JPH09328993A - トンネル掘削機械のカッタフェイスの損耗診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トンネル掘削機械のカッタフェイスの損耗状
態を高精度に診断してその交換時期を的確に推定する。 【解決手段】 シールド掘進機１０の密閉チャンバ１３
の隔壁１７に取り付けられた加速度センサ１からの音響
検出信号のうち、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、掘削音のみによる一定の掘削距
離毎の平均振幅値Ｖを求め、回転数センサ８により計測
されるカッタフェイス１２の回転数Ｒ及びジャッキセン
サ９により計測されるシールド掘進機１０の総推力Ｐ、
推進速度Ｊから掘削係数ｋを算出し、カッタフェイス１
２の寿命を推定する指標である前記平均振幅値Ｖ及び掘
削係数ｋの組み合わせからカッタフェイス１２の健全性
を診断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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掘削工事において、地盤を掘削する
カッタフェイスの健全性を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
するカッタフェイス（ディスクカッタ）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
タフェイスが損耗した場合は、これを交換する必要があ
る。しかし、地中でのカッタフェイスの交換は煩雑で大
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、カッタフェイス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、カッタフェイス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】このようなカッタフェイスの健全性の診断
方法として、従来は、カッタフェイスの損耗の進行度合
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フェイス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フエイスの周回距離
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、カッタフェイ
スの損耗は、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
められるカッタフェイスの摺動距離のみのデータでは、
カッタフェイス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
掘削機械の機械量のデータと、掘削される地盤の硬さの
データとをカッタフェイスの損耗を診断するための特徴
パラメータとして採用することにより、診断の精度を向
上させることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】トンネル掘削機械のカッ
タフェイスによる地盤掘削音は、掘削地盤の硬さに起因
する掘削状況の変化に対応して変化し、例えば軟らかい
粘性土層では音が小さく、砂礫層、岩盤層というよう
に、地盤が硬くなるにつれて掘削音が大きくなるため、
このような音の大きさを利用して掘削地盤の硬さを知る
ことができ、また、掘削音の大きさは、信号波形の振幅
値を用いて表すことができる。そこで、本発明に係るト
ンネル掘削機械のカッタフェイスの損耗診断方法におい
ては、機械の駆動による騒音等のノイズを含む地盤掘削
音を検出する音波センサからの音響検出信号のうち、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の平均振幅値Ｖ
を、掘削地盤の硬さを表す特徴パラメータとして利用す
る。

【０００７】一方、トンネル掘削機械の総推力Ｐ、推進
速度Ｊ及びカッタフェイスの回転数Ｒは、いずれもカッ
タフェイスによる地盤掘削状況を表す情報である。そこ
で、本発明に係るトンネル掘削機械のカッタフェイスの
損耗診断方法においては、前記総推力Ｐ、推進速度Ｊ及
び回転数Ｒを計測し、これらの計測値から、機械量のパ
ラメータとして、地盤掘削状況を表す掘削係数ｋを次式
で定義する。 ｋ＝Ｐ／（Ｊ／Ｒ） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

【０００８】この掘削係数ｋは、カッタフェイスがもつ
幾何学的条件の変化、すなわちカッタフェイスの損耗に
よる掘削力の変化と、掘削される地盤の力学的性質に依
存する掘削抵抗の程度を表す指標となるものである。

【０００９】すなわち、上述の平均振幅値Ｖ及び掘削係
数ｋはいずれも、その数値が高いほどカッタフェイスの
寿命を短縮するものと考えることができる。したがっ
て、上述の平均振幅値Ｖと掘削係数ｋとの組み合わせか
ら推定されるカッタフェイスの健全性を予めパターン化
していくつかの診断パターンを設定しておき、トンネル
掘削機械の運転により逐次得られる一定の掘削距離毎の
平均振幅値Ｖ及び掘削係数ｋを前記診断パターンと照合
することによって、前記カッタフェイスの損耗状況を診
断することができる。

