JP5533267B2 - シールドトンネル構築システム、及び、シールド工法 - Google Patents

Description

本発明は、シールドマシンから各種の注入材を注入しつつ地盤を掘削し、シールドトンネルを構築するシールドトンネル構築システム、及び、シールド工法に関する。

地盤を掘削してシールドトンネルを構築する場合、シールドマシンからは、起泡材（気泡）、滑材、裏込材といった各種の注入材が地盤へ向けて注入される。例えば、特許文献１には、気泡シールド工法において生分解性の起泡材を地盤との間に注入することが開示されている。

特開２００７−２１６８号公報

シールド工法で用いられる注入材は、土中に存在する微生物によって分解されるなどし、時間が経過することで消失する。この注入材は、環境に影響を与えない成分で構成されているため、放置しておいても問題にならない。しかし、その地盤に最初から存在する成分ではないため、早期に分解させることが好ましい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シールド工法で用いられる注入材の分解を促進させることにある。

前記目的を達成するため、本発明は、地盤を掘削して覆工体を構築するシールドマシンと、前記地盤に存在する微生物を活性化する気体成分を、超微細気泡の状態で水に含ませることにより、超微細気泡水を生成する超微細気泡水生成装置と、前記シールドマシン側から前記地盤に向けて注入される注入材を、前記超微細気泡水を用いて製造する注入材製造部とを有するシールドトンネル構築システムであって、前記注入材製造部は、前記地盤における掘削面と前記覆工体との間に注入される透水性裏込材を製造する裏込材製造部と、前記地盤の掘削面と前記シールドマシンの外殻表面との間に注入される滑材を製造する滑材製造部と、前記シールドマシンの切羽部分に注入される気泡の基となる起泡材を製造する起泡材製造部とを含み、前記シールドマシンは、前記透水性裏込材の注入位置が前記滑材の注入位置よりも掘進方向の後方であって、前記滑材の注入位置が前記起泡材の注入位置よりも掘進方向の後方であり、前記透水性裏込材、前記滑材、及び前記起泡材のうちの少なくとも２種が、前記超微細気泡水を用いて製造されていることを特徴とする。

本発明によれば、超微細気泡水には、微生物を活性化する気体成分が超微細気泡の状態で含まれている。この超微細気泡は水中に留まり易い性質を有している。このため、気体成分は、シールドマシンから地盤へ向けて注入される注入材の中に留まっており、地盤に存在する微生物に吸収される。その結果、微生物が活性化され、自然環境下で微生物が分解するよりも、注入材の分解を促進することができる。そして、シールドマシンにおいて、滑材の注入位置は起泡材の注入位置よりも掘進方向の後方であり、透水性裏込材の注入位置は滑材の注入位置よりも掘進方向の後方である。このため、滑材の注入位置には先に注入された起泡材が存在し、分解菌を活性化する気体成分がリッチな状態になる。同様に、透水性裏込材の注入位置には先に注入された起泡材や滑材が存在するので、この気体成分が一層リッチな状態になる。このように気体成分がリッチな状態になることで、分解菌の活性をより高めることができる。

本発明において、前記超微細気泡水生成装置が、前記気体成分として空気又は酸素の少なくとも一方を、超微細気泡の状態で水に含ませる構成の場合には、地盤に存在する好気性菌を活性化でき、好気性菌が分解する注入材について、その分解を促進できる。

本発明において、前記超微細気泡水生成装置が、前記気体成分として水素を超微細気泡の状態で水に含ませる構成の場合には、地盤に存在する嫌気性菌を活性化でき、嫌気性菌が分解する注入材について、その分解を促進できる。

