特開 2023-121404 摩耗管理システム及び摩耗管理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023121404

(43)【公開日】2023-08-31

(54)【発明の名称】摩耗管理システム及び摩耗管理方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/06 20060101AFI20230824BHJP

   E21D 9/087 20060101ALI20230824BHJP

【ＦＩ】

E21D9/06 302Z

E21D9/087 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022024743

(22)【出願日】2022-02-21

(71)【出願人】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福井 類

(72)【発明者】

【氏名】大前 慶恵

【テーマコード（参考）】

2D054

【Ｆターム（参考）】

2D054AC02

2D054BA03

2D054GA17

2D054GA60

2D054GA81

2D054GA92

(57)【要約】

【課題】トンネル掘削機のカッタヘッドに設けられている掘削具に係る摩耗管理の運用性及び信頼性を高めることである。
【解決手段】
トンネル掘削機に設けた掘削具の摩耗状態を管理する摩耗管理システムであって、前記トンネル掘削機による地山掘削に伴って発生する掘削土砂を監視する土砂監視装置と、前記掘削具の摩耗量に応じて、前記掘削土砂に向けて色素を放出する色素放出機構と、を備え、前記土砂監視装置は、発生する前記掘削土砂を連続的に撮像し、該掘削土砂の画像データを取得する撮像手段と、前記画像データごとに輝度値の特徴量を取得する色素検知手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

トンネル掘削機に設けた掘削具の摩耗状態を管理する摩耗管理システムであって、
前記トンネル掘削機による地山掘削に伴って発生する掘削土砂を監視する土砂監視装置と、
前記掘削具の摩耗量に応じて、前記掘削土砂に向けて色素を放出する色素放出機構と、を備え、
前記土砂監視装置は、
発生する前記掘削土砂を連続的に撮像し、該掘削土砂の画像データを取得する撮像手段と、
取得した前記画像データごとに輝度値の特徴量を取得する色素検知手段と、
を備えることを特徴とする摩耗管理システム。

【請求項2】

請求項１に記載の摩耗管理システムにおいて、
前記色素に、発光材料を用いるとともに、
前記色素検知手段に、前記画像データの二値化処理を行って二値化画像を取得するとともに、取得した二値化画像から輝度値の特徴量を算出する画像処理部を備えることを特徴とする摩耗管理システム。

【請求項3】

請求項１または２に記載の摩耗管理システムにおいて、
前記色素検知手段に、
あらかじめ設定した輝度値の特徴量に係る判定閾値と前記画像データから取得した輝度値の特徴量とに基づいて、前記画像データで捉えた前記掘削土砂に混入する前記色素の有無を判定する色素判定部と、
該色素判定部で色素有りと判定した場合に、警報を出力する警報出力部と、
を備えることを特徴とする摩耗管理システム。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の摩耗管理システムであって、
前記色素放出機構が、複数の色素放出部を備え、
複数の該色素放出部は、前記掘削具の内部であって該掘削具の先端から深さ位置をずらして設けられていることを特徴とする摩耗管理システム。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の摩耗管理システムを用いた掘削具の摩耗管理方法であって、
前記トンネル掘削機による地山掘削に伴って発生する掘削土砂を、前記撮像手段にて連続的に撮像し、前記掘削土砂を捉えた画像データを取得する工程と、
前記画像データごとに、輝度値の特徴量を取得する工程と、
を備えることを特徴とする掘削具の摩耗管理方法。

【請求項6】

請求項５に記載の掘削具の摩耗管理方法において、
前記色素に、緑色発光もしくは赤色発光の発光材料を採用するとともに、
前記画像データごとに取得する輝度値の特徴量を、
前記画像データの各画素から前記色素に採用した色に対応する成分の画素値を抽出して二値化処理を行ったのち、取得した二値化画像を用いて算出することを特徴とする掘削具の摩耗管理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トンネル掘削機のカッタヘッドに設けられている掘削具の摩耗状態を管理する摩耗管理システム及び掘削具の摩耗管理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、トンネル工事では、シールド掘進機やＴＢＭなどのトンネル掘削機を用いる場合が多い。トンネル掘削機の先端には、超硬合金を埋め込んだカッタビットが装備されたカッタヘッドが設けられており、このカッタヘッドを回転させながらカッタビットで地山を切削し、掘削していく。ところが、カッタビットは摩耗することから、施工管理とともに摩耗管理が必要となる。

【0003】

このような中、例えば特許文献１では、作業者に摩耗限界を報知することの可能な掘削装置用ディスクカッタが開示されている。具体的には、超硬チップを頂部外周に植設した台金の所定カ所に、着色剤を埋設しておく。これにより、埋設箇所まで台金がすり減ると、着色剤が飛散して掘削ずりを着色するため、作業者に摩耗限界を報知することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実公平６－７１１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の方法によれば、作業員はトンネル掘削機内に取り込まれた掘削ずりの色を確認することで、カッタヘッドに近づくことなく安全に、超硬チップが摩耗限界を超えたことを検知できる。

【0006】

しかし、作業員の視認による色の確認は個人差があり、判断基準が曖昧になりやすい。また、掘削土砂の色合いによっては、混入する着色剤を見逃す可能性があるなど、摩耗検知の信頼性に課題がある。さらには、工事期間中、連続的に発生する掘削土砂を、作業員が常時監視することは困難であり、摩耗管理の運用性にも課題を生じていた。

