JP5167190B2 - 高比重安定液及び掘削工法 - Google Patents

Description

本願発明は、高比重安定液及び掘削工法に関する。

近年の各種掘削工法において、掘削した壁面の保護が極めて重要となっている。それは、壁面の安定化、即ち壁面の崩落防止、逸水の防止等が各種工事、例えば土留掘削工法、くい工法、泥水シールド工法、注入工法、大深度掘削工法等の進捗に大きく関わる故である。
このため、掘削工法において、掘削面に安定液を投入して、壁面に液を浸透させ、その水圧を以って壁面に添加させるベントナイト等を土の粒子に堆留させる工法が多用されている。

又、この安定液は、循環式掘削工法等において、掘削土を地上まで運搬するために使用されている。地下に土留を制作する技術は、従来は土留め掘削中にベントナイト、水及び分散剤を混合し、安定液比重１．０３〜１．１程度に制作した安定液を掘削した地中に流し込んで土留壁を形成していた。

現在使用されている安定液は、比重１．１０以下で適正な粘度と造壁性を有すること、耐塩、耐セメント性が大で、コンクリートとの置換が良いことが求められている。
このため、土木建築方面で使用されている安定液としては一般的に、清水１００重量部に対し、ベントナイト２〜８重量部、ＣＭＣ０．０５〜０．５重量部のものが使用されている。

特開平９−３０２１４３号公報 特開２００５−３６１４４号公報 特開平７−３１６５５４号公報 特開２００１−２４０８５２号公報

この従来の一般的な安定液においては、その比重は１．０３〜１．１と小さいため、大深度土留の掘削の際に、或いは高圧地下水条件下の掘削の際に、崩落、崩壊を起こす危険性が大であった。このような地盤の掘削の際に、これら水圧に対し安定液圧が０．１〜０．３ｋｇｆ／ｃｍ^２程度上回ることが必要とされていた。

又、従来の安定液は、使用後、廃棄の際に溶液として運搬の必要があり、しかもベントナイトを含む安定液が産業廃棄物に指定されることで、公害物質としての処理方法に難渋すること、その運搬廃棄費用が高価となる欠点がある。

又、従来、高比重を得るための試みとして、例えば粘土鉱物としてベントナイト、カオリン鉱物等を配合したり、増粘剤としてＣＭＣやアニオン性水溶性高分子、アクリルアミド系重合体等を配合する提案がされている。

しかし、これら配合物は、腐敗しにくいこと、毒性がないこと、濾水性に優れていること等の有効な性質を有しながら、増重材としては用いることは困難であったり、使用上の難点があったりで実用性がなかった。
又、石油掘削用泥水に増重材として用いられる硫酸バリウムは、時間経過により分離し易くなり、安定性の確保に難があった。

そこで、本願発明においては、比重の大きい安定液を製造して、従来困難であった大深度掘削、高水圧地質の掘進に対応した強い泥膜形成を行うこと、又、掘削残土公害を減少させることを目的とする。このため、第一に、比重の大きい安定液を廉価に製作すること、次に、公害を発生するベントナイト等を出来るだけ使用せずに安定液を製作することが必要とされる。

