JP6420054B2

JP6420054B2 - 弾性波速度測定方法

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Publication number: JP6420054B2
Application number: JP2014061147A
Authority: JP
Inventors: 和弘大沼
Original assignee: Hazama Ando Corp
Current assignee: Hazama Ando Corp
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: JP2015184144A

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弾性波速度測定方法に関する。

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が行われる。

従来の弾性波速度測定方法が例えば特許文献１、２及び３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方法に関するもので、この文献１では、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を設置し、トンネル坑内の切羽から離れた後方の坑内に発破手ボタンを接続したデータ蓄積器を設置して、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、得られた弾性波データに基づいて地山の弾性波速度を測定する方法が提案されている。
（２）特許文献２
特許文献２は、切羽前方探査システム及びその方法に関するもので、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装置を設置して、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、地山の弾性波速度を測定する方法が提案されている。
（３）特許文献３
特許文献３は、トンネル切羽前方探査方法に関するもので、この文献３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、この地震計で切羽をブレーカで打撃することにより発生する弾性波を計測し、地山の弾性波速度を測定する方法が提案されている。

特開２００３−７５２４７公報特開平１０−３１１８８０公報特開２０１３−８７５９０公報

しかしながら、従来の弾性波速度測定方法では、次のような問題がある。
（１）特許文献１の弾性波速度の測定方法の場合、発破手ボタンに接続するデータ蓄積器が必要で、通常、この種の機器には弾性波探査用の地震探鉱機が使用されるが、この地震探鉱機は高価であり、コストが増大する。
（２）特許文献２の弾性波速度の測定方法の場合、複数の地震計を必要とし、また、データの記録に地震探鉱機が使用されており、コストが増大する。
（３）特許文献３の弾性波速度の測定方法の場合、トンネル坑内の坑壁の他に、ブレーカに受振センサを取り付けるため、複数の地震計が必要となり、コストが増大する。ブレーカに取り付ける受振センサは耐振動性能を確保する必要がある。

本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、この種の弾性波速度測定方法において、地震探鉱機のような特殊で高価な測定機材を用いることなく、簡易な装置のみで弾性波速度を確実かつ容易に測定すること、を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の弾性波速度測定方法は、
トンネル坑内の切羽を含む土木工事における掘削位置から所定の距離離れた所定の位置にロックボルトを設置し前記ロックボルトに可搬型のジオフォンを固定設置して、前記ジオフォンに通信ケーブルを介してＩＣレコーダを接続する機材設置ステップと、
前記掘削位置で振動を発生させ、前記掘削位置の振動により発生し前記掘削位置と前記ジオフォンの設置位置との間の地山を伝搬する弾性波の振動を、前記掘削位置の振動により発生し前記掘削位置と前記ジオフォンの設置位置との間の空中を伝搬する音波の振動とともに、前記ジオフォンのみで受振、計測し、前記掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させた前記ＩＣレコーダに記録する音波振動、弾性波振動記録ステップと、
前記ＩＣレコーダに記録された音波の振動データ及び弾性波の振動データに基いて弾性波速度を算出する弾性波速度算出ステップと、
を有し、
前記弾性波速度算出ステップにおいて、
前記音波の振動データから、音波到達時間として、前記掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させた前記ＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から前記掘削位置の振動により発生し空中を伝搬する音波の振動が前記ＩＣレコーダに到達した時点までの時間を抽出するとともに、前記弾性波の振動データから、弾性波到達時間として、前記掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させた前記ＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から前記掘削位置の振動により発生し地山を伝搬する弾性波の振動が前記ＩＣレコーダに到達した時点までの時間を抽出し、
前記所定の距離及び既知の空気中の音速と前記音波到達時間とに基いて、前記ＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から前記掘削位置で振動を発生させた時点までの振動発生時間を推定して、
前記所定の距離と前記弾性波到達時間及び前記振動発生時間とに基いて、前記掘削位置と前記ジオフォンの設置位置との間の弾性波速度を算出する、
ことを要旨とする。
また、この測定方法は、次のように具体化される。
（１）掘削位置の振動源として発破を使用し、前記掘削位置に発破孔を設けて爆薬を装填し、爆薬を起爆させる。
（２）掘削位置の振動源としてブレーカ、ハンマを含む土木工事に用いる各種機器を使用し、前記掘削位置をブレーカ、ハンマを含む前記各種機器で打撃する。

