トンネルボーリングマシン: その仕組み、存在するタイプ、そしてそれが重要な理由

トンネルボーリングマシンの基本的な考え方

トンネル掘削機 (一般に TBM と呼ばれます) は、1 回の連続操作で地面に円形のトンネルを掘削し、切羽の岩石や土壌を切断しながら、同時にその背後に構造ライニングを設置する大型の掘削装置です。エンジニアリングがそうでなくても、コンセプトは簡単です。機械の前部にある回転カッターヘッドが材料を掘削し、掘削された掘削物が機械本体を通して除去され、トンネルは前進するにつれて機械のトレーリングシールドの内側に建てられたプレキャストコンクリートまたは鋼製セグメントによって支えられます。車道の反対側に現れるのは、整備の準備が整った完成した内張りのトンネルです。

TBM は、地下鉄線、鉄道トンネル、道路トンネル、給水トンネル、下水トンネル、水力導水路トンネル、共同溝の建設に使用されます。これらは、イギリス海峡の下にある英仏海峡トンネル、スイスアルプスを通るゴッタルド基底トンネル、ロンドンのテムズ潮汐トンネル、そして東京からイスタンブール、シドニーに至るまでの都市の数十の都市地下鉄システムなど、世界で最も挑戦的で象徴的なトンネルプロジェクトのいくつかで使用されています。従来のドリル＆ブラストやロードヘッダ掘削に勝る TBM の魅力は、スピード、安全性、正確性、そして周囲の地盤を制御不能な崩壊にさらすことなくトンネルの掘削とライニングを同時に行える能力の組み合わせです。

モダン トンネルボーリングマシン は、現存する建設機械の中で最も複雑で高価なものの 1 つです。最大の TBM は直径 17 メートルを超え、価格は 8,000 万ドルを超えます。直径 6 ～ 9 メートルの小規模な大都市規模の機械であっても、投資額は 1,500 万～4,000 万ドルに達し、数十人のエンジニア、オペレーター、メンテナンス技術者のチームが 24 時間継続的に稼働する必要があります。これらの機械がどのように機能するのか、なぜこれほど多くの種類があるのか​​、TBM プロジェクトのパフォーマンスとコストを左右する要因を理解することは、主要な地下インフラに携わるすべての人にとって必須の知識です。

トンネルボーリングマシンの掘削と前進の仕組み

TBM の動作サイクルは反復的ですが、正確に計画されています。機械の前面では、掘削中の地面に適した切削工具を備えた大きな円形のカッターヘッドがトンネルの切羽に向かって回転します。カッターヘッドは、ギアボックスを介した一連の電気モーターまたは直接油圧駆動によって駆動され、材料を切断するのに必要な回転トルクと、切削工具を面に押し付けるのに必要な推力の両方を生成します。推力は、機械の後ろに設置されたトンネルライニングセグメントの最後に完成したリングを押す油圧シリンダーによって提供されます。

カッターヘッドが回転して前進すると、切りくずはカッターヘッド面の開口部 (ズリ開口部またはバケットと呼ばれます) を通って、カッターヘッドの後ろにある収集チャンバーに落ちます。そこから、戦利品は、機械の種類に応じて、一連のベルト コンベア、スクリュー コンベア、またはスラリー パイプラインによって機械本体を通って運ばれ、現場から除去するためにトンネル ポータルまたは立坑まで輸送されます。同時に、カッターヘッドのすぐ後ろの環状スペースで、セグメントエレクター（テールシールド内で動作するロボットアーム）が地表から運び出されたプレキャストコンクリートライニングセグメントを拾い上げ、完全なリングを構築します。リングが完全に組み立てられると、スラストシリンダーが前進して新しいリングを押し、サイクルが再び始まります。

