JP6632018B1 - トンネル止水工法、トンネル止水システム、及び止水材 - Google Patents

Abstract

【課題】シールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を簡易且つ確実に遮断することができるトンネル止水工法を提供する。【解決手段】地山を掘進してトンネルを構築するシールド掘進機１Ａに対する周辺地盤からの地下水を遮断するトンネル止水工法であって、シールド掘進機１Ａの掘進を停止させた状態で、シールド掘進機１Ａの胴体２と周辺地盤との間の空隙に、硬化してもシールド掘進機１Ａが再掘進可能な止水材１５を充填する止水材充填工程を包含するトンネル止水工法。【選択図】図１

Description

本発明は、地山を掘進してトンネルを構築するシールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断するトンネル止水工法、トンネル止水システム、止水材、及びグラウト材に関する。

地中にトンネルを構築する際には、例えば、密閉式のシールド掘進機が用いられる。シールド掘進機の代表的なものとしては、泥水式のシールド掘進機や、泥土圧式のシールド掘進機が挙げられる。泥水式のシールド掘進機は、掘進方向の掘削面（切羽）に泥水圧を作用させて切羽の安定を図りつつ掘削を行うものである。一方、泥土圧式のシールド掘進機は、掘削土砂を泥土化し、それに所定の圧力（泥土圧）を与えて切羽の安定を図りつつ掘削を行うものである。

上記のシールド掘進機は、円筒状の胴体と、切羽に臨ませるように胴体の前部に支承されるカッタヘッドとを備え、カッタヘッドの回転により、切羽を掘削することができるように構成されている。シールド掘進機においては、カッタヘッドの後方に胴体を前後に仕切るような隔壁が設けられ、隔壁とカッタヘッドとの間にチャンバが区画形成されている。チャンバは、泥水又は泥土を収容可能で、泥水圧又は泥土圧により、切羽の土水圧と対抗して切羽の崩壊を防ぐ役目をする。また、シールド掘進機の胴体の内部には、掘進用のシールドジャッキや、トンネルの外壁を構成する円環状のセグメントを組み立てるためのセグメントエレクタ、掘削された土砂を排土するための排土装置等が組み込まれている。

上記のようなシールド掘進機においては、前回の掘進工程において既に組み立てられているセグメントの前端面にシールドジャッキを押し当て、シールドジャッキを伸長させて、シールドジャッキの１ストローク分の長さのトンネルを掘削する。その後、セグメントエレクタを用いて、既設のセグメントに新たなセグメントを連結するように組み立て、組み立てた新たなセグメントにシールドジャッキを押し当てて伸長させるという動作を繰り返し行うことにより、セグメントで構成された外壁を有するトンネルが構築される。

ところで、シールド掘進機のチャンバ内部の点検やカッタヘッド等の点検を行う際には、チャンバを開放する必要がある。チャンバを開放すると、シールド掘進機の周辺地盤からの地下水がシールド掘進機内に流入し、これが原因でシールド掘進機の周囲の地盤が緩み、地盤沈下や陥没に至る虞がある。従って、点検を安全に行うためには、シールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断しなければならない。

従来、地下水を遮断するために用いられる方法としては、例えば、注入剤としてセメントミルク又はセメントベントナイトを、圧力機器を用いて地盤に加圧注入する薬液注入法（ケミカルグラウト工法）により、予め地上から地盤改良を施すというものがある（例えば、特許文献１を参照）。

特開平３−１３２５９２号公報

上記の薬液注入法により地下水を遮断するものでは、通常、地上から薬液を注入するため、地上の交通確保の制約等により、地上からの薬液注入が困難になる場合がある。また、地盤の深度が大きい箇所を止水する場合、十分な止水効果を得るのが難しい。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、シールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を簡易且つ確実に遮断することができるトンネル止水工法、トンネル止水システム、止水材、及びグラウト材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係るトンネル止水工法の特徴構成は、
地山を掘進してトンネルを構築するシールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断するトンネル止水工法であって、
前記シールド掘進機の掘進を停止させた状態で、前記シールド掘進機の胴体と周辺地盤との間の空隙に、硬化しても前記シールド掘進機が再掘進可能な止水材を充填する止水材充填工程を包含することにある。

本構成のトンネル止水工法においては、例えば、シールド掘進機のチャンバ内部の点検やカッタヘッド等の点検を行う際、シールド掘進機の掘進を停止させた状態で、シールド掘進機の胴体と周辺地盤との間の空隙に、硬化してもシールド掘進機が再掘進可能な止水材を充填する止水材充填工程が実施される。止水材充填工程は、シールド掘進機側から周辺地盤との間の空隙に止水材を充填する工程であり、地上から薬液を注入する従来の薬液注入法と比べて、地上の交通確保の制約等がなく、簡易に実施することができる。また、充填された止水材は、硬化すれば十分な止水効果を発揮するので、シールド掘進機の周辺地盤のうち、特に、シールド掘進機の胴体回りの周辺地盤からの地下水を簡易且つ確実に遮断することができる。さらに、充填された止水材が硬化しても、シールド掘進機は再掘進可能であるので、点検作業等が終了すれば、速やかに掘進を再開することができる。なお、本明細書において、「シールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断する」とは、シールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水の浸入を完全に止めることと、シールド掘進機内に流入する地下水の流量が、例えば、カッタヘッド等の点検を安全に行うことができる許容流量以下になるように、シールド掘進機内への地下水の浸入を抑えることとの両方を含むものである。

