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JP6418387B2 - Forward exploration method of tunnel face - Google Patents
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JP6418387B2 - Forward exploration method of tunnel face - Google Patents

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Description

本発明は、主として山岳トンネルの地山を掘削する際に採用されるトンネル切羽の前方探査方法に関する。   The present invention relates to a forward exploration method of a tunnel face that is mainly used when excavating a natural mountain of a mountain tunnel.

山岳トンネルを掘削するにあたり、切羽前方に拡がる地山の性状を適切かつ高い精度で把握することは、支保工及び補助工を含めた掘削工事全体を効率よくかつ安全に進めていく上で非常に重要である。 When excavating a mountain tunnel, grasping the nature of the natural ground spreading ahead of the face with appropriate and high accuracy is very important for efficiently and safely proceeding with the entire excavation work including supporting works and auxiliary works. is important.

トンネル切羽前方探査を行う技術として、ドリルジャンボ(パーカッション型削孔機)やノンコア先進ボーリングマシン(ロータリー・パーカッション型削孔機)を利用したノンコア削孔による穿孔探査が実用化されており、打撃ピストンで発生させた打撃エネルギーをロッドを介して先端の掘削ビットに伝達し、該ビットで岩盤を削孔することによって、削孔速度やフィード圧といった削孔時のパラメータを計測するとともに、該削孔時のパラメータを用いて削孔エネルギーの大きさを評価し、前方地山の良否を判断できるようになっている。   Drilling exploration by non-core drilling using drill jumbo (percussion drilling machine) and non-core advanced boring machine (rotary percussion drilling machine) has been put to practical use as a technology for exploring tunnel face front, and a striking piston The drilling energy generated in step 1 is transmitted to the excavation bit at the tip via a rod, and the rock is drilled with the bit, thereby measuring parameters during drilling such as drilling speed and feed pressure. The magnitude of drilling energy is evaluated using the time parameter, and the quality of the front ground can be judged.

特開2013−142659号公報JP 2013-142659 A 特開2001−249186号公報JP 2001-249186 A

しかしながら、切羽前方の地山探査は、断層などの脆弱層を対象とするだけでは不十分であって、掘削工事における安全性や作業効率の面では、湧水箇所の特定もきわめて重要であるところ、上述したノンコア削孔による穿孔探査は、前方地山に存在する脆弱層を予測することはできても、出水を起こさせることなく湧水箇所を予測することは困難であるという問題を生じていた。   However, exploration of natural ground in front of the face is not enough to target weak layers such as faults, and the location of springs is extremely important in terms of safety and work efficiency in excavation work. The above-mentioned drilling exploration by non-core drilling has a problem that it is difficult to predict a spring location without causing flooding even though a weak layer existing in the front ground can be predicted. It was.

ちなみに、湧水箇所の予測方法としては、水抜き先進ボーリングや地山の電気探査あるいは電磁探査が知られているが、前者の方法では、多くの費用と長時間のトンネル掘削中断を余儀なくされ、後者の方法では、十分な精度が確保できるには至っていない。   By the way, as for the prediction method of spring location, advanced boring without water, electric survey or electromagnetic survey of natural ground are known, but the former method forced a lot of cost and long tunnel excavation interruption, In the latter method, sufficient accuracy cannot be secured.

一方、TSP(Tunnel Seismic Prediction)、HSP(Horizontal Seismic Profiling)、反射トモグラフィー(TRT, True Reflection Tomography)といった弾性波の反射波を利用して切羽前方の探査を行う、いわゆる坑内弾性波探査も知られている(特許文献1,2)。   On the other hand, so-called underground seismic wave exploration is also known, which uses the reflected waves of elastic waves such as TSP (Tunnel Seismic Prediction), HSP (Horizontal Seismic Profiling), and reflection tomography (TRT) to detect the front of the face. (Patent Documents 1 and 2).

しかしながら、かかる坑内弾性波探査では、トンネル坑内に設置された起振点で起振した後、同じトンネル坑内に設置された受振点で反射波を受振することにより、トンネル切羽の前方地山に存在する反射面をある程度推定することができるものの、実際の地山の良否に対応する形で反射面を特定することは必ずしも容易ではない。   However, in such underground elastic wave exploration, after excitement at the excitation point installed in the tunnel mine, the reflected wave is received at the receiving point installed in the same tunnel mine, so that it exists in the ground in front of the tunnel face. Although it is possible to estimate the reflecting surface to some extent, it is not always easy to specify the reflecting surface in a form corresponding to the quality of the actual ground.

加えて、湧水場所を予測するという点では、ノンコア削孔による穿孔探査と同様、従来の坑内弾性波探査でもやはり困難であるという問題も生じていた。   In addition, in the point of predicting spring locations, there has also been a problem that conventional underground mine wave exploration is difficult as well as drilling exploration by non-core drilling.

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、トンネル切羽の前方地山に存在する反射面を、実際の地山の良否に対応する形で特定することが可能なトンネル切羽の前方探査方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and the front surface of the tunnel face that can identify the reflecting surface existing in the front ground of the tunnel face in a form corresponding to the quality of the actual ground. The purpose is to provide exploration methods.

また、本発明は、断層などの脆弱層のみならず、湧水箇所についてもその存在位置を予測可能なトンネル切羽の前方探査方法を提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide a forward exploration method for a tunnel face capable of predicting not only a weak layer such as a fault but also a spring location.

上記目的を達成するため、本発明に係るトンネル切羽の前方探査方法は請求項1に記載したように、トンネルの内面に設置された複数の起振手段を作動させ、該各起振手段によって前記トンネルを取り囲む地盤に伝播された弾性波を前記内面に設置された受振手段で反射波データとしてそれぞれ受振し、該反射波データを解析することにより、前記トンネルの切羽前方に拡がる地山を探査するトンネル切羽の前方探査方法において、
前記トンネル近傍における前記地盤内の弾性波速度を評価して基準弾性波速度とし、
前記反射波データと前記基準弾性波速度とを用いて前記地盤内の反射強度分布を作成し、
前記反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分してそれぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとし、
前記不均質ゾーンと前記均質ゾーンとの境界における反射強度を、前記切羽から見て前記不均質ゾーンから前記均質ゾーンへと変化する境界の場合には、波形極性が、軟質材料内を進んできた弾性波が硬質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出する一方、前記切羽から見て前記均質ゾーンから前記不均質ゾーンへと変化する境界の場合には、波形極性が、硬質材料内を進んできた弾性波が軟質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出し、
前記強度算出ステップで算出された各境界での反射強度を、反射係数と反射強度との間で得られている対応関係に照合することで、前記各境界での反射係数を求め、
前記各境界での反射係数を用いて前記不均質ゾーン及び前記均質ゾーンにおける弾性波速度を修正弾性波速度として算出し、
該修正弾性波速度を用いてトンネル軸線上での前記各境界の位置を修正するものである。
In order to achieve the above object, a tunnel face forward exploration method according to the present invention operates a plurality of vibration generating means installed on the inner surface of a tunnel, as described in claim 1, and The elastic wave propagated to the ground surrounding the tunnel is received as reflected wave data by the receiving means installed on the inner surface, and the reflected wave data is analyzed, thereby exploring a natural ground spreading in front of the face of the tunnel. In the forward exploration method of the tunnel face,
Evaluating the elastic wave velocity in the ground in the vicinity of the tunnel to be a reference elastic wave velocity,
Create a reflection intensity distribution in the ground using the reflected wave data and the reference elastic wave velocity,
The reflection intensity distribution is divided into a zone in which points with a large reflection intensity are densely distributed and a zone in which points with a large reflection intensity are not densely distributed, respectively, to be a heterogeneous zone and a homogeneous zone,
In the case of the boundary where the reflection intensity at the boundary between the inhomogeneous zone and the homogeneous zone changes from the inhomogeneous zone to the homogeneous zone as seen from the face, the waveform polarity has advanced in the soft material. In the case of a boundary that changes from the homogeneous zone to the inhomogeneous zone as viewed from the face, while calculating for only those that match the waveform polarity when the elastic wave reflects at the boundary with the hard material, The waveform polarity is calculated only for those that match the waveform polarity when the elastic wave that has traveled through the hard material is reflected at the boundary with the soft material,
By comparing the reflection intensity at each boundary calculated in the intensity calculation step with the corresponding relationship obtained between the reflection coefficient and the reflection intensity, the reflection coefficient at each boundary is obtained,
Using the reflection coefficient at each boundary, the elastic wave velocity in the inhomogeneous zone and the homogeneous zone is calculated as a modified elastic wave velocity,
The position of each boundary on the tunnel axis is corrected using the corrected elastic wave velocity.

