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JP4480155B2 - Prediction method of geological composition of natural ground - Google Patents
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Description

本発明は、地山を掘削する過程で地山の地盤定数を同定する地山の地質構成予測方法に関する。   The present invention relates to a geological composition prediction method for identifying a natural ground constant in the process of excavating the natural ground.

例えば、ロックフィルダムの工事では、使用するロック材は現場近くの原石山から採取されるが、ダムの部位毎にロック材の岩級区分が異なるため、原石山から効率良く、必要とされる岩石を採取することが要求される。そのため、予め原石山のボーリング調査を行い、地山構成を概略的に把握した上で、要求される品質の岩石を効率よく採取するようにしている。   For example, in the construction of rockfill dams, the rock material used is taken from the rough rock mountain near the site, but the rock classification of the rock material differs for each dam site, so the rock material required efficiently from the rough rock mountain. Are required to be collected. For this reason, drilling surveys of rough rocks are conducted in advance, and the rocks of the required quality are collected efficiently after a rough understanding of the natural rock composition.

しかしながら、事前に行われる前記ボーリング調査のみで地山の地質構成を精度良く把握することは困難で、掘削途中で想定していない岩級区分の岩石が採取されることによって、特定の岩級の岩石を採取し過ぎたり、必要な岩級の岩石が掘削し足りなかったりすることがあり、工程の遅れが生じることがあった。   However, it is difficult to accurately understand the geological composition of the natural ground only by the drilling survey conducted in advance, and by collecting rocks of the rock classification that is not expected during the excavation, In some cases, rocks were collected excessively, and necessary rock-grade rocks were excavated and insufficient, resulting in a delay in the process.

一方で、近年はボーリング調査に代わる手法として、各種の物理探査方法が提案され実用化されている。具体的には、表面波(レーリー波)、電磁波、反射波を用いる方法などが提案されている。   On the other hand, in recent years, various geophysical exploration methods have been proposed and put into practical use as an alternative to boring surveys. Specifically, methods using surface waves (Rayleigh waves), electromagnetic waves, and reflected waves have been proposed.

前記表面波を用いる方法としては、例えば下記特許文献1に、トンネル切羽の略中央に取り付けた起振機により切羽面に加振してレーリー波を発生させ、起振機から放射方向に所定距離だけ離れて設置した2箇所の検出器により切羽面を伝播するレーリー波を検出し、レーリー波の伝播時間差を分析して断層破砕帯等の地盤状況を探査する方法が開示されている。   As a method of using the surface wave, for example, in Patent Document 1 below, a Rayleigh wave is generated by exciting a face with a vibrator attached at substantially the center of a tunnel face, and a predetermined distance in the radial direction from the vibrator. A method is disclosed in which a Rayleigh wave propagating on a face is detected by two detectors installed at a distance from each other, and a ground state such as a fault fracture zone is investigated by analyzing a propagation time difference of the Rayleigh wave.

また、電磁波を用いる方法としては、例えば下記特許文献2に、現在の地質の状況を表す反射データから電磁波の速度を決定して現在の地山の比誘電率を算定し、電磁波伝播により生じる振幅の減衰から伝播距離に対する距離減衰を推定し、これを補正することによって反射位相から本来の反射係数を算出して反射面以降に現出する地質の比誘電率を推定し、これにより反射面以降の地質を予測する方法が開示されている。   As a method of using electromagnetic waves, for example, in Patent Document 2 below, the velocity of electromagnetic waves is determined from reflection data representing the current geological situation, the relative permittivity of the current ground is calculated, and the amplitude generated by electromagnetic wave propagation Estimate the distance attenuation with respect to the propagation distance from the attenuation, and calculate the original reflection coefficient from the reflection phase by correcting this, and estimate the relative dielectric constant of the geology that appears after the reflection surface. A method for predicting the geology of the soil is disclosed.

反射波を用いる方法としては、例えば下記特許文献3,4に、既に掘削した坑内において、起振装置と受振装置とを設置し、岩盤中の速度境界において反射した反射波を観測することにより岩盤の断層や破砕帯などの位置を推定する方法が開示されている。
特開平5−113097号公報 特開2002−106291号公報 特開2001−249186号公報 特開2002−156459号公報
As a method using a reflected wave, for example, in Patent Documents 3 and 4 below, an exciter and a receiving device are installed in an already excavated mine, and the reflected wave reflected at the velocity boundary in the rock is observed. A method for estimating the position of a fault, a fractured zone, or the like is disclosed.
Japanese Patent Laid-Open No. 5-113097 JP 2002-106291 A JP 2001-249186 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-156459

しかしながら、前記表面波(レーリー波)、電磁波、反射波等を用いる物理探査方法の場合には、これらの物理探査計測器機を掘削現場に持ち込んでの計測となるため、計器の取扱いに熟練した専門技術者が必要になるとともに、やはり一時的に掘削を中断しての作業となるため工程が遅延する原因ともなっていた。また、多くの段取りと手間とを必要とするため、日常的な施工管理の一環として行えるものではないなどの問題があった。   However, in the case of the geophysical exploration method using the surface wave (Rayleigh wave), electromagnetic wave, reflected wave, etc., since these geophysical exploration measuring instruments are brought to the excavation site, they are specialized in handling the instruments. In addition to the need for an engineer, the drilling was temporarily interrupted, which caused the process to be delayed. In addition, since a lot of setup and labor is required, there is a problem that it cannot be performed as part of daily construction management.

そこで本発明の主たる課題は、特殊な物理探査計測機器を必要とすることなく、また掘削作業と併行しながら、日常的な施工管理の一環として、簡単かつ高精度で地山の地質構成を正確に把握し得る方法を提供することにある。   Therefore, the main problem of the present invention is that the geological configuration of the natural ground is accurately and easily performed as a part of daily construction management, without requiring special geophysical measurement equipment and in parallel with excavation work. It is to provide a method that can be grasped.

