(57)【特許請求の範囲】
【請求項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掘進条件を設定する方法であって、
シールド掘進機の掘進を停止させること、
ボーリング管の基端部を前記シールド隔壁の後方に位置させつつ、前記ボーリング管の先端部を、前記シールド隔壁の後方から、前記シールド隔壁の貫通孔、前記カッタチャンバ、及び、前記カッタ面板の貫通孔を通過させて、前記カッタ面板より前方の地山内に突出・前進させて地山を掘削すること、
この掘削により発生する前記ボーリング管の先端部近傍の掘削土砂を前記ボーリング管内を通過させて前記ボーリング管の基端部にて連続的に回収すること、
この回収した掘削土砂の性状を判定すること、及び、
この判定した掘削土砂の性状に基づいてシールド掘進機の掘進条件を設定すること、
を含み、
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突出・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を前記ボーリング管の先端部より吐出させ、前記ボーリング管の先端部近傍の掘削土砂を前記流体に乗せて前記第２流路に流通させて前記ボーリング管の基端部にて連続的に回収する、シールド掘進機の掘進条件設定方法。
【請求項２】
前記掘進条件として、少なくとも、シールド掘進機の掘進時に前記カッタチャンバ内に注入する加泥材の種類、性状、及び／又は、注入率を設定する、請求項１に記載のシールド掘進機の掘進条件設定方法。
【請求項３】
前記掘進条件として、少なくとも、シールド掘進機の掘進時における前記カッタチャンバ内の土圧又は水圧を設定する、請求項１又は請求項２に記載のシールド掘進機の掘進条件設定方法。
【請求項４】
前記掘進条件として、少なくとも、シールド掘進機の掘進速度を設定する、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のシールド掘進機の掘進条件設定方法。
【請求項５】
前記判定した掘削土砂の性状に基づいて前記流体の種類を決定することを更に含む、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のシールド掘進機の掘進条件設定方法。
【請求項６】
前記掘削土砂の性状は、掘削土砂の粒度分布特性又は透水特性である、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のシールド掘進機の掘進条件設定方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のシールド掘進機の掘進条件設定方法を用いてシールド掘進機の掘進条件を設定し、
この設定した掘進条件に基づいて、シールド掘進機の掘進を制御する、シールド掘進機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールド掘進機の掘進条件を設定する方法、及び、この方法により設定された掘進条件に基づいてシールド掘進機の掘進を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び２には、いわゆる泥土圧式のシールド掘進機が開示されている。このシールド掘進機は、トンネル掘進方向前端部に配置されたカッタヘッド（カッタ面板）と、このカッタヘッドの後方に配置されてカッタヘッドとの間にカッタチャンバを区画するシールド隔壁と、を備えている。
【０００３】
特許文献１では、シールド掘進機の内部に前方探査装置が設置されている。この前方探査装置は、カッタヘッドよりトンネル掘進方向前方に出没可能であり、カッタヘッドより前方の地山を削孔しながら、削孔速度及び削孔エネルギーを測定する。特許文献１では、この測定された削孔速度及び削孔エネルギーに基づいて、シールド掘進機の前方地山の安定度（地山の自立の可否）を判定している。
【０００４】
特許文献２では、カッタヘッドのカッタビットに歪ゲージが設置されている。この歪ゲージにより、シールド掘進機の掘進時におけるカッタビットの歪量が測定される。特許文献２では、この測定されたカッタビットの歪量に基づいてカッタビットにかかる切削抵抗を検出し、この検出結果に基づいて、シールド掘進機の前方地山の土層の硬度を判定している。
【０００５】
特許文献３は、シールド掘進機の切羽の前方探査を、Ｓ波を用いて行うことを開示している。このシールド掘進機は、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る。カッタフェースには複数の発振部が配置されており、また、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３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し、この反射波に基づいて速度層の境界を検知することで、切羽の前方の破砕帯等を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１９６０６８号公報
