JPH06101395A - 空洞周辺岩盤の水理学的ゆるみ領域の測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 空洞掘削により発生した岩盤のゆるみ領域を
透水係数を指標として定量的に評価可能とする。 【構成】 空洞周辺に試錐孔を掘削し測定区間を設定す
る段階と、測定区間内に連続的に注水する段階と、単位
時間当たりの注水量が安定したことを条件に疑似的飽和
状態とみなして透水試験を実施する段階とからなる空洞
周辺岩盤の水理学的ゆるみ領域の測定方法、及び試錐孔
に設置され、メカニカルパッカーと硬化材との二重構造
により測定区間を設定するパッカー装置と、流量計、圧
力計を通して前記測定区間内に連続的に注水する注水装
置とを備えた水理学的ゆるみ領域測定装置を特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は地下石油備蓄施設等の地
下空間施設の耐久性の評価、トンネル掘削技術の評価等
に適用可能な空洞周辺岩盤の水理学的ゆるみ領域の測定
方法及び測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】岩盤に空洞を掘削した場合、空洞周辺に
は水理学的不飽和と応力開放に伴って岩盤のゆるみ領域
が発生する。トンネル・地下空洞の設計に係わる覆工で
は、空洞周辺のゆるみ領域の広がりと性状を正しく測定
することが最も重要な課題である。

【０００３】このような空洞掘削に伴う周辺岩盤のゆる
み領域の測定方法は、従来、掘削中に変位測定、応力測
定、物性変化測定等の現場計測や有限要素法解析（ＦＥ
Ｍ）等で行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来行われているゆる
み領域の測定方法では、領域を定量的に評価するための
決定的なものはない。前述したように、岩盤に空洞を掘
削した場合、空洞周辺には水理学的不飽和領域と応力開
放に伴う岩盤のゆるみ領域が発生し、この２つの要因で
空洞周辺の岩盤の透水係数（岩盤または岩石中の水の透
過性を表す係数）は掘削前後で異なることが考えられ
る。一般に、透水係数は水理学的不飽和により小さくな
り、岩盤のゆるみによって大きくなる傾向があるため、
両方の要因が発生した場合に測定したデータは意味をな
さない。今日まで広く用いられてきた透水試験方法は、
岩盤が飽和状態であることを前提としているため、前述
した不飽和状態の岩盤への適用はできない。

【０００５】本発明は上記課題を解決するためのもの
で、空洞掘削により発生した岩盤のゆるみ領域を透水係
数を指標として定量的に評価することができる空洞周辺
岩盤の水理学的ゆるみ領域の測定方法を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の空洞周辺岩盤の
水理学的ゆるみ領域の測定方法は、空洞周辺に試錐孔を
掘削し測定区間を設定する段階と、測定区間内に連続的
に注水する段階と、単位時間当たりの注水量が安定した
ことを条件に疑似的飽和状態とみなして透水試験を実施
する段階とからなることを特徴とする。また本発明の測
定方法は、測定区間の設定はメカニカルパッカーと硬化
材との二重構造により行うことを特徴とする。

【０００７】本発明の水理学的ゆるみ領域測定装置は、
試錐孔に設置され、メカニカルパッカーと硬化材との二
重構造により測定区間を設定するパッカー装置と、流量
計、圧力計を通して前記測定区間内に連続的に注水する
注水装置とを備え、測定区間内に連続的に注水し、単位
時間当たりの流量が安定した状態で間隙水圧を測定する
ことを特徴とする。また本発明の測定装置は、パッカー
装置は、先端部へ硬化材が注入された先端パッカーとレ
ジンを介在させた１対のパッカーからなる手前パッカー
から構成されていることを特徴とする。また本発明の測
定装置は、注水装置は一定圧に制御されたコンプレッサ
で加圧される貯留タンクと、貯留タンクから送水される
空気分離槽およびフィルタとからなることを特徴とす
る。また本発明の測定装置は、圧力計および流量計は、
それぞれ測定範囲の異なる複数の圧力計、流量計からな
ることを特徴とする。また本発明の測定装置は、さらに
圧力計および流量計からの測定値が入力されるデータ処
理装置を備えたことを特徴とする。また本発明の測定装
置は、さらに試錐孔の空気抜きパルブを備えていること
を特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明は試錐孔に設置したパッカーで区切られ
た測定区間を連続注水することにより、測定区間周辺の
岩盤の不飽和状態を疑似的に飽和状態に戻し、不飽和状
態で発生する透水係数の変化を取り除き、岩盤がゆるむ
ことによる岩盤の透水係数の変化のみを抽出することに
より、岩盤のゆるみ領域を定量的に評価することが可能
となる。

