JP2011236635A - シールド掘進機の充填材回り込み検出方法、及び、シールド掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】充填材の回り込み現象を可能な限り早急に検出し、かつ、充填材の回り込みを検出した場合に、充填材の回り込みを早急に抑制可能なシールド掘削機を提供することを目的とする。
【解決手段】胴体後方において地山の周方向に沿って配置される内型枠又はセグメントの外周面と地山との間に充填材を充填しつつ、胴体前方の隔壁よりも前方に設けられた掘削部により地山を掘削して進行するシールド掘進機の充填材回り込み検出方法であって、胴体における地山と対向する周面、又は、胴体前方の隔壁よりも掘削部側において、胴体の後方から胴体の前方に回り込む充填材を検出する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、シールド工法又はＥＣＬ工法に採用されるシールド掘進機に関し、特にシールド掘進機の胴体外周面を伝って切羽側に回りこむコンクリートやモルタルを検出し、切羽側への回り込みを早期に防止することが可能な回り込み検出方法、及び、シールド掘進機に関する。

従来、トンネル掘削工事において採用されるシールド工法にあっては、シールド掘進機における円筒状の胴体の前側（切羽側）に回転可能に設けられた掘削機構により地山の掘削を行いつつ、胴体の後側（坑口側）に設けられたエレクター機構により順次セグメントを組み付け、セグメント外周面と地山表面との間の空間内にシールド掘進機に設けられた打設機構又はセグメント側に開設された打設口からモルタルやセメントミルクの充填、或いは注入を行うことが知られている。
また、トンネル掘削工事において採用されるＥＣＬ工法にあっては、掘削機構により地山の掘削を行いつつ、胴体の後側（坑口側）に設けられたエレクター機構により順次内型枠を組み付け、内型枠外周面と地山表面との間の空間内にシールド掘進機の胴体に設けられた妻型枠と呼ばれる打設機構の打設口からコンクリートを打設することが知られている。
上記工法に採用されるシールド掘進機は、概略、円筒形の胴体と、胴体の前側に回転可能に設けられた回転カッターと、円筒状の胴体の内部において、地山周面と所定の間隔を保ちつつ、地山周面に沿って円環状の内型枠又はセグメントを組み付けるエレクター機構と、胴体の内部に設けられ、シールド掘進機の進行方向に対して伸縮する伸縮ジャッキと、胴体の内部後側（テール）において、エレクター機構によって組み付けられた内型枠又はセグメントの外周面と地山の表面との間の空間にコンクリートを打設する機構やモルタルを充填する機構、或いはセメントミルクを注入する機構とを備える。
上記構成のシールド掘進機の動作の概略について説明すると、シールド掘進機は、エレクター機構によって組み付けられた内型枠又はセグメントの切羽側端面と当接する伸縮ジャッキが、回転カッターの回転と同時に徐々に伸長動作することにより前進するものであり、さらに、シールド掘進機の前進に伴って内型枠又はセグメントと地山表面との間の空間内に打設機構を介して充填材を所定の圧力により吐出する。つまり、この種のシールド掘進機は、掘削と、コンクリートの打設、モルタルの充填、或いは、セメントミルクの注入とを併進して行うことが可能である。

特開２００８−２９７８２１号公報

しかしながら、上記工法に限らず、シールド掘進機を用いた工法では、シールド掘進機を予め設計されたトンネルの上下，左右の曲線（トンネルライニング）に追従させるように前進させる必要があることから、回転カッターにより掘削されるトンネルの径は、円筒状の胴体の径より大径に掘削する必要があり（余掘り）、胴体の後側において高圧で吐出される充填材が地山表面と胴体の外周面との間の隙間から切羽側へ回り込む現象が生じやすい。
そして、切羽側に回りこんだ充填材は、掘削対象となる地山表面、回転カッターと胴体の前部との間の空間であるチャンバー内、或いは、チャンバー内の掘削土を後方へ搬送する搬送機構内で固化するため、回転カッターによる円滑な掘削作業、或いは、掘削土の円滑な搬送作業の妨げとなる。
また、充填材は本来、内型枠又はセグメントと地山表面との間の空間内に充填されるべきものであるので、充填材の回り込みを早期に検出しなければ、内型枠又はセグメントと地山表面との間の空間内に十分な量の充填材が供給されないまま掘進が進行してしまう虞がある。

そこで、本発明は上記課題を解決すべく、充填材の回り込み現象を可能な限り早急に検出し、かつ、充填材の回り込みを検出した場合に、充填材の回り込みを早急に抑制可能なシールド掘進機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明に係る第一の構成として、胴体後方において地山の周方向に沿って配置される内型枠又はセグメントの外周面と地山との間に充填材を充填しつつ、胴体前方の隔壁よりも前方に設けられた掘削部により地山を掘削して進行するシールド掘進機の充填材回り込み検出方法であって、胴体における地山と対向する周面、又は、胴体前方の隔壁よりも掘削部側において、胴体の後方から胴体の前方に回り込む充填材を検出する構成とした。
本構成によれば、胴体の後方から胴体の前方に回り込む充填材を胴体における地山と対向する周面上、又は、胴体前方の隔壁よりも掘削部側において検出することから、胴体を伝って回りこむ充填材を極めて早期に検出することができる。
また、本発明に係る第二の構成として、胴体後方における地山の周方向に沿って配置される内型枠又はセグメントの外周面と地山との間に充填材を充填しつつ、胴体前方の隔壁よりも前方に設けられた掘削部により地山を掘削して進行するシールド掘進機であって、胴体の後方から胴体の前方に回り込む充填材を検出する回り込み検出器を備え、回り込み検出器の検出部が胴体における地山と対向する周面、又は、胴体前方の隔壁と掘削部との間に形成される空間内に位置する構成とした。
本構成によれば、回り込み検出器の検出部が胴体における地山と対向する周面、又は、胴体前方の隔壁と掘削部との間に形成される空間内に位置することから、胴体を伝って回りこむ充填材を極めて早期に検出することができる。
また、本発明に係る第三の構成として、隔壁が、当該隔壁と掘削部との間に形成される空間内に取り込まれる掘削土を胴体内部に取り込む取り込み機構を備え、回り込み検出器が取り込み機構によって取り込まれる掘削土から充填材を検出する構成とした。
本構成によれば、回り込み検出器が、隔壁に設けられた当該隔壁と掘削部との間に形成される空間内に取り込まれる掘削土を胴体内部に取り込む取り込み機構によって取り込まれた掘削土から充填材を検出することから、回り込み検出器に過度な圧力が作用することなく、回り込み検出器が破損することを防止できる。
また、本発明に係る第四の構成として、シールド掘進機が、胴体における地山と対向する周面上に円周方向に沿って配置され、充填材の回り込みを阻止する加泥材を吐出する複数の加泥材注入部と、回り込み検出器から出力される回り込み検出信号に基づいて加泥材注入部を制御する制御装置とを備える構成とした。
本構成によれば、胴体における地山と対向する周面上に円周方向に沿って配置され、充填材の回り込みを阻止する加泥材を吐出する複数の加泥材注入部が、回り込み検出器から出力される回り込み検出信号に基づいて加泥材注入部を制御する制御装置によって制御されることにより、胴体の周面上を伝って回り込む充填材を堰き止めることができる。
また、本発明に係る第五の構成として、回り込み検出器がｐＨ計又は電気伝導率計である構成とした。
本構成によれば、充填材のｐＨ又は電気伝導率に基づいて充填材の回り込みを精度よく検出することができる。
なお、本明細書において「充填材」とは、コンクリート、モルタル、セメントミルクの他、トンネルの地山表面を覆う全ての材料を含む。また、本明細書において「打設」とは、コンクリートの打設の他、モルタルの充填、セメントミルクの注入をも含む。
また、上記発明の概要は、本発明の必要な特徴のすべてを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。また、以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成又は工程をも含むものである。

