円錐孔底ひずみ法と AE 法によるトンネル覆工応力の評価
鹿島建設㈱ 森 孝之，㈱レーザック 田仲 正弘，斉藤 義弘，藤井 宏和
バーコアリング中のひずみ挙動が測定できない．そこで，本試

1． はじめに
これまで我が国で建設されてきた供用中の道路，鉄道トンネ

験では，オーバーコアリングの前後でそれぞれのひずみデータ

ルは経年劣化が顕在化しつつあり維持管理の重要性が高まっを測定し，その 2 点のひずみ差を解放ひずみとした．そのためている。各機関において点検維持マニュアルが整備されており，オーバーコアリング中のひずみ挙動から測定データの良否は判

変状目視観察・打音点検などが実施されているが，これらの情断できない．これを踏まえ，現在はコアドリルの改良 3）を行い報からトンネルの安定性を定量的に判断するのは容易でない。

オーバーコアリング中のひずみ挙動が測定できるようにしてい覆工応力を直接測定できれば，トンネルの力学的健全性の定量る．円錐ゲージは図 2 に示した 24 成分ゲージを用いた．円錐ゲ的な評価に寄与できる。その際の課題としては測定に迅速性がージには3 方向のロゼットゲージが45°間隔に8 枚貼付されてお要求される。そこで，トンネル覆工応力を実測する手段として，り，各ひずみゲージの半径方向を ρ ゲージ，円周方向を θ ゲー1)

初期地圧測定法である円錐孔底ひずみ法 (CCBO: Compact

ジ，そして，両者の中間方向を ψ ゲージとした．

Conical-ended Borehole Overcoring)とボーリングコアを用いる
Z 鉛直上向きAE 法(Acoustic Emission)2)の２つの手法を適用し覆工の応力状1ｍ 1ｍ態を評価した。本論文では両手法による測定事例と適用性につOC31ｍいて報告する。
OC2AE法用コア採取
OC12． 測定位置と座標の設定
測定対象トンネルは NATM 工法で施工され竣工から十数年経過している．その周辺地山の地質は節理が発達した火成岩類がX

トンネル横断方向
Y
トンネル長軸方向（上り線方向）主体であり，被り深さは 300ｍ程度と一様で，岩盤の弾性係数は

図 1 試験位置と座標系の設定

5GPa，一軸圧縮強度は 50～100MPa 程度である．
測定箇所は図1に示したように円錐孔底ひずみ法およびAE法

Mold gaugeSocketともトンネル天端の覆工コンクリート部で，試験は鉛直上向き

θゲージ

ψゲージ
ρゲージ方向となる．円錐孔底ひずみ法は OC1，OC2 および OC３（孔番）の 3 箇所で，孔の離間は極力同一付近のデータを取得するために，それぞれ 1m 間隔とした．また，AE 法に用いるコアは円錐孔底ひずみ法の測定位置のOC1 から1m 離れた箇所である．

図 2 円錐ゲージ(24 成分）

また，ここで座標系を設定する．座標系は図 1 に示したようにトンネルの横断方向を+X 軸，上り線方向を+Y 軸，鉛直上向きを+Z 軸とした．以後，この座標系を用いて応力解析を行う．

3.2 AE 法
AE 法は，図 3 に示したように応力履歴を受けた材料を再び載荷すると，先行応力まで AE の発生は少ないというカイザー効果

3． 試験方法
3.1 円錐孔底ひずみ法（CCBO 法）を利用して，岩石の室内一軸圧縮試験過程で AE が急増した時の応力値を先行応力とする手法である．

円錐孔底ひずみ法は，φ76mm のボーリング孔の孔底部を円錐

AE 法は定方位で採取したボーリングコア（コア径φ66mm）状に加工して，その面に図 2 に示した円錐ゲージを接着剤で固から供試体を切り出すことになるが，ボーリングコア長の制限定し，同径でオーバーコアリングして，その時の各方向のひずから，供試体の切り出しは図 4 に示したようにコア軸直交面内みの変化量（解放ひずみ）から 3 次元の応力状態を求める手法

でトンネル軸方向から横断方向に 45 度間隔で 4 方向とした．しである．

たがって，得られる応力値は 2 次元応力（XY 平面応力）となる．

原位置測定は，既設トンネルであることを考慮して円錐孔底供試体№と切り出し方向の関係は供試体№1，2 が X 軸方向，
№3，ひずみ法では通常用いているボーリングマシンを使用せず，コ

