JP2011102706A - トンネル切羽前方探査方法及び探査システム - Google Patents

Abstract

【課題】削孔検層中にロッドを引き抜くことなく、掘削したままの状態で探査でき、施工現場の状況や使用機材の違いをも許容し、迅速、正確で勝つ容易に地質を判断することの出来るトンネル前方探査方法及びシステムの提供。
【解決手段】先端に掘削用ビット（３）を設けた掘削ロッド（２）により切羽前方の領域（Ｇ）を削孔する掘削機械（１）を有し、掘削機械（１）による破壊エネルギー係数を演算するのに必要なパラメータを計測する計測装置（例えば、深度計５、フィード圧計６、打撃圧計７、トルク計８等）と、掘削用ビット（３）により削孔中の切羽前方の領域を打撃するための打撃装置（９）と、切羽（Ｇｆ）に設置されて弾性波を直接受振する受振器（１０）と、制御装置（２０）とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル等の掘削に際して、切羽前方の岩盤や地盤の良し悪しを評価するための探査技術に関する。

トンネル等の築造工事に先立ち、切羽前方の岩盤や地盤の良し悪しを評価するための探査技術として、いわゆる「削孔検層」（特許文献１参照）と「速度検層」（例えば、特許文献２参照）とが知られている。

「削孔検層」は、トンネル切羽から油圧ジャンボにより削孔し、削孔時の機械データから「破壊エネルギー係数」を求めることにより、切羽前方の岩盤を評価し、地質状況を予測するものである。
しかし、「削孔検層」は、削孔の際に得られた「破壊エネルギー係数」が、同一の岩盤或いは地盤であっても、現場における各種条件、例えば使用する機材の仕様その他により、異なってしまう。そのため、安全に施工できる地質状態かを判断するための「破壊エネルギー係数のしきい値」は施工現場毎に設定しなければならない。
しかし、施工現場毎に「破壊エネルギー係数のしきい値」を求めることは、非常に煩雑であり、必ずしも正確に設定されるものではなかった。従って、削孔検層で求めた「破壊エネルギー係数」を「破壊エネルギー係数のしきい値」と比較して、切羽前方の岩盤や地盤の良し悪しを、的確に評価することは、従来技術では困難であった。

これに対して、「速度検層」では、速度検層で得られたデータ（図６の弾性波速度：Ｐ波速度）は、同一の地盤或いは岩盤であれば、現場の状態によって左右されない絶対的な数値である。そして、岩盤の良し悪しに関する弾性波のしきい値も、土木学会等の基準によって明確に定められている。
しかし「速度検層」は、油圧ジャンボによりボーリング孔を削孔し、一度油圧ジャンボを切羽から後退させ、削孔した孔に受振器を挿入して、速度検層を行わなくてはならない。すなわち、非常に手間がかかるという問題がある。
さらに、軟弱な地質条件の下では、油圧ジャンボで削孔した孔が崩壊してしまい、速度検層が実施できないという問題もあった。

ここで、「削孔検層」と「速度検層」とを併用して、切羽前方の探査或いは評価を正確に行なう技術が提案されている（特許文献３参照）。
しかし、係る従来技術（特許文献３）では、「速度検層」の結果から「破壊エネルギー係数のしきい値」を求めることは全く開示されておらず、「削孔検層」と「速度検層」から切羽前方の探査或いは評価の精度を向上させるための具体的な態様は開示されていない。

これに加えて、先進ボーリング掘削時にロータリー・パーカッションドリルから発生する振動により弾性波を地山に設けた加速度計により受振して、前方地山における弾性波速度を計算する技術も提案されている（特許文献４）。
しかし、特許文献４では、反射波を用いた解析を行っており、トンネル切羽から反射部分（例えば、異なる地質の境界面）までの距離を算出することを目的しているので、弾性波が発生した地点から加速度計を設置した箇所の間において、領域毎に発生した弾性波（反射波）速度を解析するのが困難である。そのため、弾性波速度の分布は求められないという問題が存在する。

特開平４−１６１５８８号公報（特許第２０１０６５７号） 特開平１１−１８２１７１号公報（特許第３４３９３３４号） 特開平１１−１７４０４６号公報（特許第３３０８４７８号） 特開２０００−１７０４７８号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、削孔検層中にロッドを引き抜くことなく、掘削したままの状態で探査でき、施工現場の状況や使用機材の違いをも許容し、迅速、正確で勝つ容易に地質を判断することの出来るトンネル前方探査方法及びシステムの提供を目的としている。