前記課題を解決するために請求項に係る本発明として、掘削部の周辺領域に任意数の観測点を設定し、発破時における前記観測点の時刻歴変位速度、時刻歴変位及び時刻歴加速度の内のいずれかを測定し、3次元解析モデルにおいて、前記時刻歴変位速度、時刻歴変位及び時刻歴加速度の内のいずれかの計測データを与条件として逆解析を行うことにより、地山の地盤定数を同定することを特徴とする地山の地質構成予測方法が提供される。この方法は、広く範囲に亘り、地質構成を知る事ができるため、好ましくは下記請求項2〜5いずれかに記載の地山の地質構成予測方法に先立って或いは途中段階で行うようにするのが望ましい。 In order to solve the above-mentioned problem, as the present invention according to claim 1 , an arbitrary number of observation points are set in a peripheral region of an excavation part, and the time history displacement speed, time history displacement and time history acceleration of the observation point at the time of blasting In the three-dimensional analysis model, by performing a reverse analysis using any one of the measurement data of the time history displacement speed, the time history displacement and the time history acceleration as a given condition, A method for predicting geological composition of natural ground characterized by identifying ground constants is provided. Since this method can know the geological configuration over a wide range, it is preferably performed prior to or in the middle of the geological configuration prediction method of the natural ground according to any one of claims 2 to 5 below . Is desirable.

請求項に係る本発明として、地山の明かり掘削部の周辺領域に任意数の観測点を設定し、発破掘削の前後において前記観測点の変位を測定した結果から変位計測データを取得し、掘削進行状況を反映した3次元解析モデルにおいて、予め地質分布に基づきブロック割りを行い、各ブロック領域内において地盤定数は一定値であるとする条件の下で、前記変位計測データを与条件として逆解析を行うことにより、ブロック領域毎に地山の地盤定数を同定する地山の地質構成予測方法に先立って或いは途中段階で、上記請求項1記載の地山の地質構成予測方法を行うことを特徴とする地山の地質構成予測方法が提供される。 As the present invention according to claim 2 , an arbitrary number of observation points are set in the surrounding area of the light excavation part of the natural ground, and displacement measurement data is obtained from the result of measuring the displacement of the observation points before and after the blast excavation, In a three-dimensional analysis model reflecting the progress of excavation, blocks are divided based on the geological distribution in advance, and the displacement measurement data is reversed under the condition that the ground constant is constant in each block area. The geological configuration prediction method according to claim 1 is performed prior to or in the middle of the geological configuration prediction method for identifying the ground constant of the natural ground for each block region by performing analysis. A featured geological composition prediction method is provided.

上記請求項記載の本発明においては、明かり掘削部の周辺領域で観測した変位計測データに基づいて、3次元解析モデルにより前記変位計測データを与条件とする逆解析によって地山の地盤定数(主としてヤング係数)を同定するようにした。従って、特殊な物理探査計測機器を必要とすることなく、また掘進作業と併行しながら日常的な施工管理の一環として行い得るものとなる。なお、前記逆解析の計算は、所定区間の掘削によって生じる観測点の計算変位と、観測点の実測変位との残差2乗和が最小となる地山物性値(ヤング係数)を最適化手法によって求めるものである。 In the present invention as set forth in claim 2 , the ground constant of the natural ground (by a reverse analysis using the displacement measurement data as a given condition by a three-dimensional analysis model based on the displacement measurement data observed in the peripheral area of the light excavation part ( Mainly Young's modulus) was identified. Therefore, it can be carried out as part of daily construction management without requiring special physical exploration measuring equipment and in parallel with excavation work. The calculation of the inverse analysis is a method of optimizing a natural ground physical property value (Young's modulus) that minimizes the residual sum of squares between the calculated displacement of the observation point caused by excavation in a predetermined section and the actual displacement of the observation point. Is what you want.

請求項に係る本発明として、前記観測点は、掘削面の高さをDとした際の、掘削面上端を中心とする1.5D領域内および掘削面下端を中心とする1.5D領域内の地山表面に設置してある請求項記載の地山の地質構成予測方法が提供される。 As the present invention according to claim 3 , the observation point is in a 1.5D region centering on the upper end of the excavation surface and a 1.5D region centering on the lower end of the excavation surface when the height of the excavation surface is D. The geological composition prediction method of the natural ground of Claim 2 installed in the natural ground surface of the inside is provided.

上記請求項記載の本発明においては、変位計測データの観測点として、掘削面(斜面又は壁面)の高さをDとした際の、掘削面上端を中心とする1.5D領域内および掘削面下端を中心とする1.5D領域内の地山表面に設置するものである。この領域は、3次元解析の結果が信頼性をもって評価可能とされる領域でもある。 In the present invention described in claim 3 , in the 1.5D region centering on the upper end of the excavation surface and excavation when the height of the excavation surface (slope or wall surface) is D as the observation point of the displacement measurement data It is installed on the natural ground surface in the 1.5D area centering on the lower end of the surface. This region is also a region where the results of the three-dimensional analysis can be evaluated with reliability.

請求項に係る本発明として、前記観測点の変位計測データは、1〜3軸方向変位成分のいずれか又は組合せとする請求項2,3いずれかに記載の地山の地質構成予測方法が提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the geological configuration prediction method for a natural ground according to any one of the second and third aspects, wherein the displacement measurement data of the observation point is one or a combination of 1-3 axial direction displacement components. Provided.

請求項に係る本発明として、掘削の進行に伴い、掘削面の観察及び/又は前記3次元解析結果に基づき、逐次前記地質分布に基づくブロック割りを修正する請求項2〜4いずれかに記載の地山の地質予測方法が提供される。 As the present invention according to claim 5, with the progress of the drilling, based on observation and / or the three-dimensional analysis of excavating surface, modifying the block allocation sequentially based on the geological distribution according to any one of claims 2-4 A geological prediction method for natural ground is provided.

