JP6945917B2 - トンネル切羽前方探査方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル切羽前方探査方法に関し、特に、打撃振動により生じた弾性波を用いてトンネルの切羽前方地山の状態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。

トンネル切羽前方地山の状態を的確に予測することは、安全で経済的に施工するために必要不可欠である。そして、切羽前方地山の状態を探査する技術として、切羽から水平ボーリングを行い、試料（コア）を採取して物性を観察する技術や、ボーリング孔内にカメラを挿入して、直接地山の状態を観察する技術などが用いられていた。しかし、これらの技術は、費用が高額であること、作業期間中は工事ができないことなどの問題がある。そこで、コアを採取しないノンコアボーリングによる探査が行われることが多くなった。

ノンコアボーリングによる探査である削孔検層法では、インパルス振動が用いられる場合が多い。具体的には、台車の上に多数の掘削機が取り付けられた大型の油圧式掘削機で時間をおいて打撃を繰り返すなど、本来の掘削作業ではない計測用の振動を発生させることで探査を行うものである。そして、油圧式掘削機の油圧ドリフタに設置された加速度計などを用いて打撃時間を特定して、切羽表面に設置した受振器に到達した時間の遅れと波形から地山の状態を特定している。

このノンコアボーリングによる探査は、山岳トンネルの施工に用いられる大型の油圧式掘削機を利用できること、削孔速度や掘削機の油圧データを用いて地山の硬軟の程度を定量的に評価できるなどの利点がある。

ここで、ノンコアボーリングによるトンネル切羽前方探査については、特許文献１（特許第２７１０７４０号明細書）および特許文献２（特許第４１５７６３５号明細書）に記載された技術が知られている。

特許文献１には、切羽表面に複数の受振器を設置し、油圧ドリフタによって切羽前方を削孔する際に生じる弾性波を計測する技術が記載されている。当該技術では、油圧ドリフタに取り付けられた加速度計の打撃データと各受振器の計測データとを比較して、スペクトル解析とジオモトグラフィ解析を行い、切羽前方地山の地質断面や物性分布を比較している。

また、特許文献２には、トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）に複数の加速度計を設置し、ＴＢＭによって掘削する際に生じる弾性波がカッタ前方の弾性波反射面で反射して帰ってきた波のデータに相互相関関数を用いて地山の硬軟を解析する技術が記載されている。また、先行ボーリング掘削を行う際に、油圧ドリフタと切羽表面に加速度計を設け、削孔ビットが打撃した際に発生した弾性波から地質状況を判別する技術が記載されている。

なお、特許文献３（特開２０１６−０１７９００号公報）には、油圧ドリフタと削孔ビットとをつなぐシャフト上に複数の受振器を設置して、その計測値の相互相関関数を求める技術が記載されている。

特許第２７１０７４０号明細書 特許第４１５７６３５号明細書 特開２０１６−０１７９００号公報

ここで、ノンコアボーリングの探査においては、打撃の開始時間は油圧ドリフタの振動を基準としているが、得られた計測データをそのまま他の計測データ（切羽表面の受振器の計測データなど）と比較することは好ましくないことが分かった。

すなわち、油圧ドリフタは、その構造上、大きなノイズが発生しやすく、真の打撃時間が特定しにくいからである。具体的には、掘削機先端の削孔ビットが岩盤を打撃した振動よりも油圧ドリフタから発生するノイズの方が大きくなるために、加速度計による計測波の最初のピークはノイズであって、その前の小さい波が打撃振動であり、当該打撃振動を捉えにくいからである。

しかしながら、前述した特許文献１および特許文献２に記載の技術では、何れも油圧ドリフタに取り付けられた加速度計の計測値について、打撃時間を特定するための補正等は行っていない。

また、特許文献３に記載の技術では、シャフトに受振器を設置することは容易ではないことから、実工事でシャフト上の受振器から計測データを得ることは困難である。また、孔内に破砕したズリが残っている場合、削孔ビットと岩の間に入るなどしてノイズが発生することがあり、正確な解析を行うためには切羽表面の加速度計によるデータも補正する必要がある。

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、トンネルの切羽前方地山の探査精度を向上させることができるトンネル切羽前方探査方法を提供することを目的とする。

