JP7106437B2 - 切羽安定性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルの切羽の安定性を評価する方法、及びトンネルを掘進する方法に関する。

トンネルを掘進する場合において、トンネルの切羽前方に湧水帯があると、地下水の圧力が切羽前方における未掘削の地山に作用する。未掘削の地山の強度は、トンネルの掘進により切羽が湧水帯に近づくにつれ低下するため、トンネル掘進中に切羽が地下水の圧力により破壊され、工事が中断するおそれがある。このような事態を避けるため、切羽前方における湧水帯を探査し、湧水帯がある場合には、水抜き穴を削孔し湧水帯から水抜き穴を通じて地下水を抜く等の対策工を施工し、湧水帯の圧力を低下させつつトンネルを掘進する。特許文献１には、トンネルの掘進方向にボーリング穴を削孔して切羽前方における湧水帯を探査すると共に、湧水帯からボーリング穴に流入する地下水の圧力を計測することが開示されている。

特開２０１８－２１３１５号公報

水抜き穴の削孔にはコストがかかる。そのため、切羽前方に湧水帯があったとしても、湧水帯の圧力が切羽の破壊を招かない程度に低く切羽が安定している場合には、水抜き穴を削孔することなくトンネルを掘進することが好ましい。また、水抜き穴を削孔する場合においても、水抜き穴の本数を必要最小限とすることが好ましい。このような理由から、例えば特許文献１に記載の方法により計測した地下水の圧力に基づいて切羽の安定性を評価し、評価した安定性に基づいて水抜き穴の要否を判断すると共に水抜き穴の本数を決定することが求められている。

しかしながら、切羽の安定性を評価する方法は確立されておらず、計測した湧水帯の圧力に基づいて現場の作業員が水抜き穴の要否を判断したり水抜き穴の本数を決定したりしているのが現状である。そのため、水抜き穴が不要であるにも関わらず水抜き穴を削孔したり、水抜き穴を必要以上の本数削孔したりすることがあり、コストが増加するおそれがある。そのため、作業員に頼らずに切羽の安定性を正確に評価することが求められている。

本発明は、切羽の安定性をより正確に評価することを目的とする。

本発明は、トンネルの掘進時における切羽の破壊に対する安定性を評価する切羽安定性評価方法であって、切羽前方における湧水帯の地下水圧力を含む地下水情報と、切羽と湧水帯との間の距離情報及び地山強度を取得する情報取得ステップと、情報取得ステップにて取得した地下水圧力、距離情報及び地山強度に基づいて、切羽の破壊に対する安定性を評価する安定性評価ステップと、を備え、安定性評価ステップにおいて、切羽と湧水帯との間の未掘削の地山を土塊として、湧水帯の地下水により土塊にかかる力を地下水圧力を用いて算出し、距離情報、切羽の周囲長、及び地山強度に基づいて土塊の抵抗力を算出し、土塊にかかる力と土塊の抵抗力の比較により、切羽の破壊に対する安定性を評価する。

本発明によれば、切羽の安定性をより正確に評価することができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係るトンネル掘進方法により掘進中のトンネルを鉛直に切断したときの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＩＢ－ＩＢ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る切羽安定性評価方法及びトンネル掘進方法のフローチャートである。 情報取得ステップを説明するための模式図である。 安定性評価ステップにて未掘削地山の抵抗力を算出する際に用いる地山のモデルを説明するための図である。 安定性評価ステップにて湧水帯の状態を予測する際に用いる地山のモデルを説明するための図である。 湧水帯における地下水の実測圧力と予測圧力の一例を示すグラフである。 湧水帯から流出する地下水の流量と湧水帯における水位との関係の一例を示すグラフである。 対策工仕様決定ステップのフローチャートである。 掘進ステップ及び再情報取得ステップにおけるトンネルを水平に切断したときの断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る切羽安定性評価方法及びトンネル掘進方法について説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、トンネル１の切羽２の前方に湧水帯３がある場合、湧水帯３における地下水の圧力が切羽２と湧水帯３との間における未掘削の地山（以下において、「未掘削地山ＵＥＧ」と称する）に作用する。未掘削地山ＵＥＧの強度は、トンネル１の掘進により切羽２が湧水帯３に近づくにつれ低下するため、トンネル１の掘進中に切羽２が地下水の圧力により破壊されるおそれがある。地下水の圧力による切羽２の破壊を防ぐ方法として、水抜き穴５を削孔し湧水帯３から水抜き穴５を通じて地下水を抜く等の対策工を施工し、湧水帯３の地下水の圧力を低下させる方法がある。

水抜き穴５の削孔にはコストがかかる。そのため、切羽２の安定性を評価し、評価した安定性に基づいて水抜き穴５の要否を判断すると共に水抜き穴５の本数を決定することが求められている。

本実施形態に係る切羽安定性評価方法は、図１及び図２に示すように、湧水帯３の地下水情報を取得すると共に、切羽２と湧水帯３との間の距離情報及び地山強度情報を取得する情報取得ステップＳ２０１と、取得した地下水情報、距離情報及び地山強度情報に基づいて、切羽２の安定性を評価する安定性評価ステップＳ２０２と、を備える。評価結果は、地下水情報、距離情報及び地山強度情報に応じて変化する。したがって、切羽２の安定性をより正確に評価することができる。

