JPH07102881A

JPH07102881A - 気泡及びゼリーによるシールド掘進方法

Info

Publication number: JPH07102881A
Application number: JP5253097A
Authority: JP
Inventors: Masaru Saito; 優齋藤; Tsuguhide Tsuruoka; 胤英鶴岡; Jun Uchida; 潤内田; Masanori Muto; 雅典武藤; Akio Kitagawa; 明雄北川
Original assignee: Zenitaka Corp; Nissan Chemical Corp
Current assignee: Zenitaka Corp; Nissan Chemical Corp
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1993-10-08
Publication date: 1995-04-18
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JP2519017B2

Abstract

(57)【要約】【構成】シールド掘進方法において、注入材として珪
酸質水性ゼリー又は該ゼリーを強力破砕して得られる流
動性に優れた珪酸質ペーストと、気泡又は起泡剤を用い
ること。【効果】珪酸質ゼリーを強力撹拌した得られた流動性
に優れた珪酸質ペーストと気泡を注入材として用いたの
で、導入管を通して抵抗少なく安定して切羽に供給する
ことができる。また切羽に注入された珪酸質ペーストは
その流動性により玉石等の存在の有無によらず安定して
切羽に浸透させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シールド式掘進機を用
いる土層掘進方法の改良に関する。本発明の気泡及びゼ
リーによるシールド掘進方法は、掘削部の崩壊を防止し
かつ止水効果をもたせながら行う、トンネルの掘削造成
方法に用いられる。

【０００２】

【従来の技術】泥土圧シールド工法は、一般にベントナ
イト、粘土を主成分とする泥漿すなわち水性スラリーを
注入材として切羽に圧入させながら土層を掘削する方法
として、トンネル等の掘削に主に用いられている。その
効果は従来の無注入の土圧式シールド工法と比較し、地
山に不足する細粒分を補えること、さらには切羽地下水
と置換することによって、掘削できる対象が粘性土地盤
から砂地盤、さらには砂礫地盤にまで拡大できることが
大きな利点となっている。

【０００３】また注入材として、スラリーの代わりにシ
ェービングクリーム状の気泡を注入し、そのベアリング
効果によって掘削土砂の流動性を改善しながら掘進する
気泡シールド掘進方法や、高分子系吸水剤を注入するこ
とにより、掘削土砂の止水性を改善して掘進する方法が
採用されている。

【０００４】しかし、地下水が豊富な砂、砂礫、玉石層
等の地盤を対象に泥土圧シールド工法を適用し、注入材
をベントナイト、粘土を主成分とするスラリーとした場
合、次のような問題点がある。すなわち、スラリーを注
入する泥土圧シールド工法において、地下水圧が高くか
つ豊富な砂地盤、または礫率が７０％以上の砂礫地盤を
掘進する場合、掘削土砂の土粒子構成に起因して、切削
トルクの異常な上昇によるカッター回転の中断や掘削土
砂の土圧室からスクリュウコンベアあるいはリボンスク
リュウ等の排土機構へ至るまでの間に必要な流動性を欠
き、地下水の噴発、対抗土圧の発生不良を生じる場合が
多い。

【０００５】これらの対策として、地下水が豊富な砂、
砂礫、玉石層等の地盤に対しては、泥漿に気泡を混入さ
せて切羽に注入する気泡泥漿シールド掘進方法が提案さ
れている（特公平５−４２５６０号公報）。

【０００６】以上の各シールド掘進方法は、対象地盤に
合わせて適宜用いることによりある程度の安定した掘進
を維持することができる。しかしながら、いずれのシー
ルド掘進方法も最終的に坑外に排出された掘削ずり即ち
排土の中に、注入材として添加されたベントナイト、気
泡又は高分子吸水剤等が混入するため、公害低減の観点
から排土処理対策が必要となる場合があった。

