(57)【要約】【課題】通常の施工管理の中で地山状況を継続的にモニタリングし、異変が生じる可能性を事前に把握することで、詳細調査実施の可否の判断を合理的に進めるとともに、確認調査のための準備を予め行うことができ、地山探査結果を得るまでの時間を短縮することを可能にするトンネル地山探査システムを提供する。【解決手段】坑壁から地山に打設される複数のロックボルトの打設孔の削孔状況をモニタリングするとともに、打設した複数のロックボルトを受振用探査子及び発振用探査子として利用した屈折法弾性波探査法によって坑壁奥の地山状況を把握する第１探査工程と、打設した複数のロックボルトを受振用探査子として、切羽を掘削する掘削機を発振源として利用した反射法弾性波探査法によって切羽前方の地山状況を把握する第２探査工程とを備えている。【選択図】図１
2015090032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
坑壁から地山に打設される複数のロックボルトの打設孔の削孔状況をモニタリングするとともに、打設した複数のロックボルトを受振用探査子及び発振用探査子として利用した屈折法弾性波探査法によって坑壁奥の地山状況を把握する第１探査工程と、
打設した複数のロックボルトを受振用探査子として、切羽を掘削する掘削機を発振源として利用した反射法弾性波探査法によって切羽前方の地山状況を把握する第２探査工程とを備えていることを特徴とするトンネル地山探査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル地山探査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル工事を安全に進め、必要な補強等の対策工事を的確且つ迅速に行うためには、トンネル周辺地山の状況を精度よく確認・把握することが特に重要である。そして、従来から、トンネル周辺地山の状況を確認・把握する手法として、探り削孔や先進ボーリングなどの直接的に地山状況を確認・把握する手法や、各種の物理探査による間接的な地山状況を確認・把握する手法などが用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２０９２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２８７９号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３０６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の探り削孔を除くトンネル周辺地山の状況を確認・把握する手法においては、トンネル施工を一時的に中断して実施せざるを得ないため、トンネルの掘削を進めることによって断層が出現したり、掘削後のトンネル変形が収束しないような場合など、何らかの不良な地山状況が現れた後に、その原因究明のために実施されることが多い。
【０００５】
このため、上記従来の手法は、その準備を施工に対して何らかの支障が生じてから開始することになり、結果を得るために時間を要する。なお、不良な地山状況がないにもかかわらず、従来の手法の準備を予めしておくことはコスト的にも合理的と言えない。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、通常の施工管理の中で地山状況を継続的にモニタリングし、異変が生じる可能性を事前に把握することで、詳細調査実施の可否の判断を合理的に進めるとともに、確認調査のための準備を予め行うことができ、地山探査結果を得るまでの時間を短縮することを可能にするトンネル地山探査システム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】
【０００７】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【０００８】
