(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩盤を構成する岩石の硬度及び強度に係る複数の物性値により、当該岩盤の最適の掘削工法を判定する方法であって、
横軸及び縦軸の一方に、岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度を、その他方に、当該岩石のＣＥＲＣＨＡＲ試験により得られた磨耗能の指標値をそれぞれとって、
当該磨耗能指標値との関連において、複数の掘削工法による掘削可能な岩盤の一軸圧縮強度の予測限界値を示す各掘削限界ラインを記録した掘削限界表を作成し、
前記掘削限界表を用いて、既知である掘削対象岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度、及び磨耗能指標値から、当該掘削対象岩盤の最適の掘削工法を選択することを特徴とする岩盤掘削工法の判定方法。
【請求項２】
前記複数の掘削工法は、掘削工具としてポイントアタックビット、ディスクカッター、トリコーンビット及びボタンビットを用いる計４種類の掘削工法であることを特徴とする請求項１に記載の岩盤掘削工法の判定方法。
【請求項３】
前記各掘削限界ラインは、各掘削工法において、前記磨耗能指標値が零と５における掘削限界の一軸圧縮強度を示す２点を直線的に結んだ複数の線分であることを特徴とする請求項１又は２に記載の岩盤掘削工法の判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度と、「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」により得られた当該岩石の磨耗能の指標値との強度及び硬度に関連する２つの物性値から、当該岩盤の最適の掘削工法を判定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
さく岩機、回転さく孔機、ブームヘッダ、トンネル掘削機等の掘削機械による岩盤の掘削には、当該岩盤の岩質に応じて、適応性の高い掘削工具を備えた掘削工法を選択している。
【０００３】
従来の掘削工法の選択の基準は、掘削対象岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度〔ＵＣＳ (Uniaxial Compressive Strength)〕のみに依存していた。岩石の「一軸圧縮強度」は、岩盤から採取された円筒状の供試体を用いて、圧縮荷重の加わる方向以外から拘束力を受けない状態で、当該供試体が長軸方向に圧縮されるときの岩石の強度特性である。
【０００４】
一方、岩石の表面硬度として、モース（Mohs）硬度が古くから用いられ、また、フランス石炭研究センターで提案された「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」により得られた「岩石の磨耗能（abrasibity) 」も用いられている。「岩石の磨耗能」とは、例えば、掘削機械により岩盤を掘削する際に、当該岩盤によって掘削工具類が磨耗される（磨り減らされる）程度を言い、「岩石の硬度」の一種に分類される物性である。
【０００５】
「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」は、先端部が円錐状に形成された鋼棒から成る試験針を設定されたスラストで岩石の表面に押し付けながら滑らせて、試験後に針先端の磨耗状況を測定するものである。具体的には、図６に示されるように、先端の円錐部の頂角が９０°の試験針Ｎを用いて、７０Ｎのスラストを加えながら、岩石の表面を約１０ｍｍスライドさせて、試験後に試験針の先端に生じた平らな部分の直径を（Ｗｃ）とした場合において、以下に示される無次元の値が「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」における「岩石の磨耗能」の指標となる。
ＩCERCHAR 〔無次元〕＝  Ｗｃ（ｍｍ）/ ０．１（ｍｍ）
【０００６】
「ＩCERCHAR 」の値が大きい岩石は、当該値が小さい岩石に比較して、「岩石の硬度」が高いために、試験針の先端部の磨耗程度が大きくて、掘削時において掘削工具類が磨耗され易いことになって、「岩石の磨耗能」が大きいことになる。「ＩCERCHAR 」は、岩石の磨耗能の指標値（Cerchar Index ）である。
【０００７】
