JP2023013488A - 壁面強度推定方法、地山性状の評価方法、及び弾性波探査システム - Google Patents

Abstract

【課題】迅速かつ安全に地山の一軸圧縮強度を推定し、地山性状を評価することである。【解決手段】調査対象面近傍の地山の一軸圧縮強度を推定する壁面強度推定方法であって、表面波速度に基づいて地山の一軸圧縮強度を推定する強度推定式を取得する推定式取得工程と、前記調査対象面に衝撃を付与することで発生する表面波の表面波速度を取得する速度取得工程と、前記表面波速度と前記強度推定式に基づいて、前記一軸圧縮強度を推定する強度推定工程と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、壁面強度推定方法、地山性状の評価方法、及び弾性波探査システムに関する。

例えば、山岳トンネル工事では、特許文献１の従来技術で開示されているように、事前にボーリング作業等による地質調査を行って支保パターンを計画したのち、トンネル施工を進行しながら、原位置調査や室内岩石試験、切羽の観察など様々な調査を行って地山の性状を把握し、支保パターンを決定する。

室内岩石試験としては、切羽から採取したボーリングコアを用いた岩石の一軸圧縮試験や、パルス透過法による岩石の超音波速度試験などが挙げられる。また、原位置調査としては、岩検ハンマーを利用して定性的に地山の軟硬を判定する試験や、切羽にシュミットロックハンマーを押し当てた際の反発度に基づいて一軸圧縮強度を推定するシュミットハンマー試験等が挙げられる。

これら原位置調査や室内岩石試験は、山岳トンネル工事だけでなく、ダムや道路などの岩盤を対象とする工事においても地山の性状を把握するべく、岩盤斜面などを利用して実施されている。

特開２０２０－２０２０８号公報

原位置調査はもとより室内岩石試験においても岩盤から岩石を採取するといった、現場作業員が岩盤斜面やトンネル切羽近傍で実施する必要のある作業が含まれている。このような作業は、現場の工事を中断して実施することとなるが、作業が煩雑であるとともに手間がかかるため、多大な時間を要する場合がある。また、岩盤斜面やトンネル切羽近傍での作業は肌落ちや落石等による労働災害が発生しやすく、作業安全の確保に課題が生じる。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、迅速かつ安全に地山の一軸圧縮強度を推定し、地山性状を評価することである。

かかる目的を達成するため、本発明の壁面強度推定方法は、調査対象面近傍の地山の一軸圧縮強度を推定する壁面強度推定方法であって、表面波速度に基づいて地山の一軸圧縮強度を推定する強度推定式を取得する推定式取得工程と、前記調査対象面に衝撃を付与することで発生する表面波の表面波速度を取得する速度取得工程と、前記表面波速度と前記強度推定式に基づいて、前記一軸圧縮強度を推定する強度推定工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の壁面強度推定方法によれば、表面波探査技術を利用して遠隔で表面波を検知することで、表面波速度を取得し地山の一軸圧縮強度を推定することができる。これにより、従来より現場作業員が調査対象面近傍で実施していた、調査対象面から室内岩石試験用のコアを採取する、調査対象面でシュミットハンマーによる試験を実施する、もしくはハンマーによる打音調査を実施する等の作業を省略できる。したがって、調査対象面がいずれの作業環境にあっても、遠隔操作により現場作業員の安全性を確保しつつ迅速に地山の強度特性を評価することが可能となる。

また、表面波速度を採用するため、従来の調査方法では一軸圧縮強度を推定できない程度に調査対象面に劣化が生じている場合にも、地山の強度特性を高い精度で評価することが可能となる。

本発明の壁面強度推定方法は、前記推定式取得工程で、Ｐ波速度に基づいて地山の一軸圧縮強度を推定する強度推定式を、別途取得し、前記速度取得工程で、前記表面波とともに発生する実体波のＰ波速度の取得を試み、前記強度推定工程で、前記Ｐ波速度が取得できた場合にはＰ波速度を選択し、対応する強度推定式に基づいて前記一軸圧縮強度を推定することを特徴とする。

本発明の壁面強度推定方法によれば、調査対象面に衝撃を付与することで表面波とともに発生する実体波を観測し、表面波速度と併せてＰ波速度の取得を試みる。これにより、Ｐ波速度が取得できた場合にはＰ波速度を、取得できなかった場合には表面波速度を選択でき、調査対象面の現状に見合った一軸圧縮強度を推定し地山の強度特性を評価することが可能となる。

本発明の壁面強度推定方法は、前記調査対象面に対をなす受振点を設け、対をなす該受振点間の前記表面波速度及び又はＰ波速度を取得する速度取得工程と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の壁面強度推定方法は、前記調査対象面の３次元形状データを取得する形状取得工程を備え、前記速度取得工程は、前記３次元形状データから推定した伝播経路に基づいて、前記表面波速度及び又は前記Ｐ波速度を取得することを特徴とする。

本発明の壁面強度推定方法によれば、一軸圧縮強度の推定に用いる表面波速度又はＰ波速度を、３次元形状データから推定した伝播経路に基づいて算定できる。これにより、調査対象面の現状に見合った表面波速度を利用して、一軸圧縮強度を推定することが可能となる。

本発明の壁面強度推定方法は、前記調査対象面が、トンネル切羽であることを特徴とする。

本発明の壁面強度推定方法によれば、肌落ちや落石等による災害を生じる可能性のあるトンネル切羽近傍での現場作業員の作業を省略し、トンネル建設工事に係る調査作業の安全性を向上することが可能となる。

本発明の地山性状の評価方法は、トンネル掘削時の押出し性を地山強度比により評価する地山性状の評価方法であって、前記地山強度比の算定に、本発明の壁面強度推定方法で推定した一軸圧縮強度を採用することを特徴とする。

