JP3632023B2

JP3632023B2 - Ground survey method based on drilling data of rock drill

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Publication number: JP3632023B2
Application number: JP2002367695A
Authority: JP
Inventors: 文志友近; 信彦岡; 秀一大久保; 信明織田; 秀一中島; 耕治塚本; 清二蛭子; 道直寺田
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Okumura Corp; Tokyo Electric Power Services Co Ltd
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Okumura Corp; Tokyo Electric Power Services Co Ltd
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: JP2004197429A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてトンネル等を掘削する場合の地盤の調査方法に関するものであり、特には、掘削中の削岩機から得られる情報に基づいて、調査対象の地盤の状況を調査する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、地盤の調査方法には種々の方法がある。例えば、人為的に発生させた弾性波を受振して、その伝播速度から地盤の硬軟を判定する弾性波探査方法がある。
しかし、このような弾性波探査方法では、あまり高い精度は要求できない。これに対して、地盤を削孔して、コアを採取して分析すれば、地盤の強度を含めて種々の情報を得ることができるが、この方法の実施には、かなりの時間と手間がかかる。
また、図１に示したように、地盤を削孔してその孔内の状況をボアホールテレビカメラ（ＢＴＶカメラ）で撮像すれば、地盤の状況を確実に把握できるが、この方法もかなりの時間と手間がかかるという問題があり、全ての多くの場所をこれらの方法で調査することは、時間と手間の問題で現実的には実施困難であった。
【０００３】
地盤調査の一例として、既設トンネルの覆工コンクリート背面の地質が、地山、崩積土、空洞の何れであるかを調査することが行われている。なお、地山とは、固結した状態の地盤から未固結な状態の地盤まで含む。また、崩積土とは、地山の崩壊によって形成された堆積物のことであり、自立性の地山から剥がれ落ちて自然に積もった堆積物に相当する。
このような、既設トンネルの覆工コンクリート背面の地質を調査する手段として、削岩機から得られる削孔データを利用することが試みられている。
例えば、削孔データのひとつである削孔速度は、硬い地盤では小さく、柔らかい地盤では大きいという傾向がある。
このような傾向から、削孔速度が小さい地盤の硬軟の傾向は、削孔速度からある程度は把握できる。
【０００４】
また、ロータリーパーカッションドリルを用いて地盤を削孔する際に、一定深度毎に、ロッドの押込み力とロッドの回転に要する回転トルクの関係を求め、その関係から土質判定を行う技術が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特許番号第２８７８２５５公報（特許請求の範囲等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述したような削岩機から得られる削孔データを利用する方法では、確かに、削孔速度が小さい地盤の硬軟の傾向は、削孔速度からある程度は把握できるが、削孔速度が大きい崩積土、空洞などに関しては、削孔速度から地質の種類や硬軟の程度を判定することは困難であるという問題がある。
実際の地盤の調査においては、崩積土や空洞などの状態を確認することが重要な場合であることが多い。
例えば、老朽化した水路トンネルの背面地盤へ補強材を注入する場合には、背面が崩積土であるか空洞であるかによって注入量が大きく異なることから、地盤が崩積土であるか空洞であるかを確認することが、地盤の調査の目的の重要な要素である。このような場合には、トンネル軸方向に一定間隔で削孔すれば、崩積土や空洞の有無や大きさが把握できるので、補強材の注入量の予測が正確に行え施工計画を立案しやすい。
このような事情から、削岩機から得られる削孔データを利用して、崩積土や空洞などの状態を確認できる調査技術の開発が課題となっている。
そこで、本発明は、削岩機から得られる削孔データを利用して、地山、崩積土、空洞などを区別できると共に、それらの硬軟の程度を把握できる地盤調査方法の提供を目的としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法の請求項１は、
ロッドの打撃、回転、前進により、ロッド先端に装着した掘削ビットが地盤を削孔するように構成された削岩機から得られる削孔データに基づいて、掘削ビットが打撃している個所の地盤の種類を判定する地盤調査方法であって、
削岩機の打撃脈動波の卓越振動数が、調査に先立って調査個所付近で行うキャリブレーションにより求めた境界振動数よりも小さいときに前記地盤を空洞と判定することを特徴とするものである。
そして、請求項２の発明は、
ロッドの打撃、回転、前進により、ロッド先端に装着した掘削ビットが地盤を削孔するように構成された削岩機から得られる削孔データに基づいて、掘削ビットが打撃している個所の地盤の種類を判定する地盤調査方法であって、
削岩機の打撃脈動波の卓越振動数が、調査に先立って調査個所付近で行うキャリブレーションにより求めた境界振動数よりも小さいときに前記地盤を空洞と判定し、前記卓越振動数が前記境界振動数よりも大きいときに前記地盤を崩積土もしくは地山であると判定する第１工程と、
前記第１工程において前記地盤が崩積土もしくは地山であると判定したときに、削岩機の掘削速度が、調査に先立って調査個所付近で行うキャリブレーションにより求めた境界速度よりも大きいときに前記地盤を崩積土と判定し、前記掘削速度が前記境界速度よりも小さいときに前記地盤を地山と判定する第２工程と、
からなることを特徴とするものである。
【０００８】
そして、請求項３の発明は、
請求項２に記載の削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法において、
前記地盤が崩積土もしくは地山であると判定したときに、
調査に先立って調査個所付近で行うキャリブレーションにより求めた崩積土もしくは地山の硬軟の程度と、削岩機の打撃脈動波の卓越振動数との関係に基づいて、前記地盤の卓越振動数からその硬軟の程度を評価することを特徴とするものである。
そして、請求項４の発明は、
請求項２に記載の削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法において、
前記地盤が崩積土もしくは地山であると判定したときに、
調査に先立って調査個所付近で行うキャリブレーションにより求めた崩積土もしくは地山の硬軟の程度と、削岩機の打撃脈動波の最大振幅との関係に基づいて、前記地盤の最大振幅からその硬軟の程度を評価することを特徴とするものである。
【０００９】
次に、本発明の方法によって削孔データに基づいて地盤の種類を識別できる原理を説明する。
まず、削孔データと実際の地盤の種類とが特定の関係であるといえるか否かを確認するために、図３の（ｂ）に示すようなモデル地盤を対象とした実験を行った。
この実験では、中硬岩の掘削で実績のあるドリフタによる削孔検層法を適用して、水路トンネルの背面の覆工コンクリート、崩積土、空洞の識別のために、力学特性が既知のモデル地盤を作成し、ドリフタを用いた削孔実験を行った。
【００１０】
使用したドリフタは、古河機械金属株式会社製のインパクトオーガドリルＨＩＡ１００を使用した。ドリルジャンボにセンサ類を取り付け、インパクトオーガドリル削孔時の応答データである削孔データを連続的に収集・記録した。
削孔速度は、削孔長と削孔時間から算出した。
なお、前記削岩機の削孔制御にかかる項目は、フィード圧、打撃圧、打撃数、回転圧、回転数、水圧がある。
【００１１】
モデル地盤は、覆工コンクリート、崩積土（２種類）、および地山を想定した合計４種類の材料から構成される積層体として製作したものである。それぞれの材料は一定の一軸圧縮強度を目標に製作した。なお、この実験では、コーン貫入試験により見かけＮ値を測定した。
それぞれの材料の一軸圧縮強度および見かけＮ値を表１に示す。
【表１】

【００１２】
前記モデル地盤を対象とした実験結果を図４、図５に示した。
図４において、
（ａ）は、深さ（削孔長（ｍｍ））を横軸にとり、削孔速度（ｍｍ／ｓ）を縦軸にとった実験結果のグラフである。
（ｂ）は、深さ（削孔長（ｍｍ））を横軸にとり、回転圧（ＭＰａ）を縦軸にとった実験結果のグラフである。
（ｃ）は、深さ（削孔長（ｍｍ））を横軸にとり、打撃数（ｂｐｓ（回／秒））を縦軸にとった実験結果のグラフである。
【００１３】
図５において、
（ａ）は、深さ（削孔長（ｍｍ））を横軸にとり、打撃圧（ＭＰａ）を縦軸にとった実験結果のグラフである。
（ｂ）は、深さ（削孔長（ｍｍ））を横軸にとり、フィード圧（ＭＰａ）を縦軸にとった実験結果のグラフである。
（ｃ）は、深さ（削孔長（ｍｍ））を横軸にとり、水圧（ＭＰａ）を縦軸にとった実験結果のグラフである。
なお、図４及び図５の（ｄ）に示したように、図４及び図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の横軸において、
