JP3597417B2 - 泥水式シールド工法土砂の処理方法及び改質剤 - Google Patents
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Description
【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、JIS R 5201 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/cm2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1m3当たり、改質剤13bは一次処理土11の1m3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1m3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(JSF T 716−1990)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1m3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1m3に対して、一次処理土11を2m3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/cm2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/cm2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/cm2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 (3)
- 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。
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