JP4955329B2 - 噴泥防止方法 - Google Patents

Description

本発明はまくらぎがバラスト上に敷設されるバラスト軌道において、滞水下での列車の通行に伴うレールの沈下と弾性回復が繰り返されることによる噴泥の発生を防止する噴泥防止方法に関するものである。

バラスト上に敷設されたまくらぎにレールを締結したバラスト軌道においては、道床の構造が変化する箇所の他、レールの継ぎ目等の近辺で荷重変動が生じ、まくらぎに局所的な沈下（軌道沈下）が生ずることがある。まくらぎに局所的な沈下が発生すると、列車が通過した後のレールの弾性回復によりレールに締結されているまくらぎが持ち上げられ、いわゆる浮きまくらぎの状態になることが多い。

一度浮きまくらぎが発生すると、列車が通過する度にまくらぎが道床に叩き付けられてまくらぎに衝撃的な荷重が作用するため、まくらぎの沈下が促進され、次第に大きな軌道狂いを発生させることになる。特に図２に示すように路盤に雨水が滞水している状態では、列車通過時の浮きまくらぎの降下によるポンピングアクションにより路盤土が吸い上げられてバラスト外へ噴出する、いわゆる噴泥の発生が顕著になる。

一般にバラスト軌道の噴泥発生箇所には道床中に細粒土が混入している。この細粒土混入バラストは乾燥時に固結するため、道床及び軌道を復元する軌道整正の作業を困難にする。反面、滞水時には急激に強度が低下して軌道沈下を増大させるため、噴泥の発生を誘発する。

このように噴泥の根本的な原因は軌道沈下と滞水であるため、道床を固結して軌道沈下を抑制するか、路盤を被覆して滞水を防止すれば、噴泥を防止することができると考えられる。

これまでセメントやアスファルトを用いて道床を固結する工法が既に実用化されている（特許文献１、２参照）。最近では有機高分子系の地盤改良材を用いて滞水を防止したり、道床を固結する等して噴泥を防止することが試みられている（特許文献３、４参照）。

特開平６−１７３２０７号公報（段落００１３、００２１、図１） 特開平１０−２７９３４０号公報（請求項１〜請求項４、段落００１６〜００２２、図１） 特開２０００−３０３４０３号公報（請求項１、段落００２４、図１） 特開２００２−３６３９０３号公報（請求項１、段落０００７）

しかしながら、道床を過度に固結してしまうと、逆に軌道整正の作業が困難になる。また有機系の材料がバラストに混入していると、バラスト交換等を行った際に発生した土砂を建設資材等としてリサイクルすることが困難になり、環境負荷が高くなる。

本発明は上記背景より、道床を過度に固結せず、環境負荷を大幅に低減できる噴泥防止方法を提案するものである。

請求項１に記載の発明の噴泥防止方法は、生分解性高分子材を主剤とするポリマー水溶液をまくらぎが敷設された道床中に浸潤させ、前記道床内に混入している細粒土を凝集させ、前記生分解性高分子材はポリビニルアルコールであることを構成要件とする。ポリマー水溶液は主として道床上に散布されることにより、もしくは道床中に注入されることにより道床中に浸潤（浸透）させられる。

ポリマー水溶液は道床に散布、もしくは注入等された後、乾燥した状態ではセメント系材料のように固結することなく弾性（柔軟性）を有し、道床（バラスト）から強制的な変形を受けたときにその変形に追従できる性質を有する。

このことから、ポリマー水溶液は細粒土回りに浸潤させられることで、水溶液の状態で細粒土の各粒子間に浸透し、そのまま乾燥することによりポリマーとして適度の弾性を有した状態で細粒土を凝集させ、団粒化させる。このとき、ポリマーは細粒土を固結させることなく細粒土の各粒子同士を付着させた状態に維持する。細粒土が凝集させられる結果、道床を構成するバラストの載荷に対する安定性が確保されるため、道床の支持強度が向上する。

生分解性高分子材（生分解性プラスチック）には請求項１に記載のように一例として化学合成系のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が使用される。但し、ポリマーが乾燥した後にも固結することなく柔軟性を保有する性質を有すれば、細粒土を凝集させる機能を発揮できるため、生分解性高分子材は微生物系、化学合成系、天然高分子系の別を問わない。

ポリマーが乾燥したときの柔軟性の程度はポリマー（生分解性高分子材）の水に対する質量比によって調整される他、請求項２に記載のようにポリマー水溶液に増粘剤を添加し、ポリマーの粘性を高めることによっても調整される。この場合、ポリマーの広がりを抑えるだけでなく、厚みを増し、高くする効果（積層効果）を得るために、増粘剤と共にＣＭＣ（カルボキシメチルセルロースナトリウム）等を加えることもある。請求項２における増粘剤は増粘剤単体の場合と、このＣＭＣ等を含む場合がある。増粘剤等を添加するか否かは、主として道床中の細粒土の混入比率によって決まるが、増粘剤等の添加によりポリマー自体の粘性が上がるため、前記積層効果によりポリマーの散布・注入後にポリマーを流失させずに、道床内に留まるようにすることが可能である。

