JP6724404B2

JP6724404B2 - 地山の亀裂の評価方法、地山の評価方法、及び地山の亀裂の評価装置

Info

Publication number: JP6724404B2
Application number: JP2016027512A
Authority: JP
Inventors: 和彦水谷
Original assignee: Maeda Corp
Current assignee: Maeda Corp
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-02-17
Also published as: JP2017145603A

Description

本発明は、地山の亀裂の評価方法、地山の評価方法、及び地山の亀裂の評価装置に関する。

トンネルの構築に際し、切羽の前方を探査する前方探査やトンネルの内壁面を検査することが行われている。例えば、特許文献１には、トンネルボーリングマシンを用いてトンネルを掘削する際に、地山の状態情報を取得して解析し、切羽前方の地質及びトンネルボーリングマシン周辺の地質をリアルタイムで評価することが開示されている。また、例えば、特許文献２には、切羽面を撮像装置によって撮像し、得られた切羽面の画像を画像処理装置によって画像処理して、切羽面における不連続面の抽出と亀裂の抽出を行い、抽出した亀裂の密度を測定し、この亀裂の密度から切羽面の地質の硬軟を判定することが開示されている。また、特許文献３には、高周波領域（例えば２００ＴＨｚ）でのレーザ送信信号をトンネル内壁に向けて水平方向（例えば３６０゜）および垂直方向（例えば±６０゜）に、高速周波数スイープ（例えば１００ＧＨｚ／ｍｓ）させ、レーザ送信信号に対する受信信号の時間遅れＴと送受信信号の周波数偏移幅Δｆとの相関関係に基づいて、測定値を画面に表示して、トンネル内壁のコンクリート壁の亀裂あるいは剥離を検知することが開示されている。

特許第３３４４５６１号公報特公平７−１１６９１７号公報特開２００１−２１６５１号公報

山岳トンネルで一般的に使用される油圧式ドリルで地山（例えば、岩盤）を削孔する際に得られるデータ（例えば、削孔速度、打撃圧、フィード圧）に基づいて地山を評価する技術がある。このような従来技術では、例えば岩盤を破壊する際のエネルギー（削孔エネルギー、破壊エネルギーともいう）を用いて、地山の強度を評価する。例えば、エネルギーが大きければ地山が硬いと評価し、エネルギーが小さければ地山が柔らかいと評価する。一方で、山岳トンネルの施工では、地山の亀裂を評価することも重要とされている。例えば、掘削時の切羽の安定性は、地山の強度だけでなく、地山の亀裂にも大きく依存することが知られている。しかしながら、従来の、油圧式ドリルで地山を削孔する際に得られるデータに基づいて地山を評価する技術では、地山の亀裂が十分に考慮されて地山が評価されているとは言えない。なお、例えば、上記特許文献１では、亀裂について説明されている箇所が存在するが、トルクの振れが大の場合、準岩盤強度が高ければ、亀裂が多く崩落の可能性があると判定しているにすぎない。

本発明は、上記の問題に鑑み、地山の亀裂を評価する技術を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明者は、削孔データを処理して得られる削孔エネルギーと地山の亀裂との相関関係に着目し、本発明では、削孔データを処理して得られる削孔エネルギーと地山の亀裂との相関関係に基づいて、地山の亀裂を評価することとした。

詳細には、本発明は、地山の亀裂を評価する地山の亀裂の評価方法であって、コンピュータが、前記地山を削孔する際に得られる削孔データを取得するデータ取得ステップと、前記データ取得ステップで取得した削孔データを処理するデータ処理ステップと、前記データ処理ステップで処理した処理結果を出力する出力ステップと、を含む処理を実行し、前記データ処理ステップでは、前記削孔データを処理して削孔する際の削孔エネルギーを算出し、算出した削孔エネルギーから地山の亀裂を評価する。

本発明では、削孔データを処理して得られる削孔エネルギーと地山の亀裂との相関関係に基づいて、地山の亀裂（以下、単に亀裂ともいう）を評価することができる。本発明で評価できる地山の亀裂は、削孔方向（例えば、トンネルの軸方向）と直交する方向に存在する亀裂である。亀裂の評価には、亀裂の有無、亀裂の間隔、亀裂の開口の評価等が含まれる。例えば、地山を削孔すると、亀裂が存在する箇所では、削孔エネルギーが相対的に低い値を示す。したがって、削孔エネルギーの値が前後の値と比較して相対的に低い場合には、亀裂が存在すると評価することができる。地山に応じて基準値を定め、削孔エネルギーの値が基準値を下回った場合、亀裂が存在すると評価するようにしてもよい。また、例えば、削孔エネルギーが相対的に低い値を示す箇所が複数存在する場合には、その箇所の間隔を判断することで、亀裂の間隔や亀裂の周期を評価することができる。また、例えば、削孔エネルギーが相対的に低い値を示した場合には、その状態がどの程度維持されたかを判断することで、亀裂の開口を評価することができる。例えば、削孔エネルギーが相対的に低い値を示した場合において、その状態が長く維持されれば、亀裂の開口が大きく、その状態が短ければ、亀裂の開口が小さいと評価することができる。