本発明の地山性状の評価方法は、トンネル掘削時の押出し性を地山強度比により評価する、地山性状の評価方法であって、前記地山強度比の算定に、準岩盤圧縮強度を用いるとともに、該準岩盤圧縮強度の算定に、少なくとも本発明の壁面強度推定方法で推定した一軸圧縮強度を採用することを特徴とする。

本発明の地山性状の評価方法によれば、壁面強度推定方法で推定した一軸圧縮強度を利用して地山強度比を迅速に取得し、地山強度比に基づく支保パターンの設計を速やかに実施することが可能となる。

本発明の弾性波探査システムは、本発明の壁面強度推定方法に用いる弾性波探査システムであって、前記調査対象面に衝撃を付与する加振装置と、衝撃により発生する振動を検知し、振動情報を取得する振動計測装置と、を備えることを特徴とする。

本発明の弾性波探査システムによれば、調査対象面に衝撃を付与する作業から一軸圧縮強度を推定するまでの一連の作業を連続して実施でき、調査作業に係る省人化を図ることが可能となる。

本発明の弾性波探査システムは、前記振動計測装置に、レーザードップラー振動計が備えられていることを特徴とする。

本発明の弾性波探査システムは、前記振動計測装置に、振動可視化レーダーが備えられていることを特徴とする。

本発明の弾性波探査システムは、前記加振装置に、加振用レーザー発振器が備えられていることを特徴とする。

本発明の弾性波探査システムは、前記加振装置に、前記調査対象面を直接打撃する打撃手段が備えられていることを特徴とする。

本発明の弾性波探査システムによれば、前記振動計測装置にレーザードップラー振動計や振動可視化レーダーを、また加振装置に加振用レーザー発振器を備えることで、遠隔から安全かつ迅速に調査対象面近傍の表面波や実体波を検知できる。また、加振点と受振点の離間距離を自在に設定することができ、例えば数ｃｍ程度に設定することも可能となる。したがって、岩盤の状態が一様ではなく様々な岩石が現れている状態にあるトンネル切羽であっても、切羽内における岩盤強度の分布計測を容易に実施して、切羽の安定性評価に寄与することが可能となる。

本発明によれば、調査対象面がいずれの作業環境にあっても、調査対象面近傍で実施する作業を大幅に省略でき、現場作業員の安全性を確保しつつ原位置で迅速に地山の強度特性を評価することが可能となる。

本発明の実施の形態における弾性波探査システムを設置した状態を示す図である。 本発明の実施の形態における表面波速度及びＰ波速度を取得する様子を示す図である。 本発明の実施の形態における壁面強度推定方法の手順を示す図である。 本発明の実施の形態における表面波速度に基づく強度推定式の取得方法を示す図である。 本発明の実施の形態における切羽表面の３次元形状データを取得する様子を示す図である。 本発明の実施の形態における３次元形状データから推定した表面波の伝播経路に基づいて表面波速度を取得する様子を示す図である。 本発明の実施の形態における地山性状の評価方法に用いる地山強度比の算定手順を示す図である。 本発明の実施の形態における切羽に設定した狭小範囲及び広大範囲で表面波及び実体波を検出する様子を示す図である。 本発明の実施の形態における振動可視化レーダーを備えた弾性波探査システムを示す図である。

本発明は、現場作業員の安全性を確保しつつ高い精度で地山の一軸圧縮強度を推定し、さらには、推定した地山の一軸圧縮強度をトンネル掘削時の押出し性の判定指標として用いられる地山強度比の算定に採用し、切羽近傍の地山性状を把握しようとするものである。

以下に、図１～図９を参照しつつ、本発明における壁面強度推定方法、地山性状の評価方法、及び弾性波探査システムについて、詳細を説明する。なお、壁面強度推定方法及びこれに使用する弾性波探査システムは、山岳トンネルの掘削工事だけでなく、山岳で実施するダムや道路等の様々な建設工事もしくは岩盤斜面の安定性評価等において採用可能である。

≪≪壁面強度推定方法≫≫
図１（ａ）で示すように、山岳トンネル１の切羽２に設けた加振点Ｐ１に衝撃を付与すると、弾性波が発生し地山を伝搬する。壁面強度推定方法では、図２（ａ）（ｂ）で示すように、弾性波の中でも表面波４と実体波５に着目し、切羽近傍の一軸圧縮強度ｑｕを推定する。

具体的には、地盤中を伝播する実体波５及び表面波４の両者を切羽２表面で観測してＰ波速度ＰＶと表面波速度Ｒｖの取得を試みる。こののち、Ｐ波速度ＰＶを取得できた場合にはＰ波速度Ｐｖを選択し、Ｐ波速度Ｐｖが取得できなかった場合には、表面波速度Ｒｖを選択する。選択した速度に基づいて切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを推定する。一軸圧縮強度ｑｕの推定には、事前に取得した強度推定式を採用し、強度推定式にＰ波速度Ｐｖもしくは表面波速度Ｒｖを代入する。

以下に、壁面強度推定方法の手順を、図３で示すフローに沿って説明する。なお、表面波４は、弾性波のなかでも切羽２の表面に沿って伝播する波のレイリー波を採用し、実体波５は、切羽２近傍の地盤中を伝播する直接波のＰ波を採用している。

≪≪≪推定式取得工程≫≫≫
まず、一軸圧縮強度ｑｕの推定に用いる強度推定式を取得する。強度推定式は、Ｐ波速度Ｐｖに基づいて一軸圧縮強度ｑｕを推定する際に用いる強度推定式（Ｐ波用）と、表面波速度Ｒｖに基づいて一軸圧縮強度ｑｕを推定する際に用いる強度推定式（表面波用）を取得する。

≪強度推定式（Ｐ波用）の取得≫
一般に、岩盤から採取した岩石の一軸圧縮強度と岩石から取得した供試体の弾性波速度は相関関係があることが知られており、近似式も広く活用されている。したがって、Ｐ波速度Ｐｖに基づいて一軸圧縮強度ｑｕを推定する際に用いる強度推定式（Ｐ波用）は、これらの近似式を適宜採用すればよい。