上記請求項記載の本発明においては、掘削の進行に伴い、及び/又は前記3次元解析結果に基づき、逐次前記地質分布に基づくブロック割りを修正するものである。事前のボーリング調査等によって想定した地質分布にはボーリング点数の制約等により、ある程度の誤差を含むものと想定されるため、掘削の進行に伴って、掘削面の観察を行い、及び/又は3次元解析結果に基づいて、逐次ブロック割りを修正することにより、予測精度を向上させることができる。 In the present invention according to the fifth aspect, the block allocation based on the geological distribution is sequentially corrected with the progress of excavation and / or based on the three-dimensional analysis result. The geological distribution assumed by prior drilling surveys, etc. is assumed to contain a certain amount of error due to restrictions on the number of drilling points, etc., so the excavation surface is observed as the excavation progresses and / or 3D The prediction accuracy can be improved by correcting the sequential block allocation based on the analysis result.

以上詳説のとおり本発明によれば、特殊な物理探査計測機器を必要とすることなく、また掘削作業と併行しながら、日常的な施工管理の一環として、簡単かつ高精度で地山の地質構成を把握することができる。   As described above in detail, according to the present invention, the geological configuration of the natural ground is simple and highly accurate as a part of daily construction management without requiring a special geophysical measurement instrument and while performing excavation work. Can be grasped.

以下、本発明の実施の形態例について図面を参照しながら詳述する。図1は本発明に係る地山の地質構成予測方法のフロー図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart of a geological configuration prediction method for natural ground according to the present invention.

先ず、図1に示されるように、事前のボーリング等の地質調査に基づいて、地山をブロック割りし、各ブロックに岩級区分を設定する。岩級区分は例えば、「岩盤挙動の予測と実態」(土質基礎工学会ライブラリー33、土質工学会編、昭和63年、p29)に基づき、下表1のように区分することができる。また、地山形状を反映した3次元解析モデルを設定する。   First, as shown in FIG. 1, based on a geological survey such as boring in advance, the natural ground is divided into blocks and a rock classification is set for each block. The rock classification can be classified as shown in Table 1 below based on, for example, “prediction and actual condition of rock mass behavior” (Soil Engineering Society Library 33, Soil Engineering Society, 1988, p29). In addition, a three-dimensional analysis model reflecting the natural ground shape is set.

Figure 0004480155
Figure 0004480155

地山掘削(明かり掘削)は、例えば高さ方向にリフト割りされ、各リフト毎に発破掘削され、要求されるロック材の岩級に従い、所要の部位が掘削される。   In natural ground excavation (light excavation), for example, a lift is divided in the height direction, blast excavation is performed for each lift, and a required portion is excavated according to a rock class of a required rock material.

その際に、掘削部の周辺領域に任意数の観測点を設定し、発破掘削の前後において前記観測点の変位を測定した結果から変位計測データを取得し、各ブロック領域内において地盤定数は一定値であるとする条件の下で、前記変位計測データを与条件として逆解析を行うことにより、ブロック毎に地山の地盤定数を同定するものである。   At that time, an arbitrary number of observation points are set in the surrounding area of the excavation part, displacement measurement data is obtained from the result of measuring the displacement of the observation point before and after the blast excavation, and the ground constant is constant in each block area. Under the condition that it is a value, the ground constant of the ground is identified for each block by performing inverse analysis using the displacement measurement data as a given condition.

また、本地質構成の予測方法は、当初に設定した地層構成が漸次修正されることにより、採石精度を向上させるものであるため、掘削後に掘削面の観察を行い、必要ならば地質構成を変更するとともに、3次元解析モデルのブロック割りを変更する。また、3次元解析結果に基づいて必要ならば、地質構成を変更するとともに、3次元解析モデルのブロック割りを変更する。そして、最終的に次回の掘削計画を立案する。   In addition, the geological configuration prediction method is intended to improve the quarrying accuracy by gradually correcting the initially established stratum configuration, so the excavation surface is observed after excavation, and the geological configuration can be changed if necessary. At the same time, the block allocation of the three-dimensional analysis model is changed. If necessary, the geological configuration is changed and the block allocation of the three-dimensional analysis model is changed based on the three-dimensional analysis result. Finally, the next drilling plan will be drafted.

以下、例を挙げ具体的に詳述すると、
図2に示される地山に対して、水平ボーリング等の地質調査を行い、この調査結果に基づいて、地山を複数の領域に、図示例では7つの領域にブロック割りする。各ブロック割り領域には、土質試験に基づいて岩級区分が設定される。図示例では、ブロック1、3、7が岩級区分CLに設定され、ブロック2,4,5,6が岩級区分CMに設定されている。
Hereinafter, an example will be specifically described in detail.
A geological survey such as horizontal boring is performed on the natural ground shown in FIG. 2, and the natural ground is divided into a plurality of regions, and in the example shown in FIG. In each block division area, rock classification is set based on the soil test. In the illustrated example, blocks 1, 3, and 7 are set in the rock classification section CL, and blocks 2, 4, 5, and 6 are set in the rock classification section CM.

図3は掘削途中の状態を示したものであるが、掘削ゾーン(傾斜面)に対して、その周辺領域、具体的には掘削斜面の高さをDとした際の、掘削斜面上端を中心とする1.5D領域内および掘削斜面下端を中心とする1.5D領域内の地山表面に観測点が設置される。この観測点は解析精度を上げるために複数、好ましくは5〜10点程度設けるのが望ましい。   FIG. 3 shows a state in the middle of excavation. With respect to the excavation zone (inclined surface), the peripheral region, specifically, the excavation slope upper end when the height of the excavation slope is D is the center. An observation point is set on the ground surface in the 1.5D region and the 1.5D region centered on the lower end of the excavation slope. It is desirable to provide a plurality of observation points, preferably about 5 to 10 points, in order to improve analysis accuracy.

