JPH08199160A

JPH08199160A - 掘削添加材

Info

Publication number: JPH08199160A
Application number: JP7030190A
Authority: JP
Inventors: Akira Tamura; 明田村; Hiroshi Kosuge; 宏小菅; Hitoshi Fujiyoshi; 均藤由
Original assignee: Mitsui Cytec Ltd
Current assignee: Mitsui Cytec Ltd
Priority date: 1995-01-27
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 1996-08-06

Abstract

(57)【要約】【目的】土質の地盤を泥土圧式シールド工法で掘削す
る高分子系添加材に関する。【構成】水に一部不溶性の水溶性重合体を粘土の懸濁
液に０．０５〜１．０重量％添加してなる掘削添加材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に礫が多い土質の地
盤を泥土圧式シールド工法で掘削する掘削添加材に関す
るものである。さらに詳しくは、ベントナイトを使用す
ることなく、高比重、高粘性を与える掘削添加材に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】地下鉄などの坑道構築や下水道管渠の敷
設方法としてシールド工法があり、各種の工法が使用さ
れているが、近年、土圧式シールド工法が比較的使用さ
れている。

【０００３】土圧式シールド工法は土木学会トンネル標
準示方書（シールド編）同解説第１３条に示されている
ように機械式密閉型シールドの一種である。

【０００４】土圧式シールド工法の掘削／土留めは、カ
ッターヘッドにて掘削した土砂をチャンバー内に充満さ
せ、このチャンバー内土圧により切羽の安定を図りなが
ら掘進し、チャンバー内からシールド機内へ通ずるスク
リューコンベアにより排土することにより行われる。

【０００５】施工に際しては、チャンバー内土圧をシー
ルド推進力にて切羽の安定に必要な程度に加圧保持しな
がら、推進量に見合った排土ができるようにスクリュー
コンベアの回転数や推進速度を調整していく工法であ
る。

【０００６】地盤が粘性土質の場合、微細粒子の含有量
が多く土砂の変形や破壊が容易であるので掘削土砂は塑
性流動性のある泥土状態となる場合が多いが、砂や砂
礫、特に礫の比率が多く、微細粒子の含有量が少ない地
盤の場合は、シールド機チャンバー内やスクリューコン
ベア内で固結現象やアーチングが発生し、土砂が連続移
動しなくなり、排土不能で掘進できなくなる場合があ
る。

【０００７】このように土質によって掘削土砂の流動性
や止水性が不足する場合があるので、掘削土砂に作泥土
材や泥漿などの掘削添加材を注入し、掘削土砂を止水性
と流動性ある土砂に変換して、変換土砂の土圧によって
切羽の安定を図る工法がある。この型式が泥土圧式シー
ルドあるいは泥漿シールドと呼ばれている工法である。

【０００８】掘削土砂の性状を変換させるためには、添
加材注入装置で掘削添加材を注入してチャンバー内の空
隙を充満し、練混ぜ翼装置等で掘削添加材を強制的に掘
削土砂と混合し、掘削土砂を塑性流動性と不透水性を持
つ土砂に変換することが必要である。

【０００９】そのための掘削添加材には様々な種類があ
るが、何れも各々、材料の組み合わせ、濃度注入量を変
化させることで、泥土圧式シールド工法がより広範囲の
地質の地盤を掘削できるようになる。

【００１０】従来の掘削添加材は、山粘土、ベントナイ
ト及びカルボキシメチルセルロースなどの水溶性高分子
からなり、加泥材、作泥材、泥漿材といった名称がつけ
られている。

【００１１】これらは、地山内に不足する細粒分を添加
材を注入することにより補い，泥土化を目的とするもの
で、透水係数の大きな砂、砂礫等の地盤の場合、粒子間
に大量の細粒分を充填することにより、止水性を向上さ
せ、噴発の防止を図ることを目的としている。

【００１２】また、砂や砂礫といった内部摩擦角の大き
な土粒子間に粘性を持った微細粒子を付着させることに
よって、内部摩擦角を小さくし、掘削土砂の流動性を高
めようとするものである。

【００１３】したがって、例えば泥土加圧シールド工法
協会では、０．０７４ｍｍ以下の微細粒子の含有量は３
０％以上とすることが好ましいと考えられ、次のような
算定式で配合設計した作泥土材を掘削添加材として使用
することが多い。

【００１４】

【数１】作泥土材濃度Ｄ＝ａ（３０−Ｐ０．０７４）α
＋（４０−Ｐ０．２５）β＋（６０−Ｐ２．０）γ

【００１５】ただし、ａ：均等係数による係数で均等係
数Ｕ≧４の時ａ＝１．０、４＞Ｕ≧３の時ａ＝１．１、
３＞Ｕ＞１の時ａ＝１．２、Ｐ０．０７４＝０．０７４
ｍｍ粒径通過百分率３０％以上は３０、Ｐ０．２５＝
０．２５ｍｍ粒径通過百分率４０％以上は４０、Ｐ２．
０＝２．０ｍｍ粒径通過百分率６０％以上は６０、α：
２．０、β：０．５、γ：０．５

