JPS63139285A

JPS63139285A - 地山検査方法及びその装置

Info

Publication number: JPS63139285A
Application number: JP61286377A
Authority: JP
Inventors: Harumi Araki; 春視荒木
Original assignee: Aero Asahi Corp
Current assignee: Aero Asahi Corp
Priority date: 1986-12-01
Filing date: 1986-12-01
Publication date: 1988-06-11
Anticipated expiration: 2012-04-16
Also published as: JP2601463B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、地山検査方法及びその装置に関し、より具体
的には、トンネル掘削時の切羽面の変状等を迅速に検査
する方法及び装置に関する。

（従来の技術〕トンネル施工法としては、ナトム（ＮＡＴＭ）工法が最
も優れているといわれている。第４図（ａ）は、トンネ
ル掘削中のトンネルの長手方向に沿う垂直断面を示し、
同（ｂｌはＡ−Ａ線での断面を示す。

このナトムエ法では、掘削後の地山内面１０に急結性コ
ンクリート１２を吹き付けて他山の崩壊を防ぎ、多数の
ロック・ボルト１４を地山のゆるみ変位の少ない切羽で
打ち込むことにより切羽進行に伴うゆるみ変位範囲を広
げないようにする。そしてまた、必要により鋼アーチ部
材１６を併用する。吹付コンクリート１２の吹付厚、鋼
アーチ部材１６の有無及びその間隔、並びにロック・ボ
ルト長やその間隔は、他山の性状に応じて調節するので
、掘削部分の他山の性状を知ることが、工事の安全管理
上及び施工管理上、極めて重要になる。

従来は、トンネル掘削予定地域の地質を予めポーリング
する等して調べ、その調査結果に基づき、吹付コンクリ
ート１２、ロック・ボルト１４及び鋼アーチ部材１６の
適用条件を決定し、また、支−保工の形状変化等を逐次
、目視観察することにより、適宜に変更を加え−ている
。

（発明が解決しようとする問題点〕地中にトンネルが掘削されると、それまで掘削土が担っ
ていた地圧を周囲の岩石や土層が代替するアーチ・アク
ションが作用し、トンネルの周囲に免圧圏が形成される
。この免圧圏のため、トンネル構造物は、その免圧圏内
の岩石及び土壌の自重に耐えられる強度を有する限り、
全土被り圧を支える強度までは必要としない。

他山がアーチ・アクションに耐えられるだけの強度を持
てば、免圧圏の広がりは小さなものになり、耐えられな
ければ、アーチ・アクションの輪は大きなものに広がっ
ていく。こうした現象をトンネル掘削の切羽から見れば
、免圧圏の広がるような悪い地山はど、解放された他山
の自重が大きく切羽にのしかかることになる。そのよう
な地質は圧縮強度が小さく、トンネル背面の他山が切羽
を押し出したり、支保工を変形させるなどの現象を惹き
起こす、また、切羽面の上下部では圧縮力、中央部は引
張力を受けることになる。地層の破砕帯や断層帯では、
こうした現象が局所的に起こるが、地層がストレスを受
け、応力的に撹乱されている場合、そのような現象が広
域的に起きる。そうした地層からロック・ボルトで引張
力を確保しようとしても、地山に強度が無いので困難で
あり、より長いロック・ボルトを採用する等の方策を採
るべきである。

しかし従来のトンネル施工では、地山のこのような局所
的状況を客観的且つ短時間で把握することが出来ず、マ
クロ的な地質調査結果と支保工の現実的変形から経験的
に判断しているに過ぎない。

また、悪い地山では切羽の崩れを抑止するためにモルタ
ル吹付を行うが、その吹付により充分な安定化が図られ
たかどうかは、吹付後の変位を具体的に計測して判断す
るしかなかった。支保工の変形、移動を知るために従来
、可視ビデオ・カメラやフィルム・カメラが利用されて
いるが、光量不足や、現像処理に時間が掛かる点で即時
的でなく、結果を知るまでに長い時間を必要とした。結
果的には、不安定性が表面化した時点で補強することに
なり、人間による継続的監視に頼らざるを得ない。つま
り、モルタルの変位が生じる前にそのモルタル吹付切羽
の安定度を検証する有効な手段は、未だ存在しない。ト
ンネル施工では更に、出水予測、可燃性ガスの噴出予測
、脆弱性地盤の検知等を行えるのが安全の見地からは好
ましいが、従来、これらを短時間で達成できる簡便な方
法、装置は存在しない。