また、本実施形態に係るトンネル掘進方法は、切羽安定性評価方法により評価した切羽２の安定性に基づいて、湧水帯３に対する対策工の仕様としての水抜き穴５の本数を決定する対策工仕様決定ステップＳ２０３を含む。そのため、水抜き穴５の要否を適切に決定することができると共に水抜き穴５の本数を適切に決定することができる。したがって、切羽２の破壊を防止しつつコストが増加するのを抑制することができる。

また、本実施形態に係るトンネル掘進方法は、対策工仕様決定ステップＳ２０３にて決定した本数の水抜き穴５を削孔すると共にトンネル１を掘進する掘進ステップＳ２０４と、掘進ステップＳ２０４の後、湧水帯３の地下水情報を再度取得する再情報取得ステップＳ２０５と、を含む。したがって、水抜き穴５を通じて湧水帯３から地下水を抜く対策工の効果を確認することができ、湧水帯３の近傍における地山を掘削する際に切羽２の破壊をより確実に防止することができる。

以下、切羽安定性評価方法の情報取得ステップＳ２０１及び安定性評価ステップＳ２０２、並びにトンネル掘進方法の対策工仕様決定ステップＳ２０３、掘進ステップＳ２０４及び再情報取得ステップＳ２０５について詳述する。

＜情報取得ステップ＞
まず、情報取得ステップＳ２０１について、図１及び図３を参照して説明する。情報取得ステップＳ２０１では、図１に示すように、地山に第１ボーリング穴６を削孔し、第１ボーリング穴６を利用して、湧水帯３における地下水の圧力及び湧水帯３から流出する地下水の流量を計測する。また、第１ボーリング穴６の削孔時に、切羽２と湧水帯３との間の距離Ｌを取得すると共に、切羽２の前方における地山強度としての地山の抵抗係数を取得する。

第１ボーリング穴６を利用して地下水の圧力及び流量を計測する手順、並びに距離Ｌ及び地山の抵抗係数を取得する手順について、図３を参照して説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、削孔ロッド１０を用いて、トンネル１の掘進方向に第１ボーリング穴６を削孔する。削孔ロッド１０は、円筒状の管体１１と、管体１１の一端に着脱可能に装着された削孔ビット１２と、を備える。削孔ビット１２は、第１ボーリング穴６を削孔する際には管体１１に装着された状態で使用され、後述するように第１ボーリング穴６に取水管２０を挿入する際には管体１１から取り外される。

削孔ビット１２は、地山に押し付けられた状態で回転することにより第１ボーリング穴６を削孔する。以下において、第１ボーリング穴６の削孔に伴って管体１１及び削孔ビット１２が移動する方向を「前方」とし、その逆方向を「後方」とする。

削孔ビット１２は、管体１１に装着された状態では、管体１１に対して回転不能であり、管体１１と共に回転する。管体１１は、不図示の削孔機によって支持される。削孔機は、管体１１を前方に押圧すると共に管体１１を回転させる。これにより、削孔ビット１２が地山に押し付けられた状態で回転し、第１ボーリング穴６が削孔される。

第１ボーリング穴６は、管体１１の外径よりも大きい内径で削孔される。第１ボーリング穴６の内周面６ｓと管体１１の外周面との間に形成される隙間は、削孔により生じる掘削ズリを排出するための通路として用いられる。具体的には、第１ボーリング穴６の削孔時には、排泥用の水が管体１１の後端から削孔ビット１２の後端に供給され、削孔ビット１２に形成された孔１３を通じて削孔ビット１２の前方に噴出される。削孔により生じる掘削ズリは、削孔ビット１２から噴出された水と共に、第１ボーリング穴６の内周面６ｓと管体１１の外周面との隙間を通じて第１ボーリング穴６の口元から排出される。

第１ボーリング穴６の削孔時には、地山の抵抗係数を取得する。具体的には、削孔速度及び削孔トルク等の削孔データを計測し、計測した削孔データを用いて、地山の抵抗係数を算出する。削孔速度及び削孔トルク等は、地山の抵抗係数に応じて変化するので、削孔速度及び削孔トルク等と地山の抵抗係数との関係を予め実験により求めておき、実験により予め求めた関係と、第１ボーリング穴６の削孔時に計測した削孔速度及び削孔トルク等と、を用いることにより、地山の抵抗係数を算出することができる。

なお、地山強度は、地山の抵抗係数に限られず、一軸圧縮強度又は三軸圧縮強度であってもよい。一軸圧縮強度及び三軸圧縮強度は、第１ボーリング穴６の削孔時に発生する掘削ズリの一部を試料として採取し、試料に対して一軸圧縮強度試験又は三軸圧縮強度試験を実施することにより取得することができる。

また、第１ボーリング穴６の削孔時には、第１ボーリング穴６の削孔長を計測し、図３（ｂ）に示すように、第１ボーリング穴６が湧水帯３に達したときの削孔長に基づいて、切羽２と湧水帯３との間の距離Ｌを算出する。第１ボーリング穴６が湧水帯３に達したか否かは、例えば、第１ボーリング穴６の口元から流出する水の流量に基づいて判断する。