【００１６】しかし、上式によって、例えば礫率が７０
％程度の砂礫質地盤の場合を算出すると、均等係数を５
０、シルト・粘土分の含有量を４．３％として、Ｐ０．
０７４＝４．３、Ｐ０．２５＝１３．３、Ｐ２．０＝２
４．２とすると、作泥土材濃度は約７２％（比重１．３
３ｇ／ｃｃ）となり、ベントナイト及び山粘土の使用量
はそれぞれ１ｍ³当たり１５６ｋｇ及び３９１ｋｇと計
算される。

【００１７】このような大量の高濃度ベントナイト泥水
を注入して掘削した場合、大量の土砂を産業廃棄物とし
て処理しなければならず、処理場確保や処理コストが問
題となることが多い。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】泥土圧式シールド工法
では、非泥土性の掘削土砂に掘削添加材を添加し、シー
ルド機カーター後部の練り混ぜ翼などで攪拌し、塑性流
動性と不透水性を持つ泥土に変換してスクリューコンベ
アや排土管によって排土する方式であるが、巨礫層や玉
石層などの礫率の大きい地盤の掘削においては、高濃
度、高比重で、かつ高粘性の掘削添加材を大量に地山中
に注入する必要がある。

【００１９】この場合、掘削添加材の粘性が不足する
と、土粒子を取り囲むためのバインダー効果が不足し
て、土砂が材料分離を生じ、流動性を改良することがで
きない。

【００２０】掘削添加材の比重は、土粒子の沈降を抑え
るために重要であり、土質に応じて調整する必要があ
る。シルト・粘土分の含有量が少ない地山の場合、礫率
が大きいほど掘削添加材の比重を高める必要がある。

【００２１】従来、主に山粘土からなる粘土懸濁液の粘
性調整にはベントナイトが使用されていた。ベントナイ
トはよく知られているように、モンモリロナイトを主成
分とする代表的な結晶性鉱物の一つであり、通常、正お
よび負の電荷を共有しており、比表面積もきわめて大き
い。

【００２２】そのため、常温で水を吸い込んで膨れ上
り、ちょっとした力学的刺激を加えると、ゲルがゾルに
変化するチキソトロピー挙動を示すものである。ベント
ナイトが持つこのような特有の粘性が掘削土砂の塑性流
動化に有効であると考えられ、礫率が大きく、細粒分が
少ない場合ほど、このベントナイトの使用量を多くしな
ければならなかった。

【００２３】しかし、掘削後に発生するベントナイトを
混合した掘削土砂からベントナイトを物理的、化学的に
分離することは非常に難しいので、ベントナイトを含ん
だままの掘削土砂のほとんどを産業廃棄物として処理し
なければならない問題を生じていた。

【００２４】また、ベントナイトの溶解には、かなり長
時間の水膨潤時間が必要であり、作液作業に時間がかか
るうえに、かなり長時間使用できる量を貯蔵する設備が
必要であるなどの問題も生じていた。

【００２５】上記のようにベントナイトは残土処理上の
問題を抱える場合が多く、さらにベントナイトは水膨潤
性があって、懸濁液の粘性を高めることができるが、泥
漿に必要な液比重をつけることができないので、できる
限りベントナイトを使用しないで高濃度で高比重、か
つ、高粘性の粘土懸濁液を形成できる増粘効果のある増
粘材が要望されていた。

【００２６】高分子凝集剤などに使用される水溶性高分
子は、特開昭６０―１３３０８４号公報や特開平３―１
３１４００号公報に、凝集効果を利用して使用する方法
が開示されているが、生活廃水や産業廃水などの汚泥脱
水法に使用される高分子量のポリアクリルアミド系水溶
性高分子は、水に溶解すると長い長鎖状となり、粘土懸
濁液に混合すると凝集力が強すぎてフロックを形成し、
粘土分が沈降したり塊状化して、粘度が著しく低下し、
機械的攪拌によっても再分散できなくなる。

【００２７】また、凝集力が強過ぎて、掘削土砂に混合
すると砂分や礫分、特に礫分が泥土分から分離して、シ
ールド機チャンバー内やスクリューコンベア内が不均一
状態となり、連続的に排土ができず閉塞状態を生じるな
どの問題がある。

【００２８】このように長鎖状の水溶性高分子は、粘土
粒子を凝集させるので粘土懸濁液の比重を粘土量で調整
することができず、高濃度、高比重の泥漿添加材を作る
ことができず、シルト・粘土分が少なく礫や砂が多い地
盤掘削の場合に利用することができなかった。

