JPH09126970A - 地山の脆性試験方法 - Google Patents

地山の脆性試験方法

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JPH09126970A
JPH09126970A JP28426095A JP28426095A JPH09126970A JP H09126970 A JPH09126970 A JP H09126970A JP 28426095 A JP28426095 A JP 28426095A JP 28426095 A JP28426095 A JP 28426095A JP H09126970 A JPH09126970 A JP H09126970A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 ドリリング指標(DRI)やビット摩耗指標
の値を求めるべくDRI算定ダイアグラムに適用するた
めの脆性試験値を得るのに最適な試験方法が、未だ確立
されていない。また、地山の脆さを適正に評価できる脆
性値を得て、地盤の安定性や各種の掘削機械による掘削
作業の効率を的確に図ることのできる脆性試験の試験方
法の開発が望まれていた。 【解決手段】 本脆性試験方法は、掘削対象地盤から採
取した岩石試料10から、9.5mm及び19.0mm
の網目寸法のふるいを用いて得られた粒径約10〜20
mmの粗粒状岩石試料0.5kgをモールド11に詰
め、この岩石試料10の上に当て台12を設置し、重量
14kgの錘13を支棒14を通じて25cmの高さよ
り20回垂直落下させる。落下によって破砕したモール
ド11内の岩石試料10を網目寸法9.5mmのふるい
にかけ、これの通過百分率により脆性値を求める。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、地山の脆性試験
方法に関し、特に掘削機械の掘削対象となる地山の脆性
度を評価すべく用いる地山の脆性試験方法に関する。
【0002】
【従来の技術】地山の脆性度は、当該地山の脆さを示す
もので、特に軟岩から硬岩に至る岩質地盤に対しては、
その程度によって、地盤の安定性や各種の掘削機械によ
る掘削効率に大きな影響を与えるものであるため、これ
を適切に評価することが望ましい。
【0003】一方、トンネルボーリングマシーン(以下
「TBM」とする。)で代表されるトンネル掘進機は、
在来の掘削工法と異なり、爆薬を使用することなく、回
転カッタによりトンネルの全断面を切削あるいは破砕し
ながら掘進して行く機械であり、特に、軟岩から硬岩に
至る切羽の自立する安定した地盤に対して有効なトンネ
ルの掘削機械である。また、このトンネル掘進機による
掘削工法は、破砕帯や軟弱層のように自立性に乏しい地
層を含む、わが国独特の複雑な地質条件への対応性か
ら、わが国においては海外に比べてその採用例が少なか
ったが、シールド機構の適用などの改善により、地質対
応性が図られてその高速施工性をアピールすることがで
きるようになってきており、導水路トンネルなどに数多
くの施工実績を残すに至っている。
【0004】そして、かかるTBM等のトンネル掘進機
によれば、例えば、回転するカッターヘッドに装着した
ローラカッターを地山に押しつけて圧砕してゆくことで
トンネルの掘削作業が行われるが、かかる掘削作業中、
切羽面の状況を直接観察することができないことから、
従来の地山評価手法をそのまま適用することができな
い。また、トンネル掘進機によるトンネル掘削の施工管
理手法として、従来より一般に用いられてきた、岩石強
度や弾性波速度を測定して地山の物性を評価する方法で
は、掘進作業の施工性の予測を十分に行なうことができ
ないというのが現状である。
