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1(1)/1冊 - 経済産業省・資源エネルギー庁
平 成 19 年 度 地層処分技術調査等委託費 （ボーリング技術高度化開発） 報 告 書 平成 20 年 3 月 財団法人 電力中央研究所 目 次 Ⅰ編：概要、経緯、開発目標 １．目的 ２．研究開発の経緯 ３．平成 18 年度の成果の概要 ４．本年度の開発目標 1. 目的................................................................................ 1 2. 研究開発の経緯...................................................................... 2 2.1 フェーズ 1（5 ヵ年）の研究成果の概要 .............................................. 2 2.1.1 フェーズ 1（5 ヵ年）の研究開発概要 ............................................ 2 2.1.2 フェーズ 1（5 ヵ年）の研究成果 ................................................ 4 2.1.2.1 掘削・調査システムの概念構築における研究成果 ............................. 4 2.1.2.2 システム構成に必要な主要装置開発における研究成果 ......................... 5 2.1.2.3 適用試験における研究成果 ................................................. 8 2.1.2.4 調査技術の開発における研究成果 ........................................... 9 2.2 フェーズ 1（5 ヵ年）における課題................................................. 10 2.2.1 掘削・調査システムの概念構築における課題 .................................... 10 2.2.2 システム構成に必要な主要装置開発における課題 ................................ 11 2.2.2.1 コントロール掘削技術の課題 .............................................. 11 2.2.2.2 先端探知技術の課題...................................................... 11 2.2.2.3 コア採取技術の課題...................................................... 11 2.2.2.4 掘削システム統合化に必要な共通技術の課題 ................................ 12 2.2.2.5 検層技術の課題.......................................................... 12 2.2.2.6 透水・採水技術の課題.................................................... 12 2.2.2.7 力学測定技術の課題...................................................... 13 2.2.2.8 応力測定技術の課題...................................................... 13 2.2.2.9 モニタリング技術の課題.................................................. 13 2.2.3 適用試験における課題........................................................ 14 2.2.4 調査技術の開発における課題 .................................................. 14 2.3 フェーズ 2（3 ヵ年）の目標と全体計画 ............................................. 15 2.3.1 フェーズ 2 の目標と全体計画 .................................................. 15 2.3.2 試験サイトにおける適用性の評価 .............................................. 16 2.3.3 適用試験を目標とする計測装置の開発 .......................................... 17 2.4 実施方法（平成 19 年度）......................................................... 18 − i − 3. 平成 18 年度の成果概要.............................................................. 19 3.1 コントロール掘削技術の改良...................................................... 19 3.1.1 孔井曲げ掘削技術............................................................ 19 3.1.1.1 試錐機能力の再検討...................................................... 20 3.1.1.2 MWD パラメータと掘削状況 ................................................ 20 3.1.1.3 水平押し込み装置の開発.................................................. 21 3.1.2 先端探知技術................................................................ 21 3.1.3 コアリング技術.............................................................. 22 3.1.3.1 コア採取状況............................................................ 22 3.1.3.2 掘削泥水................................................................ 22 3.1.4 掘削システムの統合化に必要な共通装置 ........................................ 22 3.1.4.1 アーマードケーブルの巻き替えおよびケーブルヘッドの再加工 ................ 23 3.1.4.2 GFRP ロッド座屈防止対策 ................................................. 23 3.1.4.3 スライム採取ベーラの検討 ................................................ 23 3.2 コントロール掘削における孔内計測技術の開発・改良 ................................ 24 3.2.1 検層技術.................................................................... 24 3.2.2 透水・採水技術.............................................................. 24 3.2.3 力学測定技術、応力測定技術および統合化 ...................................... 25 3.2.3.1 力学測定技術............................................................ 25 3.2.3.2 応力測定技術............................................................ 26 3.2.3.3 力学測定技術・応力計測技術の統合化 ...................................... 27 3.3 モニタリングシステムの開発...................................................... 28 3.3.1 各要素技術の掘削孔への適用性評価 ............................................ 28 3.3.1.1 火薬による拡管の適用性評価 .............................................. 28 3.3.1.2 メカニカルカッターによるケーシング切断の適用性評価 ...................... 28 3.3.1.3 拡管部の状況把握方法（BHTV）の適用性評価 ................................ 29 3.3.1.4 深度測定方法（CCL）の適用性評価 ......................................... 29 3.3.1.5 火薬による拡管が周辺地盤へ与える影響等の数値解析による把握 .............. 29 3.3.2 計測システムの設計・試作.................................................... 29 3.3.3 オペレーション技術の検討.................................................... 30 3.3.3.1 モニタリングシステム設置方法に関する検討 ................................ 30 3.3.3.2 バックアップ技術の検討.................................................. 31 3.3.3.3 掘削技術・設備との共有化検討 ............................................ 31 3.3.4 課題........................................................................ 33 3.3.4.1 各要素技術の掘削孔への適用性評価 ........................................ 33 3.3.4.2 計測システムの設計・試作 ................................................ 35 3.3.4.3 オペレーション技術の検討 ................................................ 35 3.4 技術のシステム化および現地適用試験 .............................................. 36 − ii − 3.4.1 現地適用試験................................................................ 36 3.4.1.1 適用試験実施地点の造成.................................................. 36 3.4.1.2 掘削のための設営・防寒設備の組立 ........................................ 37 3.4.1.3 ノンコアリング掘削およびケーシング挿入 .................................. 37 3.4.1.4 コントロールボーリング掘削 .............................................. 39 3.4.2 適用試験における技術のシステム化 ............................................ 39 3.4.3 コア観察.................................................................... 40 3.4.3.1 コア観察結果............................................................ 40 3.4.3.2 コア採取................................................................ 41 3.4.3.3 コア試験................................................................ 41 3.5 掘削管理システムの検討.......................................................... 42 3.5.1 想定危機の抽出、検討........................................................ 42 3.5.2 試作装置、機器メンテナンスの実施 ............................................ 42 3.5.3 掘削中に遭遇する崩壊層・逸泥層への対応システムの開発 ........................ 42 3.6 総合システムの検討.............................................................. 43 3.6.1 総合システムの再構築........................................................ 43 3.6.2 掘削マニュアルの改良........................................................ 44 3.6.3 掘削・調査データの統合化.................................................... 44 3.6.3.1 掘削・調査データ統合化システムの現地適用と改良 .......................... 44 3.6.3.2 概要地質モデルに関する検討 .............................................. 44 4. 本年度の開発目標................................................................... 46 4.1 概論............................................................................ 46 4.2 コントロール掘削技術の改良...................................................... 50 4.2.1 孔井曲げ掘削技術の改良...................................................... 50 4.2.1.1 試錐機フィード能力の再評価 .............................................. 50 4.2.1.2 押し込み補助装置の改良.................................................. 51 4.2.2 先端探知技術................................................................ 52 4.2.3 コアリング技術.............................................................. 52 4.2.3.1 コア採取状況............................................................ 52 4.2.3.2 掘削泥水................................................................ 53 4.2.4 掘削システム統合化に必要な共通技術 .......................................... 53 4.2.4.1 ケーブル仕様の検討...................................................... 53 4.2.4.2 押し込み補助装置のためのケーブルおよびウインチの検討 .................... 54 4.3 孔内計測技術の開発.............................................................. 55 4.3.1 WL-LWD 技術（検層技術） ..................................................... 55 4.3.1.1 開発方針.................................................................. 55 4.3.1.2 具体的目標.............................................................. 55 − iii − 4.3.2 透水・採水技術.............................................................. 56 4.3.2.1 機器の開発、改良........................................................ 56 4.3.2.2 原位置適用試験.......................................................... 56 4.3.3 孔内力学／孔内応力測定技術統合化 ............................................ 58 4.3.3.1 孔内載荷試験ユニット（孔内力学測定技術） ................................ 58 4.3.3.2 応力測定ユニット（孔内応力測定技術） .................................... 58 4.4 モニタリング技術の開発.......................................................... 61 4.4.1 モニタリングシステムの設計、試作および評価 .................................. 61 4.4.2 試験用孔井の構築............................................................ 61 4.4.3 孔内モニタリングシステムの現地適用性試験 .................................... 61 4.4.3.1 火薬による拡管試験...................................................... 61 4.4.3.2 ケーシング切断試験...................................................... 61 4.4.3.3 BHTV による拡管部の管径計測 ............................................. 62 4.4.3.4 CCL による孔井内作業時の深度測定 ........................................ 62 4.4.3.5 モニタリングシステムの設置およびデータ取得 .............................. 62 4.4.4 オペレーション技術の検討および評価 .......................................... 63 4.4.4.1 モニタリングシステム設置方法に関する検討 ................................ 63 4.4.4.2 トラブル発生時におけるバックアップ技術の検討 ............................ 63 4.4.5 モニタリングシステムの検証方法の確立 ........................................ 63 4.5 技術のシステム化および現地適用試験 .............................................. 64 4.5.1 掘削技術のシステム化........................................................ 64 4.5.2 掘削・調査技術のシステム化 .................................................. 65 4.5.3 コントロール掘削および試験 .................................................. 66 4.5.4 孔内試験.................................................................... 70 4.5.4.1 WL-LWD 試験 ............................................................. 70 4.5.4.2 透水・採水・イメージング装置試験 ........................................ 70 4.5.5 掘削・調査システムの問題点と対応策の検討 .................................... 71 4.6 掘削管理システムの検討.......................................................... 72 4.6.1 想定危機の抽出、検討........................................................ 72 4.6.2 試作装置・機器メンテナンスの検討 ............................................ 73 4.6.3 掘削中に遭遇する崩壊層・逸泥層への対応システムの開発 ........................ 73 4.7 総合システムの検討.............................................................. 74 4.7.1 総合システムの再構築........................................................ 74 4.7.2 掘削マニュアルの改良........................................................ 74 4.7.3 掘削・調査データの統合化.................................................... 75 4.7.3.1 掘削・調査データ統合化システムの現地適用と改良 .......................... 75 4.7.3.2 調査データの空間的統合化に関する検討 .................................... 75 − iv − Ⅱ編：本年度の研究内容 ５．コントロール掘削技術の改良 ６．孔内計測技術の開発・改良 ７．モニタリング技術の開発 ８．技術のシステム化および現地適用試験 ９．掘削管理システムの検討 １０．総合システムの検討 5. コントロール掘削技術の改良......................................................... 76 5.1 孔井曲げ掘削技術................................................................ 76 5.1.1 試錐機能力の再評価.......................................................... 76 5.1.1.1 掘削再開時のフィード力の計測 ............................................ 77 5.1.1.2 掘削時のフィード計測結果 ................................................ 78 5.1.1.3 洗浄終了後のフィード計測結果 ............................................ 80 5.1.1.4 1,000m 掘削を想定したフィード力の算出 ................................... 81 5.1.2 ツールス押し込み補助装置の改良 .............................................. 83 5.1.2.1 昨年度実施結果の整理.................................................... 83 5.1.2.2 ツールス押し込み補助装置改良 ............................................ 85 5.1.2.3 地上試験（1 回目） ...................................................... 88 5.1.2.4 地上試験（2 回目） ..................................................... 101 5.1.2.5 現地適用試験のための装置の改良 ......................................... 110 5.2 先端探知技術................................................................... 111 5.2.1 磁気影響試験............................................................... 111 5.2.1.1 磁気影響試験の経緯..................................................... 111 5.2.1.2 幌延掘削現場での磁気影響試験 ........................................... 112 5.2.1.3 孔井内磁気影響試験..................................................... 114 5.2.1.4 WL-LWD を取り付けた編成による磁気影響試験 .............................. 115 5.2.1.5 課題と対策............................................................. 116 5.2.2 ドリラーディスプレイ....................................................... 118 5.2.2.1 ドリラーディスプレイ製作経緯 ........................................... 118 5.2.2.2 ドリラーディスプレイの改良項目 ......................................... 118 5.2.2.3 システムの比較......................................................... 121 5.2.2.4 ドリラーディスプレイの設置 ............................................. 122 5.2.2.5 課題................................................................... 123 5.2.2.6 ドリラーディスプレイの可能性 ........................................... 123 5.2.3 ワイヤーラインジャイロ計測による WL-MWD 計測値の検証 ........................ 125 − v − 5.3 コアリング技術................................................................. 129 5.3.1 現地コア試験と掘削状況..................................................... 129 5.3.2 掘削泥水................................................................... 133 5.4 掘削システム統合化に必要な共通技術 ............................................. 139 5.4.1 ケーブル仕様に関する検討................................................... 139 5.4.1.1 過年度までに試作したケーブル ........................................... 139 5.4.1.2 新規ケーブルへの検討................................................... 140 5.4.2 改良型ケーブル・ウインチの試作 ............................................. 143 5.4.2.1 改良型ケーブルの試作................................................... 143 5.4.2.2 改良型ウインチの試作................................................... 144 6. 孔内計測技術の開発・改良.......................................................... 145 6.1 WL-LWD 技術（検層技術） ........................................................ 145 6.1.1 可動部構成部品およびシステム改良についての検討 ............................. 145 6.1.1.1 各構成部品の耐久性についての分析 ....................................... 145 6.1.1.2 パッド部構造上の改良案の検討 ........................................... 147 6.1.2 データ処理ソフトウェアの開発 ............................................... 149 6.1.2.1 音波検層の現状......................................................... 149 6.1.2.2 既存技術調査........................................................... 153 6.1.2.3 概念設計............................................................... 154 6.2 透水試験・採水・イメージング装置（透水・採水技術） ............................. 156 6.2.1 透水試験装置.............................................................. 156 6.2.2 採水装置.................................................................. 160 6.2.3 イメージング装置........................................................... 161 6.2.4 共用部...................................................................... 170 6.3 孔内力学/孔内応力測定技術...................................................... 175 6.3.1 孔内載荷試験ユニット(孔内力学計測技術) ...................................... 175 6.3.1.1 実証試験用ボーリング孔掘削 ............................................. 176 6.3.1.2 単体キャリブレーション試験 ............................................. 177 6.3.1.3 単体現地実証試験....................................................... 186 6.3.1.4 統合化ツールによる現地実証試験 ......................................... 189 6.3.1.5 室内要素試験との比較................................................... 195 6.3.1.6 孔内載荷試験の数値シミュレーション ..................................... 196 6.3.2 応力測定ユニット(孔内応力計測技術) ......................................... 202 6.3.2.1 水圧破砕サブユニット................................................... 202 6.3.2.2 亀裂計測サブユニット................................................... 202 6.3.2.3 計測・制御・通信サブユニット ........................................... 210 6.3.3 応力測定ユニット・力学ユニット統合化 ....................................... 217 − vi − 7. モニタリングシステムの開発........................................................ 228 7.1 モニタリングシステムの設計、試作および評価 ..................................... 228 7.1.1 モニタリングシステムの設計・試作 ........................................... 228 7.1.1.1 モニタリングシステムの概要 ............................................. 228 7.1.1.2 モニタリングシステム（プロトタイプ）の設計・試作 ....................... 232 7.1.1.3 サンプラーの改良....................................................... 248 7.1.2 モニタリングシステムの評価 ................................................. 251 7.1.2.1 概要................................................................... 251 7.1.2.2 装置ケーシングなどの試験 ............................................... 251 7.1.2.3 サンプラー室内試験..................................................... 251 7.2 試験用孔井（HMD-1 孔）の構築 ................................................... 262 7.2.1 構築目的................................................................... 262 7.2.2 試験用孔井（HMD-1 孔）の掘削 ............................................... 263 7.3 孔内モニタリングシステムの現地適用試験 ......................................... 269 7.3.1 試験概要................................................................... 270 7.3.2 観測区間の設定............................................................. 270 7.3.3 火薬による拡管試験......................................................... 273 7.3.3.1 拡管試験............................................................... 273 7.3.4 ケーシング切断試験......................................................... 278 7.3.4.1 試験目的............................................................... 278 7.3.4.2 使用機材概要........................................................... 278 7.3.4.3 試験概要............................................................... 279 7.3.4.4 試験結果............................................................... 280 7.3.5 BHTV による拡管部の管径計測 ................................................ 283 7.3.5.1 目的................................................................... 283 7.3.5.2 使用機材概要........................................................... 283 7.3.5.3 BHTV 検層の概要 ........................................................ 284 7.3.5.4 試験結果............................................................... 287 7.3.6 CCL による孔井内作業時の深度測定 ........................................... 293 7.3.6.1 目的................................................................... 293 7.3.6.2 使用機材概要........................................................... 293 7.3.6.3 測定結果............................................................... 294 7.3.7 モニタリングシステムの設置およびデータ取得 ................................. 298 7.3.7.1 目的................................................................... 298 7.3.7.2 モニタリングシステムの設置位置の選定 ................................... 298 7.3.7.3 モニタリングシステムの設置 ............................................. 300 7.3.7.4 採水試験............................................................... 304 7.4 オペレーション技術の検討および評価 ............................................. 315 − vii − 7.4.1 モニタリングシステム設置方法に関する検討 ................................... 315 7.4.1.1 モニタリングシステムの設置方法の比較 ................................... 315 7.4.2 トラブル発生時におけるバックアップ技術の検討 ............................... 320 7.5 モニタリングシステムの検証方法の確立 ........................................... 330 7.5.1 モニタリングシステム設置深度の検証 ......................................... 330 7.5.1.1 試験用孔井（HMD-1 孔）におけるモニタリングシステム設置深度の検証........ 330 7.5.1.2 コントロールボーリング孔井におけるモニタリングシステム設置深度の検証 ... 330 7.5.1.3 モニタリングシステム設置深度の検証の課題 ............................... 331 7.5.2 パッカーの遮水性に関する検証 ............................................... 332 7.5.2.1 試験用孔井に設置したモニタリングシステムのパッカー遮水性に関する検証 ... 332 7.5.2.2 コントロールボーリング孔におけるパッカーの遮水性に関する検証 ........... 333 7.5.2.3 パッカーの遮水性に関する検証の課題 ..................................... 334 7.5.3 測定圧力値の検証........................................................... 335 7.5.3.1 試験用孔井で測定した圧力値に関する検証 ................................. 335 7.5.3.2 コントロールボーリング孔における測定圧力値の検証 ....................... 336 7.5.4 サンプラーが目的深度のサンプルを取得したかに関する検証 ..................... 336 7.5.4.1 試験用孔井におけるサンプラーの採取深度に関する検証 ..................... 336 7.5.4.2 コントロールボーリング孔におけるサンプラーの採取深度に関する検証 ....... 336 7.5.4.3 コントロールボーリング孔におけるサンプラーの採取深度に関する検証の課題 . 337 8. 技術のシステム化および現地適用試験................................................ 338 8.1 適用試験の目的................................................................. 340 8.1.1 コントロール掘削および試験計画 ............................................. 341 8.1.1.1 コントロール掘削計画の概要 ............................................. 341 8.1.1.2 コントロール掘削時に実施される試験計画 ................................. 342 8.2 適用試験箇所の地質............................................................. 345 8.2.1 適用試験箇所の地形・地質概要 ............................................... 345 8.2.2 既存調査結果に基づく掘削地点の地質状況の想定 ............................... 350 8.3 コントロール掘削............................................................... 355 8.3.1 掘削機器関連のメンテナンス ................................................. 355 8.3.1.1 掘削機器関連のメンテナンス ............................................. 355 8.3.1.2 適用試験中に発生した損傷 ............................................... 356 8.3.2 掘削準備作業............................................................... 360 8.3.3 孔跡軌跡・ケーシングプログラム ............................................. 361 8.3.3.1 平成 18 年度作成した掘削実績とケーシングプログラム ...................... 361 8.3.3.2 孔跡軌跡と試験箇所の選定 ............................................... 363 8.3.4 コントロールボーリングによるコアリング掘削 ................................. 368 8.3.4.1 コントロール掘削実績................................................... 368 − viii − 8.3.4.2 掘削泥水の計測......................................................... 380 8.3.4.3 洗浄および孔壁整形の効果 ............................................... 387 8.3.4.4 掘削編成の回収困難の発生 ............................................... 390 8.3.4.5 押し込み補助装置の押し込み抵抗に関する検討 ............................. 396 8.3.4.6 孔底部付近における崩壊発生時の対応 ..................................... 401 8.3.4.7 NL140 ロッドの切断 ..................................................... 406 8.3.5 先端探知技術............................................................... 407 8.3.5.1 WL-MWD 計測工程 ........................................................ 407 8.3.5.2 計測方法............................................................... 412 8.3.5.3 計測結果............................................................... 415 8.3.6 LWD 技術 ................................................................... 436 8.3.6.1 試験経過............................................................... 436 8.3.6.2 試験結果............................................................... 451 8.3.6.3 LWD 計測区間のコア試料による室内試験結果 ............................... 460 8.4 透水試験・採水・イメージング................................................... 465 8.4.1 第 1 回 原位置試験......................................................... 465 8.4.2 第 2 回 原位置試験......................................................... 470 8.4.3 第 3 回 原位置試験......................................................... 475 8.5 コア観察....................................................................... 480 8.5.1 コア整理手順............................................................... 480 8.5.2 コア観察結果............................................................... 483 8.5.2.1 岩相................................................................... 483 8.5.2.2 コア計測データ......................................................... 487 8.5.2.3 断層および断層帯....................................................... 489 8.5.2.4 コア採取状況........................................................... 500 8.6 コア試験....................................................................... 531 8.6.1 試料採取および測定手順..................................................... 531 8.6.2 現地計測・測定............................................................. 532 8.6.3 室内分析、測定および試験................................................... 534 8.6.3.1 試料採取............................................................... 534 8.6.3.2 実施項目および手順..................................................... 534 8.6.4 試験結果................................................................... 537 8.6.5 測定･分析結果の考察........................................................ 550 8.6.5.1 現地測定・試験結果..................................................... 550 8.6.5.2 室内分析、試験結果..................................................... 550 8.7 大曲断層の特徴................................................................. 552 8.7.1 地質および地質構造......................................................... 552 8.7.2 水理特性（透水性）......................................................... 552 8.7.3 地下水化学特性............................................................. 554 − ix − 9. 掘削管理システムの検討............................................................ 555 9.1 想定危機の抽出、検討........................................................... 555 9.2 試作装置、機器メンテナンスの検討............................................... 564 9.2.1 試作装置、機器メンテナンス検討結果のレビュー ............................... 564 9.2.2 平成 19 年度試作装置、機器メンテナンスの検討結果 ............................ 567 9.3 掘削中に遭遇する崩壊層・逸泥層への対応システムの開発 ........................... 570 9.3.1 ワイヤーラインセメンチングシステム高度化目標 ............................... 570 9.3.2 ワイヤーラインセメンチングシステム高度化検討 ............................... 570 9.3.3 ワイヤーラインセメンチングシステム設計 ..................................... 572 9.3.4 装置の試作................................................................. 574 10. 総合システムの検討............................................................... 575 10.1 総合システムの再構築.......................................................... 575 10.1.1 掘削、調査手順の事前構築.................................................. 576 10.1.1.1 断層帯掘削時の危機回避手順の再構築 .................................... 576 10.1.1.2 水理試験適用位置選定手順の構築 ........................................ 581 10.1.2 掘削、調査手順の現地適用と改良 ............................................ 584 10.1.2.1 想定危機対応フローの現地適用 .......................................... 584 10.1.2.2 水理試験箇所選定フローの現地適用 ...................................... 585 10.1.3 掘削管理手法高度化に関する検討 ............................................ 588 10.2 掘削マニュアルの作成.......................................................... 590 10.3 掘削・調査データの統合化...................................................... 605 10.3.1 掘削・調査データ統合化システムの現地適用と改良 ............................ 605 10.3.1.1 掘削・調査データ統合化システムの概要 .................................. 605 10.3.1.2 掘削・調査データ統合化システムの現地適用試験 .......................... 606 10.3.1.3 データ可視化機能の追加................................................ 608 10.3.2 調査データの空間的統合化.................................................. 611 10.3.2.1 調査データの空間的統合化の課題 ........................................ 611 10.3.2.2 地質モデルの不確実性.................................................. 612 − x − Ⅲ編：成果のまとめと課題、今後の計画 １１．本年度研究成果のまとめ １２．今後の課題 １３．フェーズ 2 の成果のまとめ １４．フェーズ 3 の研究計画 １５．次年度の研究計画 11. 本年度研究成果のまとめ........................................................... 613 11.1 コントロール掘削技術の改良.................................................... 613 11.1.1 孔井曲げ掘削技術.......................................................... 613 11.1.1.1 試錐機能力の再検討.................................................... 613 11.1.1.2 ツールス押し込み補助装置の改良 ........................................ 614 11.1.2 先端探知技術.............................................................. 615 11.1.3 コアリング技術............................................................ 616 11.1.3.1 現地コア試験と掘削状況................................................ 616 11.1.3.2 掘削泥水.............................................................. 616 11.1.4 掘削システムの統合化に必要な共通装置 ...................................... 618 11.1.4.1 ケーブル仕様に関する検討 .............................................. 618 11.1.4.2 改良型ケーブルおよびウインチの試作 .................................... 618 11.2 孔内計測技術の開発............................................................ 620 11.2.1 WL-LWD 技術 ............................................................... 620 11.2.1.1 本年度のまとめ........................................................ 620 11.2.2 透水試験、採水、イメージング装置 .......................................... 621 11.2.3 孔内力学特性・孔内応力測定技術の統合化 .................................... 623 11.2.3.1 孔内力学特性測定技術................................................. 623 11.2.3.2 孔内応力測定技術...................................................... 623 11.3 モニタリングシステムの開発.................................................... 626 11.3.1 モニタリングシステムの設計、試作および評価 ................................ 626 11.3.1.1 モニタリングシステムの設計、試作 ...................................... 626 11.3.1.2 モニタリングシステムの評価 ............................................ 626 11.3.2 試験用孔井（HMD-1 孔）の構築 .............................................. 626 11.3.3 孔内モニタリングシステムの現地適用試験 .................................... 626 11.3.3.1 観測区間の設定........................................................ 627 11.3.3.2 火薬による拡管試験.................................................... 627 11.3.3.3 ケーシング切断試験.................................................... 627 11.3.3.4 BHTV による拡管部の管径計測 ........................................... 627 − xi − 11.3.3.5 CCL による孔井内作業時の深度測定 ...................................... 628 11.3.3.6 モニタリングシステムの設置およびデータ取得 ............................ 628 11.3.4 オペレーション技術の検討および評価 ........................................ 628 11.3.4.1 モニタリングシステム設置方法に関する検討 .............................. 628 11.3.4.2 トラブル発生時におけるバックアップ技術の検討 .......................... 628 11.3.5 モニタリングシステムの検証方法の確立 ...................................... 629 11.3.5.1 モニタリングシステム設置深度の検証 .................................... 629 11.3.5.2 パッカーの遮水性に関する検証 .......................................... 629 11.3.5.3 測定圧力値の検証...................................................... 629 11.3.5.4 サンプラーが目的深度のサンプルを取得したかに関する検証 ................ 630 11.4 技術のシステム化および現地適用試験 ............................................ 631 11.4.1 適用試験の目的............................................................ 631 11.4.2 適用試験箇所の地質........................................................ 632 11.4.3 コントロール掘削.......................................................... 632 11.4.3.1 掘削準備作業.......................................................... 632 11.4.3.2 孔跡軌跡・ケーシングプログラムの作成 .................................. 632 11.4.3.3 コントロールボーリングによるコアリング掘削 ............................ 632 11.4.4 透水試験、採水、イメージング装置 .......................................... 634 11.4.5 コア観察.................................................................. 635 11.4.5.1 岩相.................................................................. 635 11.4.5.2 断層および断層帯...................................................... 635 11.4.6 コア試験.................................................................. 636 11.4.6.1 現地測定・試験結果.................................................... 636 11.4.6.2 室内分析、試験結果.................................................... 636 11.4.7 大曲断層の特徴............................................................ 638 11.4.7.1 地質および地質構造.................................................... 638 11.4.7.2 水理特性（透水性）.................................................... 638 11.4.7.3 地下水化学特性........................................................ 639 11.5 掘削管理システムの検討........................................................ 641 11.5.1 想定危機の抽出、検討...................................................... 641 11.5.2 試作装置、機器メンテナンスの検討 .......................................... 641 11.5.3 掘削中に遭遇する崩壊層・逸泥層への対応システムの開発 ...................... 641 11.6 総合システムの検討............................................................ 642 11.6.1 総合システムの再構築...................................................... 642 11.6.2 掘削マニュアルの改良...................................................... 642 11.6.3 掘削・調査データの統合化.................................................. 643 11.6.3.1 掘削・調査データ統合化システムの開発 .................................. 643 11.6.3.2 概要地質モデルに関する検討 ............................................ 643 − xii − 12. 今後の課題....................................................................... 644 12.1 コントロール掘削技術の改良に関する課題 ........................................ 644 12.1.1 孔井曲げ掘削技術の課題.................................................... 644 12.1.2 先端探知技術の課題........................................................ 644 12.1.3 コア採取技術の課題........................................................ 645 12.1.4 掘削システム統合化に必要な共通技術に関する課題 ............................ 645 12.2 孔内計測技術に関する課題...................................................... 646 12.2.1 LWD 技術の課題 ............................................................ 646 12.2.1.1 今後の課題............................................................ 646 12.2.2 透水・採水・イメージング装置 .............................................. 647 12.2.3 孔内力学特性・孔内応力測定技術の課題 ...................................... 648 12.2.3.1 孔内力学特性測定技術.................................................. 648 12.2.3.2 孔内応力測定技術の課題................................................ 649 12.3 モニタリングシステムの開発に関する課題 ........................................ 650 12.3.1 モニタリングシステムの設計、試作および評価 ................................ 650 12.3.2 孔内モニタリングシステムの現地適用試験 .................................... 650 12.3.2.1 火薬による拡管試験.................................................... 650 12.3.2.2 ケーシング切断試験.................................................... 650 12.3.2.3 BHTV による拡管部の管径計測 ........................................... 651 12.3.2.4 CCL による孔井内作業時の深度測定 ...................................... 651 12.3.2.5 モニタリングシステムの設置およびデータ取得 ............................ 652 12.3.3 オペレーション技術の検討および評価 ........................................ 652 12.3.3.1 モニタリングシステムの設置方法に関する検討 ............................ 652 12.3.3.2 トラブル発生時におけるバックアップ技術の検討 .......................... 652 12.3.4 モニタリングシステムの検証方法の確立 ...................................... 652 12.3.4.1 モニタリングシステムの設置深度の検証 .................................. 652 12.3.4.2 パッカーの遮水性に関する検証 .......................................... 653 12.3.4.3 測定圧力値の検証...................................................... 653 12.3.4.4 サンプラーが目的深度のサンプルを取得したかに関する検証 ................ 653 12.4 コントロール掘削システムの検討に関する課題 .................................... 654 12.4.1 コントロール掘削システムの課題 ............................................ 654 12.4.2 適用試験の課題............................................................ 654 12.5 掘削管理システムの検討に関する課題 ............................................ 655 12.5.1 想定危機の抽出、検討に関する課題 .......................................... 655 12.5.2 試作装置・機器メンテナンスの検討に関する課題 .............................. 655 12.5.3 掘削中に遭遇する崩壊層・逸泥層への対応システム開発に関する課題 ............ 655 12.6 総合システムの検討に関する課題................................................ 656 12.6.1 総合システムの再構築に関する課題 .......................................... 656 − xiii − 12.6.2 掘削マニュアル改良に関する課題 ............................................ 656 12.6.3 掘削・調査データの統合化に関する課題 ...................................... 657 12.6.3.1 掘削・調査データ統合化システムの開発 .................................. 657 12.6.3.2 調査データの空間的統合に関する検討 .................................... 657 13. フェーズ 2 の成果のまとめ......................................................... 658 13.1 全体概要...................................................................... 658 13.1.1 研究内容.................................................................. 658 13.1.2 研究工程.................................................................. 660 13.2 機器開発と性能試験............................................................ 662 13.2.1 孔井曲げ掘削技術.......................................................... 662 13.2.1.1 断層帯掘削に必要な掘削冶具の開発 ...................................... 663 13.2.1.2 安定した孔内環境の確保................................................ 664 13.2.1.3 試錐機の能力評価...................................................... 667 13.2.1.4 ツールス押し込み補助装置の開発 ........................................ 669 13.2.2 コア採取技術.............................................................. 671 13.2.2.1 コアリングに伴う圧力環境の改善 ........................................ 671 13.2.2.2 現地コア試験と掘削状況................................................ 672 13.2.2.3 泥水計測でのスライム排除効率の検討 .................................... 673 13.2.3 先端探知技術.............................................................. 674 13.2.3.1 掘削適用性試験における WL-MWD 計測 ..................................... 674 13.2.3.2 ドリラーディスプレイの改良 ............................................ 677 13.2.3.3 ジャイロセンサの適用性調査 ............................................ 678 13.2.3.4 フェーズ 2 成果総括.................................................... 681 13.2.4 掘削システム統合化に必要な共通技術 ........................................ 682 13.2.4.1 孔内スライムの排除のための装置開発 .................................... 682 13.2.4.2 緩傾斜時の装置押し込みに対する検討 .................................... 684 13.2.4.3 通信エラーの回避...................................................... 686 13.2.4.4 ケーブル仕様の検討.................................................... 688 13.2.5 透水・採水・イメージング.................................................. 689 13.2.6 検層技術.................................................................. 691 13.2.7 孔内力学特性・孔内応力測定技術 ............................................ 692 13.2.7.1 孔内力学特性測定技術.................................................. 692 13.2.7.2 孔内応力測定技術...................................................... 693 13.2.8 孔内モニタリング技術...................................................... 698 13.2.8.1 モニタリングシステムの設計・試作 ...................................... 700 13.2.8.2 孔内モニタリングシステムの掘削孔への適用性評価 ........................ 700 13.2.8.3 オペレーション技術の検討 .............................................. 701 − xiv − 13.2.8.4 モニタリングシステムの検証方法の確立 .................................. 704 13.2.8.5 フェーズ 2 の課題...................................................... 706 13.3 現地適用性検討................................................................ 710 13.3.1 幌延地点の概要............................................................ 710 13.3.2 掘削システムの適用性検討.................................................. 712 13.3.2.1 HCD-2 孔での掘削システムの適用性検討 .................................. 712 13.3.2.2 HCD-3 孔での掘削システムの適用性検討 .................................. 716 13.4 掘削･調査データの統合化....................................................... 721 13.4.1 掘削・調査データ統合化システムの開発 ...................................... 721 13.4.2 掘削・調査データの統合化.................................................. 721 14. フェーズ 3 の研究計画............................................................. 722 14.1 フェーズ 3 計画の概要.......................................................... 722 14.2 コントロール掘削技術.......................................................... 724 14.2.1 孔曲げ掘削技術............................................................ 724 14.2.2 先端探知技術.............................................................. 725 14.2.3 コア採取技術.............................................................. 726 14.2.4 掘削システム統合化に必要な共通技術 ........................................ 727 14.3 検層・測定技術................................................................ 728 14.3.1 LWD 装置 .................................................................. 728 14.3.1.1 次年度以降の研究計画.................................................. 728 14.3.2 透水試験・採水・イメージング .............................................. 729 14.3.3 孔内力学特性・孔内応力測定技術 ............................................ 732 14.4 モニタリング技術.............................................................. 734 14.4.1 新規コントロールボーリング孔井に設置するモニタリングシステムの設計・試作 .. 734 14.4.2 各要素技術のハンドリング試験を通じた実用化 ................................ 735 14.4.3 総合的なオペレーション技術の検討 .......................................... 735 14.5 コントロール掘削・調査技術のシステム化 ........................................ 736 14.5.1 新規掘削地点の選定........................................................ 736 14.5.2 コントロール掘削.......................................................... 736 14.5.3 孔内試験および室内試験.................................................... 737 14.6 掘削管理システムの検討........................................................ 738 14.7 掘削・調査データ統合化........................................................ 738 15. 次年度の研究計画................................................................. 739 15.1 次年度計画の概要.............................................................. 739 15.2 コントロール掘削技術.......................................................... 740 15.2.1 孔井曲げ掘削技術.......................................................... 740 − xv − 15.2.2 先端探知技術.............................................................. 740 15.2.3 コア採取技術.............................................................. 741 15.2.4 掘削システム統合化に必要な共通技術 ........................................ 741 15.3 検層・測定技術................................................................ 742 15.3.1 WL-LWD 装置 ............................................................... 742 15.3.2 透水試験・採水・イメージング装置 .......................................... 743 15.3.3 孔内力学/孔内応力測定技術 ................................................. 744 15.3.3.1 応力・力学統合ユニットのコントロールボーリング原位置試験への適用 ...... 744 15.3.3.2 応力・力学パーツのコントロールボーリング適用のための高度化（改良） .... 744 15.4 モニタリング技術.............................................................. 745 15.4.1 モニタリングシステムの設計・試作 .......................................... 745 15.4.2 孔内モニタリングシステムの HCD-3 孔井への適用性評価 ........................ 745 15.4.3 オペレーション技術の検討.................................................. 745 15.5 コントロール掘削・調査技術のシステム化 ........................................ 746 15.5.1 新規掘削地点の選定........................................................ 746 15.5.2 コントロール掘削.......................................................... 746 15.5.3 孔内試験および室内試験.................................................... 746 15.6 掘削管理システムの検討........................................................ 747 15.7 総合システムの検討............................................................ 747 − xvi − 図一覧 図 2.1.1-1 フェーズ 1 年次別実施フロー .................................................. 