JP3597417B2

JP3597417B2 - 泥水式シールド工法土砂の処理方法及び改質剤

Info

Publication number: JP3597417B2
Application number: JP21294399A
Authority: JP
Inventors: 貴宇野; 哲也脇山; 要青山; 茂木阿部
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: JP2001040984A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、泥水式シールド工法において発生した土砂の処理方法と、該土砂に添加される改質剤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
泥水式シールド工法は、トンネル等を地下に建設するために用いられている。この泥水式シールド工法において発生した土砂（掘削土砂）は、泥水の形態で発生するが、この泥水を処理のために脱水する過程において一次処理土と、該一次処理土よりも粒度が小さい二次処理土に分級される。一次処理土はほとんどが砂分であるため、直接、あるいは改質した後、埋めもどしに利用されている。一方、二次処理土は、ほとんどが細粒分であるため、一般的には利用されることなく、産業廃棄物として処分されている。また、掘削土砂にセメント、石灰等を混合することで改質されて搬出された残土については、該残土からにじみでる水の強アルカリ性が問題になることがあり、石膏により残土を改質する方法が採られている。しかし、石膏を改質材として用いる場合、石膏自体の水和物が水溶性であるため、時間経過とともに改質土砂の強度が低下するという問題が生じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来技術においては産業廃棄物として処理する以外に用途が無かった泥水式シールド工法から発生した二次処理土を有効利用できる処理方法及び残土からにじみ出る水の強アルカリ性を抑え、かつ時間経過とともに改質土砂の強度が低下することを抑えた改質剤を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の泥水式シールド工法土砂の処理方法は、泥水式シールド工法にて発生する泥水を含む土砂を、粗粒分である一次処理土と泥しょうとに分級し、次いで、この泥しょうを泥水とスラリーに分離し、次いで、このスラリーを凝集、濾過、脱水してケーキ状の細粒分である二次処理土とし、この二次処理土と石膏を含む改質剤とを混合して混合物とし、この混合物と、前記一次処理土または前記改質剤と前記一次処理土とを混合した混合物とを混合し、改質土砂を得る処理方法である。
また、本発明の改質剤は、本発明の泥水式シールド工法土砂の処理方法に用いられる改質剤であって、石膏１００重量部に対して酸化カルシウム含有材料を１重量部〜２０重量部含む改質剤である。
前記酸化カルシウム含有材料は、生石灰、消石灰及びセメントの１種以上である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、泥水式シールド工法において発生した土砂を処理して、一次処理土と二次処理土とに分級する方法の例を説明する説明図である。
泥水式シールド工法は公知であって、該工法の例は、図１に示すように、駆動用モータにより駆動される回転式カッタ１０ａの後方に隔壁を設けてチャンバ１０ｂを構成した密閉型の機械式シールド機１０には、チャンバ１０ｂに掘削用液としての泥水を送泥する送泥管１０ｃと、排泥するための排泥管１０ｄが連結されており、チャンバ１０ｂに地下水圧に見合う泥水を送泥加圧することにより、切り羽の安定化が図られている。
【０００６】
カッタ１０ａにて土を掘削することで発生する土砂（砂とシルト粘土との混在物）は、チャンバ１０ｂ内に取り込まれ、駆動用モータにより駆動される攪絆翼により送泥管１０ｃから送泥される泥水と混合され、排泥用ポンプにより排泥管１０ｄを通って流体輸送されて抗外に送られた後、振動フルイ１などの分級設備によりフルイ分ケされて粗粒分（以下、一次処理土１１という）と泥しょうとに分級され、一次処理土１１はベルトコンベア７等を用いて搬出される。一次処理土１１は約２０重量％の水分を含んでいる。一次処理土１１は、その固形分（乾燥した土）の総量中に、粒度（粒径）約０．４ｍｍ〜５ｍｍの土砂を約５０重量％以上含む。
【０００７】
一方、振動フルイ１等において分離された分離泥しょうは調整槽２に供給され、調整槽２中において、沈殿分離操作により泥水（循環用泥水）とスラリーとに分離される。この循環用泥水は泥水タンク３に供給され、そして必要量の水等を注入され、所要の添加剤（例えば、ベントナイト、セルロース系増粘剤等）を添加されて必要な泥水粘度、濃度、比重に調整された後、送泥管１０ｃを通って泥水式シールド機１０に供給されて再利用される。
【０００８】
一方、調整槽２において分離されたスラリーは、スラリー槽４に供給され、凝集剤タンク５から供給される凝集剤（例えば、ＣＭＣ、ポリカルボン酸等の多価アニオン性水溶性高分子からなる分散剤）と混合されて凝集させられ、この凝集物はフィルタプレス６等の濾過装置によって濾過脱水させられ、この濾過脱水させたケーキ状の細粒分（以下、二次処理土１２という）とされ、二次処理土１２はベルトコンベア９ａ等を用いて搬出される。この二次処理土１２は約５０重量％の水分を含んでいる。該二次処理土１２に含まれる土は一次処理土１１に含まれる土よりも平均粒度が小さい。二次処理土１２は、その固形分の総量中に、粒径が約０．４ｍｍ以下の土砂を約５０重量％以上含む。
