JP6335204B2

JP6335204B2 - 地震計及びこれを用いた切羽前方探査装置

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Publication number: JP6335204B2
Application number: JP2016050443A
Authority: JP
Inventors: 山本　浩之; 浩之山本; 匡志中谷; 和弘大沼; 照夫佐々木
Original assignee: Hazama Ando Corp
Current assignee: Hazama Ando Corp
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: JP2017166881A

Description

本発明は、トンネル工事などの土木工事においてトンネル切羽などの掘削位置の地質状態の把握に使用する地震計及びこれを用いた切羽前方探査装置に関するものである。

通常、トンネル工事においては、トンネルの掘削や支保を安全かつ効率良く施工するために、トンネルの掘削前に地山の弾性波速度分布を推定することが行われる。また、トンネルの掘削中に掘削面である切羽付近の地質状態を把握するため、トンネル坑内において弾性波速度の測定による切羽前方探査が行われる。

従来の切羽前方探査装置が例えば特許文献１及び２に開示されている。
（１）特許文献１
特許文献１は、トンネル坑内切羽の弾性波速度測定装置すなわち、切羽前方探査装置を開示しており、この文献１の装置は、トンネル坑内の切羽から離れた後方の坑壁位置に設置された地震計（弾性波受信機）と、トンネル坑内の切羽から離れた後方の坑内に発破ボタンを有する点火器と、この点火器に接続されたデータ蓄積器（記録器）とを設置して成る。そして、これらの機器で切羽の発破により発生する弾性波を計測、記録し、得られた弾性波データに基づいて地山の弾性波速度の測定による切羽前方探査技術が提案されている。
（２）特許文献２
特許文献２は、切羽前方探査システムに関するもので、この文献２では、トンネル坑内の切羽に近い後方の坑壁位置に地震計を設置し、トンネル坑内の切羽から離れた後方の坑壁位置に地震計及び記録器を設置して、これらの機器で切羽の発破により発生する弾性波を計測、記録し、地山の弾性波速度の測定による切羽前方を探査する装置が開示されている。
そして、上記いずれの先行技術においても、従来の切羽前方探査装置は、トンネル坑内における弾性波測定を行うために、弾性波受信機と、点火器と、記録器とをリード線すなわち電気コードで接続してシステムを構築するという、有線タイプの構造を有するものであった。

特開２００３−７５２４７公報特開平１０−３１１８８０公報

しかしながら、従来の切羽前方探査装置は、上述のように有線タイプの構造を有するものであったため、各種機器や配線の設置、撤去、移設の作業が煩雑であり、これらの作業に要する時間も長くなっていた。また、坑内の車両通行や掘削、発破による飛石などの影響でコードが切れるなど、連続的なデータ取得がきわめて困難であった。

本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、切羽前方探査装置において、トンネル坑内を電気配線等で埋め尽くすことなく、トンネル施工、坑内作業に影響せず前方探査を可能にするとともに、各種信号を受信する機器の増設を行うことを可能にする地震計及びこれを用いた切羽前方探査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の地震計は、トンネル坑内の掘削発破を設置した切羽から後方へ所定の距離離れた位置において、吹付コンクリートが設置されたトンネル壁の岩盤に差込み固定され、掘削発破により発生する弾性波を受信するロックボルトと、前記ロックボルトの基端に取り付けられた地震波計測部とから構成され、前記地震計測部は、内部が中空で各種計測機能部を収容する箱体からなり、箱体の中心部分には中空部が形成された支柱部を有するハウジングと、前記トンネル壁の吹付コンクリート表面側に設置されて前記ロックボルトの基端部にネジ係合する円柱ジグと、前記ハウジングの支柱部において、前記中空部内に配置された前記円柱ジグに対してネジ係合し、前記ハウジングを前記吹付コンクリート表面側に固定取り付けする固定ボルトとを有し、また前記地震計測部は、ハウジングの内部に収容されたジオフォンと、ジオフォンに接続され前記ロックボルトで受振した弾性波を計測する計測回路と、計測回路により生成された計測信号を無線信号として発信させる無線回路とを備えており、前記固定ボルトを前記円柱ジグに対して締め込むことにより、前記ハウジングは前記吹付コンクリート表面に強固に結合される、ことを特徴とする。上述のように、ロックボルトの頭部に当たるハウジング部分に弾性波計測用の電気機器を収容し、無線通信により信号の送受を行うため、電気配線等の大掛かりな装備が不要となる。また、地震計のハウジングが前記吹付コンクリート表面に強固に結合されるから、発破場所から伝搬してきた地震波を漏らさず捕え、計測できる。

