JPH1061384A - トンネル掘削機械のカッタの損耗診断方法 - Google Patents
トンネル掘削機械のカッタの損耗診断方法Info
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- JPH1061384A JPH1061384A JP23367096A JP23367096A JPH1061384A JP H1061384 A JPH1061384 A JP H1061384A JP 23367096 A JP23367096 A JP 23367096A JP 23367096 A JP23367096 A JP 23367096A JP H1061384 A JPH1061384 A JP H1061384A
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- Japan
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- cutter
- excavation
- wear
- cutter head
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 トンネル掘削機械のカッタヘッド上のカッタ
本体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】 シールド掘進機のジャッキ６による推進
速度ｖ、カッタヘッド２のトルクＴ及びカッタヘッド２
の回転数ωを計測して、これらの値から、単位掘進長当
たりの回転掘削仕事を表す掘削係数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２上に配
置されたディスクカッタ２１の摩耗量を定量的に診断す
るものであり、また、ＫT 2の積算値が所定の値に達した
場合にディスクカッタ２１の摩耗量が許容限界に達した
と判定する。
本体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】 シールド掘進機のジャッキ６による推進
速度ｖ、カッタヘッド２のトルクＴ及びカッタヘッド２
の回転数ωを計測して、これらの値から、単位掘進長当
たりの回転掘削仕事を表す掘削係数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２上に配
置されたディスクカッタ２１の摩耗量を定量的に診断す
るものであり、また、ＫT 2の積算値が所定の値に達した
場合にディスクカッタ２１の摩耗量が許容限界に達した
と判定する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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との間に次式が成り立つことが見出される。 Ｔ＝ＫT Ｐn ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 上記式においては、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。
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との間に次式が成り立つことが見出される。 Ｔ＝ＫT Ｐn ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 上記式においては、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
式により係数ＫT を定義する。 ＫT ＝Ｔ／Ｐ＝Ｔ・ω／ｖ ・・・・・・・・・・・・ ここで、式は式における指数ｎを 1.0と想定してい
ることになる。
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
式により係数ＫT を定義する。 ＫT ＝Ｔ／Ｐ＝Ｔ・ω／ｖ ・・・・・・・・・・・・ ここで、式は式における指数ｎを 1.0と想定してい
ることになる。
【０００９】本発明では、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。
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】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。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ＫT について、別の視点からその物理的意味を述べ
る。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、次式で表されるものと仮定する。
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、次式で表されるものと仮定する。
【数２】すなわち、この式でｎ＝１ならばｗ＝ｃＷT
であり、摩耗量は回転掘削仕事に比例することを意味し
ている。またｎ＝２ならば、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。指数ｎはｎ≧１と期待されるが、これは工事実績に
より定められ、係数ｃも同様に工事実績に基づいて定め
られる。
であり、摩耗量は回転掘削仕事に比例することを意味し
ている。またｎ＝２ならば、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。指数ｎはｎ≧１と期待されるが、これは工事実績に
より定められ、係数ｃも同様に工事実績に基づいて定め
られる。
【００１２】式が成り立てば、カッタ本体の交換の判
定規準は次式で表される。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、
定規準は次式で表される。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。この式は、ＫT n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
（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。
タ本体を交換した時から起算してｗmax/ｃに達した時点
（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】式の判定規準では指数ｎと係数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
して指数ｎ及び係数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。
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
して指数ｎ及び係数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。
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。
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。
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２
３、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。
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２
３、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。
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。
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。
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。
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。
（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、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。
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、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。
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。
〜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ＫT n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 n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、ｎ＝１及びｎ＝２の場合のＫT nの積算値を求めてあ
