JP4038107B2 - 掘削土砂の改質方法 - 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生じた掘削土砂の性状を改質するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル工事において用いられる泥土圧シールド工法を、バインダー分が少ない砂礫等の硬質地盤等に適用する場合は、当該工法によって発生する掘削土砂は、カッターヘッドの回転のみでは容易に塑性流動化できないため、高粘度の塑性流動化用添加材を切羽に注入することにより、掘削土砂の塑性流動性を高めて切羽の安定性を図っている。
【０００３】
一方、前記作業により発生した掘削土砂は処分場等に搬出しなければならないが、塑性流動化しているために、箱ダンプやタンクダンプを用いて搬出していることが多く、平ダンプを用いて搬出する場合は、掘削土砂にセメント系固化材を混合撹拌して固化処理する作業が必要となる。
【０００４】
このとき、掘削土砂に対して、塑性流動化用添加材を２５容量％〜３５容量％混練するとともに、さらに、前記混練後の掘削土砂の総容量に対して、１０容量％〜１５容量％の固化材を添加する必要がある。
そのため、処理を行う掘削土砂量は、当初の掘削土砂量の１５０％（容積比）以上となってしまい、環境破壊等の元凶と見られている建設副産物を増加させてしまうこととなっていた。
また、塑性流動化用添加材により塑性流動化された掘削土砂に固化材を添加して処理しなければならないため、処理工程が複雑となり、処理費用が増大していた。
【０００５】
そこで、本願出願人等は、塑性流動化用添加材を含む掘削土砂にゲル化剤を混合することにより、当該掘削土砂を砂礫と泥土に分別して処理を行うことを可能とした技術を提案した（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３０３５７１号公報（第２頁−第５頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記出願では、塑性流動化用添加材を含む掘削土砂にゲル化剤を混合する場合において、掘削土砂のｐＨ（水素イオン濃度）について特別な考慮を図らなかったことから、当該ｐＨの状態によっては、良好な結果が得られない場合が生じてしまうことがあった。
【０００８】
本発明は、前記の問題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生じた掘削土砂の性状をさらに良好に改質するための方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の掘削土砂の改質方法は、シールド掘削機前方の切羽に、水溶性高分子化合物である塑性流動化用添加材を送出して、掘削土砂と混合攪拌しながら切羽面を掘削する泥土式シールド工法において、前記掘削により生じた掘削土砂を搬出する途中で、前記掘削土砂に水素イオン濃度調整剤を添加して、前記掘削土砂のｐＨを８．２以上（８．２乃至１４．０）として、前記掘削土砂のスランプ値を低減させた状態（好ましくは０乃至１の範囲とする）で坑外へ搬出した後、該掘削土砂に強酸又は弱酸を加えて土砂と水分を分離させることを特徴としている。
ここで、ｐＨ調整剤とは、掘削土砂をアルカリ性にする作用を奏するための物質である。
【００１０】
また、前記掘削土砂の改質方法において、前記塑性流動化用添加材と、前記水素イオン濃度調整剤の組み合わせを、下記の（１）又は（２）であることとすれば好適である。
（１）前記塑性流動化用添加材としてのグアガムと、前記水素イオン濃度調整剤としてのホウ砂、ホウ酸又はアルミン酸ソーダ。
（２）前記塑性流動化用添加材としてのカルボキシメチルセルロースと、前記水素イオン濃度調整剤としての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）。
【００１１】
また、前記掘削土砂の改質方法において、前記塑性流動化用添加材を前記掘削土砂の１００容量部に対して、１０容量部乃至３５容量部の範囲内で添加するとともに、前記水素イオン濃度調整剤を、前記掘削土砂の１容量部に対して、０．０５容量部乃至０．１５容量部の範囲内で添加することとすれば好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の一形態について、前記塑性流動化用添加材としてグアガムを、前記水素イオン濃度調整剤として、ホウ砂等を使用した場合を例として、詳細に説明する。
【００１３】
本発明の掘削土砂の改質方法は、シールド掘削機前方の切羽に、単体でも粘性の発生が活発な水溶性高分子化合物である塑性流動化用添加材を送出して、掘削土砂と混合攪拌しながら切羽面を掘削する泥土式シールド工法において発生する掘削土砂の性状を改質するための方法であり、以下の点を特徴としている。
すなわち、前記掘削により生じた掘削土砂を搬出する途中において、前記掘削土砂に水素イオン濃度調整剤を添加して、前記掘削土砂のｐＨを８．２乃至１４．０として、前記掘削土砂のスランプ値を０〜１程度に低減させる方法である。
【００１４】
このとき、前記塑性流動化用添加材を前記掘削土砂の１００容量部に対して、１０容量部乃至３５容量部の範囲内で添加するとともに、前記水素イオン濃度調整剤を、前記掘削土砂の１容量部に対して、０．０５容量部乃至０．１５容量部の範囲で添加することが好適である。
