JP2023091511A - トンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ内において隔壁から離隔した位置の掘削土砂を当該掘削土砂の性状に変化を与えることなくサンプリングする。【解決手段】トンネル掘削機１の隔壁１３には、土砂サンプリング装置１００が設けられており、土砂サンプリング装置１００は、固定翼１３ａの先端部に第１開口２１ａを有する第１流路２１と、第１流路２１から分岐し、隔壁１３よりも軸方向後方に第２開口２２ａを有する第２流路２２と、第１流路２１内に摺動可能に設けられる栓部材３１と、栓部材３１を、栓部材３１の少なくとも前端が第１流路２１と第２流路２２との分岐位置Ｐ１を跨ぐように、第１流路２１内で摺動させる移動機構３２と、第１流路２１のうち分岐位置Ｐ１に対して第１開口２１ａ側に設けられ、第１流路２１を開閉可能な第１開閉弁４１と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、カッタヘッドからチャンバ内に取り込まれた掘削土砂をサンプリングする土砂サンプリング装置を備えたトンネル掘削機に関する。

一般的なトンネル掘削機は、カッタヘッドを回転させ、そのカッタヘッドの前面に装着された複数のカッタビットが前方の地山を掘削し切羽を形成することにより、トンネルを掘削する。地山の掘削（切羽の切削）により生じた掘削土砂は、カッタヘッドに形成された開口部である土砂通過部を通過し、カッタヘッド背面側のチャンバ内に取り込まれる。その後、チャンバ内の掘削土砂は、トンネル掘削機内に設けられたスクリューコンベヤなどの土砂排出装置によって、トンネル延伸方向後方に向けて運搬および排出される。

ここで、トンネル掘削機が泥土圧式シールド掘削機である場合、カッタヘッド前面は、中心部から放射状に延びる複数のカッタスポークで主に構成され、カッタヘッド前面のほとんどが開断面となる。この場合、周方向に相隣接するカッタスポーク間の隙間が土砂通過部となり、当該隙間（土砂通過部）からチャンバ内に掘削土砂が取り込まれる。

一方、トンネル掘削機が泥水式シールド掘削機である場合、地山（切羽）の保持は泥水圧力で行うものの、地山（切羽）の崩落防止のためにカッタ面板を用いることが一般的であるので、カッタヘッド前面は、複数のカッタスポークと、周方向に相隣接するカッタスポーク間の隙間を塞ぐカッタ面板とから構成される。この場合、カッタスポークとカッタ面板の隙間、隣接するカッタ面板同士の隙間、またはカッタ面板の貫通穴として形成された複数のスリットなどが土砂通過部となり、当該スリットなどの土砂通過部からチャンバ内に掘削土砂が取り込まれる。

近年、トンネル掘削機を用いたシールド工事において、地上への影響を最小限に抑えることが、これまで以上に重要視されている。これに対する技術として、カッタヘッドからチャンバに取り込まれた掘削土砂の性状が適切かどうかを確認する技術が求められている。このため、掘削機本体の機内側（隔壁よりも後方側）から、チャンバ内の掘削土砂を採取（サンプリング）するための土砂サンプリング装置が用いられる。例えば、特許文献１には、土砂取出用スクリュー羽根を備えた土砂サンプリング装置を隔壁に取り付け、当該スクリュー羽根の回転によりチャンバ内の掘削土砂をサンプリングすることが記載されている。

特開２００４－６８２５０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来の土砂サンプリング装置では、回転するスクリュー羽根を用いて、チャンバ内の掘削土砂を機内側に取り込む構造であるため、撹拌により掘削土砂の性状が変化してしまい、掘削土砂の性状を正確に把握できないという問題があった。また、当該従来の土砂サンプリング装置では、隔壁に設けられた開口を掘削土砂の取込み口としているため、チャンバ内における隔壁近辺の掘削土砂しか採取することができず、隔壁から前方に離隔した位置の掘削土砂を採取できないという問題もあった。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、チャンバ内において隔壁から離隔した位置の掘削土砂を当該掘削土砂の性状に変化を与えることなくサンプリングすることが可能なトンネル掘削機を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のトンネル掘削機は、筒状の掘削機本体と、掘削機本体の前端に回転可能に設けられるカッタヘッドと、カッタヘッドよりも掘削機本体の軸方向後方に、カッタヘッドと軸方向に間隔を空けて配置される隔壁と、カッタヘッドと隔壁との間に区画される空間であるチャンバと、隔壁の前面からチャンバに突出する固定翼と、を備え、隔壁には、土砂サンプリング装置が設けられており、土砂サンプリング装置は、固定翼の先端部に第１開口を有する第１流路と、第１流路から分岐し、隔壁よりも軸方向後方に第２開口を有する第２流路と、第１流路内に摺動可能に設けられる栓部材と、栓部材を、栓部材の少なくとも前端が第１流路と第２流路との分岐位置を跨ぐように、第１流路内で摺動させる移動機構と、第１流路のうち分岐位置に対して第１開口側に設けられ、第１流路を開閉可能な第１開閉弁と、を有する。

土砂サンプリング装置は、第２開口を開閉可能な第２開閉弁をさらに備えてもよい。

土砂サンプリング装置は、第２開口に取り付けられるサンプリング箱をさらに備えてもよい。

サンプリング箱は、第２開口に取り付けられた状態において、外部に対して気密に設けられ、サンプリング箱には、第１エア抜き弁が設けられていてもよい。

土砂サンプリング装置は、第１開閉弁が閉鎖された状態において、第１流路のうち第１開閉弁に対して分岐位置側、および、第２流路と連通する開口である洗浄口と、洗浄口を開閉可能な第３開閉弁、または、洗浄口に設けられる逆止弁と、をさらに備えてもよい。

洗浄口は、第２流路の延長線上に配置されてもよい。

土砂サンプリング装置は、第１開閉弁が閉鎖された状態において、第１流路のうち第１開閉弁に対して分岐位置側、および、第２流路と連通する第２エア抜き弁をさらに備えてもよい。

栓部材の後端は、栓部材の前端の位置によらず、第１流路のうち分岐位置に対して第１開口側と逆側に位置してもよい。

土砂サンプリング装置は、第１流路のうち第１開閉弁に対して分岐位置側、または、第２流路に設けられる密度計をさらに備えてもよい。

移動機構は、栓部材と接続される油圧ジャッキを含んでもよい。

固定翼の先端部は、チャンバ内におけるサンプリング箇所に対応する位置に配置されてもよい。

本発明によれば、チャンバ内において隔壁から離隔した位置の掘削土砂を当該掘削土砂の性状に変化を与えることなくサンプリングすることが可能となる。

本発明の実施形態に係るトンネル掘削機の全体構成を示す断面模式図である。 本発明の実施形態に係る土砂サンプリング装置を示す断面模式図である。 本発明の実施形態に係る土砂サンプリング装置のサンプリング時の状態を示す断面模式図である。 本発明の実施形態に係る土砂サンプリング装置のサンプリング完了後の第１状態を示す断面模式図である。 本発明の実施形態に係る土砂サンプリング装置のサンプリング完了後の第２状態を示す断面模式図である。 本発明の実施形態に係る土砂サンプリング装置の第１開閉弁の近傍を示す拡大図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

<トンネル掘削機の構成>
図１および図２を参照して、本発明の実施形態に係るトンネル掘削機１の構成について説明する。

図１は、トンネル掘削機１の全体構成を示す断面模式図である。なお、図１中の矢印Ｆはトンネル掘削機１の前方向（つまり、進行方向）を示し、矢印Ｂはトンネル掘削機１の後方向を示す。図１中の矢印Ｆは切羽側を向き、矢印Ｂは坑口側を向く。