3 図 2.3.1-1 フェーズ 2 年次別実施フロー ................................................. 15 図 4.5.2-1 図 4.5.3-1 図 4.5.3-2 図 4.5.5-1 原位置試験フロー ........................................................... 適用試験（H19）実施の流れ .................................................. 平成 19 年度掘削軌跡計画 .................................................... 透水試験の信頼性の向上と課題試験の概念 ..................................... 図 5.1.1-1 図 5.1.1-2 図 5.1.1-3 図 5.1.2-1 図 5.1.2-2 図 5.1.2-3 図 5.1.2-4 図 5.1.2-5 図 5.1.2-6 図 5.1.2-7 図 5.1.2-8 図 5.1.2-9 図 5.1.2-10 図 5.1.2-11 図 5.1.2-12 図 5.1.2-13 図 5.1.2-14 図 5.1.2-15 図 5.1.2-16 図 5.1.2-17 図 5.1.2-18 図 5.1.2-19 図 5.1.2-20 図 5.1.2-21 図 5.1.2-22 図 5.1.2-23 図 5.1.2-24 図 5.2.1-1 図 5.2.1-2 図 5.2.1-3 図 5.2.1-4 図 5.2.1-5 図 5.2.2-1 図 5.2.2-2 図 5.2.2-3 図 5.2.2-4 図 5.2.3-1 図 5.2.3-2 図 5.2.3-3 図 5.2.3-4 図 5.2.3-5 図 5.3.1-1 図 5.3.1-2 図 5.3.2-1 図 5.3.2-2 図 5.4.1-1 図 5.4.1-2 図 5.4.1-3 図 5.4.2-1 平成 18 年度終了時と平成 19 年度開始時のフィード計測結果...................... 77 平成 19 年度フィード力算出結果 .............................................. 79 平成 19 年度掘削終了後のフィード計測結果 .................................... 80 押し込み補助装置設計(H18) .................................................. 84 平成 18 年度試作装置 ........................................................ 85 ロックラグ改良の概念 ....................................................... 86 改良したロックラグ構造 ..................................................... 87 平成 19 年度試作したツールス押し込み補助装置 ................................ 87 キャリブレーション計測実施状況模式図 ....................................... 88 電圧-荷重相関図 ............................................................ 89 送水量計測実施状況模式図 ................................................... 90 回転数と送水量(流量)の相関図 ............................................... 90 試験装置配置模式図 ........................................................ 92 押し込み補助装置の動作概要 ................................................ 93 リング式ラバーの加工状況 .................................................. 94 試験実施状況 .............................................................. 95 装置のラバー、スペル、スプリング .......................................... 95 試験時の荷重変化(1 回目：TEST1) ............................................ 96 試験時の荷重変化(1 回目：TEST2) ............................................ 97 リング式押し込み補助装置改良概念図 ....................................... 100 改良した押し込み補助装置 ................................................. 102 改良した押し込み補助装置の動作概要 ....................................... 102 2 回目試験実施状況写真.................................................... 103 装置ラバー、ロックラグセット状況、リング式装置スライドブロック稼動幅...... 103 試験時の荷重変化(2 回目：TEST1) ........................................... 104 試験時の荷重変化(2 回目：TEST2) ........................................... 105 羽根式装置の改良概念 ..................................................... 110 DHM2 番と 3 番の磁気影響試験結果 ............................................ 113 傾斜を変化させたグラフと作業写真 .......................................... 113 WL-MWD とジャイロの方位計測値の比較 ........................................ 114 WL-LWD を取り付けた掘削編成の磁気影響試験補正値と試験作業 .................. 115 WL-LWD 接続時の X 軸補正値修正 .............................................. 116 画面表示例 ................................................................ 119 カメラ設置箇所と画像処理概念図 ............................................ 120 ドリラーディスプレイ用画像切り替えスイッチ ................................ 122 WL-MWD 収録装置周辺........................................................ 122 ポンプダウン方式（GYRODATA 社資料より） .................................... 126 ジャイロ計測作業図 ........................................................ 126 ジャイロツールおよび地上装置 .............................................. 126 WL-MWD およびジャイロ計測結果 .............................................. 128 孔跡図比較（WL-MWD・GYRO 計測結果） ........................................ 128 ROP、岩盤強度、WOB の比較（平成 18 年度） ................................... 131 ROP、岩盤強度、WOB の比較（平成 19 年度） ................................... 132 リターン泥水測定比重と WL-MWD 外圧換算比重(平成 18 年度)..................... 134 リターン泥水測定比重と WL-MWD 外圧換算比重 ................................. 137 過年度試作したケーブル模式図 .............................................. 140 掘削(WL-MWD のみ)時に使用するケーブルの設計・仕様 .......................... 141 孔内計測時に使用するケーブルの基本設計・仕様 .............................. 142 改良型ケーブル設計図 ...................................................... 143 − xvii − 65 68 69 71 図一覧 図 5.4.2-2 ケーブル試作状況 .......................................................... 143 図 5.4.2-3 ウインチ構造変更概念図 .................................................... 144 図 5.4.2-4 ウインチ試作状況 .......................................................... 144 図 6.1.1-1 図 6.1.1-2 図 6.1.1-3 図 6.1.1-4 図 6.1.1-5 図 6.1.2-1 図 6.1.2-2 図 6.1.2-3 図 6.1.2-4 図 6.1.2-5 図 6.2.1-1 図 6.2.1-2 図 6.2.1-3 図 6.2.1-4 図 6.2.1-5 図 6.2.1-6 図 6.2.2-1 図 6.2.2-2 図 6.2.3-1 図 6.2.3-2 図 6.2.3-3 図 6.2.3-4 図 6.2.3-5 図 6.2.3-6 図 6.2.3-7 図 6.2.3-8 図 6.2.3-9 図 6.2.3-10 図 6.2.3-11 図 6.2.4-1 図 6.2.4-2 図 6.2.4-3 図 6.2.4-4 図 6.2.4-5 図 6.3.1-1 図 6.3.1-2 図 6.3.1-3 図 6.3.1-4 図 6.3.1-5 図 6.3.1-6 図 6.3.1-7 図 6.3.1-8 図 6.3.1-9 図 6.3.1-10 図 6.3.1-11 図 6.3.1-12 図 6.3.1-13 図 6.3.1-14 図 6.3.1-15 図 6.3.1-16 図 6.3.1-17 図 6.3.1-18 図 6.3.1-19 可動部と格納部にたまっていた堀屑 .......................................... 可動部外筒取り外し状況 .................................................... 泥水比抵抗センサおよび泥水温度センサ ...................................... パッド部改良案 ............................................................ パッド部動作方式案 ........................................................ 638.003m におけるモノポールおよびダイポール受信波形（生データ） ............ 638.003m におけるモノポール受信波形（処理後） .............................. 638.003m におけるダイポール受信波形（処理後） .............................. 高速度層における合成双極波形と圧縮波・屈折波・臨界屈折 S 波................. データ処理の流れ .......................................................... 試作パッカー拡張試験（拡張前） ............................................ 試作パッカー拡張試験（拡張後） ............................................ 試作パッカー拡張試験（塩ビ管） ............................................ 試作パッカー拡張試験（拡張後の側面） ...................................... 実機パッカー .............................................................. バッテリー ................................................................ 旧ポンプラッチ結合部 ...................................................... 新ポンプラッチ結合部 ...................................................... 反射波形 .................................................................. 改良前のイメージングセンサ図 .............................................. 改良後のイメージングセンサ図 .............................................. 改良前のイメージングユニット .............................................. 改良後のイメージングユニット .............................................. 取得イメージング画像（425.55m∼438.55m）① ................................ 取得イメージング画像（425.55m∼438.55m）② ................................ 取得イメージング画像（567.55m∼578.54m）① ................................ 取得イメージング画像（567.55m∼578.54m）② ................................ 取得イメージング画像（670.45m∼681.76m）① ............................... 取得イメージング画像（670.45m∼681.76m）② ............................... 自動シーケンス操作画面 .................................................... 対数グラフ ................................................................ 3D イメージ................................................................ 水圧送り機構の図面 ........................................................ 水圧送り機構の写真 ........................................................ ボーリング位置図 .......................................................... 鋼管キャリブレーション試験の載荷パターン .................................. 鋼管キャリブレーション試験実施状況 ........................................ ギャップセンサの変位と圧力の関係 .......................................... 外部変位計による変位と圧力の関係 .......................................... ギャップセンサと外部変位計の位置 .......................................... ギャップセンサの勾配と理論勾配の比較 ...................................... モルタルキャリブレーション試験の載荷パターン .............................. モルタルキャリブレーション試験実施状況 .................................... モルタルの三軸圧縮試験結果（CD 条件） ：強度特性 ............................ モルタルの三軸圧縮試験結果（CD 条件） ：変形特性 ............................ モルタルの掘削状況 ....................................................... モルタルの載荷試験結果 ................................................... 三軸圧縮試験結果と孔内載荷試験結果の比較 ................................. 全周方向の変位増分 ....................................................... 単体現地実証試験の載荷パターン ........................................... 単体現地実証試験実施状況 ................................................. 単体現地実証試験の掘削状況 ............................................... 単体現場実証試験における圧力−変位曲線(NO.1 孔) ........................... − xviii − 145 146 146 148 148 150 151 152 152 155 156 157 157 157 157 158 160 160 161 162 162 162 162 163 164 165 166 167 168 170 171 172 174 174 176 177 177 178 179 179 179 180 181 181 182 183 184 185 185 186 186 187 188 図一覧 図 6.3.1-20 図 6.3.1-21 図 6.3.1-22 図 6.3.1-23 図 6.3.1-24 図 6.3.1-25 図 6.3.1-26 図 6.3.1-27 図 6.3.1-28 図 6.3.1-29 図 6.3.1-30 図 6.3.1-31 図 6.3.1-32 図 6.3.1-33 図 6.3.1-34 図 6.3.1-35 図 6.3.1-36 図 6.3.2-1 図 6.3.2-2 図 6.3.2-3 図 6.3.2-4 図 6.3.2-5 図 6.3.2-6 図 6.3.2-7 図 6.3.2-8 図 6.3.2-9 図 6.3.2-10 図 6.3.2-11 図 6.3.2-12 図 6.3.2-13 図 6.3.2-14 図 6.3.2-15 図 6.3.2-16 図 6.3.2-17 図 6.3.2-18 図 6.3.2-19 図 6.3.2-20 図 6.3.2-21 図 6.3.2-22 図 6.3.3-1 図 6.3.3-2 図 6.3.3-3 図 6.3.3-4 図 6.3.3-5 図 6.3.3-6 図 6.3.3-7 図 6.3.3-8 既存資料との弾性係数の比較(NO.1 孔) ....................................... 全周方向の変位増分（NO.1 孔） ............................................. 統合化ツールによる現地実証試験の載荷パターン ............................. 統合化ツール全景 ......................................................... 統合化ツール現地実証試験実施状況 ......................................... 統合化ツールによる現場実証試験における圧力−変位曲線（NO.2 孔） ........... 既存資料との弾性係数の比較（NO.2 孔） ..................................... 変位計回転時の変位（NO.2 孔） ............................................. 統合化ツールによる現地実証試験の掘削状況（NO.3 孔） ....................... 統合化ツールによる現場実証試験における圧力−変位曲線（NO.3 孔） ........... 既存資料との弾性係数の比較（NO.3 孔） ..................................... 全周方向の変位増分 ....................................................... 東急建設地下空間実験所における三軸圧縮試験結果 ........................... 三軸圧縮試験のシミュレーションモデル ..................................... FEM 解析による非線形特性.................................................. 孔内載荷試験のシミュレーションモデル ..................................... シミュレーションによる圧力と変位の関係 ................................... 加圧試験でカシメ部分からはみ出してしまった内部パッカー..................... 改良した内部パッカーとこれに被せる電極パッカー ............................ 改良内部パッカーを用いた電極パッカーの加圧試験状況 ........................ 電極パッカーの加圧試験後の状態 ............................................ カシメ部の補強の状態 ...................................................... 平成 18 年度に試作した電極パッカー ......................................... 野外での孔内試験後に引き上げた電極パッカー ................................ 電極パッカーが縮まなかった原因 ............................................ ローラー電極が外れる要因 .................................................. パッカーに埋め込んだ電極部の拡大 ......................................... 2 軸載荷試験状況.......................................................... 抵抗測定室内実験実験結果 ................................................. 孔内モータ ............................................................... ロータリーエンコーダーの写真と寸法 ....................................... 孔内高圧モータを使った水圧破砕試験 ....................................... 試作した圧力、流量計測パーツ ............................................. 平成 19 年度設計・試作した孔内亀裂計測器 .................................. 平成 19 年度注水制御部の設計図 ............................................ 平成 19 年度試作した注水制御部 ............................................ 平滑／電流／電圧計基板設計図 ............................................. 平滑／電流／電圧計基板試作品 ............................................. 地上制御装置 ............................................................. 共有パーツと連結パーツ .................................................... 模擬試験孔での試験概要 .................................................... NO.2 試験孔のコアと水圧破砕試験の注水区間 .................................. 模擬孔における水圧破砕試験結果 ............................................ 再開口圧とステップ流量試験結果 ............................................ 水圧破砕試験後の亀裂の型撮り結果 .......................................... 孔内挿入時の電極パッカーと水圧破砕試験前の孔壁抵抗測定結果................. 水圧破砕試験後の孔壁抵抗測定結果 .......................................... 188 189 189 190 190 191 191 192 193 194 194 195 196 198 199 200 201 203 203 204 204 205 205 207 207 208 208 209 210 211 211 211 212 213 214 215 215 216 216 217 218 220 221 222 224 225 226 図 7.1.1-1 図 7.1.1-2 図 7.1.1-3 図 7.1.1-4 図 7.1.1-5 図 7.1.1-6 図 7.1.1-7 図 7.1.1-8 図 7.1.1-9 コントロールボーリングにおける計測システムの設置概念図..................... 計測システムの概念図 ...................................................... モニタリングシステム（プロトタイプ）概要図 ................................ 装置ケーシング ............................................................ インターバルアクセスモジュール ............................................ パッカー .................................................................. バーストディスク .......................................................... スタンドパイプ ............................................................ エンドロッド .............................................................. 229 231 232 234 235 235 236 237 238 − xix − 図一覧 図 7.1.1-10 図 7.1.1-11 図 7.1.1-12 図 7.1.1-13 図 7.1.1-14 図 7.1.1-15 図 7.1.1-16 図 7.1.1-17 図 7.1.1-18 図 7.1.1-19 図 7.1.1-20 図 7.1.1-21 図 7.1.1-22 図 7.1.1-23 図 7.1.1-24 図 7.1.1-25 図 7.1.1-26 図 7.1.1-27 図 7.1.1-28 図 7.1.1-29 図 7.1.2-1 図 7.1.2-2 図 7.1.2-3 図 7.1.2-4 図 7.1.2-5 図 7.1.2-6 図 7.1.2-7 図 7.1.2-8 図 7.1.2-9 図 7.1.2-10 図 7.1.2-11 図 7.1.2-12 図 7.1.2-13 図 7.2.1-1 図 7.2.2-1 図 7.2.2-2 図 7.2.2-3 図 7.2.2-4 図 7.2.2-5 図 7.2.2-6 図 7.2.2-7 図 7.2.2-8 図 7.2.2-9 図 7.2.2-10 図 7.2.2-11 図 7.3.1-2 図 7.3.2-1 図 7.3.2-2 図 7.3.3-1 図 7.3.3-2 図 7.3.3-3 図 7.3.3-4 図 7.3.3-5 図 7.3.3-6 図 7.3.3-7 図 7.3.3-8 図 7.3.3-9 裸孔用セントラライザー ................................................... ガイドエレメント ......................................................... スタンドパイプ内ミニパッカー ............................................. スタンドパイプ内圧力センサ ............................................... 大気圧センサ ............................................................. データロガー ............................................................. 圧力容器 ................................................................. パッカーコントロールボード ............................................... サンプラー ............................................................... ウィンチ ................................................................. クランプ止め装置 ......................................................... チューブドラム ........................................................... ポンプコントロールユニット ............................................... エアリフト時の孔口装置 ................................................... クラバット ............................................................... プロテクションカバー ..................................................... フロースルー型サンプラー断面図 ........................................... 下部エンドピースの改良 ................................................... 下部エンドピースと銅管 ................................................... クランプ止め装置の改良 ................................................... フロースルー試験装置 ...................................................... フロースルー試験概要図 .................................................... 耐圧チューブを加圧 ........................................................ クランプ止め作業 .......................................................... サンプリング・クランプ止め試験概要 ........................................ 試験状況(1) ............................................................... 試験状況(2) ............................................................... 試験状況(1)：サンプラーの入った鉄製チューブを加圧 ......................... 試験状況(2)：サンプラーのチェックバルブを閉じる ........................... 試験状況(3)：サンプラーからプロテクションチューブを外す................... 試験状況(4)：サンプラーをクランプ止め装置に固定する....................... 試験状況(5)：銅管上側をクランプ止めする .................................. 試験状況(6)：銅管下側をクランプ止めする（完了） .......................... 試験用孔井（HMD-1 孔）位置図 ............................................... 試験用孔井（HMD-1 孔）仕上がり状況図 ....................................... 試験用孔井作業状況 ........................................................ コア写真（掘削長：50.20m∼53.00m） ........................................ コア写真（掘削長：53.00m∼56.00m） ........................................ コア写真（掘削長：56.00m∼59.00m） ........................................ コア写真（掘削長：59.00m∼62.00m） ........................................ コア写真（掘削長：62.00m∼65.00m） ........................................ コア写真（掘削長：65.00m∼70.00m） ........................................ コア写真（掘削長：70.00m∼75.00m） ........................................ コア写真（掘削長：75.00m∼80.00m） ....................................... コア写真（掘削長：80.00m∼81.00m） ....................................... 試験用孔井（HMD-1 孔）における現地適用試験の流れ ........................... 適用性試験実施深度 ........................................................ キャリパー検層結果 ........................................................ 装薬方法 .................................................................. 火工品組み立て図 .......................................................... 装薬治具編成図 ............................................................ 火工品組み立て状況 ........................................................ 装薬状況 .................................................................. 発破後の装薬治具状況 ...................................................... 破損した中間ロッド ........................................................ 発破後の装薬治具状況 ...................................................... 押し込み耐力試験状況 ...................................................... − xx − 239 239 240 241 242 242 243 243 244 245 245 246 246 246 247 247 248 249 249 250 253 253 254 254 254 256 257 259 259 260 260 261 261 262 264 265 266 266 266 267 267 267 268 268 268 270 271 272 274 274 275 275 275 276 276 277 277 図一覧 図 7.3.4-1 図 7.3.4-2 図 7.3.4-3 図 7.3.4-4 図 7.3.5-1 図 7.3.5-2 図 7.3.5-3 図 7.3.5-4 図 7.3.5-5 図 7.3.5-6 図 7.3.5-7 図 7.3.6-1 図 7.3.6-2 図 7.3.6-3 図 7.3.6-4 図 7.3.7-1 図 7.3.7-2 図 7.3.7-3 図 7.3.7-4 図 7.3.7-5 図 7.3.7-6 図 7.3.7-7 図 7.3.7-8 図 7.3.7-9 図 7.3.7-10 図 7.3.7-11 図 7.3.7-12 図 7.3.7-13 図 7.3.7-14 図 7.3.7-15 図 7.3.7-16 図 7.3.7-17 図 7.3.7-18 図 7.3.7-19 図 7.4.1-1 図 7.4.1-2 図 7.4.2-1 DECT アンカーおよびカッター部 .............................................. 切断試験状況図 ............................................................ NL140 ロッド切断試験時の画面（3 回目：DECT システムモニタ画面） ............. BHTV 検層による切断状況確認結果 ............................................ BHTV 検層測定および反射波概念図 ............................................ ケーシングにおける音波の反射（J.DELTOMBE,ETC,2004 に加筆） ................. BHTV 検層(1 回目拡管部) 結果(その 1) ....................................... BHTV 検層(1 回目拡管部) 結果(その 2) ....................................... BHTV 検層(2 回目拡管部)測定結果 ............................................ BHTV 検層(2 回目拡管部) 結果(その 1) ....................................... BHTV 検層(2 回目拡管部) 結果(その 2) ....................................... CCL の原理................................................................. 1 回目の拡管試験の測定結果................................................. 2 回目拡管試験深度補正 (その 1) ............................................ 2 回目拡管試験深度補正(その 2) ............................................. 試験用孔井(HMD-1 孔)出来形図(適用性試験後) ................................. モニタリングシステム設置位置図 ............................................ 清水置換作業状況(1) ....................................................... 清水置換作業状況(2) ....................................................... ケーシングログ ............................................................ モニタリングシステムの資材検収状況 ........................................ モニタリングシステム設置状況 .............................................. パッカー拡張前後の観測区間の圧力測定結果 .................................. ガスリフトの概念図 ........................................................ 揚水量とトレーサー濃度との関係 ........................................... ガスリフト作業状況 ....................................................... サンプラーによる採水試験状況 ............................................. 設置完了状況 ............................................................. 揚水作業状況 ............................................................. モニタリングシステム観測値（区間圧力値:H19.11.7.∼H20.1.11.）............. モニタリングシステム観測値（大気圧:H19.11.7.∼H20.1.11.）................. モニタリングシステム観測値（水位換算値:H19.11.7.∼H20.1.11.）............. モニタリングシステム観測値（パッカー圧力値:H19.11.7.∼H20.1.11.）......... 圧力センサの確認（圧力センサ設置深度変更） ............................... スピンドルタイプリグを使用したシステム挿入例 .............................. スラントリグを使用した設置概念 ............................................ モニタリングシステム設置時の特性要因図 .................................... 279 279 281 282 285 286 288 289 290 291 292 293 294 295 296 298 299 300 300 301 301 302 303 304 305 306 307 307 308 309 310 311 312 314 316 318 324 図 8.1.1-1 図 8.1.1-2 図 8.1.1-3 図 8.2.1-1 図 8.2.1-2 図 8.2.1-3 図 8.2.1-4 図 8.2.1-5 図 8.2.2-1 図 8.2.2-2 図 8.2.2-3 図 8.3.1-1 図 8.3.1-2 図 8.3.1-3 図 8.3.1-4 図 8.3.1-5 図 8.3.1-6 図 8.3.3-1 図 8.3.3-2 技術システム化のための実施フロー .......................................... コントロール掘削実施フロー ................................................ 孔内試験実施フロー ........................................................ 調査地域位置図 ............................................................ 天北地域の後期新生界の分布図 .............................................. 天北地域の新生界層序 ...................................................... 天北地域の新第三系の模式積成概念図 ........................................ 天北地域の稚内層および声問層の等層厚線図 .................................. 掘削地点周辺の地質図と掘削地点(HCD-3) ..................................... 掘削計画軌跡と地質構造（400m 以降が本年度掘削計画） ........................ 掘削地点周辺の空中写真 .................................................... 試錐機メンテナンス状況 .................................................... オイルポンプ概略位置 ...................................................... 損傷したオイルポンプと損傷状況 ............................................ シリンダ損傷箇所 .......................................................... シリンダ損傷箇所の状況 .................................................... シリンダ動作時のオイルの流路概略 .......................................... 平成 18 年度適用試験軌跡図 ................................................. 平成 19 年度孔跡軌跡計画 ................................................... 339 342 343 345 347 348 348 349 351 352 353 355 356 357 358 359 359 362 365 − xxi − 図一覧 図 8.3.3-3 図 8.3.4-1 図 8.3.4-2 図 8.3.4-3 図 8.3.4-4 図 8.3.4-5 図 8.3.4-6 図 8.3.4-7 図 8.3.4-8 図 8.3.4-9 図 8.3.4-10 図 8.3.4-11 図 8.3.4-12 図 8.3.4-13 図 8.3.4-14 図 8.3.4-15 図 8.3.4-16 図 8.3.4-17 図 8.3.4-18 図 8.3.4-19 図 8.3.4-20 図 8.3.4-21 図 8.3.4-22 図 8.3.4-23 図 8.3.4-24 図 8.3.5-1 図 8.3.5-2 図 8.3.5-3 図 8.3.5-4 図 8.3.5-5 図 8.3.5-6 図 8.3.5-7 図 8.3.5-8 図 8.3.5-9 図 8.3.5-10 図 8.3.5-11 図 8.3.5-12 図 8.3.5-13 図 8.3.5-14 図 8.3.5-15 図 8.3.5-16 図 8.3.6-1 図 8.3.6-2 図 8.3.6-3 図 8.3.6-5 図 8.3.6-6 図 8.3.6-7 図 8.3.6-8 図 8.3.6-9 図 8.3.6-10 図 8.3.6-11 図 8.3.6-12 図 8.3.6-13 図 8.3.6-14 図 8.3.6-15 図 8.3.6-16 図 8.3.6-17 孔跡軌跡と孔内試験実施予定箇所 ............................................ 掘削終了時孔井仕上状況 .................................................... 掘削長に対する洗浄後の WL-MWD 外圧と推定水頭圧の差 ......................... 掘削長 520m 前後における増角率の変動状況と RQD .............................. 装置回収時の掘削深度と MWD の引張り荷重 .................................... アウターパイプの改良状況模式図 ............................................ アウターパイプの違いによる回収状況 ........................................ 水圧拡径装置拡径状態のビット断面の状況 .................................... 試験実施状況模式図 ........................................................ 口元の鉄板装着状況 ........................................................ アウターパイプ簡易対策実施状況 ........................................... 挿入抵抗発生時の WL-MWD 降下計測データ .................................... 自重降下区間(区間 A)の装置の状態 .......................................... 押し込み補助装置適用区間(区間 B)の装置の状態 .............................. 押し込み補助装置ラバー ................................................... フローパイプの概略 ....................................................... フローパイプの取り付け状況 ............................................... 浚渫および改良実施後の WL-MWD 降下計測データ .............................. 掘削再開後の掘削パラメータ（WOB・TRQ） ................................... 693.5m 縁切り後のトルク変動状況 ........................................... 孔底部付近のコア状況 ..................................................... セントライザーの損傷状況 ................................................. ケーブルの損傷状況 ....................................................... ロッド切断確認前(上段)と確認後(下段)の想定状況の比較...................... ロッドの切断箇所の状況 ................................................... WL-MWD 計測工程実績........................................................ WL-MWD 地上装置配線図...................................................... WL-MWD 計測用システムラック................................................ WL-MWD 計測結果 (平成 19 年度掘削区間 400m∼693.5m) ......................... WL-MWD 計測結果出力 LOG 形式................................................ セクション 1 (MWD LOG)..................................................... セクション 2 (MWD LOG)..................................................... セクション 3 (MWD LOG)..................................................... 平成 19 年度掘削区間 (MWD DEPTH 394.0m∼686.5m) ............................ セクション 1 (D&I LOG).................................................... セクション 2 (D&I LOG).................................................... セクション 3 (D&I LOG).................................................... 平成 19 年度掘削適用試験 孔跡図 1 (VERTICAL VIEW) ......................... 平成 19 年度掘削適用試験 孔跡図 2 (HORIZONTAL VIEW) ....................... 平成 19 年度掘削適用試験 孔跡図 3 (3 次元表示) ............................ 逸泥の検知 ............................................................... WL-LWD の寸法.............................................................. WL-LWD の寸法測定.......................................................... WL-LWD 機器動作確認状況.................................................... マイクロ電気用接地電極 .................................................... ケーブルヘッド作成風景 .................................................... 測定 1 回目回収後のパッド部の状況 .......................................... 測定 4 回目回収後のパッド部の状況 .......................................... 測定 5 回目回収後のパッド格納部にたまっていた堀屑 .......................... 測定 7 回目回収後のパッド部に付着したスライム ............................. 測定 12 回目回収後のパッド部に付着した泥 .................................. 試験終了後の WL-LWD 磨耗状況 .............................................. 試験中にパッドのアーム固定用ボルトが外れた場所 ........................... 現地適用試験結果（深度：センサ深度） ..................................... 水理試験区間における測定波形（上：P 波、下：S 波） ........................ 掘削区間における泥水循環中の測定波形（上：P 波、下：S 波）................. 掘削区間における泥水循環停止中の測定波形（上：P 波、下：S 波）............. − xxii − 367 371 388 389 391 392 392 393 394 395 395 396 397 398 398 399 399 400 401 402 403 403 404 405 406 412 413 413 415 416 418 420 422 424 426 428 430 432 433 434 435 436 437 438 439 439 441 442 443 445 447 450 450 451 453 453 454 図一覧 図 8.3.6-18 図 8.3.6-19 図 8.3.6-20 図 8.3.6-21 図 8.3.6-22 図 8.3.6-23 図 8.3.6-24 図 8.3.6-25 図 8.3.6-26 図 8.3.6-27 図 8.4.1-1 図 8.4.1-2 図 8.4.1-3 図 8.4.1-4 図 8.4.1-5 図 8.4.1-6 図 8.4.1-7 図 8.4.2-1 図 8.4.2-2 図 8.4.2-3 図 8.4.2-4 図 8.4.2-5 図 8.4.2-6 図 8.4.2-7 図 8.4.3-1 図 8.4.3-2 図 8.4.3-3 図 8.4.3-4 図 8.4.3-5 図 8.4.3-6 図 8.5.1-1 図 8.5.1-2 図 8.5.1-3 図 8.5.2-1 図 8.5.2-2 図 8.5.2-3 図 8.5.2-4 図 8.5.2-5 図 8.5.2-6 図 8.5.2-7 図 8.5.2-8 図 8.5.2-9 図 8.5.2-10 図 8.5.2-11 図 8.5.2-12 図 8.5.2-13 図 8.5.2-14 図 8.5.2-15 図 8.5.2-16 図 8.5.2-17 図 8.5.2-18 図 8.5.2-19 図 8.5.2-20 図 8.5.2-21 図 8.5.2-22 図 8.5.2-23 図 8.5.2-24 P 波速度解析例（2.1km/S は受信 CH2∼CH5 で速度を読み取ったケース）.......... S 波速度解析例............................................................ 音波検層速度解析結果とコア試験結果 ....................................... CH1 深度 631.727m における測定結果（比誘電率＝28.8） ....................... 比誘電率から間隙率を算出する回帰式 ....................................... 算出した間隙率とコア試験結果の比較 ....................................... マイクロ電気検層結果 ..................................................... 自然ガンマ検層結果 ....................................................... LWD 計測区間より採取したコア試料による室内試験結果 ........................ LWD プロファイルと岩石コア試料による試験結果との対比 ...................... 第 1 回試験の試験区間(431.15m∼489.60m) .................................... 第 1 回目試験時のパッカー設置箇所のジメージング ............................ 割れ目の多い箇所(436.00m∼437.00m 区間)の映像 .............................. イメージングデータの一部(左右側)が得られない理由 .......................... 第 1 回試験時の区間圧力のプロファイル ...................................... スラグ試験前後の間隙水圧 .................................................. スラグの解析結果 .......................................................... 第 2 回目試験の試験区間(568.68m∼631.00m) .................................. イメージング装置のセンタリングおよび移動方法 .............................. 第 2 回目試験時のパッカー設置箇所(567.68m∼568.68m)のイメージング........... 第 2 回目試験時のパッカー設置箇所(567.68m∼568.68m)のイメージング........... 第 2 回試験時の区間圧力のプロファイル ...................................... スラグ試験前後の間隙水圧 .................................................. スラグ試験の解析結果 ...................................................... 逸水箇所のコア状況 ........................................................ 第 3 回試験区間(681.30m∼690.70m)のコア状況 ................................ スラグ試験前後の水圧データ ................................................ スラグ試験の解析結果 ...................................................... スラグ試験時のガス溶出影響 ................................................ 揚水試験時のガス溶出状況 .................................................. コア記載様式(HCD-3 孔)..................................................... コア採取後のラッピングとシーリング作業 .................................... コア採取後の写真撮影と保管作業 ............................................ HCD-3 孔総合地質柱状図..................................................... コア計測データ ............................................................ 断層に関する用語と本調査での断層帯の認識 .................................. 断層帯 F1 と周辺の系統的割れ目帯の認識 ..................................... 断層帯 F3 と周辺の系統的割れ目帯の認識 ..................................... 断層ガウジ・断層角礫の例 .................................................. カタクレーサイト（固結断層岩）の例 ........................................ 系統的割れ目群の例 ........................................................ HCD-3 孔による断層帯分布(コアリング区間 200m∼693.43m) ..................... 断層帯中の油・ガス徴（HCD-3 孔） .......................................... HCD-3 孔のコア写真 1 ...................................................... HCD-3 孔のコア写真 2 ...................................................... HCD-3 孔のコア写真 3 ...................................................... HCD-3 孔のコア写真 4 ...................................................... HCD-3 孔のコア写真 5 ...................................................... HCD-3 孔のコア写真 6 ...................................................... HCD-3 孔のコア写真 7 ...................................................... HCD-3 孔のコア写真 8 ...................................................... HCD-3 孔のコア写真 9 ...................................................... HCD-3 孔のコア写真 10 ..................................................... HCD-3 孔のコア記載柱状図 1 ................................................ HCD-3 孔のコア記載柱状図 2 ................................................ HCD-3 孔のコア記載柱状図 3 ................................................ HCD-3 孔のコア記載柱状図 4 ................................................ − xxiii − 454 455 455 456 457 457 458 459 463 464 465 466 467 467 468 469 469 470 471 472 472 473 473 474 476 476 477 477 478 478 481 482 482 486 488 489 490 491 492 493 494 497 499 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 図一覧 図 8.5.2-25 HCD-3 孔のコア記載柱状図 5 ................................................ 図 8.5.2-26 HCD-3 孔のコア記載柱状図 6 ................................................ 図 8.5.2-27 HCD-3 孔のコア記載柱状図 7 ................................................ 図 8.5.2-28 HCD-3 孔のコア記載柱状図 8 ................................................ 図 8.5.2-29 HCD-3 孔のコア記載柱状図 9 ................................................ 図 8.5.2-30 HCD-3 孔のコア記載柱状図 10 ............................................... 図 8.5.2-31 HCD-3 孔のコア記載柱状図 11 ............................................... 図 8.5.2-32 HCD-3 孔のコア記載柱状図 12 ............................................... 図 8.5.2-33 HCD-3 孔のコア記載柱状図 13 ............................................... 図 8.5.2-34 HCD-3 孔のコア記載柱状図 14 ............................................... 図 8.5.2-35 HCD-3 孔のコア記載柱状図 15 ............................................... 図 8.5.2-36 HCD-3 孔のコア記載柱状図 16 ............................................... 図 8.5.2-37 HCD-3 孔のコア記載柱状図 17 ............................................... 図 8.5.2-38 HCD-3 孔のコア記載柱状図 18 ............................................... 図 8.5.2-39 HCD-3 孔のコア記載柱状図 19 ............................................... 図 8.5.2-40 HCD-3 孔のコア記載柱状図 20 ............................................... 図 8.6.1-1 コア調査の手順 ............................................................ 図 8.6.2-1 エコーチップ .............................................................. 図 8.6.2-2 エコーチップによる測定 .................................................... 図 8.6.2-3 色差計 .................................................................... 図 8.6.2-4 色差計による色彩計測 ...................................................... 図 8.6.2-5 帯磁率測定 ................................................................ 図 8.6.3-1 一軸圧縮試験機の概要 ...................................................... 図 8.6.3-2 一軸圧縮試験状況(540m 箇所)................................................ 図 8.6.3-3 透水試験装置の概要 ........................................................ 図 8.6.3-4 圧密抽水装置 .............................................................. 図 8.6.3-5 圧密抽水試験装置の概要 .................................................... 図 8.6.4-1(1) 現地計測・測定結果(硬度、帯磁率)のプロファイル ......................... 図 8.6.4-1(2) 現地計測・測定結果(色彩)のプロファイル ................................. 図 8.6.4-2 物理試験結果(左：間隙率、右：乾燥密度) .................................... 図 8.6.4-3 一軸圧縮試験結果プロファイル .............................................. 図 8.6.4-4 弾性波速度測定結果プロファイル ............................................ 図 8.6.4-5 岩石コアによる透水係数のプロファイル ...................................... 図 8.6.4-6(a) 水質の深度プロファイル(陽イオン) ....................................... 図 8.6.4-6(b) 水質の深度プロファイル(陰イオン) ....................................... 図 8.6.4-7(a) 鉱物分析結果(200m∼250m) ............................................... 図 8.6.4-7(b) 鉱物分析結果(250m∼300m) ............................................... 図 8.6.4-7(c) 鉱物分析結果(300m∼350m) ............................................... 図 8.6.4-7(d) 鉱物分析結果(350m∼400m) ............................................... 図 8.6.4-7(e) 鉱物分析結果(400m∼450m) ............................................... 図 8.6.4-7(f) 鉱物分析結果(450m∼500m) ............................................... 図 8.6.4-7(g) 鉱物分析結果(500m∼550m) ............................................... 図 8.6.4-7(h) 鉱物分析結果(550m∼600m) ............................................... 図 8.6.4-7(i) 鉱物分析結果(600m∼650m) ............................................... 図 8.6.4-7(j) 鉱物分析結果(650m∼700m) ............................................... 図 8.7.2-1 大曲断層と透水係数・間隙水圧 .............................................. 図 8.7.3-1 大曲断層と地下水水質 ...................................................... 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 532 532 532 533 533 533 534 534 535 535 536 537 538 539 540 542 542 543 544 545 545 546 546 547 547 548 548 549 549 553 554 図 9.2.1-1 図 9.3.2-1 図 9.3.3-1 図 9.3.4-1 深度による部品交換のマッピング ............................................ ワイヤーラインセメンチングシステム高度化概念図 ............................ ワイヤーラインセメンチングシステムイメージ図 .............................. ワイヤーラインセメンチングシステム試作状況 ................................ 566 571 573 574 図 10.1.1-1 図 10.1.1-1 図 10.1.1-2 図 10.1.1-3 掘削基本編成 ............................................................. 断層帯掘削時の想定危機と主な対応策 ....................................... 想定危機対応フロー ....................................................... 大曲断層下盤での適用フロー ............................................... 576 578 580 582 − xxiv − 図一覧 図 10.1.1-4 図 10.1.2-1 図 10.1.2-2 図 10.1.3-1 図 10.2.1-1 図 10.2.1-2 図 10.2.1-3 図 10.2.1-4 図 10.2.1-5 図 10.2.1-6 図 10.2.1-7 図 10.2.1-8 図 10.2.1-9 図 10.2.1-10 図 10.2.1-11 図 10.2.1-12 図 10.2.1-13 図 10.2.1-14 図 10.3.1-1 図 10.3.1-2 図 10.3.1-3 図 10.3.1-4 背斜軸部および水平区間での適用フロー ..................................... 第 1 回目試験適用フローの順路 ............................................. 図 10.1.2-2 に第 2 回目・第 3 回目試験適用フローの順路....................... 水理試験実施時の連絡体制 ................................................. 掘削マニュアルフロー ..................................................... マニュアルフロー（セクション 1） .......................................... マニュアルフロー(セクション 2) ............................................ マニュアルフロー(セクション 4) ............................................ マニュアルフロー(セクション 4) ............................................ マニュアルフロー(セクション 5) ............................................ マニュアルフロー(セクション 6) ............................................ マニュアルフロー(セクション 7) ............................................ 試錐機油圧ユニット始動フロー ............................................. 試錐機油圧操作盤名称 .................................................... 試錐機起倒作業実行フロー ................................................ 試錐機ロッド着脱作業実行フロー .......................................... 掘削装置組立および装置セット作業実行フロー .............................. 試錐機掘削時操作実行フロー .............................................. 掘削・調査データ統合化システムの概念 ..................................... データ閲覧用 WEB ページの深度プロファイル設定画面 ......................... 深度プロファイルの表示例 ................................................. データ閲覧用 WEB ページの孔跡表示画面例 ................................... 583 586 587 589 591 592 593 594 595 596 597 598 599 600 601 602 603 604 606 609 609 610 図 13.1.2-1 図 13.2.1-1 図 13.2.1-2 図 13.2.1-3 図 13.2.1-4 図 13.2.3-1 図 13.2.3-2 図 13.2.3-3 図 13.2.3-4 図 13.2.3-5 図 13.2.3-6 図 13.2.4-1 図 13.2.4-2 図 13.2.4-3 図 13.2.4-4 図 13.2.7-1 図 13.2.7-2 図 13.2.7-3 図 13.2.7-4 図 13.2.7-5 図 13.2.7-6 図 13.2.8-1 図 13.3.1-1 図 13.3.2-1 図 13.3.2-2 図 13.3.2-3 フェーズ 2 における調査年次フロー ......................................... 試作したプラグの設計および写真 ........................................... ビット深度に対する圧力と逸泥率(平成 16 年度適用試験データ)................. 試作した孔壁整形装置 ..................................................... シリンダおよびユニット改良の模式図 ....................................... HCD-2 孔 TOTAL DATA ....................................................... HCD-3 孔計測データ........................................................ 画面表示例 ............................................................... ジャイロ計測結果（WL-MWD データ比較） ..................................... 平成 19 年度磁気影響調査結果 .............................................. ジャイロツール接続方法(案) ............................................... スクレーパによるスライム排除概念 ......................................... 試作ベーラ ............................................................... 押込側荷重と先端側荷重の相関図 ........................................... 押込側荷重と GFRP ロッド変位量の相関図 .................................... 試作した加圧ポンプとパッカー部および掘削部 ............................... 試作したボアホールカメラ ................................................. 試作した電極パッカー ..................................................... 試作した方位、傾斜計 ..................................................... 試作した亀裂計測器 ....................................................... 改良・試作した計測ソフト ................................................. モニタリングシステム概念の変更 ........................................... 適用サイトの位置 ......................................................... 逸泥箇所特定作業試験状況と対象区間分割区分 ............................... HCD-2 孔跡図.............................................................. HCD-3 孔跡図.............................................................. 661 663 665 666 669 675 676 678 679 679 681 684 684 686 686 692 694 694 695 695 696 699 711 713 715 720 図 14.1.1-1 フェーズ 2 からフェーズ 3 へかけた調査年次フロー ........................... 723 − xxv − 表一覧 表 2.4.1-1 ｢ボーリング技術高度化調査｣検討委員会委員一覧 ............................... 18 表 5.1.1-1 表 5.1.1-2 表 5.1.1-3 表 5.1.1-4 表 5.1.2-1 表 5.1.2-2 表 5.1.2-3 表 5.1.2-4 表 5.1.2-5 表 5.1.2-6 表 5.1.2-7 表 5.1.2-8 表 5.1.2-9 表 5.1.2-10 表 5.1.2-11 表 5.1.2-12 表 5.1.2-13 表 5.1.2-14 表 5.1.2-15 表 5.1.2-16 表 5.1.2-17 表 5.1.2-18 表 5.2.1-1 表 5.2.1-2 表 5.2.3-1 表 5.2.3-2 表 5.3.2-1 表 5.3.2-2 傾斜実績に基づく設計プログラム ............................................. 78 傾斜実績に基づく必要フィード力算出表 ....................................... 79 1,000m 掘削を想定した設計プログラム ......................................... 82 1,000m 掘削を想定した必要フィード力 ......................................... 82 試験結果概要（平成 18 年度） ................................................ 85 キャリブレーション計測結果 ................................................. 88 送水量計測結果 ............................................................. 90 使用資材機材一覧 ........................................................... 91 圧力計測値(1 回目：TEST1)................................................... 96 圧力計測値(1 回目：TEST2)................................................... 97 押し込み速度(1 回目：TEST3)................................................. 98 押し込み速度(1 回目：TEST4)................................................. 98 押し込み速度(1 回目：TEST5)................................................. 99 圧力計測値(2 回目：TEST1)................................................. 104 圧力計測値(2 回目：TEST2)................................................. 105 押し込み速度(2 回目：TEST3) ............................................... 106 押し込み速度(2 回目：TEST4) ............................................... 106 押し込み速度(2 回目：TEST5) ............................................... 107 押し込み速度(2 回目：TEST7) ............................................... 108 押し込み速度(2 回目：TEST8) ............................................... 108 押し込み速度(2 回目：TEST9) ............................................... 109 押し込み速度(2 回目：TEST10) .............................................. 109 平成 18 年度に行った磁気影響試験項目 ....................................... 111 磁気影響試験組み合わせ .................................................... 