JP2020197389A - 掘削面地質評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発破などにより掘削進捗するトンネル切羽毎に地質状況の変化を評価する。【解決手段】この方法では、トンネル坑内の切羽から後方に所定の距離離れた所定の位置にジオフォン１及びマイクロフォン２を設置し、切羽で発破などにより振動を発生させ、この振動を発生させた際に地山を伝播する弾性波をジオフォン１で空中を伝播する音波をマイクロフォン２で受振計測し、振動発生前に記録動作を開始させたパソコン３に記録して、パソコン３で弾性波データ及び音波データから弾性波のパワースペクトル周波数及び音波のパワースペクトル周波数を算出し、これらの周波数特性に基づいて掘削面の地質状況を推定し評価する。【選択図】図２

Description

本発明は、トンネル工事などの土木工事においてトンネル切羽などの掘削面の地質状態の把握に使用する掘削面地質評価方法に関する。

通常、トンネル工事においては、トンネルの掘削や支保を安全かつ適切に施工するために、トンネルの掘削前に地山の弾性波速度分布を推定することが行われる。また、トンネルの掘削中に掘削面である切羽付近の地質状態を把握するため、トンネル坑内においてトンネル切羽の弾性波速度の測定が行われる。

従前、本願発明者はこの種の弾性波速度測定方法を特許文献１により提案している。
この弾性波速度測定方法は、機材設置ステップ、音波振動、弾性波振動記録ステップ、弾性波速度算出ステップを順次実施する。

まず機材設置ステップでは、トンネル坑内の切羽を含む土木工事における掘削位置から所定の距離離れた所定の位置にロックボルトを設置しロックボルトに可搬型のジオフォンを固定設置して、ジオフォンに通信ケーブルを介してＩＣレコーダを接続する。

続く音波振動、弾性波振動記録ステップでは、掘削位置で振動を発生させ、掘削位置の振動により発生し掘削位置とジオフォンの設置位置との間の地山を伝播する弾性波の振動を、掘削位置の振動により発生し掘削位置とジオフォンの設置位置との間の空中を伝播する音波の振動とともに、ジオフォンのみで受振、計測し、掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させたＩＣレコーダに記録する。

そして弾性波速度算出ステップでは、ＩＣレコーダに記録された音波の振動データ及び弾性波の振動データに基いて弾性波速度を算出する。この弾性波速度算出ステップの場合、音波の振動データから、音波到達時間として、掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させたＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から掘削位置の振動により発生し空中を伝播する音波の振動がＩＣレコーダに到達した時点までの時間を抽出するとともに、弾性波の振動データから、弾性波到達時間として、掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させたＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から掘削位置の振動により発生し地山を伝播する弾性波の振動がＩＣレコーダに到達した時点までの時間を抽出し、所定の距離及び既知の空気中の音速と音波到達時間とに基いて、ＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から掘削位置で振動を発生させた時点までの振動発生時間を推定して、所定の距離と弾性波到達時間及び振動発生時間とに基いて、掘削位置とジオフォンの設置位置との間の弾性波速度を算出する。

このようにして簡易な汎用機材の可搬型のジオフォン、簡易な汎用機材の可搬型のＩＣレコーダのみで、弾性波速度を確実かつ容易に測定し、弾性波速度の測定を低コストで実施することができる。

特許第６４２００５４号公報

ところで山岳トンネル建設工事においては、掘削作業中に、切羽から肌落ちが発生することがある。このため、厚生労働省は「山岳トンネル工事の切羽における肌落ち災害防止対策に係るガイドライン」を示すとともに、トンネル工事の施工者は各種の災害防止対策を実施している。しかしながら、現在のところ、切羽からの肌落ちなどによる労働災害を撲滅するまでには至っていない。このため、労働者を肌落ちによる落石から防護する手法とともに、合理的に肌落ちなどの発生を予測する手法の開発が求められている。

