JP5876378B2 - 土砂サンプリング装置、及び、土砂のサンプリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機の前方地山の土砂をサンプリングする装置、及び、この装置を用いる土砂のサンプリング方法に関する。

特許文献１は、シールド掘進機の切羽の前方探査方法において、Ｓ波を用いて前方探査を行うことを開示している。特許文献１では、シールド掘進機が、その前部にカッタフェース（カッタ面板）を備え、側部にスキンプレートを備えている。カッタフェースには複数の発振部が配置されている。カッタフェース又はスキンプレートには複数の受振部が配置されている。特許文献１では、各発振部からＳ波を発振し、切羽の前方に存在する破砕帯等により反射した波を、複数の受振部にて受振する。特許文献１では、この受振した反射波に基づいて速度層の境界を検知することで、破砕帯等を検出する。

特開２００９−１８５５１１号公報

ところで、近年、シールド掘進機を用いるトンネル施工では、地山の性状（例えば、土砂の種類、粒度等）に応じて施工条件を最適化するべく、シールド掘進機の前方の地山性状を事前に把握することが求められている。
しかしながら、特許文献１に記載の切羽の前方探査方法では、破砕帯等の有無を把握することは可能であるが、土砂の種類や粒度等を具体的に把握することは難しい。
本発明は、このような実状に鑑み、シールド掘進機の前方地山の性状を把握することを目的とする。

そのため本発明に係る土砂サンプリング装置は、トンネル掘進方向前端部に配置されたカッタ面板と、このカッタ面板の後方に配置されてカッタ面板との間にカッタチャンバを区画するシールド隔壁とを有するシールド掘進機の前方地山の土砂をサンプリングするものであり、シールド隔壁の後方に基端部が位置し、シールド隔壁に予め貫通形成された貫通孔と、カッタチャンバと、カッタ面板に予め貫通形成された貫通孔と、を通って、カッタ面板より前方の地山内に先端部が突出可能なボーリング管と、ボーリング管を回転させつつトンネル掘進方向に前進させる回転駆動装置と、を備える。ボーリング管は、その外管と内管との間の空間を第１流路として、内管内の空間を第２流路とする２重管構造を有する。ボーリング管の上記前進時に、ボーリング管の第１流路に供給された流体がボーリング管の先端部より吐出され、ボーリング管の先端部近傍の掘削土砂が第２流路を流通してボーリング管の基端部にてサンプリング位置に対応するように連続的に回収される。

また本発明に係る土砂のサンプリング方法では、上述の土砂サンプリング装置を用いて、ボーリング管の上記前進時に、ボーリング管の第１流路に流体を供給してボーリング管の先端部より流体を吐出させ、ボーリング管の先端部近傍の掘削土砂を第２流路に流通させてボーリング管の基端部にてサンプリング位置に対応するように連続的に回収する。

本発明によれば、カッタ面板より前方の地山内にボーリング管の先端部を突出させることにより、ボーリング管の先端部近傍に掘削土砂が発生する。また、上記突出時に、ボーリング管の第１流路に流体を供給してボーリング管の先端部より流体を吐出させる。これにより、吐出流体がボーリング管の先端部近傍の掘削土砂に作用して、この掘削土砂が第２流路を先端側から基端側へ流通する。そして、第２流路を流通してきた掘削土砂が、ボーリング管の基端部（すなわち、シールド隔壁の後方）にて回収される。従って、シールド掘進機の前方にてサンプリングされた土砂をシールド掘進機のシールド隔壁の後方にて回収することができるので、この回収した土砂の性状（例えば、種類、粒度等）を比較的容易に把握することができる。

本発明の一実施形態におけるシールド掘進機及び土砂サンプリング装置の概略構成図 口元装置の概略構成図 ボーリング管の横断面図 ボーリング管の先端部の縦断面図 水平ボーリング装置の概略構成図 エアースイベルの概略構成図 土砂回収装置の概略構成図 土砂のサンプリング方法を示す図

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態におけるシールド掘進機及び土砂サンプリング装置の概略構成を示す。
尚、本実施形態では、切羽側を前側とする一方、坑口側を後側とする。
また本実施形態では、いわゆる泥土圧式のシールド掘進機を例にとって、シールド掘進機の前方地山の土砂のサンプリングについて説明するが、シールド掘進機の種類はこれに限らない。

シールド掘進機１は、円筒状の掘進機本体２の側部に配置されるスキンプレート３と、掘進機本体２の前端部に配置される掘削用のカッタ面板（カッタヘッド）４と、カッタ面板４の後方に離間して配置されるシールド隔壁（バルクヘッド）５とを含んで構成される。

