JP6929179B2

JP6929179B2 - 水理特性評価方法

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Publication number: JP6929179B2
Application number: JP2017184341A
Authority: JP
Inventors: 創熊本
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: JP2019060100A

Description

本発明は、トンネル切羽前方の水理特性評価方法に関する。

大量湧水が予想されるトンネル工事では、切羽前方の地下水位や透水係数を把握しておき、必要に応じて対策工を講じることで、湧水に伴う切羽の崩壊やトンネル周辺の地山の地下水の枯渇等のリスクを最小限に抑える必要がある。
切羽前方の地質や地下水状況（水理特性）を推定するために、切羽前方に向けて先進ボーリングを行う場合がある。先進ボーリングによる切羽前方の水理特性評価方法として、例えば、特許文献１には、切羽前方に向けて形成されたボーリング孔内にパッカー装置を挿入し、パッカー装置で区切られた測定区間毎に湧水量および地下水圧を測定し、この観測データに基づいて、切羽前方の地層の透水係数を推定する計測方法が開示されている。
また、特許文献２には、中空のボーリングロッドの先端部内側に設けた圧力計を利用して、削孔過程における地下水圧を測定する地下水圧計測方法が開示されている。
また、特許文献３には、切羽前方に向けて注水孔と排水孔とを間隔をあけて形成し、注水孔に注水するための注水圧と、注水孔への注水量と同量の排水を排水孔から行う場合の排水圧とを測定し、この測定結果に基づいて岩盤の透水特性を評価する評価方法が開示されている。なお、注水孔および排水孔では、それぞれパッカーによって評価対象区間を区切っている。
さらに、非特許文献１には、水平ボーリングの口元において測定した湧水量により切羽前方の透水係数を推定し、この透水係数の推定値と水平ボーリングによる地下水位の低下を考慮して、切羽前方にトンネルの掘削が到達した際のトンネルへの湧水量を予測する予測方法が開示されている。

特開２００９−０５２３２８号公報特開２０１７−１２８８８１号公報特開２０１６−１１７９９７号公報

小泉悠、他５名、「水抜きボーリングの実績データを活用したＳＷＩＮＧ法によるトンネルの湧水量予測」、土木学会第６６回年次学術講演会（平成２３年度）、土木学会年次学術講演会講演概要集、６６巻、ＩＩＩ−１０１、ｐ２０１−２０２、２０１１

特許文献１の計測方法は、削孔用のボーリングロッドをボーリング孔から抜き出してから、計測用のパッカー装置を挿入する必要があるため、作業に手間がかかる。また、水圧が高く、多量の湧水が発生する条件下においては、ボーリングを削孔した後からパッカー装置をボーリング孔内に挿入するのは困難である。また、地下水圧の測定は、ボーリング孔内の水圧が安定するまで待機する必要があり、測定に時間がかかる。
また、特許文献２の計測方法は、ボーリングロッドに圧力計等の計測機器を設置するため、装置の構成が複雑となり高価であるが、特許文献１の計測方法のようにボーリングロッドを抜き出して、計測用パッカーを挿入することなく、ボーリング孔の先端付近で水圧を測定できる利点がある。しかし、特許文献１の計測方法と同様に、地下水圧の測定は、ボーリング孔内の水圧が安定するまで待機する必要があり、測定に時間がかかる。
また、特許文献３の評価方法は、２本のボーリング孔を形成する作業に手間がかかるとともに、パッカーによって評価対象区間を区切る必要があるため、特許文献１と同様に、パッカー装置を挿入する作業に手間がかかる。
さらに、非特許文献１の推定方法は、地表から別途設置した観測井戸等によって地下水位データを取得する必要があるが、急峻な山岳部の下方を掘進するトンネルでは、地表から観測井戸等を設置するのが困難である。
このような観点から、本発明は、複雑な装置を必要とせず、かつ、トンネル上方の地形に限定されることなく、先進ボーリングを利用して切羽前方における地質毎の透水係数および地下水位を簡易かつ正確に推定することを可能とした水理特性評価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、本発明の水理特性評価方法は、切羽前方に向けてボーリング孔を削孔する削孔工程と、前記削孔を中断した状態で前記ボーリング孔の口元において当該ボーリング孔からの排水量を測定する湧水量測定工程と、前記ボーリング孔からの排水を停止させた状態で前記ボーリング孔の口元において当該ボーリング孔内の水圧を測定する地下水圧測定工程と、地質構造モデルを作成する解析モデル作成工程と、前記地質構造モデルに対して前記排水量および前記水圧の測定結果を利用して逆解析を行い、少なくとも透水係数および地下水位を推定する解析工程とを備えていることを特徴とする。
なお、解析モデル作成工程では、前記ボーリング孔の削孔距離と前記排水量との関係から、地層の境界を推定して地質構造モデルを作成するのが望ましい。
また、前記削孔工程、前記湧水量測定工程および前記地下水圧測定工程を繰り返すことにより複数箇所において前記排水量及び前記水圧を測定した後、前記解析モデル作成工程および前記解析工程を実施すればよい。すなわち、逆解析は、予定されている先進ボーリングの全長にわたって実行してもよいし、所定の削孔距離毎に実行してもよい。
かかる水理特性評価方法によれば、ボーリングの口元で測定を行うため、ボーリグ孔内に測定器を配置するための複雑な装置を必要とせず、また、ボーリング孔内へ測定装置を設置するための手間を省略することができる。また、実測された排水量および水圧を利用して逆解析を行うので、パラメータ（透水係数および地下水位）の推定精度が高い。また、水圧変化が顕著な初期の値を用いて逆解析を行えば、水圧の回復を定常状態まで観測する場合に比べて測定期間を大幅に短縮することができる。

