特開 2022-189555 岩盤評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022189555

(43)【公開日】2022-12-22

(54)【発明の名称】岩盤評価方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/093 20060101AFI20221215BHJP

   E21D 9/00 20060101ALI20221215BHJP

【ＦＩ】

E21D9/093 F

E21D9/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021098201

(22)【出願日】2021-06-11

(71)【出願人】

【識別番号】000003621

【氏名又は名称】株式会社竹中工務店

(71)【出願人】

【識別番号】000150110

【氏名又は名称】株式会社竹中土木

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】甲村 雄一

(72)【発明者】

【氏名】田屋 裕司

(72)【発明者】

【氏名】濱田 純次

(72)【発明者】

【氏名】下河内 隆文

(72)【発明者】

【氏名】小西 優貴夫

【テーマコード（参考）】

2D054

【Ｆターム（参考）】

2D054AB07

2D054AC20

2D054GA10

2D054GA15

2D054GA63

2D054GA64

(57)【要約】

【課題】岩盤の補強の要否を判断する必要がある個所において、岩盤の限界ひずみを迅速に算出する。
【解決手段】岩盤評価方法は、トンネルＨの切羽面２２の天井部に、トンネルＨの掘進方向へボーリング孔３０を削孔する工程と、ボーリング孔３０へプレッシャーメータのプローブを挿入して孔壁を押圧し、ボーリング孔３０の孔壁圧力と孔壁変位との関係を示すプレッシャーメータ曲線を導出する工程と、プレッシャーメータ曲線から、岩盤２０の変形係数及び限界ひずみを算出する工程と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

トンネルの切羽面の天井部に、前記トンネルの掘進方向へボーリング孔を削孔する工程と、
前記ボーリング孔へプレッシャーメータのプローブを挿入して孔壁を押圧し、前記ボーリング孔の孔壁圧力と孔壁変位との関係を示すプレッシャーメータ曲線を導出する工程と、
前記プレッシャーメータ曲線から、岩盤の変形係数及び限界ひずみを算出する工程と、
を備えた岩盤評価方法。

【請求項2】

前記岩盤のポアソン比をν、前記トンネルに上方から作用する圧力をＰ、前記変形係数をＥ、前記岩盤のひずみをε_ｒとした場合に、前記ひずみε_ｒを以下の（Ａ）式で算出する、請求項１に記載の岩盤評価方法。
ε_ｒ＝（１＋ν）・Ｐ／Ｅ ・・・（Ａ）

【請求項3】

前記限界ひずみをε_ｙとし、安全率をＫとした場合に、以下の（Ｂ）式が成立する場合に、前記トンネルにおけるボーリング孔の周囲が安定であると評価する、
請求項２に記載の岩盤評価方法。
ε_ｙ＞Ｋ・ε_ｒ ・・・（Ｂ）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、岩盤評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、最大主応力方向に沿ったひずみである最大主ひずみと、体積ひずみが極大値を示す応力における軸ひずみである限界ひずみと、に基づいて脆性構造体の安定性を評価する脆性構造体の安定性評価方法が記載されている。

【0003】

この脆性構造体の安定性評価方法では、岩盤をサンプリングし、サンプルに対して一軸圧縮試験を実施して、限界ひずみを算出する。また、地山の内部に変位計を設置して測定した地山内部の変位等を用いて地山内の最大主ひずみを測定する。このように、この脆性構造体の安定性評価方法では、脆性構造体の変位やひずみの計測値から直接に前記脆性構造体の破壊の可能性を高精度で予測できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７－３３３６３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、例えば長区間のトンネルを施工する際、部分的に脆弱な岩盤を掘削する必要がある場合がある。このような岩盤を発見した際は、掘削作業を滞りなく進行させるために、岩盤の補強の要否を速やかに判断する必要がある。

【0006】

岩盤の補強の要否を判断するためには、トンネルを掘削した際、主にトンネルに上方から作用する圧力によって生じる岩盤のひずみが、岩盤の限界ひずみを下回るかどうかを判断する。この限界ひずみは、上記特許文献１に示されるように、一軸圧縮試験を実施して算出する方法がある一方、岩盤の補強の要否を速やかに判断するために、より迅速に岩盤の限界ひずみを算出する方法が求められている。

