JP5720968B2

JP5720968B2 - 前方地山の探査方法

Info

Publication number: JP5720968B2
Application number: JP2013220472A
Authority: JP
Inventors: 吾郎磐田; 悟天野; 有佐斎藤; 秀雄木梨; 伊藤　哲; 哲伊藤
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: JP2015081471A

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、軟らかい地盤では、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する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、
前記水圧ハンマーによる打撃エネルギーをＥ2、その打撃効率をＫとしたとき、該水圧ハンマーによる削孔エネルギーＥ1を、次式、
Ｅ1＝Ｅ2・Ｋ（１）
で、前記打撃エネルギーＥ2を、次式、
Ｅ2＝Ｐ・√（Ｆ）・ｆ／Ｖ（２）
Ｐ；水圧ハンマーへの送水圧
Ｆ；給進力
ｆ；水圧ハンマーの打撃数(Ｈｚ)
Ｖ；削孔速度
でそれぞれ表すとともに、値が大きいほど地盤性状が良好であることを示す地山評価指標をＸとしたとき、前記打撃効率Ｋを、該地山評価指標Ｘの値に応じ、０％を下限、１００％を上限として単調増加する関数Ｋ（Ｘ）として定義し、
互いに地盤性状が異なる複数の地山に対して得られた前記Ｘ及び前記Ｅ2を、次式、
Ｘ＝Ｅ2・Ｋ（Ｘ）・ｃ＋ｄ（３）
に適用することでｃ，ｄ及びＫ（Ｘ）をそれぞれｃ′，ｄ′，Ｋ′（Ｘ）として求め、
探査対象となる地山に対して得られた前記Ｅ2を、次式、
Ｘ＝Ｅ2・Ｋ′（Ｘ）・ｃ′＋ｄ′ （４）
に適用することで、該探査対象となる地山のＸを推定するものである。

また、本発明に係る前方地山の探査方法は、前記打撃効率Ｋ（Ｘ）を、
Ｋ(X)＝１／｛１＋ｅｘｐ(−ａ(Ｘ−ｂ))｝（５）
として定義するとともに、該（５）式が前記（３）式に代入されてなる次式、
Ｘ＝Ｅ2・ｃ／｛１＋ｅｘｐ(−ａ(Ｘ−ｂ))｝＋ｄ（３′）
に前記Ｘ及び前記Ｅ2を適用する際、ａ，ｂをａ′，ｂ′として求めることで、前記Ｋ′（Ｘ）を求めるものである。

本発明に係る前方地山の探査方法においては、水圧ハンマーによる打撃エネルギーをＥ2、その打撃効率をＫとしたとき、該水圧ハンマーによる削孔エネルギーＥ1を、次式、
Ｅ1＝Ｅ2・Ｋ（１）
で、打撃エネルギーＥ2を、次式、
Ｅ2＝Ｐ・√（Ｆ）・ｆ／Ｖ（２）
Ｐ；水圧ハンマーへの送水圧
Ｆ；給進力
ｆ；水圧ハンマーの打撃数(Ｈｚ)
Ｖ；削孔速度
でそれぞれ表すが、削孔機を用いて前方探査を行うにあたり、削孔機で発生させた打撃エネルギーＥ2は、削孔面に伝達されるまでの間に熱、振動等の形で消費され、該打撃エネルギーが全て削孔エネルギーＥ1に用いられるものではない点を打撃効率Ｋという形で考慮する必要があり、トップハンマー式の削孔機であれば、主として削孔ロッド同士の継ぎ目で発生するエネルギーロスの影響が打撃効率に組み込まれる。

一方、水圧ハンマーの場合、該水圧ハンマーに内蔵されたハンマーピストンによって先端で衝撃力が発生するため、削孔ロッド同士の継ぎ目でエネルギーロスが発生することはほとんどないが、水圧ハンマーの構造特性として、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、軟らかい地盤では、反力が得られずに打撃が行われない場合がある。

したがって、本発明においては、値が大きいほど地盤性状が良好であることを示す地山評価指標をＸとし、打撃効率Ｋを、この地山評価指標Ｘの値に応じ、０％を下限、１００％を上限として単調増加する関数Ｋ（Ｘ）として定義する。

このようにすれば、水圧ハンマー特有の性質が反映された打撃効率Ｋ（Ｘ）で削孔エネルギーＥ1が評価される。

本発明に係る前方地山の探査方法を用いて前方地山を探査するには、まず、互いに地盤性状が異なる複数の地山に対し、地山評価指標Ｘ及び打撃エネルギーＥ2を複数組のデータとして取得し、得られたＸ及びＥ2を、次式、
Ｘ＝Ｅ2・Ｋ（Ｘ）・ｃ＋ｄ（３）
に適用することでｃ，ｄ及びＫ（Ｘ）をそれぞれｃ′，ｄ′，Ｋ′（Ｘ）として求める。