【0007】

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、トンネル掘削機のカッタヘッドに設けられている掘削具に係る摩耗管理の運用性及び信頼性を高めることである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

かかる目的を達成するため本発明の摩耗管理システムは、トンネル掘削機に設けた掘削具の摩耗状態を管理する摩耗管理システムであって、前記トンネル掘削機による地山掘削に伴って発生する掘削土砂を監視する土砂監視装置と、前記掘削具の摩耗量に応じて、前記掘削土砂に向けて色素を放出する色素放出機構と、を備え、前記土砂監視装置は、発生する前記掘削土砂を連続的に撮像し、該掘削土砂の画像データを取得する撮像手段と、取得した前記画像データごとに輝度値の特徴量を取得する色素検知手段と、を備えることを特徴とする。

【0009】

本発明の摩耗管理システムは、前記色素に、発光材料を用いるとともに、前記色素検知手段に、前記画像データの二値化処理を行って二値化画像を取得するとともに、取得した二値化画像の輝度値の特徴量を算出する画像処理部を備えることを特徴とする。

【0010】

本発明の摩耗管理システムは、前記色素検知手段に、あらかじめ設定した輝度値の特徴量に係る判定閾値と前記画像データから取得した輝度値の特徴量とに基づいて、前記画像データで捉えた前記掘削土砂に混入する前記色素の有無を判定する色素判定部と、該色素判定部で色素有りと判定した場合に、警報を出力する警報出力部と、を備えることを特徴とする。

【0011】

本発明の摩耗管理システムは、前記色素放出機構が、複数の色素放出部を備え、複数の該色素放出部は、前記掘削具の内部であって該掘削具の先端から深さ位置をずらして設けられていることを特徴とする。

【0012】

本発明の掘削具の摩耗管理方法は、本発明の摩耗管理システムを用いた掘削具の摩耗管理方法であって、前記トンネル掘削機による地山掘削に伴って発生する掘削土砂を、前記撮像手段にて連続的に撮像し、前記掘削土砂を捉えた画像データを取得する工程と、前記画像データごとに、輝度値の特徴量を取得する工程と、を備えることを特徴とする。

【0013】

本発明の掘削具の摩耗管理方法は、前記色素に、緑色発光もしくは赤色発光の発光材料を採用するとともに、前記画像データごとに取得する輝度値の特徴量を、前記画像データの各画素から前記色素に採用した色に対応する成分の画素値を抽出して二値化処理を行ったのち、取得した二値化画像を用いて算出することを特徴とする。

【0014】

本発明の摩耗管理システム及び掘削具の摩耗管理方法によれば、土砂監視装置を利用して、トンネル掘削機による地山掘削に伴って発生する掘削土砂を常時モニタリングできる。また、輝度値の特徴量に係る時系列データを取得し、その変動を捉えて色素放出機構から色素が放出されたことを検知できる。これにより、作業者は、掘削土砂に常時注意を払うことなく、輝度値の特徴量に係る時系列データに変動が生じた場合に、掘削土砂を目視で確認すればよい。また、目視確認で色素の有無を検知する際には、輝度値の特徴量に係る時系列データを検知の支援情報として利用できる。これにより、掘削土砂に混入する色素の有無を検知することで掘削具の摩耗状態を管理する摩耗管理の、信頼性及び運用性を高めることが可能となる。

【0015】

また、画像データの二値化処理を行って二値化画像を取得するとともに、取得した二値化画像の輝度値の特徴量を算出すると、画像データで捉えた掘削土砂に混入する色素の量が少ない場合にも、この色素を含む画素を強調し、輝度値の特徴量に反映させることができる。

【0016】

さらに、画像データで捉えた掘削土砂に混入する色素の有無を判定する色素判定部を備えることで、作業員が掘削土砂を目視確認する場合と比較して、安定した精度で色素の有無を判別できる。また、色素判定部で「色素あり」と判定した場合に、警報を報知する警報出力部を備えことで、作業員は、警報の報知を受けたのちに、最終確認作業として掘削土砂を目視確認すればよく、摩耗管理の運用性をより一層高めることができる。加えて、トンネル掘削機のオペレーターや工事事務所の作業員などに対して迅速に掘削具の摩耗状況を伝達でき、摩耗管理の効率化を図ることが可能となる。

【0017】

また、複数の色素放出部を、掘削具の先端から深さ位置をずらして設けると、掘削具の摩耗状態を段階的に把握することも可能となる。

【0018】

さらに、色素に緑色発光もしくは赤色発光する発光材料を採用し、画像データの各画素から抽出した画素値のＲＧＢ成分のうち、Ｇ成分もしくはＲ成分を採用して二値化処理を行うと、掘削土砂の色合いやトンネルＴ内の照明など撮像環境の影響を最小限に抑えつつ、色素の有無を高い精度で検知できる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、掘削具の摩耗量に応じて色素を放出する色素放出機構から、掘削土砂に向けて色素が放出されたことを土砂監視装置を用いて検知できるため、掘削具の摩耗管理に高い信頼性及び運用性を確保することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施の形態における摩耗管理システムを示す図である。

【図2】本発明の実施の形態におけるトンネル掘削機のカッタヘッド、及び色素放出機構（色素供給部をカッタビットに設けた場合）を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態におけるトンネル坑内及び発進立坑を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態における色素放生出機構（色素供給部をカッタスポークに設けた場合）を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態における摩耗管理システムを構成する色素検知手段の構成を示す図である。

