometer installed at a position closest to the excavator 10 be a reference speedometer R. This is because the vibration from the drill bit 14 becomes smaller in inverse proportion to the square of the distance, so it becomes difficult to distinguish between the transmitted elastic wave and the noise in the distant speedometer R. The above processing by the reference speedometer R is performed on vibration data for each drilling length.

なお、必ずしも相互相関関数が所定値を下回る振動データを除外する必要はなく、除外する場合でも、その閾値は自由に設定することができる。   In addition, it is not necessary to necessarily exclude the vibration data whose cross correlation function falls below a predetermined value, and even in the case of exclusion, the threshold can be set freely.

ここで、相互相関関数は、数1〜数3から計算することができる。

Figure 2019113514
Figure 2019113514
Figure 2019113514
Here, the cross correlation function can be calculated from the equations 1 to 3.
Figure 2019113514
Figure 2019113514
Figure 2019113514

なお、y(i)はi打撃による振動データの振幅値、Nはデータ数、μ(i)はi打撃による振動データの平均値、kはラグ(i打撃とj打撃の振動データ間のシフト時間)、C(i,j)はi打撃とj打撃による振動データの相互共分散関数、R(i,j)はi打撃とj打撃による振動データの相互相関関数である。   Note that y (i) is the amplitude value of vibration data due to i impact, N is the number of data, μ (i) is the average value of vibration data due to i impact, k is lag (shift between vibration data of i impact and j impact Time), C (i, j) is a mutual covariance function of vibration data of i and j hits, and R (i, j) is a cross correlation function of vibration data of i and j hits.

打撃10回分の振動データの振動波形に対して求めた相互相関関数およびその最大値の一例を図10に、i打撃が1から10の相関関数のうち平均値が最も大きくなるラグ(ここではi=8)を基準にして初動時刻をシフトさせた振動データの波形およびこれらの波形をスタッキング処理して求められた加速データの波形の一例を図11に示す。   An example of the cross-correlation function and its maximum value obtained for the vibration waveform of the vibration data of 10 hits is shown in FIG. 10, and i is the lag in which the average value is the largest among the correlation functions 1 to 10 (here i FIG. 11 shows an example of the waveform of vibration data whose initial movement time is shifted with reference to 8) and the waveform of acceleration data obtained by stacking these waveforms.

なお、時刻をシフトさせるとは、上記のような方法で選定した振動データを基準にしてその他の振動データの時間軸を移動させ、初動時刻を合わせることをいう。   Note that shifting the time means moving the time axis of the other vibration data with reference to the vibration data selected by the above method, and adjusting the initial movement time.

図10において、1回目と3回目の打撃による波形の相関値が0.78、0.88で0.9より小さくなっている。これは、前述の図8において、1回目の打撃による波形には10ms付近、3回目の打撃による波形には7ms付近において他の打撃の波形に見られない振動を観測していることから、この影響を受けて相関値が低下していると推察される。したがって、0.9より小さくなる1回目と3回目の打撃による波形を除外してスタッキング処理をしている。   In FIG. 10, the correlation values of the waveforms of the first and third impacts are smaller than 0.9 at 0.78 and 0.88. This is because, in the above-mentioned FIG. 8, vibrations not observed in the waveforms of other strikes are observed in the vicinity of 10 ms in the waveform of the first impact and in the vicinity of 7 ms in the waveform of the third impact. It is inferred that the correlation value is lowered due to the influence. Therefore, the stacking process is performed excluding the waveforms of the first and third hits smaller than 0.9.

このようにして、基準速度計Rについてスタッキングされた振動データを求めたならば、基準速度計R以外の速度計Rに受信された各打撃に対応する振動データに対して、基準速度計Rの振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを削孔長ごとに求める。   In this way, when the stacked vibration data is determined for the reference speedometer R, the vibration data corresponding to each impact received by the speedometer R other than the reference speedometer R Shifting and stacking are performed according to the vibration data, and the stacked vibration data is obtained for each drilling length.

