シールドマシンとは？構造・種類・速度・値段・メーカーを解説

シールドマシンとは、地盤を掘り進みながら、トンネルの壁となる「セグメント」を組み立てるトンネル掘削機械です。地下鉄や道路トンネルだけでなく、下水道、共同溝、送水管、電力・通信設備など都市の地下インフラ工事に幅広く使われています。

地上から溝を掘る開削工法と比べて、道路交通や周辺建物への影響を抑えやすく、地盤や地下水の条件に応じた方式を選ぶことで、軟弱地盤や地下水の多い場所にも対応できることが特徴です。一方、シールドマシンは工事ごとに直径、地質、地下水圧、曲線半径などを考慮して設計されるため、値段や速度を一律には示せません。工事完了後も、必ずしも機械全体がそのまま置き去りになるわけではありません。この記事では、シールドマシンの構造と動く仕組み、泥土圧式・泥水式の違い、TBMとの違い、掘進速度、値段、主要メーカー、使い捨てといわれる理由、工事後の撤去・再利用、組立時のボルト締結までわかりやすく解説します。

シールドマシンとは

一般的なシールドマシンは、鋼製の外殻で周囲の地盤を支えながら、先端のカッターヘッドで地盤を掘削し、後方でセグメントを組み立ててトンネルを構築する掘進機です。地下鉄、道路、下水道、共同溝などの地下工事に使用されます。シールド工法がよく用いられるのは次のような場所です。

シールド工法の大きな利点は、発進立坑など限られた作業拠点から地下を掘り進められるため、地表を広い範囲で掘り返さずにトンネルを構築できることです。交通量や建物が多い都市部では地上への影響を小さくできる点が大きなメリットになります。ただし、発進・到達立坑の用地確保、地中障害物への対応、掘削土の搬出、周辺地盤への影響管理などが必要です。シールドマシンを使えば、どのような地盤でも簡単に掘れるというわけではありません。

シールドマシンとシールド工法の違い

シールドマシンはトンネルを掘削する「機械」を指し、シールド工法はそのシールドマシンを使用してトンネルを構築する「施工方法」を指します。シールド工法では、マシンで地盤を掘削すると同時に、後方でセグメントを組み立ててトンネル壁を構築していきます。

シールドマシンの構造と仕組み

シールドマシンは単に土を削るだけの機械ではありません。「掘る」「切羽を安定させる」「土を運び出す」「機体を前進させる」「トンネル壁を組み立てる」という複数の作業を連続して行う設備です。主な構成部分は次のとおりです。

構成部分	主な役割
スキンプレート	シールドマシン外周を覆う鋼製の外殻で、地盤を支えながら機内の設備を保護する
カッターヘッド	先端で回転し、地盤や岩盤を掘削する
カッタービット	カッターヘッドに取り付けられ、地山を直接切削する
チャンバー	カッターヘッド後方に掘削土や泥水を保持し、切羽安定に必要な圧力を作用させる空間
隔壁	チャンバーとシールドマシン内部を隔てる壁
カッター駆動装置	電動機や減速機でカッターヘッドを回転させる
排土設備	スクリューコンベヤーや排泥管などで掘削土を搬出する
シールドジャッキ	既設セグメントから反力を取り、機体を前進させる
エレクター	セグメントを所定位置へ移動させ、リング状に組み立てる
テールシール	シールドマシンとセグメントの隙間から地下水や土砂が流入するのを防ぐ
裏込め注入設備	セグメント外周と地盤の隙間へ裏込め材を注入する
計測・制御設備	位置、方向、圧力、推力、トルク、排土量などを監視・制御する

シールドマシンが前進する仕組み

基本的な掘進サイクルは、次の5段階です。以下のサイクルを繰り返し、円形のトンネルを少しずつ延ばします。機械は自走車のようにタイヤで進むのではなく、すでに造ったトンネル壁を後方へ押す反力によって前進します。

シールドマシンの種類｜泥土圧式と泥水式の違い

都市部で使われる密閉型シールドは、主に泥土圧式と泥水式に分けられます。

方式	切羽を支える方法	排土方法	特徴
泥土圧式	掘削土を塑性流動化させ、その土圧によって切羽を安定させる。地盤条件に応じて添加材を使用する。	スクリューコンベヤーなど	市街地の多様な地盤で採用例が多い
泥水式	加圧した泥水で切羽を支える	泥水と掘削土を配管で送り、地上設備で分離する	高水圧下や砂礫地盤、大断面に適用しやすい