ここで、地山の削孔は、削孔装置や重機で行うことができる。削孔データは、削孔装置や重機で削孔する際に、削孔装置や重機から物理量として取得することができる。削孔データは、使用する削孔装置や重機によって異なる。例えば油圧式ドリルを使用する場合、削孔データには、削孔速度、打撃圧、フィード圧が例示される。ここで、削孔データの処理とは、削孔エネルギーを算出するための処理、換言すると、削孔する際の負荷を算出するための処理である。

前記データ処理ステップでは、前記削孔エネルギーを処理してピークを抽出し、抽出したピークの間隔に基づいて地山の亀裂の間隔を評価することができる。上述したように、地山を削孔すると、亀裂が存在する箇所では、削孔エネルギーが相対的に低い値を示す。したがって、削孔エネルギーの値が前後の値と比較して相対的に低い箇所をピークとして抽出し、抽出したピークの間隔を算出することで、地山の亀裂の間隔を評価することができる。

ここで、本発明は、地山の評価方法として特定してもよい。例えば、本発明は、上述した地山の亀裂の評価方法を実行することで得られた地山の亀裂の評価結果に基づいて地山を評価することができる。例えば、亀裂が存在する場合には、亀裂が存在しない場合と比較して、地山の安定性が低いと評価することができる。また、例えば、亀裂の間隔が狭い場合には、亀裂の間隔が広い場合と比較して、地山の安定性が低いと評価することができる。また、例えば、亀裂の開口が大きい場合には、亀裂の開口が小さい場合と比較して、地山の安定性が低いと評価することができる。なお、これらの評価は、地山に応じて基準値を設定し、設定した基準値に基づいて、コンピュータで実行するようにしてもよい。

また、上述した亀裂の評価方法を実行することで得られた地山の亀裂の評価結果と、地山を削孔する際の削孔エネルギーから得られる地山の強度とに基づいて地山を評価してもよい。地山の亀裂の評価結果と地山の強度に基づいて総合的に地山を評価することで、より精度の高い地山の評価が可能となる。

ここで、本発明は、地山の亀裂の評価装置として特定してもよい。例えば、本発明は、地山の亀裂を評価する地山の亀裂の評価装置であって、前記地山を削孔する際に得られる削孔データを取得するデータ取得部と、前記データ取得部で取得した削孔データを処理するデータ処理部と、前記データ処理部で処理した処理結果を出力する出力部と、を備え、前記データ処理部は、前記削孔データを処理して削孔する際の削孔エネルギーを算出し、算出した削孔エネルギーから地山の亀裂を評価する。

本発明に係る地山の亀裂の評価装置では、削孔データを処理して得られる削孔エネルギーと地山の亀裂との相関関係に基づいて、地山の亀裂を評価することができる。

また、本発明は、地山を削孔する装置や重機と、上記地山の亀裂の評価装置とを含む地山の評価システムとして特定してもよい。また、本発明は、地山の亀裂を評価するプログラムとして特定してもよい。また、本発明は、そのようなプログラムが記録された記録媒体として特定してもよい。

本発明によれば、地山の亀裂を評価する技術を提供することができる。

図１は、実施形態に係る地山の亀裂の評価方法を適用したトンネルの前方探査の説明図を示す。図２は、実施形態に係る地山の亀裂の評価装置の構成を示す。図３は、実施形態に係る地山の亀裂の評価処理フローを示す。図４は、亀裂間隔が１０ｃｍ（０．１ｍ）の場合の亀裂の解析モデルを示す。図５は、亀裂間隔が２０ｃｍ（０．２ｍ）の場合の亀裂の解析モデルを示す。図６は、亀裂間隔が４０ｃｍ（０．４ｍ）の場合の亀裂の解析モデルを示す。図７は、亀裂の解析モデルの他の例であり、亀裂が混在しているケースを示す。図８は、図７の下段の図の削孔エネルギー（打撃エネルギー）をバンドパスフィルタでフィルタ処理した図を示す。