なお、観測点を上記範囲に設けるようにした理由は、図7に3次元解析モデルにおいて、地盤定数は一定の条件の下で、メッシュ2つ分(2m分に相当)を掘削した際の、掘削後における鉛直変位成分をベクトル解析した結果において、掘削斜面の高さをDとした場合、掘削斜面上端を中心とする1.5D領域内および掘削斜面下端を中心とする1.5D領域内において、鉛直変位成分が他の領域よりも卓越していることが判明したためである。この領域は、観測点の設置ゾーンとして設定されるものであるが、3次元解析の結果が信頼性をもって評価可能とされる領域でもある。   The reason why the observation points are provided in the above range is that, in the three-dimensional analysis model shown in FIG. 7, when the ground constant is excavated for two meshes (corresponding to 2 m) under certain conditions, In the result of vector analysis of the vertical displacement component after excavation, when the height of the excavation slope is D, in the 1.5D area centered on the upper end of the excavation slope and in the 1.5D area centered on the lower end of the excavation slope This is because it has been found that the vertical displacement component is superior to other regions. This region is set as an observation point installation zone, but is also a region where the results of the three-dimensional analysis can be evaluated with reliability.

観測点を掘削ゾーンの周辺に設置したならば、発破掘削の前に前記観測点をトータルステーション(3次元変位計測機器)等の測量機器を用いるか、GPSなどを用いて3次元座標を測定した後、掘削を行い、掘削後に再び観測点の3次元座標計測を行い、掘削前後の座標計測から変位計測データを取得する。   If the observation point is installed in the vicinity of the excavation zone, use a surveying instrument such as a total station (three-dimensional displacement measuring instrument) or measure the three-dimensional coordinates using GPS or the like before the blast excavation. Then, excavation is performed, and the three-dimensional coordinate measurement of the observation point is performed again after excavation, and displacement measurement data is acquired from the coordinate measurement before and after excavation.

そして、前記掘削進行状況を反映した3次元解析モデルにおいて、各ブロック領域内において地盤定数は一定値であるとする条件の下で、前記変位計測データを与条件として逆解析を行うことにより、ブロック毎に地山の地盤定数を同定する。   Then, in the three-dimensional analysis model reflecting the progress of excavation, the block constant is obtained by performing reverse analysis using the displacement measurement data as a given condition under the condition that the ground constant is constant in each block region. The ground constant of the ground is identified every time.

その結果、前記3次元解析による各ブロックのヤング係数を同定した結果が図4に示されるように、ブロック3,4が岩級区分が曖昧であるような場合は、図6に示されるように、掘削断面の観察によりブロック3,4の境界線を修正する。そして、次回掘削時に、修正された3次元解析モデルにおいて、発破掘削前後の変位計測データを与条件として逆解析を行い、ブロック毎のヤング係数を同定する。その結果、図6に示されるように、ブロック3,4が明確に区分されたならば、このブロック割りに従って次回の掘削計画を立案する。   As a result, as shown in FIG. 4, the result of identifying the Young's modulus of each block by the three-dimensional analysis is as shown in FIG. Then, the boundary line between the blocks 3 and 4 is corrected by observing the excavation cross section. Then, in the next excavation, in the modified three-dimensional analysis model, the inverse analysis is performed using the displacement measurement data before and after the blast excavation as a given condition, and the Young's modulus for each block is identified. As a result, as shown in FIG. 6, if the blocks 3 and 4 are clearly divided, the next excavation plan is made according to this block allocation.

以下、3次元解析モデルによるヤング係数の同定解析について詳述する。
《地山の地盤定数予測》
(3次元有限要素法解析モデルによる解析)
前記トータルステーションなどの測量機器によって計測された変位計測データは、現場事務所に設置されたコンピュータに入力され、3次元解析モデルにおいて、前記変位計測データを与条件として逆解析を行うことにより、ブロック毎に地山の地盤定数を同定される。すなわち、地山物性値(ヤング係数)を逆解析の対象とし、所定区間の掘削によって生じる観測点の計算変位と、観測点の実測変位との残差2乗和が最小となる地山定数(ヤング係数)を最適化手法によって求めることにより、各ブロックごとに地盤定数(ヤング係数)を同定する。なお、地盤定数としては、本形態例では変形係数を未知パラメータとするが、ポアソン比、粘着力や側圧係数などを対象とすることもできる。
Hereinafter, identification analysis of Young's modulus by a three-dimensional analysis model will be described in detail.
《Prediction of ground constant of natural ground》
(Analysis using a three-dimensional finite element method analysis model)
Displacement measurement data measured by a surveying instrument such as the total station is input to a computer installed in a field office, and in a three-dimensional analysis model, a reverse analysis is performed using the displacement measurement data as a given condition. The ground constant of ground is identified. That is, the natural ground property value (Young's modulus) is subject to inverse analysis, and the natural ground constant that minimizes the residual sum of squares between the calculated displacement of the observation point caused by excavation in the predetermined section and the actual displacement of the observation point ( The ground constant (Young's modulus) is identified for each block by obtaining the Young's modulus by an optimization method. As the ground constant, the deformation coefficient is an unknown parameter in the present embodiment, but the Poisson's ratio, the adhesive force, the lateral pressure coefficient, and the like can also be targeted.

前記ヤング係数を同定する逆解析において、すべての要素が任意のヤング係数を取り得るものとして解析を行う場合には、多くの変位計測データを要するとともに、計算に長時間を要するようになるため、各ブロック領域内において地盤定数は一定値であるとする条件で逆解析を行うようにする。   In the inverse analysis for identifying the Young's modulus, when performing an analysis assuming that all elements can take an arbitrary Young's modulus, it takes a lot of displacement measurement data and requires a long time for calculation. Inverse analysis is performed under the condition that the ground constant is constant in each block area.

以下、ヤング係数を対象とする逆解析について手順に従いながら詳述する。
《逆解析の定式化》
1.順解析
同定計算の基本となる3次元線形弾性体の有限要素方程式は、下式(1)となる。
Hereinafter, the inverse analysis for Young's modulus will be described in detail according to the procedure.
<< Formulation of inverse analysis >>
1. Forward analysis The finite element equation of the three-dimensional linear elastic body that is the basis of the identification calculation is expressed by the following equation (1).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

ここで、Kはヤング係数およびポアソン比で表される剛性マトリクス、uは変位ベクトル、Γは荷重ベクトルを表す。   Here, K is a stiffness matrix expressed by Young's modulus and Poisson's ratio, u is a displacement vector, and Γ is a load vector.

