(57)【要約】【課題】  ビットの押付力を正しく評価し、様々な地質調査の結果を統一的に理解することを容易にするシステムや方法を提供する。【解決手段】  このシステムは、削岩機１２と、削岩機１２により岩盤に押し付けられた際の押付力を測定する押付力測定装置と、押付力測定装置により測定された押付力と削岩機１２の油圧との関係を求め、その関係に基づき、削孔方向によって削岩機１２に設定された油圧の設定値を補正する補正装置と、削岩機１２が補正後の設定値に基づき岩盤を削孔する際の削岩機１２の油圧を計測する計測装置と、計測された油圧の油圧データを用いて、岩盤の岩盤強度を予測するために必要とされる単位体積当たりの岩盤を削孔するのに要したエネルギーを算出する情報処理装置とを含む。【選択図】  図１
2015124513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
削岩機と、
前記削岩機により岩盤に押し付けられた際の押付力を測定する押付力測定装置と、
前記押付力測定装置により測定された前記押付力と前記削岩機の油圧との関係を求め、前記関係に基づき、削孔方向によって前記削岩機に設定された油圧の設定値を補正する補正装置と、
前記削岩機が補正後の設定値に基づき、前記岩盤を削孔する際の該削岩機の油圧を計測する計測装置と、
計測された前記油圧の油圧データを用いて、前記岩盤の岩盤強度を予測するために必要とされる単位体積当たりの該岩盤を削孔するのに要したエネルギーを算出する情報処理装置とを含む、岩盤性状の予測システム。
【請求項２】
前記押付力測定装置は、先端に削孔部材が取り付けられた棒状部材を備える前記削岩機の該削孔部材に代えて取り付けられるものであり、
前記棒状部材の先端に接続される接続部材と、
前記棒状部材の長手方向へ前記接続部材に対して離間して設けられ、前記削岩機が該長手方向へ送り出されることにより前記岩盤に押し付けられる押付部材と、
前記接続部材と前記押付部材とを、前記接続部材が前記押付部材へ向けて移動可能に連結する連結部材と、
前記接続部材と前記押付部材との間に配設され、前記押付部材が前記岩盤に当接し、前記接続部材が前記押付部材に向けて移動して、前記押付部材が前記岩盤に押し付けられることにより前記接続部材または該押付部材に当接して荷重を受け、受けた前記荷重を、前記削孔部材を前記岩盤に押し付ける前記押付力として測定する測定手段とを含む、請求項１に記載の岩盤性状の予測システム。
【請求項３】
前記押付力測定装置は、前記接続部材と前記押付部材との間に配設され、前記長手方向に伸縮可能な弾性部材をさらに含み、前記弾性部材は、前記削岩機が前記長手方向へ送り出されることにより該長手方向へ収縮する、請求項２に記載の岩盤性状の予測システム。
【請求項４】
前記押付部材は、前記岩盤に押し付けられる面が一定の曲率を有する曲面とされる、請求項２または３に記載の岩盤性状の予測システム。
【請求項５】
前記連結部材は、前記押付部材と連結される先端部と、前記先端部に連続する軸部と、前記軸部に連続し、該軸部より拡張された拡張部とを備え、前記先端部および前記軸部を、前記接続部材に設けられた穴に通し、前記先端部を前記押付部材に連結し、前記拡張部が前記接続部材に係止される、請求項２〜４のいずれか１項に記載の岩盤性状の予測システム。
【請求項６】
岩盤性状を予測する方法であって、
削岩機の先端に、該削岩機により岩盤に押し付けられた際の押付力を測定する押付力測定装置を取り付けるステップと、
前記削岩機により削孔方向を変えて前記押付力測定装置を前記岩盤へ押し付け、該押付力測定装置により該岩盤への前記押付力を測定するステップと、
前記押付力測定装置が測定した前記押付力と前記削岩機の油圧との関係を求め、前記関係に基づき、前記削孔方向によって前記削岩機に設定された油圧の設定値を補正するステップと、
前記削岩機が補正後の前記設定値に基づき前記岩盤を削孔する際の該削岩機の油圧を計測するステップと、
計測された前記油圧の油圧データを用いて、前記岩盤の岩盤強度を予測するために必要とされる単位体積当たりの該岩盤を削孔するのに要したエネルギーを算出するステップとを含む、岩盤性状の予測方法。
【請求項７】
前記押付力測定装置は、先端に削孔部材が取り付けられた棒状部材を備える前記削岩機の該削孔部材に代えて取り付けられるものであり、
前記棒状部材の先端に接続される接続部材と、
前記棒状部材の長手方向へ前記接続部材に対して離間して設けられ、前記削岩機が該長手方向へ送り出されることにより前記岩盤に押し付けられる押付部材と、
前記接続部材と前記押付部材とを、前記接続部材が前記押付部材へ向けて移動可能に連結する連結部材と、
前記接続部材と前記押付部材との間に配設され、前記押付部材が前記岩盤に当接し、前記接続部材が前記押付部材に向けて移動して、前記押付部材が前記岩盤に押し付けられることにより前記接続部材または該押付部材に当接して荷重を受け、受けた前記荷重を、前記削孔部材を前記岩盤に押し付ける前記押付力として測定する測定手段とを含む、請求項６に記載の岩盤性状の予測方法。
【請求項８】
請求項１に記載の岩盤性状の予測システムに用いられ、先端に削孔部材が取り付けられた棒状部材を備える削岩機の該削孔部材に代えて取り付けられる押付力測定装置であって、
