JP4384832B2 - トンネル掘削法 - Google Patents
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Description
本発明は、トンネルの掘削およびそれにおいて用いられる組成物に関する。
【0002】
種々の地層に対する掘削能のような多くの長所を有するため、土圧バランスシールドトンネル掘削機(EPBS)は、非岩性地層(non-rock strata)におけるトンネルの掘削においてより頻繁に使用されている。EPBSは、同一直径を有する円筒状シールド上に、その回転軸がシールドの縦軸とが一致している、円形の回転可能な切削ヘッド(cutting head)を含む。シールド内には、切削ヘッドに物質の送達手段および土の運搬手段が内蔵されている。したがって、土は、切削ヘッド内の開口部を通って切削ヘッド直後に位置する掘削チャンバ(excavation chamber)に至り、それは続いて、一般的にはスクリュー型コンベヤーであるコンベヤーによって除去される。
【0003】
EPBSは、例えば、塑性を有する凝集性土において特に好適に機能するが、他のもの、例えば高粘度の粘着性土においては、EPBSの効率は低下する。この問題に対する一つの解決法は、掘削ヘッドに発泡水溶液(foamed aqueous solution)を添加することであり、これによって土の除去は遙かに容易になる。当該方法の例は、PCT出願公開WO 99/18330に見出すことができる。
【0004】
理想的には、切削ヘッドの土は、切削ヘッドを経由して掘削チャンバへ通過していくように、前記発泡物質の注入によって十分に塑性(plastic)となるべきである。この点において、それはコンベアーによる処理には適切であるが、これは常に好適であるとはいえない。例えば、粘土と水の割合が高い層からの土において生じる問題は、土の高流動性が維持されることであり、このことは、掘削チャンバからの効率的な除去を困難にするばかりでなく、シールドの後部に掘削チャンバから土が流出する結果を生じせしめる。
【0005】
発泡化剤を用いる別法によって、そのような土を効率的に除去することが可能であることがここに見出された。すなわち、本発明は、切削ヘッド、掘削により除去された土のための掘削チャンバおよび前記土を掘削チャンバから除去するための運搬手段を有する土圧バランスシールドトンネル掘削機を用いてトンネルを掘削する方法であって、前記切削ヘッドによって掘削されている土層に発泡水溶液が注入され、
(a)前記水溶液が、2つの必須成分である(i)硫酸塩またはスルホン酸塩含有陰イオン性界面活性剤、および(ii)β−ナフタレン硫酸塩−ホルムアルデヒド復水を含有すること、および
(b)掘削チャンバおよびコンベアーの少なくとも1つにおいて、本質的に高分子量のポリエチレンオキシドを、および任意に硫酸塩またはスルホン酸塩含有陰イオン性界面活性剤を含有する第2水溶液が、掘削により除去された土に適用されることを特徴とする、前記方法を提供する。
上記の(a)に記述された水溶液は、以下においては「第1水溶液」と呼称する。
【0006】
本発明は、トンネルを掘削する状態において、β−ナフタレンスルホン酸塩−ホルムアルデヒド復水(以下においてはその公知の略称である「BNS」と呼称する)と、ポリエチレングリコールとが、その正確な性質は未知であるが、相互作用を生じ、その結果、それらの両方が生じた土は固化するという発見に基づくものである。その結果、それらの両方を含有している土の流動性が低下し、コンベアーによる除去のためにより好適になる。
【0007】
第1水溶液の主成分であり、かつ第2水溶液の任意成分である陰イオン性界面活性剤は、当該技術分野において公知である、硫酸塩またはスルホン酸塩を含有する、あらゆる界面活性剤から選択されてよい。特に好ましい1つのタイプは、ポリアルキレンアルキルエーテル硫酸塩であり、それはポリアルキレン酸化物鎖が、平均鎖長2〜3のアルキレン酸化物ユニットを有するものである。典型的な市販品は、東邦化学工業(株)のアルスコープ(Alscope;(商標))シリーズを含む。
【0008】
他の特に好ましいタイプは、モノイソプロパノールアンモニウムラウリルアルコール硫酸塩(例えばスルフェタール(Sulfetal(商標))Cjot 160として商業的に入手可能)、例えばロードカル(Rhodocal(商標))A−246−Lとして商業的に入手可能なα−オレフィン硫酸塩(CAS登録番号68439−57−6)、ならびに脂肪族アルコールが好ましくはラウリルアルコールであり、エーテルが1〜3のアルキレン酸化物ユニットからなるアルキレン酸化物(好ましくはエチレンオキシド)鎖によって形成されたエーテルであり、および塩形成性陽イオンが、好ましくはアルカリ金属、マグネシウムおよびアルカノールアミンからから選択される、C8〜22脂肪族アルコールスルホン酸塩およびC8〜22脂肪族アルコールエーテルスルホン酸塩を含む。
