JP5845330B1 - 地質探査方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、爆薬の発破により生成される弾性波は、マイクロ秒オーダーの衝撃波と、ミリ秒オーダーの圧力波とが重なり合ったものとなる。ここで、衝撃波は、岩石などを破壊する作用(衝撃破砕効果)を有する。また、圧力波は、多量の高温・高圧ガスの膨張によって岩石などを自由面方向にはね飛ばす作用(高圧推進効果)を有する。このように、爆薬の発破により生成される弾性波は、前述の衝撃波と圧力波とが重なり合ったものとなるので、理想とする正弦波とは異なり歪な波形となる。従って、受振点で受振される歪な波形の弾性波がノイズを多く含んでいるのか否かの判別が難しく、それゆえ、高精度な地質探査を実現することが難しかった。
本発明は、このような実状に鑑み、起振による周囲へのダメージを抑制すると共に、広範囲かつ高精度な地質探査を実現することを目的とする。
発振装置11は、トンネルA坑内の切羽付近に配置される。発振装置11は、点火装置41と、点火用母線42と、カートリッジ43とを含んで構成される。
点火装置41の点火用母線接続端子(図示せず)には、点火用母線42の一端が接続されている。点火用母線42の他端は、点火用脚線44(図4参照)を介して、カートリッジ43内のイグナイター(図示せず)に接続されている。すなわち、点火用母線42は、点火装置41とカートリッジ43内のイグナイターとを電気接続している。
解析コンピュータ30による三次元トモグラフィ解析では、Eikonal方程式(波動方程式の有限差分近似)を改良した式を用い、各弾性波線のスローネス(Slowness)の修正量に重みをつけて平均し、各格子のスローネスの修正量を求める修正SIRT法(反復的再構築法)を利用する。そして、計算によって得られた弾性波の伝播経路が計測された伝播経路に適合するまで反復計算を行う。
まず、計測された弾性波の、ある格子を通る波動は、次の式(1)で表される。
また、一般に、弾性波の伝播経路は直線ではなく、むしろ地層間の密度差により大きく湾曲しているため、伝播経路は、次の式(2)に示す速度モデルに従うものとする。
図3は、三次元トモグラフィ解析の手順を示したフローチャートである。
図3に示すように、まず、ステップS1において、解析範囲と解析精度を設定し、メッシュの作成を行う。解析精度は格子間隔に左右されるため、解析精度と計算条件等を総合的に判断し、例えば、1.0m間隔のメッシュとする。
次に、ステップS3において、波形取得装置22により記録された各波形の初動をピックアップして各受振装置21が弾性波を受振した受振時刻を求め、発振点α1から各受振装置21に至る各弾性波の伝播速度を計算する。
次に、ステップS5において、ステップS4で構築した初期弾性波速度モデルを用いて、発振点α1から各受振装置21に至る各弾性波の伝播時間を計算する。そして、この計算した伝播時間が波形取得装置22により記録された計測時間に近づくまで、繰返し計算する。
そして、ディスプレイに表示された三次元の弾性波速度分布を参照することで、切羽前方の地質の硬軟の程度を把握することができ、例えば、低速度層である断層破砕帯の位置及び硬軟の程度(弾性波の伝播速度)を把握することができる。
図4は、本実施形態における填塞方法を示す部分拡大図であり、図1の部分Pに対応している。
カートリッジ43は、トンネルAの掘削面側(トンネルAの切羽側)から長孔40内に挿入されて、発振点α1に設置されている。ここで、本実施形態では、カートリッジ43の挿入方向前側端部43aが、長孔40の奥側端部40aに位置している。
ここで、込め物51は、例えば、透水性を有する袋52と、この袋52に封入されて水により膨潤する粉状又は粒状のゲル化剤とを含んで構成される。ゲル化剤は、高吸水性樹脂(例えばカルボキシメチルセルロース)を含んで構成される。
このようにして、長孔40内におけるカートリッジ43の挿入方向後側端部43bの後方1m程度が水ゲルで填塞される。
