JP3583961B2 - 切羽前方探査装置および記録媒体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、トモグラフィ解析による3次元切羽前方探査装置および記録媒体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、トンネルの掘削を行う場合、トンネルの掘削作業の安全確保に支障を与えるような断層・破砕帯ような岩盤等の位置を推定する必要があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の探査方式においては、前方探査を実施するためには、切羽の掘削作業を停止させるか、あるいは切羽の進行が停止している時に探査を行わなければならず、トンネルの掘削工程に影響を与えるという問題があった。
【0004】
また、前方探査での探査対象となる断層・破砕帯を2次元的にしか評価できなかった。
【0005】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、切羽掘削に支障を与えることなく、切羽前方の地質構造の3次元的評価を可能にする切羽前方探査装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、第1の発明は、切羽前方を探査する装置であって、トンネルに設けられる複数の受振点および発振点と、トモグラフィ解析により算出した前記発振点と前記受振点間の地盤の速度分布を用いて、切羽前方に仮定された複数の格子点に対して、前記発振点から前記格子点で反射され前記受振点までの理論的伝送時間を算出する手段と、前記格子点毎に、該格子点を介する複数の前記受振点で測定された波形に対して、前記理論的伝送時間だけシフトさせ、これらの波形を足し合わせる手段と、足し合わせた波形の振幅に基づいて、前記振幅が正の値でその絶対値が大きい格子点を堅岩部として、地質を推定する手段と、を具備することを特徴とする切羽前方探査装置である。
【0007】
また、第2の発明は、切羽前方を探査する装置であって、トンネルに設けられる複数の受振点および発振点と、トモグラフィ解析により算出した前記発振点と前記受振点間の地盤の速度分布を用いて、切羽前方に仮定された複数の格子点に対して、前記発振点から前記格子点で反射され前記受振点までの理論的伝送時間を算出する手段と、前記格子点毎に、該格子点を介する複数の前記受振点で測定された波形に対して、前記理論的伝送時間だけシフトさせ、これらの波形を足し合わせる手段と、足し合わせた波形の振幅に基づいて、前記振幅が負の値でその絶対値が大きい格子点を弱層部として、地質を推定する手段と、を具備することを特徴とする切羽前方探査装置である。
第3の発明は、コンピュータを第1の発明又は第2の発明の切羽前方探査装置として機能させるプログラムである。
第4の発明は、コンピュータを第1の発明又は第2の発明の切羽前方探査装置として機能させるプログラムを記録した記録媒体である。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態に係る切羽前方探査装置は、複数の受振器がトンネル壁面付近に設けられ、切羽掘削のための発破や掘削ドリル等により生じ、切羽前方の不連続面に反射して戻ってくる波形を測定する。
【0009】
図1は、トンネル1における複数の受振器7の設置位置を示す平面図である。図2は、図1のA−A方向矢視図である。図1に示すように、切羽3から離れたトンネル1の壁面の左右に、ドリル等で穴5を空け、それぞれ複数の受振器(受振点)7を設置する。例えば、左右に4個ずつ受振器7を設置する。さらにその後方に、トンネル1の壁面上に複数の受振器7を設置する。この受振器7は、図2に示すように、トンネル1の壁面の円周上に複数の受振器7を設置する。例えば、円周上の5個の受振器7は、水平ラインの両端に2個、垂直ラインの上端に1個、その間に2個配置される。
【0010】
次に、本実施の形態に係る切羽前方探査装置6のハードウェア構成を説明する。図3は、本実施の形態に係る切羽前方探査装置6のハードウェア構成図である。図3に示すように、切羽前方探査装置6は、受振器7、配線11、受振器用プレアンプ13、受振器プレアンプ用電源15、発振点17、発振点用センサ19、発振点センサー用プレアンプ21、データ収集装置23、パーソナルコンピュータ24等により構成される。
