JP3828615B2

JP3828615B2 - トンネル掘削機械のカッタの損耗診断方法

Info

Publication number: JP3828615B2
Application number: JP23367096A
Authority: JP
Inventors: 顕美秩父; 広司吉野; 一彦佐藤
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 1996-08-16
Filing date: 1996-08-16
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2016-08-16
Also published as: JPH1061384A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールド掘進機やトンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）等のトンネル掘削機械によるトンネルや上下水道等の掘削工事において、地盤を掘削するカッタの損耗量を定量的に診断する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド工法によるトンネルや上下水道等の掘削工事においては、シールド掘進機の前面で回転して地盤を掘削するカッタヘッド上のカッタ本体は、地盤の切削に伴い経時的に摩耗や損傷を受けるため、ある程度カッタ本体が損耗した場合は、これを交換する必要がある。しかし、地中でのカッタ本体の交換は煩雑で大掛かりな工事を伴うため、必要以上の頻度で交換すると、掘削工事の中断回数が増大することによって工期が長くなったり、コストが上昇し、また、交換頻度が過小である場合は、カッタ本体が許容範囲を超えて損耗されることによって掘進速度や掘削効率が著しく低下するため、カッタ本体の健全性を地上で常時診断し、その交換時期を的確に決定する必要がある。
【０００３】
このようなカッタ本体の健全性の診断方法として、従来は、カッタ本体の損耗の進行度合が地盤との摺動量にほぼ比例するとの仮定に基づいて、掘進に伴う前記カッタ本体の周回距離を計測する方法が採用されている。この方法によれば、硬い地盤ほど、一定の掘進距離におけるカッタ本体の周回距離が増大して損耗が進行するものと診断される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カッタ本体の損耗は、実際にはトンネル掘削機械の運転状況や、掘削される地盤の硬さに支配されるため、回転数から求められるカッタ本体の摺動距離のみのデータでは、カッタ本体の損耗の進行状況を高精度で診断してその交換時期を的確に推定することは困難である。
【０００５】
本発明は、上記のような事情のもとになされたもので、その技術的課題とするところは、トンネル掘削機械が掘削対象地盤に対してした仕事量と、カッタ本体の損耗量との関係に着目し、診断精度を向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るトンネル掘削機械のカッタの損耗診断方法は、地中を掘進するトンネル掘削機械の推進速度ｖ、カッタヘッドのトルクＴ及びカッタヘッドの回転数ωを計測して、これらの値から掘削係数Ｋ_T を定義し、この掘削係数Ｋ_T を指標として、前記カッタヘッド上に配置されたカッタ本体の摩耗量ｗを定量的に診断するものであり、また、Ｋ_T ²の積算値が所定の値に達した場合にカッタの摩耗量が許容限界に達したと判定するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
トンネルや上下水道等の掘削工事では、トンネル掘削機械の運転状況を管理するために、各種の機械量を計測している。これらの計測データのうち、前記掘削機械の掘削性能を評価するうえで基本となるのは、総推力Ｆ、カッタトルクＴ、推進用ジャッキの推進速度ｖ及びカッタヘッドの回転数ωである。トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）による硬岩の掘削では、カッタトルクＴとカッタヘッド１回転当たりの掘進距離Ｐとの間に次式▲１▼が成り立つことが見出される。
Ｔ＝Ｋ_T Ｐⁿ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・▲１▼
上記▲１▼式においては、掘削対象の岩石の種類や、カッタ本体の幾何学的形状、寸法とは独立して、指数ｎは 1.0〜1.5 であり、係数Ｋ_T は掘削対象地盤の性状やカッタ本体の幾何学的性質を反映する。
【０００８】
上記▲１▼式は硬岩を掘削対象としたＴＢＭでの経験式であるが、本発明ではこの経験式を礫岩や砂礫岩等を含む地盤の掘削にも適用し得るものと仮定し、次式▲２▼により係数Ｋ_T を定義する。
Ｋ_T ＝Ｔ／Ｐ＝Ｔ・ω／ｖ・・・・・・・・・・・・▲２▼
ここで、▲２▼式は▲１▼式における指数ｎを 1.0と想定していることになる。
【０００９】
本発明では、▲２▼式で定義される係数Ｋ_T を掘削係数と呼び、これをカッタ交換の判定のための有効な指標として採用する。この掘削係数Ｋ_T は、上述のように、掘削対象地盤の力学的性質とカッタヘッド上に配列されたカッタ本体の幾何学的条件の双方に依存する。したがって、カッタ本体の摩耗が一定とみなし得る区間で掘削係数Ｋ_T に変化が生じるとすれば、それは掘削対象地盤の変化、すなわち地質の変化か、地盤の力学的性質の変化の少なくともいずれかが生じたことが予想される。また掘削対象地盤が同一地層区分に属しているにも拘らず掘削係数Ｋ_T が変化したとすれば、そのときにはカッタの幾何学的性質が変化したしたこと、具体的にはカッタ本体の摩耗が進展した可能性がある。
【００１０】
▲２▼式で定義したカッタトルクに係る掘削係数Ｋ_T について、別の視点からその物理的意味を述べる。▲２▼式から明らかなように、Ｋ_T は単位掘進長だけ掘削するためにトンネル掘削機械が地盤に対してした仕事のうち、カッタヘッドの回転に基づく寄与を表している。ここではこれを回転掘削仕事と呼ぶ。すなわちＫ_T は単位掘進長当たりの回転掘削仕事であるから、カッタ本体の交換時を起点として任意の距離Ｌだけ掘進したときの仕事Ｗ_T はＫ_T を積算することによって与えられる。すなわち、
【数１】

