トンネルは地下に建設する線状構造物である．
建設にあたって事前に得られる地山の情報が十分なものであるとは言い難く，計画段階でトンネル周辺地山の挙動と適切な支保工を正確に予測することは困難なことが多い．
また，トンネル周辺の地山を構造材料として応力を負担させるという点で他の構造物と異なっている．つまり，荷重となる土圧などをあらかじめ正確に把握したり，構造材料の一部である地山の力学特性を正確に求めることが困難である．
したがって，事前設計による予測と施工時のトンネル挙動が異なる事態が生ずる．この差異を埋め適切な設計および施工を行い，安全かつ経済的にトンネルを建設するために施工中の観察・計測による施工管理が重要となる．
NATM工法では，現場の観察･計測を施工にフィードバックさせることで経済的かつ安全な施工を行うことを理念としている.
観察・計測による施工管理の目的は次の４点に絞られる．
支保パターンの変更にとって切羽観察は最も重要なものである．
計測値の解釈を行う上でも切羽観察にもとづく地山状況の判断は欠かせない要素である．
切羽観察の際には切羽面はもちろんであるが，側壁部の状況も記載する．特に主要な地質構造が切羽面と平行な場合には側壁の観察を行わないと重要な地質情報を見落とすことになる．
亀裂性岩盤の場合は，不連続面によりトンネルの挙動が支配されるので，着目点は不連続面となる．
必要であれば，キーブロック解析により妥当な支保構造の検討を行うことができるので，それに耐えうるデータを得ておく必要がある．すなわち，切羽面の詳細なスケッチと亀裂面の走向・傾斜のデータおよびトンネル軸方向である．キーブロック解析の場合は，不連続面の性質などのデータはとりあえず不要で，最も不安定な岩塊（キーブロック）は掘削面と不連続面の幾何学的関係で決まってくる．
軟岩では不連続面が地山挙動の主要な要素とならず，岩石の強度がトンネル挙動を支配するので，最も重要な地山評価の要素は一軸圧縮強度である．
一般には岩石試験を行うことになるが，シュミット・ロックハンマー，針貫入試験器，場合によっては土壌硬度計など現場で簡便に一軸圧縮強度の目安を得る方法が実際的である．特に，針貫入試験器は泥岩，シルト岩だけでなく礫岩に適用しても岩石試験とほぼ一致する値が得られる．一軸圧縮試験で破壊する場合にも最も弱い基質部分から破壊するので，針を貫入させるときにこの点に注意して基質部分の貫入量を得るようにすればよいと考える．
NEXCOの「設計要領第三集トンネル編」では，点載荷試験（ポイントロードテスト）などにより定量的な指標を得ること，吸水による強度低下の目安を得ることを提案している．
膨潤性粘土鉱物を含む地山は，施工中最も問題となるものの一つである．
迅速な判定が求められるので現場で簡易浸水崩壊度試験を行い判定する．慣れてくれば，指感による判定と浸水崩壊度試験でスメクタイトの有無は判断できる．
また，パラフェニレンジアミン溶液によるモンモリロナイトの呈色試験も有用である（例えば，鈴木，1987 ，土と基礎，35−3，35-39）．その上で確認のためにＸ線回折で膨潤性粘土鉱物の同定を行う．
また，不定形試料に含まれる粘土鉱物を試料の近赤外域の分光スペクトル測定によって同定する機械もあり，野外で粘土鉱物の同定が可能である．
（ https://www.geotechnos.co.jp/service_products_hard.html ）
切羽観察は後々のデータベースとなるので一定の様式で整理しておく必要があり，切羽観察記録表が示されている（例えば，土木学会，2006，トンネル標準示方書 山岳工法編・同解説，259−262）．
NEXCO設計要領第三集トンネル編（2009）では，次の7つの項目で切羽評価を行うようになっている．
A. 圧縮強度：
基本的には一軸圧縮強度試験により求めるが，ポイントロードテスト（点載荷試験），ハンマーの打撃（あるいは針貫入試験）により強度を推定して評価を行う．この時，岩片の異方性や不均質性に十分注意する．