【図6】本発明の実施の形態における掘削具に係る摩耗管理の流れを示す図である。

【図7】本発明の実施の形態における掘削土砂を連続的に捉えた画像データから取得した輝度値平均（ＲＧＢ成分のうちのＲ成分）を時系列にプロットしたグラフである。

【図8】本発明の実施の形態における掘削土砂を連続的に捉えた画像データから取得した輝度値平均（ＲＧＢ成分のうちのＧ成分）を時系列にプロットしたグラフである。

【図9】本発明の実施の形態における色素放出機構の他の事例（カッタビット内の２カ所に色素放出部を設けた場合）を示す図である。

【図10】本発明の実施の形態における色素放出機構の他の事例（色素放出部の位置が異なる２種類のカッタビットを採用する場合）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明の摩耗管理システムおよび掘削具の摩耗管理方法の詳細を、図１～図１０を参照しつつ、以下に説明する。

【0022】

摩耗管理システムの詳細を説明するに先立ち、トンネル掘削機、及びトンネル掘削機の地山掘削により発生する掘削土砂を搬出するベルトコンベヤについて、その概略を説明する。トンネル掘削機は、シールド掘進機やＴＢＭなどいずれでもよいが、本実施の形態では、スポーク型のカッタヘッドを備えるシールド掘進機を事例に挙げ、概略を説明する。

【0023】

≪≪シールド掘進機１０≫≫
シールド掘進機１０は、図１で示すように、カッタ駆動部１１と、背面にカッタ駆動部１１を備えるとともに前面が切羽Ａに対向するカッタヘッド１２と、カッタヘッド１２の背面側に位置するシールド本体１３とを備える。カッタヘッド１２には、カッタビット（掘削具）１４が装着され、シールド本体１３には、掘削土砂Ｓを貯留するチャンバー１５と、チャンバー１５内の掘削土砂Ｓを排出するスクリュコンベヤ１６と、を備えている。

【0024】

カッタヘッド１２は、切羽Ａ側から見て図２（ａ）で示すように、円形状に形成されているとともに、中心軸から放射状に延びる複数のカッタスポーク１２１を有する。カッタスポーク１２１には、切羽Ａと対向する面に、金属製の掘削具であるカッタビット１４が複数装着されている。カッタビット１４は、図２（ｂ）で示すように、母材１４１の先端１４１Ｂ側に複数のチップ１４２が固定され、基端１４１Ａはカッタスポーク１２１に対して、溶接もしくは着脱可能な態様で装着される。

【0025】

カッタビット１４のチップ１４２は、切羽Ａを掘削する機能を有し、その硬度は母材１４１の硬度より高い。このような構成を有するカッタビット１４は、トンネル軸線方向の断面が、図１で示すように、切羽Ａに向かうにつれて薄肉となるよう楔形に形成されている。これにより、カッタヘッド１２が切羽Ａに押し当てられた状態で、カッタ駆動部１１を介して中心軸周りに回転することで、地山を掘削していく。

【0026】

チャンバー１５は、シールド掘進機１０の地山掘削により連続的に発生する掘削土砂Ｓが取り込まれる空間であり、カッタヘッド１２と、シールド本体１３の前方側（切羽Ａ側）に位置する筒状外郭であるフード部１３１と、隔壁１３２とにより仕切られている。隔壁１３２にはスクリュコンベヤ１６が接続されており、このスクリュコンベヤ１６によりチャンバー１５に取り込まれた掘削土砂Ｓは、トンネルＴ内に排出される。

【0027】

≪≪ベルトコンベヤ２０≫≫
ベルトコンベヤ２０は、図１及び図３で示すように、スクリュコンベヤ１６によりトンネルＴ内に排出された掘削土砂Ｓを、発進立坑Ｈに向けて搬送する設備であり、テール部２１がスクリュコンベヤ１６の排出口近傍に配置されている。また、ベルトコンベヤ２０のヘッド部２２は、発進立坑Ｈの近傍に配置されている。これにより、スクリュコンベヤ１６からベルトコンベヤ２０に投下された掘削土砂Ｓは、発進立坑Ｈ近傍まで搬送されたのち、ずり鋼車３０に積み込まれて、発進立坑Ｈを経由して、例えば地上に設けた土砂ピットＰに貯留される。

【0028】

≪≪摩耗管理システム４０≫≫
摩耗管理システム４０は、上記のシールド掘進機１０でトンネル施工を進行させつつ、カッタビット１４の摩耗状態を管理するシステムであり、図１で示すように、色素放出機構５０と土砂監視装置６０とを備える。

【0029】

≪色素放出機構５０≫
色素放出機構５０は、図１で示すように、カッタビット１４の内部に設けられた色素放出部５１を有し、カッタビット１４が摩耗してこの色素放出部５１が露出した際、色素Ｃを放出して、掘削土砂Ｓに混入させる。このような機能を有していれば、その構成はいずれでもよい。

【0030】

例えば、図２（ｂ）では、カッタビット１４に設けた色素放出部５１と、同じくカッタビット１４に設けたピストン型の色素供給部５２と、色素供給部５２と色素放出部５１とを接続する流路５３と、を備える色素放出機構５０を例示している。ピストン型の色素供給部５２は、シールド掘進機１による掘削外径が小さく、色素含有流体Ｆ(Ｃ)の搭載量が少量でよい場合に適している。

