(57)【要約】【課題】  トンネル掘削に際して地山の湧水量や透水係数を簡易に推定し、それに基づき最適な止水改良を行う。【解決手段】  密閉型のトンネル掘進機１０２により湧水性地山にトンネル（パイロット坑１０１）を掘削しながら、周囲の空隙に湧出している湧水を排水して空隙での水位を一定量低下させ、それに要する時間、排水量を測定するとともに、排水停止後に水位が回復するに要する時間を測定し、その測定値に基づいて単位時間当たりの湧水量と透水係数を推定する。パイロット坑を掘削する際に上記の推定を行い、その推定に基づいてパイロット坑の外側の湧水性地山に対する止水改良を行う。【選択図】      図１
2005083124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉型のトンネル掘進機により湧水性地山にトンネルを掘削しながらその途中で地山の湧水量を推定するための方法であって、トンネル掘進機周囲の空隙に湧出している湧水をトンネル掘進機内に排水して、空隙での水位を一定量低下させるに要する時間と排水量を測定するとともに、排水停止後に水位が回復するに要する時間を測定し、その測定値に基づいて単位時間当たりの湧水量を推定することを特徴とする湧水量推定方法。
【請求項２】
密閉型のトンネル掘進機により湧水性地山にトンネルを掘削しながらその途中で地山の透水係数を推定するための方法であって、トンネル掘進機周囲の空隙に湧出している湧水をトンネル掘進機内に排水して空隙での水位を一定量低下させた後、水位回復に要する時間とその間の水位変化を測定し、その測定値に基づいて周囲地山の透水係数を推定することを特徴とする透水係数推定方法。
【請求項３】
湧水性地山にトンネルを構築するべく、まず、密閉型のトンネル掘進機を掘進させつつセグメントによる覆工を行うことにより、施工するべき本設トンネルよりも小断面のパイロット坑を本設トンネルの断面内で貫通させ、次いで、パイロット坑の内側からその外側の湧水性地山に対して止水改良を行うことにより、本設トンネルの掘削予定断面よりも外側の湧水性地山を止水性地山に改良し、しかる後に、パイロット坑のセグメントを解体撤去しながら、改良した止水性地山とパイロット坑との間の環状の地山をトンネル掘進機により掘削しつつ覆工を行って本設トンネルを構築するトンネル掘削工法において、
パイロット坑を掘削しながらその途中でトンネル掘進機の周囲の空隙に湧出している湧水をトンネル掘進機内に排水して、空隙での水位を一定量低下させるに要する時間と排水量を測定するとともに、排水停止後に水位が回復するに要する時間とその間の水位変化を測定することにより、それらの測定値に基づいて単位時間当たりの湧水量と周囲地山の透水係数を推定し、
それらの推定値に基づいてパイロット坑の外側の湧水性地山に対する止水改良を行うことを特徴とするトンネル掘削工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湧水性地山にトンネルを掘削するに際して地山の湧水量と透水係数を推定するための方法、およびそれを利用したトンネル掘削工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
湧水性地山にトンネルを掘削する際には、湧水を大量に排水して地下水位を低下させることが施工上有利な場合があるが、近年においては自然環境保護の観点から地下水位を人為的に低下させることは好ましくないとされ、湧水の排水を可及的に抑制することが望まれている。そのため、たとえば特許文献１に示されるように、湧水性地山に大断面のトンネルを掘削するための工法として、まず小径のパイロット孔を先行掘削してその周囲に対して止水改良を行い、その止水改良範囲を拡径して本設トンネルを構築することにより、排水量を大幅に削減し地下水位の低下を抑制するという工法が提案されている。
【０００３】
