JP4725396B2 - 土圧式シールド工法における掘削土砂の性状評価方法及び添加剤の選定方法 - Google Patents

Description

本発明は、土圧式シールド工法における掘削土砂の性状評価方法及び添加剤の選定方法に関するものである。

一般的に、土圧式シールド工法において、チャンバー内の掘削土砂に流動性及び止水性を付与するために添加剤を添加する方法が用いられる。添加剤を添加する際は、種類、濃度、注入率等を選定するために、チャンバー内の掘削土砂の性状を把握する必要がある。このチャンバー内の掘削土砂の性状は、（１）土圧式シールド機のカッター回転トルク、推力、ジャッキスピード等の掘進状況、（２）手触りによる掘削土砂の硬い・軟らかい、水分の多い・少い等の定性的な測定結果、（３）スランプの定量的な測定結果、（４）他の現場での施工実績、に基づいて経験的に把握される。

また、チャンバー内の掘削土砂の性状を把握する方法として、例えば、特許文献１には、チャンバー内の掘削土砂の密度、含水量を測定する方法が開示されている。この方法は、添加剤が添加された掘削土砂の密度、含水量を複数の箇所でラジオアイソトープにより測定し、測定値に大きなバラツキがあれば混練が不十分であると判断し、掘進・排土を一旦停止して混練を十分に行い、チャンバー内の土砂の性状を均一化する。
特開平５−２６３５８４号公報

しかしながら、チャンバー内の掘削土砂を経験的に把握して添加剤を選定する方法では、次のような問題点があった。（１）現場経験の長い人間しか添加剤の選定ができず、現場経験の短い人間が添加剤の選定をすることができない。（２）今まで経験の無いトラブルが発生した場合に、迅速で、かつ適切な対応ができずに切羽が緩んでしまう可能性がある。（３）添加剤の濃度、注入率等について、過小設定又は過大設定の可能性があり、合理的な設定方法ではない。

また、特許文献１に記載の密度、含水量を測定する方法では、次のような問題点があった。（１）掘削土砂の性状は、地質、粒土構成等の様々な要因により異なるために、密度、含水量の２つの項目を測定するだけでは不十分である。（２）ラジオアイソトープにより密度、含水量を測定するためには高価な測定器が必要となるために、土圧式シールド機の設備投資が高くなる。

そこで、本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、土圧式シールド機のチャンバー内における掘削土砂の性状を定量的に評価するとともに、この評価結果に基づいて掘削に最適な添加剤の選定方法を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するため、本発明は、土圧式シールド機による掘削にて生じる掘削土砂の性状を評価するにあたり、
チャンバ内の掘削土砂の流動性、強度、粘着性、及び弾性の各物性値を測定し、
この測定した各物性値に基づいて、掘削土砂の性状を、流動性、強度、粘着性、及び弾性の各物性毎に評価する掘削土砂の性状評価方法において、
所定の大きさの容器に所定量の掘削土砂を収容し、
該容器内の掘削土砂に棒状の貫入手段を所定の距離及び所定の速度で挿脱して、該貫入手段の移動距離と該貫入手段を挿脱する際の荷重との関係を測定し、
該測定結果より前記各物性値を導出することを特徴とする（第１の発明）。
本発明による掘削土砂の性状評価方法によれば、掘削土砂の流動性、強度及び粘着性の物性値を測定し、これらの各結果に基づいて掘削土砂の性状を評価するために、掘削土砂の性状を定量的に把握することが可能となる。

また、掘削土砂の弾性の物性値を更に測定し、この測定結果に基づいて掘削土砂の弾性についての性状を定量的に評価するために、掘削土砂の性状をより正確に把握することが可能となる。

さらに、所定の大きさの容器に所定量の掘削土砂を収容し、該容器内の掘削土砂に棒状の貫入手段を所定の距離及び所定の速度で挿脱して、該貫入手段の移動距離と該貫入手段を挿脱する際の荷重との関係を測定し、該測定結果より前記物性値を導出するので、短時間で貫入手段の移動距離と貫入手段を挿脱する際の荷重との関係を測定することが可能となる。また、この測定結果に基づいて掘削土砂の流動性、強度、粘着性及び弾性の物性値を導出することが可能となる。さらに、この各物性値に基づいて掘削土砂の性状を評価するために、掘削土砂の性状をリアルタイムで把握することが可能となる。

