JP3400746B2 - トンネル切羽前方探査方法 - Google Patents
トンネル切羽前方探査方法Info
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- JP3400746B2 JP3400746B2 JP15706499A JP15706499A JP3400746B2 JP 3400746 B2 JP3400746 B2 JP 3400746B2 JP 15706499 A JP15706499 A JP 15706499A JP 15706499 A JP15706499 A JP 15706499A JP 3400746 B2 JP3400746 B2 JP 3400746B2
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- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル掘削形成
時に掘削面である切羽の前方の未掘削地層の状態を電磁
波を利用して探査する、トンネル切羽前方探査方法に関
するものである。
時に掘削面である切羽の前方の未掘削地層の状態を電磁
波を利用して探査する、トンネル切羽前方探査方法に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】地山を掘削してトンネルを形成する場
合、円筒状の前胴前部にカッタヘッドを回転自在に設け
該カッタヘッドに地盤を破壊するディスクカッタを多数
取り付けて成るトンネルボーリングマシン（本明細書中
においてはＴＢＭと略称する）を用いるトンネル掘削方
法が公知である。ＴＢＭを用いたトンネル掘削方法は、
前胴の後部に連結されている後胴をメイングリッパで位
置保持した状態で、カッタヘッドを回転駆動させつつス
ラストシリンダによって前胴を後胴に対して前進させる
ことにより地盤を掘削し、トンネルの全断面を一括して
掘削している。この方法は、トンネル掘削の基本サイク
ルである、掘削、ズリだし、支保の作業を連続的に又は
一部において並行して行うことができるので高速掘進を
可能としている。
合、円筒状の前胴前部にカッタヘッドを回転自在に設け
該カッタヘッドに地盤を破壊するディスクカッタを多数
取り付けて成るトンネルボーリングマシン（本明細書中
においてはＴＢＭと略称する）を用いるトンネル掘削方
法が公知である。ＴＢＭを用いたトンネル掘削方法は、
前胴の後部に連結されている後胴をメイングリッパで位
置保持した状態で、カッタヘッドを回転駆動させつつス
ラストシリンダによって前胴を後胴に対して前進させる
ことにより地盤を掘削し、トンネルの全断面を一括して
掘削している。この方法は、トンネル掘削の基本サイク
ルである、掘削、ズリだし、支保の作業を連続的に又は
一部において並行して行うことができるので高速掘進を
可能としている。
【０００３】しかし、ＴＢＭは内部に巨大な動力装置を
有し、また、掘削したトンネル壁面からの岩石の崩落防
護のための屋根（シールド屋根）を有するため、ＴＢＭ
本体の重量は大きく、さらに、掘削したトンネル壁面と
ＴＢＭの外周部との間のスペースは極めて狭い。そこ
で、地山状態が悪く、切羽の押し出し、掘削後の岩石の
崩落などが生じる場合は、掘削に極めて難渋することに
なる。
有し、また、掘削したトンネル壁面からの岩石の崩落防
護のための屋根（シールド屋根）を有するため、ＴＢＭ
本体の重量は大きく、さらに、掘削したトンネル壁面と
ＴＢＭの外周部との間のスペースは極めて狭い。そこ
で、地山状態が悪く、切羽の押し出し、掘削後の岩石の
崩落などが生じる場合は、掘削に極めて難渋することに
なる。
【０００４】したがって、このようにして地山にトンネ
ルを形成していく場合、安全且つ確実な施工を行うため
には、掘削すべき前方の地盤中に、掘削作業に支障を来
すことになる可能性のある破砕帯や空洞があるか否かを
探査し、あるいは切羽面の崩壊状況を計測し、事前に異
常を検知して対策を行うことが必要となる。
ルを形成していく場合、安全且つ確実な施工を行うため
には、掘削すべき前方の地盤中に、掘削作業に支障を来
すことになる可能性のある破砕帯や空洞があるか否かを
探査し、あるいは切羽面の崩壊状況を計測し、事前に異
常を検知して対策を行うことが必要となる。
【０００５】このため、従来では、切羽前方を探査する
ため、トンネル壁面切羽での地質観察結果を基に予測を
行い、必要に応じて探りボーリングによる調査を行う方
法、弾性波を使用する方法、及びレーリー波を用いて探
査する方法が採用されてきている。さらに別の方法とし
て、電磁波を用いた地盤探査が、地中レーダとして、遺
跡調査や埋設管探査方面で使われており、この技術は土
木工事にも適用されている。
ため、トンネル壁面切羽での地質観察結果を基に予測を
行い、必要に応じて探りボーリングによる調査を行う方
法、弾性波を使用する方法、及びレーリー波を用いて探
査する方法が採用されてきている。さらに別の方法とし
て、電磁波を用いた地盤探査が、地中レーダとして、遺
跡調査や埋設管探査方面で使われており、この技術は土
木工事にも適用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来方法のう
ち、探りボーリングによる方法及び弾性波を使用する方
法は、いずれも実際に知りたい水や空洞の存在に敏感で
はなく、掘削前方の水や空洞の探査を的確に行うには不
向きであるし、レーリー波探査法は、受振器が設置され
た測線上の探査しかできないため、複数の受振器を必要
とするという別の問題点を有している。
ち、探りボーリングによる方法及び弾性波を使用する方
法は、いずれも実際に知りたい水や空洞の存在に敏感で
はなく、掘削前方の水や空洞の探査を的確に行うには不
