(57)【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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▲１▼で定義する。
ｋ＝Ｐ／（Ｊ／Ｒ）    ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・▲１▼
【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１２ａ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Ｖ0 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▲１▼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
【図１】
0003806182.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003806182.tif 000004
【図４】
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