JP6239966B2 - 摩耗量見積方法及び摩耗量見積システム - Google Patents

Description

本発明は、トンネルを掘削するカッターの摩耗量を見積もる摩耗量見積方法及び摩耗量見積システムに関するものである。

従来、このような分野の技術文献として、下記非特許文献１が知られている。この文献では、TBM施工において、地山の岩石試料の圧縮強度や岩石試料に含まれる石英の含有率が、カッタビットの摩耗量に影響することが示されている。

中根達人ら、「TBM施工におけるカッタビット摩耗量と岩石強度及び石英含有率」、土木学会第５９回年次学術講演会予稿集、平成１６年９月、ｐ６９３−６９４．

しかしながら、地盤の一軸圧縮強さや石英含有率とカッターの摩耗量との間には十分な相関関係が見られない場合もある。従って、一軸圧縮強さや石英含有率を基にしてはカッターの摩耗量の見積りを正確に得られない場合もある。

本発明は、カッターの摩耗量を正確に見積もることができる摩耗量見積方法及び摩耗量見積システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、トンネルを掘削するカッターの摩耗量を見積もるにあたり、地盤中の石英の含有率のみならず、その石英の連結性がカッターの摩耗量に影響を及ぼしていることを見出し、本発明を完成させた。

上記の知見に鑑み、本発明の摩耗量見積方法は、トンネルを掘削するカッターの摩耗量を見積もる摩耗量見積方法であって、掘削対象の地盤に含まれる石英の連結性を示す指標である石英連結指標値を算出する指標値算出工程と、石英連結指標値に基づいてカッターの摩耗量に関する推定データを算出する摩耗量推定工程と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の摩耗量見積システムは、トンネルを掘削するカッターの摩耗量を見積もる摩耗量見積システムであって、掘削対象の地盤に含まれる石英の連結性を示す指標である石英連結指標値を算出する指標値算出手段と、石英連結指標値に基づいてカッターの摩耗量に関する推定データを算出する摩耗量推定手段と、を備えたことを特徴とする。

この方法及び装置によれば、掘削対象の地盤に含まれる石英の連結性を石英連結指標値として示し、その指標値に基づいてカッターの摩耗量を推定することができるので、地盤中の石英の連結性が反映された正確な摩耗量の見積りを得ることができる。

具体的には、指標値算出工程は、地盤の断面のサンプルの画像を得る画像化工程と、画像化工程で得られた断面画像から石英の粒子の断面に相当する石英領域を抽出する石英領域抽出工程と、石英領域の連結性に基づいて石英連結指標値を算出する連結性分析工程と、を有することとしてもよい。

更に具体的には、連結性分析工程は、断面画像を複数の分割領域に分割する画像分割工程と、複数の分割領域のうち、当該分割領域の一端から他端まで連続する石英領域を含むものの存在割合に基づいて石英連結指標値を得る指標値取得工程と、を有することとしてもよい。

また、連結性分析工程は、断面画像を複数の分割領域に分割する画像分割工程と、複数の分割領域のうち、当該分割領域の一端から他端まで連続する石英領域を含むものの存在割合を演算する存在割合演算工程と、画像分割工程と、存在割合演算工程と、を分割領域のサイズを変更しながら繰り返し、分割領域のサイズと存在割合との相関関係式を得る分割サイズ相関式取得工程と、相関関係式において、分割領域のサイズに所定の値を代入して得られる存在割合を石英連結指標値として得る指標値取得工程と、を有することとしてもよい。

またこの場合、所定の値として、カッターの地盤への貫入幅が採用されることとしてもよい。

本発明によれば、カッターの摩耗量を正確に見積もることができる摩耗量見積方法及び摩耗量見積システムを提供することができる。

本発明に係る摩耗量見積システムの一実施形態を示すブロック図である。 図１の摩耗量見積システムで取り扱われる二値化画像データの一例を示す図である。 図１の摩耗量見積システムで取り扱われる分割画像データの一例を示す図である。 図１の摩耗量見積システムで取り扱われる分割サイズ相関式のグラフの一例を示す図である。 図１の摩耗量見積システムのハードウェア構成を示すブロック図である。 本発明に係る摩耗量見積方法のフローチャートである。 地盤に貫入されたディスクカッターと地盤との位置関係を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る摩耗量見積方法及び摩耗量見積システムの一実施形態について詳細に説明する。