トンネル掘削機１は、地盤を掘削可能な土圧式（泥土圧式を含む。）のシールド掘削機である。図１に示すように、トンネル掘削機１は、掘削機本体１０を備える。掘削機本体１０は、筒状（例えば、円筒状または矩形筒状等）である。掘削機本体１０の軸方向は、トンネル掘削機１の前後方向と一致する。

以下では、トンネル掘削機１の軸方向（つまり、掘削機本体１０の軸方向）を単に軸方向とも呼び、トンネル掘削機１の径方向（つまり、掘削機本体１０の径方向）を単に径方向とも呼び、トンネル掘削機１の周方向（つまり、掘削機本体１０の周方向）を単に周方向とも呼ぶ。

掘削機本体１０の前端には、カッタヘッド１１が設けられる。カッタヘッド１１は、略円盤状の回転体である。カッタヘッド１１の中心部には、カッタ回転軸１２の前端が嵌入されており、カッタヘッド１１は、カッタ回転軸１２を中心に回転可能に軸支されている。

カッタヘッド１１は、外周リング１１ａと、内周リング１１ｂと、カッタスポーク１１ｃと、フィッシュテールカッタ１１ｄと、カッタビット１１ｅなどを有する。このうち、外周リング１１ａは、カッタヘッド１１の外周部を形成しており、内周リング１１ｂは、外周リング１１ａよりも径方向内側に配置されている。また、複数のカッタスポーク１１ｃは、カッタヘッド１１の前面において、カッタ回転軸１２を中心として放射状に配置されている。カッタヘッド１１の前面の中心部には、フィッシュテールカッタ１１ｄが装着されている。さらに、カッタスポーク１１ｃの前面には、多数のカッタビット１１ｅが装着されている。なお、フィッシュテールカッタ１１ｄおよびカッタビット１１ｅは、着脱可能であってもよく、着脱可能でなくてもよい。

そして、カッタヘッド１１には、上記外周リング１１ａ、内周リング１１ｂおよびカッタスポーク１１ｃの相互の間に、複数の開口部が形成されている。当該開口部は、カッタヘッド１１によって地盤（切羽）を掘削した際に発生する掘削土砂を、掘削機本体１０内（後述するチャンバ１７内）に取り込むための掘削土砂取込口として機能する。

掘削機本体１０におけるカッタヘッド１１よりも後方には、隔壁１３が配置されている。隔壁１３は、軸方向（トンネル延伸方向）に対して垂直に配置される板状（例えば、円板状）の壁体であり、隔壁１３の外周縁は掘削機本体１０の内周面１０ａに取り付けられる。カッタヘッド１１と隔壁１３は、軸方向（トンネル延伸方向）に所定間隔を空けて配置される。隔壁１３の後方側には、トンネル掘削機１の各種設備が配置されており、隔壁１３は、切羽で生じる掘削土砂から当該設備を隔離する。隔壁１３の下部には、掘削土砂を排出するための開口部である排出口Ｖが形成されている。

隔壁１３の中心部には、カッタ回転軸１２が回転可能に支持されている。さらに、隔壁１３には、環状の回転リング１４が、カッタ回転軸１２を中心として回転可能に支持されている。回転リング１４の前部には、複数の連結ビーム１５が周方向に所定の間隔で設けられている。複数の連結ビーム１５は、カッタヘッド１１と回転リング１４を連結する。連結ビーム１５の前端は、カッタヘッド１１の内周リング１１ｂとカッタスポーク１１ｃとの接続部に連結されている。一方、回転リング１４の後部には、リングギヤ１４ａが設けられている。なお、リングギヤ１４ａは、外歯式であってもよく、内歯式であってもよい。さらに、隔壁１３の後方にはカッタ旋回用モータ１６が設けられている。このカッタ旋回用モータ１６の駆動ギヤ１６ａは、回転リング１４のリングギヤ１４ａと噛み合っている。

カッタ旋回用モータ１６を駆動させることにより、その駆動ギヤ１６ａの回転がリングギヤ１４ａから回転リング１４および連結ビーム１５に伝達される。これにより、カッタヘッド１１を、カッタ回転軸１２を中心として回転させることができる。この結果、回転するカッタヘッド１１の前面を後述するシールドジャッキ１９を利用して地盤（切羽）に押し付けて、地盤を掘削することができる。

カッタヘッド１１と隔壁１３との間には、チャンバ１７が画成されている。チャンバ１７は、カッタヘッド１１の後面と、隔壁１３の前面と、掘削機本体１０の内周面１０ａとにより区画された空間（例えば、略円柱状の空間）である。カッタヘッド１１による地盤の掘削に伴って発生する掘削土砂は、カッタヘッド１１に貫通形成された上記開口部（掘削土砂取込口）を通じて、チャンバ１７内に取り込まれる。チャンバ１７は、掘削土砂を一時的に蓄えるための空間（室）として機能する。チャンバ１７内に取り込まれた掘削土砂は、隔壁１３の下部にある排出口Ｖを通じて、チャンバ１７からスクリューコンベヤ１８内に排出される。

スクリューコンベヤ１８は、掘削機本体１０内における隔壁１３の後方側に設けられる。スクリューコンベヤ１８は、掘削機本体１０内において、後方側に向かうにつれて上方に傾斜して配置される。スクリューコンベヤ１８の前端の開口部は、隔壁１３の排出口Ｖに接続されている。これにより、スクリューコンベヤ１８の内部空間は、隔壁１３の排出口Ｖを通じてチャンバ１７と連通する。スクリューコンベヤ１８内には、螺旋状の羽根を備えたスクリュー状の回転体であるスクリュー羽根１８ａが設けられている。スクリュー羽根１８ａを回転駆動させることで、チャンバ１７内に蓄えられた掘削土砂をスクリューコンベヤ１８内に取り込んで、掘削機本体１０の後方に向けて運搬し、排出することができる。

また、掘削機本体１０の隔壁１３よりも後方側には、エレクタ装置（図示省略）が設けられる。エレクタ装置は、掘削機本体１０の軸方向、径方向および周方向（すなわち、トンネル延伸方向、トンネル径方向およびトンネル周方向）に移動可能に設けられる。エレクタ装置は、覆工部材であるセグメントＳを把持可能であり、把持したセグメントＳをトンネルＴの内壁面（坑壁）に沿って組み立てる。

セグメントＳは、掘削されたトンネルＴの内壁面に沿った湾曲形状を有する環片である。上記エレクタ装置を駆動させることにより、複数のセグメントＳを周方向に沿ってリング状に組み立てることができる。これにより、トンネルＴの内壁面が複数のセグメントＳにより覆工され、内壁面の崩落を防止できる。

さらに、掘削機本体１０内には、複数のシールドジャッキ１９が、周方向に相互に間隔を空けて設けられている。各シールドジャッキ１９は、掘削機本体１０の内周面１０ａに沿って、掘削機本体１０の軸方向に延びるように設けられる。シールドジャッキ１９は、例えば、油圧ジャッキであるが、トンネル掘削機１の推力を発生可能であれば、他の種類のジャッキ、アクチュエータ等であってもよい。シールドジャッキ１９の後端には、伸縮可能な駆動ロッド１９ａが設けられている。駆動ロッド１９ａの先端は、既設のセグメントＳの前端面と対向している。シールドジャッキ１９の駆動ロッド１９ａを、後方に向けて伸長し、既設のセグメントＳを押圧することにより、掘削機本体１０に推進反力（つまり、推力）を付与することができる。すなわち、シールドジャッキ１９が既設のセグメントＳを押圧したときに発生する推力によって、掘削機本体１０は前進可能である。