また、本発明に係るトンネル切羽の前方探査方法は、前記修正弾性波速度のうち、P波速度Vp及びS波速度Vsを用いてそれらの比Vp/Vsを算出するものである。 Also, the forward exploration method of the tunnel face according to the present invention calculates the ratio V p / V s of the corrected elastic wave velocities using the P wave velocity V p and the S wave velocity V s. .

また、本発明に係るトンネル切羽の前方探査方法は、前記受振手段を互いに直交する3成分が計測できるように構成するとともに、該3成分のうち、1つが鉛直方向又はトンネル軸線に直交しかつ該トンネル軸線を含む鉛直面と平行になるように、残り2つがいずれもトンネル軸線と非平行になるように前記受振手段を配置したものである。   Also, the forward exploration method of the tunnel face according to the present invention is configured such that the vibration receiving means can measure three components orthogonal to each other, and one of the three components is orthogonal to the vertical direction or the tunnel axis and the The vibration receiving means is arranged so that the remaining two are not parallel to the tunnel axis so as to be parallel to the vertical plane including the tunnel axis.

従来から知られている坑内弾性波探査のうち、HSPは、石油開発などの資源探査が目的である関係上、水平成層地盤が対象になっているとともに、起振手段や受振手段の配列あるいは反射波の解析手順も、地盤が水平成層構造であることが前提となっているため、断層破砕帯や亀裂集中帯が縦横斜めに複雑に交錯する山岳地帯に適用することは本来的に難しい。   Among the well-known underground elastic wave exploration, HSP is intended for the exploration of resources such as oil exploration. The wave analysis procedure is also based on the assumption that the ground has a water stratified structure, so it is inherently difficult to apply it to mountainous areas where fault fracture zones and crack concentration zones are intricately crossed vertically and horizontally.

また、坑内弾性波探査は、山岳地帯への適用が可能であるものの、反射面が数多く得られる場合がほとんどであって、その場合、どの反射面が、良質な地山と断層破砕帯や亀裂集中帯との境界になるのか、実際には特定が困難である。   In addition, although mine seismic surveys can be applied to mountainous areas, there are many cases where a large number of reflective surfaces can be obtained. In practice, it is difficult to identify whether it is a boundary with a concentrated zone.

本出願人は、この点に着眼して研究開発を重ねたところ、反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分してそれぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとすることで、断層破砕帯や亀裂集中帯といった脆弱層をより適切に発見できるというあらたな知見を得るに至った。   The applicant has conducted research and development focusing on this point, and divides the reflection intensity distribution into zones where the points with high reflection intensity are densely distributed and zones where the points with high reflection intensity are not densely distributed. As a result, we have obtained new knowledge that fragile layers such as fault fracture zones and crack concentration zones can be found more appropriately by using heterogeneous zones and homogeneous zones, respectively.

すなわち、本発明に係るトンネル切羽の前方探査方法においては、トンネルの内面に設置された複数の起振手段を作動させ、該各起振手段によってトンネルを取り囲む地盤に伝播された弾性波を上述のトンネル内面に設置された受振手段で反射波データとしてそれぞれ受振し、該反射波データを解析することにより、トンネルの切羽前方に拡がる地山を探査するにあたり、まず、トンネル近傍における地盤内の弾性波速度を評価して基準弾性波速度とする。   That is, in the forward exploration method of the tunnel face according to the present invention, a plurality of vibration generators installed on the inner surface of the tunnel are operated, and the elastic waves propagated to the ground surrounding the tunnel by each of the vibration generators are described above. In order to explore the natural ground spreading in front of the tunnel face by receiving the reflected wave data by the receiving means installed on the inner surface of the tunnel and analyzing the reflected wave data, first, the elastic wave in the ground near the tunnel The velocity is evaluated and set as a reference elastic wave velocity.

基準弾性波速度は、各起振手段によって伝播された弾性波を直接波として受振手段で受振することで評価が可能である。   The reference elastic wave velocity can be evaluated by receiving the elastic wave propagated by each vibration generating means as a direct wave by the vibration receiving means.

次に、反射波データと基準弾性波速度とを用いて地盤内の反射強度分布を作成する。   Next, a reflection intensity distribution in the ground is created using the reflected wave data and the reference elastic wave velocity.

受振手段で受振された反射波は、受振手段が設置された位置と起振手段が設置された位置とをそれぞれ焦点とし、該反射波の伝播距離を各焦点からの距離の和とした楕円上のいずれかの地点で反射された波であり、伝播距離は、起振されてからの経過時間に基準弾性波速度を乗じて求めることができる。   The reflected wave received by the receiving means is on an ellipse with the focal point at the position where the receiving means is installed and the position where the exciting means is installed, and the propagation distance of the reflected wave is the sum of the distances from each focal point. The propagation distance can be obtained by multiplying the elapsed time from the vibration by the reference elastic wave velocity.

すなわち、弾性波が反射した可能性がある地点は、その反射波の時刻歴観測波形を用いてトンネル周囲に描かれた、互いに径が異なる多数の楕円上の位置として表すことが可能であり、さらに複数の起振手段からそれぞれ伝播された弾性波に対しても、同様に取り扱うことができる。   That is, the point where the elastic wave may have been reflected can be represented as a number of positions on an ellipse with different diameters drawn around the tunnel using the time history observation waveform of the reflected wave, Furthermore, it can handle similarly about the elastic wave each propagated from several excitation means.

したがって、トンネル周囲の地盤がメッシュ状あるいは格子状に分割された解析モデルを作成した上、各時刻における反射波の振幅を、反射強度を示す指標として、上述した解析モデルの格子点と楕円とが一致する箇所にスタック(重合)するとともに、このスタックを全ての起振手段について行うことにより、実際に反射が生じている地点に相当する格子点では、振幅が加算されて大きな値となり、実際に反射が生じていない地点に相当する格子点では、振幅が相殺されて小さな値となる反射強度分布が出来上がる。   Therefore, after creating an analysis model in which the ground around the tunnel is divided into a mesh or lattice, the amplitude of the reflected wave at each time is used as an index indicating the reflection intensity, and the lattice points and ellipses of the analysis model described above are By stacking (stacking) on the matching points and performing this stack for all the vibration generating means, at the lattice point corresponding to the point where the reflection actually occurs, the amplitude is added to become a large value. At a lattice point corresponding to a point where no reflection occurs, a reflection intensity distribution having a small value is obtained by canceling the amplitude.