順解析では、下式(2)に示すように、解析領域と境界条件、ヤング係数とポアソン比、荷重を与えて変位を計算する。   In forward analysis, as shown in the following equation (2), the displacement is calculated by giving the analysis region and boundary conditions, Young's modulus and Poisson's ratio, and load.

Figure 0004480155
Figure 0004480155

2.パラメータの同定解析
地盤定数のうち、ヤング係数を未知パラメータとした場合の同定解析について述べる。
2. Parameter identification analysis Among the ground constants, identification analysis when Young's modulus is an unknown parameter is described.

ヤング係数の同定解析では、解析領域と境界条件、ポアソン比、荷重を与え、さらに有限個の変位(計測などによって既知になっている変位)をもとにヤング係数を計算する。   In the Young's modulus identification analysis, the analysis area, boundary conditions, Poisson's ratio, and load are given, and the Young's modulus is calculated based on a finite number of displacements (displacements that are already known by measurement, etc.).

同定計算法には色々あるがここでは最小化問題として取り扱う。そのために、下式(3)に示す評価関数を定める。   There are various identification calculation methods, but here they are treated as minimization problems. Therefore, the evaluation function shown in the following formula (3) is defined.

Figure 0004480155
Figure 0004480155

ここで、u;有限要素法によって計算された変位、u*;観測データを表わす。   Here, u: displacement calculated by the finite element method, u *: observation data.

評価関数Jは計算で求めた変位と観測データの差の二乗和であらわす。評価関数Jは正のスカラーである。ヤング係数は正しく決められれば評価関数Jはゼロに近づく。すなわち、評価関数Jを最小にするヤング係数が見つけられれば同定計算が完了する。ヤング係数の同定計算は評価関数Jを最小化する問題である。   The evaluation function J is expressed as the sum of squares of the difference between the displacement obtained by calculation and the observed data. The evaluation function J is a positive scalar. If the Young's modulus is correctly determined, the evaluation function J approaches zero. That is, if a Young's modulus that minimizes the evaluation function J is found, the identification calculation is completed. The Young's modulus identification calculation is a problem of minimizing the evaluation function J.

評価関数Jを最小化するヤング係数を求める最小化問題を解く方法のうち、ここでは共役勾配法を用いる。本例では共役勾配法の一種であるFletcher−Reeves Method (フレッチャー・リーブス法)を採用した。この方法は計算アルゴリズムが簡単で繰り返し計算の収束性が良い(計算が安定)と言われている。   Of the methods for solving the minimization problem for obtaining the Young's modulus that minimizes the evaluation function J, the conjugate gradient method is used here. In this example, the Fletcher-Reeves Method, which is a kind of conjugate gradient method, is employed. This method is said to have a simple calculation algorithm and good convergence of repeated calculations (calculation is stable).

次に、計算のための定式化を以下に述べる。
(1)評価関数の勾配の計算
評価関数の未知パラメータであるヤング係数Eに関する評価関数の勾配dを計算する。上式(3)の評価関数Jは変位の汎関数である。また、変位は有限要素方程式(1)式で示すように、ヤング係数を未知パラメータとしている。そこで、勾配dは、下式(4)であらわされる。
Next, the formulation for calculation is described below.
(1) Calculation of the gradient of the evaluation function The gradient d of the evaluation function related to the Young's modulus E, which is an unknown parameter of the evaluation function, is calculated. The evaluation function J in the above equation (3) is a displacement functional. As shown in the finite element equation (1), the displacement uses the Young's modulus as an unknown parameter. Therefore, the gradient d is expressed by the following formula (4).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

上記感度行列とは、パラメータ(ヤング係数)が変位に与える影響の度合いを表わすものである。
(2)感度行列の計算
3次元線形弾性体の有限要素方程式は、前述したように、(1)式であらわされる。
上記(1)式をm番目の未知パラメータEmについて偏微分すると、下式(5)となる。
The sensitivity matrix represents the degree of influence of the parameter (Young's modulus) on the displacement.
(2) Calculation of sensitivity matrix As described above, the finite element equation of the three-dimensional linear elastic body is expressed by equation (1).
When the above equation (1) is partially differentiated with respect to the mth unknown parameter Em, the following equation (5) is obtained.

Figure 0004480155
Figure 0004480155

また、上式(5)を展開すると、下式(6)となる。   Further, when the above equation (5) is expanded, the following equation (6) is obtained.

Figure 0004480155
Figure 0004480155

これを未知パラメータの数だけ計算して行列で表わすと、下式(7)となる。   When this is calculated by the number of unknown parameters and expressed in a matrix, the following equation (7) is obtained.

Figure 0004480155
Figure 0004480155

この時、変位を与える境界では変位量が変化しないので、下式(8)が成立する。   At this time, since the amount of displacement does not change at the boundary where the displacement is applied, the following equation (8) is established.

Figure 0004480155
Figure 0004480155

したがって、上式(8)を用いた未知パラメータ(ヤング係数)Eに関する感度行列はパラメータごとに計算で求めることができる。
3.ステップ幅αの計算
収束計算のために、収束のステップ幅αを計算する。ステップ幅は上式(3)の評価関数Jを一次項までテーラー展開し、さらにαで偏微分して求める。
Therefore, the sensitivity matrix regarding the unknown parameter (Young's modulus) E using the above equation (8) can be obtained by calculation for each parameter.
3. Calculation of Step Width α For the convergence calculation, the convergence step width α is calculated. The step width is obtained by Taylor expansion of the evaluation function J of the above formula (3) to the first order term and partial differentiation with α.

評価関数Jの一次項までのテーラ展開は、下式(9)となる。   The Taylor expansion up to the first term of the evaluation function J is expressed by the following equation (9).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

上式(9)をαで偏微分すると、下式(10)となる。   When the above equation (9) is partially differentiated by α, the following equation (10) is obtained.

Figure 0004480155
Figure 0004480155

上式(10)式よりαを求めるには、下式(11)を計算する。   To obtain α from the above equation (10), the following equation (11) is calculated.