また生分解性高分子材が生分解する速度は生分解性高分子材自身の配合比によって自由に決められる。この配合比は例えば軌道保守周期（サイクル）に合わせて調整され、数年に一度程度の軌道保守と同時期に散布・注入することができるように設定される。なお、残土処理の際は別途培養した分解菌を散布・注入し、生分解を促進処理する方法を併用することも考えられる。

細粒土の各粒子間にポリマーが浸透し、細粒土が固結せずに団粒化することで、滞水下においても各粒子が一定のせん断抵抗力を保有し、荷重支持能力を発揮できるため、浮きまくらぎが発生する事態が回避、もしくは抑制され、噴泥の発生が防止される。ポリマーが一定の噴泥防止効果を発揮することは後述の実験結果に表れている。

ポリマー水溶液は生分解性高分子材を主剤とすることから、細粒土は永久的に団粒化状態を維持することはなく、前記のようにある期間が経過すれば、微生物による分解に伴い、団粒化状態が次第に失われていく。一方、バラスト軌道は数年に一度等、一定期間単位で軌道整正されることが予定されているため、細粒土の団粒化状態の喪失は道床を保全することに適合している。ポリマーが自ら経年的に分解していくことによりバラスト交換等を行う際に、ポリマーを含んでいる細粒土混入バラストが産業廃棄物化することがなく、環境負荷が低減される。

すなわち、数年に一度の頻度で実施される軌道整正のサイクルでポリマーが分解されるように配合が調整されれば、軌道整正の度にポリマー水溶液の散布も並行して実施することが可能である。この場合、ポリマー水溶液の散布は軌道整正後に行われる。

本発明の方法はポリマー水溶液の散布、もしくは注入後、数日間の乾燥期間を経て効果を発揮する。乾燥期間中の列車走行は問題ないが、大量の降雨があると材料が流出して効果が低下する可能性があるため、乾季の施工が望ましい。ポリマーは一旦、乾燥すれば細粒土を凝集させる効果を維持できるため、乾燥後に降雨があってもポリマーの機能に影響はない。なお、適当な架橋剤を用いることで、生分解性に影響が生じる可能性があるものの、雨季や常時滞水している箇所への施工も可能となる。

より高い噴泥防止効果を得る上では、請求項４に記載のように請求項１乃至請求項３に記載の発明において、まくらぎの底面下に粒状充填材を充填することが行われる。粒状充填材の粒径は道床を構成するバラスト（砕石）の粒径より小さいが、一般に噴泥発生箇所の既設バラストの粒子間は細粒土で埋まっているため、粒状充填材が既設バラスト内に落下、あるいは貫入することはほとんどない。粒状充填材は沈下した軌道を扛上した際に生ずる、まくらぎ底面と既設バラスト上面との間の隙間を埋めるように充填され、充填後は既設バラストと一体となってまくらぎから伝達される列車荷重を支持する。

ここで、ポリマー水溶液の散布、もしくは注入後に降雨があった場合のポリマーによる細粒土の凝集効果を確認するために、図４に示す実物大軌道模型を用い、降雨時を想定した列車荷重載荷試験を行った結果を図３に示す。路盤は粘性土地盤であり、道床には細粒土混入バラストを用い、レール上に１００ｋＮの軸荷重を５Ｈｚの周波数で載荷した。図４中、星印が散水位置を、○印が載荷点を示す。

ポリマー水溶液としては、質量比で１０％のポリビニルアルコールを配合した水溶液を使用し、図１に示すような、容器から直接道床上に流し込む要領で１ｍ^２当たり、１４リットル散布した。ここでは隣接するまくらぎ間の間隔、道床の厚さ等の条件から、ポリマー水溶液の散布量を１４リットル／ｍ^２とし、この散布密度から、ポリビニルアルコールの濃度を１０％に設定している。但し、ポリビニルアルコールの濃度は散布の密度に応じて任意に設定され、１０％未満の場合と１０％を超える場合がある。

載荷試験開始後、前半の４０万回は軌道が乾燥した状態で、後半の４０万回は散水しながら載荷試験を実施した。散水量は２０ｍｍ／時（ｈ）の降雨に相当する量としている。図３中、○がポリマー処理した地点での結果を、□が未対策の地点での結果を示す。

図３から、ポリマー水溶液の散水前には未対策軌道、及びポリマー処理軌道のいずれも同様の沈下曲線を示しているが、未対策軌道は散水開始直後から急速に沈下が進行するのに対し、ポリマー処理軌道は大きな沈下を発生していないことが分かる。すなわち、本工法による軌道沈下抑制とそれに伴う高い噴泥防止効果が顕著に表れていることが分かる。

