(57)【要約】【課題】ボーリング孔の口元を閉じることなく地山の湧水圧を精度よく推定することのできる地山の湧水圧推定方法を提供する。【解決手段】トンネル工事に先行しておこなわれる調査ボーリングに基づいて、地山の湧水圧を推定する方法であって、先端に掘削ビット２を備えたケーシング１を使用して地山Ｇにボーリング孔Ｂを削孔し、この過程で、ケーシング１の内部に装備された撮像装置４を用いてケーシング１の壁面を介してボーリング孔Ｂの孔壁画像を撮像するとともに、掘削進捗に応じてボーリング孔口元Ｂａの湧水量データを取得しておく第一のステップ、孔壁画像に基づいて孔壁における空隙分布モデルＭを作成する第二のステップ、空隙分布モデルＭを用いて流体解析を実行して透水係数を算定する第三のステップ、湧水量データと透水係数を用いて数値解析を実行し、地山の湧水圧を推定する第四のステップからなる地山の湧水圧推定方法である。【選択図】図１
2018154969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル工事に先行しておこなわれる調査ボーリングに基づいて、地山の湧水圧を推定する方法であって、
先端に掘削ビットを備えたケーシングを使用して地山にボーリング孔を削孔し、この過程で、該ケーシングの内部に装備された撮像装置を用いて該ケーシングの壁面を介してボーリング孔の孔壁画像を撮像するとともに、掘削進捗に応じてボーリング孔口元の湧水量データを取得しておく第一のステップ、
前記孔壁画像に基づいて孔壁における空隙分布モデルを作成する第二のステップ、
前記空隙分布モデルを用いて流体解析を実行して透水係数を算定する第三のステップ、
前記湧水量データと前記透水係数を用いて数値解析を実行し、地山の湧水圧を推定する第四のステップからなる地山の湧水圧推定方法。
【請求項２】
前記第一のステップでは、前記撮像装置が前記ケーシングの所定の位置においてボーリング孔の全内周面の前記孔壁画像を撮像し、
前記第二のステップでは、三次元の前記空隙分布モデルを作成する請求項１に記載の地山の湧水圧推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル工事に先行しておこなわれる調査ボーリングに基づいて、地山の湧水圧を推定する、地山の湧水圧推定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地山の湧水圧を測定もしくは特定するべく、トンネル工事に先行して水平調査ボーリングがおこなわれることがある。この湧水圧を測定する簡易な方法としては、湧水の生じているボーリング孔の口元を閉じ、口元で水圧を測定する方法があるが、この方法では、圧力測定後に口元を開放した際にボーリング孔内の圧力が急激に低下し、ボーリング孔壁が崩壊する危険性がある。そのため、時間をかけて徐々に口元を開放するのが好ましいものの、今度は口元開放に多くの時間を要し、工事工程に影響を与えることが想定される。また、被測定対象の湧水帯の位置からボーリング孔の口元までの間に別の湧水帯が存在する場合、口元での圧力測定値の精度が低下することが容易に想定される。
【０００３】
そこで、ボーリング孔削孔用のケーシングの内部に圧力計を設置し、この圧力計で湧水圧を測定する方法が現在開発されている。しかしながら、ボーリング孔内を湧水が流れている状態におけるボーリング孔先端（切羽）付近の圧力測定値は湧水帯の湧水圧を測定していることにならないと考えられる。たとえばボーリング孔の口元を閉じることで湧水圧の測定は可能であると考えられるものの、その場合には、既述するようにボーリング孔壁の崩壊の危険性の問題を内在する。
【０００４】
一方、浸透率を推定する検層技術として核磁気共鳴検層（NMR検層）があり、この技術を用いることで対象となる地山の空隙率や空隙サイズを測定できるほか、自由流体空隙率と浸透率も算出することができる。しかしながら、地山中に磁性鉱物が大量に含まれる場合（火山岩地域）には測定が困難であり、ボーリング孔削孔用のケーシングに装備されたセンサーが孔壁に密着する必要があるなど、大量の湧水が生じるような水平調査ボーリングでの利用は困難であると考えられる。
【０００５】
以上のことより、トンネル工事に先行しておこなわれる調査ボーリングにおいて、ボーリング孔の口元を閉じることなく地山の湧水圧を推定する技術の確立が当該技術分野において切望されている。
【０００６】
ここで、従来の公開技術として特許文献１，２を挙げることができる。特許文献１に記載の湧水状況の判定方法は、地下水位以下の岩盤中にボーリング孔を削孔し、孔内にバルブを有する排水管とパッカーを挿入し、孔内湧水をパッカーで遮断した後に排水管のバルブを開き、孔内湧水を放出するとともに湧水量と時間の関係を測定し、測定された湧水量の最大値、定常値とそれぞれ所定の閾値との大小関係を基準にして湧水パターンを分類して高透水性の亀裂の存在状況を判定するものである。