次に、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。以下の説明では、本発明に係る地山の亀裂の評価方法を山岳トンネルの前方探査に用いる場合について説明する。以下の説明は例示であり、本発明は以下の内容に限定されるものではない。

＜地山の亀裂の評価方法の概要＞
図１は、実施形態に係る地山の亀裂の評価方法を用いたトンネルの前方探査の説明図を示す。実施形態に係る地山の亀裂の評価方法では、汎用の油圧式ドリル１で地山２（岩盤）を削孔し、削孔する際に得られる削孔データを亀裂の評価装置３で処理して削孔する際の削孔エネルギーを算出し、算出した削孔エネルギーから地山２の亀裂を評価する。以下、詳細に説明する。

＜＜油圧式ドリル＞＞
図１に示すように、油圧式ドリル１は、地山２を削孔し、かつ、地山２を削孔する際の削孔データを出力する。油圧式ドリル１は、先端にビッドが設けられたロッド１１を有し
ており、切羽４からロッド１１を地山２に挿入して切羽４の前方の地山２を削孔する。図１の油圧式ドリル１は、ホイール式であるが、例えば、クローラ式でもよい。油圧式ドリル１は、本発明に係る地山を削孔する重機の一例である。本発明に係る地山を削孔する重機（又は装置）は、地山を削孔する機能、及び地山を削孔する際の削孔データを出力できるものであればよく、油圧式ドリルに限定されない。削孔データには、削孔速度（穿孔速度）、打撃圧、フィード圧が例示される。

＜＜地山の亀裂の評価装置＞＞
図２は、実施形態に係る地山の亀裂の評価装置３の構成を示す。地山の亀裂の評価装置３（以下、単に評価装置３ともいう。）は、汎用のコンピュータによって構成することができ、評価装置３は、制御部３１、表示部３４、操作部３５、記憶部３６、通信部３７を備える。制御部３１は、ＣＰＵ３２、メモリ３３を含み、メモリ３３に格納されたプログラムに従って、評価装置３を制御する。例えば、制御部３１は、削孔データを処理して削孔する際の削孔エネルギーを算出し、算出した削孔エネルギーから地山２の亀裂を評価し、評価結果を表示部３４に表示する。

メモリ３３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置によって構成されている。メモリ３３には、制御プログラム等のデータが記憶されている。表示部３４は、例えば、液晶表示装置、プラズマディスプレイパネル、ＣＲＴ（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ）、エレクトロルミネッセンスパネル等を含む。操作部３５は、例えば、キーボード、ポインティングデバイス、タッチパネル、操作ボタン等を含む。記憶部３６は、例えば、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）、ＳＳＤ（ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｄｒｉｖｅ）等を含む。通信部３７には、例えば、ネットワークへの接続を実現する通信モジュール（例えば、ネットワークカード）が例示される。

＜地山の亀裂の評価処理＞
次に、地山の亀裂の評価処理について説明する。図３は、実施形態に係る地山の亀裂の評価処理フローを示す。地山の亀裂の評価処理は、評価装置３の制御部３１が、メモリ３３に格納された、地山の亀裂の評価処理プログラムを実行することで実現される。

まず、ステップＳ０１では、削孔データが取得される。例えば、制御部３１は、削孔データ（削孔速度（穿孔速度）、打撃圧、フィード圧）を取得し、記憶部３６に記憶する。削孔データは、操作部３５を介して入力することができる。また、例えば、油圧式ドリル１の制御部３１と評価装置３とをネットワークで接続しておき、削孔データは、油圧式ドリル１の制御部（図示せず）を介して、評価装置３の記憶部３６に自動的に記憶されるようにしてもよい。削孔データが取得されると、次のステップへ進む。

ステップＳ０２では、削孔エネルギーが算出される。例えば、制御部３１は、削孔データを処理し、削孔エネルギーの一例として、単位体積当たりに投入した打撃エネルギー（Ｊ／ｃｍ^３）を算出する。より詳細には、まず、１秒間の投入エネルギー（Ｊ／ｓ）が数１により算出される。

