JP4562158B2

JP4562158B2 - 岩盤の亀裂計測方法及びその装置

Info

Publication number: JP4562158B2
Application number: JP2001002465A
Authority: JP
Inventors: 孝一新; 山芳樹中; 仲正弘田
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2021-01-10
Also published as: JP2002206907A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下又は地上に構造物を建造する場合又はダム等を建造する場合あるいは岩盤応力測定をする場合、あるいは地熱開発の場合実施する、岩盤の亀裂を計測する位置にボーリング孔を掘削し、そのボーリング孔の内壁に密着して作用する孔内加圧器をボーリング孔に挿入し、その孔内加圧器を加圧して孔内壁の亀裂を開口する岩盤の亀裂を計測する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
岩盤の孔内壁の亀裂を観察する方法のうち、ボアホールテレビを用いる場合には、密着した亀裂を検出できないことが多い。内圧をかけて亀裂を開口させてその形状を表面に写し取る型どりパッカーを用いる場合には、かけた内圧で亀裂が開かない場合でもその時点で亀裂が開口したかどうかわからないので、一旦型どりパッカーを孔から引き出した上で、やり直さなければならない。また、亀裂が開口していた場合でも、亀裂が実際に開口した時の圧力はわからない。さらにまた、開口した亀裂が複数あっておのおのが異なる内圧で開口していた場合でも、各亀裂が実際に開口した圧力を知ることができない。このように従来の技術では、亀裂の形状と、それがいかなる内圧で開口するかという力学特性を同時に計測することができない。また、異なる内圧で開口する複数の亀裂がある場合に、各亀裂の開口する圧力を知ることができない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した様な従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、岩盤の強度及び亀裂の形状およびその開口圧力、閉合圧力及び岩盤の強度等の正確なデータを得るための、岩盤の亀裂を計測する方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、岩盤２０の亀裂２０ａを計測する位置にボーリング孔２１を掘削し、そのボーリング孔２１の内壁に密着して作用する孔内加圧器１を前記ボーリング孔２１に挿入し、その孔内加圧器１を加圧してボーリング孔２１の内壁の亀裂２０ａを計測する岩盤の亀裂計測方法において、膨張可能な弾性筒体２の表面に円周方向および軸方向に間隔をおいてそれぞれ複数の電極１５を設けた導電性弾性体１４を有し、そして筒体２に加圧流体を圧送する流路５ｂが形成されている孔内加圧器１を準備し、前記ボーリング孔２１内に孔内加圧器１を挿入し、筒体２内に加圧流体を加圧圧送して亀裂２０ａの所で筒体２を膨張させて導電性弾性体１４の膨張に伴う２つの電極１５ａ、１５ｂ間のインビーダンスの変化を検出し、そのインビーダンスの変化によって亀裂２０ａを計測するようになっている。
【０００５】
また本発明によれば、前記筒体２を膨張させた後に、孔内加圧器１内部の加圧流体を減圧し、加圧により開口した亀裂２０ａを閉合し、閉合に伴う導電性弾性体１４の長さの変化に伴う２つの電極１５ａ、１５ｂ間のインビーダンスの変化を計測するのが好ましい。
【０００６】
