JP6584010B2 - Tunnel face forward exploration method - Google Patents

Tunnel face forward exploration method Download PDF

Info

Publication number
JP6584010B2
JP6584010B2 JP2016036947A JP2016036947A JP6584010B2 JP 6584010 B2 JP6584010 B2 JP 6584010B2 JP 2016036947 A JP2016036947 A JP 2016036947A JP 2016036947 A JP2016036947 A JP 2016036947A JP 6584010 B2 JP6584010 B2 JP 6584010B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tunnel
velocity
face
boundary surface
reflected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016036947A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2017156106A (en
Inventor
耕治 塚本
耕治 塚本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Okumura Corp
Original Assignee
Okumura Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Okumura Corp filed Critical Okumura Corp
Priority to JP2016036947A priority Critical patent/JP6584010B2/en
Publication of JP2017156106A publication Critical patent/JP2017156106A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6584010B2 publication Critical patent/JP6584010B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Description

本発明は、トンネル切羽前方探査方法に関し、例えば、トンネルの発破掘削時の振動により生じた地震波を用いてトンネルの切羽前方の断層帯等を探査するトンネル切羽前方探査方法に関するものである。   The present invention relates to a tunnel face forward exploration method, for example, a tunnel face forward exploration method for exploring a fault zone or the like in front of a tunnel face using seismic waves generated by vibration during tunnel blasting excavation.

トンネルは地中深くに建設される線状構造物であるため、技術的、経済的な理由からトンネル全長に渡って十分な調査を行うことが難しい状況にある。山岳トンネルの事前調査では、ほとんどの場合に屈折法弾性波探査が行われ、そこで求めた弾性波速度等を総合的に評価して地山が区分され、その区分に対応させて予め用意されている標準設計(標準支保パターン等)を適用して設計を行う。   Because the tunnel is a linear structure built deep underground, it is difficult to conduct a full survey over the entire length of the tunnel for technical and economic reasons. In most of the preliminary surveys of mountain tunnels, refracted elastic wave exploration is carried out in most cases, and the natural mountains are classified by comprehensively evaluating the obtained elastic wave velocity, etc., and prepared according to the classification. The standard design (standard support pattern, etc.) is applied.

しかし、設計の支保パターンと施工時の支保パターンとで異なる場合も多い。この原因の1つとして、従来の地表から行う弾性波探査では地山深部のトンネル掘削地点まで弾性波が十分に届かないこともあり、探査精度を向上させることが難しく弾性波速度を正しく評価できない点が挙げられている。このような場合、施工中にトンネルの坑内から切羽前方の調査を行う切羽前方調査が有効である。   However, the design support pattern and the support pattern during construction often differ. One reason for this is that conventional elastic wave exploration from the surface of the earth does not reach the tunnel excavation point deep in the ground, and it is difficult to improve the exploration accuracy and the elastic wave velocity cannot be evaluated correctly. The point is mentioned. In such a case, it is effective to investigate the front of the face from the tunnel pit during construction.

また、発明者らは、掘削時の発破を、トンネルルート上の地表面に設置した受振器で計測し、その走時と事前調査の弾性波探査データとを合わせてトモグラフィ解析を行い、トンネルの切羽前方の地山の弾性波速度分布を予測する方法を開発した。この場合、弾性波速度分布を精度良く予測するには、受振器の設置数や発振点(発破する位置)の数を増やして波線数を多くする必要があるが、地形条件から必要な受振器を設置することが難しく十分な予測精度を確保できない場合がある。このような場合に、別の方法としてトンネル坑内に受振器を設置して施工中にトンネルの坑内から切羽前方の地山を探査する反射法弾性波探査が有効である。代表的な反射法弾性波探査法には、TSP(Tunnel Seismic Prediction)法やHSP(Horizontal Seismic Profiling)法等がある。   The inventors also measured the blasting during excavation with a geophone installed on the ground surface on the tunnel route, and combined the travel time with the elastic wave exploration data of the previous survey to perform tomographic analysis. A method has been developed to predict the elastic wave velocity distribution in the ground in front of the face. In this case, in order to accurately predict the elastic wave velocity distribution, it is necessary to increase the number of installed geophones and the number of oscillation points (blasting positions) to increase the number of wavy lines. It may be difficult to install a sufficient prediction accuracy. In such a case, a reflection elastic wave exploration in which a geophone is installed in the tunnel mine and the ground in front of the face is explored from the tunnel mine during construction is effective as another method. Typical reflection method elastic wave exploration methods include TSP (Tunnel Seismic Prediction) method and HSP (Horizontal Seismic Profiling) method.

なお、トンネル切羽前方の探査技術については、例えば、特許文献1〜5に記載がある。特許文献1には、トンネル掘削のための発破を震源とする弾性波に基づいてトンネル切羽前方の地質を推定する技術が開示されている。   In addition, about the exploration technique ahead of a tunnel face, there exists description in patent documents 1-5, for example. Patent Document 1 discloses a technique for estimating the geology in front of a tunnel face based on an elastic wave whose epicenter is blasting for tunnel excavation.

また、特許文献2には、トンネル掘削における段発の各段の発破を震源とする地震波を坑内の地震計により計測することでトンネル切羽前方の地質を探査する技術が開示されている。   Patent Document 2 discloses a technique for exploring the geology in front of the tunnel face by measuring seismic waves with the blast of each stage in tunnel excavation as the epicenter using a seismometer in the tunnel.

また、特許文献3には、トンネルの外部に設置された坑外記録装置の内蔵時計と、トンネルの内部に設置された坑内記録装置の内蔵時計とをGPS時刻に同期させた状態で、トンネルの切羽で発破を行った場合に、坑外記録装置と坑内記録装置との各々に記録された受振データに基づいてトンネル切羽前方の地質を予測する技術が開示されている。   Patent Document 3 discloses that the internal clock of the outside recording apparatus installed outside the tunnel and the internal clock of the underground recording apparatus installed inside the tunnel are synchronized with the GPS time. A technique for predicting the geology ahead of the tunnel face based on the vibration receiving data recorded in each of the out-of-hole recording device and the down-hole recording device when blasting at the face is disclosed.

また、特許文献4には、トンネル掘削において切羽の発破により生じた発破振動を、切羽よりも前方の地上面に設置された受振器により受振することでトンネル切羽前方の地質の状況を予測する技術が開示されている。   Patent Document 4 discloses a technique for predicting geological conditions in front of a tunnel face by receiving blast vibration generated by blasting the face in tunnel excavation by a geophone installed on the ground surface in front of the face. Is disclosed.

また、特許文献5には、トンネルの地山で発生するアコースティックエミッションを、トンネルの抗壁面から地山に向かって打ち込まれたロックボルトを通じて受振し測定することでトンネルの崩壊を判断する技術が開示されている。   Patent Document 5 discloses a technique for judging the collapse of a tunnel by receiving and measuring the acoustic emission generated in the ground of the tunnel through a lock bolt driven from the anti-wall surface of the tunnel toward the ground. Has been.

特開2013−174580号公報JP 2013-174580 A 特開平10−311880号公報JP-A-10-31880 特開平2011−43409号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-43409 特開平2015−190789号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-190789 特開平2001−355384号公報JP-A-2001-355384

ところで、トンネルの掘削工事を安全かつ経済的に実施するためには、トンネルの切羽前方に存在する断層帯の位置や幅等に関する情報を事前に把握し、それに応じて支保の変更や補助工法の適用等のような対策を立てることが重要である。特に、トンネルの坑口近傍は、地形や地質構造が複雑であり、予想外の変状等に遭遇することがあるので、その状態を早期にかつ的確に把握することが必要とされている。しかし、上記したTSP法やHSP法等のような探査方法においては、トンネルの切羽前方に幅の広い断層帯等が存在する場合に、実際と予測との間で反射位置が大きく異なる場合がある、という問題がある。   By the way, in order to carry out tunnel excavation work safely and economically, information on the position and width of the fault zone in front of the face of the tunnel must be grasped in advance, and support changes and auxiliary construction methods can be It is important to take measures such as application. In particular, near the tunnel entrance, the topography and geological structure are complex, and unexpected deformations may be encountered, so it is necessary to grasp the state quickly and accurately. However, in the above-described exploration methods such as the TSP method and the HSP method, when a wide fault zone exists in front of the face of the tunnel, the reflection position may be greatly different between actual and predicted. There is a problem.

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、その目的は、トンネルの切羽前方の探査精度を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made from the technical background described above, and an object of the present invention is to provide a technique capable of improving the search accuracy in front of the face of the tunnel.

上記課題を解決するため、請求項1に記載の本発明のトンネル切羽前方探査方法は、(a)トンネル切羽前方の地山に対してトンネルを掘削するための発破により生じた地震波によって前記トンネルの切羽前方の断層帯から反射する反射波を、前記トンネルの坑壁に設置された複数の第1の受振手段により測定するステップと、(b)前記第1の受振手段の測定値に基づいて反射波形を抽出するステップと、(c)前記発破により生じた地震波を地表に設置された複数の第2の受振手段により測定するステップと、(d)前記第2の受振手段の測定値に基づいてトモグラフィ法の解析処理により前記トンネルの切羽前方の地山の弾性波速度を計算し、速度モデルを作成した後、前記速度モデルに基づいて反射波の理論走時を計算するステップと、(e)前記(b)ステップで得られた反射波形のデータと、前記(d)ステップで得られた理論走時を用いて反射エネルギー分布を形成した後、前記反射エネルギー分布から速度境界面の位置を抽出するステップと、(f)前記(e)ステップで得られた速度境界面の位置のデータの収束判定を実施し、収束しない場合は収束するまで、前記(e)ステップで得られた速度境界面の位置のデータを用いて前記(d)ステップを実施し、そこで得られた理論走時の計算結果を用いて前記(e)ステップを実施することを繰り返すステップと、を有することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, a tunnel face forward exploration method according to the present invention as set forth in claim 1 is: (a) an earthquake wave generated by blasting for excavating a tunnel to a natural ground in front of the tunnel face; A step of measuring a reflected wave reflected from a fault zone in front of the face by a plurality of first vibration receiving means installed on a tunnel wall of the tunnel; and (b) reflection based on a measurement value of the first vibration receiving means. Extracting a waveform; (c) measuring a seismic wave generated by the blasting by a plurality of second receiving means installed on the ground surface; and (d) based on a measurement value of the second receiving means. Calculating the elastic wave velocity of the ground in front of the face of the tunnel by the tomography method analysis process, creating a velocity model, and then calculating the theoretical travel time of the reflected wave based on the velocity model (E) After forming the reflected energy distribution using the reflected waveform data obtained in the step (b) and the theoretical travel time obtained in the step (d), a velocity boundary surface is obtained from the reflected energy distribution. (F) The position of the velocity boundary surface obtained in the step (e) is subjected to a convergence judgment, and if it does not converge, it is obtained in the step (e) until convergence. Performing the step (d) using the data of the position of the velocity boundary surface, and repeating the step (e) using the calculation result of the theoretical travel time obtained there. It is characterized by.

また、請求項2に記載の本発明は、上記請求項1記載の発明において、前記(e)ステップの後、収束判定の前に、前記(e)ステップで算出された速度境界面の位置のデータが1回目の算出データの場合は、収束判定をせずに、前記(e)ステップで算出された速度境界面の位置のデータを用いて前記(d)ステップを実施し、そこで得られた理論走時の計算結果を用いて前記(e)ステップを実施することを特徴とする。 Further, the invention of claim 2, in the invention according to the first aspect, after the step (e), prior to the convergence determination, the position of the (e) the velocity boundary surface calculated in step When the data is the first calculation data, the (d) step is performed using the data of the position of the speed boundary surface calculated in the (e) step without performing the convergence determination. The step (e) is performed using the calculation result of the theoretical running time.