本発明に係るトンネル止水工法において、
前記シールド掘進機の掘進方向の掘削面である切羽の前方の地盤亀裂にグラウト材を充填するグラウト材充填工程を包含することが好ましい。

本構成のトンネル止水工法においては、シールド掘進機の掘進方向の掘削面である切羽の前方の地盤亀裂にグラウト材を充填するグラウト材充填工程が実施される。グラウト材充填工程は、シールド掘進機側から切羽前方の地盤亀裂にグラウト材を充填する工程であり、地上から薬液を注入する従来の薬液注入法と比べて、地上の交通確保の制約等がなく、簡易に実施することができる。従って、シールド掘進機の周辺地盤のうち、特に、シールド掘進機の前方の切羽側からの地下水を簡易且つ確実に遮断することができる。

本発明に係るトンネル止水工法において、
前記止水材を一軸圧縮強度が０．０２５〜０．２０Ｎ／ｍｍ^２となるように硬化させる硬化工程を包含することが好ましい。

本構成のトンネル止水工法においては、止水材を一軸圧縮強度が０．０２５〜０．２０Ｎ／ｍｍ^２となるように硬化させる硬化工程が実施される。硬化した止水材の一軸圧縮強度は、０．０２５〜０．２０Ｎ／ｍｍ^２程度であるため、掘進停止状態のシールド掘進機が再び掘進できないくらいにシールド掘進機を地盤に固着することなく周辺地盤を支えることができる。

次に、上記課題を解決するための本発明に係るトンネル止水システムの特徴構成は、
地山を掘進してトンネルを構築するシールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断するトンネル止水システムであって、
前記シールド掘進機の掘進を停止させた状態で、前記シールド掘進機の胴体と周辺地盤との間の空隙に、硬化しても前記シールド掘進機が再掘進可能な止水材を充填する止水材充填装置を備えることにある。

本構成のトンネル止水システムにおいては、例えば、シールド掘進機のチャンバ内部の点検やカッタヘッド等の点検を行う際、シールド掘進機の掘進を停止させた状態で、シールド掘進機の胴体と周辺地盤との間の空隙に、硬化してもシールド掘進機が再掘進可能な止水材を充填する止水材充填工程が止水材充填装置を用いて実施される。止水材充填装置を用いた止水材充填工程は、シールド掘進機側から周辺地盤との間の空隙に止水材を充填する工程であり、地上から薬液を注入する従来の薬液注入法と比べて、地上の交通確保の制約等がなく、簡易に実施することができる。また、充填された止水材は、硬化すれば十分な止水効果を発揮するので、シールド掘進機の周辺地盤のうち、特に、シールド掘進機の胴体回りの周辺地盤からの地下水を簡易且つ確実に遮断することができる。さらに、充填された止水材が硬化しても、シールド掘進機は再掘進可能であるので、点検作業等が終了すれば、速やかに掘進を再開することができる。

本発明に係るトンネル止水システムにおいて、
前記シールド掘進機の掘進方向の掘削面である切羽の前方の地盤亀裂にグラウト材を充填するグラウト材充填装置を備えることが好ましい。

本構成のトンネル止水システムは、シールド掘進機の掘進方向の掘削面である切羽の前方の地盤亀裂にグラウト材を充填するグラウト材充填工程がグラウト材充填装置を用いて実施される。グラウト材充填装置を用いたグラウト材充填工程は、シールド掘進機側から切羽前方の地盤亀裂にグラウト材を充填する工程であり、地上から薬液を注入する従来の薬液注入法と比べて、地上の交通確保の制約等がなく、簡易に実施することができる。従って、シールド掘進機の周辺地盤のうち、特に、シールド掘進機の前方の切羽側からの地下水を簡易且つ確実に遮断することができる。

次に、上記課題を解決するための本発明に係る止水材の特徴構成は、
地山を掘進してトンネルを構築するシールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断するために、前記シールド掘進機の胴体と周辺地盤との間の空隙に充填される、硬化しても前記シールド掘進機が再掘進可能な止水材であって、
硬化を促進する硬化材を含有し、
硬化後の一軸圧縮強度が０．０２５〜０．２０Ｎ／ｍｍ^２となることにある。

本構成の止水材によれば、硬化を促進する硬化材を含有し、硬化後の一軸圧縮強度が０．０２５〜０．２０Ｎ／ｍｍ^２となるため、掘進停止状態のシールド掘進機が再び掘進できないくらいにシールド掘進機を地盤に固着することなく周辺地盤を支えることができる。充填された止水材は、硬化すれば十分な止水効果を発揮するので、シールド掘進機の周辺地盤のうち、特に、シールド掘進機の胴体回りの周辺地盤からの地下水を簡易且つ確実に遮断することができる。

次に、上記課題を解決するための本発明に係るグラウト材の特徴構成は、
地山を掘進してトンネルを構築するシールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断するために、前記シールド掘進機の掘進方向の掘削面である切羽の前方の地盤亀裂に充填されるグラウト材であって、
硬化を促進する硬化材と、
粒径加積曲線測定による８５％粒径が１０μｍ以下の目詰め材と、
流動性を高めるとともに前記硬化材によって硬化が進む際に体積を増加させる流動膨張剤と、
を含有することにある。

