JP2003120174A - シールド工法における切羽安定方法、及び切羽保持用泥水 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 切羽を良好に保持し、安定した掘削作業を行
うことが可能なシールド工法における切羽安定方法、及
び切羽保持用泥水を提供する。 【解決手段】 切羽保持用泥水４は、掘削している地盤
２に含まれる細粒分と、ベントナイト、アクリルアミド
系高分子凝集剤が配合され、比重が１〜１.５、ファン
ネル係数が60秒以下を目安としている。このような材料
を配合した切羽保持用泥水４は、前記切羽に泥膜を形成
することなく地盤２中の粒子間へ浸透していくが、その
浸透領域１は有限であり、切羽保持用泥水４が地盤２中
の粒子間へ浸透していく際に生じる浸透抵抗力と、切羽
保持用泥水４の泥水圧により決定され、浸透抵抗力と泥
水圧のバランスが保持されたときに、浸透は終了する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、切羽を良好に保持
し、安定した掘削作業を行うことが可能なシールド工法
における切羽安定方法、及び切羽保持用泥水に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド工法では、切羽を安定させて掘
進することが工事を安全に行うため、またトンネル周辺
地盤への影響を抑止するために重要である。しかし、粒
径がそろった砂地盤や固結していない砂礫地盤は、自立
性が乏しいため切羽の崩壊が生じやすく、工事における
トラブルや周辺へ影響を及ぼすことが少なくなかった。

【０００３】シールド工法の主流である泥水式シールド
では、図５に示すように、連続地中壁と同様に掘進に用
いる泥水２４が、切羽２３の表面に泥膜２１を形成し、
この泥膜２１を介して泥水圧を地盤２２に伝達すること
により、地盤２２を安定させるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、シールド工法
では、シールドマシンのカッタが地盤２２の表面を常に
切削しているために切羽２３の表面に形成した泥膜２１
を保持することができず、粒径がそろった砂地盤や固結
していない砂礫地盤等の土質条件では切羽２３の崩落な
どが生じやすかった。

【０００５】上記事情に鑑み、本発明は、切羽を良好に
保持し、安定した掘削作業を行うことが可能なシールド
工法における切羽安定方法、及び切羽保持用泥水を提供
することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のシールド
工法における切羽安定方法は、切羽の安定状態を継続さ
せるシールド工法における切羽安定工法であって、地盤
への浸透性を有し、かつ地盤改良効果を有する切羽保持
用泥水を切羽から地盤に浸透させて、該切羽保持用泥水
が浸透した地盤の浸透領域全体に自立性を持たせること
を特徴としている。

【０００７】請求項２記載のシールド工法における切羽
保持用泥水は、ベントナイトと、アクリルアミド系高分
子凝集剤とが配合されていることを特徴としている。

【０００８】請求項３記載のシールド工法における切羽
保持用泥水は、前記切羽保持用泥水を構成する前記アク
リルアミド系高分子凝集剤は、分子量が１００万以上、
イオン化度が０〜１００モル％であるアクリル系高分子
からなる分散粒子径が１００μｍ以下の油中水型エマル
ジョンあるいは塩水溶液中分散液の形態を有する高分子
凝集剤であって、用いるアクリル系高分子として、ノニ
オン性としては、ポリアクリルアミド、アニオン性とし
ては、アクリル酸、メタアクリル酸、イタコン酸、マレ
イン酸、アクリルアミド２−メチルプロパンスルフォン
酸、ビニルスルフォン酸、スチレンスルフォン酸、など
の単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体、カ
チオン性としては、アクリル酸ジメチルアミノエチル、
メタクリル酸ジメチルアミノプロピルメタアクリルアミ
ド、アクリロイルエキシエチルトリメチルアンモニウム
クロリド、メタアクリロイルオキシエチルトリメチルア
ンモニウムクロイド、アクリロイルアミノプロピルトリ
メチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイルアミノ
プロピルトリメチルアンモニウムクロリド、アクリロイ
ル２−ヒドロキシプロピルリド、などの単独重合体ある
いはアクリルアミドとの共重合体のいずれかを用いるこ
とを特徴としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るシールド工法
における切羽安定方法、及び切羽保持用泥水について、
図１から図４を用いて説明する。

【００１０】トンネル８は、図４に示すような泥水式シ
ールドマシン９を用いた工法により築造されている。こ
の泥水式シールドマシン９を用いた泥水式シールド工法
は、一般に、切羽３と前記泥水式シールドマシン９の隔
壁１０との間に、送泥管１１を介して加圧した切羽保持
用泥水４を満たし、切羽３の安定を図るとともに、掘削
した土砂を前記切羽保持用泥水４中に取り込み、排泥水
として排泥管５を介して流体輸送するものである。本実
施の形態では、礫層におけるトンネル８の築造におい
て、ベントナイト６と、アクリルアミド系高分子凝集剤
７とが配合された前記切羽保持用泥水４を用いるもので
ある。