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、トンネル切羽前方の地山に対し、掘削機のロッドの先端に設けられた削孔ビットにより所定の削孔長おきに所定の時間間隔で複数回打撃して弾性波を発生させ、前記掘削機に設置された第１の受振器による各打撃で分割された前記弾性波の複数の振動データ、およびトンネル切羽に設置された複数の第２の受振器による各打撃ごとに分割された前記弾性波の複数の振動データを削孔長ごとに取得し、何れか一つの前記第２の受振器で削孔長ごとに取得された複数の前記振動データに対して、当該振動データの相互相関関数が最大となる前記振動データの初動時刻を基準にして他の前記振動データの初動時刻をシフトさせた後に複数の前記振動データを時系列で足し合わせるスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを削孔長ごとに求め、前記第１の受振器で取得された前記振動データに対して、当該振動データと打撃検出のための切換タイミングの同期がとられた前記第２の受振器の前記振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを削孔長ごとに求め、予め求められた前記掘削機が発振する発振時間と前記第１の受振器におけるスタッキングされた前記振動データの前記掘削機での初動時刻を用いて、前記削孔ビットが地山を打撃した時刻でのそれぞれのトンネル切羽に設置された前記第２の受振器におけるスタッキングされた前記振動データから初動時刻を読み取って走時曲線を求めてトモグラフィ解析を行い弾性波速度分布を求める、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明のトンネル切羽前方探査方法は、上記請求項１に記載の発明において、何れか一つの前記第２の受振器を基準受振器とし、当該基準受振器で取得された振動データに対して、相互相関関数が最大となる前記振動データを基準にして初動時刻をシフトさせた後にスタッキング処理を行ってスタッキングされた振動データを求め、前記基準受振器以外の前記第２の受振器で取得された前記振動データに対しては、前記基準受振器の前記振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを求める、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明のトンネル切羽前方探査方法は、上記請求項２に記載の発明において、前記基準受振器は、前記掘削機に最も近い位置に設置された前記第２の受振器である、ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明のトンネル切羽前方探査方法は、上記請求項１〜３の何れか一項に記載の発明において、前記スタッキング処理では、前記相互相関関数が所定値を下回る前記振動データは除外する、ことを特徴とする。

請求項５に記載の発明のトンネル切羽前方探査方法は、上記請求項１〜４の何れか一項に記載の発明において、前記走時曲線を求める際には、前記振動データの初動時刻を局所定常ＡＲ（ａｕｔｏｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ：自己回帰）モデルを用いて自動的に読み取る、ことを特徴とする。

本発明によれば、予め掘削機の発振時間を求めておき、ロッドの先端に設けられた削孔ビットが地山を打撃した際の弾性波がそれぞれの第２の受振器に届くまでの時間を第１の受振器と第２の受振器との初動時刻と発振時間とから計測し、削孔ビットと第２の受振器との距離から弾性波の速度を求めているので、トンネルの切羽前方地山の探査精度を向上させることが可能になる。