そして、本発明によれば、岩盤２０に亀裂２０ａを計測する位置にボーリング孔２１を掘削し、そのボーリング孔２１の内壁に密着して作用する孔内加圧器１を前記ボーリング孔２１に挿入し、その孔内加圧器１を加圧してボーリング孔２１の内壁の亀裂２０ａを計測するための岩盤の亀裂計測装置において、前記孔内加圧器１は両端が固定金具３、４で取付けられている膨張可能な弾性筒体２を備え、その弾性筒体２の内部には加圧流体を圧送する流路５ｂを有する心棒５が前記固定金具３、４に固定され、その弾性筒体２の表面に円周方向および軸方向に複数の電極１５が間隔を設けて取付けられている導電性弾性体１４を有し、それらの各電極１５はマトリックススイッチ１７ａを介して計測器１７に接続されており、さらに前記流路５ｂに加圧流体を圧送する加圧器１３を備えている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照にして、本発明の実施の形態を説明する。図１乃至３に示すように、本発明に使用される孔内加圧器１は、破砕パッカーと称され、膨張可能な弾性筒体であるゴム筒２の両端に固定金具３、４が取り付けられ、そのゴム筒２内には心棒５が挿入されている。そして、一方の固定金具３に当接したプレート６がボルト７で心棒５に固定され、心棒５の段部５ａに当接したプレート８がボルト９で固定金具４に固定され、固定金具３、４と心棒５との当接面にはシール用のＯリング１０が介装されている。このようにしてゴム筒２は心棒５に気密に、かつ強固に取り付けられている。また、心棒５にはゴム筒２へ加圧流体を圧送する流路５ｂが形成され、流路５ｂはパイプ１１及び切替弁１２を介して加圧器１３に接続されている。
【０００８】
ゴム筒２の表面には導電性弾性体１４が被覆され、導電性弾性体１４には多数個の電極１５が所定間隔で設けられている。図に示されるように、この実施の形態では、円周方向各８個の電極１５が軸方向に３列設けられ、各電極１５は信号線１６を介して計測器１７に接続されている。また、流路５ｂには圧力変換器１８が設けられ、その圧力変換器の圧力信号も信号線１６を介して計測器１７に入力するようになっている。
【０００９】
なお、孔内加圧器１は、例えばその長さは５００ｍｍ、ゴム筒２の外径は５８ｍｍ、長さは２５０ｍｍ、固定金具３、４の外径は６４ｍｍである。そして、ゴム筒２の表面は薄い導電性弾性体１４で被覆され、ゴム筒２の中心及び中心から上下６０ｍｍの位置に各８個の電極１５が円周に設けられている。
【００１０】
計測器１７はマトリックススイッチ１７ａと抵抗・圧力測定器１７ｂで構成されている。マトリックススイッチ１７ａが切り替わることにより、隣り合う２つの電極１５、１５が抵抗・圧力測定器１７ｂに接続され、抵抗・圧力測定器１７ｂで電極１５、１５間のインピーダンスが演算され、圧力変換器１８の圧力信号と共にインピーダンスを記録するようになっている。
【００１１】
次に本発明の動作を説明する。図４に示すように計測する岩盤２０にボーリング孔２１を穿け、挿入棒２２を使用して孔内加圧器１をボーリング孔２１に挿入する。そして、切替弁１２孔内加圧器側に開くと、加圧器１３の高圧水はパイプ１１、心棒５の流路５ｂを介してゴム筒２内に流入し、ゴム筒２は膨らみボーリング孔２１に密着し、さらに膨らんでボーリング孔２１内壁に有る既存の亀裂を開口させたり、新たな亀裂を発生させる。
【００１２】
このように加圧器１３から高圧水を孔内加圧器１に送る過程において、計測器１７のマトリックススイッチ１７ａは順次切替えられ、各電極１５間のインピーダンスが演算され、圧力変換器１８の圧力信号と共にインピーダンスを順次記録する。そして、圧力とインピーダンスとの関係に基づいて岩盤２０の亀裂の有無及び形状を計測する。また切替弁１２を切り替えることにより孔内加圧器内部の高圧水を徐々に減圧し、加圧により開口した亀裂を閉合することが出来る。以後、切換弁を開閉して加圧減圧を数回繰り返し計測することにより、精度の良い圧力とインピーダンスの関係を計測することが出来る。
【００１３】
