JP2018063124A - 地質探査装置及び地質探査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オーバーカット分の掘削泥土の影響等、地山表層部の影響を捉え、正確に地山探査を行うことを可能にする地質探査装置及び地質探査方法を提供する。
【解決手段】所定の間隔をあけて並設される電流電極と電圧電極を有する比抵抗センサ５を備え、地山に電流を通電するとともに地山の比抵抗値を計測するように構成した地質探査装置であって、比抵抗センサを、両外側に第１電流電極７ａと第２電流電極７ｂを設け、第１電流電極７ａと第２電流電極７ｂの間に第１電圧電極７ｃと第２電圧電極７ｄを設け、且つ、第１電圧電極７ｃと第２電圧電極７ｄの間に第３電圧電極７ｅを設けて構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばトンネル掘削などを行う際に施工領域の地質を探査するために適用して好適な地質探査装置及び地質探査方法に関する。

周知のように、トンネル掘削を行う際には、効率的な掘進を行うため、あるいは障害物の有無を確認するために、事前にあるいは掘削しながら施工領域の地質を探査することが重要である。

そのための手段としては、例えば特許文献１に示される土質検知装置や特許文献２に示される測定装置が提案、実用化されている。これらの装置はいずれも、対の電流電極と対の電圧電極を備えた比抵抗センサをシールド掘進機やトンネルボーリングマシン等のトンネル掘削機に搭載し、地山の比抵抗を測定することによって施工領域の地質状況を探査して把握するように構成されている。

ここで、大断面トンネル等の大規模な地中空洞を構築するための工法として、例えば特許文献３に示される地中空洞の施工方法（ＳＲ−ＪＰ工法（登録商標））が提案、実用化されている。

この地中空洞の施工方法では、大断面トンネルの掘削に先立って、先受工としての多数のルーフシールドトンネルを間隔をおいて並設施工し、ルーフシールドトンネル内からの作業によって隣り合うルーフシールドトンネル間の地山を掘削するとともに本設覆工壁を施工する。そして、本設覆工壁の内側を掘削して大断面トンネルを構築する。

隣り合うルーフシールドトンネル間を掘削するにあたり、その掘削領域を凍結工法や薬液注入工法等の補助工法によって地盤改良する必要があるが、地質に応じた最適な補助工法の選択や施工範囲を最適に設定するためにはルーフシールドトンネル間の地山状況を予め正確に把握することが重要になる。

特に、土丹層中に介在砂層が点在しているような地山では介在砂層に対して止水注入（薬液注入）を確実且つ入念に行う必要があるため、ルーフシールドトンネル間を掘削するに先立ち、ルーフシールドトンネルの周囲地山を全周且つ全長にわたって十分に地質を探査して介在砂層の位置やその状況を精度よく把握することが必要である。

従来、この種の砂層探査は地表からのボーリング調査によって行うようにしているが、大深度且つ大断面トンネルの施工に際して地表からボーリング調査を行うことは多大の手間と費用を必要とするばかりでなく高精度の探査が困難であり、現実的にこの従来法を適用することができない。

このため、ボーリング調査に替え、前述の特許文献１、特許文献２に示されるような比抵抗センサを用いた探査手法の採用が検討されている。すなわち、ルーフシールドトンネルを掘削しながらその周囲地山の状況を比抵抗センサによって探査する手法の採用が検討されている。

実開平２−１４０３５０号公報 特開平１０−２２０１８２号公報 特開２００８−１５６９０７号公報

しかしながら、特許文献１に示される手法ではトンネルを掘削しながらその切羽前方の地山の土質探査は可能であるもののトンネルの側方地山の土質は探査することができず、また、特許文献２に示される手法では側方地山の探査は可能であるもののその探査可能範囲が比抵抗センサの設置位置周辺の限定された領域だけで、探査領域が非常に狭い。このため、これら従来手法ではルーフシールドトンネルの全長且つ全周にわたる地山状況を把握することはできない。

以上のように、特許文献１や特許文献２に示される従来の探査手法では広範囲にわたる地山探査は困難であり、大規模トンネルを上記の地中空洞の施工方法のような特殊な工法により構築する場合には必ずしも有効に適用し得ないことから、これを可能にする有効適切な手段の開発が強く求められている。