なお、反射強度分布の作成手順自体は、坑内弾性波探査概念その他公知の技術によって実施可能であるので、より詳細な説明についてはここでは省略する。   The procedure for creating the reflection intensity distribution itself can be implemented by the underground elastic wave exploration concept and other known techniques, and a detailed description thereof will be omitted here.

次に、反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分し、それぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとする。   Next, the reflection intensity distribution is divided into a zone in which the points with high reflection intensity are densely distributed and a zone in which the points with high reflection intensity are not densely distributed.

上述したように、反射強度分布は、反射波の振幅が反射強度として各格子点に重合されたものであるが、本出願人が上述した反射波の解析を行いつつ、実際の地山状況を確認したところ、従来のように反射強度が大きな箇所の線状の連なりがそれぞれ反射面であるとして取り扱うよりも、反射強度の大きい箇所が密に分布するゾーン全体を断層破砕帯や亀裂集中帯とみなし、そうでないゾーンとの境界を地質的な反射面、すなわち岩相、風化変質帯、断層などの地質境界として取り扱った方が、実際の地山の良否により近いことがわかった。
また、従来技術、例えばTSPにおいては、反射強度の大きい反射面が数多く自動検出されるものの、反射面前後での弾性波速度を評価することは困難であるところ、本発明によれば、上述したゾーニングで得られた反射面を境界として弾性波速度の増減を行うことができるため、より精度の高い前方探査が可能になる。
As described above, the reflected intensity distribution is obtained by superimposing the amplitude of the reflected wave on each lattice point as the reflected intensity. As a result, it was confirmed that the entire zone where the areas with high reflection intensity are densely distributed is the fault crushing zone or the crack concentration zone, rather than treating the linear series of areas with high reflection intensity as the reflecting surfaces. It was found that it was closer to the quality of an actual natural ground to treat the boundary with a zone that was not so as a geological reflection surface, that is, a geological boundary such as a lithology, weathered alteration zone, or fault.
In addition, in the prior art, for example, TSP, although a large number of reflection surfaces with high reflection intensity are automatically detected, it is difficult to evaluate the elastic wave velocity before and after the reflection surface. Since the elastic wave velocity can be increased / decreased by using the reflecting surface obtained by zoning as a boundary, more accurate forward exploration becomes possible.

ここで、反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとは、反射強度の大きな地点は存在するがその密度が粗い場合、反射強度の小さな地点が密に分布しているに過ぎない場合、及び反射強度の小さな地点が粗い密度で存在しているに過ぎない場合(実質的な反射が観測されない場合も含む)を意味する。   Here, the zone where the reflection intensity points are not densely distributed is a zone where the reflection intensity is high but the density is rough, the points where the reflection intensity is low are only densely distributed, and It means a case where only a point having a low reflection intensity is present at a coarse density (including a case where no substantial reflection is observed).

次に、不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界における反射強度を以下のように算出する。すなわち、
(a)切羽から見て不均質ゾーンから均質ゾーンへと変化する境界の場合
波形極性が、軟質材料内を進んできた弾性波が硬質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出する
(b)切羽から見て均質ゾーンから不均質ゾーンへと変化する境界の場合
波形極性が、硬質材料内を進んできた弾性波が軟質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出する
例えば、(a)の場合、振幅の極性が正となる反射波だけを対象として、反射強度を算出し、(b)の場合、振幅の極性が負となる反射波だけを対象として、反射強度を算出する。反射強度は、例えば各境界における振幅値の平均という形で算出すればよい。
Next, the reflection intensity at the boundary between the heterogeneous zone and the homogeneous zone is calculated as follows. That is,
(a) When the boundary changes from the heterogeneous zone to the homogeneous zone when viewed from the face, the waveform polarity matches the waveform polarity when the elastic wave traveling in the soft material is reflected at the boundary with the hard material Calculate only for
(b) When the boundary changes from the homogeneous zone to the inhomogeneous zone as seen from the face, the waveform polarity matches the waveform polarity when the elastic wave traveling inside the hard material is reflected at the boundary with the soft material For example, in the case of (a), the reflection intensity is calculated only for the reflected wave whose amplitude polarity is positive, and in the case of (b), only the reflected wave whose amplitude polarity is negative is calculated. The reflection intensity is calculated for. The reflection intensity may be calculated, for example, in the form of an average of amplitude values at each boundary.

次に、上述のように算出された各境界での反射強度を、反射係数と反射強度との間で予め得られている対応関係に照合することで、各境界での反射係数を求める。   Next, the reflection coefficient at each boundary is obtained by collating the reflection intensity at each boundary calculated as described above with the correspondence previously obtained between the reflection coefficient and the reflection intensity.

反射係数は、境界を挟む2つの地盤構成材料の硬さの比に主として左右されるものであって、反射強度との間に必ずしも明確な対応関係は発見されていないが、起振手段のエネルギーや均質ゾーンと不均質ゾーンとを構成する各地盤構成材料が概ね一定の条件下であれば、他のトンネル現場で得られた反射係数と反射強度との対応関係を用いることが可能である。   The reflection coefficient mainly depends on the ratio of the hardness of the two ground constituent materials that sandwich the boundary, and no clear correspondence has been found between the reflection intensity and the energy of the vibration generating means. In addition, if the construction materials of each place constituting the homogeneous zone and the inhomogeneous zone are substantially constant, it is possible to use the correspondence relationship between the reflection coefficient and the reflection intensity obtained at other tunnel sites.

次に、各境界での反射係数を用いて不均質ゾーン及び均質ゾーンにおける弾性波速度を修正弾性波速度として算出する。算出手順は公知のものを採用することが可能であり、例えば石井吉徳による近似式を用いることができる。   Next, the elastic wave velocity in the inhomogeneous zone and the homogeneous zone is calculated as a corrected elastic wave velocity using the reflection coefficient at each boundary. As the calculation procedure, a known one can be adopted, and for example, an approximate expression by Yoshinori Ishii can be used.

次に、算出された修正弾性波速度を用いて、トンネル軸線上での各境界の位置を修正する。   Next, the position of each boundary on the tunnel axis is corrected using the calculated corrected elastic wave velocity.

上述の手順に従えば、トンネルの切羽前方に存在する脆弱層の位置を適切に予測することができるが、修正弾性波速度のうち、P波速度Vp及びS波速度Vsを用いてそれらの比Vp/Vsを算出するようにすれば、含水状態が高くなると、P波速度が影響を受けてその大きさが低下するため、Vp/Vsが極小値となる位置を湧水箇所として特定することができる。 If the procedure described above is followed, the position of the fragile layer existing in front of the face of the tunnel can be appropriately predicted. Among the modified elastic wave velocities, the P wave velocity V p and the S wave velocity V s are used. If the ratio V p / V s is calculated, if the water content increases, the P wave velocity will be affected and the magnitude will decrease, so that the position where V p / V s becomes the minimum value will be detected. It can be specified as a water spot.

そのため、トンネル掘削を中断することなくかつ水抜きボーリングのように湧水を発生させることなく、大規模湧水を事前予測するとともに、かかる予測を、排水濁水処理施設の増設や切羽の安定性確保あるいは水抜き導坑の準備といった事前対応に反映させることが可能となる。   For this reason, large-scale springs are predicted in advance without interrupting tunnel excavation and without generating springs like draining boring, and such predictions are added to ensure the addition of wastewater muddy water treatment facilities and the stability of the face. Or it becomes possible to reflect in prior measures, such as preparation of a water drainage shaft.