本発明の水理特性評価方法によれば、先進ボーリングを利用して切羽前方における地質毎の透水係数および地下水位を簡易かつ正確に推定することが可能となる。

本発明の実施形態に係る水理特性評価方法のフローチャートである。本実施形態に係る先進ボーリング口元構造を示す断面図である。地質構造と湧水量測定結果との関係の一例を示す参考図である。（ａ）は地質構造に対する水圧測定個所を示す模式図、（ｂ）は水圧測定結果の一例を示すグラフである。解析モデルを示す参考図である。逆解析結果の例を示すグラフであって、（ａ）は湧水量のマッチング結果、（ｂ）は圧力水頭のマッチング結果をそれぞれ示している。

本実施形態では、大量湧水が予想されるトンネルにおいて、先進ボーリングによって得られる情報から切羽前方の地質状況を精度よく評価することが可能な水理特性評価方法について説明する。切羽前方の地質状況を評価できれば、湧水に伴う切羽の崩壊やトンネル周囲の地山の地下水の枯渇等のリスクを事前に把握することができる。本実施形態の水理特性評価方法は、図１に示すように、削孔工程Ｓ１、湧水量測定工程Ｓ２、地下水圧測定工程Ｓ３、解析モデル作成工程Ｓ４および解析工程Ｓ５を備えている。

本実施形態では、図２に示すように、ボーリング孔ＢＨの孔口にボーリング孔ＢＨの孔口を保護するとともに孔口からの高圧水等の噴出を防止するための口元構造１を形成した状態で、削孔工程Ｓ１、湧水量測定工程Ｓ２および地下水圧測定工程Ｓ３を実行する。
口元構造１は、口元保護管２と、削孔用排水管３と、測定用排水管４と、圧力計５と、プリペンダー６とを備えている。口元構造１には、ボーリング孔ＢＨを削孔するボーリングロッド７が挿通されている。なお、口元構造１の構成は限定されるものではない。例えば、測定用排水管４は必要に応じて設置すればよく省略してもよい。ボーリング孔ＢＨが下向きに形成されている場合（先端側が孔口側よりも低い場合）には、削孔用排水管３のみを形成すればよく、測定用排水管４は設ける必要はない。

口元保護管２は、ボーリング孔ＢＨの孔口部分を保護する管材であって、ボーリング孔ＢＨの孔口部分に先端部が挿入されているとともに、基端部が当該ボーリング孔ＢＨから突出している。口元保護管２は、ボーリングロッド７を挿通可能な内径を具備したケーシングであって、ボーリング孔ＢＨと連通している。口元保護管２とボーリング孔ＢＨとの隙間は、充填材９により密閉されている。なお、充填材９を構成する材料は限定されるものではないが、例えばセメント系材料を使用すればよい。口元保護管２には、削孔用排水管３、測定用排水管４、圧力計５およびプリペンダー６が取り付けられている。

