全方向連続Ｎ値計測新ボーリングシステムの開発全方向連続Ｎ値計測新ボーリングシステム株式会社東設土木コンサルタント山内優株式会社東設土木コンサルタント惣塚潤一株式会社東設土木コンサルタント正会員 ○相川信幸１．標準貫入試験の課題ボーリング調査で用いられている標準貫入試験（ s ta nd a rd p en e t r at io n te s t）は，全世界で用いられている地盤の工学的指標値（Ｎ値）を求めるためのボーリングマシンを用いた試験方法であり，日本では関東大震災 ( 1 9 2 3 年 ) 以来地盤工学および建設技術の発展に大きな役割を果たしてきた。しかしこの試験は，周知のとおり 6 3 . 5 k g のモンケンを 7 6 c m 持ち上げてノッキングヘッドに鉛直に自由落下させ，地中先端の専用貫入管を 30 c m 貫入させる方法を用いるため，以下の課題を有する。・鉛直下向き以外，例えばトンネル内からトンネル上部や斜め方向の試験は不可能。・１試験 3 0 c m 区間を必要とするため，小さな空洞や地盤の細かなゆるみ状況，地質の細かな変化を把握できない。・試験区間前後に前打ち，後打ちを要するため， 1m 区間内に２つのデータ以上は得ることができない。・１回の試験毎にボーリングロッドを引き上げ，貫入試験用サンプラーを掘削用コアチューブに交換する時間がかかる。２．新ボーリングシステムの開発２．１開発目的と経緯水力発電所の水路トンネル上部には，水路トンネル施工時に人為的にできた上部空洞，およびその後の地下水の動きや降水に伴う細粒分の流出によりできたと考えられる空洞があり，水路の老朽化に伴いこれらが地表面に向かって進展すると社会的問題を引き起こす。空洞がトンネルの直上にある場合はレーダー探査で調査可能であるが，上部に進展し始めた空洞を調査するには，地表または水路トンネルからのボーリング調査が必要となる。地表からのボーリングでは標準貫入試験によりＮ値は分かるが，前述の課題がある。また地表には建物等様々な構造物があり，調査する場所がない場合もある。一方水路内からの上向きの調査は，標準貫入試験自体が実施できない。このため近年クローラタイプのロータリーパーカッションドリルに各種センサーを取り付け，水路内から上方向に計測値からＮ値を求めることができるエンパソル等のシステムが用いられるようになった。しかしロータリーパーカッションドリルは給進装置用のガイドセル（標準 4. 8m ）を有す図１システムの構成るため，改造しても 2 . 8m 以下の小さなトンネルでは使用できないこと，特注のため調査機の数が少ないことが問題であった。この問題を解決するために，同様のセンサーを小型ロータリーボーリングマシンに取り付け，小さなトンネル内（径 2 m 以上）からも調査が可能な「全方向連続Ｎ値ボーリングシステム」の開発を試みた。２．２システムの構成本システムは主に各種センサーを取り付けたボーリングマシン，計測記録機器，掘削用車両からなる（図１）。それぞれの詳細を以下に示す。写真１計測機ディスプレイ（１）センサー取り付けボーリングマシン使用ボーリングマシンは油圧スピンドル式ロータリーボーリングマシン（掘削能力 5 0m ），取り付けたセンサーは深度センサー，フィード油圧センサー，回転数センサーの３種である。ボーリング掘削口径は調査速度を優先として，通常ロッドクラウンを用いた φ 4 2 m m で掘削するが， φ 66m m でオールコアサンプリングをしながら，センサー D e v e lo p m en t o f t h e n e w d r ill in g s y st em m ea su r in g c on t inuo us N va lu e in a ll d ir e c t io ns To u s e ts u C iv i l E n gin e e r in g C on su lt a nt I nc . G eo lo gy In f o rm a t ion D ivis io n , M as a r u Ya m au ch i, J yun ic h i S o u zu k a , N o b u y u k i A ik a w a のデータからＮ値を求めることも可能である。