そこで本発明は、簡易且つ短時間に地山を検査できる方
法及び装置を提示することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る地山検査方法は、地山面から輻射される熱
赤外線を熱赤外線カメラで撮影し、異なる時点の当該カ
メラによる輻射熱赤外線量分布データの比較をすること
により、当該地山を検査することを特徴とする。

また、本発明に係る検査装置は、地山面から輻射される
熱赤外線を撮影する熱赤外線カメラと、当該カメラによ
る輻射熱赤外線量分布データを一時収容する少なくとも
一つの一時メモリ手段と、当該カメラからの異なる時点
の輻射熱赤外線量分布データの比較をする比較手段と、
当該比較手段による比較結果を出力する出力手段とから
なることを特徴とする特〔作用〕切羽面に例をとると、上述の如く、切羽の上下部では圧
縮力が作用し、中央部では引張力が作用する。圧縮力の
下では地層の間隙水圧が増大し、その結果、切羽面が濡
れるが、引張力の下では間隙水圧が減少し、地層の水飽
和度を低下させ、表面をやや乾いた状態にする。地層水
の温度は平均して地表深度１００ｍにつき３℃上昇する
が、トンネル坑内では重機や人が活動しているので、坑
内温度は通常、この地層水温度よりも６〜７℃高くなる
。そのため切羽面の温度は、新鮮な面の切り出し後、時
間の経過に連れて上昇する。

切羽面の温度は、圧縮力の作用する部分では、間隙水の
浸出により小さい率で上昇するか、又は一時的には下降
するが、引張力の作用する部分では、表面の乾燥により
、速く上昇する。どちらにしても、良い地山の場合には
、切羽面での温度の相違はせいぜい１℃以下のことが多
い。部分的な温度の上昇又は下降はその部分の異常を示
している。また、地盤の撹乱地帯、地下水の出水部分、
高圧ガス貯溜層近辺、脆弱性地盤でも、同様に切羽面で
の温度変化の異常となって現れる。従って、熱赤外線カ
メラで対象面の温度分布の変化を経時的に監視すること
により、地山の異常部分、即ち危険部分を検知できる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に係る検査装置の一実施例の構成プロッ
タ図を示す。第１図において、２０は熱赤外線ビデオ・
カメラであり、検査対象である切羽面２２を撮影するよ
うに掘削中のトンネル内に置かれる。ビデオ・カメラ２
０からの映像信号はＡ／Ｄ変換器２４に入力され、ディ
ジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器２４のディジタ
ル出力は切換スイッチ２６の共通極２６ｃに接続しスイ
。

ソチ２６の切換接点２６ａは第１の画像メモリ２８に接
続し、切換接点２６ｂは第２の画像メモリ３０に接続す
る。画像メモリ２６．３０は、フィールド単位又はフレ
ーム単位で映像信号を記憶する。切換スイッチ２６は主
制御回路２７からの切換信号に従い、検査スタート時点
ｔ１では接点２６ａ側に接続して画像メモリ２８にその
時点１゜での画像データを記憶させ、その５乃至１０分
程度後の時点ｔ２には接点２６ｂに接続して画像メモリ
３０にｔ！での画像データを記憶させる。

画像メモリ２８の出力は減算回路３２の一方の入力に接
続し、画像メモリ３０の出力は減算回路３２の他方の入
力に接続する。減算回路３２の出力は第３の画像メモリ
３４に入力される０画像メモリ３４は、時点１．におけ
る撮影対象の温度と時点ｔ２における温度との差の分布
状況を示すデータを保持する。画像メモリ３４の出力は
Ｄ／Ａ変換器３６に印加され、そこでアナログ信号に変
換される。Ｄ／Ａ変換器３６の出力は映像化回路３８に
印加される。映像化回路３８は、入力信号を、温度差に
応じた色彩又は濃淡を持つ信号に変換すると共に、同期
信号等を付加してテレビジョン信号とし、テレビジボン
装置４０に出力する。

