技術 地質構造評価方法、地質構造評価システム及び地質構造評価プログラム

0012

（ハードウェア構成）
図２を用いて、評価装置２０を構成する情報処理装置Ｈ１０のハードウェア構成を説明する。情報処理装置Ｈ１０は、通信装置Ｈ１１、記憶部Ｈ１４、プロセッサＨ１５を備える。なお、このハードウェア構成は一例であり、他のハードウェアにより実現することも可能である。

図２

0013

通信装置Ｈ１１は、他の装置との間で通信経路を確立して、データの送受信を実行するインタフェースであり、例えばネットワークインタフェースカードや無線インタフェース等である。記憶部Ｈ１４は、評価装置２０の各種機能を実行するためのデータや各種プログラムを格納する記憶装置である。記憶部Ｈ１４の一例としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等がある。

0014

プロセッサＨ１５は、記憶部Ｈ１４に記憶されるプログラムやデータを用いて、評価装置２０における各処理を制御する。プロセッサＨ１５の一例としては、例えばＣＰＵやＭＰＵ等がある。このプロセッサＨ１５は、ＲＯＭ等に記憶されるプログラムをＲＡＭに展開して、各サービスのための各種プロセスを実行する。

0015

プロセッサＨ１５は、自身が実行するすべての処理についてソフトウェア処理を行なうものに限られない。例えば、プロセッサＨ１５は、自身が実行する処理の少なくとも一部についてハードウェア処理を行なう専用のハードウェア回路（例えば、特定用途向け集積回路：ＡＳＩＣ）を備えてもよい。すなわち、プロセッサＨ１５は、（１）コンピュータプログラム（ソフトウェア）に従って動作する１つ以上のプロセッサ、（２）各種処理のうち少なくとも一部の処理を実行する１つ以上の専用のハードウェア回路、或いは（３）それらの組み合わせ、を含む回路（circuitry）として構成し得る。プロセッサは、ＣＰＵ並びに、ＲＡＭ及びＲＯＭ等のメモリを含み、メモリは、処理をＣＰＵに実行させるように構成されたプログラムコード又は指令を格納している。メモリすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用又は専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。

0016

（システム構成）
次に、図１を用いて、評価装置２０の機能を説明する。
評価装置２０は、地質構造の評価を実行するコンピュータシステムである。この評価装置２０には、入力装置１５、表示装置１６が接続される。入力装置１５は、キーボードやポインティングデバイス等であり、各種情報を入力するために用いられる。表示装置１６は、各種情報を表示するディスプレイ等である。本実施形態では、３次元弾性波速度分布図や２次元速度分布断面図、軟質部の位置等を表示する。

図１

0017

入力装置１５は、測定装置１０から３次元弾性波（Ｐ波）速度分布図を取得して評価装置２０に供給する。本実施形態では、測定装置１０として、「Amberg Technology社」製のトンネル切羽前方探査機「ＴＳＰ３０３」を用いる。

0018

測定装置１０は、トンネル坑内の孔壁内において発生された弾性波が切羽前方の地質不連続帯において反射した反射波を、坑内に設置した複数の３成分レシーバーで受振して記録する。そして、この測定装置１０は、取得した反射波形を解析し、評価対象領域を構成する３次元の各グリッド（座標）における弾性波速度を算出し、３次元弾性波速度分布図を生成して記憶する。更に、測定装置１０は、この弾性波速度分布図に、トンネル切羽前方における反射面の位置（座標）を含める。

0019

評価装置２０は、制御部２１、弾性波速度分布図記憶部２２及び地質構造情報記憶部２３を備える。
制御部２１は、地質構造の評価処理を実行する。この制御部２１は、後述する処理（断面図作成段階、エリア特定段階、軟質部特定段階等を含む処理）を行なう。このための地質構造評価プログラムを実行することにより、制御部２１は、断面図作成部２１１、エリア特定部２１２及び軟質部特定部２１３として機能する。

0020

断面図作成部２１１は、３次元弾性波速度分布図から、２次元断面図を生成する処理を実行する。本実施形態では、断面図作成部２１１が、水平断面図と、これに直交する垂直断面図とを生成する場合を想定する。ここで、水平断面図及び垂直断面図は、その中心軸を、トンネル及びトンネル切羽前方の中心軸とした断面図である。

0021

エリア特定部２１２は、２次元断面図において、対象エリアに分割する処理を実行する。本実施形態では、最大コンター数より少ない速度コンター数を含む対象エリア毎に分割する。この場合、エリア特定部２１２は、速度変化が緩やかな部分（速度コンターの密度が低い領域）を境として対象エリアを分割する。このため、エリア特定部２１２は、最大コンター数と、速度変化が緩やかな分割面を特定する基準コンター密度とを記憶している。基準コンター密度は、トンネル掘削方向の所定距離（例えば数ｍ）の領域内に含まれるコンター数により算出する。

