JP2015001100A - 岩盤の評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】岩盤の評価に利用するデータ数の低減を可能にした岩盤の評価方法を提供する。【解決手段】岩盤の評価方法は、定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）を取得すると共に定数決定用岩盤強度（σＣ）を取得する定数決定用データ取得ステップＳ２と、限界破壊エネルギー係数（Ｓ０）を決定した後に傾き定数（１／Ｅ０）を決定する定数決定ステップＳ３と、強度算出用破壊エネルギー係数（Ｓ）を取得する強度算出用データ取得ステップＳ４と、限界破壊エネルギー係数（Ｓ０）と傾き定数（１／Ｅ０）と、強度算出用打撃エネルギー（Ｅ）と強度算出用破壊エネルギー係数（Ｓ）とを利用して岩盤強度（σＣ）を算出する強度算出ステップＳ５と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、油圧式パーカッションドリルを用いて岩盤を評価する岩盤の評価方法に関する。

従来、このような分野の技術として特許文献１と特許文献２がある。特許文献１には、迅速かつ的確に岩盤評価及び切羽前方地質の予測を行うことができる方法が開示されている。この方法では、確率・統計的手法により岩盤等級と単位孔長さ当たりの平均破壊エネルギーとを対応付けた後に、この対応付けを利用して破壊エネルギーをパラメータとして岩盤評価を行う。

また、特許文献２には、切羽前方の地質状況を高精度に予測できる地山の地質評価方法が開示されている。この方法では、切羽前方の複数種類の削孔データを取得し、削孔データを多変量解析により分析して地質予測式を作成する。そして、地質予測式と地山の未掘削部において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。

特公平７―４９７５６号公報 特開２００８―１１１２８９号公報

削孔により得られるデータと岩盤強度等の地山性状を示す指標との相関関係を解析的に得ることは困難である。従って、従来は、特許文献１や特許文献２のように、多量のデータを統計的に処理して、削孔により得られるデータと岩盤強度等の地山性状を示す指標との相関関係を得ている。しかし、統計的処理を用いる場合において、相関関係の信頼性は処理するデータ数の大きさにより変化するため一般には多量のデータが必要になる。

そこで、本発明は、岩盤の評価に利用するデータ数の低減を可能にした岩盤の評価方法を提供することを目的とする。

本発明は、所定の削孔断面積（Ａ）を有する油圧ビットを所定の削孔速度（Ｖ）で岩盤中を掘進させる油圧式パーカッションドリルを用いて岩盤を評価する岩盤の評価方法において、

により算出される岩盤強度（σ_Ｃ）により岩盤を評価するものであり、Ｅは油圧ビットの一打撃あたりの打撃エネルギー、１／Ｅ_０は傾き係数、Ｓは油圧ビットが単位体積当たりの岩盤を破壊するために要するエネルギーである破壊エネルギー係数、Ｓ_０は限界破壊エネルギー係数であり、この条件下において、油圧式パーカッションドリルを用いて岩盤を削孔して、定数決定用打撃エネルギー（Ｅ）と定数決定用打撃回数（Ｎ）とを取得した後に、定数決定用打撃エネルギー（Ｅ）と定数決定用打撃回数（Ｎ）と削孔速度（Ｖ）と削孔断面積（Ａ）とを利用して定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）を取得すると共に、定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）を取得した位置における定数決定用岩盤強度（σ_Ｃ）を取得する定数決定用データ取得ステップと、定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）と定数決定用岩盤強度（σ_Ｃ）とを利用して上記式（１）の限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）を決定した後に、定数決定用打撃エネルギー（Ｅ）と定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）と限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と定数決定用岩盤強度（σ_Ｃ）とを利用して上記式（１）の傾き定数（１／Ｅ_０）を決定する定数決定ステップと、油圧式パーカッションドリルを用いて岩盤を削孔して、強度算出用打撃エネルギー（Ｅ）と強度算出用打撃回数（Ｎ）とを取得した後に、強度算出用打撃エネルギー（Ｅ）と強度算出用打撃回数（Ｎ）と削孔速度（Ｖ）と削孔断面積（Ａ）とを利用して強度算出用破壊エネルギー係数（Ｓ）を取得する強度算出用データ取得ステップと、定数決定ステップで決定した限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と傾き定数（１／Ｅ_０）と、強度算出用データ取得ステップで取得した強度算出用打撃エネルギー（Ｅ）と強度算出用破壊エネルギー係数（Ｓ）とを上記式（１）に代入して、岩盤強度（σ_Ｃ）を算出する強度算出ステップと、を有する。