【００１０】この場合、診断パターンとしては、例えば
次の４つのケースが考えられる。 ［ケース１］ Ｖ，ｋがいずれも所定の基準値より小さ
い場合；地盤が軟らかく、地盤切削状況も良好であるこ
とを示しており、カッタフェイスの損耗量が少なく、カ
ッタフェイス１回転あたりの掘進距離も大きいものと推
定されるので、交換が必要となるまでの掘進距離が延長
される。 ［ケース２］ Ｖが前記基準値より小さく、ｋが前記基
準値より大きい場合；地盤は軟らかいが、切削抵抗が大
きいことを示しており、カッタフェイス１回転あたりの
損耗量は小さいが、カッタフェイス１回転あたりの掘進
距離は短くなるものと推定されるので、その交換が必要
となるまでの掘進距離はそれほど増減しない。 ［ケース３］ Ｖが前記基準値より大きく、ｋが前記基
準値より小さい場合；地盤は硬いが、地盤切削状況は良
好であることを示しており、カッタフェイス１回転あた
りの損耗量は大きいが、カッタフェイス１回転あたりの
掘進距離は長くなることが推定されるので、その交換が
必要となるまでの距離はそれほど増減しない。 ［ケース４］ Ｖ，ｋがいずれも前記基準値より大きい
場合；地盤が硬く、かつ切削抵抗も大きいことを示して
おり、カッタフェイスが著しく損耗され、カッタフェイ
ス１回転あたりの掘進距離も短いものと推定されるの
で、その交換が必要となるまでの距離が短縮される。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係るトンネル掘
削機械のカッタフェイスの損耗診断方法の好ましい一実
施形態を示すもので、参照符号１０はシールド工法によ
るトンネル掘削工事に用いられるシールド掘進機であ
る。このシールド掘進機１０は、略円筒形のシールドフ
レーム１１の掘進方向前端で、多数のカッタビット１２
ａが設けられた円盤状のカッタフェイス（ディスクカッ
タ）１２をシールドフレーム１１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、カッタフェイス１２に形成されたスリ
ット（図示省略）から、その背面に形成された密閉チャ
ンバ１３内に導入して、カッタフェイス１２の回転に伴
って撹拌し、この密閉チャンバ１３から後方へ延在され
たスクリュコンベア１４を介して排土ゲート１５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。

【００１２】また、シールドフレーム１１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２０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２０を１リング分だけ組み立てたら、このセグ
メント２０の前端に推進用油圧ジャッキ１６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１０を
前記１リング分の軸方向幅Ｗ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２０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。

【００１３】密閉チャンバ１３を形成している隔壁１７
の後面には、音波センサとしての加速度センサ１が取り
付けられており、また、地上の制御室内には音響モニタ
３、オシロスコープ４、テープレコーダ５、波形処理装
置６、コンピュータ７等が設置されている。

【００１４】加速度センサ１は、ＰＺＴセラミックス素
子の圧電効果によって振動加速度に比例した電気信号を
発生し、すなわちカッタフェイス１２による地盤Ｇの掘
削音や、密閉チャンバ１３内でのズリＧ’の撹拌流動音
や、機械の駆動音等による隔壁１７の音響振動に対応し
た音響検出信号を出力するものである。加速度センサ１
から出力された音響検出信号はまずプリアンプ２によっ
て増幅され、地上の制御室内の音響モニタ３に供給され
る。この音響モニタ３は、増幅器３１と、カットオフ周
波数可変のバンドパスフィルタ３２と、ヘッドホンもし
くはスピーカからなる音響変換部３３とを備えている。

【００１５】加速度センサ１から供給される音響検出信
号には、シールド掘進機１０内のカッタフェイス１２の
駆動装置や、スクリュコンベア１４の駆動装置等、機械
自体が発生する騒音によるノイズが含まれているが、こ
のノイズは、バンドパスフィルタ３２のカットオフ周波
数の調整によって有効に除去することができる。このた
め、音響変換部３３では、主にカッタフェイス１２によ
る地盤Ｇの掘削音と対応する音響検出信号が音響情報と
して変換される。後述するように、掘削音の大きさや音
色等は、掘削される地盤の性状と対応するものであり、
したがって制御室内のオペレータは、スピーカ等の音響
変換部３３から出力される音響（音の高さ、音の大き
さ、音色等）の変化を聞き分けることによって、切羽で
の地盤Ｇの土質性状や、カッタフェイス１２での掘削状
況等を聴覚的に判断することができる。