続いて、加速度計Pで取得された10回の打撃による振動データについてもスタッキング処理を行い、スタッキングされた加速データを削孔長ごとに求める。このとき、前述した基準速度計Rの振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行う。   Subsequently, stacking processing is also performed on vibration data of ten impacts acquired by the accelerometer P, and acceleration data thus stacked is determined for each drilling length. At this time, the stacking process is performed by shifting in accordance with the vibration data of the reference speedometer R described above.

このように、加速度計Pや基準速度計R以外の速度計Rで取得された振動データを基準速度計Rの振動データに対応してシフトさせるのは、次のような理由による。   The reason for shifting the vibration data acquired by the speedometer R other than the accelerometer P and the reference speedometer R according to the vibration data of the reference speedometer R in this way is as follows.

すなわち、加速度計Pで取得された各打撃の振動データと速度計R(基準速度計Rを含んだ全ての速度計R)で取得された各打撃の振動データとは、各回の打撃を検出するための切換タイミングの同期がとられている。具体的には、図7や図9などにおいて、打撃番号1(1回目の打撃)の振動データを検出しているときに、どのタイミングで打撃番号2(2回目の打撃)の振動データに切り換えるかという切換タイミングの同期がとられており、例えば、15ms間隔で打撃番号が順次切り替えられるようになっている。したがって、加速度計Pや基準速度計R以外の速度計Rで取得された各打撃の振動データにおける初動の読み取り誤差と基準速度計Rで取得された各打撃の振動データにおける初動の読み取り誤差は同じになる。   That is, the vibration data of each impact acquired by the accelerometer P and the vibration data of each impact acquired by the speedometer R (all speedometers R including the reference speedometer R) detect each impact. The timing of switching for this is synchronized. Specifically, when vibration data of impact number 1 (first impact) is detected in FIGS. 7 and 9, etc., the vibration data of impact number 2 (second impact) is switched at any timing. The switching timing of the key is synchronized, and for example, the impact numbers are sequentially switched at intervals of 15 ms. Therefore, the reading error of the initial movement in the vibration data of each impact acquired by the speedometer R other than the accelerometer P and the reference speedometer R is the same as the reading error of the initial movement in the vibration data of each impact acquired by the reference speedometer R become.

そこで、基準速度計Rの各振動データと同じ時間だけ加速度計Pや基準速度計R以外の速度計Rで取得された各振動データをシフトさせれば、同一条件で初動時刻をシフトさせたことになるからである。   Therefore, if each vibration data acquired by the speedometer R other than the accelerometer P and the reference speedometer R is shifted by the same time as each vibration data of the reference speedometer R, the initial movement time is shifted under the same condition It is because

なお、振動データの切換タイミングについては、前述のように予め設定された時間間隔に基づいた方法に限定されるのではなく、これ以外の方法であってもよい。例えば、加速度計Pの振動をトリガとして切り換えるようにしてもよい。具体的には、加速度計Pの最大振幅の例えば20%を閾値に設定しておき、これを超える時刻の例えば2ms前を切換タイミングとし、そこから所定時間の振動データを計測するようにしてもよい。   In addition, about the switching timing of vibration data, it is not limited to the method based on the time interval preset as mentioned above, You may be methods other than this. For example, the vibration of the accelerometer P may be switched as a trigger. Specifically, for example, 20% of the maximum amplitude of the accelerometer P is set as a threshold value, and for example, 2 ms before the time exceeding this is used as the switching timing, from which vibration data of a predetermined time is measured. Good.

加速度計Pで取得された振動データを基準速度計Rで取得された振動データに対応してシフトさせた振動データの波形およびこれらの波形をスタッキング処理して求められた加速データの波形の一例を図12に示す。   Waveforms of vibration data obtained by shifting vibration data acquired by the accelerometer P in accordance with vibration data acquired by the reference speedometer R and an example of a waveform of acceleration data obtained by stacking these waveforms It is shown in FIG.