本発明のトンネル地山探査システムは、坑壁から地山に打設される複数のロックボルトの打設孔の削孔状況をモニタリングするとともに、打設した複数のロックボルトを受振用探査子及び発振用探査子として利用した屈折法弾性波探査法によって坑壁奥の地山状況を把握する第１探査工程と、打設した複数のロックボルトを受振用探査子として、切羽を掘削する掘削機を発振源として利用した反射法弾性波探査法によって切羽前方の地山状況を把握する第２探査工程とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のトンネル地山探査システムにおいては、従来、個別に行われていた坑壁奥のゆるみ域探査と切羽前方探査を一連の作業で行うことができ、施工の進捗に合わせて連続的に実施することにより、トンネル周辺の地山の状況を継続的にモニタリングすることが可能になる。
【００１０】
これにより、ゆるみ域の厚い箇所や切羽前方の地山不良個所を察知し、先進ボーリングなどのより直接的な詳細調査を実施するか否かの合理的判断に資することができる。また、場合によっては対策工事の手配を事前に介することも可能であり、工事工程を短縮することが可能になる。
【００１１】
よって、本発明のトンネル地山探査システムによれば、通常の施工管理の中で地山状況を継続的にモニタリングし、異変が生じる可能性を事前に把握することで、詳細調査実施の可否の判断を合理的に進めるとともに、確認調査のための準備を予め行うことができ、地山探査結果を得るまでの時間を短縮することが可能になる。
【００１２】
また、通常の施工管理の中でも継続的に実施できるように組み合わせた一連のシステムであるため、施工を中断することなく地山状況を把握し、その変化の兆候をとらえることによって詳細調査の必要性、実施地点の判断に合理的な根拠を与えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るトンネル地山探査システムを示すフロー図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るトンネル地山探査システムにおけるロックボルトの打設孔の削孔状況記録のプロットと坑壁奥の地山状況の評価の一例を示す図である。
【図３】ロックボルト保護カバーをロックボルトの頭部側に設置した状態を示す図である。
【図４】図３のＸ１−Ｘ１線矢視図である。
【図５】ロックボルトを受振用探査子及び発振用探査子として利用し、坑壁奥の地山状況を探査する手順を示す図である。
【図６】弾性波受振用センサー及びセンサー保護カバーをロックボルトの頭部側に設置した状態を示す図である。
【図７】センサー保護カバーを示す斜視図である。
【図８】ロックボルトを受振用探査子、切羽の掘削機を発振源として利用し、切羽前方の地山状況を探査する手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係るトンネル地山探査システムについて説明する。ここで、本実施形態は、通常の施工管理の中でも継続的に実施できるように組み合わせた一連のシステムであり、施工を中断することなく地山状況を把握し、その変化の兆候をとらえることによって詳細調査の必要性、実施地点の判断に合理的な根拠を与えることを可能にするトンネル地山探査システムに関するものである。
【００１５】
まず、本実施形態のトンネル地山探査システムＡは、図１に示すように、トンネルＴを構築するＮＡＴＭ工法による施工サイクルにおいて、トンネル周辺地山Ｇの状況を確認・把握するための手段であり、坑壁Ｔ１奥のゆるみ域の地山状況の変化をモニタリングして確認・把握するための第１探査手段１（第１探査工程）と、切羽Ｔ２前方の地山不良個所の地山状況の変化をモニタリングして確認・把握するための第２探査手段２（第２探査工程）とを備えて構成されている。
【００１６】
そして、本実施形態のトンネル地山探査システムＡでは、これら第１探査手段と第２探査手段による坑壁Ｔ１奥のゆるみ域の探査と切羽Ｔ２前方の地山不良個所の探査を、通常の施工サイクルの中で繰り返し行う。
【００１７】
具体的に、本実施形態のトンネル地山探査システムＡでは、図１に示すように、まず、第１探査手段１（第１探査工程）によって坑壁Ｔ１奥の地山状況を探査する手順（１）として、第１探査手段１の構成要素となる坑壁Ｔ１支保工のロックボルトの打設孔を削孔する際に、その削孔状況をモニタリングする（ロックボルト削孔状況モニタリング工程）。
【００１８】
ここでは、削孔用のドリルジャンボに削孔検層装置を取り付け、この削孔検層装置によって削孔速度、削孔エネルギー（ドリルフィード圧、トルク圧等から算出）などを計測・記録する。本実施形態において、図１、図２に示すように、対象とするロックボルト３は、トンネルＴの左右側壁及び天端に位置するものを基本とするが、必要に応じて他の箇所のロックボルト３を対象に追加したり、数を削減してもよい。なお、比較的高額な削孔検層装置を取り付けることが困難な場合には、最低限、削孔速度が記録できるものであればよい。
