JP6602675B2

JP6602675B2 - 切羽前方の地質探査方法

Info

Publication number: JP6602675B2
Application number: JP2016003187A
Authority: JP
Inventors: 一郎関根; 和明石垣; 亮法橋; 政男宮内
Original assignee: Toda Corp
Current assignee: Toda Corp
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: JP2017125684A

Description

本発明は、トンネル等の掘削に当たり、事前に切羽前方の地質を探査する方法に関する。

トンネル掘削に当たっては、切羽崩落災害等のトラブル防止或いはトンネル掘削時の支保パターンの妥当性を事前に評価する観点から、切羽前方の地山調査に係るニーズが高まっている。

トンネル坑内から行われる切羽前方の地質探査方法の一つとして、ドリルジャンボによって切羽前方に穿孔を形成し、この穿孔を用いて地盤内を伝播する弾性波の速度を測定する速度検層が確立されている。

前記速度検層には起振位置及び受振位置によって各種の方法があり、図１３に示されるように、穿孔５０内に受振器５１を設置し、切羽面Ｓをハンマー５２で打撃することによって起振したときの弾性波の速度を測定するダウンホール法（下記特許文献１など）、図１４に示されるように、切羽面Ｓに受振器５１を設置し、ドリルジャンボ５３に搭載されたドリフタ５４を作動して穿孔用ビット５５が穿孔５０の先端面を起振したときの弾性波の速度を測定するアップホール法（下記特許文献２など）などが知られている。

特開平１１−１８２１７１号公報特開２０１１−１０２７０６号公報

前記ダウンホール法は、切羽前方の地質探査方法として一般的であるが、地山が悪く孔荒れしている場合、受振器の挿入・回収が不能になるため適用できない、などの問題があった。

一方、前記アップホール法は、前記ダウンホール法の問題が解消できる技術として実用化が期待される方法であるが、ドリルジャンボに搭載されたドリフタを作動させることによって地山を起振するため、(1)油圧ユニットの稼働に伴う振動（ノイズ）が発生する、(2)打撃の制御が難しく連続打撃となってしまう、などの問題があり、良好な弾性波の観測波形を得るのが非常に難しかった。

そこで本発明の主たる課題は、孔壁が崩壊しやすい不良地山でも実施でき、良好な弾性波の観測波形が得られる切羽前方の地質探査方法を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、トンネル空間内から、ロッドの先端に穿孔用ビットが備えられた穿孔機によって切羽前方の地山に穿孔を行い、任意の穿孔長さ位置において、トンネル空間内で前記ロッドに対して、前記ロッドの半径方向に突出する打撃面を有する打撃用治具を取り付けるとともに、切羽面に受振器を設置し、
前記穿孔機の運転を停止した状態で、ハンマーによって前記打撃面を前記ロッドの軸方向に打撃して前記穿孔用ビットの先端から地山に弾性波を発生させ、前記受振器により弾性波を計測して地山の弾性波速度を求めることを特徴とする切羽前方の地質探査方法が提供される。

上記請求項１記載の発明は、切羽面に受振器を設置し、穿孔の先端面で地山に弾性波を発生させるアップホール法による速度検層であるため、ダウンホール法で問題となっていた、地山が悪く孔荒れしている場合に受振器の挿入・回収が不能になる問題が解決できるようになる。

特に、本方法では、トンネル空間内で前記ロッドに対して、前記ロッドの半径方向に突出する打撃面を有する打撃用治具を取り付け、この打撃用治具の打撃面をハンマーで打撃することによって、ロッドの軸方向に打撃力を加える点に特徴を有している。ここで、ロッドの軸方向に打撃力を加える方法としては、トンネル空間内でロッドの連結部分を分解し、露出したロッドの端面をハンマーで直接打撃する方法も考えられるが、この方法では、ロッドを分解する作業と、再度ロッドを組み立てる作業とが必要となり、余計な手間及び時間がかかる問題がある。これに対して、本発明に係る地質探査方法では、前述の通り、ロッドに前記打撃用治具を取り付け、この打撃用治具の打撃面をハンマーで打撃しているため、穿孔内に穿孔用ビット及びロッドを挿入した穿孔作業中のそのままの状態で、ロッドの分解・組立てを行うことなく速度検層が可能となるため、測定作業の手間が大幅に軽減できるようになる。

