トンネル内の電気探査実験風景地下空洞周辺のゆるみ領域を可視化 ―― 物理探査法で地下の構造を探る ―― ■ ■ ■ ● 地下探査技術で地盤の物理特性を調べる掘削で生じた空洞周辺のゆるみ域を可視化掘削斜面での物理特性の分布を可視化ひとこと我孫子研究所地圏環境部上席研究員鈴木浩一地下探査技術で地盤の物理特性を調べるボーリング孔を掘らずに地表面から電流や地震波を送って地下構造を立体的に調査できる物理探査法は、例えばトンネルや大深度の地下空洞周辺岩盤の物理特性を効率的に、しかも低コストで調査できる手法として期待されています。しかし、物理探査法で得られる比抵抗や弾性波速度の分布からはおおよその地質構造は把握できても、地盤の力学的な強度特性や水理的な特性については一義的に解釈することは困難とされてきました。電力中央研究所では、地盤の電気特性が岩石の含む地下水量と関係があることに着目し、数年前からいろいろな種類の岩石の電気特性を解明し、地下の水理特性の評価に役立てるための研究に取り組んでいます。 ■ 地盤の電気特性とは ■ 岩石の過剰伝導現象比抵抗とは、物質固有の電気の流れにくさを示岩石を流れる電流は間隙中の地下水だけでなす値です。電流は主として地盤を構成する鉱物間く、岩石を構成する鉱物粒子と地下水の境界面のすき間（間隙）にある地下水を流れることから、との間に形成される電気の流れやすい領域（電火成岩のように緻密で固い岩石は間隙が小さく比気二重層）にも流れるものと考えられます。こ抵抗は高くなります。逆に、地質年代の若い堆積れは岩石の過剰伝導現象（表面容積比抵抗）と岩や未固結の砂礫地盤など間隙の大きい地盤の比呼ばれており、地下水との並列回路で表せます。抵抗は低くなります。さらに、地下水の比抵抗がすなわち、地下水比抵抗が低い条件（海水程度）低いほど地盤の比抵抗も低くなります。ボーリンでは、地下水を流れる電流の影響が強く現れまグ調査により採取したコア試料に対し、強制的にすが、地下水比抵抗が高い条件（淡水）では、間隙水の塩分濃度を変えた条件で電気特性を室内この電気二重層を流れる電流の影響が強くなるで計測しました。その結果、地下水の塩分濃度がと考えられます。粘土層のように鉱物粒子が微高い領域（約10Ωｍ以下）では地下水比抵抗が高小なほど地下水との境界面は大きくなり、過剰くなるにしたがい岩石比抵抗も高くなりますが、伝導現象が強く現れます。また、火成岩のよう塩分濃度が低い領域（約10Ωｍ以上）では地下水な緻密な岩石でも細かな割れ目を含んでおり、比抵抗には依存しないで岩石比抵抗が一定の値に鉱物粒子の場合と同じように過剰伝導現象が発なることがわかりました。生するものと考えられます。固相液相電気二重層一般的な岩石モデル固相電気二重層による過剰伝導現象＠Katsube & Hume（1983） 1 1 1 ρR ＝ Fρw ＋ ρc ρc＝dρsF ここに、F：真の地層比抵抗係数、 ρw：間隙水比抵抗、ρc：表面容積比抵抗 d：間隙幅、ρs：表面伝導による比抵抗 103 岩石比抵抗/間隙水比抵抗 104 電気二重層 103 102 Sl-a Sl-b M Si-a Si-b S. 101 100 10−1 100 101 102 103 F=aφ−m a=2.46, m=1.26 r2=0.9562 104 地層比抵抗係数間隙水電流岩石比抵抗（Ωm）マトリックス 102 101 100 100 DD（2） MO6/OB4（2） UL-100（2） MO5/OB5（1） MO4/OB6（1） DR6/OB4（2） WA-100（3） CV8/BA2（1） 103 102 101 101 102 100 10−1 Gd Toil An Lm Ph Sd（Plio.） Sd（Mio.） Sd（Pal.） Sd（Mes.）間隙水比抵抗（Ωm）飽和度（％） 100 101 間隙率（％）間隙水比抵抗と岩石比抵抗の関係水分飽和度と岩石比抵抗の関係間隙率と地層比抵抗係数との関係図地盤の電気比抵抗モデルとコア試料による室内試験結果 102 掘削で生じた空洞周辺のゆるみ域を可視化 ■ ゆるみ域の分布状況 ■ ゆるみ域内の地下水の挙動深部地下に掘削されたトンネル周辺の岩盤がゆ掘削２年後の結果では、トンネルより約数るんだ領域の分布を調査するで目的で、トンネル 10cmの領域のみ比抵抗が高く変化していることの軸方向に直交する円周状の測線を展開し、掘削がわかります。ここで、トンネル坑口での地下１年後と２年後に電気探査法を行いました。その水湧水量の測定結果をみますと、掘削直後から結果、掘削１年後ではトンネルを取り囲むように湧水量は徐々に低下していることがわかります。