さて、このようにして各速度計Rでの削孔長おきのスタッキングされた振動データ、および加速度計Pでのスタッキングされた振動データが求められたならば、前述のようにして予め求められた発振時間(本実施の形態では、0.709ms+継ぎ足したロッド15の一本あたり0.611msの時間)と、加速度計Pにおけるスタッキングされた振動データの初動時刻を用いて、削孔ビット14が地山Gを打撃した時刻での速度計Rにおけるスタッキングされた振動データ(各速度計Rでの所定の削孔長ごとのスタッキングされた振動データ)から初動時刻を読み取って走時曲線を求め、トモグラフィ解析を行い弾性波速度分布を求める。   Now, if the stacked vibration data for every drilling length in each speedometer R and the stacked vibration data for the accelerometer P are thus obtained, they are obtained in advance as described above. Using the oscillation time (in this embodiment, 0.709 ms + time of 0.611 ms for each added rod 15) and the initial movement time of the stacked vibration data in the accelerometer P, the drill bit 14 is grounded. The travel time curve is determined by reading the initial movement time from the stacked vibration data in the speedometer R (stacked vibration data for each predetermined drilling length in each speedometer R) at the time when the mountain G is hit, and Perform graphic analysis to determine elastic wave velocity distribution.

ここで、本実施の形態では、走時曲線を求める際、スタッキングされた振動データの波形に対し、AIC(Akaike’s Information Criterion:赤池情報量規準)が最も小さくなる時刻を初動時刻として、当該初動時刻を局所定常AR(autoregressive:自己回帰)モデルを用いて自動的に読み取る。   Here, in the present embodiment, when obtaining the travel time curve, the time at which AIC (Akaike's Information Criterion: Akaike's information criterion) becomes the smallest with respect to the waveform of the stacked vibration data is taken as the initial action time. The initial motion time is automatically read using a local stationary AR (autoregressive) model.

スタッキングされた加速度計Pの振動データの波形および当該波形から求めた初動位置の一例を図13(a)(b)に示す。また、スタッキングされた速度計Rの振動データの波形および当該波形から求めた初動位置の一例を図14(a)(b)に示す。   FIGS. 13A and 13B show an example of the waveform of vibration data of the stacked accelerometers P and an initial movement position obtained from the waveform. Moreover, an example of the waveform of vibration data of the stacked speedometer R and an initial movement position obtained from the waveform is shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b).

これらの図面から、加速度計Pの初動時刻は2.0ms、速度計Rの初動時刻は5.2msであることから、両者の初動の時間差は3.2msと求められる。また、掘削機10における弾性波の伝播時間(ロッド15を継ぎ足さない場合)は0.709msであるから、削孔ビット14から速度計Rまでの弾性波の伝播時間は2.491msとなる。   From these figures, since the initial motion time of the accelerometer P is 2.0 ms and the initial motion time of the speedometer R is 5.2 ms, the time difference between the two initial motions is determined to be 3.2 ms. Further, since the propagation time of the elastic wave in the excavator 10 (in the case where the rod 15 is not added) is 0.709 ms, the propagation time of the elastic wave from the drilling bit 14 to the speedometer R is 2.491 ms.

なお、初動時刻はAIC以外の手法によってもよく、また初動時刻は局所定常ARモデルを用いた自動読み取り以外で求めてもよい。   The initial movement time may be determined by a method other than AIC, and the initial movement time may be determined by means other than automatic reading using a local steady state AR model.

加速度計Pおよび速度計Rで取得された弾性波の振動データをスタッキング処理し、削孔ビット14が地山Gを打撃した時刻を基準にして0.2mの削孔間隔で波形を整理したグラフの一例を図15および図16に示す。図15は掘削機10に最も近い位置に設置された速度計R、図16は掘削機10から最も遠い位置に設置された速度計Rでのグラフである。   A graph in which the vibration data of elastic waves acquired by the accelerometer P and the speedometer R is subjected to stacking processing, and the waveforms are arranged at a drilling interval of 0.2 m based on the time when the drilling bit 14 strikes the ground G An example is shown in FIG. 15 and FIG. FIG. 15 is a graph of a speedometer R installed at a position closest to the excavator 10, and FIG. 16 is a graph of the speedometer R installed at a position farthest from the excavator 10.

