(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤に地下空洞を構築することに伴う湧水範囲と湧水量を予測するための湧水予測方法であって、
数値標高データから地下水位面を推定するとともに、任意の間隔の格子上に配列された数値標高データとしての地下水位面標高データを算出する地下水位面標高データ算出工程と、
各格子点での標高から求めた最急傾斜方位に基づいて、隣接する格子点から水の流入がない点を抽出して結んだ境界線で囲まれる領域であり、地下水位面標高データから地下水の移動領域を示す水収支域を求める水収支域算出工程と、
水収支域の面積を同域の代表長さで除して水収支域に基づく影響幅Ｒ’を算出するとともに、水収支域内の全格子点標高の平均値から同水収支域内の最低点標高を減じて水収支域に基づく水位Ｈ’を算出する地下水の影響幅・水位算出工程と、
地下空洞周辺の各水収支域の平均的透水性指標ｋｔ’を、式１：ｋｔ’＝Ｒ’２／６Ｈ’で求めるとともに、水収支域に基づく影響幅Ｒ’と水位Ｈ’の関係式である式２：Ｈ’＝ Ｒ’２／６ｋｔ’を得る平均的透水性指標算出工程と、
地下空洞周辺の任意の数の断面を設定し、断面線上での地下水位標高値を抽出する任意断面地下水位標高値抽出工程と、
前記断面線が交わる水収支域から地下空洞が横切る水収支域を選択し、該選択した水収支域において、前記断面線上での地下空洞の最底標高を原点とした式２の曲線を想定し、水位Ｈ’が地下水位標高より高くなるときの影響幅Ｒ’を計算し、求めた水位Ｈ’と影響幅Ｒ’を満たす点の位置を地表面に垂直投影して垂直投影点Ｐを求める垂直投影点Ｐ算出工程と、
地下空洞が横切る全ての水収支域に対して垂直投影点Ｐを計算するとともに、これらの垂直投影点Ｐを繋いで湧水範囲を求める予測湧水範囲決定工程と、
地下空洞周辺河川の渇水期比流量に湧水範囲の面積に乗じて湧水量を求める予測湧水量決定工程とを備えていることを特徴とする湧水予測方法。
【請求項２】
請求項１記載の湧水予測方法において、
前記式２で表される水位Ｈ’と影響幅Ｒ’の関係の曲線をそれぞれの断面位置で任意の間隔にて分割して離散的なＨ’Ｒ’点を計算し、離散的なＨ’Ｒ’点を空間的に補間してＨ’Ｒ’曲面を求め、該Ｈ’Ｒ’曲面と地下水位面との深度方向の距離差分を湧水影響度とする湧水影響度算出工程を備えていることを特徴とする湧水予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルなどの地下空洞構造物を構築するにあたり、周辺地盤の湧水量や湧水範囲（影響範囲）を予測するための方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トンネルなどの地下空洞構造物を施工する際には、地下空洞を構築することによって周辺の地下水ポテンシャルが変化し、地下空洞内に地下水が流出する。また、このとき、周辺地山（周辺地盤）の透水性などの状況によっては地下水位が大きく低下し、地下空洞近傍の井戸の枯渇や河川流量の低下を招くこともある。このため、トンネルなどの地下空洞構造物の設計・施工にあたっては、地下水流出が発生する範囲やその流出量を正確に予測し、必要な対策を講じることが重要になる。
【０００３】
そして、従来、トンネル掘削に伴う地下水状況の変化を予測する方法としては、予めトンネル計画線の周辺に観測井を設置し、継続的に水位の変化を直接的に計測し、このデータをもとに予測する方法、有限要素法などの各種数値解析を行って予測する方法が多用されている。
【０００４】
しかしながら、観測井を用いた直接計測方法においては、設置場所の確保や設置費用の面から観測井を数多く設けることが困難なケースも多く、この場合には限られた地点数での観測結果から広範の領域の状況を予測せざるを得ず、精度のよい予測を行うことが難しい。
【０００５】
また、数値解析による予測方法においては、比較的広範な領域の予測が可能であるが、解析モデルの作成から計算までに多大な時間と労力を要し、任意の状況下で随時、迅速に予測を行うことが難しい。
