JP3856392B2

JP3856392B2 - 地盤掘削部前方の地山評価方法

Info

Publication number: JP3856392B2
Application number: JP2003339747A
Authority: JP
Inventors: 睦人川原; 敦樋川; 彦三今岡; 哲郎鈴木; 典由金子; 紀之歌川; 直人小泉; 享伴; 仁志鈴木; 真史川崎; 信明中村; 愼二木原; 生吾本田
Original assignee: Sato Kogyo Co Ltd
Current assignee: Sato Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP2005105651A

Description

本発明は、トンネル、立坑、地下発電所、地下備蓄施設、開削工事等の掘削に当たり、事前に掘削部前方の弱い地質帯の有無を予測する方法に関する。

例えば、トンネル掘削に当たっては、事前に切羽前方の地山状況、例えば軟弱地山帯への進入、断層破砕帯の存在などを事前に把握し、その対策を講じることが重要となる。

従来より、トンネル切羽前方の地質を探査する方法として、先進ボーリングにより地盤を採取する方法が多用されてきた。しかし、この先進ボーリングの場合には、長期間切羽を停止させるため工期が長期化する原因になるとともに、多くの調査費用を要するなどの問題があるとともに、断層や破砕帯を面的に捉えることが困難であるなどの問題があった。

そこで近年は、上記先進ボーリングに代わる手法として、各種の物理探査方法が提案され実用化されている。具体的には、表面波（レーリー波）、電磁波、反射波を用いる方法などが提案されている。

前記表面波を用いる方法としては、例えば下記特許文献１に、トンネル切羽の略中央に取り付けた起振機により切羽面に加振してレーリー波を発生させ、起振機から放射方向に所定距離だけ離れて設置した２箇所の検出器により切羽面を伝播するレーリー波を検出し、レーリー波の伝播時間差を分析して断層破砕帯等の地盤状況を探査する方法が開示されている。

また、電磁波を用いる方法としては、例えば下記特許文献２に、現在の地質の状況を表す反射データから電磁波の速度を決定して現在の地山の比誘電率を算定し、電磁波伝播により生じる振幅の減衰から伝播距離に対する距離減衰を推定し、これを補正することによって反射位相から本来の反射係数を算出して反射面以降に現出する地質の比誘電率を推定し、これにより反射面以降の地質を予測する方法が開示されている。

反射波を用いる方法としては、例えば下記特許文献３，４に、既に掘削した坑内において、起振装置と受振装置とを設置し、岩盤中の速度境界において反射した反射波を観測することにより岩盤の断層や破砕帯などの位置を推定する方法が開示されている。
特開平５−１１３０９７号公報特開２００２−１０６２９１号公報特開２００１−２４９１８６号公報特開２００２−１５６４５９号公報

しかしながら、前記表面波（レーリー波）、電磁波、反射波等を用いる物理探査方法の場合には、これらの物理探査計測器機をトンネル坑内に持ち込んでの計測となるため、計器の取扱いに熟練した専門技術者が必要になるとともに、やはり一時的に掘削を中断しての作業となるため工程が遅延する原因ともなっていた。また、多くの段取りと手間とを必要とするため、日常的な施工管理の一環として行えるものではなく、スポット的に断層や破砕帯に切羽が近付いた際に行われるものであったため、当初から予定していない断層や破砕帯との遭遇にはなかなか対処し得ないなどの問題があった。

そこで本発明の主たる課題は、特殊な物理探査計測機器を必要とすることなく、また掘進作業と併行しながら、日常的な施工管理の一環として、簡単に行い得る地盤掘削部前方の地山評価方法を提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、掘削壁面と切羽との境界点又は該境界点の近傍領域に設定した観測点を、１又は複数サイクルの掘削の前後において、トンネル軸方向変位、トンネル横断鉛直方向およびトンネル横断水平方向の三次元方向の内の少なくとも一方向について変位計測を行うとともに、この計測結果から前記１又は複数サイクルの掘削の影響による変位量を求める作業を順次繰り返し、前記トンネル軸方向変位量、トンネル横断鉛直方向変位量及びトンネル横断水平方向変位量のいずれか、又はこれら組合せの変位量が増大する傾向を示したならば、地山前方に弱い地層帯が存在していると判断することを特徴とする地盤掘削部前方の地山評価方法が提供される。