ここで、塑性流動化用添加材は、０．５重量％乃至３．０重量％の濃度である水溶液とすることが好適である。その理由は、０．５重量％未満であると低粘性となり固化に必要な粘性を確保できず、３．０重量％より多すぎると高粘性となり撹拌装置から分離することができないことから、各種実験から好適となる範囲を定めたものである。
【００１５】
なお、塑性流動化用添加材の添加量は、対象となる掘削土砂の組成により変わってくるものであり、ほとんどが砂礫分の場合には塑性流動化用添加材の添加量を多くする必要があり（３０容量部〜３５容量部程度）、粘土分を含む場合には塑性流動化用添加材の添加量を少なくすることができる（１０容量部〜３０容量部程度）（後記第３実施例参照）。
【００１６】
本発明の原理は、以下の通りである。
塑性流動化用添加材と混練された掘削土砂（以下、「被改質掘削土砂」という）は、主として水分の存在によって塑性流動化しており、そのｐＨは中性域である。
この被改質掘削土砂に、水素イオン濃度調整剤（以下、「ｐＨ調整剤」という）を添加することにより、当該被改質掘削土砂のｐＨをアルカリ域（８．２以上に変化させることで、前記塑性流動化の原因となっている水分の粘性を架橋させて塑性流動化用添加材を増粘させる。これにより当該被改質掘削土砂が固化した状態になる。
【００１７】
その結果として、塑性流動化している被改質掘削土砂の見かけの水分が減少するとともに、アルカリ性に変化した塑性流動化用添加材は高粘性な性状を呈する（以下、「ゲル化」ということがある）こととなり、この高粘性による粘着力が前記被改質掘削土砂の土粒子を結合させることで、当該被改質掘削土砂が普通土に近似した性質に改質されることになる。
【００１８】
このような被改質掘削土砂の改質度合いを数値的に表現する指標としては、スランプ値を用いることが好適であるが、処理後の被改質掘削土砂（以下、「処理掘削土砂」という）のスランプ値は０〜１程度になり、普通土と同様に平ダンプ等にて搬出することが可能な性状に改質されることとなる。
さらに、前記掘削土砂に適量の固化材（セメント系固化材又はスラグ系固化材等）を加えることにより、コーン指数を改良することができる。なお、コーン指数は４００ｋＮ／ｍ²以上にすることが処理掘削土砂を盛土等に使用するためには好ましい。
【００１９】
ここで、前記塑性流動化用添加材は、切羽の安定性と、掘削土砂の流動性を図るために加える物質であり、水溶性高分子化合物（植物性天然粘質物）であるグアガム等が用いられる。
このとき、前記塑性流動化用添加材にグアガムを用いた場合には、ｐＨ調整剤にはホウ砂（ボラックス）、ホウ酸又はアルミン酸ソーダの少なくとも１種類を用いることが好適である。
なお、前記ｐＨ調整剤は、被改質掘削土砂のｐＨを調整可能であるとともに、ゲル化剤としての役割をも果たしている。
【００２０】
なお、被改質掘削土砂にｐＨ調整剤を添加して混合攪拌する作業は、当該被改質掘削土砂をシールド掘進機のチャンバから坑外へ搬出する過程のうち、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、各種の方法（例えば、チャンバと接続されているスクリューコンベアの中間部に、輸送管を接続することにより、スクリューコンベア内で行う方法等）を採用することが可能である。
【００２１】
本発明の掘削土砂の改質方法によれば、塑性流動化用添加材のｐＨを所定値となるように調節することで、当該塑性流動化用添加材固化材としての役割を担わせて、掘削土砂の改質を行うことができる。従って、セメント系固化材等を使用しない場合であっても掘削土砂の改質を行うことができるため、処理を行うための残土の発生量を約１５容量％〜２０容量％程度低減させることができる。
【００２２】
また、塑性流動化用添加材が混練されている被改質掘削土砂に、ｐＨ調整剤を添加混合して、ｐＨをアルカリ域に調整することで、当該被改質掘削土砂を改質することができることから、当該ｐＨ調整剤を添加するための設備が小規模で済むため、処理費用の低減を図ることができる。なお、掘削土砂にセメント系固化材のみを添加して改質を行った場合と比較して、材料費を約１５％程度安価とすることができるとともに、処理掘削土砂の体積を減少させることにより、従来比で２５％〜３０％程度の残土処理費の低減を図ることができる。
【００２３】
以上、本発明について、好適な実施形態の一例を説明した。しかし、本発明は、前記実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜設計変更が可能であることは言うまでもない。
【００２４】
なお、本発明を適用した処理掘削土砂に、強酸又は弱酸（希硫酸、クエン酸、りんご酸、マイレン酸等）を加えてｐＨを８．２未満にすることで、水分の架橋を解除して、土砂と水分を分離させることも可能である（この分離方法は、砂礫分を主要成分としている掘削土砂に特に有効である）。
【００２５】
【実施例】
次に、本発明の掘削土砂の改質方法についての有効性を確認するために、以下の各種実証実験を行った。
【００２６】
［第１実施例］
塑性流動化用添加材のｐＨに応じた粘性の変化を調べるため、塑性流動化用添加材（グアガム溶液）に、添加量を変化させてｐＨ調整剤（ホウ砂溶液）を添加して、その性状を観察した（配合は表１参照）。
【００２７】
【表１】

