JP2018538466A - トンネル建設の掘削機における土調整用泡生成添加剤 - Google Patents

Abstract

トンネル掘削機による機械掘削に用いる液状の泡生成添加剤は、１種以上の界面活性剤５−４０質量％、１種以上の生体高分子０．０１−５質量％及び水５５−９４．０９質量％を含有する。

Description

本発明は、トンネル掘削機により掘削された土の状態の調整に用いられる泡生成添加剤に関する。この添加剤は容易に生分解可能なものに分類され、生成された泡の半減期が長く、生成された泡は土の調整を長期に亘らせ、トンネル切羽の安定性を向上させる。本発明の泡生成添加剤は塩水の存在下でも高い安定性を有する。

従来、トンネルは２つの主な技術により掘削されている。
爆薬の使用（従来の方法）
機械の使用
第一の方法は以下に記載される一連の操作の反復適用によってトンネルを前進させる。
１）巨大な機械を使用し、トンネル切羽に一連の穴が穿設されて爆薬が充填され；穴の配置と爆薬の量が、掘削に対して地盤そのままで支持される部分が損なわれないように目的とする岩盤を発破するように調整され；
２）掘削物（廃石泥と称される）がブルドーザー及びトラックで搬出され；
３）掘削穴は骨材と吹付コンクリートで支持される。

この方法は、アーチ効果として知られている作用を掘削周囲で再分配できるように、岩盤の適切な部分を除去することに基くものである。アーチ効果は強化支柱と吹付コンクリートの協働作用を填補する。

第二の建設技術は２つの主なカテゴリーに分類される：部分面システムと全面システム（同時にトンネル全直径を掘削するシステム）。第一の場合、従来の方法として既に述べたように、作業はロードヘッダーと岩盤破砕機（発破の代替）により前進して徐々にトンネル形状を形成し、続いて強化コンクリートで覆工する。第二の場合、トンネル掘削機（ＴＢＭ）と呼ばれ、また、掘削を行うモグラ（mole）としても知られる複合機によって、掘削し、切羽の崩壊を阻止して支持し、廃石泥を（スクリューコンベアとコンベアベルトにより）搬出し、プレハブ強化コンクリートセグメントによる最終的な覆工を設置して、前進する。この機械のタイプは、圧縮した岩（硬質岩ＴＢＭ）、破砕した岩（一重シールドＴＢＭ又は二重シールドＴＢＭ）、軟弱土や帯水層（ＥＰＢ−土圧調整機）など、殆ど総ての地質に対応したタイプがある。

ＴＢＭは以下のように構成される。
１）カッターヘッドすなわちトンネル切羽に直接接触する前面部分であり、これにより掘削し、切羽を支持し、廃石泥を集め掘削システムへ搬送する；
２）トンネル外へ廃石泥を移送するシステム（コンベアベルト等）；
３）カッターヘッドと廃石泥移送システムとの中間に配置される掘削室；掘削物はスクリューコンベアまたは螺旋刃によって掘削室から搬出され、ローラーコンベア上に移される。
４）トンネル覆工システム
カッターヘッドは掘削する地質に応じて設計された掘削刃が装備される。掘削刃は一般的に３種のタイプがある；切刃（cutter）、掻刃（scraper）及び裂刃（ripper）
ＴＢＭでは、トンネル切羽にかかる土圧が均質で均一であることを保証し、ストロークと次のストロークの間に圧力が低下しないように、掘削は掘削室が適切に調整された土で常に完全に満たされて進行する。ときには、地質や水圧の状態により掘削室が空又は部分的に空の状態で前進することも可能である。ＥＰＢ−ＴＢＭでは、掘削土又は岩に調整剤を適用することも常套手段である。

安定剤としてベントナイトやポリマー懸濁剤を含むものが知られている。それらは、ある種の土において水分含有量を大幅に増加させ、抽出困難な水系を生じさせるという問題を生じさせる。更に、ある種の土（例えば、粘土）は高粘着性になり目詰まりしたカッターヘッドを特定位置へ移動させることが困難となり、相当な効率の低下をもたらす。

最新の技術の開発において、ポリマーの泡が提案された。それらは土中への水の流入を著しく低下させるという利点を有する。標準的な泡生成剤は泡生成剤と安定剤とを含む。

このため、泡は、作業中に掘削界面のカッターヘッドに直接注入される。

ＥＰ１０２７５２８は、２〜８百万の範囲の分子量のポリエチレンオキサイドと硫酸エステルとを含む陰イオン性の界面活性剤からなる水性物質をトンネル切羽に注入する掘削方法を開示している。

