JP4864580B2 - 地盤内モニタリング方法並びに装置 - Google Patents

Description

本発明は、地盤内モニタリング方法並びに装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、ボーリング孔を利用して行う地盤内の温度や地盤変形等の計測に用いて好適な地盤内モニタリング方法並びに装置に関する。

地すべりが想定される斜面並びに地盤内に設置される廃棄物処分場やエネルギー貯蔵施設等の地盤内空洞においては、長期間にわたりその安定性を評価・保障するために地盤内の温度や水圧等の環境変化並びに地盤変形を長期的にモニタリングする場合がある。これらのモニタリングは、通常、ボーリング孔を利用して行われる。

ボーリング孔を利用して地盤内環境や地盤変形をモニタリングする場合、ボーリング孔内に例えば温度計やひずみ計等の計測器を設置した後にボーリング孔をモルタル等で埋め戻して即ち計測器を埋設して計測を行うため、一度設置すると計測器を回収することはほとんど不可能となる。したがって、計測器を交換することができないので、計測器が故障すると所定のデータを入手することができなくなるという問題がある。また、時間の経過に伴って計測器の劣化が想定されるために計測結果の信頼性が低下し、計測値の変動が真に地盤内環境の変化によるものか又は計測器の異常によるものかの判断ができないために結果的にデータを利用することができないという問題がある。モニタリングが長期にわたる場合にこの計測器の故障並びに計測器の劣化に伴う計測結果信頼性の低下の問題は特に顕著になる。

そこで、ボーリング孔を埋め戻さない即ち計測器を埋設しないで計測器の回収や再設置を可能とする地盤内モニタリング装置として孔内自走装置がある（特許文献１）。この孔内自走装置１０１は、図４に示すように、第一ブロック１０２及び第二ブロック１０３と、それらを連結する伸縮駆動部１０４と、第一ブロック１０２及び第二ブロック１０３の外周面に斜め外向きに突出するように設けられた複数の板ばね状の脚片部１０５とを備える。そして、計測時には板ばね状の脚片部１０５の先端がボーリング孔１０７の孔壁１０７ａを押さえることによって孔内自走装置１０１がボーリング孔１０７内で固定され、板ばね状の脚片部１０５を狭窄させた場合には脚片部１０５の先端が孔壁面１０７ａから離れて支持力を失うので第一ブロック１０２の上端部に接続されたケーブル１０６を利用して孔内自走装置１０１が地表に引き上げられて回収される。

特開平５−１３３１８１号

しかしながら、特許文献１の孔内自走装置１０１を用いた地盤内環境のモニタリングでは、ボーリング孔１０７内は空洞になっており、ボーリング孔１０７周辺の地盤からボーリング孔１０７内に地下水が流入したり、ボーリング孔１０７上方の開口部から雨水が流入したりする。ここで、図３（Ａ）に示すように計測器１１１を設置した後にボーリング孔１０７をモルタル等で埋め戻してボーリング孔１０７内に水が溜まることがないようにした場合には、例えば地盤１０８中の熱源１０９による地盤内温度分布はボーリング孔１０７によって乱されることはないが、図３（Ｂ）に示すようにボーリング孔１０７を埋め戻さないでボーリング孔１０７内に水が溜まった場合には、ボーリング孔１０７内に溜まった水の対流現象１１０が起こって熱源１０９による地盤内温度分布に大きな影響を与える。このように、ボーリング孔１０７を埋め戻さないで空洞にしておくことによってボーリング孔１０７内に溜まった水の対流現象１１０が地盤１０８内の環境を乱すこととなり、地盤本来の状態のデータを収集することができないという問題がある。なお、図３中の破線は等温度線を表し、数字（℃）は各等温度線に対応する温度を表す。

そこで、本発明は、ボーリング孔内に設置した計測器の回収並びに再設置が可能であると共にボーリング孔内への水の流入やボーリング孔内の水の貯留を防いで地盤内の環境を乱すことなく計測を行うことが可能な地盤内モニタリング方法並びに装置を提供することを目的とする。また、本発明は、一本のボーリング孔と一体の装置とで温度や水圧等の地盤内環境と地盤変形とを同時に計測することが可能な地盤内モニタリング方法並びに装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１記載の地盤内モニタリング方法は、地盤に設けたボーリング孔の内部に計測器を設置して地盤内の温度等の計測を行う地盤内モニタリング方法において、ボーリング孔内全体にパッカーを挿入してボーリング孔内全体に亘ってパッカーを密着させると共にボーリング孔の内周面とパッカーの外周面との間に計測器を着脱自在に取り付け、ボーリング孔への地下水の流入防止が可能な圧力をかけてパッカーを膨らませることによりボーリング孔の内面に計測器及びパッカーを密着させた状態で計測を行うようにしている。