一方、トンネル坑内の作業員は、従前より、トンネルの発破音について異常と感じた場合は、切羽の点検を強化するなどの対応を行ってきた。この発破音に関しては騒音の観点からの研究が多数あるものの、発破音と切羽状況との関係を定量的に評価する研究はほとんど知られていない。このことから、本願発明者はこの発破音の周波数特性に着目して検討を試みた。特許文献１の弾性波測定方法は、トンネル掘削発破で生じる弾性波を掘削の進行に伴って連続的に測定し、トンネル坑内の弾性波速度分布を把握するとともに、切羽前方の地質変化を予測するもので、この方法は、本来、地山を伝播する弾性波を測定するものであるが、ジオフォンをトンネル孔壁のロックボルトの頭部に機械的に固定するため、このジオフォンで発破音も同時に測定することができる。そこで、近年掘削が完了したトンネルにおいて、上記の弾性波測定方法を用いて、切羽の振動により発生し切羽とジオフォンの設置位置との間の地山を伝播する弾性波の振動を、切羽の振動により発生し切羽とジオフォンの設置位置との間の空中を伝播する音波（発破音）の振動とともに、ジオフォンのみで受振、計測し、パソコンに記録して、弾性波の周波数とともに音波の周波数に注目して検討を行ったところ、発破直後の切羽毎に切羽の地質変化によるリスクを評価するための新たな手法を見出すに至った。

本発明は、特許文献１の弾性波測定方法を改良するものであり、トンネル切羽を含む地山の掘削面で振動を発生させた直後の掘削面毎に掘削面の地質状況の変化を評価できるようにして、この地質状況の変化の評価レベルをパーソナルコンピュータなどに表示して地山の掘削に従事する作業員に対して施工・安全情報として提供したりこの地質状況の変化の評価レベルに応じた警報や警告をトンネル掘削に従事する作業員に向けて発したりするなどして、トンネル切羽を含む地山の掘削作業での肌落ち災害を未然に防止することのできる新たな掘削面地質評価方法を提供すること、を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の掘削面地質評価方法は、
トンネル坑内の切羽を含む土木工事における掘削面から所定の距離離れた所定の設置位置に地震計を設置するとともに、前記掘削面から前記地震計と等距離離れた所定の設置位置にマイクロフォンを設置して、前記地震計及び前記マイクロフォンに通信ケーブルを介して記録装置を接続し、
前記掘削面で振動を発生させ、当該振動の際に発生し、前記掘削面と前記地震計の設置位置との間の地山を伝播する弾性波、及び前記掘削面と前記マイクロフォンの設置位置との間の空中を伝播する音波を、それぞれ、前記地震計及び前記マイクロフォンで受振、計測し、前記掘削面で前記振動の発生前から記録動作を開始させた前記記録装置に記録して、
前記記録装置に記録された弾性波データ及び音波データから弾性波の周波数特性及び音波の周波数特性を算出し、
前記弾性波の周波数特性及び前記音波の周波数特性に基づいて前記掘削面の地質状況を推定し評価する、
ことを要旨とする。

そして、この方法は次のように具体化される。
（１）地震計に可搬型のジオフォンを採用し、前記ジオフォンを所定の設置位置にロックボルトを介して設置固定する。
この場合、可搬型のジオフォンをマイクロフォンとしても代用し、前記ジオフォンを地震計とマイクロフォンとして使用してもよい。
（２）記録装置に可搬型のパーソナルコンピュータ又はＩＣレコーダを採用する。
この場合、パーソナルコンピュータは弾性波データ及び音波データを記録するソフトウェアを搭載して使用する。
（３）解析装置に可搬型のパーソナルコンピュータを採用する。
この場合、パーソナルコンピュータに弾性波データ及び音波データを解析する解析ソフトを搭載し、解析装置として使用する。記録装置に使用したパーソナルコンピュータを使用してもよい。
（４）掘削面の振動源として発破を使用し、前記掘削面に発破孔を設けて爆薬を装填し、爆薬を起爆させる。
（５）上記（４）に代えて、掘削面の振動源としてブレーカ、ハンマを含む土木工事に用いる各種機器を使用し、前記掘削面をブレーカ、ハンマを含む前記各種機器で打撃するようにしてもよい。
（６）掘削面付近を含む土木工事の現場の適宜の位置に警報器を配備し、掘削面毎に前記警報器により掘削面の地質状況の評価に応じた警報を発するものとする。

