JP3267511B2 - Tbmのカッター監視方法、および監視装置 - Google Patents

Tbmのカッター監視方法、および監視装置

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JP3267511B2 JP16168496A JP16168496A JP3267511B2 JP 3267511 B2 JP3267511 B2 JP 3267511B2 JP 16168496 A JP16168496 A JP 16168496A JP 16168496 A JP16168496 A JP 16168496A JP 3267511 B2 JP3267511 B2 JP 3267511B2
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、TBMによる岩盤トン
ネルの施工におけるカッターの磨耗を検知する方法と装
置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】TBMによる岩盤トンネルの施工におい
ては、カッターの摩耗は掘削能率を大きく低下させるだ
けでなく、場合によっては、カッターボディーの破損や
ベアリングの損傷等にまで発展して高価な機械部品の交
換を余儀なくされることになり、多大な費用と時間の損
失を招く原因となる。
【0003】そのため、カッターの磨耗を早期に発見し
て速やかに交換することは、TBM工法の経済性のみな
らず安全性の向上を図る意味でも極めて重要である。そ
のような意味合いから、従来よりカッターの磨耗状況を
目視観察することが行われている。目視観察するために
は、掘削を中止してTBMを少し後退させ、切羽部に観
察のための空間を設け、観察者がその空間に直接入り、
目視観察によってカッターの磨耗状態を調査している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述したよ
うな従来の目視観察方法では、カッターの磨耗を調査す
る度に掘削を中止する必要があるために、施工工程の遅
れによる時間と費用の損失を招くという問題がある。ま
た、切羽部とカッターとの狭い空間に観察者が立ち入る
必要があるために、切羽部の崩壊や落石等のような予測
困難な突発的事故の危険があり、安全上の大きな問題が
あった。
【0005】
【課題を解決するための手段】
【0006】請求項1のカッター監視方法では、次のよ
うな手段を講じた。
【0007】即ち、TBMの回転するカッターヘッドの
振動を検出する振動検出器をカッターヘッドの近傍に配
設し、全てのローラービットが正常で掘進中におけるカ
ッターヘッドの振動を前記振動検出器によって検出し
て、その振動を周波数スペクトル分析して、基準となる
ピーク分布情報と、各ピークと各ローラービットとの対
応情報とを予め得ておき、実際に掘進中におけるカッタ
ーヘッドの振動を前記振動検出器によって検出して、そ
の振動を周波数スペクトル分析して、掘進中のピーク分
布情報を得て、基準となるピーク分布情報と掘進中のピ
ーク分布情報とにおける対応するピークどうしを比較す
ることによって、各ピークに対応するローラービットの
状態を監視するよう構成した。
【0008】そして、請求項2のカッター監視装置で
は、所定の基準ピーク分布情報と、基準ピーク分布情報
における各ビークと各ローラービットとを対応させて記
憶した記憶手段と、TBMの回転するカッターヘッドの
近傍に配設されてカッターヘッドの振動を検出する振動
検出器と、前記振動検出器によって検出した振動を周波
数スペクトル分析して、ピーク分布情報を出力するスペ
クトル分析手段と、このスペクトル分析手段から出力さ
れたピーク分布情報を前記基準ピーク分布情報と比較す
ることによって、各ピークに対応するローラービットの
状態を判定する判定手段とを備えるという手段を講じ
た。
【0009】そして、請求項5のカッター監視装置で
は、所定の基準ピーク分布情報と、基準ピーク分布情報
における各ビークと各ローラービットとを対応させて記
憶した記憶手段と、TBMの回転するカッターヘッドの
近傍に配設されてカッターヘッドの振動を検出する振動
検出器と、前記振動検出器によって検出した振動を周波
数スペクトル分析して、ピーク分布情報を出力するスペ
クトル分析手段と、このスペクトル分析手段から出力さ
れたピーク分布情報を前記基準ピーク分布情報と比較す
ることによって、各ピークに対応するローラービットの
状態を判定する判定手段とを備えるという手段を講じ
た。
【0010】上記方法の原理を以下に説明する。TBM
掘削時においては、カッターヘッドは油圧モータによっ
てギアを介して回転しており、その状態で油圧ジャッキ
により切羽にカッタービットが押しつけられている。こ
の状態では、カッターヘッドは回転しているために、岩
盤に押しつけられたカッタービットも回転して岩盤が切
削されるのである。
【0011】このような掘削の過程でカッタービットの
周囲には種々の要因の振動が発生する。まず、カッター
ヘッドの回転に起因する振動があり、これは、カッター
ヘッドの回転数に応じて変化する。
【0012】図8は、カッターヘッドの回転が停止した
状態で、ジャッキの推進力が非常に小さい状態(約20
トン:通常の約5分の1)での振動の周波数スペクトル
分布測定図である。これによると、周波数10kHz弱
と19kHzの2ヵ所に大きなピークが見られる。図9
は、カッターヘッドが毎分7回転している状態で、ジャ