これらの図面において、波形ごとに初動の位置(点)をピッキングし、この点を通る線を引くことにより求まる走時曲線(削孔ビット14の打撃により発生した弾性波が速度計Rに到達した時間と削孔長との関係を表す曲線)を示している。削孔長0.2mにおける走時は、図15のグラフで0.630ms、図16のグラフで2.364msであり、削孔位置から離れた速度計Rで得られるデータほど走時が大きくなっている。   In these drawings, the position (point) of the initial movement is picked for each waveform, and a travel time curve (elastic wave generated by the impact of the drilling bit 14 reaches the speedometer R obtained by drawing a line passing through this point The curve which represents the relation between time and drilling length is shown. The travel time at a drilling length of 0.2 m is 0.630 ms in the graph of FIG. 15 and 2.364 ms in the graph of FIG. 16, and the travel time becomes longer as the data obtained by the speedometer R farther from the drilling position ing.

走時曲線が求められたならば、トモグラフィ解析を行って切羽前方地山Gの弾性波速度分布を求める。トモグラフィ解析で求められたトンネル切羽前方の弾性波速度分布の一例を図17に示す。トモグラフィ解析では、発振点(削孔位置)から受振点(速度計Rの設置位置)に至る波線の通過するセルに対して弾性波速度が反復修正される。そのため、発振点と受振点で囲まれる台形領域の底辺を三角形とする切羽前方の領域には波線が通過しないため解析対象外となる。図17は、解析対象外部分を除いた波線が通過するセルの弾性波速度分布の結果を示している。図17により、切羽付近では弾性波速度が3.5km/s〜4.5km/sの地山Gが分布しているが、切羽前方の4m付近から5km/s程度の速度の速い硬質な地山Gが左から右に徐々に拡大して現れること、その地山Gが切羽前方に約5mの厚さで断面方向から20°の傾きで層状に存在することが予想できる。   After the travel time curve is determined, tomographic analysis is performed to determine the elastic wave velocity distribution of the face G in front of the face. An example of the elastic wave velocity distribution in front of the tunnel face obtained by tomographic analysis is shown in FIG. In tomographic analysis, the elastic wave velocity is iteratively corrected with respect to a cell through which a broken line from the oscillation point (the drilling position) to the receiving point (the installation position of the speedometer R) passes. Therefore, the broken line does not pass through the area in front of the face where the base of the trapezoidal area surrounded by the oscillation point and the receiving point is a triangle, so that it is not analyzed. FIG. 17 shows the result of the elastic wave velocity distribution of the cell through which the dashed line excluding the non-analysis part passes. According to Fig. 17, a ground G with an elastic wave velocity of 3.5km / s to 4.5km / s is distributed near the face, but a hard ground with a high speed of about 5km / s from around 4m in front of the face It can be expected that the mountain G appears gradually enlarged from the left to the right, and that the ground mountain G exists in a layer with a thickness of about 5 m in front of the face and a slope of 20 ° from the cross sectional direction.

このように、本実施の形態によれば、予め掘削機10の発振時間を求めておき、ロッド15の先端に設けられた削孔ビット14が地山Gを打撃した際の弾性波が各速度計Rに届くまでの時間を加速度計Pと速度計Rとの初動時刻と発振時間とから計測し、削孔ビット14と速度計Rとの距離から弾性波の速度を求めているので、トンネルの切羽前方地山の探査精度を向上させることが可能になる。   As described above, according to the present embodiment, the oscillation time of the drilling machine 10 is obtained in advance, and the elastic wave when the drilling bit 14 provided at the tip of the rod 15 strikes the ground G has each speed The time to reach the meter R is measured from the initial movement time and oscillation time of the accelerometer P and the speedometer R, and the velocity of the elastic wave is determined from the distance between the drilling bit 14 and the speedometer R. It is possible to improve the search accuracy of the front of the face of the face.

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。   Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiments, the embodiments disclosed in the present specification are illustrative in all points and limited to the disclosed technology. is not. That is, the technical scope of the present invention is not to be interpreted restrictively based on the description in the above embodiment, and should be interpreted in accordance with the description of the claims only, and the claims It is intended to include all modifications without departing from the scope of the claims and the technical equivalents of the recited technology.