また図３から分かるようにポリマー処理軌道では４０万回を超えた時点からポリマー処理による軌道沈下抑制が極端に低下することがないため、ポリマー水溶液の散布密度を１４リットル／ｍ^２より低減させても一定以上の効果が維持されることが推定される。このことから、ポリマー水溶液が平面上、均等に満遍なく散布されるようにすれば、軌道整正のサイクルにもよるが、ポリビニルアルコールの濃度を一定にしたまま、１ｍ^２当たりの散布量を３リットル程度まで低減させることが可能であると考えられる。

一方、実験での実施状況から、ポリマー水溶液の散布、または注入作業をする上で、水溶液の流動性、または粘性による取り扱い易さ、及び散布等したときの道床への浸透のし易さ等の面では、ポリビニルアルコールの濃度を１０％、またはその前後程度に設定することが適切であると判断される。濃度が高ければ、散布しにくく、道床中へは広範囲に浸透しにくい反面、濃度が低ければ、道床中で一定の領域内に留まりにくいことが想定されることによる。

乾燥状態で固結せずに柔軟性を有するポリマー水溶液を道床中に浸潤させるため、細粒土を固結させることなく、適度の弾性を有した状態で凝集させ、団粒化させることができる。この結果、滞水下においても細粒土の各粒子が一定のせん断抵抗力を保有し、荷重支持能力を発揮できるため、浮きまくらぎに起因する噴泥の発生を効果的に防止することができる。

またポリマー水溶液が生分解性高分子材を主剤とすることで、ポリマーによって団粒化した細粒土の団粒化状態はある期間が経過すれば次第に失われていくため、環境負荷を低減することができる上、数年に一度等の割合で実施される軌道整正を阻害することがない。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は生分解性高分子材を主剤とするポリマー水溶液１をまくらぎ３が敷設された道床４中に浸潤（浸透）させ、道床４内に混入している細粒土を凝集させる噴泥防止方法の施工要領を示す。図２は本発明の実施対象となる道床４が滞水している状況を示す。図２はまくらぎ３下の、細粒土混入バラストからなる道床４の一部が沈下し、沈下部分に泥水が滞留している状況を示している。

ポリマー水溶液１は図１に示すように隣接するまくらぎ３、３間の道床４上から散布される、もしくは側面から道床４中に注入されるが、道床４中に浸潤させるための具体的な方法は問われない。図示するように生分解性高分子材としてのポリビニルアルコールを水溶させてそのまま作製した容器２からポリマー水溶液１を直接流し込む他、注入ホースその他の器具を用いて散布、注入等が行われる。容器２の形態は一切問われず、容器２を傾けることなく、容器２の下方に形成した開口、または接続した管からポリマー水溶液１を流し込むこともある。

ポリマー水溶液１は道床４中に、路盤５の表面、もしくはその付近まで浸潤し、１日〜数日間の乾燥期間を経て道床４中の細粒土を凝集させ、団粒化させる。団粒化した細粒土は載荷回数（列車の通過回数）、降雨量にもよるが、１〜数年間は団粒化状態を維持し、道床４の沈下、及びそれに伴うまくらぎ３の沈下を防止、または抑制する。

図１では噴泥防止効果を高めるために、ポリマー水溶液１の散布等と併せ、まくらぎ３の底面下に粒状充填材６を充填し、道床４の緩みを抑制する処理も実施している。粒状充填材６は各まくらぎ３の底面直下に集中的に充填されることで、まくらぎ３による軌道（レール）７の支持強度を高める働きをする。

粒状充填材６の粒径は特に限定されないが、軌道支持強度を上げる上では粒径が大きい方がよい。圧縮空気を用いて充填される場合には１〜数ｍｍの粒径になる。粒状充填材６の充填は主としてポリマー水溶液１が散布される範囲のまくらぎ３に対して施される。

粒状充填材６は例えば注入ホースが接続された容器に充填された状態で、容器内に圧縮空気が送り込まれることにより注入ホースの先端から吐出させられ、図２に示すように泥水が滞留してできた、まくらぎ３直下の空隙に充填される。

本発明の方法の施工時の様子を示した縦断面図である。 まくらぎの下に滞水が生じ、噴泥が発生するときの様子を示した縦断面図である。 本発明の方法を実施した場合と実施しない場合の軌道模型による載荷回数と軌道沈下量の関係を示したグラフである。 図３の実験に使用した模型における載荷点と散水位置を示した平面図である。

１………ポリマー水溶液
２………容器
３………まくらぎ
４………道床
５………路盤
６………粒状充填材
７………軌道

Claims (4)

1. 生分解性高分子材を主剤とするポリマー水溶液をまくらぎが敷設された道床中に浸潤させ、前記道床内に混入している細粒土を凝集させ、
   前記生分解性高分子材はポリビニルアルコールであることを特徴とする噴泥防止方法。
2. 前記ポリマー水溶液に増粘剤が添加されていることを特徴とする請求項１に記載の噴泥防止方法。
3. 前記まくらぎの底面下に圧縮空気を用いて粒状充填材を充填することを特徴とする請求項１又は２に記載の噴泥防止方法。
4. 前記ポリビニルアルコールの濃度は１０％前後程度である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の噴泥防止方法。

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