本件第２発明の切羽前方探査装置は、トンネル坑内の掘削発破を設置した切羽から後方へ所定の距離離れた位置に設置され、前記掘削発破に発破母線により接続された発火手段と、発破母線に発火用の電流が流れたことを検知してトリガー信号を発生させ、このトリガー信号を無線で送信するトリガー信号発信手段と、トリガー信号発信手段から送付されたトリガー信号を無線により受信して地震波の受信、記録状態となり、掘削発破により発生する弾性波を受信し、計測信号を無線で発信する地震計とからなり、前記地震計には、トンネル坑内の掘削発破を設置した切羽から後方へ所定の距離離れた位置において、吹付コンクリートが設置されたトンネル壁の岩盤に差込み固定され、掘削発破により発生する弾性波を受信するロックボルトと、前記ロックボルトの基端に取り付けられた地震波計測部とから構成され、前記地震計測部は、内部が中空で各種計測機能部を収容する箱体からなり、箱体の中心部分には中空部が形成された支柱部を有するハウジングと、前記トンネル壁の吹付コンクリート表面側に設置されて前記ロックボルトの基端部にネジ係合する円柱ジグと、前記ハウジングの支柱部において、前記中空部内に配置された前記円柱ジグに対してネジ係合し、前記ハウジングを前記吹付コンクリート表面側に固定取り付けする固定ボルトとを有し、また前記地震計測部は、ハウジングの内部に収容されたジオフォンと、ジオフォンに接続され前記ロックボルトで受振した弾性波を計測する計測回路と、計測回路により生成された計測信号を無線信号として発信させる無線回路と、を備えており、前記固定ボルトを前記円柱ジグに対して締め込むことにより、前記ハウジングは前記吹付コンクリート表面に強固に結合される、構成になった地震計が用いられることを特徴とする。上述のように、トリガー信号発信手段と地震計とが無線接続され、地震計は計測信号を無線で発信するため、電気配線等の大掛かりな装備が不要となる。また、切羽前方探査装置を構成する地震計のハウジングが前記吹付コンクリート表面に強固に結合されるから、切羽の前方探査を行うに当たって、発破場所から伝搬してきた地震波を漏らさず捕え、計測できる。

本発明の他の態様として、地震計はその内部に、弾性波計測データを記録する記憶部を備えていることを特徴とする。また、さらに別の態様として、地震計に記憶部を備える代わりに、この地震計に無線通信可能に接続された記録器をさらに備えることもできる。

本発明によれば、地震計のロックボルトの頭部に当たるハウジング部分に弾性波計測用の電気機器を収容し、無線通信により信号の送受を行うため、地震計のデータ通信のために、電気配線等の大掛かりな装備が不要となる。

また、切羽前方探査装置としても、トリガー信号発信手段と地震計といったユニット間が無線接続され、地震計は計測信号を無線で発信するため、切羽前方探査装置を構成するために電気配線等の大掛かりな装備が不要となる。

その結果、地震計の周辺及び切羽前方探査装置において、トンネル坑内を電気配線等で埋め尽くすことはなくなり、トンネル施工、坑内作業に影響せず前方探査を行える。また、各種信号を受信する機器の増設を自由に且つ簡易に行うことができるという利点がある。

本発明の第１の実施の形態として示す切羽前方探査のシステム構成を説明する図である。第１の実施の形態における地震計において地震波計測部の部分の一構成例を示す図である。第１の実施の形態におけるハウジングの内部に収容されて地震波計測を行う電気的要素を構成する各種計測機能部を説明するハウジングの断面図である。第１の実施の形態における地震波計測部で地震波計測を行う電気的な構成を説明するブロック図である。第１の実施の形態の切羽前方探査装置において、無線通信により信号の送受信を行う各ユニットの配置関係を表す図である。本発明の第２の実施の形態におけるハウジングの内部に収容されて地震波計測を行う電気的要素を構成する各種計測機能部を説明するハウジングの断面図である。第２の実施の形態における地震波計測部で地震波計測を行う電気的な構成を説明するブロック図である。