また、請求項３記載の地盤内モニタリング装置は、膨らませられてボーリング孔内全体に亘って内面に密着させられるパッカーと、パッカーの外周面に着脱自在に取り付けられた計測器と、ボーリング孔への地下水の流入防止が可能な圧力をかけてパッカーを膨らませるパッカー膨張手段とを有するようにしている。

したがって、この地盤内モニタリング方法並びに装置によると、ボーリング孔を埋め戻さないで計測を行うので、ボーリング孔内に設置した計測器の回収並びに再設置を行うことができる。さらに、ボーリング孔内でパッカーを膨らませた状態で地盤内環境の計測を行うようにしているので、ボーリング孔内への地下水や雨水の流入並びにボーリング孔内の水の貯留が防止される。また、請求項３記載の地盤内モニタリング装置によると、計測器をパッカーの外周面に取り付けるようにしているので、パッカーの設置と計測器の配置とを同時に行うことができる。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の地盤内モニタリング方法において、パッカーの外周面又は内周面にターゲットを取り付け、ターゲットの位置をパッカーの中空部に配置したターゲット観測手段とターゲット観測手段の変位量を計測する変位計とで計測して地盤の変形を計測するようにしている。

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の地盤内モニタリング装置において、パッカーの外周面又は内周面に取り付けられたターゲットと、パッカーの中空部に設けられたターゲット観測手段と、ターゲット観測手段の変位量を計測する変位計とを有するようにしている。

したがって、この場合には、パッカー周面に取り付けられたターゲットを観測する手段を有すると共にこのターゲット観測手段の変位量を計測するようにしているので、例えば温度や水圧等の地盤内環境に加えて地盤変形も同時に計測される。

請求項１並びに３記載の地盤内モニタリング方法並びに装置によれば、ボーリング孔内に設置した計測器の回収並びに再設置が可能であるので、計測器の故障や計測器の劣化に伴う計測結果信頼性の低下によってデータを利用することができなくなるという問題を回避することができる。さらに、ボーリング孔内への地下水や雨水の流入並びにボーリング孔内の水の貯留が防止されるので、ボーリング孔内の水の対流現象によって地盤内環境を乱すことがなく、地盤内環境を元の状態のまま計測することが可能であり、地盤内環境の計測精度の向上を図ることができる。すなわち、本発明によれば、ボーリング孔内に設置した計測器の回収並びに再設置を可能にすることと、ボーリング孔内の水の対流現象を防止して地盤内環境の元の状態を保つことの両方を同時に達成することができる。また、請求項３記載の地盤内モニタリング装置によれば、パッカーの設置と計測器の配置とを同時に行うことができるので、地盤内モニタリングのための準備作業並びにパッカーや計測器の修理及び再設置作業の効率化を図ることができる。

また、請求項２並びに４記載の地盤内モニタリング方法並びに装置によれば、地盤内環境に加えて地盤変形も同時に計測されるので、一本のボーリング孔と一体の装置とによって同時に多様なデータを計測することが可能であり、ボーリング孔の掘削並びに種々の計測にかかる手間とコストとを大幅に低減することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１に、本発明の地盤内モニタリング装置の実施形態の一例を示す。

この地盤内モニタリング装置１０は、膨らませられてボーリング孔９内面に密着させられるパッカー１と、パッカー１の外周面に取り付けられた計測器２，３と、パッカー１を膨らませるパッカー膨張手段とで構成されている。

パッカー１は、ボーリング孔を利用する地盤調査において一般的に用いられるパッカーを形成する材料を用いて形成される。具体的には例えば、シリコンゴム製のパッカーが用いられる。パッカー１の大きさは、地盤調査の目的や内容等に基づいて決定されるボーリング孔９の直径及び深さに合わせて設定され、パッカー１を膨らませた際にボーリング孔９の直径及び深さよりも大きくなることが可能な大きさであれば良い。

