JP4743416B2 - Geological boundary judgment method around existing tunnel - Google Patents
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Description
本発明は、既設トンネル坑内を利用し弾性波(S波)を用いて、トンネル周辺の地盤の地質境界を推定する方法に関するものである。この技術は、特に限定されるものではないが、未固結地盤中に埋設されている電力用や通信用の中小口径(直径5m程度以下)のシールドトンネル周辺の地質構造の推定に有用である。 The present invention relates to a method for estimating a geological boundary of a ground around a tunnel using an elastic wave (S wave) using an existing tunnel mine. Although this technology is not particularly limited, it is useful for estimating the geological structure around shield tunnels of medium and small diameters (diameters of about 5 m or less) for electric power and communication embedded in unconsolidated ground. .
トンネルの建設工事に際しては、計画及び設計の段階で地表面からボーリング調査を行い、トンネル周辺の地質構造を把握することが行われている。既設トンネルについて経年が進んで変状をきたした場合などは、その変状箇所近傍の地質情報が必要となるが、計画あるいは設計の段階でボーリング調査を行った位置と一致していない場合があり、そのような場合には変状箇所近傍での地質性状の確認が必要となる。また、建設年次が古いトンネルでは、計画あるいは設計の段階における地質調査の結果が、必ずしも現在の技術水準にそぐわない場合もあり、維持管理に必要な情報を得るために、供用後にあらためて地質調査を実施する必要が生じることもある。このような場合、トンネル周辺の地質を把握する方法は、現状の技術ではボーリング調査しかなく、場合によってはトンネル供用後でもボーリング調査を実施する必要が生じている。 When constructing a tunnel, a boring survey is carried out from the ground surface at the planning and design stages to understand the geological structure around the tunnel. If the existing tunnel has deteriorated over time, geological information in the vicinity of the deformed part is required, but it may not match the location where the boring survey was conducted at the planning or design stage. In such a case, it is necessary to confirm the geological properties in the vicinity of the deformed portion. Also, in tunnels with an older construction year, the results of geological surveys at the planning or design stage may not necessarily match the current technical level, so in order to obtain the information necessary for maintenance, a new geological survey will be conducted after operation. It may be necessary to do so. In such a case, as for the method of grasping the geology around the tunnel, the current technology has only a boring survey, and in some cases, it is necessary to carry out a boring survey even after the tunnel is used.
ボーリング調査は、正確な地質性状を把握することができるが、ボーリングを行った地点の間の地質は、周辺の地形などを考慮して補完せざるを得ない。そのため、小規模な埋没谷などを必ずしも正確に把握しているとは言い切れない。ボーリング位置の間隔を狭めれば調査の精度は上がるが、コストは著しく上昇する。また、ボーリング調査は、地表から実施する必要があり、路上の交通事情などの周辺環境や既設埋設物の存在などによっては、必要な地点で施工できない場合もある。また、海底トンネルのような場合は、ボーリングを行えない場合もあるし、たとえボーリングを行うとしても、調査コストは非常に増大し、実施は困難である。このため、路上などの環境条件に影響されることなく埋没谷などを的確に地質調査でき、海底などでも容易に地質調査できる技術の開発が求められている。 Boring surveys can grasp the exact geological properties, but the geology between the drilled points must be supplemented in consideration of the surrounding topography. For this reason, it cannot be said that the small buried valleys are accurately grasped. If the interval between the boring positions is reduced, the accuracy of the survey will increase, but the cost will increase significantly. Boring surveys need to be conducted from the ground surface. Depending on the surrounding environment such as traffic conditions on the road and the presence of existing buried objects, construction may not be possible at the necessary points. Also, in the case of a submarine tunnel, boring may not be possible, and even if boring is carried out, the survey cost increases greatly and is difficult to implement. For this reason, there is a need for the development of a technology that enables accurate geological surveys of buried valleys, etc., without being affected by environmental conditions such as on the road, and enables easy geological surveys of the seabed.
