JP6802641B2 - トンネル周辺地山の評価方法およびトンネル施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル周辺地山の評価方法およびトンネル施工方法に関する。

トンネルを安全かつ経済的に施工するためには、トンネル周辺の地山状況を把握することが重要である。特に安全面では、切羽の状況を観察し、岩盤崩壊や剥落の発生を事前に予測しなければならない。また、経済的な施工のためには、地山状況の変化を早期に把握し、地山状況に応じた掘削方法の採用、支保の設置、補助工法の選定・採用が鍵となる。
トンネル周辺の地山状況を捉えるために、従来から切羽観察やボーリング等による切羽からの前方探査やトンネル坑内の変位計測が行われている。
切羽観察の方法としては、目視観察によるスケッチの作成、写真撮影が一般的に行われる。また前方探査としては、ボーリングや弾性波を利用する方法がある。特にボーリングによる探査では、穿孔データを利用する方法に実績がある。例えば、削岩機により切羽前方の地山を穿孔し、穿孔時に得られるデータ（穿孔速度、又は、穿孔速度、トルク、ドリルの回転速度、油圧等から算定される穿孔エネルギー）に基づいて、岩盤の硬軟を判定する方法があり、特許文献１などにより多数開示されている。その他、切羽前方地山を穿孔して得られる複数のデータに基づき、穿孔エネルギーの大小を表現できる岩盤強度の分布をモデル化することで、任意の地点における岩盤強度を推定する地質予測方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１５−０６７９５７号公報 特許第４４２１１４６号公報

切羽観察は、岩盤崩壊等の発生を事前に予測するために行われる方法の１つである。しかし、以下のような地山の場合には、岩盤崩壊等の予測が難しくなる。例えば、トンネル周囲に弱層がある場合、坑壁に現れない限り、その存在を切羽やトンネル周囲から確認することはできない。弱層としては、崩壊が懸念される連続性の良い割れ目や強度の低い地層、断層・破砕帯などがある。特にこれらがトンネル軸に対して小さい角度で交差や平行している場合、切羽やトンネル坑壁からそれらを観察することは難しく、崩壊につながる可能性が高い。
切羽前方探査は、一般的に切羽前方の数１００ｍまでの区間について、断層・破砕帯（幅約１０ｍ以上）の位置と規模の把握を目的として行われる。この探査方法は、技術的な制約から位置の精度が粗く、切羽近傍での危険予測には向かない。また、トンネル軸に対して小さい角度で交差する断層・破砕帯などは原理上、捉えることが難しい。
切羽近傍では他に、穿孔データを利用したボーリングによる探査が挙げられる。しかし、この手法には以下の課題がある。特許文献１に記載の探査方法では、切羽に比して小さい面積の穿孔で地山の評価を行うため、その評価が切羽全体を代表していない可能性がある。また、特許文献２に記載の探査方法を用いた地山評価においても、そのデータのみでは地質状況の解釈は難しい。例えば、ある一定区間において穿孔データにより岩盤強度が低いと評価される領域が得られた際に、その領域が大規模な破砕帯によるものか、小規模な破砕帯の集合によるものか、多数の亀裂の影響によるものかなど、数通りの解釈が可能である。そのため、穿孔データの分布による評価だけでは、地質状況を一意に決めることはできず、危険性の予測や安全上の対策を正確かつ効果的に行なうことは難しい。
本発明は穿孔データを利用し、かつトンネル背面や切羽前方の地山状況等について、より現実に近い地質構造を解釈できるようにし、トンネル施工の安全性向上および高速施工を可能とするトンネル周辺地山の評価方法およびトンネル施工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、本発明のトンネル周辺地山の評価方法は、切羽およびトンネル周囲に露出した地山面を撮影して画像データを取得する作業と、切羽周辺の地山の穿孔データを３次元的に取得する作業と、前記画像データに基づいて露出した地山の構造が写った地質展開画像を作成する作業と、前記穿孔データに基づいて地球統計学的処理を行い、穿孔エネルギーのコンター図を作成する作業と、を有し、前記地質展開画像および前記コンター図のデータを組み合わせて、互いの相関関係を把握することによりトンネル背面の地山および切羽前方の地山状況を評価することを特徴としている。前記穿孔データは、例えば、トンネル周囲のロックボルト孔や装薬孔等の穿孔時に削岩機を用いて得られ、コンピュータ等に電子的に記録されたものである。
かかるトンネル周辺地山の評価方法によれば、地質展開画像と穿孔によって得られた３次元コンター図とを組み合わせて地山の評価を行うため、トンネル背面の地山状況や切羽近傍の要注意箇所を特定することができる。すなわち、露出した地山の構造が写った地質展開画像を３次元コンター図に適用することで、トンネル背面および切羽近傍の地山状況について、より現実に近い地質構造を解釈できる。すなわち、地質展開画像として得られた地質状況を、ロックボルト孔や装薬孔等の穿孔区間へ外挿して解釈することで、トンネル周囲と穿孔領域間の地質状況を想定することができる。そのため、３次元コンター図のエネルギー分布に対して、より具体的な地質状況の解釈を加えることが可能となる。
また、穿孔データをロックボルト孔の穿孔時および装薬孔の穿孔時に得ることで、探査用に別途穿孔する手間を省略することができ、工期短縮化を図ることができる。