【００２８】
この結果によれば、ｐＨ調整剤の添加量を増やすことに伴い塑性流動化用添加材のｐＨ値が高くなり、ｐＨ値が８．２以上でゲル化して粘性が増加することが明らかになった（表２参照）。
【００２９】
【表２】

【００３０】
［第２実施例］
さらに、塑性流動化用添加材のｐＨによる粘性の変化を調べるため、塑性流動化用添加材（グアガム溶液）に、添加量を変化させてｐＨ調整剤（ホウ砂溶液）を添加して、その性状を観察した（配合は表３参照）。
【００３１】
【表３】

【００３２】
この結果によれば、ｐＨ調整剤の添加量を更に増やすことにより塑性流動化用添加材のｐＨが高くなり、それに伴って、粘性が増加することが明らかになった（表４参照）。
従って、第１実施例及び第２実施例によれば、ｐＨが中性である塑性流動化用添加材にｐＨ調整剤を添加して、そのｐＨを８．２以上に調節することで固化材としての粘性を確保できることが証明された。
【００３３】
なお、ｐＨ値が９．０（ｐＨ調整剤を１５０ｍｌ添加した場合）を超えた場合には、塑性流動化用添加材のゲルそのものはしっかりしているが、凝集作用により内部の水分が放出されることにより、粘性の低下が見られる結果となった。これは、一塊になった塑性流動化用添加材のゲルと実験容器の間の摩擦抵抗が放出水により低下したことによるものであり、水素イオン濃度による粘性の低下ではないと思慮される。
【００３４】
【表４】

【００３５】
また、結果は示さないが、塑性流動化用添加材としてＣＭＣを用い、ｐＨ調整剤としてアルミニウム化合物を適量添加した場合についても、前記第１実施例及び第２実施例と同様な結果が得られた。
【００３６】
［第３実施例］
本発明を適用した場合における処理土の性状を調べるために、表５に示す配合により、実験対象土砂に塑性流動化用添加材（グアガム溶液）とｐＨ調整剤（粉末ホウ砂）を添加し、当該塑性流動化用添加材の混練直後と、ｐＨ調整剤の添加直後のスランプ値を計測した。
なお、実験対象土砂には洗い砂を使用し、必要に応じて、バインダー分としての粉末粘土を加えた。
【００３７】
【表５】

【００３８】
この結果によれば、ｐＨ調整剤の添加直後のスランプ値は１．０以下となり、平ダンプ等で搬出可能な性状に改質されていることが明らかになった（表６参照）。
【００３９】
【表６】

【００４０】
［第４実施例］
第３実施例でｐＨ調整剤を添加した実験対象土砂に、さらに、適量の固化材を加えた場合における改質土の性状を分析した。使用した固化材はスラグセメントと高炉セメントの２種類であり、高炉セメントを用いた場合には希硫酸を添加した（配合は表７参照）。
【００４１】
【表７】

【００４２】
この結果によれば、実験番号４−１の場合を除いて、コーン指数は３００（ｋＮ／ｍ²）を超えており（４００（ｋＮ／ｍ²）近傍）、盛土材料等に転用可能な性状に改質されていることが明らかになった（表８参照）。従って、塑性流動化用添加材とｐＨ調整剤を加えた実験対象土砂に、さらに、適量の固化材を添加することが有効であることが証明された（なお、塑性流動化用添加材の濃度を増加させることにより、又は、高炉セメントを加えることにより、コーン指数は大きくなり、強度が増加することが明らかになった）。
【００４３】
【表８】

【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、泥土圧シールド工法により生じた掘削土砂の性状を、簡易かつ容易に改質することが可能となり、当該掘削土砂の処理費用の低減を効果的に図ることができる。

Claims (3)

1. シールド掘削機前方の切羽に、水溶性高分子化合物である塑性流動化用添加材を送出して、掘削土砂と混合攪拌しながら切羽面を掘削する泥土式シールド工法において、
   前記掘削により生じた掘削土砂を搬出する途中で、前記掘削土砂に水素イオン濃度調整剤を添加して、前記掘削土砂のｐＨを８．２以上として、前記掘削土砂のスランプ値を低減させた状態で坑外へ搬出した後、
   該掘削土砂に強酸又は弱酸を加えて土砂と水分を分離させることを特徴とする掘削土砂の改質方法。
2. 前記塑性流動化用添加材と前記水素イオン濃度調整剤の組み合わせが、下記の（１）又は（２）であることを特徴とする請求項１記載の掘削土砂の改質方法。
   （１）前記塑性流動化用添加材としてのグアガムと、前記水素イオン濃度調整剤としてのホウ砂、ホウ酸又はアルミン酸ソーダ。
   （２）前記塑性流動化用添加材としてのカルボキシメチルセルロースと、前記水素イオン濃度調整剤としてのアルミニウム化合物。
3. 前記塑性流動化用添加材を前記掘削土砂の１００容量部に対して、１０容量部乃至３５容量部の範囲内で添加するとともに、
   前記水素イオン濃度調整剤を、前記掘削土砂の１容量部に対して、０．０５容量部乃至０．１５容量部の範囲内で添加することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の掘削土砂の改質方法。