特許 7468981 液層厚さの検出方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-08

(45)【発行日】2024-04-16

(54)【発明の名称】液層厚さの検出方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   G01V 8/12 20060101AFI20240409BHJP

   G01F 1/00 20220101ALI20240409BHJP

   G01B 11/06 20060101ALI20240409BHJP

【ＦＩ】

G01V8/12 A

G01F1/00 H

G01B11/06 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020182545

(22)【出願日】2020-10-30

(65)【公開番号】P2022072865

(43)【公開日】2022-05-17

【審査請求日】2023-04-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110711

【弁理士】

【氏名又は名称】市東 篤

(72)【発明者】

【氏名】飛田 南斗

【審査官】野口 聖彦

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００５／０２８０８３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表平０３－５０１６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１０１７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０２２２２３８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｖ １／００－９９／００

Ｇ０１Ｎ ２１／００

Ｇ０１Ｂ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基盤を覆う液層の表面から背面の基盤に向けて波長の異なる複数の光を照射して各波長の光が基盤で反射して照射位置に戻るまでの往復時間を検知し，前記各波長の光の往復時間の差と前記各波長の光の液層中の屈折率とに基づいて前記液層の厚さを測定してなる液層厚さの検出方法。

【請求項2】

基盤を覆う液層の表面から背面の基盤に向けて波長の異なる複数の光を照射して各波長の光が基盤で反射して照射位置まで戻る反射波の照射波に対する位相遅延を検知し，前記各波長の光の位相遅延と前記各波長の光の液層中の屈折率とに基づいて前記液層の厚さを測定してなる液層厚さの検出方法。

【請求項3】

基盤を覆う液層の表面から背面の基盤に向けて波長の異なる複数の光を選択的に同じ投光部から基盤上の同じ位置に照射して各波長の光が基盤で反射して戻る反射光の受光位置を検知し，照射位置から対象までの距離と照射位置から対象に向けて照射した光が対象で反射して戻る反射光の受光位置との対応関係を予め求めておき，前記各波長の光の受光位置と前記各波長の光の液層中の屈折率と前記対応関係とに基づいて前記液層の厚さを測定してなる液層厚さの検出方法。

【請求項4】

請求項１から３の何れかの検出方法により前記基盤を覆う液層の厚さを求め，前記基盤を覆う液層の範囲を測定し，前記液層の厚さと範囲とに基づいて前記液層の体積を推定してなる液層厚さの検出方法

【請求項5】

基盤を覆う液層の表面から背面の基盤に向けて波長の異なる複数の光を照射して各波長の光が基盤で反射して照射位置に戻るまでの往復時間を検知する検知手段，前記各波長の光の液層中の屈折率を記憶する記憶手段，及び前記検知手段で検知した各波長の光の往復時間の差と前記記憶手段に記憶した各波長の光の屈折率とに基づいて前記液層の厚さを算出する算出手段を備えてなる液層厚さの検出装置。

【請求項6】

基盤を覆う液層の表面から背面の基盤に向けて波長の異なる複数の光を照射して各波長の光が基盤で反射して照射位置まで戻る反射波の照射波に対する位相遅延を検知する検知手段，前記各波長の光の液層中の屈折率を記憶する記憶手段，及び前記検知手段で検知した各波長の光の位相遅延と前記記憶手段に記憶した各波長の光の屈折率とに基づいて前記液層の厚さを算出する算出手段を備えてなる液層厚さの検出装置。

【請求項7】

基盤を覆う液層の表面から背面の基盤に向けて波長の異なる複数の光を選択的に同じ投光部から基盤上の同じ位置に照射して各波長の光が基盤で反射して戻る反射光の受光位置を検知する検知手段，前記各波長の光の液層中の屈折率と共に照射位置から対象までの距離と照射位置から対象に向けて照射した光が対象で反射して戻る反射光の受光位置との対応関係を記憶する記憶手段，及び前記検知手段で検知した各波長の光の受光位置と前記記憶手段に記憶した各波長の光の屈折率と前記対応関係とに基づいて前記液層の厚さを算出する算出手段を備えてなる液層厚さの検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は液層厚さの検出方法及び装置に関し，とくに基盤を覆う液層の厚さを検出する方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

山岳トンネル等の掘削工事では，掘削に伴って湧水が発生すると土砂の流出や切羽の崩壊等のリスクが高まり，施工性や安全性も大きく低下することから，切羽前方の地下水の状態を把握して適切な対策を施しながら施工することが求められる。従来から先進ボーリングによって切羽前方の地下水状態を予想しながら施工しているが，先進ボーリングだけでは限られた線情報しか得ることができず，掘削に伴う湧水量を適切に把握できないことが経験されている。これに対して，掘削直後の切羽上の湧水を非接触で検出し，検出された切羽上の湧水によって切羽前方の地下水状態を面的に評価することが提案されている（特許文献１，２参照）。

