1 [9]2 = 4000 m/s r 2 = 2.5 g/cm3 V 3 =5000 m/s r 3 = 2.6 g/cm3 V 1 = 5000 m/s r 1 = 2.6 g/cm3 RCV direct 受振点発破点 3 offset r e f l e c t e d t (m) 2 R1 R2 距離離隔

1

[9][9]切前方探査切羽前方探査メニューと適用事例適用事例

前田建設工業(株)北海道開発技術研究発表会-120222

久慈雅栄

2

目次目次

0切羽前方探査とは0.切羽前方探査とは

1前方探査技術メニ1.前方探査技術メニュー

2.主な探査法の紹介

3.TSP探査を中心とした最新の探査事例

4.地形・地質3D化技術の概況

北海道開発技術研究発表会-120222

3

切羽前方探査とは

山岳トンネルにおいて、掘削面(切羽)前方の地山状況(地質硬軟湧水等)を探る技術山状況(地質、硬軟、湧水等)を探る技術

トンネルでは事前に地質調査を行っているものトンネルでは事前に地質調査を行っているものの、実際には「掘って見なければ分からない｣のが現状このため事故・トラブル等が発生が現状。このため、事故・トラブル等が発生

突発湧水切羽崩壊

湧水

未知の断層≒遮水壁


≒遮水壁

4開発の目的山岳ネ特大深度急峻地ネは事前地質山岳トンネル、特に大深度or急峻地形のトンネルでは事前地質調査が不十分とならざるを得ないため、地質リスクが残存。これを回避(突発事象の予見未然防止対策事象対応事前準備を回避(突発事象の予見、未然防止対策、事象対応事前準備、等)する技術は、事業者および現場から確実なニーズがある

従来技術を充実するとともに新しい探査技術を積極的に導従来技術を充実するとともに、新しい探査技術を積極的に導入・整備することにより、より確実なリスク管理を目指す

現場ごとに地形地山条件(土被り硬岩軟岩等) リク内容現場ごとに地形・地山条件(土被り、硬岩・軟岩、等)、リスク内容(地層境界、断層・破砕帯・弱層、突発湧水、等)、施工条件(工期断面機械環境等)が異なるこれらに対し最適な探査期、断面、機械、環境、等)が異なる。これらに対し、最適な探査種目を選択・組合わせて切羽前方探査を計画する

また施工サイクルに組込める結果の評価の等作業的な面また、施工サイクルに組込める、結果の評価の等、作業的な面も含めて現場にとって負担の少ない技術体系を提供する


5前田建設工業のトンネル切羽前方探査技術メニュー

下記を地山条件・リスク課題に応じて適宜組み合わせて実施下記を地山条件リスク課題に応じて適宜組み合わせて実施

① 探り削孔(ドリルジャンボを用いた探査) ←これをベースと考える

各種油圧データ(削孔エネルギー等) スライムリターン水(色・量)各種油圧デタ(削孔エネルギ等)、スライム、リタン水(色・量)

② コアボーリング

短尺(ロタリ ) 長尺(ロタリ &ワイヤライン)短尺(ロータリー)、長尺(ロータリー&ワイヤライン)、高速・長尺(ロータリーパーカッション&ワイヤライン:アロードリル)

③ 超高速削孔(ダウンザホールハンマ)③ 超高速削孔(ダウンザホルハンマ)

④ TSP探査技術

⑤ BTV探査技術⑤ BTV探査技術

⑥ 電磁探査(FDEM探査)

⑦ 地中レダ (電磁波探査)⑦ 地中レーダー(電磁波探査)

⑧ 各種孔内検層(弾性波検層、電気検層、他)

⑨ ジ


⑨ 水理試験(湧水圧試験、ルジオン試験等)

地表からの調査・探査は別途考慮。また3D-CAD技術を援用。

6

探り削孔(ドリルジャンボを用いた探査)トンネル掘削に用いるドリルジャンボを活用

削孔時の各種データを取得し、地山評価に活用

取得デタ取得データ

・削孔時の各種油圧データ(打撃圧、回転圧、フィード圧→削孔速度、削孔エネルギー)・スライム(岩片による地質評価)・削孔リターン水(水量、色・濁り)特別な設備は不要最長50m程度(半～1方) トンネルジャンボ(ホイルタイプ)特別な設備は不要、最長50m程度(半～1方)地山は選ばないが、崩落性が強いと効率悪し

