JPH1144622A - 自由断面掘削機を用いた岩盤強度の計測システム及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】自由断面掘削機を用いる場合に岩盤強度を安全
で効率よく計測する。 【解決手段】本発明の岩盤強度の計測システムは、自由
断面掘削機１のカッタブーム２及び該ブーム先端に取り
付けられたカッタヘッド３が予め定められた計測用作動
条件で作動するように、これらのカッタブーム２及びカ
ッタヘッド３を駆動制御する制御手段としての制御部４
と、カッタヘッド３を回転駆動するモータ６の電力値を
計測する計測手段としての電圧計１２及び電流計１３
と、上述した計測用作動条件と同一の条件下でさまざま
な試料に対して予め作成された電力値と一軸圧縮強度と
の関係を表す参照データ８が記憶された記憶手段として
の記憶部９と、参照データ８から切羽５に対して計測さ
れた電力値に対応する一軸圧縮強度を算出する演算手段
としての演算部１０とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として山岳トン
ネル工法において自由断面掘削機を用いる場合の岩盤強
度の計測システム及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】山岳トンネル工法における機械掘削は、
掘削断面に適合するフェースカッタを用いて切削する全
断面掘削方式と、掘削断面よりかなり小さな切削機をブ
ームの先端に取り付け、これを移動しつつ掘削する自由
断面掘削方式に分類される。

【０００３】これらのうち、後者の工法に使用される自
由断面掘削機は、全断面掘削機のように大きな推力で高
速掘進を行うことはできないが、円形断面に限られるこ
となく任意形状の断面を掘削できるという長所があるの
で、岩石強度が300kg/cm2 程度以下の場合に広く使用さ
れている。

【０００４】ここで、自由断面掘削機を用いてトンネル
掘削を行うにあたっては、切羽の岩盤強度を適切に把握
することが掘削効率や安全性の向上を図る上で重要とな
るが、従来、岩盤強度を計測する方法としては、簡易な
ものではハンマー打撃や目視による方法があり、これら
よりも精度が高いものとしては硬岩ではシュミットハン
マー試験、軟岩では針貫入試験を行って一軸圧縮強度を
算出する方法があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
の方法についても、作業員が切羽に直面することとなる
ので、安全が保証される地山でしか採用することができ
ないとともに、計測のために掘削作業を中断しなければ
ならないので、作業サイクルが長くなり、全体工程を遅
延させることもあるという問題を生じていた。また、ハ
ンマー打撃や目視による方法では、一軸圧縮強度への換
算が困難であるという問題も生じていた。

【０００６】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、自由断面掘削機を用いる場合において安全で
効率のよい岩盤強度の計測システム及び方法を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る自由断面掘削機を用いた岩盤強度の計
測システムは請求項１に記載したように、自由断面掘削
機のカッタブーム及び該ブーム先端に取り付けられたカ
ッタヘッドが予め定められた計測用作動条件で作動する
ように前記カッタブーム及び前記カッタヘッドを駆動制
御する制御手段と、計測対象となる切羽に前記計測用作
動条件で前記カッタヘッドを貫入させている間、該カッ
タヘッドを回転駆動するモータの電力値を計測する計測
手段と、前記計測用作動条件と同一の条件下でさまざま
な試料に対して予め作成された電力値若しくはその処理
値と一軸圧縮強度との関係を表す参照データが記憶され
た記憶手段と、該参照データから前記切羽での電力値若
しくはその処理値に対応する一軸圧縮強度を算出する演
算手段とを備えたものである。

【０００８】また、本発明に係る自由断面掘削機を用い
た岩盤強度の計測方法は請求項２に記載したように、自
由断面掘削機のカッタブーム先端に取り付けられたカッ
タヘッドを切羽に対向させ、前記カッタブーム及び前記
カッタヘッドを予め定められた計測用作動条件で作動さ
せて前記カッタヘッドを前記切羽に貫入させるとともに
該カッタヘッドを回転駆動するモータの電力値を貫入中
にわたって計測し、計測された電力値若しくはその処理
値に対応する一軸圧縮強度を、前記計測用作動条件と同
一の条件下でさまざまな試料に対して予め作成された電
力値若しくはその処理値と一軸圧縮強度との関係を表す
参照データから算出するものである。

