JP2020144067A - トンネル切羽前方探査システムおよびトンネル切羽前方地山の探査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度で信頼性の高いトンネル切羽前方探査を実施することの可能な、トンネル切羽前方探査システムおよびトンネル切羽前方の探査方法を提供する。【解決手段】トンネルの切羽前方を掘削ビットにより削孔しながら、掘削ビットから発生するビット振動を、切羽近傍に設置する受振器および前記掘削ビット近傍に配置するパイロットセンサの２地点で連続的に受振し、受振した２地点の情報に基づいて切羽前方の弾性波速度を算出するトンネル切羽前方探査システムであって、前記掘削ビットに打撃を発生させる振動発生機構が、前記掘削ビットの背面側に配置されるとともに、該振動発生機構の背面側に、前記パイロットセンサおよび該パイロットセンサを収納するセンサケースを備えた振動センサ機構が配置され、該振動センサ機構が、掘削ロッドの先端部に設置されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル切羽前方の地山状況を把握する際に用いるトンネル切羽前方探査システムおよびトンネル切羽前方地山の探査方法に関する。

従来より、山岳トンネルを施工する際には、掘削対象領域を含む周辺地山に対して事前調査を行い、この調査結果に基づいてトンネルの設計及び施工計画を立案する。山岳トンネルの事前調査では、地山の地盤強度や地層境界の位置を把握する手段として弾性波探査技術が採用されるが、弾性波探査を地表から行うため、土被りの大小により探査精度に影響が生じやすい。このため、より正確に地山状況を把握するため、山岳トンネルの施工中においても、切羽前方地山の弾性波探査を実施している。

例えば、特許文献１では、トンネル切羽から前方に向けてドリルビットによる削孔を行いつつ、切羽近傍に配置した受振器でドリルビットから地山を直接伝わってきた削孔振動を受振するとともに、ボーリングマシンに取り付けたパイロットセンサで掘削ビットから掘削ロッドを伝ってきた削孔振動を受振する。そして、これら２地点で受振した振動情報に基づいて、ドリルビット先端とトンネル切羽の間の領域における相似的な区間弾性波速度を得ている。

特開２０１６−１７９００号公報

特許文献１のような、地山を削孔するドリルビットを利用して切羽前方地山の状況把握を行う削孔検層によれば、ドリルビットによる削孔振動を発振源とするため、切羽近傍で実施する打撃や発破等を発振源とする速度検層と比較して、大掛かりな発振に係る作業を省略できる。

しかし、ドリルビットによる削孔振動は、上述した切羽近傍で実施する打撃や発破と比較して、その振動が微弱である。また、ドリルビットによる削孔は、掘削ロッドの後端部近傍に配置されたボーリングマシンにドリフター等の打撃装置を装備し、この打撃装置から掘削ロッドを介してドリルビットに打撃を発生させる。このため、ボーリングマシンから大きな機械振動が発振されるとともに、掘削ロッドを継ぎ足しながら削孔作業を行う場合には、掘削ロッドのジョイント部で削孔振動の重複反射が生じる。

すると、ボーリングマシンに取り付けられ、ドリルビットから掘削ロッドを伝ってきた削孔振動を受振するパイロットセンサは、上記の削孔振動の重複反射やボーリングマシンの機械振動等のノイズを、微弱な削孔振動と併せて受振することとなり、解析結果の精度や信頼性に影響を生じやすい。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、高精度で信頼性の高いトンネル切羽前方探査を実施することの可能な、トンネル切羽前方探査システムおよびトンネル切羽前方地山の探査方法を提供することである。

かかる目的を達成するため、本発明のトンネル切羽前方探査システムは、トンネルの切羽前方を掘削ビットにより削孔しながら、掘削ビットから発生するビット振動を、切羽近傍に設置する受振器および前記掘削ビット近傍に配置するパイロットセンサの２地点で連続的に受振し、受振した２地点の情報に基づいて切羽前方の弾性波速度を算出するトンネル切羽前方探査システムであって、前記掘削ビットに打撃を発生させる振動発生機構が、前記掘削ビットの背面側に配置されるとともに、該振動発生機構の背面側に、前記パイロットセンサおよび該パイロットセンサを収納するセンサケースを備えた振動センサ機構が配置され、該振動センサ機構が、掘削ロッドの先端部に設置されることを特徴とする。

本発明のトンネル切羽前方探査システムによれば、振動センサ機構を掘削ロッドの先端部に設置することにより、最も掘削ビットに近接した位置にパイロットセンサを配置できる。これにより、地山の削孔時に掘削ビットから発生するビット振動を、実振動に近い状態でパイロットセンサにて受振することが可能となる。

また、振動発生機構を掘削ビットの背面側に配置した削孔機を掘削ロッドの先端側に配置した、いわゆる先端打撃方式により地山の削孔を行う。これにより、掘削ロッドの後端部近傍にドリフタ等の打撃装置を用いて掘削ビットに打撃を発生させる後端打撃方式と比較して、削孔長を長大化できる。したがって、１回の探査でトンネル切羽前方の広範囲にわたって地山状況を把握することが可能となる。