良好な地面条件では、適切に運用された TBM はシフトごとに複数のリングを完了することができ、各リングは通常 1.2 ～ 2.0 メートルのトンネルの前進を表します。大都市規模の TBM ドライブの 1 日の前進速度は、通常の条件下で 1 日あたり 8 ～ 20 メートルの範囲ですが、優れた地面と機械のパフォーマンスにより、24 時間で 30 メートル以上に達することもあります。数カ月にわたる完全な掘削を通じて、これらの速度は完成したトンネルの数キロメートルに蓄積されます。これは、従来の掘削方法では同等の規模では達成できない生産性です。

トンネルボーリングマシンの主な種類

単一の普遍的な TBM 設計はありません。機械は、トンネル線形に沿った特定の地盤条件に合わせて選択および構成する必要があり、間違った機械タイプを選択すると、パフォーマンスの低下やカッターの過度の摩耗から、壊滅的な地盤の崩壊や浸水に至るまで、さまざまな影響が生じます。 TBM タイプの主な分類は、切羽支持方法、つまり掘削中に機械がトンネル切羽の安定性を管理する方法に従います。

オープンフェイスハードロックTBM

有能な自立岩盤 (掘削サイクル中、トンネル切羽で支持なしで立つことができるほど地盤が強い場所) では、オープンフェイスの硬岩 TBM が標準的な選択です。グリッパー TBM またはメイン ビーム TBM とも呼ばれるこれらの機械は、機械本体から横方向に伸び、トンネルの壁を押してスラスト シリンダーに反力を提供する大型の油圧グリッパーを使用します。カッターヘッドにはディスク カッターが取り付けられています。硬化鋼製のホイールが高い点荷重で岩肌を転がり、隣接するカッター トラック間に広がる亀裂に沿って岩石を破砕し、チップに砕きます。オープンフェイスの硬岩TBMは、強力で有能な岩石内で非常に高い貫通速度を達成することができ、これまでに記録された最速のトンネル掘削記録のいくつかに貢献しています。

オープンフェイスグリッパー TBM の限界は、弱い地面や圧迫された地面、割れた岩石地帯、水の流入、またはトンネル壁が信頼性の高いグリッパー反応を提供できない状況に対処できないことです。長い高山のトンネルでよく見られる、混合地盤や岩石の質が変化する場合、機械は前進を続けながら、ボア周囲の環状スペースにロックボルト、メッシュ、吹き付けコンクリートなどの一時的な地盤支持手段を設置できなければならないため、生産が大幅に遅くなります。

土圧バランスTBM

土圧バランス TBM (EPB TBM) は、都市環境における軟弱地盤トンネル掘削用の主要な機械タイプです。 EPB TBM の特徴は、密閉された掘削チャンバーを形成するカッターヘッドのすぐ後ろにある圧力隔壁です。掘削された土壌がこのチャンバーを満たし、調整剤 (水、泡、ポリマー、またはベントナイト) がカッターヘッドのポートから注入され、圧力を伝達するのに適切な粘稠度を備えた可塑化された半流動体の塊に土壌が変換されます。掘削室内の圧力は、トンネル切羽の土と地下水の合計圧力に一致するようにアクティブに制御され、土や水の流入を防ぎ、地表の沈下を最小限に抑えます。

流出物は、圧力ロックとして機能するアルキメデス スクリュー コンベア (密封されたチューブ内の回転螺旋) によって加圧された掘削チャンバーから抽出され、チャンバー内で必要な面圧を維持しながら、材料を機械の大気側で大気圧で排出できるようにします。 EPB TBM は、粘土、シルト、砂、砂利などの幅広い種類の軟弱な地盤で効果を発揮し、世界中の地下鉄および都市鉄道のトンネルに最も一般的に指定されている機械です。地面の動きを制御する能力があるため、建物やインフラを保護するためにトンネル上の沈下をミリメートル以内に抑える必要がある密集した都市環境では不可欠です。