【００２９】

【課題を解決するための手段】シルト粘土分が少なく礫
や砂が多い不均一な地盤を泥土圧式シールド工法で掘削
する場合、掘削土砂を塑性流動化させて安定に掘削を進
めるため高濃度、高比重、高粘性の掘削添加材を注入し
なければならないが、ベントナイトを使用せずに粘性調
整できる大きな増粘力を持った増粘剤が要求されてい
た。

【００３０】本発明者らはこれらの点を考慮して鋭意研
究した結果、高分子量のポリアクリルアミド系水溶性高
分子に代わって、水に一部不溶性の水溶性重合体を用い
ることで、凝集性の欠点が一挙に解決できることを見い
だし、本発明に到達したものである。

【００３１】すなわち、本発明は水に一部不溶性の水溶
性重合体を粘土の懸濁液に添加してなる粘稠な泥漿組成
物からなることを特徴とする泥土圧式シールド工法用の
掘削添加材に関するものである。以下本発明を詳しく説
明する。

【００３２】本発明に使用する水に一部不溶性の水溶性
重合体は、水性ビニルモノマーの１種または２種以上と
架橋性モノマーとを重合原料とし、これを共重合した重
合体で、水溶性でも完全な水不溶性でもなく、水膨潤倍
率が５倍程度より少ないものである。

【００３３】この重合体は水溶性ビニルモノマーとして
は、（ａ）アニオン性、（ｂ）ノニオン性でいずれも水
溶性のものが用いられる。その具体例は次のとうりであ
る。

【００３４】（ａ）アニオン性モノマー（メタ）アクリル酸、２―アクリルアミド―２―メチル
プロパンスルホン酸、ビニルスルホン酸、スチレンスル
ホン酸、イタコン酸、マレイン酸、フマール酸、アリー
ルスルホン酸およびその塩。

【００３５】（ｂ）ノニオン性モノマー（メタ）アクリルアミド、ビニルメチルエーテル、ビニ
ルエチルエーテルなどが挙げられる。

【００３６】また、架橋性モノマーの具体例としては、
Ｎ’Ｎ―メチレンビスアクリルアミド、Ｎ’Ｎ―メチレ
ンビスメタアクリルアミド、ジビニルベンゼンなどのジ
ビニル化合物、メチロールアクリルアミド、メチロール
メタアクリルアミドなどのビニルメチル系メチロール化
合物、アクロレインなどのビニル系アルデヒド化合物、
メチルアクリルアミドグリコレートメチルエーテルなど
のビニル系化合物が挙げられる。

【００３７】以上説明した水溶性ビニルモノマーの１種
または２種以上と架橋性モノマーとを重合原料とし、ラ
ジカル発生剤、紫外線、放射線等により共重合した重合
体が、本発明において有効である。

【００３８】または、（メタ）アクリルアミドの単独
と、架橋性モノマーとを共重合で重合させた後、加水分
解により本発明の重合体とする事も可能である。

【００３９】これらの重合体の重合形態は、水溶液重
合、懸濁重合、油中水型逆相エマルション重合などがあ
るが、好ましくは油中水型逆相エマルション重合法によ
り調製するものである。これらの製法は例えば特公昭５
２―３９４１７号公報において紹介された既知の方法に
よって行うことができる。

【００４０】架橋性モノマーの使用量は、連鎖移動剤存
在下において水溶性ビニルモノマー全量に対して１ｐｐ
ｍ〜１００ｐｐｍ（重量比）、好ましくは、５ｐｐｍ〜
３０ｐｐｍ（重量比）の割合で配合し共重合したもので
ある。

【００４１】架橋性モノマーが１ｐｐｍ（重量比）未満
では水溶性高分子と同等程度の強い凝集力となり、フロ
ックを形成し、粘土分が沈降したり塊状化して、粘度が
著しく低下し、機械的攪拌によっても再分散できなくな
る。

【００４２】また、凝集力が強過ぎて、掘削土砂に混合
すると砂分や礫分、特に礫分が泥土分から分離する。ま
た、１００ｐｐｍ（重量比）超では水膨潤性の重合体と
なって増粘効果が低下して適切な粘性の粘土懸濁液が得
られない。

【００４３】重合体中に含まれるアニオン性モノマーの
割合としては、２０〜４０ｍｏｌ％、好ましくは２５〜
３５ｍｏｌ％である。この範囲を超えると、凝集力が増
加し、増粘効果を発揮する添加量領域が狭くなる。

【００４４】この水溶性重合体の好ましい作成方法は、
粘土懸濁液への溶解性がよい油中水型逆相エマルション
重合法において、架橋性モノマーの量をコントロールし
た結果として一部不溶性であることが好ましい。

【００４５】架橋あるいは鎖分岐の程度は、例えば特開
平２―２１９８８７号公報で開示されているように、架
橋性モノマーを連鎖移動剤の存在下において重合させる
ことによって水溶性重合体の分岐をコントロールするこ
ともできる。