Figure 0004480155
Figure 0004480155

このαの決定により、下式(12)に示されるように、全てのパラメータの更新が行なわれる。   By determining this α, all parameters are updated as shown in the following equation (12).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

次に、2回目以降の勾配については、Fletcher-Reeves Method (フレッチャー・リーブス法)により下式(13)で計算することができる。   Next, the gradient after the second time can be calculated by the following equation (13) by the Fletcher-Reeves Method (Fletcher-Reeves Method).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

ここで、βは、下式(14)で計算する。   Here, β is calculated by the following equation (14).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

4.未知パラメータ(ヤング係数E)の同定計算アルゴリズム
[step0]:パラメータE(0)の初期値および、評価関数がこの数値以下になった時に収束したとみなす数値である収束判定の値εJを定める。
[step1]:繰り返し回数 i=0 をセットする。
[step2]:(3)式の{u}(i)を下式(15)に示すように計算する。
4). Identification calculation algorithm for unknown parameter (Young's modulus E)
[step 0]: An initial value of the parameter E (0) and a convergence determination value εJ, which is a value that is considered to have converged when the evaluation function becomes equal to or less than this value, are determined.
[step 1]: Set the number of repetitions i = 0.
[step 2]: {u} (i ) in the equation (3) is calculated as shown in the following equation (15).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step3]:(3)式により、(i)回の評価関数J(i)を下式(16)に示すように計算する。 [step 3]: The evaluation function J (i) times (i) times is calculated as shown in the following expression (16) by the expression (3).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step4]:(7)式により、感度行列{∂u/∂E}(i)を下式(17)に示すように計算する。 [step 4]: The sensitivity matrix {∂u / ∂E m } (i) is calculated as shown in the following equation (17) using equation (7).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step5]:(4)式により、評価関数の初期勾配{d}(i)を下式(18)に示すように計算する。 [step 5]: The initial gradient {d} (i) of the evaluation function is calculated by the equation (4) as shown in the following equation (18).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step6]:(11)式により、ステップ幅αを下式(19)に示すように計算する。 [step 6]: The step width α is calculated by the equation (11) as shown in the following equation (19).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step7]:パラメータ(ヤング係数)を、下式(20)に示すように勾配とステップ幅で修正する。 [step 7]: The parameter (Young's modulus) is corrected with the gradient and step width as shown in the following equation (20).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step8]:(2)式により、修正したパラメータ{E}(i+1)をもとに変位を下式(21)により計算する。 [step 8]: The displacement is calculated by the following equation (21) based on the corrected parameter {E} (i + 1) by the equation (2).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step9]:(3)式により求めた修正変位u(i+1)から評価関数を下式(22)に示すように計算する。 [step 9]: An evaluation function is calculated as shown in the following equation (22) from the corrected displacement u (i + 1) obtained by the equation (3).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step10]:新しい感度行列{∂u/∂E}(i+1)を下式(23)により計算する。 [step 10]: A new sensitivity matrix {∂u / ∂E m } (i + 1) is calculated by the following equation (23).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step11]:βを下式(24)に示すように計算する。 [step 11]: β is calculated as shown in the following equation (24).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step12]:評価関数の勾配を下式(25)に示すように修正する。 [step 12]: The gradient of the evaluation function is corrected as shown in the following formula (25).

Figure 0004480155
Figure 0004480155

[step13(収束判定)]: [step 13 (convergence judgment)]:

Figure 0004480155
Figure 0004480155

上式(26)を満たすならば、{E}(i+1)が求めるパラメータ(ヤング係数)である。
[Step14(収束判定)]:
If the above equation (26) is satisfied, {E} (i + 1) is a parameter (Young's modulus) to be obtained.
[Step 14 (convergence judgment)]:

Figure 0004480155
Figure 0004480155

上式(27)ならば、i= i+1として[Step 6]」へ戻る。
〔第2解析手法〕
本第2解析手法は、前記地山の地質構成予測方法に先立って或いは途中段階で行われるもので、地山の明かり掘削又はトンネル坑内掘削において、任意数の観測点を設定し、発破時における前記観測点の時刻歴変位速度、時刻歴変位及び時刻歴加速度の内のいずれかを測定し、3次元解析モデルにおいて、前記時刻歴変位速度、時刻歴変位及び時刻歴加速度の内のいずれかの計測データを与条件として与えた逆解析を、繰り返し行うことによって、地山の地盤定数(主として、ヤング係数)を同定するものである。前述した解析手法を静的解析手法とすれば、本第2解析手法は地山の地盤定数の同定を動的解析によって行う手法である。
If the above equation (27), i = i + 1 and return to [Step 6] ”.
[Second analysis method]
This second analysis method is performed prior to or during the geological composition prediction method of the natural ground, and in the light excavation of the natural ground or tunnel tunnel excavation, an arbitrary number of observation points are set, and at the time of blasting Any one of the time history displacement speed, the time history displacement and the time history acceleration of the observation point is measured, and in the three-dimensional analysis model, any one of the time history displacement speed, the time history displacement and the time history acceleration is measured. The ground constant (mainly Young's modulus) of the natural ground is identified by repeatedly performing inverse analysis given measurement data as given conditions. If the above-described analysis method is a static analysis method, this second analysis method is a method for identifying ground constants of ground by dynamic analysis.

なお、本第2解析手法では、観測点の設置領域は発破による衝撃が伝播される範囲であればよく、広範に設定することが可能である。また、その計測は、直接的に速度センサ、変位計又は加速度計を用いることができる。   In the second analysis method, the observation point can be set in a wide range as long as the blasting impact is propagated. Moreover, the measurement can use a speed sensor, a displacement meter, or an accelerometer directly.