【００１９】
次に、第１探査手段１による手順（２）では、図１及び図２に示すように、手順（１）で得られた記録をトンネル縦断方向に並べ、坑壁Ｔ１沿いに測定値の変化点をプロットする（削孔データプロット工程）。一般的に、削孔速度や削孔エネルギーは地山Ｇの強度を反映しているので、これらの変化点の浅深がゆるみ域の深度に応じたものとなる。また、断層などの岩盤劣化部が存在すれば、その箇所では特に大きな変化が現れることになる。
【００２０】
そして、例えば、図２に示すように掘削が５０ｍ程度進行してデータを蓄積したら、昼夜勤の交代時間など掘削作業が停止している間に、第１探査手段１による手順（３）として、進行した区間を対象とした屈折法弾性波探査法を実施する（屈折法弾性波探査工程）。
【００２１】
本実施形態では、この手順（３）において、図６に示すように、第１探査手段１である弾性波受振用センサー４、５をロックボルト３の頭部に取り付け、ロックボルト３自体を受振用探査子（受振用スパイク）として活用する。これは、より坑壁Ｔ１奥を伝わる振動を受振して探査精度の向上を図るとともに、弾性波受振用センサー４、５を取り付ける作業を簡便に行えるようにするためである。また、弾性波受振用センサー４、５の取付けは、磁石などによってもよいし、例えば本出願人による特願２０１３−０５５２１６「受振センサー装着具」を用いてもよい。なお、各弾性波受振用センサー４、５は手順（１）で削孔記録をとったものと同じ並びのロックボルト３に取り付けることが好ましい。
【００２２】
次に、本実施形態において、手順（３）における弾性波の発振は、既往の屈折法弾性波探査法と同様に、弾性波受振用センサー４、５の設置点と同じ位置にて行う。
【００２３】
具体的に、弾性波受振用センサー４、５を一旦取り外し、ロックボルト３の頭部をハンマーや掛矢等で打撃することにより発振を行う。このとき、図３及び図４に示すように、ロックボルト３の頭部には金属製の脱着式のロックボルト保護カバー７を取り付け、ロックボルト保護カバー７の上から打撃を加えることによって、ロックボルト３の破損を防止する。なお、このロックボルト保護カバー７は、ロックボルト３の頭部およびロックボルトナット３ａを内包するように形成され、ボルト６を螺入することによってロックボルトナット３ａに押圧させて締付け、ロックボルト保護カバー７を着脱可能に固定できるように構成されている。
【００２４】
そして、図１及び図５に示すように、このようにして発振作業が終わった段階で、弾性波受振用センサー４、５を取り付け、隣のロックボルト３にて弾性波受振用センサー４、５を取り外しロックボルト保護カバー７を取り付けて次の発振を行い、対象とする全てのロックボルト３で順次発振作業を行ってゆく。すなわち、ロックボルト３を受振用探査子及び発振用探査子として活用して屈折法弾性波探査法を実施してゆく。
【００２５】
弾性波受振用センサー４、５で感知した振動は、弾性波受振用センサー４、５と有線または無線で接続されたデータロガー（計測・記録計）で記録され、さらにデータロガーからパソコンに記録される。そして、図１に示すように、手順（４）で、この記録データを既往の屈折法弾性波探査法と同様に、いわゆる「はぎとり法」と称する手法やトモグラフィー手法などで解析し、トンネル沿い坑壁Ｔ１奥の速度構造を推定する（地山速度構造解析工程）。このとき、手順（２）で得られた削孔速度や削孔エネルギーの変化点分布を快適における先見情報として利用し、解析精度の向上を図る。
【００２６】
対象区間の全てのロックボルト３での発振が完了したら、次の掘削作業に備え、手順（５）として、切羽Ｔ２から２０〜３０ｍ程度工法区間までの弾性波受振用センサー４、５を取り外し、残りの弾性波受振用センサー４、５に発破時の飛石や吹付け時のモルタル飛沫を防ぐため、図６及び図７に示すように、センサー保護カバー８を取り付けておく。このセンサー保護カバー８は、金属製の脱着式のカバーであり、ロックボルト３の頭部及び弾性波受振用センサー４、５を内包するように形成されている。また、本実施形態のセンサー保護カバー８は、例えば４側面のうち１側面など、一部を開口させて形成され、この開口を介して弾性波受振用センサー４、５の状況を目視確認したり、配線を容易に接続できるように形成されている。