また、「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」における「岩石の磨耗能」は、「岩石の強度」に係る「一軸圧縮強度」とは異なる「岩石の硬度」に係る物性であって、岩石に対してスラストが加えられた試験針をスライドさせることにより発生した試験針の先端の磨耗の程度を測定することのみにより行っており、当該岩石に形成された切削溝の深さは、当該深さを測定する機器の開発が不十分な点もあって、「岩石の硬度」の評価に用いられること自体が少なく、その当然の結果として、掘削工法の選択の基準としての評価は、殆どなされていなかった。
【０００８】
一方、当然のことながら、各種の掘削工法には、掘削工具の構造、及び使用態様に応じて、掘削可能な対象岩盤を構成する岩石の最大強度である掘削限界を有している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ＪＧＳ  2521：2000  地盤工学会基準  岩石の一軸圧縮試験方法（Method of confined compression test for rocks)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記した事情を背景にして、岩盤の各種の掘削工法の掘削限界を、一軸圧縮強度のみならず、「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」により得られた岩盤を構成する岩石の磨耗能の指標値との二つの異なる物性値を用いて定めることにより、幅広い掘削工法の掘削限界を精度よく求めることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明の掘削工法の判定方法は、掘削対象岩盤の掘削限界の基準として、当該岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度のみならず、ＣＥＲＣＨＡＲ試験により得られた岩石の磨耗能も掘削限界の基準としている。即ち、一軸圧縮強度は、当該岩盤から採取した供試体が圧縮力により破壊される際の限界圧縮力であって、「岩石の強度」に係るものであるのに対して、ＣＥＲＣＨＡＲ試験により得られた岩石の磨耗能の指標値は、「岩盤を構成する岩石の硬度」に係るものであって、互いに異なる物性である。例えば、硬度の大きな岩石の掘削限界の一軸圧縮強度は、硬度の小さな岩石の掘削限界の一軸圧縮強度よりも、一般的に小さくなる。このように、異なる物性である「岩石の強度」と「岩石の硬度」を組み合せて、対象岩盤の掘削限界を定めることは、その一方のみを基準にする場合に比較すると、対象岩盤の掘削限界の精度が高まることを意味する。
【００１２】
一方、岩盤の掘削工法には、掘削自体の内容の面からは、岩盤に対してパイロット孔等の孔を明ける工法、岩盤の表面を切削する工法等があり、使用する掘削工具の面からは、ビットを用いる工法、カッターを用いる工法等に分類され、掘削工法、或いは使用する掘削工具に応じて、独自の掘削限界が存在する。
【００１３】
請求項１の発明では、岩盤を構成する岩石の硬度及び強度に係る複数の物性値により、当該岩盤の最適の掘削工法を判定する方法であって、横軸及び縦軸の一方に、岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度を、その他方に、当該岩石のＣＥＲＣＨＡＲ試験により得られた岩石の磨耗能の指標値をそれぞれとって、当該磨耗能指標値との関連において、複数の掘削工法による掘削可能な岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度の予測限界値を示す各掘削限界ラインを記録した掘削限界表を作成し、前記掘削限界表を用いて、既知である掘削対象岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度、及び磨耗能指標値から、当該掘削対象岩盤の最適の掘削工法を選択するものであるので、掘削対象岩盤に応じた最適の掘削工法が選択可能となる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記複数の掘削工法は、掘削工具としてポイントアタックビット、ディスクカッター、トリコーンビット及びボタンビットを用いる計４種類の掘削工法であることを特徴としている。
【００１５】
