フジタ技術研究報告

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みいかかみいしづ
5 years ago
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1 トンネル浅層反射法による TBM 先進導坑内からの切羽前方探査村山秀幸上野博務 *1 丹羽廣海福田秀樹 *2 概要筆者らは, 施工中に切羽前方の地山性状を把握し, トンネルの設計施工に反映する切羽前方探査技術として, トンネル浅層反射法探査 (Shallow Seismic Reflection survey for Tunnels: 以下 SSRT と称す ) を開発し, 地形条件, 地山条件, 施工条件等の異なる各種トンネルにおいて検証を進めてきた SSRT 探査では各トンネル現場における特殊条件と個々の探査目的を考慮して, 探査機器の適切な配置 ( 坑内および坑外からの起震受振等 ), 複数の震源装置の併用 ( 発破, 油圧インパクタ, バイブロサイス ), 各種波形処理方法による検討 (VSP による切羽前方後方強調, 水平構造解析, トモグラフィ等 ) 等により, トンネル切羽前方および周辺地山の探査を実施することができ, 汎用性, 応用性, 適用性等を兼ね備えた探査手法である第二東名高速道路島田第一トンネル ( 下り線 ) 工事では, 大断面の本坑トンネル掘削前に TBM 先進導坑 ( 外径 φ 5,000mm) にて掘進していたが, 大小の地山崩落が頻発し TBM マシンが拘束され掘進停止を余儀なくされたそこで,TBM 導坑内から切羽前方を予測し, 適切な施工管理を実施することが重要となり SSRT 探査が採用された本報文では, 作業空間と使用機材が限定される TBM 導坑内において, 起震源となるミニインパクタとその起震方法を改良し TBM 導坑内で SSRT 探査を実施した事例について報告する第 1 回目の SSRT 探査結果では, 一部地山評価を取り違えたが, 掘削実績と探査結果に対して新たな地山評価指標を提案し地山の再評価を実施したその結果を第 2 回目の SSRT 探査に反映し,TBM 掘削の順調な掘削に十分寄与することができた Shallow Seismic Reflection Survey for Tunnels (SSRT) using a Hydraulic Impactor as the Vibration Source in a TBM Pilot Tunnel Abstract The authors have developed the Shallow Seismic Refection survey for Tunnels (SSRT) to determine geological conditions ahead of tunnel faces. For the SSRT survey, a hydraulic impactor, vibrator or explosives can be used as the seismic sources according to construction methods and geological conditions of each tunnel applied. This paper describes an improved SSRT using a hydraulic impactor for a TBM (Tunnel Boring Machine) tunnel named the 1 st SHIMADA of 2 nd Tomei Expressway Project. With this technique good reflection images along a tunnel axis were created by VSP processing. The processed results show that characteristic strong reflection images coincide with the zones of collapsed rock area and those seismic images obtained from the SSRT. キーワード : トンネル切羽前方探査, トンネル浅層反射法探査 (SSRT),TBM *1 横浜支店 *2 四国支店 ( 元横浜支店 ) -65-

2 1. はじめに一般に,TBM は比較的良好な地山で延長の長い水路トンネルや島田第一トンネル ( 下り線 ) のような大断面トンネルの先進導坑に適用され, 発破掘削と比較して高速掘進が期待できることから経済性に優れた工法とされているしかしながら, 切羽の安定性の悪い地山や膨張性地山, 断層破砕帯などでは,TBM マシンが地山に詰め付けられて拘束状態に陥ったり, マシンが沈下し掘進不能となったりすることがあるよって,TBM 工法は掘進速度が速いことから, より一層地山性状を吟味し地山トラブルを早期に予測しながら対応することが施工管理上重要となり, 施工中に実施する切羽前方探査に対するニーズが高いと言える第二東名高速道路島田第一トンネル ( 下り線 ) 工事は, 延長 2,675m のうち 2,278m を TBM 先進導坑 ( 外径 φ 5,000mm) で掘進し,TBM 導坑貫通後に大断面に拡幅掘削する計画であったしかしながら,TBM 掘進中に大小の地山崩壊が頻発し, 特に STA.533 付近で発生した大きな崩壊によって,TBM マシンが拘束され掘進の停止を余儀なくされた本稿では, 作業空間と使用資機材が限定される TBM 導坑内において実施可能な切羽前方探査手法を検討し, 油圧インパクタを起震源とする SSRT 探査の起震方法等を改良することによって探査可能であると判断し,TBM 導坑内で切羽前方探査を実施した結果について報告する 2.TBM 坑内における切羽前方探査の実施例と SSRT 探査方法の改良 2.1 TBM 坑内での切羽前方探査の実施例と課題 TBM 坑内における切羽前方探査の実施例としては, 起震源に発破を用いる TSP 1),HSP 2) や通常ハンマ起震を用いる TRT(True Reflection Tomography) 3) がある島田第一トンネル ( 下り線 ) の TBM マシンは外径 φ 5,000mm のフルシールド型であり後続設備がマシン後方の約 0m 区間に連なり, 切羽からこの約 0m 区間が特に作業空間が狭く限定されているよって,TSP や HSP において, 発破孔を間隔 2m 程度で後続設備区間の側壁に削孔することは容易ではなく, 発破時には各種計器に影響を与えないために入念な防爆処理が必要となる当然ながら, このような限定された空間での発破作業は, 安全管理上避けるべきであることは周知と言える一方,TBM では通常火薬類の使用を申請しない島田第一トンネル ( 下り線 ) でも TBM 掘進期間中は火薬類の使用申請を実施していなかったよって,TBM において TSP や HSP を実施することは, 起震源となる発破の使用許可申請の上でも制約がある TRTはハンマ起震で手軽であるが, 打撃エネルギが小さく切羽前方 50~0m 程度しか探査できない TSPやHSPの探査深度は0~0m 程度であることから, 比較的作業空間が広い後続設備後方の区間で探査しても探査可能な切羽前方領域は限定されるさらに, 切羽に近い後続設備区間で探査したとしても TBMの掘進速度は, 一般に月進 m 以上程度を目標としており,1 回の探査で1ヶ月分の掘進距離も探査できないことになる以上から,TBM においては安全な非爆薬震源を用いて切羽前方 m 程度まで探査可能であることが望まれていると言えるそのためには, 打撃エネルギの大きな起震源と手軽な探査機器を用いることが肝要であると考えられる 2.2 SSRT 探査方法の改良 SSRT は非爆薬震源として, 油圧インパクタとバイブロサイスが利用可能で探査目的に応じて機種を選択できる油圧インパクタには, 打撃エネルギ ( ピストン下死点ガス圧 0.6MPa)3,000 ジュール,6,400 ジュール,2,000 ジュールの3 機種 4) があるそのうちミニインパクタ (JMS-MINI65) は, 最も小型 ( 打撃エネルギ 2,000 ジュール ) であるが P 波を用いた地表からの反射法探査で深度 500m 程度の起震能力を有するミニインパクタは, 小型油圧ショベルをベースマシンとした自走式震源であり, 従来から機動性を重視してトンネル坑内での SSRT に使用し探査実績が多い 5) 図 1にミニインパクタの形状図を示す本震源は最大幅 1,0mm, 高さ約 2,230mmであり, ベースマシンの軽微な改良 ( 屋根の取り外し ) により, 寸法上は外径 φ5,000mm の TBM 導坑内の後続設備区間で探査可能であり, 総重量も tfで現場への輸送や坑内での移動に有利である図 1 ミニインパクタ [JMS-MINI65] 形状図 -66-

