JP6481500B2 - 水圧ハンマーの打撃数評価方法及びそれを用いた前方地山の探査方法並びに前方地山の探査システム - 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水圧ハンマーの打撃数評価方法及びそれを用いた前方地山の探査方法並びに前方地山の探査システムに関する。

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、水圧ハンマーによって従来よりも遠方の地山を前方探査できるようになることが期待されている。

特開２０１２−１９３５９２号公報 特開２００７−２７７９４０号公報

一方、水圧ハンマーによる削孔エネルギーは、送水圧と打撃数に比例すると考えることができるところ、水圧ハンマーは、先端打撃式のいわゆるダウンザホールハンマーであって、削孔深度が大きくなればなるほど打撃数の計測が困難になるので、水圧ハンマーによる前方探査を行うにあたっては、打撃数に代えて送水流量が用いられていた（特許文献２）。

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、打撃が開始されず、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。

そのため、送水流量から打撃数を推定するには限度があり、送水流量と打撃数が比例することを前提とした上述の評価方法では精度が不十分で、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水圧ハンマーの打撃数評価方法及びそれを用いた前方地山の探査方法並びに前方地山の探査システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る水圧ハンマーの打撃数評価方法は請求項１に記載したように、高圧ホースを介して高圧ポンプが接続された水圧ハンマーで所定の削孔対象物を削孔しつつ前記高圧ホースに生じる周方向応力又は周方向ひずみの時間変動を計測し、該時間変動における変動特性から前記水圧ハンマーの打撃数を特定するものである。

また、本発明に係る前方地山の探査方法は請求項２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るとともに該水圧ハンマーを高圧ホースを介して高圧ポンプに接続し、前記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、
前記水圧ハンマーへの送水圧を計測して送水圧Ｐとし、
前記送水圧Ｐの計測と同時に前記高圧ホースに生じる周方向応力又は周方向ひずみの時間変動を計測し、
該周方向応力又は周方向ひずみの時間変動における変動特性から前記水圧ハンマーの打撃数Ｎを特定し、
前記水圧ハンマーによる削孔エネルギーの大きさをエネルギー指標値Ｍとして定義するとともに、該エネルギー指標値を前記送水圧Ｐ及び前記打撃数Ｎを用いて、次式、
Ｍ＝Ｐ・Ｎ／Ｖ （１）
Ｖ；削孔速度
から算出し、
前記エネルギー指標値Ｍを用いて前記前方地山の地盤性状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システムは請求項３に記載したように、高圧ホースを介して高圧ポンプに接続された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システムにおいて、
前記高圧ポンプに設けられた水圧計と、前記高圧ホースの径方向の膨張収縮による周方向ひずみの時間変動が計測できるように該高圧ホースに貼着されたひずみゲージと、前記水圧計及び前記ひずみゲージに電気接続されそれらで計測された値をデータ処理する演算処理手段とを備えてなり、該演算処理手段は、前記周方向ひずみの時間変動における変動特性から前記水圧ハンマーの打撃数Ｎを特定するとともに、該打撃数Ｎと前記水圧計で計測された送水圧Ｐとを用いて、次式、
Ｍ＝Ｐ・Ｎ／Ｖ （１）
Ｖ；削孔速度
を演算することにより、前記水圧ハンマーによる削孔エネルギーの大きさとして定義されるエネルギー指標値Ｍを算出できるようになっているものである。

水圧ハンマーによる削孔エネルギーを評価するにあたり、該削孔エネルギーが送水圧と打撃数に比例すると考えることができるところ、計測困難な打撃数に代えて送水流量を用いた場合、精度低下を招く懸念があることは前述した通りである。

本出願人は、水圧ハンマーの構造上、その切替弁が水圧によって作動することで打撃が行われるようになっていることに鑑み、水圧ハンマーの打撃動作に応答する形で送水圧に脈動が生じ、その脈動が高圧ホースの応力状態やひずみ状態を変化させるのではないかという点に着眼して研究開発を行ったところ、本願発明をなすに至ったものである。

すなわち、本発明に係る水圧ハンマーの打撃数評価方法においては、まず、所定の削孔対象物を水圧ハンマーで削孔しつつ、高圧ホースに生じる周方向応力又は周方向ひずみの時間変動を計測する。

高圧ホースに生じる周方向応力又は周方向ひずみの時間変動を計測するにあたっては、水圧ハンマーの打撃動作に応答する形で送水圧に脈動が生じ、その脈動が高圧ホースを径方向に膨張収縮させるので、そのときの周方向に沿った応力変化やひずみ変化を、例えば高圧ホースに貼付したひずみゲージで計測すればよい。

