JPS63255496A - トンネルの掘削方法 - 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） 本発明はトンネルの掘削方法に係り、特にシールド工法
乃至推進工法によるトンネルの掘削方法であって、掘削
すべき部位に添加材を圧入しながら掘削するトンネルの
掘削方法に係る。

（従来の技術） 近年においてはシールド工法乃至推進工法によるトンネ
ルの掘削技術が進歩し、粘性土層、砂層、巨礫層等も施
工適用範囲とされるに至って′いる。

適用土質範囲の拡大により施工条件が苛酷になるに伴な
って、用いられる掘進機の型式も経済性、工事公害発生
回避等の観点から補助工法を併用する必要性が高い開放
型のものから密閏型のものに発展し、現在では密閏型の
ものが主流を占めており、特に土庄式掘進機が汎用され
ている。

土圧式掘進機は例えば第１及び第２因に示されるように
、油圧ジヤツキ１により前進せしめられるシールド筒体
２の前端にある掘進チャンバー３内に、回転駆動される
カッター４が設けられ、掘進チャンバー３の下部には掘
削土砂搬出用のスクリュコンベア５が配置されており、
上記のカツタ−４内には添加材が送られ、この添加材は
カッター４の前部に形成されている吐出口６，６・・・
から切羽を経て掘削され、るべき部位に圧入されるよう
になされている。尚、非常時には添加材が吐出口６ａを
経てＢ道チャンバー３内に、又吐出口６ｂを経てスクリ
ュコンベア５内に送られることもできる。

本発明はこの秒の土圧式据進機を用いるトンネルの掘削
方法に関与するものである。一般にこの種のトンネル掘
削方法は、掘削すべき部位に切羽面から添加材を圧入し
ながら掘削し、掘削により生じた添加材含有土砂を攪拌
した上で排出しながら掘進することにより実施されてい
る。ここで、添加材が注入されるのは切羽を安定させる
と共に止水性をもたらすためであり、更には掘削により
生じた添加材含有土砂は添加材の混在により流動性が高
まり、コンベアによる排出が容易化するためである。こ
の添加材としてはベントナイトと、粘土と、水とを主体
とする混合物が現在主として用いられており、又高吸水
性樹脂と油類との混合物が用いられることもある。

（Ｊ１明が解決しようとする問題点） 従来技術によるトンネルの掘削方法は用いられる添加材
に基因して下記のような問題点がある。

（Ａ＞ベントナイトと、粘土と、水とを主体とする添加
材を用いる場合 １）　この添加材は粘性、粘度特性に限界があり、従っ
て掘削土砂の流動性が低いために排土に際して雌がある
のみならず、切羽の崩壊や地下水がε進機内に侵入して
噴発する等の現象が生じて掘削作業が不可能となる場合
がある。

２）　注入された添加材が地下水により希釈され、所期
の性能を発揮しない場合がある。

３）　有効成分であるベントナイト及び粘土が天然産出
品であるために、同一産地のものでも品質にバラツキが
あり、従って作泥管理が困難である。

４）　固型分の取扱い量が大であるために作泥プラント
が大規模なものとなり、その結果掘削現場付近に配置し
得ないのみならず、圧送設備も大ｊＪｌ模なものが要求
される。

５）　添加材の注入率及び特性値の管理において許容幅
が狭い。

６）掘削排出された土砂はベントナイトを含有している
ために産業廃棄物扱いとなる。

（Ｂ）高吸水性樹脂と油類との混合物を添加材として用
いる場合 １）　このｍ部材は掘削土日当りの注入割合が少く、掘
削土砂との撹拌混合が悪いため、止水性、流動性に劣る
。

２）　油類を用いるために添加材がコスト高となる。

３）１４削排出された土砂は油類を含有しているために
産業廃棄物扱いとなる。

従って、本発明は従来技術方法が内蔵していた上記の問
題点を一挙に解決しようとするものである。

（問題点を解決するための手段及び作用）本発明によれ
ば、上記の問題点は、掘削すべき部位に切羽面から添加
材を圧入しながら掘削し、１１ｍにより生じた添加材含
有土砂を撹拌混合した上で排出しながら掘進するトンネ
ルの掘削方法において、水によりａｍしてヒドロゲルを
形成す′−る高吸水性樹脂粒と水とを主体とするものを
添加材とし、この添加材における上記高吸水性樹脂が吸
水能力を残存している状態でこの添加材を切羽面から圧
入して掘削することを特徴とする、トンネルの掘削方法
により解決される。