【0031】

また、図４（ａ）及び（ｂ）では、カッタビット１４に設けた色素放出部５１と、カッタスポーク１２１に設けたアキュムレータ型の色素供給部５４と、色素供給部５４と色素放出部５１とを接続する供給管５５と、を備える色素放出機構５０を例示している。アキュムレータ型の色素供給部５４は、シールド掘進機１による掘削外径が大きく、色素含有流体Ｆ(Ｃ)の搭載量が大量に必要となる場合に適している。

【0032】

これらの色素放出機構５０については概略を後述するが、いずれも色素放出部５１が、図２（ｂ）で示すように、カッタビット１４を構成する母材１４１の内部であって、先端１４１Ｂから検知したい摩耗量に応じた長さ（摩耗検知量Ｌ１）だけ後退した深さ位置に、設けられている。また、色素含有流体Ｆ(Ｃ)は、色素供給部５２、５４に供給されている。色素含有流体Ｆ(Ｃ)は、ペンキのように色素Ｃで着色した液体でもよいし、粉体状の色素Ｃを含有する気体などでもよく、いずれの流体をも採用することができる。なお、図２（ｂ）及び図４（ａ）及び（ｂ）で例示した色素放出機構５０の詳細は、特願２０２１－０１７４０４号に譲る。

【0033】

≪色素Ｃ≫
色素含有流体Ｆ(Ｃ)に含有されている色素Ｃは、掘削土砂Ｓと混じった際に識別しやすいものであればいずれを採用してもよいが、紫外線や可視光など外部からの光のエネルギーを吸収し、エネルギーの異なる光を放出する発光材料が好ましい。摩耗管理システム４０は、赤・緑・青だけでなく様々な色の発光材料に対して対応可能である。

【0034】

≪≪土砂監視装置６０≫≫
土砂監視装置６０は、図１で示すように、撮像手段６１と色素検知手段６２とを備える。撮像手段６１は、シールド掘進機１０による地山掘削に伴って発生する掘削土砂Ｓを連続的に撮像し、掘削土砂Ｓを捉えた画像データを取得する。また、色素検知手段６２は、撮像手段６１で取得した画像データ各々の輝度値の特徴量を時系列で取得する。また、取得した輝度値の特徴量に基づいて、画像データで捉えた掘削土砂Ｓに混入する色素Ｃの有無を判定する。さらには、「色素あり」と判定した場合に、警報を報知する。なお、輝度値の特徴量は、いずれの統計量を採用してもよいが、本実施の形態では平均に着目し、輝度値平均を採用する場合を事例に挙げる。

【0035】

≪≪撮像手段６１≫≫
撮像手段６１は、図１で示すように、カメラ６１１と照明設備６１２と支持架台６１３とにより構成されている。カメラ６１１は、３バンドの波長情報を獲得するいわゆるデジタルカメラ（ＲＧＢカメラ）を使用しているが、通常のいずれのカメラでも採用可能である。このカメラ６１１は、撮像範囲をベルトコンベヤ２０上（コンベヤベルト）の任意の位置に設定した状態で据え付けられている。照明設備６１２は、色素Ｃに発光材料を用いているためＵＶライトを採用し、カメラ６１１の撮像範囲を照射するよう、据え付けられている。

【0036】

カメラ６１１の撮像範囲は、ベルトコンベヤ２０上の掘削土砂Ｓを捉えることのできる位置であればいずれでもよいが、ベルトコンベヤ２０のテール部２１近傍であって、スクリュコンベヤ１６の排出口より下流側に設定するとよい。すると、シールド掘進機１０の地山掘削により発生して間もない掘削土砂Ｓを撮像できる。したがって、カッタビット１４の摩耗が摩耗検知量Ｌ１を超えた場合に、初期の段階で掘削土砂Ｓに混入する色素Ｃを検出できる。これにより、カッタビット１４の摩耗が進行することに起因してカッタヘッド１２やシールド本体１３が損傷する、といった現象を回避することも可能となる。

【0037】

支持架台６１３は、ベルトコンベヤ２０を跨ぐように設置され、上記のカメラ６１１と照明設備６１２とを支持する架台である。その形状は何ら限定されるものではなく、また、トンネルＴ内にこれらを支持可能な装備がある場合には、支持架台６１３を省略してもよい。

【0038】

≪色素検知手段６２≫≫
色素検知手段６２は、図５で示すように、入力部６２１、演算処理部６２２、及び出力部６２３を備える装置であればいずれでもよく、パソコンやノートＰＣ、タブレット端末などを採用することができる。

【0039】

入力部６２１は、カメラ６１１と無線または有線で接続され、カメラ６１１で撮像した画像データなどの情報を受信する。図示を省略するが、キーボードやマウス、スキャナなどの入力装置と接続し、これらに入力された情報を受信する構成としてもよい。

【0040】

出力部６２３は、データ出力部６２３１と警報出力部６２３２とを備える。データ出力部６２３１は、入力部６２１を介して取得した画像データや、演算処理部６２２で処理した処理データなどの情報を、表示装置６２４に出力する。また、警報出力部６２３２は、後述する演算処理部６２２の色素判定部６２２２が、画像データで捉えた掘削土砂Ｓに「色素あり」、と判定した場合に、警報情報を表示装置６２４に出力する。