また、本発明は、覆工体が構築される地盤に存在する微生物を活性化する気体成分を、超微細気泡の状態で水に含ませることにより、超微細気泡水を生成する工程と、シールドマシン側から前記地盤に向けて注入される注入材を、前記超微細気泡水を用いて製造する注入材製造工程と、覆工体を構築するため地盤を掘削する前記シールドマシン側から、前記超微細気泡水を用いて製造された前記注入材を、前記地盤に向けて注入する注入材注入工程とを行うシールド工法であって、前記注入材製造工程では、前記地盤における掘削面と前記覆工体との間に注入される透水性裏込材、前記地盤の掘削面と前記シールドマシンの外殻表面との間に注入される滑材、及び前記シールドマシンの切羽部分に注入される気泡の基となる起泡材を製造し、且つ、前記透水性裏込材、前記滑材、及び前記起泡材のうちの少なくとも２種を、前記超微細気泡水を用いて製造し、前記注入材注入工程では、前記透水性裏込材の注入位置を前記滑材の注入位置よりも掘進方向の後方とし、前記滑材の注入位置を前記起泡材の注入位置よりも掘進方向の後方とすることを特徴とする。

本発明によれば、シールド工法で用いられる注入材の分解を促進できる。

シールドトンネル構築システムの構成を説明するブロック図である。 シールドマシンの構成を説明する断面図である。 構築されるシールドトンネルを説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１に示すように、シールドトンネル構築システム（以下構築システムという）は、超微細気泡水製造装置１０（以下気泡水製造装置１０という）と、注入材製造装置２０と、シールドマシン３０とを有している。

気泡水製造装置１０は超微細気泡水を生成する装置である。ここで、超微細気泡水とは、気体をマイクロバブル（直径が５０μｍ以下の気泡）やナノバブル（直径が１μｍ以下の気泡）の状態（超微細気泡の状態）で、水中に含有させたものである。

このような超微細気泡は、浮力が小さいため、水の流れに沿って流れ易いという性質を有している。また、気体を長期間に亘って水中に高濃度で保持できるという性質も有している。本実施形態では、地盤に生息する微生物を活性化する気体成分を、超微細気泡の状態で水に含ませている。具体的には、好気性微生物に対して空気や酸素を水に含ませ、嫌気性微生物に対して水素を水に含ませている。

気泡水製造装置１０は、酸素供給部１１、酸素用配管１２、水素供給部１３、水素用配管１４、空気用配管１５、四方弁１６、共通配管１７、水槽１８、及び、超微細気泡製造器１９を有している。

酸素供給部１１は、酸素の供給源となる部分であり、例えば酸素ボンベである。酸素供給部１１からの酸素は、酸素用配管１２を通じて四方弁１６に送られる。この酸素は、土中の好気性微生物の活性化に寄与する。水素供給部１３は、水素の供給源となる部分であり、例えば水素ボンベである。水素供給部１３からの水素は、水素用配管１４を通じて四方弁１６に送られる。この水素は、土中の嫌気性微生物の活性化に寄与する。空気用配管１５は、空気を四方弁１６へ送るための配管である。この空気は、土中の好気性微生物の活性化に寄与する。

四方弁１６は、酸素用配管１２の酸素、水素用配管１４の水素、空気用配管１５の空気を選択し、共通配管１７に送り出す部分である。共通配管１７は、四方弁１６と超微細気泡製造器１９とを連通する配管である。このため、四方弁１６で選択された種類の気体が超微細気泡製造器１９に供給される

水槽１８は、超微細気泡水を貯留する部分である。この水槽１８の中には超微細気泡製造器１９が設置されている。超微細気泡製造器１９は、共通配管１７から気体を取り込み、この気体と水槽１８に貯留された水とを超高速で旋回させ、旋回流によって気体を微細化し水中に含有させる。なお、超微細気泡製造器１９は、旋回式に限らず微細気泡を製造できればどのような形式であってもよい。例えば、加圧によって気体を水に含有させる加圧式の超微細気泡製造器１９であってもよい。

注入材製造装置２０は、シールド工法で使用される各種の注入材を製造する装置である。すなわち、注入材製造装置２０は、地盤の掘削時にシールドマシン３０から地盤に向けて注入される注入材を、超微細気泡水を用いて製造する。

