8.216 論文を読む V — 作るための論文 — Epoché
この篇でできるようになること ★ 作るための論文の目的 が読める。 ★ 入れ子になった専門語の塊 を解ける。 ★ 略語の定義がどこにあるか を探せる。 ★ 術語の揺れ に引っかからない。 前提 : 8.215 まで。 読む前に ★ この篇は、 読み方の目当てがはっきりしています ——★ この論文は、 何かを知るために書かれていません 。★ 刃を どう作れば壊れないか を決めるために書かれています。 どんな論文か 終わりに何が来るか ★ 知るための論文 ★ 次に調べるべきこと ★ 作るための論文 ★ 設計への指定 ★ ここまでの四篇は上の側 でした。★ この篇は下の側 です——★ 読み終わったら、 刃の幅を何ミリにするか の話になっています。 ★ もう一つ、先に渡しておきます ——★ この篇の略語は四つ です。 どの略語か もとの形 出る回数 TBM ★ tunnel boring machine （掘進機） 17 回 WCS ★ weakly cemented sandstone （弱く固まった砂岩） 11 回 XRD ★ 鉱物を見分ける調べ方 1 回 SEM ★ 電子で表面を見る顕微鏡 1 回 ★ 回数は build のときに数えました。 ★ 覚えるのは 上の二つだけ でよい です——★ この二つが 本文のほとんどの文に入っています 。 原文 原文は別の文書にあります（作品ページの「原文」）。本文は 1998 語、文は 63 本、一文の平均は 31.7 語です。★ いちばん長い一文は 65 語 。 ★ これは、 読 H の五篇でいちばん長い です（ build のときに五篇の正本を測って比べました）。★ 8.212 読編 の論文は 24.6 語、 8.215 読編 は 27.2 語 です。 ★ 長くなる理由は二つ です。★ 一つは、 8.212 読編 と同じ 条件を全部入れるから 。★ もう一つは、 セミコロンで二文をつなぐから ——★ 9 か所 あります（ 3.45 型編 ）。 ★ 角括弧の数は引用 です——★ 24 か所 。★ この論文は ほとんどの主張に出どころを付けています （ 9.23 論編 ）。 全訳 原文の全訳です。この課程のために、原文に沿って訳しました。番号は原文の段落の番号で、原文と行き来できます。 中国西部の弱く固結した砂岩（WCS）は、粘土鉱物を多く含んでいます。水による軟化は TBM の中心ホブの自転不良を引き起こしやすく、それがさらに刃先の偏摩耗や刃の欠けを招き、掘進の効率を大きく下げます。WCS の地層で自転不良の状態にある中心ホブの滑り接触のしくみがよく分かっていないことを踏まえ、鋼針による引っかき試験に XRD と SEM による微視的な観察を組み合わせて、ホブの刃先の見かけの形がどう変わっていくかを調べ、それに対応する経験的な関係式を当てはめました。結果から、水で飽和すると粘土の固結材の軟化が進み、岩くずが生じ、界面での二次的なすり減りが起こりうることが分かりました。WCS の引っかき試験の実測値では、水で飽和した試料での 0.4 mm の針の見かけの直径の相対的な変化は 1.0 mm の針の 1.53 倍であり、0.4 mm の針の形の変化は乾いた条件と比べて 45%～57% 大きくなりました。等価な刃幅と含水率の補正項を入れると、この経験的な関係式は、国内の TBM 工事での現場の観察とおおむね一致する刃先の形の変化の傾向を再現します。縮尺した鋼針の試験に基づいて、本研究は白亜紀の WCS の地層で自転不良の状態にある TBM 中心ホブの刃先の接触応答がどう変わっていくかの法則を明らかにし、このような地層でのホブの構造の設計、カッターヘッドの配置、掘進の条件の最適化に、実験上の根拠と理論上の参考を与えることができます。この仕組みの分析は準静的な引っかき試験に頼っており、工具と岩の界面での滑り接触のふるまいに的を絞っています。工学への応用は、現場での動的な掘進の条件と合わせて総合的に評価すべきです。 地下工事の中心となる設備として、全断面トンネル掘進機（TBM）は、西部の鉄道や水利事業などの大きな工事で広く使われています [1]。しかし、ホブのすり減りの問題は、弱く固結した砂岩の地層でとくに目立ちます [2]。西部の白亜紀・ジュラ紀の地層では、粒どうしの固結が弱く、石英と長石が多く、イライトやモンモリロナイトなどの粘土鉱物を含むため、水に触れると固結の強さが大きく下がります。岩を砕いて出る岩くずはホブに付きやすく「泥の塊」をつくり、岩くずが泥になったり砂になったりする現象がホブの二次的なすり減りを強めます。そのすり減りのしくみは、硬い岩の場合とは本質的に違います [2, 3]。