【０００７】
一方、特許文献２に開示のトンネルの切羽近傍における湧水圧測定装置によれば、トンネルの切羽近傍における湧水圧測定装置において、ビットを有する自穿孔型ケーシングとしての自穿孔ロックボルトと、自穿孔ロックボルトに連結される分岐ケーシングと、分岐ケーシングに連結される第１のバルブと、分岐ケーシングに連結される第２のバルブと、第２のバルブに連通可能な水圧計とを具備するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３２４５７５号公報
【特許文献２】特開２００６−３２２１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１で記載される湧水状況の判定方法によれば、複雑なシステムを必要とせず、迅速かつ確実に岩盤中の湧水状況を判定することができるとしている。一方、特許文献２で記載されるトンネルの切羽近傍における湧水圧測定装置によれば、トンネルの切羽近傍に局所的に分布する地下水がどの程度の水圧を有しているかを簡易に測定することができるとしている。しかしながら、いずれの判定方法および測定装置を適用した場合でも、上記する課題、すなわち、ボーリング孔の口元を閉じることなく地山の湧水圧を推定することはできない。
【００１０】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、ボーリング孔の口元を閉じることなく地山の湧水圧を精度よく推定することのできる地山の湧水圧推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明による地山の湧水圧推定方法は、トンネル工事に先行しておこなわれる調査ボーリングに基づいて、地山の湧水圧を推定する方法であって、先端に掘削ビットを備えたケーシングを使用して地山にボーリング孔を削孔し、この過程で、該ケーシングの内部に装備された撮像装置を用いて該ケーシングの壁面を介してボーリング孔の孔壁画像を撮像するとともに、掘削進捗に応じてボーリング孔口元の湧水量データを取得しておく第一のステップ、前記孔壁画像に基づいて孔壁における空隙分布モデルを作成する第二のステップ、前記空隙分布モデルを用いて流体解析を実行して透水係数を算定する第三のステップ、前記湧水量データと前記透水係数を用いて数値解析を実行し、地山の湧水圧を推定する第四のステップからなるものである。
【００１２】
本発明の地山の湧水圧推定方法は、調査ボーリングに適用される先端に掘削ビットを備えたケーシング（これらをまとめて削孔ツールスと称することもできる）の内部に撮像装置を装備しておき、この撮像装置を用いてケーシングの壁面を介してボーリング孔の孔壁画像を撮像し、孔壁画像に基づいて孔壁における空隙分布モデルを作成し、空隙分布モデルを用いて流体解析を実行して地山の湧水圧を推定することにより、ボーリング孔の口元を閉じることなく調査ボーリングをおこないながら、地山の湧水圧を精度よく推定することを可能としたものである。
【００１３】
ここで、撮像装置としては、ボアホールカメラのようなCCDカメラなど、多様な装置が適用できる。そして、ケーシングの管壁のうち、撮像装置が装備された箇所はケーシング外側のボーリング孔壁を撮像できるように透明樹脂もしくは高強度ガラスなどから構成されるのがよい。なお、ボーリング孔壁の空隙形状は画像処理で測定することから、湧水に濁りが生じていなければケーシングと孔壁の間の水の流れが測定データ（空隙形状の画像）に与える影響は小さいと考えられる。
【００１４】
第一のステップでは、ボーリング孔の孔壁画像を撮像するのと並行して、掘削進捗に応じてボーリング孔口元の湧水量データを取得しておく。なお、この際、ボーリング孔の口元は常時開放している。
【００１５】
また、第二のステップにおける空隙分布モデルの作成においては、ボーリング孔壁の空隙形状データをもとに統計的手法を用いて空隙分布モデルを作成することができ、この数値解析を行うためのモデル化手法としては、空隙をポアとスロートで分けたポアネットワークモデルを作成する方法などが挙げられる。
【００１６】
第三のステップでは、数値解析によって地山の湧水帯の透水係数を算定する。この数値解析では、第二のステップにてモデル化された空隙構造に対し、たとえばナビエストークス方程式を解く流体解析をおこなうことで透水係数（もしくは浸透率）を計算することができる。
【００１７】