図１は、ＴＢＭ(tunnel boring machines)によるトンネル掘削工事におけるディスクカッターの摩耗量を見積もるための摩耗量見積システム１を示すブロック図である。摩耗量見積システム１は、指標値算出部（指標値算出手段）１０と、摩耗量推定部（摩耗量推定手段）２０とを備えている。指標値算出部１０は、画像化部１１と、石英領域抽出部１２と、連結性分析部１３とを有している。

画像化部１１は、岩石の試料チップ５１の切断面を画像データ化する。本実施形態の摩耗量見積方法では、ＴＢＭ施工の掘削対象となる地盤から岩石の試料が採取される。そして、画像化部１１によって、採取された岩石の試料チップの切断面がスキャンされ電子的な断面画像データＤ１が取得される。画像化部１１には、例えばイメージスキャナが含まれる。また、画像化部１１が偏光顕微鏡を含み、試料チップ５１の切断面の偏光顕微鏡写真が断面画像データＤ１とされてもよい。

石英領域抽出部１２は、断面画像データＤ１から石英の粒子の断面に相当する石英領域を抽出する。一般的に、地盤中の同種の鉱物は類似の色を示すと考えられるので、断面画像データＤ１から石英の特有の色に近い領域を石英領域として抽出する。例えば、ここでは、図２に示されるように、石英領域Ｅ１とそれ以外の領域Ｅ２とを含む二値化画像データＤ２が得られる。例えば石英領域抽出部１２は、上述のような色彩に基づいて二値化処理を実行する公知の画像処理プログラムに従って上記の処理を行う。

連結性分析部１３は、二値化画像データＤ２における石英領域Ｅ１の連結性に基づいて石英連結指標値Ｄ５を算出する。石英連結指標値Ｄ５とは、地盤に含まれる石英の連結性を数値化して示す指標である。石英の連結性とは、地盤中に存在する石英のクラスタの大きさを意味し、石英が地盤中で連続して繋がって存在する度合いを言う。すなわち、地盤中に存在する石英のクラスタが大きく、石英が地盤中で長く連続して繋がって存在するほど、石英の連結性が高く石英連結指標値Ｄ５が大きくなる。

具体的には、連結性分析部１３は、画像分割部１３ａと、存在割合演算部１３ｂと、分割サイズ相関式取得部１３ｃと、指標値取得部１３ｄと、を有している。

画像分割部１３ａは、二値化画像データＤ２を所定の分割サイズＸの複数の分割領域に分割する。例えば、ここでは、図３に示されるように、二値化画像データＤ２が一辺Ｘｍｍの正方格子で分割され、１６個の正方形の分割領域Ｆに分割された分割画像データＤ３が得られる。

存在割合演算部１３ｂは、分割画像データＤ３における複数の分割領域Ｆのうち、正方格子の一端から他端まで（例えばここでは正方格子の上辺から下辺まで）連続する石英領域Ｅ１を含むもの（無限クラスタ）の個数を計数し、その無限クラスタの存在割合Ｙを算出する。図３の例では、符号Ｆ１で示される３つの分割領域Ｆが上記の無限クラスタに該当する。よってこの場合、存在割合Ｙは３／１６となる。

画像分割部１３ａ及び存在割合演算部１３ｂにおいては、分割画像データＤ３の分割サイズＸを変えながら無限クラスタの存在割合Ｙが複数回算出される。そして、分割サイズ相関式取得部１３ｃは、上記の複数回の算出結果に基づいてＹとＸとの相関関係を示す近似式Y=f(X)を得る。以下、この近似式Y=f(X)を分割サイズ相関式Ｄ４という。図４は、分割サイズ相関式Ｄ４のグラフの一例である。図４には、異なる岩石タイプＡ，Ｂ，Ｃの地盤それぞれに対する３つの分割サイズ相関式Ｄ４のグラフの例が示されている。なお、上記の３つの例ともに、分割サイズ相関式Ｄ４を２次式で近似しているが、分割サイズ相関式Ｄ４の次数はこれに限られない。

