(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
礫混じり地盤を切削するカッタービットの摩耗量推定方法であって、
前記カッタービットの単位摺動距離当たりのビット摩耗量を推定するための礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを、前記礫混じり地盤における礫の摩耗能指数に、前記礫混じり地盤中の礫含有率Ｇおよび前記カッタービットの切羽への平均押付け力Ｐを掛け合わせて算出し、
前記礫の摩耗能指数は、修正摩耗能指数Ｆmod値のｎ乗根よりなり、
ｎが１より大きいことを特徴とするカッタービットの摩耗量推定方法。
【請求項２】
礫混じり地盤を切削するカッタービットの摩耗量推定方法であって、
前記カッタービットの単位摺動距離当たりのビット摩耗量を推定するための礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを、前記礫混じり地盤における礫の摩耗能指数に、前記礫混じり地盤中の礫含有率Ｇおよび前記カッタービットの切羽への平均押付け力Ｐを掛け合わせて算出し、
前記礫の摩耗能指数は、前記礫混じり地盤中の礫の石英含有率Ｑと礫の強度Ｓを掛け合わせたもののｎ乗根よりなり、
ｎが１以上であることを特徴とするカッタービットの摩耗量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削機にて礫混じり地盤を掘削する際のカッタービットの摩耗量推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シールド掘削機により地盤を掘削しつつ地下管渠を築造するシールド工法にて、電気、ガス、水道等の管渠埋設施工を伴うインフラ施設の整備が実施されている。シールド掘削機に備えたカッタービットは、地盤の掘進作業が進むにつれて摩耗することから、例えば特許文献１では、摩耗したビットを簡単な作業で何度でも交換可能な、ビット交換型シールド掘削機が開示されている。
【０００３】
特許文献１で示すようなシールド掘削機を製造するにあたっては、ビットの種類や個数、配置等の設計が不可欠である。また、掘進作業中に経済的かつ効率よくビット交換を実施するには、ビット交換の作業計画をあらかじめ立案する。そして、これらシールド掘削機の設計やビット交換の作業計画の立案を行うには、シールド掘進に伴うカッタービットのビット摩耗量を事前に推定する必要が生じる。
【０００４】
しかし、ビット摩耗量の推定方法はいまだ確立されていないため、施工会社やシールド掘削機製造会社は、独自に過去の施工実績を調査してシールド工法の種類（泥水、泥土圧）や大まかな土質分類（粘性土、砂、砂礫等）ごとに摩耗係数を設定し、この独自に設定した摩耗係数を用いてビット摩耗量を推定している。
【０００５】
一方、硬岩地盤を対象地盤としたＴＢＭによるトンネル掘削工事を実施する場合では、例えば特許文献２において、カッタービットの摩耗に影響を与える石英の連結性を示す指標を算出し、これを用いてカッタービットのビット摩耗量を見積るシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１１０４８５号公報
【特許文献２】特開２０１５−１１７５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述するようなシールド掘削機やＴＢＭ等に備えたカッタービットのビット摩耗量を推定する方法は、対象地盤が一様な土質よりなる均質な地盤である場合には、信頼性の高い数値を得ることが可能である。しかし、転石や岩盤、砂礫等が混じった複雑な地盤では、ビット摩耗量を推定する際に粒度組成や礫の物性等地盤特性を反映することができず、精度よくビット摩耗量を推定することは難しい。
【０００８】
このため、カッタービットの作業計画を立案しても、想定を超えてビットが摩耗する事態が生じやすく、このような場合には掘進速度の低下や掘進不能等のトラブルが発生することにより計画回数を超過するビット交換作業が必要になる等、作業工程の長期化や施工コストの増大などを招くこととなる。
【０００９】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、カッタービットを備えた掘削機にて礫混じり地盤を掘削する際に、精度よくカッタービットのビット摩耗量を推定するための、カッタービットの摩耗量推定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するため、本発明のカッタービットの摩耗量推定方法は、礫混じり地盤を切削するカッタービットの摩耗量推定方法であって、前記カッタービットの単位摺動距離当たりのビット摩耗量を推定するための礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを、前記礫混じり地盤における礫の摩耗能指数に、前記礫混じり地盤中の礫含有率Ｇおよび前記カッタービットの切