≪強度推定式（表面波用）の取得≫
一方、表面波速度Ｒｖに基づいて一軸圧縮強度ｑｕを推定する強度推定式（表面波用）の取得方法は、次に示すとおりである。

表面波速度ＲｖとＰ波速度Ｐｖとの間に相関があるとの一般的な知見に鑑みると、一軸圧縮強度ｑｕと表面波速度Ｒｖとの間にも相関があるといえる。そこで、次の試験を行って、切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕと表面波速度Ｒｖとの関係式を取得し、これを強度推定式（表面波用）として採用する。

試験は、任意の複数の岩盤各々からコアＳを採取し、それぞれ一軸圧縮試験を行って一軸圧縮強度ｑｕを測定した。一軸圧縮試験は、ＪＧＳ ２５２１「岩石の一軸圧縮試験方法」に基づいて実施した。また、図４（ａ）で示すように、一軸圧縮試験に用いるコアＳの各々に対して、人工的に弾性波動を発生させ、コアＳ表面を伝搬する表面波４の表面波速度Ｒｖを測定した。

表面波速度Ｒｖを測定する手段はなんら制限されるものではないが、本実施の形態では、コアＳを加振する手段及び表面波４を受振する手段の両者に、レーザーを採用した。具体的には、コアＳの側面に設けた加振点Ｐ１に向けて加振用レーザー光Ｌ１を照射し、同じくコアＳの側面に設けた受振点Ｐ２に向けて計測用レーザーＬ２を照射した。

加振用レーザー光Ｌ１の照射は、加振用レーザー発振器２０１としてパルス間隔８ｎｓのＮｄ－ＹＡＧレーザーを採用した。その原理は、パルスレーザー照射によりコアＳ表面がアブレーションあるいは温度上昇によって瞬間的に膨張し、コアＳの内部に弾性波が発生するというものである。また、計測用レーザー光Ｌ２の照射は、遠隔から高精度に振動を測定できるレーザードップラー振動計１１１を採用した。変位分解能は１μｍ、測定距離は５～１０ｍ程度、加振点Ｐ１と受振点Ｐ２の離間距離は、４０～８０ｍｍ程度に設定した。

上記の加振用レーザー発振器２０１により、コアＳの加振点Ｐ１に向けて加振用レーザー光Ｌ１を照射して弾性波を発生させた。また、上記のレーザードップラー振動計１１１により、コアＳの受振点Ｐ２に向けて計測用レーザーＬ２を照射して振動測定を行い、表面波４を検知した。こののち、加振点Ｐ１から受振点Ｐ２までの到達時間と両者の離間距離とに基づいて、表面波速度Ｒｖを測定した。

測定した結果を、図４（ｂ）で示すように、一軸圧縮強度ｑｕを縦軸とし表面波速度Ｒｖを横軸としたグラフにプロットした。これにより得られる一軸圧縮強度ｑｕと表面波速度Ｒｖとの関係式を、表面波速度Ｒｖに基づいて切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを推定する強度推定式（表面波用）として、採用する。

図４（ｂ）をみると、決定係数Ｒ２は０．８を超えており、関係式は上記の試験で取得したデータに当てはまる様子がわかる。なお、上記の試験では、コアＳの側面を研磨し表面波速度Ｒｖを測定した。

≪弾性波探査システムの据え付け≫
上記のとおり、強度推定式を取得する作業と同時にもしくはこれと前後して、切羽２を加振してＰ波速度Ｐｖと表面波速度Ｒｖを取得するべく、山岳トンネル１の坑内に弾性波探査システム１００を据え付ける。

≪弾性波探査システム１００≫
弾性波探査システム１００は、図１（ａ）で示すように、少なくとも振動計測装置１０と、加振装置２０と、情報処理端末３０とを備えている。

振動計測装置１０は、加振により発生した振動を受振する装置であり、レーザー振動計１１と、レーザー振動計１１を制御する振動計コントローラー１２を備える。また、スキャナー１３と、スキャナー１３を制御するスキャナーコントローラー１４とを備える。

レーザー振動計１１は、上記の≪事前準備≫で強度推定式（表面波用）を取得するための試験で使用したレーザードップラー振動計１１１を採用している。レーザードップラー振動計１１１は、切羽２に設けた受振点Ｐ２に向けて計測用レーザーＬ２を照射して反射したレーザー光の周波数の変化を検知し、振動情報を取得する。

その性能（変位分解能等）は、振動計コントローラー１２を利用して適宜制御することが可能である。レーザー振動計１１で取得した振動情報に基づいて、実体波５及び表面波４を検出することができる。

スキャナー１３は、計測用レーザーＬ２を受振点Ｐ２にピンポイントで照射することを目的に使用するものであり、いわゆるガルバノスキャナを採用している。ガルバノスキャナは、レーザー光反射鏡１３１を備え、スキャナーコントローラー１４により所望の角度に回転することができる。

加振装置２０は、上記の≪事前準備≫で強度推定式（表面波用）を取得するための試験で使用した加振用レーザー発振器２０１を採用している。加振用レーザー発振器２０１は、パルスレーザー照射によって切羽２の表面をアブレーションあるいは温度上昇させ、地山の内部に弾性波を発生させる。

情報処理端末３０は、振動計測装置１０及び加振装置２０との間でデータの送受信が可能となるよう、無線もしくは有線で接続されるとともに、図１（ｂ）で示すように、入力装置３１、出力装置３２、中央演算処理装置３３、ファイル装置３４、及びメインメモリ３５を備えている。

入力装置３１は、例えばキーボード、スキャナー、タッチパネル等であり、出力装置３２は、ディスプレイやプリンター等が挙げられる。また、中央演算処理装置３３は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びハードウェアインタフェース等を有するコンピュータである。