ＥＰ００７００７４は、アルキル多糖類の界面活性剤と、硫酸エステル又はスルホン酸エステル及び/又はカルボン酸塩補助界面活性剤からなる泡添加剤を開示している。

ＵＳ５８５１９６０は水を補給したクレイと水と泡生成界面活性剤からなる掘削液を用いる掘削方法を開示している。

ＵＳ６１７２０１０は安定した泡を得るために界面活性剤と反対電荷のポリマーとからなる水性泡生成添加剤を開示している。

ＵＳ６８０２６７３は陰イオン性の界面活性剤とβ−ナフタレンスルホン酸ホルムアルデヒド凝縮物とからなる水性泡生成添加剤を開示している。

ＵＳ４４４２０１８はアクリル酸ポリマー、Ｃ１２−Ｃ１４とＣ１６アルコール、Ｃ４とＣ５アルコール、ラウリル硫酸ナトリウム又はαオレフィンスルホン酸エステルと、水とからなる水相で安定した泡を生成する添加剤組成物を開示している。

本発明は、水溶媒に０．１−４質量％で添加され、トンネル切羽に注入されて泡を生成することができる新規な泡生成添加剤に関する。この泡は切羽において土を柔軟にしてより速い掘削を可能とし、切羽の安定性を保持するために掘削室を調整するのに用いられる。

生成された泡の安定性は半減期で表され、掘削室の調整が長期に可能となる。

本発明の泡生成添加剤は水溶液であり、容易に生分解可能なものに分類され、５−４０質量％の範囲の少なくとも１種の界面活性剤と、０．０１−５質量％の範囲の少なくとも１種の生物高分子とを含む。水の含有量は５５−９４．０９質量％の範囲である。界面活性剤は陰イオン性、陽イオン性、又は非イオン性であってよく、好ましくは陰イオン性である。陰イオン性界面活性剤としてはアルキル硫酸塩やアルキルヘテロ硫酸エステルが好ましく、特にナトリウム塩が好ましい。陰イオン性界面活性剤として、Ｃ１０−Ｃ１４のアルキル鎖と１−９のエトキシ化を有するアルキルエトキシ硫酸塩が特に好ましい。

生体高分子としてバクテリア、菌類、海藻等の微生物の作用により分解される高分子が挙げられる。これらは主としてｐＨ４−１２の範囲の水系を増粘することができる水溶性多糖類である。

生体高分子として、キサンタンガムとグァーガムが好ましい。

本発明の泡生成添加剤はＯＥＣＤ ３０１ガイドラインによって容易に生分解可能であるものに分類される。

本発明の泡生成添加剤は高い安定性を有し、塩水下においてさえ高い安定性を有する。

この泡生成添加剤は、粘土質の土により目詰りしているような特殊な状況に対処するため、カッターヘッドに適用される刃の消耗を抑制するため、また、掘削土中に存在する水に溶解する塩の量を低減するため等に用いられる他の物質を含んでいてもよい。

本発明の更なる目的は、掘削土を調整する泡を生成する添加剤の使用である。添加剤は泡生成機に注入される水に対して、０．１−４．０質量％の範囲で添加されることが好ましい。

本発明の添加剤の特徴、利点は以下の実施例において詳述される。材料のパーセントの表示は質量による。

［実施例１］
泡生成添加物は以下の構成である。

泡生成添加剤を2質量％になるように5000ｇの水に添加して調製した水溶液により生成された泡の安定性を評価する。安定性は半減期で表示される。半減期は泡の質量が半減するのに要する時間を示す。検査は泡の体積当たりの質量の半分の水が250mlのシリンダーに放出され、時間を測定して行われる。
泡はガラスボールミキサーへ流れる一定の空気流によって液流を生じさせる泡生成器より生成される。

表２中の数値は、生体高分子の使用量が増加したとき、泡の安定性が増加することを示している。ＯＥＣＤ３０１についての生分解性の結果により、試料４は２８日後８４％が分解される生分解容易な物質に分類される。

［実施例２］
泡生成添加物は表１に記載される組成を有する。

状態の安定性の評価に用いる土壌は明確に規定される粒径寄与曲線（0.06-0.25mm）による標準二酸化ケイ素である。

基質を調整するために用いる泡は65gの水と0.65gの泡生成添加剤とで調製された水溶液を2000rpmで混合して生成する。

評価は、表１に記載する泡生成添加物で生成された泡を３つの標準二酸化ケイ素試料1000gに添加し、ホバート混合器（Hobart mixer）で標準速度で３分間混合物を均質にして行う。基質の調整は、軸Ｄと速度5rpmでブロックフィールドDV-I粘度計（Brookfield DV-I Prime viscometer）を用いて測定した粘度値として表す。調整された基質の粘度は混合後０分と６０分後に測定する。最初の数値と比較して混合後６０分後に得られた値において相違が小さいことは、泡の使用によってよい状態に調整されていることが示唆される。結果を表３に示す。

