JP5694977B2 - 地山状況予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、地山状況予測方法に関する。

山岳トンネルでは、日常的に切羽観察や坑内変位計測を実施し、切羽状況や地山の挙動に応じた支保パターンにより施工管理を行う。

トンネルの掘進に伴い、地山状況が急に変化した場合には、遅滞なく支保パターンの変更や補助工法の適用などにより対応する必要がある。
ところが、急な支保パターン等の変更や補助工法の適用は、支保工（吹付けコンクリート、ロックボルト、鋼アーチ支保工）等の手配の判断ミスとなる場合があり、支保パターンが適合していないと、支保工を除去し再施工することになる恐れがある。

そのため、山岳トンネルの施工において、切羽前方の地山の状態を把握することができれば、適切な支保の選定が可能となり、安全かつより経済的に施工することが可能になる。

トンネル施工時における切羽前方の地山状況の探査方法としては、先進ボーリングや坑内弾性波探査がある。
ところが、先進ボーリングや坑内弾性波探査は、切羽近傍で作業を行うため、実施時にはトンネルの掘削作業を中断する必要があり、工期短縮化の妨げとなる場合があった。

一方、日常の施工管理として必ず実施する、坑内変位計測の結果を利用して、切羽前方の地山の状態を予測する場合がある。
例えば、非特許文献１には、トンネル軸方向の変位Ｌをトンネル天端の沈下量Ｓで除したＬ／Ｓ値が、均質な地山では一定値となるが、地山の強度が変化する場合はその境界の手前から徐々に変化する性質を利用して、切羽前方の地山状況の予測を行う切羽前方地山予測方法が開示されている。

また、特許文献１には、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いずれか、またはこれらの組合せの変位量の増減傾向に基づき、切羽前方の地山の軟硬を予測する切羽前方地山予測方法が開示されている。

特開２００５−１０５６５１号公報

Ｗ.Ｓｃｈｕｂｅｒｔ他，「Ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ」,「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ，１９９５ Ｖｏｌｕｍｅ ３」，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，Ａ．Ａ．Ｂａｌｋｅｍａ，１９９５，ｐ．１４１１−１４１４

前記従来の切羽前方地山予測方法は、トータルステーションによる坑内変位計測の結果に基づいて分析を行うことが一般的となっている。

ところが、トータルステーションを用いた変位計測は、計測時に掘削作業を止めて測量作業を伴うため、計測は一般的に１日１回程度である。また、各計測断面の間隔は、概ね２０ｍ程度であり、Ｌ／Ｓ値による予測を行う場合、その予測精度が粗くなる場合があった。

また、坑内変位計測には、比較的高精度なトータルステーションが用いられるが、その距離の測定精度は３ｍｍ程度である。そのため、計測変位がそれより十分大きくない場合には、計測誤差により地山の変位挙動を捉えることができないことがあった。

本発明は、前記の問題点を解決することを目的とするものであり、切羽前方の地山の状況の予測を、簡易かつ高精度に行うことが可能な地山状況予測方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、トンネル軸方向に沿った２点間距離がＬとなるようにトンネル天端部に２つの測点を設定する準備工程と、前記２つの測点間の傾斜角度と伸縮量とにより切羽前方の地山状況を予測する予測工程とを備える地山状況予測方法であって、前記準備工程は、前記２つの測点を結ぶ傾斜計および伸縮計を設置する作業を含み、前記予測工程は、距離ａだけ掘進する毎または一定の経過時間毎に、前記２つの測点間の傾斜角度Δθ_ｎおよび伸縮量ΔＬ_ｎを前記傾斜計および前記伸縮計により計測する計測作業と、前記傾斜角度Δθ_ｎおよび前記伸縮量ΔＬ_ｎを用いて沈下量ΔＳ_ｎを算出するとともに、ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値を算出する算出作業と、前記ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値を前回の予測工程で算出されたΔＬ_ｎ-1／ΔＳ_ｎ-1値と比較する比較作業とを備え、前記ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値が減少していく傾向が見られる場合には切羽前方に軟弱層が存在すると予測し、前記ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値が増加していく傾向が見られる場合には切羽前方に堅硬層が存在すると予測することを特徴としている。
なお、本明細書においてトンネル天端部とは、トンネル断面の肩部から上方の範囲をいう。