+24 0 E 2 3 3 2-4 E2-3 E2-2 坑門工計画高 60(80) 2:AGF@450,N=40.5 本形余裕 ( ) 30 変形余裕 (30 ) 地山等級島田第一トンネル 3:AGF@600,N=30.5 ( 下り線本 ) 延長 L=2675.

0) ロックボルト長さ () () (m) ( ) 内は周方向間隔 60 40 12 フォアポーリング延長方向間隔坑先進拡幅掘削工法 ( 機械掘削 ) 坑門工計区間長 (m) 7m, 側壁導坑 :S2 L=137m 掘削工法 Ⅰ-P +53 H H- 4 1 HH-4 1 8 12 半 6. 0(290KN) 半 6. 0(170KN) 16 13 Oss 2.

3 +24 0 E E2-3 E2-2 坑門工計画高 60(80) 2:AGF@450,N=40.5 本形余裕 ( ) 30 変形余裕 (30 ) 地山等級島田第一トンネル 3:AGF@600,N=30.5 ( 下り線本 ) 延長 L= m HH 設計パターン NH 覆工 (cm)( ) 内はインハートコンクリート設吹付けコンクリート (cm) 6. 0(9. 5) 4. 0(3. 0) 3. 0(3. 0) ( ) 内は AGF 鋼製支保工種別 (0. 6) (0.45) (m) 間隔 (0. 6) (0. 6) (8. 0) ロックボルト長さ () () (m) ( ) 内は周方向間隔フォアポーリング延長方向間隔坑先進拡幅掘削工法 ( 機械掘削 ) 坑門工計区間長 (m) 7m, 側壁導坑 :S2 L=137m 掘削工法 Ⅰ-P +53 H H- 4 1 HH 半 6. 0(290KN) 半 6. 0(170KN) Oss 2.0 HH F3 勾測 +24 DL=0m HH DL=0m 配点 mf 0.8~ HH Ssm Ssm DⅢ 島田第一トンネル ( 下り線 ) 延長 L= m 坑門工 DⅢa H -1 L= m 60(80) 50( 70) 50( 70) 25 発進坑 H H HH-4 1 HH-4 1 HH-4 1 HH-4 1 HH-4 1 HH-4 1 HH-4 1 HH HH-4 1 HH HH HH HH HH HH (9.5) (9.5) 下半 4.0( 170KN) 上半 6.0 (290KN ) 上半 6.0(29 0KN) 上半 6.0 (290KN) 発進坑 3.0(1kN) 下半 4. 0(170KN) 下半 6.0 (170KN ) 下半 6.0(17 0KN) 上半 6.0(290kN) 下半 6.0 (170KN) (0.6) (0.6) 発進坑 1.5 (0.6) 1.5 (9.0) 発進坑坑門工上半先進掘削工法 ( 爆破掘削 ) 3.4~3.6 TBM 導坑先進上半拡幅掘削工法 ( 爆破掘削 ) Sss Ssm F ~ ~1.0 L= m Sss Ssm Ssm +91 H H H H H H HH-4 1 H H HH HH HH HH HH 上半 6. 0(290kN) 下半 4. 0(170KN) 下半 4. 0(170kN) 下半 4. 0(170KN) TBM 導坑先進上半拡幅掘削工法 ( 爆破掘削 ) F 上半 6.0 (290kN) 下半 4.0 (170kN) 32 HH F1 2.0 F ~0.5 HH HH ,8.0(222kN) 2.2~ HH ,8.0(222kN) 下半 4.0 (170kN) H H H H L= m L=7400m HH HH-4 1 H H- 4 1 HH-4 1 HH HH HH HH HH 上半 6.0 (290KN) 上半 6.0 (290KN) 下半 6.0 (170KN) 上半 6. 0(290kN) 下半 4. 0(170kN) 下半 6.0 (170KN) 0.3~ HH F7 39 Och 0.8~ 60 HH 上半先進掘削工法 ( 爆破掘削 ) 島田第一トンネル ( 下り線 ) 延長 HH Oss E E1-2 E2-5 E2-4 E2-3 E2-2 坑門工 60(80) 60(80) 2:AGF@450,N=40.5 本 30 変形余裕 ( ) 変形余裕 ( ) 30 変形余裕 (30 ) 3:AGF@600,N=30.5 本 HH HH NH NH (9. 5) 4. 0 ( 3. 0) 4. 0(3. 0) 3. 0(3. 0) ( ) 内は AGF (0. 6) (0.45) ( 0. 6) (0. 6) (0. 6) (8. 0) ( ) () () 先進拡幅掘削工法 ( 機械掘削 ) 先進拡幅掘削工法 ( 機械掘削 ) 坑門工 :S1 L=167m, 側壁導坑 :S2 L=137m F3 L= m HH Sss Ssm 0.8~ 地質時代地層名記号現河床堆積物 rd 第完土石流堆積物 mf 250 新地すべり堆積物 HH 四世崖錘堆積物上半紀 6.0(290KN) 沖積層 al 更新世古期泥流堆積物 0 2 レキ岩新中大含レキ泥岩第井新川砂岩 Oss 三層 0 世群泥岩 Omm 紀チャート Och 新中泥岩第新三世瀬泥岩優勢層紀 ~ ~ 戸 DL=0m 古新川第新層砂岩優勢層 Ssm 三世群紀砂岩 Sss 島田第一トンネル ( 下り L= (7 H H HH-4 1. 