本発明に係る岩盤の評価方法では、岩盤強度（σ_Ｃ）と破壊エネルギー係数（Ｓ）との関係が上記式（１）で示されている。上記式（１）の定数である限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と傾き係数（１／Ｅ_０）は、定数決定用データ取得ステップと定数決定ステップにより取得される。そして、打撃エネルギー（Ｅ）と破壊エネルギー係数（Ｓ）は強度算出用データ取得ステップにより取得され、強度算出ステップにおいて上記式（１）へ代入することにより、岩盤強度（σ_Ｃ）が代数的なデータ処理で得られる。
ここで、上記式（１）の限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）は、定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）と定数決定用岩盤強度（σ_Ｃ）とにより決定され、略一定の値を取り得る。さらに、傾き係数（１／Ｅ_０）は、油圧式パーカッションドリルの打撃仕様に基づく定数決定用打撃エネルギー（Ｅ）と、定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）と、限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）とにより決定される。
従って、これら限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と傾き係数（１／Ｅ_０）の決定には信頼性を高めるために多量のデータを必要としないので、岩盤の評価に利用するデータ数の低減することができる。

本発明によれば、岩盤の評価に利用するデータ数の低減を可能にした岩盤の評価方法が提供される。

本発明に係る岩盤の評価方法を実施するための削孔検層システムの構成を示す図である。 破壊エネルギー係数と岩盤強度との関係を示すグラフである。 換算された破壊エネルギー係数と岩盤強度との関係を示すグラフである。 本発明に係る岩盤の評価方法のフロー図である。 打撃圧を打撃エネルギーに換算するためのグラフでる。 （ａ）は限界破壊エネルギー係数を決定するステップを説明するための図であり、（ｂ）は傾き係数を決定するステップを説明するための図である。 破壊エネルギー係数と岩盤強度との実測データを示す図である。 破壊エネルギー係数から岩盤強度を算出する式の妥当性を検証するための図である。

以下、本発明に係る岩盤の評価方法の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示されるように、本発明に係る岩盤の評価方法を実施するための削孔検層システム１は、油圧ビットＢを用いて岩盤Ｇを削孔して取得したデータを利用して、切羽前方の地質状況を予測するシステムである。削孔検層システム１は、油圧ビットＢを用いて岩盤Ｇを削孔する油圧式パーカッションドリル２と、油圧ビットＢの孔曲りを抑制する削孔ツールス３と、各種データを取得するセンサ４と、センサ４から出力されるデータを収集し記録媒体に記録する収録装置５と、情報処理装置６とを備えている。

油圧式パーカッションドリル２は、油圧ビットＢの挿入深度と、油圧ビットＢの回転トルクと、油圧ビットＢの打撃圧と、フィード圧とを測定するセンサ４を有している。センサ４で取得されたデータは、収録装置５においてＳＤメモリカードなどの記録媒体に記録され、記録媒体を介して情報処理装置６に入力された後に処理される。

本発明に係る岩盤Ｇの評価方法は、削孔データである破壊エネルギー係数（Ｓ）を利用して切羽前方の地質状態を予測する方法であり、より詳細には、岩盤強度（σ_Ｃ）を取得し、この岩盤強度（σ_Ｃ）を利用して岩盤Ｇにおける地山等級等を評価するものである。従って、本発明の実施に当たっては、破壊エネルギー係数（Ｓ）から岩盤強度（σ_Ｃ）を得るための相関関係が明らかになっている必要がある。そこで、まず、破壊エネルギー係数（Ｓ）と岩盤強度（σ_Ｃ）との相関関係について説明する。

まず、破壊エネルギー係数（Ｓ）について説明する。破壊エネルギー係数（Ｓ）は、油圧ビットＢが単位体積あたりの岩盤Ｇを破壊するのに要するエネルギーであり、一般に、硬岩の場合は大きく、軟岩の場合には小さい値となる。破壊エネルギー係数（Ｓ）は、下記式（２）で定義されている。