【０００６】
一方、非特許文献１、非特許文献２には、観測井等を用いた直接測定方法や数値解析による予測方法を用いることなく湧水予測を行う方法が開示されている。
【０００７】
この方法では、トンネルを地下に設けた開渠と想定し、降雨涵養がない定常状態において周辺から流入する地下水の影響幅Ｒと水位Ｈを水理学的に求める。そして、図６に示すように、トンネル底盤位置を原点とした地表断面図上に、この影響幅Ｒと水位Ｈの関係式で表される影響曲線を重ねて描き、地表面の線と影響曲線の交点を求め、この交点間を地下水流出が起こる影響圏とする。
この方法は、「高橋の方法」と呼ばれ、トンネル掘削に伴う湧水影響範囲と湧水量を概略推定する際に多用されている。
【０００８】
また、「高橋の方法」では、図７に示すように、影響圏を複数の断面に対して作図し、それらを地図上で平面的に繋ぎ合わせることによって影響範囲を作図する。そして、このようにして求めた影響範囲の面積に河川の渇水期比流量を乗ずることによってトンネルへの湧水量を計算する。
【０００９】
ここで、非特許文献１には、影響幅Ｒと水位Ｈの関係式のパラメータである平均的透水性指標Ｋｔを各種試験・観測による実測値に基づいて設定する方法と、地下水面の起伏形状が地形面起伏に概ね等しいという仮定のもとにトンネル周辺の小河川流域での流域の平均幅を影響幅Ｒ、流域の平均比高を水位Ｈとして近似し、「実用的な近似」として平均的透水性指標ｋｔを求める方法が示されている。
【００１０】
しかしながら、上記の非特許文献１による方法は、地図上での図学的処理によってトンネル湧水範囲を作図するものであるため、一般に、その実施にあたっては専門家が紙媒体による地図もしくは電子地図を用いて手作業でその作図を行っている。このため、地形解析の高度な知識・経験が必要であり、また、作図に多大な時間と労力を要していた。
【００１１】
これに対し、近年、国土情報として数値標高データの整備が進み、また、パソコンの性能やパソコン上で稼働する地理情報システムソフトウェアの機能が向上したことにより、数値標高データと地理情報システムソフトウェアを用いて半自動的に「高橋の方法」による湧水範囲・湧水量の予測を行う方法が提案、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
これにより、これまで専門家の手作業で行っていた作図工程を非専門家でも半自動的に行うことが可能になる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】高橋彦治：「トンネル湧水に関する応用地質的考察−湧水量想定の方法論に関する検討−」、鉄道技術研究報告、Ｎｏ．２７９、ｐ．７９、１９６２年
【非特許文献２】大島洋志，西森紳一：「トンネル工事を対象とした水文調査法の研究」、鉄道技術研究報告、Ｎｏ．１１０８、ｐ．１８６、１９７９年
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１２１５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ここで、特許文献１に記載の方法（湧水予測手段）は、非特許文献１、非特許文献２による方法を忠実にトレースしたものである。例えば、平均的透水性指標ｋｔを算定するために地表の小河川流域の平均比高を求める際には、流域内に複数の断面線を想定し、この線上での標高値を数値標高データから抽出することによって計算するようにしている。
【００１５】
しかしながら、このような方法は、非特許文献１、非特許文献２のような手作業では流域内の全ての地点を対象にできないために採られた手段であり、コンピュータを用いれば多数の標高値を一挙に処理できる利点を十分に活用できているとは言えない。
【００１６】
また、特定の断面線に限定されたデータを使用することによって偏りのある結果がもたらされる可能性もある。
【００１７】