【００４６】架橋剤と組み合わせるときは、それらの使
用は架橋よりも分岐を促進する傾向にあり、適度の連鎖
移動剤を用いなければならない。

【００４７】これらの重合度は一部架橋構造、あるいは
一部分岐構造であるため定かではないが、一般の水溶性
重合体をわずかに架橋あるいは分岐させた重合体と考え
ればよい。この重合体の水膨潤倍率は５倍以下であるこ
とが好ましい。

【００４８】重合体を架橋により一部不溶性化する代わ
りに、水溶性重合体を一部不溶性化するのに充分な水不
溶性重合体を含有させた重合体混合物を使用することも
可能である。

【００４９】本発明の一部不溶性の水溶性重合体は粘土
の懸濁液（通常粘土が５〜６０重量％濃度）に０．０５
〜１．０重量％を添加して泥漿組成物をつくる。

【００５０】本発明の粘土懸濁液に用いる粘土は、一般
的には鉱物組成が変化に富んでいる雑粘土に分類される
粘土鉱物類で、山粘土とも呼ばれるモンモリロナイト含
有量の少ない、ベントナイトに属さないものが好まし
い。

【００５１】さらに、土木工業用、すなわちボーリング
泥水やグラウトの混和材および漏水防止用客土などの止
水材料等に用いられる粘土鉱物類であることが好まし
い。

【００５２】一般に粘土鉱物類は、ベントナイトと、そ
の他の粘土とに大別できる。ベントナイトの主な用途
は、水に分散させて低濃度の泥水とし、掘削孔の崩壊防
止、掘削土砂の運搬などの役割を目的とするもので、要
求される特性は主に増粘性や泥壁形成性である。

【００５３】本発明に用いる粘土は、ベントナイト以外
の粘土に分類される山粘土類であり、シールド工法では
加重材などとして用いられるものが好ましい。山粘土の
主な用途は、比重や粘性を調整するための基本材として
であり、他に、瓦用粘土、セメント用粘土、建材用粘土
等にも使用されるものである。

【００５４】山粘土類には数多くのものが市販されてい
るが、モンモリロナイト含有量が少ないものが好まし
い。粘土鉱物中の含有モンモリロナイト量は、メチレン
ブルー吸着容量（ＭＢＣ、単位ｍｅｑ／１００ｇ）で表
される。

【００５５】ＭＢＣ値は、泥水中の含有モンモリロナイ
ト量を示す値で、１／１００規定メチレンブルー溶液で
滴定を行い、メチレンブルーの吸着量から次式によって
塩基交換用量と含有モンモリロナイト量すなわち含有ベ
ントナイト量を求める方法で、よく知られている方法で
ある。

【００５６】この方法は、モンモリロナイトの交換性陽
イオンが、正に帯電したメチレンブルー分子とイオン交
換するので、ベントナイトや泥岩の塩基交換容量（ＣＥ
Ｃ）を１式で求め、また、ベントナイト含有量を２式か
ら知る方法である。

【００５７】

【数２】メチレンブルー交換容量（ＭＢＣ）＝メチレン
ブルー消費量（ｃｃ）／泥水試料（ｃｃ）（式１）

【００５８】滴定するメチレンブルー溶液の１ｃｃは
０．０１ｍｇ当量のメチレンブルーに相当する。

【００５９】

【数３】ベントナイト含有量（ｇ／ｌ）＝１４．２５×
メチレンブルー消費量（式２）

【００６０】ベントナイトとは、モンモリロナイト含有
量が多く、水和、水膨潤性の大きいものを言い、泥水用
のベントナイトにはＮａ塩型のモンモリロナイト含有量
が多く、膨潤性や泥壁形成性の良好なベントナイトが使
用されている。

【００６１】したがって、石油掘削泥水や土木基礎工事
用泥水に使用されるベントナイトとは、Ｎａ塩型―モン
モリロナイトの含有量の多い山形産やアメリカワイオミ
ング州産のベントナイトであることが多い。

【００６２】泥水に使用するためには、不純物が少な
く、モンモリロナイト含有量の多い良質のベントナイト
であることが必要で、例えば、ＡＰＩ（Ａｍｅｒｉｃａ
ｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）規格
に合致している「クニゲルＶＳ」のモンモリロナイト含
有量は７５％以上である。

【００６３】また、土木用安定液等の掘削泥水に一般に
使用されることの多いＮａ塩型のモンモリロナイトを主
成分とする山形産ベントナイトである「クニゲルＶ１」
（クニミネ工業（株）製）のＭＢＣ値は５８〜７２であ
る。

【００６４】一方、本発明に用いる山粘土はＭＢＣが１
〜５０ｍｅｑ／１００ｇのものが好ましい。

【００６５】例えば、市販されているカオリナイト及び
イライトを主成分とする山粘土の例として「木節粘土
（ＳＣＰ―Ｓ）」や「ＳＣＰ―Ａ」（いずれもベントナ
イト産業（株）製）があるが、それらのＭＢＣは、それ
ぞれ１３と９．４である。

