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 清水建設は1月27日、山岳トンネル工事で掘削作業を中断しなくても前方の地山の状況を予測できる「切羽前方探査システム」を開発したと発表した。専用の機械は不要。

 掘削に使う重機に発信センサーを、断面を保持するために使うロックボルトに受振センサーを設置。反射波の到達時間から地山の変状箇所を割り出す。同社が和歌山県で施工中の近畿自動車道紀勢線十九渕第一トンネル工事に適用し、有効性を確認した。

 以下は発表資料。


トンネル掘削振動の反射波を利用した探査システムを開発
~掘削作業を中断せずに掘削部前方の地山状況を予測~

 清水建設(株)<社長 宮本洋一>はこのほど、山岳トンネルの施工管理のさらなる合理化を目的に、掘削作業に伴い地山内に伝播する振動の特性を利用し、掘削部前方の地山性状が変わる地点を予測する「切羽前方探査システム」を開発しました。既に和歌山県で当社が施工中の近畿自動車道紀勢線十九渕(つづらぶち)第一トンネル工事に適用して、システムの有効性を確認しています。

 トンネル工事を安全かつ効率的に進めるためには、掘削部前方の地山状況を予測することが重要です。既に先進調査ボーリングや反射法弾性波探査などの予測手法が確立されていますが、専用の機材や計測設備を使用する関係で掘削作業の中断を伴うとともに、高額な探査費用を要します。そこで当社は、こうした予測手法の適用回数を必要最小限に留めつつ、必要な地山情報を確実に収集する「切羽前方探査システム」を開発しました。

 システムの特徴は、掘削作業に使用する重機や資材を探査に利用するので、掘削作業の中断を伴わず、日常的に使用できることです。探査により地山性状が変化する地点を検知した場合に限り、先進調査ボーリングなどの探査手法を適用すれば施工管理に必要な地山情報を収集できるので、掘削作業の中断期間と地山情報の探査費用を最小限に抑えることができます。

 このシステムによる探査は、地山内を伝播する振動が地山性状の変化する地点で反射して戻ってくるという特性を利用します。実際の探査では、掘削機による打撃振動、地山内を伝播する打撃振動の受振にはロックボルトを利用。掘削機に発信センサー、既設ロックボルトの頭部に受振センサーを設置し、センサーが受振する振動データを記録・保管するデータロガー、データ解析ソフトを組み込んだパソコンをつなぐだけで、システムの設置が完了します。

 受振センサーは、重機の打撃点から直接伝播する直接波と地山性状の変化地点から反射してくる反射波の両方を拾います。解析ソフトは、反射波が確認された場合、反射波と直接波の地山内の伝播速度は同じことから、直接波のセンサーへの到達時間とセンサーの打撃点の距離をもとに、反射波の到達時間から反射地点を割り出します。なお、打撃振動は地盤内を四方八方に伝播しますが、反射波が切羽前方からのものか否かは、日々の掘進量に比例して反射波の到達時間が短くなること、切羽方向から反射してくる振動を計測する加速度計の反応が卓越していることをもって判断します。

 十九渕第一トンネルでの実証実験では、システムが地山性状の変化地点(複数)を検知した後、掘削を進めた結果、検知した地点と掘削によって地山の風化・変質が確認できた地点が一致するとともに、切羽前方50mの距離までの高い検知精度を発揮することを確認できました。また、システムの設置から探査、撤収に至るまでわずか30分程度で済むこと、そして掘削作業を継続しながら探査できることも確認できました。

 当社は、この切羽前方探査システムを山岳トンネルなどの総合評価案件の技術提案に盛り込むことで他社との差別化を図り、工事受注を目指します。

以 上

≪参 考≫

1.近畿自動車道紀勢線十九渕(つづらぶち)第一トンネル工事の概要

工事場所和歌山県西牟婁郡白浜町十九渕地先
発注者国土交通省近畿地方整備局
施工者清水建設株式会社
工 期2012年11月6日~2014年5月31日
工事概要 十九渕第一トンネル工事は近畿自動車道紀勢線(田辺~すさみ)の約38km間のうち
白浜町平間地区~十九渕地区でのトンネル延長388mの工事です。
規  模 【トンネル工】延長:388m、掘削断面積:71.969~88.529m2、
掘削土量:31,700m3、坑門工:2箇所
【道路土工】掘削工:1,200m3、盛土工:6,580m3、
法面整形工・植生工:660m2他

2.先進調査ボーリング

 切羽(掘削部)からトンネル前方に向けたボーリング。ボーリングコアや孔壁の観察をすることによって前方の地山状況を把握します。

3.反射法弾性波探査

 物理探査手法のひとつで、地山を伝播する弾性波が岩盤の密度などの変化点で反射する現象を利用し、その変化点の位置を推定する方法です。近年は、地表からの探査以外にも、トンネル内での探査手法も開発されていますが、その多くは振源として爆薬を使うことから、探査時には切羽作業を中断する必要があり、また特殊な機材の開発・導入が必要となります。

4.ロックボルト

 トンネルを掘削してから覆工するまでの間、掘削した断面図を確保し、地山の崩壊や変形を防ぎ、安全に作業できるように地山を支持する部材。通常3~4m程度あり、モルタルによって地山と固着します。

5.概要図

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