羽への平均押付け力Ｐを掛け合わせて算出し、前記礫の摩耗能指数は、修正摩耗能指数Ｆmod値のｎ乗根よりなり、ｎが１より大きいことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のカッタービットの摩耗量推定方法は、前記カッタービットの単位摺動距離当たりのビット摩耗量を推定するための礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを、前記礫混じり地盤における礫の摩耗能指数に、前記礫混じり地盤中の礫含有率Ｇおよび前記カッタービットの切羽への平均押付け力Ｐを掛け合わせて算出し、前記礫の摩耗能指数は、前記礫混じり地盤中の礫の石英含有率Ｑと礫の強度Ｓを掛け合わせたもののｎ乗根よりなり、ｎが１以上であることを特徴とする。
【００１２】
上記のカッタービットの摩耗量推定方法によれば、礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmに、礫の摩耗能指数、礫含有率Ｇおよびカッタービットの切羽への平均押付け力Ｐを採用することにより、掘削しようとする礫混じり地盤の地盤特性を精度よく反映できる。
【００１３】
また、礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmが、カッタービットの単位摺動距離（１ｋｍ）当たりのビット摩耗量を示す指標であるため、掘削機にて所定距離だけ掘削した後のカッタービットのビット摩耗量を推定するにあたっては、掘削機の掘進速度やカッターヘッドの回転速度、掘削機におけるカッタービットの位置等を反映させたカッタービットの摺動距離を用いて、ビット摩耗量を推定すればよい。このように、カッタービットのビット摩耗量の推定に、礫混じり地盤の地盤特性だけでなく、施工条件や掘削機の仕様等をも反映させることができる。
【００１４】
したがって、個々に条件が異なるカッタービット各々に対して、定量的で正確なビット摩耗量を推定することが可能となることから、精度の高いビット交換の作業計画を立案できる。これにより、カッタービットの交換計画地点に到達する前に、カッタービットが想定を超えて摩耗し、掘進効率が低下したり掘削機本体を損傷させるといった事態を防止でき、効率よく経済的に地山の掘削作業を進めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、礫混じり地盤であっても、地盤特性を反映した礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを用いて、カッタービットのビット摩耗量を精度よく推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のシールド掘削機に備えたカッタービットを示す図である。
【図２】本発明のカッタービットが切羽を切削する様子を示す図である。
【図３】本発明の実測した現場の礫含有率Ｇを示す図である。
【図４】本発明の礫の摩耗能指数Ｆmodを用いて算定した礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmとビット摩耗係数ｋの実測値との相関を検証する図である。
【図５】本発明のカッタービットの摺動距離の概念を示す図である。
【図６】本発明の礫含有率Ｇと石英含有率Ｑを用いて算定した礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmとビット摩耗係数ｋの実測値との相関を検証する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明のカッタービットの摩耗量推定方法を、図１〜図６を用いて説明する。本実施の形態では、シールド掘削機を事例にカッタービットの摩耗量推定方法を詳述するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、礫混じり地盤を切削する掘削機に備えられたカッタービットであれば、いずれにも適用できることはいうまでもない。
【００１８】
図１および図２で示すように、シールド掘削機１は筒状をなす胴部２の前方にカッターヘッド３が回転自在に支持されており、カッターヘッド３には複数のカッタービット４が溶接により設置されている。なお、カッタービット４はカッターヘッド３に対して、交換可能なように着脱自在に取り付けられていてもよい。そして、図２で示すように、カッターヘッド３を切羽５に押し当てながら回転させることにより、カッタービット４にて切羽５を切削しつつシールド掘削機１は前進し、その後方には管渠等の埋設物が築造される。
【００１９】
なお、カッタービット４は、一般鋼材の母材部分と超硬合金製のチップよりなる先端部分からなり、本実施の形態では、超硬合金製のチップに耐摩耗性と耐衝撃性に優れたＥ５材を採用している。
【００２０】
このようなシールド掘削機１にて地山の掘進を継続すると、切羽５を切削する複数のカッタービット４各々に摩耗を生じるが、そのビット摩耗量ｗはビット摩耗係数ｋとビット摺動距離Ｌから、以下に示す（１）式で算定される。