ファイル装置３４は、半導体メモリ又はハードディスクドライブ等からなる記憶装置である。詳細は後述するが、壁面強度推定方法で使用する条件データファイル３４１、観測データファイル３４２、算定データファイル３４３等が格納されている。例えば、条件データファイル３４１には、Ｐ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖの算定に必要となる強度推定式等のデータを格納しておくとよい。

また、本実施の形態では、壁面強度推定方法に引き続き、後述する地山性状の評価方法にも情報処理端末３０を利用する場合を考慮し、性状評価ファイル３４４等をファイル装置３４に格納している。さらに、これらのファイルに加えて、切羽２の位置情報や地山の地質情報、もしくは切羽２の画像データ等、トンネル施工に必要な情報を記録したファイルを、ファイル装置３４に格納してもよい。

メインメモリ３５は、中央演算処理装置３３によって実行可能なプログラムやデータを一時的に格納するものであり、詳細は後述するが、速度算定部３５１、強度推定部３５２、地山性状の評価方法で用いる強度比算定部３５３、準岩盤強度算定部３５４を、少なくとも備えている。

上記の弾性波探査システム１００を用いれば、切羽２へ衝撃を付与する作業から一軸圧縮強度ｑｕの推定、さらには後述する地山強度比ＧＮの算定に係る一連の作業を、連続して迅速に行うことができ、調査作業に係る省人化を図ることができる。

なお、弾性波探査システム１００は上記の構成に限定されるものではなく、例えば、情報処理端末３０を省略してもよい。情報処理端末３０を省略する場合には、情報処理端末３０に代わる機能を有する他のシステムや携帯処理端末等を別途準備し、振動計測装置１０及び加振装置２０との間で、データの送受信が可能となるよう、無線もしくは有線で接続すればよい。また、振動計測装置１０は１台に限定されるものではなく、複数台を装備し、複数の受振点で振動情報を取得してもよい。

さらに、振動計測装置１０や加振装置２０についても、切羽２との間で現場作業員の安全を確保できる距離を確保可能であれば、いずれの手段もしくは設備を採用してもよい。例えば、図９で示すように、加振装置２０にジャイアントブレーカー２０２を採用してもよいし、振動計測装置１０に振動を検知可能な振動可視化レーダー１０１を採用してもよい。振動可視化レーダー１０１としては、例えば、ミリ波（波長がｍｍ単位となる３０～３００Ｇｈｚ帯の電波）を対象物に照射してセンシングを行う、ミリ波レーダーの採用が考えられる。

ミリ波レーダーは、動作距離が数十ｍ、電波の発信及び受信が検知角度１００°前後程度の性能を有する。したがって、ミリ波レーダーで切羽２表面を探査することにより、加振装置２０により加振された切羽２表面の微細な振動挙動を、切羽２における所望の複数位置で同時に検出することができる。なお、ミリ波レーダーを使用する場合には、切羽とミリ波レーダーとの間に、ミリ波が透過しない物体（例えば、施工機器や現場作業員等）が入り込む事象を排除する対策が必要となる。

上記のように、振動計測装置１０にレーザードップラー振動計または振動可視化レーダー１１０を採用し、加振装置２０に加振用レーザー発振器を採用すると、加振点Ｐ１と受振点Ｐ２の離間距離を自在に設定することができ、例えば数ｃｍ程度に設定しつつ、実体波５及び表面波４を検出することも可能となる。したがって、切羽２近傍の岩盤が一様ではなく様々な岩盤が現れている状態にあっても、切羽２内における岩盤強度の分布計測を容易に実施して、切羽の安定性評価に寄与することが可能となる。

≪≪≪速度取得工程≫≫≫
上述した弾性波探査システム１００を利用して、実体波５及び表面波４を観測し、Ｐ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖの算定を試みる。

≪事例１：加振点Ｐ１と受振点Ｐ２を利用≫
まず、図１（ａ）で示すように、切羽２上に設けた加振点Ｐ１に向けて加振装置２０から加振用レーザー光Ｌ１を照射して弾性波を発生させるとともに、照射時刻を取得する。また、切羽２上に設けた受振点Ｐ２に向けて振動計測装置１０から計測用レーザーＬ２を照射して振動測定を行い、表面波４及び実体波５を観測するとともに観測時刻を取得する。

加振点Ｐ１に向けた加振用レーザー光Ｌ１の照射時刻と、受振点Ｐ２で観測した表面波４及び実体波５各々の観測時刻は、情報処理端末３０に送信され、ファイル装置３４の観測データファイル３４２に格納される。すると、中央演算処理装置３３は速度算定部３５１の指令を受け、表面波速度Ｒｖ及びＰ波速度Ｐｖを算定する。

Ｐ波速度Ｐｖは、図２（ａ）で示すように、加振点Ｐ１での照射時刻と受振点Ｐ２での実体波５の観測時刻との差である時間差Δｔｐ_１と、加振点Ｐ１と受振点Ｐ２との離間距離Ｄ１とに基づいて算定する。一方、表面波速度Ｒｖは、加振点Ｐ１での照射時刻と受振点Ｐ２での表面波４の観測時刻との差である時間差Δｔｒ_１と、加振点Ｐ１と受振点Ｐ２との離間距離Ｄ１とに基づいて算定する。

≪事例２：２つの受振点Ｐ２、Ｐ３を利用≫
Ｐ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖは、図２（ｂ）で示すように、切羽２に２つの受振点Ｐ２、Ｐ３を設け、これらで観測したデータを用いて算定してもよい。なお、加振装置２０としてジャイアントブレーカー２０２を採用する場合には、２つの受振点Ｐ２、Ｐ３と加振点Ｐ１とを概ね一直線上に配置するとよい。

具体的には、Ｐ波速度Ｐｖを、２つの受振点Ｐ２、Ｐ３間の実体波５の到達時間差Δｔｐ_２と、２つの受振点Ｐ２、Ｐ３間の離間距離Ｄ２とに基づいて算定する。一方、表面波速度Ｒｖは、２つの受振点Ｐ２、Ｐ３間の表面波４の到達時間差Δｔｒ_２と、２つの受振点Ｐ２、Ｐ３間の離間距離Ｄ２とに基づいて算定する。