パッカー１は、パッカー膨張手段（図示省略）によって、パッカー１の外面がボーリング孔９の内面と密着するまでボーリング孔９内で膨らませられる。そして、パッカー１が膨らませられる際には、ボーリング孔９への地下水の流入防止が可能な程度の圧力がかけられる。なお、図１において、わかり易くするためにパッカー１の外面とボーリング孔９の内面との間に隙間があるが、パッカー１の外面とボーリング孔９の内面とは実際には密着している。

パッカー膨張手段としては、例えば、板ばねや送気ポンプが用いられる。具体的には、環状に丸められて真っ直ぐな状態に戻ろうとする反発力を有する板ばねをパッカー中空部１ａの複数の深さにボーリング孔９軸方向直角に配置してこの板ばねの反発力を利用してパッカー１を膨らませてボーリング孔９の内面に密着させたり、送気ポンプを用いてパッカー中空部１ａに空気を充填させてパッカー１を膨らませてボーリング孔９の内面に密着させたりすることが考えられる。なお、本実施形態では、送気ポンプを用いてパッカー中空部１ａに空気を充填させてパッカー１を膨らませる場合を例に挙げて説明する。

このように、板ばねを用いてパッカー１を膨らませたり、空気を充填させてパッカー１を膨らませたりすることによって、ボーリング孔９内への水の流入並びにボーリング孔９内の水の貯留が防止されると共にパッカー中空部１ａの空気が断熱効果を発揮するので地盤８の熱伝導を乱すことがない。さらに、ボーリング孔９内への水の流入並びにボーリング孔９内の水の貯留が防止されるのでボーリング孔９周辺の地下水の流動を乱すこともない。これにより、地盤内環境を元の状態のまま且つ正確に計測することができる。なお、パッカー１を膨らませるためにパッカー中空部１ａに水を充填すると計測中にパッカー中空部１ａ内で水の対流現象が起こって正確な計測ができなくなるので、パッカー１を膨らませるために水を用いることは適当でない。

パッカー１は、ボーリング孔９内に設置した状態での上端部に着脱可能なパッカーキャップ１ｂを有する。そして、本実施形態のように、送気ポンプを用いてパッカー中空部１ａに空気を充填させてパッカー１を膨らませる場合には、パッカーキャップ１ｂには、パッカー中空部１ａへの空気の注入が可能であると共に空気注入後は空気が漏れ出ないように閉じることが可能なバルブを有する空気注入口１ｅが設けられる。

一方、パッカー中空部１ａに配置した板ばねの反発力によってパッカー１が膨らませられる場合には、パッカーキャップ１ｂが外された状態でパッカー１がボーリング孔９内に設置され、パッカーキャップ１ｂが外されたパッカー１の開口部から板ばねが挿入されて所定の位置に配置され、板バネの反発力によってパッカー１が膨らませられてからパッカーキャップ１ｂが閉められる。

計測器２，３は、パッカー１の外周面に、修理や交換等が可能なように着脱自在に取り付けられる。計測器２，３としては防水加工が施されたものが用いられる。なお、計測器２，３の種類や個数は地盤調査の目的や内容に合わせて適宜選択される。

計測器２，３の種類としては具体的には例えば、熱電対、温度計、湿度計、比抵抗計測器、ひずみ計、応力計、水圧計、ｐＨや電気伝導度を計測する水質計測器等が挙げられる。なお、計測器２として複数種類の計測器が取り付けられるようにしても良い。本実施形態では、計測器２として三種類の計測器２ａ，２ｂ及び２ｃが取り付けられている。さらに、一つのパッカーに複数チャンネルの計測器が取り付けられるようにしても良い。本実施形態では、深さが異なる二つのチャンネルが設定され、チャンネル１として計測器２が取り付けられ、チャンネル２として計測器３が取り付けられている。

計測器２，３の出力信号を伝達するための信号線４はパッカー中空部１ａに引き込まれ、パッカーキャップ１ｂを貫通してパッカー１外部に設置された記録装置等(図示省略）と接続される。パッカー１の信号線４貫通箇所並びにパッカーキャップ１ｂの信号線４通過箇所は、パッカー中空部１ａに地下水が流入したり又はパッカー中空部１ａに充填された空気が外に漏れたりしないようにシーリングが施される。

本実施形態では、地盤内モニタリング装置１０は、地盤変形計測用にパッカー１の外周面に取り付けられたターゲット５と、パッカー中空部１ａに配置されてターゲット５を観測するターゲット観測手段６と、ターゲット観測手段６の変位量を計測する変位計７とを有する。なお、ターゲット５の個数は、ボーリング孔９の深さや必要とされるデータの精度等に合わせて適宜選択される。

