JPH11294080A

JPH11294080A - トンネル掘進システム

Info

Publication number: JPH11294080A
Application number: JP10097198A
Authority: JP
Inventors: Futoshi Kusumoto; 太楠本; Kosuke Kakimi; 垣見康介; Takahiro Ishii; 石井孝広; Tsutomu Kiuchi; 勉木内; Toshihiko Wada; 和田利彦
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 1999-10-26
Anticipated expiration: 2018-04-09
Also published as: JP3721486B2

Abstract

(57)【要約】【課題】先進ボーリング調査とＴＢＭ機械データに基い
て地山評価が可能となり、地山性状を高精度に且つ最新
情報により評価する。【解決手段】全断面トンネル掘削機（ＴＢＭ）と、該Ｔ
ＢＭ内に設置された先進ボーリング装置と、先進ボーリ
ング調査から切羽前方の地山性状を評価する第１の評価
手段と、前記ＴＢＭ機械データから切羽の地山性状を評
価する第２の評価手段と、該第２の評価手段の結果を第
１の評価手段の評価基準にフィードバックする手段とを
備えたシステム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全断面トンネル掘
削機（以下、ＴＢＭ：tunnel boring machine という）
を使用するトンネル掘進システムの技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】ＴＢＭ掘進工法は、地山条件に恵まれれ
ば無支保での高速掘進が可能でありその長所を十分に生
かすことができるが、固結度の低い帯水地山や断層破砕
帯などの不良地質部での掘削は苦手であり、これらに起
因するトラブルが多く発生し、ＴＢＭが数カ月止まるこ
ともたびたびある。このような地質的な要因からのＴＢ
Ｍのトラブルを未然に防ぐには、切羽前方地山の地層構
造の変化や不良地質部の地山性状とその規模を事前に精
度良く知ることと、これらを正しく評価しその対策工や
補助工法の選定、ＴＢＭ掘進の可否の判定などができる
ＴＢＭ掘進システムが必要である。

【０００３】従来、切羽前方地山の予測方法として、例
えば特開平４−１６１５８８号公報においては、油圧式
パーカッションドリルによる削孔データ（削孔により得
られた削孔深度と各深度における累積掘削時間、削孔速
度、ピストン打撃エネルギー、給進力、トルク、送水圧
等）により破壊エネルギーを算出し、確率統計手法によ
り岩盤等級と関係づけて予測を行う方法を提案してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記パ
ーカッションドリルによる予測方法は、発破工法の場合
には有効な方法ではあるが、ＴＢＭの場合には、掘削を
中断して切羽面にパーカッションドリルを設置しなけれ
ばならないとともに、ボーリング中はＴＢＭ掘進ができ
ないので工期が大幅に延びるという問題や、ロッドが地
山にかまれロッドを地山中に捨てざるをえない場合に、
ＴＢＭのカッター破損の問題があり、ＴＢＭ掘進に上記
方法を採用することは困難である。

【０００５】この問題を解決するために、本発明者等
は、特願平９−１３９６９３号において、ＴＢＭ機内か
ら先進ボーリングにより切羽前方の地山調査、評価を可
能とし、地山性状を高精度に判別できるとともに、地山
性状に応じた適切な支保工と補助工法を選定でき、確実
なＴＢＭ掘進を行うことができるトンネル掘進システム
を出願している。

【０００６】本発明は、上記先願発明をさらに改良し、
リアルタイム計測するＴＢＭ機械データの一部を掘削エ
ネルギーやグリッパ係数などへ指標化し、ＴＢＭ後胴引
き寄せ時の坑内観察調査に先がけて予め定めた評価基準
に基づいて地山等級を予測し、これにより適時に適切な
支保パターンを施工することができるトンネル掘進シス
テムを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のトンネル掘進システムは、全断面トンネル
掘削機（ＴＢＭ）と、該ＴＢＭ内に設置された先進ボー
リング装置と、先進ボーリング調査から切羽前方の地山
性状を評価する第１の評価手段と、前記ＴＢＭ機械デー
タから切羽の地山性状を評価する第２の評価手段と、該
第２の評価手段の結果を第１の評価手段の評価基準にフ
ィードバックする手段とを備えたことを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１〜図１０は、本発明のトン
ネル掘進システムの１実施形態を示し、図１は、本発明
で使用するＴＢＭの模式図である。