（２）計測記録装置システムのコントロールおよび各センサーのデータを収録する装置で，収録状況をグラフで示すディスプレイを有する（写真１）データは 1 c m 掘進毎に掘進に要した時間，掘進時推力，掘進時回転数を収録する。なおボーリングロッドの継ぎ足し時等にスピンドルを後進させた場合の記録は取らないように設定されている。（３）掘削用専用車両移動時間短縮のため，クローラトラックを用いる。掘削時はアウトリガーによりトンネル敷から推力の反力を得る。２．３各種計測データのＮ値への変換方法図２実験によるＮ値変換式（φ42mm）各種計測データのＮ値への変換は地表から近接位置で鉛直下向きに計測ボーリングと標準貫入試験を近接して実施し，掘削エネルギー BE とＮ値の関係式を求め，この式を用いて行う。掘削エネルギー BE は次式から求める。 BE ＝ L × Tb L ：ロッド推力， Tb ： 1 cm 掘削に要する時間 (s ) BE とＮ値には高い相関性が認められる（ R 2 = 0. 7819：図２）３．開発システムによる調査成果開発した「全方向連続Ｎ値計測新ボーリングシステム」を用い，水路トンネル内からトンネル上部地盤の調査を実施した結果をトンネル上部の詳細Ｎ値縦断モデル図として図３に示す。調査孔の間隔は 1 0 m ，掘削口径は 4 2 m m である。地質は砂図３トンネル上部の詳細Ｎ値縦断モデル礫または玉石混じり砂礫である。図３中の各孔の地質柱状図の右側に 1 cm 毎のＮ値を，最大Ｎ値 300 のグラフにして付した。この詳細Ｎ値によりトンネル上部には厚さ 1 0 cm ～ 2 5 cm の小さな空洞がトンネル上部 1m ～ 2 . 5m 付近に小範囲に分布していること，トンネル直上部には一部崩積土が分布していること，トンネル上部 4m 範囲内には緩み域と考えられる軟質な砂礫が層状に分布していることが分かった。なお本システムの調査速度は，コア採取無しの小口径（ 4 2m m ）ボーリングのため速く， 4m × 4 本／日程度であった。また地質の判定はＮ値グラフの波形，および掘削完了後に行う C CD カメラによる孔壁観察により行う。４．開発システムによる効果開発した新ボーリングシステムにより，これまで不可能であった小口径トンネル内から上方に向かって，詳細な N 値を連続的に短時間で得ることが可能になった。これにより小空洞の分布状態，地盤の緩み域の分布状況が詳細に分かり，効率的にグラウチング等対策工が実施でき，水路トンネル等の上部地盤の陥没を未然に防ぐことが可能になった。また新ボーリングシステムはオールコアボーリングをしながら，詳細な N 値を得ることが可能なため，これまでオールコアボーリングでは分からなかった小さな空洞の存在や力学特性を同時に得ることができるようになった。またこれまでほとんど分からなかった地すべりの滑り面，断層等の薄層の力学特性を知ることが容易になった。本システムでは試験の度にボーリングロッド昇降の必要がないため，支持層確認のための一般的ボーリング調査がこれまでの半分以下のコストで可能である。なお砂質土と粘性土の判定は，送水圧のセンサーを取り付けて送水圧の変化により判定する。さらにスピンドル式ロータリーボーリングマシンは地質調査用マシンとして普及しているため，センサーおよび計測器を付加することにより簡易にシステムを作ることができる。５．まとめトンネル内から上方地盤の N 値を測定することを目的として，「全方向連続 N 値計測新ボーリングシステム」を開発した。このシステムによりトンネル内部からトンネル上部地盤中の小空洞や緩み域の分布状況を，短時間で把握することが可能になった。またこれまで不可能であったオールコアサンプリングしながらＮ値を得ること，滑り面や断層周辺の力学特性を知ることが可能となった。また液状化判定，杭長判定等の一般的土質調査の低コスト化が可能である。さらにこのシステムはすでに普及している地質調査マシンに，センサー等を付加することにより簡易に作ることができる。