カッタ面板４は、シールド隔壁５に回転自在に支持されており、シールド隔壁５の後面に設置された回転駆動装置６を駆動源として、回転しながら地山を掘削する。
カッタ面板４とシールド隔壁５との間には、これらとスキンプレート２とによりカッタチャンバ７が区画形成されている。
カッタチャンバ７内では、カッタ面板４による掘削で生じた掘削土砂が滞留する。

カッタチャンバ７内には、図示しない加泥材注入管を介して、加泥材が供給される。ここで加泥材とは、一般に、掘削土砂を塑性流動化させるために用いられるものである。カッタチャンバ７に投入される加泥材の種類や投入量は、掘削土砂の性状（例えば、土砂の種類、粒度等）に応じて設定される。

シールド掘進機１は、カッタチャンバ７内で滞留した掘削土砂をシールド隔壁５の後方に搬出する土砂搬出装置（例えば、スクリューコンベア）８を備える。
シールド掘進機１は、掘進機本体２の後方に、図示しないエレクターを備える。エレクターは、円弧状断面を有するセグメント１１を組立てて、円筒状の覆工体１２を構築する。

シールド掘進機１の掘進機本体２の周縁部には、複数の推進ジャッキ１３が、掘進機本体２の周方向に互いに間隔を空けて配置されている。
推進ジャッキ１３は、シリンダ１３ａとロッド１３ｂとにより構成される油圧ジャッキである。シリンダ１３ａは、その一端が掘進機本体２に固定されており、他端側にて、ロッド１３ｂが進出・退入可能となっている。推進ジャッキ１３のロッド１３ｂの先端部を既設のセグメント１１に当接させた状態で推進ジャッキ１３を伸長作動させることにより、シールド掘進機１は推進力を得ることができる。このようにして、推進ジャッキ１３は、既設のセグメント１１から反力を取ってシールド掘進機１を推進させる。

カッタ面板４には、それをトンネル軸方向に貫通する第１貫通孔１４が形成されている。第１貫通孔１４は、その内径が、後述するボーリング管４０の外径よりも大きく形成されている。
シールド隔壁５には、それをトンネル軸方向に貫通する第２貫通孔１５が形成されている。第２貫通孔１５は、その内径が、後述するボーリング管４０の外径よりも大きく形成されている。
ここで、カッタ面板４の第１貫通孔１４は、シールド隔壁５の第２貫通孔１５に比べて、大径である。
また、カッタ面板４の第１貫通孔１４と、シールド隔壁５の第２貫通孔１５とは、カッタ面板４の回転停止時に、貫通孔同士の中心がトンネル軸方向で略一致するように形成されている。

シールド掘進機１の前方地山の土砂をサンプリングする土砂サンプリング装置２０は、口元装置３０と、トンネル軸方向に延在するボーリング管４０と、ボーリング管４０を回転駆動する水平ボーリング装置５０と、ボーリング管４０の基端部（後端部）に設置されるエアースイベル６０と、土砂回収装置７０とにより構成される。

口元装置３０の概略構成について図２を用いて説明する。
図２は、口元装置３０の概略構成を示す。

口元装置３０は、口元管路３１と、口元管路３１の途中に設けられてその開放／閉鎖を行うための複数（図では２つ）の開閉弁３２と、開閉弁３２の後方の口元管路３１に設けられたピンチ弁３３とにより構成されている。尚、本実施形態では開閉弁３２としてゲート弁を用いて以下説明するが、開閉弁３２の形式はこれに限らず、例えば、開閉弁３２としてボール弁を用いてもよい。ここで、開閉弁３２の操作上のスペースに制限がある場合には、開閉弁３２としてゲート弁が用いられ得る。また、開閉弁３２で比較的高い止水性が求められる場合には開閉弁３２としてボール弁が用いられ得る。

口元管路３１は、その前端がシールド隔壁５の後面に接続されて後方に所定の長さで延在している。また、口元管路３１は、その前端の開口部がシールド隔壁５の第２貫通孔１５に連続している。これにより、口元管路３１は第２貫通孔１５を介してカッタチャンバ７に連通する。

口元管路３１の前部にて分岐して下方に延びる分岐管路３４の下端には、圧抜き用のボール弁３５が設けられている。尚、ボール弁３５の代わりとして、ゲート弁等他の形式のバルブを用いることも可能である。
分岐管路３４との分岐部より後方の口元管路３１には、開閉弁３２が設けられている。開閉弁３２を開弁／閉弁すると、口元管路３１が開放／閉鎖される。尚、本実施形態では、２つの開閉弁３２を前後方向に直列に配置することで、開閉弁３２のフェールセーフ性を向上させている。