削孔長０〜２５０ｍｍは覆工コンクリート層に対応したＡ層、
削孔長２５０〜７５０ｍｍは崩積土▲１▼を想定したＢ層、
削孔長７５０〜１２５０ｍｍは崩積土▲２▼を想定したＣ層、
削孔長１２５０〜１７５０ｍｍは地山を想定したＤ層
に対応した深さである。
【００１４】
図４の（ａ）から、削孔速度は、覆工コンクリートに対応したＡ層においては５ｍｍ／ｓ未満とかなり小さいが、崩積土▲１▼、▲２▼を想定したＢ層、Ｃ層では３０ｍｍ／ｓ以上とかなり大きくなり、地山を想定したＤ層では１０ｍｍ／ｓ〜３０ｍｍ／ｓと中間の値を示していることを読み取ることができる。
図４の（ｂ）から、回転圧は、覆工コンクリートに対応したＡ層においては３．５〜４．０ＭＰａと大きいが、崩積土▲１▼、▲２▼を想定したＢ層、Ｃ層では３．０ＭＰａを僅かにしたまわり、地山を想定したＤ層では３．０ＭＰａを僅かに上回っていることを読み取ることができる。
図４の（ｃ）から、打撃数は、覆工コンクリートに対応したＡ層においては２５〜４５ｂｐｓと大きいが、崩積土▲１▼、▲２▼を想定したＢ層、Ｃ層では一旦１０〜２０ｂｐｓに減少して徐々に増加し、地山を想定したＤ層では４０〜５０ｂｐｓと増加することを読み取ることができる。
【００１５】
図５の（ａ）から、打撃圧は、覆工コンクリートに対応したＡ層においては４．０〜６．０ＭＰａと変動が小さいが、崩積土▲１▼、▲２▼を想定したＢ層、Ｃ層では２．０〜８．０ＭＰａと大きく変動し、地山を想定したＤ層では３．５〜６．０ＭＰａと若干小さくなっていることを読み取ることができる。
図５の（ｂ）から、フィード圧は削孔長の大小によらずほとんど変化していないことを読み取ることができる。
図５の（ｃ）から、水圧は削孔長の大小によらずほとんど変化していないことを読み取ることができる。
【００１６】
また、前記モデル地盤を対象とした実験における削孔速度と見かけのＮ値との関係を図６に示し、回転圧と見かけのＮ値との関係を図７に示し、打撃数と見かけのＮ値との関係を図８に示した。
見かけのＮ値とは、洪積粘土で用いられるもので、一軸圧縮強度から換算される。
図６によれば、見かけのＮ値が大きくなると削孔速度が指数関数的に小さくなっているので、削孔速度から見かけのＮ値を特定できる可能性が認められるが、見かけのＮ値がある程度大きくなると（見かけのＮ値＞１０程度）、削孔速度は低減して一定値に収束する傾向が見受けられるので、削孔速度から見かけのＮ値を推定する際の精度は悪くなると思われる。
また、図７、図８によれば、回転圧や打撃数から見かけのＮ値を推定することは困難であると思われる。
【００１７】
本実験の結果から、Ａ地盤における削孔速度は３ｍｍ／ｓ程度であり、Ｄ地盤の削孔速度は１３〜２０ｍｍ／ｓ程度であると認められるので、このような削孔速度の顕著な差からＡ地盤とＤ地盤とは識別できる。
しかし、実際の調査において、地山が硬い場合で、削孔速度が覆工コンクリートと同程度に小さい場合には、削孔速度からのみでは地山であるか覆工コンクリートであるかを識別することはできない。但し、覆工コンクリート（Ａ地盤）は削孔長が短いため、削孔長を、予め知ることのできる覆工コンクリートの厚さと比較することによって、地山であるか覆工コンクリートであるかを識別することが可能になる。
また、覆工コンクリートが存在しないトンネル以外の調査の場合には、このような地山と覆工コンクリートとの識別は不要である。
【００１８】
図５の（ａ）によれば、Ｂ地盤、Ｃ地盤では打撃圧が２．０〜８．０ＭＰａ程度の間で変化し、その変化幅は６．０ＭＰａ程度であるが、Ｄ地盤（地山）になると、打撃圧が３．５〜６．０ＭＰａ程度の間で変化し、その変化幅は２．５ＭＰａ程度に減少している。
従って、打撃圧の変化幅からＢ地盤及びＣ地盤と、Ｄ地盤（地山）とを識別できると思われる。
なお、図５の（ｂ）、（ｃ）によれば、フィード圧や水圧で地盤の種類を識別することは困難であると思われる。
【００１９】
図１０の（ａ）は打撃脈動波の波形を示したものである。この打撃脈動波とは、ピストンの打撃に伴って発生する油圧脈動の波のことである。この打撃脈動波は、図示したように、トレンド（打撃脈動波の成分よりもかなり低い周波数の変動成分：ドリフトともいう。）上に乗っており、前記トレンド成分を除去することによって図１０の（ｂ）に示したように打撃脈動波の成分を得ることができるのである。
打撃脈動波のスペクトルは、高周波データ収録装置を用いてサンプリング周波数２ｋＨｚで計測した打撃圧データから抽出した打撃脈動波の波形を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して求めた。
この図から、打撃脈動波の卓越振動数は、平均的な打撃数に対応して地山が相対的に軟質になれば低くなり、硬質になれば高くなるという傾向が見られた。
なお、削孔振動によるスペクトル変化を観察するために、打撃脈動波の評価には２ｃｍの削孔長ごとに約２秒間（０．０００５秒間隔に４０９６個）の打撃圧データから計算したスペクトルを深度方向に並べたランニングスペクトルを用いた。
【００２０】
図１１は、前記モデル地盤での実験における削孔速度（図１１の（ａ））と打撃脈動波のランニングスペクトル（図１１の（ｂ））を示したものである。
図において、縦軸は削孔深度である。この場合、削孔速度に基づいた識別では、Ａ地盤（コンクリート）とＤ地盤（地山相当）との識別は可能であるが、Ｂ地盤とＣ地盤とでは差が小さいために識別することが困難である。
一方、打撃脈動波の卓越振動数はＢ地盤で２２〜３４Ｈｚ、Ｃ地盤で３２〜４２Ｈｚ、Ｄ地盤で４８Ｈｚと、それぞれの地盤で異なり、地盤が硬い程卓越周波数が高くなる傾向が表れている。
従って、卓越振動数の高低によって地盤の硬軟の程度を判定できる。
なお、Ｂ地盤とＣ地盤の境界部分は、モデル地盤作成時の締め固めの影響を受けて部分的に硬くなっている。
【００２１】
図１２は、打撃脈動波の最大振幅を縦軸にとったものである。このグラフによれば、地盤の種類ごとに最大振幅が異なっており、地盤の強度が大きい程（硬い程）最大振幅が小さくなる傾向が表れている。
従って、この打撃脈動波の最大振幅の大小からも地盤の硬軟の程度を判定することができる。
【００２２】
図１３は、一度削孔した孔に、ロッドを再度挿入して空削孔を行った場合の掘削長を縦軸にとり、削孔速度（図１３の（ａ））と、打撃脈動波の卓越振動数（図１３の（ｂ））を横軸にとったグラフである。
図１３における削孔条件は、空洞を削孔する場合に相当するものであり、削孔速度は深度に応じて４０〜６０ｍｍ／ｓのバラツキが見られるが、打撃脈動波の卓越振動するは１９Ｈｚが支配的になっている。
これは、空削孔時における、ピストンの規則的な往復運動が応答結果に反映したものと考えられる。
【００２３】
図１４は、打撃脈動波のフーリエスペクトルを示したものである。この図においては、縦軸に打撃脈動圧をとり、横軸に周波数を取っているので卓越した周波数の打撃脈動圧の大きさが表現されている。
図１４の（ａ）は覆工コンクリートを削孔した場合、（ｂ）はＢ地盤（崩積土）を削孔した場合、（ｃ）はＣ地盤（崩積土）を削孔した場合、（ｄ）はＤ地盤（地山）を削孔した場合、（ｅ）は空洞を削孔した場合の打撃脈動波のフーリエスペクトルである。
覆工コンクリートの硬軟の程度は全体的に均等であり、卓越振動数は約５１Ｈｚに集中しており、この卓越振動数以外の成分波はほとんど見られない。同時に、地山相当のＤ地盤においても卓越振動数以外の成分波はほとんど見られない。これに対し、（ｂ）と（ｃ）の崩積土相当地盤では、打撃脈動波の各成分波は２０〜４０Ｈｚ程度の周波数帯域に広く分布し、フーリエ振幅値も小さいものとなっている。これは、砂地盤に硬い礫を含む不均等な地盤を削孔する際の硬軟の違いが打撃脈動波の周波数特性に表れてきたことを示している。
【００２４】
以上のことから、打撃脈動波のフーリエスペクトルにより、地盤の硬軟の程度が全体的に均等であるかどうかを判定することができ、卓越振動数以外の成分波が見られない場合には地盤の硬軟の程度は全体的に均等であると判定することができる。
このように、打撃脈動波の卓越振動数は、空洞やＮ値が小さなＢ地盤、Ｃ地盤に対して、削孔速度に比較してはるかに良い感度を示すことが明らかになり、軟質地盤の硬軟判定に極めて有効であることが分かった。
【００２５】
また、コーン貫入試験を行った削孔深度における打撃脈動波の卓越振動数と地盤種別の関係を図１５に示した。また、打撃脈動波の卓越振動数と見かけＮ値の関係を図１６に示した。
卓越振動数は、Ｂ地盤が約３０Ｈｚ、Ｃ地盤が約４２Ｈｚ、Ｄ地盤が約４９Ｈｚとなっており、安定している。
また、見かけＮ値が大きくなるにつれて卓越振動数が高くなるが、見かけＮ値がある程度以上大きくなると卓越振動数の変化は小さくなっている。
このことは、打撃脈動波の卓越振動数を用いた地山判定方法は、Ｂ地盤やＣ地盤のような軟質な地盤の判定に有効であるといえる。
【００２６】
以上のモデル地盤を対象にした実験結果から得られた知見は、次のような点である。
１）卓越振動数が所定の振動数（これを境界振動数とする。）より小さいか否かで、空洞であるか否かを判定できる点。
２）地盤が空洞でないと判定された場合、削孔速度が所定の速度（これを境界速度とする。）より大きいか否かで、地盤が崩積土であるか、それとも覆工コンクリートもしくは地山であるかを識別できるという点。
３）地盤が覆工コンクリートもしくは地山であると判定された場合、予め覆工コンクリートの厚さが判明しているため、掘削長が前記覆工コンクリートの厚さより短いか否かで、地盤が覆工コンクリートであるか、地山であるかを識別できる点。
【００２７】