向きであるし、レーリー波探査法は、受振器が設置され
た測線上の探査しかできないため、複数の受振器を必要
とするという別の問題点を有している。
【０００７】さらに、トンネル施工時には、弾性波を用
いたトンネル切羽前方探査調査の結果などを参考にはし
ているが、基本的には、弾性波は水の存在には敏感では
なく、前方の帯水層の検知には不適当である。このよう
な状態で掘削を実行し、破砕帯などに掘り進みＴＢＭの
進行が不可能になることがあり、この場合、工程に大き
な影響を与え、工費も増えることになる。
いたトンネル切羽前方探査調査の結果などを参考にはし
ているが、基本的には、弾性波は水の存在には敏感では
なく、前方の帯水層の検知には不適当である。このよう
な状態で掘削を実行し、破砕帯などに掘り進みＴＢＭの
進行が不可能になることがあり、この場合、工程に大き
な影響を与え、工費も増えることになる。
【０００８】これを解決するために、水に敏感な電磁波
を利用することが考えられる。この具体的な方法とし
て、掘削用のカッターを装着する面盤に電磁波のアンテ
ナを設置し、切羽前方における地山中での電磁波速度を
推定することによって切羽前方の地質や切羽面の形状を
探査しながら掘削を行う方法が考えられている。こうし
た試みは、シールドでは一部実験的になされているが、
実用機として成功を見ていないのが現状である。ＴＢＭ
では、設置方法や解析方法など提案された例がなく、新
たに考慮する必要がある。すなわち、電磁波レーダをＴ
ＢＭの面盤に設置して切羽前方近距離を調査する場合、
その設置方法や検出するターゲットなどにおいてシール
ドとは大きく異なり、電磁レーダによる反射データをど
のように解釈し、そのシステムをどのように施工で運用
するかが検討されていない。
を利用することが考えられる。この具体的な方法とし
て、掘削用のカッターを装着する面盤に電磁波のアンテ
ナを設置し、切羽前方における地山中での電磁波速度を
推定することによって切羽前方の地質や切羽面の形状を
探査しながら掘削を行う方法が考えられている。こうし
た試みは、シールドでは一部実験的になされているが、
実用機として成功を見ていないのが現状である。ＴＢＭ
では、設置方法や解析方法など提案された例がなく、新
たに考慮する必要がある。すなわち、電磁波レーダをＴ
ＢＭの面盤に設置して切羽前方近距離を調査する場合、
その設置方法や検出するターゲットなどにおいてシール
ドとは大きく異なり、電磁レーダによる反射データをど
のように解釈し、そのシステムをどのように施工で運用
するかが検討されていない。
【０００９】本発明の目的は、したがって、電磁レーダ
をＴＢＭの面盤に設置する等して切羽前方の地山の未掘
削地盤の状況を電磁波を用いて探査するためのトンネル
切羽前方探査方法を提供することにある。
をＴＢＭの面盤に設置する等して切羽前方の地山の未掘
削地盤の状況を電磁波を用いて探査するためのトンネル
切羽前方探査方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、ＴＢＭに設置された電磁レーダの送信ア
ンテナから発信した電磁波が地山内の反射面から反射し
て戻ってきた反射波を電磁レーダの受信アンテナで受信
して反射データを得ることができるようにしたシステム
を利用するものである。
め、本発明は、ＴＢＭに設置された電磁レーダの送信ア
ンテナから発信した電磁波が地山内の反射面から反射し
て戻ってきた反射波を電磁レーダの受信アンテナで受信
して反射データを得ることができるようにしたシステム
を利用するものである。
【００１１】請求項１の発明によれば、トンネル掘削形
成時に切羽前方の未掘削地層の状態を電磁レーダの反射
データを用いて探査するための方法であって、先進導坑
の掘削時に先進導坑の岩盤の比誘電率を得、本坑掘削時
に、破砕帯などの地質境界で区切られた領域内の地質状
態の連続性を仮定して前記先進導坑の岩盤の比誘電率に
基づいて現在の位置における岩盤の比誘電率を推定し、
この推定された比誘電率を用いて現在の位置における岩
盤内での電磁波速度を推定することを特徴とするトンネ
ルの切羽前方探査方法が提案される。
成時に切羽前方の未掘削地層の状態を電磁レーダの反射
データを用いて探査するための方法であって、先進導坑
の掘削時に先進導坑の岩盤の比誘電率を得、本坑掘削時
に、破砕帯などの地質境界で区切られた領域内の地質状
態の連続性を仮定して前記先進導坑の岩盤の比誘電率に
基づいて現在の位置における岩盤の比誘電率を推定し、
この推定された比誘電率を用いて現在の位置における岩
盤内での電磁波速度を推定することを特徴とするトンネ
ルの切羽前方探査方法が提案される。
【００１２】請求項２の発明によれば、トンネル掘削形
成時に切羽前方の未掘削地層の状態を電磁レーダの反射
データを用いて探査するための方法であって、先進導坑
の掘削時に掘削で得られた岩盤の一軸圧縮強度と比誘電
率との関係を得、地層内の地質状態の連続性を仮定し
て、本坑掘削時に、前記一軸圧縮強度と比誘電率との関
係を用いて現在の位置における岩盤の比誘電率を推定
し、この推定された比誘電率を用いて現在の位置におけ
る岩盤内での電磁波速度を推定することを特徴とするト
ンネルの切羽前方探査方法が提案される。
成時に切羽前方の未掘削地層の状態を電磁レーダの反射
データを用いて探査するための方法であって、先進導坑
の掘削時に掘削で得られた岩盤の一軸圧縮強度と比誘電
率との関係を得、地層内の地質状態の連続性を仮定し
て、本坑掘削時に、前記一軸圧縮強度と比誘電率との関
係を用いて現在の位置における岩盤の比誘電率を推定
し、この推定された比誘電率を用いて現在の位置におけ
る岩盤内での電磁波速度を推定することを特徴とするト
ンネルの切羽前方探査方法が提案される。
【００１３】
【００１４】請求項３の発明によれば、請求項１又は２
