JP2008298433A - トンネル最終変位量の予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】掘削から初期計測までの時間変動が少なく、かつ施工重機の存在や支保構造の種別や有無等にあまり影響を受けずに、迅速に計測を行うことが可能であるとともに、任意の或いはすべての掘削断面に対して簡単に計測が可能で、しかも従来よりも安全かつ高い精度で最終変位量の予測が可能な方法を提供する。
【解決手段】トンネル坑内に設置された測距及び測角が可能なトータルステーション５により、掘削後の切羽面を対象としてトンネル延長方向の変位計測を行い、事前に保有しているトンネル延長方向の変位速度と最終変位量との相関データに基づき、最終変位量を予測する。
【選択図】図５

Description

本発明は、トンネル内空変位量や天端沈下量の最終変位量を迅速かつ高精度に予測する方法に関する。

例えば、ＮＡＴＭ工法に代表されるトンネル施工では、トンネルを精度良くかつ高品質で施工するために各種の測量が行われている。測量項目としては、例えば支保工の天・左・右の３点を測量し、設置精度を確認する支保工検測、掘削後の任意断面又は任意点においてアタリを検測するアタリ測量、天端沈下量や内空変位量の計測を行う坑内Ａ計測、任意断面の掘削内空断面の計測を行う断面測定などがある。

これら各種の計測項目の内、前記坑内Ａ計測は、トンネル延長方向に一定の間隔（例えば、１０〜３０ｍ間隔）で実施するものであり、地山や支保構造が異常な挙動を示していないか、安定しているか等の判断資料を得るために行うものであり、前記天端沈下測定は、断面の変形状態を把握し、トンネルの安定性を把握するために、前記内空変位計測は、周辺地山の安定性の判断、支保構造の妥当性、覆工時期の判断をするために利用される。

また、これら坑内Ａ計測に基づき、最終変位量が予測される。トンネルの壁面変位は、掘削後の地山応力の再配分の開始と共に発生し、次第に収束する傾向にあるが、例えば支保部材の選定に当たり、安全性が確保できない状態になってから対処するのではなく、できるだけ早い段階で地山状況を判断してその対処を施すことにより、比較的軽微な対処で済むようになる、また最終変位量を予測して余掘量の調整を行うことにより過度の余掘やアタリの発生を無くし、経済的なトンネル施工が実現できるなどの利点がもたらされることになる。

従来より、最終変位量を予測するには、坑内Ａ計測における初期変位速度（多くは計測開始から１日後の変位の進行速度を取る。）、１Ｄ時変位量（計測断面と切羽の距離がトンネル掘削幅相当になった時点の変位量）と最終変位量との相関データを蓄積しておき、掘削後の坑内Ａ計測によって初期変位速度や１Ｄ時変位量を計測したならば、前記相関データから最終変位量の予測を行っていた。

また、下記特許文献１では、内空変位の変化は、図７に示されるように、横軸を切羽からの距離、縦軸を変位量として、所定の指数関数〔Y=A・(1-Exp(-L/b)+C)〕(b:収束係数)に概ね近似することが過去の実績等から判明しているため、この指数関数に基づき、切羽からの距離及び変位量を入力することにより、最も近似する収束係数の指数関数ラインから最終変位量を求めることが記載されている（段落[0016]参照）。
特開２００３−５６２７７号公報

しかしながら、前述した従来の最終変位量の予測方法の場合は、(1)初期変位は掘削直後に計測することが望ましいが、吹付けコンクリート施工やズリ出しに要する時間が一定していないと、掘削から初期計測までの時間が変化し、これが誤差原因となる。(2)また、切羽直前には、ドリルジャンボやズリ出し機、吹付け機械などの施工重機があるため、これらが計測の障害となって、掘削から初期計測までの時間が変化し、これが誤差原因となる。(3)支保材が地山を補強するため、支保構造の種別や有無によって計測結果に誤差が生じることになっていた。(4)計測断面位置に光学用プリズムやアンカーを埋め込む必要があったため、これが危険作業になっているとともに、次サイクル掘削時にプリズム等の撤去作業が必要になる。従って、支保構造等の影響等によって、初期変位速度、１Ｄ時変位量と、最終変位量との相関データにバラツキが大きいとともに、上記(1)〜(3)等による計測誤差によって、更に最終変位量の誤差が大きくなるなどの問題があった。