【0011】
複数の受振器7は、前述したように切羽3から離れたトンネル1の壁面付近に設けられ、それぞれ切羽前方の不連続面に反射して戻ってくる振動波を測定する。これらの複数の受振器7は、配線11を介して、それぞれプレアンプ13に接続される。プレアンプ13は、受振器7で測定された信号を増幅する。プレアンプ用電源15は、プレアンプ13、プレアンプ21等に電源を供給する。
【0012】
発振点17は、ハンマーで切羽3をたたいたり、切羽掘削作業に関わる発破、掘削ドリル、ブレーカ等が与えた振動のポイントである。センサ19は、プレアンプ21に接続されており、発破、掘削ドリル、ブレーカ等からいつ振動が発生されたか調べる。プレアンプ21は、センサ19を介して発振点17からの信号を増幅する。
【0013】
データ収集装置23は、プレアンプ13、プレアンプ21と接続され、複数の受振器7で測定された数多くの振動波形等のデータを格納する。データ収集装置23は取り外し可能であり、パーソナルコンピュータ24に接続され、パーソナルコンピュータ24上で収集データを用いてトモグラフィ解析等を行い地質構造を3次元評価する。尚、CD−ROM25等の記録媒体に、処理プログラムを保持することもできる。
【0014】
図4は、受振器7を取り付ける際のかぎ型プレート31を示す。図4に示すように、受振器7をトンネル壁面に取り付ける場合、かぎ型プレート31を使用する。かぎ型プレート31は、受振器取付部35と台部33からなる。台部33には、中央にアンカ用に穴37が設けられ、受振器取付部35には、中央に受振器7用の穴39が設けられる。
【0015】
図5は、受振器7をトンネル壁面41に取り付ける方法を示す。図5に示すように、まず、トンネル壁面41にアンカ43用にドリルで穴を空け、かぎ型プレート31の台部33を穴に合わせて設置し、アンカ43を穴に設置して、岩盤に連結させる。アンカ43は、アンカ43の周りの壁面をグラウト47で固め、ねじ45で締め付けられ、トンネル壁面41に固定させる。また、受振器取付部35の穴39に受振器7を取り付ける。
【0016】
図6は、発振点17を示す。切羽掘削のために発破、ブレーカー、掘削ドリル等で振動を与えた時、振動波が発生する。この際の発破、ブレーカー、掘削ドリル等の振動が発生するポイントが発振点17である。発振点17は、切羽3全体にわたって複数箇所発生する。例えば、図6に示すように、切羽3に3箇所の発振点17が示される。
【0017】
次に、本実施の形態の切羽前方探査装置6を用いて前方探査を行う場合の動作を説明する。本実施の形態の前方探査は、前述したように、切羽3から離れたトンネル壁面41上に設けられる複数の受振器17を用いて、掘削作業中に発破、ブレーカー、掘削ドリル等により発せられる振動波を測定し、測定波をトモグラフィ解析等を用いて、切羽前方の地質構造を推定するものである。
【0018】
図7は、測定原理を示す。図7に示すように、切羽掘削により発生する発振点17から振動が発生し、切羽前方の断層51に反射してトンネル1内へ戻ってくる振動波を、トンネル1壁面の複数の受振器7で測定する。従って、複数の発振点17と複数の受振器7の組合わせから数多くの測定波が得られる。
【0019】
次に、本実施の形態における切羽前方の地質構造を推定する処理手順を詳しく説明する。図8、図9は、切羽前方の地質構造を推定する処理手順を示すフローチャートである。
【0020】
図8に示すように、まず、発振点17から受振点7に伝播した直接波を利用してトモグラフィ解析を行う(ステップ801)。受振点7で測定された直接波のデータを格納したデータ収集装置23は取り外され、パーソナルコンピュータ24に接続される。パーソナルコンピュータ24上でデータ収集装置23から読み出された直接波のデータに基づいてトモグラフィ解析を行う。
【0021】
トモグラフィ解析を行うことにより、発振点17と受振点7間の地盤の速度分布を算出する(ステップ802)。
【0022】
トンネル1の地質状況とステップ802で得られた速度分布から切羽前方地盤の速度分布を仮定する(ステップ803)。図10は、切羽前方地質の速度分布を示す図である。実際には、速度分布が色相の違いとして表示される。
【0023】
次に、発振点17と受振点7を含む切羽前方に格子点61を設定する(ステップ804)。