B. 風化変質：
風化変質の判定は，本来ある種の鉱物の化学変化量（成分変化）や比重の低下などの物理量で示すのがよい方法である．しかし，現状では割れ目を中心とした風化変質の進行程度を目安として評価している．
風化；物理的風化＝岩石が化学成分を変化させることなく機械的に細かく粉砕される現象で，主に温度変化と氷霜によって起こる．
化学的風化＝水に溶解した酸類が岩石を構成する鉱物を化学的に分解させる現象である．
変質；地下深部から上昇してくる熱水による気成作用，熱水作用により，特有の変質鉱物が生じる現象である．日本では新第三紀〜第四紀の火山活動に伴って発生している場合が多く，特に問題となるのは著しい粘土化作用と酸性水を伴う変質である．
C. 割れ目間隔：
トンネル掘削により切羽に凹凸を形成するような明瞭な割れ目の間隔をいう．地山が互層をなして明らかに弱層となる層理を有する場合は層理間隔で判断する．機械掘削では割れ目が切羽に明瞭に現れないので，掘削中のズリの落下の仕方によって判断する．
D. 割れ目の状態：
トンネル周辺の岩盤は掘削による応力の再配分により周方向に圧縮力を受けている．不連続面の摩擦抵抗が大きければ圧縮力により安定を保っているが，抵抗が小さい場合は不連続面に沿って滑り落ちる．
以上のことを考慮し，割れ目の開口度，割れ目の挟在物，割れ目の粗度・鏡肌で評価を行う．実際に評価を行うと各評価項目で評価区分が異なってくるが，その場合はトンネルの安定に寄与すると考えられるものの中で最も悪い項目によって判定する．
E. 割れ目の走向・傾斜：
切羽の安定性は地山の主要な不連続面の方向に大きく左右される．切羽面に対して「流れ目」となっている場合が最も不安定で，切羽崩壊が発生しやすい．
主要な不連続面がトンネル軸と並行に近い場合は，側壁の押出しや偏圧が発生しやすい．供用後のトンネル変状では割れ目の走向・傾斜が重要な要素となる．
F. 湧水量：
湧水量と水による劣化の状況は，切羽面および後方10m区間での湧水状況と劣化を考慮する．
G. 水による劣化：
水により劣化しやすい地山としては，1）固結度の低い砂岩，2）膨潤性のある凝灰岩・泥岩・蛇紋岩など，3）割れ目が湧水によって軟質化する泥岩や砂岩である．
膨潤性粘土を含む地山は粘土質であるために水を通しにくく，掘削当初は乾燥して硬質となっているが，時間が経過すると水が集まってきて土砂化したり，空気中の水蒸気によって土砂化したりする．
供用後の長期的な劣化について十分な検討が必要である．
以上のようにして求めた切羽評価点の天端部の評点を2倍，左右肩部の評点は1倍とした加重平均値（÷４）を最終的な切羽評価点とする．
この切羽評価点と支保構造を対応させた表で，現在施工している支保構造の適否を判断する．この場合，複数の技術者が判定を行い，総合的に判断することが大切である．
(1) 切羽観察では切羽全面が均質でないことがある．このような場合には次のように対処する．
① 圧縮強度，風化変質および割れ目間隔：(2) 実際の施工では，切羽状況が悪くなった場合の変更は比較的スムーズに行えるが，地山が良好となった場合に迅速に変更することは難しいことが多い．縦断図に進行状況と地山評価・支保パターンを逐一記入し施工済みの地山状況と比較して迅速に変更できるようにデータを管理することが必要である．
(3) 最近の大断面トンネルでは，頂設導坑（径５ｍ程度）をＴＢＭで掘削し天端を補強してから拡幅するという方法が採られているが，このような工法に対応して外国の評価方法が導入され始めている．
切羽観察による評価点を支保選定の指標とするために，NEXCOでは「トンネル施工管理要領（計測工編）」（平成24年7月）で，1）圧縮強度，2）風化変質，3）割れ目間隔，4）割れ目状態についての配点を示している．トンネル施工管理要領の最新版は，平成25年7月である．
