JP4304675B2 - ロックボルトをアンテナとする地中レーダ探査方法 - Google Patents

Description

本発明は、地中レーダ探査方法に関するものである。

従来、図１０に示すように、地表ＧＳに配置した送信アンテナＳＡから所定の周波数を有する電磁波Ｅｗを地中Ｇへ放射し、地中Ｇに放射された電磁波Ｅｗが地中Ｇの岩盤表面や亀裂などの反射点Ｒｐ１，Ｒｐ２，・・Ｒｐ３で反射した地中反射波Ｇｒｗを地表ＧＳに配置した受信アンテナＣＡにより受信し、受信した反射時間と反射波の強弱を示す波形とから地下構造の可視化データを合成して画像化する地中レーダ探査方法が知られており、地下に存在する地質境界や断層等の深度分布や構造、或いは地下構成物質の種類等を調べる目的で使用されており、例えば特開平７−３０１６７７号公報に記載されている。

殊に、地中レーダ探査方法を岩盤上で使用すると、地層の変化や割れ目の分布を調べることができる。例えば、老朽化したトンネル内から上左右を眺めると、内空面のコンクリート（見える）にひび割れが見えたりします。トンネル老朽化の原因の多くは、山の中央部に穴を空けたことによって、荷重がトンネル内空面（断面は馬蹄形または半円形）に荷重が集中することによって生じるが、通常は岩盤には潜在的な割れ目があり、また、様々な程度に風化作用を受けて強度が落ちているものが、集中荷重によって一層緩んでくる。その結果、トンネル内空面に打設したコンクリートの表面にもひび割れなどを生じさせることになり、地中レーダ探査方法を用いると、トンネル内からコンクリート背面の岩盤（地中）の割れ目の過多や空隙を調べることができる。

このように、地中レーダ探査方法は、非破壊でコンクリート背面の様子や地盤中の異物などを、その表面に機器を当てて移動するだけで簡便に内部の画像を得ることができ、きわめて便利な方法である。

ところが、トンネルや岩盤斜面においては、地中を安定化させる目的で地表にロックボルトＲＢが打設される場合が多く、地中レーダ探査方法は、探査深さが１〜３ｍ程度までと浅いこと、地中に埋設した鉄などに敏感に反応するあまり、ロックボルトＲＢが植設された例えばトンネルや斜面に設置される構造物ではそれらの影響を受けて背面の地中を観察できず、ロックボルトＲＢ周辺の亀裂ＧＳやゆるみ域Ｇ１を鮮明に画像化することができないなどの問題点があり、これらのロックボルトＲＢが地中レーダ探査の実施にあたり顕著な反射波や回折波を発生させることから、探査したい地盤の情報をマスクしてしまう障害物として作用するという問題があった。
特開平７−３０１６７７号公報

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、ロックボルトによる障害を避けて、最も調べたいロックボルト先端付近の状況について調べることを可能にするものである。

そこで、本発明は、地表に配置した送信アンテナから所定の周波数を有する電磁波を地中へ放射し、前記地中に放射された電磁波が地中の反射点で反射した地中反射波を地表に配置した受信アンテナにより受信し、受信した反射時間と反射波の強弱を示す波形とから地下構造の可視化データを合成して画像化する地中レーダ探査方法において、前記送信アンテナまたは受信アンテナの少なくとも一方を地中に植設したロックボルトの基端に当接させて前記電磁波の地中への放射または前記地中反射波の受信の少なくとも一方をロックボルトを介して行うようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、従来障害物となっていたロックボルトに地中レーダの送信アンテナをあててロックボルトを送信アンテナの一部として、地中に埋設されたロックボルトの先端から発生する電磁波及びその反射・回折波を地表面の受信アンテナで受信する測定することにより、ロックボルトによる障害を避けて、最も調べたいロックボルト先端付近の状況について調べることができ、地表〜反射物体（空洞）〜地表という従来の経路の約半分の経路（ロックボルト先端〜反射物体（空洞）〜地表面）で探査できるため、探査深さを深くすることができる。

また、電磁波の送受信は相反定理が成り立つので本発明は、受信アンテナを地中に植設したロックボルトの基端に当接させて地中反射波をロックボルトを介して受信するようにした場合にも、同様の探査が可能である。

更に、本発明において、地中反射波を複数の受信アンテナで受信し、受信した各反射時間と反射波の強弱を示す波形データに所定の相互相関処理を加えて測定区域における多重反射記録を用いて地下構造の可視化データを合成して画像化することができる。

更にまた、前記各ロックボルトの先端に電磁波送受信用のアンテナを一体に設けることにより、ロックボルトの先端または基端に加えられた電磁波がロックボルトの先端と基端との間に生じる多重反射の繰り返しを防ぎ、ロックボルトの先端における地中への電磁波の分散または吸収の低下を防止して経年変化後のロックボルト安定性の評価方法の適用が容易となる。