【0009】
本発明において有用なBNSは、そのような商業的に入手可能な物質の広い範囲の中の如何なるものから選択されてもよい。BNSは、コンクリート用に、いわゆるスーパープラスティサイザー(superplasticiser)として、建築業界において大量に使用されている。商業的に入手可能な用材の例は、レオビルド(RHEOBUILD(商標))1100およびレオビルド 5500を含む。
ポリエチレンオキシド(PEO)は、商業的に周知の材料であり、適切な用材は利用可能な広い範囲から選ばれ得る。典型的な例は、ユニオンカーバイド社ののポリオックス(Polyox(商標))用材である。「高い分子量」によって意味されるのは、100,000〜8,000,000の重量平均分子量を有する用材である。好ましい分子量の範囲は2,000,000〜5,000,000である。
【0010】
これらの2つの主成分に加えて、第1水溶液に例えば生物致死剤および錯化剤のような、特定の特異的な作用を奏するのに有用であることが本技術分野において知られている他の物質を加えることができる。ある状況においては、典型的には長鎖脂肪酸を有するアミンである、発泡安定剤(foam stabilisers)も有用な場合がある。これらの補助物質は、技術上認められる(art-recognised)量において使用されてよい。ポリアルキレンアルキルエーテル硫酸塩界面活性剤が使用される場合、有用な付加物質は尿素であり、発泡溶液重量の0.03〜0.8%、好ましくは0.06〜0.25%の範囲まで加えられる。
【0011】
第1水溶液(切削ヘッドにおける発泡および添加用)の調製においては、BNSに対する界面活性剤のパーセント比(固体重量)は、1:99〜99:1の範囲で変更可能であり、より好ましくは90:10〜10:90であり、最も好ましくは70:30〜30:70である。(前記2つの主成分を異なる水溶液にそれぞれ別個に加えることはもちろん可能であるが、このことは単に取り扱い上の問題を増加させるにすぎず、作用の向上には結びつかない)。最も便利な取り扱いにおいては、前記2成分を水に溶解し、さらなる希釈、発泡化、および注入に適した濃縮物を形成せしめる。典型的には、該濃縮物は、固体重量の5〜40%、好ましくは8〜20%復水と界面活性剤を含む。
【0012】
切削ヘッドにおける注入のためには、この濃縮物は水で希釈され、それが最終的な第1水溶液の1〜20重量%、好ましくは2〜6重量%を構成するようにし、続いてそれは通常の発泡化手段によって発泡化され、発泡化前の第1水溶液の体積の2〜15倍、好ましくは8〜12倍に発泡化される。注入される泡の体積は、土1立方メートル当たり10〜1000リットル、好ましくは200〜600ポンドである。
【0013】
本発明はさらに、上記において定義された、発泡性液体濃縮物(fomable liquid concentrate)を提供する。
本発明はさらに、上記において定義された発泡体(foam)を提供する。
第2水溶液の調製においては、0.5〜2.0重量%、好ましくは0.8〜1.2%の範囲でポリエチレンオキシドが水に溶解される。硫酸塩またはスルホン酸塩含有陰イオン性界面活性剤が第2水溶液において用いられる場合、それは第2水溶液の5〜40重量%、好ましくは8〜20重量%の範囲まで存在する。硫酸塩またはスルホン酸塩含有陰イオン性界面活性剤の存在は、掘削チャンバからの土の除去に寄与し得る。界面活性剤が第2水溶液中に存在する場合、該溶液は掘削チャンバおよび/またはコンベアーへの添加の前に、通常の手段によって発泡化される。
【0014】
主要なポリエチレンオキシドおよび任意の陰イオン性界面活性剤に加えて、第2水溶液は、特定の作用を奏するために、技術上認められる物質も既知の量含有し得る。例には生物致死剤および錯化剤を含む。
【0015】
使用においては、第1水溶液が従来の手段によって発泡化され、次に、切削ヘッド中のポート(port)から、切削されている地層に注入される。土は掘削チャンバへ、切削ヘッドの中のポートを通って除去される。掘削チャンバの内容物に第2水溶液が加えられ、それが陰イオン性硫酸塩またはスルホン酸塩含有界面活性剤を含有している場合には発泡化される。その後、それは処分されるために、掘削チャンバからコンベアーによって取り出される。前記したように、掘削チャンバの内容物への第2の水溶液の添加に加えて、またはその添加の代わりに、第2水溶液はコンベアーにおいて加えられてもよい。
【0016】
本発明の方法は、粘土および水の含有割合が高い土を取り扱う場合に極めて有用であることが明らかになっている。例としては、地下鉄用トンネルの切削が公知の技術では困難であることが明らかになっているシンガポールの土が挙げられる。本発明の方法は、そのような土にも良好に機能し、効率的かつ経済的な切削および処分方法を可能にする。
