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山岳トンネル技術

トンネルトモグラフィ

トンネル切羽前方の広域な地質状況を
トモグラフィ手法により高精度に評価

安全で合理的なトンネル掘削を行うためには、切羽前方の地質状況を精度良く予測することが重要です。現状では、先進ボーリング調査、トンネル坑内からの反射法弾性波探査、地表面での屈折法弾性波トモグラフィ探査などが行われています。しかし、ボーリング調査は時間やコスト面で多用するには難しく、反射法弾性波探査、屈折法弾性波トモグラフィ探査は探査深度や精度の面で課題がありました。

鹿島が開発したトンネルトモグラフィ探査は、切羽付近で発生させた弾性波を地表面の受振点で観測し、トモグラフィ解析を行うことにより、切羽前方の弾性波速度分布を高精度に算出する手法です。断層破砕帯や硬岩部の分布状況(位置)に加えて、その程度を弾性波速度により詳細に評価することができます。

特許出願中

図版:探査状況概要図

探査状況概要図

図版:トンネルトモグラフィ解析イメージ図

トンネルトモグラフィ解析イメージ図

キーワード

山岳トンネル、切羽前方探査、弾性波トモグラフィ、GPS、無線
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GPS時刻同期型 無線トモグラフィ探査システムの採用

一般的な弾性波探査では、高精度な解析を行うために発振システムと受振システムの時刻同期が必要となり、有線で接続されます。しかし、トンネルトモグラフィ探査を行う場合、トンネル坑内と地表面の発振・受振両システムの有線接続は、施工性の観点から困難となるケースも多くあります。

今回開発したシステムでは、 GPS時刻情報を用いることで、発受振システム間の有線接続を不要とし、より簡便にトンネルトモグラフィ探査を実現可能としました。GPS衛星から発信される信号は発振・受振両システムで受信され、両システムがUTS(協定世界時)に高精度に時刻同期します。これにより1.0msec以下の精度で同期が可能となり、有線手法と同等な精度でトモグラフィ解析を行えるようになりました。

図版:探査システム概要図

探査システム概要図

特長・メリットココがポイント

切羽近傍での受信が可能

トンネル坑内の発振システム側ではGPS時刻信号を直接受信できないため、坑口で受信した信号が光ケーブルを経由して切羽近傍で受信できるようにしました。

そして、切羽近傍で受信したGPS時刻に同期する小型波形収録装置で、ハンマ打撃や発破の起振時刻を取り込んで収録できる仕様としました。

  • 一度GPS信号を受信したら、光ケーブルを中継しない場合でも6時間程度は時刻誤差が0.1msec以内に収まる性能を有しています。
  • GPS同期型で波形を高サンプリングで収録できる装置は一般的ではありません。

図版:GPS時刻同期システムブロック図

GPS時刻同期システムブロック図

高サンプリングかつ多チャンネル収録が可能

受振システムについては、トモグラフィ解析に必要な高サンプリングかつ多チャンネル収録が可能で、GPS同期機能をつけた波形収録装置を開発しました。

  • GPS時刻(タイムコード)は、波形収録装置にGPS同期型高精度刻時装置を接続することで取得します。
  • 専用のタイムコード読み取りソフトによって、取得波形の計測時刻を正確に求めることができます。

図版:起振装置(発破)および受振器写真

起振装置(発破)および受振器写真

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無線式の探査システムでも解析可能

発振・受振両システムで取得した波形を共通の時刻信号を用いて合成させることにより、有線で接続せずに、両システムの時刻同期を可能としました。

開発した探査システムの精度検証試験より以下のことがわかりました。

  • 開発した無線式の探査システムと有線式システムで得られたデータを比較すると、2つの波形には違いは見られず、正確に時刻同期および波形の合成ができていることが分かりました。
  • 有線式システムと同等の精度でトモグラフィ解析が行えることが確認できました。この結果、トンネルトモグラフィ探査の実用性を向上させることができました。

図版:精度検証試験結果(有線式と無線式での取得波形比較)

精度検証試験結果(有線式と無線式での取得波形比較)

切羽前方や周辺の地質状態を詳細に把握

適用の一例を紹介します。切羽前方や周辺の地質状態を詳細に把握するために、トンネルトモグラフィ探査を実施しました。

その結果、従来の事前探査では把握できなかった基盤岩の盛り上がりを確認することができ、調査ボーリングの結果と整合性が見られました。また、切羽前方に確認された低速度領域では、調査結果を支保パターンの変更に活用することができました

