JP2008111289A - 地山の地質評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度に切羽前方の地質状況を予測できる地山の地質評価方法を提供すること。
【解決手段】地山１の既掘削部５において、距離程に応じて、切羽９ａの前方に削孔した際の削孔速度１１および打撃圧１３と、切羽９ａの切羽評価点１５とを取得する。次に、削孔速度１１および打撃圧１３を多変量解析により分析し、地質予測式（式１）を作成して地山評価点（Ａ）を算出する。そして、地山評価点（Ａ）と切羽評価点１５との変動幅の調整を行って、地質予測式（式２）を作成し、地山評価点（Ｂ）を算出する。さらに、地山１の未掘削部７において、距離程に応じて、切羽９の前方に孔１０を削孔して削孔速度１７および打撃圧１９を取得する。その後、地質予測式（式１）および地質予測式（式２）と削孔速度１７および打撃圧１９とを用いて、地山１の未掘削部７における地山評価点（Ｂ）を予測する。
【選択図】図６

Description

本発明は、地山の地質評価方法に関するものである。

従来、山岳トンネル工事では、掘削方法や支保パターンを適切に選定するために、切羽の地質状況の判定が行われてきた。切羽の地質状況の判定には、経験を積んだ技術者が切羽岩盤を観察し、観察結果を点数化する「切羽評価点法」が用いられてきた。

また、切羽前方の地質状況の予測も行われてきた。トンネル掘削の際に一般的に用いられるジャンボには、油圧式パーカッションドリルが搭載されている。地質状況の予測は、このドリルを用いて切羽から３０〜５０ｍ程度前方まで削孔し、削孔深度に応じて種々の削孔データを得ることにより行われてきた。

削孔データを用いた地質状況の予測方法としては、（１）削孔データ（削孔深度における瞬間削孔速度・打撃エネルギ・打撃回数・孔断面積）から「破壊エネルギ係数」を算出し、確率・統計的手法により岩盤等級と破壊エネルギ係数との対応付けを行って岩盤評価をし、切羽前方の地質予測を行う方法があった。（例えば、特許文献１参照）。

また、類似の技術として、（２）多くの削孔データ（フィード圧・打撃圧・ビット磨耗など）を計測して、「標準せん孔速度」および「標準回転圧」を求め、地山弾性波速度との相関により換算弾性波速度を得て、従来の地山分類に基づき、地山を定量的に評価する方法があった（例えば、特許文献２参照）。

他に、（３）削孔によって得られた「ビット回転数」の平均値を地山強度判定図上にプロットすることにより地質の硬軟を判別し、軟岩と判別した場合には、ビット回転数の小刻みな変動により生じる周波数成分を分析した結果から軟岩中の礫分の多少を判断し、礫分が少ない場合には、削孔水の濁り度合から泥質か砂質かを判断する方法があった（例えば、特許文献３参照）。

さらに、（４）削孔データ（打撃エネルギ・単位時間あたりの打撃数・穿孔速度・孔断面積）から、削孔深度に応じて「穿孔エネルギ」を算出し、地質性状を予測する方法もあった（例えば、特許文献４参照）。

特開平４−１６１５８８号公報 特開平８−１４４６８２号公報 特開平１０−２５２０５１号公報 特開２００２−１３３８１号公報

しかしながら、従来の（１）の方法では、地山状況を適切に評価できない例が多く生じている。図７は、（１）の方法による地質状況の予測結果のグラフである。図７の横軸は距離程を、縦軸は切羽評価点および破壊エネルギ係数を示す。破壊エネルギ係数は削孔深度ごとに得られるが、ある幅を持ったデータとして取り扱う方が地山の地質状況を的確に表すので、図７では２〜１２ｍ程度の幅の移動平均値を採用している。

図７に示す結果では、破壊エネルギ係数２０１のばらつきが大きく、切羽評価点２０３との相関係数は０．３で、実際の地山状況を適切に評価していないと思われる。これは、（１）の方法では、個々の削孔データを組み合わせた式を一義的に「破壊エネルギ係数」として定めて地山評価をしており、地質による個々のデータの寄与度の違いを考慮していないためと考えられる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高精度に切羽前方の地質状況を予測できる地山の地質評価方法を提供することにある。