事例１及び事例２のいずれの場合も、算定されたＰ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖは、ファイル装置３４の算定データファイル３４３に格納される。また、加振点Ｐ１と受振点Ｐ２との離間距離Ｄ１、及び２つの受振点Ｐ２、Ｐ３間の離間距離Ｄ２は各々の最短距離を採用し、条件データファイル３４１に格納しておくとよい。

≪事例３：３次元形状データを利用≫
切羽２の表面形状に凹凸がある場合、表面波４及び実体波５はともに直線的に伝播せず、事例１及び事例２のような、表面波速度Ｒｖ及びＰ波速度Ｐｖの算定に最短の離間距離Ｄ１もしくは離間距離Ｄ２を採用すると、実際の速度より遅く評価されるおそれが生じる。特に、切羽２の表面形状に谷部がある場合に顕著である。

そこで、事例３では、表面波速度Ｒｖ及びＰ波速度Ｐｖの算定に先立ち、切羽２表面の３次元形状を把握するべく、３次元形状データを取得する。そして、取得した３次元形状データから推定した伝播経路に基づいて、加振点Ｐ１と受振点Ｐ２間の最短の伝播距離Ｄ３及び２つの受振点Ｐ２、Ｐ３間の最短の伝播距離Ｄ４を算定する。

この伝播距離Ｄ３もしくは伝播距離Ｄ４を採用し、表面波速度Ｒｖ及びＰ波速度Ｐｖを算出することとした。以下に、切羽２表面の３次元形状データの取得方法、及び推定した表面波４及び実体波５の伝播経路に基づいて、伝播距離Ｄ３及び伝播距離Ｄ４の算出方法を説明する。

≪≪≪形状取得工程≫≫≫
≪３次元形状データの取得≫
図５（ａ）で示すように、切羽２表面の３次元形状データは、３次元形状計測装置４０を利用して取得する。３次元形状計測装置４０は、何ら限定されるものではないが、例えば、３ＤレーザースキャナやＬｉＤＡＲ等を採用すると良い。

３Ｄレーザースキャナは、計測対象物の表面に係る形状把握や凹凸を計測する手段として広く一般に採用されており、計測対象物の表面形状をｘｙｚ座標上の点群で表現した点群モデルを、３次元表面形状データとして取得できる。したがって、計測対象物として切羽２を採用すれば、切羽２表面の３次元形状を点群モデルで取得することができる。これにより、切羽２表面に設定した２地点間の寸法や角度は、点群モデルを形成する点群の位置座標から取得することもできるし、点群モデルと３次元ＣＡＤデータとの関連付けを行うと、ＣＡＤ上で寸法計算を行うことも可能である。

≪推定した伝播経路に基づく伝播距離Ｄ３、Ｄ４≫
例えば、図５（ｂ）で示すような、加振点Ｐ１と受振点Ｐ２間の最短の伝播距離Ｄ３は、次の手順により算定できる。なお、本実施の形態では、切羽２表面上の頂部と谷部とを結ぶ稜線上に位置する２点間の最短距離を、稜線距離と称する。

まず、加振点Ｐ１及び受振点Ｐ２の各々に隣接して位置する谷部間の最短距離Ｄ31を計測する。次に、加振点Ｐ１とこれに隣接する谷部までの稜線距離Ｄ32、及び受振点Ｐ２とこれに隣接する谷部までの稜線距離Ｄ33をそれぞれ計測する。そして、これら３つの算定結果を合算することで、加振点Ｐ１及び受振点Ｐ２間の最短の伝播距離Ｄ３が算出される。

また、２つの受振点Ｐ２、Ｐ３が、例えば図６（ａ）～（ｃ）で示すような位置にある場合には、両者間の最短の伝播距離Ｄ４を次の手順により算定できる。なお、伝播距離Ｄ４の算定手順は、上述した加振点Ｐ１と受振点Ｐ２の最短の伝播距離Ｄ４の算定に用いることも可能である。

図６（ａ）は、切羽２表面の不陸が小さいなだらかな場合の、最短の伝播距離Ｄ４の算定方法を示している。まず、共に谷部に位置する加振点Ｐ１及び受振点Ｐ２の最短距離Ｄ41を計測する。次に、同じく共に谷部に位置する加振点Ｐ１、Ｐ３間の最短距離Ｄ42を計測し、両者の差を伝播距離Ｄ４として算定する。

図６（ｂ）は、加振点Ｐ１及び２つの受振点Ｐ２、Ｐ３が、切羽２表面の凹部に位置する場合の伝播距離Ｄ４の算定方法を示している。まず、谷部に位置する加振点Ｐ１と頂部に位置する受振点Ｐ２との最短距離Ｄ41を計測する。最短距離Ｄ41は、加振点Ｐ１と受振点Ｐ２に近接する谷部間の直線距離と、この谷部と受振点Ｐ２間の稜線距離を合算する。次に、谷部に位置する加振点Ｐ１と同じく谷部に位置する受振点Ｐ３との地山内の最短距離Ｄ42を算定する。そして、最短距離Ｄ42と最短距離Ｄ41の差を、伝播距離Ｄ４として算定する。

図６（ｃ）は、加振点Ｐ１及び２つの受振点Ｐ２、Ｐ３が、切羽２表面の凸部に位置する場合の伝播距離Ｄ４の算定方法を示している。まず、稜線上に位置する加振点Ｐ１と谷部に位置する受振点Ｐ２までの最短距離Ｄ41を算定する。最短距離Ｄ41は、加振点Ｐ１とこれに近接する谷部間の稜線距離と、この谷部と受振点Ｐ２間の直線距離を合算する。次に、稜線上に位置する加振点Ｐ１と谷部に位置する受振点Ｐ３までの最短距離Ｄ42を算定する。最短距離Ｄ42は、加振点Ｐ１とこれに近接する谷部間の稜線距離と、この谷部と受振点Ｐ３間の直線距離を合算する。そして、最短距離Ｄ42と最短距離Ｄ41の差を、伝播距離Ｄ４として算定する。