本実施形態の注入材製造装置２０は、起泡材製造部２１と、滑材製造部２２と、裏込材製造部２３とを有する。

起泡材製造部２１は、起泡材を製造する部分である。起泡材は、気泡シールド工法に用いられる気泡の基となる液体状の注入材であり、発泡装置（図示せず）で発泡されて気泡となる。この起泡材は、主剤に溶媒としての水を混ぜて発泡させることで製造される。主剤としては、タンパク系主剤や界面活性剤系主剤といった各種のもののうち、生分解性を有するものが用いられる。そして、溶媒としての水は、気泡水製造装置１０で製造された超微細気泡水が用いられる。

滑材製造部２２は、滑材を製造する部分である。滑材は、シールドマシン３０の外郭表面と掘削面との間に生じる摩擦力を低減するための注入材である。この滑材は、シールドマシン３０と掘削面との摩擦係数を低減するものであり、例えばベントナイト溶液が用いられる。そして、この滑材を製造する際の水もまた、気泡水製造装置１０で製造された超微細気泡水が用いられる。

裏込材製造部２３は、地盤における掘削面と覆工体との間に注入される透水性裏込材を製造する部分である。透水性裏込材は、砂、礫、スラグ等からなる骨材と、微生物によって分解される増粘材とを含んでいる。この透水性裏込材を、掘削面と覆工体との間に注入すると、時間の経過に伴って増粘材が分解され、骨材からなる透水性層が形成される。この透水性裏込材を製造する際の水もまた、気泡水製造装置１０で製造された超微細気泡水が用いられる。

シールドマシン３０は、地盤を掘削して覆工体を構築する装置である。図２に示すように、シールドマシン３０は、フード部３１と、ガーダ部３２と、テール部３３とを有する。フード部３１は、地中を掘削するためのカッター３４が回転可能な状態で取り付けられる部分である。カッター３４の内部には、地盤に気泡を注入するための気泡注入管３４ａが設けられている。ガーダ部３２は、カッター３４の駆動装置３５、カッター３４により掘削された土砂を排出するための排土機構（図示せず）、及びシールドマシン３０を前進させるための複数のシールドジャッキ３６が内部空間に取り付けられた部分である。テール部３３は、シールドジャッキ３６によってフード部３１と連結され、内部にセグメントを組み立てるためのエレクタ３７が設置された部分である。

起泡材製造部２１で製造された起泡材は発泡装置に送られ、圧縮空気によって発泡される。発泡で得られた気泡は、気泡注入管３４ａを通じてカッター３４から地盤に向かって注入される。この気泡によって、カッター３４による地盤の切削をスムースに行うことができる。

滑材製造部２２で製造された滑材は、シールドマシン３０の内部に設置された滑材タンク３８ａに貯留され、滑材ポンプ３８ｂにより、滑材パイプ３８ｃを通じて送られる。滑材パイプ３８ｃの端部開口は、シールドマシン３０の外郭表面に設けられており、ここから滑材が地盤へ向けて注入される。注入された滑材は、地盤の掘削面とシールドマシン３０の外郭表面との間の摩擦を軽減する。なお、本実施形態では、滑材タンク３８ａをシールドマシン３０の内部に設置したが、この構成に限定されない。例えば、滑材タンク３８ａを地上に設置し、滑材を地上から供給するように構成してもよい。

裏込材製造部２３で製造された透水性裏込材は、シールドマシン３０の後方に設置された裏込材タンク３９ａに貯留され、裏込材ポンプ３９ｂによって裏込材パイプ３９ｃを通じて送られる。裏込材パイプ３９ｃの端部開口は、覆工体４１（組み立て後のセグメント）を通って、掘削面との間に注入される。注入された透水性裏込材は、掘削面と覆工体４１との隙間を埋める。その後、増粘材の部分が地盤中の微生物によって分解されることなどにより、消失する。その結果、覆工体４１の周囲には、骨材のみからなる透水性層４２（図３を参照）が形成される。なお、本実施形態では、裏込材タンク３９ａをシールドマシン３０の内部に設置したが、この構成に限定されない。例えば、裏込材タンク３９ａを地上に設置し、透水性裏込材を地上から供給するように構成してもよい。