掘削対象の岩石を塊状・層状に分け，さらに硬質岩・中硬質岩・軟質岩に分け，それぞれについて配点を示している．例えば，塊状・硬質岩で評価区分がすべて「1」であれば100点となり，すべて最低ランクであれば0点となる．この4項目の点数を，さらに湧水量と水による劣化の程度による調整点で修正して総合的な点数を得る．ただし，この調整は，軟質岩系と層状岩盤系の場合に適用することとしている．
この配点は，前項で述べた「設計要領第三集」に載っている切羽評価区分とは異なり，支保工の妥当性を判定するものである．
この評価点と実績をもとにした支保パターンを対応させた表があり，これを参考に現在施工している支保パターンの妥当性，支保パターンの変更について協議して決定することとしている．
施工中の切羽評価について書かれたものでは，「土木学会，2007，よりよい山岳トンネルの事前調査・事前設計に向けて」の「5.4 施工時の調査に関する考え方」（155-175）が参考になる．
道路トンネルで用いられている切羽の地山評価方法について述べてきた．切羽の地山評価には，鉄道トンネルのものもある（日本鉄道建設公団，1996年2月，NATM設計施工指針）．基本的な考え方は道路トンネルと同じである．未固結地山についての追記項目がある．
「PM法」という地山評価の方法がある．基本的な考え方は，やはり道路トンネルのものと同じであるが，評価項目に重み付けをしない単純平均法であるため，より簡便である．
この評価法による点数の算出は次の手順による．
施工中の計測は，A計測とB計測がある．
A計測：
特に問題がない場合は，Ａ計測で施工管理はできる．
Ｂ計測のどの項目を実施するかは地山条件により選定しなければならないが，吹付けコンクリートやロックボルトに変状が発生した場合には，地中変位測定，ロックボルト軸力測定，吹付けコンクリート応力測定，それに岩石試験を行えば，解析を含めて対策工検討は可能である．
既施工区間に変状が発生した場合は，トンネル天端沈下，側壁の押し出し，脚部沈下に注意する必要があるが，特に建築限界が最も小さい肩部および側壁部の縦断方向での通りに注意し，必要な内空断面を侵していないかチェックする必要がある．
計測の詳細については，日本道路協会，2009，道路トンネル観察・計測指針（平成21年改訂版）を参照のこと．
トンネル施工では切羽観察と計測を行いながら必要な修正をする．そのために管理基準と安全管理体制を設けている．
管理基準の設定方法としては，次のような方法がある（土木学会，2006，263-270）．
事前の地質調査で実施した岩石試験から限界ひずみを求め管理基準を設定する（3）の方法は，施工の初期段階で有効であろう．
| 注意レベル ↓ | A （σc>100MPa以上） | B （σc=5〜100MPa） | C （σc<5Mpa以下） |
| I | 3-5 | 5-10 | 10-30 |
| II | 10-15 | 15-40 | 40-90 |
| III | 30-40 | 40-110 | 110-270 |
以下，管理基準設定する上での留意点を述べる．
管理基準値を設定について参考となる例は，「トンネルにおける調査・計測の評価と利用」（土木学会，1987,237-240）に四国横断自動車道明神トンネルの例が載っている．
＜長野県の県道トンネルの例＞
トンネル諸元：
延長；1,006.0m
掘削幅；約11m
地質;新第三紀鮮新世の凝灰岩，泥岩，砂岩，礫岩．一部亜炭層が挟在する．
管理基準値の設定：
変位の管理基準値は，ひずみ制御法により設定した．上半水平測線管理基準値を3等分して管理レベルを決めた．
| 支保パターン | 限界ひずみ （％） | 測定開始後の破壊ひずみ （％） | トンネル半径 （mm） | 破壊ひずみ時の内空変位量 （mm） | 上半水平測線の管理基準値 （mm） |
| CIおよびCII | 0.80 | 0.52 | 5,300 | 28 | 56 |
| DIおよびDII | 1.00 | 0.65 | 5,400 | 35 | 70 |
