JP2001031970A - 掘削機により地盤を掘削するに際しての空隙充填工法用薬液 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）のカッタ
ーヘッド等の掘削機に付着した場合でもＴＢＭのカッタ
ーヘッド等から容易に剥がすことができる空隙充填工法
用薬液を提供する。 【解決手段】地盤を掘削機で掘削し、掘削に際しての空
隙を充填する薬液であって、下記の（Ａ）液と（Ｂ）液
からなる発泡ウレタン薬液を用いる空隙充填工法用薬液
である。 （Ａ）水ガラスを主成分とするとともにポリオールを含
有する液。 （Ｂ）イソシアネートを主成分とする液。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネルボーリン
グマシン（ＴＢＭ）のような掘削機により地山等の地盤
を掘削してトンネル等を構築するに際しての地山の緩み
や、発生した空隙を充填するための空隙充填工法用薬液
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】建設コスト縮減の動向を受け、トンネル
工事においても急速施工による効率的な施工に対するニ
ーズが高い。この要請を受け、ここ数年急速施工を特徴
とするＴＢＭによるトンネル工事が多数出件しており、
今後もこの傾向は続くものと考えられる。

【０００３】ところで、今までに実施されてきたＴＢＭ
トンネル掘削の殆どの工事で不良地山部で難儀してお
り、ＴＢＭ本来の急速施工が実現していないのが実状で
ある。これらのトラブルでは、切羽部で地山の緩みによ
る崩壊等を起こし、ＴＢＭカッターの回転不能から掘進
不能になっている。このトラブルに対し、殆どの場合、
ＴＢＭが掘進不能になるまで無理をして推し続け、更に
状態を悪くしてトラブル脱出を難しくしている。そうし
た後、打つ手が無くなってから、切羽の前へ出て従来の
支保工を入れ、地山の補強・支保を行ってＴＢＭを救出
しているのが現状である。この方法では、時間的にも、
コスト的にも高いものとなり、改善が望まれるところで
ある。また、最近では上記のような状態に陥った際、効
率良く脱出するため注入式のフォアバイリング等も試み
られているが、不具合が発生している。

【０００４】一方、本発明者らは、別の出願で、地山の
緩みや空隙の発生を検知すると掘削機を停止し、空隙に
薬液を充填して緩みの拡張を防止する工法を提案してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、空隙充
填薬液に発泡ウレタン薬液を用いた場合、発泡ウレタン
薬液は接着力が強いため、一旦、ＴＢＭのカッターヘッ
ド等の掘削機に付着すると、カッターヘッド等から剥が
すことが困難であり、その結果、作業性が悪くなるとい
うことがある。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、ＴＢＭのカッターヘッド等の掘削機に付着した
場合でもＴＢＭのカッターヘッド等から容易に剥がすこ
とができる空隙充填工法用薬液の提供をその目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の空隙充填工法用薬液は、地盤を掘削機で
掘削し、掘削に際しての空隙を充填する薬液であって、
下記の（Ａ）液と（Ｂ）液からなる発泡ウレタン薬液を
用いるという構成をとる。 （Ａ）水ガラスを主成分とするとともにポリオールを含
有する液。 （Ｂ）イソシアネートを主成分とする液。

【０００８】すなわち、本発明者らは、ＴＢＭのカッタ
ーヘッド等の掘削機に付着した場合でもカッターヘッド
等から容易に剥がすことができる空隙充填工法用薬液を
得るために鋭意研究を重ねた。その結果、ポリオールを
含有するＡ液に水ガラスを主成分として配合すると、発
泡ウレタン薬液がいわゆる軽石状となり接着力が小さく
なるため、ＴＢＭのカッターヘッド等に付着した場合で
もＴＢＭのカッターヘッド等から容易に剥がすことがで
きることを見出し、本発明に到達した。

【０００９】そして、上記水ガラスの含有量がＡ液全体
の５０重量％以上であると、発泡ウレタン薬液の接着力
がさらに小さくなり、薬液がＴＢＭのカッターヘッド等
に付着した場合でもＴＢＭのカッターヘッド等から極め
て容易に剥がすことができる。