【0003】

図５（Ａ）は，特許文献２の開示する地下水状態評価システム６０を示す。図示例の評価システム６０は，トンネル１の切羽２を撮影して温度分布情報Ｇａを出力する赤外線カメラ６１と，切羽２を撮影して強度分布情報Ｇｂを出力する近赤外線カメラ６２とを備えている。赤外線カメラ６１は，切羽２から放射される熱赤外線（例えば遠赤外線及び中赤外線）を検知する撮像素子を有しており，図５（Ｂ）に示すような切羽２の温度分布情報（画像）Ｇａを作成して出力する。近赤外線カメラ６２は，切羽２に向けて近赤外線を掃射する投光器と，切羽２で反射された近赤外線を検知する撮像素子とを有しており，図５（Ｃ）に示すような切羽２からの近赤外線の反射強度を反映した強度分布情報（画像）Ｇｂを作成して出力する。

【0004】

また図５（Ａ）の評価システムは，赤外線カメラ６１の温度分布情報Ｇａと近赤外線カメラ６２の強度分布情報Ｇｂとから切羽２上の湧水の状態を評価する演算装置６３を備えている。演算装置６３は，温度分布情報Ｇａに基づいて，所定閾値（例えば２１．５℃）より低い温度となっている切羽２上のエリア（温度低下部）Ａａを湧水の発生している可能性の高いエリアとして特定する。また演算装置６３は，強度分布情報Ｇｂに基づいて，所定閾値よりも高い強度となっている切羽２上のエリア（高吸収部）Ａｂを湧水の発生している可能性の高いエリアとして特定する。切羽２上の温度低下部Ａａと高吸収部Ａｂとを照らし合わせ，例えば両者の重複する部分を湧水発生エリアＡとして特定することにより，切羽前方の地下水の状態を面的に評価することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平１０－１６０８５７号公報

【文献】特開２０１０－１０１７９９号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】左貝潤一「光計測入門」森北出版，２０１６年７月５日発行，ｐｐ．９８～１１１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

図５に示す従来の地下水状態評価システム６０によれば，切羽前方の地下水の状態を面的に評価することができ，例えば特定した湧水発生エリアＡの範囲（面積，或いは切羽２の全体に対する面積割合等）を予め設けた基準値と比較することにより切羽前方の地下水状態の危険度等を評価することができる。しかし，従来の評価システム６０は，切羽２の湧水発生エリアＡの場所や面積を特定できるものの，特定した湧水発生エリアＡにおける水深（湧水層の厚さ）を検知することができず，切羽２上の湧水量（体積）を評価することができない問題点がある。

【0008】

切羽２上の湧水量は，トンネル掘削工事において作業の施工性・安全性を図るうえで重要な項目であるにも拘らず，非接触式で湧水の深さ（液層の厚さ）を評価するシステムが開発されていないことから，従来は作業員が切羽２に接近して目視により見積り，或いは切羽２に接触して計測しているのが実情である。しかし，切羽２上の湧水のように挙動を予測することができない自然水を定量するために切羽２に接近することは危険を伴う。作業員の安全を確保する観点からも，切羽上の湧水の深さを非接触で検知できるシステムの開発が望まれている。

【0009】

そこで本発明の目的は，切羽上の湧水のように基盤を覆う液層の厚さを非接触で検出する方法及び装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

図１及び図２（Ｂ）の実施例を参照するに，本発明による液層厚さの検出方法の一態様は，基盤（例えば切羽）２を覆う液層（例えば湧水）１０の表面から背面の基盤２に向けて波長λｒ，λｂの異なる複数の光Ｒ，Ｂを照射して各波長の光Ｒ，Ｂが基盤２で反射して照射位置に戻るまでの往復時間ｔｒ，ｔｂを検知し，各波長の光Ｒ，Ｂの往復時間ｔｒ，ｔｂの差（ｔｒ－ｔｂ）と各波長の光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂとに基づいて液層１０の厚さを測定してなるものである。

【0011】

また，図１及び図３（Ｂ）の実施例を参照するに，本発明による液層厚さの検出方法の他の態様は，基盤（例えば切羽）２を覆う液層（例えば湧水）１０の表面から背面の基盤２に向けて波長λｒ，λｂの異なる複数の光Ｒ，Ｂを照射して各波長の光Ｒ，Ｂが基盤２で反射して照射位置まで戻る反射波の照射波に対する位相遅延φｒ，φｂを検知し，各波長の光Ｒ，Ｂの位相遅延φｒ，φｂと各波長の光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂとに基づいて液層１０の厚さを測定してなるものである。

【0012】

また，図１及び図４（Ｂ）の実施例を参照するに，本発明による液層厚さの検出方法の更に他の態様は，基盤（例えば切羽）２を覆う液層（例えば湧水）１０の表面から背面の基盤２に向けて波長λｒ，λｂの異なる複数の光Ｒ，Ｂを選択的に同じ投光部から基盤上の同じ位置に照射して各波長の光Ｒ，Ｂが基盤２で反射して戻る反射光の受光位置Ｘｒ，Ｘｂを検知し，照射位置から対象までの距離Ｌと照射位置から対象に向けて照射した光が対象で反射して戻る反射光の受光位置Ｘとの対応関係Ｆを予め求めておき，各波長の光Ｒ，Ｂの受光位置Ｘｒ，Ｘｂと各波長の光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂと対応関係Ｆとに基づいて液層１０の厚さを測定してなるものである。

