JP3994076B2 - 気泡シールド工法における気泡の生成方法及び気泡シールド工法に用いられる気泡材 - Google Patents
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Description
本発明は、気泡シールド工法において、特に透水性の高い砂礫地盤に用いて好適な気泡の生成方法及び気泡材に関する。
泥土圧系シールドで使用されている加泥材は、(a)ベントナイト系、(b)セルロース系、(c)ポリアクリルアミド系、(d)吸水性樹脂系、(e)界面活性剤系に分類される。
一般に、気泡シールド工法で使用される気泡材は、これらのうちの(e)界面活性剤系の加泥材に属し、特殊起泡材（ＯＫ−２……パルプを原料としたセルロース系高分子を起泡材の主剤とするもの）の水溶液にエアを混入して生成されるものである。この気泡材を切羽に注入することにより、掘削土の流動性と止水性とを向上させるとともに、チャンバー内土砂の付着を防止し、切羽の安定性を確保しながらスムーズな掘削を行うことができる。
また、気泡シールド工法では、掘進地盤の性状、すなわち粒径加積曲線から起泡材及び気泡材のタイプが決定される（非特許文献１を参照）。例えば図１に示すように、粘土、シルト、細砂などからなるＩゾーンあるいはIIゾーンに対してはＡタイプの起泡材及び気泡材（溶液粘度２．７ｍＰａ・ｓ）が適合し、細砂、粗砂などからなるII〜IIIゾーンに対してはＢタイプの起泡材及び気泡材（溶液粘度３００ｍＰａ・ｓ）が適合する。なお、Ｂタイプの気泡材は、Ｂタイプの起泡材を発泡させたものであり、具体的には、ＯＫ−１に増粘剤ＯＫ−２を添加して気泡に粘性を与え、気泡強度を増加したものである。
気泡シールド工法技術資料「土質と特殊気泡材の選定基準」平成１５年３月 シールド工法技術協会発行 http://www.shield-method.gr.jp/what/kiho.PDF
しかしながら、特に透水性の高い砂礫地盤、とりわけＩVゾーンに属する透水係数の大きい土質では、Ｂタイプの気泡材を用いたとしても豊富な地下水の湧出により気泡が消泡しやすい。そのため、切羽の安定保持が困難になったり、スクリューコンベアからの噴発などの不具合が生じ、掘進に支障を来すことがあった。
そこで、気泡が消泡しにくくなるように、従来のＢタイプの粘度以上に起泡材の粘性をあげると、粘性による発泡装置内の圧力増加や、詰まりなどが生ずるため発泡倍率が低下し、Ｂタイプの気泡材の標準である６倍発泡ができなくなってしまう。それ故、透水性の高い砂礫地盤に対し、Ｂタイプの気泡材を用いて気泡シールド工法を実施する場合には、従来、他の添加材の併用や、補助工法が必要となっていた。
本発明は、以上の課題を解決するものであり、透水性の高い砂礫地盤においても他の添加材や、補助工法を用いることなく、気泡シールド工法を実施できるようにした気泡シールド工法における気泡の生成方法及び気泡シールド工法に用いられる気泡材を提供するものである。
上記課題を解決するために、本発明では、Ｂタイプの起泡材を用いて所定の発泡倍率を確保した上でさらに増粘させることとし、これによりゲル化したＢタイプ（以下「ゲル化Ｂタイプ」という。）の気泡材を得ることができた。
すなわち、本発明の気泡シールド工法における気泡の生成方法は、主剤としての起泡材に、増粘剤として、ＣＭＣ、グアガム、アルギン酸の中から選ばれた一種ないしはそれらの混合物を添加し、粘度３００〜５００ｍＰａ・ｓに調整された起泡材溶液を発泡装置によって所定の発泡倍率で発泡させ、その直後に得られた気泡に金属イオンの水溶液を添加混合することを特徴とする。
また、本発明は、請求項１において、前記増粘剤として、グアガムを添加することを特徴とする。
また、本発明は、請求項１または２において、前記金属イオンが、三価金属イオンまたはカルシウムイオンであることを特徴とする。
また、本発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記金属イオンの水溶液に液性調整用助剤を添加したことを特徴とする。