本発明に係るシールド掘進機を示す概略断面図である。 妻枠機構の拡大図である。 回り込み検出器及び加泥材注入部の斜視図及び断面図である。 他の形態に係るシールド掘進機の概略断面図である（実施形態２）。 他の形態に係るシールド掘進機の概略断面図である（実施形態３）。 他の形態に係るシールド掘進機の概略断面図である（実施形態４）。 他の形態に係るシールド掘進機の概略断面図である（実施形態４）。 取り込み機構の概略断面図である（実施形態５）。 取り込み機構の要部断面図である（実施形態５）。 シールド掘進機のブロック図である。 他の形態に係るシールド掘進機を示す拡大図である。

図１は、トンネル掘削方法の一例としてのＥＣＬ工法に採用されるシールド掘進機１の概略断面図である。同図を用いて本発明に係るシールド掘進機１の概略構成について説明する。
同図においてシールド掘進機１は、概略、円筒状の胴体２と、胴体２の前方（切羽側）において回転するカッター１０と、胴体２の後方（坑口側）において充填材Ｇを充填する覆工機構２０と、充填材Ｇの回り込みを検出する回り込み検出器３０と、回り込み検出器３０の検出結果に基づいて充填材Ｇを固化させる加泥材を散布する加泥材注入部４０とを備える。
胴体２は、後部開放の円筒状の中空体であって、周囲の地山５と対向して進行方向に延長し、地山５から加わる土圧，地下水圧に抵抗するスキンプレート３と、当該スキンプレート３の前方において開口部を閉塞する隔壁４とから構成される。
カッター１０は、胴体２の前端部に図外の駆動機構によって回転可能に設けられる円盤状の掘削機構であって、円盤の径方向に沿って、かつ、円盤の前面に露出するように設けられた複数の掘削ビット１１により前方の切羽面を掘削するとともに、掘削した掘削土を隔壁４とカッター１０との間に形成されるチャンバー１２内に取り込む。チャンバー１２内に取り込まれた掘削土は、胴体２の内部に設けられた取込み部がチャンバー１２内に突出する排出機構１３によって後方の抗口側に排出される。
排出機構１３は、円筒状のシリンダー１３Ａとシリンダー１３Ａの内部において回転可能に軸支されるスクリュー１３Ｂとから構成されるスクリューコンベアであって、図外の水供給機構から水が供給されることにより内部に取り込んだ掘削土を流動性の高い泥土とし、送泥管１４を介して後方に排出する。
なお、本例においては、いわゆる土圧式のシールド掘進機を例として説明するが、これに限られるものではなく、泥水式のシールド掘進機であってもよい。泥水式のシールド掘進機にあっては、スクリューコンベアに替えて排泥管が採用される。

胴体２を構成するスキンプレート３の内周面には、推進機構としてのシールドジャッキ６が円周方向に複数設けられる。シールドジャッキ６は、油圧シリンダー６Ａとピストン６Ｂとからなり、シールドジャッキ６が伸長することにより、ピストン６Ｂの先端部が内型枠７の前端面を押圧し、その反力によってシールド掘進機１が切羽方向へ前進する。
具体的には、胴体の前方に設けられた回転カッター１０を駆動させつつ、徐々にシールドジャッキ６を伸長させることにより、回転カッター１０の掘削ビット１１を切羽面に押し当て、掘削土の量に応じた距離だけシールド掘進機１が前進する。

胴体２の内部には、覆工機構２０が設けられる。覆工機構２０は、坑口側に設けられた複数の圧送ポンプによって圧送されるコンクリートやモルタル等の充填材Ｇを前方に供給する複数の圧送管２１と、圧送管２１によって供給された充填材Ｇを地山５の表面及び内型枠７の外周面によって形成される空間に対して打設する妻枠機構２３とから構成される。

図２は妻枠機構２３の拡大図である。同図において妻枠機構２３は、圧送管２１を経て搬送されたコンクリートをスキンプレート３の円周方向に分岐して供給する打設配管２４Ａと、打設配管２４Ａと接続され、前後方向に延長する打設配管２４Ｂと、打設配管２４Ｂと並行して設けられ、前後方向に伸縮自在な妻枠ジャッキ２５と、妻枠ジャッキ２５の先端部に設けられた妻枠２６とから構成される。
妻枠ジャッキ２５は、スキンプレート３の内側面から半径方向内側に延長するステー２７を介して胴体２の内部に設けられる油圧式ジャッキであって、ピストンの伸縮方向が前後方向となるように、胴体２の円周方向に沿って均等な間隔で複数（例えば６組）設けられる。また、妻枠ジャッキ２５は、内型枠７の外周面と地山５の表面とにより形成される空間内に打設される充填材Ｇの圧力に応じてバネの如く伸縮動作するジャッキであり、空間内の充填材Ｇの圧力が一定の圧力以上に高まることにより徐々に収縮する。