しかし、比重を大きくすると、粒子は沈降分離し易くなり、安定液の効果が失われることになるので、一定期間液中に浮遊させるための方法が必要である。

更に、比重の大なる物質の選択において、使用物質を回収して何度でも使用することにより、コスト高を防ぐことが出来ることが肝要である。

本願発明は、上記の課題を解決するため、安定液の主材料として、従来の材料より比重の大きい物質、フェロシリコン（以下、Ｆｓ）、鉄粉など磁性のある物質を利用して安定液を製作し、これを使用し、安定液廃棄時には、排出液を磁力により主材料Ｆｓと残渣物に分離して、主材料Ｆｓを吸着回収するように構成するものであり、
第一に、掘削工法等において使用される安定液であって、磁力によって吸着できる磁性体を混入して、安定液比重を１．０１〜３．０に保持することを特徴し、
第二に、磁力によって吸着できる磁性体は、鉄粉であることを特徴とし、
第三に、磁力によって吸着できる磁性体は、フェロアロイであることを特徴とし、
第四に、磁力によって吸着できる磁性体は、フェロシリコンであることを特徴し、
第五に、掘削工法において使用される安定液であって、混合量１ｍ^３に対しフェロシリコン又は鉄粉１０００ｋｇ〜３０００ｋｇ、水５００ｋｇ〜１０００ｋｇ、ポリマー１〜５ｋｇを含有することを特徴とする磁力によって吸着できる磁性体は、フェロアロイである鉄粉であることを特徴とし、
第六に、安定液に使用される成分の粒径は、最大１００μｍ以下で５０μｍ径以下粒子を５０％以上含有することを特徴とし、
第七に、安定液の粘度は、３０００ｍＰａｓ以下であることを特徴とする高比重安定液である。
第八に、前記の高比重安定液を掘削孔内に供給し、掘削作業を行うことを特徴とし、
第九に、安定液内の磁力によって吸着出来る磁性体は、磁力により回収し、繰り返し使用することを特徴とし、
第十に、使用した安定液は、回転ドラムにて磁性体を吸着し、他の土砂混合物と分離することを特徴とする掘削工法である。

本発明請求項１によれば、極めて比重の高い安定液が得られる。これにより、掘削部等での掘削壁面に強い泥膜が形成され得る。このため大深度地下開発、インフラ整備、工事等において多用される各種掘削工法等において直面する大土圧、大水圧に対応して十分に崩落や滑落等の事故を防ぎ、安定液としての役割を十分に果たせる機能を有するものである。

請求項２，３，４，５によれば、磁力により吸着できる材料を増重材として使用しているため、一旦溶液使用後、磁性体を回収して、後で繰り返し使用が可能であり、回収率も良く、極めて経済的な安定液を提供できる。

請求項６，７によれば、本粒径により、浮遊粒子の分離沈降が防止され、所望期間浮遊させることが出来、安定液の作用を長期間保持させることが可能である。

請求項８によれば、各種掘削工法等において、掘削壁面等に薄く、強力な泥膜の形成により、過酷な条件下、例えば大土圧、大水圧を引き起こす大深度地下工事、地下水条件の酷しい工事等において地中崩壊を防止し、安定工法が達成し得る。

以上より、本発明方法は、土留掘削工法、くい工法、泥水シールド工法、注入工法、大深度掘削方法、掘削物の比重分離工法等各種の工法に使用可能である。
又、この方法によると、粒径、鉄分含有量等にもよるが、安定液中Ｆｓ量の約９０％は磁力により吸着できる。このため、排出物の残渣量は少なく、運搬量は少ない、ベントナイト液体を運搬しないので費用も安く、公害が少ない等の効果がある。

請求項９によれば、高価な磁性体を繰り返し使用することが出来、安定液コストの低減化を図ることが出来る。

請求項１０によれば、極めて簡単に土砂混合物と磁性体を分離することが出来、安定液コストの低減化を図ることが出来る。

本発明において使用される比重の高い物質としては、フェロアロイ、就中フェロシリコン、鉄粉等の磁性のある物質を使用する。
比重の高い物質としては、鉄分含有のＦｓを利用し、使用後、Ｆｓを磁力吸着、Ｆｓを取得し、残渣を廃棄する。安定液は、比重の大きい粒子を液中に長時間浮遊させるために、基本的にＳｔｏｋｅｓの定理により、粒径を小さくすること、粘度を大きくすること、粒子比重と安定液比重の差を小さくすることにより、液比重、液粘度、粒子比重、粒径及び補助剤の最適な数値を決める。

所望液比重の安定液を製造する場合、浮遊粒子の分離沈降防止の課題がある。フェロシリコン等の比重を大きくするほど沈降が早くなる。粒子を所望期間浮遊させ、沈降を防止する必要がある。浮遊粒子は高価なので回収する必要がある。安定液の適用範囲を広げるために出来るだけ大きい比重の安定液を製造する必要がある。

安定液の使用により、Ｆｓ比重を選択する。Ｆｓ規格、ＦｅＳｉ４５、密度５．１ｇ／ｃｍ^３、ＦｅＳｉ７５、密度２．８などを通常使用する。安定液比重が大きくなるためには、Ｆｓ粒子比重が大きいこと、それのみでなく、比重の大きい粒子が液中で沈降しないこと、もしくは遅いこと、そのためには、粒径は小さく、また粒子沈降が遅いためには、粒子比重と疑似液比重の差が小さく、また安定液の粘度は施工可能な範囲で小さいことが望ましい。