本発明の一実施の形態であるトンネル切羽前方探査を行う装置のレイアウトを示す概念図である。 本発明の一実施の形態であるトンネル切羽前方探査に用いられる油圧ドリフタによる地山打撃を示す概念図である。 本実施の形態によるトンネル切羽前方探査の探査原理を示す概念図である。 本実施の形態によるトンネル切羽前方探査において発振時間を求めるための装置のレイアウトを示す概念図である。 （ａ）（ｂ）は削孔ビットを地山に押し当てて打撃したときの加速度計Ｐ１と加速度計Ｐ２とで計測された振動波形の一例を示すグラフである。 加速度計で取得された振動データの振動波形の一例を示すグラフである。 加速度計で取得された振動データの初動付近の振動波形の一例を示すグラフである。 速度計で取得された振動データの振動波形の一例を示すグラフである。 速度計で取得された振動データの初動付近の振動波形の一例を示すグラフである。 速度計で取得された打撃１０回分の振動データの振動波形に対して求めた相互相関関数およびその最大値の一例を示す表である。 速度計で取得されたｉ打撃が１から１０の相関関数のうち平均値が最も大きくなるラグを用いて時間をシフトさせた振動データの波形およびこれらの波形をスタッキング処理して求められた加速データの波形の一例を示すグラフである。 加速度計で取得された振動データを速度計で取得された振動データに対応してシフトさせた振動データの波形およびこれらの波形をスタッキング処理して求められた加速データの波形の一例を示すグラフである。 （ａ）（ｂ）はスタッキングされた加速度計の振動データの波形および当該波形から求められた初動位置の一例を示すグラフである。 （ａ）（ｂ）はスタッキングされた速度計の振動データの波形および当該波形から求めた初動位置の一例を示すグラフである。 加速度計および掘削機に最も近い位置に設置された速度計で取得された弾性波の振動データをスタッキング処理し、削孔ビットが地山を打撃した時刻を基準にして０．２ｍの削孔間隔で波形を整理した一例のグラフである。 加速度計および掘削機から最も遠い位置に設置された速度計で取得された弾性波の振動データをスタッキング処理し、削孔ビットが地山を打撃した時刻を基準にして０．２ｍの削孔間隔で波形を整理した一例のグラフである。 トモグラフィ解析で求められたトンネル切羽前方の弾性波速度分布の一例を示すグラフである。

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。

図１は本発明の一実施の形態であるトンネル切羽前方探査を行う装置のレイアウトを示す概念図、図２は本発明の一実施の形態であるトンネル切羽前方探査に用いられる油圧ドリフタによる地山打撃を示す概念図である。

図１に示すように、本実施の形態であるトンネル切羽前方探査には、地山Ｇを掘削するための掘削機１０と、掘削機１０に取り付けられたパイロットセンサである加速度計（第１の受振器）Ｐと、切羽Ｓに設置された複数（本実施の形態では７台）の速度計（第２の受振器）Ｒと、加速度計Ｐおよび速度計Ｒで計測された振動を記録する計測装置Ｍとが用いられる。

また、図１および図２に示すように、掘削機１０は、油圧ドリフタ１１と、スリーブ１２を介して油圧ドリフタ１１のシャンクロッド１３に取り付けられるとともに先端に削孔ビット１４が固定されたロッド１５とを備えている。さらに、油圧ドリフタ１１は、シャンクロッド１３を打撃するピストン１６と、シャンクロッド１３を回転させるロータ１７とを有している。

このような掘削機１０により、油圧ドリフタ１１内のピストン１６が作動油によりシリンダ１８内を移動し、シャンクロッド１３を打撃する。シャンクロッド１３は、打撃による打撃力のほかロータ１７からの回転力と油圧式掘削機の推力（フィード圧）Ｆをスリーブ１２を介してロッド１５に伝達し、ロッド１５は打撃力と回転力を削孔ビット１４に伝達する。先端の削孔ビット１４が打撃力を直接地山Ｇに加えることにより、地山Ｇが破砕される。

本実施の形態のトンネル切羽前方探査では、ロッド１５の先端に設けられた削孔ビット１４が地山Ｇを打撃した際の弾性波が各速度計Ｒに届くまでの時間を計測し、削孔ビット１４と速度計Ｒとの距離から弾性波の速度を求めている。その際、削孔ビット１４は削孔に伴って前進し、これにより削孔ビット１４と速度計Ｒとを結ぶ線が辺がする。これにより、得られた弾性波の速度からトモグラフィ解析を行って途中の岩盤の物性を予測している。

ここで、図３に本実施の形態によるトンネル切羽前方探査の探査原理を示す。

図３において、油圧ドリフタ１１内のピストン１６がシャンクロッド１３を打撃することにより発生した振動（弾性波）は、打撃位置Ａから油圧ドリフタ１１を介して時間Ｔ_ＡＢ後に加速度計Ｐの位置Ｂに到達し、同じ時間Ｔ_ＡＣでロッド１５上の位置Ｃまで到達する。その後、当該振動が時間（掘削機１０が発振する時間：発振時間）Ｔ_ＣＤ後に削孔ビット１４の先端Ｄに到達すると岩石を破砕して地山Ｇに振動を発生させ、その振動が時間（伝播時間）Ｔ_ＤＥ後に位置Ｅに到達して速度計Ｒで受信される。