打設配管２４Ｂは、打設配管２４Ａと妻枠２６に内蔵された流路２６Ａとに連通し、打設配管２４Ａから供給される充填材Ｇが流路２６Ａを介して妻枠２６の打設口２６Ｂから吐出される。
妻枠２６は、内型枠７の外周面とスキンプレート３の後端部に相当するテール３Ａの内周面との間に位置する型枠であって、先端面に開設された打設口２６Ｂから、地山５の表面及び内型枠７の外周面によって形成される空間（トンネルの延長方向）に向かって充填材Ｇを吐出する。
なお、充填材Ｇの打設圧力は、打設配管２４Ａや打設配管２４Ｂ、或いは妻枠２６内に設けられた打設圧力計により計測され、計測値が一定の圧力となるように調整される。
また、妻枠２６には、例えば積層されたステンレスの板バネからなるシール部２８が取り付けられ、打設口２６Ｂから吐出された充填材Ｇが内型枠７の外周面及びテール３Ａによって形成される空間から胴体２内部に侵入することを阻止する。

内型枠７は、地山５の内周面に対して所定間隔離間して設けられる型部材であって、例えば掘削対象のトンネルの縦断面が真円状である場合には、円周に沿って例えば８分割された弧状の内型枠７が採用される。内型枠７は、地山５の表面及び内型枠７の外周面によって形成される空間内に充填材Ｇが充填された時に加わるプレス圧を支持する機能、充填された充填材Ｇの養生期間中に地山５から加わる土圧，地下水圧に抵抗する機能、及び、シールドジャッキ６が伸長することによるシールド掘進機１の推力を伝達する機能を担う。複数の内型枠７は、胴体２内部に設置されるエレクター２９（図１参照）によって円環状に組み付けられる。

上記構成からなる覆工機構２０の動作としては、複数の圧送ポンプにより打設圧力及び打設量を調整しつつ、打設配管２４Ａ；２４Ｂ及び打設口２６Ｂを介して地山５の表面及び内型枠７の外周面によって形成される空間に対して常に充填材Ｇが密実化した状態となる圧力で吐出することにより、地山５の表面及び内型枠７の外周面によって形成される空間に対して密実化した充填材Ｇを打設する。
即ち、覆工機構２０は、回転カッター１０による掘削によって漸次前進する胴体２の後方、即ち、胴体２を構成するスキンプレート３のテール３Ａにおいて、地山５表面と内型枠７の外周面のなす空間内に充填材Ｇを逐次打設し、胴体２が前進した距離に対応する充填材Ｇからなる覆工コンクリートを地山５に形成する機構であり、本発明に係るシールド掘進機１が通過した地山５の表面は、その進行方向に沿って連続的に充填材（覆工コンクリート）によって覆われる。
なお、内型枠７は、充填材Ｇの養生期間経過後に図外の脱型装置によって後方から順次取り外され、シールド掘進機１が前進した際の新たな内型枠７としてエレクター２９によって組み付けられる。

図１，図２に示すように、胴体２を構成するスキンプレート３には、スキンプレート３の外周面と地山５の表面との間の空間である余堀部５Ａに露出するように、回り込み検出器３０の検出部がスキンプレート３の外周面と面一に取り付けられる。また、本例においては、余堀部５Ａにスキンプレート３のテール３Ａから充填材Ｇが徐々に切羽側に進行しているものとする。以下、図３を用いて回り込み検出器３０の詳細について説明する。
回り込み検出器３０は、妻枠機構２３の数に対応して、妻枠機構２３の上方に位置するスキンプレート３に設けられる。回り込み検出器３０は、例えばｐＨ計，電気伝導率計等であって、電子回路が格納され、Ｌ字状の金具によって支持される本体部３２と、本体部３２に格納された電子回路と接続される複数の電極や抵抗を有する検出部３３とから構成される。
回り込み検出器３０は、後述の主制御装置１００と接続され、検出結果を逐次、主制御装置１００に対して出力する。検出部３３は、シールリング３Ｒを介してスキンプレート３の内周面から外周面側に露出するように設けられ、スキンプレート３の外周面上を伝って切羽方向（矢印方向）へ回り込む充填材Ｇをスキンプレート３の外周面上において検出する。具体的には、地山５に含まれる水成分のｐＨ或いは電気伝導率と、充填材ＧのｐＨ或いは電気伝導率との相違に基づいて予め閾値を設定し、回り込み検出器３０から後述の主制御装置１００に対して当該閾値を超えるｐＨ或いは電気伝導率を示す信号が出力された時に充填材Ｇの回り込みが存在する旨の報知を行う構成である。

加泥材注入部４０は、複数の回り込み検出器３０に対応するように、スキンプレート３の周面上に露出する検出部３３の中心線上に位置するノズル４１により構成される。ノズル４１は、スキンプレート３の外周面側に延長する管であって、加泥材を噴射するノズル孔４２がスキンプレート３の外周面と面一に露出する。
ノズル４１には、加泥材供給チューブ４３が接続され、当該加泥材供給チューブ４３と接続される後述の電磁バルブ１０２及び圧送ポンプ１０３を介して充填材Ｇの回り込みを阻止する可塑性加泥材としてベントナイト溶液にケイ酸を加えた混合液等の材料がスキンプレート３の周面上に噴射される。
よって、スキンプレート３において回り込み検出器３０によって検出された充填材Ｇは、切羽側の回転カッター１０に到達する前に粘性が増大又は固化し、切羽側への回り込みが阻止される。なお、回り込み検出器３０及び加泥材注入部４０の制御系については後述する。

以上説明したように、上記実施形態に係るシールド掘進機１は、地山５と対向するスキンプレート３の外周面において、スキンプレート３のテール３Ａから回転カッター１０の方向、即ち、切羽側に回りこもうとする充填材Ｇを回り込み検出器３０により早期に検出し、かつ、当該検出結果に基づいて動作する加泥材注入部４０によって充填材Ｇの切羽側への進行（回り込み）を阻止する構成である。
なお、上記実施例においては、回り込み検出器３０を加泥材注入部４０よりも坑口側に配置したが、これに限られるものではなく、回り込み検出器３０と加泥材注入部４０を逆に配置してもよい。

