JP2019015093A - 振動解析評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】掘削機の削孔振動を利用して、簡易に削孔地盤や掘削機械の特徴等を評価する振動解析評価方法を提案する。【解決手段】掘削機の削孔振動の波形を所定時間間隔で複数回計測する計測作業Ｓ１と、複数の波形の計測値をＦＦＴ解析する解析作業Ｓ２と、ＦＦＴ解析の解析結果から最大スペクトル値の周波数を抽出する周波数抽出作業Ｓ３と、最大スペクトル値の周波数を利用して削孔環境の変化を確認する評価作業Ｓ４とを備える振動解析評価方法である。評価作業Ｓ４では、周波数および掘削深度の一方を縦軸とし、他方を横軸とするグラフ上に、複数の最大スペクトル値の周波数をプロットし、当該プロットの分布に基づいて削孔環境の変化を確認する。【選択図】図２

Description

本発明は、掘削機の振動解析評価方法に関する。

地盤を掘削する場合において、地山状況を把握することすることができれば、掘削作業をより的確に実施することができる。また、杭基礎の工事に伴う掘削工では、支持層に到達したか否かの判断を適切に行う必要がある。さらに、掘削時の掘削機の状況を把握することができれば、いち早く掘削機の異常を把握することができ、早めの対策が可能となる。

そのため、本出願人は、掘削中の地盤を調査する方法として、掘削機の作動状態に相関する物理量の時刻暦データを取得し、時刻暦データに対してスペクトル解析を行うことで算出した掘削時周波数スペクトルを、事前に取得した教師スペクトルとを比較して、地山状況を判定する地盤評価方法を開示している（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。なお、「掘削機の作動状態に相関する物理量」には、例えば、掘削機の周辺で観測される音（駆動源の作動音や地盤との接触に伴って発生する音など）、掘削機の振動に伴う加速度、電動モータに供給する電流や電動モータの出力（トルク）、油圧モータに供給する作動油の圧力や油圧モータの出力（トルク）、回転軸に発生するひずみ（せん断ひずみ）などが含まれる。

特開２０１１−０３８２５７号公報 特開２０１３−１５９９２６号公報

深度毎のスペクトルを積み重ねることで、図６に示すように、スペクトルを二次元として可視化表記できるが、スペクトルを読み解くには、専門性を要し、読み解く技術者によって結果に差が生じるおそれがあった。そのため、スペクトルの特徴を簡易に評価することができる手法が求められていた。
このような観点から、本発明は、掘削機の削孔振動を利用して、簡易に削孔地盤や掘削機械の特徴等を評価する振動解析評価方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、掘削機の削孔振動の波形を所定時間間隔で複数回計測する作業と、複数の前記波形の計測値をＦＦＴ解析する作業と、ＦＦＴ解析の解析結果から最大スペクトル値の周波数を抽出する作業と、前記最大スペクトル値の周波数を利用して、削孔環境の変化を確認する作業とを備える振動解析評価方法である。本発明の振動解析評価方法は、周波数および掘削深度の一方を縦軸とし、他方を横軸とするグラフ上に、前記最大スペクトル値の周波数、前記最大スペクトル値の単位深さ当たりの平均周波数、または、前記最大スペクトル値の単位深さ当たりの分散値をプロットし、当該プロットの分布に基づいて削孔環境の変化を確認することを特徴とする。

本発明の振動解析評価方法によれば、計測データの特徴を簡易に把握することができ、ひいては、地山状況や掘削機の状況を定量的に把握することができる。そのため、掘削作業の効率化や掘削機のメンテナンス等を適切に行うことができる。

本発明の掘削機の振動解析評価方法によれば、掘削機の削孔振動を利用して、簡易に削孔地盤や掘削機械の特徴等を評価することが可能となる。

本発明の実施形態に係る水平多軸掘削機を示す正面図である。 本発明の実施形態の振動解析評価方法を示すフローチャート図である。 実施例の最大スペクトル値の周波数の分布を示すグラフである。 実施例の深度１ｍ当たりの最大スペクトルの平均周波数を示すグラフである。 実施例の深度１ｍ当たりの最大スペクトルの分散値を示すグラフである。 従来のスペクトル分布図の一例である。