実施の形態１
次に、図１から図５を用いて本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る切羽前方探査のシステム構成を説明する図である。図１において、符号１は、トンネル坑内の切羽を示す。切羽１には掘削発破（以下、単に「発破」という）２が配置されてこれが破裂せしめられトンネルの掘削前進が行われる。この切羽前方探査システムに用いられる切羽前方探査装置は、切羽１から後方に所定の距離離れた位置に配置され、有線タイプの発破母線３を介して発破２に接続された発火器４と、発火器４に無線で接続された起動スイッチ５と、発破母線３に点火用の電流（又は信号）が流れたことを検知してトリガー信号を無線で発信するトリガー信号発信器６と、切羽１から後方（地山内部とは反対の坑内空間側をいう）に所定の距離離れた位置でトンネルの壁などの地山部分（トンネル壁で代表させる）に設置されたロックボルトタイプの地震計７と、地震計７からの計測信号を記録する記録器８とから成る。この明細書において「前方」とはトンネル掘削が進行して行く方向、図１中の矢印Ｓで示す方向であり、「後方」はその反対の方向である。地震計７は、トンネル壁にネジ込み等の方法で固定されるロックボルト９と、ロックボルト９の基端に取り付けられた地震波計測部１０とから構成されている。ここで「ロックボルト９の基端」とは、ロックボルト９のトンネル坑内側の端部で、構造的にはボルト頭部に相当する。ちなみに、ロックボルト９の地山の奥側の端部は先端である。発破母線３には当該発破母線３に電流が流れたことを検知する電流センサ１１が取り付けられている。ロックボルト９は地震計７の中で、地震計７全体をトンネル壁に固定する機能と、地山を伝搬して届いた弾性波（地震波）を受信（或いは、受振）するアンテナとしての機能とを有する。トリガー信号発信器６は、電流センサ１１に接続される一方で、地震計７及び記録器８に無線で接続されている。記録器８は無線通信機能を有するＰＣ（パーソナルコンピュータ）により構成されてもよい。地震計７は地震波の計測を正確に行うために複数台が設置される。電流センサ１１には非接触型の電流センサが用いられる。

図２は地震計７において地震波計測部１０の部分の一構成例を示す図である。地震波計測部１０は、内部に各種計測機能部を収容するハウジング１２と、地震計７を安定して設置するために岩盤１３Ａに設けられた吹付コンクリート１３に据え置かれ、ロックボルト９を貫通させる孔を有する座金１４と、座金１４上に設置されてロックボルト９の基端部にネジ係合する円柱ジグ１５と、円柱ジグ１５に対してハウジング１２をネジ結合させる固定ボルト１６とから成る。ハウジング１２は内部が中空の箱体からなり、その中心部分には円柱ジグ１５及び固定ボルト１６を介して座金１４ひいては吹付コンクリート１３に固定される支柱部１７を有している。支柱部１７には円柱ジグ１５を受け入れる中空部１８が形成されている。円柱ジグ１５は円管状の構造を有し、円管の内周にはめねじが形成されている。そして、円柱ジグ１５を吹付コンクリート１３の表面側で座金１４から突出しているロックボルト９にネジ係合させて座金１４上に固定し、その上からハウジング１２の支柱部１７に形成された中空部１８を円柱ジグ１５に嵌合させ、さらにハウジング１２の上部から支柱部１７を通して固定ボルト１６を円柱ジグ１５にネジ係合させることによりハウジング１２の固定取り付けが行われる。

図３はハウジング１２の内部に収容されて地震波計測部１０の電気的要素を構成する各種計測機能部を説明するハウジング１２の断面図である。また、図４は地震波計測部１０を構成する各種計測機能部の回路構成を説明するブロック図である。地震波計測部１０のハウジング１２内には、ロックボルト９に近接した支柱部１７に取り付けられたジオフォン２０と、ジオフォン２０に接続された計測回路２１と、計測回路２１により生成された計測信号を無線信号として発信させる無線回路２２と、外部機器から地震波計測部１０への電波信号Ｗを受信し、また地震波計測部１０から外部機器へ電波信号Ｗを送信するアンテナ２３と、地震波計測部１０の電源となる電池（バッテリでもよい）２４と、電池２４からの電力を各機能部へ供給する電源回路２５と、地震波計測部１０における各種動作の指示を入力するスイッチパネル２６とが配設されている。ジオフォン２０はロックボルト９により採取された地山を伝搬する弾性波を検知し、その弾性波信号を計測回路２１へ送付する。計測回路２１は弾性波信号を電気信号へ変換してデータ化し、弾性波の速度、伝搬方向等を求めて計測信号（或いは計測データ）を生成し、無線回路２２へ送付する。無線回路２２は上述のように計測回路２１により生成された計測信号を無線信号として発信させる一方で、トリガー信号発信器６からのトリガー信号を受信し、受信したトリガー信号を計測回路へ送付する機能も有する。計測回路２１は受信したトリガー信号を基にジオフォン２０からの弾性波信号の受信タイミングを取る。電池には、例えばリチウムバッテリを使うことができる。このような電池はトリガー発信器６や記録器８にも電源部として使うことができる。