【０００９】本発明に係る自由断面掘削機を用いた岩盤
強度の計測システム及び方法においては、掘削作業に入
る前に、まず、カッタブーム先端に取り付けられたカッ
タヘッドを切羽に対向させ、次いで、カッタブーム及び
カッタヘッドが予め定められた計測用作動条件で作動す
るように、カッタブーム及びカッタヘッドを制御手段で
制御しつつ、カッタヘッドを切羽に貫入させる。また、
カッタヘッドを切羽に貫入させている間、該カッタヘッ
ドを回転駆動するモータの電力値を計測手段で計測す
る。

【００１０】かかる計測においては、切羽からカッタヘ
ッドに作用する負荷の状況のみがその結果を左右する要
因となり、トンネルボーリングマシンのように、スキン
プレートとそれに接触する地山との間に作用する摩擦力
や、背後に連なる後方台車の牽引重量等については何ら
考慮する必要がない。

【００１１】そのため、計測の結果得られる電力値は、
切羽からカッタヘッドに作用する負荷の大きさを概ね表
すものとなる。なお、モータの効率は１００％ではない
ので、電力値すなわち負荷とはならないが、かかるモー
タの効率については、後述する参照データの作成時にも
含まれるので問題とはならない。

【００１２】次に、上述した計測用作動条件と同一の条
件下でさまざまな試料に対して予め作成された電力値若
しくはその処理値と一軸圧縮強度との関係を表す参照デ
ータを記憶手段から読み出し、該参照データを用いて対
象切羽に対し計測された電力値若しくはその処理値に対
応する一軸圧縮強度を演算手段にて算出する。

【００１３】ここで、処理値とは、電力値から派生的に
得られる値であり、電力値を貫入時間にわたって積分し
て得られる電力量、電力値をモータの回転数で除して得
られるトルク、貫入当初から最大貫入時までのトルクの
変化などが含まれる。

【００１４】計測用作動条件をどのような項目に対して
どのように設定するかは任意であるが、たとえば、カッ
タヘッドの切羽面に対する向き、カッタブームの旋回動
作若しくは起伏動作の有無、カッタブームの伸張速度、
カッタヘッドの回転数等の項目に対してそれぞれ適宜設
定する。

【００１５】参照データを作成する際に対象とする試料
は、採取されたか原位置にあるかは問わない。そして、
かかる参照データを作成するにあたっては、例えば、さ
まざまな強度を持つ岩石、岩盤等に対してシュミットハ
ンマー試験や針貫入試験を行うとともにその結果を一軸
圧縮強度に換算し、次いで、該岩石あるいは岩盤に対し
て上述した計測用作動条件でカッタヘッドを貫入させ、
そのときの電力値を計測するようにすればよい。なお、
貫入計測を行った試料の近傍からボーリングコアを抜い
て供試体を製作し、該供試体に対して一軸圧縮強度を計
測するようにしてもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る自由断面掘削
機を用いた岩盤強度の計測システム及び方法の実施の形
態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来
技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付
してその説明を省略する。

【００１７】図１(a)は、本実施形態に係る自由断面掘
削機を用いた岩盤強度の計測システムの全体ブロック図
である。同図でわかるように、本実施形態に係る岩盤強
度の計測システムは、同図(b)に示す自由断面掘削機１
のカッタブーム２及び該ブーム先端に取り付けられたカ
ッタヘッド３が予め定められた計測用作動条件で作動す
るように、これらのカッタブーム２及びカッタヘッド３
を駆動制御する制御手段としての制御部４と、カッタヘ
ッド３を回転駆動するモータ６の電力値を計測する計測
手段としての電圧計１２及び電流計１３と、上述した計
測用作動条件と同一の条件下でさまざまな試料に対して
予め作成された電力値と一軸圧縮強度との関係を表す参
照データ８が記憶された記憶手段としての記憶部９と、
参照データ８から切羽５に対して計測された電力値に対
応する一軸圧縮強度を算出する演算手段としての演算部
１０とからなる。