ッキの推進力がゼロの状態の周波数スペクトル分布測定
図である。これによると、図8と同様に周波数10kH
z弱と19kHzの2ヵ所に大きなピークが見られる
が、それ以外にも、約500Hzのところにピークが見
られる。
【0013】図8と図9との測定条件の差異は、カッタ
ーヘッドの回転の有無であることから、500Hz付近
に出現したピークはカッターヘッドの回転に起因するも
のであると想定できる。このように、周波数スペクトル
分布に現れるピークはカッターヘッドの回転に起因する
ものが存在することが分かる。
【0014】一方、ローラービットによる回転切削に伴
う振動周波数Fは、次の数式1で表現できる。
【0015】
【数1】
【0016】但し、D:ローラービットの取りつけ径 d:ローラービットの径 α:接触角 F0 :モーター回転数
【0017】このように、振動周波数Fは、ローラービ
ットの取りつけ径D(カッターヘッドの回転中心からの
距離)に比例するので、各ローラービットが正常であれ
ば、周波数スペクトルには、ローラービットの取りつけ
位置に応じたピークが現れることが分かる。即ち、正常
に運転中のカッターヘッドの近傍において検出される振
動の周波数スペクトルには、カッターヘッドの構成に応
じたピークの分布が観測されることが分かる。そして、
ローラービットの何れかに異常が生じてそのローラービ
ットの回転が変化すると、周波数のピークの分布に変化
が生じることになる。
【0018】このようにして、周波数スペクトルのピー
クを監視することによって、カッターヘッドのローラー
ビットの回転状況を把握することが可能となるのであ
る。ローラービットの偏摩耗や欠損等の異常が発生する
と、ローラービットが正常に回転しなくなり、そのよう
な回転状況の異常は周波数スペクトルのピークの変化、
具体的には、特定のピークの消滅等として現れる。
【0019】そして、上述した式によれば、変化したピ
ークの周波数から、異常の発生したローラービットの取
りつけ位置を知ることができるのである。また、通常
は、各ローラービットの軌跡が等間隔の同心円を描くよ
うに、カッターヘッドの中心から各ローラービットまで
の距離がそれぞれ一定差になるように配設されている
(図2参照)ために、前記式におけるローラービットの
取りつけ径Dが一定差になり、スペクトル分析したとき
のピークの分布は一定の周波数間隔となる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下に、本発明にかかるTBMの
カッター監視方法を、その方法に用いる監視装置の実施
の形態を示した図面に基づいて詳細に説明する。本発明
のカッター監視方法に用いるカッター監視装置の構成を
示した図1において、1はTBMであり、その先端には
n個のローラービットB1,B2,・・・Bnが半径方
向に配設され、モータによって回転するカッターヘッド
2を備え、このカッターヘッド2の後方には坑壁に押圧
されて位置を保持するグリッパ3を備え、カッターヘッ
ド2とグリッパ3との間にはカッターヘッド2を推進さ
せるジャッキ4を備えている。
【0021】5は隔壁6の前方にて掘削された土砂を後
方へ掻き出すスクリューコンベアであり、7はスクリュ
ーコンベア5で掻き出された土砂をさらに後方へ排出す
るベルトコンベアである。
【0022】10は隔壁6に固定された圧電型加速度計
を用いた振動検出器、11は前記振動検出器10によっ
て検出した振動信号を増幅するする増幅器、12は増幅
器11にて増幅された振動信号をFFT演算によってス
ペクトル分析する処理装置である。
【0023】
【発明の効果】請求項1,2のTBMのカッター監視方
法、及び監視装置によれば、ローラービットの回転によ
る振動を周波数スペクトル分析して、ローラービットの
偏摩耗や欠損等の異常を監視できるので、何回もTBM
の運転を停止してローラービットを目視観察する必要が
なく、高い作業能率の安全性が得られる。
【0024】各ローラービットB1,B2,・・・Bn
の回転によって生じる振動のスペクトルはそれぞれピー
クP1,P2,・・・Pnに対応していることを、予め
確認しておく。このようにして、図3のスペクトル分布
を、基準となるピーク分布情報としてハードコピー等し
ておく。
【0025】次に、実際の掘進作業を行う。このとき、
掘進中において上記同様にスペクトル分析してピークの
分布状況を監視する。このような掘進中におけるスペク
トル分布が、図4のようになった場合には、図3のピー
ク分布と対比させると7番目のピークP7が極端に低く
なっていることが観察される。
【0026】7番目のピークP7は7番目のローラービ
ットB7に対応しているので、7番目のローラービット
B7に偏摩耗か欠損等の異常が発生していると判定でき
る。そこて、TBMの運転を中止して、ローラービット
の交換作業を行い、作業を再開する。
【0027】このように、図4のようなピークの異常が
現れるまでTBMを停止させて検査する必要がないの
で、極めて能率よく掘削作業が行える。また、切羽とカ
ッターヘッドとの間に人間が立ち入る回数が減るので危
険も減少する。
【0028】以上においては、スペクトル分析の結果を
監視しながら、人間が判断する方法を説明したが、自動
的な判断機能を具備することも可能である。そのために
は、図1の構成に加えて、図5のように、基準となるピ
ーク分布情報Pと、各ピークとそれに対応するローラー
ビットの位置を特定する位置情報Qとを記憶させた記憶