0022

軟質部特定部２１３は、各対象エリアにおける軟質部の位置（座標）を特定する処理を実行する。この軟質部特定部２１３は、速度コンターを用いて、低速度領域の範囲を特定することにより、軟質部の位置を特定する。軟質部特定部２１３は、低速度領域の範囲を特定するために、複数の低速度領域が連続していると判定するための連続条件に関するデータを記録している。この連続条件には、近隣の谷部の端部との距離（近接距離）と、両谷部の伸長方向のずれの許容範囲（連結角度範囲）が含まれる。そして、軟質部特定部２１３は、連続条件を満たした近隣の谷部を接続した部分を、軟質部として特定し、地質構造情報記憶部２３に記録する。

0023

弾性波速度分布図記憶部２２は、測定装置１０から取得した３次元弾性波速度分布図を記憶する。この３次元弾性波速度分布図は、測定装置１０から取得した場合に記憶される。この弾性波速度分布図には、評価対象領域を構成する各グリッド（３次元座標）において弾性波速度が記録されている。本実施形態のグリッドは、トンネルの進行方向に１０００等分、縦横方向に２００等分したそれぞれの位置に配置される。更に、弾性波速度分布図には、測定装置１０が特定した反射面の位置（座標）が含まれる。

0024

図４は、弾性波速度分布図記憶部２２に記憶された３次元弾性波速度分布図の具体例である。図４の周囲の格子は、弾性波速度分布図における所定の長さ（例えば１０ｍ幅）を示している。

0025

地質構造情報記憶部２３は、評価装置２０によって軟質部の位置を特定した地質構造情報を記憶する。この地質構造情報は、後述する地質構造評価処理を実行した場合に記憶される。本実施形態では、地質構造情報として、水平方向及び垂直方向における２次元速度分布断面図における軟質部の位置（２次元断面における座標）が記憶される。

0026

（地質構造評価処理）
次に、図３〜図７を用いて、地質構造評価処理について説明する。
まず、評価装置２０の制御部２１は、３次元弾性波速度分布図の取得処理を実行する（ステップＳ１−１）。具体的には、制御部２１の断面図作成部２１１は、弾性波速度分布図記憶部２２から３次元弾性波速度分布図を取得する。

図３

0027

次に、評価装置２０の制御部２１は、２次元速度分布断面図の作成処理を実行する（ステップＳ１−２）。具体的には、制御部２１の断面図作成部２１１は、３次元弾性波速度分布図において、トンネル３０及び切羽前方の掘削予定領域３１を特定する。そして、断面図作成部２１１は、掘削予定領域３１を含む垂直面及び水平面において、垂直断面図及び水平断面図を切り出す。

0028

図４に示すように、３次元弾性波速度分布図から、垂直面に含まれる速度コンターを抽出した垂直断面図ＶＰ１、水平面に含まれる速度コンターを抽出した水平断面図ＨＰ１を切り出す。図において、各断面図（ＶＰ１、ＨＰ１）中における曲線は、速度コンターを示している。更に、斜線網掛け領域は、測定装置１０が特定した反射面ＲＳ１である。

0029

図５（ａ）は、切り出した垂直面における２次元速度分布断面図（垂直断面図ＶＰ１）であり、図５（ｂ）には、切り出した水平面における２次元速度分布断面図（水平断面図ＨＰ１）である。垂直断面図ＶＰ１及び水平断面図ＨＰ１の中心には、トンネル３０の領域と、この切羽面３０ｆから先の掘削予定領域３１が位置する。なお、図５（ａ）及び（ｂ）では、掘削予定領域３１を、ハッチング領域で示す。

0030

次に、評価装置２０の制御部２１は、対象エリアの分割処理を実行する（ステップＳ１−３）。具体的には、制御部２１のエリア特定部２１２は、単位距離毎にコンター密度を算出し、基準コンター密度と比較して、コンター密度が基準コンター密度以下となる複数の分割候補位置を特定する。更に、エリア特定部２１２は、分割開始位置から特定した分割候補位置までの距離に応じて、この距離内に含まれるコンター数を算出し、最大コンター数と比較する。

