岩管推進機: 種類、切断システム、プロジェクトの選択に関する完全ガイド

岩盤パイプ推進機とは何か、そして岩石の状態に専門の機器が必要な理由

岩管推進機は、硬い岩層や混合岩層に穴をあけながら、その背後に一連のパイプを設置すると同時に、発射シャフトから加えられる油圧ジャッキ力を使用してパイプストリングと機械全体を地面を通して前進させるように設計された非開削建設機械の専門部品です。この機械は、ボア前面の岩壁を掘削し、設置されたパイプストリングを通して埋没物を除去し、完成したパイプラインに必要な正確なラインと勾配を維持します。これらはすべて、地表での開削を行わずに行われます。岩盤パイプ推進機は、道路、鉄道、河川、都市インフラの下に重力式下水道、水道本管、ガスパイプライン、ケーブルダクトを設置する際に最適な機器です。道路、鉄道、河川、都市インフラの表面破壊が禁止または非現実的で、地盤の状態が標準的な軟弱地盤のパイプ推進機では扱えないほど硬すぎる岩石や摩耗性の高い岩石などです。

標準的なパイプジャッキマシンと、岩石の状態に合わせて特別に設計されたマシンとの違いは基本的なものです。軟弱地盤マイクロトンネルマシンは、スラリー圧力または土圧バランスを使用してトンネル切羽をサポートし、土壌や弱い岩盤に適したディスクカッターまたはドラッグピックを使用します。一軸圧縮強度 (UCS) が 80 ～ 100 MPa を超える花崗岩、玄武岩、珪岩、砂岩、または石灰岩などの適切な硬岩では、これらの切削工具は急速に摩耗し、掘削速度が許容できないレベルに低下し、機械が依存する流体圧力がないと地盤が自立すると機械が動けなくなる可能性があります。あ 岩管推進機 は、硬岩用に定格されたディスク カッターまたはボタン ビットを搭載した専用設計のカッターヘッド、岩盤掘削に必要な高い推力とトルク負荷に耐えることができる堅牢なメイン ベアリングと駆動システム、そして多くの場合、自立した岩盤条件に適したオープンフェイスまたは大気作業モードを使用して、これらすべての課題に対処します。

岩管ジャッキングマシンの仕組み: 完全なプロセス

岩盤でのパイプ推進プロセスは、軟弱な地盤の場合と同じ基本的な手順に従いますが、各段階には、硬い岩石の掘削の課題に適応した機器と手順が含まれます。プロセス全体を理解すると、マシンが何を実行する必要があるのか​​、またさまざまなシステムがなぜそのように設計されているのかが明確になります。

発射シャフトの準備と機械のセットアップ

このプロセスは、発射シャフトの建設から始まります。これは垂直掘削であり、そこから機械が降下され、パイプストリングが前進します。岩層では、発射シャフトは、多くの場合、掘削と発破、または岩鋸切断によって形成され、ジャッキフレーム、スラストウォール、および設置される最初のパイプセクションを収容するのに十分なサイズでなければなりません。スラスト壁 (シャフトの後壁に当接する鉄筋コンクリートまたは鋼製構造物) は、駆動中に加えられるジャッキ力全体に耐えるように設計する必要があります。硬い岩の状態では、中程度の直径の穴でもジャッキ力は数百トンに達することがあります。ボーリングが開始される前に、機械は立坑内に降ろされ、正しいラインと勾配のジャッキフレームに設置され、スラリーライン、電源、データケーブル、汚物除去コンベアまたはスラリーパイプといった後続システムに接続されます。

カッターヘッドでの岩盤掘削

カッターヘッドは、ジャッキシステムによって加えられる推力とカッターヘッド駆動モーターからのトルクの組み合わせの影響を受けて、岩壁に対して回転します。硬い岩石では、主な切断動作はディスク カッターによって実行されます。このディスク カッターは、高い点荷重の下で岩肌を転がり、隣接するカッター パス間の岩石を削る引張破壊を引き起こします。ディスク カッターの間隔、直径、先端荷重は、特定の岩石タイプと UCS に合わせて設計されています。より硬くて摩耗性の高い岩石では、許容可能な貫通率とカッター寿命を達成するために、より間隔が狭く、より高品質の超硬インサートを備えたより大きな直径のカッターが必要です。柔らかい岩石や割れた岩石は、ドラッグピック、または混合面条件用のディスク カッターとピックの両方を備えたコンビネーション カッターヘッドを使用すると、より効率的に切断できます。