ここで、Ｓは破壊エネルギー係数、Ｅは１打撃あたりの打撃エネルギー、Ｎは打撃回数、Ｖは削孔速度、Ａは削孔断面積である。すなわち、上記式（２）の分母は破砕した岩盤Ｇの体積を示し、分子は油圧ビットの総仕事量を示す。なお、上記式（２）には、所定の補正係数（α）を含んでいてもよい。

発明者らは、打撃削孔時の岩盤Ｇの破壊挙動に着目し、岩盤Ｇの不均質性や破壊挙動を再現できる個別要素法を用いてシミュレーションを行い、破壊エネルギー係数（Ｓ）と岩盤強度（σ_Ｃ）との相関関係について検討を行った。

このシミュレーションでは、異なる一軸圧縮強度を有する岩盤Ｇに対して油圧ビットの初期運動エネルギー（Ｅｍ）を変化させた。初期運動エネルギー（Ｅｍ）は、打撃エネルギー（Ｅ）に相当するパラメータである。図２は、このシミュレーションにより得られた結果を、破壊エネルギー係数（Ｓ）をＸ軸とし、岩盤強度（σ_Ｃ）をＹ軸として表示したものである。

点Ｐ１は、初期運動エネルギー（Ｅｍ）を４ｋＪに設定した場合の結果であり、グラフＬ１は、点Ｐ１の近似直線である。点Ｐ２は、初期運動エネルギー（Ｅｍ）を８ｋＪに設定した場合の結果であり、グラフＬ２は、点Ｐ２の近似直線である。点Ｐ３は、初期運動エネルギー（Ｅｍ）を９ｋＪに設定した場合の結果であり、グラフＬ３は、点Ｐ３の近似直線である。点Ｐ４は、初期運動エネルギー（Ｅｍ）を１２ｋＪに設定した場合の結果であり、グラフＬ４は、点Ｐ４ａの近似直線である。点Ｐ５は、初期運動エネルギー（Ｅｍ）を１６ｋＪに設定した場合の結果であり、グラフＬ５は、点Ｐ５の近似直線である。

なお、初期運動エネルギー（Ｅｍ）とはシミュレーション時に設定される油圧ビットＢの打撃エネルギー（Ｅ）であって、破壊エネルギー係数（Ｓ）と岩盤強度（σ_Ｃ）との相関を求めるために使用される。

図２のグラフＬ１〜Ｌ５を確認すると、いずれの初期運動エネルギー（Ｅｍ）においても破壊エネルギー係数（Ｓ）と岩盤強度（σ_Ｃ）の間に正の相関が認められた。また、ある初期運動エネルギー（Ｅｍ）において、岩盤強度（σ_Ｃ）が増加するにしたがって破壊エネルギー係数（Ｓ）も増加していた。この結果は、これまでの知見と矛盾していない。また、初期運動エネルギー（Ｅｍ）が増加するにつれてグラフＬ１〜Ｌ５の傾きが増加していた。この現象が、破壊エネルギー係数（Ｓ）による地山性状の一般的評価を困難にしている。

また、各初期運動エネルギー（Ｅｍ）におけるグラフＬ１〜Ｌ５がＸ軸（σ_Ｃ＝０）と交わる点（Ｓ_０）は略一定の範囲に収束することがわかった。岩盤強度（σ_Ｃ）が負の値になることはないため、点Ｓ_０は初期運動エネルギー（Ｅｍ）の影響を受けない値である。

以上の検討から、発明者らは、初期運動エネルギー（Ｅｍ）の条件や岩盤強度（σ_Ｃ）に左右されないパラメータを発見した。そして発明者らは、このパラメータを限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と定義した。

さらに、限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）について、その物理的意味を検討した。岩盤強度（σ_Ｃ）が極めて小さい地山に対し打撃削孔を行うことを想定すると、その際得られる削孔速度（Ｖ）は大きな値となり、破壊エネルギー係数（Ｓ）は小さくなる。しかし、岩盤強度（σ_Ｃ）が極めて小さい岩盤Ｇにおいても一定の質量があり、それを動かす（削孔する）際には必ずエネルギーが消費されると考えられる。すなわち、限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）とは、一定の質量を有する岩盤Ｇを単位体積分だけ削孔する際に必要となる最小限のエネルギーであるといえる。従って、限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）は、打撃条件や岩盤強度（σ_Ｃ）によらず油圧ビットＢの仕様（孔径や質量）によって決定されると考えられる。