【００１０】また、上記Ａ液にイミダゾール系触媒を配
合すると、発泡性が向上し安定する。

【００１１】さらに、上記Ａ液に第三級アミン触媒を配
合すると、Ａ液とＢ液の反応性が高くなり（クリームタ
イムが短くなり）、施工性（吹き付け性）が向上する。

【００１２】また、上記Ｂ液に反応性希釈剤を配合する
と、Ａ液とＢ液の相溶性が上がり、かつ、反応性希釈剤
が分解し、発泡倍率が向上し安定する。

【００１３】そして、発泡倍率が１０倍以上（高発泡）
であると、経済性に優れ、取り扱いが容易で、かつ安全
性に優れた施工が可能となる。

【００１４】また、発泡後の接着強度が０．１ＭＰａ以
下であると、ＴＢＭのカッターヘッド等に付着した場合
でもＴＢＭのカッターヘッド等から容易に剥がすことが
できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を詳
しく説明する。

【００１６】本発明の空隙充填工法用薬液は、地盤、特
にトンネルを掘削機で掘削し、掘削に際しての空隙を充
填する薬液であって、水ガラスを主成分とするとともに
ポリオールを含有するＡ液と、イソシアネートを主成分
とするＢ液からなる発泡ウレタン薬液である。

【００１７】上記掘削機としては、トンネルボーリング
マシン（ＴＢＭ）の他に、ブーム掘削機、バックホウ、
大型ブレーカー、割岩機等があげられる。

【００１８】上記Ａ液の主成分となる水ガラスは、一般
に、アルカリ−ケイ酸系ガラスの濃厚水溶液をいう。こ
のように水ガラスを用いると、水ガラス中の水と、イソ
シアネートの反応により尿素結合が形成されるが、この
尿素結合には接着性がなく、また、過剰にある水ガラス
の固形分が発泡表面に析出してくるため、接着力が低下
する。したがって、ＴＢＭのカッターヘッド等に付着し
た場合でもＴＢＭのカッターヘッド等から容易に剥がす
ことができる。

【００１９】上記水ガラスの含有量は、Ａ液全体の５０
重量％以上に設定することが好ましく、特に好ましくは
６０重量％以上である。すなわち、上記水ガラスの含有
量が５０重量％未満であると、発泡ウレタン薬液の接着
力が強くなり、ＴＢＭのカッターヘッド等に付着した場
合に剥がれにくくなるからである。

【００２０】上記水ガラスとともに用いられるポリオー
ルとしては、例えば、芳香族アミン系ポリオール、エチ
レンジアミン系ポリオール等があげられ、これらは単独
でもしくは２種以上併せて用いられる。上記芳香族アミ
ン系ポリオールとしては、具体的には、トリレンジアミ
ンにアルキレンオキサイドを付加して製造したもので、
水酸基価２００〜５００ｍｇＫＯＨ／ｇのもの等があげ
られる。また、上記エチレンジアミン系ポリオールとし
ては、具体的には、エチレンジアミンにアルキレンオキ
サイドを付加して製造したもので、水酸基価２００〜１
０００ｍｇＫＯＨ／ｇのもの等があげられる。

【００２１】上記ポリオールの配合量は、上記水ガラス
１００重量部（以下「部」と略す）に対して１０〜５０
部の範囲に設定することが好ましく、特に好ましくは１
０〜３０部である。すなわち、上記ポリオールの配合量
が１０部未満であると、水ガラスのゲル化が優先的に起
こり、発泡倍率が安定せず、逆に５０部を超えると、発
泡ウレタン薬液の接着力が強くなり、ＴＢＭのカッター
ヘッド等に付着した場合に剥がれにくくなるからであ
る。

【００２２】また、上記Ａ液には、水発泡用触媒を配合
することが好ましい。上記水発泡用触媒としては、例え
ば、イミダゾール系触媒等があげられる。上記イミダゾ
ール系触媒としては、具体的には、２−メチルイミダゾ
ール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−イソ
プロピルイミダゾール、イソブチル−２−メチルイミダ
ゾール等があげられる。