スラリーシールドTBM

スラリーシールドTBMは、掘削土そのものではなく、加圧したベントナイトスラリーを使用してトンネル切羽を支持します。カッターヘッドの後ろの掘削チャンバーは加圧されたスラリーで満たされており、スラリーは切羽を安定させると同時に懸濁した切粉をスラリーパイプラインを通って表面分離プラントに戻します。分離プラントでは、スクリーン、液体サイクロン、遠心分離機を使用して切削片が抽出され、洗浄されたスラリーが再調整されて閉回路でトンネルの切羽にポンプで戻されます。スラリーシールドTBMは、EPB面圧制御が難しく、噴出や制御不能な流入のリスクが最も高い飽和粒状地盤​​（地下水面下の流砂、砂利、混合土壌）に優れています。また、切羽の不安定性の影響が深刻な川、港、またはその他の水域の下でトンネルを掘削する場合にも、これらの機械タイプが推奨されます。

EPB 装置と比較したスラリー TBM の主な欠点は、スラリー回路と分離プラントの複雑さとスペースの必要性です。地上プラントは広大な面積を占め、スラリーは継続的な管理と性状調整が必要であり、廃棄物として発生するフィルタープレスされたスラリーケーキは管理物として処分しなければなりません。表面積が限られている制約のある都市部では、この追加の物流需要が機械の選択における重要な要素となる可能性があります。

混合シールドおよびコンバーチブル TBM

長いトンネル線形は、深部の岩盤から混合地盤に移行し、その後入口に近い都市部の柔らかい土壌など、いくつかの異なる地盤タイプを通過することがよくあります。機械を回収したり交換したりせずにこれらの移行に対処するために、メーカーは、EPB モードとスラリー モードの両方で動作できる、またはハードロックとソフトグラウンドの両方の設計要素を組み込んだ混合シールド TBM とコンバーチブル TBM を提供しています。コンバーチブル機械は調達コストが高く、操作とメンテナンスがより複雑ですが、地盤の変動が大きく、機械の回収コストが法外にかかるプロジェクトでは、コンバーチブル機械が唯一の実用的な選択肢となります。

TBM カッターヘッドの設計と切削工具

カッターヘッドは、トンネルボーリングマシンの中で最も重要で摩耗の激しいコンポーネントです。その設計 (直径、スポーク構成、開口率、カッターツールの種類とレイアウト) によって、機械が地面をどれだけ効果的に掘削できるか、ツールの磨耗の速さ、磨耗したカッターを交換するために必要な介入の頻度が決まります。プロジェクトの特定の地質に合わせてカッターヘッドの設計を正しく行うことは、プロジェクトの進捗率、ツールのコスト、全体のスケジュールに直接的かつ測定可能な影響を与えます。

ロック用ディスクカッター

硬い岩石では、主な切削工具はディスク カッターです。これはベアリング アセンブリに取り付けられた硬化鋼リングで、TBM の推力によって加えられる高い点荷重の下で岩肌を横切って転がります。カッターヘッドが回転すると、各ディスク カッターが岩肌に円形の溝を刻みます。隣接する溝トラック間の応力場により、岩石が砕け、チップに砕けます。これはチッピングまたはクレーターと呼ばれるプロセスであり、カッターヘッド バケットによって泥の開口部に押し込まれます。ディスクカッターの直径は、数十年にわたる開発の中で増大してきました。最新のカッターは通常、直径 432 mm (17 インチ) または 483 mm (19 インチ) で、250 ～ 320 kN の個別の荷重に耐えることができます。カッターの摩耗率は、Cerchar Abrasivity Index によって定量化される岩石の摩耗率に依存します。これは、硬岩の TBM プロジェクトの主要なコスト要因の 1 つであり、摩耗性の高い岩石でのカッターの交換には、50 ～ 100 メートル進むごとに介入が必要になる場合があります。

軟弱地盤用切削工具

軟弱な地盤では、ディスクカッターの代わりに、点荷重によって土壌を破砕するのではなく、ドラッグビット、スクレーパーツール、およびリッパーが土壌を剪断してこするリッパーが使用されます。軟弱地盤用のカッターヘッド設計では、切断と同様に掘削材料の混合と調整を優先します。大きな泥開口部を備えたスポークパターンのヘッドにより、土壌が掘削室内に自由に流れ込み、切羽全体に分散された注入ポートが調整剤を切断箇所に直接供給します。柔らかい土壌の横に丸石、岩、または岩の帯が存在する可能性のある混合地面では、カッターヘッドは土壌用のドラッグビットと硬い材料用のディスクカッターの両方を搭載する必要があり、あらゆる種類の地面で効果的に機能するには、慎重なツールの間隔とレイアウトが必要な組み合わせです。