（３）式は、地山評価指標Ｘと削孔エネルギーＥ1との間に強い正の相関、すなわち直線関係があることを根拠としたものであって、複数組のＸ及びＥ2を取得してこれらを（３）式に代入することで、未知数であるｃ，ｄを既知数のｃ′，ｄ′として求めるとともに、未知関数であるＫ（Ｘ）をＫ′（Ｘ）として定める。

ここで、打撃エネルギーＥ2は、ボーリングマシンや水圧ハンマーから出力される計測データを（２）式に適用することで求めることが可能であり、地山評価指標Ｘは、水圧ハンマーによる削孔の後、通常のトンネル掘削を行うことによって、上述した削孔面が切羽の一部として露出したときにその切羽を観察することによって取得することが可能である。

このようないわば予備工程によって地山評価指標Ｘと打撃エネルギーＥ2との関係が定められたならば、次に、探査対象となる地山に対して水圧ハンマーを用いた削孔を行い、そのときの打撃エネルギーＥ2を予備工程のときと同様に求める。

次に、求められた打撃エネルギーＥ2を、次式、
Ｘ＝Ｅ2・Ｋ′（Ｘ）・ｃ′＋ｄ′ （４）
に適用することで、探査対象地山に対する地山評価指標Ｘ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。

地山評価指標Ｘは、地山の地盤性状を数値化した指標であればどのような指標でも採用可能であって、例えば地山等級を数値化したものでもよいが、例えば圧縮強度、風化変質、割目間隔及び割目状態の４つを観察指標、湧水量と劣化を補正指標として切羽を観察し、それら項目ごとで得られた点数を所定の割合で配点してなる切羽評価点、特に、日本道路協会の指針に定められている切羽評価点を採用することが可能である。

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。

打撃効率Ｋ（Ｘ）は、地山評価指標Ｘの値に応じ、０％を下限、１００％を上限として単調増加する関数として定義されれば足りるものであって、具体的な構成は任意であり、例えば、シグモイド関数を用いて、
Ｋ(X)＝１／｛１＋ｅｘｐ(−ａ(Ｘ−ｂ))｝（５）
として定義するとともに、該（５）式が前記（３）式に代入されてなる次式、
Ｘ＝Ｅ2・ｃ／｛１＋ｅｘｐ(−ａ(Ｘ−ｂ))｝＋ｄ（３′）
に前記Ｘ及び前記Ｅ2を適用する際、ａ，ｂをａ′，ｂ′として求めることで、前記Ｋ′（Ｘ）を求めることが可能である。

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機２０を示した側面図。打撃効率Ｋ（Ｘ）を示したグラフ。切羽評価点Ｘを削孔深度（ｍ）に沿って示したグラフ。

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は、それに用いる削孔機２０を示した側面図である。

削孔機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、水圧ハンマー２２による削孔を行うとともに、その際、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Ｆ、水圧ハンマー２２への送水圧Ｐ、及び削孔速度Ｖを複数組計測する（ステップ１０１）。

次に、計測された値を用いて、次式、
Ｅ2＝Ｐ・√（Ｆ）・ｆ／Ｖ（２）
Ｐ；水圧ハンマーへの送水圧
Ｆ；給進力
ｆ；水圧ハンマーの打撃数(Ｈｚ)
Ｖ；削孔速度
により、打撃エネルギーＥ2をそれぞれ算出するとともに、それらが算出された削孔面における切羽評価点Ｘを求める（ステップ１０２）。

切羽評価点Ｘは、値が大きいほど地盤性状が良好であることを示す地山評価指標であって、水圧ハンマー２２による削孔の後、通常のトンネル掘削を行うことによって、上述した削孔面が切羽の一部として露出したときにその切羽を観察することによって取得することが可能であり、日本道路協会の指針に定められているように、例えば圧縮強度、風化変質、割目間隔及び割目状態の４つを観察指標、湧水量と劣化を補正指標として切羽を観察し、それら項目ごとで得られた点数を所定の割合で配点することで求めるようにすればよい。

なお、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。

次に、切羽評価点Ｘと削孔エネルギーＥ1との間に強い正の相関、すなわち直線関係があると考えることができるので、両者は、ｃ，ｄを未知数とした次式、
Ｘ＝Ｅ1・ｃ＋ｄ（３″）
で定める関係となり、さらに打撃効率をＫ（Ｘ）として、
Ｘ＝Ｅ2・Ｋ（Ｘ）・ｃ＋ｄ（３）
で定める関係が成り立つ。

ここで、Ｋ（Ｘ）は、水圧ハンマー２２による打撃エネルギーをＥ2としたとき、削孔エネルギーＥ1との間で、次式、
Ｅ1＝Ｅ2・Ｋ（Ｘ）（１）
を満たすものであって、水圧ハンマー２２の場合、その構造特性として、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、軟らかい地盤では、反力が得られずに打撃が行われない場合があるため、その性質が反映されるよう、切羽評価点Ｘの値に応じ、０％を下限、１００％を上限として単調増加する関数として、次式、
Ｋ(X)＝１／｛１＋ｅｘｐ(−ａ(Ｘ−ｂ))｝（５）
で定義してあり、未知のパラメータであるａ，ｂが算出されたときにＫ′（Ｘ）となる。

