トンネル掘削機:これらの巨大な機械が実際に地下トンネルを掘る仕組み

トンネルボーリングマシンとは何ですか?なぜそれを使用するのですか?

トンネルボーリングマシン (一般に TBM と略され、トンネルボーリングマシンまたは地下ボーリングマシンと呼ばれることもあります) は、土壌、岩石、または混合地盤の状態で円形の断面を有するトンネルを掘削するように設計された巨大な工学機器です。爆発物を使用して岩石を破砕し、その後手作業で破片を取り除く古いドリル＆ブラスト方式とは異なり、TBM は 1 回の連続操作でトンネルの切断、掘削、および多くの場合同時に内張りを行います。その結果、周囲の地面や地表インフラへの影響がはるかに少なく、より滑らかで構造的に一貫したトンネルが実現します。

TBM トンネリングの魅力は速度だけではありません。都市環境では、トンネルが密集した住宅地域、地下鉄の路線、または重要な公共施設の下を通過する可能性があるため、多くの場合、制御された低振動のトンネル掘削機による掘削が唯一の実行可能な選択肢となります。従来の発破では、許容できない表面沈下や近隣の建物の構造的損傷を引き起こす可能性があります。 TBM は、開削工法よりもはるかに深いところでも作業できるため、エンジニアは上部の街並みを壊すことなく、真っ直ぐで最適な経路でトンネルを配線できます。これらの利点により、トンネルボーリングマシンは、世界中の都市の地下鉄鉄道システム、高速道路トンネル、上下水道トンネル、さらにはケーブルや共同廊下などで主流の技術となっています。

現代の TBM は、それ自体がエンジニアリングの驚異的な偉業です。世界最大のトンネル掘削機は、直径 17 メートルを超えるカッティング ヘッド (4 階建ての建物の高さよりも広い) を備え、重量は 7,000 トンを超えます。標準的な地下鉄トンネル (通常は直径 6 ～ 9 メートル) に使用される中型 TBM でさえ、数百の精密設計部品から組み立てられ、現場に輸送され、地下の発射シャフトで組み立てられます。この機械は、土の掘削、土砂の除去、地面の支持、コンクリートライニングの設置を単一の移動生産ラインに統合し、地盤の状態や機械の種類に応じて 1 日あたり 10 ～ 30 メートル前進します。

トンネルボーリングマシンが実際にどのように動作するか: コアメカニクス

TBM がどのように機能するかを理解するには、その主要な動作システムに注目する必要があります。各システムはトンネリング プロセスにおいて重要で相互依存する役割を果たしています。 TBM のタイプが異なると、地上サポートとスポイルの除去の処理方法が異なります (次のセクションで説明します) が、基本的な切断と前進の仕組みはほとんどのマシン ファミリで共有されます。

カッターヘッド

カッターヘッドはあらゆるもののビジネスエンドです トンネルボーリングマシン — 掘削中の地面に直接接触する、切削工具がちりばめられた巨大な回転ディスクまたはスポーク構造。岩石のトンネル掘削では、カッターヘッドにディスク カッターが搭載されています。ディスク カッターは、通常直径 432 ～ 483 mm (17 ～ 19 インチ) の硬化鋼製ホイールで、巨大な推力を受けて岩肌に向かって転がります。ディスクカッターは岩をこすりません。代わりに、圧縮荷重によって岩石を破砕し、隣接するカッター トラック間に微小な亀裂のネットワークを作成し、岩石の破片を解放します。 「チップ・アンド・クラック」メカニズムと呼ばれるこの切りくず生成プロセスは、直接研磨よりもはるかにエネルギー効率が高く、硬い岩石でのTBMトンネル掘削が可能になるのです。軟弱な地盤や混合条件では、カッターヘッドにドラッグビット、スクレーパー、土壌切断歯が搭載されており、材料を粉砕するのではなく剪断して取り除きます。