図５に示すように、ボーリング孔２１に挿入された孔内加圧器１を加圧し、孔壁の亀裂２０ａが開いた場合には、ゴム筒２は電極１５ｂと１５ｃの間が大きく膨張し、抵抗圧力測定器１７ｂで演算されるインピーダンスが増大する。そして、圧力変換器１８の圧力信号と共にインピーダンスが抵抗・圧力測定器１７ｂで記録され、図６に示すようにデータが得られる。即ち、図６に示すように亀裂のない１５ａ−１５ｂ間に比べ、電極１５ｂ−１５ｃ間は亀裂の開口したａ点から電極間の抵抗が大幅に増大する。また、孔内加圧器内部の高圧水を減圧し、加圧により開口した亀裂を徐々に閉合することにより、ゴム筒２は電極１５ｂと１５ｃの間が大きく収縮し、抵抗・圧力測定器１７ｂで演算されるインピーダンスが大きく減少する。すなわち図６に示すように亀裂のない部分の電極１５ａ〜１５ｂ間に比べ、電極１５ｂ−１５ｃ間は亀裂の閉合したａ´点から電極間の抵抗の変化が減少する。
【００１４】
また、図７に示すように、亀裂２０ｘがボーリング孔２１に対して斜めに有る場合には、孔内加圧器１にＡ〜Ｃの３列に設けられた各電極（１〜８）に対し、図８に符号ｘで示すように亀裂開口位置が順次移動して検出され、その傾き・方向を知ることができる。
【００１５】
この位置の計測が終わったならば、切替弁１２を大気へ開放して孔内加圧器１を収縮し、ボーリング孔２１の奥へ孔内加圧器１を移動し、再び切替弁１２を切替えて計測をする。このようにして岩盤２０の亀裂の有無、形状、及び亀裂が開口ないし閉合するときの圧力を計測する。
【００１６】
また、孔内加圧器１に設けられている電極１５の設置間隔を密にすることにより、亀裂の方向及び傾きをより精度よく計測することができるようになる。
なお、この実施の形態では、孔内加圧器１を高圧水で加圧しているが、高圧空気、高圧油等で加圧してもよい。
【００１７】
【発明の効果】
以下に本発明の効果を記載する。
本発明の岩盤の亀裂計測方法および亀裂計測装置は、岩盤に穿けたボーリング孔に複数の電極を設けた孔内加圧器を挿入し、孔内加圧器を加圧ないし減圧して亀裂を開口、閉合し、圧力と電極間のインピーダンスの変化の関係に基づいて岩盤の亀裂を計測しているので、亀裂の形状およびその開口、閉合圧力および岩盤強度等の正確なデータを得ることができる。
【００１８】
このように亀裂の形状とそれが開口・閉合する圧力等を正確に知ることにより、本発明が属する技術分野において例えば次のようなメリットが生じる。
【００１９】
ａ．グラウト施工や地熱開発などにおける亀裂特性の計測
岩盤内には不連続面があるのが普通である。例えば、ボーリング孔からセメントモルタルなどを圧入して岩盤の補強や止水をするグラウト施工において、そのモルタルがどの不連続面を通ってどの方向に充填されていくのか、ということが重要な問題になる場合がある。また、高温の岩盤内にボーリング孔から常温の水を圧入して、別のボーリング孔から高温の蒸気や熱水を回収するタイプの地熱技術においても、圧入した水がどの方向に流れていくのかが重要な関心事となる。
岩盤内の不連続面に応じてボーリング孔の内壁には複数の既存亀裂が観察される。圧入したセメントモルタルや水は、圧入圧力に応じて開口した既存亀裂に流れ込むので、どのような圧力で圧入するかによって流れていく方向が変る場合がある。そのため、孔内壁の各亀裂がいくら以上の圧力で開口するのか、またいくら以下の圧力で閉じるのかを知ることが重要となる。本発明はそれを可能にする。
【００２０】
ｂ．岩盤応力の正確な測定
水圧破砕法で岩盤応力を測定する場合、簡単のため縦方向の破砕亀裂が生じる場合について述べると、亀裂が発生した時の内圧Ｐｂ、その亀裂を一旦閉じた後に再開口した時の内圧Ｐｒ、シャットイン圧力Ｐｓ及び岩盤の引張り強度Ｔを用いることにより、孔軸に垂直な面内での最大応力ＳＨと最小応力Ｓｈが次のように表されることになる。
ＳＨ＝３Ｓｈ−Ｐｂ＋Ｔ（１）
ＳＨ＝３Ｓｈ−Ｐｒ（２）
Ｓｈ＝Ｐｓ（３）