上記のような場合において地山に対して適正な止水改良を行うためには、事前に地山の水理状態を正確に把握することが必要であり、そのため、たとえば特許文献２に示されるような透水試験を事前に実施して地山の湧水量や透水係数を把握することが通常である。
【特許文献１】特開２００２−２０１８９０号公報
【特許文献２】特開平６−２９４１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に示されるようなトンネル掘削工法においては、パイロット孔の周囲全体に適切な止水改良を行うためにはその止水改良を行うべき対象範囲のできるだけ広範囲にわたって事前に透水試験を行うことが好ましいのであるが、特許文献２に示されるように従来の透水試験は地表から大深度のボーリング孔を穿孔してそのボーリング孔から揚水を行うことを基本とするものであるので必ずしも簡易に実施できるものではなく、そのような透水試験を事前に広範囲にわたって多数箇所で行うことは、多大な手間と費用を要することから現実的ではない。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明は本格的な透水試験によらずとも地山の湧水量や透水係数を簡易に推定し得る有効適切な推定方法と、そのような方法によって掘削途中で湧水量や透水係数を推定しつつ最適な止水改良を行い得る有効適切なトンネル掘削工法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、密閉型のトンネル掘進機により湧水性地山にトンネルを掘削しながらその途中で地山の湧水量を推定するための方法であって、トンネル掘進機周囲の空隙に湧出している湧水をトンネル掘進機内に排水して、空隙での水位を一定量低下させるに要する時間と排水量を測定するとともに、排水停止後に水位が回復するに要する時間を測定し、その測定値に基づいて単位時間当たりの湧水量を推定することを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明は、密閉型のトンネル掘進機により湧水性地山にトンネルを掘削しながらその途中で地山の透水係数を推定するための方法であって、トンネル掘進機周囲の空隙に湧出している湧水をトンネル掘進機内に排水して空隙での水位を一定量低下させた後、水位回復に要する時間とその間の水位変化を測定し、その測定値に基づいて周囲地山の透水係数を推定することを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明は、湧水性地山にトンネルを構築するべく、まず、密閉型のトンネル掘進機を掘進させつつセグメントによる覆工を行うことにより、施工するべき本設トンネルよりも小断面のパイロット坑を本設トンネルの断面内で貫通させ、次いで、パイロット坑の内側からその外側の湧水性地山に対して止水改良を行うことにより、本設トンネルの掘削予定断面よりも外側の湧水性地山を止水性地山に改良し、しかる後に、パイロット坑のセグメントを解体撤去しながら、改良した止水性地山とパイロット坑との間の環状の地山をトンネル掘進機により掘削しつつ覆工を行って本設トンネルを構築するトンネル掘削工法において、パイロット坑を掘削しながらその途中でトンネル掘進機の周囲の空隙に湧出している湧水をトンネル掘進機内に排水して、空隙での水位を一定量低下させるに要する時間と排水量を測定するとともに、排水停止後に水位が回復するに要する時間とその間の水位変化を測定することにより、それらの測定値に基づいて単位時間当たりの湧水量と周囲地山の透水係数を推定し、それらの推定値に基づいてパイロット坑の外側の湧水性地山に対する止水改良を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の湧水量推定方法および透水係数推定方法によれば、トンネル掘進機により掘削しながらその途中で周囲の空隙を通常の透水試験における試験区間に見立てた簡易な透水試験を実施することにより、湧水量および透水係数を簡易に推定することができ、さしたる手間と費用を必要とせずに所望の地点における水理データを得ることができる。