4 が Y 軸，そして№5，6 がそれぞれ X から Y へ 45°と 135°のアドリルを用い，仮設を最小限に抑えて測定時間と作業エリア方向とした．
供試体の大きさは図5 に示したように直径φ25mm，を最小にすることにした．しかし，一般のコアドリルには信号長さ 60mm の円柱供試体である．

ケーブルを機械外部に出す機能が付加されていないため，オーAE 法の試験では，供試体内部から発生する AE を的確に捉え，載荷応力との関係を明確にすることが重要となる．しかしながら，供試体と載荷板の接触面から AE が発生し，カイザー効果に応力よる AE の急増点を特定することが難しい場合がある．そこで，載荷除荷再載荷

図 6 に示したように，AE センサは供試体側面の上部(1ch)．中央

時間部(2ch)，下部(3ch)，そして対面する位置の中央部(4ch)に配置し，応力

ｶｲｻﾞｰ効果

AE発生

AE発生

供試体の上下端面から発生するAE を除去するために，2ch と4ch(AEは発生しない)のセンサに最初に到達した AE だけ計数することにした． AE

時間

センサは広帯域型（100kHz～1MHz）を用い，これらのセンサで

図 3 カイザー効果の概念図捉えた信号はプリアンプで 40dB，シグナルコンディショナで室内試験供試体

40dB の計 80dB 増幅させた．その信号はノイズレベルより若干オーバーコア高いしきい値を超えたものに対して，AE 波形記憶・解析装置にY

円錐ゲージ

よりその発生時刻，イベント，リングダウン計数および最大振13,14,15
16,17,18幅値などのパラメータが計測した．また同時に波形データはサZ

ンプリング間隔 0.2μ 秒，
波形長 1,024words，
プレトリガ 256words

Ｘ：鉛直方向Ｙ：水平方向Ｚ：ボーリング軸

7,8,919,20,21ρ ゲージ：1,4,7,10,13,16,19,2222,23,24

4,5,6

θ ゲージ：2,5,8,11,14,17,20,23
φ ゲージ：,6,9,12,15,18,21,24で記録した．
また，円錐孔底ひずみ法と AE 法の応力解析の際には供試体の10,11,12X

1,2,3ゲージ素子配置

図 5 供試体の形状

図 4 ＡＥ法供試体の切出し方向弾性係数とポアソン比が必要となる．そこで，これらの算出はプリアンプ

AE 法の試験時に併せて行うことにし，供試体に載荷軸と直交す1chる方向にひずみゲージを貼付して，図 7 に示す載荷パターンで3ch2ch4ch

シグナルコンディショナー

波形記憶・解析装置行った．同図の最初のふた山は AE 法の試験であり，供試体の物
供試体：φ25×60mm

性値はこの 5 つの山すべての除荷時の応力-ひずみの関係から算図 6 ＡＥ法試験の概要出した．なお，載荷の制御は変位制御で行った．
25繰り返し一軸圧縮試験載荷パターン

ＡＥ法載荷パターン20４．試験結果
応力（kgf/cm2)

0.1mm/min

４.1 円錐孔底ひずみ法（CCBO 法）
円錐孔底ひずみ法では，上述したようにオーバーコアリング0.2mm/min

150.1mm/min
105

中のひずみ挙動を測定することはできない．そのため，測定は0削孔による応力解放の影響がなくなるまでオーバーコアリング経過時間(OC)を行う必要がある．そこで，OC 長は削孔の影響が完全にな

図 7 載荷パターンくなるように孔径（φ76mm）の 4 倍程度とした．図 8 はオーバーコアリング後に回収したコア（コア長 30cm）で，孔口側に円錐ゲージが接着された状態である．このコアは目視では亀裂などは存在しておらず，比較的良好なコンクリートといえる．
図 9(1)は OC-1 の円錐孔底ひずみ法で測定された解放ひずみ（試験前後のひずみ差）を理論曲線と併せてプロットした結果で，同図には ρ，θ，ψ の各ゲージ方向について示している．なお，同図は理論曲線と大きくかけ離れている解放ひずみ値は不良データとして棄却している．図 9(2)，図 9(3)は OC-2 およびOC-3 の結果である．これらの結果をみてわかるように棄却デー
タは各試験で数点認められるものの，解放ひずみ値と理論曲線は比較的一致しており，良好なデータといえる．
4.2 AE 法
図 10(1)は供試体№4（Y 軸方向）の載荷に伴う AE 発生数（個/秒）の経時変化である．同図から AE の急増点を決めることになる．しかし，急増点が明瞭であれば客観性に問題はないが，急増点が不明瞭な場合にはどうしても主観が入り客観性に欠けるという課題があった．そこで，客観的な読取る手法が求めら