更に、前記坑内Ａ計測は、１０〜３０ｍ間隔で設定された断面に対して行うものであるが、その中間部分では計測データが存在しないため、直近の計測断面計測データから変位速度を予想して最終変位量を算出しているため、地層境界などでは、過度の余掘が発生したり、アタリが発生したりすることが多々あった。

そこで本発明の主たる課題は、掘削から初期計測までの時間変動が少なく、かつ施工重機の存在や支保構造の種別や有無等にあまり影響を受けずに、迅速に計測を行うことが可能であるとともに、任意の或いはすべての掘削断面に対して簡単に計測が可能で、しかも従来よりも安全かつ高い精度で最終変位量の予測を可能としたトンネル最終変位量の予測方法を提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、トンネル坑内に設置された測距及び測角が可能な測量機器により、掘削後の切羽面を対象としてトンネル延長方向の変位計測を行い、事前に保有しているトンネル延長方向の変位速度と最終変位量との相関データに基づき、最終変位量を予測することを特徴とするトンネル最終変位量の予測方法が提供される。

上記請求項１記載の発明においては、切羽面のトンネル延長方向の変位速度と最終変位量との間の相関性に着目し、この相関データに基づき、最終変位量を予測するようにしてある。

従って、従来のように、トンネル周方向に設置した測定点を計測するのではなく、切羽面を計測するようにしてあるため、吹付けコンクリート施工やズリ出しに関係なく計測が可能であるとともに、施工重機の存在の影響を受けずに計測が可能になるため、掘削直後から初期計測までの時間に大きな変動が生じさせることなく計測が可能となる。また、天端沈下量や内空変位量は支保構造によって補強されるため、変位が抑制されることになるが、本発明のように、切羽面のトンネル延長方向の変位を計測する場合には、支保構造の種別や有無等にあまり影響を受けないで済むため、変位計測値は掘削の影響による地山変形を純粋に反映したものとなるため、初期変位速度と最終変位量の相関性が良好になり、高精度に最終変位量を予測することが可能となる。更に、各掘削サイクル毎に、切羽を計測すれば、すべての掘削断面の最終変位量を求めることが可能になるため、過度の余掘が発生したり、アタリが生じたりする事態が減少する。

なお、本発明の切羽面のトンネル延長方向変位計測は、主として坑内Ａ計測で使用する測量機器（トータルステーション）を使用して行うものであるため、追加的な測量機器は一切不要である。

請求項２に係る本発明として、前記切羽面を対象としたトンネル延長方向の変位計測は、ノンプリズムで行う請求項１記載のトンネル最終変位量の予測方法が提供される。

上記請求項２記載の発明は、前記切羽面を対象としたトンネル延長方向の変位計測は、ノンプリズムで行うようにするものである。従って、切羽面に光学用プリズムやアンカーを埋め込む必要が無いため、安全に作業を行うことが可能になるとともに、次サイクル掘削時にプリズム等の撤去作業が必要無くなるため、効率的にトンネル施工を行うことが可能となる。

請求項３に係る本発明として、前記切羽面の計測は、予め設定してある切羽面の複数の計測点又は切羽面を対象としてランダムに設定した複数の計測点を対象として行い、１日変位速度の平均値又は最大値とする請求項１，２いずれかに記載のトンネル最終変位量の予測方法が提供される。