本発明のトンネル切羽前方探査方法は、先端に掘削用ビット（３）を設けた掘削ロッド（２）により切羽前方の領域（Ｇ）を削孔し、削孔の際に所定間隔毎に得たデータにより破壊エネルギー係数を演算する削孔検層工程（Ｓ２）と、切羽前方の領域（Ｇ）を一定距離だけ削孔した際に（例えば、前記ロッド２を切り継ぎする際に）削孔中の切羽前方の領域（Ｇ：例えば、岩盤）を掘削用ビット（３）により打撃して弾性波を発生し、発生した弾性波を切羽（Ｇｆ）に設置した受振器（１０）で直接受振して（反射波を受振するのではなく、掘削用ビット３による打撃で発生した弾性波を直接受振して）、弾性波速度を求める速度検層工程（Ｓ４）と、切羽（Ｇｆ）から予め定められた距離（例えば３ｍ）だけ削孔が行われた後、削孔検層工程（Ｓ２）で得た破壊エネルギー係数と速度検層工程（Ｓ４）で得た弾性波速度から破壊エネルギー係数のしきい値を決定するしきい値決定工程（Ｓ７）と、削孔検層工程（Ｓ２）で得た破壊エネルギー係数と決定されたしきい値を比較し、以って、切羽（Ｇｆ）から予め定められた距離だけ削孔された領域を前記所定の間隔毎に評価する評価工程（Ｓ８）とを有することを特徴としている（図３）。

ここで、前記しきい値決定工程（Ｓ７）は、所定間隔毎に得られた破壊エネルギー係数を速度検層工程（Ｓ４）の一定距離毎に対応して区画する破壊エネルギー係数区画工程（Ｓ２１）と、区画毎の破壊エネルギー係数を平均化する平均化工程（Ｓ２２）と、平均化された破壊エネルギー係数を対応する一定距離の弾性波速度と対比する対比工程（Ｓ２３）と、対応する破壊エネルギー係数と弾性波速度との特性図を作成する特性図作成工程（Ｓ２４）と、作成された特性図（図７）から破壊エネルギー係数と弾性波速度の関係式を決定する関係式決定工程（Ｓ２５）と、前記関係式に弾性波速度のしきい値（予め決定されている数値）を代入して破壊エネルギー係数のしきい値を演算する演算工程（Ｓ２６）とを備えているのが好ましい（図４）。

また、本発明のトンネル切羽前方探査システムは、先端に掘削用ビット（３）を設けた掘削ロッド（２）により切羽前方の領域（Ｇ）を削孔する掘削機械（例えば、油圧ジャンボ１）を有し、掘削機械（１）による破壊エネルギー係数を演算するのに必要なパラメータを計測する計測装置（例えば、深度計５、フィード圧計６、打撃圧計７、トルク計８等）と、掘削用ビット（３）により削孔中の切羽前方の領域（Ｇ：例えば、岩盤）を打撃するための打撃装置（９：例えば油圧ジャンボのパーカッション部）と、切羽（Ｇｆ）に設置されて弾性波を直接受振する（反射波を受振するのではなく、掘削用ビット３による打撃で発生した弾性波を直接受振する）受振器（１０）と、制御装置（２０）とを有し、制御装置（２０）は、前記計測装置（５、６、７、８）により計測されたパラメータに基づいて破壊エネルギー係数を演算する破壊エネルギー係数演算ユニット（２１）と、前記受振器（１０）により受振された弾性波に基づいて弾性波速度を演算する弾性波速度演算ユニット（２２）とを備え、破壊エネルギー係数と弾性波速度から破壊エネルギー係数のしきい値を決定する機能と、削孔検層で演算した破壊エネルギー係数と破壊エネルギー係数のしきい値とを比較して評価する機能とを有することを特徴としている（図１、図２）。

前記制御装置（２０）は、前記所定間隔毎に得られた破壊エネルギー係数を掘削用ビット（３）により打撃して弾性波速度を求めた地点間の距離に対応して区画するユニット（削孔検層データ区画ユニット２３）と、当該区画毎の破壊エネルギー係数を平均化する平均化ユニット（削孔検層データ平均ユニット２４）と、平均化された破壊エネルギー係数を対応する一定距離の弾性波速度と対比して対応する破壊エネルギー係数と弾性波速度との特性図を作成する特性図作成ユニット（特性図作成ユニット２５）と、作成された特性図から破壊エネルギー係数と弾性波速度の関係式（特性）を決定する関係式決定ユニット（特性決定ユニット２６）と、前記関係式に弾性波速度のしきい値（予め決定されている数値）を代入して破壊エネルギー係数のしきい値を演算する演算ユニット（削孔検層データしきい値決定ユニット２７）と、前記所定間隔毎に得られた破壊エネルギー係数を前記しきい値と比較する比較ユニット（比較ユニット２９）を備えているのが好ましい（図２）。