起振手段は、トンネル周囲の地盤に弾性波を伝播させることができる限り、具体的構成は任意であって、ハンマーによる叩き操作でもかまわないが、火薬による発破を起振手段とするのが典型例となる。   As long as the elastic means can propagate the elastic wave to the ground around the tunnel, the specific configuration is arbitrary, and a hammering operation may be performed, but blasting with explosives is typically used as the vibration means. An example.

受振手段は、反射波、場合によってはこれに加えて直接波を受振して波形データを得ることができるものであって、典型的には地震計、特に外形が円筒状をなす孔埋設型の地震センサーで構成することができるが、かかる受振手段を、互いに直交する3成分が計測できるように構成するとともに、該3成分のうち、1つが鉛直方向又はトンネル軸線に直交しかつ該トンネル軸線を含む鉛直面と平行になるように、残り2つがいずれもトンネル軸線と非平行になるように受振手段を配置したならば、切羽前方に位置する脆弱層や湧水箇所を適切に探査することができる。   The vibration receiving means can receive the waveform data by receiving a reflected wave, and in some cases, a direct wave in addition to this, and is typically a seismometer, particularly a hole-buried type whose outer shape is cylindrical. Although it can be constituted by an earthquake sensor, the vibration receiving means is constituted so that three components orthogonal to each other can be measured, and one of the three components is perpendicular to the vertical direction or the tunnel axis and the tunnel axis is If the vibration receiving means is arranged so that the other two are not parallel to the tunnel axis so that they are parallel to the vertical plane, it is possible to appropriately explore the vulnerable layer and springs located in front of the face. it can.

すなわち、受振手段及び複数の起振手段は、典型的にはトンネル軸線方向に沿ってトンネルの内壁に配列されるため、起振手段から受振手段までの伝播経路を考慮すればわかるように、トンネル軸線方向と平行な反射面は比較的探査されやすいが、トンネル軸線方向と非平行な反射面は、それが直角に近くなるほど探査されにくい。   That is, since the vibration receiving means and the plurality of vibration generating means are typically arranged on the inner wall of the tunnel along the tunnel axis direction, as can be understood by considering the propagation path from the vibration generating means to the vibration receiving means, A reflective surface parallel to the axial direction is relatively easy to search, but a reflective surface that is not parallel to the tunnel axial direction is less likely to be searched as it is closer to a right angle.

一方、トンネル掘削においては、切羽前方に存在する反射面、すなわちトンネル軸線と交差する反射面を探査できなければ意味がないため、トンネル軸線方向と非平行な反射面からの反射波をできるだけ高い感度で受振する必要がある。   On the other hand, in tunnel excavation, it is meaningless unless the reflection surface that exists in front of the face, that is, the reflection surface that intersects the tunnel axis, can be explored, so that the reflected wave from the reflection surface that is not parallel to the tunnel axis direction is as sensitive as possible. It is necessary to receive the vibration.

しかし、互いに直交するx,y,zの3成分を計測可能な孔埋設型の地震センサーを、材軸方向であるx方向が従来のようにトンネルの内壁に直交するように埋設した場合、トンネル軸線に対して斜めに延びる反射面から伝播する反射波は、x方向及びy方向と大きく交差するため、どうしてもS/N比が悪くなる。   However, when a hole-embedded seismic sensor capable of measuring three components x, y, and z orthogonal to each other is embedded so that the x direction, which is the material axis direction, is orthogonal to the inner wall of the tunnel as in the past, Since the reflected wave propagating from the reflecting surface extending obliquely with respect to the axis greatly intersects with the x direction and the y direction, the S / N ratio is inevitably deteriorated.

そこで、受振手段を上述したように配置すると、トンネル軸線に対して斜めに延びる反射面から伝播する反射波をx成分あるいはy成分でダイレクトに捉えることが可能となり、S/N比を高めることができる。   Therefore, when the vibration receiving means is arranged as described above, the reflected wave propagating from the reflection surface extending obliquely with respect to the tunnel axis can be directly captured by the x component or the y component, and the S / N ratio can be increased. it can.

本実施形態に係るトンネル切羽の前方探査方法の実施手順を示したフローチャート。The flowchart which showed the implementation procedure of the forward exploration method of the tunnel face which concerns on this embodiment. 火薬5及び地震計6a〜6eの配置図であり、(a)は平面図、(b)はA−A線に沿う横断面図。It is an arrangement plan of gunpowder 5 and seismographs 6a-6e, (a) is a top view and (b) is a transverse section which meets an AA line. 反射波に関する概念図であり、(a)は、地山内で反射した弾性波が反射波として地震計6dに到達する例を示した図、(b)は、解析モデルにおいて楕円と格子点との関係を示した図。It is a conceptual diagram regarding the reflected wave, (a) is a diagram showing an example in which the elastic wave reflected in the natural ground reaches the seismometer 6d as a reflected wave, (b) is an ellipse and lattice points in the analysis model The figure which showed the relationship. 反射強度分布の一例を示した図。The figure which showed an example of reflection intensity distribution. 反射強度分布を、均質ゾーンと不均質ゾーンとに区分するゾーニングを示した概念図。The conceptual diagram which showed the zoning which divides reflection intensity distribution into a homogeneous zone and a heterogeneous zone. 図4の反射強度分布をゾーニングした結果を示した図であり、(a)は全体図、(b)は左上部分の拡大図。It is the figure which showed the result of zoning the reflection intensity distribution of FIG. 4, (a) is a general view, (b) is an enlarged view of the upper left part. 不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界における反射強度を算出している様子を示した図。The figure which showed a mode that the reflection intensity in the boundary of a heterogeneous zone and a homogeneous zone was calculated. p/Vsを描いたグラフ。A graph depicting V p / V s .

以下、本発明に係るトンネル切羽の前方探査方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a tunnel face forward exploration method according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1は、本実施形態に係るトンネル切羽の前方探査方法の実施手順を示したフローチャートである。本実施形態に係るトンネル切羽の前方探査方法は図2に示すように、トンネル1の中空空間2に露出する切羽3の前方地山を探査する際に適用されるものであり、上記前方探査を行うにはまず、同図に示すように、トンネル1の内壁4を例えば高さが1m、深さが1.5mとなるように水平削孔して装薬孔を形成し、該装薬孔に起振手段を構成する火薬5を装填するとともに、内壁4及び切羽3を、高さが2m、深さが1.5mとなるように同様に水平削孔し、該孔内に地震計6a〜6eを埋設する(ステップ101)。   FIG. 1 is a flowchart showing an implementation procedure of a forward search method for a tunnel face according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the forward exploration method of the tunnel face according to the present embodiment is applied when exploring the front ground of the face 3 exposed in the hollow space 2 of the tunnel 1. First, as shown in the figure, the inner wall 4 of the tunnel 1 is horizontally drilled so as to have a height of 1 m and a depth of 1.5 m, for example. The explosive 5 constituting the vibration generating means is loaded on the inner wall 4 and the face 3 in the same manner so that the height is 2 m and the depth is 1.5 m, and the seismometer 6 a is placed in the hole. ~ 6e are buried (step 101).

火薬5は、例えば計20〜30の個数となるよう、50m程度の長さにわたって等ピッチで配置すればよい。   The explosives 5 may be arranged at an equal pitch over a length of about 50 m, for example, so that the total number is 20 to 30.