TBM とともに使用されるトンネルライニング システム

TBM の後ろに設置されたトンネル覆工は、複数の機能を同時に果たします。地面の動きを防ぐための即時的な構造支持を提供し、インフラの設計耐用年数を通じて地盤荷重、水圧、耐用荷重に耐える必要があるトンネルの永続的な構造外皮を形成します。また、加圧面 TBM では、機械を前進させるためにスラストシリンダーが押す反作用面を提供します。したがって、ライニング システムの設計と品質は、TBM 操作自体のパフォーマンスと切り離すことができません。

軟弱地盤におけるシールド TBM の主なライニング システムは、プレキャスト コンクリートのセグメントライニングです。ライニングの各リングは、一連の湾曲したプレキャスト コンクリート セグメント (通常は 5 ～ 8 個のセグメントと小さな閉鎖キー セグメント) から組み立てられ、これらのセグメントは互いにボルト締めまたは接続され、隣接するリングに接続されて連続した円筒形のシェルを形成します。セグメントの寸法は正確に管理されています。組み立てられたリングの複雑な 3 次元形状の下にセグメントが完全に適合する必要があるため、直径公差は ±1 mm、厚さのばらつきは ±2 mm が一般的な品質要件です。セグメントの外面と掘削された地盤プロファイルの間の環状空隙のグラウト注入は、一次グラウトが硬化する前に地面が空隙内に移動するのを防ぐために急速に硬化する 2 成分グラウトを使用して、TBM テール シールドのすぐ後ろのセグメント テールにあるグラウト ポートを通じて実行されます。

適切な地盤にある硬岩TBMの場合、水路トンネルやその他の非公共インフラでは、岩石自体が主な構造的支持を提供するため、裏地のないトンネルまたは部分的に裏地が付いているトンネルが許容される場合があります。より一般的には、現場打ちコンクリートライニングまたは簡素化されたプレキャストセグメントライニングが、TBM 通過後の 2 回目の作業として設置され、運転中の同時ライニング建設の即時スケジュールの圧力が軽減されます。

プロジェクト チームが追跡する TBM パフォーマンス指標

TBM プロジェクトのパフォーマンスは、機械がどれだけ効率的に切断しているか、非生産的な活動にどれだけの時間が失われているか、機械と地面の状態が予想されるパラメーターの範囲内にあるかどうかを明らかにする一連の運用指標を通じて監視されます。これらの指標はマシンのデータ収集システムによって継続的に記録され、プロジェクト チームによってシフトごとにレビューされます。

使用率は、プロジェクト チームが最も直接的に制御できる指標であるため、特に注目に値します。 40% の使用率で動作する貫通率 6mm/rev の TBM は、70% の使用率で動作する貫通率 4mm/rev の機械よりもゆっくりと前進します。稼働率を低下させる非退屈な時間は、セグメントの組み立て、カッターの検査と交換、テールシールのメンテナンス、切羽前のプローブ穴あけ、物流の遅れ、計画的および計画外のメンテナンスによって消費されます。ダウンタイムが発生している場所を体系的に分析し、最大の原因を減らすための的を絞ったアクションは、TBM プロジェクト管理チームが利用できる最も効果的な活動の 1 つです。

