JP5601545B2 - トンネル発破音低減装置の設計方法及びトンネル発破音低減装置並びにトンネルの構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル発破音低減装置の設計方法及びトンネル発破音低減装置並びにトンネルの構築方法に関する。

従来、山岳トンネル工事などで発破作業を行う際には、切羽部で生じる発破音がトンネル外部に伝播することを防止するために種々の対策が講じられてきた。例えば、代表的な対策としては、トンネル坑口付近に防音扉を設置するものが挙げられる。鋼鉄製やコンクリート製の剛性、質量が大きい防音扉によってトンネル坑口を塞ぐことにより、優れた遮音効果を得ることができる。また、鋼管を隙間なく多数並行配置して防音壁を形成することも提案され、この防音壁では、鋼管の長手方向の剛性が従来の防音パネルよりも格段に向上し、発破音に含まれる低周波音によって防音壁が共鳴することを防止できる（例えば、特許文献１参照）。

さらに、トンネルの坑口ないし坑内を隔壁（防音壁）で閉塞することに加え、一端がトンネル坑内に開口し他端が閉塞した経路長の異なる複数の管体を、隔壁より切羽部側に設置する対策も提案されている。そして、複数周波数音の１／４波長の経路長で管体を形成することにより、発破音、特に低周波音を効果的に消音することができる（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−１０７６７２号公報 特開２０１１−２５６６０９号公報

しかしながら、上記従来の鋼管を用いた防音壁においては、鋼管を並行配置してトンネル坑口を塞ぐようにしているため、設置できる鋼管の数は限られ、これにより、鋼管による発破音低減効果にも限りがある。

また、経路長が異なる複数の管体を隔壁（防音壁）より切羽部側に設置する対策においては、トンネル断面の大部分を管体によって覆う構造であり、また、大規模であるため、重機の往来の支障になるなど、トンネル坑内の作業性の悪化を招くおそれがある。さらに、１／４波長の経路長で管体を形成し、この管体で生成した逆位相の音波によって元の音波を打ち消すサイドブランチ型の吸音機構を利用しているため、低周波音を低減させるためには、長い管体が必要になり、さらに大規模になってしまう。

これに対し、本願の発明者は、図１に示すように、例えば構造用合板を用いて形成した開口部２を有する箱型構造の吸音体１をトンネル発破音低減装置ＡとしてトンネルＴの坑内に設置し、この吸音体１によって発破音を低減させることを考えた。すなわち、複数の吸音体１を切羽部から坑口の間のトンネル坑内の任意の場所に設置してなるトンネル発破音低減装置Ａでは、発破作業時に、発破音が吸音体１の近傍を通過するとともに、その一部の音エネルギーが開口部２を通じて吸音体１の内部に入る。そして、吸音体１の内部でヘルムホルツ共鳴が生じるなどし、吸音体１によって内部に入った音エネルギーを吸収して低減させることができる。これにより、複数の吸音体１をまとめて設置したり、分散して設置してトンネル発破音低減装置Ａを構成するだけで、坑内の作業性の悪化を招くことなく、また、別途動力などを必要とせずに、発破音の低減効果を得ることが可能になる。

一方で、発破音のエネルギーは大きく、発破作業時に、トンネルＴ坑内に設置した箱型構造の吸音体１の各面には大きな力が加わることになる。そして、このとき、吸音体１の各面の変形や撓みが大きくなると吸音体１の吸音特性が変化し、対象とする周波数の音に対して十分な吸音性能が得られなくなってしまう。より具体的に、本願の発明者は、例えば図９に示すように３０Ｈｚ付近の周波数域を対象とし、開口部２が形成された吸音体１の面の剛性を変化させた場合の吸音率を調べ、この図９に示す通り、吸音体１の面の剛性によって吸音性能が大きく変化することを確認した。このことから、開口部２を有する箱型構造の吸音体１を備えてなるトンネル発破音低減装置Ａにおいては、図１０に示すように、吸音体１の各面の剛性不足に起因して、対象の低周波音（図１０では３０Ｈｚ付近／１６〜３１．５Ｈｚ）に対して低減効果が得られず、設計通りの吸音性能が発揮されないおそれがあった。

