GPS時刻同期型 無線トモグラフィ探査システムの採用

一般的な弾性波探査では、高精度な解析を行うために発振システムと受振システムの時刻同期が必要となり、有線で接続されます。しかし、トンネルトモグラフィ探査を行う場合、トンネル坑内と地表面の発振・受振両システムの有線接続は、施工性の観点から困難となるケースも多くあります。

削孔検層システムとは、油圧ドリルを用いて岩盤を削孔する際に得られる削孔データ（削孔速度・打撃圧・給進力・トルク等）を利用して、簡便で迅速にトンネル切羽前方の地質状況を予測できるシステムです。

リアルタイムで切羽前方を探査でき、これまでに地質予測手法として、数多くの現場で適用されてきました。

また、多くの適用事例からノウハウやデータが蓄積されているため、トンネル支保パターンの選定の目安としても活用可能です。

特許登録済

削孔検層システム詳細

本システムは、下図に示すように、孔曲がりを抑制する専用の削孔ツールスと削孔データを計測するためのセンサーと収録装置、及び、評価ソフトで構成されています。地質状況の評価にあたっては、主に破壊エネルギー係数Evを用います。この係数は岩盤の破壊に要した油圧ドリルの仕事量に相当し、一般に、硬岩の場合は大きく、軟岩の場合は小さな値となります。また、削孔時の観察項目（くり粉の性状、削孔水の色、湧水量）も考慮して切羽前方地質を評価します。本システムは汎用性が高く、ロータリーパーカッションドリルやトンネルジャンボなど、どのような油圧ドリルにも取り付けることができます。

トンネル切羽前方に崩れやすい破砕帯などの地質不良部や、湧水、土砂流出などの恐れがある帯水層が存在する場合は、切羽の崩壊、多大な変状、突発的な湧水が発生することが懸念され、工期、工費、安全性に大きな影響を及ぼす恐れがあります。そのため、切羽前方の地質状況や湧水状況を事前に精度よく予測・評価することが重要です。本手法は、得られた弾性波速度分布から支保パターンを選定することができ、削孔検層結果との相関関係も把握することができます。また、掘削後の地盤のゆるみを適切に評価・フィードパックし、合理的な支保設計を可能にします。

特許登録済

システムの概要

本システムは、弾性波速度が地盤の硬軟によって変化することを利用しており、切羽付近でハンマ打撃により発生させた弾性波が、あらかじめ削孔したボーリング孔内に挿入した4連の受振器（速度計）に到達するまでの時聞を計測することにより、その深度ごとの区間速度分布を迅速に評価することができます。

また、本システムは、上図に示すようにトンネル切羽前方だけでなく切羽周辺地山の弾性波速度も簡易に求めることができるため、掘削によるゆるみ域を評価することも可能です。

地山の性状はトンネル掘進に大きな影響を与えます。特に、地山性状が想定よりも悪い場合は、切羽の崩壊、多大な変状、突発的な湧水等が発生し、掘進速度や工費、安全性に大きな影響を及ぼします。そのため、切羽前方やトンネル周辺の地質情報を事前に精度良く予測・評価することが、安全で合理的な施工を進める上で重要です。TRT（Three-dimensional Reflector Tracing）探査システムは、ボーリングを実施せず、非破壊で切羽前方の3次元的な地質状況を精度良く評価することが可能なシステムです。無線システムのため、既存方式より短時間かつ低コストで精度の高い調査を行うことが可能です。

特許登録済
平成21年度岩の力学連合会　技術賞

探査方法

• トンネル壁面に約10ヶ所の加速度計と無線伝送器を取り付けます。
• 切羽周辺の複数の発振点で入力波を発生させます。入力波はハンマー打撃、発破等、様々な方法で行う事が出来ます。
• 入力した弾性波は地盤中を伝播し、地質境界や破砕帯のような不連続面で波動の一部が反射します。
• トンネル壁面に設置した約10ヶ所の加速度計で反射波を受振し、無線通信によって各加速度計からの波形データを取得します。
• 記録された波形データを専用のプログラムで解析することにより、反射波を抽出し、不連続面の位置、傾き等を検出します。

山岳トンネル工事では、施工中、前方の断層や切羽状況を完全に把握することは困難です。そのため、予期せぬ断層による切羽崩壊や肌落ち災害などの重篤災害の根絶に至っていません。そこで鹿島は、切羽と前方5mまでの地質状況をリアルタイムに完全に可視化する「スマート切羽ウォッチャー」を開発しました。

これは、切羽写真の画像解析による崩落危険予測と、コンピュータジャンボの穿孔データによる前方地質のリアルタイム予測の2つの解析技術を組み合せて、切羽の崩落危険度をリアルタイムに可視化するものです。本システムにより、従来の経験に頼った地質評価を変革し、切羽崩落災害の危険性を大きく低減することができるようになりました。

平成30年度土木学会賞　技術開発賞
平成30年度岩の力学連合会　技術賞
平成30年度ARMS10 Outstanding Paper Award　優秀論文賞
特許登録済及び特許出願中

地質状況を自動でリアルタイムに高精度に定量評価

スマート切羽ウォッチャーは、『切羽写真の画像解析による切羽剥落危険度評価システム』と『コンピュータジャンボによる施工時の穿孔データを利用した3次元リアルタイム地質予測システム』、さらに、これらのシステムによる地山評価結果を現場事務所や本社などとリアルタイムに共有するクラウドシステムで構成されています。解析時間は、それぞれ10秒と1分程度であり、解析結果は切羽や現場事務所、本社等でも確認できます。これにより、切羽の剥落危険度を踏まえた適切な鏡吹付けコンクリートの施工や前方とトンネル周辺の地質状況を踏まえた適切な補助工法の迅速な適用判断が可能となり、トンネル掘削の安全性を飛躍的に向上させることができます。

適切な対策工による安全性の向上

適切な鏡吹付けコンクリートによる肌落ち災害の防止

切羽写真の画像解析による剥落危険度の定量的な評価に基づいて、地山状況に応じた適切な鏡吹付けコンクリートをリアルタイムに提示し、切羽の安全性を向上させることができます。

• 切羽写真を画像解析することにより、切羽の風化度と割れ目交差密度を定量評価します。
• 全国の400切羽以上の切羽写真とこれらの剥落状況のデータベースに基づいて、剥落危険度を定量評価します。
• 切羽で解析結果を確認できるため、適切な鏡吹付け厚を施工し、肌落ち災害の防止に貢献します。

適切な補助工法の迅速判断による地山トラブルの防止

切羽観察では確認できない切羽前方やトンネル周辺５ｍまでの地質分布図を高精度に可視化できるため、断層や弱層を事前に把握しながら、適切な補助工法により地山トラブルを防止できます。

• 発破やロックボルト施工時の穿孔データにより、切羽前方とトンネル周辺の高密度な地質情報として、地山の硬軟の指標となる破壊エネルギー係数を取得します。
• 地質の予測及び可視化には、地質分布の特徴を反映した空間補完が可能な「クリギング」という手法を利用するため、高精度な予測が可能です。
• クリギングの解析パラメータ（バリオグラム）を最適化することで、切羽前方やトンネル周辺5ｍまでの地質状況を高精度に可視化することができます。

※クリギング：資源開発分野で発達した地球統計学による空間補完の手法