ピンチ弁３３は、円筒状のケーシング３３ａと、その内部に配置された鼓形のゴムスリーブ３３ｂと、ケーシング３３ａとゴムスリーブ３３ｂとの間の空間に流体（例えば、加圧空気）を供給する流体供給ライン３３ｃと、ケーシング３３ａとゴムスリーブ３３ｂとの間の空間の圧抜きを行うための圧抜き弁３３ｄとにより構成されている。
流体供給ライン３３ｃの途中にはボール弁３３ｅが設けられている。このボール弁３３ｅは、ケーシング３３ａとゴムスリーブ３３ｂとの間の空間内の流体圧を調節するために用いられる。尚、ボール弁３３ｅの代わりとして、ゲート弁等他の形式のバルブを用いることも可能である。

圧抜き弁３３ｄを閉弁した状態で、ボール弁３３ｅを用いて流体圧を調節しつつ、流体供給ライン３３ｃよりケーシング３３ａとゴムスリーブ３３ｂとの間の空間に流体を供給すると、その流体圧により、ゴムスリーブ３３ｂがその外側から内側に押圧されて弾性変形する。従って、流体圧を上昇させるほど、ゴムスリーブ３３ｂの内部空間の断面積が減少して、この結果、口元管路３１の断面積が実質的に減少する。
この後に、ボール弁３３ｅを閉弁した状態で、圧抜き弁３３ｄを開弁すると、ケーシング３３ａとゴムスリーブ３３ｂとの間の空間が減圧されて、これにより、ゴムスリーブ３３ｂの内部空間の断面積が流体供給前の状態に戻る。

口元管路３１は、その内径が、ボーリング管４０の外径よりも大きい。また、上述のように、シールド隔壁５の第２貫通孔１５は、その内径が、ボーリング管４０の外径よりも大きく形成されている。また、上述のように、カッタ面板４の第１貫通孔１４は、その内径が、ボーリング管４０の外径よりも大きく形成されている。また、上述のように、カッタ面板４の第１貫通孔１４と、シールド隔壁５の第２貫通孔１５とは、カッタ面板４の回転停止時に、貫通孔同士の中心がトンネル軸方向で略一致するように形成されている。従って、カッタ面板４の回転停止時に、開閉弁３２が開いている状態では、ボーリング管４０を、口元管路３１、シールド隔壁５の第２貫通孔１５、及び、カッタ面板４の第１貫通孔１４に挿通させて、ボーリング管４０の先端部を、カッタ面板４より前方の地山内に突出させることができる。

また、ボーリング管４０が口元管路３１内に挿通された状態で、ピンチ弁３３にて、流体供給ライン３３ｃからの流体供給によるゴムスリーブ３３ｂの弾性変形を行うことにより、ゴムスリーブ３３ｂがボーリング管４０の外周面に密着する。これにより、ピンチ弁３３のゴムスリーブ３３ｂが、口元管路３１の後端部の内周面と、ボーリング管４０の外周面との間を塞ぐシール部材として機能する。

ボーリング管４０の概略構成について、図１、図３及び図４を用いて説明する。
図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ボーリング管４０を構成するボーリングロッド４１の横断面を示す。図４は、ボーリング管４０を構成するボーリングビット４２の縦断面を示す。尚、図４は、ボーリング管４０の先端部（ボーリングビット４２）が、カッタ面板４より前方の地山内に突出している状態を示している。

ボーリング管４０は、トンネル軸方向に直列に連結されるボーリングロッド４１と、ボーリングロッド４１の前端（先端）に設けられるボーリングビット４２と、により構成される。
図３（ａ）及び図４に示すように、ボーリングロッド４１とボーリングビット４２とは、それぞれ、円形断面の外管４３と内管４４とからなる２重管構造を有している。換言すれば、ボーリング管４０は、外管４３と内管４４とからなる２重管構造を有している。
外管４３と内管４４との間には空間があり、この空間を第１流路４５と称して以下説明する。また、内管４４内の空間を第２流路４６と称して以下説明する。

ボーリングロッド４１は、その少なくとも一部が、図３（ｂ）に示すような断面形状を有する。例えば、ボーリングロッド４１の前部と後部とが、図３（ｂ）に示すような断面形状を有する。
図３（ｂ）に示すように、内管４４には、その外周面から径方向外方に放射状に突出した４つの凸部４７が設けられている。内管４４は、凸部４７を介して、例えば圧入により、外管４３の内周面に連結固定されている。すなわち、内管４４が、凸部４７を介して、外管４３と一体化されている。従って、凸部４７が、本発明における固定部として機能して、外管４３と内管４４とを互いに固定する。ここで、凸部４７（本発明における固定部）は、外管４３と内管４４とが一体に動くように、これらを連結固定する。
尚、本実施形態では、本発明における固定部として凸部４７を例示して説明したが、外管４３と内管４４とが一体に動くようにこれらを固定部が連結固定できるのであれば、固定部の配置位置、形状、個数は、上述の例示に限らない。

