JP2012120987A

JP2012120987A - 汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法及びシールド掘削機

Info

Publication number: JP2012120987A
Application number: JP2010274397A
Authority: JP
Inventors: Masanao Shibamoto; 真尚芝本; Koji Oka; 孝治岡; Masahiro Miyazawa; 昌弘宮澤; Masahide Sakai; 雅英酒井; Yasushi Hoga; 康史保賀; Kazuhiro Tamura; 和広田村
Original assignee: Maeda Corp; Konoike Construction Co Ltd
Current assignee: Maeda Corp; Konoike Construction Co Ltd
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化処理に、シールド掘削機自体を有効利用することで、浄化処理の効率化を図り、しかも良好な坑内環境を維持することができる技術を提供すること。
【解決手段】汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法であって、シールド切羽にて汚染土壌の浄化剤を地山に添加する工程と、シールド掘削機のチャンバー１３内に取り込まれる浄化剤を含む掘削土Ｄ１を、攪拌手段１４で攪拌混合する工程と、チャンバー内の攪拌済み掘削土をチャンバー外に搬送する工程とを行う。汚染土壌が揮発性有機化合物を含む場合、浄化剤には超微細鉄粉溶液と微粉末活性炭溶液を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、揮発性有機化合物等による汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法及びシールド掘削機に関する。

揮発性有機化合物（ＶＯＣ）によって汚染された土壌の浄化技術として、鉄粉や活性炭等を汚染土壌に添加するものがある。鉄粉は化学的処理（還元分解による無害化）によりＶＯＣを浄化し、活性炭は物理的処理（吸着による不溶化）によりＶＯＣを吸着・固定化する。この鉄粉や活性炭は、地表面部の汚染土壌の原位置浄化に使用されている。

シールド工事における掘削土がＶＯＣに汚染されている場合は、地上の土砂ピット等で鉄粉を添加して浄化するか、温熱処理によってＶＯＣを気化させて活性炭に吸着させていた。

なお、特許文献１には、金属系還元剤に添加する固化材の種類を問わず、ＶＯＣ汚染地盤の浄化と地盤強度の回復を両立する技術が記載されている。

特開２００６―８８１１０号公報

上記のような従来の浄化技術においては、次のような課題がある。
（１）従来は土砂ピット等の地上部においてＶＯＣ処理を行うため、泥土圧式シールド工法ではベルトコンベアやズリ鋼車にて掘削土を運搬する時に、シールド坑内でＶＯＣが気化し、坑内環境を悪化させる問題がある。(この点、泥水式シールド工法では掘削土が配管内を流体輸送されるのでシールド坑内でＶＯＣが気化する恐れはない)
（２）浄化完了を確認した後に土砂を場外搬出する必要があるため、従来のように土砂ピット等で鉄粉等による浄化を行う場合、還元反応による無害化には数時間以上を要し、土砂搬出の待ち時間が生じる（土砂のストックヤードが必要となる）。
（３）坑内排気には、土砂搬送中および防音ハウス内での浄化の際に気化したＶＯＣが含まれているため、大容量の活性炭付き換気装置が必要となる。

よって、本発明は、汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化処理に、シールド掘削機自体を有効利用することで、浄化処理の効率化を図り、しかも良好な坑内環境を維持することができる、汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化技術を提供しようとするものである。

以上の課題を解決するため、本発明は、汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法であって、シールド切羽にて汚染土壌の浄化剤を地山に添加する工程と、シールド掘削機のチャンバー内に取り込まれる浄化剤を含む掘削土を、攪拌手段で攪拌混合する工程と、前記チャンバー内の攪拌済み掘削土をチャンバー外に搬送する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、シールド切羽にて汚染土壌の浄化剤を地山に添加する工程と、シールド掘削機のチャンバー内に取り込まれる浄化剤を含む掘削土を、攪拌手段で攪拌混合する工程と、チャンバー内の攪拌済み掘削土をチャンバー外に搬送する工程とを行うので、汚染土壌（汚染地山）の浄化作業をシールド掘削機の掘削作業と共に行うことができる。これにより、汚染土壌浄化処理の効率化を図ることができる。しかも、浄化剤を含む掘削土は密閉されたチャンバー内部で攪拌混合して処理するので、良好な坑内環境を維持することができる