【００１６】また、バンドパスフィルタ３２を通過した
音響検出信号は、オシロスコープ４、テープレコーダ５
及び波形処理装置６に供給される。オシロスコープ４
は、音響検出信号の波形を出力表示するものであり、そ
の波形パターンや振幅レベルの変化を視覚的に判断する
ことができる。図２は実際の信号波形の例を示すもの
で、（Ａ）は粘性土層、（Ｂ）は砂礫層、（Ｃ）は軟岩
層、（Ｄ）は硬岩層をそれぞれカッタフェイス１２で掘
削した時の信号波形である。すなわち、音響検出信号の
波形パターンや振幅レベルは掘削される地盤の硬さと明
瞭な対応関係が見られ、例えば粘性土層のような一様な
軟質地盤では（Ａ）に示すように掘削音が小さく、硬岩
層では（Ｄ）に示すように大きな掘削音を発生し、ま
た、硬質の礫や岩片が多数散在する地盤では、（Ｂ）に
示すように、礫や岩片との干渉に対応して振幅がランダ
ムに変化する。このため、オシロスコープ４による波形
観察によって、掘削されている地盤Ｇの硬さ等の状況を
視覚的にも判断することができる。また、音響検出信号
をテープレコーダ５に録音しておけば、この録音された
信号を分析することができる。

【００１７】波形処理装置６は、整流回路６１と、包絡
線検波回路６２と、Ａ／Ｄ変換回路６３からなる。整流
回路６１は、バンドパスフィルタ３２によって濾波され
た図３（Ａ）に示す波形の音響検出信号を、図３（Ｂ）
に示す絶対値表示波形に全波整流するものであり、包絡
線検波回路６２は、前記絶対値表示波形における振幅ピ
ークを包絡して図３（Ｃ）に示すような包絡検波波形と
して積分出力するものであり、Ａ／Ｄ変換回路６３は、
この包絡線検波されたアナログ信号を一定のサンプリン
グ周期ΔＴ（例えば20msec）毎にサンプリングし、図３
（Ｄ）に示すように、サンプリング時刻毎に振幅レベル
を量子化し、これに対応して二値化した振幅値データＶ
₀ を出力するものである。

【００１８】カッタフェイス１２を回転させるモータ
（図示省略）又は前記カッタフェイス１２の中心軸に
は、その回転数Ｒを計測するためにロータリエンコーダ
等の回転数センサ８が取り付けられており、推進用油圧
ジャッキ１６には、この油圧ジャッキ１６によるシール
ド掘進機１０の総推力Ｐ及び推進速度Ｊを計測するため
にジャッキセンサ９が取り付けられている。このジャッ
キセンサ９は、前記総推力Ｐとして例えば油圧ジャッキ
１６に供給される油圧を計測する圧力センサや、前記推
進速度Ｊとしてこの油圧ジャッキ１６の出力軸のストロ
ーク速度を計測する速度センサ等からなる。

【００１９】波形処理装置６から出力された振幅値デー
タＶ₀ と、回転数センサ８から出力された回転数Ｒの検
出データ及びジャッキセンサ９から出力された総推力Ｐ
及び推進速度Ｊの検出データは、マイコン等のコンピュ
ータ７に供給される。このコンピュータ７は、前記振幅
値データＶ₀ を例えばセグメント２０の各リングに対応
する掘進行程毎に蓄積して、この掘進行程毎の平均振幅
値Ｖを演算し、その演算結果を図表データとして当該コ
ンピュータ７のディスプレイ等の表示部７ａ又はプリン
タ（図示省略）に出力し、また、前記回転数Ｒ、総推力
Ｐ及び推進速度Ｊの計測データから、先に説明した式
によって掘削係数ｋを前記掘進行程毎に演算し、その演
算結果を図表データとして前記表示部７ａ又はプリンタ
に出力するものである。

【００２０】先に説明したように、掘削音の平均振幅値
Ｖは掘削される地盤Ｇの硬さに明確に対応するものであ
り、掘削係数ｋは掘削抵抗の程度を表す指標となるもの
であり、いずれも、その値が大きいほどカッタフェイス
の掘削可能距離が短縮されるものと考えることができ
る。したがって、それぞれについて予め設定した基準値
と比較することによってその大小を判定し、先に説明し
た［ケース１］〜［ケース４］の診断パターンと照合す
ることによって、カッタフェイス１２の健全性を診断
し、その交換時期を推定することができる。