次に、計測された周方向応力又は周方向ひずみの時間変動における変動特性から水圧ハンマーの打撃数を特定する。

変動特性は、例えば周方向応力又は周方向ひずみの振幅が一定時間中にピークとなる頻度を指標とすることが可能であり、かかるピーク頻度と水圧ハンマーの打撃数との対応関係を実験等によって予め調べておくことで、水圧ハンマーの打撃数を特定することができるし、周方向応力又は周方向ひずみの時間変動を周波数領域に変換することで得られる卓越周波数を指標とすることも可能である。この場合も、ピーク頻度と同様、卓越周波数と水圧ハンマーの打撃数との対応関係から水圧ハンマーの打撃数を特定すればよい。

以上述べた構成により、トンネルの掘削工事で前方探査を行う際、水圧ハンマーと高圧ポンプとを接続する高圧ホースの周方向応力又は周方向ひずみにおける時間変動を計測するだけで、該水圧ハンマーの打撃数を適切に推定することが可能となり、かくして、打撃数に代えて送水流量を用いていた従来よりも、格段に高い信頼性をもって前方地山の探査を行うことが可能となる。

削孔対象物は、トンネル掘削を行う地山が典型例となるが、水圧ハンマーの打撃数を評価する必要があるのであれば、どのような地山でもよいし、地山以外、例えば地山を模擬した供試体も包摂される。

上述した水圧ハンマーの打撃数評価方法を用いて前方地山を探査するには、従来と同様、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が、水圧ハンマーで地山を削孔するにあたっては、該水圧ハンマーへの送水圧Ｐを計測する一方、高圧ホースに生じる周方向応力又は周方向ひずみの時間変動を上述した発明と同様に計測する。

次に、計測された周方向応力又は周方向ひずみの時間変動における変動特性から水圧ハンマーの打撃数を特定し、打撃数Ｎとする。このステップについても、上述した発明と同様に行えばよい。

次に、水圧ハンマーによる削孔エネルギーの大きさをエネルギー指標値Ｍとして定義するとともに、該エネルギー指標値を上述した送水圧Ｐ及び打撃数Ｎを用いて、次式、
Ｍ＝Ｐ・Ｎ／Ｖ （１）
Ｖ；削孔速度
から算出し、次いで、エネルギー指標値Ｍを用いて前方地山の地盤性状を推定する。

上述した前方地山の探査方法を実施可能な前方地山の探査システムは例えば、高圧ポンプに設けられた水圧計と、高圧ホースの径方向の膨張収縮による周方向ひずみの時間変動が計測できるように該高圧ホースに貼着されたひずみゲージと、水圧計及びひずみゲージに電気接続されそれらで計測された値をデータ処理する演算処理手段とを備えた構成とし、さらに該演算処理手段を、上述した周方向ひずみの時間変動における変動特性から水圧ハンマーの打撃数Ｎを特定するとともに、該打撃数Ｎと水圧計で計測された送水圧Ｐとを用いて、上述の（１）式を演算することにより、エネルギー指標値Ｍを算出できるように構成す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システムを示した図であり、(a)は配置図、(b)はブロック図。 ピーク頻度と水圧ハンマーの打撃数との対応関係を調べるためのシステムを示したブロック図。 加速度センサー３０で計測された振動値と高圧ホースに生じる周方向ひずみの時間変動とをそれぞれ縦軸にとった場合の時刻歴計測結果を概念的に示したグラフ。

以下、本発明に係る水圧ハンマーの打撃数評価方法及びそれを用いた前方地山の探査方法並びに前方地山の探査システム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、本実施形態に係る前方地山の探査システムの配置図、同図(b)は同じくブロック図である。

図２に示すように、本実施形態に係る前方地山の探査システム１は、高圧ホース２９を介して高圧ポンプ２７に接続された水圧ハンマー２２が装着された削孔機２０を用いて構成してあり、高圧ポンプ２７に設けられた水圧計２８と、高圧ホース２９の径方向の膨張収縮による周方向ひずみの時間変動が計測できるように該高圧ホースに貼着されたひずみゲージ１９と、水圧計２８及びひずみゲージ１９に電気接続されそれらで計測された値をデータ処理可能な演算処理手段としての演算処理装置３１とを備える。

削孔機２０は、ボーリングマシン２１に削孔ロッド２３を連結するとともに該削孔ロッドの先端に上述した水圧ハンマー２２を取り付けて構成してあり、該水圧ハンマーで露出面である切羽２６の前方に拡がる削孔対象物としての地山２５を削孔するようになっている。

演算処理装置３１は、高圧ホース２９に生じる周方向ひずみの時間変動における変動特性から水圧ハンマー２２の打撃数Ｎを特定するとともに、該打撃数Ｎと水圧計２８で計測された送水圧Ｐとを用いて、次式、
Ｍ＝Ｐ・Ｎ／Ｖ （１）
Ｖ；削孔速度
を演算することにより、水圧ハンマー２２による削孔エネルギーの大きさとして定義されるエネルギー指標値Ｍを算出できるようになっている。