の発明において、推定された前記電磁波速度と、前記電
磁レーダから送出された電磁波の反射波到達時間とを基
に切羽前方の地層の境界の位置を特定することを特徴と
したトンネル切羽前方探査方法が提案される。
の発明において、推定された前記電磁波速度と、前記電
磁レーダから送出された電磁波の反射波到達時間とを基
に切羽前方の地層の境界の位置を特定することを特徴と
したトンネル切羽前方探査方法が提案される。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の方
法の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
法の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００２０】図１は、ＴＢＭによってトンネルの掘削を
行う場合に、その切羽前方未掘削地層の探査を本発明の
方法により探査するための探査システムの実施の形態の
一例を示す概略構成図である。
行う場合に、その切羽前方未掘削地層の探査を本発明の
方法により探査するための探査システムの実施の形態の
一例を示す概略構成図である。
【００２１】符号１は電磁レーダ装置であり、電磁レー
ダ装置１は、ＴＢＭ１００によって地山を掘削してトン
ネルを形成する場合において、掘削面である切羽前方の
未掘削地盤の電磁波反射面を把握するために用いられる
ものである。
ダ装置１は、ＴＢＭ１００によって地山を掘削してトン
ネルを形成する場合において、掘削面である切羽前方の
未掘削地盤の電磁波反射面を把握するために用いられる
ものである。
【００２２】ＴＢＭ１００のカッタフェース１０１の面
盤１０２に設けられた凹部１０３内には電磁レーダ装置
１のアンテナ装置２が収納されており、アンテナ装置２
は、伝送ケーブル３を介してレーダ探査表示器４と電気
的に接続されている。伝送ケーブル３によって接続され
ているアンテナ装置２とレーダ探査表示器４とによって
公知の電磁レーダ装置１が構成されている。ここで、符
号３Ａで示されているのはケーブル接続用のコネクタで
ある。
盤１０２に設けられた凹部１０３内には電磁レーダ装置
１のアンテナ装置２が収納されており、アンテナ装置２
は、伝送ケーブル３を介してレーダ探査表示器４と電気
的に接続されている。伝送ケーブル３によって接続され
ているアンテナ装置２とレーダ探査表示器４とによって
公知の電磁レーダ装置１が構成されている。ここで、符
号３Ａで示されているのはケーブル接続用のコネクタで
ある。
【００２３】アンテナ装置２は、後述するように、送信
・受信アンテナ素子２１を含んでおり、レーダ探査表示
器４から送られてくる電磁波を送信アンテナ素子２１Ａ
から切羽前方の探査すべき未掘削の地盤に向けて発射
し、地盤内で反射されて戻ってきた電磁波は受信アンテ
ナ素子２１Ｂで受信され、反射波の有している反射デー
タがレーダ探査表示器４に入力される。
・受信アンテナ素子２１を含んでおり、レーダ探査表示
器４から送られてくる電磁波を送信アンテナ素子２１Ａ
から切羽前方の探査すべき未掘削の地盤に向けて発射
し、地盤内で反射されて戻ってきた電磁波は受信アンテ
ナ素子２１Ｂで受信され、反射波の有している反射デー
タがレーダ探査表示器４に入力される。
【００２４】上述の如く構成された電磁レーダ装置１に
よって得られた反射波のデータを解析し、切羽前方の電
磁波の反射面を捉えるため、電磁レーダ装置１で取得さ
れたデータは一旦ＤＡＴテープレコーダ５に記録された
後、ＧＰＩＢユニット６を介してパーソナルコンピュー
タ７に入力される。ＧＰＩＢユニット６からのデータは
パーソナルコンピュータ７にセットされているＧＰＩＢ
ボード８を介してパーソナルコンピュータ７内に取り込
まれ、ここで後述する所定のデータ処理が施され、これ
により得られた処理結果に基づく探査結果を表示部９上
に所定の表示形態で表示することができる。パーソナル
コンピータ７にはマウスやテンキー入力装置（図示せ
ず）が設けられており、これらの入力装置により必要な
解析用パラメータをパーソナルコンピュータ７に入力す
ることができる。
よって得られた反射波のデータを解析し、切羽前方の電
磁波の反射面を捉えるため、電磁レーダ装置１で取得さ
れたデータは一旦ＤＡＴテープレコーダ５に記録された
後、ＧＰＩＢユニット６を介してパーソナルコンピュー
タ７に入力される。ＧＰＩＢユニット６からのデータは
パーソナルコンピュータ７にセットされているＧＰＩＢ
ボード８を介してパーソナルコンピュータ７内に取り込
まれ、ここで後述する所定のデータ処理が施され、これ
により得られた処理結果に基づく探査結果を表示部９上
に所定の表示形態で表示することができる。パーソナル
コンピータ７にはマウスやテンキー入力装置（図示せ
ず）が設けられており、これらの入力装置により必要な
解析用パラメータをパーソナルコンピュータ７に入力す
ることができる。
【００２５】図２には、図１に示した電磁レーダ装置１
を用いて、ＴＢＭ１００による切羽前方の未掘削地盤内
の次の反射面を検出するための方法を説明するための図
が示されている。図２において、１１０はＴＢＭ１００
によって掘削された本坑、１２０はＴＢＭ１００の切羽
前方の未掘削地盤内にある、電気的状態が変化する境界
面である。この境界面１２０の前方の地盤１２０Ａでは
比誘電率がεa であり、境界面１２０の後方の地盤１２
０Ｂでは比誘電率がεb （≠εa ）であるとする。した
がって、面盤１０２に取り付けられたアンテナ装置２か
ら切羽前方に向けて輻射されるパルス状の送信電磁波Ｗ
Ｔは境界面１２０における電気的性質の変化、すなわち
比誘電率の変化、によりその一部が境界面１２０で反射
係数Ｒによって反射し、その反射電磁波ＷＲがアンテナ
装置２に戻ってくる。ここで、反射係数Ｒは、下式で示