【００１１】前記切羽保持用泥水４は、前記排泥管５を
介して流体輸送された掘削した土砂を含む排泥水が、図
示しない泥水処理プラントに送られ、ここで排泥水に含
まれる土砂が分級処理されて、所定の性状に調泥され、
前記送泥管１１により再度加圧されて前記切羽３と前記
隔壁１０との間に、流体輸送されるものである。つま
り、切羽保持用泥水４は、新たな材料を用いて泥水とす
るわけではなく、掘削している地盤２に含まれる細粒分
を利用しているものである。

【００１２】該切羽保持用泥水４に配合される前記ベン
トナイト６は、モンモリロナイトを主成分とする一種の
粘土鉱物であり、水に混ぜると粘性や比重を増し、増量
するとゲル状になる。従来より、井戸や連続地中壁を掘
削するときの泥水工法において、ベントナイト安定液と
して用いられているものである。

【００１３】同じく、前記切羽保持用泥水４に配合され
る前記アクリルアミド系高分子凝集剤７は、高分子中に
反応性に富む酸アミド基を含んでおり、容易に種々の誘
導体をつくることができるなどの特徴を有している。ま
た、各種モノマー（親水性〜疎水性）との共重合や構造
制御も可能であり、幅広いニーズに対応することの可能
な水溶性機能ポリマーである。従来より、懸濁廃水の凝
集沈殿、砂利、砕石、石洗浄土木工事濁水の処理、弱酸
性〜中性廃水の処理、等に用いられている。

【００１４】本実施の形態では、該アクリルアミド系高
分子凝集剤７として、分子量が１００万以上、イオン化
度が０〜１００モル％であるアクリル系高分子からなる
分散粒子径が１００μｍ以下の油中水型エマルジョンあ
るいは塩水溶液中分散液の形態を有する高分子凝集剤
で、アクリル系高分子が、ノニオン性としてはポリアク
リルアミド、アニオン性としては、アクリル酸、メタア
クリル酸、イタコン酸、マレイン酸、アクリルアミド２
−メチルプロパンスルフォン酸、ビニルスルフォン酸、
スチレンスルフォン酸、などの単独重合体あるいはアク
リルアミドとの共重合体、カチオン性としては、アクリ
ル酸ジメチルアミノエチル、メタクリル酸ジメチルアミ
ノプロピルメタアクリルアミド、アクリロイルエキシエ
チルトリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイ
ルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロイド、アク
リロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリ
ド、メタアクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモ
ニウムクロリド、アクリロイル２−ヒドロキシプロピル
リド、などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共
重合体のいずれかを用いればよい。なお、もっとも好ま
しいものは、イオン化度が０〜３０モル％のノニオン
性、アニオン性あるいはカオチン性の水溶性重合体であ
る。

【００１５】このような材料による切羽保持用泥水４の
性状は、比重が１〜１．５、ファンネル係数が60秒以下
を目安に作泥するものである。従来より泥水式シールド
工法に用いられる泥水の性状が、一般に、比重が1.15〜
1.25、ファンネル粘性25〜30ｓ程度であることを鑑みる
と、本実施の形態で用いる切羽保持用泥水４の性状は、
従来の泥水とほぼ同様のものであるといえる。

【００１６】なお、ファンネル粘性とは、泥水の性質を
良好に維持する上での目安として一般に用いられている
指標で、一定量の泥水が流化する時間を測定することに
より、その粘性の度合いを評価するものである。

【００１７】このような材料を配合した前記切羽保持用
泥水４は、前記切羽３に泥膜を形成することなく地盤２
中の粒子間へ浸透していくが、図２に示すように、その
浸透領域１は有限であり、切羽保持用泥水４が地盤２中
に逃げるような逸泥といった現象が起こることはない。
該浸透領域１は、前記切羽保持用泥水４が前記地盤２中
の粒子間へ浸透していく際に生じる浸透抵抗力と、切羽
保持用泥水４の泥水圧により決定され、浸透抵抗力と泥
水圧のバランスが保持されたときに、浸透は終了する。

【００１８】つまり、図１に示すように、切羽３の掘削
を進行している場合にも、前記切羽保持用泥水４が常に
浸透抵抗力と泥水圧とのバランスを保持するために掘削
した距離と同じ長さだけ、切羽保持用泥水４の地盤への
浸透が進むこととなる。したがって、切羽３の掘削を連
続しても、常に該浸透領域１は浸透幅Ｌを有する状態を
保っていることとなる。

