JPH0413794A - 土圧系シールド掘進用添加材および土圧系シールド工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高水圧砂質土系地盤ならびに長距離推進を対
象とする土圧系シールド工法において切羽に注入される
土圧系シールド掘進用添加材および土圧系シールド工法
に関するものである。

（従来の技術） 土圧系シールド工法は、トンネル構築工法の一種である
。この工法は、シールドの推進に伴いチャンバ内に取り
込まれた掘削土を、スクリュウコンベアなどの排土用機
械とその排土口に装備されたスライドゲート若しくはロ
ータリフィーダなどの排土機構によって推進量に見合っ
た掘削土を連続的に排土することにより地山の土庄とバ
ランスさせることを特徴としている。

土の内部摩擦角が小さく、流動性が悪く、透水係数の高
い砂質土若しくは砂礫土においては、地山の土圧を掘削
土と排土機構で保持することが困難となる。また、土の
流動性が小さいためチャンバ内からスクリュウコンベア
で効率よく排土することが困難となることがある。

このような地盤では、チャンバ内に取り込まれた掘削土
に適当な細粒土を添加することにより、適度な掘削土の
保水性と流動性を高める必要がある。

土圧系シールド工法において粘土分は、地山によっては
掘削土の３０〜４０％の添加量をも必要とする場合があ
る。一般に粘土分の補給は、粉末粘土とベントナイトを
水で溶いた土圧系シールド掘進用添加材を用いる。粉末
粘土とベントナイトの配合比は、安価な粉末粘土をでき
るだけ多く使用し、亮価なベントナイトは材料が分離し
ない最小量が望まれる。

ところが、止水性を向上させるためには、多量の粘土分
が必要である。多量の粘土の使用は、材料分離が大きく
なるため、それを防止するためにそれに見合った多量の
ベントナイトも必要となり、添加材の見かけの粘度が高
くなる。したがって、ポンプ等により掘削前面の切羽お
よびチャンバ内に送り込みが困難となるため、添加材の
練り混ぜ水に対する粉末粘土・ヘントナイトの濃度なら
びに粉末粘土とベントナイトの配合比は自ずと限界があ
り高濃度、高配合は困難であった。

従来の技術では、添加材を多量に必要とする滞水砂質お
よび砂礫地盤において、高濃度の添加材の注入がこれら
により困難であるため、やむを得ず多量の粘土分を低濃
度添加材により補給しなければならなかった。この場合
、多量の粘土分の補給は同時に多量の水をも注入するこ
とになり、掘削土を高含水比させることになりかねなく
、所要の目的を達することができなくなるので、高分子
吸収剤等の補助剤の併用を必要としていた。高分子吸収
剤等の使用は材料単価が比較的高く、不経済となるばか
りか、最適な配合を見つけだすことが困難であり、過度
の注入を行った場合にはシールドマシーンのチャンバ若
しくはスクリュウコンヘア等において閉塞する等の推進
が不可能となる危険性が高い。

また、粘土分をそれほど多く必要としない地盤に対して
も、長距離推進時において見かけの粘度が比較的高い場
合には、掘削前面の切羽およびチャンバ内へ圧送が困難
若しくは、圧送負荷が大きくなるため大容量のポンプ設
備が必要であった。

二のような場合においても、低濃度の添加剤の圧入は排
土処理上杆ましいとは言えなかった。

（発明が解決しようとする課題） この発明は上記の欠点を改善するために提案されたもの
で、その目的は、高濃度の粘土分を有する掘進用添加材
を低粘度化し、かつ、ベントナイトの配合量を低く抑え
ることにより、添加材を掘削土に混合した場合に混合土
の含水比を低く抑え、適度な保水性と流動性を与え従来
の土圧系シールド工法の適用の領域を経済的に拡大する
ことにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するため本発明は、粉末粘土・ヘント
ナイト等の粘性材料にアルカリ塩類を加えたことを特徴
とする土圧系シールド掘進用添加材を発明の要旨とする
ものである。

さらに本発明は、粘性材料にアルカリ塩類を加えたもの
をシールド・マシーンのチャンバ内に添加し掘削土と混
合し、土圧とバランスさせながら掘進させることを特徴
とする土圧系ノールドエ法を発明の要旨とするものであ
る。