本発明において、前記汚染土壌が揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を含む場合、前記浄化剤は微細鉄粉と微粉末活性炭を含むことが望ましい。このようにすれば、微細鉄粉による化学的処理（還元分解による無害化）＋微粉末活性炭による物理的処理（吸着・不要化）の併用により効率良く短時間で安全・確実なＶＯＣ処理を行うことができる。

本発明において、前記浄化剤を地山に添加する工程では、浄化剤を液状にして添加することが望ましい。本発明では、シールド切羽にて浄化剤を地山に添加し、チャンバー内で攪拌混合するので、浄化剤を液状にした方が効率的な攪拌混合を行うことができる。また、液状の浄化剤とした場合、その供給手段もポンプ等を利用した比較的簡易な設備の付加で対処することができる。

本発明は、汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法に用いるシールド掘削機であって、
地山を掘削するカッターを先端部に備える掘削機本体と、
掘削機本体前面の切羽に汚染土壌の浄化剤を添加する浄化剤添加手段と、を備え、
前記掘削機本体は、浄化剤を含む掘削土が取り込まれるチャンバーと、チャンバー内の掘削土を攪拌する攪拌手段と、攪拌された掘削土を搬送する搬送手段と、を備えることを特徴とする。

本発明のシールド掘削機によれば、掘削機本体前面の切羽に汚染土壌の浄化剤を添加する浄化剤添加手段を備えているので、最も原位置に近い掘削機本体前面の密閉されたチャンバー内部での汚染土壌処理を行うことができる。また、原理的には既存のシールド掘削機に浄化剤添加手段を付設するだけで済むので、既存のシールド掘削機を有効利用する低コストな方法で対処することができる。

本発明において、前記攪拌手段は、カッター及び回転攪拌翼、固定攪拌翼、アジテータを含むことが好ましい。これにより、浄化剤を含む掘削土の攪拌効率を十分に高めることができる。

本発明において、前記搬送手段はスクリューコンベアであることが望ましい。スクリューコンベアの場合、チャンバー内で攪拌した掘削土をこのスクリューコンベアによっても攪拌することができるからである。

本発明によれば、汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化処理に、シールド掘削機自体を有効利用することで、浄化処理の効率化を図り、しかも良好な坑内環境を維持することができる、汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化技術を提供することができる。

本発明の実施形態に係る掘削土浄化方法を示す概略説明図である。本発明の実施形態に係る微細鉄粉及び微粉末活性炭によるＶＯＣ処理のメカニズムを示す模式的な説明図である。本発明の実施形態に係る掘削土浄化方法を示す概略工程図である。本発明の実施形態に係る掘削土浄化方法を示す概略工程図である。本発明の実施形態に係る掘削土浄化方法を示す概略工程図である。本発明の実施形態に係る掘削土浄化方法を示す概略工程図である。本発明の実施形態に係る掘削土浄化方法を示す概略工程図である。本発明の実施形態に係るＶＯＣガス濃度の経時変化を示す図である。本発明の実施形態に係るシールド掘削機の概略断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は、本実施形態に係る汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法を概略的に示した説明図であり、図２（ａ）、（ｂ）は超微細鉄粉及び微粉末活性炭によるＶＯＣ処理のメカニズムを示す模式図、図３〜図７は汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法の工程図である。これらの図において、１０は泥土圧シールド掘削機であり、２０は浄化剤添加手段（浄化剤供給装置）、３０は土砂ピット、４０は防音ハウス、５０はシールドトンネル、５１は立て坑である。