図３において、粘度Ｊ＝ｙをｙ軸、液比重Ｋ＝ｘ_１をｘ軸にとると、ｙ＝２６１２．８ｘ_１−４９０２．５の関係式が成り立つ。この際、決定係数Ｒ^２＝０．７９３３である。この関係図を図３に示す。

図４において、粘度Ｊ＝ｙをｙ軸、粒径Ｍ＝ｘ_２をｘ軸にとると、ｙ＝−１２８．７４ｘ_２＋１０６０７の関係式が成り立つ。この際、決定係数Ｒ^２＝０．６１３８である。この関係図を図４に示す。

図３、図４の関係図に示すように、液比重３．０を得るためには、液粘度は４０００ｍＰａｓ以下が望ましく、図４の関係図に示すように、粒子径は６０μｍ以下が望ましい。液比重２．０に対しては、粘度１００ｍＰａｓ以上、粒径１００μｍ以下が望ましい。この範囲内で、必要期間粒子が沈降しない安定液を製造することが出来る。

図１は、ベントナイト溶液の濃度による乾燥減量を示した実例で、図中Ａは、ベントナイト溶液濃度１０％、Ｂは同５％の夫々の乾燥減量図である。
これにより、溶液濃度が薄い程、乾燥度が良くなり、使用後の残存量は減少する。公害源としての減量を達成できることが示されている。

次いで、フェロシリコンと土砂混合物の分離について説明する。
図２は、Ｆｓと土砂混合物の分離機構の概略図である。これら分離機構は通常、安定液工法において使用される土砂分離機内又はそれと連撃乃至連動する如く設置して使用するのが便である。中央に鋼製のドラムＥがあり、該ドラムＥの内部には、磁石が装着してある。その上部に材料投入ホッパーＦがある。ドラムＥ下部には、ドラムＥと離れて削りヘラＧを付着し、ドラムＥに磁力付着したＦｓを削り落とす。

掘削混合物は、材料投入ホッパーＦに投入され、ドラムＥの表面に沿って流下する。Ｆｓは、ドラムＥの内部の磁力でドラムＥに吸着され、削りヘラＧで削られて、Ｆｓは落下容器Ｉに落下する。残渣物は、落下容器Ｈに落下する。このようにしてＦｓと、残渣物は分離される。
尚、この削りヘラＧは、自動又は手動にてドラムＥに接触或いは離間自在とさせてある。又、この削りヘラＧの接触は、材料投入ホッパーＦからの掘削混合物投下を止めた期間に行うのが便であるが、残渣物が混在しても問題ない。残渣物を落下容器Ｉに投下し、ドラムＥの横から下部に削りヘラＧを接離自在とし、Ｆｓを落下容器Ｈに収容することも出来る。

液比重２．０粘度、２００ｍＰａｓの安定液を得るために、Ｆｓ材料として、比重５．１、粒径１００μｍ以下、粒径５０μｍ以下５０％以上を、混合量１ｍ^３に対して、Ｆｓ１２５０ｋｇ、水７４６ｋｇ、ポリマー（ＲＢ−３５）を２．４ｋｇ、ベントナイト２５ｋｇ、（メッシュ３００）を混合し、安定液を製造した。
安定液の比重は、２．０２であり、粘度は１５３ｍＰａｓであった。簡易圧力計による３ｋｇ／ｃｍ^２，３０分間加圧後の浸潤液量は１５．４ｍｌ、ｐｈ＝１０．５、マッドケーキ厚は０．４３ｃｍであった。

安定液、粒子沈降実験は、容器５ｃｍ径、１００ｃｍ高のシリンダー、液比重２．０の沈降深さは、７２ｈｒ経過後で１０ｃｍ、１６８ｈｒ後で２０ｃｍであった。このように、安定液の比重が長時間確保されることが確認された。安定液使用後のＦｓ回収には、図２のように、材料投入ホッパーＦの混合物は、ドラムＥでＦｓは磁力吸着されて、落下容器Ｉに落下し、混合物のＦｓ以外の残渣物は、落下容器Ｈに落ちて分離される。磁力吸着には、９０００ガウスの磁石を使用した。