112 ジャイロツール（KEEPER SYSTEM）仕様 ....................................... 125 ジャイロ計測実施概要 ...................................................... 127 排除効率算出に使用したパラメータ(平成 18 年度) ............................. 135 排除効率算出に使用したパラメータ .......................................... 138 表 6.2.1-1 表 6.2.4-1 表 6.3.1-1 表 6.3.1-2 表 6.3.1-3 表 6.3.1-4 表 6.3.1-5 表 6.3.1-6 表 6.3.1-7 表 6.3.2-1 表 6.3.2-2 表 6.3.2-3 表 6.3.2-4 表 6.3.3-1 スライドパッカー拡張試験 .................................................. 3Ｄイメージ操作 ........................................................... 孔内載荷試験ユニットの仕様 ................................................ ボーリング仕様一覧表 ...................................................... モルタルの配合（重量比） .................................................. 三軸圧縮試験結果 .......................................................... 解析条件 .................................................................. 非線形特性値 .............................................................. 解析条件 .................................................................. 水圧破砕サブユニットの開発と改良項目 ...................................... 計測項目 .................................................................. 計測モードと計測項目 ...................................................... 各計測項目のサンプリング速度 .............................................. 統合化ユニットでの現地試験での動作確認事項 ................................ 158 173 175 176 180 195 197 198 199 202 213 214 214 227 表 7.1.1-1 表 7.1.1-2 表 7.1.1-3 表 7.1.1-4 表 7.1.1-5 表 7.1.1-6 表 7.1.1-7 表 7.1.1-8 表 7.1.1-9 表 7.1.1-10 計測システムの概要 ........................................................ モニタリングシステム（プロトタイプ）搬入物一覧 ............................ 装置ケーシングの仕様 ...................................................... インターバルアクセスモジュールの仕様 ...................................... パッカーの仕様 ............................................................ パッカー拡張／収縮ラインの仕様 ............................................ バーストディスクの仕様 .................................................... スタンドパイプの仕様 ...................................................... エンドロッドの仕様 ........................................................ セントラライザーの仕様 ................................................... 230 233 234 234 235 236 236 237 237 238 − xxvi − 表一覧 表 7.1.1-11 表 7.1.1-12 表 7.1.1-13 表 7.1.1-14 表 7.1.1-15 表 7.1.1-16 表 7.1.1-17 表 7.1.1-18 表 7.1.1-19 表 7.1.1-20 表 7.1.1-21 表 7.1.2-1 表 7.3.4-1 表 7.3.5-1 表 7.3.7-1 表 7.3.7-2 表 7.3.7-3 表 7.3.7-4 表 7.4.1-1 表 7.4.1-2 表 7.4.2-1 表 7.4.2-2 表 7.4.2-3 表 7.4.2-4 表 7.4.2-5 表 7.4.2-6 ガイドエレメントの仕様 ................................................... スタンドパイプ内ミニパッカーの仕様 ....................................... スタンドパイプ内圧力センサの仕様 ......................................... パッカー圧力計測センサの仕様 ............................................. 大気圧センサの仕様 ....................................................... データロガーの仕様 ....................................................... パッカーコントロールユニットの仕様 ....................................... サンプラーの仕様 ......................................................... ダブルバルブポンプの仕様 ................................................. エアリフト時の孔口装置の仕様 ............................................. ウェルヘッドの仕様 ....................................................... サンプリング・クランプ止め試験結果 ........................................ 電動式カッターの仕様一覧 .................................................. 使用機材一覧 .............................................................. モニタリングシステム設置後のパッカー圧力の経時変化 ........................ ガスリフトの作業概要 ...................................................... 採水試験の概要 ............................................................ 圧力センサの確認（圧力センサ設置深度変更） ................................ モニタリングシステムの設置方法の比較 ...................................... 各手法の代表的機器の能力比較 .............................................. モニタリングシステム設置に関する想定トラブルと対応 ........................ 準備段階のチェックシート .................................................. 設置段階のチェックシート .................................................. TALLY LIST(平成 19 年度 モニタリングシステムの場合)........................ 運用段階のチェックシート .................................................. 回収段階のチェックシート .................................................. 239 240 240 241 241 242 243 244 245 246 247 255 279 283 303 305 306 313 319 319 325 326 327 328 329 329 表 8.1.1-1 表 8.3.4-1 表 8.3.4-2 表 8.3.4-3 表 8.3.4-4 表 8.3.4-5 表 8.3.4-6 表 8.3.4-7 表 8.3.4-8 表 8.3.4-9 表 8.3.4-10 表 8.3.4-11 表 8.3.4-12 表 8.3.4-13 表 8.3.4-14 表 8.3.4-15 表 8.3.4-16 表 8.3.5-1 表 8.3.5-2 表 8.3.5-3 表 8.3.5-4 表 8.3.5-5 表 8.3.5-6 表 8.3.5-7 表 8.3.5-8 表 8.3.5-9 表 8.3.5-10 表 8.3.5-11 表 8.3.5-12 表 8.3.5-13 適用試験計画工程表 ........................................................ 実績工程表 ................................................................ コアリング掘削データ(1) ................................................... コアリング掘削データ(2) ................................................... コアリング掘削データ(3) ................................................... コアリング掘削データ(4) ................................................... コアリング掘削データ(5) ................................................... コアリング掘削データ(6) ................................................... コアリング掘削データ(7) ................................................... 孔内水位・湧水・逸泥量・比重・粘速測定記録(1) ............................. 孔内水位・湧水・逸泥量・比重・粘速測定記録(2) ............................ 孔内水位・湧水・逸泥量・比重・粘速測定記録(3) ............................ 孔内水位・湧水・逸泥量・比重・粘速測定記録(4) ............................ 孔内水位・湧水・逸泥量・比重・粘速測定記録(5) ............................ 孔内水位・湧水・逸泥量・比重・粘速測定記録(6) ............................ 孔内洗浄実施結果 ......................................................... 装置回収状況確認試験結果 ................................................. WL-MWD 計測工程＠掘削適用性試験(1) ......................................... WL-MWD 計測工程＠掘削適用性試験(2) ......................................... WL-MWD 計測工程＠掘削適用性試験(3) ......................................... WL-MWD 計測工程＠掘削適用性試験(4) ......................................... WL-MWD 計測工程＠掘削適用性試験(5) ......................................... WL-MWD 計測各カーブ名一覧.................................................. 各区間の編成と深度 (WL-MWD LOG) ........................................... 各区間の編成と深度 (D&I LOG) .............................................. 増角率・変位率 (セクション 1) .............................................. 孔井傾斜・孔井方位比較 (セクション 1) ..................................... 増角率・変位率 (セクション 2) ............................................. 孔井傾斜・孔井方位比較 (セクション 2) ..................................... 増角率・変位率 (セクション 3) ............................................. 344 372 373 374 375 376 377 378 379 381 382 383 384 385 386 387 395 407 408 409 410 411 416 417 425 427 427 429 429 431 − xxvii − 表一覧 表 8.3.5-14 表 8.3.5-15 表 8.3.5-16 表 8.3.6-1 表 8.3.6-2 表 8.3.6-3 表 8.3.6-4 表 8.4.3-1 表 8.5.2-1 表 8.6.4-1 孔井傾斜・孔井方位比較 (セクション 3) ..................................... 増角率・変位率 (LWD 接続区間) ............................................. 孔井傾斜・孔井方位比較 (LWD 接続区間) ..................................... ケーブルヘッド端子台接続内訳 .............................................. 水理試験区間の測定状況一覧 ................................................ 掘削中の測定状況一覧 ...................................................... LWD 計測区間より採取した岩石コア試料による物理特性試験結果 ................. 採水地下水のトレーサ濃度 .................................................. HCD-3 孔の断層帯の概要（掘削長 200.00m∼693.43m 区間） ...................... 弾性波速度測定結果一覧(400m∼700m) ........................................ 431 431 431 440 444 449 462 479 496 541 表 9.1.1-1 表 9.1.1-2 表 9.1.1-3 表 9.1.1-4 表 9.2.1-1 表 9.2.2-1 危機回避表(1) ............................................................. 危機回避表(2) ............................................................. 危機回避表(3) ............................................................. 危機回避表(4) ............................................................. 各装置別のメンテナンス時期 ................................................ 想定メンテナンス時期と本年度の実施結果 .................................... 560 561 562 563 565 569 表 10.3.1-1 WEB サーバの仕様の変更.................................................... 607 表 10.3.1-2 データベースに登録する項目一覧 ........................................... 607 表 13.2.1-1 表 13.2.1-2 表 13.2.1-3 表 13.2.1-4 表 13.2.2-1 表 13.2.3-1 表 13.2.3-2 表 13.2.3-3 表 13.2.4-1 表 13.2.6-1 表 13.2.7-1 表 13.2.7-2 表 13.2.8-1 表 14.2.1-1 表 14.2.2-1 表 14.2.3-1 表 14.2.4-1 表 14.3.1-1 表 14.3.3-1 表 14.5.2-1 孔井曲げ掘削技術のフェーズ 2 での成果 ..................................... 対策実施前後の逸泥率計測結果 ............................................. 孔壁整形実施結果(平成 17 年度結果) ........................................ 掘削長 1,000m 掘削を想定したフィード力算出表 .............................. コア採取技術のフェーズ 2 での成果 ......................................... フェーズ 2 成果一覧 ....................................................... 動向調査一覧 ............................................................. ジャイロセンサ開発会社評価一覧 ........................................... 掘削システム統合化に必要な共通技術のフェーズ 2 での成果.................... 検層技術のフェーズ 2 での成果と課題 ....................................... データ通信部の仕様 ....................................................... フェーズ 2 の成果 ......................................................... 予測されるトラブル、トラブル原因の予測及び対策一覧 ....................... フェーズ 3 の孔曲げ掘削技術開発計画 ....................................... フェーズ 3 研究計画 ....................................................... フェーズ 3 のコア採取技術開発計画 ......................................... フェーズ 3 の統合化に必要な共通技術開発計画 ............................... 次年度以降の研究計画案 ................................................... 応力・力学統合ユニットのフェーズⅢ計画 ................................... 適用試験に関するフェーズ 3 計画工程 ....................................... − xxviii − 662 664 666 668 671 674 680 680 682 691 696 697 703 724 725 726 727 728 733 737 1. 目的 高レベル放射性廃棄物処分などの地下空間利用に際しては、対象とする岩盤の地質、物理、力学、 水理、地化学特性を評価することが必要不可欠であり、 地下深部のこれらの特性を評価するためには、 調査初期にボーリングによる調査を行うこととなっている。ボーリング掘削に際しては、地形や地質 条件によってはボーリングの孔跡すなわち方位や傾斜を自由に制御する必要が生じる。 数少ないボーリングによる効率的な調査を実施するために必要な方位や傾斜を自由に制御する既 存の掘削では一般にコアを採取することは行われていない。特にスリムホールにおけるコントロール コアリング技術には既存技術がないため、堆積性軟岩を掘削調査するための重要な要素である「フル コア採取」技術と孔芯制御(コントロール)を両立したボーリング技術の確立は不可欠である。また、 硬岩と比較して軟岩を地表から低角度で掘削する場合には、孔壁崩壊などの地質要因から発生するト ラブルを防ぐために、掘削と同時に孔壁保護のためのケーシングパイプを追従する必要がある。しか し、ケーシングパイプ挿入後には、検層や孔内での地化学特性などの物性値を測定をすることが困難 となる。このため、コア採取ができるコントロールドリリング掘削技術および掘削中の裸孔部を用い た検層や孔内測定技術の開発が急務となっている。また、ボーリングによる調査においては断層破砕 帯のような崩壊層や破砕帯、さらには逸泥層に遭遇する可能性を想定し対応可能な技術を開発するこ とで、ターゲットとする対象地域の選択の幅を拡げることが出来る。そのためにも、掘削が困難な地 質条件にも対応可能な工法の検討を進めるとともに、掘削装置、冶具、調査危機の高度化を進めるこ とは重要な要素と位置づけられる。 本研究は、高レベル放射性廃棄物処分場の概要調査地区選定および精密調査地区選定段階でのボー リング掘削技術および孔内での各種調査技術の開発に主眼をおいて実施する。すなわち、各段階にお いて地質・地下水調査を行うための効率的なボーリング掘削技術や掘削された孔井内での地質・地下 水調査技術を開発する。特に、(1)ボーリングの方位や傾斜を自由に制御する技術、(2)ボーリング先 端の 3 次元位置を探知する技術、(3)原位置雰囲気のコアを採取する技術、(4)掘削と併せて検層や測 定を可能にする技術、(5)掘削後の地下水環境のモニタリング技術などを開発もしくは高度化し、それ らの適用性を検討するとともに、水理地質構造調査手法として体系化するものである。 − 1 − 2. 研究開発の経緯 本年は、フェーズ 2 の最終年度となる。ここでは、本研究の開発経緯として、フェーズ 1 の研究開 発における成果概要、課題およびフェーズ 2 開始当初の目標と全体計画を取りまとめ報告する。 2.1 フェーズ 1（5 ヵ年）の研究成果の概要 フェーズ 1 として平成 12 年度から平成 16 年度の期間に実施した研究開発の概要をまとめ、実施し た各要素技術の開発成果と工場試験および現地試験により得られた研究成果について取りまとめる。 2.1.1 フェーズ 1（5 ヵ年）の研究開発概要 本研究開発は、高レベル放射性廃棄物処分場の予定地選定および処分地選定でのボーリング掘削技 術および孔内での各種調査技術の開発を主眼において実施されている。そして、それら技術を開発も しくは高度化し総合システム化することにより水理地質構造調査手法として体系化することを目標と している。本研究における最終目標は、堆積性軟岩地域における掘削深度(垂直深度)500m、掘進長 1,000m 級の孔井を仕上げることである。 フェーズ 1 における研究は、総合システムを構成する 4 つの要素技術（①孔井曲げ掘削技術、②先 端探知技術、③コア採取技術、④孔内計測技術）を構成するために必要な主要装置の開発を実施する こと、さらに、①∼③で構成する掘削システム（コントロール掘削技術）による模擬孔井掘削および 堆積性軟岩地域における現地適用試験を実施することである。さらに、④の孔内計測技術は、キー技 術として検層技術、水理・モニタリング技術、力学・応力技術に分類されるが、このうち検層技術お よび水理・モニタリング技術の一部を現地適用試験サイトにおいて適用し、評価・確認を実施するこ とも目標となる。 以下、フェーズ 1 の 5 カ年間で実施した概要を年度別に取りまとめる。 平成 12 年度に初年度の研究開発がスタートした。研究開発は、目標とするシステム概念に対し、 類似した既存技術の有無を国内外の技術から探索することからスタートした。その後、①∼④の要素 技術を構築するために必要な主要装置を抽出し、開発計画の立案、開発の可能性の検討および一部装 置の設計・試作・試験を実施した。 2 年目(平成 13 年度)においては、掘削・調査システム構築に必要な要素技術を構成する主要な装置 （キー技術）について、設計・試作・工場試験を実施し、3 年目以降の各要素技術の構成に必要な装 置の開発を実施した。 3 年目(平成 14 年度)からは、現地試験サイトでの掘削システム適用に向けた準備として、模擬孔井 の掘削を実施した。堆積性軟岩を模した模擬孔井の掘削により、①+③の要素技術で構成したサブシス − 2 − テムでの適用性の評価が実施された。また、現地適用試験を実行するために必要となる掘削管理シス テムおよび掘削マニュアルの原案作成のための検討を開始した。また、②および④の要素技術は、キ ー技術を構成する主要装置の設計・試作を継続して行い、適用試験サイトにおける孔内計測の準備を 進めた。 4 年目(平成 15 年度)は、堆積性軟岩地域における現地適用試験実施を目標に研究開発を行った。掘 削システムの開発として、前年のサブシステムの評価を実施した模擬孔井に①+②+③の要素技術で構 成する掘削サブシステムでの試験を行った。その試験時の適用性の評価から実岩盤掘削に対する有効 性を確認し、 平成 15 年度から平成 16 年度にかけて現地試験サイトとして選定された幌延地点(北進地 区)でのコントロールボーリング掘削を実施した。調査システムを構成するキー技術のうち、試作が終 了した WL-LWD、透水・採水・イメージング装置の孔内での動作確認を実施した。 最終年度(H16 年度)は適用試験として、前年に引き続き①+②+③で構成される掘削サブシステムで の適用性評価を実施した。また、前年孔内にて動作確認した④のキー技術では、検層技術の主要装置 である WL-LWD を統合した掘削システムを部分的に適用した。さらに、透水・採水・イメージング装置 は 3 深度地点で孔内計測作業を実施した。現地適用に至っていないその他キー技術は、次フェーズ以 降の適用に向けた工場試験・高度化が進められた。 また、3 年目以降では新たに検層測定技術のキー技術として「モニタリング技術」を加えた調査シ ステムを検討し、掘削されたボーリング孔を用いた地下水水質・地盤透水性の長期的に観測のための 技術開発と位置付け追加した。 図 2.1.1-1 にフェーズ 1 の年次別実施フローを示す。 H12 H13 H14 H15 H16 コントロール掘削技術の実用化 掘 削 シ ス テ ム 孔曲げ掘削技術 サブシステムの開発構築 コア採取技術 サブシステムの開発構築 先端探知技術 サブシステムの開発構築 総 合 シ構 ス築 テ ム 現地適用試験掘削 （HCD-1） （HCD-2） 検層・測定技術の実用化 検 層 モ ニ 水 タ 理 リ ・ ン グ 力 学 ・ 応 力 WL-LWD検層技術 システムの開発構築 現地適用性確認 透水・採水技術 システムの開発構築 現地適用性確認 孔内パッカーシステムの基本設計 孔内モニタリング技術 力学測定技術 成立性の検討および開発 応力測定技術 成立性の検討および開発 掘削・調査技術体系化 マニュアル作成 掘削管理システム データベース構築 掘削・調査データ統合化 図 2.1.1-1 フェーズ 1 年次別実施フロー − 3 − 2.1.2 フェーズ 1（5 ヵ年）の研究成果 研究開発は、総合システムを構成する 4 つの要素技術（①孔井曲げ掘削技術、②先端探知技術、③ コア採取技術、④孔内計測技術）について国内文献調査および海外技術動向調査を行い必要となるキ ー技術の探索からスタートした。探索した技術の中から、開発が可能であると考えられるキー技術を 抽出し、要素技術により構成するコントロール掘削・調査技術の概念を構築することで、必要となる 技術の開発を行った。 フェーズ 1 では、キー技術を確立するために必要となる主要装置を試作・工場試験により高度化す ることで、掘削技術および調査技術の検層技術、透水・採水技術について適用試験サイトで適用性評 価を実施できた。また、その他の調査技術であるモニタリング技術、力学測定技術、応力測定技術に ついては、フェーズ 2 での主要装置の適用性評価を目標とした基本設計および成立性の検討を実施で きた。 以下に、フェーズ 1 における研究成果について、 「1.掘削・調査システムの概念」、「2.システムを 構成する要素技術に必要な主要装置」 、「3.試験サイトにおける適用評価」および「4.システム化に向 けた調査技術の開発」に大別し取りまとめる。 2.1.2.1 掘削・調査システムの概念構築における研究成果 研究開発は、①文献調査、②コントロール掘削・調査の概念構築、③システム化のための要素技術 を構成する主要装置の開発・試験、④適用性の確認の流れで実施された。 文献調査として、構成する 4 つの要素技術の現状をレビューするために国内における石油および金 属鉱床分野での文献調査、海外技術の動向を認識するための動向調査を実施し、本研究で適用させる ために必要なキー技術の探索を実施できた。 また、探索したキー技術を開発・高度化することで実現可能と考えられる「コントロール掘削・調 査技術」の概念を構築することで、システム化に向けた 2 つのシステム編成の概念設計が出来た。 構築した 2 つのシステム編成はコントロール掘削を実施するために必要な機能を集めたものと調査 を実施するために必要な機能を集めたものに分けた。コントロール掘削には、先端駆動方式のモータ と WL-MWD を併用するリアルタイムコントロール機能に連続コアリングを加えたもの。もう一つは、調 査のためにワイヤーライン方式で原位置測定が可能となる機能を有したものである。この 2 つを統合 化することで完成するコントロールボーリングシステムの体系化を目指すことを決定できた。 以下に 2 つのシステム編成を示す。 ① ワイヤーライン式ケーシング追従型コントロールコアリング検層（掘削システム） 構成システム：コントロールコアリング工法 ワイヤーライン式ケーシング追従工法 − 4 − ワイヤーライン式掘削検層システム 主な機能 ：堆積性軟岩掘削に必要な孔壁保護機能 ボーリングの孔跡を自由に制御する機能 コア掘削機能 掘削中の裸孔検層機能 ② ワイヤーライン式孔内原位置測定(孔内計測システム) 構成システム：ケーシング追従 ワイヤーライン式原位置測定システム 主な機能 ：裸孔部測定機能 ワイヤーライン機能 ケーシング内の装置昇降機能 2.1.2.2 システム構成に必要な主要装置開発における研究成果 フェーズ 1 では、これらシステム体系化のために必要な主要装置の開発を主体とした。また、原位 置測定実現のためには、コントロール掘削技術の確立が必要不可欠であることから、掘削に関連する キー技術は現地試験による適用性評価を求められた。 コントロール掘削技術に必要な要素技術には、 「孔井曲げ掘削技術」、「先端探知技術」、 「コア採取 技術」があり、それぞれを構成するために必要な主要装置の開発を実施した。さらに、掘削技術を統 合するために必要な「掘削に必要な共通技術」についての開発も行った。 また、孔内計測技術に必要なキー技術としては、 「検層技術」、 「透水・採水技術」、「孔内モニタリ ング技術」、「力学測定技術」 、 「応力測定技術」がある。 以下に、各要素技術およびキー技術で試作した主要装置の開発概要をまとめる。 「孔井曲げ掘削技術」として開発・高度化した主要装置は、ダウンホールモータ(以降、DHM)、水 圧拡径装置、ケーシング追従装置、ケーシング(NL140 ロッド)、試錐機である。 ダウンホールモータは先端駆動方式の掘削には必要不可欠な装置であるとともに、コントロールの ために必要な方向を決定させるツールである。 開発においては短尺化を前提として 2.0m の長さでの改 良を目標として実施された。短尺による掘削中のトルク不足を補うための補助装置として減速装置も 開発している。水圧拡径装置は、コアリング外径を追従ケーシング（NL140 ロッド）が通過可能な径 まで拡径するツールである。また、ケーシングの揚管無しでビット交換が行える拡縮径可能な構造と なっている。さらに、セットビスによる分水機構を設けることでコアバレル側への送水量の調整を可 能とした。ケーシング追従装置は、内アップセット構造で試作された追従ケーシングと掘削に使用さ れる掘削編成を接続するための装置として試作された。追従装置とケーシングはラッチ機構により接 − 5 − 続される。この機構は透水・採水・イメージング装置にも採用され適用試験での動作確認がされた。 また、その他の補助装置も開発され、掘削パイプを自動で着脱することが可能なロッドハンドリング 装置、機械の起倒を試錐機の油圧ユニットを利用することで実施可能にした油圧起倒装置、リボリン グ時に装置の方向傾斜の暫定的な計測を行うリボリング用掘削装置などを開発した。 「先端探知技術」として開発された WL-MWD は、傾斜・方位センサにより装置の傾斜および方位の 計測が可能である。また、計測データの連続的な軌跡により垂直深度および水平距離を算出できる。 また、掘削中の荷重、トルク、温度、圧力をリアルタイムモニタリングすることで掘削状況や地質状 況の変化を初期段階で確認することが出来る。これらのパラメータは地上装置により集積され掘削毎 にファイル化されハンドリングの大きな指針とすることが可能である。また、掘削データの深度同期 を実施するために試錐機にエンコーダを取り付けた。 「コア採取技術」として開発・高度化された主要装置は、コアバレルおよび泥水である。コアバレ ルは 3 重管で構成され、掘削泥水がコアに接触することを極力抑える。さらに、採取したコアはイン ナーチューブ内側に収納されるアクリルパイプ内に採取される。 泥水に関しては、基本泥水となる泥剤を選定し基本組成を選定できた。泥水組成の配合比を増減す ることで地質に合わせた状態を維持しながら使用された。 また、上記要素技術を統合化するために必要となる「掘削に必要な共通技術」として、アーマード ケーブルおよび GFRP ロッドケーブルを試作した。 これらのケーブルは、取得情報を地上に伝達する「通 信ケーブル」および「巻上・降下」のためのワイヤーラインに使用する。また、それぞれに専用のウ インチを試作開発した。ウインチには巻上にあわせ概略深度を地上に伝達するエンコーダ、データの 変換基盤および乱巻き防止のケーブルトラバーサを取り付けた。さらに、各ケーブルと各種装置をジ ョイントするためのケーブルヘッドについても試作した。 「検層技術」として開発された WL-LWD には、プローブ内に 4 種目の検層を可能にするセンサ類が 組み込まれている。これらセンサにより掘削後の裸孔部において「音波検層、電磁波検層、マイクロ 電気検層、自然ガンマ検層」を実施可能にした。掘削中に使用する検層装置として開発を進めるため、 音波検層では発振器、受振器および電気回路基板などを小型化した。電磁波検層に関してはインパル ス電磁波が使用可能な広帯域アンテナにより板状ダイポールアンテナを応用した薄型ユニットを試作 できた。電気検層においては、薄層などの細かい地層変化を捉えるためマイクロ電気検層を採用し泥 水浸透領域の測定のため泥水電極も試作した。自然ガンマ線検層では、小型な測定回路部と放射線検 出部の製作のため大きな振動や強い衝撃に耐えうる放射線検出器部の実装方法を検討しヨウ化セシウ ム結晶と光電子増倍管を用いたセンサの試作を行った。 「透水・採水技術」の開発は、泥水環境の傾斜∼水平孔裸孔区間で使用可能な装置として実施され た。装置はユニット別に開発し、イメージングユニット、透水試験ユニット、採水ユニット、コント − 6 − ロールユニット、地上制御ユニットを統合することで透水・採水・イメージング装置となる。 イメージングユニットでは、光学系のカメラにより前方映像および 360 度の側面映像を観察するこ とができ、先端部はショックアブソーバにより 2 トンまでの応力に耐えることができる。 透水試験ユニットは、泥水により拡張し遠隔操作により拡縮制御可能なインテリジェントパッカー、 試験区間内からの湧水流量、水理試験および採水時の揚水流量を把握できるフローメータ、流路の変 更を実現するバルブ、パッカー拡張、水理試験、採水を実施する際の流量調整可能なモーノポンプ、 試験装置をパイプに固定するラッチの各サブユニットにより構成される。 採水ユニットは、水質モニタリングにより採水タイミングを図るケミカルセンサ、希ガス分析用チ ャンバ、3ℓの採水容器を搭載する水質分析用チャンバを有している。 コントロールユニットは、装置の制御および通信を行うための機能が搭載されている。地上制御ユ ニットはプローブに電源を供給し、プローブの各センサ情報を表示取得するロガーで構成される。 「孔内モニタリング技術」では、パッカーシステムのため基本設計を行い、孔内パッカーの開発お よび技術の適用に必要となる各要素技術の検討を実施した。孔内パッカーの開発においてはインフレ ータブルパッカーおよびピース式パッカーの 2 種類を選定しそれぞれに関する比較検討により、パッ カーシステムの適用にはインフレータブルパッカーの採用が有利と判断された。さらに必要な要素技 術として、ケーシング荷重保持のための火薬による拡管、 拡管後のケーシングとパッカーの接続方法、 ケーシングの切断方法についての検討を実施した。 「力学測定技術」に必要な主要装置として、孔内せん断試験装置および孔内載荷試験装置の開発を 実施している。 孔内せん断試験装置では、模型実験、数値解析、室内要素試験の実施により提案した新しい試験方 法が、せん断試験としての成立性が高いと確認できた。 孔内載荷試験装置は既存試験装置を参考にしたシステムに適用可能な掘削環境・試験条件を満たす 試験装置の開発を行った。精度の高い計測のため渦電流方式の非接触型変位計の選定し小型化・耐圧 加工することにより載荷装置を試作した。さらに、モルタルによる人工岩盤を用いた実証試験、掘削 実験の実施により室内要素試験と同程度の値を得ることが可能であると判断できた。 「応力測定技術」の応力測定装置は、水圧破砕を行う水圧破砕サブユニット、亀裂の力学的な開口 特性を計測する亀裂計測サブユニットおよび高圧ポンプの制御パーツ、計測・通信・制御サブユニッ トおよび水タンクより構成される。 亀裂計測サブユニットの亀裂挙動の計測のため、主パーツである電極パッカーの試作・性能試験を 実施し、孔壁面の電極間抵抗変化から孔壁亀裂の力学的な開口特性を連続計測する方法を開発した。 また、水圧破砕サブユニットでは水圧破砕パッカーの概略設計を、計測・通信・制御サブユニット では、最大圧力 30MPa のプランジャー型ポンプを設計・試作した。 − 7 − 2.1.2.3 適用試験における研究成果 適用試験はシステム化のための要素技術を構成する主要装置を評価するために実施された。フェー ズ 1 における適用試験は平成 14 年度および平成 15 年度に模擬孔井で実施し、 平成 15 年度および平成 16 年度は比較的均質な泥質岩が卓越する幌延町北進地区において実岩盤掘削が実施された。 模擬孔井は、泥岩を模擬するため砂・粘土・セメント系固化剤を配合した人工模擬岩盤であり傾斜 角 60 度で掘削長 80m の孔井に 50m までケーシングを挿入して作成した。 模擬孔井では孔井曲げ掘削技術、コア採取技術および先端探知技術の要素技術による掘削サブシス テムでの掘削を行い、掘削およびコアの採取状況、方位・傾斜計測状況などの適用性を評価した。掘 削においては DHM の回転トルク不足、コア詰まり発生が確認されたが、改良による解消を図ることが 出来た。また、先端探知技術である WL-MWD でのコントロール制御による掘削により、方向制御のため のハンドリング手順を整理した。コアリングは、ほぼ 100％のコア採取率を達成することができた。 平成 15 年度の現地適用試験では、WL-MWD を含む掘削サブシステム（編成：コアバレル+水圧拡径装 置+DHM+WL-MWD+ラッチ+ケーシング）でコアリングを実施した。コアリングは、掘削長 150m から 200m 間の沿角(非コントロール)コアリング掘削と、小径(2-7/8")の DHM を使用したベント作用がない環境 での沿角コアリング掘削を行い、それぞれの環境下での掘削状況を確認した。ベントが作用しない状 態での掘削は、掘削方位が計画から大きく逸脱することを確認した。以降、コントロール掘削により 掘削長 290.30m までコアリングを実施した。掘削区間においてはダウンホールモータのベント角度お よびコアチューブの長さを変更し、掘削編成別のコントロール指向性を確認できた。試験ではコアバ レルによらず、ベント角度が 0.39 の場合満足な増角率を得ることができなかった。また、0.78 度の ベント角度により実施した結果では 1.55m のコアバレルで 1.52 度/10m、3.55m のコアバレルで 0.75 度/10m の増角率を得ることができた。掘削終了後は、仮ケーシング引き抜き後セメンチングにより 8" ケーシングパイプ底部まで埋め戻した。 平成 16 年度の適用試験は、リボリング用掘削装置を使用して前年度注入したセメンチング区間の 浚渫、油井用鋼管（7 ケーシング）の挿入、ケーシングセメンチングおよびリボリングを実施してコ ントロールコアリングを再開した。コアリングは掘削長 290.0ｍから 547.0ｍまで行った。本試験区間 の 317ｍ付近で発生した大量逸泥に対する逸泥防止対策としてベーラーセメンチングおよびノンコア リング掘削を行ったが、完全な逸泥防止を完了することは不可能と判断し、逸泥環境下でのコアリン グを継続した。コントロール実施区間での増角率は 0.7∼1.1 度/m の範囲で推移した。使用したコア バレルは 2.55m のものの使用が 80％以上を占めた。ベント角度は 0.39 度であった。 − 8 − 2.1.2.4 調査技術の開発における研究成果 孔内計測技術のシステム化のため、現地適用試験では透水・採水・イメージング装置および WL-LWD の孔内試験を実施した。 透水・採水・イメージング装置の現地試験は、異なる深度で 3 回実施した。第 1 回目の試験では、 透水試験・採水装置と別途開発したコントロールボーリングシステムとの整合性確認のため、パッカ ー拡張、ポンプ耐久性、掘削泥水排除を確認した。第 2 回目の試験では、透水試験機能確認およびバ ルブ耐久性を確認した。計測した透水試験は 10-9cm/s オーダーの低ものであった。バルブは試験を通 して機能し耐久性を有していると確認できた。第 3 回目の試験では、採水装置の機能の確認を目的と し、適切な泥水の排除と地下水採取の可否を確認した。その結果、掘削水の影響の少ない採水が達成 できた。装置の試験手順に関し、孔内の湧水状況、掘削水の残存状況、透水性によって試験の流れを 検討し、圧力回復試験、段階揚水試験を透水性に応じて適用できた。また、採水は透水試験後に実施 することで合理的に進めることができと示すことができた。 WL-LWD の現地試験は 2 度実施した。1 回目の試験では装置の動作確認を行い、不具合箇所の抽出に より問題点を改良した。第 2 回目の試験では、プローブ内部の水密コネクタ部の配線が掘削中の振動 で断線し、マイクロ電気検層の測定値が異常値を示した。さらに、掘削時のノイズにより音波検層受 振器入力信号波形の飽和により信号 S/N 比が低下した。さらに可動部の固定ピンが振動で緩む現象を 確認した。2 回目の試験では 5m 区間の掘削時計測を実施した。 − 9 − 2.2 フェーズ 1（5 ヵ年）における課題 フェーズ 1 で実施した研究開発であられた、フェーズ 2 で開発・改良・高度化を必要する課題を取 りまとめる。 2.2.1 掘削・調査システムの概念構築における課題 フェーズ 1 における概念設計で 2 つのシステム編成を構築することが出来た。2 つのシステム編成 はコントロール掘削を実施するために必要な機能を集めたものと調査を実施するために必要な機能を 集めたものに分けられた。フェーズ 2 では、この 2 つのシステム編成（掘削システム・調査計測シス テム）を統合化することが課題となる。しかし、現状では統合化のためのキー技術の高度化が必要不 可欠であり、以下に示す課題を克服することが求められる。 掘削システムに関しては、安定した堆積岩を対象としたコア採取(採取率 100％)および先端位置の 計測(掘削パラメータの計測)が実現できた。しかし、掘削中の大量の逸泥により大幅な掘削効率低下 など、解決を必要とする課題を抱えた状況である。また、磁気影響を受ける方位計測値の取得データ 精度を向上させること、ケーシング追従のための機械能力の評価検証の継続した実施は必須であると 考えられる。さらに、検層技術である WL-LWD を統合した掘削時検層に関する適用性の評価を長区間に かけて実施し、耐久性および取得データ精度に関する検討をしなければならない。 フェーズ 2 の研究開発では、装置の適用性の評価を継続的に実施することが最重要となる。今後の 適用試験サイトでの評価検討実施の際には、より難易度の高い地質をターゲットにした検証の実施、 想定される危険・危機の回避方法の高度化を目指した改良・開発が求められる。 調査計測システムに関しては、 「透水・採水技術」の透水・採水・イメージング装置の現地適用が 実施されている。しかし、これまでの試験箇所は低透水性を呈し、装置開発時の適用目標範囲となる 透水性区間での試験実施にはいたっていない。そのため、割れ目帯・逸泥層などの高透水性が高い区 間での試験評価が必要となる。 「孔内モニタリング技術、力学測定技術、応力測定技術」として開発される装置についても、調査 計測システムとして高度化する必要があるが、現時点では主要装置単体での開発・高度化が実施され ている段階であることから、フェーズ 2 では工場試験等の評価・検討による将来の現地適用試験に向 けた改良・高度化を必要とする。 掘削・調査システム体系化の概念については、システム構築に必要な主要装置を開発することで、 キー技術の実現性が評価されてきたと考えられる。今後は、主要装置により構成されるキー技術を統 合した要素技術を適用試験で取得するデータを基に評価・改良し、要素技術の高度化の高度化による システム構築を目指すことになる。 − 10 − 2.2.2 システム構成に必要な主要装置開発における課題 フェーズ１では、システムを構成するために必要な要素技術の開発を実施している。要素技術はキ ー技術となる主要装置で構成される。掘削システムでは適用試験で得られた結果から、主要装置が抱 える課題を検討すること、計測システムは、今後の試験適用のために必要な課題を取りまとめる。 2.2.2.1 コントロール掘削技術の課題 適用試験から抽出されたコントロール掘削技術の課題を挙げる。先端駆動装置では、現場に準備で きる消耗品常備の有無に関する検討が必要である。水圧拡径装置では、縮径しないトラブル回避と、 その要因の一つとなる孔内残留スライムの効率的な排出方法の検討を要する。ケーシング追従装置で は、低角度以降の押し込み動作への検討を必要する。試錐機は、フィード能力を再検討し、1,000m 掘 削に対する能力評価が求められる。 また、今後、開発が必要とされる課題には、大量逸泥に対し有効な冶具の開発、さらに安定した孔 内圧力環境確保の検討などが挙げられる。 2.2.2.2 先端探知技術の課題 先端探知技術の主要装置となる WL-MWD の課題は、磁力センサへ与えられる磁気影響への対策が克 服しなければならない最大の課題となる。フェー1 で実施したジャイロ計測と WL-MWD の方位計測結果 により、磁気影響試験では補正できていない磁気干渉の存在を確認した。そのため、ジャイロセンサ を応用し、システム化に対する調査および概念設計を必要とする。また、ソフトウエアの改良でデー タハンドリングの簡便さなど効率的な方法によるデータ表示などを調査・開発する事が必要と考えら れる。さらに、データ統合化および共有インターフェースを開発し、他の技術との共用可能なシステ ム化が重要である。 2.2.2.3 コア採取技術の課題 開発した装置の課題として、コアバレルの長さの違いによるコントロールの指向性確認が必要であ る。確認のため、適用試験により多くのデータ取得する事が求められる。 掘削泥水は、形成するカッティングスベット排除に適した調泥剤の選定・試験の実施、ロッドに掛 る抵抗を低減させるための調泥剤の選定、滞留するスライムを排除させるための泥剤の選定を実施す る必要がある。 また、今後、開発を必要とされる課題として、掘削中の先端部の圧力コントロールにより安定した 孔内環境確保を行う検討を進める必要がある。 − 11 − 2.2.2.4 掘削システム統合化に必要な共通技術の課題 これまでに開発した装置の課題として、GFRP ロッドは現地適用試験による適用性評価と水平時の押 し込みツールスとしての能力分析・検討を要する。GFRP ロッドホイストについても GFRP ロッドと同 様に適用試験で使用していないため、現地適用試験による実証試験が必要である。 また、共通装置においても逸泥防止のため安定した孔内環境確保のため、スライムを排除するため の装置開発が望まれる。 2.2.2.5 検層技術の課題 検層技術としての WL-LWD 装置に関しては、適用試験の実施による装置の評価が必要である。また、 装置各部に関しての課題も残されている。次フェーズ以降の適用試験の実施に向けた課題について以 下に示す。 音波検層の課題は、受振器のケーシング端部で破損、高圧環境での受振器感度低下、取得データ整 理に時間を要する、効率的な速度解析手法の確立である。電磁波検層では、耐久性の向上および破損 部品交換の簡便化、受信波形読み取り方法の確立、比誘電率の計算精度向上の検討、データ通信量の 減少による通信負荷の軽減が必要である。マイクロ電気検層では泥水の影響の確認とその対策を必要 とし、自然ガンマ検層では適用試験での長期的な測定での信頼性の確認および向上が求められる。ま た、全体的な機構に関しても、長期的な試験の実施による信頼性・耐久性の評価をしなければならな い。さらに地上装置の改良による解析時間の短縮を考慮することも重要となる。 2.2.2.6 透水・採水技術の課題 今後の適用試験に向け、透水試験装置、採水装置、イメージング装置および共用部分の課題を取り まとめる。 透水試験装置の課題は、流量測定に関し湧水箇所における透水試験を考慮した場合に、プレッシャ ービルドアップ法の適用も想定されることから、より精度の高い流量の測定が望まれる。また、より 現実に近い透水性を算出するためには回復法および定常揚水法による透水係数算出方法の定式化を行 い、異方性をも考慮できるようにする必要がある。 採水装置では、掘削水に恒常的に一定濃度のトレーサが混入していること、チャンバや採水管には あらかじめ純水等が搭載されていることから、トレーサ濃度の原位置測定で採水終了のタイミングが 決定できるようにすることを目標とする。また、ケミカルセンサのドリフト防止のため、メンテナン ス回数が少なくて済む半導体電極やファイバ計測機器の適用を検討する必要がある。 イメージング装置の課題としては、光学カメラでは泥水のため孔壁の映像を得ることができず、試 験区間が透水試験に適切な形状をしているかを確認する方法がない。このため、音響による孔内映像 − 12 − の取得が望まれる。また、映像取得センサの孔軸方向の移動＋装置自体の上下動を組み合わせた映像 取得を考慮する必要がある。 共用部の課題は、ポンプのクリーンアップ時のメンテナンス性の向上、ポンプ前方のバルブ・アニ ュラス部に通じる水圧計によるモーノポンプの微弱な漏出や温度変化による圧力変化の防止が必要と なる。水圧計はアニュラス部の圧力モニタリングによりアニュラス水頭を得るために必要となる。 2.2.2.7 力学測定技術の課題 載荷試験で得られる孔径変位の測定精度向上のために、孔径変位の測定精度に影響を与えると考え られる要因（温度やターゲットの形状など）に関する詳細な検討が必要である。さらに、載荷試験時 の計測および解析の作業効率を向上させる必要がある。 2.2.2.8 応力測定技術の課題 載応力測定ユニットの開発では、これまで計測・通信・制御サブユニットの高圧ポンプ、亀裂計測 サブユニットの電極パッカーと抵抗測定器について重点的に開発を行った。 水圧破砕サブユニットの課題は、孔径 90mm に対応した最大圧力 30MPa の水圧破砕パッカーを詳細 設計・試作することである。亀裂計測サブユニットの課題は、電極パッカーの亀裂検出精度と能力の 向上である。また、電極パッカー用の抵抗測定器についてもノイズ低減と精度向上のため改良を必要 とする。計測・通信・制御サブユニットの課題は、高深度における水圧破砕試験能力を左右する高圧 ポンプの最大圧力 30MPa での連続運転能力および孔径 90mm の孔内用高圧ポンプ開発である。 2.2.2.9 モニタリング技術の課題 インフレータブルパッカーの採用を前提に考えた課題として、注水孔へのフィルターの装着がサイ ズ的に困難であること、逆止弁の性能確認等がある。また、パッカーの有効ラバー長と併せてコント ロールボーリング孔に降下可能なシステム長の検討、 計測システムとの取り合いの検討を必要とする。 さらに、火薬による拡管でのケーシング荷重保持のため、各種適用条件下での適正薬量の決定、大 深度での装薬、点火方法（残滓を残さない容器、発破母線の接続方法等）についての検討、計測ツー ルスの通過に支障をきたす場合の補修方法や計測ツールス側での養生方法の検討を必要とする。パッ カーとケーシングの接続のためには、より最適なチップサイズ選定のための試験、確実性向上のため のスリップの形状や動作機構の改良、コンポジットの盛りの品質確保のための設計が必要である。ケ ーシングの切断に関しては、 水平部での模擬的な実験などを通してより技術的な検討を要する。また、 深部での作業の確実性の確認、その他想定される危機回避の検討も必要となる。 − 13 − 2.2.3 適用試験における課題 主要装置の開発で、要素技術をシステム化するためには、実岩盤掘削による適用試験での実証評価 により高度化することが求められる。 試験サイトの選定には、装置の実証評価のためには重要な要素となる。平成 13 年度までに試作し た掘削システムに係わる主要装置は、模擬孔掘削で評価した結果を基に改良・開発し、実岩盤掘削に よって評価している。適用試験サイトの選定では、開発した掘削システムの機能評価のために、軟岩 系の比較的均質な泥質岩が卓越する地域を第一に考え選定を行った。また、用地の取得などの理由も 考慮して核燃料サイクル開発機構(JNC)（現 JAEA）が深地層研究所建設を計画している北海道幌延地 区の泥質岩を選定した。幌延地区は道北日本海沿岸部に広く分布する新第三系が分布し、このうち、 掘削対象としたのは声問層の珪藻質泥岩シルト岩と稚内層の 硬質頁岩 である。今後の掘削システ ムを高度化するためには、堆積岩のみならず断層破砕帯や礫岩などの硬軟入り混じった岩盤において も実証評価する必要があり、平成 16 年度に遭遇した逸泥帯はその必要性を問われたものである。これ からの課題として、断層破砕帯掘削を対象としたシステムの改良の適用性を評価可能な試験サイトの 選定が必要である。 また、適用試験で実施するシステム化への評価に対し考えられる課題として、コントロール掘削中 の方位傾斜の管理による、効率的なデータハンドリングのマニュアル化、大量逸泥に対応する逸泥防 止方法の検討、孔内計測システムと掘削システムの統合化に向けたキー技術の適応性が考えられてい る。さらに、断層帯などの困難な地層に対応したシステムとして、各技術運用するために必要な危機 回避を的確に実施できる管理システムの構築が求められる。さらに、想定危機に対応した回避策の検 討、各種装置のメンテナンスの必要性に関する検討により、掘削システム運用のための必要な対応策 をマニュアル化していかなければならない。 2.2.4 調査技術の開発における課題 調査技術は、構成するキー技術の開発によって高度化を進めている。透水・採水技術に関しては適 用試験の実証評価で高度化が進められている。フェーズ 2 においても、主要装置が試作されている検 層技術および透水・採水技術をシステム化するための評価を実施していく。 また、フェーズ 2 の適用試験では、得られたデータを利用した掘削・計測データの管理システムを 高度化することも考えなければならない。そのために、掘削データと地質性状および掘削環境との関 係をより明確にし、掘削管理を行う上での指標値となり得るパラメータを整理するとともに、それら を管理システムの想定危機と関連付け、地質状況の確認や危機回避に反映させる方法を検討する必要 がある。 − 14 − 2.3 フェーズ 2（3 ヵ年）の目標と全体計画 2.3.1 フェーズ 2 の目標と全体計画 フェーズ 2 は、堆積岩を対象とした適用試験から、より困難な地質事象である断層破砕帯への適用 へと進み、システムの実用化を目指す。昨年度の逸泥の例にもあるように、均質な岩盤を想定してい ても断層に遭遇することは十分考えられ、掘削システムとして十分それに耐え得るものでなくてはな らない。また、孔内計測システムを掘削システムと統合化しなければ実用化とはいえない。 そのために、①コントロールボーリング掘削技術の実用化として、断層破砕帯掘削のためのケーシ ングプログラムの最適化、対応する掘削冶具の開発、MWD システムを高度化するためのジャイロセン サの適用性検討を行う。次に②検層・測定技術の実用化として、LWD の耐久性向上・データの検証、 透水採水イメージングシステムの構築と解析方法の評価、孔内モニタリング計測システムの選定と開 発、孔内載荷／応力測定システムの統合を実施する。また、③掘削・調査技術の体系化として、掘削 管理システム／マニュアルを高度化するための改良と掘削データによる掘削の最適化を計る。 なお、対象とする断層破砕帯の分布や性状を把握するため、地表調査や物理探査から最適な掘削サ イトの選定を行う。 図 2.3.1-1 にフェーズ 2 の年次別実施フローを示す。 H17 H18 H19 コントロール掘削技術の実用化 孔曲げ掘削技術 掘 削 シ ス テ ム 現地適用試験掘削 コア採取技術 （HCD-2） （HCD-3） （HCD-3） 先端探知技術 断層調査 検層・測定技術の実用化 検 層 モ ニ 水 タ 理 リ ・ ン グ 力 学 ・ 応 力 WL-LWD検層技術 現地適用性確認 透水・採水技術 現地適用性確認 要素試験 孔内モニタリング技術 力学測定技術 応力測定技術 概 念 設 計 統 合 装 置 改良・模擬孔試験 統合化に向けた装置・パーツの試作・改良 掘削・調査技術体系化 マニュアル改良 掘削管理システム システム改良・掘削最適化 掘削・調査データ統合化 図 2.3.1-1 フェーズ 2 年次別実施フロー − 15 − 総合マニュアル 構築 2.3.2 試験サイトにおける適用性の評価 フェーズ 1 の適用試験は掘削中に逸泥が認められたことから、今後のターゲットとなる断層破砕帯 の掘削に適した冶具の開発や掘削工法を検討するために適した地質特性をと考えられる。このことか ら、断層破砕帯掘削に必要な掘削冶具や調査機器の高度化および開発を行い、フェーズ 2 の 2 年目以 降に予定される大曲断層を対象としたコントロールボーリングに備えることとなった。 試験サイトでは、継続してコントロール掘削の実施を行い試作装置の適用性の評価・改良を行う。 掘進に際しては、開発装置の適用性を検討し､掘削手法の改善･装置の改良を主目的とする。 また、断層破砕帯などの困難な地質事象と考えられる候補地点を選定し、掘削時に主要装置を適用 し、それぞれの評価を行うこととなる。特に、以降に示す各種開発装置の評価を実施する。 断層破砕帯掘削に必要な掘削冶具の開発により、逸泥量軽減対策を実施する。逸泥量低減は送水量 に対する逸泥率が 40%以下にすることを目標とする。また、今後掘削中に遭遇する崩壊・逸泥層に適 応させる手法の検討、保孔・止水を実施するためのシステムの開発を行う。 安定した孔内環境を確保するため、低送水量駆動への検討を行う。ビットウォーターウェイの改良 により適正な圧力バランス確保を行い、孔壁のクリアランスを維持するためにロッドを回転させ孔内 を浚渫できる装置を試作する。また、孔内に沈降するスライムを効率的に回収するための装置を試作 する。 機械能力の評価の実施により、1,000m 級掘削に向けた掘削機の能力を評価する。 先端探知技術の改良のため、ドリラーディスプレイの改良により掘削オペレータが表示データの変 更を可能にする。また、磁性影響補正法の高度化のため、リアルタイムに補正可能な修正方法を検討 する。さらに、先端探知技術の高度化を目指し、ジャイロセンサの市場調査を実施し、情報収集およ び適用性の検討を行う。 検層技術は、適用試験において WL-LWD プローブの破損など耐久性能について修正する必要が出て きたためプローブの改良を行う。可動部については、現地適用試験時における昇降作業時のセンサ部 破損の危険性をさらに少なくするために構造を再検討する。WL-LWD プローブ構造の変更に伴い、各モ ジュールの再設計・再配置も検討する。音波検層、電磁波検層、マイクロ電気検層、自然ガンマ検層 について現地適用試験を行い、掘削状態での各種測定を行う。 採水･透水技術は、ボーリング孔内で実施する原位置試験での装置の適用性の検討および改良を行 う。イメージング装置では、泥水環境化において透水区間の孔内映像を取得できる装置を開発する。 採水装置では、採水のタイミングを確実なものとするためにトレーサ検知システムの設置とケミカル センサの概念設計を行う。透水試験装置については、広範囲な透水係数を有する岩盤に対応するため の流速計の開発を行う。また、共用部分において、メンテナンス性や通信など各装置の開発に併せた 改良を行う。 − 16 − 2.3.3 適用試験を目標とする計測装置の開発 フェーズ 2 実施期間の試験サイトへの適用は計画されないが、ボーリング孔内においての検証評価 を目標とする計測システムに必要な主要装置の開発計画を以下に示す。 力学測定技術は、試作した載荷装置について、作業効率の向上と載荷試験結果の精度向上を目指し た改良および検討を行う。また、応力測定ユニットとの統合に向けた改良と検討を進める。さらに、 開発中の計測・制御プログラムの完成を目指し、 変位計測時間の短縮および解析の効率を向上させる。 さらに、室内試験によりこれまでに発生したエラーを取り除くための手法の確立、高精度なキャリブ レーションカーブを求める手法の確立を目指す。 応力測定技術は、水圧破砕サブユニットと計測・通信・制御サブユニットの詳細設計および試作を 行う。亀裂計測サブユニットは詳細設計・試作および室内模擬孔での性能試験を実施する。水圧破砕 サブユニットではコア孔内に対応した水圧破砕用パッカーの試作を行い、亀裂計測サブユニットでは 水圧破砕用パッカーと連結可能な亀裂計測装置の試作を行う。さらに、両サブユニットの計測・通信・ 制御サブユニットのパーツ設計を実施する。また、力学試験ユニットとの統合を考慮し、共通パーツ の改良を検討していく。 モニタリング技術は、モニタリングシステムの開発のため、パッカーシステムおよび各要素技術の 掘削孔への適用性の評価、長期計測システムの組込、インフレータブルパッカーの拡張方法の検討お よび要素試験、火薬による拡管方法の高度化、パッカーとケーシング接続の高度化、ケミカルカッタ ーの適用性検討、バックアップシステム技術の検討、オペレーション技術の検討、モニタリングシス テムの基本設計を行う。 − 17 − 2.4 実施方法（平成 19 年度） 本年度は、フェーズ 2 の最終年度に該当する。本年度の研究実施にあたっては、学識経験者からな るボーリング技術高度化調査検討委員会を財団法人電力中央研究所内に設けて、研究計画や研究内容 について審議・検討された。 表 2.4.1-1 表に検討委員会の委員一覧を示す 本年度は検討委員会を以下の 3 回開催した。 ･ 第 1 回検討委員会 平成 19 年 6 月 28 日 平成 18 年度研究計画審議 ･ 第 2 回検討委員会 平成 19 年 10 月 2 日 中間成果の審議 ･ 第 3 回検討委員会 平成 20 年 2 月 27 日 最終成果の審議 表 2.4.1-1 ｢ボーリング技術高度化調査｣検討委員会委員一覧 № 委員区分 1 委員長 2 委員 3 委員 4 委員 5 委員 6 委員 7 委員 委 員 名 所 京都大学 属 大学院工学研究科 青木 謙治 都市環境工学専攻 熊本大学 嶋田 教授 理学部 純 地球科学教室 京都大学 教授 大学院工学研究科 松岡 俊文 社会基盤工学専攻 東京大学 教授 大学院工学系研究科 増田 昌敬 地球システム工学専攻 東京大学 准教授 大学院新領域創成科学研究科 徳永 朋祥 環境学専攻 准教授 原子力発電環境整備機構 技術部 サイト調査･評価グループ 課長 後藤 純一 石油資源開発（株） 開発本部 品田 正一 操業管理部 − 18 − 地熱調査グループ長 3. 平成 18 年度の成果概要 フェーズ 1 では堆積性軟岩地域における合理的な地質・地下水調査技術を体系化するため、各種調 査を可能とするボーリング技術の開発を行い、比較的安定した堆積岩を実掘削する適用試験が実施さ れてきた。フェーズ 2 においては、より困難な地質事象となる断層破砕帯への適用を目指した研究開 発が開始され。 本年度はフェーズ 2 の最終年度（3 ヵ年計画）となるが、当初設定した開発目標に対し十分な目標 を設定する必要がある。そのため、平成 18 年度実施された研究開発の成果および課題の概要を、コン トロール掘削技術の改良、コントロール掘削における孔内計測技術の開発・改良、モニタリングシス テムの開発、技術のシステム化および現地適用試験、掘削管理システムの検討、総合システムの検討、 適用性試験サイトの選定について取りまとめる。 3.1 コントロール掘削技術の改良 平成 18 年度に実施したコントロール掘削技術の改良の成果について、孔井曲げ掘削技術、先端探知 技術、コアリング技術およびシステム統合化に必要な共通技術についてまとめる。 3.1.1 孔井曲げ掘削技術 平成 18 年度実施した孔井曲げ掘削技術の改良および開発項目は、①試錐機能力の再検討、②MWD パ ラメータによる孔内圧力状況の判断確認、③水平押し込み装置の開発である。これらの開発から得ら れた成果は次の通りである。①試錐機の能力の再検討を実施することにより今後の掘削に必要な能力 を算出し、試錐機の油圧ユニットおよびシリンダの断面積を強化することで、フィード力は 20tf から 28tf まで 40%強化した。また、回転とフィードへの配管経路を分断できたことから、これまで連動し てきた回転圧力と給圧力を個別に変更可能できる様に修正した。②MWD パラメータによる孔内圧力状 況の判断確認では、MWD のデータから得られる垂直深度により、正確な水頭圧力の把握を実施した。 また、MWD の外圧と掘削状況の関係の傾向を再確認した。③水平押し込み装置の開発では、設計した 押し込み補助装置を試作し、NL140 を地上に配置した水平管路内をポンプで押し込み、装置のワイヤ ーを引く力を計測した。その結果、ポンプ圧力 6ksc 発生時に 500kgf の押し込み力が発生することを 確認した。 平成 18 年度は、試錐機の能力改良で十分なフィード力を得ることが出来た。しかし、本年度以降に おいて、これまで経験していない水平孔掘削を目指すことになることから、水平孔掘削による実績を 考慮したシミュレーションを行い検討する必要性が課題となった。 以降に、孔井曲げ掘削技術で実施した平成 18 年の主な研究開発の成果をまとめる。 − 19 − 3.1.1.1 試錐機能力の再検討 断層帯において孔壁崩壊等により満足なスライムの排出が困難である場合、孔内洗浄のみで摩擦抵 抗を減少させなければならない。平成 17 年度は洗浄により摩擦係数の減少は実現できたが、フィード 抵抗は設計値に比べ 5 倍程度の値であることを確認した。そこで、断層帯掘削時を想定し、孔内洗浄 のみ実施した場合のフィード能力を平成 18 年度の掘削計画に当てはめ算出した。ここで、孔内洗浄に より維持する静止摩擦係数を平成 17 年度の計測結果である 1.03 とし、ケーシング内の摩擦係数につ いても平成 17 年度実績の 0.63 を使用して再計算した。 その結果から、改良前の試錐機フィード能力は 20.5t となり、800m の掘削でも能力不足が生じるこ とを確認した。適用試験での掘削中に能力不足が発生した場合、機械の改良実施のためには試錐機の 解体・搬送など大掛かりな付帯作業を要する。そのため、平成 18 年度の適用試験実施前に試錐機の能 力強化のための改良を実施した。 試錐機の必要能力が 24.4t であると計算されたことから、適用試験に向けたフィード能力向上の目 標値を 25t に設定した。改良は、①シリンダ断面積の増加、②ユニット発生圧力増加の 2 通りの観点 で検討し、断面積増加によるフィード力強化の方が難易度は低いと考えられたことから、シリンダ断 面積増加に関する検討を進めた。シリンダの断面積を増加のためには、フィードアッセンブリ全体の 設計変更を必要とするが、スイベルヘッドおよび試錐機本体のフレームまでの変更をすると、大掛か りな改良を必要とするため、基本的な寸法を変更せず、シリンダケースのみを入れ替えることで最大 シリンダ断面積を設計した。その断面積をベースとした油圧ユニットの設計・改良を行い、計算上の フィード力を 20tf から 28tf まで 40%強化した。 3.1.1.2 MWD パラメータと掘削状況 平成 17 年度の掘削作業では、 孔内環境を維持するために孔内洗浄および孔壁整形を実施することに より孔内圧力の増加を抑え逸泥の発生を抑制した。これは、掘削中に孔内圧力をモニタリングするこ とで孔内圧力の上昇傾向を把握していたことによる効果が大きいと考えられた。このような、WL-MWD から得られる情報により掘削環境下での発生現象を考慮しておくことで、掘削中に遭遇する危機を初 期に発見することが可能となり、危機回避の対策実施が容易になる。また、これらの情報を用いて孔 内計測試験を実施するための目安として利用することも可能であると確認した。 原位置の圧力を算出するためには、水頭圧力が必要となる。この圧力は垂直深度により求められる ことから、WL-MWD から得られる傾斜・方位データからの算出で、各ハンドリングに使用できるように した。 − 20 − 3.1.1.3 水平押し込み装置の開発 平成 17 年度、低角度から水平までの押込みについて地上動作確認を行った結果、ツールスセットに 必要な回転動作のため 300kgf 以上の押込み力が必要であると確認した。当初計画していた GFRP ロッ ドでの押込みについても、回転動作に必用な力を発生させることが困難であることが確認され、装置 をセットさせるための冶具が別途必要となった。 低角度での押込みを実施できる装置の検討を実施し、 平成 18 年度は、概念設計を基とした詳細設計、試作および地上試験を実施し実用化に向けた評価・検 討を行なった。その詳細設計の実施により、ロックラグの構造およびスチールボールを追加した。試 作した装置による地上試験の実施では、NL140 を地上に配置した水平管路内に装置を挿入し、押し込 み時に装置と接続されたワイヤーを引く力の計測で押し込みの力を計測した。 試験の計測結果から、押し込み力を発生させるためには、NL140 ロッドの最大内径である φ130mm にラバー径を合わせなければ押し込み力を発生させられないことを確認した。しかし、その際には、 ポンプ圧力 6ksc で 500kgf の押し込み力の発生を確認し、昨年度の必要押し込み力を上回る力である ことを確認した。 この押し込み力がφ130mm 内径全面で受けていたとすれば、押し込み圧力は 3.77ksc となり、押し 込み効率が 60％と算出される。確実な押し込み動作を行うためには、この効率を引揚げる必要がある ことを確認した。 3.1.2 先端探知技術 フェーズ 2 の 2 年目にあたる平成 18 年度における先端探知技術の開発は、継続しているジャイロセ ンサの適用性調査と HCD-3 孔での WL-MWD 計測データ取得に大別される。 ジャイロセンサの WL-MWD への適用性に関しては、海外動向調査を含めて平成 17 年度に実施した内 容を更に具体性を持たせるよう検討し、海外のワイヤーライン検層会社や各センサのメーカーが一同 する展示会（OTC2006）に参加し調査した。WL-MWD 計測にジャイロセンサを応用している会社、ワイ ヤーライン検層としてジャイロセンサを用いている会社、センサを供給するメーカーと検討し、現行 の WL-MWD にリアルタイム形式でジャイロセンサを搭載することは、 コストパフォーマンスおよび技術 的な難易度から実現性が低いということを確認した。その結果、WL-MWD での制御掘削後における検 証・補正を目的としたワイヤーラインケーブルでのテンポラルなジャイロ計測が最も実現性が高い方 法であると確認した。 また、HCD-3 孔におけるワイヤーラインジャイロ計測の結果から、WL-MWD の磁気センサによる方位 計測の限界も再度認識され、ジャイロセンサの適用は今後の開発に必須であると確認した。掘削編成 から与えられる磁気影響に対する完全なる補正は、数度の地上試験での検討から対応が困難であると 判断した。 − 21 − HCD-3 孔における WL-MWD 計測は北進地区における作業と同様、本年度も 400 時間（ポンピング時間 換算）を越す耐久性を再確認した。通常の掘削時のみではなく、コアバレル回収時や孔内洗浄時にも 有効に活用され、コントロールドリリングシステムにおける必然性は増大している。逸泥早期検知や ビットあるいはダウンホールモータの状態をリアルタイムで確認できることは機器の回避においても 必須のシステムであると確認できた。また、従来のドリラーディスプレイに加え、ウインチマンディ スプレイを開発し、掘削時の作業でより効率的な掘削を実施した。 3.1.3 コアリング技術 平成 18 年度に実施したコアリング技術の改良は、採取コアの岩盤強度に対し、掘削時のビット荷重 (WOB)および掘削能率(ROP)を比較することで、掘削時の適正環境を求める指針とした。また、泥水比 重の計測により、得られる圧力環境の違いを評価した。 3.1.3.1 コア採取状況 掘削中の WL-MWD から得られる ROP は、10cm 掘削に要した計測時間から算出した。その結果、掘進 能率と岩盤強度の変動に相関性を確認した。掘削長 230m および掘削長 270m 付近の岩盤強度が低下し ている区間では、ROP が数 10cm/h 増加していることを確認した。掘削長 270m 以降の全体的に岩盤強 度が低い区間では ROP を比較的速く維持できていることを確認した。 WOB と強度を比較したところ、岩盤強度が低い方が、WOB が比較的高い値を示す傾向が現れている。 ただし、掘削長 230m および掘削長 270m 付近の ROP の大きな変わり目付近では、岩盤強度と同じ挙動 であることから、直接の関連性を確認することはできなかった。 平成 18 年度に検討した岩盤強度、ROP、WOB の計測データからは明確な関連を確認することは出来 なかった。 3.1.3.2 掘削泥水 孔内環境を評価するために泥水比重の計測に関する検討を実施し、孔内のスライムの滞留状況をリ ターン泥水の計測で把握することは困難であると確認した。しかし、WL-MWD の圧力データから得られ る情報から残留スライムにより変動する圧力環境の把握がスライム排除効率として評価できることを 確認した。 さらに、 孔内洗浄の実施によりスライムの排除効果を高めることが可能であると確認した。 3.1.4 掘削システムの統合化に必要な共通装置 掘削システム統合化に必要な共通技術として、①アーマードケーブルの巻き替えおよびケーブルヘ ッドの再加工②GFRP ロッドの座屈防止対策③スライム採取ベーラの検討を実施した。 − 22 − ①に関しては、ケーブル端部の入れ替え、環境改善のための改良を行った。②に関しては、GFRP ロ ッドセット時の座屈防止用の冶具を試作した。③に関しては、水平孔に対応させるための改良を実施 した。 3.1.4.1 アーマードケーブルの巻き替えおよびケーブルヘッドの再加工 過年度からの適用試験により、アーマードケーブルの両端部の消耗性に違いが生じたことから使用 頻度の少ない内側と使用頻度の多い外側の入れ替えを行うために巻き替えを実施した。巻き替え作業 時はケーブル特性を計測し、計測値の劣化がないことを確認した。 また、巻き替えに伴い通信環境を改善させるための改良を実施し、光コンバータ変更に伴う基盤の 交換、光ケーブルの溶着およびノイズカットトランスを取り付けた。光コンバータの変更は孔内試験 時の通信環境の改善を目的に、現行の 5Mbps から 20Mbps に増加させ、透水・採水・イメージング試験 の実施時にその効果を確認した。また、ノイズカットトランスの設置によって掘削中に通信エラーの 再発が無いことを確認した。 3.1.4.2 GFRP ロッド座屈防止対策 GFRP ロッドの折損原因を再検討し、 GFRP ロッドが試錐機のケーブルサポートを介してウインチ側へ 巻き戻されるときに、エンコーダー付きトラバーサー部で大きな座屈を生じていることを確認した。 これにより、GFRP ロッドの許容曲率半径 R=1,250mm を下回る値であることを確認した。 また、ケーブルサポート位置の変化に対応した可変式トラバーサーボディへ改良することにより、 ウインチ本体への強固な固定を行った。 3.1.4.3 スライム採取ベーラの検討 平成 18 年度は、平成 17 年度試作した 2 種類のベーラについて緩傾斜および水平孔内で使用した場 合を想定し、問題点を抽出することで水平孔へ対応させるための検討を実施した。水平孔に対応させ るために必要な条件として、ゲル状のスライム回収が可能であること、孔壁に形成されたマッドケー キおよびカッティングスベットの排除が可能であることを設定し、ゲル状のスライムを採取するため に、スクレーパを装着したベーラを試作した。 − 23 − 3.2 コントロール掘削における孔内計測技術の開発・改良 平成 18 年度実施したコントロール掘削における孔内計測技術の開発・改良の成果について、検層技 術および透水・採水技術についてまとめる。 3.2.1 検層技術 データ処理ソフトウェアを試作し、地上装置を改良することで、現地適用試験後のデータ処理を効 率化することができた。また、改良したシステムを現地適用試験現場で動作させ、測定に必要な機能 の一連の動作を確認した。現地適用試験中に発生した可動部の不具合についても原因を特定し、以下 の改良案をまとめた。 (1) WL-LWD の改良 ① 予備基板の試作 ② 電気回路の一部小型化 ③ 地上装置の処理能力向上 (2) データ処理ソフトウェアの検討 ① 音波検層用データ処理ソフトウェアの試作 ② 電磁波検層用データ処理ソフトウェアの試作 ③ マイクロ電気・自然ガンマ検層データ処理ソフトウェアの試作 ④ WL-LWD データ表示ソフトウェアの試作 (3) 現地適用試験 断層破砕帯で動作確認を行い、長期試験時に必要な改良箇所を確認した。 3.2.2 透水・採水技術 適用試験における孔内計測により、技術を構成する主要装置において、以下の成果を得た。 (1) 透水試験装置 断層に遭遇した場合には、拡径孔での透水試験・採水に対応するために大口パッカーを製作 し（全長 1780mm、最大外径は φ101.6mm、パッカーゴム区間長 960mm、パッカー外径は φ86mm） 、 室内において拡張試験を実施した。その結果、パッカーゴムは φ150ｍｍまで拡張して模擬孔に 密着することを確認した。またパッカー拡張後、時間置いて収縮させたに元の状態に戻りゴムの 塑性変形も無く、パッカーゴムを抑えているスリーブとの間に水洩れが無い事についても確認し た。 − 24 − (2) イメージング装置 室内試験において取得映像の解像度を向上させるため、反射波のゲインを高めに設定するこ ととした。その結果、孔内表面からの反射波を的確に捉えることが可能となりトラベルタイムの イメージ画像がより鮮明に描画できた。またアンプリチュードによるイメージ画像の場合は逆に 反射波のゲインを高めに設定すると、反射波が飽和状態となり微妙な振幅に差を描画できず不適 切であることが判明した。完成したイメージング装置の適用試験として製作メーカー敷地内での 試験、および現位置試験の両方を実施した。メーカー敷地内での試験では BHTV と比較しても遜色 ない良好なイメージングデータを取得できた。 (3) 採水装置 採水の際の流速を正確に把握するため流速センサの性能向上を検討した。検討方法はセンサ の近傍にヘッドアンプを収納し、さらにセンサとヘッドアンプを金属の筒でシールドし、室内で 流動環境を作成し試験を行った。その結果、今回改良した電磁式流速計の分解能が 3mm/s 以下で あることを確認した。また、センサードリフト試験ではセンサとヘッドアンプを一定の温度に保 つ工夫をして短時間で安定させることが可能であると確認した。したがって、ヘッドアンプの温 度制御をすることでドリフトを減少されることが可能である。 (4) 共用部 超音波イメージングユニットの追加と、サブユニットおよびその他共用部の改良に伴う変更 と、圧力グラフの表示のためにプログラムの変更を実施した。また、孔内で拘束された際に自動 的にパッカーが内部水をリリースする機能をフェイルセーフ機能として追加した。機能が働く条 件としては、電源投入時と一定時間通信不能に陥った場合を想定した。 3.2.3 力学測定技術、応力測定技術および統合化 3.2.3.1 力学測定技術 平成 18 年度は、平成 17 年度に行った応力測定ユニットとの統合化検討で、孔内載荷試験装置の耐 圧性能や寸法などの仕様が変更されたため、その仕様に対応する孔内載荷試験ユニットを設計・試作 した。 主な仕様の変更点は、孔内載荷試験装置の先端部の外径をφ92mm から φ100mm に変更した点と、孔 内載荷試験ユニットのパッカー部を応力ユニットの下部パッカーとして併用するためにパッカーおよ び加圧ポンプの耐圧能力を 20MPa から 30MPa とした点である。また、加圧ポンプは応力ユニットの上 部パッカーと孔内載荷試験ユニットのパッカー部を同時に加圧できる容量に増やした。 − 25 − 3.2.3.2 応力測定技術 昨年度、水圧破砕サブユニット、亀裂計測サブユニット、計測・通信・制御サブユニットの各ユニ ットの試作・改良・試験を実施した。以下ユニットでの成果を示す。 (1) 水圧破砕サブユニット コントロールボーリング先端裸孔部を孔径 100mm に拡孔した外径 94mm でパッカー長 600mm、 水圧破砕区間長が可変で電極パッカーと連結可能な水圧破砕ダブルパッカーを設計・試作した。 また、水圧破砕ダブルパッカーは単独での使用も可能であると確認した。 (2) 亀裂計測サブユニット ａ． 亀裂計測部（センサー） 亀裂計測サブユニットの亀裂計測部（センサー）の電極パッカーを孔径 100mm に対応させ、 外径 95mm にて、水圧破砕パッカーおよび力学ユニットと接続が出来るようにした。 ｂ． 性能試験 改良した孔内抵抗測定器の性能確認のため、フラットジャッキ 2 軸載荷試験装置を使って、 孔内抵抗測定器と電極パッカーを接続して亀裂開閉試験を実施した。また、亀裂開口閉口の計測 精度向上のための性能を確認した。 (3) 計測・通信・制御サブユニット ａ． 孔内モーターの試作 孔経 100mm 用の水圧破砕用ポンプ、パッカー加圧用ポンプのための、孔内高トルクモーター を試作した。 ｂ． 孔内高圧ポンプ試作 コントロールボーリング孔に対応した孔内高圧ポンプを試作した。 ｃ． 圧力・流量計測パーツの改良・設計 平成 17 年度にポンプ側での計測をしていた水圧破砕時の水圧・流量計測を、直接試験位置近 くで計測できるようにパッカー側に圧力・流量計測パーツを配置する改良設計をした。 ｄ． 方位計、傾斜計計測パーツの改良 試作した方位計、傾斜計パーツを改良し組み込んだ。 ｅ． 孔内亀裂計測器の改良 試作した孔内抵抗測定器について測定性能の向上およびノイズ低減化のための改良を行った。 ｆ． 計測制御部（計測ソフト等）の改良 改良した孔内抵抗測定器に即して計測ソフトを改良した。 − 26 − ｇ． 孔内通信部の試作 亀裂計測器および地上計測制御部との通信が可能な孔内通信部を試作した。 ｈ． 地上計測・制御装置の設計 地上で計測・制御を行い、ケーブルを使って孔内測定が実施可能な地上計測・制御ソフトと 装置を設計した。 3.2.3.3 力学測定技術・応力計測技術の統合化 昨年度の統合化では、力学ユニットでは、孔内載荷試験ユニットの先端部ヘッド部分に応力ユニッ トと接続するための連結パーツを設計試作した。応力測定ユニットでは、電極パッカーのシャフトの 下部に力学ユニットのヘッド部分と接続可能な連結パーツを設計試作した。また、電極パッカーより 上部の水圧破砕上部パッカーのシャフト内まで、力学ユニットの配管も通る共有部分でありこのシャ フト内を通る配管、および中継管について設計試作した。これら試作した連結パーツ、共有パーツを 使って力学ユニットと応力ユニットが連結することを確認した。 − 27 − 3.3 3.3.1 モニタリングシステムの開発 各要素技術の掘削孔への適用性評価 平成 18 年度は、以下に示す項目についての検討、試験により要素技術の模擬孔（深度：20m、仕様： 斜孔＋モルタル打設）への適用性評価および影響評価を実施した。 ① 火薬による拡管の適用性評価 ② メカニカルカッターによるケーシング切断の適用性評価 ③ 拡管部の状況把握方法（BHTV）の適用性評価 ④ 深度測定方法（CCL）の適用性評価 ⑤ 火薬による拡管が周辺地盤へ与える影響等の数値解析による把握 3.3.1.1 火薬による拡管の適用性評価 平成 18 年度の研究成果を以下にまとめる。 ① PBX6201 を使用した場合、 薬量 100ｇ程度で目標とする拡管径が得られることを確認した。 ② 上記の拡管時の耐力として設計時の目標荷重（88.2KN）が十分に確保されることを確認 した（再試験時） 。 ③ 上記より、堆積性軟岩を模擬した拘束条件下では、NL140 ロッドに対して、模擬岩盤の 強度によらず、PBX6201、薬量 100ｇ、管内中心装薬が標準的な設定と考えられる。 ④ 平成 17 年度までの課題である装薬カプセルとホルダー接続部の残滓 （破片寸法が 5 ㎜以 上）の回収問題について、接続部の改良（埋め込みタイプの採用）の結果、大きな残滓は ホルダー部に残っており、全て回収できたことを確認した。 ⑤ 検層用発射パネル、 アーマードケーブル及び CCL を使用して発破回路を組んだ場合でも、 ウインチ、CCL の動作により地探用電気雷管が暴発する可能性は低いこと、検層用発射パ ネルで地探用電気雷管を起爆することが可能であることを確認した。 3.3.1.2 メカニカルカッターによるケーシング切断の適用性評価 平成 18 年度の研究成果を以下にまとめる。 ① メカニカルカッター（電動式）によるケーシング切断は、切断時間（約 5 分程度）の少 なさ、切断面のきれいさから切断方法としては非常に有効であることを確認した。 ② 切断作業時の情報を地上のモニタ画面で確認することにより、切断状況を把握できるこ とを確認した。 − 28 − 3.3.1.3 拡管部の状況把握方法（BHTV）の適用性評価 平成 18 年度の研究成果を以下にまとめる。 ① 今回の試験により、BHTV 検層データからケーシングの拡管部の内径把握は可能であると 判断した。また拡管の形状も 3 次元表示することにより、視覚的に判りやすく表示するこ とが可能であることを確認した。 3.3.1.4 深度測定方法（CCL）の適用性評価 平成 18 年度の研究成果を以下にまとめる。 ① 今回の作業は平成 17 年度に実施した垂直井での計測と異なり傾斜 30 度の孔井での作業 となったため、試験はシンカーにセントラライザーを接続した編成でも行ったが、計測結 果に差異は生じず、NL140 ロッドのジョイント位置は確実に把握できることを確認した。 ② セントラライザーによりセンサからロッド内径までの距離が大きくなるケースでの CCL 反応が懸念されたが、測定には特に支障をきたさないことを確認した。また、後日掘削適 用性試験を実施した幌延 HCD-3 においての WL-LWD 実証試験（物理検層）時に、外径 3-1/2 （89mm）の CCL を接続した編成で NL140 ロッド内のジョイント位置判別試験を実施したが、 本作業においても CCL 反応は深度補正を実施する上で支障はなく、状況に応じて CCL のサ イズを調整することが可能であることを確認した。 3.3.1.5 火薬による拡管が周辺地盤へ与える影響等の数値解析による把握 平成 18 年度の研究成果を以下にまとめる。 ① 衝撃解析コード Autodyn2D コードによる各モデルの解析結果から火薬の爆轟反応から発 生する応力波が鋼管、水、モルタル、砂岩、ボイド（空隙）等を伝播する状態を数値シミ ュレーションできることを確認した。 ② 鋼管、モルタル等の変形を数値解析である程度予測できることが確認できた。 ③ 上記の結果から数値シミュレーションにより NL140 ロッドおよび周辺地盤の変形量をあ る程度予測できると考えられた。 3.3.2 計測システムの設計・試作 平成 17 年度に検討した新しい概念におけるモニタリングシステムの基本設計を基にしたコントロ ールボーリング孔井に適用可能なモニタリングシステムのプロトタイプ（計測区間：1 箇所）の内、 本年度は次ページに示すパーツを設計・試作し、工場等でシステムの信頼性、動作性を評価した。 − 29 − ① 装置ケーシング ② サンプラー 平成 18 年度の研究成果を以下にまとめる。 ① サンプラーをスタンドパイプに見立てたチューブ内に降下させ、採水し、回収する一連 の作業が可能であることを確認した。 3.3.3 ② サンプラーに閉じ込められた水の圧力 38bar を 14 時間保持できることを確認した。 ③ 60bar の環境でもサンプリングできることを確認した。 ④ サンプラーの回収後、 クランプ止めにより銅管内部の圧力を保持できることを確認した。 オペレーション技術の検討 平成 17 年度に検討した新しい概念におけるモニタリングシステムに関するオペレーション技術の 確立および作業手法の構築に向けて以下に示す検討を行った。 ① モニタリングシステム設置方法に関する検討 ② バックアップ技術の検討 ③ 掘削技術・設備との共有化検討 3.3.3.1 モニタリングシステム設置方法に関する検討 平成 18 年度で得られた掘削技術・設備との共有化検討に関する成果として以下のことがあげられた。 (1) 設置方法の検討 現状の技術としてコイルチュービングを孔内に挿入する時に使用されるインジェクターヘッ ドがあり、それを応用することが考えられた。その他では、スピンドル型掘削機、油圧ハンマー ドリルおよびトップドライブ型ドリルの使用も考えられた。さらに簡単には、クレーンによる設 置も考えられたが、使用機器の特徴を含めて各手法を詳細に検討し、確実性、安全性、経済性の 観点から選択する必要があると考えられた。 (2) 孔跡及び SPMP ケーシングの検討 孔跡や拡管部分の深度等を検討し、SPMP ケーシングの長さや編成を最適化する必要があると 考えられた。同時にケーシングジョイント部についてもその形状や曲部でのリーク等に関して検 討する必要があると考えられた。 (3) セントラライザーの検討 機器(特にパッカー)破損防止及び機器のスムーズな設置のために、セントラライザーが必要 と考えられた。セントラライザーは多くの種類がある。ここでは、ローラー型、ケーシングパイ − 30 − プ用、高傾斜用の例を示した。これらのセントラライザーを検討し、孔井のケーシングプログラ ムに合わせて最適化する必要があると考えられた。 (4) フレキシブルチューブの検討 フレキシブルチューブは、傾斜部分での SPMP ケーシングに作用する応力を解放し、水平部分 での SPMP ケーシングをセンタリングすると同時にパッカー拡張時に大きな力がかからないよう にすること可能と考えられた。SPMP ケーシングの構成には、フレキシブルチューブの設置も検討 する必要があると考えられた。 (5) 孔井調査 計測システムは、パッカー(ラバー)を含む機器で構成されるため、孔井のケーシングにダメ ージがあればそこで計測機器も損傷する可能性がある。このようなダメージ等の検出が重要であ る。ダメージ等の検出には、ボアホールカメラ、BHTV 等の検層による観測が考えられた。 (6) パッカー圧の検討 パッカー圧は岩盤強度、間隙水圧等を鑑みて検討する必要がある。この問題に対しては、フ レキシブルチューブの使用により解決できると考えられた。 3.3.3.2 バックアップ技術の検討 現在、考えられているモニタリングシステム設置の基本的な流れは、以下に示す通りである。 ① 火薬を用いた拡管によるロッド荷重の地山への負担（下部） ② メカニカルカッター（電動式）による NL140 ロッド切断（ロッド引き上げによる計測区 間の確保含む） ③ 火薬を用いた拡管によるロッド荷重の地山への負担（上部） ④ 計測システムの設置 ⑤ 計測開始 なお、計測区間が複数の場合は、①∼③の作業を計測区間数繰り返す。 設置時および計測時におけるトラブル項目の抽出を行うため、上記設置の流れに沿った各作業の詳 細な作業手順を想定し、 その手順から予想されるトラブル事項を抽出するとともに、 発生原因の予測、 対策等を検討した。 3.3.3.3 掘削技術・設備との共有化検討 新しい概念によるモニタリングシステム設置の各要素技術に関し、現状の掘削設備等を使用して実 施する場合の課題等を抽出した。 − 31 − (1) 拡管作業における共有化検討 ① 拡管深度を正確に把握するために CCL を使用するが、現状の掘削設備を用いても技術上 問題ないことを確認した。また、火薬量と拡管径も試験結果からほぼ想定される状況を把 握した。 ② 現在使用されているアーマードケーブルは 2kVA の電力を約 10 分程度供給すると破損す る可能性が高いことが判明した。このため火薬の点火とケーシング切断作業に必要なケー ブルを専用に製作する必要がある。尚、アーマードケーブル製作に伴い、ケーブルヘッド と火薬用ショックアブソーバーも併せて製作する必要がある。 ③ 掘削装置との関連は、火薬を装着した機器類を孔井内に送入する際に、これらの機器類 が 5m 以上程度に長くなると、掘削機械のスイベルヘッドに当り、送入作業に支障が発生す る懸念がある。 ④ 水平孔内をケーブルに付けた火薬ケースと CCL システムを押込む場合、センタリングが でき、 機器類を転がして NL140 ロッド内を移送できるシステムが必要である｡このシステム は電動式カッターを CCL とセットで送入する場合も同様である。 (2) ケーシング切断作業における共有化検討 ① 切断ツールスを組み立てると長さが 6m 以上になり、 掘削機械設備のスイベルヘッドに当 るため、送入作業に支障が発生する。上記の拡管作業の際にも掘削機械のスイベルヘッド のスライド長が 3m ロッド専用となっているため短く、支障があるので、スイベルヘッドの スライド長を既存のマストの全長に渡り可能な仕様に改善が望ましい。 ② 切断深度を把握するために CCL を使用するが、現状の掘削設備を用いても技術上問題な いことを確認した。ただし、切断ツールスに動力を供給するケーブルは既存の検層用ケー ブルでは容量が不足することが判明した。バッテリー式にする案も想定されるが、使用時 間の制限等を考慮すると、拡管用のケーブルと併用可能な専用ケーブルが必要である。 (3) 観測区間確保作業（ケーシング引上げ）における共有化検討 ① 拡管によるケーシングの保持状況を確認するために、拡管後に掘削機でケーシングを引 き上げ、十分な保持力があるかを確認する際、掘削機の引上げ荷重を正確に(できれば 100kg 単位)把握する装置が必要である。 ② 掘削中のケーシング重量と引上げ、押し込み時の負荷状況に関するデータが、ケーシン グ切断後の引上げ負荷による切断の可否の状況を想定する際に非常に重要な条件となって くるので、掘削作業中のこれらのデータ収集が必要である。 ③ 引上げた区間に計測システムを設置することになるので、計測システムを降下させる前 に、当該区間の裸孔部のキャリパー検層をする必要がある。万一、孔径が拡大している場 − 32 − 合は観測区間の変更も考慮する必要がある。 ④ 2 番目の引上げ以降は、引上げ区間と掘削機械のチャッキング（ケーシングをグリップ） する位置に変化が発生し、切断位置の調整が難しくなる事態も予想される。 (4) 計測システム設置における共有化検討 ① システム設置（回収）にあたって、現状のスラントリグを使用して設置（あるいは回収） したほうがケーシングや孔壁との摩擦も少なく、スムーズに設置(回収)できると考えられ た。ただし、SPMP ケーシングと油圧ドライブ箇所でホールドされるドリルパイプとの接続 サブの製作を検討する必要がる。あるいは、SPMP ケーシングそのものをスラントリグの油 圧ドライブ箇所でホールドする機構を検討する必要がある。また、システム設置(撤去)中 の負荷のモニタリングや負荷異常になれば停止し、それ以上押込まない(引張らない)よう にするための防止装置が必要と考えられた。 ② SPMP ケーシング長については今後検討する必要がある。そのため、現状のスラントリグ でのハンドリング可能な SPMP ケーシング長も検討する必要がある。 ③ 設置中はパッカーラインも一緒に SPMP ケーシングにセットされ、 ライン数が増えると煩 雑になるため、 井戸元でそれらラインを整理し引かからないようにする工夫が必要である。 ④ システム設置（回収）中に破損した場合に備えて、フィッシングツールを予め準備し、 装着方法やフィッシング手順についてまとめる必要がある。 3.3.4 課題 3.3.4.1 各要素技術の掘削孔への適用性評価 (1) 火薬による拡管の適用性評価 課題としては以下のことがあげられた。 ① モニタリングシステムの実用化を目指して、今回は実際のモニタリングシステム設置時 に採用予定であるアーマードケーブルと CCL 及び検層用発射パネルによる発破システムを 採用した。しかし、これまでの試験結果と比較しても極めて低い拡管率の拡管となった。 この原因として、点火方法の違いにより誘発されたものと推察した。一般の発破器は極め て短時間に大電流を流す構造となっているが、今回使用した検層用発射パネルは徐々に電 圧を上げ、 電流を流す構造になっており、 このため地探用電気雷管の起爆が不完全となり、 火薬を完全に爆轟できず、所定の爆速を得られなかったものと考えられた。この点火シス テムに一般的に使用されている発破器が組み込めるか検討する必要がある。 − 33 − ② 上記の試験後、点火方法を通常のシステムにして、拡管試験を実施した。その結果、NL140 ロッドが破損した。この原因として、装薬治具（φ90×300 ㎜、重量約 10 ㎏）が栓の役目 をし、填塞効果を高めた可能性が考えられた。この対策として、装薬治具の最大外径を要 素試験と同じ φ70 ㎜に改良して、再試験を実施した。その結果、所用耐力を十分満たす結 果が得られた。このことより装薬治具が栓の役目を果たさない様に、最大外径を φ70 ㎜以 下にする必要がある。 (2) メカニカルカッターによるケーシング切断の適用性評価 課題としては以下のことがあげられた。 ① 今回の切断作業時には、切断ブレードの落下という問題も生じた。切断が完全に行えず ブレードがロッドを切断する際にモータに負荷がかかり、更に電流を供給しようとした際 にストールしてカッティングヘッドから脱落してしまった。 今回の切断作業は深度が浅く、 時間的なロスは少なかったものの、実際の掘削適用性試験における切断作業時には安全か つ確実に切断を実施できるような対策を取る必要がある。 ② 本ツールは 2A 近い電流を必要とするため、 コントロールボーリングで使用されるアーマ ードケーブルは多芯であり、更に光ファイバーケーブルが内蔵されているため切断作業に は不適であると思われた。このため切断作業時には専用のアーマードケーブルを準備する 必要がある。 ③ 懸念されていた切断時の切りくずは、今回の試験ではポンプによる循環で地上では顕著 に回収することはできなかった。このため、発生した切りくずを残さないように、カッタ ーの先端にマグネット等の設置が可能か検討する必要がある。 (3) 拡管部の状況把握方法（BHTV）の適用性評価 課題としては以下のことがあげられた。 ① 傾斜孔でのセントラライゼーションが課題となり、ツールの偏心を抑制する強固なスプ リングあるいはローラータイプのセントラライザーが求められるが、ツールの降下との調 整のための試験が必要である。 (4) 深度測定方法（CCL）の適用性評価 課題としては以下のことがあげられた。 ① 今回の作業は平成 17 年度と異なり傾斜 30 度の孔井での計測作業となったが、NL140 ロ ッドのジョイント位置は確実に把握できることが判明した。また、セントラライザーによ りセンサからロッド内径までの距離が大きくなるケースでの CCL 反応が懸念されたが、測 定には特に支障を来たさないことを確認した。 − 34 − (5) 火薬による拡管が周辺地盤へ与える影響等の数値解析による把握 課題としては以下のことがあげられた。 ① 今回の解析は、二次元モデルで実施したが、実際の孔井での拡管のシミュレーションを 精度良く実施するのであれば、三次元で解析する必要がある。 ② 今回の解析では、材料等の破壊を考慮していないが、安全性を評価するためには破壊モ デルを用いて評価する必要がある。 ③ 岩盤モデル解析では、既存の物性値を使用したが、正確な岩盤の変形量および破壊を予 測するためには原位置の岩盤物性値を計測評価する必要がある。岩盤の動的物性値の評価 には、計測手法も含めて考える必要がある。 3.3.4.2 計測システムの設計・試作 計測システムの設計・試作に関する課題としては以下のことがあげられた。 ① サンプリング深度で確実に試験する必要がある。 ② サンプリング中に空気が入らないことを試験により確認する必要がある。 以上のことを踏まえて、更にサンプラーについての追加室内試験、および設置前に原位置試験を行 うことで、孔内流体サンプルの確実な採取を図ることが重要である。 3.3.4.3 オペレーション技術の検討 (1) モニタリングシステム設置方法に関する検討 モニタリングシステム設置方法に関する検討に関する課題としては以下のことがあげられた。 ① 検討した設置方法、孔跡及び SPMP ケーシング、セントラライザー、フレキシブルチュー ブ、孔井調査、パッカー圧を基に設置方法に対する更なる詳細な検討および治具の開発を 行っていく必要がある。 (2) バックアップ技術の検討 バックアップ技術の検討に関する課題としては以下のことがあげられた。 ① 抽出したトラブル事項、その発生原因の予測、対策を基にトラブル事項に対する更なる 詳細な対処処置検討および治具の開発を行っていく必要がある。 (3) 掘削技術・設備との共有化検討 掘削技術・設備との共有化検討に関する課題としては以下のことがあげられた。 ① 各作業に検討した掘削技術・設備との共有化検討を基に共有化事項に関する更なる詳細 な検討および設備の開発・改良を行っていく必要がある。 − 35 − 3.4 技術のシステム化および現地適用試験 平成 17 年度の掘削システムにおいては、コントロール掘削実用化のため、掘削中に遭遇する困難な 地層を想定した改良・開発を行い、平成 18 年度は大曲断層を対象とした断層破砕帯掘削により適用性 を評価した。また、 断層帯における計測技術適用を目的とした手順整理のための適用フローを作成し、 実際の試験位置選定に対応できる様に評価・改良を実施した。 平成 18 年度の適用試験における孔内計測技術の適用評価は、引き続き WL-LWD および透水・採水・ イメージング装置について実施し、その他の技術は地上試験の実施によりシステム化に向けた開発を 継続した。 3.4.1 現地適用試験 平成 18 年度の適用試験は、より困難な地質事象である大曲断層掘削を目標として実施した。掘削地 点は断層掘削のために選定された上幌延地区に移動し、HCD-3 孔として行った。掘削に先立ち、敷地 の造成、基礎コンクリート設置、機材および防寒設備を組み立てた。大曲断層の掘削を主体とするた め、掘削長 200m 区間まではノンコアリング掘削し、ケーシングの挿入により仕上げた。200m 以降で はコントロールコアリングにより断層帯掘削を実施した。また、掘削時にはコントロールドリリング システムを構築するため、引き続き WL-LWD および透水・採水・イメージング装置を適用させた。 適用試験は、5 月から 12 月までの約 8 ヶ月間で実施した。また、掘削の軌跡計画は傾斜角度 35 度 のノンコアリングと 10m に 1 度の増角率で掘削するコントロールコアリング区間で作成され、それぞ れの掘削長は 200ｍになった。以下に適用試験の実施項目および概要を記す。 3.4.1.1 適用試験実施地点の造成 大曲断層を対象とした適用試験を実施するための地点は、 平成 17 年度に北海道天塩郡幌延町字上幌 延 280-1 に選定した。平成 18 年度は、借地範囲の決定のために測量作業を行い、造成する借地範囲を 決定した。掘削方向は断層帯へ早期に到達可能な方向を目指すため S40°W に設定した。造成終了後の 基礎作成においては、掘削方向を満たす基礎コンクリートを据え付けた。また、造成に伴う資材およ び機材の運搬を実施するためにサイトに接する道道遠別幌延停車場線との取付道路を作成し安全な通 路を確保した。 試験サイトの造成は、造成範囲の伐開および測量から実施した。測量後に必要な造成範囲内につい て切り盛りし整地した。整地された範囲内は、雨などによるぬかるみを防止する目的で盤砕と呼ばれ る砕石を搬入し敷き均した。整地作業に併せて道道との取付道路を造成した。 敷地の造成が終了した後に基礎コンクリートを造成した。基礎コンクリートの据え付けの際には、 試錐機および防寒設備用基礎およびアンカーボルトの取り付け、セーラ枡を設置した。 − 36 − 作成する基礎コンクリートは北進地区と同様に型枠にモルタルセメントを流し込み作成した。セー ラ枡は BOP 設置が可能な深さの枡を据付、基礎コンクリート打設により固定した。 基礎コンクリート設置のため、造成された範囲内に収納される基礎位置を測量し、掘削された箇所 に型枠および鉄筋を組み立て、セメントを流し込んだ。セメント打設後は十分な養生期間を置き設営 を実施した。 3.4.1.2 掘削のための設営・防寒設備の組立 基礎コンクリートの設置終了後、必要な機材および試錐機を配置し、防寒設備の組み立てを実施し た。使用する機材および資材はトレーラーおよび大型トラックにより適時搬入した。 組み立ては、試錐機のベースとなる鋼材から設置し、 ケミカルアンカーボルトによる固定を行った。 ベース鋼材取付後に試錐機を組み立て、油圧起倒装置の動作を確認した。 試錐機設置にあわせ、防寒マスト内に設置される機材を設置し、防寒設備を組み立てた。防寒設備 の組み立て終了後、事務所として使用するユニットハウスを設置した。 3.4.1.3 ノンコアリング掘削およびケーシング挿入 ノンコアリング掘削は、口元保護管の設置、12 、10 および 8 サイズのシュービットによる掘 削、仮ケーシング挿入後のパイロット孔掘削により 200m まで掘削した。 10 シュービットによる掘削時には、ケーシングが切断するトラブルが発生したが、残置したケー シングをタップにより回収することで予定したケーシングプログラムを満足することが出来た。 12 、10 および 8 サイズのシュービットによる掘削終了後には、同サイズのケーシング挿入お よびフルホールセメンチングを実施しパイプを固定した。 口元保護管の設置は、セーラ掘削時に発生した湧水による危機回避を目的に実施した。無水掘削に より 8.5m 到達後、そのまま口元保護管として設置した。ケーシングの固定は管内浚渫後の孔底部およ び口元部に実施した。口元保護管は 1 段目の掘削サイズを考慮し 14 SGP パイプを選択した。ケーシ ング先端にはコンポジットにより加工したケーシングシューをビットとして取り付けビット外径を 362mm とした。掘削後、管内を 8-1/2 トリコンビットおよび 12 シュービットにより浚渫後に孔底 部をセメント置換した。セメントミルクは比重 1.80 にて作成した。また、口元固定は湧水による影響 があるため、排水を行いながら、セメント添加剤マノール(速硬剤)を使用したモルタルセメントで固 定した。 1 段目の掘削は 12 STPG ケーシングパイプを使用して実施した。ケーシングの先端にはコンポジッ トにより加工したケーシングシュービットを取り付けた。作成したシュービット(φ325mm)により GL-20.50m まで掘削した。掘削中は掘削長 5.0m 毎にカッティングスを採取した。掘削検尺終了後、ケ − 37 − ーシング引き上げ、先端ビットの取外しを行い、ケーシングを再び挿入した後にセメンチングを実施 した。セメンチングに使用したセメントミルクの比重は 1.80 で計画し、裸孔区間のセメントミルク量 を 2 倍で計算し作成した。セメントミルクは 12 ケーシングパイプ管内に送り込んだ後、後押し栓を 加圧することでアニュラス側に回帰させた。セメントミルクの回帰状況を確認し、1 段目の設置作業 を終了した。1 段目のケーシング設置深度が GL-20.00m であることを検尺により確認した。 2 段目の掘削は 10 STPG ケーシングパイプを使用して実施した。ケーシングの先端にはコンポジッ トにより加工したケーシングシュービット(φ274mm)を取り付け、GL-52.50m まで掘削した。掘削中は 掘削長 5.0m 毎にカッティングスを採取した。掘削中においては、逸泥の発生およびケーシング切断な どのトラブルが発生した。逸泥にはセメンチングを行い、切断したケーシングはインサイドタップに より回収しトラブルを回避した。掘削検尺終了後、ケーシング引き上げにより先端ビットをフロート シューに切り替え、ケーシングを孔内再挿入した後にフルホールセメンチングした。使用したセメン トミルクの比重は 1.75 で計画し、裸孔区間のセメントミルク量が 2 倍となるように作成した。セメン トミルクはインナーストリングスを接続した BQ ロッドを孔内に挿入し、 先端フロートシューに差し込 む方式で実施した。セメントミルクはエンジンポンプにより圧入し、セメンチング中はポンプの送入 圧力および送入速度を確認した。セメントスラリーが口元からの還流したことを確認しセメンチング を終了した。2 段目のケーシング設置深度が GL-52.16m であることを検尺により確認した。 3 段目の掘削は 200m までを予定しているため、掘削中に発生する回転トルク増によるケーシングパ イプ切断を回避するため、シールドパイプを掘削パイプとして使用した。8 を使用すると 200m 掘削のためには重量が重く制御が困難となるため、8 サイズのシールドパイプ サイズの TR216 パイプを先 端に 8 本使用し、それ以降は 7 サイズの TR178 パイプを使用した。パイプの先端にはコンポジット シュービット(φ223mm)を取り付け、GL-195.2m まで掘削した。掘削中は掘削長 5.0m 毎にカッティン グスを採取した。 予定深度である 200m の手前で堀止めを行った経緯は、 コアリング掘削時にパイロット孔を必要とす るためである。掘削中は、逸泥の発生が確認されたが LCM 循環による対応で掘削を継続した。検尺終 了後に掘削パイプを引き上げ、フロートシューを接続したケーシングパイプを 195m まで挿入し、セメ ンチングを実施した。使用するセメントミルクの比重を 1.80 で計画し、孔径の拡大を考慮し裸孔区間 のセメントミルク量は 4 倍で作成した。セメントミルクは 2 段目と同じくインナーストリングスを接 続した BQ ロッドを孔内に挿入し実施した。セメントミルクはエンジンポンプにより圧入し、セメンチ ング中はポンプの送入圧力および送入速度を確認しながら慎重に打設した。セメントスラリーの口元 からの還流を確認しセメンチングを終了した。2 段目のケーシング設置深度が GL-195.00m であること 検尺により確認した。 4 段目のコントロールコアリング開始前にパイロット孔を掘削した。パイロット孔は水圧拡径装置 − 38 − のビット外径φ152mm のサイズのノンコアビットで掘削し、掘削編成のコアバレル（2.6m：2m コア採 取時)、水圧拡径装置(0.7m)およびダウンホールモータのベントサブまで(1.2m)の約 4.5m 分が裸孔部 に配置されるように、5m を確保した。パイロット孔の掘削に先立ち、NL140 ロッドと 8 ケーシング のクリアランスの差を縮小するため TR178 パイプを仮ケーシングとして挿入した。挿入深度は 3 段目 セメンチングのフロートシュー上部の 194.70m とした。 3.4.1.4 コントロールボーリング掘削 平成 18 年度はコントロールボーリングにより、200m∼400m の 200m 間を掘削した。実施区間のコア 採取率は 99.8%であった。しかし、コアの流出を発生させた深度は断層帯到達前の浅い深度において 発生しており、コアバレル側への流量の調整により、以降の断層帯掘削では 100%の採取率を達成でき た。コアリングを実施した期間は 10 月 6 日∼11 月 25 日であり、その間に 3 回の水理試験、WL-LWD の適用、コンベンショナル装置での検層の実施を含む。実掘削期間は 34 日間であり 1 日あたりの掘削 能率は 5.88ｍとなった。 平成 18 年度の掘削に発生した特徴的な事象は 210m 付近で発生した逸泥程度であった。その逸泥の 発生も、北進地区で発生したような大量逸泥につながるものではなく自然割れ目への流出であったと 考えられ掘削の継続により逸泥は回復した。 断層帯区間においては、想定危機と対応フローによる管理の下で掘削を実施した。掘削中は、危機 の早期発見のためフィード力計測、コア観察、泥水性状計測、タンクレベルの計測、WL-MWD パラメー タなどにより、異常の発生をモニタリングした。しかし、断層に起因する孔壁崩壊・大量逸泥などの 危機を発生させることなく本年度の掘削を終了することが出来た。 孔内圧力環境を安定化させるため実施した孔内洗浄および孔壁整形で、スライム排除効率評価値が 平成 17 年度の実施結果(最大 3.1%)と比較し大きく改善できたことを確認した。 3.4.2 適用試験における技術のシステム化 掘削システムと併せたシステム化のために、適用試験において WL-LWD を接続した掘削および透水・ 採水・イメージング装置の適用を実施した。 WL-LWD を組み込んだコントロールドリリングシステムの掘削適用試験は、20m 区間での実施を目標 としたが、装置のトラブル発生により 329.50m∼346.9m の 17.4m 間での実施となった。装置のトラブ ルは、拡縮パットの開閉不能と WL-LWD 内部通信ラインの断線が併発したことによるものである。 透水・採水・イメージング装置の水理試験は、コア孔パッカーを用いた 210.5m 地点と大口径パッカ ーを使用した 317.85m∼328.00m、371.59m∼400.00m の 2 地点の合計 3 地点で実施した。 − 39 − 3.4.3 コア観察 現地適用試験の掘削地点周辺の既存ボーリングデータおよび反射断面の判読結果から、 平成 18 年度 掘削区間には稚内層の分布を想定した。また、大曲断層は 270m、 300m、 340m の 3 条に分岐し、断層 両側のダメージゾーン（30m）を加えた 240m∼370m までが大曲断層と想定した。また、大曲断層を構 成する断層岩のコア採取と最短での掘り抜きを達成するため、 掘削方向を断層に直交する SW 方向とし た。 3.4.3.1 コア観察結果 HCD-3 孔では、コントロール掘削により累計 400.00m を掘進し、200m 以深についてはコア採取を行 った。200m∼400m までの 200m 分のコア観察により、平成 18 年度の現地適用試験箇所の地質をまとめ る。 ①岩相は、基本的に層状珪質のシルト岩・泥岩互層の産状を示すタービダイトである。シル ト岩∼泥岩で１ユニットを構成し、ユニット間隔が 1m 前後の「細互層部」とそれ以上の互 層が連続する「 （厚）互層部」に分けられる。261.87m 以浅は厚互層部が多く、一部に石灰 質ノジュールや凝灰岩層を挟み、大型貝化石（片） ・生物擾乱が顕著であるが、これ以深は 細互層部で、貝化石片や有孔虫が認められるのみである。ラミナは、断層岩区間を除けば 不明瞭ながら連続的に観察される。 ②コア計測データのうち、硬度（L 値）は 500-600 程度が通常で、断層帯箇所（とくに断層 ガウジなどの軟質部）に対応して数値が 250 程度まで急激に低下する傾向が顕著である。 これは、HCD-1・2 孔コアの 700-800 程度で平均する傾向とは明らかに異なり、平成 18 年 度掘削区間の稚内層が全体に軟質で、断層帯ではさらに軟化することを示している。 ③平成 18 年度掘削区間では断層が断続的に分布し、これらをグループ化して「断層帯」とし た。「断層帯」は、中心部の断層岩（断層ガウジ）幅が 10cm 以上で、周囲の系統的割れ目 群を含めた区間を設定した。ほかに、断層帯から独立した系統的割れ目群（平行割れ目群） も存在する。 ④平成 18 年度区間で、12 帯（f1∼f12）の断層帯を識別した。断層帯の幅を合計するとコア リング区間の 40%に達し、幅の大きいものは当初想定の大曲断層位置にほぼ一致した。 ⑤大曲断層は、反射断面では地下約 400m から地表に向かって分岐する構造であり、最も西側 の分岐断層は計画掘削軌跡の 410m 付近で交差する予定である。390m 付近の f11 でもカタ クレーサイトが分布すること、f9 を抜けて以降も層理面傾斜に劇的な変化はあるものの稚 内層と異質な岩相に逢着していないことを考え合わせると、 掘進長 400m までで大曲断層を 抜けたとは判断できない。 − 40 − ⑥10m 付近に想定される分岐断層では、地下の背斜構造の上に大曲背斜がスラストアップす る構造形態が想定され、ここまでよりもさらに大きな変位を持つ（断層岩の規模が大きい） 断層帯の可能性がある。こうした箇所では異常高圧層・泥岩流動（泥ダイアピル）による 泥岩層の肥厚化などの可能性もある。下盤が石英帯であれば、HCD-2 で認められた大量逸 泥をもたらす割れ目帯の分布も懸念される。 ⑦断層帯掘削の過程で、断層帯周辺では逸泥のほかに顕著な油・ガス徴が認められた。 3.4.3.2 コア採取 本年度掘削では、コア採取率はほぼ 100%（99.8%）であった。脆弱軟質な断層ガウジが頻繁に出現 し、断層帯が全コアリング区間の 40%に達したにもかかわらず、コア状態は良好であった。 3.4.3.3 コア試験 コア観察から大曲断層には 200∼400m 区間で 12 条の断層帯が認められる。f3 の断層帯から以降を 大曲断層として認定した場合、本孔井での大曲断層の上盤の境界は 265ｍ、また下盤の境界は 400m 以 深と想定できる。 このような断層の分布と各特性のプロファイルには以下のような関係が認められる。 ①エコーチップによる硬度は、断層内で若干小さな値を示す箇所が認められる。測定はガウ ジや方クレーサイトを避けて実施しているが、破砕の影響を受け小さな値を示していると 想定される。 ②帯磁率は急激な変化はなく、また断層の分布との関連は認められない。 ③密度、間隙率については、230∼240m を境に値が変化する。試料を堅岩部から採取してい る関係から、断層分布との明瞭な関係は認められない。 ④一軸圧縮強度のプロファイルは深度や断層分布に依存した傾向は認められない。 ⑤透水プロファイルは深度や断層分布に依存した傾向は認められない。 ⑥地下水水質、特に Na-Cl 濃度の分布は 200m 以深、ほぼ一様である。JAEA 幌延深地層研究 センター周辺では、大曲断層の上晩側(東側)の浅部には塩濃度の薄い地下水が分布すると されているが、 本地点では少なくとも 200m 以深には地表からの降水起源の地下水は認めら れない。 ⑦鉱物分析結果から、本孔井に分布する地質はすべて稚内層であると判断でき、この深度ま では断層の変位による地層のギャップは確認できない。 − 41 − 3.5 掘削管理システムの検討 掘削管理システムの検討として平成 18 年度は、想定危機の見直し、試錐機、機器メンテナンスの実 施および掘削中に遭遇する崩壊層・逸泥層への対応システムの開発に関して見直し検討を実施した。 3.5.1 想定危機の抽出、検討 断層帯掘削に伴い想定される危機回避の考慮を行うとともに平成 19 年度以降に実施される水平孔 掘削時に想定される危機についても検討し、危機回避表の見直しを実施した。 各装置に関する見直しを実施することで、危機回避表の改良を実施できた。 3.5.2 試作装置、機器メンテナンスの実施 試錐機のフィード能力強化のため適用試験前に油圧ユニット、フィードシリンダの改良を行い、試 錐機の能力強化とともにフィードと回転の給圧を別途調整できるようユニットを増強した。 平成 17 年度実施したメンテナンス時期の検討結果および試錐機フィード能力の検討結果に基づく 再評価を行い、コアバレルは消耗による掘削ビットの交換は発生しなかったことから想定の倍の区間 オ− を掘削することができた。また、水圧拡径装置では、Ｏリングに想定以上の損傷があり、特に切断し ている場合が多いことが確認された。 改良した試錐機の掘削時の能力評価からは、 掘削時フィード力が掘削長 270m 地点を境に変化してい ることが確認された。また、掘削による摩擦係数の算出により、掘削長 270ｍまでの区間における抵 抗値が大きいことが確認できた。また、それ以降の区間では摩擦係数が限りなく０に近い値となり、 摩擦減少効果が非常に得られていることが考えられた。 洗浄の実施により、先の境界前後の変化量に大きな差がなくなったことから、洗浄の実施によりリ ーミング効果が得られていることを確認した。 3.5.3 掘削中に遭遇する崩壊層・逸泥層への対応システムの開発 ワイヤーライン式セメンチングシステムについて詳細設計をもとに装置の試作を行い、適用試験に おいて動作チェックを実施した。セメントを注入するために必要な条件として、パッカーの拡張圧お よびセメントの注入圧を設定し確認した。その結果、パッカーの拡張圧は 3kgf/cm2、セメントミルク 最大注入圧力は 2.5kgf/cm2 であると確認した。 − 42 − 3.6 総合システムの検討 フェーズ１において構築された基本システムはフェーズ 2 においても変更していない。 Ⅰ.コントロール掘削コアリング工法システム Ⅱ.ワイヤーライン式ケーシング追従工法システム Ⅲ.ワイヤーライン式掘削検層システム Ⅳ.ワイヤーライン式原位置測定システム （Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ）ワイヤーライン式ケーシング追従型コントロールコアリング検層システム （Ⅰ+Ⅱ）ワイヤーライン式源位置測定システム 平成 18 年度も引き続き、現地適用試験による（Ⅰ+Ⅱ）ワイヤーライン式原位置測定システムの実 証試験を実施した。 3.6.1 総合システムの再構築 平成 17 年度からの変更要素は、孔井曲げ掘削技術については、試錐機能力の再検討による能力強化 の検討、水平押し込み装置の開発を行った。先端探知技術は、現地適用試験実施前にフィールド試験 を行い掘削編成全体から受ける磁気影響の調査を実施し、より高精度な磁気影響補正式を算出し適用 させた。また、ウインチマンディスプレイの設置を実施することで各作業員間の意思疎通の向上を図 り、安全面に対する改良を実施した。コア採取技術では、採取コアと掘削パラメータの関連性に関す る検討を実施した。共通装置については、水平押し込み装置として水圧により押し込み力を発生する 装置を試作し、地上試験による動作を確認した。また、スライム採取のためのスライム採取ベーラに 関する改良を実施した。 これらの技術をシステム化した適用試験では、 掘削長 200m までのノンコアリング掘削およびケーシ ング挿入を実施し、コントロール掘削を行い、掘削長 400m までのコアリングを行った。掘削長 200m ∼400m までのコアリングにおけるコア採取率は 99.8%となった。 検層・測定技術では、透水・採水・イメージング装置について、コア孔パッカーを用いた掘削長 210.5m 地点と大口径パッカーを使用した掘削長 317.85m∼328.00m、 371.59m∼400.00m の 2 地点の計 3 地点で 適用試験を行った。また、WL-LWD は拡縮パットが開閉不能となるトラブルが発生したが、掘削長 329.50m∼346.9m の 17.4ｍ間で適用試験した。総合システムの検討においては、改良・開発された装 置をもとに総合システム化に対する現地適用試験時の問題点・改良点を抽出し、各技術をシステム化 するために必要となる要素を各構成技術別に取りまとめた。 総合システムを再構築するため、断層帯掘削時の対応フローおよび水理試験区間の選定手順のシス テム化を実施した。断層帯掘削時に想定される主な危機として、 「孔壁の崩壊」、 「コア採取率の低下」、 「逸泥の発生」が考えられる。これらの危機の初期発生により大きなリスクが伴うとともに、完全に − 43 − 発生してしまうと回避するために大掛かりな対応を必要とする。そのために、危機発生の初期段階で の早期発見と初動回避を実施するため、対応手順の構築を行った。 想定危機に対する主な対応についての検討を実施し、掘削時に得られる情報から早期発見のために 注視する項目を分類し、注視項目の変動により想定危機につながるまでに実施する初期回避のための フローを組み込み、危機対応フローを作成した。 水理試験のためには、パッカー拡張箇所の割れ目やスライムの沈降状況など、孔内環境の把握が必 要であり、管理手順を含めた最適な試験箇所を選定することが求められた。そこで、コア孔パッカー と大口径パッカーの 2 種類の選定フローを作成した。適用試験ではフローに基づく試験箇所を選定で きた。 3.6.2 掘削マニュアルの改良 平成 17 年度までに作成した掘削マニュアルをさらに高度化するために、平成 18 年度は新たに実施 した作業と、過年度までに不足していた部分を追加修正した。 3.6.3 掘削・調査データの統合化 3.6.3.1 掘削・調査データ統合化システムの現地適用と改良 掘削・調査データ統合化システムを現地適用試験において運用した結果、システムは安定して動作 し、各種調査データを正常に統合化データベースに蓄積することを確認した。 今後、データベースに統合する調査データの種類が増えることを想定し、より汎用的なシステムと なるようにデータベースの再設計を実施した。これとあわせて、データ統合化システムで使用するデ ータ管理ソフトウェアおよびデータ閲覧用 web ページの改良を行い、使用性の向上と情報の共有化を 高めるための機能を追加した。新規に構築したシステムは模擬データを用いた動作確認試験により正 常に機能することを確認した。今後は現地適用試験において運用を行い、その適用性を確認する必要 がある。 現状のデータ閲覧用 web ページでは、データベースに蓄積された各種の調査データを数値データと してダウンロードすることが可能である。しかしながら、調査データの傾向把握や地質性状との対比 を行うためには簡略な手順により調査データを可視化する機能の実装が必要と考えられる。 3.6.3.2 概要地質モデルに関する検討 事前調査データから作成した初期地質モデルに、原位置で得られる掘削データを反映し、ボーリン グ孔周辺部の詳細な地質性状の分布を与える概要地質モデルの作成方法を提案した。現地適用試験で − 44 − 取得されたデータを使用し、概要地質モデルの作成フローに沿って、初期地質モデルの作成、地質モ デルの検証、概要地質モデルの作成および更新を行った。屈折波トモグラフィの速度分布から地質性 状分布の異方性と連続性の程度を明らかにした。また、掘削データを用いて初期地質モデルの妥当性 を確認した。ボーリング孔周辺部における岩盤強度と関連する掘削強度の空間分布を推定し、その推 定精度を検証したところ、断層の存在が推定される位置では推定誤差が大きくなることが示された。 − 45 − 4. 本年度の開発目標 フェーズ 1 の 5 ヵ年では、掘削技術としてのコントロールドリリング基本システムを構築した。第 フェーズ 2 では要素技術の開発および改良を進める一方で調査技術と併せた「掘削・調査システム」 の統合化ための検討を進めてきた。本年度は、適用試験で困難な地層を掘削するために必要な装置を 改良し、統合した総合システムを構築する掘削・調査システムの一層の高度化を図るとともに、緩傾 斜から水平に向けた掘削システムを目指す。 4.1 概論 本年度も昨年度に引き続きコントロールドリリングシステムを構成する掘削技術のシステム化を 現地適用試験により進め、調査システムと掘削システムを統合するために必用な共通装置の開発を行 う。また、統合する調査システムを構成する要素技術の主要装置の開発・高度化を継続的に行う。 以下に適用試験に向けた掘削技術の改良、孔内計測技術の開発、モニタリング技術の開発、現地適 用試験、掘削管理システムの構築および技術の統合による総合システム化に向けた目標を掲げる。 コントロールドリリングシステムを構成する 4 つの要素技術は、①孔井曲げ掘削技術、②先端探知 技術、③コアリング技術、④孔内計測技術であるが、平成 15 年度から平成 18 年度にかけて行われて いる現地適用試験では、主に①∼③の要素技術の構成により実施されてきた。本年度も引き続き同じ 構成（コントロールドリリングシステム 2）により適用試験を実施することとなるが、④の検層装置 となる WL-LWD をより困難な地層となる断層帯へ適用させることを計画に盛り込み、その適用性の評価 を行う。 コントロールドリリングシステム 2 では、これまでに開発してきた試作装置を掘削に適用させるこ とで、システムとしての完成度を高めてきた。フェーズ 1 から実施した現地適用試験では大量の逸泥 に遭遇し、その回避方法として、ベーラーによるセメンチング手法、孔内環境改善のための洗浄の実 施、WL-CTS(ワイヤライン式セメンチングシステム)などを開発した。また、平成 17 年度までの適用試 験は比較的均一な安定した泥岩層での掘削となっていたが、平成 18 年度からは破砕帯および崩壊層な ど困難な地質条件下における掘削が実施された。しかし、現在までの適用試験ではボーリング技術高 度化の当初目標の一つでもある傾斜から水平までのコントロールの実施については水平孔掘削までに は至っていない。 コントロールドリリングシステムの完成度を高めるためには、①破砕帯および崩壊層への対応、② 水平掘削の実施、は必要不可欠な要素であり、本年度もシステムを構成する各要素技術について改良・ 開発を実施することで、 様々な環境に対応したシステムの高度化を実現させていく必要がある。また、 コントロールドリリングシステムを高度化させるために上記要素技術④孔内計測技術を含めたシステ − 46 − ムの構築は必須となる。最終的なシステム化のためには、WL-LWD を含めた断層帯掘削および水平孔掘 削の実施が必要であり、それに伴い実施される水理試験他の孔内計測技術適用のためのマニュアル整 備を行うことが重要となる。 それら整備のためには現地適用試験での高度化･検討を行う必要性は高い。 そこで、WL-LWD 装置による掘削および既に孔内試験の適用が可能な水理試験装置をモデルとした孔 内計測技術適用のためのマニュアルを整備することで掘削・調査技術システム構築を図る。そのため にも、本年度はコントロールドリリングシステムとして構築可能なシステムを用いて昨年度選定され た新掘削地点において大曲断層を対象とした断層帯区間の掘削および水平を目指した掘削によってそ の適用性の評価を実施していく。 コントロールドリリングシステム高度化を目指した各要素技術の開発概要を以下にまとめる。 各項目の開発目標・実施項目については 4.2 項以下に記す。 孔井曲げ掘削技術は、平成 18 年度実施した試錐機フィードシリンダおよびユニット改良での掘削 能力に対して、本年度の掘削実績から抽出されるデータを基に 1,000m 級掘削への適用性を再検証する。 また、押し込み補助装置として試作した押し込み補助装置の適用による掘削状況からその適用性の評 価をまとめる。 先端探知技術は、3 軸方位センサのうち X 軸方向のみ磁性の影響を受けることが確認されている。 その値が、掘削装置、NL140 ロッド、測定地域により変動するものと確認されたことから、現地にお ける磁気確認を実施することでより高精度の磁気補正式を求める。さらに、完全に排除困難な磁気影 響対策として、高度化した補正式による算出結果の正当性の評価を実施するために、コンベンショナ ルなジャイロ測定器による孔内計測を実施することで、 本年度の WL-MWD による軌跡との比較検討を行 う。昨年度実施したジャイロセンサをシステム化するための情報収集に関しても本年度も継続して行 い、システム化のための検討を行う。また、ドリラーディスプレイの改良によりモニタ表示画面を作 業の死角となる重要箇所を可視化できるようにする。 コアリング技術においては、本年も掘削される断層帯区間および緩傾斜から水平区間において、コ アリング掘削によるコア採取状況を検証する。 掘削システムに統合に必要な共通技術（上記した①∼④の要素技術に共通に必要となる技術）では、 ケーブル仕様の検討を行う。主として掘削で使用されるケーブルには常時使用しないラインも含まれ る。しかし、掘削時のワイヤラインによるケーブル消耗に伴い、使用頻度が少なくても消耗してしま うこととなる。そのため、システム化に向けて使用頻度に併せた 2 種類のケーブルの検討が必要とな る。また、水平押し込み実施のためには既存ケーブルおよびケーブルウインチでの対応が困難となる ことが考えられるため、必要となる試作・改良を実施する。 孔内計測技術は、フェーズ 1 から各装置単位での開発を継続的に実施している。その中で検層を行 う WL-LWD および水理試験の透水・採水・イメージング装置についてはコントロールドリリングシステ − 47 − ム 2 と合わせた現地適用試験を実施している。そのほか、応力測定ユニットと力学ユニットを併せた 孔内力学測定・孔内応力測定技術、モニタリングシステムが現地適用に向け開発されている。孔内計 測技術を構成する各装置の開発概要は装置別にまとめる。 WL-LWD は、昨年度発生した装置トラブルに対応するための装置強化策の検討を行う。検討のために は本年度の掘削にて断層を含む区間での適用性を評価し、その結果を加味した改良計画を立案する。 また、データ処理ソフトウェアの改良もあわせて検討していく。適用試験に向けた改良のため、可動 部構成部品およびシステムについて、負荷を受ける測定プローブ可動部構成部品の耐久性向上に関す る検討を行う。また、計測データの信頼性向上および膨大な測定データ処置および解析を効率化する ためのデータ処理ソフトウェアを開発する。 採水･透水・イメージング装置は、超音波イメージング装置に関し、より高精度なデータ取得を目 指し、適用孔径を拡大するために必要な機構・回路・プログラムの改良を行う。さらに、取得する孔 井の形状をトラベルタイムから孔径イメージ化する処理を加える。加えて、イメージング装置、透水 試験装置の制御に関する制御および図化処理プログラムの改良を行う。また、パッカーについては変 形量の少ないゴムの材質・構造に関する検討を行い、より耐久性の高いパッカーの試作を行う。本年 度は 、水平孔での掘削が予定され、自重降下が難しい地点での適用試験が想定されることから、水 圧により装置を送り込む水圧送り機構の検討試作を行う。 孔内力学測定・孔内応力測定技術は、本年度は、孔内力学および孔内応力技術の統合化に向けた工 場試験実施を目標に各技術の開発を行う。孔内力学測定技術では、孔内載荷試験ユニットを用いた実 証試験のために試験用ボーリング孔の掘削を行い、そのボーリング孔内において孔内載荷試験ユニッ ト単体での実証試験を行い単独での動作確認を行う。また、統合化ツールにより応力技術と統合した 装置の編成における実証試験を行う。その試験データと数値シミュレーションで得られたデータを比 較し試験から得られるデータの妥当性を評価する。孔内応力測定技術では、力学技術と統合化した連 結装置での実証試験と統合化ツールのコントロールドリリングシステムとの連結に関する検討を行う。 実証試験に向けた水圧破砕サブユニットの改良は、水圧破砕パッカーゴム、水圧破砕用冶具、水圧破 砕用配管系について行う。亀裂計測サブユニットの改良は、亀裂計測部に対して行い実証試験前に性 能試験を済ませる。計測・制御・通信サブユニットの改良は、孔内用モータ、孔内用高圧ポンプ、方 位・傾斜計測、孔内亀裂計測器、計測制御ソフト、統合化のための通信部に関して行う。それぞれの 改良の際には将来的なコントロールボーリングとの連結を検討する。応力および力学ユニットとの統 合に必要なパーツを昨年度の設計に基づき試作する。 モニタリングシステムは、過年度までに設計・試作したプロトタイプのモニタリングシステムにつ いて改良を行い、新規部位の設計・試作を行う。試作したシステムを適用試験サイト場内に掘削する 実証試験孔に適用する。試験孔での計測は、火薬による拡管試験・ケーシング切断試験・BHTV による − 48 − 拡管部の管径計測・CCL による孔井内作業時の深度測定・モニタリングシステムの設置、データ取得 を実施する。これらの試験により、オペレーション技術としてのモニタリングシステム設置方法およ びトラブル発生時におけるバックアップ技術の検討を行う。最終的にはコントロールドリリングシス テムに適用するためのモニタリングシステムの検証方法を確立させる。 断層帯掘削に向けた開発として、昨年度試作した、ワイヤライン式セメンチングシステムに関して、 コアリング孔を含む孔底部分へのセメンチングが可能であり、セメンチング後に加圧養生が可能な装 置への改良を行う。 また、掘削・調査技術のデータ統合化として、過年度より構築しているデータの登録、編集、閲覧 等の一連のデータ管理作業を効率化するデータ管理ソフトウェアの改良と、遠隔地のユーザーが web ブラウザを利用して掘削・調査データの閲覧や掘削の進捗状況を確認できるデータ閲覧用 web ページ の開発評価を行う。データ管理ソフトウェアの改良では、データベースに関する知識を有していない ユーザーであっても、データ管理ソフトウェア上での諸作業が可能となるように、ユーザーインター フェースの改良を実施する。また、データ管理ソフトウェア上でデータベーステーブルの新規作成、 設定の変更等を行なうための機能を追加する。データ管理ソフトウェアの適用性評価として、模擬デ ータベースを使用してデータ管理ソフトウェアの動作試験を実施することにより、機能確認ならびに エラー処理、操作性、パフォーマンス等を評価する。 総合システムの確立のために、現地適用試験から得られる情報から、コントロールドリリングシス テムを稼働・管理のするための掘削マニュアルを準備するとともに掘削・調査技術の統合に向けたシ ステムを再構築する。 − 49 − 4.2 コントロール掘削技術の改良 コントロール掘削技術は、孔井曲げ掘削技術、先端探知技術、コアリング技術で構成され、さらに 共通技術を介して統合(コントロールドリリングシステム 2)されている。本年度のコントロール掘削 技術の改良は、①これまでの適用試験により得られた問題点への対応を行うこと。②断層帯掘削およ び水平孔掘削に必要な装置を準備し、適用試験の実施による結果を評価することが主体となる。以降 に、本年度実施する改良・開発の目標を技術毎にまとめ報告する。 4.2.1 孔井曲げ掘削技術の改良 フェーズ 1 において開発された孔井曲げ掘削技術を構成する主要装置は、専用試錐機、先端駆動装 置、水圧拡径装置、ケーシング追従装置、掘削パイプ（ケーシング）等である。各装置は工場試験お よび適用試験により評価されている。これらの装置を使用し断層帯掘削および水平孔掘削を実証評価 することで更なる高度化を目指す。また HCD-2 孔では 700m 級の掘削が実施された。掘削時には大量逸 泥などに遭遇したが地質的には安定した堆積岩の掘削であった。 本年度の孔井曲げ掘削技術では、改良した試錐機による断層帯および緩傾斜から水平にかけた掘削 での能力の再評価と、 緩傾斜から水平掘削時に適用する押し込み補助装置の孔内での動作を再評価し、 必要に応じ改良を実施することで今後の実用化に向け検討する。 4.2.1.1 試錐機フィード能力の再評価 試錐機のフィード能力は当初 20t を目標として開発し、評価として適用試験の掘削環境下で取得し たデータから、フィード能力で 1,000m を掘削するために必要な力があることが確認できた。しかし、 評価には油圧効率や困難な地質事象などの環境要素が加味されていないため、断層帯掘削によるフィ ード抵抗増加と水平孔掘削による摩擦抵抗増加などで能力が不足する可能性は否定できない。そのた めに昨年度、試錐機のフィードシリンダおよび油圧ユニットを改良し能力強化を図った。 昨年度は、改良した試錐機で大曲断層を含む孔長 400m までの掘削を行い、ロッド揚管時および掘 削中のフィード力を計測した。その結果、掘削時は高いフィード力を必要としたが、孔内洗浄後のフ ィード力が仮ケーシング管内での計測結果と同様な増加勾配を示していることを確認した。 本年度も適用試験再開時の裸孔区間で、昨年度終了時と同様の計測を行いその整合性を確認する。 また、昨年同様の値が得られない場合には、孔壁からの押し出し等による孔内危機発生の影響が考え られることから、コアリング実施前にリーミング作業が必要となる。 また、適用試験終了時にも計測を行い掘削延長増加後のフィード力データから、試錐機のフィード 能力を再評価する。 − 50 − 4.2.1.2 押し込み補助装置の改良 昨年度実施した押し込み環境を調査した地上試験結果から、押し込みを必要とする傾斜角度など情 報が確認できた。さらに、工場試験の実施により GFRP ロッドによる押し込み作業が困難であることも 確認されていることから、押し込み補助装置の試作を実施している。 昨年度の装置試作結果では、ラバーによる押し込みの受圧効率を増加するが課題が確認されている。 そのため、複数の形状をしたラバーの施策を実施するとともにその効果を評価する。 また、本年度の掘削では、低角度到達に合わせた押し込み補助装置の適用が想定されるため、装置 適用のための手順の検討が必要となる。試作した押し込み補助装置は、従来のラッチ部分を改良した ものであるため、掘削時の反動トルクの受け方に関する問題を解消しなければならない。 これまでの装置での反動トルクは、ラッチ側のキーとロッド側のキー溝の合わせ面で実行された。 対して、ラッチ改良型の押し込み補助装置へのキーの取り付けが困難なため、装置側のラッチと NL140 アウタパイプ側のラッチ溝にてトルクを受ける構造としている。従来のラッチを使用して掘削を行う 場合、押し込み補助装置への切り替えと同時に NL140 アウタパイプの交換を行う必要が生じ、ロッド の揚管を行わなければならない。 また、 押し込み補助装置を本年度の掘削当初から使用した場合には、 自重降下が可能な区間でも使用することになり、水圧を受圧するためのラバーの消耗性が高い点が問 題となる。そのため、自重降下区間ではラバーを外した状態でセット可能な追加工を行い、押し込み の必要性に応じてラバーを装着して試験を行うことにした。 また、キーを排除していることからセット毎に装置のツールフェイス位置が変わる可能性が高く、 掘削開始前にツールフェイスセットのためのハンドリング手順を整備する必要がある。 本年度の押し込み補助装置では主に、以下の検討・改良を実施する。 ① 押し込み補助装置ラバー形状の検討 ② 自重降下区間におけるラバーレス押し込み補助装置への加工 ③ 装置セット後のツールフェイス設定手順の検討 − 51 − 4.2.2 先端探知技術 先端探知技術に関する本年度の開発項目を以下に示す。 ① 幌延 HCD-3 孔における適用性試験(掘削パラメータの取得) ② ドリラーディスプレイおよびソフトウェアの開発・改良（平成 16 年度からの継続） ③ ジャイロセンサの WL-MWD 磁気影響補正への適用性調査（文献・動向調査） 昨年度のジャイロ計測結果と WL-MWD の計測の比較より、地上磁気影響試験による補正式の代入か ら真方位を導く方法には限界があることが判明している。 より高精度な方位計測を実施するためには、 ジャイロセンサのシステム化が必要であり、そのための適用性調査を継続する必要性は高い。本年度 は昨年度から引き続く調査を実施して、計測方法やセンサの選択などを検討する。 また、ジャイロ検層を孔井内で実施するため、昨年同様方位データの比較検討を実施しするととも に、磁性体の影響範囲をこれまでの DHM から掘削装置全体および NL140 ロッドまで拡大することで補 正式の精度向上を検討する。 4.2.3 コアリング技術 コアリングにより採取されたコアは、現地計測試験で岩盤 L 値が計測される。また、WL-MWD より取 得データとして掘進能率（ROP）、ビット荷重(WOB)およびトルク(TRQ)を取得する。この取得データは、 コアの硬さに影響を受けていると考えられていことから、L 値との比較を実施することで採取コアと 掘削データの関連性の検討を行う。 昨年度の結果からは明確な関連性を確認することは出来なかったが、本年度以降も掘削による取得 パラメータからのデータ検証を継続して実施していく。 4.2.3.1 コア採取状況 コア採取時に得られる情報としては、掘進能率（ROP）がある。掘進能率は単位時間当たりの掘削 長さで評価されることから、MWD 計測データの計測時間から算出することが可能である。また、比較 対照とするパラメータとして、採取コアによる強度が考えられる。一軸圧縮強度として計測した L 値 を換算することにより簡易的な岩盤強度と ROP の比較が可能であるため、L 値と ROP の関連を検証す る。 また、MWD パラメータで計測されるビット荷重(WOB)も岩盤強度を比較する上で参考の値となる。L 値の値との比較により、岩盤強度の硬軟と WOB の変動を検証し、掘削中の適正荷重の評価となるかを 確認する。 − 52 − 4.2.3.2 掘削泥水 泥水比重および MWD 計測から求める垂直深度での圧力管理により、孔底部付近の原位置圧力を算出 することで、適正な孔内圧力が維持されているかの目安となる。 孔内圧力環境の維持のために、昨年度はスライムの排除効率を算出するために使用した。 本年度も同様に孔内圧力環境の変動を泥水比重および垂直深度から求める泥水柱圧力により管理 する。 4.2.4 掘削システム統合化に必要な共通技術 掘削システム統合化に必要な共通技術として、過年度までに試作したケーブルに対し、掘削・孔内 計測時の孔内作業頻度別によるケーブル仕様の検討を行う。また、水平押し込みに補助装置に対応可 能なアーマードケーブルおよびアーマードケーブルウインチの検討も実施する。 4.2.4.1 ケーブル仕様の検討 アーマードケーブルは、掘削時のワイヤラインとしての用途のほかに通信ケーブルの役割も兼ねて いる。試作している通信ケーブルは、掘削に必要なラインと孔内計測に必要なラインを組み合わせて いるため、掘削時および孔内計測時にはそれぞれの用途に対してオーバースペックの状態で使用され ることになる。 昨年度、アーマードケーブルを巻き替える要因となった消耗性の違いは、使用頻度が多くなれば顕 著になる。ドラムの外側に配されたラインほど使用回数が増え、ケーブルの被覆が消耗していく。掘 削システムの中でケーブルを消耗させる最大の要因は、1m から 3m 毎に実施されるコア回収時のワイ ヤラインによるものである。装置の降下・回収の回数は掘削時が圧倒的に多くなる。単純に 1 回のコ アリング長を 2m とした場合、 1,000m の掘削では最低でも 500 回のワイヤラインを実施するのに対し、 孔内計測作業は 10 回前後計画される程度であり、両者には 50 倍以上の使用頻度の差が生じることに なる。 掘削で使用するケーブルは 1,000m の掘削で交換する必要性が高いと想定されるため、使用頻度の 少ない孔内計測用ラインと掘削用ラインを分離することで、ケーブル交換時のコストを抑えるととも に、孔内計測用ラインは複数の地点においても使用可能となり、より効率化した作業を実行できると 考えられる。 本年度は、使用頻度に合わせた 2 種類のケーブル選定を実施し、各種調査技術との体系化のための 検討を行う。 − 53 − 4.2.4.2 押し込み補助装置のためのケーブルおよびウインチの検討 押し込み補助装置は、掘削装置と追従するケーブルの押し込みを水圧で実施する。そのため、追従 するケーブルはフリーな状態であることが望ましい。このフリーな状態においては押し込み補助装置 の動作の力でケーブルを引っ張ることになる。 しかし、既存のケーブルウインチでは油圧で制御されているため、ケーブルの送り出し量を押し込 み補助装置の力に合わせることが困難である。そこで、ケーブルをフリーな状態にすることが可能な アーマードケーブルウインチが必要となる。送り出すケーブルウインチのケーブルドラム回転を油圧 モータから切離すことでドラムの回転をフリーにし、ブレーキ機構を設けることでスピード管理を実 施することが可能であると考えられる。 また、押し込み補助装置の水圧受圧効率を増加するためには、受圧する面積を増加させることが効 果的となる。そのため、現在試作しているアーマードケーブルの外形φ24.5mm を小径化することで受 圧面積を増加させるとともに、ケーブル自体の重量を減量することを検討する。 本年度は、アーマードケーブルの選定およびブレーキ駆動方式のケーブルウインチの試作を行う。 − 54 − 4.3 孔内計測技術の開発 4.3.1 WL-LWD 技術（検層技術） 4.3.1.1 開発方針 高レベル放射性廃棄物処分などの地下空間利用に際しては、対象となる岩盤の地質・物理・力学・ 水理・地化学特性を評価することが必要不可欠であり、地下深部のこれらの特性を把握、評価するた めには、調査の初期段階にボーリング調査を行うこと考えられる。 地下に平面的な広がりを持つ対象物の調査においては、コントロールボーリング掘削が効率的であ る。この掘削の操作を安全かつ効率的に実施するために、また、後続の各種試験の実施位置選定のた めにも、掘削中に検層を行い周辺岩盤の状況を把握することが求められる。 このため、本研究では、平成 18 年度までに試作・改良を繰り返してきた WL-LWD 装置について、さ らなる試作・改良を加え、現地適用性を向上させることを目的とする。 4.3.1.2 (1) 具体的目標 可動部構成部品およびシステムの改良についての検討 掘削時検層を行う上で、本装置には、掘削により生じる負荷に対応する耐久性が要求される。 したがって、本装置の構成部品で特に負荷を受ける測定プローブ可動部構成部品（駆動力伝達部） の耐久性向上が必要である。このため、測定プローブ可動部である測定パッド昇降機構の構成部 品について、掘削時の負荷環境を詳細に検証するとともに耐久性向上のための検討および改良を 行うことが重要である。 本年度は、本年度実施した現地適用性試験結果に基づき、また試験後に本装置を分解して各 構成部品の耐久性について詳細に分析することにより、パッド部の構造上の問題点とこれに対応 する改良案について検討する。 (2) データ処理ソフトウェアの開発 計測データの信頼性向上および膨大な測定データ処置および解析を効率化するためには、ソ フトウェアの試作を要する。特に、音波検層では、6 連の受信センサによる受信波形から初動フ ェーズを自動的に判別し、震源からの距離と初動走時より地盤の音波速度を算出できる自動読み 取りソフトの開発が必要不可欠となる。 本年度は、初動読み取りソフトウェアについて概念設計を行う。 − 55 − 4.3.2 透水・採水技術 本年度の開発目標をイメージング装置、透水試験装置、採水装置、共用部に分けて下記に示す。 4.3.2.1 (1) 機器の開発、改良 イメージング装置 泥水環境下での孔内映像取得のため、音響センサーを使用したイメージング装置の改良を継 続して行う。具体的にはコア孔と拡径孔でのサンプリングウインドウの変更と、孔径の変化(例 えば膨潤等による)をトラベルタイムを用いた音響キャリパーとしての機能の整備を図る。 (2) 透水試験装置 試験実施可能な区間を増やすため従来のコア孔(φ89mm)に加えて、拡径孔(φ152mm)にも対 応可能な大口径パッカーの改良を昨年度に引き続き行う。また、通信線や電源ラインの断線によ りパッカーの収縮が不能になる状態を回避する目的で、自動的にパッカーを収縮するバルブを開 く機能を試作しバルブユニットに搭載する。 (3) 採水装置 ポンプユニット分解清掃時のメンテナンス性向上を目的として、ポンプ部とラッチ部を分離 可能な構造としたポンプユニットの改良を行う。 (4) 共用部 イメージング装置の追加、透水試験装置、その他共用部の変更にともなう制御および図化処 理のプログラムの改良を行う。具体的にはパッカー拡張時に指定圧力でポンプが自動停止し同時 にパッカーバルブも自動閉塞するような自動シーケンス機能の追加、透水試験用グラフの描画機 能の追加、イメージング装置によって取得されたトラベルタイムを元に孔の形状を 3D イメージ 化する機能を追加する。 また、孔の傾斜が水平に近づき試験区間への装置の自重によるセットが困難となることが想 定されるため、水圧を受けることで装置の推力に変換する機構を持った送り込み装置を開発し現 地適用性を評価する。 4.3.2.2 原位置適用試験 上記装置の開発・改良について、上幌延現地適用性サイトにて原位置試験を行い、適用性の検討と 改良を行う。試験は次ページに示した３回を予定し、大口径パッカーの現地適用性を評価するため、 基本的に掘削終了後、コア孔の拡掘作業を行い拡径区間を試験対象とする。 − 56 − (1) 第 1 回目試験 大曲断層通過後の断層下盤側の断層影響帯における透水性状と地下水水質の把握を目的と として試験を実施する。なお、大口径パッカーの現地適用性を評価するため掘削後、拡径作業を 行い拡径孔を試験対象とする。 (2) 第 2 目試験 大曲断層通過後の背斜構造軸部における透水性状の確認、地下水水質の把握、賦存ガスの確 認に加えて、別途開発、適用試験中の WL-LWD の動作確認と水理試験情報との整合性確認(割れ目 情報の取得)を目的とし試験を実施する。 (3) 第 3 回目試験 大曲断層から離れた箇所における透水性状と地下水水質の把握および孔井傾斜が水平に近 づくことから水平区間での試験装置の動作確認を目的として試験を実施する。 − 57 − 4.3.3 孔内力学／孔内応力測定技術統合化 検層・測定技術のキー技術である孔内応力測定技術と孔内力学測定技術を孔内力学／孔内応力測定 技術として昨年度より統合化する検討を進めている。本年度は統合化装置試作に向けた開発・高度化 を行う。 4.3.3.1 孔内載荷試験ユニット（孔内力学測定技術） 孔内力学測定技術の主要装置となる孔内載荷試験ユニットは、単体室内試験、単体現地実証試験及 び統合化ツールによる現地実証試験を行うことにより、各段階で課題を抽出することを目標とした。 各試験の目標は次の通りである。 (1) 単体室内試験 孔内載荷試験ユニット単体で、鋼管を用いた載荷試験を室内で実施し、変位測定に関する課 題を抽出する。また、人工岩を用い掘削試験及び載荷試験を室内で実施し、掘削装置による掘削 能率、掘削時の給排水状況、ゴムスリーブ外周に設置した変位計ターゲットの固定状況、加圧に よる変位測定を確認し、課題を抽出する。 (2) 単体現地実証試験 亀裂を含む自然岩に対し、掘削試験及び載荷試験を実施し、掘削装置による掘削能率、掘削 時の給排水状況、ゴムスリーブ外周に設置した変位計ターゲットの固定状況、加圧による変位測 定を確認し、課題を抽出する。 (3) 統合化ツールによる現地実証試験 統合化ツール（上部に応力装置を連結した状態）で、掘削試験及び載荷試験を実施し、掘削 時の給排水状況、孔内載荷試験時の測定値取得、孔内載荷試験終了後に行う応力測定での力学試 験ゴムスリーブによる止水性を確認し、課題を抽出する。 4.3.3.2 応力測定ユニット（孔内応力測定技術） 孔内応力測定技術の主要装置となる応力測定ユニットの平成 19 年度開発目標について以下に概要 を記す。 (1) a. 水圧破砕サブユニット 水圧破砕パッカーゴムの改良 耐久性の向上をめざし最適ゴム質と厚みを検討する。力学ユニットの載荷試験用パッカー治 具・配管系と連結するための改良を行うことを開発目標とした。 − 58 − b. 水圧破砕用治具の改良 パッカーゴムの固定金具、連結シャフト、注水管の耐圧性の検討と改良を行うことを開発目 標とする。 c. 水圧破砕用配管系の改良 下部パッカーへの配管、配線に対応した最適な配置の検討とその改良を行うことを開発目標 とする。 (2) a. 亀裂計測サブユニット 亀裂計測部（センサ）の改良 電極の形状、配置の最適化と耐圧、耐久性の向上のための改良を行うことを開発目標とする。 b. 亀裂計測サブユニット性能試験 改良した亀裂計測部および(3)計測・制御・通信サブユニットの亀裂計測器を使用し、花崗 岩供試体による 2 軸載荷試験を行い亀裂検出精度の確認を行うことを目標とする。 (3) a. 計測・制御・通信サブユニット 孔内用モータの改良 試作した孔内用モータの耐久性を検討し、改良を行うことを開発目標とする。 b. 孔内用高圧ポンプの性能試験と改良 試作した孔内用高圧ポンプについて性能試験と改良を行うことを目標とする。 c. 圧力、流量計測パーツの試作 昨年度設計した圧力・流量計測パーツについて、パッカー側に配置したものを試作すること を開発目標とする。 d. 方位計、傾斜計測パーツの改良 試作した方位計、傾斜計パーツについて精度向上のための改良を行うことを開発目標とする。 e. 孔内亀裂計測器の改良と耐水、耐圧性のための設計 H18 年度試作した孔内亀裂計測器について、統合化後の測定精度向上のための改良と、耐水、 耐圧性のための設計・試作を行うことを開発目標とする。 f. 計測制御部（計測ソフト等）の改良 H18 年度改良・試作した計測制御部について操作性向上と統合化に対応した改良を行うこと を開発目標とする。 g. 注水制御部の試作 水圧破砕試験の注水制御のための孔内用電磁バルブ制御部の試作を行うことを開発目標と する。 − 59 − h. 孔内通信部の改良 試作した孔内亀裂計測器と孔外用の計測制御部について、計測・制御が可能な通信部（孔内 通信部、A/D 変換器、注水制御部）の性能向上と統合化に対応した改良を行うことを開発目標と する。 i. 地上計測・制御装置の試作 H18 年度設計した地上計測・制御部について、ケーブルを使って孔内測定が可能な地上計測・ 制御ソフトと装置の試作を行うことを開発目標とする。 (4) a. 力学ユニットとの統合化 統合化に向けた統合パーツ（共有、連結パーツ）の試作 H18 年度設計した応力測定ユニット・力学ユニットの統合のため、共有パーツ・連結パーツ について試作することを開発目標とする。 b. 浅部模擬孔内試験 下部パッカー（力学ユニット載荷試験用パッカー）と連結して、浅部での模擬試験孔におい て、これを用いた統合化ユニットの実験を実施することを目標とする。 − 60 − 4.4 モニタリング技術の開発 4.4.1 モニタリングシステムの設計、試作および評価 昨年度に設計、試作を行ったプロトタイプのモニタリングシステムについて改良を行うとともに、 昨年度は未試作であった部位の設計、試作を実施し、プロトタイプのモニタリングシステムの仕様、 性能等を確認する。 4.4.2 試験用孔井の構築 4.4.1 節で設計、試作するプロトタイプのモニタリングシステムについて、4.4.3 節を実施するた め、試験用孔井を掘削し、掘削終了後 NL140 ロッドを孔井内に設置する。 試験用孔井の仕様を以下に示す。 ① ボーリング掘削長：80ｍ程度（50ｍ以深コアリングを実施） ② 掘削孔径 ：φ152mm ③ 掘削傾斜角度 ：鉛直から 35° 4.4.3 孔内モニタリングシステムの現地適用性試験 昨年度までに室内および模擬孔井で適用性を評価した技術の実岩盤への適用性評価を行うために 4.4.2 節で構築する試験用孔井にて「火薬による拡管∼ケーシング切断∼観測区間確保∼モニタリン グシステムの設置、試験運用」までの適用性試験を実施する。 4.4.3.1 火薬による拡管試験 昨年度までの検討・試験でケーシング荷重の保持方法は、ケーシング内に設置した 100ｇ程度の火 薬を起爆させてケーシングを局部的に拡管し、孔壁に密着もしくは食い込ませる方法が有効であると の結論を得た。本年度は、火薬による拡管技術を用い、試験用孔井での拡管試験を実施する。 また、拡管後ケーシングの押し引き試験を実施し、押し引き耐力を確認する。 4.4.3.2 ケーシング切断試験 昨年度の検討、試験で電動カッターは、ケーシング切断ツールとして有効であることを確認した。 本年度は、この電動カッターを用い、試験用孔井でのケーシング切断試験を実施する。 − 61 − 4.4.3.3 BHTV による拡管部の管径計測 昨年度までの試験で BHTV 検層は拡管部の内径等を確認するツールとして有効であることを確認し た。本年度は、試験用孔井での拡管部の管径計測を実施する。 4.4.3.4 CCL による孔井内作業時の深度測定 昨年度までの試験で CCL 計測は、NL140 ロッドのジョイント部を検知して孔井内の深度を測定する 方法として有効であることを確認した。本年度は、試験用孔井での CCL による孔井内作業時の深度測 定を実施する。 4.4.3.5 モニタリングシステムの設置およびデータ取得 4.4.1 節で設計、試作するプロトタイプのモニタリングシステムを北海道幌延町（コントロールボ ーリング現場内）に掘削予定の試験用孔井に設置、試験運用し、地下水サンプリング、水圧データの 取得を通じて、その性能等を確認する。 − 62 − 4.4.4 オペレーション技術の検討および評価 4.4.3 節で実施する「孔内モニタリングシステムの現地適用性試験」の結果を踏まえ、モニタリン グシステムに関するオペレーション技術を確立する目的で以下に示す項目の検討を行う。 ① モニタリングシステム設置方法に関する検討 ② トラブル発生時におけるバックアップ技術の検討 4.4.4.1 モニタリングシステム設置方法に関する検討 昨年度までに検討したモニタリングシステムの孔井内への具体的な設置方法（数種類）について確 実性、安全性および経済性を考慮に入れて比較検討を行い、設置手順の検討、作成を行う。 4.4.4.2 トラブル発生時におけるバックアップ技術の検討 以下に示す事態を想定し、対処方法、予防措置について詳細に検討する 4.4.5 ① 孔内設置時 ② モニタリング中 ③ モニタリング終了後回収時 モニタリングシステムの検証方法の確立 既往調査地点でのシステム検証方法、結果および 4.4.3 節で実施する「孔内モニタリングシステム の現地適用性試験」の結果を踏まえ、以下に示すコントロールボーリング孔におけるモニタリングシ ステムの検証方法について検討を行う。 ① モニタリングシステム設置深度の検証 ② パッカーの遮水性に関する検証 ③ 測定圧力値の検証 ④ サンプラーが目的深度のサンプルを取得したかに関する検証 − 63 − 4.5 技術のシステム化および現地適用試験 技術をシステム化するために必要な評価は、コントロールドリリングシステムの実証評価とし現地 適用試験で実施される。これまでの現地適用試験ではコントロール掘削技術であるコントロールドリ リングシステム 2 による試験と孔内計測技術である WL-LWD および水理試験をあわせたコントロールド リリングシステムの試験を行っている。さらに、昨年度の HCD-3 孔では大曲断層を対象とした「困難 と想定される地層」を掘削し、本年度は継続して掘削を行い、水平に向けた掘削を行うことを計画し ている。 また、適用試験ではコントロールドリリングシステム 2 の実証評価による掘削システムの高度化、 孔内計測システムの実証による掘削・調査技術のシステム統合化を引き続き行う。掘削システムでは コントロールドリリングシステム編成での掘削前に、断層帯掘削に必要な主要装置を改良し、緩傾斜 から水平掘削時に使用する押し込み補助装置を適用する。 孔井の方位傾斜コントロールでは、平成 18 年度当初に計画した軌跡へ近づけるため、増角計画の 見直しを行い、1.27 度/10m の孔跡軌跡を再設計し新たな目標として修正する。最終的には水平孔掘削 による掘削長 800m を目標に掘削する。 孔内計測システムでは、WL-LWD を使用した断層区間での計測を計画し、水理試験装置による断層帯 掘削後および水平孔掘削付近の透水性が高い区間を対象とした試験・採水を目指す。 4.5.1 掘削技術のシステム化 掘削技術をシステム化するために必要な現地適用試験における実施目標についてまとめる。 これまでの試験から、掘削時に開口した割れ目以外への逸泥発生は孔内圧力環境を改善・維持する ことで抑制することが可能であるとの結論を得ている。その結果を「想定危機の対応フロー」に当て はめ、掘削管理システムとして逸泥発生に関する対応の評価を継続して行う。 現地適用試験は、大曲断層を対象とした断層帯区間の掘削を主目的に実施されている。断層帯区間 の掘削と以降の水平孔掘削時のデータから、開発・改良した装置・システムの適用性を評価する。 掘削技術に関しては、断層帯掘削での掘削状況およびコア採取状況、コントロール掘削の状況など に関し評価するとともに、逸泥・崩壊等が発生しやすい地層を対象に孔内圧力環境を維持できる手法 を体系化する。 − 64 − 4.5.2 掘削・調査技術のシステム化 透水試験・採水・イメージングでは、掘削途中段階での試験を図 4.5.2-1 に示すように３段階に分 けてシステム化している。実施の手順としては、試験箇所の適正を判断するためのイメージング、字 段階として透水試験を行い、その過程の途中から採水が平行しておこなわれるフローを構築して、原 位置試験への適用を図っている。 図 4.5.2-1 原位置試験フロー − 65 − 4.5.3 コントロール掘削および試験 本年度の適用試験は、より困難な地質事象となる断層帯の掘削適用性評価のため大曲断層の突破を 目指し HCD-3 孔を継続して掘削する。 掘削に先立ち、昨年度掘削した掘削長 400m までの区間で裸孔となっている掘削長 195m 以深につい ての状況調査を実施する。状況調査の目的は、ロッド降管時における洗浄作業の際にフィード力計測 を実施して、適正なフィード力が得られていることを確認する。適正なフィード力の判断は、昨年度 掘削長 400m 到達後に実施した洗浄終了時のフィード力を基準とする。仮にフィード力が大きいと確認 した場合、孔内洗浄をコンポジットシュービットを取り付けたリーミング作業に切り替え、必要に応 じて保孔セメンチングを実施する。 掘削開始前には、現地における磁気影響調査を行い磁気補正値の算出を実施するが、掘削に使用す るロッドに関しては、 本年度の磁気影響調査で配置したロッドの順番どおりに孔内へ降管させ、WL-MWD への磁気影響を最小限に抑えるように配慮する。 また、本年度実施するコントロール掘削および孔内試験の計画を作成し、各孔内計測技術との工程 調整により適用試験を進める。掘削中は、取得可能な掘削パラメータを得るためのマッドロギング装 置を準備し、ポンプ送排水量･泥水比重･ポンプ送排水温度･ロッド回転数･ロッド回転トルク等を計測 する。また、コアリング期間は WL-MWD より得られるビット荷重･トルク･孔内圧力･孔内温度･傾斜･方 位等のデータも収集する。 コアリングにより採取されたコアは、乾燥を防ぐために真空パックにて養生しコア箱に保管し、室 内試験で使用するコアのサンプリングおよび現地コア試験（コア強度、色差、帯磁率）の計測を適時 実施する。 さらに、掘削水に関しては、比重および粘速の計測とタンクレベルの計測による逸湧水の有無を計 測し、加えるトレーサーの濃度管理を行う。また、試験中は掘削に使用する井戸水および河川水(現場 を基準に上流および下流の 2 箇所)の水質分析を 1 回/月実施する。さらに掘削中はリターン水につい ても 1 回/月の水質分析を実施する。 孔内計測を実施する項目は、ジャイロ計測、WL-LWD 掘削および水理試験となる。ジャイロ計測は掘 削した孔井の WL-MWD 方位計測データから得られる軌跡の検証のため実施する。WL-LWD では計測デー タを掘削環境の違いで比較するための掘削時および非掘削時での計測を行う。水理試験は、大曲断層 通過後の区間、WL-LWD の試験実施区間近傍、緩傾斜から水平掘削を実施する区間で実施することで水 理地化学特性を評価する装置としての適用性を確認する。 本年度の適用試験終了後は、次年度以降の孔内計測装置の動作状況評価のための試験孔として維持 するため、BOP の閉塞によりガスの湧出を抑え、防寒対策および撤収養生を行い終了する。 本年度実施する主要な掘削および試験項目を次ページ以降にまとめる。 − 66 − ① H18 年度適用試験裸孔部（掘削長 195m∼400m 間）における孔壁状況確認 ② 孔壁状況確認後のロッド揚管時のフィード力計測 ③ 適用試験サイトにおける WL-MWD 磁気影響調査 ④ コントロール掘削（掘削長 400m 以降） ⑤ 掘削区間の掘削パラメータモニタリング（マッドロギング、WL-MWD） ⑥ 掘削区間における 10m あたり 1.27 度の傾斜コントロール ⑦ ジャイロ計測による WL-MWD 計測軌跡の検層 ⑧ WL-LWD による孔井内計測および掘削耐久性評価 ⑨ 採取コアの現地計測試験（50cm 毎） ⑩ 採取コアサンプリングによる室内試験（10m 毎） ⑪ 掘削泥水計測（比重・粘速・タンクレベル・トレーサ濃度） ⑫ 掘削水の水質分析（掘削水用井戸水・沢水・掘削リターン泥水） ⑬ 透水・採水・イメージング装置の実施 図 4.5.3-1 に本年度の適用試験実施の流れを示す。 図 4.5.3-2 に本年度の掘削軌跡計画を示す。 − 67 − − 68 − 400m掘削 平成20年度 ジャイロのシステム化検討 ◇先端探知の高度化 ドリラーディスプレイの改良 ◇作業安全性の向上 ン ト ロ ン 掘削設備解体 借地範囲復旧 防寒設備解体 基礎の解体 孔井埋め戻し 水理試験③ 水平孔掘削 新規ケーブル試作 地上試験 送り込み補助装置改良 送り込み補助装置開発 水平孔用 ケーブル検討 水理試験② グ WL-LWD ア リ 適用試験（H19）実施の流れ 資材の搬出 長区間における 耐久性再評価 適用 コ 磁気補正対策 磁気影響調査 ー ル 孔壁イメージング取得 コ 水理試験① コントロール コアリング再開 図 4.5.3-1 保孔セメンチング 浚渫 （リーミング） WL-CTS高度化 ◇崩壊・保孔対策 孔内洗浄 裸孔区間状況調査 平成19年度 平成18年度 ◇水平孔対応装置の開発 − 69 − 解体・撤収・運搬 平成19年度軌跡計画 400m以降：1.27度／10m 水平孔到達深度：720m地点 ☆800m到達時の位置 垂直深度：426.79m 水平距離：611.39m 計画との距離：18.62m 800m 700 H18実績軌跡（0m∼400m） H19軌跡計画①（400m∼800m） H18作成軌跡計画 500m 400 押し込み装置適用 600m 500 400m 300 図 4.5.3-2 平成 19 年度掘削軌跡計画 WL-LWD掘削適用 透水・採水・イメージング装置適用 （200m∼400m） ・コントロールコアリング ・掘削パラメータモニタリング ・10m毎のコアサンプリング 700m 600 100 掘削準備 洗浄・ リーミング 200 0 ・掘削計画 ・孔内試験計画 500 400 300 200 100 0 4.5.4 孔内試験 本年度実施される孔内試験として、計測システムの一翼を担う主要な装置は WL-LWD および透水・ 採水・イメージング装置であるが、それぞれの開発評価のためには、実施する目的を整理し適正な地 点において試験を実施することが求められる。 4.5.4.1 WL-LWD 試験 WL-LWD の改良・試作に関する検討を実施するため現地適用性試験での装置ハンドリングを行う。適 用試験サイトでの掘削時に WL-LWD を接続することでコントロール掘削時における連続計測を行い、掘 削区間 20m 程度での連続検層実施を目標とする。検層時の計測では音波（Ｐ波発振、Ｓ波 2 方向） 、電 磁波、マイクロ電気（比抵抗、泥水比抵抗、泥水温度） 、自然ガンマ線のデータ取得を行う。 取得したデータに関する試験経過・結果を記録し、地上部制御装置の PC に保存された計測波形デ ータ(音波および電磁波)より、地盤の音波速度および電磁波速度を読み取り、Ｐ波速度･Ｓ波速度およ び電磁波速度より換算した比誘電率の深度プロファイルに変換し保存する。 適用時期としては、将来的な水理地質構造をプロファイルするために透水・採水・イメージング装 置の適用箇所を目標に選定し、水理試験実施後にその区間のデータ取得が可能となるような箇所での 試験実施を目指す。 さらに、耐久性の評価不足、データ処理の高速化および取得データの解析方法を高度化するために 掘削状況と非掘削状況の環境におけるデータ取得行い、それぞれの比較を行う。 4.5.4.2 透水・採水・イメージング装置試験 透水・採水・イメージング装置での試験は、構成する各装置の開発・改良を実施しすることから、 改良部品の適用評価を目標に適用する。 適用試験区間の選定においては、断層帯区間通過に伴う下盤側での計測による大曲断層の評価と断 層帯突破後の次の背斜軸における試験を行い、掘削孔が水平になるような区間での試験により装置の 適用評価を行う。 水平区間での適用に必要な装置の改良を実施することからその性能に関する評価を合わせて実施 する。 本年度の試験実施においても、掘削中に得られる情報から速やかに試験に移行するための手順の再 検討を実施するとともに、その手順に沿った試験から得られる問題点などを抽出しながら、調査シス テムの高度化を実施していく。 − 70 − 4.5.5 掘削・調査システムの問題点と対応策の検討 透水試験、採水、イメージングにおいては、透水試験の信頼性の向上および想定していない断層や 透湧水試験における調査手順について検討が必要であるため、各年度より下記を検討している（図 4.5.5-1） 。 ①異なる試験方法での透水性の検討 比較的透水性の高い区間（10-7m/sec 以上）ではスラグ試験、揚水試験、そしてそれぞれの 回復法によって、相互のデータ比較により相補的にデータの信頼性を得る。 ②断層出現、透湧水における試験フロー 既に示している試験フローに加えて、異常個所が出現してから可能な限り、掘削を進めずに 試験を行うことを提案している。 図 4.5.5-1 透水試験の信頼性の向上と課題試験の概念 − 71 − 4.6 掘削管理システムの検討 掘削管理システムの検討では、各技術のシステム化実施で発生の可能性がある問題点（危機）の抽 出と、その対応策から検討された危機回避策の策定を目的に行う。 平成 17 年度、適用試験で実施されている HCD-1 孔から HCD-2 孔の掘削終了までの試験結果をもと にした掘削・計測システムの想定危機の抽出および検討し、掘削作業以外において想定される危機と して装置の消耗に起因するトラブルと掘削が困難と想定される断層破砕帯などを管理するシステムと して応用性を検討した。平成 18 年度は、断層帯掘削における想定危機に対し再検討し、適用試験時に 運用可能な対応フローとして整備している。 本年度は、さらに緩傾斜から水平孔における想定危機に対し再検討し、水平孔掘削における適用試 験中に運用可能な対応フローを検討することで、掘削管理システムの高度化を図る。 4.6.1 想定危機の抽出、検討 想定危機の抽出、検討として、適用試験として継続している HCD-1 孔および HCD-2 孔の堆積性軟岩 を対象としたコントロール掘削により、本掘削システムが抱えていると想定される危機を抽出し、危 機に対する回避方法・対応策を検討している。 平成 15 年度は掘削を実施する前に、想定される危機を掘削手順ごとに抽出しそれぞれの危機を回 避するための方策を具体的に検討した。平成 16 年度では平成 15 年度の危機回避についてのまとめた マッピングデータおよびフローチャートを更に高度化し、HCD-2 孔において発生する危機・問題点に ついても検討を行い掘削管理システムの高度化を行った。平成 17 年度は、コントロールドリリングシ ステム 2 で実施される作業から WL-LWD や水理試験などコントロールドリリングシステムを構築するた めに必要な作業についての検討を実施した。また、想定される危機の発生頻度・重要度についても再 検討した。平成 18 年度は、断層帯掘削により想定される危機に関し検討を重ね、想定される危機に対 応するための手法を検討した掘削管理システムへ改良している。 本年度は、断層帯での想定危機に対し更なる検討を行い、新たな挑戦となる緩傾斜から水平となる 孔井掘削を実施する際に考えられる想定危機を抽出する。そして、それらに対応する手法を掘削管理 システムとして改良を加えていく。 危機の検討においては以下の項目を重点とし行う。 ① 作業手順毎に想定される危機を抽出 ② 抽出した危機に対する回避方法・対応策 ③ 選択する回避方法・対応策によるリスク ④ システム化の必要な回避方法・対応策の検討 − 72 − 4.6.2 試作装置・機器メンテナンスの検討 掘削装置および機器メンテナンスは、昨年度検討された結果を基に継続して実施する。平成 17 年 度は、消耗およびそれに起因する故障が懸念され、該当する装置を点検し、必要に応じメンテナンス した。また、適用試験の中で作業の安全性に問題が考えられる箇所を改良した。そして、メンテナン ス実施結果と、メンテナンス項目を併せたリスク評価を再検討した。平成 18 年度は、昨年度のメンテ ナンス実施に関する検討結果を本年度の掘削実施検討結果と比較し、その整合性について評価した。 本年度も継続したメンテナンスに関する再検討を実施する。 4.6.3 掘削中に遭遇する崩壊層・逸泥層への対応システムの開発 昨年度までに、崩壊層および破砕帯の掘削を想定した対応システムとしてワイヤライン式セメンチ ングシステムの開発を実施した。これは、HCD-2 孔において発生した大量逸泥により掘進能率を大幅 に低下させたことから、その対応システムとしての準備が必要であると判断されたためである。 開発したワイヤライン式セメンチングシステムは対象区間が限られており、また、コア孔を含めた 崩壊箇所には適用が難しい。そこで、コア孔付近での逸泥および断層破砕帯や剥離性泥質岩などの地 質状況に起因する孔壁崩壊に対して保孔処置を行う初期段階の対応システムとして装置の高度化を実 施する。 装置開発・高度化には以下の項目を満足させる。 ① コアリング孔を含む孔底部分へのセメンチングが可能であること ② セメンチング実施後の加圧養生が可能であること − 73 − 4.7 総合システムの検討 開発された各技術を構成する装置を組み合わせることにより総合システムの構築を実施する。これ まで、掘削に関する作業をスムーズに実施するための掘削マニュアルの作成が実施されている。平成 17 年度には、孔内圧力環境を維持するために必要なマニュアルに関する追加・修正を行っている。平 成 18 年度は、掘削マニュアルの改良として断層帯掘削に必要な項目を追加した。 本年度は水平孔掘削に必要な項目を追加し、適用試験で取得するデータを用いた管理手法確立のた めの検討も継続し検討する。 4.7.1 総合システムの再構築 総合システムは、孔井曲げ掘削技術、先端探知技術、コアリング技術、検層・測定技術の要素技術 の組み合わせにおよび共通装置により構築される。 平成 15 年度は、孔井曲げ掘削技術、コアリング技術を組み合わせ現地適用サイトによる掘削試験 で掘削システムの構築を実施した。平成 16 年度以降には、各要素技術に関する主要装置の新規試作お よび改良から HCD-2 孔の現地適用試験の評価を基に再構築をした。その現地適用性試験では、孔井曲 げ掘削技術、先端探知技術、コアリング技術の組み合わせによる掘削システムでコントロール掘削を 行い、孔内計測システムのうち検層技術および透水・採水技術については掘削システムに適用させ、 データの取得試験を行った。平成 18 年度は、これまでのシステムに断層帯掘削に必要な要素を組み込 んだ。 本年度は、水平孔掘削に必要な水圧押し込み補助装置を含めた要素を組み込んだ総合システムとし て再構築する。 4.7.2 掘削マニュアルの改良 コントロールドリリングシステムを構成する孔井曲げ掘削技術、先端探知技術、コアリング技術、 検層・測定技術により総合システムが構築される。そのシステムを稼働させるためには、各要素技術 で考えられる複雑な作業手順を取りまとめ整備する必要がある。そのため、各手順をスムーズにして コントロールドリリングシステムを管理するために掘削作業のマニュアル化が必要となる。 コントロールドリリングシステムの管理のため、平成 15 年度から作成した原案を基に、平成 18 年 度は、掘削マニュアルに関して断層帯掘削に対応させた検討を行うとともに、検層・測定技術におい て実施される手順を掘削マニュアルに組み込むことで掘削管理手法として改良した。 本年度は、試験実施に向け想定した試験手順と、実際に緩傾斜から水平孔掘削に適用することで得 られる情報から掘削および調査手法を高度化させ、 今後のシステム構築に必要な検討項目を抽出する。 − 74 − 4.7.3 4.7.3.1 掘削・調査データの統合化 掘削・調査データ統合化システムの現地適用と改良 平成 18 年度に設計の見直しを行ったデータベースと新規に開発したデータ管理ソフトウェアおよ びデータ閲覧用 web ページを使用して、データ統合化システムを本年度の現地適用試験で運用し、ソ フトウェアの動作確認試験を実施する。 データ閲覧用 web ページの使用者が掘削孔跡の確認や、調査データの傾向の確認を簡単な手順によ り行えるように、web ページに掘削孔跡図の作成機能と調査データの深度プロファイル作成機能を追 加し、掘削・調査データの可視化について検討する。 4.7.3.2 調査データの空間的統合化に関する検討 コントロールボーリングの調査結果から、調査対象地点全体の地質環境特性を評価するために、調 査データを空間的に統合する際の課題と地質モデル推定時に考慮する必要がある不確実性の問題につ いて検討する。 − 75 − 5. コントロール掘削技術の改良 コントロール掘削技術の改良を、孔井曲げ掘削技術、先端探知技術、コアリング技術およびシステ ム統合化に必要な共通技術について報告する。それぞれの改良実施内容は開発目標をもとに設定し実 施結果について取りまとめる。 5.1 孔井曲げ掘削技術 本年度実施する孔井曲げ掘削技術の改良および開発項目は①試錐機能力の再評価、②ツールス押し 込み補助装置の改良評価である。①のために継続的な検証を行い、断層帯掘削から水平孔掘削へ向け た区間のデータを加えた再評価を行う。