非凝集性基質に水のみを加えて行った検査；粘度測定は意味がなかった。

表３に掲載するデータは、長い半減期の泡を用いた場合、土の状態の安定性が向上することを示している。

［実施例３］
泡生成添加剤は以下の組成を有する。

泡生成添加剤を2質量％になるように5000gの水に添加して調製した水溶液により生成された泡の安定性を評価する。安定性は半減期により評価する。半減期は泡の質量が半減するのに要する時間を意味する。検査は泡の単位体積当たりの質量の半分の水が250mlのシリンダーに放出され、時間を測定して行われる。

泡は一定の空気流を用いて泡生成器により生成される。

表５に示す数値は添加剤中の生体高分子の使用量が増加するとき、泡の安定性が増加することを示している。

［実施例４］
泡生成添加剤は以下の組成を有する。

泡生成添加剤が2質量％になるように5000gの水に添加して調製した水溶液により生成された泡の安定性を評価する。安定性は半減期により評価する。半減期は泡の質量が半減するのに要する時間を意味する。検査は泡の体積当たりの質量の半分の水が250mlのシリンダーに放出される、時間を測定して行われる。

泡はガラスボールミキサーへ流れる一定の空気流によって液流を生じさせる泡生成器により生成される。

表７に示す数値は添加剤中の生体高分子の使用量が増加するとき、泡の安定性が増加することを示している。

［実施例５］
泡生成添加剤は以下の組成を有する。

泡生成添加剤を2質量％になるように5000gの塩水に添加して調製した水溶液により生成された泡の安定性を評価する。塩水は塩化ナトリウム2%濃度である。安定性は半減期により評価する。半減期は泡の質量が半減するのに要する時間を意味する。検査は泡の体積当たりの質量の半分の水が250mlのシリンダーに放出され、時間を測定して行われる。

泡はガラスボールミキサーへ流れる一定の空気流によって液流を生じさせる泡生成器により生成される。

表９に示す数値は添加剤中の生体高分子の使用量が増加するとき、塩水によって生成された泡の安定性が増加することを示している。

［実施例６］
泡生成添加剤は以下の組成を有する。

泡生成添加剤を2質量％になるように5000gの水に添加して調製した水溶液により生成された泡の安定性を評価する。安定性は半減期により評価する。半減期は泡の質量が半減するのに要する時間を意味する。検査は泡の体積当たりの質量が半分の水が250mlのシリンダーに放出され、時間を測定して行われる。

泡はガラスボールミキサーへ流れる一定の空気流によって液流を生じさせる泡生成器により生成される。

表１１に示される数値は界面活性剤として７つのエトキシル化されたアルキルエーテル硫酸ナトリウムが使用されるとき、安定性を有する泡であることを示している。

本発明の泡生成添加剤は水溶液であり、容易に生分解可能なものに分類され、５−４０質量％の範囲の少なくとも１種の界面活性剤と、０．０１−５質量％の範囲の少なくとも１種の生物高分子とを含む。水の含有量は５５−９４．９９質量％の範囲である。界面活性剤は陰イオン性、陽イオン性、又は非イオン性であってよく、好ましくは陰イオン性である。陰イオン性界面活性剤としてはアルキル硫酸塩やアルキルヘテロ硫酸エステルが好ましく、特にナトリウム塩が好ましい。陰イオン性界面活性剤として、Ｃ１０−Ｃ１４のアルキル鎖と１−９のエトキシ化を有するアルキルエトキシ硫酸塩が特に好ましい。

Claims (10)

1. トンネル掘削機による機械掘削に用いる液状の泡生成添加剤であって、１種以上の界面活性剤５−４０質量％、１種以上の生体高分子０．０１−５質量％及び水５５−９４．０９質量％を含む。
2. 前記界面活性剤は陰イオン性、陽イオン性、非イオン性又は両性である請求項１に記載の泡生成添加剤。
3. 前記界面活性剤は陰イオン性である請求項２に記載の泡生成添加剤。
4. 前記陰イオン性の界面活性剤がアルキルエトキシ硫酸塩又はラウレス硫酸塩である請求項３に記載の泡生成添加剤。
5. 前記陰イオン性の界面活性剤がＣ１０−Ｃ１４のアルキル鎖を含み、１−９の範囲のエトキシル化がされたアルキルエトキシ硫酸塩である請求項４に記載の泡生成添加剤。
6. 前記塩がナトリウム塩である請求項５に記載の泡生成添加剤。
7. 前記生体高分子が多糖類である請求項１−６の何れかに記載の泡生成添加剤。
8. 前記生体高分子がキサンタンガム又はグアーガムである請求項７に記載の泡生成添加剤。
9. 掘削した土を調整する泡を生成する請求項１−８に記載の泡生成添加剤の使用。
10. 泡生成機に注入された水に対して０．１−４．０質量％の範囲で泡生成添加剤を添加する請求項９に記載の泡生成添加剤の使用。