当社の実績多数の現場で適用中

トンネルジャンボ(ホイールタイプ)

2,500

3,000

3,500

4,000

ネルギー

欠点

・トンネル用のドリルジャンボを用いるためやや削孔能力が低い通常は1週間分の掘削延長

0

500

1,000

1,500

2,000

63.333

62.364

61.809

61.292

60.252

59.622

59.010

58.372

57.760

57.227

56.933

56.810

56.543

56.132

55.903

55.768

55.544

55.355

55.127

54.592

54.293

54.167

54.063

53.977

53.878

53.773

53692

穿孔エネ

削孔能力が低い。通常は1週間分の掘削延長(約30～50m程度)を行うことが多い。・スライムおよびリターン水の評価は、人間が実施する必要がある

削孔水･くり粉状態

STA.312+6

STA.312+6

STA.312+6

STA.312+6

STA.312+6

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA.312+5

STA3125

削孔水 ⇒ 灰色くり粉 ⇒ 黒色の細かいくり粉


施する必要がある。

油圧データの評価例

7

高速・長尺ボーリングによるコア採取技術(アロードリル)ロータリーパーカッションドリルにワイヤラインによるコア採取機能を持たせた手法

高速&長尺でのコア採取が可能：実績 50～150m/3方(週末4方)軟岩地盤に適し、硬岩でも適用可能

当社の実績 4現場当社の実績：4現場欠点

・ロータリーパーカッションのためアロドリル(クロラタイプ)・ロータリーパーカッションのため、特に硬岩については地山を破砕しながらコア採取することになる。このため岩片状のコアの採取と

アロードリル(クローラタイプ)

このため、岩片状のコアの採取となるが、地質状態の判定は可能

・破砕質(緩い)地山ではコアを流す


破砕質(緩 )地山はアを流すリスク有り

・専用マシンが必要となる。ビット

8

アロードリルコア状況

北海道開発技術研究発表会-120222凝灰質砂岩～泥岩 qu≒20N/mm2 100m/2方

9

アロードリルコア状況ディスキング

花崗岩(B～CH級) qu≒100N/mm2


花崗岩( 級) q

100m/5方

10

超高速削孔技術(ダウンザホール)高効率で岩盤を削孔できる先端打撃型ウォータハンマを搭載したダウンザホールハンマをトンネル切羽にて水平方向に使用

超高速での削孔が可能であり湧水に関する探り削孔と水抜きボリング超高速での削孔が可能であり、湧水に関する探り削孔と水抜きボーリングへの適用が可能

削孔速度：実績 168m/4方(硬岩にて)ウォーターハンマ

( )軟岩～硬岩に適用可能

当社の適用実績：5現場欠点

・現状では、地山の状態(硬軟等)について指標を得ることが難しいたついて指標を得ることが難しいため、湧水量とスライムによる前方評価が主体

→ 現在、地山の状態等を評価する取組みを試行中

専用マシンが必要となる


・専用マシンが必要となる。ベースマシン(クローラタイプ)

11

TSP (Tunnel Seismic Prediction) 探査技術小規模発破で発生させた弾性波の伝播・反射に伴う波形を取得し、切羽前方100～150mの地質構造(反射面、弾性波速度構造、等)を3次元にて予測10数年前より実用化 SWISS AMBERG社が開発10数年前より実用化、SWISS・AMBERG社が開発開発当初は2次元レシーバーのため、結果の解釈に課題(TSP202)近年3次元レシーバーを導入解析精度と使い勝手が向上(TSP203)近年3次元レシバを導入、解析精度と使い勝手が向上(TSP203)当社の実績 6現場 46回探査に要する時間探査に要する時間

・測定準備(1.5～2時間:前日)発破孔24孔(2m)削孔受振孔2孔(2m)削孔受振孔ケーシング設置

・現場測定(1.5～2時間)発破・測定を24回繰り返し解析時事務


・解析(1.5～2時間、事務所)TSP探査技術のイメージ

2受振点、24発破 [AMBERG社]