【0013】

他方，本発明による液層厚さの検出装置の一態様は，図２（Ｂ）に示すように，基盤（例えば切羽）２を覆う液層（例えば湧水）１０の表面から背面の基盤２に向けて波長λｒ，λｂの異なる複数の光Ｒ，Ｂを照射して各波長の光Ｒ，Ｂが基盤２で反射して照射位置に戻るまでの往復時間ｔｒ，ｔｂを検知する検知手段２１，各波長の光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂを記憶する記憶手段５１，及び検知手段２１で検知した各波長の光Ｒ，Ｂの往復時間ｔｒ，ｔｂの差（ｔｒ－ｔｂ）と記憶手段５１に記憶した各波長の光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂとに基づいて液層１０の厚さを算出する算出手段５０を備えてなるものである。

【0014】

また，図３（Ｂ）に示すように，本発明による液層厚さの検出装置の他の態様は，基盤（例えば切羽）２を覆う液層（例えば湧水）１０の表面から背面の基盤２に向けて波長λｒ，λｂの異なる複数の光Ｒ，Ｂを照射して各波長の光Ｒ，Ｂが基盤２で反射して照射位置まで戻る反射波の照射波に対する位相遅延φｒ，φｂを検知する検知手段３１，各波長の光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂを記憶する記憶手段５１，及び検知手段３１で検知した各波長の光Ｒ，Ｂの位相遅延φｒ，φｂと記憶手段５１に記憶した各波長の光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂとに基づいて液層１０の厚さを算出する算出手段５０を備えてなるものである。

【0015】

また，図４（Ｂ）に示すように，本発明による液層厚さの検出装置の更に他の態様は，基盤（例えば切羽）２を覆う液層（例えば湧水）１０の表面から背面の基盤２に向けて波長λｒ，λｂの異なる複数の光Ｒ，Ｂを選択的に同じ投光部から基盤上の同じ位置に照射して各波長の光Ｒ，Ｂが基盤２で反射して戻る反射光の受光位置Ｘｒ，Ｘｂを検知する検知手段４１，各波長の光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂと共に照射位置から対象までの距離Ｌと照射位置から対象に向けて照射した光が対象で反射して戻る反射光の受光位置Ｘとの対応関係Ｆを記憶する記憶手段５１（又は４６），及び検知手段４１で検知した各波長の光Ｒ，Ｂの受光位置Ｘｒ，Ｘｂと記憶手段５１に記憶した各波長の光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂと対応関係Ｆとに基づいて液層１０の厚さを算出する算出手段５０を備えてなるものである。

【発明の効果】

【0016】

本発明による液層厚さの検出方法及び装置は，基盤２を覆う液層１０の表面から背面の基盤２に向けて波長λｒ，λｂの異なる複数の光Ｒ，Ｂを照射し，各波長の光Ｒ，Ｂが基盤２で反射して照射位置に戻るまでの往復時間ｔｒ，ｔｂ，照射位置まで戻る反射波の照射波に対する位相遅延φｒ，φｂ，又は反射波の受光位置Ｘｒ，Ｘｂと，各波長の光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂとに基づいて液層１０の厚さを測定するので，液層１０の厚さを非接触で検知することができる。

【0017】

従って，本発明を切羽２の湧水に適用した場合に，切羽２に接近することなく離れた位置から作業員の安全を図りながら切羽２を覆う湧水２の厚さを非接触で検知することができる。また，図５を参照して上述した地下水状態評価システム６０と組み合わせ，地下水状態評価システム６０によって切羽上の湧水発生エリアＡの面積を求めると共に，本発明によって切羽上の湧水発生エリアＡの厚さ（水深）を求めることにより，切羽２上の湧水発生エリアＡの湧水量（体積）を評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

以下，添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。

【図1】は，本発明の液層厚さの検出方法の一実施例の説明図である。

【図2】は，本発明の液層厚さの検出装置の一実施例の説明図である。

【図3】は，本発明の検出装置の他の実施例の説明図である。

【図4】は，本発明の検出装置の更に他の実施例の説明図である。

【図5】は，従来の切羽前方の地下水状態評価システムの一例の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１（Ａ）は，トンネル１の掘削工事において切羽２に生じた亀裂３から切羽１を部分的に覆うように流れ出る湧水１０の厚さ（水深）ｄの測定に本発明の検出装置２０（或いは検出装置３０，検出装置４０）を適用した実施例を示す。例えば，検出装置２０をトンネル１内の切羽２から離れた作業員９に保持させ，掘削直後の切羽２上の湧水１０の表面と対向させることにより，湧水１０の厚さ（水深）ｄを非接触で検出する。以下，図示例に沿って説明するが，本発明の適用対象は切羽２上の湧水１０に限定されるわけではなく，基盤２を覆うように存在する液層１０の厚さｄの測定に広く適用可能である。

【0020】

図示例の検出装置２０は，異なる波長λｒ，λｂの複数の光Ｒ，Ｂ（例えばレーザー光）を液層１０の表面側から背面の基盤２に向けて投光して基盤２までの距離を検知する検知手段２１ｒ，２１ｂと，検知手段２１ｒ，２１ｂの各波長λｒ，λｂの検知距離の差に基づいて液層１０の厚さを算出する算出手段５０とを有する。従来から光を利用して距離を求める複数の方式が開発されており（非特許文献１参照），図示例の検出装置２０の一例は図２に示すようなＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式（光パルス方式と呼ばれることもある）を利用したものであるが，図３に示すような位相遅延検出方式の検出装置３０，或いは図４に示すような三角測量方式の検出装置４０とすることもできる。