【0005】一方、トンネル掘進機による掘削能率は、
地盤の硬さや脆性度等の地山の性状に大きく左右される
ものであるため、合理的かつ効率良く掘進作業を進めて
ゆくには、切羽の前方の地山の性状をカッターヘッドに
よる切削効率との関係で把握するとともに、掘進速度を
的確に予測できるような掘削能率を示す指標を確立する
ことが重要な事項となってきている。
【0006】そして、このような掘削能率を示す指標を
用いた掘進作業の管理手法として、海外においては、ド
リリング指標(DRI:Drilling Rate Index )あるい
はビット摩耗指標(BWI:Bit Wear Index)を用いた
ものが提案されており、その適用性が既に検証されてい
る。ここで、ドリリング指標とは、脆性試験により得ら
れた脆性値と、ミニチュアドリル試験により得られたシ
ーバーのJ値に基づいて、DRI算定ダイアグラムから
算定されるDRIの値であり、また、ビット摩耗指標
は、このDRIと摩耗試験により得られた摩耗値に基づ
いて、BWI算定ダイアグラムから算定されるBWIの
値である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ド
リリング指標やビット摩耗指標に基づくトンネル掘進機
の掘進管理方法は、わが国においては馴染みが少ないこ
とに加えて、これらの値を求めるべくDRI算定ダイア
グラムに適用するための脆性試験値を得るのに最適な試
験方法が、未だ確立されていないのが現状である。
【0008】また、地山の脆さを適正に評価できる脆性
値を得て、地盤の安定性や各種の掘削機械による掘削作
業の効率を的確に図ることのできる脆性試験の試験方法
の開発が望まれている。
【0009】そこで、この発明は、かかる従来の課題に
着目してなされたもので、地山の脆性度を適正に評価す
ることのできる脆性値を得て、地盤の安定性を容易に評
価し、あるいは各種の掘削機械による掘削作業の効率化
を容易に図ることのできる地山の脆性試験方法を提供す
ることを目的とするものである。
【0010】また、この発明は、特にトンネル掘進機に
よる掘進作業において、DRI算定ダイアグラムに適用
すべき脆性値の値を的確に把握して、DRI算定ダイア
グラムやBWI算定ダイアグラムを介して、トンネル掘
進機の掘進効率と密接な相関性のあるDRIあるいはB
WIを容易に算定することのできる地山の脆性試験方法
を提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するためになされたもので、その要旨は、地山の脆
性度を評価すべく用いる脆性試験方法であって、対象と
なる地盤から採取して得られた粒径略10〜20mm程
度の粗粒状試料をモールドに詰め、このモールド内の粗
粒状試料に所定重量の重錘を所定の高さから所定回数落
下させた後、この粗粒状試料を所定の編目寸法のふるい
にかけて、破砕した粗粒状試料の通過重量百分率から脆
性値を求めることを特徴とする地山の脆性試験方法にあ
る。
【0012】ここで、上記記載において、脆性試験の試
料とするための粗粒状試料は、例えば各種のボーリング
等によって調査対象となる位置の地盤から採取された土
砂や岩石を必要に応じて破砕することにより容易に得る
ことができる。
【0013】また、上記脆性試験において、重錘の重量
やこれの落下高さ、落下回数あるいはふるいの編目寸法
等は適宜設計することができるが、上記脆性試験は、J
IS規格9.5mm及び19.0mmの網目寸法のふる
いを用いてふるい分けした粒径約10〜20mmの粗粒
状試料0.5kgをモールドに詰め、このモールドに重
量14kgの重錘を25cmの高さより20回垂直落下
させ、しかる後に、破砕した粗粒状試料を網目寸法9.