本発明の弾性波速度測定方法によれば、トンネル坑内の切羽など土木工事における掘削位置から所定の距離離れた所定の位置にロックボルトを設置しロックボルトに可搬型のジオフォンを固定設置して、ジオフォンに通信ケーブルを介してＩＣレコーダを接続し、掘削位置に発破又はブレーカやハンマなどの打撃で振動を発生させ、掘削位置の振動により発生し地山を伝搬する弾性波の振動を、掘削位置の振動により発生し空中を伝搬する音波の振動とともに、ジオフォンのみで受振、計測し、これを掘削位置で振動を発生させる前に既に記録動作を開始させてあるＩＣレコーダに記録して、音波の振動データから、音波到達時間として、掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させたＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から掘削位置の振動により発生し空中を伝搬する音波がＩＣレコーダに到達した時点までの時間を抽出するとともに、弾性波の振動データから、弾性波到達時間として、掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させたＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から掘削位置の振動により発生し地山を伝搬する弾性波がＩＣレコーダに到達した時点までの時間を抽出し、所定の距離及び既知の空気中の音速と音波到達時間とに基いて、ＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から掘削位置で振動を発生させた時点までの振動発生時間を推定して、所定の距離と弾性波到達時間及び振動発生時間とに基いて、掘削位置とジオフォンの設置位置との間の弾性波速度を算出するようにしたので、簡易な汎用機材の可搬型のジオフォン、簡易な汎用機材の可搬型のＩＣレコーダのみで、弾性波速度を確実かつ容易に測定することができ、弾性波速度の測定を低コストで実施することができる、という本発明独自の格別な効果を奏する。

本発明の一実施の形態における弾性波速度測定方法を示す流れ図同方法及びこれに用いる測定機材の構成を示す斜視図同方法による測定状況を具体的に示す図同方法による測定結果を具体的に示す図同方法の一部変更例を示す斜視図同方法の一部変更例を示す斜視図

次に、この発明を実施するための形態について図を用いて説明する。図１に弾性波速度測定方法を示している。なお、ここでは、トンネル切羽の弾性波速度を測定する方法を例示している。

図１に示すように、この弾性波速度測定方法は次のステップにより行う。
（ステップ１）
トンネル坑内の切羽から後方に所定の距離離れた所定の位置に地震計及びデジタル記録装置を設置する。
（ステップ２）
トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填する。
（ステップ３）
トンネル坑内の切羽の爆薬を起爆させて振動を発生させ、この振動の際に発生し、トンネル切羽と地震計の設置位置との間の空中を伝搬する音波、及びトンネル切羽と地震計の設置位置との間の地山を伝搬する弾性波をそれぞれ地震計で受振、計測し、振動発生前に予め記録動作を開始させたデジタル記録装置に記録する。
（ステップ４）
デジタル記録装置に記録された音波データ及び弾性波データに基いて弾性波速度を算出する。