【0021】

図２（Ａ）を参照して，従来の光パルス方式を説明する。光パルス方式の検知手段２１は，所定波長λ（周波数ｆ）で比較的短いパルス光Ｉを出力する光源（例えばレーザーダイオード）２２と，パルス光Ｉを基盤（計測対象）２に向けて照射する投光部２４と，基板２からの反射パルス光Ｉを受信する受光部２５と，照射から受信までのパルス光Ｉの往復時間ｔを検知する検知器２３とを有する。図示例では，光源２２と投光部２４との間のビームスプリッタ（ＢＳ）経由で照射パルス光Ｉを検知器２３に入力し，受光部２５の反射パルス光を全反射ミラー（Ｍ）経由で検知器２３に入力し，両者から検知器２３において往復時間ｔを検知している。往復時間ｔが検知できれば，（１）式のパルス光Ｉの速度（光速）ｃを用いて，（２）式のように検出装置２０から基板２までの距離Ｌ（＝ｃ・ｔ／２）を算出することができる。

【0022】

ｃ＝ｆ・λ＝ｆｒ・λｒ＝ｆｂ・λｂ ……………………………………………（１）
Ｌ＝ｃ・ｔ／２ ………………………………………………………………………（２）
ｃｒ＝ｃ／ｎｒ ………………………………………………………………………（３）
ｃｂ＝ｃ／ｎｂ ………………………………………………………………………（４）

【0023】

ただし，（１）式はパルス光Ｉの空気中の光速ｃであり，図１（Ａ）のように基盤２の表面が液層１０で覆われている場合は，液層１０中においてパルス光Ｉの速度が空気中よりも遅くなる。例えば波長λｒのパルス光Ｒの液層１０中の速度ｃｒは（３）式のように波長λｒの屈折率ｎｒに応じて遅くなり，波長λｂのパルス光Ｂの液層１０中の速度ｃｂは（４）式のように波長λｂの屈折率ｎｂに応じて遅くなる。従って，複数の異なる波長λｒ，λｂのパルス光Ｒ，Ｂを利用して液層１０で覆われた基盤２までの往復時間ｔｒ，ｔｂを検知すると，後述する（１４）式のように各波長λｒ，λｂの往復時間ｔｒ，ｔｂに液層１０の厚さｄに応じた差（ｔｒ－ｔｂ）が生じる。

【0024】

図１（Ｂ）は，異なる波長λｒ，λｂの複数のパルス光Ｒ，Ｂを用いて液層１０の厚さを算出する光パルス方式の検出装置２０の実施例を示す。図示例の検出装置２０は，波長λｒのパルス光Ｒの光源２２ｒ及びその反射光の検知器２３を有する光パルス方式の検知手段２１ｒと，波長λｂのパルス光Ｂの光源２２ｂ及びその反射光の検知器２３を有する光パルス方式の検知手段２１ｂと，記憶手段５１を有する算出手段５０とを有する。検知手段２１ｒにより波長λｒのパルス光Ｒの基盤２までの往復時間ｔｒを検知し，検知手段２１ｂにより波長λｂのパルス光Ｂの基盤２までの往復時間ｔｂを検知し，算出手段５０により往復時間ｔｒと往復時間ｔｂとの差（ｔｒ－ｔｂ）から液層１０の厚さを算出する。算出手段５０の一例はコンピュータであり，算出手段５０の記憶手段５１には各波長λｒ，λｂのパルス光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂを記憶する。

【0025】

図２（Ｂ）を参照して，光パルス方式の検出装置２０により液層１０の厚さを算出する手順を説明する。基盤２を覆う厚さｄの液層１０の表面に向けて，基盤２から距離Ｌ（Ｌ＞ｄ）だけ隔てた位置から波長λｒのパルス光Ｒを照射した場合，検知器２３で検知される基盤２からの往復時間ｔｒは（１１）式で表される。同様に，波長λｂのパルス光Ｂを照射した場合，検知器２３で検知される基盤２からの往復時間ｔｂは（１２）式で表される。従って，（１３）式のような往復時間ｔｒ，ｔｂの差（ｔｒ－ｔｂ）が発生し，（１４）式のように往復時間の差（ｔｒ－ｔｂ）と記憶手段５１に記憶した各波長のパルス光Ｒ，Ｂの屈折率ｎｒ，ｎｂとから液層１０の厚さｄを算出することができる。なお，（１４）式におけるパルス光Ｉの速度（光速）ｃは定数（（１）式参照）であり，予め算出手段５０の記憶手段５１に記憶しておくことができる。

【0026】

ｔｒ＝（２Ｌ－２ｄ）／ｃ＋２ｄ／ｃｒ
＝（２Ｌ－２ｄ）／ｃ＋２ｄ・ｎｒ／ｃ …………………………………（１１）
ｔｂ＝（２Ｌ－２ｄ）／ｃ＋２ｄ／ｃｂ
＝（２Ｌ－２ｄ）／ｃ＋２ｄ・ｎｂ／ｃ …………………………………（１２）
ｔｒ－ｔｂ＝２ｄ（ｎｒ－ｎｂ）／ｃ …………………………………………（１３）
ｄ＝ｃ（ｔｂ－ｔｒ）／２（ｎｂ－ｎｒ） ……………………………………（１４）

