(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルボーリングマシンで地山を掘削する際に、切羽前方の地山性状を予測する切羽前方地山性状予測方法であって、
切羽の所定距離前方に脆弱層が存在する可能性を示唆する地山性状を示す値として第一のしきい値を予め設定するとともに、切羽が脆弱層に近接している可能性を示唆する地山性状を示す値として前記第一のしきい値よりも低い第二のしきい値を予め設定しておき、
トンネルボーリングマシンを掘進させ、
このトンネルボーリングマシンの掘進中の切羽において地山を掘削する際に要するカッタトルク、スラスト推力、カッタ回転数、カッタ貫入量のうち少なくとも一つを掘削データとして収集し、
収集された前記掘削データから掘削中の切羽における地山性状を示す値を推定し、
この推定された掘削中の切羽における地山性状を示す値を前記第一のしきい値及び前記第二のしきい値と比較し、
トンネルボーリングマシンが予め設定された所定の第一の距離を掘進する間、前記推定された掘削中の切羽における地山性状を示す値が前記第一のしきい値を継続して下回る場合、又は、トンネルボーリングマシンが予め設定されて前記第一の距離よりも短い所定の第二の距離を掘進する間、前記推定された掘削中の切羽における地山性状を示す値が前記第二のしきい値を継続して下回る場合、切羽前方に脆弱層が存在する可能性があると予測することを特徴とする切羽前方地山性状予測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の切羽前方地山性状予測方法において、
トンネルボーリングマシンの１ストローク分の推進距離を前記第一の距離とすることを特徴とする切羽前方地山性状予測方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の切羽前方地山性状予測方法を用いて切羽前方の地山性状を予測しながら、トンネルボーリングマシンで地山を掘削し、
切羽前方に脆弱層が存在すると予測されると、トンネルボーリングマシンの掘進を停止することを特徴とする地山掘削方法。
【請求項４】
請求項３に記載の地山掘削方法において、
切羽の前方に脆弱層が存在する可能性があると予測された場合には、切羽前方の地山にボーリング孔を複数箇所穿設して切羽前方の地質探査を行うことを特徴とする地山掘削方法。
【請求項５】
請求項４記載の地山掘削方法において、
前記切羽前方の地質探査の結果に応じて地山の掘削に先行して切羽前方の地山を補強する先受けを行うことを特徴とする地山掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネルボーリングマシンにより地山を掘削する際の切羽前方地山性状予測方法および地山掘削方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭという）は、ディスクカッタを回転させながらグリッパを坑壁に押しつけ固定し、これに反力をとり、スラストジャッキを伸ばして機体を前進させて地山を掘削する。このＴＢＭを用いて地山を掘削すると急速施工が期待できる反面、断層破砕帯等の脆弱な地層に遭遇すると切羽の崩壊などにより掘削不能となる場合がある。このような事態を避けるためには、切羽前方の地山性状を正確に予測し、切羽前方に脆弱層が存在すると予測した場合には適切な先受け工法を実施し、地山の崩壊を防止することが極めて重要となる。
【０００３】
しかしながら、ＴＢＭは全断面トンネル掘進機ともいわれるように切羽がＴＢＭ機体で塞がれており、切羽の地山の様子を直接観察することができない。このため、切羽前方の地山性状を予測する方法として、例えば、特開２００２−０１３３８１号公報に開示されるように、ＴＢＭに搭載された油圧式削岩機により穿孔する際に要する穿孔エネルギに基づいて切羽前方の地山性状を予測することが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開２００２−０１３３８１号公報に開示された技術をＴＢＭで地山を掘削する際に適用した場合、通常、１断面あたり１カ所の削孔を実施する場合が多い。しかしながら、地山脆弱部が切羽前方の未掘削地山に不規則な形状で分布する場合、脆弱層を回避した状態で削孔される可能性もあり、脆弱層の存在を正確に把握できない場合があった。一方、１断面あたり複数箇所を穿孔し切羽前方の地質探査を行うものとすると、手間がかかるばかりか、ＴＢＭの施工サイクルに影響を与え、ＴＢＭの急速施工という利点を犠牲にする恐れがあった。
【０００５】
一方、掘削時に得られるカッタトルクやスラスト推力等のＴＢＭの掘削データは、切羽の地山性状を均した面的なデータとなり、既往の研究により比較的広範な地山性状と高い相関があることが知られている。しかし、これらのデータはＴＢＭ周辺の既掘削区間における地質性状を評価するために利用されることが多く、切羽前方の地質探査への適用は十分になされていない。