ここで、図１に示すように、カッタヘッド１１の後面には、攪拌翼１１ｆが設けられている。攪拌翼１１ｆは、カッタヘッド１１の後面からチャンバ１７に突出する。図１の例では、２つの攪拌翼１１ｆが、径方向に間隔を空けて配置されている。ただし、攪拌翼１１ｆの設置数および設置位置は、図１の例に限定されない。また、隔壁１３の前面には、固定翼１３ａが設けられている。固定翼１３ａは、隔壁１３の前面からチャンバ１７に突出する。固定翼１３ａは、攪拌翼１１ｆと干渉しないように配置されている。図１の例では、２つの固定翼１３ａが、径方向に間隔を空けて配置されている。ただし、固定翼１３ａの設置数および設置位置は、図１の例に限定されない。

上述したように、トンネル掘削機１では、地盤の掘削に伴って発生する掘削土砂が、カッタヘッド１１からチャンバ１７内に取り込まれる。そして、カッタヘッド１１の回転時に、攪拌翼１１ｆは、カッタヘッド１１と一体的に回転する。一方、固定翼１３ａは、隔壁１３に対して固定されている。ゆえに、チャンバ１７内に取り込まれた掘削土砂は、攪拌翼１１ｆおよび固定翼１３ａによって、チャンバ１７内で攪拌される。トンネル掘削機１では、カッタヘッド１１からチャンバ１７に取り込まれた掘削土砂の性状が適切かどうかを確認する目的で、チャンバ１７内の掘削土砂を採取（サンプリング）するための土砂サンプリング装置１００（図２を参照）が隔壁１３に設けられている。

以下、図２を参照して、土砂サンプリング装置１００の構成について説明する。図２は、土砂サンプリング装置１００を示す断面模式図である。具体的には、図２は、隔壁１３のうち固定翼１３ａが設けられている部分を拡大して示す図である。なお、土砂サンプリング装置１００は、隔壁１３に設置された複数の固定翼１３ａのうち、いずれの固定翼１３ａに対して設けられてもよい。また、土砂サンプリング装置１００は、１つの固定翼１３ａに対してのみ設けられてもよく、複数の固定翼１３ａに対してそれぞれ設けられてもよい。ただし、チャンバ１７の所望のサンプリング位置から掘削土砂をサンプリングするために、当該所望のサンプリング位置に対応する隔壁１３の径方向位置、および、周方向位置に設置され、対応する長さとした固定翼１３ａに対して、土砂サンプリング装置１００を設けることが好ましい。

図２に示すように、土砂サンプリング装置１００は、固定翼１３ａと、流路形成部材１３ｂと、固定翼１３ａおよび流路形成部材１３ｂ内に形成される流路と、当該流路に付随して設けられる構成要素とを備える。土砂サンプリング装置１００は、上記流路として、第１流路２１と、第２流路２２と、第３流路２３とを備え、上記構成要素として、栓部材３１と、移動機構３２と、第１開閉弁４１と、第２開閉弁４２と、第３開閉弁４３と、サンプリング箱５１と、第１エア抜き弁６１と、第２エア抜き弁６２と、密度計７１とを備える。

固定翼１３ａは、円筒形状を有し、掘削機本体１０の軸方向に延在する。固定翼１３ａの内部空間は、後述する第１流路２１の一部に相当する。固定翼１３ａの先端（前端）は、隔壁１３より前方に位置している。固定翼１３ａの後端は、隔壁１３より後方に位置しており、後述する第１開閉弁４１を介して流路形成部材１３ｂと接続されている。流路形成部材１３ｂは、後述する第１流路２１等の流路を形成するための中空の部材である。なお、固定翼１３ａおよび流路形成部材１３ｂは、同一部材により一体に形成されてもよく、別部材により別体に形成されてもよい。

第１流路２１は、固定翼１３ａの先端部に第１開口２１ａを有する。図２の例では、第１流路２１は、トンネル掘削機１の軸方向に延在している。第１流路２１は、固定翼１３ａの先端部から隔壁１３より後方まで延在している。第１流路２１の前側は、固定翼１３ａの内部に形成され、第１流路２１の後側は、流路形成部材１３ｂの内部に形成されている。ただし、第１流路２１は、トンネル掘削機１の軸方向に対して傾斜していてもよく、湾曲していてもよい。第１流路２１の流路断面の形状は、例えば、円形状である。ただし、第１流路２１の流路断面の形状は、円形状以外の形状であってもよい。

第２流路２２は、第１流路２１から分岐する。図２の例では、第２流路２２は、第１流路２１のうち隔壁１３よりも軸方向後方の分岐位置Ｐ１から分岐し、下方に延在した後に湾曲して後方に延在している。第２流路２２は、流路形成部材１３ｂの内部に形成されている。ただし、第２流路２２の経路は特に限定されず、例えば、第２流路２２は、分岐位置Ｐ１から下方に延在した後に湾曲していなくてもよく、分岐位置Ｐ１から下方以外の方向に延在していてもよい。第２流路２２のうち分岐位置Ｐ１側と逆側の端部には、第２開口２２ａが設けられる。このように、第２流路２２は、隔壁１３よりも軸方向後方に第２開口２２ａを有する。第２流路２２の流路断面の形状は、例えば、円形状である。ただし、第２流路２２の流路断面の形状は、円形状以外の形状であってもよい。

第１流路２１内には、栓部材３１が摺動可能に設けられている。栓部材３１の外周面は、第１流路２１の内周面と一周に亘って接する。第１流路２１の流路断面の形状が円形状である場合、栓部材３１は、例えば、円柱形状または円盤形状等である。ただし、栓部材３１の形状は、第１流路２１の流路断面の形状に応じて適宜変更され得る。図２の例では、栓部材３１は、トンネル掘削機１の軸方向に摺動可能となっている。図２の状態は、後述するように、掘削土砂のサンプリングを実行可能な待機状態であり、この状態において、栓部材３１は、第１流路２１の第１開口２１ａの近傍に位置する。

栓部材３１の移動は、移動機構３２によって実現される。移動機構３２は、栓部材３１を、第１流路２１と第２流路２２との分岐位置Ｐ１を跨いで、第１流路２１内で摺動させる。図２の例では、栓部材３１は、第１流路２１の前端と後端との間で移動可能となっている。また、図２の例では、移動機構３２は、栓部材３１と接続される油圧ジャッキである。移動機構３２は、伸縮可能な駆動ロッド３２ａを含む。駆動ロッド３２ａは、流路形成部材１３ｂのうち第１流路２１の後端部付近に形成された開口から第１流路２１内に挿通されており、第１流路２１の軸方向に沿って延在している。駆動ロッド３２ａの先端（前端）に栓部材３１が取り付けられており、駆動ロッド３２ａが伸縮することによって、栓部材３１が第１流路２１内を軸方向に摺動する。ただし、移動機構３２は、栓部材３１を移動させることができる機構であればよく、油圧ジャッキ以外の機構であってもよい。

土砂サンプリング装置１００では、栓部材３１を移動させることによって、掘削土砂のサンプリングが行われる。掘削土砂のサンプリング時の動作の詳細については、後述する。

第１流路２１のうち分岐位置Ｐ１に対して第１開口２１ａ側には、第１開閉弁４１が設けられる。第１開閉弁４１は、隔壁１３よりも軸方向後方に配置される。第１開閉弁４１は、例えばナイフゲート弁で構成される。第１開閉弁４１は、第１流路２１を開閉可能である。第１流路２１が第１開閉弁４１により開放されると、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して第１開口２１ａ側と分岐位置Ｐ１側とが連通する状態となる。この状態を第１開閉弁４１の開状態とも呼ぶ。一方、第１流路２１が第１開閉弁４１により閉鎖されると、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して第１開口２１ａ側と分岐位置Ｐ１側とが連通せずに遮断された状態となる。この状態を第１開閉弁４１の閉状態とも呼ぶ。