【００６６】また、市販されているモンモリロナイト及
びカオリナイトを主成分とする山粘土の例として「笠岡
粘土」（カサネン工業（株）製）があるが、ＭＢＣは２
３．８と小さく、水和、膨潤性が小さいものである。

【００６７】モンモリロナイト含有量が小さい雑粘土類
を使用する代わりに、モンモリロナイトをＣａ塩に置換
して水和、膨潤性を抑えたＣａ塩型ベントナイトを使用
することも可能である。

【００６８】本発明の泥漿組成物に、高吸水性樹脂を
０．０５〜１．０重量％添加してもよい。

【００６９】用いる高吸水性樹脂は、水と接触せしめた
場合、水を吸収して５倍超から千倍近くに膨潤するが、
水には溶解しないものである。通常この高吸水性樹脂は
粉状のものが多いが、粒径が５０μｍ以上のビーズ状の
ものが好ましい。

【００７０】これらの製造方法は例えば特開昭６２―２
１１４９１号公報等において紹介されていて、既知のも
のである。

【００７１】また、微細粒径の高吸水性樹脂として、粒
径１０μｍ以下の油中水型水膨潤性重合体エマルジョン
の形で提供されているものもある。

【００７２】例えば、水溶性ビニルモノマーと架橋剤と
を含む水溶液を、疎水性界面活性剤を含む有機分散媒中
に注入して乳化させたあと、ラジカル重合触媒により重
合させ、得られたエマルジョンにさらに親水性界面活性
剤を添加することにより製造される。

【００７３】これらの製造方法は例えば特開昭６３―９
０５３７公報、特開昭６３―９０５１０号公報等におい
て紹介されていて既知のものである。

【００７４】高吸水性樹脂としては、１〜２ｍｍの大き
さに膨潤する球状の高吸水性樹脂が好ましい。また、吸
水した状態でのゲル強度が大きいものの方が、土粒子間
に混入した場合、内部摩擦角が小さくなりやすく、流動
化に効果がある。

【００７５】又、本発明に、さらに水溶性高分子を０．
０５〜１．０重量％を添加してもよい。

【００７６】用いる水溶性高分子としては、泥水添加剤
と使用されている天然高分子、半合成高分子及び合成高
分子が使用できる。このうち増粘剤として用いられてい
る、キサンタンガム、カルボキシメチルセルロース、ポ
リアニオニックセルロース、ヒドロキシエチルセルロー
ス、澱粉、グアーガム及びグアーガム誘導体が好まし
い。

【００７７】

【作用】本発明は、水に一部不溶性の水溶性重合体を用
いることによって、粘土粒子の凝集力を弱め、高濃度、
高比重である粘土懸濁液を得ると共に、水に一部不溶性
な部分が水膨潤性を有することによって、粘性調整効果
があり高粘性の粘土懸濁液を得ることができ、ベントナ
イト類を特に使用することなしにシルト粘土分が少なく
礫や砂が多い地盤においても掘削可能な泥土圧式シール
ド工法用の添加材を提供するものである。

【００７８】水に一部不溶性の水溶性重合体の水溶性の
部分は粘土懸濁液中で、粘土粒子に橋かけ吸着し、非ニ
ュートン流動を示すスラリー状の泥漿を形成する。

【００７９】水に一部不溶性とした重合体の部分も親水
性が強く、水の吸着力が働き粘土懸濁液中で吸水増粘の
効果を発揮し系の粘性を上げる作用を持つ。この弱い凝
集力と吸水増粘効果によって形成された粘土懸濁液中に
おいて粘土粒子の凝集体は、力学的な力すなわちせん断
力を受けると容易に引き伸ばされ、せん断を受けた方向
に変形するので、粘土懸濁液はチキソトロピー挙動を示
す。

【００８０】しかるに、水に一部不溶性とした重合体の
粘土粒子に対する凝集力は弱いので粘土懸濁液中の粘土
量を増やすことができ、高濃度、高比重の泥漿添加材を
作ることができ、シルト粘土分が少なく礫や砂が多い地
盤掘削の場合に利用することができる。

【００８１】掘削土砂に混合した場合、砂や砂礫といっ
た内部摩擦角の大きな土粒子間に付着して、内部摩擦角
を小さくし、掘削土砂の流動性を高めることができる。

【００８２】本発明の添加材をシールド工法用に用いる
場合の注入量は掘削土砂の容積に対して通常５〜１５０
ｖｏｌ％程度を用いる。

【００８３】

【実施例】

【００８４】

【製造例１〜６】アクリル酸ナトリウム３５％水溶液２
２８ｇ、アクリルアミド５０％水溶液２８１ｇに、架橋
剤としてＮ’Ｎ―メチレンビスアクリルアミド０．００
１ｇ、連鎖移動剤としてイソプロピルアルコール０．３
ｇ及び、ｔ―ＢＨＰ（ｔ―ブチルハイドロパーオキサイ
ド）０．０２ｇと蒸留水９１ｇをあらかじめ混合して水
性相を作った。