ボアからのスポイル除去

カッターヘッドで発生した岩石の切削片は、設置されたパイプストリングを通って発射シャフトまで戻して除去する必要があります。スラリーモードの岩盤パイプ推進機では、水またはベントナイトのスラリーがカッターヘッドにポンプで送られ、そこで岩石チップと混合され、スラリーとして地表の分離プラントにポンプで戻されます。この方法は、微細な岩石粒子や小さなチップを効率的に処理しますが、硬い岩石で生成される粗い岩石の破片を輸送するには十分なスラリー速度が必要です。これは、スラリー ポンプのサイズとパイプラインの直径に影響を与える考慮事項です。一部の岩盤パイプ推進構成、特に自立型の適格な岩盤では、スラリー輸送の代わりに機械的搬送（パイプストリングを通るスクリューコンベアまたはドラッグコンベア）が使用され、分離プラントの必要性がなくなり、現場作業が簡素化されます。

パイプの設置と推進手順

機械が前進するにつれて、パイプセクションが発射シャフト内に降下され、メインジャッキングフレームによって前方に押し出されるパイプストリングの後部に追加されます。ジャッキストロークごとに、弦はパイプの長さ 1 本分進みます。パイプの直径とシャフトの深さに応じて、通常は 1.0 ～ 3.0 メートルです。次に、ジャッキ フレームが後退し、新しいパイプが下降して位置決めされ、次のストロークが始まります。中間ジャッキステーション（ドライブに沿って一定間隔でパイプセクション間に設置される油圧ジャッキ）は、累積摩擦負荷を軽減するために長いドライブで使用されます。そうでなければ、メインジャッキングフレームがパイプストリング全体を押す必要があり、岩石ドライブでは長いボアで数千トンに達することがあります。

ステアリングと勾配制御

岩石を通して指定されたラインと勾配を維持するには、岩石の異方性や破壊パターンが機械に課す可能性のある方向性の傾向を克服できるステアリング システムが必要です。岩石パイプ推進機は、後続パイプに対して機械の前部を偏向させる油圧ステアリング シリンダーを備えた関節式シールドを使用しており、走行中に継続的に修正を行うことができます。レーザーセオドライトまたはジャイロスコープ誘導システムは、表面制御ステーションに表示されるリアルタイムデータにより、設計アライメントに対する機械の位置を監視します。硬い岩石では、ステアリングの修正は徐々に適用する必要があります。硬い地面での急激なステアリング調整は、パイプ接合部の損傷や摩擦負荷の増加を引き起こす可能性があります。また、方向変更中にパイプストリングに過度のストレスがかかるのを避けるために、機械のステアリングジオメトリをパイプの直径と接合部の公差に一致させる必要があります。

さまざまな岩石の状態に対応するカッターヘッドの種類

カッターヘッドは、岩石パイプ推進機の特徴的なコンポーネントです。カッターヘッドの設計によって、機械が対象の岩石を効果的に掘削できるかどうか、カッターの摩耗がどの程度早く起こるか、混合切羽条件で機械がどのように動作するかが決まります。地盤の状態に合わせて正しいカッターヘッド構成を選択または指定することは、プロジェクト計画において最も重要な決定の 1 つです。

カッターの検査と交換へのアクセスは、岩管推進機の設計上の重要な考慮事項です。より大きな直径の機械 (通常は DN 1200 以上) では、作業者が安全な大気条件下で自立岩のカッターヘッド チャンバーに入り、駆動中に磨耗したカッターを検査および交換することができます。直径が小さい機械では、カッターの交換には、機械を発射シャフトまで後退させるか、時間とコストが大幅に低下するか、人が立ち入らずに摩耗した工具を交換できる遠隔操作のカッター交換システムを使用する必要があります。カッターの交換の実現可能性とコストは、特にカッターの消耗率が高い摩耗性の高い岩石での長時間のドライブの場合、ドライブ計画に考慮する必要があります。