本発明の掘削面地質評価方法によれば、掘削面で振動を発生させ、この振動の際に発生し、掘削面と地震計の設置位置との間の地山を伝播する弾性波、及び掘削面とマイクロフォンの設置位置との間の空中を伝播する音波をそれぞれ地震計及びマイクロフォンで受振、計測し、掘削面で振動の発生前から記録動作を開始させた記録装置に記録して、記録装置に記録された弾性波データ及び音波データから弾性波の周波数特性及び音波の周波数特性を算出し、この弾性波の周波数特性及び音波の周波数特性に基づいて掘削面の地質状況を推定し評価するので、トンネル切羽を含む地山の掘削面で振動を発生させた直後の掘削面毎に掘削面の地質状況の変化を評価することができ、この地質状況の変化の評価レベルをパーソナルコンピュータなどに表示して地山の掘削に従事する作業員に対して施工・安全情報として提供したりこの地質状況の変化の評価レベルに応じた警報や警告をトンネル掘削に従事する作業員に向けて発したりすることで、トンネル切羽を含む地山の掘削作業での肌落ち災害を未然に防止することができる、という本発明独自の格別な効果を奏する。

本発明の一実施の形態における掘削面地質評価方法の流れを示す図 同方法における機材設置ステップ及び弾性波振動・音波振動記録ステップの具体例を示す図 同方法における弾性波振動・音波振動記録ステップで測定しパソコンに記録された波形データの一例を示す図 同方法における周波数特性評価ステップのＦＦＴ解析による弾性波のスペクトル分布の一例を示す図 同方法における周波数特性評価ステップのＦＦＴ解析による音波のスペクトル分布の一例を示す図 同方法における弾性波振動・音波振動記録ステップ、周波数特性評価ステップ、地質状況推定評価ステップの繰り返しによる切羽の掘削進捗に伴う弾性波と音波のパワースペクトルの推移を示す図

次に、この発明を実施するための形態について図を用いて説明する。図１に掘削面地質評価方法を示している。図１に示すように、この掘削面地質評価方法は、次の機材設置ステップ、弾性波振動・音波振動記録ステップ、パワースペクトル周波数算出ステップ、地質状況推定評価ステップを順次実施することにより行う。

（機材設置ステップ（図１中、ＳＴ１））
図１において、機材設置ステップでは、トンネル坑内の切羽を含む土木工事における掘削面から所定の距離離れた後方所定の設置位置に地震計を設置するとともに、掘削面から地震計と同じ距離離れた後方所定の設置位置にマイクロフォンを設置して、地震計及びマイクロフォンに通信ケーブルを介して記録装置を接続する。この場合、地震計に可搬型のジオフォンを採用し（以下、ジオフォンという。）、ジオフォンを地山深部を伝播する弾性波を検出できるようにトンネル坑壁の所定の位置に固定したロックボルトに設置する。なお、この場合、可搬型のジオフォンをマイクロフォンとしても代用し、このジオフォンを地震計とマイクロフォンとして兼用してもよい。記録装置には可搬型のパーソナルコンピュータを採用する（以下、パソコンという。）。近時のパソコンは、通常、ステレオのピンジャックが付設されていてステレオ録音が可能であり、パソコン（のピンジャック１チャンネル、２チャンネル）にジオフォン、マイクロフォンをそれぞれ（２本の）通信ケーブルを介して接続する。また、この場合、パソコンに弾性波データ及び音波データを解析する解析ソフト（例えば、ＳＰ−ＷＡＶＥなど）を搭載し、解析装置としても使用する。なお、機材設置作業の簡便性を重視すれば、記録装置に２チャンネルのＩＣレコーダを用いてもよい。

