JP3721459B2 - トンネルの岩盤強度の計測方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネルの岩盤強度の計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トンネルの掘削作業において、岩盤の強度を知ることは重要である。
もちろんトンネルの計画時には事前に少数のサンプルを採取して岩盤の種類、強度を記録した想定図が作られている。しかし実際の岩盤は想定図の通りである例は少なく、急激な変化に遭遇してトンネル工事の掘進に障害が生じる場合も多い。
【０００３】
【本発明が解決しようとする課題】
岩盤の実際の強度を知る方法はためにはテストピースを切り取り、圧縮強度試験を行うか、あるいは弾性波を当ててその反射速度を測定するような方法で行うことができる。
しかしそのような従来の岩盤強度の計測方法にあっては、特にトンネルにおいて利用する場合には次のような問題点がある。
＜イ＞トンネルボーリングマシン（以下『ＴＢＭ』）を使用して岩盤にトンネルを掘削する場合に、切羽はＴＢＭ前面のカッターに隠れている。したがってテストピースを採取することはできず、弾性波試験を行うこともできない。
＜ロ＞ＴＢＭが通過した後の岩盤からテストピースを採取することはできるが、それはすでにＴＢＭが通過して、掘削が終了した位置での数値である。
したがって現状を知ることにはならない。
＜ハ＞後方でテストピースが採取できたとしても、それを試験室まで運搬し、圧縮力を与えてテスト結果を出すまでには多大な労力を要し、しかも時間的にも大きく遅れたものものとなる。
したがって記録作りにはともかく、施工を管理するためのデータとしては利用できない。
【０００４】
本発明は上記したような従来の問題を解決するためになされたもので、トンネルの施工中に、人が接近することのできない現実の切羽における岩盤の強度をただちに知ることのできる、岩盤強度の計測方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために本発明のトンネルの岩盤強度の計測方法は、トンネルボーリングマシンに、そのカッタートルク、推力、掘進速度、カッター回転速度を測定するためのセンサーを設置し、センサーから得た各種の計測値を利用し、掘削した瞬間の岩盤強度を求めるトンネルの岩盤強度の計測方法であって、過去に掘削通過した後の岩盤から採取したサンプルの加圧試験による実際の圧縮強度と、サンプル採取箇所でセンサーから得ていた各種の計測値から算出した岩盤強度とを比較して補正係数を把握し、前記掘削した瞬間の岩盤強度を補正係数により補正し、より近似な岩盤強度を求めるトンネルの岩盤強度の計測方法を特徴としたものである。
【０００６】
以下、本発明に至るまでの着想の経過技術について説明する。
【０００７】
＜イ＞ センサーの配置
ＴＢＭ１には各種のセンサー、すなわちカッタートルクセンサーＣ１、推力センサーＣ２、掘進速度センサーＣ３、カッター回転速度を測定するための回転センサーＣ４を設置する。
これらから求めた計測値を、岩盤強度に換算して実際に掘削中の岩盤の強度を求めるものである。
＜ロ＞カッタートルクと一軸圧縮強度との関係
（ i ）推力は、掘削深さ（切り込み深さｖ／Ｎ ）のα乗と、岩盤の強度のβ乗に比例する。
したがって、推力は数１の式（１）のように表現できる。
【０００８】
【数１】

