JPH10311717A - トンネル掘削機械のローラビット摩耗検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作業員がチャンバ１３に入り込まなくても、
ローラビット１２１の損耗状況を監視でき、ローラビッ
ト１２１の交換時期を的確に判断する。 【解決手段】 シールド掘進機１０カッタヘッド１２の
ズリ取り込み孔１２２にローラビット１２１が取り付け
られ、このローラビット１２１の外周の刃先に近接して
センシングプローブ２１が取り付けられている。渦流探
傷制御装置２５の周波数発振部２５１からの励磁電圧Ｅ
によって各センシングプローブ２１のセンシングコイル
を励磁すると、その交番磁界によってローラビット１２
１に渦電流を生じ、センシングコイルの自己誘導により
出力される誘導起電力はローラビット１２１の摩耗や損
傷の大きさに対応して変化するので、その出力信号Ｖを
渦流探傷制御装置２５及びパーソナルコンピュータ２６
で受信することによってローラビット１２１の摩耗や損
傷を検出する。

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や上下水道等の掘削工事において、
カッタヘッドの前面に取り付けられた岩石破砕用ローラ
ビットの損耗量を検出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネルや上下水道等の掘削工事におい
ては、シールド掘進機等のトンネル掘削機械の前面で回
転して地盤を掘削するカッタヘッド上の掘削ビットは、
地盤の切削に伴い経時的に摩耗や損傷を受けるため、あ
る程度掘削ビットが損耗した場合は、これを交換する必
要がある。例えばシールド掘進機の場合、地中での掘削
ビットの交換は、作業員がカッタヘッドの背面のチャン
バ内に入って行うが、チャンバ内でビット交換作業を行
うには、このチャンバに残存する礫などを含む掘削泥土
の除去及び清掃を行わなければならない。また、ビット
交換作業においては、前面の地山の崩壊や出水を防止す
るために、事前にカッタヘッドの周辺に薬液注入による
地山の防護工事を施す必要がある。

【０００３】このように、掘削ビットの交換には煩雑で
大掛かりな工事を伴い、その間は掘削工事が中断される
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、しかも危険作業を伴うため、この観点からは、
掘削ビットの交換頻度はなるべく少ないほうが良い。と
ころが、逆に交換頻度が少な過ぎると、掘削ビットが許
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
効率が著しく低下し、しかも掘削ビットばかりかカッタ
ヘッドの面板等も異常摩耗して、修復が困難になった
り、その後の掘進工事に支障を来すことになり、結果的
に工事の遅延や大幅なコスト上昇を招く。したがって、
掘削ビットの摩耗状況は地上から常時把握し、その交換
時期を的確に決定する必要がある。

【０００４】そこで、カッタヘッドに配置された掘削ビ
ットのうち、カッタビットのような回転しない固定型の
掘削ビットには、超音波信号を利用した摩耗検出方法が
実用化されている。しかし、地中の岩盤を破砕するため
のローラビットのように、回転運動する掘削ビットの摩
耗検出方法は実用化されておらず、その摩耗量や交換時
期は過去の実績や勘により推定せざるを得ない。したが
って、ローラビットの摩耗状況を的確に把握するには、
交換時と同様に、作業員がチャンバに入り込んで確認す
るしか方法がなく、時間と手数のかかるものであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】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、作業員がチャンバに入り込むことなく、ローラ
ビットの摩耗量や摩耗形状を地上のコントロールルーム
でリアルタイムに監視でき、ローラビットの交換時期を
的確に判断できるようにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した技術的課題を有
効に解決するための手段として、本発明に係るトンネル
掘削機械のローラビット摩耗検出装置は、カッタヘッド
内部に強磁性体からなるローラビットの外周の刃先と近
接した位置に取り付けられたセンシングコイルと、この
センシングコイルに発生する誘導起電力を計測する計測
制御手段と、この計測手段の計測データから前記ローラ
ビットの摩耗量及び摩耗形状を解析する解析処理手段と
を備えるものである。すなわち本発明において、前記セ
ンシングコイルは、例えば交流電源からの所定周波数の
励磁電流が与えられることによって励磁され、その自己
誘導作用による誘導起電力を発生するものである。そし
てこの誘導起電力は、強磁性体からなるローラビットが
摩耗してセンシングコイルとのギャップが大きくなるの
に伴って減少する。また、前記ローラビットは掘削に伴
って回転するため、その外周面の一部に破損を生じた場
合は、この破損箇所がセンシングコイル側を向いた時に
前記ギャップが大きくなって誘導起電力が小さくなるか
ら、これによって破損形状や破損の大きさを把握でき
る。

