JPH0696940B2

JPH0696940B2 - 土圧式シールド工法用粘性付与材及び土圧式シールド工法

Info

Publication number: JPH0696940B2
Application number: JP63057936A
Authority: JP
Inventors: 秀男深谷; 和則矢部
Original assignee: Kyowa Exeo Corp
Current assignee: Exeo Group Inc
Priority date: 1988-03-11
Filing date: 1988-03-11
Publication date: 1994-11-30
Anticipated expiration: 2009-11-30
Also published as: JPH01230893A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、トンネルなどを掘るためのシールド工法に係
り、特に砂層や礫層の土質などを掘進するのに好適な土
圧式シールド工法用粘性付与材及び土圧式シールド工法
に関する。

〔従来の技術〕

土圧式シールド工法は、カッタチャンバ内の掘削土砂
に、切羽の土圧と地下水の水圧、水量とに対抗できる圧
力を発生させて切羽を安定させ、地下水の湧出、カッタ
チャンバ内の閉塞を防止しつつ掘進していくものであ
る。そして、土質が砂層や礫層の場合には、土砂の摩擦
抵抗が大きくまた透水性も大きいため、掘削土砂の流動
性が不充分になるとともに、地下水の流出を防止するこ
とが困難となるところから、カッタチャンバ内の掘削土
砂に、例えばベントナイトと陶土とからなる粘性を付与
する添加材を注入して強制混練し、掘削土砂が塑性流動
性を有するように土性を改良し、掘削土砂の透水性を減
じて掘進するようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の添加材は、例えばベントナイトと陶土と
を重量比で1:1に混合して水で練り、所定の粘度に調整
したものであり、水圧が2kg/cm²を超える高水圧地盤で
湧水が多く、しかも砂礫層地盤の均質細砂層のようなと
ころでは、カッタチャンバ内の掘削土砂に添加材を注入
しても、豊富な地下水のために掘削土砂と添加材とが分
離しやすく、添加材が希釈され、掘削土砂全体の粘性を
上げることができなかった。このため、切羽が安定する
土圧伝達媒体としての掘削土砂の泥土化が充分に行え
ず、掘削土砂に浸透水圧、浸透水量に抵抗する力を与え
ることができない。このため、切羽が不安定となって地
下水の噴発が生じて切羽が安定が図れないばかりでな
く、カッタビットの摩耗が問題となる砂層において摩耗
遅延効果が発揮されず、摩耗が促進する。また、掘削土
砂の粘性を高めて抑水効果を高めようとして添加材の注
入量を多くすると、スクリュウコンベヤによる排土時に
噴発が多発する。そして、添加材の地下水による希釈等
を防ぐために、ベントナイトの陶土に対する割合を大き
くして添加材の粘性を高めると、コストが著しく高くな
る。しかも、添加材を作る装置は大型であるために地上
に設置され、添加材はポンプにより注入管を介して地下
の掘削現場まで圧送するようになっているため、添加材
が注入管内で粘性抵抗のために詰まり、カッタチャンバ
内に注入することが困難となる。さらに、掘削土砂に含
まれる地下水を吸収して噴発発生を防止するため、添加
材に高分子給水剤等の減水剤を加えて注入すると、注入
管内において脱水現象が発生し、添加材を定常的に圧送
することができなくなる。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされ
たもので、カッタチャンバ内の掘削土砂の粘性を高める
ことができる土圧式シールド工法用粘性付与材及び、粘
性付与材をカッタチャンバ内に確実に注入することがで
きる土圧式シールド工法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

上記目的を達成するために、本発明に係る土圧式シール
ド工法用粘性付与材は、カッタチャンバ内の掘削土砂に
注入する土圧式シールド工法用粘性付与材において、ベ
ントナイトを含む泥漿にカルシウム化合物を添加したこ
とを特徴としている。

ベントナイトを含む泥漿は、例えばベントナイトと陶土
とを重量比で1:1に混合したものを水で練ることによっ
て得ることができる。そして、ベントナイトとしては、
重量比で例えば、 SiO₂ 64〜68％ Al₂O₃ 13％ Fe₂O₃ ３％ Na₂O 1.5％その他 14.5〜18.5％の組成を有する群馬県産のものを使用することができ
る。また、陶土としては、重量比で例えば、 SiO₂ 68.8％ Al₂O₂ 16.6％ Fe₂O₃ 1.7％ CaO 0.7％ MgO 0.8％その他 11.4％の組成を有するものを使用することができる。なお、ベ
ントナイトと陶土との混合比は、重量比でベントナイト
１に対して陶土２あるいは陶土３にするなど、土質の状
態により任意に変えることが可能である。