0006686710.tif 000002
【００２１】
ここで、ビット摺動距離Ｌは、１体のカッタービット４が切羽５を摺動する距離（ｋｍ）を示すものである。また、ビット摩耗係数ｋは、カッタービット４が切羽面を摺動する単位距離（１ｋｍ）あたりに摩耗する重量（ｇ）を規定したものであり、掘削対象となる地山条件に応じて、その数値は変化する。
【００２２】
つまり、対象地盤が転石や岩盤、砂礫等が混じった複雑な礫混じり地盤である場合には、これら礫混じり地盤がカッタービット４の摩耗に影響を与える地盤特性を把握し、これをビット摩耗係数ｋに反映させることにより、上記（１）式にてカッタービット４個々のビット摩耗量ｗを推定できる。そして、対象地盤が礫混じり地盤である場合において、礫混じり地盤に含まれる砂や粘土と比較して、礫がカッタービット４の摩耗に大きく影響することが一般に知られている。
【００２３】
そこで、礫混じり地盤に含まれる礫に係る種々のパラメータとカッタービット４の摩耗との相関関係について、発明者らは鋭意検討を行った。
【００２４】
〈第１の実施の形態〉
その結果、礫含有率Ｇが一定の地山では、Schimazek＆Natsにて提唱され、硬石地盤の摩耗能の指標として知られる岩石の摩耗能指数Ｆ値とビット摩耗係数ｋの実測値に有意な相関が認められ、礫含有率Ｇが変化する地山では、礫含有率Ｇとビット摩耗係数ｋの実測値に有意な相関が認められることを見出した。また、礫含有率Ｇと岩石の摩耗能指数Ｆ値を掛け合わせたものとカッタービット４の摩耗との間に、強い相関関係が認められるとの知見を得るに至った。
【００２５】
さらに、礫混じり地盤中の礫に石英が含まれる場合において、石英粒子の量と礫の強度がカッタービット４の摩耗に大きな影響を及ぼすものの、石英は粒子径が小さいためその粒径は、量や礫の強度と比較してカッタービット４の摩耗に及ぼす影響が小さいとの知見も得られた。
【００２６】
そこでまず、岩石の摩耗能指数Ｆ値について検討を行い、岩石の摩耗能指数Ｆ値の修正式としてEwendtが提唱し、石英の粒径による影響を小さく評価した指標として知られている、下記（２）式による修正摩耗能指数Ｆmod値を、礫の摩耗能指数に採用する。
0006686710.tif 000003
【００２７】
一方で、カッタービット４にて切羽５を切削する際に、地山の状態に応じて切羽５に対するカッターヘッド４の押付け量を変化させることを鑑みれば、カッタービット４の１体あたりの平均押付け力Ｐは、カッタービット４の摩耗に大きく影響しているものと考えられる。
【００２８】
上記の知見から、礫混じり地盤の地盤特性を反映したビット摩耗係数ｋを礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmと称することとし、この礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを、礫混じり地盤中の礫含有率Ｇと礫の摩耗能指数Ｆmod1/nとカッタービット１本あたりの平均押付け力Ｐとを掛け合わせた、以下に示す（３）式とした。
0006686710.tif 000004
【００２９】
ここで、対象とする地盤が砂礫混じり地盤であって均質な硬岩地盤ではないことを鑑みれば、地盤特性を精度よく反映するには岩石の修正摩耗能指数Ｆmod値の影響度合いは小さいほうがよい。また、砂礫混じり地盤が礫や砂、粘度等が複雑に混在する地盤であることを鑑みれば、地盤中の礫含有率Ｇおよびカッタービット１本あたりの平均押付け力Ｐの影響度合いは大きいほうがよい。これらの理由により、礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを算定するにあたっては、上記の（３）式で示すように礫の摩耗能指数に、岩石の修正摩耗能指数Ｆmod値のｎ乗根を、採用している。
【００３０】
次に、上記の（３）式で示す礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmについて、礫の摩耗能指数Ｆmod1/nの最適な累乗根ｎを把握することを目的に、以下のような検討を行った。
【００３１】
まず、シールド掘削機１にて、図３で示すような礫混じり地盤よりなる３つの現場Ａ、Ｂ、Ｃ各々においてシールド掘削機１を掘進させ、ビット交換時や到達時等の掘進を停止するタイミングごとにカッタービット４の摩耗質量を測定し、（１）式よりビット摩耗係数ｋを算出した。
【００３２】
現場Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ礫混じり地盤であるものの、図３（ａ）で示すように礫含有率Ｇが異なるとともに、図３（ｂ）で示すように、発進立坑から到達立坑に至る途中の地盤中の礫含有率Ｇの変化がそれぞれ異なる条件下に位置している。また、図４からわかるように、ビット摩耗係数ｋの算出は現場Ａで３回、現場Ｂで２回、現場Ｃで４回それぞれ実施されている。