≪≪≪強度推定工程≫≫≫
算定されたＰ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖが、ファイル装置３４の算定データファイル３４３に格納されると、中央演算処理装置３３は強度推定部３５２の指令を受け、表面波速度ＲｖもしくはＰ波速度Ｐｖに基づいて、切羽２近傍の切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを推定する。

一軸圧縮強度ｑｕを算定するにあたっては、Ｐ波速度Ｐｖが取得できた場合にはＰ波速度Ｐｖを選択し、取得できなかった場合に表面波速度Ｒｖを採用する。Ｐ波速度Ｐｖを選択した場合には強度推定式（Ｐ波用）を採用し、表面波速度Ｒｖを選択した場合には強度推定式（表面波用）を採用して、一軸圧縮強度ｑｕを算定する。強度推定式（Ｐ波用、表面波用）はいずれも、ファイル装置３４の条件データファイル３４１に格納されている。また、算定された一軸圧縮強度ｑｕは、ファイル装置３４の算定データファイル３４３に格納される。

実体波５は表面波４と比較して振幅が小さいため、加振点Ｐ１への１回の打撃につき、実体波５を捉えることができれば表面波４を捉えることもでき、Ｐ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖの両者を取得できる。例えば、起振力の大きいブレーカー起振の場合（加振装置２０にジャイアントブレーカー２０２を採用した場合等）、Ｐ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖの両者を取得できる蓋然性が高い。このような場合には、Ｐ波速度Ｐｖを採用する。

一方、起振力が小さいレーザー起振の場合（加振装置２０に加振用レーザー発振器２０１を採用した場合等）、Ｐ波速度Ｐｖを取得できない蓋然性が高い。このように、実体波５を捉えることができない場合には、表面波４を捉えて表面波速度Ｒｖ取得し、これを採用する。

上記のとおり、壁面強度推定方法によれば、弾性波探査システム１００を利用してＰ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖを取得し、切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを推定することができる。これにより、従来より現場作業員が調査対象面近傍で実施していた、調査対象面から室内岩石試験用のコアを採取する、もしくは調査対象面でシュミットハンマーによる試験を実施する等の作業を省略できる。したがって、調査対象面がいずれの作業環境にあっても、現場作業員の安全性を確保しつつ原位置で迅速に地山の強度特性を評価することが可能となる。

また、表面波速度Ｒｖを採用し一軸圧縮強度を推定するため、従来の調査方法では推定できない程度に切羽２が劣化している場合にも、地山の強度特性を評価することが可能となる。

≪≪地山性状の評価方法≫≫
上述した手順により推定した切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを用いて地山強度比ＧＮを算定する手順を、図７のフローに沿って図１（ｂ）を参照しつつ、以下に説明する。なお、地山強度比ＧＮは、弾性波探査システム１００の情報処理端末３０で実施する場合を事例に挙げる。これらの説明に先立ち、地山強度比ＧＮ及び準岩盤圧縮強度σC′について説明する。

≪地山強度比≫
地山強度比ＧＮは、軟岩地山におけるトンネル掘削時の押出し性の判定指標であり、（１）式で示すような地山の一軸圧縮強度σcと鉛直土被り圧の比である。鉛直土被り圧は、土被り厚Ｈと岩石の単位体積重量γから求めることができる。そして、土被り厚Ｈは既知であり、単位体積重量γはトンネル周辺の同一岩石の値を用いることができる。したがって、ファイル装置３４の条件データファイル３４１に、土被り厚Ｈ及び単位体積重量γを格納しておくと良い。

≪準岩盤圧縮強度≫
ところで、地山強度比ＧＮには本来、図１（ａ）で示すような、亀裂３を含む地山の一軸圧縮強度σＣが用いられるが、地山の一軸圧縮強度σＣの測定には大変な手間がかかる。そのため、一般的には切羽２の亀裂３を含まない範囲から採取したボーリングコアから求めた試料の一軸圧縮強度ｑｕ’が使用される。

しかし、試料の一軸圧縮強度ｑｕ’から地山強度比ＧＮを求めると、危険側の評価となりやすいことが知られている。このため、亀裂３の影響が大きい地山の性状を評価する場合、地山強度比ＧＮの算定に必要な地山の一軸圧縮強度σＣに、準岩盤圧縮強度σｃ’を採用する。

準岩盤圧縮強度σＣ’は、下記の（２）式で示すように、地山の弾性波速度ＶＰ、試料の超音波（弾性波）速度ｖＰ、及び試料の一軸圧縮強度ｑｕ’から求めることができる。

したがって、地山強度比ＧＮを算定するにあたっては、上記の事情を鑑みて準岩盤圧縮強度σＣ′を採用するか否かを選択する（Ｓｔｅｐ１）。

≪準岩盤圧縮強度σＣ′を採用しない場合≫
準岩盤圧縮強度σＣ′を採用しない場合、まず、上記の地盤強度推定方法により、切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを推定する（Ｓｔｅｐ２）。

一軸圧縮強度ｑｕは、上記の壁面強度推定方法により推定すればよい。このとき、表面波４及び実体波５を、図２（ａ）で示すように受振点Ｐ２のみで検出する場合、加振点Ｐ１と受振点Ｐ２との間に亀裂３を含める。また、図２（ｂ）で示すように２つの受振点Ｐ２、Ｐ３で検出する場合も同様に、受振点Ｐ２、Ｐ３との間に亀裂３を含める。そのうえで、Ｐ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖの算定を試み、Ｐ波速度Ｐｖが取得できた場合にはＰ波速度Ｐｖを選択し、取得できなかった場合に表面波速度Ｒｖを採用し、切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを推定する。推定した一軸圧縮強度ｑｕは、ファイル装置３４の算定データファイル３４３に格納される。