【００２７】
一方、図１及び図８に示すように、本実施形態のトンネル地山探査システムＡの第２探査手段２（第２探査工程）によって切羽Ｔ２前方の地山不良個所を探査する。この第２探査手段２による切羽Ｔ１前方の地山不良個所を探査する手順は、切羽Ｔ２・坑壁Ｔ１の整形（こそく）時に用いられるブレーカー９の打撃を振源とする反射法弾性波探査を利用する（反射法弾性波探査工程：例えば、本出願人による特願２０１１−２３１９２０参照）。第２探査手段２による手順（６）として、計測を原則として１日１回程度行うが、弾性波受振用センサー４、５は掘削の進捗ごとに毎回移動はさせず、掘削が２０〜３０ｍ程度進行するまでは同じ位置とする。ただし、図８に示すように、地山状況により振動の減衰が著しい場合などでは、センサー間隔を保持したまま随時前方に移動する。
【００２８】
弾性波受振用センサー４、５で感知した振動は、手順（４）で使用したものと同じデータロガー１０、パソコン１１によって記録し、記録データを既往の反射法弾性波探査に準じた手法により解析する。そして、手順（７）として、解析によって得られた反射の波形に基づき、２０〜３０ｍ程度の掘削進行に伴って移動する状況と切羽位置との対比から、反射波が生じるような地山状況の変化点の位置を推定する。さらに、本実施形態において、この手順（７）の振動解析では、手順（４）によって推定したトンネル坑壁Ｔ１周辺の地山状況を先見情報として活用する。
【００２９】
また、掘削が進行する間に新たに打設されるロックボルト３の削孔時には、手順（１）、手順（２）を行う。切羽Ｔ２が２０〜３０ｍ程度進行した時点で、手順（８）として、勤務交替時などの掘削停止時に取り外した弾性波受振用センサー４、５を切羽直後から再度取り付け、残置した弾性波受振用センサー４、５は前方に移動させ、手順（３）、手順（４）を実施する。以降上記の操作を繰り返し行ってゆく。
【００３０】
したがって、本実施形態のトンネル地山探査システムＡにおいては、従来、個別に行われていた坑壁Ｔ１奥のゆるみ域探査と切羽Ｔ２前方探査を一連の作業で行うことができ、施工の進捗に合わせて連続的に実施することにより、トンネルＴ周辺の地山Ｇの状況を継続的にモニタリングすることが可能になる。
【００３１】
これにより、ゆるみ域の厚い箇所や切羽Ｔ２前方の地山不良個所を察知し、先進ボーリングなどのより直接的な詳細調査を実施するか否かの合理的判断に資することができる。また、場合によっては対策工事の手配を事前に介することも可能であり、工事工程を短縮することが可能になる。
【００３２】
また、使用する機材は、発振、受振ともに特殊なものではなく、市販の比較的安価なものを第１探査手段１、第２探査手段２として共通利用することができる。
【００３３】
よって、本実施形態のトンネル地山探査システムＡによれば、通常の施工管理の中で地山状況を継続的にモニタリングし、異変が生じる可能性を事前に把握することで、詳細調査実施の可否の判断を合理的に進めるとともに、確認調査のための準備を予め行うことができ、地山探査結果を得るまでの時間を短縮することが可能になる。
【００３４】
また、通常の施工管理の中でも継続的に実施できるように組み合わせた一連のシステムであるため、施工を中断することなく地山状況を把握し、その変化の兆候をとらえることによって詳細調査の必要性、実施地点の判断に合理的な根拠を与えることが可能になる。
【００３５】
以上、本発明によるトンネル地山探査システムの一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１      第１探査手段
２      第２探査手段
３      ロックボルト
３ａ    ロックボルトナット
４      弾性波受振用センサー
５      弾性波受振用センサー
６      ボルト
７      ロックボルト保護カバー
８      センサー保護カバー
９      ブレーカー
１０    データロガー
１１    パソコン
Ａ      トンネル地山探査システム
Ｇ      地山
Ｔ      トンネル
Ｔ１    坑壁
Ｔ２    切羽
【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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