すなわち、本発明の気泡シールド工法における気泡の生成方法は、主剤としての起泡材に、増粘剤として、ＣＭＣ、グアガム、アルギン酸の中から選ばれた一種ないしはそれらの混合物を添加し、粘度３００〜５００ｍＰａ・ｓに調整された起泡材溶液を発泡装置によって所定の発泡倍率で発泡させ、その直後に得られた気泡に金属イオンの水溶液を添加混合することを特徴とする。
また、本発明は、請求項１において、前記増粘剤として、グアガムを添加することを特徴とする。
また、本発明は、請求項１または２において、前記金属イオンが、三価金属イオンまたはカルシウムイオンであることを特徴とする。
また、本発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記金属イオンの水溶液に液性調整用助剤を添加したことを特徴とする。
さらに、本発明の気泡シールド工法に用いられる気泡材は、主剤としての起泡材に、増粘剤として、ＣＭＣ、グアガム、アルギン酸の中から選ばれた一種ないしはそれらの混合物を添加し、粘度３００〜５００ｍＰａ・ｓに調整された起泡材溶液を発泡装置によって所定の発泡倍率で発泡させ、その直後に得られた気泡に金属イオンの水溶液を添加してなることを特徴とする。
金属イオン溶液の添加により、発泡装置を通じて吐出された気泡の主成分はゲル化し、所期の発泡倍率に保持されつつ、さらに増粘した状態で掘削機先端より吐出される。使用される金属イオンとしては、三価の金属イオンまたはカルシウムイオンが望ましい。液性調整用助剤の添加により、増粘しやすい液性に保たれる。
図２は本発明方法を適用した気泡シールド工法を示す。図において、１はシールド掘削機、２は掘削機１に後続して構築されたトンネルセグメントである。
シールド掘削機１は、筒形のスキンプレート３の前面にカッターディスク４を備え、図示しないジャッキによりセグメント２の前端部に反力を取って前進しつつカッターディスク４を回転することで切羽を掘削し、カッターディスク４の背面にあって隔壁５で仕切られたチャンバー６内に取り込んだ掘削ズリをスクリューコンベア７により搬送し、その後部に配置されたズリ搬送台車に受け渡し、排土するよう構成されている。
掘削機１の後部において、セグメント２により囲われたトンネル坑内には、搬送用軌条８が架設され、本実施の形態では、この軌条８上に気泡生成プラントを構成する各種台車が一列に連結されている。各台車は、後部側から順に起泡材貯留台車９、駆動台車１０、制御台車１１、発泡台車１２とからなっており、これに加え、発泡用台車１２上には金属イオン貯留槽１３が配置されている。
貯留台車９は坑内に引き込まれた起泡材配管１４から起泡材の供給を受けてここに一時貯留する。駆動台車１０は起泡材注入ポンプ１５、エアコンプレッサ１６を備え、制御台車１１はポンプ１５及びコンプレッサー１６の制御装置１７を搭載し、発泡台車１２には発泡装置１８が備えられ、それぞれが起泡材供給ライン、エアラインを介して接続されている。
プラント駆動により、貯留台車９に貯留された起泡材はポンプ１５により発泡装置１８に送られ、発泡装置１８の内部でエアコンプレッサ１６により生じた圧力空気を所定の圧力比で混入することで、所定の発泡倍率で発泡し、気泡注入管１９を通じてカッターディスク４の前面に吐出される。
これに加え、気泡注入管１９内には発泡装置１８の吐出端近傍において、金属イオン貯留槽１３に供給用配管２０及びポンプＰを通じて接続され、発泡装置１８内で発泡した気泡に金属イオン溶液が混入される。この混入比率は、前記制御装置１７によりポンプＰを駆動制御することで、所定の割合となる。
以上において、使用される起泡材は前述するII〜IIIゾーンに適合するＢタイプ起泡材であって、主たる成分は起泡材の主成分である前述のＯＫ−１に加え、増粘剤としてＣＭＣ，グアガム、アルギン酸の中から選ばれた一種ないしはそれらの混合物を添加し、粘度３００〜５００ｍＰａ・ｓに調整された起泡材溶液である。
添加されるＣ Ｍ Ｃ、 グアガム、アルギン酸またはこれらの混合物は、三価の金属イオン、あるいはカルシウムイオンの存在下でゲル化し、例えば２ 倍〜 ４ ０ 倍に増粘する。
本発明では、Ｂタイプの起泡材溶液を発泡装置１８によって所定の発泡倍率で発泡させ、その直後に得られた気泡に金属イオンの水溶液を添加混合して増粘させている。このようにして得られたゲル化Ｂタイプの気泡材は、カッターディスク４の前面に供給される。そのため、本発明によれば、透水性の高い砂礫地盤、すなわちＩVゾーンに属する透水係数の大きい土質であっても、他の添加剤や補助工法を併用することなく良好な掘削ができる。また、本発明によれば、チャンバー内土砂の塑性流動性と止水性が向上するため、スクリューコンベア７からの噴発も防止できる。