【０００９】
図２は、本発明の泥水式シールド工法土砂の処理方法の例を示す工程図である。本発明の泥水式シールド工法土砂の処理方法の例は、泥水式シールド工法にて発生した泥水を含む土砂を、図１に示すように、粗粒分である一次処理土１１と、ケーキ状の細粒分である二次処理土１２とに分級した後、図２に示すように、石膏を含む改質剤１３ａと二次処理土１２とを混合機（以下、二次混合機１５という）に供給し均一に混合して混合物（以下、改質二次処理土１２ａという）とし、この改質二次処理土１２ａと前記一次処理土１１とを混合機（以下、三次混合機１６という）に供給し混合して、目的とする土砂（以下、改質土砂２０という）を得る処理方法である。
【００１０】
図３は、本発明の処理方法の他の例を示す工程図である。該処理方法が、図２に示す処理方法と異なる点は、石膏を含む改質剤１３ａと二次処理土１２とを混合した混合物（以下、改質二次処理土１２ａという）と、石膏を含む改質剤１３ｂと一次処理土１１とを混合した混合物（以下、改質一次処理土１１ａという）とを混合して、改質土砂２０を得る点である。
【００１１】
改質剤１３ａ、１３ｂとして、石膏を少なくとも含むものが用いられる。改質剤１３ａ、１３ｂとして、平均粒径が１μｍ〜２０μｍの範囲にある微粉末が好ましい。
石膏として、無水石膏、半水石膏、二水石膏が挙げられる。これらの石膏のうち、半水石膏又は無水石膏を用いると、それ自体の水硬性の寄与により改質土砂２０の固化性能に優れる。
半水石膏（焼石膏）として、α型、β型のものを用いることができる。
上記石膏として、天然品の天然石膏或いは人工品の化学石膏を用いることができる。化学石膏として副産石膏が挙げられる。更に、石膏として、ＪＩＳＲ５２０１セメントの物理試験方法に準じて行なったブレーン空気透過装置による比表面積が６０００ｇ／ｃｍ^２以上のものが好ましい。
また、改質剤１３ａ、１３ｂとして無水石膏、半水石膏及び二水石膏からなる群から選ばれた少なくとも１種を、改質剤１３ａ、１３ｂの総量中、７０重量％以上含むものが好ましい。
石膏を含む改質剤１３ａと二次処理土１２とを予め混合した混合物１２ａを、図２に示すように一次処理土１１と混合することで、或いは、図３に示すように改質剤１３ｂを混合された改質一次処理土１１ａと混合することで、改質剤１３ａ、１３ｂの少ない使用量で、固化強度に優れた改質土砂２０が得られる。
【００１２】
改質剤１３ａ、１３ｂとして、石膏１００重量部に対して酸化カルシウム含有材料を１重量部以上、かつ２０重量部以下（１重量部〜２０重量部）含むものが好ましい。酸化カルシウム含有材料を１〜２０重量部含むことにより非水溶性の水和物が形成され、改質土の時間経過による強度の低下が抑制されるとともに、改質剤添加直後に上昇したｐＨが短時間（１日程度）の後に下降するので、排出処分迄の期間を調整することにより、ｐＨ管理値の指標としたアルカリ性廃棄物の海洋投入処分基準値ｐＨ９．０以下を満たすことができる。酸化カルシウム含有材料が２０重量部を超えると、改質剤添加直後上昇したｐＨが長期間下降せず好ましくない。固化処理後短期間のうちにｐＨを９．０以下とするためには酸化カルシウム含有材料を１〜１０重量部含むことがより好ましい。
【００１３】
改質剤１３ａ、１３ｂが酸化カルシウム含有材料を含むと、強度維持作用があり、固化強度の低下防止に優れた改質土砂２０が得られ易い。用いるに好ましい酸化カルシウム含有材料は、水和反応するものであって、その例はセメント（その例は、各種ポルトランドセメント、混合セメント、ジェットセメント、アルミナセメント等の特殊セメント等）、生石灰、消石灰、苦土石灰、スラグ粉末等である。これらの酸化カルシウム含有材料は１種以上が用いられる。又、処理土の含水率が高い場合に水固体比を下げて物理的に固化強度を高める為にフライアッシュ、炭酸カルシウム、粘土粉末等の粉体材料を併用することができる。
【００１４】
酸化カルシウム含有材料を含む改質剤１３ａ、１３ｂの例は、α型の半水石膏とβ型の半水石膏と超早強セメントと炭酸カルシウムとの合計量１００重量％のうち、α型の半水石膏が０〜３０重量％で、β型の半水石膏が５０〜９９重量％で、超早強セメントが０〜１０重量％で、炭酸カルシウムが０〜３０重量％の割合のものである。このように半水石膏の含有量が多く、セメントの含有量が少ないものを改質剤１３ａ、１３ｂとして用いると、改質土砂２０は中性域に維持されると共に、早期強度に優れる。尚、超早強セメントは、ポルトランドセメントの中で最も早期強度発想性の高いものである。従って少量の添加でも所要強度を達成することができる。
【００１５】
改質剤１３ａは二次処理土１２の１ｍ^３当たり、改質剤１３ｂは一次処理土１１の１ｍ^３当たり、石膏の添加量が２０ｋｇ〜２００ｋｇの割合となるように添加される。二次処理土１２の固形分（乾燥した土）当たり或いは一次処理土１１の固形分（乾燥した土）当たりの添加量は、二次処理土１２、一次処理土１１の含水率、掘削土砂の比重等によって異なるが、二次処理土１２或いは一次処理土１１の固形分１０００ｋｇ当たり、石膏の添加量が１０ｋｇ〜１５０ｋｇの割合となるように、改質剤１３ａ、１３ｂは添加される。
【００１６】