【0041】

表示装置６２４は、出力部６２３と無線または有線で接続されたディスプレイやプリンタ、シールド掘進機１のモニター画面など、いずれでもよい。また、警報出力部６２３２から出力する警報情報は、表示装置６２４に出力するだけでなく、スピーカーなど音声で報知可能な出力装置に出力する構成としてもよい。

【0042】

さらに、作業員が携帯する携帯端末や工事事務所に設置されている管理用パソコンなどの端末装置６２５と色素検知手段６２とを、通信ネットワークを介して相互にデータ送信可能としてもよい。こうすると、この端末装置６２５から入力部６２１を介して色素検知手段６２に情報を入力する、もしくは色素検知手段６２から出力部６２３を介して情報を端末装置６２５に出力できる。なお。通信ネットワークとしては、インターネット、専用通信回線等いずれにより構築されるものであってもよい。

【0043】

演算処理部６２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶部を備え、色素検知手段６２の動作を制御する。このような演算処理部６２２は、少なくとも画像処理部６２２１と、色素判定部６２２２とを備える。

【0044】

画像処理部６２２１は、カメラ６１１で撮像した画像データの二値化処理を行って、二値化画像を取得する。このように、二値化処理を行うと、画像データで捉えた掘削土砂Ｓに混入する色素Ｃの量が少ない場合にも、二値化画像上でこの色素Ｃを含む画素を強調させることができる。二値化処理は、画像データの各画素から、色素Ｃに対応する成分の画素値を抽出し、二値化処理を実施する。

【0045】

つまり、色素Ｃに緑色発光の発光材料を採用する場合には、各画素から画素値のＲＧＢ成分のうちのＧ成分を抽出し、これを二値化処理して二値化画像を取得する。このとき、二値化処理には閾値の設定が必要となる。その設定手法は、画像処理の分野で採用されている様々な手法（例えば、モード法、Ｐ－タイル法、判別分析法など）の中から、最適な手法を適宜選択すればよい。

【0046】

また、画像処理部６２２１は、二値化処理をして色素Ｃを含む画素を強調した二値化画像の輝度値平均を算出する。二値化画像の輝度値平均は、全画素数における白画像の割合となり、白画像は、色素Ｃを捉えた可能性のある画素である。このような手順で取得する輝度値平均を、カメラ６１１の撮像範囲を通過する掘削土砂Ｓを連続的に撮像して取得した複数の画像データごとに算出する。すると、図７及び図８で示すような輝度値平均の時系列データを取得できる。詳細は、後述する掘削具の摩耗管理方法で説明する。

【0047】

色素判定部６２２２は、画像処理部６２２１で算定した輝度値平均と、あらかじめ設定した輝度値平均の判定閾値とに基づいて、画像データで捉えた前記掘削土砂Ｓに混入する色素Ｃの有無を判定する。具体的には、輝度値平均とあらかじめ設定した判定閾値とを比較し、輝度値平均が判定閾値を超えた場合に、画像データで捉えた掘削土砂Ｓに「色素あり」、と判定する。判定閾値の決定方法は、掘削具の摩耗管理方法と併せて説明する。

【0048】

≪≪掘削具の摩耗管理方法≫≫
上記の摩耗管理システム１００を用いて、カッタビット４の摩耗状態を検知する手順を、図５で示す色素検知手段６２の構成図、及び図６の摩耗管理の流れを参照しつつ、以下に説明する。

【0049】

≪≪色素の搭載：ＳＴＥＰ１≫≫
まず、シールド掘進機１による掘削外径を考慮して色素含有流体Ｆ(Ｃ)の搭載量を決定する。また、色素含有流体Ｆ(Ｃ)の搭載量に応じて、シールド掘進機１０に設ける色素放出機構５０の構造を、適宜選択する。前述したように、搭載量が少量の場合には、図２（ｂ）で示すような、ピストン型の色素供給部５２をカッタビット１４に設ける色素放出機構５０を採用し、必要量の色素含有流体Ｆ(Ｃ)を搭載する。一方、搭載量が多量に必要となる場合には、図４（ａ）及び（ｂ）で示すような、アキュムレータ型の色素供給部５４をカッタスポーク１２１に設ける色素放出機構５０を採用し、必要量の色素を搭載する。

【0050】

≪≪搭載量が少量の場合≫≫
色素放出機構５０は、図２（ｂ）で示すように、色素放出部５１と、色素供給部５２と、これらを接続する流路５３とを備える。流路５３は、色素放出部５１と接続する側の流路径を小径とし、色素供給部５２と接続する側の流路径を大径に形成している。また、流路５３は、外気と連通する連通部５３１が２カ所に設けられているともに、連通部５３１を塞ぐことの可能なプラグ５３２、５３３が母材１４１に着脱可能に設けられている。

【0051】

色素供給部５２は、母材１４１内で流路５３と直交するようにして並列配置された２つの中空部５２１と、中空部５２１中に配置されたピストン５２２を備える。中空部５２１はそれぞれ、ピストン５２２を境界として色素含有流体Ｆ(Ｃ)の貯蔵部５２１Ａと加圧部５２１Ｂに区分され、貯蔵部５２１Ａが流路５３と連通している。

【0052】

加圧部５２１Ｂは、コイルバネ５２３が収納される空間であり、コイルバネ５２３を挿入するための開口が形成されている。この開口はネジ５２４により開閉自在となっており、開口を介して加圧部５２１Ｂにコイルバネ５２３を挿入したのち、ネジ５２４を母材１４１に取り付て開口を塞ぐ。すると、コイルバネ５２３は、一端部がネジ５２４と当接し、他端部がピストン５２２と当接する態様となる。