図版:事前探査・ボーリングとトンネルトモグラフィの結果比較

事前探査・ボーリングとトンネルトモグラフィの結果比較

適用実績

図版:北の峰トンネル

北の峰トンネル

場所:北海道富良野市

竣工年:2013年3月

発注者:国土交通省北海道開発局

施工延長:2,928m

図版:矢頭峠トンネル(仮称)

矢頭峠トンネル(仮称)

場所:三重県津市

竣工年:2014年12月

発注者:三重県津建設事務所

施工延長:1,637m

学会論文発表実績

  • 「トンネル切羽前方広域三次元弾性波トモグラフィに関する基礎検討」,土木学会第66 回年次学術講演会,Ⅲ-092,2011年
  • 「三次元トンネルトモグラフィ探査システムの開発」,土木学会第67回年次学術講演会,Ⅲ-106,2012年
  • "Evaluation of Geological Conditions Ahead of Tunnel Face Using Seismic Reflector Tracing and New Seismic Tomography between Tunnel and Surface, Ground Engineering in a Changing world",2012 ANZ Conference Proceedings,2012年

TRT®探査システム 

トンネル切羽前方の不連続面を非破壊、3次元で精度良く探査する

地山の性状はトンネル掘進に大きな影響を与えます。特に、地山性状が想定よりも悪い場合は、切羽の崩壊、多大な変状、突発的な湧水等が発生し、掘進速度や工費、安全性に大きな影響を及ぼします。そのため、切羽前方やトンネル周辺の地質情報を事前に精度良く予測・評価することが、安全で合理的な施工を進める上で重要です。TRT(Three-dimensional Reflector Tracing)探査システムは、ボーリングを実施せず、非破壊で切羽前方の3次元的な地質状況を精度良く評価することが可能なシステムです。無線システムのため、既存方式より短時間かつ低コストで精度の高い調査を行うことが可能です。

特許登録済
平成21年度岩の力学連合会 技術賞

図版:TRT概要

TRT概要(左上:TRT解析結果例、右下:TRT探査原理)

キーワード

無線式システム、トンネル、地質評価、3次元、反射法
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探査方法

  • トンネル壁面に約10ヶ所の加速度計と無線伝送器を取り付けます。
  • 切羽周辺の複数の発振点で入力波を発生させます。入力波はハンマー打撃、発破等、様々な方法で行う事が出来ます。
  • 入力した弾性波は地盤中を伝播し、地質境界や破砕帯のような不連続面で波動の一部が反射します。
  • トンネル壁面に設置した約10ヶ所の加速度計で反射波を受振し、無線通信によって各加速度計からの波形データを取得します。
  • 記録された波形データを専用のプログラムで解析することにより、反射波を抽出し、不連続面の位置、傾き等を検出します。

図版:TRT計測装置(無線システム)

TRT計測装置(無線システム)

図版:発受振器写真

発受振器写真

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特長・メリットココがポイント

切羽前方を広範囲に
3次元評価することが可能

  • トンネル計画線上だけではなく、周辺地山も探査の対象とするため、不連続面の三次元的な広がりを広範囲(切羽前方100m~150m)に予測することが可能です。
  • 探査結果を任意の視点から表示することが可能であり、複雑な地質構造を分かりやすくイメージできます。

図版:切羽前方の解析結果

切羽前方の解析結果

探査時間の短縮により施工への影響を軽減

  • 従来技術では、発振のために発破を用いていましたが、本技術では、機械式の発振器や、施工時の掘削振動も利用可能です。
  • 掘削作業を止めることなく、作業への影響を最小限に抑えながら、測定及びデータの収録が可能です。
  • 解析も迅速に行えるため、TBMなどの施工進捗が早いトンネル現場でも迅速に探査結果をフィードバックできます。