図２にこの機材設置ステップの具体例を示している。図２に示すように、このステップでは、まず、トンネル切羽から後方の位置の坑壁壁面にジオフォン１を設置し、切羽から後方にジオフォンと同じ距離離れたジオフォンに近接する所定の位置にマイクロフォン２を設置する。そして、ここでは図示を省略しているが、これらジオフォン１及びマイクロフォン２をそれぞれ、通信ケーブルを介して、パソコン３（図３参照）に接続する。

（弾性波振動・音波振動記録ステップ（図１中、ＳＴ２、３、４））
図１において、弾性波振動・音波振動記録ステップでは、切羽を含む掘削面で振動を発生させ、この振動の際に発生し、掘削面とジオフォンの設置位置との間の地山を伝播する弾性波、及び掘削面とマイクロフォンの設置位置との間の空中を伝播する音波をそれぞれジオフォン及びマイクロフォンで受振、計測し、掘削面で振動の発生前から記録動作を開始させたパソコンに記録する。この場合、掘削面の振動源として発破を使用し、掘削面に発破孔を設けて爆薬を装填し、爆薬を起爆させて、この爆薬を起爆させた際に発生する弾性波をジオフォンで、音波をマイクロフォンで、それぞれ受振、計測し、パソコンに記録する。また、この場合、掘削面の振動源として、発破に代えて、ブレーカ、ハンマを含む土木工事に用いる各種機器を使用し、掘削面をブレーカ、ハンマを含む各種機器で打撃することにより、弾性波及び音波を発生させてもよい。なお、記録装置にＩＣレコーダを用いた場合は、ＩＣレコーダに記録した弾性波データ及び音波データをパソコンへ通信ケーブル又は記録媒体を用いて入力することになる。

図２にこの弾性波振動・音波振動記録ステップの具体例を併せて示している。図２に示すように、まず、トンネル坑内の切羽に爆薬を装填する。この場合、トンネル切羽の掘削に当たり発破を行うので、発破は電気雷管等を用いて起爆させることとし、切羽に発破孔を削孔して、電気雷管を装着した爆薬を装填する。なお、切羽に発破孔を設けている間や発破孔に爆薬を装填している間、あるいは発破孔に爆薬を装填した後の爆薬の起爆の直前など、爆薬の起爆前にパソコン３による記録動作を開始（つまり、録音をスタート）し、録音（中の）状態にしておく。続いて、発破スイッチをＯＮ操作し、切羽の爆薬を起爆させて切羽を爆破し、振動を発生させる。この爆発により、切羽から発生した弾性波は地山を伝播し、切羽後方のジオフォン１に到達し、切羽から発生した音波は坑内（空中）を伝播し、切羽後方のマイクロフォン２に到達する。この弾性波をジオフォン１で、音波をマイクロフォン２で、それぞれ、受振、計測し、これを録音（中の）状態になっているパソコン３（のメモリ）に記録する。

図３にこの弾性波振動・音波振動記録ステップで、ジオフォンをマイクロフォンとして使用して測定しパソコン３に記録された波形データの一例を示している。この波形データはパソコン３のディスプレイに表示される。この場合、横軸は時刻、縦軸は振幅を示し、サンプリング周波数を４４．１ｋＨｚ、量子化ビット数を２４ｂｉｔとし、原則として掘削発破の全数を記録する。測定結果は、発破点火後、地山を伝播した弾性波がまず記録され、その後空中を伝播した発破音が記録される。上段は発破信号の測定記録（本願特許では使用しない）で、この記録から、記録開始後８．６８５ｍｓに発破が起爆され、切羽から弾性波及び音波が発生したことが分かる。下段はジオフォン１とマイクロフォン２の測定記録である。この結果から、弾性波は２２．９７１ｍｓにジオフォン１に到達し、音波が１４８．３６７ｍｓにマイクロフォン２に到達したことが分かる。弾性波は比較的低周波成分が卓越するのに対し、発破音では高周波成分が卓越し、測定波形から明瞭に判別できる。