される。
を用いて、ＴＢＭ１００による切羽前方の未掘削地盤内
の次の反射面を検出するための方法を説明するための図
が示されている。図２において、１１０はＴＢＭ１００
によって掘削された本坑、１２０はＴＢＭ１００の切羽
前方の未掘削地盤内にある、電気的状態が変化する境界
面である。この境界面１２０の前方の地盤１２０Ａでは
比誘電率がεa であり、境界面１２０の後方の地盤１２
０Ｂでは比誘電率がεb （≠εa ）であるとする。した
がって、面盤１０２に取り付けられたアンテナ装置２か
ら切羽前方に向けて輻射されるパルス状の送信電磁波Ｗ
Ｔは境界面１２０における電気的性質の変化、すなわち
比誘電率の変化、によりその一部が境界面１２０で反射
係数Ｒによって反射し、その反射電磁波ＷＲがアンテナ
装置２に戻ってくる。ここで、反射係数Ｒは、下式で示
される。
【００２６】反射電磁波ＷＲの地盤１２０Ａ内における
電磁波速度Ｖｔは、光速度をｃとすれば Ｖｔ＝ｃ／εa 1/2 ・・・（１） で示される。
電磁波速度Ｖｔは、光速度をｃとすれば Ｖｔ＝ｃ／εa 1/2 ・・・（１） で示される。
【００２７】したがって、アンテナ装置２から境界面１
２０へ向かう法線ＸＢに沿って電磁波が往復した場合そ
の往復時間をＴとすると、この法線ＸＢに沿うアンテナ
装置２と境界面１２０との間の距離Ｌｔは、 Ｌｔ＝Ｔ・Ｖｔ／２ ・・・（２） で示される。
２０へ向かう法線ＸＢに沿って電磁波が往復した場合そ
の往復時間をＴとすると、この法線ＸＢに沿うアンテナ
装置２と境界面１２０との間の距離Ｌｔは、 Ｌｔ＝Ｔ・Ｖｔ／２ ・・・（２） で示される。
【００２８】一般的には、ＴＢＭ１００によって掘削さ
れた本坑１１０のトンネル軸ＸＡと境界面１２０とは垂
直に交わっていない。境界面１２０へ向かう法線ＸＢと
トンネル軸ＸＡとがなす角度をθとすると、トンネル軸
ＸＡに沿ったアンテナ装置２から境界面１２０までの距
離Ｌは、 Ｌ＝Ｌｔ／ｃｏｓθ ・・・（３） となる。
れた本坑１１０のトンネル軸ＸＡと境界面１２０とは垂
直に交わっていない。境界面１２０へ向かう法線ＸＢと
トンネル軸ＸＡとがなす角度をθとすると、トンネル軸
ＸＡに沿ったアンテナ装置２から境界面１２０までの距
離Ｌは、 Ｌ＝Ｌｔ／ｃｏｓθ ・・・（３） となる。
【００２９】したがって、図３に示されるように、送信
電磁波ＷＴをＴ＝０で発射した場合、反射電磁波ＷＲが
戻ってくるまでの時間Ｔ１を測定することにより切羽面
にあるアンテナ装置２から境界面１１０までの法線ＸＢ
に沿う距離Ｌｔを推測することが可能である。
電磁波ＷＴをＴ＝０で発射した場合、反射電磁波ＷＲが
戻ってくるまでの時間Ｔ１を測定することにより切羽面
にあるアンテナ装置２から境界面１１０までの法線ＸＢ
に沿う距離Ｌｔを推測することが可能である。
【００３０】すなわち、電磁波往復伝播時間Ｔ１の半分
に電磁波速度Ｖを乗じることにより境界面１２０までの
法線の長さを求めることができる。
に電磁波速度Ｖを乗じることにより境界面１２０までの
法線の長さを求めることができる。
【００３１】次に、ＴＢＭ１００の切羽前方の未掘削地
盤の比誘電率の決定方法について説明する。
盤の比誘電率の決定方法について説明する。
【００３２】図４に示すように、ＴＢＭ１００で本坑１
１０を掘削するのに先立って、事前調査及び災害時にお
ける本坑１１０からの避難坑を確保の目的で、先進導坑
１１５が本坑１１０と平行するように掘削される。先進
導坑１１５はこのように本坑１１０と比較的接近して平
行に掘削されるので、地質状態の連続性を仮定すること
により、先進導坑１１５の掘削時に得られた施工上重要
な地質情報を本坑１１０のそれへと外挿することが可能
となり、この結果本坑１１０での現在位置における岩盤
の比誘電率が推定可能となる。
１０を掘削するのに先立って、事前調査及び災害時にお
ける本坑１１０からの避難坑を確保の目的で、先進導坑
１１５が本坑１１０と平行するように掘削される。先進
導坑１１５はこのように本坑１１０と比較的接近して平
行に掘削されるので、地質状態の連続性を仮定すること
により、先進導坑１１５の掘削時に得られた施工上重要
な地質情報を本坑１１０のそれへと外挿することが可能
となり、この結果本坑１１０での現在位置における岩盤
の比誘電率が推定可能となる。
【００３３】図４は、平行に掘削された本坑１１０と先
進導坑１１５とに対し、地層Ｌ１、Ｌ２が図示の如く分
布している場合の、本坑１１０での現在位置における岩
盤の比誘電率の推定方法を説明するための図である。地
層Ｌ１、Ｌ２のそれぞれについては地質状態の連続性が
あると仮定できる。したがって、先進導坑１１５の掘削
により地層Ｌ１、Ｌ２の比誘電率がそれぞれεｉ、ε
（ｉ＋１）とすると、この場合、本坑１１０の切羽１１
０Ａの比誘電率はεｉであると推定でき、地層Ｌ１とＬ
２との境界面Ｂ１を境にして電気的状態が変化し、比誘
電率がεｉからε（ｉ＋１）へ変化すると推定できる。
したがって、ＴＢＭ１００の電磁レーダ装置１からの電
磁波は境界面Ｂ１にて反射波を生じ、この反射波を受信
することにより上述の如くしてＴＢＭ１００から境界面
Ｂ１までの距離を計算することができる。
進導坑１１５とに対し、地層Ｌ１、Ｌ２が図示の如く分
布している場合の、本坑１１０での現在位置における岩
盤の比誘電率の推定方法を説明するための図である。地
層Ｌ１、Ｌ２のそれぞれについては地質状態の連続性が
あると仮定できる。したがって、先進導坑１１５の掘削
により地層Ｌ１、Ｌ２の比誘電率がそれぞれεｉ、ε
（ｉ＋１）とすると、この場合、本坑１１０の切羽１１
０Ａの比誘電率はεｉであると推定でき、地層Ｌ１とＬ
２との境界面Ｂ１を境にして電気的状態が変化し、比誘
電率がεｉからε（ｉ＋１）へ変化すると推定できる。
したがって、ＴＢＭ１００の電磁レーダ装置１からの電