【0053】

これにより、コイルバネ５２３は、自身の復元力を用いてピストン５２２を付勢することに伴って、貯蔵部５２１Ａに貯蔵された色素含有流体Ｆ(Ｃ)を加圧する。なお、図２（ｂ）では、図面上方のコイルバネ５２３は伸長した状態を示し、図面下方のコイルバネ５２３は収縮した状態を示している。

【0054】

上記の構成を有する色素供給部５２に設けた貯蔵部５２１Ａに色素含有流体Ｆ(Ｃ)を搭載する手順は、次のとおりである。まず、流路５３と外気との連通部５３１を塞ぐプラグ５３２、５３３を母材１４１から取り外す。また、加圧部５２１Ｂから、ネジ５２４及びコイルバネ５２３を取り外す。次に、中空部５２１にピストン５２２を挿入した状態で、貯蔵部５２１Ａ及び流路５３を色素含有流体Ｆ(Ｃ)で満たす。

【0055】

その後、プラグ５３２、５３３を母材１４１に取り付け、流路５３及び連通部５３１を密閉する。こののち、加圧部５２１Ｂにコイルバネ５２３を挿入し、ネジ５２４を母材１４１に装着する。これにより、コイルバネ５２３が、ネジ５２４とピストン５２２との間で収縮した状態で保持され、貯蔵部５２１Ａに貯蔵された色素含有流体Ｆ(Ｃ)は、コイルバネ５２３によって加圧された状態で搭載される。

【0056】

≪≪搭載量が大量の場合≫≫
色素放出機構５０は、図４（ａ）で示すように、色素放出部５１と、色素供給部５４と、これらを接続する供給管５５とを備える。色素供給部５４は、供給管５５との接続部５４１Ａを有する筐体５４１と、伸縮可能な袋状部材を有する加圧部５４２とを有する。加圧部５４２の内部には、圧縮ガスＧが充填される。また、加圧部５４２の外方には、筐体５４１の内周面に規定される貯蔵部５４３を有する。

【0057】

したがって、貯蔵部５４３に必要量の色素含有流体Ｆ(Ｃ)を注入する。すると、注入された色素含有流体Ｆ(Ｃ)は、加圧部５４２によって加圧された状態で搭載されることとなる。したがって、カッタビット１４の摩耗が進行し、色素放出部５１が露出すると、加圧部５４２は圧力にしたがって拡大し、色素含有流体Ｆ(Ｃ)は筐体５４１の外部へ排出される。こののち、色素含有流体Ｆ(Ｃ)は供給管５５を介してカッタビット１４へ供給されて、色素放出部５１から放出されることとなる。

【0058】

≪≪地山の掘削開始：ＳＴＥＰ２≫≫
色素含有流体Ｆ(Ｃ)の搭載作業と同時に、もしくはこれと前後して図１で示すように、カメラ６１１を所定の位置に配置し、撮像範囲をベルトコンベヤ２０で搬送される掘削土砂Ｓが通過するように据え付ける。また、照明設備６１２を所定の位置に設置し、カメラ６１１の撮像範囲を照射する。こののち、シールド掘進機１０の運転を開始し、地山を掘削する。

【0059】

≪≪判定閾値の設定：ＳＴＥＰ３≫≫
シールド掘進機１０の運転を開始すると、図１で示すように、掘削土砂Ｓがチャンバー１５及びスクリュコンベヤ１６を介してトンネルＴ内に取り込まれる。この掘削土砂Ｓを、カッタビット１４の摩耗が生じていない初期掘削の段階で採取し、採取した掘削土砂Ｓを用いて、上述した色素判定部６２２２で色素Ｃの有無を判定する際に用いる判定閾値を設定する。

【0060】

まず、採取した掘削土砂Ｓに色素放出機構５０に搭載した色素含有流体Ｆ(Ｃ)もしくはこれに含まれている色素Ｃを混入し、試料を作成する。次に、掘削土砂Ｓのみと、試料とをそれぞれ撮像し、画像データを取得する。取得した画像データ各々から色素検知手段６２にて輝度値平均を算出する。試料を撮像した画像データから取得した輝度値平均と、掘削土砂Ｓのみを撮像した画像データから取得した輝度値平均とを比較し、色素Ｃの有無を判定するにあたり最適な輝度値平均を判定閾値に設定する。

【0061】

判定閾値の決定にあたっては、撮像条件（周囲の明るさなど）を考慮するなどして、最適な判定閾値を決定すると良い。また、決定した判定閾値は、入力部６２１を介して色素検知手段６２に入力し、演算処理部６２２に格納しておく。

【0062】

≪≪輝度値平均の取得及び時系列データを作成：ＳＴＥＰ４≫≫
ＳＴＥＰ３の判定閾値の設定作業と並行して、もしくはこれと前後して、シールド掘進機１０の地山掘削により発生し、カメラ６１１の撮像範囲を通過する掘削土砂Ｓを、連続的に撮像して掘削土砂Ｓを捉えた画像データを取得する。また、画像データを取得するごとに、これを色素検知手段６２に送信する。