【００１０】
本発明のトンネル掘削工法によれば、パイロット坑の掘削に際して各地点において上記の推定方法により湧水量と透水係数を推定し、それにより得られたデータをパイロット坑の外側に対する止水改良工程に反映することにより、実際の地山の状況に即した最適な止水改良を実施することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
まず、図１を参照して本発明のトンネル掘削工法の一実施形態を説明する。
【００１２】
「パイロット坑の掘削工程」
湧水性地山に対して大断面のトンネル１００を構築するに際し、まず、（ａ）に示すようにパイロット坑１０１を先行掘削する。パイロット坑１０１は、最終的に構築するべき本設トンネル１００に比較して充分に小径で良く、たとえば本設トンネル１００の直径が１３ｍ程度の場合にはパイロット坑１０１の直径は５ｍ程度で良い。また、パイロット坑１０１の掘削位置は本設トンネル１００の断面のほぼ中央位置とする。
【００１３】
パイロット坑１０１の掘削は、それ自体で止水可能な密閉型のトンネル掘進機１０２、たとえば密閉型のＴＢＭ、あるいは密閉型のシールド掘進機を掘進させることで行うが、いずれにしてもその掘進と同時に孔壁に対してセグメント１０３による覆工を行ってパイロット坑１０１全体の止水性を確保する。勿論、その施工に際しては、通常のトンネル掘削の場合と同様に、セグメント１０３をはじめとする各資機材を発進側の坑口より切羽に搬送し、ズリは発進側の坑口に向けて後方へ搬出する。
【００１４】
「止水改良工程」
パイロット坑１０１を貫通させた後、（ｂ）に示すようにその内側から周囲の地山に対して止水材を注入することにより、本設トンネル１００の掘削予定断面よりも外側の地山（クロスハッチングを施した領域）を止水性地山１０４に改良してその止水性を確保する。その作業は、適宜の止水改良装置１０５を発進側の坑口からパイロット坑１０１内に進入させ、パイロット坑１０１の軸方向に所定長さずつ改良を行っては漸次前進させていけば良い。なお、止水改良に要する資機材の搬送は発進側または到達側の坑口のいずれかもしくはその双方から行えば良いが、当初は発進側の坑口から行い、次に述べるように本設トンネル１００の掘削を開始した後は前方（到達側）の坑口から行うと良い。
【００１５】
「本設トンネルの掘削工程」
発進側の坑口から一定距離だけ止水改良が完了したら、それを追いかけるようにして本設トンネル１００の掘削に着手する。すなわち、（ｃ）に示すように、環状のカッタを備えた開放型の全断面トンネル掘進機１０６を発進側の坑口から発進させ、パイロット坑１０１のセグメント１０３を解体撤去しながら、既に止水改良されている止水性地山１０４とパイロット坑１０１との間の環状の地山をその全断面トンネル掘進機１０６により掘削することでパイロット坑１０１を拡径（リーミング）する形態で本設トンネル１００を掘削し、その全断面トンネル掘進機１０６を掘進させつつ後方にセグメント１０７による覆工を行って本設トンネル１００を構築していく。
【００１６】
この際、本設トンネル１００に覆工するセグメント１０７は通常通り発進側の坑口から切羽に向けて搬送し、ズリは切羽から発進側の坑口に向けて搬送すれば良い。また、パイロット坑１０１におけるセグメント１０３の解体撤去は、パイロット坑１０１内の解体予定位置に適宜の解体装置（図示略。セグメントを組み立てるためのエレクタと同様のもので良い）を配置して行い、解体したセグメント１０３をパイロット坑１０１内に設けた適宜の搬送装置により前方に搬送して到達側の坑口から搬出すれば良い。
【００１７】