上記請求項３記載の本発明においては、切羽面の計測は、予め設定してある切羽面の複数の計測点又は切羽面を対象としてランダムに設定した複数の計測点を対象として行い、１日変位速度の平均値又は最大値とするものである。従って、施工重機が障害とならない場所に計測点を設定することで迅速に計測が可能になるとともに、各切羽毎にランダムに測定ポイントを設定する場合には、何ら他からの計測障害を受けること無く計測を実施することが可能となる。なお、後述の実施例で示すように、最大変位量は、切羽の計測点の全平均値や最大値に対して同様の相関性を示すことが確認されている。

請求項４に係る本発明として、前記測距及び測角が可能な測量機器に代えて、三次元スキャナーまたは精密写真測量機器を用いる請求項１〜３いずれかに記載のトンネル最終変位量の予測方法が提供される。

以上詳説のとおり本発明によれば、掘削から初期計測までの時間に変動が少なく、かつ施工重機の存在や支保構造の種別や有無等にあまり影響を受けずに、迅速にトンネルの変形を計測することが可能であるとともに、任意の或いはすべての掘削断面に対して簡単に計測が可能であり、しかも従来よりも安全にかつ高い精度で最終変位量の予測が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

本発明に係るトンネル最終変位量の予測方法では、例えば図１に示されるように、現場事務所Ｈ内に管理用コンピュータ１が設備されるとともに、トンネル坑内に無線通信基地局２を固定配置し、前記管理用コンピュータ１と無線通信基地局２とが情報伝送可能なように通信ケーブル３により接続されている。

一方、切羽付近で掘削作業を行っている坑内作業員等が携帯情報通信端末４を常時携帯し、前記無線通信基地局２と双方向に無線通信可能となっており、前記情報通信端末４から発信された情報が前記無線通信基地局２を経由して前記管理コンピュータ１に伝送されるようになっているとともに、切羽後方には測距及び測角が可能な測量機器、図示例ではトータルステーション５が固定配置され、コントローラ６を介して前記無線通信基地局２と接続されている。なお、本例では前記管理コンピュータ１と無線通信基地局２との間の通信を有線通信、無線通信基地局２と携帯情報通信端末４との間の通信を無線通信としたが、各間の通信は無線または有線のいずれであってもよい。

前記トータルステーション５は、図１に示す例ではトンネルの上部側に配設され、トンネル掘進に合わせて順次盛替えるようにしているが、三脚方式により測定時に仮設するようにしてもよい。また、前記トータルステーション５による本発明の「切羽のトンネル延長方向変位計測」は、適宜行うことができるが、所定の時間間隔で定期的に行うようにすることが好ましい。

切羽Ｓ近傍では、ホイールジャンボ７の他、吹付け機８、ホイールローダなどのトンネル施工用重機が配置され、例えば、上半及び下半の一括の併行作業により掘削を行うミニベンチ工法により、上半及び下半のそれぞれにおいてロックボルト削孔および装薬孔・装薬を併行して行った後、上半および下半を一気に切り崩し、その後ズリ出し→当り取り→一次吹付け→支保建込み→二次吹付け→ロックボルト打設の手順にて掘削作業が１サイクル毎に行われる。

トンネル最終変位量の予測は、前記トータルステーション５により、掘削後の切羽面を対象としてトンネル延長方向の変位計測を行い、事前に保有しているトンネル延長方向の変位速度と最終変位量との相関データに基づき、最終変位量を予測するものである。

前記１サイクル掘削後に、切羽のトンネル延長方向変位（以下、単に鏡面押出し変位という。）を計測する手順は、先ず、図２(A)に示されるように、予め座標が既知とされる少なくとも２点の基準点Ａ，Ｂをトータルステーション５により視準し、三角測量の原理を応用した後方交会法によりトータルステーション５の設置座標を算出する。このトータルステーション５の設置座標の特定作業は、設置点が変化している場合もあるため、各種測量が行われる毎に繰り返し行うようにするのが望ましい。なお、同図に示されるように、算出した座標を確認するためのチェック点を設けてもよい。