（パワースペクトル周波数算出ステップ（ＳＴ５、６））
図１において、パワースペクトル周波数算出ステップでは、パソコンに記録された弾性波データ及び音波データから弾性波のパワースペクトル周波数及び音波のパワースペクトル周波数を算出する。ここでは、パソコンに記録された弾性波及び音波についてパソコン（の解析ソフト）でＦＦＴ解析を行い、それぞれのパワースペクトルを算出する。この場合、ＳＰ−ＷＡＶＥを使用する。

図４にＦＦＴ解析による弾性波のスペクトル分布の一例を示し、図５にＦＦＴ解析による音波のスペクトル分布の一例を示す。このＦＦＴ解析による解析結果はパソコン３のディスプレイに表示される。この結果から、図４に示すように、弾性波のパワースペクトル周波数は６４．６００Ｈｚをピークとし、これが卓越した周波数となり、音波のパワースペクトル周波数は１１１９．７２７Ｈｚをピークとし、これが卓越した周波数となることが分かる。

（地質状況推定評価ステップ（ＳＴ７、８））
地質状況推定評価ステップでは、弾性波のパワースペクトル周波数及び音波のパワースペクトル周波数に基づいて掘削面の地質状況を推定し評価する。ここでは、パソコンで、まず、切羽などの掘削面で発破などの振動により発生させた弾性波、音波のそれぞれについて、現地点の掘削面での弾性波パワースペクトル周波数、音波パワースペクトル周波数と一つ前の地点（以下、単に前地点という。）の掘削面での弾性波パワースペクトル周波数、音波パワースペクトル周波数とを比較して、つまり、今回の発破時データと前回の発破時データとの比較により、現地点の弾性波パワースペクトル周波数と前地点の弾性波パワースペクトル周波数との一致、現地点の音波パワースペクトル周波数と前地点の音波パワースペクトル周波数との一致、それぞれの判定を行う。その判定は次の式（１）及び（２）により行う。
この場合、閾値α及びβは、評価開始時点では０とし、記録されたデータから閾値の修正を行うものとする。
そして、切羽などの掘削面の地質状況の変化を次表１の判定マトリックスから判定する。ここで、数式１及び数式２では、数式が成立する場合に一致、不成立の場合に不一致とする。
すなわち、この判定マトリックスから、現地点と前地点の弾性波のパワースペクトル周波数と現地点と前地点の音波のパワースペクトル周波数がどちらも一致する場合は、切羽の地質状況が変化する可能性が小さいと評価し、パソコンのディスプレイにはこれを例えばＡ判定と表示し、現地点と前地点の弾性波のパワースペクトル周波数と現地点と前地点の音波のパワースペクトル周波数が共に不一致の場合は、切羽の地質状況が変化する可能性が大きいと評価し、パソコンのディスプレイにはこれを例えばＣ判定と表示し、現地点と前地点の弾性波のパワースペクトル周波数と現地点と前地点の音波のパワースペクトル周波数のどちらか一方が一致、他方が不一致の場合は、切羽の地質状況が変化する可能性が見込まれると評価し、パソコンのディスプレイにはこれを例えばＢ判定と表示する。なお、弾性波パワースペクトル周波数と音波パワースペクトル周波数の一致、不一致の閾値（つまり、一致の範囲）は、トンネルの掘削に伴い、随時、修正の設定を行うこととする。