本発明方法において使用される添加材の成分である高吸
水性樹脂としては種々のものを用いることができるが、
殊にアクリル酸とビニルアルコールとの共重合体からな
るものが下記の理由で好ましい。

ａ）　吸水能力が大であり、純水の場合には自重の１０
００倍程麿まで吸水可能である。

ｂ）　吸水後もゲル強度が高く、しっかりとした球状を
維持できる。

Ｃ）　吸水後に加圧しても放水せず、固体粒子として振
舞う。

この高吸水性樹脂を水と混合し且つ高吸水性樹脂の吸水
能力が残存している添加材となすためには水１１３即ら
１０００Ｑ当り高吸水性樹脂が０゜５〜１０１！Ｊ添加
混合される。高吸水性樹脂粒のこの添加量は掘削すべき
土質に応じて設定され、土質が粘性土層では下限域の値
が、砂層では中間域の値が、又ｍ層では中間域から上限
域の値が採用される。尚、土質が砂層や礫層の場合には
、高水圧下において高吸水性樹脂が流出する虞れがある
ので、これを防止するため助剤として例えばカルボキシ
メヂルセルロース等の人工糊料や、サーモゲル等の粘土
鉱物や、ホワイトカーボン等の無機化学材を添加するこ
ともできる。

本発明方法において使用される添加材は高吸水性樹脂と
水とを主体とするものであり、高吸水性樹脂は合成物で
あって品質にバラツキがないので作泥管理が容易であり
、又この添加材はその１１３当りの固型物取扱い量が０
．５〜１０ｋａであり、従来のベントナイト及び粘土を
主体とする添加材の場合の３００〜８００ｋｌＪと比較
して極めて少ないために作泥プラントを小型化でき、従
って作泥プラントを場合によりトンネル坑内に配置する
ことが可能となり、更にこの添加材はその成分構成から
明らかなように粘性が低いので掘進機への、延いては切
羽を経て掘削土層への添加材の圧送設備を簡便なものと
することができる。本発明方法によれば、添加材はその
成分である高吸水性樹脂が吸水能力を残存させた状態で
掘削部位に圧入されるので掘削中に地下水の湧水に遭遇
しても、これを吸収することができると共に、切羽の安
定性や止水性をもたらす。一方、掘削により生じた添加
材含有土砂は添加材に含まれる高吸水性樹脂粒が膨潤し
ても依然として＾いゲル強度を有しているので、上記の
掘削土砂を攪拌すれば、この膨潤高吸水性樹脂粒が所謂
ベアリング効果を発揮し、従って掘削土砂は（Ｘ流動化
してその排出処理が容易となる。尚、高吸水性樹脂は公
害をもたらす虞れがないので、掘削排土は産業廃棄物の
対象とはならない。

（実施例等） 次に、試験例及び実施例により本発明を更に詳細に説明
する。尚、実施例において用いられた掘進機は第１及び
第２図に示されている通りのものであり、又高吸水性樹
脂粒としてはアクリル酸とビニルアルコールとの共重合
体であって吸水前には直径約１０〜２００μ程度の球体
であり、吸水後には球体状態を保持しつつ５００〜７０
０倍（地下水の場合には３５０倍）程度に膨潤するスミ
カゲル５−５０　（商標、住友化学工業株式会社製）が
用いられた。

試験例１ 掘削すべき土質に依存して添加材における高吸水性樹脂
の添加ωや、添加材の注入率を変化させる必要性がある
。即ち粘性土層の場合には地下水の湧水対策も必要であ
るが、むしろ掘削土砂の粘着力を低下させて排出の容易
性を図ることが肝要となり、従って単位水晶当りの高吸
水性樹脂添加量を抑えて添加材を調製し、又その注入率
も低く抑えるべきである。

一方、砂層や礫層の場合には地下水の湧水対策を第１鶴
的に考えるべきであり、従って単位水量当りの高吸水性
１１［１の添加量を高くなして当該樹脂の残存吸水能力
を充分に保持させた添加材を調製し、又その注入率も向
上させることが肝要となる。

