JP6884628B2 - 切羽前方の地質探査装置 - Google Patents

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地質探査装置に関する。

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の技術が確立されている。

前記速度検層は、起振位置及び受振位置の関係などによって幾つかに分類でき、ダウンホール法が最も広く用いられている（下記特許文献１など）。下記特許文献１に記載されるダウンホール法は、図６に示されるように、油圧ジャンボ等で削孔した穿孔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手法である。

特開平１１−１８２１７１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載される従来のダウンホール法では、前記穿孔５０内に受振器５１を挿入する際、受振器５１を挿入補助用の塩ビパイプ５３や鋼線などに取り付けて直接挿入しているため、孔壁が崩壊しやすい不良地山などでは、崩壊した孔壁などによって受振器５１が挿入できなくなるとともに、受振器５１が崩壊した岩片などに挟まり、穿孔５０内で拘束されて回収不能になるという問題がしばしば発生していた。

また、孔壁が崩落した穿孔５０内からの受振器５１の回収を試みるため、穿孔５０の入口付近で作業を行っていると、地質探査のために切羽を占用する時間が長くなり、トンネルの掘削作業に大きく影響を及ぼす問題があった。

また、孔壁が崩落して穿孔５０内から受振器５１が回収不能になったときのリスクを考慮して、図６に示されるように、穿孔５０内に挿入する受振器５１の数を３個程度の少数に限定する対策が採られていたが、これでは、１回の起振で取得できるデータの数が少なく、穿孔５０内で受振器５１を移動してデータ取得を繰り返す必要があり、測定回数が増加するという問題があった。例えば、図６に示される上記特許文献１に記載の速度検層では、１ｍ間隔で３つの受振器５１、５１、５１が配置され、１回の起振でこれら３点の弾性波を測定した後、塩ビパイプを２ｍ引き出して同様に起振させて弾性波を測定する作業を、受振器５１が穿孔５０の入口にくるまで繰り返し行うこととしている。従って、長さ３０ｍの穿孔５０を測定するには、１５回測定作業を繰り返す必要がある。このように測定ポイントを変えて繰り返しデータを取得する場合には、切羽における打撃データがその都度異なるため、測定されるデータの精度や信頼性が低下する問題があった。

更に、上記特許文献１記載の方法では、得られる情報が弾性波の速度のみで、地山評価の指標として用いられることも多い比抵抗のデータを取得することができなかった。

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確実に地質探査できるようにするとともに、トンネルの掘削作業に与える影響を最小限に抑え、測定作業を簡略化して、地質探査の精度を向上させた切羽前方の地質探査装置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、切羽前方の地山に設けられた穿孔に挿入されるパイプと、前記パイプの内部に軸方向に沿って所定の間隔で配設された、弾性波を測定するための複数の受振器と、前記パイプの先端側の外周面に設けられた、前記穿孔内の孔壁周辺における地山の比抵抗を測定するための電流電極及び電位電極とを備えるとともに、前記電流電極及び電位電極は、地山との接触部が多数の細線状の電極を突出させたブラシ状に形成されていることを特徴とする切羽前方の地質探査装置が提供される。

上記請求項１記載の発明では、切羽前方の地山に設けられた穿孔に挿入されるパイプの内部に、軸方向に沿って所定の間隔で弾性波測定用の複数の受振器が配設されているため、孔壁が崩壊しやすい不良地山でも、前記パイプが受振器の挿入補助とケーシングの役割を果たし、確実に地質探査を実施することができるようになる。

また、前記受振器がパイプによって保護されているため、孔壁が崩壊しても受振器が岩片に挟まって回収不能になることがなく、受振器を確実に回収することができる。この際、受振器の回収にかかる時間も短くて済む。このため、穿孔の全長に亘って受振器を設置でき、１回の起振で全ての地点での弾性波が測定できるようになる。このように、地質探査に係る作業が簡略化できるため、地質探査のために切羽を占用する時間が短くて済み、トンネルの掘削作業に与える影響が最小限に抑えられる。また、繰り返しデータを取得する必要がないので、測定作業が簡略化でき、かつ調査精度が向上できる。

本発明に係る地質探査装置では、前記パイプの先端側の外周面に、地山の比抵抗測定用の電流電極及び電位電極が備えられているため、パイプの回収時にパイプを引き抜きながら地山の比抵抗を測定することができる。これによって、前記受振器による速度検層の結果と合わせて、切羽前方の地質を総合的に評価でき、地質探査の精度を向上させることができる。