したがって、速度計Ｒの初動時刻Ｔ_Ｅ、加速度計Ｐの初動時刻Ｔ_Ｂ、前述した発振時間Ｔ_ＣＤが分かれば、伝播時間Ｔ_ＤＥは、

Ｔ_ＤＥ＝（Ｔ_Ｅ−Ｔ_Ｂ）−Ｔ_ＣＤ
で求めることができる。

以上のことから、本実施の形態のトンネル切羽前方探査は、発振時間の把握、削孔振動の計測、削孔振動の波形処理、トモグラフィ解析、弾性波速度分布の把握の流れで行われる。

すなわち、発振時間の把握として、削孔ビット１４が地山Ｇを打撃するまでの時間（発振時間）を求める。次に、削孔振動の計測として、地山Ｇを削孔する際に油圧ドリフタ１１内のピストン１６がシャンクロッド１３を打撃することにより発生する振動を加速度計Ｐにより計測すると同時に、シャンクロッド１３およびロッド１５を介して伝達されたピストン１６の打撃力で削孔ビット１４が地山Ｇを打撃する振動（弾性波）を複数の速度計Ｒにより計測する。次に、削孔振動の波形処理として、計測された振動データの初動位置を調整した後にスタッキング処理する。そして、発振時間と弾性波が速度計Ｒに到達するまでの時間（走時）と削孔ビット１４の位置データとを用い、スタッキングされた振動データから走時曲線を求めてトモグラフィ解析を行い、切羽前方地山の弾性波速度分布を把握する。

さて、前述のように、地山Ｇの弾性波速度を求めるために、削孔ビット１４が地山Ｇを打撃するまでの時間である発振時間を事前に把握する。ここで、回転するロッド１５や地山Ｇを打撃する削孔ビット１４に直接センサを取り付けて発振時間を計測することは困難である。そこで、本実施の形態では、ピストン１６がシャンクロッド１３を打撃した振動は、ロッド１５を介して削孔ビット１４に伝播すると同様にピストン１６やシャンクロッド１３を覆う油圧ドリフタ１１のフレームにも間接的に伝播することに着目し、油圧ドリフタ１１のフレームの振動から削孔ビット１４が地山Ｇを打撃する発振時間を求めている。

つまり、油圧ドリフタ１１内のピストン１６がシャンクロッド１３を打撃することにより発生した振動（弾性波）は、打撃位置から油圧ドリフタ１１を介して所定時間後に加速度計Ｐに伝播し、同時刻にロッド１５上のある位置（図３の位置Ｃ）まで伝播する。その後、当該振動が削孔ビット１４に到達すると岩石を破砕して地山Ｇに振動を発生させ、その振動が速度計Ｒで受信される。

そこで、図４に示すように、油圧ドリフタ１１と削孔ビット１４に受振器として加速度計Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ取り付けてピストン１６の打撃による振動を発生させ、加速度計Ｐ１に弾性波が到達する時間と加速度計Ｐ２に弾性波が到達する時間との時間差を把握する。この時間差は前述した発振時間になる。

例えば、油圧ドリフタ１１内の打撃位置から油圧ドリフタ１１の後部に設けられた加速度計１までの距離を０．６ｍ、当該打撃位置から削孔ビット１４に設けられた加速度計２までの距離を４．１ｍ（シャンクロッド１３の長さ０．４４ｍ＋ロッド１５の長さ３．６６ｍ）としたとき、削孔ビット１４を地山Ｇに押し当てて打撃したときの加速度計Ｐ１と加速度計Ｐ２とで計測された振動波形の一例を図５（ａ）および図５（ｂ）に示す。

図示するように、長さ３．６６ｍのロッド１５を使用した場合は、０．７０９ｍｓの時間差（つまり発振時間）になっているので、加速度計Ｐ１の振動波形の初動時刻が分かれば削孔ビット１４の打撃時刻を求めることができる。

なお、２本目以降のロッド１５を継ぎ足す場合には、同様にして、ロッド１５の一本あたりの弾性波の伝搬時間を求める。したがって、ロッド１５を継ぎ足した場合には、継ぎ足したロッドの本数に対応した伝播時間だけ、発振時間が長くなる。例えば継ぎ足すロッド１５の長さを３．０５ｍ、伝搬時間が０．６１１ｍｓとした場合、ロッド１５を２本継ぎ足すと、発振時間は、０．７０９ｍｓ＋（０．６１１ｍｓ×２）＝１．９３１ｍｓとなる。