図２に示されたグラフＬ１〜Ｌ５は、打撃条件ごとに異なった傾きを有している。従って、図２の結果を利用した破壊エネルギー係数（Ｓ）と岩盤強度（σ_Ｃ）との相関関係によれば、打撃条件ごとに関係式を算出する必要がある。

そこで、発明者らは、図２の初期運動エネルギー（Ｅｍ）の点Ｐ１〜Ｐ５を１個の近似直線で表現することにより一般化することを試みた。図３は、各初期運動エネルギー（Ｅｍ）のグラフＬ１〜Ｌ５はすべて（Ｓ，σ_Ｃ）＝（Ｓ_０，０）を通るとみなし、Ｘ軸の値を下記式（３）により換算したものである。

図３のグラフＬ６を確認すると、初期運動エネルギー（Ｅｍ）と破壊エネルギー係数（Ｓ）と限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）とを含む値と、岩盤強度（σ_Ｃ）との間には、比例関係が成り立つことがわかった。そして、この比例関係を示し、グラフＬ６の傾きを表すパラメータとして傾き定数（１／Ｅ_０）を定義した。

傾き定数（１／Ｅ_０）は打撃機構の仕様によって決定されると考えられるため、油圧ビットＢ毎に異なる値をとると考えられる。また、岩盤強度（σ_Ｃ）は油圧ビットＢの初期運動エネルギー（Ｅｍ）と破壊エネルギー係数（Ｓ）により算出できることがわかった。従って、発明者らは、任意の削孔条件と打撃条件において破壊エネルギー係数（Ｓ）から岩盤強度（σ_Ｃ）を定量的に求めることが可能な上記式（１）を見出した。

続いて、上記式（１）を利用した岩盤の評価方法をトンネル工事に適用した場合を例に説明する。

図４に示されるように、削孔検層システム１の仕様を決定する（ステップＳ１）。このステップＳ１では、油圧式パーカッションドリル２の打撃条件に関する仕様を決定する。このステップＳ１において、油圧ビットＢの削孔断面積（Ａ）に関するビット径や削孔ツールス３の質量などが決定される。従って、ステップＳ１では、ビット径から削孔断面積（Ａ）が決定される。

続いて、トンネルの切羽前方において試験探査を実施して、上記式（１）の限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と傾き係数（１／Ｅ_０）を決定するための定数決定用データを取得する（ステップＳ２）。

より詳細には、このステップＳ２では、油圧式パーカッションドリル２を操作して既存の調査ボーリングを実施した位置の近傍で岩盤Ｇを削孔し定数決定用データを取得する。定数決定用データとして、挿入深度と、深度打撃圧（Ｐ）と、打撃回数（Ｎ）と、削孔速度（Ｖ）とを、取得する。そして、打撃圧（Ｐ）を図５に示されるグラフＬ７を用いて打撃エネルギー（Ｅ）に変換する。例えば、打撃圧（Ｐ）がＰ１である場合には、打撃エネルギー（Ｅ）はＥ１に換算される。

続いて、打撃エネルギー（Ｅ）と、打撃回数（Ｎ）と、削孔断面積（Ａ）と削孔速度（Ｖ）とを上記式（２）に代入して、所定の挿入深度における破壊エネルギー係数（Ｓ）を算出する。また、シュミット式ハンマー試験等により所定の挿入深度における岩盤Ｇの岩盤強度（σ_Ｃ）である一軸圧縮強度を測定する。

以上のステップＳ２により、所定の進入深度における破壊エネルギー係数（Ｓ）と、岩盤強度（σ_Ｃ）の組合せデータＤ（Ｓ，σ_Ｃ）が取得される。組合せデータＤ（Ｓ，σ_Ｃ）は、岩盤強度（σ_Ｃ）が異なる少なくとも２か所の組合せデータＤ１（Ｓ_１，σ_Ｃ１）及びＤ２（Ｓ_２，σ_Ｃ２）があればよい。なお、必要に応じて複数の組合せデータＤ１（Ｓ_１，σ_Ｃ１）〜Ｄｎ（Ｓ_ｎ，σ_Ｃｎ）（ｎは２以上の整数）を取得してもよい。その際には、削孔孔の位置を変えてデータを取得してもよいし、打撃圧（Ｐ）を変えてデータを取得してもよい。