【０００９】図１において、ＴＢＭ１は、円筒状のスキ
ンプレート３、スキンプレート３の先端に回転自在に装
着されたカッターヘッド２、機内後部に設置されるスラ
ストジャッキ４及びメイングリッパ５等を備え、メイン
グリッパ５を坑壁に張り出しこれに反力を取ってスラス
トジャッキ４を伸ばしながらカッターヘッド２を回転さ
せ、１ストローク分を掘削する。スラストジャッキ４上
には、ロータリパーカッションドリル６が設置されてい
る。このロータリパーカッションドリル６は、先端ビッ
トを打撃、回転させながら削孔するノンコアボーリング
モードと、ビットを交換しドリルを打撃、回転させなが
ら先端コアを採取する部分コアボーリングモードとを備
え、また、ロータリパーカッションドリル６は上下左右
方向に揺動可能に設置され、図示点線で示すように切羽
面７に対して直角方向に削孔される切羽内ボーリング８
と、図示実線で示すようにスキンプレート３の後端から
切羽斜め前方に削孔される切羽外ボーリング９が可能に
されている。

【００１０】図２は、本発明のシステム構成と評価項目
を説明するための図である。本発明においては、先進ボ
ーリング調査とＴＢＭ機械データによりＴＢＭ掘進評価
項目を把握し、最終的に支保パターンの評価を行うもの
である。無論、従来の坑内観察調査および力学調査・試
験のデータも随時評価項目の判断材料に加える。ＴＢＭ
掘進評価項目は、(1)地質変化・掘進速度の把握、(2)天
端部・肩部の安定度の把握、(3)側壁部の安定度の把
握、(4)坑内湧水の評価、(5)不良地質部の評価、(6)支
保パターンの評価からなる。

【００１１】先進ボーリング調査においては、削孔深
度、削孔速度、給進力、打撃エネルギー、打撃
回数、トルク、回転数、送水圧力、送水量など
のデータを取得し、これらのデータを破壊エネルギーと
して指標化し、これらのデータ及び破壊エネルギーに基
づいて評価項目(1)〜(6)を評価する。また、スライムの
色調、岩片の形、種類、大きさ、硬さの観察や、部分コ
ア採取による地質の判定、孔内湧水量の測定により、評
価項目(1)、(4)、(5)、(6)を評価する。

【００１２】ＴＢＭ機械データからは、掘進速度、
カッター回転速度、カッタートルク、スラスト推進
力を取得し、これらのデータを掘削エネルギーとして指
標化し、これらのデータ及び掘削エネルギーに基づいて
評価項目(1)〜(6)を評価する。

【００１３】また、フロントグリッパ係数を計算し評
価項目(2)を評価し、左右メイングリッパ係数を計算
し評価項目(3)を評価する。

【００１４】図３は、本発明のトンネル掘進システムの
データ処理の１例を示すフロー図である。先ず、ステッ
プＳ１で、地質図書などから切羽前方の地山調査地点を
特定した後、ステップＳ２で調査地点までＴＢＭ掘進を
行い、ステップＳ３で掘進速度、カッタートルク、スラ
スト推力などのＴＢＭ機械データを取得する。ステップ
Ｓ４で、ＴＢＭ掘進と並行してノンコアボーリングモー
ドでロータリパーカッションドリル６により切羽斜め前
方にボーリング９（５０〜１００ｍ程度）を行い、ステ
ップＳ５でボーリング削孔データを取得する。このボー
リング削孔データは、削孔深度、削孔速度、給進
力、打撃エネルギー、打撃回数、トルク、回転
数、送水圧力、送水量などである。次に、ステップ
Ｓ６のデータ解析・図化手段で、ボーリング削孔データ
に基づいて（１）深度変化の分析、（２）データ間の相
関分析、（３）測定データの指標化、（４）力学パラメ
ータの推定を行う。これらの内容について以下に説明す
る。

【００１５】（１）深度変化の分析図４（Ａ）に示す削孔深度に対する測定値変化のデータ
から既知の確率・統計手法を用いて例えば図４（Ｂ）に
示すガウス型モデルや図４（Ｃ）に示す非ガウス型モデ
ルに図化する。これにより、削孔深度に対する測定値の
変化を容易に認識することが可能となる。

【００１６】（２）データ間の相関分析削孔速度と打撃エネルギー×打撃回数の相関から地層
の硬軟の様子が推定できる。削孔速度と給進力の相関から岩質の様子が推定でき
る。削孔速度とトルク×回転数の相関から地層の崩壊性が
推定できる。トルク×回転数と打撃エネルギー×打撃回数の相関か
ら岩種が推定できる。送水圧力と送水量の相関から岩種、水理地質構造が推
定できる。

