(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山の脆性度を評価すべく用いる脆性試験方法であって、対象となる地盤から採取して得られた粒径略１０〜２０ｍｍ程度の粗粒状試料をモールドに詰め、このモールド内の粗粒状試料に所定重量の重錘を所定の高さから所定回数落下させた後、この粗粒状試料を所定の編目寸法のふるいにかけて、破砕した粗粒状試料の通過重量百分率から脆性値を求めることを特徴とする地山の脆性試験方法。
【請求項２】
ＪＩＳ規格９．５ｍｍ及び１９．０ｍｍの網目寸法のふるいを用いてふるい分けした粒径約１０〜２０ｍｍの粗粒状試料０．５ｋｇをモールドに詰め、重量１４ｋｇの重錘を２５ｃｍの高さより２０回垂直落下させ、しかる後に、破砕した粗粒状試料を網目寸法９．５ｍｍのふるいにかけ、これの通過重量百分率から脆性値を求めることを特徴とする請求項１に記載の地山の脆性試験方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地山の脆性試験方法に関し、特に掘削機械の掘削対象となる地山の脆性度を評価すべく用いる地山の脆性試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地山の脆性度は、当該地山の脆さを示すもので、特に軟岩から硬岩に至る岩質地盤に対しては、その程度によって、地盤の安定性や各種の掘削機械による掘削効率に大きな影響を与えるものであるため、これを適切に評価することが望ましい。
【０００３】
一方、トンネルボーリングマシーン（以下「ＴＢＭ」とする。）で代表されるトンネル掘進機は、在来の掘削工法と異なり、爆薬を使用することなく、回転カッタによりトンネルの全断面を切削あるいは破砕しながら掘進して行く機械であり、特に、軟岩から硬岩に至る切羽の自立する安定した地盤に対して有効なトンネルの掘削機械である。また、このトンネル掘進機による掘削工法は、破砕帯や軟弱層のように自立性に乏しい地層を含む、わが国独特の複雑な地質条件への対応性から、わが国においては海外に比べてその採用例が少なかったが、シールド機構の適用などの改善により、地質対応性が図られてその高速施工性をアピールすることができるようになってきており、導水路トンネルなどに数多くの施工実績を残すに至っている。
【０００４】
そして、かかるＴＢＭ等のトンネル掘進機によれば、例えば、回転するカッターヘッドに装着したローラカッターを地山に押しつけて圧砕してゆくことでトンネルの掘削作業が行われるが、かかる掘削作業中、切羽面の状況を直接観察することができないことから、従来の地山評価手法をそのまま適用することができない。また、トンネル掘進機によるトンネル掘削の施工管理手法として、従来より一般に用いられてきた、岩石強度や弾性波速度を測定して地山の物性を評価する方法では、掘進作業の施工性の予測を十分に行なうことができないというのが現状である。
【０００５】
一方、トンネル掘進機による掘削能率は、地盤の硬さや脆性度等の地山の性状に大きく左右されるものであるため、合理的かつ効率良く掘進作業を進めてゆくには、切羽の前方の地山の性状をカッターヘッドによる切削効率との関係で把握するとともに、掘進速度を的確に予測できるような掘削能率を示す指標を確立することが重要な事項となってきている。
【０００６】
そして、このような掘削能率を示す指標を用いた掘進作業の管理手法として、海外においては、ドリリング指標（ＤＲＩ：Drilling Rate Index ）あるいはビット摩耗指標（ＢＷＩ：Bit Wear Index）を用いたものが提案されており、その適用性が既に検証されている。ここで、ドリリング指標とは、脆性試験により得られた脆性値と、ミニチュアドリル試験により得られたシーバーのＪ値に基づいて、ＤＲＩ算定ダイアグラムから算定されるＤＲＩの値であり、また、ビット摩耗指標は、このＤＲＩと摩耗試験により得られた摩耗値に基づいて、ＢＷＩ算定ダイアグラムから算定されるＢＷＩの値である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ドリリング指標やビット摩耗指標に基づくトンネル掘進機の掘進管理方法は、わが国においては馴染みが少ないことに加えて、これらの値を求めるべくＤＲＩ算定ダイアグラムに適用するための脆性試験値を得るのに最適な試験方法が、未だ確立されていないのが現状である。
【０００８】