【００３３】
一方で、上記の（３）式で示す礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmの算出に必要な礫含有率Ｇ、カッタービット４の１本あたりの平均押付け力Ｐ、および岩石の修正摩耗能指数Ｆmod値を、３つの現場Ａ、Ｂ、Ｃ各々で測定した。
【００３４】
本実施の形態において、礫含有率Ｇは「土の粒度試験（ＪＩＳ  Ａ  １２０４）」に基づいて測定し、切羽に対するカッタービット１本あたりの平均押付け力Ｐは、シールド掘削機１の掘進推力をカッタービット４の数量で除することにより算出した。また、礫の強度Ｓは、地盤工学会規格の「岩石の圧裂による岩石の引張強さ試験（ＪＧＳ  ２５５１）」に基づいて強度Ｓｔ測定し、礫中の石英含有率Ｑは、日本道路公団規格の「岩石のＸ線粉末回析による鉱物の測定方法」に基づいて測定を行った。
【００３５】
これらの結果を利用して、礫の摩耗能指数Ｆmod1/nの累乗根ｎを１から０．１ずつ変化させて、実測値よりなるビット摩耗係数ｋと、礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmの相関を検証した。
【００３６】
なお、本実施の形態において相関性の評価は、決定係数Ｒ2を指標に行っている。決定係数Ｒ2は、２つのデータに対する回帰分析において、回帰直線が当てはまっているか否かを評価する指標であり、２つのデータ間の関係の強さを評価する際に用いる相関係数ｒの二乗と等しい。一般的に、相関係数ｒ≧０．７で２つのデータ間に高い相関があるとされ、決定係数Ｒ2≧０．５で回帰直線が適合していると判断される。
【００３７】
そして、決定係数Ｒ2=０．５のとき、ｒ≒０．７となるから、本実施の形態では、決定係数Ｒ2≧０．５の場合に、ビット摩耗係数ｋと礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmとの間に有意な相関性が認められるものと判定することとした。
【００３８】
図４を見ると、礫の摩耗能指数Ｆmod1/nの累乗根ｎ＝１のときは相関が認められないが、累乗根ｎが１より大きくなると相関を示すようになり、累乗根ｎ＝１．６の場合にＲ2が０．５を超え、累乗根ｎが１．６より大きくなるほど有意な相関性がある様子がわかる。つまり、上記の（３）式において、礫の摩耗能指数Ｆmod1/nの累乗根ｎを、１より大、好ましくは１．６以上に設定して礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを算出すると、現場Ａ、Ｂ、Ｃ各々の実測によるビット摩耗係数ｋと近似した数値が算定できる。
【００３９】
したがって、シールド掘削機１にて礫混じり地盤を掘削するにあたり、カッタービット４のビット摩耗量ｗを推定する際には、対象地盤の礫含有率Ｇ、礫の強度Ｓ、平均石英粒子径Ｄおよび礫中の石英含有率Ｑをあらかじめ測定する。その一方で、試験施工等に基づいてあらかじめ設定されたシールド掘削機１の掘進推力から、カッタービット４の１体当たりの切羽への平均押付け力Ｐを算定する。これらの算出結果と礫の摩耗能指数Ｆmod1/nの累乗根ｎを１より大とした上記の（３）式から、礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを算出する。
【００４０】
その一方で、カッタービット４ごとに予定されている切羽に対する摺動距離Ｌを算出する。カッタービット４は同一のカッターヘッド３に取り付けられていても、図５で示すように、カッターヘッド３の外周付近に位置するカッタービット４ａと軸中心近傍に位置するカッタービット４ｂとでは、ビット摺動距離Ｌは当然ながら相違する。
【００４１】
したがって、カッタービット４ごとのビット摺動距離Ｌを算出する際には、シールド掘削機１の仕様に基づいてカッターヘッド３におけるカッタービット４の位置を把握してシールド掘削機１の軸中心からの距離を算定しておくとともに、施工条件や掘進計画等に基づいてあらかじめ設定されたシールド掘削機１の掘進速度およびカッターヘッド３の時間当たりの回転数を把握しておく。
【００４２】
先にも述べたように、礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmが上記（１）式のビット摩耗係数ｋに相当するから、これとカッタービット４ごとに予定される摺動距離Ｌとを上記（１）式に代入することにより、シールド掘削機１にて所定距離だけ掘進した後のカッタービット４の個々におけるビット摩耗量ｗを推定することができる。
【００４３】
このように、礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmに、礫の摩耗能指数Ｆmod1/n、礫含有率Ｇと、カッタービット４の切羽への平均押付け力Ｐとを採用することにより、掘削しようとする礫混じり地盤の地盤特性を反映できる。特に礫の摩耗能指数Ｆmod1/nの累乗根ｎを１．６以上とすると、礫混じり地盤の地盤特性をより精度よく反映できる。
【００４４】