上半 6. 0 下半 4. 0(170KN) 下半図 2 TBM 導坑内の後続設備区間を考慮したミニインパクタ起震方法の概念図 STA 東側坑口 STA 凡例地質時代地層名記号現河床堆積物 rd 第完土石流堆積物 mf 新地すべり堆積物四世崖錘堆積物紀沖積層 al 更新世古期泥流堆積物レキ岩新中大含レキ泥岩第井新川砂岩 Oss 三層世群泥岩 Omm 紀チャート Och 新中泥岩第新三世瀬泥岩優勢層紀 ~ ~ 戸古新川第新層砂岩優勢層 Ssm 三世群紀砂岩 Sss STA 西側坑口 STA 大崩落発生位置 STA ~STA.533 付近第 1 回目 SSRT 実施時 TBM 切羽位置 STA 第 2 回目 SSRT 実施時 TBM 切羽位置 STA STA STA STA STA STA STA STA STA STA STA i=0.650% L=m STA STA STA STA ~ STA STA 東側坑口 STA STA 凡例 STA STA STA STA 図 2 に TBM 導坑内の後続設備区間におけるミニインパクタでの起震方法の概念図を示す導坑内は軌道式であり, ミニインパクタは台車に乗せて搬入する通常ミニインパクタは鉛直下向きにトンネル底盤を起震しながら移動を繰り返すので,TBM 導坑内では底盤から軌道上の台車まで約 1,mm の離隔が発生し直接底盤を直接起震することができないそこで, 図 -2 に示したように, 専用の台座アンビルを作成した台座アンビルは H 型鋼 (H-) を用い基準高さを 1,0mm として, 底盤の凹凸に合わせて 0mm 単位で高さ調整が可能なピース材を用いて起震位置で順次高さを調整し, 常に最大の起震力が地山に伝達されるように工夫した受振器 ( ジオフォン,0Hz) は, 底盤起震位置から 0mm 程度離して, 地山にニードル状のスパイクを打ち込み設置した受振器から坑内に設置した記録装置への配線は軌道上に敷設し, ミニインパクタの移動等によって断線しないように配慮した STA STA STA STA STA 図 3 島田第一トンネル ( 下り線 ) 地質縦断図 [SSRT 探査実施時の TBM 切羽位置を併記 ] STA i=0.984% L= m 現場場概要と SSRT の実施方法 3.1 現場概要図 -3 に島田第一トンネル ( 下り線 ) の地質縦断を示す本トンネルは, 静岡県中部を南東方向に流下する瀬戸川と大井川支流大津谷川に挟まれた山地で静岡県島田市の北方約 4km に位置する山地は概ね標高 m~400m で, 主な河川方向と同じ北西 - 南東方向の尾根が発達するトンネル地質は, 大部分が瀬戸川層群と呼ばれる古第三紀 ~ 新第三紀中新世前期に形成された堆積岩類からなる東側坑口部付近は新第三紀前期中新世に形成された大井川層群からなり瀬戸川層群とは断層で接している瀬戸川層群は砂岩と泥岩を主体とし, その含有率によって砂岩 ~ 砂岩優勢層 ~ 泥岩優勢層 ~ 泥岩に区分されている地山弾性波速度は, 風化部を除く地山深部で Vp=3.4~ 3.6km/s であり, 数箇所に低速度帯 (Vp=2.0km/s) が確認されている STA STA STA STA STA STA

3.2 SSRT 探査の実施方法 SSRT 探査は計 2 回 (3 測線 ) を実施した図 4 に第 1 回目の探査測線を示す測線は, 天端の大崩壊によって TBM マシンが拘束された STA.533+50 ~ STA.

し掘進を再開していたが, 切羽では小崩落が連続的に発生し地山は依然として不安定な状態にあった図 5 に第 2 回目の SSRT 探査測線を示す測線 3 は第 1 回目の探査結果を踏まえ, 屈折法解析で地山 P 波速度を精度よく取得するために測線延長を 70m と第 1 回目より長く設定した測線 3 の切羽側 34m を主測線として, 受振器を間隔 2m で 18

一方,TBM 切羽後方の約 30m 区間はマシン本体およびベルトコンベアによる排泥設備が導坑内に錯綜しており, 起震と受振は TBM 切羽から約 30m 後方が限界であった写真 1(a)~(d) に探査実施状況を示す 1 回の起震に要する時間は移動を含めて 5 分程度であった 4. 探査結果と掘削実績の対比 4.1 第 1 回目 SSRT 探査の結果と地山評価の見直し 4.1.1 速報における地山評価 SSRT 探査で得られた波形記録は, 探査結果を即時に施工へ反映させるために, 現場にて 1 日で処理し速報として側面図 STA.

533 付近 TBM 坑内での起震イメージ ( 電源台車上での作業 ) カウンターウエイト起震 ( インパクト ) 受振 ( ジオフォン ) +70 STA.533+87.5 +90 探査測線 1( 切羽側 ) STA.