【０００９】

【実施例】図１は本発明の測定方法の概念を示す図、図
２は測定装置の概念図である。図中、３０はマリオット
タンク、３１は配管、３２は流量計、３３は圧力計、３
４は坑壁、３５は試錐孔、３６はメカニカルパッカー、
３７，３８はレジン（硬化材）、Ｖ１〜Ｖ５はバルブで
ある。

【００１０】図１により本発明の測定方法の概念につい
て説明する。前述したように、岩盤に空洞を掘削した場
合、空洞周辺には水理学的不飽和領域と応力開放に伴う
岩盤のゆるみ領域が発生し、この２つ要因によって空洞
周辺の岩盤の透水係数は掘削前後で異なることが考えら
れる。そこで、透水試験を実施する前に測定区間を連続
注水することにより、あらかじめ不飽和状態の岩盤を疑
似的な飽和状態に戻し、ゆるみの影響による透水係数の
変化だけを抽出する。

【００１１】図１において、空洞周辺岩盤の透水性はゆ
るみの影響の他に不飽和状態の影響を受けており、透水
試験の開始に先立って、不飽和状態による影響を低減す
るために注水し、疑似的飽和化が達成するまで注水を継
続する。疑似的飽和化が達成されたら、空洞周辺岩盤へ
の透水試験を行ってゆるみの影響を調べ、透水係数を算
定し、空洞周辺の水理学的ゆるみ領域の評価を行う。

【００１２】このような測定を行うための装置構成は、
図２に示すように、坑壁３４に示すように、試錐孔３５
を掘削し、測定区間の閉鎖性をより高いものとするため
に、メカニカルなゴムパッカー３６はレジン（硬化材）
３７，３８とで閉鎖領域３９を形成して測定区間とす
る。なお、本実施例では試錐孔３５の深度方向に密な測
定を行うために測定区間を１３ｃｍに設定した。この閉
鎖領域３９に対して、マリオットタンク３０より流量計
３２、圧力計３３で流量および圧力を調整し、バルブＶ
５で空気抜きをしながら連続的に注水し、単位時間当た
りの注水量が安定するまで注水して測定区間を疑似的に
飽和させる。なお、不飽和状態を考慮して圧力計３３で
負圧も測定できるようにしておく。こうして疑似的に飽
和状態に達したら透水試験を行って透水係数を求め、岩
盤掘削前に求めた透水係数と比較することにより空洞周
辺の水理学的ゆるみ領域の評価を行う。

【００１３】以下に疑似的飽和化の概念、測定装置の構
造、測定の手順等について順次説明する。図３は空洞掘
削に伴って発生した岩盤の不飽和状態を疑似的に飽和状
態として取り扱うことが可能か、事前に有限要素法を用
いて予測解析した結果である。図３において、横軸は時
間、縦軸は単位時間当たりの注水量である。この解析は
岩盤の透水係数を１×１０^-6ｃｍ／ｓに設定し、一定圧
（約０．０５ｋｇｆ／ｃｍ² 〜０．１ｋｇｆ／ｃｍ² ）
で連続的に注水することを前提とした。図３より、連続
注水を行うことにより約１０日程度で単位時間当たりの
注入量が安定してくることが分かる。この結果は不飽和
状態の岩盤が注水により疑似的に飽和状態に戻ることを
示したものであり、この疑似的飽和化により従来から広
く用いられてきた定常式を用いて透水係数を算定するこ
とができることを示している。