図 8 回収コア

れ，今までに種々の方法が提案されてきた．例えば，岩石コアの AE 測定方法の技術情報 TR4)では，式(1)に示したように応力 i に対するイベント数 N の 9 点間毎の傾き I i 5 を求め，さらにこれを傾きの最大値 Max(I)と最小値 Min(I)を用いて正規化して Norm( I i 5 ) とする。この正規化した傾きと応力との関係を図化し，基準値(例えば 0.2)を越える点を AE 急増点と判定するとされている．

I i 5 N i 9  N i
I i 5  Min ( I ), Norm ( I i 5 )  i 9   i
Max ( I )  Min ( I )(1)

また，相馬ら 5）は応力-AE 累積図の傾きの変化率が最大になる点を推定応力値とする手法を提案され，その傾き変化率 Cｒi（σi）は式(2)によるとしている．ただし，m の値については試行錯誤的な検討が必要とされている．

800(2)Ct (i )  Ct (i  m)

ここで，σi は応力，i=1,2…，n，Ct(σi)は応力 σt に対する AE カ

ερ(理論)

εθ(理論)

εψ(理論)ερ(実測)εθ(実測)εψ(実測)

600

ひずみ（μ）

Cri i  

1000

Ct (i  m)  Ct (i )

400
200
0

ウント数，m は任意の整数であり，論文では 40 が採用されてい-2000る．
次に，本試験では載荷は変位制御で行っているためグラフの4590135
180225ゲージ方向（°）

270315360

図 9(1) OC1 の解放ひずみ（ρ，θ，ψ方向）

横軸はすべて経過時間で整理している．そこで，筆者らは経過
1000

時間－AE 累積図の傾きの経時変化から推定応力値の読み取り均したデータを式(3)に示したように 20 点間隔で時間微分εθ(理論)

εψ(理論)ερ(実測)εθ(実測)εψ(実測)

90135180225
ゲージ方向（°）

270

400200D(i+m)して，最大値で正規化した結果をプロットし，その曲線0の変曲点を AE 急増点として評価する．

-2000(3)360

εθ(理論)εθ(実測)

εψ(理論)εψ(実測)

800
ひずみ（μ）

600
400
200

データのバラツキの理由で除外するものとされており，その後

0-2000は相馬らの方法で，最初に大きな山が分布すれば AE 急増点の抽

4590135180225
ゲージ方向（°）

270315360

図 9(3) OC3 の解放ひずみ（ρ，θ，ψ方向）出は容易である。図 10(4)は(3)式で提案した微分法による曲線に基づき補助線を用いて変曲点を図解法で求めている．
以上の 3 つの手法で評価した応力には相違が見られる。今回
著者らが提案した 図 10(4)の方法は視覚的に安定した判断が可能であるので，本論文では(3)式の方法で整理した先行応力の推AEイベント数 (個/秒)

20201515応力1010AEイベント数

550定を行う．図 11 は供試体№1（X 軸方向）
，図 12 は供試体№2（XY0100040015201.0
正規化傾き Norm(I)

試体№1（X 軸方向）の推定先行応力値は 6.9MPa と読み取れる．

300(1)AE 発生状況

図 11(2)をみると，微分の変化は経過時間で 100 秒付近から一定が認められる．この変化時の応力値を先行応力値とすると，供200時間 t(sec)軸方向）の結果である．の速度で変化し始め，165 秒付近でその速度が変化していること

0.8
基準値：0.20.62.3MPa

0.40.20.0

Y 軸および XY 軸方向についても X 軸と同様に整理し，推定0した先行応力値を表 1 にまとめた．

510応力（MPa）(2) TR 法による変曲点の抽出
1.2

AE 法の載荷試験（繰返し）の結果から弾性係数とポアソン比を求めた．その応力とひずみの関係の一例を図 13 に示した．こ1200
1.9MPa1.0
傾き変化率 Ccri

５．応力状態の推定の結果は供試体№4（Y 軸方向）の応力-ひずみ曲線で載荷軸方向

8000.66000.44000.22000.0005が特徴であり，最大でも 6MPa 程度であり，覆工コンクリートは健全な範囲の応力レベルにあると評価される．
円錐孔底ひずみ法の測定結果にはバラツキがみられ，AE 法は円15201.0
累積イベント数の一階微分Diした．この結果，トンネル円周方向の応力が卓越していること10応力（MPa）(3) 相馬・瀬戸法による変曲点の抽出

工コンクリートの弾性係数 E は 18.7GPa，ポアソン比 ν は 0.21
円錐孔底ひずみ法と AE 法による応力の測定結果を図 14 に示

10000.8とそれに直交する横ひずみの履歴である．これらの結果から覆とした．

応力(MPa)の基準値 0.2 以上になる点を AE 急増点として評価する．
図 10(3)ερ(理論)ερ(実測)