本構成のグラウト材は、硬化を促進する硬化材と共に、目詰め材、及び流動膨張剤を含有する。目詰め材は、粒径加積曲線測定による８５％粒径が１０μｍ以下とされる。グラウト材全体の粒径加積曲線測定による８５％粒径は２０μｍ以下とされる。これにより、切羽前方の地盤亀裂に目詰め材をスムーズに通過させることができる。流動膨張剤は、硬化材や目詰め材の凝集を防止するとともに、硬化材によって硬化が進む際に体積を増加させるため、硬化材や目詰め材を切羽側の地盤に深く浸透させることができるとともに、例えば、シールド掘進機のチャンバ内部の点検やカッタヘッド等の点検を行う際のチャンバ開放に伴う減圧時に、切羽側の地盤に浸透したグラウト材がシールド掘進機側に引き戻されるのを防ぐことができる。以上のことから、本構成のグラウト材によれば、点検等のためにシールド掘進機のチャンバが開放されても、切羽前方の地盤亀裂を確実に塞ぐことができ、シールド掘進機の周辺地盤のうち、特に、シールド掘進機の前方の切羽側からの地下水を簡易且つ確実に遮断することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係るトンネル止水工法の実施に供する泥水式のシールド掘進機の縦断面方向の概略図である。 図２は、本発明の第一実施形態に係るトンネル止水工法の実施の手順を示すフローチャートである。 図３は、本発明の第二実施形態に係るトンネル止水工法の実施に供する泥土圧式のシールド掘進機の縦断面方向の概略図である。 図４は、本発明の第二実施形態に係るトンネル止水工法の実施の手順を示すフローチャートである。 図５は、セメント（硬化材）量と一軸圧縮強度との関係を示すグラフである。 図６は、グラウト材の粒径加積曲線の測定結果を示すグラフである。 図７は、目詰め材の粒径加積曲線の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明について、図１〜図７を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載される構成に限定されることは意図しない。

〔第一実施形態〕
＜シールド掘進機＞
図１は、本発明の第一実施形態に係るトンネル止水工法の実施に供する泥水式のシールド掘進機の縦断面方向の概略図である。図１に示されるシールド掘進機１Ａは、掘進方向の掘削面（切羽）に泥水圧を作用させて切羽の安定を図りつつ掘削を行うものである。このシールド掘進機１Ａは、円筒状の胴体２と、胴体２の前部に回転可能に支承されるカッタヘッド３とを備え、胴体２に内蔵される図示されない回転駆動装置によってカッタヘッド３を回転駆動することにより、カッタヘッド３の前面側に装着されたカッタビット４等で切羽を掘削することができるように構成されている。カッタヘッド３の後方には、胴体２を前後に仕切るような隔壁５が設けられ、隔壁５とカッタヘッド３との間にチャンバ６が区画形成されている。チャンバ６は、泥水を収容可能で、泥水圧により、地山の土水圧と対抗して地山の崩壊を防ぐ役目をする。胴体２の内部には、掘進用のシールドジャッキ（図示省略）や、トンネルの外壁を構成する円環状のセグメント７を組み立てるためのセグメントエレクタ（図示省略）等が組み込まれている。なお、シールド掘進機１Ａの胴体２と周辺地盤との間には、カッタヘッド３のオーバカット分だけ空隙が生じる。

シールド掘進機１Ａの胴体２の内部には、止水材充填装置１１と、グラウト材充填装置１２とが配設されている。止水材充填装置１１は、シールド掘進機１Ａが掘進停止状態にあるときに、シールド掘進機１Ａの胴体２と周辺地盤との間の空隙に、硬化してもシールド掘進機１Ａが再掘進可能な止水材１５を充填する装置である。一方、グラウト材充填装置１２は、切羽前方の地盤亀裂にグラウト材１６を充填する装置である。

＜止水材充填装置＞
止水材充填装置１１は、二液（Ａ液、Ｂ液）を混合するための混合装置２１と、掘削した地盤に臨ませるように胴体２の外周壁に装着される所要の止水材注入ノズル２２とを備えている。混合装置２１は、流体流れの上流側から下流側に向かって順に配設される第一ポート部２３、第二ポート部２４、及び所要の止水材吐出部２５を有している。第一ポート部２３には、Ａ液供給配管２６を介してＡ液タンク２７が接続されている。第二ポート部２４には、Ｂ液供給配管２８を介してＢ液タンク２９が接続されている。止水材吐出部２５には、止水材供給配管３０を介して止水材注入ノズル２２が接続されている。

Ａ液供給配管２６の途中には、Ａ液タンク２７内のＡ液を混合装置２１へと圧送するＡ液圧送ポンプ３１が介設されている。また、Ｂ液供給配管２８の途中には、Ｂ液タンク２９内のＢ液を混合装置２１へと圧送するＢ液圧送ポンプ３２が介設されている。なお、Ａ液供給配管２６、及びＢ液供給配管２８のそれぞれの配管途中には、Ａ液圧送ポンプ３１、Ｂ液圧送ポンプ３２以外に、図示されない圧力スイッチ、圧力センサ、流量計等が適宜に配設されている。

＜グラウト材充填装置＞
グラウト材充填装置１２は、チャンバ６の下部にグラウト材１６を注入可能に隔壁５に装着されるグラウト材注入ノズル４１を備えている。グラウト材注入ノズル４１は、グラウト材供給配管４２を介してグラウト材タンク４３に接続されている。グラウト材供給配管４２の途中には、グラウト材タンク４３内のグラウト材１６をグラウト材注入ノズル４１へと圧送するグラウト材圧送ポンプ４４が介設されている。なお、グラウト材供給配管４２の配管途中には、グラウト材圧送ポンプ４４以外に、図示されない圧力スイッチ、圧力センサ、流量計等が適宜に配設されている。