従って、下記の表１に示される通りの設計配合及び注入
率を設定し、各種の土質について船積通過率を調べた処
、第３図に示される通りの結果が得られた。

去１ この結果から、掘削域が粘性土層の場合には水１１１３
に対しｍｆｊ＜水性樹脂粒を０．５〜３ｋｏ程度添加混
合して添加材とするのが適当であり、砂礫層の場合には
５〜１０に＋＋程度添加混合して添加材とするのが適当
であることが判明した。高吸水性樹脂粒を水１ｍ３当り
５〜１０ｋａ添加した場合には吸水倍率は１００〜２０
０倍であり、残存吸水能力は１５０〜２５０Ｑ／Ｑであ
り、ゲル強度も２〜３にり／　Ｃａ１２であって比較的
＾いので掘削土砂内で充分なベアリング効果を発捧して
当該土砂の流動化をもたらし、従ってその排土が容易と
なることが期待される。

尚、砂質土や礫土に関してサーモゲル（粘土鉱物）等が
助剤として用いられたのは、高水圧下では高吸水性樹脂
が流失してしまうことが想定されるので、これを防止す
るためである。

１礼ＩＬ（添加材含有土砂の塑性流動試験）ａ〉試料土
砂のｍ製 下記の特性を有する原試料土砂に下記の表２に示される
配合の添加材を注入し、撹拌混合して下記表３に示され
る物性を有する試料土砂である添加材含有土砂を調製し
た。

原試料土砂の特性 土質　　：　腑分　　　２２．２％ 砂分　　　７７．３％ シルト分　　０．５％ 湿ｒａｖ！ｉｒ！１：　　　　　２．１４トン／１３間
隙比　：　　　　　０．４５ 含水比　：　　　　１７．０％ 最大粒径：　　　　　９．５２−一 均等係数：４，１ 去λ 飢 ｂ）試料土砂の押出し試験 掘進機のチャンバー内を想定し、圧力下における各試料
土砂の流動特性を調べるために、各試料土砂の押出し試
験を実施した。使用された試験装置は第４図に示される
通りの原理のものであって、この装置１０は内径１５０
１１％高さ１７５ａｍの試料装填用モールド１２と、中
心部に直径９０−の開口を有する直径１５０膳■の円板
１４と、押出される試料を受ける容器１６と、該容器に
接続された検九計１８とを具備している。試験は一定量
の各試料土砂Ｗｌ、Ｗ２又はＷ３及び対照としての原試
料土砂Ｃをモールド１２内に入れ、該モールドの底部か
ら荷重を掛けることにより行われる（載荷速ＩＩＩ　５
１ｍ／分、最大荷！１６００ｋｏｆ　）　、　ｃ　）試
験結果及び考案 結果は第５図に示される通りであり、対照としての原試
料土砂（添加材を含有せず）Ｃと比較して、試料土砂は
ＷｌからＷ２　、Ｗ３と移るにつれて低い圧力で排出さ
れることが判明した。このことは吸水して１４０〜２０
０倍に１１ｒａした高吸水性樹脂粒がベアリング効果を
発揮して土砂を流動化したためと推定され、このような
状態であれば実際のトンネル痴削に際して土砂が圧力下
に掘進機の掘進チャンバー内やスクリュコンベア室内に
充填した状態でも円滑に搬出し得るものと判断された。

実施例 掘削外径２６００＋ｎの泥土圧セミシールド工事を実施
した。

ａ）土質条件 土質名称：　沖積砂礫層 土質　　：　腑分　　５７％ 砂分　　４３％ シルト分　０％ 湿潤密度：　　　　　　　２．２トン／−３問隙比　：
　　　　　　０．２８６ 含水比　：　　　　　１４．０％ 最大粒径：　　　　２５０１ｍ 均等係数：４．１ 地下水圧カニ　　　　　０．７ｋｇ／ｃｉ２透水係数：
　　　２．４Ｘ１０−２ｃ＋ｅ／秒ｂ）作泥及び作泥管
理 本発明方法において使用される添加材は、トンネル形成
のために掘削すべき土質の如何にかかわらず、添加材中
に含まれる固型分乃至主たる固型分である高吸水性樹脂
の量が０．５〜１０ｋＭｍ３程度に過ぎないので、添加
材の調製即ち作泥に際して高吸水性４１脂の取扱い量が
少なくて済み、又この添加材は粘性が低いために、切羽
への注入に要求される圧送設備も小規模なもので充分で
あるために、作泥プラント、圧送設備及びこれらの制御
装置を試作した。