図11は、切羽前方地山のグリッド化を示す。図11に示すように、切羽前方地山中に解析上の格子点61を複数仮定する。
【0024】
次に、図9に示すように、ステップ803で仮定された速度分布を用いて、発振点17→格子点61→受振点7の理論的伝播時間を算出する(ステップ805)。図12は、格子点61を介して発振点17、受振点7間の伝播時間を示す。図12に示すように、1つの格子点(G)61に対して、発振点17から格子点61を介して受振点7までの理論的伝播時間Tsrは、発振点(S)17から格子点(G)61までの伝播時間であるTsgと、受振点7(R)から格子点(G)61までの伝播時間であるTrgを加算し(Tsr=Tsg+Trg)、算出される。1つの格子点61に対して発振点17と受振点7の組合わせ毎に計算を行う。
【0025】
次に、測定された波形に対して、算出された理論的伝播時間Tsrだけシフトし、この波形の振幅をすべて足し合わせる(ステップ806)。図13は、発振点17から格子点61を介して複数の受振点7a、7b、7cで測定される複数の反射波を示す。図14は、図13の測定された波形に対する理論的伝播時間Tsrのシフト処理と波形のフェーズ・マッチを示す。図13に示すように、発振点17から格子点61aを介して受振点7に到る反射波として、受振点7aに到る反射波71、受振点7bに到る反射波73、および受振点7cに到る反射波75が測定される。
【0026】
図14(a)に示すように、波形101は、図13に示した発振点17から受振点7aに到る波形であり、波形102は発振点17から受振点7bに到る波形であり、波形103は発振点17から受振点7cに到る波形である。
【0027】
図14(b)に示すように、発振点17から受振点7a、発振点17から受振点7b、発振点17から受振点7c間の理論的伝播時間はそれぞれ理論的伝播時間Tsr1、Tsr2、Tsr3である。波形201は波形101を理論的伝播時間Tsr1シフトした波形であり、波形202は波形102を理論的伝播時間Tsr2シフトした波形であり、波形203は波形103を理論的伝播時間Tsr3シフトした波形である。
【0028】
次に、図14(b)の波形201、202,203に対して、例えば、0.01秒間隔で3つの波形の振幅を足し合わせる。3つの波形201、202、203の振幅の合計値が、0.01秒間隔でA1、A2、A3、A4、…・と計算される。
【0029】
次に、全ての格子点61について計算したか否かを判定する(ステップ807)。終了していない場合は、ステップ805に戻り、次の格子点61に対する計算処理を繰り返す。
【0030】
全ての格子点61について計算終了すると(ステップ807)、地質の推定処理を行う。これは、ステップ806の足し合わせた波形の振幅の大きい部分(フェーズ・マッチ91した部分)を再現するものである。足し合わせた波形の振幅がプラスでその絶対値が大きい格子点61は、堅岩部81であり、足し合わせた波形の振幅がマイナズでその絶対値が大きい格子点61は、弱層部83となる(ステップ808)。
【0031】
例えば、図14(b)における波形の振幅の合計値A1、A2、A3、A4、…の中でフェーズ・マッチ91している部分は、プラスの値が大きくなる。フェーズ・マッチ91していない部分では各波にプラスとマイナスが混在するので合計すると「0」に近い値となる。従って、格子点61aは堅岩部81となる。次に、その格子点61aに隣接する格子点61b、61c…についても同様に計算し判断する。
【0032】
そして、格子点61a、61b、61c…が堅岩部と評価される。また、波形を足し合わせた時、マイナスでその絶対値が大きくなるものを含む格子点があれば、それは弱層部と評価される。
【0033】
次に、等速度線を表示する(ステップ809)。
【0034】
図15は、この等速度線を表わしたもので、切羽前方の地質構造の3次元評価を示す。図15に示すように、足し合わせた波形の振幅がプラスでその絶対値が大きい格子点61を3次元的に連ねたものが、堅岩部81であり、例えば白色部で表される。波形の振幅がマイナスでその絶対値が大きい格子点61を3次元的に連ねたものが、弱層部83であり、例えば斜線部で表される。
【0035】