さらに、削孔長が長大化し、掘削ロッドに多数のジョイント部が設けられることに伴って、多数のジョイント部で掘削ロッドを伝達するビット振動が重複反射を生じる場合にも、パイロットセンサが掘削ロッドの先端部に設置されるため、これら重複反射に起因するノイズの影響を受けることなく、ビット振動を受振することが可能となる。

また、ドリフタ等の打撃装置を使用する場合と異なり、地山の削孔中に打撃装置に起因する大きな機械振動も発生しないため、パイロットセンサは、掘削ビットから発生するビット振動を、最もノイズの少ない環境下で受振することが可能となる。

本発明のトンネル切羽前方探査システムは、前記掘削ロッドが、金属製の中空筒体よりなる掘削ロッド本体と、該掘削ロッド本体の中空部に挿入される導電棒とを備えるとともに、前記振動センサ機構が、前記センサケースに設置した接続端子に一方の端部が接続されるセンサ側導電棒と、該センサ側導電棒及び前記センサケースが挿入される金属製のケースロッドと、を備え、該ケースロッドが、前記掘削ロッド本体及び前記振動発生機構の両者に、中空部を連通させた状態で接続され、前記センサケースが金属製であり、その外周面の少なくとも一部が前記ケースロッドの内周面に接触され、前記センサ側導電棒の他方の端部が、前記掘削ロッドの前記導電棒と接続されることを特徴とする。

本発明のトンネル切羽前方探査システムによれば、掘削ロッド本体及び振動センサ機構のケースロッドの中空部を、振動発生機構に作動流体を供給する作動流体流路として機能させることができ、作動流体を供給するための配管を不要としながら、振動発生機構を作動させ、掘削ビットにて地山を削孔することが可能となる。

また、掘削ロッド本体及びこれと接続される振動センサ機構のケースロッドをマイナス配線と見做し、掘削ロッドの導電棒及びこれと接続される振動センサ機構のセンサ側導電棒をプラス配線と見做して、これらを２芯の電気ケーブルとして機能させることができる。これにより、電気ケーブルを追加配置することなく、パイロットセンサで受振したビット振動に係る情報の伝送やパイロットセンサへの給電を、掘削ロッド及び振動センサ機構を介して行うことが可能となる。

本発明のトンネル切羽前方探査システムを用いたトンネル切羽前方地山の探査方法は、トンネルの坑内から切羽前方の地山を前記掘削ビットにより削孔しつつ、前記掘削ビットから発生するビット振動を、切羽近傍に設置した前記受振器及び前記振動センサ機構に備えた前記パイロットセンサの２地点で連続的に受振し、受振した２地点のビット振動情報に基づいて、切羽前方の弾性波速度を算出することを特徴とする。

本発明のトンネル切羽前方地山の探査方法によれば、トンネル切羽前方探査システムを用いることにより、パイロットセンサは、実振動に近い状態のビット振動を最もノイズの少ない環境下で受振できる。したがって、受振したビット振動情報を用いて算出する弾性波速度の精度を向上することが可能になるとともに、弾性波速度から推定する地山に関する構成や硬軟、含水の程度等の地山状況に高い信頼性を確保することが可能となる。

また、パイロットセンサで受振したビット振動情報に対するノイズの除去作業を省略できるため、解析システムの簡略化を図ることができるとともに、算定の迅速化及びデータ容量のスリム化を図ることが可能となる。

本発明によれば、地山を削孔する際に掘削ビットから発生するビット振動を、最もノイズの少ない環境下で実振動に近い状態でパイロットセンサにより受振し、受振した情報に基づいて地山の弾性波速度を算出するため、弾性波速度から推定するトンネル切羽前方の地山状況に、高い信頼性を確保することが可能となる。

本発明の実施の形態におけるトンネル切羽前方探査システムの概略を示す図である。 本発明の実施の形態における掘削ロッド、振動センサ機構の詳細を示す図である。 本発明の実施の形態におけるスペーサの正面を示す図である。 本発明の実施の形態における振動センサ発生機構の断面を示す図である。 本発明の実施の形態におけるロータリージョイント付き高圧スイベルの詳細を示す図である。 本発明の実施の形態におけるトンネル切羽前方地山の弾性波速度を算出する方法のフローを示す図である。 本発明の実施の形態におけるパーティクルオービットのイメージを示す図である。 本発明の実施の形態における相互相関処理のイメージを示す図である。 本発明の実施の形態における切羽近傍に設置した受振器にビット振動が到達する到達時間Ｔ２と削孔距離との関係を示す図である。

本発明のトンネル切羽前方探査システムおよびトンネル切羽前方地山の探査方法は、トンネルの施工段階において、先端打撃方式の削孔装置を用いて削孔検層を実施する際に好適なシステムおよび方法である。以下に、トンネル切羽前方探査システムと、トンネル切羽前方探査システムを用いたトンネル切羽前方探査方法について、その詳細を説明する。