泥土圧シールド掘削機１０は、図１、図３等に示すように、地山を掘削するカッター１１を先端部に備える掘削機本体１２と、掘削機本体１２の前面の切羽に汚染土壌の浄化剤を添加（噴射）する浄化剤添加手段２０とを備えている。掘削機本体１２は、浄化剤を含む掘削土Ｄが取り込まれるチャンバー１３と、チャンバー１３内の掘削土Ｄを攪拌する攪拌手段１４と、攪拌された掘削土Ｄを搬送する搬送手段１５とを備えている。そして、攪拌手段１４は、カッター１１及び攪拌翼１６、固定撹拌翼１７、アジテータ１８等で攪拌する構成となっている。即ち、カッター１１は攪拌手段を兼ねている。また、泥土圧シールド掘削機１０を用いているため、搬送手段１５はスクリューコンベアで構成されている。

浄化剤添加手段２０は、いわゆる浄化剤溶液の供給装置であり、複数のタンクと、配管及び複数のポンプとを備えている。図１に示す例では、鉄粉溶液を収容するために地上に設置された地上タンク２１及び坑内タンク２２と、活性炭溶液を収容するために地上に設置された地上タンク２３及び坑内タンク２４と、それらの配管２５、２６と、配管を介して活性炭溶液及び鉄粉溶液をそれぞれ切羽の地山へ送り込むポンプＰとを備えている。

これらの浄化剤溶液を切羽の地山に添加（噴射）する方法としては、本実施形態では切羽の地山に向けて加泥材を吐出させる複数の吐出口（注入口）を利用して行えるように構成している。即ち、加泥材の供給管（図示せず）に配管２５、２６の先端を接続してある。なお、図においては、複数の吐出口のうち、後述する気泡材の吐出口をａで、鉄粉溶液の吐出口をｂで、活性炭溶液の吐出口をｃでそれぞれ示している。これらの吐出口はカッター１１の切羽側前面に開口している。また、図３〜図７においては、凡例として、気泡材、超微細鉄粉、微粉末活性炭をそれぞれ異なる矢印で示している。図３〜図７において（ａ）はそれぞれ正面から見た状態を、（ｂ）はそれぞれ中央縦断面として見た状態を示している。

泥土圧シールド工法は、掘削土砂を加泥材の注入・攪拌混合により塑性流動性を持つ泥土状態にして、加圧させ、切羽の安定を保ちつつ連続して掘進する工法である。従って、本実施形態のＶＯＣ浄化処理方法では、この泥土圧シールド工法の機能を活用して、加泥材（ここでは気泡材）と同時に、かつ同様に粒子の小さい微細鉄粉（超微細鉄粉）及び微粉末活性炭を注入することで、超微細鉄粉及び微粉末活性炭を均一に攪拌混合する方法を採用している。

この泥土圧シールド掘進におけるＶＯＣ攪拌処理工程は次の通りである。
（１）図３に示すように切羽にてカッター１１の回転により地山土塊を削り取る。
（２）その際、気泡材、超微細鉄粉及び微粉末活性炭を満遍なく切羽に速度に応じて一定量注入し、掘削土を塑性流動化させるとともに、ＶＯＣ処理を開始する。
（３）図４に示すように、掘進が進むにつれ、塑性流動性をもつ掘削土砂Ｄ１が順次、先に掘削した土砂Ｄが充満したチャンバー１３に移動する。
（４）図５、図６に示すように、チャンバー１３内ではカッター１１背面の攪拌翼１６の回転、固定攪拌翼１７、アジテータ１８の回転により更に攪拌混合されＶＯＣ処理が進む（攪拌から数分で十分な効果が得られる）。
（５）図７に示すように、チャンバー１３内は充満しているため、掘削した順にＶＯＣ処理を終えた状態でスクリューコンベアから排土される。

以上のように、掘削土は連続してチャンバー１３内を回転により攪拌混合しつつ移動する構造であり、掘削から排土される平均で約７０分後にスクリューコンベア１５から排土された段階では、所要のＶＯＣ処理が完了し、坑内環境に悪影響を与えない。