本発明のトンネル発破音低減装置の設計方法は、トンネル工事の発破作業によって発生する発破音を低減させるための吸音体を備えてなるトンネル発破音低減装置の設計方法であって、前記吸音体は、開口部を有する箱型構造で形成し、且つ、内部に、間仕切り壁を設け、互いに連通する複数の小室を備えて形成するものとし、前記吸音体で低減させる発破音の対象周波数を選定する対象周波数選定工程と、前記吸音体の寸法を設定する吸音体寸法設定工程と、前記吸音体の各面の剛性を設定する吸音体剛性設定工程と、前記吸音体の開口部の摩擦による音エネルギー損失、前記吸音体の内部の空気の共振、前記吸音体の壁面の変位の影響を、等価電気回路理論を応用して表現し、前記等価電気回路理論に基づいて前記吸音体の吸音率を推定する吸音率推定工程とを備え、前記対象周波数選定工程で選定した発破音の対象周波数に対し、前記吸音率推定工程で得られた吸音率が所望の吸音率以上となった場合に、前記吸音体剛性設定工程で設定した剛性を前記吸音体の面の剛性とすることを特徴とする。

本発明のトンネル発破音低減装置は、トンネル工事の発破作業によって発生する発破音を低減させるための吸音体を備えてなるトンネル発破音低減装置であって、上記のトンネル発破音低減装置の設計方法に基づいて前記吸音体が形成されていることを特徴とする。

本発明のトンネルの構築方法は、発破作業を伴うトンネルの構築方法であって、発破作業を行う箇所よりもトンネル入り口側に近い箇所に上記のトンネル発破音低減装置を複数配置することにより、トンネル発破音の低減を行うことを特徴とする。

本発明のトンネル発破音低減装置の設計方法及びトンネル発破音低減装置並びにトンネルの構築方法においては、対象周波数選定工程で選定した発破音の対象周波数に対し、吸音率推定工程で得られた吸音率が所望の吸音率（例えば５０％）以上となった場合に、吸音体剛性設定工程で設定した剛性を各面に備えて吸音体を形成する。これにより、発破作業時に、発破音のエネルギーが吸音体の各面に作用しても、吸音体の各面に想定以上の変形や撓みが生じることがなく、対象とする周波数の音に対して十分な吸音性能を得ることが可能になる。

よって、本発明のトンネル発破音低減装置の設計方法及びトンネル発破音低減装置並びにトンネルの構築方法によれば、吸音体が設計通りの吸音性能を発揮し、好適にトンネル工事の発破作業によって発生する発破音を低減させることが可能になる。また、発破作業を伴うトンネルの構築時に、発破作業を行う箇所よりもトンネル入り口側に近い箇所に上記のトンネル発破音低減装置（吸音体）を複数配置することにより、効果的にトンネル発破音の低減を図ることが可能になるとともに、トンネルの外部への発破音の伝播を効果的に防止できる。

本発明の一実施形態に係るトンネル発破音低減装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル発破音低減装置の吸音体を示す斜視図である。 図２のＸ１−Ｘ１線矢視図であり、本発明の一実施形態に係るトンネル発破音低減装置の吸音体を示す図である。 図２のＸ２−Ｘ２線矢視図であり、本発明の一実施形態に係るトンネル発破音低減装置の吸音体を示す図である。 図２のＸ３−Ｘ３線矢視図であり、本発明の一実施形態に係るトンネル発破音低減装置の吸音体を示す図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル発破音低減装置の設計方法を示すフロー図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル発破音低減装置の設計方法において、吸音体の開口部の摩擦による音エネルギー損失、吸音体の内部の空気の共振、吸音体の壁面の変位の影響を、等価電気回路理論を応用して表現した図である。 本発明の一実施形態に係るトンネル発破音低減装置の設計方法に基づいて形成した吸音体の吸音性能を示す図である。 吸音体の面の剛性と吸音性能の関係の一例を示す図である。 従来の吸音体の吸音性能の一例を示す図である。

