特開 2023-70871 地下工事の検査方法および検査装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023070871

(43)【公開日】2023-05-22

(54)【発明の名称】地下工事の検査方法および検査装置

(51)【国際特許分類】

   G01V 5/00 20060101AFI20230515BHJP

【ＦＩ】

G01V5/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021183265

(22)【出願日】2021-11-10

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(74)【代理人】

【識別番号】100118474

【弁理士】

【氏名又は名称】寺脇 秀▲徳▼

(74)【代理人】

【識別番号】100141911

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 譲

(72)【発明者】

【氏名】宮寺 晴夫

(72)【発明者】

【氏名】山本 修治

(72)【発明者】

【氏名】藤牧 拓郎

(72)【発明者】

【氏名】久米 直人

(72)【発明者】

【氏名】杉田 宰

(72)【発明者】

【氏名】中居 勇樹

(72)【発明者】

【氏名】須賀 昌隆

(72)【発明者】

【氏名】野部 晃平

【テーマコード（参考）】

2G105

【Ｆターム（参考）】

2G105AA02

2G105BB19

2G105CC03

2G105DD01

2G105EE01

2G105EE02

2G105GG02

2G105LL03

2G105LL04

2G105LL05

2G105LL08

(57)【要約】

【課題】ミュオン軌跡検出器によって地中物質の種類、地中の空洞および／または密度を
検知し、適切な工事を実施することができる。
【解決手段】地下工事の検査装置１０は、地下を掘削する掘削装置２によって形成された
トンネル４内に設置されたミュオン軌跡検出器１と、このミュオン軌跡検出器１から送信
されるデータを収録および解析し地中の性状を解析する解析装置８とから構成することを
特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

地下トンネル工事において地中の性状を解析して評価する地下工事の検査方法において
、
地下を掘削する掘削装置によって形成されたトンネル内に設置したミュオン軌跡検出器
でミュオンの飛来方向分布を計測し、このミュオン軌跡検出器で計測されたデータによっ
て求められるミュオンの飛来方向分布によって、地中の性状を解析評価することを特徴と
する地下工事の検査方法。

【請求項2】

前記ミュオン軌跡検出器で解析される地中の性状は、地中の空洞、地中の密度、地中の
空洞発生、地中の密度変化、地中の構造物、地中物質の種類または当該種類の密度である
ことを特徴とする請求項１記載の地下工事の検査方法。

【請求項3】

工事前と、工事中または工事後のミュオンの飛来方向分布をミュオン軌跡検出器で計測
し、前記工事前と、工事中または工事後の変化を調べることで、工事によって生じた空洞
または地下水流変化の有無を評価することを特徴とする請求項１記載の地下工事の検査方
法。

【請求項4】

トンネル掘削の進捗に合わせて前記ミュオン軌跡検出器の位置を定期的に変えることを
特徴とする請求項３記載の地下工事の検査方法。

【請求項5】

複数台のミュオン軌跡検出器を使用することで、このミュオン軌跡検出器で計測された
データによって空洞または地下水流変化の位置を３次元的に特定することを特徴とする請
求項１から４の何れか１項記載の地下工事の検査方法。

【請求項6】

掘削箇所、掘削予定箇所、およびこれらの周辺の地上を計測し、地下に設置したミュオ
ン軌跡検出器で計測されるミュオンフラックスに影響を与える大型車両や重量物を積載し
た車両を計測し、前記大型車両や前記重量物を積載した車両によるミュオンフラックス変
化を除外もしくは較正することを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の地下工事
の検査方法。

【請求項7】

地下を掘削する掘削装置によって形成されたトンネル内に設置されたミュオン軌跡検出
器と、
このミュオン軌跡検出器から送信されるデータを収録および解析し、地中の性状を解析
する解析装置とから構成することを特徴とする地下工事の検査装置。

【請求項8】

前記ミュオン軌跡検出器で解析される地中の性状は、地中の空洞、地中の密度、地中の
空洞発生、地中の密度変化、地中の構造物、地中物質の種類または当該種類の密度である
ことを特徴とする請求項７記載の地下工事の検査装置。

【請求項9】

前記ミュオン軌跡検出器は、ガス検出器、シンチレーション検出器、写真乾板またはイ
メージングプレートからなる検出面を少なくとも２層以上有することを特徴とする請求項
７または請求項８記載の地下工事の検査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、宇宙線ミュオンを用いた地下工事の検査方法および検査装置に関
する。