たとえば、本実施の形態では、何れか一つの速度計Rを基準速度計Rとしておき、この基準速度計Rで取得された振動データに対して、相互相関関数が最大となる振動データでスタッキング処理を行ってスタッキングされた振動データを求め、それ以外の速度計Rで取得された振動データに対しては、基準速度計Rの振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを求めている。しかしながら、基準速度計Rを設定することなく、全ての速度計Rで取得された振動データに対して、相互相関関数が最大となる振動データでスタッキング処理を行ってスタッキングされた振動データを求めるようにしてもよい。   For example, in the present embodiment, any one speedometer R is used as a reference speedometer R, and the vibration processing data acquired by the reference speedometer R is subjected to stacking processing using vibration data that maximizes the cross correlation function. To determine the stacked vibration data, and for the other vibration data acquired by the speedometer R, the stacking process is performed by shifting in accordance with the vibration data of the reference speedometer R and stacking Vibration data is being sought. However, without setting the reference speedometer R, the vibration data acquired by all the speedometers R is subjected to the stacking process with the vibration data with the largest cross correlation function to obtain the stacked vibration data You may

また、本実施の形態では、掘削機10には第1の受振器として加速度計Pを、切羽Sには第2の受振器として速度計Rを設置しているが、削孔ビット14の打撃による振動の初動時刻を検出することができる限り、第1の受振器および第2の受振器としては、様々な検出手段を用いることができる。したがって、例えば、第1の受振器として速度計を用い、第2の受振器として加速度計を用いてもよい。   Further, in the present embodiment, although the accelerometer P is installed as a first geophone in the excavator 10 and the speedometer R is installed as a second geophone in the face S, the strike of the drilling bit 14 Various detection means can be used as the first geophone and the second geophone as long as the initial motion time of the vibration due to V.sub.2 can be detected. Thus, for example, a speedometer may be used as the first geophone and an accelerometer may be used as the second geophone.

さらに、弾性波速度分布から岩盤の性状を検討する際に、削孔時に破砕したずりや打撃時の反発力などを参考にしてもよい。   Furthermore, when examining the properties of the rock from the elastic wave velocity distribution, it is possible to refer to the shattering force at the time of drilling, the repulsive force at the time of impact, and the like.

さらに、本実施の形態では、削孔時の連続した打撃データを使用したが、例えばあるピッチだけ削孔するごとに一旦停止し、所定回数だけ連続して打撃したデータを用いるようにしてもよい。   Furthermore, in the present embodiment, continuous impact data at the time of drilling is used, but for example, it may be stopped once every drilling by a certain pitch, and data may be used continuously struck a predetermined number of times. .

そして、本実施の形態における説明で用いた様々の数値や速度計Rの設置数、グラフや表などは何れも一例に過ぎず、本発明がこれらによって限定されるものではない。   The various numerical values used in the description of the present embodiment, the number of installed speedometers R, graphs, tables, and the like are merely examples, and the present invention is not limited by these.

以上のように、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法は、地山に対してトンネルを掘削する際に、打撃振動により生じた弾性波を用いてトンネル切羽前方の地山を探査するトンネル切羽前方探査方法に適用して有効である。   As described above, according to the tunnel face forward search method according to the present invention, when excavating the tunnel to the ground, the tunnel face forward to search the ground in front of the tunnel face using elastic waves generated by the impact vibration. It is effective when applied to the exploration method.

10 掘削機
11 油圧ドリフタ
12 スリーブ
13 シャンクロッド
14 削孔ビット
15 ロッド
16 ピストン
17 ロータ
18 シリンダ
G 地山
M 計測装置
P 加速度計(第1の受振器)
P1、P2 加速度計(受振器)
R 速度計(第2の受振器)、基準速度計(基準受振器)
S 切羽
10 Excavator 11 Hydraulic Drifter 12 Sleeve 13 Shank Rod 14 Drill Bit 15 Rod 16 Piston 17 Rotor 18 Cylinder G Ground M Measurement Device P Accelerometer (First Sound Absorber)
P1, P2 accelerometer (receiver)
R Speedometer (second geophone), Reference speedometer (reference geophone)
S face

Claims (5)