このように、本実施形態では、鉄粉と活性炭をシールド掘削機１０のカッター先端部で地山に添加して、掘進しながらチャンバー１３内で撹拌混合を進めて、スクリューコンベア１５から排出されるまでの時間(約70分)でＶＯＣが気化しない状態にする。
また、短時間にＶＯＣの揮発を抑えるために、鉄粉と同時に活性炭を添加し、活性炭の吸着効果により数分でＶＯＣが気化しない状態にする。
さらに、シールド掘削機１０のカッター先端部へ容易に注入できるように、特殊加工の超微粒子タイプ鉄粉・微粉末活性炭を水に溶かして溶液として使用する。

＜実施工における攪拌混合状態の確認と対応について＞
実施工では切羽圧可視化システムにより、チャンバー内の塑性流動性を確認することができる。これにより、一部で固結する等の塑性流動性が悪く均一に攪拌混合されていないと判断される場合には、チャンバー内の注入孔から添加材を追加注入すること、掘進速度を遅くし攪拌時間を長くする等の対応を行うことも可能である。

（Ａ）室内試験と実施工での条件の違いに関する処理効果の確実性について
室内試験（ＶＯＣ汚染模擬土、φ0.3mホバートミキサーで攪拌混合）と実施工（原位置ＶＯＣ汚染土壌、φ7.45m泥土圧シールド機のカッター回転（カッター及び背面攪拌翼）、固定攪拌翼、アジテータで攪拌混合）では、(1)ＶＯＣ汚染土の溶出量、（2）攪拌混合の規模・時間、(3)攪拌される土の充満性、について違いがある。
これらの違いについて、(Ｂ)に示す室内試験によって、溶出量が土壌汚染対策法指定基準の100倍を超える高濃度ＶＯＣ汚染土に対し、シールド機による攪拌混合（密閉されたチャンバー内に充満された土砂を長い時間、強力に攪拌）より短い攪拌混合時間（30秒）であっても、３分で確実に処理できることが確認されているため、実施工においても短時間で確実な処理効果があり問題ない。

（Ｂ）室内試験による確実な処理効果の確認
超微細鉄粉と微粉末活性炭によるＶＯＣ処理方法は、それぞれ実績があり確実な処理方法であるが、原位置ＶＯＣ汚染土壌の多様性に対応でき、かつ短時間で確実に処理するために併用している。ただし、従来はシールド切羽で処理した実績がないため、室内試験を行い、その結果から次のように実施工で処理効果の確実性に問題がないことを確認した。
＜室内試験と実施工の条件の違い＞
室内試験では、溶出量が土壌汚染対策法指定基準の100倍を超える高濃度ＶＯＣ汚染模擬土（トリクロロエチレン溶出量2.8mg/L）を使用。
室内試験とシールド機の攪拌混合の比較から、シールド機の攪拌機構では3.7分の攪拌混合で、室内試験の攪拌混合（30秒）と同程度の攪拌混合状態である（表1）。

＜室内試験結果（図８参照）＞
超微細鉄粉と微粉末活性炭を添加・攪拌混合後3分でガス濃度はＶＯＣ作業環境管理濃度（10ppm）を満足する9ppmに低減する(鉄粉だけでは10ppmまで低減しない）。
その後も時間の経過に伴い、安定してガス濃度が低減する（添加・攪拌後50分で2.5ppm、活性炭だけでは濃度増減があり、安定して低減しない）。
公定法分析の結果、ＶＯＣ処理後ではトリクロロエチレン溶出量は0.064mg/Lであり、ＶＯＣ溶出量の低減率は97.7％である。
気泡材と併用しても、スランプロス、ＶＯＣ処理効果には問題はない。

＜室内試験の結果による実施工での短時間での確実な処理効果について＞
高濃度ＶＯＣ汚染土（土壌汚染対策法指定基準の100倍）に対して3分で作業環境管理濃度を満足する低減効果があること、実施工ではシールド機によって、チャンバー内を充満させた土砂を強力かつ長い時間で攪拌混合できることから、実施工では掘削土砂がスクリューコンベアから排出された時点でＶＯＣ処理が済み、坑内環境に悪影響を与えることは無い。
ＶＯＣ処理の低減率（97.7%）から、実施工（例えばトリクロロエチレン最大溶出量0.2mg/Lの場合）におけるＶＯＣ汚染土壌の処理後の溶出量は0.0046mg/Lと推定でき、土壌汚染対策法指定基準0.03mg/Lを満足した土砂として場外搬出できる。