図４に示すように、ボーリングビット４２では、内管４４が、外管４３に比べて前方に突出している。また、内管４４の先端部には、第１流路４５と第２流路４６とを連通する連通孔４８が形成されている。

第１流路４５は、エアースイベル６０からの流体（空気及び／又は水）が流通する流路であり、この流体は、ボーリングビット４２の先端部（ボーリング管４０の先端部）より吐出される。
第２流路４６は、ボーリング管４０の先端部近傍の掘削土砂Ｓが流通する流路であり、この掘削土砂Ｓは、土砂回収装置７０にて回収される。
第１流路４５を流通する流体の一部は、連通孔４８を通って、第２流路４６に流入する。これにより、第２流路４６における掘削土砂Ｓの流通を促進することが可能である。

ボーリング管４０を回転駆動する水平ボーリング装置５０について、図１及び図５を用いて説明する。
図５は、水平ボーリング装置５０の概略構成を示す。

水平ボーリング装置５０は、シールド隔壁５の後方に予め設けられた仮設足場５１上に設置される。
水平ボーリング装置５０は、仮設足場５１上の基台５１ａに載置されてトンネル軸方向に沿う長辺を有する矩形状のベース５２と、ベース５２に沿ってトンネル軸方向に往復移動する図示しないフィードシリンダと、フィードシリンダの往復移動に応じてベース５２上をトンネル軸方向に往復移動するスイベルヘッド５３及びガイド５４とにより構成される。ここで、スイベルヘッド５３及びガイド５４は、図５に示す前端位置Ｆと後端位置Ｒとの間で往復移動する。ベース５２の側部には、高さ調節用の複数のスクリュージャッキ５２ａが取り付けられている。

スイベルヘッド５３は、図示しないモータを駆動源として、図示しない油圧チャックによりボーリング管４０をその外側から挟持しつつ回転させる。
従って、水平ボーリング装置５０は、スイベルヘッド５３によりボーリング管４０を回転させつつ、スイベルヘッド５３をトンネル軸方向に往復移動させることにより、ボーリング管４０をトンネル軸方向に往復移動させることができる。

水平ボーリング装置５０の前端部には、ボーリング管４０を保持するロッドホルダ５５が設けられている。

ボーリング管４０をトンネル掘進方向に前進させる場合には、まず、ボーリング管４０をスイベルヘッド５３の油圧チャックで挟持した状態で、スイベルヘッド５３を後端位置Ｒから前端位置Ｆまで前進させる。次に、ロッドホルダ５５にてボーリング管４０を保持しつつ、スイベルヘッド５３の油圧チャックを解除してスイベルヘッド５３を前端位置Ｆから後端位置Ｒまで後退させて、ボーリング管４０をスイベルヘッド５３の油圧チャックで挟持する。この後、ロッドホルダ５５による保持を解除する。この一連の動作を繰り返すことで、ボーリング管４０の前進が断続的に行われる。尚、スイベルヘッド５３は、本発明における「回転駆動装置」に対応しており、ボーリング管４０を回転させつつトンネル掘進方向に前進させる。

一方、ボーリング管４０をトンネル掘進方向と反対の方向に後退させる場合には、まず、ボーリング管４０をスイベルヘッド５３の油圧チャックで挟持した状態で、スイベルヘッド５３を前端位置Ｆから後端位置Ｒまで後退させる。次に、ロッドホルダ５５にてボーリング管４０を保持しつつ、スイベルヘッド５３の油圧チャックを解除してスイベルヘッド５３を後端位置Ｒから前端位置Ｆまで前進させて、ボーリング管４０をスイベルヘッド５３の油圧チャックで挟持する。この後、ロッドホルダ５５による保持を解除する。この一連の動作を繰り返すことで、ボーリング管４０の後退が断続的に行われる。

図１に戻り、水平ボーリング装置５０の後方の仮設足場５１の上方には、トンネル軸方向に互いに離間してトンネル幅方向に延在する３つの仮設の梁部材８１が設けられている。
３つの梁部材８１には、各々に、チェーンブロック８２が吊り下げられている。
梁部材８１の下方で、かつ、水平ボーリング装置５０の後方のボーリング管４０の上方には、３つのチェーンブロック８２により、走行レール８３が揚重されている。
走行レール８３は、ボーリング管４０に対して平行に延在している。

走行レール８３には、前方から後方に向かって順に、ロッドガイド８４、エアースイベル６０、及び土砂回収装置７０の後述するガイド装置７１が、それぞれの走行装置８５（図６及び図７参照）を介して懸垂している。
ロッドガイド８４はボーリング管４０の前進・後退時のトンネル幅方向のグラツキを抑制するものである。ロッドガイド８４は、その走行装置８５で走行レール８３を走行することが可能である。