なお、止水材１５とグラウト材１６とは、注入時期が異なる。このため、Ａ液タンク２７とグラウト材タンク４３とを一つのタンクで兼用するとともに、Ａ液圧送ポンプ３１とグラウト材圧送ポンプ４４とを一つの圧送ポンプで兼用し、Ａ液供給配管２６及びグラウト材供給配管４２に所要の開閉弁を設けて、当該開閉弁の切換により、Ａ液注入とグラウト材注入とを切り換えるように構成してもよい。

＜止水材＞
Ａ液タンク２７には、硬化材、助材、安定剤、及びゲル化促進剤を含有する水溶液であるＡ液が貯留されている。一方、Ｂ液タンク２９には、塑性強度を高める塑強調整剤（特殊水ガラス）としてのＢ液が貯留されている。止水材１５は、Ａ液タンク２７からＡ液供給配管２６を介して供給されるＡ液と、Ｂ液タンク２９からＢ液供給配管２８を介して供給されるＢ液とを混合装置２１で混合することによって調製される。止水材１５は、Ａ液とＢ液との混合により、ゲルタイム（液体から可塑状になるまでの時間）１５〜６０秒以内にゲル化し、２００〜３００ｄＰｓの粘性を確保し、硬化工程を経て硬化した後の一軸圧縮強度が０．０２５〜０．２０Ｎ／ｍｍ^２となる。止水材１５は、硬化により十分な止水効果を発揮するとともに、掘進停止状態のシールド掘進機１Ａが再び掘進できないくらいにシールド掘進機１Ａを地盤に固着することなく周辺地盤を支えることができる。止水材１５の目標性状を表１に示す。

［硬化材］
止水材１５において、硬化材は、硬化を促進する目的で使用される。硬化材は、水硬性セメント類の一種で、石灰質原料と粘土質原料とを混合して焼成・粉砕した無機系の材料である。硬化材の配合量は、好ましくは５０〜１１０ｋｇ／ｍ^３であり、より好ましくは７５〜１００ｋｇ／ｍ^３である。なお、図５に示されるように、硬化材が１１０ｋｇ／ｍ^３で一軸圧縮強度が０．３Ｎ／ｍｍ^２程度の強度発現が予想される。一軸圧縮強度が０．３Ｎ／ｍｍ^２を超えると、掘進停止状態のシールド掘進機１Ａが再び掘進できないくらいに地盤に固着される虞があるため、硬化材の上限は１１０ｋｇ／ｍ^３程度となる。また、図５に示されるように、硬化材が５０ｋｇ／ｍ^３を下回ると、硬化後の一軸圧縮強度が０．０１Ｎ／ｍｍ^２未満となることが予想される。一軸圧縮強度が０．０１Ｎ／ｍｍ^２未満であると、チャンバ６の開放時の圧力変動に伴い、止水材１５がシールド掘進機１Ａの前面側に引き込まれ、地下水の流入を誘発する虞があるため、硬化材の下限は５０ｋｇ／ｍ^３程度となる。

［助材］
止水材１５において、助材は、ブリージングや材料分離を抑制する目的で使用される。助材は、セリサイト（絹雲母系粘土）、及びモンモリロナイトを主成分とする無機系の材料であり、鉱物結晶が微細で粘稠性に富んでいる。助材の配合量は、好ましくは１５０〜２５０ｋｇ／ｍ^３であり、より好ましくは２００〜２２５ｋｇ／ｍ^３である。

［安定剤］
止水材１５において、安定剤は、Ａ液の流動性を確保するとともに、凝結を遅延させる目的で使用される。安定剤は、シュクロースを主成分とする材料であり、硬化材による硬化遅延を目的としながら塑強調整剤（Ｂ液）の添加・混合によって瞬時に凝結が開始され、強度発現を阻害しない材料である。安定剤の配合量は、好ましくは３．５〜１０ｋｇ／ｍ^３であり、より好ましくは４〜６ｋｇ／ｍ^３である。

［ゲル化促進剤］
止水材１５において、ゲル化促進剤は、地下水による水希釈を抑制する目的で使用される。ゲル化促進剤は、塩化マグネシウム、及び／又は塩化カルシウムを主成分とする材料である。ゲル化促進剤の配合量は、好ましくは１〜５ｋｇ／ｍ^３であり、より好ましくは２〜３ｋｇ／ｍ^３である。

［塑強調整剤］
止水材１５において、塑強調整剤は、その中に含まれる添加物がコロイダルシリカの硬化機構に対して触媒的に作用し、塑性時間、及び圧縮強度を調整する性質を有する水ガラス系の材料である。塑強調整剤の配合量は、２０〜７５Ｌ／ｍ^３であり、より好ましくは４０〜６０Ｌ／ｍ^３である。

＜グラウト材＞
グラウト材タンク４３には、硬化材、目詰め材、流動膨張剤を含有する水溶液であるグラウト材１６が貯留されている。グラウト材１６の目標性状を表２に示す。

［硬化材］
グラウト材１６に使用される硬化材は、止水材１５に使用される硬化材と基本的に同じであり、水硬性セメント類の一種で、石灰質原料と粘土質原料とを混合して焼成・粉砕した無機系の材料である。硬化材の配合量は、好ましくは２００〜２７０ｋｇ／ｍ^３であり、より好ましくは２３０〜２５０ｋｇ／ｍ^３である。