【０００７】そこで、本願発明者らは、泥漿や気泡、高
分子吸水剤等を含まない注入材用いるシールド掘進方法
を開発し、先に提案した（特開平４−３４３９９７号公
報）。それは珪酸質ゼリー（ＳiＯ₂）を注入材として用
いる掘進方法であり、排土の公害上の問題がなく、切羽
の土粒子間や礫間に注入及び浸透すれば、カッターが作
用するときに、地盤の内部摩擦を低減し掘削抵抗を減少
させるとともに、切羽面から土圧室内の混練機構への流
動性が改善される。また切羽面における切羽地下水の地
盤側への押し戻しも可能となる。更に必要に応じて土圧
室にも注入することにより土圧室内に対抗土圧が発生し
切羽土圧及び地下水圧を抑制し切羽の安定を図れると共
に、土圧室から坑外への排出までの流動性が改善され、
泥漿や気泡に劣らず安定した掘進を維持することができ
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、注入材
の切羽への注入方法は、地上に設置された注入材供給プ
ラントから長い導入管を通して地下のトンネルの切羽に
送るのが一般的である。珪酸質ゼリーを注入材として用
いる場合は、このゼリーは寒天のようなゲルであるた
め、導入管の通過抵抗が極めて大きい。そのため、切羽
への供給を安定して行えない場合があり、確実に送るた
めには相当大規模の供給プラントを用意せざるを得ない
という問題があった。

【０００９】また、珪酸質ゼリーが切羽にまで送られて
も、切羽カッター部の供給口付近に玉石等があると切羽
への浸透抵抗が急激に増大し、直ぐに土圧室側に逆流し
てしまうことがあり、珪酸質ゼリーの安定した切羽への
浸透を維持しにくいという問題があった。

【００１０】本願第１発明の目的は、注入材として珪酸
質ゼリーを、玉石等の存在の有無によらず安定して切羽
に浸透させることができるシールド掘進方法を提供する
ことにある。

【００１１】また本願第２発明の目的は、注入材として
珪酸質ゼリーを、導入管を通して抵抗少なく安定して切
羽に供給することができ、しかも玉石等の存在の有無に
よらず安定して切羽に浸透させることができ、もって施
工性を大幅に向上することのできるシールド掘進方法を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願第１発明に係るシールド掘進方法は、回転する
切羽カッター部と土圧室と土圧室内の土を撹拌する撹拌
手段と土圧室内の土を排出する排出手段と切羽に注入材
を注入させる注入材導入手段とを備えたシールド式掘進
機を作動させて、前記切羽面に注入材を注入させなが
ら、土層を掘進するシールド掘進方法であって、前記注
入材として珪酸質水性ゼリーと気泡又は起泡剤を用いる
ことを特徴とするものである。

【００１３】また本願第２発明に係るシールド掘進方法
は、第１発明において、注入材の一成分を成す珪酸質水
性ゼリーを、二酸化珪素含有率が約１〜６０重量％の珪
酸質水性ゼリーを破砕することによって生成した微細粒
子と、これらの微細粒子間に介在し全体に流動性を持た
せる液体を主成分とする珪酸質ペーストに改質して用い
ることを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】第１発明によれば、注入材として珪酸質水性ゼ
リーだけでなく気泡又は起泡剤を用いたので、この気泡
又は起泡剤から生じた気泡の混入により珪酸質水性ゼリ
ーの流動性が増し、切羽に注入された珪酸質水性ゼリー
を玉石等の存在の有無によらず安定して切羽に浸透させ
ることが可能となる。この気泡又は起泡剤を予め珪酸質
水性ゼリーと混合した状態で地上の珪酸質水性ゼリー供
給プラントから導入ラインを通して切羽に送る場合はそ
のライン中の通過抵抗も気泡の存在により低下するの
で、安定して切羽に供給することも可能となる。