例えば、図15に示されるように、トンネル掘削や地下空洞掘削時に、坑内に設置した観測点B1,B2及び/又は坑外に設置した観測点A1,A2で、時刻歴挙動を観測し、3次元の振動解析によりヤング係数などの同定解析を行い、ヤング係数等から切羽前方の地質状況を予測する。そして、切羽前方に弱い地盤層が存在していることが確認されたならば、事前に支保工を準備することにより、工事を効率的に進めることができるようになる。   For example, as shown in FIG. 15, the time history behavior is observed at observation points B1 and B2 installed inside the mine and / or observation points A1 and A2 installed outside the mine during tunnel excavation and underground cavity excavation. Identification analysis such as Young's modulus is performed by three-dimensional vibration analysis, and the geological situation ahead of the face is predicted from Young's modulus. And if it is confirmed that a weak ground layer exists in front of the face, the construction can be efficiently carried out by preparing a support work in advance.

(他の実施形態例)
(1)上記形態例では、3次元解析モデルを有限要素法解析モデルとしたが、解析方法としては、有限要素法以外に、写像関数を使用した解析解を用いる方法、有限差分法、境界要素法(グリーン関数法)、個別要素法、有限体積法、RBSM等およびこれらの組合せからなる解析手法を用いても良い。
(2)上記形態例では、ロック材採取のための地山掘削を例に採ったが、ダム堤体の基礎構築工事においては、堅岩部まで掘削したことを確かめる必要があるが、本方法は、根切り掘削の支持層同定などに対しても適用が可能である。
(Other embodiment examples)
(1) In the above example, the three-dimensional analysis model is a finite element method analysis model. However, in addition to the finite element method, the analysis method includes a method using an analytical solution using a mapping function, a finite difference method, a boundary element. You may use the analysis method which consists of a method (Green function method), an individual element method, a finite volume method, RBSM, etc., and these combination.
(2) In the above configuration example, natural rock excavation for rock material sampling was taken as an example, but in the foundation construction work of the dam dam body, it is necessary to confirm that the hard rock was excavated, but this method is It can also be applied to support layer identification for root excavation.

(1)実施例1
本実施例1では簡単な解析モデルを設定し、本解析手法の妥当性を検証した。検証解析は、先ず順解析を行って観測点の変位を計算し、これを観測データと仮定した。そして、逆解析による同定解析において、前記観測データを与条件として与えて地盤の定数を同定し、その結果が順解析で設定した地盤定数となるかを検証した。
(1)順解析による変位計算
具体的には、図8に示される解析モデルを想定した。また、順解析に用いた地盤定数は、下表2のように設定した。
(1) Example 1
In Example 1, a simple analysis model was set, and the validity of this analysis method was verified. In the verification analysis, the forward analysis was first performed to calculate the displacement of the observation point, and this was assumed as the observation data. Then, in the identification analysis by reverse analysis, the observation data was given as given conditions to identify the ground constant, and it was verified whether the result would be the ground constant set in the forward analysis.
(1) Displacement calculation by forward analysis Specifically, the analysis model shown in FIG. 8 was assumed. The ground constant used for forward analysis was set as shown in Table 2 below.

Figure 0004480155
Figure 0004480155

そして、図9(A)に示される3次元解析モデル(X=9まで掘削)から、メッシュ1目盛り分の掘削を行った図9(B)に示される状態となった際の、観測点での変位を演算により求めた。   Then, from the three-dimensional analysis model shown in Fig. 9 (A) (excavation up to X = 9), the observation point at the time when the state shown in Fig. 9 (B) was excavated for one mesh scale. The displacement of was calculated.

(2)逆解析による同定計算
逆解析は、図10に示されるように、ブロック数を4とした解析モデルとし、観測点に上記順解析による変位量を変位計測データとして与えた。
(2) Identification calculation by reverse analysis As shown in FIG. 10, the reverse analysis is an analysis model in which the number of blocks is 4, and the displacement amount by the above-mentioned forward analysis is given to the observation point as displacement measurement data.

解析は、初期値としてすべてのブロックのヤング係数初期値を10000(tf/m2)として、各ブロックのヤング係数を繰り返し計算により求めた。各繰り返し計算により計算値が収束していく状況を図11に示す。同図11より、ブロック1、3,4は、ヤング係数が45000〜55000(tf/m2)に収束し、ブロック2はヤング係数が5000(tf/m2)に収束しており、本解析手法の妥当性が検証できた。 In the analysis, the initial Young's modulus of all blocks was set to 10000 (tf / m 2 ) as an initial value, and the Young's modulus of each block was obtained by repeated calculation. FIG. 11 shows a situation in which the calculated values converge by each repeated calculation. From Fig. 11, blocks 1, 3 and 4 have Young's modulus converged to 45000-55000 (tf / m 2 ), and block 2 has a Young's modulus converged to 5000 (tf / m 2 ). The validity of the method was verified.

(2)実施例2
本実施例2では、上記第2解析手法について、簡単な解析モデルを設定しその妥当性を検証した。検証解析は、先ず順解析を行って観測点の時刻歴変位速度を計算し、これを逆解析による同定計算において、観測データとして与えて地盤の定数を同定し、その結果が順解析で設定した地盤定数となるかを検証を行った。
(2) Example 2
In Example 2, a simple analysis model was set and the validity of the second analysis method was verified. In the verification analysis, first, forward analysis is performed to calculate the time-history displacement velocity of the observation point, and this is given as observation data in the identification calculation by inverse analysis to identify the ground constant, and the result is set by forward analysis. The ground constant was verified.

(1)順解析による時刻歴変位速度計算
具体的には、図12に示される解析モデルを設定し、解析領域の左側面全体に1000(kN/m2)の等分布荷重を時間t=0.01(s)だけ作用させた場合の観測点(A〜C)の時刻歴変位速度を動的順解析により求めた。なお、順解析に用いた地盤定数は、領域全体のヤング係数E=10000(tf/m2)、地盤密度ρ=2.0(kN/m3)、ポアソン比μ=0.3とした。上記順解析による観測点A〜Cの時刻歴変位速度は図13のようになった。
(1) Time history displacement speed calculation by forward analysis Specifically, the analysis model shown in FIG. 12 is set, and a uniform distribution load of 1000 (kN / m 2 ) is applied to the entire left side of the analysis region at time t = 0.01. The time history displacement velocity at the observation points (A to C) when only (s) was applied was obtained by dynamic forward analysis. In addition, the ground constant used for forward analysis was made into Young's modulus E = 10000 (tf / m < 2 >) of the whole area | region, ground density (rho) = 2.0 (kN / m < 3 >), and Poisson's ratio micro = 0.3. The time history displacement speeds at the observation points A to C by the above-described forward analysis are as shown in FIG.