上述する構成を具備する本発明によれば、切羽前方の領域（Ｇ）を一定距離だけ削孔した際に（例えば、前記ロッド２を切り継ぎする際に）、弾性波速度を求める（速度検層）にあたって、従来技術の様に削孔用の掘削ロッド（２）を切羽まで引き抜くことなく、削孔中の切羽前方の領域（Ｇ：例えば、岩盤）を掘削用ビット（３）により打撃して弾性波を発生している。そのため、削孔用の掘削ロッド（２）を抜き差しする労力及び時間を節約して、トンネル切羽前方の領域（Ｇ）を探査することが出来る。

ここで、削孔検層によって得られる破壊エネルギー係数は、施工現場毎に数値が異なり、いわば「相対的な」データであるため、従来の技術では、削孔検層で得られる破壊エネルギー係数に基づいて、トンネル切羽前方の領域（Ｇ）の岩盤や地盤の良し悪しを正確に判断することは出来なかった。
それに対して本発明によれば、施工現場による差異がない弾性波速度を相対的なデータである破壊エネルギー係数と関連付けて、トンネル切羽前方の領域（Ｇ）の地質状態に対応する弾性波速度のしきい値を用いて、施工現場毎の破壊エネルギー係数のしきい値を得ることができる。そして、その様な破壊エネルギー係数のしきい値と、削孔検層で演算された破壊エネルギー係数とを比較することにより、削孔検層が行われたトンネル切羽前方の領域（Ｇ）の岩盤や地盤の良し悪しを、迅速、正確、容易に判断することが出来る。

さらに、本発明では、弾性波速度を演算するに当たって、反射波を使用せずに、掘削ビット（３）が打撃を与えた箇所から直接伝播した弾性波を受振して、弾性波速度を演算している。ここで、掘削ビット（３）が打撃を与えた箇所から直接伝播した弾性波は、最も早く受振器（１０）に到達するので、直接伝播した弾性波を、ノイズその他の波から容易に分離することが可能である。

また、掘削ビット（３）が打撃を与えた箇所から直接伝播した弾性波は、削孔が行われている領域から直接伝播されるので、受振器（１０）までの各領域における弾性波速度を直接求めることが出来る。

本発明の実施形態のブロック図である。 実施形態の制御装置の詳細を示すブロック図である。 実施形態の制御を示すフローチャートである。 実施形態において、破壊エネルギー係数のしきい値を求める制御の詳細を示すフローチャートである。 削孔検層で得られた破壊エネルギー係数と削孔位置との特性図である。 速度検層で得られた弾性波速度と削孔位置との特性図である。 破壊エネルギー係数と弾性波速度との関連の一例を示す図。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態の概要を示している。
図１において、全体を符号１００で示すトンネル切羽前方探査システムは、ロータリーパーカッションの様な掘削機械（例えば、油圧ジャンボ）１、深度計５、フィード圧計６、打撃圧計７、トルク計８、受振器１０、記録装置Ｍ、制御装置２０を有している。
記録装置Ｍは、削孔検層記録装置１１と速度検層記録装置１２を有している。

油圧ジャンボ１は、掘削ロッド２、掘削ロッド２の先端に設けた掘削ビット３、油圧源４、打撃装置９を備えている。
ここで、打撃装置９は、掘削ビット３により削孔中の切羽Ｇｆの前方（図１では左方）の領域Ｇの岩盤を打撃するための、例えば、油圧ジャンボ１のパーカッション部９であり、掘削ロッド２の後端に接続されている。以下、打撃装置９をパーカッション部９と記載する。
明確には図示されていないが、図示の実施形態では、切羽Ｇｆの前方の領域Ｇを一定距離、例えば３ｍだけ削孔した際に、掘削ロッド２を切り継ぎ（接続）している。

フィード圧計６を介装した油圧ラインＬｏ１が、パーカッション部９の掘削ロッド２側（図１では左側）の先端９ａ近傍と、油圧源４に連通している。ラインＬｏ１には、深度計５が介装されている。
打撃圧計７を介装した油圧ラインＬｏ２及びトルク計８を介装したラインＬｏ３が、それぞれ、パーカッション部９の油圧源４側（図１では右側）の端部９ｂ近傍と、油圧源４に連通している。