さらに、本発明は、土圧バランスシールドトンネル掘削機を使用したトンネルの切削における、上記において定義された発泡体の、上記において定義された第2水溶液との組み合わせによる使用を提供する。
本発明は、非制限的な以下の例によってさらに説明される。
【0017】
例1
本発明の効果を説明する例である。
シンガポール・メトロ(Singapore Metro)の建築現場から採取された土(重く、水分の多い粘土)のサンプルを、英国標準BS 1377 Part 2の円錐進入試験(cone penetration test)に付した。これは、供試物質の可塑性またはの指標を与える試験である−円錐の進入が深いほど、サンプルはより可塑性または流動性に富む。3つのサンプル(サンプル1、2および3)は以下のように処理されたものである:
【0018】
サンプル1:無処理
サンプル2:陰イオン性界面活性剤であるスルフェタール(Sulfetal(商標)Cjot 160)が土の0.08重量%、およびBNS(レオビルド(Rheobuild(商標)5500)が0.04重量%混合される。
サンプル3:ポリエチレンオキシドであるポリオックス(Polyox(商標)WSR−301)0.01%をさらに添加した以外はサンプル2と同様。
【0019】
円錐進入試験の結果は以下の通りであった:
サンプル1:13.7mm、サンプル2:20.7mm、サンプル3:17.5mm
実用上の表現によれば、サンプル1は極めて強固である。サンプル2への2つの添加物の添加によって、該サンプルは極めて流動性に富み、そして容易に流れるようになった。サンプル3中のポリエチレンオキシドの添加によって、サンプルは再び固化するが、元のものほど固くなってはいない。
【0020】
例2
発泡化した組成物の使用の例である。
同様に、3つのサンプルが試験に付されるが、ここではドイツ国標準DIN 18 555の拡散性試験を行う。この試験には、テーブルにサンプルを置いた後、それが落とされ、そして衝突せしめられることを含む。衝突後のサンプルの拡散は、サンプルの流動性の指標となる−拡散が大きいほど、サンプルの流動性は高い。3つのサンプルは、落下の前に、以下のように処理に付された:
【0021】
サンプル1:無処理
サンプル2:α−オレフィンスルホン酸塩界面活性剤(ロードカル"Rhodocal"(商標)A-246-L)およびBNS(レオビルド("Rheobuild";商標)5500)の発泡化水性混合物による処理に付され、界面活性剤が0.08重量%およびBNSが0.04重量%混合されるように土に添加される。
サンプル3:ポリエチレンオキシド(ポリオックス(Polyox)WSR-301を)0.01重量%さらに添加した以外はサンプル2と同様。
【0022】
結果は以下のとおりである:
サンプル1:10.2cm.、サンプル2:15cm.、サンプル3:12.2cm。
例1と同様に、界面活性剤およびBNSの添加が、サンプルをより流動性にする。また、ポリエチレンオキシドの添加によって、サンプルは再び固化するが、元のものほど固くなってはいない。
【0023】
これは、現場においてトンネル掘削機の切削ヘッドにある物質を流動的にし得て、その結果、それが切削ヘッドを通って掘削チャンバへより容易に通過し、チャンバからの除去を効率化する(enhance)ために、次にそれが固化され得ることを意味する。
Claims (3)
- 切削ヘッド、掘削により除去された土のための掘削チャンバおよび前記土を掘削チャンバから除去するための運搬手段を有する土圧バランスシールドトンネル掘削機を用いてトンネルを掘削する方法であって、前記切削ヘッドによって掘削されている土層に発泡水溶液が注入され、
(a)前記水溶液が、2つの必須成分である(i)硫酸塩またはスルホン酸塩含有陰イオン性界面活性剤、および(ii)β−ナフタレン硫酸塩−ホルムアルデヒド復水を含有すること、および
(b)掘削チャンバおよびコンベアーの少なくとも1つにおいて、本質的に高分子量のポリエチレンオキシドを、および任意に硫酸塩またはスルホン酸塩含有陰イオン性界面活性剤を含有する第2水溶液が、掘削により除去された土に適用されることを特徴とする、前記方法。 - 請求項1に記載の方法において使用し得る発泡性液体濃縮物であって、硫酸塩またはスルホン酸塩含有陰イオン性界面活性剤およびβ−ナフタレンスルホン酸塩−ホルムアルデヒド復水を溶解せしめた水から本質的になり、該濃縮物における界面活性剤の復水に対する固体重量パーセント比が、99:1〜1:99であり、前記濃縮物が5〜40重量%の界面活性剤および復水を含むことを特徴とする、前記発泡性液体濃縮物。
- 請求項2に記載の濃縮物の1〜20重量%の水溶液である液体の発泡物である水性発泡体であって、泡の体積が前記水溶液の2〜15倍である、前記発泡体。
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