かかる地山状況予測方法によれば、トンネル天端部に設定された２つの測点間での傾斜角度と伸縮量とを計測することで、切羽前方の地山の状況を把握することができる。
傾斜角度および伸縮量の計測は、トンネル天端部に設けた傾斜計および伸縮計により行うため、掘削作業に影響をおよぼすことがない。

また、傾斜計および伸縮計は、一旦設置すれば、自動で連続計測を行うことができ、計測頻度を容易に上げることができる。そのため、計測の頻度や計測の間隔を密に行うことで、より高精度な計測を実施することが可能となり、現状の地山状況に対する切羽前方の地山状況の変化を見逃すことが少なくなる。

さらに、傾斜計および伸縮計を利用して２点間の傾斜角度と伸縮量を直接的に計測するため、高精度に計測することができる。

前記準備工程は、距離ａだけ掘進する毎に実施してもよい。
つまり計測断面の間隔を適宜設定し、傾斜計および伸縮計を盛り替えながら計測することで、より高精度に分析することが可能となり、また、傾斜計および伸縮計の設置数を必要最小限に抑えることでコスト削減を図ることが可能となる。

本発明の地山状況予測方法によれば、簡易かつ高精度に切羽前方の地山の状況を予測することが可能となる。

本発明の実施形態に係る地山状況予測方法における測定状況を示す断面図である。 測定装置の概要を示す斜視図である。 ２つの測点の傾斜角度と伸縮量を示す模式図である。 硬質層から軟弱層に変化する地層境界を備える地山を掘削する場合の解析結果を示す図であって、ΔＬ／ΔＳと算出位置との関係を示す図である。

本実施形態では、地山状況予測方法により切羽Ｋ前方の地山の状況を予測した上で、トンネルの掘進を行う場合について説明する。

地山状況予測方法は、準備工程と予測工程とを備えている。
準備工程は、図１に示すように、トンネル軸方向に沿って、トンネルＴの天端部に２つの測点１，２を設定する工程である。

本実施形態では、切羽Ｋから距離ｂ（本実施形態では１ｍ）だけ坑口Ｅ側（後方）に離れた位置に切羽Ｋ側の測点（以下、「第一測点」という）１を設置し、この第一測点１から坑口Ｅ側に距離Ｌ（本実施形態では１ｍ）だけ離れた位置に、坑口Ｅ側の測点（以下、「第二測点」という）２を設定する。
なお、切羽Ｋから第一測点１までの距離ｂおよび第一測点１と第二測点２との距離Ｌは、適宜設定すればよい。

第一測点１および第二測点２は、トンネルＴの天端（頂点）に設定されている。なお、第一測点１および第二測点２の配置は、トンネル断面の肩部から上方の範囲（トンネル天端部）であれば、限定されるものではない。

第一測点１および第二測点２を設定したら、両測点１，２を結ぶ測定装置３を設置する。
測定装置３は、２つの測点１，２間の傾斜角度と伸縮量を測定することができる装置、つまり、傾斜計と伸縮計とを兼ね備えた装置である。

本実施形態の測定装置３は、図２に示すように、本体部３１および固定部３２を備えている。
本体部３１は、伸縮可能に構成された筒状部材である。本実施形態の本体部３１は、２本の管材３３，３４からなり、一方の管材３３を他方の管材３４に挿入させることで、シリンダー状に形成されている。なお、本体部３１の構成は限定されるものではない。