図２の例では、第１開閉弁４１は、弁体４１ａを含む。弁体４１ａは、第１流路２１の径方向に移動可能である。図２に示すように、弁体４１ａが第１流路２１を塞いでいない状態が、第１開閉弁４１の開状態に相当する。弁体４１ａが図２の状態から移動して第１流路２１を塞いでいる状態（例えば、後述する図４の状態）が、第１開閉弁４１の閉状態に相当する。ただし、第１開閉弁４１は、第１流路２１を開閉可能であればよく、上記の例に限定されない。例えば、第１開閉弁４１の弁体４１ａが、回動することによって、第１流路２１を開閉可能であってもよい。

なお、図２の例では、固定翼１３ａと流路形成部材１３ｂとの間に第１開閉弁４１が配置されている。ただし、第１開閉弁４１と固定翼１３ａと流路形成部材１３ｂとの位置関係は、図２の例に限定されない。

第２流路２２の第２開口２２ａには、第２開閉弁４２が設けられる。第２開閉弁４２は、例えばナイフゲート弁で構成される。第２開閉弁４２は、第２開口２２ａを開閉可能である。また、第２開口２２ａには、サンプリング箱５１が取り付けられる。サンプリング箱５１は、掘削土砂のサンプリング時に採取された掘削土砂が貯留される箱である。サンプリング箱５１は、第２開口２２ａに対して着脱可能となっており、サンプリング完了後に第２開口２２ａから取り外される。第２開口２２ａが第２開閉弁４２により開放されると、第２流路２２が第２開口２２ａを介して第２流路２２の外部の空間（図２の例では、サンプリング箱５１の内部空間）と連通する状態となる。この状態を第２開閉弁４２の開状態とも呼ぶ。一方、第２開口２２ａが第２開閉弁４２により閉鎖されると、第２流路２２が第２開口２２ａを介して第２流路２２の外部の空間（図２の例では、サンプリング箱５１の内部空間）と連通せず遮断された状態となる。この状態を第２開閉弁４２の閉状態とも呼ぶ。

図２の例では、第２開閉弁４２は、弁体４２ａを含む。弁体４２ａは、第２開口２２ａの径方向に移動可能である。図２に示すように、弁体４２ａが第２開口２２ａを塞いでいる状態が、第２開閉弁４２の閉状態に相当する。弁体４２ａが図２の状態から移動して第２開口２２ａを塞いでいない状態（例えば、後述する図３の状態）が、第２開閉弁４２の開状態に相当する。ただし、第２開閉弁４２は、第２開口２２ａを開閉可能であればよく、上記の例に限定されない。例えば、第２開閉弁４２の弁体４２ａが、回動することによって、第２開口２２ａを開閉可能であってもよい。

サンプリング箱５１は、第２開口２２ａに取り付けられた状態において、外部に対して気密に設けられている。それにより、掘削土砂のサンプリング時に、サンプリング箱５１に送られた掘削土砂がサンプリング箱５１から漏れ出ることが抑制される。また、サンプリング箱５１には、第１エア抜き弁６１が設けられている。第１エア抜き弁６１は、サンプリング箱５１内の空気を外部に排出するための弁である。後述するように、掘削土砂のサンプリング時に、サンプリング箱５１内の空気を第１エア抜き弁６１によって外部に排出することで、サンプリング箱５１に掘削土砂を円滑に送ることができる。

第３流路２３は、第１流路２１から分岐する。図２の例では、第３流路２３は、第１流路２１のうち第２流路２２との分岐位置Ｐ１から分岐し、上方に延在している。第３流路２３は、流路形成部材１３ｂの内部に形成されている。ただし、第３流路２３は、上方向と異なる方向に延在してもよく、湾曲していてもよい。また、第３流路２３は、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側であれば、分岐位置Ｐ１以外の位置から分岐していてもよい。また、第３流路２３は、第２流路２２から分岐していてもよい。上記のように、第３流路２３は、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側、および、第２流路２２と連通していればよい。第３流路２３の流路断面の形状は、例えば、円形状である。ただし、第３流路２３の流路断面の形状は、円形状以外の形状であってもよい。

第３流路２３のうち分岐位置Ｐ１側と逆側の端部には、開口である洗浄口２３ａが設けられる。図２の例では、洗浄口２３ａは、第２流路２２の延長線上に配置されている。洗浄口２３ａは、第１開閉弁４１が閉鎖された状態において、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側、および、第２流路２２と連通する。第１開閉弁４１が閉鎖された状態において、洗浄口２３ａを介して水等の流体を流路形成部材１３ｂ内に供給することによって、土砂サンプリング装置１００の洗浄が行われる。なお、土砂サンプリング装置１００の洗浄時の動作の詳細については、後述する。

洗浄口２３ａには、第３開閉弁４３が設けられる。第３開閉弁４３は、例えばボールバルブで構成される。第３開閉弁４３は、洗浄口２３ａを開閉可能である。洗浄口２３ａが第３開閉弁４３により開放されると、第３流路２３が洗浄口２３ａを介して外部空間と連通する状態となる。この状態を第３開閉弁４３の開状態とも呼ぶ。一方、洗浄口２３ａが第３開閉弁４３により閉鎖されると、第３流路２３が洗浄口２３ａを介して外部空間と連通せず遮断された状態となる。この状態を第３開閉弁４３の閉状態とも呼ぶ。なお、図示は省略するが、第３開閉弁４３は、弁体を有しており、当該弁体が動作することによって洗浄口２３ａが開閉される。なお、後述するように、洗浄口２３ａには、第３開閉弁４３に替えて逆止弁が設けられてもよい。この逆止弁は、第３流路２３内から洗浄口２３ａを介して外部に向かう流体の流れを阻止し、外部から洗浄口２３ａを介して第３流路２３内に向かう流体の流れを許容する。

第１流路２１と第２流路２２との分岐位置Ｐ１には、第２エア抜き弁６２が設けられる。第２エア抜き弁６２は、流路形成部材１３ｂ内の流路中の空気を外部に排出するための弁である。ただし、第２エア抜き弁６２は、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側であれば、分岐位置Ｐ１以外の位置に設けられていてもよい。また、第２エア抜き弁６２は、第２流路２２に設けられてもよい。また、第２エア抜き弁６２は、第３流路２３に設けられてもよい。このように、第２エア抜き弁６２は、第１開閉弁４１が閉鎖された状態において、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側、および、第２流路２２と連通する。後述するように、掘削土砂のサンプリング完了後において、第２エア抜き弁６２を用いた空気の排出を行うことによって、土砂サンプリング装置１００内における水密性の確認を行うことができる。なお、土砂サンプリング装置１００内における水密性の確認時の動作の詳細については、後述する。

密度計７１は、当該密度計７１の設置位置の密度を検出する。図２の例では、密度計７１は、第２流路２２のうち第２開口２２ａの近傍に設けられており、第２流路２２のうち第２開口２２ａの近傍の密度を検出する。ただし、密度計７１は、第２流路２２のうち図２の位置以外の位置に設けられていてもよく、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側（つまり、機内側）に設けられてもよい。つまり、密度計７１は、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側、または、第２流路２２に設けられればよい。密度計７１の利用方法については、後述する。

<トンネル掘削機の動作>
図２～図６を参照して、本発明の実施形態に係るトンネル掘削機１の動作について説明する。

上述したように、図２の状態は、掘削土砂のサンプリングを実行可能な待機状態である。図２に示すように、待機状態では、第１開閉弁４１が開状態となっており、第２開閉弁４２が閉状態となっている。また、待機状態では、駆動ロッド３２ａが伸長してその先端が第１開口２１ａ付近まで到達した状態となっており、栓部材３１は、第１流路２１内を前進して、第１開口２１ａの近傍に位置している。図２の例では、栓部材３１の前端の軸方向位置が、固定翼１３ａの先端（前端）の軸方向位置と一致している。それにより、チャンバ１７から第１流路２１への掘削土砂の進入が栓部材３１によって防止される。また、栓部材３１より後方の機内の圧力が、大気圧に維持される。なお、図２に示す栓部材３１の位置（つまり、第１流路２１の先端側に配置されたときの位置）を前進位置とも呼ぶ。栓部材３１が前進位置にあるときには、栓部材３１により、第１流路２１の第１開口２１ａが閉塞される。

