JP5940303B2 - トンネル切羽前方探査方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル切羽前方の弱層の位置と幅を把握するためのトンネル切羽前方探査方法に関する。

山岳トンネルの施工において、事前に切羽前方の地山の状態を把握することができれば、掘削をより安全かつより経済的に実施することが可能になる。

トンネルの施工では、計画や設計の段階において、地表踏査や地表面からの弾性波探査などの地盤調査を実施することで、事前に地山状況の予測を行っているが、地表面からの事前調査により、線状構造物であるトンネルの地山の状態を完全に把握することは困難であった。

そのため、施工段階で切羽から切羽前方の探査を行い、断層破砕帯の可能性のある箇所の位置を特定する場合がある。
例えば、特許文献１には、トンネル坑内に設置された発振点より順次発振される地震波を、トンネル坑内に設置された受振点により受振し、受振した地震波データにより切羽前方地質の地震波の推定伝播速度を求めるとともに、この地震波データおよび推定伝播速度から解析図を作成し、この解析図に基づいて、反射面の位置を推定するトンネル切羽前方探査方法が開示されている。

また、特許文献２には、浅層反射法を用いた切羽前方探査方法であって、切羽の表面およびトンネルの外周方向に掘られた細孔内に直線状に配置された複数の受振器により、切羽の表面に直線状に配置された複数の発振点から発振された弾性波を受振して、この弾性波の震源と伝播速度や角度等に基づいて解析することで切羽前方の探査を行う切羽前方探査方法が開示されている。

特開２００２−１３９５７４号公報 特開平０５−２４８１７４号公報

特許文献１の探査方法は、断層破砕帯である可能性のある反射面の位置を切羽前方の約１００ｍの区間にわたって捉えることができるものの、断層破砕帯の幅や物性に関する情報を得ることまではできなかった。

特許文献２の探査方法は、受振器を設置するための細孔をトンネル軸方向と交差する四方向に形成し、切羽表面および細孔内に多数の受振器の設置する必要があることから、回数を多く実行すると、トンネルの施工のサイクルタイムに影響を及ぼすおそれがあった。

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、トンネル施工のサイクルタイムへの影響を最小限に抑え、トンネル前方に存在する断層破砕帯の幅や物性を効果的に把握することを可能とした、トンネル切羽前方探査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、本発明のトンネル切羽前方探査方法は、第一の弾性波探査法により、切羽前方に断層破砕帯の可能性がある反射面を抽出する第一探査工程と、第二の弾性波探査法により、前記第一探査工程において抽出された反射面の詳細な位置および物性を把握する第二探査工程とを備えることを特徴としている。

かかるトンネル切羽前方探査方法によれば、第一探査工程により断層破砕帯の可能性のある反射面の有無を把握し、このような反射面が抽出された場合に第二探査工程により詳細に調査することで、反射面の詳細な位置と物性に関する情報を把握することができる。
第二探査工程を必要な箇所でのみ実施すれば、トンネル施工のサイクルタイムへの影響を最小限に抑えることができる。
つまり、２種類の探査法を実施することで、トンネル掘削に影響を及ぼす規模の断層破砕帯の位置と幅を効率的に推定することが可能となる。

前記第一の弾性探査法の探査深度をａ（ｍ）、前記第二の弾性探査法の探査深度をａ（ｍ）よりも短いｂ（ｍ）としたとき、前記第一探査工程において、切羽前方ｂ（ｍ）以内に断層破砕帯の可能性がある反射面が抽出された場合には、前記第一探査工程に続いて前記第二探査工程を実施すればよい。
また、前記第一探査工程において、切羽前方ｂ（ｍ）よりも前方かつ切羽前方ａ（ｍ）以内に断層破砕帯の可能性がある反射面が抽出された場合には、切羽からｂ（ｍ）前方まで掘削する掘削工程を前記第一探査工程と前記第二探査工程との間に実施すればよい。

前記第二の弾性探査法では、トンネルの左右のそれぞれに、トンネル軸と交差する方向に延びる細孔を形成する作業と、一方の前記細孔に発振手段を配置する作業と、他方の前記細孔に受振器を配置する作業と、前記発振手段から発振された弾性波を前記受振器により受振する作業とにより行えばよい。
さらに、前記一方の細孔内の発振手段と前記他方の細孔内の受振器とを入れ替えて、２回目の前記発振手段から発振された弾性波を前記受振器により受振する作業を含んでいてもよい。