【特許文献２】特開２００９−２２１８０２号公報
【特許文献３】特開２００９−１８５５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、土砂の粒度分布特性、透水特性等）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具体的に把握することが求められている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１では、前方探査装置による削孔時に測定された削孔速度及び削孔エネルギーに基づいてシールド掘進機の前方の地山の安定度を推定しているが、地山の土砂の粒度分布特性や透水特性等を具体的に把握することは難しい。
また、特許文献２では、シールド掘進機の掘進時に測定されたカッタビットの歪量に基づいてシールド掘進機の前方の地山の土層の硬度を判定しているが、地山の土砂の粒度分布特性や透水特性等を具体的に把握することは難しい。
また、特許文献３では、切羽前方の破砕帯等の有無を把握することは可能であるが、切羽前方の土砂の粒度分布特性や透水特性等を具体的に把握することは難しい。
【０００９】
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具体的に把握してそれをトンネル施工の施工条件に反映させることにより、施工効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのため本発明では、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掘進条件を設定する方法として、シールド掘進機の掘進を停止させること、ボーリング管の基端部をシールド隔壁の後方に位置させつつ、ボーリング管の先端部を、シールド隔壁の後方から、シールド隔壁の貫通孔、カッタチャンバ、及び、カッタ面板の貫通孔を通過させて、カッタ面板より前方の地山内に突出・前進させて地山を掘削すること、この掘削により発生するボーリング管の先端部近傍の掘削土砂をボーリング管内を通過させてボーリング管の基端部にて連続的に回収すること、この回収した掘削土砂の性状を判定すること、及び、この判定した掘削土砂の性状に基づいてシールド掘進機の掘進条件を設定すること、を含む。ここで、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。シールド掘進機の掘進条件を設定する方法では、ボーリング管の突出・前進時に、ボーリング管の第１流路に供給された流体をボーリング管の先端部より吐出させ、ボーリング管の先端部近傍の掘削土砂を流体に乗せて第２流路に流通させてボーリング管の基端部にて連続的に回収する。
【００１１】
また本発明では、上述の掘進条件設定方法を用いて設定した掘進条件に基づいて、シールド掘進機の掘進を制御する。
【００１２】
ここで、本発明における「連続的に回収」とは、地山の掘進方向の土砂を、掘進方向順の各位置（又は各区間）に対応させて回収（サンプリング）することを意味し、サンプリング自体を必ずしも全区間にわたって連続して行う必要はなく、掘進方向の複数位置（又は複数区間）でのサンプリングした土砂に連続性が認められるように回収すればよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ボーリング管の先端部近傍の掘削土砂をボーリング管内を通過させてボーリング管の基端部（すなわち、シールド掘進機のシールド隔壁の後方）にて連続的に回収する。これにより、シールド掘進機の前方の地山より掘削土砂を連続的にサンプリングしてシールド掘進機のシールド隔壁の後方にて連続的に回収することができるので、サンプリング箇所に対応させつつ、掘削土砂の性状（例えば、粒度分布特性、透水特性等）を比較的容易に把握することができる。
【００１４】
また、本発明によれば、回収した掘削土砂の性状を判定し、この判定結果に基づいて、シールド掘進機の掘進条件を設定する。これにより、シールド掘進機の前方地山の性状に応じてシールド掘進機の掘進条件を最適化することができるので、トンネル施工の施工効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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
【図２】口元装置の概略構成図
【図３】ボーリング管の横断面図
【図４】ボーリング管の先端部の縦断面図
【図５】水平ボーリング装置の概略構成図
【図６】エアースイベルの概略構成図
【図７】土砂回収装置の概略構成図
【図８】土砂のサンプリング方法を示す図
【図９】シールド掘進機の掘進条件の設定方法を示すフローチャート
【図１０】土砂の性状判定と土砂の区分との関係を示す図
【図１１】土砂の区分・性状と加泥材の配合・性状との関係を示す図
【図１２】シールド掘進機の掘進条件の設定の具体例を示す図