映像化回路３８によるこのような色彩化又は濃淡化の手
法自体は、映像信号処理として公知である。

検査者は、このテレビジョン装置４０の画面に映像化さ
れた温度差の分布パターンから、切羽２２の変状及び変
位等を判定することができる。

画像メモリ３４の出力は、磁気ディスクや磁気テープ等
を利用する補助記憶装置４２にも接続し、事後判定やそ
の他のデータ処理の為に保存される。

画像メモリ３４の出力は、Ｘ−Ｙプロッタ４４等の出力
機器にも接続する。（ｔ＋−ｔｚ）を一定とした温度差
データを逐次的に紙面上に描かせて、検討資料とする。

ビデオ・カメラ２０の出力は、撮影画面を事後的に確認
検討するためにも、ビデオ・テープ・レコーダ４６にも
接続して記録してお（のが好ましい。ビデオ・テープの
記録映像を再生してＡ／Ｄ変換器２４に入力することに
より、各種の温度差データを再ｖａＵｌできるし、温度
差データが異常な部分を位置的に確認できる。また、ビ
デオ・カメラ２０の出力をテレビジョン装置４８に直接
印加して、温度分布をそのまま観察してもよい。

主制御回路２７は、スイッチ２６の切換以外にも、Ａ／
Ｄ変換器２４やＤ／Ａ変換器３６の変換動作、画像メモ
リ２８．３０．３４０書込及び読出動作、減算回路３２
、補助記憶装置４２の記録動作、Ｘ−Ｙプロッタ４４の
出力動作等を適宜に制御するが、そのための結線は図示
を省略した。

主制御回路２７の機能は、具体的には、市販のマイクロ
プロセッサ・ボードや、パーソナル・コンピュータで実
現できる。

テレビジョン装置４０及び同４８としては、単一のディ
スプレイ装置を切り換えて用いるようにしてもよい。

次に、この装置を参照して本発明の詳細な説明する。熱
赤外線ビデオ・カメラ２０で切羽２２を撮影する。カメ
ラ２０からの映像信号は、切羽２２の熱輻射による輻射
赤外線量を反映しており、その輝度信号レベルが対応部
分の温度を示す。従って、カメラ２０から出力される映
像信号は温度信号でもある。切換スイッチ２６を制御し
て、その映像信号（実際はＡ／Ｄ変換器２４によるディ
ジタル信号）を先ず画像メモリ２８に収容し、そのＴ（
５乃至１０）分後の映像信号を画像メモリ３０に収容す
る。この段階で、画像メモリ２８と同３０には、Ｔ分間
の前後での切羽２２の温度分布信号が収容されたことに
なる。従って、減算回路３２により、画像メモリ２８と
同３０との間で、同一アドレスのデータの差分をとると
、その差分信号は、Ｔ分間の切羽２２の温度変化量を示
す。

減算回路３２から出力される差分信号を画像メモリ３４
に一旦収容する。そして、温度変化量を視覚的に表示す
るために、メモリ３４の内容をＤ／Ａ変換器３６でアナ
ログ信号に変換し、映像化回路３８がその温度差を視覚
的観察に適した色彩又は濃淡の相違に変換する。従って
、検査者は、テレビジョン装置４０により視覚的に、所
定以上の温度変化、即ち異常発生部分を確認できる。

第３図は、トンネル掘削で悪い地山に遭遇し、作業の交
代時に切羽の崩壊を防ぐために切羽面にモルタルを吹き
付けた状態の測定結果及びそのモルタル除去後の測定結
果を示す。切羽面の温度は２１〜２２℃、切羽付近の空
気温度は２５℃であった。第３図で周辺の円弧状部分は
Ｈ型鋼による支保工であり、一般にほぼ空気温度である
。第３図（ａｌはモルタル吹付状態での、ビデオ・カメ
ラ２０による撮影映像そのもの、つまり温度分布を示し
、第３図（ｂ）は、他山が崩れつつあるときの約８分経
過時の温度差分布を示す。また第３図（Ｃ）は、その後
に切羽のモルタルを削除した状態での約８分間の温度差
分布を示す。

第３図（ａ）では、円弧状部分の温度は約２６℃であり
、地盤付近では約２３〜２４℃であり、円弧の直下部で
は約２１〜２２℃と低かった。モルタルを吹き付けた状
態でも、切羽の上方部で温度が低いのは、温度の低い他
山の影響である。

第３図（′ｂ）では、切羽面での温度は全体的には上昇
傾向であったが、モルタルの吹付に関わらず、地山の変
形により支保工部分が移動した結果、円弧状部分が二重
になっている。また、地山の温度が低いことから、内側
よりも外側の円弧状部分がマイナス側に大きく変化して
いる。床近辺では部分的に温度が大きく低下しているが
、これは、土く圧縮されていることにほかならない。