【００１８】制御部４は、カッタブーム２及びカッタヘ
ッド３が予め定められた計測用作動条件で作動するよう
に、カッタブーム２を伸縮させる伸縮ジャッキ１１とカ
ッタヘッド３を回転駆動するモータ６とをそれぞれ駆動
制御するようになっており、該制御部は、自由断面掘削
機１に備えられた運転制御盤で構成することができる。
かかる場合、上述した計測用作動条件が自動的に実行さ
れるように、制御盤をプログラムしておくのがよい。な
お、制御の際には、伸縮ジャッキ１１の伸縮量を伸縮量
検出センサ１６で検出するとともに、モータ６の回転量
を回転量検出センサ１７で検出し、これらの検出量が計
測用作動条件に一致するように伸縮ジャッキ１１及びモ
ータ６を駆動制御すればよい。

【００１９】計測用作動条件としては、たとえば、カッ
タヘッド３が切羽面に対して正面位置にくるように、す
なわち切羽面に垂直に貫入するように対向させ、かかる
状態でカッタブーム２の伸張速度を２ｃｍ／秒の一定速
度で前進させて切羽５に貫入させ、貫入深さが５０ｃｍ
になったとき、反転させて同じ一定速度で後退させるよ
うにするとともに、かかる貫入中、カッタヘッド３の回
転速度が常に１０００ｒｐｍに維持されるようにモータ
６を駆動制御するといった条件が考えられる。

【００２０】上述した演算部１０及び記憶部９は、それ
ぞれパソコンの演算処理装置、内部記憶装置であるハー
ドディスクとして構成することが可能である。なお、か
かる場合、演算部１０にモニター１４、プリンタ１５を
接続しておき、計測結果や演算結果を随時画像表示し、
あるいは印刷できるようにしておくのがよい。

【００２１】図２は、本実施形態に係る自由断面掘削機
を用いた岩盤強度の計測方法の手順を示したフローチャ
ートである。同図でわかるように、本実施形態に係る岩
盤強度の計測方法においては、掘削作業に先だち、ま
ず、自由断面掘削機１のカッタブーム２の先端に取り付
けられたカッタヘッド３を切羽５に対向させる（ステッ
プ１０１）。

【００２２】次に、カッタブーム２及びカッタヘッド３
が予め定められた計測用作動条件で作動するように、カ
ッタブーム２の伸縮ジャッキ１１及びカッタヘッド３の
モータ６を制御部４で制御しつつ、カッタヘッド３を切
羽５に貫入させるとともに、貫入中にわたってカッタヘ
ッド３を回転駆動するモータ６の電圧値、電流値をそれ
ぞれ電圧計１２、電流計１３で計測する（ステップ１０
２）。計測されたデータは、それらを乗じた電力値とし
て記憶部９に記憶しておく。なお、カッタブーム２の伸
縮量やモータ６の回転数についても、電力値とともに記
憶部９に記憶しておく。

【００２３】一方、上述した計測用作動条件と同一の条
件下でさまざまな試料に対して電力値と一軸圧縮強度と
の関係を表す参照データ８を表形式やグラフ形式で予め
作成し、これを記憶部９に記憶しておく。

【００２４】参照データ８は、さまざまな強度を持つ岩
石あるいは岩盤に対してシュミットハンマー試験や針貫
入試験を行うとともにその結果を一軸圧縮強度に換算
し、次いで、該岩石あるいは岩盤に対して上述した計測
用作動条件でカッタヘッド３を貫入させ、そのときの電
力値を計測することによって作成することができる。

