JP6393100B2

JP6393100B2 - トンネル切羽前方探査方法

Info

Publication number: JP6393100B2
Application number: JP2014142040A
Authority: JP
Inventors: 順民山上; 今井　博; 博今井
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-07-10
Also published as: JP2016017900A

Description

本発明は、トンネル切羽前方探査方法に関する。

トンネルの施工では、計画や設計の段階において、地表踏査や地表面からの弾性波探査などの地盤調査を実施することで、事前に地山状況の予測を行っている。
ところが、地表面からの事前調査により、線状構造物であるトンネルの地山の状態を完全に把握することは困難であった。

そのため、施工段階で切羽から切羽前方探査を行い、断層破砕帯（弱層）の可能性のある箇所の位置を特定する場合がある。
このようなトンネル切羽前方探査として、例えば、特許文献１には、切羽の前方に向けて先進ボーリングを行い、この先進ボーリング掘削時にドリルビットから発生する削孔振動の弾性波を利用する方法が開示されている。

かかるトンネル切羽前方探査では、受振器として３成分受振器を用いて入射方向を特定し、特定された方向の波の振幅を増幅することによって、信号を強調する場合がある。
この場合には、波動のＸＹ成分、ＹＺ成分、ＸＺ成分を直交軸にプロットし、より大きな波の入射方向を、削孔振動による弾性波の入射方向と推定する、いわゆるパーティクルオービットに基づく解析方法を使用することで、入射方向を特定している。

特開２０００−１７０４７８号公報

前記トンネル切羽前方探査では、先進ボーリングに使用するボーリングマシンからも振動が発振されている。
そのため、トンネル内またはトンネルの近傍に設けられた受振器は、ドリルビットから発振された削孔振動とともに、トンネル坑内のボーリングマシン等から発振された振動も受振してしまうおそれがある。

トンネル切羽前方探査において、ボーリングマシン等から発振されたノイズを含んだ状態でパーティクルオービットに基づく解析方法を採用すると、入射方向にずれが生じるおそれがある。

このような観点から、本発明は、ノイズを除去して発振位置から受振器に到達する時間を精度よく求めることができるトンネル切羽前方探査方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、第一の発明のトンネル切羽前方探査方法は、トンネルの側壁から横方向に受振孔を形成するとともに当該受振孔に受振器を設置するステップと、前記トンネルの切羽から前方に向けてドリルビットにより削孔するステップと、前記ドリルビットの削孔振動を前記トンネルの側方に配置された前記受振器により受振するステップと、前記削孔振動が前記受振器に到達する到達時間と前記ドリルビットから前記受振器までの距離とに基づいて弾性波速度を算出するステップとを備えており、前記受振器により受振した振動のパーティクルオービット解析に基づく波形入射ベクトルから、前記ドリルビットの位置から前記受振器の位置へ向う方向の振動成分を算出し、当該振動成分を利用して前記到達時間を算出することを特徴としている。

かかるトンネル切羽前方探査方法によれば、発振位置と受振位置との幾何学的関係から入射方向を特定するため、弾性波速度を高精度に算出することができる。
そのため、切羽前方の断層破砕帯の位置を高精度に確定することができる。

第二の発明のトンネル切羽前方探査方法は、トンネルの切羽から前方に向けてドリルビットにより削孔するステップと、前記ドリルビットの削孔振動を前記トンネルの側方に配置された受振器により受振するステップと、前記ドリルビットから生じる削孔振動をボーリングマシンに取り付けたパイロットセンサーにより受振するステップと、前記削孔振動が前記受振器に到達する到達時間と、前記ドリルビットから前記受振器までの距離とに基づいて弾性波速度を算出するステップとを備えており、前記受振器により受振した振動のパーティクルオービット解析に基づく波形入射ベクトルから、前記ドリルビットの位置から前記受振器の位置へ向う方向の振動成分を算出し、前記パイロットセンサーで受振した波形と前記受振器で受振した波形との間で相互相関処理を行って算出した時間に、前記ドリルビットの削孔振動が前記パイロットセンサーに到達するまでの時間を加えることで、
前記ドリルビットの削孔振動が前記受振器に到達するまでの到達時間を算出することを特徴としている。

かかるトンネル切羽前方探査方法によれば、より高精度の弾性波速度を算出することが可能となる。

なお、前記振動成分は、式１により算出するのが望ましい。

w_R(t)=e_B・w(t)=(e_Bx×wx(t)＋e_By×wy(t)＋e_Bz×wz(t))=|w(t)|cosφ(t) ・・・式１

ここで、w_R：合成波形ベクトル
e_B：削孔ビット方向の単位ベクトル (e_Bx,e_By,e_Bz)
w(t)：時間tにおける３成分波形ベクトル（wx(t),wy(t),wz(t))
φ(t)：ベクトルと波形ベクトルがなす角