また、礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmが、カッタービットの単位摺動距離（１ｋｍ）当たりのビット摩耗量を示す指標であるため、シールド掘削機１にて所定距離だけ掘進した後のカッタービット４のビット摩耗量ｗを推定するにあたっては、シールド掘削機１の掘進速度やカッターヘッド３の回転速度、シールド掘削機１におけるカッタービット４の位置等をも反映させたカッタービット４の摺動距離Ｌを用いて、ビット摩耗量ｗを推定すればよい。これにより、カッタービット４のビット摩耗量ｗの推定に、礫混じり地盤の地盤特性だけでなく、施工条件や掘進計画、シールド掘削機１の仕様等をも反映させることができる。
【００４５】
したがって、個々に条件が異なるカッタービット４各々に対して、定量的で正確なビット摩耗量ｗを推定することが可能となる。これに伴って精度の高いビット交換の作業計画を立案できることから、交換計画地点に到達する前にカッタービット４が想定を超えて摩耗してしまい、掘進効率が低下したり、カッターヘッド３を損傷させるといった事態を防止することでき、効率よく経済的にシールド掘削機１による掘進作業を進めることが可能となる。
【００４６】
〈第２の実施の形態〉
先にも述べたように、石英は粒子径が小さいためその粒径は、礫混じり地盤中に含まれる石英の量や礫の強度と比較して、カッタービット４の摩耗に及ぼす影響が小さいとの知見を発明者らはすでに得ている。
【００４７】
そこで、第１の実施の形態で示した礫の摩耗能指数Ｆmod1/nから、平均石英粒子径Ｄの平方根を取り除き、礫の強度Ｓと礫中の石英含有率Ｑを掛け合わせたものを新たな礫の摩耗能指数に採用し、鋭意検討を行ったところ、これら礫の強度Ｓと礫中の石英含有率Ｑを掛け合わせたものについても、カッタービット４の摩耗との間に有意な相関関係が認められるとの知見を得るに至った。
【００４８】
上記の知見から、（Ｓ×Ｑ）1/nを新たな礫の摩耗能指数とし、これに礫混じり地盤中の礫含有率Ｇとカッタービット１本あたりの平均押付け力Ｐとを掛け合わせた、以下に示す（４）式を、礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmとした。
0006686710.tif 000005
【００４９】
そして、上記の（４）式で示す礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmについて、礫の摩耗能指数（Ｓ×Ｑ）1/nの最適な累乗根ｎを把握することを目的に、第１の実施の形態と同様の検討を行った。
【００５０】
図６を見ると、礫の摩耗能指数（Ｓ×Ｑ）1/nの累乗根ｎ＝１のときに、すでに決定係数Ｒ2が０．５を超えており、特に累乗根ｎが２〜５の範囲で強い相関を示すことがわかる。つまり、上記の（４）式において、礫の摩耗能指数（Ｓ×Ｑ）1/nの累乗根ｎを１以上、好ましくは２以上５以下として礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを算出すると、現場Ａ、Ｂ、Ｃ各々の実測によるビット摩耗係数Ｋと近似した数値が算定できることがわかる。
【００５１】
したがって、予定されるカッタービット４の摺動距離Ｌと礫の摩耗能指数（Ｓ×Ｑ）1/nの累乗根ｎを１以上、好ましくは２以上５以下として上記の（４）式で算出した礫混じり地盤の推定摩耗能指数Ｋmを上記（１）式に代入することにより、シールド掘削機１にて所定距離だけ掘進した後のカッタービット４のビット摩耗量ｗを推定することができる。
【００５２】
本発明のカッタービットの摩耗量推定方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５３】
例えば、本実施の形態では、礫の強度Ｓに地盤工学会規格の「岩石の圧裂による岩石の引張強さ試験（ＪＧＳ  ２５５１）」に基づいて測定した強度Ｓｔを採用した。しかし、必ずしも上記の方法に限定されるものではなく、「岩石の圧縮強さ試験（ＪＩＳ  Ｍ  ０３０２）」や地盤工学会規格の「岩石の点載荷試験方法（ＪＧＳ  ３４２１）」等に基づいて算定した強度を採用してもよい。
【００５４】
また、礫混じり地盤中に、石英以外でカッタービット４の摩耗に影響を与えるような比較的硬度の高い鉱物が存在する場合には、礫中の石英含有率Ｑに代えて、以下の（５）式で表される等価石英含有率ＥＱＣを採用してもよい。
0006686710.tif 000006
【符号の説明】
【００５５】
１      シールド掘削機
２      胴部
３      カッターヘッド
４      カッタービット
５      切羽
【図１】
0006686710.tif 000007
【図２】
0006686710.tif 000008
【図３】
0006686710.tif 000009
【図４】
0006686710.tif 000010
【図５】
0006686710.tif 000011
【図６】
0006686710.tif 000012