【００１９】また、前記浸透領域１は、前記ベントナイ
ト６と、前記アクリルアミド系高分子凝集剤７の両者を
混合することにより固化現象が現れ、自立性を有する改
良地盤体を形成する。なお、前記切羽保持用泥水４への
アクリルアミド系高分子凝集剤７の配合量は、容積比に
換算して0.05％以下であり、これを超える量を配合する
と、切羽保持用泥水４は泥水工法として泥水の機能を果
たすことができない。

【００２０】なお、ここに示す本実施の形態は、あくま
でも一つの例示であり、本発明の趣旨を逸脱しない限
り、本実施の形態に限定されずに、いかなる形態をも採
用しうることは言うまでもない。

【００２１】上述する構成によれば、図２に示すよう
に、前記切羽３を含む近傍に浸透幅Ｌを有する浸透領域
１が存在するため、前記切羽保持用泥水４の泥水圧と、
浸透領域１自らの自立性により、シールド掘進において
も切羽３が崩壊することなく保持され、常に安定した掘
削を得ることが可能となった。

【００２２】これに伴い、前記切羽３と前記泥水式シー
ルドマシン９の隔壁１０との間に、送泥管１１を介して
満たされる加圧した切羽保持用泥水４が、地盤２に逃げ
る逸泥現象を低減することができた。

【００２３】また、前記切羽３の崩壊による土砂の巻き
込みが減少するため、泥水式シールドマシン９を構成
し、掘削した土砂を切羽保持用泥水４と混合するアジテ
ータ１２が過負荷で停止する現象を低減することが可能
となった。

【００２４】前記切羽保持用泥水４の効果を明確にする
ため、模擬的に礫率が60％程度の砂礫地盤を形成し、実
際の切羽と同じ応力状態を再現し、前記切羽保持用泥水
４を浸透させる実験を行った。前記切羽保持用泥水４の
配合を表１に示す。なお、該切羽保持用泥水４には、粘
土、水、ベントナイト６、及びアクリルアミド高分子凝
集剤７を用いている。これら切羽保持用泥水４の性状
は、比重1.11、ファンネル粘性30ｓである。

【００２５】

【表１】

【００２６】その結果、図４に示すように、前記切羽保
持用泥水４が浸透した浸透領域１について、切羽保持用
泥水４による泥水圧を除荷させて、地盤２を安定状態か
ら崩壊させた場合の崩壊時の泥水圧力を測定すると、地
盤２の間隙水圧と等しい時点であることがわかる。

【００２７】これらは、切羽３における泥土圧の下限値
は、一般に主働土圧＋地盤の間隙水圧、つまり地盤２が
切羽３に及ぼす圧力と地盤の間隙を満たす間隙水の水圧
との総和、とされているが、この実験結果より上記切羽
保持用泥水４を地盤２に浸透させて前記浸透領域１を形
成することにより、主働土圧が０、つまり地盤２が切羽
３に及ぼす圧力の影響がない程度に切羽３近傍の地盤２
が改良されたこととなる。

【００２８】

【発明の効果】請求項１記載のシールド工法における切
羽安定方法によれば、シールド工法において切羽の安定
状態を継続させるシールド工法の切羽安定工法であっ
て、地盤への浸透性を有し、かつ地盤改良効果を有する
切羽保持用泥水を切羽から地盤に浸透させて、該切羽保
持用泥水が浸透した地盤の浸透領域全体に自立性を持た
せることから、切羽保持用泥水の泥水圧と、浸透領域自
らの自立性により、シールド掘進においても切羽が崩壊
することなく保持され、常に安定した掘削を得ることが
可能となった。また、前記切羽と前記泥水式シールドマ
シンの隔壁との間に満たされた切羽保持用泥水が、地盤
に逃げる逸泥現象を低減することができた。さらに、前
記切羽の崩壊による土砂の巻き込みが減少するため、泥
水式シールドマシンを構成し、掘削した土砂を切羽保持
用泥水と混合するアジテータが過負荷で停止する現象を
低減することが可能となった。

【００２９】請求項２記載のシールド工法における切羽
保持用泥水によれば、ベントナイトと、アクリルアミド
系高分子凝集剤とを配合させることから、切羽から地盤
の浸透領域には自立性を有する改良地盤体を形成するこ
とが可能となった。