上記の工法によれば、小径のパイロット坑１０１の先行掘削は通常の密閉型のトンネル掘進機１０２により自ずと止水性を確保しながら効率的に実施することができるし、その際に湧水を多量に排水する必要もない。また、パイロット坑１０１を貫通させた後にその内側から周囲地山に止水改良を行うことから、その止水改良工事には充分な資機材を投入することが可能であり、したがってその止水改良も効率的に行うことができる。そして、上記の止水改良を行いつつその後方から本設トンネル１００の掘削を並行して行うとともに、本設トンネル１００の掘削に際してはその周囲地山が既に止水性地山１０４に改良されていて自ずと止水性が確保されているから、本設トンネル１００の掘削は開放型の全断面トンネル掘進機１０６によることで充分であるし、湧水の湧出も自ずと抑制されているので地下水を多量に排水するような必要もない。
【００１８】
ところで、上記工法においてパイロット坑１０１の内部からその外側の地山に対して最適な止水改良を行うためには、地山の実際の水理状態を広範囲にわたって把握する必要があるので、上記工法においてはパイロット坑１０１を掘削しながらその途中で周囲の地山の各位置における湧水量と透水係数を推定し、それにより得た水理データを後段の止水改良工程に反映して最適な止水改良を行うようにしている。
【００１９】
そのため、パイロット坑１０１を掘削するためのトンネル掘進機１０２には、図２に示すようにバルクヘッド１０８に排水管１０９を接続して、このトンネル掘進機１０２の周囲の空隙に湧出している湧水や掘削泥水をその排水管１０９を通してトンネル掘進機１０２の内部に排水できるようにしており、かつ、バルクヘッド１０８の頂部付近には外部に連通してそこでの水位を検出するための水位計１１０を設けておく。排水管１０９には流量計１１１およびバルブ１１２を設けておく。なお、排水した湧水や掘削泥水は排水タンクに貯留しておいて最終的には地山に復水させると良い。また水位計１１０には必要に応じて水圧を測定するための水圧計１１３を設けておくと良い。
【００２０】
「湧水量の推定」
湧水量を推定するには、その地点でトンネル掘進機１０２を停止させ、排水管１０９に取り付けてあるバルブ１１２を開くことにより、トンネル掘進機１０２の周囲の空隙に湧出している湧水を排水管１０９から排水しつつ、その水位を水位計１１０により監視し、図３に示すように水位低下量δが一定値（たとえば５ｃｍ）となるに要する時間ｔと、その間の排水量Ｑを水量計１１１により測定する。その後、バルブ１１２を閉じて排水を停止すると、水位が自ずと回復していくので、水位が回復するに要する時間Ｔも測定する。それらの測定値ｔ、Ｑ、Ｔに基づいて単位時間当たりの湧水量Ａは以下により推定することができる。
【００２１】
水位低下量δが一定値となるまでの排水量Ｑ、それに要する時間ｔ、水位が回復するに要する時間Ｔ、地山からの単位時間当たりの湧水量Ａ、水位低下量δが生じた空隙の容積Ｖとの間には、
Ｖ＝Ｑ−Ａ×ｔ
Ａ＝Ｖ／Ｔ
の関係があるから、これから推定するべき湧水量Ａは、水位低下が生じた空隙の容積Ｖとは係わりなく
Ａ＝Ｑ／（Ｔ＋ｔ）
として求めることができる。
【００２２】
なお、図３に示すように、直径５ｍ、全長１０ｍのトンネル掘進機１０２の場合において、余堀り量１０ｃｍの場合、水位低下量δを５ｃｍに設定した場合には、そのような水位低下が生じる空隙の容積Ｖは２００リットル程度、すなわち
Ｖ＝（２×１×０．０５）＋（０．１×０．０５×１０×２）
＝０．２ｍ３＝２００リットル
であり、そのような水位低下および水位回復に要する時間は数分ないし数十分程度に過ぎず、したがって上記の湧水量の推定（および次に示す透水係数の推定）は、たとえば作業員の交代のために定期的に設定される掘進停止時（通常は１日に２〜３回）を利用して行うことができるから、そのために全体工程が遅延することもない。
【００２３】
「透水係数の推定」
透水係数の推定は周知の現場透水試験（非定常水位回復法）に準じて行う。その現場透水試験は、ボーリング孔の先端に地下水が流入するストレーナー部分を設けてそこを試験区間として設定し、その試験区間内の水位を人工的に低下させた後、水位の回復状況を刻々と測定して、地下水位の回復量（測定水位と平衡水位との水位差Ｓ）と経過時間ｔの関係を図４に示すグラフにプロットし、初期の直線部分の傾きｍを求め、次式により透水係数ｋを算定するものである。
