JP7300934B2 - トンネル切羽前方探査システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＡＴＭ工法による山岳トンネルの施工に好適なトンネル切羽前方探査システムおよび方法に関し、特に、トンネル掘削施工中の振動を用いたトンネル切羽前方探査システムおよび方法に関するものである。

従来、ＮＡＴＭ工法による山岳トンネル施工において、探査専用の特別な機材を要せず、かつ、施工サイクルを乱さずにトンネル施工のモニタリング的手法と位置付け連続的な反射法地震探査を行うことが可能な「トンネル切羽前方探査方法」が知られている（特許文献１を参照）。この手法は、弾性波の振動源を破砕機械（油圧ブレーカー、ドリルジャンボ）による切羽の打撃振動とし、坑壁に設置した受振センサーにより振動データを計測することを特徴としている。また、受振センサー設置については、簡便かつ確実にロックボルトに連結させることができる「受信センサー装着具」が提案されている（特許文献２を参照）。また、上記の特許文献１と特許文献２を組み合わせた前方探査方法が知られている。

上記を含めて坑内弾性波探査は、一般に、センサーと計測制御部・データ収録部がケーブルで接続された有線タイプのシステムである。これに対して、掘削発破を振動源とし、ロックボルトの基端に取り付けられる地震波計測部により、弾性波のデータ計測および収録が無線で実施できるシステムが開発されている（特許文献３を参照）。

特許第５８３９２７１号公報 特開２０１４－１８１９４８号公報 特開２０１７－１６６８８１号公報

上記の従来の特許文献１による反射法地震探査は、センサーと記録および解析装置がケーブルで接続された有線タイプの探査であるため、ケーブル配線が多く取り回しに手間と時間がかかるおそれがあった。また、湧水が多く路盤状況が悪い坑内環境では、泥水によりケーブルコネクターが損傷する可能性があるなど、作業効率が悪くなるおそれがあった。

また、上記の特許文献２は、既設のロックボルトを使用でき設置作業を簡便に実施できるが、現場では地山状況に応じて異なる形状のロックボルトが使用されるため、その都度、ロックボルトのナットの形状に合わせた装着具に付け替える必要があった。

また、上記の特許文献３は、振動源やトリガー信号が掘削発破によるため、発破不可の地山条件では実施できない。また、センサー設置の際、ロックボルトのナットを専用工具で取り外す手間が想定される。

このため、ＮＡＴＭ工法によるトンネル施工時のトンネル切羽前方探査方法において、センサー設置、データ計測・取得にかかる作業の手間を減らし、坑内環境によらず、かつ機械掘削の地山においても探査することができる技術が望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、作業の手間が少なく、坑内環境によらずに効率的に探査することができるトンネル切羽前方探査システムおよび方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムは、ＮＡＴＭ工法によるトンネル施工中に反射波地震探査法により切羽前方を探査するシステムであって、切羽面から所定距離だけ後方のトンネル坑壁の少なくとも異なる２か所に設置され、切羽面におけるトンネル施工中の打撃時の振動または発破時の振動の直接波と、切羽前方の地山内で反射する反射波を検知する受振センサーと、検知した振動データを収録する収録部と、無線で送信された収録部からの振動データを無線で受信する無線通信部と、受信した振動データに基づいて切羽前方の地山の状況を探査する探査部とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムは、上述した発明において、受振センサーおよび収録部は、ロックボルトのナットの形状にかかわらず、治具を介してトンネル坑壁の支保工に設置されることを特徴とする。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムは、上述した発明において、振動データの取得タイミングを指示するためのトリガー信号、または、受振センサーの時刻同期をとるためのトリガー信号を受振センサーまたは収録部に無線で送信するトリガー部をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法は、ＮＡＴＭ工法によるトンネル施工中に反射波地震探査法により切羽前方を探査する方法であって、切羽面から所定距離だけ後方のトンネル坑壁の少なくとも異なる２か所に受振センサーおよび収録部を設置するステップと、切羽面におけるトンネル施工中の打撃時の振動または発破時の振動の直接波と、切羽前方の地山内で反射する反射波を受振センサーで検知するステップと、検知した振動データを収録部で収録するステップと、収録した振動データを無線で送信するステップと、送信された振動データを無線で受信するステップと、受信した振動データに基づいて切羽前方の地山の状況を探査するステップとを備えることを特徴とする。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法は、上述した発明において、受振センサーおよび収録部を、ロックボルトのナットの形状にかかわらず、治具を介してトンネル坑壁の支保工に設置するステップを備えることを特徴とする。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法は、上述した発明において、振動データの取得タイミングを指示するためのトリガー信号、または、受振センサーの時刻同期をとるためのトリガー信号を受振センサーまたは収録部に無線で送信するステップをさらに備えることを特徴とする。