【０００７】本発明において一層好ましくは、計測制御
手段及び解析処理手段は、トンネル掘削機械内部の操作
室に設置される。このようにすれば、ローラビットの異
常摩耗や破損を検出した場合の対応を迅速に行うことが
できる。また、前記解析処理手段による解析結果が地上
に設置した出力表示手段に出力されるようにすることに
よって、ローラビットの摩耗状況を地上で監視すること
ができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係るローラビッ
ト摩耗検出装置を、岩盤対応型のシールド掘進機に適用
した好ましい一実施形態を示すものである。すなわちこ
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、円盤状のカッタヘッド１２をシ
ールドフレーム１１の軸心部を中心に回転させて前面の
地盤あるいは岩盤を掘削し、これによって発生した掘削
土（ズリ）をカッタヘッド１２の背面のチャンバ１３内
に導入して、カッタヘッド１２の回転に伴って撹拌し、
このチャンバ１３から後方へ延在されたスクリュコンベ
ア１４を介して排出し、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。

【０００９】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を例えば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１５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リング分の軸方向長さ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。

【００１０】参照符号１２１はカッタヘッド１２に取り
付けられたローラビットである。このローラビット１２
１は、例えばシールド掘進機１０を正面から見た図２に
も示すように、カッタヘッド１２にその厚さ方向に形成
されたローラビット装着孔１２２内に配置されている。
これを更に詳しく説明すると、各ローラビット１２１
は、その取付部分の構造を拡大した図３及び図４に示す
ように、それぞれ熱処理により高硬度化された鋼材等の
強磁性体からなる円盤状の連続した刃先１２１ａを有す
るものであって、その円周方向一部がカッタヘッド１２
の正面側へ突出するように配置されており、内周部が、
カッタヘッド１２の円周方向（回転方向）に対して直交
する方向に軸支された軸１２１ｂにベアリング１２１ｃ
を介して回転可能な状態に支持されている。したがっ
て、カッタヘッド１２が例えば図２における反時計方向
（矢印Ａ）に回転する場合、これに伴って、地盤や岩盤
に接触している各ローラビット１２１はそれぞれ矢印Ｂ
方向に回転しながら前記地盤や岩盤を切削して行く。切
削により発生したズリは、カッタヘッド１２に開口した
複数のスリット１２６や前記ローラビット装着孔１２２
を介してチャンバ１３に導入される。

【００１１】なお図２に示すように、カッタヘッド１２
の前面にはローラビット１２１のほか、半径方向と平行
に並んだツールビット１２３や、先行カッタ１２４や、
ゲージカッタ１２５など、非回転の種々の掘削ビットが
取り付けられている。

【００１２】参照符号２１はローラビット１２１の損耗
を検出するセンシングプローブで、鉄芯２１１ａに巻回
されたセンシングコイル２１１と、これを格納・固定し
たハウジング２１２等からなる。ハウジング２１２は、
ローラビット装着孔１２２の内壁１２２ａに開設した開
口部に取り付けられている。センシングコイル２１１か
ら延びる導線（図示省略）は、ハウジング２１２内に固
定された配線基盤２１３から防護管２１４を通って導出
され、カッタヘッド１２の中心軸１２ａに各センシング
コイル２１１と対応して設けられたロータリジョイント
２３に接続されている。前記ローラビット装着孔１２２
に開放されたハウジング２１２の開口部は非磁性体であ
る耐摩耗性ゴム板２１６及び強化樹脂板２１７で閉塞す
ることによって、ローラビット装着孔１２２を通ってチ
ャンバ１３内に導入されるズリがハウジング２１２内に
侵入するのを防止すると共に、励磁されたセンシングコ
イル２１１からの磁束の透過を許容している。またハウ
ジング２１２の後面には、センシングコイル２１１から
の磁束が漏れないように磁気シールド材料からなる遮蔽
板２１８が設けられている。