②に関しては、水平孔掘削実施に向けた改良と実際に適用し た結果の評価を行う。 ① 試錐機能力の評価は、平成 18 年度実施したフィードシリンダおよび油圧ユニットの改 良による能力の増加を検証するために行う。本年度は特に大曲断層通過後の緩傾斜から水 平に到達する軌跡での掘削が計画されるため、その区間でのフィード力を計測することで 1,000m 級孔井を掘削した場合の適用性を再評価する。 ② ツールス押し込み補助装置は、緩傾斜から水平孔における掘削での適用を目指した改良 を行い、実際に HCD-3 孔に適用した結果を基に評価を行う。 5.1.1 試錐機能力の再評価 試錐機の改良は、平成 17 年度のフィード計測により孔内における環境を改善しない状況であれば 能力が不足し、孔壁整形などでクリアランスの確保が実施できた場合には 1,000m の掘削に問題ない結 論を得たため、HCD-3 孔での大曲断層掘削にあたり掘削時にフィード力が不足による困難を伴うこと が予想されたため実施した。 フィード力の増加は、断層帯掘削でのスライム・崩壊物に起因するもの、緩傾斜から水平孔掘削時 のスライム排出が困難となる傾斜 （スライム排出が困難になる角度は 40 度以上の緩傾斜からと言われ ている。）におけるものが考えられた。そのため、断層帯を想定したフィード力は掘削に合わせたケー シングプログラムから算出している。 昨年度のフィード力算出に使用した摩擦係数は平成 17 年度の適 用試験から得られた結果を使用した。その結果、試錐機に必要なフィード力を 25tf として改良を検討 し、最終的には 28tf が最大能力となった。 昨年度は改良した試錐機により、HCD-3 孔の掘削を掘削長 400m まで実施し、その結果からのフィー ド力の再評価を実施している。本年度も昨年度得られた結果を基にしたフィード力を軌跡計画より算 出し、適正なフィード力を得ることが可能であるか再評価する。 − 76 − 5.1.1.1 掘削再開時のフィード力の計測 昨年度終了時に計測したフィード力と本年度のロッド揚管後に実施したフィード力との比較を行 い、長期養生による孔内裸孔部に対する対処の必要性について検討を行った。 試錐機のフィード能力は、試錐機の油圧ユニットの発生圧力およびシリンダ有効断面積で算出(下 式)される。 （フィード力）＝（発生圧力）×（シリンダ断面積）×（受圧効率） ここで、改良試錐機のシリンダ有効断面積は 188cm2 、受圧効率を 85%と設定し算出する。また、無 負荷状態（スイベルヘッド＋親ロッド＋圧損のみの重量）のフィード力は、1917tf(1MPa)である。 本年度のフィード力の計測は、コンポジットシュービットを取り付けて降下洗浄した後のロッド揚 管時に計測した。 図 5.1.1-1 に平成 18 年度終了時と平成 19 年度開始時のフィード計測結果を示す。 フィード力（ｋｇｆ） 0 4000 8000 12000 0 ロッド先端位置（掘削長さ：m） 50 H18年度掘削時 H18年度洗浄、濃泥置換後 NL１４０ロッド自重 フィード算出値（H18） H19洗浄終了後 100 150 200 250 300 350 400 図 5.1.1-1 平成 18 年度終了時と平成 19 年度開始時のフィード計測結果 図 5.1.1-1 中における、 「H18 年度掘削時」とは HCD-3 孔でコアリング掘削実施時に計測したデータ である。 「H18 年度洗浄・濃泥置換後」は、400m までの掘削終了後に養生のための濃泥水置換を実施し た後のロッド回収時の計測データである。 「NL140 ロッド自重」とは使用する掘削パイプの総重量を示 している。 「フィード算出値」とは HCD-3 孔掘削により WL-MWD より得られた傾斜データから算出した 必要フィード力を示している。計測したフィード力がこのフィード算出値を超えた場合、想定以上の − 77 − フィード力を必要とするということになる。 「H19 洗浄終了後」とは、養生期間終了後の再開前の洗浄 終了後のロッド引上げ作業時のデータを示している。 本年度のフィード計測結果は、平成 18 年度終了時の洗浄終了後の計測結果とほぼ同様の値を示し ていることが確認された。また、洗浄時に孔内危機と断定される現象およびパラメータは確認されな かったことから、準備検討していたリーミングおよびセメンチング作業の必要性は無いと判断した。 5.1.1.2 掘削時のフィード計測結果 昨年度の掘削時において、掘削直後のフィード力の計測では洗浄実施後に比べ高い値を示している ことが確認されている。このフィード抵抗増加の主な要因は残留するスライムによるものと想定して いる。 本年度の掘削は当初目標とした掘削長 800m に対して掘削長 693.5m で終了することとなった。これ は、693.5m 掘削終了時のコア回収時に当初の想定にない地質状況に遭遇したことから、作業の安全性 や工程などから判断した結果である。掘削の詳細については 8.現地適用試験の項に記載する。 フィード力は昨年度と同様に掘削直後に計測している。その結果、掘削長 550m 付近までは大きな 増減を確認することなく掘削作業が可能であった。しかし、掘削長 500m 以降において抵抗の増加傾向 が確認された。また、WL-LWD による掘削区間では更なる増加傾向が発生した。これらの区間に対して は、WL-LWD 搭載での掘削終了後に孔内リーミング作業を実施した結果、掘削長 650m 以降におけるフ ィード力計測の値を減少することが出来た。 本年度の掘削区間は、断層を通過し傾斜約 85 度までの緩傾斜まで掘削している。この孔井の傾斜 データから算出する必要フィード力と掘削時のフィードデータを比較する。ここでも静止摩擦係数と してケーシング管内を 0.63、裸孔区間を 1.03 として算出を行う。 表 5.1.1-1 に傾斜実績に基づく設計プログラムを示す。 表 5.1.1-2 に傾斜実績に基づく必要フィード力算出表を示す。 図 5.1.1-2 に平成 19 年度フィード力算出結果を示す。 表 5.1.1-1 傾斜実績に基づく設計プログラム プログラム 1 区間 掘削深度 2 ｹｰｼﾝｸﾞ区間① 掘削区間① (m) 0.0 3 4 5 6 掘削区間② 掘削区間③ 掘削区間④ 掘削区間⑤ 200.0 200.0 300.0 300.0 400.0 400.0 500.0 500.0 600.0 600.0 693.5 傾斜角度 (°) 単位重量 (kg/m) 34.84 30.27 30.27 39.98 39.98 49.63 49.63 59.81 59.81 71.86 71.86 85.45 18.3 18.3 18.3 18.3 18.3 18.3 見掛単位重量 (kg/m) 15.4 15.0 13.0 10.6 7.5 3.6 直交単位荷重 (kg/m) 9.8 10.5 12.9 14.9 16.7 17.9 − 78 − 表 5.1.1-2 傾斜実績に基づく必要フィード力算出表 区間 直行荷重 (kgf) 摩擦係数 最大静止摩擦力 (静止) (kgf) 見掛重量 (kgf) 初期フィード 必要フィード力 (kgf) 2000.0 ケーシング 1969.5 0.63 1240.8 3084.9 4325.7 区間① 1052.9 1.03 1084.5 1496.8 2581.3 区間② 1289.6 1.03 1328.3 1298.4 2626.7 区間③ 1493.9 1.03 1538.7 1057.0 2585.7 区間④ 1669.6 1.03 1719.7 749.1 2468.9 区間⑤ 1677.6 1.03 1728.0 336.5 計 2064.5 18652.8 フィード力（ｋｇｆ） 0 4000 8000 12000 16000 0 H18年度掘削時 H19洗浄終了後 50 平成19年度掘削時 NL140ロッド自重 100 フィード算出値(H19) 150 ロッド先端位置（掘削長さ：m） 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 図 5.1.1-2 平成 19 年度フィード力算出結果 − 79 − 20000 この結果より、掘削時におけるフィード力の区間毎の増減は発生しているものの算出するフィード 力に対しては低い値を保っている。 本年度の掘削結果から見込まれる 800m 時の必要フィード力は 20tf 程度となり、1,000m 到達段階では 24.5tf 程度と算出される。また、本年度の結果より断層帯および 緩傾斜孔井におけるフィードの計測結果孔底付近で約 14tf を計測したのに対し、 算出した必要フィー ドが 18.5tf 程度で 75%のフィード力であることから、改良した試錐機による 1,000m 級の掘削は問題 ないと評価できる。 5.1.1.3 洗浄終了後のフィード計測結果 693.5m までの掘削を終了した後、孔内洗浄を行いロッドの全揚管を実施している。その際に計測し たフィード力を図 5.1.1-2 に示した計測結果と比較する。その結果、掘削長 500m∼530m 間と掘削長 600m∼650m 間において掘削時と洗浄終了後の計測値に違いが生じていることを確認した。 図 5.1.1-3 に平成 19 年度掘削終了後のフィード計測結果を示す。 フィード力（ｋｇｆ） 0 4000 8000 12000 16000 20000 0 H19開始前洗浄後 50 平成19年度掘削時 NL140ロッド自重 100 フィード算出値(H19) 平成19終了時洗浄後 150 ロッド先端位置（掘削長さ：m） 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 図 5.1.1-3 平成 19 年度掘削終了後のフィード計測結果 − 80 − 掘削長 500m∼530m 間におけるフィード力の相違点は、掘削時には増加傾向を示したのに対し、洗 浄後のロッド回収時には減少傾向を示している点である。この区間は、増角率が増加し始めた区間で あり、WL-LWD 計測掘削が終了した後の掘削で、掘削装置のセットが困難になる事象が発生したために リーミングを実施している。そのため、掘削時にはフィード力が増加傾向を示したが、回収時にはリ ーミング効果によって減少傾向を示したと想定できる。 掘削長 600m∼650m 間は、コントロール掘削による増角率が大きく増減している区間に該当してい る。また、掘削長 631m からは WL-LWD による掘削が実施されたことで増確率の増減がより激しくなっ た箇所でもある。しかし、掘削時と比較した場合には計測値は小さくなっている。 今後、HCD-3 孔の掘削を継続していく場合、掘削長 600m 以深におけるフィード力が増加傾向を示し ている点が問題点として挙げられる。その原因としては、増角率の制御が安定していないことが考え られ、要因として、掘削編成の違いによるもの、孔壁崩壊等の地質事象によるものが挙げられる。そ のため、本孔井の掘削継続のためには掘削長 610m 付近までセメンチング等による埋め戻しを行い、リ ボーリングで軌跡修正を実施するなどの対処検討が必要であると考えられる。 5.1.1.4 1,000m 掘削を想定したフィード力の算出 HCD-3 孔を 1,000m まで掘削すると仮定して必要となるフィード力を算出する。本年度の掘削では孔 底部付近での孔壁崩壊発生を確認していることから、本孔井の掘削継続のためにはセメンチングによ る危機回避の検討が必要である。また、5.1.1.3 項で記載したとおり掘削長 600m 以降においてはフィ ード力が増加傾向を示していることから、セメンチング作業を実施し、掘削長 600m 以降をリボーリン グすると仮定して算出する。また、増角率を安定してコントロールが可能であった 1°/10m に設定し リボーリングおよび水平掘削の実施を行うものとして検討する。 まず、孔芯傾斜は掘削長 600m 地点の傾斜は 71.86 度であることから、1°/10m の増角率で掘削を行 った場合、781.4m にて水平傾斜(90 度)に到達することになる。以降、1,000m まで水平掘削を継続し た場合のフィード力を算出する設計プログラムを作成し、必要フィード力を求める。 フィード力を算出した結果は、摩擦係数を考慮し 24.5tf となった。これは、現在の試錐機の設計 能力 28tf に対し 22.5%のマージンを得ていることを示している。 表 5.1.1-3 に 1,000m 掘削を想定した設計プログラムを示す。 表 5.1.1-4 に 1,000m 掘削を想定した必要フィード力を示す。 − 81 − 表 5.1.1-3 1,000m 掘削を想定した設計プログラム プログラム 1 区間 2 ｹｰｼﾝｸﾞ区間① 掘削区間① 0.0 3 4 5 6 7 8 掘削区間② 掘削区間③ 掘削区間④ 掘削区間⑤ 掘削区間⑥ 掘削区間⑦ 掘削深度 (m) 傾斜角度 (°) 200.0 200.0 300.0 300.0 400.0 400.0 500.0 500.0 600.0 600.0 700.0 700.0 781.4 781.4 1000.0 単位重量 (kg/m) 18.3 18.3 18.3 18.3 18.3 18.3 18.3 見掛単位重量 (kg/m) 15.4 15.0 13.0 10.6 7.5 4.2 1.3 0.0 直交単位荷重 (kg/m) 9.8 10.5 12.9 14.9 16.7 17.8 18.3 18.3 34.84 30.27 30.27 39.98 39.98 49.63 49.63 59.81 59.81 71.86 71.86 81.86 81.86 90.00 90.00 90.00 表 5.1.1-4 1,000m 掘削を想定した必要フィード力 区間 直行荷重 (kgf) 摩擦係数 最大静止摩擦力 (静止) (kgf) 見掛重量 (kgf) 初期フィード 必要フィード力 (kgf) 2000.0 ケーシング 1969.5 0.63 1240.8 3084.9 4325.7 区間① 1052.9 1.03 1084.5 1496.8 2581.3 区間② 1289.6 1.03 1328.3 1298.4 2626.7 区間③ 1493.9 1.03 1538.7 1057.0 2595.7 区間④ 1669.6 1.03 1719.7 749.1 2468.8 区間⑤ 1782.1 1.03 1835.6 416.0 2251.6 区間⑥ 1485.9 1.03 1530.4 105.7 1636.1 区間⑦ 4000.4 1.03 4120.4 0.0 計 4120.4 24606.3 − 82 − 18.3 5.1.2 ツールス押し込み補助装置の改良 コントロールボーリングを緩傾斜孔および水平孔においても掘削可能にするため、押し込み補助装 置をアンダーグラウンド方式のラッチ装置として開発する。 平成 17 年度の現地地上試験により掘削ツールスの自重による降下限界角度は鉛直より 62 度と計測 され、ミュールシューにより回転動作が実施可能な角度は同 40 度であることが確認されている。さら に、角度 85 度の場合にはツールスをセットさせるために約 300kgf の力を必要とした。 開発当初、ツールスセットのための押し込みは GFRP ロッドにより実施する予定であった。そのた め、平成 17 年度には工場試験として GFRP ロッドの押し込み試験を実施しツールスの押し込み力を計 測した。その結果、押し込み力(∼1tf)が増加しても先端には最大 150kgf までしか力が伝達されず、 短い区間での押し込みでは、ロッドのたわみによりロッド自体を折損させることが確認された。 そのために、HCD-3 孔掘削時の緩傾斜区間および水平区間で自重による管内への装置挿入が困難な 場合に備え、水圧による押し込みを可能にする押し込み補助装置として「押し込み補助装置」の開発 を実施している。 本年度は、必要な改良を施し適用試験において使用可能な装置への改良を実施し実用化を目指す。 5.1.2.1 昨年度実施結果の整理 昨年度試作した装置概要の整理を行う。 (1) 押し込み補助装置の設計 水平孔などへの掘削ツールスの挿入作業は、一般的にラバーなどを使用して水圧を推進力と したアンダーグラウンドタイプが用いられていることから、本装置においてもラバーを装着させ ることで押込み補助装置としての概念設計を実施した。 押込み補助装置はラバーが泥水圧力を受けることで推進力が発生する。アウタパイプ先端に 装置が到達すると、泥水流路が装置内とつながりセットされる。また、回収時はラバー外径を縮 小した状態を維持し、引上げ時の水圧による抵抗を低減させる。 これらを満たす装置を設計し、図 5.1.2-1 に示す設計を行った。詳細設計により、概念設計 から修正された箇所は、ロックラグの構造およびスチールボールの追加である。 図 5.1.2-1 に平成 18 年度に設計した押し込み補助装置を示す。 − 83 − 図 5.1.2-1 押し込み補助装置設計(H18) ロックラグの構造についての変更は、突出するストッパーが、孔底方向からの力が加わるこ とでスライドボディが後方(孔口側)へスライドし閉じてしまう可能性があることから、ピン突出 方式のセットピンに変更した。セットピンはスライドボディが外れると同時にスプリングにより 突出し、ロックする構造である。 スチールボールは装置の 2 箇所に取り付けることで、動作の安定化を図ることを目的にして いる。スチールボールが非装着である場合、管内降下中にラバーと管内壁との間に抵抗が発生し、 セット前にスライドボディが摺動することでウォーターウェイが開放され、押し込みが出来なく なる可能性がある。そのため、押し込み降下中の装置と管内壁の接点をスチールボールのみにす ることで摩擦により発生する抵抗を低減させることにした。 また、NL140 ロッド管内構造は内アップセットであり、ネジ付近は内径φ125mm であるが管 体中央部では内径φ130mm になる。そのため、押し込みに使用されるラバーをアップセット内径 に対応させる必要がある。そこで、押し込み中のアップセットに追従可能なゴム材質として、強 度の強いウレタンラバーと変形しやすい天然ゴムを組み合わせた 2 重構造で試作することにした。 ラバーの径はφ123.5mm の硬質ラバーとφ130mm の天然ゴムを組み合わせることで、ネジ付近通 過時には天然ゴムがφ125mm まで縮小され、管体付近では水圧を受けることでφ130mm を維持で きる構造となった。 (2) ツールス押し込み補助置地上試験(平成 18 年度) 設計した押し込み補助装置を試作し、NL140 を地上に配置し水平管路とした管内をポンプで 押し込み、装置のワイヤーを引く力を計測することで押し込みの力を評価した。 押し込みの力は荷重計で計測した値で評価するため、ラバーの外径は 125mm と 130mm のサイ − 84 − ズを準備し試験した。 試験の実施結果から、押し込み力は、NL140 ロッドの最大内径であるφ130mm にラバー径を 合わせなければ発生しなかった。また、ポンプ圧力 6ksc 発生時に 500kgf の押し込み力発生が確 認され、昨年度の必要押し込み力を上回る力を確認できた。 この押し込み力がφ130mm 内径全面で受けていたとすれば、押し込み時圧力は 3.77ksc とな り、押し込み効率を 60％と算出できる。より確実な押し込み動作のためには、この効率を引上げ なければならない。 また、地上試験の実施の際に装置セットの衝撃によりロックラグが損傷したため、掘削に使 用する際には強度増加のための改良が必要である。 図 5.1.2-2 に昨年度試作した装置を示す。 表 5.1.2-1 に昨年度の試験結果を示す。 図 5.1.2-2 表 5.1.2-1 5.1.2.2 平成 18 年度試作装置 試験結果概要（平成 18 年度） No. 送水量 ℓ/min 送水圧 ksc 荷重 kgf ラバー外径 mm １ 60 0∼1 0 125 ２ 140 0∼1 0 125 ３ 60 6 550 130 ツールス押し込み補助装置改良 昨年度の試作装置試験より、大きく 2 箇所で改良の必要性が確認されている。1 つは損傷したロッ クラグの強化、もう 1 つはラバーの受圧効率の向上である。 ロックラグは摺動方向の力をより吸収するため、ラッチと同様な能力・構造を持つものへ改良を行 う。ラバー構造は昨年同様の羽根式ラバー構造のものと、 別にリング形状をした構造のものを試作し、 でそれぞれラバーが拡縮できる構造を検討する。 (1) ロックラグの改良 ロックラグは、セット時に摺動するスライドブロックが、セット後にスプリングで押し戻す − 85 − 際の衝撃により損傷している。そのため、押し戻す力を装置自体に逃がすことが出来る ラッチ のような構造を検討する。ここでは、ロックラグの基本構造を検討し、ラバーの変更とあわせた 装置の設計を実施することにした。 図 5.1.2-3 にロックラグ改良の概念を示す。 図 5.1.2-3 (2) ロックラグ改良の概念 ラバー形状の検討 平成 18 年度試作した装置のラバーは本体に固定して取り付けられる構造となっていた。ま た、ラバー部の装置外形はφ123.8mm で、ラバーの外形はφ130mm であった。このラバーの受圧 効率は 60%程度であり、掘削終了後のラバー外径がφ130mm のままであるため、回収時に水圧の 抵抗を受ける構造である。この構造から水抜き口を維持するためにロックラグが用いられている。 装置回収時のスワッピングを防止するためには、回収時の水圧による影響を極力排除するため、 外径が小さくなるような構造を設けることが望ましい。 また、使用するラバーの問題点には消耗が早いことも懸念されている。さらに、昨年度の装 置では、ラバーの交換のために装置全体の分解を要したため、改良の際にはラバーのみの交換が 可能となるような構造を設ける必要性がある。 以上の点から、本年度の押し込み補助装置用ラバーとして以下の点を満足する改良を行う。 ① ラバーのみの交換が可能であること ② 回収時のラバー外径が押し込み時より縮径可能であること − 86 − (3) 装置の改良 装置の改良実施のために本項(1)および(2)を満足する装置の設計を行った。改良の際に 2 種 類のラバータイプの装置を試作・試験し、ラバー効率の違いを確認するとともに適用性へ向けた 検討から掘削に適用させる装置を選定することとした。2 種類のラバーは、昨年度のタイプに対 しラバーを拡縮可能な構造に変更した羽根式ラバータイプのもの、ドーナツ状形状のラバータイ プのものを試作した。それぞれの装置には改良したロックラグの構造を設けた。 図 5.1.2-4 に改良したロックラグ構造を示す。 図 5.1.2-5 に試作したツールス押し込み補助装置を示す。 ◇H18年度試作装置 強度増加 ◇H19年度試作装置 図 5.1.2-4 改良したロックラグ構造 ①リング式ラバー ②羽根式ラバー （上段：リング式ラバー、下段：羽根式ラバー） 図 5.1.2-5 平成 19 年度試作したツールス押し込み補助装置 − 87 − 5.1.2.3 地上試験（1 回目） 地上試験では昨年度同様に試錐ポンプによる送水で装置がワイヤーを引っ張る力を計測し、送水圧 力と押し込み力および押し込み速度を計測した。 (1) 試験の準備 試験の実施に先立ち、荷重計のキャリブレーションおよびポンプの送水量の計測を実施した。 荷重計のキャリブレーションではバネばかりの重量との比較、ポンプにおいては 100ℓ あたりの 時間を計測し算出した。 ａ． 荷重計のキャリブレーション 吊具にバネばかりを接続し、その下部に荷重計（Valcom 社製の VS40-2000KG）を取り付けた。 荷重計下部に既知重量のオモリをぶら下げ、そのときのバネばかりの重量と荷重計電圧値を比較 した。その相関図より電圧値に対する荷重を算出する下式 1.1 が求められた。 （荷重：kgf）＝202.31×（電圧：mV）+0.3837 （式 1.1） 表 5.1.2-2 にキャリブレーション計測結果を示す。 図 5.1.2-6 にキャリブレーション計測実施状況模式図を示す。 図 5.1.2-7 に電圧と荷重の相関図を示す。 表 5.1.2-2 キャリブレーション計測結果 バネばかり荷重 計測電圧値 初期値 0.0 kgf -0.001390 mV 計測① 17.0 kgf 0.080063 mV 計測② 28.0 kgf 0.141150 mV 計測③ 39.0 kgf 0.192056 mV 計測④ 69.5 kgf 0.344775 mV 上部固定 バネばかり 収録PC 荷重表示器 荷重計 おもり 図 5.1.2-6 キャリブレーション計測実施状況模式図 − 88 − 電圧-荷重相関図 100 y = 202.31x + 0.3837 荷重(kgf) 80 60 40 20 0 0 0.1 0.2 0.3 電圧値(mV) 図 5.1.2-7 ｂ． 0.4 0.5 電圧-荷重相関図 試錐ポンプ送水量の計測 試錐ポンプは現地適用試験で使用しているプランジャ型の SJ-125Ⅱを使用する。このポンプ はエンジン回転数により送水流量が制御され、プランジャの消耗具合によりその値が変動する。 しかし、回転数と送水量は１次直線で表現できるため、回転数に対する流量を計測することで確 認可能である。 また、本ポンプのエンジンは回転数をボタンにより制御するため同一回転数を発生させる調 整が困難である。そこで、試験に先立ちエンジン回転数と流量の相関を求めた。試験では回転数 から換算した送水量を使用する。また、回転数上昇時に算出した結果上に回転数減少時の値をプ ロットし、差異がないことを確認している。 流量の計測は、軽量容器に 100ℓ 送入する時間を計測することで算出する。そのときの回転 数から相関図を作成し、下式 1.2 が求められた。 （送水量：ℓ/min）＝0.1206×（回転数：r.p.m.）+8.8582 表 5.1.2-3 に送水量計測結果を示す。 図 5.1.2-8 に送水量計測実施状況模式図を示す。 図 5.1.2-9 に回転数と送水量(流量)の相関図を示す。 − 89 − （式 1.2） 表 5.1.2-3 送水量計測結果 回転数 送水量 備考 650 r.p.m. 92.31 ℓ/min 800 r.p.m. 103.45 ℓ/min 890 r.p.m. 113.21 ℓ/min 1050 r.p.m. 130.43 ℓ/min 1190 r.p.m. 150.00 ℓ/min 1250 r.p.m. 166.67 ℓ/min 1090 r.p.m. 139.53 ℓ/min 減少時 800 r.p.m. 105.26 ℓ/min 減少時 ポンプ 計測 容器 サクションタンク 図 5.1.2-8 送水量計測実施状況模式図 回転数−流量相関図(上昇時) 200 上昇時計測 減少時計測 線形 (上昇時計測) 流量(ℓ/min) 150 100 50 y = 0.1206x + 8.8582 0 0 500 1000 回転数(RPM) 図 5.1.2-9 回転数と送水量(流量)の相関図 − 90 − 1500 (2) 地上試験概要 試験では、試験装置を設置しポンプの送水量を変化させた押し込みを実施した。押し込み中 は荷重計の変動に合わせ目視により圧力の変化をアナログで計測した時間同期のデータサンプ リングを実施している。以下に試験実施概要および計測結果を示す。 ａ． 実施概要 押し込み試験は、水平に接続配置した 5 本の NL140 ロッド管内を送込むことで実施する。押 し込み補助装置は羽根式ラバーとリング式ラバーの 2 種類試作した。押し込み補助装置先端には ワイヤーと接続可能な冶具を取付け、ワイヤー先端は荷重計を介してホイストウインチと接続し た。ホイストウインチはブレーキを使用し最大発生荷重を計測するために使用する。また、荷重 計およびホイストウインチを取外し、装置の押し込み速度についても計測する。 ｂ． 試験装置の配置 NLC 水戸工場敷地内において NL140 ロッド、ポンプ、ホイストウインチおよびタンクを配置 した。また、押し込み時の加圧には Bowen 製のラインワイパーを使用した。押し込み時の圧力の 計測には 2MPa 対応の圧力ゲージを使用した。 表 5.1.2-4 に使用した資材・機材の一覧を示す。 図 5.1.2-10 に試験装置配置概要の模式図を示す。 表 5.1.2-4 使用資材機材一覧 資材・機材 数量 NL140 ロッド 5本 SJ-125Ⅱ(プランジャポンプ) 1台 発電機 37kVA 1台 WL ホイストウインチ(WL-HD) 1台 荷重計(Valcom：VS40-200kg) 1台 同上表示器(Valcom:VGM-2SO-A5-1) 1台 同上収録 PC(FMV：NB-18C) 1台 φ12mm ワイヤー 18m ラインワイパー(Bowen 社製) 1台 同上用ウォータースイベル(×NL140) 1台 デリバリホース 1-1/4" 20m 鉄製タンク：1.5×1.5×0.75 1基 − 91 − ポンプ SJ-125Ⅱ サクションライン ウォータースイベル NL140ロッド ラインワイパ 荷重計 リターンライン WLホイスト 収録PC 送込み圧力計測ゲージ 鉄製タンク デリバリライン 切替えバルブ 図 5.1.2-10 ｃ． 試験装置配置模式図 試験実施手順 試験は図 5.1.2-10 のように配置し、NL140 管内に押し込み補助装置をセットした後に計測を 開始した。試験に使用した押し込み補助装置は 2 種類である。試験手順は以下のとおり ① 切り替えバルブのリターン側を開けておく ② NL140 管内に押し込み補助装置を挿入する ③ ウォータースイベルおよびラインワイパーを接続する ④ ポンプを始動し所定回転数にて送水を開始する ⑤ ラインワイパーを加圧しケーブルを締付ける ⑥ 荷重計にテンションが掛かるまで WL ホイストで巻き取る(巻き取り時の加重をメモ) ⑦ 収録 PC を設定しストップウォッチと荷重計の時間同期を行う(ボタンの同時押し) ⑧ 切り替えバルブのリターン側を閉め、初期圧力を計測(目視) ⑨ WL ホイストでブレーキを掛けながら押し込み荷重および圧力を計測する ⑩ 押し込み補助装置が先端に到達しウォーターウェイが開通するまで継続して押し込み を行う ⑪ 先端到達後ポンプを停止し、WL ホイストにて巻き上げる ⑫ 巻き上げ後、ラバーおよびロックラグのセット状況を確認する 試験では、送水量を変えた 2 パターンの押し込み時の荷重計測を行い、送水量による変化を 確認する。また、荷重計を取外し手順⑥、⑦および⑨を省いた手順での試験を行い押し込み時の 速度を計測する。 ワイヤーには押し込み補助装置ラバー位置を基準に 3m 毎にマーキングを行う。 図 5.1.2-11 に押し込み補助装置の動作概要を示す。 − 92 − ①リング式ラバー（セット時は下図の緑、青、黄、桃のブロックが摺動する） 降下中はスプリングによりラバーの拡張を維持し、ウォーターウェイを閉塞している。 セット時にはスライドブロックがアウターに接触摺動し、セットラグが突出ロックする。 降下時 セット・回収時 ②羽根式ラバー（セット時は下図の緑、赤、桃のブロックが摺動する） 降下中は２つのスプリングでラバーからの抵抗による摺動を防止する。①と同様にセット時 にはスライドブロックの摺動で、セットラグが突出ロックし、ウォーターウェイが開通する。 図 5.1.2-11 (3) 押し込み補助装置の動作概要 地上試験(1 回目)実施 試験の実施に先立ち、地上における動作確認を実施したところ、リング式装置（図 5.1.2-5、 図 5.1.2-11 参照、以降①をリング式装置、②を羽根式装置と記載する。）のスペルが摺動（図 5.1.2-11①の黄色部）できないことを確認した。これは、摺動によりラバー左側(図中)の径が縮 小するために発生したと思われる。メカニカルな動作ではラバーを収縮させることが不可能であ ると確認された。そこで、ラバーに切れ目を作成しスペル動作が可能となるように加工を施した。 また、スプリングの強度が強くφ130mm のラバー径のものを試験装置内にセットさせることが出 来ないことから、ラバー外径をφ124.5mm 程度まで削り落とし地上試験を行った。 地上での動作確認を実施した後に、図 5.1.2-10 に示したように試験装置を配置し押し込み − 93 − 試験を実施した。押し込み試験の実施項目を以下に整理する。 ① Test1：羽根式装置使用、ポンプ回転数 850rpm、荷重計接続（押し込み力の計測） ② Test2：羽根式装置使用、ポンプ回転数 1,195rpm、荷重計接続（押し込み力の計測） ③ Test3：羽根式装置使用、ポンプ回転数 1,210rpm、荷重計なし（押し込み速度の計測） ④ Test4：羽根式装置使用、ポンプ回転数 1,550rpm、荷重計なし（押し込み速度の計測） ⑤ Test5：羽根式装置使用、ポンプ回転数 1,495rpm、荷重計なし（押し込み速度の計測） ⑥ Test6：リング式装置使用、ポンプ回転数 1,190rpm、荷重計接続（押し込み力の計測） ①∼④において、ロックラグの動作が未完全であるため、⑤ではスプリングの強度を下げた ものを使用した。⑥の試験では、ラバー径が小さくなり過ぎたため押し込みを実施できなかった。 試験の結果は次項以降で記す。 図 5.1.2-12 にリング式ラバーの加工状況を示す。 図 5.1.2-13 に試験実施状況写真を示す。 図 5.1.2-14 に装置のラバー、スペル、スプリングを示す。（参考） 研磨 図 5.1.2-12 リング式ラバーの加工状況 − 94 − （試験中前方より） （試験中後方より） 荷重計の移動に伴い 台車で計測器も移動した。 図 5.1.2-13 リングラバー 羽根ラバー① 試験実施状況 スペル 羽根ラバー② スプリング 羽根ラバーセット状況 図 5.1.2-14 装置のラバー、スペル、スプリング − 95 − (4) 地上試験(1 回目)実施結果 押し込み試験は(3)に示した 6 パターンを実施した。以降に各結果を示す。 ａ． Test1 実施結果 Test1 では、羽根式装置使用を使用し押し込み力を計測した。ポンプ回転数（850rpm）より 送水量は 111.4ℓ/min と算出した。 バルブを切り替え、押し込みを開始した。開始時の圧力ゲージは 0.0MPa であった。 表 5.1.2-5 に試験中の圧力計測値を示す。 図 5.1.2-15 に試験時の荷重変化を示す。 表 5.1.2-5 圧力計測値(1 回目：Test1) 圧力値 0.00 MPa 0.17 MPa 0.15 MPa 0.25 MPa 0.27 MPa 0.27 MPa 0.30 MPa 0.27 MPa 0.26 MPa 0.35 MPa 1.25 MPa 1.25 MPa 1.30 MPa 0.75 MPa 同期時間(s) 経過時間 0 0 87 0:01:27 115 0:01:55 137 0:02:17 153 0:02:33 183 0:03:03 193 0:03:13 199 0:03:19 213 0:03:33 240 0:04:00 255 0:04:15 280 0:04:40 305 0:05:05 307 0:05:07 400 ⑤ 350 Max:342kgf ④ 計測荷重(kgf) 300 ② 250 ③ ① 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 経過時間（s） 図 5.1.2-15 試験時の荷重変化(1 回目：Test1) − 96 − 300 350 ｂ． Test2 実施結果 Test2 も羽根式装置使用を使用し押し込み力を計測した。ポンプ回転数（1,195rpm）より送 水量は 153.0ℓ/min と算出した。 バルブを切り替え、押し込みを開始した。開始時の圧力ゲージは 0.3MPa 程度を示した。 表 5.1.2-6 に試験中の圧力計測値を示す。 図 5.1.2-16 に試験時の荷重変化を示す。 表 5.1.2-6 圧力計測値(1 回目：Test2) 同期時間(s) 経過時間 0 0 62 0:01:02 86 0:01:26 101 0:01:41 120 0:02:00 180 0:03:00 219 0:03:39 233 0:03:53 246 0:04:06 272 0:04:32 300 0:05:00 318 0:05:18 335 0:05:35 450 Max:412kgf 圧力値 0.30 MPa 0.35 MPa 0.30 MPa 0.50 MPa 0.32 MPa 0.38 MPa 0.28 MPa 0.26 MPa 0.24 MPa 0.28 MPa 0.22 MPa 0.60 MPa 0.28 MPa ① 400 ② 計測荷重(kgf) 350 300 ③ ④ ブレーキ調整 装置を止める 250 200 ⑤ 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 経過時間（s） 図 5.1.2-16 試験時の荷重変化(1 回目：Test2) − 97 − 300 350 ｃ． Test3 実施結果 Test3 では、羽根式装置使用を使用し押し込み速度を計測した。ポンプ回転数（1,210rpm） より送水量は 154.8ℓ/min と算出した。 バルブを切り替え、押し込みを開始した。開始時の圧力ゲージは 0.3MPa であった。押し込 み中の圧力の変動はほとんど発生せず、押し込み中は 0∼0.2MPa 間で振れる程度であった。セッ ト位置にて圧力は 0.25Mpa まで到達した。セットラグの固定は確認できなかった。 表 5.1.2-7 に試験時の押し込み速度を示す。 表 5.1.2-7 ネジ部 ｄ． 押し込み速度(1 回目：Test3) 経過時間 速度 1.5 m 0.133 min 11.250 m/min 4.5 m 0.433 min 10.385 m/min 7.5 m 0.717 min 10.465 m/min 10.5 m 1.017 min 10.328 m/min 13.5 m 1.150 min 11.739 m/min Test4 実施結果 Test4 も、羽根式装置使用を使用し押し込み速度を計測した。ポンプ回転数（1,550rpm）よ り送水量は 195.8ℓ/min と算出した。押し込み開始時の圧力ゲージは 0.3MPa であった。押し込み 中の圧力の変動はほとんど発生せず、押し込み中は 0∼0.2MPa 間で振れる程度であった。セット 位置にて圧力は 0.18Mpa に減少した。セットラグの固定は確認できなかった。 表 5.1.2-8 に試験時の押し込み速度を示す。 表 5.1.2-8 ネジ部 押し込み速度(1 回目：Test4) 経過時間 速度 1.5 m 0.100 min 15.000 m/min 4.5 m 0.300 min 15.000 m/min 7.5 m 0.517 min 14.516 m/min 10.5 m 0.733 min 14.318 m/min 13.5 m 0.967 min 13.966 m/min − 98 − ｅ． Test5 実施結果 Test5 も、羽根式装置使用を使用し押し込み速度を計測した。この試験では Test1∼4 におい てセットラグの固定が実現できないためにスプリングの強度を下げて実施した。また、試験時の ポンプ回転数が（1,495rpm）より送水量は 189.2ℓ/min と算出した。押し込み開始時の圧力ゲー ジは 0.2MPa であった。 押し込み中の圧力の変動はほとんど発生せず、押し込み中は 0.08∼0.10MPa 間で振れる程度であった。セット位置にて圧力は 0.5Mpa に到達し、0.08MPa に減少した。 本試験においてもセットラグによる固定は確認できなかった。 表 5.1.2-9 に試験時の押し込み速度を示す。 表 5.1.2-9 ネジ部 ｆ． 押し込み速度(1 回目：Test5) 経過時間 速度 1.5 m 0.100 min 15.000 m/min 4.5 m 0.317 min 14.211 m/min 7.5 m 0.533 min 14.063 m/min 10.5 m 0.750 min 14.000 m/min 13.5 m 0.967 min 13.966 m/min Test6 実施結果 Test6 ではリング式装置を使用し押し込み力の計測を試みた。ポンプ回転数（1,190rpm）よ り送水量は 152.4ℓ/min と算出した。バルブを切り替え、押し込みを開始したが圧力が変動せず、 ラバー外径を減少させたことにより圧力を受けることが困難になったことが考えられるため試 験を中止した。 (5) 地上試験(1 回目)における結果の総括 今回の地上試験結果から得られたこと、今後の改良点および実施計画について記載し、羽根 式装置およびリング式装置について試験から得られたことを総括する。 ａ． 地上試験(1 回目)結果の概略 羽根式装置での押し込み試験結果から、装置の押し込み力は最大 412kgf を得られた。その ときの圧力は 0.5Mpa(開始前圧力 0.03MPa)を示している。最大値を発生した地点が管内径φ 125mm(断面積：122.7c ㎡)の地点であることから、圧力(0.5-0.03)*9.8=4.6ksc と断面積から押 し込み力は 564.4kgf を発生していたと算出できた。実際の計測値と比較し 73%が推進力に働いた と推察できる。H16 年度に実施した現地試験では必要押し込み力が約 300kgf であることから十分 − 99 − な能力が得られている。また、Test1 および 2 では送水量を上昇させたが圧力は小さくなった。 これは、管内のサビ等によるものと考えられる。押し込み速度に関しては、送水量 200ℓ/min 程 度で 15m/min 程度の速度を得られた。15m/min 程度を流量換算した場合 NL140 内の近似内径 129.24mm を使用し 196.8ℓ/min と算出でき、 流量による値から置換効率も高いことが確認できた。 問題点としては、回収時のラバーの消耗とラバーのまくれがあるが、メカニカルな機構を修 正することで回避が可能と考えられる。また、セットラグの構造に関しては修正が必要である。 リング式装置での試験はラバー構造の欠点が確認され、現地加工による対処によっても試験 実施が出来なかった。そのため、ラバーの収縮を発生させる構造の検討を必要としている。さら に、内蔵されるスプリングの強度調整、セットラグの構造に関しても修正が必要とった。 ｂ． 地上試験(1 回目)結果から得られた改良点 試験の実施後に、羽根式装置およびリング式装置について改良点を整理した。 (a) (b) 羽根式装置に関しての改良点 ① ラバーを一体化する、もしくは 2 枚を同時に挟み固定できるようにする ② ラバー設置箇所のボディをテーパー形状へ変更しインローを多くする ③ ラバー固定リングのテーパーを大きくし、ラバーの収縮時の接触を防ぐ(外径も小さく) ④ セットラグの構造を変更し、セット前にウォーターウェイが開通しないように改良する ⑤ スプリングの強度を弱くする。数種類用意し再試験を行う。 リング式装置に関しての改良点 図 5.1.2-17 にリング式装置改良の概念を示す。 ① A 部をフリーにし自重による降下時の抵抗でラバーが収縮できるようにする ② スプリングはスライドボディが摺動しない強度に調整する。 ③ セットラグの構造を変更し、セット前にウォーターウェイが開通しないように改良する ④ ラバーの長さを長くし A 部との固定に変更する ⑤ ラバー内面には切れ込みをいれ、100kgf 程度の力により A 部がスライド可能にする ⑥ ラバー内面に U 字溝を作成し、加圧時に拡径しやすい構造にする ⑥ スプリングは 100kgf 以上 300kgf の範囲のものを用意し試験により選定する ⑦ スプリングの効果がセット時には無効になる構造の検討が必要 A 図 5.1.2-17 リング式押し込み補助装置改良概念図 − 100 − 5.1.2.4 地上試験（2 回目） 2 回目の地上試験は、1 回目の試験から得られた改良点への対処を行い、その効果の確認を行う。 試験では 1 回目の地上試験と同様に試錐ポンプによる送水で装置がワイヤーを引っ張る力を計測し、 送水圧力と押し込み力および押し込み速度を計測する。 なお、試験の準備および試験の概要は 1 回目の試験と同様のものである。 (1) 地上試験(2 回目)実施 試験での最大荷重量の計測は、前回の試験で 400kgf の押し込み力を確認した 150ℓ/min の送 水量を目標に行い、改良による押し込み能力が強化された度合いを評価する。さらに、荷重計の 変動に合わせ、目視での圧力の変化を計測する。さらに、3.0m 毎の押し込み時間で速度も計測す る。 また、十分な押し込み速度を発生した場合には掘削装置を編成した押し込みも実施する。 地上での動作確認を実施した後に、図 5.1.2-12 に示したように試験装置を配置し押し込み 試験を実施した。押し込み試験の実施項目を以下に整理する。 ① Test1：羽根式装置使用、ポンプ回転数 1,120rpm、荷重計接続（押し込み力の計測） ② Test2：リング式装置使用、ポンプ回転数 1,120rpm、荷重計接続（押し込み力の計測） ③ Test3：リング式装置使用、ポンプ回転数 1,490rpm、荷重計なし（押し込み速度の計測） ④ Test4：羽根式装置使用、ポンプ回転数 920rpm、荷重計なし（押し込み速度の計測） ⑤ Test5：羽根式装置使用、ポンプ回転数 1,200rpm、荷重計なし（押し込み速度の計測） ⑥ Test6：羽根式+DHM 編成、ポンプ回転数 920rpm、荷重計なし（押し込み速度の計測） ⑦ Test7：羽根式+DHM 編成、ポンプ回転数 1,200rpm、荷重計なし（押し込み速度の計測） ⑧ Test8：羽根式+DHM 編成、ポンプ回転数 1,480rpm、荷重計なし（押し込み速度の計測） ⑨ Test9：羽根式+DHM+CB+拡径編成、ポンプ回転数 1,200rpm、荷重計なし（速度の計測） ⑩ Test10：羽根式+DHM+CB+拡径編成、ポンプ回転数 1,480rpm、荷重計なし（速度の計測） 図 5.1.2-18 に改良した押し込み補助装置を示す。 図 5.1.2-19 に改良した押し込み補助装置の動作概要を示す。 図 5.1.2-20 に試験実施状況写真を示す。 図 5.1.2-21 にラバーおよびリング式装置スライドブロック稼動幅を示す。 − 101 − ①リング式ラバー ②羽根式ラバー 図 5.1.2-18 改良した押し込み補助装置 ①リング式ラバー（セット時は下図の緑、紫、橙、桃のブロックが摺動する） 降下中は受圧によりラバーの拡張を維持し、ウォーターウェイを閉塞している。 セット時にはスライドブロックがアウターに接触摺動し、セットラグが突出ロックする。 併せて、ラバー後部ブロックが摺動し、セット完了時にロックブッシュが解除されウォータ ーウェイを保持する。セット後はスライドブロックはフリーになる。 降下時 セット・回収時 ②羽根式ラバー（セット時は下図の緑、赤、桃のブロックが摺動する） 降下中は２つのスプリングで送水時のラバーからの抵抗による摺動を防止する。リング式と 同様にセット時にはスライドブロックの摺動で、セットラグが突出ロックし、ウォーターウ ェイが開通する。 図 5.1.2-19 改良した押し込み補助装置の動作概要 − 102 − （試験中前方より：2 回目試験、掘削編成） （試験中後方より：1 回目試験時） NL140 ロッ ＤＨＭ 拡径装置 コアバレル 荷重計の移動に伴い 台車で計測器も移動した。 図 5.1.2-20 2 回目試験実施状況写真 リング式ラバー 羽根式ラバー ラバーを中心に摺動可能 リング式装置スライドブロックのフリー摺動幅 図 5.1.2-21 装置ラバー、ロックラグセット状況、リング式装置スライドブロック稼動幅 − 103 − (2) 地上試験(2 回目)実施結果 押し込み試験は(1)に示したとおり 10 パターン実施した。以降に各結果を示す。 ａ． Test1 実施結果 Test1 では、羽根式装置使用を使用し押し込み力を計測した。ポンプ回転数（1,120rpm）よ り送水量は 143.9ℓ/min と算出した。 バルブを切り替え、押し込みを開始した。開始時の圧力ゲージは 0.01MPa であった。 羽根式にはリング式に取り付けたウォーターウェイのセット前の開通をロックする機構を 未装着であるため、セットラグを確実に動作させるためウォーターウェイにはメクラ栓を取り付 けた。その結果、ロックラグの固定を確認できた。 表 5.1.2-10 に試験中の圧力計測値を示す。 図 5.1.2-22 に試験時の荷重変化を示す。 表 5.1.2-10 圧力計測値(2 回目：Test1) 圧力値 0.01 MPa 0.25 MPa 0.55 MPa 0.15 MPa 0.10 MPa 0.15 MPa 0.15 MPa 同期時間(s) 経過時間 0 0 1 0:00:01 86 0:01:26 120 0:02:00 180 0:03:00 270 0:04:30 330 0:05:30 900 838kgf（max） 800 荷重計損傷 計測荷重(kgf) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 50 100 経過時間（s） 図 5.1.2-22 試験時の荷重変化(2 回目：Test1) − 104 − 150 ｂ． Test2 実施結果 Test2 はリング式装置使用を使用した押し込み力を計測した。ポンプ回転数は Test1 と同様 に 1,120rpm にて実施した（送水量は 143.9ℓ/min） 。 バルブを切り替え、押し込みを開始した。開始時の圧力ゲージは 0.3MPa 程度を示した。 表 5.1.2-11 に試験中の圧力計測値を示す。 図 5.1.2-23 に試験時の荷重変化を示す。 表 5.1.2-11 圧力計測値(2 回目：Test2) 同期時間(s) 経過時間 0 0 25 0:00:01 36 0:00:36 78 0:01:18 91 0:01:31 108 0:01:48 700 圧力値 0.01 MPa 0.10 MPa 0.55 MPa 0.50 MPa 0.60 MPa 0.78 MPa 653kgf（max） 600 計測荷重(kgf) 500 400 300 200 100 0 0 50 100 経過時間（s） 図 5.1.2-23 試験時の荷重変化(2 回目：Test2) − 105 − 150 ｃ． Test3 実施結果 Test3 では、リング式装置使用を使用し押し込み速度を計測した。ポンプ回転数（1,490rpm） より送水量は 188.6ℓ/min と算出した。 バルブを切り替え、押し込みを開始した。しかし、装置の初動が発生しないため、一旦バル ブを開放し、送水量を上昇させ初動させることにした。その結果、1,700rpm(213.9ℓ/min)時に初 動が発生し、予定送水量に戻した後押し込み速度の計測を開始した。開始時の圧力ゲージは 0.25MPa であった。押し込み中の圧力の変動はほとんど発生せず、押し込み中は 0.2∼0.3MPa 間 で振れる程度であった。セット位置にて圧力は 0.19Mpa で安定した。回収後にはセットラグの固 定を確認できた。 表 5.1.2-12 に試験時の押し込み速度を示す。 表 5.1.2-12 ネジ部 1.5 4.5 7.5 10.5 13.5 ｄ． 押し込み速度(2 回目：Test3) 経過時間 m m m m m 0.700 min 1.767 min 2.717 min 3.617 min 4.400 min 平均速度 速度 2.143 2.813 3.158 3.333 3.830 3.068 m/min m/min m/min m/min m/min m/min Test4 実施結果 Test4 は、羽根式装置（単体）を使用し押し込み速度を計測した。ポンプ回転数（920rpm） より送水量は 119.8ℓ/min と算出した。押し込み開始時の圧力ゲージは 0.02MPa であった。押し 込み中の圧力の変動はほとんど発生せず、 押し込み中は 0.06∼0.12MPa 間で振れる程度であった。 セット位置にて圧力は 0.18Mpa に減少した。セットラグの固定を確認した。（本試験ではウォー ターウェイにφ5mm の通水孔を 2 箇所設けた。 ） 表 5.1.2-13 に試験時の押し込み速度を示す。 表 5.1.2-13 ネジ部 1.5 4.5 7.5 10.5 13.5 押し込み速度(2 回目：Test4) 経過時間 m m m m m 0.233 min 0.617 min 1.083 min 1.450 min 1.833 min 平均速度 − 106 − 速度 6.429 7.826 6.429 8.182 7.826 7.364 m/min m/min m/min m/min m/min m/min ｅ． Test5 実施結果 Test5 も、羽根式装置使用を使用し押し込み速度を計測した。試験時のポンプ回転数 （1,200rpm）より送水量は 153.5ℓ/min と算出した。押し込み開始時の圧力ゲージは 0.02MPa で あった。押し込み中の圧力の変動はほとんど発生せず、押し込み中は 0.08∼0.18MPa 間で振れる 程度であった。セット位置にて圧力は 0.8Mpa に到達し、0.5MPa に減少した。(最後の圧力上昇は ウォーターウェイの径が小さいために発生したと考えられる。) 本試験においてもセットラグ による固定を確認できた。 表 5.1.2-14 に試験時の押し込み速度を示す。 表 5.1.2-14 ネジ部 1.5 4.5 7.5 10.5 13.5 ｆ． 押し込み速度(2 回目：Test5) 経過時間 m m m m m 0.167 min 0.483 min 0.767 min 1.033 min 1.333 min 平均速度 速度 9.000 9.474 10.588 11.250 10.000 10.125 m/min m/min m/min m/min m/min m/min Test6 実施結果 羽根式装置に DHM を接続し、ツールス重量を増加させた状況による押し込み速度の計測を試 みた。ポンプ回転数（920rpm）より送水量は 119.8ℓ/min と算出した。バルブを切り替え、押し 込みを開始したが圧力が変動せず、押し込みができなかった。原因としてはツールの接続により、 重量が増加した分ラバーへの受圧が減少したことによる影響であると考えられた。そこで、送水 量を増加させた Test7 へ移行した。 ｇ． Test7 実施結果 Test7 は、Test6 の編成に対し送水量を増加させた。ポンプ回転数（1,200rpm）より送水量 は 153.5ℓ/min と算出した。押し込み開始時の圧力ゲージは 0.03MPa であった。押し込み中の圧 力の変動はほとんど発生せず、押し込み中は 0.08∼0.18MPa 間で振れる程度であった。これは単 体の試験 Test5 と同じ値である。セット位置での圧力はウォーターウェイ流路の圧力損失を考慮 し(ゲージの圧力レンジをオーバーするため)実施していない。本試験においてもセットラグによ る固定を確認できた。 表 5.1.2-15 に試験時の押し込み速度を示す。 − 107 − 表 5.1.2-15 ネジ部 1.5 4.5 7.5 10.5 13.5 ｈ． 押し込み速度(2 回目：Test7) 経過時間 m m m m m 0.167 min 0.650 min 1.000 min 1.350 min 1.683 min 平均速度 速度 9.000 6.207 8.571 8.571 9.000 8.020 m/min m/min m/min m/min m/min m/min Test8 実施結果 Test8 は、Test7 よりさらに送水量を増加させた。ポンプ回転数（1,480rpm）より送水量は 187.3ℓ/min と算出した。押し込み開始時の圧力ゲージは 0.02MPa であった。押し込み中の圧力の 変動はほとんど発生せず、押し込み中は 0.13∼0.18MPa 間で振れる程度であった。 本試験においてもセットラグによる固定を確認できた。 表 5.1.2-16 に試験時の押し込み速度を示す。 表 5.1.2-16 ネジ部 1.5 4.5 7.5 10.5 13.5 ｉ． 押し込み速度(2 回目：Test8) 経過時間 m m m m m 0.150 min 0.433 min 0.717 min 1.017 min 1.300 min 平均速度 速度 10.000 10.588 10.588 10.000 10.588 10.385 m/min m/min m/min m/min m/min m/min Test9 実施結果 Test9 は、Test6 の編成に拡径装置およびコアバレルを追加接続した編成で行った。ポンプ 回転数（1,200rpm）より送水量は 153.5ℓ/min と算出した。押し込み開始時の圧力ゲージは 0.03MPa であった。押し込み中の圧力の変動はほとんど発生せず、押し込み中は 0.08∼0.18MPa 間で振れ る程度であった。これは単体の試験 Test5 と同じ値である。 本試験においてもセットラグによる固定を確認できた。 表 5.1.2-17 に試験時の押し込み速度を示す。 − 108 − 表 5.1.2-17 ネジ部 1.5 4.5 7.5 10.5 13.5 ｊ． 押し込み速度(2 回目：Test9) 経過時間 m m m m m 0.200 min 0.600 min 1.000 min 1.350 min 1.767 min 平均速度 速度 7.500 7.500 7.500 8.571 7.200 7.642 m/min m/min m/min m/min m/min m/min Test10 実施結果 Test10 は、Test9 の編成で送水量を増加させた。ポンプ回転数（1,480rpm）より送水量は 187.3ℓ/min と算出した。押し込み開始時の圧力ゲージは 0.02MPa であった。押し込み中の圧力の 変動はほとんど発生せず、押し込み中は 0.15∼0.25MPa 間で振れた。 本試験においてもセットラグによる固定を確認できた。 表 5.1.2-18 に試験時の押し込み速度を示す。 表 5.1.2-18 ネジ部 1.5 4.5 7.5 10.5 13.5 (3) 押し込み速度(2 回目：Test10) 経過時間 m m m m m 0.167 min 0.467 min 0.767 min 1.067 min 1.200 min 平均速度 速度 9.000 10.000 10.000 10.000 22.500 11.250 m/min m/min m/min m/min m/min m/min 地上試験(2 回目)における結果の総括 羽根式装置およびリング式装置について試験から得られたことを総括する。 ａ． 地上試験(2 回目)結果の概略 羽根式ではラバーの構造を修正することで、1 回目の試験より高い押し込み力を計測するこ とが出来た。1 回目の押し込み力は 412kgf であったが、今回は 0.54MPa の圧力により 838kgf の 力を発生させている。換算断面積は、158c ㎡となり、実際の断面積に対し 1.2 倍の効率を発生で きた。また、送水量 153.5ℓ/min 時の速度は 8.02m/min であり、必要水量は 19.14ℓ/m と管内容量 の約 1.47 倍を要することになる。さらに、流量増加では、送水量 187.3ℓ/min 時の速度は 10.39m/min で 18.03ℓ/m の容量を要し、管内容量の約 1.39 倍の水量となる。 前回のリング式装置での試験ではリング収縮構造の欠点によりラバーの受圧を発生させる ことが出来なかった。また、内蔵されるスプリングの強度調整、セットラグの構造に関しても修 − 109 − 正が必要であった。今回は構造を変更しラバーの収縮を発生させやすくすることで押し込みを実 現出来た。しかし、装置の組立後のラバー外径φ130mm は形成出来なかった(φ128.5mm 程度)た め、満足のいく押し込み速度は得られなかった。しかし、押し込み力は 653kgf を 0.54MPa の圧 力により発生させ、換算断面積から 0.95 倍の効率を発生させていることが確認できた。組立時 のラバー外径をφ130mm 以上にすることが出来れば押し込み力および速度の大幅な向上が望める。 試験時の送水量 188.6ℓ/min 時の速度は 3.07m/min で、61.4ℓ/m の容量を要し管内容量の約 4.73 倍の水量となる。 ｂ． 地上試験(2 回目)結果から得られた改良点 試験の実施後に、羽根式装置およびリング式装置について改良点を整理した。 (a) 羽根式装置に関しての改良点 ① ウォーターウェイ開通時のストッパー構造をリング式と同様にする ② ウォーターウェイの開口率の調整によるセット構造の検討 (b) リング式装置に関しての改良点 図 5.1.2-19 にリング式装置改良の概念を示す。 ① ラバー外径をφ130mm 以上に維持できるようにする ② ロックラグ解除のための冶具差込み口を設ける ③ 使用しているスプリングの強度調整の実施 5.1.2.5 現地適用試験のための装置の改良 現地適用試験で使用するためには、2 回目の地上試験で得られた結果の対する改良が必要になる。 羽根式装置に対する改良は適用試験までに対応可能である。しかし、リング式装置への改良のために は装置の構造およびスプリングの取り付けスペースなどの問題が多いことから、適用試験には羽根式 装置による適用性評価の実施を主として実施することとする。 図 5.1.2-24 に羽根式装置の改良概念を示す。 ①ストッパー構造の取付、②開効率の調整 図 5.1.2-24 羽根式装置の改良概念 − 110 − 5.2 先端探知技術 5.2.1 磁気影響試験 地磁気で方位計測する上で生じる問題は、地域による偏差と測定器が置かれる環境を含めた自差が 生じていて、測定値が真北からの方位を示していない事である。偏差は国土地理院が発表する磁気偏 角一覧図を参照して、地域に必要な値を求める事ができる。自差は WL-MWD ツール単体では金属部分を 非磁性体にするなどの方法でその影響を最小限にするように設計されているが、掘削編成に組み込ま れた場合は磁性体金属がツール上下に接続されるので、不可避な磁気干渉を受けてしまう。この自差 がどれくらい生じているかを計測し補正する事が、正確に方位を算出する要になる。以下に真方位を 算出するために為にこれまで実施してきた磁気補正の方法や考え方を示す。 5.2.1.1 磁気影響試験の経緯 平成 18 年度に行った磁気影響試験で得られた補正値によって決定された WL-MWD 計測方位はジャイ ロとの測定値と比較して最大＋6.0 度の差が生じた(WL-MWD 計測値がジャイロ計測値より大きな値を 示す)。その後の磁気影響試験によってツールの下部に接続されているダウンホールモータ(以下 DHM) だけでなく、ツール上部に接続されている鉄管 NL140 からの磁気影響を考慮する必要がある事が判明 した。 NL140 は 2 本より多い接続(6.0m)では最大でも測定誤差範囲内(0.3 度より小さな値)の変化量 になるので 2 本より多い接続による磁気影響試験は必要ない事も確認した。 表 5.2.1-1 に平成 18 年度に行った磁気影響試験項目を示す。 表 5.2.1-1 平成 18 年度に行った磁気影響試験項目 ファイル名 磁気影響試験18年9月27日DHM2TOOL1.xls 磁気影響試験18年9月27日DHM1TOOL1.xls 磁気影響試験18年9月27日DHM2TOOL2.xls 磁気影響試験18年9月27日DHM1TOOL2.xls 磁気影響試験18年10月14日DHM2TOOL1再試験.xl Rollテスト18年10月14日ToolNo.1DHMNo.3.xls Rollテスト18年10月14日ToolNo.2DHMNo.3.xls 磁気影響試験18年10月14日DHM3TOOL2.xls 磁気影響試験18年10月14日DHM3TOOL1.xls 日付 2006/9/27 2006/9/27 2006/9/27 2006/9/27 2006/10/14 2006/10/14 2006/10/14 2006/10/14 2006/10/14 方位検証UpSurvey1回目.xls Test No2(DHMなし)377.7m-369.6m.xls 2006/12/13 幌延 2006/12/14 幌延 ○ ○ ○ ○ ○ 2007/1/30 水戸 2007/1/30 水戸 2007/1/30 水戸 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 磁気影響試験19年1月30日DHM2TOOL1.xls 磁気影響試験19年1月30日LWDTOOL1.xls 磁気影響試験19年1月31日NL140.xls 場所 Roll Azimuth Tool 1 Tool 2 DHM 1 DHM 2 DHM 3 LWD NL140 幌延 ○ ○ ○ 幌延 ○ ○ ○ 幌延 ○ ○ ○ 幌延 ○ ○ ○ 幌延 ○ ○ ○ 幌延 ○ ○ ○ 幌延 ○ ○ ○ 幌延 ○ ○ ○ 幌延 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 表の見方として一例を挙げると、最下段を見た場合 2007 年 1 月 30 日に水戸(NLC 水戸工場)で MWD ツールに DHM と NL140 を取り付けて方位の磁気影響試験を行っていることが分かる。 − 111 − WL-MWD はワイヤーラインで接続されているため伝送できる情報量を多くする事ができるので方位 の情報に限って示せば、方位の値以外に互いに直交する 3 軸の磁界センサの値と加速度センサの値を 出力している。DHM や NL140 を接続したことによる方位のずれは各センサにどの様に影響を与えてい るか比較したところ、X 軸の磁界センサの値だけが影響を受けていて他のセンサの値は変化していな い事が判明した。そこで X 軸の磁界センサのみ影響を受けているとして各センサの値から方位を計算 してみると、水戸での磁気影響試験で得られた補正値で計算した方位であるが、ジャイロ計測値との 差が＋0.8 度を示す事が分かった。そこで掘削の行われる地域で NL140 と DHM を接続した磁気影響試 験を実行し、X 軸の磁界センサの値だけが影響を受けているとして計算を行えば、正確な補正値を得 られると判断した。 5.2.1.2 幌延掘削現場での磁気影響試験 平成 19 年度に行っている幌延掘削現場での磁気影響試験は予備の DHM も含めて掘削編成時にどの ツールが使用されても方位補正ができる様に試験を行っている。 表 5.2.1-2 に磁気影響試験組み合わせ表を示す。 表 5.2.1-2 磁気影響試験組み合わせ 項目 回転 方位 ツール1（T1) ツール2（T2) DHM 1 DHM 2 DHM 3 LWD NL140 T1基準値の取得 ○ ○ Roll値の確認 ○ ○ 前回測定値との比較 ○ ○ ○ T1DHM2補正値取得 ○ ○ ○ ○ T1DHM1補正値取得 ○ ○ ○ ○ T1DHM3補正値取得 ○ ○ ○ ○ T2基準値の取得 ○ ○ Roll値の確認 ○ ○ T2DHM2補正値取得 ○ ○ ○ ○ T2DHM1補正値取得 ○ ○ ○ ○ T2DHM3補正値取得 ○ ○ ○ ○ (1) NL140 と DHM からの磁気影響 図 5.2.1-1 のグラフに MWD ツールに NL140 と DHM を取り付けた磁気影響試験結果の一例を示 す。横軸に MWD ツールの方位測定値、縦軸に減算値(測定値から減算値を減算すると磁気方位に なる)を示している。左が DHM2 番の磁気補正値で右側が DHM3 番の磁気補正値である。図中のグ ラフで示すように、 測定値 180 度付近は減算値が両方とも 0 度であるが、左はマイナス値を示し、 右はプラス値を示している。ツールに接続する DHM によって発生する磁気特性が違うことを確認 した。 図 5.2.1-1 に DHM2 番と 3 番の磁気影響試験結果を示す。 − 112 − NL140+DHM No.2 Cal (Tool No.1) NL140+DHM No.3 Cal (Tool No.1) 3 1.0 14 0.5 12 0.0 10 -0.5 -1.0 2 y = -1.1235179508E-05x + 6.9388912285E-03x 1.2422640754E+00x + 6.4396727503E+01 減算値 減算値 y = 4.8626882622E-07x3 + 4.9496195065E-04x2 - 3.0460367431E01x + 3.6038687077E+01 8 6 -1.5 4 -2.0 2 -2.5 0 180 190 200 210 220 230 測定値 240 250 260 270 180 190 200 210 220 230 測定値 240 250 260 270 図 5.2.1-1 DHM2 番と 3 番の磁気影響試験結果 (2) 傾斜変化による方位の変化 WL-MWD ツール単体では傾斜の変化によって方位は変化していないことは確認しているが、 NL140 を取り付けた状態では確認していないので、実験を行った。NL140 と MWD、そして DHM を取 り付けて全長 8.7m になるので、30 度が限界(片側 5m 持ち上げることになる)であろうと考え、傾 斜角度 90 度(水平)から 60 度まで試験を行った。両計測値の違いの範囲は設定誤差内であること から、傾斜による方位の変化はないと考えられる。 図 5.2.1-2 に傾斜を変化させたグラフと作業実施状況を示す。 傾斜変化による方位の変化 ( NL140+MWD No.1 ) 234.0 233.8 233.6 233.4 Azi 233.2 233.0 232.8 232.6 232.4 232.2 232.0 60 65 70 75 80 85 90 Inc 図 5.2.1-2 傾斜を変化させたグラフと作業写真 (3) DHM より下からの磁気影響 MWD ツールの下部には DHM を接続して磁気影響試験を行っているが、DHM より下に接続され ている拡径ビットやコアバレルからの磁気影響は無い事を確認した。 − 113 − 5.2.1.3 孔井内磁気影響試験 前出の「5.2.1.2 幌延掘削現場での磁気影響試験」で得られた磁気補正式の検証を行う為に孔内 裸孔部の掘削長 200.0m 以深に掘削編成を降下して試験を行った。計測された方位測定値を磁気影響試 験で得られた値を使用して補正した値とジャイロ計測値を比較する。 (1) 孔井内磁気影響試験内容と結果 図 5.2.1-3 にジャイロ計測値(ジャイロ方位)と X 軸の磁界センサだけ影響を受けると仮定し 各センサの値から計算した方位(2007 補正 X 軸)を示す。比較のために従来の計算方法での方位 (2007 補正式)を示す。 横軸は深度(m)、 縦軸は方位(度)を表し、計測区間は掘削長 216.8m∼227.0m、 264.8m∼275.0m、324.8m∼334.9m、392.8m∼394.8m、の 4 区間である。なお掘削長 324.8m∼334.9m 間は WL-LWD を接続した編成で掘削した区間を含む。 計測結果から、X 軸の磁界センサだけが影響を受けていると仮定し各センサの値から計算し た方位がジャイロ実測値とほぼ同様の値を示している事を確認した。 2006Gyro と 2007磁気補正式の比較 227 2007補正式 226 225 方位(度) 224 223 222 ジャイロ方位 221 220 219 2007補正X軸 218 200 250 300 深度(m) 350 400 図 5.2.1-3 WL-MWD とジャイロの方位計測値の比較 (2) 磁気補正計算式の決定 平成 19 年度に行う掘削の磁気補正式は X 軸の磁界センサだけ影響を受けているとして各磁 界、各加速度センサからの値を計算した値を使用することに決定した。 − 114 − 5.2.1.4 WL-LWD を取り付けた編成による磁気影響試験 WL-LWD を取り付けた編成での磁気補正値を得る為に、同編成による磁気影響試験を行った。 (1) WL-LWD を取り付けた掘削編成 WL-LWD の重量は 200 kg、WL-MWD は 100 kg、DHM150 kg の総重量 450 kg にもなる編成を磁気 方位 180 度から 270 度の方位の範囲で 10 度毎に測定を行う。収録結果は方位の値だけでなく、3 軸成分の値も使用して演算を行うので、必ずデータを収録装置に収録して処理する必要がある。 図 5.2.1-4 に WL-LWD を取り付けた掘削編成の磁気影響試験補正値と試験作業状況を示す。 LWD DHM No.3 Cal (Tool No.1) 3 2 y = 1.2570518787E-08x + 1.8531835229E-04x - 2.6226676653E02x - 2.3200443553E-01 8.0 7.0 減算値 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 180 190 200 210 220 230 測定値 240 250 260 270 図 5.2.1-4 WL-LWD を取り付けた掘削編成の磁気影響試験補正値と試験作業 (2) NL140 からの影響 WL-LWD の上部に NL140 を 1 本追加して置いても方位は変化しないことを確認した。これによ り WL-LWD より上からの磁気影響は考慮しなくてよいと決定した。 (3) WL-LWD 接続時の補正値修正 WL-LWD を接続していない掘削編成では X 軸だけが影響を受けているとして計算した方位がジ ャイロの結果に非常に近い値を示したので、WL-LWD を接続した場合でもジャイロ計測値に近い値 の方位を示せると想定していたが、実際の試験では図 5.2.1-5 に示すように WL-LWD からの干渉 と思われる変位を生じている事がわかった。 WL-LWD を取り付けた掘削編成の場合は、実験で得られた補正値を使用すると＋2.0 度 WL-LWD を接続していない掘削編成の方位が違い、前の測定値と繋がりが悪く急に方位が変化したように 見えてしまう。そこで、2 つの X 軸磁界センサの補正する量を並べてみると(グラフ下の WL-LWD を取り付けた掘削編成とグラフ上の WL-LWD を接続していない掘削編成)変化の傾向は同様であっ たため、オフセット分を補正することによって補正量を調整(グラフの傾きは同じにして定数を − 115 − 追加、図 5.2.1-5 真ん中のグラフ)した。 図 5.2.1-5 に WL-LWD 接続時の X 軸補正値修正結果を示す。 LWD DHM No.3 Cal (Tool No.1) Hx 減算値 y = 4.7993252866E-02x + 2.4611480366E-02 NL140+MWD+DH Mの補正値、ジャ イロの結果と一致 した。 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 LWD補正に使用し た式 LWDを取り付けて 得られた補正値 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 Hx 測定値 0.1 0.2 0.3 図 5.2.1-5 WL-LWD 接続時の X 軸補正値修正 5.2.1.5 課題と対策 課題と課題に対する解決法にはどのような事が考えられるかを示す。 (1) 方位を測定する位置 磁気影響試験は方位を測定する MWD ツールと磁気影響を与えている NL140 と DHM を接続した 状態での測定値の比較から始まる。いかに MWD 単体の場合と NL140 や DHM を接続した場合の位置 を同じ所にすることができるか、という工夫が必要である。キャリブレータシートの使用はこの 点で上手く作業する事ができたが、それ以上に合わせる事ができる工夫を行えばより正確な磁気 影響補正値を得る事ができる。例えば MWD ツールにレーザーポインタを取り付け、まず MWD 単体 で指し示すポイントにレーザーのターゲットを置き、同様に NL140 と DHM を接続しても同じター ゲットを示す位置に置くことによって、正確な方位の違いを計測する事ができる。 (2) 磁気影響のない環境 磁気影響試験を行うには磁気影響を受けないない環境が必要である。今回の磁気影響調査の ための計測では、付近に設置されている機材等による磁気が存在していた可能性がある。しかし、 今後実施される新規サイトでは周辺の環境により、完全に磁気影響を排除できないことも考えら れることから、ジャイロを併用したシステムで磁気補正を実現することが必要と考えられる。 − 116 − (3) 作業の簡略化 補正の値は MWD ツールを 90 度の方位と 270 度の方位に向けた場合が最大値を示す。最小値 は 0 度と 180 度の方位に向けた場合となっている。最小値は一定の値を取るというより、ツール 単体での測定値と NL140 と DHM を接続した値が変化しないといっても良い。補正値の最大値を計 測するだけで済ます事ができれば大幅に磁気影響による補正値を得る作業が簡略化される。 (4) 磁気補正式 X 軸の磁界センサだけ影響を受けているとして各センサの値から計算された方位はジャイロ による方位計測値に近い値を示すが、必ずしも一致するとは言えない。磁気補正値を得る測定に 問題があるのか、まだ他に考慮されていない磁気影響が在るのかは依然として判断できていない。 この不確定要素の補正には孔井内でジャイロを適用させ、計測するデータを補正することが最も 簡易な対処になると考えられる。 − 117 − 5.2.2 ドリラーディスプレイ ドリラーディスプレイは掘削中のパラメータ(ビット荷重：WOB、トルク：TRQ、泥水圧力、方位、 傾斜等)をオンタイムで確認する事ができる装置である。また、パラメータ以外にも固定カメラの映像 により作業内容を確認することが可能で、死角箇所の状況把握が行い易くなり、安全な装置となる。 以下にフェーズ 2 の最終年度である平成 19 年度のドリラーディスプレイ改良の経緯および成果を 示す。 5.2.2.1 ドリラーディスプレイ製作経緯 ドリラーディスプレイは、掘削から得られるパラメータを有効に利用し、オンタイムで機械操作を 行えるようにドリラーの正面に設置している。コントロールボーリングでは、試錐機を操作するドリ ラー以外にもワイヤーライン用のウインチを操作するウィンチマンが必要となる。ウィンチマンは孔 井口元から離れた場所で操作するため、ドリラーとの相互の目視が難しく合図の確認は無線によって のみ行われる。ウィンチマンにもドリラーディスプレイと同様の情報を提供するシステムを構築する ことによって、ドリラーとウィンチマンの連携がよりスムーズに取れ、安全性・操作性が向上する(ド リラーのものと区別する為にウィンチマンに表示するディスプレイをウィンチマンディスプレイと称 する)。平成 19 年度のドリラーディスプレイの改良は、相互作業における連携強化、可視化による安 全性向上を目標として実施する。 5.2.2.2 ドリラーディスプレイの改良項目 掘削装置の要所をカメラで捉え別な場所に表示させ、安全に操作できる情報を提供する装置は、ど の様な画面の表示が必要か、カメラ設置場所などをどこにすれば確認しやすいかを示す。 (1) ドリラーやウィンチマンへの画像表示 カメラや MWD 収録装置の画像処理装置は MWD 収録装置ラック内に置くが、カメラの切り替え やモニタに映し出す画面の構成などは見る側で操作できるようにする。ドリラーディスプレイは MWD 収録画面とカメラ画面を別なモニタで表示させる。ウィンチマンディスプレイは掘削情報と カメラ画面を切り替えて表示させる。 図 5.2.2-1 にディスプレイ画面表示例を示す。 − 118 − 画面表 示パ ターン 1.MWDのみ 2.カ メラ 画像のみ 図 5.2.2-1 (2) 3.MWD+カ メラ 4.カメラ 画像 (4分割 ) 画面表示例 カメラ設置場所 カメラを掘削装置の要所に配置し、画像を処理し、特定の場所で見ることができるようにす る。以下にカメラの設置場所を示す。 図 5.2.2-2 にカメラ設置箇所と画像処理概念図を示す。 a． 孔井口元周辺 孔井口元を表示することにより、掘削編成の動きや、作業内容を知る事ができる。 ｂ． 試錐機上部 試錐機上部の送泥配管の状態やアーマードケーブルからの泥水を止めるラインワイパーの 様子を知る事ができる。 c． 1,000m ウィンチドラム周辺 1,000m ウィンチドラムのアーマードケーブルの状態を監視することによって、ワイヤーライ ンケーブルのスラックやテンションの状況を確認する事ができる。 ｄ． 泥水ピット 掘削泥水の循環の状態を把握する事ができる。 改良点として、従来の孔井口元周辺 1 台に加えて 3 箇所のカメラ設置場所を増やし、合計 4 箇所設置する。 (3) モニタ設置場所 カメラで捉えた画像処理し、表示させる箇所を示す。 （図 5.2.2-2 参照） ａ． ドリラー 掘削を制御する最も重要な箇所であるため、WL-MWD の収録画面を表示する 1 台と、カメラで 捉えた画像数が多くなったことも含め、更に 1 台を追加して表示させ、収録画面とカメラ画像を 切り離して表示させる。 ｂ． ウィンチマン 従来どおり、WL-MWD 収録画面の邪魔にならない部分に孔井口元を映し出した画面を合成表示 − 119 − する。 ｃ． マッドロギング マッドロギングデータと比較する為にウィンチマンと同じ画像を並べて表示させる。 ｄ． WL-MWD 収録装置 全てのカメラ信号が集められ、合成分配される箇所になっているので、確認表示させる。 図 5.2.2-2 カメラ設置箇所と画像処理概念図 − 120 − 5.2.2.3 システムの比較 いくつかの画像を取り込んで画面に表示させるシステムはカメラ信号を分配や合成する他に、ネッ トワークカメラを利用して組み合わせることも考えられるので、どちらの方式がドリラーディスプレ イに組み入れるには良いかを判断する為に二者を比較する。 ここでネットワークカメラとは、パソコンと同じようにネットワークに接続することができ、カメ ラが映した画像をネットワークに通してブラウザで見ることができる装置として扱う。ネットワーク カメラはウェブカメラとも称する。 (1) ネットワークカメラ ネットワークカメラを使用した場合の長所・短所を以下に示す。 ａ． 長所 ① カメラの画像を 1 つの画面内に自由にレイアウトできる。 ② カメラ信号処理インターフェイスが比較的簡単(ルータとハブのみで構成可能)。 ③ 画像情報がネットワークに乗っているのでインターネット網に接続すれば離れた場所 からも画像を見る事が可能になる。 ｂ． 短所 ① 収録装置から WL-MWD 収録画面をネットワーク上に流すと、収録装置に負荷をかけるこ とになり、収録が間に合わなくなる可能性がある。 ② カメラ画面を見るためには新たにパソコンが必要なので、より大きなコストと設置する 場所が必要になる。 操作性が悪い。 ④ ネットワークカメラに画素数の大きな製品を使用すると、ネットワークに負荷がかかる。 (2) ③ カメラ信号の分配合成 カメラ信号を分配や合成した場合の長所・短所を以下に示す。 ａ． 長所 ① 現在のドリラーディスプレイに追加組み合わせる事ができる。 ② 画面切り替え用のインターフェイスを取り付けることによって、簡単に操作できる ｂ． 短所 ① 画面構成は画面合成機のハードウエアに依存して自由にレイアウトできない。 以上より、ネットワークカメラを用いたドリラーディスプレイは将来的に検討に値するが、WL-MWD 収録装置とネットワーク環境への負荷が大きく、 操作性の点からカメラ信号分配合成で行う事とした。 − 121 − 5.2.2.4 ドリラーディスプレイの設置 ドリラーディスプレイを製作し、掘削現場に設置した内容を示す。 (1) ドリラーディスプレイ設置 掘削装置操作盤にはドリラーディスプレイとディスプレイを切り替える画像切り替えスイ ッチを設置して掘削オペレータが必要に応じて簡単に画像を切り替える事ができる。 図 5.2.2-3 にドリラーディスプレイ用画像切り替えスイッチを示す。 図 5.2.2-3 ドリラーディスプレイ用画像切り替えスイッチ (2) 収録装置周辺 19 インチラック内に 4 つのカメラ信号を処理するインターフェイスを組み込み、画像信号の 合成や切り替えを行う。ラック周辺は、4 つのカメラ信号、4 箇所への処理された画像出力など の配線が多く集まり、たくさんのケーブルが配線されている。 図 5.2.2-4 に WL-MWD 収録装置周辺状況を示す。 図 5.2.2-4 WL-MWD 収録装置周辺 − 122 − 5.2.2.5 課題 ドリラーディスプレイは掘削時の情報や、掘削装置の様子をドリラーやウィンチマンが確認するた めに表示する装置であるが、より良い操作性や安全性を向上させるための課題を示す。 ① 固定カメラのため、視野を変更したい場合には操作できなかった。しかし同時に画像を 見ている作業員が 1 人ではないので、むやみに視野を動かすと問題が生じる恐れがある。 ② 泥水ピット上のカメラは湿度によりレンズが曇り故障してしまった。防滴対策済みでは あるが、高湿度の場所ではより耐環境性を高める必要がある。 ③ 録画画像を再生する状況は発生しなかったが、操作説明や作業の効率化を図る上で今後 録画した作業画像を利用できる可能性があるので、録画機能を有した方が良い。 ④ 掘削データはハードディスク内に保存されるが、収録モードに切り替える必要がある。 自動表示される MWD データは画像データとは別にデータの二重化としても有効であり、保 存できるシステムが望ましい。 ⑤ パネル幅 482.6 mm(19 インチ)、高さ 3U(132 mm)のラック用ケース内に装置全体を収め ようとしたが、ケース内だけに収める事ができず、ラック後にユニットがはみ出す形で設 置した。小型化できる要素があれば実施し、パネル内に収まるシステムにした方が良い。 ⑥ 画像切り替え可能なのはドリラー側と収録装置側のみである。ウインチマン対応とした 場合、より多くのインターフェイスが必要となり今回は対応不可能であった。 5.2.2.6 ドリラーディスプレイの可能性 ドリラーディスプレイの持つリアルタイムで掘削情報を表示する、孔井での作業状況を表示する機 能を発展させ利用することによって、安全で操作性の良いシステムにできる可能性を示す。 (1) 記録画像を教育用として使用 各所に設置されたカメラ画像を記録することによって、掘削装置を操作する人の教育教材と しての実際の画像を示し操作を教育する事ができる。また作業の効率化を図る上で画像記録を使 用して作業内容を比較する材料とする事ができる。 (2) 掘削の状況の説明 大きな画面を 1 つ用意して、その中にカメラ画像、掘削情報収録データを 1 度に示す事がで きれば、掘削の状況を説明し易く、理解しやすくなる。その為には掘削している各種数値やグラ フだけでなく、ビットの回転しているような表示などもできると現実味のある説明ができる。 (3) ツールフェイスの設定 ダウンホールモータのツールフェイスを掘削前に合わせる事は掘削の方位や増角率を決め − 123 − る上で重要な要素であるが、カメラ画像を利用して前回と同じ位置に来ることを示す事ができれ ば、より正確な設定ができるようになる。 (4) 警報の設置 データの二重化による収録装置ができるのであれば、その中にデータを監視させる機能を持 たせ、例えば泥水の内部圧力と外部圧力の差が大きくなったら警報を出すなどの機能を持たせる ことによって、操作性が良くなる。現在の WL-MWD 収録装置には地上での張力が設定した値を超 えるとアラームが出力される機能は持っているが、他の計測値に関しては設定できない。 上記の様に画像を利用した安全性の向上や操作の的確性などをより高める可能性があるドリラー ディスプレイを発展させるべく、努める必要がある。 − 124 − 5.2.3 ワイヤーラインジャイロ計測による WL-MWD 計測値の検証 WL-MWD による傾斜・方位計測の実証として、平成 18 年度に引き続きワイヤーライン検層によるジ ャイロ計測を実施した。以下に計測内容と結果を記す。 (1) ジャイロツール仕様 本測定装置(SDI 社 KEEPER System、以降 KEEPER)は、孔内測定装置と地上装置で構成され、 孔井方位および傾斜の角度をリアルタイムに測定する装置である。 KEEPER は内部に Rate Integrating Gyro、加速度計をそれぞれ 2 個有し、Rate Integrating Gyro は真北を基準とした方位角を、加速度計は孔井の傾斜角を計測する。今回使用した KEEPER の仕様を表 5.2.3-1 に示す。また、地上装置は Power Supply Unit、 Depth Encoder、 MSI（イ ンターフェースパネル）および PC(IBM 互換機)から成り、KEEPER によって計測された方位・傾斜 を受信し、PC のアプリケーション上にリアルタイムに表示する。 表 5.2.3-1 ジャイロツール（KEEPER System）仕様 センサ プローブ 外筒 Rate Integrating Gyro x2、加速度計 x2 外径 1.375" (3.49cm) 全長 86" (218cm) 外径 1.85" (4.7cm) 全長 18' (548.6cm), セントラライザ含め5.8m 耐熱 80℃、 315℃(3hr w/Heat Shield） 耐圧 20000psi ワイヤーライン検層速度 最大500ft/m 精度 (2) 方位 ±0.05°（0-360°） 傾斜 ±0.05°（0-70°） 計測内容 ジャイロセンサによる検証は上記 SDI 社のダウンホールツールスに、㈱物理計測コンサルタ ント社物理検層用ケーブルヘッドを接続して、ツール電源の供給やデータ伝送は物理検層用アー マードケーブルを介して実施した。計測方法は通常の物理検層と全く同様の方式で実施した。 本年度作業では孔底での傾斜が約 79 度であることから、自重での降下は不可能であると考 えられ、当初はポンプダウン方式（水圧によるツールの降下補助）を検討したが、最終的にはワ イヤーラインの降下可能な深度までの計測とした。今後は水平孔における計測手法に関しての検 討が必要になる。 − 125 − Tie-wrap / jubilee Wireline Clamp screws (x4) Wireline clamp Packing nut and clamp screw assembly Packer assembly Steel Bushings 図 5.2.3-1 ポンプダウン方式（gyrodata 社資料より） 物理検層用 アーマードケーブル ㈱物理計測コンサルタント社 物理検層車 ジャイロセンサ ダウンホールツールス 図 5.2.3-2 ジャイロ計測作業図 図 5.2.3-3 ジャイロツールおよび地上装置 − 126 − Packing (3) 実施概要 現地適用試験でのジャイロ計測実施概要を表 5.2.3-2 に示す。 表 5.2.3-2 計測実施日 計測会社 平成19年10月30日 SDI（Scientific Drilling International） 計測エンジニア Martin Milne（SDI）、重益氏・中嶋氏（GERD) 実施深度 0m∼540.1m （傾斜64.9度以深降下不能） 測定間隔 0.1m 検層ユニット (4) ジャイロ計測実施概要 ㈱物理計測コンサルタント物理検層車(126号車） 計測結果 平成 18 年度の孔井方位に関しては、掘削開始前に磁気影響試験を実施して補正値を代入し 昨年度のジャイロ計測値計測時の状況（掘削時のリアルタイム計測や、編成の違い）が異なるも のの、コアリング掘削区間（磁気影響補正値代入区間）では平均して 6.7 度の差を生じた。平成 19 年度においては、ジャイロ計測最深部（540.1m）での孔井傾斜は WL-MWD64.5 度、ジャイロセ ンサ 64.8 度であり、孔井方位は WL-MWD220.6 度、ジャイロセンサ 220.9 度という結果になった。 孔井傾斜に関しては北進地区および平成 18 年度に実施した HCD-3 号井で実施した検証時と同様 に、WL-MWD とジャイロ計測結果は全区間に渡りほぼ均一な値を示した。（全区間での平均の差は 0.2 度） 本年度の適用試験時には、前述した磁気影響試験をダウンホールモータのみではなく、NL140 ロッドを接続して WL-MWD ツール上部からの磁気影響を補正した事に加え、3 軸センサの X、Y、Z それぞれの軸への磁気影響を調査して補正値を代入した。更に、孔内において検証試験を実施し、 補正されたデータが平成 18 年度に実施したジャイロセンサによる孔井方位とほぼ同様である結 果が導かれた。