図４に示されるように、上記式（１）の定数を決定する（ステップＳ３）。まず、限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）を決定する（ステップＳ３ａ）。図６（ａ）に示されるように、破壊エネルギー係数（Ｓ）をＸ軸とし、岩盤強度（σ_Ｃ）をＹ軸とした座標系に、破壊エネルギー係数（Ｓ）と、岩盤強度（σ_Ｃ）の組合せデータＤ（Ｓ，σ_Ｃ）を表示する。図６（ａ）には、異なる岩盤強度（σ_Ｃ１，σ_Ｃ２）を有する箇所において、３個の打撃条件を設定して取得した６個の組合せデータＤ１（Ｓ_１，σ_Ｃ２）、Ｄ２（Ｓ_３，σ_Ｃ１）、Ｄ３（Ｓ_２，σ_Ｃ２）、Ｄ４（Ｓ_４，σ_Ｃ１）、Ｄ５（Ｓ_５，σ_Ｃ２）、Ｄ６（Ｓ_６，σ_Ｃ１）が表示されている。続いて、組み合わせデータＤ１とＤ２から近似直線であるグラフＬ８を算出し、組み合わせデータＤ３とＤ４から近似直線であるグラフＬ９を算出し、組み合わせデータＤ５とＤ６から近似直線であるグラフＬ１０を算出し、それぞれのグラフＬ８〜Ｌ１０を表示する。続いて、グラフＬ８〜Ｌ１０がＸ軸と交差する点を算出することにより限界破壊エネルギー（Ｓ_０）が決定される。限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）は、例えば５０ＭＪ／ｍ^３〜１００ＭＪ／ｍ^３である。

続いて、傾き係数（１／Ｅ_０）を決定する（ステップＳ３ｂ）。図６（ａ）のＸ軸の値を、打撃エネルギー（Ｅ_１，Ｅ_２，Ｅ_３）と限界破壊エネルギー（Ｓ_０）と破壊エネルギー係数（Ｓ）とを上記式（３）に代入することにより換算する。そうすると、６個の組合せデータＤ１〜Ｄ６が打撃エネルギー（Ｅ）により規格化される。そして、規格化された組合せデータＤ１ａ〜Ｄ６ａから近似直線であるグラフＬ１１を算出し表示する。このグラフＬ１１の傾きが、傾き係数（１／Ｅ_０）である。

以上のステップＳ３により、上記式（１）の定数である限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と、傾き係数（１／Ｅ_０）とが決定される。

図４に示されるように、岩盤Ｇの評価をしたい位置の近傍を、油圧式パーカッションドリル２を用いて削孔し、岩盤Ｇの評価に必要な強度算出用データを取得する（ステップＳ４）。このステップＳ４では、強度算出用データとして、挿入深度と、打撃圧（Ｐ）と、打撃回数（Ｎ）と、削孔速度（Ｖ）とを、取得する。そして、打撃圧（Ｐ）を図５に示されるグラフＬ７を用いて打撃エネルギー（Ｅ）に変換する。続いて、打撃エネルギー（Ｅ）と打撃回数（Ｎ）と削孔断面積（Ａ）と削孔速度（Ｖ）とを上記式（２）に代入して、所定の挿入深度における破壊エネルギー係数（Ｓ）を算出する。

続いて、上記式（１）を用いて破壊エネルギー係数（Ｓ）から岩盤強度（σ_Ｃ）を算出する（ステップＳ５）。上記式（１）において、定数である限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と傾き係数（１／Ｅ_０）とは定数決定ステップＳ３で既に決定されている。そして、岩盤Ｇを評価する位置における打撃エネルギー（Ｅ）と破壊エネルギー係数（Ｓ）とは強度算出用データ取得ステップＳ４で既に取得されている。従って、これらの値を上記式（１）に代入することにより、岩盤強度（σ_Ｃ）が算出される。

