JPH08226975A - トンネルの切羽前方の地質性状探査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トンネルの掘削工事の障害にならず、簡便か
つ低コストで行うことのできる切羽前方の地質性状探査
方法を提供し、併せて、得られた探査情報の評価が容易
であり、しかも確実な切羽前方の探査情報を得る。 【構成】 切羽２の前方地盤３にドリル削岩機１０によ
って所望の距離まで音源用削孔７を穿孔し、この穿孔過
程でドリル削岩機１０のビット１２によって発生した打
撃音を、受信用削孔５の先端に取り付けた加速度センサ
２０で検出し、この検出信号の変化パターンや音響的特
性から、切羽２の前方地盤３の地質性状を把握する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地山にトンネルを掘削
する際に、切羽前方の地質の性状、例えば断層破砕帯の
有無や地質の変化を先行探査する方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば山岳トンネルの掘削においては、
その切羽（坑先端の掘削面）前方の地質の性状を先行探
査して、予め断層破砕帯の有無や地質の変化を把握する
ことが重要である。このような切羽前方の地質性状探査
方法としては、従来、次のようなものがある。 (1) 先進ボーリングによる方法 地盤調査などに使用されるボーリングマシンをトンネル
坑内に設置し、その切羽前方の地山に水平方向にボーリ
ングを行ってサンプルを採取し、これによって地質の変
化等を把握するものである。切羽の投影部分全面の地質
情報ではなく、点としての地質情報になるが、直接採取
サンプルを観察することができるので、確実に地質の状
況を把握することができるという利点がある。 (2) 音波信号を利用する方法 固有音響インピーダンスの異なる物質同士の境界では音
波の反射を生じることを利用して、ダイナマイト等によ
る発破の際に発生した音波が、地盤内部の断層や、異な
る地質同士の境界面で反射した反射波を受信器で受信
し、その受信された音波から地山内部の性状を把握しよ
うとするものである。断層や地質変化点の位置は、地盤
を伝播する弾性波速度を考慮に入れた反射信号の到達時
間に基づいて算出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の探査方法に
よれば、次のような問題が指摘される。まず、前者の先
進ボーリングによる方法においては、トンネル発破掘削
用のドリル削岩機ではない専用のボーリングマシンを用
いるため、探査の際には掘削工事を休止してボーリング
マシンを入れる必要があり、このため作業が煩雑で探査
費用も高騰してしまうという問題がある。また、後者の
音波信号を利用する方法においては、長い探査距離で切
羽前方の探査が可能であるという利点があるが、計測結
果から地質性状を判断するには専門的な高度の知識を必
要とし、また、音波は地山を全方位的に伝播するため、
切羽の投影位置以外の部分で反射された反射波を受信す
る可能性もあり、したがって得られた情報が必ずしも切
羽前方の探査情報であるとは限らないという問題があ
る。

【０００４】本発明は、上記のような事情のもとになさ
れたもので、その技術的課題とするところは、トンネル
の掘削工事の障害にならず、簡便かつ低コストで行うこ
とのできる切羽前方探査方法を提供し、併せて、得られ
た探査情報の評価が容易であり、しかも確実な切羽前方
の探査情報を得ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した技術的課題を有
効に解決するための手段として、本発明に係るトンネル
の切羽前方の地質性状探査方法は、トンネルの切羽又は
坑内壁に予め穿孔した受信用削孔の先端に音波センサを
取り付け、前記トンネルの切羽前方の地盤にトンネル用
ドリル削岩機で所望の距離まで音源用削孔を穿孔し、こ
の穿孔の過程で前記音源用削孔の先端で発生して地盤内
部を伝播し前記受信用削孔に到達する音波を前記音波セ
ンサで検出し、その検出信号の変化を把握するものであ
る。

【０００６】

【作用】ドリル削岩機による音源用削孔の先端掘削面で
は、掘削音（ビットの打撃音）が発生する。このような
掘削音の特性は、ビットで打撃される地盤の硬度によっ
て決まる反発係数に大きく依存されるので、受信用削孔
の先端の音波センサで検出された音波の特性から地盤の
硬さ等を推定することが可能である。具体的には地盤が
硬く反発係数が大きいほど、発生する音波の最大振幅値
が大きくかつ周波数が高くなる。また、音源用削孔の先
端と、音波センサが取り付けられた受信用削孔の先端と
の間の地盤が軟弱である場合は、伝播距離による減衰が
著しく、断層又は地質が急激に変化する境界面が存在す
る場合は音波の反射が生じるので、ビットによる音源位
置が境界面を通過すると、前記反射によって、音波セン
サに到達する音波が急激に小さくなる。