磁波は境界面Ｂ１にて反射波を生じ、この反射波を受信
することにより上述の如くしてＴＢＭ１００から境界面
Ｂ１までの距離を計算することができる。
【００３４】図４に示した状態において、先進導坑１１
５で一軸圧縮強度と比誘電率との間の関係が予め求めら
れている場合は、この関係に基づいて本坑１１０の比誘
電率を推定することができる。
５で一軸圧縮強度と比誘電率との間の関係が予め求めら
れている場合は、この関係に基づいて本坑１１０の比誘
電率を推定することができる。
【００３５】図５には、先進導坑１１５で求められた一
軸圧縮強度と比誘電率との間の関係を示すグラフが示さ
れている。この場合、比誘電率は一軸圧縮強度が増大す
ると所定の率で比誘電率が減少するという関係が成立し
ており、地質状態の連続性を仮定することにより、本坑
１１０における比誘電率を図５に示すグラフから推定す
ることができる。
軸圧縮強度と比誘電率との間の関係を示すグラフが示さ
れている。この場合、比誘電率は一軸圧縮強度が増大す
ると所定の率で比誘電率が減少するという関係が成立し
ており、地質状態の連続性を仮定することにより、本坑
１１０における比誘電率を図５に示すグラフから推定す
ることができる。
【００３６】また、図６に示すように、ＴＢＭ機械デー
タと比誘電率との間の関係を予め求めておき、図５に示
した一軸圧縮強度と比誘電率との間の関係に代えて、こ
のＴＢＭ機械データと比誘電率との間の関係から比誘電
率を推定することも可能である。なお、ＴＢＭ機械デー
タは、例えば、スラスト推力や回転トルクなどから推定
した岩盤評価デー等とすることができる。
タと比誘電率との間の関係を予め求めておき、図５に示
した一軸圧縮強度と比誘電率との間の関係に代えて、こ
のＴＢＭ機械データと比誘電率との間の関係から比誘電
率を推定することも可能である。なお、ＴＢＭ機械デー
タは、例えば、スラスト推力や回転トルクなどから推定
した岩盤評価デー等とすることができる。
【００３７】なお、上記では、いずれも先進導坑１１５
の掘削時に得られたデータを利用して本坑１１０におけ
る所要の比誘電率を推定する方法について説明したが、
本坑１１０の比誘電率の確定方法はこれに限定されるも
のではない。例えば、本坑１１０の掘削時に図５又は図
６に示したようなデータが得られている場合にはそのよ
うなデータを利用して本坑１１０の比誘電率を推定する
ことができる。
の掘削時に得られたデータを利用して本坑１１０におけ
る所要の比誘電率を推定する方法について説明したが、
本坑１１０の比誘電率の確定方法はこれに限定されるも
のではない。例えば、本坑１１０の掘削時に図５又は図
６に示したようなデータが得られている場合にはそのよ
うなデータを利用して本坑１１０の比誘電率を推定する
ことができる。
【００３８】次に、図１に示した電磁レーダ装置１を用
い、ＴＢＭ１００の切羽前方にある電気的状態が変化す
る境界（電磁的反射面）Ｂ１を検出し、このとき得られ
た反射電磁波のデータを用いて切羽前方の岩盤状態を評
価するようにした切羽前方探査方法について説明する。
い、ＴＢＭ１００の切羽前方にある電気的状態が変化す
る境界（電磁的反射面）Ｂ１を検出し、このとき得られ
た反射電磁波のデータを用いて切羽前方の岩盤状態を評
価するようにした切羽前方探査方法について説明する。
【００３９】図７を参照すると、同図（Ａ）に示される
ように、ＴＢＭ１００の切羽前方に地層の境界Ｂ１があ
ると、ＴＢＭ１００に設けられた電磁レーダ装置１から
の電磁波は境界Ｂ１で反射して電磁レーダ装置１に戻
る。このときのＴＢＭ１００の面盤１０２の位置Ｐと、
電磁波を送信してから反射波が戻ってくるまでの戻り時
間Ｔと、その反射波の振幅Ａの各値を記録する。
ように、ＴＢＭ１００の切羽前方に地層の境界Ｂ１があ
ると、ＴＢＭ１００に設けられた電磁レーダ装置１から
の電磁波は境界Ｂ１で反射して電磁レーダ装置１に戻
る。このときのＴＢＭ１００の面盤１０２の位置Ｐと、
電磁波を送信してから反射波が戻ってくるまでの戻り時
間Ｔと、その反射波の振幅Ａの各値を記録する。
【００４０】図７に示した例では、ＴＢＭ１００が境界
Ｂ１に向けて進行している場合に、面盤の位置ＰがＰ
１、Ｐ２、Ｐ３の各位置において戻り時間ＴがＴ１、Ｔ
２、Ｔ３であり振幅ＡがＡ１、Ａ２、Ａ３である状態
が、同図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示されている。
Ｂ１に向けて進行している場合に、面盤の位置ＰがＰ
１、Ｐ２、Ｐ３の各位置において戻り時間ＴがＴ１、Ｔ
２、Ｔ３であり振幅ＡがＡ１、Ａ２、Ａ３である状態
が、同図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示されている。
【００４１】このようにして得られたデータからこのと
きの岩盤中の電磁波速度Ｖを次のようにして求めること
ができる。 Ｖ＝２（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｔ１−Ｔ２） また、、面盤１０２の位置がＰ１、Ｐ２、Ｐ３のときの
面盤１０２から境界Ｂ１までの距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３
は、 Ｄ１＝Ｖ・Ｔ１／２ Ｄ２＝Ｖ・Ｔ２／２ Ｄ３＝Ｖ・Ｔ３／２ で求めることができる。
きの岩盤中の電磁波速度Ｖを次のようにして求めること
ができる。 Ｖ＝２（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｔ１−Ｔ２） また、、面盤１０２の位置がＰ１、Ｐ２、Ｐ３のときの
面盤１０２から境界Ｂ１までの距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３