地震計6a〜6eは、互いに直交する3成分が計測できるように構成された円筒状の地震センサーでそれぞれ構成してあり、材軸方向であるx方向がトンネル軸線と平行になるように切羽3に設置された地震計6aと、火薬5が配置された側と同じ側の内壁4に設置された地震計6b〜6eとからなる。   The seismometers 6a to 6e are each composed of a cylindrical seismic sensor configured to measure three components orthogonal to each other, and the face 3 so that the x direction as the material axis direction is parallel to the tunnel axis. And the seismometers 6b to 6e installed on the inner wall 4 on the same side as the side on which the explosive 5 is disposed.

ここで、地震計6eは、x方向が内壁4に直交するように配置してあるが、地震計6b〜6dは、火薬5を起爆することで地盤内に発生した弾性波の反射波が伝播してくる方向を考慮し、x方向及びy方向がトンネル軸線方向と45゜をなすように配置してある。なお、z方向は、すべての地震計6a〜6eで鉛直下方に位置決めしてある。   Here, the seismometer 6e is arranged so that the x direction is orthogonal to the inner wall 4. However, the seismometers 6b to 6d propagate reflected waves of elastic waves generated in the ground by detonating the gunpowder 5. In consideration of the coming direction, the x direction and the y direction are arranged to form 45 ° with the tunnel axis direction. In the z direction, all the seismometers 6a to 6e are positioned vertically downward.

次に、火薬5を起爆するとともに、該起爆によって発生した弾性波を地震計6a〜6eで受振する(ステップ102)。   Next, the explosive 5 is detonated, and the elastic waves generated by the detonation are received by the seismometers 6a to 6e (step 102).

次に、地震計6a〜6eで受振した観測波形を分析することにより、トンネル1近傍における地盤内の弾性波速度を算出して基準弾性波速度V0とする(ステップ103)。 Next, by analyzing the observation waveforms received by the seismometers 6a to 6e, the elastic wave velocity in the ground in the vicinity of the tunnel 1 is calculated and set as the reference elastic wave velocity V 0 (step 103).

基準弾性波速度V0は、上述した観測波形のうち、火薬5の装填位置から直接伝播してきた波、すなわち直接波を用いて算出する。 The reference elastic wave velocity V 0 is calculated using a wave directly propagating from the loading position of the explosive 5 among the observed waveforms described above, that is, a direct wave.

次に、火薬5の起爆で発生した弾性波のうち、地山内で反射してきた反射波を地震計6a〜6eの観測波形から取り出し、これら反射波データと上述した基準弾性波速度V0とを用いて、地盤内の反射強度分布を作成する(ステップ104)。 Next, out of the elastic waves generated by the explosion of the explosive 5, the reflected waves reflected in the ground are taken out from the observed waveforms of the seismometers 6 a to 6 e, and these reflected wave data and the above-mentioned reference elastic wave velocity V 0 are obtained. Using this, a reflection intensity distribution in the ground is created (step 104).

図3(a)は、火薬5の起爆で発生した弾性波が地山内で反射し、反射波として地震計6dに到達する例を示した概念図である。同図に示すように、地震計6dで受振された反射波は、該地震計が設置された位置と火薬5が装填された位置とをそれぞれ焦点とし、該反射波の伝播距離Lを各焦点からの距離の和とした楕円32上のいずれかの地点で反射された波であり、伝播距離Lは、起振されてからの経過時間Tに基準弾性波速度V0を乗じた値、T・V0として求めることができる。 FIG. 3A is a conceptual diagram showing an example in which the elastic wave generated by the explosive of the gunpowder 5 is reflected in the natural ground and reaches the seismometer 6d as a reflected wave. As shown in the figure, the reflected wave received by the seismometer 6d is focused on the position where the seismometer is installed and the position where the gunpowder 5 is loaded, and the propagation distance L of the reflected wave is the focus. Is a wave reflected at any point on the ellipse 32 as the sum of the distances from, and the propagation distance L is a value obtained by multiplying the elapsed time T after the vibration by the reference elastic wave velocity V 0 , T -It can be calculated as V0.

すなわち、弾性波が反射した可能性がある地点は、地震計6dで受振された反射波の時刻歴観測波形31を用いてトンネル1周囲に描かれた、互いに径が異なる多数の楕円32上の位置として表すことができる。   That is, the point where the elastic wave may be reflected is on a large number of ellipses 32 having different diameters drawn around the tunnel 1 using the time history observation waveform 31 of the reflected wave received by the seismometer 6d. It can be expressed as a position.

そして、上述の取り扱いは、他の火薬5による起振についても同様に成り立つ。   And the above-mentioned handling is similarly realized about the vibration by the other explosives 5. FIG.

したがって、同図(b)のように、トンネル1周囲の地盤がメッシュ状あるいは格子状に分割された解析モデル33を作成した上、各時刻における反射波の振幅を、反射強度を示す指標として、上述した楕円32上に一致する格子点にスタック(重合)するとともに、このスタックを全ての火薬5による起振について行うことにより、実際に反射が生じている地点に相当する格子点では、振幅が加算されて大きな値となり、実際に反射が生じていない地点に相当する格子点では、振幅が相殺されて小さな値となる反射強度分布が出来上がる。   Therefore, as shown in FIG. 5B, the analysis model 33 in which the ground around the tunnel 1 is divided into a mesh shape or a lattice shape is created, and the amplitude of the reflected wave at each time is used as an index indicating the reflection intensity. By stacking (stacking) on the lattice points that coincide on the ellipse 32 described above, and performing this stack on the vibrations of all the gunpowder 5, the amplitude at the lattice point corresponding to the point where the reflection actually occurs is increased. When added, a large value is obtained, and at a lattice point corresponding to a point where no reflection actually occurs, a reflection intensity distribution having a small value is obtained by canceling the amplitude.

解析モデルの格子寸法については、弾性波速度が3,000m/s、振動数が300Hzとすると、波長が10mになることから、該格子寸法を2m程度に設定すれば、反射強度分布を十分な精度で作成することが可能である。   As for the lattice size of the analysis model, when the elastic wave velocity is 3,000 m / s and the frequency is 300 Hz, the wavelength is 10 m. Therefore, if the lattice size is set to about 2 m, the reflection intensity distribution is sufficient. It is possible to create with accuracy.

図4は、反射強度分布の一例を示したものであって、同図の例では、切羽3に設置された地震計6aのx方向(同図矢印方向)に沿った振幅値を、正が濃色、負が淡色となるように描いてあり、トンネル1の掘削方向は、向かって左方向になっている。なお、本実施形態では、図面の便宜上、正が濃色、負が淡色となるように描いたが、例えば正が黒、負が赤となるようにカラー表示すれば、振幅値の正負を明確に視認することができる。   FIG. 4 shows an example of the reflection intensity distribution. In the example of FIG. 4, the amplitude value along the x direction (arrow direction) of the seismometer 6a installed on the face 3 is positive. It is drawn so that the dark color and the negative color are light, and the excavation direction of the tunnel 1 is leftward. In the present embodiment, for the sake of convenience of drawing, the positive value is drawn in dark color and the negative value is drawn in light color. However, for example, if the color display is made so that positive is black and negative is red, the positive / negative of the amplitude value is clear. Can be visually recognized.

次に、反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分し、それぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとする(ステップ105)。   Next, the reflection intensity distribution is divided into a zone where the points having a large reflection intensity are densely distributed and a zone where the points having a large reflection intensity are not densely distributed, which are defined as a heterogeneous zone and a homogeneous zone, respectively (step 105).