前述した目的を達成するための本発明は、地山の既掘削部において、切羽前方の複数種類の削孔データを取得する工程（ａ）と、前記地山の既掘削部における地質情報を取得する工程（ｂ）と、前記削孔データを多変量解析により分析し、第１の地質予測式を作成する工程（ｃ）と、前記第１の地質予測式を用いて算出した地質情報と前記工程（ｂ）で取得した地質情報との変動幅の調整を行って、第２の地質予測式を作成する工程（ｄ）と、を具備することを特徴とする地山の地質評価方法である。

本発明は、地山の未掘削部において、切羽前方の削孔データを取得する工程（ｅ）と、工程（ｃ）で作成した第１の地質予測式および工程（ｄ）で作成した第２の地質予測式と工程（ｅ）で取得した削孔データとを用いて、地山の未掘削部における地質情報を予測する工程（ｆ）と、をさらに具備する場合もある。

工程（ａ）で取得される削孔データと工程（ｅ）で取得される削孔データとは同種であり、削孔速度、打撃圧、トルク、フィード圧等ののうちのいくつかとするのが望ましい。また、工程（ｂ）で取得される地質情報は、切羽評価点、一軸圧縮強度、弾性係数、弾性波速度等のうちのいずれか１つとするのが望ましい。工程（ｆ）で予測される地質情報は、工程（ｂ）で取得される地質情報と同種である。

本発明では、地山の既掘削部において、切羽前方の複数種類の削孔データを取得する。また、削孔データの取得と前後して、地山の既掘削部における地質情報を取得する。そして、既掘削部における削孔データを多変量解析により分析し、第１の地質予測式を作成した後、第１の地質予測式を用いて算出した地質情報と既掘削部における地質情報との変動幅の調整を行って、第２の地質予測式を作成する。さらに、地山の未掘削部において、切羽前方の削孔データを取得し、第１の地質予測式および第２の地質予測式と地山の未掘削部における削孔データとを用いて、地山の未掘削部における地質情報を予測する。

本発明によれば、高精度に切羽前方の地質状況を予測できる地山の地質評価方法を提供できる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、掘削中のトンネル３周辺の地山１の断面図を、図２は、サーバ３１のハードウェア構成図を、図３は、本実施の形態における地山の地質評価方法のフローチャートを示す。

本実施の形態では、図３のフローチャートに示す地質評価方法により、図２に示すようなシステムを用いて、図１に示すトンネル３の周辺の地山１の地質状況、特に未掘削部７の地質状況を予測する。

次に、サーバ３１のハードウェア構成を説明する。サーバ３１は、制御部３３、記憶部３５、メディア入出力部３７、通信制御部３９、入力部４１、表示部４３、印刷部４５等が、システムバス４７を介して接続されて構成される。

制御部３３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ
Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。

ＣＰＵは、記憶部３５、ＲＯＭ、記録媒体等に格納されるプログラムをＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、システムバス４７を介して接続された各装置を駆動制御する。ＲＯＭは、不揮発性メモリであり、プログラムやデータ等を恒久的に保持している。ＲＡＭは、揮発性メモリであり、記憶部３５、ＲＯＭ、記録媒体等からロードしたプログラム、データ等を一時的に保持するとともに、制御部３３が各種処理を行う為に使用するワークエリアを備える。

記憶部３５は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）であり、制御部３３が実行するプログラム、プログラム実行に必要なデータ、ＯＳ（オペレーティングシステム）等が格納される。各プログラムコードは、制御部３３により必要に応じて読み出されてＲＡＭに移され、ＣＰＵに読み出されて各種の手段として実行される。

メディア入出力部３７（ドライブ装置）は、データの入出力を行い、例えば、フロッピディスクドライブ、ＰＤドライブ、ＣＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷ等）、ＤＶＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷ等）、ＭＯドライブ等のメディア入出力装置等を有する。