【００１７】（３）測定データの指標化破壊エネルギーＥP（kgf・cm/cm²）ＥP＝打撃エネルギー（kgf・cm）×打撃回数（bpm）／削
孔速度（cm/min）／断面積（cm²）掘削エネルギーＥt（kgf・cm/cm²）：単位体積を掘削
するに要するエネルギーＥt＝Ｅ1／ＡＥ1：単位ｃｍの掘削するに要するエネルギー（kgf・cm/
cm）Ｅ1＝スラスト推力（tf）×1000＋［カッター回転速度
（rpm） ×カッタートルク（tf・m）×1000×100］／［掘進速度
（mm/min）×0.1］Ａ：掘削断面積（cm²）グリッパ係数Ｇc（kgf/cm²）横軸にひずみεｊ（ストロークδｊ／掘削半径ｒ）を縦
軸にグリッパ載荷応力σｊをとり、グリッパ張りだし時
の応力〜ひずみ特性を数値化する。グリッパ係数の値は
次式から計算する。

【００１８】Ｇc＝（σ_m+2−σ_m-2）／（ε_m+2−ε_m-2） εｊ＝δｊ／ｒｊ＝１，測点数（４）力学パラメータの推定岩盤の一軸圧縮強度＝ｋ×破壊エネルギー次に、ステップＳ７の地山評価手段において、前記測定
データ間の相関性などを参考にして、ボーリング削孔デ
ータの内、破壊エネルギー、削孔速度、トルク、給進力
などの深度軸に対する変化の様子などから地層構造、岩
種岩質、岩盤性状などを区分け、特定、判定し専門家が
ＴＢＭ地山評価図を作成する。

【００１９】次に、ステップＳ８において、地山が不良
で更に詳細に調べたい場合には切羽内コアボーリングを
実施するか否かが判断され、ＹＥＳの場合には切羽内コ
アボーリングが行われ、ステップＳ１０でコアボーリン
グデータが取得され、このデータに基づいてステップＳ
５〜Ｓ７で再度、地層構造の判定が行われる。そして、
判定された地層構造に基づいて、ステップＳ１１で支保
工の選定及び補助工法の選定が行われる。次に、ステッ
プＳ１２でＴＢＭ掘進可否の判定が行われ、ＴＢＭ掘進
可能と判定されればステップＳ２に戻りＴＢＭ掘進が行
われ、ＴＢＭ掘進不可能と判定されれば、ステップＳ１
３で不良地質部の評価が行われ、トラブルの推定、その
対策工、事前地山補強工が実施され、ステップＳ２に戻
りＴＢＭ掘進が行われる。

【００２０】図５は、前記ステップＳ７において先進ボ
ーリングによる地山評価及びステップＳ１１の支保工の
選定及び補助工法の選定を説明するための図である。な
お、ボーリング削孔データ評価基準値、支保構造及び補
助工法はあくまで１例を示すものでこれに限定されるも
のではない。測定した削孔速度、トルク、給進力と測定
データからの計算値の破壊エネルギーの値によって、Ｉ
〜Ｖの５段階の地山区分に区分され、それぞれの地山区
分に応じて適切な支保工の選定と補助工法の選定、さら
にはＴＢＭ掘進方式が選定される。なお、全周簡易ライ
ナーとは、坑壁の全周にわたってライナーピースを組み
付ける方式であり、シールドジャッキはこの全周簡易ラ
イナーに推進反力をとる方式である。また、裏込め注入
とはライナーと坑壁との間にモルタルを注入する方式で
あり、切羽注入とは、機内から切羽とその周辺地山内に
セメントミルクやウレタン材を注入する方式である。

【００２１】図６は、図５の簡易先受け支保システムを
説明するための図であり、図６（Ａ）はＴＢＭの断面
図、図６（Ｂ）はスキンプレートのテール部での横断面
図である。本システムは、カッターヘッド２が１ストロ
ーク分掘進すると、スキンプレート３のテール部のすぐ
後方で先受け材１１Ｂをリング支保工１２で受け、イン
バートライナ１５上に設置したフロントグリッパ１３を
伸長させて押圧支持し、また、タイロッド１６で１つ手
前のリング支保工１２に固定する。次いで、今ある先受
け材１１Ｂの間の空いている場所でスキンプレート３と
坑壁との空間に次の先受け材１１Ａを差し込み、坑壁面
にはファイバー吹付モルタル２０を施工する。以上のよ
うにしてスキンプレート３の後方を常に先受け材で支持
するため、肌落ち、抜け落ちを防止することができる。