さらに、非特許文献１に記載の通り、平均的透水性指標ｋｔを算定するために地表標高そのものに準拠する方法は実用性を前提とした仮定に基づく近似であり、この非特許文献１には数値標高データをより活用した別種の数値パラメータによって実測との適合性をより図る方法等について何ら記載も示唆もされていない。
【００１８】
また、算定された湧水影響範囲内においても、その影響の度合いが場所によってばらつくと考えられるが、これに対する評価の方法に関しても特に言及されていない。
【００１９】
本発明は、上記事情に鑑み、トンネルなどの地下空洞構造物を構築するにあたり、周辺地盤の湧水量や湧水範囲（影響範囲）をより精度よく予測することを可能にする湧水予測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】
【００２０】
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。
【００２１】
本発明の湧水予測方法は、地盤に地下空洞を構築することに伴う湧水範囲と湧水量を予測するための湧水予測方法であって、数値標高データから地下水位面を推定するとともに、任意の間隔の格子上に配列された数値標高データとしての地下水位面標高データを算出する地下水位面標高データ算出工程と、各格子点での標高から求めた最急傾斜方位に基づいて、隣接する格子点から水の流入がない点を抽出して結んだ境界線で囲まれる領域であり、地下水位面標高データから地下水の移動領域を示す水収支域を求める水収支域算出工程と、水収支域の面積を同域の代表長さで除して水収支域に基づく影響幅Ｒ’を算出するとともに、水収支域内の全格子点標高の平均値から同水収支域内の最低点標高を減じて水収支域に基づく水位Ｈ’を算出する地下水の影響幅・水位算出工程と、地下空洞周辺の各水収支域の平均的透水性指標ｋｔ’を、式１：ｋｔ’＝Ｒ’２／６Ｈ’で求めるとともに、水収支域に基づく影響幅Ｒ’と水位Ｈ’の関係式である式２：Ｈ’＝ Ｒ’２／６ｋｔ’を得る平均的透水性指標算出工程と、地下空洞周辺の任意の数の断面を設定し、断面線上での地下水位標高値を抽出する任意断面地下水位標高値抽出工程と、前記断面線が交わる水収支域から地下空洞が横切る水収支域を選択し、該選択した水収支域において、前記断面線上での地下空洞の最底標高を原点とした式２の曲線を想定し、水位Ｈ’が地下水位標高より高くなるときの影響幅Ｒ’を計算し、求めた水位Ｈ’と影響幅Ｒ’を満たす点の位置を地表面に垂直投影して垂直投影点Ｐを求める垂直投影点Ｐ算出工程と、地下空洞が横切る全ての水収支域に対して垂直投影点Ｐを計算するとともに、これらの垂直投影点Ｐを繋いで湧水範囲を求める予測湧水範囲決定工程と、地下空洞周辺河川の渇水期比流量に湧水範囲の面積に乗じて湧水量を求める予測湧水量決定工程とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の湧水予測方法においては、前記式２で表される水位Ｈ’と影響幅Ｒ’の関係の曲線をそれぞれの断面位置で任意の間隔にて分割して離散的なＨ’Ｒ’点を計算し、離散的なＨ’Ｒ’点を空間的に補間してＨ’Ｒ’曲面を求め、該Ｈ’Ｒ’曲面と地下水位面との深度方向の距離差分を湧水影響度とする湧水影響度算出工程を備えていることが望ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の湧水予測方法においては、トンネルなどの地下空洞構造物の構築に伴う湧水範囲・湧水量を数値標高データから計算するにあたり、実測値にさらに適合した高精度の予測が可能になる。
【００２４】
また、トンネル掘削など、地下空洞の施工に伴う湧水に関する検討をより簡便・迅速に行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る湧水予測方法を示すフロー図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る湧水予測方法において、水収支域での影響幅Ｒ’と水位Ｈ’を求める手法を示す図である。