また、穿孔内に受振器を設置する必要がないため、地山が悪く孔荒れしている場合でも測定が可能である。

更に、本地質探査方法では、前記穿孔機の運転を停止した静穏な環境下で、前記受振器により弾性波を計測して地山の弾性波速度を求めているため、ノイズが少なく、良好な弾性波の観測波形を得ることができるようになる。また、地山に弾性波を発生させる際、前記打撃面を制御容易な人力でハンマー打撃することにより行っているため、連続打撃が容易に回避でき、良好な弾性波の観測波形を得ることができるようになる。

請求項２に係る本発明として、前記穿孔機のドリフタにより前記穿孔用ビットを前記穿孔の先端面に押し付けた状態で前記打撃面をハンマーによって打撃する請求項１記載の切羽前方の地質探査方法が提供される。

上記請求項２記載の発明では、前記穿孔機のドリフタにより前記穿孔用ビットを前記穿孔の先端面に押し付けた状態で前記打撃面をハンマーによって打撃しているため、ロッドと孔壁との接触に伴うノイズが低減でき、穿孔の先端面に確実に弾性波を発生させることができるようになる。

請求項３に係る本発明として、前記ロッドは、少なくとも前記打撃用治具が取り付けられる部分に、外周面の対向する両側面が切り欠かれ、平行な平坦面が形成されている請求項１、２いずれかに記載の切羽前方の地質探査方法が提供される。

上記請求項３記載の発明では、前記ロッドの少なくとも前記打撃用治具が取り付けられる部分に、外周面の対向する両側面が切り欠かれ、平行な平坦面を形成することによって、この平坦面に前記打撃用治具が固定しやすくなり、ハンマーによる打撃時の打撃用治具のずれが確実に防止できるようになる。

請求項４に係る本発明として、前記受振器は、前記切羽面に対し間隔をあけて複数設置されている請求項１〜３いずれかに記載の切羽前方の地質探査方法が提供される。

上記請求項４記載の発明では、前記受振器を切羽面に対して間隔をあけて複数設置してあるため、各受振器で観測した観測データの相互補完を行うことによって、ある程度のノイズが除去でき、初動波の読み取り精度が向上できるようになる。

以上詳説のとおり本発明によれば、孔壁が崩壊しやすい不良地山において受振器の挿入・回収が不能になる課題が解決でき、良好な弾性波の観測波形が得られるようになる。

地質探査システム１の縦断面図である。打撃用治具６を示す、(A)は正面図、(B)は側面図である。ロッド３の変形例を示す、打撃用治具６の正面図である。穿孔５及び受振器８の設置位置を示すトンネル切羽面Ｓの正面図である。従来の方法による時系列波形図（その１）である。本地質探査方法による時系列波形図（その１）である。従来の地質探査方法による時系列波形図（その２）である。本地質探査方法による時系列波形図（その２）である。本地質探査方法による走時曲線である。従来の地質探査方法（ダウンホール法）による走時曲線である。本地質探査方法による弾性波速度を示す図である。従来の地質探査方法（ダウンホール法）による弾性波速度を示す図である。従来のダウンホール法による地質探査システムを示す縦断面図である。従来のアップホール法による地質探査システムを示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る地質探査システム１は、トンネル空間内から切羽Ｓ前方の地山に穿孔５を形成する穿孔作業を行う、ロッド３の先端に穿孔用ビット４が備えられた穿孔機２と、任意の穿孔長さ位置において、トンネル空間内で前記ロッド３に対して取り付けられ、ロッド３の半径方向に突出する打撃面７を有する打撃用治具６と、切羽面Ｓに設置された受振器８と、前記打撃用治具６を打撃するハンマー１０に取り付けられた起振信号発生用センサ（図示せず）と、前記受振器８及び起振信号発生用センサがケーブルを介して接続され、前記受振器８及び起振信号発生用センサによって計測されたデータが電送され記録される計測器９とから構成されている。

前記穿孔機２は、走行可能な台車（図示せず）に対して、ガイドセル１１に前後進可能に搭載されたドリフタ１２と、このドリフタ１２にシャンクロッド１３を介して接続され、先端に穿孔用ビット４を備えた穿孔ロッド３とが搭載された、ドリルジャンボなどの穿孔用重機である。