【００２３】上記水発泡用触媒の配合量は、水ガラス１
００部に対して０．５〜２０部の範囲に設定することが
好ましく、特に好ましくは５〜１５部である。

【００２４】さらに、上記Ａ液には泡化触媒を配合する
ことが好ましい。上記泡化触媒としては、例えば、第三
級アミン触媒等があげられる。上記第三級アミン触媒と
しては、具体的には、トリエチルアミン、ペンタメチル
ジエチレントリアミン、ジメチルアミノエトキシエタノ
ール、トリメチルアミノエチルエタノールアミン、テト
ラメチルヘキサメチレンジアミン、ビスジメチルアミノ
エチルエーテル等があげられる。このように泡化触媒を
用いると、Ａ液とＢ液の反応性が高くなり（クリームタ
イムが短くなり）、施工性（吹き付け性）が向上する。

【００２５】上記泡化触媒の配合量は、水ガラス１００
部に対して０．５〜５部の範囲に設定することが好まし
く、特に好ましくは１〜３部である。

【００２６】上記Ａ液の粘度は、２００ｃｐｓ（２５
℃）以下に設定することが好ましく、特に好ましくは２
０〜１００ｃｐｓ（２５℃）の範囲である。

【００２７】上記Ａ液とともに用いられるＢ液は、イソ
シアネートを主成分とする液である。

【００２８】なお、本発明において、イソシアネートを
主成分とするとは、上記Ｂ液がイソシアネートのみから
なる場合を含む趣旨である。上記イソシアネートの含有
量は、Ｂ液全体の６０重量％以上に設定することが好ま
しく、特に好ましくは８０重量％以上である。すなわ
ち、上記イソシアネートの含有量が６０重量％未満であ
ると、発生ガス量が多すぎるため、セルが荒れて発泡後
に陥没してしまうからである。

【００２９】上記イソシアネートとしては、例えば、ジ
フェニルメタン−４，４′−ジイソシアネート（ＭＤ
Ｉ）、ポリメチレン・ポリフェニル・ポリイソシアネー
ト（Ｃ−ＭＤＩ）、トリレンジイソシアネート（ＴＤ
Ｉ）、ヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）、イ
ソホロンジイソシアネート（ＩＰＤＩ）、キシリレンジ
イソシアネート（ＸＤＩ）等があげられ、これらは単独
でもしくは２種以上併せて用いられる。なかでも、蒸気
圧性（現場施工性）とコスト（経済性）の点で、Ｃ−Ｍ
ＤＩが好ましい。

【００３０】上記Ｂ液には、イソシアネートに加えて反
応性希釈剤を配合することができる。上記反応性希釈剤
としては、例えば、アルキレンカーボネート、二塩基酸
エステル等があげられ、これらは単独でもしくは２種以
上併せて用いられる。上記アルキレンカーボネートとし
ては、具体的には、エチレンカーボネート、プロピレン
カーボネート等があげられる。このように反応性希釈剤
を用いると、分解して炭酸ガスを発生するため発泡が安
定し、また使用に適した粘度に調整することができる。

【００３１】上記反応性希釈剤の配合量は、Ｂ液全体の
４０重量％以下に設定することが好ましく、特に好まし
くは２０重量％以下である。すなわち、４０重量％を超
えると、発生ガス量が多すぎ、発泡反応時に発泡体が陥
没してしまうからである。

【００３２】上記Ｂ液の粘度は、７００ｃｐｓ（２５
℃）以下に設定することが好ましく、特に好ましくは３
０〜２５０ｃｐｓ（２５℃）の範囲である。

【００３３】前記Ａ液とＢ液の混合比（重量比）は、Ａ
液／Ｂ液＝１／０．５〜１／５の範囲に設定することが
好ましく、特に好ましくはＡ液／Ｂ液＝１／０．５〜１
／３である。

【００３４】本発明の空隙充填工法用薬液は、発泡倍率
が１０倍以上であることが好ましく、特に好ましくは発
泡倍率が２０倍以上である。このように、発泡倍率が１
０倍以上（高発泡）であると、経済性に優れ、取り扱い
が容易で、かつ安全性に優れた施工が可能となる。