具体的には、第１ボーリング穴６が湧水帯３に達していない状態では、湧水帯３から第１ボーリング穴６に地下水が流入しないため、第１ボーリング穴６の口元から排出される泥水には地下水がほとんど含まれない。一方で、第１ボーリング穴６が湧水帯３に達すると、湧水帯３における地下水が第１ボーリング穴６に流入する。そのため、削孔ビット１２から噴出される排泥用の水に地下水が加えられる。そのため、第１ボーリング穴６の口元から排出される泥水中の水分が増加する。

このように、第１ボーリング穴６が湧水帯３に達したときには、第１ボーリング穴６が湧水帯３に達していないときと比較して、第１ボーリング穴６の口元から排出される水の流量が多くなる。換言すれば、第１ボーリング穴６の口元から流出する水の流量が多くなったときに第１ボーリング穴６が湧水帯３に達したと判断することができる。

なお、予め湧水帯３の位置がわかっている場合には、切羽２の位置に基づいて切羽２と湧水帯３との間の距離Ｌを算出してもよい。

第１ボーリング穴６が湧水帯３に達したところで第１ボーリング穴６の削孔を終了する。次に、図３（ｃ）に示すように、削孔ロッド１０を後退させ、削孔ビット１２を湧水帯３から手前に移動させる。これにより、第１ボーリング穴６の前端と削孔ビット１２との間に空間が形成される。

次に、図３（ｄ）に示すように、削孔ロッド１０の管体１１内に取水管２０を挿入する。取水管２０の前端を削孔ビット１２の後端に当接させた状態で取水管２０を押し込むことにより、削孔ビット１２を管体１１から取り外すと共に、取水管２０の前端近傍の外周に設けられたパッカ２４を管体１１から出す。その後、湧水帯３の位置よりもトンネル１の切羽２側においてパッカ２４を拡張し、取水管２０の外周面と第１ボーリング穴６の内周面６ｓとの間を閉塞する。これにより、湧水帯３における地下水を削孔ビット１２の孔１３を通じて取水管２０に取り込むことができる。

取水管２０の後端付近に圧力計２１を取付けると共に、取水管２０の後端に流量計２２を取付けることにより、取水管２０における地下水の圧力及び流量の測定が可能になる。以上により、取水管２０等の設置が完了する。

取水管２０は、湧水帯３と第１ボーリング穴６の口元との間に渡って設置される。そのため、湧水帯３から取水管２０に流入した地下水は、取水管２０を通じて第１ボーリング穴６の口元まで導かれる。したがって、第１ボーリング穴６の内周面６ｓから流入する地下水が取水管４０の先端から流入したり、湧水帯３の地下水が第１ボーリング穴６の内周面６ｓから地山に浸透したりすることを防止することができ、地下水の情報である流量及び圧力をより高い精度で計測することができる。

取水管２０の外周面と第１ボーリング穴６の内周面６ｓとの間は、パッカ２４によって閉塞される。したがって、湧水帯３における地下水が取水管２０の外周面と第１ボーリング穴６との間を通じて第１ボーリング穴６の口元から排出されるのを防ぐことができ、地下水の流量及び圧力をより高い精度で計測することができる。

また、削孔ロッド１０の管体１１は、第１ボーリング穴６内に残される。そのため、第１ボーリング穴６が崩れるのを管体１１によって防止することができる。したがって、取水管２０を容易に第１ボーリング穴６に挿入することができる。

なお、取水管２０の設置後には、管体１１を第１ボーリング穴６から抜き出してもよい。また、地山が安定しており第１ボーリング穴６が崩れるおそれがない場合には、管体１１を第１ボーリング穴６から完全に抜いた後に取水管２０を第１ボーリング穴６に挿入してもよい。

圧力計２１及び流量計２２を用いて計測した圧力及び流量は、切羽２の安定性を評価する安定性評価手段としてのマイクロコンピュータ３０に地下水情報として取り込まれる。マイクロコンピュータ３０には、地下水情報に加え、算出した距離Ｌ及び地山の抵抗係数がそれぞれ距離情報及び地山強度情報として取り込まれる。

以上により、情報取得ステップＳ２０１が完了する。

＜安定性評価ステップ＞
次に、安定性評価ステップＳ２０２について、図４から図７を参照して説明する。安定性評価ステップＳ２０２は、マイクロコンピュータ３０によって実行される。

マイクロコンピュータ３０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＣＰＵにより実行される制御プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＣＰＵの演算結果等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、を含む。マイクロコンピュータ３０は、１つであってもよいし複数であってもよい。

マイクロコンピュータ３０は、取得した地下水情報、距離情報及び地山強度情報に基づいて、圧力計２１によって計測が行われた時点での切羽２の安定性を評価すると共に、圧力計２１によって計測が行われた以降での切羽２の安定性を評価する。ここでは、図４に示すように、切羽２を円形とし、切羽２の前方における未掘削地山ＵＥＧを円柱状の土塊（「バルクヘッド」とも呼ばれる）と見なし、地下水により土塊にかかる力Ｆｗと土塊の抵抗力Ｆｇの関係から切羽２の安定性を評価する。また、未掘削地山ＵＥＧの中心軸は水平に延びているとし、未掘削地山ＵＥＧの中心軸を通る水平面を基準面ＤＬとする。

地下水により土塊にかかる力Ｆｗは、湧水帯３における基準面ＤＬ上の地下水の圧力である湧水帯の地下水圧力Ｐと、切羽２の直径Ｒと、を用いて、
Ｆｗ＝Ｐ×π（Ｒ／２）＾２ ・・・（１）
と表される。