振動フルイ１のフルイ目の大きさの如何によって、一次処理土と二次処理土の量比が変わってくるので一概には云えないが目安としては、二次処理土１２の固形分１重量部に対して、一次処理土１１の固形分が約０．２〜５重量部の割合となるように、二次処理土１２と一次処理土１１とは混合されて改質土砂２０とされる。また、改質土砂２０を製造する際、二次処理土１２或いは一次処理土１１に、セルロース系高分子（例えばヒドロキシエチルセルロース）、吸水樹脂（水酸基、カルボキシル基、カルボン酸の塩基等を有するポリマー、例えばデンプン−アクリル酸系高分子）、エマルジョン（有機ポリマーを含むエマルジョンであり、例えばエチレン−酢酸ビニル共重合エマルジョン）等を添加してもよい。
【００１７】
二次処理土１２と改質剤１３ａとを混合するための二次混合機１５の例はモルタルミキサーであり、改質二次処理土１２と一次処理土１１とを混合するための或いは改質二次処理土１２ａと改質一次処理土１１ａとを混合するための三次混合機１６の例はアジテーターである。これらの混合機によって、二次処理土１２と改質剤１３ａ等は均一に混合される。
【００１８】
【実施例】
以下の試験例において、部は重量部を、％は重量％を意味する。
図１に示す泥水式シールド工法によって土中を掘削して得た掘削土砂を泥水化し、この掘削土砂を含む泥水を振動ふるい１で分級し、振動ふるい１のふるい（ふるい目は２０メッシュ）を通過しない土として一次処理土１１を得た。また、前記振動ふるい１のふるいを通過した土であって、フィルタプレス６で濾過脱水された土として二次処理土１２を得た。前記一次処理土１１は砂を含み、その総量中、水分を約２４．３％含み、前記二次処理土１２は粘土を含み、その総量中、水分を約５４．８％含んでいた。この一次処理土１１と二次処理土１２を以下の試験例において用いた。
【００１９】
改質剤の混合方法について
前記一次処理土と前記二次処理土への改質剤の添加方法を表１に示すようにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つのパターンとして改質土砂を得た。そして、経過時間毎のコーン指数を求めることで改質土砂の強度を評価した。測定結果を表２に示す。
尚、表１に示すパターンにおいて、改質剤として、β半水石膏１００部に対して、普通ポルトセメントを１１部の割合で混合したものを用い、かつ用いた改質剤の総量は一次処理土と二次処理土の総量１ｍ^３当たり１００ｋｇとした。
【００２０】
表１において、一次処理土（７０）とは、一次処理土と二次処理土の総重量中、一次処理土が７０％であったことを意味する。また、改質剤添加（７０）とは、用いた改質剤の総量中、７０％の改質剤をその工程で添加しことを意味する。
【００２１】
尚、パターンＣ又はＤは、表１に示すように、改質剤が添加混合された二次処理土（混合物）と、一次処理土又は改質剤が添加混合された一次処理土とを混合して混合土とし、この混合土に改質剤を更に添加し混合して改質土砂として排出する本発明の処理方法である。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
なお、コーン指数は土質学会基準（ＪＳＦＴ７１６−１９９０）締固めた土のコーン指数試験方法によって測定される値で、コーンペネトロメーターによりコーンを土中に貫入させた時の貫入抵抗力を求め、これをコーンの断面積で除して求められる。この方法による測定値は、テストピースによる一軸圧縮強度値と対応関係にあることは周知のことである。
【００２５】
表２より、本発明の実施例であるＣ、Ｄパターン（改質剤を二次処理土に添加してこれらを混合する処理パターン）はいずれも比較例のパターンＡ、Ｂよりも、コーン指数は大きくなっており本発明の有効性を裏付けている。
【００２６】
以下の試験例１〜１８は、上記二次処理土１２と上記一次処理土１１とを用いて、図２に示す処理工程により改質土砂を製造し、その特性を測定した例である。即ち、以下の試験例１〜１８は、図２に示すように、上記二次処理土１２と、種々の改質剤とを常温（２５℃）で混合して混合物とし、この混合物と前記一次処理土１１とを常温で混合して、改質剤を水和反応させることで改質土砂を得た後、改質土砂のｐＨの経時変化、コーン指数等を調べた例である。
尚、以下の試験例１〜１８において、二次処理土（水分を含む）１２の１ｍ^３に対して、改質剤の添加量は１００ｋｇの割合とした。また、二次処理土（水分を含む）１２と、一次処理土（水分を含む）１１とは、二次処理土１２の１ｍ^３に対して、一次処理土１１を２ｍ^３の割合となるように混合した。
【００２７】
改質土砂のｐＨは、１０ｍｍ以下に粗砕した改質土砂１０％と水９０％との混合物を１分間振とうした上澄み液について測定（２５℃）した結果である。
【００２８】
試験例１〜７
図２に示すように、上記二次処理土１２と、種々の改質剤とを混合して混合物とし、この混合物と前記一次処理土１１とを混合して改質土砂を作製し、改質土砂のｐＨの経時変化等を調べた。その結果を、改質剤の種類と共に表３に示す。
【００２９】
表３に示す試験例１〜７で用いた改質剤の種類は次を意味する。
Ａ１００とは、石膏のみからなる改質剤である。
Ａ９０−Ｈ１０とは、石膏１００部と、セメント１１部とを混合することで得た改質剤である。
Ａ８０−Ｈ２０とは、石膏１００部と、セメント２５部とを混合することで得た改質剤である。
Ａ７０−Ｈ３０とは、石膏１００部と、セメント４３部とを混合することで得た改質剤である。
Ａ６０−Ｈ４０とは、石膏１００部と、セメント６７部とを混合することで得た改質剤である。
Ａ５０−Ｈ５０とは、石膏１００部と、セメント１００部とを混合することで得た改質剤である。
Ａ０−Ｈ１００とは、セメントのみからなる改質剤である。
尚、用いた石膏は、β型半水石膏であり、上記セメントは、普通ポルトランドセメントであった。
【００３０】
【表３】