エアースイベル６０の概略構成について、図１及び図６を用いて説明する。
図６は、エアースイベル６０の概略構成を示す。

エアースイベル６０は、その上部に走行装置８５を有する。
エアースイベル６０は、上部がブラケット８５ａを介して走行装置８５に取り付けられた円筒状のハウジング６１と、ハウジング６１内に設置された複数（図では２つ）のベアリング６２と、ベアリング６２により支持されて円形断面の外管６３と内管６４とからなる２重管６５と、シール部材６６を介して内管６４の後端部（基端部）に接続する円管６７とにより構成されている。

ボーリング管４０（ボーリングロッド４１）の後端部（基端部）は、２重管６５の前端部に連結されている。また、２重管６５では、ボーリングロッド４１と同様に、外管６３と内管６４とが凸部６９等によって互いに固定されている。ここで、外管６３と内管６４との間には空間があり、この空間は、上述の第１流路４５と連続しているので、第１流路４５とする。また、内管６４内の空間は、上述の第２流路４６と連続しているので、第２流路４６とする。

エアースイベル６０では、その第１流路４５がエアースイベル６０の後部で閉口されている。
エアースイベル６０の下部では、加圧された空気を第１流路４５に供給する空気供給ライン９１がハウジング６１及び外管６３を貫通して、第１流路４５に連通している。空気供給ライン９１には、流量調整用のボール弁９２が設置されている。尚、ボール弁９２の代わりとして、ゲート弁等他の形式のバルブを用いることも可能である。

空気供給ライン９１には、ボール弁９２から第１流路４５に向かう途中に、水供給ライン９３が接続されている。水供給ライン９３には、流量調整用のボール弁９４が設置されている。尚、ボール弁９４の代わりとして、ゲート弁等他の形式のバルブを用いることも可能である。
水供給ライン９３は、加圧された水を、空気供給ライン９１を介して、第１流路４５に供給する。

従って、ボール弁９２を開弁として、ボール弁９４を閉弁とすれば、第１流路４５には空気が供給される。
また、ボール弁９２を閉弁として、ボール弁９４を開弁とすれば、第１流路４５には水が供給される。
また、ボール弁９２、９４を両方共に開弁すれば、第１流路４５には空気及び水が供給される。

第１流路４５に供給される流体の種類は、掘削土砂の種類によって設定され得る。例えば、掘削土砂が砂系であれば、第１流路４５には空気が供給される。また、掘削土砂が粘土系であれば、第２流路での掘削土砂の詰まりを抑制するために、第１流路４５には水が供給されるか、又は、空気と水との両方が供給される。尚、第１流路４５に供給される流体の成分比率（空気と水との比率）については、掘削土砂の性状、掘削土砂の回収の状況、詰まりの程度により、０〜１００％で適時変更することが好ましい。

エアースイベル６０では、その第２流路４６が円管６７の内部空間に連通している。従って、第２流路４６を流通してきた掘削土砂は、円管６７内を流通する。
円管６７には、第２流路４６の開放／閉鎖を切り換えるボール弁９６が設置されている。尚、ボール弁９６の代わりとして、ゲート弁等他の形式のバルブを用いることも可能である。

土砂回収装置７０の概略構成について、図１及び図７を用いて説明する。
図７（ａ）は、土砂回収装置７０の側面図であり、図７（ｂ）は、土砂回収装置７０をその後方から見た図である。

土砂回収装置７０は、ガイド装置７１と土砂受け装置７２とにより構成される。
ガイド装置７１は、その上部にトンネル軸方向に並ぶ２つの走行装置８５を有する。
ガイド装置７１の前側の走行装置８５とエアースイベル６０の走行装置８５とは、接続ロッド９８を介して接続されている。従って、ガイド装置７１は、エアースイベル６０に追従して、走行レール８３を走行することができる。

ガイド装置７１は、上部がブラケット８５ａを介して走行装置８５に取り付けられた箱状のガイド装置本体７１ａを備える。
ガイド装置本体７１ａは、その前面と下面との各々に図示しない開口部が形成されている。これら開口部には、ガイド装置本体７１内にて円弧状に湾曲する円管７１ｂの両端が取り付けられている。
円管７１ｂは、その前端部が、円管６７の後端部（基端部）に接続されている。

土砂受け装置７２は、水受け樋７３と、水受け樋７３の排水ライン７４と、水受け樋７３内に配置された土砂受けスクリーン７５とにより構成される。
水受け樋７３は、ボーリング管４０、エアースイベル６０、及びガイド装置７１の下方の仮設足場５１に載置されている。
水受け樋７３は、上面開口の箱型であり、所定の長さを有して、ボーリング管４０に対して平行に延在する。
尚、本実施形態では、水平ボーリング装置５０のスイベルヘッド５３の可動範囲（図５に示す前端位置Ｆから後端位置Ｒまでの距離）を１ストロークとして、約２ストローク分を、水受け樋７３の所定の長さとして図示しているが、水受け樋７３の長さはこれに限らない。