【０００７】

【実施例】図１は本発明に係るトンネルの切羽前方の地
質性状探査方法の一実施例を示すもので、１は発破掘削
された山岳トンネルの坑内、２はこの坑内１の先端の掘
削面である切羽、３は切羽２の前方の地盤、１０はドリ
ル削岩機である。ドリル削岩機１０は、圧縮空気により
駆動されるロッド１１の先端に取り付けたビット１２
が、地盤３を１分間に数千回（例えば3,000 回程度）打
撃し、かつ回転を与えることによって破砕掘削するもの
で、発破用爆薬装填孔を穿孔したり、トンネル坑内壁１
ａの周辺地盤（岩盤）を支えかつ補強する支保としての
ロックボルト４を打ち込むボアホールを穿孔するため
に、山岳トンネル掘削工事において通常使用されるもの
である。

【０００８】すなわち、この実施例による地質性状探査
方法においては、まず、切羽２の所定の位置から、その
前方の地盤３に、ドリル削岩機１０によって予め深さ１
ｍ程度の受信用削孔５を穿孔する。この受信用削孔５の
先端には、音波センサとしての加速度センサ２０を取り
付ける。この加速度センサ２０は、音波の入射による振
動変位の加速度に比例した電気信号を出力するもので、
聴覚による音の判断も地山内部の性状を判断する上で有
効であるため、可聴音帯の周波数域の音波を検出可能な
圧電型のものを用いる。

【０００９】加速度センサ２０の取り付けに際しては、
図２に拡大して示すように、前記加速度センサ２０を塩
化ビニル管等の合成樹脂製チューブ６の端部内周に嵌め
込んだ状態で受信用削孔５に挿入し、前記合成樹脂製チ
ューブ６の外周面と受信用削孔５の内周面との間の隙間
Ｇに、例えば前記ロックボルト４をボアホールに定着す
るのに用いられる急結モルタルＭを充填する。このモル
タルＭを介して固定することによって受信用削孔５との
隙間がなくなるので、地盤３からの音波を確実に受信す
ることができ、合成樹脂製チューブ６を用いることによ
って、受信用削孔５への挿入や、計測終了後の回収が容
易になる。また、加速度センサ２０は信号計測装置２１
に接続されており、更にこの信号計測装置２１は録音装
置２２及びオシロスコープ２３に接続されている。信号
計測装置２１は、増幅部や、機械騒音等の検出による不
要な信号を除去するバンドパスフィルタ等を有する。

【００１０】次に、上述のドリル削岩機１０によって、
切羽２における前記受信用削孔５と異なる位置から地盤
３へ向けて所望の距離まで、略水平方向に音源用削孔７
を穿孔し、この時のビット１２による打撃掘削によって
発生する打撃音が地盤３中を伝播して受信用削孔５に到
達する音波信号を、加速度センサ２０によって検出す
る。この場合、ロッド１１を継ぎ足して行くことによっ
て、切羽２の前方数十ｍまで穿孔することができる。音
の減衰は地盤３の特性によって異なるため一概には言え
ないが、通常の地質の場合、３０〜４０ｍまでは十分に
検出可能である。音波の振幅は音源用削孔７の穿孔距離
が長くなるほど減衰によって小さくなり、加速度センサ
２０からの検出信号が微弱になるため、信号計測装置２
１で適宜増幅して録音装置２２に録音し、かつオシロス
コープ２３によって信号波形の観察を行う。