ジャッキ力の計算と中間ジャッキステーション

岩管推進機を前進させるために必要な総推進力は、プロジェクト計画において最も重要なパラメータの 1 つです。これにより、メイン推進フレームの能力、推力壁の構造設計、パイプ部分の必要強度、および中間推進ステーションが必要かどうかが決まります。ジャッキの力を過小評価すると、ドライブが失速したり、過剰な推力でパイプが損傷したり、プロジェクトを完了できなくなったりすることがあります。

総ジャッキ力は、面の抵抗 (岩石の中をカッターヘッドを前進させるのに必要な力) と、取り付けられたパイプストリングの全長に沿った皮膚摩擦の合計です。岩石中の切羽抵抗は、主に岩石の UCS、カッターヘッド領域、およびカッター構成の関数です。表皮摩擦は、パイプ外径とボアホールの間の環状ギャップ、オーバーカット寸法、潤滑剤注入の有効性、およびパイプ表面粗さによって決まります。岩石パイプの推進では、皮膚の摩擦を減らし、環状の潤滑剤注入のためのスペースを確保するために、通常、ボアホールの直径はパイプの外径よりわずかに大きくカットされます (オーバーカット)。岩石の状態における一般的なオーバーカットは、岩石の質とドライブの長さに応じて半径 20 ～ 50mm です。

インタージャッキとも呼ばれる中間ジャッキ ステーション (IJS) は、ドライブに沿って計算された間隔でパイプ セクション間に設置される油圧ジャッキ アセンブリです。これらにより、ドライブをより短いセグメントに分割し、各セグメントを最も近いジャッキ ステーションによって前方に押し出すことができるため、パイプの個々のセクションがドライブ全長の累積摩擦を負うことがなくなります。一般的な条件で 150 ～ 200 メートルを超える岩管ジャッキ ドライブの場合、ほとんどの場合、IJS が必要です。 IJS の間隔は、パイプ セクションの最大許容ジャッキ荷重によって決まります。パイプ メーカーは自社製品の最大許容ジャッキ力を指定しており、IJS の間隔は、最悪の摩擦条件下でドライブ内のどの点でもこの力を超えないようにする必要があります。

岩管推進工における潤滑と環状グラウト注入

パイプストリングとボアホール壁の間の環状空間の潤滑は、すべてのパイプジャッキドライブで不可欠ですが、軟弱地盤の用途と比較して、岩盤状態では特有の特性があります。軟弱な地盤では、パイプストリングのポートから注入されたベントナイトスラリーが環状部を満たし、低せん断潤滑媒体を提供することで皮膚の摩擦を軽減します。岩石では、自立したボアホール壁により、潤滑剤が面での支持を提供する必要がないことを意味しますが、それでも、パイプと岩石の接触摩擦を軽減し、ドライブが一定期間停止した場合にパイプストリングがボア内にロックされるのを防ぐという重要な機能を果たします。

岩石ドライブにおける潤滑注入には、パイプストリングに沿って分散された複数の注入ポートから注入されるベントナイトまたはポリマーベースの潤滑グラウトが使用されます。注入圧力は、環状空間を満たし、地下水や岩石の微粒子を押しのけるのに十分な圧力である必要がありますが、周囲の岩石の水圧破砕を引き起こしたり、破砕面に沿って地表や隣接する構造物に逃げたりするほど高くてはなりません。運転中に各ポートの注入量と圧力を監視することで、環状の充填品質に関する情報が得られ、パイプがボアホール壁に直接接触している位置、つまり摩擦と摩耗のリスクが高まる状態であることをオペレーターに警告します。

打ち込みが完了すると、通常、環状スペースにセメントベントナイトまたは PFA セメントグラウトを注入して、パイプを永続的に支持し、その上にある地面の沈下を引き起こす可能性のある空隙を埋めます。ボーリング孔が完全に自立している適格な岩盤では、小径のドライブではこのグラウト注入ステップを省略することもできますが、より大きな直径の場合や、時間の経過とともに環状空間内でブロックが徐々に緩む可能性がある、ある程度の破壊や風化を伴う岩盤では、これが標準的な方法です。

岩管推進プロジェクトの地盤調査要件

ロックパイプ推進プロジェクトの成功は、機械の選択とプロジェクト計画の前に実行される地盤調査の品質に大きく依存します。岩石の状態は短距離では変化しやすいことで知られており、機械のパフォーマンスに最も影響を与えるパラメーター (UCS、摩耗指数、破壊頻度、混合面ゾーンの存在) は、表面マッピングやまばらなボーリング孔データから確実に推測することはできません。不適切な地盤調査は、岩管推進工事における予期せぬ機械の停止、予測をはるかに上回るカッターの消耗、プロジェクト費用の超過の最も一般的な原因です。