4 3.2 SSRT 探査の実施方法 SSRT 探査は計 2 回 (3 測線 ) を実施した図 4 に第 1 回目の探査測線を示す測線は, 天端の大崩壊によって TBM マシンが拘束された STA ~ STA.533 付近を挟んで, その前後に測線 1 と測線 2 を設定した測線 1 の主な目的は切羽前方探査であり, 測線 2 は大崩壊位置の地山特性 ( 反射波特性 ) の把握にある測線延長は共に 34m, 受振器は間隔 2m で 18 箇所に設置し, 起震はミニインパクタを各受振点に移動し 8 回スタッキングしたなお, 第 1 回目の探査段階で TBM マシンは拘束状態から脱し掘進を再開していたが, 切羽では小崩落が連続的に発生し地山は依然として不安定な状態にあった図 5 に第 2 回目の SSRT 探査測線を示す測線 3 は第 1 回目の探査結果を踏まえ, 屈折法解析で地山 P 波速度を精度よく取得するために測線延長を 70m と第 1 回目より長く設定した測線 3 の切羽側 34m を主測線として, 受振器を間隔 2m で 18 箇所に設置し起震も 2m 毎で実施した坑口側 36m を副測線として, 同様に受振器を間隔 2m で 18 箇所に設置し, 起震を 4m 毎としたさらに, 各測線間の地山 P 波速度を把握するために, 遠方起震点として測線 1 と 2 の切羽側受振点位置, 測線 2 と 3 のほぼ中間点で起震を行った起震回数は, 遠方起震点で回のスタッキングを実施し, 測線 3 では回とした一方,TBM 切羽後方の約 30m 区間はマシン本体およびベルトコンベアによる排泥設備が導坑内に錯綜しており, 起震と受振は TBM 切羽から約 30m 後方が限界であった写真 1(a)~(d) に探査実施状況を示す 1 回の起震に要する時間は移動を含めて 5 分程度であった 4. 探査結果と掘削実績の対比 4.1 第 1 回目 SSRT 探査の結果と地山評価の見直し速報における地山評価 SSRT 探査で得られた波形記録は, 探査結果を即時に施工へ反映させるために, 現場にて 1 日で処理し速報として側面図 STA 底盤縦横比地山 TBM 天端 TBM 底盤地山 +70 坑口側 m STA STA 探査測線 2( 切羽側 ) STA 付近天端崩落位置探査測線 2:L34m 18 ( 起振 STA TBM 天端崩落 STA ~ STA.533 付近 TBM 坑内での起震イメージ ( 電源台車上での作業 ) カウンターウエイト起震 ( インパクト ) 受振 ( ジオフォン ) +70 STA 探査測線 1( 切羽側 ) STA TBM 切羽前方探査測線 1:L34m 18 ( 起振図 4 第 1 回目 SSRT 探査測線配置図図 5 第 2 回目 SSRT 探査測線配置図 (a) 後続設備区間の起震状況 (c) ベースプレートとアンビルまとめた速報では測線 1 と 2 における切羽側の前方反射面強調処理結果 (VSP 処理 ) のみから切羽前方地山を予測しており, 後述する坑口側の後方反射面強調処理や反射法 ( 水平構造解析 ) 等は取得記録を持ち帰って整理した速報解析に用いた地山弾性波速度は, 測線 1 と 2 の初 STA 第 1 回目 SSRT 探査時 TBM 切羽位置 STA 断面図台座アンビル H+0+0 W*L (b) 後続設備後方区間の起震状況 (d) 受振器と坑内配線写真 1 TBM 導坑内での SSRT 実施状況油圧インパクタ H00*W00*L2400 STA STA.537+ STA STA 副測線 (18 受振点,L36m) 間隔, 間隔遠方起震点 : インパクタによる起震のみ実施測線 3L70m:36 受振点,27 発震点 STA STA STA ( 第 1 回探査測線 2 切羽側 ) ( 第 1 回探査測線 1 切羽側 ) ( 第 1 回探査測線 2 と測線 3 の中間点 ) 底盤 97.5m 123.5m m 主測線 (18 受振点,L34m) 受振間隔断面図台座アンビル H+0+0 W*L 切羽側約 30m 起震受振油圧インパクタ H00*W00*L ジオフォン φ ジオフォン φ5000 TBM 切羽 -68-

1211 STA.529+00 1281 1.951 1.821 +52 動走時から得られる弾性波速度を平均し Vp=3.09km/s を採本坑掘削用したなお本坑覆工, 事前調査の屈折 L=438.00 STA.529+62 法で得られた弾性波速度は 0. 3~0. 5 Vp=3.4~3.

6 相当する地山性状の評価で 273 は, 反射面の連続性と頻度等 -H-1 13.454 -T が注目点となり, 測線 1と2の発進坑発進坑 5 180. 2 結果を総合的に勘案して, 地 13.454 充填式フォアホーリンク (L=3.0m) 注入式フォアホーリンク (L=3.0m) 注入式フォアホーリンク (L=3.0m)45 注入式フォアホーリンク (L=6.

301 山をゾーニングして評価する図 6 の測線 2 において, 大崩壊が発生した区間に振幅の非常に大きな反射面が連続して分布しており, 発生した崩壊現象を的確に反射面構造として捕らえたと考えられるよって, このように強い反射面が連続する区間を強破砕で要注意区間であると評価した同様に強い反射面が連続する区間として, 測線 1 で前方 140~ 180m, 測線 2

09km/s を用いているからであり, 特に測線 2 では前方距離が 250m を超えており位置同定の精度がかなり低下していると考えられる以上から, 図 6 に示したように地山評価および切羽前方地山の予測として, 以下の 4 つのゾーンを設定したゾーン 1( 既掘削区間 ): 大崩壊発生区間に相当し非常に強い反射面が連続して確認できるゾーンゾーン 2( 既掘削区間 ):

