地中空洞推定に向けた光ファイバーによる地盤モニタリング手法の実証

本研究では、既存の通信光ファイバーを活用し、広範囲の地盤特性を常時モニタリングする手法の実証を行いました。さらに、地中空洞を想定したシミュレーションにより、地盤特性の変化から空洞形成を推定できる可能性を確認しました。
具体的には、既存の地下管路に敷設された通信用光ファイバーを用いた光ファイバーセンシングによる地盤モニタリングを実施し、地盤特性の経時変化から地中空洞化の兆候を推定する手法の有効性を確認しました。
NTT持株会社ニュースリリースはこちら： https://group.ntt/jp/newsrelease/2025/10/21/251021a.html
※国立研究開発法人産業技術総合研究所（産総研）とNTTとの共同研究による成果です。

1．研究背景
近年、都市部では老朽化した上下水道などのインフラへの土砂流入による地中空洞の発生が社会問題となっています。地中空洞は道路陥没事故の原因となり、交通障がいやライフラインの寸断を引き起こすだけでなく、人命にかかわる重大事故につながる可能性があります。そのため、地盤の深部を効率的かつ低コストで常時監視できる新たな技術の確立が求められていました。
一方、物理探査分野では、人工的な震源を用いず、交通や自然現象など地表面に存在する人がほとんど感じないレベルの常時微動を複数の高感度地震計（微動計）で同時に記録・解析することで、より簡易に地下約数十mの地下構造を推定する微動アレイ探査の研究・活用が盛んに行われています。NTTは、高精度な光ファイバー振動センシング技術の検討を進めており、微動アレイ探査技術および地盤解析の知見を有する産総研と連携し、道路陥没リスクの早期発見を目的とした地盤モニタリング手法の実現に向けた実証実験を行いました。

2．研究の成果
（1）光ファイバー振動センシング技術による地盤モニタリング
街の地表には、交通や自然現象などによる常時微動が存在しており、これを解析することで地盤特性を推定することが可能です。本研究では、実際の市街地の地下管路に敷設された光ファイバーをセンサとして活用し、常時微動の観測及び特性の解析を行いました（図1）。
NTTが開発した高精度分布音響センシング（DAS）技術※1と、産総研が有する微動アレイ探査技術※2を用い、実際の市街地における実証実験の結果、両手法によって得られた地盤特性がおおむね一致することを確認しました。
光ファイバーセンシング（DAS）を用いた手法により、従来技術では数年に1回程度しか実施できなかった地中空洞の点検に対して、地中深さ約3～30 mの広範囲を、おおむね1日に1回程度の高頻度で遠隔モニタリングが可能になります（図2）。

図1　DASを活用した地盤特性観測手法

図2　地中空洞調査技術の比較

（2）実証結果
本手法の有効性を確認するため、茨城県つくば市内と埼玉県草加市内において、実際の地下管路に敷設された通信光ファイバーケーブルを用いた実証実験を実施しました。ケーブルルート上の複数地点において、光ファイバーを用いたDASと微動アレイ探査による常時微動の観測・比較を行いました。
結果の一例を図3に示します。図3は、つくばエリアと草加エリアの実験サイトの常時微動に含まれる振動について、周波数ごとの位相速度（地盤を伝搬する波の速度）を解析した結果を示しています。約3 Hz～約20 Hz以下の周波数範囲において、両手法の結果はおおむね整合していました。今回、整合的な結果が得られた範囲の周波数を深さに換算すると、おおむね約3m～30mの深さの地盤特性が得られていることになります。現地で作業が必要な微動アレイ探査と同等程度の精度で、広範囲かつ高頻度にDASによる地盤モニタリングが可能であることを示しました。

図3　地盤特性の測定結果の例

さらに、地中空洞が形成された場合の地盤特性の変化をシミュレーションにより評価しました（図4）。空洞の形成に伴い、振動が伝搬する速度の低下により、位相速度曲線に違いが出ることが確認できました。本手法により、地盤特性の変化を経時的に観測することで、空洞化の予兆の推定ができることが期待できます。

図4　地盤に空洞が形成された場合の地盤特性の変化

【用語解説】

※1 高精度DAS（Distributed Acoustic Sensing）
DASは、光ファイバーに入射した光の後方散乱光（レイリー散乱）を観測し、その位相やスペクトルの変化から光ファイバーに沿った振動（音響）の分布を高密度に計測する技術。NTTでは、独自技術による干渉雑音を抑制した高精度DASを開発しており、今回の実証実験に使用。
https://www.rd.ntt/iown_tech/post_8.html

※2 微動アレイ探査技術
地表面にアレイ配置した複数の微動計で常時微動の上下動成分を同時に記録・解析することで、簡易に地下深部まで物性値の構造を推定する探査技術。今回の実証実験では、広帯域な位相速度を比較するため、複数のアレイ形状を組み合わせた結果を使用。
https://doi.org/10.5575/geosoc.2023.0004