また、請求項3に記載の本発明は、上記請求項1または2記載の発明において、前記トンネルの切羽の発破毎に前記(a)〜(f)のステップを実施し、発破毎に断層帯の最適な速度境界面位置および弾性波速度のデータを算出し、その算出データを前記発破が実施される度に更新することを特徴とする。 The present invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2 , wherein the steps (a) to (f) are performed every time the face of the tunnel is blasted, and the fault zone is The optimal velocity boundary surface position and elastic wave velocity data are calculated, and the calculated data is updated each time the blasting is performed.

本発明によれば、トンネルの切羽前方の断層帯の速度境界位置および地山の弾性波速度の測定精度を向上させることができるので、トンネルの切羽前方の探査精度を向上させることが可能になる。   According to the present invention, it is possible to improve the measurement accuracy of the velocity boundary position of the fault zone in front of the face of the tunnel and the elastic wave velocity of the natural ground, so it is possible to improve the exploration precision in front of the face of the tunnel. .

本発明の一実施の形態に係るトンネル切羽前方探査時におけるトンネル坑内の平面図である。It is a top view in the tunnel mine at the time of the tunnel face front exploration which concerns on one embodiment of this invention. 図1のトンネル切羽前方探査時に用いた探査装置を構成する受振器の要部拡大側面図である。It is a principal part expanded side view of the geophone which comprises the search apparatus used at the time of the tunnel face front search of FIG. 図1のトンネル切羽前方探査により計測した発破地震波形の一例の波形図である。It is a wave form diagram of an example of the blasting earthquake waveform measured by the tunnel face front exploration of FIG. 図1のトンネル切羽前方探査により得られた波形データの処理手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the process sequence of the waveform data obtained by the tunnel face front search of FIG. 図1のトンネル切羽前方探査により得られた波形データに対するイメージング処理の説明図である。It is explanatory drawing of the imaging process with respect to the waveform data obtained by the tunnel face front search of FIG. 本発明の一実施の形態に係るトンネル切羽前方探査フロー図である。It is a tunnel face front exploration flow figure concerning one embodiment of the present invention. (a)は反射法における受振器の配置と波線経路とを示す説明図、(b)はトモグラフィ法における受振器の配置と波線経路とを示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the arrangement | positioning of a geophone and a wavy path in a reflection method, (b) is explanatory drawing which shows the arrangement of a geophone and a wavy path in a tomography method. 反射法による解析結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the analysis result by a reflection method. トモグラフィ法による解析結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the analysis result by a tomography method. (a)は図9に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図、図(b)は図10(a)のI−I線断面の速度分布を示すグラフである。(A) is explanatory drawing which shows the analysis result by the tomography method following FIG. 9, FIG.10 (b) is a graph which shows the speed distribution of the II line cross section of Fig.10 (a). 図10(a)に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the analysis result by the tomography method following Fig.10 (a). 図11に続く反射法による解析結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the analysis result by the reflection method following FIG. 図12に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the analysis result by the tomography method following FIG. 図13に続く反射法による解析結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the analysis result by the reflection method following FIG. 数値計算モデルの地層構造外観を示すグラフである。It is a graph which shows the geological structure external appearance of a numerical calculation model. 速度境界面とトンネルとの位置関係を示すグラフである。It is a graph which shows the positional relationship of a speed boundary surface and a tunnel. 波動伝播の数値シミュレーションから求めた発振点に最も近い受振点の計算波形図である。It is a calculated waveform diagram of the receiving point closest to the oscillation point obtained from the numerical simulation of wave propagation. 図8の計算波形を図4で示したデータ処理により求めた反射波形図である。FIG. 9 is a reflection waveform diagram obtained by calculating the calculation waveform of FIG. 8 by the data processing shown in FIG. 4. 従来方法であって探査区間の伝播速度である弾性波速度を用いて求めた反射エネルギーの分布を示すグラフである。It is a graph which shows the distribution of the reflected energy calculated | required using the elastic wave velocity which is a conventional method and is a propagation velocity of a search area. 本実施の形態のトンネル切羽前方探査方法であってトンネル切羽前方の弾性波速度を利用し、差分法による走時を用いて反射エネルギーを求めた結果を示すグラフである。It is a tunnel face front exploration method of this embodiment, and is a graph which shows the result of having calculated reflection energy using travel time by a difference method using the elastic wave velocity ahead of a tunnel face. 実験現場の地質縦断図である。It is a geological profile of the experiment site. トンネルの切羽から46.2m離れた受振器で計測した切羽進行10m(探査発破10回)分の波形図である。It is a wave form diagram for 10 m of face movement (10 times of exploration blasting) measured with a geophone 46.2 m away from the face of the tunnel. 反射エネルギーの評価断面図である。It is evaluation sectional drawing of reflected energy. 従来の方法による反射エネルギーの分布である。It is the distribution of reflected energy by a conventional method. 弾性波探査の弾性波速度を利用して差分法の走時を用いた反射エネルギーの分布である。It is the distribution of reflected energy using the travel time of the differential method using the elastic wave velocity of elastic wave exploration. 図11において地山を区分けしたセルの状態の一部を拡大して示した説明図である。It is explanatory drawing which expanded and showed a part of state of the cell which divided the natural ground in FIG.

以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, an embodiment as an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.

発破掘削時の振動を利用したトンネル切羽前方探査方法   Exploration method ahead of tunnel face using vibration during blast excavation

反射法の計測概要   Reflection method measurement overview

図1は本実施の形態に係るトンネル切羽前方探査時におけるトンネルの平面図、図2は図1のトンネル切羽前方探査時に用いた探査装置を構成する受振器の要部拡大側面図である。   FIG. 1 is a plan view of a tunnel during forward exploration of a tunnel face according to the present embodiment, and FIG. 2 is an enlarged side view of the main part of a geophone that constitutes the exploration device used during forward exploration of the tunnel face of FIG.

本実施の形態のトンネル切羽前方探査方法においては、例えば、トンネルHを掘削するための発破を発振点とし、反射法による処理と、トモグラフィ法による処理との両方を用いてトンネルHの切羽Kの前方の低速度層(断層帯)D等を探査する。この場合、トンネルHの掘削のための発破を発振点とするので、トンネルHの切羽前方の探査の発振点を別に設ける場合に比べて、トンネルHの掘削効率を向上させることができる。また、反射法とトモグラフィ法との両方の解析データを使用することにより、トンネルHの切羽前方の探査精度を向上させることができる。   In the tunnel face forward exploration method of the present embodiment, for example, the blast for excavating the tunnel H is used as the oscillation point, and the face K of the tunnel H is used by both the reflection method and the tomography method. The low-velocity layer (fault zone) D etc. in front of is searched. In this case, since the blast for excavation of the tunnel H is used as the oscillation point, the excavation efficiency of the tunnel H can be improved as compared with the case where the oscillation point for the exploration in front of the face of the tunnel H is separately provided. Further, by using the analysis data of both the reflection method and the tomography method, the search accuracy in front of the face of the tunnel H can be improved.

反射法による探査処理では、例えば、多点発振−多点受振で行い、トンネルHの切羽Kの後方の位置P1,P2間の範囲にある複数個のロックボルトRBの各々の頭部に受振器S1を取り付けて発破振動を計測する。なお、切羽Kの位置Pkから位置P1までの距離は、例えば45m、位置P1から位置P2までの距離は、例えば15mである。   In the exploration processing by the reflection method, for example, multipoint oscillation-multipoint reception is performed, and a geophone is placed on each head of each of the plurality of lock bolts RB in the range between the positions P1 and P2 behind the face K of the tunnel H. S1 is attached and blast vibration is measured. Note that the distance from the position Pk to the position P1 of the face K is 45 m, for example, and the distance from the position P1 to the position P2 is 15 m, for example.

受振器S1は、例えば、トンネルHの坑壁の片側側面においてトンネル軸方向に沿って所定の間隔毎に一列に設置された12個のロックボルトRBの各々の頭部に装着されている。ロックボルトRBは、トンネルHの支保用具であり、トンネルHの坑壁面内において複数のトンネル軸方向線と複数のトンネル周方向線との交点に設置されている。各ロックボルトRBは、トンネルHの坑壁面に対して直交した状態で地山の地盤Gに打設されており、各ロックボルトRBの頭部に螺合されたナットN1(図2参照)により固定されている。なお、受振器S1の配置は上記したものに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば、トンネルHの坑壁面において周方向線に沿って90度ずつ離れた位置に配置するとともに、トンネル軸方向に沿って所定の間隔毎に配置しても良い。これにより、受振点を増やすことができるので、受振精度を向上させることができる。   For example, the geophone S1 is mounted on the head of each of the twelve lock bolts RB arranged in a line at predetermined intervals along the tunnel axis direction on one side surface of the tunnel wall of the tunnel H. The rock bolt RB is a support tool for the tunnel H, and is installed at the intersection of a plurality of tunnel axial lines and a plurality of tunnel circumferential lines within the tunnel H wall surface. Each lock bolt RB is driven on the ground G of the natural ground in a state orthogonal to the tunnel wall of the tunnel H, and by a nut N1 (see FIG. 2) screwed to the head of each lock bolt RB. It is fixed. Note that the arrangement of the geophone S1 is not limited to the above-described one, and can be variously changed. For example, the geophone S1 is arranged at positions 90 degrees apart along the circumferential line on the tunnel wall surface of the tunnel H, and You may arrange | position at predetermined intervals along an axial direction. Thereby, since a receiving point can be increased, a receiving accuracy can be improved.

受振器S1をロックボルトRBの頭部に装着した理由は、例えば、一般的にロックボルトRBの材質が振動を伝え易い鉄であることからウェーブガイド(導波棒)としての機能を期待できること、トンネルHの坑壁に新たに削孔して受振器S1を設置する必要が生じないので計測の準備作業を軽減できること等の利点からである。そのため、受振器S1の設置は、図2に示すように、ナットN2に固定加工した受振器S1をロックボルトRBの頭部に取り付けることにより行った。また、受振器S1には、ロックボルトRBの軸方向の振動を感度良く計測するため、例えば、共振周波数が高い28Hzの可動線輪型(MC型)の速度地震計を用いた。各受振器S1の感度は、例えば、35.4V/m/sである。また、各受振器S1は、通信ケーブル等を通じて記録装置Mに電気的に接続されている。   The reason why the geophone S1 is mounted on the head of the lock bolt RB is that, for example, since the material of the lock bolt RB is generally iron that easily transmits vibration, the function as a waveguide (waveguide rod) can be expected. This is because there is no need to newly drill holes in the tunnel wall of the tunnel H to install the geophone S1, so that the measurement preparation work can be reduced. Therefore, the geophone S1 was installed by attaching the geophone S1 fixed to the nut N2 to the head of the lock bolt RB as shown in FIG. In addition, in order to measure the vibration in the axial direction of the lock bolt RB with high sensitivity, for example, a 28-Hz movable linear ring type (MC type) velocity seismometer having a high resonance frequency was used as the geophone S1. The sensitivity of each geophone S1 is, for example, 35.4 V / m / s. Each geophone S1 is electrically connected to the recording apparatus M through a communication cable or the like.