指標値取得部１３ｄは、所定の入力値Ｄ１１を分割サイズ相関式Ｄ４のＸに代入して得られるＹの値を石英連結指標値Ｄ５とする。ここで上記入力値Ｄ１１は、例えばユーザによって予め入力された情報である。

以上のように、指標値算出部１０は、ＴＢＭ施工の掘削対象となる地盤に含まれる石英の連結性を石英連結指標値Ｄ５として数値化する機能を有する。

摩耗量推定部２０は、指標値算出部１０で得られた石英連結指標値Ｄ５に基づいて、掘削時におけるディスクカッターの摩耗量の推定値（推定データ）Ｄ６を算出し出力する。具体的には、摩耗量推定部２０は、推定値Ｄ６と石英連結指標値Ｄ５との既知の相関関係を参照して推定値Ｄ６を算出する。なお、推定値Ｄ６と石英連結指標値Ｄ５との既知の相関関係は、事前の実験によって求められ、例えば数式やテーブルとして摩耗量推定部２０に事前に保存されている。推定値Ｄ６としては、例えば、掘削体積あたりの摩耗量の推定値（単位：ｍｍ／ｍ^３）等が用いられる。

図５は、摩耗量見積システム１のハードウェア構成図である。摩耗量見積システム１は、物理的には、図５に示すように、ＣＰＵ１１１、主記憶装置であるＲＡＭ１１２及びＲＯＭ１１３、ハードディスク等の補助記憶装置１１５、入力デバイスであるキーボード、マウス、及びイメージ取得装置（例えば、イメージスキャナ、偏光顕微鏡等）などを含む入力装置１１６、ディスプレイ等の出力装置１１７、ネットワークカード等のデータ送受信デバイスである通信モジュール１１４などを含むコンピュータシステムとして構成されている。

図１において説明した指標値算出部１０、摩耗量推定部２０、画像化部１１、石英領域抽出部１２、連結性分析部１３、画像分割部１３ａ、存在割合演算部１３ｂ、分割サイズ相関式取得部１３ｃ、及び指標値取得部１３ｄは、図５に示すＣＰＵ１１１、ＲＡＭ１１２等のハードウェア上に所定のコンピュータソフトウェアを読み込ませることにより、ＣＰＵ１１１の制御のもとで通信モジュール１１４、入力装置１１６、出力装置１１７を動作させるとともに、ＲＡＭ１１２や補助記憶装置１１５におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

摩耗量見積システム１を用いて実行される、本実施形態の摩耗量見積方法について説明する。図６は、摩耗量見積方法のフローチャートである。摩耗量見積方法は、掘削対象の地盤の石英連結指標値Ｄ５を算出する指標値算出工程Ｓ２００と、当該石英連結指標値Ｄ５に基づいてディスクカッターの摩耗量の推定値Ｄ６を算出する摩耗量推定工程Ｓ２０７とを備えている。指標値算出工程Ｓ２００は、画像化工程Ｓ２０１と、石英領域抽出工程Ｓ２０３と、 連結性分析工程Ｓ２０５と、を有している。

（画像化工程Ｓ２０１）
ディスクカッターで掘削される地盤の岩石サンプルを約３．５ｃｍ程度のチップに切断し、切断面を研磨する。その試料チップの研磨面をイメージスキャナでコンピュータに取り込み、断面画像データＤ１を得る。スキャンの解像度は例えば４００ｄｐｉとする。上記のイメージスキャナ及びコンピュータは、摩耗量見積システム１に含まれる。なお、ここでは特定の鉱物のみを選択的に染色する薬剤を研磨面に塗布し、当該特定の鉱物のみを染色するようにしてもよい。

（石英領域抽出工程Ｓ２０３）
続いて、上記のコンピュータ上で所定の画像処理プログラムを実行する。以下の処理は、当該プログラムによって自動的に実行される。まず、断面画像データＤ１から石英の特有の色に近い領域が石英領域Ｅ１として抽出される。例えば、ここでは、図２に示されるように、石英領域Ｅ１とそれ以外の領域Ｅ２とを含む二値化画像データＤ２が得られる。図２の例の場合、石英領域Ｅ１が白、それ以外の領域Ｅ２が黒で表されている。
なお、この石英領域抽出工程Ｓ２０３は、ユーザがコンピュータの画面で断面画像データＤ１を確認しながら手動で実行してもよい。