すると、中央演算処理装置３３は強度比算定部３５３の指令を受け、算定データファイル３４３に格納された切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを、地山強度比ＧＮの算定に必要な地山の一軸圧縮強度σcと見做して、上記の（１）式に代入する。併せて、ファイル装置３４の条件データファイル３４１に格納されている土被り厚Ｈ及び単位体積重量γを、上記の（１）式に代入し、地山強度比ＧＮを算出する（Ｓｔｅｐ３、Ｓｔｅｐ４）。

≪準岩盤圧縮強度σＣ′を採用する場合≫
一方、準岩盤圧縮強度σＣ′を採用する場合は、まず、亀裂３を含まない狭小範囲と亀裂３を含む広大範囲それぞれを対象範囲とし、上記の地盤強度推定方法により切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを推定する。

≪狭小範囲で一軸圧縮強度ｑｕを推定≫
図８（ａ）で示すように、受振点Ｐ２、Ｐ３の離間距離を、亀裂３を含まない数ｃｍ～１０ｃｍ程度の狭小範囲に設定する。加振装置２０には、加振用レーザー発振器２０１を採用すると良い。このような亀裂３を含まない狭小範囲でＰ波速度Ｐｖが取得できた場合にはＰ波速度Ｐｖを採用し、取得できなかった場合に表面波速度Ｒｖを採用して、切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを推定する。

このとき、Ｐ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖの算定には、受振点Ｐ２、Ｐ３の離間距離を採用してもよいし、図６（ａ）～（ｃ）で示すような３次元形状データから推定した伝播距離Ｄ４を採用してもよい。算定結果は、ファイル装置３４の算定データファイル３４３に格納される（Ｓｔｅｐ５）。

すると、中央演算処理装置３３は準岩盤強度算定部３５４の指令を受け、算定データファイル３４３に格納された切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを、準岩盤圧縮強度σＣ′の算定に必要な試料の一軸圧縮強度ｑｕ’と見做し、上記の（２）式に代入する。また、切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕの推定にＰ波速度Ｐｖが用いられた場合には、Ｐ波速度Ｐｖを準岩盤圧縮強度σＣ′の算定に必要な試料の超音波（弾性波）速度ｖＰと見做し、上記の（２）式に代入する。

一方、切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕの推定に表面波速度Ｒｖが用いられた場合には、表面波速度ＲｖとＰ波速度Ｐｖとの相関式をもとに、表面波速度Ｒｖから換算Ｐ波速度を算出し、この換算Ｐ波速度を準岩盤圧縮強度σＣ′の算定に必要な試料の超音波（弾性波）速度ｖＰと見做し、上記の（２）式に代入する（Ｓｔｅｐ６）。

≪広大範囲でＰ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖを取得≫
図８（ｂ）で示すように、受振点Ｐ２、Ｐ３の離間距離を、亀裂３を含み先の狭小範囲より十分大きい広大範囲に設定する。広大範囲は、地山の弛みの影響を避けることを考慮し、切羽２内のできるだけ離れた２点間を設定すると良い。また、加振装置２０には、ジャイアントブレーカー２０２を採用すると良い。ジャイアントブレーカー２０２を採用した場合には、Ｐ波速度Ｐｖを取得できる蓋然性が高い。ここでは、切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを推定する工程は省略する（Ｓｔｅｐ７）。

この場合も、Ｐ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖの算定には、受振点Ｐ２、Ｐ３の離間距離を採用してもよいし、図６（ａ）～（ｃ）で示すような３次元形状データから推定した伝播距離Ｄ４を採用してもよい。算定結果は、ファイル装置３４の算定データファイル３４３に格納される。すると、中央演算処理装置３３は準岩盤強度算定部３５４の指令を受け、算定データファイル３４３にＰ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖが格納されている場合には、Ｐ波速度Ｐｖを準岩盤圧縮強度σＣ′の算定に必要な地山の弾性波速度ＶＰと見做して、（２）式に代入する（Ｓｔｅｐ８）。

一方、Ｐ波速度Ｐｖが取得できず、算定データファイル３４３に表面波速度Ｒｖのみが格納されている場合には、表面波速度ＲｖとＰ波速度Ｐｖとの相関式をもとに、表面波速度Ｒｖから換算Ｐ波速度を算出する。この換算Ｐ波速度を準岩盤圧縮強度σＣ′の算定に必要な地山の弾性波速度ＶＰと見做して、（２）式に代入する（Ｓｔｅｐ８）。

上記の手順により準岩盤圧縮強度σＣ′が算出され、算定結果は、ファイル装置３４の算定データファイル３４３に格納される（Ｓｔｅｐ９）。すると、中央演算処理装置３３は強度比算定部３５３の指令を受け、算定データファイル３４３に格納された準岩盤圧縮強度σＣ′を、地山強度比ＧＮを求めるための一軸圧縮強度σcと見做して、上記の（１）式に代入する。併せて、ファイル装置３４の条件データファイル３４１に格納されている土被り厚Ｈ及び単位体積重量γを上記の（１）式に代入し、地山強度比ＧＮを算出する（Ｓｔｅｐ３、Ｓｔｅｐ４）。

上記のとおり、地山性状の評価方法によれば、壁面強度推定方法で推定した切羽２近傍の一軸圧縮強度ｑｕを利用して地山強度比ＧＮを迅速に取得し、地山強度比ＧＮに基づく支保パターンの設計を、速やかに実施することが可能となる。

なお、図８（ａ）（ｂ）で示すような、受振点Ｐ２、Ｐ３の離間距離の調整は、例えば、受振点Ｐ３に向けて計測用レーザー光Ｌ２を照射する振動計測装置１０を適宜操作すれば良い。つまり、図１（ａ）及び図８（ｂ）で示すように、スキャナー１３に備えたレーザー光反射鏡１３１を、スキャナーコントローラー１４により所望の角度に回転する。こうすると、計測用レーザー光Ｌ２を照射する受振点Ｐ３の位置を、容易に変更することが可能となる。