【００１５】本願第２発明は、注入材の一成分である珪
酸質水性ゼリーをそのまま用いるのではなく、破砕する
ことによって生成した微細粒子と、これらの微細粒子間
に介在し全体に流動性を持たせる液体とを主成分とする
珪酸質ペーストを用いたものである。このように形成さ
れた珪酸質ペーストは、微細粒子同士が結合して再び元
のゼリーに戻ることがほとんどなく、全体が懸濁液の状
態で、ゼリーの状態とは違って泥水のような流動性があ
る。ここで微細粒子の粒径は、掘削する対象地盤の土質
に応じ、更に導入管の通過抵抗の低下及び切羽への浸透
性向上という本発明の目的に対応して変わってくるが、
粒径が約３００μｍ以下のものを主とするものであれば
どんな地盤にも対応可能である。この珪酸質ペーストの
流動性によって、導入管の通過抵抗が大幅に低下し、安
定して切羽に供給することが可能となる。気泡を予め珪
酸質ペーストと混合した状態で地上の注入材供給プラン
トから導入ラインを通して切羽に送る場合はそのライン
中の通過抵抗も気泡の存在により更に低下するので、よ
り一層安定して切羽に供給することが可能となる。ま
た、この珪酸質ペーストの流動性及び気泡の混入によ
り、玉石等の存在の有無によらず該ペーストと気泡のそ
れぞれが切羽に容易に浸透する。気泡の浸透は切羽にベ
アリング効果を与えるため、カッター圧力等の機械負荷
が低減し、それにより掘進速度を速めることが可能とな
る。すなわち施工性が大幅に向上する。

【００１６】上記破砕による生成粒子の粒径が３００μ
ｍ以上のものを主とするときは、上記流動性が低下して
くるから、微細粒子の粒径は約３００μｍ以下のものを
主とするのが好ましい。また、ＳiＯ₂の含有率が約１〜
６０重量％の範囲外になると、上記ゼリーを破砕しても
上記性質の珪酸質ペーストにはなりにくいので、ＳiＯ₂
の含有率は約１〜６０重量％の範囲内、好ましくは３〜
３０重量％とする。

【００１７】また、第２発明における珪酸質ペーストを
微細粒子の粒径から規定せず、粘土の値から規定しても
よい。すなわち粘度が約５０cps 〜１００万cps である
珪酸質ペーストは優れた流動性を有し、このペーストを
用いることにより同様の作用が得られる。ここで粘度の
測定方法は、温度２０℃、Ｂ型粘度計でローター回転数
１２rpmである。この粘度範囲の珪酸質ペーストはチク
ソトロピックな性質を示す。

【００１８】

【実施例】本願第１発明で用いられる珪酸質水性ゼリー
は公知の方法によって容易に得られる。その例として
は、水ガラス等水溶性珪酸塩の水溶液に、各種酸や塩
類、例えば、硫酸、塩酸、酢酸、くえん酸、食塩、硫酸
マグネシウム等を加える方法が挙げられる。また、水ガ
ラス等水溶性珪酸塩の水溶液を脱陽イオン処理すること
により得られる珪酸またはそのオリゴマーの水溶液をゲ
ル化させる方法、或いは更に、シリカ水性ゾルを公知の
方法によりゲル化させる方法等が挙げられる。

【００１９】また、注入材の一成分を成す気泡は、起泡
剤を含む水溶液に気体を混合する等の公知の方法で得ら
れ、シェービングクリーム状である。この場合の起泡剤
の添加量は、水１００重量部に対して起泡剤を０．０１
〜５０重量部が標準的である。起泡剤の種類としては、
蛋白質系の起泡剤、高級脂肪酸塩、アルキル硫
酸塩、アルキルスルホン酸塩等の陰イオン界面活性剤、
ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレ
ングリコール脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステ
ル等の非イオン界面活性剤、高級アミンハロゲン酸塩、
第４級アンモニウム塩等の陽イオン界面活性剤、市
販のコンクリートＡＥ剤例えば商品名ウィンソール、ボ
ゾリスＮo 303Ａ等が挙げられる。

【００２０】また起泡剤を直接珪酸質水性ゼリーに添加
する場合は、その添加量は珪酸質水性ゼリー１００重量
部に対して起泡剤を０．０１〜５０重量部が標準的であ
る。

【００２１】本願第２発明に係る珪酸質ペーストは、上
記の如き珪酸質水性ゼリーを、該ゼリーを破壊をもたら
すに十分な物理的外力を与えて破砕することにより得ら
れる。かかる細分をもたらす破砕は、例えばホモジナイ
ザーの如き強力撹拌を常温の該ゼリーに与えることによ
り行うことができる。この強力撹拌は、通常の目安とし
ては、粒径が約３００μｍ以下のものを主とする微細粒
子になるまで継続するのがよい。あるいは得られたペー
ストの粘度が約５０cps 〜１００万cps を示すようにな
るまで継続するのがよい。

