道路トンネル坑内での統合物理探査例

稲崎 富士✽ ・木佐貫 寛(土木研究所）・

岡崎 健治・山崎 秀策・倉橋 稔幸 （寒地土木研究所）

Combined geophysical survey in an abandoned road tunnel: A case study.

INAZAKI Tomio✽, KISANUKI Hiroshi (PWRI), OKAZAKI Kenji, YAMAZAKI Shusaku, and KURAHASHI Toshiyuki (CERI)

Abstract: Engineering geophysics has played an important role in planning and constructing of mountain tunnels. Surface seismic and resistivity surveys are employed as the standard methods at planning stage, and HSP is widely applied for long-spanned tunnels during excavation. Moreover, recent increase in collapses occurred in active tunnels has led us to utilize geophysics for the safety check of existing tunnel structures. Estimation of thickness of concrete lining and detection of voids behind the lining are the major issues for the safety check. GPR and acoustic tapping survey have been being applied as the check. However, measurements for concrete pavements and tunnel formations have been scarcely conducted. We then conducted field measurements in an abandoned road tunnel to evaluate geophysical methods for the characterization of the basement structures of tunnel. Tested methods were capacitively coupled resistivity measurement using OhmMapper and high-frequency surface wave measurement using Land Streamer. As a result, near surface structures up to 20 m beneath the tunnel floor were clearly imaged. The reconstructed structure was concordant with excavation and maintenance history of the tunnel. Furthermore, the reconstructed geophysical sections matched with a previously reported P-wave velocity section. In conclusion, combined resistivity and surface wave survey is capable for the evaluation of physical properties of basement structure and surrounding rocks of tunnels.

1. はじめに

トンネルは大口径のボアホールであり，空孔でかつ覆

工されているという条件さえ考慮すれば，ボアホール内

で実施されるほとんどの検層・孔内計測手法を適用する

ことができる．筆者らはこれまでにもトンネル坑間トモグラ

フィ（稲崎，1983），地表-トンネル坑間トモグラフィ（稲崎ほ

か，1986）などを適用してきた．最近では TBM の外部に

比抵抗センサを配置し，トンネル周辺地山の比抵抗構造

をイメージングする技術も開発されている（斎藤ほか，

2015）．加えてトンネルは，物理探査が重要な役割を果た

している土木構造物の一つでもある．実際山岳トンネル

の標準的設計施工法である NATM では，地表地震探査

結果に基づいて地山等級・支保パターンが設定され，さ

らに出水対策・弱部の把握のために地表電気探査もしば

しば適用される．さらに大規模トンネルでは，施工中調査

として HSP（稲崎・千田，1993）による切羽前方探査が活

用されている．

近年，供用中のトンネルが経年劣化により変状をきたし，

大規模な通行障害を引き起こす事故が出来している．笹

子トンネル天井板落下事故（2012 年 12 月）を契機に国土

交通省は道路トンネル定期点検要領(国土交通省，2014）

を大幅に改定し，トンネルの健全性を定期的に診断して

健全(I)から緊急措置段階(IV)までの 4 段階で分類し，必

要な維持修繕を行なうことを指示した．ただしトンネル点

検は「近接目視」を基本とし，覆工表面の変状の有無の把

握を主対象としていることから，突発的崩落の原因となる

覆工厚・背面空洞調査は当初点検手法に組み込まれて

おらず，変状確認箇所で「打音検査」を実施して追加調査

の要否を判断するという流れを採用している．この覆工

厚・背面空洞調査の一手法として，地中レーダ探査技術

が紹介されているが，覆工以外の部材の変状，特に路盤

変状を対象とした探査技術は未開発であった．これに対

し岡崎ほか（2016）は，トンネル路盤において屈折法地震

探査を実施し，さらにチェックボーリングと孔内速度検層

の結果と合わせて解析し，路盤下の弾性波速度分布から

地質性状の違いやトンネル掘削による地山物性の変化を

講演番号 30 公益社団法人　物理探査学会第135回学術講演会論文集（2016）

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把握できることを示した．一方稲崎ほか（2008）は，河川堤