以上のようにして発振時間を求めたならば，次に、削孔振動の計測を行う。すなわち、油圧ドリフタ１１内のピストン１６によりシャンクロッド１３を所定の時間間隔で複数回打撃し、トンネルの切羽前方の地山Ｇに対して削孔ビット１４により所定の削孔長おきに弾性波を発生させる。そして、掘削機１０に設置された加速度計Ｐで各打撃ごとに分割された弾性波の振動データを取得するとともに、トンネル切羽Ｓに設置された複数の速度計Ｒで各打撃ごとに分割された弾性波の振動データを削孔長おきに取得する。

なお、削孔ビット１４による打撃は、例えば１秒間に５０〜６０回に設定される。但し、岩盤の硬軟などの要因によって、打撃回数や打撃間隔は各打撃で同一とはならない。よって、所定の時間間隔とは、一定の時間間隔という意味を有するものではない。

加速度計Ｐで取得された１０回の打撃による振動データの振動波形の一例を図６に、当該振動データの初動付近の振動波形の一例を図７に示す。また、速度計Ｒで取得された１０回の打撃による振動データの振動波形の一例を図８に、当該振動データの初動付近の振動波形の一例を図９に示す。なお、本実施の形態では、各速度計Ｒにおける各削孔長で１０回の打撃による１０種類の振動データを取得しているが、取得する振動データの数は複数であればよく、取得数は限定されない。

図７に示すように、ピストン１６がシャンクロッド１３を打撃することにより発生した振動が掘削機１０のフレームを伝播したものであることから、波形がパルス状にならないため、波の立ち上がりを読み取る初動に最大０．３２ｍｓのばらつきが生じている。また、図８に示すように、１回目と３回目の打撃では、削孔ビット１４が地山Ｇを打撃する際に破砕したずりが削孔ビット１４と地山Ｇとの間に挟まったことが原因と思われるノイズ（異常な部分）が発生している。さらに、図９に示すように、前述した加速度計Ｐの初動誤差により、受振波形の初動位置に最大０．３ｍｓのばらつきが生じている。

さて、これら複数回（本実施の形態では１０回）の打撃による振動データの振動波形をそのままでスタッキング処理（波形データを時系列で足し合わせる処理）すると、Ｓ／Ｎ比が低下して初動時刻の読み取りに誤差を生じる。そこで、本実施の形態では、各振動波形間の相互相関関数を求め、相互相関関数が最大となる振動データを基準にして初動時刻を調整した後にスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを求めている。スタッキング処理によりランダムノイズが打ち消し合って小さくなるために、振動データの振動波形のＳ／Ｎ比が向上する。その際、相互相関関数が所定値（本実施の形態では０．９以下）を下回る振動データは除外している。

相互相関関数が最大となる振動データを求める際に使用する速度計である基準速度計（基準受振器）Ｒは任意の一つでよい。この場合、掘削機１０に最も近い位置に設置された速度計を基準速度計Ｒとすることが望ましい。これは、削孔ビット１４からの振動は距離の２乗に反比例して小さくなるので、遠い速度計Ｒでは伝達した弾性波とノイズとの区別がしにくくなるからである。基準速度計Ｒによる以上の処理は、削孔長ごとの振動データについて行う。

なお、必ずしも相互相関関数が所定値を下回る振動データを除外する必要はなく、除外する場合でも、その閾値は自由に設定することができる。

ここで、相互相関関数は、数１〜数３から計算することができる。

なお、ｙ（ｉ）はｉ打撃による振動データの振幅値、Ｎはデータ数、μ（ｉ）はｉ打撃による振動データの平均値、ｋはラグ（ｉ打撃とｊ打撃の振動データ間のシフト時間）、Ｃ（ｉ，ｊ）はｉ打撃とｊ打撃による振動データの相互共分散関数、Ｒ（ｉ，ｊ）はｉ打撃とｊ打撃による振動データの相互相関関数である。