上記請求項１記載の本発明においては、掘削過程において、掘削壁面と切羽との境界点又は該境界点の近傍領域に設定した観測点が１又は複数サイクルの掘削の前後でどれだけ変位したかを繰り返し測定し、その変位量の増加傾向を観察することによって地山前方に弱い地層帯が存在するか否かを判断するものである。変位量に基づく判断は、具体的には前記トンネル軸方向変位量、トンネル横断鉛直方向変位量及びトンネル横断水平方向変位量のいずれか、又はこれら組合せの変位量が増大する傾向を示したならば、地山前方に弱い地層帯が存在していると判断することができる。

従って、特殊な物理探査計測機器を必要とすることなく、また掘進作業と併行しながら日常的な施工管理の一環として行い得るものとなる。

また、変位計測はトンネル軸方向変位、トンネル横断面方向（鉛直及び水平方向）の内の少なくとも一方向、好ましくは三次元方向について行うようにする。通常、トンネル掘削等の地盤掘削においては、日常的な施工管理のために、天端沈下測定や内空変位測定などの、所謂Ａ計測と呼ばれる計測が必ず行われる。このＡ計測は、近年では測距機能、測角機能を有するとともに、変位（ｘ、ｙ、ｚ）の計測が可能な計測機器が使われるのが一般的となっている。従って、坑内に設定した任意の観測点について、所定区間の掘削の影響による３次元の変位計測データを取得することは容易に可能である。

請求項２に係る本発明として、掘削壁面と切羽との境界点又は該境界点の近傍領域に設定した観測点を、１又は複数サイクルの掘削の前後において、トンネル軸方向変位、トンネル横断鉛直方向およびトンネル横断水平方向の三次元方向の内、トンネル軸方向変位、又はこのトンネル軸方向変位を含む組合せについて変位計測を行うとともに、この計測結果から前記１又は複数サイクルの掘削の影響による変位量を求める作業を順次繰り返し、前記トンネル軸方向変位量、又はこのトンネル軸方向変位を含む組合せの変位量が増大する傾向を示したならば、地山前方に弱い地層帯が存在していると判断することを特徴とする地盤掘削部前方の地山評価方法が提供される。

地山前方の地質予測は、トンネル軸方向変位量、トンネル横断鉛直方向変位量及びトンネル横断水平方向変位量のいずれか、又はこれら組合せの変位量の増減傾向に基づいて地山前方の地山状況を判断することが可能であるが、これら各変位量の内、地山前方に弱い地層帯が存在する場合に、最も顕著な変化を示す変位量はトンネル軸方向変位量であるため、このトンネル軸方向変位量を判断対象とするか、このトンネル軸方向変位量を含む組合せの変位量を判断対象とするのが望ましい。

また、実際のトンネル掘削においては、掘削直後の地山が支保工によって補強されることになる。従って、トンネル横断鉛直方向（Ｚ方向）およびトンネル横断水平方向（Ｙ方向）の変位は拘束されることになるが、トンネル軸方向（Ｘ方向）は支保の有無に拘わらず変形するため、この点からもトンネル軸方向変位量、又はこのトンネル軸方向変位量を含む組合せの変位量に基づいて判断するのが望ましい。

以上詳説のとおり本発明によれば、特殊な物理探査計測機器を必要とすることなく、また掘進作業と併行しながら、日常的な施工管理の一環として、簡単に地盤掘削部前方の地質予測を行い得るようになる。

以下、本発明の実施の形態例について図面を参照しながら詳述する。図１はトンネル掘削例を示す縦断面図である。

図１に示されるように、例えば発破工法による山岳トンネルの掘削の場合には、切羽Ｓの近傍に、ホイールジャンボ７，吹付け機８、ホイールローダなどのトンネル施工用重機が配置され、図示される例では上半及び下半一括の併行作業により掘削を行うミニベンチ工法により、上半及び下半のそれぞれにおいてロックボルト削孔及び装薬孔・装薬を併行して行った後、上半及び下半を一気に切り崩し、その後ズリ出し→当り取り→一次吹付け→支保工建込み→二次吹付け→ロックボルト打設の手順にて、掘削が所定区間長毎（１サイクル毎）に進められる。