| DIIIa | 1.10 | 0.72 | 5,500 | 40 | 80 |
| DIIIaT | 0.77 | 0.50 | 5,500 | 28 | 56 |
以上のような管理基準値に基づいて施工管理図を作成し，大まかな対処方法の目安を示した．
しかし，実際には，凝灰質泥岩中に挟在していた有機質泥岩がトンネル断面に出現し，この有機質泥岩に沿って吹付けコンクリートにクラックが発生し内空断面を侵してしまった．このため縫い返しを行った．縫い返し区間については，FEM 解析により妥当な支保構造の検討を行った．
計測による地山評価で最も有効なのは，初期変位速度から最終変位量を予測し警戒レベルと設けることである．
これまでの実績にもとづいた初期変位速度（mm/day）と最終変位量（mm）との相関図が得られているので，掘削の初期の段階ではこの一般値を一つの目安とし，施工が進んだ段階では，その現場のデータに基づいた予測を行うのが最も合理的である（道路トンネル観察・計測指針（平成21年度改訂版）や土木学会岩盤力学委員会，1987，トンネルにおける調査・計測の評価と利用 など）．
| 基 準 | 内 容 |
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| 支保工の変状 | 実態：
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| 地山のひずみ |
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変位が収束したことを確認した段階で計測は終了するが，変位がなかなか収まらない場合には二次覆工の時期についても慎重に判断する必要がある．
最近の電子機器の発達はめざましい．3次元レーザースキャナー（3D-LS）でトンネル壁面の変位を計測し，あらかじめ入力しておいた諸データを使って，初期変位から最終変位を予測するシステムが実用化されつつある．
3D-LSを使った計測では，トンネル半径方向の変位（内空変位や天端沈下）だけでなくトンネル軸方向の変位あるいはトンネル脚部沈下による “ねじれ” も検出することが可能である．
3D-LSは1秒間に約3万点のスキャンニングが可能で，精度も非常に高い．
このような精度の高い計測システムができてくると，結果の解釈にはより精度の高い地質的あるいは岩盤力学的な知識が必要となってくる．
（例えば，http://www.toda.co.jp/news/2014/20140708.html 参照）
切羽観察，計測結果をもとに安全で経済的な地山にあった工法，支保パターンを採用することになる．
ここでいう安全性というのは，一つには施工時の安全性が確保できるかどうか（切羽の安定）という問題があり，もう一つはトンネルの長期的安定性が確保されるか（土圧による変形・変状に対する安定性）という問題がある．
＜切羽の安定性＞
施工中にまず問題となるのは切羽の安定性である．
設計段階ではこの切羽の安定性，すなわち安全に切羽作業が出来るかどうかは，あまり考慮されない傾向にある．
（1）切羽の安定性は切羽での作業員の安全性，施工の速度，トンネル自体の長期的安定性に大きく影響する．
例えば，標準支保パターンＢは１掘進長が2mである．発破をかけたあと，まずズリ出しを行い，支保工が建て込めるように断面を整え，支保工を建て込み，コンクリートを吹き付けるまで（通常では３〜４時間），裸の岩盤の下で作業する．この間，作業員の安全が確保できなければならない．
コンクリート吹付けが終了すれば一応地山は安定するが，吹付けコンクリートの強度が発揮されるまでは大岩塊が崩落する危険性はある．
したがって，かなり不連続面の間隔が大きく，不連続面に粘土などの夾雑物がない岩盤でないとＢパターンの採用は難しい．日本では花崗岩体の芯に当たる部分とか，安山岩の貫入岩体などのようにごく限られてくる．