打撃１０回分の振動データの振動波形に対して求めた相互相関関数およびその最大値の一例を図１０に、ｉ打撃が１から１０の相関関数のうち平均値が最も大きくなるラグ（ここではｉ＝８）を基準にして初動時刻をシフトさせた振動データの波形およびこれらの波形をスタッキング処理して求められた加速データの波形の一例を図１１に示す。

なお、時刻をシフトさせるとは、上記のような方法で選定した振動データを基準にしてその他の振動データの時間軸を移動させ、初動時刻を合わせることをいう。

図１０において、１回目と３回目の打撃による波形の相関値が０．７８、０．８８で０．９より小さくなっている。これは、前述の図８において、１回目の打撃による波形には１０ｍｓ付近、３回目の打撃による波形には７ｍｓ付近において他の打撃の波形に見られない振動を観測していることから、この影響を受けて相関値が低下していると推察される。したがって、０．９より小さくなる１回目と３回目の打撃による波形を除外してスタッキング処理をしている。

このようにして、基準速度計Ｒについてスタッキングされた振動データを求めたならば、基準速度計Ｒ以外の速度計Ｒに受信された各打撃に対応する振動データに対して、基準速度計Ｒの振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを削孔長ごとに求める。

続いて、加速度計Ｐで取得された１０回の打撃による振動データについてもスタッキング処理を行い、スタッキングされた加速データを削孔長ごとに求める。このとき、前述した基準速度計Ｒの振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行う。

このように、加速度計Ｐや基準速度計Ｒ以外の速度計Ｒで取得された振動データを基準速度計Ｒの振動データに対応してシフトさせるのは、次のような理由による。

すなわち、加速度計Ｐで取得された各打撃の振動データと速度計Ｒ（基準速度計Ｒを含んだ全ての速度計Ｒ）で取得された各打撃の振動データとは、各回の打撃を検出するための切換タイミングの同期がとられている。具体的には、図７や図９などにおいて、打撃番号１（１回目の打撃）の振動データを検出しているときに、どのタイミングで打撃番号２（２回目の打撃）の振動データに切り換えるかという切換タイミングの同期がとられており、例えば、１５ｍｓ間隔で打撃番号が順次切り替えられるようになっている。したがって、加速度計Ｐや基準速度計Ｒ以外の速度計Ｒで取得された各打撃の振動データにおける初動の読み取り誤差と基準速度計Ｒで取得された各打撃の振動データにおける初動の読み取り誤差は同じになる。

そこで、基準速度計Ｒの各振動データと同じ時間だけ加速度計Ｐや基準速度計Ｒ以外の速度計Ｒで取得された各振動データをシフトさせれば、同一条件で初動時刻をシフトさせたことになるからである。

なお、振動データの切換タイミングについては、前述のように予め設定された時間間隔に基づいた方法に限定されるのではなく、これ以外の方法であってもよい。例えば、加速度計Ｐの振動をトリガとして切り換えるようにしてもよい。具体的には、加速度計Ｐの最大振幅の例えば２０％を閾値に設定しておき、これを超える時刻の例えば２ｍｓ前を切換タイミングとし、そこから所定時間の振動データを計測するようにしてもよい。

加速度計Ｐで取得された振動データを基準速度計Ｒで取得された振動データに対応してシフトさせた振動データの波形およびこれらの波形をスタッキング処理して求められた加速データの波形の一例を図１２に示す。

さて、このようにして各速度計Ｒでの削孔長おきのスタッキングされた振動データ、および加速度計Ｐでのスタッキングされた振動データが求められたならば、前述のようにして予め求められた発振時間（本実施の形態では、０．７０９ｍｓ＋継ぎ足したロッド１５の一本あたり０．６１１ｍｓの時間）と、加速度計Ｐにおけるスタッキングされた振動データの初動時刻を用いて、削孔ビット１４が地山Ｇを打撃した時刻での速度計Ｒにおけるスタッキングされた振動データ（各速度計Ｒでの所定の削孔長ごとのスタッキングされた振動データ）から初動時刻を読み取って走時曲線を求め、トモグラフィ解析を行い弾性波速度分布を求める。