本体部３１の内部には、傾斜計４と伸縮計５が配設されている。
傾斜計４は、本体部３１の坑口Ｅ側の端部に固定されていて、本体部３１の傾斜角度を計測することが可能に構成されている。なお、傾斜計４は、本体部３１の切羽Ｋ側の端部に固定されていてもよい。

伸縮計５は、一端が本体部３１の切羽Ｋ側端部、他端が本体部３１の坑口Ｅ側端部に固定されていることで、本体部３１の伸縮量を計測することが可能に配設されている。つまり、伸縮計５の一端側の固定点が一方の管材３３に設定されており、伸縮計５の他方の固定点が他方の管材３４に設定されている。

固定部３２，３２は、本体部３１の一端を第一測点１に、他端を第二測点２に固定する部材である。一方の固定部３２は、一方の管材３３に固定されており、他方の固定部３２は、他方の管材３４に固定されている。本実施形態では、第一測点１および第二測点２のそれぞれにおいて、吹付けコンクリート６に埋め込まれたアンカーである。なお、固定部３２の構成は限定されるものではなく、例えば、トンネルＴの支保工７に取り付けられた治具であってもよい。

本実施形態では、測定装置３の内部に傾斜計４および伸縮計５に接続された無線機８を設置しておくことで、無線によるデータ送信や計測等を実施することを可能に構成しておく。
なお、測定装置３の構成は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。また、傾斜計４および伸縮計５は、個別に設置してもよい。

測定装置３を設置したら、傾斜計４により傾斜角度θの計測を行う。このときに測定された傾斜角度θを初期値（傾き０°）とする。

予測工程は、２つの測点１，２間の傾斜角度Δθ_ｎおよび伸縮量ΔＬ_ｎにより切羽前方の地山状況を予測する工程である。
予測工程では、計測作業、算出作業および比較作業を実施する。

計測作業では、トンネルＴが距離ａだけ掘進する（施工サイクル）毎に、第一測点１および第二測点２間の傾斜角度Δθ_ｎおよび伸縮量ΔＬ_ｎを計測する（図３参照）。計測された傾斜角度Δθ_ｎおよび伸縮量ΔＬ_ｎは、無線機８を介して事務所等に置かれたコンピュータに送信される。

なお、傾斜角度Δθ_ｎおよび伸縮量ΔＬ_ｎの計測は、傾斜計４および伸縮計５に図示しないデータロガーを接続させておくことで、一定の経過時間毎に自動的に測定を行ってもよい。

算出作業では、傾斜角度Δθ_ｎおよび伸縮量ΔＬ_ｎを用いて沈下量ΔＳ_ｎを算出するとともに、ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値を算出する。
ここで、傾斜角度Δθは、トンネル掘進方向（軸方向）に対して、下向きの傾きを負とし、上向きの傾きを正とする。

沈下量ΔＳ_ｎは、式１により算出する。
ΔＳ_ｎ＝（Ｌ＋ΔＬ_ｎ）ｓｉｎΔθ_ｎ ・・・式１

なお、伸縮量ΔＬは微小なため、沈下量ΔＳ_ｎは、式２に表すことができる。
ΔＳ_ｎ≒ＬｓｉｎΔθ_ｎ ・・・式２

したがって、ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値は、式３により算出できる。
ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ＝ΔＬ_ｎ／ＬｓｉｎΔθ_ｎ ・・・式３

比較作業では、ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値を前回の算出作業で算出されたΔＬ_ｎ-1／ΔＳ_ｎ-1値と比較する。１回目の算出作業が終了した時点では、比較作業を実施することなく、次の施工サイクルの計測作業および算出作業を繰り返し実行する。

なお、ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値は、ＳｃｈｕｂｅｒｔらのＬ／Ｓ値と同様に、均質な地山では一定値となるが、地山が軟弱もしくは硬くなる場合に、その境界の手前から徐々に変化する性質を有している。