上述した前方地山の探査システム１を用いて本実施形態に係る前方地山の探査方法を実施するには、まず、地山２５を水圧ハンマー２２で削孔しつつ、該水圧ハンマーへの送水圧を高圧ポンプ２７の水圧計２８を用いて計測し、これを送水圧Ｐとする（図１，ステップ１０１）。

一方、水圧ハンマー２２が打撃動作を行う際にはその切替弁が作動し、そのときに高圧水中に生じた脈動が、水圧ハンマー２２と高圧ポンプ２７とを接続する高圧ホース２９を径方向に膨張収縮させるので、その膨張収縮による高圧ホース２９の周方向ひずみにおける時間変動を、該高圧ホースに貼着したひずみゲージ１９を用いて計測する（ステップ１０２）。

次に、ひずみゲージ１９で計測された周方向ひずみの時間変動における変動特性から水圧ハンマー２２の打撃数Ｎを特定する（ステップ１０３）。

高圧ホース２９に生じた周方向ひずみの時間変動における変動特性は、周方向ひずみの振幅が一定時間中にピークとなる頻度を指標とすることが可能であり、かかるピーク頻度と水圧ハンマーの打撃数との対応関係を実験等によって予め調べた上、その結果を、演算処理装置３１に反映させておけばよい。

ピーク頻度と水圧ハンマーの打撃数との対応関係は、前方探査の対象となる地山で調べるのであれば、例えば図３に示したシステムを用いることができる。

同図に示したシステムは、上述した水圧計２８、ひずみゲージ１９及び演算処理装置３１に加えて、切羽２６に取り付けられた加速度センサー３０を備えて構成してあり、演算処理装置３１は、加速度センサー３０で計測された振動数を水圧ハンマー２２の打撃数として特定するとともに、ひずみゲージ１９で計測された周方向ひずみの時間変動におけるピーク頻度をカウントするようになっている。

加速度センサー３０は、水圧ハンマー２２の打撃で生じた弾性波が切羽２６で適切に検出されるよう、削孔ロッド２３が挿入される削孔口の回りに複数設置する、例えば両側にそれぞれ設置するのが望ましい。

図４(a)，(b)は、加速度センサー３０で計測された振動値と高圧ホース２９における周方向ひずみの時間変動とをそれぞれ縦軸にとった場合の時刻歴計測結果を概念的に示したグラフであり、同図の例であれば、周方向ひずみの時間変動におけるピークは、加速度センサー３０で計測された振動値と同じ頻度で出現すると考えることができるとともに、加速度センサー３０で計測された振動値はそのまま水圧ハンマー２２の打撃数とみなすことができるので、上記の例であれば、周方向ひずみの時間変動におけるピーク頻度をそのまま水圧ハンマー２２の打撃数と推定することが可能である。

このような高圧ホース２９の周方向ひずみにおける時間変動のピーク頻度と水圧ハンマー２２の打撃数との対応関係は、トンネル２４の掘削工事に伴う前方探査の開始前に予め調査しておくとともに、その調査結果に基づいて水圧ハンマー２２の打撃数が算出されるように、上述の例であれば、カウントされたピーク頻度の値が水圧ハンマー２２の打撃数として算出されるように、演算処理装置３１を構成しておく。

ステップ１０３において、水圧ハンマー２２の打撃数Ｎが演算処理装置３１で特定されたならば、次に、水圧ハンマー２２による削孔エネルギーの大きさとして定義されるエネルギー指標値Ｍを、ステップ１０１で計測された送水圧Ｐとステップ１０３で特定された打撃数Ｎを用いて、次式、
Ｍ＝Ｐ・Ｎ／Ｖ （１）
Ｖ；削孔速度
から演算処理装置３１で算出し（ステップ１０４）、次いで、エネルギー指標値Ｍを用いて前方地山の地盤性状を推定する（ステップ１０５）。

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、トンネル２４の掘削工事で前方探査を行う際、高圧ホース２９に生じる周方向ひずみの時間変動を計測するだけで、該水圧ハンマーの打撃数を適切に推定することが可能となり、かくして、打撃数に代えて送水流量を用いていた従来よりも、格段に高い信頼性をもって前方地山の探査を行うことが可能となる。

本実施形態では、高圧ホース２９に生じる周方向ひずみの時間変動のピーク頻度と水圧ハンマー２２の打撃数との対応関係を前方探査の対象となる地山で調べるようにしたが、前方探査に先行して行うのであれば、上述した対応関係をいつどのように調べるかは任意であり、掘削が行われる地山に代えて、他の地山で行ってもよいし、地山を模擬した供試体で行うことも可能である。なお、いずれの場合であっても、ピーク頻度と打撃数との対応関係については、ピーク頻度に対応する打撃数が演算処理装置３１で特定されるように、該演算処理装置に予め反映させておく。