記録装置Mは、受振器S1で得られた波形データを記録する装置である。この記録装置Mとしては、例えば、入力チャンネル数が16ch、AD(Analog/Digital)分解能が24ビット、サンプリング周波数が12kHzの地震波記録装置が使用されている。記録装置MはトリガボックスTBを介して発破器(図示せず)と電気的に接続されている。記録装置Mは電源が入ると計測ソフトが起動し、事前に設定した計測条件でトリガー待ちの状態になる。発破時に発破器からトリガー信号を取り込むと、波形の取り込みを開始し、例えば、12kHzのサンプリング周波数で7秒間の計測データを収録する。なお、計測データ収録後、USBケーブル等を通じて記録装置Mを探査装置のコンピュータに接続し、そのコンピュータのメモリに計測データを保存するようになっている。   The recording device M is a device that records the waveform data obtained by the geophone S1. As this recording apparatus M, for example, an earthquake wave recording apparatus having 16 channels of input channels, 24 bits of AD (Analog / Digital) resolution, and a sampling frequency of 12 kHz is used. The recording device M is electrically connected to a blaster (not shown) through a trigger box TB. When the power is turned on, the recording software M starts up, and the recording apparatus M enters a state of waiting for a trigger under preset measurement conditions. When a trigger signal is acquired from the blasting device at the time of blasting, waveform acquisition is started, and for example, measurement data for 7 seconds is recorded at a sampling frequency of 12 kHz. After recording measurement data, the recording device M is connected to the computer of the exploration device through a USB cable or the like, and the measurement data is stored in the memory of the computer.

探査は、トンネルHの切羽Kの中央部に削孔した探査用の装薬孔に瞬発雷管を使用した少量の爆薬(親ダイ)を挿入しておき、掘削発破時に先行させて発破することにより探査に使用する振動を発生させて行う。   The exploration is performed by inserting a small amount of explosives (parent die) using a flashing detonator into the explosive charge hole drilled in the center of the face K of the tunnel H, and blasting ahead of the excavation blast. Generate vibration used for exploration.

図3は図1のトンネル切羽前方探査により計測した発破地震波形の一例の波形図である。   FIG. 3 is a waveform diagram of an example of a blast earthquake waveform measured by forward exploration of the tunnel face in FIG.

本実施の形態においては、トンネル掘削のための芯抜き発破の時間T1の前に、瞬発雷管を用いて切羽中央部で探査用の小規模な発破を行い、2段目の芯抜き発破の振動が受振器S1に到達するまでの時間T2(180ms程度)の地震波形のうち、切羽前方100m程度の地山予測に必要な時間T3(100ms程度)の波形データを探査に用いる。10回の切羽進行分の発破振動を継続的に収録し、収録データから探査発破の波形データを切り出して、反射波のデータ処理およびトモグラフィ法によるデータ処理を行う。   In the present embodiment, a small-scale blast for exploration is performed in the center of the face using an instantaneous detonator before the time T1 of the core blasting for tunnel excavation, and the vibration of the second stage core blasting is performed. Among the seismic waveforms at the time T2 (about 180 ms) until it reaches the geophone S1, the waveform data at the time T3 (about 100 ms) necessary for ground prediction about 100 m ahead of the face is used for exploration. The blasting vibration for the 10 face movements is continuously recorded, the exploration blasting waveform data is cut out from the recorded data, and the reflected wave data processing and tomography data processing are performed.

反射法探査のデータ処理   Reflection method data processing

図4は図1のトンネル切羽前方探査により得られた波形データから反射波形を抽出する処理手順を示すフロー図である。   FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure for extracting a reflected waveform from the waveform data obtained by the tunnel face forward search in FIG.

探査終了後、探査装置内のコンピュータのメモリに保存した波形データを解析用のコンピュータに転送し、図4に示す処理手順で波形データ処理を行い、反射波形を抽出する。これは、記録装置Mで収録された波形データには、トンネルHの切羽前方の速度境界面からの反射波の他に、発振点から受振点までの直接波や探査地点後方からの反射波、さらにはノイズ等が含まれているので、図4に示すデータ処理によって、これらを取り除くためである。以下、図4のデータ処理について説明する。   After the exploration is completed, the waveform data stored in the memory of the computer in the exploration device is transferred to the computer for analysis, and the waveform data processing is performed by the processing procedure shown in FIG. 4 to extract the reflected waveform. This is because the waveform data recorded by the recording device M includes not only the reflected wave from the velocity boundary surface in front of the face of the tunnel H but also the direct wave from the oscillation point to the receiving point, the reflected wave from the back of the exploration point, Furthermore, since noise and the like are included, these are removed by the data processing shown in FIG. Hereinafter, the data processing of FIG. 4 will be described.

まず、記録装置Mで収録された波形データから初動の立ち上がりを取り出すことで、発振点からトンネルHの坑壁を通じて伝播する弾性波速度(Vp)を算出する(ステップ102a)。ここでは、弾性波速度は、例えば、4.6km/sである。   First, an elastic wave velocity (Vp) propagating from the oscillation point through the tunnel wall of the tunnel H is calculated by extracting the initial rising from the waveform data recorded by the recording device M (step 102a). Here, the elastic wave velocity is, for example, 4.6 km / s.

続いて、記録装置Mで収録された波形データからバンドパスフィルタによりノイズを除去した後(ステップ102b)、反射波の振幅が発振点からの距離に応じて減衰することを考慮して、距離による減衰が無いように球面発散補正により反射波の振幅を高める(ステップ102c)。   Subsequently, after removing noise from the waveform data recorded by the recording apparatus M by a bandpass filter (step 102b), the amplitude of the reflected wave is attenuated in accordance with the distance from the oscillation point, and depends on the distance. The amplitude of the reflected wave is increased by spherical divergence correction so that there is no attenuation (step 102c).

続いて、メディアンフィルタおよびFKフィルタ等により直接波(第一波(Primary Wave:以下、P波という)および第二波(Secondary Wave:以下、S波という))を除去した後(ステップ102d,102e)、反射波の波形を明確にするために反射波の振幅を増大(抽出)する(ステップ102f)。   Subsequently, after removing the direct wave (primary wave (hereinafter referred to as P wave) and second wave (hereinafter referred to as S wave)) by the median filter, the FK filter, or the like (steps 102d and 102e). ) In order to clarify the waveform of the reflected wave, the amplitude of the reflected wave is increased (extracted) (step 102f).

続いて、ステップ102fの振幅増大によりノイズも増大するので、そのノイズをバンドパスフィルタにより除去した後(ステップ102g)、各波形の時間軸を補正した状態で波形同士を重ねることで反射波の振幅を大きくする(ステップ102h)。   Subsequently, since the noise also increases due to the increase in amplitude in step 102f, the noise is removed by the bandpass filter (step 102g), and then the amplitude of the reflected wave is superimposed by overlapping the waveforms with the time axis of each waveform corrected. Is increased (step 102h).

このようにして得られた反射波形を用いて、後述の方法により、トンネルHの切羽前方の低速度層Dの速度境界面(反射面)の位置等を特定する。   Using the reflected waveform thus obtained, the position of the velocity boundary surface (reflecting surface) of the low velocity layer D in front of the face of the tunnel H is specified by the method described later.

差分法による走時を用いた反射エネルギー評価   Reflection energy evaluation using travel time by finite difference method

図5は図1のトンネル切羽前方探査により得られた波形データに対するイメージング処理の説明図である。   FIG. 5 is an explanatory diagram of the imaging process for the waveform data obtained by the forward search of the tunnel face in FIG.

イメージング処理には、図5に示すディフラクションスタック(Diffraction Stack:以下、DSという)法を用いた。DS法では、トンネルHの切羽前方および周辺地山を含む3次元座標空間に一定間隔で仮想の格子点GPを設け、発振点SPから広がった波がその格子点GPにおいて反射して受振点RP(受振器S1が設置された箇所)に戻ると仮定する。   For the imaging process, a diffraction stack (Diffraction Stack: hereinafter referred to as DS) method shown in FIG. 5 was used. In the DS method, virtual lattice points GP are provided at regular intervals in a three-dimensional coordinate space including the front face of the tunnel H and surrounding surrounding mountains, and a wave spread from the oscillation point SP is reflected at the lattice point GP to receive the receiving point RP. Suppose that it returns to (location where geophone S1 was installed).

1ヶ所の発振点SPから発生した弾性波が、ある格子点GPで反射して受振点RPに到達する場合、波線理論から地山の弾性波速度に応じて弾性波の伝播経路が求まり、この走時(伝播時間)が発振点SPから格子点GPまでの走時TSと、受振点RPから格子点GPまでの走時TRとを合計した走時TSR(走時TS+走時TR)として計算できる。この伝播時間から、その格子点GPに対応する波形トレース上での位置が特定できる。それらの位置での波形振幅(片振幅)を合算した値を無次元化し、反射エネルギー(反射波振幅の2乗)を求めて、格子点GPに与える。ここで、1つの反射エネルギーは、発振点SPと受振点RPとを焦点とする楕円曲面の軌跡上に卓越して分布する。   When an elastic wave generated from one oscillation point SP is reflected at a lattice point GP and reaches the receiving point RP, the propagation path of the elastic wave is obtained according to the elastic wave velocity of the natural ground from the wave line theory. Travel time (propagation time) is calculated as travel time TSR (travel time TS + travel time TR) that is the sum of travel time TS from oscillation point SP to grid point GP and travel time TR from receiving point RP to grid point GP. it can. From this propagation time, the position on the waveform trace corresponding to the lattice point GP can be specified. The sum of the waveform amplitudes (single amplitudes) at those positions is made dimensionless, and the reflected energy (the square of the reflected wave amplitude) is obtained and given to the lattice point GP. Here, one reflected energy is predominantly distributed on the locus of an elliptical curved surface having the oscillation point SP and the receiving point RP as the focal points.

もし、ある格子点GPが実際の反射点に相当すれば、この格子点GPの反射エネルギーが大きい値を示す。これらの格子点GPに接する平面を速度境界面として特定することができる。さらに、反射エネルギーの正負から、境界前後での物性の変化が分かる。すなわち、反射エネルギーが正の場合には、境界面の前後で物性が硬質から軟質に変化し、負の場合には、軟質から硬質に変化することになる。   If a certain lattice point GP corresponds to an actual reflection point, the reflection energy of this lattice point GP shows a large value. A plane in contact with these lattice points GP can be specified as the velocity boundary surface. Furthermore, the change in physical properties before and after the boundary can be seen from the sign of the reflected energy. That is, when the reflected energy is positive, the physical property changes from hard to soft before and after the boundary surface, and when it is negative, the physical property changes from soft to hard.

ここで、従来の方法は、発破した地山区間の弾性波速度のみを用いて速度境界面の位置を予測するため、トンネルHの切羽前方の地山に弾性波速度の異なる層があると速度境界面の位置を精度良く求めることができない。そこで、本実施の形態においては、上記反射法により得られる速度境界面の位置の情報と、トモグラフィ法等により得られる速度分布の情報との両方を用いてトンネルHの切羽前方の地山の状態を探査する。以下、その具体例について図6のフロー図に沿って図7〜図14を参照して説明する。   Here, since the conventional method predicts the position of the velocity boundary surface using only the elastic wave velocity of the blasted natural ground section, if there is a layer with different elastic wave velocity in the natural ground in front of the face of the tunnel H, the velocity The position of the boundary surface cannot be obtained with high accuracy. Therefore, in the present embodiment, using both the information on the position of the velocity boundary surface obtained by the reflection method and the information on the velocity distribution obtained by the tomography method or the like, the ground in front of the face of the tunnel H is used. Explore the state. A specific example will be described below with reference to FIGS. 7 to 14 along the flowchart of FIG.