本発明の課題は、ＴＢＭの掘削データを利用して切羽前方の地山性状を正確に予測し、ＴＢＭが脆弱層に進入し掘削不能となる事態を回避することのできるトンネルボーリングマシンの切羽前方地山性状予測方法および地山掘削方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば図１〜図４に示すように、  トンネルボーリングマシン１で地山を掘削する際に、切羽前方の地山性状を予測する切羽前方地山性状予測方法であって、切羽の所定距離前方に脆弱層が存在する可能性を示唆する地山性状を示す値として第一のしきい値Ａを予め設定するとともに、切羽が脆弱層に近接している可能性を示唆する地山性状を示す値として前記第一のしきい値よりも低い第二のしきい値Ｂを予め設定しておき、トンネルボーリングマシン１を掘進させ、このトンネルボーリングマシン１の掘進中の切羽において地山を掘削する際に要するカッタトルク、スラスト推力、カッタ回転数、カッタ貫入量のうち少なくとも一つを掘削データとして収集し、収集された前記掘削データから掘削中の切羽における地山性状を示す値（推定岩盤強度）を推定し、この推定された掘削中の切羽における地山性状を示す値を前記第一のしきい値及び前記第二のしきい値と比較し、トンネルボーリングマシン１が予め設定された所定の第一の距離（例えば、１ｓｔ：１．５ｍ）を掘進する間、前記推定された掘削中の切羽における地山性状を示す値が前記第一のしきい値Ａを継続して下回る場合、又は、トンネルボーリングマシンが予め設定されて前記第一の距離よりも短い所定の第二の距離（例えば、１０ｃｍ）を掘進する間、前記推定された掘削中の切羽における地山性状を示す値が前記第第二のしきい値Ｂを継続して下回る場合、切羽前方に脆弱層が存在する可能性があると予測することを特徴とする。
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、トンネルボーリングマシンを掘進させる際に、掘削中の切羽において地山を掘削する際に要する掘削データを収集し、この掘削データから掘削中の切羽における地山性状を示す値を推定している。そして、この推定された切羽における地山性状を示す値と、予め設定されたしきい値とを比較し、トンネルボーリングマシンが予め設定された所定の距離を掘進する間、推定された切羽における地山性状を示す値が継続して前記しきい値を下回ると、切羽前方に脆弱層が存在すると予測している。収集される掘削中の切羽における前記掘削データは、直径が４，５ｍに達する切羽全面から得られるものであるため、従来のように直径が６５ｍｍ程度のボーリング孔から切羽前方の地山性状を評価する場合と比して、地山の性状を均した面的なデータから切羽前方の地山性状を評価することになる。このため、切羽の前方に脆弱層が不均一な形状で存在する場合であっても、面的なデータから脆弱層の存在を正確に把握することができ、従来の様にボーリング孔を穿設した位置が脆弱層を捉えていなかったために、トンネルボーリングマシンが脆弱層の存在に気が付かず、脆弱層に遭遇し掘進が不能となる事態に陥ることがない。
【０００８】
また、トンネルボーリングマシンの掘進とともに掘削データを収集し、しきい値と前記推定された切羽の地山性状を示す値とを比較しているので、切羽前方の脆弱層存在の可能性の有無をトンネルボーリングマシンの掘進とともに予測することができる。また、地山の性状が安定している時には、切羽前方の地山性状を予測するために掘進を停止してボーリング孔を穿設して切羽前方探査を行う必要がなく、トンネルボーリングマシンの急速施工を保つことができる。
【０００９】
また、地山性状が急激に変化する場合であっても、第二の距離は第一の距離よりも短く、かつ第二のしきい値と掘削データから推定される掘削中の切羽における地山性状を示す値との比較により、切羽が脆弱層に近接している可能性をいち早く予測することができる。このため、トンネルボーリングマシンが地山の急激な変化を予測することができずに、脆弱層に遭遇し掘削が不能となる事態を避けることができる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の切羽前方地山性状予測方法において、トンネルボーリングマシンの１ストローク分の推進距離を前記第一の距離とする。
【００１１】
請求項３記載の発明の地山掘削方法は、例えば、図１、図２および図４に示すように、請求項１または２に記載の切羽前方地山性状予測方法を用いて切羽前方の地山性状を予測しながら、トンネルボーリングマシン１で地山を掘削し、切羽前方に脆弱層が存在すると予測されると、トンネルボーリングマシンの掘進を停止することを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、予め設定されたしきい値と、掘削データから推定された掘削中の切羽における地山性状を示す値との比較により、切羽前方の地山性状を予測し、切羽前方に脆弱層が存在する可能性があると予測した場合に停止するものとしている。したがって、トンネルボーリングマシンの掘進を停止すべきか否かについての判断を客観的に行うことができる。このため、判断する人の経験等によってトンネルボーリングマシンの掘進を停止するか否かの判断が左右されることがない。