≪トンネル切羽前方探査システム≫
図１で示すように、トンネル切羽前方探査システムＳは、トンネルＴの切羽近傍に配置される受振器Ａと、トンネルＴの切羽前方を掘削する削孔装置Ｍと、削孔装置Ｍに設置され、パイロットセンサ１０を備える振動センサ機構１と、受振器Ａ及びパイロットセンサ１０で受振したビット振動に係る情報を処理するデータ処理装置４と、を備えている。

削孔装置Ｍは、いわゆる先端打撃方式の削孔装置であり、削孔機２と、削孔機２の後端部に振動センサ機構１を介して接続される掘削ロッド３と、掘削ロッド３を把持して回転力と推進力を付与するボーリングマシンＢとを備えている。

削孔機２は、地山を削孔する掘削ビット２１と、掘削ビット２１の背面側に位置して打撃を発生させる振動発生機構２２とを備える。本実施の形態では、振動発生機構２２に水圧ハンマーを採用しており、図１及び図２で示すように、前端部が掘削ビット２１の背面側に接続され、後端部に高圧水Ｗが流入する開口を有する筒体２２１と、筒体２２１内で、筒体２２１内の中間部を塞ぐように配置される逆止弁と、逆止弁の挙動に連動して筒体２２１の前端側もしくは後端側に移動するピストンと、を備えている（逆止弁及びピストンは図示していない）。

筒体２２１の開口より高圧水Ｗが流入すると、筒体２２１内における高圧水Ｗの流れ方向が前端部方向となって逆止弁が開状態になるとともに、ピストンは筒体２２１の前端部方向に移動し、その先端が掘削ビット２１の背面を打撃して移動が停止する。すると、ピストンと逆止弁の間における高圧水Ｗの流れ方向が後端側方向となって逆止弁が閉状態になるとともに、ピストンは筒体２２１の後端部方向に移動して、その先端が掘削ビット２１の背面から離間する。

筒体２２１に高圧水Ｗが供給されている間中、上記の動作が繰り返されることにより、振動発生機構２２は掘削ビット２１に連続的な打撃を発生させて地山を削孔する。このようにして、掘削ビット２１によりトンネルＴの切羽前方地山を削孔することにより、掘削ビット２１から発生するビット振動は、図１で示すように、受振器Ａおよび振動センサ機構１に備えたパイロットセンサ１０により連続的に受振される。また、これら２地点で受振されたビット振動情報は、トンネルＴの坑内もしくは工事事務所等に設置されるデータ処理装置４に伝送される。

受振器Ａは、弾性波探査で一般に採用される３成分加速度計であって、トンネルＴの坑内から地山に向けて削孔される計測孔Ｈに設置され、地山を伝わるビット振動情報を受振する。振動センサ機構１に備えるパイロットセンサ１０は、掘削ビット２１から削孔機２を伝わるビット振動を受振するセンサであり、受振器Ａと同様に弾性波探査で一般に採用される３成分加速度計を採用できるが、本実施の形態では、パイロットセンサ１０に求められる精度や配置スペース等を考慮し、１成分加速度計を採用している。

データ処理装置４は、データ収録システム４１と、データ解析装置４２とを備え、データ収録システム４１は、いわゆるデータロガーであり、受振器Ａ及びパイロットセンサ１０が受振したビット振動情報を読み取り、データ解析装置４２に出力する。

データ解析装置４２は、演算処理装置４２１、入力部４２２、出力部４２３及び記憶部４２４等を備えた、いわゆるノート型パソコンやタブレット端末であり、入力部４２２は、データ収録システム４１で読み取ったビット振動情報を入力する入力機能と、スイッチ、キーボード等の入力装置を備える。

また、出力部４２３は、画面表示を行うディスプレイやプリンタ等の出力装置を備え、記憶部４２４は、半導体メモリ又はハードディスクドライブ等からなる記憶装置であり、演算処理装置４２１によって実行可能なプログラムが格納されている。

演算処理装置４２１は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びハードウェアインタフェース等を有するコンピュータであり、受振器Ａ及びパイロットセンサ１０で受振したビット振動情報に基づいて、地山の弾性波速度を算出する弾性波速度算出部４２１１を少なくとも備えている。なお、トンネル切羽前方探査システムＳで地山状況を把握できる範囲は、トンネルＴの切羽位置と掘削ビット２１の配置位置の間の領域内に限定される。

上述する構成のトンネル切羽前方探査システムＳは、振動センサ機構１を削孔機２に備えた振動発生機構２２の背面側に配置することで、最も掘削ビット２１に近接した位置にパイロットセンサ１０を配置する。これにより、地山削孔時に掘削ビット２１から発生するビット振動を、実振動に近い状態で受振できる。

また、掘削ビット２１に打撃を発生させる振動発生機構２２を掘削ビット２１の背面側に配置した削孔機２を用いて、先端打撃方式の先進ボーリングを行うことで、従来より実施されている掘削ロッド３の後端部近傍にドリフタ等の打撃装置を配置し、掘削ロッド３を介して掘削ビット２１に打撃を発生させる後端打撃方式と比較して、削孔長を長大化できる。これにより１回の削孔探査で、トンネルＴの切羽前方の地山状況を広範囲にわたって把握できる。

