JP2903502B2 - System and method for predicting groundwater ahead of face - Google Patents

System and method for predicting groundwater ahead of face

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JP2903502B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、切羽温度から切羽
前方の地下水の存在状況を予測する切羽前方地下水予測
システム及び方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a system and method for predicting groundwater in front of a face for predicting the presence of groundwater in front of the face from the temperature of the face.

【0002】[0002]

【従来の技術】トンネルの掘削工事において、突出地下
水が存在するか否かを事前に検知することは、工事を効
率よく推進する上で非常に重要な情報である。従来より
知られている地下水の予測手法としては、例えば竹内篤
雄著「地すべり地温測定による地下水調査法」(吉井書
店、1983年8月15日第1版発行)や「温度測定に
よる流動地下水調査法」(古今書院、1996年3月1
2日第1刷発行)、長谷川昌弘著「トンネル掘削工事に
おける切羽および切羽前方地盤の土質・地質性状の予測
手法に関する実験的研究」などが報告されている。
2. Description of the Related Art In tunnel excavation work, it is very important information to detect in advance whether or not there is protruding groundwater in order to efficiently promote the work. Conventionally known methods for predicting groundwater include, for example, "A method for investigating groundwater by measuring landslide geothermal temperature" by Atsuo Takeuchi (Yoshii Shoten, first edition issued on August 15, 1983) and "Method for investigating flowing groundwater by measuring temperature". (Kokin Shoin, March 1, 1996
The first report issued on March 2), Masahiro Hasegawa, "Experimental research on methods for predicting soil and geological properties of face and ground in front of face in tunnel excavation work" are reported.

【0003】前者の2つの調査法は、いずれも1m深地
温測定調査によって地下深部の地温を理論的に推定し、
これと実測地温とを対比することによって、地下に存在
する地下水等による熱的異常に関する情報を予め把握す
るものである。ここでは、地表近くの地下水を対象に考
案したこの理論を拡張し、トンネルルート沿いの岩盤温
度の推定値および測定値の比較により地下水の存在を予
測できる可能性を示している。
[0003] In the former two methods, the ground temperature in the deep underground is theoretically estimated by a 1m deep ground temperature measurement survey.
By comparing this with the measured ground temperature, information on a thermal abnormality caused by groundwater or the like existing underground is grasped in advance. Here we extend this theory, which was designed for groundwater near the surface of the ground, and show the possibility of predicting the presence of groundwater by comparing estimated and measured rock temperature along the tunnel route.

【0004】また、後者の研究は、切羽の測定地温と推
定地温の比較によって帯水層を予測するものである。こ
の手法の考え方は、上記調査法の事例とほぼ同様である
が、切羽温度の測定方法が具体的に示されている。ここ
では、2m深さの地温測定孔を切羽面に削孔し、接触型
の温度計により坑内温度を測定する方法が採用されてい
る。
[0004] The latter study predicts an aquifer by comparing a measured ground temperature of a face with an estimated ground temperature. The concept of this method is almost the same as the case of the above-mentioned investigation method, but specifically shows a method of measuring the face temperature. Here, a method is used in which a ground temperature measurement hole having a depth of 2 m is drilled in the face face, and the temperature in the pit is measured with a contact-type thermometer.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の調
査法では、相対的な温度差の傾向等、地下水探査の可能
性は定性的に示されているが、どのような条件下でどの
ような温度測定値であればどのように(位置等)地下水
が存在すると予測できるのか明確でない。しかも、地下
水や岩盤温度に関連する様々な条件(地下水温、地下水
規模、地下水形態、地下水流動の有無、坑内気温等)の
違いを考慮した温度分布予測が検討されていない。ま
た、上記調査法における事例では、温度測定を掘削後の
側壁面に対して行っているが、坑内空気との長時間接触
により温度値が影響を受けている可能性がある。最近の
事例では、切羽面測定の有効性も提示されているが、具
体的な方法は示されていない。
However, the above-mentioned conventional survey method qualitatively indicates the possibility of groundwater exploration, such as the tendency of the relative temperature difference, but how and under what conditions It is not clear how (such as location) it can be predicted that groundwater will be present if the temperature measurements are accurate. In addition, temperature distribution prediction considering differences in various conditions (groundwater temperature, groundwater scale, groundwater form, presence or absence of groundwater flow, underground temperature, etc.) related to groundwater and rock temperature has not been studied. Further, in the case of the above survey method, the temperature measurement is performed on the side wall surface after excavation, but the temperature value may be affected by long-time contact with the downhole air. In a recent case, the effectiveness of face measurement is also suggested, but no specific method is given.

【0006】また、上記従来の研究でも、同様に相対的
な温度差の傾向等、地下水探査の可能性は定性的には示
されているが、どのような条件下でどのような温度測定
値であればどのように地下水が存在すると予測できるか
明確でない。また、地下水の存在による温度分布予測は
全く検討されていない。さらに、削孔による温度測定を
前提としており、調査に時間と手間を要し、切羽面付近
の単一地点での測定となるため、局地的な傾向に左右さ
れる可能性がある。
[0006] In the above-mentioned conventional research, the possibility of groundwater exploration is also qualitatively indicated, such as the tendency of the relative temperature difference. It is not clear how groundwater can be predicted. In addition, prediction of temperature distribution due to the presence of groundwater has not been studied at all. Furthermore, since temperature measurement by drilling is premised, it takes time and effort to conduct the survey, and since it is measured at a single point near the face, it may be affected by local trends.

【0007】その他の手法として、従来から用いられて
いる電気探査法や弾性波探査法が存在するが、これらの
手法により得られる情報は、地下水の存在を直接的に表
すものではない。しかも、地質構造等を捉えて間接的に
地下水の存在を予測することになるため、地下水予測手
法としては信頼性に乏しい面がある。
As other methods, there have been conventionally used electric sounding methods and elastic wave sounding methods, but the information obtained by these methods does not directly indicate the presence of groundwater. In addition, since the presence of groundwater is indirectly predicted by capturing the geological structure and the like, the reliability of the groundwater prediction method is poor.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、信頼性の高い切羽前方地下水の存
在や規模、方向、距離等の予測を可能にするものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and enables highly reliable prediction of the presence, size, direction, distance, etc. of groundwater in front of a face.