は、 Ｄ１＝Ｖ・Ｔ１／２ Ｄ２＝Ｖ・Ｔ２／２ Ｄ３＝Ｖ・Ｔ３／２ で求めることができる。
【００４２】距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３における反射電磁波
の振幅はそれぞれＡ１，Ａ２，Ａ３であるから、面盤１
０２から境界Ｂ１までの距離Ｄと振幅Ａとの間の関係
は、図８に示すようになる。このグラフから振幅Ａの距
離減衰における岩盤の電磁波減衰係数が図８の直線Ｍの
傾き−ｐとして求められる。
の振幅はそれぞれＡ１，Ａ２，Ａ３であるから、面盤１
０２から境界Ｂ１までの距離Ｄと振幅Ａとの間の関係
は、図８に示すようになる。このグラフから振幅Ａの距
離減衰における岩盤の電磁波減衰係数が図８の直線Ｍの
傾き−ｐとして求められる。
【００４３】ところで、図７に示すような計測を行った
場合の観測波である反射電磁波の面盤１０２における振
幅Ａは で示される。ここで、Ａ0 は送信電磁波の振幅、Ｒは境
界Ｂ１での反射係数、Ｄは面盤１０２から境界Ｂ１まで
の距離、ωは電磁波の角周波数、ｋは波数、ｚは距離、
ｐは振幅の距離減衰における岩盤の電磁波減衰係数であ
る。
場合の観測波である反射電磁波の面盤１０２における振
幅Ａは で示される。ここで、Ａ0 は送信電磁波の振幅、Ｒは境
界Ｂ１での反射係数、Ｄは面盤１０２から境界Ｂ１まで
の距離、ωは電磁波の角周波数、ｋは波数、ｚは距離、
ｐは振幅の距離減衰における岩盤の電磁波減衰係数であ
る。
【００４４】以上の説明から明らかなように、図７に示
した測定を行うことにより、距離Ｄと電磁波反射係数ｐ
が得られるので、得られた振幅Ａの距離減衰の補正が可
能であり、境界（反射面）Ｂ１の様子を推測することが
できる。換言すれば、反射係数Ｒの大きさが判るので、
反射係数Ｒの大きさで帯水層の存在を推定することが可
能となる。水分を多く含むほど比誘電率は大きくなり、
その境界での反射係数が大きくなるからである。
した測定を行うことにより、距離Ｄと電磁波反射係数ｐ
が得られるので、得られた振幅Ａの距離減衰の補正が可
能であり、境界（反射面）Ｂ１の様子を推測することが
できる。換言すれば、反射係数Ｒの大きさが判るので、
反射係数Ｒの大きさで帯水層の存在を推定することが可
能となる。水分を多く含むほど比誘電率は大きくなり、
その境界での反射係数が大きくなるからである。
【００４５】この結果、図９に示すように、横軸に切羽
の岩盤状況をとり、縦軸に振幅Ａの値をとることによ
り、境界Ｂ１の前後での岩盤の状態の変化の度合いを例
えばレベル１、レベル２、レベル３の３段階に分け、切
羽前方の破砕帯などの層を評価することができる。図９
から、例えば、切羽の岩盤状況が良好な場合には、振幅
Ａが大きくても境界Ｂ１における岩盤状況の変化が小さ
く、不良程度のレベルは低いと判断することができる。
一方、切羽の岩盤状況が不良の場合には、振幅Ａが小さ
くても境界Ｂ１における岩盤状態の変化が大きく、不良
程度のレベルは高いと判断することができる。
の岩盤状況をとり、縦軸に振幅Ａの値をとることによ
り、境界Ｂ１の前後での岩盤の状態の変化の度合いを例
えばレベル１、レベル２、レベル３の３段階に分け、切
羽前方の破砕帯などの層を評価することができる。図９
から、例えば、切羽の岩盤状況が良好な場合には、振幅
Ａが大きくても境界Ｂ１における岩盤状況の変化が小さ
く、不良程度のレベルは低いと判断することができる。
一方、切羽の岩盤状況が不良の場合には、振幅Ａが小さ
くても境界Ｂ１における岩盤状態の変化が大きく、不良
程度のレベルは高いと判断することができる。
【００４６】図１０には、本発明により切羽前方の岩盤
状況を推定するための方法の一実施形態がフローチャー
トにて示されている。
状況を推定するための方法の一実施形態がフローチャー
トにて示されている。
【００４７】ステップＳ１でＴＢＭ１００の切羽前方の
境界Ｂ１を捉える。この処理は図２に基づいて説明した
方法を用いて行うことができる。
境界Ｂ１を捉える。この処理は図２に基づいて説明した
方法を用いて行うことができる。
【００４８】ステップＳ２では、ＴＢＭ１００による掘
進に伴う境界Ｂ１からの反射電磁波を受信し、その岩盤
中での電磁波速度を推定する。この処理は図７に基づい
て説明した方法を用いることができる。
進に伴う境界Ｂ１からの反射電磁波を受信し、その岩盤
中での電磁波速度を推定する。この処理は図７に基づい
て説明した方法を用いることができる。
【００４９】電磁波速度は、また、岩盤の比誘電率から
計算することができる。この方法は、図４〜図６に基づ
いて説明した。ステップＳ３では、岩盤の比誘電率から
電磁波速度を計算し、ステップＳ２で得られた電磁波速
度のキャリブレーションを行う。
計算することができる。この方法は、図４〜図６に基づ
いて説明した。ステップＳ３では、岩盤の比誘電率から
電磁波速度を計算し、ステップＳ２で得られた電磁波速
度のキャリブレーションを行う。
【００５０】次のステップＳ４では、ＴＢＭ１００によ
る掘進に伴う反射電磁波の振幅の変化から、電磁波振幅
減衰係数を推定する。この処理は図７及び図８に基づい
て説明した方法を用いて行う。
る掘進に伴う反射電磁波の振幅の変化から、電磁波振幅
減衰係数を推定する。この処理は図７及び図８に基づい
て説明した方法を用いて行う。
【００５１】そして、ステップＳ５において、反射電磁
波の振幅をステップＳ４で得られた電磁波振幅減衰係数
を用いて補正し、補正された振幅と切羽の岩盤状況とか
ら境界Ｂ１における岩盤の不良程度を推定する。この岩
盤の不良程度の推定は、図９に基づいて説明した通りで
ある。
波の振幅をステップＳ４で得られた電磁波振幅減衰係数
を用いて補正し、補正された振幅と切羽の岩盤状況とか
ら境界Ｂ１における岩盤の不良程度を推定する。この岩