そして、岩盤強度（σ_Ｃ）を利用して岩盤Ｇの評価を実施する（ステップ６）。このステップＳ６では、岩盤強度（σ_Ｃ）を利用して、トンネル工事に適用される支保パターンを決定する。例えば、トンネル工事における支保パターンの決定には、岩盤強度（σ_Ｃ）と岩盤Ｇの風化による変化と、岩盤Ｇの割目間隔と、割目の状態と、割目が走る傾斜角度とが総合的に評価される。

この評価において、岩盤強度（σ_Ｃ）は、その数値に対応した６個の評価区分に分類される。

例えば、岩盤強度（σ_Ｃ）が１００Ｎ／ｍｍ^２である場合には、岩片を地面に置きハンマーで強打しても割れにくいものとして第１評価区分に分類される。また、岩盤強度（σ_Ｃ）が５０Ｎ／ｍｍ^２〜１００Ｎ／ｍｍ^２である場合には、岩片を地面に置きハンマーで強打すれば割れるものとして第２評価区分に分類される。また、岩盤強度（σ_Ｃ）が２５Ｎ／ｍｍ^２〜５０Ｎ／ｍｍ^２である場合には、岩片を手に持ってハンマーで叩いて割ることができるものとして第３評価区分に分類される。

さらに、岩盤強度（σ_Ｃ）が１０Ｎ／ｍｍ^２〜２５Ｎ／ｍｍ^２である場合には、岩片同士を叩き合わせて割ることができるものとして第４評価区分に分類される。また、岩盤強度（σ_Ｃ）が３Ｎ／ｍｍ^２〜１０Ｎ／ｍｍ^２である場合には、両手で岩片を部分的に割ることができるものとして第５評価区分に分類される。また、岩盤強度（σ_Ｃ）が３Ｎ／ｍｍ^２以下である場合には、力を込めれば小さな岩片を指先で潰すことができるものとして第５評価区分に分類される。

本発明に係る岩盤の評価方法では、岩盤強度（σ_Ｃ）と破壊エネルギー係数（Ｓ）との関係が上記式（１）で示されている。上記式（１）の定数である限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と傾き係数（１／Ｅ_０）は、定数決定用データ取得ステップＳ２と定数決定ステップＳ３により決定される。そして、打撃エネルギー（Ｅ）と破壊エネルギー係数（Ｓ）は強度算出用データ取得ステップＳ４により取得され、強度算出ステップＳ５において上記式（１）へ代入することにより、岩盤強度（σ_Ｃ）が代数的なデータ処理で得られる。

ここで、上記式（１）の限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）は、定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）と定数決定用岩盤強度（σ_Ｃ）とにより決定され、略一定の値を取り得る。さらに、傾き係数（１／Ｅ_０）は、油圧式パーカッションドリル２の打撃仕様に基づく定数決定用打撃エネルギー（Ｅ）と、定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）と、限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）とにより決定される。従って、これら限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と傾き係数（１／Ｅ_０）の決定には信頼性を高めるために多量のデータを必要としないので、岩盤Ｇの評価に利用するデータ数の低減することができる。

ところで、従来の岩盤の評価方法では、ある削孔検層での破壊エネルギー係数（Ｓ）と同位置の一軸圧縮強さ（σ_Ｃ）を測定し、両者の相関関係を統計処理によって求めるという処理が行われることがある。この場合には、統計処理によって求められる相関関係の信頼性が処理するデータ数（母集団）の大きさによって変化するため、一般的評価方法が確立されているとは言い難い。

一方、本発明に係る岩盤の評価方法に用いられる限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）は、一定の質量を有する岩盤Ｇを単位体積分だけ削孔する際に必要となる最小限のエネルギーであると言え、かつ、岩盤Ｇの単位体積重量は地質によらず大きく変わらないことから、限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）は、どの現場においても一定の値を示すといえる。

さらに、本発明に係る岩盤の評価方法に用いられる傾き係数（１／Ｅ_０）は、打撃エネルギー（Ｅ）及び破壊エネルギー係数（Ｓ）の関数Ｅ（Ｓ−Ｓ_０）と、岩盤強度（σ_Ｃ）の関係から得られるために、油圧式パーカッションドリル２の打撃機構の仕様によって決定されると考えられる。従って、油圧式パーカッションドリル２の種類や油圧ビットＢのロッド等の仕様が変わらなければ一定値を示すといえる。