以上の知見から、実際の地盤の調査にあたっては、調査に先立って前記知見における境界速度、境界振動数、覆工コンクリートの厚さ等のデータを、判定基準データとして予め得ておき、実際の地盤の削孔データを前記判定基準データと対比させることによって、地盤の種類を識別することができることが判明した。
このことを利用して、本発明においては、前述したように、調査に先立って予め判定基準データを得ておき、実際の掘削中に得られる掘削データを、前記判定基準データと対比させることによって地盤の種類を識別するようにしたのである。
【００２８】
本発明の削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法は、削孔能力が高く、すなわち調査速度能力の高いロータリーパーカッション式削岩機を用いた削孔調査において、削孔速度、打撃脈動波の卓越振動数・最大振幅の情報を得ることにより、地盤の種類・状況（地山・崩積土・空洞の区分、硬軟の程度）の推定を可能とする調査手法である。
削孔調査において、削孔速度のみの検討による地盤状況の推定では、特に軟弱で未固結な地盤では削孔速度がばらつくなど、精度の高い推定が困難となることが課題となるが、本発明の削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法では、打撃脈動波の卓越振動数・最大振幅の情報を活用することにより、軟弱な地盤においても精度の高い識別能力を維持できるシステムとなっていることを特徴とする。その結果、削孔能力に優れた削孔機の特徴を活かしつつ、精確かつ迅速な調査が広範な地盤に対応可能となるのである。
【００２９】
【作用】
上述したように、本発明の請求項１の発明によれば、削岩機の打撃脈動波の卓越振動数が、調査に先立って調査個所付近で行うキャリブレーションにより求めた境界振動数よりも小さいときには、前記地盤を空洞と判定する。
請求項２の発明によれば、第１工程によって、削岩機の打撃脈動波の卓越振動数が、調査に先立って調査個所付近で行うキャリブレーションにより求めた境界振動数よりも小さいときに前記地盤を空洞と判定し、前記卓越振動数が前記境界振動数よりも大きいときに前記地盤を崩積土もしくは地山であると判定する。
そして、前記第１工程において前記地盤が崩積土もしくは地山であると判定したときには、第２工程によって、削岩機の掘削速度が、調査に先立って調査個所付近で行うキャリブレーションにより求めた境界速度よりも大きいときに前記地盤を崩積土と判定し、前記掘削速度が前記境界速度よりも小さいときに前記地盤を地山と判定する。
従って、以上の２段階の工程によって、地盤が、地山、崩積土、もしくは空洞の何れであるかが識別される。
【００３０】
請求項３の発明によれば、請求項２に記載の削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法において、予め、調査に先立って調査個所付近で行うキャリブレーションにより求めた崩積土もしくは地山の硬軟の程度と、削岩機の打撃脈動波の卓越振動数との関係を把握しておくので、前記地盤が崩積土もしくは地山であると判定したときには、その地盤の卓越振動数に基づいて当該地盤の硬軟の程度が評価される。
【００３１】
請求項４の発明によれば、請求項２に記載の削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法において、予め、調査に先立って調査個所付近で行うキャリブレーションにより求めた崩積土もしくは地山の硬軟の程度と、削岩機の打撃脈動波の最大振幅との関係を把握しておくので、前記地盤が崩積土もしくは地山であると判定したときには、その地盤の最大振幅に基づいて当該地盤の硬軟の程度が評価される。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法を、その実施の形態を示した図面に基づいて詳細に説明する。
【００３３】
図１は、本発明の削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法の作業状況の説明図である。
図中、
１は既設の覆工コンクリートであり、補強工事のために背面の地盤の状況を調査する必要が発生している。
２は前記覆工コンクリート１の背面の地盤であり、崩積土の部分Ａ、空洞の部分Ｂ、そして地山の部分Ｃからなっている。
３は調査装置であり、ＢＴＶカメラ３１、ガイド管３２、ロッド３３、自動送り装置３４、ケーブル３５、画像処理装置３６、調査台車３７を備えている。
【００３４】
図２は、前記ＢＴＶカメラ３１の要部拡大斜視図であり、１本が２ｍの中空の前記ロッド３３の先端にＢＴＶカメラ３１をセットした状態を示している。このＢＴＶカメラ３１は軸に対して直交する周囲を撮影するように構成されている。
【００３５】
図３の（ａ）は削岩機の側面図である。削岩機のブームの先にドリフタが配設されている。
図９はドリフタの内部構造を説明する断面図である。図９において、ドリフタ４の内部にピストン４１が摺動自在に配設され、ピストン４１の前室４２と後室４３の油圧を高圧と低圧に交互に切り換えることによってピストン４１を前後に往復動させるものである。ピストン４１の先端にはシャンクロッド４４が連接され、このシャンクロッド４４にはスリーブ５を介してロッド６が取り付けられている。このロッド６の先に岩盤削孔用のビット６１が取り付けられているのである。このドリフタ自体はフィード圧により前進する。
【００３６】
前述したように、前記インパクトオーガドリル形式の油圧削岩機に供給される油圧をバルブ操作によって高圧と低圧との間で切り替えることによってサージ圧を発生させ、打撃圧に脈動波を発生させる。
このサージ圧は、油を切り替える弁の動作により油の流れが急激に変化すると、油（流体）の運動エネルギーが弾性エネルギーに変換されて、圧力波（オイルハンマ）となって管内を伝播する。このときに発生する急激な圧力変動をサージ圧といい、その圧力の大きさは管路の流速の変化分に比例する。
【００３７】
削孔対象物が硬くなるとピストンが往復するストロークが短くなると同時に往復の運動速度が速くなり、バルブの切り替え頻度が増えて打撃脈動数も増大する。ただし、削孔対象物が硬くなると脈動圧自体は小さくなる。
【００３８】
このように、打撃脈動波には削孔対象物の硬軟の情報が含まれており、周期的な変動を繰り返すことから、ドリフタに配設した圧力センサから得られる信号から、フーリエ周波数分析等によるスペクトル分布を得ることにより打撃脈動波の特性を把握することができるのである。
なお、打撃脈動波の卓越振動数は打撃数であり、打撃数を用いても地盤の状況を調査することができる。
【００３９】
実際の地盤調査においては、まず、削孔データと実際の地盤の種類との関係を把握するために、調査に先立って、識別基準データのキャリブレーションを行う。（図２０のステップＳ１１、ステップＳ１２参照）
調査対象の地盤の近傍の地盤を対象にして、キャリブレーションのために以下のような調査を行う。
まず、例えばインパクトオーガドリル形式の油圧削岩機を用いて、ボアホールを削孔して、図１８の（ａ）、（ｂ）のように、削孔中の削岩機から削孔データを収集・記録する。記録する削孔データは、少なくとも削孔時間毎の削孔長さ（後で削孔速度を得るため。）と打撃脈動波の波形（後で打撃脈動波の卓越振動数、最大振幅を得るため。）である。
なお、図１８の（ａ）は削孔速度の分布特性であり、（ｂ）は打撃脈動波のランニングスペクトルである。
なお、（ｃ）は判定結果であり、（ｄ）はＢＴＶカメラによる孔壁画像に基づいた専門技術者による判定結果である。
【００４０】
以上のようにして、削孔データを収集・記録した後、ボアホールにカメラを差し込んでボアホールの周壁の画像を、画像による地盤の種類を識別する能力を備えた調査専門の技術者が目視観察する。
そして、前記技術者による画像の観察に基づいて、ボアホールの深さごとに、周囲の地盤の種類を判定する。
例えば、ある地点における周壁の画像から、図１８の（ｄ）のような坑壁画像に基づいた専門技術者による判定結果を得る。
図１８の（ｄ）による判定結果は、
０ｍｍ〜３００ｍｍ覆工コンクリート
３００ｍｍ〜１０６０ｍｍ礫混じり砂層
１０６０ｍｍ〜１７９０ｍｍ砂層
１７９０ｍｍ〜２０３５ｍｍ礫混じり砂層
２０３５ｍｍ〜２７３５ｍｍ砂層
２７３５ｍｍ〜２８４０ｍｍ礫混じり砂層
２８４０ｍｍ〜３０５５ｍｍ粘土混じり砂層
３０５５ｍｍ〜３３２５ｍｍ礫混じり砂層
３３２５ｍｍ〜３５００ｍｍ空洞
であった。
大きく分類すると３００ｍｍ〜３５００ｍｍは崩積土に分類できる。
【００４１】
図１８において、削孔深度３４５０ｍｍ〜３７００ｍｍでは、削孔速度が５０ｍｍ／ｓと大きく、スペクトルの卓越振動数は３０〜３２Ｈｚと低い。孔壁画像を参考にするとこの部分は空洞であると判定される。
既設トンネルの調査に限定すれば、空洞は通常地山の下部に存在しているということができる。図１８において、削孔深度３７００ｍｍ以深では削孔速度が小さく、スペクトルの卓越振動数が安定して大きいので地山と判断できる。
そして、その地山の下部にスペクトルの卓越振動数が安定して小さい部分が存在するので、この部分は空洞であると判断できるのである。
それより手前の浅い部分は、削孔速度が４０〜６０ｍｍ／ｓ程度と大きいことや卓越振動数が３５〜４０Ｈｚと深度方向にばらついて硬軟の変化が大きいと見られることや、孔壁画像の判定結果を参照して崩積土と判定される。
同様に、図１９において、削孔深度２００〜９００ｍｍでは打撃脈動波の卓越振動数が２８〜２９Ｈｚと低くなっている。この部分は、ＢＴＶカメラによる孔壁画像から空洞と判定した区間と一致している。
また、削孔深度９００ｍｍ以深では削孔速度が３０ｍｍ／ｓ以下と小さくなり、卓越振動数も４４Ｈｚ以上であることや、孔壁画像の判定結果を参照して自立性地山と判定される。
【００４２】