カッターヘッドは、円周上に配置され、減速ギアボックスを介して接続された電気駆動モーターのリング (機械のサイズに応じて通常 4 ～ 20 個のモーター) によって回転します。回転速度は通常遅く、大型機械の場合は 1 ～ 6 RPM です。これは、大型のカッターヘッドの外縁は、非常に低い RPM であってもすでに高い線形速度で移動しているためです。大型のハードロック TBM に搭載されているカッターヘッドの合計駆動力は 5,000 kW を超えることがあります。これは同時に動作する 6 つの F1 エンジンとほぼ同じですが、速度ではなく低速の回転トルクとして適用されます。

スラストおよびグリッパー システム

カッターヘッドを回転させるだけではトンネルを掘削することはできません。ディスク カッターの効果を発揮するには、機械も巨大な力でカッターヘッドを岩肌に押し込む必要があります。これは、機械本体の周囲に配置された油圧スラストシリンダーのシステムによって実現されます。大きな岩石 TBM にかかる総推力は、通常 20,000 ～ 60,000 kN の範囲にあり、これはトンネルの切羽を押す 2,000 ～ 6,000 トンの重量に相当します。機械を押すためには、何かを押すものが必要です。硬岩TBMでは、これはグリッパーパッドによって提供されます。グリッパーパッドは、機械本体から横方向に伸び、スラストシリンダーがカッターヘッドを前進させる間、機械を所定の位置にしっかりと固定するのに十分な力でトンネルの壁を押す大きな油圧シリンダーです。機械が 1 ストローク長 (通常 1.5 ～ 2 メートル) 進むと、グリッパーが解放され、機械の後部が前方に引っ張られ、グリッパーが新しい位置で再び係合し、次の推力ストロークが始まります。このシーケンスは、トンネリング操作全体を通じて継続的に繰り返されます。

腐敗物除去（泥処理）

トンネルの切羽から切り取られた材料（トンネル工事の用語では「ズリ」と呼ばれます）は、カッターヘッドから継続的に除去され、地表まで輸送されなければなりません。ほとんどの TBM では、泥はカッターヘッドの開口部に落ち、機械の中心を通るベルトコンベアによって拾われます。このメインコンベヤは泥土を一連の後続コンベヤ、またはレールに取り付けられた泥土車に移送し、泥土をトンネルを通って発射シャフトまで運び、そこで地表まで持ち上げられて運び去られます。平均して、混合地盤を掘削する中規模の地下鉄 TBM は 1 日あたり 300 ～ 600 立方メートルの土砂を排出します。これは、トンネル掘削と並行して実行される、綿密に計画された地表処分作業を必要とする重大な物流上の課題です。

トンネル覆工の設置

最新の TBM のほとんどは、カッターヘッドのすぐ後ろに、機械が前進するにつれて永久的なトンネル ライニングを設置します。標準的なアプローチでは、プレキャスト コンクリート セグメント (通常、リングごとに 6 ～ 8 個の曲線セグメントと、さらに小さな「キー」セグメント) を使用します。これらのセグメントは、自動セグメントエレクター アームによって所定の位置に持ち上げられ、ボルトまたはガスケットで固定されて完全なリングを形成します。各リングは、機械の最後のスラスト ストロークによって作成されたスペースに取り付けられ、機械が次のストロークに進むと、完成したリングが永久トンネルの構造シェルになります。この一体化されたライニングの設置は、TBM の最大の効率上の利点の 1 つです。トンネルは、機械が前進するにつれて基本的に後方で完成するため、後続の作業は最小限で済みます。

トンネルボーリングマシンの主な種類とそれぞれの使用時期

TBM タイプの選択は、トンネルプロジェクトにおいて最も重要なエンジニアリング上の決定の 1 つです。遭遇する地盤条件に適合しない機械のタイプを使用すると、進行の遅れ、機械の損傷、地盤の沈下、または深刻な場合にはトンネルの崩壊が発生する可能性があります。主要な TBM ファミリーは、主にカッターヘッドの前の地面をどのように管理し、地下水の圧力を制御するかによって区別されます。