その後、同図(B)に示されるように、所定時間毎に、又は現場事務所Ｈ内に設置された管理用コンピュータ１により若しくは坑内作業員等が携帯する携帯情報通信端末４により、計測開始の指令が出されると、コントローラー６による制御によりトータルステーション５が切羽Ｓを視準して鏡面押出し変位の計測を行う。計測点は、前記管理用コンピュータ１には、予め計画トンネルの線形情報や計画トンネル断面形状などのデータが入力されており、これらのデータに基づいて切羽Ｓの位置データが取得されるため、予め切羽Ｓに複数の計測点を設定しておき、この計測点の鏡面押出し変位を計測するようにしても良いし（本形態例）、各切羽Ｓ毎にランダムに複数の計測点を自動的に設定するようにしてもよい。また、鏡面押出し変位計測は、切羽に光学用プリズムを配置することなく、ノンプリズム機能を使用して行うようにするのが望ましいとともに、必ずしも前記計測点のすべてを計測する必要はなく、施工重機の影になって計測不能な計測点があっても、その計測点については不計測のまま、後述する鏡面押出し変位の全平均値や最大値を決定するようにしてもよい。

前記鏡面押出し変位の計測データは、前記通信システムによって管理コンピュータ１内に自動的に取り込まれるようになっている（同図(C)）。この場合、前記計測データは、坑内作業員等が携帯する携帯情報端末４にも取り込まれるようにしてもよい。そして、後述する測定結果の表示形式は、携帯情報端末４にも表示されるようにしてもよい。

管理コンピュータ１に取り込まれた測定結果は、例えば図３に示される表示形式によって、コンピューター画面１０にモニタ表示されるようになっている。

前記図３に示される表示画面では、左上部位置に、縦軸を変位量、横軸を時間としたグラフに計測点毎の変位推移グラフ１１が表示されるとともに、右上部位置に切羽Ｓの計測点の位置表示図１２が表示されるようになっている。また、左下部位置に計測点毎の計測数値表１３が表示されるようになっている。右下部の操作ダイアログ１４は表示形式の指定欄である。これらの計測データは、例えば図４に示されるように、切羽断面毎に、鏡面押出し変位計測値と、トンネル壁面変位（図示例は上半水平内空変位）とが整理される。なお、図中、初期変位時は初期値計測時から１日後の変位量、０．５Ｄ、１Ｄ、２Ｄ時は、計測断面と切羽Ｓの距離がトンネル幅Ｄに対して、０．５倍、１倍、２倍になった時点の変位をいう。

そして、図５に示されるように、これらの計測値の内、鏡面押出し計測値の全平均初期変位速度(mm/日)及び／又は最大初期変位速度(mm/日)と、上半水平内空変位の最終変位量（下半完了後変位量）との相関データ（式）が作成される。この相関データ（式）は、鏡面押出し変位計測値が追加される毎、或いは定期的に更新するのが望ましい。

なお、前記相関データ（式）は、現在施工中のトンネルで得られた計測データに基づいて作成するのが望ましいが、掘削開始当初は相関データを作成すべき元データが無い状態であるから、過去の似たようなトンネルの計測データから得られた相関データ（式）を一時的に用いるようにしてもよい。前記相関データは、地山の良否が反映されたものであるから、地山区分（支保パターン）毎に区分することなく、支保工の全パターン共通で作成しても十分な精度を確保することが可能である。もちろん、地山区分（支保パターン）別に前記相関データを作成するようにしてもよい。

以上の要領によって、トンネルの鏡面押出し変位速度と最終変位量との相関データが得られたならば、掘削後に、鏡面押出し計測値の全平均初期変位速度(mm/日)及び／又は最大初期変位速度(mm/日)が得られたならば、即時にこの変位速度から最終変位量を予測することが可能となる。