【００１４】次に、図４〜図７により疑似的飽和化する
ための作業工程の概念について説明する。図４は空洞掘
削前の岩盤を示しており、空洞を掘削する以前の岩盤は
地表４０より下数ｍ〜数十ｍに地下水位面４２が存在
し、それより深い岩盤は飽和状態領域４１と考えられて
いる。

【００１５】図５は空洞掘削後の岩盤を示しており、岩
盤に空洞４３を掘削することにより空洞周辺の地下水位
４２が低下し、不飽和状態領域４４が発生する。また空
洞周辺には掘削に起因するゆるみ領域４５が発生する。

【００１６】図６は試錐孔の掘削を説明する図で、本発
明の測定方法を実施するために空洞４３の周辺に試錐孔
５０を掘削する。

【００１７】図７は注水による疑似的飽和化を説明する
図で、掘削した試錐孔５０に図２で説明したパッカーを
設置し、測定区間内に一定圧で連続注水する。単位時間
当たりの流量が安定するまで注水し、安定した状態が確
認できた場合、疑似的飽和状態とみなして透水試験を実
施する。

【００１８】次に、図８、図９により測定装置および測
定手順の概要について説明する。

【００１９】図８は測定装置の構造を示す図、図９は測
定手順を示す図である。図中、Ａは空洞壁、Ｂは試錐
孔、Ｃは測定区間、１は先端パッカー、２は手前パッカ
ー、３，４は空気抜きバルブ、５は圧力計（２ｋｇ／ｃ
ｍ² ）、６は圧力計（５ｋｇ／ｃｍ² ）、７は圧力計
（１０ｋｇ／ｃｍ² ）、８は切替えスイッチ、９は圧力
表示部、１０は圧力計切替えバルブ、１１は流量計（２
０ｃｃ／ｈ）、１２は流量計（１００ｃｃ／ｈ）、１３
は流量計（５００ｃｃ／ｈ）、１４は切替えスイッチ、
１５は流量表示部、１６はパーソナルコンピュータ、１
７は流量計切替えバルブ、１８は空気分離槽、１９はフ
ィルタ（極く細目）、２０はフィルタ（細目）、２１は
マリオットタンク、２２は２次圧力計、２３は調圧器、
２４は調圧器切替バルブ、２５は１次圧力計、２６はコ
ンプレッサである。

【００２０】この装置を使っての測定を図９を参照しな
がら説明する。まずステップの測定準備としては、試
錐孔の掘削を行い、次いでパッカーの設置を行う。パッ
カーの設置は先端パッカー１の設置、その先端部へのレ
ジン（硬化材）の注入、手前パッカー２の設置、手前パ
ッカー内へのレジンの注入、レジンの硬化等が含まれ
る。次いで、その他の装置の設置を行い、配管計の空気
抜きを空気抜きバルブ３，４により行う。

【００２１】次に間隙水圧測定（ステップ）を行う。
間隙水圧は注水前の初期条件を与えるためのものであ
る。間隙水圧の測定に際しては、まず測定区間Ｃへの注
水を行う。そのため、コンプレッサ２６の空気圧を調圧
器２３のレギュレータで一定圧（約０．１ｋｇｆ／ｃｍ
² ）に制御する。この圧力でマリオットタンク２１に貯
留した試験水を測定区間Ｃへ注入する。この際、試験水
はフィルタ２０、フィルタ１９、空気分離槽１８を経由
し、流量計１１〜１３および圧力計５〜８を経由して注
水される。この時、空気抜きバルブ３により注水した試
験水が排出されることを確認する。注水を行ったら、圧
力計５〜８の中から測定区間の圧力に適したものを選択
し、測定区間の間隙水圧を測定する。測定結果が負の値
を示した場合、測定区間周辺は不飽和状態であると考え
られる。この測定結果は順次記録される。

