JP2012193592A - ウオーターハンマによる前方地山評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地山の状況を定性的でなく、投入エネルギという数値を用いて定量的に表現することができ、これにより、切羽前方の地山評価を、より高速、長距離削孔が可能なウオーターハンマを用いて実現できる前方地山評価方法を提供すること。
【解決手段】ロッド先端で打撃を加えて地山を削孔するウオーターハンマを用いた前方地山評価方法であって、ウオーターハンマに供給する水圧を測定するＡ工程と、ウオーターハンマによる削孔速度を測定するＢ工程と、Ａ工程により得られる水圧から、ウオーターハンマの打撃エネルギと打撃回数を算定するＣ工程と、Ｂ工程で得られる削孔速度と、Ｃ工程で得られる打撃エネルギとから、掘削体積比エネルギを算定するＤ工程と、を含み、Ｄ工程で得られる掘削体積比エネルギの値を前方地山評価に利用することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば山岳トンネルの掘削等において、前方地山の地質評価を行う方法として好適なウオーターハンマによる前方地山評価方法に関する。

山岳トンネルにおける切羽前方探査については、各種の探査法が提案され、実施されている。最も多用されているのはトンネルドリルジャンボ（ロータリーパッカーション方式）を用いた探り削孔であり、従来からのノミ下がり、スライム、削孔水の色・量等の状況の他、近年では機械油圧データを測定し、打撃エネルギ、トルク、削孔速度等のデータから削孔体積比エネルギを算出し、地山評価に役立てている。

即ち、トンネルドリルジャンボを用いた探り削孔では、１回あたりの計画削孔長を３０〜５０ｍ程度とし、削孔時にはリターン水の色、くり粉の性状、湧水の量・位置、孔荒れ等の削孔状況といった一般的な観察に加え、削岩機に組み込まれた「前方探査システム」を用いて、削孔速度や打撃圧等を連続的にモニタリングしている。この機械データを用いて「投入エネルギ（単位体積あたりの削孔に要したエネルギ）」を計算し、削孔全長にわたる投入エネルギの変化を切羽前方評価の判断材料の一つとしている。

この前方探査システムでは、削岩機に組み込んだセンサーから削孔長、削孔速度、打撃圧、回転圧、フィード圧（削岩機の押し付け圧力）の値を連続的に記録している。そして、このうちの削孔速度と打撃圧をパラメータとして数１に示す変換式（ＨＤ１９０−Ｓの場合）により、投入エネルギへ変換している。
数１のＥは単位体積当たりに投入した打撃エネルギＥ（J/m³）であり、
Ｅ＝（１秒間の投入エネルギ／１秒間の実効掘削体積）×削孔長効率
により求めることができる。

ここで、基準打撃圧：PH₀＝17.5(MPa)、１打撃の基準投入エネルギ：E₀＝261（J）、
基準打撃数N₀＝3800（min^-1）＝63（Ｓ^-1）、削孔長効率＝0.98^Ｌ/3、総削孔長：L（m）、
削孔速度Ｖ（m/min）、打撃圧：PH/(MPa)、掘削ビット外径D(mm)、である。

なお、特許文献１には削岩機に各種のセンサーを取り付け、トンネルの発破孔及びロックボルトの穿孔時に穿孔速度などのデータを採取し、地山の固さ及び弱層の位置、深さを把握推定することにより、地山を探査するシステムが記載されている。

特開平２００８―１１１２８９号公報

上記のようなトンネルドリルジャンボを用いた前方地山評価システムにおいては、次のような利点がある。
（イ）地山の状況を定性的でなく、投入エネルギという数値を用いて定量的に表現することで、比較評価が容易になる。
（ロ）投入エネルギの値のみでなく、削孔長に対する削孔速度、打撃圧、回転圧、フィード圧の変化も合わせて比較することで、削孔時の状況をより的確に推測する判断材料となり得る。
（ハ）削孔時の機械データが簡単に取得できるとともに、リアルタイムでモニターに表示できるため、目視による観察では分からない削孔スピードの変化をモニター画面上で確認しながら削孔することが可能になる。

しかしながら、従来のトンネルドリルジャンボは、ロータリーパッカーション方式であるが、マシン側で打撃を加えるために距離が長くなるとエネルギロスが大きくなる。このことも影響し、トンネルドリルジャンボでは探査深度はせいぜい５０ｍ程度が限界である。

一方、同じロータリーパッカーション方式を採用するものの、ロッド先端で打撃を加えるウオーターハンマ（水力式ダウン・ザ・ホールハンマ）は、エネルギロスも少なく、高速削孔と長距離削孔が可能である。この削孔方式を地山に適用する場合、従来は給進力・回転トルク、水圧・水量、等のデータで総合的に判断していた。そのため、現状では、トンネルドリルジャンボでは一般的で熟練度の高い、掘削体積比エネルギによる地山評価方法を、ウオーターハンマに利用することができないという課題があった。