5 1211 STA 動走時から得られる弾性波速度を平均し Vp=3.09km/s を採本坑掘削用したなお本坑覆工, 事前調査の屈折 L= STA 法で得られた弾性波速度は 0. 3~0. 5 Vp=3.4~3.6km/s である図 6 に, 探査結果および前方地山の評価結果を示す反射面の振幅差は相対的な地山 Ssm Ssm Ssm の強度差に相当し, 白塗りが硬質から軟質への変化, 黒塗 +62 STA りが軟質から硬質への変化に H ~ 2. 2~ ~3. 6 相当する地山性状の評価で 273 は, 反射面の連続性と頻度等 -H T が注目点となり, 測線 1と2の発進坑発進坑結果を総合的に勘案して, 地充填式フォアホーリンク (L=3.0m) 注入式フォアホーリンク (L=3.0m) 注入式フォアホーリンク (L=3.0m)45 注入式フォアホーリンク (L=6.0m) 空洞充填崩落土改良鋼製ライナー裏込め注入送り矢板当り取りエキスパンドメタル防護支保工ピッチ短縮地盤改良注入 (L=3.0m) 地盤改良注入 (L=m) 縮小リング支保工防護盛替鉄筋モルタル吹付け補強盛替反力設置 -T 山をゾーニングして評価する図 6 の測線 2 において, 大崩壊が発生した区間に振幅の非常に大きな反射面が連続して分布しており, 発生した崩壊現象を的確に反射面構造として捕らえたと考えられるよって, このように強い反射面が連続する区間を強破砕で要注意区間であると評価した同様に強い反射面が連続する区間として, 測線 1 で前方 140~ 180m, 測線 2 で前方 250~ 290m を確認することができ, この区間は要注意区間と想定できるなお, 両測線における反射面位置が m 程度のずれる理由は, 位置同定の際に一律に弾性波速度 Vp=3.09km/s を用いているからであり, 特に測線 2 では前方距離が 250m を超えており位置同定の精度がかなり低下していると考えられる以上から, 図 6 に示したように地山評価および切羽前方地山の予測として, 以下の 4 つのゾーンを設定したゾーン 1( 既掘削区間 ): 大崩壊発生区間に相当し非常に強い反射面が連続して確認できるゾーンゾーン 2( 既掘削区間 ): いくつかの反射面が単独に分布する弱破砕ゾーン T ゾーン 3( 切羽前方 ): 反射面の発生頻度が低く比較的良好な地山と想定されるゾーンゾーン 4( 切羽前方 ): 切羽から遠方であっても非常に強い反射面が集中する区間であり, 大崩壊発生箇所の反射面構造に近いことから, 地山が強く破砕されている可能性が高いゾーン L= m STA L= ~ 3. 4~ ~ ~2. 4 STA ~ 図 -7 第 1 回目 SSRT 探査結果の速報 [ 現場での波形処理結果 ] STA F1 反射面構造のゾーニング STA T1 -T -T この速報段階における TBM 切羽位置は, ゾーン 2 と 3 の境界付近まで約 8m であり, この区間は天端の小崩落が頻発していたが, ほぼゾーン 2 と 3 の境界で切羽が自立し, 施工していたフォアポーリングを中止したさらに, ゾーン 3 では最大日掘進距離 18m を記録し順調に掘進できた以上から, ゾーン 1~3 までの区間における地山評価は TBM 掘削実績から妥当であったことが示された一方, 反射波分布から探査深度は 0~250m 程度と想定でき, ミニインパクタの起震方法の改良によって良好に切羽前方地山を探査できたと考えられる 4. 地山評価の見直し TBM 切羽が強破砕と想定したゾーン 4 に達しても順調に掘進でき, 天端切羽は安定していたよって, 地山評価の見直しを実施した中電鉄塔 0. 3~ ~ 2. 2~ ~ T i=0.650% L=m T1 -T1 -T -T1 -T 探査測線岩盤強度 σc(fn) 60 @ @@ 強反射 1 距離 (m) 反射強度強調波形坑口 ( 測線 1,2 考慮 ) 前方探査測線 2( 切羽側 )STA F2 ゾーン1 前方探査測線 1( 切羽側 )STA ゾーン 2 弱破砕探査測線 1 TBM 切羽位置 (STA ) 測線切羽側からの距離ゾーン3 比較的良好図 7 に測線 2 における坑口側の後方反射面強調処理と切羽側の前方反射面強調処理結果を TBM 掘進記録から得られる推定岩盤強度と併記する図 7 には, 図 8 で示す反射測線切羽側からの距離図 6 第 1 回目 SSRT 探査結果の速報 [ 現場での波形処理結果 ] 強反射 2 強反射 3 坑口側後方反射面強調処理強反射 4 強反射 5 探査測線 2 大崩落箇所探査測線 1 STA 強反射 6: 大崩壊箇所に相当切羽強反射 7 切羽側前方反射面強調処理図 7 後方および前方の反射面強調処理結果と TBM 掘進記録 L= m T1 +90 STA ゾーン4 強破砕推定岩盤強度 [TBM 掘進記録 ] 距離 (m) 振幅大振幅小振幅大 ( 波形の白塗り )( 波形の黒塗 ) ~ ~ 2. 2~ ~ STA

面の連続性と相対的な強さを示すバーチャートを併記した性が高く相対的に強度の強い共通受振点重合断面連続する反射波の傾きが弾性波速度ができる算 17.6m3 振幅大 125.4m3 天端 9.8m 堆積 9.3m 28.8m3 空洞 5.3m 64.0m3 5.25m 空洞天端 5.0m ⑦の位置では天端切羽が不安定となり小崩壊が頻発してい崩落土堆積本数減左半断面 2.