土砂受けスクリーン７５は、上面開口の半円形断面を有し、水受け樋７３と同様の所定の長さを有して、ボーリング管４０に対して平行に延在する。土砂受けスクリーン７５の上面は、ガイド装置７１の円管７１ｂの下端部に対向している。土砂受けスクリーン７５は、例えば、パンチングメタル製である。

円管６７よりガイド装置７１の円管７１ｂに流通してきた掘削土砂は、円管７１ｂによりスムーズに土砂受け装置７２の土砂受けスクリーン７５に導かれる。そして、掘削土砂の水分が多い場合には、その水分が、土砂受けスクリーン７５を通過して、水受け樋７３に落下して、排水ライン７４より排出される。従って、土砂受けスクリーン７５では、水分が過多ではない試料を回収することができる。

また、ガイド装置７１は、ボーリング管４０の前進に追従するのに対し、土砂受け装置７２は、ボーリング管４０の前進に追従しない。つまり、ボーリング管４０の前進時に、ガイド装置７１は、土砂受け装置７２に対して相対的に前進する。従って、ボーリング管４０の前進時における掘削土砂のサンプリング位置に対応させて、土砂受け装置７２（土砂受けスクリーン７５）にて試料が順に連続的に回収されるので、サンプリング位置と試料との関係を簡易に把握することができる。

次に、図１〜図８を用いて、掘削土砂のサンプリング方法を説明する。
図８（ａ）は、土砂サンプリング装置２０による土砂サンプリングの開始前の状態を示す。図８（ｂ）は、土砂サンプリング装置２０による土砂サンプリングの終了前の状態を示す。

シールド掘進機１が地山を掘進している状態では、口元装置３０の開閉弁３２及びボール弁３５は閉弁している。このときに、土砂サンプリング装置２０は、図８（ａ）に示す状態である。この状態では、ボーリング管４０のボーリングビット４２が、図２に示すビット退避位置（すなわち、ピンチ弁３３の位置）に位置する。
この後、シールド掘進機１の運転停止時に（具体的には、カッタ面板４の回転停止時に）、土砂サンプリング装置２０による土砂サンプリングを行う。

まず、カッタ面板４の回転停止時に、カッタ面板４の第１貫通孔１４の中心と、シールド隔壁５の第２貫通孔１５の中心とを、トンネル軸方向で略一致させる。
次に、ピンチ弁３３にて、流体供給ライン３３ｃからの流体供給によりゴムスリーブ３３ｂの弾性変形を行わせて、ゴムスリーブ３３ｂをボーリング管４０の外周面に密着させる。これにより、ピンチ弁３３のゴムスリーブ３３ｂが、口元管路３１の後端部の内周面と、ボーリング管４０の外周面との間を塞ぐシール部材として機能する。
次に、開閉弁３２を開弁する。

次に、水平ボーリング装置５０のスイベルヘッド５３によりボーリング管４０を回転させつつ、スイベルヘッド５３をトンネル掘進方向に前進させることにより、ボーリング管４０をトンネル掘進方向に前進させる。
ボーリング管４０の前進により、ボーリング管４０は、口元管路３１、シールド隔壁５の第２貫通孔１５、カッタチャンバ７、及び、カッタ面板４の第１貫通孔１４を通って、ボーリング管４０の先端部（ボーリングビット４２）が、カッタ面板４より前方の地山内に突出して地山を掘削する。これにより、ボーリング管４０の先端部近傍に掘削土砂が発生する。

次に、ボーリング管４０の第１流路４５に流体（空気及び／又は水）を供給して、ボーリング管４０の先端部（ボーリングビット４２）より流体を吐出させる。これにより、吐出流体がボーリング管４０の先端部近傍の掘削土砂に作用して、この掘削土砂が流体に乗って第２流路４６を先端側（前端側）から基端側（後端側）へ流通する。そして、第２流路４６を流通してきた掘削土砂が、土砂回収装置７０（すなわち、シールド隔壁５の後方）にて回収される。

この後、ボーリング管４０の前進は、上述のように、スイベルヘッド５３のストローク毎に、断続的に行われる。
また、ボーリング管４０の前進が進むにつれて、土砂受けスクリーン７５上の試料が土砂受けスクリーン７５の前端部に近づいてくると、土砂受けスクリーン７５を新たなものに交換して、土砂受け装置７２を前進させる。

このようにしてボーリング管４０の前進と土砂のサンプリングとを行い、図８（ｂ）に示すような状態になると、ボーリング管４０の前進と、ボーリング管４０の第１流路４５への流体（空気及び／又は水）の供給とを停止する。