図６に切羽の掘削進捗に伴う弾性波と音波のパワースペクトルの推移を示す。
図６（ａ）は、切羽の進行に伴い、支保パターンはＣII−ｂと変化はないが、切羽の地質が花崗閃緑岩から細粒凝灰岩に変化する区間を示している。この測定結果は、パソコン３のディスプレイに表示される。各切羽の距離程を横軸、パワースペクトル周波数を縦軸とし、丸のマークは弾性波のパワースペクトル周波数を、ひし形のマークは音波のパワースペクトル周波数を、それぞれ、示している。なお、点線は５切羽のパワースペクトル周波数の移動平均値を参考として示している。
ここで、花崗閃緑岩、細粒凝灰岩の各同一地質の区間では、各掘削面での弾性波、音波のパワースペクトル周波数は大きく変化していないことから、地質状況が変化していないことが分かる。一方、花崗閃緑岩から細粒凝灰岩への地質変化に伴い、弾性波のパワースペクトル周波数の低下が認められるとともに、音波のパワースペクトル周波数の上昇が認められ、異なる地質間では地質状況が変化していることが分かる。この場合、音波での変化が顕著で、音波のばらつきが弾性波に比較して比較的大きいことから、地質変化に対して、弾性波と比較して音波が敏感であることが分かる。
図６（ｂ）は地質は花崗閃緑岩と同一であるが、支保パターンがＣＩからＣII−ｂ、さ
らにＣＩに変化する区間を示す。ここで、支保パターンがＣＩからＣII−ｂまでの区間で
は、ＣＩの区間に比較してＣII−ｂの区間が弾性波及び音波共にパワースペクトルの低下
が認められる。また、ＣII−ｂの区間からＣＩの区間に変化するＴＤ．６０４ｍ以降の区
間において音波のパワースペクトル周波数が１０００Ｈｚ以上を示すものが多い。一方、弾性波のパワースペクトル周波数はＴＤ．６１７ｍ以降で６６Ｈｚ以上を示すものが多くなるが、ＴＤ．６０４ｍ付近の支保パターン変化点とは多少のずれが生じている。これは、弾性波がトンネル周辺地山を伝播していることの影響が考えられる。

（警報ステップ）
この掘削面地質評価方法ではこの地質状況推定評価ステップに続いて掘削面の地質状況の評価に応じて警報を発する警報ステップを有するものとしてもよい。この警報ステップでは、掘削面付近を含む土木工事の現場の適宜の位置に予め警報器を配備しておき、掘削面毎に警報器により掘削面の地質状況の評価に応じた警報を発生させる。警報器の警報方式は掘削面の地質状況の評価に応じた警報音や音声、警告光、又はこれらの組み合わせとする。そして、これらの警報器をパソコンに電気的に接続し、パソコンによる地質状況の評価に基づいて作動させる。例えば、パソコンで切羽の地質状況が変化する可能性が小さいと評価され、パソコンのディスプレイにＡ判定と表示された場合、警報音、音声形式の警報器では、サイレンや音声は発せず、警告光式の警報器では、消灯、又は安全を報知する色、例えば青色の回転灯を回し、パソコンで切羽の地質状況が変化する可能性が大きいと評価され、パソコンのディスプレイにＣ判定と表示された場合、警報音、音声形式の警報器では、退避を警告するサイレンや音声を発し、警告光式の警報器では、退避を警告する色、例えば赤色の回転灯を回し、パソコンで切羽の地質状況が変化する可能性が見込まれると評価され、パソコンのディスプレイにＢ判定と表示された場合、警報音、音声形式の警報器では、注意を喚起するサイレンや音声を発し、警告光式の警報器では、注意を喚起する色、例えば黄色の回転灯を回す。このようにして地質状況の変化の評価レベルをパソコンのディスプレイなどに表示して地山の掘削に従事する作業員に対して施工・安全情報として提供したりこの地質状況の変化の評価レベルに応じた警報や警告をトンネル掘削に従事する作業員に向けて発したりすることで、トンネル切羽を含む地山の掘削作業での肌落ち災害を未然に防止することができる。