また、土塊の抵抗力Ｆｇは、土塊の外周面が、土塊の外周面に接する地山の内周面から受ける力に相当すると仮定して、距離Ｌ、切羽２の直径Ｒ、地山の抵抗係数Ｃを用いて、
Ｆｇ＝Ｌ×πＲ×Ｃ ・・・（２）
と表される。

式（１）と式（２）から、土塊にかかる力Ｆｗと土塊の抵抗力Ｆｇとが一致するときの湧水帯の地下水圧力Ｐｉは、
Ｐｉ＝４ＣＬ／Ｒ ・・・（３）
と表される。

切羽２は、式（３）で表される湧水帯の地下水圧力Ｐｉよりもある程度高い圧力を受けても安定状態を維持することが分かっている。換言すれば、切羽２の安定状態を維持可能な安定水圧Ｐｓは、式（３）で表される湧水帯の地下水圧力Ｐｉに予め定められる所定の圧力Ｐｃを加えた圧力とすることができ、
Ｐｓ＝４ＣＬ／Ｒ＋Ｐｃ ・・・（４）
と表される。

式（４）において、切羽２の直径Ｒはトンネル１の仕様によって決まる値であり、所定の圧力Ｐｃは予め定められる値であり、地山の抵抗係数Ｃ及び距離Ｌは情報取得ステップＳ２０１にて取得される値である。したがって、式（４）を用いることによって、安定水圧Ｐｓを算出することができる。

マイクロコンピュータ３０は、湧水帯の地下水圧力Ｐと、安定水圧Ｐｓと、を比較することにより、切羽２の安定性を評価する。具体的には、湧水帯の地下水圧力Ｐが安定水圧Ｐｓ以下である場合には、切羽２は安定していると評価する。湧水帯の地下水圧力Ｐが安定水圧Ｐｓを越えている場合には、切羽２は不安定であると評価する。

湧水帯の地下水圧力Ｐは、情報取得ステップＳ２０１にて取得した圧力情報に基づいて算出することができる。具体的には、図５に示すように、取水管２０の後端を閉塞し、取水管２０における地下水の流れを止める。この状態では取水管２０内における摩擦損失が生じない。そのため、湧水帯の地下水圧力Ｐは、圧力計２１を用いて計測した計測圧力Ｐｍと、圧力測定点Ｐｐと基準面ＤＬとの鉛直方向の間隔Ｈｃと、地下水の密度ρと、重力加速度ｇと、を用いて
Ｐ＝Ｐｍ－ρｇＨｃ ・・・（５）
と表される。

式（５）において、間隔Ｈｃは取水管２０の設置によって定まる値であり、密度ρ及び重力加速度ｇは既知の値であり、計測圧力Ｐｍは情報取得ステップＳ２０１にて取得される値である。したがって、式（５）を用いることによって、湧水帯の地下水圧力Ｐを算出することができる。

このように、マイクロコンピュータ３０は、安定水圧Ｐｓを算出すると共に湧水帯の地下水圧力Ｐを算出し、安定水圧Ｐｓと湧水帯の地下水圧力Ｐとを比較することによって、圧力計２１によって計測が行われた時点での切羽２の安定性を評価する。

ところで、情報取得ステップＳ２０１にて設置された取水管２０は、水抜き穴としても機能する。そのため、取水管２０の後端を開放した状態では、湧水帯３における地下水は取水管２０から流出する。地下水の流出に伴って、湧水帯３における水位は時間の経過と共に低下し、湧水帯の地下水圧力Ｐは低下する。つまり、湧水帯３の状態は時間の経過と共に変化する。

また、切羽２と湧水帯３との間の距離Ｌは、トンネル１の掘進に伴って短くなる。そのため、安定水圧Ｐｓ（式（４）参照）は、トンネル１の掘進に伴って低下する。

マイクロコンピュータ３０は、圧力計２１によって計測が行われた以降における湧水帯の地下水圧力Ｐ及び距離Ｌを予測し、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐ及び距離Ｌに基づいて切羽２の安定性を評価する。湧水帯の地下水圧力Ｐ及び距離Ｌを予測する方法について詳述する。

ここでは、図５に示すように、湧水帯３は、水平断面積Ｓが鉛直位置に関わらず一定の立体であると仮定すると共に、湧水帯３における地下水は取水管２０を通じてのみ流出すると仮定する。また、基準面ＤＬから地下水の水面までの距離を、湧水帯３における水位Ｈとする。

まず、水平断面積Ｓを算出する。湧水帯３から流出する地下水の量Ｖは、水位Ｈの低下量ΔＨ及び水平断面積Ｓを用いて
Ｖ＝ΔＨ×Ｓ ・・・（６）
と表される。

流出する地下水の量Ｖは、流量計２２を用いて計測した流量Ｑｍに基づいて算出することができ、水位Ｈの低下量ΔＨは、圧力計２１を用いて計測した圧力Ｐｍに基づいて算出することができる。具体的には、図６に示すように、時間Ｔ０から時間Ｔ１までの期間、取水管２０の後端を閉塞し湧水帯３から流出する地下水の流量Ｑｍを０（零）にし、時間Ｔ１にて取水管２０の後端を開放し湧水帯３から取水管２０を通じて地下水を流出させる。その後、時間Ｔ２にて取水管２０の後端を再度閉塞し、湧水帯３から流出する地下水の流量Ｑｍを０（零）する。時間Ｔ１から時間Ｔ２までの期間に渡って計測した流量Ｑｍを用いることによって、湧水帯３から流出する地下水の量Ｖを算出することができる。また、時間Ｔ１以前と時間Ｔ２以降に測定した圧力Ｐｍを用いて圧力差を算出することによって、水位Ｈの低下量ΔＨを算出することができる。算出した地下水の量Ｖ及び水位Ｈの低下量ΔＨと、式（６）と、を用いることによって、水平断面積Ｓを算出することができる。