一方、トンネル坑内には、天端沈下や内空変位計測等のために、３次元計測が可能な計測機器５が配置されているとともに、この計測機器５による計測データが現場事務所Ｈ内に設置されたコンピュータ１内に取り込まれるようになっている。

本発明に従ってトンネル切羽前方の地質を予測するには、トンネル壁面と切羽Ｓとの境界点又は該境界点の近傍領域に観測点Ｐを設定する。図１の例では、トンネル壁面と切羽Ｓとの境界点に観測点Ｐを設定している。なお、観測点Ｐはトンネル周方向の任意の位置とすることができるが、少なくとも天端の１点、または天端、両側部の３点とするのが望ましい。また、観測点Ｐの設置位置に係り、「近傍領域」とは、極直近である必要はなく、吹付けモルタル、吹付けコンクリートを施工した領域部分であってもよい。

そして、前記観測点Ｐにおいて、１サイクル又は複数サイクルの掘削の前後で変位計測を行い、その変位量を計測する。すなわち、前記観測点Ｐが１サイクル又は複数サイクルの掘削の影響によってどれだけ変位したかを測定する。なお、前記計測サイクルは掘削サイクル数に応じて固定し、変位量の比較条件を同一とする。また、前記計測は、掘削過程において、例えば１日毎又は所定の日数毎に定期的に繰り返し行うようにする。

仮に１サイクル毎に計測を行う場合の具体的手順について詳述すると、図２(A)に示されるように、トンネル壁面と切羽Ｓとの境界点に観測点Ｐ_ｉを設定し、この三次元座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）を測定する。次いで、１サイクルの掘削が完了したならば、その直後又はできるだけ早い段階に、図２(B)に示されるように、前記観測点Ｐiの三次元座標（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２）を測定するとともに、トンネル壁面と切羽Ｓとの境界点に観測点Ｐ_ｉ＋１を設定し、この三次元座標（Ｘ_３，Ｙ_３，Ｚ_３）を測定する。そして、１サイクルによる前記観測点Ｐ_ｉの変位量を（Ｘ_１-Ｘ_２，Ｙ_１-Ｙ_２，Ｚ_１-Ｚ_２）により算出する。以下、この手順に従って、順次、１サイクルの掘削を終了する度に、観測点Ｐ_ｉ＋１を（Ｘ_３-Ｘ_４，Ｙ_３-Ｙ_４，Ｚ_３-Ｚ_４）より求め、観測点Ｐ_ｉ＋２の変位量を求めるようにする。

前記変位計測は、Ｘ方向変位（トンネル軸方向）、Ｙ方向変位（トンネル横断の水平方向変位）、Ｚ方向変位（トンネル横断鉛直方向）の三次元方向に行うのが望ましいが、少なくともＸ方向変位（トンネル軸方向）の一次元方向変位は計測するようにする。

従来、管理のために行われるトンネル内計測においては、トンネル横断水平方向変位やトンネル横断鉛直変位にのみ着目して、地山の安定の程度を監視していたが、本発明では、地山前方に地層境界や破砕帯などの弱い地層帯が存在する場合には、トンネル軸方向変位量、トンネル横断鉛直方向変位量及びトンネル横断水平方向変位量のいずれか、又は組合せにおいて、その変位量の傾向に変化が現れる、との知見に基づくものであって、掘削の影響による変位量を監視することによって地山前方に弱い地層帯が存在するか否かを知ることが可能となる。