本発明に係るトンネル切羽前方探査システムによれば、ＮＡＴＭ工法によるトンネル施工中に反射波地震探査法により切羽前方を探査するシステムであって、切羽面から所定距離だけ後方のトンネル坑壁の少なくとも異なる２か所に設置され、切羽面におけるトンネル施工中の打撃時の振動または発破時の振動の直接波と、切羽前方の地山内で反射する反射波を検知する受振センサーと、検知した振動データを収録する収録部と、無線で送信された収録部からの振動データを無線で受信する無線通信部と、受信した振動データに基づいて切羽前方の地山の状況を探査する探査部とを備えるので、受振センサーの設置と振動データの計測・取得の作業が簡便になり、坑内環境によらずに効率的に切羽前方探査することができるという効果を奏する。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムによれば、受振センサーおよび収録部は、ロックボルトのナットの形状にかかわらず、治具を介してトンネル坑壁の支保工に設置されるので、受振センサーおよび収録部の設置が簡便になるという効果を奏する。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムによれば、振動データの取得タイミングを指示するためのトリガー信号、または、受振センサーの時刻同期をとるためのトリガー信号を受振センサーまたは収録部に無線で送信するトリガー部をさらに備えるので、振動データの繰返し取得が容易になるという効果を奏する。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法によれば、ＮＡＴＭ工法によるトンネル施工中に反射波地震探査法により切羽前方を探査する方法であって、切羽面から所定距離だけ後方のトンネル坑壁の少なくとも異なる２か所に受振センサーおよび収録部を設置するステップと、切羽面におけるトンネル施工中の打撃時の振動または発破時の振動の直接波と、切羽前方の地山内で反射する反射波を受振センサーで検知するステップと、検知した振動データを収録部で収録するステップと、収録した振動データを無線で送信するステップと、送信された振動データを無線で受信するステップと、受信した振動データに基づいて切羽前方の地山の状況を探査するステップとを備えるので、受振センサーの設置と振動データの計測・取得の作業が簡便になり、坑内環境によらずに効率的に切羽前方探査することができるという効果を奏する。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法によれば、受振センサーおよび収録部を、ロックボルトのナットの形状にかかわらず、治具を介してトンネル坑壁の支保工に設置するステップを備えるので、受振センサーおよび収録部の設置が簡便になるという効果を奏する。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法によれば、振動データの取得タイミングを指示するためのトリガー信号、または、受振センサーの時刻同期をとるためのトリガー信号を受振センサーまたは収録部に無線で送信するステップをさらに備えるので、振動データの繰返し取得が容易になるという効果を奏する。

図１は、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムおよび方法の実施の形態を示す概略構成図である。 図２は、ロックボルトの断面図である。 図３は、受振センサー設置時の断面図である。 図４は、受振センサー設置時の側面図である。 図５は、受振センサー設置時における治具（固定部材は省略）の部分上面図である。 図６は、受振センサー設置時の上面図である。

以下に、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムおよび方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

本実施の形態の探査対象は、軟岩、硬岩、土被りの大小によらず切羽前方と周辺地山を対象とする。発破不可の機械掘削による現場でも実施可能である。また、切羽面の振動源としては、破砕機械（油圧ブレーカー、ドリルジャンボ）や掛矢などの打撃が可能なものによる打撃時の振動や、発破時の振動を想定している。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係るトンネル切羽前方探査システム１０は、切羽面Ｋから所定距離だけ後方のトンネル坑壁Ｗに設置される無線式センサー１２と、作業員Ｍが携帯するタブレット端末１４およびトリガースイッチ１６（トリガー部）を備える。直接波から弾性波速度を計算するために、無線式センサー１２は少なくとも２か所に設置する。

無線式センサー１２は、図３および図４に示すように、受振センサー１８と、データ収録部２０と、無線アンテナ２２（無線通信部）と、これらに電力を供給するための電源２４（バッテリ）と、これらを格納する環状の格納容器２６と、既設のロックボルトＢのナットＮに取り付けるための治具２８が一体となった機器である。