【0007】

本発明は、上記事実を考慮して、岩盤の補強の要否を判断する必要がある個所において、岩盤の限界ひずみを迅速に算出する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】

【0008】

請求項１の岩盤評価方法は、トンネルの切羽面の天井部に、前記トンネルの掘進方向へボーリング孔を削孔する工程と、前記ボーリング孔へプレッシャーメータのプローブを挿入して孔壁を押圧し、前記ボーリング孔の孔壁圧力と孔壁変位との関係を示すプレッシャーメータ曲線を導出する工程と、前記プレッシャーメータ曲線から、岩盤の変形係数及び限界ひずみを算出する工程と、を備える。

【0009】

請求項１の岩盤評価方法では、トンネルの切羽面の天井部にボーリング孔を削孔し、プレッシャーメータ試験を実施する。これにより、トンネルにおいて、側面部分と比較して崩落し易い天井部分における岩盤の状態を把握できる。

【0010】

プレッシャーメータ試験では、ボーリング孔へプローブを挿入して、ボーリング孔の孔壁圧力と孔壁変位との関係を示すプレッシャーメータ曲線を導出する。請求項１の岩盤評価方法では、このプレッシャーメータ曲線から、岩盤の変形係数だけでなく、限界ひずみを算出する。このため、一軸圧縮試験などを実施しなくても、岩盤の限界ひずみを算出することができる。すなわち、掘進する岩盤の限界ひずみを迅速に算出することができる。

【0011】

請求項２の岩盤評価方法は、請求項１に記載の岩盤評価方法において、前記岩盤のポアソン比をν、前記トンネルに上方から作用する圧力をＰ、前記変形係数をＥ、前記岩盤のひずみをε_ｒとした場合に、前記ひずみε_ｒを以下の（Ａ）式で算出する。
ε_ｒ＝（１＋ν）・Ｐ／Ｅ ・・・（Ａ）

【0012】

請求項２の岩盤評価方法では、トンネルに上方から作用する圧力に応じたひずみが、（Ａ）式から算出される。このひずみを、請求項１で算出された限界ひずみと比較すると、切羽面を掘進した際に生じるひずみが、限界ひずみより大きいか否かを判断できる。これにより、切羽面を掘進する前に、岩盤の補強の要否を判断できる。

【0013】

請求項３の岩盤評価方法は、前記限界ひずみをε_ｙとし、安全率をＫとした場合に、以下の（Ｂ）式が成立する場合に、前記トンネルにおけるボーリング孔の周囲が安定であると評価する、
請求項２に記載の岩盤評価方法。
ε_ｙ＞Ｋ・ε_ｒ ・・・（Ｂ）

【0014】

請求項３の岩盤評価方法では、切羽面を掘進した際に生じるひずみε_ｙと安全率Ｋとの積と、限界ひずみε_ｙとを比較する。これにより、より安全側に岩盤を評価できる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によると、岩盤の補強の要否を判断する必要がある個所において、岩盤の限界ひずみを迅速に算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】（Ａ）は本発明の実施形態に係る岩盤評価方法を実施する岩盤を示す斜視図であり、（Ｂ）は岩盤に形成したトンネルにおける切羽面の正面図であり、（Ｃ）は切羽面に形成したボーリング孔にプローブを挿入した状態を示す断面図である。

【図2】発明の実施形態に係る岩盤評価方法によって導出されたプレッシャーメータ曲線を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態に係る岩盤評価方法について、図面を参照しながら説明する。各図面において同一の符号を用いて示される構成要素は、同一の構成要素であることを意味する。但し、明細書中に特段の断りが無い限り、各構成要素は一つに限定されず、複数存在してもよい。

【0018】

また、各図面において重複する構成及び符号については、説明を省略する場合がある。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において構成を省略する又は異なる構成と入れ替える等、適宜変更を加えて実施することができる。