液比重３．０粘度、３０００ｍＰａｓの安定液を得るために、Ｆｓ材料として、比重６．５、粒径５０μｍ以下を、混合量１ｍ^３に対して、Ｆｓ２３４３ｋｇ、水６２９ｋｇ、ポリマー（ＲＢ−３５）を３．１３ｋｇ、ベントナイト３１．２５ｋｇ（メッシュ３００）を混合し、安定液を製造した。
安定液の比重は、３．０であり、粘度は２９５０ｍＰａｓであった。簡易圧力計による３ｋｇ／ｃｍ^２，３０分間加圧後の浸潤液量は３．０ｍｌ、ｐｈ＝１０．５、マッドケーキ厚は０．３６ｃｍであった。

安定液、粒子沈降実験は、容器５ｃｍ径、１００ｃｍ高のシリンダー、液比重３．０の沈降深さは、７２ｈｒ経過後で１０ｃｍ、１６８ｈｒ後で２０ｃｍであった。このように、安定液の比重が長時間確保されることが確認された。Ｆｓ混合物の磁力回収率は９０％であった。安定液使用後のＦｓ回収には、図２のように、材料投入ホッパーＦの混合物は、ドラムＥでＦｓは磁力吸着されて、落下容器Ｉに落下し、混合物のＦｓ以外の残渣物は、落下容器Ｈに落ちて分離される。磁力吸着には、９０００ガウスの磁石を使用した。

本発明一実施例による安定液のベントナイト重量／時間の乾燥減量図 本発明一実施例を示すＦｓと土砂混合物の分離機構の概略図 本発明一実施例による安定液の粘度／液比重の関係図 本発明一実施例による安定液の粘度／粒径の関係図

Ｅ 鋼製ドラム
Ｆ 材料投入ホッパー
Ｇ 削りヘラ
Ｈ 落下容器
Ｉ 落下容器
Ａ １０％ベントナイト
Ｂ ５％ベントナイト
Ｃ ベントナイト重量
Ｄ 時間
Ｊ 粘度
Ｋ 液比重
Ｌ 粘度／液比重
Ｍ 粒径
Ｎ 粘度／粒径

Claims (10)

1. 掘削工法等において使用される安定液であって、磁力によって吸着できる磁性体を混入して、液比重、粘度、粒径を下記数１、２により安定液比重を１．０１〜３．０に保持することを特徴とする高比重安定液。
   （数１） ｙ＝２６１２．８ｘ_１−４９０２．５ ｙ＝粘度 ｘ_１＝液比重
   （数２） ｙ＝−１２８．７４ｘ_２＋１０６０７ ｙ＝粘度 ｘ_２＝粒径
2. 磁力によって吸着できる磁性体は、鉄粉であることを特徴とする請求項１に記載の高比重安定液。
3. 磁力によって吸着できる磁性体は、フェロアロイであることを特徴とする請求項１に記載の高比重安定液。
4. 磁力によって吸着できる磁性体は、フェロシリコンであることを特徴とする請求項１又は3に記載の高比重安定液。
5. 掘削工法において使用される安定液であって、混合量１ｍ^３に対し磁力によって吸着できる磁性体１０００ｋｇ〜３０００ｋｇ、水５００ｋｇ〜１０００ｋｇ、ポリマー１〜５ｋｇを含有する請求項１に記載の高比重安定液であって磁力によって吸着できる磁性体は、フェロシリコン又は鉄粉であることを特徴とする高比重安定液。
6. 安定液に使用される磁性体の粒径は、最大１００μｍ以下で５０μｍ径以下粒子を５０％以上含有することを特徴とする請求項５に記載の高比重安定液。
7. 安定液の粘度は、３０００ｍＰａｓ以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の高比重安定液。
8. 請求項１から７の高比重安定液を掘削孔内に供給し、掘削作業を行うことを特徴とする掘削工法。
9. 使用した安定液は、磁力装着回転ドラムの外周に回転方向と同方向に供給し該ドラムに磁性体を吸着し、他の土砂混合物と分離することを特徴とする請求項８に記載の掘削工法。
10. 安定液内の磁力によって吸着出来る磁性体は、ドラム外周に磁力により付着回収し、繰り返し使用することを特徴とする請求項９に記載の掘削工法。

Images