反射法およびトモグラフィ法での観測状態の説明   Explanation of observation state by reflection method and tomography method

図7は本実施の形態のトンネル切羽前方探査における受振器の配置と波線経路とを示している。本実施の形態のトンネル切羽前方探査法においては、トンネルHの掘削のための発破を反射法およびトモグラフィ法の両方で用いる発振点とし、トンネルH内の複数の受振器S1を反射法で用いる受振点とし、地山Yの地表の複数の受振器S2をトモグラフィ法で用いる受振点とする。   FIG. 7 shows the placement of the geophone and the wavy line path in the forward exploration of the tunnel face according to the present embodiment. In the tunnel face forward exploration method of the present embodiment, blasting for excavation of tunnel H is used as an oscillation point used in both the reflection method and tomography method, and a plurality of geophones S1 in tunnel H are used in the reflection method. As a receiving point, a plurality of receiving devices S2 on the ground surface of the ground mountain Y are used as the receiving points used in the tomography method.

まず、図7(a)は反射法における受振器の配置と波線経路とを示している。反射法の測定では、図1で説明したように、トンネルHの掘削のために切羽で実施する発破を発振点とし、低速度層Dの速度境界面からの反射波をトンネルH内の複数個の受振器S1で測定する。   First, Fig.7 (a) has shown the arrangement | positioning and wavy path | route of the geophone in the reflection method. In the measurement of the reflection method, as explained in FIG. 1, the blasting performed at the face for excavation of the tunnel H is used as an oscillation point, and a plurality of reflected waves from the velocity boundary surface of the low velocity layer D are reflected in the tunnel H. Measured with the geophone S1.

一方、図7(b)はトモグラフィ法における受振器の配置と波線経路とを示している。トモグラフィ法による測定では、トンネルHの掘削のために切羽で実施する発破を発振点とし、トンネルHの切羽で発破により生じた弾性波を地山Yの地表の複数個の受振器S2で測定する。   On the other hand, FIG.7 (b) has shown the arrangement | positioning and wavy line path | route of the geophone in the tomography method. In the tomography measurement, the blasting performed at the face for excavation of the tunnel H is used as the oscillation point, and the elastic waves generated by the blasting at the face of the tunnel H are measured by a plurality of geophones S2 on the ground surface of the ground Y. To do.

なお、発破によるトンネルHの掘削作業において、掘削長が所定の長さ(例えば、50m)になる度に、受振器S1,S2の設置位置をトンネルHの掘削方向に向かって移動する。   In the excavation work of the tunnel H by blasting, the installation positions of the geophones S1 and S2 are moved toward the excavation direction of the tunnel H every time the excavation length reaches a predetermined length (for example, 50 m).

トンネル切羽前方探査方法の具体例の説明   Explanation of specific examples of forward exploration methods for tunnel face

まず、反射法については、所定回数の事前測定が必要なので、反射法とトモグラフィ法との両方を用いた探査処理に先立って、トンネルHの掘削ための所定回数(例えば、10回)の発破の度に反射法による反射波の測定を実施する。なお、この際、トモグラフィ法による測定については実施しても良いし、実施しなくても良い。   First, since the reflection method requires a predetermined number of prior measurements, blasting a predetermined number of times (for example, 10 times) for excavation of the tunnel H prior to the exploration processing using both the reflection method and the tomography method. Each time, the reflected wave is measured by the reflection method. At this time, the measurement by the tomography method may be performed or may not be performed.

続いて、図6の右側の反射法の処理では、トンネルHの掘削のための第1の発破(反射法およびトモグラフィ法の両方法を実施する最初の発破)により生じた発破地震波をトンネルH内の受振器S1で測定し、解析用のコンピュータに転送して、その観測波形データから反射波形を抽出する(図6のステップ100〜102)。また、同時に、発振点および受振点の位置座標データを解析用のコンピュータに入力する(図6のステップ103)。なお、反射波形の抽出処理は、図4で説明したので説明を省略する。   Subsequently, in the processing of the reflection method on the right side of FIG. 6, the blasting seismic wave generated by the first blasting for excavation of the tunnel H (the first blasting that implements both the reflection method and the tomography method) is performed on the tunnel H. Measured by the geophone S1 and transferred to the computer for analysis, and the reflected waveform is extracted from the observed waveform data (steps 100 to 102 in FIG. 6). At the same time, the position coordinate data of the oscillation point and the receiving point are input to the computer for analysis (step 103 in FIG. 6). The reflection waveform extraction process has been described with reference to FIG.

続いて、トンネルHの切羽前方の地山の弾性波速度は既知か否かを判定する(図6のステップ104)。すでに屈折法弾性波探査やトモグラフィ法を実施しているなどで既知の場合は、その弾性波速度を用いて理論走時を計算し(図6のステップ105)、さらにその理論走時の計算結果を用いてイメージング処理により反射エネルギー分布を作成し(図6のステップ107)、その反射エネルギー分布から地山Yb(低速度層D)の速度境界面を抽出する(図6のステップ108)。一方、ステップ104で既知でない場合は、図8に示すように、トンネルHの切羽前方の全体が切羽付近の地山Yaの速度Vaであると仮定し(図6のステップ106)、その速度Vaを用いて理論走時を計算し(図6のステップ105)、さらにその理論走時の計算結果を用いてイメージング処理により反射エネルギー分布を作成し(図6のステップ107)、その反射エネルギー分布から地山Yb(低速度層D)の速度境界面RS1,RS2を抽出する(図6のステップ108)。なお、図8は反射法による解析結果を示す説明図である。   Subsequently, it is determined whether or not the elastic wave velocity of the natural ground in front of the face of the tunnel H is known (step 104 in FIG. 6). If it is already known, such as refraction elastic wave exploration or tomography, etc., the theoretical travel time is calculated using the elastic wave velocity (step 105 in FIG. 6), and the theoretical travel time is calculated. A reflection energy distribution is created by imaging processing using the result (step 107 in FIG. 6), and a velocity boundary surface of the ground mountain Yb (low velocity layer D) is extracted from the reflection energy distribution (step 108 in FIG. 6). On the other hand, if it is not known in step 104, it is assumed that the entire front of the face of the tunnel H is the speed Va of the natural mountain Ya near the face as shown in FIG. 8 (step 106 in FIG. 6). Is used to calculate the theoretical travel time (step 105 in FIG. 6), and a reflection energy distribution is created by imaging processing using the calculation result of the theoretical travel time (step 107 in FIG. 6). The speed boundary surfaces RS1 and RS2 of the natural ground Yb (low speed layer D) are extracted (step 108 in FIG. 6). In addition, FIG. 8 is explanatory drawing which shows the analysis result by a reflection method.

その後、反射法の測定が1回目か否かを判定する(図6のステップ109)。1回目でなければ、収束している(地山Yb(低速度層D)の反射境界面RS1,RS2が前回と同じ)か否かの判定(図6のステップ110)に移行するが、ここでは、1回目なので、図6の左側のトモグラフィ解析処理フローの♯1に移行し、反射法で得られた地山Yb(低速度層D)の速度境界面RS1,RS2の位置の情報を、トモグラフィ法での初期速度モデルを作成する情報として使用する。   Thereafter, it is determined whether or not the reflection measurement is the first time (step 109 in FIG. 6). If it is not the first time, the process proceeds to the determination (step 110 in FIG. 6) of whether or not it has converged (the reflection boundary surfaces RS1 and RS2 of the ground mountain Yb (low speed layer D) are the same as the previous time). Then, since it is the first time, the process proceeds to # 1 in the tomography analysis processing flow on the left side of FIG. 6, and information on the position of the velocity boundary surfaces RS1 and RS2 of the natural mountain Yb (low velocity layer D) obtained by the reflection method is obtained. It is used as information for creating an initial velocity model in the tomography method.

一方、図6の左側のトモグラフィ解析処理(図6の左側)では、トンネルHの掘削のための上記第1の発破により生じた地震波を地山Yの地表の受振器S2で測定し、解析用のコンピュータに転送して、その観測波形データから初動走時を読み取り、走時曲線を作成する(図6のステップ200〜202)。同時に、発振点および受振点の位置座標データを解析用のコンピュータに入力する(図6のステップ203)。   On the other hand, in the tomography analysis process on the left side of FIG. 6 (left side of FIG. 6), the seismic wave generated by the first blast for excavation of the tunnel H is measured by the geophone S2 on the ground surface of the natural ground Y and analyzed. It is transferred to a computer, and the initial running time is read from the observed waveform data to create a running curve (steps 200 to 202 in FIG. 6). At the same time, the position coordinate data of the oscillation point and the receiving point are input to the computer for analysis (step 203 in FIG. 6).

続いて、解析条件の入力データのデータセットを作成し(図6のステップ204)、そのデータと、反射法で得られた地山Ybの速度境界面RS1,RS2の位置の情報とを用いて、解析領域を格子状のセルに分割し、セルごとに弾性波速度を設定した初期速度モデル(以下、単に速度モデルという)を作成する(図6のステップ205)。速度モデルは、図9に示すように、発破を振源として求めた地山Yaの弾性波速度をVaに固定し、また、地山Ybおよび地山Ycの速度を、上記反射法で求めた反射エネルギーの結果(速度境界面RS1,RS2の位置情報)から推定してトモグラフィ解析を行い、地山Ybと地山Ycのセルの弾性波速度を求める。この場合、地山Yb,Ycの各々の弾性波速度は、他の屈折法から推定しても良いが、他の屈折法を行っていない場合は、地山Yb,Ycの各々の弾性波速度の値が分からないので地山Yaの弾性波速度Vaと仮定する。   Subsequently, a data set of input data of analysis conditions is created (step 204 in FIG. 6), and the data and information on the position of the velocity boundary surfaces RS1 and RS2 of the natural mountain Yb obtained by the reflection method are used. Then, the analysis region is divided into grid-like cells, and an initial velocity model (hereinafter simply referred to as velocity model) in which the elastic wave velocity is set for each cell is created (step 205 in FIG. 6). As shown in FIG. 9, in the velocity model, the elastic wave velocity of the natural ground Ya obtained with blasting as the vibration source was fixed to Va, and the velocities of the natural mountain Yb and the natural mountain Yc were determined by the reflection method. A tomographic analysis is performed by estimating from the result of the reflected energy (position information of the velocity boundary surfaces RS1 and RS2), and elastic wave velocities of the cells of the natural ground Yb and the natural ground Yc are obtained. In this case, the elastic wave velocities of the natural grounds Yb and Yc may be estimated from other refraction methods, but if the other refraction methods are not performed, the elastic wave velocities of the natural grounds Yb and Yc are obtained. Since the value of is not known, the elastic wave velocity Va of the natural ground Ya is assumed.