油圧ジャンボ１は、油圧により、先端に掘削ビット３を設けた掘削ロッド２に対して、軸方向（図１の左右方向）の打撃と、回転を与える様に構成されている。そして、油圧ジャンボ１において、掘削ロッド２に打撃を与えるのがパーカッション部９である。
パーカッション部９には、油圧源４からラインＬｏ１を介して油圧が送られ、パーカッション部９はその油圧によって、掘削ロッド２の軸方向（図１の左右方向）に衝撃を伴う往復運動を繰り返して、掘削ロッド２に連続して打撃を与えている。その打撃は掘削ロッド２を介して掘削ビット３に伝達される。
掘削ビット３は、係る打撃と、油圧ジャンボ１（パーカッション部９とは別の部位）から回転力とを伝達されて、削孔中の切羽Ｇｆ前方の領域Ｇにおける岩盤や地盤を掘削する。

フィード圧計６は、掘削ロッド２を切羽Ｇｆ前方の地盤に送り込むための圧力を計測している。
打撃圧計７は、パーカッション部９で掘削ロッド２に伝達される打撃の圧力（衝撃力）を計測している。
トルク計８は、油圧ジャンボ１が掘削ロッド２に回転力を作用させる際のトルクを計測している。
フィード圧計６、打撃圧計７、トルク計８の計測結果は、制御装置２０において破壊エネルギー係数を演算する（削孔検層）のに用いられる。

受振器１０は、切羽Ｇｆにおける掘削ロッド２の貫入箇所近傍に設置され、掘削ビット３で岩盤Ｇを打撃した際に発生する弾性波を直接的に受振する。
受振器１０で弾性波を受振した結果は、制御装置２０において弾性波速度を演算する（速度検層）のに用いられる。
図示の実施形態における速度検層では、一定の削孔深度或いは掘削距離（例えば３ｍ）を掘削ロッド２で掘削して、掘削ロッド２の切り継ぎを行なう際に、掘削ビット３の先端で岩盤を打撃し、弾性波を発生させるとともに、掘削ロッド２に設置した図示しないトリガースイッチにより、弾性波の発生時刻を記録する。弾性波の受振は切羽Ｇｆに設置した受振器１０で行い、速度検層記録装置１２で受振波形を記録する。そして、この受振波形を解析することにより、深度毎（３ｍ毎）の弾性波速度を求めることが出来る（図６参照）。
図示の実施形態では、速度検層を行なう際に、掘削ロッド２を切羽Ｇｆ前方の地盤或いは岩盤から抜き取って、掘削ロッド２で掘削された孔内に受振器を配置することは行わない。

深度計５と削孔検層記録装置１１とは、信号ラインＳｉ１により接続されている。
フィード圧計６と削孔検層記録装置１１とは、信号ラインＳｉ２により接続されている。
打撃圧計７と削孔検層記録装置１１とは、信号ラインＳｉ３により接続されている。
トルク計８と削孔検層記録装置１１とは、信号ラインＳｉ４により接続されている。
受振器１０と速度検層記録装置１２とは信号ラインＳｉ５によって接続されている。
削孔検層記録装置１１は、信号ラインＬａを介して、制御装置２０の後述する破壊エネルギー係数演算ユニット２１に接続されている。
そして速度検層記録装置１２は、信号ラインＬｂを介して、制御装置２０の後述する弾性波速度演算ユニット２２に接続されている。

削孔検層記録装置１１は、深度計５の計測結果と、フィード圧計６の計測結果と、打撃圧計７の計測結果と、トルク計８の計測結果（計測データ）を記憶する。そして速度検層記録装置１２は、受振器１０における弾性波の受振結果（受振データ）を記憶する。
図示の実施形態では、削孔検層記録装置１１で記憶された計測データと、速度検層記録装置１２で記憶された受振データは、制御装置２０に送られて、演算、解析に使用される。

ここで、当該計測データ及び受振データを図示の実施形態における制御装置２０に送信することに代えて、メモリカードＭＣに記憶させても良い。
そして、メモリカードＭＣを、図１で示す制御装置２０ではなく、例えば、施工現場から離れた管理事務所まで搬送して、当該管理事務所の情報処理機械（各種コンピュータ）によって、削孔検層及び速度検層と切羽Ｇｆ前方の地盤探査の解析処理を行うことが可能である。

次に、図２を参照して、制御装置２０の構成を説明する。
図２において、制御装置２０は、破壊エネルギー係数演算ユニット２１、弾性波速度演算ユニット２２、削孔検層データ区画ユニット２３、削孔検層データ平均化ユニット２４、特性図作成ユニット２５、特性決定ユニット２６、削孔検層のしきい値決定ユニット２７、データベース２８、比較ユニット２９、モニタ３０（表示手段）を備えている。

破壊エネルギー係数演算ユニット２１は、ラインＬ２１により削孔検層データ区画ユニット２３と接続されている。
弾性波速度演算ユニット２２は、ラインＬ２２により削孔検層データ区画ユニット２３と接続され、ラインＬ２３により削孔検層データ平均化ユニット２４と接続されていると共に、ラインＬ２４−１により特性図作成ユニット２５と接続されている。
削孔検層データ区画ユニット２３は、ラインＬ２４により削孔検層データ平均化ユニット２４と接続されている。