通信制御部３９は、通信制御装置、通信ポート等を有し、サーバ３１とネットワーク４９間の通信を媒介する通信インタフェースであり、ネットワーク４９を介して、サーバ３１と、クライアント端末（図示せず）間の通信制御を行う。

入力部４１は、例えば、キーボード、マウス等のポインティングデバイス、テンキー等の入力装置を有する。入力部４１を介して、サーバ３１に対して、操作指示、動作指示、データ入力等を行うことができる。表示部４３は、ＣＲＴモニタ、液晶パネル等のディスプレイ装置等である。印刷部４５は、プリンタであり、印刷出力処理を行う。システムバス４７は、各装置間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。

図３に示すように、地質評価方法は、トンネル３の既掘削部５の分析を行うためのステップ（ステップ１０１〜ステップ１０５）と、未掘削部７の予測を行うためのステップ（ステップ１０６〜ステップ１０８）からなる。図３に示すステップ１０１、ステップ１０３、ステップ１０６以外の各ステップは、サーバ３１の制御部３３によって、記憶部３５等に格納された実行プログラムに従って行われる。

図３に示す地質評価方法では、まず、トンネル３の既掘削部５の分析を行う。既掘削部５の分析では、まず、地山１の既掘削部５の削孔速度１１および打撃圧１３を得る（ステップ１０１）。ステップ１０１では、掘削中のトンネル３の既掘削部５について、距離程に応じて、削孔速度１１および打撃圧１３を得る。削孔速度１１および打撃圧１３は、切羽９ａに孔１０ａを削孔した際の削孔データである。ステップ１０１では、例えば、作業者がメディア入力部３７、入力部４１等を介して入力するなどして、削孔速度１１および打撃圧１３を記憶部３５に保存する。

そして、削孔速度１１および打撃圧１３の平均値、標準偏差、その比を算出する（ステップ１０２）。ステップ１０２では、制御部３３が、ステップ１０１で得た削孔速度１１を用いて、削孔速度１１の平均値、標準偏差、平均値と標準偏差の比を算出する。また、ステップ１０１で得た打撃圧１３を用いて、打撃圧１３の平均値、標準偏差、平均値と標準偏差の比を算出する。

ステップ１０１、ステップ１０２と並行して、トンネル３の既掘削部５の切羽評価点１５を得る（ステップ１０３）。ステップ１０３では、従来の切羽評価点法を用い、既掘削部５の切羽９ａを観察して切羽評価点１５を得る。切羽評価点１５は、既掘削部５の地質情報である。ステップ１０３では、例えば、作業者がメディア入力部３７、入力部４１等を介して入力するなどして、切羽評価点１５を記憶部３５に保存する。

次に、多変量解析を行って、地山評価点（Ａ）の予測式（式１）を作成する（ステップ１０４）。ステップ１０４では、制御部３３が、ステップ１０２で算出した削孔速度１１の平均値μ_Ｖｐ、標準偏差σ_Ｖｐ、平均値と標準偏差の比（μ／σ）_Ｖｐ、打撃圧１３の平均値μ_Ｐｐ、標準偏差σ_Ｐｐ、平均値と標準偏差の比（μ／σ）_Ｐｐを使用して多変量解析を行い、地山評価点（Ａ）の予測式（式１）を作成する。地山評価点（Ａ）の予測式（式１）は、第１の地質予測式である。図１に示すトンネル３の周辺の地山１の例では、次のような（式１）が得られた。

地山評価点（Ａ）＝−０．２６１×μ_Ｖｐ＋０．２７０×σ_Ｖｐ＋０．９５４９×（μ／σ）_Ｖｐ＋０．００９×μ_Ｐｐ＋０．２３０×（μ／σ）_Ｐｐ＋１６．６４３………（式１）

ステップ１０４では、制御部３３が、（式１）を用いて、既掘削部５の距離程に応じて地山評価点（Ａ）を算出する。図４は、ステップ１０４で算出した地山１の地質状況の評価結果である。ステップ１０４では、制御部３３が、必要に応じて、図４に示す地質状況の評価結果を表示部４３や印刷部４５に出力する。