したがって、比較の結果、ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値に変化がない場合は、切羽前方の地山状況にはしばらく変化がないと予測する。また、ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値が減少していく傾向が見られる場合には切羽前方に軟弱層が存在すると予測する。さらに、ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値が増加していく傾向が見られる場合には切羽前方に堅硬層が存在すると予測する。

以後、トンネルＴの掘進が予め設定された距離だけ掘り進んだら、準備工程を実施して、新たな第一測点１および第二測点２を設定する。なお、２つの測点１，２を複数の個所に設定して、複数個所での傾斜角度Δθ_ｎおよび伸縮量ΔＬ_ｎの測定を行ってもよい。また、準備工程（測定装置の設置）を、トンネルＴが距離ａだけ掘進する（施工サイクル）毎に実施してもよい。

予測工程において、切羽前方の地山に、軟弱層の存在が予測された場合には、必要に応じて先進ボーリングや坑内弾性波探査等などの切羽前方地山探査や、先受け工や鏡ボルト等の補助工法や対策工を実施する。

また、トンネルＴの掘進に伴い、測定装置３の設置位置が切羽Ｋから所定長（例えば、１５ｍ程度）離れると、傾斜角度Δθ_ｎや伸縮量ΔＬ_ｎに変化が生じなくなるので、役目を終えた測定装置３は、切羽Ｋ側に移設する。

以上、本実施形態の地山状況予測方法によれば、簡易に切羽前方の地山状況を予測することができる。また、トンネル天端部に設定された二つの測点間で測定された傾斜角度および傾斜量により予測を行うため、トンネル掘削作業を中断する必要がない。そのため、切羽前方の地山状況の予測を日常の施工管理として実施することが可能である。

測定装置３の設置は、一次支保の施工と同時に行うことが可能なため、掘削作業に影響を与えることはない。

地山状況予測方法により軟弱層の存在が予測された位置において、先進ボーリングや坑内弾性波探査等などの切羽前方地山探査を実施すれば、切羽前方の軟弱層の正確な位置、層厚、強度特性を把握することができる。切羽前方地山探査の結果に応じて支保パターンの変更や補助工法の採用を予め決定することができるため、施工性に優れている。

また、測定装置３は、一旦設置すれば、自動で連続計測を行うことができ、計測頻度を容易に上げることができる。そのため、計測の頻度や計測の間隔を密に行うことで、より正確に計測することが可能となり、現状の地山状況に対する切羽前方の地山状況の変化を見逃すことが少なくなる。
また、計測断面の間隔（測定装置３の設置間隔）を密にする（例えば、１日１回測定装置３を盛り替える）ことで、軟弱層や硬質層の出現の見落としを防止することができる。

傾斜計および伸縮計を利用して２点（第一測点１および第二測点２）間の傾斜角度と伸縮量を直接的に計測するため、高精度に計測することができる。
測定装置３を盛り替えながら計測することで、より高精度に分析することが可能となり、また、測定装置３の設置数を必要最小限に抑えることでコスト削減を図ることが可能となる。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施形態では、トンネルの軸方向に沿って第一測点および第二測点を設定してが、第一測点および第二測点は、トンネル軸方向での傾斜角度および伸縮量を測定することが可能であれば、トンネル軸に対して傾斜して配置されていてもよく、必ずしも軸方向に沿って配置されている必要はない。

次に、本発明にかかる地山状況予測方法について検証した結果について説明する。
本検証は、トンネル天端部におけるトンネル軸方向の傾斜角度と伸縮量の変化を計測することにより、切羽前方の地山状況（地山の硬軟）を予測できることを三次元モデルによる掘削解析により検証した。

地盤は、線形弾性モデルとし、硬質層として地山等級ＤＩ、軟弱層として地山等級ＤIIと仮定し、硬質層から軟弱層に変化する地層境界を備えるモデルとした。解析用地盤物性値は、トンネル数値解析マニュアル（日本道路公団、１９９８年）などを参照して、各地山等級の代表値を採用した。表１に解析用地盤物性値を示す。
また、初期地圧は、トンネル天端位置に、土被り１００ｍ相当の地圧が作用するものとし、側圧係数は１．０とした。