(2)逆解析による同定計算
以上の結果に基づき、今度は逆解析により、図13に示される時刻歴変位速度を与条件として与えるとともに、ヤング係数初期値を5000(tf/m2)とし、ヤング係数を繰り返し計算により求めた。図14にその同定計算結果を示す。同図14より、40回の繰り返し計算で、正解のヤング係数10000(tf/m2)の数値が得られ、本第2解析手法の妥当性が検証できた。
(2) Identification calculation by inverse analysis Based on the above results, the time history displacement speed shown in FIG. 13 is given as a given condition by inverse analysis, and the Young's modulus initial value is 5000 (tf / m 2 ). Young's modulus was obtained by repeated calculation. FIG. 14 shows the identification calculation result. From FIG. 14, a correct Young's modulus of 10000 (tf / m 2 ) was obtained after 40 iterations, and the validity of the second analysis method could be verified.

本発明に係る地山の地質構成予測方法のフロー図である。It is a flowchart of the geological structure prediction method of the natural ground which concerns on this invention. 地山のブロック割り例を示す図である。It is a figure which shows the block allocation example of a natural mountain. 地山のブロック割り及び掘削状況を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the block division and excavation condition of a natural ground. その地山地盤定数の同定計算結果を示す図である。It is a figure which shows the identification calculation result of the natural ground ground constant. 次ステップ時における地山のブロック割り及び掘削状況を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the block division of the natural ground at the time of the next step, and the excavation condition. その地山地盤定数の同定計算結果を示す図である。It is a figure which shows the identification calculation result of the natural ground ground constant. 掘削による鉛直変位ベクトル図である。It is a vertical displacement vector diagram by excavation. 実施例1における解析モデルである。2 is an analysis model in Example 1. FIG. 解析モデルにおける掘削による状態変化図である。It is a state change figure by excavation in an analysis model. 解析モデル図である。It is an analysis model figure. ヤング係数の同定計算結果を示す図である。It is a figure which shows the identification calculation result of a Young's modulus. 実施例2における解析モデル図である。6 is an analysis model diagram in Example 2. FIG. 順解析により得た観測点A〜Cの時刻歴変位速度図である。It is a time history displacement velocity diagram of observation point AC acquired by forward analysis. 逆解析による同定計算結果を示す図である。It is a figure which shows the identification calculation result by a reverse analysis. 第2解析手法による同定解析例の模式図である。It is a schematic diagram of the example of an identification analysis by the 2nd analysis method.

Claims (5)

掘削部の周辺領域に任意数の観測点を設定し、発破時における前記観測点の時刻歴変位速度、時刻歴変位及び時刻歴加速度の内のいずれかを測定し、3次元解析モデルにおいて、前記時刻歴変位速度、時刻歴変位及び時刻歴加速度の内のいずれかの計測データを与条件として逆解析を行うことにより、地山の地盤定数を同定することを特徴とする地山の地質構成予測方法。   Set an arbitrary number of observation points in the peripheral area of the excavation part, measure any one of the time history displacement speed, time history displacement and time history acceleration of the observation point at the time of blasting, in a three-dimensional analysis model, Geological composition prediction of natural ground characterized by identifying ground constant of ground by performing inverse analysis using measurement data of time history displacement speed, time history displacement and time history acceleration as given conditions Method. 地山の明かり掘削部の周辺領域に任意数の観測点を設定し、発破掘削の前後において前記観測点の変位を測定した結果から変位計測データを取得し、掘削進行状況を反映した3次元解析モデルにおいて、予め地質分布に基づきブロック割りを行い、各ブロック領域内において地盤定数は一定値であるとする条件の下で、前記変位計測データを与条件として逆解析を行うことにより、ブロック領域毎に地山の地盤定数を同定する地山の地質構成予測方法に先立って或いは途中段階で、上記請求項1記載の地山の地質構成予測方法を行うことを特徴とする地山の地質構成予測方法。 Set up an arbitrary number of observation points in the surrounding area of the light excavation part of the natural ground, obtain displacement measurement data from the result of measuring the displacement of the observation point before and after blast excavation, 3D analysis reflecting the progress of excavation In the model, blocks are divided based on the geological distribution in advance, and under the condition that the ground constant is a constant value in each block area, a reverse analysis is performed using the displacement measurement data as a given condition. The geological composition prediction of the natural ground according to claim 1, wherein the geological composition prediction method of the natural ground according to claim 1 is performed prior to or in the middle of the geological composition prediction method for identifying the ground constant of the natural ground. Method. 前記観測点は、掘削面の高さをDとした際の、掘削面上端を中心とする1.5D領域内および掘削面下端を中心とする1.5D領域内の地山表面に設置してある請求項記載の地山の地質構成予測方法。 The observation point is installed on the ground surface in the 1.5D region centered on the upper end of the excavation surface and in the 1.5D region centered on the lower end of the excavation surface, where D is the height of the excavation surface. The geological composition prediction method of a natural ground according to claim 2 . 前記観測点の変位計測データは、1〜3軸方向変位成分のいずれか又は組合せとする請求項2,3いずれかに記載の地山の地質構成予測方法。 The geological configuration prediction method for a natural ground according to any one of claims 2 and 3, wherein the displacement measurement data of the observation point is any one or combination of 1-3 axial direction displacement components. 掘削の進行に伴い、掘削面の観察及び/又は前記3次元解析結果に基づき、逐次前記地質分布に基づくブロック割りを修正する請求項2〜4いずれかに記載の地山の地質予測方法。 The geological prediction method of the natural ground according to any one of claims 2 to 4 , wherein the block division based on the geological distribution is sequentially corrected based on observation of the excavation surface and / or the three-dimensional analysis result as the excavation progresses.
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