【００８５】これに有機分散媒（パラフィン６４重量
％、ナフテン３５重量％、芳香族炭化水素１重量％の割
合で含有）１９４ｇにソルビタンモノオレート１５ｇを
加えた油性相を混合し、ホモジナイザーで乳化した。

【００８６】乳化後４つ口フラスコに移し、攪拌しなが
らＮ₂パージし脱気した。Ｎ₂パージしながらメタ重亜硫
酸ナトリウム水溶液を滴下して、温度５０℃で重合させ
た。

【００８７】重合後、ポリオキシエチレンラウリルエー
テルを１６ｇ添加して、重合体―Ａを得た。得られたエ
マルションは重合体濃度２６．４％で、平均粒子径２．
３μｍであった。

【００８８】別途に、上記のうち、Ｎ’Ｎ―メチレンビ
スアクリルアミドの量を変えて第１表の重合体Ｂ〜Ｄ及
び比較重合体１と２を得た。

【００８９】

【実施例１】製造例１で得た重合体Ａ〜Ｄを、粘土鉱物
組成が主にカオリナイトとイライトであり、メチレンブ
ルー吸着量が９．４ｍｅｑ／１００ｇである商品名「Ｓ
ＣＰ―Ａ」の２５０メッシュの粘土で作液した懸濁液に
混合し、それを掘削添加材として礫率７０％の試験土砂
に混合してスランプを測定した。

【００９０】上記重合体を混練した時の土砂の流動性改
良効果を、比較重合体１〜２及びベントナイト及びカル
ボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）と比較した。

【００９１】試験土砂の組成は、礫分（最大粒径２０ｍ
ｍの川砂）を７０ｗｔ％、細砂分（最大粒径５ｍｍの川
砂）が２７ｗｔ％、シルト・粘土分（最大粒径２ｍｍの
珪砂を２ｗｔ％及び上記粘土を１ｗｔ％）を３ｗｔ％を
配合して用いた。含水比は１０％となるように調整し
た。

【００９２】掘削添加材の２５℃における粘度はビスコ
テスター（ＶＴ―０４型）［リオン（株）製］にて測定
した。また、比重は泥水比重試験器（マッドバランス）
で測定した。

【００９３】上記の掘削添加材を試験土砂に種々の注入
率（土砂に対する泥漿混合割合で容積百分率で示す）で
混合した時の混合土砂の性状評価は、ＪＩＳＡ１１
０１のコンクリートのスランプ試験方法に従って行っ
た。掘削添加材の組成及びスランプ試験結果を第２表に
示した。

【００９４】掘削土砂の塑性流動状態を正確に判断する
評価規準はなく、一般的にはフレッシュコンクリートの
スランプ値で８ｃｍ〜１５ｃｍ程度のコンシステンシー
であることが好ましいと考えられている。

【００９５】この判断規準に基づいて考えると、重合体
Ａ〜Ｄは広い注入率範囲で掘削土砂のコンシステンシー
を掘削に好ましい状態に維持することができたが、比較
重合体―１は掘削土砂全体が凝集して流動性を失ない、
また比較重合体―２は、掘削土砂から離水して土砂が分
離し、まとまりを失なった。

【００９６】ＣＭＣは、掘削土砂中の礫分が分離しやす
くスランプ値を好ましい状態に維持することができなか
った。

【００９７】この結果から重合体Ａ〜Ｄはベントナイト
と同等以上の土質改良効果を有することが明らかであ
る。

【００９８】

【実施例２】粘土に主成分：ＳｉＯ₂５９〜６７％、Ａ
ｌ₂Ｏ₃１７〜２３％、主要鉱物がカオリナイトとモンモ
リロナイトで、メチレンブルー吸着量：２３．８ｍｅｑ
／１００ｇ、粒度：２００メッシュ以上８６〜９５％、
２５０メッシュ以上９０％の商品名「笠岡粘土」（カサ
ネン工業）を使用して、前記重合体―Ａとベントナイト
及びカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の３種類に
よる粘性特性の違いを比較して調べた。

【００９９】作液した粘土懸濁液の粘性特性はファンＶ
Ｇ型粘度計を用いて測定した。回転数を６００、３０
０、２００、１００、６、３ｒｐｍの６段階で測定し、
ビンガム流動モデルにしたがって塑性粘度（ｃＰ）と降
伏値（１ｂ／１００ｆｔ² ）を求めた。

【０１００】それぞれの値は、６００ｒｐｍの読みから
３００ｒｐｍの読みを引いた値と３００ｒｐｍの読みか
ら塑性粘度を引いた値として計算した。

【０１０１】塑性粘度と降伏値を図１〜図６に示した。
重合体―Ａによる粘性曲線はＣＭＣよりも増粘効果が大
きく、塑性粘度や降伏値が増加し、チクソトロピー挙動
はベントナイトに類似した粘性挙動であることが明らか
となった。ＣＭＣでは、増粘力が不足し、また、掘削土
砂の塑性流動化に働くチクソトロピー性を与える効果も
小さかった。