この後に、水平ボーリング装置５０のスイベルヘッド５３によりボーリング管４０を回転させつつ、スイベルヘッド５３をトンネル掘進方向と反対方向に後退させることにより、ボーリング管４０を後退させる。ボーリング管４０の後退は、上述のように、スイベルヘッド５３のストローク毎に、断続的に行われる。
ボーリング管４０の後退が進むと、ボーリング管４０の先端部（ボーリングビット４２）が、カッタ面板４より後方に退入し、シールド隔壁５の第２貫通孔１５、及び口元管路３１を通って、上述のビット退避位置に到着した時点で、ボーリング管４０の後退を終了する。
そして、開閉弁３２を閉弁する。
このようにして、掘削土砂のサンプリングが行われる。

サンプリングされた掘削土砂の性状（例えば、土砂の種類、粒度等）に応じて、シールド掘削時にカッタチャンバ７に投入される加泥材の種類や投入量、推進ジャッキ１３の伸長速度等が設定される。

本実施形態によれば、シールド掘進機１は、トンネル掘進方向前端部に配置されたカッタ面板４と、このカッタ面板４の後方に配置されてカッタ面板４との間にカッタチャンバ７を区画するシールド隔壁５とを有する。土砂サンプリング装置２０は、シールド掘進機１の前方地山の土砂をサンプリングするものであり、シールド隔壁５の後方に基端部が位置し、シールド隔壁５に予め貫通形成された貫通孔（第２貫通孔１５）と、カッタチャンバ７と、カッタ面板４に予め貫通形成された貫通孔（第１貫通孔１４）と、を通って、カッタ面板４より前方の地山内に先端部が突出可能なボーリング管４０を備える。カッタ面板４より前方の地山内にボーリング管４０の先端部を突出させると、ボーリング管４０の先端部近傍に掘削土砂が発生する。また、ボーリング管４０の先端部の地山への突出時に、ボーリング管４０の第１流路４５に供給された流体（空気及び／又は水）がボーリング管４０の先端部より吐出される。これにより、吐出流体がボーリング管４０の先端部近傍の掘削土砂に作用して、この掘削土砂が第２流路４６を先端側（前端側）から基端側（後端側）へ流通する。そして、第２流路４６を流通してきた掘削土砂が、ボーリング管４０の基端部（すなわち、シールド隔壁の後方）にて土砂回収装置７０により回収される。従って、シールド掘進機１の前方にてサンプリングされた土砂をシールド掘進機１のシールド隔壁５の後方にて回収することができるので、この回収した土砂の性状（例えば、種類、粒度等）を比較的容易に把握することができる。

また本実施形態によれば、ボーリング管４０は、その外管４３と内管４４とを互いに固定する固定部（凸部４７）を備える。これにより、内管４４が固定部（凸部４７）を介して外管４３と一体化されるので、ボーリング管４０の外管４３のみを回転・前進させることで、内管４４も回転・前進させることができ、この結果、内管４４を回転・前進させるための回転駆動装置を省略することができる。

また本実施形態によれば、ボーリング管４０の下方に配置されてボーリング管４０に対して平行に延在する土砂受け装置７２と、ボーリング管４０の内管４４の基端部にエアースイベル６０等を介して連結されて第２流路４６からの掘削土砂を土砂受け装置７２に導くガイド装置７１とを備え、ボーリング管４０の前進時に、ガイド装置７１が、土砂受け装置７２に対して相対的に前進する。これにより、ボーリング管４０の前進時における掘削土砂のサンプリング位置に対応させて、土砂受け装置７２（土砂受けスクリーン７５）にて試料が連続的に回収されるので、サンプリング位置と試料との関係を簡易に把握することができる。

また本実施形態によれば、シールド隔壁５の後面に前端が接続されて後方に延在し、第２貫通孔１５を介してカッタチャンバ７に連通する口元管路３１を有し、この口元管路３１内をボーリング管４０が通る。これにより、ボーリング管４０の前進・後退時に、口元管路３１が、ボーリング管４０の移動のガイドとして機能するので、ボーリング管４０の前進・後退を比較的スムーズに行うことができる。

また本実施形態によれば、口元管路３１の途中に少なくとも１つの開閉弁３２が設置されている。これにより、土砂サンプリングの終了時にボーリング管４０の先端部を開閉弁３２より後方の口元管路３１内に位置させた状態で開閉弁３２を閉弁することができるので、ボーリング管４０への地下水圧の作用等を抑制することができ、この結果、ボーリング管４０の分解等を比較的容易に行うことができる。

尚、本実施形態では、いわゆる泥土圧式のシールド掘進機１を例にとって、シールド掘進機の前方地山の土砂のサンプリングについて説明したが、シールド掘進機１の種類はこれに限らず、例えば、いわゆる泥水式のシールド掘進機で土砂サンプリング装置２０を用いて、シールド掘進機の前方地山の土砂のサンプリングを行うことが可能である。

