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作成日 09.04
TBMトンネル掘削の核心部品 – 切削工具
TBM掘進の核心部品 – 切削工具
TBMの構成 – 切削工具
TBMの切削工具は、岩盤や土砂の掘削・加工に使用され、トンネルボーリングマシン（TBM）にとって重要かつ摩耗しやすい部品です。
その稼働状態は、トンネルボーリングマシン（TBM）の掘進効率とトンネル掘削コストの両方に直接的な影響を及ぼす。TBMの切削工具には、主にディスクカッター、歯付きカッター、スクレーパーなどの種類がある。カッターヘッド内の位置に基づき、これらの工具はセンターカッター、フェイスカッター、サイドカッターに分類される。センターカッターはカッターヘッドの中心部に位置する。硬岩TBMおよび複合シールド機の場合、センターカッターは通常、1つまたは複数の複式ディスクカッターを採用し、一方、フェイスカッターとサイドカッターは単式ディスクカッターを採用する。
1. ディスクカッター
ディスクカッターは、TBMが岩盤を掘削する際に一般的に使用される工具であり、主にカッターリング、カッターボディ、カッターボディシール、およびカッターシャフトで構成されている。カッターボディに取り付けられるカッターリングの数に応じて、カッターは単刃、複刃、または多刃に構成することができる。このうち、単刃ディスクカッターは、現在、全断面TBM用途において最も広く使用されているカッターの一種であり、工学的実践において、岩盤破砕に最も効果的であることが証明されている。
運転中、機械の推力とトルクの影響下で、ディスク型フェースミルのカッターリングが岩盤に貫入し、岩盤との連続的な転がり噛み合いを通じて破岩プロセスが達成されます。ディスク型フェースミルは主に特殊鋼材料で製造されており、工具全体、特にそのカッターリングは、十分な強度、剛性、靭性、耐摩耗性、および耐高温性を備えていなければなりません。
図 | ディスク型ホブ構造図
技術の絶え間ない進歩と高強度材料の使用増加に伴い、ディスクカッターの直径とそれらが受ける荷重は着実に増加している。カッターの直径は11インチ、12インチ、14インチ、15.5インチ、16.5インチ、17インチ、19インチから最大20インチ（500 mm）までの範囲であり、対応する荷重は表2.4に示されている。現在、直径17インチまたは19インチのカッターが最も一般的に使用されている。大直径ディスクカッターの使用により、カッターヘッド上のカッター間隔を適切に拡大することができ、必要なカッター数を減らし、カッターヘッドの推進力を強化することができる。これにより、破岩効率が向上するだけでなく、切削工具の使用寿命が延長され、トンネル掘進中のカッター交換頻度が低減され、それによって総掘進時間が増加し、全体的な掘進効率が向上する。
図 | 転がりカッターを用いた破岩メカニズムの概略図
初期の円盤形カッタービットは、V字型のカッターリング断面を有し、切刃角度は通常60°、75°、90°、または120°に設定されていた。より大きな切刃角度は一般に硬岩の掘削時に採用され、一方、より小さな角度は軟らかい岩盤に使用された。しかし、V字型カッターリング設計に伴う急速な摩耗と破損しやすさによりトンネル掘削コストが増加したため、この設計は従来の切削面を有するカッターリングに徐々に置き換えられた。
図 | 切削工具
2. 歯付きカッター
歯付きカッターは主に砂質、シルト質、粘土質などの軟弱地盤の掘削に使用され、シールドマシンや複合シールドマシンの主要な掘削工具です。歯付きカッターはカッターヘッドの面板に取り付けられており、その動作原理はディスクカッターとは異なります – 切羽を転がって岩盤を破砕するのではなく、カッターヘッドの回転と推進力によって掘削物を掘り進めます。
図 | ブレード
3. ブレード
スクレーパーは、前面スクレーパーと縁部スクレーパーに分類され、シールドマシンおよび複合シールドマシンの掘削工具として機能する。前面スクレーパーの切削原理は比較的単純であり、カッターヘッドから伝達される推力を利用して掘削面の土壌に貫入する。カッターヘッドが回転するにつれて、スクレーパーは接線力の作用下で土壌を切削する。縁部スクレーパーはカッターヘッドの縁部に位置し、ディスクカッターによって掘削された岩屑を収集する。カッターヘッドが回転するにつれて、この岩屑はカッターヘッド上のシュートを通じてベルトコンベヤーに搬送される。
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