防の安全性評価に対して統合物理探査が有効であること

を示した．また高周波表面波探査によって舗装の物性構

造を把握できることを示した（北ほか，2013）．本報告では，

これらの手法を用いて道路トンネルの路盤および地山の

物性をイメージングした事例を紹介する．

2. トンネル坑内統合物理探査 2.1 探査対象トンネル

探査を実施したトンネルは，札幌市の北方約 60km の

日本海側に位置する国道トンネルである（Fig.1）．このトン

ネルは 1972 年に着工され，1977 年に竣工した．延長は

約1.9kmで，在来工法（鋼製支保工と矢板を支保とする工

法）で施工された．両坑口と地山地質が不良と想定された

一部区間ではインバート工が追加実施されたものの，掘

削時から支保の座屈，地山の押し出しや盤ぶくれ等の変

状が発生した．さらに供用後数年を経て側壁の押し出し

や路盤変状が発生したことから，数次にわたって補修・対

策工が実施された（岡崎ほか，2016）．しかし対策工実施

後も緩慢な変状が継続し，内空断面の確保が困難となっ

たことから新トンネルを掘削し，本トンネルを含む区間は

廃道となった．

トンネルの施工時の想定地質断面と，対策工実施区間

とを Fig.2 に示す．トンネル地山の地質は，北側に安山岩

溶岩（非変質）が，南側には弱変質～強変質の安山岩～

デイサイトおよび凝灰角礫岩が分布すると想定されてい

た．

2.2 適用探査手法および現地探査

本トンネルにおいて，2次にわたって物理探査を実施し

た．実施時期および測定条件を Table 1 に示す．採用し

た手法はキャパシタ電極カップル型比抵抗探査(CCR)と

ランドストリーマー方式表面波探査（LSSW）の 2 種であり，

いずれも中心線付近に測線を設定して路盤および路盤

下浅部地山を探査対象とした．

CCR には牽引式電気探査装置 OhmMapper を使用し

Figure 1. A map showing the study site situated 60 km north from Sapporo, Hokkaido.

Figure 2. An inferred geologic section along the studied tunnel. Zones reinforced during its service are marked by pink rectangle (revised from Okazaki, et al., 2016).

Table 1 Survey items and parameters of the field measurements conducted in an abandoned tunnel.

Survey Item CCR Survey Period 2014/12/02-03 Survey Length 1980m Survey Depth ~ 7.5m Used Tool OhmMapper

Dipole Length 2.5/5.0/10.0m Electrode Separation n:0.5-3

Processing Tool OhmImager Survey Item LSSW Survey Period 2015/07/21-23 Survey Length 1960m Survey Depth ~20m Used Tool Land Streamer/DAS-1

# of channel 48 Geophone 4.5Hz/single

Rec./Shot Interval 1.0/2.0m Sampling Rate 0.25 ms

# of record 978 Processing Tool SeisImager

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た．電極間隔は 2.5，5.0，10.0m とし，隔離係数を 0.5～3

に設定して計測した．しかし電極間隔を大きく設定するか

あるいは隔離係数を大きくした場合，信号レベルが著しく

低下して計測できなくなる区間があった．同ツールは最

大で 8mAの定電流出力，ダイポール・ダイポールの線電

極配置の測定装置で，原理的には電流電極間隔を大きく

するほど測定電位レベルが大きくなり S/N の向上が期待

される．しかし地下浅部に鉄筋や H 鋼などの良導体が存

在すると電流定格出力の制御が困難となり，また計測され

る電位も小さくなる．このモデルによって，上述の現象が

特定の区間で観測されたことを説明可能である．合計 15

本の電極配置データを用い，最大で見かけ深度 10m ま

でのデータを得ることができた．なおこのうち10本は測線

全域をカバーしている．

LSSW にはランドストリーマー方式の表面波探査ツー

ルを使用した．同ツールは，1m 間隔で固有周波数 4.5Hz

の上下動地震計を 48 個連結している．化繊ロープを連

結・牽引部材に使用していることから，牽引部材を伝搬す

る振動は無視できるレベルに抑制されている．また鋳鉄

製のベースプレートを使用し，路面とのカップリングを高

めている．データ収録にはDAS-1を使用し，サンプリング

間隔 0.25ms,データ長は 1 秒に設定した．起振には,かけ

矢による人力打撃を採用した．またトンネル覆工の影響を

検証するため，測線を外部（明かり部）に約 60m 延長させ

て測定した．約2.5日の測定で2m間隔，合計978点の起

振データを取得した．

2.3 取得データ処理および 2D 断面の作成

OhmMapper 取得データに対しては，まず平滑化処理

を施してスパイクノイズ類を除去し，つぎに線電極に対す

るダイポール・ダイポール配置の電極配置係数を用いて

見かけ比抵抗を計算した．これに非線形連続 1 次元逆解

析を施し，深さ 8mまでの 2 次元比抵抗断面を作成した．

ランドストリーマー表面波探査データに対しては，

CMP-CC波形（Hayashi & Suzuki, 2004）を4m間隔で計算

し分散曲線を読み取った．Figure 3 は，測線区間内の代

表的な 4 点の位相速度-周波数コヒーレンス図である．明

かり部（CMP=-172m）とトンネル坑内（他 3 点）とで位相速

度分散が明瞭に異なっていることがわかる．またトンネル

坑内においても，地点によって特徴的な位相速度分散を

示す．Figure 4 は，トンネル坑内の 2 点で計算された

CMP-CC 分散曲線に対して，それを説明可能な Vs 構造

を，100 次までのレイリー波の高次モードの最大振幅点を

計算することによってモデル化したものである．

CMP=184m では表層に層厚約 1.5m，Vs=2400m/s の高

速度層が，CMP=1052m では層厚約 50cm，Vs=1600m/s

の高速度層が存在し，その直下に Vs＝400m/s 程度の低

速度層が存在するという速度構造モデルによって観測さ

れた分散曲線を説明することができた．

3. 探査結果および考察 3.1 統合物理探査結果概要

物理探査データに対して連続 1 次元逆解析を施して得

Figure 3. Dispersion images at four CMPs along the survey line. Blue colored portions correspond to small errors between observed coherences and theoretical Bessel functions.