5mmのふるいにかけ、これの通過重量百分率により脆
性値を求めるようにすることが好ましい。
【0014】そして、この発明の地山の脆性試験方法に
よれば、地山の脆性度を評価するのに適した脆性値を得
て、地盤の安定性を把握し、あるいは各種の掘削機械に
よる掘削作業の効率化を図ることができるとともに、特
に、トンネル掘進機による掘進作業においては、DRI
算定ダイアグラムに適用するのに適した脆性値の値を得
て、この値からトンネル掘進機の掘進効率と密接な相関
性のあるDRIを算定し、さらにBWI算定ダイアグラ
ムを介してBWIを算定することにより、トンネル掘進
機による効率の良い掘進作業が可能となるように管理し
てゆくことができるとともに、カッタービットの交換時
期や耐久時間を的確に把握することができる。
【0015】すなわち、後述する実地試験により、トン
ネル掘進機による岩石地盤中の任意の掘削位置における
地盤の性状と、当該掘削位置から採取した岩石試料に対
するこの発明の地山の脆性試験方法により得られた脆性
値との間には、一定の相関関係があることが判明したこ
と、及びトンネル掘進機による岩石地盤中の任意の掘削
位置における純掘進速度と、当該掘削位置から採取した
岩石試料に対して得られた脆性値によるDRI及びBW
Iとの間には、密接な相関関係があることが判明したこ
とから、脆性度に起因する地盤の安定性を容易に評価す
ることができるとともに、掘削機械による掘削作業を行
なう前に、例えば調査ボーリング等により各調査位置か
ら採取した土砂あるいは岩石試料に対して、この発明の
地山の脆性試験方法により脆性値を求め、また、特に掘
削機械がトンネル掘進機である場合にはこの脆性値から
DRI及びBWIを算定し、これらの値を採取位置と対
応させて例えば図表等にプロットしておけば、当該採取
位置を掘削位置とする掘削機械の施工性を容易に予測で
き、また、トンネル掘進機による純掘進速度や岩盤の性
状を容易に予測することができ、したがって、これらに
よって掘削作業の施工管理を適切に行うことができるこ
とが判明する。
【0016】なお、DRIとは、脆性試験により得られ
た脆性値と、ミニチュアドリル試験により得られたシー
バーのJ値に基づいて、DRI算定ダイアグラムから算
定されるDRIの値であり、また、ビット摩耗指標は、
このDRIと摩耗試験により得られた摩耗値に基づい
て、BWI算定ダイアグラムから算定されるBWIの値
である。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、岩石地盤中のトンネル掘進
機による任意の掘削位置における地盤の性状と、当該掘
削位置から採取した岩石試料に対して、この発明の地山
の脆性試験方法により得られた脆性値との間の相関関
係、及び任意の掘削位置におけるトンネル掘進機の純掘
進速度と、当該掘削位置から得られた岩石試料に対す
る、この発明にかかる脆性試験方法により得られた脆性
値から算定したDRIあるいはBWIとの間の相関関係
等を解明すべく行った、実地試験の概要及びその試験結
果について記載する。
【0018】なお、この実地試験は、一例として、トン
ネル掘進機による掘進作業の管理を行う際に、この発明
の地山の脆性試験方法を採用することが有効なことを確
認すべく行ったものであるが、この発明の脆性試験方法
は、かかるトンネル掘進機の施工管理に限定されること
なく、その他の掘削機械による掘削作業を管理するため
や地山の安定性を評価するために用いることもできる。
【0019】<試験概要> 1.試験試料 使用した岩石試料は、秋田自動車道の湯田第2トンネル
におけるTBM工事において、TBM施工箇所のうち、
硬岩地域である約400m区間より、10〜20m毎に
22箇所で採取した。なお、脆性試験及び摩耗試験用の
試料は、TBMのクラッシャー通過後、ベルトコンベア
で輸送される粒状岩石を用い、ミニチュアドリル試験用
の試料は、TBMのチャンバー内の岩塊を採取して使用
した。
【0020】2.脆性試験 以下の手法に従って脆性試験を行うとともに、その概要
を図1に示す。 a)採取してきた粒状の岩石試料10から、JIS規格