前記棒状部材の先端に接続される接続部材と、
前記棒状部材の長手方向へ前記接続部材に対して離間して設けられ、前記削岩機が該長手方向へ送り出されることにより岩盤に押し付けられる押付部材と、
前記接続部材と前記押付部材とを、前記接続部材が前記押付部材へ向けて移動可能に連結する連結部材と、
前記接続部材と前記押付部材との間に配設され、前記押付部材が前記岩盤に当接し、前記接続部材が前記押付部材に向けて移動して、前記押付部材が前記岩盤に押し付けられることにより前記接続部材または該押付部材に当接して荷重を受け、受けた前記荷重を、前記削孔部材を前記岩盤に押し付ける押付力として測定する測定手段とを含む、押付力測定装置。
【請求項９】
前記接続部材と前記押付部材との間に配設され、前記長手方向に伸縮可能な弾性部材をさらに含み、前記弾性部材は、前記削岩機が前記長手方向へ送り出されることにより該長手方向へ収縮する、請求項８に記載の押付力測定装置。
【請求項１０】
前記押付部材は、前記岩盤に押し付けられる面が一定の曲率を有する曲面とされる、請求項８または９に記載の押付力測定装置。
【請求項１１】
前記連結部材は、前記押付部材と連結される先端部と、前記先端部に連続する軸部と、前記軸部に連続し、該軸部より拡張された拡張部とを備え、前記先端部および前記軸部を、前記接続部材に設けられた穴に通し、前記先端部を前記押付部材に連結し、前記拡張部が前記接続部材に係止される、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の押付力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、岩盤性状を予測するための予測システム、その方法およびそれに使用される岩盤に削岩機を押し付けて削孔する際のその押付力を測定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧式の削岩機により削孔（穿孔）を行い、その削孔時の油圧系のデータ等から削孔区間の岩盤性状を予測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、ある一定量の岩盤削孔に削岩機が必要としたエネルギー量を、削岩機の動作状況の測定を行って評価し、そのエネルギー量と地質の良し悪しの指標である岩盤等級や岩盤物性値等との相関性を見出すことにより、地質予測を実現している。
【０００３】
削岩機は、その動作状況から測定されるエネルギーの一部のみが削孔に消費され、残りのエネルギーはエネルギー損失となり、このエネルギー損失は、運転方法や装備に依存して変化することが知られている。このエネルギー損失に関わる要素は、多岐に渡り、体系的にその損失量を把握することは非現実的である。このため、上記の技術では、削岩機の動作におけるエネルギー損失は考慮されていない。
【０００４】
そこで、ある一連の地質調査の間、削岩機の運転方法や装備を任意の値に固定して、エネルギー損失量の変化を抑制し、エネルギー損失量を把握しなくても相対的な地質予測を可能にする技術が提案されている（特許文献２参照）。また、運転方法等を任意の値に固定するのではなく、単位体積当たりの削孔エネルギー（掘削体積比エネルギー）から無次元化掘削体積比エネルギーを算出し、それと岩盤強度との関係から、削岩機で発生するエネルギー損失量を評価し、実際に削孔に消費されるエネルギー量に依存した岩盤強度を求める技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
これらの技術は、エネルギー損失量の変化を抑制し、また、エネルギー損失量を評価しているので、運転方法や装備が異なる場合にも対応でき、その有効性が市場に認められ、実施例が増えてきている。また、これらの技術は、切羽前方探査によるトンネル軸方向の岩盤物性評価だけでなく、装薬孔やロックボルト孔のデータを利用した坑道周辺の岩盤物性評価も行われるようになってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−１６１５８８号公報
【特許文献２】特開２００２−１３３８１号公報
【特許文献３】特開２０１３−１２７１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
坑道周辺の岩盤物性評価を行う場合、その坑道の側壁や天端等の周方向のいくつかのポイントを削孔する必要がある。このため、削孔するポイントによって削孔方向が変わる。その際、同じフィード圧（削岩機を岩盤方向に送り出すための油圧）あるいはスラスト（フィード圧から算出されるその送り出す力）で削孔していても、削孔方向によって削岩機の自重や摩擦力等の影響によりビットを岩盤に押し付ける力（押付力）が変わり、岩盤に伝達されるエネルギーが変化することが明らかになってきた。
【０００８】
上記の従来の技術では、フィード圧やスラストを利用し、ビットの押付力を評価しているが、このように削孔方向によっても変化する場合には、フィード圧やスラストを利用してビットの押付力を正しく評価することはできない。
【０００９】