前記打撃用治具６は、詳細には図２に示されるように、ロッド３に対して半径方向の外側に突出するとともに、ロッド３の軸方向に直交するドリフタ１２側に面した打撃面７が備えられたブロック状の打撃部１４と、前記打撃部１４の下端両側にそれぞれ下方に向けて延出し、ロッド３の両側を挟み込むようにしてロッド３に固定される一対の脚部１５、１５とから構成されたものである。前記打撃用治具６は、トンネル空間内で、ロッド３を分解することなく、穿孔機２による穿孔作業を行っている状態のロッド３に対して、後付けで着脱可能に取り付けられるものである。

前記打撃用治具６のロッド３に対する固定は、前記一対の脚部１５、１５のうち、少なくとも一方側の前記脚部１５に１又は複数のねじ孔１６が設けられ、このねじ孔１６に対し外側から螺合された締付けボルト１７の先端と、他方側の脚部１５の内側との間でロッド３を締め付けることにより行われる。

前記締付けボルト１７は、ハンマー打撃時の打撃用治具６のずれを防止し、打撃力をロッド３に伝達しやすくするため、ロッド３の軸方向に離間して２箇所以上、図示例では２箇所設けるのが好ましい。これに伴い、前記脚部１５は、図２(B)に示されるように、ロッド３の軸方向に沿う部材長さが、打撃部１４の部材長さより前後に長く突出して形成するのが好ましい。

また、前記締付けボルト１７の先端面にローレット加工などを施して細かい凹凸状に形成することにより、ロッド３との滑り防止を図るのが好ましい。

前記ロッド３は、少なくとも前記打撃用治具６が取り付けられる部分に、外周面の対向する両側面が切り欠かれ、平行な平坦面が形成されるようにするのが好ましい。これにより、この平行な平坦面を、締付けボルト１７の先端と脚部１５の内側とで挟持することにより、前記打撃用治具６が固定しやすくなり、ハンマーによる打撃時の打撃用治具６のずれが確実に防止できるようになる。図２に示される例では、ロッド３として、断面六角形状のものを用いることにより、外周面の対向する両側面が前記平坦面となっている。また、図３に示されるように、ロッド３として、断面円形状のものを用い、前記打撃用治具６を取り付ける部分の外周面の対向する両側面が前記平坦面となるように切欠き加工を施してもよい。当然ながら、ロッド３が全長に亘って、図３に示される断面形状を有していてもよい。

前記ロッド３に対する打撃用治具６の固定をより強固にするため、打撃部１４の上端面とロッド３の下端面との間を、例えばブルマン（登録商標）などの挟持金具によって固定してもよい。

前記受振器８は、切羽Ｓの所定位置に設置され、ハンマー１０によって打撃用治具６の打撃面７を打撃して穿孔用ビット４の先端から地山に発生された弾性波を受振する機器である。

前記受振器８は、図４に示されるように、穿孔５の設置位置を基準として、切羽Ｓの一定方向に所定の間隔で複数設置するのが好ましい。前記受振器８を複数設置することによって、各受振器８で観測した観測データの相互補完を行うことで、ある程度のノイズが除去でき、初動波の読み取り精度が向上できるようになる。図示例では、穿孔５の近傍及び、そこから水平方向に８箇所設置されている。より詳細には、穿孔５の近傍に、切羽Ｓに垂直な成分の弾性波を受振する受振器８（１チャンネル（ｃｈ））及び切羽Ｓに平行な成分の弾性波を受振する受振器８（２ｃｈ）を設置するとともに、穿孔５から２ｍ間隔で切羽Ｓと垂直な成分の弾性波を受振する２つの受振器８（３ｃｈ、４ｃｈ）を設置し、更に２つ目の受振器８（４ｃｈ）から１ｍ間隔で切羽Ｓと垂直な成分の弾性波を受振する６つの受振器８及び、４つ目と６つ目にそれぞれ切羽Ｓと平行な成分の弾性波を受振する受振器８（５ｃｈ〜１２ｃｈ）を設置している。