【0009】そのために本発明は、切羽温度から切羽前
方の地下水の存在状況を予測する切羽前方地下水予測シ
ステムにおいて、切羽温度の測定を行う切羽温度測定手
段と、岩盤温度に影響する環境条件的な基本要素と予測
すべき地下水の状況に関する変動要素を組み込んだ岩盤
温度予測モデルにより前記変動要素を変化させて熱伝導
解析を行い複数ケースの岩盤温度分布を予測する熱伝導
解析手段と、前記切羽温度測定手段により測定された切
羽進行方向の実測温度プロファイルと前記熱伝導解析手
段により予測された岩盤温度分布の予測温度プロファイ
ルとの比較を行い整合するケースを選択するマッチング
手段と、前記マッチング手段により選択された整合する
ケースの前記予測すべき地下水の状況に関する変数に基
づき地下水の存在状況の予測結果を出力する出力手段と
を備えたことを特徴とするものである。
For this purpose, the present invention provides a front face groundwater prediction system for predicting the presence of groundwater in front of a face from a face temperature, a face temperature measuring means for measuring the face temperature, and environmental conditions affecting the rock temperature. A heat conduction analysis means for performing a heat conduction analysis by changing the above-mentioned variable elements by a rock temperature prediction model incorporating a variable element relating to the condition of groundwater to be predicted and predicting a rock temperature distribution of a plurality of cases; A matching means for comparing the measured temperature profile in the face advancing direction measured by the measuring means with the predicted temperature profile of the rock temperature distribution predicted by the heat conduction analyzing means and selecting a matching case; Groundwater presence based on the predicted matching groundwater variables in the matched case It is characterized in that an output means for outputting the prediction result of the situation.

【0010】さらに、前記熱伝導解析手段は、有限要素
法による熱伝導解析を行うものであり、前記基本要素
は、地山の地形や地山の熱特性に関するパラメータ、地
下水に関するパラメータ、岩盤と地下水の熱伝達率から
なり、前記変動要素は、地下水の有無、規模、位置から
なり、前記切羽温度測定手段は、施工サイクルのずり出
しの直後でコンクリート吹き付けの前に切羽温度の測定
を行う、非接触計測手法を用いたものであることを特徴
とするものである。
Further, the heat conduction analysis means performs a heat conduction analysis by a finite element method, and the basic elements include parameters relating to the topography of the ground and the thermal characteristics of the ground, parameters relating to groundwater, rocks and groundwater. The heat transfer coefficient, the variable element is the presence or absence of groundwater, the scale, the position, the face temperature measuring means measures the face temperature immediately after the start of the construction cycle and before spraying concrete, It is characterized by using a contact measurement technique.

【0011】また、切羽前方地下水予測方法としては、
削孔、発破、ずり出し、コンクリート吹き付け・支保工
等を繰り返し行うトンネル掘削の施工サイクルのずり出
しの直後に切羽温度の測定を行って切羽進行方向の実測
温度プロファイルを求めると共に、地山の有限要素モデ
ルにより熱伝導解析を行って切羽進行方向の岩盤温度分
布予測を行い複数ケースの予測温度プロファイルを求
め、前記実測温度プロファイルと予測温度プロファイル
とを比較しパターンマッチングを行って整合するケース
を選定し、地下水の有無や位置、規模等を推定すること
を特徴とするものである。
Further, as a method for predicting groundwater in front of a face,
Immediately after the start of the construction cycle of tunnel excavation, which repeatedly performs drilling, blasting, shearing, concrete spraying, shoring, etc., the face temperature is measured to obtain the actual measured temperature profile in the face advancing direction. Performing a heat conduction analysis using the element model to predict the rock temperature distribution in the direction of face movement to obtain predicted temperature profiles for multiple cases, comparing the measured temperature profile with the predicted temperature profile, performing pattern matching and selecting a matching case And the presence, location, scale, etc. of groundwater are estimated.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図1は本発明に係る切羽前方地
下水予測システムの実施の形態を示す図であり、1は温
度測定部、2は実測温度プロファイル作成処理部、3は
実測温度プロファイル格納部、4は解析要素設定処理
部、5は熱伝導解析処理部、6は予測温度プロファイル
格納部、7はパターンマッチング処理部、8は地下水予
測結果出力部を示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing an embodiment of a system for predicting groundwater in front of a face according to the present invention, wherein 1 is a temperature measuring section, 2 is an actually measured temperature profile creation processing section, 3 is an actually measured temperature profile storage section, and 4 is an analysis element setting. A processing unit, 5 is a heat conduction analysis processing unit, 6 is a predicted temperature profile storage unit, 7 is a pattern matching processing unit, and 8 is a groundwater prediction result output unit.