既設トンネルの周囲の地質状況を調査するボーリング以外の方法として、弾性波探査法が提案されている(特許文献1参照)。一般に弾性波探査法は、地表で測線に沿って多数の受振器をアレイ状に配列し、地面を叩いて地下からの反射波を計測し解析する方法である。この場合は、地下からの反射波のみなので、地下構造を正確に探査できる。上記特許文献1に記載されている方法は、この技術をトンネル内での測定に適用したものである。トンネル坑道内に多数の受振器を配列し、トンネル坑内を起震装置で叩いて起震する。確かに、原理的には受振器によって反射波は検出できる。しかし、トンネル坑内を起震装置で単に叩いたのでは、周囲の地盤に効率よく弾性波を伝播させることは難しい。また、トンネル内は地上と違って周囲が地盤で囲まれているため、トンネル下方の地層からの反射のみならず、トンネル上方の地層からの反射もあり、単に多数の受振器を一測線に沿って配列しただけでは反射面の位置の特定は困難である。これらの事情で、一般的には地層状況を正しく把握することは難しい。
本発明が解決しようとする課題は、既設トンネル坑内を利用し、弾性波(S波)を用いて、トンネル周辺の地盤の地質境界を正確に且つ連続的に推定できるようにすることである。本発明が解決しようとする他の課題は、コストのかかるボーリング調査を行うことなく、従って海底トンネルなどでも、簡便にトンネル周囲の地質状態を把握できる新たな地質調査方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to make it possible to accurately and continuously estimate the geological boundary of the ground around the tunnel using an elastic wave (S wave) using an existing tunnel mine. Another problem to be solved by the present invention is to provide a new geological survey method capable of easily grasping the geological condition around the tunnel without performing a costly boring survey, and thus even in a submarine tunnel.
本発明は、未固結地盤中に埋設されているトンネル坑内の上部と下部の両方に、坑道に沿って多数の上部受振器と下部受振器を所定の間隔でアレイ状に配列すると共に、前記トンネル坑内の下部に低周波成分を含む弾性波を発生するS波起震装置を設置し、該S波起震装置によりトンネルの一点をバイブレータ起震することによりトンネル全体を起震源としてトンネル周辺の地盤に弾性波を伝播させ、トンネル周辺の上部地層境界及び下部地層境界からの反射波を前記の上部受振器及び下部受振器の両方で同時に検出して記録し、上部受振器と下部受振器とにより検出した反射波の到達時間から反射面の位置を解析し、同じ振動を上部受振器と下部受振器とで検出した反射波のトンネル直径分に相当する到達時間差により該反射面がトンネルの上下部のいずれに位置するかを推定し、地質境界位置を特定することを特徴とする既設トンネル周辺の地質境界判別方法である。 In the present invention, a large number of upper and lower geophones are arranged in an array at predetermined intervals along both the upper and lower sides of the tunnel mine buried in the unconsolidated ground , An S-wave seismic device that generates elastic waves containing low-frequency components is installed in the lower part of the tunnel pit, and a vibrator is vibrated at one point of the tunnel using the S-wave seismic device. Elastic waves are propagated to the ground, and the reflected waves from the upper and lower strata boundaries around the tunnel are detected and recorded simultaneously by both the upper and lower geophones, and the upper and lower geophones analyzing the position of the reflecting surface from the arrival time of the detected reflected wave by, the reflective surface is a tunnel by arrival time difference corresponding to the same vibration to the upper geophones and lower geophone and tunnel diameter portion of the reflected wave detected by the To estimate the position in any of the upper and lower portions, an existing tunnel near geologic boundary determination method characterized by identifying a geologic boundary position.
S波起震装置としては、例えば、主として30〜40Hzの周波数成分を含むS波を発生する起震装置を用いる。既設のトンネルは、例えば、未固結地盤中に埋設されている電力用あるいは通信用などの直径5m程度以下のシールドトンネルである。 As the S-wave seismic device, for example, a seismic device that generates S waves mainly including a frequency component of 30 to 40 Hz is used. The existing tunnel is, for example, a shield tunnel having a diameter of about 5 m or less embedded in unconsolidated ground for electric power or communication.
本発明に係る既設トンネル周辺の地質境界判別方法は、S波起震装置によりトンネルの一点を起震することによりトンネル全体が起震源となり、トンネルを中心に同心円状に弾性波を効率よく周辺地盤中に伝播させることができる。そして、トンネル周辺の地盤からの反射波を上部受振器及び下部受振器の両方で検出して記録し、上部受振器と下部受振器とにより検出した反射波の到達時間の解析からトンネル上下の地質境界を正確に特定することができる。 The geological boundary determination method around the existing tunnel according to the present invention is that the entire tunnel becomes a source of vibration by causing one point of the tunnel to vibrate with an S-wave seismic device, and elastic waves are efficiently generated in a concentric circle around the tunnel. Can be propagated in. Then, the reflected waves from the ground around the tunnel are detected and recorded by both the upper and lower geophones, and the geology above and below the tunnel is analyzed by analyzing the arrival times of the reflected waves detected by the upper and lower geophones. The boundary can be specified accurately.