また、本発明のトンネル施工方法は、切羽に対して複数の装薬孔を穿孔して前記装薬孔内に爆薬を装填する準備工程と、前記爆薬を起爆させて掘削する掘削工程と、掘削に伴い露出した地山面を撮影する撮影工程と、前記地山面に支保工を形成する支保工程と、切羽周辺の地山状況を評価する評価工程とを備えるトンネル施工方法であって、前記準備工程では前記装薬孔の穿孔時の装薬孔穿孔データを取得し、前記撮影工程では切羽周辺のトンネル周囲および切羽を撮影して画像データを取得し、前記支保工程ではロックボルト孔の穿孔時のボルト孔穿孔データを取得し、前記評価工程では前記画像データに基づいて露出した地山の構造が写った地質展開画像を作成するとともに、前記装薬孔穿孔データおよび前記ボルト孔穿孔データに基づいて穿孔エネルギーのコンター図を作成し、前記地質展開画像および前記コンター図のデータを組み合わせて、互いのデータの相関関係を把握することによりトンネル周囲の背面及び切羽前方での地山状況を評価することを特徴としている。
かかるトンネル施工方法によれば、穿孔データは位置情報や深さデータとともに３次元的に得ることができる。そしてこの穿孔データを処理することで、３次元のコンター図を作成することができる。
前記トンネル施工方法は、前記評価工程によって得られた地山状況に応じて、補助工法の選定、支保パターンの変更あるいは装薬量および装薬パターンの変更を検討する。
かかるトンネル施工方法によれば、地質展開画像とコンター図とを組み合わせて地山の評価を行うため、トンネル背面および切羽近傍の地山状況を実際の地質構造を反映させることで精度よく把握することができる。そのため、地山状況に応じた施工を行うことができ、ひいては、効率的な施工および工期短縮を図ることが可能となる。

本発明のトンネル周辺地山の評価方法およびトンネル施工方法によれば、トンネル背面や切羽前方の地山状況をより高精度に把握することができ、ひいては、トンネルの安全性向上および高速施工が可能となる。

本実施形態に係るトンネル周辺地山の評価方法を模式的に示す縦断図である。 本実施形態のトンネル施工方法における撮影工程を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 図１に示すトンネルの横断図である。 図１に示すトンネルの一部を示す縦断図である。 トンネル周囲の地質展開画像を示す模式図である。 切羽の地質展開画像を示す模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は穿孔エネルギーの分布に基づいて想定される地質状況の例を示す断面図である。 穿孔エネルギー分布と地質展開画像とを組み合わせた例を示す斜視図である。