6 面の連続性と相対的な強さを示すバーチャートを併記した性が高く相対的に強度の強い共通受振点重合断面連続する反射波の傾きが弾性波速度ができる算 17.6m3 振幅大 125.4m3 天端 9.8m 堆積 9.3m 28.8m3 空洞 5.3m 64.0m3 5.25m 空洞天端 5.0m ⑦の位置では天端切羽が不安定となり小崩壊が頻発してい崩落土堆積本数減左半断面 2.0m 12.0m 32.9m 3.1m 0 鏡 0.2m 左右肩 0.05m右肩 0.2m 右肩 0.2m 右肩 m 天端 0.65m 右肩 0.55m 右肩 0.9m 右肩 0.3m 本3 右肩 0.2m 右側天端 0.4m 本3 右肩 0.2m右肩 0.3m 天端 0.2m 右側右側右側左肩 0.25m天端 0.3m 天端 0.2m 鏡 0.2m STA 鏡 0.3m STA 鏡 0.7m 本3 STA STA STA STA 鏡 0.3m鏡 0.5m鏡 0.4m STA STA 鏡 0.m鏡 0.2m STA 鏡中 0.5m 鏡 m STA STA.534 STA STA 左肩 0.65m 左肩 0.5m 天端 0.35m 左肩 0.m 天端 0.4m天端 0.45m 天端 0.45m STA 右肩 0.3m 天端 0.1m STA STA STA STA STA STA STA STA 本3 鏡右 0.2m STA.534+ STA STA STA STA STA STA STA STA STA STA 支保工応力計 STA STA STA STA 支保工応力計 19@0.25=4.750 地山強度比反射強度コントラストが低い領域反射強度バーチャート表示していなが近傍で発生した大反射強度コントラストが高い領域強反射⑨ 強反射⑧ 強反射⑫ 反射面強調波形行したと考えられる一方後方反射面強調区間は全体として反射強度コントラ強反射⑩ 切羽側前方反射面強調処理ストが低くコントラストが低い領域に単発的に強反射が分布している同様に大崩壊発生位置は全体として反射面強度のコントラストが低い領域に強反射強反射⑪ 距離(m) 速報での切羽前方反射面構造のゾーニングゾーン② 弱破砕 TBM掘進記録を考慮した切羽前方反射面構造ゾーニングの見直しゾーン② 弱破砕ゾーン③ 比較的良好ゾーン④ 強破砕切羽側測線前方反射波ゾーン③ 比較的良好図 9 測線①の前方強調処理とバーチャート表示の掘進記録との対比が集中していることが分かる図 9 に測線①の切羽側の前方反射面強調処理結果とバーチャート表示による反射強度および TBM 掘進記録を表 1 切羽天端の安定性に対する反射面コントラストと強反射面の分布マトリックス強反射の分布なし単発連続反射強度のコ低安定小崩落大崩落の危ントラスト険性あり全体傾向高安定安定安定併記して示す図より TBM 掘進記録から STA.535 から推定岩盤強度が僅かではあるが一様に上昇し天端切羽崩落がほとんど発生していないことが分かるこの境界位置は全体的な傾向として反射強度コントラストが低い領域と高い領域の境界に相当し反射強度コントラストは地山強度の相違を示していると考えられるこの反射強度コントラスト地山評価指標の提案と土木地質的検討本トンネルの地山評価においては反射強度コントラストの高い領域では強反射が分布しても崩壊がほとんど発生せず反射強度コントラストが低い領域での強反射位置で崩落が発生している以上から図9に示したように速報時の反射面構造のゾの変化と強反射位置に注目することが重要であると考えらーニングをTBM掘進記録から見直すと強反射が連続し射強度コントラストと強反射の分布性状をパラメータとしてマ強破砕と評価したゾーン④は地山評価を取り違えておりトリックスで示す表より崩壊は全体的に反射強度コントラ比較的安定したゾーン③の延長として評価すべきであったストが低い領域の強反射が分布する区間で発生しておりと言えるコントラストが高い領域とコントラストが低くても強反射が分れる表1に TBM掘進記録から天端切羽の安定性を反 70 STA.536 (TD=718m) STA.536 (TD=723m) STA (TD=728m) STA (TD=703m) STA (TD=708m) STA (TD=713m) STA (TD=688m) STA (TD=693m) STA.536 (TD=698m) STA (TD=673m) STA.536 (TD=678m) 推定岩盤強度 STA (TD=683m) STA.536 (TD=658m) STA (TD=663m) STA (TD=668m) STA (TD=643m) STA.536+ (TD=648m) STA.536+ (TD=653m) STA (TD=628m) STA (TD=633m) STA (TD=638m) STA (TD=613m) STA.535 (TD=618m) STA.535 (TD=623m) STA.535 (TD=598m) STA (TD=603m) STA (TD=608m) STA (TD=583m) STA (TD=588m) STA (TD=593m) STA (TD=568m) STA (TD=573m) STA.535 (TD=578m) STA.535+ (TD=553m) STA.535 (TD=558m) STA (TD=563m) STA.535+ (TD=548m) STA (TD=533m) (TD=538m) STA (TD=543m) STA.534 (TD=518m) STA.534 (TD=523m) STA (TD=528m) STA (TD=508m) STA (TD=513m) STA.534 (TD=498m) STA (TD=503m) STA (TD=483m) STA (TD=488m) STA (TD=493m) STA (TD=473m) STA.534 (TD=478m) STA (TD=468m) STA.534+ (TD=453m) STA.534 (TD=458m) STA (TD=463m) (TD=438m) STA (TD=443m) STA.533 (TD=423m) STA (TD=428m) STA (TD=433m) STA (TD=408m) STA (TD=413m) 6@0=6.000 STA.534+ (TD=448m) 支保工許容応力超過補強 L=6.25m STA (TD=421.9m) 81@0.25=.250 STA.535以降岩盤強度が一様に上昇 2.7m 天端 2.0m 2本 3本左 0.1m 0.1m 堆積 0.5m STA.533 (TD=418m) STA STA STA STA STA STA STA STA STA 支保工応力計鉄筋ｺﾝｸﾘｰﾄ応力計 STA STA 支保工応力計 STA 支保工許容応力超過補強 L=8.75m L=.25m テール盛替反力 STA (TD=411.m) STA (TD=388m) 左 0.6m 天端 0.5m ⑤では掘進時には崩落が発生崩壊の影響で地山に緩みが進 3.9m 空洞 2.3m左 m 右 0.85m トンネルセンタでの表示 STA.533 (TD=398m) 支保工許容応力超過補強 L=5.25m STA (TD=393m) ５断面天端 2.7m 1.7m 天端 0.2m 左 0.m 崩落位置補助工法 STA (TD=403m) ５断面 33.2m3 堆積 4.5m 坑壁確認できず左 0.5m 600 天端 0.6m 探査時切羽ることがわかるなお強反射堆積 m 0.7m 天端 0.7m STA (TD=417.m) とほぼ一致し強反射① ④ 空洞 2.7m 天端 2.5m堆積 3.0m 天端右４断面ＴＢＭ掘進記録左 3.4m 空洞 4.0m 天端 3.0m 天端 2.3m 天端 1.6m 天端 0.4m STA (TD=390.9m) STA (TD=383m) 較すると強度変化の大きな箇所天端 4.3m 孔り穿り探ルよテー 35ﾟ録から推定される岩盤強度を比 7.4m3 穿孔不能 STA 天端 5.7m 天端 5.5m STA (TD=373m) 振幅小右肩 8.3m 空洞 1.8m 堆積 6.5m STA.533 (TD=378m) 振幅大図 8 反射面強度のバーチャート表示の考え方天端 1m 空洞 2.2m 24.2m3 切羽位置理が大崩壊発生位置に相当するこの強反射位置とTBM掘進記切羽前方距離処抽出することができ強反射⑥ 加れる箇所として強反射① ⑦を反射波の連続性と強さをカラーバーで表示振幅の正負を考慮各反射波の連続性と強さを強調表示反射波の強調処理結果を破線に沿って加算処理する破線の傾きが地山の弾性波速度に相当する図7より強い反射が確認さ STA.533 (TD=358m) 切羽前方距離切羽位置反射面を視覚的に抽出すること STA (TD=363m) 反射波の振幅を白黒で表示距離変換した切羽前方予測の反射波分布断面このバーチャート表示から連続 STA (TD=368m) 反射面の位置を反射波の連続性より評価反射面A 反射面B 距離