解析では、地層境界を貫通するトンネルについて、地層境界におけるトンネル天端部の傾斜角度と伸縮量の変化を算出した。なお、傾斜角度および伸縮量の算出は、各算出位置（変位算出位置、角度算出位置）において切羽Ｋからの離れが２ｍ、５ｍ、１０ｍの位置において行った。なお、各算出位置ｙは地層境界からの距離で示す。
図４に、本解析モデルにおける、トンネル掘進にともなうΔＬ／ΔＳ値を示す。

なお、図４における算出位置ｙ＝−１０ｍの軸上にあるプロットのうち、「切羽離れ２ｍ」のプロットは、切羽が地層境界まで８ｍのところにあるときに、当該切羽から２ｍ坑口側で計測された値に基づいて算出したものであり、「切羽離れ５ｍ」のプロットは、切羽が地層境界まで５ｍのところにあるときに、当該切羽から５ｍ坑口側で計測された値に基づいて算出したものである。また、算出位置ｙ＝−１０ｍの軸上にあるプロットのうち、「切羽離れ１０ｍ」のプロットは、切羽が地層境界にあるときに、当該切羽から１０ｍ坑口側で計測された値に基づいて算出したものである。

図４に示すように、切羽離れ２ｍでのΔＬ／ΔＳ値は、地層境界から６ｍ程度手前から変化が現れ、４ｍ程度手前では、その変化量が大きくなっている。
また、切羽離れ５ｍでは、地層境界８ｍ程度手前からΔＬ／ΔＳ値に変化が生じてはじめ、６ｍ程度手前では、その変化量が大きくなっている。
さらに、切羽離れ１０ｍの場合は、地層境界から１２ｍ程度手前から、ΔＬ／ΔＳ値に変化が生じはじめている。

したがって、本発明の地山状況予測方法によれば、天端部の傾斜角度および伸縮量の変化を計測することで、切羽前方の硬質層または軟弱層の有無を予測が可能であることが実証された。

１ 第一測点
２ 第二測点
３ 測定装置
４ 傾斜計
５ 伸縮計
Ｋ 切羽
Ｔ トンネル
Δθ 傾斜角度
ΔＬ 伸縮量
ΔＳ 沈下量

Claims (2)

1. トンネル軸方向に沿った２点間距離がＬとなるようにトンネル天端部に２つの測点を設定する準備工程と、
   前記２つの測点間の傾斜角度と伸縮量とにより切羽前方の地山状況を予測する予測工程と、を備える地山状況予測方法であって、
   前記準備工程は、前記２つの測点を結ぶ傾斜計および伸縮計を設置する作業を含み、
   前記予測工程は、距離ａだけ掘進する毎または一定の経過時間毎に、前記２つの測点間の傾斜角度Δθ_ｎおよび伸縮量ΔＬ_ｎを前記傾斜計および前記伸縮計により計測する計測作業と、前記傾斜角度Δθ_ｎおよび前記伸縮量ΔＬ_ｎを用いて沈下量ΔＳ_ｎを算出するとともに、ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値を算出する算出作業と、前記ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値を前回の算出作業で算出されたΔＬ_ｎ-1／ΔＳ_ｎ-1値と比較する比較作業と、を備え、
   前記ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値が減少していく傾向が見られる場合には切羽前方に軟弱層が存在すると予測し、
   前記ΔＬ_ｎ／ΔＳ_ｎ値が増加していく傾向が見られる場合には切羽前方に堅硬層が存在すると予測することを特徴とする、地山状況予測方法。
2. 前記準備工程を、距離ａだけ掘進する毎に実施することを特徴とする、請求項１に記載の地山状況予測方法。

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