さらに、削孔長が長大化し、掘削ロッド３に多数のジョイント部が設けられることに伴い、ジョイント部で掘削ロッド３を伝達するビット振動が重複反射を生じる場合にも、パイロットセンサ１０が掘削ロッド３の先端部に配置されるため、これら重複反射に起因するノイズの影響を受けることなく、ビット振動を受振できる。

また、削孔機２は、ドリフタ等の打撃装置と異なり、地山の削孔中に打撃装置に起因する大きな機械振動を発生しないため、パイロットセンサ１０は、掘削ビット２１から発生するビット振動を、最もノイズの少ない環境下で受振できる。

≪掘削ロッド及び振動センサ機構≫
ところで、本実施の形態では、削孔機２の振動発生機構２２に水圧ハンマーを採用していることから、掘削ロッド３及び振動センサ機構１に、振動発生機構２２へ作動流体である高圧水Ｗを供給する機能を持たせている。また、パイロットセンサ１０を備える振動センサ機構１が掘削ロッド３の先端部に設置されることから、掘削ロッド３及び振動センサ機構１を、パイロットセンサ１０で受振したビット振動情報をデータ処理装置４に伝送するための二芯の電気ケーブルとして機能させている。

そこで、本実施の形態における掘削ロッド３と、パイロットセンサ１０を備える振動センサ機構１の構造について、以下に説明する。

＜掘削ロッド＞
掘削ロッド３は、図１で示すように、金属製の中空筒体よりなる掘削ロッド本体５と、導電材料で形成された高導電性金属棒であり、掘削ロッド本体５より十分小さい断面径を有する導電棒７と、掘削ロッド本体５と導電棒７との間に介装されるスペーサ９と、を備えている。

スペーサ９は、図３で示すように、導電棒７を把持する把持部９１と、把持部９１の外縁より突出し、突出端部が掘削ロッド本体５の内周面に当接する導電棒支持部９２と、を有する。また、スペーサ９は、導電棒７を把持した状態で掘削ロッド本体５へ挿入した際に、掘削ロッド本体５の中空部を閉塞することのないよう、切欠きや通し孔等により形成された連通部９３を備えている。

これら、把持部９１、導電棒支持部９２及び連通部９３は、いずれの形状を有するものでもよいが、本実施の形態では、把持部９１が導電棒７を包持するようリング形状に形成され、導電棒支持部９２は把持部９１の外縁より放射方向に３体突出し、隣り合う導電棒支持部９２の間に連通部９３が設けられている。

掘削ロッド３は、このような構成のスペーサ９を長手方向に間隔を設けて複数取り付けた導電棒７を掘削ロッド本体５に挿入することにより、導電棒７と掘削ロッド本体５との間に確保した隙間を、高圧水Ｗが流下する作動流体流路Ｌ１として機能させている。なお、スペーサ９には連通部９３が設けられているため、高圧水Ｗは連通部９３を通過でき、掘削ロッド３内をスムーズに流下することが可能となっている。

また、掘削ロッド３は、金属製の掘削ロッド本体５をマイナス配線と見做すとともに、導電棒７をプラス配線と見做して２芯の電気ケーブルとして機能させることができる。

ところで、掘削ロッド３は、地山削孔が進行するにつれてその長さを伸長させるものである。このため、図２で示すように、複数の掘削ロッド一般部３ａにより構成されるとともに、掘削ロッド一般部３ａは長手方向に継ぎ足し自在な構成を有している。

掘削ロッド一般部３ａは、掘削ロッド本体５の分割体の一部である掘削ロッド本体一般部５ａと、導電棒７の分割体の一部である導電棒一般部７ａと、掘削ロッド本体一般部５ａと導電棒一般部７ａとの間に介装されるスペーサ９と、を備えている。

掘削ロッド本体一般部５ａは、一方の端部にメス継手６１が設けられるとともに、このメス継手６１に嵌合するオス継手６２が他方の端部に設けられている。また、掘削ロッド本体一般部５ａに収納される導電棒一般部７ａは、一方の端部にオス電極部８１が設けられるとともに、このオス電極部８１に嵌合するメス電極部８２が他方の端部に形成されている。

掘削ロッド本体一般部５ａにおける導電棒一般部７ａのオス電極部８１とメス電極部８２の配置位置は、隣り合う掘削ロッド一般部３ａどうしを接続する際、一方の掘削ロッド本体一般部５ａのオス継手６２を他方の掘削ロッド本体一般部５ａのメス継手６１に嵌合させることにより、隣り合う導電棒一般部７ａのオス電極部８１とメス電極部８２が、自動的に差し込まれる位置に配置されている。

また、スペーサ９は、図３で示した把持部９１、導電棒支持部９２、連通部９３に加えてさらに、導電棒支持部９２の各々に押圧部９４を設置してもよい。図２で示すように、板バネよりなる押圧部９４はその基端部が、導電棒支持部９２の導電棒一般部７ａの軸線と直交する面に固定され、導電棒一般部７ａと離間する方向に向けて延在し、導電棒支持部９２の突出端部より導電棒一般部７ａの軸線直交方向に張り出したところで、先端部が内巻きに加工処理されている。