• ドライブのアライメントに沿ったボーリング孔の掘削: ドライブアライメントに沿って最大 50 メートルの間隔で回転コアボーリング孔を設置し、検層や実験室でのテストのために連続コアサンプルを回収することが、有意義な地上モデルの最低要件です。コアの回収率、岩石品質指定 (RQD)、およびメートルあたりの破壊頻度を実行ごとに記録する必要があります。地質学的に複雑な地盤でのドライブの場合、不十分なデータによって引き起こされる可能性のある機械停止のコストを考慮すると、ボーリング孔の間隔を狭くすることが正当化されます。
• 実験室の岩石試験: コアサンプルは、ISRM または ASTM 規格に準拠した一軸圧縮強度 (UCS)、ブラジル引張強度、点荷重指数、およびセルチャー摩耗指数 (CAI) または同等のものをテストする必要があります。 CAI は、カッターの消費量の見積もりに特に重要です。研磨性の高い岩石 (CAI が 3.0 以上) は、中程度の研磨性の材料よりも 3 ～ 5 倍の割合でディスク カッターを消費する可能性があり、プロジェクトの経済性に劇的な影響を与えます。
• 水文地質学的評価: ドライブ沿いの地下水の状況は、埋没物除去システムの設計、立坑の建設方法、割れた岩石やカルスト岩への地下水流入のリスクに影響を与えます。ボーリング孔内の滞留水位と浸透性を特徴付けるためのパッカー試験は、地下水が予想されるすべてのドライブの地盤調査プログラムに含める必要があります。
• 混合顔状態の識別: 岩石とその上の土壌の間の移行帯、風化した岩石界面、岩盤内の堤防や貫入接触部は、岩盤パイプ推進機にとって最も危険な状況です。地盤調査では、これらの移行ゾーンの特徴を特定し、適切なカッターヘッドの仕様とこれらのセクションでの事前の料金計画を可能にするために、ドライブに沿った可能性のある位置を特定することを特に試みる必要があります。

岩管推進機を選択する際に比較すべき主な仕様

特定のプロジェクトの岩石マイクロトンネリングマシンとハードロックパイプ推進装置を評価する場合、サプライヤーとモデル間で比較するために次の仕様パラメータが最も重要です。

ロックパイプジャッキングドライブでよくある問題とその防止方法

綿密に計画された岩管推進プロジェクトであっても、運用上の課題に直面することがあります。最も一般的な問題とその原因を理解することは、プロジェクト チームが予防措置を講じ、問題が発生したときに効果的に対応するのに役立ちます。