【0013】図1において、温度測定部1は、トンネル
掘削の進行に伴う切羽進行方向の実測温度プロファイル
を求めるための切羽温度を測定するものであり、施工サ
イクルの合間に例えば放射温度計あるいは熱赤外線ビデ
オカメラ等の熱赤外線リモートセンシング(非接触計
測)手法を用いて切羽表面温度や掘孔内の温度を測定す
る。勿論、上記のような非接触計測手法を用いれば切羽
面を削孔する等の作業が全く不要であるため計測が簡便
に行えるが、熱電対等の他の計測手法を用いてもよいこ
とはいうまでもない。従来の岩盤の温度測定では、切羽
面や側壁に削孔し、その内部の温度分布を接触型の温度
計により測定しているが、削孔に時間を要し現場の施工
サイクルに適合しないこと、測定点が限られるため局所
的な温度傾向に影響される恐れがある等の課題がある。
その点、熱赤外線ビデオカメラや簡易型放射温度計等を
採用した熱赤外線リモートセンシング手法は、開削直後
の切羽面温度を面的かつ非接触で測定することができる
ので、岩盤温度測定を誤差が少なくかつ効率的に行え、
しかも、現場の施工サイクルを乱さず、施工の進行に伴
い複数回の温度測定が可能となる。実測温度プロファイ
ル作成処理部2は、温度測定部1で測定された温度デー
タに基づいて坑口から切羽まで切羽後方の実測温度プロ
ファイルを作成するものであり、その実測温度プロファ
イルを格納するのが実測温度プロファイル格納部3であ
る。
In FIG. 1, a temperature measuring section 1 measures a face temperature for obtaining an actually measured temperature profile in a face traveling direction along with the progress of tunnel excavation. Using a thermal infrared remote sensing (non-contact measurement) method such as an infrared video camera, the surface temperature of the face and the temperature inside the borehole are measured. Of course, if the non-contact measurement method as described above is used, work such as drilling the face face is not required at all, so that the measurement can be easily performed. However, it is also possible to use another measurement method such as a thermocouple. Not even. In conventional rock temperature measurement, drilling is performed on the face and side walls, and the internal temperature distribution is measured with a contact-type thermometer.However, drilling requires time and does not conform to the construction cycle at the site In addition, there is a problem that the measurement points are limited, and the temperature may be affected by local temperature trends.
On the other hand, the thermal infrared remote sensing method that employs a thermal infrared video camera or a simple radiation thermometer can measure the face temperature immediately after digging in a face-to-face and non-contact manner. Less and more efficient,
In addition, the temperature can be measured a plurality of times as the construction proceeds without disturbing the construction cycle at the site. The actually measured temperature profile creation processing unit 2 creates an actually measured temperature profile from the wellhead to the face based on the temperature data measured by the temperature measuring unit 1, and stores the measured temperature profile in the measured temperature profile. The profile storage unit 3.

【0014】解析要素設定処理部4は、調査対象となる
地山の有限要素モデル(岩盤温度予測モデル)にしたが
って有限要素法の定常・非定常熱伝導解析手法による予
測解析を行うための解析要素を入力し設定するものであ
り、この予測モデルに関連する要素としては、基本要素
(環境条件)と変動要素(予測すべき変数)がある。基
本要素は、岩盤温度に影響する環境条件的な要素であ
り、かつ所定区間内での予測に関しては固定的に設定可
能なもの(ただし施工の進行に伴い変化があれば調整す
る)である。なお、これらは、地質調査結果等により得
るものであるが、現地において実際の値が得られない要
素に関しては、既往文献等による値や平均的に推定され
る値を採用する。変動要素は、本発明で実際に予測すべ
き「地下水の状況」に関する変数であり、地下水等に関
する各種条件を変えて予測される複数ケースの岩盤温度
推定値を求めるために、熱伝導解析のための設定条件と
して変更する。
The analysis element setting processing unit 4 is an analysis element for performing a predictive analysis by a steady / unsteady heat conduction analysis method of the finite element method according to a finite element model (rock temperature prediction model) of the ground to be investigated. Is input and set, and there are a basic element (environmental condition) and a variable element (variable to be predicted) as elements related to this prediction model. The basic element is an environmental condition element that affects the rock temperature and can be fixedly set for prediction within a predetermined section (however, it is adjusted if there is a change with the progress of construction). These are obtained based on the results of geological surveys, etc. For elements for which actual values cannot be obtained in the field, values based on past documents or values estimated on average are used. The variable element is a variable relating to “the condition of groundwater” to be actually predicted in the present invention, and is used for heat conduction analysis in order to obtain estimated rock temperature in a plurality of cases predicted by changing various conditions relating to groundwater and the like. Change the setting condition of.

【0015】熱伝導解析処理部5は、設定された基本要
素と変動要素を使って有限要素法による熱伝導解析を行
うものであり、ここで、地質調査結果から得られる岩盤
に関する定数(熱伝導率、比熱等)を用い、地質の違
い、推定される地下水の規模、位置等の条件を変えて解
析を行う。予測温度プロファイル格納部6は、このよう
な熱伝導解析により各種条件を変えて予測される複数ケ
ースの切羽前後方の予測温度プロファイルを格納するも
のである。パターンマッチング処理部7は、実測温度プ
ロファイルと変動要素を変更して複数ケースの温度予測
を行った複数ケースの予測温度プロファイルとの比較に
より最も整合する温度予測結果を選択するものである。
そして、地下水予測結果出力部8は、パターンマッチン
グ処理部7により最も整合する温度予測結果として選択
されたその温度予測結果を計算する際の変動要素の設定
条件を地下水状況の予測結果として出力するものであ
る。
The heat conduction analysis processing unit 5 performs a heat conduction analysis by the finite element method using the set basic elements and variable elements. Here, a constant (heat conduction) related to the rock obtained from the geological survey results is obtained. Rate, specific heat, etc.) and conduct analysis by changing conditions such as geological differences, estimated groundwater scale and location. The predicted temperature profile storage section 6 stores a plurality of predicted temperature profiles before and after the face, which are predicted by changing various conditions by such heat conduction analysis. The pattern matching processing unit 7 selects a temperature prediction result that is most matched by comparing the measured temperature profile with the predicted temperature profiles of a plurality of cases in which the temperature prediction of the plurality of cases is performed by changing the variable factors.
The groundwater prediction result output unit 8 outputs, as the groundwater condition prediction result, the setting condition of the variable element when calculating the temperature prediction result selected as the temperature prediction result most matched by the pattern matching processing unit 7. It is.

【0016】次に、本発明に係る切羽前方地下水予測の
手法を説明する。図2は岩盤温度と地下水との関係を説
明するための図、図3はトンネル掘削の施工サイクルと
切羽温度の測定時期の関係を説明するための図、図4は
測定点の配置状況の例を示す図、図5は地下水予測処理
の流れを説明するための図、図6は変動要素の例を示す
図、図7は岩盤温度予測モデルと地下水診断アルゴリズ
ムの概要を示す図である。
Next, a method for predicting groundwater in front of a face according to the present invention will be described. FIG. 2 is a diagram for explaining a relationship between rock temperature and groundwater, FIG. 3 is a diagram for explaining a relationship between a tunnel digging construction cycle and a timing of measuring a face temperature, and FIG. 4 is an example of an arrangement state of measurement points. , FIG. 5 is a diagram for explaining the flow of the groundwater prediction process, FIG. 6 is a diagram showing an example of a variable element, and FIG. 7 is a diagram showing an outline of a rock temperature prediction model and a groundwater diagnosis algorithm.