【００２２】本発明に係る珪酸質ペーストを構成する液
体としては、水又は本発明の目的が達成される限りにお
いて無機成分や有機成分が適宜添加された水溶液あるい
は水分散液が用いられる。ところで、珪酸質水性ゼリー
はそれ自体が水を内包しており、該ゼリーをそのまま破
砕すればゼリー内部に取り込まれていた水の一部が解放
される。珪酸質水性ゼリーの種類によっては、その開放
された水だけで、すなわち更に液体を加えなくても、当
該ペーストに必要な流動性を持たせることができるもの
がある。破砕によって外部に開放された水の量だけでは
足りない場合に前記液体を加える。この水等の液体は、
微細粒子間にその再結合を妨げる如く介在し、これによ
りペーストの安定した流動性が得られるものである。

【００２３】本発明の珪酸質ペーストは、本発明の目的
が達成される限り、上記細分されたゼリー粒子の他に、
任意の成分、たとえば泥漿、高分子吸水材、水溶性高分
子等を含有してもよい。このような任意成分の含有は、
ペーストとこの任意成分とを混合する方法、上記ゼリー
の破砕工程において、破砕前のゼリーにこの任意成分を
添加してからゼリーを破砕する方法、或いはゼリーの破
砕中にこの任意成分を添加する方法により、行うことが
できる。

【００２４】次に、本発明に係るシールド掘進方法を図
１乃至図３に基づいて説明する。地下のシールド式掘進
機１と地上の注入材供給プラント２とが長い注入ライン
３により連通されている。前記供給プラント２は圧送ポ
ンプ４を介して注入ライン３と接続されている。注入ラ
イン３には必要に応じて中継ポンプ５を設けてもよい。
シールド式掘進機１の切羽カッター６が設けられている
面板７には注入材の供給口８が複数設けられている。面
板７の手前側には土圧室９が設けられ、この土圧室９に
連なってリボンスクリュー１０が設けられている。土圧
室９には土圧計１１が設けられている。リボンスクリュ
ー１０の後部はサンドプラグゾーン１２となっており、
１３は排土ゲートを示す。土圧室９内には切羽から掘削
され注入材と混合された掘削ずり１４が充満されてい
る。この掘削ずり１４には玉石１５が多く含まれている
ものを示した。２２はベルトコンベアを示す。

【００２５】（実施例１）注入材として珪酸質水性ゼリ
ーと気泡を用いた。気泡は上記の如く生成し、図示しな
い気泡導入ラインを前記注入ライン３の先端部であって
土圧室９の手前部分に連通させ、珪酸質水性ゼリーに気
泡を混入させた。礫率７０％以上の玉石混じり砂礫層を
対象地盤とした。気泡の混入割合は、珪酸質水性ゼリー
に対して容積比で略１：１とした。高礫率の玉石混じり
砂礫層から成る切羽面に注入された気泡含有珪酸質水性
ゼリーは、玉石等の有無に係わらず、切羽に安定よく浸
透した。

【００２６】尚、注入材供給プラント２にて珪酸質水性
ゼリーと前記生成した気泡を混入し注入ライン３を通し
て切羽に送ったところ、該ライン３中の通過抵抗が小さ
くなり、その分だけ安定供給ができた。

【００２７】（実施例２）注入材として珪酸質水性ゼリ
ーと起泡剤を用いた。起泡剤は注入材供給プラント２に
て珪酸質水性ゼリーと予め混合し注入ライン３を通して
切羽に送った。砂層及び礫率７０％以下の砂礫を対象地
盤とした。起泡剤の割合は、切羽で発泡し生成した気泡
の混入割合が、５〜１０％となるようにした。砂層及び
礫率７０％以下の砂礫から成る切羽面に注入された起泡
剤含有珪酸質水性ゼリーは、起泡剤が直ちに発泡して気
泡を生成するため、該気泡により珪酸質水性ゼリーは玉
石等の有無に係わらず、切羽に安定よく浸透した。尚、
起泡剤は実施例１と同様に切羽の直前でゼリーに混入し
てもよい。