また、比抵抗センサを用い、掘進中に掘削断面全周の土質状況をリアルタイムで把握することによって施工の安全性と効率のよい掘進施工管理を行うことができる。

しかしながら、本願の発明者らにより現場にて実証実験を行った結果、砂層を砂層と的確に判別した割合（的中率）は約８割と高く、高精度であったが、全体的な的中率が５割〜８割程度であり、十分満足な土質探査手法として確立されているとは言えない状況であった。そして、この誤差の要因として、探査範囲にあるオーバーカット分の掘削泥土の影響や泥土中の砂分が下方に沈降堆積する影響が挙げられた。

よって、このようなオーバーカット分の掘削泥土の影響等を捉え、正確に地山探査を行えるようにすることが求められている。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の地質探査装置は、所定の間隔をあけて並設される電流電極と電圧電極を有する比抵抗センサを備え、地山に電流を通電するとともに地山の比抵抗値を計測するように構成した地質探査装置であって、前記比抵抗センサが両外側に第１電流電極と第２電流電極を設け、前記第１電流電極と前記第２電流電極の間に第１電圧電極と前記第２電圧電極を設け、且つ、前記第１電圧電極と前記第２電圧電極の間に第３電圧電極を設けて構成されていることを特徴とする。

また、本発明の地質探査装置においては、トンネル掘削機の回転カッタの外周端面に前記比抵抗センサを取り付けて構成されていることが望ましい。

本発明の地質探査方法は、所定の間隔をあけて並設される電流電極と電圧電極を有する比抵抗センサを用いて地山の比抵抗値を計測する地質探査方法であって、前記比抵抗センサとして、両外側にそれぞれ設けられる第１電流電極と第２電流電極と、前記第１電流電極と前記第２電流電極の間に設けられる第１電圧電極と前記第２電圧電極と、前記第１電圧電極と前記第２電圧電極の間に設けられる第３電圧電極とを備え、前記第１電流電極と前記第２電流電極で通電し、前記第１電圧電極と前記第２電圧電極の間の電位を計測するとともに、前記第１電圧電極と前記第３電圧電極、及び／又は前記第２電圧電極と前記第３電圧電極の間の電位を計測し、前記電位の計測結果を用いて地山の比抵抗値を求めるようにしたことを特徴とする。

本発明の地質探査装置及び地質探査方法においては、第１電圧電極と第３電圧電極の間の離間（距離）及び／又は第２電圧電極と第３電圧電極の間の離間を所定の距離寸法で設定しておくことにより、外側２本の第１電圧電極と第２電圧電極では、表層部のオーバーカット範囲泥土等とそれより深部の地山を合せた抵抗値を計測することができ、第１電圧電極と第３電圧電極、及び／又は第２電圧電極と第３電圧電極では、オーバーカット分泥土などの表層部のみの抵抗値を計測することが可能になる。

したがって、外側２本の第１電圧電極と第２電圧電極で計測した抵抗値から第１電圧電極と第３電圧電極、又は第２電圧電極と第３電圧電極で計測した抵抗値を控除することにより、オーバーカット範囲の泥土の影響等を除くことができ、純粋に地山部分の抵抗値を精度よく測定することが可能になる。

よって、本発明の地質探査装置及び地質探査方法によれば、第３電圧電極を備えることにより、オーバーカット分泥土等の表層部のみの抵抗値を計測することができ、オーバーカット範囲の泥土の影響等を取り除き、精度よく深部の地山の抵抗値を計測することが可能になり、正確で信頼性の高い地山探査／地質探査を行うことが可能になる。

本発明の一実施形態に係る地質探査装置を示す図であり、トンネル掘削機に比抵抗センサを設けて構成した地質探査装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る地質探査装置を示す図であり、トンネル掘削機に比抵抗センサを設けて構成した地質探査装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る地質探査装置の比抵抗センサを示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図（（ａ）のＸ１−Ｘ１線矢視図）である。 本発明の一実施形態に係る地質探査装置の比抵抗センサで地山の比抵抗を測定する状況を示す図である。

以下、図１から図４を参照し、本発明の一実施形態に係る地質探査装置及び地質探査方法について説明する。ここで、本実施形態では、ＳＲ−ＪＰ工法などで小断面のルーフシールドトンネルを掘削する際に、本発明に係る地質探査装置及び地質探査方法を用いて周囲地山の地質を探査するものとして説明を行う。

はじめに、本実施形態の地質探査装置は、図１（または図２）に示すように、ルーフシールドトンネルを掘削するためのトンネル掘削機（ベースマシン）１に地山の比抵抗を計測するための比抵抗センサ５を搭載して構成されている。