前記計測機器５によって計測された変位計測データは、ケーブル４によって事務所Ｈに設置されたコンピュータ１に送られ、コンピュータ１では、例えば図４に示されるように、観測点ＰのＸ方向変位量、Ｙ方向変位量、Ｚ方向変位量が横軸を距離程としたグラフ上にプロット表示されるようになっている。なお、同図において、トンネル軸方向（●）は天端観測点Ｐのトンネル軸方向変位量（Ｘ方向変位量）であり、天盤変位（■）は天端観測点Ｐのトンネル横断鉛直変位量（Ｚ方向変位量）であり、内空変位（▲）は側部観測点Ｐのトンネル横断水平方向変位量（Ｙ方向変位量）を示している。なお、上記例では変位計測データをケーブル４により事務所内コンピュータ１に送信するようにしたが、無線によりデータを送信してもよいし、トンネル坑内に設置したコンピュータによって処理を行うようにしてもよい。

管理者は、前記トンネル軸方向変位量、天盤変位量、内空変位量を増減傾向を常時目視観察し、トンネル軸方向変位量、トンネル横断鉛直方向変位量及びトンネル横断水平方向変位量のいずれか、又は組合せが増大する傾向を示したならば、地山前方に弱い地層帯が存在していると判断する。

（他の実施形態例）
(1)上記形態例では、トンネル掘削を例に採ったが、本発明は、立坑、地下発電所、地下備蓄施設、開削工事等の掘削においても適用が可能である。
(2)本出願人は先の特願2003-26336において、「掘削中のトンネル坑内に任意の観測点を設定し、所定区間の掘削の影響による前記観測点の変位を測定した変位計測データを取得し、前記トンネルの掘削進行状況を反映した３次元有限要素法解析モデルにおいて、前記計測データを与条件として逆解析を行うことにより切羽前方の地盤定数を同定する地盤掘削部前方の地質予測方法」を提案したが、この地山評価方法を行う前の予備的な地山評価方法として本発明を採用し、地山前方に弱い地層帯が存在すると判断されたならば、前記特願2003-26336に記載された高精度の手法を用いて地質予測を行うというように、段階的に行うようにしてもよい。

〔実施例１〕
次に、図３に示される三次元解析モデルによって、弱層が地山前方に存在する前提の下で、徐々に掘削が進行する過程で、観測点Ｐのトンネル軸方向変位、天盤変位、内空変位を算出し、これら変位の傾向を調べることにより、本発明の検証を行った。

計算に用いた係数は、ヤング係数；200000(kN/m²)、ポアソン比；0.30、荷重；600(kN/m²)とし、弱層のヤング係数は健全地山の１０分の１とした。また、解析は、側圧係数１．０、すなわち周辺等圧条件のケース、側圧係数０．５のケース、側圧係数２．０のケースの３ケースについて行った。その解析結果を図４〜図６に示す。

図４は周辺等圧状態の場合である。縦軸は変位量（m）、横軸は切羽から弱層までの距離（トンネル直径Ｄで除して無次元化）とした。同図より、弱層に徐々に近づくにつれてトンネル軸方向変位が上昇していることが分かる。また、天盤変位及び内空変位は弱層の直近で若干の上がり傾向を示していることが分かる。

次いで、図５は側圧係数＝０．５の場合である。この場合も側圧係数＝１．０の場合と同様に、弱層に近づくに従ってトンネル軸方向変位が増加傾向にあることが認められ、弱層の直近で天盤変位に若干の上がり傾向が認められる。

図６は側圧係数＝２．０の場合である。この場合も側圧係数＝１．０又は０．５の場合と同様に、弱層に近づくに従ってトンネル軸方向変位が増加傾向にあることが認められ、弱層の直近で内空変位に若干の上がり傾向が認められる。

これら３ケースの解析結果から、地山の荷重状態にかかわらず、少なくともトンネル軸方向変位については弱層に近づくに従って変位量が増加する傾向があることが分かる。

ところで、上記例では直接変位量を観察したが、間接的に変位量の差や、変位量差の勾配、トンネル軸方向変位／内空変位などを観察することでもよい。これらは表現が間接的であるだけで、本発明における「変位量の増減傾向」の概念に包括されるものである。

例えば、図７は図６の側圧係数＝２．０の解析結果を、縦軸をトンネル軸方向の変位差（今回の変位−前回の変位）とし、横軸を切羽から弱層までの距離としたグラフに表現し直したものであるが、この場合にもトンネル軸方向変位差は弱層に近づくにつれて上昇傾向にあることが認められる。また、図８は図４の周辺等圧条件の解析結果を、縦軸をトンネル軸方向変位／内空変位とし、横軸を切羽から弱層までの距離としたグラフに表現し直したものであるが、トンネル軸方向変位／内空変位は弱層に近づくにつれて上昇傾向にあることが認められる。