【００１１】
ここで、カッタ本体の摩耗量ｗは、トンネル掘削機械が掘削対象地盤に対してした回転掘削仕事と関連しているため、次式４で表されるものと仮定する。
【数２】

すなわち、この４式によれば、摩耗量は単位掘進長当たりの回転掘削仕事Ｋ_Ｔの２乗の積算値に比例することになる。
【００１２】
４式が成り立てば、カッタ本体の交換の判定規準は次式５で表される。すなわちカッタ交換の規準が、許容される摩耗量の最大値ｗ_ｍａｘで定められたとすると、判定規準は、
【数３】

である。この５式は、Ｋ _Ｔ ^２の積算値が前回カッタ本体を交換した時から起算してｗ_ｍａｘ/ｃに達した時点（４式で右辺と左辺が等しくなった時点）でカッタ本体を交換すべきであることを示している。
【００１３】
５式の判定規準では係数ｃを事前に把握しておく必要がある。この場合、過去に同一機種のトンネル掘削機械での工事実績があれば、それを利用して係数ｃを求めておくことができる。また、この機種のトンネル掘削機械による工事実績がなければ、掘進初期の段階で掘進データとカッタ本体の摩耗量の実測値から、後述の実施例で述べるような手法に準じて推定する。
【００１４】
【実施例】
本発明の実施例として、外径が2140mm、総推力が最大4704kN (480tf)、カッタヘッドの回転トルクが最大353kN・m (36tf・m)の岩盤対応型のシールド掘進機を用いて、総延長1816m （シールド掘進機の発進位置から起算した一次覆工セグメントのリング数に換算して1779リングに相当する距離）の下水道幹線施設工事を行った事例について説明する。前記シールド掘進機は、図１に示すように、略円筒形のシールドフレーム１の掘進方向前端で、円盤状のカッタヘッド２をシールドフレーム１の軸心部を中心に回転させて地盤Ｇを掘削し、これによって発生した掘削土（ズリ）Ｇ’を、カッタヘッド２に形成されたスリット（図示省略）からその背面の密閉チャンバ３内に導入して、カッタヘッド２の回転に伴って撹拌し、この密閉チャンバ３から後方へ延在されたスクリュコンベア４を介して排土ゲート５に連続的に搬送し、更にそこから適宜搬送手段を介して地上へ排出するようになっている。
【００１５】
また、シールドフレーム１の掘進方向後端では、掘削された坑内壁に、図示されていないエレクタによって複数のセグメントＳを環状に組み立てて、土圧に耐えるための一次覆工を施している。そして、セグメントＳを１リング分だけ組み立てたら、このセグメントＳの前端に推進用油圧ジャッキ６を当てて押圧することによって、その反力でシールド掘進機を前記１リング分の軸方向長さＬに相当する一定距離だけ掘進してから、次の１リング分のセグメントＳの組み立てを行うといった行程のサイクルが繰り返される。
【００１６】
密閉チャンバ３を形成している隔壁７の後面には、カッタヘッド２における掘削音を検出するための加速度センサが取り付けられ、推進用油圧ジャッキ６にはジャッキ推進速度ｖを計測するためのジャッキセンサが取り付けられ、カッタヘッド２の駆動系には、カッタヘッド２の回転トルクＴを計測するためのトルクセンサや、カッタヘッド２の回転数ωを計測するための回転数センサが取り付けられている。前記推進速度ｖ、トルクＴ、回転数ω等は、それぞれ掘進長25cm毎に計測して地上の制御室内に設置したコンピュータに供給し、このコンピュータによって各種演算を行うようにした。
