JP3968446B2 - 泥土圧シールド工法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、泥土圧シールド工法により発生した排出掘削土砂を、砂礫と泥土に分別する、泥土圧シールド工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
泥土圧シールド工法は、バインダー分が少ない砂や礫等の硬質地盤に適用される工法であり、当該工法により発生する掘削土砂は、カッターヘッドの回転によっては塑性流動化しないため、高粘度の増粘剤及び増粘剤と反応することでその作用効果を高める役割を有するゲル化剤を切羽に注入することにより、排出掘削土砂の塑性流動性を高めて切羽の安定性を図るとともに、スクリューコンベアから搬出される掘削土砂の調整を行っていた。
【０００３】
しかし、これらの排出掘削土砂は、その大部分が砂礫であるにも関わらず、増粘剤及びゲル化剤が混入しているため、排出掘削土砂は生コンクリート状を呈している。従って、産業廃棄物として処理せざるを得ないものがほとんどであり、そのための処分費用は多大な額となっている。また、これらの砂礫は、有効な資源であるにも関わらず、廃棄物として無駄に廃棄されてしまうことになっている。
【０００４】
かかる排出掘削土砂を処分する方法としては、消粘剤法及び水洗い法が提案されている。消粘剤法は、排出掘削土砂に消粘剤を添加することにより、排出掘削土砂を非塑性流動化する方法であるが、費用が膨大となるため採用は非常に難しい。また、水洗い法は、排出掘削土砂を水洗い又は天日乾燥する方法であるが、大規模な設備や広大な敷地が必要となり、ほとんど行われていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記の欠点を解決するためになされたものであり、泥土圧シールド工法により発生した排出掘削土砂を、凝集反応の利用により砂礫と泥土に分別する掘削土砂分別処理方法を含んだ泥土圧シールド工法の提供を目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
要するに、本発明は、シールド掘削機前方の切羽に増粘剤及び前記増粘剤と凝集反応を生じるゲル化剤を送出して、掘削土砂と混合攪拌しながら切羽面を掘削し、次いで、前記増粘剤及び前記ゲル化剤を含有した排出掘削土砂を搬出する、泥土圧シールド工法において、前記排出掘削土砂を搬出する途中において、前記排出掘削土砂に前記ゲル化剤を更に混合することにより、前記排出掘削土砂を砂礫と泥土に分別することを特徴とする泥土圧シールド工法を提供するものである。
【０００７】
即ち、本発明によれば、排出掘削土砂を搬出する中途段階において、前記排出掘削土砂に、切羽に混合したものと同様のゲル化剤を更に混合することにより、前記排出掘削土砂を砂礫と泥土に分別することが可能となるため、特別な設備や特別な凝集剤が不要となるという効果を有するものである。
【０００８】
また、本発明は、前記増粘剤と前記ゲル化剤の組み合わせを、（１）前記増粘剤としてのカルボキシルメチルセルロースと、前記ゲル化剤としてのアルミニウム化合物、（２）前記増粘剤としてのグアガムと、前記ゲル化剤としてのホウ砂（ボラックス）、（３）前記増粘剤としてのアルギン酸と、前記ゲル化剤としてのカルシウム化合物、とすることを特徴とする請求項１記載の泥土圧シールド工法を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態について、図面を用いて詳細に説明する。
まず、本発明に係る泥土圧シールド工法に用いられる泥土圧シールド掘削機Ｓ（以下、単に「シールド掘削機」という）について説明する。
【００１０】
図１において、シールド掘削機Ｓの前方部には隔壁２により仕切られたチャンバ３が設けられている。また、チャンバ３の中央部には、隔壁２を貫通してロータリカッタ４が設けられている。ロータリカッタ４は、回転軸（図示せず）のまわりに回動自在に軸支されているカッタフレーム４ａと、その前面には、掘削を行うためのカッタヘッド４ｂが取付けられている。更に、チャンバ３の下部には、隔壁２を貫通し、排出掘削土砂を搬出するためのスクリューコンベア５が設けられている。スクリューコンベア５の排出掘削土砂の搬出口は、その下部に設置されている排出掘削土砂搬出用のベルトコンベア６と接続されており、また、ベルトコンベア６はその端部で台車７と接続されている。