また、到達時間は、前記振動成分と前記ドリルビットの発振波に関して相互相関処理を行うことで算出すればよい。

本発明のトンネル切羽前方探査方法によれば、発振位置から受振器に到達する時間を精度よく求めることができる。

（ａ）は本実施形態に係るトンネル切羽前方探査方法の概念を模式的に示す平断面図、（ｂ）は削孔振動の到達時間とドリルビットから受振器までの距離の関係を示すグラフ、（ｃ）は弾性波速度とドリルビットから受振器までの距離の関係を示すグラフである。（ａ）は受振器により受振した波形入射ベクトルのオービット図、（ｂ）はドリルビット方向の振動成分を示すオービット図である。各設備と発振波の到達時間の関係を模式的に示す説明図である。

本実施形態では、図１の（ａ）に示すように、トンネル１の切羽２から先進ボーリング（ボーリング孔３の削孔）を行い、ドリルビット４から発生する削孔振動を震源とする弾性波探査を行うことで、切羽２前方の地山状況を推定するトンネル切羽前方探査方法について説明する。

本実施形態のトンネル切羽前方探査方法は、準備ステップと、削孔ステップと、第一受振ステップと、第二受振ステップと、算出ステップとを備えている。

準備ステップは、受振器７を設置するステップである。
本実施形態では、トンネル１の側壁から横方向（トンネルの軸方向と交差する方向）に受振孔６を形成し、この受振孔６に受振器７を設置する（図１の（ａ）参照）。

なお、受振孔６の深さ（長さ）は限定されないが、本実施形態では、２ｍ〜３０ｍの範囲内（トンネル掘削作業に影響のでない範囲内）とする。また、受振孔６内での受振器７の取り付け位置は限定されないが、本実施形態では、受振孔６の底部（先端）に近い位置に設置する。
本実施形態では、受振器７として３成分加速度計を使用する。

受振器７の設置に伴い、ボーリングマシン８にパイロットセンサー９を取り付けておく。
パイロットセンサー９は、ロッド５を伝搬した振動（加速度または速度）を受振する装置であって、ボーリングマシン８のスイベル８ａに取り付ける。なお、パイロットセンサー９を構成する機械は、振動を測定することが可能であれば限定されない。

削孔ステップは、トンネル１の切羽２から前方に向けてボーリング孔３を削孔するステップである。
ボーリング孔３の削孔は、先端にドリルビット４が取り付けられたロッド５により行う。

本実施形態では、全長１００ｍ程度のボーリング孔３を削孔するものとするが、ボーリング孔３の深度（延長）は限定されない。

第一受振ステップは、ドリルビット４の削孔振動を受振器７により受振するステップである。受振器７は、地山の切削時の振動（加速度または速度）を受振する。
本実施形態では、受振器７による削孔振動の受振を削孔期間中に連続的に行う。

第二受振ステップは、ドリルビット４の削孔振動をボーリングマシン８に取り付けたパイロットセンサー９により受振するステップである。
パイロットセンサー９は、地山切削時にロッド５を伝搬した振動（加速度または速度）を受振する。
本実施形態では、パイロットセンサー９による振動（加速度または速度）の受振を、削孔期間中に連続的に行う。

算出ステップは、弾性波速度を算出するステップである。
弾性波速度は、削孔振動が受振器７に到達する到達時間と、ドリルビット４から受振器７までの距離Ｌとに基づいて算出する。すなわち、ドリルビット４からの波形が受振器７に到達する到達時間Ｔと、ドリルビット４から受振器７までの距離Ｌとを座標にプロットした傾きにより速度Ｖを求める（図１の（ｂ）および（ｃ）参照）。

ドリルビット４から受振器７までの距離Ｌは、受振器７とドリルビット４との位置関係（削孔延長）により幾何学的に求めることができる。すなわち、受振器７からロッド５に至る垂線の長さをａ、前記垂線とロッド５との交点からドリルビット４に至る線分の長さをｂとすると、距離Ｌ＝√（ａ^２＋ｂ^２）となる。

削孔振動の到達時間の算出は、まず、受振器７により受振した振動（加速度または速度）のパーティクルオービット解析に基づく波形入射ベクトルから、受振器７の位置からドリルビット４の位置へ向う方向の振動成分を算出する。

受振器７により受振した振動（３成分ベクトル）ｗ（ｔ）を図示すると、図２の（ａ）に示すように、ドリルビット４の方向（単位ベクトルｅ_Ｂ）に一致しない。これは、受振器７が受振する振動（加速度または速度）が、トンネル１内のボーリングマシン８の機械ノイズ等を含んでことによる。

そのため、図２の（ｂ）に示すように、ドリルビット４の方向（単位ベクトルｅ_Ｂ）に３成分ベクトルｗ（ｔ）を合成（投影）することで、振動成分を算出する。

このとき、振動成分は、式１を利用して算出する。

w_R(t)=e_B・w(t)=(e_Bx×wx(t)＋e_By×wy(t)＋e_Bz×wz(t))=|w(t)|cosφ(t) ・・・式１

ここで、w_R：合成波形ベクトル
e_B：削孔ビット方向の単位ベクトル (e_Bx,e_By,e_Bz)
w(t)：時間tにおける３成分波形ベクトル（wx(t),wy(t),wz(t))
φ(t)：ベクトルと波形ベクトルがなす角

