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作成日 10.20
TBMのカッター交換原理
1. 耐高温カッター
TBM（トンネルボーリングマシン）の掘削過程において、ディスクカッターは岩石との摩擦により摩擦熱を発生する。これにより内部温度が上昇し、温度勾配と不均一な熱膨張が生じる。カッターが岩石に対して連続的に転がり圧力を加えることで、内部に交互の熱応力とひずみが発生する。これは非常に疲労損傷を引き起こしやすく、カッターリングの破断の原因となる。同時に、交互の熱応力とひずみによってカッターリングの表層に発生する微細亀裂も、カッターリングの摩耗を加速させる。さらに、温度の上昇に伴い、ベアリングやシールなどの内部部品の性能が著しく影響を受ける。これにより潤滑油の粘度が低下し、潤滑剤の失效を引き起こす可能性があり、カッターの耐荷重能力を低下させ、その使用寿命を短縮する。耐高温カッターの耐高温性は、主にカッター内部のフローティングシールと潤滑媒体の耐高温性能に依存している。
2. 耐高水圧カッター
近年、地下空間の大規模な開発に伴い、シールドトンネル工事が徐々に増加しており、特に河川横断や海底横断トンネルが増えている。現在、獅子洋トンネル、武漢三陽路トンネル、汕頭湾トンネル、媽湾トンネルなど、深埋設・高水圧下でのシールド工事では、最大水圧が10バールを超える事例が確認されている。従来のディスクカッターの耐圧差能力は3バールである。高水圧環境下での施工では、耐高水圧カッターを使用する必要がある。高水圧環境に適したカッターには、外部高圧条件下でのカッターシール性能の高い安定性が主に求められ、正常な動作を確保する必要がある。鍵となるのは、高水圧環境下におけるディスクカッターのシール技術の突破である。
2.1 高水圧ディスクカッターの原理
カッター軸の中心に空洞が設けられ、この空洞はディスクカッターの内部と連通している。同時に、空洞の内部には可動ピストンが取り付けられている。ディスクカッターが高水圧環境で作動する場合、内部空気の体積を調整することによりカッターの内部圧力が変更される。これにより、掘削工作面の環境圧力との動的平衡が実現され、カッター回転の動作安定性が確保される。気体のPVT（圧力-体積-温度）特性に従い、カッターの内部体積を調整することにより、ディスクカッターに必要な内部圧力が得られる。これにより、カッターの内外の圧力差がシールの耐圧差能力の限界を超えないことが確保される。このタイプのディスクカッターを設置する場合、一般的にカッターの内部空洞を潤滑油で完全に満たすことが要求される。
2.2 高水圧ディスクカッターの種類
高水圧ディスクカッターは主に可動ピストン式と膨張式ブラダー式の2種類があります。可動ピストン式は最大6バールの内部加圧が可能です。フローティングシールが安全に3バールの差圧に耐えられることと組み合わせると、このタイプの高水圧ディスクカッターは最大9バールの掘削条件の環境要件を満たすことができます。
- 刀圈: カッターリング
- 磁铁: マグネット
- 刀毂: カッターハブ
- エンドキャップ: End Cap
- カッターシャフト: Cutter Shaft
- リテーニングリング: Retaining Ring
- ベアリング: Bearing
- シールシート: Seal Seat
- フローティングシール: Floating Seal
- スクリュープラグ: Screw Plug
- 大ナット: Large Nut
- バルブコア: Valve Core
- 轴承隔环: ベアリングスペーサーリング
- 阀芯堵头: バルブコアプラグ
2.3 高水圧・高透水性地層における加圧下でのチャンバー開口技術
河海を横断するシールドトンネルにおいて、シールドマシンが停止する際、しばしば高水圧（>0.5 MPa）かつ高透水性（透水係数>10⁻² cm/s）の複雑な地層に位置することがある。このような地層は大気圧下でのチャンバー開放作業の条件を備えていない。したがって、加圧下でのチャンバー内介入作業を避けることは不可能である。加圧下でのカッタービット交換はリスクが高く、進捗が遅く、作業員の健康に重大な危険をもたらす。加圧下でのチャンバー介入は、従来の圧縮空気作業と加圧下での飽和潜水作業の2種類に分けられる。前者は深度が浅く、圧力が比較的低く、作業時間が短い条件に適している。後者は深度が大きく、空気圧が高く、作業時間が長い条件に適している。
2.3.1 加圧下での従来型圧縮空気チャンバー介入
南京長江トンネルは、中国で初期に採用された典型的なプロジェクトであり、在圧開蓋・在圧交換工具技術を採用した。シールドが河床下53.25mの深さまで掘進した際、カッターヘッドとカッターに深刻な摩耗が発生し、それ以上の掘進が不可能となった。圧縮空気作業中の地層の気密性を確保するため、本プロジェクトではまず大量の低密度・低粘度の純ベントナイトスラリーを掘削面に浸透させた。その後、圧力チャンバー内のスラリーをベントナイトと粘土の混合スラリーに置換し、緻密で気密性の高いスラリーケーキを形成した。スラリーケーキ形成後、スラリーレベルを3m下げて圧縮空気に置換した。カッター交換前に、作業員はマンロックに入り加圧を行い、その後スラリーチャンバー内でカッター交換作業を実施した。1回あたりの有効作業時間は45～60分であり、作業効率は約50%であった。
さらに、気圧条件下での作業員の減圧症（気圧外傷／減圧症）の予防と治療も、この技術におけるもう一つの重要な課題である。加圧下でのチャンバー開放によるカッター交換では、作業員は各作業ごとに加圧プロセス（通常10～20分）を経る必要があるため、カッターヘッドおよびカッターの点検・交換を完了した後、退室前にマンロック内で減圧プロセス（通常2～3時間）も受けなければならない。加圧と減圧のプロセスを頻繁に繰り返すことは、作業員に減圧症状を引き起こしやすい。したがって、従来の圧縮空気チャンバー開放・カッター交換技術は、作業量の多いカッター交換作業にはあまり適していない。
2.3.2 加圧下での飽和潜水チャンバー介入
カッターヘッドの交換を飽和潜水で行うには、シールドマシンに飽和高気圧居住室や人員搬送ロック（シャトル）などの専用設備が必要です。カッター交換期間中、作業員は一度の加圧プロセスを経るだけで済みます。彼らは高気圧居住室で休息と待機を行い、カッターヘッドの掘削面の前で作業を実施します。作業完了後も同様に、一度の減圧プロセスを経るだけで大気圧に戻ることができます。そのため、従来の圧縮空気によるカッター交換と比較して、飽和潜水によるカッター交換は、より高い水圧・土圧の地層に適用できます。同時に、複数回の加圧・減圧が不要となり、作業効率が大幅に向上します。飽和潜水によるカッター交換作業を使用する場合、1回の勤務シフトは最大6～8時間に及ぶことができます。作業効率は、加圧下での従来作業の8～10倍です。さらに、飽和チャンバーは約3週間人員を収容できるため、減圧症にかかる確率を効果的に低減できます。
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