ただし、待機状態において、栓部材３１の前端の軸方向位置が、固定翼１３ａの先端の軸方向位置よりも後方に位置していてもよい。待機状態において、栓部材３１は、少なくとも、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して第１開口２１ａ側に位置すればよい。このように、栓部材３１は、分岐位置Ｐ１を跨いで、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して第１開口２１ａ側まで摺動可能であればよい。

図３は、土砂サンプリング装置１００のサンプリング時の状態を示す断面模式図である。図３に示すように、掘削土砂のサンプリング時には、図２の待機状態に対して、第２開閉弁４２が開状態となる。それにより、第２流路２２が第２開口２２ａを介してサンプリング箱５１の内部空間と連通する状態となる。

また、サンプリング時には、駆動ロッド３２ａが図２の待機状態から軸方向後方に収縮し、栓部材３１は、図２の前進位置から、分岐位置Ｐ１を跨いで第１流路２１の後端まで後退する。それにより、チャンバ１７とサンプリング箱５１の内部空間とが、第１流路２１および第２流路２２を介して連通する状態となる。なお、図３に示す栓部材３１の位置（つまり、第１流路２１の後端）を退避位置とも呼ぶ。

栓部材３１が移動機構３２によって軸方向後方に向けて前進位置から退避位置まで移動する際において、第１流路２１のうち栓部材３１よりも第１開口２１ａ側に、チャンバ１７の圧力よりも低い圧力の空間が生じることによって、チャンバ１７内の掘削土砂が第１流路２１内に吸引される。ゆえに、図３中で矢印により示すように、チャンバ１７内の掘削土砂が、第１開口２１ａから第１流路２１に吸引されて、土砂サンプリング装置１００内に取り込まれる。第１流路２１に吸引された掘削土砂は、分岐位置Ｐ１から第２流路２２に送られ、第２流路２２を通ってサンプリング箱５１に送られる。この際、第１エア抜き弁６１による空気の排出が適宜行われる。それにより、サンプリング箱５１に掘削土砂が円滑に送られる。このようにして、チャンバ１７内の掘削土砂が採取される。

栓部材３１が退避位置に位置する場合、栓部材３１の前面は、分岐位置Ｐ１よりも軸方向後方に位置する。つまり、栓部材３１が第２流路２２を部分的に塞ぐことがないようになっている。それにより、掘削土砂のサンプリング時における土砂サンプリング装置１００内での掘削土砂の流動が円滑化される。

掘削土砂のサンプリング完了後には、掘削土砂が貯留されたサンプリング箱５１の回収と、土砂サンプリング装置１００を待機状態に戻すための準備とを行うために、土砂サンプリング装置１００は、まず第１状態となり、その後、第２状態となる。以下、土砂サンプリング装置１００のサンプリング完了後の第１状態および第２状態について説明する。

図４は、土砂サンプリング装置１００のサンプリング完了後の第１状態を示す断面模式図である。図４の第１状態では、栓部材３１は、サンプリング時と同様に、第１流路２１の後端の退避位置に位置している。

図４に示すように、掘削土砂のサンプリング完了後には、図３のサンプリング状態に対して、第１開閉弁４１が閉状態となる。それにより、チャンバ１７内の掘削土砂は、第１開閉弁４１の弁体４１ａにより堰き止められ、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して後方への掘削土砂の流入が停止する。

また、掘削土砂のサンプリング完了後には、図３の状態に対して、第２開閉弁４２が閉状態となる。それにより、第２流路２２が第２開口２２ａを介してサンプリング箱５１の内部空間と連通せずに遮断された状態となり、サンプリング箱５１への掘削土砂の流入が停止する。この状態で、掘削土砂が貯留されているサンプリング箱５１が第２開口２２ａから取り外され、回収される。なお、サンプリング箱５１に、当該サンプリング箱５１の開口を塞ぐ蓋部材（あるいは開閉弁）が設けられる場合、サンプリング箱５１が第２開口２２ａから取り外された後に、サンプリング箱５１の開口が蓋部材（あるいは開閉弁）によって塞がれる。それにより、サンプリング箱５１の回収時に、サンプリング箱５１から掘削土砂が漏れ出ることが抑制される。

なお、第１開閉弁４１および第２開閉弁４２の双方が閉状態となった状態でサンプリング箱５１が回収されることが好ましい。これにより、土砂サンプリング装置１００内の流路を二重の弁でより確実に閉鎖できるので、サンプリング箱５１の回収時における第２開口２２ａからの掘削土砂の噴発を防止できる。ただし、この例に限定されず、第１開閉弁４１および第２開閉弁４２のうち第２開閉弁４２のみが閉状態となった状態でサンプリング箱５１が回収されてもよい。

また、土砂サンプリング装置１００に第２開閉弁４２は設けられていなくてもよい。その場合、例えば、第１開閉弁４１が閉状態となった状態でサンプリング箱５１が回収される。それにより、チャンバ１７内の掘削土砂が第１開閉弁４１の弁体４１ａにより堰き止められ、サンプリング箱５１へ掘削土砂が流入し続けることが防止された状況で、サンプリング箱５１を回収できる。また、例えば、土砂サンプリング装置１００に第２開閉弁４２は設けられない場合、土砂サンプリング装置１００が上述した図２の待機状態となった状態で、サンプリング箱５１が回収されてもよい。それにより、チャンバ１７内の掘削土砂が栓部材３１により堰き止められ、サンプリング箱５１へ掘削土砂が流入し続けることが防止された状況で、サンプリング箱５１を回収できる。なお、サンプリングされる掘削土砂が微量で済む場合等においては、土砂サンプリング装置１００にサンプリング箱５１が設けられず、第２開口２２ａから掘削土砂が直接採取されてもよい。

ここで、図４の第１状態において、第３開閉弁４３を開状態にし、洗浄口２３ａを介して水等の流体を流路形成部材１３ｂ内に供給することによって、土砂サンプリング装置１００の洗浄を行うことができる。例えば、洗浄口２３ａに水供給配管を接続し、水供給配管から洗浄口２３ａに水を供給することによって、土砂サンプリング装置１００内の掘削土砂の流路が洗浄される。図４の第１状態では、第１流路２１のうち第１開閉弁４１と退避位置の栓部材３１との間の部分を洗浄できる。また、第２流路２２も洗浄できる。なお、洗浄口２３ａに、第３開閉弁４３に替えて逆止弁が設けられる場合、当該逆止弁を介して水等の流体を流路形成部材１３ｂ内に供給できる。

なお、土砂サンプリング装置１００の洗浄において、水以外の流体が洗浄口２３ａから流路形成部材１３ｂ内に供給されてもよい。また、土砂サンプリング装置１００の洗浄において、水等の流体に加えて、ゴム球が洗浄口２３ａから流路形成部材１３ｂ内に供給されてもよい。ゴム球を用いて洗浄を行うことによって、流路の内壁に固着した土砂等をより確実に除去することができる。

また、図４の第１状態において、第２エア抜き弁６２を開状態にして、第２エア抜き弁６２を介して空気を排出させることで、第１開閉弁４１の水密性が確保されているか否かの確認を行うことができる。例えば、第２エア抜き弁６２を開状態にした時に、第２エア抜き弁６２を介して土砂や水等が排出されない場合、チャンバ１７から第１流路２１を通じて第１開閉弁４１を超えて、第１開閉弁４１より後方側まで掘削土砂が流入しておらず、第１開閉弁４１の水密性が確保されていると判断できる。一方、第２エア抜き弁６２を開状態にした時に、第２エア抜き弁６２を介して土砂や水等が排出される場合、チャンバ１７から第１流路２１を通じて第１開閉弁４１を超えて、第１開閉弁４１より後方側まで掘削土砂が流入しており、第１開閉弁４１の水密性が確保されていないと判断できる。