一方、前記ハンマー１０に設置される起振信号発生用センサは、前記ハンマー１０によって打撃用治具６の打撃面７を打撃した際の起振データを測定する機器である。

打撃に用いる前記ハンマー１０としては、金属製、プラスチック製、木製、ゴム製などいずれでもよいが、鉄製の大型ハンマーを用いるのが好ましい。

以上の構成からなる地質探査システム１を用いて地質探査を行うには、次の手順による。先ず第１に、前記穿孔機２によって、トンネル空間内から切羽Ｓの前方の地山に穿孔５を形成する穿孔作業を行う。そして、任意の穿孔長さ位置において、トンネル空間内で前記ロッド３に対して前記打撃用治具６を取り付ける。前記穿孔作業は、短尺ロッドを順次継ぎ足して延伸する継ぎノミ方式により行われる。なお、切羽面Ｓには前記受振器８、８…が設置されるとともに、前記ハンマー１０には前記起振信号発生用センサが設置されている。

次いで、前記穿孔機２の運転を停止した状態で、前記ハンマー１０によって、前記打撃用治具６の打撃面７を、ロッド３の軸方向の穿孔用ビット４側に向けて打撃し、穿孔用ビット４の先端から地山に弾性波を発生させ、前記受振器８、８…により弾性波を計測して地山の弾性波速度を求める。

このように、本地質探査方法は、切羽面Ｓに受振器８を設置し、穿孔５の先端面で地山に弾性波を発生させるアップホール法による速度検層であるため、ダウンホール法で問題となっていた、地山が悪く孔荒れしている場合に受振器の挿入・回収が不能になる問題が解決でき、測定作業の手間が大幅に軽減できるようになる。

特に、本地質探査方法では、トンネル空間内で前記ロッド３に対して打撃用治具６を取り付け、この打撃用治具６の打撃面７をハンマー１０で打撃することによって、ロッド３の軸方向に打撃力を加える点に特徴を有している。ここで、ロッドの軸方向に打撃力を加える方法としては、トンネル空間内でロッドの連結部分を分解し、露出したロッドの端面をハンマーで直接打撃する方法も考えられるが、この方法では、ロッドを分解する作業と、再度ロッドを組み立てる作業とが必要となり、余計な手間及び時間がかかる問題がある。これに対して、本地質探査方法では、前述の通り、穿孔５内に穿孔用ビット４及びロッド３を挿入した穿孔作業中のそのままの状態で、ロッド３の分解・組立てを行うことなく速度検層が可能となるため、測定作業の手間が大幅に軽減できるようになる。

また、穿孔５内に受振器を設置する必要がないため、地山が悪く孔荒れしている場合でも測定が可能である。

更に、本地質探査方法では、前記穿孔機２の運転を停止した静穏な環境下で、前記受振器８により弾性波を計測して地山の弾性波速度を求めているため、ノイズが少なく、良好な弾性波の観測波形を得ることができるようになる。また、前記打撃面７を打撃する際、制御容易な人力でのハンマー打撃を行っているため、連続打撃が回避でき、良好な弾性波の観測波形を得ることができるようになる。

前記ハンマー１０によって打撃面７を打撃する際、穿孔機２のドリフター１２により前記穿孔用ビット４を穿孔５の先端面（孔底面）に押し付けた状態で行うようにするのが好ましい。これにより、ロッド３が孔壁に接触しにくくなり、これらの接触に伴うノイズが低減できるとともに、ハンマー１０による打撃によってロッド３及び穿孔用ビット４を介して穿孔５の先端面に確実に弾性波を発生させることができるようになる。

以下、実際のトンネル工事現場において、本発明に係る地質探査方法と従来の地質探査方法とを用いて観測したデータを比較調査した概要について説明する。

第１の比較調査としては、図５及び図６に示されるように、弾性波測定中の穿孔機の運転が観測データに与える影響を調べた。図５は、従来の地質探査方法として、図１４に示されるように、切羽面に受振器を設置し、ドリルジャンボに搭載されたドリフタを作動して穿孔用ビットによって穿孔の先端面を起振したときの弾性波を測定する従来のアップホール法を用いて観測した弾性波の時系列波形である。また、図６は、本地質探査方法を用いて観測した弾性波の時系列波形である。図５及び図６中、１ｃｈ〜１２ｃｈは、図４に示される各番号の受振器８により観測されたデータであり、１３ｃｈは起振データである。