【００２５】なお、参照データ８の作成にあたっては、
さまざまな試料に対するサンプリングデータを近似的に
扱う手法、代表的なところでは最小二乗法などの手法を
必要に応じて適宜採用すればよい。

【００２６】次に、参照データ８を記憶部９から読み出
し、該参照データを用いて切羽５に対し計測された電力
値に対応する一軸圧縮強度を演算部１０にて算出する
（ステップ１０３）。なお、計測された電力値そのもの
が参照データ８に含まれていない場合には、適宜補間を
行って一軸圧縮強度を求めればよい。

【００２７】以上説明したように、本実施形態に係る自
由断面掘削機を用いた岩盤強度の計測システム及び方法
によれば、切羽５からカッタヘッド３に作用する負荷
を、モータ６の電力値を介して計測し、さらに該計測値
を予め作成した参照データに照らし合わせることによっ
て、切羽５の一軸圧縮強度を計測することが可能とな
る。

【００２８】ここで、トンネルボーリングマシン（ＴＢ
Ｍ）の分野でも、カッタヘッドに作用するトルクや推力
を計測し、該計測値から岩盤強度を評価しようという試
みがなされているが、ＴＢＭにおいては、計測されたト
ルクや推力に、スキンプレートとそれに接触する地山と
の間に作用する摩擦力や、背後に連なる後方台車の牽引
重量等の影響が含まれることは避けられず、しかも、こ
のような摩擦力などの影響は一定ではなく、掘削あるい
は計測のたびに変動する。そして、切羽から受ける負荷
と摩擦力等に起因する負荷とを分離評価することは現実
問題としては不可能である。

【００２９】したがって、ＴＢＭにおいては参照データ
作成時と計測時とで作動条件を一致させることは困難で
あり、計測値から推定された岩盤強度は、精度の面でど
うしても限界がある。

【００３０】しかし、本実施形態に係る計測システム及
び方法によれば、自由断面掘削機１を対象としているた
め、カッタヘッド３を回転駆動するモータ６の電力値の
大きさは、切羽５から受ける負荷にのみ依存する。その
ため、計測の結果得られる電力値と切羽５の状況とが精
度よく対応することとなり、事前にさまざまな試料に対
して同一の作動条件下で電力値を計測するとともにその
電力値に対応する一軸圧縮強度を評価しておけば、現地
においては、掘削前に数秒〜数十秒程度の切羽への貫入
計測を行うだけで、該切羽の一軸圧縮強度を一定の精度
で評価することが可能となる。

【００３１】したがって、計測作業のために掘削作業サ
イクルが長くなって全体工程を遅延させるといったおそ
れがなくなるとともに、作業員が切羽に直面する必要も
ないので、トンネル掘削における安全性も向上する。

【００３２】本実施形態では、切羽の一軸圧縮強度をモ
ータの電力値との関係で評価するようにしたが、これに
代えて、電力値から派生的に得られる処理値、すなわ
ち、電力値を例えば貫入開始から最大貫入時までの時間
にわたって積分して得られる電力量（仕事量）、所定の
貫入状態（貫入時刻）における電力値をモータの回転数
で除して得られるトルク、貫入開始から最大貫入時まで
のトルクの変化などとの関係で一軸圧縮強度を評価して
もよい。例えば、切羽に対して計測された電力値を回転
数で除してトルクを算出するとともに、参照データを作
成する時にもトルクと一軸圧縮強度との関係で作成して
おけばよい。一軸圧縮強度との関係を電力値で把握する
のか、それとも電力量やトルクあるいはその変化量で把
握するのかは、一軸圧縮強度との相関が最も明瞭に顕れ
るものに注目して適宜選択すればよい。