【背景技術】

【0002】

シールド工法などを用いた地下工事において地中に空洞が発見される事象が発生してい
る。地中を地上から調査する方法として地中レーダー、比抵抗トモグラフィ、弾性波トモ
グラフィが知られているが、地中レーダーは地中での電磁波の散乱および吸収により事実
上５ｍ以深の探知には不向きであり、比抵抗トモグラフィと弾性波トモグラフィは多数の
ボーリング孔を掘削する必要があるため現実的ではない。また、いずれの測定方法も地上
構造物や地下埋設物の多い都心部では測定可能地点が限られ、対象範囲全域をカバーする
ことは困難である。

【0003】

一方で、地下水脈など測定対象の内部をイメージングする技術として、宇宙線ミュオン
などの荷電粒子を使用した透視技術が知られている。宇宙線ミュオンは、Ｘ線や他の放射
線と比べ透過力が強く、物質中を徐々にエネルギーを失いながら透過する。そのため、宇
宙線ミュオンの飛来方向分布から物質の量を推定することができる。

【0004】

例えば、宇宙線ミュオンと呼ばれる宇宙に起因して発生する荷電粒子は、非常に高いエ
ネルギーを持ち、透過力が高いため、火山やピラミッドといった大型の構造物などのイメ
ージングなどへ適用されている。非特許文献１では、坑道の中に宇宙線ミュオンの検出器
を設置し、土被り厚による宇宙線ミュオンのフラックス変化が測定されている。特許文献
１では、地中に設置したミュオン検出器で宇宙線ミュオンの角度分布を測定することによ
り、地中のトモグラフィ解析を行っている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】E. P. George, Commonwealth Engineer, 455 (July 1, 1955).

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０－２７１０５９号公報

【特許文献2】特開２００２－１０６２９１号公報

【特許文献3】特開２０１１－２０２３５６号公報

【特許文献4】国際公開第２０１１／０５８９１１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述した非特許文献１，特許文献１の手法においてはいずれも地中の密度分布などを既
知として与えることで解析的に地中の情報を再構築しており、広い視野にわたって観測を
行うには長期にわたる測定が必要であり、また都心部の地下工事に適用する場合には地上
および地下構造物の位置や形状、重量が必要となるため、シールド工法などの地下工事に
よる地中空洞の発生検知に適用するには現実的ではなかった。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記実施形態に係る地下工事の検査方法は、地下トンネル工事において地中の性状を解
析して評価する地下工事の検査方法において、地下を掘削する掘削装置によって形成され
たトンネル内に設置したミュオン軌跡検出器で掘削前後のミュオンの飛来方向ごとのフラ
ックス変化を計測し、このミュオン軌跡検出器で計測されたデータによって求められるミ
ュオンの飛来方向分布の変化によって、地中の性状変化を解析評価することを特徴とする
。

【0009】

また、上記実施形態に係る地下工事の検査装置は、地下を掘削する掘削装置によって形
成されたトンネル内に設置されたミュオン軌跡検出器と、このミュオン軌跡検出器から送
信されるデータを収録および解析し、地中の性状を解析する解析装置とから構成すること
を特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、ミュオン軌
跡検出器によって地中物質の種類、地中の空洞および／または密度を検知することができ
、適切な工事を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施例１に係る地下工事の検査装置を説明する概略断面図。

【図2】本発明の実施例１に係る地下工事の検査方法を説明する概略断面図。

【図3】ミュオン軌跡検出器を示す斜視図。

【図4】図３のIII矢視図。

【図5】本発明の実施例２に係る地下工事の検査装置を説明する概略断面図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明に係る地下工事検査方法の実施例について、図面を参照して説明する。

【0013】

（実施例１）
まず、図１から図４を参照して実施例１を説明する。図１は本発明の実施例１に係る地
下工事の検査装置１０を説明する概略断面図であり、図２は本発明の実施例１に係る地下
工事の検査方法を説明する概略断面図であり、図３はミュオン軌跡検出器を示す斜視図で
あり、図４は図３のIII矢視図である。

【0014】

本実施例１に係る地下工事の検査装置１０は図１に示されるように、地中３の掘削中の
トンネル４内に配置され、地中３を掘削する掘削装置、例えばシールド工法を用いた地下
工事を行うシールドマシン２の後方に、電源７を介して設置されたミュオン軌跡検出器１
を有して構成されている。そして、このミュオン軌跡検出器１は必要に応じて移動自在に
できるように台車６に設置されている。

【0015】

そしてこのミュオン軌跡検出器１は、図３および図４に示すようにミュオン軌跡検出器
１内を宇宙線ミュオン１１が通過することにより発生した電子が移動するドリフト時間に
基づいて、ミュオン軌跡検出器１内での通過位置を検出するドリフトチューブ検出器１４
が用いられる。このミュオン軌跡検出器１としてのドリフトチューブ検出器１４は、筒体
としての円筒管１５内の中心位置に、高電圧が印加される芯線１６が張設されると共に、
円筒管１５内に希ガスを主成分とする電離ガスが封入されている。宇宙線ミュオン１１が
ドリフトチューブ検出器１４内を通過すると、電離ガスが電離されてイオンと電子に分離
される。