オープンフェイス (グリッパー) TBM — ハードロックに最適

オープンフェイスまたはグリッパー TBM はオリジナルの TBM 設計であり、トンネル切羽が自立し、地下水圧が管理可能な安定した硬岩条件に最適な機械であり続けています。名前が示すように、トンネル切羽は開いており、カッターヘッドと掘削地盤の間に加圧支持システムがありません。このシンプルさにより、適切な条件下でグリッパー TBM の速度とコスト効率が向上します。管理する加圧システムが不要なため、カッターヘッドへのメンテナンス アクセスが容易になり、前進速度が向上し、機械がよりシンプルになります。これらは、給水トンネル、鉄道トンネル、山岳地帯の水力発電プロジェクト、つまり機械が適切な岩盤内で走行時間の大部分を費やす用途に標準的な選択肢です。制限も同様に明確です。軟弱な地盤、飽和土壌、または混合条件では、オープンフェイス TBM はトンネル切羽を安全に支持できず、地盤の沈下が表面構造に損傷を与える都市プロジェクトには適していません。

土圧バランス (EPB) TBM — 軟弱地盤および都市環境に最適

土圧バランス TBM は、世界中の都市地下鉄やインフラのトンネル工事で最も広く使用されている機械タイプです。この技術は、カッターヘッド チャンバー (カッターヘッドとその後ろの隔壁プレートの間の空間) を、フォーム、ポリマー、または水を使用して適切な粘稠度に調整した掘削土で満たすことによって、軟弱地盤のサポートの問題に対処します。この調整された泥土は、トンネル切羽の土圧と地下水の圧力のバランスがとれた圧力に維持され、切羽の崩壊を防ぎ、地盤の動きを最小限に抑えます。加圧された泥はスクリューコンベアを介してチャンバーから抽出され、目標面圧を維持するために材料の除去速度が制御されます。 EPB TBM は、粘土の多い土壌、砂質の土壌、および中程度の地下水圧のある混合地盤で特に効果的です。これらは、ロンドン、ニューヨーク、東京、北京などの都市の地下鉄鉄道建設や、過去 30 年間のほぼすべての主要な都市トンネルプロジェクトで主流の機械タイプです。

スラリーシールド (ミックスシールド) TBM — 水分が飽和した粗い地面に最適

スラリーシールド TBM は、調整された泥ではなく、加圧されたベントナイト スラリー (水と粘土の液体混合物) を使用してトンネル切羽をサポートします。スラリーは圧力下でカッターヘッド チャンバーを満たし、サポート圧力を地面に伝えるフィルター ケーキをトンネル表面に形成します。掘削された物質はスラリーと混合し、スラリーパイプラインを通って懸濁液としてトンネルからポンプで排出され、地表分離プラントに輸送され、そこで固形物が除去され、洗浄されたスラリーは再利用のために機械に戻されます。このスラリー回路アプローチは EPB よりも複雑で高価ですが、地下水圧の高い透水性の高い砂利や砂、岩石が混在する地盤、水中トンネルの横断など、EPB が困難な条件に優れています。ロンドンのクロスレール プロジェクト、デンマークとスウェーデン間のエーレスンド トンネル、香港珠海マカオ大橋トンネルはすべて、最も困難な水中または高水圧セクションにスラリー シールド機械を使用しました。

マルチモードTBM — 可変グラウンドに対する柔軟性

トンネルボーリングマシンの成長カテゴリーは、コンバーチブルまたはマルチモード TBM で、トンネル線形に沿って地盤状況が変化するのに応じて、動作モード (通常は EPB とオープンフェイスの間、または EPB とスラリーシールドの間) を切り替えるように設計されています。これらの機械はシングルモード機械よりも複雑で高価ですが、トンネルが全長に沿って劇的に異なる地質を通過する必要があるプロジェクトには不可欠です。一般的なシナリオは、都市部の柔らかい土壌で始まり、水を含む砂層を通過して、適切な岩盤に入るトンネルです。これは、シングルモード マシンにとって困難なシーケンスです。マルチモード機能により、トンネルの途中でマシンを取り出して交換するという非現実的なオプションを使用せずに、1 台のマシンでドライブ全体を完了できます。