中心のカッターの区域のすり減りの法則は、岩くずがくり返し砕かれるためにより複雑で、中心のカッターの区域とほかのカッターとの違いはとくに大きくなります [4, 5]。中心のカッターはカッターヘッドの幾何学的な中心にあり、回る半径がごく小さく、線速度が低いです。白亜紀の弱く固結した砂岩（WCS）は、石英、長石、水になじみやすい粘土鉱物を多く含みます。このような地質の条件では、TBM の中心の刃は自転が詰まりやすく、自転不良にさえなりやすいです。中心の刃は主に滑りながら削ることで中央の区域の岩を最初に砕いて締め固め、それによってまわりのカッターが安定して切るための基礎の条件を整えます。中心のカッターのすり減りの状態は、自由面がどれだけうまくできるかと、その後の岩を砕く効率を直接決めるので、中心のカッターのすり減りの問題を探ることには工学上大きな意味があります。 TBM のホブのすり減りについては、多くの研究者が刃の構造を中心に多くの研究をしてきました。リウ・インチャオ [6] は相似材料の試験で、とがった刃、円弧の刃、歯のある刃のホブの岩を砕く特性を比べ、とがった刃は応力が集中するためにすり減りやすいことを見いだしました。これに基づいて、新しい歯のあるくさび形のカッターはすり減りを大きく減らし、岩を砕く効率を高めることができます。シアらは [7–9]、V 字形の刃での岩を砕く試験で、工具は刃先が丸くなったあと、決まった先端の幅を持つ曲面または平面の構造になり、その輪郭の形や刃の半径などのパラメーターの変化がホブにかかる荷重に影響することを見いだしました。刃の形は、ホブと岩盤との接触のふるまいを左右する鍵となる要因であり [3]、中心の工具など特定の位置にある工具のすり減りにとくに大きな影響を与えます。 ヤン・ヤンドンら [10] は、研磨によるすり減りの塑性的な除去のしくみから出発して、このような弱く固結した砂岩の中の硬い粒子（石英など）は、ホブの垂直な力を受けてカッターリングの表面に押し込まれやすく、溝をつける働きを生み、工具の材料が削られるのを速めると指摘しました。同時に、ジアン・ユーション [11] は、鋼針が岩に刻む溝ができる過程が、TBM の垂直な推力のもとでねじりのせん断を伴って岩が砕かれる過程と一致することを確かめました。溝をつける働きは金属のすり減りの速さと正の相関があり [12]、ホブのすり減りのしくみの分析と模擬試験に理論上の根拠を与えています。ヤオら [13] は研磨の試験で、WCS の研磨の特性が含水率に大きく左右されること、水で飽和すると岩の固結の構造が弱まり、工具のすり減りの形が変わることを確かめました。別の研究 [14] は、地層が泥になる働きがホブのすり減りをさらに強めることを示しており、このことは、水と岩の連成がこの種の地層での工具のすり減りに影響する中心の要因であることを十分に示しています。 TBM のカッターヘッドの異なる位置にある工具のすり減りは、取り付け半径に直接左右されます。ジャオ・ジャンシン [15] は、中心の工具を除けば、工具の取り付け半径が大きいほどすり減りがひどくなることを明らかにしました。新疆のある TBM 工事の実測 [16] は、中心のカッターのすり減りが主に横方向の滑りによるものであることをさらに確かめました。大瑞鉄道の高黎貢山トンネル [17] や蘭州の水源地の第 2 工区 [18] などの TBM 工事では、中心のカッターの異常なすり減り（偏摩耗と刃の欠け）の割合が、それぞれ 77.8% と 90.6% に達しました。さらに、取り付け半径が最も小さいため、中心のカッターはほかにない独特のすり減りの原因にもさらされます。刃にかかる岩の衝撃がより集中し、塑性変形を起こしやすいのです。チェン・ユークンら [19, 20] も、径方向のすり減りが取り付け位置の半径と速度と密接に関わっていることを示し、すり減りの分析にとって取り付け位置が大切であることをさらに浮き彫りにしました。ジャン・ジャオホアンら [21] は、不均一にすり減った円盤ホブの岩を砕く力は、すり減りが増えるにつれて大きくなると指摘しました。 現在の関連する研究には明らかな欠けがあります。ほとんどの研究は、硬い岩の地層での工具のふつうの転がりによるすり減りに焦点を当てています。WCS の固結が水で弱まることによるすり減りのしくみや、岩くずが泥になって付着することについての研究はほとんどなく、中心の工具が自転不良になった条件での純粋な滑りによるすり減りの専門的な分析も欠けています。試験の方法の面では、従来の大型の切削試験の装置は高価で、作業条件を調整できる幅が限られているため、含水率や刃幅など複数のパラメーターの組を比べる試験を行うのが難しいです。