【００１３】カッタヘッド１２におけるローラビット装
着孔１２２以外の部分の内部には、比較プローブ２２が
取り付けられている。この比較プローブ２２は、図５に
示すように、センシングプローブ２１とほぼ同様の構成
を有するもので、すなわちカッタヘッド１２内部にチャ
ンバ１３側へ向けて取り付けられたハウジング２２２に
センシングコイル２１１と同一構造の比較コイル２２１
が格納・固定され、この比較コイル２２１から延びる導
線（図示省略）が、ハウジング２２２内の配線基盤２２
３から防護管２２４を通って導出され、カッタヘッド１
２の中心軸１２ａに前記比較コイル２２１と対応して設
けられたロータリジョイント２３に接続されている。チ
ャンバ１３側のハウジング２１２の開口部は耐摩耗性ゴ
ム板２２６及び強化樹脂板２２７で閉塞され、また、ハ
ウジング２２２の後面には、磁気シールドのための遮蔽
板２２８が設けられている。

【００１４】図６に示すように、センシングプローブ２
１のセンシングコイル２１１と比較プローブ２２の比較
コイル２２１は一対の固定抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ と共に一つの
検出ブリッジ回路を構成している。Ｔ₁ ，Ｔ₂ は励磁電
圧Ｅが入力される入力端子、Ｔ₃ ，Ｔ₄ は探傷出力信号
Ｖが出力される出力端子である。このブリッジ回路にお
いては、センシングコイル２１１とローラビット１２１
との相対距離が一定でしかもローラビット１２１に損耗
が発生していない健全な状態で、センシングコイル２１
１のインピーダンスがＺｉ、比較コイル２２１のインピ
ーダンスがＺｃである場合に、 Ｚｉ・Ｒ₁ ＝Ｚｃ・Ｒ₂ となるようにブリッジバランスをとれば、出力端子Ｔ
₃ ，Ｔ₄ 間の出力Ｖは零である。

【００１５】シールド掘進機１０内には操作室１６が設
けられており、この操作室１６内にはブースタアンプ２
４と、計測制御手段としての渦流探傷制御装置２５と、
解析処理手段としてのパーソナルコンピュータ２６が設
置されている。ブースタアンプ２４は渦流探傷制御装置
２５からの励磁電圧Ｅを増幅し、ロータリジョイント２
３を介して図６の検出ブリッジ回路に入力し、センシン
グコイル２１１及び比較コイル２２１を励磁すると共
に、ローラビット１２１の摩耗によるセンシングコイル
２１１のインピーダンスの変化により前記検出ブリッジ
回路から出力される信号電圧（探傷出力信号Ｖ）を増幅
する機能を有する。渦流探傷制御装置２５は、励磁用の
交流電源である周波数発振部２５１と、この周波数発振
部２５１における発振周波数の制御やブースタアンプ２
４で増幅された前記各探傷出力信号Ｖの波形処理を行う
同期検波器及び移相器等からなる制御処理部２５２と、
この制御処理部２５２から出力される計測信号の電圧や
位相をベクトル表示するＣＲＴディスプレイ２５３等を
備える。パーソナルコンピュータ２６は、前記渦流探傷
制御装置２５の制御処理部２５２で波形処理された計測
データに基づいてローラビット１２１の摩耗形状及び摩
耗量を演算し、ＣＲＴディスプレイ２６１に出力表示す
るものである。

【００１６】渦流探傷制御装置２５の制御処理部２５２
で波形処理された計測信号は、地上の防音建物内の中央
制御室２９に設置したパーソナルコンピュータ２７にも
通信ケーブル２８を介して転送され、ローラビット１２
１の摩耗形状及び摩耗量がこのパーソナルコンピュータ
２７のＣＲＴディスプレイ２７１に出力表示されるよう
になっている。

【００１７】すなわちこの実施形態においては、ブース
タアンプ２４を介して渦流探傷制御装置２５の周波数発
振部２５１からの所定電圧及び所定周波数の励磁電圧Ｅ
を与えることによって各センシングプローブ２１のセン
シングコイル２１１が励磁されると、その交番磁界が強
化樹脂板２１７及び耐摩耗性ゴム板２１６を通過し、ロ
ーラビット１２１におけるセンシングコイル２１１との
対向部分に作用するので、この部分に渦電流を発生し、
同時にセンシングコイル２１１に自己誘導による誘導起
電力を発生する。そしてこの誘導起電力は前記渦電流の
大きさによって異なるため、ローラビット１２１の摩耗
や損傷Ｃによる渦電流の変化によって、センシングコイ
ル２１１におけるインピーダンスＺｉが変化する。