【００３１】
表３に示す試験例１〜３から、石膏のみからなる改質剤１３ａ、或いは石膏１００部に対してセメントを１１〜２５部の割合で含む改質剤１３ａと、二次処理土１２とを混合して混合物（改質二次処理土）１２ａとし、この混合物１２ａと一次処理土１１とを混合することで、ｐＨが７．０〜８．６の改質土砂２０が得られることが判る。また、改質剤中のセメントの含有量が４３部以上の時は、改質土砂のｐＨが１１．２以上となることが、試験例４〜７から判る。又、試験例１〜３の改質土砂のコーン指数は２８日後で１０ｋｇｆ／ｃｍ^２を越え、充分な強度が得られることが判る。
【００３２】
試験例８〜１４
試験例１〜７におけるセメントの代わりに、微粉末の生石灰を用いた以外は、試験例１〜７と同様に改質土砂を作製し、そのｐＨの経時変化等を調べた。その結果を、改質剤の種類と共に、表４に示す。尚、表４中のＡは石膏を、Ｌは生石灰を意味し、表４中の改質剤の種類、「Ａ８０−Ｌ２０」等は、石膏１００部に対して生石灰を２５部等の割合で混合して得た改質剤、すなわち石膏８０％と生石灰２０％とからなる改質剤等を用いたことを意味する。
【００３３】
【表４】