【００１１】この方法によれば、先に述べたように、山
岳トンネルの掘削工事において通常使用されるドリル削
岩機１０を音波の発信源として利用しているため、ボー
リングマシン等のような特別な装置と入れ替えたりする
必要がなく、例えばトンネル掘削作業を休止する休日等
を利用して、容易に、かつ低コストで地質探査を行うこ
とができる。また、ドリル削岩機１０のビット１２によ
る音源位置と、加速度センサ２０による受信位置との間
の地質性状を、音源用削孔７の穿孔距離による音波の変
化パターンによって把握するものであるため、断層破砕
帯等の地質変化点が特定でき、音源用削孔７を複数穿孔
することによって、掘削方向における切羽２の投影面全
域に亘る地質性状を把握することができる。

【００１２】加速度センサ２０で検出された音波による
地質性状の評価は、先に述べたようなオシロスコープ２
３による信号波形の観察によるもののほか、録音された
信号を分析することによっても行われる。分析方法とし
ては種々のものが考えられるが、例えば図３に示すよう
に、音源用削孔７の削孔長の変化に伴う検出信号の最大
振幅の変化パターンによって地質性状を推定することが
できる。

【００１３】すなわち、図３に示す計測パターン（Ａ）
によれば、削孔長にほぼ比例して一様に信号の最大振幅
値が小さくなっている。これは、ほぼ伝播距離による減
衰にのみ依存するパターンであるから、探査した前方８
ｍまでは大きな地質変化がないものと推定される。一
方、計測パターン（Ｂ）によれば、切羽前方２ｍ付近ま
では信号の最大振幅値が大きく、殆ど減衰が見られない
が、２〜４ｍ付近においては削孔長が長くなることに伴
う減衰が著しく、それよりも更に前方では減衰率が急に
小さくなっている。したがって、切羽前方２ｍ付近では
地盤が硬く、２〜４ｍ付近の地盤は比較的軟弱であり、
それより更に前方では再び硬くなっているものと推定さ
れる。

【００１４】また、ビット１２の打撃掘削される音源位
置の地盤が硬いほど、発生する音が高く（周波数が高
く）なるから、検出された音を図示されていないオーデ
ィオ再生装置で音響変換し、聴覚によっても前記音源位
置の地質を判断することができる。したがって、これら
の総合的な分析結果から、的確な探査情報を得ることが
できる。

【００１５】なお、本発明は、図示の実施例に限定され
るものではなく、例えば、音波センサは圧電型加速度セ
ンサ以外のものも使用することができる。また、受信用
削孔５は必ずしも切羽２の前面位置になくてもよく、音
源用削孔７の先端からの音波が到達可能な位置であれ
ば、既存の孔を受信用削孔５として有効に利用すること
も可能である。また、本発明の探査方法は、山岳トンネ
ル以外のトンネル工事における切羽前方の探査にも適用
可能である。

【００１６】

【発明の効果】本発明に係るトンネルの切羽前方の地質
性状探査方法によると、次のような効果が実現される。 (1) ボーリングマシンなどの、地盤調査専用の特殊な装
置を用いることなく、通常のドリル削岩機を利用して、
低コストで簡単に探査することができる。 (2) 検出される音波の周波数や、音源用削孔の削孔長に
よる減衰パターンによって、地質性状及びその変化状況
を容易に推定できる。 (3) ボーリングマシンによって地盤サンプルを採取する
方法に比較して、コストが安いので、低コストで複数の
削孔が可能であり、点のデータを面的なデータに拡張で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係るトンネルの切羽前方の地質
性状探査方法の一実施例を示す概略的な説明図である。

【図２】上記実施例における加速度センサの取付状態を
拡大して示す断面図である。

【図３】上記実施例の探査方法によって得られた音源用
削孔の削孔長による検出信号の最大振幅の変化パターン
を示す説明図である。

【符号の説明】

２ 切羽 ３ 地盤 ５ 受信用削孔 ７ 音源用削孔 １０ ドリル削岩機 ２０ 加速度センサ（音波センサ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネルの切羽又は坑内壁に予め穿孔し
   た受信用削孔の先端に音波センサを取り付け、 前記トンネルの切羽前方の地盤にトンネル用ドリル削岩
   機で所望の距離まで音源用削孔を穿孔し、 この穿孔の過程で前記音源用削孔の先端で発生して地盤
   内部を伝播し前記受信用削孔に到達する音波を前記音波
   センサで検出し、その検出信号の変化を把握することを
   特徴とするトンネルの切羽前方の地質性状探査方法。