削孔検層データ平均化ユニット２４は、ラインＬ２５により特性図作成ユニット２５と接続されている。
特性図作成ユニット２５は、ラインＬ２６により特性決定ユニット２６と接続されている。
特性決定ユニット２６は、ラインＬ２７により削孔検層のしきい値決定ユニット２７と接続されている。
削孔検層のしきい値決定ユニット２７は、ラインＬ２８によりデータベース２８と接続されていると共に、ラインＬ２９により比較ユニット２９と接続されている。
比較ユニット２９は、ラインＬ３０によりモニタ３０と接続されている。

破壊エネルギー係数演算ユニット２１は、削孔検層記録装置１１からラインＬａ経由で入力されたデータ（深度計５と、フィード圧計６と、打撃圧計７と、トルク計８の計測データ）を処理して、破壊エネルギー係数を演算する。
ここで、破壊エネルギー係数Ｅｖ（Ｊ／ｃｍ^３）は、下式を用いて求める。
Ｅｖ＝（Ｅｓ×Ｎｓ）／（Ｖｄ×Ａｒ）
ここで、「Ｅｓ」は１打撃当たりの油圧ドリルの仕事量（Ｊ）、「Ｎｓ」は単位時間当たりのピストン打撃回数（１／ｓｅｃ）、「Ｖｄ」は掘進速度（ｃｍ／ｓｅｃ）、「Ａｒ」は掘削ビット３による削孔断面積（ｃｍ^２）である。
演算された破壊エネルギー係数は、ラインＬ２１を経由して、削孔検層データ区画ユニット２３に送られる。

弾性波速度演算ユニット２２は、速度検層記録装置１２からラインＬｂ経由で入力されたデータ（掘削ビット３で削孔箇所の地盤、岩盤を打撃することによる弾性波）を演算処理して弾性波速度を求める。
弾性波速度は、ラインＬ２２を経由して削孔検層データ区画ユニット２３に送られ、ラインＬ３３を経由して削孔検層データ平均化ユニット２４に送られると共に、ラインＬ２４−１を経由して特性図作成ユニット２５に送られる。

図５は、掘削中の破壊エネルギー係数の変動を示している（符号Ｆで示す特性）。
図５の縦軸には、破壊エネルギー係数（Ｊ／ｃｍ^３）が目盛られ、横軸には切羽Ｇｆからの距離（すなわち深度）、或いは、掘削ロッド２を切羽Ｇｆよりも前方に送り出してからの経過時間が目盛られている。
ここで、破壊エネルギー係数は、地盤、岩盤が同一であっても、施工現場における各種条件によって数値が異なり、言わば相対的なデータである。
破壊エネルギー係数が大きいほど、地盤或いは岩盤の破壊に要する時間が長いことを意味している。すなわち、破壊エネルギー係数が大きいほど、トンネル掘削には良好な地盤或いは岩盤である。

図６は、掘削ビット３によって岩盤に打撃を加えた際（速度検層を行っている際に）に生じる弾性波の速度を、所定の削孔距離（図６の例では３ｍ）ごとに示している。
図６の縦軸には、弾性波の速度（Ｐ波速度：ｍ／ｓｅｃ）が目盛られ、横軸には切羽Ｇｆからの距離（すなわち深度）が目盛られている。
弾性波速度は、同一の地盤或いは岩盤であれば、施工現場が異なっても同一の数値となり、施工現場における各種条件により、弾性波速度が変動することはない。換言すれば、弾性波速度は、言わば絶対的なデータである。

ここで、弾性波速度が速いほど、地盤或いは岩盤は良好であることを意味している。そして、地盤或いは岩盤の良し悪しを示す弾性波速度のしきい値は、当業者には公知となっている。
図示の実施形態では、係る弾性波速度のしきい値は、データベース２８に予め記憶されている。

削孔検層データ区画ユニット２３は、破壊エネルギー係数を示す図５のようなデータの横軸を、図６で示す弾性波速度における所定の削孔範囲と同様に区分する。そして、（図６で示す弾性波速度における所定の削孔範囲と同様に）横軸を区分されたデータ（図６と同様に、所定の削孔範囲毎に区分された図５のデータ）を、ラインＬ２４で削孔検層データ平均化ユニット２４に送る。
削孔検層データ平均化ユニット２４は、所定の削孔範囲ごとに区画された横軸の区画毎に、破壊エネルギー係数を平均化する。平均化の手法としては、従来公知の手法（算術平均、移動平均、その他）の何れであっても良い。
横軸の区画毎に平均された破壊エネルギー係数のデータは、ラインＬ２５を経由して、特性図作成ユニット２５に送られる。