図４は、本発明に係る他の実施形態（実施形態２）を示す図である。なお、上記実施形態と同一構成については、同一符号を用い、その説明を省略する。
同図において、回り込み検出器３０は、摺動機構３４を介して掘削した掘削土が取り込まれるチャンバー１２を形成する胴体２の隔壁４に対して取り付けられる。
摺動機構３４は、前後開口の筒状のケーシング３５と、ケーシング３５を隔壁４に対して固定するためのボルト孔を有する固定ブロック３６とから構成され、ケーシング３５の内部に介挿される回り込み検出器３０を前後方向に摺動自在に保持する。
ケーシング３５は、前端部に固定ブロック３６と対向するフランジ部３５Ａを有し、フランジ部３５Ａと固定ブロック３６とを対向させた状態で固定ブロック３６のボルト孔にボルトが螺入されることにより、ケーシング３５が隔壁４に対して直交した状態で固定される。ケーシング３５内部に介挿される回り込み検出器３０は、ケーシング３５内に嵌着されたボールベアリング等の摺動手段により保持され、後端部に油圧ジャッキ３７が取り付けられる。また、ケーシング３５内には円環状のシールリング３５Ｒが介挿され、チャンバー１２内に存在する掘削土がケーシング３５内を介して胴体２内部に侵入することを阻止する。

油圧ジャッキ３７は、後述の主制御装置１００からの出力によって駆動する油圧バルブ５６及び油圧ポンプ５７の駆動により前後方向に進退可能なピストン３７Ａを有し、ピストン３７Ａが回り込み検出器３０の後端部に接続される。
そして、回り込み検出器３０の検出部３３は、ピストン３７Ａが伸長した状態において、隔壁４に開設された貫通孔よりチャンバー１２内に突出又は隔壁４の表面と面一に露出し、チャンバー１２内に取り込まれた掘削土に含まれる充填材Ｇの存在を検出する。なお、本実施形態における回り込み検出器３０も前記実施形態と同様に、後述の主制御装置１００と接続され、検出結果を逐次、主制御装置１００に対して出力する。

本実施形態に係るシールド掘進機１によれば、充填材Ｇの回り込み初期段階においては切羽側への充填材Ｇの進行を許容することとなるものの、回転カッター１０によってチャンバー１２内に取り込まれた充填材Ｇを回り込み検出器３０により一括して検出する構成であるため、前記実施形態と比較して複数生じる回り込みの経路に対応すべく、回り込み検出器３０をスキンプレート３の円周方向に沿って妻枠機構２３の数に対応して設ける必要がなくなり、切羽側に回りこむ充填材Ｇを簡易な構成で確実に検出することができる。
また、回り込み検出器３０を油圧ジャッキ３７によって摺動自在な構成としたことにより、カッター１０の非駆動時に検出部３３をチャンバー１２内に突出又は露出させて充填材Ｇの検出を行うことができ、カッター１０の駆動時には、検出部３３をケーシング３５内に収納することができるため、カッター１０駆動時においてチャンバー１２内に取り込まれる掘削土によって検出部３３が破損することを防止することが可能となる。

図５は、本発明に係る他の実施形態（実施形態３）を示す図である。当該実施形態は、回り込み検出器３０が摺動機構３４によって保持されていない点で上述の実施形態と異なる。
同図において、回り込み検出器３０は、掘削した掘削土が取り込まれるチャンバー１２を形成する胴体２の隔壁４に対して取り付けられる。
回り込み検出器３０は、前記実施形態におけるものと同一構成であり、本体部３２が隔壁４に突設された取り付け台座４Ａ上に固定される。
検出部３３は、隔壁４の内外を貫通するシールリング４Ｒを介して隔壁４の内側面から外側面に突出又は露出するように設けられ、掘削土に紛れてチャンバー１２内に取り込まれる充填材Ｇを検出する。
即ち、本実施例においては、上述の実施形態と同様に充填材Ｇがスキンプレート３の外周面上を伝って切羽方向へ回り込み、さらに、回転カッター１０の駆動によってチャンバー１２内に取り込まれた掘削土に含まれる充填材Ｇをチャンバー１２内に設けられた検出部３３によって検出する構成である。
なお、本実施形態における回り込み検出器３０も前記実施形態と同様に、後述の主制御装置１００と接続され、検出結果を逐次、主制御装置１００に対して出力する。

本実施形態に係るシールド掘進機１によれば、前述の実施形態と同様に充填材Ｇの回り込み初期段階においては切羽側への充填材Ｇの進行を許容することとなるものの、回転カッター１０によってチャンバー１２内に取り込まれた充填材Ｇを回り込み検出器３０により一括して検出する構成であるため、極めて簡易な構成により切羽側に回りこむ充填材Ｇを簡易な構成で確実に検出することができる。

図６，図７は、本発明に係る他の実施形態（実施形態４）を示す。
本実施形態に係るシールド掘進機１は、回転カッター１０の駆動によりチャンバー１２内に取り込まれた掘削土を大気圧下の胴体２内部に取り込む取り込み機構７０を備える点で、上記実施形態におけるシールド掘進機１と異なる。
取り込み機構７０は、隔壁４に図外の固定手段を介して嵌挿される開閉自在なバルブ７１と、バルブ７１の内部に進退自在に挿入され、後端部に接続される油圧ジャッキ７３によって動作する取り込み管７２とから構成される。取り込み機構７０は、隔壁４に対して直交し、互いに離間して設けられる一対の支持棒７８によって支持される。バルブ７１は、隔壁４に対して直交する方向に固定され、内部の流路がチャンバー１２の空間と胴体２の内部空間とに連通する。
なお、油圧ジャッキ７３は、後述の油圧バルブ５６及び油圧ポンプ５７の駆動により伸縮する。