【0027】

検出装置２０で用いるパルス光Ｒ，Ｂの波長λｒ，λｂにとくに制限はなく，異なる波長λｒ，λｂのパルス光Ｒ，Ｂを適宜選択できるが，好ましくは可視光線の範囲内（３８０ｎｍ～７６０ｎｍ程度の範囲内）からそれぞれ選択する。可視光波長のパルス光Ｒ，Ｂを用いることにより，作業員が視覚でパルス光Ｒ，Ｂの照射位置を確認しながら液層１０の厚さｄを求めることができる。また，液層１０中での吸収が比較的小さいパルス光Ｒ，Ｂを選択することが有効である。例えば赤色パルス光Ｒ（波長λｒ＝６４０～７７０ｎｍ）と青色パルス光Ｂ（波長λｂ＝４５０～４９５ｎｍ）を用いる。ただし，液層１０中での吸収及び液相１０の液面での反射を考慮する必要がなければ，紫外線領域又は赤外線領域のパルス光を用いることも可能である。

【0028】

更に，図１（Ｂ）の検出装置２０は２種類のパルス光Ｒ，Ｂを用いているが，３種類以上の波長の異なるパルス光を用いることも有効である。例えば３種類のパルス光を用いることで（１３）式のような往復時間の差（ｔｒ－ｔｂ）を３つ取得することができ，３つの往復時間の差（ｔｒ－ｔｂ）から液層１０の厚さｄを検出することで精度を高めることが期待できる。好ましくは，複数のパルス光Ｒ，Ｂでそれぞれ液層１０の同じ部位の厚さｄが検出されるように，各パルス光Ｒ，Ｂの照射位置をできるだけ一致させる。例えば図１（Ｂ）の検出装置２０では，複数の検知手段２１ｒ，２１ｂを同時に駆動することもできるが，各パルス光Ｒ，Ｂを同時に照射すると照射位置がずれるので，液層１０の厚さｄの検出誤差が大きくなりうる。各検知手段２１ｒ，２１ｂを液層１０の同じ部位に順次対向させ，各パルス光Ｒ，Ｂを照射位置が一致するように別々に照射することが望ましい。

【0029】

図１（Ｃ）は，複数のパルス光Ｒ，Ｂの照射位置を一致させながら液層１０の厚さを検出することができる光パルス方式の検出装置２０の他の実施例を示す。図１（Ｃ）の検出装置２０は，異なる波長λｒの複数の光源２２ｒ，２２ｂ及び光源切替スイッチ２６を有する単独の検知手段２１と，記憶手段５１を有する算出手段５０とで構成されている。光源切替スイッチ２６で複数の光源２２ｒ，２２ｂを選択的に投光部２４と接続し，複数のパルス光Ｒ，Ｂを同じ投光部２４から照射することにより，各パルス光Ｒ，Ｂの照射位置を一致させることができる。例えば光源切替スイッチ２６で各パルス光Ｒ，Ｂの照射を一定時間で切り替え，切替前（又は切替後）に検知器２３で検知されたパルス光Ｒの往復時間ｔｒと，切替後（又は切替前）に検知器２３で検知されたパルス光Ｂの反射時間ｔｂとの差（ｔｒ－ｔｂ）から液層１０の厚さｄを算出する。

【0030】

図１及び図２のような検出装置２０を用いれば，掘削直後の切羽２上の湧水１０の厚さ（水深）ｄを切羽２から離れた位置から非接触で検出することができる。また，図１の検出装置２０を図５の地下水状態評価システム６０と組み合わせ，地下水状態評価システム６０によって切羽２上の湧水発生エリアＡの面積を求めると共に，図１及び図２の検出装置２０によって切羽２上の湧水発生エリアＡの厚さｄを求めることにより，切羽２上に発生した湧水発生エリアＡの湧水量（体積）を評価することができる。

【0031】

こうして本発明の目的である「切羽上の湧水のように基盤を覆う液層の厚さを非接触で検出する方法及び装置」を提供することができる。

【実施例1】

【0032】

図３は，異なる波長λｒ，λｂの複数の光Ｒ，Ｂを用いて位相遅延検出方式に基づき液層１０の厚さを算出する本発明の検出装置３０の実施例を示す。上述した図２の光パルス方式に基づく検出装置２０は，液層１０の厚さを非接触で簡便に検出できるが，基板２を覆う液層１０の厚さｄが薄くなると，パルス光Ｒ，Ｂが液層１０を往復する時間が非常に短くなり，厚さｄを精度よく検出することが難しくなりうる。光パルス方式に代えて位相遅延検出方式の検出装置３０を用いることにより，液層１０が薄い場合であっても厚さｄを精度よく検出することが期待できる。