図５は、土砂サンプリング装置１００のサンプリング完了後の第２状態を示す断面模式図である。図５に示すように、掘削土砂のサンプリング完了後において、図４の第１状態でサンプリング箱５１の回収等が行われた後、駆動ロッド３２ａが伸長し、栓部材３１は、分岐位置Ｐ１を跨いで第１流路２１のうち第１開閉弁４１と分岐位置Ｐ１との間の位置まで前進する。

図５の第２状態において、図４の第１状態と同様に、第３開閉弁４３を開状態にし、洗浄口２３ａを介して水等の流体を流路形成部材１３ｂ内に供給することによって、土砂サンプリング装置１００の洗浄を行うことができる。図５の第２状態では、第１流路２１のうち図４の第１状態では洗浄できなかった退避位置（つまり、第１流路２１の後端）を洗浄できる。また、図４の第１状態と同様に、第２流路２２も洗浄できる。なお、洗浄口２３ａに、第３開閉弁４３に替えて逆止弁が設けられる場合、当該逆止弁を介して水等の流体を流路形成部材１３ｂ内に供給できる。

なお、図５の第２状態での洗浄においても、図４の第１状態での洗浄と同様に、水以外の流体が洗浄口２３ａから流路形成部材１３ｂ内に供給されてもよく、水等の流体に加えて、ゴム球が洗浄口２３ａから流路形成部材１３ｂ内に供給されてもよい。

また、図５の第２状態において、第２エア抜き弁６２を開状態にして、第２エア抜き弁６２を介して空気が排出される状態にした上で、第１開閉弁４１を開状態にすることで、栓部材３１の水密性が確保されているか否かの確認を行うことができる。例えば、第１開閉弁４１を開状態にした時に、第２エア抜き弁６２を介して土砂や水等が排出されない場合、チャンバ１７から第１流路２１を通じて栓部材３１を超えて、栓部材３１より後方側まで掘削土砂が流入しておらず、栓部材３１の水密性が確保されていると判断できる。一方、第１開閉弁４１を開状態にした時に、第２エア抜き弁６２を介して土砂や水等が排出される場合、チャンバ１７から第１流路２１を通じて栓部材３１を超えて、栓部材３１より後方側まで掘削土砂が流入しており、栓部材３１の水密性が確保されていないと判断できる。

なお、上記では、図４の第１状態において、サンプリング箱５１の回収が行われる例を説明したが、サンプリング箱５１の回収は、図５の第２状態において行われてもよい。また、サンプリング箱５１の回収は、第１開閉弁４１の水密性の確認より先に行われてもよく後に行われてもよい。また、サンプリング箱５１の回収は、栓部材３１の水密性の確認より先に行われてもよく後に行われてもよい。

図５の第２状態で栓部材３１の水密性の確認等が行われた後、第１開閉弁４１が開状態となり、駆動ロッド３２ａが伸長し、栓部材３１が第１流路２１の第１開口２１ａの近傍まで移動することによって、図２の待機状態に戻る。

ここで、図２の待機状態においても、図４の第１状態および図５の第２状態と同様に、第３開閉弁４３を開状態にし、洗浄口２３ａを介して水等の流体を流路形成部材１３ｂおよび固定翼１３ａ内に供給することによって、土砂サンプリング装置１００の洗浄を行うことができる。図２の待機状態では、図５の第２状態で洗浄できる箇所に加えて、第１流路２１のうち第１開閉弁４１より前方の部分も洗浄できる。また、図４の第１状態および図５の第２状態と同様に、第２流路２２も洗浄できる。なお、洗浄口２３ａに、第３開閉弁４３に替えて逆止弁が設けられる場合、当該逆止弁を介して水等の流体を流路形成部材１３ｂ内に供給できる。

なお、図２の待機状態での洗浄においても、図４の第１状態での洗浄、および、図５の第２状態での洗浄と同様に、水以外の流体が洗浄口２３ａから流路形成部材１３ｂ内に供給されてもよく、水等の流体に加えて、ゴム球が洗浄口２３ａから流路形成部材１３ｂ内に供給されてもよい。

また、図２の待機状態において、第２エア抜き弁６２を開状態にして、第２エア抜き弁６２を介して空気を排出させることで、栓部材３１の水密性が確保されているか否かの確認を行うことができる。例えば、第２エア抜き弁６２を開状態にした時に、第２エア抜き弁６２を介して土砂や水等が排出されない場合、チャンバ１７から第１流路２１に栓部材３１を超えて掘削土砂が流入しておらず、栓部材３１の水密性が確保されていると判断できる。一方、第２エア抜き弁６２を開状態にした時に、第２エア抜き弁６２を介して土砂や水等が排出される場合、チャンバ１７から第１流路２１に栓部材３１を超えて掘削土砂が流入しており、栓部材３１の水密性が確保されていないと判断できる。

なお、上記では、第２エア抜き弁６２を水密性の確認のために用いる例を説明した。ただし、第２エア抜き弁６２は、栓部材３１の移動を円滑化するために用いられてもよい。例えば、栓部材３１を後方に移動させる際に、第２エア抜き弁６２を開状態にして、第１流路２１のうち栓部材３１より後方側の圧力を大気圧にすることで、栓部材３１の後方への移動を円滑化できる。また、例えば、栓部材３１を前進させる際に、第２エア抜き弁６２から高圧の空気を第１流路２１のうち栓部材３１より後方側に供給してもよい。これにより、高圧の空気により栓部材３１を背面側から前方に押圧することによって、栓部材３１を円滑かつ確実に前進させることができる。

また、上記では、図２の状態が待機状態であり、この状態から図３の状態に移行させることで掘削土砂のサンプリングが行われる例を説明した。ただし、待機状態は図２の例に限定されない。例えば、図５の状態（つまり、第２状態）を待機状態とし、この状態から図３の状態に移行させることで掘削土砂のサンプリングが行われてもよい。

上述したように、土砂サンプリング装置１００では、栓部材３１が、第１開閉弁４１を跨いで第１流路２１内を摺動する。ここで、第１流路２１のうち第１開閉弁４１が設けられる位置において、第１流路２１に段差が形成される場合がある。この場合、栓部材３１が、第１開閉弁４１を跨いで第１流路２１内を摺動する際に、そのような段差に当たり損傷したり、栓部材３１の円滑な摺動が阻害されるおそれがある。ゆえに、段差による栓部材３１の損傷や摺動不具合を抑制する工夫が施されることが好ましい。以下、そのような工夫の例について、図６を参照して説明する。

図６は、土砂サンプリング装置１００の第１開閉弁４１の近傍を示す拡大図である。図６の例では、第１流路２１を区画する部材の内周面のうち第１開閉弁４１と隣り合う部分の角部に、当該角部を面取りするためのテーパ部Ｔ１が形成されている。具体的には、第１流路２１を区画する固定翼１３ａの内周面の後端と、第１流路２１を区画する流路形成部材１３ｂの内周面の前端とに、テーパ部Ｔ１が形成されている。それにより、第１流路２１を区画する部材と第１開閉弁４１との間に段差が形成されることが防止され、栓部材３１が、第１開閉弁４１を跨いで第１流路２１内を摺動する際に、そのような段差に当たり損傷することや、円滑な摺動が阻害されることを抑制できる。ただし、第１流路２１を区画する部材の内周面のうち第１開閉弁４１と隣り合う部分にテーパ部Ｔ１が形成されていなくてもよい。