このトモグラフィ解析の結果、図10(a)に示す地山Ybの各セルの弾性波速度および地山Ycの各セルの弾性波速度が求まる。これにより、図10(b)に示すように、トンネルHの切羽前方の地山Yにおける速度分布が得られる。なお、地山Yaの各セルの弾性波速度は上記したVaである。また、図10(a)は図9に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図、図10(b)は図10(a)のI−I線断面の速度分布を示すグラフである。   As a result of this tomography analysis, the elastic wave velocity of each cell of the natural ground Yb and the elastic wave velocity of each cell of the natural ground Yc shown in FIG. Thereby, as shown in FIG.10 (b), the velocity distribution in the natural mountain Y ahead of the face of the tunnel H is obtained. In addition, the elastic wave velocity of each cell of natural ground Ya is Va mentioned above. FIG. 10A is an explanatory diagram showing the analysis result by the tomography method following FIG. 9, and FIG. 10B is a graph showing the velocity distribution of the cross section taken along the line II of FIG. 10A.

続いて、図11および図26に示すように、地山Yの区分(セル)毎の弾性波速度を求める。すなわち、トモグラフィ解析の結果から地山Ybの領域の平均弾性波速度Vb’を下記の数式により求める。

Figure 0006584010
Subsequently, as shown in FIGS. 11 and 26, the elastic wave velocity for each section (cell) of the natural ground Y is obtained. That is, the average elastic wave velocity Vb ′ in the area of the natural ground Yb is obtained from the result of tomography analysis by the following mathematical formula.
Figure 0006584010

ただし、Vb(i)は地山Ybの領域の各セルiの弾性波速度、Ab(i)は地山Ybの領域のセルiの面積、nは地山Ybの領域のセルiの個数である。   Where Vb (i) is the elastic wave velocity of each cell i in the ground mountain Yb region, Ab (i) is the area of the cell i in the ground mountain Yb region, and n is the number of cells i in the ground mountain Yb region. is there.

また、地山Ycの領域の平均弾性波速度Vc’を下記の数式により求める。

Figure 0006584010
Further, the average elastic wave velocity Vc ′ in the area of the natural ground Yc is obtained by the following mathematical formula.
Figure 0006584010

ただし、Vc(i)は地山Ycの領域の各セルiの弾性波速度、Ac(i)は地山Ycの領域のセルiの面積、nは地山Ycの領域のセルiの個数である。   Where Vc (i) is the elastic wave velocity of each cell i in the area of the natural ground Yc, Ac (i) is the area of the cell i in the area of the natural ground Yc, and n is the number of cells i in the area of the natural ground Yc. is there.

なお、図11は図10(a)に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図である。また、図26は図11において地山を区分けしたセルの状態の一部を拡大して示した説明図である。図26の符号SFは地表面である。また、図26において、Va(i)は地山Yaの領域の各セルiの弾性波速度、Aa(i)は地山Yaの領域のセルiの面積、nは地山Yaの領域のセルiの個数である。   In addition, FIG. 11 is explanatory drawing which shows the analysis result by the tomography method following Fig.10 (a). FIG. 26 is an explanatory diagram showing, in an enlarged manner, a part of the state of the cell in which the natural ground is divided in FIG. The symbol SF in FIG. 26 is the ground surface. In FIG. 26, Va (i) is the elastic wave velocity of each cell i in the region of the natural ground Ya, Aa (i) is the area of the cell i in the natural mountain Ya region, and n is the cell in the natural mountain Ya region. The number of i.

続いて、速度モデルに対して、全ての発振点(発破位置)および受振点(受振器S2)のペアについて観測されるであろう初動走時の理論値である理論走時を計算する(図6のステップ206)。続いて、各発振点および受振点のペアの観測走時と理論走時との差を計算する(図6のステップ207)。そして、観測走時と理論走時との差によって収束判定を実施する(図6のステップ208)。すなわち、理論走時と観測走時との差が最小となるようにインバージョンとレイトレーシングを繰り返して速度モデルを更新する(図6のステップ209)。そして、観測走時と理論走時との走時残差が許容値よりも小さくなるまでステップ206〜209を繰り返す。一方、観測走時と理論走時との走時残差が許容値よりも小さい場合は、その時点までに求められた速度分布断面が、観測走時をほぼ満足するものであると考えられ反復計算を終了する。なお、このトモグラフィ法における最終の速度分布断面の表現は、対象断面を長方形のセルに分割して、各セルに速度値を割り当て、各セルの速度値に応じた濃淡表示あるいはカラー表示で色分けすることで速度分布を視覚的に容易に把握できるようにしても良い。   Subsequently, the theoretical travel time, which is the theoretical value at the time of the initial motion that will be observed for all oscillation point (blasting position) and receiving point (receiver S2) pairs, is calculated for the speed model (see FIG. 6 step 206). Subsequently, the difference between the observed travel time and the theoretical travel time of each oscillation point and receiving point pair is calculated (step 207 in FIG. 6). Then, the convergence determination is performed based on the difference between the observed travel time and the theoretical travel time (step 208 in FIG. 6). That is, the speed model is updated by repeating inversion and ray tracing so that the difference between the theoretical travel time and the observation travel time is minimized (step 209 in FIG. 6). Then, Steps 206 to 209 are repeated until the running time difference between the observed running time and the theoretical running time becomes smaller than the allowable value. On the other hand, if the travel time residual between the observed travel time and the theoretical travel time is smaller than the allowable value, the speed distribution cross section obtained up to that point is considered to be almost satisfied with the observed travel time, and it is repeated. End the calculation. Note that the final velocity distribution section representation in this tomography method is to divide the target section into rectangular cells, assign a speed value to each cell, and color-coded in shade or color display according to the speed value of each cell By doing so, the velocity distribution may be easily grasped visually.

次いで、上記のようにしてトモグラフィ解析のステップ208で収束判定がなされたら、そこで得られた理論走時と、反射法の波形処理で求めた反射波形のデータとを用いてイメージング処理により反射エネルギー分布を作成し(図6のステップ107)、その反射エネルギー分布から速度境界面を抽出し(図6のステップ108)、図12に示すように、新たに地山Ybの速度境界面RS3,RS4の位置を求める。なお、図12は図11に続く反射法による解析結果を示す説明図である。   Next, when the convergence determination is made in step 208 of the tomography analysis as described above, the reflected energy is obtained by imaging processing using the theoretical travel time obtained there and the data of the reflected waveform obtained by the waveform processing of the reflection method. A distribution is created (step 107 in FIG. 6), a velocity boundary surface is extracted from the reflected energy distribution (step 108 in FIG. 6), and new velocity boundary surfaces RS3 and RS4 of the natural ground Yb are obtained as shown in FIG. Find the position of. FIG. 12 is an explanatory view showing the analysis result by the reflection method subsequent to FIG.

続いて、反射法の測定が1回目か否かを判定する(図6のステップ109)。ここでは1回目でないので、新たに求められた速度境界面の収束判定を実施する(図6のステップ110)。ここでは、例えば、反射法の収束判定のステップ110で収束していないとする。その場合は、反射法で求めた新たな速度境界面RS3,RS4の位置の情報と、トモグラフィ法の入力データセット(図6のステップ204)の情報とを用いて、トモグラフィ解析の速度モデルを作成する(図6のステップ205)。このとき、新たな速度境界面RS3,RS4で区分けした地山毎の速度を各領域内の平均速度に設定する(図6のステップ210)。   Subsequently, it is determined whether or not the reflection method is measured for the first time (step 109 in FIG. 6). Here, since it is not the first time, the convergence determination of the newly obtained velocity boundary surface is performed (step 110 in FIG. 6). Here, for example, it is assumed that the convergence is not performed in step 110 of the reflection method convergence determination. In that case, a velocity model for tomography analysis using information on the positions of the new velocity boundary surfaces RS3 and RS4 obtained by the reflection method and information on the input data set of the tomography method (step 204 in FIG. 6). Is created (step 205 in FIG. 6). At this time, the speed of each natural mountain divided by the new speed boundary surfaces RS3 and RS4 is set as the average speed in each region (step 210 in FIG. 6).

続いて、ここで求められた速度モデルに対して、上記と同様に、全ての発振点(発破位置)および受振点(受振器S2)のペアについて観測されるであろう初動走時の理論値である理論走時を計算し(図6のステップ206)、各発振点および受振点のペアの観測走時と理論走時との差を計算し(図6のステップ207)、観測走時と理論走時との差によって収束判定を実施する(図6のステップ208)。すなわち、上記と同様に、収束していない場合は、速度モデルを修正し(図6のステップ209)、観測走時と理論走時との走時残差が許容値よりも小さくなるまでステップ206〜209を繰り返す一方、収束している場合は、その時点までに求められた速度分布断面が観測走時をほぼ満足するものであると考えられ反復計算を終了する。このトモグラフィ解析の結果、図13に示す地山Ybと地山Ycの各セルの弾性波速度が求まる。なお、図13は図12に続くトモグラフィ法による解析結果を示す説明図である。なお、この段階の最終の速度分布断面を上記したのと同様に各セルの速度値に応じた濃淡表示あるいはカラー表示で色分けしても良い。   Subsequently, with respect to the velocity model obtained here, the theoretical value at the time of initial motion that will be observed for all pairs of oscillation points (blasting positions) and receiving points (receiver S2) in the same manner as described above. Is calculated (step 206 in FIG. 6), and the difference between the observed travel time and the theoretical travel time of each oscillation point and receiving point pair is calculated (step 207 in FIG. 6). Convergence is determined based on the difference from the theoretical travel time (step 208 in FIG. 6). That is, as described above, when the speed does not converge, the speed model is corrected (step 209 in FIG. 6), and step 206 is performed until the running time residual between the observed running time and the theoretical running time becomes smaller than the allowable value. On the other hand, when it converges, it is considered that the velocity distribution cross section obtained up to that point almost satisfies the observation travel time, and the iterative calculation is terminated. As a result of this tomography analysis, the elastic wave velocities of the natural ground Yb and natural ground Yc cells shown in FIG. 13 are obtained. FIG. 13 is an explanatory view showing the analysis result by the tomography method following FIG. Note that the final velocity distribution cross section at this stage may be color-coded by grayscale display or color display according to the velocity value of each cell, as described above.

次いで、上記のようにしてトモグラフィ解析のステップ208で収束判定がなされたら、そこで得られた速度モデルに基づいて反射波の理論走時を計算し(図6のステップ105)、前記の反射波の理論走時と、反射法の波形処理で求めた反射波形のデータとを用いてイメージング処理により反射エネルギー分布を作成し(図6のステップ107)、その反射エネルギー分布から速度境界面を抽出し(図6のステップ108)、図14に示すように、新たに地山Ybの速度境界面Rs5,Rs6の位置を求める。   Next, when the convergence determination is made in step 208 of tomography analysis as described above, the theoretical travel time of the reflected wave is calculated based on the velocity model obtained there (step 105 in FIG. 6), and the reflected wave is calculated. A reflection energy distribution is created by imaging processing using the theoretical travel time of the above and the reflection waveform data obtained by the waveform processing of the reflection method (step 107 in FIG. 6), and the velocity boundary surface is extracted from the reflection energy distribution. (Step 108 in FIG. 6), as shown in FIG. 14, the positions of the velocity boundary surfaces Rs5 and Rs6 of the natural ground Yb are newly obtained.