【0033】

図３（Ａ）を参照して，従来の位相遅延検出方式を説明する。位相遅延検出方式の検知手段３１は，所定波長λの光Ｉを出力する光源（例えばレーザーダイオード）３２と，その光Ｉを基盤２に向けて照射する投光部３４と，基板２からの反射光Ｉを受信する受光部３５と，照射光に対する反射光の位相遅延（照射光に対する反射光の位相差）φを検知する検知器３３とを有する。基盤２から距離Ｌだけ隔てて波長λの光Ｉを照射した場合，距離Ｌの往復に相当する分だけ反射光の位相が遅れる。位相には２πの整数ｑ倍だけ不確実さがあることを考慮すると，照射光に対する反射光の位相遅延φは（２１）で表すことができる。位相遅延φが検知できれば，光Ｉの波長λを用いて，（２２）式のように検出装置２０から基板２までの距離Ｌを算出することができる。（２２）式に含まれる定数ｑは，予め校正することにより決定しておくことができ，算出手段５０の記憶手段５１に記憶しておくことができる。

【0034】

φ＝２π（２Ｌ／λ）－２π・ｑ＝２π・ｆ・ｔ－２π・ｑ ………………（２１）
Ｌ＝λ・（φ／２π＋ｑ）／２ …………………………………………………（２２）
φｒ＝２π｛（２Ｌ－２ｄ）／λｒ＋２ｄ／（λｒ／ｎｒ）｝－２π・ｑ
＝２π｛（２Ｌ－２ｄ）／λｒ＋２ｄ・ｎｒ／λｒ－ｑ｝
＝２π｛２ｄ（ｎｒ－１）／λｒ＋２Ｌ／λｒ－ｑ｝ …………………（２３）
φｂ＝２π｛（２Ｌ－２ｄ）／λｂ＋２ｄ／（λｂ／ｎｂ）｝－２π・ｑ
＝２π｛（２Ｌ－２ｄ）／λｂ＋２ｄ・ｎｂ／λｂ－ｑ｝
＝２π｛２ｄ（ｎｂ－１）／λｂ＋２Ｌ／λｂ－ｑ｝ …………………（２４）
ｄ＝（λｂ・φｂ－λｒ・φｒ）／４π・（ｎｂ－ｎｒ）
＋ｑ（λｂ－λｒ）／２（ｎｂ－ｎｒ） ………………（２５）

【0035】

図３（Ｂ）は，異なる波長λｒ，λｂの複数の光（例えばレーザー光）Ｒ，Ｂを用いて液層１０の厚さを算出する位相遅延検出方式の検出装置３０の実施例を示す。図示例の検出装置３０は，所定波長λｒの光Ｒの光源３２ｒ及び検知器３３を有する位相遅延検出方式の検知手段３１ｒと，異なる所定波長λｂの光Ｂの光源３２ｂ及び検知器３３を有する位相遅延検出方式の検知手段３１ｂと，記憶手段５１を有する算出手段５０とを有する。検知手段３１ｒにより波長λｒの光Ｒが基盤２までの往復したときの位相遅延φｒを検知し，検知手段３１ｂにより波長λｂの光Ｂが基盤２までの往復したときの位相遅延φｂを検知し，算出手段５０により位相遅延φｒと位相遅延φｂとから液層１０の厚さを算出する。算出手段５０の記憶手段５１には，各波長λｒ，λｂの光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂを記憶する。

【0036】

図３（Ｂ）に示すように基盤２の表面が液層１０で覆われている場合は，異なる波長λｒ，λｂによる位相遅延が生じるだけでなく，液層１０中において各波長λｒ，λｂの屈折率ｎｒ，ｎｂによる位相遅延が生じる。すなわち，基盤２を覆う厚さｄの液層１０の表面に向けて，基盤２から距離Ｌ（Ｌ＞ｄ）だけ隔てた位置から波長λｒの光Ｒを照射した場合，検知器３３で検知される反射光Ｒの位相遅延φｒは（２３）式で表される。同様に，波長λｂの光Ｂを照射した場合，検知器３３で検知される反射光Ｂの位相遅延φｂは（２４）式で表される。（２３）式及び（２４）式から距離Ｌを消去することにより，（２５）式のように厚さｄを解くことができる。（２５）式に含まれる波長λｒ，波長λｂ，定数ｑは予め決定されているので，（２５）式は各波長λｒ，λｂの位相遅延φｒ，φｂと各波長λｒ，λｂの屈折率ｎｒ，ｎｂとから液層１０の厚さｄが算出できることを示している。

【0037】

位相遅延検出方式の検出装置３０で用いる光Ｒ，Ｂの波長λｒ，λｂにとくに制限はないが，好ましくは可視光線の範囲内（３８０ｎｍ～７６０ｎｍ程度の範囲内）からそれぞれ選択し，照射位置を視覚で確認しながら液層１０の厚さｄを求めることができるようにする。図３（Ｂ）の検出装置３０は２種類の光Ｒ，Ｂを用いているが，３種類以上の波長の異なる光を用いることも有効である。更に，複数の光Ｒ，Ｂでそれぞれ液層１０の同じ部位の厚さｄが検出されるように，各光Ｒ，Ｂの照射位置をできるだけ一致させることが望ましい。図１（Ｃ）に示すように，異なる波長λｒの複数の光源３２ｒ，３２ｂと光源切替スイッチ２６とを有する単独の検知手段３１を用いることにより，各光Ｒ，Ｂの照射位置を一致させながら液層１０の厚さｄを検出する検出装置３０とすることができる。