【００２２】次いで、透水試験（ステップ）を行う。
まず測定区間へ注水するための圧力を調圧器２３のバル
ブで設定する。この注水圧力は０．０５〜０．５ｋｇｆ
／ｃｍ² である。次いで、ステップで説明したと同様
に設定した注水圧力で測定区間Ｃへ連続的に注水する。
また、注水量と注水圧力は流量表示部１５および圧力表
示部９に表示し、パーソナルコンピュータ１６で連続的
に記録する。この作業は単位時間当たりの流量が安定す
るまで継続し、安定状態に達した場合、疑似的飽和化が
なされたと判断する。また疑似的飽和化を確認後も透水
係数の算定のため、一定時間注水を継続し、注水量、注
水圧力を測定する。

【００２３】次いで、ステップにおいてデータ解析を
行う。前述した注水圧力と流量のデータより、透水係数
の算定を行う。算定に際しては疑似的飽和化を確認した
後の値を用い、以下に示すＨｖｏｒｓｌｅｖの定常式を
用いる。

【００２４】 ｋ＝Ｑ〔ｌｎ（ｍＬ／２ｒ）＋｛１＋（ｍＬ／２ｒ）² ｝^1/2 〕／２πＬＨ ｋ……透水係数（ｃｍ／ｓ） Ｑ……注水量（ｃｍ³ ／ｓ） ｍ……異方性に関する係数 Ｌ……測定区間（ｃｍ） ｒ……測定区間の半径（ｃｍ） Ｈ……注水圧力水頭（ｃｍ） この定常式より透水係数ｋが求められる。こうして求め
た透水係数と、岩盤掘削前にあらかじめボーリングして
求めておいた透水係数との比較により岩盤のゆるみを評
価することができる。なお、使用した装置の性能は最大
測定深度２ｍ、適用孔系は５６ｍｍ±０．５ｍｍ、６６
ｍｍ±０．５ｍｍの２種類、測定区間長は１３ｃｍ、透
水係数の測定範囲１×１０^-5〜１×１０^-9ｃｍ／ｓま
で、間隙水圧の測定範囲−１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ² であ
る。

【００２５】次に測定結果の一例を図１０に示す。図１
０は横軸が時間（ｍｉｎ）、縦軸が注水量（ｃｃ／ｈ）
である。図１０より注水開始から約２００分で注入量が
安定していることが分かる。この原価は図３で説明した
有限要素法の結果と一致しており、本発明の測定方法の
妥当性が実証されたことになる。

【００２６】図１１は本発明による透水試験における間
隙水圧と透水係数の分布を示したものである。白丸は間
隙水圧、黒丸は透水係数、横軸は坑道壁面からの距離
（ｃｍ）、縦軸は間隙水圧と透水係数である。図１１よ
り空洞壁面からより深部に入るに従い、透水係数は低く
なる傾向を示し、壁面より１．５ｍ深部では、空洞掘削
前の透水係数値とほぼ等しい値となった。このことか
ら、本発明の測定方法を用いることにより、ゆるみ領域
の広がりとその透水係数値を把握することが可能とな
る。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、事前に注
水することで不飽和状態の岩盤を疑似的な飽和状態に戻
し、ゆるみの影響による透水係数の変化のみを抽出する
ことができるので、透水係数の算定を行う定常式を用い
てゆるみの影響による透水係数の変化だけを抽出するこ
とが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の測定方法の概念を示す図である。

