特許 7393240 穿孔エネルギーによる地山評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-28

(45)【発行日】2023-12-06

(54)【発明の名称】穿孔エネルギーによる地山評価方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/00 20060101AFI20231129BHJP

   E21D 20/00 20060101ALI20231129BHJP

   E21B 47/00 20120101ALI20231129BHJP

【ＦＩ】

E21D9/00 Z

E21D9/00 C

E21D20/00 Z

E21B47/00

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020024230

(22)【出願日】2020-02-17

(65)【公開番号】P2021127655

(43)【公開日】2021-09-02

【審査請求日】2023-01-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000166432

【氏名又は名称】戸田建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104927

【弁理士】

【氏名又は名称】和泉 久志

(72)【発明者】

【氏名】若竹 亮

(72)【発明者】

【氏名】関根 一郎

(72)【発明者】

【氏名】三上 英明

【審査官】小林 謙仁

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－２０１０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０７８６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１４４６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０２０８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１７４５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－００３４３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ １／００－９／１４

Ｅ２１Ｂ １／００－４９／１０

Ｇ０１Ｎ ３３／００－３３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ドリルジャンボによって切羽に対する装薬孔の穿孔時に、穿孔箇所とともに、穿孔エネルギーを自動的に計測し、これに基づいて切羽の２次元コンター図又は地山の３次元コンター図を作成して切羽前方の地山を評価するに当たって、
穿孔箇所の穿孔エネルギーを整理し、穿孔エネルギーが急変する箇所を抽出し、急変箇所が連続している場合にそのラインを地質性状の境界線と判断する第１手順と、
前記境界線によって分断された領域毎にエリア分けする第２手順と、
対象とする地山範囲を所定形状のメッシュで分割し、各エリアに属するメッシュの穿孔エネルギー推定値をそのエリア内の穿孔エネルギー測定値のみに基づいて空間データ補間処理法によって推定する第３手順と、
前記各メッシュの穿孔エネルギー値に基づいて切羽の２次元コンター図又は地山の３次元コンター図を作成する第４手順とからなることを特徴とする穿孔エネルギーによる地山評価方法。

【請求項2】

事前に、切羽から前方地山に対して複数本の削孔検層を行い、穿孔エネルギーの概略的３次元分布を得ておき、請求項１記載の方法によって切羽の２次元コンター図又は地山の３次元コンター図を得たならば、それに合わせて前記穿孔エネルギーの概略的３次元分布を上書し更新していくことを特徴とする穿孔エネルギーによる地山評価方法。

【請求項3】

ドリルジャンボによるロックボルト穿孔に対して、請求項１記載の第１手順から第４手順までを適用し、穿孔エネルギーの３次元コンター図を得ることを特徴とする穿孔エネルギーによる地山評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、山岳トンネルの掘削時にドリルジャンボによって計測された穿孔エネルギーを利用して切羽前方の地山を評価する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、山岳トンネルの掘削において、切羽の地山強度を事前に把握することは、発破の効率化やそれによる余掘の低減に繋がるだけでなく、予期せぬ地質変化による急激な内空の変状や切羽の崩壊を防ぐために重要である。そのため、従来からドリルによって１本若しくは複数本（２～３本程度）の長尺削孔を行い、その削孔データ（穿孔エネルギー）などを用いて切羽前方の地山性状を予想することが行われてきた（以下、削孔検層という）。なお、前記長尺削孔の長さは概ね２０～４０ｍ程度とされる。

【0003】

例えば、下記特許文献１では、 油圧式パーカッションドリルで削孔し、削孔により得られた掘削深度と各深度における累積掘削時間、瞬間削孔速度、ピストン打撃エネルギ、給進力、トルク、送水圧の削孔データファイルを作成し、該ファイルをパーソナルコンピュータで一括処理して破壊エネルギを算出して単位孔長当りの平均破壊エネルギを算出し、確率・統計的手法により岩盤等級と破壊エネルギとの対応付けを行い、破壊エネルギによる岩盤評価を実施し、コンピュータによる画像処理を行い、破壊エネルギの分布状況を把握して切羽前方地質を予測することを特徴とする油圧ドリルによる削孔データを用いた岩盤評価及び切羽前方地質の予測方法が提案されている。