【００１１】
次に、増粘剤及びゲル化剤の切羽Ｋへの搬送のためのシステムについて説明する。
増粘剤輸送管２２は、所定位置に設置されている増粘剤混合槽２１の排出口に接続されており、その中途部には圧送ポンプＰ１が設けられている。
同様に、ゲル化剤輸送管３２は、所定位置に設置されているゲル化剤混合槽３１の排出口に接続されており、その中途部には圧送ポンプＰ２が設けられている。また、ゲル化剤輸送管３２は、ゲル化剤貯留槽３３の流入口に接続されている。ゲル化剤貯留槽３３は、２箇所の排出口を有しており、一方はゲル化剤輸送管（切羽接続部）３２ａ、他方はゲル化剤輸送管（スクリューコンベア接続部）３２ｂに接続されている。更に、両輸送管ともに圧送ポンプＰ３，Ｐ４が中途部に設けられている。
【００１２】
上記増粘剤輸送管２２とゲル化剤輸送管（切羽接続部）３２ａはシールド抗Ｈ壁内に沿って付設されているが、両者は切羽Ｋの近傍の二重管部２４で連結され、１本の注入管２３として隔壁２内を貫通し、ロータリカッタ４の開口部４ｃに連通する構造となっている。
一方、ゲル化剤輸送管（スクリューコンベア接続部）３２ｂは、シールド抗Ｈ壁内に沿って付設されており、スクリューコンベア５の中間部に接続されている。
【００１３】
続いて、本発明に係る泥土圧シールド工法で用いる増粘剤とゲル化剤について説明する。
増粘剤は、切羽Ｋの安定性と、掘削土砂の流動性を図るために加える物質であり、水溶性の半高分子化合物であるカルボキシルメチルセルロース（以下、単に「ＣＭＣ」という）、水溶性の天然高分子化合物（植物性天然粘質物）であるグアガム、合成高分子化合物であるアルギン酸等が用いられる。
また、ゲル化剤は、上記の増粘剤と凝集反応を生じる性質を有し、掘削土砂と混合攪拌することにより高粘度の流動性を発揮し、更に、後述するように排出掘削土砂に混合することにより、強力に凝集反応を生じる物質である必要がある。そのような効果を発揮するために最適な物質としては、増粘剤にＣＭＣを用いた場合には、ゲル化剤としてアルミニウム化合物（加里ミョウバン、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド等）、増粘剤にグアガムを用いた場合には、ゲル化剤としてホウ砂（ボラックス）、増粘剤にアルギン酸を用いた場合には、ゲル化剤としてカルシウム化合物を用いるとよい。
【００１４】
尚、上記の増粘剤として、最も一般的に使用されるものはＣＭＣであるため、本実施例では、増粘剤としてＣＭＣを用いることとし、それに対応するゲル化剤としては、ＣＭＣと良好な反応性を示す、アルミニウム化合物の一種である加里ミョウバンを用いる場合について説明する。
【００１５】
次に、本発明に係る泥土式シールド工法の作用について説明する。
増粘剤混合槽２１内で調整された増粘剤は、圧送ポンプＰ１により、増粘剤輸送管２２内に送られる。また、ゲル化剤混合槽３１内で調整されたゲル化剤は、圧送ポンプＰ２により、ゲル化剤輸送管３２を通して、一旦ゲル化剤貯留槽３３に送られる。
切羽Ｋへの増粘剤とゲル化剤の注入は、増粘剤とゲル化剤を別系統で圧送し、切羽Ｋ近傍で混合する１．５ショット方式で行われている。即ち、ゲル化剤輸送管（切羽接続部）３２ａは切羽Ｋ近傍の二重管部２４で、別系統の増粘剤輸送管２２と連結され、両輸送管内を通して圧送されてきた増粘剤とゲル化剤は注入管２３内で混合された状態で、開口部４ｃから切羽Ｋに注入される。切羽Ｋでの増粘剤とゲル化剤の混合は、増粘剤とゲル化剤を切羽Ｋに注入しつつ、ロータリカッタ４のカッタヘッド４ｂを回転させ、掘削土砂と両物質を機械的に攪拌することにより行うことになる。
【００１６】
増粘剤とゲル化剤を混合攪拌すると、両物質は凝集反応を生じ、フロックを形成するが、そのフロックが掘削土砂に加わることにより、掘削土砂は、高度に粘性化し、塑性流動化することになる。そして、上記掘削土砂は、チャンバ３内に充満した状態で、泥土圧を生じ、切羽Ｋに作用する土圧と対抗することとなる。泥土圧シールド工法において、良好に作業を行うためには、上記泥土圧を適切に管理することが非常に重要となる。そのためには、掘削に伴い生じる掘削土砂の搬出量を適切に制御しつつ、チャンバ３内から掘削土砂の搬出を行う必要がある。
【００１７】