【図３】トンネル計画線に交わる水収支域の選択例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る湧水予測方法による影響幅Ｒ’−水位Ｈ’曲線と推定地下水位面及び湧水影響範囲の関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る湧水予測方法による湧水影響度の設定方法を示す図である。
【図６】「高橋の方法」による影響幅Ｒ−水位Ｈ曲線と地表面及び湧水影響範囲の関係を示す図である。
【図７】「高橋の方法」による湧水影響範囲の作図方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図１から図５を参照し、本発明の一実施形態に係る湧水予測方法について説明する。
なお、本実施形態では、地下空洞構造物がトンネルであるものとして説明を行うが、本発明は勿論、トンネル以外のあらゆる地下空洞構造物の構築に伴う湧水予測に適用可能である。
【００２７】
はじめに、本実施形態の湧水予測方法は、トンネル掘削に起因して発生する地下水流出範囲（以下、湧水範囲という）や流出量（以下、湧水量という）を簡便・迅速な方法によって算出することを目的に、前記非特許文献１、非特許文献２に示される「高橋の方法」を援用しつつ数値標高データを活用し、特許文献１とは異なる手段によって湧水範囲、湧水量を算出し、さらにその影響度合いを評価するため方法である。
【００２８】
また、本実施形態の湧水予測方法は、図１に示す湧水範囲・湧水量の算定フローで表すことができる。
【００２９】
そして、このフローで表せる本実施形態の湧水予測方法は、非特許文献１、非特許文献２で示された「高橋の方法」に準拠したものであるが、数値標高データを活用してパソコンなどのコンピュータにより簡便・迅速に処理を行うことを前提としており、湧水影響幅Ｒと水位Ｈを求める方法が従来と異なるものである。
【００３０】
具体的に、本実施形態の湧水予測方法では、まず、地下水の影響幅Ｒと水位Ｈを算出する際に、地表面の標高値そのものは使わずに、数値標高データから地下水位面を推定するとともに、適当な間隔の格子上に配列された数値標高データとしての地下水位面標高データを算出する（図１のＳｔｅｐ１、Ｓｔｅｐ２、Ｓｔｅｐ３：地下水位面標高データ算出工程）。
【００３１】
この地下水位面標高データ算出工程は、前述のように地表面の標高から地下水の影響幅Ｒと水位Ｈを算定することが仮定に基づく近似であり、本来、地下水位面に基づいて求める必要があるために行うものである。
【００３２】
また、実際の地下水位面の高さを広範囲で捉えることは困難であるため、本実施形態の地下水位面標高データ算出工程では、例えば、本願の発明者らによる「山地部の地下水位面の推定方法（西琢郎，本多眞：「水文地質構造評価のための地形解析システムの開発、清水建設研究報告、Ｎｏ．８１、ｐ．７−１２、２００５年／特開２００６−２１４９７３号公報）を用い、数値標高データから地下水位面に近い標高値を算出し、以降これに基づいて計算を進めればよい。
【００３３】
なお、地下水位面標高を得る方法として、必ずしも上記の方法を用いることに限定しなくてもよく、例えば井戸水位やボーリング孔水位の実測値を補間するような方法などを用いてもよい。
【００３４】
次に、地下水位面標高データから地下水の移動領域を示す水収支域を計算する（図１のＳｔｅｐ４：水収支域算出工程）。この水収支域は、各格子点での標高から求めた最急傾斜方位に基づいて、隣接する格子点から水の流入がない点を抽出して結んだ境界線（＝分水界）で囲まれる領域である。
【００３５】
本実施形態の湧水予測方法では、このように求めた水収支域を非特許文献１、非特許文献２で用いられる小河川流域の代替とする。
なお、この水収支域と地表の小河川領域は位置・形状が異なるので、本実施形態では、以下、水収支域に基づく湧水影響幅をＲ’、水位をＨ’と記す。
【００３６】
