トンネルトモグラフィ

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。

特許登録済

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。

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。

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。

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。

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