【0017】地下水は、一般に岩盤の平常温度と異なる
温度を示すため、その存在により周囲の岩盤温度は影響
を受け、平常温度と異なる温度場を形成する。したがっ
て、トンネル掘削の進行に伴い切羽の岩盤温度を測定す
ると、図2に示すようにこれを平常温度と比較すること
により温度場の異常を捉え、地下水の存在を予測するこ
とができる。本発明は、地下水の存在条件(位置、規模
等)を変えて切羽進行方向の所定区間で岩盤温度分布を
予測すると共に、切羽進行に伴って切羽面の温度を測定
して、これらを比較することにより、地下水の位置、規
模等を予測するものである。
Since groundwater generally shows a temperature different from the normal temperature of the rock, its presence affects the temperature of the surrounding rock and forms a temperature field different from the normal temperature. Therefore, when the rock surface temperature of the face is measured as the tunnel excavation progresses, by comparing the rock surface temperature with the normal temperature as shown in FIG. 2, it is possible to catch the abnormality of the temperature field and predict the presence of groundwater. The present invention predicts the rock temperature distribution in a predetermined section in the face advancing direction by changing the presence conditions (position, scale, etc.) of the groundwater, measures the temperature of the face as the face advances, and compares these. In this way, the position, scale, etc. of the groundwater are predicted.

【0018】トンネル掘削の施工サイクルは、図3に示
すように削孔、発破、ずり出し、そして、コンクリート
吹き付け・支保工等からなり、一般に切羽の進行は、1
回の発破で2m前後、1日3回とすると、1日に約5〜
6m程度になる。本発明において、切羽温度の測定時期
は、このように施工サイクルのずり出しの直後、コンク
リート吹き付けの前に行うものであり、このことによ
り、発破熱や削孔水、吹き付けコンクリートの硬化熱に
よる温度分布への影響や、観測時に重機等による作業上
の影響等を排除することができる。また、測定点を図4
に示すように切羽面の上下左右に複数点設定することに
より、局所的な温度分布の影響を排除し、切羽全体の平
均的な温度が把握できると共に、例えば右方向に温度が
低いなど、切羽面全体としての温度分布の偏りがあれ
ば、それを把握し地下水存在位置の予測等に役立てるこ
とができる。
As shown in FIG. 3, the construction cycle of tunnel excavation includes drilling, blasting, shearing out, and concrete spraying / supporting work.
Assuming that the blasting time is about 2 m and 3 times a day, about 5 to 5 times a day
It is about 6 m. In the present invention, the measuring time of the face temperature is performed immediately after the start of the construction cycle and before the spraying of the concrete, whereby the blasting heat and the drilling water, the temperature due to the heat of hardening of the sprayed concrete. It is possible to eliminate the influence on the distribution and the influence on the work by the heavy equipment or the like at the time of observation. The measurement points are shown in FIG.
By setting multiple points on the top, bottom, left and right of the face as shown in, the influence of local temperature distribution is eliminated, and the average temperature of the entire face can be grasped. If there is a bias in the temperature distribution over the entire surface, it can be used to estimate the location of groundwater, etc.

【0019】トンネル掘削の進行に伴い上記のように施
工サイクルのずり出しの直後に切羽温度の測定を繰り返
し行い、切羽温度変化の実測値として実測温度プロファ
イルを取得すると、本発明では、岩盤温度予測モデルに
よる地下水の存在位置等を変えた複数ケースの推定値と
して切羽進行方向の予測温度プロファイルと比較し、整
合するケースを選定することにより、地下水の有無及び
位置等を推定する。その処理の流れを示したのが図5で
ある。
As described above, as the tunnel excavation progresses, the face temperature is repeatedly measured immediately after the start of the construction cycle, and the measured temperature profile is obtained as the measured value of the face temperature change. The presence / absence and position of the groundwater are estimated by comparing the estimated temperature profile in the traveling direction of the face as an estimated value of a plurality of cases where the existence position and the like of the groundwater are changed by the model and selecting a matching case. FIG. 5 shows the flow of the processing.

【0020】まず、地下水予測の基本となる、トンネル
ルート沿いの地山形状を表す有限要素モデルを作成する
(ステップS21)。ここでは、地形図等から地表形状
データを作成し、それに基づき地下部分を適切なサイズ
の要素に均等分割する。そして、現在の切羽地点を中心
に数10m程度の予測区間を設定し(ステップS2
2)、それに対してほぼ固定的に設定可能な基本要素
(地下水形状・水温等、岩盤熱特性、熱伝達率)を設定
する(ステップS23)。これらはボーリング調査等の
事前調査結果等に基づくものであり、複数の可能性があ
る場合や、後段の予測値と実測値とのパターンマッチン
グにより適合するケースが見いだされない場合を除き、
予測区間内で基本的に変更しない。同時に、予測すべき
地下水に関する変動要素(地下水の有無、規模、位置)
を設定する(ステップS24)。この変動要素の設定例
を示したのが図6であり、この図6に示すように地下水
有りの設定の場合には、位置(正面、斜め、側方)等を
変更し、複数ケースの条件を設定する。また、比較およ
び検証のために、平常岩盤温度を表す地下水なしのケー
スも設定する。
First, a finite element model representing the shape of the ground along the tunnel route, which is the basis of groundwater prediction, is created (step S21). Here, ground surface data is created from a topographic map or the like, and the underground portion is equally divided into elements of an appropriate size based on the data. Then, a prediction section of about several tens of meters is set around the current face point (step S2).
2) Then, basic elements (rock ground thermal characteristics, heat transfer coefficient, groundwater shape, water temperature, etc.) which can be set almost fixed thereto are set (step S23). These are based on the results of preliminary surveys such as boring surveys, etc., except when there are multiple possibilities and when no case is found that matches the pattern matching between the predicted values and the actually measured values at the subsequent stage.
Basically do not change within the prediction interval. At the same time, the variables related to groundwater to be predicted (presence, size, and location of groundwater)
Is set (step S24). FIG. 6 shows an example of the setting of this variable element. In the case of the setting with groundwater as shown in FIG. 6, the position (front, diagonal, side) and the like are changed, and the condition of a plurality of cases is changed. Set. In addition, for comparison and verification, a case without groundwater indicating normal rock temperature is also set.