また、図２に示すように、非特許文献１、非特許文献２で採られた方法と同様に、水収支域に基づく影響幅Ｒ’は水収支域の面積を同域の代表長さで除したものとして算出する。一方、水収支域に基づく水位Ｈ’は、非特許文献２や特許文献１と異なり、水収支域内の全格子点標高の平均値から同域内の最低点標高を減じたものとして算出する（図１のＳｔｅｐ５：地下水の影響幅・水位算出工程）。
これにより、本実施形態の湧水予測方法では、任意に設定された断面線上から抽出された限られたデータを用いることによる結果の偏りを防ぐことができる。
【００３７】
次に、対象となるトンネル周辺の各水収支域の平均的透水性指標ｋｔ’を、式１：ｋｔ’＝Ｒ’２／６Ｈ’で求める（図１のＳｔｅｐ５：平均的透水性指標算出工程）。また、水収支域に基づく影響幅Ｒ’と水位Ｈ’の関係式、式２：Ｈ’＝ Ｒ’２／６ｋｔ’を得る。
【００３８】
次に、トンネル計画線に直交する適当な数の断面を設定し、断面線上での地下水位標高値を抽出する（図１のＳｔｅｐ６：任意断面地下水位標高値抽出工程）。
【００３９】
また、図３に示すように、断面線が交わる水収支域からトンネル計画線が横切る水収支域を選択し（水収支域選択工程）、その水収支域の式２で表される曲線を断面線上でのトンネル底盤標高（地下空洞の最底標高）を原点として想定し、水位Ｈ’が地下水位標高より高くなるときの影響幅Ｒ’を計算する。そして、図４に示すように、この水位Ｈ’と影響幅Ｒ’を満たす点の位置を地表面に垂直投影して垂直投影点Ｐを得る（図１のＳｔｅｐ７：垂直投影点Ｐ算出工程）。
【００４０】
そして、トンネル計画線が横切るすべての水収支域において点Ｐを計算し、それらを繋ぐことによって湧水範囲を求める（図１のＳｔｅｐ８：予測湧水範囲決定工程）。
【００４１】
また、別途の観測あるいは既存文献等から得られた対象トンネル周辺河川の渇水期比流量（単位は流量／時間／面積）に湧水範囲の面積に乗じることによって湧水量（流量／時間）を求める（図１のＳｔｅｐ９：予測湧水量決定工程）。
【００４２】
また、本実施形態の湧水予測方法においては、湧水範囲内での湧水の影響度合いを次の手段で算定する。
【００４３】
式２で表される水位Ｈ’と影響幅Ｒ’の関係の曲線をそれぞれの断面位置で適当な間隔で（任意の間隔にて）分割して離散的なＨ’Ｒ’点を計算し、これを空間的に補間してＨ’Ｒ’曲面を求める。このＨ’Ｒ’曲面と地下水位面との深度方向の距離差分を湧水影響度と定義し、適当な間隔の格子座標等において各々の差分値を計算する（図５：湧水影響度算出工程）。
【００４４】
この差分値群を例えばコンター図などで表現することによって、湧水範囲内での影響度合いを視覚的に図示することが可能となり、また、影響度が大きい場所を抽出して各種の評価・検討を行うことが可能になる。
【００４５】
したがって、本実施形態の湧水予測方法においては、トンネルなどの地下空洞構造物の構築に伴う湧水範囲・湧水量を非特許文献１、非特許文献２に準拠した方法で数値標高データから計算するにあたり、非特許文献１、非特許文献２が指摘していた仮定上の問題を、より現実に近い形のデータを作成することによって解決することができ、実測値にさらに適合した高精度の予測が可能になる。
【００４６】
また、数値標高データを利用する利点をより有効に活用するようにしているため、偏りの少ない結果を得ることができる。
【００４７】
さらに、従来、湧水範囲・湧水量のみが提供されていた結果から、その影響度合いも含む結果を得ることが可能になる。
【００４８】
よって、本実施形態の湧水予測方法によれば、トンネル掘削など、地下空洞の施工に伴う湧水に関する検討をより簡便・迅速に行うことが可能になる。
【００４９】
以上、本発明に係る湧水予測方法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。
【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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