【００１７】
図２は図１に示す岩盤対応型シールド掘進機を正面から見たものであり、カッタヘッド２には、カッタ本体としてディスクカッタ２１が10セット、ツールビット２２が 5個× 6列＝30個、その他センタカッタ２３、ゲージカッタ２４などが取り付けられている。ディスクカッタ２１はいずれも直径が 305mmで、その許容される摩耗限界は18mmと定められている。
【００１８】
工区の地質構成は、事前のボーリング調査によると、図３に示すように全区間のうち発進側約２／３は泥岩と礫岩からなる地層、到達側約１／３は砂礫層であった。泥岩は全体的に風化が進んでおり、シルト状又は砂質の泥岩である。礫岩は10〜30mmの円礫を主体とする砂礫からなり、80〜200mm の玉石が１ｍにつき 3〜4 個点在する。工区後半の砂礫層は、 5〜60mmの礫を主体とし、80〜300mm の玉石が混入している。
【００１９】
カッタヘッド２による地盤掘削音は軟らかい粘性土層では小さく、地盤が硬くなるにつれて大きくなるため、隔壁７の後面の加速度センサで検出される音響信号から不要な周波数成分をカットオフし波形処理することによって得られた一定の掘削距離毎の掘削音信号ＡＥ強度を、掘削地盤の硬さを表す特徴パラメータとして採用した。図４は、発進後40リング位置から掘進完了位置までのほぼ全工区について、各リング（掘進行程）毎の掘削音信号ＡＥ強度の変化を示したものである。
【００２０】
すなわち図４によれば、シールド掘進機が図３に示す泥岩及び礫岩層内を掘進している区間に相当する1150リング付近までは、掘削音信号ＡＥ強度は1V程度の小さい値を示し、特に顕著な変化は認められない。その後1150リング付近からは玉石を含む砂礫層に移行するのに対応して、掘削音信号ＡＥ強度の急激な増大が見られ、しかもその値は 1.5〜4.5Vまで激しく変化しているため、かなり地盤の硬軟の差があることを示している。特に1450〜1550リング付近では掘削音信号ＡＥ強度が著しく大きくなっており、地盤がかなり硬いことを示している。
【００２１】
この事例では、発進後しばらくは軟らかい泥岩及び礫岩層内を掘削しているため、カッタの摩耗や損傷も軽微であると推定されるが、このような軟らかい地盤を掘進している場合でも摩耗は確実に進行するため、 781リングに相当する位置まで掘進した時点で第１回目のカッタ交換が行われた。その後は1150リング付近で砂礫層への移行によって、摩耗の進行がやや早まるものと推定され、1304リングに相当する位置まで掘進した時点で第２回目のカッタ交換が行われた。更にその後は1400リング付近から掘削音信号ＡＥ強度が著しく大きくなって地盤がかなり硬い区間に相当し、ディスクカッタ２１がかなり損傷を受けているものと推定されるため、第２回目のカッタ交換後僅か 141リングの距離を掘削して1446リングに相当する位置まで掘進した時点で第３回目のカッタ交換が行われた。
【００２２】