【0004】

しかしながら、切羽面に対して１～３本程度の削孔データでは切羽前方の地山状況を詳細かつ正確に把握することは困難であった。そこで近年は、コンピューター制御のドリルジャンボによって、掘削時の削孔位置とともに、発破削孔やロックボルト削孔時の穿孔エネルギーを含む削孔データを自動的に取得し、これらの削孔データを処理・解析して切羽前方の地山性状を把握するシステムが開発されている。

【0005】

例えば、下記特許文献２では、切羽近傍の画像データを取得する作業と、切羽周辺の地山の穿孔データを３次元的に取得する作業と、前記画像データに基づいて地質展開画像を作成する作業と、前記穿孔データに基づいて穿孔エネルギーのコンター図を作成する作業とを有し、前記地質展開画像および前記コンター図によりトンネル背面および切羽前方の地山状況を評価するトンネル周辺地山の評価方法が提案されている。

【0006】

また、下記非特許文献１では、山岳トンネルの掘削に使用されるドリルジャンボの施工データ（発破孔・ロックボルト孔の穿孔エネルギー）を使用して、切羽およびその近傍の地山性状を定量的かつ詳細に３次元評価可能な地山評価システムが開示されている（図９参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特公平１１－１７４０４６号公報

【文献】特開２０１７－２０１０７４号公報

【非特許文献】

【0008】

【文献】山下雅之外２名、“ドリルジャンボの削孔データを使用した３次元地山評価システム(DRISS-3D)の開発”西松建設技報 VOL.41、インターネット＜URL:https://www.nishimatsu.co.jp/solution/engineering.php＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

前記特許文献２及び非特許文献１では、ドリルジャンボによって計測された穿孔エネルギーの数値が記憶装置に記憶されるとともに、これらの数値に基づき、切羽の２次元コンター図又は俯瞰した全体の３次元コンター図が作成されるようになっている。

【0010】

この際、穿孔エネルギーの計測点は離散的に存在しているものであるため、前記コンター図を描くために地球統計学的手法（空間データ補間処理法）によって計測点以外の箇所の穿孔エネルギーを推測し前記コンター図を描いている。

【0011】

前記空間データ補間処理法は、具体的には逆距離荷重平均法（ＩＤＷ法）又はクリギング法が専ら用いられている。前者の逆距離荷重平均法は推定するポイントに近いほど平均化処理への影響が大きくなるというルールの下、距離の逆数を重みとした加重平均で推定値を求めるものであり、後者のクリギング法は距離が近いほど類似性が高いというルールの下、最尤法，最小二乗法等により推定誤差が最小となるように解析領域内の任意の地点における線形、不偏の空間補間値を推定するものである。

【0012】

しかしながら、前記逆距離荷重平均法及びクリギング法は、対象の切羽全体のデータを用いて空間補間を行うため、地山性状の変化箇所の再現が困難であるという問題があった。すなわち、推定箇所の数値は全周方向の計測穿孔エネルギー値を用いることになるが、破砕帯や弱層が存在している場合、この境界線の内外では地質が全く異なることになるにも拘わらず、この境界線近傍の推定値を予測する際に境界線を越えた地層のデータを加味することになるため地質の急激に変化する境界線が曖昧となり表現され難いという問題があった。

【0013】

そこで本発明の主たる課題は、ドリルジャンボによって計測された穿孔エネルギーを用いて切羽の２次元コンター図又は俯瞰した全体の３次元コンター図を作成するに当たって、穿孔エネルギーが急激に変化する境界をきっちりと表現できるようにした穿孔エネルギーによる地山評価方法を提案することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、ドリルジャンボによって切羽に対する装薬孔の穿孔時に、穿孔箇所とともに、穿孔エネルギーを自動的に計測し、これに基づいて切羽の２次元コンター図又は地山の３次元コンター図を作成して切羽前方の地山を評価するに当たって、
穿孔箇所の穿孔エネルギーを整理し、穿孔エネルギーが急変する箇所を抽出し、急変箇所が連続している場合にそのラインを地質性状の境界線と判断する第１手順と、
前記境界線によって分断された領域毎にエリア分けする第２手順と、
対象とする地山範囲を所定形状のメッシュで分割し、各エリアに属するメッシュの穿孔エネルギー推定値をそのエリア内の穿孔エネルギー測定値のみに基づいて空間データ補間処理法によって推定する第３手順と、
前記各メッシュの穿孔エネルギー値に基づいて切羽の２次元コンター図又は地山の３次元コンター図を作成する第４手順とからなることを特徴とする穿孔エネルギーによる地山評価方法が提供される。