【図１３】掘進開始時のシールド掘進機の掘進制御方法を示すフローチャート
【図１４】土砂の区分と加泥材の添加量との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
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、シールド掘進機の掘進条件の設定及び制御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。
【００１８】
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。
【００１９】
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には、図示しない土圧センサが臨んでいる。
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内の土圧は上述の土圧センサにより測定されて、その信号が、図示しない信号線を介して、制御部１０に入力される。
【００２０】
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。加泥材の具備すべき必要な性質としては、例えば、（１）高密度、高粘性で流動性を有すること、（２）分離し難く安定性が高いこと、を挙げることができる。加泥材は、主材と副材とにより構成される。主材としては、例えば、粘土及び気泡材を挙げることができる。副材としては、例えば、増粘剤（ベントナイト、ＣＭＣ等）、止水剤（吸水性樹脂等）、及び逸泥防止剤を挙げることができる。カッタチャンバ７に注入する加泥材の種類（加泥材の配合）、性状、及び、注入率（カッタチャンバ７内に注入する加泥材とカッタ面板４からの掘削土砂との容積比）は、後述する土砂サンプリング装置２０によりサンプリングされた掘削土砂の性状（例えば、粒度分布特性、透水特性等）に基づいて設定される。
【００２１】
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の後方に搬出するスクリューコンベア（土砂搬出装置）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。
【００２２】
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。
【００２３】
推進ジャッキ１３には、その推力（ジャッキ圧）を測定するジャッキ圧センサ（図示せず）と、伸長速度を測定する速度センサ（図示せず）とが設けられており、これらセンサより出力された信号が、図示しない信号線を介して、制御部１０に入力される。
【００２４】
制御部１０は、上述の土圧センサ、ジャッキ圧センサ、及び速度センサに加えて、掘進機本体２に予め設けられた図示しない位置センサや姿勢角センサ等からの信号を図示しない信号線を介して入力して、シールド掘進機１の掘進に関する各種演算や各種制御を行うが、本実施形態では、特に、カッタチャンバ７内の土圧制御と、推進ジャッキ１３の推力制御（掘進速度制御）とを行う。これら制御の詳細については、後述する図１３にて説明する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、外管４３と内管４４とを互いに固定する固定部として機能する。ここで、凸部４７（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、外管４３と内管４４とを互いに固定す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。
【００３８】
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。
【００３９】
第１流路４５は、エアースイベル６０からの流体（空気と水との少なくとも一方）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が流体に乗って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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。このようにして、スイベルヘッド（回転駆動装置）５３は、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
第１流路４５に供給される流体の種類は、土砂回収装置７０により回収された掘削土砂の性状（例えば、粒度分布特性、透水特性等）に基づいて決定される。例えば、後述する図１０を参照して、掘削土砂の区分が「レキ」であれば、第１流路４５には空気が供給される。また、掘削土砂の区分が「シルト」であれば、第２流路４６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。また、第１流路４５に供給される流体が空気及び水である場合には、掘削土砂の区分が「レキ」から「シルト」に向かうほど、空気に対する水の割合を増加させる。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