ジャイロセンサによる孔井方位は磁気干渉がない真方位と考察されているため、 本年度の補正値から昨年度の孔井方位を修正してプロットした値が図 5.2.3-4 の値である。 図 5.2.3-5 はジャイロ計測結果と WL-MWD で算出した孔跡図（Horizontal View）の比較であ るが、ほぼ同一線上に軌跡が描かれており、本年度の WL-MWD による孔井方位計測は磁気干渉を 受けないジャイロセンサとほぼ同様の値を示していた事がわかる。 図 5.2.3-4 に WL-MWD とジャイロの計測結果を比較する。 図 5.2.3-5 に WL-MWD とジャイロの方位孔跡図を比較する。 − 127 − 図 5.2.3-4 WL-MWD およびジャイロ計測結果 図 5.2.3-5 孔跡図比較（WL-MWD・Gyro 計測結果） − 128 − 5.3 コアリング技術 コアリング技術として、昨年度より検討している①現地コア試験による岩盤強度と掘進能率(ROP) およびビット荷重(WOB)の関連、 ②泥水比重計測によるスライムの排出性の 2 点に関して本年度の掘削 結果から確認可能であるか検討する。 ①では、現時点で掘削している岩盤の強度を簡易に把握することで、掘削を実施するための WOB お よび ROP と岩盤強度の関連性について確認する。②では、リターン泥水の泥水比重を計測することで スライムの排出状況を確認する。 5.3.1 現地コア試験と掘削状況 掘削中の WL-MWD から得られる ROP は、10cm 掘削するために必要とした計測時間から算出する。こ れにより、掘削深度に対し、10cm 毎の ROP データを算出できる。また、通常の計測データの取得で得 られる WOB データも、ROP と比較可能な深度において取得できる。 さらに、採取コアの現地試験で得られる岩盤 L 値を、 以下の換算式から一軸圧縮強度に簡易算出し、 上記 ROP および WOB と比較する。 Y=3.9429e^0.0046X、R^2=0.8976（X=L 値、Y=一軸圧縮強度(MPa)） 出典「全地連、技術 e-フォーラム 2002 よなご」 昨年度の検討結果では、図 5.3.1-1 に示した ROP、岩盤強度および WOB の比較から、掘進能率と岩 盤強度の変動に相関性が確認できる。掘削長 230m および 270m 付近において、岩盤強度が低下してい る区間では、掘進能率が数 10cm/h 増加していることが確認できた。また、掘削長 270m 以降の全体的 に強度が低くなっている区間で掘進能率が高い値で維持できていることが確認できた。WOB と強度の 比較では、岩盤強度が低い場合に WOB が比較的高い値を示す傾向であることを確認した。 しかし、図 5.3.1-2 に示すように本年度の結果では、岩盤強度と ROP の関係が逆に相関する結果と なっている。ROP は掘削長 540m 通過後に上昇しているが、岩盤強度の値はそれ以前と大きな変化は見 られていない。また、掘削長 500m 以降に岩盤強度が増加方向にシフトした区間においても ROP には明 確な変化は表れなかった。しかし、WOB の値と比較した場合、掘削長 540m 手前より WOB の相対値がそ れ以前に比べ上昇していることから、ROP に影響を与えたパラメータが WOB の増加であると考えるこ とが出来る。 WOB と強度の比較では昨年度の結果と同じく、岩盤強度が低いほうが、WOB が比較的高い値を示す 傾向となった。本年度の WOB の変動は昨年度に比べ比較的安定した荷重を与えながら掘削することが 出来ていることを示した。図 5.3.1-1 および図 5.3.1-2 における極端な WOB の増減は掘削編成の中で 1m と 2m のコアバレルを併用して使用したために発生しているものである。その際に、コアバレルの みで掘削している区間と拡径装置のみで拡孔している区間が発生することから、1m の時の掘削では切 − 129 − 削面積が小さくなるため WOB が小さくなる結果となった。これらのことから、計測する WOB の値を大 きく支配するのは拡径装置で掘削している箇所のパラメータであると考えることが出来る。その場合、 WOB と強度の関係は、岩盤強度が高くなれば WOB が大きくなることが確認できた。 また、WOB が小さい値を示すコアバレルのみで掘削している区間では ROP も瞬間的に増加し 1.0m/h を越える速度を計測している減少を確認できた。 本年度の結果について H18 年度と比較すると同様な状況であることが確認できた。 ROP、岩盤強度および WOB の比較により以下のことが再確認できた。 ① ROP を高くするためには適正な WOB を与えることが必要である。 ② 岩盤強度に応じた WOB を与えることが必要である。 ③ WOB と岩盤の評価には拡径装置ビット位置での評価が必要である。 さらに、WOB が小さい値を示すコアバレルのみで掘削している区間では ROP が増加する現象を確認 したことから、今後拡径装置における掘削効率を改善することで、ROP を上昇させることが可能であ るか検討が必要である。 図 5.3.1-1 に、平成 18 年度適用試験での ROP、岩盤強度、WOB の比較を示す。 図 5.3.1-2 に、平成 19 年度適用試験での ROP、岩盤強度、WOB の比較を示す。 − 130 − 岩盤強度(MPa) ROP(m/h) 0.0 0.5 1.0 1.5 0 25 50 75 WOB(kgf) 100 0 500 200 220 240 260 掘削深度(m) 280 300 320 340 360 380 400 図 5.3.1-1 ROP、岩盤強度、WOB の比較（平成 18 年度） − 131 − 1000 1500 岩盤強度(MPa) ROP(m/h) 0.0 0.5 1.0 1.5 0 50 100 150 WOB(kgf) 200 0 500 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 掘削深度(m) 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 図 5.3.1-2 ROP、岩盤強度、WOB の比較（平成 19 年度） − 132 − 1000 1500 5.3.2 掘削泥水 適用試験において使用される掘削水は、ベントナイトを主体とした泥水が使用される。掘削泥水は 試錐ポンプにより地上より孔内に送水、主にビットの冷却、孔壁の形成・維持およびスライムの排除 の用途に使用される。 孔内に送水された泥水は NL140 ロッドの外側(アニュラス)を通り地上のタンクへ排出される。排出 された泥水はタンク内でスライムを沈降分離させ、 ふたたび孔内へ送水循環される。掘削時の泥水は、 送泥側と排泥側で比重・粘速を計測し、そのデータから調泥の実施時期を見極めるために使用してい る。 孔口に排出されるリターン泥水はスライムを含むため、タンク内において適正なスライム排除が行 われない場合、時間経過とともに比重は増加してくる。掘削における孔内の泥水柱圧力はスライムを 含めたリターン泥水の比重により算出している。そのため、定常的な泥水比重の計測は孔内環境の評 価に欠かせない。 しかし、ポンプ停止時の WL-MWD の外圧力が泥水比重による水頭圧力よりも高いことから、スライ ムの排除が 100％でない場合にはリターン泥水の計測比重による水頭圧値に比べ、実際の圧力は高い と考えられる。さらに、リターン泥水の計測比重では、スライムがタンク内で沈降・分離されて循環 するため、計測比重に大きな変動が表れにくい。そこで、WL-MWD の外圧力から算出した泥水比重をリ ターン泥水の比重を比較した。 昨年度の検討結果では、図 5.3.2-1 に示したように深度の増加に対し WL-MWD による比重算出値が 増加と減少を繰り返していることが確認できた。この変動を作業状況と比較し、換算比重値の減少が 孔内洗浄の実施によるものであると判断した。また、洗浄後の換算比重が増加傾向を示すことから、 掘削長に比例したスライムの滞留が発生していると考えられた。これらのことから、リターン泥水の 性状計測によってスライムの排除状況を確認することは困難であることが分かった。 しかし、スライムの排除状況は WL-MWD による計測データから算出される泥水比重により判断する ことが可能なため、岩石の密度を 1.85 とした場合のスライム排除効率を、比重(換算・計測)および 10m 掘削で発生するスライム容量を用いて評価することは可能であることから、昨年度は残留スライ ムの影響で変動する孔内圧力環境把握のために使用した。 昨年度の評価は、図 5.3.2-1 の掘削長 280∼290m の 10m 間（区間①）および掘削長 358∼368m の 10m 間(区間②)について実施し、区間①では、WL-MWD による比重換算値が 1.026 から 1.047 まで増加して いるのに対し、リターン泥水の計測比重は 1.02 から 1.03 と増加幅は小さいこと、区間②では、MWD による比重換算値が 1.070 から 1.078 まで上昇しているがリターン泥水比重は 1.03 のままであること を確認した。 昨年度の表 5.3.2-1 に示したパラメータより、区間掘削で比重 1.85 の切削岩盤が孔内に全量残留 − 133 − したと仮定した場合の最大増加比重を算出したところ、最大増加比重は区間①で 1.053、区間②で 1.090 となった。算出には下式を使用した。 最大比重＝((Va−Vb)×換算比重 a＋Vb×岩盤比重)／Va （Va:孔内ボリューム、Vb：切削岩盤ボリューム） その計算結果から排除効率を算出した結果、区間①は 22.2％、区間②では 60.0%となった。排除効 率は下式で計算した。 排除効率＝（最大比重−換算比重 b）／（最大比重−換算比重 a） 図 5.3.2-1 に平成 18 年度の地上計測の泥水比重と WL-MWD からの換算比重を示す。 表 5.3.2-1 に平成 18 年度の排除効率算出に使用したパラメータを示す。 比重測定値およびポンプ停止時孔内圧比重換算値 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 200 210 比重測定結果 MWDによる換算比重 220 230 240 250 260 MWD圧力センサ概略深度(m) 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 図 5.3.2-1 リターン泥水測定比重と WL-MWD 外圧換算比重(平成 18 年度) − 134 − 表 5.3.2-1 排除効率算出に使用したパラメータ(平成 18 年度) 区間① 区間② 掘削深度① 280m 358m 掘削深度② 290m 368m 孔内ボリューム（Va） 4,950ℓ 6,240ℓ 切削岩盤ボリューム(Vb) 160ℓ 160ℓ 泥 掘削深度①での計測比重A 水 掘削深度②での計測比重B M 掘削深度①での換算比重a W D 掘削深度②での換算比重b 岩盤比重 1.02 1.03 1.03 1.03 1.026 1.07 1.047 1.078 1.85 本年度の掘削結果において MWD の換算比重と泥水計測の値を比較した場合図 5.3.2-2 のようになる。 この図を孔内の洗浄等の実施別に以下の通り区分けする。深度は MWD センサ深度で標記（掘削深度は 標記深度に 7m を加えた値となる。 ） ① 区間 A：掘削長 400.0m∼444.1m 間（44.1m 間） 掘削開始から孔内洗浄を実施するまでの区間。442m にて孔内洗浄を実施した。 この区間の泥水比重は 1.02 から 1.04 に上昇したのに対し、換算比重は 1.01 から 1.08 まで増加した。 ② 区間 B：掘削長 441.1m∼482.6m 間（41.5m 間） 区間 A 以降から水理試験 1 回目を実施するまでの区間。482.6m 以降には水理試験実施の ために孔内洗浄および新規泥水への置き換えを実施している。 洗浄により泥水比重は 1.03 に減少したが最終的には最大 1.05 まで増加した。しかし換 算比重は最大で 1.095 まで上昇している。 ③ 区間 C：掘削長 482.6m∼518.8m 間（36.2m 間） 水理試験 1 回目終了後から孔内洗浄実施までの区間。518.8m では装置回収困難発生のた めケーブル切断後にロッドを回収し、ロッド再挿入の際に洗浄を実施した。 本区間における泥水比重は 1.02 から 1.05 で推移していた。換算比重は水理試験時に新 規泥水に置換したこともあり、1.0 を下回る値となった。区間の最後には 1.06 程度の比重 であり計測している泥水比重と同等の増加を示している。 ④ 区間 D：掘削長 518.8m∼620.0m 間（101.2m 間） 前区間から次の回転洗浄を実施した区間。この間はロッドを回転しない送水のみの洗浄 − 135 − を 5m∼10m に 1 回程度実施している。 この間においては泥水比重と換算比重は 1.04 から 1.05 の値を示し、大きな変化が発生して いない。 ⑤ 区間 E：掘削長 620.0m∼693.5m 間(73.5m 間) 前区間から孔底までの区間。この区間においては押し込み補助装置を適用した掘削を実 施しているため、掘削開始前に送水が実施されている。 計測している泥水比重が 1.02 から 1.04 の範囲内を示すのに対し、換算比重は 1.05 か ら 1.07 の範囲で安定している。増加傾向を示していないことから、押し込みのための送 水による洗浄効果はあるが、一定量のスライムが残置することにより、孔内の比重が高い ままに安定してしまった可能性が高い。また、610m 以降においては装置の挿入抵抗が発生 している区間でもあることから、ロッドと孔壁とのクリアランスが狭くなることで換算比 重を高く計測する結果になったと想定できる。 また、表 5.3.2-2 に示すパラメータの判断から、昨年同様残留スライムの排除効率を推定する。推 定の際には区間前後の最低の比重および最大の比重を用いて実施した。 区間 A のスライム排除効率は最終的に 26.4%に到達していることから、その後の洗浄実施は適切で あったといえる。区間 B ではスライム排除効率がマイナスとなり、スライムの排除がほとんど実施さ れていなかったと考えられる。しかし区間 C の開始時には換算比重が計測比重を下回っていることか ら、その際の泥水の入替と洗浄により孔内圧力環境は改善されていることが確認できている。区間 C では排除効率が 42.8%を示し新規泥水に入れ替えた効果が持続したと考えられる。区間 D および区間 E では高い排除効率を維持した状態で掘削が行われた。この区間においては定期的な送水を実施してい る区間であることから、スライムの排除のためには定期的な送水およびロッド回転による洗浄を実施 することが望ましいという結果を得ることが出来た。 図 5.3.2-2 に本年度の地上計測の泥水比重と WL-MWD からの換算比重を示す。 表 5.3.2-2 に本年度の排除効率算出に使用したパラメータを示す。 − 136 − 比重値（−） 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 400 410 比重測定結果 MWDによる換算比重 420 430 440 450 460 470 480 490 500 MWD圧力センサ概略深度(m) 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 図 5.3.2-2 リターン泥水測定比重と WL-MWD 外圧換算比重 − 137 − 1.20 表 5.3.2-2 排除効率算出に使用したパラメータ 区間A 区間B 区間C 区間D 区間E 開始深度 395.4m 444.6m 484.6m 520.2m 626.0m 終了深度 444.1m 482.6m 518.8m 616.0m 693.5m 孔内ボリューム(Va) 7,499ℓ 8,135ℓ 8,734ℓ 10,342ℓ 11,623ℓ 掘削岩盤ボリューム(Vb) 780ℓ 609ℓ 548ℓ 1535ℓ 1081ℓ 泥 開始深度での計測比重Ａ 水 終了深度での計測比重Ｂ 1.010 1.030 1.020 1.030 1.030 1.040 1.050 1.050 1.050 1.040 Ｍ 開始深度での換算比重ａ Ｗ Ｄ 終了深度での換算比重ｂ 1.020 1.038 0.985 1.008 1.041 1.077 1.095 1.035 1.047 1.063 岩盤比重 1.85 最大増加比重 1.097 1.091 1.072 1.152 1.106 排除効率 26.4% -6.8% 42.6% 72.9% 66.3% − 138 − 5.4 掘削システム統合化に必要な共通技術 本年度実施する掘削システム統合化に必要な共通技術として、①ケーブル仕様、②改良型ケーブ ル・ウインチの試作を検討する。 ①では、孔内で使用するケーブルは掘削と計測で使用する場合に内蔵されるラインの使用頻度に大 きな差が生じることから、今後のケーブル使用に関した検討を行う。②では押し込み補助装置の使用 に付帯して発生する作業上の問題を解決するため、ケーブル・ウインチについての検討を行う。 5.4.1 ケーブル仕様に関する検討 コントロール掘削の現地適用性試験に用いるため、先行して研究開発された既存ケーブル(2 種類) は将来的に後発の各種調査業務との統合化を行う際に、必要となる電力を供給できない可能性が考え られる。また、過年度の業務実績からケーブルの使用頻度は掘削時が主で、孔内計測等では使用頻度 が低い事から 2 種類のケーブルで消耗の割合が大きく異なる事が判明している。 このため、使用頻度に合わせた 2 種類のケーブルの選定を行い、各種調査技術との体系化に向けた ケーブル仕様の検討を行う。 5.4.1.1 過年度までに試作したケーブル 過年度試作されたケーブルは、ステンレスワイヤーにより装甲されたアーマードケーブルとガラス 繊維により装甲された GFRP ロッドの 2 種類である。 アーマードケーブルに関しては、平成 15 年度より実施している現地適用試験にて実績を有してい る。しかし、1,000ｍ程度の掘削の使用により交換を必要とする消耗性が問題となっている。 一方、GFRP ロッドに関しては、地上試験での押し込み力調査により、押込荷重の大きさに係わらず、 先端荷重が約 150kg に達すると NL140 ロッド管内にて GFRP ロッドが折損してしまうことを確認してい る。そのため、GFRP ロッドの適用は困難であると判断している。なお、両ケーブルとも内蔵されるラ インは同じ仕様となっている。 図 5.4.1-1 に過年度試作したケーブル模式図を示す。 − 139 − 外径：15mm ＜GFRPケーブル＞ 外径：22.5mm ＜アーマードケーブル＞ 図 5.4.1-1 過年度試作したケーブル模式図 5.4.1.2 新規ケーブルへの検討 適用試験で使用するケーブルの役割は、掘削時のワイヤーライン用としてのワイヤー、各種計測装 置への電源供給・通信ラインである。 掘削のために必要となるラインは WL-MWD を接続した際に使用する電源供給ラインと通信ラインで ある。また、掘削中には WL-LWD を接続した検層を実施するが、その際には電源ラインおよび通信ライ ンとして光ケーブルを含む 8 ラインを使用する。 孔内試験を現地にて実施した透水・採水・イメージング装置については、光ケーブルを含み 4 ライ ンを使用する。また、今後開発に合わせ使用するモニタリング装置、孔内力学試験装置等に対応する ためには電力が不足する可能性も考えられている。 これまでの開発状況から、次フェーズにおいて WL-LWD の掘削を全区間にて適用させることが難し いと考えられ、掘削時に必要な 2 ライン以上の通信ラインは未使用のまま消耗してしまう可能性が高 い。また、WL-MWD には必要としない光ケーブルを排除したケーブルであれば、消耗に対する交換時の 発生コストを大幅に抑えることが可能となることから、使用目的および頻度に応じたケーブルの設計 を進める。 (1) 掘削時に必要な通信ケーブル WL-MWD のみで掘削に必要な通信ラインは、銅線 2 ラインである。しかし、そのラインのみで アーマードケーブルを製作した場合、その外径は 3∼6mm 程度の細いものとなる。しかし、コン トロールボーリングでは、NL140 ロッド管内にてツールスの挿入・回収を実施するためφ125mm 程度の内径のロッド内にて使用する場合には、ケーブル径が細すぎるとケーブルのキンク等の発 生の可能性が高くなる。そのため、予備ラインを含め外径 12mm 程度のケーブルを銅線のみで試 − 140 − 作することを目標にケーブルの設計を実施する。 図 5.4.1-2 に掘削(WL-MWD のみ)時に使用するケーブルの設計・仕様を示す。 WL-MWD用通信ライン 予備通信ライン アーマードワイヤー ◇仕様 通信ケーブル サイズ 数量 通信線（銅線） 0.5mm2 7本 アーマードケーブル構成 外径 1.通信ケーブル 7.24mm 2.アーマード内側 9.22mm 3.アーマード外側 11.73mm ケーブル特性 外径 空中重量 484kg/km 水中重量 388kg/km 耐熱温度（連続使用時） 135℃ 破断荷重 81.4ｋN 曲げ半径 51cm 図 5.4.1-2 掘削(WL-MWD のみ)時に使用するケーブルの設計・仕様 (2) 孔内時計測の通信ケーブル 孔内計測では膨大な取得データを通信するための光ケーブル 4 ラインと、電源を供給する銅 線ラインを複数本必要とする。現在必要とされるケーブル数量は光ライン 4 本と銅線ライン 4 本 であるが、大容量の電圧を送込むことが可能であればライン数の軽減の可能性は考えられる。 しかし、各種装置の開発状況から現在必要な電力量が算定されていない。また、今後の開発 の結果によっては、さらに必要となる可能性も考えられる。 本年度は、既存の透水・採水・イメージング装置をベースとした設計を行う。設計の条件と − 141 − して、光ケーブルを 4 本挿入することを基本とし、電源として 2 本のラインを含むケーブルを考 案する。このケーブルをベースに今後の装置開発にあわせ、必要となる銅線を追加していくもの とする。そのため、ここでの提案は最小限の要求を満たすものである。 図 5.4.1-3 に孔内計測時に使用するケーブルの基本設計・仕様を示す。 光ケーブル 電源・信号ライン ◇仕様 通信ケーブル サイズ 数量 通信線（光ケーブル） 0.25mm 4本 通信線（銅線） 0.8mm2 3本 アーマードケーブル構成 外径 1.通信ケーブル 7.21mm 2.アーマード内側 9.14mm 3.アーマード外側 11.07mm ケーブル特性 外径 空中重量 427kg/km 水中重量 341kg/km 耐熱温度（連続使用時） 80℃ 破断荷重 64.5ｋN 使用時最大荷重(光ケーブルの限界 15.6kN 曲げ半径 23.5cm 図 5.4.1-3 孔内計測時に使用するケーブルの基本設計・仕様 − 142 − 5.4.2 改良型ケーブル・ウインチの試作 ツールス押し込み補助装置は水圧を利用する。しかし、既存ウインチのケーブルドラム回転駆動は 油圧制御であることから、押し込み速度の変化に追従できないことが考えられる。そのため、回転駆 動が押し込みに追従できる方式として、ブレーキによってドラム回転速度の制御が可能なウインチの 試作が必要となった。 また、5.4.1 の検討結果を受けた将来用のケーブル作成に先がけ、本年度はまず、押し込み補助装 置を使用した緩傾斜区間および水平区間で使用可能となるよう重量、断面積を縮減したケーブルの試 作が必要となった。 しかし、掘削専用のケーブルを試作した場合、本年度の適用試験で使用する孔内計測装置で使用す ることが不可能となるため、図 5.4.1-2 に示したケーブル設計内の銅線ライン 1 本分のスペースを光 ケーブル用に入れ替えたケーブルの設計・試作を行う。 5.4.2.1 改良型ケーブルの試作 本年度のツールス押し込み補助装置適用時に使用するケーブルとして図 5.4.2-1 に示すケーブルを 試作した。 図 5.4.2-1 の試作ケーブルの設計を示す。 図 5.4.2-2 に試作したケーブルを示す。 図 5.4.2-1 改良型ケーブル設計図 図 5.4.2-2 ケーブル試作状況 − 143 − 5.4.2.2 改良型ウインチの試作 現在のウインチは装置降下速度をドラムの回転で制御し、その調整は油圧で行う構造となっている。 しかし、緩傾斜区間より使用するツールス押し込み補助装置は水圧で押し込む装置であるため、緩傾 斜区間での装置降下速度を高めるためには、水圧の力を最大限与えることが重要になる。 油圧によるウインチの制御を実施した場合、水圧の力以下の油圧力であれば、押し込みの推進力に ブレーキを与えてしまうことになる。また、水圧の力以上の油圧力であれば、ケーブルを送り出し過 ぎることで、損傷させてしまう危険性がある そこで、ウインチの回転制御を油圧機構からクラッチを使用して切り離し、水圧の力に追従してド ラムが回転するウインチを試作した。回転制御を油圧機構から切り離した場合、ウインチの静止が不 可能となるため、ドラムを静止させるためのブレーキ制御レバーを取り付けた。 改良したウインチでは、将来複数のケーブルを使用することが想定されるため、ケーブルの交換を 巻き取られたドラムごと行えるように、ドラムの取り外しが可能な構造とした。 図 5.4.2-3 にウインチ構造変更概念を示す。 図 5.4.2-4 に試作したウインチを示す。 ◇水圧での送込み ◇現在のウインチ ☆降下時のウインチは 油圧制御からブレーキ制御に 変更する必要がある 図 5.4.2-3 ウインチ構造変更概念図 ウインチ全体 ブレーキ制御レバー 図 5.4.2-4 ウインチ試作状況 − 144 − 6. 孔内計測技術の開発・改良 6.1 WL-LWD 技術（検層技術） 6.1.1 可動部構成部品およびシステム改良についての検討 6.1.1.1 各構成部品の耐久性についての分析 (1) 現地適用試験での再分析 図 6.1.1-1 に可動部と入り込んだ堀屑の写真を示す。現状の機構では、パッド格納部が空洞 となっており、掘削中にできた堀屑がたまりやすい構造となっている。このことは、過年度まで に実施した現地適用試験で確認されており、図 6.1.1-1(右)に示すような長さ 2∼3cm 程度の堀屑 が入り込む状況も確認されている。このように、パッド格納部に堀屑がたまることで、パッド格 納時に適切に格納できないという状況も想定され、 検層器が孔内に抑留される危険性が高くなる。 また、パッド格納部にはセンサ類の配線がむき出しとなっており、図 6.1.1-1(右)で示したよう な堀屑を取り込んだままパッドを格納した場合、それらの配線を圧迫し、断線する危険性も考え られる。また、試験終了後に確認したところ、パッド駆動用アーム部のボルトが 1 箇所脱落して おり、この箇所についても今後の改良が必要と考えられる。 なお、パッド部に設置しているセンサについては、特に損傷は認められず、磨耗は少なかっ た。 （パット可動部） （パット格納部内の堀屑） 図 6.1.1-1 可動部と格納部にたまっていた堀屑 − 145 − (2) 現地適用試験後の装置分解に基づく分析 図 6.1.1-2 に可動部の外筒を取り外した状態を示す。この部分にはセンサ類の信号線が配線 してあり、むき出しとなっている。そのため、外筒取り外しの際は信号線の損傷に対して細心の 注意を払う必要があった。このことは、外筒取り付けの際も同様であり、今後改良する必要があ る。 泥水比抵抗センサは、パッド裏面のチューブ内に格納されており、泥水の詰まりによって正 確に計測できなくなる可能性がある（図 6.1.1-3(左)） 。また、泥水温度センサは、パッド格納部 内に設置されており、測定位置のアニュラス部に直接触れていない。そのため、正確な計測が出 来ない可能性がある（図 6.1.1-3(右)） 。 図 6.1.1-2 可動部外筒取り外し状況 （泥水比抵抗センサ） （泥水温度センサ） 図 6.1.1-3 泥水比抵抗センサおよび泥水温度センサ − 146 − 6.1.1.2 パッド部構造上の改良案の検討 6.1.1.1 項の分析結果および現地適用試験で抽出した問題点をもとにパッド部構造の改良案につい て検討した。図 6.1.1-4 および図 6.1.1-5 に改良案を示す。パッド格納部は、堀屑が入り込まないよ う保護カバーで覆い、これまでむき出しとなっていた配線類はその内部に格納する。また、これまで パッド裏側に取り付けていた泥水比抵抗センサは、パッド格納部につまりが発生した場合、正確な測 定ができなくなる恐れがあることから、外筒部分に取り付けることとした。さらに、泥水温度センサ がパッド格納部に設置してあり、測定部分のアニュラス部に直接触れないため正確な測定ができない 可能性が考えられたため、これも同様に外筒部分に取り付けることとした（図 6.1.1-4） 。パッド面に 設置しているセンサ類の配線については、アーム内部を通すことにした（図 6.1.1-5） 。パッド動作時 は、上部アームがモータにより持ち上げられ、それに連動して、下部アームおよび中央アームがスラ イドおよび上昇する機構となる。また、パッド面は孔壁への密着度を高めるため、検層器の傾きに応 じて傾くようにする。 − 147 − 泥水比抵抗センサー （反対側） パッド裏にザクが入り込まないようにする 泥水温度センサー 図 6.1.1-4 パッド部改良案 配線は可能な限りアーム内に格納する 上下する スライドする モーターによりパッドを立ち上げる パッドが平行に開くように中間にアームを追加す ビット側 パッド面は坑壁に沿うよう に傾くことが出来る 泥水温度センサー 泥水比抵抗センサー 図 6.1.1-5 パッド部動作方式案 − 148 − 6.1.2 データ処理ソフトウェアの開発 6.1.2.1 音波検層の現状 データ処理ソフトウェアの開発に先だって、音波検層の現状について考察を行う。図 6.1.2-1 は現 地適用試験の際に測定された音波波形である。このときの検層は泥水循環中に行われたため、バック グラウンドノイズとして、比較的振幅が大きく低周波（400∼500 Hz）のノイズが観察された。この波 形に対して、2000∼40000 Hzおよび 500∼5000 Hzのバンドパスフィルターを適用した波形を図 6.1.2-2 に示す。P 波および S 波速度はモノポール発信時の受信データから到達時間を推定することができる。 これによると、P 波および S 波速度は、図 6.1.2-2 中の赤線および青線で示され、それぞれ 4.1 m/ms および 1.8 m/ms と推定される。それに対して、屈折波は図 6.1.2-3 の緑線で示されるように 1.1m/ms と推定される。 2000 Hz 未満の低周波数帯では、屈折波速度は S 波速度に近似することができるが、周波数が増加 するにつれ、屈折波速度は S 波速度より無視できない程度まで遅くなる（図 6.1.2-4） 。現地適用試験 において計測された屈折波の波長は周波数 5000 Hz 程度であるため、屈折波速度を S 波速度に近似す るのは困難である。このような影響は補正可能と考えられるが、より低周波数のダイポール震源を用 いることで S 波速度は直接計測できる。低周波数のダイポール震源を用いることにより、孔壁からの 計測範囲を大きくすることができ、これによって原位置における岩体の弾性波速度をより正確に推定 することができる（Sinha et al.,2006） 。現地適用試験のデータでは、泥水循環の影響と考えられる バックグラウンドノイズは約 400∼500 Hz であるが、掘削および泥水循環の状況の変化で、より高い 周波数のノイズが発生する可能性も考えられ、そのような場合は低周波数ダイポール震源の使用には 限界がある。 ツールデザインは、トランスミッターと CH1 センサ間は 0.67m、また、センサ間隔は 75 mm となっ ている。これに対し、一般にツール長が短いとされる音波検層器ではトランスミッターと CH1 センサ 間は 0.91m、センサ間隔は 150 mm である。このことから、センサが適切に配置されていないため、測 定データの処理に問題が生じている。トランスミッターと CH1 センサ間およびセンサ間隔を大きく取 ることで P 波、S 波およびストンリー波（チューブ波）の到着時間間隔を大きくすることが可能にな ると考えられる。これは初動自動読み取りに対する信頼性を考慮する上で重要であり、特に波形タイ プごとの時間間隔が小さくなる高速度層では重要である。 − 149 − 図 6.1.2-1 638.003m におけるモノポールおよびダイポール受信波形（生データ） （図中上段）モノポール，（図中下段）ダイポール − 150 − Vs ~ 1.8 m/ms Vstoneley ~ 1.0 m/ms Vp ~ 4.1 m/ms 図 6.1.2-2 638.003m におけるモノポール受信波形（処理後） − 151 − Vflexural ~ 1.1 m/ms 図 6.1.2-3 638.003m におけるダイポール受信波形（処理後） 図 6.1.2-4 高速度層における合成双極波形と圧縮波・屈折波・臨界屈折 S 波 左図：高速度層における、5kHz の中心周波数で発信した場合の 8ch 受信機での合成双極波形。 右図：左図の波形で検知された、圧縮波（C） 、屈折波（L）、および臨界屈折 S 波（S）。 （Sinha and Asvadurov、2004） − 152 − 6.1.2.2 既存技術調査 (1) ツールデザイン 諸サービス会社が提供する LWD 音波検層器についてインターネット検索により調査を行った。 主要会社の中で Baker Hughes は、軟弱層で S 波スローネスを直接計測でき、方位測定可能な 4 極受信機を持つ LWD ツールを提供している。Hulliburton は、2 つのトランスミッターおよび 7ch の受信機を持つ Sperry-Sun BATTM（2 モード・アコースティック）の開発を行っている。PathFinder Energy Services 社もダイポールモードで 7 kHz およびモノポールモードで 15 kHz で稼動する LWD ツールを提供している。 Schlumberger も LWD 音波検層のサービスを行っているが、これはダイポールツールであると は述べられていない。このツールの特徴として、品質管理目的で、ポンプまたは掘削ビットのノ イズの影響を受けないパイプ交換時にデータを取得することである。 (2) データ処理技術 最新のデータ処理および変換技術は、より信頼性が高い音波速度および S 波異方性のような 追加情報を取得することを目的としている。ここにあげる例は、LWD および WL-LWD で使われてい る手法である。 ａ． S 波異方性解析 S 波異方性解析（Sinha and Kostek, 1996）は、孔井軸に直交する 2 方向において計測可能 なクロスダイポール法に対して適用できる。高速屈折波は、低周波数帯では遠方の応力と平行な 方向に分離され、高周波数域では遠方の応力に直行する方向に分離される。応力異方性がある場 合、直交する 2 方向における分散曲線は、孔径と同程度の波長となる周波数で交差する。この挙 動は孔井周りの応力集中によるものである。逆に、本質的な異方性層においては、最高速度方向 は全周波数において一定である。例えば、縦き裂を含む地層において、高速方向は亀裂に対して 平行である。 データの異方性変換のためには、波形は 2 つの基本速度方向に回転させなければならない。 これは、Alford rotaion と呼ばれる 4 成分回転法を用いて行う。ただし、これらの技術はクロス ダイポール法を使用した場合のものであり、単一のダイポールツールには適用できない。 ｂ． Instantaneous Frequency-Slowness (IFS)法 孔井内においてツールの芯が出ていない場合、またはダイポール震源のバランスが取れてい ない場合にストンリー波が発生し、屈折波にノイズが現れることが確認されている。Kozak ほか （2006）では、瞬間的周波数を時間に対してプロットすることでストンリー波の到達時間を特定 し、屈折波に対して分離することが可能であると説明している。屈折波は、瞬間的周波数は時間 − 153 − に対して増加するが、ストンリー波は屈折波の最低周波数成分である S 波よりゆっくり進む。従 って、ストンリー波が存在する場合、時間に対する瞬間周波数プロットは、屈折波到着後いくら かの時間差をおいて低周波数側に傾くことになる。 このように瞬間周波数曲線を分析することで、 混入した波形を減衰するよう周波数フィルタおよび STC 時間窓を最適化するための変換が可能と なる。 ｃ． ダイポール波形の事前処理方法（kimball、1994、1996） Kimball（1994）では、分離を容易にするためのダイポール波形の事前処理方法が述べられて いる。しかし、Kimball（1996）では、さらに進んだ提案として、1994 年の方法や波の分離に関 するその他の修正処理は、事前処理に使用されるモデル・パラメータに含まれるエラーの影響を 受けやすいと指摘している。また、計測波形がモデル波形に適合しない場合についてもノイズの 影響を受けやすいとしている。 6.1.2.3 概念設計 データ取得および処理には PC を使用し、LWD 稼働中は連続的に作動することを想定して、データ処 理ソフトウェアの概念設計を行った。図 6.1.2-5 にデータ処理の流れを示す。 データのロードおよび処理はループ化されており、 開始時に WL-LWD に記録されている新規波形デー タを検索し読み込む。波形データは掘削の進展に合わせて定期的に記録されており、読み込んだ後す ぐに処理される。 オペレーターが対話形式によりデータ処理を行う場合、もしくはパラメータの変更等を行う場合は 新規ファイルの読み込みを一時的に停止し待機状態となる。その間に、対話形式によるデータ処理作 業もしくはパラメータの変更、データの再処理を行うことが可能である。データ処理の停止もこのタ イミングで行うことができる（ただし、ここで言う停止とはデータ処理の停止であり、WL-LWD の波形 データ取得には影響を与えない） 。 各深度で取得されたモノポールおよびダイポールデータは異なる特性を持つため、それぞれの処理 ルートに従って処理される。まず、モノポールデータから初動が自動的にピックアップされ、P 波速 度ログがアップデートされる。次に、孔径、孔内流体速度および前深度における算出速度から、スロ ーネスの信頼区間および P 波、S 波、ストンリー波の到着時間を波線トレースによって推定する。 その後、モノポールおよびダイポールデータは、それぞれ STC 法を用いて処理される。スローネス に対する最大コヒーレンシーが STC ログに追加され、P 波、S 波、ストンリー波および屈折波速度の自 動トラッキングを行う。また、ストンリー波速度を変換することで S 波速度を推定する。 このプロセスによって以下の弾性波速度が得られる： ① 初動読み取りおよびセンブランス法による P 波速度 − 154 − ② 高速度層におけるセンブランス法によるモノポールソールによる S 速度 ③ モノポール震源によるストンリー波速度およびストンリー波から推定される S 波速度 ④ ダイポール震源による弾性波速度 最終ステップとして、算出した速度の整合性についてクロスチェックを行う。整合が取れない場合 は、一時的に処理を中断して自動変換パラメータを変更する。 Wait For a New Waveform File Interactive Mode Pause Acquisition Load The Next Source File Monopole Data Dipole Data Trace Filter Trace Filter Pick First Breaks Raytrace STC Slowness/Time Processing Areas for P, S, Stoneley and Flexural Monopole STC Log Dipole STC Log Auto Track P, S and Stoneley Slowness Auto Track Flexural Stoneley Slowness Invert Stoneley for S Slowness Cross Check Monopole/Dipole S Slowness Logs are Consistent Update Display 図 6.1.2-5 データ処理の流れ − 155 − 6.2 透水試験・採水・イメージング装置（透水・採水技術） 6.2.1 透水試験装置 (1) 大口径パッカーの試作 平成 19 年度は拡孔部 （φ152mm） に適用可能な大口スライドパッカーの機能試作品を製作し、 パッカー拡張試験を実施した後に問題点を整理し、現地適用可能なパッカーの実機を製作し再度 拡張試験を行い、問題の無い事を確認してから現地適用試験を実施した。 平成 18 年度の課題であった通信断、 電源ラインショートによるパッカーリリース不可能な状 態を回避するため、バルブユニットにバッテリーとリリースバルブ制御電子回路を搭載し、通信 断、電源断を検知したときに自動でパッカーリリースバルブを開く機能を搭載した。 ａ． パッカー拡張試験 内径 155mm の塩ビパイプを模擬孔として、内部に試作したパッカーを設置した後に、手動ポ ンプで水をパッカーに送水してパッカーゴムを拡張した。 試作したパッカーの外径はφ95mm（拡張前） 、ゴム長は 930mm、ゴム厚みは 7mm、ゴム硬度は 90 度、ゴムに強化繊維（スチールワイヤ）で補強を施したスライドパッカーである。 図 6.2.1-1 試作パッカー拡張試験（拡張前） 、図 6.2.1-2 試作パッカー拡張試験（拡張後） 、 図 6.2.1-3 試作パッカー拡張試験（塩ビ管） 、図 6.2.1-4 試作パッカー拡張試験（拡張後の側面）、 を示す。 パッカー拡張径とパッカースライド量を測定したデータを表 6.2.1-1 のスライドパッカー拡 張試験に示す。 図 6.2.1-1 試作パッカー拡張試験（拡張前） − 156 − 図 6.2.1-2 試作パッカー拡張試験（拡張後） 図 6.2.1-3 試作パッカー拡張試験（塩ビ管） 図 6.2.1-4 試作パッカー拡張試験（拡張後の側面） 図 6.2.1-5 実機パッカー − 157 − 図 6.2.1-6 バッテリー 表 6.2.1-1 スライドパッカー拡張試験 ｽﾗｲﾄﾞﾊﾟｯｶｰ拡張試験 系列1 180 160 ﾊﾟｯｶｰ拡張径（mm） 140 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 ｽﾗｲﾄﾞ量（mm） ｂ． 試験結果 パッカー拡張試験の結果、パッカーゴムはφ155mm まで拡張して模擬孔に密着することを確 認した。またパッカー拡張し数時間後に収縮させたがパッカーゴムの塑性変形は無く、スライド 部からの水洩れが無い事についても確認した。 パッカーのスライド量はφ155mm まで拡張したときφ90mm である。 自動リリース機能については装置の電源断、通信断を検知して自動的にリリースバルブを開 − 158 − く機能を確認した。 ｃ． 実機パッカーユニットの製作 現地適用試験用の実機パッカーユニットを製作し、室内でのパッカー拡張試験を実施した後 に、現地適用試験を実施した。 実機パッカーユニットは全長 1,780mm、最大外径は φ101.6mm、パッカーゴム区間長 930mm、 パッカー外径は φ95mm である。図 6.2.1-5 実機パッカー、図 6.2.1-6 バッテリー部を示した。 ｄ． まとめ 平成 19 年度の 2回目の現地適用試験においてパッカーを拡張した際にパッカーから水洩れが 発生した。現地で装置を回収して原因を調査したところ、スライドパッカーの摺動面に傷が有り ここから水洩れが発生したことが判明した。傷を付けた原因はパッカーを拡張する際に、原位置 の泥水を送込むがこの泥水にスライムが混入していたため、パッカーがスライドする際にスライ ムを巻き込み摺動面に傷を付けたと考えられる。対策としては摺動面にハードクロムメッキを施 し硬度を高め傷つきにくくする対策が必要である。 3 回目の現地適用試験の前に摺動面のハードクロムメッキを施し、現地適用試験に臨んだ。 結果は、摺動面に傷もなく対策は良好であつた。 − 159 − 6.2.2 採水装置 (1) ポンプユニットの改良 平成 19 年度はポンプユニットのメンテナンス性の向上を目的としてポンプユニットの改良 を実施した。 ａ． 改良内容 従来はポンプを分解清掃するためにポンプ部とラッチが一体となっていたため、ラッチ部か ら分解していかなければならなかった、そこでポンプ部とラッチ部を分離可能な構造して、ポン プ部だけを分解清掃できるようにした。 図 6.2.2-1 に旧ポンプラッチ結合部、図 6.2.2-2 に新ポンプラッチ結合部を示す。 ポンプ部 ラッチ部 図 6.2.2-1 旧ポンプラッチ結合部 図 6.2.2-2 新ポンプラッチ結合部 ｂ． 改良結果 改良後はポンプの分解清掃する際にポンプだけを分解清掃できメンテナンス性が向上した。 − 160 − 6.2.3 イメージング装置 (1) 超音波イメージングユニット ａ． 研究目的 イメージングユニットは平成 16 年度に実機に搭載可能な耐圧型超音波センサの試作と性能 評価試験を実施し、平成 17 年度は実機に近い試作を行い、超音波イメージングユニットの性能評 価を実施した。 平成 18 年度は現地適用試験の前に単独で動作する超音波イメージングユニットを 製作し、室内および現地とは異なる地点で超音波イメージングの適用試験を実施した後に、改良 を加えて現地適用試験を実施した。 平成 19 年度は拡孔部のイメージデータをより良く取得するた め、 プローブのイメージデータ取得部の径を大きくしてより大きな孔に対応する目的で改良した。 ｂ． 改良内容 改良内容は超音波センサから反射ミラーまでの距離と反射ミラーから樹脂窓までの距離を伸 ばした。超音波イメージング装置はセンサから超音波パルスを発信して樹脂窓を通して孔壁から の反射波をセンサで捕らえる。ところが樹脂窓の音響インピーダンスは水に近い特性を持っては いるが、多少の違いがあり樹脂窓で反射が発生する。回路的には第 1 窓反射から第 2 窓反射まで の範囲をサンプリングしているため適用孔径は第 2 窓反射の手前までである。図 6.2.3-1 反射波 形を示す。 改良前の超音波センサから窓までの超音波の道筋距離は 63.412mm、この距離から適用孔径を 算出すると 63.412+28.412=91.824（半径） 、適用孔径は φ183.648mm となる。図 6.2.3-2 改良前 イメージングセンサを示す。 改良後の超音波センサから窓までの超音波の道筋距離は 81.423mm、この距離から適用孔径を 算出すると 81.423+36.423=117.846（半径） 、適用孔径は φ235.692mm となる。図 6.2.3-3 改良後 イメージングセンサを示す。製作したイメージングユニットの写真を図 6.2.3-4 と図 6.2.3-5 に 示す。取得したイメージデータの扱いについてはフィルタ処理（ノイズ成分を除去）とトラベル タイムを元に孔の形状を表現する 3D イメージ処理を追加した。 発信波形 第１窓 反射 波 サ ン プ リン グ範 囲 図 6.2.3-1 反射波形 − 161 − 第 2窓 反 射 波 図 6.2.3-2 改良前のイメージングセンサ図 図 6.2.3-3 改良後のイメージングセンサ図 図 6.2.3-4 改良前のイメージングユニット 図 6.2.3-5 改良後のイメージングユニット − 162 − ｃ． 現地適用試験 イメージング装置にて取得したイメージデータを図 6.2.3-6 から図 6.2.3-11 に示す。 図 6.2.3-6 取得イメージング画像（425.55m∼438.55m）① − 163 − 図 6.2.3-7 取得イメージング画像（425.55m∼438.55m）② − 164 − 図 6.2.3-8 取得イメージング画像（567.55m∼578.54m）① − 165 − 図 6.2.3-9 取得イメージング画像（567.55m∼578.54m）② − 166 − 図 6.2.3-10 取得イメージング画像（670.45m∼681.76m）① − 167 − 図 6.2.3-11 取得イメージング画像（670.45m∼681.76m）② − 168 − ｄ． まとめ 平成 19 年度は現地適用試験を 3 回実施してイメージデータの取得を行った。3 回とも裸孔部 の孔径は φ152mm の拡径部でイメージデータを取得した。1 回目は深度 425.55m∼438.55m、2 回 目は深度 567.55m∼578.54m、3 回目は 670.45m∼681.76m までの区間をイメージデータの取得を行 った。 1 回目と比較して 2 回目、3 回目のイメージデータが鮮明である理由はケーシング内で透水・ 採水・イメージング装置のパッカーを拡張してケーシング内で装置をセントラライズしたため裸 孔部においても装置がセントラライズされ、孔壁面に垂直に超音波が反射され明瞭なイメージデ ータが取得された。 ｅ． 今後の課題 孔壁のイメージ画像の取得はパッカー位置を特定するために非常に重要であることが現地適 用試験で確認された。今後はガス溶出を光学的に検出するため光学系カメラの装着を検討する必 要がある。 − 169 − 6.2.4 共用部 (1) プログラムの改良 平成 19 年度はイメージング装置の改良、 透水試験装置およびその他共用部の改良に伴う制御 および図化処理のプログラムの改良を実施した。 ａ． 自動シーケンス機能追加 パッカー拡張の際に、指定圧力でポンプが自動停止し、パッカーバルブも自動で閉鎖する機 能を追加した。パッカー拡張圧力は区間内圧力に対する差圧として設定するか、指定の圧力に対 する差圧として設定する。 図 6.2.4-1 の自動シーケンス操作画面を示す。 図 6.2.4-1 自動シーケンス操作画面 − 170 − ｂ． 透水試験用グラフ描画 対数グラフ描画機能を追加した。対数表示は現状で最大 24 時間である。 図 6.2.4-2 に対数グラフを示す。 図 6.2.4-2 対数グラフ − 171 − ｃ. 孔径のイメージ化 孔の形状をトラベルタイムを元にイメージ化する処理を追加した。 図 6.2.4-3 に 3D イメージ を示す。 機能一覧は表 6.2.4-1 の 3Ｄイメージ操作に示す。 図 6.2.4-3 3D イメージ − 172 − 表 6.2.4-1 3Ｄイメージ操作 操作項目 操作内容 孔表示面 サーフェース表示する面を内側からの視点か、外側からの視点かを切替える 孔表示角 表示方位を変更（0∼360°） 視点角度 視点の高さを変更（±60°） 表示深度 表示する深度上端を指定 深度軸位置 画面左に表示される深度スケールの位置を微調（0∼250） スライス間隔 断面を表示する間隔を mm 単位で指定 表示 深度軸、プローブ径、端面方位指針、注視点方位指針、端面を表示指定 表示色 各部の色をユーザー指定 表示タイプ サーフェース、スライスの選択 表示スケール 表示スケールを変更（1∼500％） − 173 − ｄ． 水圧送り機構 水圧送り機構は透水・採水・イメージング装置のコントロールユニットとチャンバーユニッ トの間に装着して地上からの送水圧力を水圧送りユニットのゴムラバーで受け、推力に変換する 機構である。 揚水試験の際は水圧送り機構に実装されたバルブを開き、ゴムラバー前後に水道をバイパス する。図 6.2.4-4 に水圧送り機構の図面、図 6.2.4-5 に水圧送り機構の写真を示す。 図 6.2.4-4 水圧送り機構の図面 図 6.2.4-5 水圧送り機構の写真 − 174 − 6.3 孔内力学/孔内応力測定技術 6.3.1 孔内載荷試験ユニット(孔内力学計測技術) 孔内載荷試験ユニットの仕様を表 6.3.1-1 に示す。平成 19 年度は、単体室内試験、単体現地実証試 験及び統合化ツールによる現地実証試験を行った。 表 6.3.1-1 孔内載荷試験ユニットの仕様 構成 項 目 仕様 パッカーゴムの外径 98mm パッカーゴムの肉厚 3.5mm 変位センサのサイズ φ20mm 変位センサの測定範囲 ０→8mm パッカー部 ターゲット センサ設置位置のパッカー全周に帯状に 変位センサ 設置 変位センサの絶縁処理 絶縁オイルを充填 回転角の検出 ポテンションメータによるアナログ電圧 出力 掘削部 モータユニットの位置 パッカー上部 モータユニットの長さ 416mm モータユニットの外径 100mm モータ DC モータ 150W×2 台 ビットの外径 100mm トルク検出 加圧ポンプ トルクセンサー 圧力 30MPa シリンダー全長 1584mm シリンダー外径 90mm シリンダー内径 70mm シリンダー肉厚 10mm シリンダー容量 1950cc − 175 − 6.3.1.1 実証試験用ボーリング孔掘削 孔内載荷試験ユニットと応力測定ユニットの統合化ツールの実証試験を実岩盤で実施するためのボ ーリング孔を掘削した。ボーリングについては，φ86mm のオールコアボーリングで掘削し、必要に応 じ、試験区間までを拡孔ボーリングにより拡孔した。ボーリングの仕様を表 6.3.1.1-2 に示す。 実証試験は、東急建設地下空間実験所（神奈川県相模原市）で行った。ボーリング位置を図 6.3.1.1-1 に示す。 表 6.3.1-2 ボーリング仕様一覧表 孔番 掘削深度 掘削孔径 No.1 5m 86mm No.2 15m 86mm 備考 深度 0.40m までφ116mm で拡孔、φ100mm 塩ビ管立て込み。 深度 0.45m までφ1116mm で拡孔、φ100mm 塩ビ管立て込み。 深度 15m までφ100mm で拡孔。 深度 0.50m までφ140mm で拡孔、φ125mm 塩ビ管立て込み。 No.3 15m 86mm 深度 2.8m までφ100mm で拡孔。 ［平面図］ 2900 No.3 2300 No.2 2000 2500 3600 2000 No. ［断面図］ No.3 No.2 No.1,1' 図 6.3.1-1 ボーリング位置図 − 176 − 6.3.1.2 単体キャリブレーション試験 (1) 鋼管キャリブレーション試験 ａ． 試験方法 鋼管内に孔内載荷試験ユニットを設置し、最大圧力 20MPa までの載荷試験を実施した。鋼管 は、径 100mm、肉厚 10mm のものを用いた。 載荷試験は、図 6.3.1-2 に示す載荷パターンで行った。試験状況を図 6.3.1-3 に示す。 25 パッカー圧(MPa) 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 時間(min) 50 60 図 6.3.1-2 鋼管キャリブレーション試験の載荷パターン 図 6.3.1-3 鋼管キャリブレーション試験実施状況 − 177 − 70 ｂ． 試験結果 試験結果を図 6.3.1-4 に示す。変形量は、対角位置の変位を合計した直径の変化を示してい る。また、図中の直線は、鉄のヤング率から求めた変形量の理論値である。 ギャップセンサによる変位は、3∼5MPa 程度で鋼管に密着した後、直線的に増大している。 増加量は、5MPa から 20MPa 間で 0.05∼0.10mm 程度である。変形量の理論値が 20MPa で 0.05mm 程 度であるのに比べ大きな値となっている。鋼管の外側に設置した外部変位計による鋼管直径の増 加量は、図 6.3.1-5 に示すように、理論値と同様の勾配となっており、鋼管は、ほぼ理論値通り に変形している。このことから、ギャップセンサが大きめな変位を示していることとなる。この 原因は、載荷用液体の圧力により変位計を取り付けシリンダーが圧縮変形することによるものと 考えられる。なお、ギャップセンサと外部変位計の位置関係は図 6.3.1-6 に示すとおりである。 ギャップセンサによる変位の直線部分から勾配を求め、鋼管の変形の理論勾配と比べ図 6.3.1-7 に示す。これによると、ギャップセンサの勾配は、理論値と比べ、2∼2.5 倍となってい る。実際の計測に際しては、この係数により、圧力による変位量の補正を実施する。 0.45 G1"+G10" G2"+G9" G3"+G8" G4"+G7" G5"+G6" 鋼管直径 0.4 Gap Sensor (mm) 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 5 10 15 圧力(MPa) 20 図 6.3.1-4 ギャップセンサの変位と圧力の関係 − 178 − 25 0.20 1+10 2+9 3+8 4+7 0.18 0.16 外部変位(mm) 0.14 5+6 鋼管 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0 5 10 15 20 25 圧力(MPa) 図 6.3.1-5 外部変位計による変位と圧力の関係 G10 G1 D10 D1 G9 G2 D9 D2 G8 G3 D3 D8 G7 G4 D7 D4 G6 G5 D6 D5 図 6.3.1-6 ギャップセンサと外部変位計の位置 0.45 y = 0.0057x + 0.2728 0.4 Gap Sensor (mm) 0.35 y = 0.0058x + 0.2758 0.3 y = 0.0061x + 0.2503 y = 0.005x + 0.2565 0.25 y = 0.0053x + 0.2038 0.2 0.15 G1"+G10" G2"+G9" G3"+G8" G4"+G7" G5"+G6" 鋼管直径 線形 (G1"+G10") 線形 (鋼管直径) 線形 (G5"+G6") 線形 (G4"+G7") 線形 (G3"+G8") 線形 (G2"+G9") 0.1 Δδ /Δσ 0.05 y = 0.0024x 0 0 5 10 15 圧力(MPa) 20 25 G1+G10 G2+G9 G3+G8 G4+G7 G5+G6 鋼管 図 6.3.1-7 ギャップセンサの勾配と理論勾配の比較 − 179 − 0.0053 0.0057 0.0058 0.0061 0.0050 0.0024 鋼 管比 2.2083 2.3750 2.4167 2.5417 2.0833 1.0000 (2) モルタル（人工岩）キャリブレーション試験 ａ． 試験方法 早強セメント及び木節粘土を混合したモルタル（人工岩）を用いてセルフボーリングによる 掘削試験及び孔内載荷試験を実施した。 モルタルは、表 6.3.1-3 に示す配合のものを用い、内寸 0.4（縦）×0.4（横）×1.5m（高さ） の側圧載荷装置内に打設した。 モルタル硬化後、掘削試験及び載荷試験を実施した。載荷試験は、図 6.3.1-8 に示す載荷パ ターンで行った。試験状況を図 6.3.1-9 に示す。 表 6.3.1-3 モルタルの配合（重量比） 材料 配合比 早強セメント 2.5 木節粘土 1.0 デンカタスコン 0.2 水 3.0 1.2 パッカー圧(MPa) 1 0.8 0.6 0.4 赤丸の荷重で変 位計回転測定を 実施 0.2 0 0 20 40 60 時間(min) 80 100 120 図 6.3.1-8 モルタルキャリブレーション試験の載荷パターン − 180 − 図 6.3.1-9 モルタルキャリブレーション試験実施状況 ｂ． (a) 試験結果 モルタルの物性 作成したモルタルの物性を把握するため、モルタル打設時に作成した供試体を用いて三軸圧 縮試験を実施した。試験は CD 条件とし、圧密圧力を、10、20、30、40MPa の 4 種類とした。三軸 圧縮試験結果を図 6.3.1-10 および図 6.3.1-11 に示す。なお、三軸圧縮試験は、打設後 2 週間目 に実施した。 Cd=2.08 MPa φ=22.3° 図 6.3.1-10 モルタルの三軸圧縮試験結果（CD 条件） ：強度特性 − 181 − ［変形係数］ 変形係数 E(接線) MN/㎡ 2500 側圧 側圧 側圧 側圧 2000 10MN/㎡ 20MN/㎡ 30MN/㎡ 40MN/㎡ 1500 1000 500 0 0.0 軸差応力 σa-σr kN/㎡ ［ポアソン比］ 0.5 1.0 1.5 2.0 軸ひずみ εa (%) 2.5 3.0 0.5 0.6 15000 側圧 側圧 側圧 側圧 10MN/㎡ 20MN/㎡ 30MN/㎡ 40MN/㎡ 10000 5000 0 0 0.1 0.2 0.3 ポアソン比 0.4 図 6.3.1-11 モルタルの三軸圧縮試験結果（CD 条件） ：変形特性 (b) 掘削試験 掘削試験は、 あらかじめ 86mm で削孔されたボーリング孔を 100mm で拡孔する方法で実施した。 掘削中に、掘進量、ビットトルク、ビット回転数、ビット荷重、送水量をモニターした。掘削状 況を図 6.3.1-12 に示す。 掘進は速度制御で行った。掘進速度が 1cm/min で、ビットトルクが 3N/m 程度で安定して掘削 できたが、それより掘進速度を早くすると、ビットトルクが上昇し、制御装置で設定したトルク 最大値 4.5N/m を超え、自動停止した。 掘削中にターゲットのズレは無く、その後の変位計測実施に問題なかった。 − 182 − ［掘進量］ 100 掘進量(cm) 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 経過時間(分) 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 経過時間(分) 60 70 80 90 40 50 経過時間(分) 60 70 80 90 40 50 経過時間(分) 60 70 80 90 70 80 90 12 ［ビットトルク］ トルク(Nm) 10 8 6 4 2 0 600 ［ビット回転数］ ビット回転数(rpm) 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 1200 ［ビット荷重］ ビット荷重(N) 1000 800 600 400 200 0 0 20 30 100 5 4 流量(l/min) ［送水量］ 10 3 2 101 0 10 20 30 40 50 経過時間(分) 図 6.3.1-12 モルタルの掘削状況 − 183 − 60 (c) 載荷試験 載荷試験における圧力と変位の関係を図 6.3.1-13 に示す。 得られた圧力−変位関係から弾性係数を求め、モルタルの三軸圧縮試験結果によるひずみ− 弾性係数の関係図上にプロットして図 6.3.1-14 に示す。これによると、載荷試験から得られた弾 性係数は、モルタルの弾性係数をほぼ適切に評価していると言える。 1.2 G1"+G10" G2"+G9" G3"+G8" G4"+G7" G5"+G6" 1 Gap Sensor (mm) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 圧力(MPa) （0→0.5MPa 加圧時の圧力−変位曲線） 0.5 G1"+G10" G2"+G9" G3"+G8" G4"+G7" G5"+G6" 0.4 Gap Sensor (mm) 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 圧力(MPa) （0→0.5MPa 加圧時の圧力−変位曲線） 図 6.3.1-13 モルタルの載荷試験結果 − 184 − 1.2 変形係数 E(割線) MN/㎡ 2500 側圧 10MN/㎡ 側圧 20MN/㎡ 側圧 30MN/㎡ 側圧 40MN/㎡ 0.5MPa 1.0MPa 2000 1500 1000 500 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 軸ひずみ εa (%) 2.5 3.0 図 6.3.1-14 三軸圧縮試験結果と孔内載荷試験結果の比較 (d) 全周方向変位測定 0.5MPa を載荷した際の全周方向の変位増分を図 6.3.1-15 に示す。 90°と 270°付近は、ターゲットの切れ目があるため変位測定値が乱れているが、それ以外 の部分では、均等に変位していることが分かる。 の回転における直径の変化量( G3"+G8" 330 ) 0 0.5 (mm) 30 0 -0.5 300 60 -1 角度° -1.5 -2 270 90 240 120 210 150 180 図 6.3.1-15 全周方向の変位増分 − 185 − 6.3.1.3 単体現地実証試験 No.1 孔において、掘削試験及び載荷試験を実施した。86mm で掘削されたボーリング孔をセルフボー リングで 100mm に拡孔後、 載荷試験を行った。 載荷試験は、図 6.3.1-16 に示す載荷パターンで行った。 試験状況を図 6.3.1-17 に示す。 1.2 パッカー圧(MPa) 1 0.8 0.6 赤丸の荷重で変 位計回転測定を 実施 0.4 0.2 0 0 20 40 60 時間(min) 80 100 120 図 6.3.1-16 単体現地実証試験の載荷パターン （セルフボーリング状況） （載荷試験状況） 図 6.3.1-17 単体現地実証試験実施状況 − 186 − ａ． 掘削試験 掘削中に、掘進量、ビットトルク、ビット回転数、ビット荷重、送水量をモニターした。掘 削状況を図 6.3.1-18 に示す。 掘進は速度制御で行った。掘進速度を速めようとするとビットトルクの上昇により自動停止 することがたびたび生じ、30cm/h 程度の掘進速度となった。 ［ビットトルク］ ［掘進量］ 100 200 300 0 400 400 掘進深度(mm) 掘進深度(mm) 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 ［ビット荷重］ 50 100 150 0 400 400 600 600 800 1000 1400 1400 1600 1600 1800 1800 0 200 400 400 600 600 ［送水量］ 2 4 6 8 400 600 800 1000 1000 1200 200 200 800 1200 200 1000 ［ビット回転数］ 8000 10000 200 0 800 6000 200 0 掘進深度(mm) 掘進深度(mm) 0 4000 0 0 200 2000 0 掘進深度(mm) 0 10 800 1000 1200 1200 1400 1400 1600 1600 1800 1800 図 6.3.1-18 単体現地実証試験の掘削状況 ｂ． 載荷試験 0MPa から 0.5MPa への新規荷重加圧時における圧力と変位の関係を図 6.3.1-19 に示す。 得られた圧力−変位関係から弾性係数を求め、既存調査結果のひずみ−弾性係数の関係図上 − 187 − にプロットして図 6.3.1-20 に示す。これによると、載荷試験から得られた弾性係数は、既存調査 結果と比べ小さめの値となっている。 0.6 (G3+G8)/2 0.5 P(MPa) 0.4 0.3 0.2 E1=750MPa E2=260MPa 0.1 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Gap Sensor rδ(mm) 図 6.3.1-19 単体現場実証試験における圧力−変位曲線(No.1 孔) E1 E2 図 6.3.1-20 既存資料との弾性係数の比較(No.1 孔) ｃ． 全周方向変位測定 1MPa を載荷した際の全周方向変位増分図 6.3.1-21 に示す。図では、ターゲットの切れ目で 変位測定値が乱れる部分は削除している。これによると、北東−南西方向の変形量が大きい異方 変形を示している。 − 188 − 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 図 6.3.1-21 全周方向の変位増分（No.1 孔） 6.3.1.4 統合化ツールによる現地実証試験 No.2 孔及び No.3 孔において、統合化ツールによる現地実証試験を実施した。No.2 孔では、あらか じめ 100mm に拡孔した後、 統合化ツールにより載荷試験を実施した。 No.3 孔では、 統合化ツールで 86mm のボーリング孔をセルフボーリングで 100mm に拡孔後、載荷試験を行った。載荷試験は、No.2 孔、No.3 共、図 6.3.1-22 に示す載荷パターンで行った。 統合化ツールを図 6.3.1-23 に試験状況を図 6.3.1-24 に示す。 1.2 パッカー圧(MPa) 1 0.8 0.6 赤丸の荷重で変 位計回転測定を 実施 0.4 0.2 0 0 20 40 60 時間(min) 80 100 120 図 6.3.1-22 統合化ツールによる現地実証試験の載荷パターン − 189 − 図 6.3.1-23 統合化ツール全景 （No.2 孔試験実施状況） （No.3 孔試験実施状況） 図 6.3.1-24 統合化ツール現地実証試験実施状況 − 190 − (1) No.2 孔 ａ． 載荷試験 0MPa から 0.5MPa への新規荷重加圧時における圧力と変位の関係を図 6.3.1-25 に示す。載荷 からしばらくの間は、圧力がさほど上昇せずに変位が増加している。載荷初期は、パッカーが孔 壁に密着していないためであり、密着し始めると、徐々に圧力の増加に対する変位の増加が小さ くなる。図から孔壁に完全に密着するのが 0.1MPa 程度と判断できる。 圧力−変位曲線の直線部分から弾性係数を求め、既存調査結果のひずみ−弾性係数の関係図 上にプロットして図 6.3.1-26 に示す。これによると、載荷試験から得られた弾性係数は、既存調 査結果と比べ小さめの値となっている。 0.6 (G3+G8)/2 0.5 P(MPa) 0.4 0.3 0.2 E=220MPa 0.1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Gap Sensor rδ(mm) 図 6.3.1-25 統合化ツールによる現場実証試験における圧力−変位曲線（No.2 孔） No.2 図 6.3.1-26 既存資料との弾性係数の比較（No.2 孔） − 191 − b. 全周方向変位測定 1MPa を載荷した際の全周方向変位増分図 6.3.1-27 に示す。図では、ターゲットの切れ目で 変位測定値が乱れる部分は削除している。これによると、やや南北方向の変形量が大きくなって いる。 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 図 6.3.1-27 変位計回転時の変位（No.2 孔） (2) No.3 孔 ａ． 掘削試験 掘削中に、掘進量、ビットトルク、ビット回転数、ビット荷重、送水量をモニターした。掘 削状況を図 6.3.1-28 に示す。 − 192 − 100 200 300 400 0 500 2000 4000 6000 0 8000 10000 0 0 500 500 500 1000 1000 1000 1500 1500 1500 2000 掘進深度(mm) 0 掘進深度(mm) 掘進深度 (mm) 0 ［ビット荷重］ ［ビットトルク］ ［掘進時間］ 2000 50 100 2000 2500 2500 2500 3000 3000 3000 3500 3500 3500 4000 4000 4000 ［掘削水圧］ 0 2 4 6 8 10 0 500 1000 掘進深度(mm) 1500 2000 2500 3000 3500 4000 図 6.3.1-28 統合化ツールによる現地実証試験の掘削状況（No.3 孔） − 193 − 150 200 ｂ． 載荷試験 0MPa から 0.5MPa への新規荷重加圧時における圧力と変位の関係を図 6.3.1-29 に示す。 得られた圧力−変位関係から弾性係数を求め、既存調査結果のひずみ−弾性係数の関係図上 にプロットして図 6.3.1-30 に示す。これによると、載荷試験から得られた弾性係数は、既存調査 結果と比べ小さめの値となっている。 δ-P関係図 0.6 (G3+G8)/2 0.5 P(MPa) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Gap Sensor r δ (mm) 図 6.3.1-29 統合化ツールによる現場実証試験における圧力−変位曲線（No.3 孔） 図 6.3.1-30 既存資料との弾性係数の比較（No.3 孔） − 194 − ｃ． 全周方向変位測定 1MPa を載荷した際の全周方向変位増分図 6.3.1-31 に示す。図では、ターゲットの切れ目で 変位測定値が乱れる部分は削除している。これによると、南北方向の変形量が大きい異方変形を 示している。 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 図 6.3.1-31 全周方向の変位増分 6.3.1.5 室内要素試験との比較 東急建設地下空間実験所では、圧密非排水三軸圧縮試験（CU 条件）及び圧密排水三軸圧縮試験（CD 条件）がそれぞれ 3 供試体ずつ行われている（越智，1994） 。試験結果を図 6.3.1-32 に、試験結果を まとめ表 6.3.1-4 に示す。これらの結果を 6.3.1.6 項に記載の数値シミュレーションに用いた。 表 6.3.1-4 三軸圧縮試験結果 試験条件 圧密非排水（CU） 圧密排水(CD) 圧密圧力 (MPa) 軸差強度 (MPa) 最大弾性係数 (MPa) 0.98 7.82 3,400 0.78 8.11 4,000 0.63 6.58 3,500 0.98 9.26 4,800 0.78 8.67 3,200 0.63 8.67 3,400 − 195 − 強度定数 (MPa , 度) C=0.67 MPa φ=46° C=2.15 MPa φ=29° 図 6.3.1-32 東急建設地下空間実験所における三軸圧縮試験結果 （変形係数と応力レベルの関係） 6.3.1.6 孔内載荷試験の数値シミュレーション 数値解析（FEM 解析）により、孔内載荷試験のシミュレーションを行った。解析は、圧密排水三軸 圧縮試験の強度を用いて、電研方式による非線形法で実施した。 (1) 変形特性のひずみ依存性の設定 ａ． 解析方法 電研方式による非線形法では、破壊余裕度を用いて、下式により非線形性を表現する。 − 196 − E = A1 × R B1 E0 ν f − ν = (ν f − ν 0 )× A2 × R B 2 ここで、 R ：破壊余裕度 E 0 ：最も安定な状態の変形係数 ν0 ：最も安定な状態のポアソン比 νf ：破壊後のポアソン比 ただし、 0.0 < R < RJP → 非線形 RJP < R < 1.0 → 線形 上記、パラメータの A1,B1,A2,B2,RJP を設定するため、三軸圧縮試験のシミュレーションを 行った。解析条件を表 6.3.1-5 に、モデルを図 6.3.1-33 に示す。 解析は、最初に拘束圧を 1MPa 載荷し、その後、軸方向の載荷応力を 9MPa まで段階的に増加 させ、解析結果から応力とひずみの関係を求めた。非線形特性値を種々に変更し、既存調査結果 に適合する結果を選定し、非線形特性値を決定した。 表 6.3.1-5 解析条件 項目 条件 モデル 軸対象モデル 非線形特性 電研方式 供試体 3,100 MPa 初期ポアソン比ν0 0.33 破壊後のポアソン比 0.48 引張強度 0.59 MPa C=2.15 MPa φ=29° 強度定数 キャップ︵鉄︶ 材料物性 初期弾性係数 E0 初期弾性係数 E0 201,000 MPa 初期ポアソン比ν0 0.29 破壊後のポアソン比 0.48 引張強度 490 MPa C=98 MPa φ=0 強度定数 − 197 − 軸対象 25mm 載荷圧 （分布荷重） 20mm キャップ 供試体 100mm 拘束圧 （分布荷重） X,Y 固定 図 6.3.1-33 三軸圧縮試験のシミュレーションモデル b. 解析結果 設定したパラメータを表 6.3.1-6 に示す。変形特性のひずみ依存性を既存データに重ね図 6.3.1-34 に示す。 表 6.3.1-6 非線形特性値 パラメータ 値 A1 1.0 B1 0.75 A2 1.0 B2 0.75 RJP 0.97 − 198 − 図 6.3.1-34 FEM 解析による非線形特性 (2) 孔内載荷試験のシミュレーション ａ． 解析方法 解析条件を表 6.3.1-7 に、モデルを図 6.3.1-35 に示す。 表 6.3.1-7 解析条件 項目 条件 モデル 平面ひずみモデル 非線形特性 電研方式 初期弾性係数 E0 3,100 MPa 材料物性 初期ポアソン比ν0 0.33 破壊後のポアソン比 0.48 引張強度 0.59 MPa 強度定数 C=2.15 MPa φ=29° 非線形特性 A1 1.0 B1 0.75 A2 1.0 B2 0.75 RJP 0.97 − 199 − 500mm 100mm 分布荷重 500mm 図 6.3.1-35 孔内載荷試験のシミュレーションモデル ｂ． 解析結果 初期応力として、既存の測定結果では、最大圧縮応力 3.03MPa、最小主応力 1.05MPa となっ ている。そこで、鉛直方向に 3MPa、水平方向に 1MPa をモデル外縁に加えた後、モデル中央の孔 壁に 0.1MPa ステップで 1.0MPa まで圧力を加えた。シミュレーションにより得られた圧力と変位 の関係を図 6.3.1-36 に示す。 変形量は最大主応力方向で大きくなっている。現地での測定結果でも、シミュレーションと 同様に、最大主応力方向の変形量が大きくなっていることから、 現地実証実験での変形異方性が、 初期応力の異方性に起因している可能性がある。 シミュレーションで得られた変形量は、現地実証試験で得られた変形量より小さく、モデル の作成方法について、今後検討が必要である。 − 200 − 載荷圧力(MPa) 1.5 1.0 0.5 0.0 0.000 0.005 0.010 半径増分(mm) 図 6.3.1-36 シミュレーションによる圧力と変位の関係 − 201 − 0.015 6.3.2 応力測定ユニット(孔内応力計測技術) 6.3.2.1 水圧破砕サブユニット 水圧破砕サブユニットである水圧破砕パッカーは、コントロールボーリング先端の裸孔部を拡孔す る、力学ユニットの掘削ビット外径 100mm に対応するために、昨年度はパッカーの最大外径を 86mm から 94mm に改良した。平成 18 年度試作した水圧破砕サブユニットの課題と今年度の開発・改良事項 を表 6.3.2-1 にまとめた。パッカーゴムについては、昨年度の試作品のテストで、繰り返し加圧を行 うとゴム部分にゆるみが生じることが分かった。そのため、ゴムの検討を行うとともに、カシメ部分 の強度を上げるために、カシメルための金属部分を 2mm 厚くする改良を行った。パッカーのシャフト 内を通る配管系統（力学ユニットの細管と上部パッカー用の加圧管および注水管）の増加に伴う部品 の強度に課題があった。そこでシャフト内の限られたスペースの中で最適な配管の配置が行えるよう に、十分な検討を行い、配管の配置を決定した。また、各配管の肉厚や配管取り付け時の作業性向上 のための改良を行った。上部パッカーの上には、水圧破砕試験を行うための注水管に圧力および流量 計測パーツ（計測・制御・通信サブユニット）を組み込むことが課題であった。そこで、これらの計 測パーツが組み込めるようにパッカーヘッド部分を改良した。 表 6.3.2-1 水圧破砕サブユニットの開発と改良項目 項目 H18 年度の課題 H19 年度の開発・改良 (1) パッカーゴム パッカーの繰り返し加圧の耐 パッカーゴム改良 久性 (2) 治具 パッカーゴムのカシメ カシメ部の改良 (3) 配管系統 パッカーシャフト内の配管系 シャフト内配管の最適配置の 検討・改良 6.3.2.2 亀裂計測サブユニット (1) 亀裂計測部（センサー） 亀裂計測部である電極パッカーの課題は、耐圧 30MPa と電極の形状、配置の最適化を検討す ることである。また、パッカー圧が低圧部分では、孔壁面への接触が安定しないために、測定抵 抗値が変動してしまい安定した値が得られないことにたいしての検討を行うことである。今年度 はこれらの課題に対する改良を実施して、室内実験と野外実験を通して成果および新たな課題抽 − 202 − 出を行った。 パッカーの耐圧性の確認をするために、パッカーを鋼管内に入れて加圧試験を行った。加圧 したパッカーは、 電極パッカーの内部に入れる外径 65mm の内部パッカーである。 鋼管試験は 30MPa までの加圧を予定していたが、12MPa を越える当たりから、ゴムに巻いてある金属繊維がピシピ シと切断される音が聞こえた。15MPa では、加圧を続けても徐々に圧が抜けていくのが分かった ために、これ以上の加圧を中止した。図 6.3.2-1 の中央が加圧終了後に鋼管から取り出した後の 内部パッカーで、上は電極パッカーである。下は内部パッカーの加工前のパッカーゴム部分であ る。下の加工前ゴムの両端には銀色の金属で編んでいる繊維状の部分が確認できるが、これがカ シメ部分から外れる時に切れてピシピシと音がしたと思われる。中央のパッカーを見ると分かる ように、カシメ部分のゴムがめくれ上がり、ゴムがはみ出してしまっている。原因は、カシメ部 分の金属部分が肉薄であることとパッカーの膨張機構にあると思われる。そこで、これらの点に ついて検討を行い次のような改良を行った。①膨張機構をスライド式にした。②カシメ部金属を 肉厚にした。 図 6.3.2-1 加圧試験でカシメ部分からはみ出してしまった内部パッカー カシメの長さを延ばし、肉厚に改良した 10cm 図 6.3.2-2 改良した内部パッカーとこれに被せる電極パッカー − 203 − 図 6.3.2-2 は改良した、内部パッカー（上）とこれに被せる電極パッカー（下）である。図 の改良パッカーはカシメ部分の長さを 7cm から 10cm に延ばした。 この改良した内部パッカーに電 極パッカーを被せて再度鋼管試験を実施した。試験状況を図 6.3.2-3 に示す。30MPa まで加圧し て鋼管からパッカーを抜いて状態を確認した。図 6.3.2-4 に加圧試験後の電極パッカーの状態を 示す。 図 6.3.2-3 改良内部パッカーを用いた電極パッカーの加圧試験状況 ゴムが膨張したまま、縮まらない 原因は、カシメ部分がめくれ上がっ て、ゴムが飛び出した。 図 6.3.2-4 電極パッカーの加圧試験後の状態 パッカーの改良ではカシメ部の金属を可能な限り厚くしたが、鋼管試験後の状態はめくれ上 がって、内部パッカーゴムが飛び出していた。ただ、最初にめくれ上がった状態よりも飛び出し かたは小さくなっており、また圧力も 30MPa まで加圧は出来た。カシメ部の肉厚をさらに厚くす ればこの問題は解消できるが、 そのためには内部パッカーのシャフト内径を現状の 54mm より小さ くしなくてはならない。しかし、統合化のための力学ユニット配管を通すためには最低でも内径 54mm を確保しなければならない。そこで、今年度の野外試験での使用に際しては、図 6.3.2-5 に 示すように、カシメ部の外側にリングを巻いて補強する対応をした。しかし、これは恒久的なも のではなく今後の課題である。 − 204 − 改良 図 6.3.2-5 カシメ部の補強の状態 電極 ダブルトーションスプリング 図 6.3.2-6 平成 18 年度に試作した電極パッカー 平成 18 年度に試作した電極パッカーの電極部分を図 6.3.2-6 に示す。 図 6.3.2-6 に示すよう に電極はステンレス製のローラータイプで、孔壁面に接触すると回転し、孔壁面との間で余計な 摩擦が生じないようになっている。また、このローラー電極は、ダブルトーションスプリングに つなげてバネ機構になっているので、パッカー加圧時は孔壁面に接触しても一定の力で当たる。 この電極パッカーを室内の 2 軸載荷試験で使用した場合は、孔内への挿入に際しては、挿入時に 大きな抵抗はなく、所定の位置に容易に設置でき、電極構造が有効に機能していることが分かっ た。今年度は、野外で電極パッカーを水圧破砕パッカーと力学パッカーに連結した統合化ユニッ トとして、孔内に挿入して試験を実施した。野外試験の場所は、堆積軟岩で、亀裂が比較的多い 地点であった。孔内への挿入時には、何度か入りづらいことがあり、所定の設置深度（最長で約 12m）に設置するまでに何度か抵抗があった。しかし、電極構造がローラータイプであるので孔壁 面の多少の凹凸で、 引っかかることは無く現場においても有効に機能していることが実証できた。 − 205 − 試験では、電極パッカーは最大で 5MPa まで加圧した。最大加圧での保持時間は約 3 分であった。 これは、室内実験に比べて加圧した圧力は小さく、加圧した時間も短いものである。応力・力学 ユニットのすべての試験終了後に、統合ユニットを引き上げた。引き上げ時はパッカー圧を抜い ていたにもかかわらず図 6.3.2-7 に示すように電極パッカーの上部が膨らみ、電極が孔壁面にく い込んで孔壁面を崩していたと思われる痕跡が見られた。電極パッカー上部のみが膨らみ放しに なっていたのは、パッカー止め金具に原因があることがその後分かった。図 6.3.2-8 はその原因 について示したものである。 電極パッカーを膨らませるための外径 65mm の内部パッカーは圧を加 えてゴムが膨らむ時にはパッカーゴムカシメ部分の一方がスライドする方式に改良した。電極パ ッカーはこの内部パッカーに被せて両端を金具で固定しているが、金具がカシメ部分と一緒にス ライドせず、カシメ部分に対してストッパーの働きをして元に戻さないでいることが分かった。 そこで、電極パッカー固定金具に空けた径 6mm のネジ穴をカシメ部分にも 2mm 程度の深さで穴を 空けることで、電極パッカー止め金具とカシメ部分の動作を一体化させる改良をした。 これまで、パッカー圧力を上昇させた時の電極部分の耐圧性を重視して改良を行っていた。 岩が軟らかいことが原因で電極が孔壁面にくい込んでしまうような結果となったのは予想外であ った。現状の MC ナイロンを使った電極容器（青い容器）やステンレス製のローラー電極では、室 内実験での花崗岩や砂岩供試体に対しては問題なく使用できた。しかし、今回実施したような堆 積軟岩の現場では現状の MC ナイロンやステンレス製のローラー電極では適応が難しいと思われ る。この点については、当該地点のような地質に対しては電極部の材質や形状について改良する ことで対応する。今後の改良に当たっては、測定対象となる岩盤に応じた、電極部分の取り替え が出来るようなことも検討したい。 また、耐久性については、ローラー電極がダブルトーションスプリングから外れているもの がいくつかあった。スプリング先端の楕円形になった部分がやや広すぎるためにローラー電極の 軸の遊びが大きい。深度が深くなると孔内挿入時のスプリングへの衝撃が続くために、スプリン グが開いてきて、軸がスプリングから外れやすくなったものと考えられる。そのため、スプリン グ先端の改良が必要である。 − 206 − 電極パッカーの上部が、圧を抜いても膨らんだ 状態であった。 電極部が孔壁亀裂に食い込んで、孔壁面を削っ たと思われる。 図 6.3.2-7 野外での孔内試験後に引き上げた電極パッカー 電極パッカー 電極パッカー止め金具 電極パッカー止め金具に穴径6mmの ボルト穴を空けてカシメ部分まで通し て、押さえつけた。 内部パッカーシャフト 内部パッカー 電極パッカーの止め金具のボルトが内 部パッカーカシメ部に引っ掛かり、圧 を抜いてもスライドした分が完全には 元に戻らなかったために、パッカーが 膨らんだ状態のままであった。 内部パッカーカシメ部 電極パッカー 電極パッカー止め金具 内部パッカー 内部パッカーカシメ部 加圧して内部パッカーのゴムが 膨らむとスライドする 電極パッカーの止め金具がに空けた6mmのボルトの締め具合が緩かったため に、金具が内部パッカーカシメ部のスライドに追従せずに、ボルトが飛び出してし まい、引っ掛かり、圧を抜いてもスライドした分が完全には元に戻らなかったた めに、パッカーが膨らんだ状態のままであった。 正常作動 圧を抜くとゴムが縮んでスライドして いた分が元に戻る 誤作動原因 図 6.3.2-8 電極パッカーが縮まなかった原因 − 207 − スプリングの先端部分での電極軸の遊びが 大きい。 電極を固定するスプリングの先端部分を完 全に閉じた加工にする等の改良が必要。 図 6.3.2-9 ローラー電極が外れる要因 パッカー圧が、低圧領域での測定値が不安定になるという課題については、図 6.3.2-10 に示 すように外径 95mm の電極パッカーに、電極が 3mm はみ出すように改良を行った。したがって電極 部での外径は約 101mm となり孔径 100mm 孔に挿入する場合は、孔内挿入時から電極は孔壁面に接 触しており、電極パッカー加圧当初の接触抵抗の軽減がなされていると考えられる。 約 3mm 電極パッカー 表面から出ている 図 6.3.2-10 パッカーに埋め込んだ電極部の拡大 (2) 亀裂計測サブユニット性能試験 今年度、改良・試作した亀裂計測部（センサー）および計測・制御・通信サブユニットで改 良・試作した亀裂計測器を使って、性能試験（亀裂検出実験）を行った。実験はフラットジャッ キを用いた 2 軸載荷試験器に一辺が 300mm の立方体の花崗岩供試体をセットして行った。フラッ − 208 − トジャッキの載荷圧力は、1MPa と 4MPa の偏圧とし、この試験孔で水圧破砕試験を行って、孔軸 方向に縦亀裂を造成した。その後、電極パッカーを試験孔に挿入して孔壁抵抗を測定しながら拡 張させ亀裂を再開口させた。図 6.3.2-11 に実験状況を示す。 ひずみゲージ 供試体 電極パッカー 2 軸載荷試験器 図 6.3.2-11 2 軸載荷試験状況 なお、試験孔口周辺の表面に、亀裂の上と亀裂のない位置にそれぞれひずみゲージを貼り付 け、孔壁抵抗と合わせて計測した。 電極パッカーを徐々に加圧して亀裂を開口させる試験の他に、 電極パッカー圧を 6MPa に保持 し、フラットジャッキの載荷圧を等圧 7MPa から 1MPa へと徐々に減圧させる実験を行った。この 場合理論的にはフラットジャッキ載荷圧 3MPa で亀裂が開口し始める。 孔壁抵抗は載荷圧の減圧開 始から終了まで連続して測定した。実験結果を図 6.3.2-12 に示す。グラフの横軸は、フラットジ ャッキ載荷圧で、亀裂が開口し始める 3MPa の位置を波線で示した。グラフの左縦軸は、載荷圧に 対する電圧（抵抗）変化率を示し、右縦軸は亀裂上に貼ったひずみゲージのひずみ変化である。 上段左のグラフは亀裂を跨いだ電極間の孔壁抵抗であり、他の 3 つのグラフは亀裂を跨がない電 極間の孔壁抵抗である。ひずみは、亀裂が開口し始める辺りから変化しているのが分かる。また、 亀裂を跨いだ電極の抵抗も、プラス側に変化している。これに対して亀裂を跨がない電極間の抵 抗値には変化が見られなかった。 なお、パッカーを拡張させて亀裂を開口させる実験では、明瞭な亀裂検出がとらえられなか った。これは電極の孔壁面への押しつけ圧が抵抗に影響を与えているためと思われる。しかし、 今回のパッカー圧を固定した状態での測定のように、電極部の孔壁面への接触圧が一定に保持さ れれば亀裂開口による抵抗変化をとらえられることが分かった。 − 209 − 載荷圧 Pv=Ph7→1MPa 電極パッカー圧=6MPa ひずみ変化 90 80 抵抗変化が見られる 70 0.04 0.02 60 電圧（抵抗） 0.00 50 40 -0.02 30 -0.04 亀裂閉じている -0.06 20 ひずみ -0.08 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 フラットジャッキ載荷圧力 (MPa) 0.02 60 0.00 50 -0.02 40 -0.04 30 -0.10 0 8.0 0.0 0.10 90 0.08 80 70 抵抗変化が見られない 0.02 60 0.00 50 -0.02 40 -0.04 30 20 亀裂閉じている -0.08 亀裂開口 -0.10 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 フラットジャッキ載荷圧力 (MPa) 0.0 100 ひずみ変化 電圧変化率dv/dp(24) 90 0.06 電圧変化 dv/dp 電圧変化 dv/dp 0.06 -0.06 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 フラットジャッキ載荷圧力 (MPa) 載荷圧 Pv=Ph7→1MPa 電極パッカー圧=6MPa 100 ひずみ変化（マイクロストレイン） ひずみ変化 電圧変化率dv/dp(20) 0.04 7.0 亀裂を跨がない電極 19ch 載荷圧 Pv=Ph7→1MPa 電極パッカー圧=6MPa 0.08 10 亀裂開口 亀裂を跨いだ電極 17ch 0.10 20 亀裂閉じている -0.08 0 -0.10 70 抵抗変化が見られない -0.06 10 亀裂開口 80 0.04 80 0.04 0.02 60 0.00 50 -0.02 40 -0.04 30 -0.06 10 -0.08 0 -0.10 亀裂を跨がない電極 20ch 20 亀裂閉じている 10 亀裂開口 0 8.0 0.0 70 抵抗変化が見られない ひずみ変化（マイクロストレイン） 0.06 90 電圧変化率dv/dp(19) 0.06 電圧変化 dv/dp 電圧変化率dv/dp(17) 100 ひずみ変化 0.08 ひずみ変化（マイクロストレイン） 0.08 電圧変化率 dv/dp 0.10 100 ひずみ変化（マイクロストレイン） 載荷圧 Pv=Ph7→1MPa 電極パッカー圧=6MPa 0.10 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 フラットジャッキ載荷圧力 (MPa) 0.0 亀裂を跨がない電極 24ch 図 6.3.2-12 抵抗測定室内実験実験結果 6.3.2.3 計測・制御・通信サブユニット (1) 孔内用モータ 平成 18 年度試作した孔内用のモータ（図 6.3.2-13）について耐久性の確認を実施した。確 認方法は、モータをポンプに接続して、連続運転を行った。ポンプには圧力が約 5MPa が常時かか るようにポンプの先端部分のバルブを調節した。その結果連続運転で 30 分程度は、モータ部分は 手で触れられる程度の熱さ（約 40℃）までの上昇で、異常な加熱はなく動作に問題は無かった。 これまでの経験から実際の水圧破砕試験では 30 分間の連続運転はほとんど無いので、 実用上の問 題はないと判断した。また、水圧破砕試験での注水圧力および注水量の制御のためモータの回転 数等の監視を行う。モータには適切なロータリーエンコーダー（図 6.3.2-14）を接続する改良を 行った。 − 210 − 図 6.3.2-13 孔内モータ 図 6.3.2-14 ロータリーエンコーダーの写真と寸法 (2) 孔内用高圧ポンプの性能試験と改良 試作した孔内用高圧ポンプについてその性能試験を実施した。その性能試験は、試作した孔 内用高圧ポンプを水圧破砕パッカーにつないで、この水圧破砕パッカーを使ってフラットジャッ キ 2 軸載荷試験装置にセットした花崗岩供試体で水圧破砕を行うものである。試験条件は、フラ ットジャッキ圧を、1MPa と 5MPa にして、注水量は 500cc/min に設定した。試験結果を図 6.3.2-15 に示す。亀裂造成直後の注水圧のピーク時を除けば設定した定流量で注水が行われることが確認 できた。 室内水圧破砕試験 花崗岩 100mm孔 1MPa 600 注水圧(MPa) 流量(cc/min) 注水圧(MPa) 10.0 580 5MPa 8.0 560 6.0 540 4.0 520 2.0 500 流量(cc/min) 12.0 480 0.0 0 50 100 経過時間(sec) 150 200 図 6.3.2-15 孔内高圧モータを使った水圧破砕試験 (3) 圧力、流量計測パーツの試作 圧力、流量計測パーツは、水圧破砕試験で試験区間（水圧破砕上下パッカーの間の注水区間） に注水する水の流量と圧力を計測するもので、注水口に出来るだけ近い位置であることが理想的 − 211 − である。そこで、平成 18 年度設計した圧力、流量計測パーツについて、今年度は水圧破砕上部パ ッカーのヘッド上部に配置するものを試作した。試作した圧力、流量計測パーツを図 6.3.2-16 に示す。注水経路に水の通り路を設けたステンレス製の角形のブロックを接続し、そのブロック 内を通る水の圧力と流量を計測している。圧力の計測は最大 50MPa まで計測できる圧力変換器で ある。 流量は 0∼19 リットル/分と 0∼3 リットル/分の計測範囲をもつ 2 種類のタービンフローメ ーターを用意し、 試験に応じて使い分けられるようにした。 圧力変換器および流量計の信号線は、 上部パッカーに接続する計測部収納鋼管のヘッド部から引き出し地上のアンプに接続し地上で計 測できるようになっている。 ステンレス製ブロック 圧力・流量計測パーツ 上部パッカー 圧力変換器 流量計 流量計アンプ 図 6.3.2-16 試作した圧力、流量計測パーツ (4) 方位計、傾斜計測パーツの改良 精度向上のために、計測パーツを組み込んだ基板の振動を抑えるために計測時は計測器に小 さな揺れが起きないように、計測器を固定した。 (5) 孔内亀裂計測器の改良と耐水・耐圧性のための設計 平成 18 年度試作した、孔内亀裂計測器の耐水、耐圧性の検討を行い設計・試作を実施した。 設計した孔内亀裂計測器を図 6.3.2-17 に示す。耐水性については、基板とこれに被せる半円形の カバーの接合部分について、基板部分を平坦（右上図）から凹型（左上図の赤線）にして密着性 を高めた。孔内で使用する際には、この接合部を耐水性のシリコーンゴムでシーリングして、そ の上からビニールテープを巻いて 2 重、3 重の保護を施した。耐圧性については、次のようにし た。この孔内型亀裂計測器が入って、なおかつ上部パッカーに接続可能な長さ 1800mm で外径 98mm のステンレス製の計測器収納管を試作した。この管に、孔内計測器を入れて密封することで耐水 − 212 − 性はさらに向上し、耐圧性を確保した。 H19 年度 H18 年度 カバーと基板との密着性を高め、基板に空いている、ボルトの穴にはシリコーンゴムを充填した。 H19 年度 図 6.3.2-17 平成 19 年度設計・試作した孔内亀裂計測器 （右上図は平成 18 年度の試作器） (6) 計測制御部（計測ソフト等）の改良 平成 18 年度に試作した計測制御部については、 統合化に対応した新たな計測項目が増設され るためにこれに対応する改良を実施した。計測項目を表 6.3.2-2 に示す。表に示した計測項目は 地上制御装置からのコマンドによって、表 6.3.2-3 に示す 3 種類の計測モードで終了コマンドを 受け取るまで計測を行う。 表 6.3.2-2 計測項目 H18 年度の計測項目 H19 年度増設した計測項目 計測項目 計測 ch 数 抵抗測定 24ch 圧力計 3ch 方位計 1ch 傾斜計 2ch 温度計 1ch 流量計 1ch エンコーダー 2ch 電源監視用の電流計 2ch 電源監視用の電圧計 2ch − 213 − 表 6.3.2-3 計測モードと計測項目 計測モード 水圧破砕試験モード 抵抗測定モード 水圧破砕試験･抵抗測定同時計測モード 計測項目 圧力計 2ch、流量計 2ch、エンコーダ 2ch 電流計 2ch、 電圧計 2ch、方位計 1ch、傾斜計 2ch、温度計 1ch 圧力計 2ch、抵抗 1∼24ch、エンコーダ 2ch 電流計 2ch、方位計 1ch、傾斜計 2ch、温度計 1ch 圧力計 3ch、流量計 2ch、抵抗 1∼24ch、エンコーダ 2ch、 電流計 2ch、電圧計 2ch、方位計 1ch、傾斜計 2ch、温度計 1ch なお、各計測項目のサンプリング速度は表 6.3.2-4 に示すように設定が出来るようにした。 表 6.3.2-4 各計測項目のサンプリング速度 (7) 計測項目 サンプリング速度 圧力計、流量計 10msec、20msec、50msec、100msec エンコーダ、電圧計、電流計 20msec、50msec、100msec、200msec 抵抗測定 500msec、1sec、2sec 方位、傾斜、温度 1sec 注水制御部の試作 水圧破砕試験の注水制御部を設計・試作した。設計図面と試作品を図 6.3.2-18 と図 6.3.2-19 に示す。ポンプモータの回転をエンコーダで検出する。指定した注水量に応じたモータの回転数 の制御を行うために基板である。 図 6.3.2-18 平成 19 年度注水制御部の設計図 − 214 − 図 6.3.2-19 平成 19 年度試作した注水制御部 (8) 孔内通信部の改良 試作した孔内亀裂計測器と孔外用の計測制御部に対して計測・制御が可能で、通信部の性能 向上と増設した基板に安定した電源の供給を行えるようにするための平滑・電流・電圧基板を設 計・試作した。設計図を図 6.3.2-20 に、試作した基板を図 6.3.2-21 に示す。 図 6.3.2-20 平滑／電流／電圧計基板設計図 − 215 − 図 6.3.2-21 平滑／電流／電圧計基板試作品 (9) 地上計測・制御装置の試作 平成 18 年度設計した地上計測・制御部について、ケーブルを使って孔内測定が可能な地上計 測・制御ソフトと装置の試作を行った。図 6.3.2-22 に試作品を示す。写真上は制御 PC と電流・ 電圧監視制御ボックスである。下は、試作した電流・電圧監視制御ボックス内の基板である。 図 6.3.2-22 地上制御装置 − 216 − 6.3.3 (1) 応力測定ユニット・力学ユニット統合化 統合化に向けた統合パーツ（共有・連結パーツ）の試作 応力ユニットと力学ユニットの統合化に伴う共有・連結パーツの試作を行った。水圧破砕試 験時の水圧破砕下部パッカーと兼用となる力学パッカーと電極パッカーの連結パーツおよび共有 パーツを図 6.3.3-1 に示す。連結パーツは、電極パッカーのシャフトにネジを切り、力学パッカ ーには袋ナットの形で連結する機構になっている。共有パーツは、力学パッカーのプレッシャー メータの信号線管、電源線管、セルフボーリングのための給排水管およびパッカー加圧管の各配 管を電極パッカーシャフト内と上部パッカーシャフト内に通すための細管である。これらの細管 を最適な配置で連結するためのブロック（細管連結ブロック）の設計図面を写真下に示す。 細管連結ブロック 共有パーツ 連結パーツ 上部パッカ 電極パッカ 力学パッカ 共有パーツ 共有パーツ 細管連結ブロック 細管連結ブロック設計 図 6.3.3-1 共有パーツと連結パーツ − 217 − (2) 浅部模擬孔内試験 平成 19 年度は、 応力測定ユニットと力学ユニットを連結して野外の浅部模擬孔において実験 をすることが最大の目的である。 野外試験の場所は、東急建設（株）の相模原工場地下空間実験所で地下 50m の横孔内である。 地質は上総層群（泥岩）と呼ばれる堆積軟岩である。試験概要を図 6.3.3-2 に示す。試験孔はこ の横孔のインバートから鉛直下向きの孔径 100mm、孔長 15m を 2 本削孔（No.2 孔と No.3 孔）し た。試験は、統合化ユニットとしては 2 本のボーリング孔の深度 4m（下部パッカー先端深度）位 置で実施した。水圧破砕試験の注水区間は、1.2∼2.7m である。また、統合化ユニットとは別に 応力測定ユニット単独で、No.2 孔で試験を実施した。試験深度は注水区間の深度で、①12.00∼ 13.50m、②9.00∼10.50m、③5.80∼7.30m の 3 箇所である。どちらの孔も亀裂が卓越しており、 注水区間長 1.5m の長さに亀裂が無い場所を選択することが難しかった。 試験孔長15m ズリ ズリ 岩盤部 岩盤部 孔径100mm 孔口から約2mはボーリングマシンで φ100mmで掘進する 深度2m 孔径86mm 電極パッカー部までは100mmボア ホール内に入るように約2m掘進する 拡孔 孔径100mm 深度４m 統合化ユニット試験 拡孔 孔径86mm 孔径100mm ∼15mまでの深度 応力ユニット試験 図 6.3.3-2 模擬試験孔での試験概要 − 218 − 今年度実施した現地試験手順の詳細を以下に示す。 ａ． 亀裂造成前 ① 試験区間の孔壁面観察 ボアホールカメラ ② 力学ユニットによる 2m 深度の拡孔（φ86→φ100mm） ③ 力学ユニットのプレッシャーメータを使った孔内載荷試験 ④ 電極パッカーを使った孔壁抵抗測定 ｂ． ① 亀裂造成 パッカーを拡張させる前に、注水区間に送水：送水系統の確認、エア抜き、注水量の調 整。注水の一旦停止 ② 上下パッカーを 1∼2MPa 加圧：加圧ポンプで徐々に加圧する ③ 水圧破砕試験の開始：計測開始：計測項目（注水圧力、流量、パッカー圧力） ④ 注水開始：注水量 30 リットル/分に設定 ⑤ 注水圧力の上昇を確認：亀裂造成（ブレークダウン圧力の確認） ⑥ ブレークダウン後１分程度送水継続 ⑦ 送水の停止（シャットダウン） ：ポンプの運転停止 ⑧ 試験区間（注水区間）の圧力減少を確認 ⑨ 注水系統のバルブ開放：圧力が 0MPa を確認 ⑩ パッカー圧の開放 ⑪ 計測終了 ｃ． 亀裂再開口 ① 上下パッカーを 2MPa に加圧：加圧ポンプで 2MPa まで徐々に加圧する ② 亀裂再開口の開始：計測開始。計測項目（注水圧力、流量、パッカー圧力） ③ 注水開始：注水量 30 リットル/分に設定 ④ 注水圧力の上昇を確認、亀裂再開口（リオープニング圧力の確認） ⑤ 再開口後１分程度注水継続 ⑥ 注水の停止（シャットダウン） ：ポンプの運転停止 ⑦ 試験区間（注水区間）の圧力減少を確認 ⑧ 注水系統のバルブ開放：圧力が 0MPa を確認 ⑨ ④∼⑨までを 2 回繰り返す ⑩ 孔壁抵抗測定：計測開始、計測項目（電極パッカー圧力、電極 24ch、傾斜角、方位角） ⑪ 電極パッカーの加圧：パッカー圧を最大 5MPa まで：加圧速度 0.5MPa/min で加圧 ⑫ 電極パッカーの減圧：減圧はバルブ調整のため減圧速度にはばらつき有り．ただし加圧 − 219 − 速度と同程度を目安とした ⑬ 計測終了：電極パッカー圧を 0MPa ：測定停止 ⑭ ステップ流量試験：計測開始。計測項目（注水圧力、流量、パッカー圧力） ⑮ 上下パッカーを 3∼5MPa 拡張：加圧ポンプで所定圧まで徐々に加圧する ⑯ 注水流量を 3,7.10, 13,17,20,23,27,30 リットル/分のステップで注水 ⑰ 注水開始：少ない注水量から注水。各注水量のステップで 1 分程度注水を継続する、そ の後次の注水量のステップに移行、最終ステップまで同様に注水を行う ⑱ 注水停止：最終ステップ終了後注水停止 ⑲ パッカー圧の開放 ⑳ 計測終了 No.2 試験孔のボーリングコア写真を図 6.3.3-3 に示す。No.2 孔では統合化 1 回、応力ユニッ ト単独 3 回の計 4 回の試験を行っている。4 回の試験の注水区間を図示した。丸数字は試験の順 番を表す。 0 ① 統合化ユニット試験区間 ① 1.20∼2.70m ④ 5m 応力ユニット単独試験区間 ③ ② 12.00∼13.50m ③ 9.00∼10.50m ④ 5.80∼7.30m 10m ② 図 6.3.3-3 No.2 試験孔のコアと水圧破砕試験の注水区間 − 220 − 試験深度①、②、③、④では、最大送水量である 30 ㍑／min で送っても注水圧の上昇が見ら れなかった。注水区間への送水は、既存亀裂に浸透したと考えられる。そこで、電極パッカーを 加圧して注水区間長を短くし、上部パッカーと電極パッカー間で亀裂の造成を試みた。その結果 ④の試験深度でブレークダウンが得られた。その結果について次に述べる。 水圧破砕試験結果を図 6.3.3-4 に示す。図の左に示したグラフはブレークダウン時の注水圧 曲線である。ブレークダウンプレッシャーは 2.3MPa と読みとった。またシャットインプレッシャ ーは圧力低下曲線の屈曲部を読みとり 1.3MPa とした。 右のグラフは、亀裂再開口試験結果である。 亀裂再開口試験は 3 回実施し、その後ステップ流量試験を行った。 2.50 2.5 ブレークダウンプレッシャ 2.3MPa 2.00 注水圧(MPa) 注水圧(MPa) 2.0 1.5 シャットインプレッシー 1.3MPa 1.0 0.5 1.50 1.00 0.50 0.0 450 470 490 510 530 経過時間(秒 550 570 0.00 590 0 亀裂造成 50 100 150 200 250 300 経過時間(秒) 350 400 450 500 亀裂再開口 図 6.3.3-4 模擬孔における水圧破砕試験結果 亀裂再開口圧は、3 回の再開口試験での圧力時間曲線を重ね合わせて読みとった。図 6.3.3-5 は 1 回目の再開口試験時の圧力曲線（青い線）に、2 回目（緑） 、3 回目(赤)の試験結果を重ね合 わせたものである。横軸に表示した時間は 1 回目の試験時の経過時間である。圧力変化曲線の折 れ曲がり位置をグラフに図示した。これより再開口圧は 0.8MPa とした。また、ステップ流量試験 結果を図の右に示す。このグラフの屈曲部から亀裂閉口圧(Ps)を 1.3MPa と読んだ。この値は亀裂 造成直後の亀裂閉口圧の読みとり値と調和的であった。 亀裂の再開口圧 Pr は、再開口時の亀裂内への、水の浸透を考慮した次式で表される。 Pr = 1 (3Sh − SH ) 2 (1) ここで Sh は、最小主応力を意味し Sh=Ps である。SH は最大主応力を示す。(1)式に試験結果 から読みとった Pr および Sh（＝Ps）を代入して最大主応力を求めると、SH=2.3MPa となった。主 応力方向については、試験区間（注水区間 5.8∼7.3m）の孔壁面の型撮りを行い亀裂方向を確認 した。型撮りパッカーのパッカー長は 0.7m であるので、2 回に分けて行った。型撮りパッカーの 圧力は 5MPa とし、加圧時間は 30 分とした。図 6.3.3-6 に試験後の孔壁面型撮り結果を示す。左 − 221 − は 5.8m∼6.5m 区間のものである。右は 6.4m∼7.1m 区間である。図に示すように、亀裂が卓越し ていることが分かる。電極パッカー設置深度（6.4∼6.7m）周辺は顕著な亀裂痕が見られる。型撮 り結果に記した赤い実線は方位を示している。赤い破線は横孔の孔軸方向である。上部パッカー 下端から電極パッカー上端の区間（5.8∼6.4m）には東西方向に顕著な縦亀裂が見られた。これが 水圧破砕により出来た縦亀裂と考えると主応力方向は東西方向となる。 なお、型撮り結果には左右で長さに若干の違いがあるが、これは型撮りに使用した熱収縮チ ューブが保管状況等の違いで右側が収縮したためである。 現場においては、 電中研式で地圧測定が行われており、 主応力方向はほぼ東西を示しており、 前述した亀裂方向が水圧破砕によって出来た縦亀裂であれば、方向については調和的である。ま た、測定値は横孔軸方向が約 3MPa、横孔軸と直行方向約 1MPa となっている。今回の測定結果は やや小さいものとなったが、 岩盤のゆるみの影響も考えられるので妥当ではないかと考えられる。 ステップ流量試験 2.50 2.0 1 回目 2 回目 3 回目 2.00 1.8 1.6 1.4 1.50 1.3MPa 圧力（MPa） 注水圧(MPa) 1.2 1.00 1.0 0.8 0.8MPa 0.6 0.50 0.4 0.2 0.00 0.0 77 79 81 83 経過時間(秒) 85 87 0 10 20 30 流量(㍑/分） 40 図 6.3.3-5 再開口圧とステップ流量試験結果 電極パッカーを使った、孔壁抵抗測定は、試験手順で述べたように、亀裂造成前と亀裂造成 後に実施した。亀裂造成前の測定は、1.5MPa まで加圧後 2MPa までの加圧を２回繰り返した。試 験結果を図 6.3.3-7 の右に示す。図の左は孔内挿入時の電極パッカーで、電極 3 断面のうち一番 下を 1 段目、中を 2 段目、上を 3 段目とした。右の各グラフは左の軸に電極間の抵抗値（電圧値）、 右の軸に電極パッカーの圧力を示している。横軸は試験経過時間である。3 回の加圧で、1ch、2ch の電極にやや漸減の傾向が見られるものの他チャンネルの孔壁抵抗値に顕著な変化は見られなか った。亀裂造成後の孔壁抵抗測定は、水圧破砕によって造成された亀裂を電極パッカーで開口さ − 222 − せて亀裂検出を行うものである。なお、試験手順に示した通り電極パッカーでの亀裂検出のため の抵抗測定を実施する前に、注水加圧による亀裂の再開口試験を実施している。水圧破砕試験後 の孔壁抵抗測定結果を図 6.3.3-8 に示す。亀裂検出のための孔壁抵抗測定では、3MPa まで加圧し た後に 5MPa まで加圧した。しかし、亀裂の開口を示すような顕著な抵抗変化は見られなかった。 そのため、亀裂の再開口圧およびその方向を決定するに至らなかった。電極パッカーの孔壁抵抗 測定試験後には、ステップ流量試験を実施した。統合化ユニットの一連の試験が終了後プローブ を引き上げた。プローブを引き上げたところ、電極パッカーの電極部には、孔壁面を崩して岩が 粉砕されたようなものがくい込んでいるのがみられた。前述したように電極パッカー設置深度 (6.4∼6.7m)の型撮り結果を見ると（図中の青い点線の四角い枠は電極位置にあたる）孔壁面には 亀裂が卓越していることが分かる。また、ボアホールカメラを使っての孔内観察を行ったところ 開口亀裂が多数に見られた。以上のことから亀裂が卓越して、電極が孔壁面にきちんと接触しな いまま計測されていた可能性がつよく、正常な計測が行われなかったことが考えられる。 − 223 − 3 段目 2 段目 1 段目 6 6 5 4 3 2 No.1 8 7 5 4 3 2 No.1 8 3 段目 孔壁面の型撮り結果 (6.4∼7.1m) 孔壁面の型撮り結果 (5.8∼6.5m) ＊型撮り結果に記した青い四角は電極位置を示す 図 6.3.3-6 水圧破砕試験後の亀裂の型撮り結果 − 224 − 7 1 段目 H 19_12_26 1ch HF試験前(100) H19_12_ 26 5ch H F試験 2.5 0.40 1ch 2.5 0.10 電圧 パッカー圧 0.38 2.0 0.36 1.5 0.34 1.0 0.32 0.5 0.30 0.0 1200 5ch 電圧 パッカー圧 0.09 2.0 0.08 0.05 1.0 0.04 電極P圧（MPa) 1.5 0.06 電圧(v) 電極P圧（MPa) 電圧(v) 0.07 0.03 0.5 0.02 0.01 0 2ch 200 400 600 time(sec) 800 1000 0.00 0 200 400 600 time(sec) 800 1000 0.0 1200 6ch H19_12_ 26 6ch H F試験 H 19_12_26 2ch HF試験 0.020 2.5 0.40 電圧 パッカー圧 2.5 電圧 パッカー圧 0.019 0.38 2.0 0.36 1.5 0.34 1.0 0.018 2.0 0.015 1.0 0.014 電極P圧（MPa) 1.5 0.016 電圧(v) 電極P圧（MPa) 電圧(v) 0.017 0.013 0.5 0.32 0.5 0.012 0.011 0.30 0 200 400 600 time(sec) 800 1000 0.0 1200 0.010 2.5 0.020 0 200 400 電圧 パッカー圧 0.09 7ch 2.0 0.015 1.0 0.014 0.03 電極P圧（MPa) 1.0 0.04 1.5 0.016 電圧(v) 0.05 電極P圧（MPa) 電圧(v) 2.5 電圧 パッカー圧 0.017 1.5 0.06 0.013 0.5 0.02 0.5 0.012 0.01 0.011 0.00 0 4ch 0.0 1200 0.018 0.07 1 段目 1000 0.019 2.0 0.08 2 段目 800 H19_12_ 26 7ch H F試験 H 19_12_26 3ch HF試験 0.10 3ch 3 段目 600 time(sec) 200 400 600 time(sec) 800 1000 0.0 1200 0.010 2.5 0.100 2.0 0.098 2.0 0.096 1.5 0.094 1.0 0 200 400 H 19_12_26 4ch HF試験 600 time(sec) 800 1000 0.0 1200 8ch H19_12_ 26 8ch H F試験 0.10 2.5 電圧 パッカー圧 0.09 0.08 電圧 パッカー圧 1.0 0.04 電極P圧（MPa) 電圧(v) 0.05 電圧(v) 1.5 0.06 電極P圧（MPa) 0.07 0.03 0.02 0.5 0.092 0.0 1200 0.090 0.5 0.01 0.00 0 200 400 0.080 0.040 1.0 0.010 0.5 400 600 time(sec) 800 1000 0.0 1200 0.000 2.5 0.400 200 H 19_12_26 10ch HF試験前(100) 400 600 time(sec) 800 電圧 パッカー圧 0.090 1000 0.0 1200 0.000 2.5 0.100 0.080 200 400 600 time(sec) 800 1000 0.0 1200 0.000 2.5 0.100 0 0.380 2.0 0.360 1.5 0.080 0.320 0.5 0.0 1200 0.300 2.5 0.100 1.0 0 200 H 19_12_26 11ch HF試験前(100) 600 time(sec) 800 1000 0.0 1200 電圧 パッカー圧 0.080 0 0.080 0.040 1.0 1.5 0.050 0.040 1.0 600 time(sec) 800 1000 0.0 1200 0.000 0.5 2.5 0.100 200 H 19_12_26 12ch HF試験前(100) 600 time(sec) 800 1000 電圧 パッカー圧 0.080 1.0 0.030 1.5 0.050 0.040 1.0 0.030 0.020 0.5 0.010 600 time(sec) 800 1000 0.0 1200 1.5 0.100 0.090 1.0 0.070 400 600 time(sec) 800 1000 0.5 0.0 1200 0.050 2.5 0.800 2.0 0.780 2.0 0.760 1.5 0.740 1.0 0 2 00 400 600 time(se c) 8 00 1 000 0.0 1200 H19_ 12_26 24ch HF試験前(100) 2.5 電圧 パッカー圧 電圧 パッカー圧 0.060 1.5 0.050 0.040 1.0 0.030 0.020 0.5 0.010 0.000 2.0 0.110 H19_12_26 20c h HF試験前(100) 電圧( v) 0.040 400 200 0.080 電極P圧（MPa) 0.050 2.5 電圧 パッカー圧 0.070 0.060 電圧(v) 1.5 電極P圧（MPa) 0.060 0.0 1200 0.060 0.090 0.070 1 000 0.080 0.100 2.0 8 00 0.130 0.5 0 2.5 0.080 0.070 200 1.0 0.000 電圧 パッカー圧 0.090 2.0 0 0.050 0.020 0.0 1200 600 time(se c) 0.120 1.5 H19_12_26 16ch H F試験前(100) 0.100 0.090 400 400 0.140 0.010 0 2 00 H19_ 12_26 23ch HF試験前(100) 0.040 0.010 0.000 0.150 2.0 0.030 0.020 0.5 0.010 2.5 0 電圧 パッカー圧 0.060 0.030 0.020 1000 0.070 0.060 0.030 800 0.080 電圧( v) 0.050 600 time(sec) 0.090 電極P圧（MPa) 1.5 電圧( v) 0.060 400 0.000 0.100 2.0 0.070 電極P圧（MPa) 0.070 400 200 0.0 1200 H19_12_26 19c h HF試験前(100) 2.5 電圧 パッカー圧 0.090 2.0 0.5 0.010 0.000 H19_12_26 15ch H F試験前(100) 0.100 0.090 400 電圧( v) 1000 電極P圧（MPa) 800 1.0 電圧( v) 600 time(sec) 1.5 0.020 0.5 電極P圧（MPa) 400 2.0 0.050 0.030 0.020 0.010 0.000 2.5 電圧 パッカー圧 0.040 0.030 0.010 0.0 1200 0.060 電圧 (v) 0.5 0.020 1 000 0.070 1.5 0.050 0.040 0.030 8 00 0.080 電極P圧（MPa) 1.0 600 time(se c) 0.090 2.0 0.060 電圧 (v) 0.340 1.0 電極P圧（MPa) 電圧( v) 電極P圧（MPa) 0.040 400 H19_ 12_26 22ch HF試験前(100) 電圧 パッカー圧 0.070 1.5 0.050 2 00 H19_12_26 18c h HF試験前(100) 0.090 0.070 0.060 0.5 0.010 0 電圧 パッカー圧 2.0 1.0 0.020 0.5 H19_12_26 14ch H F試験前(100) 0.100 0.040 0.010 0 1.5 0.050 0.030 0.020 0.010 0.000 1.0 0.060 0.030 0.020 0.5 0.050 0.040 0.030 0.020 1.5 電極P圧（MPa) 0.050 2.0 0.070 0.060 電圧 (v) 1.5 2.5 電圧 パッカー圧 0.080 0.020 0.5 0.720 0.0 1200 0.700 0.5 0.010 0.000 0 200 400 600 time(sec) 800 1000 0.0 1200 0.000 0 200 400 600 time(sec) 800 1000 0 2 00 400 600 time(se c) 図 6.3.3-7 孔内挿入時の電極パッカーと水圧破砕試験前の孔壁抵抗測定結果 − 225 − 8 00 1 000 0.0 1200 電極P圧（MPa) 1.0 0.030 200 0.0 1200 0.090 2.0 0.070 電極P圧（MPa) 0.040 0 1000 0.100 2.5 電圧 パッカー圧 0.090 2.0 0.060 電圧( v) 0.050 200 800 電極P圧（MPa) 電圧 パッカー圧 0.080 電極P圧（MPa) 1.5 0 600 time(sec) H19_ 12_26 21ch HF試験前(100) 0.100 0.070 0.060 電圧( v) 2.5 0.090 2.0 0.070 電圧( v) 400 電圧 (v) 0.080 電圧( v) 200 電極P圧（MPa) 電圧 パッカー圧 0.090 電圧(v) 0 H19_12_26 17c h HF試験前(100) H19_12_26 13ch H F試験前(100) 0.100 2.5 200 1000 3 段目 H19_12_26 9ch HF試験 0.100 0 800 電極P圧（MPa) 2 段目 600 time(sec) 1 段目 H19_12_26 1ch HF_ Reopen試験( 103) H19_12_26 5ch HF_Reopen試験(103) 0.020 6.0 電圧 パッカー圧 6.0 0.38 0.014 電極P圧（MPa) 0.010 3.0 0.008 2.0 0.32 4.0 0.012 電圧( v) 電圧( v) 3.0 0.34 5.0 0.016 4.0 0.36 2.0 0.006 0.004 1.0 5ch 電圧 パッカー圧 0.018 5.0 電極P圧（MPa) 0.40 1ch 1.0 0.002 0.30 2ch 200 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 0.000 6.0 0.020 0 200 400 H19_12_26 2ch HF_ Reopen試験( 103) 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 6ch H19_12_26 6ch HF_Reopen試験(103) 0.40 電圧 パッカー圧 0.014 電極P圧（MPa) 4.0 0.012 電圧( v) 電圧( v) 3.0 0.34 5.0 0.016 4.0 0.36 0.010 3.0 0.008 2.0 0.32 6.0 電圧 パッカー圧 0.018 5.0 0.38 2.0 0.006 0.004 1.0 電極P圧（MPa) 0 1.0 0.002 0.30 200 400 600 800 1000 time( sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 0.000 6.0 0.020 0 200 400 H19_12_26 3ch HF_ Reopen試験( 103) 電圧 パッカー圧 0.018 0.014 1600 0.0 1800 0.010 3.0 0.008 0.004 5.0 4.0 0.012 0.010 3.0 0.008 2.0 0.006 2.0 0.006 0.004 1.0 0.002 7ch 6.0 電圧 パッカー圧 0.014 電圧( v) 1.0 0.002 0.000 0 200 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 0.000 6.0 0.100 0 200 400 H19_12_26 4ch HF_Reopen試験(103) 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 8ch H19_12_26 8ch HF_Reopen試験(103) 0.02 0.02 電圧 パッカー圧 0.02 0.01 6.0 電圧 パッカー圧 5.0 5.0 0.098 3.0 0.01 4.0 0.096 電圧(v) 0.01 電極P圧（MPa) 4.0 0.01 3.0 0.094 2.0 0.01 0.00 電極P圧（MPa) 電圧( v) 1400 0.016 4.0 0.012 電圧(v) 1200 0.018 5.0 0.016 4ch 800 1000 time(sec) H19_12_26 7ch HF_Reopen試験(103) 0.020 電極P圧（MPa) 3ch 600 電極P圧（MPa) 0 2.0 0.092 1.0 1.0 0.00 0.00 0 200 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.090 0.0 1800 0 200 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 3 段目 0.012 1.0 4 00 60 0 800 1 000 time(sec) 12 00 14 00 1600 0.0 1800 0.080 6.0 0.320 0 200 H19_12_26 10ch HF_Reopen試験(10 3) 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 0.010 6.0 0.020 0 電圧 パッカー圧 0.028 電圧 パッカー圧 5.0 0.026 3.0 2.0 1.0 800 1 000 time(sec) 12 00 14 00 1600 0.0 1800 0.300 6.0 0.030 0 200 H19_12_26 11ch HF_Reopen試験(10 3) 電圧 パッカー圧 0.028 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.022 0.020 3.0 0.018 0.014 5.0 0.020 3.0 0.010 12 00 14 00 1600 0.0 1800 0.010 6.0 0.030 0 200 H19_12_26 12ch HF_Reopen試験(10 3) 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 電圧 パッカー圧 0.028 0.026 0.024 0.018 2.0 0.016 0.014 1.0 0.012 0 2 00 4 00 60 0 800 1 000 time(sec) 12 00 14 00 1600 0.0 1800 1600 0.020 3.0 0.018 2.0 0.016 1.0 0.010 400 600 800 1000 time(sec) 1200 3.0 2.0 電圧(v) 0.013 0.012 0.0 1800 0.010 1.0 6.0 0.100 0 200 1400 1600 0.0 1800 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 6.0 電圧 パッカー圧 5.0 0.098 4.0 0.015 3.0 4.0 0.096 3.0 0.094 2.0 2.0 0.092 1.0 200 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 0.090 1.0 6.0 0.650 0 200 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 H19_12_ 26 24ch HF_Reopen試験(103) 6.0 電圧 パッカー圧 電圧 パッカー圧 5.0 5.0 0.645 4.0 0.016 0.015 3.0 0.014 4.0 0.640 3.0 2.0 0.013 2.0 0.635 0.012 0.014 200 4.0 0.015 H19_12_ 26 23ch HF_Reopen試験(103) 0.017 0 5.0 0.014 5.0 0.018 4.0 0.012 0.010 6.0 H19_12_26 20ch HF_Reopen試験(103) 0.022 電圧 (v) 3.0 電極P圧（MPa) 0.020 1400 0.019 5.0 0.024 4.0 0.022 1200 0.020 6.0 0.026 0.0 1800 電圧 パッカー圧 電圧 パッカー圧 0 電圧 パッカー圧 0.028 5.0 800 1000 time(sec) 0.010 0.0 1800 H19_12_ 26 16ch HF_Reopen試験(103) 0.030 1600 0.011 電圧(v) 800 1 000 time(sec) 600 0.013 電極P圧（MPa) 60 0 400 0.014 0.012 4 00 200 0.016 1.0 1400 0.011 0.012 0.014 1.0 1200 0.016 1.0 0.018 2.0 0.016 800 1000 time(sec) 0.017 2.0 0.017 4.0 600 0.018 H19_12_26 19ch HF_Reopen試験(103) 0.018 0.012 2 00 3.0 0.019 0.022 2.0 0.016 0 0.015 0.020 6.0 400 0.019 4.0 0 電圧 パッカー圧 0.024 電圧(v) 4.0 200 H19_12_ 26 22ch HF_Reopen試験(103) 0.010 0.0 1800 0.026 電極P圧（ MPa) 0.024 電圧(v) 600 0.028 5.0 0.026 0.020 5.0 H19_12_ 26 15ch HF_Reopen試験(103) 0.030 電圧 (v) 400 電圧(v) 60 0 6.0 0.011 電極P圧（ MPa) 4 00 1.0 0 電圧 パッカー圧 0.012 1.0 2 00 0.010 0.013 0.012 0.010 0.0 1800 0.014 0.305 0.014 1600 0.016 電圧(v) 0.310 2.0 0.016 1400 0.018 電極P圧（MPa) 電圧(v) 3.0 0.018 1200 4.0 電極P圧（MPa) 電圧(v) 0.020 800 1000 time(sec) 0.017 4.0 0.022 600 0.019 5.0 0.315 0.024 400 H19_12_26 18ch HF_Reopen試験(103) H19_12_ 26 14ch HF_Reopen試験(103) 0.030 0 200 電圧(v) 2 00 電圧(v) 0 0.011 電圧(v) 0.010 2.0 0.012 1.0 0.011 0.081 3.0 0.013 電極P圧（MPa) 0.082 1.0 0.012 4.0 0.015 0.014 2.0 0.013 電極P圧（MPa) 0.014 3.0 0.014 2.0 0.083 0.015 0.016 1.0 1.0 0.011 0.010 0 200 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 図 6.3.3-8 水圧破砕試験後の孔壁抵抗測定結果 − 226 − 0.630 0 200 400 600 800 1000 time(sec) 1200 1400 1600 0.0 1800 電極P圧（MPa) 0.084 2.0 0.016 3.0 電極P圧（MPa) 0.018 0.085 0.017 4.0 0.016 5.0 0.018 電極P圧（MPa) 3.0 0.017 4.0 0.086 電圧( v) 0.020 電極P圧（MPa) 電圧( v) 0.087 4.0 0.022 6.0 電圧 パッカー圧 0.019 5.0 0.018 電圧(v) 0.024 0.020 6.0 電圧 パッカー圧 0.019 5.0 0.088 H19_12_ 26 21ch HF_Reopen試験(103) 0.020 6.0 電圧 パッカー圧 0.089 5.0 0.026 H19_12_26 17ch HF_Reopen試験(103) 0.090 6.0 電圧 パッカー圧 0.028 電極P圧（MPa) 0.030 電極P圧（MPa) H19_12_ 26 13ch HF_Reopen試験(103) 電極P圧（MPa) H19_ 12_26 9ch HF_ Reopen試験(103) 電極P圧（MPa) 2 段目 0.0 1800 統合化ユニットとして初めて、野外実験を行った。水圧破砕試験は、孔壁亀裂が卓越してい たため、1 測点のみでブレークダウンが得られた。統合化ユニットの共有パーツ、連結パーツに ついては、連結時や分解作業の効率が良くないという課題が抽出されたが、試験の機能性につい ては大きな問題は無かった。電極パッカーについては、今回の軟岩のような地点においては電極 部分を改良することで対応できると考える。 今回の現地試験での応力ユニット各パーツの動作状況を表 6.3.3-1 にまとめた。 表 6.3.3-1 統合化ユニットでの現地試験での動作確認事項 パーツ 確認項目 確認結果 耐圧性能、所定圧力の上昇、下降 問題ない 圧力、流量計 問題ない 水圧破砕パッカー 耐圧性能（内部パッカーの加圧および注水加圧に 問題ない よる外圧） 所定圧力の上昇、下降 問題ない 抵抗測定 亀裂の影響で正常な計 電極パッカー 測が出来なかった 孔内挿入、引き抜き時の電極部摩擦 問題ない 電極部分の耐圧、耐久性 軟岩で亀裂がある場合 は改良 孔内抵抗測定器 測定、通信 問題ない 耐圧性 問題ない 対振動性 問題ない シャフト内細管の耐圧性、緩みの有無 問題ない 連結部の緩み 問題ない 統合化パーツ − 227 − 7. モニタリングシステムの開発 7.1 7.1.1 モニタリングシステムの設計、試作および評価 モニタリングシステムの設計・試作 7.1.1.1 モニタリングシステムの概要 本システムはコントロールボーリングによって掘削された孔井を用いて地下水の水質、間隙水圧の 変化や地盤の透水性などに関するデータを長期間にわたって観測することが可能なシステムであり、 これに必要な要素技術の開発と設置システムの設計、開発を実施している。本システム要求項目を以 下に示す。 ① コントロールボーリング孔に設置できること。その予定されている孔井の傾斜を以下に 示す。図 7.2.1-1 にモニタリングシステムの設置概念を示す。 ・地表面 ∼ 200m ：傾斜角一定（35°） ・200m ∼ 800m ：30m につき 3°の増角 ・800m ∼ 1,000m ② ：水平区間 観測区間は 5 箇所とする。この 5 箇所以外の全深度において、内径 125∼130mm のケーシ ング（NL140 ロッド）により孔壁は保護されていること。 ③ 観測区間は、ケーシングの切断と数 m の引き上げにより形成される。 ④ 長期間計測項目は圧力とし、地下水圧の変動を遅延無く計測できること。 ⑤ トレーサーの濃度変化、化学成分の変化をモニタリングするための採水が出来ること。 ⑥ 採水は、可能であれば、原位置圧力を保持したまま、閉鎖系で行うこと。 ⑦ 銅管による希ガス封入採水が可能なこと。 ⑧ 可能であれば、透水性を計測できること。 ⑨ モニタリング期間は 10 年間、可能であればメンテナンスフリーとすること。 − 228 − コントロール ボーリング終了 火薬による拡管 （上方 CP） 火薬による拡管 （下方 CP） 観測区間確保 CP 切断 CP 引上げ モニタリング システム設置 長期モニタリング 図 7.1.1-1 コントロールボーリングにおける計測システムの設置概念図 本システムは、国内外で設置実績のあるスタンドパイプマルチパッカーシステム（SPMP）を、コン トロールボーリングの仕様にあわせて設計したモニタリングシステムである。 外径 76mm のケーシング の内部に 5 本の内径 21mm のステンレス製スタンドパイプが配置されている。 そのスタンドパイプに圧 力センサーや採水装置を挿入して、パッカーで区切られた観測区間の地下水をモニタリングする。 既存の SPMP システムとの主な違いは、スタンドパイプの口径を大きくした点である。このため、ス タンドパイプに設置できるセンサー類の選択の自由度が高くなっている。また、傾斜したスタンドパ イプへのサンプラーの挿入を容易にする点でも改良されている。その概要を表 7.1.1-1 に、概念図を 図 7.1.1-2 に示す。 − 229 − 表 7.1.1-1 計測システムの概要 形式 ＳＰＭＰ 観測（採水）区間数 5点 孔内流体の圧力（温度）測定 孔内流体の採水（サンプラー，孔内ポンプ） 観測（採水）項目 サンプラー：原位置圧力を保持した流体の採取 孔内ポンプ：連続的な流体の採取 透水試験（揚水試験，注水試験） ケーシング外径：76mm 装置外径 パッカー外径 ：110mm（収縮時） スタンドパイプ径 23mm／21mm（外径／内径） 遮水方法 観測区間の上下に配置された 2 個のゴム製パッカー 孔内装置には可動部がなく、圧力センサーや採水装置は、地上に取り出 メンテナンス性 して個別にメンテナンスが可能なため、長期的な維持費用を低減可能。 塩水への対応 詳細設計時に材質を耐腐食性の高い材質を選択 − 230 − パッカーライン パッカーライン 採水ライン パッカーライン 23mm/21mm パッカーライン パッカーライン 圧力計測 ボーリング孔ケーシング (ID: 125-130mm) 断面図 圧力センサー 計測システムケーシング （76mm/71mm） パッカーライン キャピラリーチューブ サンプラー 孔内流体流入口 計測システムパッカー 23mm/21mm 76mm/71mm ID:125mm ケーシング固定 ※数字は直径。 ID：内径 特に指定の無い場合（外径／内径） 図 7.1.1-2 計測システムの概念図 − 231 − 7.1.1.2 モニタリングシステム（プロトタイプ）の設計・試作 本年度は、平成 18 年度に設計、試作を行ったプロトタイプのモニタリングシステムについて改良を 行うとともに、昨年度は未試作であった部位の設計、試作を行った。 当該モニタリングシステムは、パッカーにより閉鎖された１深度区間において圧力測定が可能であ る。また、圧力センサーを回収後、孔内ポンプあるいはサンプラーによる採水が可能である。図 7.1.1-3 にモニタリングシステム概要図を示す。 モニタリングシステムのプロトタイプは、平成 19 年 11 月に北海道天塩郡幌延町上幌延の幌延掘削 現場に搬入した。表 7.1.1-2 に搬入物一覧を示す。 以下に、本年度試作し、納品したモニタリングシステムの仕様を示す。 図 7.1.1-3 モニタリングシステム（プロトタイプ）概要図 − 232 − 表 7.1.1-2 モニタリングシステム（プロトタイプ）搬入物一覧 No. 機材名 1. SPMP 装置ケーシング 3.0m 1.0m 0.5m 2. インターバルアクセスモジュール 3. 152mm 孔径用 110mm 固定端パッカー 4. パッカー拡張／収縮ライン 5. バーストディスク 6. スタンドパイプ（内径 21mm） 3.0m 1.5m 1.0m 0.5m 7. エンドロッド 8. ガイドエレメント（装置ケーシングに付属） 9. 裸孔用セントラライザー 10. スタンドパイプ内ミニパッカー 11. スタンドパイプ内圧力センサー 12. スタンドパイプ内圧力センサー用ケーブル 13. パッカー圧力計測センサー 14. 大気圧センサー 15. パッカーコントロールユニット 16. 設置用器具類 17. 孔口用器具（ウェルヘッド，カバーなど） 18. データロガー 19. フロースルータイプサンプラー 20. サンプラー用チューブ（ウィンチ） 21. ポンプコントロールユニット 22. ダブルバルブポンプ 単 位 数 量 本 本 本 個 27 3 4 1 個 2 m 個 200 1 本 本 本 本 個 個 個 個 個 m 個 個 式 式 式 個 個 個 個 個 26 1 3 3 1 35 3 1 1 90 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 − 233 − コメント 予備（１個） 圧力容器、圧力ゲージ スリッププレート、リフトデバイス (1) 装置ケーシング 表 7.1.1-3 に装置ケーシングの仕様を、図 7.1.1-4 に装置ケーシングの外観を示す。 表 7.1.1-3 装置ケーシングの仕様 項 目 外径 内径 カップリング部外径 材質 重量 全長 カップリング部 遮水方式 仕 様 76.1 mm 70.9 mm 90.0 mm ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 15.5 kg (3 m) 3 m, 1 m, 0.5 m スイベル・ナット ダブルＯリング 備 考 AISI ss304 図 7.1.1-4 装置ケーシング (2) インターバルアクセスモジュール 表 7.1.1-4 にインターバルアクセスモジュールの仕様を、図 7.1.1-5 にインターバルアクセ スモジュールの外観を示す。 表 7.1.1-4 インターバルアクセスモジュールの仕様 項 目 外径 内径 カップリング部外径 材質 重量 全長 流体流入口外径 仕 様 76.1 mm 70.9 mm 90.0 mm ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 5 kg 0.5 m 15 mm − 234 − 備 AISI ss304 考 図 7.1.1-5 インターバルアクセスモジュール (3) パッカー 表 7.1.1-5 にパッカーの仕様を、図 7.1.1-6 にパッカーの外観を示す。 表 7.1.1-5 パッカーの仕様 項 目 タイプ 外径 内径 カップリング部外径 材質 重量 全長 有効遮水長 作動流体 仕 様 フィックスエンド型 110 mm 70.9 mm 90.0 mm ステンレススチール 生ゴム（パッカースリーブ） 33 kg 1.5 m 1.0 m 水、不凍液、窒素ガス 図 7.1.1-6 パッカー − 235 − 備 AISI ss304 考 (4) パッカー拡張／収縮ライン 表 7.1.1-6 にパッカー拡張／収縮ラインの仕様を示す。 表 7.1.1-6 パッカー拡張／収縮ラインの仕様 項 目 外径 内径 材質 重量 耐圧 遮水方式 (5) 仕 様 備 考 6 mm 3 mm Polyamide hard 1.6 kg / 100 m 225 bar （22.5MPa） スウェージロック バーストディスク 表 7.1.1-7 にバーストディスクの仕様を、図 7.1.1-7 にバーストディスクの外観を示す。 表 7.1.1-7 バーストディスクの仕様 項 材質 重量 破壊圧力 作動方式 目 仕 様 ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 0.2 kg 57 bar（5.7MPa） シアピン 図 7.1.1-7 バーストディスク − 236 − 備 考 AISI ss304 (6) スタンドパイプ 表 7.1.1-8 にスタンドパイプの仕様を、図 7.1.1-8 にスタンドパイプの外観を示す。 表 7.1.1-8 スタンドパイプの仕様 項 目 外径 内径 カップリング部外径 材質 重量 全長 遮水方式 仕 様 備 23 mm 21 mm 27 mm ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 3.0 m rod = 1.5 kg 3.0 m, 1.5 m, 1.0 m, 0.5 m ダブルＯリング 考 AISI ss304 図 7.1.1-8 スタンドパイプ (7) エンドロッド 表 7.1.1-9 にエンドロッドの仕様を、次ページ図 7.1.1-9 にエンドロッドの外観を示す。 表 7.1.1-9 エンドロッドの仕様 項 目 外径 内径 カップリング部外径／ セントラライザー外径 材質 重量 全長 遮水方式 仕 様 76.1 mm 70.9 mm 110 mm／152 mm ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 9.0 kg 1.0 m ダブルＯリング − 237 − 備 考 セントラライザーは最下部に装 着 AISI ss304 図 7.1.1-9 エンドロッド (8) 裸孔用セントラライザー 表 7.1.1-10 に裸孔用セントラライザーの仕様を、図 7.1.1-10 に裸孔用セントラライザーの 外観を示す。 表 7.1.1-10 セントラライザーの仕様 項 目 方式 適用径 はね数 板の厚さ カップリング部外径 材質 重量 全長 遮水方式 仕 様 板スプリング 152 ‒ 160 mm 6 1.0 / 1.5 mm 96.0 mm ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 4.8 kg 0.5 m ダブルＯリング − 238 − 備 考 AISI ss304 装置ケーシング（0.5 m）含む 装置ケーシング（0.5 m）含む 図 7.1.1-10 裸孔用セントラライザー (9) ガイドエレメント 表 7.1.1-11 にガイドエレメントの仕様を、図 7.1.1-11 にガイドエレメントの外観を示す。 表 7.1.1-11 ガイドエレメントの仕様 項 タイプ 外径 材質 目 仕 様 装置ケーシングのカップリングに付属 90.0 mm ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 図 7.1.1-11 ガイドエレメント − 239 − 備 考 AISI ss304 (10) スタンドパイプ内ミニパッカー 表 7.1.1-12 にスタンドパイプ内ミニパッカーの仕様を、図 7.1.1-12 にスタンドパイプ内ミ ニパッカーの外観を示す。 表 7.1.1-12 スタンドパイプ内ミニパッカーの仕様 項 目 仕 様 拡張式 フィックスエンド 16.5 mm ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ、生ゴム（スリーブ部） 0.6 kg 0.22 m 0.1 m 10 bar（1 MPa） 窒素ガス 方式 外径 材質 重量 全長 有効遮水長 圧力 作動流体 備 考 図 7.1.1-12 スタンドパイプ内ミニパッカー (11) スタンドパイプ内圧力センサ 表 7.1.1-13 にスタンドパイプ内圧力センサの仕様を、次ページ図 7.1.1-13 にスタンドパイ プ内圧力センサの外観を示す。 表 7.1.1-13 スタンドパイプ内圧力センサの仕様 項 方式 出力 外径 レンジ 線形性 分解能 重量 全長 目 仕 様 PAA, ピエゾレジスティブ 4-20 mA 16 mm 0−10 bar（0−1 MPa） 0.025 %FS 0.002 %FS 4.5 kg 0.12 m − 240 − 備 考 絶対圧 ケーブル（90m）含む 図 7.1.1-13 スタンドパイプ内圧力センサ (12) パッカー圧力計測センサ 表 7.1.1-14 にパッカー圧力計測センサの仕様を示す。 表 7.1.1-14 パッカー圧力計測センサの仕様 項 目 方式 出力 外径 レンジ 線形性 重量 全長 (13) 仕 様 PAA, ピエゾレジスティブ 4-20 mA 22 mm 0 ‒ 50 bar -0.05 %FS 0.5 kg 0.12 m 備 考 絶対圧 ケーブル（5m）含む 大気圧センサ 表 7.1.1-15 に大気圧センサの仕様を、図 7.1.1-14 に大気圧センサの外観を示す。 表 7.1.1-15 大気圧センサの仕様 項 方式 出力 外径 レンジ 線形性 重量 全長 目 仕 様 PAA, ピエゾレジスティブ 4-20 mA 22 mm 0.85 ‒ 1.15 bar 0.06 %FS 0.5 kg 0.12 m − 241 − 備 考 絶対圧 ケーブル（5m）含む 図 7.1.1-14 大気圧センサ (14) データロガー 表 7.1.1-16 にデータロガーの仕様を、図 7.1.1-15 にデータロガーの外観を示す。 表 7.1.1-16 データロガーの仕様 項 名称 ソフトウエア 入力信号 寸法 記憶容量 チャンネル数 電源 重量 目 仕 様 SOLO Datalogger SOLOWIN 2.1 4-20 mA 0.32 × 0.10 × 0.09 m 30'000 点 最大 7＋電源電圧 単 2×8 2.4 kg with 8 batteries 図 7.1.1-15 データロガー − 242 − 備 windows XP 考 (15) パッカーコントロールユニット 表 7.1.1-17 にパッカーコントロールユニットの仕様を、図 7.1.1-16 に圧力容器の外観を、 図 7.1.1-17 にパッカーコントロールボードの外観を示す。 表 7.1.1-17 パッカーコントロールユニットの仕様 項 目 仕 圧力容器 材質 設定圧力 最大圧力 リリースバルブ圧力 圧力ゲージレンジ 接続継ぎ手 重量 パッカーコントロールボード 圧力ゲージレンジ ポート数 バルブ 重量 様 備 考 ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 20 bar 30 bar 22 bar 0-40 bar 6 mm スウェージロック 16 kg AISI ss304 0-40 bar (2 pieces) 3 3-way (2) / 2-way (1) 1 kg パッカー拡張ライン パッカー収縮ライン ミニパッカーライン 図 7.1.1-16 圧力容器 図 7.1.1-17 パッカーコントロールボード − 243 − (16) サンプラー 表 7.1.1-18 にサンプラーの仕様を、図 7.1.1-18 にサンプラーの外観を、図 7.1.1-19 にウィ ンチの外観を、図 7.1.1-20 にクランプ止め装置の外観を示す。 表 7.1.1-18 サンプラーの仕様 項 目 ﾌﾛｰｽﾙｰﾀｲﾌﾟｻﾝﾌﾟﾗｰ ﾀｲﾌﾟ 外径 銅管（外径／内径) 全長 容積 材質 重量 全長 チェックバルブ閉鎖圧力 ウィンチ ﾀｲﾌﾟ 作動圧 ﾘﾘｰｽﾊﾞﾙﾌﾞ設定 圧力ｹﾞｰｼﾞﾚﾝｼﾞ 接続継ぎ手 重量 クランプ止め装置 材質 全長 固定点間長 ﾊﾞﾙﾌﾞ ｶﾞｽﾁｬﾝﾊﾞｰ容積 ﾋﾟｽﾄﾝ長 圧力ｹﾞｰｼﾞ 仕 様 Flow through 18 mm 10 / 8 mm 0.5 m ca. 22 ml ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 0.5 kg 0.7 m 48 bar＋地層圧 備 考 AISI ss304 手動 75 bar 60 bar 0-60 bar 6 mm Swagelok 25 kg 100 m ﾎﾟﾘｱﾐﾄﾞﾗｲﾝ (6/3 mm) ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 1.15 m 0.79 m 2-way,ﾆｰﾄﾞﾙﾊﾞﾙﾌﾞ 120 ml 全長：55mm，有効長：22mm 0-100 bar AISI ss304 図 7.1.1-18 サンプラー − 244 − ｶﾞｽﾁｬﾝﾊﾞｰの圧力調整 図 7.1.1-19 ウィンチ 図 7.1.1-20 クランプ止め装置 (17) ダブルバルブポンプ 表 7.1.1-19 にダブルバルブポンプの仕様を、図 7.1.1-21 にチューブドラムの外観を、図 7.1.1-22 にポンプコントロールユニットの外観を示す。 表 7.1.1-19 ダブルバルブポンプの仕様 項 目 外径 材質 重量 ポンプ全長 チューブ全長 流量 ﾎﾟﾝﾌﾟｺﾝﾄﾛｰﾙﾕﾆｯﾄ タイプ 作動圧力 作動流体 重量 仕 様 16 mm ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 16 kg 0.3 m 350 ft (105 m) 可変 電動（タイマー） 250 psi (1.7 MPa) 窒素ガス 7.5 kg − 245 − 備 考 AISI ss304 1/4 チューブドラム含む 材質：LDPE 電源：単 3 電池×8 図 7.1.1-21 チューブドラム 図 7.1.1-22 ポンプコントロールユニット (18) エアリフト時の孔口装置 表 7.1.1-20 にエアリフト時の孔口装置の仕様を、図 7.1.1-23 にエアリフト時の孔口装置の 外観を示す。 表 7.1.1-20 エアリフト時の孔口装置の仕様 項 使用チューブ 圧力 使用ガス 目 仕 様 ポリアミド（6/4 mm） 可変 窒素ガス 図 7.1.1-23 エアリフト時の孔口装置 − 246 − 備 考 (19) ウェルヘッド 表 7.1.1-21 にウェルヘッドの仕様を、図 7.1.1-24 にクラバットの外観を、図 7.1.1-25 にプ ロテクションカバーの外観を示す。 表 7.1.1-21 ウェルヘッドの仕様 項 目 クラバット 材質 外径 高さ 重量 プロテクションカバー 材質 外径 高さ 重量 仕 様 備 ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 130 mm 0.12 m 7.6 kg AISI ss304 ｽﾃﾝﾚｽｽﾁｰﾙ DIN 1.4301 168 mm 0.45 m 6 kg AISI ss304 突起部除く 図 7.1.1-24 クラバット 図 7.1.1-25 プロテクションカバー − 247 − 考 7.1.1.3 サンプラーの改良 平成 18 年度にサンプラーを試作し、室内試験を実施してサンプラーの基本性能を確認した。本年度 は、フロースルー型サンプラーの部品およびクランプ止め装置の改良を行った。 (1) フロースルー型サンプラー本体の改良 平成 18 年度の室内試験において、 高圧の液体の入った銅管をクランプ止めする際に銅管の端 を押さえている下部エンドピースが銅管内部の流体に押されて動いた事をうけて、銅管内の流体 に押されて下部エンドピースが動いたとしても、銅管からの水漏れを防ぐことを目的に、下部エ ンドピースの銅管内に挿入される部分を長くする改良を実施した。 図 7.1.1-26 にフロースルーサンプラーの概要を示す。 図 7.1.1-26 フロースルー型サンプラー断面図 以下のサンプラー部品を改良した。 ① 下部エンドピースの延長 ② 銅管の仕上げ部分の延長（下部エンドピースを長くしたため） 下部エンドピースは設計を見直し、 製作した。下部エンドピースの銅管に入る部分の部品は、 Ｏリングを 2 個追加して長くし、クランプ止めの最中に下部エンドピースが十分に動く余地を確 保した。また、銅管の仕上げ部分は、それに合わせて長くした。 図 7.1.1-27∼図 7.1.1-28 に改良した下部エンドピースの外観を示す。 − 248 − 上：改良前の下部エンドピース 下：改良後の下部エンドピース 図 7.1.1-27 下部エンドピースの改良 銅管の仕上げ部分がエンドピースに 合わせて長くなっている。 図 7.1.1-28 下部エンドピースと銅管 (2) クランプ止め装置の改良 前節では、サンプラーの改良について記述したが、本節では、クランプ止め装置の改良につ いて記述する。クランプ止めの最中に下部エンドピースが動くように以下のような改良を実施し た。 ① ガスチャンバーとピストンの追加し、スムーズに動くようにした（試験の経過で調整） 。 ② ガスチャンバーの制御ユニット（三方弁・ニードルバルブ・圧力ゲージ）を追加した。 ③ 装置全体の伸長 ④ サンプラー上部側をねじで調整できるようにした。 新しいガスチャンバーとピストンは、クランプ止めの際に、サンプリングされた銅管内の水 の圧力が低下するのを防ぎつつ、下部エンドピースが動くようになっている。 銅管の下側（下部エンドピースが接続されている側）を右（クランプ止め装置のピストンと ガスチャンバーのある側）にして、クランプ止め装置に固定する。下部エンドピースは直接ピス トンと接するので、ガスチャンバー内の圧力と銅管内の圧力は平衡することになる。ガスチャン バー内の圧力を、銅管内の圧力以上に設定することで銅管からエンドピースが抜け出ることを防 ぐ。銅管の左側の上部エンドピースは、位置調整ネジで動かないように固定されている。銅管を クランプ止めすると、銅管内部の圧力が上がり、下部エンドピースが銅管から抜け出ようと右側 − 249 − に動く。しかし、その動きは、バッファの働きをしているガスチャンバーに伝わり、下部エンド ピースを押し込もうとする力が働き、抜けるのを防ぐ。なお、ガスチャンバー内の圧力は圧力ゲ ージとニードルバルブで調整可能である。これら一連のクランプ止め作業の作業性を良くするた めに装置を伸長した。図 7.1.1-29 にクランプ止め装置の改良点を示す。 ①ピストン，ガスチャンバー ②制御ユニット •圧力ゲージ •三方弁 •ニードルバルブ ③装置の伸長 上側（左側） 下側（右側） ④上側（左側）位置調整ネジ 図 7.1.1-29 クランプ止め装置の改良 − 250 − 7.1.2 モニタリングシステムの評価 7.1.2.1 概要 本年度の試作品について、品質保証の観点から製造時に通常実施している試験を行い、これらの試 作品は合格した。サンプラーについては、平成 19 年 6∼7 月および 9 月に製造元において、室内で性 能試験を実施した。また、モニタリングシステム設置後、平成 19 年 11 月および 1 月に原位置で性能 試験を実施し、正常に動作することを確認した。 7.1.2.2 装置ケーシングなどの試験 装置ケーシング、スタンドパイプ、ガイドエレメント（カップリング） 、インターバルアクセスモジ ュールについては、製造時に、以下のような試験を実施し、合格した。 ① 最終デザインのチェック、試作素材の決定 ② 試作時のチェック（寸法，加工，溶接作業の確認） ③ ケーシング：強度測定，引張強度（EMPA において試験） もし、いずれかのチェックあるいは試験に不合格の場合、再設計および一連の試作プロセスを繰り 返す。 全てに合格の場合、以下の点に留意しながら製作を行った。 ① 試作品を構成している各部材のチェック ② 試作品を構成している各部材間の接合の精確さ ③ 強度チェック 7.1.2.3 サンプラー室内試験 (1) 1 回目のサンプラー試験（平成 19 年 7 月実施） 本年度実施したサンプラーの改良を受けて、 平成 19 年 7 月に１回目のサンプラー室内試験を 実施した。なお、平成 19 年 7 月 2 日∼3 日には、電中研殿が立ち会いの上、以下の 2 種類のサン プラー試験を実施した。 ① フロースルー試験 ② サンプリング・クランプ止め試験 ａ． フロースルー試験 − 251 − 蛍光トレーサーの使用も含めた何種類かの試験方法について検討した結果、以下の手順が適 切であると判断した。 (a) フロースルー試験手順 ① プレキシガラス製の透明チューブにサンプラーを入れ、チューブを水道水で満たす。水 位以下にサンプラーを入れ、しばらく（5 分程度）サンプラーを振り、銅管内を抜気する。 ② 水道水の電気伝導度を測定する。 ③ ポンプにつながれた塩水タンク内の溶液の電気伝導度を測定する。 ④ ポンプで塩を溶かした水をチューブの下部から注入する。その際に塩水の流れが層流に なるように留意する。 ⑤ ポンプで塩水を注入する前に電気伝導度を測定する。 ⑥ ポンプを稼働させて下方から塩水を注入する。 ⑦ スタンドパイプ 3m 分に相当する体積の塩水を注入後サンプラーのバルブを閉じ、 回収す る。 ⑧ 銅管内の水を回収し電気伝導度を測定する。サンプラーが正常に作動していれば、銅管 には、当初チューブに入っていた電気伝導度の低い水道水ではなく、ポンプにより下方か ら注入された電気伝導度の高い塩水が入るはずである。 ⑨ 銅管内の電気伝導度が高ければ、サンプラーは、降下途中の流体ではなく、最終降下深 度近辺の流体を採取していることを室内試験で示すことができる。 (b) 試験の条件 次に、スタンドパイプ内で乱流を発生させない降下速度について考察した。 層流の条件についてレイノルズ数から考察すると、 Re = 971900 × Q d 10℃の水の場合 Re = 1260000 × Q 20℃の水の場合 d Ｑ：流量（㎥/sec） 、ｄ：管計（m） （Langguth&Voigt, Hydrogeologische Methoden, Springer Verlag, 1980 より） Re（レイノルズ数）＜2320 が層流の条件とすると、 Ｑ=0.54 ℓ/min （10℃の場合） Ｑ=0.42 ℓ/min （20℃の場合） ここで、d=0.0038 m（エンドピースの最小径：3.8 mm） よって、フロースルー試験の流量を 0.3ℓ/min とする。 − 252 − 次に、プレキシガラス製の透明チューブ内の水の体積を計算すると、同チューブは、1m あた り 0.35ℓの容積があり、全長が 1.70m なので、チューブ内の水の体積は 0.6ℓである。一方、3m 分 のスタンドパイプ内の水の容積は 1.8ℓである。 (c) フロースルー試験結果 ポンプ作動前のチューブ内の水道水の電気伝導度は 285μS/cm、塩水タンク内の溶液の電気 伝導度は 1070μS/cm であった。送水条件を以下に示す。 ① ポンプ送水量：1.8ℓ（3m 分のスタンドパイプに相当。 ） ② ポンプ流量：300 mℓ/min ポンプ作動後のチューブ内の電気伝導度は 1062μS/cm、銅管内の水の電気伝導度は 1074μS/cm であった。この試験結果より実験室内でサンプラーの降下を模擬し、対象深度の水を 採水できることが確認された。 図 7.1.2-1∼7.1.2-2 に試験の概要を示す。 図 7.1.2-1 フロースルー試験装置 排水 窒素ガスでチェックバ ルブ操作 チューブ ポンプ サンプラー 淡水 塩水 図 7.1.2-2 フロースルー試験概要図 − 253 − 塩水タンク ｂ． サンプリング・クランプ止め試験 この試験は高圧環境下で採取したサンプルの入った銅管を、大気圧下でクランプ止めする一 連の作業を模擬するために実施した。 (a) サンプリング試験 サンプラーを水で満たされた鉄製のチューブ型容器内に設置し、容器のふたを閉め容器内の 水を 60bar で加圧し、サンプラーのチェックバルブを閉じる（サンプルを銅管内に閉じこめる） 。 図 7.1.2-3∼図 7.1.2-5 に試験の概要を示す。 図 7.1.2-3 耐圧チューブを加圧 図 7.1.2-4 クランプ止め作業 サンプラーを取り出す 銅管を取り出す 銅管をクランプ止め 60bar 図 7.1.2-5 サンプリング・クランプ止め試験概要 − 254 − (b) クランプ止め試験 クランプ止めは以下の手順で行った（図 7.1.2-6 を参照） 。 ① クランプ止め装置（図 7.1.1-31）のガスチャンバーに窒素ガスを注入し、規定の圧力（次 節に記述）にする。注意深くプロテクションチューブを外すと同時に、安全のため銅管の 両端部にテープを貼る。 ② 銅管をクランプ止め装置に固定する（まだクランプ止めしない） 。 ③ サンプラー上端側をスクリューで固定する。 ④ フィックスチューブを外す。 ⑤ 銅管上側をクランプ止めする。銅管上側のクランプ止めに伴って、下部エンドピースが ピストンを押しているか、またガスチャンバーが押し返しているかを確認する。水が銅管 とエンドピースの間から漏れていないか確認する。 ⑥ 銅管下側をクランプ止めし、同じように下部エンドピースが動き、水洩れがないか確認 する。 ⑦ (c) 最後に、クランプのついたままの銅管を外す。 試験結果 試験結果を表 7.1.2-1 に示す。 表 7.1.2-1 サンプリング・クランプ止め試験結果 採水環境圧力 日時 (耐圧ﾁｭｰﾌﾞ 内圧力）(bar) チェックバルブ圧力 (サンプラーのチェッ クバルブを閉じる際 の圧力)(bar) エンドピースのオフセット量 ｶﾞｽﾁｬﾝﾊﾞｰ圧 (押し出された長さ) 力 (単位：mm) 備 考 (bar) 上側 下側 計 銅管からの水漏れ無し 6/26 20 40 40 3 9 12.3 要改善点：クランプ止め装置 の延長 6/28 60 45 45 4 7 11 要改善点：下側クランプを交 換 銅管からの水漏れ （上側のネジで十分に押さ 7/2 60 45 45 0 10 10 えていなかった）要改善点： ピストン、ガスチャンバーが スムーズに動くようにする。 銅管からの水漏れ無し要改 7/5 60 45 45 3.5 善点：チェックバルブ、ガス 7.8 チャンバーの圧力は 60bar 以 上が必要。 銅管からの水漏れ無し 7/10 60 70 60 6 5.5 11.2 クランプ止めの最中の銅管 内部の圧力を観察できるよ うにした方がよい。 − 255 − 試験結果から、いくつかの改善が必要となった。スタンドパイプ内でサンプラーのチェック バルブを閉じるために必要な圧力は、スタンドパイプ内の圧力とは関係がないが、地上に取り出 し、銅管をクランプ止めする際には重要になる。銅管内の圧力と比べて、サンプラーを閉じる圧 力をより高くする必要があり、また、クランプ止め装置のガスチャンバーの圧力は、同じにする 必要がある。ガスチャンバーとチェックバルブの圧力を 45bar に設定した際に起きた問題は、ク ランプ止めにより動かされた水の体積をピストンとガスチャンバーで吸収されず、上部エンドピ ースの動きになったと考えられる。一方でＯリングとベースユニット内のスプリングとの間の摩 擦により起きる力も考慮する必要がある。 ガスチャンバーのピストンは、最初のクランプ止めから起きたのではなく、後半のクランプ 止めから起きている。このため、銅管内部の圧力の観察を検討する。 サンプラーでスタンドパイプ内を降下させる場合、 水の流れを層流にすることが重要である。 サンプラーが対象深度に達したら、少し深度を浅くして、1 回あるいは 2 回インターバルアクセ スポートまで降下させて、サンプラー内部を洗うことを提案する。この方法は、今回の試験で模 擬したものである。 試験結果、 スタンドパイプ内のサンプラーの降下速度は毎分 1m と計算される。 図 7.1.2-6∼図 7.1.2-7 に試験状況を示す。 １．60bar で加圧された耐圧チューブからサン プラーを取り出す。 ２．プロテクションチューブを外し。銅管の両 端に、安全のためのテープを貼る。 ３．クランプを開ける ４．下側エンドピースをピストンに接するよう にセットする。写真では、左側がサンプラ ーの下側にあたる。 図 7.1.2-6 試験状況(1) − 256 − ５．上側エンドピースをスクリューネジでしっ かり固定する。 ６．クランプで軽く押さえる。 ７．長さを計測 ８．フィックスチューブ押さえている金具とオ ーリングを外す ９．フィックスチューブを外す。 １０．上側をクランプ止め １１．下側をクランプ止め １２．クランプ止め完了 図 7.1.2-7 試験状況(2) − 257 − (2) 2 回目のサンプラー試験（平成 19 年 9 月実施） 1 回目のサンプラー試験で抽出された課題を解決し、サンプリングの手順を確立するために、 サンプラー室内試験を実施した。 ａ． 試験手順 以下に試験手順を示す（図 7.1.2-5 参照） 。 ① サンプラーを水で満たされた鉄製のチューブ型容器内に設置し、容器のふたを閉めて容 器内の水を 50bar に加圧する（図 7.1.2-10） 。 ② サンプラーのチェックバルブを 95bar で閉じる（環境圧力+45bar） （図 7.1.2-11 図） 。 ③ サンプラーを鉄製チューブから取り出し、注意深くプロテクションチューブを外すと同 時に、安全のため銅管の両端部にテープを貼る（図 7.1.2-12） ④ 銅管（外側にはフィックスチューブがついている）をクランプ止め装置に固定する（ま だクランプ止めしない） （図 7.1.2-13） ⑤ ガスチャンバーに窒素ガスを注入し、規定の圧力（35bar）にする。 ⑥ サンプラー上端側をスクリューで固定する。 ⑦ フィックスチューブを外す。 ⑧ 銅管上側をクランプ止めする。銅管上側のクランプ止めに伴って、下部エンドピースが ピストンを押しているか、またガスチャンバーが押し返しているかを確認する。水が銅管 とエンドピースの間から漏れていないか確認する（図 7.1.2-14） 。 ⑨ 銅管下側をクランプ止めし、同じように下部エンドピースが動き、水洩れがないか確認 する（図 7.1.2-15） 。 ⑩ 最後に、クランプのついたままの銅管を外す。 最初の 2 回のデモンストレーションでは、銅管からプロテクションチューブを外そうとした 時に、 銅管からエンドピースが外れた。 これは、上記①∼⑩の一連の作業を 20 数回続けたことで、 プロテクションチューブが曲がり、外すときに引っかかったことが原因と考えられた。 3 回目のデモンストレーションでは、①∼⑩の一連の作業を実施することができた。 7 月の訪問時に電中研から要望のあったクランプ止めの最中に銅管が曲がることを防ぐ手段 としてガイドを設置した。図 7.1.2-8∼図 7.1.2-16 に試験状況を示す。 − 258 − 図 7.1.2-8 試験状況(1)：サンプラーの入った鉄製チューブを加圧 サンプラーのチェックバルブを 閉じるためのポリアミドライン 鉄製チューブ （サンプラーが入っている） 図 7.1.2-9 試験状況(2)：サンプラーのチェックバルブを閉じる （加圧された水を銅管に閉じこめる） 。 − 259 − 図 7.1.2-10 試験状況(3)：サンプラーからプロテクションチューブを外す。 図 7.1.2-11 試験状況(4)：サンプラーをクランプ止め装置に固定する。 − 260 − 図 7.1.2-12 試験状況(5)：銅管上側をクランプ止めする。 図 7.1.2-13 試験状況(6)：銅管下側をクランプ止めする（完了） 。 − 261 − 7.2 7.2.1 試験用孔井（HMD-1 孔）の構築 構築目的 孔内モニタリングシステムの実岩盤への適用性評価を実施するために試験用孔井（HMD-1 孔）の掘 削を行った。なお、試験用孔井（HMD-1 孔）の掘削位置は、北海道幌延町上幌延である。 以下に試験用孔井（HMD-1 孔）の仕様を示す。 ① 掘削径：φ152mm ② 掘削傾斜角度：鉛直から 35° ③ 掘削長：81m（50∼81m 区間はコアリング実施） 図 7.2.1-1 に試験用孔井（HMD-1 孔）の位置図を示す。 27 m N ⑪ 90 m 民 家 30 m ⑩ ②：試錐櫓基礎、7m×5m=35㎡ ③：ﾎｲｽﾄ用基礎、5m×13m=65㎡ ④：事務所(ﾌﾟﾚﾊﾌﾞ構造)、9m×9m=81㎡ ⑤：事務所(ﾌﾟﾚﾊﾌﾞ構造)、9m×9m=81㎡ ⑥：ﾀﾝｸ置場(ﾌﾟﾚﾊﾌﾞ構造)、9m×9m=81㎡ ⑦：ｺｱ置場(仮設ﾊｳｽ)、5m×5m=25㎡ ⑧：資材置場、30m×25m÷2=375㎡ ⑨：資材置場、13m×18m÷2=117㎡ ⑩：ﾊﾟｲﾌﾟ類置場、90m×8m=720㎡ ⑫ ④ ⑤ ① ⑥ ② ③ 試 ⑪：表土置場、15m×20m=300㎡ ⑫：駐車ｽﾍﾟｰｽ、20m×10m=200㎡ 内は運搬・搬入用通路 ⑧ 験 用 55 m ①：試錐櫓基礎、16m×13m=208㎡ 70 m ⑦ 傾 斜 櫓 (防 寒 設 施 ) 19 0m H ⑨ 掘 CD 削 -3 向 方 孔 井 図 7.2.1-1 試験用孔井（HMD-1 孔）位置図 − 262 − 7.2.2 試験用孔井（HMD-1 孔）の掘削 コントロールボーリング(HCD-3 孔)の口元付近の掘削時情報から、深さ 30m 付近までは地層が不安 定状況で、軟弱地層の崩壊や逸水が想定された。これらの情報を基に、セメンチングによる対策は不 確定要素が多いため、 30m 付近の地層が安定する深度までは、 8"と 6"の 2 段ケーシング掘削で対応し、 セメンチング等による対応はできるだけ避ける方向で実施計画を作成し、この計画に沿って施工した 結果、掘削作業は順調に終了した。 GL から 10m までは 8"ケーシング掘削、以深は 30m 付近を目標に 6"ケーシング掘削を採用した。ま た、コアリングは HQWL を採用した。 8"ケーシングでベントナイト泥水を使用して掘削を開始し、表土・風化帯を突破して 10.60m まで掘 削し、同深度でケーシングをセメンチングで固定した。その後 8"ケーシング内のセメントを浚渫後、 6"ケーシングで掘削を行い、深度 26.60m 付近で硬く安定した地層に変化し、ケーシング掘削が難しく なったために 6"ケーシング掘削を 26.60m で終了した。その後、深度 50.20m まで 5-5/8"トリコンビッ トでノンコア掘削を実施した。 50.20m 以下は HQWL によるコアリング掘削を行うため、PQ 仮ケーシングを同深度まで挿入し、HQWL でコアリング掘削を行い、深度 81m に到達し検尺を実施してコアリング掘削を終了した。 PQ 仮ケーシングを回収してから NL140 ロッドにロッドクラウン（152mm ビット）を装着して 81.00m まで拡孔した。拡孔終了後 NL140 ロッド内を HQWL ロッドで洗浄した。尚、50m 以深のコアは泥岩、砂 岩で 100％採取することができた。 図 7.2.2-1 に試験用孔井（HMD-1 孔）仕上がり状況図を示す。 図 7.2.2-2 に作業状況を示す。 図 7.2.2-3∼図 7.2.2-11 に採取したコアを示す。 − 263 − 掘削状況 ケーシング設置状況 1.00ｍ ｾｰﾗｰ部分 ８”ケーシング掘削 （10.60ｍまで） ８”SGP製 ケーシング （ フル ホー ル セメ ンチ ン グで 固 10.60ｍ ６”ケーシング掘削 （26.60ｍまで） 26.60ｍ 5-5/8”ﾄﾘｺﾝﾋﾞｯﾄ掘削 （50.20ｍまで） HQWLでコアリング掘削 （50.20ｍ∼81.00まで） NL140ロッドを口元から 81.00mまで設置 NL140ロッドで拡掘（152mm） （50.20ｍ∼81.00まで） 81.00ｍ 図 7.2.2-1 試験用孔井（HMD-1 孔）仕上がり状況図 − 264 − 掘削地点の着手前状況 8 ケーシング掘削深度検尺 5-5/8 ﾄﾘｺﾝﾋﾞｯﾄ(掘削状況) 掘削機械設備撤去状況 掘削機械設備搬入状況 8 ケーシングセメンチング HQ-WL 掘削深度検尺 掘削機械設備搬出状況 図 7.2.2-2 試験用孔井作業状況 − 265 − 掘削状況 6 ケーシングパイプ検尺 NL140 ロッド検尺状況 掘削機械設備撤去完了状況 図 7.2.2-3 コア写真（掘削長：50.20∼53.00m） 図 7.2.2-4 コア写真（掘削長：53.00∼56.00m） 図 7.2.2-5 コア写真（掘削長：56.00∼59.00m） − 266 − 図 7.2.2-6 コア写真（掘削長：59.00∼62.00m） 図 7.2.2-7 コア写真（掘削長：62.00∼65.00m） 図 7.2.2-8 コア写真（掘削長：65.00∼70.00m） − 267 − 図 7.2.2-9 コア写真（掘削長：70.00∼75.00m） 図 7.2.2-10 コア写真（掘削長：75.00∼80.00m） 図 7.2.2-11 コア写真（掘削長：80.00∼81.00m） − 268 − 7.3 孔内モニタリングシステムの現地適用試験 平成 17 年度の海外動向調査の結果としてモニタリングシステム概念の再構築を行った。 新たな概念 は、パッカーシステムを設置せず直接、観測区間にモニタリングシステムを設置することとした。 昨年度までに確立された技術および既存技術の適用性評価や各作業手法を構築するために 7.2 節で 構築した試験用孔井（HMD-1 孔）にて「火薬による拡管∼ケーシング切断∼観測区間確保∼モニタリ ングシステムの設置、試験運用」までの一連のモニタリングシステム適用性試験を実施した。 実施した適用性試験項目を以下に示す。 ① 火薬による拡管試験 ② ケーシング切断試験 ③ BHTV による拡管部の管径計測 ④ CCL による孔井内作業の深度測定 ⑤ モニタリングシステムの設置、データ取得 − 269 − 7.3.1 試験概要 現地適用試験の流れを図 7.3.1-2 に示す。 各作業段階でボアホールテレビュアーなどを用いて孔内状況を観察する。また、拡管試験終了後に ロッドの押し引き試験を実施して拡管の抵抗値を確認する。 1.試験用孔井掘削 （80m程度、35°） 6.深度測定 （CCL） 2.ＣＰ設置 3.下部ＣＰ拡管 （火薬） 7.ＣＰ切断 8.上部ＣＰ拡管 （メカニカルカッター） （火薬） 4.拡管部確認 （BHTV） 9.拡管部確認 （BHTV） 5.押引耐力確認 10.押引耐力確認 11.ﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞｼｽﾃﾑ設置 図 7.3.1-2 試験用孔井（HMD-1 孔）における現地適用試験の流れ 7.3.2 観測区間の設定 7.2 節で構築した試験用孔井（HMD-1 孔）のどの深度に観測区間を設定するかを採取したコア状況お よびキャリパー検層結果を基に検討した結果、観測区間を孔長 61.50∼66.00m の 4.5m と決定した。観 測区間の選定理由を以下に示す。 ① 孔長 63.00m 付近で掘削中に逸水が発生したため、地下水採取可能と判断（他の深度で逸 水情報なし） 。 ② 採取したコア状況からこの観測区間の上端および下端にパッカーをセットすれば遮水性 が確保できると判断。 ③ キャリパー検層結果からこの区間で孔壁の崩落等がなく、 比較的孔壁が平滑であること。 − 270 − 次ページ図 7.3.2-1 に適用性試験実施深度を、図 7.3.2-2 にキャリパー検層結果を示す。 決定した観測区間のコア写真は 7.2.2 節の図 7.2.2-6∼図 7.2.2-8 が該当する。 ０ｍ ▽GL 10.6ｍ 26.6ｍ 8 SGP 製ｹｰｼﾝｸﾞ (ﾌﾙﾎｰﾙｾﾒﾝﾁﾝｸﾞで固定) 6 SGP 製ｹｰｼﾝｸﾞ (ｾﾒﾝﾁﾝｸﾞなし) 54.5ｍ NL140 ロッド 60.7ｍ 66.2ｍ ２回目拡管深度 69.0ｍ 観測区間（5.5ｍ） 81.0ｍ １回目拡管深度 図 7.3.2-1 適用性試験実施深度 − 271 − Depth (m) 6"Casing @26.6m Bit Size (152mm) 図 7.3.2-2 キャリパー検層結果 − 272 − 7.3.3 火薬による拡管試験 昨年度までの検討・試験でケーシング荷重の保持方法は、ケーシング内に設置した 100ｇ程度の火 薬を起爆させてケーシングを局部的に拡管し、孔壁に密着もしくは食い込ませる方法が有効であると の結論を得た。今年度は、この技術の実岩盤への適用性評価に資するため、試験用孔井（HMD-1 孔） にて拡管試験を実施した。 7.3.3.1 拡管試験 (1) 薬量と装薬方法 使用した火薬と薬量は以下のとおりである。 ① 使用火薬：PBX6201 ② 使用薬量：100ｇ 装薬方法を図 7.3.3-1 に示す。火薬を装薬治具（ボディ外径：φ70 ㎜、カプセル外径：φ60 ㎜）に固定し、試験用孔井（HMD-1 孔）内へ降下させる。この時、セントラライザーにより、NL140 ロッドに対し中心装薬となるようにした。発破時には試験用孔井（HMD-1 孔）内を泥水にて満水 状態にした。 なお、装薬カプセルとホルダー接続部は、昨年度の試験と同様に埋め込みタイプとした。 また、発破システムについてはメッセンジャーワイヤと通常使用している発破母線と発破器 を使用して試験を行うこととした。 図 7.3.3-2 に火工品組み立て図を、図 7.3.3-3 に装薬治具編成図を示す。また、図 7.3.3-4 に火工品セット状況を、図 7.3.3-5 に装薬状況を示す。 − 273 − 図 7.3.3-1 装薬方法 図 7.3.3-2 火工品組み立て図 − 274 − 図 7.3.3-3 装薬治具編成図 図 7.3.3-4 火工品組み立て状況 図 7.3.3-5 装薬状況 (2) 試験結果 ａ． (a) 1 回目（発破深度：GL-69.0m） 発破後の状況 発破終了後、装薬治具を引き上げたところ、装薬治具と中間ロッド（装薬治具とショックア ブソーバー＋CCL とを接続するロッド）との接続部が破断していた（装薬治具落下防止ワイヤー により装薬治具は回収） 。また、装薬治具のボディ部も発破の影響で先端が膨らんでいた。図 7.3.3-6 に発破後の装薬治具状況を、図 7.3.3-7 に破損した中間ロッドを示す。 昨年度の課題である装薬カプセルとホルダー接続部の残滓（破片寸法が 5 ㎜以上）の問題に ついては、接続部の改良の結果、大きな残滓はホルダー部に残っており、全て回収できた。 − 275 − 図 7.3.3-6 発破後の装薬治具状況 図 7.3.3-7 破損した中間ロッド (b) 耐力試験 NL140 ロッドは孔底まで設置されているため、引き抜き耐力試験を実施した。耐力試験は、 掘削機のスピンドルの油圧機構を用いて行った。 計測は掘削機のゲージによる荷重管理とし、荷重ごとに引き抜き量を測定する。 以下に試験結果を示す。 （NL140 ロッド自重＝18.3 ㎏／m×81m＝約 1.5ｔ） ① 油圧引張力 2.4ｔ-1.5ｔ＊＝正味引張力 0.9ｔ ⇒ 変位：1 ㎝ ② 油圧引張力 3.4ｔ-1.5ｔ＊＝正味引張力 1.9ｔ ⇒ 変位：1 ㎝ 上記の結果より今回の試験では、所用耐力を十分満たす結果が得られた。 ｂ． (a) 2 回目（発破深度：GL-54.5m） 発破後の状況 発破終了後、装薬治具を引き上げたところ、1 回目と同様に装薬治具と中間ロッド（装薬治 具とショックアブソーバー＋CCL とを接続するロッド）との接続部が破断していた（装薬治具落 下防止ワイヤにより装薬治具は回収） 。また、装薬治具のボディ部も発破の影響で先端が膨らんで いた。図 7.3.3-8 に発破後の装薬治具状況を示す。 昨年度の課題である装薬カプセルとホルダー接続部の残滓（破片寸法が 5 ㎜以上）の問題に ついては、1 回目と同じ仕様の治具を用いたにもかかわらず大きな残滓の一部しかホルダー部に − 276 − 残ってなく、今後に課題を残した。 図 7.3.3-8 発破後の装薬治具状況 (b) 耐力試験 今回は 1 回目と違い、押し込み耐力試験を実施した。1 回目と同様に耐力試験は、掘削機の スピンドルの油圧機構を用いて行った。図 7.3.3-9 に試験状況を示す。 計測は掘削機のゲージによる荷重管理とし、荷重ごとに押し込み量を測定する。 以下に試験結果を示す。 （NL140 ロッド自重＝18.3 ㎏／m×54.5m＝約 1.0ｔ） ① 油圧押込み力 1.0ｔ＋1.0ｔ＊＝正味押込み力 2.0ｔ ⇒ 変位：2 ㎜ ② 油圧押込み力 2.0ｔ＋1.0ｔ＊＝正味押込み力 3.0ｔ ⇒ 変位：2 ㎜（累計） ③ 油圧押込み力 3.0ｔ＋1.0ｔ＊＝正味押込み力 4.0ｔ ⇒ 変位：3 ㎜（累計） ④ 油圧押込み力 4.0ｔ＋1.0ｔ＊＝正味押込み力 5.0ｔ ⇒ 変位：5 ㎜（累計） 上記の結果より今回の試験では、所用耐力を十分満たす結果が得られた。 