ベントナイトと陶土との混合物（以下、単に混合物と称
することもある）と水との割合は、重量比で水１に対し
て混合物0.5〜1.2程度であり、望ましくは泥漿の粘度が
2000〜4000cPとなるように、水１に対して混合物0.6〜
0.9とし、既存のポンプで容易に圧送出来るようにす
る。混合物の量が0.5以下では、後述するカルシウム混
合物による粘性の向上効果が少なく、湧水による希釈を
生じて掘削土砂に充分な抑水効果と塑性流動性とを与え
られない。また、混合物の量が1.2を超えると、カルシ
ウム化合物を添加した効果があまり得られないばかりで
なく、ポンプによる圧送が困難となる。この泥漿は、ミ
サキに所定量の水を投入後、攪拌機でかきまわしながら
ベントナイトと陶土とを順次投入しながら混練してゆ
く。

カルシウム化合物は、水酸化カルシウム（消石灰）や酸
化カルシウム（生石灰）、塩化カルシウムなどを用いる
ことができるが、水酸化カルシウムが適している。水酸
化カルシウムは、水に懸濁してベントナイトと陶土と水
とからなる泥漿に添加される。泥漿に添加した水酸化カ
ルシウムは、ベントナイト、陶土中のSiO₂及びベントナ
イト中のNa₂Oと次の如く反応し、ベントナイトが凝集し
て泥漿の粘度を高めるものと思われる。

SiO₂＋Na₂O＋Ca(OH)₂→CaSiO₃＋2NaOH 泥漿に添加する水酸化カルシウムの量は、ベントナイト
と陶土との混合物の水に対する比率、ベントナイトと陶
土との比率により異なり、重量比で泥漿の0.15〜0.3％
である、水酸化カルシウムの添加量が0.15％未満では、
泥漿の粘性を向上させることが困難であり、粘性付与材
を掘削土砂に注入したときに、地下水により希釈される
おそれがある。また、水酸化カルシウムの添加量が0.3
％を超えると、泥漿と水酸化カルシウムとの反応が進行
し、粘性付与材の粘度が大きくなりすぎて掘削土砂への
注入が困難になるおそれがある。そして、混合物の水に
対する濃度が低い場合には、添加する水酸化カルシウム
の比率を高め、混合物の水に対する濃度が高い場合に
は、添加する水酸化カルシウムの比率を低くする。望ま
しくは、泥漿が60％濃度（重量比で水１に対して混合物
0.6）から120％濃度（同水１に対して混合物1.2）の範
囲にある場合、水酸化カルシウムの添加量を重量比で泥
漿の0.25〜0.2％にする。このときの水酸化カルシウム
のベントナイトに対する比率は、重量比で約1.3〜0.75
％である。これは、ベントナイトと陶土との混合物自体
が掘削土砂の塑性流動性を高める効果を有することに基
づく。

水酸化カルシウムを水に懸濁させる量は、重量比で水の
１〜５％の範囲がよく、特に粘度がＣ型粘度計で2000〜
4000cPの混合物に添加する水酸化カルシウムの懸濁液の
濃度は、約３％にするのが望ましい。なお、水酸化カル
シウムは、粘性付与材を掘削土砂に注入する直前に泥漿
に添加するとよい。あまり早く水酸化カルシウムを泥漿
に添加すると、泥漿の粘度が圧送の途中で高まり、掘削
土砂に注入することが困難になる。

粘性付与材を掘削土砂に注入するのを容易にするため、
本発明に係る土圧式シールド工法は、カッタチャンバ内
の掘削土砂に粘性付与材を注入しつつ掘進する土圧式シ
ールド工法において、地下掘削現場で前記掘削土砂への
注入直前にベントナイトを含む泥漿にベントナイトを凝
集させる凝集剤を添加して高粘度の粘性付与材を製造
し、この高粘度の粘性付与材を前記掘削土砂に注入しつ
つ掘進することを特徴としている。

ベントナイトを含む泥漿は、例えば前記したベントナイ
トと陶土とを1:1の重量比で混合し、この混合物を水で
混練したものを用いることができる。この泥漿は、多量
に使用するところから、地上において調合し、ベントナ
イトを凝集させる水酸化カルシウムなどの凝集剤の添加
工程にポンプで圧送するのがよい。そして、泥漿に凝集
剤を注入して粘性付与材にする工程は、粘性付与材をシ
ールド掘削機に供給する直前がよい。地上において泥漿
に凝集剤を添加してシールド掘削機に供給すると、輸送
路が長いために泥漿と凝集剤とが反応し、粘性付与材の
粘度が高まるため、ポンプの容量を大きくしなければな
らないばかりでなく、輸送管内を閉塞し、カッタチャン
バ内の掘削土砂に注入混合することができない場合が多
い。