これらは第６〜８図に略示されている通りのものであり
、後記の表５に示されるような概略寸法を有しており、
従ってトンネル紀削内径が２．０１以上の場合には第６
＠に示されるように掘削現場であるトンネル坑内に設置
することができる。

第６図において２０は作泥プラントであり、３０はｌ賀
された添加材の圧送ｉＱＩｍであり、４０はこれらの作
泥プラント２０及び圧送設＃Ｉ３０を制御する制御装置
であって、これらはすべてトンネル坑を形成する覆工５
０内に設置されている。作泥プラント２０における解装
ホッパ２１内に装填される高吸水性樹脂はコンベア２３
により供給フィーダ２５に送られ、次いでミキサ２７に
送られ水と混合攪拌され添加材となされた上でクッショ
ンタンク２９に貯留せしめられる。クッションタンク２
９に一時的に貯えられた添加材は一点ｕＡ翰にて示され
ているようにパイプライン（図示せず）を経て圧送設備
３０に送られ、圧送ポンプ（チューブポンプ）３２によ
り加圧されてシールド掘進機（第１図自照）に送られ、
該掘進機に形成された吐出口から切羽に噴射される。上
記の圧送設備３０において、圧送ポンプ３２の下流側に
は圧力発信器（感圧器）３６（第８図参照）が設けられ
、又上流側には電磁１ｍ計３４が設けられている。

作泥プラント２０及び圧送設備３０の制ｗｅ作は制御装
置４０における制御盤を用いて行われ、切羽の土質に応
じてコンベア２３の動作、供給フィーダ２５からミキサ
２７への高吸水性樹脂の供給居、ミキサ２７への給水−
が！ＩＪ　ｍｌされて所望の添加材が！１製され、又圧
力発信器３６からの圧力信号及び電磁２９！暴計３４か
らの流量信号を受信して切羽の土質に応じて設定された
添加材注入率となるように圧送ボン１３２をＩｌｌ　ｉ
ｌｌする。

本実施例の場合における添加材の配合及び注入率等は下
記の表４に示される通りであった。

鉦 尚、本実線側の場合において用いられた作泥プラント、
圧送設備及び制御Ｊｌｌ装置を、従来例の場合と比較し
て示せば下記の表５に示される通りである。

表５ ｃ）トンネルの掘削 前項に記載のようにして制御装置により作泥プラント及
び圧送設備を制御して掘進機（泥土圧セミシールド機）
のカッター前面の吐出口より切羽を介して掘削部、位に
添加材を圧入しながら掘削した。この場合に、掘進チャ
ンバー内及びスクリュコ、ンベア室内が掘削土砂により
充満し、この充満圧、力により切羽の緩み土圧に対抗さ
せ、又地下水が及ぼす、圧力に対抗させた。掘削土砂を
スクリュコンベアのゲートから搬出しながら掘進を行な
った処、１スクリユゲートから地下水が流出したり噴発
することがなく、又トンネル上部構造物に悪影響を与え
ることなしに順調にトンネル掘削が完了した。　尚、排
土である添加材含有土砂のスランプは５〜１０ｃｍであ
り、切羽の安定性が良好なことが判明した。

１３」ＬＬ （添加材の配合例） 添加材１■３当りの調製に際して高吸水性樹脂２〜１０
ｋａとサーモゲル（粘土鉱物）１〜３ｋｌ）とを水１０
００Ｑ、に添加混合する。

この配合型式は、高水圧下において高吸水性樹脂が地下
水を吸水して膨潤圧力を発生させる前に流失してしまう
のを防止するために添加材の粘性を向上させておくため
であるが、高吸水性樹脂からの離水を抑制し且つ添加材
のコストを低下させると云う付加的効果もある。

尚、前記実施例における添加材即ち１■３当り高吸水性
樹脂７ｋｇと水１０００Ｑとで調製した添加材の場合の
粘度は調製３０分後において２５００ｃｐであり、６゛
時間後において７００ｃｐに低下したが、高吸水性樹脂
７ｋｏを５ｋｏとし、サーモゲルを２ｋｏ添加して調製
した添加材の粘度は調製３０分後において３０００ｃｐ
であり、６時間後には３５００ｃｐに増加した。