なお、固定翼１３ａの第１開口２１ａは、チャンバ１７内の土砂と直接的に接する部分になるので、第１開口２１ａの周辺部と栓部材３１の前面に対しては、硬化肉盛などの耐摩耗処理を施してもよく、また、第１開口２１ａが掘削土砂の塊などにより閉塞されることのないように、第１開口２１ａには、第１流路２１に取り込む土砂の塊など大きさを規制する規制材を設けてもよい。

なお、上記で説明した土砂サンプリング装置１００では、栓部材３１は、第１流路２１において、水密性の確保の機能（つまり、シール機能）を有する。ゆえに、栓部材３１を第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側に移動させた時に、この機能を点検でき、メンテナンスできるようにしてもよい。

なお、土砂サンプリング装置１００には、密度計７１が設けられなくてもよい。ただし、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側（つまり、機内側）、または、第２流路２２に密度計７１が設けられることにより、密度計７１の検出結果を用いて、サンプリング対象の土砂が密度計７１の設置位置を通過しているかどうか（あるいは、設置位置に充填されているかどうか）を把握できる。また、土砂サンプリング装置１００内に取り込まれた掘削土砂の密度は、その取り扱いの過程で、土水分離や水分の蒸発によって変化する可能性がある。ゆえに、この密度計７１の検出結果を用いて、土砂サンプリング装置１００内に取り込む過程にある掘削土砂の密度を監視することは有用である。

なお、上記では、移動機構３２が、栓部材３１を、第１流路２１と第２流路２２との分岐位置Ｐ１を跨いで、第１流路２１内で摺動させる例を説明した。つまり、上記の例では、栓部材３１の全体（つまり、栓部材３１のうち前端から後端までの全ての部分）が、分岐位置Ｐ１を跨ぐように第１流路２１内を摺動する。ただし、移動機構３２は、栓部材３１を、栓部材３１の少なくとも前端が第１流路２１と第２流路２２との分岐位置Ｐ１を跨ぐように、第１流路２１内で摺動させればよい。

例えば、栓部材３１が上記の例と比べて軸方向に長い長尺部材であり、栓部材３１の先端が第１開口２１ａの近傍に位置している待機状態（上記の例では、図２の状態）において、第１流路２１内で栓部材３１が分岐位置Ｐ１より軸方向前方から軸方向後方までに亘って延在していてもよい。この場合、栓部材３１の先端は図２と同じ位置に位置しているものの、栓部材３１の後端は第１流路２１のうち分岐位置Ｐ１に対して第１開口２１ａ側と逆側に位置する。この場合にも、掘削土砂のサンプリング時には、上記の例における図３の状態と同様に、栓部材３１の先端は分岐位置Ｐ１を跨いで第１流路２１のうち分岐位置Ｐ１より軸方向後方まで後退する。ゆえに、掘削土砂のサンプリングを行うことができる。

このような栓部材３１が長尺部材である例では、栓部材３１の後端は、栓部材３１の前端の位置によらず、第１流路２１のうち分岐位置Ｐ１に対して第１開口２１ａ側と逆側に位置する。ここで、栓部材３１の断面形状は、上述したように、第１流路２１の流路断面の形状に対応する。例えば、第１流路２１の流路断面の形状が円形状の場合、栓部材３１の断面形状も円形状となる。そして、栓部材３１が長尺部材である例において、栓部材３１の外径は略一定であり、栓部材３１の外周面と第１流路２１の内周面との隙間は、軸方向位置によらず略一定である。それにより、掘削土砂のサンプリング時に、栓部材３１が軸方向後方に後退する過程で、第１流路２１のうち分岐位置Ｐ１より軸方向後方において、栓部材３１の外周面と第１流路２１の内周面との隙間が小さい状態を維持できるので、当該隙間に土砂や異物が侵入することを抑制できる。

<トンネル掘削機の効果>
本発明の実施形態に係るトンネル掘削機１の効果について説明する。

トンネル掘削機１では、隔壁１３には、土砂サンプリング装置１００が設けられており、土砂サンプリング装置１００は、固定翼１３ａの先端部に第１開口２１ａを有する第１流路２１と、第１流路２１から分岐し、隔壁１３よりも軸方向後方に第２開口２２ａを有する第２流路２２と、第１流路２１内に摺動可能に設けられる栓部材３１と、栓部材３１を、栓部材３１の少なくとも前端が第１流路２１と第２流路２２との分岐位置Ｐ１を跨ぐように、第１流路２１内で摺動させる移動機構３２と、第１流路２１のうち分岐位置Ｐ１に対して第１開口２１ａ側に設けられ、第１流路２１を開閉可能な第１開閉弁４１と、を有する。

それにより、栓部材３１を移動機構３２によって軸方向後方に向けて退避位置まで移動させることによって、チャンバ１７内の掘削土砂を、固定翼１３ａの先端部に設けられる第１開口２１ａから吸引し、回収できる。ゆえに、例えば回転するスクリュー羽根を用いて掘削土砂をサンプリングする場合と異なり、チャンバ１７内の掘削土砂の性状に変化を与えることなく、当該掘削土砂をサンプリングできる。さらに、サンプリング土砂の取り込み口である第１開口２１ａが固定翼１３ａの先端部に設けられることによって、チャンバ１７内において隔壁１３から離隔した位置の掘削土砂をサンプリングできる。

上記のように、本実施形態に係るトンネル掘削機１によれば、チャンバ１７内において隔壁１３から離隔した位置の掘削土砂を当該掘削土砂の性状に変化を与えることなくサンプリングすることができる。それにより、カッタヘッド１１からチャンバ１７に取り込まれた掘削土砂の性状が適切かどうかをより精度良く確認することが可能となる。

好ましくは、トンネル掘削機１では、土砂サンプリング装置１００は、第２開口２２ａを開閉可能な第２開閉弁４２をさらに備える。それにより、第２流路２２が第２開口２２ａを介して第２流路２２の外部の空間と連通せずに遮断された状態にすることができ、第２流路２２の外部の空間への掘削土砂の流入を停止できる。ゆえに、採取された掘削土砂をこの状態で回収できるので、掘削土砂の回収時における安全性を向上できる。

好ましくは、トンネル掘削機１では、土砂サンプリング装置１００は、第２開口２２ａに取り付けられるサンプリング箱５１をさらに備える。それにより、掘削土砂のサンプリング時に採取された掘削土砂をサンプリング箱５１に貯留させることができる。ゆえに、掘削土砂のサンプリング時に採取された掘削土砂が機内に漏れ出ることが抑制される。また、サンプリング箱５１を回収することで、採取された掘削土砂を容易かつ迅速に回収できるので、掘削土砂の回収作業の作業性が向上される。

好ましくは、トンネル掘削機１では、サンプリング箱５１は、第２開口２２ａに取り付けられた状態において、外部に対して気密に設けられ、サンプリング箱５１には、第１エア抜き弁６１が設けられている。それにより、掘削土砂のサンプリング時に、サンプリング箱５１に送られた掘削土砂がサンプリング箱５１から漏れ出ることが抑制される。さらに、掘削土砂のサンプリング時に、サンプリング箱５１内の空気を第１エア抜き弁６１によって外部に排出することで、サンプリング箱５１に掘削土砂を円滑に送ることができる。

好ましくは、トンネル掘削機１では、土砂サンプリング装置１００は、第１開閉弁４１が閉鎖された状態において、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側、および、第２流路２２と連通する開口である洗浄口２３ａと、洗浄口２３ａを開閉可能な第３開閉弁４３、または、洗浄口２３ａに設けられる逆止弁と、をさらに備える。それにより、洗浄口２３ａを介して水等の流体を第１流路２１および第２流路２２に供給することによって、土砂サンプリング装置１００の洗浄を行うことができる。