なお、上記の金属イオンとしては、例えば、ミョウバン、硫酸バンドなどのアルミニウム化合物、硫酸鉄、塩化鉄、アルミン酸ソーダ、ホウ砂、ホウ酸などの三価金属イオンの溶液や、塩化カルシウム溶液などが挙げられる。
以上に加え、水酸化ナトリウム水溶液、硫酸水溶液などの液性調整用助剤も予め金属イオン溶液内に混合する。これは液性によって増粘度合いが異なり、例えば、グアガムの場合は液性がアルカリ側で増粘度合いが増し、ＣＭＣの場合は酸性側で増粘度合いが増すからである。
これらの金属イオンの水溶液は、０．５〜１０％水溶液形態で起泡材溶液の原液に対して体積比で５〜１０％程度の混合比率で混合することが望ましい。この理由は、混合量が５％を下回った場合には目的とするゲル化による粘性増加が顕著でなく、また１０％を上回った場合には凝集作用による離水などの体積収縮がおこるため、健全な気泡ができないと言う不具合が生ずるからである。
なお、掘削する地盤がＩVゾーンからIIIゾーンないしはIIゾーンに変化した場合には、ポンプＰを停止して、ゲル化作業を停止すればよい。これにより、そのままの粘度及び発泡倍率で気泡材を切羽に供給することが可能となり、増粘に伴うポンプ負荷などを軽減することもできる。また、ポンプＰを切り替えるだけで地盤性状にあわせて気泡材のタイプをゲル化ＢタイプからＢタイプへと簡単に変更できるので、掘削作業を中断する必要はない。
＜＜実施例１＞＞
本実施例では、洗い砂に、Ａタイプ、Ｂタイプ、ゲル化Ｂタイプの３種の粘度の異なる気泡材を注入して、以下の表１〜３に示すごとく、スランプ値と注入率を比較した。なお、スランプ値はいずれもＣ型粘度計で測定した。
本実施例では、洗い砂に、Ａタイプ、Ｂタイプ、ゲル化Ｂタイプの３種の粘度の異なる気泡材を注入して、以下の表１〜３に示すごとく、スランプ値と注入率を比較した。なお、スランプ値はいずれもＣ型粘度計で測定した。
各表からは、気泡の粘度の高さとスランプ値の大きさとが比例していることが理解される。これは、粘度増加により気泡強度が増加すると、破泡または消泡されにくくなることを示唆するものである。また、表３に示すゲル化Ｂタイプの気泡材は、表１に示すＡタイプ及び表２に示すＢタイプの気泡材と比べると、気泡強度が著しく増加し、破泡または消泡されにくくなっている。従って、本発明のゲル化Ｂタイプの気泡材によれば、透水性の高い砂礫地盤においても他の添加材や、補助工法を用いることなく、気泡シールド工法を実施することが可能となる。
＜＜実施例２＞＞
増粘剤成分であるグアガムの０．６％液を塩化鉄イオンを用いてゲル化し、液性調整剤としてカセイソーダ溶液を用い、液性による粘度の変化を見たところ、以下の表４に示す結果が得られた。なお、溶液状態の粘度はビスコーステスターにより測定した。
この表からは、塩化鉄イオンの介在により増粘し、また同一添加容量であっても、液性がアルカリ側になるほど増粘度合いが高いことが確認された。
増粘剤成分であるグアガムの０．６％液を塩化鉄イオンを用いてゲル化し、液性調整剤としてカセイソーダ溶液を用い、液性による粘度の変化を見たところ、以下の表４に示す結果が得られた。なお、溶液状態の粘度はビスコーステスターにより測定した。
＜＜実施例３＞＞
増粘剤成分であるグアガムの０．６％液をアルミン酸ソーダを用いてゲル化し、液性調整剤として希硫酸溶液を用い、液性による粘度の変化を見たところ、以下の表５に示す結果が得られた。なお、溶液状態の粘度はビスコーステスターにより測定した。
この表からは、液性が酸性側であると増粘効果がなく（ｐＨ４．５の場合には粘度５００ｍＰａ・ｓのまま）、また過度にアルカリ側に偏ってもかえって粘度が低下し（ｐＨ１０．１の場合には、粘度１４５０ｍＰａ・ｓ）、ｐＨ９．５の場合に最大の増粘効果（粘度１８００ｍＰａ・ｓ）を得ることが判明した。なお、アルミン酸ソーダはそれ自体がアルカリ性物質であるため、希硫酸の添加量に応じてその液性が変化する。