以上の判定結果と、ＢＴＶカメラによる孔壁画像との比較から、地質構造を判定するための削孔速度と打撃脈動波の卓越振動数の基準とを表２のように設定することができる。（図２０のステップＳ１３参照）
【表２】

表２において、覆工コンクリートは、削孔速度は０〜１０ｍｍ／ｓ、打撃脈動波の卓越振動数は４０〜４５Ｈｚ。覆工コンクリートは削孔深度が最浅である。
空洞は、削孔速度は３０〜６０ｍｍ／ｓ、打撃脈動波の卓越振動数は２５〜３５Ｈｚ。
崩積土は、削孔速度は３０〜６０ｍｍ／ｓ、打撃脈動波の卓越振動数は３５〜４５Ｈｚ。
地山は、削孔速度は０〜３０ｍｍ／ｓ、打撃脈動波の卓越振動数は４０〜。
即ち、表２においては、境界速度ｖ_０を３０ｍｍ／ｓとし、境界振動数ｆ_０を３５Ｈｚとする。
また、判定に用いる基準としては、表２の内容に加えて、地山および崩積土における硬軟の違いを判定する関係も求めておく。
具体的には、硬軟の程度と打撃脈動波の卓越振動数の関係は、
「硬い程、卓越振動数は高くなる。」
また、硬軟の程度と打撃脈動波の最大振幅値の関係は、
「硬い程、最大振幅値は小さくなる。」
というものである。
【００４３】
次に、以上のようにして設定した基準を用いて、ＢＴＶカメラによる孔壁画像から確認できなかった部分を評価・判定する。
例えば、図１７において、削孔深度３５５０ｍｍ〜４２５０ｍｍの卓越振動数は、３１Ｈｚと小さいため、この部分は空洞であると判定される。
また、それ以浅では、削孔速度は５０ｍｍ／ｓと大きいが卓越振動数は３８Ｈｚ前後で変化しているため崩積土と判定される。
なお、崩積土と空洞部分の削孔速度はどちらも５０〜６０ｍｍ／ｓであるので、削孔速度のみから両者を区別することは困難である。
以上の結果から、地山区間および覆工コンクリート区間は削孔速度から識別できること、及び、崩積土と空洞とは削孔速度の情報に打撃脈動波の卓越振動数の情報を追加することで識別できることが確認できた。
なお、地山区間と覆工コンクリート区間とは、削孔速度だけでは区別が困難であるが、削孔長（深度）の違いで地山と覆工コンクリートとは区別できる。
このようにして、表２のような基準を設定することによって、削孔データに基づいて地盤の種類を判定することができるようになったのである。
【００４４】
次に、図２０のステップＳ１４に示したように、削岩機のビットやロッドを変更したか否か確認し、変更した場合にはステップＳ１１、ステップＳ１２から繰り返し、変更していない場合にはステップＳ１５へ進む。
ステップＳ１５に示した実際の地盤調査においては、図２１のフローチャートに示したように、先ず、ステップＳ２１において、観測対象箇所の地盤を前記削岩機で削孔して削孔データ（削孔速度ｖ，卓越振動数ｆ，削孔長（深度）Ｌ）を収集・記録する。
【００４５】
次に、ステップＳ２２において、前記卓越振動数ｆを表２の境界振動数ｆ_０と比較する。
ｆ≦ｆ_０ならステップＳ２３へ進み、ｆ＞ｆ_０ならステップＳ２４へ進む。ステップＳ２３においては、空洞であると判定する。
ステップＳ２４においては、削孔速度ｖを境界速度ｖ_０と比較し、ｖ＜ｖ_０ならステップＳ２５へ進み、ｖ≧ｖ_０ならステップＳ３０へ進む。
【００４６】
ステップＳ２５においては、削孔長Ｌを覆工コンクリートの厚さＬ_０と比較し、Ｌ＜Ｌ_０ならステップＳ２６に進み覆工コンクリートであると判定する。
Ｌ≧Ｌ_０なら、ステップＳ２７へ進み地山であると判定する。さらに、ステップＳ２８においては、卓越振動数に基づいて硬軟の程度を判定する。また、打撃脈動波の振幅によっても硬軟の程度を判定することができる。
硬軟の程度を判定した後さらに、ステップＳ２９においては、図１４のような打撃脈動圧のピークの表れかたを観察し、図１４の（ｂ）、（ｃ）のような複数のピークがある場合には全体的に均等ではないと判定することができる。
【００４７】
ステップＳ３０においては崩積土であると判定する。
さらに、ステップＳ３１においては、卓越振動数に基づいて硬軟の程度を判定
する。また、打撃脈動波の振幅によっても硬軟の程度を判定することができる。
硬軟の程度を判定した後さらに、ステップＳ３２においては、図１４のような打撃脈動圧のピークの表れかたを観察し、図１４の（ｂ）、（ｃ）のような複数のピークがある場合には全体的に均等ではないと判定することができる。
ステップＳ２３、ステップＳ２６、ステップＳ２７、ステップＳ３０における判定は、図２０におけるステップＳ１６に相当する。
【００４８】
以上のようにして、観測対象箇所の調査を終了した後に、次の、観測対象箇所に移動する。
調査対象箇所が大きく移動した場合には、図２０のステップＳ１１、ステップＳ１２に基づいて、再度キャリブレーションを行う。
【００４９】
このようにして、順次観測対象箇所を移動しながら、観測対象範囲を調査する。
なお、各観測対象箇所における地盤の種類の識別処理は、各観測対象箇所ごとに行ってもよいが、複数の観測対象箇所の削孔データを収集した後に、まとめて行ってもよい。
【００５０】
なお、表２に示した基準は、実施の調査対象の地盤ごとに多少の変動がある。また、トンネル以外の場合には覆工コンクリートがないので地盤の種類の判定がさらに容易である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の請求項１の削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法によれば、削岩機の打撃脈動波の卓越振動数に基づいて、対象地盤中の空洞の有無を判定することができる。
また、本発明の請求項２の削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法によれば、削岩機の掘削速度と打撃脈動波の卓越振動数とに基づいて、対象地盤の種類を判定することができるので、実際にボアホールカメラを挿入して画像を熟練技術者が見て判定しなくてもよく、正確な地盤調査が迅速に行える。
請求項３、４によれば、崩積土もしくは地山であると判定したときには、その硬軟の程度も評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法の実施の形態の構成例と、その要部の拡大斜視図である。
【図２】ＢＴＶカメラの要部拡大斜視図である。
【図３】削岩機の概要を説明する側面図である。
【図４】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図５】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図６】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図７】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図８】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図９】ドラフタの説明図である。
【図１０】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図１１】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図１２】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図１３】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図１４】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図１５】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図１６】モデル地盤における削孔データを示すグラフである。
【図１７】実際の地盤における削孔データを示すグラフである。
【図１８】実際の地盤における削孔データを示すグラフである。
【図１９】実際の地盤における削孔データを示すグラフである。
【図２０】削岩機の削孔データに基づいた地盤調査方法のフローチャートである。
【図２１】地盤判定手順のフローチャートである。
【符号の説明】
１覆工コンクリート
２地盤（崩積土の部分Ａ、空洞の部分Ｂ、地山の部分Ｃ）
３調査装置
３１ＢＴＶカメラ
３６画像処理装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention mainly relates to a ground investigation method when excavating a tunnel or the like, and particularly relates to a technique for investigating the condition of the ground to be investigated based on information obtained from a rock drilling machine being excavated. It is.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there are various methods for investigating the ground. For example, there is an elastic wave exploration method that receives artificially generated elastic waves and determines the hardness of the ground from the propagation speed.