本実施形態では、連続地中壁を施工する場合において、水平多軸掘削機１（図１参照）を用いて掘削する際の削孔地盤や掘削機械の特徴等（掘削荷重やトゥース３の違い等）を評価する振動解析評価方法について説明する。水平多軸掘削機１は、クレーンや専用のベースマシンによって吊持されている。水平多軸掘削機１は、水平軸回りに回転し、互いに対向するように配置された一対のドラムカッタ２，２を有している。各ドラムカッタ２には、複数のトゥース３，３，…が配設されている。水平多軸掘削機１は、油圧で稼働し、クレーンを操作することにより掘削荷重を制御する。なお、掘削機械は、水平多軸掘削機１に限定されるものではない。また、掘削機械の駆動手段は油圧式に限定されるものではなく、例えば、電動式であってもよい。ここで、「掘削荷重」は、掘削機重量からクレーン等の吊荷荷重を差し引いたものである。

本実施形態の振動解析方法は、図２に示すように、計測作業Ｓ１、解析作業Ｓ２、周波数抽出作業Ｓ３、および、評価作業Ｓ４を備えている。
計測作業Ｓ１では、水平多軸掘削機１の削孔振動の波形を所定時間間隔（本実施形態では１秒間隔）で計測する。削孔振動の計測は、水平多軸掘削機１に設置された加速度計４を利用する（図１参照）。本実施形態では、三軸の振動加速度を計測するが、削孔振動の計測は一軸でもよい。また、計測の間隔は１秒間隔に限定されるものではなく、適宜所定の間隔で行えばよい。計測結果（時間毎の削孔振動）は、コンピュータに送信される。

解析作業Ｓ２では、波形の計測値に対してＦＦＴ解析行う。すなわち、コンピュータを利用して、計測した振動波形データに対してフーリエ変換を実施して、削孔深度毎の周波数スペクトルを算出する。解析結果は、コンピュータに保存する。
周波数抽出作業Ｓ３では、コンピュータに保存された削孔深度毎の周波数スペクトル（解析結果）から最大スペクトル値の周波数を抽出する。

評価作業Ｓ４では、抽出した最大スペクトル値の周波数を利用して、削孔環境の変化を確認する。まず、周波数を縦軸とし、掘削深度を横軸としたグラフ上に、最大スペクトル値の周波数をプロットする（図３参照）。最大スペクトル値の周波数がプロットされたグラフは、モニター等の表示手段に表示するか、プリンター等により印刷する。なお、グラフは、掘削深度を横軸とし、周波数を縦軸にしたものであってもよい。
次に、グラフ上のプロットの分布状況により、削孔地盤や掘削機の変化を評価する。

以上、本実施形態の振動解析評価方法によれば、計測データの特徴を簡易に把握することができる。そのため、技術者によって誤差が生じることがなく、地山状況や掘削機の状況の変化を定量的に把握することができる。すなわち、グラフにプロットされた最大スペクトル値の周波数の分布により変化を視認することができるため、技術者の熟練度等に関わらず、定量的な評価が可能となる。このように、本実施形態の振動解析評価方法を利用すれば、掘削作業の効率化や掘削機のメンテナンス等を適切に行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、最大スペクトル値の周波数をプロットする場合について説明したが、最大スペクトル値の平均周波数（図４参照）や、分散値（図５参照）を利用してもよい。ここで、最大スペクトル値の平均周波数および分散値は、所定の掘削深度（例えば、１ｍ）毎の、最大スペクトル値の平均周波数または分散値である。

以下、振動解析方法に使用するグラフ（分布図）の一例（実施例）について説明する。
本実施例では、連続地中壁を施工する場合において、先行して形成されたエレメント（既設エレメント）に隣接して新たなエレメント（新設エレメント）を構築するための掘削溝を形成する際の削孔振動を計測した。
掘削溝の削孔では、地山の削孔とともに、先行エレメントの端部（継手部またはコンクリート）を切削した。
表１に掘削深度毎の地質、先行エレメントの端部の材質、掘削機重量およびトゥース（幅および材質）を示す。なお、本実施例では、刃幅や硬度が異なる２種類のトゥース（第一トゥースおよび第二トゥース）が、掘削ドラムに配設されている。第一トゥースおよび第二トゥースは、掘削ドラムにおいて、同じ軌跡を通過するように配置されている。すなわち、掘削ドラムの１軌跡に２回刃（第一トゥースおよび第二トゥース）が通過する、１軌跡２パスで試験を行った。