その後、切羽のモルタルを除去し、更に８分間隔での温
度差を計測した結果が第３図（Ｃ）である。

この場合にも、地山の崩れにより支保工相応部分に相当
する円弧が二重になっているが、切羽が空気に曝されて
いる自由面（モルタルを吹き付けていない面）を持つ時
間が長いため、地山からの圧縮応力をより強く受け、円
弧状部分の温度はプラスに変化している。床に近い切羽
下部では、土砂（特に、含水土砂）の移動により第３図
（ｂ）と同様に温度が低下している。他山の崩れが進み
、切羽の中央部分で引張力が作用したためと推測される
が、温度がプラス側に変化している部分も観測された。

硫化鉄の空気酸化による発熱反応の可能性もある。どち
らにしても、地山の異常であり、安全上及び施工上、注
意が必要である。

地山の移動量を定量的に測定するためには、熱赤外線ビ
デオ・カメラを固定しておくことは勿論、切羽面の三層
に５ｃｍ角程度のアルミ箔を鋲で止めて標識とし、カメ
ラとその標識との間の距離を正確に測定しておけばよい
。

第１図の実施例では、スイッチ２６の切換により異なる
時点での温度データをそれぞれ画像メモリ２８．３０に
収容したが、第２図に示すように、スイッチ２６の代わ
りに遅延装置５０を利用してもよい。この場合には、遅
延装置５０の遅延時間によって規定される温度差分布を
テレビジョン装置４０で連続的に観察できる。この遅延
装置５０の遅延時間は制御回路２７により調節自在であ
るのが好ましい。また、画像メモリ２８には検査スター
ト時のビデオ・カメラ２０からの画像データ（温度デー
タ）を収容し、他方の画像メモリ３０には画像データを
継続的に収容し、減算回路３２が画像メモリ２８．３０
のデータの差分を継続的又は断続的に計算するようにし
てもよい。

その他に、公知の静止画伝送システムを利用し、ビデオ
・カメラ２０から逐次送出される静止画を交互に画像メ
モリ２８．３０に収容するようにし、時間的前後関係を
考慮しつつ減算回路３２で差分を採る方法を採用しても
よい。

切羽面に圧縮変形が進行すると、土砂移動（特に、含水
土砂）の移動や水の浸出により、その部分での温度上昇
が小さくなるか、時には温度が減少することがある。こ
のような状況が切羽面に見られる時は、掘削の進捗につ
れて他山が悪化すると考えられる。また、他山が悪（な
ると、切羽の上下部での圧縮現象だけではなく、中央部
分に押し出し現象も起こる。この部分では含水率が下が
るので、温度が上昇し易（なる。従って、温度の低下と
上昇とが生じている切羽は、撹乱地帯である可能性が高
く、掘削に伴う地山の悪化に充分の配慮が必要である。

悪い地山では、作業交代時での切羽の崩れを防止するた
めに切羽のモルタルが吹き付けられるが、切羽の安定度
が充分か否かの判定は、従来、吹付後のモルタル変位量
を観測する以外に方法が無かったが、本発明により時系
列的に、温度変化を測定し、その温度変化の切羽面での
差異が０．５℃以内であれば、安定と判断できる。仮に
２℃以上の差異があれば極めて危険である。

地層の間隙水には土被り厚さをｈ　（ｍ）とすると０．
　１　ｈ　（ｋｇ／ｃｄ）の静水圧が加わっているので
、土被り圧の大きなトンネルでの帯水層や破砕帯からの
出水は相当な量になる。掘削が出水層に近づくと、そこ
に含まれる低温の水が切羽面温度に影響し、全面的な温
度の低下、又は砂質部分と泥質部分とを比較すると砂質
部分での温度の低下に繋がる。こうした現象は、切羽の
進行に連れ顕著になるので、切羽面の温度分布変化を時
系列的に計測することにより、出水の予測も可能になる
。

炭田地域で土被り圧の大きなトンネルを掘削するとき、
免圧圏内の炭層から切羽を突き破ってメ畳タンガスが噴出してくることがある。このガス圧は上記
静水圧に相当する値を持っており、時には炭層を粉炭化
し、これを伴って噴出してくる。この高圧ガス貯溜層に
切羽が近づくと、漏れ出してくるガスが断熱膨張を起こ
し、切羽面温度を極端に低下させる。切羽面温度は、切
羽にできる小さな剪断面に沿って異常に低くなる。