TBM タイプの概要: 並べて比較

TBM がどれだけ早く進歩できるかを決定する重要な要素

1 日あたりまたはシフトあたりのメートル単位で測定される前進率は、TBM トンネルプロジェクトの主要な生産指標であり、プロジェクトのコストとスケジュールに多大な影響を与えます。ただし、進歩率は単にマシンのパワーやサイズの関数ではありません。これは複数の変数の相互作用から生じますが、その多くはプロジェクト チームの制御の範囲外です。

• 岩石の強度と摩耗性: 硬岩のトンネル掘削では、岩石の圧縮強度と鉱物含有量（特に石英含有量）の磨耗性が、貫通速度とディスクカッターの寿命の主な決定要因となります。非常に硬くて摩耗性の高い花崗岩は、カッターの寿命を 1 つのカッターあたりの前進量 20 メートル未満に短縮する可能性があり、カッターヘッドの頻繁な介入が必要となり、正味前進速度が大幅に低下します。石灰岩やチョークのような柔らかい岩では、貫通率がはるかに高く、カッターの寿命も長くなります。
• 地面の挙動と面の安定性: 不安定な地面の状態（砂の流れ、粘土の圧搾、断層岩地帯など）を安全に管理するには、介入、地面処理、または前進速度の低下が必要になる場合があります。極端な場合には、TBM が圧迫された地面に閉じ込められるか「立ち往生」する可能性があり、このシナリオは解決するまでに数週間から数か月かかる場合があり、TBM トンネリングにおける最もコストのかかるリスクの 1 つとなります。
• 泥処理能力: 地表土砂処理システムは、機械の掘削出力に対応できる必要があります。コンベアの能力制限、鉄道車両の不足、地上処理物流など、汚物輸送のボトルネックは、切断能力に関係なく、機械の達成可能な前進速度を直接低下させます。
• セグメントの供給と取り付け時間: トンネルライニングの各リングは、次のスラストストロークが始まる前に機械に納品され、設置される必要があります。セグメントの配送の遅延、発射シャフトでのクレーンのサイクル、またはセグメント自体の品質問題はすべて、正味前進率を低下させます。好成績を収めている TBM プロジェクトは、セグメントの物流チェーンの最適化に多額の投資を行っています。
• メンテナンスとダウンタイム: TBM は複数のシフトで 24 時間稼働しますが、カッターヘッドの検査、カッターの交換、潤滑、システムのチェックなど、計画的なメンテナンス介入が必要であり、生産スケジュールに組み込む必要があります。機械故障による計画外のダウンタイムは、パフォーマンスの良い TBM ドライブと問題のある TBM ドライブを分ける大きな要因です。

世界中のトンネルボーリングマシンの主な用途

トンネルボーリングマシンは、あらゆる大陸 (南極を除く) で、非常に幅広い用途で使用されています。ここ数十年の TBM プロジェクトの規模と多様性は、地下インフラに対する需要の増大と、困難な条件に対応するための TBM 技術の成熟度の両方を反映しています。

都市部の地下鉄と高速鉄道のトンネル

世界中で TBM が使用されている最大の単一カテゴリは、都市地下鉄のトンネル工事です。ロンドンのエリザベス線 (クロスレール) から、拡大を続ける北京の地下鉄ネットワーク、シドニーの地下鉄トンネルからリヤドの新しい地下鉄システムに至るまで、世界中の主要な地下鉄の拡張はすべて、主に EPB トンネルボーリングマシンに依存して、駅間で列車を運ぶ 2 本の走行トンネルを建設しています。エリザベス線プロジェクトだけでも、8基のTBMを使用して、世界で最も建築密度の高い都市の一つの下にある42キロメートルにわたる新しいトンネルを掘削し、多くの地域で地表沈下は5ミリメートル未満に抑えられた。このレベルの制御は、他の掘削方法では決して達成できません。