図３〜５に、それぞれ、周波数を縦軸とし掘削深度を横軸としたグラフ上に、最大スペクトル値の周波数、最大スペクトル値の１ｍ当たりの平均周波数（１ｍ掘削する間に取得された多数の周波数スペクトルそれぞれにおける最大スペクトル値の周波数を平均した値）、および、１ｍ当たりの分散値をプロットしたグラフを示す。
図３に示すように、区間Ｂでは、区間Ａに比べて、最大スペクトル値の周波数が６０００〜１００００Ｈｚ周辺に多く分散していることが看取できる。一方、区間Ａでは、最大スペクトル値の周波数が６０００〜１００００Ｈｚ周辺にあまり分布していない。したがって、掘削対象の違い（継手部とコンクリート）によって、変化が生じることが確認できる。また、区間Ｃは、区間Ｂよりも全体的に最大スペクトル値の周波数が分散していることが看取できる。したがって、地質の変化により最大スペクトル値の周波数に変化が生じることが確認できた。区間Ｄ、Ｅでは、他の区間（区間Ａ〜Ｃ）に比べて、周波数が、６０００Ｈｚ周辺および８００Ｈｚ周辺にまとまっている。したがって、地質の変化に加え、掘削機重量の変化によっても、周波数に変化が生じることが確認できた。さらに、区間Ｄと区間Ｅを比較すると、区間Ｅの方が、８００Ｈｚ周辺において分散する傾向が看取できる。したがって、地質の違いが生じたことが確認できた。

また、図４，５を確認すると、地質、掘削対象物（先行エレメント端部）または掘削機重量が変化（区間が変化）すると、平均周波数および分散値が一旦下降する結果となった。そのため、最大スペクトル値の単位深さ当たりの平均周波数または最大スペクトル値の単位深さ当たりの分散値のプロットの分布を確認すれば、地質、掘削対象物（先行エレメント端部）または掘削機械の特徴等（掘削機重量やトゥース等）の変化を確認することができる。
このように、従来のスペクトル分布図（図６参照）では特徴を把握することが困難であった地質や掘削条件の変化を、本実施形態の振動解析評価方法によって、把握しやすくなることが確認できた。

１ 水平多軸掘削機
２ ドラムカッタ
３ トゥース
４ 加速度計
Ｓ１ 計測作業
Ｓ２ 解析作業
Ｓ３ 周波数抽出作業
Ｓ４ 評価作業

Claims (3)

1. 掘削機の削孔振動の波形を所定時間間隔で複数回計測する作業と、
   複数の前記波形の計測値をＦＦＴ解析する作業と、
   ＦＦＴ解析の解析結果から最大スペクトル値の周波数を抽出する作業と、
   前記最大スペクトル値の周波数を利用して、削孔環境の変化を確認する作業と、を備える振動解析評価方法であって、
   周波数および掘削深度の一方を縦軸とし、他方を横軸とするグラフ上に、複数の前記最大スペクトル値の周波数をプロットし、当該プロットの分布に基づいて削孔環境の変化を確認することを特徴とする、振動解析評価方法。
2. 掘削機の削孔振動の波形を所定時間間隔で複数回計測する作業と、
   複数の前記波形の計測値をＦＦＴ解析する作業と、
   ＦＦＴ解析の解析結果から最大スペクトル値の周波数を抽出する作業と、
   前記最大スペクトル値の周波数を利用して、削孔環境の変化を確認する作業と、を備える振動解析評価方法であって、
   周波数および掘削深度の一方を縦軸とし、他方を横軸とするグラフ上に、複数の前記最大スペクトル値の単位深さ当たりの平均周波数をプロットし、当該プロットの分布に基づいて削孔環境の変化を確認することを特徴とする、振動解析評価方法。
3. 掘削機の削孔振動の波形を所定時間間隔で複数回計測する作業と、
   複数の前記波形の計測値をＦＦＴ解析する作業と、
   ＦＦＴ解析の解析結果から最大スペクトル値の周波数を抽出する作業と、
   前記最大スペクトル値の周波数を利用して、削孔環境の変化を確認する作業と、を備える振動解析評価方法であって、
   周波数および掘削深度の一方を縦軸とし、他方を横軸とするグラフ上に、複数の前記最大スペクトル値の単位深さ当たりの分散値をプロットし、当該プロットの分布に基づいて削孔環境の変化を確認することを特徴とする、振動解析評価方法。