Effects of flow dimension in faulted or fractured rock on natural reductions of inflow during excavation; A Case study of the Horonobe Underground Research Laboratory site, Japan

断層や割れ目が発達する岩盤中の水の流れの次元が坑道/立坑掘削中の湧水量の自然低下量に与える影響; 幌延の地下研究施設における検討事例

石井 英一   

Ishii, Eiichi

断層や割れ目が発達する岩盤において坑道掘削を行う際にはプレグラウトを行っていても顕著な湧水に遭遇することがある。そのような場合、湧水抑制のためにポストグラウトが必要となる場合があるが、場の条件によっては湧水量の自然低下に頼る方法も効率的な坑道掘削に有効である。水圧の拡散方程式に基づくと、岩盤中の流れの次元が3であると、湧水箇所からの湧水量は発生後もほとんど低下しないが、次元が1であると、発生後の10日間で発生一日目の湧水量の1/3以下まで、100日以上で1/10以下まで低下し得る。したがって、流れの次元が低い場合は自然低下の利用も有効な湧水対策となり得る。しかしながら、流れの次元と湧水量の変化との関係は実際の坑道掘削現場において十分に検証されていない。筆者は幌延の地下研究施設建設時において、断層や割れ目が発達する堆積岩を掘削中に遭遇した顕著な湧水箇所(6つ)の湧水量変化を解析し、それらの箇所の流れの次元が坑道掘削前に行ったボーリング調査における透水試験の結果と整合することを明らかにした。地下施設の湧水はプレグラウトや脱ガスなどによる坑道沿いのスキン効果や遠方の境界条件の影響を受けるが、湧水発生後の数日から数週間における相対的な湧水量の変化は流れの次元に強く従うことが今回の結果から分かった。事前のボーリング調査、あるいは湧水発生直後(数日程度)の湧水量変化に基づいて場の流れの次元を特定し、それに基づいて湧水量の自然低下量を見積もることは効率的な掘削を行う上で有益である。

Major inflows can occur during tunnel/shaft excavations in faulted/fractured rock masses even if pre-excavation grouted. In such cases, post-excavation grouting may be required for reducing the inflows. However, following the diffusion equation for fluid pressure, inflows can naturally reduce to half to one-tenth within the first several days to several weeks when the flow dimensions of the surrounding rock masses are closed to one, while the inflows hardly reduce when the flow dimensions are as high as three. Thus, if the flow dimensions are closed to one, the natural reductions in inflow may be also effectively available for the countermeasures. Nevertheless, the usability of relationship between changes in inflow and flow dimensions has been poorly verified at actual tunnel/shaft-excavation sites. Actual inflows may be strongly affected by different factors including grouting, degassing, excavation processes, and far-field boundary conditions. The author analyzed changes in inflow at six locations where major inflows occurred during tunnel/shaft excavations in faulted/fractured siliceous rocks and investigated flow dimensions in the rocks by packer tests in boreholes. The results confirmed that the inflows for several days to several weeks immediately after the inflows occurred change consistently with the flow dimensions estimated from the packer tests. Thus, even if major inflows were encountered during excavations, the subsequent changes in inflow are predictable based on the flow dimensions, and the flow dimensions can be estimated by preliminary packer tests or from the changes in inflow at the inflow locations for the first several days.