図５に示されるように、従来の地質探査方法では、穿孔機の運転によるノイズが多く、打撃による初動波の立ち上がり位置の判読が難しくなっていた。これに対して、本地質探査方法では、図６に示されるように、穿孔機２の運転を停止した状態で弾性波の計測が行われているため、ノイズが少なく、各測定ポイントで弾性波の立ち上がり位置が明瞭となる。このように、穿孔機２の運転を停止した静穏な環境下で計測することによって、ノイズが低減でき、良好な弾性波の観測波形が得られるようになる。

次に第２の比較調査として、図７及び図８に示されるように、起振方法が観測データに与える影響を調べた。図７は、上記と同様に図１４に示される従来のアップホール法を用いて観測した弾性波の時系列波形である。また、図８は、本地質探査方法を用いて観測した弾性波の時系列波形である。図７に示されるように、従来の地質探査方法では、ドリフタを作動して穿孔用ビットによって穿孔の先端面を起振しているため、１３ｃｈの起振波形に示されるように、打撃を制御するのが難しく、ショットマークが複数現れる連続打撃となってしまい、初動波の立ち上がり位置の特定が容易ではない。これに対して、図８に示されるように、本地質探査方法では、ハンマー１０により打撃用治具６の打撃面７を打撃することによってロッド３及び穿孔用ビット４を介して穿孔５の先端面を起振しているため、１３ｃｈの起振波形に示されるように、１回の打撃に対応した観測波形のみが得られ、初動波の立ち上がり位置が特定しやすい。それでも避けられない小さなノイズについては、複数の受振器８、８…を用いた相互補完により除去することが可能である。具体的には、図８に示されるように、比較的初動波の立ち上がり位置が明瞭な１１ｃｈ及び１２ｃｈの２２ｍｓ付近を初動波到達時間を基準とし、その他の受振器を見てみると、多少のノイズは認められるものの、初動波到達時間が概ね同一時間上に並んでいることがわかる（６ｃｈ〜１２ｃｈ）。このように、穿孔５に近い受振器（１ｃｈ〜５ｃｈ）のみでは、初動波到達時間の読み取りが難しく、弾性波速度値の解析が困難であるが、他の比較的ノイズが少ないと思われる受振器のデータを補完することにより初動波の立ち上がり位置が特定できるようになる。

第３の比較調査として、本地質探査方法と、穿孔内に受振器を設置し、切羽面をハンマーで打撃するダウンホール法（図１３）との比較を行った。図９は本地質探査方法による走時曲線であり、図１０はダウンホール法による走時曲線である。走時曲線の傾きは区間速度値に対応しており、これに基づいて得た弾性波平均速度をそれぞれ図１１及び図１２に示す。図９〜図１２に示されるように、走時曲線は、両方法ともに似た形状の曲線が得られている。また、弾性波の平均速度は、本地質探査方法で幾分低い値となっているものの、両方法とも概ね同等の速度値が得られている。従って、本地質探査方法とダウンホール法の速度構造には、概ね整合性が認められ、本地質探査方法は切羽前方の地山探査方法として有効な方法であると言える。

１…地質探査システム、２…穿孔機、３…ロッド、４…穿孔用ビット、５…穿孔、６…打撃用治具、７…打撃面、８…受振器、９…計測器、１０…ハンマー

Claims

トンネル空間内から、ロッドの先端に穿孔用ビットが備えられた穿孔機によって切羽前方の地山に穿孔を行い、任意の穿孔長さ位置において、トンネル空間内で前記ロッドに対して、前記ロッドの半径方向に突出する打撃面を有する打撃用治具を取り付けるとともに、切羽面に受振器を設置し、
前記穿孔機の運転を停止した状態で、ハンマーによって前記打撃面を前記ロッドの軸方向に打撃して前記穿孔用ビットの先端から地山に弾性波を発生させ、前記受振器により弾性波を計測して地山の弾性波速度を求めることを特徴とする切羽前方の地質探査方法。
前記穿孔機のドリフタにより前記穿孔用ビットを前記穿孔の先端面に押し付けた状態で前記打撃面をハンマーによって打撃する請求項１記載の切羽前方の地質探査方法。
前記ロッドは、少なくとも前記打撃用治具が取り付けられる部分に、外周面の対向する両側面が切り欠かれ、平行な平坦面が形成されている請求項１、２いずれかに記載の切羽前方の地質探査方法。
前記受振器は、前記切羽面に対し間隔をあけて複数設置されている請求項１〜３いずれかに記載の切羽前方の地質探査方法。