JP2016125296A - 前方地山の探査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水圧ハンマを用いて前方地山の地盤性状を探査する場合に信頼性を向上させる。
【解決手段】本発明に係る前方地山の探査方法においては、まず、打撃時の送水圧Ｐ₁と非打撃時の送水圧Ｐ₂とを予め取得し（ステップ１０１）、次いで、探査対象となる地山を水圧ハンマ２２で削孔する際、水圧ハンマ２２への送水圧を一定時間ｔにわたって計測して送水圧Ｐとする（ステップ１０２）。次に、一定時間ｔ中、水圧ハンマ２２による打撃が行われている時間割合をβとし、該βを（１）式から求めるとともに、一定時間ｔにわたる水圧ハンマ２２の平均打撃数ｆ′を（２）式から求めた後（ステップ１０４）、水圧ハンマ２２で単位長さ当たりを削孔するのに要したエネルギー指標Ｍを（３）から求め（ステップ１０５）、しかる後、エネルギー指標Ｍを用いて前方地山の地盤性状を推定する（ステップ１０６）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主として山岳トンネルの切羽前方に拡がる地山の地盤性状を探査する際に適用される前方地山の探査方法に関する。

山岳トンネルを掘削するにあたり、切羽前方に拡がる地山の性状を適切かつ高い精度で把握することは、支保工及び補助工を含めた掘削工事全体を効率よくかつ安全に進めていく上で非常に重要である。

トンネル切羽の前方探査を行う技術として、ドリルジャンボ（パーカッション型削孔機）やノンコア先進ボーリングマシン（ロータリー・パーカッション型削孔機）を利用したノンコア削孔による穿孔探査が知られているが、最近では、水圧ハンマを用いた穿孔探査も試みられるようになってきた（特許文献１，２）。

水圧ハンマは、削孔ロッドを介してボーリングマシンから伝達される給進力及び回転トルクを削孔面に作用させつつ、内蔵されたハンマピストンを高圧水で往復動させることで該削孔面に打撃力を作用させることができる先端打撃式の削孔機であって、削孔ロッドの基端側で打撃力を与えるトップハンマ式の削孔機に比べ、削孔ロッド同士の継目でエネルギーロスが生じないため、削孔可能な深度が大きく、削孔速度も大きい。

そのため、水圧ハンマによる前方探査が可能になれば、より遠くの地山を調査できる。

水圧ハンマを用いたトンネル切羽の前方探査としては、水圧ハンマへの送水流量Ｑ及び送水圧Ｐと掘進速度Ｖから削孔エネルギーの指標値Ｅを算出し、これを給進力（フィード圧）で補正することで、切羽前方の地山における空洞部や割れ目の検出が試みられている（特許文献２）。

特開２０１２−１９３５９２号公報 特開２００７−２７７９４０号公報

ここで、水圧ハンマによる打撃エネルギーは、水圧と打撃数に比例すると考えることができるが、打撃数を計測することは現状では困難であるため、上記探査手法においては、打撃数に代わる指標として送水流量が用いられている。

しかしながら、水圧ハンマは、ある程度の大きさの反力を削孔面から受けないと、打撃が開始されず、軟らかい地盤では、反力が得られずに打撃が行われない場合があるが、打撃が行われていないときにも、構造上、ビット先端から水が排出される。

そのため、送水流量から打撃数を推定するには限度があり、送水流量と打撃数が比例することを前提とした上述の評価方法では判定精度が不十分で、信頼性の高い前方探査を行うことが困難であるという問題を生じていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、水圧ハンマを用いて前方地山の地盤性状を探査する場合に信頼性を向上させることが可能な前方地山の探査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る前方地山の探査方法は請求項１に記載したように、ボーリングマシンに装着した削孔ロッドの先端に水圧ハンマを取り付け、該水圧ハンマで切羽等の露出面の前方に拡がる地山を削孔することにより、該前方地山の地盤性状を探査する前方地山の探査方法において、
前記水圧ハンマへの送水圧を一定時間にわたって計測して送水圧Ｐとし、
前記一定時間に対して前記水圧ハンマによる打撃が行われている時間割合βを、次式、
Ｐ＝β・Ｐ₁＋（１−β）・Ｐ₂ （１）
Ｐ₁；打撃時の送水圧
Ｐ₂；非打撃時の送水圧
から算出し、
前記βを用いて前記水圧ハンマの打撃数ｆ′を、次式、
ｆ′＝β・ｆ₀・√（Ｐ₁／Ｐ₀） （２）
Ｐ₀；基準送水圧
ｆ₀；基準打撃数
から算出し、
前記水圧ハンマによる削孔エネルギーの大きさをエネルギー指標値Ｍとして定義するとともに、該エネルギー指標値を前記ｆ′を用いて、次式、
Ｍ＝Ｐ₁・ｆ′／Ｖ （３）
Ｖ；削孔速度
から算出し、
前記エネルギー指標値Ｍを用いて前記前方地山の地盤性状を推定するものである。