（連結性分析工程Ｓ２０５）
次に、例えば図３に示されるように、二値化画像データＤ２が所定のサイズの正方格子で分割される（画像分割工程Ｓ２０５ａ）。図３の例の場合、分割サイズＸ＝７．５ｍｍであり、縦横に４分割され１６個の分割領域Ｆが形成された分割画像データＤ３が得られる。

次に、分割画像データＤ３における複数の分割領域Ｆのうち、正方格子の上辺から下辺まで連続する石英領域Ｅ１を含むもの（無限クラスタ）の個数が計数され、その無限クラスタの存在割合Ｙが算出される（存在割合演算工程Ｓ２０５ｂ）。図３の例では、符号Ｆ１で示される３つの分割領域Ｆが上記の無限クラスタに該当する。従って、Ｘ＝７．５の場合において無限クラスタの存在割合Ｙは３／１６＝0.1875と算出される。

そして、上記分割サイズＸを変えながら上記の画像分割工程Ｓ１０３ａと存在割合演算工程Ｓ１０３ｂとが所定回数繰り返される。すなわち、分割サイズＸを変えながら、分割サイズＸに対する存在割合Ｙが複数回算出され、その複数回の結果に基づいて分割サイズ相関式Ｄ４（図４参照）が得られる（分割サイズ相関式取得工程Ｓ２０５ｃ）。

その後、入力値Ｄ１１を上記分割サイズ相関式Ｄ４に代入して得られたＹの値が石英連結指標値Ｄ５とされる（指標値取得工程Ｓ２０５ｄ）。ここでは、入力値Ｄ１１は、ディスクカッターの地盤への貫入幅のサイズを採用することが好ましい。図７に示されるように、貫入幅（符号ｊで示す）とは、ディスクカッター６１のうち地盤６３に貫入された部分６１ａの幅であり、ディスクカッター６１の貫入量ｈと、ディスクカッター６１の先端形状と、から幾何学的に求められる。ユーザが摩耗量見積システム１に入力する入力値Ｄ１１として、貫入幅ｊのサイズを採用することにより、石英連結指標値Ｄ５と推定値Ｄ６との相関関係がより高くなる。

（摩耗量推定工程Ｓ２０７）
次に、上記の連結性分析工程で得られた石英連結指標値Ｄ５がパラメータとされ、予め定められた石英連結指標値Ｄ５と摩耗量の推定値Ｄ６との既知の相関関係に基づいて、摩耗量の推定値Ｄ６が得られる。得られた推定値Ｄ６は、例えば、摩耗量見積システム１の出力装置１１７が備えるディスプレイ画面に表示される。

続いて、本発明者らが行った実験について説明する。

上述の摩耗量見積方法及び摩耗量見積システム１を用い、岩石のタイプＡ，Ｃについて石英連結指標値Ｄ５を算出した。ここでは、分割サイズをＸ７．５ｍｍとした場合と１０ｍｍとした場合との２通りを求めた。なお、解析に使用した機材・ソフトウェアは以下の通りである。イメージスキャナ：FUJIXEROX 社製ApeosPortIV，PC：Lenovo 社製ThinkCentre(CPU:Core2Duo2.93GHz,メモリ2GB)，画像処理ソフト：GimPhoto ver1.4.3（フリーソフト）。解析プログラム開発言語：文教大学白石和夫氏作，十進BASIC。測定時間は1 回あたり1 分程度であった。