次に、１秒間の実効掘削体積（ｃｍ^３／ｓ）が数２により算出される。

次に、単位体積当たりに投入した打撃エネルギー（Ｊ／ｃｍ^３）が数３により算出される。

なお、実施形態では、削孔データとして、打撃圧、及び削孔速度を用い、単位体積当たりに投入した打撃エネルギー（削孔エネルギーの一例）を算出した。但し、これは、一例であり、削孔データとして、フィード圧を用いて、削孔エネルギーを算出してもよい。フィード圧を用いて削孔エネルギー（打撃エネルギー）を算出する場合、例えば数４により算出することができる。削孔エネルギーが算出されると、次のステップへ進む。

次に、ステップＳ０３では、地山２の亀裂が評価され、評価結果が出力される。例えば、制御部３１は、削孔エネルギーを高速フーリエ変換（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ、ＦＦＴ）処理し、亀裂に相当するピークを抽出し、結果を表示部３４に表示する。ここで、図４から図６は、亀裂の解析モデルを示す。図４から図６において、上段の図は、地山の亀裂のイメージを示し、中段の図は、上段の図に対応する削孔エネルギー（打撃エネルギー）の変化を示し、下段の図は、中段の図に対応する、削孔エネルギーをＦＦＴ処理することで得られる削孔エネルギー（打撃エネルギー）と周期との関係を
示す。図４は、亀裂間隔が１０ｃｍ（０．１ｍ）の場合の亀裂の解析モデルを示す。図５は、亀裂間隔が２０ｃｍ（０．２ｍ）の場合の亀裂の解析モデルを示す。図６は、亀裂間隔が４０ｃｍ（０．４ｍ）の場合の亀裂の解析モデルを示す。例えば、図４では、周期０．１ｍでピークが表れている。図５では、周期０．２ｍでピークが表れている。また、図６では、周期０．４ｍで周期が表れている。このように、削孔エネルギーをＦＦＴ処理することで、亀裂の間隔を評価することができる。

また、図７は、亀裂の解析モデルの他の例を示す。図４から図６は、等間隔で亀裂が存在しているケースを示したが、図７は、亀裂が混在しているケースを示す。図４から図６と同じく、図７においても、上段の図は、地山の亀裂のイメージを示し、中段の図は、上段の図に対応する削孔エネルギー（打撃エネルギー）の変化を示し、下段の図は、中段の図に対応する、削孔エネルギーをＦＦＴ処理することで得られる削孔エネルギー（打撃エネルギー）と周期との関係を示す。図７では、周期０．１ｍ、周期０．２ｍ、周期０．４ｍでピークが表れている。このように、削孔エネルギーをＦＦＴ処理することで、亀裂の間隔を評価することができる。

ここで、図８は、図７の下段の図の削孔エネルギー（打撃エネルギー）をバンドパスフィルタでフィルタ処理した図を示す。図８において、上段の図は、亀裂間隔が１０ｃｍ（０．１ｍ）の場合の打撃エネルギーと削孔長との関係を示し、中段の図は、亀裂間隔が２０ｃｍ（０．２ｍ）の場合の打撃エネルギーと削孔長との関係を示し、下段の図は、亀裂間隔が４０ｃｍ（０．４ｍ）の場合の打撃エネルギーと削孔長との関係を示す。このように、削孔エネルギーをＦＦＴ処理し、更にフィルタ処理することで、亀裂の間隔が混在する場合でも、亀裂の間隔を容易に評価することができる。以上により、地山の亀裂の評価処理が終了する。

＜＜地山の評価方法＞＞
上述した地山の亀裂の評価結果に基づいて地山を評価することができる。例えば、亀裂が存在する場合には、亀裂が存在しない場合と比較して、地山の安定性が低いと評価することができる。また、例えば、亀裂の間隔が狭い場合には、亀裂の間隔が広い場合と比較して、地山の安定性が低いと評価することができる。

上述した亀裂の評価方法を実行することで得られた地山の亀裂の評価結果と、地山を削孔する際の削孔エネルギーから得られる地山の強度とに基づいて地山を評価してもよい。削孔エネルギーから得られる地山の強度については、既存の技術で算出することができる。例えば、地山の強度が高いと評価された場合でも、亀裂が存在する場合には、亀裂が存在しない場合と比較して、地山の安定性が低いと評価することができる。また、例えば、地山の強度が高いと評価された場合でも、亀裂の間隔が狭い場合には、地山の安定性が低いと評価することができる。また、例えば、地山の強度が低いと評価された場合において、亀裂が存在し、更に、亀裂の間隔が狭い場合には、地山の安定性が更に低くなると評価することができる。