ポイントアタックビットは、回転しながら進行する切削ドラムの外周面に多数本が取付けられて、各ビットにより岩盤の表面を掘削するビットであり、ディスクカッターは、回転するディスク状（円盤状）のカッターにより、岩盤の表面を溝状に掘削するものである。また、トリコーンビット及びボタンビットは、いずれも回転ロッドの先端部に装着されて、岩盤を穿孔するのに使用されるビットであって、トリコーンビットは、ビット本体の先端部に３つの円錐状のカッター部材が回転可能に取付けられた構成であって、ボタンビットは、ビット本体の先端面及び先端外周面に多数のチップが埋め込まれた構成である。そして、上記した各ビット又はカッターを用いる掘削工法においては、掘削可能な掘削対象岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度は、ポイントアタックビット、ディスクカッター、トリコーンビット及びボタンビットの順で大きくなることが知られており、請求項２の発明のように、各ビット又はカッターにおいて、一軸圧縮強度のみならず、ＣＥＲＣＨＡＲ試験により得られた岩石の磨耗能も併せて掘削限界の基準とする掘削限界ラインを掘削限界表に記録することにより、掘削対象岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度と硬度との双方を考慮した最適の掘削工法の選択が可能となる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記各掘削限界ラインは、各掘削工法において、前記磨耗能指標値が零と５における掘削限界の一軸圧縮強度を示す２点を直線的に結んだ複数の線分であることを特徴としている。
【００１７】
各掘削工法における掘削限界ラインの確定には、各掘削工法における掘削可能な最大の一軸圧縮強度を定めればよく、この一軸圧縮強度は、掘削対象岩盤を構成する岩石の硬度によって異なる。そこで、請求項３の発明は、想定される掘削対象岩盤を構成する岩石の最小と最大の各硬度における一軸圧縮強度を求めればよいことになる。掘削対象岩盤の最小強度は、ＣＥＲＣＨＡＲ試験による磨耗能指標値が「零」の岩盤であり、最大強度は、磨耗能指標値が「５」であると想定して、掘削限界表を用い、各掘削工法において、上記した２点を結ぶ線分を掘削限界ラインと定めることにより、現実に掘削工法の選択に対応可能にした。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、異なる複数の掘削工法による岩盤の掘削限界の基準を、一軸圧縮強度のみならず、「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」により得られた岩石の磨耗能の指標値を併用することにより、強度及び硬度との岩盤の異なる２つの物性を基準にした各掘削工法の掘削限界ラインを掘削限界表に記録して、当該掘削限界表を用いて掘削対象岩盤の最適の掘削工法を選択するので、幅広い掘削工法の掘削限界を精度よく求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）は、複数の掘削工法の掘削限界ラインＬ1 〜Ｌ4 が記録された掘削限界表であり、（ｂ）は、各掘削工法の「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」における岩石の磨耗能の指標値（Cerchar Index ）と一軸圧縮強度（ＵＣＳ）との関係を示すデータである。
【図２】（ａ），（ｂ）は、それぞれポイントアタックビットＢ1 及びその掘削方法を示す図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、それぞれディスクカッターＣ及びその掘削方法を示す図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、それぞれトリコーンビットＢ2 及びその掘削方法を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、それぞれボタンビットＢ3 及びその掘削方法を示す図である。
【図６】（ａ）は、「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」により岩石の供試体Ｔに形成された切削溝１１の模式図であり、（ｂ）は、切削溝１１及び試験針Ｎの先端の磨耗状態を示す部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