どちらが優れているかではなく、粒度分布、透水性、地下水圧、トンネル径、周辺環境、掘削土の処理条件などを踏まえて選定します。

シールドマシンとTBMの違い

シールドマシンとTBM（Tunnel Boring Machine）は、どちらもカッターヘッドを回転させて地盤を掘削するトンネル掘進機ですが、日本では一般的に区別されています。シールドマシンは主に土砂地盤や地下水のある地盤で使用され、既設セグメントをシールドジャッキで押した反力によって前進します。一方、一般的なオープン型TBMは主に岩盤を対象とし、グリッパを坑壁に押し付けて反力を得ながら掘進します。ただし、岩盤対応シールドなども存在するため、両者を地盤だけで完全に区別できるわけではありません。

比較項目	シールドマシン	一般的なオープン型TBM
主な対象	土砂地盤や地下水のある地盤など	主に岩盤
切羽の安定	土圧・泥水圧などを利用	自立性のある岩盤を直接掘削する方式が代表的
推進反力	既設セグメント	グリッパを坑壁に押し付けて反力を得る
覆工	掘進に合わせてセグメントを施工	地山条件に応じて支保・覆工を施工

シールドマシンの速度はどれくらい？掘進速度と1日・1か月の掘削距離を解説

シールドマシンの掘進速度は、地質、トンネル径、地下水圧、曲線、排土能力、セグメントの組立時間などによって大きく異なるため、一律の標準速度はありません。また、「掘削中の瞬間的な速度」と、セグメント組立や点検などの停止時間を含む「日進量・月進量」は分けて考える必要があります。

公開されている大型シールドマシンの仕様例では、掘進速度60mm/min、シールドジャッキの最大推進速度80mm/minとする機体があります。ただし、これは特定の機体の設計値であり、実際の施工速度を示す標準値ではありません。

高速施工の実績として、JIMテクノロジーは東京都中央環状品川線のシールド工事で平均月進434m、最大月進637mを記録した事例を公開しています。また、海外ではスペインの工事で最大日進46m、最大月進802mを記録した事例があります。これらは高速施工を実現した特定の工事実績であり、一般的なシールド工事の標準速度を示す数値ではありません。

シールドマシンの値段はいくら？価格を左右する要因を解説

シールドマシンには、自動車や一般的な建設機械のような一律のカタログ価格や価格相場はありません。多くがトンネル径、地質、地下水圧、掘進距離、曲線条件、掘削方式などに応じて設計されるオーダーメイドの機械だからです。そのため、「シールドマシンはいくら」と一律に示すことは難しく、個別の工事条件に基づいて製作費を確認する必要があります。

費用要因	価格に影響する理由
掘削外径	大口径ほど鋼材、駆動装置、ジャッキ、輸送・組立設備が大型化する
地質・地下水圧	カッター、耐圧構造、切羽安定設備の仕様が変わる
掘進距離	摩耗対策、交換設備、耐久性、バックアップ設備が必要になる
線形	急曲線や急勾配では中折れ機構や姿勢制御が複雑になる
排土方式	泥土圧式と泥水式では、地上の処理設備や配管も異なる
特殊機能	地中接合、拡幅、分岐、障害物切削などで専用機構が増える
再利用の有無	既存機の改造・整備が新造より合理的な場合がある

また、シールド工事の総費用は機械本体だけでは決まりません。立坑、セグメント、裏込め注入、掘削土処理、地上設備、運搬、組立・解体、電力、計測、周辺対策などを含めて評価する必要があります。

見積もりを比較するときは、本体製作費だけでなく、現地への輸送、組立、試運転、消耗部品、保守、到達後の解体・搬出まで含む範囲をそろえることが重要です。

シールドマシンの主要メーカー

日本には大口径から小口径までシールドマシンを手がける企業があります。業界再編も進んでいるため、過去の社名だけで調べると、現在の事業主体を見誤ることがあります。代表的な国内企業は次のとおりです。