【0063】

入力部６２１を介して画像データが色素検知手段６２に入力されると、演算処理部６２２は画像処理部６２２１の指令を受けて、画像データの各画素から画素値のＲＧＢ成分を抽出する。次に、抽出したＲＧＢ成分のうち、色素含有流体Ｆ(Ｃ)に含まれている色素Ｃに応じて、Ｇ成分（グリーン成分）もしくはＲ成分（レッド成分）を抽出し、二値化処理を行う。こののち、二値化処理により作成された二値化画像の輝度値平均を算出する。

【0064】

上記のカメラ６１１で撮像範囲を通過する掘削土砂Ｓを連続的に撮像する工程と、撮像して取得した画像データごとに、色素検知手段６２にて輝度値平均を算出する工程を繰り返し、輝度値平均を蓄積して時系列データを作成する。時系列データは、演算処理部６２２の記憶領域に格納してもよいし、輝度値平均が算出されることに、表示装置６２４に出力してもよい。

【0065】

表示装置６２４に出力する方法はいずれでもよいが、例えば、図７では、縦軸に輝度値平均を取るとともに横軸に時間を取ったグラフに、輝度値平均を逐次プロットする事例を示している。

【0066】

≪≪輝度値平均の時系列データの事例≫≫
図７（ａ）は、カメラ６１１の撮像範囲を通過する掘削土砂Ｓに、色素Ｃが混入されていない状態の時系列データを示すグラフである。一方、図７（ｂ）は、カメラ６１１の撮像範囲を通過する掘削土砂Ｓに、色素Ｃが混入した状態の時系列データを示すグラフである。つまり、図４（ｂ）で示すように、カッタビット１４の摩耗が進行して色素放出部５１が露出し、色素含有流体Ｆ(Ｃ)が放出されたのちの状態である。なお、色素Ｃには、赤色発光する発光材料を採用している。

【0067】

図７（ａ）のグラフを見ると、輝度値平均の時系列データは、その推移に大きな変化が認められず、輝度値平均２．０近傍でベースラインとなる振動が安定して生じていることがわかる。一方、図７（ｂ）のグラフを見ると、ところどころで、輝度値平均に大きな反応を生じている様子がわかる。

【0068】

これは、輝度値平均が突出した時点の画像データで捉えた掘削土砂Ｓに、色素Ｃが混じっていることを示している。掘削土砂Ｓを目視確認したところ、色素Ｃが混入していることを確認した。また、ベースラインの部分も、図７（ａ）と比較して細かな振動が生じており、これらも色素の有無による変動を捉えているものと想定できる。

【0069】

≪色素の有無の判別：ＳＴＥＰ５≫
画像処理部６２２１において画像データの輝度値平均が算定されると、演算処理部６２２は色素判定部６２２２の指令を受けて、輝度値平均に基づいて色素Ｃの有無を判定する。

【0070】

具体的には、画像データごとに算出される輝度値平均とＳＴＥＰ２で決定した判定閾値とを比較し、輝度値平均の数値が判定閾値より高い場合に、「色素あり」と判定する。例えば図７（ｂ）では判定閾値を輝度値平均２．０に設定している。これにより、輝度値平均２．０を超える輝度値平均が算定された画像データに撮像された掘削土砂Ｓには、混入する「色素あり」と判定する。

【0071】

≪摩耗量の把握：ＳＴＥＰ６≫
色素判定部６２２２において「色素あり」と判定した場合、演算処理部６２２は警報出力部６２３２を介して表示装置６２４に、警告メッセージを発報する。

【0072】

作業員は、表示装置６２４で警告メッセージを受信したのち、ベルトコンベヤ上の掘削土砂Ｓやずり鋼車３０に積み込まれた掘削土砂Ｓを目視し、色素Ｃの有無を確認する。色素Ｃを確認し、カッタビット１４の摩耗量が摩耗検知量Ｌ１に到達したものと判断できる場合には、シールド掘進機１０の掘削作業を一時中断し、カッタビット１４を交換するなど適宜対応すればよい。

【0073】

本発明によれば、作業員は、警報の報知を受けたのちに、最終確認作業として掘削土砂Ｓを目視確認すればよい。したがって、掘削土砂Ｓに常時注意を払う手間を省略でき、摩耗管理の運用性を高めることができる。また、シールド掘進機１０のオペレーターや工事事務所の作業員などに対して迅速に、カッタビット１４の摩耗状況を伝達でき、摩耗管理の効率化を図ることが可能となる。

【0074】

さらに、色素Ｃの有無を色素判定部６２２２で判定することで、作業員が掘削土砂を目視確認する場合と比較して、安定した精度で色素Ｃの有無を判別できる。加えて、作業員は、警報の報知を受ける前であっても、輝度値平均の時系列データを支援情報として利用し、例えば、色素Ｃが大量に放出される予兆、つまり、カッタビット１４の摩耗量が摩耗検知量Ｌ１に到達する予兆を捉えることもできる。

【0075】

本発明の摩耗管理システム及び掘削具の摩耗管理方法は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることはいうまでもない。

【0076】

≪≪色素Ｃに緑色発光の発光材料を採用した場合≫≫
例えば、本実施の形態では、色素Ｃに赤色発光する発光材料を採用したが、緑色発光する発光材料を採用してもよい。図８に、色素Ｃとして緑色発光する発光材料を採用する場合の輝度値平均の時系列データを示す。

【0077】

図８（ａ）は、カメラ６１１の撮像範囲を通過する掘削土砂Ｓに、色素Ｃが混入されていない場合の事例である。一方、図８（ｂ）は、カメラ６１１の撮像範囲を通過する掘削土砂Ｓに、色素Ｃが混入されている場合の事例である。図８（ｂ）では判定閾値を輝度値平均２．５に設定している。