1000

これら 3 つの手法を用いて，図 10(1)のデータについて AE 発
図 10(2)は TR 法によるもので，載荷初期の値の大きな箇所は，315

図 9(2) OC2 の解放ひずみ（ρ，θ，ψ方向）

ここで，AE(i)は AE 累積数，T(i)は経過時間，i =1,2….,n，m=20．
生の変曲点を整理した．その結果を図 10(2)～(4)に示した．

45

累積AEイベント数

AE (i  m)  AE (i )D(i ) T (i  m)  T (i )ερ(理論)

600

ひずみ（μ）を試みた．具体的には， AE 発生数の累積値を 40 点ずつ移動平8000.80.62.44 MPa
0.40.20.00100200300400時間 t(sec)(4) 微分法による変曲点の抽出
図 10 各手法による AE 急増点の抽出方法の比較(Y 軸方向)

X軸方向(1) AE 発生状況
30AEｲﾍﾞﾝﾄ数(個/秒）2530202015AEイベント数
10応力（MPa)

1050050100150200

250300

XからY軸方向へ45°0350

302540応力
AEイベント数

101050050

100

1.0

1.00.80.86.9MPa
0.40.20.0501001502002002500300

250300350

250300

XからY軸方向へ45°0.6Di

0.60150
経過時間(秒)№5(2) 微分法による変曲点

X軸方向

累積イベントの一階微分

累積イベントの一階微分 Di(2) 微分法による変曲点

1520経過時間(秒)№120304.8MPa

0.40.20.0050100

図 11 X 軸方向の AE 発生状況と微分法による先行応力の推定例

した AE 法は二次元応力測定である．

200

図 12 XY 軸方向の AE 発生状況と微分法による先行応力の推定例

表 1 AE 法による推定先行応力値

錐孔底ひずみ法のバラツキの範囲内にあり，AE 法は概ね円錐孔底ひずみ法と同等の応力が評価されている．ただし，今回適用

150
経過時間(秒）

経過時間(秒）

供試体№
切出し角(°）※
微分法

X方向№1№200Y方向№3№49090

XY方向№5№645135

6.9

4.8

4.8

7.8
7.4

平均値（MPa）

2.4

2.7

3.63.8※切出し角はX軸から反時計周りを正とする

6．おわりに(1)既設トンネルの健全性評価診断の定量的な評価手段として，

25横ひずみ20

覆工コンクリート応力の実測を試みた。適用した手法は円錐孔

縦ひずみ15底ひずみ法(CCBO 法)と AE 法の 2 種類である．

10(2)今回の測定ではAE 法は円錐孔底ひずみ法(CCBO法)と同等な応力の評価が可能であった．ただし，今回適用した AE 法は二次元応力であり，三次元応力の測定には多くの試験数量を必要と応力（MPa）

AEｲﾍﾞﾝﾄ数(個/秒)

応力

№5505

引張

圧縮
05000-500
ひずみ(μ）-1000-1500

図 13 繰返し載荷試験結果の一例（供試体№4）

し適用性の検証が課題である．
(3)AE 法はカイザー効果を利用するものであるが，AE 発生の変曲点の判定法がキーポイントになる．本論文では微分法を提案して変曲点を評価したが，今後，種々の手法の適用を積み重ねAE 法の信頼性向上に努めることが望ましい．
引 用 文 献1) International Society for Rock Mechanics, Commission on TestingMethods :Suggested Method for In Situ Stress Measurement Using The Compact
Conical-ended Borehole Overcoring(CCBO), Int. J. Rock Mech. Min. Sci. &Geomech.Vol.36,pp.307-322,1999
2) 金川忠，北原義弘，林正夫：岩石の AE カイザー効果を利用した地圧測定法（一軸試験による測定法の詳細と適用例），電力中央研究所報告研
究報告，381004．1981
3)森孝之他：改良コアドリルを用いた応力測定，第 40 回地盤工学研究発
表会，pp.961-962,2005,74) 標準情報(TR)，岩石コアの AE 測定方法－地圧測定技術 TR-A 0013:
2001，日本工業標準調査会標準部会，平成 13 年 12 月
5)相馬宣和，瀬戸政宏，松井裕哉，前田信行：封圧環境下における AE 法による原位置初期地圧測定法の開発，資源と素材，Vol118，pp.546-552．
2002

応力(MPa）№1(1) AE 発生状況
40

図 14 覆工コンクリートの応力(CCBO 法, AE 法)