次に、算出した水平断面積Ｓを用いて、時間Ｔでの水位Ｈ及び湧水帯の地下水圧力Ｐを予測する。ここでは、時間Ｔ３にて取水管２０の後端を開放すると仮定し、時間Ｔ３以降における水位Ｈ及び湧水帯の地下水圧力Ｐを予測する。以下において、時間Ｔ３から所定期間経過後の時間を「時間Ｔ」とする。

時間Ｔ３から時間Ｔまでの期間に湧水帯３から流出する地下水の量Ｖは、時間Ｔ３における水位Ｈ３、時間Ｔにおける水位Ｈ、及び水平断面積Ｓを用いて
Ｖ＝（Ｈ３－Ｈ）×Ｓ ・・・（７）
と表される。

また、流出する地下水の量Ｖは、取水管２０に流入する地下水の流量Ｑを時間Ｔ３から時間Ｔまで積分した値に等しいため、

と表される。式（７）及び（８）から、次の式（９）が得られる。

取水管２０に流入する地下水の流量Ｑは、水位Ｈの低下に伴って減少する。流量Ｑと水位Ｈとの関係は、例えばマニング（Ｍａｎｎｉｎｇ）公式を用いることによって求めることができる。図７は、マニング公式を用いて求めた流量Ｑと水位Ｈとの関係を示すグラフの一例である。

流量Ｑと水位Ｈとの関係は、取水管２０の内径及び取水管２０の内壁面の粗度係数に応じて変化することがわかっている。図７では、内径を同じにして粗度係数を変えて求めた流量Ｑと水位Ｈとの関係を示しており、点線は、粗度係数をＲＣ１として求めた関係であり、一点鎖線は、粗度係数をＲＣ２（ただし、ＲＣ２＞ＲＣ１であり、粗度係数がＲＣ１である内壁面よりも粗い）として求めた関係である。

時間Ｔ１，Ｔ２における水位Ｈ１，Ｈ２及び流量Ｑ１，Ｑ２は、時間Ｔ１，Ｔ２に圧力計２１及び流量計２２を用いて計測した圧力Ｐｍ及びＱｍを用いて算出可能である。そのため、マニング（Ｍａｎｎｉｎｇ）公式と、水位Ｈ１，Ｈ２及び流量Ｑ１，Ｑ２と、を用いることにより、取水管２０における内壁面の粗度係数を算出することができ、流量Ｑと水位Ｈとの関係（図７において実線で示した関係）を取得することができる。

式（９）と、図７に示す流量Ｑと水位Ｈとの関係と、を用いることにより、時間Ｔにおける水位Ｈを予測することができ、時間Ｔにおける湧水帯の地下水圧力Ｐを予測することができる。

以上により、時間Ｔ３以降における湧水帯３の状態としての湧水帯の地下水圧力Ｐを予測する。

次に、時間Ｔでの安定水圧Ｐｓを予測する。ここでは、トンネル１が一定の速度で掘進されると仮定する。時間Ｔにおける切羽２と湧水帯３までの距離Ｌは、時間Ｔ３における距離Ｌ３及びトンネル１の掘進速度Ｖｔを用いて、
Ｌ＝Ｌ３－Ｖｔ×（Ｔ－Ｔ３） ・・・（１０）
と表される。式（４）及び式（１０）から、時間Ｔにおける安定水圧Ｐｓは、
Ｐｓ＝４Ｃ｛Ｌ３－Ｖｔ×（Ｔ－Ｔ３）｝／Ｒ＋Ｐｃ ・・・（１１）
と表される。図６に、時間Ｔ３以降における安定水圧Ｐｓを併記する。

湧水帯の地下水圧力Ｐ及び安定水圧Ｐｓは、トンネル１が湧水帯３に達すると予測される時間Ｔ６まで予測される。時間Ｔ６は、時間Ｔ３における距離Ｌ３と掘進速度Ｖｔとに基づいて算出することができる。

次に、予測した安定水圧Ｐｓと、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐと、を比較することによって、安定性を評価する。図６に示す例（水抜き穴０本の実線参照）では、時間Ｔ３から時間Ｔ５における期間では、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐが安定水圧Ｐｓよりも低い。そのため、時間Ｔ５までは切羽２は安定している。一方で、時間Ｔ５以降では、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐが安定水圧Ｐｓよりも高い。そのため、時間Ｔ５以降、切羽２は不安定になる。このような場合、マイクロコンピュータ３０は、切羽２が不安定になる期間がある、と評価する。

なお、図示を省略するが、時間Ｔ３から時間Ｔ６における期間において、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐが安定水圧Ｐｓよりも低い場合には、マイクロコンピュータ３０は、切羽２は安定している、と評価する。