盆地性堆積物層には、鉱化地帯に見られるような結晶性
の物ではなく、非晶質の硫化物が含まれることがある。

この成分は硫化鉄（Ｆ　ｅ　Ｓ）であることが多く、容
易に空気酸化して硫酸と酸化鉄を作る。この硫酸は支保
工やコンクリートを腐蝕させたり、岩塊をボロボロの状
態にするので、この存在を早期に検知できるのが好まし
い。硫化鉄が酸化して硫酸ができると、この硫酸が空気
中の水蒸気を吸収し、切羽面をベトベトの状態にする。

この酸化は当初、発熱反応で進行するので、切羽面での
異常な温度上昇をもたらす。従って、これも本発明によ
り容易に発見できる。

切羽では、地層中の高圧水や高圧ガス、掘削に伴う剪断
応力等により肉眼では認識できないような微小変位が生
じる。しかもこの変位は不連続状になっており、パター
ン又は分布としてこれを識別するのは極めて困難である
。しかし切羽面温度を時系列的に観測し、画像処理技術
によりその時間温度差を算出することで、微小な変位を
視覚化又は数値化でき、更にはパターンとしての認識も
可能になる。変位量の測定のためには、小さなアルミ箔
等を切羽面の各所に貼っておくのも効果的である。図示
例では、異なる時点での面状温度信号の差分をとったが
、このような差分値は、悪い地山、切羽面安定化のため
の吹付モルタル、脆弱性地盤の検査等の施工管理に有効
であるが、他方、例えば地下水の出水予測とか可燃性ガ
スの噴出予測等のように大きな温度変化が予想されるよ
うな場合のためには、その比率をとってもよい。

以上ではトンネルの切羽面を例にとって説明したが、本
発明は勿論、工事中のトンネル側面の検査にも用いるこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から容易に理解出来るように、本発明によれ
ば、他山の状況を迅速且つ簡単に知ることができ、従っ
て、トンネル掘削時等の工事条件をその他山の状況に応
じた適切なものに調整でき、工事の安全管理上及び施工
管理上の利点には著しいものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る検査装置の概略プロッタ図、第２
図はその変形例の部分構成図、第３図は実際の測定例を
示す図、第４図はナトムエ法の説明図である。１０−・−掘削内面　１２−・コンクリート　１４・・
・・ロック・ボルト　１６・−鋼アーチ部材（支保工）
２０・・・・赤外線ビデオ・カメラ　２２・・・−切羽
面　２４・・−Ａ／Ｄ変換器　２６−切換スイッチ　２
８゜３０−・・・画像メモリ　３２−減算回路　３４−
画像メモリ　３６・・−・Ｄ／Ａ変換器　３８−・映像
化回路４Ｑ、４Ｂ−テレビジョン装置　４２・−補助記
憶装置　４４−・−ＸＹプロフタ　４６−ビデオ・テー
プ・レコーダ　５０・・−遅延装置Ａ（ａ）　　　　　　　　　　　（ｂ）第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）地山面から輻射される熱赤外線を熱赤外線カメラ
で撮影し、異なる時点の当該カメラによる輻射熱赤外線
量分布データの比較をすることにより、当該地山を検査
することを特徴とする地山検査方法。
（２）前記比較が減算である特許請求の範囲第（１）項
に記載の方法。
（３）前記比較が除算である特許請求の範囲第（１）項
に記載の方法。
（４）地山面から輻射される熱赤外線を撮影する熱赤外
線カメラと、当該カメラによる輻射熱赤外線量分布デー
タを一時収容する少なくとも一つの一時メモリ手段と、
当該カメラからの異なる時点の輻射熱赤外線量分布デー
タの比較をする比較手段と、当該比較手段による比較結
果を出力する出力手段とからなることを特徴とする地山
検査装置。
（５）前記比較手段が減算回路である特許請求の範囲第
（４）項に記載の装置。
（６）前記比較手段が除算回路である特許請求の範囲第
（４）項に記載の装置。
（７）前記出力手段がディスプレイ装置である特許請求
の範囲第（４）項乃至第（６）項のいずれか１項に記載
の装置。
（８）前記出力手段がＸＹプロッタである特許請求の範
囲第（４）項乃至第（６）項のいずれか１項に記載の装
置。