【0021】次に、基本要素及び変動要素の設定結果に
従い、地下水の存在範囲と水温等の諸元の設定や、岩盤
物性値の設定など、地山の有限要素モデルの各要素の物
性値の設定を行う(ステップS25)。これにより、熱
伝導解析を行うための有限要素モデルを整備する。続い
て、物性値の設定のなされた有限要素モデルを用い、基
本要素の設定条件(解析期間等)に基づき変動要素を変
えながら繰り返し熱伝導解析を行う(ステップS2
6)。そして、得られた複数ケースの温度分布データよ
り各ケースに応じたトンネルルート沿いの予測温度プロ
ファイルを作成する(ステップS27)。
Next, according to the setting results of the basic element and the variable element, the physical property values of the respective elements of the finite element model of the ground are set, such as the setting of the groundwater existence range and the water temperature, and the setting of the rock physical property value. Settings are made (step S25). In this way, a finite element model for conducting heat conduction analysis is prepared. Subsequently, using the finite element model in which the physical property values are set, the heat conduction analysis is repeatedly performed while changing the variable element based on the setting condition of the basic element (analysis period and the like) (step S2
6). Then, a predicted temperature profile along the tunnel route corresponding to each case is created from the obtained temperature distribution data of a plurality of cases (step S27).

【0022】以上のステップにより得られた複数ケース
の岩盤温度の予測温度プロファイルと掘削進行に伴い切
羽温度測定により得られた実測温度プロファイルとを比
較してパターンマッチングにより実測と整合する推定ケ
ースを選定する(ステップS29)。適切な推定ケース
が見いだされたか否かを判断し(ステップS32)、適
切な推定ケースが見いだされなかった場合には、ステッ
プS23に戻って基本要素の設定をやり直し再度同様の
処理を繰り返す。そして、適切な推定ケースが見いださ
れた場合には、その変動要素の設定条件を地下水予測結
果として出力する(ステップS33)。これにより、地
下水の有無、規模、位置等に関する診断結果が得られ
る。
By comparing the predicted temperature profiles of the rock temperatures in a plurality of cases obtained by the above steps with the actually measured temperature profiles obtained by measuring the face temperature as the excavation progresses, an estimated case matching the actual measurement by pattern matching is selected. (Step S29). It is determined whether or not an appropriate estimated case has been found (step S32). If no appropriate estimated case has been found, the process returns to step S23, where the basic elements are set again, and the same processing is repeated again. Then, when an appropriate estimation case is found, the setting condition of the variable element is output as a groundwater prediction result (step S33). As a result, a diagnosis result regarding the presence / absence, scale, location, etc. of the groundwater can be obtained.

【0023】次に、地下水予測モデルに関連する基本要
素及び変動要素について詳述する。岩盤温度に影響する
環境条件的な要素である基本要素は、図7に示すように
地山の地形、地下水に関するパラメータ、地山(岩盤)
の熱特性に関するパラメータ、岩盤と地下水との熱伝達
率の4つからなる。地山の地形は、具体的に、地形図等
を用いてトンネルルート沿いの地形形状(標高データ)
を計測し、それに基づき地山(岩盤)の有限要素モデル
を構築するものであり、この有限要素モデルが岩盤温度
予測の基礎となる。地下水に関するパラメータとして、
形状、流動・非流動区別、地下水温、水温変
化、存在期間が挙げられ、地山(岩盤)の熱特性に関
するパラメータとして、熱伝導係数、比熱、密度
が挙げられる。岩盤と地下水との熱伝達率は、岩盤と地
下水の間で行われる熱交換を表す係数であり、W/m2
・Kで与えられ、熱伝導係数同様、既往文献及びサンプ
ル測定により設定する。
Next, basic elements and fluctuation elements related to the groundwater prediction model will be described in detail. As shown in FIG. 7, the basic elements which are elements of environmental conditions that affect the rock temperature include the topography of the ground, parameters related to groundwater, and the ground (rock).
And the heat transfer coefficient between bedrock and groundwater. The topography of the ground is specifically determined using topographic maps, etc., along the tunnel route (elevation data)
Is measured, and a finite element model of the ground (rock) is constructed based on the measured values, and this finite element model serves as a basis for rock temperature prediction. As parameters related to groundwater,
Shape, flow / non-flow distinction, groundwater temperature, water temperature change, existence period are listed, and parameters related to the thermal characteristics of the ground (rock) include heat conduction coefficient, specific heat, and density. The heat transfer coefficient between rock and groundwater is a coefficient representing the heat exchange performed between rock and groundwater, and is W / m 2.
・ It is given by K, and it is set based on the previous literature and sample measurement as well as the thermal conductivity coefficient.