取り込み管７２は、断面Ｌ字状に形成される管体であって、前側端部に開設された上部開口の取り込み口７２Ａからチャンバー１２内に存在する掘削土を取り込み、取り込んだ掘削土を内部流路を介して後側端側に接続された排出バルブ７２Ｂから排出する。
排出バルブ７２Ｂは、一対の支持棒７８の間隙から下方に延長する開閉自在なバルブであって、取り込み管７２の内部に取り込まれた掘削土を後述する非取り込み状態において下方に位置する貯留槽７４に排出する。
貯留槽７４は、上方から排出される掘削土を貯留するとともに、底部に嵌着された排出管７５から排出する。貯留槽７４は、取り込み管７２が非取り込み状態において、排出バルブ７２Ｂの下方に位置する。排出管７５は、排出機構１３と接続され、排出管７５に流入した掘削土は排出機構１３から坑口側に排出される。
貯留槽７４の側部には、回り込み検出器３０の検出部３３が図外のシール材を介して挿通される。本実施形態における回り込み検出器３０も前記実施形態と同様に、後述の主制御装置１００と接続され、検出結果を逐次、主制御装置１００に対して出力する。

上記構成からなる取り込み機構７０の動作について説明する。
図６は、チャンバー１２内に存在する掘削土を取り込む状態を示す図であり、当該状態においてバルブ７１は開状態であり、排出バルブ７２Ｂは閉状態である。また、油圧ジャッキ７３は伸長状態であり、当該油圧ジャッキ７３が伸長状態となることにより、取り込み管７２の取り込み口７２Ａが隔壁４を超えてチャンバー１２側へ位置する。
当該状態においてチャンバー１２内の掘削土は、チャンバー１２内の圧力により取り込み口７２Ａ内に侵入し、取り込み管７２内に取り込まれる。

図７は、非取り込み時の状態を示す図であり、同図において取り込み管７２は、油圧ジャッキ７３の収縮によって胴体２側に後退し、取り込み口７２Ａが隔壁４よりも胴体２側に位置する。当該状態においてバルブ７１は閉状態、排出バルブ７２Ｂは開状態であり、チャンバー１２内の掘削土がバルブ７１を介して胴体２内部に侵入することが阻止されるとともに、掘削土が取り込み管７２内に存在する場合には、排出バルブ７２Ｂから下方に位置する貯留槽７４に排出される。
そして、貯留槽７４へ排出された掘削土は、貯留槽７４に取り付けられた回り込み検出器３０によって検出され、掘削土に含まれる充填材Ｇの存在が検出される。

本実施形態に係るシールド掘進機１にあっては、上述の実施形態と比較してチャンバー１２側から土圧が印加されることを遮断する機構を備えた取り込み機構７０によって掘削土の一部をサンプリングし、サンプリングした掘削土に含まれる充填材Ｇの存在を大気圧中で検出する構成としたので、掘削土と直接接触する検出部３３の破損を効果的に防止することが可能となり、所定時間ごとに取り込み動作を繰り返すことにより、掘削土のｐＨや電気伝導率の経時的変化を精度よく把握することが可能となる。

図８は、本発明に係る他の実施形態（実施形態５）を示す断面図、図９は取り込み機構５０の拡大断面図（実施形態５）である。以下、同図を用いて他の実施形態に係るシールド掘進機１について説明する。
取り込み機構５０は、隔壁４を挟んで胴体２の内外に貫通するように設けられる機構であって、その一部が隔壁４の内面に固着された格納部４９内部に格納される機構である。
取り込み機構５０は、内部に前後方向に貫通する取り込み流路５２を有する取り込み本体部５１と、取り込み本体部５１の前端部に取り付けられるゲートバルブ５３と、本体部５１の取り込み流路５２内において進退自在に伸縮するピストン５５を有する油圧シリンダー５４と、ピストン５５の内部空間に挿通され、取り込み流路５２内に侵入した掘削土を検出する検出部３３を有する回り込み検出器３０とを備える。なお、取り込み機構５０の隔壁４内における取り付け高さは、チャンバー１２に取り込まれる掘削土を取り込み可能な高さであればよく、回転カッター１０の掘削方式，胴体２の径に対応して適宜設定可能である。

取り込み本体部５１は、前後方向に開口する両端開口の円筒体であって、前端部が隔壁４に穿設された挿入孔に対して嵌挿され、図外の固定手段によって取り付けられることにより、隔壁４を貫通した状態で固着される。取り込み本体部５１は、内部に両端の開口に連通する取り込み流路５２を有し、取り込み流路５２内には、後述するピストン５５が挿入される。
取り込み本体部５１の前端部には、隔壁４の外側面に対して図外の固着手段によって取り付けられるゲートバルブ５３が接続される。

ゲートバルブ５３は、前後方向に半割り成型された弁箱としてのハウジング５３Ａと、ハウジング５３Ａ内において回転可能に収容される弁体としての円盤体５３Ｂとから構成される。
ハウジング５３Ａは、内部に前述の取り込み流路５２と連通する流路６０を有する円筒状体であって、流路６０は、ハウジング５３Ａの中心よりも半径方向外側にオフセットした位置に開設される。
円盤体５３Ｂは、ハウジング５３Ａ内に設けられたベアリングによって回転自在に支承される回転体であって、円盤体５３Ｂの中心部を貫通する回転軸６１の回転駆動によりハウジング５３Ａ内において回転する。円盤体５３Ｂは、中心よりも半径方向外側にオフセットした位置、より詳細にはハウジング５３Ａの流路６０と一致する位置に前後方向に貫通する流路６２を有する。なお、流路６２は流路６０と同径又は小径に設定される。
回転軸６１は、隔壁４を前後方向に貫通する軸体であって、格納部４９内部に設けられたサーボモータ６３の出力軸と接続されることにより、サーボモータ６３の駆動力を円盤体５３Ｂに伝達する。

上記構成からなるゲートバルブ５３は、サーボモータ６３に接続される後述の主制御装置１００からの出力信号に基づいてハウジング５３Ａ内の流路６０を開放又は遮断する構成である。
即ち、サーボモータ６３の駆動により円盤体５３Ｂが回転し、円盤体５３Ｂの流路６２がハウジング５３Ａの流路６０と一致した状態で停止すると、流路６０と取り込み本体部５１の取り込み流路５２とが連通した状態となり、チャンバー１２内に取り込まれた掘削土を取り込み流路５２内に取り込み可能な状態となる。
一方、サーボモータ６３の駆動により円盤体５３Ｂが回転し、円盤体５３Ｂの流路６２がハウジング５３Ａの流路６０と一致しない状態で停止すると、流路６０と取り込み本体部５１の取り込み流路５２とが円盤体５３Ｂによって遮断された状態となり、チャンバー１２内に取り込まれた掘削土を取り込み流路５２内に取り込み不能な状態となる。