【0016】

分離した電子が移動して芯線１６に到達したとき、ドリフトチューブ検出器１４から検
出信号が出力されて、ドリフトチューブ検出器１４における宇宙線ミュオン１１の通過が
検出される。電離ガスの電離により電子が発生する時刻と電子が芯線１６に到達する時間
（検出信号の発生時刻）とから、電子が発生してから芯線１６に移動するまでの移動時間
（ドリフト時間）が判明する。このドリフト時間に基づいて芯線１６までの電子の移動距
離（ドリフト半径）を求めることで、ドリフトチューブ検出器内での宇宙線ミュオン１１
の通過位置が検出可能になる。

【0017】

なお、ミュオン軌跡検出器１は、荷電粒子を粒子単位で測定できるものであればよく、
ドリフチューブ検出器のほか、比例計数管やマルチワイヤ方式、ＧＥＭ検出器（ガス電子
増幅器：ガス検出器）、シンチレーション検出器、写真乾板またはイメージングプレート
などからなり検出面を少なくとも２層以上有する検出器が適用可能である。検出方式や検
出器の外形は問わない。また、１つの検出器で直交する２方向位置を特定できる方式のも
のも適用可能である。

【0018】

宇宙線ミュオン１１を検出して検出信号を出力するミュオン軌跡検出器１は、図３及び
図４に示すように、複数本がＸ方向に配列された層が４層以上（例えば６層）設けられて
、宇宙線ミュオン１１のＸ方向位置を検出するＸ方向算出部２０Ｘを構成すると共に、複
数本がＸ方向に直交するＹ方向に配置された層が４層以上（例えば６層）設けられて、宇
宙線ミュオン１のＹ方向位置を検出するＹ方向算出部２０Ｙを構成する。ここで、Ｘ方向
算出部２０Ｘの検出器１１の層とＹ方向算出部２０Ｙの検出器１１の層とは、例えば２層
毎に交互に配置されている。

【0019】

Ｘ方向算出部２０Ｘは、上述の例えば６層の複数本のミュオン軌跡検出器１のほか、各
ミュオン軌跡検出器１にそれぞれが接続された複数個の信号処理回路１２と、複数個の信
号処理回路１２にそれぞれが接続された複数の時刻算出手段１３と、を有して構成される
。同様に、Ｙ方向算出部２０Ｙは、例えば６層の複数本のミュオン軌跡検出器１のほか、
各ミュオン軌跡検出器１にそれぞれが接続された複数個の信号処理回路１２と、複数個の
信号処理回路１２にそれぞれが接続された複数の時刻算出手段１３と、を有して構成され
る。

【0020】

上述のＸ方向算出部２０Ｘ及びＹ方向算出部２０Ｙをそれぞれ構成するミュオン軌跡検
出器１、信号処理回路１２及び時刻算出手段１３は、フレーム１７に支持されてモジュー
ル構造体２１を構成する。このモジュール構造体２１において、フレーム１７の周囲はカ
バー１８に覆われる。このカバー１８には、カバー１８内で発生した熱を放熱する放熱手
段としての放熱窓１９が形成されている。なお、上述のモジュール構造体２１のミュオン
軌跡検出器１、信号処理回路１２及び時刻算出手段１３は、Ｘ方向及びＹ方向に直交する
Ｚ方向付近から入射する宇宙線ミュオン１１を検出対象とする。

【0021】

フレーム１７は、ミュオン軌跡検出器１、信号処理回路１２及び時刻算出手段１３を固
定して支持するためのものであり、材質及び形状などは問わない。但し、フレーム１７は
、荷重による撓みや温度変化による歪などによってもミュオン軌跡検出器１の据付時の設
置精度を確保し得る程度の剛性などの特性を有する必要がある。

【0022】

このミュオン軌跡検出器１によって、宇宙線ミュオンの物質中の透過率から物質の密度
長を評価することができる。

【0023】

このミュオン軌跡検出器１ではシールドマシン２の上部、及び掘削方向の上部方向から
飛来する宇宙線ミュオン１１のフラックスを予め設定した時間で計測、または予め設定し
た時間間隔で繰返し計測している。そして、このミュオン軌跡検出器１から送信される計
測データは、解析装置８に送信され、この送信された計測データを収録、解析し、地中３
の性状、例えば地中の空洞・密度、地中の空洞発生、地中の密度変化、地中の構造物、地
中物質の種類または当該種類の密度を解析する構成になっている。なお、図中、符号５は
地中３の上方に建設された地上構造物である。