上記の通り、チャンバ３内から搬出される排出掘削土砂は、塑性流動化しており、生コンクリート状を呈している。そこで、当該排出掘削土砂を砂礫とそれ以外の成分（以下、単に「泥土」という）に分離するために、排出掘削土砂にゲル化剤を追加混合し攪拌する。この作業により、排出掘削土砂に含まれている増粘剤と、後から加えられたゲル化剤が、更に強力に凝集反応を起こすことになり、切羽Ｋ及びチャンバ３内における当初の凝集反応の結果生じたフロックと比較して、更に高い沈降性を有する粗大フロックを形成することになる。このようにして形成されたフロックは、高い沈降性を有する粗大フロックであるため、容易に沈殿分離することが可能である。また、当該粗大フロックは砂礫分を含んでいないため、排出掘削土砂中から当該粗大フロックを分離することにより、排出掘削土砂から容易に砂礫分のみを分別することが可能となる。
尚、泥土の成分は、増粘剤とゲル化剤とから形成されるフロックであるため、排出掘削土砂からフロックを分別することにより、砂礫分と泥土を分別する目的を達成することができる。
【００１８】
本実施例において、上記のゲル化剤を混合攪拌する作業は、スクリューコンベア５の中間部に、ゲル化剤輸送管（スクリューコンベア接続部）３２ｂを接続することにより、スクリューコンベア５内で行うこととしている。
しかし、排出掘削土砂とゲル化剤との混合は、排出掘削土砂をチャンバ３内から立抗Ｖへ搬出する各種工程のうち、いずれかの段階で行うことができれば、目的とする効果を達成することができるため、施工現場の状況に応じて、以下の各種の方法を採用することも可能である。
（１）スクリューコンベア５とベルトコンベア６の間に２軸の攪拌機を設置し、２軸攪拌機にゲル化剤輸送管（スクリューコンベア接続部）３２ｂを接続することにより、上記２軸攪拌機で混合を行う方法。
（２）ベルトコンベア６上の排出掘削土砂の上に、ゲル化剤輸送管（スクリューコンベア接続部）３２ｂを接続した排出口を設け、直接ゲル化剤を散布する方法により混合を行う方法。
（３）ベルトコンベア６と立抗Ｖまでの間にパドルミキサーを設置し、上記パドルミキサーにゲル化剤輸送管（スクリューコンベア接続部）３２ｂを接続することにより、上記パドルミキサーで混合を行う方法。
（４）所定の方法により立抗Ｖ上まで排出掘削土砂を搬出し、土砂ピットでバックホウ等を用いて、ゲル化剤との混合を行う方法。
【００１９】
上記のように、ゲル化剤が追加混合された排出掘削土砂は、ベルトコンベア６及び台車７により、シールド抗Ｈから搬出され、立抗Ｖ上又は立抗Ｖに隣接して設けられた排出掘削土砂処理施設（図示せず）に送られた後、排出掘削土砂の砂礫分と凝集反応により生じた泥土を分別し、更に泥土のみを脱水処理する工程を経て、最終的に処分されることになる。
尚、増粘剤及びゲル化剤は無害であるため、分別した砂礫は特に処理する必要がなく、建設材料として再利用が可能となる。
【００２０】
【実施例】
次に、本実施例における上記増粘剤及びゲル化剤の濃度及び混合量について説明する。
表１〜表３は、増粘剤としてＣＭＣ、ゲル化剤としてアルミニウム化合物である加里ミョウバンを用いたときに、両者を攪拌混合した場合における混合溶液の粘性の変化を示したものである。
更に詳しくは、ＣＭＣ１体積％溶液に、加里ミョウバン１重量％溶液又は２重量％溶液を混合した場合の混合溶液の粘性の変化を数値等により示したものである。
表１において、加里ミョウバン１重量％溶液の混合量を徐々に増加させていくと、混合溶液の粘性はそれに伴い上昇していき、更に加里ミョウバンを混合し続けると混合溶液はゲル状となり、凝集効果は最大となる（本実験例では、混合量１２体積％の場合）。しかし、それ以上に混合量を増加させると、次第に粘性が低下していくことがわかる。これは、上記混合溶液は酸性域（ＰＨ４から５）においてゲル化し、中性からアルカリ域において解ゲル化する性質によるものであり、ＰＨ４程度で粘性は最大となる。
尚、本実施例において、ＣＭＣ１体積％溶液に、加里ミョウバン溶液（ア）を１０体積％混合するということは、ＣＭＣ１体積％溶液１ｍ³ に対し、１０体積％（即ち１００リットル）の加里ミョウバン溶液（ア）の量を混合することを意味する。
表２では加里ミョウバン２重量％溶液の混合量を徐々に増加させた場合について示している。これによると、表１における場合と比較して、加里ミョウバンの混合量が多いため、凝集効果が最大となる点は現れず、粘性を示す値は、単調減少している。