好ましくは、トンネル掘削機１では、洗浄口２３ａは、第２流路２２の延長線上に配置される。それにより、洗浄口２３ａから供給された水等の流体を、第１流路２１のみならず、第２流路２２にも円滑に供給することができる。ゆえに、第１流路２１および第２流路２２を適切に洗浄できる。

好ましくは、トンネル掘削機１では、土砂サンプリング装置１００は、第１開閉弁４１が閉鎖された状態において、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側、および、第２流路２２と連通する第２エア抜き弁６２をさらに備える。それにより、第１開閉弁４１の水密性が確保されているか否かの確認、および、栓部材３１の水密性が確保されているか否かの確認を行うことができる。さらに、栓部材３１の移動を円滑化することができる。

好ましくは、栓部材３１の後端は、栓部材３１の前端の位置によらず、第１流路２１のうち分岐位置Ｐ１に対して第１開口２１ａ側と逆側に位置する。それにより、掘削土砂のサンプリング時に、栓部材３１が軸方向後方に後退する過程で、第１流路２１のうち分岐位置Ｐ１より軸方向後方において、栓部材３１の外周面と第１流路２１の内周面との隙間が小さい状態を維持できるので、当該隙間に土砂や異物が侵入することを抑制できる。

好ましくは、トンネル掘削機１では、土砂サンプリング装置１００は、第１流路２１のうち第１開閉弁４１に対して分岐位置Ｐ１側、または、第２流路２２に設けられる密度計７１をさらに備える。それにより、上述したように、サンプリング対象の土砂が密度計７１の設置位置を通過しているかどうか（あるいは、設置位置に充填されているかどうか）の把握、および、土砂サンプリング装置１００内に取り込む過程にある掘削土砂の密度の監視を実現できる。

好ましくは、トンネル掘削機１では、移動機構３２は、栓部材３１と接続される油圧ジャッキを含む。それにより、栓部材３１を第１流路２１内で摺動させることが適切に実現される。

好ましくは、トンネル掘削機１では、固定翼１３ａの先端部は、チャンバ１７内におけるサンプリング箇所に対応する位置に配置される。上述したように、本実施形態に係るトンネル掘削機１では、第１開口２１ａが固定翼１３ａの先端部に設けられることによって、チャンバ１７内において隔壁１３から離隔した位置の掘削土砂をサンプリングできる。ここで、第１開口２１ａが設けられる固定翼１３ａの先端部の位置に応じて、土砂サンプリング装置１００によりサンプリングされる掘削土砂のチャンバ１７内における位置が変化する。ゆえに、例えば、チャンバ１７内におけるサンプリング箇所（つまり、サンプリングしたい掘削土砂が存在する箇所）を含む所定範囲内に、固定翼１３ａの先端部を配置することによって、所望する位置の掘削土砂をサンプリングできる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、上記では、土圧式（泥土圧式を含む。）のトンネル掘削機１を説明したが、本発明に係るトンネル掘削機は、泥水式であってもよい。

また、例えば、上記では、図面を参照して、トンネル掘削機１の各構成要素を説明したが、図面における各構成要素の寸法および位置関係はあくまでも例示に過ぎないので、トンネル掘削機１の各構成要素の寸法および位置関係は図面に示す例に限定されない。また、図面に例示されたトンネル掘削機１に対して構成要素が適宜追加、削除または変更されてもよい。

１ トンネル掘削機
１０ 掘削機本体
１１ カッタヘッド
１１ａ 外周リング
１１ｂ 内周リング
１１ｃ カッタスポーク
１１ｄ フィッシュテールカッタ
１１ｅ カッタビット
１１ｆ 攪拌翼
１２ カッタ回転軸
１３ 隔壁
１３ａ 固定翼
１３ｂ 流路形成部材
１４ 回転リング
１４ａ リングギヤ
１５ 連結ビーム
１６ カッタ旋回用モータ
１６ａ 駆動ギヤ
１７ チャンバ
１８ スクリューコンベヤ
１８ａ スクリュー羽根
１９ シールドジャッキ
１９ａ 駆動ロッド
２１ 第１流路
２１ａ 第１開口
２２ 第２流路
２２ａ 第２開口
２３ 第３流路
２３ａ 洗浄口
３１ 栓部材
３２ 移動機構
３２ａ 駆動ロッド
４１ 第１開閉弁
４１ａ 弁体
４２ 第２開閉弁
４２ａ 弁体
４３ 第３開閉弁
５１ サンプリング箱
６１ 第１エア抜き弁
６２ 第２エア抜き弁
７１ 密度計
１００ 土砂サンプリング装置
Ｐ１ 分岐位置
Ｓ セグメント
Ｔ トンネル
Ｔ１ テーパ部
Ｖ 排出口

Claims (11)

1. 筒状の掘削機本体と、
   前記掘削機本体の前端に回転可能に設けられるカッタヘッドと、
   前記カッタヘッドよりも前記掘削機本体の軸方向後方に、前記カッタヘッドと前記軸方向に間隔を空けて配置される隔壁と、
   前記カッタヘッドと前記隔壁との間に区画される空間であるチャンバと、
   前記隔壁の前面から前記チャンバに突出する固定翼と、
   を備え、
   前記隔壁には、土砂サンプリング装置が設けられており、
   前記土砂サンプリング装置は、
   前記固定翼の先端部に第１開口を有する第１流路と、
   前記第１流路から分岐し、前記隔壁よりも前記軸方向後方に第２開口を有する第２流路と、
   前記第１流路内に摺動可能に設けられる栓部材と、
   前記栓部材を、前記栓部材の少なくとも前端が前記第１流路と前記第２流路との分岐位置を跨ぐように、前記第１流路内で摺動させる移動機構と、
   前記第１流路のうち前記分岐位置に対して前記第１開口側に設けられ、前記第１流路を開閉可能な第１開閉弁と、
   を有する、
   トンネル掘削機。
2. 前記土砂サンプリング装置は、前記第２開口を開閉可能な第２開閉弁をさらに備える、
   請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記土砂サンプリング装置は、前記第２開口に取り付けられるサンプリング箱をさらに備える、
   請求項１または２に記載のトンネル掘削機。
4. 前記サンプリング箱は、前記第２開口に取り付けられた状態において、外部に対して気密に設けられ、
   前記サンプリング箱には、第１エア抜き弁が設けられている、
   請求項３に記載のトンネル掘削機。
5. 前記土砂サンプリング装置は、
   前記第１開閉弁が閉鎖された状態において、前記第１流路のうち前記第１開閉弁に対して前記分岐位置側、および、前記第２流路と連通する開口である洗浄口と、
   前記洗浄口を開閉可能な第３開閉弁、または、前記洗浄口に設けられる逆止弁と、
   をさらに備える、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
6. 前記洗浄口は、前記第２流路の延長線上に配置される、
   請求項５に記載のトンネル掘削機。
7. 前記土砂サンプリング装置は、前記第１開閉弁が閉鎖された状態において、前記第１流路のうち前記第１開閉弁に対して前記分岐位置側、および、前記第２流路と連通する第２エア抜き弁をさらに備える、
   請求項１～６のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
8. 前記栓部材の後端は、前記栓部材の前端の位置によらず、前記第１流路のうち前記分岐位置に対して前記第１開口側と逆側に位置する、
   請求項１～７のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
9. 前記土砂サンプリング装置は、前記第１流路のうち前記第１開閉弁に対して前記分岐位置側、または、前記第２流路に設けられる密度計をさらに備える、
   請求項１～８のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
10. 前記移動機構は、前記栓部材と接続される油圧ジャッキを含む、
    請求項１～９のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
11. 前記固定翼の先端部は、前記チャンバ内におけるサンプリング箇所に対応する位置に配置される、
    請求項１～１０のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。

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