受振センサー１８は、切羽面Ｋにおけるトンネル施工中の打撃時の振動または発破時の振動の直接波Ｄと、切羽前方の地山Ｇ内で反射する反射波Ｒを検知するものである。受振センサー１８は、例えば、速度センサーまたは加速度センサーで構成することができる。

データ収録部２０は、受振センサー１８で検知した振動データを収録するものであり、例えばパソコンやデータロガーで構成することができる。無線アンテナ２２は、トリガー信号を受信するために用いられる。

治具２８は、図３～図６に示すように、ロックボルトＢのナットＮの形状によらず、少なくともナットＮの２面に対して密着させるためのものであり、ナットＮの周囲に配置される直方体枠状の治具本体３０を備えている。治具本体３０の内側には、側面視で正台形状の基部３２が一対設けられる。この基部３２の斜面には、側面視で逆直角三角形状のスライド部材３４がスライド可能に当接配置される。スライド部材３４どうしは、板状の接続部材３６で接離自在に接続される。接続部材３６はナットＮの上面側に位置している。接続部材３６の上面には、接続部材３６をナットＮに向けて押し付け可能なねじ部材３８の下端が接続している。ねじ部材３８は、治具本体３０に固定された板状の固定部材４０の穴に挿通配置され、ナット４２で固定部材４０に回転自在に留め付けられる。治具本体３０の下側部分の横枠のうち、接続部材３６に平行に延びる２本は、ボルト４４で構成されている。このボルト４４は、基部３２どうしを互いに接近する方向に押圧付勢するためのものであり、ロックボルトＢのナットＮを中心に両側で２本配置することが望ましい。このボルト４４を締結することで、スライド部材３４をナットＮの２面に強固に固定することができる。

この治具２８をロックボルトＢのナットＮに装着する手順について説明する。まず、図２に示すように、ロックボルトＢの端部、ナットＮ、座金Ｚに付着した吹付コンクリートや粉じんを、へら等でケレンする。これは、治具２８をロックボルトＢのナットＮに密着させ、受振センサー１８に振動を正確に受振させるためである。

次に、図３～図６に示すように、ロックボルトＢのナットＮの２面側に治具２８のスライド部材３４を嵌め込む。続いて、ねじ部材３８を手で回し、スライド部材３４、接続部材３６とロックボルトＢのナットＮを図の垂直方向に固定する。続いて、ボルト４４を手で締め、治具２８とロックボルトＢのナットＮを図の水平方向に固定する。なお、受振センサー１８等を格納する格納容器２６や治具２８の構造は、これに限るものではなく、少なくともロックボルトＢのナットＮの２面に対して治具２８を密着可能な構造であれば、この形状でなくても構わない。

タブレット端末１４は、図示しない無線ルーターを介してデータ収録部２０からの振動データを無線で受信する無線通信部と、各無線式センサー１２の計測条件を設定するコントロール部と、この振動データを保存する保存部と、この振動データに基づいて切羽前方の地山Ｇの状況を探査するアプリケーション（探査部）を備えている。このアプリケーションは、振動データを例えば上記の特許文献１や特許文献２で示した探査方法で解析処理することによって、切羽前方の地山Ｇの状況を探査する。無線ルーターは、トリガースイッチ１６と合わせて作業員Ｍが携帯してもよいし、無線式センサー１２の格納容器２６内に内蔵してあってもよい。

トリガースイッチ１６は、振動データの収録を任意のタイミングで開始するための指示信号を無線式センサー１２に無線送信するため、また、各無線式センサー１２の時刻同期をとるためのリモコン装置である。このトリガースイッチ１６は、タブレット端末１４に内蔵してあってもよい。

上記構成の動作および作用について説明する。
まず、上記の装着手順で無線式センサー１２を既設のロックボルトＢのナットＮに装着する。次に、トリガースイッチ１６をオンにして受振センサー１８を、データ収録スタンバイ状態にさせ、かつ、各無線式センサー１２の時刻同期がとれた状態にさせた後、破砕機械などで切羽面Ｋを打撃し、振動を発生させる。振動は、打撃時での振動に限るものではなく、発破時の振動であってもよい。無線式センサー１２内の受振センサー１８は、発生した振動の直接波Ｄと、地山Ｇ内（例えば、断層破砕帯などの弱層Ｊ）から反射してくる反射波Ｒ（弾性波）を検知する。この振動データは、データ収録部２０に収録される。収録した振動データは、図示しない無線ＬＡＮユニットから無線送信される。タブレット端末１４は、無線ルータを介して振動データを無線受信する。タブレット端末１４内の探査部のアプリケーションが、振動データに基づいて解析処理を行い、切羽前方の地山Ｇの状況を探査する。探査結果は、タブレット端末１４の画面に表示され、ユーザーによって把握される。