＜チャンバー内撹拌(滞留)時間とＶＯＣ処理効果について＞
(1)撹拌(滞留)時間の根拠
試験例において、チャンバー内撹拌(滞留)時間とは、掘削した土砂が71分後に排出されることを意味している。71分間の根拠は、20mm/分での掘進速度に対して、チャンバー内奥行き長から計算した時間である。
チャンバー内滞留時間71分間（掘削した土砂は71分後に排出される）
＝(チャンバー長1430mm) ／ (掘進速度20mm/分)×＝1430／20≒71分
ただし、カッタースポーク体積を考慮したチャンバー容量及びスクリューコンベア容量を考慮した場合、図９に示すようになる。
この場合、掘削から排土までの平均時間68.9分＝チャンバー内平均通過時間64.4分（攪拌混合平均時間）＋スクリューコンベア通過時間4.5分となる。

＜撹拌(滞留)中のＶＯＣの処理効果＞
室内試験では、溶出量が土壌汚染対策法指定基準の100倍を超える高濃度ＶＯＣ汚染土に対して３分で確実に処理できることが確認された。実施工において、チャンバー内を掘削土砂が通過する時間は、チャンバー内での攪拌混合の過程によりバラツキが生じるものと考えられるが、排出までの時間のバラツキを考慮しても掘削と超微細鉄粉及び微粉末活性炭の注入開始からチャンバー内通過時間が数分（試験では３分）あれば確実にＶＯＣを処理することができる。

よって、本発明によれば、この短時間における効果と、泥土圧シールド工法の特徴（切羽での加泥材の注入、カッター回転等による均一な攪拌混合、チャンバー内に充満させた塑性流動性を持つ掘削土の加圧による切羽保持）を活用し、連続したシールド掘進の工程の中で別の攪拌時間を必要とせずに、掘進同時処理による効率的なＶＯＣ処理をチャンバー内で行い、スクリューコンベアから排土された段階では処理が済んで坑内環境に影響を与えないという、格別顕著な効果を奏することができる。

なお、本発明による掘削土浄化技術においては、泥土圧シールド掘削機を用いる他に、泥水圧シールド掘削機を用いる場合にも適用することができる。

１０シールド掘削機
１１カッター
１２掘削機本体
１３チャンバー
１４攪拌手段
１５スクリューコンベア
１６攪拌翼
２０浄化剤添加手段（浄化剤供給装置）
３０土砂ビット
４０防音ハウス
５０シールドトンネル

Claims

汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法であって、
シールド切羽にて汚染土壌の浄化剤を地山に添加する工程と、
シールド掘削機のチャンバー内に取り込まれる浄化剤を含む掘削土を、攪拌手段で攪拌混合する工程と、
前記チャンバー内の攪拌済み掘削土をチャンバー外に搬送する工程と、
を有することを特徴とする、汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法。
前記汚染土壌は揮発性有機化合物を含み、前記浄化剤は微細鉄粉と微粉末活性炭を含むことを特徴とする請求項１に記載の汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法。
前記浄化剤を地山に添加する工程では、浄化剤を液状にして添加することを特徴とする請求項１又は２に記載の汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法。
汚染土壌内をシールド掘進する際の掘削土浄化方法に用いるシールド掘削機であって、
地山を掘削するカッターを先端部に備える掘削機本体と、
掘削機本体前面の切羽に汚染土壌の浄化剤を添加する浄化剤添加手段と、を備え、
前記掘削機本体は、浄化剤を含む掘削土が取り込まれるチャンバーと、チャンバー内の掘削土を攪拌する攪拌手段と、攪拌された掘削土を搬送する搬送手段と、を備えることを特徴とするシールド掘削機。
前記攪拌手段は、カッター及び回転攪拌翼、固定攪拌翼、アジテータを含むことを特徴とする請求項４に記載のシールド掘削機。
前記搬送手段がスクリューコンベアであることを特徴とする請求項４又は５に記載のシールド掘削機。