装置121、及び、基準となるピーク分布情報Pと掘進
中のピーク分布情報P’とを対比させ、対応するピーク
の高さが設定された範囲を超えて変化した場合に、位置
情報Qに基づいて異常の発生したローラービットの位置
を特定する判定回路122を備えるとよい。
【0029】雑音を除去するとともに、周波数の相違に
よる減衰率の相違を補正することによって、図6のよう
なピーク分布情報P及び掘進中のピーク分布情報P’が
得られる。位置情報Qは、図7に示したように、ピーク
の高さが変化したピークの番号に基づいて、異常の発生
したローラービットの位置と番号とを特定する情報とし
て記憶されている。
【0030】また、振動検出器は、隔壁に1個だけ固定
するのではなく、数個の振動検出器を分散して配設し、
各振動検出器の信号を加算してスペクトル分析してもよ
い。また、各振動検出器の信号をスペクトル分析してか
ら加算してもよい。高い周波数の振動は、振動検出器に
到達するまでに減衰しやすいので、増幅器における高い
周波数の増幅率を大きく設定してもよい。
【0031】また、各ローラービットの近傍にそれぞれ
振動検出器を固定すると、他のローラービットの振動の
影響や雑音の影響が少なくなるので、より正確な監視が
可能となる。このとき、各振動検出器の信号はスペクト
ル分析しなくても、各ローラービットの振動を識別する
ことが可能な場合もある。なお、各ピークの周波数が変
化しなければ、スペクトル分析に代えて、複数のフィル
ターで処理することも可能である。
【0032】また、カッターヘッドから離れた位置に第
2の振動検出器を固定し、増幅器においては、カッター
ヘッドの近傍に固定した振動検出器による信号から第2
の振動検出器による信号を減算して、ローラービットの
回転による振動以外の振動成分を排除するように構成し
てもよい。
【0033】
【発明の効果】請求項1,2のTBMのカッター監視方
法によれば、ローラービットの回転による振動を検出す
ることによって、ローラービットの偏摩耗や欠損等の異
常を監視できるので、何回もTBMの運転を停止してロ
ーラービットを目視観察する必要がなく、高い作業能率
の安全性が得られる。
【0034】請求項3,4,5のTBMのカッター監視
方法、及び監視装置によれば、ローラービットの回転に
よる振動を周波数スペクトル分析して、ローラービット
の偏摩耗や欠損等の異常を監視できるので、何回もTB
Mの運転を停止してローラービットを目視観察する必要
がなく、高い作業能率の安全性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるカッターヘッドの監視装置の実
施の形態の構成を示した構成図である。
【図2】カッターヘッドの概略正面図である。
【図3】同監視装置における基準となるスペクトル分布
図である。
【図4】同監視装置における掘進中のスペクトル分布図
である。
【図5】請求項4の監視装置の要部の構成図である。
【図6】ピーク分布情報の内容を説明する図である。
【図7】位置情報の内容を説明する図である。
【図8】本発明の監視方法において得られたスペクトル
分布図の例である。
【図9】本発明の監視方法において得られたスペクトル
分布図の例である。
【符号の説明】
1 TBM 2 カッターヘッド 6 隔壁 10 振動検出器 12 処理装置(スペクトル分析手段) 121 記憶装置(記憶手段) 122 判定回路(判定手段) B1,B2,・・・Bn ローラービット
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01H 17/00 G01M 19/00 G01N 29/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】TBMの回転するカッターヘッドの振動を
    検出する振動検出器をカッターヘッドの近傍に配設し、 全てのローラービットが正常で掘進中におけるカッター
    ヘッドの振動を前記振動検出器によって検出して、その
    振動を周波数スペクトル分析して、基準となるピーク分
    布情報と、各ピークと各ローラービットとの対応情報と
    を予め得て、 実際に掘進中におけるカッターヘッドの振動を前記振動
    検出器によって検出して、その振動を周波数スペクトル
    分析して、掘進中のピーク分布情報を得て、 基準となるピーク分布情報と掘進中のピーク分布情報と
    における対応するピークどうしを比較することによっ
    て、各ピークに対応するローラービットの状態を監視す
    ることを特徴とするTBMのカッター監視方法。
  2. 【請求項2】所定の基準ピーク分布情報と、基準ピーク
    分布情報における各ビークと各ローラービットとを対応
    させて記憶した記憶手段と、 TBMの回転するカッターヘッドの近傍に配設されてカ
    ッターヘッドの振動を検出する振動検出器と、 前記振動検出器によって検出した振動を周波数スペクト
    ル分析して、ピーク分布情報を出力するスペクトル分析
    手段と、 このスペクトル分析手段から出力されたピーク分布情報
    を前記基準ピーク分布情報と比較することによって、各
    ピークに対応するローラービットの状態を判定する判定
    手段とを備えたことを特徴とするTBMのカッター監視
    装置。
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