削孔用排水管３は、口元保護管２の下部に取り付けられていて、下向きに開口している。本実施形態の削孔用排水管３は、口元保護管２よりも細径の管材からなる。削孔用排水管３は、口元保護管２の内空と連通している。また、削孔用排水管３にはバルブ１０が設けられていて、削孔用排水管３の内空を遮蔽可能である。
測定用排水管４は、口元保護管２の上部に取り付けられていて、上向きに立ち上げられている。測定用排水管４は、口元保護管２よりも細径の管材からなり、口元保護管２の内空と連通している。測定用排水管４にはバルブ１０が設けられていて、測定用排水管４の内空を遮蔽可能である。また、測定用排水管４には、図示しない流量計が設置されている。
なお、測定用排水管４は、必要に応じて形成すればよく、省略してもよい。また、流量計は必要に応じて設置すればよい。例えば、ストップウォッチとバケツ等を利用して、手動により時間当たりの流量を計測する場合には、流量計は省略してもよい。また、削孔用排水管３および測定用排水管４の配管方法は限定されるものではなく、例えば、口元保護管２の基端側に接続された接続管に取り付けられていてもよい。また、測定用排水管４は、少なくとも一部分が上向きに立設されていれば、必ずしも口元保護管２の上部に取り付けられている必要はなく、口元保護管２の側部や下部に接続されていてもよい。また、削孔用排水管３および測定用排水管４の内径は限定されるものではない。
圧力計５は、口元保護管２に取り付けられていて、口元保護管２の内部（すなわちボーリング孔ＢＨ内）の圧力を測定する。なお、圧力計５の取り付け個所は、ボーリング孔ＢＨ内の水圧を測定することが可能であれば、限定されるものではなく、例えば、ボーリング孔ＢＨ内に配置してもよい。
プリペンダー６は、口元保護管２の基端において、ボーリングロッド７と口元保護管２との隙間を遮蔽するように設けられている。

削孔工程Ｓ１では、図２に示すように、切羽前方に向けてボーリング孔ＢＨを削孔する。本実施形態のボーリング孔ＢＨは、水平あるいは斜め上向き（基端側よりも先端側が高い状態）に形成する。なお、ボーリング孔ＢＨの向きは限定されるものではなく、例えば、斜め下向き（基端側よりも先端側が低い状態）であってもよい。ボーリング孔ＢＨの削孔は、ボーリングロッド７により行う。ボーリングロッド７は中空の筒状部材からなり、ボーリングロッド７の先端にはビット８が固定されている。ボーリング孔ＢＨの穿孔は、図示しないボーリングマシンの動力によりボーリングロッド７を中心軸を中心に回転させることでビット８により地山を切削するとともに、ビット８の真後ろに取り付けられたハンマー（図示せず）の打撃力によって地山を破砕することにより行う。このとき、ボーリングロッド７を通じて、ビット８（ボーリング孔ＢＨの先端部）に高圧水Ｗ_Ｈを送水する。高圧水Ｗ_Ｈは、ハンマーの駆動元として使用されるとともに、地山の切削により発生したカッティングス（掘削屑）の排出に用いられる。なお、ボーリングロッド７を介してビット８に供給される液体は、必ずしも高圧水Ｗ_Ｈである必要はない。また、ビット８に加える打撃力は、孔口近傍に据え付けられたボーリングマシンによって付与してもよい。
ボーリング孔ＢＨを穿孔する際には、削孔用排水管３のバルブ１０を開いた状態とし、ボーリング孔ＢＨ内の水分（高圧水Ｗ_Ｈや湧水Ｗ_Ｇ）を削孔用排水管３を通して排水するとともに、カッティングスを削孔用排水管３を通してボーリング孔ＢＨから排出する。なお、測定用排水管４を備えている場合には、削孔工程Ｓ１では、測定用排水管４のバルブ１０は閉じた状態にしておく。