【0019】

各図において矢印Ｘ、Ｙで示す方向は水平面に沿う方向であり、互いに直交している。また、矢印Ｚで示す方向は鉛直方向（上下方向）に沿う方向である。各図において矢印Ｘ、Ｙ、Ｚで示される各方向は、互いに一致するものとする。

【0020】

＜岩盤評価方法＞
本発明の実施形態に係る岩盤評価方法は、トンネルを掘進する際に実施される岩盤評価方法である。この岩盤評価方法では、図１（Ａ）に示すように、岩盤２０を横方向（Ｙ方向）に掘進して形成されたトンネル（横抗）Ｈの切羽面２２に対して、プレッシャーメータ試験を実施する。

【0021】

そして、プレッシャーメータ試験の結果から、岩盤２０の限界ひずみを算出し、限界ひずみと、切羽面２２を掘進した際に岩盤２０に生じるひずみと、を比較して岩盤２０の安定性を評価する。これにより、切羽面２２を掘進する前に、岩盤２０の補強の要否を判断することができる。

【0022】

（切羽面）
図１（Ｂ）に示すように、切羽面２２の形状は、トンネルＨの断面形状（掘進方向からみた断面形状）と略一致する形状である。トンネルＨは、底面２４、２つの側面２６及び天井面２８を備えている。

【0023】

側面２６は、底面２４の両側のそれぞれから上方へ立ち上げられた垂直面である。天井面２８は、両側の側面２６に架け渡され、断面視で半円形状とされたヴォールト状の曲面である。

【0024】

切羽面２２は、トンネルＨの底面２４及び側面２６と接する部分である長方形状の下部２２Ａと、トンネルＨの天井面２８と接する部分である、半円形状の上部２２Ｂと、を備えている。

【0025】

なお、本発明の岩盤評価方法を適用できる切羽面２２の形状は、この形に限定されるものではなく、例えば側面２６を備えていない半円形状でもよいし、天井面２８が略水平面である長方形状としてもよい。

【0026】

（ボーリング孔）
岩盤評価は、トンネルを掘進して露出した切羽面２２に、例えば風化による崩れやクラック等、目視によって軟弱岩盤であると推測された場合に実施する。岩盤評価を実施するには、まず、図１（Ａ）に示すように、トンネルＨの切羽面２２に、トンネルＨの掘進方向（Ｙ方向）へ複数のボーリング孔３０Ａ～３０Ｅを削孔する。

【0027】

以下の説明においては、ボーリング孔３０Ａ～３０Ｅを特に区別する必要が無い場合、これらを総称してボーリング孔３０と称す場合がある。

【0028】

図１（Ｂ）に示すように、ボーリング孔３０Ａ～３０Ｅは、切羽面２２の上部２２Ｂにおいて、トンネルＨの天井面２８の付近に形成する。このうち、ボーリング孔３０Ｃは、切羽面２２において天井面２８の頂部の付近に形成される。また、ボーリング孔３０Ａ及び３０Ｅは、切羽面２２において天井面２８の下端部の付近に形成される。さらに、ボーリング孔３０Ｂ及び３０Ｄは、それぞれ切羽面２２において天井面２８の頂部と下端部との間の付近に形成される。

【0029】

ここで、「天井面２８の付近」とは、切羽面２２において天井面２８からの距離が概ね２０ｃｍ以内、好ましくは５ｃｍ以内の範囲を示す。そして、「ボーリング孔３０を天井面２８の付近に形成する」とは、天井面２８の付近にボーリング孔３０の中心点が配置されるように、ボーリング孔３０を形成することを示す。また、本発明における「切羽面の天井部」とは、切羽面２２において天井面２８の頂部の付近のことを示す。

【0030】

なお、ボーリング孔３０の位置及び数量は、切羽面２２の大きさ及び形状によって、適宜変更することができるが、少なくとも切羽面の天井部、すなわち天井面２８の頂部の付近に形成するものとする。

【0031】

（プレッシャーメータ試験）
次に、プレッシャーメータ試験を実施する。プレッシャーメータ試験は、試験孔の孔壁を載荷し、載荷圧力と孔壁変位から地盤の変形係数等を求める試験である。