TBMの選択と設計に役立つ地盤調査

TBM プロジェクトの成功は、機械が地盤に入る前に、線形に沿った地盤の状態を特徴づける地盤工学調査プログラムの品質と徹底度によって主に決まります。 TBM は、特定の地質パラメータに合わせて製造された特注の装置です。一度建設され、打ち上げられると、地盤が想定と異なることが判明した場合、根本的に再設計することはできません。 TBM プロジェクトにおける不適切な地盤調査の結果、機械のスタック、予期せぬ水の流入、カッターの深刻な摩耗、表面の沈下、または完全なドライブの放棄などは、数千万ドルまたは数億ドルの追加費用と何年ものスケジュールの遅れとして測定されます。

• ボーリング孔の間隔と深さ: TBM 線形に沿った調査ボーリング孔は通常、50 ～ 100 メートルの間隔で配置する必要がありますが、発射および受信立坑の位置、川の交差点、地質学的複雑さが既知の地域などの重要な場所では、より狭い間隔で配置する必要があります。ボーリング孔は、掘削の影響範囲全体を特徴付けるために、トンネル インバートの下の少なくとも 3 つのトンネル直径まで拡張する必要があります。
• 岩石の強度と摩耗性の試験: 硬岩TBMプロジェクトの場合、実験室試験には、一軸圧縮強さ（UCS）、ブラジル引張強さ、点荷重指数、セルチャー摩耗指数（CAI）、および線形に沿った各岩石単位からの代表的なコアサンプルの岩石学的薄片分析が含まれる必要があります。これらのパラメータは、ディスク カッターの仕様、カッターヘッドの推力要件、カッターの交換コストの予測に直接影響します。
• 地下水の特性評価: 線形に沿って設置されたピエゾメトリック監視ボーリングは、時間の許す限り全季節サイクルにわたって測定値を取得し、TBM が動作しなければならない地下水体制を確立します。トンネルへの大量の流入に耐える可能性がある自噴状態、地下水面、高透水性ゾーンを、機械の設計やグラウト注入戦略の開発中に特定し、計画する必要があります。
• 土壌の分類と粒度分布: 軟弱地盤の TBM プロジェクトの場合、EPB 調整設計とスラリー回路の仕様には、線形全体から採取した土壌サンプルの詳細な粒子サイズ分析が不可欠です。特定の割合を超える砂利または丸石の部分が存在すると、EPB の操作に問題が生じる可能性があり、より適切な機械タイプとしてスラリー シールドが示される可能性があります。
• 障害物と汚染の調査: 都市線形では、適切な岩破壊や障害物処理能力を備えたカッターヘッドを設計できるように、機械を調達する前に既存の地下障害物（廃止された杭、古い石積み構造物、埋設インフラ、汚染された地面）の包括的な調査を完了する必要があります。

TBM プロジェクトの主なリスクとその管理方法

TBM トンネル工事は、建設業界で最も技術的に複雑でリスクを伴う作業の 1 つです。多額の資本支出、地下での作業条件、地質学的不確実性、および一度運転が開始されると基本的な機器の決定を変更することが物理的に不可能であることが組み合わさって、プロジェクト開発の初期段階から構造化されたリスク管理を要求するリスク環境を生み出します。

顔面の不安定性と沈下

軟弱地盤のトンネル掘削では、切羽圧力制御の喪失が最も深刻なリスクの 1 つです。 EPB またはスラリー TBM の掘削室内の圧力が、たとえ瞬間的であっても、切羽の土と地下水の合計圧力を下回ると、地面が機械に流れ込み、上部の地表に陥没穴や沈下溝が生じる可能性があります。人が住んでいる建物、線路、交通量の多い道路の交差点の下をトンネルが通過するような都市環境では、20 ～ 30 mm のささやかな沈下現象でも、トンネル工事の契約金額の何倍もの費用がかかる構造的損傷や混乱を引き起こす可能性があります。したがって、面圧の監視と制御は継続的かつ重要であり、設定された制限を超えた逸脱に対しては自動アラームとオペレーター介入プロトコルが使用されます。表面沈下監視アレイ (通常は光学測量プリズム、正確なレベリングベンチマーク、敏感な構造物上の自動傾斜計) は、TBM の面圧管理が必要な沈下性能を達成していることを独立して確認します。