以上説明したように、この掘削面地質評価方法では、トンネル坑内の切羽を含む土木工事における掘削面から所定の距離離れた所定の設置位置にジオフォンを設置するとともに、掘削面からジオフォンと同じ距離離れた所定の設置位置にマイクロフォンを設置して、ジオフォン及びマイクロフォンに通信ケーブルを介してパソコンを接続し、掘削面毎に、掘削面で発破などにより振動を発生させ、この振動の際に発生し、掘削面とジオフォンの設置位置との間の地山を伝播する弾性波、及び掘削面とマイクロフォンの設置位置との間の空中を伝播する音波をそれぞれジオフォン及びマイクロフォンで受振、計測し、掘削面で振動の発生前から記録動作を開始させたパソコンに記録して、パソコンに記録された弾性波データ及び音波データから弾性波の周波数特性として弾性波のパワースペクトル周波数及び音波の周波数特性として音波のパワースペクトル周波数を算出し、弾性波のパワースペクトル周波数及び音波のパワースペクトル周波数の類似性により、すなわち、現地点と前地点の弾性波のパワースペクトル周波数と現地点と前地点の音波のパワースペクトル周波数がそれぞれ一致する場合は、切羽の地質状況が変化する可能性が小さいと、掘削面の地質状況を推定、評価し、現地点と前地点の弾性波のパワースペクトル周波数と現地点と前地点の音波のパワースペクトル周波数が共に不一致の場合は、切羽の地質状況が変化する可能性が大きいと、現地点と前地点の弾性波のパワースペクトル周波数と現地点と前地点の音波のパワースペクトル周波数のどちらか一方が一致、他方が不一致の場合は、切羽の地質状況が変化する可能性が見込まれると、掘削面の地質状況を推定し評価するので、トンネル切羽を含む地山の掘削面で振動を発生させた直後の掘削面毎に掘削面の地質状況の変化を評価することができる。そして、この地質状況の変化の評価レベルをパソコンのディスプレイなどに表示して地山の掘削に従事する作業員に対して施工・安全情報として提供したりこの地質状況の変化の評価レベルに応じた警報や警告をトンネル掘削に従事する作業員に向けて発したりすることで、トンネル切羽を含む地山の掘削作業での肌落ち災害を未然に防止することができる。

また、特許文献１の弾性波速度測定方法では、地山を伝播する弾性波速度を伝播距離と伝播時間の走時曲線から算出するため、切羽付近の弾性波速度を算出するためには、伝播距離を変えた複数回の発破を１台の地震計で測定することが必要で、測定のために、比較的長時間を要するが、この掘削面地質評価方法によると、地山を伝播する弾性波の周波数特性から切羽の地質状況を推定する手法に、空中を伝播する音波の周波数特性から切羽の地質状況を推定する手法を加えることで、切羽の地質状況の推定に対する精度の向上を図り、トンネル切羽を含む地山の掘削面で振動を発生させた直後の掘削面毎に掘削面の地質状況の変化を評価できるので、この点で、特許文献１の弾性波速度測定方法を大きく改良することができる。

また、この方法では、弾性波の受振計測に可搬型のジオフォン、音波の受振計測にマイクロフォン、弾性波、音波の記録にパソコン又は２チャンネルのステレオＩＣレコーダ、弾性波データ、音波データの解析に一般的な解析ソフトを搭載したパソコンなど、測定機材に簡易な汎用機材を使って弾性波、音波を測定し解析するので、掘削面の地質評価を確実かつ容易にしかも低コストに実施することができる。これにより、多くの土木技術者がトンネル坑内の切羽など土木工事における掘削面の地質評価を簡易に測定することができる。トンネル坑内で実施される従来の弾性波探査方法で、１回の発破を複数台の地震計で測定する手法があるが、この方法では、複数台の地震計をトンネル坑内に設置する必要があり、地震計の設置のために多くの時間を要し、測定では専門の業者により高価な多チャンネルのデータロガーを使って行われるため、コストが増大するが、この掘削面地質評価方法によると、掘削面の地質評価を簡便にしかも低コストに実施できるので、この点で、従来の弾性波探査方法を大幅に改善することができる。

さらに、この方法によれば、ジオフォン、マイクロフォン及びパソコン又はＩＣレコーダを掘削面の振源（発破点）から十分に離れた位置に設置できるので、測定作業自体は安全であり、測定機材の破損の可能性は極めて低い。