よって、本発明は、地山の状況を定性的でなく、投入エネルギという数値を用いて定量的に表現することができ、これにより、切羽前方の地山評価を、より高速、長距離削孔が可能なウオーターハンマを用いて実現できる前方地山評価方法を提供しようとするものである。

以上の課題を解決するため、本発明は、ロッド先端で打撃を加えて地山を削孔するウオーターハンマを用いた前方地山評価方法であって、
前記ウオーターハンマに給圧する水圧を測定するＡ工程と、
前記ウオーターハンマによる削孔速度を測定するＢ工程と、
前記Ａ工程により得られる水圧から、前記ウオーターハンマの打撃エネルギと打撃回数を算定するＣ工程と、
前記Ｂ工程で得られる削孔速度と、前記Ｃ工程で得られる打撃エネルギとから、掘削体積比エネルギを算定するＤ工程と、を含み、
前記Ｄ工程で得られる掘削体積比エネルギの値を、前方地山評価に利用することを特徴としている。

本発明によれば、ウオーターハンマに供給する水圧を測定し、その結果より地山評価を行うことができる。即ち、本発明ではウオーターハンマに供給する水圧の測定結果に基づいて、ウオーターハンマの打撃エネルギと打撃回数を算定するＣ工程を行うので、削孔速度と打撃エネルギとから、掘削体積比エネルギを算定することができる。従って、地山の状況を定性的でなく、投入エネルギという数値を用いて定量的に表現することができ、これにより、従来技術であるトンネルドリルジャンボと同程度のトンネル切羽前方の地山評価を、より高速・長距離削孔が可能なウオーターハンマで可能となる。

本発明において、前記Ｄ工程では、次式により掘削体積比エネルギを求めることができる。
掘削体積比エネルギ[J/cm/min]＝打撃エネルギ[J]／削孔速度[cm/min]

本発明において、前記Ｃ工程では、用いるウオーターハンマに対する供給水圧と打撃エネルギの関係を示すデータに基づいて打撃エネルギを求めることができる。

本発明によれば、地山の状況を定性的でなく、投入エネルギという数値を用いて定量的に表現することができ、これにより、切羽前方の地山評価を、より高速、長距離削孔が可能なウオーターハンマで実現できる前方地山評価方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るウオーターハンマを用いた前方地山評価方法を概念的に示す説明図である。 本発明の実施形態に係るウオーターハンマの印加水圧と打撃エネルギの関係をグラフで示す説明図である。 本発明の実施形態に係るウオーターハンマの印加水圧と打撃回数の関係をグラフで示す説明図である。

以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１において、１はウオーターハンマ、２はパソコン等の処理装置、３はウオーターハンマ１への給圧を測定する水圧センサー、４は削孔速度を検出するための速度センサー、５はウオーターハンマ１への給水装置を示している。

本実施形態に係るウオーターハンマによる前方地山評価方法では、ウオーターハンマ１に印加する水圧を水圧センサー３で計測し、その結果より地山評価を行えるように工夫している。即ち、掘削体積比エネルギによる地山評価は、従来からトンネルドリルジャンボにおいては一般的である。本発明ではこれを、トンネルドリルジャンボとは全く削孔方式が異なるウオーターハンマ方式に適用する技術である。

トンネルドリルジャンボは、供給される空気圧や油圧の力をロッド先端のハンマに打撃力として伝え削孔する方式であるのに対し、ウオーターハンマは、供給される高圧水の力をロッド先端のハンマに打撃力として伝え削孔する方式である。また、トンネルドリルジャンボはロータリーパッカーション方式であるが、長尺になるロッドを介してマシン側で打撃を加えるために削孔距離が長くなるとエネルギロスが大きい。それに対し、本実施形態で用いるウオーターハンマの場合、ロッド先端で打撃を加えるためエネルギロスが小さい。

即ち、本実施形態では、同じロータリーパッカーション方式を採用するものの、ロッド先端で打撃を加えることで、エネルギロスが小さく、高速削孔と長距離削孔が可能なウオーターハンマ（水力式ダウン・ザ・ホールハンマ）方式に適用している。

ウオーターハンマ（水力式ダウン・ザ・ホールハンマ）は、エア式ダウン・ザ・ホールハンマに比べて、低振動、低騒音、低粉塵の施工が可能で、水を使用しているので粉塵をほぼ除去することができる。

