JP3828615B2 - トンネル掘削機械のカッタの損耗診断方法 - Google Patents
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Description
【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KT を定義し、この掘削係数KT 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、KT 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=KT 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KT 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KT を定義する。
KT =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KT 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KT 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KT 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KT 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KT 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、KT 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KT 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WT はKT 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KT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wmax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wmax/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KT 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KT 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KT 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KT 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KT 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KT 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KT 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KT 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wmean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KT 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wmax は18mmと定められているため、▲7▼式が示唆するKT 2の積算値の限界は 5.5×105 単位となる。しかし実際にはwmax =wmeanではないから、KT 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、wmax = 1.2wmeanと仮定すると、▲7▼式が示唆するKT 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KT 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KT によって、カッタ本体の摩耗量wを定量的に診断し、また、KT 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KT 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KT 2の積算値と、その区間で生じたカッタ摩耗量の平均値wmean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)
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