図5は、このようなゾーニングを概念図で示したものであり、均質ゾーンを図形51で、不均質ゾーンを図形52でそれぞれ示してある。また、図6(a)は、図4で説明した反射強度分布に対し、上述のゾーニングを適用した結果を示したものであり、同図(b)は、同図(a)の左上部分を拡大したものである。   FIG. 5 is a conceptual diagram showing such zoning, in which the homogeneous zone is indicated by a graphic 51 and the inhomogeneous zone is indicated by a graphic 52. FIG. 6 (a) shows the result of applying the above zoning to the reflection intensity distribution described in FIG. 4, and FIG. 6 (b) shows the upper left part of FIG. 6 (a). It is an enlarged one.

図6(b)でよくわかるように、ステップ104で作成された反射強度分布においては、反射強度の大きな地点を示すプロットが密に集まっているゾーンと、そのようなプロットがほとんど存在しない空白のゾーンとが互い違いに存在しており、前者を不均質ゾーン、後者を均質ゾーンとする。   As can be seen well in FIG. 6 (b), in the reflection intensity distribution created in step 104, there is a zone in which plots indicating points having a high reflection intensity are gathered densely and a blank where there is almost no such plot. Zones exist alternately, and the former is a heterogeneous zone and the latter is a homogeneous zone.

上述したように、反射強度分布は、反射波の振幅が反射強度として各格子点に重合されたものであるが、従来のように、反射強度が大きな箇所の線状の連なり、図6(b)で言えば、左下から右上に向かって延びる線状の連なりがそれぞれ反射面であるとして取り扱うのではなく、本実施形態では、同図(b)にも記したように、反射強度の大きい箇所が密に分布するゾーン全体を断層破砕帯や亀裂集中帯と考えてこれを不均質ゾーンとするとともに、反射強度の大きい箇所を示すプロットがほとんど存在しない空白のゾーンを均質ゾーンとし、これらの境界を、岩相、風化変質帯、断層などの地質境界として取り扱う。   As described above, the reflection intensity distribution is obtained by superimposing the amplitude of the reflected wave on each lattice point as a reflection intensity. In this embodiment, as shown in FIG. 5 (b), the linear series extending from the lower left to the upper right is not treated as a reflecting surface. The entire zone with dense distribution is considered as a fault fracture zone or a crack concentration zone, and this zone is set as a heterogeneous zone, and a blank zone where there is almost no plot showing a portion with high reflection intensity is set as a homogeneous zone. Are treated as geological boundaries such as lithofacies, weathered alteration zones, and faults.

均質ゾーンであるのか不均質ゾーンであるのかは、例えば反射強度分布を画像処理で二値化することにより、反射強度が大きな箇所であるプロットを黒画素に変換し、次いで、全画素数に対する黒画素の数の比率を算出して適当な閾値と比較照合することで判定が可能である。   Whether the zone is a homogeneous zone or a non-homogeneous zone is determined by, for example, binarizing the reflection intensity distribution by image processing to convert a plot where the reflection intensity is large into black pixels, and then black pixels for the total number of pixels. Determination can be made by calculating the ratio of the number of pixels and comparing and comparing with an appropriate threshold value.

次に、図7に示すように不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界における反射強度を以下のように算出する(ステップ106)。   Next, as shown in FIG. 7, the reflection intensity at the boundary between the heterogeneous zone and the homogeneous zone is calculated as follows (step 106).

具体的には、
(a)切羽3から見て不均質ゾーンから均質ゾーンへと変化する境界の場合には、該境界付近に存在するプロットの反射強度のうち、波形極性が、軟質材料内を進んできた弾性波が硬質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象とし、これらの平均値を算出する。
(b)切羽3から見て均質ゾーンから不均質ゾーンへと変化する境界の場合には、該境界付近に存在するプロットの反射強度のうち、波形極性が、硬質材料内を進んできた弾性波が軟質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象とし、これらの平均値を算出する。
In particular,
(a) In the case of a boundary that changes from the inhomogeneous zone to the homogeneous zone as seen from the face 3, the elastic wave whose waveform polarity has propagated through the soft material out of the reflected intensity of the plot existing near the boundary. Only those that match the waveform polarity when reflecting at the boundary with the hard material are calculated, and the average value thereof is calculated.
(b) In the case of a boundary that changes from the homogeneous zone to the heterogeneous zone as seen from the face 3, the elastic wave whose waveform polarity has traveled through the hard material out of the reflection intensity of the plot existing near the boundary. Only those that match the waveform polarity when reflecting at the boundary with the soft material are calculated, and the average value thereof is calculated.

例えば、(a)の場合、振幅の極性が正となる反射波だけを対象として、反射強度の平均値を算出し、(b)の場合、振幅の極性が負となる反射波だけを対象として、反射強度の平均値を算出する。   For example, in the case of (a), the average value of the reflection intensity is calculated only for the reflected wave whose amplitude polarity is positive, and in the case of (b), only the reflected wave whose amplitude polarity is negative is targeted. The average value of the reflection intensity is calculated.

次に、上述のように算出された各境界での反射強度を、反射係数と反射強度との間で予め得られている対応関係に照合することにより、各境界での反射係数を求める(ステップ107)。   Next, the reflection coefficient at each boundary is obtained by collating the reflection intensity at each boundary calculated as described above with the correspondence obtained in advance between the reflection coefficient and the reflection intensity (step 107).

反射係数と反射強度との間には、必ずしも明確な対応関係は発見されていないが、火薬5による起振のエネルギーや均質ゾーンと不均質ゾーンとを構成する各地盤構成材料が概ね一定の条件下であれば、他のトンネル現場で得られた反射係数と反射強度との対応関係を用いることができる。   A clear correspondence between the reflection coefficient and the reflection intensity is not necessarily found, but the condition of the energy of the vibration by the gunpowder 5 and the constituent materials of each board constituting the homogeneous zone and the heterogeneous zone are almost constant. If it is below, the correspondence between the reflection coefficient and the reflection intensity obtained at another tunnel site can be used.

次に、各境界での反射係数を用いて不均質ゾーン及び均質ゾーンにおける弾性波速度を修正弾性波速度として算出する(ステップ108)。   Next, the elastic wave velocity in the inhomogeneous zone and the homogeneous zone is calculated as a corrected elastic wave velocity using the reflection coefficient at each boundary (step 108).

算出手順は公知のものを採用することが可能であり、例えば石井吉徳による近似式を用いることができる。   As the calculation procedure, a known one can be adopted, and for example, an approximate expression by Yoshinori Ishii can be used.

一方、ステップ105で求めた不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界をトンネル軸線方向に延長することで、トンネル軸線上における不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界位置を求めておく(ステップ109)。   On the other hand, the boundary position between the heterogeneous zone and the homogeneous zone on the tunnel axis is obtained by extending the boundary between the heterogeneous zone and the homogeneous zone obtained at step 105 in the tunnel axis direction (step 109).

具体的には、図6(a)に示したように、ステップ105で求めた不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界における楕円の接線をトンネル軸線方向に延長し、該トンネル軸線との交差箇所(同図では正方形状のプロット)を、トンネル軸線上における不均質ゾーンと均質ゾーンとの境界位置とすればよい。   Specifically, as shown in FIG. 6 (a), the tangent line of the ellipse at the boundary between the inhomogeneous zone and the homogeneous zone obtained in step 105 is extended in the tunnel axis direction, and the intersection with the tunnel axis line ( In the same figure, a square-shaped plot) may be a boundary position between the heterogeneous zone and the homogeneous zone on the tunnel axis.

