JP6385895B2 - 地盤強度の判定方法、及び、トンネルの掘削方法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤強度の判定方法、及び、トンネルの掘削方法に関する。

地盤を掘削した場合、掘削に伴って地質が緩み、応力解放の影響とともに含水比の低下や乾燥の影響を受けて、地盤強度が低下する場合がある。適切な支保工を設置しなかった場合は、地盤強度の低下により地盤の変形として現れ、掘削した領域の沈下・変状を招いたり岩盤の崩落を招いたりすることから、これを防止すべく地盤強度の低下量を定量的に評価することが求められている。

地盤強度を測定する方法として、掘削した地山の孔に貫入針を挿入して掘削の最前面の地山の強度を測定する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平５−１６４６６８号公報

しかしながら、地盤強度を測定したとしても、掘削後に地盤強度が低下する場合があるため、例えばトンネル構築工事では、掘削直後に測定した地盤強度に基づいて最適な支保工（鋼製支保工・吹付コンクリート・ロックボルト等）のパターンを選択して設置した場合でも、その後の地盤強度の低下によって支保工による支持が不十分となり、掘削した領域が沈下・変状するおそれがある。

そこで本発明は、掘削後の地盤強度の低下量を定量的に評価することができる地盤強度の判定方法、及び、当該判定方法を利用したトンネルの掘削方法を提供することを目的とする。

本発明は、掘削予定地盤を掘削方向に向ってボーリングして掘削予定地盤のボーリングコアを採取し、採取したボーリングコアに対して、採取から所定時間が経過した後に強度試験を実施し、強度試験の結果から得られる地盤強度を、掘削予定地盤の掘削後から所定時間が経過した後の地盤強度とみなす、地盤強度の判定方法を提供する。

この地盤強度の判定方法では、掘削方向のボーリングコアに対して採取から所定時間が経過した後に強度試験を実施することから、掘削から所定時間が経過した後の地盤強度を知ることができる。従って、掘削後の地盤強度を定量的に評価することができる。

また、本発明は、掘削予定地盤を掘削方向に向ってボーリングして掘削予定地盤のボーリングコアを採取し、採取したボーリングコアに対して、非破壊による強度試験を互いに所定の時間間隔をおいて複数回実施し、複数回の強度試験の結果から得られるボーリングコアの経時的変化の情報に基づいて掘削予定地盤の掘削後の地盤強度の経時的変化を推定する、地盤強度の判定方法を提供する。

この地盤強度の判定方法では、掘削方向のボーリングコアに対して非破壊による強度試験を互いに所定の時間間隔をおいて複数回実施することから、掘削直後の地盤強度だけでなく、掘削から所定時間が経過した後の地盤強度を知ることができる。すなわち、地盤強度の経時的変化を知ることができる。従って、掘削後の地盤強度の低下量を定量的に評価することができる。

上記強度試験は、実施の容易さから、針貫入試験であることが好ましい。

ここで、ボーリングコアの採取に際し、ボーリングコアの各部位の削孔口からの距離を記録することが好ましい。これによれば、地盤強度を判定する位置を正確に把握することができる。

また、本発明は、掘削予定地盤に対するトンネルの掘削方法であって、掘削予定地盤に上記地盤強度の判定方法を適用し、ボーリングコアを採取した掘削予定地盤中の所定の地点に設置すべき支保工のパターンを選択する際に、判定方法による地盤強度に基づいて、事前に設定された複数種の支保工のパターンから設置すべき支保工を選択し、選択した支保工を前記所定の地点に設置する、トンネルの掘削方法を提供する。

このトンネルの掘削方法では、上記地盤強度の判定方法を適用することによって、掘削予定の任意の地点における、掘削後の所定時間経過後の地盤強度の低下量をあらかじめ知ることができるので、その低下量を見越したうえでその地点に設置すべき支保工のパターンを選択することができる。すなわち、掘削直後だけでなく将来に亘って地盤を支持するのに必要かつ十分な支保工のパターンを適切に選択することができる。

