JP5720967B2 - 前方地山の探査方法 - Google Patents

Description

本発明は、主として山岳トンネルの切羽前方に拡がる地山の地盤性状を探査する際に適用される前方地山の探査方法に関する。

山岳トンネルを掘削するにあたり、切羽前方に拡がる地山の性状を適切かつ高い精度で把握することは、支保工及び補助工を含めた掘削工事全体を効率よくかつ安全に進めていく上で非常に重要である。

トンネル切羽の前方探査を行う技術として、ドリルジャンボ（パーカッション型削孔機）やノンコア先進ボーリングマシン（ロータリー・パーカッション型削孔機）を利用したノンコア削孔による穿孔探査が知られているが、最近では、水圧ハンマーを用いた穿孔探査も試みられるようになってきた（特許文献１，２）。

水圧ハンマーは、削孔ロッドを介してボーリングマシンから伝達される給進力及び回転トルクを削孔面に作用させつつ、内蔵されたハンマーピストンを高圧水で往復動させることで該削孔面に打撃力を作用させることができる先端打撃式の削孔機であって、削孔ロッドの基端側で打撃力を与えるトップハンマー式の削孔機に比べ、削孔ロッド同士の継目でエネルギーロスが生じないため、削孔可能な深度が大きく、削孔速度も大きい。

そのため、水圧ハンマーによる前方探査が可能になれば、より遠くの地山を調査できる。

水圧ハンマーを用いたトンネル切羽の前方探査としては、水圧ハンマーへの送水流量Ｑ及び送水圧Ｐと掘進速度Ｖから削孔エネルギーの指標値Ｅを算出し、これを給進力（フィード圧）で補正することで、切羽前方の地山における空洞部や割れ目の検出が試みられている（特許文献２）。

特開２０１２−１９３５９２号公報 特開２００７−２７７９４０号公報

しかしながら、水圧ハンマーは、ある程度の大きさの反力を削孔面から受けないと、打撃が開始されない構造になっており、軟らかい地盤の場合には、反力が得られずに打撃が行われない場合があるが、打撃が行われていないときにも、構造上、ビット先端から水が排出されるようになっている。

そのため、送水流量から打撃回数を推定するには限度があり、送水流量と打撃回数が比例することを前提とした上述の評価方法では判定精度が不十分で、信頼性の高い前方探査を行うことが困難であるという問題を生じていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、水圧ハンマーを用いて前方地山の地盤性状を探査を行う場合に信頼性を向上させることが可能な前方地山の探査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る前方地山の探査方法は請求項１に記載したように、ボーリングマシンに装着した削孔ロッドの先端に水圧ハンマーを取り付け、該水圧ハンマーで切羽等の露出面の前方に拡がる地山を削孔することにより、該前方地山の地盤性状を探査する前方地山の探査方法において、
前記削孔ロッドを介して前記ボーリングマシンから前記水圧ハンマーに伝達される給進力及び回転トルクをそれぞれ給進力Ｆ、回転トルクＴとして複数組計測する計測工程と、該複数組の給進力Ｆ及び回転トルクＴを用いてそれらの関係を近似する一次関数を求める一次関数算出工程と、該一次関数における給進力Ｆの増分ΔＦに対する回転トルクＴの増分ΔＴを反力係数Ｋとして求める反力係数算出工程とからなる一連の工程を互いに地盤性状が異なる複数の地山に対して行い、
前記複数の地山に対してそれぞれ得られた前記反力係数Ｋと該複数の地山における各地盤性状との対応関係を作成し、
探査対象となる地山に対して前記一連の工程を行うことで該地山における反力係数Ｋを求め、
該反力係数Ｋを前記対応関係に照合することにより、前記探査対象となる地山の地盤性状を推定するものである。

水圧ハンマーを用いた地山の削孔は、ボーリングマシンから伝達される給進力及び回転トルクを削孔面に作用させつつ、該削孔面に高圧水による打撃力を作用させて行うが、上述した回転トルクに対して水圧ハンマーが地山から受ける反力は、孔壁が自立するとみなし得る場合には周面摩擦力を無視することが可能であり、主として先端面で受ける材軸回りの摩擦力となる。

そのため、水圧ハンマーの先端面での材軸回りの摩擦力は、ボーリングマシンによる回転トルクと概ね等しくなる。

一方、先端面での材軸回りの摩擦力は、水圧ハンマーをその材軸方向に押し付けようとする力、すなわち給進力（フィード圧）が大きいほど大きくなる。

ここで、トップハンマー式の削孔機であれば、給進力と衝撃力が一体になってボーリングマシン先端の地山を打撃するため、ボーリングマシン側で計測される回転トルクは、給進力及び衝撃力の合力と相関関係が生じ、給進力とは必ずしも相関関係が生じないが、水圧ハンマーの場合、該水圧ハンマーに与えられた送水圧により発生する衝撃力のみでボーリングマシン先端の地山を打撃する。