そこで、ビットの押付力を正しく評価し、様々な地質調査の結果を統一的に理解することを容易にするシステムや方法の提供が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑み、削岩機と、削岩機により岩盤に押し付けられた際の押付力を測定する押付力測定装置と、押付力測定装置により測定された押付力と削岩機の油圧との関係を求め、その関係に基づき、削孔方向によって削岩機に設定された油圧の設定値を補正する補正装置と、削岩機が補正後の設定値に基づき岩盤を削孔する際の該削岩機の油圧を計測する計測装置と、計測された油圧の油圧データを用いて、岩盤の岩盤強度を予測するために必要とされる単位体積当たりの該岩盤を削孔するのに要したエネルギーを算出する情報処理装置とを含む、岩盤性状の予測システムが提供される。
【００１１】
また、各装置が行う処理を処理ステップとして含む予測方法や、その押付力測定装置として、先端に削孔部材が取り付けられた棒状部材を備える削岩機の該削孔部材に代えて取り付けられる押付力測定装置であって、棒状部材の先端に接続される接続部材と、棒状部材の長手方向へ接続部材に対して離間して設けられ、削岩機が該長手方向へ送り出されることにより岩盤に押し付けられる押付部材と、接続部材と押付部材とを、接続部材が押付部材へ向けて移動可能に連結する連結部材と、接続部材と押付部材との間に配設され、押付部材が岩盤に当接し、接続部材が押付部材に向けて移動して、押付部材が岩盤に押し付けられることにより接続部材または該押付部材に当接して荷重を受け、受けた荷重を、削孔部材を岩盤に押し付ける押付力として測定する測定手段とを含む、押付力測定装置も提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のシステムおよび方法を提供することにより、様々な地質調査の結果を統一的に理解することが容易となる。また、本発明の押付力測定装置を提供することにより、岩盤を押す力を正しく評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】岩盤性状の予測システムに用いられる削岩機としてのドリルジャンボを例示した図。
【図２】岩盤性状の予測システムに用いられる計測装置の構成例を示した図。
【図３】岩盤性状の予測システムに用いられる情報処理装置の構成例を示した図。
【図４】岩盤性状の予測システムに用いられる押付力測定装置の構成例を示した図。
【図５】削岩機のロッドを回転させ、押付力を測定するときの押付力測定装置の角度およびその押付力測定装置により測定された押付力とスラストとの関係を例示した図。
【図６】削孔方向を変えるときの方向および押付力測定装置により測定された押付力とスラストとの関係を例示した図。
【図７】岩盤性状の予測システムにより実行される処理の流れを示したフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
トンネルを掘削する場合において、切羽前方やトンネル周辺の岩盤の性状を調査することは、掘削を進める上で極めて重要である。この性状調査のために、対象の岩盤を削孔し、その削孔に関する各種データを測定し、測定されたデータから岩盤性状を予測する予測システムが用いられる。この予測システムとしては、岩盤を削孔する削岩機、各種データを計測するための計測装置、計測されたデータを解析するための情報処理装置を含んで構成される。まず、これらの各装置について簡単に説明する。
【００１５】
図１は、ドリルジャンボを示した図である。ドリルジャンボ１０は、車輪で自走するジャンボホイール１１を備える。ジャンボホイール１１は、切羽への発破用のダイナマイトを設置するための孔や、トンネル側壁へのロックボルトを打設するための孔を削孔する油圧式の削岩機１２を搭載する。また、ジャンボホイール１１は、台車１３と、その台車１３の前部に取り付けられるブーム１４と、そのブーム１４の先端に取り付けられるガイドシェル１５とを備えている。ドリルジャンボ１０は、ガイドシェル１５上を油圧式の削岩機１２が前後に移動するように構成されている。
【００１６】
削岩機１２は、図示しないシャンクロッドと、そのシャンクロッドにスリーブを介して取り付けられる棒状部材としてのロッドと、そのロッドの先端に取り付けられる削孔部材としてのビットとを備えている。シャンクロッドは、削岩機１２のドリルヘッドからの回転力や打撃力を、先端のビットに伝達する。また、削岩機１２は、シャンクロッドにピストンを衝突させてビットに打撃力を与える打撃用の油圧シリンダ装置を備えた打撃用の油圧系と、削孔時に岩盤から削岩機１２に加えられる削孔反力を受けて吸収するための油圧シリンダ装置を備えたダンピング用の油圧系と、ビットを回転させるための回転用の油圧系とを備えている。さらに、削岩機１２は、ガイドシェル１５内に配置されて削岩機１２自体を前進および後退させるためのフィード用の油圧シリンダ装置を備えたフィード用の油圧系も備えている。
【００１７】