以上により、安定性評価ステップＳ２０２が終了する。

以上の切羽安定性評価方法では、取得した地下水情報、距離情報及び地山強度情報に基づいて、切羽２の安定性が評価される。そのため、安定性の評価は、取得した地下水情報、距離情報及び地山強度情報に応じて変化する。したがって、切羽２の安定性をより正確に評価することができる。

また、安定性評価ステップＳ２０２では、時間Ｔ３以降における湧水帯の地下水圧力Ｐを予測し、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐに基づいて切羽２の安定性を評価する。そのため、安定性の評価は、時間Ｔ３以降における湧水帯の地下水圧力Ｐの予測値に応じて変化する。したがって、時間Ｔ３以降における切羽２の安定性をより正確に事前に評価することができる。

また、安定性評価ステップＳ２０２では、時間Ｔ３以降における切羽２と湧水帯３との間の距離Ｌを予測し、予測した距離Ｌ、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐ及び取得した地山強度情報に基づいて切羽２の安定性を評価する。そのため、安定性の評価は、時間Ｔ３以降における距離Ｌ及び湧水帯の地下水圧力Ｐの予測値に応じて変化する。したがって、時間Ｔ３以降における切羽２の安定性をより正確に事前に評価することができる。

＜対策工仕様決定ステップ＞
次に、トンネル掘進方法の対策工仕様決定ステップＳ２０３について、図８を参照して説明する。対策工仕様決定ステップＳ２０３は、安定性評価ステップＳ２０２と同様に、マイクロコンピュータ３０によって実行される。なお、対策工仕様決定ステップＳ２０３は、安定性評価ステップＳ２０２を実行するマイクロコンピュータ３０とは別のマイクロコンピュータによって実行されてもよい。

図８に示すように、ステップＳ８０１では、水抜き穴５の最適な本数を示す変数Ｎを「０（零）」に設定する。ステップＳ８０２では、安定性評価ステップＳ２０２における評価結果を取得する。ステップＳ８０３では、取得した評価結果が、切羽２は不安定になる期間がある、との評価であるか否かを判断する。

ステップＳ８０３にて、切羽２は不安定になる期間がある、との評価でないと判断した場合には、ステップＳ８０４に進む。ステップＳ８０３にて、切羽２は不安定になる期間がある、との評価であると判断した場合には、ステップＳ８０５に進む。

ステップＳ８０５では、変数Ｎに「１」を加算する。ステップＳ８０６では、水抜き穴５をＮ本削孔した場合における切羽２の安定性を評価する。具体的には、水抜き穴５をＮ本削孔した場合における湧水帯の地下水圧力Ｐを、安定性評価ステップＳ２０２にて湧水帯の地下水圧力Ｐを予測した方法と同じ方法により予測し、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐが安定水圧Ｐｓを超えるか否かを判断する。

図６に、水抜き穴５を１本削孔した場合と２本削孔した場合の湧水帯の地下水圧力Ｐの予測結果を併記する。図６では、時間Ｔ４にて水抜き穴５の削孔が完了する例を示している。図６に示す例では、水抜き穴５が１本である場合には、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐが安定水圧Ｐｓを超える期間がある一方で、水抜き穴５が２本である場合には、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐが安定水圧Ｐｓを超えない。つまり、マイクロコンピュータ３０は、水抜き穴５が１本である場合には、切羽２が不安定になる期間がある、と評価し、水抜き穴５が２本である場合には、切羽２は安定している、と評価する。

ステップＳ８０６にて切羽２の安定性を評価した後、ステップＳ８０３に戻る。

ステップＳ８０４では、水抜き穴５の最適本数はＮ本であると決定する。図６に示す例では、マイクロコンピュータ３０は、水抜き穴５の最適本数は２本であると決定する。なお、水抜き穴５の最適本数が０本であると決定することは、対策工が不要であると決定することと同義である。

以上により、対策工仕様決定ステップＳ２０３を終了する。

以上のトンネル掘進方法では、切羽安定性評価方法により評価した切羽２の安定性に基づいて、湧水帯３に対する対策工の仕様としての水抜き穴５の本数を決定する。そのため、水抜き穴５の要否を適切に決定することができると共に水抜き穴５の本数を適切に決定することができる。したがって、切羽２の破壊を防止しつつコストが増加するのを抑制することができる。

＜掘進ステップ＞
次に、トンネル掘進方法の掘進ステップＳ２０４について、図９を参照して説明する。掘進ステップＳ２０４では、対策工仕様決定ステップＳ２０３にて決定した本数の水抜き穴５を削孔して水抜き穴５を通じて湧水帯３から地下水を抜く対策工を施工すると共に、トンネル１を掘進する。湧水帯３に対する対策工の施工と、トンネル１の掘進と、を並行して行うことにより、切羽２の破壊を防ぎつつトンネル１の工事期間を短縮することができる。

なお、対策工仕様決定ステップＳ２０３にて水抜き穴５の最適本数が０本であるとマイクロコンピュータ３０が決定した場合には、水抜き穴５は削孔されず、トンネル１の掘進のみが行われる。

＜再情報取得ステップ＞
次に、トンネル掘進方法の再情報取得ステップＳ２０５について、図９を参照して説明する。再情報取得ステップＳ２０５は、湧水帯３における地下水の圧力及び湧水帯３から流出する地下水の流量を再計測することにより、対策工の効果を判断するために行われる。