また、トンネルボーリングマシンを停止すれば、チャンバー内からトンネルボーリングマシンのカッタヘッドに設けられたスクレーパ等の隙間から切羽の地山の性状を目視にて直接観察することができる。したがって、目視にて観察した上で、先受けを行うか、あるいはボーリング孔を複数穿設してさらに詳細に切羽前方の地質探査を行うか等を判断することができる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項３に記載の地山掘削方法において、例えば図２または図４に示すように、切羽の前方に脆弱層が存在すると予測された場合には、切羽前方の地山にボーリング孔を複数箇所穿設して切羽前方の地質探査を行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明によれば、トンネルボーリングマシンの掘削データから推定された掘削中の切羽における地山性状を示す値と予め設定されたしきい値との比較により、切羽の前方に脆弱層が存在する可能性があると予測された場合には、ボーリング孔を切羽前方に向けて複数箇所穿設して切羽前方の地質探査を行うので、脆弱層の存在する位置や規模等をより詳細に把握することができる。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の地山掘削方法において、例えば図２または図４に示すように、前記切羽前方の地質探査の結果に応じて地山の掘削に先行して切羽前方の地山を補強する先受けを行うことを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明によれば、切羽前方に複数のボーリング孔を穿設して切羽前方の地質探査を行い、その結果に応じて地山の掘削に先行して切羽前方の地山を補強する先受けを行うものとしている。このため、切羽前方の地山を改良して地山の崩落を防ぎ、トンネルボーリングマシンが脆弱層に捉えられて掘進不能となることなく、地山の掘削を継続することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る切羽前方地山性状予測方法及び地山掘削方法の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
まず、地山を掘削する際に用いるトンネルボーリングマシン１（以下、ＴＢＭ１という。）の構成について図１を参照して説明する。
ＴＢＭ１は、複数のディスクカッタ１１ａを備え、回転可能に設けられたカッタヘッド１１と、カッタヘッド１１の回転中心に接続され伸縮自在に設けられたスラストジャッキ１２と、このスラストジャッキ１２を伸ばして掘進する際の反力をとるためのグリッパ１３等が設けられている。
【００１９】
ＴＢＭ１で地山を掘削するには、以下の手順に従う。
まず、ＴＢＭ１を掘削する位置に設置し、グリッパ１３を地山の壁面に押しつけて反力を取る。そして、カッタヘッド１１及びディスクカッタ１１ａをそれぞれ回転させながらスラストジャッキ１２を伸ばしてＴＢＭ１本体を推進する。そして、スラストジャッキ１２を収縮状態から伸長可能な範囲まで伸長させると、１ストローク（以下、ストロークをｓｔとして示す。）の掘削が完了する。
【００２０】
掘削が１ｓｔ完了すると、グリッパ１３の地山への押しつけを解除し、スラストジャッキ１２を収縮させる。そして、グリッパ１３を地山の壁面に新たに押しつけ、カッタヘッド１１及びディスクカッタ１１ａをそれぞれ回転させながらスラストジャッキ１２を伸ばして掘削を進める。これを繰り返し行うことにより、地山を掘削し、例えば全長３，０００ｍに及ぶトンネル等の地下構造物を構築することができる。
【００２１】
次に、本実施の形態にかかる切羽前方地山性状評価方法と、地山掘削方法について図２を参照して説明する。本実施の形態にかかる切羽前方地山性状評価方法は、トンネルを構築すべくＴＢＭ１を掘進させる時に、ＴＢＭ１が地山を掘削する時に要するカッタトルク、スラスト推力、カッタ回転数、カッタ貫入量、掘進速度を掘削データとして収集し、収集された掘削データから掘削中の切羽における岩盤強度（地山性状を示す値）を推定し、この推定された掘削中の切羽の岩盤強度と、予め設定されたしきい値との比較により切羽前方の未掘削区間の地山性状を予測するものである。また、地山掘削方法は、上述した切羽前方地山性状予測方法を利用して切羽前方の地山性状を予測しながら地山の掘削を進めるものである。
【００２２】
まず、しきい値の設定について説明する。
ＴＢＭ１の掘進を開始する前に予めしきい値を設定する。しきい値としては、第一のしきい値Ａと第二のしきい値Ｂとの二つを設定する。第一のしきい値Ａは、切羽の所定距離前方に脆弱層が存在する可能性を示唆する岩盤強度の値であり、本実施の形態においては１８ＭＰａと設定している。第二のしきい値Ｂは、切羽が脆弱層に近接している可能性を示唆する岩盤強度の値であり、本実施の形態においては１０ＭＰａと設定されている。これらの１８ＭＰａ、１０ＭＰａという値の設定については、過去の掘削事例を分析するなどして適宜設定することができる。
【００２３】