本実施の形態によれば、受振センサー１８、データ収録部２０、取り付け用の治具２８を一体化し、かつロックボルトＢのナットＮの形状にかかわらず設置できる構造とすることで、受振センサー設置、データ計測・取得が簡便になる。このため、破砕機械のオペレーターを除き、現場作業員１名で地山条件によらず前方探査を実施することが可能となり、切羽前方探査の効率性が格段に向上する。特に、受振センサー１８とタブレット端末１４の間が無線化されるため、ケーブルレスにより作業の安全性も向上する。したがって、従来の方法に比べて作業の手間が減り、坑内環境によらず、かつ機械掘削の地山においても探査可能である。各無線式センサー１２のデータ取得およびデータ同期のためのトリガースイッチ１６を設けることにより、容易に繰返しデータ取得が可能であり、また、発破振動データの取得も可能となり、広く使える切羽前方探査システムを実現できる。

以上説明したように、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムによれば、ＮＡＴＭ工法によるトンネル施工中に反射波地震探査法により切羽前方を探査するシステムであって、切羽面から所定距離だけ後方のトンネル坑壁の少なくとも異なる２か所に設置され、切羽面におけるトンネル施工中の打撃時の振動または発破時の振動の直接波と、切羽前方の地山内で反射する反射波を検知する受振センサーと、検知した振動データを収録する収録部と、無線で送信された収録部からの振動データを無線で受信する無線通信部と、受信した振動データに基づいて切羽前方の地山の状況を探査する探査部とを備えるので、受振センサーの設置と振動データの計測・取得の作業が簡便になり、坑内環境によらずに効率的に切羽前方探査することができる。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムによれば、受振センサーおよび収録部は、ロックボルトのナットの形状にかかわらず、治具を介してトンネル坑壁の支保工に設置されるので、受振センサーおよび収録部の設置が簡便になる。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムによれば、振動データの取得タイミングを指示するためのトリガー信号、または、受振センサーの時刻同期をとるためのトリガー信号を受振センサーまたは収録部に無線で送信するトリガー部をさらに備えるので、振動データの繰返し取得が容易になる。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法によれば、ＮＡＴＭ工法によるトンネル施工中に反射波地震探査法により切羽前方を探査する方法であって、切羽面から所定距離だけ後方のトンネル坑壁の少なくとも異なる２か所に受振センサーおよび収録部を設置するステップと、切羽面におけるトンネル施工中の打撃時の振動または発破時の振動の直接波と、切羽前方の地山内で反射する反射波を受振センサーで検知するステップと、検知した振動データを収録部で収録するステップと、収録した振動データを無線で送信するステップと、送信された振動データを無線で受信するステップと、受信した振動データに基づいて切羽前方の地山の状況を探査するステップとを備えるので、受振センサーの設置と振動データの計測・取得の作業が簡便になり、坑内環境によらずに効率的に切羽前方探査することができる。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法によれば、受振センサーおよび収録部を、ロックボルトのナットの形状にかかわらず、治具を介してトンネル坑壁の支保工に設置するステップを備えるので、受振センサーおよび収録部の設置が簡便になる。

また、本発明に係るトンネル切羽前方探査方法によれば、振動データの取得タイミングを指示するためのトリガー信号、または、受振センサーの時刻同期をとるためのトリガー信号を受振センサーまたは収録部に無線で送信するステップをさらに備えるので、振動データの繰返し取得が容易になる。

以上のように、本発明に係るトンネル切羽前方探査システムおよび方法は、ＮＡＴＭ工法による山岳トンネル施工時の切羽前方探査に有用であり、特に、作業の手間が少なく、坑内環境によらずに効率的に切羽前方探査するのに適している。

１０ トンネル切羽前方探査システム
１２ 無線式センサー
１４ タブレット端末（無線通信部）
１６ トリガースイッチ（トリガー部）
１８ 受振センサー
２０ データ収録部
２２ 無線アンテナ（無線通信部）
２４ 電源
２６ 格納容器
２８ 治具
３０ 治具本体
３２ 基部
３４ スライド部材
３６ 接続部材
３８ ねじ部材
４０ 固定部材
４２ ナット
４４ ボルト
Ｂ ロックボルト
Ｄ 直接波
Ｇ 地山
Ｊ 弱層
Ｋ 切羽面
Ｍ 作業員
Ｎ ナット
Ｒ 反射波
Ｗ トンネル坑壁
Ｚ 座金