次に、この構築システムによるシールドトンネルの構築について説明する。

図３に示す例では、覆工体４１の外周面を囲む透水性層４２を備えたシールドトンネル４０を地盤Ｇに構築している。透水性層４２は、地盤の掘削面と覆工体４１の外周面との間に形成される骨材のみからなる部分である。この透水性層４２では、骨材同士の間の隙間を通じ、シールドトンネル４０の上流側から下流側への地下水の流れが許容される。

覆工体４１は、セグメントを環状に組み立てることで構築される。セグメントは、鋼製セグメントやコンクリート製セグメントが用いられる。すなわち、シールドマシン３０により地盤を掘削した後に、複数のセグメントを掘削面に沿って周方向及び長手方向に連結して構築される。そして、シールドマシン３０が推進するとセグメントがその位置に残され、骨材を介して掘削面を支持する。

シールドマシン３０の掘進時には、起泡材を発泡させて生成した気泡を、カッター３４と地盤の間に注入しつつ地盤を掘削する。そして、シールドマシン３０の外郭表面と地盤の掘削面との間には滑材が注入され、摩擦抵抗が低減される。また、覆工体４１と地盤の掘削面との間には透水性裏込材が注入される。

本実施形態の構築システムでは、起泡材の作製時に超微細気泡水を用いており、起泡材を分解する分解菌を活性化する気体成分を超微細気泡水に含有させている。例えば、好気性微生物を活性化する目的で空気や酸素を含有させ、嫌気性微生物を活性化する目的で水素を含有させている。このため、地盤の掘削後において、分解菌の活性を高めることができ、地盤に残存した気泡（起泡材）について、分解を促進できる。その結果、気泡を消失させて地盤を速やかに元の状態に戻せる。

なお、何れの種類の気体成分を超微細気泡水に含有させるかについては、事前の地質調査で採取した土砂から含有微生物を分析することで、決定することができる。

同様に、滑材の製造にも、滑材を分解する分解菌を活性化する気体成分の超微細気泡水を用いているので、分解菌の活性を高めることができ、地盤に残存した滑材について、分解を促進できる。このため、滑材を消失させて地盤を速やかに元の状態に戻せる。

また、本実施形態の構築システムでは、透水性裏込材に含まれる増粘材の製造に、この増粘材を分解する分解菌を活性化する気体成分の超微細気泡水を用いているので、分解菌による増粘材の分解を促進することができる。すなわち、覆工体４１に隣接する透水性層４２を早期にかつ確実に形成することができる。

また、本実施形態の構築システムでは、起泡材や滑材の作製に超微細気泡水を用いているので、テール部３３の後端部（テールシール）から地盤に向けて注入されるテールグリスの分解も促進できる。

また、本実施形態の構築システムでは、起泡材、滑材、及び、透水性裏込材のそれぞれを、超微細気泡水を用いて作製している。そして、滑材の注入位置は起泡材の注入位置よりも掘進方向の後方であり、透水性裏込材の注入位置は滑材の注入位置よりも掘進方向の後方である。このため、滑材の注入位置には先に注入された起泡材が存在し、分解菌を活性化する気体成分がリッチな状態になる。同様に、透水性裏込材の注入位置には先に注入された起泡材や滑材が存在するので、この気体成分が一層リッチな状態になる。このように気体成分がリッチな状態になることで、分解菌の活性をより高めることができる。

なお、起泡材に含まれる量の気体成分で滑材や透水性裏込材の分解菌も十分活性化できる場合には、滑材や透水性裏込材に含ませる気体成分の量を減らしてもよい。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で変形や改変が可能である。

例えば、前述の実施形態では、超微細気泡水を作製する際の気体成分は、空気、酸素、水素から選択されていたが、注入材を分解する分解菌を活性化する気体成分であれば、他の気体成分であってもよい。

前述の実施形態では、各種の注入材を製造する注入材製造装置２０（製造プラント）が地上に構築されていたが、必ずしも地上に限定されるものではない。例えば、注入材製造装置２０を坑内に構築してもよい。