盤の不良程度の推定は、図９に基づいて説明した通りで
ある。
【００５２】電磁レーダ装置１で得られた反射波データ
を用い、上述の如く解釈することにより切羽前方の岩盤
の状態を推定することができるので、ＴＢＭによるトン
ネル掘削を行う場合事前の対策を充分にとることがで
き、極めて効率よくトンネルの掘削を行うことができ
る。また、電磁波を用いるので水の存在に敏感であり、
帯水層も確実に検知できる。
を用い、上述の如く解釈することにより切羽前方の岩盤
の状態を推定することができるので、ＴＢＭによるトン
ネル掘削を行う場合事前の対策を充分にとることがで
き、極めて効率よくトンネルの掘削を行うことができ
る。また、電磁波を用いるので水の存在に敏感であり、
帯水層も確実に検知できる。
【００５３】
【発明の効果】本発明によれば、切羽前方の岩盤の比誘
電率又は電磁波速度を、地層内の地質状態の均一性又は
連続性の仮定により推定するので、極めて容易且つ高精
度の比誘電率又は電磁波速度の推定が可能であり、ＴＢ
Ｍによるトンネル掘削時の地盤改良の必要性などの問題
点を事前に把握する切羽前方探査を確実に行うことがで
き、掘削の安全性向上及び急速施工に役立つ。また、こ
のようにして比誘電率又は電磁波速度を推定することに
より、切羽前方の境界面（反射面）を容易に特定するこ
とができ、ＴＢＭによるトンネル掘削時の切羽前方探査
を確実に行うことができ、掘削の安全性向上及び急速施
工に役立つ。
電率又は電磁波速度を、地層内の地質状態の均一性又は
連続性の仮定により推定するので、極めて容易且つ高精
度の比誘電率又は電磁波速度の推定が可能であり、ＴＢ
Ｍによるトンネル掘削時の地盤改良の必要性などの問題
点を事前に把握する切羽前方探査を確実に行うことがで
き、掘削の安全性向上及び急速施工に役立つ。また、こ
のようにして比誘電率又は電磁波速度を推定することに
より、切羽前方の境界面（反射面）を容易に特定するこ
とができ、ＴＢＭによるトンネル掘削時の切羽前方探査
を確実に行うことができ、掘削の安全性向上及び急速施
工に役立つ。
【図１】本発明の方法により切羽前方の探査を行うため
の探査システムの実施の形態の一例を示す概略構成図。
の探査システムの実施の形態の一例を示す概略構成図。
【図２】図１のシステムを用いて切羽前方未掘削地盤内
の反射面を検出するための方法を説明するための説明
図。
の反射面を検出するための方法を説明するための説明
図。
【図３】図２に示した反射電磁波の波形の一例を示す波
形図。
形図。
【図４】ＴＢＭの切羽前方の未掘削地盤の比誘電率の本
発明による決定方法の一実施形態を説明するための説明
図。
発明による決定方法の一実施形態を説明するための説明
図。
【図５】図４に示す先進導坑での一軸圧縮強度と比誘電
率との関係を示すグラフ。
率との関係を示すグラフ。
【図６】図４に示す先進導坑でのＴＢＭデータと比誘電
率との関係を示すグラフ。
率との関係を示すグラフ。
【図７】反射電磁波のデータを用いて切羽前方の岩盤状
態を評価するための本発明による切羽前方探査方法の一
実施形態を説明するための説明図。
態を評価するための本発明による切羽前方探査方法の一
実施形態を説明するための説明図。
【図８】図７に示す方法で得られた反射波データを用い
て岩盤の電磁波減衰係数を求めるためのグラフ。
て岩盤の電磁波減衰係数を求めるためのグラフ。
【図９】岩盤内の電磁波反射面の前例での不良状態を判
断するための本発明による方法の一実施形態を説明する
ためのグラフ。
断するための本発明による方法の一実施形態を説明する
ためのグラフ。
【図１０】本発明による切羽前方の岩盤状況の推定方法
の一実施形態を説明するためのフローチャート。
の一実施形態を説明するためのフローチャート。
１ 電磁レーダ装置
２ アンテナ装置
４ レーダ探査表示器
２１ 送信・受信アンテナ素子
２１Ａ 送信アンテナ素子
２１Ｂ 受信アンテナ素子
１００ ＴＢＭ
１０２ 面盤
１１０ 本坑
１１５ 先進導坑
１２０ 境界面
Ｂ１ 境界面
Ｌ１、Ｌ２ 地層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平８−122279（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−216999（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−259947（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−158681（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−2184（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−131971（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−23535（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 22/00 - 22/04
G01V 3/00 - 3/40
E21D 9/00 - 9/14
Claims (3)
- 【請求項１】 トンネル掘削形成時に切羽前方の未掘削
地層の状態を電磁レーダの反射データを用いて探査する
ための方法であって、先進導坑の掘削時に先進導坑の岩
盤の比誘電率を得、本坑掘削時に、破砕帯などの地質境
界で区切られた領域内の地質状態の連続性を仮定して前
記先進導坑の岩盤の比誘電率に基づいて現在の位置にお
ける岩盤の比誘電率を推定し、この推定された比誘電率
を用いて現在の位置における岩盤内での電磁波速度を推
定することを特徴とするトンネルの切羽前方探査方法。 - 【請求項２】 トンネル掘削形成時に切羽前方の未掘削