However, such an elastic wave exploration method cannot require very high accuracy. On the other hand, if the ground is drilled and the core is collected and analyzed, various information including the strength of the ground can be obtained. However, the implementation of this method requires considerable time and effort. Take it.
In addition, as shown in FIG. 1, if the ground is drilled and the situation in the hole is imaged with a borehole TV camera (BTV camera), the situation of the ground can be reliably grasped, but this method also takes a considerable amount of time. In many cases, it was difficult to actually investigate all the places using these methods because of the time and effort.
[0003]
As an example of ground investigation, investigation is made as to whether the geology behind the lining concrete of an existing tunnel is a natural ground, collapsed soil, or a cavity. The natural ground includes a ground from a solid state to a ground that is not solidified. In addition, collapsible soil is a deposit formed by the collapse of a natural ground, and corresponds to a sediment that has fallen off a self-supporting natural ground and piled up naturally.
Attempts have been made to use drilling data obtained from rock drills as a means of investigating the geology behind such lining concrete in existing tunnels.
For example, the drilling speed, which is one of the drilling data, tends to be small for hard ground and large for soft ground.
From such a tendency, the tendency of the hardness of the ground having a low drilling speed can be grasped to some extent from the drilling speed.
[0004]
In addition, when drilling the ground using a rotary percussion drill, a technique has been proposed in which the relationship between the pushing force of the rod and the rotational torque required to rotate the rod is determined at a certain depth, and soil quality is determined from that relationship. Yes. (For example, see Patent Document 1)
[0005]
[Patent Document 1]
Patent No. 2878255 (claims, etc.)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method using the drilling data obtained from the rock drill as described above, the tendency of the hardness of the ground where the drilling speed is small can be grasped to some extent from the drilling speed, but the drilling speed is For large collapses and cavities, it is difficult to determine the type of geology and the degree of hardness from the drilling speed.
In actual ground surveys, it is often important to check the condition of collapsed soil and cavities.
For example, when reinforcing material is injected into the back ground of an aged canal tunnel, the amount of injection varies greatly depending on whether the back surface is collapsed or hollow, so the ground is either collapsed or hollow. It is an important factor for the purpose of ground investigation. In such a case, drilling at regular intervals in the tunnel axis direction will allow you to know the presence and size of collapsible soil and cavities, so you can accurately predict the injection amount of the reinforcing material and devise a construction plan. Cheap.
Under such circumstances, the development of survey technology that can confirm the state of collapsed soil and cavities using drilling data obtained from rock drills has become an issue.
Therefore, the present invention aims to provide a ground investigation method that can distinguish ground, collapsed soil, cavities, etc., and can grasp the degree of hardness, using drilling data obtained from a rock drill. It was made.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Claim 1 of the ground investigation method based on the drilling data of the rock drill according to the present invention,
The ground at the location where the excavation bit strikes based on drilling data obtained from a rock drill configured to drill the drill bit attached to the rod tip by drilling, rotating, and advancing the rod. A ground survey method for determining the type of
It is characterized in that the ground is judged to be a cavity when the dominant frequency of the hammering pulsation wave of the rock drill is smaller than the boundary frequency obtained by calibration performed near the investigation location prior to the investigation. .
The invention of claim 2
The ground at the location where the excavation bit strikes based on drilling data obtained from a rock drill configured to drill the drill bit attached to the rod tip by drilling, rotating, and advancing the rod. A ground survey method for determining the type of
When the dominant frequency of the hammering pulsation wave of the rock drilling machine is smaller than the boundary frequency obtained by calibration performed near the survey site prior to the survey, the ground is determined to be a cavity, and the dominant frequency is determined to be the boundary frequency. A first step of determining that the ground is a collapsed soil or a natural ground when the frequency is greater than the frequency;
When the ground drilling speed of the rock drilling machine is larger than the boundary speed obtained by the calibration performed near the survey site prior to the survey when it is determined in the first step that the ground is a collapsed soil or a natural ground A second step of determining the ground as a collapsed soil and determining the ground as a natural ground when the excavation speed is smaller than the boundary speed;
It is characterized by comprising.
[0008]
The invention of claim 3
In the ground investigation method based on the drilling data of the rock drill according to claim 2,
When it is determined that the ground is a collapsed soil or a natural ground,
Based on the relationship between the degree of hardness of the collapsed soil or ground and the prevailing frequency of rock hammering pulsation wave obtained by calibration performed near the survey site prior to the survey, the dominant frequency of the ground Therefore, the degree of hardness is evaluated.
And the invention of claim 4
In the ground investigation method based on the drilling data of the rock drill according to claim 2,
When it is determined that the ground is a collapsed soil or a natural ground,
Based on the relationship between the degree of hardness of the collapsed soil or ground and the maximum amplitude of the hammering pulsation wave of the rock drilling machine obtained from the calibration performed near the survey site prior to the survey, the maximum amplitude of the ground It is characterized by evaluating the degree of hardness.
[0009]
Next, the principle by which the ground type can be identified based on the drilling data by the method of the present invention will be described.
First, in order to confirm whether or not it can be said that the drilling data and the actual ground type have a specific relationship, an experiment was conducted on a model ground as shown in FIG.
In this experiment, we applied the drilling logging method with a proven track record in excavation of medium-hard rocks, and knew the mechanical properties to identify the lining concrete, collapsed soil and cavities on the back of the canal tunnel. A model ground was created and a drilling experiment using a drifter was conducted.
[0010]
The used drifter was an impact auger drill HIA100 manufactured by Furukawa Machine Metal Co., Ltd. Sensors were attached to the drill jumbo, and drilling data, which is response data when drilling impact auger drills, was continuously collected and recorded.
The drilling speed was calculated from the drilling length and drilling time.
The items related to drilling control of the rock drill include feed pressure, impact pressure, impact count, rotational pressure, rotational frequency, and water pressure.
[0011]
The model ground is manufactured as a laminated body composed of a total of four types of materials assuming lining concrete, collapsible soil (two types), and natural ground. Each material was produced with the goal of constant uniaxial compressive strength. In this experiment, the apparent N value was measured by a cone penetration test.
Table 1 shows the uniaxial compressive strength and apparent N value of each material.
[Table 1]

[0012]
The experimental results for the model ground are shown in FIGS.
In FIG.
(A) is a graph of experimental results with the depth (drilling length (mm)) on the horizontal axis and the drilling speed (mm / s) on the vertical axis.
(B) is a graph of experimental results with depth (drilling length (mm)) on the horizontal axis and rotational pressure (MPa) on the vertical axis.
(C) is a graph of experimental results with depth (drilling length (mm)) on the horizontal axis and the number of impacts (bps (times / second)) on the vertical axis.
[0013]
In FIG.
(A) is a graph of experimental results with depth (drilling length (mm)) on the horizontal axis and impact pressure (MPa) on the vertical axis.
(B) is a graph of experimental results with depth (drilling length (mm)) on the horizontal axis and feed pressure (MPa) on the vertical axis.
(C) is a graph of experimental results with depth (drilling length (mm)) on the horizontal axis and water pressure (MPa) on the vertical axis.
As shown in FIG. 4 and FIG. 5 (d), in the horizontal axes of FIG. 4 and FIG. 5 (a), (b), (c),
Drilling length 0-250mm is A layer corresponding to lining concrete layer,
Drilling length 250-750mm is B layer assuming collapsed soil (1),
Drilling length of 750-1250mm is C layer assuming collapsed soil (2),
Drilling length 1250-1750mm is D layer assuming natural ground
It is the depth corresponding to.
[0014]
From (a) of FIG. 4, the drilling speed is considerably small at less than 5 mm / s in the A layer corresponding to the lining concrete, but the B layer and C layer assuming collapsed soil (1) and (2). It can be read that it is considerably large at 30 mm / s or more, and the D layer assuming a natural mountain shows an intermediate value of 10 mm / s to 30 mm / s.
From (b) of FIG. 4, the rotational pressure is as large as 3.5 to 4.0 MPa in the A layer corresponding to the lining concrete, but the B layer and C assuming the collapsed soil (1) and (2). It can be read that the layer is slightly less than 3.0 MPa, and the layer D that assumes a natural mountain is slightly higher than 3.0 MPa.
From FIG. 4 (c), the number of hits is as large as 25 to 45 bps in the A layer corresponding to the lining concrete, but once in the B layer and C layer assuming the collapsed soil (1) and (2). It can be read that it decreases to ˜20 bps and gradually increases, and increases to 40 to 50 bps in the D layer assuming a natural ground.