また、本実施形態では、ピーク頻度と打撃数との対応関係を加速度センサー３０を用いて調べるようにしたが、かかる対応関係を調べる手段は任意である。

また、本実施形態及び上述の変形例では、前方地山の探査システム１を用いて前方地山の探査方法を実施することを前提としたが、本発明に係る前方地山の探査方法は、必ずしも前方地山の探査システム１を用いて実施する必要はないし、それゆえ演算処理装置３１も必須構成とする必要はなく、例えば高圧ホース２９の周方向ひずみにおける時間変動の変動特性をモニターにグラフィック表示してピーク頻度を把握し、これを、予め定められたピーク頻度と打撃数との対応関係に照合することで打撃数Ｎを特定した後、送水圧Ｐ及び打撃数Ｎを用いて（１）式からエネルギー指標値Ｍを適宜算出するようにしてもかまわない。

また、本実施形態では、高圧ホース２９の周方向ひずみにおける時間変動の変動特性としてピーク頻度を用いたが、変動特性として何を指標にするのかは任意であり、ピーク頻度に代えて、例えば、計測された周方向ひずみの時間変動を時間領域から周波数領域に変換してこれを変動特性とし、該変動特性から卓越周波数を検出して水圧ハンマーの打撃数を特定するようにしてもよい。

また、本実施形態では、本発明に係る水圧ハンマーの打撃数評価方法を前方地山の探査方法に適用した場合について説明したが、水圧ハンマーの打撃数を評価する必要があるのであれば、前方地山の探査方法に適用が限定されるものではなく、前方探査以外の目的で任意の地山に適用するようにしてもよいし、地山を模擬した供試体に適用するようにしてもかまわない。

また、本実施形態では、高圧ホース２９の径方向膨張収縮で生じる周方向ひずみの時間変動を計測するようにしたが、物理特性の本質から言えば、周方向ひずみに代えて、周方向応力を計測する構成とすることも可能である。

１ 前方地山の探査システム
１９ ひずみゲージ
２１ ボーリングマシン
２２ 水圧ハンマー
２３ 削孔ロッド
２５ 地山（削孔対象物）
２６ 切羽（露出面）
２７ 高圧ポンプ
２８ 水圧計
２９ 高圧ホース
３１ 演算処理装置（演算処理手段）

Claims (3)

1. 高圧ホースを介して高圧ポンプが接続された水圧ハンマーで所定の削孔対象物を削孔しつつ前記高圧ホースに生じる周方向応力又は周方向ひずみの時間変動を計測し、該時間変動における変動特性から前記水圧ハンマーの打撃数を特定することを特徴とする水圧ハンマーの打撃数評価方法。
2. 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るとともに該水圧ハンマーを高圧ホースを介して高圧ポンプに接続し、前記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、
   前記水圧ハンマーへの送水圧を計測して送水圧Ｐとし、
   前記送水圧Ｐの計測と同時に前記高圧ホースに生じる周方向応力又は周方向ひずみの時間変動を計測し、
   該周方向応力又は周方向ひずみの時間変動における変動特性から前記水圧ハンマーの打撃数Ｎを特定し、
   前記水圧ハンマーによる削孔エネルギーの大きさをエネルギー指標値Ｍとして定義するとともに、該エネルギー指標値を前記送水圧Ｐ及び前記打撃数Ｎを用いて、次式、
   Ｍ＝Ｐ・Ｎ／Ｖ （１）
   Ｖ；削孔速度
   から算出し、
   前記エネルギー指標値Ｍを用いて前記前方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。
3. 高圧ホースを介して高圧ポンプに接続された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システムにおいて、
   前記高圧ポンプに設けられた水圧計と、前記高圧ホースの径方向の膨張収縮による周方向ひずみの時間変動が計測できるように該高圧ホースに貼着されたひずみゲージと、前記水圧計及び前記ひずみゲージに電気接続されそれらで計測された値をデータ処理する演算処理手段とを備えてなり、該演算処理手段は、前記周方向ひずみの時間変動における変動特性から前記水圧ハンマーの打撃数Ｎを特定するとともに、該打撃数Ｎと前記水圧計で計測された送水圧Ｐとを用いて、次式、
   Ｍ＝Ｐ・Ｎ／Ｖ （１）
   Ｖ；削孔速度
   を演算することにより、前記水圧ハンマーによる削孔エネルギーの大きさとして定義されるエネルギー指標値Ｍを算出できるようになっていることを特徴とする前方地山の探査システム。

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