【００２８】（実施例３）注入材として珪酸質水性ゼリ
ーを破砕した前記珪酸質ペーストと気泡を用いた。該珪
酸質ペーストは各地盤に対して下記ペーストＡ，Ｂ及び
Ｃを用いた。そして、気泡は上記の如く生成し、図示し
ない気泡導入ラインを前記注入ライン３の先端部であっ
て土圧室９の手前部分に連通させ、珪酸質ペーストに気
泡を混入させた。気泡の混入割合は、珪酸質ペーストに
対して容積比で略１：１を標準とし、地盤が地下水が多
いものでは気泡の割合を増やす方向に調整し、玉石が多
いものではペーストを増やす方向に調整した。その結
果、先ず各ペーストＡ，Ｂ及びＣの流動性により、注入
ライン３の通過抵抗が大幅に低下し、地上から切羽まで
の長いライン３を低抵抗で安定よく送ることができた。
また、各地盤から成る切羽面に注入された気泡含有珪酸
質ペーストは、気泡及びペーストの流動性により玉石等
の有無に係わらず、切羽に極めて安定よく浸透し、施工
性が大幅に向上した。礫率７０％以上の地盤に対し、直
径２ｍのカッターで前記ペーストＡだけで掘削した場合
と該ペーストＡ及び気泡にて掘削した場合の所要時間を
比較したところ、ペーストＡだけのものでは３５分間要
したのにペーストＡ＋気泡では２０分間であり、明らか
に施工性が向上した。また同様な両者について機械負荷
を比較したところペーストＡだけのものを１とした場
合、ペーストＡ＋気泡では０．８６であった。

【００２９】尚、注入材供給プラント２にて珪酸質ペー
ストと気泡を予め混合し注入ライン３を通して切羽に送
ったところ、ライン３中の通過抵抗が気泡により一層小
さくなり、より一層安定供給ができた。

【００３０】（実施例４）注入材として珪酸質水性ゼリ
ーを破砕した前記珪酸質ペーストと起泡剤を用いた。該
珪酸質ペーストは各地盤に対して実施例３と同様に下記
ペーストＡ，Ｂ及びＣを用いた。起泡剤は注入材供給プ
ラント２にて珪酸質ペーストと予め混合し注入ライン３
を通して切羽に送った。起泡剤の割合は、切羽で発泡し
生成した気泡の混入割合が、５〜１０％となるように
し、地盤が地下水が多いものでは気泡の割合を増やす方
向に調整し、玉石が多いものではペーストを増やす方向
に調整した。その結果、実施例３とほぼ同様に各ペース
トＡ，Ｂ及びＣの流動性により、注入ライン３の通過抵
抗が大幅に低下し、地上から切羽までの長いライン３を
低抵抗で安定よく送ることができた。また、各地盤から
成る切羽面に注入された起泡剤含有珪酸質ペーストは、
起泡剤が直ちに発泡して気泡を生成するため、気泡及び
ペーストの流動性により珪酸質ペーストは玉石等の有無
に係わらず、切羽に安定よく浸透した。尚、起泡剤は実
施例３と同様に切羽の直前でペーストに混入してもよ
い。

【００３１】ペーストＡ礫率７０％以上の玉石混じり砂礫層を対象として以下の
ペーストＡを用意した。１５〜３０重量のＳiＯ₂のゾル
を主材とし、この主材を１４０リットルと水４３９リッ
トルを混合し、これに助材として５体積％のＨ₂ＳＯ₄を
４４リットル加えて混合し、更に硬化材として３号水ガ
ラスを４０％に薄めた溶液を４７リットル加えて混合し
珪酸質ゼリーを６７０リットル得た。これに水３３０リ
ットルを加えて強力撹拌し、前記ゼリーを粒径３００μ
ｍ以下の微細粒子に細分し、全体として１０００リット
ルの珪酸質ペーストを得た。