図３は、（５）式で示されたＫ（Ｘ）を描いたグラフである。

次に、複数組からなる上述した切羽評価点Ｘ及び打撃エネルギーＥ2を上述した（３）式に適用することにより、未知数であるｃ，ｄを既知数のｃ′，ｄ′として求めるとともに、未知のパラメータａ，ｂを求めることで、それらが含まれたＫ（Ｘ）をＫ′（Ｘ）として定める（ステップ１０３）。

なお、（３）式には上述したようにａ，ｂ，ｃ，ｄの４つの未知数が存在するため、４組以上の切羽評価点Ｘ及び打撃エネルギーＥ2を代入し、必要に応じて最小二乗法を用いながら、それらの値を求めればよい。

次に、探査対象となる地山に対して得られた打撃エネルギーＥ2を、次式、
Ｘ＝Ｅ2・Ｋ′（Ｘ）・ｃ′＋ｄ′ （４）
に適用することで、該探査対象となる地山の切羽評価点Ｘを推定する（ステップ１０４）。

図４は、切羽評価点Ｘを削孔深度（ｍ）に沿って示したグラフであり、測定値のバラツキを考慮して上限値を実線、下限値を破線で示してある。

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、切羽評価点Ｘの値に応じ、０％を下限、１００％を上限として単調増加する関数を打撃効率Ｋ（Ｘ）として定義したので、水圧ハンマー２２の性質を打撃効率に適切に反映することが可能となり、かくして削孔エネルギーＥ1を精度よく求めることができる。

また、本実施形態に係る前方地山の探査方法によれば、切羽評価点Ｘが削孔エネルギーＥ1と直線関係にあることに基づいて両者の関係式（（３）式）を立て、該関係式に既知の地山の計測結果及び観察結果を適用することで、該（３）式における未知のパラメータを確定し、次いで、確定した（４）式に探査対象地山で得られた計測データを適用して切羽評価点Ｘを求めるようにしたので、水圧ハンマー２２を用いたトンネル切羽の前方探査を精度よく行うことが可能となる。

本実施形態では、地山評価指標Ｘとして切羽評価点を採用したが、これに代えて、例えば地山等級を数値化したものを採用することが可能である。

また、本実施形態では、打撃効率Ｋ（Ｘ）をシグモイド関数を使って定義したが、打撃効率Ｋ（Ｘ）は、地山評価指標Ｘの値に応じ、０％を下限、１００％を上限として単調増加する関数であれば足りるものであって、必ずしも滑らかでかつ連続関数である必要はなく、これに代えて、例えば、
０％（０＜Ｘ＜３０）
（Ｘ−３０）・（１００／４０）％（３０≦Ｘ＜７０）
１００％（７０≦Ｘ＜１００）
の折れ線で定義してもかまわない。

２１ボーリングマシン
２２水圧ハンマー
２３削孔ロッド

Claims

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、
前記水圧ハンマーによる打撃エネルギーをＥ2、その打撃効率をＫとしたとき、該水圧ハンマーによる削孔エネルギーＥ1を、次式、
Ｅ1＝Ｅ2・Ｋ（１）
で、前記打撃エネルギーＥ2を、次式、
Ｅ2＝Ｐ・√（Ｆ）・ｆ／Ｖ（２）
Ｐ；水圧ハンマーへの送水圧
Ｆ；給進力
ｆ；水圧ハンマーの打撃数(Ｈｚ)
Ｖ；削孔速度
でそれぞれ表すとともに、値が大きいほど地盤性状が良好であることを示す地山評価指標をＸとしたとき、前記打撃効率Ｋを、該地山評価指標Ｘの値に応じ、０％を下限、１００％を上限として単調増加する関数Ｋ（Ｘ）として定義し、
互いに地盤性状が異なる複数の地山に対して得られた前記Ｘ及び前記Ｅ2を、次式、
Ｘ＝Ｅ2・Ｋ（Ｘ）・ｃ＋ｄ（３）
に適用することでｃ，ｄ及びＫ（Ｘ）をそれぞれｃ′，ｄ′，Ｋ′（Ｘ）として求め、
探査対象となる地山に対して得られた前記Ｅ2を、次式、
Ｘ＝Ｅ2・Ｋ′（Ｘ）・ｃ′＋ｄ′ （４）
に適用することで、該探査対象となる地山のＸを推定することを特徴とする前方地山の探査方法。
前記打撃効率Ｋ（Ｘ）を、
Ｋ(X)＝１／｛１＋ｅｘｐ(−ａ(Ｘ−ｂ))｝（５）
として定義するとともに、該（５）式が前記（３）式に代入されてなる次式、
Ｘ＝Ｅ2・ｃ／｛１＋ｅｘｐ(−ａ(Ｘ−ｂ))｝＋ｄ（３′）
に前記Ｘ及び前記Ｅ2を適用する際、ａ，ｂをａ′，ｂ′として求めることで、前記Ｋ′（Ｘ）を求める請求項１記載の前方地山の探査方法。