シリンダー５４は、取り込み本体部５１よりも後方に設けられ、後述の制御部からの出力によって駆動する油圧バルブ５６及び油圧ポンプ５７が駆動することにより油圧によってピストン５５を伸縮させる。ピストン５５は、伸長した状態において取り込み本体部５１の取り込み流路５２の前端部にまで到達するピストンロッド５５Ａと、ピストンロッド５５Ａの前端部に取着された押し出し部材５５Ｂとから構成される。ピストンロッド５５Ａは、中空状の軸体であってその中心軸は取り込み流路５２の中心と一致する。ピストンロッド５５Ａの内部には、延長方向に沿って後述の検出部３３が挿通可能である。
押し出し部材５５Ｂは、ピストンロッド５５Ａの前端部に取着される両端開口の円筒状部材であって、その径は取り込み流路５２の流路径と略等しく設定される。即ち、押し出し部材５５Ｂは、ピストンロッド５５Ａの伸縮に伴って取り込み流路５２の延長方向に沿って前後方向に進退可能である。

押し出し部材５５Ｂにおける前側の開口部５８には、閉塞部材５９が取り付けられる。
閉塞部材５９は、押し出し部材５５Ｂの前端面に形成されるピン支承部５９Ａと、ピン支承部５９Ａに横架されたピンにより開口部５８を閉塞する円盤状の蓋体５９Ｂとからなる。
蓋体５９Ｂは、ピン及びピン支承部５９Ａに巻回されたバネなどの附勢手段によって常に開口部５８を閉鎖する方向に附勢されており、ゲートバルブ５３が開放状態となることによりゲートバルブ５３の流路６０内に掘削土が侵入しても、ピストンロッド５５Ａの内部に挿通された検出部３３に掘削土が直接触れることがない。
即ち、チャンバー１２内には回転カッター１０の動作に伴って取り込まれる掘削土が大量に存在するため、隔壁４及び回転カッター１０によって形成されるチャンバー１２内の土圧は、胴体２内部における大気圧と比較して高く、ゲートバルブ５３を開放した瞬間にチャンバー１２内に存在する掘削土が胴体２の内部側に存在する取り込み流路５２に向かって勢いよく侵入しようとするため、閉塞部材５９によってピストンロッド５５Ａ内部への侵入を阻止することにより検出部３３に直接土圧が作用することを防ぐ構成である。

上述のとおり、回りこみ検出器３０は、シリンダー５４の後方に配置された本体部３２からシリンダー５４の内部空間を経てピストンロッド５５Ａの内部へと延長する検出部３３を備える。
検出部３３の前端部は、ピストンロッド５５Ａの前端部よりやや後方に離れた位置まで達する。

以下、図９（ａ），（ｂ）を用いて回り込み検出器３０による充填材Ｇの検出動作及び検出動作終了後の排出動作について説明する。図９（ａ）は、ゲートバルブ５３を開放した状態を示し、同図において掘削土はハウジング５３Ａ内の流路６０に侵入した状態である。
図９（ｂ）に示すように、上述の状態からゲートバルブ５３を徐々に遮断しつつ、ピストン５５を収縮させると、取り込み本体部５１内の取り込み流路５２には、チャンバー１２内の土圧によって押し出し部材５５Ｂが後退した量に対応する量の掘削土が侵入するとともに、ゲートバルブ５３側においては後続に続く掘削土の侵入が遮断される。
また、ピストン５５側においては、検出部３３の先端部がピストン５５の収縮に伴って蓋体５９Ｂの附勢力に抗して蓋体５９Ｂを押し開け、押し出し部材５５Ｂの先端部から徐々に露出する。
そして、ゲートバルブ５３が完全に遮断され、チャンバー１２内の圧力と、胴体２の圧力とが分断された状態で掘削土が検出部３３に接触することにより、掘削土中に充填材Ｇが混在している場合に充填材Ｇの存在が検出される。

検出完了後には、取り込み流路５２内に侵入した掘削土の排出動作が実行される。具体的には、ゲートバルブ５３を徐々に開放しつつ、ピストン５５を伸長させチャンバー１２からの圧力に抗して取り込み流路５２内に侵入した掘削土をチャンバー１２に押し戻すことにより行われる。
また、押し戻し動作の過程において、蓋体５９Ｂは、附勢力によって開口部５８を閉鎖する方向に回動し、押し出し部材５５Ｂが図９（ａ）に示す位置まで前進することにより検出部３３がピストンロッド５５Ａ内に収容された状態まで復帰する。

即ち、本実施形態に係るシールド掘進機１にあっては、チャンバー１２側から土圧が印加されることを遮断する機構を備えた取り込み機構５０によって掘削土の一部をサンプリングし、サンプリングした掘削土に含まれる充填材Ｇの存在を大気圧中で検出する構成としたので、掘削土と直接接触する検出部３３の破損を効果的に防止することが可能となり、所定時間ごとに取り込み動作を繰り返すことにより、掘削土のｐＨや電気伝導率の経時的変化を精度よく把握することが可能となる。

図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）は、実施形態１乃至実施形態５に係るシールド掘進機１の概略ブロック図である。図１０（ａ）に示すようにシールド掘進機１は、主制御装置１００を備える。主制御装置１００は、例えば胴体２よりも坑口側に敷設されたレール上に搭載された台車上に収容される制御盤であって、坑口外に設けられた制御，品質管理室内に設置される管理用コンピュータと接続される。
また、主制御装置１００は、検出判定部１０４と注入量設定部１０５とを備える。
なお、図示は省略するが、主制御装置１００には、シールドジャッキ６や妻枠ジャッキ２５のストローク量を計測するストローク計、打設配管２４Ａ；２４Ｂ或いは妻枠２６内に設けられた打設圧力計等の各種計測器からの信号が入力され、当該計測器からの入力に基づいて、例えばカッター１０の駆動機構の回転速度、排出機構１３の駆動機構や水供給機構のＯＮ，ＯＦＦ制御、推進機構としてのシールドジャッキ６や妻枠機構２３を駆動させるためのポンプのＯＮ，ＯＦＦ制御やバルブの切り替え制御等の各種の制御を実行する。