9.5mm及び19.0mmのふるいを用いて、粒径約
10〜20mmの粗粒状のズリをふるい分けする。 b)ふるい分けした粗粒状の岩石試料0.5kgを内径
10cmの円筒状のモールド11に詰める。 c)モールド11に詰めた岩石試料10の上に当て台1
2を設置する。 d)当て台12に向かって、14kgの錘13を支棒1
4を通じて高さ25cmの位置から20回垂直落下させ
試料10を破砕させる。 e)破砕させた岩石試料10を、再び網目寸法9.5m
mのふるいにかけ、ふるいを通過した重量を計測する。 f)通過した岩石試料10の通過重量百分率を計算し、
得られた値を脆性値として岩石試料の脆性度を評価す
る。 g)なお、この試験では、モールド11は、図2に示す
ような構造のものを使用した。
【0021】3.ミニチュアドリル試験 以下の手法に従ってミニチュアドリル試験を行うととも
に、その概要を図3に示す。 a)採取してきた拳大ほどの岩塊試料20を、モールド
21に入れ、砂利、砕石などを使用して固定する。 b)岩塊試料20の入ったモールド21を、ロードセル
22が設置されているモールド受け23の内部に設置す
る。 c)固定した岩塊試料20に、ドリルビット24(ドリ
ル材料:タングステンカーバイド)を、20kgfの押
圧力で上から押し当てながら回転させつつ貫入させる。 d)5秒毎にドリル25の貫入量を1/10mm単位で
変位計27により計測し、データロガー26に出力する
する。計測は基本的に200回転分とする。 e)計測した貫入量をシーバーのJ値とし、岩石試料に
おけるドリルの貫入度を評価する。 f)なお、ドリルビット24が200回転する前にビッ
ト25の全長が貫入してしまう場合には、試験結果より
単位秒当たりの貫入量を割り出し、試験時間とドリルの
回転数との関係から200回転相当の貫入量を算定す
る。 g)また、この試験に使用したドリルビット24は、図
4に示すように、径13mm、長さ50mm程度のドリ
ルビット24の本体28に、取付治具29を介して、同
図に示すような形状のドリル25を、取付治具29から
20mm突出した状態で取り付けたものである。 h)なお、この試験では、モールド21として、図5に
示すような構造のものを使用し、モールド受け23とし
て、図6に示すような構造のものを使用した。
【0022】4.摩耗試験 以下の手法に従って摩耗試験を行うとともに、その概要
を図7に示す。
【0023】a)採取してきた粒状の岩石試料を、さら
に粒径1mm程度の微粒状にすりつぶす。 b)微粒状となった岩石試料0.5kgのうち、約半分
を研摩剤30として試験装置31の円盤32上に敷き、
残りの試料30をフィーダー(補給器)33の中に詰め
る。なお、研摩剤としての微粒状岩石試料30は、円盤
32上に、幅約3cm程度、中心の半径15cm程度の
円形の帯状に敷設する。 c)試験前のビット34(材質:鋼材Cスケール60)
の重量を計測する。 d)ビット34を、円盤32上に帯状に敷設した試料3
0の上に接触するように設置し、上から10kgの錘3
5で押さえつける。 e)円盤32を基本的に100回転させる。この回転
中、円盤32上には、フィーダー33から微粒状岩石試
料30を研摩剤として、常に円盤面とビットの間に資料
30が入り込んでいるように補給し続ける。 f)所定回数円盤32を回転させた後、ビット34を取
り外してその重量を再び計測する。 g)回転前と比較した回転後のビットの損失重量(m
g)を摩耗値として、岩石試料の摩耗度を評価する。 h)なお、この試験では、ビット34は、図8に示すよ
うに、高さ及び幅が30mm、厚さ10mm程度の平板
状の部材の下端部を半円状に湾曲させて形成したものを
使用する。
【0024】5.DRIの算定 DRIは、図9に示すDRI算定ダイアグラムから算定
する。このダイアグラムは、脆性試験で得られた脆性値
を横軸の値に取り、ミニチュアドリル試験により得られ
たシーバーのJ値をパラメータとして、縦軸に設定した
DRIを読み取るものである。なお、DRIは、その算
定方法から大きい値ほど軟質の地盤であることを示し、