図９に示すように、再情報取得ステップＳ２０５では、切羽２の近傍からトンネル１の掘進方向に第２ボーリング穴７を削孔し、第２ボーリング穴７を利用して湧水帯３の地下水情報を取得する。第２ボーリング穴７を削孔する手順及び地下水情報を取得する手順は、第１ボーリング穴６の削孔手順及び地下水情報の取得手順と略同じであるため、ここではその説明を省略する。

第２ボーリング穴７は、トンネル１の掘進後、削孔される。そのため、第２ボーリング穴７の削孔開始地点を、第１ボーリング穴６の削孔開始地点よりも湧水帯３に近づけることができ、第２ボーリング穴７の削孔長を第１ボーリング穴６の削孔長よりも短くすることができる。したがって、湧水帯３から第２ボーリング穴７に流入する地下水の圧力及び流量をより正確に計測することができる。これにより、対策工の効果をより正確に判断することができ、湧水帯３の近傍における地山を掘削する際に切羽２の破壊をより確実に防ぐことができる。

以上の実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。

本実施形態に係る切羽安定評価方法では、取得した地下水情報、距離情報及び地山強度情報に基づいて、切羽２の安定性を評価する。そのため、安定性の評価は、取得した地下水情報、距離情報及び地山強度情報に応じて変化する。したがって、切羽２の安定性をより正確に評価することができる。

また、切羽安定性評価方法では、取得した地下水情報に基づいて、所定期間経過後における湧水帯の地下水圧力Ｐを予測し、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐに基づいて切羽２の安定性を評価する。そのため、安定性の評価は、所定期間経過後における湧水帯の地下水圧力Ｐの予測値に応じて変化する。したがって、切羽２の安定性をより正確に事前に評価することができる。

また、切羽安定性評価方法では、取得した距離情報、及びトンネル１の掘進速度Ｖｔに基づいて、所定期間経過後における切羽２と湧水帯３との間の距離Ｌを予測し、予測した距離Ｌ、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐ、及び取得した地山強度情報に基づいて切羽２の安定性を評価する。そのため、安定性の評価は、所定期間経過後の距離Ｌ及び湧水帯の地下水圧力Ｐの予測値に応じて変化する。したがって、切羽２の安定性をより正確に事前に評価することができる。

また、切羽安定性評価方法では、トンネル１の掘進方向に第１ボーリング穴６を削孔し、第１ボーリング穴６を利用して湧水帯の地下水圧力Ｐ及び湧水帯３から流出する地下水の流量Ｑを取得する。そのため、第１ボーリング穴６には、湧水帯３における地下水が流入し、取得した湧水帯の地下水圧力Ｐ及び流量Ｑは、湧水帯３の状態に応じて変化する。したがって、湧水帯３における地下水の情報を精度よく取得することができ、切羽２の安定性をより正確に評価することができる。

本実施形態に係るトンネル掘進方法では、切羽安定性評価方法により評価した切羽２の安定性に基づいて、湧水帯３に対する対策工の仕様としての水抜き穴５の本数を決定する。そのため、水抜き穴５の要否を適切に決定することができると共に水抜き穴５の本数を適切に決定することができる。したがって、切羽２の破壊を防止しつつコストが増加するのを抑制することができる。

また、トンネル掘進方法では、決定した対策工を施工すると共にトンネル１を掘進した後、トンネル１の掘進方向に第２ボーリング穴７を削孔し、第２ボーリング穴７を利用して湧水帯３の地下水情報を取得する。そのため、第２ボーリング穴７の削孔開始地点を、第１ボーリング穴６の削孔開始地点よりも湧水帯３に近づけることができ、第２ボーリング穴７の削孔長を第１ボーリング穴６の削孔長よりも短くすることができる。したがって、湧水帯３から第２ボーリング穴７に流入する地下水の圧力及び流量をより正確に計測することができる。これにより、対策工の効果をより正確に判断してトンネル１を掘進することができ、切羽２の破壊をより確実に防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

切羽２の安定性評価後においても第１ボーリング穴６を利用して湧水帯の地下水圧力Ｐ及び流量Ｑを継続して取得してもよく、この場合には、予測した湧水帯の地下水圧力Ｐ及び流量Ｑが取得した湧水帯の地下水圧力Ｐ及び流量Ｑと一致するかを確認することが好ましい。予測した湧水帯の地下水圧力Ｐ及び流量Ｑが取得した湧水帯の地下水圧力Ｐ及び流量Ｑと一致しない場合には、湧水帯の地下水圧力Ｐ及び流量Ｑを予測しなおし、切羽２の安定性を評価しなおすのが好ましい。

上記実施形態では、時間Ｔ３以降における湧水帯の地下水圧力Ｐと距離Ｌとの両方を予測して切羽２の安定性を評価しているが、湧水帯の地下水圧力Ｐ又は距離Ｌの一方のみを予測する形態であってもよい。この場合には、湧水帯の地下水圧力Ｐ又は距離Ｌの他方として、取得した時間Ｔ３での湧水帯の地下水圧力Ｐ又は距離Ｌを用いればよい。