【0078】

図８（ａ）のグラフを見ると、輝度値平均１．０近傍でベースラインとなる振動が安定して生じていることがわかる。一方、図８（ｂ）のグラフを見ると、赤色発光する発光材料を採用した図７と同様に、輝度値範囲に大きな反応を生じる時点がある様子がわかる。掘削土砂Ｓを目視確認したところ、緑色発光の発光材料が混入していることを確認した。また、ベースラインの部分も、図８（ａ）と比較して細かな振動が生じており、これらも色素の有無による変動を捉えているものと想定できる。

【0079】

このように、色素Ｃに緑色発光もしくは赤色発光する発光材料を採用し、画像データの各画素から抽出した画素値のＲＧＢ成分のうち、Ｇ成分もしくはＲ成分を採用して二値化処理を行うと、掘削土砂Ｓの色合いやトンネルＴ内の照明など撮像環境の影響を最小限に抑えつつ、色素Ｃの有無を高い精度で検知できる。

【0080】

≪≪段階的にカッタビットの摩耗状態を管理する方法≫≫
また、本実施の形態では、カッタビット１４の摩耗量が摩耗検知量Ｌ１に到達した場合に、色素Ｃを放出して摩耗を検知する場合を事例に挙げた。しかし、これに限定するものではなく、カッタビット１４の摩耗状態を段階的に検知し、管理する構成としてもよい。

【0081】

例えば、図９（ａ）で示すように、色素放出機構５０には、色素放出部５１と色素供給部５４とこれらを連結する供給管５５の組み合わせが２組設けられている。

【0082】

このうち、一方の色素放出部５１は、カッタビット１４の内部であって先端１４１Ｂから摩耗検知量Ｌ１だけ後退した深さ位置に、また、他方の色素放出部５１は、先端１４１Ｂから摩耗検知量Ｌ２だけ後退した深さ位置に設けられている。そして、各々に接続されている色素供給部５４には、それぞれ色合いの異なる色素Ｃ１、Ｃ２を含有した色素含有流体Ｆ（Ｃ１）、Ｆ（Ｃ２）が搭載されている。

【0083】

これにより、カッタビット１４が摩耗検知量Ｌ１、摩耗検知量Ｌ２と摩耗するごとに、放出される色素Ｃ１、Ｃ２を土砂監視装置６０で検知し、摩耗が進行する様子を段階的に管理することができる。

【0084】

また、図１０（ａ）及び（ｂ）で示すように、先端１４１Ｂから摩耗検知量Ｌ１だけ後退した深さ位置に色素放出部５１を設けたカッタビット１４と、先端１４１Ｂから摩耗検知量Ｌ１だけ後退した深さ位置に色素放出部５１を設けたカッタビット１４の、２種類を準備する。そして、図１０（ｂ）で示すように、これらをカッタヘッド１２に設ける構成としてもよい。

【0085】

なお、図９及び図１０では、カッタビット１４の摩耗状態を、摩耗検知量Ｌ１、摩耗検知量Ｌ２の２段階で管理する場合を事例に挙げたが、その数量は２段階に限定されるものではない。また、複数の色素放出部５１から放出する色素Ｃは、同一の材料を採用してもよいが、作業者が表示装置６２４で警告メッセージを受信したのち、掘削土砂Ｓを目視で確認することを考慮すると、異なる色素Ｃを採用することが好ましい。

【符号の説明】

【0086】

１０ シールド掘進機（トンネル掘削機）
１１ カッタ駆動部
１２ カッタヘッド
１２１ カッタスポーク
１３ シールド本体
１３１ フード部
１３２ 隔壁
１４ カッタビット（掘削具）
１４１ 母材
１４１Ａ 基端
１４１Ｂ 先端
１４２ チップ
１５ チャンバー
１６ スクリュコンベヤ
２０ ベルトコンベヤ
２１ テール部
２２ ヘッド部
３０ ずり鋼車
４０ 摩耗管理システム
５０ 色素放出機構
５１ 色素放出部
５２ 色素供給部（ピストン型）
５２１ 中空部
５２１Ａ 貯蔵部
５２１Ｂ 加圧部
５２２ ピストン
５２３ コイルバネ
５２４ ネジ
５３ 流路
５３１ 連通部
５３２ プラグ
５３３ プラグ
５４ 色素供給部（アキュムレータ型）
５４１ 筐体
５４１Ａ 接続部
５４２ 加圧部
５４３ 貯蔵部
５５ 供給管
６０ 土砂監視装置
６１ 撮像手段
６１１ カメラ
６１２ 照明設備
６１３ 支持架台
６２ 色素検知手段
６２１ 入力部
６２２ 演算処理部
６２２１ 画像処理部
６２２２ 色素判定部
６２３ 出力部
６２３１ データ出力部
６２３２ 警報出力部
６２４ 表示装置
６２５ 端末装置
Ｈ 発進立坑
Ｔ トンネル
Ｐ 土砂ピット
Ｇ 圧縮ガス
Ａ 切羽
Ｆ(Ｃ) 色素含有流体
Ｆ(Ｃ１) 色素含有流体
Ｆ(Ｃ２) 色素含有流体
Ｃ 色素
Ｃ１ 色素
Ｃ２ 色素

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】