次に、図１〜図８を用いて、シールド掘進機１の前方地山の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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
次に、ボーリング管４０の第１流路４５に流体（空気と水との少なくとも一方）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、シールド隔壁の後方）にて回収される。
【００６８】
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。
【００６９】
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への流体の供給とを停止する。
【００７０】
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、シールド掘進機１の前方地山の土砂のサンプリングが行われる。
【００７１】
次に、シールド掘進機１の掘進条件の設定について説明する。
図９は、シールド掘進機１の掘進条件の設定フローを示す。
【００７２】
ステップＳ１では、上述のように、シールド掘進機１の掘進を停止させる（具体的には、カッタ面板４の回転を停止させる）。
ステップＳ２では、上述のように、土砂サンプリング装置２０を用いて、シールド掘進機１の前方地山の土砂のサンプリングを行う。
【００７３】
ステップＳ３では、サンプリングされた土砂の性状を判定する。
ここで、土砂の性状判定について図１０を用いて説明する。
図１０（ａ）は、サンプリングされた土砂の性状判定結果と土砂の区分との関係を示す。図１０（ｂ）は、土砂の性状判定時に用いられる粒径加積曲線を示す。
【００７４】
土砂の性状判定では、具体的には、土砂の粒度分布特性を判定するか、又は、土砂の透水特性を判定する。
土砂の粒度分布特性を判定する場合には、例えば、図１０（ｂ）に示す粒径加積曲線を用いる。
図１０（ｂ）では、横軸を粒径とする一方、縦軸を加積通過率とする。また、図１０（ｂ）では、３つの粒径加積曲線α、β、γが、それぞれ、粒度分布領域Ａ〜Ｄの境界をなしている。ここで、同一の粒径において、粒径加積曲線αより低加積通過率側に粒径加積曲線βが描かれており、また、粒径加積曲線βより低加積通過率側に粒径加積曲線γが描かれている。
【００７５】
サンプリングされた土砂が、図１０（ｂ）にて粒径加積曲線αより高加積通過率側にプロットされる場合には、粒度分布領域Ａであると判定されて、図１０（ａ）に示すように、土砂の区分が「シルト」であると判定される。
サンプリングされた土砂が、図１０（ｂ）にて粒径加積曲線αと粒径加積曲線βとの間にプロットされる場合には、粒度分布領域Ｂであると判定されて、図１０（ａ）に示すように、土砂の区分が「砂」であると判定される。
サンプリングされた土砂が、図１０（ｂ）にて粒径加積曲線βと粒径加積曲線γとの間にプロットされる場合には、粒度分布領域Ｃであると判定されて、図１０（ａ）に示すように、土砂の区分が「砂レキ」であると判定される。
サンプリングされた土砂が、図１０（ｂ）にて粒径加積曲線γより低加積通過率側にプロットされる場合には、粒度分布領域Ｄであると判定されて、図１０（ａ）に示すように、土砂の区分が「レキ」であると判定される。
【００７６】
一方、土砂の透水特性を判定して土砂の区分を判定する場合には、例えば、図１０（ａ）に示す土砂の区分と透水係数との関係を用いる。
【００７７】
サンプリングされた土砂の透水係数が１０−５ｃｍ／ｓ未満であると判定された場合には、土砂の区分が「シルト」であると判定される。
サンプリングされた土砂の透水係数が１０−５ｃｍ／ｓ以上１０−３ｃｍ／ｓ未満であると判定された場合には、土砂の区分が「砂」であると判定される。
サンプリングされた土砂の透水係数が１０−３ｃｍ／ｓ以上１０−１ｃｍ／ｓ未満であると判定された場合には、土砂の区分が「砂レキ」であると判定される。
サンプリングされた土砂の透水係数が１０−１ｃｍ／ｓ以上であると判定された場合には、土砂の区分が「レキ」であると判定される。
【００７８】
このようにして、図９のステップＳ３では、サンプリングされた土砂の性状を判定して、土砂の区分を判定する。
【００７９】
ステップＳ４では、判定された土砂の性状及び区分に基づいて、シールド掘進機１の掘進条件の設定を行う。具体的には、掘進条件として、シールド掘進機１の掘進時にカッタチャンバ７内に注入する加泥材の種類、性状、及び、注入率と、シールド掘進機１の掘進時におけるカッタチャンバ７内の土圧（チャンバ内土圧）と、シールド掘進機１の掘進速度と、を設定する。
【００８０】
図１１は、土砂の性状及び区分の判定結果と、カッタチャンバ７内に注入する加泥材の性状、注入率、及び逸泥防止剤の有無との関係を示す。ここで、加泥材の性状には、比重及び粘度（ｃＰ：センチポアズ）が対応する。