【0024】地下水に関するパラメータのそれぞれの要
素についてさらに詳述する。地下水の岩盤内の賦存形態
は、破砕帯等に沿い塊状、線状ないしは面状であること
が考えられる。地下水形状は、これら3種類の形態を基
本形として、地質調査結果等での予測範囲内の破砕帯分
布等に基づき選択し、後述する地下水の規模及び位置
(変数)の情報を合わせ、地山の有限要素モデルに組み
込む。地下水は、岩盤内に滞留している場合と、常に涵
養され流動している場合の2通りの存在形態が考えられ
る。例えば地下深部の地下水は長時間にわたり徐々に涵
養されるため非流動性であり、浅層の地下水は表流水の
涵養を常に受け流動性であるなどが考えられる。流動・
非流動区別は、地下水が周囲の岩盤に長期的に与える熱
量すなわち岩盤温度分布に影響するため、地質調査結果
や地形(土被り厚)、既往文献等を参考にいずれかの形
態を選定する。地下水温度は、地下水の存在による岩盤
温度分布への影響程度(トンネルルート沿いの温度プロ
ファイルの形状)を規定するものであり、地下水予測に
関して重要な要素である。地下水温は、予察調査での温
度検層や、掘削進行に伴い流出する地下水温の測定によ
り設定する。深層の地下水は基本的に一定温度と考えら
れるが、浅層の地下水では流入する表流水温度の年周変
化の影響を受けている場合がある。これにより、特に地
下水近傍の岩盤温度分布(トンネルルート沿いの温度プ
ロファイルの形状)が影響を受け、年周変化がない場合
と異なる場合も考えられる。地下水温は、予察調査での
温度検層結果等に基づき、地下水温の変化の有無及びそ
の程度をsin関数等により与える。なお、流動・非流
動区分と地下水温変化の有無の選択により、熱伝導解析
時に定常解析(流動かつ水温変化なし)と非定常解析
(その他)のいずれを用いるかが決定される。存在期間
は、地下水流入後、どの程度の時間が経過しているか設
定する要素であり、存在期間が長ければ、地下水が岩盤
温度に与える影響は広範囲に及ぶこととなる。存在期間
は、地質調査結果や地下水調査結果、既往文献等に基づ
き設定する。
Each element of the parameters relating to groundwater will be described in more detail. The existence form of groundwater in the rock may be massive, linear or planar along the crush zone. The groundwater shape is selected based on the distribution of shatter zones within the prediction range based on the results of geological surveys, etc., based on these three types of forms. Incorporate into the finite element model. Groundwater can be considered to exist in two forms, that is, when the groundwater stays in the bedrock and when it is constantly recharged and flowing. For example, it is considered that groundwater deep in the ground is non-fluid because it is gradually recharged over a long period of time, and groundwater in a shallow layer is constantly recharged with surface water and is fluid. flow·
Since the non-flow distinction affects the amount of heat that the groundwater gives to the surrounding rock for a long time, that is, the rock temperature distribution, one of the forms is selected with reference to the results of the geological survey, the topography (cover thickness), and the existing literature. The groundwater temperature defines the degree of influence of the presence of groundwater on the rock temperature distribution (shape of the temperature profile along the tunnel route) and is an important factor in groundwater prediction. The groundwater temperature is set based on the temperature logging in the preliminary survey and the measurement of the groundwater temperature flowing out as the excavation progresses. Deep groundwater is generally considered to be at a constant temperature, but shallow groundwater may be affected by the annual change in the temperature of incoming surface water. As a result, the rock temperature distribution near the groundwater (the shape of the temperature profile along the tunnel route) is particularly affected, and it may be different from the case where there is no annual change. The groundwater temperature is based on the results of temperature logging in the preliminary survey and the like, and the presence or absence of the change in the groundwater temperature and its degree are given by a sin function or the like. The selection of the flow / non-flow classification and the presence / absence of the groundwater temperature change determines whether to use the steady-state analysis (flow and no water temperature change) or the unsteady analysis (others) during the heat conduction analysis. The existence period is an element that sets how much time has passed since the inflow of groundwater. If the existence period is long, the influence of groundwater on the rock temperature will be wide. The existence period is set based on the results of geological surveys, groundwater surveys, and existing literature.

【0025】地山(岩盤)の熱特性に関するパラメータ
のそれぞれの要素についてさらに詳述する。熱伝導係数
は、岩盤内の熱の伝わりやすさを規定する係数であり、
W/m・Kで与えられ、既往文献で示されている値や、
岩盤のサンプルに対して実測により求めた値を採用す
る。比熱は、岩盤の温度変化のしやすさを規定する係数
であり、J/kg・Kで与えられ、熱伝導係数と同様、
既往文献及びサンプル測定により設定する。密度は、岩
盤の単位体積あたりの重さを表す係数であり、kg/m
3 で与えられ、比熱とあわせて(掛け合わせることによ
り)、岩盤の温度変化のしやすさを規定するものであ
る。この密度も熱伝導係数と同様、既往文献及びサンプ
ル測定により設定する。
Each element of the parameters relating to the thermal characteristics of the ground (rock) will be described in more detail. The coefficient of thermal conductivity is a coefficient that regulates the ease with which heat can be transmitted through rock.
Given by W / m · K,
The value obtained by actual measurement for a rock sample is adopted. The specific heat is a coefficient defining the easiness of the temperature change of the rock, and is given in J / kg · K.
It is set based on existing literature and sample measurements. Density is a coefficient representing the weight per unit volume of rock mass, and is expressed in kg / m.
It is given by 3 and, together with the specific heat (by multiplication), defines the easiness of temperature change of the rock. This density is also set based on past literature and sample measurements, as with the thermal conductivity coefficient.