＜効果＞
以上説明した実施形態に係る地山の亀裂の評価方法によれば、削孔エネルギーをＦＦＴ処理してピークを抽出し、抽出したピークの間隔に基づいて地山の亀裂の間隔を評価することができる。その結果、従来の所謂削孔検層において、地山の強度だけでなく、地山の亀裂を評価することが可能となる。また、地山の強度の評価結果と地山の亀裂の評価結果とを総合的に評価することで、より精度の高い地山の評価が可能となる。

また、実施形態に係る地山の亀裂の評価方法による評価結果は、例えば、所謂切羽評価点の指標に用いることができる。実施形態に係る地山の亀裂の評価方法による評価結果を
切羽評価点の指標に用いることで、切羽の評価が可能となる。

＜変形例＞
例えば、制御部３１は、削孔エネルギーの値が前後の値と比較して相対的に低い場合には、亀裂が存在すると評価することができる。地山に応じて基準値を定め、削孔エネルギーの値が基準値を下回った場合、亀裂が存在すると評価するようにしてもよい。

また、地山の亀裂の評価装置３に、地山を評価する機能を持たせるようにしてもよい。例えば、制御部３１は、上述した地山の亀裂の評価方法を実行することで得られた地山の亀裂の評価結果に基づいて地山を評価してもよい。例えば、制御部３１は、亀裂が存在する場合には、亀裂が存在しない場合と比較して、地山の安定性が低いと評価することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明に係る地山の亀裂の評価方法、地山の評価方法、及び地山の亀裂の評価装置は、これらに限られず、可能な限りこれらを組み合わせることができる。

１・・・油圧式ドリル
１１・・・ロッド
２・・・地山
３・・・地山の亀裂の評価装置
３１・・・制御部
３２・・・ＣＰＵ
３３・・・メモリ
３４・・・表示部
３５・・・操作部
３６・・・記憶部
３７・・・通信部
４・・・切羽

Claims

地山の亀裂を評価する地山の亀裂の評価方法であって、
コンピュータが、
前記地山を削孔する際に得られる削孔データを取得するデータ取得ステップと、
前記データ取得ステップで取得した削孔データを処理するデータ処理ステップと、
前記データ処理ステップで処理した処理結果を出力する出力ステップと、を含む処理を実行し、
前記データ処理ステップでは、地山を削孔する削孔装置又は重機から取得する前記削孔データから削孔する際の負荷を算出して削孔する際の削孔エネルギーを算出し、当該削孔エネルギーの値が前後の値と比較して相対的に低い箇所をピークとして抽出し、抽出したピークの間隔が相対的に狭い場合、地山の亀裂の間隔が狭いと評価し、抽出したピークの間隔が相対的に広い場合、地山の亀裂の間隔が広いと評価する、
地山の亀裂の評価方法。
請求項１に記載の地山の亀裂の評価方法を実行することで得られた地山の亀裂の評価結果に基づいて地山を評価する地山の評価方法であって、亀裂が存在する場合、亀裂が存在しない場合と比較して、地山の安定性が低いと評価し、亀裂の間隔が狭い場合、亀裂の間隔が広い場合と比較して、地山の安定性が低いと評価する、地山の評価方法。
請求項１に記載の地山の亀裂の評価方法を実行することで得られた地山の亀裂の評価結果と、地山を削孔する際の削孔エネルギーから得られる地山の強度とに基づいて地山を評価する地山の評価方法であって、地山の強度が高いと評価された場合でも、亀裂が存在する場合には、亀裂が存在しない場合と比較して、地山の安定性が低いと評価し、地山の強度が高いと評価された場合でも、亀裂の間隔が狭い場合には、地山の安定性が低いと評価し、地山の強度が低いと評価された場合において、亀裂が存在し、更に、亀裂の間隔が狭い場合には、地山の安定性が更に低くなると評価する、地山の評価方法。
地山の亀裂を評価する地山の亀裂の評価装置であって、
前記地山を削孔する際に得られる削孔データを取得するデータ取得部と、
前記データ取得部で取得した削孔データを処理するデータ処理部と、
前記データ処理部で処理した処理結果を出力する出力部と、を備え、
前記データ処理部では、地山を削孔する削孔装置又は重機から取得する前記削孔データから削孔する際の負荷を算出して削孔する際の削孔エネルギーを算出し、当該削孔エネルギーの値が前後の値と比較して相対的に低い箇所をピークとして抽出し、抽出したピークの間隔が相対的に狭い場合、地山の亀裂の間隔が狭いと評価し、抽出したピークの間隔が相対的に広い場合、地山の亀裂の間隔が広いと評価する、
地山の亀裂の評価装置。