【0032】

本実施形態におけるプレッシャーメータ試験では、図１（Ｃ）に示すように、ボーリング孔３０へプレッシャーメータのプローブ４０を挿入する。プローブ４０は、ゴムチューブで形成された加圧部４２を備えている。

【0033】

図示しない圧力発生部から加圧部４２へガスや液体を加圧部４２へ送出することにより、加圧部４２の内部にガスや液体が充填され、ボーリング孔３０の孔壁が押圧される。このとき、孔壁を押圧する圧力及び孔壁変位は、図示しない測定装置によって測定される。

【0034】

図２には、プレッシャーメータ曲線が示されている。プレッシャーメータ曲線は、プレッシャーメータ試験における「孔壁圧力」と「孔壁ひずみ」との関係を示す曲線である。この図においては、縦軸が孔壁圧力を示し、横軸が孔径を示している。

【0035】

例えば、孔壁圧力がＰ_１[MPa]のとき、孔径はｒ_１[m]である。このとき、初期孔径ｒ_２[m]からの孔壁変位は、（ｒ_１－ｒ_２）[m]である。また、「孔壁ひずみ」は、孔壁変位を初期孔径ｒ_２[m]で除した値である［（ｒ_１－ｒ_２）／ｒ_２］である。すなわち、図２には、孔壁圧力がＰ_１[MPa]のとき、「孔壁ひずみ」が［（ｒ_１－ｒ_２）／ｒ_２］であることが示されている。

【0036】

ここで、初期孔径ｒ_２[m]は、ボーリング孔３０の孔壁を加圧する前の孔径である。一方、孔径ｒ₀[m]は、ボーリング孔３０の孔壁に初期圧力Ｐ_０[MPa]を載荷した際の孔径である。初期圧力Ｐ_０[MPa]は、孔壁圧力と孔壁変位とが、直線部Ｋ１で示す一次関数で示される関係になる最小圧力である。そして、初期孔径ｒ_２[m]は、直線部Ｋ１の延長線と横軸との交点で示される孔径である。

【0037】

また、図２には、岩盤２０が圧縮破壊される降伏圧力Ｐ_ｙ[MPa]及びその際の孔径である降伏孔径ｒ_ｙ[m]が示されている。加圧部４２による載荷圧力が降伏圧力Ｐ_ｙ[MPa]より大きくなると、孔壁圧力と孔壁変位との直線的な関係は失われる。すなわち、プレッシャーメータ曲線は、直線部Ｋ１に沿わなくなる。

【0038】

なお、初期圧力Ｐ_０[MPa]以下の圧力では、加圧部４２のゴムチューブとボーリング孔３０の孔壁のなじみや、孔壁の応力解放による緩みなどの影響によって、孔壁圧力と孔壁変位とが、直線に沿う関係とはならずに、「下に凸」の曲線状となる。

【0039】

（変形係数及び限界ひずみの算出）
プレッシャーメータ試験からは、岩盤２０の変形係数Ｅ[MPa]を算出することができる。変形係数Ｅは、直線部Ｋ１の傾きであり、例えばポアソン比をνとして、次の（１）式によって算出される。（参考：原位置岩盤試験法の指針／Ｐ５２～５３／発行所：社団法人土木学会／平成１２年１２月１０日発行）

【0040】

Ｅ＝（１＋ν）×[（ｒ_ｙ＋ｒ_０）／２]×[（Ｐ_ｙ－Ｐ_０）／（ｒ_ｙ－ｒ_０）]・・・（１）

【0041】

また、本実施形態では、プレッシャーメータ試験から、岩盤２０の限界ひずみε_ｙを算出する。限界ひずみε_ｙは、ボーリング孔３０の孔壁に、降伏圧力Ｐ_ｙ[MPa]を載荷した際の孔壁ひずみであり、次の（２）式によって算出される。