る。図８はｎ＝２の場合、すなわち各区間毎の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。
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 n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、ｎ＝１及びｎ＝２の場合のＫT nの積算値を求めてあ
る。図８はｎ＝２の場合、すなわち各区間毎の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、この式が成立するならば、式による判定規準
は次式のように改められる。
は次式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、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 ＝ 1.2ｗ
meanと仮定すると、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。
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、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 ＝ 1.2ｗ
meanと仮定すると、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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ＫT nの積算
値の推移を示す説明図である。
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。
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。
２ カッタヘッド ２１ ディスクカッタ（カッタ本体）
Claims (2)
- 【請求項１】 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ＫT
＝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； 【数２】 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２】 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； 【数３】 で求め、ＫT n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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23367096A JP3828615B2 (ja) | 1996-08-16 | 1996-08-16 | トンネル掘削機械のカッタの損耗診断方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23367096A JP3828615B2 (ja) | 1996-08-16 | 1996-08-16 | トンネル掘削機械のカッタの損耗診断方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1061384A true JPH1061384A (ja) | 1998-03-03 |
| JP3828615B2 JP3828615B2 (ja) | 2006-10-04 |
Family
ID=16958699
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23367096A Expired - Fee Related JP3828615B2 (ja) | 1996-08-16 | 1996-08-16 | トンネル掘削機械のカッタの損耗診断方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3828615B2 (ja) |
Cited By (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107300369A (zh) * | 2017-07-31 | 2017-10-27 | 中铁隧道集团有限公司 | 盾构/tbm滚刀磨损测量装置及测量方法 |
| CN109443969A (zh) * | 2018-10-25 | 2019-03-08 | 西南交通大学 | 一种用于盾构刀盘刀具磨耗特性测试试验装置及方法 |
| RU2688714C1 (ru) * | 2016-12-05 | 2019-05-22 | Чайна Юниверсити Оф Майнинг Энд Текнолоджи | Устройство и способ определения во время бурения коэффициента крепости по протодьяконову породы кровли туннеля на основе измерителя уровня звука |
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| JP2020094414A (ja) * | 2018-12-13 | 2020-06-18 | 川崎重工業株式会社 | シールド掘進機 |
| CN111307635A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-19 | 北京交通大学 | 测定盾构刀具在越江海砂层中磨损系数的试验装置和方法 |
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| CN112666033A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-16 | 湘潭大学 | 一种tbm滚刀刀圈-岩石对磨相似性试验设计方法 |
| CN112855193A (zh) * | 2021-02-24 | 2021-05-28 | 中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司 | 一种用于准确评价tbm滚刀刀圈耐磨性能的方法 |
| JP2021521363A (ja) * | 2018-06-08 | 2021-08-26 | ヘーレンクネヒト アクツィエンゲゼルシャフトＨｅｒｒｅｎｋｎｅｃｈｔ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ | トンネル掘削機、及びトンネルを掘進するための方法 |
| CN114608430A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-06-10 | 中铁十四局集团大盾构工程有限公司 | 基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台及系统 |
| CN115062428A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-16 | 中铁五局集团有限公司城市轨道交通工程分公司 | 基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及介质 |
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| CN116910961A (zh) * | 2022-12-20 | 2023-10-20 | 中铁十一局集团有限公司 | 一种适用于隧道施工中掘进机的刀具寿命预测方法 |
| CN117108294A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-11-24 | 山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿 | 一种盾构机故障智能监测系统 |
| CN117552793A (zh) * | 2024-01-11 | 2024-02-13 | 深圳大学 | 一种盾构刀盘磨损状态的定量评估方法、系统及终端 |
| CN117851761A (zh) * | 2024-03-08 | 2024-04-09 | 山东天工岩土工程设备有限公司 | 一种盾构机刀盘状态评估方法及系统 |
| CN120294858A (zh) * | 2025-04-11 | 2025-07-11 | 山东大学 | 一种盾构隧道复合地层软硬界面分布感知方法及系统 |
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| CN121093805A (zh) * | 2025-11-11 | 2025-12-09 | 中铁十四局集团有限公司 | 一种盾构刀具的磨损系数修正方法 |
-
1996
- 1996-08-16 JP JP23367096A patent/JP3828615B2/ja not_active Expired - Fee Related
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