図版:小断面TBM坑内での発振状況

小断面TBM坑内での発振状況

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適用実績

図版:熊野尾鷲道路 逢神曽根トンネル

熊野尾鷲道路
逢神曽根トンネル

場所:三重県尾鷲市

竣工年:2012年2月

発注者:国土交通省中部地方整備局

施工延長:2,360m

図版:国道41号高山国府トンネル

国道41号高山国府トンネル

場所:岐阜県高山市

竣工年:2012年3月

発注者:国土交通省中部地方整備局

施工延長:3,300m

図版:さがみ縦貫城山八王子トンネル

さがみ縦貫城山八王子トンネル

場所:神奈川県相模原市

竣工年:2012年3月

発注者:国土交通省関東地方整備局

施工延長:3,088m

図版:舞鶴若狭自動車道敦賀トンネル

舞鶴若狭自動車道敦賀トンネル

場所:福井県敦賀市

竣工年:2010年3月

発注者:中日本高速道路

施工延長:1,717m

図版:徳富ダム壮志トンネル

徳富ダム壮志トンネル

場所:北海道樺戸郡

竣工年:2010年10月

発注者:国土交通省北海道開発局

施工延長:2,940m

図版:地芳トンネル

地芳トンネル

場所:愛媛県上浮穴郡

竣工年:2010年4月

発注者:国土交通省四国地方整備局

施工延長:2,162m

図版:鳥取豊岡宮津自動車道地蔵トンネル

鳥取豊岡宮津自動車道
地蔵トンネル

場所:京都府宮津市

竣工年:2009年3月

発注者:京都府道路公社

施工延長:3,457m

学会論文発表実績

  • 「無線式トンネル3次元反射法弾性波探査技術の開発」,第38回岩盤力学に関するシンポジウム講演集,2009年1月
  • 「弾性波を利用した新しいトンネル切羽前方探査手法の適用性に関する研究」,トンネル技術研究発表会,2003年
  • 「反射トモグラフィによるトンネル切羽前方の地質探査」,土と基礎,2002年7月
  • 「反射トモグラフィ法を利用したトンネル周辺地質の予測」,岩の力学国内シンポジウム F18,2002年1月
  • 「反射トモグラフィ“TRT”の現場適用結果」,土木学会年次学術講演会3,2001年10月

削孔検層システム

リアルタイムで切羽前方を探査

削孔検層システムとは、油圧ドリルを用いて岩盤を削孔する際に得られる削孔データ(削孔速度・打撃圧・給進力・トルク等)を利用して、簡便で迅速なトンネル切羽前方の地質状況を予測するシステムです。

リアルタイムで切羽前方を探査でき、これまでに地質予測手法として、数多くの現場で適用されてきました。

また、多くの適用事例からノウハウやデータが蓄積されているため、トンネル支保パターンの選定の目安としても活用可能です。

特許登録済
NETIS KT-120100-A

図版:削孔検層(左:実施状況、右上:データ収録装置、右下:スライムの写真)

削孔検層(左:実施状況、右上:データ収録装置、右下:スライムの写真)

キーワード

トンネル、前方探査
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削孔検層システム詳細

本システムは、下図に示すように、孔曲がりを抑制する専用の削孔ツールスと削孔データを計測するためのセンサーと収録装置、及び、評価ソフトで構成されています。地質状況の評価にあたっては、主に破壊エネルギー係数Evを用います。この係数は岩盤の破壊に要した油圧ドリルの仕事量に相当し、一般に、硬岩の場合は大きく、軟岩の場合は小さな値となります。また、削孔時の観察項目(くり粉の性状、削孔水の色、湧水量)も考慮して切羽前方地質を評価します。本システムは汎用性が高く、ロータリーパーカッションドリルやトンネルジャンボなど、どのような油圧ドリルにも取り付けることができます。

図版:削孔検層システムの構成

削孔検層システムの構成

特長・メリットココがポイント

  • 油圧ジャンボでは、切羽前方30~50mまで探査することが可能で、通常、測定時間は2~3時間程度です。
  • 専用の削孔ツールスを用いることで、孔曲がりを抑えることができます。
  • ロッド継ぎ足し時の記録装置の停止や再開の操作は自動化されており、開始と終了の操作のみで測定・記録が可能です。
  • データの処理も現場事務所のパソコンで短時間に行うことができるので、迅速な地質評価が可能となり、施工のサイクルへ組み込みやすく、工費・工期の面から有利です。
  • 深度やフィード圧による補正も可能であり、より定量的に地質状況の評価を行うことができます。
  • これまでに数多くの現場で適用され、ノウハウやデータが蓄積されているため、支保パターンの選定の目安としても活用可能です。