換言すれば、この発明は土圧系シールド掘進用添加材の
配合は、ベントナイトと粉末粘土を主成分としこれをア
ルカリ塩を加えた水で溶かし泥土状にさせたものである
。

この発明の土圧系シールＦ′工法は、シールドマシーン
の掘進に応して掘削土をチャンバ内に取り入れるととも
に、チャンバ内に取り入れられた掘削土にヘントナイト
と粉末粘土を主成分としこれをアルカリ塩を加えた水で
溶かし泥土状にさせたものを添加し、チャンバ内で掘削
土と練り混ぜて混合土を作製し、これをチャンバ内の土
圧と地山の土圧をバランスさせながら、シールドマシー
ンの推進と連動させたスクリュウコンヘア等の排土機構
により、混合土を排土し掘進するものである。

このとき混合土により難透水性の止水プラグゾーンを形
成する。

（作用） この発明の土圧系シールド掘進用添加材は、従来の粘土
・ベントナイト配合にアルカリ土類金属高濃度添加材の
粘度を低下させることに特徴かある。

水に少量のアルカリ塩を添加し、溶液を作製する。アル
カリ塩は水中で解離し多価のアニオンが存在する溶液と
なる。その溶液で粘土を溶かすと、粘土粒子に多価のア
ニオンが吸着し、粘土粒子に電荷を与え土粒子間に反発
力を与えることにより、高濃度添加材の粘度を低下させ
ることができる。

また、ベントナイトは、その眉間には水分子とナトリウ
ムイオン、カリウムイオンなどのイオン交換性のカチオ
ンが入り込んでおり、その層間の結合力は概して弱いの
で、水に溶かすと、いくらでも層間に水を吸収し溶液の
粘度を高めていく。

そのため、時間の経過とともにその粘度が上昇し、添加
材を掘削前面の切羽に圧送できなくなるような高粘度と
なる場合が生じる。そこで、多価のアニオンが存在する
溶液でベントナイトを溶くと、イオン交換が促進され、
膨潤力が早期に高められることから、早期に粘度が上昇
し時間とともに上昇することがなく、粘度の管理が容易
になるばかりか低膨潤力の安価なヘントナイトの使用も
可能となり経済的な配合が可能である。

（実施例） 次に本発明の実施例について説明する。なお、実施例は
一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で
、種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまでも
ない。

この土圧系シールド掘進用添加材の配合を求めるための
選定実験について述べる。

■アルカリ塩の選定 この発明の土圧系シールド掘進用添加材に用いるアルカ
リ塩の選定と添加量選定実験例について述べる。

水に対するヘントナイトと粉末粘土の濃度を８０％、ベ
ントナイトと粉末粘土の配合比を１＝３（ベントナイト
１に対して粉末粘土３を示す）の掘進用添加材について
数種のアルカリ塩を用い、その粘度低下効果実験を行い
第１図に示す結果が得られた。この実験例からアルカリ
塩の添加量は、ヘントナイトと粉末粘土に対して０．１
重量％を配合したが最も効果的な粘度低下が発渾される
ことが判る。

この発明においては、基本的には粘度低下効果の大きい
ヘキサメタリン酸ナトリウム（ＳＨＭＰ）を用いるが、
実際の使用にあたっては目的に見合った粘性低下効果が
あるものを選定すればよい。

■添加材の濃度の選定 一般には、掘進用添加材はヘントナイトと粉末粘土のい
わゆる粘土分を水で溶いて、それを泥土状化にしてポン
プで圧送する方法が用いられている。従来の配合では、
ヘントナイトと粉末粘土の含有量を増やし、粘土分の水
に対する濃度を高めると発生粘度が高くなり、圧送が困
難となるために８０％程度の濃度が限界であった。

掘進地山が滞水砂質若しくは滞水砂礫の場合は、保水性
と流動性を向上させる必要があるため大量の粘土分を必
要とするが、この地山に従来用いられている配合で所要
の粘土分を得ようとすると、ベントナイト、粉末粘土量
に較べて水量が多く掘削土の含水比を高め、保水性が弱
まるために掘削土の排土が困難あるいは最悪時にはスク
リュウコンヘアの排土口から掘削土が水とともに噴出す
るなどにより、推進が不能に陥る場合がある。

例えば、粘土分が０％、含水比が２２％の砂の粘土分を
４０％に高めるために、従来の添加材を注入して改良す
れば、砂と従来の添加材を混合した混合土の含水比は５
８％程度となる。さきに述べたように、このような混合
土では、土砂が水の中に浮かんだような状態となり地山
の圧力によりスクリュウコンベアの排土口から掘削土が
水とともに噴出することになる。