また、地山の脆さを適正に評価できる脆性値を得て、地盤の安定性や各種の掘削機械による掘削作業の効率を的確に図ることのできる脆性試験の試験方法の開発が望まれている。
【０００９】
そこで、この発明は、かかる従来の課題に着目してなされたもので、地山の脆性度を適正に評価することのできる脆性値を得て、地盤の安定性を容易に評価し、あるいは各種の掘削機械による掘削作業の効率化を容易に図ることのできる地山の脆性試験方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
また、この発明は、特にトンネル掘進機による掘進作業において、ＤＲＩ算定ダイアグラムに適用すべき脆性値の値を的確に把握して、ＤＲＩ算定ダイアグラムやＢＷＩ算定ダイアグラムを介して、トンネル掘進機の掘進効率と密接な相関性のあるＤＲＩあるいはＢＷＩを容易に算定することのできる地山の脆性試験方法を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記目的を達成するためになされたもので、その要旨は、地山の脆性度を評価すべく用いる脆性試験方法であって、対象となる地盤から採取して得られた粒径略１０〜２０ｍｍ程度の粗粒状試料をモールドに詰め、このモールド内の粗粒状試料に所定重量の重錘を所定の高さから所定回数落下させた後、この粗粒状試料を所定の編目寸法のふるいにかけて、破砕した粗粒状試料の通過重量百分率から脆性値を求めることを特徴とする地山の脆性試験方法にある。
【００１２】
ここで、上記記載において、脆性試験の試料とするための粗粒状試料は、例えば各種のボーリング等によって調査対象となる位置の地盤から採取された土砂や岩石を必要に応じて破砕することにより容易に得ることができる。
【００１３】
また、上記脆性試験において、重錘の重量やこれの落下高さ、落下回数あるいはふるいの編目寸法等は適宜設計することができるが、上記脆性試験は、ＪＩＳ規格９．５ｍｍ及び１９．０ｍｍの網目寸法のふるいを用いてふるい分けした粒径約１０〜２０ｍｍの粗粒状試料０．５ｋｇをモールドに詰め、このモールドに重量１４ｋｇの重錘を２５ｃｍの高さより２０回垂直落下させ、しかる後に、破砕した粗粒状試料を網目寸法９．５ｍｍのふるいにかけ、これの通過重量百分率により脆性値を求めるようにすることが好ましい。
【００１４】
そして、この発明の地山の脆性試験方法によれば、地山の脆性度を評価するのに適した脆性値を得て、地盤の安定性を把握し、あるいは各種の掘削機械による掘削作業の効率化を図ることができるとともに、特に、トンネル掘進機による掘進作業においては、ＤＲＩ算定ダイアグラムに適用するのに適した脆性値の値を得て、この値からトンネル掘進機の掘進効率と密接な相関性のあるＤＲＩを算定し、さらにＢＷＩ算定ダイアグラムを介してＢＷＩを算定することにより、トンネル掘進機による効率の良い掘進作業が可能となるように管理してゆくことができるとともに、カッタービットの交換時期や耐久時間を的確に把握することができる。
【００１５】
すなわち、後述する実地試験により、トンネル掘進機による岩石地盤中の任意の掘削位置における地盤の性状と、当該掘削位置から採取した岩石試料に対するこの発明の地山の脆性試験方法により得られた脆性値との間には、一定の相関関係があることが判明したこと、及びトンネル掘進機による岩石地盤中の任意の掘削位置における純掘進速度と、当該掘削位置から採取した岩石試料に対して得られた脆性値によるＤＲＩ及びＢＷＩとの間には、密接な相関関係があることが判明したことから、脆性度に起因する地盤の安定性を容易に評価することができるとともに、掘削機械による掘削作業を行なう前に、例えば調査ボーリング等により各調査位置から採取した土砂あるいは岩石試料に対して、この発明の地山の脆性試験方法により脆性値を求め、また、特に掘削機械がトンネル掘進機である場合にはこの脆性値からＤＲＩ及びＢＷＩを算定し、これらの値を採取位置と対応させて例えば図表等にプロットしておけば、当該採取位置を掘削位置とする掘削機械の施工性を容易に予測でき、また、トンネル掘進機による純掘進速度や岩盤の性状を容易に予測することができ、したがって、これらによって掘削作業の施工管理を適切に行うことができることが判明する。
【００１６】