ここで、「切羽の所定距離前方に脆弱層が存在する可能性を示唆する岩盤強度の値」とは、現時点の切羽の岩盤強度はＴＢＭ１の掘削に必要な反力をとるに十分な値であり、目視においても地山は硬質であり比較的安定した地質であると確認することができるが、ＴＢＭ１が１ｓｔ（第１の距離）程度を掘進する間継続して切羽の岩盤強度がこの第一のしきい値Ａよりも下回ると、切羽前方において徐々に岩盤強度が低下していき、いずれＴＢＭ１が脆弱層に遭遇する可能性があることを示す値である。また本実施の形態において、切羽の所定距離前方とは、切羽の８〜１０ｍ前方を指す。
【００２４】
また、「切羽が脆弱層に近接している可能性を示唆する岩盤強度の値」とは、現時点の切羽の岩盤強度はＴＢＭ１の掘削に必要な反力をとるに足る値ではあるが、切羽の岩盤強度がこの第二のしきい値Ｂを下回る地点が例えば１０ｃｍ（第二の距離）以上続くと、切羽の極近傍において地山の脆弱化が著しくなることが示唆する値として設定されている。また、「切羽が脆弱層に近接」とは、切羽の１ｍ〜３ｍ前方に脆弱層が存在、あるいは切羽の一部が脆弱層に遭遇していることを指す。
【００２５】
また、トンネルを構築すべくＴＢＭ１の掘進を開始する前に、掘削対象となる地山の地質調査を予め行うことが望ましい。そして、事前の地質調査から脆弱層の存在の有無の可能性や、脆弱層が表出する場合に脆弱層の形状は面状である可能が高いか、不均一である可能性が高いか等を把握しておくとよい。
さらに、トンネルの構築にあたっては、ＴＢＭ１が例えば５０ｍ程度の所定の距離を掘進する毎に、切羽前方に向けてボーリング孔を少なくとも１つ穿設し、切羽前方の地質探査を行うものとすると好ましい。このように、ＴＢＭ１が所定の距離を掘進する毎に穿孔探査を行うことにより、以下に説明する切羽前方地山性状予測の一助とすることができる。
【００２６】
また、前記掘削データから、この掘削データが収集された切羽の岩盤強度を推定するには、以下に示す式（１）に従って求めることができる。また、以下において掘削データから推定した切羽の岩盤強度を推定岩盤強度σｃといい、スラスト推力とカッタ貫入量から求めたものを推定岩盤強度σｃ（ＦN）と表すものとし、カッタトルクとカッタ貫入量から求めたものを推定岩盤強度σｃ（ＴR）と表すものとする。
【数１】
σｃ＝ＦN／（Ｃ1・Ｐ）
＝ＴR／（Ｃ2・Ｐ1.5）  （１）
ここで、σｃ：推定岩盤強度（ＭＰａ）、ＦN：スラスト推力（ｋＮ）、ＴR：カッタトルク（ｋＮ・ｍ）、Ｐ：カッタ貫入量（ｍｍ／rev）、Ｃ1、Ｃ2：定数）である。なお、カッタ貫入量は、ＴＢＭ１の掘進速度をカッタヘッドの回転速度で除すことにより求めることができる。
【００２７】
実際に、本実施の形態における切羽前方地山性状予測方法を用いて、切羽前方の地山性状を予測し、さらに地山性状を予測しながら地山を掘削するには以下の手順に従う。
【００２８】
まず、トンネルを構築すべくＴＢＭ１の掘進を開始する（ステップＳ１）。
この時、ＴＢＭ１が約２ｃｍを掘進する毎に、掘削中の切羽においてＴＢＭ１が地山を掘削する際に要した掘削データを収集し、収集された掘削データから推定岩盤強度σｃ（ＦN）および推定岩盤強度σｃ（ＴR）を求める。すなわち、ＴＢＭ１が約２ｃｍ掘進する毎に、推定岩盤強度σｃ（ＦN）および推定岩盤強度σｃ（ＴR）を求める。
【００２９】
ここで、掘削データから推定岩盤強度σｃ（ＦN）および推定岩盤強度σｃ（ＴR）を求める際には、制御部、演算部、表示部等を備えたパーソナルコンピューター等を用いて処理を行うようにするとよい。また、このようにパーソナルコンピューター等を用いて掘削データから推定岩盤強度σｃ（ＦN）および推定岩盤強度σｃ（ＴR）を求める場合には、処理結果として表示部等に、例えば図３に示すように、ｘ軸を掘削距離とし、ｙ軸を推定岩盤強度σｃ（ＦN）および推定岩盤強度σｃ（ＴR）として、既掘削区間における推定岩盤強度σｃの推移を図示化して表示するとよい。また、この時、図２に示すように、図示化された推定岩盤強度σｃ（ＦN）および推定岩盤強度σｃ（ＴR）の推移とともに、第一のしきい値Ａと第二のしきい値Ｂを表示すると好ましい。
【００３０】
次にステップＳ２に進み、２ｃｍ毎に求められた推定岩盤強度σｃ（ＦN）又は推定岩盤強度σｃ（ＴR）の値が、ＴＢＭ１が１０ｃｍの区間を掘進する間、継続して第二のしきい値Ｂ（１０ＭＰａ）よりも下回るか否かを判断する。
ここで、２ｃｍ毎に求められた推定岩盤強度σｃ（ＦN）又は推定岩盤強度σｃ（ＴR）の値が、１０ｃｍの区間において継続して第二のしきい値Ｂより下回っている（Ｓ２：Ｙ）と判断されると、切羽が脆弱層に近接している可能性があると判断してステップＳ４に進む。
ここで、否（Ｓ２：Ｎ）と判断されると、切羽が脆弱層に近接している可能性はないと判断してステップＳ３に進む。
【００３１】
次に、ステップＳ３では、２ｃｍ毎に求められた推定岩盤強度σｃ（ＦN）又は推定岩盤強度σｃ（ＴR）の値がＴＢＭ１が１ｓｔ掘進する間継続して第一のしきい値Ａよりも下回っているか否かが判断される。