[0015]
From Fig. 5 (a), the impact pressure of the A layer corresponding to the lining concrete is as small as 4.0 to 6.0MPa, but the B layer assumes collapsed soil (1) and (2). It can be seen that the C layer has a large fluctuation of 2.0 to 8.0 MPa, and the D layer assuming a natural mountain has a slight reduction of 3.5 to 6.0 MPa.
From FIG. 5 (b), it can be read that the feed pressure hardly changes regardless of the drilling length.
From (c) of FIG. 5, it can be read that the water pressure hardly changes regardless of the drilling length.
[0016]
FIG. 6 shows the relationship between the drilling speed and the apparent N value in the experiment on the model ground, FIG. 7 shows the relationship between the rotational pressure and the apparent N value, and the number of hits and the apparent N value. The relationship with values is shown in FIG.
The apparent N value is used for diluvial clay and is converted from uniaxial compressive strength.
According to FIG. 6, since the drilling speed exponentially decreases as the apparent N value increases, it is possible to identify the apparent N value from the drilling speed. When it becomes large to some extent (apparent N value> about 10), the drilling speed tends to decrease and converge to a constant value, so the accuracy in estimating the apparent N value from the drilling speed seems to deteriorate. .
Further, according to FIGS. 7 and 8, it seems difficult to estimate the apparent N value from the rotational pressure and the number of hits.
[0017]
From the results of this experiment, it is recognized that the drilling speed in the A ground is about 3 mm / s and the drilling speed in the D ground is about 13 to 20 mm / s. Therefore, A ground and D ground can be distinguished.
However, in actual surveys, if the ground is hard and the drilling speed is as low as that of the lining concrete, the drilling speed alone identifies whether it is ground or lining concrete. It is not possible. However, since lining concrete (A ground) has a short drilling length, by comparing the drilling length with the thickness of the lining concrete that can be known in advance, it is determined whether it is a natural ground or lining concrete. It becomes possible to identify.
Also, in the case of surveys other than tunnels where there is no lining concrete, it is not necessary to distinguish between such natural ground and lining concrete.
[0018]
According to (a) of FIG. 5, in B ground and C ground, the impact pressure varies between about 2.0 and 8.0 MPa, and the variation range is about 6.0 MPa. ), The impact pressure changes between about 3.5 to 6.0 MPa, and the range of change decreases to about 2.5 MPa.
Therefore, it seems that B ground and C ground and D ground (ground) can be identified from the change width of the striking pressure.
In addition, according to (b) and (c) of FIG. 5, it seems that it is difficult to identify the kind of ground by feed pressure or water pressure.
[0019]
FIG. 10 (a) shows the waveform of the striking pulsation wave. This striking pulsation wave is a wave of hydraulic pulsation generated in response to the striking of the piston. As shown in the figure, this striking pulsation wave rides on a trend (a fluctuation component having a frequency much lower than that of the striking pulsating wave component: also called drift), and by removing the trend component ( As shown in b), the component of the striking pulsation wave can be obtained.
The spectrum of the striking pulsation wave was obtained by performing fast Fourier transform (FFT) on the waveform of the striking pulsation wave extracted from the striking pressure data measured at a sampling frequency of 2 kHz using a high-frequency data recording device.
From this figure, the dominant frequency of the striking pulsation wave tended to decrease when the ground became relatively soft, and increased when it became hard, corresponding to the average number of striking.
In order to observe the spectral change due to the vibration of the hole, the pulsating wave was evaluated by calculating the spectrum calculated from the pressure data of about 2 seconds (4096 at an interval of 0.0005 seconds) for every 2 cm of hole length. A running spectrum arranged in the depth direction was used.
[0020]
FIG. 11 shows the drilling speed ((a) of FIG. 11) and the running spectrum of the striking pulsation wave ((b) of FIG. 11) in the experiment on the model ground.
In the figure, the vertical axis represents the drilling depth. In this case, in the identification based on the drilling speed, it is possible to distinguish between the A ground (concrete) and the D ground (equivalent to the ground), but because the difference between the B ground and the C ground is small, the ground can be identified. Have difficulty.
On the other hand, the dominant frequency of the striking pulsation wave is 22 to 34 Hz for the B ground, 32 to 42 Hz for the C ground, and 48 Hz for the D ground. .
Therefore, the degree of hardness of the ground can be determined based on the dominant frequency.
In addition, the boundary part of B ground and C ground is partially hardened by the influence of compaction at the time of model ground preparation.
[0021]
FIG. 12 shows the maximum amplitude of the striking pulsation wave on the vertical axis. According to this graph, the maximum amplitude is different for each type of ground, and the tendency that the maximum amplitude decreases as the strength of the ground increases (harder).
Accordingly, the degree of hardness of the ground can be determined from the magnitude of the maximum amplitude of the striking pulsation wave.
[0022]
FIG. 13 shows the excavation length when the rod is re-inserted into the hole once drilled and the drilling length is plotted on the vertical axis, the drilling speed ((a) of FIG. 13), and the excellent pulsation wave It is the graph which took the frequency ((b) of Drawing 13) on the horizontal axis.
The drilling conditions in FIG. 13 correspond to the case of drilling a cavity, and the drilling speed varies from 40 to 60 mm / s depending on the depth, but the dominant vibration of the striking pulsation wave is 19 Hz. Has become dominant.
This is considered that the regular reciprocating motion of the piston at the time of drilling is reflected in the response result.
[0023]
FIG. 14 shows the Fourier spectrum of the striking pulsation wave. In this figure, the vertical axis represents the striking pulsation pressure and the horizontal axis represents the frequency, so that the magnitude of the striking pulsation pressure with an excellent frequency is expressed.
When (a) of FIG. 14 drills lining concrete, (b) drills B ground (collapse soil), (c) drills C ground (collapse soil), (D) is the Fourier spectrum of the striking pulsating wave when the D ground (ground) is drilled, and (e) is the blown pulsation wave when the cavity is drilled.
The degree of hardness of the lining concrete is uniform as a whole, the dominant frequency is concentrated at about 51 Hz, and component waves other than this dominant frequency are hardly seen. At the same time, component waves other than the dominant frequency are hardly seen even in the D ground equivalent to the natural ground. On the other hand, in the collapsed soil equivalent ground of (b) and (c), each component wave of the striking pulsation wave is widely distributed in a frequency band of about 20 to 40 Hz, and the Fourier amplitude value is also small. This indicates that the difference in hardness when drilling uneven ground containing hard gravel in sand has appeared in the frequency characteristics of the striking pulsation wave.
[0024]
From the above, the Fourier spectrum of the striking pulsation wave can be used to determine whether the hardness of the ground is uniform or not, and when no component waves other than the dominant frequency are observed, It can be determined that the degree of hardness is uniform as a whole.
In this way, it is clear that the dominant frequency of the striking pulsation wave shows much better sensitivity compared to the drilling speed for the B ground and C ground with small N values. It was found to be extremely effective for the determination of hardness.
[0025]
FIG. 15 shows the relationship between the dominant frequency of the striking pulsation wave and the ground type at the drilling depth for which the cone penetration test was performed. FIG. 16 shows the relationship between the dominant frequency of the striking pulsation wave and the apparent N value.
The prevailing frequencies are about 30 Hz for the B ground, about 42 Hz for the C ground, and about 49 Hz for the D ground, and are stable.
The dominant frequency increases as the apparent N value increases, but the change in the dominant frequency decreases as the apparent N value increases to some extent.
This can be said that the ground determination method using the dominant frequency of the striking pulsation wave is effective for the determination of soft ground such as B ground and C ground.
[0026]
The knowledge obtained from the experimental results for the above model ground is as follows.
1) It can be determined whether or not it is a cavity depending on whether the dominant frequency is smaller than a predetermined frequency (this is the boundary frequency).
2) When it is determined that the ground is not hollow, whether the ground is a collapsed soil, lining concrete or ground depending on whether the drilling speed is higher than a predetermined speed (this is the boundary speed). It is possible to identify whether it is a mountain.
3) When it is determined that the ground is lining concrete or ground, since the thickness of the lining concrete is known in advance, whether the excavation length is shorter than the thickness of the lining concrete, It is possible to identify whether it is lining concrete or natural ground.
[0027]
From the above knowledge, in the actual ground investigation, prior to the investigation, data such as boundary speed, boundary frequency, lining concrete thickness, etc. in the above knowledge are obtained in advance as judgment reference data, and the actual ground It was found that the type of ground can be identified by comparing the drilling data of the above with the judgment reference data.
By utilizing this fact, in the present invention, as described above, the determination reference data is obtained in advance prior to the investigation, and the excavation data obtained during the actual excavation is compared with the determination reference data. The type of ground was identified.
[0028]
The ground survey method based on the drilling data of the rock drill of the present invention has a high drilling capability, that is, in drilling survey using a rotary percussion type rock drill with high survey speed capability, drilling speed, impact pulsation It is an investigation method that enables estimation of ground type / situation (division of ground, collapsed soil, cavity, degree of hardness) by obtaining information on the dominant frequency and maximum amplitude of the wave.