7 布しない区間では崩壊は発生していないことがわかる SSRT 探査結果の反射面分布から地山性状を評価する際には, 通常反射面が集中する区間を地山が破砕された要注意区間と評価し, 反射面が分布しない区間を岩相変化のない安定した区間と評価する場合が多く, 本現場の速報ではそのような一般的な観点から地山評価を実施したしかしながら, 過去の SSRT 探査結果 5) からは, 反射面が分布しない領域が規模の大きな破砕帯に相当し, 反射面が分布する領域は源岩組織が残された相対的には良好な地山であったケースもある以上から,SSRT によって得られる反射面構造から切羽前方地山を評価する際には, ここで提案した指標である反射面コントラストや強反射分布, あるいは切羽後方の反射面分布と掘削実績の対比や過去に実施した別トンネルでの事例などを 340 総合的勘案し, その現場に特有な -T 土木地質的な考察を加えて判断することが非常に重要となると言える後方反射波一方, この段階で本トンネル地山に対して土木地質的な考察を加えると以下のようである反射強度コントラストが低い領域は泥岩優勢層に相当し地山強度が低く素因と距離 (m) 距離 (m) 図 11 第 2 回目 SSRT 探査における切羽前方地山の予測結果して不安定要素を有しているが, コントラストが高い領域は全体として砂岩含有率が上昇し地山 3.7km/s と比較的大きいことが確認できる強度が上昇するので天端切羽が安定する反射強度コン図 -11に, 第 2 回目のSSRT 探査結果を示す切羽前方地トラストの低い泥岩優勢層中の強反射面は砂岩の挟在層に山の評価は, 第 1 回目における地山評価の見直しを考慮し相当し, この砂岩の強度は相対的に泥岩優勢層より高くこて, 反射強度コントラストと強反射面の分布性状に着目し, 弾性波速度 (3400m/sec) コントラスト強の強度差によって緩みが助長され崩落が発生し易くなる表 -1に示したマトリックスによって以下のようにした特に, 泥岩優勢層中の挟在砂岩層の分布頻度が高くなるとゾーン1および2: 反射強度コントラストが低く, 単発的地山のバランスが崩れ易くなり, 地下水などがトリガーとなっに強反射面が分布するので小崩落が発生する可能性があて大きな崩壊に繋がる危険性が高くなるなお,TBM ではる領域切削によって掘削ズリが乱されているので, ズリの観察からゾーン3: 反射面強度が高く強反射面が連続する区間は上記の地質変化は判然としなかったであり安定していると考えられる領域 4.2 第 2 回目 SSRT 探査結果と考察解析に用いた地山弾性波速度は, 前回と同様に測線 3 における初動走時から得られる平均値として Vp=3.4km/s を採用した西 ~ ~ 2.2~2.4 -T2 3.4~ i=0.650% L=m 図に, 遠方起震による第 1 回目の測線 2~1 および今回の測線 3 間における平均地山弾性波速度を示す図より, 大崩壊発生位置を挟む区間で弾性波速度が Vp=2.8km/s とかなり低く, 天端切羽の安定性が高く TBM 掘進にトラブ C Ⅱ- T STA T 切羽前方予測結果測線 3 反射面構造のゾーニング 25 -T. 5 -T2 7 L= m 2.0 -T1 25 -T STA T2 反射強度 [ バーチャート表示 ] 反射面強調波形 : 強反射分布位置 ~ ~ STA T T2 2.2~ ~ ルが発生しなかった区間の地山弾性波速度は Vp=3.4~ 坑口側第 1 回目測線 2 大崩落 TBM 掘進記録からこの予測結果を検証すると, ゾーン 2 と 3 の境界付近のゾーン 3 側で小規模な崩壊が m 程度連続して発生したが, それ以外の箇所ではほとんど安定していたよって, 切羽前方地山の予測結果は, 妥当であったと考えて良い第 1 回目測線 m 2.8m/sec 123.5m 3.7km/s m 3.4km/s 第 2 回目測線 3 切羽側図遠方起震における平均地山弾性波速度 (P 波 ) STA 探査時切羽位置切羽 STA ゾーン1 小崩落の可能性あり反射強度コントラスト小 STA STA T ~ ~ 一方, 第 2 回目の探査深度は 350m 程度であったと考えられるよって, 第 1 回目と第 2 回目で平均的に切羽前方約 m の領域を探査することができたと考えられる従来のミニインパクタを起震源としたトンネル掘削幅 m~18m 程ゾーン 2 安定反射強度コントラスト大前方反射波 TBM 導坑島田第一トンネル ( 下り線 ) 延長 STA L= STA F ゾーン 3 小崩落の可能性あり -T 反射強度コントラスト小 L= m 東 T STA CⅠ-P CⅠ-T -71-