したがって、ボーリングマシン側で計測される給進力Ｆと回転トルクＴとの間には、強い正の相関、すなわち直線関係が生まれる。

本発明に係る前方地山の探査方法は、このような給進力Ｆと回転トルクＴとの相関関係を利用したものであり、まず、探査対象となる地山の前方探査を行う前に、互いに地盤性状が異なる複数の地山に対し、削孔ロッドを介してボーリングマシンから水圧ハンマーに伝達される給進力及び回転トルクをそれぞれ給進力Ｆ、回転トルクＴとして複数組計測する。

次に、計測された複数組の給進力Ｆ及び回転トルクＴは、上述したように直線関係があるとみなし得るので、それらの関係を近似する一次関数を例えば最小二乗法を使って求める。

次に、一次関数における給進力Ｆの増分ΔＦに対する回転トルクＴの増分ΔＴ（一次関数をＸ−Ｙ直交座標系で示した場合には、その直線の傾き）を反力係数Ｋとして求める。

複数の地山に対して行う上述した一連の工程は、地山掘削によってその地盤性状が明らかになる必要があり、地盤性状が未知の地山に対する探査工程のいわば予備工程となる。

次に、複数の地山に対してそれぞれ得られた反力係数Ｋと該複数の地山における各地盤性状との対応関係を作成する。

次に、地盤性状が未知の地山を探査対象地山とし、該地山に対して上述した一連の工程を同様に適用することにより、該地山における反力係数Ｋを求める。

次に、得られた反力係数Ｋを上述の対応関係に照合することにより、探査対象となる地山の地盤性状を推定する。

本発明の対象となる地山は、主としてトンネル切羽の前方地山であるが、地盤性状を予め推定したい地山が存在するのであれば、トンネル切羽の前方地山に限定されるものではなく、例えば急傾斜地岩盤において崩落対策を行う工事に先立ち、法面の背後に拡がる地山を前方地山として探査したい場合には、該地山も包摂される。

地盤性状は、例えば地山等級を指標とすればよい。

反力係数Ｋと地盤性状との対応関係は、コンピュータで取り扱うことができるように記憶媒体上に作成された参照テーブルであってもよいし、目視で確認できるように紙媒体に表示された一覧表であってもよい。

予備工程における複数の地山は、互いに地盤性状が異なれば足りるものであって、相異なるトンネル掘削現場でそれぞれ地盤性状が明らかになった地山、あるいは同一のトンネル掘削現場であってトンネル掘削によって次々に地盤性状が明らかになった地山をそれぞれ複数の地山とすることが可能であり、これらの場合においては、探査対象となる地山は、それらのトンネル掘削現場とは異なる別のトンネル掘削現場の地山となる。

一方、一つのトンネル掘削現場のうち、ある区間において次々に地盤性状が明らかになった地山をそれぞれ複数の地山とし、残りの区間の地山を探査対象地山とすることも可能である。

本実施形態に係る前方地山の探査方法の実施手順を示したフローチャート。 本実施形態に係る前方地山の探査方法に用いる削孔装置を示した図であり、(a)はボーリングマシン２１と該ボーリングマシンに取り付けられた水圧ハンマー２２とで構成された削孔装置２０の側面図、(b)は水圧ハンマー２２近傍の詳細図、(c)は水圧ハンマー２２の斜視図。 給進力Ｆ(kN)を横軸に、回転トルクＴ(kN・cm)を縦軸にとって計測値をプロットするとともに、それらの計測値を近似する一次関数を地山等級ごとに併せて示したグラフ。 横軸に削孔深度をとって反力係数Ｋの変化を描くとともに、該反力係数を表４の対応関係に照合することで得られた地山等級を併せて示したグラフ。

以下、本発明に係る前方地山の探査方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る前方地山の探査方法の実施手順を示したフローチャート、図２(a)は、それに用いる削孔装置２０を示した側面図である。

削孔装置２０は、ボーリングマシン２１と該ボーリングマシンに取り付けられた水圧ハンマー２２とで構成してある。

本実施形態に係る前方地山の探査方法は、探査対象となる地山の前方探査を行う前に、まず、互いに地盤性状が異なる複数の地山に対し、削孔ロッド２３を介してボーリングマシン２１から水圧ハンマー２２に伝達される給進力及び回転トルクをそれぞれ給進力Ｆ、回転トルクＴとして複数組計測する（ステップ１０１）。

本実施形態では、一つのトンネル掘削現場のうち、掘削開始当初の区間において次々に地盤性状が明らかになる地山を複数の地山とし、残りの区間の地山を探査対象地山とする。

水圧ハンマー２２を用いた地山の削孔は、ボーリングマシン２１から伝達される給進力Ｆ及び回転トルクＴを図２(b)に示すように削孔面２４に作用させつつ、該削孔面に高圧水による打撃力を作用させて行うが、上述した回転トルクＴに対して水圧ハンマー２２が地山から受ける反力は、孔壁２５が自立するとみなし得る場合には周面摩擦力を無視することが可能であり、主として先端面で受ける材軸回りの摩擦力となる。そのため、水圧ハンマー２２の先端面での材軸回りの摩擦力Ｍは同図(c)に示すように、ボーリングマシン２１による回転トルクＴと概ね等しくなる。