押圧部９４をスペーサ９に備えると、３体の導電棒支持部９２各々に設けられた３体の押圧部９４が、掘削ロッド本体一般部５ａの内周面を押圧することから、着脱自在でありながら導電棒一般部７ａを掘削ロッド本体一般部５ａに対して強固に固定することができる。

＜振動センサ機構＞
このような掘削ロッド３の先端部に設置される振動センサ機構１は、図２及び図４で示すように、パイロットセンサ１０と、パイロットセンサ１０が固定される固定台１１と、固定台１１に固定された状態のパイロットセンサ１０が挿入されるセンサケース１２と、センサケース１２に一端が接続されるセンサ側導電棒１３と、センサ側導電棒１３およびセンサケース１２が挿入されるケースロッド１４とを備える。

ケースロッド１４は、金属製の中空筒体よりなり、図２で示すように、一方の端部に振動発生機構２２の後端部に位置する筒体２２１が挿入され、ケースロッド１４の一方の端部がメス継手６１、振動発生機構２２の筒体２２１がオス継手６２の態様で接続されている。また、他方の端部は、掘削ロッド３の掘削ロッド本体５に接続されている。

なお、掘削ロッド本体５の一方の端部にメス継手６１が、ケースロッド１４の他方の端部にメス継手６１と嵌合するオス継手６２が、それぞれ形成されている。また、これら振動発生機構２２の筒体２２１及び掘削ロッド本体５はともに、ケースロッド１４に対して中空部が連通する状態で着脱自在に接続されている。

センサ側導電棒１３は、掘削ロッド３の導電棒７と同様の導電材料で形成された高導電性金属棒よりなり、長手方向をケースロッド１４の軸線と平行にして、ケースロッド１４の中空部に配置されている。また、導電棒７と同様にスペーサ９が設置されており、このスペーサ９によりセンサ側導電棒１３とケースロッド１４との間の隙間は、安定した状態で確保されている。そして、センサ側導電棒１３の一端はセンサケース１２に接続され、他端はメス電極部８２が備えられており、掘削ロッド３の導電棒７に備えたオス電極部８１に接続する。

センサケース１２は、図２及び図４（ａ）で示すように、ケースロッド１４の内周面に外接する大きさの外形形状を有する中空筒体よりなり、一方の端部にケース蓋１２１が着脱自在に嵌合される開口が形成され、他方の端部はセンサ側導電棒１３の一端と接続する接続端子１２２が配置された状態で閉塞されている。なお、ケース蓋１２１にはＯリング等の止水材が設置されており、センサケース１２の中空部は水密状態に保持されるが、必要に応じてグリースＧを充填してもよい。

また、図４で示すように、センサケース１２の外周面には、ケースロッド１４に挿入された際に、ケースロッド１４の軸線方向に延在する切欠き部１２３が複数形成されており、センサケース１２の外周面とケースロッド１４の間に隙間が形成されている。この隙間は、図２で示すように、スペーサ９の連通部９３により形成されたケースロッド１４とセンサ側導電棒１３の隙間と連通し、振動発生機構２２に供給する高圧水Ｗが流下する作動流体流路Ｌ２として機能する。

固定台１１は、図２及び図４（ｂ）で示すように、パイロットセンサ１０が設置される長尺の固定板１１１を備え、長手方向がセンサケース１２の軸線方向と平行となるようにして、センサケース１２の開口からその中空部に、パイロットセンサ１０を設置した状態で挿入される。

固定台１１はその大きさが、図２で示すように、センサケース１２の開口をケース蓋１２１で塞いだ際に、センサケース１３の中空部でガタツキが生じない大きさに形成されている。

また、固定台１１には、センサ側導電棒１３と対向する側の端部に、パイロットセンサ１０から延びるプラス配線と接続されるとともに、センサケース１２に設けた接続端子１２２に備えたメスコネクタ（図示せず）に接続するオスコネクタ１１２が設置されている。なお、パイロットセンサ１０から延びるマイナス配線は、固定台１１に接続されている。

上記の振動センサ機構１は、固定台１１、センサケース１２及びケースロッド１４がいずれも金属製の部材により製作されており、これらをマイナス配線と見做し、センサ側導電棒１３をプラス配線と見做し、２芯の電気ケーブルとして機能させることができる。

≪ロータリージョイント付き高圧スイベル≫
一方、掘削ロッド３の後端部は、図１及び図２で示すように、ボーリングマシンＢに備えたロータリージョイント付き高圧スイベル１５を介してデータ収録装置４及び高圧水供給パイプＰに連結されている。以下に、掘削ロッド３をデータ処理装置４のデータ収録システム４１および高圧水供給パイプＰと接続するために用いるロータリージョイント付き高圧スイベル１５について、詳細を説明する。

図５で示すように、ロータリージョイント付き高圧スイベル１５は、中空筒状に形成されたハウジング１６と、ハウジング１６を挟んで一方側に設置される中空状の回転シャフト１７と、他方側に設置される回転コネクタ収納部１８と、回転コネクタ収納部１８、ハウジング１６及び回転シャフト１７の３者に跨って延在する延長導電棒１９と、を備える。