本実施形態では、山岳トンネル（トンネル１）の施工において、切羽２周辺の地山状況の評価を行うことで、地山状況に応じた支保構造を構築しつつ掘進する、トンネル施工方法について説明する。本実施形態では発破掘削方式により施工を行う場合について説明する（図１参照）。
トンネル施工方法は、準備工程、掘削工程、撮影工程、支保工程および評価工程を備えている。

準備工程では、図１に示すように、切羽２に対して複数の装薬孔４を穿孔し、装薬孔４内に爆薬を装填する。装薬孔４の穿孔に伴い、地山Ｇ穿孔時の装薬孔穿孔データ（穿孔エネルギー）を取得する作業を行う。本実施形態では、ドリルジャンボＭによって装薬孔４の穿孔を行う。本実施形態のドリルジャンボＭは、穿孔時の穿孔データを記録する機能を備えている。ドリルジャンボＭを介して取得した穿孔データは、ドリルジャンボＭからコンピュータ（図示せず）に送信、記憶される。なお、装薬孔４の穿孔を行う装置は、ドリルジャンボに限定されるものではない。

装薬孔４の数および配置や装薬量は、前回の施工サイクルにおいて得られた地山状況の評価結果に応じて設定する。なお、最初の施工サイクルでは、事前調査結果に応じて装薬孔４の数および配置や装薬量を決定する。
本実施形態では、切羽前方探査として、先進ボーリング５を行う。先進ボーリング５は、切羽面から切羽２前方の地山Ｇに向けてボーリングを行い、採取したボーリングコア、穿孔速度、又は、穿孔速度、トルク、ドリルの回転速度、油圧等から算定される穿孔エネルギー等により岩盤を推定する。本実施形態では、先進ボーリング５の穿孔時の穿孔データとして穿孔エネルギーを採取し、コンピュータに記憶する。

掘削工程では、爆薬を起爆させて、地山Ｇ（切羽２）を掘削する。発破を爆破することにより崩落した岩石（ズリ）は、ベルトコンベアやダンプトラック等の輸送手段を利用して切羽から搬出する。
撮影工程では、掘削に伴い露出した地山面を撮影する。すなわち、地山Ｇの掘削後、支保構造を構築する前に、切羽２の近傍においてトンネル周囲３および切羽２の画像データを取得する作業を行う。本実施形態では、ズリが搬出された坑内に３６０°カメラＣを据え付けて、切羽２とトンネル周囲３を同時に撮影する。本実施形態では、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、トンネル周方向に対して３６０°、水平方向に対して２１４°の範囲を撮影可能なカメラＣを使用する。なお、切羽２およびトンネル周囲３を撮影するカメラＣは限定されるものではない。また、切羽２およびトンネル周囲３の撮影は、それぞれ個別に撮影を行ってもよく、それぞれ撮影後の画像データを連続写真としてつなぎ合わせる、あるいは並べて表示してもよい。

支保工程では、図３および図４に示すように、地山面に支保構造６を構築する。本実施形態では、地山Ｇの掘削により露出した地山Ｇ（トンネル周囲３）に対して一次吹付け６１を行った後、鋼製支保工６３の建込およびロックボルト６４の打設を行う。鋼製支保工６３は、前回の施工サイクルで建て込まれた鋼製支保工６３から所定の間隔をあけて建て込む。ロックボルト６４の打設は、トンネル周囲３に対してロックボルト孔７を穿孔し、このロックボルト孔７にロックボルト６４を挿入することにより行う。ロックボルト孔７の穿孔に伴い、ボルト孔穿孔データとして穿孔エネルギーを取得する作業を行う。本実施形態では、ドリルジャンボＭによってロックボルト孔７の穿孔を行う。ドリルジャンボＭを介して取得した穿孔データは、ドリルジャンボＭからコンピュータに送信され、記憶される。なお、ロックボルト孔７の穿孔を行う装置は、ドリルジャンボに限定されるものではない。