以下、この弾性波速度測定方法の各ステップについて詳述する。図２にこの弾性波速度測定方法による測定時の測定状況を模式的に示している。
（ステップ１）
ステップ１で、まず、掘削完了区間の切羽後方の所定の位置の坑壁壁面に地震計１をデジタル記録装置２とともに設置する。この際、切羽と地震計１設置位置区間の距離を測量などにより求めておく。地震計１に可搬型のジオフォン、デジタル記録装置２にＳＤカードなどメモリカード対応の２チャンネルのステレオＩＣレコーダなど、測定機材に簡易な汎用機材を使用する。この場合、地震計１は地山深部を伝搬する弾性波を検出できるようにトンネル坑壁に設置したロックボルトに固定し、地震計１とデジタル記録装置２とを通信ケーブルを介して接続する。
（ステップ２）
ステップ２でトンネル坑内の切羽に爆薬を装填する。この場合、トンネル切羽の掘削に当たり発破を行うので、発破は瞬発電気雷管及びＤＳ電気雷管等を用いて起爆させることとし、切羽に発破孔を削孔して、電気雷管を装着した爆薬を装填する。切羽の爆薬は発破スイッチのＯＮ操作により起爆させる。なお、切羽に発破孔を設けている間や発破孔に爆薬を装填している間、あるいは発破孔に爆薬を装填した後の爆薬の起爆の直前など、爆薬の起爆前にデジタル記録装置２の記録動作を開始（つまり、録音をスタート）し、録音（中の）状態にしておく。この際、録音スタート時刻を確認し、記録しておく。
（ステップ３）
ステップ３で発破スイッチをＯＮ操作し、切羽に装填された爆薬を起爆して切羽を爆破し、切羽から振動を発生させる。この爆発により、切羽から発生した音波は空中を伝搬し、切羽から発生した弾性波は地山を伝搬し、この音波及び弾性波が切羽後方の地震計１に到達する。この音波及び弾性波を地震波計１で受振、計測し、これを録音（中の）状態になっているデジタル記録装置２に記録（この場合、ＳＤカードに保存）する。
そして、このデータの収録後、デジタル記録装置２のＳＤカードに記録した音波データ及び弾性波データをＰＣに入力し、データ処理を行う。
（ステップ４）
ステップ４はＰＣにより行い、ＰＣにより、デジタル記録装置２で記録した音波データ及び弾性波データを解析し、この音波データ及び弾性波データに基いて弾性波速度を算出する。この場合、空中を伝搬する音波と地山を伝搬する弾性波とは、振動特性が異なることから、トンネル坑壁に設置した地震計の記録からでも容易に識別することができる。
この場合、まず、音波の振動波形から、振源の切羽から地震計に達するまでに要した音波到達時間を抽出し、この音波到達時間から音波伝搬時間を用いて、爆薬が起爆した時間、すなわち発破時間を求める。ここで音波伝搬時間は、空気中の音速ｖが既知（１気圧・ｔ℃で、ｖ＝３３１．５＋０．６ｔ［ｍ／ｓ］、常温（２０℃）で３４３ｍ／ｓｅｃ）であり、また、切羽と地震計１との間の距離を既に求めてあるので、切羽と地震計１との間の距離を音速で除することによって求められる。なお、音速は、気温、気圧によって変わるので、その変化によって適宜補正を行う。そして、音波到達時間から音波伝搬時間を減ずることにより、音波発生時間を求め、これにより音波発生時刻を推定する。この音波の発生時間、発生時刻はそれぞれ発破時間、発破時刻であり、言い換えれば、弾性波の発生時間、発生時刻となる。
次に、弾性波の振動波形から、振源の切羽から地震計１に達するまでに要した弾性波到達時間を抽出し、この弾性波到達時間から音波伝搬時間により得られた弾性波発生時間（発破時間）を減ずることで弾性波伝搬時間を求める。これにより弾性波伝搬時刻を推定する。そして、切羽と地震計１との間の距離をこの弾性波伝搬時間で除することによって切羽と地震計１の設置位置との間の弾性波速度を算出する。

