マイクロトンネリングマシンの仕組みと実際にマイクロトンネリングマシンが必要となる場合

マイクロトンネルマシンとは何ですか?また他のボーリング装置との違いは何ですか?

マイクロ トンネル マシン (一般に MTBM (マイクロ トンネル ボーリング マシン) と略称されます) は、開削掘削を行わずに地下パイプラインを設置するように設計された遠隔操作の推進システムです。この機械は、土壌や岩石に精密かつ制御されたトンネルを掘削し、同時にプレハブのパイプ部分を機械が作り出した空隙に押し込みます。操作全体は地表の制御室から指示され、トンネル内に作業員を必要としないため、利用可能な最も安全で最も正確な非開削設置方法の 1 つとなります。

マイクロトンネル掘削が、水平方向掘削（HDD）や従来のパイプ推進工などの他の非開削工法と異なる点は、その位置精度のレベルと重力流パイプラインへの適合性です。 HDD は事前に穴あけされたパスを通してフレキシブル パイプを引っ張り、ある程度の逸脱を許容しますが、マイクロ トンネリング システムはレーザー ガイダンスと操縦可能なカッターヘッドを使用してリアルタイムで操縦し、±25 mm という厳しいラインと勾配の公差を達成します。この精度により、傾斜を正確に維持する必要がある下水道、雨水、プロセス パイプラインに推奨される方法となっています。

マイクロトンネリング システムのコア コンポーネント

完全なマイクロトンネルシステムは単なる切断機ではありません。これは、地表と地下全体で連携して機能し、安全かつ正確に穴を完成させるコンポーネントの統合アセンブリです。各部分を理解することは、システムがどのようにしてそのような信頼性の高い結果を達成するかを説明するのに役立ちます。

マイクロトンネルボーリングマシン (MTBM)

MTBM 自体は地下切断ユニットです。これは、前部の回転カッターヘッド、そのすぐ後ろのスラリー チャンバー、および油圧および電気駆動システムを含む操縦可能なシールド本体で構成されています。カッターヘッドは地盤の状態に基づいて選択されます。軟弱な地盤や混合切羽の状態では、硬い岩層とは異なるカッター構成が使用されます。シールドの後ろにはパイプストリングが直接続くため、完成したパイプラインがその後ろに伸びている間、機械は常にボアの面で動作します。

ジャッキングフレームと発射シャフト

前方への推力はすべて、地表の発射シャフトに設置された油圧ジャッキ フレームから発生します。このフレームは推力壁を押し、パイプストリング全体とその頭部の MTBM を地面を通して前方に押し出します。ジャッキ フレームは、ドライブの予想される最大ジャッキ荷重に耐えられるサイズにする必要があります。長いドライブや困難なドライブでは、この負荷は数千キロニュートンに達する可能性があります。発射シャフトは、ボアが進むにつれて新しいパイプセクションが降ろされ、ストリングに追加されるステージングエリアとしても機能します。

スラリー分離プラント

ほとんど マイクロトンネルマシン スラリーシステムを使用して、切羽から掘削された物質を除去します。加圧されたスラリー (通常はベントナイトと水の混合物) が地表から切削チャンバーまでポンプで送られ、そこで戦利品を懸濁し、戻りラインを通じて地表に戻します。地表では、分離プラントが戻ってきたスラリーを処理し、サイクロン分離器と振動スクリーンを使用して土壌粒子を除去し、きれいなスラリーを再利用できるように調整します。この閉ループ システムは、面圧を制御し、地盤の沈下を防止し、幅広い種類の土壌を効率的に処理します。

レーザー誘導制御システム

ステアリングの正確さはレーザー誘導システムによって実現されます。セオドライトに取り付けられたレーザーが発射シャフトに設置され、設計ボアラインに沿って MTBM 内のターゲットに照準を合わせます。設計アライメントからの逸脱は直ちに検出され、表面コントロール パネルに表示されます。オペレーターは、MTBM のシールド内の関節シリンダーの延長を調整することでステアリングを修正し、走行中ずっとマシンをラインと勾配上にステアリングで戻すことができます。最新のシステムには、長いドライブやカーブしたドライブでの位置精度を高めるためにジャイロセンサーも組み込まれています。

地盤状況別のマイクロトンネルマシンの種類

すべての地面タイプで同じように機能する単一のカッターヘッド設計はありません。機器の選択は、マイクロ トンネル プロジェクト計画において最も重要な決定事項の 1 つであり、地盤の状態に合わせて間違った機器を選択することは、プロジェクトの遅延とコスト超過の主な原因となります。主なカテゴリは次のとおりです。

混合面条件（ボアが土壌と岩石の両方を同時に通過する）は、マイクロ トンネル掘削において最も困難なシナリオの 1 つです。ドラッグビットとディスクカッターの両方を備えた特殊な混合面カッターヘッドが利用可能ですが、不均一な摩耗やボア内での機械の横転を防ぐために、面圧と前進速度を注意深く管理する必要があります。