【００８１】
図１１において、加泥材の配合I は、土砂の区分における「シルト」に対応し、粒度分布領域Ａに対応して、透水係数が１０−５ｃｍ／ｓ未満である場合に対応する。
加泥材の配合IIは、土砂の区分における「砂」に対応し、粒度分布領域Ｂに対応して、透水係数が１０−５ｃｍ／ｓ以上１０−３ｃｍ／ｓ未満である場合に対応する。
加泥材の配合III は、土砂の区分における「砂レキ」に対応し、粒度分布領域Ｃに対応して、透水係数が１０−３ｃｍ／ｓ以上１０−１ｃｍ／ｓ未満である場合に対応する。
加泥材の配合IVは、土砂の区分における「レキ」に対応し、粒度分布領域Ｄに対応して、透水係数が１０−１ｃｍ／ｓ以上である場合に対応する。
【００８２】
判定された土砂の区分が「シルト」である場合には、加泥材をカッタチャンバ７内に注入しない。すなわち、加泥材の配合I の設定は、「加泥材を注入しない」という設定を意味する。
判定された土砂の区分が「砂」である場合には、加泥材の配合IIとして、比重が１．３となり、かつ、粘度が４０００ｃＰとなるように、加泥材の種類及び配合率が設定される。また、加泥材の配合IIでは、逸泥防止剤は添加されない。また、加泥材の配合IIでは、加泥材の注入率が２０％に設定される。
判定された土砂の区分が「砂レキ」である場合には、加泥材の配合III として、比重が１．４となり、かつ、粘度が７０００ｃＰとなるように、加泥材の種類及び配合率が設定される。また、加泥材の配合III では、逸泥防止剤は添加されない。また、加泥材の配合III では、加泥材の注入率が２５％に設定される。
判定された土砂の区分が「レキ」である場合には、加泥材の配合IVとして、比重が１．５となり、かつ、粘度が１００００ｃＰとなるように、加泥材の種類及び配合率が設定される。また、加泥材の配合IVでは、逸泥防止剤が添加される。また、加泥材の配合IVでは、加泥材の注入率が２０％に設定される。
【００８３】
次に、シールド掘進機１の掘削条件の設定の具体例を図１２を用いて説明する。
ここで、シールド掘進機１の仕様を以下のように仮定するが、仕様はこれに限らない。
【００８４】
〔シールド掘進機１の仕様〕
掘進機径：５ｍ
ジャッキ総推力：１６００ｋＮ
推進ジャッキ本数：１６本
標準の掘進速度：１０〜３０ｍｍ／ｍｉｎ
標準のチャンバ内土圧：０．２０ＭＰａ
【００８５】
また、土砂サンプリング装置２０では、例えば、スイベルヘッド５３の可動範囲（上述の１ストローク）が２ｍであるとして、２０ｍ分（１０ストローク分）の土砂サンプリングが連続的に行われる。ここで、各ストロークに対応するように区間番号が割り振られており、この区間番号が、図１２に示されている。
【００８６】
図１２（ａ）は、シールド掘進機１の掘進条件の設定の第１例を示す。
各区間番号に対応する土砂はそれぞれが図１０に示すように性状判定されて区分が判定される。ここで、図１２（ａ）では、土砂の性状判定として粒度分布特性を判定した場合を示している。
この判定結果に基づいて、各区間番号毎に、加泥材注入の設定（図１１参照）と、チャンバ内土圧の設定と、掘進速度の設定とが行われる。
【００８７】
図１２（ｂ）は、シールド掘進機１の掘進条件の設定の第２例を示す。
図１２（ａ）に示す第１例と異なる点について説明する。
【００８８】
この例では、前後の区間番号における土砂の性状判定結果を考慮して、加泥材注入の設定と、チャンバ内土圧の設定と、掘進速度の設定とが行われる。例えば、区間番号３における加泥材注入の設定では、まず、区間番号２〜４のそれぞれについて土砂の性状判定を行う。次に、この判定結果に対応する加泥材の配合を区間番号毎に判定する。そして、区間番号毎に判定された加泥材の配合を平均化することで、区間番号３における加泥材注入の設定が行われる。この第２例では、加泥材注入の設定と同様に、前後の区間番号における土砂の性状判定結果を考慮して、チャンバ内土圧の設定と、掘進速度の設定とが行われる。
【００８９】
この第２例によれば、前後の区間番号における土砂の性状判定結果を考慮して、加泥材注入の設定と、チャンバ内土圧の設定と、掘進速度の設定とが行われる。これにより、土砂の性状変化の影響を和らげて掘進条件の設定変更を行うことができるので、シールド掘進機１による掘進を安定的に行うことができる。
【００９０】
図１２（ｃ）は、シールド掘進機１の掘進条件の設定の第３例を示す。
図１２（ｂ）に示す第２例と異なる点について説明する。
【００９１】
この例では、トンネル掘進方向前方で隣り合う区間番号における土砂の性状判定結果を考慮して、加泥材注入の設定と、チャンバ内土圧の設定と、掘進速度の設定とが行われる。例えば、区間番号３における加泥材注入の設定では、まず、区間番号３及び４のそれぞれについて土砂の性状判定を行う。次に、この判定結果に対応する加泥材の配合を区間番号毎に判定する。そして、区間番号毎に判定された加泥材の配合を平均化することで、区間番号３における加泥材注入の設定が行われる。この第３例では、加泥材注入の設定と同様に、トンネル掘進方向前方で隣り合う区間番号における土砂の性状判定結果を考慮して、チャンバ内土圧の設定と、掘進速度の設定とが行われる。