この弾性波速度の測定方法について具体例を挙げて説明する。
図３に測定状況を示している。図３に示すように、この場合、まず、トンネル切羽から後方に４８．０ｍ離れた坑壁壁面にジオフォン１を２チャンネルのステレオＩＣレコーダ２とともに設置する。次に、トンネル坑内の切羽に発破孔を設けて爆薬を装填する。続いて、ステレオＩＣレコーダ２を録音スタートさせた後、切羽の爆薬を起爆させて振動を発生させ、この振動を発生させた際に空中を伝搬する音波、及び地山を伝搬する弾性波をそれぞれジオフォン１で受振、計測し、ステレオＩＣレコーダ（ＳＤカード）２に記録する。
そして、ステレオＩＣレコーダ２のＳＤカードにより、この音波データ及び弾性波データをＰＣに入力し、データ処理を行う。
図４にＰＣの表示画面上に表示された測定結果を示している。この場合、表示画面の下段にジオフォン１、ステレオＩＣレコーダ２による測定記録を表示し、表示画面の上段に発破信号測定記録を併せて表示している。図４に示すように、音波と弾性波とでは周波数、エネルギーが異なるため、音波の振動波形と弾性波の振動波形は容易に判別できることが分かる。そして、この測定結果下段の測定記録から、音波到達時間（切羽で振動を発生させた際に空中を伝搬する音波が振動発生前に記録を開始したステレオＩＣレコーダ２に到達した時間）１４８．３６７ｍｓ、弾性波到達時間（切羽で振動を発生させた際に地山を伝搬する弾性波が振動発生前に記録を開始したステレオＩＣレコーダ２に到達した時間）２２．９７１ｍｓを得る。なお、この測定結果上段の測定記録から、発破信号の時間（ステレオＩＣレコーダ２の記録開始後、発破信号がステレオＩＣレコーダ２に入力された時間）８．６８５ｍｓを得る。
以上の測定記録から、発破信号を用いる従来の弾性波速度算出方法で弾性波速度を求める場合、弾性波速度を次のようにして算出する。
弾性波伝搬時間：ｔ＝弾性波到達時間−発破時間＝２２．９７１−８．６８５
＝１４．２８６
≒１４．３（ｍｓ）
弾性波速度：Ｌ／ｔ＝４８．０／１４．３＝３．３６（ｋｍ／ｓ）
一方、本案による弾性波速度測定方法により弾性波速度を求める場合、弾性波速度を次のようにして算出する。
音波伝搬時間：ｔｓ＝Ｌ／音速＝４８．０／０．３４３
＝１３９．９４２（ｍｓ）
発破（推定）時間：音波到達時間−音波伝搬時間＝１４８．３６７−１３９．９４２
＝８．４２５（ｍｓ）
ここで得られた発破（推定）時間は真値（８．６８５ｍｓ）との差が０．２６ｍｓにすぎない。
弾性波伝搬時間：ｔ＝弾性波到達時間−発破時間＝２２．９７１−８．４２５
＝１４．５４６（ｍｓ）
弾性波速度：Ｌ／ｔ＝４８．０／１４．５＝３．３１（ｋｍ／ｓ）
一般に、このような測定における有効桁数は３桁であるところ、従来法と本案により得た弾性波速度を比較すると、２桁まで一致しており、従来法に比べて、測定精度が僅かに低下するものの、実用上問題のないレベルである。

以上説明したように、この弾性波速度の測定方法によれば、トンネル坑内の切羽から後方に所定の距離離れた所定の位置に地震計１及びデジタル記録装置２を設置し、トンネル切羽に発破により振動を発生させ、当該振動を発生させた際に空中を伝搬する音波及び地山を伝搬する弾性波をそれぞれ地震計１で受振、計測し、これを振動発生時に既に記録動作を開始させてあるデジタル記録装置２に記録して、このデジタル記録装置２に記録された音波データ及び弾性波データを解析し、音波データから発破（推定）時間を求め、弾性波データから弾性波伝搬時間を求めて、この発破時間及び弾性波伝搬時間から弾性波速度を算出するようにしたので、地震探鉱機のような特殊で高価な測定機材を用いることなく、地震計１に可搬型のジオフォン、デジタル記録装置２に２チャンネルのステレオＩＣレコーダなど、測定機材に簡易な汎用機材を使って弾性波速度を確実かつ容易に測定することができ、弾性波速度の測定を低コストに実施することができる。これにより、多くの土木技術者がトンネル坑内の切羽など土木工事における掘削位置の弾性波速度を容易に測定できるようになる。
また、この測定方法によれば、地震計１及びデジタル記録装置２を振源から十分に離された位置に設置できるので、測定機材の破損の可能性を低下させることができる。