図５は切羽前方探査装置において、無線通信により信号の送受信を行う各ユニット（無線通信ユニット）の配置関係を表す図である。図５において、発火器４と起動スイッチ５は点火所（作業場所）に設置され切羽１及び発破２からは概略１５０ｍ（メートル）程度離れた場所に設置される。記録器８もまた発火所に設置される。発破母線は発火器４から発破２まで延伸されて両者を接続している。トリガー信号発信器６は点火所から３０ｍ〜８０ｍの位置に設置される。また、地震計７は点火所から概略１２０ｍの位置に設置され、無線通信ユニットの中では切羽１に最も近い場所に設置される。

以上の構成を有する切羽前方探査装置の動作について説明する。点火所の起動スイッチ５をオン動作させると、発破母線３に接続されたトリガー信号発信器６及び地震計７の地震波計測部１０が起動する。点火所に設置された記録計８も起動する。次に発火器４が発火作動され発破２の点火信号が発破母線３を通ると、トリガー信号発信器６から地震波計測部１０へトリガー信号が無線送信されるととともに、地震波計測部１０は地震波の受信収録状態となり、発破２で発生する弾性波を受信し、その計測回路２１において計測信号を生成する。この計測信号は地震波計測部１０の無線回路２２により記録器８へリアルタイムで無線送信される。トリガー信号発信器６、地震計７及び記録器８はいずれも無線通信機能を有し、独立したユニットであるから、複数のユニット相互間にコード（有線による通信線）を引く必要はなく、コードの設置、撤去、移設といった各種作業が不要となる。また各ユニットの電源部としてリチウムバッテリーを用いた場合、切羽前方探査装置は１カ月程度常設して切羽前方探査作業を実行することができる。

これにより、トンネル施工、坑内作業に影響せず切羽前方探査が行えるとともに、従来のようにコード類の増加がネックとなって地震計が増設できないという制約も無くなり、より一層正確な切羽前方探査を行うことができる。

実施の形態２
実施の形態１においては、切羽前方探査装置において、無線通信により信号の送受信を行う無線通信ユニットに記録器８が含まれ、地震計７からの計測信号を記録器８により受信、記録する形態を採用している。しかしながら、計測信号の記録はこの形態に限られない。図６は本発明の第２の実施の形態に係る切羽前方探査装置の地震計７において、地震波計測部１０の電気的要素を構成する各種計測機能部を説明するハウジング１２の断面図である。また、図７は地震波計測部１０を構成する各種計測機能部の回路構成を説明するブロック図である。図６において、地震波計測部１０のハウジング１２内には、ジオフォン２０と、計測回路２１と、無線回路２２と、アンテナ２３と、電池２４と、電源回路２５と、スイッチパネル２６とが配設されている点は上記第１の実施の形態と同様である。この第２の実施の形態ではこれらの各機能部に加えて記憶部２７が設置されている。記憶部２７は、例えばフラッシュメモリなどから構成され、計測回路２１において生成された計測データを記憶する。この記憶部２７は図７のブロック図で見ると、計測回路２１に接続されており、計測回路２１と、記憶部２７との間では計測データのやりとりが行われる。

以上の構成を有する切羽前方探査装置の動作に際しては、発火器４が発火作動されてトリガー信号発信器６から地震波計測部１０へトリガー信号が無線送信されると、地震波計測部１０は地震波の受信、記録状態となる。そして発破２で発生する弾性波が地震計７に到達すると、この弾性波を受信し、その計測回路２１において計測データを生成するとともに計測データを記憶部２７に記録する。記憶部２７に記録された計測データは切羽前方探査の作業が終了した後、地震波計測部１０の無線回路２２により点火所に設置された記録器８（或いはＰＣ）へ無線送信される。ＰＣは複数の地震計７からの計測データを受信して集計し、切羽前方探査の解析用プログラムを起動させて解析を行う。