0031

そして、エリア特定部２１２は、分割候補位置のうち、算出したコンター数が、最大コンター数以下の分割候補位置を、分割終了位置として特定する。エリア特定部２１２は、この分割終了位置で、分割開始位置からの一つの対象エリアとして区切る。次に、エリア特定部２１２は、この対象エリアの分割終了位置を分割開始位置として、再度、コンター密度及びコンター数の算出と分割終了位置の特定とを繰り返して、次の対象エリアを区切る。この処理を、掘削予定領域全体について繰り返す。

0032

そして、分割した対象エリア毎に、以下の処理を繰り返して実行する。
以下の処理では、分割した１つの対象エリアとして、図５（ａ）に示す領域Ａ１を用いて説明する。

0033

まず、評価装置２０の制御部２１は、低速度部の特定処理を実行する（ステップＳ１−４）。具体的には、制御部２１の軟質部特定部２１３は、対象エリアにおいて、弾性波速度が、その周囲よりも最も低い速度となっている閉図形を特定する。
例えば、図６（ａ）において、領域Ａ１において、弾性波の速度が極小値の閉図形（低速度部ＬＳ１）を特定する。

0034

次に、評価装置２０の制御部２１は、低速度部から谷部の伸長方向の特定処理を実行する（ステップＳ１−５）。具体的には、制御部２１の軟質部特定部２１３は、低速度部ＬＳ１の外周において曲率が小さい形状の部分（突出部）を特定する。次に、軟質部特定部２１３は、低速度部ＬＳ１の周囲で、次の速度コンターで構成される等速度領域を特定し、速度コンターの間隔と等速度領域の曲率とを用いて、この速度コンターにおける突出部を特定する。この突出部の特定を繰り返し、特定した突出部を繋げることにより谷部の伸長方向を特定する。なお、谷部の特定は、速度コンターにおいて、速度傾向が反転する位置で終了させる。

0035

図６（ｂ）では、４つの低速度部ＬＳ１から、谷部において速度が上昇する方向（谷部の伸長方向）を矢印で示している。ここで、低速度部ＬＳ１から延びる谷部では、更に速度上昇を示す速度コンターがなく、又は突出部がない部分が端部になる。

0036

次に、評価装置２０の制御部２１は、連続する低速度領域があるか否かの判定処理を実行する（ステップＳ１−６）。具体的には、制御部２１の軟質部特定部２１３は、特定した各谷部の端部において、連続条件を満たす他の谷部の端部があるか否かを判定する。ここでは、軟質部特定部２１３は、両谷部の端部の距離が近接距離内にあるか否かを判定する。軟質部特定部２１３は、両谷部の端部の距離が近接距離内にある場合には、両谷部の端部における谷部の伸長方向のずれ、又は低速度部から谷部の端部までの平均的な伸長方向のずれが、許容範囲内か否かを判定する。そして、軟質部特定部２１３は、伸長方向のずれが許容範囲内にある場合には、連続条件を満たすと判定する。

0037

図６（ｃ）において〇印で囲んだ部分Ｃ１では、連続条件を満たすため、２つの谷部を含む低速度領域は連続すると判定する。また、×印の部分では、連続条件を満たさないため、２つの谷部を含む低速度領域は連続しないと判定する。

0038

ここで、連続する低速度領域があると判定した場合（ステップＳ１−６において「ＹＥＳ」の場合）には、評価装置２０の制御部２１は、連続させた低速度領域を軟質部とした記録処理を実行する（ステップＳ１−７）。具体的には、制御部２１の軟質部特定部２１３は、２つの谷部を含む低速度領域を谷部の伸長方向に連結した平滑線を生成する。そして、この平滑線の座標を、軟質部として、地質構造情報記憶部２３に記録する。
図６（ｄ）において、２つの谷部の伸長方向に低速度領域を結んだ平滑線ＳＰ１を生成し、平滑線ＳＰ１の位置（座標）を地質構造情報記憶部２３に記憶する。

0039

一方、連続する低速度領域がないと判定した場合（ステップＳ１−６において「ＮＯ」の場合）には、評価装置２０の制御部２１は、連続した低速度領域を軟質部として特定した記録処理（ステップＳ１−７）をスキップする。

0040

そして、分割した対象エリアのすべてについて、ステップＳ１−４〜Ｓ１−７を繰り返して実行した場合には、地質構造評価処理を終了する。
例えば、図７（ａ）の垂直断面図ＶＰ１及び図７（ｂ）の水平断面図ＨＰ１では、破線の座標を軟質部として特定し、地質構造情報記憶部２３に記録する。

0041

（特定した軟質部の検証）
実際の現場において、トンネル切羽前方の掘削予定領域を掘り進めたところ、掘削予定領域において実際に出現した軟質部と、掘削予定領域３１において図７に破線で示した軟質部の位置とが、ほぼ一致することが判明した。