ところが、これを水でベントナイトと粉末粘土の粘土分
を溶解することができる限界の２００％程度の高濃度の
添加材を注入すると、砂との混合土の含水比は２８％程
度の低い含水比に抑えることができ、従来用いられてい
る掘進用添加材の配合濃度を用いた場合のようなトラブ
ルを防止することができる。

従来は、このような高濃度加泥材は見かけの粘度も高く
なり圧送が困難となり、掘削前面のチャンハに送り込み
ができなくなり、実用的でないことから使用されること
はなかった。

この発明では、第１図に示したようなアルカリ塩を用い
、このような高濃度添加材の濃度を低下させ高濃度添加
材の有効性を発揮させることができる。第２図にこの発
明の配合の一例である、ヘキサメタリン酸ナトリウムを
添加した水溶液に対するヘントナイトと粉末粘土の濃度
と、ヘントナイトと粉末粘土の配合比を変化させた場合
の効果を測定した結果を示す。

水に対するベントナイトと粉末粘土の濃度が２００％の
高濃度領域であっても圧送可能な粘度に低下させること
ができる。

■ヘントナイトと粉末粘土の配合比 掘進用添加材の粘土骨は、比較的単価の安い粉末粘土を
用いるが、粉末粘土だけを水で溶いて泥土状にすると、
すぐに水と分離する。そこで、従来の掘進用添加材では
、比較的単価の高いヘントナイトを少量用いて材料の分
離を抑えている。これらの配合比は、使用する材料と濃
度等との関係から若干の差はあるが、ベントナイトｌに
対して粉末粘土を２〜４程度配合する場合が多い。

第２図からヘントナイトと粉末粘土の配合割合は、ベン
トナイトの含有量が少ないほど効果が発揮される。これ
は、粉末粘土をアルカリ塩の水溶液で溶くことにより粉
末粘土の分散効果を高め、粉末粘土の沈降分離の防止を
図ることができるためであり、これにより掘進用添加材
のベントナイトの使用量を減らすことが可能となる。

■見かけの粘度と材料の分解（沈降率）従来用いられて
いる添加材である水に対するヘントナイトと粉末粘土の
濃度を８０％、ベントナイトと粉末粘土の配合比ｌ：３
の配合について測定したところ、見かけの粘性は３，０
ＯＯＣＰ程度であり、９６時間後の粉末粘土のベントナ
イトと水分との材料の分離を測定したところ１％程度で
あった。

ベントナイトと粉末粘土の濃度２００％の掘進用添加材
を、この発明であるアルカリ塩により、粘度を１０，０
ＯＯＣＰから１，０ＯＯＣＰに粘度低下させた場合の材
料の分離は、第３図に示すように従来の配合と同程度で
あることが判った。（分離は第３図の縦軸の沈降率に概
略相当する。） また、この配合と同し量のベントナイトと粉末粘土を従
来と同しく水で溶いた場合の見かけの粘度は、１０，０
ＯＯＣＰ程度の高粘度であり、９６時間後の材料分離も
１０％以上であり実用的でない。

■混合土のフロー値 添加材と掘削土を混合した混合土の流動性を求めるため
に、従来用いられている掘進用添加材と、この発明であ
る掘進用添加材を粘土針０九、含水比２２％の砂に添加
、混合して混合土の粘度骨とフロー値の関係を求めた。

この結果を第４図に示す。

従来の添加材では、粘土骨を１０〜１５％程度になるよ
うに注入するとフロー値が急激に上昇するが、この発明
である掘進用添加材では、２５〜３０％程度まで注入す
ることが可能である。すなわち、これは、大量の粘土骨
を必要とする滞水砂層若しくは滞水砂礫層においても掘
削土の含水比を上昇させることなく粘土骨を補給できる
ことを意味する。

なお、濃度２００％（１：２０）の場合、フロー値で見
る限り特性はよいが、第２図、第３図から判るように、
粘度が高いこと、および分離（沈降率）が大きいことよ
り、実用的でない。

以上の結果を要約すると、この発明の土圧系シールド掘
進用添加材は、少量のアルカリ塩を添加した水で粘土と
必要に応した少量のベントナイトを撹拌、混合し泥土状
にしたものである。

この発明の土圧系シールド掘進用添加材の配合は、使用
する材料によって若干の変動が生じるが、滞水砂層若し
くは滞水砂礫層では、粉末粘土・ヘントナイトの重量比
で水１００に対して水に溶ける限界である２００程度の
濃度の配合で用いる。好ましくは、粘土とヘントナイト
の配合比をできるだけ太きく１：１５〜２０程度にする
。アルカリ塩の配合量は、粘土・ベントナイトに対して
０．０５〜０．２重量％、好ましくは０．１重量％程度
添加する。この発明の土圧系シールド掘進用添加材の濃
度は、地山の水圧等の掘削条件により適宜変更しても構
わない。