図４の横軸は距離程、縦軸は地山評価点を示す。図４では、ステップ１０３で得た切羽評価点を実際の地山評価点２３としている。図４に示すように、ステップ１０４で算出した地山評価点（Ａ）２１と実際の地山評価点２３とは、相関係数が０．５であり、図７に示す従来の方法による予測結果よりも高い相関で地山１の状況を予測できていることがわかる。

ただし、図４において、実際の地山評価点２３の標準偏差と算出した地山評価点（Ａ）２１の標準偏差とを比較してみると、実際の地山評価点２３の標準偏差が１０．１４７であるのに対し、算出した地山評価点（Ａ）２１の標準偏差は４．５７９と小さい。そのため、算出した地山評価点（Ａ）２１は、値が平均値の近くで変動するのみで、地山１の状況を的確に評価しているとはいえない。

次に、変動幅の調整を行って、地山評価点（Ｂ）の予測式（式２）を作成する（ステップ１０５）。ステップ１０５では、制御部３３が、図４に示す実際の地山評価点２３の変動幅（標準偏差）と算出した地山評価点（Ａ）２１の変動幅（標準偏差）とを合わせるため、地質評価点（Ｂ）の予測式（式２）を作成する。地質評価点（Ｂ）の予測式（式２）は、第２の地質予測式である。なお、（式２）において、σは標準偏差を、μは平均値を表す。また、（添え字）_実は実際の地山評価点を、（添え字）_多変量は多変量解析によって算出した地山評価点（Ａ）を表す。

地山評価点（Ｂ）＝σ_実／σ_多変量×（地山評価点（Ａ）−μ_多変量）＋μ_実………（式２）

以下に、（式２）の各項目について説明する。（地山評価点（Ａ）−μ_多変量）は、地山評価点（Ａ）の入力値と算出した地山評価点（Ａ）２１の平均値との差であり、図４に示す例では（地山評価点（Ａ）−４９．３１３）となる。

σ_実／σ_多変量は、実際の地山評価点２３の標準偏差と算出した地山評価点（Ａ）２１の標準偏差との比である。これにより、算出した地山評価点（Ａ）２１の平均値からの変動幅を、実際の地山評価点２３の平均値からの変動幅にあわせることができる。図４に示す例では、σ_実／σ_多変量＝１０．１４７／４．５７９＝２．２１６となる。

＋μ_実は、実際の地山評価点２３の平均値である。（式２）に示すように、σ_実／σ_多変量×（地山評価点（Ａ）−μ_多変量）にこの項目を加えることで、地山評価点（Ｂ）が得られる。図４に示す例では、μ_実＝４９．３１３である。

ステップ１０５では、制御部３３が、（式２）を用いて、既掘削部５の距離程に応じて地山評価点（Ｂ）を算出する。図５は、（式２）を用いて算出した地山１の地質状況の評価結果である。ステップ１０５では、制御部３３が、必要に応じて、図５に示す地質状況の評価結果を表示部４３や印刷部４５に出力する。

図５の横軸は距離程、縦軸は地山評価点を示す。図５でも、ステップ１０３で得た切羽評価点を実際の地山評価点２３としている。図５に示すように、（式２）により変動幅を調整して算出した地山評価点（Ｂ）２５は、実際の地山評価点２３と極めてよく適合する。

ステップ１０５の後、トンネル３の未掘削部７の予測を行う。未掘削部７の予測を行うには、まず、未掘削部７の削孔速度１７および打撃圧１９を得る（ステップ１０６）。ステップ１０６では、作業者が、掘削中のトンネル３の未掘削部７について、切羽９から前方の未掘削部７に向けて孔１０を削孔する。そして、距離程に応じて、削孔データである削孔速度１７および打撃圧１９を得る。ステップ１０６では、例えば、作業者がメディア入力部３７、入力部４１等を介して入力するなどして、削孔速度１７および打撃圧１９を記憶部３５に格納する。