なお、ＤＲＩとは、脆性試験により得られた脆性値と、ミニチュアドリル試験により得られたシーバーのＪ値に基づいて、ＤＲＩ算定ダイアグラムから算定されるＤＲＩの値であり、また、ビット摩耗指標は、このＤＲＩと摩耗試験により得られた摩耗値に基づいて、ＢＷＩ算定ダイアグラムから算定されるＢＷＩの値である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、岩石地盤中のトンネル掘進機による任意の掘削位置における地盤の性状と、当該掘削位置から採取した岩石試料に対して、この発明の地山の脆性試験方法により得られた脆性値との間の相関関係、及び任意の掘削位置におけるトンネル掘進機の純掘進速度と、当該掘削位置から得られた岩石試料に対する、この発明にかかる脆性試験方法により得られた脆性値から算定したＤＲＩあるいはＢＷＩとの間の相関関係等を解明すべく行った、実地試験の概要及びその試験結果について記載する。
【００１８】
なお、この実地試験は、一例として、トンネル掘進機による掘進作業の管理を行う際に、この発明の地山の脆性試験方法を採用することが有効なことを確認すべく行ったものであるが、この発明の脆性試験方法は、かかるトンネル掘進機の施工管理に限定されることなく、その他の掘削機械による掘削作業を管理するためや地山の安定性を評価するために用いることもできる。
【００１９】
＜試験概要＞
１．試験試料
使用した岩石試料は、秋田自動車道の湯田第２トンネルにおけるＴＢＭ工事において、ＴＢＭ施工箇所のうち、硬岩地域である約４００ｍ区間より、１０〜２０ｍ毎に２２箇所で採取した。なお、脆性試験及び摩耗試験用の試料は、ＴＢＭのクラッシャー通過後、ベルトコンベアで輸送される粒状岩石を用い、ミニチュアドリル試験用の試料は、ＴＢＭのチャンバー内の岩塊を採取して使用した。
【００２０】
２．脆性試験
以下の手法に従って脆性試験を行うとともに、その概要を図１に示す。
ａ）採取してきた粒状の岩石試料１０から、ＪＩＳ規格９．５ｍｍ及び１９．０ｍｍのふるいを用いて、粒径約１０〜２０ｍｍの粗粒状のズリをふるい分けする。
ｂ）ふるい分けした粗粒状の岩石試料０．５ｋｇを内径１０ｃｍの円筒状のモールド１１に詰める。
ｃ）モールド１１に詰めた岩石試料１０の上に当て台１２を設置する。
ｄ）当て台１２に向かって、１４ｋｇの錘１３を支棒１４を通じて高さ２５ｃｍの位置から２０回垂直落下させ試料１０を破砕させる。
ｅ）破砕させた岩石試料１０を、再び網目寸法９．５ｍｍのふるいにかけ、ふるいを通過した重量を計測する。
ｆ）通過した岩石試料１０の通過重量百分率を計算し、得られた値を脆性値として岩石試料の脆性度を評価する。
ｇ）なお、この試験では、モールド１１は、図２に示すような構造のものを使用した。
【００２１】
３．ミニチュアドリル試験
以下の手法に従ってミニチュアドリル試験を行うとともに、その概要を図３に示す。
ａ）採取してきた拳大ほどの岩塊試料２０を、モールド２１に入れ、砂利、砕石などを使用して固定する。
ｂ）岩塊試料２０の入ったモールド２１を、ロードセル２２が設置されているモールド受け２３の内部に設置する。
ｃ）固定した岩塊試料２０に、ドリルビット２４（ドリル材料：タングステンカーバイド）を、２０ｋｇｆの押圧力で上から押し当てながら回転させつつ貫入させる。
ｄ）５秒毎にドリル２５の貫入量を１／１０ｍｍ単位で変位計２７により計測し、データロガー２６に出力するする。計測は基本的に２００回転分とする。
ｅ）計測した貫入量をシーバーのＪ値とし、岩石試料におけるドリルの貫入度を評価する。
ｆ）なお、ドリルビット２４が２００回転する前にビット２５の全長が貫入してしまう場合には、試験結果より単位秒当たりの貫入量を割り出し、試験時間とドリルの回転数との関係から２００回転相当の貫入量を算定する。
ｇ）また、この試験に使用したドリルビット２４は、図４に示すように、径１３ｍｍ、長さ５０ｍｍ程度のドリルビット２４の本体２８に、取付治具２９を介して、同図に示すような形状のドリル２５を、取付治具２９から２０ｍｍ突出した状態で取り付けたものである。
ｈ）なお、この試験では、モールド２１として、図５に示すような構造のものを使用し、モールド受け２３として、図６に示すような構造のものを使用した。
【００２２】
４．摩耗試験
以下の手法に従って摩耗試験を行うとともに、その概要を図７に示す。
【００２３】
ａ）採取してきた粒状の岩石試料を、さらに粒径１ｍｍ程度の微粒状にすりつぶす。
ｂ）微粒状となった岩石試料０．５ｋｇのうち、約半分を研摩剤３０として試験装置３１の円盤３２上に敷き、残りの試料３０をフィーダー（補給器）３３の中に詰める。なお、研摩剤としての微粒状岩石試料３０は、円盤３２上に、幅約３ｃｍ程度、中心の半径１５ｃｍ程度の円形の帯状に敷設する。