一方、先端面での材軸回りの摩擦力Ｍは、水圧ハンマー２２をその材軸方向に押し付けようとする力、すなわち給進力（フィード圧）が大きいほど大きくなるが、水圧ハンマー２２の場合、該水圧ハンマーに与えられた送水圧により発生する衝撃力のみでボーリングマシン２１先端の地山を打撃する。

したがって、ボーリングマシン２１側で計測される給進力Ｆと回転トルクＴとの間には、強い正の相関、すなわち直線関係が生じる。

そこで、それらの関係を近似する一次関数を求める（ステップ１０２）。

図３は、地盤性状の指標を地山等級とし、その地山等級がCIである計測値群とCIIである計測値群ごとに、給進力Ｆ(kN)を横軸に、回転トルクＴ(kN・cm)を縦軸にとって計測値をプロットするとともに、それらの計測値を近似する一次関数を、地山等級ごとに最小二乗法で求め、これらを併せて示したものであり、同図では、それぞれ一次関数が、
ｙ＝１２．５ｘ＋ ６．５
ｙ＝ ６．５ｘ＋９４．３
として例示してある。

次に、一次関数における給進力Ｆの増分ΔＦに対する回転トルクＴの増分ΔＴを反力係数Ｋとして求める（ステップ１０３）。図３の例では、Ｘ−Ｙ直交座標系で示された各一次関数の傾きが反力係数Ｋであり、地山等級がCIである場合は反力係数を１２．５、地山等級がCIIである場合は反力係数を６．５を定めることができる。

なお、計測値を近似する一次関数を最小二乗法で求める場合には、その傾きである反力係数Ｋも同時に算出される。

次に、複数の地山に対してそれぞれ得られた反力係数Ｋと該複数の地山における各地山等級との対応関係を作成する（ステップ１０４）。

表１は、地山等級を４つの区分に分けた上、それらと反力係数Ｋとの対応関係を示したものである。

次に、地盤性状が未知の地山を探査対象地山とし、該地山に対して上述した一連の工程（ステップ１０１〜１０３）を同様に適用することにより（ステップ１０５〜１０７）、該地山における反力係数Ｋを求める。

なお、ステップ１０５の計測工程では、掘削深度に沿って地山の性状がどのように変化するかを踏まえ、例えば掘削深度に沿った計測単位を５ｍとし、その区間内で得られた計測値群ごとに、ステップ１０６で一次関数を求めるようにすればよい。

次に、得られた反力係数Ｋを表１に示した対応関係に照合することにより、探査対象となる地山の地盤性状を推定する（ステップ１０８）。例えば、反力係数Ｋが１０であった場合、地山等級は同表からＣＩであると推定することができる。

図４は、横軸に削孔深度をとって反力係数Ｋの変化を描くとともに、該反力係数を表４の対応関係に照合することで得られた地山等級を併せて示したグラフである。

以上説明したように、本実施形態に係る前方地山の探査方法によれば、地盤性状が既知の複数の地山に対して、給進力Ｆと回転トルクＴとの直線関係を反力係数Ｋとして求めるとともに、この反力係数と地盤性状との対応関係を予め作成しておくことにより、探査対象となる地山を掘削する際、給進力Ｆと回転トルクＴを計測して反力係数Ｋを求め、これを上述の対応関係に照合するようにすれば、該地山の地盤性状を適切に推定することが可能となる。

したがって、水圧ハンマーを用いたトンネル切羽の前方探査における精度を大幅に向上させることが可能となる。

２１ ボーリングマシン
２２ 水圧ハンマー
２３ 削孔ロッド

Claims (1)

1. ボーリングマシンに装着した削孔ロッドの先端に水圧ハンマーを取り付け、該水圧ハンマーで切羽等の露出面の前方に拡がる地山を削孔することにより、該前方地山の地盤性状を探査する前方地山の探査方法において、
   前記削孔ロッドを介して前記ボーリングマシンから前記水圧ハンマーに伝達される給進力及び回転トルクをそれぞれ給進力Ｆ、回転トルクＴとして複数組計測する計測工程と、該複数組の給進力Ｆ及び回転トルクＴを用いてそれらの関係を近似する一次関数を求める一次関数算出工程と、該一次関数における給進力Ｆの増分ΔＦに対する回転トルクＴの増分ΔＴを反力係数Ｋとして求める反力係数算出工程とからなる一連の工程を互いに地盤性状が異なる複数の地山に対して行い、
   前記複数の地山に対してそれぞれ得られた前記反力係数Ｋと該複数の地山における各地盤性状との対応関係を作成し、
   探査対象となる地山に対して前記一連の工程を行うことで該地山における反力係数Ｋを求め、
   該反力係数Ｋを前記対応関係に照合することにより、前記探査対象となる地山の地盤性状を推定することを特徴とする前方地山の探査方法。