Evaluation of excavation damaged zones (EDZs) in Horonobe Underground Research Laboratory (URL)

畑 浩二*; 丹生屋 純夫*; 青柳 和平; 宮良 信勝*

Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 16(2), p.365 - 378, 2024/02

https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2023.05.010

山岳トンネルや地下備蓄基地などの地下空洞の掘削時には、応力再配分の影響により空洞周辺岩盤に損傷が生じる。このような領域では、亀裂や不連続面が発生することから、発生に伴う振動(アコースティックエミッション、AE)が生じる。本研究では、長期的な立坑周辺岩盤のモニタリングのために、光ファイバー式のAEセンサー,間隙水圧計を1つのボーリング孔に設置できるプローブを開発した。計測の結果、立坑掘削に伴ってAEの発生数が顕著となり、さらに立坑壁面から1.5mの範囲で2から4桁の透水係数の増大を確認した。さらに、数値解析の結果、間隙水圧変化と割れ目の発達領域を適切に再現できた。これらの結果を踏まえ、立坑周辺の掘削損傷領域の概念モデルを構築した。なお、この成果は、高レベル放射性廃棄物処分時の安全評価の信頼性の向上に資するものである。

幌延深地層研究センターにおける掘削損傷領域の可視化手法の検討,2 (共同研究)

青柳 和平; Chen, Y.*; 石井 英一; 櫻井 彰孝; 宮良 信勝; 石田 毅*

JAEA-Research 2019-011, 50 Pages, 2020/03

JAEA-Research-2019-011.pdf:3.48MB

本研究では、坑道掘削により周辺岩盤に形成された掘削損傷領域の割れ目の可視化を行うことを目的とした。幌延深地層研究センターの地下350mに掘削した直径4mの試験坑道を対象として、紫外線照射により発光する蛍光剤を添加した樹脂を坑道周辺の岩盤に注入し、掘削損傷領域の割れ目を固定した。これにより、割れ目を可視化して観察することに成功した。注入孔周辺で試料を採取し、紫外線照射下で観察を行い、割れ目の連結性や開口幅を分析した。結果として、割れ目の最大発達範囲は、孔口から約0.9m、すなわち坑道壁面岩盤から約0.75mの範囲であった。また、孔口から0.4mまでの範囲では割れ目密度が高く、0.4m以深では割れ目の間隔が広くなることがわかった。さらに、割れ目の開口幅を測定した結果、孔口から近いほど割れ目の開口幅も大きいことがわかった。特に、孔口から0.3mまでの範囲では、樹脂が浸透した割れ目が多く観察され、開口幅が最大で1.02mmであった。一方、孔口から0.3m以深は、樹脂が浸透した割れ目が少なく、開口幅は最大で0.19mmであった。

Visualization of fractures induced around the gallery wall in Horonobe Underground Research Laboratory

青柳 和平; Chen, Y.*; 石井 英一; 櫻井 彰孝; 石田 毅*

Proceedings of 5th ISRM Young Scholars' Symposium on Rock Mechanics and International Symposium on Rock Engineering for Innovative Future (YSRM 2019 and REIF 2019) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2019/12

本研究では、幌延深地層研究センターの350m調査坑道を対象として、坑道掘削時の割れ目の性状を検討することを目的とした。検討に際し、坑道周辺に約1mのボーリング孔を掘削し、低粘性な樹脂を注入し、割れ目を固定した。その後、オーバーコアリング試料を採取し、試料の観察を行った。結果として、坑道掘削により形成されたと推定される割れ目は、壁面から0.8mの範囲まで発達していた。また、割れ目は壁面から0.25mの範囲において連結しあっており、開口幅は最大で約1.0mmであることがわかった。これらの観察結果は、坑道周辺の掘削影響領域の割れ目形成プロセスの理解のための基礎情報として有用であるといえる。

A Method for estimating the highest potential hydraulic conductivity in the excavation damaged zone in mudstone