図 7.3.3-9 押し込み耐力試験状況 − 277 − 7.3.4 ケーシング切断試験 7.3.4.1 試験目的 昨年度の試験において、電動式カッターは、ケーシング（NL140 ロッド）切断ツールとして有効で あることが確認された。 今年度は、この電動式カッターを用い、この技術の実岩盤への適用性評価に資するため、試験用孔 井にてケーシング切断試験を実施した。 7.3.4.2 使用機材概要 使用した電動カッターは Sondex 社（本社イギリス）の DECT（Downhole Electric Cutting Tool） である。地上から遠隔操作によりワイヤーラインケーブルを介して電流電圧を供給し、ツールのアン カーがツールに対して垂直方向に開き、約 1ｔの荷重でケーシングの内壁に張付き、ツール全体をケ ーシング内に保持し、ケーシングの切断によってツール全体が回転しないようにする。その後ツール ボトムのモータによりブレード（刃）を回転させることによりケーシングを切断する。一般に 5 イン チのケーシングの切断に約 7 分を要する。切断面は凹凸がなく、切断箇所周辺も拡大しないため、切 断後の作業に障害を与えないとされている(火薬あるいは薬品による切断では切断面の修正が必要と なるケースが想定される)。 ケーシング切断状況を地上で把握するために、ツール内に内蔵されたマイクロフォンによって切断 時に発生する音をモニタすると共に、アンカーおよびカッターの伸縮距離と回転数、ツールに載荷 される引張張力をモニタする。 なお、ケーシング切断を行なったことによってツールのカッターがケ−シングの荷重によって切断 面に挟まり抑留されないように、また地上でケーシングの切断確認が行なうために、ケーシングを自 重以上の荷重で強引しながら切断作業を行なう。 また、メカニカルカッターは、切断箇所の深度を正確に行なうため、後述の CCL を内蔵している。 表 7.3.4-1 にツールの仕様を示す。 − 278 − アンカー 伸縮回転カッター 図 7.3.4-1 DECT アンカーおよびカッター部 表 7.3.4-1 電動式カッターの仕様一覧 機器 型式 仕様 電源：AC 100V-200V 50/60 Hz 作業電源 650VDC／1,500mA 地上機器 孔内機器 Downhole Electric Cutting Tool DECT001 外径：70 ㎜ 全長：442 ㎝ 耐温：150℃ 耐圧：103.4Mpa 切断口径：76-130 ㎜ アンカー対応孔径：89-127.5 ㎜ （今回現場で 133 ㎜まで対応可能に加工） 7.3.4.3 試験概要 試験用孔井（HMD-1 孔）にセットされたケーシング切断試験は、検層用ワイヤーラインユニットに 電動カッターツールを接続して実施した。図 7.3.4-2 に切断試験状況図を示す。 図 7.3.4-2 切断試験状況図 − 279 − 7.3.4.4 試験結果 DECT ツール（編成：CCL STOP60.3m，CCL−DECT6.2m、予定切断深度 66.5m）を降下させ、切断時に ボーリングマシンのワイヤーにてケーシングを 3 トン強引しながら切断試験を行なったが、切断完了 後のワイヤーの張りに変化は見られなかった。ツール巻揚げ後にカッターの刃を観察したところ、先 端から 6mm ほど傷が付いていたが切断されて無いと判断し再度切断作業を行なう事とした。 1 回目の箇所より切断箇所を 20cm 浅くして再度 DECT ツール(編成同じ。 切断予定深度 66.3m)を降下 させた。ボーリングマシンのワイヤーにて 3 トンのテンションをかけながら切断作業を行なったが、 切断完了後のワイヤーの張りに変化は見られなかった。地上装置による判断では切断の兆候が見られ たものの、テンションがかかっているケーシングの地上での変化がなかったため、完全な切断には至 らなかったと判断した。 巻揚げ後に DECT ツールのアンカー部の最大径を測ったところ127.5mm であり、 切断箇所の NL−140 ロッドの内径はφ130mm である為、DECT アンカーが完全に NL140 ロッド内壁に密 着せずに、切断時にツールが孔内で安定しなかった事が原因と予想された。 対応策として、アンカーアーム先端にステンレス溶接にて 3mm ほど肉盛りを行い、アンカーを 130mm 以上張り出すように改造を行なうこととした。改造後のアンカー張り出し径を計測し、上部アンカー φ136mm、下部アンカーφ134mm まで張り出すことを確認した。 再度 DECT ツール（編成同じ。切断予定深度 66.2m）を降下させ、ボーリングマシンのワイヤーにて 4 トン強引しながら切断試験を行なったが、過去 2 回と同様に切断完了後のワイヤーの張りには変 化は見られなかった。なお、ワイヤーによるケーシングへのテンションは自重（ケーシング重量約 1.5 トン）に加えた値であるが、荷重計が設置されておらず、目視（ケーブルの張り）による確認のみで ある。 一方、DECT 地上装置によるデータの判別から切断されている可能性が高いと言う状況であったため、 ボーリングマシンのスピンドルを接続し油圧にて NL140 ロッドを強引したところ、抵抗なく巻き上げ る事ができた。ワイヤーによる強引では引張り荷重が下端まで伝達されず、充分な張力をケーシング 全体に与える事ができていなかったと予想された。これは、試験用孔井（HMD-1 孔）が傾斜井である ために、ケーシングを均等な力で引張る事が困難であったためと思われる。本結果を受けて DECT 地上 装置のデータを再確認したところ、2 回目の切断試験（深度 66.3m）でも同様の値（マイクロフォンノ イズ・供給電流の減少、微小なブレード回転数の増加など）が記録されていたため、2 回目の切断試 験でも切断されていた可能性がある事を示唆された。そのため、本ツール回収後に切断箇所の確認の ために BHTV 検層を実施することとした。 BHTV ツールを降下し、切断深度でのモニタリングを実施したところ、3 回目（66.2m）での切断が確 認されたが、2 回目(66.3m)では、切断箇所の微小な段差が検知されたものの、完全な切断には至らな かった可能性がある事が計測された。また、1 回目の切断深度(66.5m)では切断されていない事も同時 − 280 − に確認した。本作業はケーシング切断後、ケーシングを 0.38m 巻揚げて、裸坑区間を 65.8m から 66.2m 間として計測を実施した。 図 7.3.4-3 に 3 回目の切断試験時のモニタ画面を、 図 7.3.4-4 に BHTV による切断状況確認結果を示 す。 図 7.3.4-3 NL140 ロッド切断試験時の画面（3 回目：DECT システムモニタ画面） − 281 − 図 7.3.4-4 BHTV 検層による切断状況確認結果 − 282 − 7.3.5 BHTV による拡管部の管径計測 7.3.5.1 目的 昨年度までの試験で BHTV 検層は、 火薬による拡管試験により拡管されたケーシング内の内径を確認 するツールとして有効であることが確認された。今年度は、この技術の実岩盤への適用性評価に資す るため、試験用孔井にて拡管部の管径を計測した。 7.3.5.2 使用機材概要 表 7.3.5-1 に使用機材一覧を示す。 表 7.3.5-1 使用機材一覧 機 器 型 式 仕 様 ツール制御インターフェース 地上機器 MATRIX Logger 使用 OS：Windows 2000/XP/Vista 電源：AC100-24V 50/60 Hz Dual DSP 外径：40 ㎜ 全長：2.47m 耐圧：20Mpa 耐温：70℃ 音響センサ：トランスデューサー 基本周波数：1200kHz 方位分解能：1.25°,2.5°,5.0°（任意） 最小深度サンプリング深度：3 ㎜ 孔内機器 ABI40-GR （方位分解能 2.5°,測定速度 2m/min 時） 方位センサ 3 軸加速度センサ，3 軸地磁気センサ 精度：傾斜±0.5°，方位±1.0° 自然ガンマー線センサ デテクター：NaI シンチレーション 測定誤差：±5％以内 解析処理 コンピュータ EPSON Endeavor 950(Pentium4 2.53GHz,2.0G RAM) プリンター CANNON LBP-5900 解析ソフト WellCAD 4.2(Advanced Logic Technology) − 283 − 7.3.5.3 BHTV 検層の概要 ボアホールテレビュアー（BHTV）は、流体で満たされた孔井の孔壁を音波で走査することにより、 孔壁の状態を画像として表す測定器である。 BHTV ツールは、音波の送受信を行うことによって孔壁の状態を調べる圧電形トランスデューサーと 地磁気および重力加速度を検出することによってツールの方位・傾斜を調べる 3 軸加速度・地磁気セ ンサにより構成される。受信した孔壁からの反射波はツールの内蔵エレクトロニクスにより波形処理 した後、地上装置に伝送され画像化される。 ツール内のミラーは毎秒１∼10 回転の速度で高速回転しながら、トランスデューサーから発振した 音波エネルギーを非常に細いビーム状(3mm)に収束して孔壁に向けて発射する。そして、音波エネルギ ーの一部が孔壁から反射し、ミラーを経由してトランスデューサーに受信される。 孔壁から反射される音波エネルギーの大きさは、孔壁表面の物理的性質によって左右され、滑らか な表面は粗い表面よりもよく反射し、硬い表面は柔らかい表面よりもよく反射する。更にトランスデ ューサーに対して反射面が斜めの場合は、反射エネルギーは著しく減少する。一般に表面のどのよう な不規則さも反射信号の振幅を減少させる。 波形処理した反射波は、アンプリチュード（反射波強度）とトラベルタイム（反射波到達時間）に 分けられ、トラベルタイムはゾンデから孔壁までの距離に変換され、孔径（キャリパー）が算出され る。図 7.3.5-1 に BHTV 検層測定および反射波概念図を示す。 − 284 − 図 7.3.5-1 BHTV 検層測定および反射波概念図 − 285 − 今回測定に用いた BHTV ツールでは、ツールからケーシング（鋼管）に照射された音波エネルギーの ほとんどは、ケーシング内面で反射する。そして残りの約 10∼15％の音波エネルギーがケーシング内 に入射する（J.Deltombe,etc,2004） 。 ケーシング内に入射する音波エネルギーの反射波を計測することによって、ケーシングの厚さを計 測することができる。ケーシング内面からの反射波（図 7.3.5-2(a)の①の経路）とケーシング内に入 射してケーシング外面からの反射波（図 7.3.5-2(a)の②の経路）を利用する。すなわち、ケーシング 内面からの反射波よりケーシング内面の状況とケーシングの内径が算出される。一方、ケーシング外 面からの反射波を利用することにより、ケーシング外面の状況とケーシングの厚さが算出される。 算出されたケーシングの厚さは、ケーシング内面や外面の状況によって計算値の信頼度が異なる。 図 7.3.5-2(a)の②の経路をたどる反射波のアンプリチュードから算出値の信頼度（以下「ケーシン グ・スコア値」と呼ぶ）を判断する必要がある。 一般にケーシング・スコア値が低い箇所は、BHTV ツールがケーシングに対して偏芯した箇所、ケー シングの欠陥部（ピンホール、亀裂、ケーシングの外側へのめくれなど）やジョイント部分、ケーシ ング内面が腐食している箇所などである。 また、セメンチングが施工された孔井において、ケーシング内面に前述した異常箇所が存在しない 場合、セメントの膠着度が悪い箇所は、ケーシング・スコア値が非常に高い傾向を示す。 ① ② ③ 内面 (a) アンプリチュード (b) ケーシング ①：反射第一波 ① ②：反射第二波 ② アンプリチュード (c) ③ ③：反射第三波 スコア値 ケーシングの厚さ (トラベルタイム) (a) ケーシング内の音波の伝播 (b) ケーシング内音波伝播モデルの単位インパルス応答 (c) ケーシング内の実測波形 図 7.3.5-2 ケーシングにおける音波の反射（J.Deltombe,etc,2004 に加筆） − 286 − 7.3.5.4 試験結果 (1) 1 回目拡管部（拡管深度：GL-69.0m） 図 7.3.5-3∼4 に 1 回目の拡管試験深度付近の BHTV 検層結果を示す。 方位角 0°∼90°∼180° ∼270°∼0°は、孔口から孔底方向に対して、ケーシングの上部∼右側∼下部∼左側∼上部に対 応する。試験用孔井（HMD-1 孔）が傾斜しているためにツールはケーシング内で偏芯しているが、 上記の計測結果は孔径および内径の偏芯処理を行って算出したものである。 また、BHTV ツールにキャリブレータを装着して深度 60.0m まで降下し、実際の孔内水の超音 波伝播速度（1,435.9m/sec）を計測して、取得したトラベルタイムから孔径を算出した。 また、ケーシング内の超音波伝播速度を 5,850.0m/sec（一般的な鉄の値）として、ケーシン グの肉厚を算出した（以下同様） 。肉厚と外径は、孔軸方向あら垂直の断面の値を示し、拡管部の 拡大しているところでやや肉厚となっている。拡管部で数箇所の亀裂が認められるが、孔内はス ムースと考えられる。拡管部の最大内径は 154.0mm（平均：深度 69.14m） 、最大外径は 172.9mm（平 均：深度 69.18m）と計測した。孔径検層の結果から、裸坑径は 149mm 程度であるため、ロッドは 孔壁に保持されていると考えられる。 なお、昨年度の BHTV 検層では、ゲインを何種類か変化して何度か計測を行い、ケーシングの 孔径を算出した。一方、今回使用した BHTV 検層ツールの超音波の出力はオートゲインを採用して いるため、一度の測定でスムースに測定できた。それと共に、ツールにキャリブレータを装着し て拡管部付近まで降下して直接拡管部付近の孔内水の超音波伝播速度を計測したことにより、昨 年と比較してより精度が高い方法で孔径を算出できた。 − 287 − 図 7.3.5-3 BHTV 検層(1 回目拡管部) 結果(その 1) − 288 − 図 7.3.5-4 BHTV 検層(1 回目拡管部) 結果(その 2) − 289 − (2) 2 回目拡管部（拡管深度：GL-54.5m） 図 7.3.5-5∼7 に 2 回目の拡管試験深度付近の BHTV 検層結果を示す。1 回目の検層結果と同 様に孔径および内径は偏芯処理を行って算出したものである。 1 回目拡管部では、平均内径値と最大内径値の傾向は同じであるが、第 2 回の拡管上部（深 度 53.91∼54.11m）付近と拡管下部(深度 54.30∼54.95m)付近では、拡管部の平均内径値の傾向に 比較して、最大内径値の傾向は一部で異なっており、ロッドの右側の孔壁が外側に膨らみ、めく れている可能性が考えられる。 拡管部の最大内径は 146.4mm（平均：深度 54.19m） 、最大外径は 160.4mm（平均：深度 54.15m） と計測した。孔径検層の結果から、裸坑径は 149mm 程度であるため、ロッドは孔壁に保持されて いると考えられる。 なお、裸孔部の孔壁断面（図 7.3.5-7）から、ケーシングと裸孔部の段差は、拡管上部では 孔壁断面図から孔井の 180 度方向に最大約 7.95mm（ロッド内径と裸孔部の差）の段差がある事が 解析結果から判明した。 裸坑部(60.83m）、 内径148.13mm NL140ロッド （ID：130.16mm） 図 7.3.5-5 BHTV 検層(2 回目拡管部)測定結果 （切断箇所と裸孔部との孔径断面の比較） 以上のことより BHTV 検層は、 実孔井においても拡管部の内径および外径を測定するツールと して有効であることが確認された。また、拡管の形状も 3D 表示することにより、視覚的に判りや すく表示することが可能であることが確認された。 − 290 − 図 7.3.5-6 BHTV 検層(2 回目拡管部) 結果(その 1) − 291 − 図 7.3.5-7 BHTV 検層(2 回目拡管部) 結果(その 2) − 292 − 7.3.6 CCL による孔井内作業時の深度測定 7.3.6.1 目的 ワイヤーライン作業におけるツールスの深度確認は様々な方法が取られているが、最もシンプルで 確実な方法は CCL（Casing Collar Locator）によるケーシングジョイント位置の確認である。今回の 試験では、実孔井における火薬による拡管作業（ワイヤーライン使用時）および電動カッターによる ケーシング切断作業時に CCL によるジョイント位置の信号を計測して深度測定および補正を行うと共 に、NL140 ロッドでのジョイント位置の判別状況を確認する。 7.3.6.2 使用機材概要 ケーシングカラーロケータ検層(以下 CCL)は、孔井内に挿入されたケーシングのジョイント部分(ケ ーシングカラー)を検知する測定種目である。 CCL は、一対の永久磁石とコイルで構成されており、それぞれの永久磁石はＮ極より S 極へと磁場 を形成する。永久磁石が対に配置されているため、図 7.3.6-1 に示すような磁場を形成し、その一部 はドーナツ状のコイルの中心部を通る。CCL が均等な肉厚の鉄管内に降下すると、磁場は均等に保た れるため、変化を示さない。一方、ケーシングジョイント等の鉄管の肉厚が変化する部分では、磁石 に発生する磁場は肉厚の変化に対応して変化するため、コイルの中心部を貫く磁場の強さも変化し、 コイルに電流が発生する。 この電流の変化量を地上で記録し、 ケーシングジョイントとして記録する。 このように、ケーシングジョイントの位置が記録できるため、CCL は、パーフォレーション作業や、 掘削鉄管などの抑留位置の探知作業をする場合の正確な深度チェックとして使われる。 図 7.3.6-1 CCL の原理 − 293 − 7.3.6.3 測定結果 (1) 1 回目拡管試験（拡管深度：GL-69.0m） 1 回目の拡管試験における深度測定に関しては、拡管予定深度である GL-69.0m に対して実際 の拡管深度は、GL-69.14m（BHTV 検層結果）であったことから十分な精度で測定できることが確 認できた。図 7.3.6-2 に 1 回目の拡管試験の測定結果を示す。 0 1.5 4.5 7.5 10.5 13.5 16.5 19.5 22.5 25.5 28.5 31.5 34.5 37.5 40.5 43.5 46.5 CCL 深度基準 49.5 52.5 55.5 4.2m 58.5 61.5 64.5 67.5 70.5 拡管深度 69.0m 73.5 76.5 79.5 81 図 7.3.6-2 1 回目の拡管試験の測定結果 − 294 − (2) 2 回目拡管試験（拡管深度：GL-54.5m） 2 回目の拡管試験は、当初の計画では GL-57.5m で実施する予定であったが、拡管後に BHTV 検層により拡管部の状況把握を行なったところ、実際は 54.2m 付近で拡管されていた事が判明し た。ここではこの深度誤差を生じた経緯、原因および対策に関して検討した事項を報告する。こ の深度ずれに関して懸念される点を以下に示す。 ａ． 懸念点① 拡管編成を接続した状態で孔井に降下する際には発破母線をワイヤーラインケーブルに 1m 毎に接続する必要があり、CCL の検知に必要な 10m/min 以上のケーブル速度を一定に保持する事 ができなかったため、深度補正のための Down Survey を実施する事ができなかった。深度補正は 予定深度に到達後、発破母線が接続された状態で可能な数メートル間（ケーシングジョイント 2 箇所程度）で実施した。 ｂ． 懸念点② 降下中、 上部滑車に設置されたエンコーダが強風による滑車の回転により必要以上に回転し、 不要なケーブルの動きを検知して深度が不正確になってしまった（実際にデジタルデータには 5m 以上のデータが過剰に収録されていた） 。 ｃ． 懸念点③ 発破前の深度補正において、CCL によるカップ位置の判別を行なったが、その際に実際に 4m 補正が必要なところを、 1m の補正としてしまった(降下中に約 4m の深度ずれが生じたと思われる。 この原因は、前述した強風による深度ずれが主な要因と思われるが、電波障害によるエンコーダ のミスカウントも考えられる)。 図 7.3.6-3 2 回目拡管試験深度補正 (その 1) − 295 − 図 7.3.6-3 に深度補正を実施した際に収録したデータを示したが、 全てのロッドが 3m であっ たために、マーカー管などでの補正が出来なかった点と、前述した理由で降下中に CCL 確認によ る深度チェックができなかった事がこのような深度誤差を生じた原因と思われる。 結果的にワイヤーラインを発破深度 57.5m でストップしたが、実際には 54.5m で実施した事 になる。 ｄ． 懸念点④ ウインチオペレータは発破時には深度パネルにおいて所定の深度が表示されている事は確認 したものの、巻揚げ完了時（地上到達時）に降下開始前のゼロ調整を実施した深度である確認を 怠った。 図 7.3.6-4 に計測された CCL ログを示す。 図 7.3.6-4 2 回目拡管試験深度補正(その 2) − 296 − 2 回目の拡管試験時に不正確な深度補正が行なわれ、当初の予定深度より約 3m 浅い深度でケ ーシングを拡管してしまった。作業経緯の詳細は前述したとおりであるが、主な要因には作業員 の人為的ミスが挙げられる。強風によるエンコーダの読取深度誤差は注水試験など一時的にケー ブルを停止させているケースで稀に発生する事があり、深度カウンタを常時確認し、必要に応じ た深度補正を実施するべきであった。以下に作業上の検討項目を挙げる。 ① 発破母線をワイヤーラインケーブルに沿わせながら降下する作業方法では CCL 計測を実 施する事が困難となる(注：実際の作業時には本作業用のワイヤーラインケーブルを使用す る計画案があるため、降下中の CCL 計測には支障は出ないと思われる)。 ② ケーシングが全て均一な 3m 長であるため、深度補正のためのマーカー管（長さの異なる ケーシングなど）を組み込んだ編成が望ましい。深度あるいは CCL 反応などに疑問が生じ た場合には地上までツールを回収することなく、 マーカー管において再確認が可能になる。 ③ 強風あるいは電磁波対策としてはエンコーダを下部シーブに設置する事とエンコーダケ ーブルをシールド線に改良する点がある。電磁波からの悪影響に関しては、過去に事例も あり、シールド線での効果は認められている。 ④ 深度読取りに関しては検層ユニット深度カウンタのみではなく、ワイヤーラインケーブ ルにマーキングを施してクロスチェックを実施するようにする。 ⑤ 基本事項を遵守するための作業手順書を作成し、確認を怠らないようにする。手順書は 作業項目ごとのチェックリストも含めて作成し、各担当者が責任を持って確認するように する。 ⑥ ウィンチ担当者、計測担当者および火薬作業担当者などのように各人の作業担当を明確 にし、各々が責任を持って作業を実施できる体制を確立する。 − 297 − 7.3.7 モニタリングシステムの設置およびデータ取得 7.3.7.1 目的 7.1 節で設計、試作したモニタリングシステムのプロトタイプを 7.2 節で北海道幌延町上幌延の電 力中央研究所殿コントロールボーリング現場敷地内に構築した試験用孔井（HMD-1 孔）に設置し、地 下水のサンプリングおよび間隙水圧等のデータを取得することを目的とする。 7.3.7.2 モニタリングシステムの設置位置の選定 7.3.2 節で観測区間を孔長 61.50∼66.00m の 4.5m と決定しており、この観測区間を確保するように 各種現地適用試験を実施した。図 7.3.7-1 に現地適用試験後の試験用孔井（HMD-1 孔）の出来形を示 す。試験用孔井（HMD-1 孔）の出来形およびモニタリングシステムの編成等を基に、図 7.3.7-2 に示 すモニタリングシステムの設置位置を決定した。 掘削深度 掘削径 ｹｰｼﾝｸﾞ(m) 径 0 0 10.60 8" 26.60 6" 拡管部 54.50 60.70 5.5m 裸孔区間 66.20 拡管部 69.00 ？ NL140 81.0m ㎜ 81m φ152 152mm 図 7.3.7-1 試験用孔井(HMD-1 孔)出来形図(適用性試験後) − 298 − 孔内モニタリングシステム設置孔 m -0.2m -0.2 ｹｰｼﾝｸﾞ(m)径 0 10.60 8" 26.60 6" ｹｰｼﾝｸﾞ 拡管部 54.50 60.70 60.8 60.8m セントラライザー 61.3 61.55m パッカー 62.55m 62.8 62.8-63m フラクチャ ｹｰｼﾝｸﾞ 63.3 採水部 2.0m 観測区間 63.8 セントラライザー 64.3 64.55m パッカー 65.55m 65.8 セントラライザー 66.3 66.20 66.3m エンドロッド 67.3 拡管部 69.00 装置 最下端部 67.3m NL140 裸孔152mm 図 7.3.7-2 モニタリングシステム設置位置図 − 299 − 7.3.7.3 モニタリングシステムの設置 (1) 清水置換 モニタリングシステムの設置に先立ち、試験用孔井（HMD-1 孔）内を満たしている掘削泥水 を清水に置換する作業を実施した。置換する清水には濃度 20ppm のトレーサー（4-ｱﾐﾉ-1 ﾅﾌﾀﾚﾝｽﾙ ﾎﾝ酸ﾅﾄﾘｳﾑ水和物）を添加し、計 6m3 の清水置換を実施した。清水への置換は、孔口から排出さ れる清水の濁度を目視で確認することで行った。またその時のトレーサー濃度は、清水ピット内 で 19.4ppm、孔口から排出された清水で 19.1ppm であった。トレーサー濃度の測定は、HCD-3 孔で 用いたのと同じ簡易分光光度計で行った。図 7.3.7-3 に清水置換作業状況を示す。 図 7.3.7-3 清水置換作業状況(1) 図 7.3.7-4 清水置換作業状況(2) (2) モニタリングシステム設置 モニタリングシステム設置に際しては、ケーシングログに従い順番に間違いのないように注 意して作業を行った。また、装置ケーシング、各水圧計測部等の接続部については、作業時に接 続不良による漏洩が生じないことを確認した。なお、モニタリングシステムの設置には約４時間 − 300 − 掛かった。 図 7.3.7-5 にケーシングログを、図 7.3.7-6 にモニタリングシステムの資材検収状況を、図 7.3.7-7 にモニタリングシステム設置状況を示す。 接続 番号 外径 No. mm GL累計 長 名称 長さ 3m 本 (下端深度) 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 96 110 76.1 76.1 96 110 96 76.1 Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Centraizer 3+Casing Packer 2 Casing Interval Centraizer 2+Casing Packer 1 Centraizer 1+Casing End Rod m -0.2 0.8 3.8 6.8 9.8 12.8 15.8 18.8 21.8 24.8 27.8 30.8 33.8 36.8 39.8 42.8 45.8 48.8 51.8 54.8 57.8 60.8 61.3 62.8 63.3 63.8 64.3 65.8 66.3 67.3 Total m 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0.5 1.5 0.5 0.5 0.5 1.5 0.5 1 ﾊﾟｯｶｰ ｹｰｼﾝｸﾞ 1m 0.5m 本 本 1.5m 本 インターバ セントララ ルアクセス エンドロッド スタンドパイプ イザー モジュー 0.5m 1m 3m 1.5m 1m 0.5m 本 本 本 本 本 本 本 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 67.5 20.0 1.0 4.0 2.0 3.0 1.0 図 7.3.7-5 ケーシングログ 図 7.3.7-6 モニタリングシステムの資材検収状況 − 301 − 1.0 20.0 1.0 1.0 3.0 図 7.3.7-7 モニタリングシステム設置状況 − 302 − (3) パッカー拡張 パッカー拡張に先立ち、スタンドパイプ内圧力センサをスタンドパイプ内（GL-15.2m：地下 水位下 10.0m）に設置し、センサが孔内水圧（水位）を計測していることを確認した。 パッカーの拡張は、ハンドポンプで水（地表付近および圧力容器内は不凍液）を圧入して実 施した。拡張完了後のパッカー圧力（地上の圧力ゲージによる）は 2.0MPa であった。パッカー圧 力の経時変化を表 7.3.7-1 に示す。 パッカー拡張時もスタンドパイプ内に圧力センサを設置して観測区間の圧力測定を行った。 その結果を図 7.3.7-8 に示す。拡張開始から約１時間経った頃から観測区間の圧力値に変化が見 られ、パッカーにより観測区間が遮水されたものと判断した。 表 7.3.7-1 モニタリングシステム設置後のパッカー圧力の経時変化 時刻 パッカー圧 備考 11 月 3 日 17 時 15 分 20bar （2.0MPa） パッカー拡張終了時 11 月 4 日 8 時 15 分 16bar （1.6MPa） 再加圧（20bar） 11 月 4 日 17 時 00 分 18.5bar 11 月 5 日 8 時 15 分 18bar 11 月 6 日 8時 5分 18.5bar 11 月 6 日 16 時 00 分 （1.85MPa） （1.8MPa） （1.85MPa） モニタリング開始 kPa 185 184.5 観測区間圧力 184 183.5 183 182.5 182 181.5 181 180.5 180 2007/11/03 15:00:00 2007/11/03 15:30:00 2007/11/03 16:00:00 2007/11/03 16:30:00 図 7.3.7-8 パッカー拡張前後の観測区間の圧力測定結果 − 303 − 2007/11/03 17:00:00 7.3.7.4 採水試験 (1) 1 回目（平成 19 年 11 月実施） ａ． 揚水作業 採水試験に先立ち、観測区間の孔内水を地上から注入した清水から地層水に置換させる目的 で、ガスリフト（窒素ガス）による揚水を実施した。 ガスリフトは、スタンドパイプ内の深度 GL-30m にポリアミドチューブ（外径 6 ㎜／内径 4 ㎜）を降下させ、地上から 2.0MPa で窒素ガスを圧入し、そのガス圧でスタンドパイプ内の水を揚 水する方法である。ガスリフトの概念図を図 7.3.7-9 に示す。5∼10 分おきに窒素ガスを圧入し、 揚水量をバケツで計測した。揚水した水に含まれるトレーサー濃度を清水置換時と同様に適宜測 定し、記録した。ガスリフトの作業概要を表 7.3.7-2 に、揚水量とトレーサー濃度をグラフ化し たものを図 7.3.7-10 に示す。 また、ガスリフトの作業状況を図 7.3.7-11 に示す。 適宜トレーサー濃 ポリアミドチューブ 度測定 窒素ガス 開閉弁 開 N2 閉 N2 N2 スタンドパイプ バケツで揚水 水位回復 パッカー 窒素ガスの圧力で揚水 量測定 地層水 清水 地層水 ①スタンドパイプ内は間隙水圧と平衡 ② 弁 を開 い て窒 素 ガス をス タン ド パイ プ 内に圧入。ガス圧で揚水された水が孔口か ら排出。適宜トレーサー濃度測定 図 7.3.7-9 ガスリフトの概念図 − 304 − ③弁を閉じると、スタンドパイプに地層水 が流入し水位を回復する。①へ戻る。 表 7.3.7-2 ガスリフトの作業概要 揚水量 自 至 揚水回数 ﾄﾚｰｻｰ濃度 計測時累計揚 （ppm） 水量（Ｌ） 時刻 （Ｌ） 11/4 10:20 11/4 16:37 53 11/5 8:20 11/5 10:46 17 11/5 12:34 11/5 16:44 32 11/6 8:21 11/6 13:15 51 総計 153 11/4 10:20 20 6 11/4 13:00 5.8 116.5 11/4 14:40 3.97 179 11/4 16:26 2.79 254.5 85.5 11/5 10:46 2.75 345.5 11/5 14:25 3.33 433.5 11/5 16:35 2.48 498 11/6 9:35 3.67 594 11/6 11:10 2.45 689.5 260 167.5 259 772 トレーサー濃度(ppm) 21 20 19 18 17 トレーサー濃度（ｐｐｍ） 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 100 200 300 400 500 累計揚水量（L) 図 7.3.7-10 揚水量とトレーサー濃度との関係 − 305 − 600 700 800 (地上機器） (孔口機器) (揚水中) (揚水した水) 図 7.3.7-11 ガスリフト作業状況 ｂ． サンプラーによる採水試験 サンプラーのチェックバルブを 5.5MPa で閉じるように設定し、 スタンドパイプ内を降下させ た。ウィンチのエンコーダの読みで 64m まで降下した。サンプラーを吊っているポリアミドチュ ーブの張力が弱くなったため、観測区間に設置しているインターバルアクセスモジュールに達し たものと判断した。次にウィンチを巻いてサンプラーを 10m 程度引き上げてから、再度ゆっくり とした速度で降下させた。これは、スタンドパイプからサンプラーに入る水の流れの状態を層流 にさせるために実施した。再度 64m まで降下させた後、地上からポリアミドラインを通じて窒素 ガスを送り込み、サンプラーの流体流入口を閉鎖した。次に、ポリアミドラインの圧力を開放す ることで、チェックバルブを閉鎖した。最後にウィンチを巻いてサンプラーを回収し、地上でク ランプ止め作業を実施して地層水が入った銅管を回収した。この試験を 3 回実施して、採水可能 であると確認した。 表 7.3.7-3 に採水試験の概要を示す。図 7.3.7-12 にサンプラーによる採水試験状況を示す。 図 7.3.7-13 に設置完了後の状況を示す。 表 7.3.7-3 採水試験の概要 日時 到達深度 流体採取 11 月 4 日 8 時 48 分 64.1m − 11 月 5 日 10 時 30 分 64m ○ 64.2m ○ 64m ○ 11 月 6 日 8 時 5 分 11 月 6 日 13 時 30 分 − 306 − 備考 降下試験 （採水試験作業） （サンプラー降下） （サンプラー再降下） （流体流入口閉鎖） （クランプ止め作業） （クランプ止め作業終了） 図 7.3.7-12 サンプラーによる採水試験状況 （孔口部） （観測小屋） 図 7.3.7-13 設置完了状況 − 307 − (2) 2 回目（平成 20 年 1 月実施） ａ． 揚水作業 採水試験に先立ち、観測区間の孔内水を地層水に置換させる目的で、1 回目と同様にガスリ フト（窒素ガス）による揚水を実施した。ガスリフトは、スタンドパイプ内の深度 GL-30m にポリ アミドチューブ（外径 6 ㎜／内径 4 ㎜）を降下させ、地上から 2.0MPa で窒素ガスを圧入し、その ガス圧でスタンドパイプ内の水を約 140 ㍑揚水した。 また、揚水作業後、トレーサー濃度を測定した結果、測定限界以下であった。このことから 約 2 ヶ月間経過した結果、 孔内の水は拡散や移流により地層水に、 ほぼ置換されたと考えられる。 なお、トレーサー濃度測定は、前回同様、HCD-3 孔で用いた簡易分光光度計で行った。 図 7.3.7-14 に揚水作業状況を示す。 図 7.3.7-14 揚水作業状況 ｂ． サンプラーによる採水試験 採水試験は、1 回目と同様にサンプラーを用いて実施した。サンプラーをスタンドパイプ内 に挿入し、ウィンチのエンコーダ読みで 63m まで降下させた。次に、ウィンチを巻いてサンプラ ーを 10m 程度上げてから、再度ゆっくりとした速度で、63m まで降下させた。63m まで降下させた 後、地上からポリアミドラインを通じて窒素ガスを送り込み、サンプラーの流体流入口を閉鎖し た。閉鎖圧力は 5.5MPa である。次いで、ポリアミドラインの圧力を開放することで、チェック バルブを閉じた。ウィンチを巻いてサンプラーを回収し、地上でクランプ止め作業を実施して、 地層水が入った銅管を回収した。 ｃ． 観測データの回収 平成 19 年 11 月から自動で取得されていたデータを回収し、データを確認した結果、データ 欠損等は見られなかった。このことからモニタリングシステムは問題なく稼働することが確認さ れた。図 7.3.7-15∼図 7.3.7-18 に、11 月 7 日から 1 月 11 日まで(1 回目と 2 回目の採水試験の 間)の測定データを示す。 − 308 − − 309 − 2007/11/4 170 172 174 176 178 180 182 184 186 188 kPa 190 2007/11/11 2007/11/25 2007/12/2 2007/12/9 2007/12/16 2007/12/23 2007/12/30 図 7.3.7-15 モニタリングシステム観測値（区間圧力値:H19.11.7.∼H20.1.11.） 2007/11/18 Interval pressure 2008/1/6 2008/1/13 採水試験 Interval pressure − 310 − 2007/11/4 90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 kPa 110 2007/11/11 2007/11/25 2007/12/2 2007/12/9 2007/12/16 2007/12/23 2007/12/30 図 7.3.7-16 モニタリングシステム観測値（大気圧:H19.11.7.∼H20.1.11.） 2007/11/18 ATM 2008/1/6 ATM 2008/1/13 − 311 − 2007/11/11 2007/11/25 2007/12/2 2007/12/9 2007/12/16 2007/12/30 図 7.3.7-17 モニタリングシステム観測値（水位換算値:H19.11.7.∼H20.1.11.） 2007/11/18 2007/12/23 採水試験時の水位 5.44m(2008/1/10) ※平成 19 年 11 月 7 日朝の水位 GL−4.995m をリファレンス点として、オ フセット値-1.427kPa を求めた。次に、 （水圧）=（観測圧力値）−（大気 圧）+（オフセット値）として、水圧を求めた。水位を求める際は、セン サーの設置深度を 15m，モニタリング孔の傾斜を 35°，重力加速度を g=9.8067m/s2，水の密度を 1000kg/m3 とした。 水位のリファレンス点 4.995m(2007/11/7) 2007/11/4 6 5.8 5.6 5.4 5.2 5 4.8 4.6 4.4 4.2 4 Calculated WaterLevel 2008/1/6 2008/1/13 採水試験 Calculated WaterLevel − 312 − 2007/11/4 0 500 1000 1500 2000 2500 kPa 2007/11/18 2007/11/25 2007/12/2 2007/12/9 2007/12/16 2007/12/23 2007/12/30 Packer 図 7.3.7-18 モニタリングシステム観測値（パッカー圧力値:H19.11.7.∼H20.1.11.） 2007/11/11 Packer 2008/1/6 2008/1/13 ｄ． 圧力センサの確認 圧力センサを再設置する前に、圧力センサが正常に動作するか確認した。圧力センサの設置 深度を 15m（通常時） 、13m、11m と変更し、圧力センサによる圧力値の変化を観察した（表 7.3.7-4 および図 7.3.7-19 参照）。観測された圧力値（Pt）を大気圧（At）で補正し、設置深度を変更す る前後の圧力値の差をとり、水柱（Cv）に換算した。更に、それを傾斜孔に沿った水柱長に換算 した（Cs）。 圧力センサの設置深度の変更差と、圧力センサの観測値から換算した水柱長は、よく整合し ており、圧力センサは正常に動作していることを確認した。 次に、モニタリング開始直前（平成 19 年 11 月 7 日）の水位（4.995m）をリファレンス点と して、圧力センサのデータから水位を計算した（図 7.3.7-19 参照） 。ここで、重力加速度を 9.8067m/s2，水の密度を 1000kg/m3 とした。平成 20 年 1 月 11 日 11 時 33 分の圧力センサのデー タから計算された水位は 5.45m であった。一方、水位計による水位は 5.44m（平成 20 年 1 月 10 日）であり、圧力センサから計算された水位と整合している。 表 7.3.7-4 圧力センサの確認（圧力センサ設置深度変更） 斜孔での深度変 圧力値 Pt 大気圧 A t 圧力値 PAt 圧力差 C V 傾斜孔に沿った水柱 更差 （観測値） （観測値） （気圧補正後） （水柱換算） の長さ Cs m kPa kPa kPa m m 設置深度 mbGL 15 180.854 102.921 75.186 +2 13 164.603 102.925 148.601 102.932 180.854 102.896 − 313 − 1.63 +1.99 -3.29 -4.02 42.923 -4 15 +2.02 58.932 +2 11 1.66 75.212 図 7.3.7-19 圧力センサの確認（圧力センサ設置深度変更） ※ 気圧補正は，設置前（平成 19 年 11 月 6 日 16 時 5 分）に圧力センサが地上で示した観測 値(P0)（104.3315kPa），同 時刻の大気圧センサの観測値(A0)（101.5852kPa）を基準に 次式で求めた。 PAt = (Pt − At ) − (P0 − A0 ) 重力加速度：g=9.8067m/s2 ，水の密度：1000kg/m3 − 314 − 7.4 7.4.1 オペレーション技術の検討および評価 モニタリングシステム設置方法に関する検討 7.4.1.1 モニタリングシステムの設置方法の比較 昨年度に検討したコイルチュービング、スラントリグ等による設置方法について、本年度の試験用 孔井（HMD-1 孔）における設置作業で得られた知見を踏まえて、適用性、経済性および信頼性の観点 から検討した。以下に概要を記述するとともに検討結果を表 7.4.1-1 に示す。また、表 7.4.1-2 に各 設置方法の代表的機器の能力比較を示した。 (1) コイルチュービング(インジェクターヘッド)による設置 コイルチュービングは検層や水圧破砕等に使用されている。コイルチュービングはリールの サイズにより径に制限があるが、Stewart & Stevenson 社ではコイルチュービング径として 1 か ら 4.5 まで取扱える。 コイルチュービングと SPMP ケーシングを接続し、 コイルチュービングをインジェクターヘッ ドで押込みながらシステムの設置が可能と考えられる。 インジェクターヘッドを井戸元で固定し、 角度を孔井軸に一致させて使用することになるが、試験も必要であり、不確実性があると考えら れる。 (2) スピンドルタイプリグによる設置(試験用孔井掘削で使用) 本年度の試験用孔井（HMD-1 孔）掘削では、本タイプの装置が使用された。そのため、掘削 装置をそのままモニタリングシステム設置に利用したため効率的であった。モニタリングシステ ム挿入の際には、パッカー2 個、セントラライザー3 個に伴う摩擦力のため、自重による降下は困 難で、手動で押込む必要があった。したがって、スピンドルは使用していない。 スピンドルタイプのリグはドリルヘッドが固定されており、例えば鉱研工業株式会社の AD-1C 等の大きいものでは 3,000m 程度掘削可能であるが、ストロークは 0.8m 程度であり、挿入 効率はそれほど良いとは言えない。 図 7.4.1-1 に示すような押込み装置でシステム挿入が可能と考えられるが、大深度で水平部 分が長い孔井には適用困難と考えられる。 − 315 − 図 7.4.1-1 スピンドルタイプリグを使用したシステム挿入例 (3) ロータリーパーカッションドリル ロータリーパーカッションドリルは硬い岩山での削孔を行うために打撃と回転を組み合わせ たマシンである。深度 100m 程度の比較的浅い孔井掘削に使用されており、通常それほど大きな挿 入/引抜き圧力はない。また、ストロークも通常の SPMP ケーシング(3m)と比較すると若干短く作 業性がそれほど良いとは言えない。 (4) トップドライブドリル 本装置は、アンカー孔、集水ボーリング孔および横ボーリング孔などに使用されており、水 平∼鉛直ボーリングの対応が可能である。本装置と SPMP ケーシングを接続し、ドリルヘッドのス トロークでケーシングを押込みながらシステムの設置が可能と考えられる。 ストロークが小さく、 挿入や引抜き能力もそれほど大きいとは言い難い。 (5) クレーン クレーンによるシステム挿入は自重で降下できる範囲であれば問題ない。水平孔井への適用 についてもスピンドルタイプリグで記述した手法(図 7.4.1.1 参照)と同様の挿入/引抜き装置で 対応可能と考えられる。引抜き/回収時は孔井軸に対するケーシングの芯だしが重要であり、限界 があると考えられる。また、クレーンを使用した設置/回収は実績がないため、試験を実施する必 要があると考えられ、不確実性が残る。 (6) スラントリグ コントロールボーリング孔はスラントリグを使用して掘削されるため、それをそのままモニ タリングシステム設置に流用することが可能と考えられる。HCD-3 孔掘削で使用されているリグ は、ドリルヘッドのストロークも比較的大きく(約 3.7m)、挿入圧力も十分である。経済性の観点 からは設置時期は掘削終了直後が一番効果的である。掘削実績もあるため、総合的に俯瞰した場 合の手法の信頼性は高いと考えられる。但し、ケーシングを押込む際には、ケーシング座屈(特に 地表のケーシング)に注意する必要がある。 − 316 − 前述(1)∼(5)の手法を適用する際には、コントロールボーリング孔掘削に使用したスラントリグが 不要であるため、工程面ではフレキシブルである。しかし、孔井が崩壊性であれば孔井を放置せず掘 削直後にシステムを設置した方がより安全であるため、掘削リグをそのまま流用したほうが良いと考 えられる。 掘削終了とシステム設置のタイミングを図りながら準備することとなるが、孔井掘削用のスラント リグをシステム設置に流用することが最も効率的と考えられる。図 7.4.1-2 にスラントリグを使用し た設置概念を示す。 以下にスラントリグを使用したモニタリングシステムの設置方法を示す。 ① 最初の装置ケーシングをエレベータ 1 で吊り、カップリングがフランジ部に設置された プレートに来るまでボーリング孔に挿入する。 ② 2 本目の装置ケーシングをエレベータ 2 で吊り、孔井口元に移動させる。装置ケーシン グをスラントリグに沿わせながら最初に挿入した装置ケーシングとチェーンレンチで接続 する。 ③ スラントリグで装置ケーシングを数㎝吊り上げ、エレベータ 1 とプレートを外す。 ④ 装置ケーシングを孔井に挿入する。カップリングが孔井に挿入された直後にプレートを 孔井フランジ部に設置し、システム落下防止とする。 ⑤ エレベータ 1 で 3 本目の装置ケーシングを吊り、同様の接続作業を繰り返す。パッカー 接続時はそれ以降の装置ケーシングにはパッカー拡縮ラインを通していく必要がある。 ⑥ 流体流入口であるインターバルアクセスモジュールは観測区間の上部に位置するように 編成する。観測区間下部は下部パッカー上端に孔壁からのスライム等が滞留し、流体流入 口を閉塞する可能性がある。また、流体流入口は最大 5 個設置されるが、スタンドパイプ に設置する時は、下から左回りに設置するなど、間違いのないように順番を決めておくこ とが重要である。 インターバルアクセスモジュールを接続する時はその位置をケーシングにマークし、次のケ ーシング接続時に間違えないようにしておくことが重要である。 ⑧ モニタリングシステムを押すときは、パッカー拡縮ライン用にスリットを切った短いケ ーシングを設置して実施する。 ⑨ モニタリングシステム設置中はスタンドパイプから清水を注入し、スタンドパイプ内に 孔内浮遊物を滞留させないようにし、インターバルアクセスモジュールの圧力導入口の閉 塞を避ける。装置ケーシング内の深度約 100m まで清水で満たし、アニュラス側の水圧とそ れほど大きな差がないようにし、モニタリングシステムへのダメージを軽減する。 − 317 − 図 7.4.1-2 スラントリグを使用した設置概念 − 318 − 表 7.4.1-1 モニタリングシステムの設置方法の比較 設置機器 適用性 経済性 コ イ ル チ ュ ー ・インジェクターヘッドを井 △ ・インジェクターヘッドの固 ビング 戸元で固定する必要があ 定具や試験等で，コストが る。 かかる。 ・時期を問わない。 ・水平孔井での挿入試験等が 必要である。 ・新規設置が必要である。 ・元来石油井掘削等の技術で あり，コストが高い。 信頼性(総合評価) △ ・インジェクターヘッドを使用 したシステム挿入の実績はな く，試験が必要であり，不確 実性が残ると考えられる。 ス ピ ン ド ル タ ・ドリルヘッドのストローク △ ・水平孔井での挿入試験等が イプリグ が小さく(約 0.5∼0.8m 程 必要である。 度)，作業効率がそれほど ・作業効率がそれほど良くな 良くない。 いと考えられ，経済的では ない。 ・時期を問わない △ ・挿入用装置の試験等が必要で あり，不確実性がある。 ロ ー タ リー パ ー カ ッ ショ ン ドリル 機器写真 △ △ ・深度 100m 程度の比較的浅 × ・水平孔井での挿入試験等が ○ ・深度 100m 程度の比較的浅い孔 い孔井掘削に使用されて 必要である。 井掘削に使用されており，通 いる。 ・コンパクトでそれほど大が 常 それ ほど大 きな挿 入 /引 抜 ・時期を問わない かりではないため経済性は き圧力はない。 比較的良い。 ・新たに設置する必要がある。 × ト ッ プ ド ラ イ ・ドリルヘッドのストローク × ・水平孔井での挿入試験等が ○ ・比較的浅い孔井掘削に使用さ ブドリル が小さく(約 1.5m)，作業 必要である。 れており，通常それほど大き 性やハンドリングがそれ ・コンパクトでそれほど大が な挿入/引抜き圧力はない。 ほど良くない。 かりではないため経済性は ・比較的浅い孔井掘削に使用 比較的良い。 される。 ・新たに設置する必要がある。 ・時期を問わない × クレーン ・モニタリングシステムが自 △ ・クレーンの使用自体の経済 ○ ・モニタリングシステムが自重 重で降下するような，それ 性は非常に良い。 で降下するような，それほど ほど傾斜していない孔井 ・挿入/引抜き機器の開発/試 傾斜していない孔井であれば であれば適用可能である。 験が必要である。 適用可能である。 ・挿入/引抜き用機器の開発 ・クレーンを使用した設置/回収 も考えられるが，大深度水 は実績がないため，試験を実 平井での適用は限界があ 施 す る必 要が ある と考え ら ると考えられる。 れ，不確実性が残る。 ・時期を問わない △ スラントリグ ・孔井はスラントリグを使用 ○ ・孔井はスラントリグを使用 して掘削されるため，それ して掘削されるため，それ をそのままモニタリング をそのままモニタリングシ システム設置に流用。 ステム設置に流用できれば ・ドリルヘッドの移動量も大 経済性は比確的良いと考え きく(約 3.7m)，挿入圧力 られる。 も十分である。 ・時期は経済性を考えれば掘 削終了直後となるが，崩壊 性の孔井の場合，逆に掘削 終了直後のシステム設置 が安全である。 ○ ○ ・掘削実績もあるため，SPMP 設 置の信頼性は高いと考えられ る。 ・また，掘削直後であれば，リ グを流用することで経済性も 確保されると考えられる。 表 7.4.1-2 各手法の代表的機器の能力比較 項目 コイルチュービング スピンドルタイプ ロータリーパーカッションドリル トップドライブドリル メーカー Stewart & Stevenson 鉱研工業株式会社 YBM 東邦地下工機 名称 D-200 AD-1C RP-840-ST K0-C フィード長(m) 3.7(ユニット高) 0.8 2.8 1.4 フィード圧力(kN) 444.2 210 58.8 内管：12，外管：25 引抜き圧力(kN) 888.5 300 58.8 内管：12，外管：25 最大トルク(kN･m) − 10 8.2 4.3 − 319 − スラントリグ 電力中央研究所 − 3.7 196 − 19.6 7.4.2 トラブル発生時におけるバックアップ技術の検討 モニタリングシステムを設置・運用する上で考えられるトラブルを列挙し、それに対する対処法、 予防措置を検討した。従来のモニタリングシステムの設置方法と大きく異なる点は、本プロジェクト における機器設置が水平部分を含んでいるということである。これまでは、ある程度傾斜している孔 井でも機器自重により降下できたが、水平部分を含む孔井では機器挿入装置が必要となる。機器の挿 入や回収等にあたって予めトラブルを予測し、対策を検討しておくことで現場での設置作業を効率的 に実施できる。ここでは、昨年度の検討結果を基に、設置準備(機器製作)、設置、運用、回収の各段 階に分類してトラブル発生時におけるバックアップ技術を検討した。想定されるトラブルとその対策 について表 7.4.2-1 にまとめた。表 7.4.2-1 の一部についてはチェックリストによる管理が必要であ り、それらは後述するチェックシートに記載した。モニタリングシステム設置時にけるトラブルで、 人身事故を除けば、一番大きなトラブルはモニタリングシステムの設置ができないということや再設 置になることである。このようなトラブルに発展する特性要因を図 7.4.2-1 に示した。特に図中の○ 印で示した項目は、モニタリングシステム設置不能となる過程において、直接モニタリングシステム のスタックに関わる重要な項目であり、事前に十分に検討されなければならないと考えられる。特性 要因図の一部については後述のチェックリストによって管理されるが、孔井そのものに起因するトラ ブルについては、掘削中を含めて慎重な対応が必要と考えられる。 以下に、設置準備(機器製作)、設置、運用、回収の各段階に分類してトラブル発生時におけるバッ クアップ技術について記述する。 (1) 設置準備段階 設置準備(機器製作)段階においては、機器の製造ミス、数量ミスのチェックおよび工程管理 が重要である(表 7.4.2-1 参照)。これらは、主にチェックリスト(表 7.4.2-2 参照)による品質管 理やバーチャートによる工程管理を実施し、現地設置作業に遅延しないように管理されることが 重要である。資材試験については別途試験記録を作成する必要がある。 上記したように、孔井が崩壊性であればモニタリングシステム設置はできるだけ早いほうが 良く、掘削終了と製作・設置のタイミングを調整することが重要と考えられる。また、スラント リグ等の設置用機器を使用してシステムを設置する場合は、予め設置用機器の操作性や接続等を 検討し、対応を準備しておくことが必要である。 (2) 設置段階 設置段階においては、現地機材数量チェック・破損状況チェックのチェックリストを使用し て実施する(表 7.4.2-3 参照)。設置に関しては予め設置マニュアルを作成し、作業員がその設置 マニュアルを理解し、 作業上のミスが出ないようにしておくことが重要である(表 7.4.2-1 参照)。 − 320 − 設置中には Tally list による確認(表 7.4.2-4 参照)、チェックリストによるチェック、設置後の システム動作確認作業も含め、総合的に品質管理を実施することが重要である。予め作成された 設置マニュアル(P)に従い、設置作業を実行し(Do)、チェックリストや Tally list に従いチェッ クし(C)、問題があれば修正・改善する(A)という PDCA サイクルを進行させ、設置を問題なく実施 することが必要である。 機器降下不能(スタック)に関しては、どの深度で降下不能となっているのか等状況を把握す ることが必要である。 その状況により上げ下げの繰り返しや挿入圧力の増加等を一つ一つ実施し、 対策に対する状況を確認しながら慎重に作業を実施することとなる。一つの対策に対する結果を 検討しながら次の対策に移行するというステップを踏襲しながら PDCA サイクルをスパイラルア ップさせていくことが必要である。 モニタリングシステムのスタックは以下のような様々な原因によって引き起こされると考え られる。 ① 裸孔部の孔壁が崩壊し孔井をプラグしている。 ② 孔井のケーシングが何らかの理由で変形し、内径が小さくなっている。 ③ ケーシング切断箇所の上下でケーシングの中心がずれている。 設置中のモニタリングシステムのスタック防止策については、システム設計段階および設置 作業段階に分けられる。システムの設計段階においては以下のような予防策が検討される。 ① モニタリングシステムの最下部に小さな礫や砂、泥を回収するための機器を設置するこ とで孔内に小さな岩片等があった際にもシステム挿入可能と考えられる。 ② 傾斜部および水平部に適切なセントラライザーを選択することで、モニタリングシステ ムがケーシングの中心にくるようにする。 ③ 装置ケーシングの継ぎ手部分にガイドエレメントを装備することで、継ぎ手部分の段差 を無くし、設置の際にスタックしないようにする。 設置作業段階では以下のような予防策が検討される。 ①システム設置前に可能ならばゲージ通しや検層等の手法で孔内状況をできるだけ具体的に 把握しておく。 ② モニタリングシステムを押すあるいは引く可能性があるので押す力および引く力が十分 な装置を準備することが必要である。また、その際モニタリングシステムの引張強度およ び圧縮強度を確認しておく。 モニタリングシステムが設置途中にスタックした場合は具体的には以下のような対策が考え られる。 ① スタックしている深度を正確に把握し、機器編成とケーシングプログラムの相対的位置 − 321 − 関係を把握する。 ② モニタリングシステムを 1∼2m 程度引き上げる。 ③ 再度挿入を試みる。それを数度繰り返す。 ④ 設置装置の能力、 モニタリングシステムの圧縮強度に配慮しつつ挿入する力を増加する。 ⑤ それでも動かない場合には、モニタリングシステムを回収する。 ⑥ 回収後、孔内カメラやインプレッションブロック等により孔内状況の把握に努め、対策 を検討する。 また、 モニタリングシステム設置中にはシステムの落下が懸念される。 システム落下防止は、 今回の試験用孔井（深度 80m）の設置ではケーシング用エレベータと落下防止用プレートを使用 した。実際にはセントラライザー等の孔内装置のケーシングとの摩擦力のため自重では降下でき ず押込む必要があった。水平孔井での設置においても自重では降下できず押込む必要があると考 えられ、落下はしない方向と考えられる。また、ケーシング内の水量の調節により浮力をコント ロールでき、浮力も落下防止として使用可能と考えられる。システム落下防止は、摩擦力、浮力、 ケーシング用エレベータおよび落下防止プレートの使用で十分機能すると考えられる。 (3) 運用段階 運用段階では主に以下のようなトラブルが想定される。 ① センサの故障 ② データロガーの故障 ③ インターバルアクセスモジュールの流体流入口の閉塞 ④ サンプラーあるいはダブルバルブポンプのスタック 運用中のトラブルシューティングとして以下の予防策/対策が考えられる。 ① 故障したセンサはスタンドパイプから引き上げることで容易に交換が可能である。 ② 故障したデータロガーは予備のロガーがあれば交換が可能である。 ③ インターバルアクセスモジュールの流体流入口が泥などで閉塞した場合、地上から注水 することで流体流入口の閉塞を解消する。あるいはエアリフトやダブルバルブポンプによ る揚水を行う。 ④ サンプラー/ダブルバルブポンプをスタックしないように設計する。 定期的にデータを確認することはもちろん、現地でのメンテナンスも実施し、パッカー圧力 が降下していないかどうか等チェックリスト(表 7.4.2-5 参照)に従って確認する。予めデータを 携帯電話等で送信可能なようにシステムを構築すれば、現地に行かなくても何時でもデータをチ ェックできる。 サンプラーによる採水については、降下方法を検討する必要があると考えられる。水圧圧送 − 322 − 式であれば、流れがある必要がある。地層の透水性が小さく流れが小さければ、圧送によるサン プラーの挿入は困難と考えられる。また、水圧で圧送した後は送った水と地層水とが混合するた め、採水前に地層水が出てくるまである程度事前に揚水する必要があると考えられる。 (4) 回収段階 回収は設置時と同じ装置(スラントリグ等)を使用するのが一番安全で確実と考えられる。回 収段階でのチェックリストを表 7.4.2-6 にまとめた。回収時は以下のようなトラブルが想定され る。 ① モニタリングシステムのスタック。 ② モニタリングシステムの破断。 モニタリングシステムのスタックおよび破断は以下のような理由により起こりうる。 ① モニタリング期間中に裸孔部の孔壁が崩れてアニュラス部に落下し、モニタリングシス テムとケーシングの間にスタックする。強引により破断する。 ② パッカーが収縮しない。 ③ 装置ケーシングが地下水による腐食で劣化し、回収時に破断する。 モニタリングシステムの回収時のトラブルシューティングとして、 以下のような予防策/対策 が考えられる ① システム設置時のスタックした場合の対策と同様の予防策・対策を行う。 ② パッカーを収縮させるために、パッカーラインにはバーストディスクが装備され、決め られた圧力以上でバーストディスクが破壊されパッカーを収縮させることができる。 スタックした場合の対策として以下の手順が考えられる。 ① 引上げ圧力を増加する。 ② 押し引きを何回か繰り返す。 ③ スタックしている場合、モニタリングシステムの引張強度まで引張力を大きくする。 ④ モニタリングシステムが孔内で破断している場合、現場の状況に応じて適当なフィッシ ングツールを用意する必要がある。 − 323 − − 324 − 環境 敷地 (ケーシング配置用) 設置タイミング ○坑井 教育 作業記録 SPMP資材 サイズミス 作業中の ダメージ 整備不良 施主 システム設置不能 システム再設置 システムスペック 挿入・引張圧力モニタ ○システム座屈・破断 ○オペレーションミス 手順ミス セントラライザーの 設置位置 ○リグ選定ミス ケーシングスライド装着 挿入機器(リグ)の トラブル 運搬中の事故 取扱ケーシング 耐圧等仕様ミス 試験 足場 ○Tally listミス 安全作業 工法 図 7.4.2-1 モニタリングシステム設置時の特性要因図 坑径狭小 ケーシング センターのずれ 確認 連携不足 (コミュニケーション) 知識不足 チェックリスト 健康状態 ケーシング切り口 バリによるダメージ 観測区間 数量ミス 手順無視 設置中の 機器保険 不注意 ケーシング 切り口の径縮小 崩壊 作業員 作業マニュアル 技能不足 ケーシングバリ 天災 リスク コミュニケーション 実施計画書 (含作業マニュアル) 事前準備，その他 − 325 − 回収時 運用時 機器設置時 想定トラブルや問題 機器製造ミス(サイズ等) 機器数量ミス 製造工程(納期)の遅れ 資材輸送時の事故 事前検討事項の漏れ 資材破損・不足 資材仕様(特にサイズ)の相違 スラントリグ作業上のトラブル システム編成ミス スタンドパイプの接続ミス パッカーラインの接続ミス パッカーラインの破損 対応 品質管理の徹底 チェックリストによる数量チェック 工程管理の徹底 保険(リスク移転) 検討事項の事前ピックアップ/再確認 資材状況・数量チェック サイズチェック 事前打合せ 編成図・Tallyリストの作成・確認 SPMPケーシングへのマーキング ラインの色分け等による識別 確認・交換 設置中の注水による洗浄/エアリフトやダブルバルブポ ンプによる揚水。 ⑤ 天災 回収不能 ① ② パッカーダメージ ③ 間隙水圧等データ欠損・消失 ④ サンプラ降下方法 ⑰ 設置時の事故による機器破損 パッカー圧の低下 ① ⑯ 回収不能 ⑮ センサー破損 ⑭ パッカー破損 ・強引 ・フィッシング 保険(リスク移転) ・定期的メンテナンス(パッカー圧のチェック) ・再加圧 ・バルブ類のリークチェック ・回収判断/バックアップパッカーの準備 ・定期的メンテナンス(データ回収/バッテリー交換など) ・水圧圧送式 ・ロッド使用 ・観測状況確認・回収判断 ・強引 ・フィッシング ・埋坑 ・バックアップセンサーの準備/交換 ・バックアップパッカーの準備/交換 Oリング(SPMPケーシング・スタンド ⑨ 確認・交換 パイプ)の装着・破損 井戸カバーの装着・工具の整理整頓・工具落下防止(紐 ⑩ 井戸作業時の工具等の坑内落下 による固定など) ⑪ システムの落下 落下防止用プレートおよびケーシング用エレベータの装 ⑫ システムの座屈 システム挿入圧力のモニタリング ・ スタック深度の把握 ・上げ下げを繰り返す ・挿入圧力の増加(システムの座屈に注意) ⑬ 機器降下不能 ・システム回収後，坑内カメラ等による確認 ・回収・原因究明・機器編成の再検討 ⑧ 圧力導入口の詰まり 番号 ① ② 設置準備時 ③ ④ ⑤ ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 状況 ・埋坑方法の検討 地層水とのコンタミ/採水前の揚水 採水前の揚水 携帯電話等の通信によるデータ回収の検討 設置時期遅延 チェックリストによるチェック • モニタリングシステムの最下部に小さな礫や砂や泥を 回収するための機器を取り付ける。 • 適切なセントラライザの選択で、モニタリングシステム がケーシングの中心に来るようにする。 • ガイドエレメントを装備する。 ・モニタリングシステムの回転は不可。 ・PDCAサイクルによる対応 設置マニュアルの作成 設置マニュアルの作成 設置マニュアルの作成 設置マニュアルの作成 備考 材料試験の実施，チェックリストの作成，設置時期遅延 設置時期遅延 設置時期遅延 設置時期遅延 チェックリストによるチェック バックアップの数量・チェックリストによるチェック チェックリストによるチェック 作業性や接続等の事前チェック 設置マニュアルの作成/チェックリストによるチェック 設置マニュアルの作成 設置マニュアルの作成 設置マニュアルの作成 表 7.4.2-1 モニタリングシステム設置に関する想定トラブルと対応 表 7.4.2-2 準備段階のチェックシート S P M P シ ス テ ム 設 置 チ ェ ッ ク シ ー ト 熊 谷 組 地 熱 技 術 開 発 平成 年 月 日作成 調査担当者 ： 地熱技術開発株式会社 確認年月日 SPMPシステムの設置 主担当者 副担当者 / / / / 地熱技術 確認 熊谷組確認 材料検査 / 作業準備関連 作業内容 チェック内容 チェック 特記 ケーシング、パッカーにキズや汚れがついていないか？ カップリングにキズや汚れがついていないか？ 材 料 検 査 他 カップリングにO-リングが装着されているか？ 各資材の数量を確認したか？ 各資材のサイズを確認したか？ 各資材の試験を実施したか？ 設 置 準 備 時 作 業 準 備 関 連 輸送時に保険は付保したか？ − 必要な事前情報(坑跡，ケーシングプログラム，キャリパー，BHTVなどの坑内状況)は入 手し，検討したか？ − Tally listは作成したか？ − 工程表は作成したか？ − 実施計画書は作成したか？ − 作成したTally listや工程表を含む実施計画書は顧客の確認を得たか？ 設置作業マニュアルは作成したか？ 事前検討事項(①システム挿入/引抜き圧力，②サンプラ降下方法，③フィッシングツー ル)は検討したか？ ー 作業の打合せ(作業手順等の確認)を顧客・リグクルーと実施しかた？ 仮設の段取りはOKか？ − 移動・宿泊・レンタカー等の準備はOKか？ − − 326 − 備 考 表 7.4.2-3 設置段階のチェックシート 熊 谷 組 S P M P シ ス テ ム 設 置 チ ェ ッ ク シ ー ト 地 熱 技 術 開 発 平成 年 月 日作成 調査担当者 ： 地熱技術開発株式会社 確認年月日 SPMPシステムの設置 チェック内容 チェック 輸送資材は全て揃っているか？ 仮設の段取りはOKか？ 各資材の数量を確認したか？ 各資材のサイズを確認したか？ 各資材の写真を撮影したか？ 保険は付保したか？ ケーシング、パッカーにキズや汚れがついていないか？ カップリングにキズや汚れがついていないか？ 材 料 検 査 カップリングにO-リングが装着されているか？ 各資材の数量を確認したか？ 各資材のサイズを確認したか？ 各資材の写真を撮影したか？ ー ッ ケーシングをレイアウト順に並べ、順次挿入番号を付けたか？ カ ケ の ケーシングとカップリングの接続時にシリコングリスを塗布したか？ 組プ シ みリ ン 立 ン グ ケーシングやカップリングOリングにキズや汚れ等の不備はないか？ てグ と と ケーシングレイアウト(Tally list)の順番にしたがって、ケーシングを孔口に運搬している か？ ケーシングとカップリングの接続時にシリコングリスを塗布したか？ ケーシングやカップリングOリングにキズや汚れ等の不備はないか？ ケ パッカーラインにダメージはないか？ シ ン グ の 設 置 設置中にケーシング内水位に変化があるか？ ー 機 器 設 置 時 パッカーラインの接続部（スワジロック）の締め付けは十分か？ 挿入圧力はOKか？ 設置終了後，スタンドパイプ内水位およびアニュラス水位をチェックしたか？ 流体流入口は閉塞していないか？(スタンドパイプ内とアニュラス水位との比較) 圧力センサーをケーシング挿入前に、地上で動作確認を行ったか？ 観測前にデータロガーの動作確認を行ったか？ 装 置水 圧 の 設観 測 置 投入式水位計と水圧センサーの計測値に著しい圧力差はないか？ 観測中にケーシング内水位に変化があるか？ 測定値に著しい変動が生じていないか？ パッカー拡張時の拡張圧力、送水量等を記録・確認したか？ すべての水圧計測部が正常に機能しているか？ すべての水圧計測部において間隙水圧測定ができているか？ 水圧測定中に、測定値に著しい変動が生じていないか？ 作 動 確 認 観測区間内水位の変化によらず、すべての観測区間において地下水水圧が正常に測 定されているか？ ガスリフト等による揚水で、他の区間の水位が著しく変化していないか？ 設置後納期までのデータに不自然な観測挙動あるいは著しいデータ欠損がないか？ サンプラによる採水は実施したか？ 引抜き圧力はOKか？ 概観上異常は無いか？ 機 器 回 収 副担当者 / / / / 地熱技術 確認 熊谷組確認 機器設置 作業内容 準 備 主担当者 ケーシング、パッカーにキズや汚れがついていないか？ カップリングにキズや汚れがついていないか？ カップリングにO-リングが装着されているか？ − 327 − 特記 備 考 − 328 − (年/月/日 時：分） No. 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 日時 接続 番号 □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ Oリン シリコ 接続 グカッ ング 部締 プリン リース め付 グ傷 塗布 け 有無 □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ 正常 降下 □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ 写真 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 76.1 96 110 76.1 76.1 96 110 96 76.1 mm 外径 Total m -0.2 0.8 3.8 6.8 9.8 12.8 15.8 18.8 21.8 24.8 27.8 30.8 33.8 36.8 39.8 42.8 45.8 48.8 51.8 54.8 57.8 60.8 61.3 62.8 63.3 63.8 64.3 65.8 66.3 67.3 (下端深度) Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Casing Centraizer 3+Casing Packer 2 Casing Interval Centraizer 2+Casing Packer 1 Centraizer 1+Casing End Rod 名称 GL累計 長 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0.5 1.5 0.5 0.5 0.5 1.5 0.5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3m 本 67.5 20 m 長さ 1 1 4 1 1 1 1 1m 0.5m 本 本 ｹｰｼﾝｸﾞ 1.5m 本 2 1 1 ﾊﾟｯｶｰ 表 7.4.2-4 Tally list(平成 19 年度 モニタリングシステムの場合) 3 1 1 1 1 1 1 1 20 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 インターバ セントララ スタンドパイプ ルアクセス エンドロッド イザー モジュー 0.5m 1m 3m 1.5m 1m 0.5m 本 本 本 本 本 本 本 表 7.4.2-5 運用段階のチェックシート 熊 谷 組 S P M P シ ス テ ム 設 置 チ ェ ッ ク シ ー ト 地 熱 技 術 開 発 平成 年 月 日作成 調査担当者 ： 地熱技術開発株式会社 確認年月日 SPMPシステムの設置 主担当者 副担当者 / / / / 地熱技術 確認 熊谷組確認 主担当者 副担当者 / / / / 機器運用 作業内容 チェック内容 チェック 特記 備 考 概観上異常は無いか？ パッカー圧は低下していないか？ データは正常に記録され，回収できたか(欠損等はないか)？ すべての水圧計測部が正常に機能しているか？ 機 器 運 用 時 すべての水圧計測部において間隙水圧測定ができているか？ 水圧測定中に、測定値に著しい変動が生じていないか？ バッテリーを交換したか？ ガスリフトまたはダブルバルブポンプによる揚水で、他の区間の水位が著しく変化してい ないか？ サンプラーによる採水は問題なく実施できたか？ 表 7.4.2-6 回収段階のチェックシート 熊 谷 組 S P M P シ ス テ ム 設 置 チ ェ ッ ク シ ー ト 地 熱 技 術 開 発 平成 年 月 日作成 調査担当者 ： 地熱技術開発株式会社 確認年月日 SPMPシステムの設置 機器回収 作業内容 回 収 準 備 回 収 時 チェック内容 チェック 特記 地熱技術 確認 熊谷組確認 設置時の状況をチェックしたか？ − 工程表は作成したか？ − 実施計画書は作成したか？ − 作成した実施計画書や工程表は顧客の確認を得たか？ − 回収作業マニュアルは作成したか？ − ①システム挿入/引抜き圧力，②フィッシングツールは確認したか？ − 引抜き装置(リグ)や仮設の段取りはOKか？ − 作業の打合せ(作業手順等の確認)を顧客・リグクルーと実施しかた？ 回 収 移動・宿泊・レンタカー等の準備はOKか？ − 引抜き圧力はOKか？ − システム(パーツ)の劣化程度をチェックしたか？ − 強引時は顧客・リグクルーと打合せを行ったか？ 全てのシステムを回収できたか？ − 329 − 備 考 7.5 7.5.1 モニタリングシステムの検証方法の確立 モニタリングシステム設置深度の検証 7.5.1.1 試験用孔井（HMD-1 孔）におけるモニタリングシステム設置深度の検証 本年度試験用孔井（HMD-1 孔）に設置したモニタリングシステムの設置深度は、モニタリングシス テムの各モジュール（装置ケーシング、パッカー、インターバルアクセスモジュールなど）の長さの 合計によって測定された。 装置ケーシングは 3m を基本に、1.5m、1.0m、0.5m の長さで設計され、±1mm 以内の誤差で製作され ている。同様に、パッカーは 1.5m、インターバルアクセスモジュールは 0.5m で設計され、±1mm 以内 の誤差でそれぞれ製作されている。また、モニタリングシステムの各モジュール間は、スイベルナッ トで接続されるため、システムの全長の誤差は小さい。 設置に際しては、設置前にケーシングログを作成し、各モジュールには設置作業の順番に番号を振 り、間違いの無いように接続を行った。 本年度、ケーシング切断・引き上げにより形成された 5.5m の裸孔区間（深度 60.7∼66.2m）に対し て、合計 5.5m のモジュール（セントラライザー①、パッカー①、セントラライザー②、インターバル アクセスモジュール、装置ケーシング(50cm)、パッカー②、セントラライザー③）を深度 60.8∼66.3m に設置した（図 7.3.7-2 参照） 。ケーシングの切断面と、パッカーのラバー部との間隔は 85cm（上側） および 65cm（下側）であった。 本年度のモニタリングシステムは全長が短く、重量も軽いため、自重による伸びは小さいと考えら れる。また、設置したモニタリング孔は傾斜角が一定（鉛直から 35°）であるので、摩擦力も小さい ため、設置深度の誤差も小さいと考えられる。 7.5.1.2 コントロールボーリング孔井におけるモニタリングシステム設置深度の検証 掘削長 1,000m 以上のコントロールボーリング孔における設置深度は、 上記の本年度の設置深度と検 証と同様に、モニタリングシステムの全長を計測することにより実現される。但し、設置深度が大き く、水平部分を含む傾斜孔であるコントロールボーリング孔に設置するために、 考慮すべき点も多い。 本年度の設置作業の経験を基に設置深度の検証方法について以下にまとめた。 (1) 各モジュールの有効長の計測（製作時） 装置ケーシングは±1mm 以内の誤差で製作されている。同様に、パッカーは 1.5m、インター バルアクセスモジュールは 0.5m の全長で設計され、±1mm 以内の誤差でそれぞれ製作される。 − 330 − 品質保証プログラムにより、製造時に許容誤差を超えるものは納品物から除外される。 (2) 装置ケーシングプランの立案 ケーシングの切断・引き上げにより形成される裸孔部の精確な深度情報を基に、モニタリン グシステムの編成を決定し、装置ケーシングプランを作成する。本年度の装置ケーシングプラン では、ケーシングの切断面とパッカーのラバー部との間隔が 85cm（上側）および 65cm（下側）で あったが、安全のため最低 1m は必要である。 (3) 各モジュールに、設置作業の順番に番号を記入する (2)で作成した装置ケーシングプランに従い、各モジュールに番号を記入し、現場で間違いの 起こる可能性を低減させる。 (4) 各パーツのチェック（設置時） 各モジュールを、孔口で接続する際に装置ケーシングプラン通りに接続しているかをチェッ クし、記録を残す。 (5) モニタリングシステムの設置・設置深度の確認 モニタリングシステムを設置する。モニタリングシステムの最下部が、孔底あるいはプラグ された箇所まで到達予定であれば、モニタリングシステムを孔底あるいはプラグされた箇所に達 するまで降下する。モニタリングシステムの自重による全長の伸びは、長い水平部分を含む傾斜 孔では大きな問題とはならない （自重による引張り強度より摩擦力の方が大きい） と考えられる。 全長の伸びが問題になるのは、モニタリングシステムの設置の際に、一旦モニタリングシステム が孔底あるいは、閉塞された箇所に達した後、引き上げる場合であると考えられる。一方、モニ タリングシステムを押しつつ設置する際の全長の縮みの影響は小さいと考えられる。ただし、孔 底あるいはプラグされた箇所に達した後に、モニタリングシステムを引き上げ、位置を調整する ことはすべきではない。 モニタリングシステムを引くことにより、 更にリスクを招くことになる。 計画された装置ケーシングプランと実際のモニタリングシステムの全長を比較し、設置位置 が妥当であることを確認する。 (6) 設置深度検証過程の記録 上記した(1)∼(5)のすべての作業過程を文書で記録に残す。 7.5.1.3 モニタリングシステム設置深度の検証の課題 モニタリングシステムの設置深度を検証する上では、設置に先立ち、裸孔部の深度を正確に計測す ることが重要である。本年度の設置の実績から、ケーシングの切断面と、パッカーのラバー部との間 隔は、安全のため最低 1m は必要と考えられる。そのため、上下パッカーで閉塞される観測区間を 2m とすると、裸孔部は最低 6m 必要である。 − 331 − 7.5.2 パッカーの遮水性に関する検証 7.5.2.1 試験用孔井に設置したモニタリングシステムのパッカー遮水性に関する検証 本年度のモニタリングシステムの設置において、以下の手順でパッカーの遮水性を確認した。 (1) パッカーへの注入水量 パッカー拡張に要する水量を事前に計算し、実際の設置時の水量と比較し、その差が顕著で ないことを確認した。 設置に先立ち、パッカーおよびパッカーラインへの注水量を計算した。裸孔部にパッカーを 拡張させるために、8.2 ㍑（パッカー1 基あたり）×2＋パッカーラインの容量＝17.4 ㍑と計算さ れた。現場ではパッカー加圧に先立ち、パッカーラインに水を循環させた。循環水量と注水量の 合計が 22 ㍑であった。注水量の予想量と実際の注水量との差は妥当だと考えられる。 (2) パッカー拡張時のモニタリング パッカーを拡張する間、 観測区間の圧力値を圧力センサで観察した。 パッカーの拡張が進み、 遮水性を発揮すると、観測区間上下の水理的環境から切り離されることで観測区間の圧力観測値 に変動が観察されるはずである。 パッカー拡張に先立ち、スタンドパイプ内圧力センサをスタンドパイプ内 GL-15.2m（水位下 10.0m）に設置した。パッカー拡張前の段階では、スタンドパイプとアニュラス部（NL140 ロッド とモニタリングシステムの間）は導通しており、同センサは孔内水位を計測している。 ハンドポンプで水（凍結防止のため地表付近および圧力容器内は不凍液）を圧入しパッカー の拡張を開始した。拡張完了後、地上の圧力ゲージによるパッカー圧力は 20bar であった。パッ カー拡張作業中も、スタンドパイプ内に圧力センサを設置し、連続測定を行った（図 7.3.7-8 参 照）。11 月 3 日 16 時 20 分頃から、観測区間圧力値に変化が見られ、パッカーにより、観測区間 が上下の水理的環境から切り離されることで観測区間の圧力観測値に変動が観察されたものと判 断した。 (3) パッカー圧力のモニタリング パッカー拡張ラインをパッカーコントロールユニットに接続し、地上で 20bar（2.0MPa）ま で加圧した。パッカーと地盤の静水圧との間に 20bar の差圧をかけることにより確実な遮水を図 った。その際、パッカー拡張圧力を、ゲージおよび圧力センサにより観察した。 (4) パッカー再加圧 パッカー拡張後、約 3 日間パッカー圧力を観察し、数回パッカーを再加圧した。再加圧後、 パッカー圧力が安定する事を確認した。パッカー圧力が安定することは、パッカー∼パッカーラ − 332 − イン∼パッカーコントロールユニット間で、故障や洩れが無いことを示している。 モニタリング装置設置後のパッカー圧力の変化は表 7.3.7-1 におよび図 7.3.7-18 に示した。 パッカー圧力は、日周期的な変化を示しながら安定している。 (5) 圧力容器によるパッカー圧力の維持 一定のパッカー圧力（20bar）を維持することで、パッカーによる遮水性を保持するために、 不凍液と窒素ガスが注入された圧力容器をパッカーラインに接続した。 7.5.2.2 コントロールボーリング孔におけるパッカーの遮水性に関する検証 良好なパッカーの遮水性を得るためには、以下の条件が満たされる必要である。 ① パッカー設置深度の孔壁の状態（き裂、孔径、平滑性）が良好であること。 ② 孔井の周囲の岩盤に水理的なバイパスがないこと。 ③ パッカーの拡張圧が適正であり、その値が安定していること。 パッカー設置深度の孔壁の状態、および周囲の岩盤の水理的な状態を、パッカーを設置する以前に 十分に把握する必要がある。パッカー設置深度を決定する際には、コア観察、物理検層（特にキャリ パー検層）、水理試験、掘削時の逸水の情報などから総合的に判断する必要がある。 パッカー設置深度が決まり、設置終了後、パッカーは地上からの注水で拡張される。複数の観測区 間があるモニタリングシステムの場合、最下部の観測区間のパッカーから順番に拡張を行う。 本年度のパッカーの遮水性についての検証の結果を踏まえ、コントロールボーリング孔におけるパ ッカーの遮水性についての品質保証は以下のような項目が想定される。 (1) パッカーへの注入水量 パッカー拡張に要する水量を事前に計算し、実際の設置時の水量と比較し、その差が顕著で ないことを確認する。 (2) パッカー拡張時のモニタリング パッカーを拡張する間、 観測区間の圧力値を圧力センサで観察する。 パッカーの拡張が進み、 遮水性が発揮されると、観測区間上下の水理的環境から切り離されることで観測区間の圧力観測 値に変動が観察されるはずである。 (3) パッカー圧力のモニタリング パッカー拡張ラインをパッカーコントロールユニットに接続し、地上で 20bar（2.0MPa）ま で加圧し、確実な遮水を図る。その際、パッカー拡張圧力を、ゲージおよび圧力センサにより観 察する。 − 333 − (4) パッカー再加圧 最初のパッカー拡張後、1∼2 日間パッカー圧力を観察し、数回パッカーを再加圧する。再加 圧後、パッカー圧力が安定する事を確認する。パッカー圧力が安定することは、パッカー∼パッ カーライン∼パッカーコントロールユニット間で、故障や洩れが無いことを示している。 (5) 圧力容器によるパッカー圧力の維持 パッカーによる遮水性を保持するために、不凍液と窒素ガスが注入された圧力容器をパッカ ーラインに接続する。これにより、一定のパッカー圧力（20bar）が維持される。 7.5.2.3 パッカーの遮水性に関する検証の課題 パッカーの遮水性を評価する方法として、ケーシングのアニュラス部の水位変化を測定する方法が 挙げられる。 本年度設置した試験用孔井においては、 手測りの水位計をアニュラス部に降下することを検討した。 しかし傾斜孔であるため、 ケーシングと装置ケーシングの間に挟まれて降下不能であった。 そのため、 パッカーの遮水性（地層を介した導通の評価）は困難であった。 本年度設計・試作・設置したモニタリングシステムには追加の圧力計やそのラインを装備するスペ ースがないため、上部パッカー上端および下部パッカー下端のアニュラス部の水位を計測することは 困難である。ただし、複数の観測区間を有するモニタリングシステムの場合、最下部および最上部の パッカー以外の遮水性については評価可能と考えられる。それはあるスタンドパイプから注水または 揚水した時に他観測区間のスタンドパイプ内の圧力値変化を評価する方法である。 次フェーズでは、設計段階からアニュラス部の水圧を測定することが可能であるかを検討する必要 がある。 − 334 − 7.5.3 測定圧力値の検証 7.5.3.1 試験用孔井で測定した圧力値に関する検証 すべてのセンサ類は製造元において、 キャリブレーションを行い、 正常に動作することを確認した。 現場において、設置前に地上でセンサをデータロガーに接続し、大気圧環境下でゼロ補正を行った。 次に、圧力センサを水位計と共にスタンドパイプ内に挿入し、圧力センサの値と水位計の値とを比 較した。モニタリング装置の設置が完了し、パッカー拡張前に圧力センサをスタンドパイプ内の深度 GL-15m（12.29mTVD(True Vertical depth：鉛直深度)）に降下した際の圧力値は 183.52kPa であった （降下直前の地上での圧力値は 104.39kPa であった） 。この圧力値から水位を求めると、4.22mTVD で ある（12.29 - ( 183.52kPa ‒ 104.39kPa ) / 9.8067m/s2 = 4.22 mTVD） 。 ここで、 重力加速度を 9.8067m/s2、 水の密度を 1000kg/m3 とした。一方、モニタリングシステム設置前の水位計による水位は GL-5.02m （4.11mTVD）であった。両者は良く一致している。 2 回目の採水試験後（平成 20 年 1 月 11 日） 、圧力センサの設置深度を 15m（通常時） 、13m、11m と 変更し、圧力センサによる圧力値の変化を観察した（表 7.3.7-4、図 7.3.7-19 参照） 。観測された圧 力値（Pt）を大気圧（At）で補正し、設置深度を変更する前後の圧力値の差をとり、水柱（Cv）に換 算した。圧力センサの設置深度変更に伴う圧力差と圧力センサの観測値のから換算した水柱長は、よ く整合しており、圧力センサは正常に動作していると判断した。 モニタリング開始直前（平成 19 年 11 月 7 日）の水位（GL-4.995m）をリファレンス点として、圧力 センサのデータから水位を計算した（図 7.3.7-17 参照） 。ここで、重力加速度を 9.8067m/s2、水の密 度を 1000kg/m3 とした。平成 20 年 1 月 11 日の圧力センサのデータから計算された水位は 5.45m であ った。一方、水位計による水位は 5.44m（平成 20 年 1 月 10 日）であり、圧力センサから計算された 水位とよく一致している。 センサ設置深度の変更、圧力値の変化、水位の計算については、7.3.7.4 項 (2)で示している。 （そ れぞれの値等は、表 7.3.7-4、図 7.3.7-19、図 7.3.7-17 を参照） − 335 − 7.5.3.2 コントロールボーリング孔における測定圧力値の検証 圧力センサの測定圧力値の検証では、以下のような方法を提案する。 全てのセンサは製造元において出荷前に較正およびチェックを受け、データロガーに接続し、地上 で機能試験を実施する。現場においては、設置前に次のような試験を行う。地上で、センサをデータ ロガーに接続しゼロ補正を行う。次に、圧力センサを水位計と共にスタンドパイプ内に挿入する。ス タンドパイプ内の水位下で圧力センサの値と水位計の値とを比較して、大きな違いが無いことを確認 する。パッカー圧を測定する圧力センサの検証は、パッカーコントロールユニットに接続されている 圧力ゲージと比較することにより行う。 また、モニタリングが開始された後でもモニタリングシステムでは、設置後圧力センサはスタンド パイプに挿入される。圧力センサは較正のため、あるいは流体サンプリングのために回収することが 可能である。 7.5.4 サンプラーが目的深度のサンプルを取得したかに関する検証 7.5.4.1 試験用孔井におけるサンプラーの採取深度に関する検証 (1) 室内試験 平成 19 年 7 月にサンプラーのフロースルー試験を実施し、 サンプラーが降下深度の流体を採 取することを室内試験で確認した。詳細については、7.1.2.3 節サンプラー室内試験を参照のこ と。 (2) 採水試験 モニタリングシステムを設置後、サンプラーによる採水試験を実施し、サンプラーで観測区 間の水を採取できることを示した。なお、採水試験は、平成 19 年 11 月 4 日∼6 日に 3 回、平成 20 年１月 10 日に１回の計 4 回試験を実施した。詳細については、7.3.7.4 節採水試験を参照のこ と。 7.5.4.2 コントロールボーリング孔におけるサンプラーの採取深度に関する検証 本年度の試験用孔井におけるサンプラーの採取深度の検証を踏まえて、コントロールボーリング孔 における検証方法について検討した。 水平部を含むコントロールボーリング孔に設置されるモニタリングシステムでは、サンプラーは自 重で降下しないためサンプラーを押す装置が必要である。本モニタリングシステムは、各スタンドパ イプの最下端が観測区間にあたり、インターバルアクセスモジュールが装備されている。 − 336 − スタンドパイプ内に挿入したサンプラーをスタンドパイプの最下端まで降下させることで深度の確 認が可能である。また、サンプラーの挿入長は地上のポリアミドラインのドラムに接続されたカウン ターにより確認できる。 7.5.4.3 コントロールボーリング孔におけるサンプラーの採取深度に関する検証の課題 水平部を含むコントロールボーリング孔に設置されるモニタリングシステムにサンプラーを挿入す る装置の設計・試作、室内試験および原位置試験を実施する必要がある。 − 337 −