【実施例2】

【0038】

図４は，異なる波長λｒ，λｂの複数のレーザー光Ｒ，Ｂを用いて三角測量方式に基づき液層１０の厚さを算出する本発明の検出装置４０の実施例を示す。図４（Ａ）を参照して，従来の三角測量方式を説明する。三角測量方式の検知手段４１は，所定波長λの光Ｉを出力する光源（例えばレーザーダイオード）４２と，その光Ｉを基盤（対象）２に向けてほぼ垂直に照射する投光部４４と，基板２で乱反射した反射光Ｉの一部を受信する受光部４５と，受光した反射光Ｉの受光位置Ｘを検知する検知器４３と，記憶手段４６とを有する。図示例の受光部４５の一例は，基盤２からの反射光Ｉを受信して検知器４３に結像するレンズである。図中の符号Ｐは，基盤２上の光Ｉの反射位置を示す。

【0039】

基盤２からの特定角度の反射光Ｉを受信して位置Ｘに結像することにより，反射光Ｉの受光位置Ｘを，照射位置から基盤（対象）２上の反射位置までの距離Ｌと１対１対応させることができる。すなわち，受光位置Ｘ（例えば受光位置Ｘの照射位置からの変位ｓ）と基盤（対象）２までの距離Ｌとの対応関係Ｆを予め求めて記憶手段４６に設定しておけば，その対応関係Ｆを用いて反射光Ｉの受光位置Ｘから基板２までの距離Ｌ（＝Ｆ（ｓ））を求めることができる。図示例では，対応関係Ｆを検出装置４０の内部の記憶手段４６に記憶しているが，例えば後述する算出手段５０の記憶手段５１のように，検出装置４０の外部において受光位置Ｘ（例えば受光位置Ｘの照射位置からの変位ｓ）と対応関係Ｆとから基盤２までの距離Ｌを算出することも可能である。また，受光位置Ｘの照射位置からの変位ｓと照射位置から基盤２までの距離Ｌ（＝Ｆ（ｓ））とから（３１）式のように反射光Ｉの反射角度θが表される。

【0040】

ｔａｎθ＝ｓ／Ｌ＝ｓ／Ｆ（ｓ） ………………………………………………（３１）
ｔａｎθｒ＝ｓｒ／Ｌｒ＝ｓｒ／Ｆ（ｓｒ） …………………………………（３２）
ｔａｎθｂ＝ｓｂ／Ｌｂ＝ｓｂ／Ｆ（ｓｂ） …………………………………（３３）
ｎｒ＝ｓｉｎθｒ／ｓｉｎθ ∴ｓｉｎθ＝ｓｉｎθｒ／ｎｒ ……………（３４）
ｎｂ＝ｓｉｎθｂ／ｓｉｎθ ∴ｓｉｎθ＝ｓｉｎθｂ／ｎｂ ……………（３５）
ｓｒ＝ｄ・ｔａｎθ＋（Ｌ－ｄ）ｔａｎθｒ …………………………………（３６）
ｓｂ＝ｄ・ｔａｎθ＋（Ｌ－ｄ）ｔａｎθｂ …………………………………（３７）
ｄ＝（ｓｒ・ｔａｎθｂ－ｓｂ・ｔａｎθｒ）／ｔａｎθ（ｔａｎθｂ－ｔａｎθｒ）
…………………………………………（３８）

【0041】

図４（Ｂ）は，異なる波長λｒ，λｂの複数のレーザー光Ｒ，Ｂを用いて液層１０の厚さを算出する三角測量方式の検出装置４０の実施例を示す。図示例の検出装置４０は，所定波長λｒの光Ｒの光源４２ｒ及び検知器４３を有する三角測量方式の検知手段４１ｒと，異なる所定波長λｂの光Ｂの光源４２ｂ及び検知器４３を有する三角測量方式の検知手段４１ｂと，記憶手段５１を有する算出手段５０とを有する。算出手段５０の記憶手段５１には，各波長のレーザー光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂと共に従来の三角測量方式で求めた対応関係Ｆ，すなわち照射位置から対象までの距離Ｌと照射位置から照射した光が対象で反射して戻る反射光の受光位置Ｘ（例えば受光位置Ｘの照射位置からの変位ｓ）との対応関係Ｆを記憶する。

【0042】

検知手段４１ｒ及び検知手段４１ｂは，何れも基板２まで同じ距離Ｌとなるような照射位置に配置する。また，異なる波長λｒ，λｂの光Ｒ，Ｂが液層１０の同じ部位に照射されるように，検知手段４１ｒ及び検知手段４１ｂの照射位置を一致させる。好ましくは，図１（Ｃ）に示すように，異なる波長λｒの複数の光源４２ｒ，４２ｂと光源切替スイッチ２６とを有する単独の検知手段４１を用いることにより，各光Ｒ，Ｂの照射位置を一致させながら液層１０の厚さｄを検出する検出装置４０とする。三角測量方式の検出装置４０で用いる光Ｒ，Ｂの波長λｒ，λｂにとくに制限はないが，好ましくは可視光線の範囲内（３８０ｎｍ～７６０ｎｍ程度の範囲内）からそれぞれ選択し，照射位置を視覚で確認しながら液層１０の厚さｄを求めることができるようにする。また，図４（Ｂ）の検出装置４０は２種類の光Ｒ，Ｂを用いているが，３種類以上の波長の異なる光を用いることも有効である。