青柳 和平; 石井 英一

Rock Mechanics and Rock Engineering, 52(2), p.385 - 401, 2019/02

https://doi.org/10.1007/s00603-018-1577-z

坑道掘削時には、応力再配分に伴い、割れ目が周辺に発生し、周辺岩盤の透水性が増大する。このような領域は、掘削損傷領域(EDZ)と呼ばれている。高レベル放射性廃棄物の地層処分においては、EDZが地下施設周辺の放射性核種の移行経路になりうる。そのため、本研究では、幌延深地層研究センターの坑道を対象としてEDZの潜在的な最大透水係数を予測する手法について検討した。原位置試験として、BTV観察、コア観察、透水試験を実施し、EDZの幅と透水係数を予想した。結果として、観測されたEDZの幅は、連成解析により求められたEDZの幅にほぼ一致する結果であった。また、平均有効応力を岩盤の引張応力で除したパラメータである、Mean stress index (MSIモデル)に基づく潜在的な最大透水係数の予測範囲は、原位置試験で求められた透水係数を内包するものであった。幌延深地層研究センターの地下施設のように、岩盤が均質であり、発破損傷等の人工的な損傷が無視しうる環境では、EDZの潜在的な最大透水係数を予測するうえでMSIモデルが適用可能であることが示された。

Evolution of the excavation damaged zone around a modelled disposal pit; Case study at the Horonobe Underground Research Laboratory, Japan

青柳 和平; 宮良 信勝; 石井 英一; 中山 雅; 木村 駿

Proceedings of 13th SEGJ International Symposium (USB Flash Drive), 5 Pages, 2018/11

本研究では、幌延深地層研究センターの人工バリア性能確認試験孔(ピット)を対象として、ピット周辺の掘削損傷領域の発達過程と、ピット中に設置した緩衝材への注水に伴う掘削損傷領域の経時変化を、弾性波トモグラフィ調査結果に基づき論じた。結果として、ピット周辺の弾性波速度はピット掘削後に顕著に低下するが、緩衝材への注水開始後は、徐々に弾性波速度が回復する傾向が見られた。ピット周辺の掘削損傷領域を対象とした透水試験と間隙水圧結果と比較したところ、掘削後の割れ目の発達と不飽和領域の発達が弾性波速度の低下の原因であると推定された。また、ピットへの注水に伴う周辺岩盤の間隙水圧の増大が見られたことから、掘削損傷領域内の飽和度の増加が、弾性波速度の回復の原因の一つであると推定された。

Fracture characterization and rock mass damage induced by different excavation methods in the Horonobe URL of Japan

常盤 哲也*; 津坂 仁和*; 青柳 和平

International Journal of Civil Engineering, 16(4), p.371 - 381, 2018/04

https://doi.org/10.1007/s40999-016-0126-y

We conducted detailed fracture mapping of the soft sedimentary rocks (uniaxial compressive strength of 10-20 MPa) in shaft walls at the Horonobe Underground Research Laboratory to characterize fractures and to understand the influence of different excavation methods on rock mass damage. The mapping indicates that the fractures are numerous and can be divided into shear fractures and extension fractures. On the basis of orientation and frequency, the shear fractures are inferred to be pre-existing fractures, and the extension fractures are considered to be newly formed fractures (EDZ fractures) induced by the shaft excavation. The frequencies of pre-existing and newly formed fractures have a negative correlation, and we infer that stress relief leads to the formation of excavation damaged zone by the generation of the newly formed fractures in the parts of shaft that have intact rock, and by the reactivation of pre-existing fractures where such fractures are numerous. Although more newly formed fractures are formed by blasting excavation than by mechanical excavation, there is little difference in the comparative excavation rates. These results indicate that rock mass damage is caused by the mode of excavation rather than excavation rate. Therefore, the mechanical excavation is preferred to blasting excavation from the viewpoint of minimizing rock mass damage.