水圧ハンマーによる打撃エネルギーを評価するにあたり、従来においては、打撃数に代えて送水流量が用いられていたところ、既に述べた通り、地山から反力が得られずに打撃が行われない場合であっても一定量の水が排出されるため、送水流量で打撃数を推定する手法では、十分な信頼性を得ることは難しい。

本出願人は、脆弱部を有する地山を掘削する際、亀裂箇所で送水圧が低下する現象が頻繁に観測されるところ、かかる状況においては、上述した水圧ハンマの特性から打撃数が低下しているものと思われるため、送水圧の低下状況を調べることで打撃数を推定することができないかに着眼して研究開発を行ったところ、本願発明をなすに至ったものである。

すなわち、本発明に係る前方地山の探査方法においては、水圧ハンマで前方地山を削孔する際、まず、水圧ハンマへの送水圧を一定時間にわたって計測し、これを送水圧Ｐとする。

ここで、地山が良質であれば、ロッド先端に取り付けられた水圧ハンマが地山から所定の反力を受け、ロッドの基端側から供給された高圧水は、水圧ハンマの振動機構に流れて該振動機構を作動させるが、地山が例えば亀裂性であるがゆえに該地山からの反力が不足すると、高圧水は、水圧ハンマの振動機構には流れず、そのまま放水される。

そのため、水圧ハンマによる打撃が行われているときは送水圧が高くなり、打撃が行われていないときは送水圧が低くなる。

したがって、一定時間、例えば１秒間にわたる平均値として送水圧を計測し、その大きさが、打撃が行われているときの送水圧に近ければ、上述した一定時間中、より長い時間にわたって打撃がなされ、打撃が行われていないときの送水圧に近ければ、より短い時間しか打撃がなされなかったことがわかる。

具体的には、打撃が行われているときの送水圧と打撃が行われていないときの送水圧を、Ｐ₁、Ｐ₂としてそれぞれ予め取得した上、上記一定時間において水圧ハンマによる打撃が行われている時間割合をβとし、該βを、次式、
Ｐ＝β・Ｐ₁＋（１−β）・Ｐ₂ （１）
Ｐ₁；打撃時の送水圧
Ｐ₂；非打撃時の送水圧
から求める。

ちなみに、Ｐ₁は、高圧水が水圧ハンマの振動機構を流れる際の送水圧であるため、送水流量のほか、水圧ハンマの摩耗度に依存し、Ｐ₂は、振動機構を経由せずに直接放出されるので、主として送水流量に依存するが、高圧水がいずれの流路を流れているのか把握できる状況であれば、それぞれ事前に計測しておくことが可能である。

送水圧Ｐは、例えば０．０１秒ごとに計測された計測データを１秒間の移動平均としてデータ処理すればよい。

ここで、上述した一定時間中、打撃が行われているときの単位時間あたりの打撃回数をｆ″とすると、単位時間あたりの打撃回数が送水圧のルートに比例することから、ｆ″は、
ｆ″：ｆ₀＝√Ｐ₁：√Ｐ₀
となり、よって、
ｆ″＝ｆ₀・√（Ｐ₁／Ｐ₀）
となる。

上述の打撃数ｆ₀は、水圧ハンマ固有の諸元として製造メーカーから開示される単位時間あたりの打撃回数、送水圧Ｐ₀は、同じくそのときの送水圧であり、本明細書では、便宜上、Ｐ₀を基準送水圧、ｆ₀を基準打撃数と呼ぶ。

したがって、上述した一定時間をｔ、一定時間中の打撃回数をＮとすると、
Ｎ＝β・ｔ・ｆ″
＝β・ｔ・ｆ₀・√（Ｐ₁／Ｐ₀）
となり、Ｎ／ｔをｆ′とおくと、
ｆ′＝β・ｆ₀・√（Ｐ₁／Ｐ₀） （２）
となる。

ｆ′は、一定時間ｔにおける打撃回数Ｎを該一定時間で除した値であって、一定時間ｔにわたるいわば平均打撃数となる。

次に、水圧ハンマの１回当たりの打撃エネルギーは水圧に比例し、単位時間当たりに水圧ハンマが地山に与えた打撃エネルギーは水圧と打撃数の積に比例するので、水圧ハンマで単位長さ当たりを削孔するのに要したエネルギーを指標Ｍとすると、該Ｍは、
Ｍ＝Ｐ₁・ｆ′／Ｖ （３）
Ｖ；削孔速度
となる。