続いて、収束判定を実施し(図6のステップ110)、この時に求めた速度境界面RS5,RS6の位置と、図12で求めた速度境界面RS3,RS4の位置(格子点間の幅)とが同じ場合は処理を終了し、そうでない場合は、上記と同様に、反射法で求めた新たな速度境界面RS5,RS6の位置の情報と、トモグラフィ法の入力データセット(図6のステップ204)の情報とを用いて、再度、トモグラフィ解析により速度モデルを作成するステップ205に戻り、上記と同様の処理を繰り返す。なお、図14は図13に続く反射法による解析結果を示す説明図である。   Subsequently, convergence determination is performed (step 110 in FIG. 6), and the positions of the speed boundary surfaces RS5 and RS6 obtained at this time and the positions of the speed boundary surfaces RS3 and RS4 obtained in FIG. 12 (width between lattice points). If not, the process is terminated. Otherwise, as described above, the position information of the new velocity boundary surfaces RS5 and RS6 obtained by the reflection method and the input data set of the tomography method (in FIG. 6) Using the information in step 204), the process returns again to step 205 in which a velocity model is created by tomographic analysis, and the same processing as described above is repeated. FIG. 14 is an explanatory view showing the analysis result by the reflection method following FIG.

なお、従来の反射法の解析では、地山の弾性波速度が一定であるとして直線の伝播経路を用いているため、低速度層Dの層厚が大きくなったり、速度変化が大きくなると予測誤差が増大したりするのに対し、本実施の形態によるトンネル切羽前方探査においては、走時をアイコーナルの式を差分法により計算して速度境界面で屈折する伝播経路を考慮できるため、複雑な速度構造でも低速度層Dの速度境界面位置および弾性波速度の測定精度を向上させることができる。したがって、トンネルHの切羽前方の探査精度を向上させることができる。   In the analysis of the conventional reflection method, since the elastic wave velocity of the natural ground is constant, a straight propagation path is used. Therefore, if the layer thickness of the low velocity layer D increases or the velocity change increases, a prediction error occurs. On the other hand, in the tunnel face front exploration according to the present embodiment, the traveling time can be calculated by using the differential method to calculate the traveling time and the propagation path refracting at the velocity boundary surface can be considered. Even in the structure, the measurement accuracy of the velocity boundary surface position and the elastic wave velocity of the low velocity layer D can be improved. Therefore, the search accuracy in front of the face of the tunnel H can be improved.

また、本実施の形態においては、上記のようなトンネルHの切羽前方の探査方法をトンネルHの掘削のための発破毎(切羽毎)に実施し、その時々での最適な低速度層Dの速度境界面位置および弾性波速度を求めてデータの更新を実施する。これにより、トンネルHを掘り進める度に、発振点を増やすことができ、測定データを増やすことができるので、トンネルHの切羽前方における低速度層Dの速度境界面位置および弾性波速度の測定精度を向上させることができる。したがって、トンネルHの切羽前方の探査精度をさらに向上させることができる。   Further, in the present embodiment, the exploration method in front of the face of the tunnel H as described above is performed for each blasting (each face) for excavation of the tunnel H, and the optimum low-velocity layer D at that time is determined. Data is updated by obtaining the velocity boundary surface position and elastic wave velocity. Thereby, every time the tunnel H is dug, the oscillation point can be increased and the measurement data can be increased. Therefore, the measurement accuracy of the velocity boundary surface position and the elastic wave velocity of the low velocity layer D in front of the face of the tunnel H can be increased. Can be improved. Therefore, the search accuracy in front of the face of the tunnel H can be further improved.

数値シミュレーションによる探査性能の検証   Verification of exploration performance by numerical simulation

ここで、数値モデルを用いて差分法によるP波の3次元波動伝播現象の数値シミュレーションを行い、計算により求めた波形を用いて速度境界面を予測し、解析モデルの速度境界面との比較から、本実施の形態の探査法を検証する。   Here, a numerical simulation of the three-dimensional wave propagation phenomenon of the P wave by the difference method is performed using the numerical model, the velocity boundary surface is predicted using the waveform obtained by calculation, and the comparison with the velocity boundary surface of the analysis model is performed. The exploration method of this embodiment is verified.

計算モデル   Calculation model

図15は数値計算モデルの地層構造外観を示すグラフ、図16は速度境界面とトンネルとの位置関係を示すグラフである。   FIG. 15 is a graph showing the outer appearance of the stratum structure of the numerical calculation model, and FIG. 16 is a graph showing the positional relationship between the velocity boundary surface and the tunnel.

計算は、図15および図16に示すように、例えば、トンネル断面方向(x)に100m、トンネル軸方向(y)に140m、高さ方向(z)に100mの範囲を解析領域として、格子点間隔が全ての方向で1mになるように分割数を決めた。   As shown in FIG. 15 and FIG. 16, for example, the analysis is performed using a range of 100 m in the tunnel cross-sectional direction (x), 140 m in the tunnel axis direction (y), and 100 m in the height direction (z) as an analysis region. The number of divisions was determined so that the interval was 1 m in all directions.

トンネルHの周辺の弾性波速度が4.6km/sである地山に、層厚が20mの低速度層(弾性波速度 Vp=3.0km/s)Dが、トンネルHの切羽Kから前方に向かって距離L1(例えば57m)の位置で、トンネル断面方向に対して水平方向に30度程度の走向角θ1、鉛直方向に60度の傾斜角θ2の角度で交差する3次元モデルを用いた。弾性波速度の差が発生する速度境界面のうち、切羽K側を第1速度境界面RSa、切羽Kから離れた速度境界面を第2速度境界面RSbとする。受振点RP(図5参照)は、例えば、幅員10mのトンネルHの坑壁に切羽Kから15〜26m範囲の1m間隔に12点とした。また、発振点SP(図5参照)は、例えば、トンネルHの切羽Kから掘削進行方向に1〜25m範囲の発破(1m間隔)に相当する25点とした。計算モデル境界での反射波の発生を抑えるため、モデル境界には透過境界条件を与えた。計算の時間ステップは、例えば、探索の計測サンプル時間と同じ80μsとした。この時間ステップは差分計算の安定条件を満足している。   A low-velocity layer (elastic wave velocity Vp = 3.0 km / s) D with a layer thickness of 20 m is moved forward from the face K of the tunnel H on the ground where the elastic wave velocity around the tunnel H is 4.6 km / s. A three-dimensional model that intersects at a distance L1 (e.g., 57 m) toward the tunnel at a crossing angle θ1 of about 30 degrees in the horizontal direction and an inclination angle θ2 of 60 degrees in the vertical direction is used. . Of the velocity boundary surfaces where the difference in elastic wave velocity occurs, the face K side is defined as a first velocity boundary surface RSa, and the velocity boundary surface separated from the face K is defined as a second velocity boundary surface RSb. The receiving points RP (see FIG. 5) are, for example, 12 points at 1 m intervals in the range of 15 to 26 m from the face K on the tunnel wall of the tunnel H having a width of 10 m. Further, the oscillation point SP (see FIG. 5) is, for example, 25 points corresponding to blasting (1-m intervals) in the range of 1 to 25 m from the face K of the tunnel H in the direction of excavation. In order to suppress the generation of reflected waves at the calculation model boundary, a transmission boundary condition was given to the model boundary. The calculation time step is set to 80 μs, which is the same as the measurement sample time of the search, for example. This time step satisfies the stability condition for the difference calculation.

計算波形のデータ処理方法について以下に示す   The calculation waveform data processing method is shown below.

図17は波動伝播の数値シミュレーションから求めた発振点に最も近い受振点の計算波形図である。計算波形では、発振点SPから受振点RPに直接到達する直接波DWが確認できるが、トンネルHの切羽前方の速度境界面からの反射波(第1反射波RW1および第2反射波RW2)は距離減衰により振幅が小さくなるため、明瞭に確認できない。なお、直接波DW、第1反射波RW1および第2反射波RW2は、いずれもP波である。   FIG. 17 is a calculated waveform diagram of the receiving point closest to the oscillation point obtained from the numerical simulation of wave propagation. In the calculated waveform, the direct wave DW that directly reaches the receiving point RP from the oscillation point SP can be confirmed, but the reflected waves (the first reflected wave RW1 and the second reflected wave RW2) from the velocity boundary surface in front of the face of the tunnel H are Since the amplitude becomes smaller due to distance attenuation, it cannot be clearly confirmed. The direct wave DW, the first reflected wave RW1, and the second reflected wave RW2 are all P waves.

図18は図17の計算波形を図4で示したデータ処理により求めた反射波形図である。直接波DWが取り除かれ、反射波(第1反射波RW1および第2反射波RW2)を明瞭に確認することができる。このうち、第1反射波RW1は走時から切羽前方に向かって57mの第1速度境界面RSaによる反射である。一方、第2反射波RW2は直接波DWと逆位相で伝播しており、第2速度境界面RSbによる反射波である。後続にも振幅が小さい反射波を確認できるが、これらの速度境界面で重複した反射波であると推察できる。   18 is a reflection waveform diagram obtained by calculating the calculation waveform of FIG. 17 by the data processing shown in FIG. The direct wave DW is removed, and the reflected waves (first reflected wave RW1 and second reflected wave RW2) can be clearly confirmed. Of these, the first reflected wave RW1 is a reflection from the first velocity boundary surface RSa of 57 m from the running time toward the front of the face. On the other hand, the second reflected wave RW2 propagates in the opposite phase to the direct wave DW, and is a reflected wave by the second velocity boundary surface RSb. A reflected wave having a small amplitude can also be confirmed in the following, but it can be inferred that the reflected wave overlaps at these velocity boundary surfaces.

反射波のイメージング処理と速度境界面の特定   Reflected wave imaging and velocity interface identification

計算波形のデータ処理から求めた120の反射波形(12(受振点数)×10(発振点数))を用いてDS法により3次元座標空間に反射エネルギーのイメージング処理を行う。   Using the 120 reflected waveforms (12 (number of receiving points) × 10 (number of oscillation points)) obtained from the data processing of the calculated waveform, imaging processing of reflected energy is performed in the three-dimensional coordinate space by the DS method.

図19は従来方法であって探査区間の伝播速度である直接波の弾性波速度(=4.6km/s)を用いて求めた反射エネルギーの評価を示すグラフである。図中には解析モデルの第1速度境界面RSaおよび第2速度境界面RSbの位置を示す。トンネルHの切羽Kに近い弾性波速度が4.6km/sから3.0km/sに変化(すなわち、硬質から軟質に変化)する第1速度境界面RSaの予測Eaでは、反射エネルギーの大きいプロットが第1速度境界面RSaの付近に集中して正しい位置に評価している。一方、トンネルHの切羽Kから離れた弾性波速度が3.0km/sから4.6km/sに変化(すなわち、軟質から硬質に変化)する第2速度境界面RSbの予測Ebでは、解析モデルで設定した位置から前方に向かって距離L2(例えば10.6m)だけ離れた位置にプロットが集中し、20mである低速度層の幅Wを30.6mと間違った評価をしている。   FIG. 19 is a graph showing the evaluation of the reflected energy obtained by using the elastic wave velocity (= 4.6 km / s) of the direct wave which is the conventional method and is the propagation velocity in the exploration section. In the figure, the positions of the first velocity boundary surface RSa and the second velocity boundary surface RSb of the analysis model are shown. In the predicted Ea of the first velocity boundary surface RSa where the elastic wave velocity near the face K of the tunnel H changes from 4.6 km / s to 3.0 km / s (that is, changes from hard to soft), a plot with a large reflected energy Are concentrated in the vicinity of the first speed boundary surface RSa and evaluated at the correct position. On the other hand, in the prediction Eb of the second velocity boundary surface RSb where the elastic wave velocity away from the face K of the tunnel H changes from 3.0 km / s to 4.6 km / s (that is, changes from soft to hard), an analysis model is used. The plots are concentrated at a position away from the position set in (1) by a distance L2 (for example, 10.6 m), and the low-speed layer width W of 20 m is erroneously evaluated as 30.6 m.