【０００９】
（ ii ）カッタートルクと推力の比は、掘削深さの０．５乗に比例する。したがって、カッタートルクと推力の比は数１の式（２）のように表される。
（ iii ）上記の式（１）、式（２）からカッタートルクを求めると数１の式（３）のように表される。
【００１０】
＜ハ＞切り込み深さの影響を除いたカッタートルク、推力
式（１）によりＦ（推力）に基づいた岩盤の圧縮強度が得られ、式（３）よりカッタートルクに基づいた圧縮強度が得られる。
しかしこれらの式には切り込み深さ（ｖ／Ｎ）の影響が含まれている。
そこである切り込み深さで得られた推力、トルクを、基準切り込み深さ（ｖ／Ｎ）0 での値に変換する。ここでは仮に基準切り込み深さを平均的な５ｍｍ／ｍｉｎとする。
すると、変換した（基準化した）推力Ｆ5 、トルクＴ5 は数１に示す式（４）（５）で表される。
【００１１】
＜ニ＞試行区間での解析
（４）（５）式より、基準化した推力とトルクは、（１）（３）式から明らかなように、ある常数をかけることにより、地山の強度のβ乗を表すことになる。
α、βの値は通常ほぼ１であるが、カッタービットの構造などにより多少変化する。
そこで試行区間を定め、その結果を解析することによりさらに正確な値を求めることができる。
岩盤の強度を推力からもとめるか、あるいはカッタートルクから求めるかは、その掘削機の構造から掘削作用以外の影響をなるべく受けない数値を採用すべきである。両数値の平均値を採用することもできる。
【００１２】
【実施例】
次に実施例について説明する。
【００１３】
＜イ＞センサーの設置
ＴＢＭ１には各種のセンサー、すなわちカッタートルクセンサーＣ１、推力センサーＣ２、掘進速度センサーＣ３、カッター回転速度を測定するための回転センサーＣ４を設置する。
このような構成を採用することによって、掘削中において常時各種の数値を計測し続けることができる。こうしてまず多数のデータを蓄積しておく。
【００１４】
＜ロ＞試行区間によるデータの蓄積
試行区間を設けて、通過した後の岩盤からサンプルを採取する。
そのサンプルを試験室に運搬して実際に加圧試験を行い一軸圧強度を得る。実際の加圧試験によって得た圧縮強度と、試行区間においてセンサーによって蓄積したデータとを比較する。
このように、過去にＴＢＭのセンサーから得られた数値と、その位置の岩盤の実際の強度を比較すれば、演算に使用する補正係数、常数を決定することができる。
そこでこれらの補正係数などをパソコンを利用して上記の式に入力してただちに演算ができる状態にしておく。
【００１５】
＜ハ＞継続測定
演算に使用する補正係数、常数が決定しているから、センサーから得られた数値を上記の式に入力してただちに岩盤の圧縮強度を知ることができる。
すなわちＴＢＭの進行と同時にセンサーから数値が得られ、同時に岩盤の圧縮強度を得ることができる。
したがって、数秒おき、数分おき、などのように所定の時刻ごとに岩盤を掘削した瞬間の圧縮強度を知ることができる。
得られた圧縮強度の数値は、運転室２のオペレータが見える位置に配置した表示装置３上に表示したり、あるいは地上の管理室の表示装置４に表示する。
これらの数値が所定の数値以下、あるいは以上になったら、警報を発するように監視装置５を採用することも容易である。
【００１６】
【本発明の効果】
本発明のトンネルの岩盤強度の計測方法は以上説明したように、過去の実際の岩盤の圧縮強度と、センサーから得られた数値とを比較して係数を把握しこれを数式に入力して行う計測方法である。
したがって岩盤掘削の瞬間に、圧縮強度を知ることができる。そのために次のような効果を得ることができる。
【００１７】
＜イ＞従来もセンサーを利用して数値を把握する方法は利用されている。しかしそれらの従来の方法は、カッタートルク、推力、掘進速度をばらばらに数値として得るだけのものであり、それらの相互の複雑な関連性を有効に生かすものではなかった。
しかし本発明の方法は、センサーから得られた各種の数値を、『岩盤の圧縮強度』という一点に絞って演算して表示する方法である。
このように本発明の方法においては、各種の数値の複雑な関連性を明快な数値として把握できるので、従来のように技術者の経験や勘に頼って判断する方法に比較してきわめて有効なものである。
【００１８】
＜ロ＞ＴＢＭの進行状態をただちに判断できる。したがって現在の進行状態が最良であるか、あるいは速度を上げるべきか、減速すべきか、あるいは停止して補助工法を採用すべきか、迅速に決定することができる。
【００１９】
＜ハ＞補助工法の決定に際しても、先受け工法、薬液注入工法など各種の方法があるが、通常は接近することのできない先端の切羽の強度を把握できているので、その決定が容易である。
【００２０】
＜ニ＞ＴＢＭによって掘削されている先端の切羽の強度を掘削の瞬間に把握できるので、自動運転のための条件の確保に不可欠の方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトンネルの岩盤強度の計測方法の実施例の説明図。

Claims (1)

1. トンネルボーリングマシンに、そのカッタートルク、推力、掘進速度、カッター回転速度を測定するためのセンサーを設置し、センサーから得た各種の計測値を利用して、掘削した瞬間の岩盤強度を求めるトンネルの岩盤強度の計測方法であって、
   過去に掘削通過した後の岩盤から採取したサンプルの加圧試験による実際の圧縮強度と、
   サンプル採取箇所でセンサーから得ていた各種の計測値から算出した岩盤強度とを比較して補正係数を把握し、
   前記掘削した瞬間の岩盤強度を補正係数により補正し、より近似な岩盤強度を求める、
   トンネルの岩盤強度の計測方法。

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