【００２２】図７は、図５の開口ライナーシステムを示
す斜視図である。本システムは、隣接するリング支保工
１２の間にトンネル天端の一部を支持するライナー部材
２１ａ、２１ｂ、２１ｃを配設し、トンネル天端を安定
化し、また、シールドジャッキの推進反力をとるもので
ある。地盤の強度により、プレート状のライナー部材２
１ａ、一部空間のあるライナー部材２１ｂ、金網状のラ
イナー部材２１ｃが用意されている。

【００２３】図８は、先進ボーリングの削孔深度に応じ
て、地山区分、支保構造、補助工法、掘進方式が変化す
る例を示し、可能な限りＴＢＭ機内から切羽前方の地山
性状を予測し、地山性状に応じた適切な支保構造と補助
工法を選択することにより、確実な掘進を行うことがで
きる。

【００２４】図９は、ＴＢＭ機械データの指標値である
掘削エネルギー、フロントグリッパ係数、メイングリッ
パストロークの変化を示す図である。図中、２はカッタ
ーヘッド、５はメイングリッパ、１３はフロントグリッ
パである。

【００２５】図１０は、本発明のトンネル掘進システム
における評価方法を説明するための図である。図１０
（Ａ）は、前述したＴＢＭ機械データに基づく掘削エネ
ルギーとグリッパ係数からの地山等級の評価基準例を示
し、図１０（Ｂ）は図５で説明した先進ボーリング調査
からの地山等級の評価基準例を示している。

【００２６】本発明においては、先ず、先進ボーリング
調査に基づいて地山等級を評価し、次いで、実際のＴＢ
Ｍ機械データに基いて地山等級を評価し、この評価結果
により先の先進ボーリング調査に基づく地山評価基準を
見直し、このフィードバックシステムによる学習により
常に最新情報により地山評価基準を設定可能にしてい
る。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、リアルタイム計測のＴＢＭ機械データの一部
を掘削エネルギーやグリッパ係数で指標化することによ
り、地山等級の数値による判別が可能となり、これによ
り、地山性状に応じた適切な支保構造と補助工法を選定
でき、確実なＴＢＭ掘進を行うことができる。また、Ｔ
ＢＭの後胴を引き寄せる以前に地山性状を予測できるの
で、地山性状に応じた適切な支保パターンを選定するこ
とができる。さらに、先進ボーリング調査結果からの地
山等級の予測精度は、ＴＢＭ機械データのフィードバッ
クにより地山評価基準が見直し学習され、地山性状を高
精度に且つ最新情報により予測、評価が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用するＴＢＭの模式図である。

【図２】本発明におけるシステム構成と評価項目を説明
するための図である。

【図３】図２の先進ボーリング調査のデータ処理の１例
を示すフロー図である。

【図４】データの図化を説明するための図である。

【図５】先進ボーリングによる地山評価並びに支保構造
の選定及び補助工法の選定を説明するための図である。

【図６】図５の簡易先受け支保システムを説明するため
の図であり、図（Ａ）はＴＢＭの断面図、図（Ｂ）はス
キンプレートのテール部での横断面図である。

【図７】図５の開口ライナーシステムを示す斜視図であ
る。

【図８】ボーリングの削孔深度に応じて、地山区分、支
保構造、補助工法、掘進方式が変化する例を示す図であ
る。

【図９】ＴＢＭ機械データの指標値である掘削エネルギ
ー、フロントグリッパ係数、メイングリッパストローク
の変化を示す図である。

【図１０】本発明のトンネル掘進システムにおける評価
方法を説明するための図である。

【符号の説明】

１…ＴＢＭ（全断面トンネル掘削機）２…カッターヘッド５…メイングリッパ６…先進ボーリング装置７…切羽面８、９…先進ボーリング１３…フロントグリッパ

フロントページの続き (72)発明者木内勉東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者和田利彦東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全断面トンネル掘削機（ＴＢＭ）と、該Ｔ
ＢＭ内に設置された先進ボーリング装置と、先進ボーリ
ング調査から切羽前方の地山性状を評価する第１の評価
手段と、前記ＴＢＭ機械データから切羽の地山性状を評
価する第２の評価手段と、該第２の評価手段の結果を第
１の評価手段の評価基準にフィードバックする手段とを
備えたことを特徴とするトンネル掘進システム。
【請求項２】前記第１の評価手段の評価基準は、先進ボ
ーリングの削孔速度、トルク及び破壊エネルギーにより
設定されることを特徴とする請求項１記載のトンネル掘
進システム。
【請求項３】前記第２の評価手段の評価基準は、ＴＢＭ
機械データの掘削エネルギー及びグリッパ係数により設
定されることを特徴とする請求項１記載のトンネル掘進
システム。