ここで、推定岩盤強度σｃ（ＦN）又は推定岩盤強度σｃ（ＴR）の値がＴＢＭ１が１ｓｔ掘進する間継続して第一のしきい値Ａよりも下回っていると判断された場合（Ｓ３：Ｙ）には、切羽の前方に脆弱層が存在している可能性が高いと判断してステップＳ４に進む。
ここで否（Ｓ３：Ｎ）と判断されると、切羽の前方に脆弱層が存在する可能性は低いと判断しステップＳ１に戻り、ＴＢＭ１の掘進を続ける。
【００３２】
次に、上記したようにステップＳ２において切羽が脆弱層に近接している可能性があると予測された場合、あるいはステップＳ３において切羽の所定の距離前方に脆弱層が存在する可能性があると予測された場合には、ステップＳ４に進む。
そして、ステップＳ４では、ＴＢＭ１の掘進が停止される。
【００３３】
そして、次に、ステップＳ５に進み、チャンバー内においてカッタヘッド１１に設けられたスクレーパ１１ｂの隙間等から、ライト等で照らすなどして切羽の地山性状を直接観察する。
この時、地山に大きな空洞等がないか、地山が崩落していないか、湧水等がないか、等を目視にて確認する。そして、目視にて地山が比較的硬質で安定していると判断した場合（Ｓ５：Ｙ）には、切羽における地山性状は良好であると判断し、次にステップＳ６に進む。
ここで、否と判断した場合（Ｓ５：Ｙ）には、ステップＳ１０に進む。
【００３４】
ステップＳ６では、予め実施した地質調査により脆弱層が表出する場合にはその形状は面状であるか否かが判断される。
そして、事前の地質調査により脆弱層が表出する場合、その形状が面状であると判断された場合（Ｓ６：Ｙ）には、ステップＳ７に進む。
ここで、否と判断された場合（Ｓ６：Ｎ）には、ステップＳ８に進む。
【００３５】
ステップＳ７では、ＴＢＭ１が５０ｍを掘進する毎に１カ所程度ボーリング孔を穿設して実施される穿孔探査で脆弱層が存在することが想定されているか否かが判断される。
ここで、この穿孔探査で脆弱層が存在することが想定されていると判断された場合（Ｓ７：Ｙ）には、ステップＳ１０に進む。
ここで、否と判断された場合（Ｓ７：Ｎ）にはステップＳ８に進む。
【００３６】
次に、ステップＳ８では、切羽前方の地山に約２０ｍのボーリング孔を複数穿設して切羽前方の地質探査を行う。この時、ボーリング孔をＴＢＭ１の両側方及び天端の部分から切羽前方に向けて少なくとも１つずつ穿設すると好ましい。
【００３７】
前記地質探査については、例えば、ボーリング孔を穿設する際に要した穿孔エネルギー量と地山性状とを相関させて、穿孔区間の地質を探査することができる。
また、他の方法として、地山への打撃に対する地山からの打撃反力を受け止め吸収するダンピング機能を有する油圧式削岩機を用いて穿孔を行う際に、油圧削岩機を作動させる各種油圧シリンダ装置と、打撃反力を受け止め吸収する油圧シリンダ装置の油圧（ダンピング圧）データを油圧センサを介して収集し、ダンピング圧データと地山の性状とを対応させて、穿孔区間の地質を探査するものとしてもよい。
さらに、切羽面とボーリング孔内のそれぞれとに複数の比抵抗測定用電極を設置して、これらの電極から得られた比抵抗値に基づいて、切羽前方の地山性状を予測するものとしてもよいし、地質探査の方法は特に限定されるものではない。
【００３８】
そして、ステップＳ８において、切羽前方探査が終了すると、ステップＳ９に進み、この切羽前方探査により切羽前方に脆弱層の存在が確認されたか否かについて判断される。
そして、ステップＳ９で、切羽前方に脆弱層の存在が確認された場合（Ｓ９：Ｙ）には、ステップＳ１０に進む。ステップＳ９で、切羽前方に脆弱層の存在が確認されなかった場合（Ｓ９：Ｎ）には、ステップＳ１に戻り、ＴＢＭ１の掘進が継続される。
【００３９】
ステップＳ１０では、ステップＳ８における切羽前方の地質探査の結果に応じて、ＴＢＭ１による地山の掘削に先行して切羽前方の地山を補強する先受けを行う。
【００４０】
先受けとしては、例えば、フォアポーリングをあげることができる。
フォアポーリングは、切羽面においてトンネルの外周に沿って所定間隔毎に、約１０度〜３０度仰角に削孔し、補強部材を孔部に挿入して補強効果を得るといった施工方法である。具体的には、削孔後にモルタルを充填して直径約２５ｍｍ程度の棒鋼（補強部材）を挿入し、モルタルの硬化を待って地山の補強効果を得るモルタル式フォアポーリングや、削孔後に鋼管製注入管を設置して２液性のウレタンを高圧で注入してウレタンを硬化させ、このウレタンを補強部材として地山の補強効果を得るウレタン式フォアポーリングや、１０ｍ〜１５ｍ程度の鋼管（ＡＧＦ鋼管）と注入材を用いたＡＧＦ(All Ground Fasten)工法などがある。
【００４１】
そして、ステップＳ１０において、先受けが必要となる区間の先受けが完了するまで、再びステップＳ１に戻り、ＴＢＭ１による掘進が継続される。
【００４２】
次に、図３を参照して、前記した地山性状予測方法と、この地山性状予測方法を用いて切羽前方の地山性状を予測しながら地山を掘削する地山掘削方法についてさらに詳細に説明する。
【００４３】