本発明によれば、掘削後の地盤強度の低下量を定量的に評価することができる地盤強度の判定方法、及び、当該判定方法を利用したトンネルの掘削方法を提供することができる。

トンネルの掘削現場を示す図である。 針貫入試験の結果を示すグラフである。 図２をヒストグラム化したものであり、（ａ）は採取直後の結果を示し、（ｂ）はその２週間後の結果を示している。 図２から代表的な測定点を抜き出したグラフである。 グループ１〜５の傾向を視覚的に示したイメージ図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、トンネルを構築するための掘削坑１０を示しており、図示左側が坑口側を示し、図示右側が掘削の進行方向を示している。掘削は支保工３を順次設置しながら進め、掘削の最前面の切羽１に近い位置には、支保工３Ａが設置されている。なお、掘削坑１０の支保としては、鋼製による支保工３Ａの他、吹付コンクリートやロックボルト等が適宜選択される。

（地盤強度の判定方法）
地盤強度を判定するためには、掘削の最前面の切羽１に削孔口を設け、進行方向前方の掘削予定地盤５における所定領域７に対して掘削方向に向ってボーリングを行い、ボーリングコアを採取する。このとき、ボーリングコアの各部位の、削孔口からの距離を記録しておく。すなわち、長尺のボーリングコアを所定の長さのセグメントに切断して、長尺の状態を再現できるように接合順を記録し、且つ、それぞれのセグメントの長さを記録しておく。ここで、掘削坑１０の断面積は例えば５０ｍ^２〜１５０ｍ^２であり、ボーリング径は例えば直径６０ｍｍ〜１５０ｍｍである。

ボーリングコアを採取する長さは、例えば３０ｍ〜１００ｍとする。この長さは、その地盤の掘削可能速度に応じて適宜決定する。ここで「掘削可能速度」とは、単位時間当たりに掘削することができる距離をいい、単位は例えば「ｍ／月」である。地盤によっては硬い部分や軟らかい部分があるため、場所によって掘削可能速度は異なる。

次に、採取したボーリングコアに対して、強度試験として一軸圧縮強さを測定する。具体的には、一軸圧縮強さ試験の簡易代替法として針貫入試験を行い、この測定値に対して所定の変換をして「推定一軸圧縮強さ」（単位はＮ／ｍｍ^２）を導く。

針貫入試験は、ボーリングコアの採取直後と、その後の所定間隔をおいた時点の２回行う。ここでの所定間隔は、ボーリングコアの測定箇所の削孔口からの距離と、地盤の掘削可能速度とを勘案して決める。すなわち、測定箇所の削孔口からの距離がＸｍであり、掘削可能速度がＹｍ／月である場合は、遅くともＸ／Ｙヵ月後には２回目の測定を行う必要がある。例えば、測定箇所の削孔口からの距離が５０ｍであり、掘削可能速度が５０ｍ／月である場合は、遅くとも１ヶ月後には２回目の測定を行うことが好ましい。トンネル掘削直後に支保工のパターンを選択して支保工を設置する必要があることから、トンネル掘削時、支保工設置時には時間経過とともに発生する地盤強度の低下を評価することができる。したがって、時間経過とともに低下した地盤強度に基づいて、支保工のパターンを選択して支保工を設置することができる。

測定箇所は、１本のボーリングコアに対して複数箇所行う。例えば、支保工の選択に基づいて１回の掘削長や鋼製支保工の設置間隔に合せて、例えば１．０ｍ〜１．５ｍの間隔で行う。また、地盤強度の推定をより細かく行うために、例えば１０ｃｍ間隔で測定してもよい。２回目の針貫入試験では、１回目の測定で生じた穴を避けるようにして、１回目の測定箇所から僅かに（例えば１ｃｍ）ずらした箇所で測定する。２回の針貫入試験の結果から、ボーリングコアの経時的変化の情報が得られる。

図２は、実際に１回のボーリングで約５６ｍに亘ってボーリングコアを採取し、その様々な箇所に対して２回ずつ（採取直後とその２週間後）行った針貫入試験の結果を示している。図中の「ＣＩＩ」「ＤＩ」「ＤＩＩ」は、その推定一軸圧縮強さに対応する地山等級を示している。図３は、図２の結果をヒストグラム化したものであり、図３（ａ）が採取直後の結果を示し、図３（ｂ）がその２週間後の結果を示している。図２及び図３の結果から、ボーリングコアの経時的変化として、推定一軸圧縮強さが小さくなる傾向があることが分かる。なお、支保工のパターンは地山等級により選択される。