【００３０】請求項３記載のシールド工法における切羽
保持用泥水によれば、前記切羽保持用泥水を構成する前
記アクリルアミド系高分子凝集剤は、分子量が１００万
以上、イオン化度が０〜１００モル％であるアクリル系
高分子からなる分散粒子径が１００μｍ以下の油中水型
エマルジョンあるいは塩水溶液中分散液の形態を有する
高分子凝集剤であって、用いるアクリル系高分子とし
て、ノニオン性としては、ポリアクリルアミド、アニオ
ン性としては、アクリル酸、メタアクリル酸、イタコン
酸、マレイン酸、アクリルアミド２−メチルプロパンス
ルフォン酸、ビニルスルフォン酸、スチレンスルフォン
酸、などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重
合体、カチオン性としては、アクリル酸ジメチルアミノ
エチル、メタクリル酸ジメチルアミノプロピルメタアク
リルアミド、アクリロイルエキシエチルトリメチルアン
モニウムクロリド、メタアクリロイルオキシエチルトリ
メチルアンモニウムクロイド、アクリロイルアミノプロ
ピルトリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイ
ルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、ア
クリロイル２−ヒドロキシプロピルリド、などの単独重
合体あるいはアクリルアミドとの共重合体のいずれかを
用いることから、切羽保持用泥水は泥水工法として泥水
としての機能を果たしながら、自立性を有する改良地盤
体を形成することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るシールド工法における切羽安定
方法の概念図を示す図である。

【図２】 本発明に係るシールド工法における切羽安定
方法を用いた切羽部の詳細を示す図である。

【図３】 本発明に係るシールド工法における切羽安定
方法を用いた切羽部の泥水圧力の状況を示す図である。

【図４】 本発明に係るシールド工法における切羽安定
方法に用いられる泥水式シールドマシンの概略を示す図
である。

【図５】 従来のシールド工法における切羽部の詳細を
示す図である。

【符号の説明】

１ 浸透領域 ２ 地盤 ３ 切羽 ４ 切羽保持用泥水 ５ 排泥管 ６ ベントナイト ７ アクリルアミド系高分子凝集剤 ８ トンネル ９ 泥水式シールドマシン １０ 隔壁 １１ 送泥管 １２ アジテータ ２１ 泥膜 ２２ 地盤 ２３ 切羽 ２４ 泥水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 博一 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 後藤 茂 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 岡崎 雅好 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 大友 信悦 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 渡辺 幸善 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 原 忠 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 加藤 岳 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 西丸 知範 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 安井 克豊 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 高橋 進 東京都渋谷区渋谷一丁目16番14号 東急建 設株式会社内 (72)発明者 小林 一男 東京都千代田区岩本町一丁目５番13号 エ ーケーケミカル有限会社内 Ｆターム(参考） 2D054 AC05 DA12 FA02 FA03 GA10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切羽の安定状態を継続させるシールド工
   法における切羽安定方法であって、 地盤への浸透性を有し、かつ地盤改良効果を有する切羽
   保持用泥水を切羽から地盤に浸透させて、該切羽保持用
   泥水が浸透した地盤の浸透領域全体に自立性を持たせる
   ことを特徴とするシールド工法における切羽安定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のシールド工法における切
   羽安定方法に用いるシールド工法における切羽保持用泥
   水であって、 ベントナイトと、アクリルアミド系高分子凝集剤とが配
   合されていることを特徴とするシールド工法における切
   羽保持用泥水。
3. 【請求項３】 請求項２記載の泥水式シールドにおける
   切羽保持用泥水において、 前記切羽保持用泥水を構成する前記アクリルアミド系高
   分子凝集剤は、分子量が１００万以上、イオン化度が０
   〜１００モル％であるアクリル系高分子からなる分散粒
   子径が１００μｍ以下の油中水型エマルジョンあるいは
   塩水溶液中分散液の形態を有する高分子凝集剤であっ
   て、用いるアクリル系高分子として、 ノニオン性としては、ポリアクリルアミド、 アニオン性としては、アクリル酸、メタアクリル酸、イ
   タコン酸、マレイン酸、アクリルアミド２−メチルプロ
   パンスルフォン酸、ビニルスルフォン酸、スチレンスル
   フォン酸、などの単独重合体あるいはアクリルアミドと
   の共重合体、 カチオン性としては、アクリル酸ジメチルアミノエチ
   ル、メタクリル酸ジメチルアミノプロピルメタアクリル
   アミド、アクリロイルエキシエチルトリメチルアンモニ
   ウムクロリド、メタアクリロイルオキシエチルトリメチ
   ルアンモニウムクロイド、アクリロイルアミノプロピル
   トリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイルア
   ミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、アクリ
   ロイル２−ヒドロキシプロピルリド、 などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体
   のいずれかを用いることを特徴とするシールド工法にお
   ける切羽保持用泥水。