以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係るトンネル発破音低減装置の設計方法及びトンネル発破音低減装置並びにトンネルの構築方法について説明する。

本実施形態のトンネル発破音低減装置Ａは、図１に示すように、トンネルＴの切羽部から坑口までの間に設置され、山岳トンネル工事などの発破作業に伴い発生する発破音を吸収して低減させるための装置である。

また、本実施形態のトンネル発破音低減装置Ａは、複数の吸音体１を備えて構成されている。そして、本実施形態の吸音体１は、図２から図５に示すように、構造用合板などの比較的軽量な素材を用いて、例えば長さ２〜４ｍ、幅１ｍ、高さ０．５ｍ程度の矩形箱型構造で形成されている。なお、発破作業を伴うトンネルＴの構築時には、発破作業を行う箇所よりもトンネル入り口側（坑口側）に近い箇所にトンネル発破音低減装置Ａ（吸音体１）を複数配置することが好ましい。

また、この吸音体１は、その内部に、間仕切り壁３が設けられている。この間仕切り壁３は、幅方向Ｓ１に沿って延びる吸音体１の一対の側壁４、５のうち一方の第１側壁４に一端３ａを接続し、長さ方向Ｓ２に沿って延びる一対の側壁６、７と平行に第２側壁５に向けて延設されている。また、間仕切り壁３は、幅方向Ｓ１略中央に配設され、且つ他端３ｂと第２側壁５の間に所定の間隔をあけて配設されている。

さらに、間仕切り壁３は、上端及び下端を吸音体１の上板８及び下板９にそれぞれ接続して配設されている。これにより、吸音体１の内部には、間仕切り壁３によって互いに連通する複数の小室１０、１１が形成されている。

また、図２から図４に示すように、第１側壁４には、間仕切り壁３と第３側壁６の間の小室１０と外部を連通させる開口部２が貫通形成されており、本実施形態では、この開口部２が例えば幅２５ｃｍ、高さ１０ｃｍで形成されている。

そして、本実施形態では、吸音体１を構成する第１側壁４、第２側壁５、第３側壁６、第４側壁７、上板８、下板９に加え、間仕切り壁３と開口部２とによって、開口部２を通じて発破作業時に発生する発破音（音エネルギー）が入るとともにヘルムホルツ共鳴を生じさせるヘルムホルツ共鳴機構１２が構成されている。また、本実施形態では、このヘルムホルツ共鳴機構１２が、例えば発破音の２０〜８０Ｈｚの低周波音（低周波帯域）に共鳴するように構成されている。なお、本発明にかかる吸音体１は、その形状、間仕切り壁の数や配置を必ずしも本実施形態のように限定する必要はなく、要求される吸音性能に応じて適宜決定すればよい。

さらに、本実施形態のトンネル発破音低減装置Ａの吸音体１は、第１側壁４、第２側壁５、第３側壁６、第４側壁７、上板８、下板９、間仕切り壁３が、適宜、折り畳み可能、分解可能（着脱可能）とされ、組立式構造で形成されている。

そして、上記構成からなる本実施形態のトンネル発破音低減装置Ａにおいては、図１に示すように、吸音体１を切羽部から坑口の間のトンネル坑内の任意の場所に、複数の吸音体１を積み重ねるなどしてまとめて設置したり、分散して設置する。また、例えば発破音の発生源側の切羽部側に開口部２を向けるなど、適宜開口部２の位置を調整しながら吸音体１を設置する。このように複数の吸音体１を設置すると、発破作業時に、発破音が吸音体１の近傍を通過するとともに、その一部の音エネルギーが開口部２を通じて吸音体１の内部に入り、吸収される。また、このとき、本実施形態では、ヘルムホルツ共鳴機構１２が吸音体１の内部に形成されているため、この吸音体１の内部に音エネルギーが入るとともにヘルムホルツ共鳴が生じ、これにより、確実且つ効果的に発破音が吸収されて低減する。