【0015】

上記請求項１記載の発明では、先ず最初に穿孔箇所の穿孔エネルギーを整理し、穿孔エネルギーが急変する箇所を抽出し、急変箇所が連続している場合にそのラインを地質性状の境界線と判断する（第１手順）。地質性状の境界線が確認された場合は、次に前記境界線によって分断された領域毎にエリア分けし（第２手順）、次に対象とする地山範囲を所定形状のメッシュで分割し、各エリアに属する各メッシュの穿孔エネルギー推定値をそのエリア内の穿孔エネルギー測定値のみに基づいて空間データ補間処理法によって推定する（第３手順）。そして、前記各メッシュの穿孔エネルギー値に基づいて切羽の２次元コンター図又は地山の３次元コンター図を作成する（第４手順）。

【0016】

従来は、切羽全体の穿孔エネルギー測定値を用いて任意箇所の穿孔エネルギーを空間データ補間処理法によって推定していたが、本発明ではまず最初に地質性状が急変する断層（境界線）が存在する場合は、この境界線によって分断された領域毎にエリア分けを行い、そして各エリアに属する各メッシュの穿孔エネルギー推定値をそのエリア内の穿孔エネルギー測定値のみに基づいて空間データ補間処理法によって推定することにより、当該メッシュを含むエリア以外の穿孔エネルギー測定値は空間データ補間処理法による参考データとはしないようにしている。すなわち、境界線によって分断された各領域は地質性状が大きく異なっているのであるが、従来はこの境界線を越えた領域の穿孔エネルギー測定値をも参考にして推定を行っていた。このような手法の場合は地質急変箇所の数値が緩和され地質の急激に変化する境界線が表現され難かったが、本方法の場合は基本的に同一ないし類似する地層が一つのエリアとして設定され、このエリア内の穿孔エネルギー測定値のみに基づいて空間データ補間処理法によって推定する。従って、境界線の内外近傍領域で大きく穿孔エネルギーの数値が異なるようになり、地質性状が急激に変化する境界をきっちりと表現できるようになる。

【0017】

請求項２に係る本発明として、事前に、切羽から前方地山に対して複数本の削孔検層を行い、穿孔エネルギーの概略的３次元分布を得ておき、請求項１記載の方法によって切羽の２次元コンター図又は地山の３次元コンター図を得たならば、それに合わせて前記穿孔エネルギーの概略的３次元分布を上書し更新していくことを特徴とする穿孔エネルギーによる地山評価方法が提供される。

【0018】

上記請求項２記載の発明は、通常、山岳トンネルの掘削に当たっては、事前に、切羽から前方地山に対して複数本の削孔検層を行い、穿孔エネルギーの概略的３次元分布を得ておく。しかし、この穿孔エネルギーの概略的３次元分布はおおまかな地質予測には寄与するが、定量的に精度良く地山性状を評価するには至っていない。従って、１掘削サイクル毎に行われる装薬孔穿孔によって得られた穿孔エネルギーによって請求項１記載の方法によって切羽の２次元コンター図又は地山の３次元コンター図を得たならば、それに合わせて前記穿孔エネルギーの概略的３次元分布を上書し更新していくことによって、切羽前方の地山をより精度良く予測することが可能になる。

【0019】

請求項３に係る本発明として、ドリルジャンボによるロックボルト穿孔に対して、請求項１記載の第１手順から第４手順までを適用し、穿孔エネルギーの３次元コンター図を得ることを特徴とする穿孔エネルギーによる地山評価方法が提供される。

【0020】

上記請求項３記載の発明は、ドリルジャンボによるロックボルト穿孔に対して、請求項１記載の第１手順から第４手順までを適用することにより穿孔エネルギーの３次元コンター図を得るようにしたものである。

【発明の効果】

【0021】

以上詳説のとおり本発明によれば、ドリルジャンボによって計測された穿孔エネルギーを用いて切羽の２次元コンター図又は俯瞰した全体の３次元コンター図を作成するに当たって、穿孔エネルギーが急激に変化する境界をきっちりと表現できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】ドリルジャンボによる掘削要領を示すトンネル側面図である。