ブーム１４は、ガイドシェル１５を支承するとともに、そのガイドシェル１５を移動、回転させて前方にある削岩機１２のビットを所定の削孔位置に配置する。ガイドシェル１５は、削岩機１２の前進および後退を所定の方向に案内する。また、ジャンボホイール１１には、電源１６と、後述する計測装置を構成する各機器を収納するための装置ボックス１７、油量計ボックス１８、操作室１９と、各油圧系と各油圧センサとを接続するための油圧配管２０とが設置されている。油圧センサは、装置ボックス１７内に収納される油圧センサボックス２１内に配置されている。図１では、装置ボックス１７がジャンボホイール１１とは別に示されているが、装置ボックス１７は、ジャンボホイール１１の機能の妨げにならない屋根等の部分に設置することができる。
【００１８】
次に、図２を参照して計測装置について説明する。計測装置３０は、ジャンボホイール１１に搭載した削岩機１２を用いて削孔した場合に、各種の油圧や油量を計測し、削孔距離を求めるための油量の積算等を行う。計測装置３０は、ジャンボホイール１１の屋根等の部分に設置された装置ボックス１７内に配置されたデータレコーダ３１と、積算流量計３２と、油圧センサボックス２１とを含んで構成されている。また、計測装置３０は、ジャンボホイール１１のブーム１４の基端部の近傍に設けられた油量計ボックス１８内に配置された油量計３３と、プレッシャスイッチ３４とを備えている。
【００１９】
計測装置３０は、ジャンボホイール１１の操作室１９内に配置された計測信号スイッチ３５と、ストローク表示計３６と、リセットスイッチ３７とを備えている。また、計測装置３０は、ジャンボホイール１１の後部に設けられた電源１６から配線を介して電力が供給され、装置ボックス１７内に、計測装置３０への電源供給をＯＮ／ＯＦＦするための電源スイッチ３８を備えている。
【００２０】
油圧センサボックス２１内には、ダンピング用の油圧系における油圧を、削孔反力を示すダンピング圧として検知する油圧センサ３９と、フィード用の油圧系における油圧をフィード圧として検知する油圧センサ４０と、回転用の油圧系の油圧を回転圧として検知する油圧センサ４１と、打撃用の油圧系における油圧を打撃圧として検知する油圧センサ４２とが配置されている。各油圧センサ３９〜４２は、油圧式の削岩機１２の各油圧系に接続された油圧配管２０により各油圧系に接続されており、各油圧系の作動時の油圧を自動的に計測することができるように構成されている。
【００２１】
各油圧センサ３９〜４２からの信号線は、端子台４３を介してデータレコーダ３１に接続されており、各油圧センサ３９〜４２からの油圧を示す信号は、時間経過に対応してデータレコーダ３１に保存されるように構成されている。このため、データレコーダ３１には、フィード圧、打撃圧、回転圧、削孔反力を示すダンピング圧が、データとして記録される。削孔反力の計測は、油圧式の削岩機１２のダンピング用の油圧系ではなく、媒体圧検出装置等を用いて実施してもよい。媒体圧検出装置としては、例えば、特開２０００−３８８８９号公報に記載された装置を用いることができる。
【００２２】
計測されるデータとしては、そのほか、削孔距離がある。この削孔距離は、周知の方法により計測することができる。その一例として、削孔距離をフィードシリンダ４４に出入する油量から計測することができる。この計測のための構成として、装置ボックス１７内の積算流量計３２と、油量計ボックス１８内の油量計３３と、操作室１９内のストローク表示計３６およびリセットスイッチ３７とを用い、フィードシリンダ４４に出入する油量から時間経過に対応した削孔距離を計測することができる。
【００２３】
油量計３３は、油圧ライン中を流れる圧力伝達媒体としての作動油の流量を双方向について測定可能な計測器である。一例として、タービン流量計を用いることができる。油量計３３は、正方向、逆方向の流量に対して判別可能な２種類の信号を備え、タービン流量計の内部のギアが一定回転する毎に、積算流量計３２へパルス信号を出力する。なお、この油量計３３は、フィードシリンダ４４へ作動油を出入させる油圧系に接続される。
【００２４】
積算流量計３２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、出入力インタフェース等から構成され、油量計３３から出力された２種類のパルス信号に対応する換算係数の積算から前進および後退におけるフィードシリンダ４４内の油量変化を算出し、この油量変化とフィードシリンダ４４の内径よりシリンダの伸縮長を算出し、その伸縮長から削孔距離を算出する。
【００２５】
プレッシャスイッチ３４は、フィードシリンダ４４の前室側の油圧を計測する油圧センサと、その油圧センサからの出力値が予め設定された値より大きくなった場合にリセット信号を積算流量計３２に出力するスイッチとから構成される。プレッシャスイッチ３４は、油量計３３により、フィードシリンダ４４が前進した際に計測された油量や後退した際に計測された油量に誤差があり、フィードシリンダ４４がワンストローク分だけ前進して後退した際のピストンの移動量が０にならなかった場合に、これをリセット信号により０にする。
【００２６】
操作室１９内のストローク表示計３６は、フィードシリンダ４４の油量から計測される作動状態を表示する。リセットスイッチ３７は、手動により、リセット信号を出力する。積算流量計３２は、フィードシリンダ４４のワンストローク中の削孔距離をデータレコーダ３１に出力する。長距離の削孔は、フィードシリンダ４４の伸縮を繰り返すことにより行われるため、削孔距離は、フィードシリンダ４４のストローク距離の倍数に、ストローク中の油量により計測されたフィードシリンダ４４の伸縮量に対応する削孔距離を加算したものとして算出される。