一方で、発破作業時に、吸音体１の第１側壁４、第２側壁５、第３側壁６、第４側壁７、上板８、下板９の各面に発破エネルギーが加わり、吸音体１の各面の変形や撓みが発生して、対象とする周波数の音に対し十分な吸音性能が得られなくなるおそれがある。

これに対し、本実施形態では、発破作業時に、吸音体１の各面の変形や撓みの発生を抑え、対象とする周波数の音に対して十分な吸音性能が発揮されるように吸音体１を形成する。具体的に、本実施形態のトンネル発破音低減装置の設計方法では、図６に示すように、はじめに、発破音実測データの周波数分析結果などに基づいて、吸音体１で低減させる発破音の対象周波数を選定する（対象周波数選定工程）。また、吸音体１の寸法（長さ、幅、高さ）を設定する（吸音体寸法設定工程）。

次に、吸音体１の材質を選定するとともに、吸音体１の各面の剛性を設定する（吸音体剛性設定工程）。このとき、密度やヤング率、ポアソン比などを考慮しながら、発破音の圧力によって吸音体１の各面に過度な変形を生じさせない十分な剛性を設定する。

このように、対象周波数、吸音体１の寸法、剛性を設定した段階で、この吸音体１の対象周波数の発破音に対する吸音性能をシミュレーションによって確認する。このとき、本実施形態では、吸音体１の開口部２の摩擦による音エネルギー損失、吸音体１の内部の空気の共振、吸音体１の壁面の変位の影響を、図７に示すように、等価電気回路理論を応用して表現し、この等価電気回路理論に基づいて吸音体１の吸音率を推定する（吸音率推定工程）。すなわち、対象周波数の発破エネルギーを入力し、大気中を伝播するときの空気の抵抗、吸音体１の内部空気の影響（抵抗、共振）、吸音体１の開口部２を出入りするときの音エネルギー損失、吸音体１の壁面の質量や剛性にかかる音エネルギー損失を求め、吸音体１による吸音率を算出する。

そして、選定した発破音の対象周波数に対し、得られた吸音率が予め設定した所望の吸音率（例えば５０％）以上となった場合に、吸音体剛性設定工程で設定した剛性を吸音体の面の剛性とする。

一方、算出した吸音率が所望の吸音率（例えば５０％）を下回り、吸音体１の剛性が十分に確保されていないと判定された場合には、吸音体寸法設定工程に戻って吸音体１の各面の大きさや縦横比を変更するなどして吸音体１の寸法を再設定し、改めて吸音体剛性設定工程で吸音体１の各面の剛性を設定し、吸音体１による吸音率を算定する。そして、所望の吸音率が得られるまで上記操作を行ない、吸音体１の面の剛性を決定する。

ここで、図８に、上記の本実施形態のトンネル発破音低減装置の設計方法に従い、吸音体１を等価電気回路理論に基づいてモデル化し、その吸音特性をシミュレーションした結果を示す。この図８では、発破音の周波数と吸音体１による発破音の平均吸音率の関係を示している。そして、この図に示すように、本実施形態のトンネル発破音低減装置Ａの吸音体１においては、発破音の２０〜８０Ｈｚの低周波数帯域で、ヘルムホルツ共鳴機構１２により、５０％以上の吸音率が得られることが確認された。また、４０〜６３Ｈｚでは吸音率が８０％を超え、特に優れた吸音効果が発揮されることが確認された。