ハウジング１６は、内空部へ高圧水Ｗを注入させるためのポート１６１が側周面に形成されており、このポート１６１に高圧水供給パイプＰが接続される。また、ハウジング１６の一方の端部には高圧水Ｗの供給口１６２が形成されており、回転シャフト１７が中空部を供給口１６２と連通するようにして設置されている。

回転シャフト１７は、一方の端部に掘削ロッド３の掘削ロッド本体５と接続可能なメス継手６１を有し、他方の端部が、軸線がハウジング１６の軸線と合致するように配置され、軸線周りに回転可能に設置されている。

これにより、図２で示すように、振動センサ機構１のケースロッド１４と掘削ロッド３の掘削ロッド本体５とを接続し、回転シャフト１７に掘削ロッド３を接続させたうえで、高圧水供給パイプＰをハウジング１６に接続し高圧水Ｗを注入すると、ハウジング１６の供給口１６２から回転シャフト１７を介して掘削ロッド３及び振動センサ機構１に高圧水Ｗが流入する。

したがって、高圧水供給パイプＰからハウジング１６及び回転シャフト１７を介して掘削ロッド３に流入した高圧水Ｗは、掘削ロッド３に形成された作動流体流路Ｌ１および振動センサ機構１に形成された作動流体流路Ｌ２を介して振動発生機構２２の筒体２２１に供給され、振動発生機構２２に採用した水圧ハンマーを作動させることが可能となる。

また、延長導電棒１９は、掘削ロッド３の導電棒７と同様の導電材料で形成された高導電性金属棒よりなり、ハウジング１６及び回転シャフト１７の軸線上に延在する。その一端は、回転シャフト１７の中空部に位置し、回転シャフト１７に接続される掘削ロッド３に備えた導電棒７のメス電極部８２と接続可能な、オス電極部８１が設置されている。また、他端は、ハウジング１６を貫通して回転コネクタ収納部１８に挿入されている。

回転コネクタ収納部１８は、回転体に外部から電力・電気信号を伝達することができる回転コネクタ１８１を収納した筒体であり、この回転コネクタ１８１に延長導電棒１９の他端が接続されるとともに、データ処理装置４のデータ収録システム４１が接続される。

なお、本実施の形態では回転コネクタ１８１として、回転体１８１１に配置された金属製リング１８１２とブラシ１８１３を介して電力や信号を伝達するスリップリングを採用し、なかでも、延長導電棒１９を回転体１８１１の回転軸に取り付ける軸端取り付けタイプのスリップリングを採用している。

したがって、振動センサ機構１のケースロッド１４と掘削ロッド３の掘削ロッド本体５を接続するとともに、掘削ロッド３の掘削ロッド本体５を回転シャフト１７に接続する。また、振動センサ機構１のセンサ側導電棒１３に備えたメス電極部８２と掘削ロッド３の導電棒７に備えたオス電極部８１とを接続するとともに、導電棒７に備えたメス電極部８２を延長導電棒１９に備えたオス電極部８１に接続し、さらに、データ収録システム４１を回転コネクタ１８１に接続する。

すると、図１で示すように、データ収録システム４１から、２芯の電気ケーブルとしての機能を有する掘削ロッド３及び振動センサ機構１を経由して、パイロットセンサ１０に電力が供給されるとともに、パイロットセンサ１０からデータ収録システム４１にビット振動情報が伝送される。

このように、電気ケーブルを追加配置することなく掘削ロッド３及び振動センサ機構１を利用して、パイロットセンサ１０で受振したビット振動に係る情報の伝送や、パイロットセンサ１０への給電を行うことが可能となる。また、排水管を追加配置することなく、掘削ロッド３を利用して高圧水Ｗを供給することができ、削孔装置の構造を簡略化することができる。

なお、上記のとおり、ロータリージョイント付き高圧スイベル１５のハウジング１６内、掘削ロッド３に形成された作動流体流路Ｌ１および振動センサ機構１に形成された作動流体流路Ｌ２には、高圧水Ｗが流下する。このため、ロータリージョイント付き高圧スイベル１５の延長導電棒１９、掘削ロッド３の導電棒７及び振動センサ機構１のセンサ側導電棒１３はそれぞれ、図２及び図５で示すように、高圧水が直接触れることのないよう電気絶縁材料よりなる絶縁部材Ｅにより被覆され、漏電対策が講じられている。

また、導電棒７を構成する導電棒一般部７ａ及びセンサ側導電棒１３に備えたメス電極部８２は、その外周部が絶縁部材（図示せず）により形成されており、オス電極部８１が差し込まれると絶縁が確保されるキャップ状に形成されている。また、内周面には止水ゴムとして一般に広く用いられているＯリング（図示せず）が設置されており、オス電極部８１が嵌合して形成される接続部は、水密構造となっている。さらに、掘削ロッド３及び振動センサ機構１の両者に用いられているスペーサ９も、電気絶縁材料により形成されている。