具体的に、ベースマシンとしてのトンネル掘削機１は、通常のシールド掘削機と同様、スキンプレート２の前部に回転カッタ３を備え、回転カッタ３を回転させて切羽を掘削するとともにスキンプレート２内の推進ジャッキ（図示略）によって後方で組み立てたセグメント（図示略）から反力を取り、掘進し、ルーフシールドトンネルを構築してゆくためのものである。

ベースマシンとしてのトンネル掘削機１に搭載されている比抵抗センサ５は、図３（図１、図２）に示すように、基部６とに対して５つの電極（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ）を備え、基部６の両側端部側の２つの電極が第１電流電極７ａ、第２電流電極７ｂ、第１電流電極７ａと第２電流電極７ｂの間の中央側の２つの電極が第１電圧電極７ｃ、第２電圧電極７ｄとされている。また、比抵抗センサ５には通電装置と演算装置（不図示）が接続されている。

そして、図４に示すように、通電装置により第１電流電極７ａ、第２電流電極７ｂに所定の電流を流し、電圧を第１電圧電極７ｃ、第２電圧電極７ｄで計測することにより、演算装置がそれらの計測値から地山Ｇの比抵抗を演算し、これに基づき地山Ｇの状況を把握することができる。

また、本実施形態の地質探査装置では比抵抗センサ５が回転カッタ３の外周端面に設置され、これにより、回転カッタ３の回転に伴って比抵抗センサ５が地中において回転軌跡を描いてその位置が刻々と移動し、且つトンネル掘削機１の掘進に伴って比抵抗センサ５が地中を前方に移動していく。このように構成することによって、回転カッタ３の回転に伴い比抵抗センサ５が順次移動し、その移動範囲の全領域における比抵抗を計測し演算して３次元データを得ることができる。よって、ルーフシールドトンネルの外周地山Ｇの地質状況を全周かつ全長にわたって正確に把握することが可能である。

一方、本実施形態の比抵抗センサ５は、従来と異なり、図３（図１、図２）に示すように、中央側の２つの第１電圧電極７ｃ、第２電圧電極７ｄの間に第３電圧電極７ｅを備えて構成されている。

これにより、中央側の第１電圧電極７ｃと第２電圧電極７ｄの間で電圧を計測するとともに、第１電圧電極７ｃ（あるいは第２電圧電極７ｄ）と第３電圧電極７ｅの間でも電圧を計測することができる。

すなわち、本実施形態の比抵抗センサ５においては、外側２本の第１電流電極７ａと第２電流電極７ｂから電流を流し、第１電流電極７ａと第２電流電極７ｂの間の中央の２本の第１電圧電極７ｃと第２電圧電極７ｄで電位（抵抗値）を測定し、比抵抗値に換算し、砂層、粘土層など、地山Ｇの状況を判別する。

さらに、第１電圧電極７ｃと第２電圧電極７ｄの間に第３電圧電極７ｅを設けたことにより、第１電圧電極７ｃと第３電圧電極７ｅ、及び／又は第２電圧電極７ｄと第３電圧電極７ｅの間の電位（抵抗値）を測定することができる。

このとき、図４に示すように、第１電圧電極７ｃと第３電圧電極７ｅの間の離間（距離）及び／又は第２電圧電極７ｄと第３電圧電極７ｅの間の離間を所定の距離寸法で設定しておくことにより、外側２本の第１電圧電極７ｃと第２電圧電極７ｄでは、表層部Ｇ１のオーバーカット範囲泥土等とそれより深部の地山Ｇを合せた抵抗値を計測することができ、第１電圧電極７ｃと第３電圧電極７ｅ、及び／又は第２電圧電極７ｄと第３電圧電極７ｅでは、オーバーカット分泥土などの表層部Ｇ１のみの抵抗値を計測することが可能になる。

よって、外側２本の第１電圧電極７ｃと第２電圧電極７ｄで計測した抵抗値から第１電圧電極７ｃと第３電圧電極７ｅ、又は第２電圧電極７ｄと第３電圧電極７ｅで計測した抵抗値を「控除する」ことにより、オーバーカット範囲の泥土の影響等を除くことができ、純粋に地山Ｇ部分の抵抗値を精度よく測定することが可能になる。
なお、本実施形態において、上記の「控除する」は、外側２本の第１電圧電極７ｃと第２電圧電極７ｄで計測した抵抗値から第１電圧電極７ｃと第３電圧電極７ｅ、又は第２電圧電極７ｄと第３電圧電極７ｅで計測した抵抗値を引くという単純計算を行うのではなく、外側２本の第１電圧電極７ｃと第２電圧電極７ｄで計測される抵抗値について、オーバーカット範囲の泥土が及ぼす影響を含んだ理論的な予測値を、仮に決めた地山Ｇ部分の抵抗値と、第１電圧電極７ｃと第３電圧電極７ｅ、又は第２電圧電極７ｄと第３電圧電極７ｅで計測した抵抗値の片方、又は両方を用いて計算し、この泥土の影響を含めた第１電圧電極７ｃと第２電圧電極７ｄによる理論予測値が実際の計測値と十分に近くなるように地山Ｇ部分の抵抗値を逐次近似計算によって求めることを意味する。