〔他の形態例〕
(1)前記トータルステーション５に代えて、３次元スキャナーを用いて鏡面押出し変位計測を行うこともできる。前記トータルステーションは従来から存在する測定機器であるが、近年はセンサー技術の発達により３次元スキャナーが実用化レベルにあり、前記トータルステーション５に代えて３次元スキャナーを用いて面的に切羽Ｓの変位計測を行うことができる。前記３次元スキャナーとしては、例えばパルステック社製のＴＤＳシリーズなどを好適に使用することができる。測量誤差はスキャンエリア567×498mmの場合（TDS-1500）で、0.23〜0.83mm（トンネル延長方向）の精度が得られる。

更には、前記トータルステーション５に代えて、近年のコンピュータ処理技術の発達に伴って実用化されている精密写真測量によって内空断面測定を行うことができる。前記精密写真測量は、撮影位置を変えて撮影した複数枚のデジタル写真画像の視差の違いから、対象物の３次元座標をパソコンを使い画像処理によって算出するもので、測量誤差は概ね、撮影距離１００ｍで数mmという高い精度が得られている。
(2)上記形態例では最終変位量として、上半水平内空変位の最終変位量を予測したが、天端沈下量の最終変位量についても同様に求めることが可能である。すなわち、鏡面押出し変位計測値と、トンネル天端沈下の最終変位量との相関データを作成しておき、掘削後に、鏡面押出し計測値の全平均初期変位速度(mm/日)及び／又は最大初期変位速度(mm/日)が得られたならば、即時にこの変位速度から天端沈下量の最終変位量を予測することが可能である。

実際のトンネル施工において、鏡面押出し計測値の全平均初期変位速度(mm/日)及び最大初期変位速度(mm/日)と、上半水平内空変位の最終変位量との相関性の有無について確認を行った。図６(A)、図６(B)及び図６(C)はそれぞれの異なるトンネルでの実測計測結果を示したものであるが、いずれの計測においても、鏡面押出し計測値の全平均初期変位速度(mm/日)及び最大初期変位速度(mm/日)と、上半水平内空変位の最終変位量との間には高い相関性があることが確認された。

トンネル最終変位量の予測計測のシステム概略図である。 (A)〜(C)はその手順図である。 鏡面押出し変位計測結果のモニタ表示例を示す図である。 鏡面押出し変位計測結果の整理表例を示す図である。 鏡面押出し計測値の全平均初期変位速度(mm/日)及び最大初期変位速度(mm/日)と、上半水平内空変位の最終変位量との相関データ例を示す図である。 (A)〜(C)はそれぞれ、実測の全平均初期変位速度(mm/日)及び最大初期変位速度(mm/日)と、上半水平内空変位の最終変位量との相関データである。 従来の最終変位予測方法例を示す図である。

符号の説明

１…管理用コンピュータ、２…無線通信基地局、３…通信ケーブル、４…情報通信端末、５…トータルステーション、７…ホイールジャンボ、８…吹付け機、１０…コンピュータ画面

Claims (4)

1. トンネル坑内に設置された測距及び測角が可能な測量機器により、掘削後の切羽面を対象としてトンネル延長方向の変位計測を行い、事前に保有しているトンネル延長方向の変位速度と最終変位量との相関データに基づき、最終変位量を予測することを特徴とするトンネル最終変位量の予測方法。
2. 前記切羽面を対象としたトンネル延長方向の変位計測は、ノンプリズムで行う請求項１記載のトンネル最終変位量の予測方法。
3. 前記切羽面の計測は、予め設定してある切羽面の複数の計測点又は切羽面を対象としてランダムに設定した複数の計測点を対象として行い、１日変位速度の平均値又は最大値とする請求項１，２いずれかに記載のトンネル最終変位量の予測方法。
4. 前記測距及び測角が可能な測量機器に代えて、三次元スキャナーまたは精密写真測量機器を用いる請求項１〜３いずれかに記載のトンネル最終変位量の予測方法。

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