度の探査事例からは, 探査深度は 0~0m 程度であり, 今回の探査深度は従来の約 2 倍程度となった探査深度が深くなった要因としては,TBM 導坑が円形で直径が小さく発生した震動がトンネル周辺で減衰することなく切羽前方に伝達されたことや導坑内での起震方法の改良によって十分な起震力が地山に伝達されたことなどが考えられる 4.

に TBM 掘進後の本坑掘削時に実施した切羽観察結果から砂岩混在率が高くなる領域と, 測線 1,

8 度の探査事例からは, 探査深度は 0~0m 程度であり, 今回の探査深度は従来の約 2 倍程度となった探査深度が深くなった要因としては,TBM 導坑が円形で直径が小さく発生した震動がトンネル周辺で減衰することなく切羽前方に伝達されたことや導坑内での起震方法の改良によって十分な起震力が地山に伝達されたことなどが考えられる 4.3 本坑掘削時の切羽観察結果との対比図 12 に TBM 掘進後の本坑掘削時に実施した切羽観察結果から砂岩混在率が高くなる領域と, 測線 1,2 の前方探査区間における反射強度のカラーチャート表示を対比して示す図より, 強反射位置と砂岩混在率が高くなる位置は概ね一致し, 反射強度コントラストが高くなる付近から砂岩の混在率も高くなる傾向を示しているよって,4.1.3 項で述べた本トンネルの反射構造が砂岩の含有率に依存するという土木地質的な推論は, ほぼ立証されたと考えられるすなわち, 本地山における崩壊性の素因は砂岩と泥岩の強度差等に依存する, 換言すれば, 地山の褶曲作用等において砂岩近傍の泥岩がその強度差から塑性化され易く, 泥岩が強いダメージを受け崩壊性の素因となる影響を受けたことが示唆される 5. まとめ本稿では, 作業空間の限定された外径 φ5,000mm の TBM 導坑内において, 起震源であるミニインパクタと起震方法を改良して計 2 回の切羽前方探査を実施した結果について報告した第 1 回目探査では, 地山評価を一部取り違えたが, 反射強度コントラストと強反射分布に注目した指標を提案して地山評価の見直しを行い, 本地山に適した評価マトリックスを作成したその結果, 第 2 回目の切羽前方予測結果は TBM 掘進記録から妥当であることが示された本現場では,TBM マシンが地山崩落によって拘束され, 切羽前方探査が重要解題となった実施した SSRT 探査結果を概括すると,TBM マシンが拘束された区間より切羽前方地山は良好であると予測し, その区間では大きな地山トラブルは発生していない以上から, 本手法による切羽前方予測結果は TBM の順調な掘進に十分寄与したと言える一方, 本坑掘削時の切羽観察結果から, 本トンネルにおける反射構造が砂岩泥岩互層中の砂岩混在率に依存することを明らかとし, 泥岩の崩壊性素因を推定した反射強度のカラーチャート表示 [ 凡例 ] 測線 2 測線 1 顕著な強反射位置謝辞本研究は株式会社地球科学総合研究所との共砂岩の混在率が高くなる領域同研究の成果である現場での探査および解析作業に STA 測線 2 多大なるご尽力を頂きました清水信之氏, 黒田徹氏, 東中基倫氏ほか関係各位に深謝致します参考文献 1) 港高学, 工藤正彦, 服部弘通 : 断層部における TSP による地山前方予知手法の検討, 土木学会第 52 回年次学術講演会講演概要集, 第 Ⅲ 部門,pp.1-111, ) 稲崎富士, 倉橋稔幸, 飯酒盃久夫, 河村茂樹, 林久夫 : TBM 施工トンネルにおける HSP の連続適用, トンネル切羽前方探査に関するシンポジウム講演会,pp.69-74, 0. 大崩落箇所 3) 白鷺卓, 山本拓治, 佐藤淳, 本庄竹志, 西岡和則 : 反射トモグラフィ TRT の現場適用結果, 土木学会第 56 回年次講演会,Ⅲ-B014,pp.28-29,01.. 4) 井川猛, 黒田徹, 渡辺勉, 山田正則 : 油圧インパクタによる地下探査, 建設の機械化,pp.53-57, ) 村山秀幸, 末松幸人, 萩原正道, 間宮圭, 清水信之 : 異なる起振源を用いたトンネル切羽前方探査の比較実験について, 土木学会トンネル工学研究報告集, 第巻, pp , ) 加藤卓朗, 柳内俊雄, 村山益一, 清水信之 : 油圧インパクタを起振源とする切羽前方弾性波反射法探査の開発と適用, 第 31 回岩盤力学に関するシンポジウム, 土木学会, pp.22-28,01. STA 測線 1 反射強度コントラストが低い領域切羽図 12 砂岩の混在率と強反射位置の関係村山秀幸ひとこと STA.535 付近 SSRT は 9 現場に適用し探査手法として成熟期に入った SSRT では得られた反射構造に対する土木地質的な評価と解釈が極めて重要であり, 本現場での適用は特に有益であった今後は SSRT の普及に努めたい反射強度コントラストが高い領域 -72-

西松建設技報

西松建設技報 Development and application of a prediction and analysis system for tunnel deformation PAS-Def * Masayuki Yamashita *** Takuya Sugimoto *** Kaoru Maeda ** Izumi Takemura *** Kouji Yoshinaga PAS-Def DRISS