本発明によれば、ロックボルトによる障害を避けて、最も調べたいロックボルト先端付近の状況について調べることを可能にするものである。殊に、本発明は、地中を安定化させる目的で地表にロックボルトが打設される場合が多いトンネルや岩盤斜面などの最も調べたいロックボルト先端付近の状況について有効に地中レーダ探査方法を実施することができる。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を以下に説明する。

図１は本発明の好ましい本実施の形態の一例を示すものであり、地表ＧＳに植設したロックボルトＲＢの上部に例えば50MHz〜1Ghz程度の電磁波を放射する送信アンテナＳＡが配置されている。

このロックボルトＲＢは図２に示すように従来から一般に用いられているものでよく、地中のゆるみ域Ｇ１から岩盤Ｇ２にわたって従来周知の適宜の手段により打設されており、棒状の本体の周囲をモルタル層Ｍで覆われているとともに基端部において形成されたねじ部Ｓに押さえ板ＷとナットＮにより固着されており、基端ＲＢ１に前記送信アンテナＳＡの先端が当接されており、送信アンテナＳＡから発信される電磁波がロックボルトＲＢを通って地中Ｇに放射される。

また、地表ＧＳにおけるロックボルトＲＢの打設位置から所定の距離を隔てた地表Ｇには受信アンテナＣＡが設置されており、前記送信アンテナＳＡから発信された所定の周波数を有する電磁波ＥｗがロックボルトＲＢに伝わり、その先端からロックボルトＲＢが植設された周辺の地中Ｇを構成する岩盤Ｇ２に対して放射され。岩盤Ｇ２の亀裂ＧＣにおいて反射した電磁波は地中Ｇを通って前記受信アンテナＣＡにより受信され、時間と強弱を示す波形として測定できるので、往復に係った時間から、反射物体での距離を求め、例えば受信アンテナＣＡを地表ＧＳ上で移動することによりアンテナ直下の反射構造を画像化することができる。

このように本実施の形態によれば、送信アンテナＳＡから発信された電磁波Ｅｗが地中Ｇに打設されたロックボルトＲＢを介して直接岩盤Ｇ２部分に放射されるので、従来のように地表ＧＳに設置した送信アンテナＳＡにより電磁波の減衰が大きい地中ゆるみ域Ｇ１を通過させることなく殆どの電磁波がロックボルトＲＢ周辺の岩盤Ｇ２や亀裂ＧＣに直接入射されることになり、より鮮明な反射波を得ることができるばかりか探査深さを増加させることができ、また、特に測定が非必要とされるロックボルトＲＢの先端付近の探査が可能となる、等の優れた効果を有するものである。

図３は本発明の異なる実施の形態を示すものであり、前記図１に示した実施の形態と異なり、送信アンテナＳＡを地表ＧＳに配置して受信アンテナＣＡを地中Ｇに植設したロックボルトＲＢの基端（図示せず）に当接させて配置したものである。

本実施の形態において探査に使用される電磁波は、相反定理が成立することから、前記図１に示した実施の形態において送信アンテナＳＡと受信アンテナＣＡとを入れ替えても同様にして、アンテナ直下の反射構造を画像化することができる。

図４は本発明の更に異なる実施の形態を示すものであり、主たる構成は前記図１に示した実施の形態とほぼ同様であるが、受信アンテナＣＡを一定間隔で移動するか或いは複数の受信アンテナＣＡ１，ＣＡ２，ＣＡ３，ＣＡ4・・を所定間隔で配置した点が異なる。

従来の地中レーダ探査方法は、図５（ａ）のように、発信位置と受信点位置とが既知であり、それらの幾何学配置を用いて地下構造を解析・イメージングしていた。一方、地中の任意箇所に存在する点振動を考えると、これによる反射波は図５（ｂ）のように認識することができるが、その伝播経路には図５（ａ）で示した単純な反射波を一部に含んでいる。

このことから、図５（ｂ）に示す反射波の波動から、図５（ａ）の波動のみを抽出することができれば、従来の地中レーダ探査方法による地下構造イメージング方法における手法と同様のデータ処理を施すだけで、地下構造イメージング（可視化）が可能となる。以下に、その抽出方法について説明する。

図５（ｂ）で受信された波動Ｔの自己相関関数をとると、図５（ａ）で受信された波動Ｒを用いて以下のように表すことができることから、波動Ｔの自己相関関数から波動Ｒを抽出できることが分かる。

式１

ここで、Ｒ(t)は、地表インパルス電磁波による反射記録であり、Ｔ(−t)*Ｔ(t)は地中インパルス電磁波による反射記録である。これによって、点発生源からの電磁波を用いて自己相関解析を行い、そのうちのｔ＞０以降の部分を取り出すことにより、図５（ａ）と同じ反射記録を抽出することができる。

また、式（１）を用いることにより、複数の電磁波による電磁波反射の関係式は以下のように表すことができる。

式２

ここで、Ｒ(ｘ_A,ｘ_B,t)は、地表インパルス電磁波による反射記録であり、
Σ_iＴ(ｘ_A,ｘ_i,−t) *Ｔ(ｘ_B,ｘ_i,t)は地中インパルス電磁波による反射記録となる。