ここで、算出された指標Ｍは、地山の堅さを表す値となるので、このエネルギー指標Ｍを用いて前方地山の地盤性状を推定する。

本実施形態に係る前方地山の探査方法の実施手順を示したフローチャート。 本実施形態に係る前方地山の探査方法に用いる削孔機２０を示した側面図。 送水流量ＱごとにＰ₁及びＰ₂を現地試験で取得する様子を示したグラフ。 算出されたエネルギー指標Ｍを削孔深度との関係で示したグラフ。

以下、本発明に係る前方地山の探査方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る前方地山の探査方法の実施手順を示したフローチャート、図２は、それに用いる削孔機２０を示した側面図である。

削孔機２０は、ボーリングマシン２１と該ボーリングマシンに連結された削孔ロッド２３とその先端に取り付けられた水圧ハンマ２２とで構成してある。

本実施形態に係る前方地山の探査方法においては、まず、打撃時の送水圧Ｐ₁と非打撃時の送水圧Ｐ₂とを予め取得する（ステップ１０１）。

打撃時の送水圧Ｐ₁及び非打撃時の送水圧Ｐ₂は、水圧ハンマ２２が地山を実際に打撃しているのか否か、あるいは高圧水が水圧ハンマ２２の振動機構を流れているのか否かを把握できる状況で取得することが可能である。

ここで、Ｐ₁は、高圧水が水圧ハンマ２２の振動機構を流れる際の送水圧であるため、送水流量Ｑのほか、水圧ハンマ２２の摩耗度に依存するのに対し、Ｐ₂は、振動機構を経由せずに直接放出されるため、主として送水流量Ｑのみに依存する。

そのため、Ｐ₁及びＰ₂は、水圧ハンマ２２の使用頻度を考慮しながら、できるだけ最新の値を用いるのが望ましい。

図３は、送水流量ＱごとにＰ₁及びＰ₂を現地試験で取得する様子を示したグラフであり、かかるグラフを作成することで、例えば送水流量Ｑが１５０リットル／分のとき、Ｐ₁を１６ＭＰａ、Ｐ₂を４．５ＭＰａと定めることができる。

また、削孔中の給進力Ｆが一定であるときは、水圧ハンマ２２による打撃が行われていると考えることができるので、そのときの送水圧ＰをＰ₁とし、削孔中の給進力Ｆが実質的にゼロであるときは、水圧ハンマ２２による打撃が行われていないと考えることができるので、そのときの送水圧ＰをＰ₂とすることも可能である。

なお、打撃時の送水圧Ｐ₁と非打撃時の送水圧Ｐ₂との事前取得は、必ずしも探査対象となる地山で行う必要はない。

次に、探査対象となる地山を水圧ハンマ２２で削孔するが、その際、水圧ハンマ２２への送水圧を一定時間ｔにわたって計測し、これを送水圧Ｐとする（ステップ１０２）。

削孔にあたっては、水圧ハンマ２２の先端における地山への押付け力が、水圧ハンマ２２の周面と地山との間に発生する周面摩擦力で変動することなく、できるだけ均一になるように、例えば１０ＭＰａに維持されるように、ボーリングマシン２１から削孔ロッド２３を介して水圧ハンマ２２に伝達される給進力Ｆを制御する。また、送水流量Ｑについても、一定の値に維持する。

送水圧Ｐは、例えば０．０１秒ごとに計測された計測データをｔ秒間の移動平均としてデータ処理し、一定時間ｔは、例えば１秒間とすればよい。

このように、一定時間ｔにわたる平均値として送水圧Ｐを計測すると、水圧ハンマ２２による打撃が行われているときは送水圧が高くなり、打撃が行われていないときは送水圧が低くなるため、計測された送水圧Ｐが、打撃が行われているときの送水圧、すなわち打撃時の送水圧Ｐ₁に近ければ、上述した一定時間中、より長い時間にわたって打撃がなされ、打撃が行われていないときの送水圧、すなわち非打撃時の送水圧Ｐ₂に近ければ、より短い時間しか打撃がなされなかったことがわかる。

つまり、送水圧Ｐが、送水圧Ｐ₁及び送水圧Ｐ₂に対して相対的にどのような大きさであるのかを知ることによって、一定期間中における打撃回数を推定することが可能であり、図３の例で言えば、例えば送水流量Ｑが１５０リットル／分のとき、計測された送水圧Ｐ（同図黒丸）の大きさが、Ｐ₁（１６ＭＰａ）に近いのか、Ｐ₂（４．５ＭＰａ）に近いのかを調べればよい。