【図2】削孔検層の箇所を示す切羽の斜視図である。

【図3】削孔検層によって得られた穿孔エネルギーの概略的３次元分布図の例である。

【図4】切羽の装薬孔穿孔パターン例を示す切羽正面図である。

【図5】穿孔エネルギー急変箇所が存在した場合のエリア分け例を示す切羽正面図である。

【図6】地山をメッシュで分割した切羽正面図である。

【図7】穿孔エネルギーの切羽コンター図である。

【図8】概略的３次元分布図の上書・更新要領を示す図である。

【図9】非特許文献１による地山評価システムの穿孔エネルギーの３次元表示図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

【0024】

山岳トンネルの掘削は、図１に示されるように、切羽近傍にドリルジャンボ５、吹付け機６、ホイールローダ等のトンネル施工用重機が配置され、例えば上半及び下半の一括併行作業により掘削を行うミニベンチ工法により上半及び下半のそれぞれにおいてロックボルト削孔および装薬孔・装薬を併行して行った後、上半及び下半を一気に切り崩し、その後ズリ出し→当り取り→一次吹付け→鋼製支保工の建込み→二次吹付け→ロックボルト打設などの手順にて掘削が１サイクル毎に行われる。また、切羽後方ではセントルが配置され、覆工体の構築、インバート施工が行われる。

【0025】

〔削孔検層〕
掘削に当たっては、断層破砕帯の存在や局部的な脆弱部の存在を事前に予測し対策を行うことが重要となる。そのために、切羽前方の地山性状をおおまかに予測するために前記ドリルジャンボ５の削岩機を用いて削孔検層を概ね３０～５０ｍの長さ範囲に亘って行い、削孔の長手方向に沿って穿孔エネルギーを連続的に計測する。削孔検層の箇所は概ね１又は複数箇所とされる。例えば、図２に示されるように、トンネル切羽の両側部と天端の３箇所で長尺削孔１０、１０…によって削孔検層を行う。

【0026】

近年のドリルジャンボは、コンピューター制御によるものが多く普及しており、削孔時に穿孔位置とともに、穿孔エネルギー、穿孔方向の角度データなどの掘削データを自動的に入手できるようになっている。これらの掘削データは、通信基地局２に無線通信された後、通信ケーブル３または無線によって現場事務所Ｈ内の管理コンピューター１に伝送され、記憶装置に記憶される。もちろん、現場事務所だけでなく、モデム７、７を介したインターネットや専用回線等の遠隔通信手段により、本社等に設置された管理コンピューター８に掘削データを送信することも可能である。

【0027】

前記穿孔エネルギーは、単位体積あたりの岩盤を穿孔するのに要したエネルギー量を示し、より硬質な岩盤ほど多くの穿孔エネルギーが必要となることになるため、これに指標に地山の性状を知ることが可能になる。この穿孔エネルギーは下式(1)によって求められる。

【0028】

【数1】

ここに、Ｅｄ：穿孔エネルギー(J/cm³)
Ｅｐ：打撃エネルギー(J)＜下式(2)による＞
Ｃｐ：打撃数(bpm)
Ｋ ：損失係数
Ｖｄ：穿孔速度(cm/min)
Ｓ ：孔断面積(cm²)

【0029】

【数2】

ここに、Ｅｐ：打撃エネルギー(J)
Ａ ：ピストン受圧面積(cm²)
Ｌ ：ピストンストローク(m)
Ｐｐ：打撃圧(kgf/cm²)
削孔検層によって得た３箇所の穿孔エネルギーを用い、空間データ補間処理法によってそれらの中間領域の穿孔エネルギーを推測することにより穿孔エネルギーの概略的３次元分布を得るようにする。図３はその概略的３次元分布図の例を示したものである。

【0030】

〔装薬孔穿孔時の穿孔エネルギー計測〕
１サイクル毎の掘進作業は、先ずドリルジャンボ５によって切羽に装薬孔１１の穿孔を行う。

【0031】

装薬孔１１の形成は、一般的には先ず芯抜き発破により自由面を形成させ、次に芯抜きによって形成された自由面に対して払い発破をかけ、順次周囲を拡大していく発破パターンによって穿孔が行われる。この装薬孔１１の穿孔時に、穿孔位置とともに、穿孔エネルギーを含む穿孔データをコンピュータ制御によって自動的に計測する。そして、この穿孔エネルギー計測値に基づいて、切羽の２次元コンター図又は地山の３次元コンター図を作成して切羽前方の地山を評価する。以下、図面に基づいて更に詳述する。