式（２）から、複数の電磁波源による電磁波を用いる場合でも、波動Ｔの相互相関関数から波動Ｒ部分を抽出できることがわかる。

この原理を、図４に示す地表に定間隔で一つの直線上に複数設置された受信アンテナ群による複数の受信点の記録に適用すれば、送信アンテナの信号は再現性があるため、恰も１つの送信アンテナに対し複数の受信アンテナＣＡ１，ＣＡ２，ＣＡ３，ＣＡ4・・において同時刻歴で測定された記録となり、各受信アンテナＣＡ１，ＣＡ２，ＣＡ３，ＣＡ4・・での記録について相互相関を取ることによりロックボルトＲＢに沿って地中レーダ探査をした記録をロックボルトＲＢの悪影響を受けずに合成することができる。

図６および図７は本発明に使用されるロックボルトＲＢについての好ましい実施の形態を示すものであり、いずれもロックボルトＲＢの先端に電磁波反射防止具Ｐを設けて ロックボルトＲＢの先端からの反射波の放射を抑制する働き、即ち、先端での電磁波の放射を良好にしてロックボルトＲＢ自身内で生じる反射波の発生を防止するものである。

特に図６に示すものは、先端面に球面状の凹部Ｐ１を有し形成した先端に向かって拡開する円錐台形の電磁波反射防止具Ｐを示し、図７に示すものは先端に複数の棒状の突起Ｐ２を並設させたものであり、いずれも地中への電磁波の放射効率を向上させるものである。

尚、本実施の形態は一例であって、ロックボルトの先端において地中への電磁波の放射を良好にするものでロックボルトとしての機能を損ねないものであればよく、これらの形態に限定されるものではない。

次に、本発明の実施例について説明する。

図８は長さ５ｍのロックボルトＲＢを１．５ｍ間隔で２５個を基盤のように配置した本発明の一実施例についてのモデルを示すものであり、８０ＭＨｚの電磁波を中心のロックボルトＲＢにおいて送信し、地表面におけるｙ＝４ｍのｘ軸とと平行する受信ラインにおいてｘ＝１ｍから受信間隔０．１ｍで６１個の受信点を設定した。尚、媒質の背景比誘電率は９とした。

図９は前記図８に示したモデルについて本発明を実施した場合のシミレーション結果を示すものであり、一番早い速度を有する空気層を伝播する波と、後に地表面を伝播する波が確認される。また、約１２０ｎｓ以降にロックボルトの端から生じたと考えられる波が確認され、更に、ロックボルト間で生じる多重反射波も確認される。

図１０および図１１は前記図８に示したモデルに０．５ｍ＊０．５ｍ＊０．５ｍの大きさの空洞と仮定した異常体を中心座標（４ｍ，４ｍ，２．５ｍ）において加えたモデルについて誘電率２５で本発明を実施した場合のシミレーション結果を示すものであり、約７０ｎｓの辺りに空洞からの回折波が確認できる。

これらの結果によれば、地表にロックボルトＲＢが植設された場合において、本発明がきわめて有効であることが判明した。

本発明における好ましい実施の形態についての概要を説明するための縦断面図。 ロックボルトの施工状態を示す説明図。 本発明における異なる実施の形態についての概要を説明するための縦断面図。 本発明における更に異なる実施の形態についての概要を説明するための縦断面図。 本発明の原理を説明するための模式図。 本発明に用いられるロックボルトの好ましい実施の形態を示すものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図。 本発明に用いられる異なるロックボルトの実施の形態を示すものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図。 本発明についての実施例におけるモデルの概要を示す説明図。 図９に示したモデルにおけるモデリング結果を示すイメージ図。 図９に示したモデルにおける異なる条件でのモデリング結果を示すイメージ図。 図９に示したモデルにおける異なる条件でのモデリング結果を示すイメージ図。 従来例の概要を説明するための縦断面図。

符号の説明

ＧＳ 地表、ＳＡ 送信アンテナ、Ｅｗ 電磁波、Ｇ 地中、Ｇｒｗ 地中反射波、ＣＡ 受信アンテナ、ＲＢ ロックボルト、Ｐ 電磁波反射防止具

Claims (2)

1. 地表に配置した送信アンテナまたは地表に配置した受信アンテナの少なくとも一方を地中に植設したロックボルトの基端に当接させ、前記送信アンテナから所定の周波数を有する電磁波を地中へ放射し、複数箇所に配置した受信アンテナで受信し、または受信アンテナを移動させて複数箇所で受信し、受信した反射時間と反射波の強弱を示す波形とから地下構造の可視化データを合成して画像化する地中レーダ探査方法において、前記各ロックボルトの先端に電磁波反射防止具が設けられていることを特徴とする地中レーダ探査方法。
2. 前記受信した各反射時間と反射波の強弱を示す波形とから地下構造の可視化データを合成して画像化する際に前記波形データに所定の相互相関処理を加えることを特徴とする請求項１記載の地中レーダ探査方法。