ｃ）試験前のビット３４（材質：鋼材Ｃスケール６０）の重量を計測する。
ｄ）ビット３４を、円盤３２上に帯状に敷設した試料３０の上に接触するように設置し、上から１０ｋｇの錘３５で押さえつける。
ｅ）円盤３２を基本的に１００回転させる。この回転中、円盤３２上には、フィーダー３３から微粒状岩石試料３０を研摩剤として、常に円盤面とビットの間に資料３０が入り込んでいるように補給し続ける。
ｆ）所定回数円盤３２を回転させた後、ビット３４を取り外してその重量を再び計測する。
ｇ）回転前と比較した回転後のビットの損失重量（ｍｇ）を摩耗値として、岩石試料の摩耗度を評価する。
ｈ）なお、この試験では、ビット３４は、図８に示すように、高さ及び幅が３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ程度の平板状の部材の下端部を半円状に湾曲させて形成したものを使用する。
【００２４】
５．ＤＲＩの算定
ＤＲＩは、図９に示すＤＲＩ算定ダイアグラムから算定する。このダイアグラムは、脆性試験で得られた脆性値を横軸の値に取り、ミニチュアドリル試験により得られたシーバーのＪ値をパラメータとして、縦軸に設定したＤＲＩを読み取るものである。なお、ＤＲＩは、その算定方法から大きい値ほど軟質の地盤であることを示し、小さい値ほど硬質の地盤であることを示している。
【００２５】
６．ＢＷＩの算定
ＢＷＩは、図１０に示すＢＷＩ算定ダイアグラムから算定する。このダイアグラムは、摩耗試験で得られた摩耗値を横軸の値とし、上記ＤＲＩをパラメータとして、縦軸に設定したＢＷＩを読み取るものである。なお、ＢＷＩは、その算定法方から大きい値ほど硬質の地盤であることを示し、小さい値ほど軟質の地盤であることを示している。
【００２６】
＜試験結果＞
１．脆性値、シーバーのＪ値、及び摩耗値の関係
ＴＢＭ掘削位置に対して、脆性値とシーバーのＪ値をプロットした結果を図１１に示す。この図より、両者の値は、ＴＢＭ掘削位置に対してほぼ同じ変化を示し、累積距離１００ｍから２００ｍ付近までの区間は、脆性値とシーバーのＪ値は大きい値を示していることが判明する。これらの二つの指標の性質から、この区間では、前後の区間と比べて軟質な岩石が存在していると判断することができる。２５０ｍ付近においては逆のことが言える。
一方、摩耗値をプロットした結果を図１２に示す。これによると、摩耗値は、ＴＢＭ掘削位置に対して上記２試験の結果とは逆に推移していることが判明する。摩耗値が他の値とは逆の性質を持っていることを考慮に入れると、図１１と同様の傾向が得られていることになる。
【００２７】
２．ＤＲＩと純掘進速度との関係
各試料採取地点における脆性値とシーバーのＪ値を算定ダイアグラムに適用して算出したＤＲＩを、ＴＢＭ掘削位置に対してプロットした結果を図１３に示す。横軸にＴＢＭ掘進延長距離を、左縦軸にＤＲＩを示している。また、同図に、単位スラスト当たりのＴＢＭ掘進速度をプロットする。なお、かかるＴＢＭ掘進速度は、一定スラスト推力１tf当たりのＴＢＭ純掘進速度であり、このようにスラスト推力を一定にしたのは、マシンによる影響を排除し、自然要因のみによる掘進速度と対比するためである。そして、これらの値を重ね合わせた結果から、ＤＲＩとＴＢＭ純掘進速度との間には密接な相関性があることが判明する。
【００２８】
３．ＢＷＩと純掘進速度との関係
各試料採取地点における摩耗値とＤＲＩを算定ダイアグラムに適用してＢＷＩを算出し、かかるＢＷＩを掘削位置に対してプロットした結果を図１４に示す。横軸にＴＢＭ掘進延長距離を、左縦軸にＢＷＩを示している。また、同図に、図１３と同様に、単位スラスト当たりのＴＢＭ掘進速度を右縦軸に設定してプロットする。これらの値を重ね合わせた結果から、ＢＷＩが掘進速度と相反する推移を示していることが確認される。そして、ＢＷＩの性質を考慮すると、岩種や岩石の硬軟の具合による純掘進速度の変化に、ＢＷＩが十分に対応していることが判明する。
【００２９】
４．ＢＷＩとカッタービットの摩耗量との関係
転動距離（カッターフェイスの回転により、カッタービットが岩盤を切削する円周距離）１ｋｍ当たりの各カッタービットの摩耗量を平均した値と、ＢＷＩとを対比させたものを図１５に示す。このグラフより、平均カッター摩耗量の多い区間でＢＷＩは上昇傾向にあり、少ない区間では下降傾向にあることが確認できる。つまり、ＢＷＩとカッタービットの摩耗性との間には、十分な相関性があることが判明する。なお、火山礫凝灰岩の分布している範囲で、平均摩耗量が最も多く出ているのは、その岩石における鉱物組成による影響と考えられる。例えば、石英のような硬質の鉱物は、玄武岩中に少なく、火山礫凝灰岩中に多く存在している。