【００３４】
表４の試験例８〜１０から、石膏１００部に対して生石灰の割合が０〜２５部であるものを改質剤１３ａとしてを用いれば、ｐＨが７．０〜９．０の改質土砂２０が得られることが判る。又、試験例８〜１０の改質土砂のコーン指数は２８日後で１０ｋｇｆ／ｃｍ^２を越え、充分な強度が得られることが判る。
【００３５】
試験例１５〜１８
β型の半水石膏を７０％以上含み、残部としてα型の半水石膏、超早強セメント（超早強Ｃ）、炭酸カルシウム（炭カル）等を含む４種類のものを、改質剤１３ａとして用いて改質土砂２０を作製し、そのｐＨの経時変化等を調べた。用いた改質剤１３ａの組成を表５に、ｐＨの経時変化等の測定結果を表６に示す。
【００３６】
【表５】

【００３７】
【表６】

【００３８】
表５、６に示す試験例１５〜１８から、β型の半水石膏を７０％以上含み、残部がα型の半水石膏、超早強セメント、炭酸カルシウムであるか又はないものを改質剤１３ａとして用いれば、ｐＨが６．８〜８．４のほぼ中性の改質土砂２０が得られることが判る。又、試験例１５〜１８の改質土砂のコーン指数は１日後で１０ｋｇｆ／ｃｍ^２を越え、充分な強度が得られることが判る。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の泥水式シールド工法及び改質剤の主な効果は次の通りである。
（１）泥水式シールド工法にて発生する泥水を含む土砂を、粗粒分である一次処理土と泥しょうとに分級し、次いで、この泥しょうを泥水とスラリーに分離し、次いで、このスラリーを凝集、濾過、脱水してケーキ状の細粒分である二次処理土とし、この二次処理土と石膏を含む改質剤とを混合して混合物とし、この混合物と、前記一次処理土または前記改質剤と前記一次処理土とを混合した混合物とを混合し、改質土砂を得ることにより、二次処理土を産業廃棄物として処理することなく土砂をすべて有効利用することができる。
（２）泥水式シールド工法で発生した土砂を、中性或いは微アルカリ性の土砂に改質できる。
（３）改質土砂の強度の経時低下を抑えることができる。
（４）改質土砂は中性或いは微アルカリ性なので、植物生育用の土等としても有効利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】泥水式シールド工法において発生した土砂の処理方法の例を説明する説明図である。
【図２】本発明の泥水式シールド工法土砂の処理方法の例を示す工程図である。
【図３】本発明の泥水式シールド工法土砂の処理方法の他の例を示す工程図である。
【符号の説明】
１・・振動ふるい、２・・調整糟、３・・泥水タンク、４・・スラリー糟、５・・凝集剤タンク、６・・フィルタプレス、７・・ベルトコンベア、８・・ろ水糟、９・・ベルトコンベア、１０・・泥水シールド機１０ａ・・カッター、１０ｂ・・チャンバ、１０ｃ・・送泥管、１０ｄ・・排泥管、１１・・一次処理土、１１ａ・・改質一次処理土（混合物）、１２・・二次処理土、１２ａ・・改質二次処理土（混合物）、１３ａ、１３ｂ・・改質剤、１４・・一次混合機、１５・・二次混合機、１６・・三次混合機、２０・・改質土砂

Claims

泥水式シールド工法にて発生する泥水を含む土砂を、粗粒分である一次処理土と泥しょうとに分級し、次いで、この泥しょうを泥水とスラリーに分離し、次いで、このスラリーを凝集、濾過、脱水してケーキ状の細粒分である二次処理土とし、この二次処理土と石膏を含む改質剤とを混合して混合物とし、この混合物と、前記一次処理土または前記改質剤と前記一次処理土とを混合した混合物とを混合し、改質土砂を得ることを特徴とする泥水式シールド工法土砂の処理方法。
請求項１記載の泥水式シールド工法土砂の処理方法に用いられる改質剤であって、
石膏１００重量部に対して酸化カルシウム含有材料を１重量部〜２０重量部含むことを特徴とする改質剤。
前記酸化カルシウム含有材料は、生石灰、消石灰及びセメントの１種以上であることを特徴とする請求項２記載の改質材。