In drilling surveys, estimation of the ground condition by examining only the drilling speed is difficult because it is difficult to estimate with high accuracy, such as the drilling speed varies, especially on soft and unconsolidated ground. In the ground investigation method based on the drilling data of the rock drill of the invention, by utilizing the information on the dominant frequency and maximum amplitude of the striking pulsation wave, a system that can maintain high-precision discrimination capability even on soft ground It is characterized by becoming. As a result, accurate and quick surveys can be applied to a wide range of grounds while utilizing the characteristics of drilling machines with excellent drilling capabilities.
[0029]
[Action]
As described above, according to the first aspect of the present invention, the dominant frequency of the hammering pulsation wave of the rock drill is smaller than the boundary frequency obtained by the calibration performed in the vicinity of the survey location prior to the survey. Sometimes the ground is determined to be a cavity.
According to the invention of claim 2, when the dominant frequency of the rock drilling pulsation wave of the rock drilling machine is smaller than the boundary frequency obtained by the calibration performed in the vicinity of the investigation location prior to the investigation, according to the first step. The ground is determined to be a cavity, and when the dominant frequency is greater than the boundary frequency, the ground is determined to be collapsed soil or ground.
Then, when it is determined in the first step that the ground is a collapsed soil or a natural ground, the drilling speed of the rock drilling machine is obtained by calibration performed in the vicinity of the survey site prior to the survey in the second step. When the speed is higher than the boundary speed, the ground is determined as collapsed soil, and when the excavation speed is lower than the boundary speed, the ground is determined as ground.
Therefore, whether the ground is a natural ground, a collapsed soil, or a hollow is identified by the above two-stage process.
[0030]
According to a third aspect of the present invention, in the ground survey method based on the drilling data of the rock drill according to the second aspect, the collapsed soil obtained by the calibration performed in the vicinity of the survey site in advance of the survey or Since the relationship between the degree of hardness of the natural ground and the dominant frequency of the rock drilling pulsation wave is grasped, when it is determined that the ground is a collapsed soil or a natural ground, the dominant vibration of the ground The degree of hardness of the ground is evaluated based on the number.
[0031]
According to the invention of claim 4, in the ground survey method based on the drilling data of the rock drill according to claim 2, the collapsed soil obtained by calibration performed in the vicinity of the survey site in advance of the survey or Since the relationship between the degree of hardness of the natural ground and the maximum amplitude of the rock drilling pulsation wave is known, when it is determined that the ground is a collapsed soil or a natural ground, the maximum amplitude of the ground Based on this, the degree of hardness of the ground is evaluated.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Below, the ground investigation method based on the drilling data of the rock drill according to the present invention will be described in detail based on the drawings showing the embodiments.
[0033]
FIG. 1 is an explanatory diagram of the work status of the ground investigation method based on the drilling data of the rock drill of the present invention.
In the figure,
1 is the existing lining concrete, and it is necessary to investigate the condition of the ground on the back for reinforcement work.
Reference numeral 2 denotes the ground on the back side of the lining concrete 1, which is composed of a collapsed soil portion A, a hollow portion B, and a natural mountain portion C.
Reference numeral 3 denotes an investigation device, which includes a BTV camera 31, a guide tube 32, a rod 33, an automatic feeding device 34, a cable 35, an image processing device 36, and an investigation carriage 37.
[0034]
FIG. 2 is an enlarged perspective view of the main part of the BTV camera 31 and shows a state in which the BTV camera 31 is set at the tip of the hollow rod 33, each having a length of 2 m. The BTV camera 31 is configured to take an image of the periphery perpendicular to the axis.
[0035]
FIG. 3A is a side view of the rock drill. A drifter is disposed at the tip of the boom of the rock drill.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating the internal structure of the drifter. In FIG. 9, a piston 41 is slidably disposed inside the drifter 4, and the piston 41 is reciprocated back and forth by alternately switching the oil pressure in the front chamber 42 and the rear chamber 43 of the piston 41 between high pressure and low pressure. Is. A shank rod 44 is connected to the tip of the piston 41, and the rod 6 is attached to the shank rod 44 via a sleeve 5. A bit 61 for rock drilling is attached to the tip of the rod 6. The drifter itself advances by the feed pressure.
[0036]
As described above, a surge pressure is generated by switching the hydraulic pressure supplied to the impact auger drill type hydraulic rock drill between a high pressure and a low pressure by a valve operation, and a pulsating wave is generated in the impact pressure.
When the oil flow changes abruptly due to the operation of a valve for switching oil, the surge pressure is converted into elastic energy, and propagates in the pipe as a pressure wave (oil hammer). The sudden pressure fluctuation that occurs at this time is called surge pressure, and the magnitude of the pressure is proportional to the change in the flow velocity of the pipe.
[0037]
When the object to be drilled becomes harder, the stroke in which the piston reciprocates becomes shorter and at the same time the reciprocating motion speed becomes faster, the switching frequency of the valve increases, and the number of striking pulsations also increases. However, when the drilling object becomes hard, the pulsation pressure itself decreases.
[0038]
In this way, the impact pulsation wave includes information on hardness and softness of the drilled object, and since periodic fluctuations are repeated, the signal obtained from the pressure sensor disposed on the drifter is subjected to Fourier frequency analysis or the like. By obtaining the spectral distribution, the characteristics of the striking pulsating wave can be grasped.
The dominant vibration frequency of the striking pulsation wave is the number of striking, and the ground condition can be investigated using the striking number.
[0039]
In the actual ground survey, first, in order to grasp the relationship between the drilling data and the actual ground type, calibration of the identification reference data is performed prior to the survey. (See step S11 and step S12 in FIG. 20)
The following survey is conducted for calibration on the ground near the surveyed ground.
First, for example, a borehole is drilled using an impact auger drill type hydraulic rock drill, and drilling data is collected from the rock drill in the drilling hole as shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b). ·Record. The drilling data to be recorded is at least the drilling length for each drilling time (to obtain the drilling speed later) and the waveform of the striking pulsation wave (to obtain the dominant frequency and maximum amplitude of the striking pulsation wave later). .)
18A shows the distribution characteristics of the drilling speed, and FIG. 18B shows the running spectrum of the striking pulsation wave.
In addition, (c) is a determination result, and (d) is a determination result by a professional engineer based on the hole wall image by the BTV camera.
[0040]
After collecting and recording the drilling data as described above, a research engineer with the ability to identify the type of ground by image is visually observed by inserting a camera into the borehole and identifying the image of the peripheral wall of the borehole. .
Then, based on the observation of the image by the engineer, the type of surrounding ground is determined for each depth of the borehole.
For example, a determination result by a professional engineer based on a well wall image as shown in FIG. 18D is obtained from an image of the peripheral wall at a certain point.
The determination result according to (d) of FIG.
0mm to 300mm lining concrete
300mm-1060mm gravel mixed sand layer
1060mm ~ 1790mm sand layer
1790mm ~ 2035mm Gravel mixed sand layer
2035mm-2735mm sand layer
2735mm ～ 2840mm Gravel mixed sand layer
2840mm-3055mm sand layer mixed with clay
3055mm-3325mm Gravel mixed sand layer
3325mm-3500mm cavity
Met.
When roughly classified, 300 mm to 3500 mm can be classified as collapsed soil.
[0041]
In FIG. 18, when the drilling depth is 3450 mm to 3700 mm, the drilling speed is as high as 50 mm / s, and the dominant frequency of the spectrum is as low as 30 to 32 Hz. With reference to the hole wall image, this portion is determined to be a cavity.
If it is limited to the investigation of existing tunnels, it can be said that the cavity usually exists in the lower part of the natural ground. In FIG. 18, when the depth of drilling is 3700 mm or deeper, the drilling speed is small, and the dominant frequency of the spectrum is stably large, so that it can be determined as a natural ground.
And since there is a portion where the dominant frequency of the spectrum is stable and small at the lower part of the natural ground, it can be determined that this portion is a cavity.
In the shallower part, the drilling speed is as large as about 40 to 60 mm / s, the dominant frequency varies from 35 to 40 Hz in the depth direction, and the change in hardness is large. With reference to the determination result, it is determined as collapsed soil.
Similarly, in FIG. 19, when the drilling depth is 200 to 900 mm, the dominant frequency of the striking pulsation wave is as low as 28 to 29 Hz. This portion coincides with the section determined as a cavity from the hole wall image obtained by the BTV camera.
Further, when the drilling depth is 900 mm or less, the drilling speed is reduced to 30 mm / s or less, the dominant frequency is 44 Hz or more, and it is determined as a self-supporting ground with reference to the determination result of the hole wall image.
[0042]
From the comparison of the above determination result and the hole wall image by the BTV camera, the drilling speed for determining the geological structure and the standard of the dominant frequency of the striking pulsation wave can be set as shown in Table 2. (See step S13 in FIG. 20)
[Table 2]

In Table 2, the lining concrete has a drilling speed of 0 to 10 mm / s, and the dominant frequency of the striking pulsation wave is 40 to 45 Hz. The lining concrete has the shallowest drilling depth.
The cavity has a drilling speed of 30 to 60 mm / s and a dominant frequency of the striking pulsation wave of 25 to 35 Hz.