次に、この振動成分とドリルビット４の発振波に関して相互相関処理（波形の類似性の定量化）を行うことで到達時間を算出する（図３参照）。

ドリルビット４の削孔振動が受振器７に到達するまでの到達時間Ｔ２は、パイロットセンサー９で受振した波形と受振器７で受振した波形との間で相互相関処理を行って算出した時間（相互相関処理時間）Ｔｒに、ドリルビット４の削孔振動がロッド５を伝ってパイロットセンサー９に到達するまでの時間（ロッド伝搬時間）Ｔ１を加えることで算出する。

すなわち、図３に示すように、受振器７とパイロットセンサー９との両方で受振された類似する波形が、パイロットセンサー９において確認された時点から、受振器７において確認される時点までの差が相互相関処理時間Ｔｒとなる。

なお、ロッド伝搬時間Ｔ１は、パイロットセンサー９の波に対して、自己相関処理（自身の波形に対する類似性を定量化する処理）を行うことにより求める。
図３に示すように、パイロットセンサー９により類似する波形が確認される時間の周期がロッド伝搬時間Ｔ１の２倍となる。

以上、本実施形態のトンネル切羽前方探査方法によれば、切羽前方の地山状況を高品質に把握することができる。
相互相関処理を行うことで、トンネル内の掘削機等から発振されるノイズを除去した状態で、ドリルビット４の削孔振動が受振器７に達する到達時間Ｔ２を高精度に算出することができる。到達時間Ｔ２が分かれば、距離Ｌを到達時間Ｔ２で除することで、弾性波速度を算出することができ、ひいては、地山状況を把握することができる。

また、発振位置と受振位置から距離を算出するため、穿孔区間の弾性波速度の精度が向上し、図１の（ｃ）に示すように、弾性波速度により切羽前方の断層破砕帯に位置をより高精度に確定することができる。

このように、本実施形態のトンネル切羽前方探査方法によれば、発振位置と受振位置との幾何学的な位置関係により、高精度に弾性波速度を算出するため、振幅の大きさにより入射方向を特定する従来のＳＷＤ法に比べて、精度が高い。

以上、本発明の実施形態について説明したが本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

例えば、受振器により測定した振動（加速度または速度）については、周波数処理を行い、ノイズであることが明らかなデータは除去しておくのが望ましい。

受振孔の形成位置（切羽からの離れ）は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。
また、ボーリング孔および受振孔の孔径は限定されない。

振動成分の算出方法は、前記実施形態で示した方法（式１を利用した方法）に限定されない。
また、到達時間は、必ずしもドリルビットの発振波に関して相互相関処理を行うことで算出する必要はない。

１トンネル
２切羽
３ボーリング孔
４ドリルビット
５ロッド
６受振孔
７受振器
８ボーリングマシン
９パイロットセンサー

Claims

トンネルの側壁から横方向に受振孔を形成するとともに当該受振孔に受振器を設置するステップと、
前記トンネルの切羽から前方に向けてドリルビットにより削孔するステップと、
前記ドリルビットの削孔振動を前記トンネルの側方に配置された前記受振器により受振するステップと、
前記削孔振動が前記受振器に到達する到達時間と、前記ドリルビットから前記受振器までの距離とに基づいて弾性波速度を算出するステップと、を備えるトンネル切羽前方探査方法であって、
前記受振器により受振した振動のパーティクルオービット解析に基づく波形入射ベクトルから、前記ドリルビットの位置から前記受振器の位置へ向う方向の振動成分を算出し、当該振動成分を利用して前記到達時間を算出することを特徴とする、トンネル切羽前方探査方法。
トンネルの切羽から前方に向けてドリルビットにより削孔するステップと、
前記ドリルビットの削孔振動を前記トンネルの側方に配置された受振器により受振するステップと、
前記ドリルビットから生じる削孔振動をボーリングマシンに取り付けたパイロットセンサーにより受振するステップと、
前記削孔振動が前記受振器に到達する到達時間と、前記ドリルビットから前記受振器までの距離とに基づいて弾性波速度を算出するステップと、を備えるトンネル切羽前方探査方法であって、
前記受振器により受振した振動のパーティクルオービット解析に基づく波形入射ベクトルから、前記ドリルビットの位置から前記受振器の位置へ向う方向の振動成分を算出し、
前記パイロットセンサーで受振した波形と前記受振器で受振した波形との間で相互相関処理を行って算出した時間に、前記ドリルビットの削孔振動が前記パイロットセンサーに到達するまでの時間を加えることで、前記ドリルビットの削孔振動が前記受振器に到達するまでの到達時間を算出することを特徴とする、トンネル切羽前方探査方法。
前記振動成分と前記ドリルビットの発振波に関して相互相関処理を行うことで前記到達時間を算出することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のトンネル切羽前方探査方法。