12

TSPの原理-1弾性波(縦波、横波)が地山中の物性境界面(地質境界、断層・破砕帯、不連続面等)で伝播・反射・屈折する現象を利用発破(24点)で発生した弾性波を受振点(トンネル両翼2点)で測定発破(24点)で発生した弾性波を受振点(トンネル両翼2点)で測定その到達(伝播)時間や受信波形等を解析弾性波反射面や速度構造の3次元(空間)分布を推定弾性波反射面や速度構造の3次元(空間)分布を推定

2 31

V2 = 4000 m/sr2 = 2.5 g/cm3

V3 =5000 m/sr3 = 2.6 g/cm3

V1 = 5000 m/sr1 = 2.6 g/cm3

RCV direct

発破点受振点

2 3

33

1

reflected

direct

offset

t (m

)t (

m)

t (m

)

22 R1 R2

距離

offs

et

1offs

etof

fset

11離隔距


tR1 tR2

travel time (ms)00 tD tR1 tR2

travel time (ms)00 tD tR1 tR2

travel time (ms)00 tD

直接波 R1反射波 R2反射波

伝播時間

13TSPの原理-2各発破点(24点)で順次発破を行いその時に発生した弾性波が境界面で反射・透各発破点(24点)で順次発破を行い、その時に発生した弾性波が境界面で反射透過し、受振点に到達する

反射面の位置、トンネルとの位置・傾斜関係(水平・鉛直)、連続性、地山物性(Vp & Vs)等により受振点への伝播経路と伝播(到達)時間が異なり到達波となるVs)等により、受振点への伝播経路と伝播(到達)時間が異なり、到達波となるこれらを専用ソフトにて解析し、最も合理的(誤差の少ない)な弾性波反射面や速度構造の3次元(空間)分布を推定する

受振点離隔距離

0

20

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

m) Reflector 1

Reflector 2

45 m

67 m

90 m

50°

Offset (m)0

20

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

m) Reflector 1

Reflector 2Reflector 1Reflector 2

45 m

67 m

90 m

50°

Offset (m)Receiver

発破点

受振点

反射面1(赤)

離隔距離

反射面2(青)

40

60

Dep

th (m

ShotsReflector 3

dip 50

40

60

Dep

th (m

ShotsReflector 3ShotsShotsReflector 3

dip 50

発破点

反射面 (青)反射面3(緑)

Traveltime Curves

Direct WaveReflector 1Reflector 2

0 10 20 30 40 500

5

10

Vp = 7000 m/s

60

Traveltime Curves



0 10 20 30 40 500 10 20 30 40 500 10 20 30 40 500

5

10

0

5

10

Vp = 7000 m/s

60

直接波反射面1(赤)反射波反射面2(青)反射波

伝播時間曲線

ltim

e (m

s)

Reflector 2Reflector 3

15

20

25ltim

e (m

s)

Reflector 2Reflector 3Reflector 2Reflector 3

15

20

25

15

20

25播時間

反射面2(青)反射波反射面3(緑)反射波


Trav

e

30

35

40

Trav

e

30

35

40

30

35

40

伝

14

TSP探査装置概要システム設置レイアウト

北海道開発技術研究発表会-120222データ収録&解析用PC 現地計測状況

受振機本体

15

北海道開発技術研究発表会-120222実際のトンネルでの測定用発破状況(火薬量200g)