増粘剤成分であるグアガムの０．６％液をアルミン酸ソーダを用いてゲル化し、液性調整剤として希硫酸溶液を用い、液性による粘度の変化を見たところ、以下の表５に示す結果が得られた。なお、溶液状態の粘度はビスコーステスターにより測定した。
＜＜実施例４＞＞
増粘剤成分であるグアガムの０．６％液をホウ砂を用いてゲル化し、液性による粘度の変化を見たところ、以下の表６に示す結果が得られた。なお、溶液状態の粘度はビスコーステスターにより測定した。
この表からは、金属イオン（ホウ砂）の増加に応じて粘性が増すこと及びｐＨ８．５の場合に最大の増粘効果（粘度２００００ｍＰａ・ｓ）を得ることが判明した。また、本実施例の場合には、液性調整用助剤を用いることなく、ゲル化Ｂタイプの気泡材が得られることが判明した。
増粘剤成分であるグアガムの０．６％液をホウ砂を用いてゲル化し、液性による粘度の変化を見たところ、以下の表６に示す結果が得られた。なお、溶液状態の粘度はビスコーステスターにより測定した。
本発明は、気泡シールド工法において、透水性の高い砂礫地盤の掘削に好適である。
本発明によれば、発泡装置を通じて吐出された気泡に金属イオンの水溶液を添加することにより、気泡の主成分はゲル化し、所定の発泡倍率に保持されつつ、さらに増粘した状態で掘削機先端より吐出される。吐出されたゲル化Ｂタイプの気泡材は、従来のＢタイプの気泡材と比べて気泡強度が著しく増加しているので、消泡されにくい。従って、本発明によれば、透水性の高い砂礫地盤においても他の添加材や、補助工法を用いることなく、気泡シールド工法を実施することが可能となる。なお、金属イオンの水溶液としては、三価の金属イオンまたはカルシウムイオンを含有する水溶液が望ましい。金属イオンの水溶液に液性調整用助剤を添加しておくことにより、ゲル化気泡の生成をよりいっそう促進させることができる。
本発明によれば、発泡装置を通じて吐出された気泡に金属イオンの水溶液を添加することにより、気泡の主成分はゲル化し、所定の発泡倍率に保持されつつ、さらに増粘した状態で掘削機先端より吐出される。吐出されたゲル化Ｂタイプの気泡材は、従来のＢタイプの気泡材と比べて気泡強度が著しく増加しているので、消泡されにくい。従って、本発明によれば、透水性の高い砂礫地盤においても他の添加材や、補助工法を用いることなく、気泡シールド工法を実施することが可能となる。なお、金属イオンの水溶液としては、三価の金属イオンまたはカルシウムイオンを含有する水溶液が望ましい。金属イオンの水溶液に液性調整用助剤を添加しておくことにより、ゲル化気泡の生成をよりいっそう促進させることができる。
１ シールド掘削機
２ セグメント
９，１０，１１，１２ 気泡製造プラント
（９ 起泡材貯留台車、１０ 駆動台車、１１ 制御台車、１２ 発泡台車）
１３ 金属イオン貯留槽
１８ 発泡装置
２ セグメント
９，１０，１１，１２ 気泡製造プラント
（９ 起泡材貯留台車、１０ 駆動台車、１１ 制御台車、１２ 発泡台車）
１３ 金属イオン貯留槽
１８ 発泡装置
Claims (5)
- 主剤としての起泡材に、増粘剤として、ＣＭＣ、グアガム、アルギン酸の中から選ばれた一種ないしはそれらの混合物を添加し、粘度３００〜５００ｍＰａ・ｓに調整された起泡材溶液を発泡装置によって所定の発泡倍率で発泡させ、その直後に得られた気泡に金属イオンの水溶液を添加混合することを特徴とする気泡シールド工法における気泡の生成方法。
- 請求項１において、前記増粘剤として、グアガムを添加することを特徴とする気泡シールド工法における気泡の生成方法。
- 請求項１または２において、前記金属イオンが、三価金属イオンまたはカルシウムイオンであることを特徴とする気泡シールド工法における気泡の生成方法。
- 請求項１から３のいずれかにおいて、前記金属イオンの水溶液に液性調整用助剤を添加したことを特徴とする気泡シールド工法における気泡の生成方法。
- 主剤としての起泡材に、増粘剤として、ＣＭＣ、グアガム、アルギン酸の中から選ばれた一種ないしはそれらの混合物を添加し、粘度３００〜５００ｍＰａ・ｓに調整された起泡材溶液を発泡装置によって所定の発泡倍率で発泡させ、その直後に得られた気泡に金属イオンの水溶液を添加混合してなることを特徴とする気泡シールド工法に用いられる気泡材。
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