Figure 4. Left: observed dispersion curve (blue colored portion) and the higher mode curve to a Vs structure (just on the observed curve); Right: the corresponding velocity structure of the basement of the tunnel at two CMPs.

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られた結果断面を Fig.5 に示す．なお測線距離の起点は

トンネル距離で+126m に設定していることに注意された

い．同図にはトンネル路盤浅部の局所的異常構造が鮮明

に捉えられている．特に供用後に対策工を実施した 5 区

間は，北側の1区間を除いて高Vs・低比抵抗帯としてイメ

ージングされている．また区間3から5の間は施工時にイ

ンバート工が施工された区間であったが，S 波速度構造

断面においては表層に中 Vs 帯が分布している．測線距

離 1400-1650m 間は，相対的低 Vs・低比抵抗帯として再

現されているが，路盤に横断クラックが発達している区間

とほぼ対応していた．測線距離 400-600m 間，

1000-1500m間では地山部に高Vs層が再現されているが，

その区間は坑内地震探査断面の高Vp域と調和的であっ

た．

3.2 トンネル坑内物理探査の適用性

トンネルが裸坑の場合，孔壁に沿って「トンネル波」と称

される特異な表面波が伝播することが知られている（斎藤，

2007）．トンネル波は低周波数側に遮断周波数をもち，分

散が小さいとされており，本測定結果とは非調和的である．

一方舗装路面での高周波探査では，高次モードが卓越

する，本探査結果と調和的なレイリー波分散が観察される．

以上から，分散曲線の高周波帯域は路盤の物性を，

100Hz 以下の低周波帯域は地山の構造を反映していると

みなすことが可能である．

比抵抗探査の電極配置係数は地表と孔井内とでは異

なる．キャパシタカップル型比抵抗探査ではこれにツー

ル特有の補正係数を乗じる必要がある(小西ほか，2005)．

本探査では便宜的に地表探査の係数を使用した．

4. まとめと課題

トンネル路盤と路

盤下地山の物性構

造を，統合物理探査

によって把握するこ

とが可能である．従

来のトンネル維持管

理・健全性点検では

覆工に対する近接

目視が主であり，路

盤の正常を定量的

に把握する手法は

未開発であった．今

後覆工を有する空孔

の応答について検

討し，手法の妥当

性・適用条件等を検証する予定である．

なお 2014 年の現地計測には宮川智史氏（前土木研究

所；現北海道開発局）に，2015 年の計測には小河原敬徳

氏（土木研究所）にお手伝いいただいた．記して深甚の

謝意を表します．

参考文献 Hayashi, K., and Suzuki, H. (2004): CMP cross-correlation

analysis of multichannel surface-wave data, Exploration Geophysics, 35, 7-13.

稲崎 富士(1983)：地質断面法によるトンネル地山速度解析，第15回日本道路会議一般論文集，115-116，日本道路協会．

稲崎 富士ほか（1986）：地質断面法（その6）-トンネル坑間・地表間探査結果-，物理探査学会第 75回学術講演会講演論文集，49-50．

稲崎 富士・千田敬二（1993）：物理探査学会第 89回学術講演会講演論文集，140-143．

稲崎 富士ほか（2008）：河川堤防安全性評価への統合物理探査の利用，最新の物理探査事例集，105-112．

北 高穂ほか (2013)：舗装路盤の非破壊健全性調査に対する表面波探査の適用性について，物理探査学会第128回学術講演会講演論文集，162-165．

国土交通省（2014）：道路トンネル定期点検要領，75p，2014 小西 千里ほか (2005)：電極棒を用いない牽引式電気探査手

法「オームマッパー」の適用実験と今後の展開，応用地質年報，No. 25, 47-60.

岡崎 健治ほか (2016) ：時間依存性変状を生じたトンネルの路盤下における弾性波速度と地山の健全性評価の試み, 寒地土木研究所月報，24-33.

斎藤 秀樹ほか (2015）：比抵抗連続測定によるシールドトンネル掘進中の土質判別技術の開発，物理探査学会第 132回学術講演会講演論文集, 35-38.

斎藤 正徳（2007）：半径方向に変化する媒質中の孔井内を伝わる境界波・表面波，応用地質技術年報, No. 27, 113-141.

Fig. 5. Near surface geophysical sections along the line set in the tunnel. Top: S-wave velocity section reconstructed from surface wave survey data; Bottom: Resistivity section reconstructed from OhmMapper data.

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