次に、（式１）を用いて未掘削部７の地山評価点（Ａ）を予測する（ステップ１０７）。ステップ１０７では、制御部３３が、ステップ１０６で得た削孔速度１７および打撃圧１９について、それぞれ、平均値、標準偏差、平均値と標準偏差との比を算出する。そして、制御部３３が、ステップ１０４で得た地山評価点（Ａ）の予測式（式１）を用いて、未掘削部７の地山評価点（Ａ）を予測する。ステップ１０７では、必要に応じて、制御部３３が、地山評価点（Ａ）の予測結果を表示部４３や印刷部４５に出力する。

ステップ１０７の後、（式２）を用いて未掘削部７の地山評価点（Ｂ）を予測する（ステップ１０８）。ステップ１０８では、制御部３３が、ステップ１０５で得た地山評価点（Ｂ）の予測式（式２）を用いて、ステップ１０７で予測した未掘削部７の地山評価点（Ａ）とステップ１０３で取得した切羽評価点１５の変動幅の調整を行って、未掘削部７の地山評価点（Ｂ）を予測する。ステップ１０８では、必要に応じて、制御部３３が、地山評価点（Ｂ）の予測結果を表示部４３や印刷部４５に出力する。ステップ１０７で予測する地山評価点（Ａ）、ステップ１０８で予測する地山評価点（Ｂ）は、未掘削部７の地質情報である。

このように、本実施の形態では、既掘削部５の分析を行う際に、既掘削部５の削孔速度１１および打撃圧１３を多変量解析により分析し、個々のデータが地山１の地質にどの程度寄与しているかを定量的に評価して、適切な地山評価点（Ａ）の予測式（式１）を作成する。さらに、（式１）により算出した地山評価点（Ａ）と既掘削部５の切羽評価点１５との変動幅の調整を行うため、地山評価点（Ｂ）の予測式（式２）を作成する。未掘削部７の予測を行う際には、未掘削部７の地山１について削孔速度１７および打撃圧１９を取得し、（式１）、（式２）を用いて地山１の地山評価点（Ｂ）を予測する。

これにより、切羽９の前方の未掘削部７について、実際の切羽評価点２３と予測した地山評価点（Ｂ）２５とをよく適合させることができる。未掘削部７の地山１の地質を高い精度で予測することにより、トンネル３の品質確保や施工の安全性向上が可能となる。

なお、地質評価方法は、図３に示すものに限らない。図６は、本発明の地質評価方法の概要を示す図である。図６に示すように、本発明の地質評価方法は、トンネル３の既掘削部５の分析を行うためのステップ（ステップ２０１〜ステップ２０４）と、未掘削部７の予測を行うためのステップ（ステップ２０５〜ステップ２０７）からなる。

本実施の形態では、図３に示すように、ステップ１０１で既掘削部５の削孔データとして削孔速度１１と打撃圧１３を取得し、ステップ１０６で未掘削部７の削孔データとして削孔速度１７と打撃圧１９を取得したが、本発明の地質評価方法では、図６のステップ２０１およびステップ２０５に示すように、既掘削部５や未掘削部７の削孔データとして、削孔速度、打撃圧、トルク、フィード圧等のうちいくつかを取得すればよい。但し、ステップ２０１で取得する削孔データと、ステップ２０５で取得する削孔データとは、同種のものとする。

また、本実施の形態では、図３に示すように、ステップ１０３で既掘削部５の地質情報として切羽評価点を取得し、ステップ１０８で未掘削部７の地質情報として切羽評価点に相当する地山評価点（Ｂ）を予測したが、本発明の地質評価方法では、図６のステップ２０２およびステップ２０７に示すように、既掘削部５で取得する地質情報や未掘削部７について予測する地質情報は、切羽評価点、一軸圧縮強度、弾性係数、弾性波速度等のうちのいずれか１つとする。但し、ステップ２０２で取得する地質情報と、ステップ２０５で予測する地質情報とは、同種のものとする。