［目詰め材］
グラウト材１６において、目詰め材は、止水材１５において助材として配合されるセリサイト（絹雲母系粘土）、及びモンモリロナイトを主成分とする無機系の材料である。この目詰め材においては、ある粒径のふるい目を通過した土の量の重量百分率（％）を縦軸に、粒径を対数目盛の横軸にしてプロットした粒径加積曲線による測定から重量百分率８５％にあたる粒径が１０μｍ以下である微粒子注入材としての特徴を持つ材料である。目詰め材の配合量は、好ましくは８０〜１２０ｋｇ／ｍ^３であり、より好ましくは９０〜１１０ｋｇ／ｍ^３である。

［流動膨張剤］
グラウト材１６において、流動膨張剤は、流動性を高めるとともに硬化材によって硬化が進む際に体積を増加させる目的で使用される。流動膨張剤は、リグニンスルフォン酸化合物（流動化剤）、アルミニウム粉末（膨張剤）、及び炭酸カルシウムを含有する材料である。流動膨張剤の配合量は、好ましくは１〜３．５ｋｇ／ｍ^３であり、より好ましくは２〜３ｋｇ／ｍ^３である。

＜シールド掘進機の掘進動作＞
シールド掘進機１Ａにおいては、図示されない送泥ポンプにより送泥管５１を介して泥水をチャンバ６へと送り、圧力をかけて地盤の土水圧に対抗させて切羽の安定を図りつつ、掘削した土砂を泥水と共に図示されない排泥ポンプにより排泥管５２を介して図示されない流体処理設備に流体輸送する。また、シールド掘進機１Ａにおいては、前回の掘進工程において既に組み立てられているセグメント７の前端面にシールドジャッキを押し当て、シールドジャッキを伸長させて、シールドジャッキの１ストローク分の長さのトンネルを掘削する。その後、セグメントエレクタを用いて、既設のセグメント７に新たなセグメント７を連結するように組み立て、組み立てた新たなセグメント７にシールドジャッキを押し当てて伸長させるという動作を繰り返し行うことにより、セグメント７で構成された外壁を有するトンネルが構築される。なお、トンネルの外壁となるセグメント７と周辺地盤との間には、カッタヘッド３のオーバカット等により、空隙（テールボイド）が生じる。テールボイドには、地盤沈下や既設構造物への悪影響を未然に防ぐために、胴体２のテール部に装備される図示されない裏込め材注入装置により裏込め材を注入して、セグメント７を固定する。

トンネル施工区間においては、所定距離（例えば、２００ｍ）毎にシールド掘進機１Ａのチャンバ６内部の点検やカッタヘッド３等の点検を行う位置（以下、「カッタヘッド等点検位置」と称する。）が予め定められ、シールド掘進機１Ａがカッタヘッド等点検位置に到達すると、カッタヘッド３等の点検を行わなければならない場合がある。カッタヘッド３等の点検を行う際には、チャンバ６を開放する必要がある。チャンバ６を開放すると、シールド掘進機１Ａの周辺地盤からの地下水がシールド掘進機１Ａ内に流入し、これが原因でシールド掘進機１Ａの周囲の地盤が緩み、地盤沈下や陥没に至る虞がある。従って、点検を安全に行うためには、後述するトンネル止水工法の実施により、シールド掘進機１Ａに対する周辺地盤からの地下水を遮断しなければならない。

シールド掘進機１Ａへの地下水の流入は、シールド掘進機１Ａの後方からの流入、シールド掘進機１Ａの胴体２の周囲からの流入、シールド掘進機１Ａの前方からの流入の３つに分類される。これらのうち、シールド掘進機１Ａの後方からの地下水の流入については、トンネルの外壁となるセグメント７と周辺地盤との間に生じるテールボイドに起因するものであり、裏込め材注入装置（図示省略）によって裏込め材をテールボイドに注入することによって確実に防ぐことができる。なお、シールド掘進機１Ａのテール部から裏込め材が流出し、所定の圧力が確保できない場合は、掘進完了後に、セグメント７から裏込め材を補充注入するのがよい。

一方、シールド掘進機１Ａの胴体２の周囲からの地下水流入、及びシールド掘進機１Ａの前方からの地下水流入については、以下に述べるトンネル止水工法の実施により防ぐことができる。

＜トンネル止水工法＞
図２は、本発明の第一実施形態に係るトンネル止水工法の実施の手順を示すフローチャートである。なお、図２中記号「Ｓ」はステップを表わす（図４においても同様）。この図２を用いてトンネル止水工法の実施の手順について以下に説明する。

［Ｓ１〜Ｓ３］
まず、シールド掘進機１Ａがカッタヘッド等点検位置に到達すると（Ｓ１において「ＹＥＳ」）、シールド掘進機１Ａの掘進を停止させて、カッタヘッド等点検位置における地盤の地質が岩層であるか否かを判断する（Ｓ２）。岩層である場合（Ｓ２において「ＹＥＳ」）、カッタビット４が岩層に食い込んだ状態ではカッタビット４の点検・交換作業ができないため、カッタヘッド３等の点検作業が不十分なものとなる。このため、カッタビット４の点検・交換作業が可能となるように、シールド掘進機１Ａを所定距離（例えば、５０〜１００ｍｍ）だけ後退させる（Ｓ３）。なお、カッタヘッド等点検位置における地盤の地質が岩層でなく、土砂層等である場合（Ｓ２において「ＮＯ」）は、ステップＳ４に進む。