また、高濃度の添加材を必要としない場合で、長距離圧
送を行う場合には、従来の配合に粘土・ヘントナイトに
対して、アルカリ塩を０．０５〜０．２重量％、好まし
くは０．１重量％程度添加する。

次に、この発明の土圧系シールド掘進用添加材を用いた
土圧系シールド工法について説明する。

この工法は、第５図に示すシールドマシーンを用いて地
山を掘削する。

図において、１はカンタ、２ばチャンバ、３ば面板、４
は排土機構、５ばスクリュウコンベア、６はスクリュウ
モータ、７はヘルドコンベア、８は掘進用添加材注入管
を示す。このシールドマシーンは切羽に対向する全面に
スポーク型若しくは面板型のカッタを有しており、この
後方にチャンバを設ける。この切羽およびチャンバ内に
この発明の土圧系シールド掘進用添加材を注入する注入
管を設置する。カッタを回転させながら、シールドマシ
ーンを地山方向に推進させて、チャンバ内に掘削土を取
り入れ、この発明の土圧系シールド掘進用添加材を注入
して撹拌混合する。この混合土をシールドマシーンの推
進と連動させ回転させたスクリュウコンベアにより後方
に排土する。このとき混合土によりスクリュウコンベア
内が高密度な粘性土に変換される。これにより、高水圧
砂質土系地盤に耐え得る止水プラグゾーンが形成される
。このようにして、一定量掘削した後に鋼鉄性あるいは
コンクリート製のセグメントを組み立てる若しくはレジ
ンモルタルあるいはコンクリートを直接打設するなどの
方法により覆工を施しトンネルを構築する。

（発明の効果） 実施例で示したように、本発明によれば、排土される混
合土は多量の粘土骨を含んでおり、なおかつ、低含水比
であるため滞水砂質土若しくは滞水砂礫層においても、
適度な流動性と保水性を有しているので、排土処理が容
易でありこのような土質に対して従来用いられている添
加材を注入した場合、スクリュウコンベアの排出口から
地下水とともに混合土が噴出する現象を回避することが
可能である。従来の技術では、このような土質に対して
は泥水式シールド工法の採用若しくは高分子吸収剤など
補助剤を使用して施工していた。泥水式シールド工法で
は昨今の地下の高騰５環境状況の悪化等により、立坑用
地の確保が困難となりまた、高分子吸収剤などの補助剤
の使用も工事費の高騰につながっていた。本発明を採用
することにより、従来土圧系シールド工法が不適とされ
ていたこれらの土質に対しても適用することができ、安
価にトンネルを構築することが可能となる。

また、低水圧下の砂質土若しくは砂礫層においても従来
の添加材の濃度を若干高くし排土される混合土の含水比
を低めに誘導することが可能となり、排出処理を容易に
することができるほか、見かけの粘度を低く抑えること
によりポンプの負荷を低減できるため長距離の圧送につ
いても容易となるメリントを有している。

【図面の簡単な説明】

第１図はアルカリ塩添加率と見かけ粘度との関係、第２
図はヘキサメタリン酸ナトリウム添加率と見かけ粘度と
の関係、第３図は沈降率と時間との関係、第４図は混合
土の粘土含有率とフロー値第５図はシールドマシーンの
一例を示 カンタ チャンバ 面板 排土機構 掘進用添加材注入管 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　　高　山　敏　夫（外１名）第 図 第 図 へ代握タリＪ−アトリウムリ忰カ口ｑ＜ｔ、＞第 図 Ｊ！：適時間 （Ｈ） 第 図 ↓合一の紡り合肩キ （＠／、）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）粉末粘土・ベントナイト等の粘性材料にアルカリ
   塩類を加えたことを特徴とする土圧系シールド掘進用添
   加材。
2. （２）アルカリ塩類としてはヘキサメタリン酸ナトリウ
   ム、ピロリン酸ナトリウム、炭酸ナトリウムであり、添
   加量としては粘性材料に対して０．０５〜０．２重量％
   である請求項１記載の土圧系シールド掘進用添加材。
3. （３）粘性材料にアルカリ塩類を加えたものをシールド
   ・マシーンのチャンバ内に添加し掘削土と混合し、土圧
   とバランスさせながら掘進させることを特徴とする土圧
   系シールド工法。