【０１０２】

【実施例３】この発明による掘削添加材を用いて、シー
ルド外径２４００ｍｍの泥土圧式シールド工法工事現場
において管渠延長３４０ｍの掘削を行った。掘削した地
盤は、土被り９ｍの河川下で、玉石混じりの礫率８５％
の滞水砂礫層であった。

【０１０３】ａ）土質条件土質名称：玉石混じり砂礫層、最大粒径：６００ｍｍ土質：礫分９０．８％砂分８．９％シルト・粘土分０．３％湿潤密度：２．０３ｇ／ｃｍ³ 均等係数：４．１含水比：１８．３％透水係数：３．０×１０^-2ｃｍ／ｓｅｃ

【０１０４】ｂ）掘削結果実施例１のＮｏ．１の配合で作液した掘削添加材を圧送
ポンプ（チューブポンプ）によりシールド機に送り、吐
出口から切羽に注入しながら掘削した。この時、シール
ド機チャンバー内及びスクリューコンベア内をこの混合
掘削土砂によって充満し、混合掘削土砂の泥土圧により
切羽の緩み土圧及び地下水圧と対抗させて掘進した。

【０１０５】掘削添加材の注入率は５０％から８０％で
注入を行ったところ、排出時のスランプ値は８〜１５ｃ
ｍであり礫の分離も認められず、ズリトロ式排土方式に
適した排出土砂の状態を維持し、閉塞を生じることなく
順調にトンネル掘削が終了した。

【０１０６】また、河川下にもかかわらずスクリューコ
ンベアのゲート口からの噴発が発生せず、掘削添加材の
止水性が良好なことが確かめられた。

【０１０７】排出土砂のｐＨは、アルカリ性の強い水ガ
ラス系薬液注入の補助工法を行った発進坑及び到達坑付
近を除いて７〜８の中性であり、近接する掘削土砂仮置
き場にたい積させたところ、約４日間の天日乾燥で自然
含水比に近い含水比６〜８％まで低下した。この排出土
砂はベントナイト類を含まないので非産業廃棄物の残土
として処理した。

【０１０８】

【実施例４】この発明による掘削添加材を用いて、シー
ルド外径２０００ｍｍの泥土圧式シールド工法工事現場
において管渠延長４９５ｍの掘削を行った。掘削した地
盤は、土被り１０ｍで、巨礫を含む崩壊性の高い礫率７
０から８５％の滞水砂礫層であった。

【０１０９】ａ）土質条件土質名称：洪積世の礫質土層、最大粒径：３００ｍｍ土質：礫分８５％（代表値）砂分１０％シルト・粘土分５％湿潤密度：２．１３ｇ／ｃｍ³ 含水比：１０から１９％透水係数：１０^-1から１０^-2ｃｍ／ｓｅｃ

【０１１０】ｂ）掘削結果比較例１のＮｏ．１の配合で作液した掘削添加材を圧送
ポンプ（チューブポンプ）によりシールド機に送り、吐
出口から切羽に注入しながら掘削した。

【０１１１】掘削添加材の注入率６０％から８０％で注
入を行ったが、掘削土砂のスランプ値が２０〜２５ｃｍ
と軟らかく、水や礫が分離して噴発がしばしば発生し、
閉塞の心配が続いた。掘進速度は最大で２ｃｍ／分と遅
く、工期が遅れる心配があった。

【０１１２】そこで、実施例１のＮｏ．１の配合で作液
した掘削添加材に変えたところ、スランプ値は１０〜１
８ｃｍになりズリトロ式排土方式に適した排出土砂の状
態を維持することができるようになり、噴発が全く発生
せず閉塞の心配もなくなって順調にトンネル掘削を進め
ることができるようになった。掘進速度は平均４ｃｍ／
分に上昇した。

【０１１３】次に地盤が透水係数の小さい区間に達して
切羽からシールド機内への地下水の流入量が増加してき
たので、実施例１のＮｏ．１の配合で作液した掘削添加
材に、ビーズ状の高吸水性樹脂（ダイヤウエットＡＬ―
３、三菱油化製）を１ｋｇ添加して掘削した。スクリュ
ーコンベアのゲート口からの噴発が発生せず、掘削添加
材の止水性が良好なことが確かめられた。

【０１１４】その後地盤が礫率の大きな区間に達して、
掘削土砂の流動性が小さくなり、スランプ値が５〜１０
ｃｍに低下してスクリューコンベアーで閉塞しやすくな
ったので、実施例１のＮｏ．１の配合で作液した掘削添
加材に水溶性高分子であるヒドロキシエチルセルロース
（ＨＥＣダイセル、ダイセル化学工業製）を１ｋｇ添加
して掘削した。