湧水量測定工程Ｓ２では、ボーリング孔ＢＨの口元においてボーリング孔ＢＨからの排水量を測定する。湧水量測定工程Ｓ２は、１日に１〜２回程度実施する。排水量の測定は、ビット８の交換時や、昼夜勤の交代時等、ボーリング孔ＢＨの削孔（ボーリングロッド７の回転、ビット８による打撃および高圧水Ｗ_Ｈの供給）を中断したタイミングで実施する。なお、湧水量を測定するタイミングおよび回数は、限定されるものではなく、現場の状況に応じて適宜決定すればよい。本実施形態では、削孔用排水管３を閉塞した状態で、測定用排水管４から排水させた湧水量を流量計により測定する。なお、測定用排水管４を備えていない場合には、削孔用排水管３を利用して湧水量を測定すればよい。ここで、削孔中断直後は、ボーリングマシンから供給された高圧水Ｗ_Ｈが湧水Ｗ_Ｇと混合された状態で排水されるため、排水量が多いが、時間の経過とともに排水量は減少する。そして、所定の時間経過後は、岩盤からの湧水Ｗ_Ｇのみが排水されることで、排水量が安定する。したがって、湧水量測定工程Ｓ２では、排水量が安定した後の排水量（湧水量）を測定する。
湧水量の観測値は、ボーリング孔ＢＨの深度（長さ）と対応させた状態で記録する。図３に示すように、湧水量の観測値は、ボーリング孔ＢＨが透水性の高い（透水係数が大きい）地質構造Ｋ_２に達したときに急激に増加する。一方、透水性の低い地質構造Ｋ_１，Ｋ_３を削孔している間は、湧水量に顕著な増加は見られない。
湧水量の測定が終了したら、削孔工程Ｓ１を再開する。

地下水圧測定工程Ｓ３では、ボーリング孔ＢＨの口元において当該ボーリング孔ＢＨ内の水圧を測定する。なお、本実施形態では、水圧の測定を、ボーリング孔ＢＨの削孔の休工日やボーリング孔ＢＨの全長の削孔が終了した後に実施する。なお、水圧を測定するタイミングおよび回数は限定されるものではなく、現場の状況に応じて適宜決定すればよい。水圧の測定は、ボーリング孔ＢＨの削孔（ボーリングロッド７の回転、ビット８による打撃および高圧水Ｗ_Ｈの供給）を中断するとともにボーリング孔ＢＨからの排水を停止させた状態（削孔用排水管３のバルブ１０および測定用排水管４のバルブ１０を閉じた状態）で行う。水圧測定には、圧力計５を使用する。
なお、ボーリング孔ＢＨからの排水を停止すると、排水によって低下した岩盤内の水圧が徐々に回復し、所定の時間（例えば、数日から１週間以上の場合がある）を経過した段階で水圧が一定値（岩盤が持つ真の水圧）に安定する。一方、本実施形態では、岩盤が持つ真の水圧を測定するものではなく、測定初期の圧力回復過程のデータを測定するものとし、測定期間は水圧の安定を待つ場合よりも短い期間（本実施形態では１〜２日程度）とする。図４（ｂ）に示した例では、測定開始（排水停止後）から２日間（＝２８８０ｍｉｎ）測定した。測定開始から２日後の水圧は、回復途中で十分な安定値には達していないものの、略安定した傾向を示す。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す地山に対して５回実施した水圧の測定（Ｍ_１〜Ｍ_５）のうち、３回目（Ｍ_３）に実施した水圧の測定結果である。

解析モデル作成工程Ｓ４では、地質構造モデルを作成する。本実施形態では、削孔工程Ｓ１、湧水量測定工程Ｓ２および地下水圧測定工程Ｓ３を複数回繰り返すことにより、予定されている長さのボーリング孔ＢＨの削孔が完了し、かつ、複数箇所において湧水量の測定と地下水圧の測定が終了した段階で、解析モデル作成工程Ｓ４を実行する。
まず、湧水量の観測データ（ボーリング孔ＢＨの削孔距離と排水量との関係）を分析し、ボーリング孔ＢＨに沿って分布する地質構造（Ｋ_１〜Ｋ_３）の位置や範囲（地層の境界等）を評価する。次に、評価結果に基づいて、解析モデルを作成する。例えば、湧水量が急激に増加する箇所が確認された場合は、その位置を高透水ゾーンと認定するとともに、その前後を低透水ゾーンと認定してモデルを推定する（図５参照）。このとき、ボーリング孔ＢＨおよびバルブ１０もモデル化する。推定したモデルは、解析用のメッシュに離散化する。