図1は、本発明に係る既設トンネル周辺の地質境界判別方法の一例を示している。この例で示している既設のトンネルは、典型的には、海底の軟弱地盤など未固結地盤中に埋設されている電力用あるいは通信用などの直径5m程度以下のシールドトンネルである。トンネル10坑内の上部と下部の両方に、坑道に沿って多数の上部受振器12aと下部受振器12bを所定の間隔でアレイ状に配列する。ここでは、例えば、上部受振器12a及び下部受振器12bを、それぞれ2m間隔で約100mにわたって配列する。それと共に、前記トンネル10坑内の下部に、低周波成分を含む弾性波を発生するS波起震装置14を設置する。S波起震装置14としては、10〜100Hzの範囲で周波数をスイープできるS波を発生する起震装置を用いる。
FIG. 1 shows an example of a method for determining a geological boundary around an existing tunnel according to the present invention. The existing tunnel shown in this example is typically a shielded tunnel having a diameter of about 5 m or less for power or communication embedded in unconsolidated ground such as soft ground on the seabed. A large number of
前記S波起震装置14により、シールドトンネル10内の一点を低周波(トンネルの大きさや周囲の地盤の性状などにもよるが、主として、30〜40Hz)でバイブレータ起震すると、トンネル全体が起震源となり、トンネル内部より強固なセグメントを介して同心円状に弾性波がトンネル周辺の地盤を伝播する。これは、シミュレーションによって確認されている。トンネルの周囲が未固結地盤であり、その地盤がシールドトンネルの強固なセグメントに密着しているため、このような弾性波のトンネル外への伝播が生じるものと考えられている。因みに、カケヤを利用した打撃起震では、比較的高い周波数の振動が主となることもあって、たとえセグメントを直接打撃しても、弾性波はトンネル外へは殆ど伝播していかない。
When the S-
トンネル周辺の地盤に地質境界があると、弾性波は地質境界で反射し、その反射波は、多数の上部受振器12a及び下部受振器12bに到達し、上部受振器12a及び下部受振器12bの両方で同時に検出され記録される。本発明では、これら多数の上部受振器12aと下部受振器12bとにより検出した反射波の到達時間を解析することにより、地質境界がどこに、どのように位置しているかを特定する。
If there is a geological boundary in the ground around the tunnel, the elastic wave is reflected at the geological boundary, and the reflected wave reaches a large number of the
図2のAに示すように、トンネル10坑道の下部に水平なインバート16(作業者などが歩行する部分)が設けられている場合は、該インバート16の上にS波起震装置14を設置すればよい。トンネル坑道の下部に水平なインバート等が設けられていない場合、そのままではS波起震装置の設置は困難である。そこで、図2のBに示すように、両側にゴム板18を介して木製の板材20をトンネル10坑道の下部に水平に差し渡し、その上にS波起震装置14を設置すればよい。木製の板材20の下方に空隙があっても構わない。このようにすると、S波起震装置14で起震すると、シールドトンネル10全体が矢印で示すように揺すられ、内部から強固なセグメントを介して弾性波を外部に発生でき、地質境界による反射波を明瞭に観測できる。これらのことは、実験的に確認されている。
As shown in FIG. 2A, when a horizontal invert 16 (portion where an operator etc. walks) is provided at the lower part of the
ところで、前述のように地表での弾性波探査とは異なり、シールドトンネル周囲は地盤で囲まれているため、地質境界の位置や状態の特定は難しい。しかし、本発明のように、シールドトンネル内の上部と下部の両方に受振器を設置して、それら上部受振器と下部受振器との両方によって周囲の地質境界からの反射波を受振すると、次の2つの手法を利用することで、反射波の到来方向を特定することができる。 By the way, unlike the elastic wave exploration on the ground surface as described above, it is difficult to specify the position and state of the geological boundary because the shield tunnel is surrounded by the ground. However, as in the present invention, if geophones are installed at both the upper and lower parts in the shield tunnel and the reflected waves from the surrounding geological boundary are received by both the upper and lower geophones, By using these two methods, the arrival direction of the reflected wave can be specified.