したがって、本実施形態のトンネル発破音低減装置の設計方法及びトンネル発破音低減装置においては、対象周波数選定工程で選定した発破音の対象周波数に対し、吸音率推定工程で得られた吸音率が所望の吸音率（例えば５０％）以上となった場合に、吸音体剛性設定工程で設定した剛性を各面に備えて吸音体１を形成する。これにより、発破作業時に、発破音のエネルギーが吸音体１の各面に作用しても、吸音体１の各面に想定以上の変形や撓みが生じることがなく、対象とする周波数の音に対して十分な吸音性能を得ることが可能になる。よって、吸音体１が設計通りの吸音性能を発揮し、好適にトンネル工事の発破作業によって発生する発破音を低減させることが可能になる。また、発破作業を伴うトンネルＴの構築時に、発破作業を行う箇所よりもトンネル入り口側（坑口側）に近い箇所にトンネル発破音低減装置Ａ（吸音体１）を複数配置することにより、効果的にトンネル発破音の低減を図ることが可能になるとともに、トンネルＴの外部への発破音の伝播を効果的に防止できる。

また、本実施形態のトンネル発破音低減装置Ａにおいては、複数の吸音体１を切羽部から坑口の間のトンネルＴ坑内の任意の場所に設置すると、発破作業時に、発破音が吸音体１の近傍を通過するとともに、その一部の音エネルギーが開口部２を通じて吸音体１の内部に入る。このとき、吸音体１の内部にヘルムホルツ共鳴機構１２が形成されているため、内部に入った音エネルギーを吸収し低減することが可能になる。

これにより、本実施形態のトンネル発破音低減装置Ａにおいては、切羽部から坑口の間のトンネルＴ坑内の任意の場所に、複数の吸音体１をまとめて設置したり、分散して設置しておくだけで、坑内の作業性の悪化を招くことなく、また、別途動力などを必要とせずに、確実に発破音の低減効果を得ることが可能になる。

さらに、吸音体１が折り畳み可能及び／又は分解可能な組立式構造で形成されていることにより、設置、移動、撤去を容易に行なうことができ、坑内作業の妨げになることがない。また、再利用を可能にし、コスト削減を図ることも可能になる。

以上、本発明に係るトンネル発破音低減装置の設計方法及びトンネル発破音低減装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 吸音体
２ 開口部
３ 間仕切り壁
３ａ 一端
３ｂ 他端
４ 第１側壁
５ 第２側壁
６ 第３側壁
７ 第４側壁
８ 上板
９ 下板
１０ 小室
１１ 小室
１２ ヘルムホルツ共鳴機構
Ａ トンネル発破音低減装置
Ｓ１ 幅方向
Ｓ２ 長さ方向
Ｔ トンネル

Claims (3)

1. トンネル工事の発破作業によって発生する発破音を低減させるための吸音体を備えてなるトンネル発破音低減装置の設計方法であって、
   前記吸音体は、開口部を有する箱型構造で形成し、且つ、内部に、間仕切り壁を設け、互いに連通する複数の小室を備えて形成するものとし、
   前記吸音体で低減させる発破音の対象周波数を選定する対象周波数選定工程と、
   前記吸音体の寸法を設定する吸音体寸法設定工程と、
   前記吸音体の各面の剛性を設定する吸音体剛性設定工程と、
   前記吸音体の開口部の摩擦による音エネルギー損失、前記吸音体の内部の空気の共振、前記吸音体の壁面の変位の影響を、等価電気回路理論を応用して表現し、前記等価電気回路理論に基づいて前記吸音体の吸音率を推定する吸音率推定工程とを備え、
   前記対象周波数選定工程で選定した発破音の対象周波数に対し、前記吸音率推定工程で得られた吸音率が所望の吸音率以上となった場合に、前記吸音体剛性設定工程で設定した剛性を前記吸音体の面の剛性とすることを特徴とするトンネル発破音低減装置の設計方法。
2. トンネル工事の発破作業によって発生する発破音を低減させるための吸音体を備えてなるトンネル発破音低減装置であって、
   請求項１記載のトンネル発破音低減装置の設計方法に基づいて前記吸音体が形成されていることを特徴とするトンネル発破音低減装置。
3. 発破作業を伴うトンネルの構築方法であって、
   発破作業を行う箇所よりもトンネル入り口側に近い箇所に請求項２記載のトンネル発破音低減装置を複数配置することにより、トンネル発破音の低減を行うことを特徴とするトンネルの構築方法。

Images