かかるトンネル切羽前方探査方法によれば、第二探査工程において、より正確なデータを確保することが可能となる。

本発明のトンネル切羽前方探査方法によれば、トンネル施工のサイクルタイムへの影響を最小限に抑え、効率的にトンネル前方に存在する断層破砕帯の幅や物性を把握することが可能となる。

本実施形態に係るトンネル切羽前方探査方法の概要を示すフローチャートである。 （ａ）は第一の弾性探査法の概要を模式的に示す断面図と反射面分布図、（ｂ）は第一の弾性探査法におけるトンネル断面図である。 （ａ）は第二の弾性探査法の概要を模式的に示す断面図とＶｐ速度、ポアソン比変化率およびＳ波反射係数分布図、（ｂ）は第二の弾性探査法におけるトンネル断面図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態では、トンネル切羽前方探査方法により、切羽前方の弱層の位置と幅を把握した上で、トンネルを掘進する場合について説明する。

トンネル切羽探査方法は、図１に示すように、第一探査工程Ｓ１と、掘削工程Ｓ２と、第二探査工程Ｓ３とを備えている。

第一探査工程Ｓ１は、第一の弾性波探査法により、切羽前方の断層破砕帯の可能性のある反射面を抽出する工程である。

第一の弾性波探査法には、いわゆるＴＳＰ法やＨＳＰ法等を採用すればよい。
第一の弾性波探査法では、図２の（ａ）に示すように、トンネル１の切羽３の前方約１００ｍ以内に存在する反射面５を抽出する。

本実施形態では、トンネル１の掘削が１００ｍ進行するたびに第一探査工程を実施する。なお、第一探査工程の実施頻度は限定されるものではない。

第一の弾性波探査法では、トンネル１の切羽２に発振手段３を設置するとともに、トンネル１坑内の内壁面に複数の受振器４，４，…を設置する。
そして、発振手段３，３，…から順次発振されて、断層破砕帯の可能性のある反射面５において反射した弾性波を、受振器４，４，…により受振することで、切羽２から反射面５までの距離を計測する。

なお、本実施形態では、発振手段３を切羽２に設定する場合について説明したが、発振手段３の設定方法は限定されるものではなく、例えば、トンネル１の横断方向に深さ数ｍの細孔を削孔し、この細孔内に設定してもよい。
また、弾性波の発振は、ダイナマイトの発破により行うものとするが、起振器やハンマーなどを使用してもよい。

受振器４，４，…は、トンネル１坑内の内壁面の左右に、それぞれトンネル軸方向に沿って並設する。受振器４の設置間隔や数は限定されるものではないが、例えば１〜３ｍピッチで配設すればよい。
なお、受振器４の設定方法は限定されるものではなく、例えば、トンネル１の側方に張り出す細孔をトンネル軸方向に沿って複数形成し、これらの各細孔内に受振器４を設置してもよい。

掘削工程Ｓ２は、トンネル１の掘進を行う工程である。
トンネル１の掘進は、地山状況に応じて、全断面掘削工法、ベンチカット工法、導坑先進工法等の各掘削工法により行う。

第一探査工程Ｓ１において反射面５が抽出されなかった場合には、図１に示すように、第一探査工程Ｓ１の直後に掘削工程Ｓ２を実施して、トンネル１を１００ｍ掘進する。
これは、切羽前方１００ｍの範囲内では、トンネル施工時に断層破砕帯による切羽崩壊や突発湧水などの危険性が低いため、安全な施工が可能であると予想されるためである。

第一探査工程Ｓ１において切羽前方５０ｍよりも前方かつ切羽前方１００ｍ以内に断層破砕帯の可能性のある反射面５が抽出された場合には、第一探査工程Ｓ１の直後に掘削工程Ｓ２を実施して、トンネル１を５０ｍ掘進する。そして、５０ｍ掘進したら、第二探査工程Ｓ３を実施する。
これは、切羽前方５０ｍの範囲内では、トンネル１の施工時に断層破砕帯による切羽崩壊や突発湧水などの危険性が低いため、安全な施工が可能であると予想されるためである。

第一探査工程Ｓ１において切羽前方５０ｍ以内に断層破砕帯の可能性のある反射面５が抽出されている場合には、第二探査工程Ｓ３の実施後、掘削工程Ｓ２を実施する。
第二探査工程Ｓ３により断層破砕帯の位置および幅が確認された場合には、断層破砕帯に対応した補助工法を実施しつつトンネル１を掘進する。

なお、補助工法は、断層破砕帯の規模や状況に応じて、例えば、先受けフォアポーリングや、ＡＧＦ工法、薬液注入工法、地盤凍結工法等の補助工法の中から適宜選定して採用すればよい。