鋼製支保工６３の建込およびロックボルト６４の設置が完了したら、二次吹付け６２を行う。なお、吹付けコンクリート６０は、必ずしも一次吹付け６１と二次吹付け６２との２層構造である必要はない。また、支保構造６は限定されるものではなく、前回の施工サイクルにおいて得られた地山状況の評価結果に応じて適宜決定すればよい。なお、最初の施工サイクルでは、事前調査結果（設計）に応じた支保構造６を採用すればよい。
また、支保工程では、必要に応じて補助工法の施工を行う。なお、補助工法の選定は、前回の施工サイクルにおいて得られた地山状況の評価結果に応じて決定すればよい。

評価工程では、切羽周辺の地山状況を評価する。評価工程では、画像データに基づいて地質展開画像（図５および図６参照）を作成する作業と、穿孔エネルギー（装薬孔穿孔エネルギーおよびボルト孔穿孔エネルギー）に基づき、その３次元コンター図を作成する作業とを行う。本実施形態では、３次元コンター図として、コンピュータに蓄積された穿孔位置、穿孔深さおよび穿孔エネルギーの関係を地球統計学的に処理したコンター図で表示する（図１の切羽前方参照）。
地質展開画像と３次元コンター図を作成したら、地質展開画像、３次元コンター図および先進ボーリング結果を組み合わせて、トンネル周囲３背面の地山Ｇおよび切羽２前方の地山状況を評価する。すなわち、地質展開画像、３次元コンター図および先進ボーリング５のデータを、それぞれの位置関係により重ね合わせた状態で、互いのデータの相関関係を把握する。

地山状況の評価は、まず、地質展開画像を利用して地質観察することで切羽２およびトンネル周囲３に現れた地質構造を把握する。次に、地質構造を穿孔エネルギーの３次元コンター図（物性分布）および前方探査結果と照らし合わせることで、トンネル周囲３の背面および切羽２の前方での地質構造の変化（割れ目の卓越や破砕帯の有無や連続性等）を把握する。すなわち、穿孔エネルギーによりトンネル周囲３の背面や切羽２の前方において不良地山Ｇ_Ｓであると予測される部分を、地質展開画像によって実際に把握された不良地山Ｇ_Ｓの分布につなぎ合わせることで、切羽２の近傍の地山状況を評価する。

ある一定空間において穿孔データにより岩盤強度が低いと評価される領域が得られた際に、その領域が、大規模な破砕帯によるもの（図７（ａ）参照）、小規模な破砕帯の集合によるもの（図７（ｂ）参照）、種々の亀裂が多く影響したことによるもの（図７（ｃ）参照）等、数通りの解釈が考えられる。
一方、地質展開画像を利用すれば、図５および図６に示すように、切羽２およびトンネル周囲３に現れた地質構造を把握することができる。
そして、穿孔エネルギー分布と地質展開画像とを組み合わせると図８に示すように、穿孔エネルギーが低い地山（不良地山Ｇ_Ｓ等）が分布する領域の地山状況を評価することができる。

本実施形態のトンネル施工方法によれば、地質展開画像と穿孔エネルギーの３次元コンター図とを組み合わせて地山Ｇの評価を行うため、トンネル背面および切羽近傍の地山状況について、より現実に近い地質構造を解釈できる。そのため、地山状況に応じて、次の施工サイクルにおける補助工法の選定、支保パターンの変更あるいは装薬量および装薬パターンの変更が可能となり、ひいては、効率的な施工および工期短縮を図ることが可能となる。また、適切な支保構造や装薬量・装薬パターン等によりトンネルを掘進することで、全体の工事費の低減化を図ることができる。