［Ｓ４：止水材充填工程、硬化工程］
ステップＳ４においては、Ａ液圧送ポンプ３１、及びＢ液圧送ポンプ３２をそれぞれ作動させることにより、Ａ液タンク２７内のＡ液を混合装置２１へと圧送するとともに、Ｂ液タンク２９内のＢ液を混合装置２１へと圧送する。これにより、Ａ液とＢ液とが混合装置２１で混合されて止水材１５が調製される。調製された止水材１５は、混合装置２１の止水材吐出部２５から止水材供給配管３０を介して止水材注入ノズル２２へと圧送される。圧送された止水材１５は、止水材注入ノズル２２から噴出されて、シールド掘進機１Ａの胴体２と周辺地盤との間の空隙に充填される。充填された止水材１５は、ゲルタイム１５〜６０秒以内にゲル化し、２００〜３００ｄＰｓの粘性が確保され、硬化工程を経て、０．０２５〜０．２０Ｎ／ｍｍ^２の一軸圧縮強度が発現される。これにより、掘進停止状態のシールド掘進機１Ａが再び掘進できないくらいにシールド掘進機１Ａを地盤に固着することなく周辺地盤を支えることができるとともに、シールド掘進機１Ａの周辺地盤のうち、特に、シールド掘進機１Ａの胴体２回りの周辺地盤からの地下水を簡易且つ確実に遮断することができる。

［Ｓ５〜Ｓ８］
次いで、チャンバ６内に流入する地下水の流量を測定し（Ｓ５）、測定流量が、カッタヘッド３等の点検を安全に行うことができるとして予め設定された許容流量を超えているか否かを判断する（Ｓ６）。測定流量が許容流量を超えており（Ｓ６において「ＹＥＳ」）、且つ、カッタヘッド等点検位置における地盤の地質が岩層である場合（Ｓ７において「ＹＥＳ」）、チャンバ６内の泥水を清水に置換する（Ｓ８）。なお、測定流量が許容流量を超えており（Ｓ６において「ＹＥＳ」）、且つ、カッタヘッド等点検位置における地盤の地質が岩層でなく、土砂層等である場合（Ｓ７において「ＮＯ」）は、ステップＳ９に進む。

［Ｓ９：グラウト材充填工程］
ステップＳ９においては、グラウト材圧送ポンプ４４を作動させることにより、グラウト材タンク４３内のグラウト材１６をグラウト材注入ノズル４１へと圧送する。ここで、ステップＳ８でチャンバ６内の清水置換を経た岩盤の場合、清水中に正規の配合のグラウト材１６をチャンバ６内に注入すると、注入初期は水と硬化材との比（Ｗ／Ｃ）が大きく硬化材の量が少ない貧配合（Ｗ／Ｃ＞１０００％）のグラウト材１６になっている。このように岩盤面の小さい亀裂には、最も浸透しやすい清水から次第に正規の配合のグラウト材１６に置換していき、清水と完全に置換（Ｗ／Ｃ＝（８８３／２４０）×１００＝３６８％）した後、グラウト材１６の注入流量が一定となるまで注入する。なお、ステップＳ８でのチャンバ６内の清水置換を経ていない土砂の場合、岩盤に比べて比較的大きな亀裂のため、グラウト材１６は、清水過程を経ることなく、泥水から徐々に正規の配合のグラウト材１６をチャンバ６内に注入し、泥水と完全に置換した後、グラウト材１６の注入流量が一定となるまで注入して、グラウト材１６を地盤内に十分に浸透させる。

グラウト材１６の注入流量は、対象地盤の透水係数と圧力差によって異なる。亀裂が大きい（透水係数が大きい）場合、多量のグラウト材１６を注入する必要がある。亀裂が小さい（透水係数が小さい）場合は、少量のグラウト材１６を注入することで安定する。以下の表３に示されるように、対象地盤の透水係数が１×１０^−４〜１×１０^−３ｍ／ｓの場合、グラウト材１６の注入流量は、４６６．５〜４６６５．３Ｌ／ｍｉｎであり、対象地盤の透水係数が１×１０^−７〜１×１０^−５ｍ／ｓの場合、グラウト材１６の注入流量は、０．５〜４６．７Ｌ／ｍｉｎとなる。グラウト材圧送ポンプ４４の吐出能力の観点から、透水係数が１×１０^−７〜１×１０^−５ｍ／ｓの地盤に対して上記のグラウト材充填工程が有効である。なお、切羽における０．５〜１ｍｍ程度の幅の亀裂をグラウト材１６によって遮断できれば、地下水の流入を相当低減することができる。

ステップＳ９のグラウト材充填工程の実施により、チャンバ６内に流入する地下水の測定流量が、カッタヘッド３等の点検を安全に行うことができるとして予め設定された許容流量以下となれば（ステップＳ６において「ＮＯ」）、シールド掘進機１Ａのチャンバ６を開放し、チャンバ６内部の点検やカッタヘッド３等の点検を行う（Ｓ１０）。チャンバ６を開放しても、グラウト材１６に含まれる流動膨張剤の作用により、切羽側の地盤に浸透したグラウト材１６がシールド掘進機１Ａ側に引き戻されるのを防ぐことができる。従って、点検等のためにシールド掘進機１Ａのチャンバ６が開放されても、切羽前方の地盤亀裂を確実に塞ぐことができ、シールド掘進機１Ａの周辺地盤のうち、特に、シールド掘進機１Ａの前方の切羽側からの地下水を簡易且つ確実に遮断することができる。

なお、ステップＳ４の止水材充填工程の実施により、チャンバ６内に流入する地下水の測定流量が許容流量以下となれば、グラウト材充填工程を実施することなく、シールド掘進機１Ａのチャンバ６を開放し、チャンバ６内部の点検やカッタヘッド３等の点検を行う（Ｓ５、Ｓ６、Ｓ１０）。