第２の発明の測定装置は、第１の発明の掘削土砂の性状評価方法により土圧式シールド機による掘削にて生じる掘削土砂の性状を評価するにあたり、前記掘削土砂の物性を測定するための測定装置であって、掘削土砂を収容するための容器と、該容器内の掘削土砂に挿脱可能な棒状の貫入手段と、該貫入手段の移動距離及び挿脱速度を制御するための制御手段と、前記貫入手段の移動距離及び前記貫入手段を挿脱する際の荷重を測定するための測定手段とを備えることを特徴とする。
本発明による測定装置によれば、短時間で貫入手段の移動距離と貫入手段を挿脱する際の荷重との関係を測定することが可能となる。また、この測定結果に基づいて掘削土砂の流動性、強度、粘着性及び弾性の物性値を導出することが可能となる。

第３の発明の添加剤の選定方法は、土圧式シールド機による掘削にて生じる掘削土砂に添加する添加剤の選定方法において、第１の発明の掘削土砂の性状評価方法により、土圧式シールド機による掘削にて生じる掘削土砂の性状を流動性、強度、粘着性、及び弾性の各物性毎に評価し、該評価に基づいて、添加剤を選定することを特徴とする。
本発明による添加剤の選定方法によれば、掘削土砂の流動性、強度、粘着性及び弾性を測定して掘削土砂の性状を評価し、この評価に基づいて添加剤を選定するために、適切な添加剤を選択することが可能となる。

本発明の掘削土砂の性状の評価方法及び添加剤の選定方法を用いることにより、トンネル掘進中におけるチャンバー内の掘削土砂の性状を定量的に評価することができる。また、この評価結果に基づいて掘削土砂に最適の添加剤を選定して添加するために、切羽を安定させた状態で安全にトンネルを掘削することができる。

以下、本発明に係る掘削土砂の評価方法の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の第一実施形態に係る掘削土砂の物性の測定方法を示す図である。図１に示すように、掘削土砂１の物性を測定するための測定装置３は、掘削土砂１を収容するための容器７と、容器７内の掘削土砂１に挿脱可能な棒状の貫入手段としてのシリンダー９と、シリンダー９の移動距離及び挿脱速度を制御するための制御手段としてのジャッキ１１と、シリンダー９の移動距離及びシリンダー９を挿脱する際の荷重を測定するための測定手段としての変位計１３及び荷重計１５とを備える。この測定装置３を用いて、シリンダー９の移動距離とシリンダー９を挿脱する際の荷重との関係を測定した結果を以下の図２に示す。

図２は、本実施形態に係る掘削土砂１の物性の測定結果を示す図である。図２において、横軸は、シリンダー９の移動距離又は掘削土砂１の歪率を示し、縦軸は、シリンダー９を挿脱する際の荷重（つまり、掘削土砂１に作用する荷重又は応力）を示す。また、図３は、本測定の諸条件を示す図である。

図２及び図３に示すように、本測定では、容器７内の掘削土砂１にジャッキ１１にてシリンダー９を一定速度（２．５ｍｍ／ｍｉｎ）で、一定距離（２０ｍｍ）だけ貫入（図１及び図２の押に相当）した後に、引き抜き（図１及び図２の引に相当）した。測定は、シリンダー９の貫入及び引き抜きを５回（図２では２回目までの測定結果を示す）繰り返した。

図２に示すように、まず、シリンダー９を所定の位置から掘削土砂１まで下降させる際の荷重は０であるが、シリンダー９が掘削土砂１内に貫入し始めると荷重が発生する。この荷重はシリンダー９を掘削土砂１に深く挿入するにつれて徐々に大きくなる（図中の押に相当）。次に、シリンダー９を一定距離（２０ｍｍ）貫入した後、シリンダー９を掘削土砂１から引き抜き始める。すると、シリンダー９には掘削土砂１の付着抵抗による荷重が作用するようになり（図中の引に相当）、シリンダー９を掘削土砂１から完全に引き抜くと、この荷重は徐々に０になっていく。