表３では、加里ミョウバン１重量％溶液に、混合溶液のＰＨを調整するためのソーダ灰（ＣａＯ，Ｎａ₂ Ｏ₃ ）を添加して、表１と同様の実験を行ったものである。この場合には、混合溶液の粘性を示す値は小さく、混合溶液の性状は液状を呈している。この実施例の場合には、ＰＨは７から８の値を示すことになる。上述したように、これは、混合溶液が中性からアルカリ性に移行する領域での結果であり、ＰＨの変化により混合溶液の性状が大きく変化することを表している。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
【表３】

【００２４】
上記の結果より、切羽Ｋへのゲル化剤の混合量は、混合溶液の粘性が切羽の安定を保つことができる最低限の粘性を確保できるようにその量を決定し、また、排出掘削土砂へのゲル化剤の混合量は、混合溶液の粘性が最大となるようにその量を決定すればよいことになる。
従って、実際の施工時には、ＣＭＣ１体積％溶液に対し、加里ミョウバン１重量％溶液を、ＣＭＣの溶液量当たり、５体積％〜１０体積％の量を混合した場合の、両物質の混合比率を基準として、適量を切羽Ｋに混合すればよい。
また、その後、ＣＭＣ１体積％溶液に対し、加里ミョウバン１重量％溶液を、ＣＭＣの溶液量当たり、１２体積％程度となる量を混合した場合の、両物質の混合比率を基準として、適量を排出掘削土砂に混合することにより、所定の効果が得られることになる。
但し、上記溶液の混合量は一応の目安を示すものであり、施工現場における土質特性等に応じて、最適となるように変化させることが必要となることはいうまでもない。
【００２５】
尚、本発明に係る泥土式シールド工法は、シルト粘土分の含有率が１０％程度あるいはそれ以下の、砂礫を多く含有した土砂に対し、最もその効果を発揮する工法である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、上記のように、切羽に混合するものと同様のゲル化剤を、更に、排出掘削土砂に混合することにより、砂礫と泥土とを容易に分離することが可能となるため、排出掘削土砂を処理するための特別な設備や特別な凝集剤等を不要とすることができ、費用の削減を図ることができるという効果を得ることができる。
また、排出掘削土砂を砂礫と泥土に分別することが可能となることから、従来は産業廃棄物として処理しなければならなかった泥土の量を削減することができるため、泥土の脱水処理の負担を軽減することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る泥土圧シールド工法によるシステムの一実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｋ 切羽
Ｓ シールド掘削機
Ｈ シールド抗
Ｖ 立抗
２ 隔壁
３ チャンバ
４ ロータリカッタ
４ａ カッタフレーム
４ｂ カッタヘッド
４ｃ 開口部
５ スクリューコンベア
６ ベルトコンベア
７ 台車
２１ 増粘剤混合槽
２２ 増粘剤輸送管
２３ 注入管
２４ 二重管部
３１ ゲル化剤混合槽
３２ ゲル化剤輸送管
３２ａ ゲル化剤輸送管（切羽接続部）
３２ｂ ゲル化剤輸送管（スクリューコンベア接続部）
３３ ゲル化剤貯留槽
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 圧送ポンプ

Claims (2)

1. シールド掘削機前方の切羽に増粘剤及び前記増粘剤と凝集反応を生じるゲル化剤を送出して、掘削土砂と混合攪拌しながら切羽面を掘削し、
   次いで、前記増粘剤及び前記ゲル化剤を含有した排出掘削土砂を搬出する、泥土圧シールド工法において、
   前記排出掘削土砂を搬出する途中において、前記排出掘削土砂に前記ゲル化剤を更に混合することにより、
   前記排出掘削土砂を砂礫と泥土に分別することを特徴とする泥土圧シールド工法。
2. 前記増粘剤と前記ゲル化剤の組み合わせが、下記の（１）から（３）のいずれか１つであることを特徴とする請求項１記載の泥土圧シールド工法。
   （１）前記増粘剤としてのカルボキシルメチルセルロースと、前記ゲル化剤としてのアルミニウム化合物。
   （２）前記増粘剤としてのグアガムと、前記ゲル化剤としてのホウ砂（ボラックス）。
   （３）前記増粘剤としてのアルギン酸と、前記ゲル化剤としてのカルシウム化合物。

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