また、本実施形態では、込め物51がゲル化剤を含んで構成されているが、これに代えて、又は、これに加えて、湿った砂や粘土を含んで構成されてもよい。
時刻t0でイグナイターが蒸気圧発生薬剤を着火すると、蒸気圧発生薬剤の反応により発生した水蒸気は、長孔40の内面と水ゲルとにより画定される空間内に閉じ込められた状態で、着火から30〜50msで、最大圧力Pmaxに到達する。この瞬間においては、水ゲルは、慣性力により見かけ上剛体のように作用する。しかしながら、水ゲルはその後に蒸気圧によって押されて長孔40内から後方のトンネルA坑内に移動する。水蒸気は水ゲルの移動によって体積が増すと共に、急速に熱が奪われ、圧力が急激に低下する。この一連の現象が、岩盤(地山)を急激に押圧して開放するという、ハンマーの一打撃のような作用をするものと考えられる。
従って、長孔40を水ゲルで適正に填塞することにより、蒸気圧発生薬剤から発生する水蒸気を効率良く利用して、大きな振幅の弾性波を生成することができる。
例えば、図6に示す本実施形態の第1変形例のように、長孔40がトンネルAの切羽から前方に向かうほど上方に向かうように上向きに傾斜して延びるように形成されてもよい。この第1変形例におけるカートリッジ43の長孔40への装填後の填塞作業については、前述の図4(a)及び(b)が、それぞれ、図6(a)及び(b)に対応する。
本変形例によれば、発振点α1から弾性波を発振するに先立って、長孔40内におけるカートリッジ43(蒸気圧発生薬剤)の周囲を水などの液体で満たす。これにより、長孔40の填塞を容易に行うことができる。
尚、本変形例において、込め物として、水ゲル、湿った砂、粘土などを用いてもよいことは言うまでもない。
本実施形態では、長孔40の長さが30m程度であり、前述の第1実施形態における長孔40よりも長い。尚、本実施形態では、長孔40の長さが30m程度であるとしているが、長孔40の長さはこれに限らない。
各受振装置21は、それぞれ、発振点α11〜α13から離隔している。また、各受振装置21は、発振点α11〜α13からの弾性波を受振する。
図11は、本実施形態における填塞方法を示す部分拡大図であり、図9の部分Qに対応している。
発振点α11に関する填塞作業は、カートリッジ43を長孔40内の発振点α11に設置した後であって、かつ、点火装置41とカートリッジ43とを結線するに先立って、行われる。
発振点α11に関する填塞作業については、前述の第1実施形態における発振点α1に関する填塞作業(図4(a)及び(b)参照)と同様であるので、その説明を省略する。
発振点α12に関する填塞作業は、発振点α11での弾性波生成が完了した後に行われる。
発振点α13に関する填塞作業は、発振点α12での弾性波生成が完了した後に行われる。
発振点α13に関する填塞作業については、発振点α12に関する填塞作業(図11(a)〜(d)参照)と同様であるので、その説明を省略する。
また、本実施形態では、トンネルAの掘進方向に互いに間隔を空けて3つの発振点(発振点α11〜α13)が直列に設定されているが、発振点の個数はこれに限らない。
この点、図12及び図13に示す本実施形態の一実施例では、トンネルAの掘進方向に互いに間隔を空けて9つの発振点(発振点α21〜α29)が直列に設定されている。この実施例について、図12及び図13を用いて説明する。
また、本実施例では、切羽前方の地表部に、23個の受振点が、トンネルセンターライン上に水平距離約5m間隔で予め設定されており、各受振点に受振装置21が設置された。各受振装置21は、発振点α21〜α29からの弾性波を受振する。
また、この地質探査に要した時間は6時間程度であった。
前述の第1及び第2実施形態と異なる点について説明する。
本実施形態では、隣り合う長孔40同士が互いに間隔を空けて形成されている。
特に本実施形態によれば、前述の第1及び第2実施形態に比べて、より多くの回数の起振を行うことができるので、地質探査の精度を向上させることができる。
前述の第1実施形態と異なる点について説明する。