ｋ＝0.66×ｄ２×log（２Ｌ／Ｄ）×ｍ／Ｌ
ここで、ｋ：透水係数（ｃｍ／ｓｅｃ）
ｍ：グラフの初期直線部分の傾き
ｍ＝log（S1／S2）／（t2−t1）
S1：時刻t1における水位差、
S2：時刻t2における水位差
ｄ：測定パイプの内径（ｃｍ）
Ｄ：試験区間の直径（ｃｍ）
Ｌ：試験区間の長さ（ｃｍ）
【００２４】
本発明の透水係数推定方法は、トンネル掘進機１０２の周囲の空隙を上記の現場透水試験における試験区間に見立てて、図４のグラフおよび上式により透水係数を求めるものである。
【００２５】
具体的な数値を挙げて一例を説明すると、トンネル掘進機の直径（試験区間の直径Ｄに相当）が５ｍ、長さ（試験区間の長さＬに相当）が１０ｍの場合において、その外部において水位を５ｃｍ低下させた後、水位の回復に１０分間を要したとする。測定パイプの内径ｄは、水位低下量に相当する空隙の容積Ｖが２００リットルと想定し、水位が５ｃｍ上昇する円筒の直径に相当するものとして２２４ｃｍとする。平衡水位は測定できないので、設計時の地質断面図の地下水面からの静水圧として地下水面から５０ｍであるとする。なお、この静水圧は、掘進停止時に水位低下させた後、水位が回復して満水になりさらに定常水圧になるまで待てば、水圧計１１３により計測することができる。この場合、上式における各値は、
Ｓ1＝5000（ｃｍ）
Ｓ2＝4995（ｃｍ）
ｔ1＝0
ｔ2＝600（ｓｅｃ）
ｍ＝log(5000/4995)/(t2-t1)＝7.24×10−７
ｄ＝224（ｃｍ）
Ｄ＝500（ｃｍ）
Ｌ＝1000（ｃｍ）
となるので、これから透水係数ｋは
ｋ＝0.66×2242×log(2×1000/500)×7.24×10−７/1000
＝1.4×10−５
として求められる。
【００２６】
なお、透水係数と湧水量とは、深度（あるいはその地点での静水圧）をパラメータとして図５に示すような関係があるので、予め浸透流解析をもとにしてこのようなグラフを作成しておけば、上記のようにして湧水量または透水係数のいずれかを求めることで他方を概略的に推定することができるし、双方の推定値を検証することもできる。
【００２７】
以上のように、本発明によれば、パイロット坑１０１を掘削しながらその途中でトンネル掘進機１０２の周囲の空隙から湧水を一時的に排水し、水位をわずかだけ低下させかつ復水させてその間の排水量と時間を測定することのみで、さしたる手間と費用を要さずに湧水量と透水係数を簡易に推定することができる。そして、そのデータを後段の止水改良工程に反映することにより、最適な止水材を選定したり、止水材の注入量を増減する等して、実際の地山の状況に応じた最適な止水改良を行うことができるし、仮に湧水が殆ど無い区間があったとすればそこでの止水改良を省略することも可能であり、合理的かつ効率的な施工が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のトンネル掘削工法の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明の湧水量推定方法および透水係数推定方法を行うためのトンネル掘進機の一例を示す図である。
【図３】本発明の湧水量推定方法の推定手法を説明するための図である。
【図４】本発明の透水係数推定方法の推定手法を説明するための図である。
【図５】湧水量と透水係数との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１００  本設トンネル
１０１  パイロット坑
１０２  トンネル掘進機
１０９  排水管
１１０  水位計
【図１】
2005083124.tif 000003
【図２】
2005083124.tif 000004
【図３】
2005083124.tif 000005
【図４】
2005083124.tif 000006
【図５】
2005083124.tif 000007