費用が安く制御しやすいという利点から、鋼針による刻み試験や小型の研磨試験などの簡略化した室内試験が、岩の研磨性や工具のすり減りの研究に広く使われてきました [11]。 注意しておくべきなのは、縮尺した模型による室内試験は、それだけで原型の工事と物理的に同等になるわけではないということです。縮尺による置き換えが生む寸法効果は、微視的な応答と巨視的な応答の違いにつながることがあり、室内試験の結果を工事の原型に当てはめるには注意深い評価が要ります [22]。水、温度、掘削のくり返しの乱れからなる多場の連成損傷が岩を切る接触の力学的なふるまいを支配しており、準静的な室内の載荷条件では、現場の複雑な使用環境を十分に再現するのは難しいです [23]。さらに構成則の理論の研究では、土の構成則上の異方性、結合の劣化、載荷の方式が、室内の経験的な関係を原型の条件に移すことを大きく制約しており、実験から得た関係については適用できる範囲をはっきりさせなければならないことが示されています [24]。これまでの研究に基づくと、この種の簡略化した引っかき試験は、岩を切る界面での応力の集中、水による岩の軟化、滑りによるすり減りといった中心のしくみを再現できますが、準静的な一方向の載荷条件に限られており、TBM の転がりと滑りの回転、瞬間的な衝撃、岩くずの排出といった実際の作業条件は再現できません。試験の結果を工事の原型に広げるときには、その同等性の範囲に十分注意を払うべきです。したがって、実験の分析を行うときには、実験の系で再現できる物理的なしくみと、模擬できない工学的な規模の特性とを区別する必要があります。 しかし、これまでの実験は、TBM の中心の刃の自転不良と、続けて滑りながら削るという特別な使用条件を考えに入れておらず、刃幅と含水率がともに働くもとで針の先端の形がどう変わっていくかも探っていません。これを踏まえ、本論文は WCS の地層に焦点を当て、縮尺した鋼針の切削試験によって、TBM の自転不良での中心の刃の滑りながら削る過程を模擬します。刃幅と含水率が、摩擦の抵抗、切り込みの深さ、針の先端の見かけの直径の変化に与える影響を分析し、刃幅と含水率の補正を考えに入れた、中心の刃のすり減りについての室内での暫定的な経験的な相関関係を組み立てます。 粒どうしの固結が弱く、石英と長石が多く、水になじみやすい粘土鉱物を含むため、WCS の地層は水に触れると固結の強さが大きく下がり、岩盤は泥になったり付着したりしやすく、TBM のホブのすり減りが最も目立つ地層の種類の一つです。この種の地層での中心のカッターのすり減りの特徴とその広がりをはっきりさせるため、中国で WCS や似た軟らかい地層を通るいくつかの TBM 工事での中心のカッターの使用条件を集計し、表 1 に示しました。 注：17 インチ（直径 432 mm、刃幅 8～10 mm）。19 インチ（直径 483 mm、刃幅 12～15 mm）。20 インチ（直径 508 mm、刃幅 15～18 mm）。 表 1 から、泥の塊ができる地層では、TBM の中心のカッターに偏摩耗と異常なすり減り（刃の欠けとカッターリングの破断）がよく見られ、工事によっては中心のカッターの偏摩耗の割合が 94.12% にも達することが分かります。中心のカッターはふつう対にして配置され、取り付け半径がごく小さく、回転の線速度が低いため、自転不良になりやすく、すり減りの形は主に横方向の滑りによるすり減りです。中心のカッターの単位の岩を砕く体積あたりのすり減りの割合は、正面のカッターよりも大きく上回ります。新疆のある TBM 工事 [16] と大瑞鉄道の高黎貢山トンネル [17] の工事では、中心のカッターの単位の岩を砕く体積あたりのすり減りの割合は、正面のカッターのおよそ 2 倍です。さらに、それは岩の研磨性と含水率と強く相関しています。泥の塊の付着と岩くずが泥になることが、片寄ったすり減りを進める主な要因です。中心のカッターの異常なすり減りは、カッターの交換の頻度が高くなり工事の費用が急に増えることにつながるだけでなく、トンネルの自由面を損ない、その後のカッターの岩を砕く効率を下げ、カッターヘッドが動かなくなるといった安全上の危険さえ生みます。中心のカッターは接触する面積がより小さく、応力が集中する働きがより強く、界面でのせん断と局所的なすり減りをより強めやすく、これが中心のカッターのすり減りと偏摩耗という目立つ問題を引き起こす鍵となる要因の一つです。WCS の地層では、中心のカッターのすり減りのしくみは、硬い岩の地層でのふつうの転がりによるすり減りとは違います。硬い岩の条件に基づいた既存のホブのすり減り