ターゲット観測手段６は、上下方向に移動可能な吊り下げ棒１１によってパッカー中空部１ａに吊り下げられる。そして、例えばマグネスケール等の変位計７によって吊り下げ棒１１の変位量が計測され、この吊り下げ棒１１の変位量としてターゲット観測手段６のボーリング孔９軸方向の変位量が計測される。なお、変位量を高精度に計測するため、吊り下げ棒１１は、例えばインバー材等の温度変化によって収縮しない材料により形成されることが望ましい。また、ターゲット観測手段６の出力信号を記録装置等（図示省略）に伝達するための信号線が吊り下げ棒１１内若しくは吊り下げ棒１１に沿って設けられる。

ターゲット５並びにターゲット観測手段６としては、ターゲット観測手段６がターゲット５の存在を認識することができる機器の組み合わせが用いられる。具体的には例えば、ターゲット５として磁石が用いられると共にターゲット観測手段６として磁力センサーが用いられる。この場合には、吊り下げ棒１１によってパッカー中空部１ａに吊り下げられた磁力センサー６をボーリング孔９軸方向に移動させながらターゲットである磁石５の磁力を磁力センサー６により観測すると共に、吊り下げ棒１１の変位量即ちターゲット観測手段６の変位量を変位計７により計測する。そして、これにより観測される磁力センサー６の出力値（即ち観測される磁力の大きさ）のピーク点とピーク点との間の距離の変化量が地盤８のボーリング孔９軸方向のひずみ量の変化となる。

また、磁力センサー６の出力値の大きさと磁力センサー６の中心点から磁石５の中心点までの距離との関係を予め作成しておく。そして、実際に観測される磁力センサー６の出力値のピーク点における出力値の大きさから磁石５までの距離を換算し、この距離の変化量が地盤８のボーリング孔９軸断面方向のひずみ量となる。

上述した地盤内モニタリング装置１０の動作を以下に説明する。

外周面に計測器２，３並びにターゲット５が取り付けられたパッカー１を萎ませた状態でボーリング孔９の中に入れる。なお、予め、パッカーキャップ１ｂを貫通させた吊り下げ棒１１のパッカー中空部１ａ側先端にターゲット観測手段６を固定してパッカー中空部１ａに入れ、パッカーキャップ１ｂをパッカー１に嵌めておく。

空気注入口１ｅから送気ポンプ等を用いてパッカー中空部１ａに空気を注入しパッカー１を膨らませる。パッカー１の外面とボーリング孔９の内面とが密着したことを確認した後空気の注入を止め、空気注入口１ｅのバルブを閉じる。

計測器２，３からの出力信号を信号線４を介して記録装置等（図示省略）に記録する。

さらに、ターゲット５及びターゲット観測手段６、並びに吊り下げ棒１１の移動の制御及び変位計７により、ターゲット５相互のボーリング孔９軸方向の距離、並びにボーリング孔９軸断面方向のパッカー１の内周面までの距離を計測する。

劣化等によってパッカー１からの空気漏れが確認された場合、又は計測器２，３が故障した場合や劣化によって計測器２，３の計測誤差増大が懸念される場合には、パッカーキャップ１ｂの空気注入口１ｅのバルブを開けてパッカー中空部１ａの空気を排出し、パッカー１を収縮させて地盤内モニタリング装置１０をボーリング孔９から取り出す。そして、パッカー１の補修や交換、又は計測器２，３の修理、調整若しくは交換等を行う。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、ターゲット並びにターゲット観測手段として磁石５並びに磁力センサー６が用いられているが、これに限られず、ターゲットとして例えば鉄やステンレス等の磁性体５が用いられると共にターゲット観測手段として渦電流式非接触型変位計６が用いられても良い。

また、本実施形態では、ターゲット５はパッカー１外周面に取り付けられるようにしているが、これに限られず、パッカー１内周面に取り付けられるようにしても良い。なお、弾性材料により形成されたパッカー１が用いられると共にパッカー１内周面にターゲット５が取り付けられる場合には、パッカー１自体の変形量分を考慮して地盤８の変形量を算出する必要がある。