特性図作成ユニット２５は、図７に示すように、破壊エネルギー係数の平均値（縦軸）と弾性波速度（横軸）とを、対応する削孔領域（例えば３ｍ）毎に対比させ、削孔範囲毎にプロットして、図７で示す様な特性図を作成する。ここで、図７は単なる例示であり、図５、図６で示すデータを正確に処理して作成された特性図ではない。
特性図作成ユニット２５で作成された特性図（例えば、図７で示す様な特性図）のデータは、ラインＬ２６を介して特性決定ユニット２６に送られる。

特性決定ユニット２６は、特性図（図７）の全プロットのデータから、相関係数が最も高くなるような特性Ｙを求める。係る特性の決定については、従来、公知の手法が適用可能である。
係る特性Ｙから、弾性波速度「ｘ」と破壊エネルギー係数「ｙ」との関係を決定する関係式ｙ=Ｆ（ｘ）を決定する。特性Ｙから関係式ｙ=Ｆ（ｘ）を決定するに際しても、従来、公知の手法が適用可能である。
決定された関係式ｙ=Ｆ（ｘ）は、ラインＬ２７を経由して、削孔検層のしきい値決定ユニット２７に伝達される。

削孔検層のしきい値決定ユニット２７は、特性決定ユニット２６で決定した関係式ｙ=Ｆ（ｘ）に、データベース２８に予め記憶されている弾性波速度のしきい値ｘ_Ｃを代入して、破壊エネルギー係数のしきい値ｙ_Ｃ、すなわちｙ_Ｃ=Ｆ（ｘ_Ｃ）を決定する。
そして、ラインＬ２９を経由して、破壊エネルギー係数のしきい値ｙ_Ｃを比較ユニット２９に送る。

比較ユニット２９は、掘削ロッド２で掘削された領域の各地点における破壊エネルギー係数ｙを、しきい値ｙ_Ｃとを比較して、比較結果を表示手段であるモニタ３０に表示する。
ここで、各掘削地点の破壊エネルギー係数ｙが、しきい値ｙｃを下回る場合には、当該地点は「トンネル掘削に良好な岩盤ではない」と判断する。そして、当該地点をトンネル掘削するに際しては、トンネル掘削に良好ではない地盤、岩盤を掘削するための措置を講じる。
一方、各掘削地点の破壊エネルギー係数ｙが、しきい値ｙｃ以上であれば、当該地点は「トンネル掘削に良好な岩盤である」と判断する。

次に、図３のフローチャートに基づいて、図１、図２をも参照して、図示の実施形態に係るトンネル切羽前方探査の制御を説明する。
図３において、ステップＳ１では、掘削ロッド２が切羽Ｇｆ前方の地盤或いは岩盤を掘削して進行する距離（掘削距離）Ｌと、掘削ロッド２の切り継ぎ回数ｔを、ともに０にセットする。
そして、掘削ロッド２の先端の掘削ビット３により、切羽Ｇｆから前方（図１の左方）に向かって削孔を行う（ステップＳ２）。
ステップＳ２の削孔に際しては、深度計５と、フィード圧計６と、打撃圧計７と、トルク計８による計測を行い、制御装置２０で破壊エネルギー係数を演算する（削孔検層）。
そして、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、制御装置２０は、掘削ロッド２による掘削距離Ｌが、所定距離（例えば３ｍ）に達したか否かを判断する。ここで、掘削距離Ｌの所定距離は掘削ロッド３の長さに等しく、掘削ロッド３の切れ継ぎ（接続）を行うべき掘削距離でもある。
掘削距離Ｌが所定距離３ｍに達していなければ、掘削ロッド２による削孔を続行する（ステップＳ３がＮＯのループ）。掘削ロッド２による掘削距離Ｌが所定距離（３ｍ）に達したなら（ステップＳ３がＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、油圧ジャンボ１のパーカッション部９を作動させて、掘削ロッド２に打撃を付与して、掘削ビット３によって、掘削ビット３が位置している箇所の地盤或いは岩盤を打撃して、弾性波Ｐを発生させる。
発生した弾性波Ｐは切羽Ｇｆ側に直接伝播して、受振器１０によって受振される。そして、受振器１０の受振結果により、制御装置２０で弾性波速度が演算される（速度検層）。
その後、掘削ロッド２の切り継ぎを行って、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、切り継ぎ回数ｔが所定回数、例えば９回（掘削距離は３×１０=３０ｍ）に達したか否かを判断する。
切り継ぎ回数ｔが所定回数に達していないなら（ステップＳ５がＮＯ）、ステップＳ９に進み、切り継ぎ回数ｔを増加する。そして、ステップＳ２の削孔検層以降を繰り返す。
切り継ぎ回数ｔが所定回数に達したなら（ステップＳ５がＹＥＳ）、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、破壊エネルギー係数のしきい値ｙ_Ｃを求め、当該しきい値ｙ_Ｃを用いて、削孔検層した領域（例えば３ｍ×１０＝３０ｍ）の地盤或いは岩盤の評価、すなわち、トンネル掘削に良好であるか否かを評価する（ステップＳ８）。