これは、水圧破砕法による岩盤応力測定の基本概念であり広く用いられているものである。しかし、Ｐｓの測定値は一般に信頼されているものの、Ｐｂ、特にＰｒの測定値には大きな誤差が含まれることが指摘されている。すなわち、Ｐｂは水の浸透条件によっては式（１）と異なる式を用いるべき場合がある。またＰｒは水圧の時間変化曲線から読み取ることは非常に困難であり、読み取ったとしても式（２）が成立しない。このため水圧破砕法で求める岩盤応力のうち、ＳＨにはよい精度があるとはみなされていない。従来の水圧破砕法ではＳＨは求められないと断定する研究報告もある。
【００２１】
本発明の亀裂計測方法では、孔内壁に水圧を加圧しないので上に述べたようなＰｂ、Ｐｒの測定上の問題が生じず、測定したＰｂ、Ｐｒに正しく式（１）、（２）を適用することができる。そのため、ＳＨを正確に求めることが可能となる。また同時に岩盤の引張り強度Ｔも求めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の岩盤の亀裂計測装置の孔内加圧器の一実施形態を示す斜視図。
【図２】孔内加圧器の縦断面図。
【図３】孔内加圧器の横断面図。
【図４】本発明による岩盤の亀裂計測方法を説明する模式図。
【図５】孔壁の亀裂開口部分を示す断面図。
【図６】亀裂開口、閉合による電極間抵抗の変化を示すグラフ。
【図７】ボーリング孔に対して亀裂が傾斜している場合の検出を説明する図。
【図８】図７のＡ〜Ｃ各位置での亀裂検出を示す図。
【符号の説明】
１・・・孔内加圧器
２・・・ゴム筒
３、４・・・固定金具
５・・・心棒
５ａ・・・段部
５ｂ・・・流路
６、８・・・プレート
７、９・・・ボルト
１０・・・Ｏリング
１１・・・パイプ
１２・・・切替弁
１３・・・加圧器
１４・・・導電性弾性体
１５・・・電極
１６・・・信号線
１７・・・計測器
１７ａ・・・マトリックススイッチ
１７ｂ・・・抵抗・圧力測定器
１８・・・圧力変換器
２０・・・岩盤
２１・・・ボーリング孔
２２・・・挿入棒

Claims

岩盤（２０）の亀裂（２０ａ）を計測する位置にボーリング孔（２１）を掘削し、そのボーリング孔（２１）の内壁に密着して作用する孔内加圧器（１）を前記ボーリング孔（２１）に挿入し、その孔内加圧器（１）を加圧してボーリング孔（２１）の内壁の亀裂（２０ａ）を計測する岩盤の亀裂計測方法において、膨張可能な弾性筒体（２）の表面に円周方向および軸方向に間隔をおいてそれぞれ複数の電極（１５）を設けた導電性弾性体（１４）を有し、そして筒体（２）内に加圧流体を圧送する流路（５ｂ）が形成されている孔内加圧器（１）を準備し、前記ボーリング孔（２１）内に孔内加圧器（１）を挿入し、筒体（２）内に加圧流体を加圧圧送して亀裂（２０ａ）の所で筒体（２）を膨張させて導電性弾性体（１４）の膨張に伴う２つの電極（１５ａ、１５ｂ）間のインビーダンスの変化を検出し、そのインビーダンスの変化によって亀裂（２０ａ）を計測することを特徴とする岩盤の亀裂計測方法。
前記筒体（２）を膨張させた後に、孔内加圧器（１）内部の加圧流体を減圧し、加圧により開口した亀裂（２０ａ）を閉合し、閉合に伴う導電性弾性体（１４）の長さの変化に伴う２つの電極（１５ａ、１５ｂ）間のインビーダンスの変化を計測する請求項１記載の岩盤の亀裂計測方法。
岩盤（２０）に亀裂（２０ａ）を計測する位置にボーリング孔（２１）を掘削し、そのボーリング孔（２１）の内壁に密着して作用する孔内加圧器（１）を前記ボーリング孔（２１）に挿入し、その孔内加圧器（１）を加圧してボーリング孔（２１）の内壁の亀裂（２０ａ）を計測するための岩盤の亀裂計測装置において、前記孔内加圧器（１）は両端が固定金具（３、４）で取付けられている膨張可能な弾性筒体（２）を備え、その弾性筒体（２）の内部には加圧流体を圧送する流路（５ｂ）を有する心棒（５）が前記固定金具（３、４）に固定され、その弾性筒体（２）の表面に円周方向および軸方向に複数の電極（１５）が間隔を設けて取付けられている導電性弾性体（１４）を有し、それらの各電極（１５）はマトリックススイッチ（１７ａ）を介して計測器（１７）に接続されており、さらに前記流路（５ｂ）に加圧流体を圧送する加圧器（１３）を備えていることを特徴とする岩盤の亀裂計測装置。