ディスクカッタ２１のカッタリング摩耗量（以下、カッタ摩耗量という）は、各カッタ交換時ならびに1779リングで掘進完了時の計４回測定された。図５はその測定結果を示すもので、この図中の横軸には、ディスクカッタ２１の各カッタリングの位置をカッタヘッド２の中心から計測した距離で示している。図５によると、カッタヘッド２の中心から離れた位置にあるカッタリングほど（外周側ほど）周速が大きいことによって摩耗量が大きくなる傾向がみられる。また、第１回目のディスクカッタ交換時に測定したカッタ摩耗量の平均値は 8.9mm、第２回目のカッタ交換時に測定したカッタ摩耗量の平均値は11.3mm、第３回目のカッタ交換時に測定したカッタ摩耗量の平均値は15.2mm、掘進完了位置でのカッタ交換時に測定したカッタ摩耗量の平均値は12.6mmであった。
【００２３】
次に、この工事の事例について、本発明による損耗診断方法を適用し、カッタ交換時期について評価してみた。図６は、▲２▼式に基づいて１リング毎に算出した掘削係数Ｋ_T の推移を示すものである。
【００２４】
すなわち図６によれば、先に説明した掘削音信号ＡＥ強度と同様、シールド掘進機が泥岩及び礫岩層内を掘進している区間に相当する約1150リング位置までは、掘削係数Ｋ_T は相対的に低い水準にとどまっているが、砂礫層内へ移行するのと同時に掘削係数Ｋ_T は急激に高くなり、その後は掘進終了位置まで高い水準となっている。しかし、これを更に詳細に観察すると、砂礫層内の掘進過程でも1450リング位置以降はそれ以前に比較して掘削係数Ｋ_T の値が低下しており、高い水準を維持している掘削音信号ＡＥ強度の推移とはやや異なる傾向を示していることがわかる。
【００２５】
例えば、図４に符号Ａで示すように、1250〜1300リング付近にかけて掘削音信号ＡＥ強度がやや減少している領域があり、すなわちこの領域Ａでは地盤がある程度軟らかくなっていることを示しているのに対して、図６を参照すると、掘削係数Ｋ_T は、この領域Ａでは逆に大きな値を示している。地盤が軟らかいにも拘らず掘削係数Ｋ_T が大きくなっているのは、摩耗や損傷によって掘削能力が低下しているであると推定される。また例えば、図４に符号Ｂで示すように、1450〜1550リングにかけて掘削音信号ＡＥ強度が極めて大きい領域があり、すなわちこの領域Ｂでは地盤が極めて硬いことを示しているのに対して、図６を参照すると、掘削係数Ｋ_T は、この領域Ｂでは逆に小さな値を示している。地盤が硬いにも拘らず掘削係数Ｋ_T が小さくなっているのは、1446リングに相当する位置でのカッタ交換によって、掘削能力が回復したためであると推定される。
【００２６】
次に、カッタ摩耗量とＫ _Ｔ ^２の積算値との関係に着目する。図７は各カッタ交換位置を起点とするＫ _Ｔの積算値及びＫ _Ｔ ^２の積算値の推移を示すもので、すなわち、前記各カッタ交換位置を境に全工区を４つの区間に分け、各区間毎に、Ｋ _Ｔの積算値及びＫ _Ｔ ^２の積算値を求めてある。図８は各区間毎のＫ _Ｔ ^２の積算値と、その区間で生じたカッタ摩耗量の平均値ｗ_ｍｅａｎとを対比して示すものである。この図から明らかなように、前記Ｋ_Ｔ ^２の積算値とカッタ摩耗量の平均値との間には次の比例関係が見出される。
【数４】