【０１１５】掘削土砂中の礫が分離しなくなりシールド
機チャンバー内及びスクリューコンベア内での流動性が
よくなり、泥土圧によって切羽の緩み土圧及び地下水圧
を安定にバランスできるようになった。

【０１１６】全掘削区間から排出した土砂のｐＨは、ア
ルカリ性の強い水ガラス系薬液注入の補助工法を行った
発進坑及び到達坑付近を除いて７〜８の中性であり、含
水比も平均５０％であったので残土として処理した。

【０１１７】

【表１】

【０１１８】

【表２】

【０１１９】＊１）シールド用ＳＣＰ―Ａ粘土、＃２５
０、（ベントナイト産業（株））真比重：２．６５、ｐ
Ｈ：５．９、主要粘土鉱物：カオリナイトとイライト、
メチレンブルー吸着量：９．４ｍｅｑ／１００ｇ＊２）クニゲルＶ１、（クニミネ工業（株））山形産ベ
ントナイト、粒度２５０メッシュ、ｐＨ：９．５、主成
分：ＳｉＯ₂６５〜７５％、Ａｌ₂Ｏ₃ １４〜１７％＊３）シールド泥水用ＧＴ―５Ｇ（四国化成（株））＊４）ビスコテスターＶＴ―０４型、回転数６２．５ｒ
ｐｍ＊５）掘削添加材の土砂に対する混合割合（容量百分
率）

【０１２０】

【発明の効果】実施例で示したように本発明によれば、
シルト粘土分が少なく礫や砂が多い不均一な地盤を泥土
圧式シールド工法で掘削する場合においても、掘削土砂
を塑性流動化させて安定に掘削を進めるため高濃度、高
比重、高粘性の掘削添加材を作液することができ、閉塞
や粉発などの問題を生じることなく掘削することが可能
である。

【０１２１】従来の掘削添加材ではベントナイトと同等
の粘性調整能力を持つ大きな増粘力を持った増粘剤がな
く、高比重の泥漿はベントナイト使用しなければならな
かったため多量の産業廃棄物として大量の掘削土砂を処
理するための施工コストを要していたが、本発明を使用
することによって、従来施工が難しいとされていた礫率
の大きな地盤掘削においても泥土圧式シールド工法を適
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】重合体―Ａの重合体添加量と塑性粘度の関係
図。

【図２】重合体―Ａの重合体添加量と降伏値の関係図。

【図３】ＣＭＣのＣＭＣ添加量と塑性粘度の関係図。

【図４】ＣＭＣのＣＭＣ添加量と降伏値の関係図。

【図５】ベントナイトのベントナイト添加量と塑性粘度
の関係図。

【図６】ベントナイトのベントナイト添加量と降伏値の
関係図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水に一部不溶性の水溶性重合体を粘土の
懸濁液に０．０５〜１．０重量％添加してなる粘稠な泥
漿組成物からなることを特徴とする泥土圧式シールド工
法用の掘削添加材。
【請求項２】請求項１記載の泥漿組成物に、高吸水性
樹脂を０．０５〜１．０重量％添加した泥漿組成物から
なることを特徴とする泥土圧式シールド工法用の掘削添
加材。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の組成物
に、ポリアクリル酸ソーダ及びカルボキシメチルセルロ
ース等の水溶性高分子からなる群より選ばれた、少なく
とも１つの成分を０．０５〜１．０重量％添加した泥漿
組成物からなる泥土圧式シールド工法用の掘削添加材。
【請求項４】水に一部不溶性の水溶性重合体が水溶性
ビニルモノマーの１種または２種以上と架橋性モノマー
とを重合原料とし、ラジカル発生剤、紫外線、放射線等
により共重合した重合体である請求項１から請求項３に
記載の泥土圧式シールド工法用の掘削添加材。
【請求項５】請求項４記載の架橋性モノマーの使用量
が、水溶性ビニルモノマー全量に対して１ｐｐｍ〜１０
０ｐｐｍ（重量比）好ましくは５〜３０ｐｐｍの重合体
である請求項１から請求項３に記載の泥土圧式シールド
工法用の掘削添加材。
【請求項６】水溶性ビニルモノマーが（メタ）アクリ
ル酸塩―アクリルアミド重合体である請求項４に記載の
泥土圧式シールド工法用の掘削添加材。
【請求項７】重合体の（メタ）アクリル酸塩モノマー
の含有率が、２０〜４０ｍｏｌ％である請求項６に記載
の泥土圧式シールド工法用の掘削添加材。
【請求項８】重合体が油中水型逆相エマルションであ
る請求項４に記載の泥土圧式シールド工法用の掘削添加
材。
【請求項９】粘土がメチレンブルー吸着量（ＭＢＣ
値）が５０ｍｅｑ／１００ｇ以下の山粘土である請求項
１から請求項３に記載の泥土圧式シールド工法用の掘削
添加材。