図３において、ＴＢＭ１は矢印ａで示す位置において既に２０９５ｍを掘進しているものとする。そして、上記したステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ３を繰り返し行いながら、矢印ｂに示す区間までＴＢＭ１の掘進を続ける。矢印ｂで示す区間においては推定岩盤強度σｃ（ＦN）の値が数回第一のしきい値Ａよりも下回っているが、ＴＢＭ１が１ｓｔを掘進する間継続して推定岩盤強度σｃ（ＦN）の値が第一のしきい値Ａよりも下回るものではないため、ステップＳ３により否と判断されて再びステップＳ１に戻り、ＴＢＭ１の掘進が続けられる。
そして、矢印ｃ、矢印ｄに示す地点においても同様に、推定岩盤強度σｃ（ＦN）又は推定岩盤強度σｃ（ＴR）の値が第一のしきい値Ａよりも下回っているが、ＴＢＭ１が１ｓｔを掘進する間継続して推定岩盤強度σｃ（ＦN）又は推定岩盤強度σｃ（ＴR）の値が第一のしきい値Ａよりも下回っているものではないため、ステップＳ３により否と判断されて再びステップＳ１に戻り、ＴＢＭ１の掘進が続けられる。
【００４４】
そして、ＴＢＭ１が矢印ｅで示す地点まで掘進すると、推定岩盤強度σｃ（ＦN）および推定岩盤強度σｃ（ＴR）の値が第一のしきい値Ａよりも下回る。そして、矢印ｅで示す地点から矢印ｆで示す地点まで約１．５ｍの区間、すなわちＴＢＭ１が１ｓｔ掘進する間、継続して第一のしきい値Ａよりも推定岩盤強度σｃ（ＴR）の値が下回っている。したがって、上記したステップＳ３により、推定岩盤強度σｃ（ＦN）又は推定岩盤強度σｃ（ＴR）の値がＴＢＭ１が１ｓｔ掘進する間、継続して第一のしきい値Ａを下回っていると判断されて、切羽の前方に脆弱層が存在すると予測される。
そして、矢印ｆで示す地点において、ＴＢＭ１の掘進が停止される（ステップＳ４）。
【００４５】
次に、矢印ｆで示す地点においてチャンバー内から切羽の地山の性状を目視にて観察する。この時、地山は花崗斑岩から主としてなり、見掛け上は比較的硬質で安定していることが確認される（Ｓ５：Ｙ）。
【００４６】
そして、切羽における地山性状を直接目視で確認すると、次に上記したステップＳ６に進む。本実施の形態においては事前の地質調査により、脆弱層は不規則な形状で出現する可能性が高いと把握されているので（Ｓ６：Ｎ）、ステップＳ８に進む。
【００４７】
そして、ステップＳ８において、切羽前方の地山に約２０ｍのボーリング孔を３つ穿設して切羽前方の地質探査を行う。この時、ボーリング孔はそれぞれＴＢＭ１の両側方及び天端の部分から切羽前方に向けて少なくとも１つずつ穿設する。
【００４８】
次に、ステップＳ９に進み、ステップＳ８の地質探査の結果では、矢印ｆに示す地点から約５ｍ前方より地山の脆弱化が著しくなり、点線で示すように、矢印ｆに示す地点から約８ｍ前方（矢印ｇで示す地点）においてＴＢＭ１の掘進が不能となりうると判断され、脆弱層の規模等についても把握される。
【００４９】
上記のステップＳ８の結果から、矢印ｆに示す地点において先受けを実施し、地山の掘削に先行して切羽前方の地山を補強する。先受けが完了したら、再びステップＳ１に戻りＴＢＭ１の掘進を続ける。
なお、図３には、矢印ｆで示す地点より前方において点線で推定岩盤強度の推移を示しているが、これは矢印ｆに示す地点で先受け等を実施せず、ＴＢＭ１が脆弱層が存在する可能性を予測できずに掘進を続けた場合には、そのように推移するであろうという値を示したものである。本実施の形態では、上記したように切羽前方地山予測方法によりＴＢＭ１が脆弱層が存在する約８ｍ手前で脆弱層の存在を予測し、先受けを実施するため、図３に示すように、推定岩盤強度σｃ（ＦN）又は推定岩盤強度σｃ（ＴR）の矢印ｇで示す地点のように０ＭＰａに近い値となり、ＴＢＭ１が脆弱層に遭遇し、ＴＢＭ１の掘進が不能となることはない。
【００５０】
本実施の形態によれば、トンネルを構築すべくＴＢＭ１を掘進させ、ＴＢＭ１の掘進に連動してＴＢＭ１が２ｃｍ掘進する毎に掘削データを収集して推定岩盤強度σｃ（ＦN）および推定岩盤強度σｃ（ＴR）を求めている。そして、推定岩盤強度σｃ（ＦN）又は推定岩盤強度σｃ（ＴR）の値がＴＢＭ１が１０ｃｍの区間を掘進する間継続して第２のしきい値Ｂを下回るか否か（ステップＳ２）、あるいはＴＢＭ１が１ｓｔの区間を掘進する間継続して第１のしきい値Ａを下回るか否か（ステップＳ３）によって、切羽が脆弱層に近接している可能性の有無、および切羽の所定距離前方に脆弱層が存在する可能性の有無を判断している。掘削データは直径が４，５ｍに達する切羽全面から得られるものであるため、従来のように直径が６５ｍｍ程度のボーリング孔から切羽前方の地山性状を評価する場合と比して、地山の性状を均した面的なデータから切羽前方の地山性状を評価することになる。このため、切羽の前方に脆弱層が不均一な形状で存在する場合であっても、面的なデータから脆弱層の存在を正確に把握することができ、従来の様にボーリング孔を穿設した位置が脆弱層を捉えていなかったために、トンネルボーリングマシンが脆弱層の存在に気が付かず、脆弱層に遭遇し掘進が不能となる事態に陥ることがない。
【００５１】
また、ＴＢＭ１の掘進を継続しながら切羽前方の脆弱層の存在の有無を判定しているので、ＴＢＭ１の掘進とともに切羽前方の脆弱層存在の可能性の有無をいち早く察知することができる。
【００５２】