最初に、図６を参照して、「岩石の磨耗能」を測定する「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」について説明する。「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」に用いられる試験針Ｎは、外径が１０ｍｍの鋼棒から成り、その下端部（先端部）は、頂角９０°の円錐状に形成されて突刺部Ｎａとなっている。「ＣＥＲＣＨＡＲ試験機」の供試体ホルダーに岩石の供試体Ｔをセットし、当該供試体Ｔの表面に対して７０Ｎのスラスト（Ｆ）を加えた状態で、当該試験針Ｎを１０ｍｍだけスライドさせる。これにより、図６に示されるように、供試体Ｔの表面に長さ（Ｋ）が１０ｍｍであって、終端の深さが（Ｄ）の切削溝１１が形成されると共に、試験針Ｎの先端部の三角錐状をした突刺部Ｎａの先端は平面状に研磨されて、直径（Ｗｃ）の略円形の平面状に磨耗変形される。なお、図６（ａ）において１２は、岩石の供試体Ｔに対して７０Ｎのスラスト（Ｆ）で試験針Ｎを突刺させ、その後に、当該スラスト（Ｆ）を維持したままでスライドさせる際に、岩石表面に発生した剥落部を示す。
【００２１】
段落「０００５」で述べたように、試験針Ｎの突刺部Ｎａの先端磨耗部の直径（Ｗｃ）を１０倍した無次元の値が「ＩCERCHAR 」となって、この値が「岩石の磨耗能の指標値」となる。従って、当該「磨耗能指標値」は、「岩石の硬度」の一種に分類される物性となって、「岩石の強度」に係る物性である「一軸圧縮強度」とは異なる岩石の特性である。
【００２２】
図１（ａ）は、複数の掘削工法の掘削限界ラインＬ1 〜Ｌ4 が記録された掘削限界表であり、同（ｂ）は、各掘削工法の「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」における岩石の磨耗能の指標値（Cerchar Index ）と一軸圧縮強度（ＵＣＳ）との関係を示すデータである。図１（ａ）において、横軸及び縦軸は、それぞれ「一軸圧縮強度（ＵＣＳ）」及び「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」による「磨耗能指標値（Cerchar Index ）」  であって、Ｌ1 〜Ｌ4 は、それぞれポイントアタックビット、ディスクカッター、トリコーンビット及びボタンビットを用いた掘削工法の掘削限界ラインを示している。
【００２３】
本発明に係る岩盤掘削工法の判定方法では、各種の掘削工法の対象である掘削対象岩盤を構成する岩石の「一軸圧縮強度（ＵＣＳ）」のみならず、当該岩石の硬度に係る物性である「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」による「磨耗能指標値（Cerchar Index ）」も、特定の岩盤に対する掘削工法の適応性の評価の一つとなっていることが特徴である。また、本発明では、岩盤を構成する岩石の「一軸圧縮強度」の大きさに対応した上記の各掘削工法の掘削限界ラインを比較対比して、掘削対象岩盤に適応した最適の掘削工法を選択可能になっていることが、他の特徴となっている。
【００２４】
ポイントアタックビットＢ1 を用いる掘削工法は、図２に示されるように、回転しながら進行する掘削ドラム１に多数本のポイントアタックビットＢ1 が周方向及び回転軸方向に沿って所定間隔をおいて取付けられて、岩盤Ｒに対して掘削ドラム１が回転しながら進行することにより、当該岩盤Ｒの表面を掘削する工法である。なお、図示の掘削例は、アップカット方式であるが、ダウンカット方式の場合もある。
【００２５】
ディスクカッターＣを用いる掘削工法は、図３に示されるように、フレーム（図示せず）に支持されたディスク状（円盤状）のカッターＣが回転しながら進行することにより、岩盤Ｒの表面を溝状に掘削する工法である。なお、図示の掘削例は、ダウンカット方式であるが、アップカット方式の場合もある。
【００２６】
トリコーンビットＢ2 は、ビット本体２のセンター部に３つの円錐状のカッター部材３が回転可能に取付けられた構成であって、回転ロッド４の先端部に取付けられる。トリコーンビットＢ2 を用いた掘削工法は、図４に示されるように、先端部にトリコーンビットＢ2 を取付けた回転ロッド４が回転しながら岩盤Ｒを押圧することにより、当該岩盤Ｒに対して孔Ｈ2 を穿孔する工法である。
【００２７】
ボタンビットＢ3 は、図５に示されるように、ビット本体５の先端面、及び先端部外周面に多数のチップ６が埋め込まれた構成であって、回転ロッド７の先端部に取付けられる。ボタンビットＢ3 を用いた掘削工法は、図５に示されるように、先端部にトリコーンビットＢ2 を取付けた回転ロッド７を回転させながら岩盤Ｒを押圧することにより、当該岩盤Ｒに対して孔Ｈ3 を穿孔する工法である。
【００２８】