カッタヘッド３等の点検のために掘進停止状態のシールド掘進機１Ａは、再び掘進できないくらいに止水材１５によって地盤に固着されておらず、再掘進可能であるので、点検作業等が終了すれば、速やかに掘進を再開することができる。

〔第二実施形態〕
図３は、本発明の第二実施形態に係るトンネル止水工法の実施に供する泥土圧式のシールド掘進機の縦断面方向の概略図である。第二実施形態において、第一実施形態と同一又は同様のものについては、図に同一符号を付すに留めてその詳細な説明を省略することとし、以下においては、第二実施形態に特有の部分を中心に説明することとする。

＜シールド掘進機＞
図３に示されるシールド掘進機１Ｂは、添加材を使用して掘削土砂を泥土化し、それに所定の圧力を与えて切羽の安定を図りつつ掘削を行うものである。このシールド掘進機１Ｂにおいては、掘進速度と排土量とを制御して土圧を保持しており、チャンバ６の下部に連通するように後方に向かって上向きに傾斜配置で接続されるスクリュコンベヤ６０の回転数を増減させることにより排土量を制御する。なお、地盤の元々の粒度分布が良く添加材を使用しない場合があり、この場合、シールド掘進機１Ｂは、土圧式のシールド掘進機として機能する。

シールド掘進機１Ｂは、チャンバ６内に止水材１５を注入可能に隔壁５に装着される止水材注入ノズル４５を備えている。止水材注入ノズル４５と混合装置２１とは、止水材供給配管４６によって接続されている。これにより、混合装置２１で調製された止水材１５が、混合装置２１から止水材供給配管４６を介して止水材注入ノズル４５へと圧送される。圧送された止水材１５は、止水材注入ノズル４５からチャンバ６の内部に注入される。また、シールド掘進機１Ｂにおいては、第一実施形態のシールド掘進機１Ａで設けられるグラウト材充填装置１２とは異なる構成のグラウト材充填装置６２が設けられている。グラウト材充填装置６２は、切羽に直接的にグラウト材１６を注入可能にカッタヘッド３の前面側に装着される所要のグラウト材注入ノズル６３を備えている。グラウト材注入ノズル６３は、所要のスイベルジョイント（図示省略）を含みカッタヘッド３の中央部を通って胴体２の後方へと延設されるグラウト材供給配管６４を介してグラウト材タンク６５に接続されている。グラウト材供給配管６４の途中には、グラウト材タンク６５内のグラウト材１６をグラウト材注入ノズル６３へと圧送するグラウト材圧送ポンプ６６が介設されている。なお、グラウト材供給配管６４の配管途中には、グラウト材圧送ポンプ６６以外に、図示されない圧力スイッチ、圧力センサ、流量計等が適宜に配設されている。

＜トンネル止水工法＞
図４は、本発明の第二実施形態に係るトンネル止水工法の実施の手順を示すフローチャートである。この図４におけるステップＳ１〜ステップＳ７までの手順は、図２におけるそれと全く同じであるので説明を省略し、ステップＳ２１〜ステップＳ２３の手順について重点的に説明することとする。

［Ｓ２１］
ステップＳ５における測定流量が許容流量を超えている場合（Ｓ６において「ＹＥＳ」）、チャンバ６内等を不透水層に置換する（Ｓ２１）。すなわち、泥土圧式のシールド掘進機１Ｂの場合、チャンバ６内を加圧すると、スクリュコンベヤ６０から胴体２の作業室側に圧力が逃げる虞がある。このとき、止水材充填装置１１により混合装置２１から止水材供給配管４６及び止水材注入ノズル４５を介して止水材１５をチャンバ６内に注入し、注入した止水材１５とチャンバ６内の土砂とを混合して、チャンバ６内、及びスクリュコンベヤ６０内を不透水層で置換することにより、チャンバ６内の圧力を保持する。止水材１５の土砂との混合比は３０％以上が好ましい。

［Ｓ２２］
ステップＳ５における測定流量が許容流量を超えており（Ｓ６において「ＹＥＳ」）、且つ、カッタヘッド等点検位置における地盤の地質が岩層である場合（Ｓ７において「ＹＥＳ」）、カッタヘッド３の前面の空間に清水を充填する（Ｓ２２）。清水は、添加材を注入するための添加材注入ノズル（図示省略）から添加材に替えて注入して充填する。

［Ｓ２３：グラウト材充填工程］
ステップＳ２２で清水を充填したら、グラウト材充填装置６２におけるグラウト材圧送ポンプ６６を作動させて、グラウト材タンク６５内のグラウト材１６をグラウト材注入ノズル６３へと圧送する。これにより、切羽とカッタヘッド３との間に清水から徐々に正規の配合のグラウト材１６が注入され、グラウト材１６が清水と完全に置換した後、グラウト材１６の注入流量が一定となるまでグラウト材１６を注入して、グラウト材１６を地盤内に十分に浸透させる。

次に、本発明のトンネル止水工法、トンネル止水システム、止水材、及びグラウト材の具体的な実施例について説明する。

＜止水材＞
下記の表４に示される１．０５ｍ^３あたりの配合量にて止水材を調製した。ここで、硬化材、助材、安定剤、ゲル化促進剤、及び塑強調整剤の製造会社及び製品名は、以下の通りである。
硬化材：（株）タック、「タックメント」
助材 ：（株）タック、「ＴＡＣ−βＩＩ」
安定剤：（株）タック、「ＴＡＣ−Ｒｅ」
ゲル化促進剤：（株）タック、「ＴＡＣゲル」
塑強調整剤 ：（株）タック、「ＴＡＣ−３Ｇ」