企業名	主な特徴
JIMテクノロジー	IHI、JFEエンジニアリング、三菱重工業のトンネル掘進機事業を統合。設計、製造、現地据付、アフターサービスまで展開
地中空間開発（UGITEC）	川崎重工業と旧・日立造船（現・カナデビア）のシールドマシン事業を統合して発足。大断面、泥土圧式、泥水式などに対応
奥村機械製作	泥土圧式・泥水式をはじめ、岩盤、長距離、急曲線など各種シールドマシンを製作
国土開発工業	小口径分野を含む地下掘進機の設計・製作から施工までを手がける

「川崎重工」「日立造船」「IHI」「JFE」「三菱重工」といった名前は、過去の製造実績や古い資料でよく見かけます。しかし、現在は関連事業が地中空間開発またはJIMテクノロジーへ統合されています。メーカーへ問い合わせる際は、最新の公式情報で現在の窓口を確認してください。また、施工会社と機械メーカーを同じ一覧に混在させないことも大切です。大手建設会社はシールド工事の豊富な実績を持ちますが必ずしも自社工場でシールドマシン本体を製造しているとは限りません。

シールドマシンは使い捨て？その理由と再利用の実態

シールドマシンが「使い捨て」といわれる最大の理由は、工事ごとの専用設計が多いことです。直径、地質、地下水圧、トンネルの曲線、セグメント寸法、掘削方式が次の現場と一致しなければ、そのまま転用できません。さらに長距離を掘ったカッタービットやシール類は摩耗し、機体にも大きな荷重が加わります。回収のためだけに新しい立坑を造り、大型部材を分解・搬出・輸送・整備する費用が、新造や別仕様への改造費を上回る場合もあります。そのため、一つの工事で役割を終える機体があるのは事実です。

ただし、「使い捨て＝機械全体をそのまま地下に捨てる」という理解は正確ではありません。到達立坑で解体・搬出する場合のほか、モーター、油圧機器、電気・制御装置など再利用可能な機器を回収し、機体の一部を残置する場合や、整備・改造して別工事に転用する場合もあります。シールドマシンを再利用しやすいのは次の条件がそろうときです。

シールドマシンの組立とボルト締め

大型のシールドマシンは、完成した状態のまま現場へ輸送することが難しいため、複数のブロックや設備に分けて搬入し、発進立坑などで組み立てる場合があります。機体や各設備の接合部には、大径ボルトや高強度ボルトが使用されることがあります。ボルト締結では、適切な締付けによってボルトに軸力を発生させ、必要な締結力を確保することが重要です。

なぜ正確なボルト締めが必要なのか

シールドマシンには、掘削時に次のような大きな力が加わります。

ボルトの締付けが不足すると、必要な締結力を確保できず、接合部のずれや緩み、部品の損傷などにつながるおそれがあります。反対に、締め過ぎるとボルトが塑性変形したり、ねじ山や接合部品を損傷させたりする可能性があります。そのため、「できるだけ強く締める」のではなく、メーカーの組立要領書や設計図で定められた締付条件を守ることが重要です。

シールドマシンのボルト締結で確認する基本事項

具体的な締付方法は、機種や接合部、ボルトの仕様、締付方式によって異なるため、メーカーの設計図書や組立要領書を優先します。一般的な確認事項の例は次のとおりです。

1. 接合面を清掃する
   接合面やボルト穴に付着した泥、さび、塗料、異物などを取り除きます。異物を挟んだまま締めると、正しい軸力や組立精度を確保できません。
2. 部品の位置を合わせる
   クレーンや治具を使って部品を正しい位置に合わせ、ボルト穴を一致させます。位置がずれた状態でボルトを無理に挿入してはいけません。
3. ボルトを仮締めする
   すべてのボルトを軽く締め、接合面を均等に密着させます。最初から1本だけを強く締めると、部品が傾いたり接合面に偏りが生じたりします。
4. 指定された方法で本締めする
   メーカーが指定する締付順序・締付方法に従い、必要に応じて段階的に締め付けます。
5. 締付結果を確認する
   使用工具の設定値、締付箇所、作業者、施工日時などを記録し、締付け済みのボルトにはマーキングを行います。必要に応じて軸力や締付角度も確認します。

大型ボルトには油圧トルクレンチなどを使用する

シールドマシンには人の力だけでは安定して締められない大型ボルトが使われることがあります。接合部の仕様や必要な締付力、作業スペースなどに応じて、次のような締付工具が選択肢となります。