第二探査工程Ｓ３は、第一の弾性探査法とは異なる第二の弾性波探査法により、反射面５の詳細な位置および物性の探査を行う工程である。
第二の弾性探査法は、切羽前方５０ｍの範囲内についての探査を行う。

図１に示すように、第一探査工程において、切羽前方５０ｍ以内に反射面５が抽出された場合には、第一探査工程の直後に第二探査工程を実施する。
一方、第一探査工程Ｓ１において切羽前方５０ｍよりも前方かつ切羽前方１００ｍ以内に断層破砕帯の可能性のある反射面５が抽出された場合には、第一探査工程Ｓ１の後に掘削工程Ｓ２を実施してから、第二探査工程Ｓ３を実施する。

第二の弾性探査法では、図３の（ａ）に示すように、まず、トンネル１の左右のいずれか一方に、トンネル軸と交差する方向に延びる発振孔（細孔）６を形成する。
発振孔６は、図３の（ｂ）に示すように、トンネル１のスプリングライン（ＳＬ）付近から、横方向やや下向きに削孔することにより形成する。本実施形態では、発振孔６の深さを２３ｍとする。なお、発振孔６の断面形状や深さ等は、発振手段３，３，…の設置が可能であれば、限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

発振孔６を形成したら、発振孔６の内部に複数の発振手段３，３，…を配置する。本実施形態では、発振手段３，３，…を１ｍピッチで配置する。
発振手段３の配置は、発振手段３から発振された弾性波の反射面５への入射角が２５°以内になるように設定する。
なお、発振手段３の配設ピッチおよび箇所数は限定されるものではない。

図３の（ａ）に示すように、発振孔６の反対側には、トンネル軸と交差する方向に延びる受振孔（細孔）７を形成する。
受振孔７は、図３の（ｂ）に示すように、トンネル１のスプリングライン（ＳＬ）付近から、横方向やや下向きに削孔することにより形成する。本実施形態では、受振孔７の深さを２３ｍとする。なお、受振孔７の断面形状や深さ等は、受振器４の設置が可能であれば、限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

受振孔７を形成したら、受振孔７の内部に複数の受振器４，４，…を配置する。本実施形態では、受振器４を１ｍピッチで配置する。なお、受振器４の配設ピッチおよび設置数は限定されるものではない。

次に、発振手段３，３，…から弾性波を順次発振し、反射面５において反射した反射波（弾性波）を受振孔７内の受振器４，４，…により受振する。

弾性波の発振は、ダイナマイトの発破により行う。
弾性波は、複数の発振手段３，３，…を選択的に動作させることで複数回（例えば、２０回）発振され、反射面５において反射した反射波として受振器４，４，…により受振される。

第二の弾性探査法により採取したデータにより、震源（発振手段３の位置）と受振点（受振器４の位置）との距離と反射波の到達時間から、反射波のＶｐ速度を算出する。解析方法は、通常の浅層反射法と同様であり、例えばＣＤＰアンサンブル作成、速度解析、ＮＭＯ補正、ＣＤＰ重合、マイグレーション処理等がある。

第二の弾性探査法により採取したデータにより、震源（発振手段の位置）と受振点（受振器４の位置）との距離によって、反射波の振幅値の変化を解析し、ポアソン比の変化率、Ｓ波反射係数を算出する。

そして、算出したＶｐ速度、ポアソン比の変化率、Ｓ波反射係数に基づいて、反射面５（断層破砕帯）の詳細な位置および幅を推定する。
本実施形態では、いわゆるＡＶＯ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｖｅｒｓｕｓ Ｏｆｆｓｅｔ， または，Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｏｆｆｓｅｔ）解析を適用して、ポアソン比の変化率、Ｓ波反射係数を算出するが、解析手法は限定されるものではない。

なお、本実施形態では、発振手段３，３，…から発振された弾性波を受振器４，４，…により受振する作業（計測作業）を２回実施することで、より、正確なデータの確保を図るものとする。
つまり、まず、トンネル１の左右のいずれか一方に形成された掘削孔（細孔）を発振孔６、他方に形成された掘削孔（細孔）を受振孔７として１回目の計測作業を実施する。次に、左右を逆にして、一方に形成された掘削孔を受振孔７、他方に形成された掘削孔を発振孔６とし、一方の掘削孔内の発振手段３，３，…と他方の掘削孔内の受振器４，４，…を入れ替えて、２回目の計測作業を実施する。