泥漿への水酸化カルシウムなどの凝集剤の添加は、凝集
剤を水に溶かして行い、両者を充分に攪拌して均一に混
合した後、ポンプでカッタチャンバ内の掘削土砂に注入
する。

なお、凝集剤としては水酸化カルシウムの他、硫酸バン
ド、ポリ塩化アルミニウム、塩化カルシウム、硫酸第二
鉄などの無機系凝集剤、さらにはポリアクリルアミド部
分加水分解物、ポリアクリル酸ソーダなどのアニオン系
有機高分子凝集剤、ポリエチレンイミン、ポリアクリル
アミドカチオン系変形物などのカチオン系高分子凝集
剤、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイドなど
の非イオン系高分子凝集剤を使用することができる。

〔実施例〕

本発明に係る土圧式シールド工法用粘性付与材及び土圧
式シールド工法の好ましい実施例を、以下に詳説する。

前記した組成のベントナイトと陶土とを重量比で1:1に
混合した混合物を作り、この混合物に水500gを加えて良
く攪拌して各種の濃度の泥漿を得た後、水に重量比で約
３％懸濁させた水酸化カルシウムを各泥漿に添加し、約
５分間攪拌して高粘度粘性付与材を得、この高粘度粘性
付与材の粘度を水酸化カルシウムを添加する前の泥漿の
粘度と比較した。その結果を、第１表に示す。なお、粘
度の測定は、Ｃ型粘度計を使用した。

第１表から明らかなように、実施例の粘性付与材は、水
酸化カルシウムを添加する前の泥漿に比較して粘度が著
しく向上した。すなわち、高価なベントナイトと陶土と
の使用量が従来と同じであっても、安価な水酸化カルシ
ウムを少量添加するだけで、掘削土砂に注入する添加材
の粘度を大幅に向上でき、掘削土砂の塑性流動性を高
め、地下水による粘性付与材の希釈を抑えることによ
り、切羽の安定化が図れて、噴発の発生を減少させるこ
とができる。

第１図は、本発明に係る土圧式シールド工法を実施する
装置の一例を示す説明図である。

第１図において、地上に設けられた陶土サイロ10、ベン
トナイトサイロ12内の陶土とベントナイトとは、それぞ
れ計量器14、16を備えた配管18、20を介して混合機22、
24に投入される。混合機22、24の下方には、攪拌機付貯
泥タンク26が配設してある。また、混合機22、24には給
水管28が接続されており、この給水管26に流量計32と弁
34とが設けられていて、混合機22、24に供給する水の量
を調節できるようになっている。一方、攪拌機付貯泥タ
ンク26には配管30が接続してあり、この配管30の先端が
圧送ポンプ36の吸入側に接続されている。

圧送ポンプ36の吐出側には、輸送管38が接続してある。
輸送管38の先端側は、縦坑40を介して横坑42内に延在
し、電磁弁43が設けられているとともに、地下の掘削現
場に設けた攪拌・注入装置44に接続してある。また、攪
拌・注入装置44には、他端が攪拌・貯留タンク46に接続
してある配管48の先端部が配置してあるとともに、注入
管50が接続してある。攪拌・貯留タンク46には、流量計
52と弁54とが設けてある給水管56が接続されてあり、水
酸化カルシウム（消石灰）58の懸濁液を得るための水が
供給されるようになっている。

一方、注入管50の先端は、シールド掘削機60に接続して
あり、カッタチャンバ内に攪拌・注入装置44で製造した
高粘度粘性付与材を注入できるようになっている。シー
ルド掘削機60は、土圧式シールド工法に使用される通常
の掘削機であって、掘削土砂を搬出するためのスクリュ
ウコンベヤ62を備えている。そして、スクリュウコンベ
ヤ62には、弁を有する注入管50の枝管64が接続され、枝
管64からも粘性付与材を注入できるようになっている。

攪拌・注入装置44は、第２図のように攪拌槽66を有し、
攪拌槽66の上部に多数の供給孔を有する配管48の先端部
が延在しているとともに、上方には超音波レベルスイッ
チ67が設けられている。そして、攪拌槽66の下部には、
攪拌スクリュウ68が配設してある。攪拌スクリュウ68
は、モータ70によりチェーン駆動されるようになってい
て、攪拌槽66に供給された泥漿と水酸化カルシウムの懸
濁液とを混合する。また、モータ70は、攪拌槽66の下方
に設けた注入ポンプ72を駆動する。注入ポンプ72は、電
磁流量計74を有する注入管50に接続してある。さらに、
注入管50には、弁76と戻し配管78とが設けてある。

このように構成された攪拌・注入装置44は、移動台車80
に搭載してある。移動台車80は車輪82が取り付けられ、
駆動モータ84と制御盤86を含む制御装置を備えている。