更に、本発明では、前記電流電極及び電位電極は、地山との接触部が多数の細線状の電極を突出させたブラシ状に形成されている。従って、前記電流電極及び電位電極が凹凸のある孔壁と確実に密着して、地山の比抵抗が精度良く測定できるようになる。

請求項２に係る本発明として、前記パイプは、樹脂からなり、所定の長さで分割された複数のパイプがコネクタで連結されて構成されている請求項１記載の切羽前方の地質探査装置が提供される。

上記請求項２記載の発明では、前記パイプとして、樹脂製の所定の長さで分割された複数のパイプを連結したものを用いることによって、前記パイプの挿入作業及び引き抜き作業が容易になり、地質探査にかかる時間を更に短縮す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、前記複数の受振器は、隣り合う前記受振器を連結する連結部材によって一体化されるとともに、先端部が前記パイプの内部の先端に切断可能な部材を介して固定されている請求項１、２いずれかに記載の切羽前方の地質探査装置が提供される。

上記請求項３記載の発明は、孔壁が崩壊して前記パイプを引き抜くことができなくなった場合、内部の受振器だけを回収できるようにするための手段であり、連結部材によって一体化された複数の受振器の先端部を前記パイプの内部の先端に切断可能な部材を介して固定したものである。これによって、孔壁が崩壊してパイプが引き抜けなくなった場合でも、パイプ内部の前記連結部材によって一体化された受振器を強引に引っ張ることにより、前記切断可能な部材が切断し、受振器とパイプとの固定が解除されて、受振器が回収できるようになる。このように、孔壁が崩壊してパイプが引き抜けなくなっても、高価な受振器だけは回収できるため、経済的負担を軽減することができる。

請求項４に係る本発明として、前記電流電極及び電位電極から延びるリード線は、前記パイプの内部に配線されている請求項１〜３いずれかに記載の切羽前方の地質探査装置が提供される。

上記請求項４記載の発明では、前記電流電極及び電位電極に接続されるリード線を前記パイプの内部に配線することによって、パイプの挿入時や引き抜き時などにリード線が断線しないようにしている。

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でも確実に地質探査できるとともに、トンネルの掘削作業に与える影響を最小限に抑え、測定作業が簡略化でき、地質探査の精度が向上できるようになる。

本発明に係る地質探査装置１を用いた地質探査の概念を示す断面図である。 穿孔３の断面図である。 (A)はパイプ４の断面図、(B)はそのB-B線矢視図である。 パイプ４の先端部の拡大断面図である。 パイプ４の電極６、７近傍の拡大断面図である。 従来の速度検層（ダウンホール法）を示す断面図である。

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装置１は、穿孔機２によってトンネル空間内から切羽Ｓ前方の地山に形成された穿孔３に挿入されるパイプ４と、前記パイプ４の内部に軸方向に沿って所定の間隔で配設された、弾性波を測定するための複数の受振器５、５…と、前記パイプ４の先端側の外周面に設けられた、前記穿孔３内の孔壁周辺における地山の比抵抗を測定するための電流電極６、６及び電位電極７、７とを備えている。

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

前記穿孔３は、前記穿孔機２によって切羽Ｓから前方に向けてほぼ水平に形成された削孔であり、長さ（深さ）数ｍ〜数十ｍ、好ましくは３０〜５０ｍ程度に形成するのが好ましい。この穿孔３としては、前記穿孔機２による削孔時の削孔速度や打撃圧等のデータから切羽前方の地質を評価する削孔検層を行った孔を利用することができる。

前記穿孔３に挿入されるパイプ４は、塩化ビニル、ポリエチレン、アクリルなどの樹脂からなり、図３に示されるように、所定の長さで分割された複数のパイプ４ａ、４ａ…がコネクタ８で連結されて構成されるようにするのが好ましい。前記パイプ４の外径は、穿孔３に挿入できる大きさであればよいが、好ましくは穿孔３の直径の９０％以下、特に５０〜８０％程度とするのがよい。前記パイプ４の内径は、内部に受振器５などを配設する関係上、少なくとも３５ｍｍ、好ましくは４０〜５０ｍｍのものを用いるのがよい。従って、前記穿孔３の直径は、これより大きく、４０ｍｍ以上、好ましくは５０〜１００ｍｍ程度とするのがよい。