その一方、岩石タイプＡ，Ｂ，Ｃについて一軸圧縮強さと石英含有率とを測定した。また、岩石タイプＡ，Ｂ，Ｃを含む地盤の掘削で実際に使用したディスクカッターについて、転動距離当たりの摩耗量と掘削体積当たりの摩耗量とを測定し、石英連結指標値Ｄ５と比較した。下表１に示されるように、一軸圧縮強さ及び石英含有率は、ディスクカッターの摩耗量との間に相関関係が見られなかったが、分割サイズ７．５ｍｍの場合の石英連結指標値Ｄ５は、ディスクカッターの掘削体積当たり摩耗量との間に相関関係が見られた。また、分割サイズ１０ｍｍに比較して分割サイズ７．５ｍｍの場合に、掘削体積当たり摩耗量と石英連結指標値Ｄ５との相関性が高いことが判った。これは、実際のディスクカッターの貫入幅のサイズ約７．５ｍｍとほぼ一致するものであった。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。例えば、石英抽出工程Ｓ２０３以降の工程がコンピュータプログラムによって自動的に進行してもよいが、一部にユーザの手作業が含まれていてもよい。また、例えば、分割サイズ相関式取得工程Ｓ２０５ｃまでをコンピュータで実行し、その後の指標値取得工程Ｓ２０５ｄ及び摩耗量推定工程Ｓ２０７はコンピュータから出力された分割サイズ相関式Ｄ４に基づいてユーザが手作業で実行してもよい。

１…摩耗量見積システム、１０…指標値算出部（指標値算出手段）、１１…画像化部、１２…石英領域抽出部、１３…連結性分析部、１３ａ…画像分割部、１３ｂ…存在割合演算部、１３ｃ…分割サイズ相関式取得部、１３ｄ…指標値取得部、２０…摩耗量推定部（摩耗量推定手段）、６１…ディスクカッター、６３…地盤、Ｄ１…断面画像データ（断面のサンプルの画像）、Ｄ５…石英連結指標値、Ｅ１…石英領域、Ｆ…分割領域、ｊ…貫入幅、Ｓ２００…指標値算出工程、Ｓ２０１…画像化工程、Ｓ２０３…石英領域抽出工程、Ｓ２０５…連結性分析工程、Ｓ２０５ａ…画像分割工程、Ｓ２０５ｂ…存在割合演算工程、Ｓ２０５ｃ…分割サイズ相関式取得工程、Ｓ２０５ｄ…指標値取得工程、Ｓ２０７…摩耗量推定工程。

Claims (6)

1. トンネルを掘削するカッターの摩耗量を見積もる摩耗量見積方法であって、
   掘削対象の地盤に含まれる石英の連結性を示す指標である石英連結指標値を算出する指標値算出工程と、
   前記石英連結指標値に基づいて前記カッターの摩耗量に関する推定データを算出する摩耗量推定工程と、を備えたことを特徴とする摩耗量見積方法。
2. 前記指標値算出工程は、
   前記地盤の断面のサンプルの画像を得る画像化工程と、
   前記画像化工程で得られた断面画像から前記石英の粒子の断面に相当する石英領域を抽出する石英領域抽出工程と、
   前記石英領域の連結性に基づいて前記石英連結指標値を算出する連結性分析工程と、を有することを特徴とする請求項１に記載の摩耗量見積方法。
3. 前記連結性分析工程は、
   前記断面画像を複数の分割領域に分割する画像分割工程と、
   複数の前記分割領域のうち、当該分割領域の一端から他端まで連続する前記石英領域を含むものの存在割合に基づいて前記石英連結指標値を得る指標値取得工程と、を有することを特徴とする請求項２に記載の摩耗量見積方法。
4. 前記連結性分析工程は、
   前記断面画像を複数の分割領域に分割する画像分割工程と、
   複数の前記分割領域のうち、当該分割領域の一端から他端まで連続する前記石英領域を含むものの存在割合を演算する存在割合演算工程と、
   前記画像分割工程と、前記存在割合演算工程と、を前記分割領域のサイズを変更しながら繰り返し、前記分割領域のサイズと前記存在割合との相関関係式を得る分割サイズ相関式取得工程と、
   前記相関関係式において、前記分割領域のサイズに所定の値を代入して得られる前記存在割合を前記石英連結指標値として得る指標値取得工程と、を有することを特徴とする請求項２に記載の摩耗量見積方法。
5. 前記所定の値として、前記カッターの前記地盤への貫入幅が採用されることを特徴とする請求項４に記載の摩耗量見積方法。
6. トンネルを掘削するカッターの摩耗量を見積もる摩耗量見積システムであって、
   掘削対象の地盤に含まれる石英の連結性を示す指標である石英連結指標値を算出する指標値算出手段と、
   前記石英連結指標値に基づいて前記カッターの摩耗量に関する推定データを算出する摩耗量推定手段と、を備えたことを特徴とする摩耗量見積システム。