本実施形態に係るウオーターハンマによる前方地山評価方法は、ロッド先端で打撃を加えて地山を削孔する際に、ウオーターハンマに給圧する水圧を測定するＡ工程と、ウオーターハンマによる削孔速度を測定するＢ工程と、Ａ工程により得られる水圧から、ウオーターハンマの打撃エネルギと打撃回数を算定するＣ工程と、Ｂ工程で得られる削孔速度と、Ｃ工程で得られる打撃エネルギとから、掘削体積比エネルギを算定するＤ工程とを行う。そして、Ｄ工程で得られる掘削体積比エネルギの値を、ウオーターハンマを用いた前方地山評価に利用する。

ここで、前記Ｄ工程では、掘削体積比エネルギについて、
掘削体積比エネルギ[J/cm/min]＝打撃エネルギ[J]／削孔速度[cm/min]、により求めることができる。
また、前記Ｃ工程では、ウオーターハンマ１に対する供給水圧と打撃エネルギの関係を示す設計データ又は実測データ等に基づいて打撃エネルギを求めることができる。

このように、本実施形態では、まず、給圧する水圧を測定することにより、打撃エネルギと打撃回数を算定する。打撃エネルギについては、印加水圧と打撃エネルギの関係をグラフで示す図２から求めることができる。図２では、印加水圧が横軸に示され、打撃エネルギが縦軸に示されている。例えば印加水圧１００（Bar）では、打撃エネルギがほぼ１２０(J)となる。

打撃回数については、印加水圧と打撃回数の関係をグラフで示す図３から求めることができる。図３では、印加水圧が横軸に示され、打撃回数が縦軸に示されている。例えば印加水圧１００（Bar）では、打撃回数がほぼ５０(Hz)となる。

トンネルドリルジャンボによる探り削孔では、削孔エネルギまたは掘削体積比エネルギで地山評価が行われている。
削孔エネルギについて、
削孔エネルギEd[J/cm³]＝打撃エネルギEP[J]×打撃回数Cp[bpm]×損失係数K／削孔速度VD[cm/min]×削孔断面積[cm²]
により求めることができる。

このうち、打撃エネルギと打撃回数は、前述のように印加水圧より算定可能であり、削孔速度は速度センサ４等により測定可能であり、断面積はビット径より算定可能である。
したがって、上述のＡ工程〜Ｄ工程を行うことにより、掘削体積比エネルギ[J/cm/min]を算定することができる。
これにより、従来技術であるトンネルドリルジャンボと同程度のトンネル切羽前方の地山評価が、より高速・長距離削孔が可能なウオーターハンマで可能となる。
なお、これらの計算式や各種データは、処理装置に予め入力しておき、この処理装置を利用して地山評価を行うように設計される。

本実施形態によれば、ウオーターハンマに供給する水圧を測定し、その結果より地山評価を行うことができる。即ち、本実施形態ではウオーターハンマに供給する水圧の測定結果に基づいて、ウオーターハンマの打撃エネルギと打撃回数を算定するＣ工程を行うので、削孔速度と打撃エネルギとから、掘削体積比エネルギを算定することができる。従って、地山の状況を定性的でなく、投入エネルギという数値を用いて定量的に表現することができ、これにより、従来技術であるトンネルドリルジャンボと同程度のトンネル切羽前方の地山評価を、より高速・長距離削孔が可能なウオーターハンマで可能となる。

１ ウオーターハンマ
２ 処理装置
３ 水圧センサー
４ 速度センサー
５ 給水装置

Claims (3)

1. ロッド先端で打撃を加えて地山を削孔するウオーターハンマを用いた前方地山評価方法であって、
   前記ウオーターハンマに供給する水圧を測定するＡ工程と、
   前記ウオーターハンマによる削孔速度を測定するＢ工程と、
   前記Ａ工程により得られる水圧から、前記ウオーターハンマの打撃エネルギと打撃回数を算定するＣ工程と、
   前記Ｂ工程で得られる削孔速度と、前記Ｃ工程で得られる打撃エネルギとから、掘削体積比エネルギを算定するＤ工程と、を含み、
   前記Ｄ工程で得られる掘削体積比エネルギの値を前方地山評価に利用することを特徴とする、ウオーターハンマを用いた前方地山評価方法。
2. 前記Ｄ工程では、次式により掘削体積比エネルギを求めることを特徴とする請求項１に記載のウオーターハンマを用いた前方地山評価方法。
   掘削体積比エネルギ[J/cm/min]＝打撃エネルギ[J]／削孔速度[cm/min]
3. 前記Ｃ工程では、用いるウオーターハンマの印加水圧と打撃エネルギの関係を示すデータに基づいて打撃エネルギを求めることを特徴とする請求項１又は２に記載のウオーターハンマを用いた前方地山評価方法。

Images