前記分割されたパイプ４ａの１本当たりの長さＬは１〜３ｍ、好ましくは２ｍ程度とするのがよい。これを多数連結しながら穿孔３に挿入し、所定の長さ（穿孔３の長さ）に形成する。

前記分割された２本のパイプ４ａ、４ａを連結するには、図３に示されるように、各パイプ４ａの両端部に予め雌ねじを切るとともに、雄ねじが切られた前記コネクタ８の両端にそれぞれ、各パイプ４ａ、４ａの一端を螺合することにより成すことができる。すなわち、一方のパイプ４ａの後端にコネクタ８を軸方向の中間位置まで螺合した後、前記コネクタ８の後端に、他方のパイプ４ａの前端を螺合して、前記分割されたパイプ４ａ、４ａ…を順次連結する。

前記コネクタ８は、樹脂などからなる円管であり、外面に前記パイプ４ａの雌ねじに螺合可能な雄ねじが切られている。前記コネクタ８の両端にそれぞれ前記パイプ４ａの雌ねじ部が螺合されることにより、２つの分割されたパイプ４ａ、４ａが連結される。なお、前記コネクタ８は、一端側を一方のパイプ４ａに内設し、他端側を一方のパイプ４ａから突出した状態で、一端側が一方のパイプ４ａに接着剤などによって固定され、突出した部分に雄ねじが切られた構造とし、この突出した部分の雄ねじに他方のパイプ４ａが螺合されるようにしてもよい。

前記パイプ４の先端には、図４に示されるように、基端部が前記パイプ４とほぼ同じ外径を有するとともに、先端に向けて先細に形成された円錐状のノーズ９が取り付けられている。前記ノーズ９は、樹脂などからなる中実状部材で形成されている。前記ノーズ９をパイプ４の先端に連結するには、ノーズ９の後端に後方に突出する円環状又は円柱状の接続部９ａを設けるとともに、前記接続部９ａの外周に雄ねじを切り、この接続部９ａをパイプ４の先端に切られた雌ねじに螺合することにより行うことができる。

前記ノーズ９の後方の中心部には、軸方向に沿ってねじ穴９ｂが設けられ、このねじ穴９ｂに、先端に線材又はフック材が掛止可能な開孔又はフック部が備えられた掛止具１０が螺合されている。この掛止具１０には、後段で詳述するように、切断可能な部材１２を介して前記受振器５の先端が固定される。

前記受振器５、５…は、前記パイプ４の内部に軸方向に沿って所定の間隔で配設され、切羽Ｓをハンマーによって打撃したときの地山を伝達した弾性波を受振する。

前記受振器５、５…は、穿孔３（パイプ４）のほぼ全長に亘って配設されている。前記受振器５、５…の配置間隔は任意であるが、前記分割されたパイプ４ａの長さＬとほぼ同等とするのが好ましい。

前記複数の受振器５、５…は、隣り合う受振器５、５を連結する連結部材１１によって一体化されている。前記連結部材１１は、樹脂などからなる管体で構成され、内部に受振器５に接続するリード線が配線されている。前記受振器５、５…から延びるリード線は、図２に示されるように、連結部材１１の後端から外部に延在し、図示しない記録装置などに接続されている。

前記連結部材１１によって一体化された受振器５、５…は、先端部がパイプ４の内部の先端に設けられた前記掛止具１０に、切断可能な部材１２を介して固定されている。前記受振器５、５…が前記切断可能な部材１２を介してパイプ４の先端に固定されているため、穿孔３に対してパイプ４を挿脱することによって、同時に受振器５、５…が挿脱されることとなる。

前記受振器５は、先端部が前記切断可能な部材１２を介してパイプ４に固定される以外は、前記パイプ４には固定されていない。このため、パイプ４の回動によって、パイプ４の内周を受振器５が自由に移動でき、パイプ４が穿孔３内に設置された回転角に応じて、受振器５が重力によってパイプ４の内周の下端部に自然と配置されるようになる。このため、パイプ４の外面が接する穿孔３内の下端部の孔壁からの弾性波が受振しやすくなる。