攪拌・貯留タンク46は、第３図に示した如く、台車90に
搭載してあり、内部に攪拌機92が設けられ、下部に送り
ポンプ94が配設されている。なお、台車90は、連結器96
が取り付けられていて、移動台車80に連結されて移動台
車80により牽引されるようになっている。

上記の如く構成した装置による土圧式シールド工法の一
例は、次のとおりである。

給水管28を介して水769kgを混合機22、24に注水した
後、ベントナイトサイロ12中のベントナイト269kgを計
量器16により計量し、混合機22、24に投入して攪拌する
とともに、陶土サイロ10中の陶土269kgを計量器14によ
り計量し、混合機22、24に投入して攪拌する。そして、
混合機22、24により陶土とベントナイトとを充分に混合
してベントナイト、陶土及び水からなる70％濃度の泥漿
を作り、攪拌機26付貯泥タンク26に貯泥としておく。攪
拌機付貯泥タンク26内の泥漿は、配管30を介して圧送ポ
ンプ36により吸引し、輸送管38を介して地下掘削現場に
設けた攪拌・注入装置44の攪拌槽66に圧送する。この泥
漿の粘度は、およそ2000〜4000cPである。

一方、攪拌・貯留タンク46中に、水100ccに対して水酸
化カルシウム3gを投入し、攪拌機92で攪拌して３％濃度
の水酸化カルシウムの懸濁液を作る。この懸濁液は、送
りポンプ94により配管48を介して攪拌・注入装置44の攪
拌槽66に供給する。攪拌・注入装置44に供給された泥漿
と水酸化カルシウム58の懸濁液とは、攪拌スクリュウ68
により充分に攪拌され、均一な粘性付与材にされる。水
酸化カルシウムの懸濁液の供給量は、粘性付与材の粘度
が約15000cPとなる量である。

攪拌・注入装置44で得た粘性付与材は、掘進しているシ
ールド掘削機60のカッタチャンバ内の掘削土砂に、注入
ポンプ72により注入管50を介して注入される。粘性付与
材の注入条件は、注入圧力４〜15kg/cm²、流量５〜50l/
min、泥漿に対する水酸化カルシウムの使用量は2.5〜3.
0kg/m³にした。

このように、実施例の土圧式シールド工法によれば、地
下の掘削現場においてカッタチャンバ内に注入する直前
に、泥漿と水酸化カルシウムとを混合して粘性付与材を
製造して注入するようにしたため、粘度の高い粘性付与
材をカッタチャンバ内の掘削土砂中に容易に注入するこ
とができる。この結果、従来のベントナイトと陶土とか
らなる添加材の注入に比較して、地下水により希釈され
ることがなく、掘削土砂の塑性流動性を高めることがで
き、切羽の安定と排土時における噴発防止の改善効果を
著しく向上することができた。

なお、注入する粘性付与材の粘度の範囲は、従来の土圧
式シールド工法に使用する装置の場合、ポンプの能力と
の関係から7000〜20000cPに調整するとよい。

〔発明の効果〕

以上に説明した如く、本発明に係る粘性付与材によれ
ば、地下水により希釈されることがなく、掘削土砂の塑
性流動性が高まり、噴発の発生を減少させることができ
る。また、本発明に係る土圧式シールド工法によれば、
粘度の高い粘性付与材をカッタチャンバ内の掘削土砂に
容易に注入することが可能となる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明に係る土圧式シールド工法を実施する装
置の説明図、第２図は第１図に示した装置の攪拌・注入
装置の説明図、第３図は第１図に示した装置の攪拌・貯
留タンクの説明図である。 10……陶土サイロ、12……ベントナイトサイロ、22、24
……混合機、26……攪拌機付貯泥タンク、36……圧送ポ
ンプ、44……攪拌・注入装置、46……攪拌・貯留タン
ク、58……水酸化カルシウム、60……シールド掘削機、
62……スクリュウコンベヤ、68……攪拌スクリュウ、72
……注入ポンプ、92……攪拌機、94……送りポンプ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カッタチャンバ内の掘削土砂に注入する土
圧式シールド工法用粘性付与材において、ベントナイト
を含む泥漿に0.15〜0.3重量％のカルシウム化合物を添
加したことを特徴とする土圧式シールド工法用粘性付与
材。
【請求項２】カッタチャンバ内の掘削土砂に粘性付与材
を注入しつつ掘進する土圧式シールド工法において、地
上でベントナイトを含む泥漿を作泥し、これをシールド
発進立坑を介して掘進先端部に配送し、シールド掘削機
の後部にて配送された泥漿に対し0.15〜0.3重量％のカ
ルシウム化合物からなる凝集剤を添加して高粘性付与材
を製造し、この高粘性付与材をシールドチャンバ内の掘
削土砂に注入しつつ掘進することを特徴とする土圧式シ
ールド工法。