次に、図４のフローチャートを参照して、図３のステップＳ７において、破壊エネルギー係数のしきい値ｙ_Ｃを求める態様の詳細を説明する。
図４のステップＳ２１では、削孔検層データ区画ユニット２３により、削孔検層で得た破壊エネルギー係数の結果（図５参照）を、速度検層で得た弾性波速度を示す図６で示すのと同様に、所定の削孔範囲（例えば３ｍ）に分ける。
より具体的には、図５で示す様な破壊エネルギー係数の演算結果を示す図の横軸を、図６で示すのと同様に、所定の削孔範囲（例えば３ｍ）毎に区画（分割）する。

ステップＳ２２では、削孔データ平均化ユニット２４は、ステップＳ２１で分割した所定の削孔範囲毎に（図５の横軸の区画毎に）、破壊エネルギー係数を平均化する。
平均化の手法については、従来、公知の手法（算術平均、移動平均、その他）の何れかが適用される。
そして、ステップＳ２３に進む。

ステップＳ２３では、（ステップＳ２１で分割した）図５の横軸の区画における破壊エネルギー係数の平均値（ステップＳ２２で平均化）を、図５の横軸の各区画に対応する図６の横軸における所定の削孔範囲における弾性波速度を対比する。
換言すれば、同一の所定削孔範囲における平均化された破壊エネルギー係数及び弾性波速度を対比するのである。
そして、ステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４では、特性図作成ユニット２５において、ステップＳ２３の対比結果に基づいて、図７で示す様な特性図を作成する。より詳細には、例えば、横軸に或る削孔範囲における弾性波速度を取り、縦軸に同一の所定削孔範囲における平均化された破壊エネルギー係数を取る様に、削孔範囲毎にプロットする。
繰り返し述べると、図７の特性図において、縦軸は破壊エネルギー係数の平均値（ステップＳ２２で算出した「ｙ」）であり、横軸は弾性波速度である。
図７で示す様な特性図を作成したならば、ステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５では、図７で示す様な特性図における全てのプロットに対して、相関性が最も高くなる様に特性曲線を決定し、その特性曲線を示す特性式
ｙ＝Ｆ（ｘ） を決定する。
そして、ステップＳ２６において、データベース２８に記憶された弾性波速度のしきい値「ｘｃ」を、ステップＳ２５で求めた特性式の ｙ＝Ｆ（ｘ） に代入して、削孔検層を行った領域における破壊エネルギー係数のしきい値「ｙｃ」を求める。
そして、図３のステップＳ８に戻る。

上述した図示の実施形態によれば、切羽前方の領域Ｇを一定距離（３ｍ）だけ削孔して、掘削ロッド２の切り継ぎを行なう際に、掘削ビット３の先端で岩盤を打撃し、弾性波を発生させて速度検層を行っている。そのため、図示の実施形態では、速度検層を行なう際に、掘削ロッド２を切羽Ｇｆ前方の地盤或いは岩盤から抜き取って、掘削ロッド２で掘削された孔内に受振器を配置する必要はなく、その分の労力、コスト、作業時間を節約することが出来る。
その結果、トンネル切羽前方の領域Ｇを探査する労力、コスト、作業時間を、全体として節約することが出来る。

ここで、削孔検層によって得られる破壊エネルギー係数は、たとえ同一の地盤或いは岩盤であっても、施工現場毎に数値が異なり、いわば「相対的な」データである。そのため、従来は、当該地盤の良し悪しについて、破壊エネルギー係数を、そのしきい値と比較して判断することが出来なかった。
それに対して図示の実施形態によれば、同一の地盤或いは岩盤であれば、施工現場によって差異がない弾性波速度を、相対的なデータである破壊エネルギー係数と関連付け、以って、公知の弾性波速度のしきい値を用いて、施工現場毎の破壊エネルギー係数のしきい値を得ることができる。そして、その様な破壊エネルギー係数のしきい値と、削孔検層で演算された破壊エネルギー係数とを比較することにより、削孔検層が行われたトンネル切羽前方の領域Ｇが、トンネル削孔に良好な地盤であるか否かを、迅速、正確、容易に判断することが出来る。