本実施形態における地質探査方法では、発振点α1から発振されて切羽前方の不連続面(例えば図15に示す断層破砕帯B)で反射して戻ってくる弾性波を、トンネルA坑内の複数の受振装置21が受振する。
また、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
10 発振側設備
11 発振装置
12 発振時刻検出装置
13 時刻情報受信装置
14 光伝送路
14a 光ファイバケーブル
14b 光送信機
14c 光受信機
15 刻時装置
20 受振側設備
21(21a〜21f) 受振装置
22 波形取得装置
23 時刻情報受信装置
24 刻時装置
30 解析コンピュータ
40 長孔
41 点火装置
42 点火用母線
43 カートリッジ
44 点火用脚線
51,51’ 込め物
52,52’ 袋
60 切羽
A トンネル
B 断層破砕帯
Claims (7)
- 掘進するトンネルの切羽前方の地質を探査する地質探査方法であって、
トンネルの掘削面から地山内部に削孔して長孔を形成すること、
前記長孔内の第1の発振点から離隔し、かつ、前記長孔内の第2の発振点から離隔した受振点に受振手段を設置すること、
前記第1の発振点に蒸気圧発生薬剤を設置すること、
前記第1の発振点に設置された蒸気圧発生薬剤の反応により生成される弾性波を前記第1の発振点から発振すること、
前記第1の発振点からの弾性波を前記受振手段で受振すること、
前記第1の発振点から弾性波を発振した後に、前記第2の発振点に蒸気圧発生薬剤を設置すること、
前記第2の発振点に設置された蒸気圧発生薬剤の反応により生成される弾性波を前記第2の発振点から発振すること、及び、
前記第2の発振点からの弾性波を前記受振手段で受振すること、
を含み、
前記第1の発振点と前記第2の発振点とにそれぞれ設置された蒸気圧発生薬剤の反応では、蒸気圧発生薬剤中のテルミット剤(金属酸化還元剤)をテルミット反応させて、この反応による発熱で蒸気圧発生薬剤中のガス発生剤を分解気化させることによって蒸気を発生させ、この発生した蒸気が前記長孔の内面を押圧することによって弾性波が生成される、
地質探査方法。 - 前記長孔は、トンネルの切羽から前方に延びるように形成され、
前記第2の発振点は、前記第1の発振点の後方に位置する、請求項1に記載の地質探査方法。 - 前記発振点に前記蒸気圧発生薬剤を設置することは、
前記発振点に前記蒸気圧発生薬剤を設置するに先立って、第1の込め物をトンネルの掘削面側から前記長孔内に挿入すること、
前記蒸気圧発生薬剤をトンネルの掘削面側から前記長孔内に挿入し、前記蒸気圧発生薬剤の挿入方向前側を前記第1の込め物の挿入方向後側に隣接させて、前記発振点に前記蒸気圧発生薬剤を設置すること、及び、
第2の込め物をトンネルの掘削面側から前記長孔内に挿入し、前記第2の込め物の挿入方向前側を前記蒸気圧発生薬剤の挿入方向後側に隣接させること、
を含む、請求項1又は請求項2に記載の地質探査方法。 - 前記込め物は、透水性を有する袋と、この袋に封入されて水により膨潤するゲル化剤と、を含んで構成される、請求項3に記載の地質探査方法。
- 前記発振点から弾性波を発振するに先立って、前記長孔内における前記蒸気圧発生薬剤の周囲を液体で満たすことを更に含む、請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の地質探査方法。
- 複数の前記受振点がトンネルの切羽前方の地表部に予め設定され、各受振点に前記受振手段が設置される、請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の地質探査方法。
- 前記発振点から発振された弾性波が前記受振点に至るまでの時間である弾性波の伝播時間に基づき、トモグラフィ解析を用いて、トンネルの切羽前方の弾性波速度分布を生成すること、を更に含む、請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の地質探査方法。
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