次に、ステップ108で算出された修正弾性波速度を用いて、ステップ109で得られたトンネル軸線上での各境界の位置を修正する(ステップ110)。   Next, the position of each boundary on the tunnel axis obtained in step 109 is corrected using the corrected elastic wave velocity calculated in step 108 (step 110).

各境界位置を修正するにあたっては、まず、当初のディフラクションスタック解析の解析図を用いて、切羽3から最初の反射面までの区間長をD1として読み取り、次に、次式、
i = (1+2r1)(1+2r2)・・・・・(1+2r(i−1)) D′i
ここで、
i:i番目の反射面から(i−1)番目の反射面までの区間長
D′i:当初のディフラクションスタック解析の解析図から読図されるi番目の反射面から(i−1)番目の反射面までの区間長
i:i番目の反射面の反射係数
i:i番目の反射面から(i−1)番目の反射面までの波の伝搬時間
から、Diを順次求め、最後に、これらを次式、
ΣDi=D1 +D2 + ・・・・Di
のように総和することで、切羽からi番目の反射面までの距離を求めればよい。
In correcting each boundary position, first, using the analysis diagram of the initial diffraction stack analysis, the section length from the face 3 to the first reflecting surface is read as D 1 ,
D i = (1 + 2r 1 ) (1 + 2r 2 ) (1 + 2r (i−1) ) D ′ i
here,
D i : section length from the i-th reflecting surface to the (i−1) -th reflecting surface
D ′ i : Section length from the i-th reflection surface to the (i−1) -th reflection surface read from the analysis diagram of the original diffraction stack analysis
r i : reflection coefficient of the i-th reflecting surface
t i : Wave propagation time from the i-th reflecting surface to the (i−1) -th reflecting surface
Then, D i is obtained sequentially, and finally, these are expressed by the following equation:
ΣD i = D 1 + D 2 +... D i
By summing up like this, the distance from the face to the i-th reflecting surface may be obtained.

以上説明したように、本実施形態に係るトンネル切羽の前方探査方法によれば、反射波の解析によって得られた反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分してそれぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとし、それらの境界を地質的な反射面として取り扱うことにより、切羽3の前方地山に存在する反射面を、実際の地山の良否に対応する形で特定することが可能となる。   As described above, according to the forward exploration method of the tunnel face according to the present embodiment, the reflection intensity distribution obtained by the analysis of the reflected wave is divided into the zone where the points where the reflection intensity is high and the reflection intensity are large. By dividing the points into zones where the points are not densely distributed and forming the inhomogeneous zone and the homogeneous zone, respectively, and treating the boundary as a geological reflecting surface, the reflecting surface existing in the front ground of the face 3 is It becomes possible to specify in a form corresponding to the quality of natural ground.

また、本実施形態に係るトンネル切羽の前方探査方法によれば、地震計6b〜6dを、火薬5を起爆することで地盤内に発生した弾性波の反射波が伝播してくる方向を考慮し、x方向及びy方向がトンネル軸線方向と45゜をなすように配置したので、切羽前方に位置する脆弱層を適切に探査することができる。   Moreover, according to the forward exploration method of the tunnel face according to the present embodiment, the seismometers 6b to 6d take into account the direction in which the reflected wave of the elastic wave generated in the ground by propelling the gunpowder 5 propagates. Since the x direction and the y direction form 45 ° with the tunnel axis direction, the fragile layer located in front of the face can be appropriately probed.

すなわち、材軸方向であるx方向が従来のようにトンネル1の内壁4に直交するように埋設した場合、トンネル軸線に対して斜めに延びる反射面から伝播する反射波は、x方向及びy方向と大きく交差するため、どうしてもS/N比が悪くなるが、上述のように構成したならば、トンネル軸線に対して斜めに延びる反射面から伝播する反射波をx成分あるいはy成分でダイレクトに捉えることが可能となり、S/N比を大幅に高めることが可能となる。   That is, when the material is embedded so that the x direction, which is the material axis direction, is orthogonal to the inner wall 4 of the tunnel 1 as in the prior art, the reflected wave propagating from the reflecting surface extending obliquely with respect to the tunnel axis is the x direction and the y direction. However, the S / N ratio is inevitably deteriorated because it intersects greatly with the above, but if configured as described above, the reflected wave propagating from the reflecting surface extending obliquely with respect to the tunnel axis is directly captured by the x component or the y component. And the S / N ratio can be greatly increased.

本実施形態では特に言及しなかったが、修正弾性波速度のうち、P波速度Vp及びS波速度Vsを用いてそれらの比Vp/Vsを算出するようにしてもよい。 Although not specifically mentioned in the present embodiment, the ratio V p / V s may be calculated using the P wave velocity V p and the S wave velocity V s among the corrected elastic wave velocities.

図8は、算出されたVp/Vsを描いたグラフである。P波速度Vp及びS波速度Vsについては、トンネル軸直交方向に対して斜めとなる方向のうち、火薬5及び地震計6a〜6eが設置された側からの方向(以下、斜め正面方向)から到来する反射波の場合、地震計6b,6dのx軸成分と地震計6cのy軸成分で観測される波形は主としてP波であり、地震計6b,6dのy軸成分と地震計6cのx軸成分で観測される波形は主としてS波である場合が多く、トンネル軸直交方向に対して斜めとなる方向のうち、火薬5及び地震計6a〜6eが設置された側と反対の側からの方向(以下、斜め背面方向)から到来する反射波の場合、地震計6b,6dのx軸成分と地震計6cのy軸成分で観測される波形は主としてS波であり、地震計6b,6dのy軸成分と地震計6cのx軸成分で観測される波形は主としてP波である場合が多いため、反射波の到来方向を考慮しつつ、それぞれの成分ごとに観測波形を分析することで、P波速度Vp及びS波速度Vsを得ることが可能である。 FIG. 8 is a graph depicting the calculated V p / V s . About the P wave velocity V p and the S wave velocity V s , the direction from the side where the gunpowder 5 and the seismometers 6a to 6e are installed among the directions oblique to the tunnel axis orthogonal direction (hereinafter referred to as an oblique front direction). In the case of the reflected wave arriving from the seismometers 6b and 6d, the waveform observed by the x-axis component of the seismometers 6b and 6d and the y-axis component of the seismometer 6c are mainly P-waves. In many cases, the waveform observed in the x-axis component of 6c is mainly an S-wave, and is opposite to the side where the gunpowder 5 and the seismometers 6a to 6e are installed in the direction oblique to the tunnel axis orthogonal direction. In the case of a reflected wave coming from the direction from the side (hereinafter referred to as an oblique back direction), the waveforms observed in the x-axis component of the seismometers 6b and 6d and the y-axis component of the seismometer 6c are mainly S waves. Observed with the y-axis component of 6b and 6d and the x-axis component of seismometer 6c In many cases, the P wave is mainly a P wave, so that the P wave velocity V p and the S wave velocity V s can be obtained by analyzing the observed waveform for each component in consideration of the arrival direction of the reflected wave. Is possible.

かかる構成によれば、含水状態が高くなると、P波が影響を受けてその大きさが低下するため、Vp/Vsが極小値となる位置を湧水箇所として特定することができる。 According to such a configuration, when the water content is increased, the P wave is affected and the magnitude thereof is reduced. Therefore, the position where V p / V s becomes the minimum value can be specified as the spring site.