【0032】

＜第１手順＞
切羽Ｓに形成した穿孔箇所のすべての穿孔エネルギーを整理し、穿孔エネルギーが急変する箇所を抽出する。そして、急変箇所が連続している場合にそのラインを地質性状が急変している境界線と判断する。例えば、図５に示される切羽の装薬孔穿孔パターン図において、各穿孔位置での穿孔エネルギーを比較して穿孔エネルギーが急変している箇所があるかどうかを検討した結果、急変箇所が連続しているラインが想定される考えられるならば、そのラインを地質性状の境界線１２として設定する。

【0033】

なお、図示例では境界線１２が一つの例を示したが、２本以上の境界線が存在する場合も当然に想定される。また、境界線１２は直線の例を示したが境界線が中間で屈曲したり屈曲線であったり、湾曲線であったりする場合も当然に想定される。

【0034】

＜第２手順＞
次に、同図５に示されるように、境界線１２によって分断された領域毎にエリア分けを行う。例えば、図示されるように、境界線１２よりも左下側の領域をエリアＡとして設定し、境界線よりも右上側の領域をエリアＢとして設定する。

【0035】

なお、図示例ではエリアを２分割した例を示したが、３分割以上に分割される場合も当然に想定される。

【0036】

＜第３手順＞
図６に示されるように、穿孔を行った地山範囲を対象として、図示の例では切羽全体を対象として、所定形状のメッシュで分割する。図示例では基本的に正方形状のメッシュで分割を行っている。この際、切羽の外縁と重なるメッシュについては三角形状または多角形状のメッシュとする。また、前記境界線１２と交差するメッシュについては、境界線を一辺として含む三角形状または多角形状のメッシュとするのが望ましい。そして、各エリアＡ，Ｂに属する各メッシュの穿孔エネルギー値を推定するに当たって、該当するエリア内の穿孔エネルギー測定値のみに基づいて空間データ補間処理法によって推定を行う。前記空間データ補間処理法としては、前述した逆距離荷重平均法（ＩＤＷ法）又はクリギング法を用いるのが望ましい。

【0037】

なお、メッシュの内部に穿孔エネルギー測定値が存在する場合はその測定値をもって穿孔エネルギー値とし、メッシュ内部に穿孔エネルギー測定値が存在しない場合に、近傍の穿孔エネルギー測定値のみに基づいて空間データ補間処理法によって推定を行うようにすると処理時間を短縮できるようになる。

【0038】

＜第４手順＞
すべてのメッシュについて、穿孔エネルギー値を設定し終えたならば、これら各メッシュの穿孔エネルギー値に基づいて切羽の２次元コンター図（又は地山の３次元コンター図）を作成する。例えば、図７に示されるように、切羽Ｓについて穿孔エネルギー値の２次元コンター図を作成する。

【0039】

＜第５手順（追加手順）＞
以上の要領によって、ドリルジャンボの穿孔結果に基づいて、切羽面全体に対して高精度の穿孔エネルギーコンター図を得たならば、図８(A)(B)に示されるように、前記削孔検層によって得た穿孔エネルギーの概略的３次元分布を順次上書し更新していく。

【0040】

この際、前記切羽の穿孔エネルギーコンター図のデータは、装薬孔１１の穿孔を行った長さ分に対するものであるが、削孔検層によって得た穿孔エネルギーの概略的３次元分布によってトンネル長手方向に沿う穿孔エネルギーの傾向は把握できるため、前記切羽の穿孔エネルギーコンター図と前記穿孔エネルギーの概略的３次元分布とに基づいて、切羽前方の地山を詳細かつ正確に予測することが可能となる。

【0041】

〔他の形態例〕
(1)上記形態例において、前記境界線１２については１本の線として定義したが、任意の幅を有する帯状の線として定義することも可能である。
(2)上記形態例では、装薬孔１１について穿孔エネルギーを計測したが、ロックボルト穿孔時にも同様に穿孔エネルギーを計測し、この結果を３次元コンター図として示すことも可能である。

【符号の説明】

【0042】

１・８…管理コンピューター、２…通信基地局、３…通信ケーブル、５…ドリルジャンボ、６…吹付け機、７…モデム、１０…長尺削孔、１１…装薬孔、１２…境界線、Ｓ…切羽

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】