そして、図１に示されるように、上記した各掘削工法による掘削可能な岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度には、それぞれ限界がある。即ち、各掘削工法は、ポイントアタックビットＢ1 、ディスクカッターＣ、トリコーンビットＢ2 、ボタンビットＢ3 を用いる工法の順に、掘削可能な岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度が高くなっている。また、「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」による磨耗能指標値（Cerchar Index ）との関連では、岩盤の当該指標値が大きくなる程、当該岩石の硬度が高くなって、ビット又はカッターの磨耗が多くなるので、掘削可能な岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度は小さくなる。図１（ａ）の各掘削限界ラインＬ1 〜Ｌ4 は、各掘削工法における掘削限界を、磨耗能指標値（Cerchar Index ）との関連で表している。
【００２９】
各掘削工法における掘削限界ラインの確定には、各掘削工法における掘削可能な最大の一軸圧縮強度を定めればよく、この一軸圧縮強度は、掘削対象岩盤を構成する岩石の硬度によって異なり、各工法により想定される掘削対象岩盤を構成する岩石の最小と最大の各硬度における一軸圧縮強度を求めればよいことになる。掘削対象岩盤を構成する岩石の最小強度は、ＣＥＲＣＨＡＲ試験による磨耗能指標値が「零」の岩石であり、最大強度は、磨耗能指標値が「５」であると想定して、各掘削工法において、上記した２点を結ぶ線分を掘削限界ラインと定めることにより、現実に掘削工法の選択に対応可能にした。図１（ａ）に示される各掘削工法の掘削限界ラインＬ1 〜Ｌ4 は、上記の知見に基づき、同（ｂ）で示される２点を結んだものである。最小強度、及び最大強度として、上記した各磨耗能指標値を選択したのは、現存する殆どの岩石の硬度は、この範囲内に含まれるからである。
【００３０】
図１（ａ）の掘削限界表には、岩盤を構成する岩石の一軸圧縮強度（ＵＣＳ）と、「ＣＥＲＣＨＡＲ試験」による磨耗能指標値（Cerchar Index ）とで特定した異なる多数の岩石がブロットされており、例えば、岩盤の表面を掘削する工法において、掘削対象岩盤が「凝灰岩」、「大理石」及び「風化花崗岩」の場合には、ポイントアタックビットＢ1 及びディスクカッターＣのいずれを用いた工法でも掘削可能であるが、掘削対象岩盤が「玄武岩」、「花崗岩」の場合には、ポイントアタックビットＢ1 を用いた工法では、強度的に耐えきれず、ディスクカッターＣを用いた工法を選択する必要があることが判明する。
【００３１】
また、岩盤を穿孔する場合には、上記した各岩石で構成される岩盤、及び極めて強固な安山岩で構成される岩盤は、トリコーンビットＢ2 及びボタンビットＢ3 のいずれを用いた工法でも掘削可能であるが、極めて強固な砂岩で構成される岩盤は、トリコーンビットＢ2 を用いた工法では、強度的に耐えきれず、ボタンビットＢ3 を用いた工法を選択する必要があることが判明する。なお、ボタンビットＢ3 を用いた工法でも強度的に掘削できない岩盤の場合には、使用環境が発破を許容することを条件として、発破で行う他はない。
【００３２】
このように、本発明は、岩盤の表面を掘削したり、岩盤に穿孔したりする場合において、複数の掘削工法から最適の工法を選択する場合において、強度及び硬度との岩盤を構成する岩石の異なる２つの物性を基準にした各掘削工法の掘削限界ラインを掘削限界表に記録して、当該掘削限界表を用いて掘削対象岩盤の最適の掘削工法を選択するので、幅広い掘削工法の掘削限界を精度よく求めることができる。
【００３３】
また、上記実施例では、計４つの掘削工法について言及したが、他の掘削工法についても、同様にして、掘削限界ラインを求めて、掘削限界表を記録することにより、掘削対象岩盤の強度及び硬度の双方に適応した最適の掘削工法の選択を高精度で行える。
【符号の説明】
【００３４】
Ｂ1 ：ポイントアタックビット
Ｂ2 ：トリコーンビット
Ｂ3 ：ボタンビット
Ｃ：ディスクカッター
Ｈ2,Ｈ3 ：孔
Ｒ：岩盤
【図１】
0005808687.tif 000002
【図２】
0005808687.tif 000003
【図３】
0005808687.tif 000004
【図４】
0005808687.tif 000005
【図５】
0005808687.tif 000006
【図６】
0005808687.tif 000007