【００３５】本発明の空隙充填工法用薬液は、クリーム
タイムが２０秒以下（２５℃）であることが好ましく、
特に好ましくは５〜１５秒（２５℃）である。このよう
にクリームタイムが２０秒以下であると、薬液を吐出口
から吹き出した直後に薬液が白濁（クリーム化）するた
め、流動性が少なくなり、ＴＢＭのカッターヘッド等へ
の付着を防止することができる。

【００３６】そして、本発明の空隙充填工法用薬液は、
例えば、ＴＢＭによる地山掘削工法につぎのようにして
用いられる。

【００３７】図１に示すように、ＴＢＭ１による地山掘
削時に前方地山Ｓで崩落により空洞Ｒが発生した場合
は、パイプ２の先端側を、ＴＢＭ１内からカッターヘッ
ドの各隙間を通して外部に出し、崩落で生じた空洞Ｒ内
に挿入する。つぎに、エアーミキシング装置１０（図２
参照）を作動させて、パイプ２の先端から本発明の空隙
充填工法用薬液をエアー吹き付けにより散布する。これ
により、空洞Ｒ内に散布された空隙充填工法用薬液は空
洞Ｒ内で発泡しながら膨脹し、いわゆる軽石状の発泡ウ
レタンＣとなり、空洞Ｒの上部が発泡ウレタンＣで補強
され、再崩落が防止される。そののち、パイプ２のう
ち、カッターヘッドから外部に飛び出している部分を残
して、切除し、ＴＢＭ１によりパイロットトンネルを掘
り進める。このＴＢＭ１による掘削において、パイプ２
は耐熱塩化ビニル製であるため、ＴＢＭ１による掘削の
邪魔にならない。なお、一度の散布により再崩落が防止
できないときは、空洞Ｒが自立するまで、上記散布を繰
り返し行う。

【００３８】上記エアーミキシング装置１０は、図２に
示すように、２つの薬液注入口１２，１３とエアー流入
口１４と吐出口（図示せず）とを備えており、一方の薬
液注入口１２からＡ液を注入するともに、他方の注入口
１３からＢ液を注入して両薬液を混合し、この混合薬液
をエアー流入口１４から流入したエアーの圧力により、
吐出口（図示せず）に取り付けたパイプ２の先端からエ
アー吹き付けするものである。

【００３９】このように、上記空洞Ｒに空隙充填工法用
薬液をエアー吹き付けにより注入する場合には、エアー
圧により空隙充填工法用薬液を遠くまで吹き付けること
ができ、大きな崩落が発生した場合にも奥まで空隙充填
工法用薬液を吹き付けることができる。

【００４０】図３は本発明の空隙充填工法用薬液を用い
た他の施工例を示している。この施工例では、空隙充填
工法用薬液をムース状態にして空洞Ｒの下部に注入する
ようにしている。このような施工により、空洞Ｒ内に散
布された空隙充填工法用薬液は空洞Ｒ内で発泡しながら
膨脹し、いわゆる軽石状の発泡ウレタンＣとなり、空洞
Ｒの下部が発泡ウレタンＣで補強され、再崩落が防止さ
れる。なお、本発明において、「ムース状態」とは、シ
ェービングフォーム等のように、容器から泡状に取り出
される状態を指す。

【００４１】上記空隙充填工法用薬液の供給手段として
は、図４に示すムース供給装置が用いられる。それ以外
の部分は上記と同様であり、同様の部分には同じ符号を
付している。上記ムース供給装置は、図４に示すよう
に、内部にＢ液が収容され上部空間に炭酸ガスが充填さ
た加圧タンク１６と、注入機１７と、ミキシングユニッ
ト１８と、加圧タンク１６内のＢ液をムース状態（炭酸
ガス混入状態）で注入機１７に送るパイプ１９と、Ａ液
を注入機１７に送るパイプ２０とを備えており、注入機
１７を作動させることにより、加圧タンク１６内のＢ液
をムース状態（炭酸ガス混入状態）でミキシングユニッ
ト１８に圧送するとともに、Ａ液をミキシングユニット
１８に圧送し、このミキシングユニット１８で両液を混
合したのち、この混合薬液をミキシングユニット１８に
取り付けたパイプ２から空洞Ｒに注入するようにしてい
る。なお、図において２２は攪拌手段である。