Claims (4)

1. ＮＡＴＭ工法によるトンネル施工中に反射波地震探査法により切羽前方を探査するシステムであって、
   切羽面から所定距離だけ後方のトンネル坑壁の少なくとも異なる２か所に設置され、切羽面におけるトンネル施工中の打撃時の振動または発破時の振動の直接波と、切羽前方の地山内で反射する反射波を検知する受振センサーと、検知した振動データを収録する収録部と、無線で送信された前記収録部からの振動データを無線で受信する無線通信部と、受信した振動データに基づいて切羽前方の地山の状況を探査する探査部とを備え、
   前記受振センサーおよび前記収録部は、治具を介して前記トンネル坑壁に既設のロックボルトのナットに取り付けられ、
   前記治具は、前記ナットの周囲に配置され、前記受振センサーおよび前記収録部が取り付けられる治具本体と、前記治具本体の内側の前記ナットの側方において前記ナットに関して左右対称に設けられ、前記ナットの軸方向に直交し、かつ左右方向に直交する方向から見て台形状の斜面を前記ナットに近い側に有する基部と、前記基部の前記斜面に対してスライド可能に当接配置される斜面と、前記ナットの側面に当接可能な側面とを有するスライド部材と、前記ナットの軸方向の上面側に設けられ、左右の前記スライド部材どうしを接続する接続部材と、前記治具本体に固定され、前記接続部材の上方に配置される固定部材と、前記固定部材に挿通配置され、前記接続部材を前記ナットに向けて押し付け可能なねじ部材とを含み、
   前記治具本体は、前記ナットの前後両側で左右方向に延びるボルトを有し、前記ボルトは、左右の前記基部どうしを互いに接近する方向に押圧付勢して前記スライド部材の側面を前記ナットの左右２面に固定するものであることを特徴とするトンネル切羽前方探査システム。
2. 振動データの取得タイミングを指示するためのトリガー信号、または、前記受振センサーの時刻同期をとるためのトリガー信号を前記受振センサーまたは前記収録部に無線で送信するトリガー部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のトンネル切羽前方探査システム。
3. ＮＡＴＭ工法によるトンネル施工中に反射波地震探査法により切羽前方を探査する方法であって、
   切羽面から所定距離だけ後方のトンネル坑壁の少なくとも異なる２か所に受振センサーおよび収録部を設置するステップと、切羽面におけるトンネル施工中の打撃時の振動または発破時の振動の直接波と、切羽前方の地山内で反射する反射波を前記受振センサーで検知するステップと、検知した振動データを前記収録部で収録するステップと、収録した振動データを無線で送信するステップと、送信された振動データを無線で受信するステップと、受信した振動データに基づいて切羽前方の地山の状況を探査するステップとを有し、
   前記受振センサーおよび前記収録部は、治具を介して前記トンネル坑壁に既設のロックボルトのナットに取り付けられ、
   前記治具は、前記ナットの周囲に配置され、前記受振センサーおよび前記収録部が取り付けられる治具本体と、前記治具本体の内側の前記ナットの側方において前記ナットに関して左右対称に設けられ、前記ナットの軸方向に直交し、かつ左右方向に直交する方向から見て台形状の斜面を前記ナットに近い側に有する基部と、前記基部の前記斜面に対してスライド可能に当接配置される斜面と、前記ナットの側面に当接可能な側面とを有するスライド部材と、前記ナットの軸方向の上面側に設けられ、左右の前記スライド部材どうしを接続する接続部材と、前記治具本体に固定され、前記接続部材の上方に配置される固定部材と、前記固定部材に挿通配置され、前記接続部材を前記ナットに向けて押し付け可能なねじ部材とを含み、
   前記治具本体は、前記ナットの前後両側で左右方向に延びるボルトを有し、前記ボルトは、左右の前記基部どうしを互いに接近する方向に押圧付勢して前記スライド部材の側面を前記ナットの左右２面に固定するものであることを特徴とするトンネル切羽前方探査方法。
4. 振動データの取得タイミングを指示するためのトリガー信号、または、前記受振センサーの時刻同期をとるためのトリガー信号を前記受振センサーまたは前記収録部に無線で送信するステップをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のトンネル切羽前方探査方法。

Images