前記切断可能な部材１２とは、穿孔３に対してパイプ４を挿脱する際には切断せず、孔壁の崩壊などによってパイプ４が穿孔３内から引き抜けなくなったときに、前記連結部材１１によって一体化された受振器５、５…のみを引き抜いたときの引き抜き力によって、前記切断可能な部材１２が切断するように構成されたものである。前記切断可能な部材１２としては、所定の引張応力を有する線材やチェーンなどを用いるのが好ましい。

前記電流電極６及び電位電極７は、前記パイプ４の先端側の外周面に設けられた、穿孔３内の孔壁周辺における地山の比抵抗を測定するための電極であり、電流電極６、６間の地層に電流を流し、電位電極７、７間の電位差を計測・解析する比抵抗検層に用いられる。

図３に示されるように、前記電流電極６及び電位電極７は、それぞれ２箇所ずつ、パイプ４の先端側の所定区間内に、軸方向に沿ってほぼ等間隔に配置されている。具体的には、前記所定区間内において、パイプ４の軸方向の前後端部にそれぞれ電流電極６が配置され、その中間に所定の間隔をあけた２箇所に電位電極７がそれぞれ配置されている。

前記電流電極６及び電位電極７は、パイプ４の外周面の地山と接触可能な位置に設けられている。つまり、各電極６，７の少なくとも一部が地山と接触し、地山に通電可能な状態で配置されている。

ここで、穿孔３内の孔壁の表面は平らではなく少なからず凹凸を有するものである。そこで、前記電流電極６及び電位電極７が地山と接触しやすくするため、前記電流電極６及び電位電極７は、地山との接触部が多数の細線状の電極を突出させたブラシ状に形成するのが好ましい。これにより、表面が凹凸を有する孔壁との密着性が高まり、測定精度が向上できる。

前記ブラシ状の電極６、７は、図５に示されるように、パイプ４の外面からの突出長ａを２〜１０ｍｍとするのが好ましく、パイプ４の軸方向の幅ｂを１〜５ｍｍとするのが好ましい。前記ブラシ状の電極６、７は、パイプ４の周方向に対し連続的又は間欠的に設けるのが望ましい。図示例では、図３(B)に示されるように、周方向に所定の間隔で複数のブラシ状の電極６、７が間欠的に配置されている。これにより、パイプ４がいずれの回転角であっても、パイプ４の下方側に位置する電極６、７が穿孔３の下方側の地山に接触できるようになる。周方向に間欠的に配置する場合の電極６、７の数は、４〜２０箇所程度とするのがよく、図示例では１２箇所としている。

前記電流電極６及び電位電極７は、パイプ４の軸方向に等間隔に配置するのが好ましく、その離隔距離としては、１００〜５００ｍｍ程度とするのが好ましい。

前記電流電極６及び電位電極７をパイプ４に取り付けるには、図５に示されるように、外面の周方向に沿って所定の間隔で前記電極６、７が取り付けられた環状の電極リング１３を、電極６、７の配設位置にて分割されたパイプ４ｂ、４ｂ間に配置し、前記パイプ４ｂ、４ｂをコネクタ１４によって連結することにより成すことができる。前記電極リング１３をパイプ４に組み立てるには、一方のパイプ４ｂの後端にコネクタ１４を螺合した後、前記コネクタ１４に電極リング１３を挿入し、他方のパイプ４ｂの前端をコネクタ１４に螺合して、両方のパイプ４ｂ、４ｂの端部同士で電極リング１３を押さえ付けるようにして固定する。

また、パイプ４の前端部に設けられる電流電極６は、図４に示されるように、外面の周方向に沿って所定の間隔で複数の電流電極６、６…が取り付けられた電極リング１３が、ノーズ９とパイプ４の前端との間に配置されている。

前記電極リング１３の各電極６、７に接続されるリード線は、１つに纏められ、電極リング１３の内面側に延びるように配線するのが好ましい。また、前記コネクタ１４に、他方側の端縁から軸方向の中央部にかけて軸方向に延びるスリット１４ａを設けておき、前記電極リング１３をコネクタ１４に挿入する際、前記電極リング１３のリード線を前記コネクタ１４のスリット１４ａに係合させることにより、前記リード線がパイプ４の内部に配線されるようにするのが好ましい。

なお、前記電極リング１３は、前記コネクタ１４と別体に形成されるのではなく、前記コネクタ１４の軸方向の中間部に、前記コネクタ１４と一体に形成されるようにしてもよい。