【0043】

図４（Ｂ）に示すように，基盤２を覆う厚さｄの液層１０の表面に向けて，基盤２から距離Ｌ（Ｌ＞ｄ）だけ隔てた照射位置から波長λｒの光Ｒを照射し，基盤２から反射角度θで乱反射される反射光Ｒを受信した場合，液層１０の通過時に反射光Ｒが屈折して反射角度θｒになるので，検知手段４１ｒの検知器４３で検知される反射光Ｒの受光位置Ｘｒの照射位置からの変位ｓｒは（３６）式のようになる。検知手段４１ｒで検知した反射光Ｒの受光位置Ｘｒ（例えば受光位置Ｘｒの照射位置からの変位ｓｒ）は，算出手段５０に入力する。算出手段５０において，反射光Ｒの受光位置Ｘｒ（例えば受光位置Ｘｒの照射位置からの変位ｓｒ）から対応関係Ｆを用いて基盤２までの距離Ｌｒ（＝Ｆ（ｓｒ））を求め，（３２）式のように反射光Ｒの反射角度θｒを算出することができる。なお，対応関係Ｆを用いて求めた基盤２までの距離Ｌｒは，基盤２上の実際の反射位置までの距離ではなく，屈折した反射光Ｒから推定される見かけ上の反射位置Ｐｒまでの距離である。

【0044】

同様に，図４（Ｂ）に示すように同じ照射位置から波長λｂの光Ｂを照射し，基盤２から反射角度θで乱反射される反射光Ｒを受信した場合，液層１０の通過時に反射光Ｂが屈折して反射角度θｂになるので，検知手段４１ｂの検知器４３で検知される反射光Ｂの受光位置Ｘｂの照射位置からの変位ｓｂは（３７）式のようになる。検知手段４１ｂで検知した反射光Ｂの受光位置Ｘｂ（例えば受光位置Ｘｂの照射位置からの変位ｓｂ）は，算出手段５０に入力する。算出手段５０において，反射光Ｂの受光位置Ｘｂ（又は受光位置Ｘｂの照射位置からの変位ｓｂ）から対応関係Ｆを用いて基盤２までの距離Ｌｂ（＝Ｆ（ｓｂ））を求め，（３３）式のように反射光Ｂの反射角度θｂを算出することができる。なお，対応関係Ｆを用いて求めた基盤２までの距離Ｌｂも，基盤２上の実際の反射位置までの距離ではなく，屈折した反射光Ｂから推定される見かけ上の反射位置Ｐｂまでの距離である。

【0045】

（３６）式及び（３７）式から距離Ｌを消去することにより，液層１０の厚さを（３８）式のように解くことができる。（３８）式に含まれる屈折した反射角度θｒは，上述した（３２）式のように算出することができ，（３８）式に含まれる屈折した反射角度θｂも，上述した（３３）式のように算出することができる。また，（３８）式に含まれる基盤２から反射角度θは，各波長λｒ，λｂの光Ｒ，Ｂの屈折した反射角度θｒ，θｂと各波長λｒ，λｂの光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂとから，（３４）式又は（３５）式に基づき算出することができる。すなわち（３８）式は，各波長λｒ，λｂの光Ｒ，Ｂの受光位置Ｘｒ，Ｘｂ（例えば受光位置Ｘｒ，Ｘｂの照射位置からの変位ｓｒ，ｓｂ）と，各波長λｒ，λｂの光Ｒ，Ｂの液層１０中の屈折率ｎｒ，ｎｂと，対応関係Ｆとから，算出手段５０において液層１０の厚さｄが算出できることを示している。

【符号の説明】

【0046】

１…トンネル坑道 ２…基盤（切羽）
３…亀裂 ９…作業員
１０…液層（湧水）
２０…液層厚さ検出装置 ２１，２１ｒ，２１ｂ…往復時間検知手段
２２…光源 ２３…検知器
２４…投光部 ２５…受光部
２６…光源切替スイッチ
３０…液層厚さ検出装置 ３１，３１ｒ，３１ｂ…位相遅延検知手段
３２…光源 ３３…検知器
３４…投光部 ３５…受光部
４０…液層厚さ検出装置 ４１，４１ｒ，４１ｂ…受光位置検知手段
４２…光源 ４３…検知器
４４…投光部 ４５…受光部
４６…記憶手段
５０…算出手段 ５１…記憶手段
６０…地下水状態評価システム ６１…赤外線カメラ
６２…近赤外線カメラ ６３…演算装置
Ａａ…温度低下部 Ａｂ…高吸収部
Ｇａ…温度分布情報（画像） Ｇｂ…強度分布情報（画像）
ｄ…液層の厚さ Ｌ…基盤までの距離
ｔ，ｔｒ，ｔｂ…反射時間 φ，φｒ，φｂ…反射位相遅延
Ｘ，Ｘｒ，Ｘｂ…受光位置 ｓ，ｓｒ，ｓｂ…受光位置の照射位置からの変位
Ｆ…対応関係 Ｐ，Ｐｒ，Ｐｂ…反射位置（見かけ上の反射位置）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】