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超精密機器付近のトンネル掘削に伴う工事振動の振動源特性
名古屋大学工学部社会環境工学科建築学コース
構造設計工学講座飛田研究室入山広阿貴
1. 序論
現在名古屋大学北側では、
名古屋都市高速一号線の東山ト
ンネルの建設工事が進められており、
これに伴い発生する工
事振動は学内の超精密機器の使用環境に影響を与えている。
名古屋大学では環境モニタリングシステムの構築を行い、
振
動発生要因の分析と障害の防止対策を行っている。
本研究で
は、
工事状況の映像と振動を同時に収録できる新たな計測シ
ステムを開発し、これを利用して、工事振動の振動源特性を
詳細に明らかにすることを目的とする。
本トンネル工事の振
動特性を詳細に明らかにすることによって、
他の場所で同様
の工事が行われた際の工事振動の予測に有用であると考え
る。
2. 工事及び計測の概要
都市高速道路東山トンネルの断面と計測地点を図 1 に示
す。高速道路トンネルは NATM 工法により上下線 2 本建設
される。各トンネルにつき 2 本の側壁導坑を先行して掘削
し、その後本坑を上半・下半に分けて掘削する。本研究では
大学敷地に接した上り線の本坑上半掘削工事を対象とした。
計測は計3回（掘削工事時2回、工事機械走行試験1回）行っ
た（表１）
。本計測の特長は現場内にカメラを設置し、その
1
0 .5
0
-0 . 5
- 1
0
5
1 0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
2 5
3 0
3 5
4 0
1
電子顕微鏡架台
0 .5
電子顕微鏡基礎
-0 . 5
0
③ ❹ ②
- 1
0
1 5
2 0
1
0 .5
0
-0 . 5
- 01
平面道路
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
表土層
4 0
❸
砂礫層
❶
❷
1
0 .5
粘土層
0
❷’
-0 . 5
- 1
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
砂礫層
4 0
粘土層
①
砂礫層
❶’
1
1
0 .5
0
0 .5
0
0
-0 . 5
- 1
0
1
砂層
0 .5
-0 . 5
-0 . 5
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
- 1
0
4 0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
- 1
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
図１トンネル断面と計測地点及び振動の伝播状況
表 1 計測内容
映像を振動の波形や
計測名
計測内容
電子顕微鏡の画像と
キャリアダンプ走行
掘削
同期させてビデオに
掘削工事計測
バックホー接触
録画した点である。
ニブラーのはずし作業
ビデオの特長を生か
キャリアダンプ走行
生コン車走行
し、波形と映像との工事機械走行試験
バックホー走行
対応を繰り返し行
etc
い、それぞれの波形
トンネル内
の特徴と、機械・作業
波形モニタ
上り線カメラ
種別との対応につい
て詳細に分析する。電子顕微鏡
下り線カメラ
これによって各々の
振動源の特性を把握
● ● ● ● （コントローラー）
する。
3. 振動源特性
本研究では工事振
上り線
下り線
動の振動源特性の指
標として、振動レベ
電子顕微鏡
波形
の画像
ル（最大値）
、継続時
間と再現性、振動数
特性に注目した。ま図 2 計測システムのイメージ図
た、掘削位置に最も近い場所に設置されている❶’のセン
サーを振動源とした。
以下に振動源で最も振幅の大きい上下
方向の特徴について考察する。
3.1 掘削工事で発生した振動の振動源特性
図3に各工事作業時の波形を示す。キャリアダンプ走行時
（以下キャリアダンプ）は常に0.5gal程度の振動が発生し（最
大約 1.0gal）
、継続時間は 20 秒以上、波形は紡鐘形となって
いる。土砂掘削作業時（以下掘削）の振動は継続時間が 0.5
秒∼ 1.0 秒のパルス状の波形であり、振幅レベルは発生する
度に大きく異なる（最大約1.5gal）
。この要因としては掘削位
置や掘削の勢いの違いが影響していると考えられる。
バック
ホーの側壁導坑の支保工への接触時（以下バックホー）を図
中に矢印で示す。不定期に1.0gal程度の波形が継続時間約0.5
秒のパルス状に現れることが分かる。
ニブラーによる側壁導
坑の支保工はずし作業時（以下ニブラー）は 2.0 ∼ 3.0gal の
振動が 5 秒に 1 回程度の割合で発生している。ニブラーは、
他の作業に比べて振幅が最も大きいが、継続時間は最も短
い。図 4に各作業毎のフーリエスペクトルを示す。キャリア
ダンプは20Hz付近に明確なピークがある。また、掘削やバッ
クホーにも 11Hz 付近にピークがある。ニブラーは他に比べ
て高振動数が卓越しており、
この傾向は上下方向で顕著に見
られる。
これらより工事機械の種類や作業によって発生する
gal
キャリアダンプ
gal
1
0.5
0
-0.5
-1