【００９２】
次に、設定された掘進条件に基づくシールド掘進機１の掘進制御について図１３を用いて説明する。
図１３は、制御部１０により実現される、掘進開始時のシールド掘進機１の掘進制御フローを示す。
この掘進制御では、特に、カッタチャンバ７内の土圧制御と、推進ジャッキ１３の推力制御（掘進速度制御）とを行う。
【００９３】
ステップＳ１１では、上述の図９のステップＳ４にて設定された掘進条件を制御部１０にて読込む。
ステップＳ１２では、シールド掘進機１による掘進を開始する。
ステップＳ１３では、ステップＳ１１にて読込まれた掘進条件に基づいて、カッタチャンバ７内に加泥材が注入される。
ステップＳ１４では、ステップＳ１１にて読込まれた掘進条件に基づいて、掘進速度の目標値が設定される。
【００９４】
ステップＳ１５では、上述の土圧センサにより測定されるカッタチャンバ７内の土圧（チャンバ内土圧）が、ステップＳ１１にて読込まれた掘進条件の許容範囲内（例えば、±５％以内）に入るように、調整が行われる。この調整において、チャンバ内土圧が許容範囲を上回る場合には、スクリューコンベア８のスクリュー回転数を増加させることによりシールド隔壁５の後方への土砂搬出を促進してチャンバ内土圧を低下させる。一方、チャンバ内土圧が許容範囲を下回る場合には、スクリューコンベア８のスクリュー回転数を減少させることによりシールド隔壁５の後方への土砂搬出を抑制してチャンバ内土圧を上昇させる。
【００９５】
ステップＳ１６では、上述のジャッキ圧センサにより測定されるジャッキ圧（ジャッキ推力）が、予め設定された許容上限値未満であるか否かを判定する。
ジャッキ推力が許容上限値以上である場合には、ステップＳ１８に進んで、掘進速度の目標値を所定速度分減少させて、ステップＳ１４に戻り、掘進速度の目標値の設定を行う。
一方、ジャッキ推力が許容上限値未満である場合には、ステップＳ１７に進んで、上述の速度センサにより測定される掘進速度（推進ジャッキ１３の伸長速度）が、ステップＳ１４にて設定された掘進速度の目標値に近づくように、ジャッキ圧の調整を行うことにより、掘進速度を調整する。尚、図示を省略しているが、ステップＳ１７では、掘進速度の調整時に、ジャッキ推力が許容上限値以上になると、ステップＳ１８に進む。
【００９６】
以上のようにして、掘進開始時のカッタチャンバ７内の土圧制御と、推進ジャッキ１３の推力制御（掘進速度制御）とが行われる。尚、掘進中のカッタチャンバ７内の土圧制御と、推進ジャッキ１３の推力制御（掘進速度制御）とは、例えば、図１３に示す掘進制御フローのうち、ステップＳ１２を省略して、ステップＳ１１からステップＳ１３に進むようにすることで実現され得る。
【００９７】
ところで、特許文献１〜３に記載の技術はいずれもシールド掘進機の前方地山の土砂を直接的にサンプリングするものではない。それゆえ、特許文献１〜３に記載の技術により得られる前方地山の土砂に関するデータを、シールド掘削で重要となるチャンバ内土圧等の圧力管理用のデータとするには、信用度が低い。
この点、本実施形態では、シールド掘進機の前方地山の土砂を直接的にサンプリングすることにより、土砂の粒度分布特性や透水特性等を具体的に把握できるので、これらのデータを、チャンバ内土圧等の圧力管理用のデータとして活用することができる。
【００９８】
本実施形態によれば、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、を有するシールド掘進機１の掘進条件を設定する方法として、シールド掘進機１の掘進を停止させ（Ｓ１）、ボーリング管４０の基端部をシールド隔壁５の後方に位置させつつ、ボーリング管４０の先端部を、シールド隔壁５の後方から、シールド隔壁５の貫通孔（第２貫通孔１５）、カッタチャンバ７、及び、カッタ面板４の貫通孔（第１貫通孔１４）を通過させて、カッタ面板４より前方の地山内に突出・前進させて地山を掘削し、この掘削により発生するボーリング管４０の先端部近傍の掘削土砂をボーリング管４０内を通過させてボーリング管４０の基端部にて連続的に回収する（Ｓ２）。これにより、シールド掘進機１の前方の地山より掘削土砂を連続的にサンプリングしてシールド掘進機１のシールド隔壁５の後方にて連続的に回収することができるので、サンプリング箇所に対応させつつ、掘削土砂の性状（例えば、粒度分布特性、透水特性等）を比較的容易に把握することができる。
【００９９】
また本実施形態によれば、回収した掘削土砂の性状を判定し（Ｓ３）、この判定した掘削土砂の性状に基づいて、シールド掘進機の掘進条件を設定する（Ｓ４）。これにより、シールド掘進機１の前方地山の土砂の性状に応じてシールド掘進機１の掘進条件を最適化することができるので、トンネル施工の施工効率を向上させることができる。
【０１００】