163Dイメージ図


172次元断面図

弾性波Vp 3300

3400

距離程（m）

弾性波Vp速度分布

3000

2900

3100

3200

（m/s）（m/s）

縦断図

切羽

縦断図

平面図

切羽


平面図

18

前方探査総合解析事例前方探査総合解析事例

AトンネルAトンネル


19トンネル全線の間に6本の断層が想定

高密度弾性波探査の結果その他にも数箇所の弾性波速度の落高密度弾性波探査の結果、その他にも数箇所の弾性波速度の落ち込みを特定

坑口より約250mの弾性波速度の落込み帯で突発湧水(0.7t/min)に遭遇

このため、当初想定のF4断層、およびその手前の弾性波速度の落込み帯をめがけ TSP探査を実施落込み帯をめがけ、TSP探査を実施

突発湧水突発湧水が発生

掘進方向

TSP探査


TSP探査を実施

20

フィルタリング1 フィルタリング2TSP探査結果

弾性波速度分布弾性波速度分布

縦断図縦断図

切羽前方40～60m程度でVpが低い(濃い青)領域を確認。弾性波探査平面図平面図


切羽前方程度で pが低 (濃青)領域を確認。弾性波探査における低速度部に相当。地山状況が悪い(F4断層？)可能性高し。

→ 高速・長尺コアボーリング(アロードリル)による地質確認を実施

21アロードリル探査結果

地質は付加体の砂岩・頁岩互層

深度30～45mのコアを表示

ロータリーパーカッションのため、硬岩部のコアは破砕されて採取されるも新鮮堅硬であるれるも、新鮮・堅硬である

深度42.3m付近より岩片が小さくなり粘土の混入が認められるなり、粘土の混入が認められる

43.7～44.7mまではほぼ粘土状の棒状コアを採取棒状を採取

これらの粘土化帯は、TSPの低速度帯にほぼ相当

そこで、粘土化帯の直前で、ジャンボによる探り削孔を実施

ド状


アロードリルのコア状況粘土化帯

22探り削孔探査結果

27.6m掘削を進めた位置で探り削孔を実施。削孔エネルギが相対的に低い領ぼ域を前方18.4～25.4mで確認。これは、TSPの低速度帯にほぼ相当

◎ 穿孔探査実施結果(H21.06.20　L=31.0m)