具体的には、一定時間ｔ中、水圧ハンマ２２による打撃が行われている時間割合をβとし、βを、次式、
Ｐ＝β・Ｐ₁＋（１−β）・Ｐ₂ （１）
又は、これを変形して、
β＝（Ｐ−Ｐ₂）／（Ｐ₁−Ｐ₂）（１′）
から求める（ステップ１０３）。

次に、一定時間ｔにわたる水圧ハンマ２２の平均打撃数ｆ′を、次式、
ｆ′＝β・ｆ₀・√（Ｐ₁／Ｐ₀） （２）
により求める（ステップ１０４）。

ここで、打撃数ｆ₀（基準打撃数）は、水圧ハンマ２２固有の諸元として製造メーカーから開示される単位時間あたりの打撃回数、送水圧Ｐ₀（基準送水圧）は、同じくそのときの送水圧である。

例えば、送水圧Ｐ₀が１８ＭＰａのときに打撃数ｆ₀が６５Ｈｚであれば、（２）式は、
ｆ′＝β・６５・√（Ｐ₁／１８） （２′）
となる。

次に、水圧ハンマ２２で単位長さ当たりを削孔するのに要したエネルギー指標Ｍを、次式、
Ｍ＝Ｐ₁・ｆ′／Ｖ （３）
又は、（１）式及び（２）式を考慮して、
Ｍ＝Ｐ₁・（Ｐ−Ｐ₂）・ｆ₀・√（Ｐ₁／Ｐ₀）／（Ｐ₁−Ｐ₂）／Ｖ （３′）
Ｖ；削孔速度
で求める（ステップ１０５）。

ここで、算出されたエネルギー指標Ｍは、水圧ハンマ２２で単位長さ当たりを削孔するのに要したエネルギー、すなわち地山の堅さを表す指標となるので、このエネルギー指標Ｍを用いて前方地山の地盤性状を推定する（ステップ１０６）。

図４は、算出されたエネルギー指標Ｍを削孔深度との関係で示したグラフであり、削孔が進行して前方地山が切羽として露出したときに観測された切羽評価点を併せて示してある。

ここで、切羽評価点とは、圧縮強度、風化変質、割目間隔及び割目状態の４つを観察指標、湧水量と劣化を補正指標として切羽を観察し、それら項目ごとで得られた点数を所定の割合で配点してなるものであり、例えば日本道路協会の指針に定められている切羽評価点が知られている。

図４でわかるように、エネルギー指標Ｍと切羽評価点とはよく整合しており、上述したエネルギー指標Ｍを用いて前方地山の地盤性状を推定可能であることがわかる。

以上説明したように、本実施形態に係る前方地山の探査方法によれば、一定時間ｔにわたる平均値として送水圧Ｐを計測し、該送水圧が、送水圧Ｐ₁及び送水圧Ｐ₂に対して相対的にどのような大きさであるのかを知ることによって、一定期間ｔ中における打撃回数、さらには単位時間当たりの打撃数を推定することが可能となり、かくして水圧ハンマ２２による前方地山の探査を従来よりも高い精度で行うことができる。

本実施形態では、切羽評価点を、推定すべき前方地山の地盤性状としたが、地盤性状としてどのような指標を用いるかは任意であり、例えば切羽評価点に代えて、地山等級を用いるようにしてもよい。

かかる変形例の場合、例えば、次のように地山等級を推定することができる。

２１ ボーリングマシン
２２ 水圧ハンマー
２３ 削孔ロッド

Claims (1)

1. ボーリングマシンに装着した削孔ロッドの先端に水圧ハンマを取り付け、該水圧ハンマで切羽等の露出面の前方に拡がる地山を削孔することにより、該前方地山の地盤性状を探査する前方地山の探査方法において、
   前記水圧ハンマへの送水圧を一定時間にわたって計測して送水圧Ｐとし、
   前記一定時間に対して前記水圧ハンマによる打撃が行われている時間割合βを、次式、
   Ｐ＝β・Ｐ₁＋（１−β）・Ｐ₂ （１）
   Ｐ₁；打撃時の送水圧
   Ｐ₂；非打撃時の送水圧
   から算出し、
   前記βを用いて前記水圧ハンマの打撃数ｆ′を、次式、
   ｆ′＝β・ｆ₀・√（Ｐ₁／Ｐ₀） （２）
   Ｐ₀；基準送水圧
   ｆ₀；基準打撃数
   から算出し、
   前記水圧ハンマによる削孔エネルギーの大きさをエネルギー指標値Ｍとして定義するとともに、該エネルギー指標値を前記ｆ′を用いて、次式、
   Ｍ＝Ｐ₁・ｆ′／Ｖ （３）
   Ｖ；削孔速度
   から算出し、
   前記エネルギー指標値Ｍを用いて前記前方地山の地盤性状を推定することを特徴とする前方地山の探査方法。