高速道路と道路のトンネル

道路トンネル工事では、1 つのボアで 2 ～ 4 車線の交通を運ぶのに十分な大きさのトンネルを掘削できる大口径 TBM の使用が増えています。 2019年に完成したシアトルのSR 99アラスカンウェイ高架橋代替トンネルでは、市内中心部の下に2層の高速道路トンネルを掘削するために、当時世界最大の直径17.5メートルのTBMであるバータを使用した。道路TBMは、地下鉄トンネルよりもはるかに大きな断面を掘削する必要があり、これには大幅に高い推力、より大きなカッターヘッド、より強力な駆動システムが必要です。大規模な道路トンネル用のプレキャスト コンクリート セグメントの重量はそれぞれ 10 ～ 15 トンになる場合があり、機械内に専用の吊り上げおよび組立装置が必要です。

上水道、下水道、共同溝

水道インフラのトンネルは、TBM の最も古く、最も一貫した適用分野の 1 つです。深層岩盤給水トンネル（適切な岩盤を貫通して深さ 50 ～ 200 メートルに掘削）により、都市は地表の溝を中断することなく水を長距離にわたって移動させることができます。ロンドンのタイドウェイ トンネルは、現在テムズ川の下にある全長 25 キロの合流式下水道越流トンネルで、最大 65 メートルの深さのチョークと粘土を掘削するために 3 つの TBM を使用しています。シカゴのディープ トンネル プロジェクトは、これまで建設された中で最大規模のトンネル システムの 1 つであり、TBM を使用して 175 キロメートルを超えるトンネルを掘削し、下水の越流貯留と洪水制御を組み合わせました。より小さな直径のマイクロトンネリングマシン（基本的に小型のTBMで、内部に作業員を入れずに遠隔操作で操作します）は、開削溝を掘らずに都市部にユーティリティパイプと導管を設置します。

鉄道と高速鉄道のトンネル

山脈を通る長距離鉄道トンネルは、歴史上最も挑戦的で有名な TBM プロジェクトの一部です。スイスのゴッタルドベーストンネルは、全長57キロメートルの世界最長の鉄道トンネルで、複数のTBMを使用した17年間の建設を経て、硬い花崗岩、片岩、複数の断層帯を含むスイスアルプスの複雑な地質全体を貫通する必要があり、2016年に完成した。イギリスとフランスを結ぶ英仏海峡トンネルでは、11 台の TBM を使用して、英仏海峡の下に 3 つのトンネル (2 つの走行トンネルと 1 つのサービス トンネル) を掘削しました。日本の中央新幹線リニアモーターカーのような進行中のプロジェクトには、困難な山岳地質の中を 25 キロメートル以上伸びるトンネルが含まれており、TBM 技術を新たな境地に押し上げています。

トンネル掘削機プロジェクトの実際のコスト: 数字を左右する要因

TBM トンネリングは高価であり、多くの場合、異常に高価です。そのコストの原因を理解することで、プロジェクト オーナーやエンジニアは、TBM トンネリングが正しい選択であるか、カットアンドカバーやドリルアンドブラスト建設などの代替案と比較して、情報に基づいた意思決定を行うのに役立ちます。

先進国における一般的な TBM トンネルのコストは、大都市規模のトンネルの場合、1 キロメートルあたり 5,000 万ドルから 3 億ドルの範囲にあり、直径、地質、都市の複雑さ、国固有の人件費と材料費によって大きく異なります。これらの数字は高いですが、表面破壊のコスト、財産への影響、近代都市の希少な表面スペースを消費しない深いインフラストラクチャの構築にかかるプレミアムなど、代替案の全コストと比較する必要があります。

地盤工学調査: TBM トンネル掘削ではなぜ地上の知識がすべてであるのか

TBM プロジェクトの成功または失敗に最も大きな影響を与える要因は、機械が選択される前に実施される地質工学調査の品質です。地面は TBM の媒体であり、予期せぬ断層、水圧の突然の変化、柔らかい土壌にある岩石、または崩壊しやすい混合面の状態など、地盤内の予期せぬ事態が、ほとんどの主要な TBM プロジェクトの遅延、コスト超過、安全上のインシデントの根本原因となっています。