≪トンネル切羽前方地山の探査方法≫
上記のトンネル切羽前方探査システムを用いたトンネル切羽前方地山の探査方法を、以下に説明する。なお、トンネル切羽前方地山の探査方法は、トンネルの掘削作業が所定距離だけ進んだところで、一旦掘削作業を停止したうえで実施する。

まず、図１で示すように、トンネルＴの坑内から地山に向けてトンネル軸線と交差する方向に計測孔Ｈを削孔し、受振器Ａを設置する。併せて、削孔機２と掘削ロッド３の間にパイロットセンサ１０を備える振動センサ機構１を接続した削孔装置Ｍを、トンネルＴの切羽近傍における所定位置に据え付けるとともに、受振器Ａ及び掘削装置Ｍをデータ処理装置４に接続する。

次に、削孔装置Ｍを用いてトンネルＴから切羽前方地山の削孔作業を開始する。削孔作業と併せて、地山を掘削する掘削ビット２１から発生するビット振動を、受振器Ａ及びパイロットセンサ１０の各々で連続的に受振する。

具体的には、トンネルＴの切羽近傍に位置する計測孔Ｈに設置された受振器Ａでは、振動源である掘削ビット２１の位置から地山を伝わって到達したビット振動を受振する。一方、掘削ロッド３の先端部に設置され、削孔機２の後端部近傍に近接して位置するパイロットセンサ１０では、掘削ビット２１から削孔機２を伝わるビット振動を受振する。

これら受振器Ａ及びパイロットセンサ１０で受振したビット振動情報は、データ処理装置４のデータ収録システム４１で読み取るとともにデータ解析装置４２に出力する。データ解析装置４２では、演算処理装置４２１の弾性波速度算出部４２１１において、掘削ビット２１の位置からトンネル切羽の範囲におけるトンネル前方地山の弾性波速度を算定する。

上記の作業は、掘削ビット２１が所望の地点に到達するまで、掘削ロッド３の長さを掘削ロッド一般部３ａを継ぎ足しつつ調整しながら実施する。なお、掘削ロッド一般部３ａのロッド長さ３ｍ程度、削孔距離は最長で約１５０ｍ程度である。

≪弾性波速度の算出方法≫
次に、トンネル切羽前方地山の探査方法により取得したビット振動情報に基づいて、トンネル切羽前方地山の弾性波速度を算出する方法の概要を、図６のフロー図に沿って説明する。

まず、受振器Ａで受振した地山を伝わって到達したビット振動情報から観測波形を抽出するとともに、パイロットセンサ１０で受振したビット振動情報からパイロット波形を抽出する。

次に、図７で示すように、観測波形について、振動方向の異なる弾性波形記録（鉛直方向Ｕ−Ｄ、互いに直交する水平方向２成分（Ｒ、Ｌ））のパーティクルオービットを作成したうえで、パーティクルオービットに基づく解析方法により、波動到来方向（受振器Ａから見て掘削ビット２１が位置する方向）の振動成分を抽出する。

この後、観測波形の波動到来方向の振動成分とパイロット波形とを、時間同期したうえで相互相関処理を行い、受振器Ａ及びパイロットセンサ１０間の疑似受振波形を算定する。

これら疑似受振波形に基づいて、図８で示すように、受振器Ａ〜パイロットセンサ１０間の伝搬時間Ｔｒを算定するとともに、掘削ビット２１から発生したビット振動がパイロットセンサ１０に到達するまでの時間Ｔ１を算定して両者を足し合わせることにより、掘削ビット２１のビット振動が受振器Ａに到達する到達時間Ｔ２を算定する。

こうして得られた到達時間Ｔ２を利用して、従来より実施されているダウンホール方式の速度検層に倣って、切羽前方地山の弾性波速度を算定する。ダウンホールタイプの速度検層は、地表に発振源を設定するとともにボーリング孔に受振点を設定し、地盤深度ごとでＰ波の初動時間を算定する。そして、地盤深度と初動時間の関係から走時曲線を作成する方法である。

このように、ダウンホールタイプの速度検層では、発振源を地上に配置するとともに受振点をボーリング孔内に設定して初動時間を算定している一方で、トンネル切羽前方探査方法では、発振源である掘削ビット２１が削孔内に位置しているとともに、受振点である受振器ＡがトンネルＴの切羽近傍に配置された状態で到達時間を算定しており、両者では発振源の位置と受振点の位置が逆転した関係にある。

しかし、弾性波の伝搬に関して相反定理が成り立つことが知られている。つまり、発信源と受振点の間に位置する地山の走時曲線を、発振源と受振点の位置関係を入れ替えて算定しても、その算定結果は相似関係にあるというものである。したがって、トンネル切羽前方探査方法では、この相反定理に従って、トンネル切羽前方の地山における弾性波速度を算定するものである。

具体的には、切羽前方地山の削孔作業を進めながら、前述したように受振器Ａ及びパイロットセンサ１０の両者でビット振動情報を連続的に受振して、切羽からの削孔距離ごとに到達時間Ｔ２を算定する。そして、図９で示すように、縦軸に削孔距離を取るとともに横軸に到達時間を取ったグラフに、削孔距離と到達時間Ｔ２の関係をプロットし、走時曲線を作成する。この走時曲線から傾きが変化する地点を速度境界層と判定したうえで、各地点間ごとの走時曲線勾配から弾性波速度を算定する。