【００２７】
積算流量計３２により算出されたフィードシリンダ４４の伸縮量は、ストローク表示計３６へ出力され、表示される。積算流量計３２により算出された削孔距離は、時間経過に応じてデータレコーダ３１に保存される。操作室１９内の計測信号スイッチ３５は、計測の開始、停止等をデータレコーダ３１等に指示する。
【００２８】
油圧センサ３９で計測されるダンピング圧は、削孔時に岩盤から削岩機１２に伝達される反力を示すもので、地質性状の予測のパラメータに用いられる。油圧センサ４０で計測されるフィード圧は、削岩機１２を岩盤に送り出すための油圧で、岩盤の削孔時に、常に、ほぼ一定となるようにフィードシリンダ４５が制御される。油圧センサ４１で計測される回転圧は、ビットを回転させるために加えられる油圧で、打撃エネルギーを計算するために用いられる。削孔距離は、削孔している距離を示し、この変化量を時間で除することにより削孔速度が求められる。
【００２９】
データレコーダ３１に格納されるデータは、後述する情報処理装置５０において使用される。この際のデータの受け渡しは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＳＤカード、ＵＳＢメモリ等の持ち運び可能な記録媒体を用いて行うことができる。また、ネットワークを介してデータの受け渡しを行うこともできる。ネットワークは、無線ＬＡＮ等の無線ネットワークであってもよいし、有線ネットワークであってもよい。また、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の近距離無線通信によりデータの受け渡しを行うこともできる。
【００３０】
次に、図３を参照して情報処理装置５０について説明する。情報処理装置５０としては、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の汎用のコンピュータシステムを用いることができる。なお、情報処理装置５０としては、ＰＣのほか、タブレット端末やスマートフォン等を用いることも可能である。コンピュータシステムは、演算処理装置であるＣＰＵ５１と、記憶装置であるＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３と、補助記憶装置であるＨＤＤ５４と、ディスプレイ等の表示装置５５と、キーボードやマウス等の入力装置５６とを含んで構成される。なお、上記のネットワークを介して通信を行う場合は、ネットワークＩ／Ｆ５７をさらに含むことができる。また、必要に応じて、ＣＤドライブやＤＶＤドライブ、ＳＤカードスロット等を備えることができる。これらの各ユニットは、システムバス５８を介して互いに接続され、互いにデータのやりとりを行うことができるようになっている。ここでは、ＨＤＤ５４としているが、ＳＳＤ(solid State Drive)等であってもよい。
【００３１】
情報処理装置５０は、計測装置３０により計測された油圧等のデータを用いて、岩盤の岩盤強度を予測するために必要とされる掘削体積比エネルギーを少なくとも算出する。
【００３２】
計測された油圧等のデータは、計測データとして時間経過に対応して保存され、時間経過に対応して記憶された削孔距離のデータに基づき、削孔距離に対応するデータとして出力される。削孔距離は、時間経過に対応して記憶されていることから、単位時間当たりの変化量である削孔速度を算出することができる。情報処理装置５０は、計測装置３０により計測された打撃圧と、上記の削孔速度と、その打撃圧から算出される単位時間当たりの打撃用の油圧シリンダ装置における打撃数と、ビットの径もしくは削孔現場での測定により得られる削孔の孔断面積と、打撃用の油圧シリンダ装置の既知のピストンストロークの長さと、既知の打撃用の油圧シリンダ装置のピストン受圧面積とから、掘削体積比エネルギーを算出することができる。なお、孔断面積、ピストンストロークの長さ、ピストン受圧面積は、予め記憶装置にデータとして格納しておき、この算出時に読み出して利用することができる。
【００３３】
具体的には、掘削体積比エネルギーは、打撃エネルギーを求め、その打撃エネルギーを用いて算出することができる。打撃エネルギーは、ピストン受圧面積と、ピストンストロークの長さと、打撃圧とを乗じることにより算出することができる。掘削体積比エネルギーは、打撃エネルギーと、打撃数と、必要に応じて、損失係数と呼ばれる実験等により求められる係数とを乗じ、得られた値を、削孔速度と孔断面積とを乗じて得られた値で除することにより算出することができる。
【００３４】
掘削体積比エネルギーは、基本的に岩盤が脆弱であれば低くなり、硬質であれば高くなる。これは、ダンピング圧も同様である。また、削孔速度は、岩盤が脆弱であれば速く、硬質であれば遅くなる。例えば、粘土質が多い地層では、軟らかい地層であるので、掘削体積比エネルギー、ダンピング圧は低くなり、削孔速度は速くなる。また、回転圧も上昇する。このようにして、掘削体積比エネルギーを少なくとも算出することで、地盤性状を予測することができる。また、その他のダンピング圧や削孔速度等も参照することで、計測されるデータによる誤差を排除し、地盤性状の予測精度を高めることができる。