トンネル切羽前方の地山に対し、掘削機のロッドの先端に設けられた削孔ビットにより所定の削孔長おきに所定の時間間隔で複数回打撃して弾性波を発生させ、
前記掘削機に設置された第1の受振器による各打撃で分割された前記弾性波の複数の振動データ、およびトンネル切羽に設置された複数の第2の受振器による各打撃ごとに分割された前記弾性波の複数の振動データを削孔長ごとに取得し、
前記第2の受振器で取得された複数の前記振動データに対して、当該振動データの相互相関関数が最大となる前記振動データを基準にして初動時刻をシフトさせた後にスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを削孔長ごとに求め、
前記第1の受振器で取得された前記振動データに対して、前記第2の受振器の前記振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを削孔長ごとに求め、
予め求められた前記掘削機が発振する発振時間と前記第1の受振器におけるスタッキングされた前記振動データの初動時刻を用いて、前記削孔ビットが地山を打撃した時刻でのそれぞれの前記第2の受振器におけるスタッキングされた前記振動データから初動時刻を読み取って走時曲線を求めてトモグラフィ解析を行い弾性波速度分布を求める、
ことを特徴とするトンネル切羽前方探査方法。
The rock surface in front of the tunnel face is impacted with a drilling bit provided at the tip of the rod of the drilling machine a plurality of times at predetermined time intervals at predetermined drilling lengths to generate elastic waves.
A plurality of vibration data of the elastic wave divided by each impact by the first geophone installed in the excavator, and a plurality of vibration data divided by each of the second geophones installed in the tunnel face Acquiring a plurality of vibration data of the elastic wave for each drilling length;
Stacking processing is performed on a plurality of the vibration data acquired by the second geophone after shifting the initial movement time with reference to the vibration data that maximizes the cross correlation function of the vibration data, and stacking Calculated vibration data for each drilling length,
The vibration data acquired by the first geophone is shifted in accordance with the vibration data of the second geophone to perform stacking processing, and the stacked vibration data is generated for each drilling length. Ask for
Each of the first at the time when the drilling bit strikes the ground using the oscillation time at which the drilling machine oscillates and the initial movement time of the stacked vibration data in the first geophone, which are determined in advance. The initial motion time is read from the stacked vibration data in the two geophones, the travel time curve is determined, the tomographic analysis is performed, and the elastic wave velocity distribution is determined.
A tunnel face forward search method characterized by
何れか一つの前記第2の受振器を基準受振器とし、当該基準受振器で取得された振動データに対して、相互相関関数が最大となる前記振動データを基準にして初動時刻をシフトさせた後にスタッキング処理を行ってスタッキングされた振動データを求め、
前記基準受振器以外の前記第2の受振器で取得された前記振動データに対しては、前記基準受振器の前記振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを求める、
ことを特徴とする請求項1記載のトンネル切羽前方探査方法。
Any one of the second geophones is used as a reference geophone, and with respect to the vibration data acquired by the reference geophone, the initial movement time is shifted based on the vibration data for which the cross correlation function is maximum The stacking process is performed later to find the stacked vibration data,
The vibration data acquired by the second geophone other than the reference geophone is shifted corresponding to the vibration data of the reference geophone to perform stacking processing, and the stacked vibration data is Ask,
The tunnel face front exploration method according to claim 1 characterized by things.
前記基準受振器は、前記掘削機に最も近い位置に設置された前記第2の受振器である、
ことを特徴とする請求項2記載のトンネル切羽前方探査方法。
The reference geophone is the second geophone installed at a position closest to the excavator.
The tunnel face front exploration method according to claim 2 characterized by things.
前記スタッキング処理では、前記相互相関関数が所定値を下回る前記振動データは除外する、
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のトンネル切羽前方探査方法。
The stacking process excludes the vibration data in which the cross correlation function falls below a predetermined value.
The tunnel face front exploration method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:
前記走時曲線を求める際には、前記振動データの初動時刻を局所定常AR(autoregressive:自己回帰)モデルを用いて自動的に読み取る、
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載のトンネル切羽前方探査方法。
When obtaining the travel time curve, the initial motion time of the vibration data is automatically read using a local stationary AR (autoregressive) model.
The tunnel face front exploration method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:
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