小さい値ほど硬質の地盤であることを示している。
【0025】6.BWIの算定 BWIは、図10に示すBWI算定ダイアグラムから算
定する。このダイアグラムは、摩耗試験で得られた摩耗
値を横軸の値とし、上記DRIをパラメータとして、縦
軸に設定したBWIを読み取るものである。なお、BW
Iは、その算定法方から大きい値ほど硬質の地盤である
ことを示し、小さい値ほど軟質の地盤であることを示し
ている。
【0026】<試験結果> 1.脆性値、シーバーのJ値、及び摩耗値の関係 TBM掘削位置に対して、脆性値とシーバーのJ値をプ
ロットした結果を図11に示す。この図より、両者の値
は、TBM掘削位置に対してほぼ同じ変化を示し、累積
距離100mから200m付近までの区間は、脆性値と
シーバーのJ値は大きい値を示していることが判明す
る。これらの二つの指標の性質から、この区間では、前
後の区間と比べて軟質な岩石が存在していると判断する
ことができる。250m付近においては逆のことが言え
る。一方、摩耗値をプロットした結果を図12に示す。
これによると、摩耗値は、TBM掘削位置に対して上記
2試験の結果とは逆に推移していることが判明する。摩
耗値が他の値とは逆の性質を持っていることを考慮に入
れると、図11と同様の傾向が得られていることにな
る。
【0027】2.DRIと純掘進速度との関係 各試料採取地点における脆性値とシーバーのJ値を算定
ダイアグラムに適用して算出したDRIを、TBM掘削
位置に対してプロットした結果を図13に示す。横軸に
TBM掘進延長距離を、左縦軸にDRIを示している。
また、同図に、単位スラスト当たりのTBM掘進速度を
プロットする。なお、かかるTBM掘進速度は、一定ス
ラスト推力1tf当たりのTBM純掘進速度であり、この
ようにスラスト推力を一定にしたのは、マシンによる影
響を排除し、自然要因のみによる掘進速度と対比するた
めである。そして、これらの値を重ね合わせた結果か
ら、DRIとTBM純掘進速度との間には密接な相関性
があることが判明する。
【0028】3.BWIと純掘進速度との関係 各試料採取地点における摩耗値とDRIを算定ダイアグ
ラムに適用してBWIを算出し、かかるBWIを掘削位
置に対してプロットした結果を図14に示す。横軸にT
BM掘進延長距離を、左縦軸にBWIを示している。ま
た、同図に、図13と同様に、単位スラスト当たりのT
BM掘進速度を右縦軸に設定してプロットする。これら
の値を重ね合わせた結果から、BWIが掘進速度と相反
する推移を示していることが確認される。そして、BW
Iの性質を考慮すると、岩種や岩石の硬軟の具合による
純掘進速度の変化に、BWIが十分に対応していること
が判明する。
【0029】4.BWIとカッタービットの摩耗量との
関係 転動距離(カッターフェイスの回転により、カッタービ
ットが岩盤を切削する円周距離)1km当たりの各カッ
タービットの摩耗量を平均した値と、BWIとを対比さ
せたものを図15に示す。このグラフより、平均カッタ
ー摩耗量の多い区間でBWIは上昇傾向にあり、少ない
区間では下降傾向にあることが確認できる。つまり、B
WIとカッタービットの摩耗性との間には、十分な相関
性があることが判明する。なお、火山礫凝灰岩の分布し
ている範囲で、平均摩耗量が最も多く出ているのは、そ
の岩石における鉱物組成による影響と考えられる。例え
ば、石英のような硬質の鉱物は、玄武岩中に少なく、火
山礫凝灰岩中に多く存在している。
【0030】5.結論 以上より、この発明の地山の脆性試験方法により得られ
た脆性値によって、トンネル掘進機による切羽面の切削
効率、すなわち各種の掘削機械による掘削作業の効率と
関連する地山の性状をある程度予測できることが判明
し、またかかる脆性値を適用して算定したDRIあるい
はBWIを用いることにより、岩質地盤の性状の変化に
応じたTBM純掘進速度の変化を的確に把握できるこ
と、及びカッタービットの交換時期等を容易に予測でき
ることが判明する。
【0031】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明の