また、前記電極リング１３を使用せずに、各電極６、７を直接パイプ４に配設するようにしてもよい。

前記電流電極６及び電位電極７から延びるリード線１５は、図２に示されるように、パイプ４の内部に配線され、パイプ４の後端から外部に延在し、図示しない記録装置などに接続されている。

以上の構成からなる本地質探査装置１による地質探査を行うには、前記穿孔機２によってトンネル空間内から切羽Ｓ前方の地山に穿孔３を形成した後、この穿孔３に、前記受振器５と電流電極６及び電位電極７とが備えられたパイプ４を挿入する。前記パイプ４を挿入するには、所定長さに分割されたパイプ４ａ、４ａ…を前記コネクタ８によって順次接続するとともに、前記受振器５を順次連結しながら行われる。

前記パイプ４を挿入し終えたならば、切羽Ｓを打撃し、前記受振器５、５…によって弾性波の伝播速度を測定した後、パイプ４を引き抜きながら、前記電流電極６、６間の地山に電流を流し、前記電位電極７、７間の電位差を測定して比抵抗を求める。

前記弾性波の伝播速度を測定する際、本地質探査装置１では、受振器５が穿孔３の全長に亘って所定の間隔で複数配設されているので、１回の打撃で穿孔３の全長に亘って弾性波が測定できる。このため、速度検層の作業が簡略化できるとともに、起振データが等しいため、測定データの精度や信頼性が向上できる。

前記比抵抗は地山の割れ目の情報をほとんど含まず、前記弾性波は地山の割れ目の影響が大きいという特徴を有するので、係数Ｋ＝弾性波の伝播速度／比抵抗、という式から、地山の割れ目の情報を得ることができる。

さらに、前記穿孔３を利用して、本地質探査装置１による地質探査（弾性波速度、比抵抗）に加えて、削孔検層や切羽前方の地質を内視鏡で直接観察する切羽前方調査を行うことにより、切羽前方の地質を総合的に評価することができるようになる。

本地質探査装置１では、受振器５がパイプ４内に設けられているため、孔壁が崩壊しやすい不良地山でも、パイプ４が挿入補助の役割を果たして受振器５を確実に穿孔３内に挿入することができるとともに、前記パイプ４を挿入した状態で孔壁が崩壊しても、パイプ４がケーシングの役割を果たして受振器５、５…が保護されるため、速度検層を確実に行うことができる。

また、孔壁が崩壊して、パイプ４を引き抜くことができなくなったとき、前記連結部材１１によって一体化された受振器５、５…を強く引っ張ることにより、先端の切断可能な部材１２が切断され、パイプ４との接続が解除されるため、パイプ４を穿孔３内に残して、高価な受振器５、５…を回収することができる。従って、経済的負担が少なくて済む。

更に、本地質探査装置１では、上述の通り地質探査の作業が簡略化でき、孔壁が崩壊したときでも受振器５を簡単に回収できるため、地質探査のために切羽を占用する時間が短くて済み、トンネルの掘削作業に与える影響が最小限に抑えられる。

１…地質探査装置、２…穿孔機、３…穿孔、４…パイプ、５…受振器、６…電流電極、７…電位電極、８…コネクタ、９…ノーズ、１０…掛止具、１１…連結部材、１２…切断可能な部材、１３…電極リング、１４…コネクタ、１５…リード線

Claims (4)

1. 切羽前方の地山に設けられた穿孔に挿入されるパイプと、前記パイプの内部に軸方向に沿って所定の間隔で配設された、弾性波を測定するための複数の受振器と、前記パイプの先端側の外周面に設けられた、前記穿孔内の孔壁周辺における地山の比抵抗を測定するための電流電極及び電位電極とを備えるとともに、前記電流電極及び電位電極は、地山との接触部が多数の細線状の電極を突出させたブラシ状に形成されていることを特徴とする切羽前方の地質探査装置。
2. 前記パイプは、樹脂からなり、所定の長さで分割された複数のパイプがコネクタで連結されて構成されている請求項１記載の切羽前方の地質探査装置。
3. 前記複数の受振器は、隣り合う前記受振器を連結する連結部材によって一体化されるとともに、先端部が前記パイプの内部の先端に切断可能な部材を介して固定されている請求項１、２いずれかに記載の切羽前方の地質探査装置。
4. 前記電流電極及び電位電極から延びるリード線は、前記パイプの内部に配線されている請求項１〜３いずれかに記載の切羽前方の地質探査装置。

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