【００３０】
５．結論
以上より、この発明の地山の脆性試験方法により得られた脆性値によって、トンネル掘進機による切羽面の切削効率、すなわち各種の掘削機械による掘削作業の効率と関連する地山の性状をある程度予測できることが判明し、またかかる脆性値を適用して算定したＤＲＩあるいはＢＷＩを用いることにより、岩質地盤の性状の変化に応じたＴＢＭ純掘進速度の変化を的確に把握できること、及びカッタービットの交換時期等を容易に予測できることが判明する。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、この発明の地山の脆性試験方法によれば、地山の脆性度を適正に評価することのできる脆性値を得て、地盤の安定性を容易に評価し、あるいは各種の掘削機械による掘削作業の効率化を容易に図ることができる。
【００３２】
また、特に、トンネル掘進機による掘進作業においては、ＤＲＩ算定ダイアグラムに適用すべき脆性値の値を的確に把握して、ＤＲＩ算定ダイアグラムやＢＷＩ算定ダイアグラムを介して、トンネル掘進機の掘進効率と密接な相関性のあるＤＲＩあるいはＢＷＩを容易に算定し、これによって、地盤の性状の変化に応じたＴＢＭ純掘進速度の変化やカッタービットの交換時期等を的確に管理把握しつつ、掘進作業の効率化を容易に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】脆性試験の好ましい一例の概要を示す説明図である。
【図２】図１の脆性試験に用いたモールドの形状を示す説明図で、（ａ）は上面図、  （ｂ）は正面図である。
【図３】ミニチュアドリル試験の好ましい一例の概要を示す説明図である。
【図４】図３のミニチュアドリル試験に用いたドリルビットの形状を示す説明図で、  （ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図５】図３のミニチュアドリル試験に用いたモールドの形状を示す説明図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図６】図３のミニチュアドリル試験に用いたモールド受けの形状を示す説明図で、  （ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図７】摩耗試験の好ましい一例の概要を示す説明図である。
【図８】図７の摩耗試験に用いたビットの形状を示す説明図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図９】ＤＲＩ算定ダイアグラムの一例を示すチャートである。
【図１０】ＢＷＩ算定ダイアグラムの一例を示すチャートである。
【図１１】各掘削位置における脆性値とシーバーのＪ値をプロットしたチャートである。
【図１２】各掘削位置における摩耗値をプロットしたチャートである。
【図１３】各掘削位置におけるＤＲＩとＴＢＭ純掘進速度との相関性を示すチャートである。
【図１４】各掘削位置におけるＢＷＩとＴＢＭ純掘進速度との相関性を示すチャートである。
【図１５】各掘削位置におけるＢＷＩと平均カッター摩耗量との相関性を示すチャートである。
【符号の説明】
１０  粗粒状岩石試料            １１  モールド
１２  当て台                    １３  錘
１４  支棒                      ２０  岩塊試料
２１  モールド                  ２２  ロードセル
２３  モールド受け              ２４  ドリルビット
２５  ビット                    ２６  データロガー
２７  変位計                    ２８  本体
２９  取付治具                  ３０  微粒状岩石試料（研摩剤）
３１  試験装置                  ３２  円盤
３３  フィーダー                ３４  ビット
３５  錘
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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