主制御装置１００には、複数の回り込み検出器３０が接続され、各回り込み検出器３０の出力信号が入力される。なお、本例においては回り込み検出器３０が８組設けられるものとし、各回り込み検出器３０を３０Ａ乃至３０Ｈとして説明する。
検出判定部１０４は、回り込み検出器３０Ａ乃至３０Ｈから出力される検出信号に基づいて検出されたｐＨ又は電気伝導率と予め規定されたｐＨ又は電気伝導率の閾値とを比較し、閾値を超える場合には充填材Ｇを検出した旨の判定を行い、注入量設定部１０５に判定結果を出力する。
ここで、地山に含まれる水成分のｐＨは、一般的にｐＨ７〜ｐＨ８であり、一方で充填材Ｇがコンクリートやモルタルである場合のｐＨは１０〜１２であるから、例えば閾値をｐＨ１０として設定すればコンクリートやモルタルの存在を確実に検出することができる。
また、地山の電気伝導率は土壌の性質によって大きく変わる場合もあるが概ね５０ｍＳ／ｍ程度であり、一方で充填材Ｇがコンクリートやモルタルである場合の電気伝導率は１０００ｍＳ／ｍ程度であるから例えば閾値を５００ｍＳ／ｍとして設定すれば充填材Ｇの存在を確実に検出することができる。なお、上記閾値の設定は地山の地質やコンクリートの配合比率等によって適宜設定すればよい。

注入量設定部１０５は、前記出力された判定結果に基づいて、加泥材注入部４０から吐出する加泥材の量及び範囲を設定する。具体的には、回り込み検出器３０Ａ乃至３０Ｈが胴体２の円周方向に互いに隣接する位置関係にある場合において、回り込み検出器３０Ａ及び３０Ｂの両方から閾値を超えるｐＨ又は電気伝導率が検出された場合、充填材Ｇは胴体２の円周方向の広範囲に渡って進行していると認められるため、回り込み検出器３０Ａ及び３０Ｂの延長線上に設けられるノズル４１Ａ及び４１Ｂのみならず、ノズル４１Ａに隣接するノズル４１Ｈ、及び、ノズル４１Ｂに隣接するノズル４１Ｃからも加泥材を注入すべき旨の判定を行う。また、例えば、検出判定部１０４からの充填材Ｇを検出した旨の判定結果が、所定時間以上連続して出力されている場合にあっては、大量の充填材Ｇがテール３Ａから連続して切羽側に進行している旨を判定し、充填材Ｇの存在を検出した回り込み検出器３０Ａ乃至３０Ｈの内、これに対応するノズル４１Ａ乃至４１Ｈから大量の加泥材を吐出すべく、圧送ポンプ１０３の圧力を設定する。

主制御装置１００は、検出判定部１０４及び注入量設定部１０５の判定，設定に基づいて、ノズル４１Ａ乃至４１Ｈと対応して個別に接続される加泥材供給チューブ４３の電磁バルブ１０２を開放するとともに、圧送ポンプ１０３を駆動して、胴体２における充填材Ｇが進行中の位置に対して所定の圧力で加泥材を注入するように制御する。
そして、回り込み検出器３０Ａ乃至３０Ｈから出力されるｐＨ又は電気伝導率が閾値を下回った時点で、加泥材の注入を完了する。

図１０（ｂ）に示すように、実施形態２における主制御装置１００には、実施形態１における注入量設定部１０５に相当する構成が存在しない一方で、油圧ジャッキ３７を駆動する油圧バルブ５６及び油圧ポンプ５７が接続される点で異なる。即ち、実施形態２に係るシールド掘進機１においては、回り込み検出器３０を油圧ジャッキ３７の駆動により進退させることにより充填材Ｇの存在をチャンバー１２内において一括して検出する構成であるため、検出判定部１０４によって充填材Ｇを検出した旨の判定がなされた場合、主制御装置１００は全てのノズル４１Ａ乃至ノズル４１Ｈから加泥材の注入が行われるように電磁バルブ１０２及び圧送ポンプ１０３を制御する。
なお、実施形態３の構成については、油圧バルブ５６及び油圧ポンプ５７が省略された構成であるため図示を省略し、実施形態４の構成については、実施形態２の構成と同一である。

図１０（ｃ）に示すように、実施形態５における主制御装置１００には実施形態２及実施形態４における主制御装置１００と比較して、取り込み機構５０を構成するサーボモータ６３が接続されている点で異なる。
サーボモータ６３は、前述のゲートバルブ５３の円盤体５３Ｂを回転駆動させるアクチュエータであって、サーボモータ６３内のエンコーダからの出力に基づいて円盤体５３Ｂの回転角度及び回転速度を制御する。油圧ポンプ５７は、シリンダー５４内に油圧を供給するポンプであって、油圧ポンプ５７、及び、当該油圧ポンプ５７とシリンダー５４との間に介在する油圧バルブ５６を制御することにより、取り込み流路５２内への掘削土の取り込み、及び、排出が行われる。
なお、掘削土の取り込み，排出は所定時間ごとに繰り返し行われ、掘削土中に含まれる充填材Ｇの存在が継続的にモニタされる。
なお、上記いずれの実施形態においても、主制御装置１００によって充填材Ｇの存在が検出された場合には、前述の管理用コンピュータのモニタ等に対してその旨が表示され、回り込みが発生したことが報知される。

以上のとおり、トンネル掘削方法の一例としてのＥＣＬ工法に本発明を適用した場合について説明したが、上記発明は、内型枠７を用いたＥＣＬ工法のみに採用されるものではなく、弧状に成型されたセグメントを用いたシールド工法にも採用可能である。以下、シールド工法について簡単に説明する。なお、上記各実施形態と同一構成については同一符号を用い、その説明を省略する。