なお、この実施の形態では、トンネル坑内の切羽などの掘削面（振源）から同距離離れた後方所定の位置にジオフォン及びマイクロフォンを設置して、掘削面に発破などにより振動を発生させた際に地山を伝播する弾性波をジオフォンで、空中を伝播する音波をマイクロフォンで、同時に測定して、パソコンに記録するものとしたが、既述のとおり、地山を伝播する弾性波及び空中を伝播する音波をいずれもジオフォンのみで受振、計測してもよく、このようにしても、音波の測定精度がマイクロフォンに比べて若干劣後するが、上記実施の形態と概ね同様の作用効果を得ることができる。

また、この実施の形態では、トンネル切羽などの掘削面に振動を発生させるために、掘削面の振動源として発破を使用し、掘削面を発破により爆破したが、既述のとおり、掘削面の振動源としてブレーカ、ハンマを含む土木工事に用いる各種機器を使用し、掘削面をブレーカ、ハンマなどで打撃し、当該掘削面の打撃により発生する弾性波をジオフォンで受振、計測し、当該掘削面の打撃により発生する音波をマイクロフォンで受振、計測して、パソコンに記録するようにしてもよく、このようにしても上記実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

さらに、この実施の形態では、土木工事における掘削位置としてトンネル坑内の切羽を例示したが、トンネル切羽だけでなく、ダムや造成工事などの所謂明かり掘削工事においても本案による掘削面地質評価方法の適用が可能であり、この評価方法により掘削法面の岩盤性状や安定状況を定量的に把握することができる。また、この場合も、使用機材に汎用機材を使用することができ、安価であり、コストの低減に資することができる。

１ 地震計（ジオフォン）
２ マイクロフォン
３ 記録装置（パーソナルコンピュータ）

Claims (8)

1. トンネル坑内の切羽を含む土木工事における掘削面から所定の距離離れた所定の設置位置に地震計を設置するとともに、前記掘削面から前記地震計と等距離離れた所定の設置位置にマイクロフォンを設置して、前記地震計及び前記マイクロフォンに通信ケーブルを介して記録装置を接続し、
   前記掘削面で振動を発生させ、当該振動の際に発生し、前記掘削面と前記地震計の設置位置との間の地山を伝播する弾性波、及び前記掘削面と前記マイクロフォンの設置位置との間の空中を伝播する音波を、それぞれ、前記地震計及び前記マイクロフォンで受振、計測し、前記掘削面で前記振動の発生前から記録動作を開始させた前記記録装置に記録して、
   前記記録装置に記録された弾性波データ及び音波データから弾性波の周波数特性及び音波の周波数特性を算出し、
   前記弾性波の周波数特性及び前記音波の周波数特性に基づいて前記掘削面の地質状況を推定し評価する、
   ことを特徴とする掘削面地質評価方法。
2. 地震計に可搬型のジオフォンを採用し、前記ジオフォンを所定の設置位置にロックボルトを介して設置固定する請求項１に記載の掘削面地質評価方法。
3. 可搬型のジオフォンをマイクロフォンとしても代用し、前記ジオフォンを地震計とマイクロフォンとして使用する請求項２に記載の掘削面地質評価方法。
4. 記録装置に可搬型のパーソナルコンピュータ又はＩＣレコーダを採用する請求項１乃至３のいずれかに記載の掘削面地質評価方法。
5. パーソナルコンピュータに弾性波データ及び音波データを解析する解析ソフトを搭載し、解析装置として使用する請求項１乃至４のいずれかに記載の掘削面地質評価方法。
6. 掘削面の振動源として発破を使用し、前記掘削面に発破孔を設けて爆薬を装填し、爆薬を起爆させる請求項１乃至５のいずれかに記載の掘削面地質評価方法。
7. 掘削面の振動源としてブレーカ、ハンマを含む土木工事に用いる各種機器を使用し、前記掘削面をブレーカ、ハンマを含む前記各種機器で打撃する請求項１乃至５のいずれかに記載の掘削面地質評価方法。
8. 掘削面付近を含む土木工事の現場の適宜の位置に警報器を配備し、掘削面毎に前記警報器により掘削面の地質状況の評価に応じた警報を発する請求項１乃至７のいずれかに記載の掘削面地質評価方法。