解析工程Ｓ５では、地質構造モデル（図５参照）に対して、排水量および水圧の測定結果を利用して逆解析を行い、地質構造（Ｋ_１〜Ｋ_３）毎の透水係数および地下水位を推定する。すなわち、本実施形態では、湧水量や水圧回復等の観測データを利用して、透水係数や地下水位等を推定する。
ここで、解析モデルに対して、各ゾーンの透水係数（地下水の流れやすさを表す物性値）や削孔前の初期の地下水位等の入力パラメータを与えて、ボーリング孔ＢＨへの湧水量や排水を停止した際の水圧回復等を出力データとして計算することを一般的に順解析という。
本実施形態では、解析モデル作成工程Ｓ４において作成された解析モデルに対して、複数の入力パラメータの組み合わせについて繰り返し順解析を実施して、観測データと出力データとの誤差が最小となる入力パラメータの組み合わせを探索する。繰り返し実施される順解析の入力パラメータは、逆解析のアルゴリズムに従って更新される。本実施形態では、逆解析の中で用いる順解析プログラムとして、ボーリング孔ＢＨ内の流れと地盤内の地下水の流れを連成解析する解析コードを用いる。このような解析コードを使用すれば、ボーリングＢＨ孔から大量の湧水Ｗ_Ｇが排水される場合であっても、前方の地下水位や透水係数分布を正しく推定することができる。なお、逆解析に用いる解析コード（アルゴリズム）は限定されるものではなく、例えば、通常の地下水流動解析コードを使用してもよい。本実施形態では、逆解析の中で実施する順解析を、ボーリング孔ＢＨの存在やバルブ１０の開閉状況を詳細にモデル化した非定常解析とすることで、誤差評価のための観測データと出力データとの比較を１：１の関係で実施できるようにした。
そして、入力パラメータ（透水係数、地下水位等）ごとに出力データと観測データとのマッチングを行い、誤差が最小となるパラメータ（透水係数、地下水位等）を地質構造（Ｋ_１〜Ｋ_３）毎に同定する。最適なパラメータを設定すれば、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、観測データを略再現可能となる。

本実施形態の水理特性評価方法によれば、ボーリング孔ＢＨの口元で測定を行うため、ボーリグ孔内に測定器を配置するための複雑な装置（パッカー装置等）を必要としない。そのため、パッカー装置等の設置および撤去に要する手間や、設備費等を省略することができる。また、ボーリング孔ＢＨ内に測定器等を配設する必要がないため、長距離の先進ボーリングであっても、測定器等がボーリング孔ＢＨ内に引っかかることもない。
また、逆解析に必要なデータを取得すればよいため、水圧が定常状態まで回復するまで観測する必要がない。また、地層毎の透水係数の計測や、地上からの観測井戸による地下水位の計測を必要としない。
また、実測された排水量および水圧を利用して逆解析を行うので、パラメータ（透水係数および地下水位等）の推定精度が高い。
また、水圧変化が顕著な初期の値を用いて逆解析を行うため、水圧の回復を定常状態まで観測する場合に比べて測定期間を大幅に短縮することができる。

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。
例えば、地下水圧測定工程Ｓ３を実施するタイミングは限定されるものではなく、例えば、湧水量測定工程Ｓ２を実施した直後に行ってもよい。

１口元構造
２口元保護管
３削孔用排水管
４測定用排水管
５圧力計
６プリペンダー
７ボーリングロッド
８ビット
９充填材
１０バルブ
ＢＨボーリング孔
Ｓ１削孔工程
Ｓ２湧水量測定工程
Ｓ３地下水圧測定工程
Ｓ４解析モデル作成工程
Ｓ５解析工程

Claims

切羽前方に向けてボーリング孔を削孔する削孔工程と、
前記削孔を中断した状態で、前記ボーリング孔の口元において当該ボーリング孔からの排水量を測定する湧水量測定工程と、
前記ボーリング孔からの排水を停止させた状態で、前記ボーリング孔の口元において当該ボーリング孔内の水圧を測定する地下水圧測定工程と、
地質構造モデルを作成する解析モデル作成工程と、
前記地質構造モデルに対して、前記排水量および前記水圧の測定結果を利用して逆解析を行い、透水係数および地下水位を推定する解析工程と、を備えていることを特徴とする、水理特性評価方法。
解析モデル作成工程では、前記ボーリング孔の削孔距離と前記排水量との関係から、地層の境界を推定して地質構造モデルを作成することを特徴とする、請求項１に記載の水理特性評価方法。
前記削孔工程、前記湧水量測定工程および前記地下水圧測定工程を繰り返すことにより複数箇所において前記排水量および前記水圧を測定した後、前記解析モデル作成工程および前記解析工程を実施することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の水理特性評価方法。