• 特大の岩の破片でカッターヘッドがジャミングする: 割れた岩石では、カッターヘッドの開口部より大きなブロックがカッターヘッドに挟まれて回転が停止する可能性があります。防止するには、カッターヘッドの開口部のサイズを岩盤の特性評価から予想されるブロックのサイズに一致させ、カッターヘッドに軽度の詰まりを解消するのに十分なトルクの余裕があることを確認する必要があります。一部の岩石パイプ推進機械には、特に詰まったカッターや破片を解放するために、可逆的なカッターヘッド回転が含まれています。
• 破砕帯における地下水の流入: 大きな水頭を持つ高度に破砕された岩盤では、機械が水を含む破砕帯と交差するときに、ボーリング内に急速な地下水の流入が発生する可能性があります。予防には、進入前に水文地質学的評価を行う必要があり、高リスクゾーンが特定された場合は、機械がそのゾーンに到達する前に、表面またはパイプストリング内から事前にグラウトを注入して浸透性を低減する必要があります。水を含む可能性のある岩石にあるすべてのドライブには、緊急時の顔面シールのための装置が用意されている必要があります。
• パイプの摩擦によるドライブのロックアップ: メンテナンス、カッターの交換、または機器の故障などでドライブが長期間停止した場合、潤滑グラウトがパイプに対して固まるため、パイプストリングがボア内でロックされる可能性があります。予防には、定期的な潤滑油の注入量を維持し、計画的な停止中にパイプストリングを動かし続けるために短いジャッキストロークを実行し、計画外の停止が発生した場合に緊急に再動員するための緊急計画を立てる必要があります。メインジャッキングフレームでストリング全体を解放しようとするのではなく、セグメント内の摩擦を解消するために中間ジャッキングステーションを作動させる必要があります。
• 異方性の高い岩石における誘導偏差: 強力な葉層、地層、または接合部のある岩石が駆動方向に対して斜めにあると、カッターヘッドに横方向の力が加わり、ステアリング補正が適用される前に機械のアライメントが崩れる可能性があります。予防には、頻繁なガイダンス監視（理想的には継続的な自動追跡）と、重大な逸脱が発生した後の事後的な修正ではなく、積極的なステアリング調整が必要です。既知の異方性岩石セクションでは、前進速度を下げると、機械方向をさらに制御できるようになります。
• 粗い切り粉によるスラリーパイプラインの詰まり: 硬い岩石では、ディスクカッターのチッピング動作によって不規則な破片が生成され、軟弱地盤の切粉スラリーシステムが輸送するように設計されているものよりも大幅に粗くなる可能性があります。スラリー戻りラインの詰まりはドライブの急速な停止を引き起こし、設置されたパイプストリングを通過するのが困難になる場合があります。予防には、スラリー速度とパイプ直径が予想されるチップサイズに対して適切であることを確認し、スラリー回路にアクセス可能なクリーンアウトポイントを設置し、戻り流量とポンプ圧力を継続的に監視して完全な閉塞になる前に部分的な閉塞を検出する必要があります。

プロジェクトに適した岩管推進機械の選択

プログラムと予算内で必要な結果を達成するには、機械の仕様を特定の地盤条件、ドライブの形状、各岩管推進プロジェクトのプロジェクト制約に適合させることが不可欠です。次の質問は、選択プロセスの構造化されたフレームワークを提供します。

• 対象岩石の最大 UCS およびセルチャー摩耗指数はどれくらいですか? これら 2 つのパラメータによって、必要なカッターの仕様と予想されるカッターの消耗率が決まります。 150 MPa の UCS 岩石に定格された機械は、250 MPa の花崗岩内に配置すべきではありません。機械の設計 UCS 定格が地盤調査データと一致するか、十分な安全マージンを持ってそれを上回っていることを確認してください。
• ドライブ長とパイプ径はどれくらいですか？ ドライブの長さによって中間ジャッキ ステーションが必要かどうかが決まり、必要なメイン ジャッキ フレームの最小容量に影響します。パイプの直径によって、穴の直径、カッターヘッドの直径、機械の寸法、および人によるカッター検査が可能かどうかが決まります。通常は、機械の設計に応じて約 DN 1000 ～ 1200 を超える範囲でのみ実行可能です。
• 混合顔状態は予想されますか? 岩石が柔らかい材料で覆われている、または岩石の間に挟まれているゾーンをドライブが通過する場合、オープンフェイス岩石モードとクローズフェイス土圧バランスまたはスラリーモードの両方で動作できるカッターヘッドと機械の組み合わせが必要です。純粋な岩だけでなく、特に混合面条件でのマシンの能力を確認してください。
• シャフトの寸法と表面の設置面積に関する現場の制約は何ですか? 岩管推進装置（推進フレーム、スラリープラント、廃棄物の処理）には、発射シャフトの周囲に大きな表面積が必要です。サプライヤーが提案した機器構成が、下部パイプセクションへのクレーン操作やスラリータンカーの移動のための安全なアクセスを含め、利用可能な敷地面積内に収まっていることを確認します。
• サプライヤーは同等の岩盤状況でどのような実績を持っていますか? 類似の地質での岩盤パイプの推進に特化したプロジェクト リファレンス (UCS 範囲、岩石の種類、ドライブの長さ、直径) をリクエストしてください。軟弱地盤のマイクロトンネル掘削では豊富な実績があるが、硬岩では経験が限られているサプライヤーは、同様の条件で複数の岩石プロジェクトを完了しているサプライヤーよりも、要求の厳しい岩盤掘削ではリスクの高い選択となります。プロジェクトの完了確認だけでなく、達成された貫通率やカッターの消費データを含むケーススタディを依頼してください。