これに対して、図20は本実施の形態のトンネル切羽前方探査方法であってトンネル切羽前方の弾性波速度を利用し、差分法による走時を用いて反射エネルギーを求めた結果を示すグラフである。トンネルHの切羽Kの前方に近い硬質から軟質に変化する第1速度境界面RSaの予測Eaでは、従来の方法と同じ評価になる。一方、トンネルHの切羽Kから離れた軟質から硬質に変化する第2速度境界面RSbの予測Ecでは、第2速度境界面RSbの位置付近にプロットが集中して正しい位置に評価している。   On the other hand, FIG. 20 is a graph showing the result of obtaining the reflected energy using the traveling time by the differential method using the elastic wave velocity in front of the tunnel face in the tunnel face forward search method of the present embodiment. is there. The prediction Ea of the first speed boundary surface RSa that changes from hard to soft near the front face of the face K of the tunnel H has the same evaluation as the conventional method. On the other hand, in the prediction Ec of the second speed boundary surface RSb that changes from soft to hard away from the face K of the tunnel H, the plot is concentrated in the vicinity of the position of the second speed boundary surface RSb and is evaluated at the correct position.

以上から、差分法による走時を用いて反射エネルギーを求める本実施の形態のトンネル切羽前方探査方法では、解析モデルの速度境界面付近に反射エネルギーが集中し、速度境界面の位置を精度良く評価できることを確認した。このため、トンネルHの切羽Kの前方の低速度層Dの位置、幅および弾性波速度等に関する情報を事前に的確に把握することができるので、支保の変更や補助工法の適用等のような対策を充分に立てることができる。また、トンネルHの切羽Kの前方の探索作業が、掘削施工自体を大きく阻害することもない。したがって、短期間で安全かつ経済的にトンネルHを掘削することができる。   From the above, in the tunnel face front exploration method of this embodiment, which uses reflected time to calculate reflected energy, the reflected energy concentrates near the velocity boundary surface of the analysis model, and the position of the velocity boundary surface is accurately evaluated. I confirmed that I can do it. For this reason, since the information regarding the position, width, elastic wave velocity, etc. of the low-velocity layer D in front of the face K of the tunnel H can be accurately grasped beforehand, such as change of support or application of auxiliary construction method, etc. It is possible to take sufficient measures. Further, the search work ahead of the face K of the tunnel H does not significantly hinder excavation work itself. Therefore, the tunnel H can be excavated safely and economically in a short period of time.

適用現場と周辺の地質状況   Applicable site and surrounding geological conditions

図21は実験現場の地質縦断図である。   FIG. 21 is a geological profile of the experiment site.

ある道路トンネルにおいて現場実験を行った。地質は、古生代ペルム期の北鈴鹿層群を基盤岩とし、火成岩(緑色岩類)・チャート・粘板岩が分布する。実験は、図21に示す終点側坑口の位置Ppから140m手前のトンネルHの坑内で行った。トンネルHの切羽Kの位置Pkから坑口の位置Ppが探査範囲である。発振点SPの位置は、切羽進行に伴い前方(図21の右方向)に移動する。   A field experiment was conducted in a road tunnel. The geology is based on the Paleozoic Permian Kita Suzuka Group, and igneous rocks (green rocks), chert and slate are distributed. The experiment was carried out in the tunnel H of the tunnel H 140 m before the position Pp of the end point side wellhead shown in FIG. The position Pp of the wellhead from the position Pk of the face K of the tunnel H is the exploration range. The position of the oscillation point SP moves forward (to the right in FIG. 21) as the face moves.

図中には、事前の屈折法探査による弾性波速度分布の結果を示す。坑口部にかけての低土被り部は、地盤Gの上部に2.6km/sおよび1.0km/sの低速度層D1,D2が下層から順に存在する。なお、符号SFは地表、符号RScは下部の速度境界面(下部速度境界面)、符号RSdは上部の速度境界面(上部速度境界面)を示している。地盤Gは、例えば、弾性波速度が4.6km/sのCMからCH級岩盤で構成される。   In the figure, the results of elastic wave velocity distribution obtained by prior refraction method exploration are shown. In the low earth covering portion extending to the wellhead portion, 2.6 km / s and 1.0 km / s low speed layers D1 and D2 are present in order from the lower layer on the ground G. Reference sign SF denotes the ground surface, reference sign RSc denotes a lower speed boundary face (lower speed boundary face), and reference sign RSd denotes an upper speed boundary face (upper speed boundary face). The ground G is composed of, for example, a CM rock having a elastic wave velocity of 4.6 km / s and a CH grade rock.

トンネルHと抗口部の地質構造位置の関係からトンネルHの切羽Kの位置Pkが切羽前方(トンネル軸方向)の速度境界面よりも切羽上部の速度境界面に近いため、切羽上部からの反射波の影響が大きくなると予想される。そのため、実験ではトンネルHの上部の速度境界面と反射エネルギー分布の比較からトンネル切羽前方探査方法の性能を検証する。   Reflection from the upper face of the face because the position Pk of the face K of the tunnel H is closer to the speed boundary surface of the upper part of the face than the speed boundary face in front of the face (in the tunnel axis direction) due to the relationship between the geological structure position of the tunnel H and the tunnel mouth The wave effect is expected to increase. Therefore, in the experiment, the performance of the tunnel face front exploration method is verified by comparing the velocity boundary surface above the tunnel H and the reflected energy distribution.

波形データ処理   Waveform data processing

図22はトンネルの切羽から46.2m離れた受振器で計測した切羽進行10m(探査発破10回)分の波形図である。探査発破は、例えば、爆薬量(200g)を使用して行った。その波形形状は同じであり、発破条件が同じであったことがわかる。なお、初動走時から求まる弾性波速度Vpは4.6km/sであり、屈折法による弾性波速度と一致している。   FIG. 22 is a waveform diagram for 10 m (10 exploration blasts) of the face travel measured by a geophone 46.2 m away from the face of the tunnel. Exploration blasting was performed using, for example, an explosive amount (200 g). It can be seen that the waveform shapes are the same and the blasting conditions were the same. The elastic wave velocity Vp obtained from the initial running time is 4.6 km / s, which coincides with the elastic wave velocity obtained by the refraction method.

探査結果   Exploration results

図23は反射エネルギーの評価断面図である。速度境界面の評価は、図23に示すように、空間(例えば100m×160m×140m)を1m間隔で離散化した格子点で反射エネルギーを求める。反射エネルギーは、トンネルHの中心を通る鉛直断面で評価した。   FIG. 23 is an evaluation cross-sectional view of reflected energy. For the evaluation of the velocity boundary surface, as shown in FIG. 23, the reflection energy is obtained at lattice points obtained by discretizing a space (for example, 100 m × 160 m × 140 m) at intervals of 1 m. The reflected energy was evaluated by a vertical section passing through the center of the tunnel H.

図24は従来の方法による反射エネルギーの分布であり、図25は弾性波探査の弾性波速度を利用して差分法の走時を用いた反射エネルギーの分布である。実際は色彩が示される。ここでは色彩を示していないが、暖色になるほど硬質から軟質に変化する反射が強く、寒色になるほど軟質から硬質に変化する反射が強いことを表す。図中には弾性波探査による速度境界面(下部の速度境界面RScおよび上部の速度境界面RSd)を重ねて示している。   FIG. 24 shows the distribution of reflected energy according to the conventional method, and FIG. 25 shows the distribution of reflected energy using the travel time of the differential method using the elastic wave velocity of the elastic wave exploration. Actually the color is shown. Although the color is not shown here, the reflection that changes from hard to soft becomes stronger as the color becomes warmer, and the reflection that changes from soft to hard becomes stronger as the color becomes colder. In the figure, velocity boundary surfaces (lower velocity boundary surface RSc and upper velocity boundary surface RSd) obtained by elastic wave exploration are shown superimposed.

図24に示すように、従来の解析法による反射エネルギーは、発振点SPと受振点RPとを焦点とする楕円状に分布しており、速度境界(下部の速度境界面RScおよび上部の速度境界面RSd)と整合していない。これに対して、図25に示すように、差分法の走時を用いた反射エネルギー分布は、トンネルHの切羽周辺の地表SF、下部の速度境界面RScおよび上部の速度境界面RSdなどの速度境界面と整合する分布になっており、弾性波速度の異なる地山が存在する場合でも速度境界面を正しい位置に予測できることが分かる。この結果、従来の方法では予測が難しかったトンネルHが速度境界面に鋭角に交差する場合でも速度境界面の位置を精度良く評価できることが可能である。   As shown in FIG. 24, the reflected energy by the conventional analysis method is distributed in an elliptical shape with the oscillation point SP and the receiving point RP as the focal points, and the velocity boundary (lower velocity boundary surface RSc and upper velocity boundary). It is not consistent with the plane RSd). On the other hand, as shown in FIG. 25, the reflected energy distribution using the travel time of the difference method is the velocity of the ground surface SF around the face of the tunnel H, the lower velocity boundary surface RSc, the upper velocity boundary surface RSd, and the like. The distribution matches the boundary surface, and it can be seen that the velocity boundary surface can be predicted at the correct position even when there are grounds with different elastic wave velocities. As a result, it is possible to accurately evaluate the position of the velocity boundary surface even when the tunnel H, which is difficult to predict with the conventional method, intersects the velocity boundary surface at an acute angle.

以上から、開発したトンネル切羽前方探査法が複雑な地質構造で、弾性波速度が変化する地山においても速度境界面の予測に有効である。このため、トンネルHの坑口近傍(低土被り部)のように地形や地質構造が複雑な箇所であっても、その状態を事前に早期にかつ的確に把握することができるので、支保の変更や補助工法の適用等のような対策を充分に立てることができる。したがって、短期間で安全かつ経済的にトンネルHを掘削することができる。   From the above, the developed tunnel face front exploration method is effective for predicting the velocity boundary even in the ground where the elastic wave velocity changes due to the complicated geological structure. For this reason, even if the topography or geological structure is complex, such as near the tunnel head of the tunnel H (low earth covering), it is possible to quickly and accurately grasp the state in advance, so changes in support And measures such as the application of auxiliary construction methods can be taken. Therefore, the tunnel H can be excavated safely and economically in a short period of time.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the embodiment disclosed in this specification is an example in all respects and is limited to the disclosed technology. It is not a thing. That is, the technical scope of the present invention should not be construed restrictively based on the description in the above-described embodiment, but should be construed according to the description of the scope of claims. All modifications are included without departing from the technical scope equivalent to the described technique and the gist of the claims.

例えば、掘削発破の振動を利用して、GPS(Global Positioning System)の時刻情報をもとに、坑内の発振時刻と、地表に設置した受振器の受振時刻とから走時を求め、弾性波探査の計測データと合わせてトモグラフィ解析を行い、トンネルの切羽前方の地山の弾性波速度を求めても良い。この弾性波速度を本実施の形態の探査法に適用することにより、信頼性の高いトンネル切羽前方の地山の把握が可能になる。   For example, using the vibration of excavation blasting, based on GPS (Global Positioning System) time information, the travel time is obtained from the oscillation time in the mine and the vibration receiving time of the geophone installed on the ground surface, and the elastic wave exploration It is also possible to perform tomographic analysis in combination with the measurement data and to obtain the elastic wave velocity of the ground in front of the face of the tunnel. By applying this elastic wave velocity to the exploration method of the present embodiment, it is possible to grasp the ground in front of the tunnel face with high reliability.