ここで、本実施の形態では、走時曲線を求める際、スタッキングされた振動データの波形に対し、ＡＩＣ（Ａｋａｉｋｅ’ｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ：赤池情報量規準）が最も小さくなる時刻を初動時刻として、当該初動時刻を局所定常ＡＲ（ａｕｔｏｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ：自己回帰）モデルを用いて自動的に読み取る。

スタッキングされた加速度計Ｐの振動データの波形および当該波形から求めた初動位置の一例を図１３（ａ）（ｂ）に示す。また、スタッキングされた速度計Ｒの振動データの波形および当該波形から求めた初動位置の一例を図１４（ａ）（ｂ）に示す。

これらの図面から、加速度計Ｐの初動時刻は２．０ｍｓ、速度計Ｒの初動時刻は５．２ｍｓであることから、両者の初動の時間差は３．２ｍｓと求められる。また、掘削機１０における弾性波の伝播時間（ロッド１５を継ぎ足さない場合）は０．７０９ｍｓであるから、削孔ビット１４から速度計Ｒまでの弾性波の伝播時間は２．４９１ｍｓとなる。

なお、初動時刻はＡＩＣ以外の手法によってもよく、また初動時刻は局所定常ＡＲモデルを用いた自動読み取り以外で求めてもよい。

加速度計Ｐおよび速度計Ｒで取得された弾性波の振動データをスタッキング処理し、削孔ビット１４が地山Ｇを打撃した時刻を基準にして０．２ｍの削孔間隔で波形を整理したグラフの一例を図１５および図１６に示す。図１５は掘削機１０に最も近い位置に設置された速度計Ｒ、図１６は掘削機１０から最も遠い位置に設置された速度計Ｒでのグラフである。

これらの図面において、波形ごとに初動の位置（点）をピッキングし、この点を通る線を引くことにより求まる走時曲線（削孔ビット１４の打撃により発生した弾性波が速度計Ｒに到達した時間と削孔長との関係を表す曲線）を示している。削孔長０．２ｍにおける走時は、図１５のグラフで０．６３０ｍｓ、図１６のグラフで２．３６４ｍｓであり、削孔位置から離れた速度計Ｒで得られるデータほど走時が大きくなっている。

走時曲線が求められたならば、トモグラフィ解析を行って切羽前方地山Ｇの弾性波速度分布を求める。トモグラフィ解析で求められたトンネル切羽前方の弾性波速度分布の一例を図１７に示す。トモグラフィ解析では、発振点（削孔位置）から受振点（速度計Ｒの設置位置）に至る波線の通過するセルに対して弾性波速度が反復修正される。そのため、発振点と受振点で囲まれる台形領域の底辺を三角形とする切羽前方の領域には波線が通過しないため解析対象外となる。図１７は、解析対象外部分を除いた波線が通過するセルの弾性波速度分布の結果を示している。図１７により、切羽付近では弾性波速度が３．５ｋｍ／ｓ〜４．５ｋｍ／ｓの地山Ｇが分布しているが、切羽前方の４ｍ付近から５ｋｍ／ｓ程度の速度の速い硬質な地山Ｇが左から右に徐々に拡大して現れること、その地山Ｇが切羽前方に約５ｍの厚さで断面方向から２０°の傾きで層状に存在することが予想できる。

このように、本実施の形態によれば、予め掘削機１０の発振時間を求めておき、ロッド１５の先端に設けられた削孔ビット１４が地山Ｇを打撃した際の弾性波が各速度計Ｒに届くまでの時間を加速度計Ｐと速度計Ｒとの初動時刻と発振時間とから計測し、削孔ビット１４と速度計Ｒとの距離から弾性波の速度を求めているので、トンネルの切羽前方地山の探査精度を向上させることが可能になる。