最後に、第四のステップでは、対象となる地山（もしくは湧水層）の規模を仮定し、削孔区間に亘って取得されている湧水量データ（区間湧水量）と計算された透水係数を用いて、たとえばダルシーモデルによる数値解析等を実行することにより、対象地山における湧水圧を特定し、推定することができる。
【００１８】
また、本発明による地山の湧水圧推定方法の好ましい実施の形態において、前記第一のステップでは、前記撮像装置が前記ケーシングの所定の位置においてボーリング孔の全内周面（360度）の前記孔壁画像を撮像し、前記第二のステップでは、三次元の前記空隙分布モデルを作成するものである。
【００１９】
たとえば、ケーシングの任意箇所の一定幅領域において、その全周を透明ガラスで構成し、ケーシングの内部では所定間隔に複数の撮像装置を取り付けておき、全ての撮像装置で孔壁画像を撮像することで、ボーリング孔の全内周面の孔壁画像を撮像することができる。また、他の構成としては、ケーシング（の透明ガラスの内側）内に該ケーシングの周方向に延びる環状レールを配設しておき、一基の撮像装置がこの環状レールを走行しながらボーリング孔の全内周面の孔壁画像を撮像してもよい。
【００２０】
ボーリング孔全周の孔壁画像に基づいて作成された三次元の空隙分布モデルを用いて流体解析を実行することにより、地山の湧水圧をより一層精度よく推定することが可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の地山の湧水圧推定方法によれば、調査ボーリングに適用されるケーシングの内部に撮像装置を装備しておき、この撮像装置を用いてケーシングの壁面を介してボーリング孔の孔壁画像を撮像し、孔壁画像に基づいて孔壁における空隙分布モデルを作成し、空隙分布モデルを用いて流体解析を実行して地山の湧水圧を推定することにより、ボーリング孔の口元を閉じることなく調査ボーリングをおこないながら、地山の湧水圧を精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の湧水圧推定方法の第一のステップを説明した模式図である。
【図２】第一のステップにて撮像された孔壁画像から再構築された三次元空隙分布画像を示した図である。
【図３】空隙分布モデルの一実施の形態を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の地山の湧水圧推定方法の実施の形態を説明する。
【００２４】
（地山の湧水圧推定方法の実施の形態）
図１は本発明の湧水圧推定方法の第一のステップを説明した模式図である。本発明の地山の湧水圧推定方法は、トンネル工事に先行しておこなわれる水平調査ボーリングに基づいて、地山の湧水圧を推定する方法である。この推定方法においては、まず、先端に掘削ビット２を備えたケーシング１を使用して地山Ｇにボーリング孔Ｂを削孔する（Ｘ方向）。
【００２５】
ここで、掘削ビット２はケーシング１内に内蔵された水力駆動のダウンホールモータ３にて回転駆動される。なお、掘削ビット２の回転駆動形態は図示例以外にも、油圧駆動のロータリーパーカッションなどが適用されてもよい。
【００２６】
ボーリング孔口元Ｂａ付近には拡径ケーシング６が取り付けられ、それよりも小径のケーシング１との端部隙間をパッカー７で閉塞しておく。
【００２７】
水平調査ボーリングにおいては、ケーシング１の坑口側から送水をおこない（Ｙ１方向）、ケーシング１内の逆止弁１ｂを介して切羽側に送水がおこなわれ、孔壁の崩壊を防止しながら掘削がおこなわれる。
【００２８】
掘削に伴い、地山Ｇからの湧水がボーリング孔Ｂに流れ込み（Ｙ２方向）、流れ込んだ湧水はボーリング孔Ｂとケーシング１の間の隙間を流れ（Ｙ３方向）、ボーリング孔口元Ｂａにある通水管８を介して口元湧水量計５を通過し（Ｙ４方向）、ボーリング孔口元Ｂａにおける湧水量データとして取得される。なお、湧水量の他の測定方法として、たとえばボアホールカメラ等で気泡がボーリング孔内を流れる状態を捉え、ここから流水の速度を計算して湧水量を特定する等の方法もある。
【００２９】
ここで、ケーシング１の途中位置には所定幅でケーシング１の全周に亘る透明ガラス１ａが配設されており、この透明ガラス１ａの内側にはCCDカメラ等の撮像装置４が複数設けられ、ケーシング１周りのボーリング孔Ｂの全周（360度）の孔壁画像を撮像できるようになっている。なお、大量湧水の生じる箇所では亀裂開口幅がある程度大きいことが考えられるが、撮像装置４としてCCDカメラを利用することにより、十分に亀裂を認識することができる。さらに、撮像装置４がケーシング１の内部に装備される構成とすることで、削孔ツールスとは別に測定器を挿入するなどの大掛かりな段取り変えが不要となることから、工程に影響を与える可能性は極めて低い。
【００３０】