シールド工法で用いられる注入材に関し、前述の実施形態では、起泡材、滑材、透水性裏込材を例示したが、シールド工法で用いられる注入材であれば他の種類であってもよい。例えば、泥水シールド工法においては、ベントナイト泥水の作製に超微細気泡水を用いてもよい。

１０ 気泡水製造装置
１１ 酸素供給部
１２ 酸素用配管
１３ 水素供給部
１４ 水素用配管
１５ 空気用配管
１６ 四方弁
１７ 共通配管
１８ 水槽
１９ 超微細気泡製造器
２０ 注入材製造装置
２１ 起泡材製造部
２２ 滑材製造部
２３ 裏込材製造部
３０ シールドマシン
３１ フード部
３２ ガーダ部
３３ テール部
３４ カッター
３４ａ 気泡注入管
３５ 駆動装置
３６ シールドジャッキ
３７ エレクタ
３８ａ 滑材タンク
３８ｂ 滑材ポンプ
３８ｃ 滑材パイプ
３９ａ 裏込材タンク
３９ｂ 裏込材ポンプ
３９ｃ 裏込材パイプ

Claims (4)

1. 地盤を掘削して覆工体を構築するシールドマシンと、
   前記地盤に存在する微生物を活性化する気体成分を、超微細気泡の状態で水に含ませることにより、超微細気泡水を生成する超微細気泡水生成装置と、
   前記シールドマシン側から前記地盤に向けて注入される注入材を、前記超微細気泡水を用いて製造する注入材製造部とを有するシールドトンネル構築システムであって、
   前記注入材製造部は、
   前記地盤における掘削面と前記覆工体との間に注入される透水性裏込材を製造する裏込材製造部と、
   前記地盤の掘削面と前記シールドマシンの外殻表面との間に注入される滑材を製造する滑材製造部と、
   前記シールドマシンの切羽部分に注入される気泡の基となる起泡材を製造する起泡材製造部とを含み、
   前記シールドマシンは、
   前記透水性裏込材の注入位置が前記滑材の注入位置よりも掘進方向の後方であって、前記滑材の注入位置が前記起泡材の注入位置よりも掘進方向の後方であり、
   前記透水性裏込材、前記滑材、及び前記起泡材のうちの少なくとも２種が、前記超微細気泡水を用いて製造されていることを特徴とするシールドトンネル構築システム。
2. 前記超微細気泡水生成装置は、
   前記気体成分として空気又は酸素の少なくとも一方を、超微細気泡の状態で水に含ませることを特徴とする請求項１に記載のシールドトンネル構築システム。
3. 前記超微細気泡水生成装置は、
   前記気体成分として水素を超微細気泡の状態で水に含ませることを特徴とする請求項１に記載のシールドトンネル構築システム。
4. 覆工体が構築される地盤に存在する微生物を活性化する気体成分を、超微細気泡の状態で水に含ませることにより、超微細気泡水を生成する工程と、
   シールドマシン側から前記地盤に向けて注入される注入材を、前記超微細気泡水を用いて製造する注入材製造工程と、
   覆工体を構築するため地盤を掘削する前記シールドマシン側から、前記超微細気泡水を用いて製造された前記注入材を、前記地盤に向けて注入する注入材注入工程とを行うシールド工法であって、
   前記注入材製造工程では、
   前記地盤における掘削面と前記覆工体との間に注入される透水性裏込材、前記地盤の掘削面と前記シールドマシンの外殻表面との間に注入される滑材、及び前記シールドマシンの切羽部分に注入される気泡の基となる起泡材を製造し、且つ、前記透水性裏込材、前記滑材、及び前記起泡材のうちの少なくとも２種を、前記超微細気泡水を用いて製造し、
   前記注入材注入工程では、
   前記透水性裏込材の注入位置を前記滑材の注入位置よりも掘進方向の後方とし、前記滑材の注入位置を前記起泡材の注入位置よりも掘進方向の後方とすることを特徴とするシールド工法。

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