TBM掘削効率に影響を与える主な地質学的要因

岩石の単軸圧縮強度（UCS）は、トンネルボーリングマシン（TBM）の適用性を評価し、掘削効率を予測するための重要な指標ですが、唯一の決定要因ではありません。

TBMトンネル掘削プロジェクトにおいては、包括的な地質調査が不可欠です。これらは、科学的な機器選定と設計の基礎となります。さらに、建設段階では、堅牢な先行探査システムと柔軟な対応戦略によってサポートされ、最終的にTBMの安全かつ効率的な進行を確保する必要があります。

岩石の単軸圧縮強度（UCS）は、TBM掘削効率を決定する重要な地質学的要因の一つです。一般的に、TBMはUCSが30～150 MPaの硬岩で最適な性能を発揮します。岩石強度が150 MPaを超え、かつ岩盤が節理の発達が乏しい健全な状態の場合、掘進速度が著しく低下し、カッターの摩耗悪化、カッターヘッドの異常振動、摩耗の加速、さらには溶接部の亀裂といった一連の問題が発生します。これらの状況は、カッター交換や機器メンテナンスのためのダウンタイムを大幅に増加させます。したがって、この要因の影響は、プロジェクトのスケジュール策定において十分に考慮する必要があります。

岩盤内の不連続面（節理、層理、葉理、小断層など）の発達度、すなわち岩盤の破砕度または一体性の度合いは、TBM掘削効率に影響を与えるもう一つの重要な地質学的要因です。岩石のUCS、硬度、摩耗性が類似していても、不連続面の発達度が異なれば、TBMの貫入率（1回転あたりの切削深さ）や正味掘削速度は大きく変動する可能性があります。

不連続面の発達度を定量化するために、岩盤一体性係数（Kv）、体積節理数（Jv）、または岩盤品質表示（RQD）などのパラメータが一般的に使用されます。一般的に、良好な一体性を持ち、比較的密に分布した不連続面を持つ岩盤では、正味掘削速度が高くなります。これは、適度な不連続面が岩石の破砕を促進し、切削抵抗を低減するためです。

しかし、岩盤が激しく割れている場合（例えば、接合密度が極めて高く、Kv値が0.25未満になる場合）には状況は逆転します。このような場合、岩盤は破砕または緩んだ状態になり、全体の強度が著しく低下し、自立支持能力を欠くようになります。TBMカッターは、このような割れた岩盤ではより大きな貫入量（つまり、切削が容易）を達成できるかもしれませんが、周囲の地盤が非常に不安定であるため、崩壊や収束変形を起こしやすくなります。これにより、建設の安全性とトンネル壁の安定性を確保するために、一時的な支持対策（例えば、鋼製アーチの設置、吹付けコンクリート、ロックボルトの設置など）に多大な時間を費やす必要があります。これらの追加的な支持作業は掘進時間を大幅に消費し、最終的にはこれらの区間でのTBMの正味掘進率の低下につながります。したがって、過度に発達した不連続面は、岩盤の健全強度を低下させる一方で、支持の需要が劇的に増加するため、効率的なTBM掘進の制約となります。

岩盤の硬度は、その摩耗性を決定する重要な要因です。一般的に、岩盤の硬度が高いほど摩耗性が増し、TBM（トンネルボーリングマシン）カッターの摩耗を直接的に加速させます。これにより、カッターの消費が速くなり、建設コストが増加するだけでなく、カッター交換のためのダウンタイムが増加し、全体的な掘進速度が低下します。

岩石の摩耗性は、特に石英などの硬質鉱物の含有量と粒子径によって、その鉱物組成に大きく影響されます。これらの研磨性物質の含有量が多く、粒子径が大きいほど、カッターの摩耗が増加します。

岩石の摩耗ポテンシャルを客観的に評価するために、国際的に採用されているCERCHAR摩耗試験により、Cerchar摩耗指数（CAI）が決定されます。CAI値は、岩石の摩耗性を定量化し、カッターの摩耗やTBM掘進効率への影響を予測するための重要な指標となっています。

岩盤中の主要な不連続面（例えば、節理、層理など）の走向とトンネル軸とのなす角度が45°未満であり、かつ傾斜角が緩やか（30°未満）である場合、トンネルのショルダー部上部および頂部領域に不安定なくさび形ブロックが形成されやすい。この不利な構造的組み合わせにより、これらのくさびは緩み、落下、あるいは大規模な崩壊を起こしやすく、通常のTBM作業を著しく妨げ、効率を低下させるだけでなく、設備や人員の安全にも直接的な脅威をもたらす。

一般的に、主要な不連続面とトンネル軸との間の角度が50～70度の場合、より高い掘進速度を達成するのに最も適していることに注意する必要があります。

したがって、岩盤の不連続面の走向を正確に事前調査することは、このようなリスクを予測・防止し、安全かつ効率的なTBM掘削を確保するために不可欠です。