シールドトンネル内の上部に設置した受振器は、シールドトンネルの上部からの反射波に対して感度が高く、シールドトンネル内の下部に設置した受振器は、シールドトンネルの下部からの反射波に対して感度が高い。図3に示すように、実験場所の周辺では、地質構造がほぼ水平成層であり、シールドトンネルが起点から終点にかけて上り勾配である。このような地質状況では、上部受振器の記録で作成した時間断面(縦軸が反射面からの反射波の到達時間で表現された断面図)は、起点側より終点側で反射波の到達時間が短く、下部受振器の記録で作成した時間断面では、起点側より終点側で反射波の到達時間が長くなるものと推察される。 The geophone installed in the upper part of the shield tunnel is sensitive to the reflected wave from the upper part of the shield tunnel, and the geophone installed in the lower part of the shield tunnel is sensitive to the reflected wave from the lower part of the shield tunnel. High sensitivity. As shown in FIG. 3, in the vicinity of the experimental site, the geological structure is almost the Heisei layer, and the shield tunnel has an upward slope from the start point to the end point. Under these geological conditions, the time section created by recording the upper geophone (the vertical axis is the cross-sectional view expressed by the arrival time of the reflected wave from the reflecting surface) is the arrival time of the reflected wave from the origin side to the end point side. In the time section created by recording the lower geophone, it is assumed that the arrival time of the reflected wave is longer on the end point side than on the start point side.
上部と下部の受振器での同時受振により実測した結果を図4に示す。Aは上部受振器の記録で作成した時間断面であり、Bは下部受振器の記録で作成した時間断面である。それぞれ明瞭な反射面が現れている(矢印で表示する)。上部受振器の記録で作成した時間断面(図4のA)では、起点側より終点側で反射波の到達時間が短い。他方、下部受振器の記録で作成した時間断面(図4のB)では、起点側より終点側で反射波の到達時間が長い。これらの結果から、上部受振器及び下部受振器の記録で作成した時間断面の解析から、反射面とシールドトンネルとの相対的な傾きを求めることができる。 FIG. 4 shows the result of actual measurement by simultaneous vibrations of the upper and lower geophones. A is a time section created by recording the upper geophone, and B is a time section created by recording the lower geophone. Each has a clear reflecting surface (indicated by an arrow). In the time section created by recording the upper geophone (A in FIG. 4), the arrival time of the reflected wave is shorter from the start side to the end point side. On the other hand, in the time section (B in FIG. 4) created by the recording of the lower geophone, the arrival time of the reflected wave is longer from the start side to the end point side. From these results, the relative inclination between the reflecting surface and the shield tunnel can be obtained from the analysis of the time section created by recording the upper and lower geophones.
また、シールドトンネル内の上部に設置した受振器は、シールドトンネルの上部からの反射波を、シールドトンネル内の下部に設置した受振器よりもトンネル直径分だけ早く受振する。実測した結果を図5に示す。Aは上部受振器の記録で作成した時間断面であり、Bは下部受振器の記録で作成した時間断面である。それぞれ矢印で表示した反射面は、トンネル直径分に相当する到達時間差Tdがある。従って、図5に示すように、地質境界に対応する反射面が、上部受振器の記録で作成した時間断面(図5のA)で下部受振器の記録で作成した時間断面(図5のB)より早く見出された場合、この反射面はシールドトンネルの上部に位置する地質境界によるものと推定できる。 The geophone installed in the upper part of the shield tunnel receives the reflected wave from the upper part of the shield tunnel earlier than the geophone installed in the lower part of the shield tunnel by the tunnel diameter. The measured results are shown in FIG. A is a time section created by recording the upper geophone, and B is a time section created by recording the lower geophone. Each reflecting surface indicated by an arrow has an arrival time difference Td corresponding to the tunnel diameter. Therefore, as shown in FIG. 5, the reflecting surface corresponding to the geological boundary is a time section (A in FIG. 5) created by the recording of the upper geophone and a time section (B in FIG. 5) created by the recording of the lower geophone. ) If found earlier, it can be assumed that this reflective surface is due to a geological boundary located above the shield tunnel.
以上のように、上部受振器と下部受振器による時間断面の解析から、地質境界位置を特定することができる。特に、S波起震時に、上部受振器と下部受振器とで同時に検出すると、全く同じ振動を別の受振器アレイで観測していることになり、反射波の位相差まで計測でき、測定精度が向上する。 As described above, the geological boundary position can be specified from the analysis of the time section by the upper and lower geophones. In particular, if the upper and lower geophones are detected at the same time during an S-wave earthquake, the exact same vibration will be observed by another geophone array, and even the phase difference of the reflected waves can be measured, resulting in measurement accuracy. Will improve.