シリンダー９の移動距離とシリンダー９を挿脱する際の荷重との関係に基づいて、流動性、強度、粘着性、弾性を導出した。なお、流動性、強度、粘着性、弾性の物性値は、図２の測定結果から次のように求められる。
（１）掘削土砂１の流れ動く性質を示す流動性は、掘削土砂１が変形し続けた際の最大荷重ｈａで求められる。
（２）掘削土砂１の硬さを示す強度は、掘削土砂１が変形する破断点の破断荷重ｈｃで求められる。
（３）掘削土砂１のねばりつく性質を性す粘着性は、シリンダー９を貫入して引き抜く際の付着抵抗による運動エネルギーＡ３（ハッチング部分の面積）で求められる。
（４）掘削土砂１の変形性能を示す弾性は、シリンダー９の繰り返し貫入による掘削土砂１の繰り返し変形に必要な運動エネルギーの比Ａ２／Ａ１（ハッチング部分の面積比）で求められる。

以下、上記の各物性値に基づいた各物性の評価について説明する。
図４は、本実施形態に係る掘削土砂１の流動性の評価を示す図であり、横軸は、評価結果を示し、縦軸は、最大荷重ｈａの高低を示す。図４に示すように、掘削土砂１の最大荷重ｈａの値が中程度の場合は、掘削土砂１は静止した状態では流動せず、大きな外力が作用すると流動化する。この状態は塑性流動状態であり、流動性は良好であると判定する。なお、最大荷重ｈａの値が中程度の掘削土砂１の状態は、従来の触感による評価方法では、手で掘削土砂１を掴めるが握ると流動化する状態と同程度である。

また、掘削土砂１の最大荷重ｈａの値が高い場合は、掘削土砂１は静止した状態では流動せず、大きな外力が作用しても流動化し難い。この状態は塑性状態であり、流動性は不良であると判定する。なお、最大荷重ｈａの値が低い掘削土砂１の状態は、従来の触感による評価方法では、手で掘削土砂１を掴めて、かつ、握っても流動化しない状態と同程度である。
そして、掘削土砂１の最大荷重ｈａの値が低い場合は、掘削土砂１は自己流動状で、小さな外力が作用すると流動化する。この状態は流動状態であり、流動性は不良であると判定する。

図５は、本実施形態に係る掘削土砂１の強度の評価を示す図であり、横軸は、評価結果を示し、縦軸は、破断荷重ｈｃの高低を示す。図５に示すように、掘削土砂１の破断荷重ｈｃの値が低い場合は、掘削土砂１は液体状で、そのもの自体は小さな力で壊れる状態であり、強度は良好であると判定する。なお、破断荷重ｈｃの値が低い掘削土砂１の状態は、従来の触感による評価方法では、手で掘削土砂１を握って容易に壊れる状態と同程度である。

また、掘削土砂１の破断荷重ｈｃの値が高い場合は、掘削土砂１は固体状で、そのもの自体は大きな力で壊れない状態であり、強度は不良であると判定する。なお、破断荷重ｈｃの値が高い掘削土砂１の状態は、従来の触感による評価方法では、手で掘削土砂１を握っても壊れない状態と同程度である。

図６は、本実施形態に係る掘削土砂１の粘着性の評価を示す図であり、横軸は、評価結果を示し、縦軸は、運動エネルギーＡ３の高低を示す。図６に示すように、掘削土砂１の繰り返し変形に必要な運動エネルギーＡ３の値が中程度の場合は、掘削土砂１に多少べたつきがあり、物に付着した掘削土砂１が容易に取れる状態であり、粘着性は良好であると判定する。なお、運動エネルギーＡ３の値が中程度の掘削土砂１の状態は、従来の触感による評価方法では、手で握った掘削土砂１が容易に手から剥がれる状態と同程度である。

また、掘削土砂１の繰り返し変形に必要な運動エネルギーＡ３の値が低い場合は、掘削土砂１のべたつきが無くて物に全く付着せず、粘着性は不良であると判定する。なお、運動エネルギーＡ３の値が低い掘削土砂１の状態は、従来の触感による評価方法では、手で握った掘削土砂１が手に付着しない状態と同程度である。
そして、掘削土砂１の繰り返し変形に必要な運動エネルギーＡ３の値が高い場合は、掘削土砂１がべたべたして付着した土砂が容易に取れず、粘着性は不良であると判定する。なお、運動エネルギーＡ３の値が高い掘削土砂１の状態は、従来の触感による評価方法では、手で握った掘削土砂１が容易に手から剥がれない状態と同程度である。