オープンカット方式ではなくマイクロトンネリングが正しい選択である場合

開削トレンチは、表面の制約がないグリーンフィールドサイトに設置されたパイプラインの 1 メートルあたりのコストがより簡単で安価です。次の条件のいずれかが当てはまる場合、マイクロ トンネリングがより良いオプション、または唯一の実行可能なオプションになります。

• 道路と踏切: 交通を中断することなく、使用中の道路、高速道路、または鉄道の下にパイプラインを設置することは、マイクロ トンネル装置の最も一般的な用途の 1 つです。ボアは、表面を乱すことなく、シャフトからシャフトまで障害物の真下を完全に通過します。
• 川と水路の交差点: HDD が水路の下でフラクアウトの危険性がある場合、特に堤防上の作業スペースが限られている都市部の水路横断では、制御されたスラリー圧力下で動作するマイクロトンネルボーリングマシンがより信頼性の高い代替手段となります。
• ディープユーティリティのインストール: 重力式下水道システムでは、多くの場合、6 ～ 15 メートル以上の深さにパイプを設置する必要があります。このような深さでは、開削掘削には大規模な支保工、排水、交通管理が必要であり、マイクロトンネルの運転コストをはるかに上回ります。
• 敏感な表面環境: 歴史的な街並み、空港の滑走路、稼働中の産業施設、環境に配慮した地域では、開削が完全に禁止されている場合があり、そのため、溝のないマイクロトンネルが唯一許可される設置方法となっています。
• 地下水が多いまたは不安定な土壌: スラリーマイクロトンネル掘削機は、地下水と土圧のバランスをとる切羽圧力を維持し、軟弱な地盤や浸水した地盤の状態で崩壊を防ぎ、地盤の動きを最小限に抑えます。

マイクロトンネルシステムで使用されるパイプ材料

マイクロ トンネル システムによって設置されるパイプは、運用開始後の使用荷重だけでなく、設置中に加えられる大きな推進力にも耐える必要があります。構造強度とジャッキング耐性というこの 2 つの要件により、オープンカット設置と比較して、適切なパイプ材料の分野が狭まります。最も一般的に使用されるオプションは次のとおりです。

• 鉄筋コンクリート管(RCP): 下水道および雨水用途のマイクロトンネルで最も広く使用されているパイプ タイプ。コンクリート推進パイプは、推進負荷をパイプ接合部全体に均等に分散するために、平らで精密に機械加工されたスチール製エンドリングで製造されています。直径は約300mmから最大3000mm以上まで取り揃えております。
• ガラス固化土管(VCP): 化学的攻撃に対する耐性が高く、重力下水道の設置に広く使用されています。 VCP ジャッキング パイプはより小さい直径も用意されており、コンクリートが時間の経過とともに劣化する腐食性の下水道環境で特に好まれます。
• 鋼管: 圧力パイプライン用途、産業プロセスライン、およびケーシングの設置に使用されます。鋼管はジャッキ耐力に優れており、長いドライブに設置できますが、腐食性土壌環境では陰極防食またはライニングが必要です。
• ポリマーコンクリートとGRPパイプ: ガラス強化プラスチック (GRP) およびポリマー コンクリート パイプは、高い耐薬品性と滑らかな内面を備え、水力能力を最大化します。コンクリートより軽いですが、設置中にジャッキ面に損傷を与えないように慎重に取り扱う必要があります。

長いマイクロトンネルドライブでの推進力の管理

マイクロトンネルの駆動が長くなるにつれて、設置されたパイプと周囲の土壌との間の摩擦が蓄積し、機械を前進させるために必要な総ジャッキ力が増加します。非常に長いドライブでは、この力がパイプの構造容量やジャッキ フレームの出力制限を超える可能性があります。拡張ドライブでこの問題を管理するには、2 つの主要な手法が使用されます。

中間ジャッキングステーション (IJS)

中間ジャッキ ステーションは、設置中に適切な間隔でパイプ ストリングに組み込まれた油圧シリンダー アセンブリです。ジャッキの荷重がパイプの最大容量に近づくと、IJS が作動してパイプストリングの前部セクションと MTBM を独立して前方​​に押し出し、メインジャッキフレームが後部セクションを所定の位置に保持します。これにより、力管理の観点からドライブが効果的に短いセグメントに分割され、通常は 1 回のプッシュで完了することが不可能なドライブが可能になります。 IJS の間隔は、土壌の摩擦とパイプの容量に応じて、通常 80 ～ 150 メートルごとに配置されます。

潤滑剤注入システム

ほとんど micro-tunnel jacking pipes are equipped with annular lubrication ports — small injection points built into the pipe wall. A bentonite slurry is pumped through these ports under pressure, creating a lubricated annular space between the outer pipe surface and the surrounding soil. This dramatically reduces skin friction and can cut jacking forces by 40 to 70 percent on cohesive soil drives. Maintaining consistent lubrication coverage across the entire pipe string is critical; gaps in lubrication can cause localized friction spikes that are difficult to recover from without the risk of pipe damage.