なお、この実施の形態では、トンネル切羽に発破により振動を発生させた際に空中を伝搬する音波及び地山を伝搬する弾性波をいずれも地震計で受振、計測するものとしたが、図５に示すように、トンネル坑内の切羽（振源）から同距離離れた後方所定の位置にマイクロフォン３及び地震計１を設置して、音波をマイクロフォン３で、弾性波を地震計１で、同時に測定して、デジタル記録装置２に記録するようにしてもよい。この場合、マイクロフォン３に可搬型のマイク、地震計１に可搬型のジオフォン、デジタル記録装置２に可搬型の２チャンネルのステレオＩＣレコーダなどを使用する。このようにしても上記実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、この実施の形態では、トンネル切羽に振動を発生させるために、切羽の振動源として発破を使用し、トンネル切羽を発破により爆破したが、図６に示すように、切羽の振動源としてブレーカ、ハンマを含む土木工事に用いる各種機器を使用し、切羽をブレーカ、ハンマなどで打撃し、当該切羽の打撃により発生する音波を地震計１又はマイクロフォン３で受振、計測し、当該切羽の打撃により発生する弾性波を地震計１で受振、計測して、デジタル記録装置２に記録するようにしてもよく、このようにしても上記実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

さらに、この実施の形態では、土木工事における掘削位置としてトンネル坑内の切羽を例示したが、トンネル切羽だけでなく、ダムや造成工事などの所謂明かり掘削工事においても本案による弾性波速度測定方法の適用が可能であり、この測定方法により岩盤性状を定量的に把握することができる。また、この場合も、使用機材に汎用機材を使用することができ、安価であり、コストの低減に資することができる。

１地震計（ジオフォン）
２デジタル記録装置（２チャンネルＩＣレコーダ）
３マイクロフォン

Claims

トンネル坑内の切羽を含む土木工事における掘削位置から所定の距離離れた所定の位置にロックボルトを設置し前記ロックボルトに可搬型のジオフォンを固定設置して、前記ジオフォンに通信ケーブルを介してＩＣレコーダを接続する機材設置ステップと、
前記掘削位置で振動を発生させ、前記掘削位置の振動により発生し前記掘削位置と前記ジオフォンの設置位置との間の地山を伝搬する弾性波の振動を、前記掘削位置の振動により発生し前記掘削位置と前記ジオフォンの設置位置との間の空中を伝搬する音波の振動とともに、前記ジオフォンのみで受振、計測し、前記掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させた前記ＩＣレコーダに記録する音波振動、弾性波振動記録ステップと、
前記ＩＣレコーダに記録された音波の振動データ及び弾性波の振動データに基いて弾性波速度を算出する弾性波速度算出ステップと、
を有し、
前記弾性波速度算出ステップにおいて、
前記音波の振動データから、音波到達時間として、前記掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させた前記ＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から前記掘削位置の振動により発生し空中を伝搬する音波の振動が前記ＩＣレコーダに到達した時点までの時間を抽出するとともに、前記弾性波の振動データから、弾性波到達時間として、前記掘削位置で振動を発生させる前から記録動作を開始させた前記ＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から前記掘削位置の振動により発生し地山を伝搬する弾性波の振動が前記ＩＣレコーダに到達した時点までの時間を抽出し、
前記所定の距離及び既知の空気中の音速と前記音波到達時間とに基いて、前記ＩＣレコーダの記録動作の開始の時点から前記掘削位置で振動を発生させた時点までの振動発生時間を推定して、
前記所定の距離と前記弾性波到達時間及び前記振動発生時間とに基いて、前記掘削位置と前記ジオフォンの設置位置との間の弾性波速度を算出する、
ことを特徴とする弾性波速度測定方法。
掘削位置の振動源として発破を使用し、前記掘削位置に発破孔を設けて爆薬を装填し、爆薬を起爆させる請求項１に記載の弾性波速度測定方法。
掘削位置の振動源としてブレーカ、ハンマを含む土木工事に用いる各種機器を使用し、前記掘削位置をブレーカ、ハンマを含む前記各種機器で打撃する請求項１に記載の弾性波速度測定方法。