また、トンネル背面や切羽前方の地山状況（不良地山Ｇ_Ｓや良質地山Ｇ_Ｒの配置等）について、より現実に近い地質構造を解釈できることで、施工時の要注意箇所（破砕帯等の不良地山Ｇ_Ｓ等の位置）を特定することができる。例えば、図１に示すように、地質展開画像に現れた不良地山Ｇ_Ｓの地盤内での分布（位置や大きさ等）を、３次元コンター図と組み合わせることでより正確に予測することができる。そのため、破砕帯等の不良地山Ｇ_Ｓやキーブロック等が切羽２に現れるタイミングも予測することができ、不良地山Ｇ_Ｓに対する安全対策を事前に施すことが可能であり、ひいては、トンネル１の高速施工および施工の安全性の向上を図ることができる。
装薬孔やロックボルト孔を利用することで、穿孔データを３次元的に多数確保することができるため、より正確な３次元コンター図を作成することができる。
トンネル施工に伴い、各施工サイクルにおいて蓄積された画像データおよび穿孔データを利用することで、より高精度な地山状況の評価を行うことができる。
先進ボーリング５のデータに加え、装薬孔４の穿孔データおよびロックボルト孔７の穿孔データを利用するため、多数のデータによってより正確な評価を行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが本発明は、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、発破掘削方式によりトンネルを掘削する場合について説明したが、トンネルの掘削方式は限定されるものではない。例えば、機械掘削方式により施工を行ってもよい。

１ トンネル
２ 切羽
３ トンネル周囲
４ 装薬孔
５ 先進ボーリング
６ 支保構造
７ ロックボルト孔
Ｇ 地山
Ｍ ドリルジャンボ

Claims (4)

1. 切羽およびトンネル周囲に露出した地山面を撮影して画像データを取得する作業と、
   切羽周辺の地山の穿孔データを３次元的に取得する作業と、
   前記画像データに基づいて露出した地山の構造が写った地質展開画像を作成する作業と、
   前記穿孔データに基づいて穿孔エネルギーのコンター図を作成する作業と、を有し、
   前記地質展開画像および前記コンター図のデータを組み合わせて、互いの相関関係を把握することによりトンネル背面および切羽前方の地山状況を評価することを特徴とする、トンネル周辺地山の評価方法。
2. 前記穿孔データが、トンネル周囲のロックボルト孔の穿孔、または装薬孔の穿孔により得られ、かつ、電子的に記録されたデータであることを特徴とする、請求項１に記載のトンネル周辺地山の評価方法
3. 切羽に対して複数の装薬孔を穿孔して前記装薬孔内に爆薬を装填する準備工程と、
   前記爆薬を起爆させて掘削する掘削工程と、
   掘削に伴い露出した地山面を撮影する撮影工程と、
   前記地山面に支保工を形成する支保工程と、
   切羽周辺の地山状況を評価する評価工程と、を備えるトンネル施工方法であって、
   前記準備工程では、前記装薬孔の穿孔時の装薬孔穿孔データを取得し、
   前記撮影工程では、切羽および切羽近傍のトンネル周囲を撮影して画像データを取得し、
   前記支保工程では、ロックボルト孔の穿孔時のボルト孔穿孔データを取得し、
   前記評価工程では、前記画像データに基づいて露出した地山の構造が写った地質展開画像を作成するとともに、前記装薬孔穿孔データおよび前記ボルト孔穿孔データ基づいて穿孔エネルギーのコンター図を作成し、前記地質展開画像および前記コンター図のデータを組み合わせて、互いのデータの相関関係を把握することによりトンネル周囲の背面及び切羽前方での地山状況を評価することを特徴とする、トンネル施工方法。
4. 前記評価工程によって得られた地山状況に応じて、補助工法の選定、支保パターンの変更あるいは装薬量および装薬パターンの変更を検討することを特徴とする、請求項３に記載のトンネル施工方法。

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