（2）切羽の安定が保てない場合は，まずリングカット（核残し：さね・のこし）を行うのが現場での対応である．
すなわち，切羽周辺の支保工を建て込む部分だけを所定の位置まで掘削し中心部分は残すことのより切羽を自立させる．リングカットではロックボルトを坑壁に垂直に打設できないので，打設が２基ほど遅れることや，作業能率が低下するなどの短所がある．
（3）天端崩落が発生するような地山では，先受け工法（フォアポーリング：長さ5m程度以下のロックボルト）が用いられる．フォアポーリング工法では，ロックボルトを仰角10〜30゜で打ち込む．全面接着式ボルトを挿入するだけの場合と注入工を併用する場合とがある．また，先受け工が必要な地山では，ロックボルトの削孔が困難なことが多く，自穿孔ボルトを用いることがある．
（4）切羽の自立性を保つだけであれば，鏡面に掘削後直ちにコンクリート吹付けを行ったり，鏡ボルトを打設するなどで対処する．しかし，この段階になるとトンネルの長期的な安定性を確保することが難しくなることが多く，支保パターンの変更が必要となってくる．
切羽安定対策については，NEXCO設計要領第三集（平成21年7月）の169-182 が参考になる．
支保パターンの変更を行う場合，材料，特に鋼製支保工の手配が一番の問題となる．トンネルごとに断面形状が異なるので，それぞれのパターンの支保工は当然受注生産となり，現場に材料が搬入されるのは注文してから最低１週間は必要である．
実際には切羽状況と前方の地質を予測し支保パターンを変更することになる．この時点で地表踏査の精度がかなり重要な要素となってくる．切羽の進行につれて地質的にも新しい情報が得られるので踏査を再度行い地質構造の再検討を行う．
トンネルは地中に作られた全面露頭ということができる．支保パターン変更の理由は実際には後付けとなる場合があり，切羽観察結果と前方地質予測が重要となる．
| 現 象 | 検討事項 | 修正方法 | |
| 設計を軽減する必要がある場合 |
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| 設計を増強する必要がある場合 |
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トンネル壁面に作用する荷重と変位の関係は，地山特性曲線と呼ばれる．この曲線を用いて地山の状態を3つに分けることができる．
詳しくは，NEXCO設計要領第三集の88-91 を見て欲しい．
今や，常識的なことかもしれないが，注意した方が良い言葉について簡単に説明する．
フォアポーリングとフォアパイリング
フォアポーリングとは短尺の先受け工をいい，主として通常のトンネル施工機械で施工できるものである．一般的には，天端崩落防止のためのロックボルト打設のことと考えてよい．ロックボルトの長さは３〜４ｍである．
これに対して，フォアパイリングは長尺の先受け工をいい，鋼管打設，ジェットグラウトなどにより10ｍ程度先まで天端を保護するものである．数mを重複させながら天端崩落を起こしやすい区間を掘削していく，
地山分類と標準支保パターン
地山分類は地形，地質，地下水条件から判定できる地山条件をもとにした地山の分類のことを言い，事前調査，施工中調査，供用後調査のどの段階でも共通である．かつて，道路公団で建設中であった3車線トンネル（第二名神・東名高速道路など）では，地山分類は2車線トンネルのものを準用することになっていた．
これに対して，標準支保パターンは2車線トンネルと3車線トンネルでは支保構造が異なっている．
地山分類では施工中の安全性も考慮して分類する必要があるが，基本は地形条件（偏圧地形，土被りが浅い；土被りが2D以下が一つの目安など），地質条件，地下水条件（被圧水，大量湧水など）の記載を正確に行い地山分類を行うことが肝心である．施工では日々遭遇する切羽の状況が勝負となるので，事前の地質調査では，どれだけ正確に切羽状況を予測できるかが要点となる．