既掘削部５の分析を行う際には、ステップ２０４で、第１の地質予測式（式３）と第２の地質予測式（式４）とを作成する。ステップ２０４では、まず、多変量解析を行って地質情報（Ａ）を予測するための地質予測式（式３）を作成する。そして、（式３）を用いて地質情報（Ａ）を算出する。（式３）において、μは平均値を、σは標準偏差を表し、（添え字）_ｎはデータの種類を表す。

地質情報（Ａ）＝ａ×μ_１＋ｂ×σ_１＋ｃ×（μ／σ）_１＋ｄ×μ_２＋ｅ×σ_２＋ｆ×（μ／σ）_２＋・・・………（式３）

ステップ２０４では、地質情報（Ａ）を算出した後、地質情報（Ａ）とステップ２０２で取得した地質情報との変動幅を調整して地質情報（Ｂ）を予測するための地質予測式（式４）を作成する。（式４）において、（添え字）_実は実際の地山評価点を、（添え字）_多変量は多変量解析によって算出した地質情報（Ａ）を表す。

地質情報（Ｂ）＝＝σ_実／σ_多変量×（地質情報（Ａ）−μ_多変量）＋μ_実………（式４）

未掘削部７の予測を行う際には、ステップ２０６で、（式３）を用いて地質情報（Ａ）を予測した後、（式４）を用いて変動幅を調整して地質情報（Ｂ）を予測する。

図６に示すように、図３に示す以外の種類の削孔データや地質情報を用いた場合にも、既掘削部５の分析を行う際に、削孔データを多変量解析により分析して適切な第１の地質予測式（式３）を作成し、（式３）により算出した地質情報と既掘削部５で取得した地質情報との変動幅の調整を行うための第２の地質予測式（式４）を作成する。そして、未掘削部７の予測を行う際には、未掘削部７の地山１について削孔データを得て、（式３）、（式４）を用いて地山の地質情報を予測する。これにより、切羽９の前方の未掘削部７について、実際の地質情報とよく適合した地質情報を予測できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明にかかる地山の地質評価方法の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

掘削中のトンネル３周辺の地山１の断面図 サーバ３１のハードウェア構成図 地山の地質評価方法のフローチャート （式１）を用いて算出した地山１の地質状況の評価結果 （式２）を用いて算出した地山１の地質状況の評価結果 本発明の地質評価方法の概要を示す図 従来の方法による地質状況の予測結果のグラフ

符号の説明

１………地山
３………トンネル
５………既掘削部
７………未掘削部
９、９ａ………切羽
１０、１０ａ………孔
１１、１７………削孔速度
１３、１９………打撃圧
２１、２５………予測した切羽評価点（Ａ）
２３………実際の切羽評価点

Claims (5)

1. 地山の既掘削部において、切羽前方の複数種類の削孔データを取得する工程（ａ）と、
   前記地山の既掘削部における地質情報を取得する工程（ｂ）と、
   前記削孔データを多変量解析により分析し、第１の地質予測式を作成する工程（ｃ）と、
   前記第１の地質予測式を用いて算出した地質情報と前記工程（ｂ）で取得した地質情報との変動幅の調整を行って、第２の地質予測式を作成する工程（ｄ）と、
   を具備することを特徴とする地山の地質評価方法。
2. 前記地山の未掘削部において、切羽前方の削孔データを取得する工程（ｅ）と、
   前記第１の地質予測式および前記第２の地質予測式と前記工程（ｅ）で取得した削孔データとを用いて、前記地山の未掘削部における地質情報を予測する工程（ｆ）と、
   をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の地山の地質評価方法。
3. 前記工程（ａ）で取得される削孔データと前記工程（ｅ）で取得される削孔データとが同種であり、削孔速度、打撃圧、トルク、フィード圧等ののうちのいくつかであることを特徴とする請求項２記載の地山の地質評価方法。
4. 前記工程（ｂ）で取得される地質情報が、切羽評価点、一軸圧縮強度、弾性係数、弾性波速度等のうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１記載の地山の地質評価方法。
5. 前記工程（ｆ）で予測される地質情報が、前記工程（ｂ）で取得される地質情報と同種であることを特徴とする請求項２記載の地山の地質評価方法。

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