また、しきい値は第１のしきい値Ａと第２のしきい値Ｂとがあるので、ステップＳ２で第二のしきい値Ｂにより切羽が脆弱層に近接している可能性があると予測された場合にも、ステップＳ３で第一のしきい値Ａにより切羽の所定距離前方に脆弱層が存在する可能性があると判断された場合にも、ステップＳ４に進み、ＴＢＭ１の掘進を停止している。すなわち、地山の性状が急激に変化し切羽の極近傍に脆弱層が存在している場合にも、地山の性状が緩やかに変化し切羽の所定距離前方に脆弱層が存在している場合にも、推定岩盤強度σｃ（ＦN）および推定岩盤強度σｃ（ＴR）とこれらのしきい値Ａ，Ｂとを比較することにより脆弱層の存在をいち早く察知して、ＴＢＭ１を停止する。このため、ＴＢＭ１が脆弱層に捉えられて掘削不能となる事態を回避することができる。また、ＴＢＭ１の掘進を停止するための判断を客観的に行うことができ、判断する人の経験等に左右されない。
【００５３】
また、ＴＢＭ１の掘進を停止するので、ステップＳ５において、切羽における地山の性状を直接確認することができ、切羽における地山の性状が良好でない場合には直ちに、ステップＳ１０に進んで先受け工法を実施することができる。
【００５４】
さらに、ステップＳ８において、ボーリング孔を切羽前方に向けて複数箇所穿設して切羽前方の地質探査を行うものとしているので、推定岩盤強度σｃ（ＦN）および推定岩盤強度σｃ（ＴR）としきい値Ａ、Ｂとの比較により切羽前方の脆弱層存在の有無を確認し、複数箇所において行う切羽前方の地質探査によって、脆弱層の存在する位置や規模等をより詳細に把握することができる。
【００５５】
そして、ステップＳ５、ステップＳ７、ステップＳ９のいずれかにおいて、Yesと判断された場合には、ステップＳ１０に進み、地山の掘削に先行して切羽前方の地山を補強する先受けを行うものとしている。このため、切羽前方の地山を改良して地山の崩落を防ぎ、ＴＢＭ１が脆弱層に捉えられて掘進不能となることなく、地山の掘削を継続することができる。
【００５６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、上記実施の形態においては、ステップＳ６において、脆弱層の形状は面状か否かを判断するものとし、ステップＳ７において連続適用穿孔探査で脆弱層の存在が想定されているか否かを判断するものとしている。
しかし、これらのステップＳ６およびステップＳ７を必ずしも行わなければならないものではなく、例えば、図４に示すように、ステップＳ５から直接ステップＳ８に進むものとしてもよい。
【００５７】
また、しきい値は、第一のしきい値Ａと第二のしきい値Ｂとの２つを設定するものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、第一のしきい値Ａのみを設定するものとしてもよいし、第二のしきい値Ｂのみを設定するものとしてもよい。しかしながら、本実施の形態のように、切羽の所定距離前方に脆弱層が存在する可能性を示唆する岩盤強度の値として第一のしきい値Ａを設定し、切羽が脆弱層に近接している可能性を示唆する岩盤強度の値として第二のしきい値Ｂを設定することにより、緩やかに地山性状が変化する場合にも急激に地山性状が変化する場合にも、切羽前方の脆弱層存在の有無をいち早く察知することができる。
【００５８】
また、第一のしきい値Ａとして１８ＭＰａ、第二のしきい値Ｂとして１０ＭＰａと設定したが、この数値については特に限定されるものではなく、掘削対象となる地山性状により適宜変更すればよい。
【００５９】
また、同様に、ステップＳ３において、切羽の推定岩盤強度が１ｓｔの区間継続して第一のしきい値Ａを下回るか否か、あるいはステップＳ２において切羽の推定岩盤強度が１０ｃｍの区間継続して第二のしきい値Ｂを下回るか否かを判断するものとしたが、これらの１ｓｔ、１０ｃｍという距離は特に限定されるものではなく、第一のしきい値Ａおよび第二のしきい値Ｂとして設定された値と、地山性状に応じて適宜変更してもよいものである。
【００６０】
また、掘削データから式（１）に従って推定岩盤強度を求めるものとし、第一のしきい値および第二のしきい値を岩盤強度の値として設定するものとしたが、これに限定されるものではない。
掘削データと地山性状とを相関させて掘削データから地山性状を評価することができれば、岩盤強度として設定しなくてもよいものである。例えば、地山の掘削に要するカッタトルクの値と、カッタトルクの値に対応するしきい値を設定して切羽前方の地山性状を判断するものとしてもよい。要は掘削中の切羽における地山性状を掘削データから推定し、この推定された地山性状を示す値と比較可能にしきい値を設定し、しきい値と掘削データから推定される地山性状を示す値の比較から切羽前方の地山性状を判断することができればそれでよいものである。