本発明によれば、トリガー信号発信手段と地震計といったユニット間が無線接続され、地震計は計測信号を無線で発信する。このため、切羽前方探査装置を構成するために電気配線等の大掛かりな装備が不要となり、有用である。

１切羽
２掘削発破
３発破母線
４発火器
５起動スイッチ
６トリガー信号発信器
７地震計
８記録器
９ロックボルト
１０地震波計測部
１１電流センサ
１２ハウジング
１３吹付コンクリート
１３Ａ岩盤
１４座金
１５円柱ジグ
１６固定ボルト
１７支柱部
１８中空部
２０ジオフォン
２１計測回路
２２無線回路
２３アンテナ
２４電池（バッテリ）
２５電源回路
２６スイッチパネル
２７記憶部

Claims

トンネル坑内の掘削発破を設置した切羽から後方へ所定の距離離れた位置において、吹付コンクリートが設置されたトンネル壁の岩盤に差込み固定され、掘削発破により発生する弾性波を受信するロックボルトと、
前記ロックボルトの基端に取り付けられた地震波計測部とから構成され、
前記地震計測部は、
内部が中空で各種計測機能部を収容する箱体からなり、箱体の中心部分には中空部が形成された支柱部を有するハウジングと、
前記トンネル壁の吹付コンクリート表面側に設置されて前記ロックボルトの基端部にネジ係合する円柱ジグと、
前記ハウジングの支柱部において、前記中空部内に配置された前記円柱ジグに対してネジ係合し、前記ハウジングを前記吹付コンクリート表面側に固定取り付けする固定ボルトとを有し、また前記地震計測部は、
ハウジングの内部に収容されたジオフォンと、
ジオフォンに接続され前記ロックボルトで受振した弾性波を計測する計測回路と、
計測回路により生成された計測信号を無線信号として発信させる無線回路と、
を備えており、
前記固定ボルトを前記円柱ジグに対して締め込むことにより、前記ハウジングは前記吹付コンクリート表面に強固に結合される、
ことを特徴とする地震計。
トンネル坑内の掘削発破を設置した切羽から後方へ所定の距離離れた位置に設置され、前記掘削発破に発破母線により接続された発火手段と、
発破母線に発火用の電流が流れたことを検知してトリガー信号を発生させ、このトリガー信号を無線で送信するトリガー信号発信手段と、
トリガー信号発信手段から送付されたトリガー信号を無線により受信して地震波の受信、記録状態となり、掘削発破により発生する弾性波を受信し、計測信号を無線で発信する地震計とからなり、
前記地震計には、
トンネル坑内の掘削発破を設置した切羽から後方へ所定の距離離れた位置において、吹付コンクリートが設置されたトンネル壁の岩盤に差込み固定され、掘削発破により発生する弾性波を受信するロックボルトと、
前記ロックボルトの基端に取り付けられた地震波計測部とから構成され、
前記地震計測部は、
内部が中空で各種計測機能部を収容する箱体からなり、箱体の中心部分には中空部が形成された支柱部を有するハウジングと、
前記トンネル壁の吹付コンクリート表面側に設置されて前記ロックボルトの基端部にネジ係合する円柱ジグと、
前記ハウジングの支柱部において、前記中空部内に配置された前記円柱ジグに対してネジ係合し、前記ハウジングを前記吹付コンクリート表面側に固定取り付けする固定ボルトとを有し、また前記地震計測部は、
ハウジングの内部に収容されたジオフォンと、
ジオフォンに接続され前記ロックボルトで受振した弾性波を計測する計測回路と、
計測回路により生成された計測信号を無線信号として発信させる無線回路と、
を備えており、
前記固定ボルトを前記円柱ジグに対して締め込むことにより、前記ハウジングは前記吹付コンクリート表面に強固に結合される、
構成になった地震計が用いられることを特徴とする切羽前方探査装置。
地震計はその内部に、弾性波計測データを記録する記憶部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の切羽前方探査装置。
地震計に記憶部を備える代わりに、この地震計に無線通信可能に接続された記録器をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の切羽前方探査装置。