１ シールド掘進機
２ 掘進機本体
３ スキンプレート
４ カッタ面板
５ シールド隔壁
６ 回転駆動装置
７ カッタチャンバ
８ 土砂搬出装置
１１ セグメント
１２ 覆工体
１３ 推進ジャッキ
１３ａ シリンダ
１３ｂ ロッド
１４ 第１貫通孔
１５ 第２貫通孔
２０ 土砂サンプリング装置
３０ 口元装置
３１ 口元管路
３２ 開閉弁
３３ ピンチ弁
３３ａ ケーシング
３３ｂ ゴムスリーブ
３３ｃ 流体供給ライン
３３ｄ 圧抜き弁
３３ｅ ボール弁
３４ 分岐管路
３５ ボール弁
４０ ボーリング管
４１ ボーリングロッド
４２ ボーリングビット
４３ 外管
４４ 内管
４５ 第１流路
４６ 第２流路
４７ 凸部
４８ 連通孔
５０ 水平ボーリング装置
５１ 仮設足場
５１ａ 基台
５２ ベース
５２ａ スクリュージャッキ
５３ スイベルヘッド
５４ ガイド
５５ ロッドホルダ
６０ エアースイベル
６１ ハウジング
６２ ベアリング
６３ 外管
６４ 内管
６５ ２重管
６６ シール部材
６７ 円管
６９ 凸部
７０ 土砂回収装置
７１ ガイド装置
７１ａ ガイド装置本体
７１ｂ 円管
７２ 土砂受け装置
７３ 水受け樋
７４ 排水ライン
７５ 土砂受けスクリーン
８１ 梁部材
８２ チェーンブロック
８３ 走行レール
８４ ロッドガイド
８５ 走行装置
８５ａ ブラケット
９１ 空気供給ライン
９２ ボール弁
９３ 水供給ライン
９４、９６ ボール弁
９８ 接続ロッド

Claims (7)

1. トンネル掘進方向前端部に配置されたカッタ面板と、このカッタ面板の後方に配置されて前記カッタ面板との間にカッタチャンバを区画するシールド隔壁とを有するシールド掘進機の前方地山の土砂をサンプリングする装置であって、
   前記シールド隔壁の後方に基端部が位置し、前記シールド隔壁に予め貫通形成された貫通孔と、前記カッタチャンバと、前記カッタ面板に予め貫通形成された貫通孔と、を通って、前記カッタ面板より前方の地山内に先端部が突出可能なボーリング管と、
   前記ボーリング管を回転させつつトンネル掘進方向に前進させる回転駆動装置と、
   を備え、
   前記ボーリング管は、その外管と内管との間の空間を第１流路として、前記内管内の空間を第２流路とする２重管構造を有し、
   前記ボーリング管の前記前進時に、前記ボーリング管の前記第１流路に供給された流体が前記ボーリング管の先端部より吐出され、前記ボーリング管の先端部近傍の掘削土砂が前記第２流路を流通して前記ボーリング管の基端部にてサンプリング位置に対応するように連続的に回収される、土砂サンプリング装置。
2. 前記ボーリング管の下方に配置されて前記ボーリング管に対して平行に延在する土砂受け装置と、前記内管の基端部に連結されて前記第２流路からの掘削土砂を前記土砂受け装置に導くガイド装置とを備え、
   前記ボーリング管の前記前進時に、前記ガイド装置が、前記土砂受け装置に対して相対的に前進し、
   前記ボーリング管の前記前進が進むにつれて、前記土砂受け装置にて回収される掘削土砂が前記土砂受け装置の前端部に近づく、請求項１に記載の土砂サンプリング装置。
3. 前記ボーリング管は、その外管と内管とを互いに固定する固定部を備える、請求項１又は請求項２に記載の土砂サンプリング装置。
4. 前記シールド隔壁の後面に前端が接続されて後方に延在し、前記シールド隔壁の貫通孔を介して前記カッタチャンバに連通する口元管路を有し、この口元管路内を前記ボーリング管が通る、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の土砂サンプリング装置。
5. 前記口元管路の途中に少なくとも１つの開閉弁が設置されている、請求項４に記載の土砂サンプリング装置。
6. 前記流体は、空気及び／又は水である、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の土砂サンプリング装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の土砂サンプリング装置を用いて、
   前記ボーリング管の前記前進時に、前記ボーリング管の前記第１流路に前記流体を供給して前記ボーリング管の先端部より前記流体を吐出させ、前記ボーリング管の先端部近傍の掘削土砂を前記第２流路に流通させて前記ボーリング管の基端部にてサンプリング位置に対応するように連続的に回収する、土砂のサンプリング方法。