図７は、本実施形態に係る掘削土砂１の弾性の評価を示す図であり、横軸は、評価結果を示し、縦軸は、運動エネルギーの比Ａ２／Ａ１の高低を示す。図７に示すように、掘削土砂１の掘削土砂１の繰り返し変形に必要な運動エネルギーの比Ａ２／Ａ１の値が高い場合は、物体を変形させた時の回復性が高い。この状態は弾性状態であり、弾性は良好であると判定する。なお、運動エネルギーの比Ａ２／Ａ１の値が高い掘削土砂１の状態は、従来の触感による評価方法では、手で掘削土砂１を握ったときに、ふわふわした状態と同程度である。

また、掘削土砂１の掘削土砂１の繰り返し変形に必要な運動エネルギーの比Ａ２／Ａ１の値が低い場合は、物体を変形させた時の回復性が低い。この状態は、非弾性状態であり、弾性は不良であると判定する。なお、運動エネルギーの比Ａ２／Ａ１の値が低い掘削土砂１の状態は、従来の触感による評価方法では、手で掘削土砂１を握ったときに、がさがさした状態と同程度である。

次に、上述した各物性の評価結果に基づいた添加剤の選定方法について説明する。本実施形態においては、説明の便宜上、土圧式シールド工法が適用される軟弱地盤を掘削することにより生じると推定される掘削土砂１の物性の評価結果を、例えば、５つのケースについてピックアップし、各ケースの添加剤の選定方法について説明する。なお、本実施形態においては、５つのケースについてピックアップして説明するが、この数に限定されるものではなく、各物性の評価結果をそれぞれ組み合わせた数だけ評価結果は存在するために、適宜各現場状況に応じて添加剤を選定する。

図８は、本実施形態に係る各ケースの掘削土砂１の性状の評価結果と添加剤選定結果を示す図である。

図８に示すように、ケース１の砂・礫地盤において、掘削土砂１が流動状態で軟らかく、かつ、非弾性状態で粘着性が低い場合は、掘削土砂１を塑性流動化し、かつ、粘着性を向上させる機能を有する塑性化剤を選定する。この塑性化剤が、土粒子と水とを包み込み団粒化して掘削土砂１を塑性流動化状態にするとともに、土粒子に粘着性を付与して粒子間の摩擦抵抗を増加させて粘着性を向上させる。塑性化剤の濃度、注入率は、流動性、粘着性の物性値に応じて適宜変更し、具体的には、流動性、粘着性が低いほど、例えば、塑性化剤の濃度は濃く、注入率は高くする。

ケース２の砂・礫地盤において、掘削土砂１が塑性状態で硬く、かつ、非弾性状態で粘着性が低い場合は、掘削土砂１を塑性流動化し、かつ、粘着性を向上させる機能を有するＢタイプ（気泡シールド工法−技術資料−第４版：シールド工法技術協会、平成１５年３月発行）の特殊起泡材を添加する。このＢタイプの特殊起泡材は、特殊起泡剤に起泡添加剤を加えた水溶液であり、この特殊起泡剤が、塑性状態の掘削土砂１を塑性流動化状態にするとともに、土粒子に粘着性を付与して粒子間の摩擦抵抗を増加させて粘着性を向上させる。さらに、起泡添加剤が、気泡に強靱な膜を形成することにより、長時間気泡の効果を維持する。

ケース３の泥岩地盤において、掘削土砂１が塑性状態で硬く、かつ、非弾性状態で粘着性が高い場合は、掘削土砂１を塑性流動化し、かつ、粘着性を低下させる機能を有する浸透剤を添加する。この浸透剤が、土粒子と水とを包み込み団粒化している塑性状態の掘削土砂１の土粒子から水を流離させて塑性流動化するとともに、粒子間の電気化学的凝集力を低下させて各粒子を分散状態として粘着性を低下させる。粘着性を低下するために、掘削土砂１の土圧式シールド機への付着を少なくする。浸透剤の濃度、注入率は、流動性、粘着性の物性値に応じて適宜変更し、具体的には、流動性、粘着性が高いほど、例えば、浸透剤の濃度は濃く、注入率は高くする。