図版:削孔検層システムフロー

削孔検層システムフロー

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適用実績

図版:新名神高速道路 栗東トンネル下り線

新名神高速道路
栗東トンネル下り線

場所:滋賀県栗東〜大津市

竣工年:2002年3月

発注者:日本道路公団関西支社

トンネル延長:2,469m

図版:芦田川流域下水道沼隅幹線管渠

芦田川流域下水道沼隅幹線管渠

場所:広島県沼隅群〜福山市

竣工年:2004年3月

発注者:広島県福山地域事務所

トンネル延長:3,409m

図版:大津放水路トンネル

大津放水路トンネル

場所:滋賀県大津市

竣工年:1999年3月

発注者:建設省近畿地方建設局

トンネル延長:411m

図版:新名神高速道路鈴鹿トンネル下り線

新名神高速道路
鈴鹿トンネル下り線

場所:三重県亀山市

竣工年:2001年3月

発注者:日本道路公団中部支社

トンネル延長:3,923m

図版:国道41号高山国府トンネル

国道41号高山国府トンネル

場所:岐阜県高山市

竣工年:2012年3月

発注者:国土交通省中部地方整備局

トンネル全延長:3,259m

図版:新東名高速道路富士川トンネル

新東名高速道路
富士川トンネル

場所:静岡県庵原郡

竣工年:2002年10月

発注者:日本道路公団静岡建設局

トンネル全延長:4,505m

図版:新東名高速道路金谷トンネル

新東名高速道路金谷トンネル

場所:静岡県掛川市~榛原郡

竣工年:2003年3月

発注者:日本道路公団静岡建設局

トンネル全延長:4,578m

学会論文発表実績

  • 「油圧ドリルによる削孔データを用いた岩盤評価および切羽前方地質の予測技術について」,第8回岩の力学国内シンポジウム講演論文集,1990年
  • 「削孔検層システムによるトンネル切羽前方地質予測」,地盤工学研究発表会講演集,H-5,1997年
  • 「TBM掘進データを用いた地質統計学的手法による切羽前方地質評価」,第31回岩盤力学に関するシンポジウム講演論文集,2001年

速度検層「TVL®」システム

切羽前方の地質状況や湧水状況を事前に精度よく予測・評価

トンネル切羽前方に崩れやすい破砕帯などの地質不良部や、湧水、土砂流出などの恐れがある帯水層が存在する場合は、切羽の崩壊、多大な変状、突発的な湧水が発生することが懸念され、工期、工費、安全性に大きな影響を及ぼす恐れがあります。そのため、切羽前方の地質状況や湧水状況を事前に精度よく予測・評価することが重要です。本手法は、得られた弾性波速度分布から支保パターンを選定することができ、削孔検層結果との相関関係も把握することができます。また、掘削後の地盤のゆるみを適切に評価・フィードパックし、合理的な支保設計を可能にします。

特許登録済

図版:TVLシステム概要

TVLシステム概要

キーワード

速度検層、TVL、弾性波、支保設計、ゆるみ域調査、ゆるみ域評価、前方探査
改ページ

システムの概要

本システムは、弾性波速度が地盤の硬軟によって変化することを利用しており、切羽付近でハンマ打撃により発生させた弾性波が、あらかじめ削孔したボーリング孔内に挿入した4連の受振器(速度計)に到達するまでの時聞を計測することにより、その深度ごとの区間速度分布を迅速に評価することができます。

また、本システムは、上図に示すようにトンネル切羽前方だけでなく切羽周辺地山の弾性波速度も簡易に求めることができるため、掘削によるゆるみ域を評価することも可能です。

図版:探査手順

探査手順

図版:探査状況写真

探査状況写真

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特長・メリットココがポイント

  • 切羽前方30mを探査する場合、約1〜2時間で検層を実施することができます。測定結果の出力も約1時間ででき、現場工程に大きな影響を与えることなく、切羽前方地質を評価することができます。
  • 取得した50cm間隔の細かい区間速度分布より、支保パターンの選定を行うことが可能です。
  • 4連の孔壁圧着型受振器を用いることで、より迅速かつ高精度な調査を行うことが可能です。
  • 受振器径が32mmと小さく、削孔検層を実施したボーリング孔に本システムを適用することができます。各トンネルにおける弾性波速度と削孔検層から得られる破壊エネルギー係数との相関関係を把握し、以後の調査へ反映させることが可能です。
  • 切羽前方だけでなく、天端方向や側方方向に削孔されたボーリング孔に対しでも適用できるため、掘削によるゆるみの程度を簡易に評価することができます。
  • 掘削前に切羽前方地質予測を行い、掘削後のゆるみ評価を予測ヘフィードパックすることで、より合理的な支保設計を行うことができます。

図版:支保パターン選定例

支保パターン選定例

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適用実績

図版:大津放水路トンネル

大津放水路トンネル

場所:滋賀県大津市

竣工年:1999年3月

発注者:建設省近畿地方建設局

トンネル延長:411m

図版:東九州自動車道九六位トンネル

東九州自動車道
九六位トンネル

場所:大分県大分市~臼杵市

竣工年:2000年1月

発注者:日本道路公団

トンネル延長:1,719m

学会論文発表実績

  • 「速度検層を用いたトンネル切羽前方探査」,土木学会年次学術講演会講演概要集 共通セッション,No.52,1997年
  • 「トンネルの切羽前方予測システムの開発」,地下空間シンポジウム論文・報告集,Vol.3,1998年
  • 「削孔検層と速度検層を併用した切羽前方探査の結果」,土木学会年次学術講演会講演概要集 第6部,No.53,1998年

山岳トンネル技術 インデックス

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