さらに、図示の実施形態では、弾性波速度を演算するに当たって、掘削ビット３が打撃を与えた箇所から直接伝播した弾性波を受振して、弾性波速度を演算している。ここで、掘削ビット３が打撃を与えた箇所から直接伝播した弾性波は、最も早く受振器１０に到達するので、直接伝播した弾性波を、ノイズその他の波から容易に分離することが可能である。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。

１・・・油圧ジャンボ
２・・・掘削ロッド
３・・・掘削用ビット
４・・・油圧源
５・・・深度計
６・・・フィード圧計
７・・・打撃圧計
８・・・トルク計
９・・・パーカッション部
１０・・・受振装置
１１・・・削孔検層記録装置
１２・・・速度検層記録装置
２０・・・制御装置
２１・・・破壊エネルギー係数演算ユニット
２２・・・弾性波速度演算ユニット
２３・・・削孔検層データ区画ユニット
２４・・・削孔検層データ平均化ユニット
２５・・・特性図作成ユニット
２６・・・特性決定ユニット
２７・・・削孔検層のしきい値決定ユニット
２８・・・データベース
２９・・・比較ユニット
３０・・・モニタ

Claims (4)

1. 先端に掘削用ビットを設けたロッドにより切羽前方の領域を削孔し、削孔の際に所定間隔毎に得たデータにより破壊エネルギー係数を演算する削孔検層工程と、切羽前方の領域を一定距離だけ削孔した際に削孔中の切羽前方の領域を掘削用ビットにより打撃して弾性波を発生し、発生した弾性波を切羽に設置した受振器で直接受振して、弾性波速度を求める速度検層工程と、切羽から予め定められた距離だけ削孔が行われた後、削孔検層工程で得た破壊エネルギー係数と速度検層工程で得た弾性波速度から破壊エネルギー係数のしきい値を決定するしきい値決定工程と、削孔検層工程で得た破壊エネルギー係数と決定されたしきい値を比較し、以って、切羽から予め定められた距離だけ削孔された領域を前記所定の間隔毎に評価する評価工程とを有することを特徴とするトンネル切羽前方探査方法。
2. 前記しきい値決定工程は、所定間隔毎に得られた破壊エネルギー係数を速度検層工程の一定距離毎に対応して区画する破壊エネルギー係数区画工程と、区画毎の破壊エネルギー係数を平均化する平均化工程と、平均化された破壊エネルギー係数を対応する一定距離の弾性波速度と対比する対比工程と、対応する破壊エネルギー係数と弾性波速度との特性図を作成する特性図作成工程と、作成された特性図から破壊エネルギー係数と弾性波速度の関係式を決定する関係式決定工程と、前記関係式に弾性波速度のしきい値を代入して破壊エネルギー係数のしきい値を演算する演算工程とを備えている請求項１のトンネル切羽前方探査方法。
3. 先端に掘削用ビットを設けたロッドにより切羽前方の領域を削孔する掘削機械を有し、掘削機械による破壊エネルギー係数を演算するのに必要なパラメータを計測する計測装置と、掘削用ビットにより削孔中の切羽前方の領域を打撃するための打撃装置と、切羽に設置されて弾性波を直接受振する受振器と、制御装置とを有し、制御装置は、前記計測装置により計測されたパラメータに基づいて破壊エネルギー係数を演算する破壊エネルギー係数演算ユニットと、前記受振器により受振された弾性波に基づいて弾性波速度を演算する弾性波速度演算ユニットとを備え、破壊エネルギー係数と弾性波速度から破壊エネルギー係数のしきい値を決定する機能と、削孔検層で演算した破壊エネルギー係数と破壊エネルギー係数のしきい値とを比較して評価する機能とを有することを特徴とするトンネル切羽前方探査システム。
4. 前記制御装置は、前記所定間隔毎に得られた破壊エネルギー係数を掘削用ビットにより打撃して弾性波速度を求めた地点間の距離に対応して区画するユニットと、当該区画毎の破壊エネルギー係数を平均化する平均化ユニットと、平均化された破壊エネルギー係数を対応する一定距離の弾性波速度と対比して対応する破壊エネルギー係数と弾性波速度との特性図を作成する特性図作成ユニットと、作成された特性図から破壊エネルギー係数と弾性波速度の関係式を決定する関係式決定ユニットと、前記関係式に弾性波速度のしきい値を代入して破壊エネルギー係数のしきい値を演算する演算ユニットと、前記所定間隔毎に得られた破壊エネルギー係数を前記しきい値と比較する比較ユニットを備えている請求項３のトンネル切羽前方探査システム。

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