従って、本発明に係る岩盤の評価方法は、上記式（１）を有することにより一般的評価手法が確立できている。

また、従来の岩盤の評価方法では、情報化設計施工に必要な岩盤Ｇの力学的物性値を求められないという問題点があった。

一方、本発明に係る岩盤の評価方法は、上記式（１）を利用しているので、岩盤強度（σ_Ｃ）を求めることができる。従って、情報化設計施工に必要な岩盤Ｇの力学的物性値である岩盤強度（σ_Ｃ）を直接的に得ることができる。

また、本発明に係る岩盤の評価方法によれば、岩盤強度（σ_Ｃ）である一軸圧縮強度が得られるため、トンネル工事であれば、切羽前方（これから掘削する方向）の地質状態の良し悪しの定性的評価のみならず、切羽前方の設計支保パターンの妥当性評価、妥当でない場合の適切な支保パターンへの変更など、情報化設計施工における定量的な検討を行うことができる。

トンネル工事、例えばＮＡＴＭによるトンネル工事では、掘削した岩盤の強度、岩盤の割れ目、岩盤の風化変質の状況等により切羽を評価して支保パターンを決定する。支保パターンとはトンネルを掘削した後に掘削した断面を確保し、地山の崩壊や変形を防ぐために、鋼製支保工の要否や種類・吹付コンクリートの厚さ等の組合せを予め複数定めたものである。

＜実施例＞
本実施例では、上記式（１）の妥当性を検証した。実施例で検証対象としたサイトは本坑（ＮＡＴＭ）に避難坑（ＴＢＭ工法）が付随するトンネルであり、ここではＡトンネルとする。掘削対象地質は花崗岩類で、破砕帯や断層が複数存在する。Ａトンネルでは延長約３．６ｋｍのうち、ほぼ全線のＴＢＭ機械データが蓄積されており（図７参照）、岩盤強度（σ_Ｃ）に準ずる物性値を求めることができる。

従来、ＴＢＭの掘削抵抗を示す貫入量（Ｐｅ）と推力（Ｆ）からＦｉｅｌｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ（ＦＰＩ）という指標値を算出し、切羽周辺の岩盤Ｇの力学的特性を評価する方法が提案されている。しかし、ＦＰＩを用いた評価は、岩盤Ｇの性状やＴＢＭの寸法や機種に影響されるため、ＦＰＩを様々な現場に共通する指標値として用いることは困難である。

そこで、Ａトンネルで取得されたシュミット式ハンマー試験のハンマー反発度から推定される岩盤強度（σｃ）とＦＰＩが一致するように下記式（４）における定数（Ｃ_Ｆ）を決定し、力学的特性の定量的な評価が可能な物性値としてＲｏｃｋ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｅｘ（ＲＳＩ）を求めた。ＲＳＩは岩盤強度（σ_Ｃ）に相当する値であり、単位がＭＰａである。

岩盤強度（σ_Ｃ）に相当する実測値（ＲＳＩ）と、図７に示されている削孔検層の削孔データから得られる値（Ｅ（Ｓ−Ｓ_０））との相関関係を検証した。なお、限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）は図７に示されたデータの解析結果から１００ＭＪ／ｍ^３とした。

図８に示されるように、実測値Ｄｍにはばらつきが見られるものの、Ｅ（Ｓ−Ｓ_０）とＲＳＩの間に正の相関関係（決定係数０．９０１）があることがわかった。これは図３に示されたシミュレーション結果の傾向とよく一致しているため、限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と傾き係数（１／Ｅ_０）とを定数とする上記式（１）は妥当であることが確認された。従って、上記式（１）は実際の現場でも成立する可能性があり、各現場において傾き係数（１／Ｅ_０）及び限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）を適切に定めることによって岩盤強度（σ_Ｃ）を定量的に推定できる可能性があることがわかった。

本実施例では、油圧式パーカッションドリル削孔時のデータを用いて算出した岩盤強度（σｃ）を用いて得られた支保パターンを採用して支保を行った。その結果、地山の崩壊・変形を防止できた。