そのため、トンネル掘削を中断することなくかつ水抜きボーリングのように湧水を発生させることなく、大規模湧水を事前予測することができるとともに、かかる予測を、排水濁水処理施設の増設や切羽の安定性確保あるいは水抜き導坑の準備といった事前対応に反映させることが可能となる。   Therefore, large-scale springs can be predicted in advance without interrupting tunnel excavation and without generating springs like draining boring. It is possible to reflect this in advance measures such as ensuring stability or preparing drainage shafts.

また、本実施形態では、地震計6b〜6dを、x方向及びy方向がトンネル軸線方向と45゜をなすように、z方向を鉛直下方を向くように配置する構成としたが、x方向及びy方向とトンネル軸線方向とがなす角度は必ずしも45゜である必要はなく、反射波の到来方向を考慮しつつ、0゜より大きく90゜より小さい範囲で、すなわちx方向及びy方向がトンネル軸線と非平行となるように設置してかまわない。   In this embodiment, the seismometers 6b to 6d are arranged so that the z direction faces vertically downward so that the x direction and the y direction form 45 ° with the tunnel axis direction. The angle formed between the y direction and the tunnel axis direction does not necessarily need to be 45 °. Considering the arrival direction of the reflected wave, the angle is larger than 0 ° and smaller than 90 °, that is, the x direction and the y direction are the tunnel axis. It may be installed so that it is non-parallel.

なお、トンネル軸線が水平でない場合には、z軸方向がトンネル軸線に直交しかつ該トンネル軸線を含む鉛直面と平行になるように地震計6b〜6dを設置すればよい。   If the tunnel axis is not horizontal, the seismometers 6b to 6d may be installed so that the z-axis direction is orthogonal to the tunnel axis and parallel to the vertical plane including the tunnel axis.

また、本実施形態及び上述の変形例では、地震計6b〜6dを、x方向及びy方向がトンネル軸線方向と非平行となるように配置する構成としたが、受振時のS/N比に問題がないのであれば、各地震計をどのように設置するかは任意であり、従来と同様、x方向及びy方向がトンネル軸線方向と平行となるように配置してもかまわない。   In the present embodiment and the above-described modification, the seismometers 6b to 6d are arranged so that the x direction and the y direction are not parallel to the tunnel axis direction. If there is no problem, how to install each seismometer is arbitrary, and it may be arranged so that the x direction and the y direction are parallel to the tunnel axis direction as in the conventional case.

1 トンネル
3 切羽
4 内壁(トンネル内面)
5 火薬(起振手段)
6a〜6e 地震計(受振手段)
51 均質ゾーン
52 不均質ゾーン
1 tunnel 3 face 4 inner wall (tunnel inner surface)
5 Gunpowder (vibration means)
6a-6e Seismometer (vibration means)
51 Homogeneous zone 52 Heterogeneous zone

Claims (3)

トンネルの内面に設置された複数の起振手段を作動させ、該各起振手段によって前記トンネルを取り囲む地盤に伝播された弾性波を前記内面に設置された受振手段で反射波データとしてそれぞれ受振し、該反射波データを解析することにより、前記トンネルの切羽前方に拡がる地山を探査するトンネル切羽の前方探査方法において、
前記トンネル近傍における前記地盤内の弾性波速度を評価して基準弾性波速度とし、
前記反射波データと前記基準弾性波速度とを用いて前記地盤内の反射強度分布を作成し、
前記反射強度分布を、反射強度の大きな地点が密に分布するゾーンと反射強度の大きな地点が密に分布しないゾーンとに区分してそれぞれ不均質ゾーン、均質ゾーンとし、
前記不均質ゾーンと前記均質ゾーンとの境界における反射強度を、前記切羽から見て前記不均質ゾーンから前記均質ゾーンへと変化する境界の場合には、波形極性が、軟質材料内を進んできた弾性波が硬質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出する一方、前記切羽から見て前記均質ゾーンから前記不均質ゾーンへと変化する境界の場合には、波形極性が、硬質材料内を進んできた弾性波が軟質材料との境界で反射するときの波形極性に一致するものだけを対象として算出し、
前記強度算出ステップで算出された各境界での反射強度を、反射係数と反射強度との間で得られている対応関係に照合することで、前記各境界での反射係数を求め、
前記各境界での反射係数を用いて前記不均質ゾーン及び前記均質ゾーンにおける弾性波速度を修正弾性波速度として算出し、
該修正弾性波速度を用いてトンネル軸線上での前記各境界の位置を修正することを特徴とするトンネル切羽の前方探査方法。
A plurality of vibration generators installed on the inner surface of the tunnel are actuated, and the elastic waves propagated to the ground surrounding the tunnel by each of the vibration generators are received as reflected wave data by the vibration receivers installed on the inner surface. In the forward exploration method of the tunnel face that explores a natural mountain spreading in front of the face of the tunnel by analyzing the reflected wave data,
Evaluating the elastic wave velocity in the ground in the vicinity of the tunnel to be a reference elastic wave velocity,
Create a reflection intensity distribution in the ground using the reflected wave data and the reference elastic wave velocity,
The reflection intensity distribution is divided into a zone in which points with a large reflection intensity are densely distributed and a zone in which points with a large reflection intensity are not densely distributed, respectively, to be a heterogeneous zone and a homogeneous zone,
In the case of the boundary where the reflection intensity at the boundary between the inhomogeneous zone and the homogeneous zone changes from the inhomogeneous zone to the homogeneous zone as seen from the face, the waveform polarity has advanced in the soft material. In the case of a boundary that changes from the homogeneous zone to the inhomogeneous zone as viewed from the face, while calculating for only those that match the waveform polarity when the elastic wave reflects at the boundary with the hard material, The waveform polarity is calculated only for those that match the waveform polarity when the elastic wave that has traveled through the hard material is reflected at the boundary with the soft material,
By comparing the reflection intensity at each boundary calculated in the intensity calculation step with the corresponding relationship obtained between the reflection coefficient and the reflection intensity, the reflection coefficient at each boundary is obtained,
Using the reflection coefficient at each boundary, the elastic wave velocity in the inhomogeneous zone and the homogeneous zone is calculated as a modified elastic wave velocity,
A forward search method for a tunnel face, wherein the position of each boundary on the tunnel axis is corrected using the corrected elastic wave velocity.
前記修正弾性波速度のうち、P波速度Vp及びS波速度Vsを用いてそれらの比Vp/Vsを算出する請求項1記載のトンネル切羽の前方探査方法。 The tunnel face forward exploration method according to claim 1, wherein the ratio V p / V s is calculated using the P wave velocity V p and the S wave velocity V s among the modified elastic wave velocities. 前記受振手段を互いに直交する3成分が計測できるように構成するとともに、該3成分のうち、1つが鉛直方向又はトンネル軸線に直交しかつ該トンネル軸線を含む鉛直面と平行になるように、残り2つがいずれもトンネル軸線と非平行になるように前記受振手段を配置した請求項1又は請求項2記載のトンネル切羽の前方探査方法。 The vibration receiving means is configured to measure three components orthogonal to each other, and one of the three components remains in a vertical direction or perpendicular to the tunnel axis and parallel to a vertical plane including the tunnel axis. The tunnel face forward exploration method according to claim 1 or 2, wherein the vibration receiving means is arranged so that two of them are not parallel to the tunnel axis.
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