【００３３】また、本実施形態では、カッタブームの伸
張速度を一定としたが、これに代えて推力を一定にする
ようにしてもよいし、そもそも、計測の際の作動条件と
参照データを作成するときの作動条件とが一致するので
あれば、伸張速度、回転数、推力等を一定にする必要は
なく、例えば、ブームの伸張速度やカッタヘッドの回転
数を貫入深さに応じて変化させることも考えられる。ま
た、同様な趣旨で旋回動作や起伏動作を必ずしも行わな
い場合に限定されるものではなく、場合によってこれら
の動作を作動条件の中に採り入れることも考えられる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１に係る本発
明の自由断面掘削機を用いた岩盤強度の計測システムに
よれば、現地においては、掘削前に数秒〜数十秒程度の
切羽への貫入計測を行うだけで、該切羽の一軸圧縮強度
を一定の精度で評価することが可能となる。したがっ
て、計測作業のために掘削作業サイクルが長くなって全
体工程を遅延させるといったおそれがなくなるととも
に、作業員が切羽に直面する必要もないので、トンネル
掘削における安全性も向上する。

【００３５】また、請求項２に係る本発明の自由断面掘
削機を用いた岩盤強度の計測方法によれば、現地におい
ては、掘削前に数秒〜数十秒程度の切羽への貫入計測を
行うだけで、該切羽の一軸圧縮強度を一定の精度で評価
することが可能となる。したがって、計測作業のために
掘削作業サイクルが長くなって全体工程を遅延させると
いったおそれがなくなるとともに、作業員が切羽に直面
する必要もないので、トンネル掘削における安全性も向
上する。

【００３６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る自由断面掘削機を用いた岩盤
強度の計測システムの図であり、(a)は全体ブロック
図、(b)は該システムが適用される自由断面掘削機の全
体図。

【図２】本実施形態に係る自由断面掘削機を用いた岩盤
強度の計測方法の手順を示したフローチャート。

【符号の説明】

１ 自由断面掘削機 ２ カッタブーム ３ カッタヘッド ４ 制御部（制御手段） ５ 切羽 ６ モータ ８ 参照データ ９ 記憶部（記憶手段） １０ 演算部（演算手段） １２ 電圧計（計測手段） １３ 電流計（計測手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 雅友 東京都千代田区神田司町２丁目３番地 株 式会社大林組東京本社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自由断面掘削機のカッタブーム及び該ブ
   ーム先端に取り付けられたカッタヘッドが予め定められ
   た計測用作動条件で作動するように前記カッタブーム及
   び前記カッタヘッドを駆動制御する制御手段と、計測対
   象となる切羽に前記計測用作動条件で前記カッタヘッド
   を貫入させている間、該カッタヘッドを回転駆動するモ
   ータの電力値を計測する計測手段と、前記計測用作動条
   件と同一の条件下でさまざまな試料に対して予め作成さ
   れた電力値若しくはその処理値と一軸圧縮強度との関係
   を表す参照データが記憶された記憶手段と、該参照デー
   タから前記切羽での電力値若しくはその処理値に対応す
   る一軸圧縮強度を算出する演算手段とを備えたことを特
   徴とする自由断面掘削機を用いた岩盤強度の計測システ
   ム。
2. 【請求項２】 自由断面掘削機のカッタブーム先端に取
   り付けられたカッタヘッドを切羽に対向させ、前記カッ
   タブーム及び前記カッタヘッドを予め定められた計測用
   作動条件で作動させて前記カッタヘッドを前記切羽に貫
   入させるとともに該カッタヘッドを回転駆動するモータ
   の電力値を貫入中にわたって計測し、計測された電力値
   若しくはその処理値に対応する一軸圧縮強度を、前記計
   測用作動条件と同一の条件下でさまざまな試料に対して
   予め作成された電力値若しくはその処理値と一軸圧縮強
   度との関係を表す参照データから算出することを特徴と
   する自由断面掘削機を用いた岩盤強度の計測方法。