TBM トンネルの包括的な地質工学調査には通常、線形に沿って一定の間隔 (都市プロジェクトの場合は 50 ～ 100 メートルごと) でのボーリング掘削、強度、摩耗性、透水性などの岩石と土壌サンプルの実験室での試験、地下水圧の監視、ボーリング孔間の埋設障害物、空洞、または異常を特定するための地球物理学的調査が含まれます。徹底的な地質工学調査プログラムは総プロジェクト費用の 1 ～ 3% に相当するというコストにもかかわらず、経験豊富なトンネル技術者は、これが TBM プロジェクトに費やされる最高の費用であると広く考えています。通常、建設前の地盤調査に投資した 1 ドルは、建設中のクレームや遅延を回避して 10 ドル以上節約できる価値があります。

地盤工学ベースライン レポート (GBR) は、請負業者の TBM 選択と価格設定の基礎となる地盤挙動に関する契約上の参照条件を確立する文書であり、TBM プロジェクトにおいて最も重要な契約文書の 1 つです。ベースラインを超える条件が発生すると、所有者と請負業者の間で契約上のリスク共有メカニズムがトリガーされます。徹底的な調査に基づいてベースラインを正しく設定することは、公正で成功するプロジェクトの基本です。

トンネル掘削機の未来を形作るイノベーション

TBM テクノロジーは、1950 年代と 1960 年代に最初に成功したマシン以来著しく進歩しており、イノベーションのペースは減速するどころか加速しています。いくつかの開発分野が次世代のトンネルボーリングマシンを定義すると考えられます。

• リアルタイムのカッターヘッド監視と予知保全: 最新の TBM には、振動、トルク、推力、温度、地面圧力をリアルタイムで監視する数百のセンサーがすでに搭載されています。次のステップは、AI と機械学習を統合してカッターの摩耗や故障を発生前に予測し、事後対応ではなく計画的なメンテナンス介入を可能にすることです。これにより、計画外のダウンタイムが削減され、マシンの可用性が大幅に向上し、速度が向上する可能性があります。
• 自律型および遠隔操作型の TBM: TBM トンネリングの完全な自動化は依然として長期的な目標ですが、さらなる自動化に向けた重要なステップはすでに進行中です。自動セグメントエレクター、GPS ベースの誘導システム、および半自律推力管理は、現在、先進的なマシンの標準となっています。いくつかのメーカーは、オペレータの介入を最小限に抑えながら長時間稼働できる機械を開発しており、トンネル内で必要な労働力を削減し、安全性を向上させています。
• 代替切断技術: 従来のディスクカッターは、最も硬い種類の岩石を効率的に貫通する能力に限界があります。掘削に必要なエネルギーを削減し、TBM が経済的に動作できる地盤条件の範囲を拡大することを目的として、カッターヘッドの前にある岩石をレーザー、マイクロ波、プラズマ、高圧ウォータージェットで事前調整する研究が進行中です。
• 非円形のTBM断面: 標準的な TBM は円形のトンネルを生成しますが、多くのインフラストラクチャ用途、特に道路トンネルや複合ユーティリティ ギャラリーでは、利用可能なスペースをより効率的に使用できる長方形または馬蹄形の断面の利点が得られます。いくつかの実験用の非円形TBMが日本と中国で開発およびテストされており、この技術はまだ主流ではありませんが、業界にとって重要なフロンティアとなっています。
• リングごとの中断のない継続的なトンネリング: TBM 前進の現在の停止-始動サイクル (推力ストローク、セグメント リングの取り付けのため停止、再開) により、機械の正味前進速度は通常、理論上の最大値の 50 ～ 70% に制限されます。セグメントが交互ではなく機械の進歩と同時に設置される連続トンネル システムの研究には、工学的な課題は大きいものの、生産性を劇的に向上させる可能性があります。