また、ボーリング孔９軸断面方向の地盤８の変形量を計測するために、レーザー変位計が用いられるようにしても良い。この場合、レーザー変位計としては、レーザーを用いて対象物までの距離を測定する一般的なレーザー変位計が用いられる。そして、レーザー変位計は、吊り下げ棒１１によってパッカー中空部１ａに吊り下げられると共に吊り下げ棒１１の軸心を中心として回転しながらパッカー１の内周面までの距離を計測する。なお、この場合、ターゲット５は用いられない。

また、本実施形態では、地盤内モニタリング装置１０は、地盤内環境をモニタリングするための計測器２，３、並びに地盤変形をモニタリングするためのターゲット５、ターゲット観測手段６及び変位計７を備えるようにしているが、地盤調査の目的や内容等に合わせて計測器２，３のみを備えるようにしても良いし、ターゲット５、ターゲット観測手段６及び変位計７のみを備えるようにしても良い。

また、図２に示すように、パッカー中空部１ａにアクリルパイプ１２を設けるようにしても良い。そして、パッカー１の下端部とアクリルパイプ１２の下端部、並びにパッカー１の上端部とアクリルパイプ１２の上端部とを接着する。この場合には、アクリルパイプ１２外周面とパッカー１内周面との間の空間に空気を充填させてパッカー１の外周面がボーリング孔９の内周面と密着するまでパッカー１が膨らませられる。

また、図２に示すように、ターゲット観測手段６の移動をガイドするためのガイド管１３を設けるようにしても良い。図２に示す実施形態では、アクリルパイプ底部１２ａとガイド管地上部１３ａとに固定された二本のガイド管１３が設けられている。そして、ターゲット観測手段６の両側部がガイド管１３によりスライド可能に支持され、位置観測装置６はガイド管１３に沿ってボーリング孔９軸方向に移動する。ガイド管１３を設けることにより、ターゲット観測手段６の移動の際のぶれが防止され、地盤８の変位の計測精度を向上させることができる。さらに、図２に示す実施形態のようにガイド管１３を設ける場合には、ターゲット観測手段６と変位計７とを合わせて設けるようにしても良い。この場合には、ガイド管１３に沿って移動するターゲット観測手段６の変位量がターゲット観測手段６と合わせて設けられた変位計７によって計測される。

本発明の地盤内モニタリング装置の実施形態の一例の概略構造を示す断面図である。 本発明の地盤内モニタリング装置の他の実施形態の一例の概略構造を示す断面図である。 ボーリング孔内の水の対流現象の影響を説明する図である。（Ａ）はボーリング孔を埋め戻した場合の地盤内温度分布を示す図である。（Ｂ）はボーリング孔を埋め戻さない場合の地盤内温度分布を示す図である。 従来の地盤内モニタリング装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ パッカー
１ａ パッカー中空部
２，３ 計測器
５ ターゲット
６ ターゲット観測手段
７ 変位計
９ ボーリング孔
１０ 地盤内モニタリング装置

Claims (4)

1. 地盤に設けたボーリング孔の内部に計測器を設置して地盤内の温度等の計測を行う地盤内モニタリング方法において、ボーリング孔内全体にパッカーを挿入して前記ボーリング孔内全体に亘って前記パッカーを密着させると共に前記ボーリング孔の内周面と前記パッカーの外周面との間に計測器を着脱自在に取り付け、前記ボーリング孔への地下水の流入防止が可能な圧力をかけて前記パッカーを膨らませることにより前記ボーリング孔の内面に前記計測器及び前記パッカーを密着させた状態で計測を行うことを特徴とする地盤内モニタリング方法。
2. 前記パッカーの外周面又は内周面にターゲットを取り付け、該ターゲットの位置を前記パッカーの中空部に配置したターゲット観測手段と該ターゲット観測手段の変位量を計測する変位計とで計測して地盤の変形を計測することを特徴とする請求項１記載の地盤内モニタリング方法。
3. 膨らませられてボーリング孔内全体に亘って内面に密着させられるパッカーと、前記パッカーの外周面に着脱自在に取り付けられた計測器と、前記ボーリング孔への地下水の流入防止が可能な圧力をかけて前記パッカーを膨らませるパッカー膨張手段とを有することを特徴とする地盤内モニタリング装置。
4. 前記パッカーの外周面又は内周面に取り付けられたターゲットと、前記パッカーの中空部に設けられたターゲット観測手段と、前記ターゲット観測手段の変位量を計測する変位計とを有することを特徴とする請求項３記載の地盤内モニタリング装置。

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