また、上記の説明では、トンネル内での発破を発振源として地山表面に設けた受振器で地震波を測定するトモグラフィ法について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、地山表面での発破を発振源として地山表面に設けた受振器で地震波を測定する屈折法におけるトモグラフィ法を用いても良い。   In the above description, the tomography method for measuring the seismic wave with the geophone provided on the surface of the ground using blasting in the tunnel as an oscillation source has been described. However, the present invention is not limited to this. You may use the tomography method in the refraction method which measures a seismic wave with the geophone provided on the surface of the ground using the blast on the surface as the oscillation source.

以上のように、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法は、地山に対して発破によりトンネルを掘削する際に、発破により生じた弾性波を用いてトンネル切羽前方の断層帯を探査するトンネル切羽前方探査方法に適用して有効である。   As described above, in the tunnel face forward exploration method according to the present invention, when excavating a tunnel by blasting to a natural ground, the tunnel face that explores a fault zone in front of the tunnel face using elastic waves generated by blasting. It is effective when applied to the forward exploration method.

Y 地山
G 地盤
H トンネル
K 切羽
D,D1,D2 低速度層
S1,S2 受振器
RB ロックボルト
N1,N2 ナット
M 記録装置
TB トリガボックス
SP 発振点
RP 受振点
GP 格子点
RS1〜RS6 速度境界面
RSa 第1速度境界面
RSb 第2速度境界面
RSc 下部の速度境界面
RSd 上部の速度境界面
RW1 第1反射波
RW2 第2反射波
Y Ground mountain G Ground H Tunnel K Face D, D1, D2 Low speed layer S1, S2 Geophone RB Lock bolt N1, N2 Nut M Recording device TB Trigger box SP Oscillation point RP Vibration point GP Grid point RS1-RS6 Speed boundary surface RSa First velocity boundary surface RSb Second velocity boundary surface RSc Lower velocity boundary surface RSd Upper velocity boundary surface RW1 First reflected wave RW2 Second reflected wave

Claims (3)

(a)トンネル切羽前方の地山に対してトンネルを掘削するための発破により生じた地震波によって前記トンネルの切羽前方の断層帯から反射する反射波を、前記トンネルの坑壁に設置された複数の第1の受振手段により測定するステップと、
(b)前記第1の受振手段の測定値に基づいて反射波形を抽出するステップと、
(c)前記発破により生じた地震波を地表に設置された複数の第2の受振手段により測定するステップと、
(d)前記第2の受振手段の測定値に基づいてトモグラフィ法の解析処理により前記トンネルの切羽前方の地山の弾性波速度を計算し、速度モデルを作成した後、前記速度モデルに基づいて反射波の理論走時を計算するステップと、
(e)前記(b)ステップで得られた反射波形のデータと、前記(d)ステップで得られた理論走時を用いて反射エネルギー分布を形成した後、前記反射エネルギー分布から速度境界面の位置を抽出するステップと、
(f)前記(e)ステップで得られた速度境界面の位置のデータの収束判定を実施し、収束しない場合は収束するまで、前記(e)ステップで得られた速度境界面の位置のデータを用いて前記(d)ステップを実施し、そこで得られた理論走時の計算結果を用いて前記(e)ステップを実施することを繰り返すステップと、
を有することを特徴とするトンネル切羽前方探査方法。
(A) A plurality of reflection waves reflected from a fault zone in front of the tunnel face by a seismic wave generated by blasting for excavating the tunnel to the ground in front of the tunnel face are installed on the tunnel wall of the tunnel. Measuring by the first vibration receiving means;
(B) extracting a reflected waveform based on the measured value of the first vibration receiving means;
(C) measuring the seismic waves generated by the blasting using a plurality of second receiving means installed on the ground surface;
(D) Based on the measured value of the second vibration receiving means, the elastic wave velocity of the ground in front of the face of the tunnel is calculated by the tomographic analysis process, and the velocity model is created. And calculating the theoretical travel time of the reflected wave,
(E) After forming the reflected energy distribution using the reflected waveform data obtained in the step (b) and the theoretical travel time obtained in the step (d), the velocity boundary surface is calculated from the reflected energy distribution. Extracting a position;
(F) The speed boundary surface position data obtained in the step (e) is subjected to convergence determination. If the data does not converge, the speed boundary surface position data obtained in the step (e) is converged. Repeating the step (d) using the calculation result of the theoretical travel time obtained using the step (e),
A method for exploring forward of a tunnel face, comprising:
前記(e)ステップの後、収束判定の前に、前記(e)ステップで算出された速度境界面の位置のデータが1回目の算出データの場合は、収束判定をせずに、前記(e)ステップで算出された速度境界面の位置のデータを用いて前記(d)ステップを実施し、そこで得られた理論走時の計算結果を用いて前記(e)ステップを実施することを特徴とする請求項1記載のトンネル切羽前方探査方法。 After the step (e), before the convergence determination, when the data of the position of the velocity boundary surface calculated in the step (e) is the first calculation data, the convergence determination is not performed and the (e ) Step (d) is performed using the velocity boundary surface position data calculated in step, and the step (e) is performed using the theoretical travel time calculation result obtained there. The tunnel face forward exploration method according to claim 1. 前記トンネルの切羽の発破毎に前記(a)〜(f)のステップを実施し、発破毎に断層帯の最適な速度境界面位置および弾性波速度のデータを算出し、その算出データを前記発破が実施される度に更新することを特徴とする請求項1または2記載のトンネル切羽前方探査方法。 The steps (a) to (f) are performed every time the tunnel face blasts, and the optimum velocity boundary surface position and elastic wave velocity data of the fault zone are calculated for each blast, and the calculated data is used as the blasting. tunnel face forward exploration method according to claim 1 or 2, wherein the updating every time but is implemented.
JP2016036947A 2016-02-29 2016-02-29 Tunnel face forward exploration method Active JP6584010B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016036947A JP6584010B2 (en) 2016-02-29 2016-02-29 Tunnel face forward exploration method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016036947A JP6584010B2 (en) 2016-02-29 2016-02-29 Tunnel face forward exploration method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017156106A JP2017156106A (en) 2017-09-07
JP6584010B2 true JP6584010B2 (en) 2019-10-02

Family

ID=59808460

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016036947A Active JP6584010B2 (en) 2016-02-29 2016-02-29 Tunnel face forward exploration method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6584010B2 (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7017732B2 (en) * 2017-09-05 2022-02-09 株式会社大林組 Geological exploration method and geological exploration system
JP7005272B2 (en) * 2017-10-20 2022-01-21 株式会社安藤・間 Face forward exploration method
CN107907908B (en) * 2017-12-18 2024-03-08 北京水工资环新技术开发有限公司 Method and device for three-dimensional exploration of minimum shock-distance elastic wave reflection by using drilling
JP6945917B2 (en) * 2017-12-22 2021-10-06 株式会社奥村組 Tunnel face forward exploration method
CN109917450B (en) * 2019-04-10 2024-02-06 长江水利委员会长江科学院 Full-section networked land and stone dam displacement monitoring system and method
CN110221341A (en) * 2019-07-03 2019-09-10 武汉中科岩土工程有限责任公司 A kind of constructing tunnel unfavorable geology advanced prediction method
CN110221340A (en) * 2019-07-03 2019-09-10 武汉中科岩土工程有限责任公司 A kind of set of tunneling construction method for forecasting advanced geology
CN111502677B (en) * 2020-05-25 2021-07-16 中铁第六勘察设计院集团有限公司 Underground engineering depth combined geological survey arrangement method
CN113642145B (en) * 2021-06-23 2024-05-10 中铁十六局集团第三工程有限公司 Method and system for calculating stability of tunnel key block under blasting effect
CN113338999B (en) * 2021-07-07 2023-09-15 西南交通大学 Tunnel supporting structure
CN113835122A (en) * 2021-09-30 2021-12-24 中铁二十四局集团有限公司 Method for determining pile side position by using pile side hole reflection wave method
CN114114394A (en) * 2021-10-22 2022-03-01 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 Multi-wave exploration method for seismic waves of highway tunnel by multi-point blasting in arrangement
CN114185099B (en) * 2021-12-10 2023-07-14 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 Reflection wave tomography forward and backward modeling method of full-space observation system in tunnel

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3583961B2 (en) * 1999-09-30 2004-11-04 鹿島建設株式会社 Face front exploration device and recording medium
JP3954436B2 (en) * 2001-12-11 2007-08-08 株式会社リコー Image input device
JP5679804B2 (en) * 2010-12-27 2015-03-04 鹿島建設株式会社 Geological exploration system
JP5587960B2 (en) * 2012-01-25 2014-09-10 株式会社安藤・間 Tunnel elastic wave exploration method and tunnel elastic wave exploration system used therefor
US20140153367A1 (en) * 2012-11-30 2014-06-05 Chevron U.S.A. Inc. System and method for velocity anomaly analysis
JP6159926B2 (en) * 2013-03-11 2017-07-12 飛島建設株式会社 Simultaneous identification method of transmission point and physical properties (degradation status) in elastic wave tomography performed on measurement object of inhomogeneous physical properties

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017156106A (en) 2017-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6584010B2 (en) Tunnel face forward exploration method
Li et al. An overview of ahead geological prospecting in tunneling
Liu et al. Three-dimensional seismic ahead-prospecting method and application in TBM tunneling
CN104166164B (en) The many wave reflection 3-D seismics forward probe methods of coal roadway tunneling geological structure three-component
JP5985371B2 (en) Geological exploration method during tunnel excavation
CN102495434A (en) Advanced geological prediction method for underground engineering
US10345463B2 (en) Methods and systems for using known source events in seismic data processing
CN106610503A (en) Omnidirectional slot wave seismic detection method in coal mine excavation process
CN104181581A (en) Earthquake wave underground construction space observation system and method based on random arrangement
JP5839271B2 (en) Tunnel face forward exploration method
Huang et al. Source identification of microseismic events in underground mines with interferometric imaging and cross wavelet transform
CN104730574A (en) Method for constructing near-surface structural model
Hanson et al. Advanced techniques in site characterization and mining hazard detection for the underground coal industry
CN102877828A (en) CT (Computed Tomography) imaging method of three-dimensional multi-well combined well land
JP2015092180A (en) Geological exploration system
JP5940303B2 (en) Tunnel face forward exploration method
CN113376695B (en) Full waveform inversion method suitable for complex collapse column of coal seam floor
CN103630938A (en) Imaging system and imaging method for well earthquake using hammer head of down-hole hammer as focus
Yancey et al. Analysis and application of coal-seam seismic waves for detecting abandoned mines
CN110850472B (en) Variable offset distance advanced fault detection method based on shock wave excitation seismic source
JP4260329B2 (en) Geological exploration method in front of tunnel face
CN110531413A (en) A kind of advanced Visualization Modeling method of craven fault
CN109991654A (en) A kind of Gas Outburst driving face gas pocket is with pick forward probe device and detection method
KR20010035239A (en) Method of prospecting a seismic survey using a boring hole
JP5679804B2 (en) Geological exploration system

Legal Events

Date Code Title Description
A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80

Effective date: 20160309

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180723

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190207

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190222

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190419

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190902

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190902

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6584010

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250