図6は、上部受振器と下部受振器による時間断面からトンネル周辺の地質境界を判別する解析手順を示す説明図である。シールドトンネル内でS波起震装置を作動させることにより、トンネル全体が起震源となり、トンネルを中心に同心円状に弾性波が周辺地盤中に伝播する。トンネル周辺の地盤からの反射波は、上部受振器及び下部受振器の両方で同時に検出され、その記録で時間断面を作成する。実験の結果によれば、トンネルの形状が原因となって探査の障害となる独特の反響音が発生することが分かった。しかし、この反響音は、適切なフィルタ処理(2次元フィルタ、周波数フィルタ(LPF)など)によって除去することができ、それによって時間断面の品質が向上することも判明した。図6のAはフィルタ処理後の上部受振器の記録で作成した時間断面であり、図6のBはフィルタ処理後の下部受振器の記録で作成した時間断面である。フィルタ処理によって、反射面は明瞭になる。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing an analysis procedure for discriminating the geological boundary around the tunnel from the time section by the upper and lower geophones. By operating the S-wave seismic device in the shield tunnel, the entire tunnel becomes a source of vibration, and elastic waves propagate concentrically around the tunnel into the surrounding ground. The reflected waves from the ground around the tunnel are detected simultaneously by both the upper and lower geophones, and a time section is created by recording the waves. According to the results of the experiment, it was found that a unique reverberation sound that hinders exploration was generated due to the shape of the tunnel. However, it has also been found that this reverberant sound can be removed by appropriate filtering (two-dimensional filter, frequency filter (LPF), etc.), thereby improving the quality of the time section. 6A is a time section created by recording the upper geophone after filtering, and FIG. 6B is a time section created by recording the lower geophone after filtering. The reflective surface becomes clear by the filtering process.
まず、反射面の位置関係を考慮した上で、既往のS波速度を用いて上部受振器と下部受振器の時間断面の縦軸を深度(シールドトンネルからの距離)に変換する。図6のCは、上部受振器の記録による深度断面である。ここでは、シールドトンネルが傾斜しているために、水平な地質境界からの反射面が傾斜して観測される。図6のCでは、深度がシールドトンネルからの距離(即ち、トンネルから上方向への距離)を表しているので、上下を反転する(図6のD)。図6のEは、下部受振器の記録による深度断面である。この場合も、シールドトンネルが傾斜しているために、水平な地質境界からの反射面が傾斜して観測される。 First, in consideration of the positional relationship of the reflecting surface, the vertical axis of the time section of the upper and lower geophones is converted into depth (distance from the shield tunnel) using the existing S wave velocity. C in FIG. 6 is a depth cross section recorded by the upper geophone. Here, since the shield tunnel is inclined, the reflection surface from the horizontal geological boundary is observed to be inclined. In FIG. 6C, since the depth represents the distance from the shield tunnel (that is, the distance from the tunnel upward), the upper and lower sides are inverted (D in FIG. 6). E in FIG. 6 is a depth cross section recorded by the lower geophone. Also in this case, since the shield tunnel is tilted, the reflection surface from the horizontal geological boundary is tilted and observed.
そこで、シールドトンネルの形状を考慮して、図6のD及びEから、トンネル周辺全体の深度断面図を作成する(図6のF)。図6のFでは、既往資料による地盤情報(土質名及びS波速度)を並記してある。作成した深度断面図から、シールドトンネルの上部と下部に位置する地質境界が明瞭な反射面としてとらえられていること、またシールドトンネルの傾斜を考慮すると反射面は水平となり、既往資料により判明している地質構造と整合していること、が確認された。 Therefore, considering the shape of the shield tunnel, a depth sectional view of the entire tunnel periphery is created from D and E in FIG. 6 (F in FIG. 6). In FIG. 6F, ground information (soil name and S wave velocity) based on past data is shown side by side. From the created depth cross-sectional view, the geological boundary located at the top and bottom of the shield tunnel is considered as a clear reflection surface, and the reflection surface is horizontal considering the inclination of the shield tunnel. It is confirmed that it is consistent with the existing geological structure.
上記の実施例は、中小口径のシールドトンネルに適用した例であるが、本発明は、それ以外の一般的なトンネル周辺の地層構造の特定にも適用可能である。 The above embodiment is an example applied to a shield tunnel having a small and medium diameter, but the present invention can also be applied to the identification of a geological structure around other general tunnels.
10 トンネル
12a 上部受振器
12b 下部受振器
14 S波起震装置
10
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