約1ｍ領域の比抵抗が低くなっており、地下水をしたがって、掘削1年後の時点で周辺岩盤からの含む量が多い領域、すなわち岩盤がゆるんで間隙地下水の供給量が十分であったため岩盤が飽和が多少大きく変化した領域をとらえているものと状態であったものが、掘削２年後の時点では周考えられます。また、掘削２年後ではトンネルよ辺岩盤からの地下水の供給量よりトンネル坑口り約数10cmの領域のみ比抵抗が高く変化しておからの地下水の蒸発量の方が多くなったため、り、トンネル壁面より地下水が蒸発して乾燥が進トンネル壁面より数10cmの領域においては地下行した部分をとらえたものと推定されます。水が蒸発して乾燥が徐々に進行したものと推定されます。 63100 39800 25100 15800 10000 6310 3980 2510 1580 1000 631 398 掘削後１年３ヶ月 TBM Tunnel TBM Tunnel TBM Tunnel 比抵抗（Ωm） 63100 39800 25100 15800 10000 6310 3980 2510 1580 1000 631 398 掘削後２年４ヶ月ゆるみ領域（厚さ：1m）変化率（％）不飽和領域（厚さ：数10cm） TBM Tunnel 比抵抗（Ωm）湧水量（l/min）供給される地下水量：S 900 １年後２年後 400 350 300 250 200 150 100 50 0 -50 比抵抗変化率１年後２年後トンネル内に蒸発トンネル内に蒸発 600 S＞V トンネル内への蒸発量：V 時間 S＜V ゆるみ域への地下水の供給量：S ゆるみ域からトンネルへの蒸発量：V 図トンネル内でのゆるみ領域の可視化の例風化花崗岩の掘削斜面での物理特性の可視化 ■ 地盤の風化状況を把握する ■ 今後の取り組み風化花崗岩が分布する山間部で12年前に掘削さ現時点では地盤の間隙率や含水率の分布まで求れた道路横の掘削斜面において、電気探査法と弾めることは可能ですが、浸透率など地盤の水理特性波探査法を行い、両者の解析断面を複合的に解性の分布を精度良く求めるまでには至っていませ析して、地盤の間隙率と含水率の断面図を作成しん。間隙の大きさ・形状・続成作用によるセメンました。その結果、法面の中・上部の自然斜面でト分布などの要因と浸透率との関係については未は間隙率が数10％以上の領域が7∼8mと厚く分布し解明な部分が多く、様々な岩種に対する物理モデており、掘削前より存在していたと考えられる風ルを構築していくことが重要と考えられます。今化が強い領域をとらえたものと考えられます。一後、これらの課題の解明に向けて、さらに詳細な方､法面下部ではその厚さは1m程度であることが室内試験を行い探査技術の高精度化を図っていくわかります。これら間隙率が大きい領域は貫入試計画です。験結果によるN値が小さい領域とほぼ整合していま ● ひとことす。以上より、掘削後12年間で法面下部だけが急岩石コア試料を使用しての室内実験はすぐに成果がでるわけでもなく実に地道な作業ですが、データを一つ一つ積み重ねていくことによりいずれは“答え”が見えてくると信じて常日頃研究に取り組んでいます。速に風化が進行したことが推定されます。測線斜面 slope P1 12年前測線斜面我孫子研究所地圏環境部上席研究員鈴木浩一計測時 35 間隙率 30 （％） 25 20 15 10 5 20 18 16 14 12 10 8 6 4 15 10 含水率（％） 15 10 5 間隙率断面 0 5 10 15 20 5 0 25 水平距離（m）水分飽和度断面 0 5 10 15 20 鉛直距離（m） slope P1 0 25 水平距離（m）図風化花崗岩の掘削斜面における摘要例 ■ 既刊「電中研ニュース」ご案内 No.369 2002・2003年度短期経済予測 No.368 アーク電流遮断用アークホーンを商用化 Central Research Institute of Electric Power Industry No.367 日本列島の火山の分布を調べる No.366 CRIEPIのうごき 2002秋 2002年 1 2 月25日発行〒100-8126（財）電力中央研究所広報部東京都千代田区大手町1-6-1（大手町ビル7階） TEL.（03）3201-6601 FAX.（03）3287-2863 http : //criepi. denken. or. jp/ E-mail : www-pc-ml@criepi. denken. or. jp 古紙配合率50％の再生紙を使用しています