ケース４の粘性土地盤において、掘削土砂１が塑性流動化状態で硬く、かつ、弾性状態で粘着性が中程度の場合は、掘削土砂１は良好であると評価し、掘削土砂１の流動性及び粘着性を維持する機能を有するＡタイプ（気泡シールド工法−技術資料−第４版：シールド工法技術協会、平成１５年３月発行）の特殊起泡材を添加する。このＡタイプの特殊起泡材は、特殊起泡剤の水溶液である。

ケース５の砂質地盤において、掘削土砂１が塑性流動状態で軟らかく、かつ、弾性状態で粘着性が中程度の場合は、掘削土砂１は良好であると評価し、掘削土砂１の流動性及び粘着性を維持する機能を有するＡタイプの特殊起泡材をケース４と同様に添加する。

したがって、本実施形態における掘削土砂１の性状評価方法によれば、掘削土砂１の流動性、強度、粘着性及び弾性の物性値を測定し、これらの各結果に基づいて掘削土砂１の性状を評価するために、掘削土砂１の性状を定量的に把握することが可能となる。

また、定量的に評価された結果に基づいて添加剤を選択するとともに、添加剤の濃度、注入率等を選定するために、添加剤の合理的な添加が可能となる。

また、本発明による測定装置３によれば、各物性値の測定を容易に短時間で行うことが可能となる。したがって、掘削土砂１の性状をリアルタイムで把握することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る掘削土砂の物性の測定方法を示す図である。 本実施形態に係る掘削土砂の物性の測定結果を示す図である。 本測定の諸条件を示す図である。 本実施形態に係る掘削土砂の流動性の評価を示す図である。 本実施形態に係る掘削土砂の強度の評価を示す図である。 本実施形態に係る掘削土砂の粘着性の評価を示す図である。 本実施形態に係る掘削土砂の弾性の評価を示す図である。 本実施形態に係る各ケースの掘削土砂の性状の評価結果と添加剤選定結果を示す図である。

符号の説明

１ 掘削土砂
３ 測定装置
７ 容器
９ シリンダー
１１ ジャッキ
１３ 変位計
１５ 荷重計

Claims (3)

1. 土圧式シールド機による掘削にて生じる掘削土砂の性状を評価するにあたり、
   チャンバ内の掘削土砂の流動性、強度、粘着性、及び弾性の各物性値を測定し、
   この測定した各物性値に基づいて、掘削土砂の性状を、流動性、強度、粘着性、及び弾性の各物性毎に評価する掘削土砂の性状評価方法において、
   所定の大きさの容器に所定量の掘削土砂を収容し、
   該容器内の掘削土砂に棒状の貫入手段を所定の距離及び所定の速度で挿脱して、該貫入手段の移動距離と該貫入手段を挿脱する際の荷重との関係を測定し、
   該測定結果より前記各物性値を導出することを特徴とする掘削土砂の性状評価方法。
2. 請求項１記載の掘削土砂の性状評価方法により土圧式シールド機による掘削にて生じる掘削土砂の性状を評価するにあたり、前記掘削土砂の物性を測定するための測定装置であって、
   掘削土砂を収容するための容器と、
   該容器内の掘削土砂に挿脱可能な棒状の貫入手段と、
   該貫入手段の移動距離及び挿脱速度を制御するための制御手段と、
   前記貫入手段の移動距離及び前記貫入手段を挿脱する際の荷重を測定するための測定手段と、
   を備えることを特徴とする測定装置。
3. 土圧式シールド機による掘削にて生じる掘削土砂に添加する添加剤の選定方法において、
   請求項１記載の掘削土砂の性状評価方法により、土圧式シールド機による掘削にて生じる掘削土砂の性状を流動性、強度、粘着性、及び弾性の各物性毎に評価し、
   該評価に基づいて、添加剤を選定することを特徴とする添加剤の選定方法。