図４は、図２から代表的な測定点を抜き出したものである。測定した２点の推定一軸圧縮強さの大きさ及び経時的変化の傾向から、測定点をグループ１〜５に分類することができる。
グループ１：採取直後から強度が低く、強度の低下はみられない。
グループ２：採取直後の強度は中程度であるが、強度が低下する。
グループ３：採取直後の強度は高く、強度の低下はほとんどもられない。
グループ４：採取直後の強度は中程度で、強度の低下はみられない。
グループ５：採取直後の強度は高いが、強度が顕著に低下する。

図５は、上記グループ１〜５の傾向を視覚的に理解しやすくするために示した図である。図４及び図５から分かるとおり、掘削された地盤の地盤強度は、初期から高い場合もあれば低い場合もある。そして、初期の地盤強度の高さは必ずしもその後の地盤強度の高さを保証するのではなく、地盤によっては強度の低下がみられ、その低下速度にも高低差がある。

本実施形態の地盤強度の判定方法では、採取したボーリングコアの任意の箇所について２回の針貫入試験を行うことで、この結果に基づいて掘削予定地盤の掘削後の地盤強度の経時的変化を推定することができる。ひいては、掘削後の時間経過に伴って発生する地盤強度の低下量を定量的に評価できる。つまり、採取直後と採取２週間後の測定結果から、最終的に安定する地盤強度を推定できる。なお、地盤強度が掘削後に時間経過とともに変化する地山であっても、例えば、長いものでも数ヶ月経程度で地盤強度が最終的に安定する。

また、針貫入試験は一軸圧縮試験とは異なり、実質的に非破壊による強度試験であって、ほぼ同じ箇所の測定を複数回行うことができる。また、針貫入試験は針を刺すことで測定を行うため、採取したボーリングコアが柱形状を維持できないほどに状態の悪い地盤であったとしても適用することができ、試験方法が制約されないという利点がある。ここで「非破壊による強度試験」とは、試験片であるボーリングコアが試験前と試験後で同形状を保つことができる試験をいう。針貫入試験も非破壊による強度試験に含まれるものとする。

また、上記ボーリングコアの採取に際し、ボーリングコアの各部位の、削孔口からの距離を記録しているので、地盤強度を判定する位置を正確に把握することができる。これにより、例えば掘削予定地盤を対象とした、地盤強度に関する分布図を作成することができる。

本実施形態では、ボーリングコア採取直後と、ボーリングコア採取して２週間後の２回の結果を用いて掘削後の時間経過とともに発生する地盤強度の低下を評価したが、採取直後と２週間後の２回である必要はない。少なくとも２回実施すれば時間経過とともに変化する地盤強度の低下推移を把握しやすく、３回以上実施してもよい。また、採取直後に１回目を実施すれば、長期間の時間経過による地盤強度の変化を把握しやすいので好ましいが、１回目を採取直後にする必要はない。

また、１回の測定であっても採取後に一定の時間が経過した後の測定であれば、トンネル掘削後の一定の時間の経過後の地盤強度を予測することも可能である。この場合、予測した地盤強度を、掘削予定地盤の掘削後から一定の時間が経過した後の地盤強度とみなす。ここで「一定の時間」としては、１週間後、２週間後、３週間後、１か月後等が挙げられる。

針貫入試験は採取したボーリングコアに対して、数ｃｍ程度ずらした位置で複数回測定することが可能であるので、実質的に非破壊による強度試験と同等であるが、強度の測定方法は針貫入試験に代えて、他の非破壊による強度試験、例えば超音波探査法、電気探査法等を採用してもよい。

（トンネルの掘削方法）
図１に戻って、上記地盤強度の判定方法を利用したトンネルの掘削方法について説明する。掘削の最前面の切羽１の位置であるＡ地点から掘削方向の先にあるＢ地点までの所定領域７に対してボーリングを行い、ボーリングコアを採取する。ここでＢ地点は、その地盤の掘削可能速度から判断して２週間後に掘削が到達する地点であるとする。

他方、各地山等級に応じた複数種の支保工のパターンを事前に設定しておく。これらのパターンとしては、構成支保工の有無や仕様（例えば、Ｈ型鋼１００〜１５０等）、吹付けコンクリートの厚さ、ロックボルトの長さ等、種々の態様が異なるものを取り揃えておく。