幌延深地層研究センターの350m調査坑道における掘削損傷領域の解析的評価

青柳 和平; 石井 英一

資源・素材講演集(インターネット), 4(2), 7 Pages, 2017/09

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、処分坑道等の地下施設の掘削による応力再配分の影響により、坑道壁面周辺岩盤の水理・力学特性が顕著に変化する領域が生じる。このような領域を掘削損傷領域(Excavation Damaged Zone: EDZ)と呼ぶ。幌延深地層研究センターの350m調査坑道では、堆積軟岩である珪質泥岩を対象として、ボアホール・テレビューア観察、コア観察および透水試験を行い、坑道周辺のEDZの水理・力学特性を調査している。試験結果から、坑道掘削に起因して生じた引張割れ目の発達と透水係数の増大が認められたことから、坑道から0.21.0mの範囲にEDZが発生したと推定した。これを理論的に検証するために、二次元の水理・力学連成解析を実施した。解析では、坑道掘削直後は掘削解放面を非排水条件、支保工設置後は排水条件とした。この結果、壁面から0.61.4mの範囲まで引張破壊が生じる結果となり、原位置で観測されたEDZの範囲と概ね整合する結果が得られた。また、坑道掘削時の非排水挙動に伴う有効応力の低下が、原位置で確認された引張割れ目の形成や発達に寄与していることが示された。以上のことから、連成解析により、原位置のEDZの発生メカニズムを把握することができた。

幌延深地層研究センターの350m調査坑道における掘削損傷領域の破壊様式の検討

青柳 和平; 石井 英一; 石田 毅*

Journal of MMIJ, 133(2), p.25 - 33, 2017/02

https://doi.org/10.2473/journalofmmij.133.25

高レベル放射性廃棄物の地層処分において、処分坑道や立坑、斜坑といったアクセス坑道の掘削による応力再配分の影響により、坑道壁面周辺岩盤の水理・力学特性が顕著に変化する領域が生じる。このような領域を掘削損傷領域(Excavation Damaged Zone, EDZ)と呼ぶ。EDZは廃棄体定置後の核種移行経路の一つになると想定されていることから、詳細な性状の把握が求められる。そこで、幌延深地層研究センターを対象として、ボアホール・テレビューア(borehole tereviewer, BTV)観察,コア観察および定期的な透水試験を実施して、EDZの水理・力学特性について検討した。その結果、壁面から0.2から1.0mの範囲まで、坑道掘削に起因して生じた引張割れ目が発達していたことから、EDZは坑道から0.2から1.0mの範囲まで発生したと推定される。これは、破壊様式を考慮した三次元有限要素解析にも整合的であった。坑道掘削直後の坑道周辺岩盤の透水試験の結果から、引張割れ目が発達した領域における透水係数は、その外側領域と比較して3から5オーダー高いものであることがわかった。しかし、その後の2年間は、坑道周辺岩盤の透水係数に顕著な変化は見られなかった。これらのことから、透水性の高いEDZは、坑道掘削により短期的に形成されたものと推定された。

光計測を用いた幌延深地層研究センターの立坑周辺岩盤における長期挙動評価

畑 浩二*; 丹生屋 純夫*; 青柳 和平

第14回岩の力学国内シンポジウム講演論文集(インターネット), 6 Pages, 2017/01

北海道幌延町に位置する日本原子力研究開発機構の幌延深地層研究センターでは、高レベル放射性廃棄物地層処分技術の信頼性向上に係わる種々な研究を実施している。その内、空洞周辺岩盤の長期挙動モデルを開発するため、深度350m以深の立坑を対象に掘削前から掘削完了後の維持管理期間にわたって力学的・水理学的挙動に着目し、光式のAEセンサ・間隙水圧センサ・温度センサを用いて長期計測を継続中である。計測結果から、掘削時には立坑壁面に近いほどAE、間隙水圧および温度の変化は大きく、壁面1.5m程度までを掘削損傷領域と評価した。一方、掘削後の維持管理段階では、力学的な損傷領域の広がりは認められないが、立坑近辺では不飽和領域が広がることが認められた。

Excavation damaged zone inferred by geophysical surveys on drift floor of Horonobe URL

常盤 哲也*; 青柳 和平; 藤田 朝雄

Rock Mechanics and Rock Engineering; From the Past to the Future (EUROCK 2016), p.901 - 906, 2016/07

Seismic refraction surveys were carried out on the floor of a drift in the Horonobe URL of Japan for understanding of the extent of EDZ. As a result, the extent of the low velocity zone ranges from 1.5 to 3.0 m; the extent on the center line of the drift is the largest. On the other hand, the extent of the EDZ on the drift wall is less than 1.0 m from previous studies. Thus, it is considered that the excavation damage on the drift floor is much larger than that of on the drift wall. Also, the result of the numerical analysis is consistent with that tendency. Furthermore, we also suggest the conceptual model of the EDZ showing the extent, hydraulic and mechanical properties of rock mass, and characteristic of the fracture from the results of this research and previous studies.