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。

たとえば、本実施の形態では、何れか一つの速度計Ｒを基準速度計Ｒとしておき、この基準速度計Ｒで取得された振動データに対して、相互相関関数が最大となる振動データでスタッキング処理を行ってスタッキングされた振動データを求め、それ以外の速度計Ｒで取得された振動データに対しては、基準速度計Ｒの振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを求めている。しかしながら、基準速度計Ｒを設定することなく、全ての速度計Ｒで取得された振動データに対して、相互相関関数が最大となる振動データでスタッキング処理を行ってスタッキングされた振動データを求めるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、掘削機１０には第１の受振器として加速度計Ｐを、切羽Ｓには第２の受振器として速度計Ｒを設置しているが、削孔ビット１４の打撃による振動の初動時刻を検出することができる限り、第１の受振器および第２の受振器としては、様々な検出手段を用いることができる。したがって、例えば、第１の受振器として速度計を用い、第２の受振器として加速度計を用いてもよい。

さらに、弾性波速度分布から岩盤の性状を検討する際に、削孔時に破砕したずりや打撃時の反発力などを参考にしてもよい。

さらに、本実施の形態では、削孔時の連続した打撃データを使用したが、例えばあるピッチだけ削孔するごとに一旦停止し、所定回数だけ連続して打撃したデータを用いるようにしてもよい。

そして、本実施の形態における説明で用いた様々の数値や速度計Ｒの設置数、グラフや表などは何れも一例に過ぎず、本発明がこれらによって限定されるものではない。

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、地山に対してトンネルを掘削する際に、打撃振動により生じた弾性波を用いてトンネル切羽前方の地山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。

１０ 掘削機
１１ 油圧ドリフタ
１２ スリーブ
１３ シャンクロッド
１４ 削孔ビット
１５ ロッド
１６ ピストン
１７ ロータ
１８ シリンダ
Ｇ 地山
Ｍ 計測装置
Ｐ 加速度計（第１の受振器）
Ｐ１、Ｐ２ 加速度計（受振器）
Ｒ 速度計（第２の受振器）、基準速度計（基準受振器）
Ｓ 切羽

Claims (5)

1. トンネル切羽前方の地山に対し、掘削機のロッドの先端に設けられた削孔ビットにより所定の削孔長おきに所定の時間間隔で複数回打撃して弾性波を発生させ、
   前記掘削機に設置された第１の受振器による各打撃で分割された前記弾性波の複数の振動データ、およびトンネル切羽に設置された複数の第２の受振器による各打撃ごとに分割された前記弾性波の複数の振動データを削孔長ごとに取得し、
   何れか一つの前記第２の受振器で削孔長ごとに取得された複数の前記振動データに対して、当該振動データの相互相関関数が最大となる前記振動データの初動時刻を基準にして他の前記振動データの初動時刻をシフトさせた後に複数の前記振動データを時系列で足し合わせるスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを削孔長ごとに求め、
   前記第１の受振器で取得された前記振動データに対して、当該振動データと打撃検出のための切換タイミングの同期がとられた前記第２の受振器の前記振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを削孔長ごとに求め、
   予め求められた前記掘削機が発振する発振時間と前記第１の受振器におけるスタッキングされた前記振動データの前記掘削機での初動時刻を用いて、前記削孔ビットが地山を打撃した時刻でのそれぞれのトンネル切羽に設置された前記第２の受振器におけるスタッキングされた前記振動データから初動時刻を読み取って走時曲線を求めてトモグラフィ解析を行い弾性波速度分布を求める、
   ことを特徴とするトンネル切羽前方探査方法。
2. 何れか一つの前記第２の受振器を基準受振器とし、当該基準受振器で取得された振動データに対して、相互相関関数が最大となる前記振動データを基準にして初動時刻をシフトさせた後にスタッキング処理を行ってスタッキングされた振動データを求め、
   前記基準受振器以外の前記第２の受振器で取得された前記振動データに対しては、前記基準受振器の前記振動データに対応してシフトしてスタッキング処理を行い、スタッキングされた振動データを求める、
   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。
3. 前記基準受振器は、前記掘削機に最も近い位置に設置された前記第２の受振器である、
   ことを特徴とする請求項２記載のトンネル切羽前方探査方法。
4. 前記スタッキング処理では、前記相互相関関数が所定値を下回る前記振動データは除外する、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のトンネル切羽前方探査方法。
5. 前記走時曲線を求める際には、前記振動データの初動時刻を局所定常ＡＲ（ａｕｔｏｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ：自己回帰）モデルを用いて自動的に読み取る、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のトンネル切羽前方探査方法。

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