図１１に示すように、シールド工法は、ＥＣＬ工法と比較して推進力伝達部材としてセグメント８５を用いる点で大きく異なる。セグメント８５は、弧状に成型された鉄筋コンクリート製の盤体であって、弧状に成型された複数のセグメント８５が地山５の円周方向に沿って組み合わされることにより円環体をなし、地山５から加わる土圧，地下水圧に抵抗する。セグメント８５は、上記各実施例と同様にシールド掘進機１が進行する度にエレクター２９により順次トンネルの延長方向に沿って組み付けられる。セグメント８５の外周面及び地山５の表面によって形成される空間には、裏込め材としての充填材Ｇが打設される。本工法における充填材Ｇとしては、例えばモルタルやセメントミルクが採用され、セグメント８５の外周面及び地山５の表面によって形成される空間に充填材Ｇが打設されることにより円環状に形成されたセグメント８５が地山５の表面に強固に隙間なく定着される。

本工法における充填材Ｇは、胴体２のスキンプレート３の内部に設けられた打設流路８０を介して打設される。打設流路８０は、胴体２の円周方向に沿って等間隔に複数設けられ、前端部に打設配管２４Ａが接続される。図外の圧送ポンプ及び圧送管２１を介して打設配管２４Ａによって各打設流路８０に分岐される充填材Ｇは、打設口８０Ａから吐出され、セグメント８５の外周面及び地山５の表面によって形成される空間内で密実化した状態で打設される。
また、一部の充填材Ｇはスキンプレート３の外周面と地山５の表面との間の空間である余堀部５Ａを伝って切羽側に進行する可能性があり、本工法に採用されるシールド掘進機１においても回り込み検出器３０及び加泥材注入部４０が取り付けられる。
なお、上記実施形態においては打設口８０Ａから充填材Ｇを吐出することにより充填材Ｇを打設するものとして説明したが、セグメント８５に設けられた破線部で示す打設孔８５Ａから充填材Ｇを打設するようにしてもよい。

回り込み検出器３０の構成は、前記各実施形態におけるものと同様であって、回り込み検出器３０の検出部３３が余堀部５Ａに露出するように外周面と面一に取り付けられる。
また、加泥材注入部４０についても前記各実施形態におけるものと同様であって、複数の回り込み検出器３０に対応するように、スキンプレート３の周面上に露出する検出部３３の中心線上に位置するノズル４１を有し、加泥材を噴射するノズル孔４２がスキンプレート３の外周面と面一に露出するように取り付けられる。
また、図示は省略するが回り込み検出器３０を隔壁４に取り付ける構成（実施形態２，３）、或いは、取り込み機構５０；７０によりチャンバー１２内の掘削土を胴体２内に取り込む構成（実施形態４，５）についても本工法におけるシールド掘進機１の隔壁４に適用可能なことはいうまでもない。
以上説明したように、本発明に係る充填材Ｇの回り込み検出方法、及び、シールド掘進機によれば、工法の種別を問わず充填材Ｇの回り込みを適切に検出し、かつ、検出結果に基づいて早期に回り込みを阻止することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に限定されるものではない。特に、上記実施形態においては、内型枠又はセグメントを用いたシールド掘進機１を例として説明したが、これに限られるものではなく充填材を用いる形式のものであれば本発明を適用可能である。
また、上記実施の形態に多様な変更、改良を加え得ることは当業者にとって明らかであり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ シールド掘進機，２ 胴体，３ スキンプレート，４ 隔壁，
５ 地山，５Ａ 余掘部，６ シールドジャッキ，１０ カッター，
１１ 掘削ビット，１２ チャンバー，１３ 排出機構，
２０ 覆工機構，２３ 妻枠機構，２４Ａ 打設配管，２４Ｂ 打設配管，
２５ 妻枠ジャッキ，２６ 妻枠，２６Ａ 流路，２６Ｂ 打設口，
３０ 回り込み検出器，３２ 本体部，３３ 検出部，
４０ 加泥材注入部，４１ ノズル，４２ ノズル孔，４３ 加泥材供給チューブ，
４９ 格納部，５０ 取り込み機構，５１ 取り込み本体部，５２ 取り込み流路，
５３ ゲートバルブ，５５ ピストン，５６ 油圧バルブ，５７ 油圧ポンプ，
５８ 開口部，５９ 閉塞部材，６０ 流路，６２ 流路，６３ サーボモータ，
７０ 取り込み機構，７４ 貯留槽，８０ 打設流路，
８５ セグメント，８５Ａ 打設孔，１００ 主制御装置，１０２ 電磁バルブ，
１０３ 圧送ポンプ，１０４ 検出判定部，１０５ 注入量設定部，Ｇ 充填材。

Claims (5)

1. 胴体後方において地山の周方向に沿って配置される内型枠又はセグメントの外周面と地山との間に充填材を充填しつつ、胴体前方の隔壁よりも前方に設けられた掘削部により地山を掘削して進行するシールド掘進機の充填材回り込み検出方法であって、
   前記胴体における地山と対向する周面、又は、前記胴体前方の隔壁よりも掘削部側において、前記胴体の後方から前記胴体の前方に回り込む充填材を検出することを特徴とする充填材回り込み検出方法。
2. 胴体後方における地山の周方向に沿って配置される内型枠又はセグメントの外周面と地山との間に充填材を充填しつつ、胴体前方の隔壁よりも前方に設けられた掘削部により地山を掘削して進行するシールド掘進機であって、
   前記シールド掘進機が前記胴体の後方から前記胴体の前方に回り込む充填材を検出する回り込み検出器を備え、
   前記回り込み検出器の検出部が前記胴体における地山と対向する周面、又は、前記胴体前方の隔壁と前記掘削部との間に形成される空間内に位置することを特徴とするシールド掘進機。
3. 前記隔壁が、当該隔壁と前記掘削部との間に形成される空間内に取り込まれる掘削土を前記胴体内部に取り込む取り込み機構を備え、
   前記回り込み検出器が前記取り込み機構によって取り込まれた掘削土から充填材を検出することを特徴とする請求項２に記載のシールド掘進機。
4. 前記シールド掘進機が、前記胴体における地山と対向する周面上に円周方向に沿って配置され、充填材の回り込みを阻止する加泥材を吐出する複数の加泥材注入部と、
   前記回り込み検出器から出力される回り込み検出信号に基づいて前記加泥材注入部を制御する制御装置とを備えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のシールド掘進機。
5. 前記回り込み検出器がｐＨ計又は電気伝導率計であることを特徴とする請求項２乃至請求項４いずれかに記載のシールド掘進機。

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