【0024】

このように構成された地下工事の検査装置１０は、図２に示すように、シールドマシン
２が掘削しながら例えば図中の位置ａから位置ｂに前進して、更に工事の進展に伴い空洞
６が発生した場合は、解析装置８に収録された当該箇所のデータをシールドマシン２が掘
削する前後の測定フラックスを比較することで、空洞６の発生を検知することができる。

【0025】

計測の時間設定については、シールドマシン２の掘削速度と空洞検知のタイミングで決
定すれば良く、ここでは限定しない。また、検知対象は空洞６に限定されず、周囲より地
中の密度が低い状態についても対象とすることができる。

【0026】

また、掘削箇所、掘削予定箇所、およびこれらの周辺の地上をモニタリングし、地下に
設置したミュオン軌跡検出器１で観測されるミュオンフラックスに影響を与える大型車両
や重量物を積載した車両の駐停止をモニタリングし、大型車両や重量物を積載した車両に
よるミュオンフラックス変化を除外もしくは較正することも可能である。

【0027】

以上により、地上構造物５のビルや家屋、地中の下水管などミュオンフラックスに影響
を与える構造物があっても、掘削前後のミュオンフラックスの差分を見ることでこれらの
影響を排除しながら地下工事で生じた空洞６等を検知することができ、その後の工事工程
等について検討し適切な工事を実施することができる。

【0028】

（実施例２）
次に、本発明に係る実施例２を、図５に示す本発明の実施例２に係る地下工事の検査装置
を説明する概略断面図を用いて説明する。なお、実施例１と同一の構成には同一の符号を
付し、重複する説明は省略する。また、地下工事の検査装置１０については図面をわかり
やすくするため、ミュオン軌跡検出器１のみを示し他の構成部分は図１と同一構造である
ためその構成は省略する。

【0029】

本実施例２は、複数のミュオン軌跡検出器１をシールドマシン２の後方に配置し、シー
ルド工事の進行に合わせて最後尾cのミュオン軌跡検出器１をシールドマシン２の直後ｇ
に移動させる。

【0030】

このように構成された本実施例２の形態において、シールド工法等による掘削工事の進
展に合わせて宇宙線ミュオンによる空洞検知を行うことができる。

【0031】

例えばシールドマシン２の掘削速度が１ｍ／時のとき、図５に示すように４台のミュオ
ン軌跡検出器を６ｍ間隔で位置ｃ、ｄ、ｅ、ｆに設置する。個々のミュオン軌跡検出器１
で２４時間ミュオンを観測する場合、一斉に測定を開始するのではなく、６時間タイミン
グをずらして測定を開始する。まず、位置ｃのミュオン軌跡検出器１から測定を開始し、
６時間後に位置ｄのミュオン軌跡検出器１の測定が開始される。更に６時間後に位置ｅで
の測定を開始し、更に６時間後に位置ｆの測定が開始されるとともに、シールドマシン２
が掘削を開始する。６時間後にシールドマシン２が６ｍ前進した時点で、位置ｃのミュオ
ン軌跡検出器１は２４時間の測定が完了し、位置ｇに移動され次の測定が開始される。

【0032】

ここで、ミュオン軌跡検出器１の移動手段は特に限定されるものではなく、手持ちでも
、図１に示す台車６、電源車等に搭載して自動で移動させてもよい。また、ミュオン軌跡
検出器１の台数や位置間隔は掘削速度と宇宙線ミュオンの測定時間の関係から決定すれば
良く、ここでは特に限定しない。また、複数台のミュオン軌跡検出器１を使用することで
、このミュオン軌跡検出器１で計測された宇宙線ミュオンの物質中の透過率や、散乱の度
合いによるデータによって空洞または地中の物質の種類および／または密度（土と水分の
割合）等による地下水流変化の位置を３次元的に特定することができる。

【0033】

本実施例の形態によれば、複数のミュオン軌跡検出器１を順次移動させて測定すること
で、掘削工事の進展に合わせて発生した空洞および地中の物質の種類および／または密度
を効率よく検知することができる。

【0034】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

【0035】

これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を
逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。

【0036】

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲
に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0037】

１…ミュオン軌跡検出器
２…シールドマシン（掘削装置）
３…地中
４…トンネル
５…地上構造物
６…台車
７…電源
８…解析装置
１０…地下工事の検査装置
１１…宇宙線ミュオン
１２…信号処理回路
１３…時刻算出手段
１４…ドリフトチューブ検出器
１５…円筒管
１６…芯線
１７…フレーム
１８…カバー
１９…放熱窓
２０Ｘ…Ｘ方向算出部
２０Ｙ…Ｙ方向算出部
２１…モジュール構造体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】