【００３５】
情報処理装置５０が行う処理はこれに限定されるものではなく、他の計算を行い、地盤性状を予測することも可能である。ビットや油圧等の諸条件をある程度一定にした場合でも、ビットからのエネルギーを岩盤へすべて伝達されるものではないので、削孔効率は、その伝達される割合であるエネルギー受容効率の影響を受けて岩盤特性により変化する。その変化は、上記の掘削体積比エネルギーに影響する。このため、その掘削体積比エネルギーを岩盤強度で除し、得られた無次元化した指標を用いることができる。この指標は、岩盤強度の低下に伴い、増加する傾向を示し、岩盤強度のべき乗で表される関数となる。したがって、この指標を算出することで、より高い精度で地盤性状を予測することができる。
【００３６】
これまで地盤性状の予測を行うためのシステム構成について説明してきたが、このシステムは、さらに、図４に示すような押付力測定装置６０を備える。この押付力測定装置６０は、ロッドの先端のビットに代えて取り付けられる。押付力測定装置６０は、削岩機１２のビットを岩盤に押し付ける際のフィード圧とほぼ同じフィード圧で該岩盤に押し付けられ、そのときのビットを押し付ける力を押付力として測定する。測定した押付力は、図示しない補正装置へ送られる。
【００３７】
補正装置は、ＣＰＵ、記憶装置を備えており、記憶装置に測定された押付力を、そのときの削岩機１２に設定されているフィード圧の設定値とともに蓄積していき、蓄積された押付力とフィード圧の設定値との関係を求める。そして、補正装置は、その関係に基づき、削孔方向によって削岩機１２に設定されたフィード圧の設定値を補正する。これにより、削岩機１２には、補正後のフィード圧が設定される。なお、補正装置は、電子回路であってもよいし、情報処理装置５０と同様のＰＣ等であってもよい。また、補正装置は、補正回路として、押付力測定装置６０の一部として構成されていてもよい。なお、ここで例示する押付力測定装置は一例であり、ビットの押付力を測定することができるものであれば、その他のいかなる構成や構造であってもよい。
【００３８】
押付力測定装置６０の具体的な構成について説明する。押付力測定装置６０は、断面が円形で、棒状のロッドの先端がねじ切りされているため、ロッドが螺合される螺合部６１と、螺合部６１の開口側とは反対の閉鎖側に接続される円盤状の円盤部６２とから構成される接続部材６３を備える。螺合部６１は、ロッドが挿入される開口と、開口に連続する内部に螺旋状の溝が形成された収容部と、開口とは反対側の閉鎖部とを含んで構成されている。すなわち、片側のみ開口を有するソケットのような構造とされている。円盤部６２は、後述するシャフトやブッシュが挿入可能な複数の穴を備えている。穴は、一定間隔で、円盤部６２の縁部に設けられている。
【００３９】
ここでは、螺合して接続するために、螺合部６１を備えているが、フランジ接続やその他の接続方法であってもよく、その場合、その方法に適した機能部を備えることができる。また、円盤部６２も、断面が円形の孔を形成するため、円盤状のものが好ましいが、角丸めされた略矩形の板状のもの等であってもよい。
【００４０】
押付力測定装置６０は、ロッドの長手方向へ接続部材６３に対して離間して設けられ、削岩機１２がその長手方向へ送り出されることにより岩盤に当接して押し付けられる押付部材６４をさらに備える。押付部材６４は、岩盤に当接して押し付けられる面が一定の曲率を有する曲面部６５と、曲面部６５に接続される円盤部６６とから構成されている。ここでは、曲面部６５を有する構成とされているが、岩盤に当接する面が平面である平面部であってもよい。しかしながら、凹凸を有する岩盤表面に対して適切に押し付け、その押付力を測定することができる曲面部６５が好ましい。円盤部６６は、後述するシャフトが螺合される螺旋状の溝が形成された複数の穴部を備えている。この穴部は、円盤部６２の穴に対向した位置に、その穴と同じ数だけ設けられる。この円盤部６６も、円盤部６２と同様、略矩形の板状のもの等であってもよい。
【００４１】
また、押付力測定装置６０は、接続部材６３と押付部材６４とを連結するシャフト６７、ワッシャ６８、６９、ナット７０と、内部にシャフト６７が挿通される螺旋状に形成されたロッドの長手方向に伸縮可能なコイルバネ７１と、コイルバネ７１とワッシャ６９との隙間を埋めるための中空円筒状のブッシュ７２とを備えている。シャフト６７は、両端部がねじ切りされていて、一方が円盤部６６に形成された穴部に螺合され、他方はナット７０が螺合される。このため、ナット７０が螺合されたシャフト６７は、ねじ切りされた先端部と、その先端部に連続する軸部と、その軸部に連続するナット７０が、その軸部より拡張した拡張部とされた連結部材を構成する。この連結部材は、先端部および軸部が、接続部材６３に設けられた穴に通され、先端部が押付部材６４に連結され、拡張部が接続部材に係止される。このため、接続部材６３は、押付部材６４へ向けて移動可能とされる。
【００４２】