このように本実施の形態によると、通常の掘削作業における発破、掘削ドリル等により生じ、切羽前方の不連続面から反射して戻ってくる振動波を、切羽3から離れたトンネル壁面41に設置した複数の受振器7で測定することにより、切羽掘削作業を実施中に前方探査が可能であり、トンネル1の掘削工程に全く影響を与えることがない。
【0036】
また、受振器7で測定した波形をトモグラフィ解析して切羽前方の地盤の速度分布を算出し、切羽前方で設定された複数の格子点61を用いて切羽前方の不連続面の3次元評価を行うことにより、より高精度な地質探査を可能となり、的確な対策工の計画・施工ができる。
【0037】
尚、図8、図9のフローチャートに示す切羽前方の地質構造を推定する処理を行うプログラムをCD−ROM等の記録媒体に保持し、ネットワーク等を介して流通させることができる。
【0038】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、切羽掘削に支障を与えることなく、切羽前方の地質構造の3次元的評価を可能にする切羽前方探査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】トンネル1における複数の受振器7の設置位置を示す平面図
【図2】図1のA−A方向矢視図
【図3】本実施の形態に係る切羽前方探査装置6のハードウェア構成図
【図4】受振器7を取り付ける際のかぎ型プレート31を示す図
【図5】受振器7をトンネル壁面41に取り付ける方法を示す図
【図6】発振点17を示す図
【図7】測定原理を示す図
【図8】切羽前方の地質構造を推定する処理手順を示すフローチャート
【図9】切羽前方の地質構造を推定する処理手順を示すフローチャート(続き)
【図10】切羽前方地質の速度分布を示す図
【図11】切羽前方地山のグリッド化を示す図
【図12】格子点61介して発振点17、受振点7間の伝播時間を示す図
【図13】発振点17から格子点61を介して複数の受振点7で測定される複数の反射波を示す図
【図14】測定された波形に対する理論的伝播時間Tsrのシフト処理と波形のフェーズ・マッチを示す図
【図15】切羽前方の地質構造の3次元評価を示す図
【符号の説明】
1………トンネル
3………切羽
5………穴
6………切羽前方探査装置
7………受振器(受振点)
13、21………プレアンプ
17………発振点
19………センサ
23………データ収集装置
24………パーソナルコンピュータ
61………格子点
Claims (5)
- 切羽前方を探査する装置であって、
トンネルに設けられる複数の受振点および発振点と、
トモグラフィ解析により算出した前記発振点と前記受振点間の地盤の速度分布を用いて、切羽前方に仮定された複数の格子点に対して、前記発振点から前記格子点で反射され前記受振点までの理論的伝送時間を算出する手段と、
前記格子点毎に、該格子点を介する複数の前記受振点で測定された波形に対して、前記理論的伝送時間だけシフトさせ、これらの波形を足し合わせる手段と、
足し合わせた波形の振幅に基づいて、前記振幅が正の値でその絶対値が大きい格子点を堅岩部として、地質を推定する手段と、
を具備することを特徴とする切羽前方探査装置。 - 切羽前方を探査する装置であって、
トンネルに設けられる複数の受振点および発振点と、
トモグラフィ解析により算出した前記発振点と前記受振点間の地盤の速度分布を用いて、切羽前方に仮定された複数の格子点に対して、前記発振点から前記格子点で反射され前記受振点までの理論的伝送時間を算出する手段と、
前記格子点毎に、該格子点を介する複数の前記受振点で測定された波形に対して、前記理論的伝送時間だけシフトさせ、これらの波形を足し合わせる手段と、
足し合わせた波形の振幅に基づいて、前記振幅が負の値でその絶対値が大きい格子点を弱層部として、地質を推定する手段と、
を具備することを特徴とする切羽前方探査装置。 - 推定された地質を、3次元的に表示する表示手段を、
更に具備することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の切羽前方探査装置。 - コンピュータを請求項1から請求項3までのいずれかに記載の切羽前方探査装置として機能させるプログラム。
- コンピュータを請求項1から請求項3までのいずれかに記載の切羽前方探査装置として機能させるプログラムを記録した記録媒体。
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