地山の脆性試験方法によれば、地山の脆性度を適正に評
価することのできる脆性値を得て、地盤の安定性を容易
に評価し、あるいは各種の掘削機械による掘削作業の効
率化を容易に図ることができる。
【0032】また、特に、トンネル掘進機による掘進作
業においては、DRI算定ダイアグラムに適用すべき脆
性値の値を的確に把握して、DRI算定ダイアグラムや
BWI算定ダイアグラムを介して、トンネル掘進機の掘
進効率と密接な相関性のあるDRIあるいはBWIを容
易に算定し、これによって、地盤の性状の変化に応じた
TBM純掘進速度の変化やカッタービットの交換時期等
を的確に管理把握しつつ、掘進作業の効率化を容易に図
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】脆性試験の好ましい一例の概要を示す説明図で
ある。
【図2】図1の脆性試験に用いたモールドの形状を示す
説明図で、(a)は上面図、(b)は正面図である。
【図3】ミニチュアドリル試験の好ましい一例の概要を
示す説明図である。
【図4】図3のミニチュアドリル試験に用いたドリルビ
ットの形状を示す説明図で、(a)は上面図、(b)は
正面図、(c)は側面図である。
【図5】図3のミニチュアドリル試験に用いたモールド
の形状を示す説明図で、(a)は上面図、(b)は正面
図である。
【図6】図3のミニチュアドリル試験に用いたモールド
受けの形状を示す説明図で、(a)は上面図、(b)は
正面図である。
【図7】摩耗試験の好ましい一例の概要を示す説明図で
ある。
【図8】図7の摩耗試験に用いたビットの形状を示す説
明図で、(a)は上面図、(b)は正面図、(c)は側
面図である。
【図9】DRI算定ダイアグラムの一例を示すチャート
である。
【図10】BWI算定ダイアグラムの一例を示すチャー
トである。
【図11】各掘削位置における脆性値とシーバーのJ値
をプロットしたチャートである。
【図12】各掘削位置における摩耗値をプロットしたチ
ャートである。
【図13】各掘削位置におけるDRIとTBM純掘進速
度との相関性を示すチャートである。
【図14】各掘削位置におけるBWIとTBM純掘進速
度との相関性を示すチャートである。
【図15】各掘削位置におけるBWIと平均カッター摩
耗量との相関性を示すチャートである。
【符号の説明】 10 粗粒状岩石試料 11 モールド 12 当て台 13 錘 14 支棒 20 岩塊試料 21 モールド 22 ロードセル 23 モールド受け 24 ドリルビット 25 ビット 26 データロガー 27 変位計 28 本体 29 取付治具 30 微粒状岩石試
料(研摩剤) 31 試験装置 32 円盤 33 フィーダー 34 ビット 35 錘

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 地山の脆性度を評価すべく用いる脆性試
    験方法であって、対象となる地盤から採取して得られた
    粒径略10〜20mm程度の粗粒状試料をモールドに詰
    め、このモールド内の粗粒状試料に所定重量の重錘を所
    定の高さから所定回数落下させた後、この粗粒状試料を
    所定の編目寸法のふるいにかけて、破砕した粗粒状試料
    の通過重量百分率から脆性値を求めることを特徴とする
    地山の脆性試験方法。
  2. 【請求項2】 JIS規格9.5mm及び19.0mm
    の網目寸法のふるいを用いてふるい分けした粒径約10
    〜20mmの粗粒状試料0.5kgをモールドに詰め、
    重量14kgの重錘を25cmの高さより20回垂直落
    下させ、しかる後に、破砕した粗粒状試料を網目寸法
    9.5mmのふるいにかけ、これの通過重量百分率から
    脆性値を求めることを特徴とする請求項1に記載の地山
    の脆性試験方法。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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