【００４２】このように、空隙充填工法用薬液をムース
状態で注入する場合は、クリームタイムが短くなり、空
隙充填工法用薬液をパイプ２から注入した直後に空隙充
填工法用薬液が白濁（クリーム化）するため、流動性が
少なくなり、ＴＢＭ１のカッターヘッド等への付着を防
止することができる。

【００４３】図５はムース供給装置の変形例を示してい
る。この変形例では、Ａ液およびＢ液を注入する注入機
２２と、この注入機２２から圧送されるＡ液およびＢ液
のうちＢ液の方に炭酸ガス等のガスを混入してムース状
態にするガス混入機２３と、このガス混入機２３から圧
送されるムース状態のＢ液とＡ液を混合させるミキシン
グユニット２４とを備えており、注入機２２を作動させ
ることにより、Ａ液とＢ液をガス混入機２３に圧送し、
ミキシングユニット２４で両液を混合し、この混合薬液
をミキシングユニット２４の吐出口（図示せず）に取り
付けたパイプ２から空洞Ｒに注入するようにしている。

【００４４】なお、図２に示すエアーミキシング装置１
０では、Ａ液とＢ液とを混合した後、薬液をエアー流入
口１４から流入したエアーにより供給するようにしてい
るが、これに限定するものではなく、Ａ液とＢ液を別々
にエアー流入口１４から流入したエアーにより供給し、
このエアー中で両薬液を混合させるようにしてもよい。

【００４５】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００４６】

【実施例１〜９、比較例】下記の表１および表２に示す
Ａ液，Ｂ液の各成分を同表に示す割合で配合し、Ａ液お
よびＢ液をそれぞれ別々に調製した。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【表２】

【００４９】このようにして得られた実施例および比較
例のＡ液，Ｂ液を、後記の表３および表４に示す割合で
混合した後、下記の基準に従い、発泡倍率、最高発熱温
度、接着強度および施工性を評価した。これらの結果
を、後記の表３および表４に併せて示した。

【００５０】〔発泡倍率〕薬液を所定量反応させたとき
に膨張する体積から発泡倍率を求めた。すなわち、薬液
を所定混合比で１００ｇ計量し、これを１リットルのデ
ィスカップにとり、１０００ｒｐｍ×３秒間攪拌し反応
させた。そして、反応終了後の体積を測定し、発泡倍率
を求めた。なお、液温は２５±１℃、室温は２５±５℃
であった。

【００５１】〔最高発熱温度〕上記１リットルのディス
カップ中に温度センサーを入れ、記録計を用いて最高発
熱温度を測定した。

【００５２】〔接着強度〕直径１００ｍｍの円柱状型の
中心部に直径５０ｍｍのガス管を設置した後、上記ガス
管と円柱状型の中空部に上記混合薬液を注入し、これを
発泡させてサンプルを形成した。ついで、上記ガス管を
治具を用いて押し出し（押し出し速度１０ｍｍ／分）、
その時の荷重を測定した。これを接着面積で割り、接着
強度を測定した。

【００５３】〔施工性〕 前記エアーミキシング装置（図２参照）を用いて、
前記と同様にして薬液をエアーにより吹き付けた。

【００５４】 前記ムース供給装置（図５参照）を用
いて、前記と同様にして薬液をムース状態で注入した。

【００５５】なお、評価基準は以下のとおりである。 ○：反応液が垂れてこなく、かつ所定量発泡する ×：反応液が垂れてくる

【００５６】

【表３】

【００５７】

【表４】

【００５８】上記表３および表４の結果から、実施例品
の薬液は、比較例品の薬液に比べて、接着強度が小さ
く、最高発熱温度が低く、また施工性に優れていること
がわかる。