表４に示される配合において、Ｂ液の配合量をそのままでゲル化促進剤の配合量を変化させる場合と、Ｂ液の配合量を減らしゲル化促進剤を配合しない場合との両方の場合の止水材の性状を表５に示す。

また、１．０５ｍ^３あたりのＢ液が５０Ｌ、及び２０Ｌの場合における止水材と土砂との混合比率３０％の性状を表６に示す。

表５〜表６に示される結果から明らかなように、本発明の止水材は、一軸圧縮強度を０．１Ｎ／ｍｍ^２程度で保持することにより、掘進停止状態のシールド掘進機が再び掘進できないくらいにシールド掘進機を地盤に固着することなく周辺地盤を支えることができる。また、土砂（透水係数：１．１×１０^−４ｍ／ｓ）と止水材とを混合して得られる不透水層は、透水係数２．４×１０^−７〜４．９×１０^−７程度を実現している。

＜グラウト材＞
下記の表７に示される１ｍ^３あたりの配合量にてグラウト材を調製した。ここで、硬化材、目詰め材、及び流動膨張剤の製造会社及び製品名は、以下の通りである。
製品名
硬化材 ：（株）タック、「タックメント」
目詰め材：（株）タック、「ＴＡＣ−βＩＩ」
流動膨張剤：（株）タック、「ＦＴＡ−Ｓ」

表７に示される配合にて調製されたグラウト材の性状を表８に示す。

上記のグラウト材に対して、レーザ回折・散乱法（掘場製作所：ＬＡ−９２０）による粒度分析を実施したところ、図６に示される粒径加積曲線測定によるグラウト材の８５％粒径（重量比が８５％にあたる粒径）が１４μｍ程度となり、微粒子注入材に近い粒径を有していることが確認された。併せて、目詰め材の８５％粒径が１０μｍ以下（測定値７．５μｍ）であることを図７に示す。

グラウト材の粒径と注入対象地盤の粒径から浸透可否を評価する指標として、グラウタビリティ比（ＧＲ）があり、ＧＲ＝Ｄ１５／Ｇ８５の値が１５〜２５以上であれば、グラウト材１６は注入対象地盤に浸透可能とされている。ここで、Ｄ１５とは、地盤の粒径加積曲線測定による１５％粒径であり、Ｇ８５は、グラウト材の粒径加積曲線測定による８５％粒径である。

グラウト材の浸透可能領域を逆算すると、Ｄ１５＝ＧＲ×Ｇ８５＝（１５〜２５）×１４μｍ＝２１０〜３５０μｍとなり、地盤の粒径加積曲線測定による１５％粒径が２１０〜３５０μｍ程度まで浸透可能であることが分かる。これは、岩盤の亀裂幅に相当するため、本発明のグラウト材であれば、亀裂幅１ｍｍ以下、さらに０．５ｍｍ程度まで浸透可能である。

本発明のトンネル止水工法、トンネル止水システム、止水材、及びグラウト材は、地山を掘進してトンネルを構築するシールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断する用途において利用可能である。

１Ａ，１Ｂ シールド掘進機
２ 胴体
１１ 止水材充填装置
１２ グラウト材充填装置（第一グラウト材充填装置）
１５ 止水材
１６ グラウト材
６２ 第二グラウト材充填装置

Claims (6)

1. 胴体と、前記胴体の前部に回転可能に支承されるカッタヘッドとを備え、前記カッタヘッドを回転させて地山を掘削しながら進むことでトンネルを構築するシールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断するトンネル止水工法であって、
   前記シールド掘進機の掘進を停止させた状態で、前記シールド掘進機の胴体と周辺地盤との間において前記カッタヘッドのオーバカットにより生じた空隙に、硬化しても前記シールド掘進機が再掘進可能な止水材を充填する止水材充填工程を包含するトンネル止水工法。
2. 前記シールド掘進機の掘進方向の掘削面である切羽の前方の地盤亀裂にグラウト材を充填するグラウト材充填工程を包含する請求項１に記載のトンネル止水工法。
3. 前記止水材を一軸圧縮強度が０．０２５〜０．２０Ｎ／ｍｍ^２となるように硬化させる硬化工程を包含する請求項１又は２に記載のトンネル止水工法。
4. 胴体と、前記胴体の前部に回転可能に支承されるカッタヘッドとを備え、前記カッタヘッドを回転させて地山を掘削しながら進むことでトンネルを構築するシールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断するトンネル止水システムであって、
   前記シールド掘進機の掘進を停止させた状態で、前記シールド掘進機の胴体と周辺地盤との間において前記カッタヘッドのオーバカットにより生じた空隙に、硬化しても前記シールド掘進機が再掘進可能な止水材を充填する止水材充填装置を備えるトンネル止水システム。
5. 前記シールド掘進機の掘進方向の掘削面である切羽の前方の地盤亀裂にグラウト材を充填するグラウト材充填装置を備える請求項４に記載のトンネル止水システム。
6. 胴体と、前記胴体の前部に回転可能に支承されるカッタヘッドとを備え、前記カッタヘッドを回転させて地山を掘削しながら進むことでトンネルを構築するシールド掘進機に対する周辺地盤からの地下水を遮断するために、前記シールド掘進機の胴体と周辺地盤との間において前記カッタヘッドのオーバカットにより生じた空隙に充填される、硬化しても前記シールド掘進機が再掘進可能な止水材であって、
   硬化を促進する硬化材を含有し、
   硬化後の一軸圧縮強度が０．０２５〜０．２０Ｎ／ｍｍ^２となる止水材。
   

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