(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のスキンプレート、スキンプレートの先端に回転自在に装着されたカッターヘッド、機内後部に配置されるスラストジャッキ、メイングリッパを備える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を備え、該先進ボーリング装置による先進ボーリング調査から得られる削孔速度、打撃回数、削孔断面積を用いて破壊エネルギーを算出し、その破壊エネルギー、トルク、給進力により設定される評価基準による切羽前方の地山性状を評価する第１の評価ステップと、その後の全断面トンネル掘削機による掘進により得られる掘進速度、カッター回転速度、カッタートルク、推進スラスト力、メイングリッパ張り出し時の応力−ひずみ特性から掘削エネルギーとグリッパ係数を算出し、この掘削エネルギとグリッパ係数により設定される評価基準によって切羽の地山性状を評価する第２の評価ステップと、この第２の評価を基に第１の評価基準を見直すフィードバックステップ、からなることを特徴とするトンネル掘進における切羽前方の地山評価方法。
【請求項２】
全断面トンネル掘削機によるトンネル掘進方法において、請求項１記載の地山評価方法を用いた地山評価により支保構造を選定してトンネル掘進することを特徴とする全断面トンネル掘削機によるトンネル掘進方法。
【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  ｍａｓｃｈｉｎｅという）を使用するトンネル掘進における地山評価方法とそれを用いたトンネル掘進方法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ＴＢＭ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、本第１発明のトンネル掘進における切羽前方の地山評価方法は、円筒状のスキンプレート、スキンプレートの先端に回転自在に装着されたカッターヘッド、機内後部に配置されるスラストジャッキ、メイングリッパを備える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を備え、該先進ボーリング装置による先進ボーリング調査から得られる削孔速度、打撃回数、削孔断面積を用いて破壊エネルギーを算出し、その破壊エネルギー、トルク、給進力により設定される評価基準による切羽前方の地山性状を評価する第１の評価ステップと、その後の全断面トンネル掘削機による掘進により得られる掘進速度、カッター回転速度、カッタートルク、推進スラスト力、メイングリッパ張り出し時の応力−ひずみ特性から掘削エネルギーとグリッパ係数を算出し、この掘削エネルギとグリッパ係数により設定される評価基準によって切羽の地山性状を評価する第２の評価ステップと、この第２の評価を基に第１の評価基準を見直すフィードバックステップ、からなることを特徴とする。
また、本第２発明の全断面トンネル掘削機によるトンネル掘進方法は、本第１発明の地山評価方法を用いた地山評価により支保構造を選定してトンネル掘進することを特徴とする。
【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、▲１▼削孔深度、▲２▼削孔速度、▲３▼給進力、▲４▼打撃エネルギー、▲５▼打撃回数、▲６▼トルク、▲７▼回転数、▲８▼送水圧力、▲９▼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、▲１▼掘進速度、▲２▼カッター回転速度、▲３▼カッタートルク、▲４▼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、▲５▼フロントグリッパ係数を計算し評価項目(2)を評価し、▲６▼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、▲１▼削孔深度、▲２▼削孔速度、▲３▼給進力、▲４▼打撃エネルギー、▲５▼打撃回数、▲６▼トルク、▲７▼回転数、▲８▼送水圧力、▲９▼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
▲１▼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。
▲２▼削孔速度と給進力の相関から岩質の様子が推定できる。
▲３▼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。
▲４▼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。▲５▼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
１．破壊エネルギーＥＰ（ｋｇｆ・ｃｍ／ｃｍ2／ｃｍ）
ＥＰ＝打撃エネルギー（ｋｇｆ・ｃｍ）×打撃回数（ｂｐｍ）／削孔速度（ｃｍ／ｍｉｎ）／削孔断面積（ｃｍ2）
２．掘削エネルギーＥｔ（ｋｇｆ・ｃｍ／ｃｍ2／ｃｍ）：単位体積を掘削するに要するエネルギー
Ｅｔ＝Ｅｌ／Ａ
Ｅ1：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＋［２π×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）
３．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＝（σｍ＋２−σｍ−２）／（εｍ＋２−εｍ−２）（但し、ｍは、グリッパを張り出し時のストロークのピッチの中間のピッチ数を意味する。）
εｊ＝δｊ／ｒ
ｊ＝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。
以上
【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Ｓ５〜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Ｓ１３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２１ａ、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ＴＢＭ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、ＴＢＭ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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003721486.tif 000009
【図９】
0003721486.tif 000010
【図１０】
0003721486.tif 000011