なお、最初に実施した計測作業において、発振孔６がダイナマイトの発破により破損した場合には、２回目の計測作業を実施する際に受振孔７を新たに作り直すものとする。

図１に示すように、第二探査工程Ｓ３が終了したら、掘削工程Ｓ２を実施する。
掘削工程Ｓ２により第一探査工程Ｓ１を実施した際の切羽２ａから１００ｍ掘進したら、再度第一探査工程Ｓ１を実施する。

なお、第一探査工程Ｓ１において、切羽前方５０ｍ以内および切羽前方５０〜１００ｍの範囲内に反射面５が抽出された場合には、第二探査工程Ｓ３の実施後、５０ｍ掘進して（掘削工程Ｓ２）、再度第二探査工程Ｓ３を実施する。

以上、本実施形態のトンネル切羽前方探査方法によれば、第二の弾性探査法により、断層破砕帯の詳細な位置および幅を把握することができるため、地山条件に合わせた施工方法（支保設計や補助工法の採用の有無等）によるトンネルの掘進が可能となり、より効率的かつより安全に施工を行うことが可能となる。

また、第二の弾性探査法は、第一の弾性探査法により、必要と認められた範囲でのみ実施するため、トンネル施工のサイクルタイムへの影響を最小限に抑えることができる。
つまり、２種類の弾性探査法を組み合わせることで、切羽前方の断層破砕帯の位置と性状を効果的に推定することができる。

第二の弾性探査法は、第一の弾性探査法とは異なる発振、受振レイアウトでデータを取得し、さらに、地震探査分野で利用されている、ＡＶＯ解析を適用することで、断層破砕帯の幅や物性に関する情報を効果的に得ることができる。

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。

前記実施形態では、第二探査工程において、第二の弾性探査法を２回実施する場合について説明したが、第二の弾性探査法は、必ずしも２回行う必要はなく、１回でもよい。

前記実施形態では、第一探査工程において、切羽前方５０ｍ以内に反射面が抽出されなかった場合に、掘削工程において、切羽前方５０ｍまで掘進する場合について説明したが、掘削工程は、必ずしも５０ｍ掘進する必要はない。例えば、反射面が切羽前方５０ｍ〜６０ｍの範囲内において抽出された場合には、掘削工程において、３０〜４０ｍ掘進して、第二探査工程を実施してもよい。

前記実施形態では、第一の弾性探査法の探査深度ａを１００ｍとしたが、第一の弾性探査法の探査深度ａは１００ｍに限定されるものではない。また、同様に、第二の弾性探査法の探査深度ｂを５０ｍとしたが、第二の弾性探査法の探査深度ｂは５０ｍに限定されるものではない。

１ トンネル
２ 切羽
３ 発振手段
４ 受振器
５ 反射面
６ 発振孔
７ 受振孔

Claims (3)

1. 第一の弾性波探査法により、切羽前方に断層破砕帯の可能性がある反射面を抽出する第一探査工程と、
   第二の弾性波探査法により、前記第一探査工程において抽出された反射面の詳細な位置および物性を把握する第二探査工程と、を備えるトンネル切羽前方探査方法であって、
   前記第一の弾性探査法の探査深度をａ（ｍ）、前記第二の弾性探査法の探査深度をａ（ｍ）よりも短いｂ（ｍ）としたとき、
   前記第一探査工程において、切羽前方ｂ（ｍ）以内に断層破砕帯の可能性がある反射面が抽出された場合には、前記第一探査工程に続いて前記第二探査工程を実施し、
   前記第一探査工程において、切羽前方ｂ（ｍ）よりも前方かつ切羽前方ａ（ｍ）以内に断層破砕帯の可能性がある反射面が抽出された場合には、切羽からｂ（ｍ）前方まで掘削する掘削工程を前記第一探査工程と前記第二探査工程との間に備えることを特徴とする、トンネル切羽前方探査方法。
2. 前記第二の弾性探査法では、トンネルの左右のそれぞれに、トンネル軸と交差する方向に延びる細孔を形成する作業と、一方の前記細孔に発振手段を配置する作業と、他方の前記細孔に受振器を配置する作業と、前記発振手段から発振された弾性波を前記受振器により受振する作業と、を行うことを特徴とする、請求項１に記載のトンネル切羽前方探査方法。
3. 前記一方の細孔内の発振手段と前記他方の細孔内の受振器とを入れ替えて、２回目の前記発振手段から発振された弾性波を前記受振器により受振する作業を含むことを特徴とする、請求項２に記載のトンネル切羽前方探査方法。

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