シャフト６７は、接続部材６３と押付部材６４との間に配置したワッシャ６８とコイルバネ７１とを通して円盤部６６の穴部に螺合される。そして、円盤部６２の穴の、シャフト６７との隙間にブッシュ７２を挿入し、その後、ワッシャ６９を通し、最後にナット７０を螺合する。このようにして、複数の穴部のうちの残りの穴部に螺合される残りのシャフト等も同様にして取り付けられる。
【００４３】
押付部材６４が備える円盤部６６の曲面部６５が設けられる側とは反対側の面に、荷重受座７３が取り付けられる。荷重受座７３は、大きさが異なる円盤状の部材が２つ重なり合った形状とされ、例えば、ボルトを用いて円盤部６６に固定される。また、接続部材６３が備える円盤部６２の螺合部６１が設けられる側とは反対側の面には、押付部材６４が岩盤に押し付けられてコイルバネ７１が収縮することにより押付部材６４に当接して荷重を受けるロードボタン７４を備え、その受けた荷重を、ビットを岩盤に押し付ける押付力として測定する測定手段としてのロードセル７５が配設される。
【００４４】
岩盤に押付部材６４が当接し、接続部材６３が押付部材６４へ向けて移動し、コイルバネ７１が収縮すると、ロードセル７５の突出したロードボタン７４が荷重受座７３に当接し、ロードセル７５に荷重がかかるようになる。ロードセル７５は、内部にひずみゲージと呼ばれる、物体のひずみを測定するセンサを実装しており、そのセンサにより荷重を検出する。ロードセル７５は、荷重を電気信号に変換してケーブルを介して図示しない補正装置へ出力する。図４では、ロードボタン７４と荷重受座７３との間に隙間が設けられているが、ロードセル７５により押付力を正しく測定することができれば、この隙間はなくてもよい。なお、接続部材６３、押付部材６４、シャフト６７等は、岩盤に押し付けられるので、ステンレス鋼等の金属製のものを用いることができる。
【００４５】
押付力測定装置６０は、フィード圧と、削孔方向とを変えて、その押付力を測定する。これにより、削岩機１２固有の摩耗や損傷等の情報を含む削孔方向毎のビットの押付力とフィード圧との関係を把握することができ、削孔方向の違いによる掘削体積比エネルギーの補正が可能となる。すなわち、削岩機１２の運転方法を任意の値に固定するためのパラメータとして用いられているフィード圧やスラストに代えて、この測定されたビットの押付力を基準に用いることができる。
【００４６】
押付力測定装置６０は、ロッドの先端に、ビットに代えて取り付け、使用することができるので、現場で容易に測定することができる。また、削岩機１２は、遠隔から操作を行うので、ビットの微調整が難しく、その結果としてセンサが衝撃を受ける可能性があるが、コイルバネ７１を実装していれば、その衝撃からセンサを保護することができる。ここではコイルバネ７１を用いているが、センサを保護できれば、コイルバネ７１以外の板バネやゴム等の弾性部材であってもよい。
【００４７】
押付力測定装置６０は、坑道の側壁や天端等の削孔方向を変えて削孔を行い、そのときのビット押付力の測定結果を出力するとともに、必要に応じて、水平方向に向けてロッドを回転しながら推し進めた場合の、ロッドの各回転角度におけるビット押付力の測定結果も出力することができる。図示しない補正装置は、これらの測定結果を記憶装置に記憶しておき、測定時に設定したフィード圧あるいはそのフィード圧から算出されたスラストと、ビットの押付力との関係を求める。この関係は、例えば、グラフやテーブルとして求めることができる。
【００４８】
図５は、削岩機１２のロッドを回転させ、押付力を測定するときの押付力測定装置６０の角度および押付力測定装置６０により測定された押付力とスラストとの関係を例示した図である。削岩機１２は、図５（ａ）に示すように岩盤に向けてロッドの先端を押し付けるが、そのとき、ロッドは一定方向に回転するので、岩盤から見たその先端の様子は、各回転角度に示すようになっている。図５（ａ）では、０°、４５°、９０°、１８０°という４つの回転角度における様子が示されている。
【００４９】
図５（ｂ）に示すグラフの縦軸は、岩盤にビットを押し付けているときの力、すなわち押付力を、横軸は、そのときのフィード圧から算出した削岩機１２を岩盤へ向けて送り出す力、すなわちスラストを示している。図５（ｂ）を参照すると、測定結果が重なり合っているので、回転角度によっては、ビット押付圧はほとんど変化しないことが見出された。このため、回転角度の違いを考慮する必要はないことが分かる。
【００５０】
図６は、削孔方向を変えるときの方向および押付力測定装置６０により測定された押付力とスラストとの関係を例示した図である。図６（ａ）に示すように、削孔方向は、掘削したトンネルや坑道の、向かって左側側壁を０°とし、天端を９０°、向かって右側側壁を１８０°、下部を２７０°として岩盤に押し付けているときの押付力を測定している。図６（ｂ）に示すグラフも、図５（ｂ）と同様、縦軸は、押付力を示し、横軸は、スラストを示している。図６（ｂ）を参照すると、測定結果が削孔方向によって大きく異なることが見出された。すなわち、同じスラスト（例えば６ｋＮ）でも、削孔方向によってビット押付力がそれぞれ約２、約２．５、約４．５、約７、約８ｋＮと大きく異なっている。
【００５１】