また本実施形態によれば、判定された前方地山の土砂の性状に基づいて設定する掘進条件として、少なくとも、シールド掘進機１の掘進時にカッタチャンバ７内に注入する加泥材の種類、性状、及び、注入率を設定するので、カッタチャンバ７内に滞留する掘削土砂を良好に塑性流動化させることができる。尚、本実施形態では、シールド掘削時の加泥材に関する設定項目として、加泥材の種類、性状、及び、注入率を挙げて説明したが、シールド掘削時には、これら３つの設定項目のうち少なくとも１つが設定されることにより、カッタチャンバ７内に滞留する掘削土砂を良好に塑性流動化させることが可能である。換言すれば、判定された前方地山の土砂の性状に基づいて設定する掘進条件として、少なくとも、シールド掘進機１の掘進時にカッタチャンバ７内に注入する加泥材の種類、性状、又は、注入率を設定することにより、カッタチャンバ７内に滞留する掘削土砂を良好に塑性流動化させることが可能である。
【０１０１】
また本実施形態によれば、判定された前方地山の土砂の性状に基づいて設定する掘進条件として、少なくとも、シールド掘進機１の掘進時におけるカッタチャンバ７内の土圧を設定するので、前方地山の土砂の性状に応じて、チャンバ内土圧を最適化することができる。
【０１０２】
また本実施形態によれば、判定された前方地山の土砂の性状に基づいて設定する掘進条件として、少なくとも、シールド掘進機１の掘進速度を設定するので、前方地山の土砂の性状に応じて掘進速度を最適化することができ、ひいては、施工効率を向上させることができる。
【０１０３】
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との間の空間を第１流路４５として、内管４４内の空間を第２流路４６とする２重管構造を有し、ボーリング管４０の突出・前進時に、ボーリング管４０の第１流路４５に供給された流体をボーリング管４０の先端部より吐出させる。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、ボーリング管４０の基端部（すなわち、シールド隔壁５の後方）にて土砂回収装置７０により連続的に回収される。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の後方にて連続的に回収することができるので、この回収した土砂の性状を比較的容易に把握することができる。
【０１０４】
また本実施形態によれば、ボーリング管４０の第１流路４５に供給される流体の種類は、サンプリングされた土砂の性状に基づいて決定される。これにより、サンプリング時の第２流路４６での土砂の詰まりを抑制することができるので、土砂のサンプリングを効率良く行うことができる。
【０１０５】
また本実施形態によれば、判定される掘削土砂の性状は、掘削土砂の粒度分布特性又は透水特性であるので、比較的簡易に、掘削土砂の性状を把握することができる。
【０１０６】
また本実施形態によれば、図９に示す掘進条件の設定フローを用いてシールド掘進機１の掘進条件を設定し、この設定した掘進条件に基づいて、図１３に示す掘進制御フローを用いて、シールド掘進機１の掘進を制御する。これにより、シールド掘進機１の前方地山の土砂の性状に応じてシールド掘進機１の掘進を最適化することができるので、トンネル施工の施工効率を向上させることができる。
【０１０７】
尚、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、シールド掘進機の掘進条件の設定及び制御について説明したが、シールド掘進機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って、上述と同様にシールド掘進機の掘進条件の設定及び制御を行うことが可能である。この場合には、図１４に示す土砂の区分と加泥材（ベントナイト及びＣＭＣ）の添加量（注入量）との関係に基づいて、カッタチャンバ７内への加泥材の添加が行われる。ここで、図１４に示す加泥材の添加量は、カッタ面板４による地山掘削により発生した掘削土砂の１ｍ３当りの添加量を示す。従って、泥水式のシールド掘進機では、カッタチャンバ７に注入される加泥材の種類、及び、注入率は、土砂サンプリング装置２０によりサンプリングされた掘削土砂の性状及び区分に基づいて、図１４を用いて、設定され得る。また、泥水式のシールド掘進機では、図１３のステップＳ１５において、チャンバ内土圧の代わりとして、チャンバ内水圧が制御される。すなわち、この場合には、土砂サンプリング装置２０によりサンプリングされた土砂の性状及び区分が例えば図１０を用いて判定され、この判定結果に基づいて設定される掘進条件として、シールド掘進機の掘進時におけるカッタチャンバ７内の水圧が設定される。
【符号の説明】
【０１０８】
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  スクリューコンベア
１０  制御部
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
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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