したがって、本実施形態の地質探査装置及び地質探査方法によれば、第３電圧電極７ｅを備えることにより、オーバーカット分泥土等の表層部Ｇ１のみの抵抗値を計測することができ、オーバーカット範囲の泥土の影響等を取り除き、精度よく地山Ｇの抵抗値を計測することが可能になる。よって、正確で信頼性の高い地山探査／地質探査を行うことが可能になる。

以上、本発明に係る地質探査装置及び地質探査方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、ＳＲ−ＪＰ工法においてルーフシールドトンネルを施工する際にその周囲地山を探査する場合を一例として挙げ、ルーフシールドトンネルを掘削するためのトンネル掘削機（シールド掘削機）１を比抵抗センサ５を設置するためのベースマシンとしたが、ベースマシンとしては前面に回転カッタを備えてその外周端面に比抵抗センサを装着可能なものであれば良く、シールド掘削機に限らず各種のトンネル掘削機を採用可能である。

さらに、本発明の地質探査装置（及び地質探査方法）は、本実施形態のようにトンネル掘削時における地山探査を目的として各種のトンネル掘削機をベースマシンとすることに限定する必要もなく、各種分野において様々な目的で地質探査を行う場合全般に広く適用可能であり、本発明の地質探査装置（及び地質探査方法）の具体的な構成はその目的や使用状況に応じて変更可能である。

すなわち、本実施形態ではトンネル掘削時にその周囲地山を探査することを目的とするものであることから、比抵抗センサ５を設置するためのベースマシンをトンネル掘削機１としてその回転カッタ３の外周端面に比抵抗センサ５を設置した（つまり、比抵抗センサ５を回転させるための回転体としてトンネル掘削機の回転カッタ３を利用したものであるといえる）が、本発明はトンネル掘削機をベースマシンとすることに限定するものではないし、比抵抗センサ５を回転させるための回転体としてトンネル掘削機の回転カッタ３を利用することに限定する必要もない。

１ トンネル掘削機（ベースマシン）
２ スキンプレート
３ 回転カッタ（回転体）
５ 比抵抗センサ
６ 基部
７ 電極
７ａ 第１電流電極
７ｂ 第２電流電極
７ｃ 第１電圧電極
７ｄ 第２電圧電極
７ｅ 第３電圧電極
Ｇ 地山
Ｇ１ 表層部

Claims (3)

1. 所定の間隔をあけて並設される電流電極と電圧電極を有する比抵抗センサを備え、地山に電流を通電するとともに地山の比抵抗値を計測するように構成した地質探査装置であって、
   前記比抵抗センサが両外側に第１電流電極と第２電流電極を設け、前記第１電流電極と前記第２電流電極の間に第１電圧電極と前記第２電圧電極を設け、
   且つ、前記第１電圧電極と前記第２電圧電極の間に第３電圧電極を設けて構成されていることを特徴とする地質探査装置。
2. 請求項１記載の地質探査装置であって、
   トンネル掘削機の回転カッタの外周端面に前記比抵抗センサを取り付けて構成されていることを特徴とする地質探査装置。
3. 所定の間隔をあけて並設される電流電極と電圧電極を有する比抵抗センサを用いて地山の比抵抗値を計測する地質探査方法であって、
   前記比抵抗センサとして、両外側にそれぞれ設けられる第１電流電極と第２電流電極と、前記第１電流電極と前記第２電流電極の間に設けられる第１電圧電極と前記第２電圧電極と、前記第１電圧電極と前記第２電圧電極の間に設けられる第３電圧電極とを備え、
   前記第１電流電極と前記第２電流電極で通電し、前記第１電圧電極と前記第２電圧電極の間の電位を計測するとともに、前記第１電圧電極と前記第３電圧電極、及び／又は前記第２電圧電極と前記第３電圧電極の間の電位を計測し、前記電位の計測結果を用いて地山の比抵抗値を求めるようにしたことを特徴とする地質探査方法。

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