図９のグラフをみると、トンネル切羽から１５０ｍ前方まで掘進する間に傾きが変化する速度境界層が５地点で存在し、これらの地点間毎に弾性波速度（Ｖｐ₁〜Ｖｐ₆が算定されている様子が見て取れる。

上記のとおり、トンネル切羽前方探査システムＳを用いたトンネル切羽前方の探査方法によれば、パイロットセンサ１０は、実振動に近い状態のビット振動を最もノイズの少ない環境下で受振できる。したがって、受振したビット振動情報を用いて算出する弾性波速度の精度を向上することが可能になるとともに、弾性波速度から推定する地山に関する構成や硬軟、含水の程度等の地山状況に高い信頼性を確保することが可能となる。

また、パイロットセンサ１０で受振してビット振動情報に対するノイズの除去作業を省略できるため、解析システムの簡略化を図ることができるとともに、算定の迅速化及びデータ容量のスリム化を図ることが可能となる。

本発明のトンネル切羽前方探査システム及びトンネル切羽前方の探査方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、掘削ビットに打撃を発生させる振動発生機構として水圧ハンマーを採用したが、他の流体を用いた打撃ハンマを採用する等、掘削ビットに打撃力を付与可能な機構であれば、いずれのものを採用してもよい。

１ 振動センサ機構
２ 削孔機
２１ 掘削ビット
２２ 振動発生機構
２２１ 筒体
３ 掘削ロッド
４ データ処理装置
４１ データ収録システム
４２ データ解析装置
４２１ 演算処理装置
４２１１ 弾性波速度算出部
４２２ 入力部
４２３ 出力部
４２４ 記憶部
５ 掘削ロッド本体
５ａ 掘削ロッド本体一般部
６１ メス継手
６２ オス継手
６３ 受け口
７ 導電棒
７ａ 導電棒一般部
８１ オス電極部
８２ メス電極部
９ スペーサ
９１ 把持部
９２ 導電棒支持部
９３ 連通部
９４ 押圧部
１０ パイロットセンサ
１１ 固定台
１２ センサケース
１２１ ケース蓋
１２２ 接続端子
１２３ 切欠き部
１３ センサ側導電棒
１４ ケースロッド
１５ ロータリージョイント付き高圧スイベル
１６ ハウジング
１７ 回転シャフト
１８ 回転コネクタ収納部
１８１ 回転コネクタ
１８１１ 回転体
１８１２ 金属製リング
１８１３ ブラシ
１９ 延長導電棒

Ａ 受振器
Ｂ ボーリングマシン
Ｌ１ 作動流体流路
Ｌ２ 作動流体流路
Ｍ 削孔装置
Ｓ トンネル切羽前方探査システム
Ｗ 高圧水（作動流体）
Ｐ 高圧水供給パイプ
Ｇ グリース
Ｅ 絶縁部材

Claims (3)

1. トンネルの切羽前方を掘削ビットにより削孔しながら、掘削ビットから発生するビット振動を、切羽近傍に設置する受振器および前記掘削ビット近傍に配置するパイロットセンサの２地点で連続的に受振し、受振した２地点の情報に基づいて切羽前方の弾性波速度を算出するトンネル切羽前方探査システムであって、
   前記掘削ビットに打撃を発生させる振動発生機構が、前記掘削ビットの背面側に配置されるとともに、
   該振動発生機構の背面側に、前記パイロットセンサおよび該パイロットセンサを収納するセンサケースを備えた振動センサ機構が配置され、
   該振動センサ機構が、掘削ロッドの先端部に設置されることを特徴とするトンネル切羽前方探査システム
2. 請求項１に記載のトンネル切羽前方探査システムにおいて、
   前記掘削ロッドが、金属製の中空筒体よりなる掘削ロッド本体と、該掘削ロッド本体の中空部に挿入される導電棒とを備えるとともに、
   前記振動センサ機構が、前記センサケースに設置した接続端子に一方の端部が接続されるセンサ側導電棒と、該センサ側導電棒及び前記センサケースが挿入される金属製のケースロッドと、を備え、
   該ケースロッドが、前記掘削ロッド本体及び前記振動発生機構の両者に、中空部を連通させた状態で接続され、
   前記センサケースが金属製であり、その外周面の少なくとも一部が前記ケースロッドの内周面に接触され、
   前記センサ側導電棒の他方の端部が、前記掘削ロッドの前記導電棒と接続されることを特徴とするトンネル切羽前方探査システム。
3. 請求項１または２に記載のトンネル切羽探査システムを用いたトンネル切羽前方の探査方法であって、
   トンネルの坑内から切羽前方の地山を前記掘削ビットにより削孔しつつ、前記掘削ビットから発生するビット振動を、切羽近傍に設置した前記受振器及び前記振動センサ機構に備えた前記パイロットセンサの２地点で連続的に受振し、
   受振した２地点のビット振動情報に基づいて、切羽前方の弾性波速度を算出することを特徴とするトンネル切羽前方地山の探査方法。