【００５９】

【発明の効果】以上のように、本発明の空隙充填工法用
薬液は、水ガラスを主成分とするとともにポリオールを
含有するＡ液と、イソシアネートを主成分とするＢ液と
からなる発泡ウレタン薬液である。そのため、従来の水
ガラスを含有しないものに比べて、発泡ウレタン薬液の
接着力が小さくなり、ＴＢＭのカッターヘッド等の掘削
機に付着した場合でもＴＢＭのカッターヘッド等から容
易に剥がすことができる。また、本発明の空隙充填工法
用薬液は、最高発熱温度が従来に比べて低いため、大量
に注入しても蓄熱によるスコーチ火災のおそれがない。
なお、本発明の薬液は、トンネルリフォーム等の空洞充
填用薬液として使用することも可能である。

【００６０】そして、上記水ガラスの含有量がＡ液全体
の５０重量％以上であると、発泡ウレタン薬液の接着力
がさらに小さくなり、ＴＢＭのカッターヘッド等に付着
した場合でもＴＢＭのカッターヘッド等から極めて容易
に剥がすことができる。

【００６１】また、上記Ａ液にイミダゾール系触媒を配
合すると、発泡性が向上し安定する。

【００６２】さらに、上記Ａ液に第三級アミン触媒を配
合すると、Ａ液とＢ液の反応性が高くなり（クリームタ
イムが短くなり）、施工性（吹き付け性）が向上する。

【００６３】また、上記Ｂ液に反応性希釈剤を配合する
と、Ａ液とＢ液の相溶性が上がり、かつ、反応性希釈剤
が分解し、発泡倍率が向上し安定する。

【００６４】そして、発泡倍率が１０倍以上（高発泡）
であると、経済性に優れ、取り扱いが容易で、かつ安全
性に優れた施工が可能となる。

【００６５】また、発泡後の接着強度が０．１ＭＰａ以
下であると、ＴＢＭのカッターヘッド等に付着した場合
でもＴＢＭのカッターヘッド等から容易に剥がすことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空隙充填工法用薬液を用いた施工例の
一つを示す説明図である。

【図２】エアーミキシング装置の説明図である。

【図３】本発明の空隙充填工法用薬液を用いた他の施工
例を示す説明図である。

【図４】ムース供給装置の説明図である。

【図５】上記ムース供給装置の変形例の説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小柳 博 愛知県小牧市大字北外山字哥津3600番地 東海ゴム工業株式会社内 (72)発明者 脇坂 治 愛知県小牧市大字北外山字哥津3600番地 東海ゴム工業株式会社内 (72)発明者 西岡 和則 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 下寺 信一 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 Ｆターム(参考） 2D055 JA00 KB12 LA14 4H026 CA03 CB08 CC06

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地盤を掘削機で掘削し、掘削に際しての
   空隙を充填する薬液であって、下記の（Ａ）液と（Ｂ）
   液からなる発泡ウレタン薬液を用いることを特徴とする
   空隙充填工法用薬液。 （Ａ）水ガラスを主成分とするとともにポリオールを含
   有する液。 （Ｂ）イソシアネートを主成分とする液。
2. 【請求項２】 水ガラスの含有量が（Ａ）液全体の５０
   重量％以上である請求項１記載の空隙充填工法用薬液。
3. 【請求項３】 （Ａ）液にイミダゾール系触媒を配合し
   た請求項１または２記載の空隙充填工法用薬液。
4. 【請求項４】 （Ａ）液に第三級アミン触媒を配合した
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の空隙充填工法用薬
   液。
5. 【請求項５】 （Ｂ）液に反応性希釈剤を配合した請求
   項１〜４のいずれか一項に記載の空隙充填工法用薬液。
6. 【請求項６】 発泡倍率が１０倍以上である請求項１〜
   ５のいずれか一項に記載の空隙充填工法用薬液。
7. 【請求項７】 発泡後の接着強度が０．１ＭＰａ以下で
   ある請求項１〜６のいずれか一項に記載の空隙充填工法
   用薬液。