マイクロトンネリングのコストに影響を与える主要なプロジェクトパラメータ

マイクロ トンネルはプレミアムな設置方法であり、開削トレンチよりも初期費用が高くなります。これらのコストを左右する変数を理解すると、プロジェクト プランナーが設計段階でより適切な意思決定を行うのに役立ち、より現実的な予算編成が可能になります。

• ドライブの長さと直径: より長いドライブとより大きなパイプ直径には、より大型で強力な装置とより大きな発射シャフトが必要です。一般に、移動コストがより多くの設置されたパイプラインに分散されるため、ドライブが長いほどメーターあたりのコストが減少します。
• シャフト構造: 発射および受信シャフトは重要なコスト要素であり、多くの場合、駆動装置の総コストの 20 ～ 35% を占めます。都市環境では、交通量の多い通りでの立坑建設には、交通管理、公共施設の迂回、特殊な支保工が必要となり、費用が大幅に増加します。
• 地面の状態: 石畳、岩、混合面、または高圧地下水などの困難な条件では、機械の摩耗が増加し、前進速度が低下し、プログラムにコストと時間を追加する追加の介入が必要になる場合があります。
• スラリーの廃棄: 環境に敏感な場所や処理施設が離れた場所では、ボーリング中に生成される汚染スラリーの処分に多大なコストがかかる可能性があります。プロジェクトによっては、廃棄が許可される前に現場でスラリー処理が必要になる場合があります。
• 動員と機器の輸送: マイクロ トンネリング システムは、大規模な特殊な機器パッケージです。特に遠隔プロジェクトや国際プロジェクトの場合、請負業者のヤードから現場までの動員は固定費であり、最初からプロジェクトの経済性を考慮する必要があります。

マイクロトンネルマシンを選択する前の地盤調査要件

不適切な地盤調査は、マイクロ トンネル プロジェクトの失敗の最も一般的な原因の 1 つです。地面の状態によって、どのタイプの機械を使用できるか、どのような面圧を適用するか、機械がどのくらいの速度で前進するか、どのようなリスクを管理する必要があるかが直接決まります。マイクロ トンネル プロジェクトの徹底的な地質工学調査には、次の内容が含まれる必要があります。

• 提案された発射および受信シャフトの位置で、およびドライブの配置に沿って一定の間隔でボーリング孔を掘削し、土壌層序を記録し、テスト用のサンプルを回収します。
• 粒子サイズ分布、可塑性指数、一軸圧縮強度 (岩石の場合)、および摩耗指数に関する実験室試験により、カッターヘッドの摩耗の可能性を評価します。
• ボーリング中に地下水のバランスをとるために必要な切羽圧力体制を確立するための、地下水位の測定と透水性試験。
• 走行を妨げる可能性があり、事前処理や緊急時対応計画が必要となる可能性のある障害物 (放棄された基礎、古い暗渠、ユーティリティ、または岩) を特定します。
• 線形に沿った既存の構造物とサービスを評価して、沈下感度を評価し、マイクロトンネル掘削機の切羽圧力制御が維持する必要がある許容可能な地盤変動制限を決定します。

知っておく価値のあるマイクロトンネリング技術の進歩

マイクロ トンネリング業界は過去 10 年間で大幅に進歩し、新しいシステムでは、前世代の機器では利用できなかった機能が提供されています。リモート監視およびデータ ロギング システムにより、ジャッキ力、面圧、前進速度、カッターヘッド トルク、ステアリング位置などの機械性能パラメータを複数のドライブで同時にリアルタイムに追跡できるようになりました。このデータは、プロジェクト管理だけでなく、予知保全にも使用されることが増えており、オペレーターが地下で計画外のダウンタイムが発生する前に開発中の機器の問題を特定するのに役立ちます。

曲線駆動能力も大幅に向上しました。初期のマイクロ トンネル システムは主に直線駆動に限定されていましたが、最新の操縦可能な MTBM は 150 ～ 200 メートルほどの狭い半径で水平曲線を実行できるため、以前は追加のシャフトや代替方法が必要だった位置合わせのオプションが開かれます。この機能は、パイプラインの配置が既存の地下インフラを迂回する必要がある都市環境で特に価値があります。さらに、混合面カッターヘッド設計と摩耗監視技術の進歩により、以前はフルフェイス岩石トンネルボーリングマシンや手動掘削方法が必要だった地盤条件までマイクロトンネル掘削の実用範囲が広がりました。