地層の状態を電磁レーダの反射データを用いて探査する
ための方法であって、先進導坑の掘削時に掘削で得られ
た岩盤の一軸圧縮強度と比誘電率との関係を得、地層内
の地質状態の連続性を仮定して、本坑掘削時に、前記一
軸圧縮強度と比誘電率との関係を用いて現在の位置にお
ける岩盤の比誘電率を推定し、この推定された比誘電率
を用いて現在の位置における岩盤内での電磁波速度を推
定することを特徴とするトンネルの切羽前方探査方法。 - 【請求項３】 推定された前記電磁波速度と、前記電磁
レーダから送出された電磁波の反射波到達時間とを基に
切羽前方の地層の境界の位置を特定することを特徴とし
た請求項１又は２記載のトンネル切羽前方探査方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15706499A JP3400746B2 (ja) | 1999-06-03 | 1999-06-03 | トンネル切羽前方探査方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15706499A JP3400746B2 (ja) | 1999-06-03 | 1999-06-03 | トンネル切羽前方探査方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000346956A JP2000346956A (ja) | 2000-12-15 |
| JP3400746B2 true JP3400746B2 (ja) | 2003-04-28 |
Family
ID=15641438
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15706499A Expired - Fee Related JP3400746B2 (ja) | 1999-06-03 | 1999-06-03 | トンネル切羽前方探査方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3400746B2 (ja) |
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| CN103076635B (zh) * | 2013-01-07 | 2013-12-04 | 山东大学 | Tbm施工隧道前向三维激发极化法超前探测装置系统及方法 |
| CN105068128B (zh) * | 2015-07-30 | 2017-07-04 | 山东大学 | 土压平衡盾构搭载的三维激电法超前预报系统及探测方法 |
| CN109408890A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-03-01 | 清华大学 | 基于tbm稳定器工作参数的隧道围岩变异性评价方法及系统 |
| CN109856684B (zh) * | 2019-01-08 | 2023-12-19 | 中铁西南科学研究院有限公司 | 一种隧道衬砌无损检测台车 |
| KR102194811B1 (ko) * | 2019-05-13 | 2020-12-23 | 한국생산기술연구원 | Tbm 및 암반 절삭공구의 복합지반 절삭성능 시험방법 |
| CN111077520B (zh) * | 2019-12-20 | 2022-03-01 | 中铁五局集团第一工程有限责任公司 | 一种隧道衬砌物联网检测装置 |
| CN113050085A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-06-29 | 北京市水利规划设计研究院 | 一种超前地质预报的方法 |
| CN118465758B (zh) * | 2024-07-11 | 2024-09-17 | 武汉邢仪新未来电力科技股份有限公司 | 基于有限空间气体安全检测仪的自定位巡检系统和方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61216999A (ja) * | 1985-03-22 | 1986-09-26 | 東急建設株式会社 | 岩盤の安定処理方法 |
| JP3309242B2 (ja) * | 1994-10-21 | 2002-07-29 | 飛島建設株式会社 | 地中の比誘電率測定方法及び地質測定方法並びに位置測定方法 |
| JPH08259947A (ja) * | 1995-03-27 | 1996-10-08 | Ohbayashi Corp | 発生土の再利用方法 |
| JP3135207B2 (ja) * | 1995-12-07 | 2001-02-13 | 株式会社大林組 | トンネル掘進機の施工管理システム |
| JP3841483B2 (ja) * | 1996-06-18 | 2006-11-01 | 大成建設株式会社 | トンネル切羽前方地質探査方法及びシステム |
| JPH10131971A (ja) * | 1996-10-29 | 1998-05-22 | Toshiba Corp | ボールベアリング |
| JP3204927B2 (ja) * | 1997-06-27 | 2001-09-04 | 戸田建設株式会社 | 電磁探査方法および電磁探査システム |
-
1999
- 1999-06-03 JP JP15706499A patent/JP3400746B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2000346956A (ja) | 2000-12-15 |
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