＜変形例＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明に係る岩盤の評価方法は、トンネル工事以外の土木工事に適用されてもよい。例えば、露天の状態で溝等を掘削する明かり掘削工事に適用してもよい。本発明に係る岩盤の評価方法を明かり掘削工事に適用した場合には、これから掘削する箇所に対する掘削工法の妥当性、たとえば、発破工法の場合は適切な火薬量かどうか、機械工法の場合は能力が適切かどうかを定量的に評価し判断することができる。

また、本発明の岩盤の評価方法は、強度算出ステップＳ５において得られた岩盤強度（σ_Ｃ）と、実際に測定した岩盤強度（σ_Ｃ）とを比較することにより、上記式（１）の限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と傾き係数（１／Ｅ_０）とを修正するステップを有していてもよい。

また、定数決定用データ取得ステップＳ２では、岩盤Ｇの一軸圧縮強度を得る方法として、ボーリングにより採取したコアサンプルを用いて一軸圧縮試験を実施して取得してもよい。

１…削孔検層システム、２…油圧式パーカッションドリル、３…削孔ツールス、４…センサ、５…収録装置、６…情報処理装置、Ｂ…油圧ビット、Ｇ…岩盤、Ａ…削孔断面積、Ｖ…削孔速度、Ｓ…破壊エネルギー係数、Ｓ_０…限界破壊エネルギー係数、Ｅ…打撃エネルギー、Ｅｍ…初期運動エネルギー、１／Ｅ_０…傾き係数、σ_Ｃ…岩盤強度、Ｓ２…定数決定用データ取得ステップ、Ｓ３…定数決定ステップ、Ｓ４…強度算出用データ取得ステップ、Ｓ５…強度算出ステップ。

Claims (1)

1. 所定の削孔断面積（Ａ）を有する油圧ビットを所定の削孔速度（Ｖ）で岩盤中を掘進させる油圧式パーカッションドリルを用いて前記岩盤を評価する岩盤の評価方法において、
   

   

   
   により算出される岩盤強度（σ_Ｃ）により前記岩盤を評価するものであり、
   Ｅは前記油圧ビットの一打撃あたりの打撃エネルギー、
   １／Ｅ_０は傾き係数、
   Ｓは前記油圧ビットが単位体積当たりの前記岩盤を破壊するために要するエネルギーである破壊エネルギー係数、
   Ｓ_０は限界破壊エネルギー係数であり、
   この条件下において、
   前記油圧式パーカッションドリルを用いて前記岩盤を削孔して、定数決定用打撃エネルギー（Ｅ）と定数決定用打撃回数（Ｎ）とを取得した後に、前記定数決定用打撃エネルギー（Ｅ）と前記定数決定用打撃回数（Ｎ）と前記削孔速度（Ｖ）と前記削孔断面積（Ａ）とを利用して定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）を取得すると共に、前記定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）を取得した位置における定数決定用岩盤強度（σ_Ｃ）を取得する定数決定用データ取得ステップと、
   前記定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）と前記定数決定用岩盤強度（σ_Ｃ）とを利用して上記式（１）の限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）を決定した後に、前記定数決定用打撃エネルギー（Ｅ）と前記定数決定用破壊エネルギー係数（Ｓ）と前記限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と前記定数決定用岩盤強度（σ_Ｃ）とを利用して上記式（１）の傾き定数（１／Ｅ_０）を決定する定数決定ステップと、
   前記油圧式パーカッションドリルを用いて前記岩盤を削孔して、強度算出用打撃エネルギー（Ｅ）と強度算出用打撃回数（Ｎ）とを取得した後に、前記強度算出用打撃エネルギー（Ｅ）と前記強度算出用打撃回数（Ｎ）と前記削孔速度（Ｖ）と前記削孔断面積（Ａ）とを利用して強度算出用破壊エネルギー係数（Ｓ）を取得する強度算出用データ取得ステップと、
   前記定数決定ステップで決定した前記限界破壊エネルギー係数（Ｓ_０）と前記傾き定数（１／Ｅ_０）と、前記強度算出用データ取得ステップで取得した前記強度算出用打撃エネルギー（Ｅ）と前記強度算出用破壊エネルギー係数（Ｓ）とを上記式（１）に代入して、岩盤強度（σ_Ｃ）を算出する強度算出ステップと、を有することを特徴とする岩盤の評価方法。
   

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