【0026】変動要素は、図6に示すように地下水の有
無、地下水の規模、地下水の位置からなる。これらのう
ち地下水の有無は、岩盤温度予測モデル(地山の有限要
素モデル)に地下水を組み込むか否かを決める、診断に
関連する最も基本的な変動要素である。地下水が存在す
る場合には、これまでに述べてきた各種要素をモデルに
組み込んで温度分布予測を行う。しかし、地下水が存在
しない場合には、基本要素も含めて地下水が関連する要
素をモデルより除く。すなわち、平常岩盤温度の推定の
みを行う。地下水の規模は、地下水の厚みや広がりを表
す要素であり、その地下水のもつ熱量に関連する要素で
ある。この要素は、特に地下水流動がない(岩盤内に地
下水がたまっているような)場合、岩盤温度分布に影響
を及ぼす。岩盤温度予測モデル(地山の有限要素モデ
ル)上では、そこに表現する地下水要素の範囲を変化さ
せ、規模の違いに応じた温度分布を予測する。地下水の
位置は、現在の切羽位置に対して、地下水がどの方向、
距離に存在するか規定する要素である。本発明で主な予
測対象とする重要性の高い要素である。岩盤温度予測モ
デル(地山の有限要素モデル)上では、地下水要素を表
現する位置を変化させ、位置の違いに応じた温度分布を
予測する。
As shown in FIG. 6, the variables include the presence or absence of groundwater, the scale of groundwater, and the position of groundwater. Of these, the presence or absence of groundwater is the most basic variable related to diagnosis that determines whether to incorporate groundwater into the rock temperature prediction model (a finite element model of the ground). If groundwater exists, temperature distribution prediction is performed by incorporating the various elements described above into the model. However, when groundwater does not exist, the elements related to groundwater including basic elements are excluded from the model. That is, only the normal rock temperature is estimated. The scale of groundwater is an element representing the thickness and spread of groundwater, and is an element related to the calorific value of the groundwater. This factor affects the rock temperature distribution, especially when there is no groundwater flow (such as groundwater in the rock). On the rock temperature prediction model (ground element finite element model), the range of the groundwater element expressed there is changed, and the temperature distribution according to the difference in scale is predicted. The position of groundwater depends on the current face position,
It is an element that determines whether or not it exists in the distance. This is a highly important element that is the main prediction target in the present invention. On the rock temperature prediction model (the finite element model of the ground), the position expressing the groundwater element is changed, and the temperature distribution according to the difference in the position is predicted.

【0027】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、有限要素法による熱伝導解析を行っ
たが、切羽温度変化の予測温度プロファイルを取得でき
るものであれば、他の解析手法を採用してもよいし、複
数ケースの岩盤温度の予測温度プロファイルを揃えてか
ら実測温度プロファイルとのパターンマッチングを行う
ようにしたが、有限要素法による熱伝導解析で各ケース
の岩盤温度の予測温度プロファイルを取得する毎にパタ
ーンマッチングを行うようにしてもよい。また、基本要
素として、地山の地形、地下水に関するパラメータ、地
山(岩盤)の熱特性に関するパラメータ、岩盤と地下水
との熱伝達率の4つ、変動要素として、地下水の有無、
地下水の規模、地下水の位置の3つを上げて説明した
が、これらは、状況に応じて適宜変更し得るものであ
る。さらに、トンネル掘削の施工に適用する場合として
説明したが、立て坑、坑道、大地下空間等の地下空洞を
含む掘削の施工に際しての地下水予測にも同様に適用可
能であることはいうまでもない。
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, in the above embodiment, the heat conduction analysis by the finite element method was performed. However, as long as a predicted temperature profile of the face temperature change can be obtained, another analysis method may be adopted, and a plurality of rock masses may be used. After matching the predicted temperature profile of temperature, pattern matching with the measured temperature profile was performed, but pattern matching was performed each time the predicted temperature profile of rock temperature in each case was obtained by heat conduction analysis using the finite element method. It may be. In addition, there are four basic elements: ground terrain, parameters related to groundwater, parameters related to thermal characteristics of ground (rock), heat transfer coefficient between rock and groundwater.
Although the description has been made with reference to the scale of the groundwater and the position of the groundwater, these can be appropriately changed according to the situation. Further, the description has been given of the case where the present invention is applied to the construction of a tunnel excavation. However, it is needless to say that the present invention can be similarly applied to the prediction of groundwater at the time of the construction of an excavation including an underground cavity such as a shaft, a tunnel, and a large underground space. .

【0028】[0028]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、地下水の存在形態、規模、距離、流動性、岩
盤物性、坑内気温等、地下水や環境に係わる各種条件を
考慮した切羽温度予測が行える岩盤温度予測モデル(地
山の有限要素モデル)により複数ケースの予測を行い、
その予測結果と実測との比較(逆解析)から、地下水の
存在やその距離等の推定を行うので、客観的かつ定量的
な基準に基づいた切羽前方地下水の予測が可能になる。
また、岩盤の温度測定では、簡易な放射温度計や熱赤外
線ビデオカメラ等を用いた熱赤外線リモートセンシング
手法を採用することにより、誤差が少なくかつ効率的
に、開削直後の切羽面温度を面的かつ非接触で測定する
ことができ、しかも、施工サイクルを考慮した短時間で
の面的な温度測定が可能となる。さらに、岩盤温度予測
モデル(地山の有限要素モデル)によれば地下水温や岩
盤物性のようなパラメータが情報の入手レベルに応じて
有機的に設定できるので、情報の入手レベルに応じた精
度の予測が可能である。すなわち、パラメータが十分に
得られていない条件では、地下水の有無のみの判定を行
うワーニングレベルの予測を行い、地下水温等のパラメ
ータが十分に得られている条件では、地下水形状や規模
等を含めた正確な予測を行う等、柔軟な対応が可能であ
る。
As is apparent from the above description, according to the present invention, a face in consideration of various conditions relating to groundwater and the environment, such as groundwater existence form, scale, distance, fluidity, rock properties, underground temperature, etc. Multiple cases are predicted by a rock temperature prediction model (a finite element model of ground) that can perform temperature prediction.
Based on the comparison (inverse analysis) between the prediction result and the actual measurement, the existence and the distance of the groundwater are estimated, so that the groundwater in front of the face based on an objective and quantitative criterion can be predicted.
In addition, in the measurement of rock temperature, the temperature of the face immediately after cutting is reduced efficiently and efficiently by adopting a thermal infrared remote sensing method using a simple radiation thermometer or thermal infrared video camera. In addition, the temperature can be measured in a non-contact manner, and the surface temperature can be measured in a short time in consideration of the construction cycle. Furthermore, according to the rock temperature prediction model (ground element finite element model), parameters such as groundwater temperature and rock physical properties can be set organically according to the information acquisition level. Predictable. In other words, under the condition where the parameters are not sufficiently obtained, the warning level prediction for determining only the presence or absence of the groundwater is performed, and under the condition where the parameters such as the groundwater temperature are sufficiently obtained, the groundwater shape and the scale are included. It is possible to respond flexibly, for example, by making accurate predictions.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る切羽前方地下水予測システムの
実施の形態を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a front face groundwater prediction system according to the present invention.