したがって、狭小範囲で一軸圧縮強度ｑｕを推定するべく、山岳トンネル１内に振動計測装置１０を据え付けた後、その据え付け位置を移動することなく、広大範囲でＰ波速度Ｐｖ及び表面波速度Ｒｖを取得する作業を実施でき、作業効率を大幅に向上することが可能となる。

本発明の壁面強度推定方法及び地山性状の評価方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、弾性波探査システム１００を利用して壁面強度推定方法を実施したが、必ずしもこれに限定するものではなく、地盤調査で一般に採用されている弾性波探査技術を採用し、Ｐ波速度ＰＶもしくは表面波速度Ｒｖを取得してもよい。

さらに、本実施の形態では、弾性波探査システム１００の情報処理端末３０を利用して、地山性状の評価方法における地山強度比ＧＮ及び準地盤強度σＣ’の算定を行う場合を事例に挙げた。しかし、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、地山性状の評価方法における地山強度比ＧＮ及び準地盤強度σＣ’の算定に用いる処理端末を別途準備し、弾性波探査システム１００との間で、データの送受信が可能となるよう、無線もしくは有線で接続する構成としてもよい。

１００ 弾性波探査システム
１０ 振動計測装置
１１ レーザー振動計
１１１ レーザードップラー振動計
１２ 振動計コントローラー
１３ スキャナー
１４ スキャナーコントローラー
１０１ 振動可視化レーダー
２０ 加振装置
２０１ 加振用レーザー発振器
２０２ ジャイアントブレーカー
３０ 情報処理端末
３１ 入力装置
３２ 出力装置
３３ 中央演算処理装置
３４ ファイル装置
３４１ 条件データファイル
３４２ 観測データファイル
３４３ 算定データファイル
３４４ 性状評価ファイル
３５ メインメモリ
３５１ 速度算定部
３５２ 強度推定部
３５３ 強度比算定部
４０ ３次元形状計測装置
１ トンネル
２ 切羽（調査対象面）
３ 亀裂
４ 表面波
５ 実体波
Ｒｖ 表面波速度
Ｐｖ Ｐ波速度
Ｓ コア
Ｐ１ 加振点
Ｐ２ 受振点
Ｐ３ 受振点
Ｌ１ 加振用レーザー光
Ｌ２ 計測用レーザー光

Claims (12)

1. 調査対象面近傍の地山の一軸圧縮強度を推定する壁面強度推定方法であって、
   表面波速度に基づいて地山の一軸圧縮強度を推定する強度推定式を取得する推定式取得工程と、
   前記調査対象面に衝撃を付与することで発生する表面波の表面波速度を取得する速度取得工程と、
   前記表面波速度と前記強度推定式に基づいて、前記一軸圧縮強度を推定する強度推定工程と、
   を備えることを特徴とする壁面強度推定方法。
2. 請求項１に記載の壁面強度推定方法において、
   前記推定式取得工程で、Ｐ波速度に基づいて地山の一軸圧縮強度を推定する強度推定式を、別途取得し、
   前記速度取得工程で、前記表面波とともに発生する実体波のＰ波速度の取得を試み、
   前記強度推定工程で、前記Ｐ波速度が取得できた場合にはＰ波速度を選択し、対応する強度推定式に基づいて前記一軸圧縮強度を推定することを特徴とする壁面強度推定方法。
3. 請求項１または２に記載の壁面強度推定方法において、
   前記調査対象面に対をなす受振点を設け、対をなす該受振点間の前記表面波速度及び又はＰ波速度を取得する速度取得工程と、
   を備えることを特徴とする壁面強度推定方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の壁面強度推定方法において、
   前記調査対象面の３次元形状データを取得する形状取得工程を備え、
   前記速度取得工程は、前記３次元形状データから推定した伝播経路に基づいて、前記表面波速度及び又は前記Ｐ波速度を取得することを特徴とする壁面強度推定方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の壁面強度推定方法において、
   前記調査対象面が、トンネル切羽であることを特徴とする壁面強度推定方法。
6. トンネル掘削時の押出し性を地山強度比により評価する地山性状の評価方法であって、
   前記地山強度比の算定に、請求項５に記載の壁面強度推定方法で推定した一軸圧縮強度を採用することを特徴とする地山性状の評価方法。
7. トンネル掘削時の押出し性を地山強度比により評価する、地山性状の評価方法であって、
   前記地山強度比の算定に、準岩盤圧縮強度を用いるとともに、
   該準岩盤圧縮強度の算定に、少なくとも請求項５に記載の壁面強度推定方法で推定した一軸圧縮強度を採用することを特徴とする地山性状の評価方法。
8. 請求項１から５のいずれか１項に壁面強度推定方法に用いる弾性波探査システムであって、
   前記調査対象面に衝撃を付与する加振装置と、
   衝撃により発生する振動を検知し、振動情報を取得する振動計測装置と、
   を備えることを特徴とする弾性波探査システム。
9. 請求項８に記載の弾性波探査システムにおいて、
   前記振動計測装置に、レーザードップラー振動計が備えられていることを特徴とする弾性波探査システム。
10. 請求項８または９に記載の弾性波探査システムにおいて、
    前記振動計測装置に、振動可視化レーダーが備えられていることを特徴とする弾性波探査システム。
11. 請求項８から１０のいずれか１項に記載の弾性波探査システムにおいて、
    前記加振装置に、加振用レーザー発振器が備えられていることを特徴とする弾性波探査システム。
12. 請求項８から１０のいずれか１項に記載の弾性波探査システムにおいて、
    前記加振装置に、前記調査対象面を直接打撃する打撃手段が備えられていることを特徴とする弾性波探査システム。

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