4.0

5.0

6.0

7.0

度

本日切羽 No.312 STA.312+90.500

速度

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

穿孔速

15 0

17.0

19.0

削孔速

圧

5.0

7.0

9.0

11.0

13.0

15.0

打撃圧

8.0

9.0

10.0

打撃圧

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

回転圧

7 0

8.0

回転圧

圧

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

フィード圧

2,000

低削孔エネルギ領域

フィード圧

0

500

1,000

1,500

00

33

43

02

48

46

92

63

43

24

14

12

59

01

95

12

29

33

78

15

83

65

75

01

15

17

40

45

61

17

36

99

62

15

00

62

93

95

87

88

42

85

23

40

63

16

98

53

30

99

76

39

82

61

12

81

47

穿孔エネルギー

ルギ領域

孔エネルギー

北海道開発技術研究発表会-120222削孔水･くり粉状態

STA.313+98.90

STA.313+98.23

STA.313+97.54

STA.313+97.10

STA.313+96.54

STA.313+95.94

STA.313+95.59

STA.313+95.26

STA.313+94.84

STA.313+94.12

STA.313+92.91

STA.313+92.11

STA.313+91.45

STA.313+90.80

STA.313+90.09

STA.313+89.51

STA.313+88.92

STA.313+88.33

STA.313+87.67

STA.313+87.11

STA.313+86.58

STA.313+86.06

STA.313+85.67

STA.313+85.20

STA.313+84.61

STA.313+84.11

STA.313+83.54

STA.313+82.84

STA.313+82.26

STA.313+81.71

STA.313+81.13

STA.313+80.39

STA.313+78.76

STA.313+77.81

STA.313+76.60

STA.313+75.96

STA.313+75.49

STA.313+75.09

STA.313+74.58

STA.313+74.18

STA.313+73.74

STA.313+73.28

STA.313+72.92

STA.313+72.54

STA.313+72.16

STA.313+71.81

STA.313+71.39

STA.313+71.05

STA.313+70.73

STA.313+70.39

STA.313+70.07

STA.313+69.53

STA.313+69.18

STA.313+68.86

STA.313+68.51

STA.313+68.18

STA.313+67.84

削孔水 ⇒ 黒色くり粉 ⇒ 黒色の砂利状のくり粉

削孔水 ⇒ 黒色くり粉 ⇒ 泥状の削孔水。くり粉は洗われて減少

削孔水 ⇒ 白色くり粉 ⇒ 黒色の小さなくり粉に石英の細かいくり粉を含む。

飲み下がり早い

削孔水 ⇒ 灰色くり粉 ⇒ 黒色の砂利状のくり粉

削孔

23まとめ

TSP探査結果にアロードリル探査と探り削孔探査の結果を重ねて図示

TSPによる低速度帯(濃い青の領域)に対し、アロードリルによる粘土化帯(図中緑の②)は3.7m程度の誤差を持つものの、ほぼ相当する位置で確認

探り削孔による低削孔エネルギー領域(図中緑の③)は、2.5m程度の誤差を持ち、ほぼ相当する位置で確認

実際の切羽でもほぼ相当する

粘土確認低削孔エネルギ帯確認実際の切羽でも、ほぼ相当する

位置にて岩盤状況が悪い状況を確認、慎重に突破

アロードリル

低速度帯

探り削孔確認

今回の結果では、TSPにより約50m先の低速度帯の始まりの位置を数m程度の誤差で探査可能置を数m程度の誤差で探査可能

TSP探査は利便性が高く、他の探査法の採用のための1次フィル探査法の採用のための1次フィルタ的な使い方は有効

高密度弾性波探査との組合せは


特に有効水平断面図

24


BトンネルBトンネル


25TSP解析により湧水発生位置を推定する

パラメータ変化が大きい点をピックアップ。図中に矢印をパラメタ変化が大きい点をピックアップ。図中に矢印を記した位置が該当位置

この結果各湧水帯の開始位置付近と変化点がほぼ整合この結果、各湧水帯の開始位置付近と変化点がほぼ整合

変化点と湧水位置は1:1で対応するわけではないものの、湧水発生可能性の高い位置を絞り込むことが出来る可能あり可能性の高い位置を絞り込むことが出来る可能あり

本評価に従い、継続的にデータを蓄積を継続中

弾性波速度[m/sec]

Vp/Vs比

Vp

Vs

V /V 比の変化より地下水Vp/Vs比 Vp/Vs比の変化より地下水状況変化の可能性が予想される位置

切羽

北海道開発技術研究発表会-120222 第１湧水帯第2湧水帯

26


梅川トンネル(小樽開建)梅川トンネル(小樽開建)


27梅川トンネル前方探査水平ボーリング×3本凝灰岩

貫入安山岩

断層？(軟弱？)

貫入安山岩(硬岩？)

北海道開発技術研究発表会-120222掘進方向

28凝灰角礫岩 (安山岩部、断層部もほぼ同様)

凝灰岩 (非常に軟質、変化位置が手前にずれる)


29

地形・地質の3D-CAD技術坑口部、低土被り部、および切羽前方探査において、トンネルと地形および地質との相互関係を 3次元かつビジュネルと地形および地質との相互関係を、3次元かつビジュアルに確認し、各種の検討(地質評価、安定解析、施工計画数量計算等)に活かすために 3D CAD技術を活用画、数量計算、等)に活かすために、3D-CAD技術を活用

使用ソフトは当社標準としているAutoCAD社Civil-3D

一度データを作成しておけば、例えば坑口付近の施工計画や第三者へのプロジェクト説明に援用可能画や、第三者へのプロジェクト説明に援用可能

当社の実績：4現場


30

全線地形モデル鳥瞰図

坑口施工計画に適用

平面図

始点側坑口終点側坑口

始点側坑口


31

坑口部地形モデル平面図

地すべり評価・検討に適用

鳥瞰図

終点側坑口坑口直交断面

地すべり方向断面


32

鳥瞰図縦断図


33

横断図


34


35


Documents

1 [9]2 = 4000 m/s r 2 = 2.5 g/cm3 V 3 =5000 m/s r 3 = 2.6 g/cm3 V 1 = 5000 m/s r 1 = 2.6 g/cm3 RCV direct 受振点 発破点 3 offset r e f l e c t e d t (m) 2 R1 R2 距 離 離隔

1 [9]2 = 4000 m/s r 2 = 2.5 g/cm3 V 3 =5000 m/s r 3 = 2.6 g/cm3 V 1 = 5000 m/s r 1 = 2.6 g/cm3 RCV direct 受振点発破点 3 offset r e f l e c t e d t (m) 2 R1 R2 距離離隔