【００１８】一方、センシングコイル２１１と共にブリ
ッジ回路を構成する比較プローブ２２の比較コイル２２
１にも渦流探傷制御装置２５の周波数発振部２５１から
の励磁電圧Ｅがセンシングコイル２１１と同様に与えら
れている。この比較コイル２２１に自己誘導によって発
生する誘導起電力はローラビット１２１による影響を受
けないので、ブリッジバランスをとった時点でのインピ
ーダンスＺｃは変化しない。

【００１９】ローラビット１２１の損耗の発生によって
センシングコイル２１１と比較コイル２２１との間にイ
ンピーダンスの差を生じると、その差に比例した電圧
（探傷出力信号Ｖ）がブリッジ回路から出力される。こ
の信号電圧は振幅が極めて小さいため、ブースタアンプ
２４により増幅され、渦流探傷制御装置２５の制御処理
部２５２における同期検波器に入力される。この同期検
波器に入力された信号は移相器から送られた制御信号に
のせて検波される。このようにして処理された信号は直
流電圧となり、その電圧に比例した出力が、摩耗・探傷
データとしてＣＲＴディスプレイ２５３に輝点として出
力表示されたり、インターフェイス（図示省略）を介し
てパーソナルコンピュータ２６，２７に転送される。

【００２０】したがってシールド掘進機１０内の操作室
１６にいるオペレータは、渦流探傷制御装置２５のＣＲ
Ｔディスプレイ２５３に出力表示された摩耗・探傷デー
タ及びパーソナルコンピュータ２６のＣＲＴディスプレ
イ２６１に出力表示された画像データを監視することに
よって、ローラビット１２１の摩耗の進行状況や損傷Ｃ
の程度を視覚的に把握し、ローラビット１２１の交換時
期を的確に判定することができる。また、地上の中央制
御室２９にいるオペレータも、パーソナルコンピュータ
２７のＣＲＴディスプレイ２７１に出力表示された画像
を監視することによって、ローラビット１２１の摩耗の
進行状況や損傷Ｃを同様に把握することができる。

【００２１】なお、上記実施形態においては本発明をシ
ールド掘進機に適用した場合について説明したが、例え
ばＴＢＭなど、ローラビットを有する他のトンネル掘削
機械にも同様に実施することができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によると、地中掘削過程でのロー
ラビットの摩耗及び損傷の発生状況を作業員がチャンバ
に入り込むことなくリアルタイムで把握し、その交換時
期を過去の実績や勘による推定に依存せずに的確に判定
できるため、工期の短縮及びコストの低減を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るローラビット摩耗検出装置を、岩
盤対応型のシールド掘進機に適用した好ましい一実施形
態を示す説明図である。

【図２】上記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】上記実施形態におけるローラビット及びセンシ
ングプローブの取付部分をカッタヘッドの軸心と直交す
る平面で切断した部分断面図である。

【図４】図３におけるIV−IV線位置で切断した部分断面
図である。

【図５】上記実施形態における比較プローブの取付部分
をカッタヘッドの軸心と直交する平面で切断した部分断
面図である。

【図６】上記実施形態におけるセンシングプローブと比
較プローブによるブリッジ回路の説明図である。

【符号の説明】

１０ シールド掘進機（トンネル掘削機械） １２ カッタヘッド １２１ ローラビット １２２ ローラビット装着孔 １６ 操作室 ２１ センシングプローブ ２１１ センシングコイル ２２ 比較プローブ ２２１ 比較コイル ２５ 渦流探傷制御装置（計測制御手段） ２６，２７ パーソナルコンピュータ（解析処理手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カッタヘッドに、このカッタヘッドの円
   周方向に対して直交する方向に延びる軸心を中心として
   回転可能に取り付けられたローラビットを有するトンネ
   ル掘削機械において、 前記カッタヘッド内部に強磁性体からなる前記ローラビ
   ットの外周の刃先と近接した位置に取り付けられるセン
   シングコイルと、 このセンシングコイルに発生する誘導起電力を計測する
   計測制御手段と、 この計測手段の計測データから前記ローラビットの摩耗
   量及び摩耗形状を解析する解析処理手段と、を備えるこ
   とを特徴とするトンネル掘削機械のローラビット摩耗検
   出装置。
2. 【請求項２】 請求項１の記載において、 計測制御手段及び解析処理手段がトンネル掘削機械内部
   の操作室に設置されたことを特徴とするトンネル掘削機
   械のローラビット摩耗検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２の記載において、 解析処理手段による解析結果が地上に設置した出力表示
   手段に出力されることを特徴とするトンネル掘削機械の
   ローラビット摩耗検出装置。