図示する構成のケーシング１を使用して地山Ｇにボーリング孔Ｂを削孔し、この過程で、ケーシング１の内部に装備された撮像装置４を用いて透明ガラス１ａを介してボーリング孔Ｂの孔壁画像を撮像する。さらに、この孔壁画像の撮像に並行して、掘削進捗に応じて各掘削区間Ｓ１，Ｓ２、・・・ごとにボーリング孔口元Ｂａの湧水量データを口元湧水量計５にて取得しておく（以上、第一のステップ）。
【００３１】
次に、ボーリング孔Ｂの空隙形状データをもとに、統計的手法を用いて図２で示すような三次元空隙分布画像を作成する。
【００３２】
そして、図２で示す三次元空隙分布画像を使用して数値解析のための空隙分布モデルの作成をおこなう。具体的には、図３で示すように、空隙をポアＰとスロートＴで分け、これらが相互に結合されてなる空隙分布モデルＭ（ポアネットワークモデル）を作成する(Biswal, B., C. Manwart, R. Hilfer, S. Bakke, and P. E. Oren, Quantitative analysis of experimental and synthetic microstructures for sedimentary rock, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 273, 452-475, 1999.)。
【００３３】
なお、空隙分布モデル作成の他の形態として、人工的に発生させた空隙をそのままモデル化する方法であってもよい（以上、第二のステップ）。
【００３４】
次に、第二のステップにて作成された空隙分布モデルＭを用いて流体解析を実行し、透水係数（もしくは浸透率）を算定する。
【００３５】
この流体解析としては、たとえばナビエストークス方程式を解く流体解析が挙げられる。なお、このナビエストークス方程式を解く流体解析をおこなって透水係数を計算する事例として、近年の石油工学の分野などにおいてX線CTによって岩石内部の空隙構造を抽出してモデル化し、ナビエストークス方程式を解く流体解析をおこなって透水係数を計算する事例が挙げられる。たとえば、ベレア砂岩をX線CTで撮影し、約1.4mm角の範囲の空隙をモデル化して計算した結果、モデル範囲の空隙率は0.20、浸透率は2.6×10−12m2（透水係数で約2.6×10−3cm/s）と計算される。
【００３６】
本発明の湧水圧推定方法では、たとえば図３で示す空隙分布モデルＭに対して同様の計算をおこなうことで透水係数を計算する。なお、亀裂の水理的開口幅と幾何学的開口幅は異なることが指摘されていることから（山本肇、他：原位置透水試験データに基づく亀裂半径分布の評価法 等価不均質連続体モデルによる透水係数分布の再現、地盤工学研究発表会発表講演集、34、2-2、pp1311-1312、1999）、同一岩石による事前のキャリブレーションをおこなうことにより、計算で得られる透水係数の補正をおこなうのが好ましい（以上、第三のステップ）。
【００３７】
最後に、対象となる地山（もしくは湧水層）の規模を仮定し、第一のステップにて削孔区間に亘って取得されている湧水量データと、第三のステップで計算された透水係数を用いて数値解析を実行することにより、対象地山における湧水圧が特定され、これを対象地山の湧水圧として推定する。ここで、湧水量データと透水係数を用いた数値解析としては、たとえばダルシーモデルによる数値解析等を挙げることができる。
【００３８】
本発明の地山の湧水圧推定方法によれば、ボーリング孔口元Ｂａを閉じることなく湧水帯の湧水圧データを取得できることから、ボーリング孔内に入り込む湧水をボーリング孔口元Ｂａで止めた場合に懸念されるボーリング孔壁の崩壊の危険性は生じ得ない。
【００３９】
また、CCDカメラ等の撮像装置４をケーシング１に組み込んだ構成の削孔ツールスを使用することで、湧水量を測定する際に削孔ツールスを入れ替えるなどの大掛かりな段取り変えは不要となる。
【００４０】
また、撮像装置４の解像度にもよるが、対象となる地山の岩種によらず、汎用性が高く、精度の高い湧水圧推定方法となる。
【００４１】
さらに、地山Ｇの湧水圧を精度よく推定できることで、トンネル掘削時の適切な湧水対策が可能になる。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４３】
１…ケーシング、１ａ…透明ガラス、１ｂ…逆止弁、２…掘削ビット、３…ダウンホールモータ、４…撮像装置、５…口元湧水量計、６…拡径ケーシング、７…パッカー、８…通水管、Ｇ…地山、Ｂ…ボーリング孔、Ｂａ…ボーリング孔口元、Ｓ１，Ｓ２…対象区間、Ｍ…空隙分布モデル、Ｐ…ポア、Ｔ…スロート
【図１】
2018154969.tif 000003
【図２】
2018154969.tif 000004
【図３】
2018154969.tif 000005