【００６１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、トンネルボーリングマシンの掘進中の切羽における掘削データを収集し、この掘削データから掘削中の切羽における地山性状を示す値を推定し、推定された切羽における地山性状を示す値としきい値とを比較し、トンネルボーリングマシンが所定の距離を掘進する間、掘削データが継続して前記しきい値を下回ると、切羽前方に脆弱層存在の可能性があると予測している。収集される掘削中の切羽における掘削データは、直径が４，５ｍに達する切羽全面から収集されるものであるため、従来のように直径が６５ｍｍ程度のボーリング孔から切羽前方の地山性状を評価する場合と比して、地山の性状を均した面的なデータから切羽前方の地山性状を評価することになる。このため、切羽の前方に脆弱層が不均一な形状で存在する場合であっても、面的なデータから脆弱層の存在を正確に把握することができる。
【００６２】
また、トンネルボーリングマシンの掘進とともに掘削データを収集し、しきい値と前記推定された切羽の地山性状を示す値とを比較しているので、切羽前方の脆弱層存在の可能性の有無をトンネルボーリングマシンの掘進とともに予測することができる。また、地山の性状が安定している時には、切羽前方の地山性状を予測するために掘進を停止してボーリング孔を穿設して切羽前方探査を行う必要がなく、トンネルボーリングマシンの急速施工を保つことができる。
【００６３】
また、しきい値は第一のしきい値と第二のしきい値とを備えることにより、地山の性状が徐々に変化する場合については第一のしきい値と掘削データから推定される掘削中の切羽における地山性状を示す値を比較して予測し、地山の性状が急変するような箇所については第二のしきい値と掘削データから推定される掘削中の切羽における地山性状を示す値とを比較して予測することができる。また、第一のしきい値と第二のしきい値とを予め設定することにより、脆弱層が切羽の所定距離前方にあるのか、あるいは切羽が脆弱層に近接しているのかを予測することができる。そして、このように脆弱層が存在する位置を大まかに把握することができるので、脆弱層の存在すると考えられる位置に応じて、トンネルボーリングマシンが脆弱層に遭遇し、掘進不能となる事態を回避することができる。
【００６４】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２と同様の効果が得られるのは勿論のこと、予め設定したしきい値と、掘削中の切羽において収集された掘削データから推定された切羽の地山性状を示す値とを比較することにより、切羽前方の地山性状を予測している。そして、切羽前方に脆弱層が存在する可能性があると予測した場合には、トンネルボーリングマシンの掘進を停止するものとしている。したがって、トンネルボーリングマシンの掘進を停止すべきか否かについての判断を客観的に行うことができる。
また、トンネルボーリングマシンを停止すれば、チャンバー内からトンネルボーリングマシンのカッタヘッドに設けられたスクレーパ等の隙間から切羽の地山の性状を目視にて直接観察することができる。したがって、目視にて観察した上で、先受けを行うか、あるいはボーリング孔を複数穿設してさらに詳細に切羽前方の地質探査を行うか等を判断することができる。
【００６５】
請求項４記載の発明によれば、請求項３と同様の効果が得られるのは勿論のこと、切羽の前方に脆弱層が存在する可能性があると予測された場合には、ボーリング孔を切羽前方に向けて複数箇所穿設して切羽前方の地質探査を行うものとしている。従って、掘削データとしきい値との比較により切羽前方に脆弱層存在の有無を確認し、複数箇所において行う切羽前方の地質探査によって、脆弱層の存在する位置や規模等をより詳細に把握することができる。
【００６６】
請求項５記載の発明によれば、請求項４と同様の効果が得られるのは勿論のこと、切羽前方に複数のボーリング孔を穿設して切羽前方の地質探査を行い、その結果に応じて地山の掘削に先行して切羽前方の地山を補強する先受けを行うものとしている。このため、切羽前方の地山を改良して地山の崩落を防ぎ、トンネルボーリングマシンが脆弱層に捉えられて掘進不能となることなく、地山の掘削を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例のトンネルボーリングマシンの切羽前方地山性状予測方法および地山掘削方法で使用されるトンネルボーリングマシンの側面図である。
【図２】本発明の一例の切羽前方地山性状予測方法および地山掘削方法の手順を示したフローチャートである。
【図３】本発明の一例の切羽前方地山性状予測方法及び地山掘削方法において、掘削データと地山性状を相関させて、掘削中の掘削データの推移を切羽における地山性状を評価する値の推移として示したものである。
【図４】本発明の他の例の切羽前方地山性状予測方法および地山掘削方法の手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１    トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）
Ａ    第一のしきい値
Ｂ    第二のしきい値
【図１】
0003943430.tif 000002
【図２】
0003943430.tif 000003
【図３】
0003943430.tif 000004
【図４】
0003943430.tif 000005