【図2】 岩盤温度と地下水との関係を説明するための
図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between rock temperature and groundwater.

【図3】 トンネル掘削の施工サイクルと切羽温度の測
定時期の関係を説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a relationship between a construction cycle of tunnel excavation and a timing of measuring a face temperature.

【図4】 測定点の配置状況の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of the arrangement of measurement points.

【図5】 地下水予測処理の流れを説明するための図で
ある。
FIG. 5 is a diagram for explaining the flow of groundwater prediction processing.

【図6】 変動要素の例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a variable element.

【図7】 岩盤温度予測モデルと地下水診断アルゴリズ
ムの概要を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an outline of a rock temperature prediction model and a groundwater diagnosis algorithm.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…温度測定部、2…実測温度プロファイル作成処理
部、3…実測温度プロファイル格納部、4…解析要素設
定処理部、5…熱伝導解析処理部、6…予測温度プロフ
ァイル格納部、7…パターンマッチング処理部、8…地
下水予測結果出力部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Temperature measurement part, 2 ... Measured temperature profile creation processing part, 3 ... Measured temperature profile storage part, 4 ... Analysis element setting processing part, 5 ... Heat conduction analysis processing part, 6 ... Predicted temperature profile storage part, 7 ... Pattern Matching processing unit, 8 ... Groundwater prediction result output unit

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 切羽温度から切羽前方の地下水の存在状
況を予測する切羽前方地下水予測システムにおいて、切
羽温度の測定を行う切羽温度測定手段と、岩盤温度に影
響する環境条件的な基本要素と予測すべき地下水の状況
に関する変動要素を組み込んだ岩盤温度予測モデルによ
り前記変動要素を変化させて熱伝導解析を行い複数ケー
スの岩盤温度分布を予測する熱伝導解析手段と、前記切
羽温度測定手段により測定された切羽進行方向の実測温
度プロファイルと前記熱伝導解析手段により予測された
岩盤温度分布の予測温度プロファイルとの比較を行い整
合するケースを選択するマッチング手段と、前記マッチ
ング手段により選択された整合するケースの前記予測す
べき地下水の状況に関する変数に基づき地下水の存在状
況の予測結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴
とする切羽前方地下水予測システム。
1. A face front groundwater prediction system for predicting the presence of groundwater in front of a face from a face temperature, a face temperature measuring means for measuring the face temperature, and basic factors and prediction of environmental conditions affecting rock temperature. Heat conduction analysis means for performing a heat conduction analysis by changing the above-mentioned variable elements by a rock temperature prediction model incorporating a variable element relating to the condition of groundwater to be measured, and predicting a rock temperature distribution of a plurality of cases, and measuring by the face temperature measuring means. A matching means for comparing the measured temperature profile in the traveling direction of the face and the predicted temperature profile of the rock temperature distribution predicted by the heat conduction analyzing means to select a matching case, and a matching selected by the matching means. Outputs the prediction result of groundwater existence status based on the variables related to the groundwater status to be predicted in the case And a groundwater predicting system in front of the face.
【請求項2】 前記熱伝導解析手段は、有限要素法によ
る熱伝導解析を行うものであることを特徴とする請求項
1記載の切羽前方地下水予測システム。
2. The system for predicting groundwater in front of a face according to claim 1, wherein said heat conduction analyzing means performs a heat conduction analysis by a finite element method.
【請求項3】 前記基本要素は、地山の地形や地山の熱
特性に関するパラメータ、地下水に関するパラメータ、
岩盤と地下水の熱伝達率からなることを特徴とする請求
項1記載の切羽前方地下水予測システム。
3. The basic element includes a parameter related to the topography of the ground and a thermal characteristic of the ground, a parameter related to groundwater,
2. The face front groundwater prediction system according to claim 1, comprising a heat transfer coefficient of rock and groundwater.
【請求項4】 前記変動要素は、地下水の有無、規模、
位置からなることを特徴とする請求項1記載の切羽前方
地下水予測システム。
4. The variable element includes presence or absence of groundwater, scale,
The front face groundwater prediction system according to claim 1, comprising a position.
【請求項5】 前記切羽温度測定手段は、施工サイクル
のずり出しの直後でコンクリート吹き付けの前に切羽温
度の測定を行うことを特徴とする請求項1記載の切羽前
方地下水予測システム。
5. The system for predicting groundwater in front of a face according to claim 1, wherein the face temperature measuring means measures the face temperature immediately after the start of the construction cycle and before the spraying of the concrete.
【請求項6】 前記切羽温度測定手段は、非接触計測手
法を用いたものであることを特徴とする請求項1記載の
切羽前方地下水予測システム。
6. The system for predicting groundwater in front of a face according to claim 1, wherein said face temperature measuring means uses a non-contact measurement method.
【請求項7】 削孔、発破、ずり出し、コンクリート吹
き付け・支保工等を繰り返し行うトンネル掘削の施工サ
イクルのずり出しの直後に切羽温度の測定を行って切羽
進行方向の実測温度プロファイルを求めると共に、地山
の有限要素モデルにより熱伝導解析を行って切羽進行方
向の岩盤温度分布予測を行い複数ケースの予測温度プロ
ファイルを求め、前記実測温度プロファイルと予測温度
プロファイルとを比較しパターンマッチングを行って整
合するケースを選定し、地下水の有無や位置、規模等を
推定することを特徴とする切羽前方地下水予測方法。
7. A face temperature is measured immediately after the start of a construction cycle of a tunnel excavation in which drilling, blasting, shearing, concrete spraying / supporting, etc. are repeated, to obtain an actually measured temperature profile in the face advancing direction. Performing a heat conduction analysis by a finite element model of the ground to predict the rock temperature distribution in the face traveling direction to obtain a predicted temperature profile of a plurality of cases, comparing the measured temperature profile with the predicted temperature profile and performing pattern matching. A method for estimating groundwater in front of a face, comprising selecting a matching case and estimating the presence, location, scale, etc. of groundwater.
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