【００２１】

【実施例】図４は、本発明の具体的な実施例として、シ
ールド掘進機の発進位置から起算したセグメントのリン
グ数1000〜1800に相当する区間について、コンピュータ
７の表示部７ａに図表データとして画像出力された各リ
ング（掘進行程）毎の平均振幅値Ｖの変化と、各リング
毎の掘削係数ｋの変化を例示したものである。この例に
おいては、例えば1000〜1150リング付近の位置では、平
均振幅値Ｖ及び掘削係数ｋが双方とも著しく小さい値を
示しており、その後1150リング付近からは平均振幅値Ｖ
や掘削係数ｋの増大傾向が見られるが、概ね［ケース
１］の診断パターンを示すため、カッタフェイスの交換
を必要とするまでの距離（寿命）が長くなり、その結
果、1304リングに相当する位置まで掘削した時点でカッ
タフェイスが交換された。

【００２２】その後は、平均振幅値Ｖは大きいが、掘削
係数ｋは小さいために［ケース３］の診断パターンを示
す区間があり、すなわちこの区間では、カッタフェイス
の損耗量は小さいが、地盤が硬いことによってカッタフ
ェイス１回転あたりの掘進距離が短くなることが推定さ
れるので、カッタフェイスの寿命の増減にはそれほど影
響しないが、1400リング付近から平均振幅値Ｖ及び掘削
係数ｋが双方とも大きくなっており、すなわち［ケース
４］の診断パターンを示しているため、カッタフェイス
の寿命が著しく短縮されることが推定された。その結
果、前回の1304リング位置で交換したカッタフェイス
は、それから僅か 141リングの距離を掘削しただけで、
すなわち1445リングの位置で再び交換された。

【００２３】なお、本発明は、図示の実施形態によって
限定的に解釈されるものではない。例えば、平均振幅値
Ｖ及び掘削係数ｋは基準値との偏差の大小も勘案するこ
とによって、カッタフェイスの交換時期の算出を一層高
精度に行うことができる。また上述の実施形態ではシー
ルド掘進機について説明したが、ＴＢＭ等の他のトンネ
ル掘削機械においても実施することができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明に係るトンネル掘削機械のカッタ
フェイスの損耗診断方法によると、地盤掘削音の振幅値
データを、掘削地盤の硬さを表す特徴パラメータとして
用い、トンネル掘削機械の運転中に計測される総推力、
推進速度及びカッタフェイスの回転数から算出される掘
削係数を、カッタフェイスの掘削力及び掘削地盤の力学
的性質に依存する掘削抵抗の程度を表す機械量のパラメ
ータとして用いることによって、トンネル掘削に伴うカ
ッタフェイスの損耗状況を高精度に診断し、その交換時
期を的確に推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトンネル掘削機械のカッタフェイ
スの損耗診断方法の一実施形態を示す概略的な説明図で
ある。

【図２】粘性土層、砂礫層、軟岩層、硬岩層を掘削した
場合に発生する掘削音を検出した音響検出信号の信号波
形を示す説明図である。

【図３】上記実施形態における波形処理装置による波形
処理を示す説明図である。

【図４】本発明による実施例として、セグメントのリン
グ数にして1000〜1800リングに相当する掘削区間につい
て実際に計測した各リング毎の平均振幅値Ｖ及び掘削係
数ｋの変化を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 加速度センサ（音波センサ） ３ 音響モニタ ６ 波形処理装置 ７ コンピュータ ８ 回転数センサ ９ ジャッキセンサ １０ シールド掘進機（トンネル掘削機械） １２ カッタフェイス Ｇ 地盤

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネル掘削機械のカッタフェイスによ
   る地盤掘削音を検出する音波センサからの音響検出信号
   のうち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の平均振
   幅値Ｖと、 前記トンネル掘削機械の総推力Ｐ、推進速度Ｊ及び前記
   カッタフェイスの回転数Ｒを計測してこれらの値から次
   式によって算出された一定掘削距離毎の掘削係数ｋ； ｋ＝Ｐ／（Ｊ／Ｒ） とカッタフェイスの健全性との相関関係を予めパターン
   化しておき、トンネル掘削機械の運転により逐次得られ
   る平均振幅値Ｖ及び掘削係数ｋを前記パターンと照合す
   ることによって、前記カッタフェイスの損耗状況を推定
   することを特徴とするトンネル掘削機械のカッタフェイ
   スの損耗診断方法。
2. 【請求項２】 請求項１の記載において、 平均振幅値Ｖ及び掘削係数ｋは、所定の基準値より小さ
   い場合にカッタフェイスの交換時期を延長し、前記基準
   値より大きい場合にはカッタフェイスの交換時期を短縮
   させることを特徴とするトンネル掘削機械のカッタフェ
   イスの損耗診断方法。