幸考例２ （添加材の配合例） 高吸水性樹脂を２〜ＩＯＫ！ＩＩ、起泡剤２〜５Ｋｇ、
水２５０〜３００Ｑの割合で配合して添加材を調製する
。

この配合型式は水を起泡剤で泡化させて使用ホーを低減
させるためのものであり、粘性土層の掘削におけるよう
に掘削土砂の含水量を抑ＩＩＩする必要性のある場合並
びに排土に関して高吸水性樹脂の吸水能の失活が要求さ
れる際にその故、水量を減する場合に好適である。尚、
高吸水性樹脂含有排出土において高吸水性樹脂の吸水能
は多価金属化合物、殊に２０℃の４水に対する溶解度が
３〜０．０１％の多価金属化合物を用いて排土を処理す
ることにより失活させることができる（特願昭６１ｍ２
９６５７８号明細書参照）。

（発明の効果） 高吸水性樹脂を主体とする添加材を用いる本発明による
トンネルの掘進方法は、ベントナイト及び粘土を主体と
する添加材を用いる従来方法に対して種々の利点を有し
・ているが、その主なものを列挙すれば下記の通りであ
る。

ａ）添加材の主体である高吸水性樹脂は化成品であり、
一定量質のものが入手できるので、作泥管理が容易であ
る。

ｂ）単位量の添加材調製に際して取扱うべき固形物量が
極めて少ないので作泥プラントを小型化でき、場合によ
っては、トンネル坑内の掘削現場に配置することができ
る。

Ｃ）添加材の粘性が低いので圧送設備は小規模のもので
充分となる。

ｄ＞添加材はその主体である高吸水性樹脂が吸水能を残
存させた状態で掘削部位に圧入されるので、地下水が噴
発してもこれに対処でき潤してもゲル強度が高いのでベ
アリング効果を発揮し、従って切羽の安定を確実なもの
となし、又掘削土砂の搬出処理を容易ならしめる。

ｆ）掘削排出された土砂は、これに含まれる高吸水性樹
脂が公害をもたらす虞れを有しないので、産業廃棄物を
構成せず、従って取扱いが容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施に使用されるシールド掘進機
の一例を示す略図的な縦断面図、第２図は第１図に示さ
れたシールド掘進機の正面図、第３図は試験例における
設計配合添加材に関する土砂の粒径と船積通過率との関
係即ち土質と添加材注入率との関係を示すグラフ、第４
図は添加材含有土砂の押出し試験に用いた装置の略示的
縦断面図、第５図は第４図に示される装置を用いて行わ
れた押出し試験結果を示すグラフ、第６図は本発明方法
の実施に際して用いられ、トンネル坑内にＩＩされた作
泥プラント、圧送設備及びこれらの制ｒＩＡ装置を略示
する側面図、第７図は第６図中のＡ−Ａ線に沿い破断し
て供給フィーダの配ぼ状況を示した図面、第８図は第６
図中のＢ−８輪に沿い破断して圧送ポンプの配置状況を
示した図面である。 １・・・油圧ジヤツキ、２・・・シールド筒体、３・・
・掘進チャンバー、４・・・カッター、５・・・スクリ
ュコンベア、６ａ　、６ａ　、６ｂ・・・吐出口、１０
・・・試料土砂の押出し試験装置、１２・・・試料充填
用モールド、１４・・・円板、１６・・・容器、１８・
・・検力計、２０・・・作泥プラント、２１・・・解装
ボッパ、２５・・・供給フィーダ、２７・・・ミキサ、
２９・・・クッションタンク、３０・・・圧送設備、３
２・・・圧送ポンプ、４０・・・υＩｔｌｌ装置。 特　許　出　願　人　五洋建設株式会社同　　　　　住
友化学工桑株式会社 代　　理　　人　　弁理士　　　佐　　々　　木　　　
　　　　功第１図 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）掘削すべき部位に切羽面から添加材を圧入しなが
   ら掘削し、掘削により生じた添加材含有土砂を撹拌混合
   した上で排出しながら掘進するトンネルの掘削方法にお
   いて、水により膨潤してヒドロゲルを形成する高吸水性
   樹脂粒と水とを主体とするものを添加材とし、この添加
   材における上記高吸水性樹脂が吸水能力を残存している
   状態でこの添加材を切羽面から圧入して掘削することを
   特徴とする、トンネルの掘削方法。
2. （２）高吸水性樹脂粒がアクリル酸とポリビニルアルコ
   ールとの共重合体からなる球状粒子であって、水１ｍ＾
   ３当り０．５〜１０Ｋｇ添加混合したものを添加材とし
   て用いることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記
   載のトンネルの掘削方法。