【図２】 測定装置の概念図である。

【図３】 図である。

【図４】 作業工程の概念を説明する図である。

【図５】 作業工程の概念を説明する図である。

【図６】 試錐孔の掘削を説明する図である。

【図７】 注水による疑似的飽和化を説明する図であ
る。

【図８】 測定装置の構造を示す図である。

【図９】 測定手順を示す図である。

【図１０】 測定結果の１例を示す図である。

【図１１】 本発明による透水試験における間隙水圧と
透水係数の分布を示した図である。

【符号の説明】

Ａ…空洞壁、Ｂ…試錐孔、Ｃ…測定区間、１…先端パッ
カー、２…手前パッカー、３，４…空気抜きバルブ、５
…圧力計（２ｋｇ／ｃｍ² ）、６…圧力計（５ｋｇ／ｃ
ｍ² ）、７…圧力計（１０ｋｇ／ｃｍ² ）、８…切替え
スイッチ、９…圧力表示部、１０…圧力計切替えバル
ブ、１１…流量計（２０ｃｃ／ｈ）、１２…流量計（１
００ｃｃ／ｈ）、１３…流量計（５００ｃｃ／ｈ）、１
４…切替えスイッチ、１５…流量表示部、１６…パーソ
ナルコンピュータ、１７…流量計切替えバルブ、１８…
空気分離槽、１９…フィルタ（極く細目）、２０…フィ
ルタ（細目）、２１…マリオットタンク、２２…２次圧
力計、２３…調圧器、２４…調圧器切替バルブ、２５…
１次圧力計、２６…コンプレッサ、３０…マリオットタ
ンク、３１…配管、３２…流量計、３３…圧力計、３４
…坑壁、３５…試錐孔、３６…メカニカルパッカー、３
７，３８…レジン、Ｖ１〜Ｖ５…バルブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤和幸 岐阜県土岐市泉神栄町２−29 (72)発明者 平田洋一 東京都杉並区久我山４−９−18

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空洞周辺に試錐孔を掘削し測定区間を設
   定する段階と、測定区間内に連続的に注水する段階と、
   単位時間当たりの注水量が安定したことを条件に疑似的
   飽和状態とみなして透水試験を実施する段階とからなる
   空洞周辺岩盤の水理学的ゆるみ領域の測定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の測定方法において、測定
   区間の設定はメカニカルパッカーと硬化材との二重構造
   により行うことを特徴とする空洞周辺岩盤の水理学的ゆ
   るみ領域の測定方法。
3. 【請求項３】 試錐孔に設置され、メカニカルパッカー
   と硬化材との二重構造により測定区間を設定するパッカ
   ー装置と、流量計、圧力計を通して前記測定区間内に連
   続的に注水する注水装置とを備え、測定区間内に連続的
   に注水し、単位時間当たりの流量が安定した状態で間隙
   水圧を測定する水理学的ゆるみ領域測定装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の測定装置において、前記
   パッカー装置は、先端部へ硬化材が注入された先端パッ
   カーとレジンを介在させた１対のパッカーからなる手前
   パッカーから構成されていることを特徴とする水理学的
   ゆるみ領域測定装置。
5. 【請求項５】 請求項３記載の測定装置において、前記
   注水装置は一定圧に制御されたコンプレッサで加圧され
   る貯留タンクと、貯留タンクから送水される空気分離槽
   およびフィルタとからなることを特徴とする水理学的ゆ
   るみ領域測定装置。
6. 【請求項６】 請求項３記載の測定装置において、圧力
   計および流量計は、それぞれ測定範囲の異なる複数の圧
   力計、流量計からなることを特徴とする水理学的ゆるみ
   領域測定装置。
7. 【請求項７】 請求項３記載の測定装置において、さら
   に圧力計および流量計からの測定値が入力されるデータ
   処理装置を備えたことを特徴とする水理学的ゆるみ領域
   測定装置。
8. 【請求項８】 請求項３記載の測定装置において、さら
   に試錐孔の空気抜きパルブを備えていることを特徴とす
   る水理学的ゆるみ領域測定装置。