岩盤性状を予測し、評価するためには、この押付力を一定にし、このときに得られた削孔速度等から掘削体積比エネルギーを算出する。このため、押付力が一定になるようにスラスト、あるいはフィード圧を設定する必要がある。そこで、上述したように、補正装置は、測定結果からこのようなグラフを作成し、このグラフを用いてフィード圧を補正する。
【００５２】
具体的には、押付力を６ｋＮになるようにする場合、図６（ｂ）中、縦軸の押付力６ｋＮから水平方向に延びる直線を引き、各削孔方向のほぼ一定の傾きを有する直線との交点を求め、その交点のスラストを、９０°から２７０°まで順に、例えば４、５、７、９、９．５ｋＮのように求める。これらのスラストからフィード圧を算出し、算出したフィード圧を、補正後のフィード圧として削岩機１２に設定することにより、フィード圧を補正することができる。
【００５３】
このように補正することで、削孔方向の違いによる掘削体積比エネルギーの補正が可能となり、様々な地質調査の結果を統一的に理解することが容易になる。
【００５４】
図７を参照して、この予測システムにより実行される岩盤性状の予測方法について説明する。この方法は、ステップ７００から開始される。ステップ７１０では、ロッドにビットが取り付けられている場合は外し、押付力測定装置６０を取り付ける。ステップ７２０では、削岩機１２のフィード圧を、任意のフィード圧に設定し、削孔方向を変えて、押付力測定装置６０により岩盤への押付力を測定する。そして、フィード圧を変え、削孔方向を変えて、押付力測定装置６０により岩盤への押付力を測定する。
【００５５】
図６に示すように、フィード圧と押付力との関係は、ほぼ直線で示されるので、フィード圧は、少なくとも２点の圧力を設定することが望ましい。少なくとも２点の圧力を設定できれば、図６に示すようなグラフを作成することができ、そのグラフを用いてフィード圧を補正することができるからである。より正確なグラフを作成するためには、出来るだけ多くの圧力を設定し、各削孔方向につき押付力を測定することが望ましい。ステップ７３０では、フィード圧を補正する。そして、補正したフィード圧を、削岩機１２に設定する。
【００５６】
ステップ７４０では、押付力測定装置６０からビットに付け換え、設定されたフィード圧で検査対象の岩盤を削孔する。そして、ステップ７５０で、計測装置３０により岩盤の削孔時における削岩機１２の油圧を計測する。ステップ７６０では、情報処理装置５０が計測された油圧の油圧データを計測装置３０から取得し、その油圧データから削岩機１２が削孔に要した掘削体積比エネルギーを算出し、その算出した掘削体積比エネルギーやその他の削孔速度等の情報から岩盤性状の予測を行う。予測した岩盤性状は、例えば、岩盤強度の分布等として表示することができる。予測を行った後、ステップ７７０へ進み、この処理を終了する。
【００５７】
なお、ステップ７６０では、さらに、掘削体積比エネルギーを岩盤強度で除して無次元化掘削体積比エネルギーを求め、この無次元化掘削体積比エネルギーと岩盤強度との関係を表すグラフの生成、あるいはその関係を式で示した回帰式を導出し、そのグラフあるいは回帰式を用いて、岩盤性状としての岩盤強度を予測することもできる。
【００５８】
この無次元化体積比エネルギーを求める際に使用する岩盤強度は、供試体ブロックを作り、一軸圧縮試験またはポイントロード試験（点載荷試験）を行うことにより、また、切羽岩盤についてポイントロード試験やロックシュミットハンマー試験を行うことにより、さらには、人工的に作成された岩盤について針貫入試験を行うことにより得ることができる。これらの試験を行うため、予測システムは、強度測定装置をさらに備えることができる。また、この岩盤強度は、各種文献や公知の強度換算式から得ることも可能である。
【００５９】
これまで本発明の押付力測定装置、岩盤性状の予測システムおよびその方法について図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６０】
１０…ドリルジャンボ、１１…ジャンボホイール、１２…削岩機、１３…台車、１４…ブーム、１５…ガイドシェル、１６…電源、１７…装置ボックス、１８…油量計ボックス、１９…操作室、２０…油圧配管、２１…油圧センサボックス、３０…計測装置、３１…データレコーダ、３２…積算流量計、３３…油量計、３４…プレッシャスイッチ、３５…計測信号スイッチ、３６…ストローク表示計、３７…リセットスイッチ、３８…電源スイッチ、３９〜４２…油圧センサ、４３…端子台、４４…フィードシリンダ、５０…情報処理装置、５１…ＣＰＵ、５２…ＲＯＭ、５３…ＲＡＭ、５４…ＨＤＤ、５５…表示装置、５６…入力装置、５７…ネットワークＩ／Ｆ、５８…システムバス、６０…押付力測定装置、６１…螺合部、６２…円盤部、６３…接続部材、６４…押付部材、６５…曲面部、６６…円盤部、６７…シャフト、６８、６９…ワッシャ、７０…ナット、７１…コイルバネ、７２…ブッシュ、７３…荷重受座、７４…ロードボタン、７５…ロードセル
【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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