また、この６式が成立するならば、５式による判定規準は次式７のように改められる。
【数５】

【００２７】
この実施例の場合、図８に示すようにａ＝ 2.4×10^-5、ｂ＝ 4.8mmであり、また先に述べたように、ディスクカッタ２１の摩耗限界ｗ_max は18mmと定められているため、▲７▼式が示唆するＫ_T ²の積算値の限界は 5.5×10⁵ 単位となる。しかし実際にはｗ_max ＝ｗ_meanではないから、Ｋ_T ²の積算値の限界はもう少し低い水準に抑えるべきと考えられる。そこで、ｗ_max ＝ 1.2ｗ_meanと仮定すると、▲７▼式が示唆するＫ_T ²の積算値の限界は 4.2×10⁵ 単位になる。実際の全工区でのＫ_T ²の積算値は11.9×10⁵ 単位であるから、発進してから掘進完了までの途中のカッタ交換回数を求めると、
11.9× 10⁵／(4.2×10⁵)−１＝1.8
となり、カッタ交換は２回で良かったことになる。すなわち、実際の工事ではカッタを３回交換したわけだから、交換回数を１回節減できた可能性がある。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、トンネル掘削機械が掘削対象地盤に対してした仕事量を表す掘削係数Ｋ_T によって、カッタ本体の摩耗量ｗを定量的に診断し、また、Ｋ_T ²の積算値が所定の値に達した場合にカッタの摩耗量が許容限界に達したと判定するものであるため、カッタ交換時期の判定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する実施例として岩盤対応型シールド掘進機による下水道幹線施設工事の状況を示す概略的な説明図である。
【図２】上記岩盤対応型シールド掘進機のカッタヘッドを正面から見た図である。
【図３】上記下水道幹線施設工事における工区の地質構成を示す説明図である。
【図４】上記下水道幹線施設工事における発進後40リング位置から掘進完了までのほぼ全工区について測定した掘削音信号ＡＥ強度の変化を示す説明図である。
【図５】上記下水道幹線施設工事における各カッタ交換時ならびに掘進完了時に測定したカッタ摩耗量を示す説明図である。
【図６】上記下水道幹線施設工事における発進後40リング位置から掘進完了までのほぼ全工区について、掘削係数Ｋ_T の変化を示す説明図である。
【図７】上記各カッタ交換位置を起点とするＫ _Ｔの積算値及びＫ _Ｔ ^２の積算値の推移を示す説明図である。
【図８】上記工区を各カッタ交換位置で分けた各区間毎のＫ_T ²の積算値と、その区間で生じたカッタ摩耗量の平均値ｗ_meanとの関係を示す説明図である。
【符号の説明】
２カッタヘッド
２１ディスクカッタ（カッタ本体）

Claims

地中を掘進するトンネル掘削機械の推進速度ｖ、カッタヘッドのトルクＴ及びカッタヘッドの回転数ωを計測して、これらの値から掘削係数Ｋ_ＴをＫ_Ｔ＝Ｔ・ω／ｖと定義し、前記カッタヘッド上に配置されたカッタ本体の摩耗量ｗを次式；

により定量的に診断することを特徴とするトンネル掘削機械のカッタの損耗診断方法。
請求項１の記載において、カッタ本体の交換の判定規準は次式；

で求め、Ｋ _Ｔ ^２の積算値が前回カッタ本体を交換した時から起算してｗ_ｍａｘ/ｃに達した時点でカッタ本体を交換すべきであると判定することを特徴とするトンネル掘削機械のカッタの損耗診断方法。