採取したボーリングコアに対して上記判定方法を適用し、地盤強度とその経時的な低下度合いを把握する。ここで、２回目の針貫入試験は、Ｂ地点の到達時より早く行う。その結果により、Ｂ地点で掘削後に時間経過とともに発生する地盤強度低下量を評価して、強度低下後の地盤強度を推定一軸圧縮強度として、その他、地盤の風化変質、割目間隔、割目状態、走向傾斜等、種々の性質から総合評価して、地山等級を決定する。この方法は、例えば、日本道路協会の計測・観測指針に基づく評価である。

決定された地山等級に応じて、トンネル内の所定の地点Ｂに設置すべき支保工のパターンを上記複数種のパターンから選択する。そして、実際に掘削予定地盤５を掘削して地点Ｂに到達したときに、選択した支保工３ＢをＢ地点の近傍に設置する。

この掘削方法では、上記判定方法を適用することによって、掘削予定の任意の地点における、掘削後の所定時間経過後の地盤強度の低下量をあらかじめ知ることができるので、その低下量を見越したうえでその地点に設置すべき支保工のパターンを選択することができる。すなわち、掘削直後だけでなく将来に亘って地盤を支持するのに必要かつ十分な支保工のパターンを適切に選択することができる。

例えば、ボーリングコアの採取直後のＢ地点の地盤強度がＢ等級であると判定され、その２週間後の判定ではＣ等級であると判定されたとする。このとき、従来のトンネル掘削方法では、掘削した原位置における強度判定に基づいて支保工のパターンを選択していたため、Ｂ地点の掘削時には、掘削直後に地盤強度を判定するので、Ｂ等級と判定され、Ｂ等級用の支保工を設置していた。従って、従来は支保工設置後の地盤強度の低下によって支保工による支持が不十分となり、掘削した領域が沈下・変状し、再掘削を余儀なくされることがあった。

これに対して本実施形態においては、掘削直後から２週間後には地山等級がＣ等級に劣化することがあらかじめ分かっているので、Ｂ地点の掘削時には地盤強度の低下を見越して、Ｃ等級用の支保工を設置することができる。従って、この方法によれば、掘削直後だけでなく将来に亘って地盤を支持するのに必要かつ十分な支保工のパターンを適切に選択することができる。

本実施例では、採取直後と採取２週間後に地盤強度を測定したが、例えば、採取直後と、採取１週間後、採取２週間後の合計３回実施して、採取直後、採取１週間後の測定結果からは地山等級がＢ等級であって、２週間後の測定結果からはＣ等級であったような場合は、最終的な地盤強度は更に低下することを予想して、地山等級をＤ等級として支保工を選択することもできる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態で実施した針貫入試験の試験回数が多いほど、地盤強度の経時的な低下量が小さくなる時期を見極めることが容易になる。

１…掘削の最前面の切羽、３（３Ａ，３Ｂ）…支保工、５…掘削予定地盤、７…所定領域、１０…掘削坑。

Claims (5)

1. 掘削予定地盤を掘削方向に向ってボーリングして前記掘削予定地盤のボーリングコアを採取し、
   採取した前記ボーリングコアに対して、採取から所定時間が経過した後に強度試験を実施し、
   前記強度試験の結果から得られる地盤強度を、前記掘削予定地盤の掘削後から前記所定時間が経過した後の地盤強度とみなす、地盤強度の判定方法。
2. 掘削予定地盤を掘削方向に向ってボーリングして前記掘削予定地盤のボーリングコアを採取し、
   採取した前記ボーリングコアに対して、非破壊による強度試験を互いに所定の時間間隔をおいて複数回実施し、
   前記複数回の前記強度試験の結果から得られる前記ボーリングコアの経時的変化の情報に基づいて前記掘削予定地盤の掘削後の地盤強度の経時的変化を推定する、地盤強度の判定方法。
3. 前記強度試験は、針貫入試験である、請求項１又は２記載の地盤強度の判定方法。
4. 前記ボーリングコアの採取に際し、前記ボーリングコアの各部位の削孔口からの距離を記録する、請求項１〜３のいずれか一項記載の地盤強度の判定方法。
5. 掘削予定地盤に対するトンネルの掘削方法であって、
   前記掘削予定地盤に請求項１〜４のいずれか一項記載の地盤強度の判定方法を適用し、
   前記ボーリングコアを採取した前記掘削予定地盤中の所定の地点に設置すべき支保工のパターンを選択する際に、前記判定方法による地盤強度に基づいて、事前に設定された複数種の支保工のパターンから設置すべき支保工を選択し、
   選択した前記支保工を前記所定の地点に設置する、トンネルの掘削方法。

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