【0042】

ε_ｙ＝（ｒ_ｙ－ｒ_２）／ｒ_２ ・・・（２）

【0043】

（ひずみの算出）
次に、岩盤２０において、プレッシャーメータ試験を実施したボーリング孔３０の付近に生じるひずみε_ｒを算出する。このひずみε_ｒは、切羽面２２を掘進した際に岩盤２０に生じるひずみであり、公知の方法により、次の（３）式によって算出される。

【0044】

ε_ｒ＝（１＋ν）・Ｐ／Ｅ ・・・（３）

【0045】

なお、νは岩盤２０のポアソン比である。Ｐ[MPa]は、トンネルＨに上方から作用する圧力である。Ｅは、（１）式によって算出された岩盤２０の変形係数である。この（３）式は、本発明における（Ａ）式に対応する数式である。

【0046】

また、この（３）式は、公知の方法（例えば第４５会地盤力学に関するシンポジウム講演集「プレッシャーメータ試験による岩盤の限界ひずみに関する考察」公益社団法人土木学会２０１７年１月公演番号１２）によって導出される。

【0047】

（安定性の評価）
岩盤２０、すなわちトンネルＨにおけるボーリング孔３０（ボーリング孔３０Ａ～３０Ｅのそれぞれ）の周囲が安定であるか否かは、（２）式で算出されたひずみε_ｒを、（２）式で算出された限界ひずみε_ｙと比較することで評価する。具体的には、次の（４）式が成立する場合、ボーリング孔３０の周囲は安定であると評価する。逆に、次の（５）式が成立する場合、ボーリング孔３０の周囲は不安定であると評価する。なお、「周囲」とは、切羽面２２を掘進した際に、トンネルＨの天井面２８が含まれる範囲を示す。

【0048】

ε_ｙ＞Ｋ・ε_ｒ ・・・（４）
ε_ｙ≦Ｋ・ε_ｒ ・・・（５）

【0049】

Ｋは、安全率であり、岩盤２０が均質な場合は１．０としてもよいが、不均質性を考慮して、１．２以上とすることが好ましい。さらに、より安全側に評価するために、１．５程度とすることが好ましい。

【0050】

岩盤２０が不安定と評価された場合は、岩盤２０の補強を実施する。岩盤２０の補強方法としては、公知の各種方法を採用できる。例えばトンネルＨの掘進に先行してトンネルＨの周囲の岩盤２０に鋼管を埋設し、先行ルーフを造成する鋼管先受け工法を採用できる。また、岩盤２０の亀裂を注入材で充填する薬液注入工法を採用できる。

【0051】

＜作用及び効果＞
以上説明したように、本発明の実施形態に係る岩盤評価方法では、図１（Ａ）に示すように、トンネルＨの切羽面２２の天井部にボーリング孔３０Ｃを削孔し、プレッシャーメータ試験を実施する。これにより、トンネルＨにおいて、側面部分と比較して崩落し易い天井部分における岩盤２０の状態を把握できる。

【0052】

また、この岩盤評価方法では、図２に示すプレッシャーメータ曲線から、岩盤２０の変形係数Ｅだけでなく、限界ひずみε_ｙを算出する。このため、一軸圧縮試験などを実施しなくても、岩盤２０の限界ひずみε_ｙを算出することができる。すなわち、掘進する岩盤２０の限界ひずみε_ｙを迅速に算出することができる。

【0053】

また、この岩盤評価方法では、切羽面２２を掘進した際に、トンネルに上方から作用する圧力Ｐに応じたひずみε_ｒが、（３）式から算出される。そして、（４）式及び（５）式に示すように、このひずみε_ｒと安全率Ｋとの積と、限界ひずみε_ｙとを比較する。

【0054】

このように、切羽面２２を掘進した際に生じるひずみε_ｒが、限界ひずみε_ｙより大きいか否かを判断できる。さらに、ひずみε_ｒと安全率Ｋとの積を用いて安全性を評価するため、安全率を用いない場合と比較して、より安全側に岩盤２０を評価できる。

【符号の説明】

【0055】

２０ 岩盤
２２ 切羽面
３０ ボーリング孔
４０ プローブ
Ｈ トンネル

【図1】

【図2】