油圧トルクレンチは大きなトルクを一定の精度で繰り返し加えやすく、狭い場所に多数ある大型ボルトの締付けに適しています。ボルトテンショナーはボルトを軸方向へ直接引き伸ばしてからナットを締める工具です。ねじ面や座面の摩擦による影響を受けにくいため、軸力のばらつきを抑えやすいという利点があります。ただし、ボルトの突出量や工具の設置スペースが必要です。

トルク管理だけでは軸力が完全に同じにならない

締付トルクと軸力の関係を表す代表的な概算式として、次式があります。

• $T$：締付トルク
• $K$：トルク係数
• $F$：ボルト軸力
• $d$：ボルトの呼び径

同じトルクで締めてもねじ面のさび、潤滑状態、座面の状態、ワッシャーの有無などによってトルク係数が変わり、実際に得られる軸力にはばらつきが生じます。そのため、使用するボルト・ナット・ワッシャーの組み合わせや潤滑条件、締付工具、締付順序などを、設計図書や施工要領に基づいて適切に管理する必要があります。シールドマシン本体の締結条件については、機械メーカーの設計図書・組立要領書に従うことが重要です。

シールドマシンに関するよくある質問

シールドマシンはどうやって曲がるのですか？

複数のシールドジャッキの押す量や力を調整し、機体の向きを少しずつ変えて曲がります。中折れ機構を備えた機体では、前胴と後胴の角度も調整します。測量機器で現在位置と設計線との差を確認しながら、急激に方向を変えず、複数の掘進サイクルを通じて修正します。

シールドマシンの中に人は乗っていますか？

大型シールドでは、機内に運転・監視設備や作業空間があり、オペレーターや作業員が点検、セグメント組立、設備管理などを行います。自動化・遠隔監視も進んでいますが、現場の安全管理や保守作業まで含めて完全無人とは限りません。

掘った土はどこへ行きますか？

泥土圧式では、掘削土をスクリューコンベヤーで取り出し、ベルトコンベヤーや土砂運搬車などで地上へ運びます。泥水式では、掘削土を泥水とともに配管で地上の処理設備へ送り、土砂と泥水を分離します。処理した泥水は循環利用されることがあります。

シールドマシンの直径はどれくらいですか？

下水道などに使う小口径機から、道路トンネルに用いる直径十数m級の超大型機までさまざまです。地中空間開発は、掘削外径17.45mの泥土圧式シールドマシンの製作実績を公開しています。必要直径は、トンネルの用途、車線数、設備空間、セグメント厚などによって決まります。

シールド工法のデメリットは何ですか？

機械や立坑、地上設備に大きな初期費用がかかり、短距離では割高になる場合があります。また、地質の急変、巨石、既設杭などの地中障害物は掘進リスクになります。工事ごとの専用設計が多いため、到達後の回収・再利用にも制約があります。

シールドマシンとTBMの違いは何ですか？

シールドマシンは主に土砂地盤や地下水のある地盤で使用され、既設セグメントから反力を得て前進します。一方、一般的なオープン型TBMは主に岩盤を掘削し、グリッパを坑壁に押し付けて反力を得ます。ただし、海外ではシールドマシンをTBMの一種として扱うこともあります。

シールドマシンは工事が終わったらどうなるのですか？

工事完了後のシールドマシンは、必ずしも機械全体がそのまま地下に残されるわけではありません。到達立坑で分解して地上へ搬出するほか、モーターや油圧機器、電気・制御装置など再利用できる部品を回収し、一部の鋼製部材だけを地下に残す場合もあります。また、直径や地質、掘削方式などの条件が合えば、機体を整備・改造して別のトンネル工事で再利用することもあります。工事後の処置は、回収費用、機体の状態、次の工事への転用可能性などを考慮して決められます。

まとめ

シールドマシンは、地盤を掘削しながら切羽を安定させ、掘削土を排出すると同時に、後方でセグメントを組み立ててトンネルを構築する掘進機です。地下鉄、道路、下水道、共同溝など幅広い地下インフラ工事に使用され、地盤条件などに応じて泥土圧式や泥水式などが選定されます。

掘進速度や値段は、トンネル径、地質、地下水圧、掘進距離などによって大きく異なります。また、工事後は機体の解体・搬出、部品回収、一部残置、改造・再利用など現場に応じた処置が行われます。シールドマシンの組立では、各接合部についてメーカーが定めた締付条件に従い、適切にボルトを締結することが重要です。