〔実施例２〕
実施例２では実際のトンネル施工現場において、本発明の実証を行った結果を示す。図９の下段側に示されるように、同トンネル施工の地山は当初の地盤調査により距離程634K906以降に弱層帯が存在していることが事前に判明していたため、距離程634K906以降は補助工法として先受け工法を併用しながらトンネル掘削を行った施工現場である。

前記弱層帯に至る前の時点から天盤の軸方向変位（Ｘ方向変位）と天盤の沈下（Ｚ方向変位）を測定し、実際の地山において、天盤の軸方向変位（Ｘ方向変位）と天盤の沈下（Ｚ方向変位）に変位量の傾向に変化が見られるか否かを検証した。

図９の上段側に示されるように、天盤軸方向変位量は弱層にある程度近づいた時点から変位量が上昇傾向を示すようになり、本発明の理論を実証し得る結果が得られた。また、天盤の沈下変位量については、上記実施例１では若干の上昇しか見られなかったが、この変位量もトンネル軸方向変位量と同様に、弱層にある程度近づいた時点から変位量は上昇傾向を示した。

実際の地山を対象とした掘削では、純粋な解析モデルとは異なり、色々な要素や条件が複雑であり、机上の解析通りとはならないことはもちろんであるが、少なくともトンネル軸方向変位量、好ましくはトンネル軸方向変位量、トンネル横断鉛直方向変位量及びトンネル横断水平方向変位量の３次元方向の変位量に着目し、これら変位量の増減傾向を観察することにより、地山前方に弱層が存在するか否かをかなり高い確率で検知できるものと思われる。

トンネル掘削例を示す縦断面図である。変位計測の要領図である。３次元有限要素モデル図である。実施例１における変位量と切羽から弱層までの距離との関係を示す解析結果図（その１）である。実施例１における変位量と切羽から弱層までの距離との関係を示す解析結果図（その２）である。実施例１における変位量と切羽から弱層までの距離との関係を示す解析結果図（その３）である。実施例１におけるトンネル軸方向変位差と切羽から弱層までの距離との関係を示す解析結果図（その４）である。実施例１におけるトンネル軸方向変位／内空変位と切羽から弱層までの距離との関係を示す解析結果図（その５）である。実施例２における変位量と弱層位置との関係を示す解析結果図（その６）である。

符号の説明

１…コンピュータ、Ｐ…観測点、５…計測機器、７…ホイールジャンボ、８…吹付け機、Ｓ…切羽

Claims

掘削壁面と切羽との境界点又は該境界点の近傍領域に設定した観測点を、１又は複数サイクルの掘削の前後において、トンネル軸方向変位、トンネル横断鉛直方向およびトンネル横断水平方向の三次元方向の内の少なくとも一方向について変位計測を行うとともに、この計測結果から前記１又は複数サイクルの掘削の影響による変位量を求める作業を順次繰り返し、前記トンネル軸方向変位量、トンネル横断鉛直方向変位量及びトンネル横断水平方向変位量のいずれか、又はこれら組合せの変位量が増大する傾向を示したならば、地山前方に弱い地層帯が存在していると判断することを特徴とする地盤掘削部前方の地山評価方法。
掘削壁面と切羽との境界点又は該境界点の近傍領域に設定した観測点を、１又は複数サイクルの掘削の前後において、トンネル軸方向変位、トンネル横断鉛直方向およびトンネル横断水平方向の三次元方向の内、トンネル軸方向変位、又はこのトンネル軸方向変位を含む組合せについて変位計測を行うとともに、この計測結果から前記１又は複数サイクルの掘削の影響による変位量を求める作業を順次繰り返し、前記トンネル軸方向変位量、又はこのトンネル軸方向変位を含む組合せの変位量が増大する傾向を示したならば、地山前方に弱い地層帯が存在していると判断することを特徴とする地盤掘削部前方の地山評価方法。