【００３２】ペーストＢ砂層及び礫率７０％以下の砂礫を対象として以下のペー
ストＢを用意した。１５〜３０重量のＳiＯ₂のゾルを主
材とし、この主材を１０５リットルと水３２７リットル
を混合し、これに助材として５体積％のＨ₂ＳＯ₄を３３
リットル加えて混合し、更に硬化材として３号水ガラス
を４０％に薄めた溶液を３５リットル加えて混合し珪酸
質ゼリーを５００リットル得た。これに水５００リット
ルを加えて強力撹拌し、前記ゼリーを粒径３００μｍ以
下の微細粒子に細分し、全体として１０００リットルの
珪酸質ペーストを得た。

【００３３】ペーストＣ粘性土層を対象として以下のペーストＣを用意した。水
ガラスを主材とし、この主材を６０リットルと水７９５
リットルを混合し、これに硬化材として５体積％のＨ₂
ＳＯ₄を１４５リットル加えて混合し珪酸質ゼリーを１
０００リットル得た。これを強力撹拌し、前記ゼリーを
粒径３００μｍ以下の微細粒子に細分し、全体として１
０００リットルの珪酸質ペーストを得た。

【００３４】

【表１】
種類比重粘度ｐＨペーストＡ 1.02 800cps 7.0 ペーストB 1.01 500cps 7.0 ペーストＣ 1.03 200cps 6.5 上記表１は各ペーストＡ〜Ｃの特性を示す。珪酸質ペー
ストを注入材の一成分とするシールド工法は、玉石混砂
礫層から砂層およよび粘性土層までの幅広い地盤を対象
とすることができるが、その地盤の性質に合わせて上記
実施例１〜３に示した各ペーストＡ，Ｂ及びＣを目安と
して使いわけるのがよい。

【００３５】また、切羽面または土圧室内への珪酸質ペ
ーストの注入は、所要圧力下において前記ラインから注
入され、その注入量は地盤の有効間隙率または間隙率を
目安に行ない、排出土砂及び礫の均一に混合された状態
の塑性化土に改良されるよう調節される。

【００３６】

【発明の効果】本願第１発明によれば、注入材として珪
酸質水性ゼリーだけでなく気泡を用いたので、この気泡
の混入により珪酸質水性ゼリーの流動性が増し、切羽に
注入された珪酸質水性ゼリーを玉石等の存在の有無によ
らず安定して切羽に浸透させることができる。

【００３７】本願第２発明によれば、珪酸質ゼリーを強
力撹拌した得られた流動性に優れた珪酸質ペーストを注
入材として用いたので、導入管を通して抵抗少なく安定
して切羽に供給することができる。また、この珪酸質ペ
ーストの流動性及び気泡の混入により、玉石等の存在の
有無によらず一層安定して切羽に浸透させることが可能
となり、施工性を大幅に向上できる。従って、以上の本
願各発明により安定した掘進を維持することのできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシールド掘進方法を説明する構成
図である。

【図２】図１の要部拡大図である。

【図３】本発明に係るシールド掘進機の左半分のみ示し
た正面図である。

【符号の説明】

１シールド掘進機２珪酸質ペースト供給プラント３注入ライン６カッター８注入口９土圧室１４掘削ずり

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内田潤千葉県船橋市坪井町722番地１日産化学工業株式会社中央研究所内 (72)発明者武藤雅典千葉県船橋市坪井町722番地１日産化学工業株式会社中央研究所内 (72)発明者北川明雄東京都千代田区神田錦町３丁目７番地１日産化学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転する切羽カッター部と土圧室と土圧
室内の土を撹拌する撹拌手段と土圧室内の土を排出する
排出手段と切羽に注入材を注入させる注入材導入手段と
を備えたシールド式掘進機を作動させて、前記切羽面に
注入材を注入させながら、土層を掘進するシールド掘進
方法であって、前記注入材として珪酸質水性ゼリーと気
泡又は起泡剤を用いることを特徴とする気泡及びゼリー
によるシールド掘進方法。
【請求項２】請求項１において、前記注入材の一成分
を成す珪酸質水性ゼリーを、二酸化珪素含有率が約１〜
６０重量％の珪酸質水性ゼリーを破砕することによって
生成した微細粒子と、これらの微細粒子間に介在し全体
に流動性を持たせる液体を主成分とする珪酸質ペースト
に改質して用いることを特徴とする気泡及びゼリーによ
るシールド掘進方法。