また、上記実施形態では、第１ボーリング穴６を利用して、湧水帯３における地下水の圧力及び湧水帯３から流出する地下水の流量を計測しているが、圧力又は流量の一方のみを第１ボーリング穴６を利用して取得する形態であってもよい。この場合には、圧力又は流量の他方は、第１ボーリング穴６とは別に削孔したボーリング穴を利用して計測すればよい。

また、上記実施形態では、未掘削地山ＵＥＧを土塊と見なして安定水圧Ｐｓを算出しているが、流体流動を考慮した岩盤の崩壊現象を評価可能な解析手法である個別要素法（Ｄｉｓｔｉｎｃｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：ＤＥＭ）を用いて安定水圧Ｐｓを算出してもよい。この場合は、水圧破砕による切羽２の崩壊が生じる破壊水圧に基づいて安定水圧Ｐｓを算出することができ、切羽２の安定性をより正確に評価することができる。

また、上記実施形態では、流量Ｑと水位Ｈ（または地下水圧）との関係は、トンネル周辺の水抜き孔の配置を考慮できる理論解析や湧水帯の形状、周辺の地質構造などを考慮できる有限要素法(ＦＥＭ)による浸透流解析法などとマニング公式を用いて算出することができ、より正確に評価することができる。

また、上記実施形態では、図７に示す流量Ｑと水位Ｈとの関係を、計測した圧力Ｐｍ及び流量Ｑｍに基づいて算出しているが、取水管２０の内周面における粗度係数ＲＣが予め判明している場合には、判明している粗度係数ＲＣとマニング公式とを用いて流量Ｑと水位Ｈとの関係を算出してもよい。

また、上記実施形態では、地山強度としての抵抗係数を、第１ボーリング穴６を削孔する際に取得しているが、第１ボーリング穴６の削孔とは別に取得してもよい。例えば、トンネル１の側壁を掘削して試料を採取し、採取した試料を利用して地山強度としての抵抗係数、一軸圧縮強度又は三軸圧縮強度を取得してもよい。また、地山全体に渡って地山強度が略一定であると見なして、地表を掘削して試料を採取し、採取した試料を利用して地山強度としての抵抗係数、一軸圧縮強度又は三軸圧縮強度を取得してもよい。また、一軸圧縮強度及び三軸圧縮強度に相当する指標として用いられているものを利用することもできる。

また、上記実施形態では、トンネル１の掘進速度Ｖｔを一定値としているが、トンネル１の掘進速度Ｖｔが一定でないことが予め判明している場合には、判明している掘進速度Ｖｔを用いて距離Ｌを予測すればよい。

１・・・トンネル
２・・・切羽
３・・・湧水帯
５・・・水抜き穴
６・・・第１ボーリング穴
７・・・第２ボーリング穴
Ｃ・・・抵抗係数（地山強度情報）
Ｐ・・・湧水帯の地下水圧力（地下水情報）
Ｑ・・・流量（地下水情報）
Ｌ・・・切羽と湧水帯との距離

Claims (7)

1. トンネルの掘進時における切羽の破壊に対する安定性を評価する切羽安定性評価方法であって、
   前記切羽の前方における湧水帯の地下水圧力を含む地下水情報と、前記切羽と前記湧水帯との間の距離情報及び地山強度を取得する情報取得ステップと、
   前記情報取得ステップにて取得した前記地下水圧力、前記距離情報及び前記地山強度に基づいて、前記切羽の破壊に対する安定性を評価する安定性評価ステップと、を備え、
   前記安定性評価ステップにおいて、
   前記切羽と前記湧水帯との間の未掘削の地山を土塊として、前記湧水帯の地下水により前記土塊にかかる力を前記地下水圧力を用いて算出し、
   前記距離情報、前記切羽の周囲長、及び前記地山強度に基づいて前記土塊の抵抗力を算出し、
   前記土塊にかかる力と前記土塊の抵抗力の比較により、前記切羽の破壊に対する安定性を評価する
   切羽安定性評価方法。
2. 前記地山強度は、地山の抵抗係数を含む、
   請求項１に記載の切羽安定性評価方法。
3. 前記地山の抵抗係数は、地山の削孔時に計測した削孔データにより算出される、
   請求項２に記載の切羽安定性評価方法。
4. 前記地山強度は、地山の一軸圧縮強度又は三軸圧縮強度を含む、
   請求項１に記載の切羽安定性評価方法。
5. 前記安定性評価ステップでは、前記情報取得ステップにて取得した前記地下水圧力に基づいて、所定期間経過後における前記湧水帯の地下水圧力を予測し、予測した前記湧水帯の地下水圧力に基づいて前記切羽の破壊に対する安定性を評価する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の切羽安定性評価方法。
6. 前記安定性評価ステップでは、前記情報取得ステップにて取得した前記距離情報、及び前記トンネルの掘進速度に基づいて、前記所定期間経過後における前記切羽と前記湧水帯との間の距離を予測し、予測した前記距離、予測した前記湧水帯の地下水圧力、及び前記情報取得ステップにて取得した前記地山強度に基づいて前記切羽の破壊に対する安定性を評価する、
   請求項５に記載の切羽安定性評価方法。
7. 前記情報取得ステップでは、前記トンネルの掘進方向に第１ボーリング穴を削孔し、前記第１ボーリング穴を利用して前記地下水圧力を取得する、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の切羽安定性評価方法。

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