スタックしたTBM

シールド周囲の地面の圧迫、潤滑の喪失、カッターの詰まり、または大きな障害物への遭遇により、TBM が地面に固定されて動かなくなることは、地下建設において最も費用がかかるシナリオの 1 つです。復旧作業には、トンネルの減圧、機械の真上に救出立坑の建設、地圧を軽減するためのシールドの周囲の掘削、場合によっては地下での主要な機械コンポーネントの解体と再組み立てが含まれます。注目度の高いプロジェクトでは、このような作業に数か月かかり、数千万ドルの費用がかかりました。予防が望ましいことは明らかです。シールドの摩擦力の継続的な監視、事前の潤滑管理、プローブドリリングを使用した機械の事前のフェースマッピング、運転開始前にクライアントと保険会社と合意したリハーサル済みの機械のスタック緊急時対応計画の作成は、すべて順調に運営されている TBM プロジェクトの標準的なリスク管理手段です。

予期せぬ水の流入

断層、カルスト質の空洞、浸透性の砂利レンズ、または予想外に高いピエゾメトリックヘッドからの大規模な水の流入は、TBM とそのバックアップシステムの排水能力を圧倒し、トンネルを浸水させ、最悪の場合は作業員を危険にさらす可能性があります。カッターヘッドまたは機械内に取り付けられた衝撃式または回転式ドリルリグを使用して、TBM 切羽の前方 (通常は 30 ～ 50 メートル先の距離まで) を系統的にプローブ掘削することで、浸水を早期に警告します。トンネル内または線形上の表面からの掘削前グラウト注入により、カッターヘッドが交差する前に浸透性ゾーンをシールできます。特に水に敏感な地盤のトンネルの場合、TBM には高圧介入機能が指定される場合があります。これは、作業室を加圧して地下水の圧力のバランスをとる機能で、作業員が圧縮空気の中でカッターの交換や切羽の検査のために掘削室に入ることができます。

TBM テクノロジーはどのように進化し、どこへ向かうのか

トンネル掘削機は、1950 年代初頭にサウスダコタ州のオアヘ ダム トンネル プロジェクトのためにジェームス ロビンスによって開発されて最初に成功した近代的な TBM 以来、継続的な開発が行われてきました。 10年ごとにカッターヘッドの設計、カッターヘッド駆動システム、セグメント組立技術、誘導精度、機械の信頼性が進歩し、TBMが好ましい掘削方法となる地盤条件とプロジェクト規模の範囲が徐々に拡大してきました。

TBM 技術の現在の開発重点分野には、カッターヘッドに埋め込まれたセンサーを使用したリアルタイムの地盤特性評価、つまり振動、トルク分布、および音響特性を測定して、動作上の問題を引き起こす前に岩石の種類や土壌組成の変化を特定することが含まれます。機械学習アルゴリズムは、最新の TBM 制御システムによって生成された大規模なデータセットに適用され、カッターの摩耗率を予測し、面圧に対する貫通率を最適化し、故障に対応するのではなく故障が発生する前にメンテナンス介入をスケジュールします。トンネル掘削サイクルの中で最も時間がかかり、物理的に厳しい要素の 1 つであるセグメントの処理と組立の自動化は急速に進歩しており、一部の最新の機械では完全に自動化されたエレクターが人間の関与を最小限に抑えてセグメントの位置決めとボルト締めを行うことができます。

TBM開発の最前線では、研究者と機械メーカーは、岩石と軟弱な地盤を再構成することなく同時にボーリングできるマルチモード機械を模索し、最終的に特定の種類の岩石で従来の機械式ディスクカッターを補完または置き換えることができる新しい切断技術（レーザー支援岩盤破砕、高圧ウォータージェット切断）を研究しています。基本的な課題はこれまでと変わりません。それは、機械が切断に費やす時間の割合を最大化し、その他すべてを最小限に抑えることです。その追求の中で、トンネル掘削機は、これまでに製造されたエンジニアリング機械の中で最も重要な部品の 1 つとして進化し続けています。