2
1
0
-1
-2
ニブラー
gal
バックホー＆掘削
6
3
0
-3
-6
0
5
10
15
20
25
30
35
図 3 工事作業時の上下方向の波形（矢印はバックホーが側壁導坑の支保工に接触した時）
40
sec
トンネル平行方向
mkine*sec
0.9
0.6
上下方向
バックホー
ニブラー
キャリアダンプ
掘削
1.2
0.9
0.6
0.3
0.3
0
0
5
10
15 20
25
frequency(Hz)
0.9
0.6
0.3
0
0
30
バックホー
ニブラー
キャリアダンプ
掘削
1.2
mkine*sec
1.2
mkine*sec
トンネル直交方向
バックホー
ニブラー
キャリアダンプ
掘削
5
10
15
20
25
frequency(Hz)
0
30
0
5
10
15 20
25
frequency(Hz)
30
図 4 各工事作業時の❶’地点のフーリエスペクトル
キャリアダンプ
2 キャリアダンプ（徐行）
1
0
-1
-2
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
gal
gal
1
0
-1
-2
gal
2 キャリアダンプ（通常速度）
gal
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
0
5
10
15
図７工事作業時の❹地点における上下方向の波形
gal
0.4 生コン車障害乗り越え
0.2
0
-0.2
-0.4
0
5
10
バックホー＆掘削
20
sec
3
4. 超精密機器への影響
5. 結論
図１に示したように、
発生した振動は距離減衰や地盤増幅
特性などの影響を受けて超精密機器へと入力している。
しか
し、
地盤の伝播特性に比べて超精密機器の防振装置などの振
動特性の影響が非常に大きいため、ここではトンネルから
30mほど離れた電子顕微鏡に着目して、その振動特性と振動
キャリアダンプ走行時は明確な卓越振動数が存在するな
ど、ビデオとの対応により各々の工事機械・作業種別による
振動源特性が明確にできた。これは、新たに開発した計測シ
ステムによるところが大きい。
この計測システムは単に振動
源の特定のみにとどまらず、
今後の振動の監視と予測に極め
て有用であると考える。
mkine*sec
図５工事機械走行時の上下方向の波形
100
振動の特性は大きく
通常速度時
異なることが分か
徐行時
る。
10
3.2 工事機械走行
試験時に発生させた
1
振動の振動源特性
各工事機械走行時
0.1
の波形を図５に、
キャリアダンプ走行
0.01
時のフーリエスペク
0
5
10
15
20
25
30
frequency(Hz)
トルを図６に示す。
図６キャリアダンプ走行時の
キャリアダンプの振
フーリエスペクトル
幅はスピードが遅い
mkine*sec
sec2 0
mkine*sec
15
振幅比
ときは通常時の 2 分の 1 以下になる。積載量の変化による違
いは見られなかった。また、障害物の有無による影響はキャ
リアダンプでは見られないが、
生コン車走行時には明確に見
ることができる。この差は、キャリアダンプは接地面がキャ
タピラであるのに対して、
生コン車はタイヤであることが考
えられる。また、生コン車走行時の振幅レベルがバックホー
などの工事機械走行時より小さいことから、
キャタピラの方
がタイヤよりも大きな振動を発生させると考えられる。
図６
のフーリエスペクトルより、
キャリアダンプの通常速度時は
ピークが 21Hz 付近であるのに対し、徐行時は 15Hz 付近と
なっている。これより、キャタピラによる振動は走行速度に
よって卓越振動数が変化すると考えられる。
積載量の変化に
よる違いも見られるが、これは積載することにより、スピー
ドが減速したことが原因であると予想される。
源特性のよる影響を検
2
討する。また、電子顕微
鏡は基礎が建物から独
1
立しているため、基礎
0
0
5
10
15
20
25
30
からの入力が主である
frequency(Hz)
と考えられる。
図 8 ②地点に対する❹地点の
工事作業時の始め２
伝達関数
０秒間の❹地点の波形 0.8
②
を図７に、②地点に対
❹
0.6
する❹地点の伝達関数
を図８に、キャリアダ
0.4
ンプ走行時と掘削時の
②地点と❹地点のフー 0.2
リエスペクトルを図９
に示す。振幅レベルは
0
0
5
10
15
20
25
30
frequency(Hz)
バックホーが非常に大 0.8
きい。電子顕微鏡の防
②
❹
振台の上下方向の固有 0.6
振動数は 5Hz 付近にあ
る。これより5Hzの振動 0.4
数成分を多く持ってい
0.2
る振動は共振して、非
常に大きな影響を与え
0
0
5
10
15
20
25
30
る可能性がある。また
frequency(Hz)
❹地点でキャリアダン
図 9 キャリアダンプ走行時（上）
プの21Hz付近や掘削の
11Hz付近に小さなピーと掘削時（下）の②地点と❹地点
クが振動源特性の影響のフーリエスペクトル
として見られる。これらより、工事作業によって与える影響
が大きく異なることが考えられる。

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