The collapsible soil has a drilling speed of 30 to 60 mm / s and a dominant frequency of impact pulsation waves of 35 to 45 Hz.
The natural ground has a drilling speed of 0 to 30 mm / s and a dominant frequency of striking pulsation waves of 40 to 40.
That is, in Table 2, the boundary speed v ₀ Is 30 mm / s and the boundary frequency f ₀ Is 35 Hz.
In addition to the contents of Table 2, as a criterion used for the determination, a relationship for determining the difference in hardness between the natural ground and the collapsed soil is also obtained.
Specifically, the relationship between the degree of hardness and the dominant frequency of the striking pulsation wave is
“The harder, the higher the dominant frequency.”
Also, the relationship between the degree of hardness and the maximum amplitude value of the striking pulsation wave is
“The harder the value, the smaller the maximum amplitude value.”
That's it.
[0043]
Next, using the criteria set as described above, the portion that could not be confirmed from the hole wall image by the BTV camera is evaluated and determined.
For example, in FIG. 17, the dominant frequency with a drilling depth of 3550 mm to 4250 mm is as small as 31 Hz, so this portion is determined to be a cavity.
At shallower depths, the drilling speed is as high as 50 mm / s, but the dominant frequency changes at around 38 Hz, so it is determined as collapsing soil.
In addition, since the drilling speeds of the colluvium and the hollow portion are both 50 to 60 mm / s, it is difficult to distinguish both from the drilling speed alone.
From the above results, it is possible to distinguish the ground and lining concrete sections from the drilling speed, and for the collapsed soil and cavities, add information on the dominant frequency of the impact pulsation wave to the drilling speed information. It was confirmed that they could be identified.
It is difficult to distinguish between the natural ground section and the lining concrete section only by the drilling speed, but the natural ground and the lining concrete can be distinguished by the difference in the drilling length (depth).
In this way, by setting the criteria as shown in Table 2, the type of ground can be determined based on the drilling data.
[0044]
Next, as shown in step S14 of FIG. 20, it is confirmed whether or not the bit or rod of the rock drill has been changed. If changed, the process is repeated from step S11 and step S12. Proceed to step S15.
In the actual ground survey shown in step S15, as shown in the flowchart of FIG. 21, first, in step S21, the ground at the observation target location is drilled with the rock drill, and drilling data (drilling speed). v, dominant frequency f, drilling length (depth) L) are collected and recorded.
[0045]
Next, in step S22, the dominant frequency f is changed to the boundary frequency f in Table 2. ₀ Compare with
f ≦ f ₀ If so, proceed to step S23, f> f ₀ If so, the process proceeds to step S24. In step S23, it is determined that it is a cavity.
In step S24, the drilling speed v is changed to the boundary speed v. ₀ And v <v ₀ If so, go to step S25 and v ≧ v ₀ If so, the process proceeds to step S30.
[0046]
In step S25, the drilling length L is set to the thickness L of the lining concrete. ₀ Compared with L <L ₀ If it is, it will progress to step S26 and will determine with it being lining concrete.
L ≧ L ₀ If it is, it will progress to step S27 and will determine with it being a natural ground. Further, in step S28, the degree of hardness is determined based on the dominant frequency. Also, the degree of hardness can be determined by the amplitude of the striking pulsation wave.
After determining the degree of hardness, in step S29, the appearance of the peak of the striking pulsation pressure as shown in FIG. 14 is observed, and there are a plurality of peaks as shown in (b) and (c) of FIG. In some cases, it can be determined that the whole is not equal.
[0047]
In step S30, it is determined to be a collapsed soil.
In step S31, the degree of hardness is determined based on the dominant frequency.
To do. Also, the degree of hardness can be determined by the amplitude of the striking pulsation wave.
After determining the degree of hardness, in step S32, the appearance of the peak of the striking pulsation pressure as shown in FIG. 14 is observed, and there are a plurality of peaks as shown in (b) and (c) of FIG. In some cases, it can be determined that the whole is not equal.
The determinations in step S23, step S26, step S27, and step S30 correspond to step S16 in FIG.
[0048]
As described above, after the survey of the observation target part is completed, the next movement target part is moved.
When the investigation target location has moved greatly, calibration is performed again based on steps S11 and S12 of FIG.
[0049]
In this way, the observation target range is investigated while sequentially moving the observation target locations.
In addition, although the identification process of the kind of ground in each observation object location may be performed for every observation object location, after collecting drilling data of a some observation object location, you may carry out collectively.
[0050]
Note that the criteria shown in Table 2 vary somewhat depending on the ground subject to the survey. In addition, since there is no lining concrete in cases other than tunnels, it is easier to determine the type of ground.
[0051]
【The invention's effect】
According to the ground investigation method based on the drilling data of the rock drill according to claim 1 of the present invention, the presence or absence of a cavity in the target ground is determined based on the dominant frequency of the hammering pulsation wave of the rock drill. Can do.
Moreover, according to the ground survey method based on the drilling data of the rock drill according to claim 2 of the present invention, the type of the target ground is determined based on the excavation speed of the rock drill and the dominant frequency of the striking pulsation wave. Since it can be determined, it is not necessary to insert a borehole camera and an experienced engineer to see and determine the image, and an accurate ground survey can be performed quickly.
According to the third and fourth aspects, when it is determined to be a collapsed soil or a natural ground, the degree of hardness can be evaluated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration example of an embodiment of a ground investigation method based on drilling data of a rock drill according to the present invention and an enlarged perspective view of a main part thereof.
FIG. 2 is an enlarged perspective view of a main part of a BTV camera.
FIG. 3 is a side view illustrating an outline of a rock drill.
FIG. 4 is a graph showing drilling data in a model ground.
FIG. 5 is a graph showing drilling data in a model ground.
FIG. 6 is a graph showing drilling data in the model ground.
FIG. 7 is a graph showing drilling data in a model ground.
FIG. 8 is a graph showing drilling data in the model ground.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a drafter.
FIG. 10 is a graph showing drilling data in the model ground.
FIG. 11 is a graph showing drilling data in the model ground.
FIG. 12 is a graph showing drilling data in the model ground.
FIG. 13 is a graph showing drilling data in the model ground.
FIG. 14 is a graph showing drilling data in the model ground.
FIG. 15 is a graph showing drilling data in the model ground.
FIG. 16 is a graph showing drilling data in the model ground.
FIG. 17 is a graph showing drilling data in actual ground.
FIG. 18 is a graph showing drilling data in actual ground.
FIG. 19 is a graph showing drilling data in actual ground.
FIG. 20 is a flowchart of a ground investigation method based on drilling data of a rock drill.
FIG. 21 is a flowchart of a ground determination procedure.
[Explanation of symbols]
1 lining concrete
2 Ground (part A of collapsed soil, part B of hollow, part C of natural ground)
3 Survey equipment
31 BTV camera
36 Image processing device

Claims

The ground at the location where the excavation bit strikes based on drilling data obtained from a rock drill configured to drill the drill bit attached to the rod tip by drilling, rotating, and advancing the rod. A ground survey method for determining the type of
A rock drill characterized in that the ground is determined to be a cavity when the dominant frequency of the hammering pulsation wave of the rock drill is smaller than the boundary frequency obtained by calibration performed near the survey location prior to the survey. A ground survey method based on drilling data.

The ground at the location where the excavation bit strikes based on drilling data obtained from a rock drill configured to drill the drill bit attached to the rod tip by drilling, rotating, and advancing the rod. A ground survey method for determining the type of
When the dominant frequency of the hammering pulsation wave of the rock drilling machine is smaller than the boundary frequency obtained by calibration performed near the survey site prior to the survey, the ground is determined to be a cavity, and the dominant frequency is determined to be the boundary frequency. A first step of determining that the ground is a collapsed soil or a natural ground when the frequency is greater than the frequency;
When the ground drilling speed of the rock drilling machine is larger than the boundary speed obtained by the calibration performed near the survey site prior to the survey when it is determined in the first step that the ground is a collapsed soil or a natural ground A second step of determining the ground as a collapsed soil and determining the ground as a natural ground when the excavation speed is smaller than the boundary speed;
A ground survey method based on drilling data of a rock drill characterized by comprising:

In the ground investigation method based on the drilling data of the rock drill according to claim 2,
When it is determined that the ground is a collapsed soil or a natural ground,
Based on the relationship between the degree of hardness of the collapsed soil or ground and the prevailing frequency of rock hammering pulsation wave obtained by calibration performed near the survey site prior to the survey, the dominant frequency of the ground A ground survey method based on drilling data of a rock drill, characterized by evaluating the degree of hardness.

In the ground investigation method based on the drilling data of the rock drill according to claim 2,
When it is determined that the ground is a collapsed soil or a natural ground,
Based on the relationship between the degree of hardness of the collapsed soil or ground and the maximum amplitude of the hammering pulsation wave of the rock drilling machine obtained from the calibration performed near the survey site prior to the survey, the maximum amplitude of the ground A ground survey method based on drilling data of a rock drill characterized by evaluating the degree of hardness.