JP6502812B2 - 気泡シールド工法 - Google Patents

Description

本発明は、気泡シールド工法に関する。

気泡シールド工法は、切羽もしくはチャンバ内に特殊起泡剤によって作成された微細なシェービングクリーム状の気泡を注入しながら掘削する工法であり、砂礫土層から粘性土層までの広範な地層に適用できる土圧式シールド工法として知られている（例えば、特許文献１参照）。
気泡シールド工法によれば、気泡が掘削土の流動性と止水性を向上させ、かつ、掘削土の付着を防止するため、切羽の安定を保持しつつスムーズな掘削が可能となる。

気泡シールド工法に伴い発生した発生土は、自然消泡あるいは消泡剤を添加することにより地山の性状に近い状態に戻るため、処理・処分が容易である。
チャンバ内では、地下水圧や土圧に対抗するために、所定の圧力に土圧管理をしているが、掘削残土はスクリューコンベアの出口である排出口において一気に大気圧に解放されるため、噴発するおそれがある。また、気泡の安定性が低い場合や気泡が地下水に溶解する場合には、チャンバ内の不飽和性を失い、流動性と止水性が不良となってスクリューコンベアから頻繁に噴発を発生する。そのため、チャンバ内の掘削残土に噴発防止剤を混合することで噴発防止剤の吸水・凝集効果によりチャンバ内の圧力を低下させて噴発を抑制する場合や、チャンバ内に気泡を追加注入することで流動性と止水性を補う場合がある。ところが、このような補助的作業等の実施には、手間と費用がかかる。そのため、不飽和状態を長時間保持することが可能な気泡が求められていた。

また、掘削対象の地盤が自然由来の重金属類（例えば、ヒ素、セレン、フッ素、ホウ素）を含有している場合、発生土は汚染土壌として取り扱われる。
なお、「海洋汚染等及び海上災害の防止に関する法律施行令５条第１項に規定する埋立場所等に排出しようとする金属等を含む廃棄物に係る判定基準を定める省令」平成２６年５月３０日環境省令第１９号）に定められた基準（いわゆる「水底土砂に係わる判定基準」）によれば、海面埋め立てにおける重金属類の溶出量基準値は、土壌環境基準の１０倍まで許容されている。ヒ素の場合であれば、土壌溶出基準が０．０１ｍｇ／Ｌであるのに対し、水底土砂の場合は０．１ｍｇ／Ｌである。そのため、汚染濃度によっては、無処理で搬出することが可能な場合がある。一方、発生土が多量である場合には、海面埋め立てが可能な処分場を確保することは困難な場合が多い。また、無処理の発生土を搬出する場合には、汚染拡散を防止するために、運搬を慎重に行う必要がある。
そのため、自然由来の重金属類を含んだ発生土に対しては、不溶化処理を施す必要がある。

特許第５６５４１７０号公報

このような観点から、本発明は、透水係数の低い気泡混合土を形成することができ、かつ、この気泡混合土の不飽和状態を可及的に長時間保持することができ、なおかつ、重金属類の不溶化も両立させることが可能な気泡シールド工法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の気泡シールド工法は、疎水膜剤が水溶性溶剤で可溶化され、さらに陰イオン界面活性剤が混合されてなる起泡剤水溶液を発泡倍率１０倍〜５０倍の倍率で発泡させて気泡を生成し、切羽の土砂とシールド掘進機のチャンバ内の土砂に前記気泡を注入して気泡混合土を形成することを特徴としている。この気泡混合土には、起泡剤水溶液の添加の前または後、あるいは、起泡剤水溶液の添加と同時に重金属類を不溶化する不溶化材を添加する。

かかる気泡シールド工法によれば、発泡倍率１０倍〜５０倍の気泡を使用することにより、透水性の低い不飽和状態の気泡混合土を形成できる。
また、疎水膜剤を吸着させた気泡を注入すると、間隙中を疎水膜剤で疎水的な性質にすることができるので、気泡混合土中に流入する水量を少なくし、不飽和状態を持続させることができる。
また、不溶化材を併用することにより、自然由来の重金属類の不溶化が両立される。そのため、新たな付帯設備や地上部での不溶化処理ヤードの設置に要する費用、および、無処理の発生土を運搬することによる汚染拡散のリスクを低減することができる。

なお、気泡シールド工法では、切羽前面に作用する切羽土圧と水圧を合計した地山の土・水圧に対抗させて、適正な気泡土圧を差圧として作用させるための気泡作製装置を要する。この気泡作製装置に関し、例えば、大断面工事では大量の圧縮空気を作製するための大型コンプレッサーを使用するが、実際上は発泡倍率として５０倍が設備装置的な限界である。このことより、発泡倍率の上限を５０倍と規定している。また、発泡倍率が小さいと気泡液膜が厚くなり、液膜に余分な水分が多くなるので排液現象によって破泡しやすくなることから、発泡倍率の下限を１０倍に規定している。

疎水膜剤が常温で固体状の物質で、水に対して不溶または難溶であり、かつ水溶性溶剤に溶解または易溶であれば、間隙自由水と気水交換後の疎水膜剤は、液膜の水分や水溶性溶剤が自然に排水あるいは揮散して液膜が薄化するのにともなって、再び結晶化して薄膜状に析出する。析出した薄膜は水に溶解しないので、疎水膜剤は気泡混合土中に不溶化して残置されることが明らかであり、その特性を利用して気泡混合土の間隙を疎水性の雰囲気にする。なお、本明細書において常温とは、日本薬局方の通則による１５〜２５℃とする。

前記不溶化材は、前記起泡剤水溶液に予め添加されていてもよいし、後から気泡混合土に添加してもよい。
また、前記不溶化材は、粉体でもよいし、液体であってもよい。
前記不溶化材としては、例えば、多価金属塩、金属系凝集剤、金属酸化物、または、これらのうちの少なくとも２つを混合したものが使用すればよい。

本発明の気泡シールド工法によれば、透水係数の低い気泡混合土を形成することができ、かつ、この気泡混合土の不飽和状態を可及的に長時間保持することができ、なおかつ、重金属類の不溶化も両立させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る気泡シールド工法を説明した模式図である。 気泡に不溶化材を添加した場合の体積の変化を示すグラフであって、（ａ）は本実施形態の起泡剤水溶液を使用した場合、（ｂ）は従来の起泡剤水溶液を使用した場合である。 気泡および不溶化材の有無による砒素溶出量を変化を示すグラフであって（ａ）は原土が砂質細粒土の場合、（ｂ）は原土が固結シルトの場合である。

本発明の実施形態では、シールド掘削機によって地山を切削するとともに、特殊起泡剤によって作成された気泡をチャンバ内に注入することで、発生土を気泡混合土にして搬出する気泡シールド工法について説明する。
本実施形態のシールド掘削機１は、図１に示すように、カッターヘッド２、撹拌翼３、隔壁４、チャンバ５、排土手段６およびシールドジャッキ７を備えている。

シールド掘削機１は、スキンプレートにより筒状に形成された本体部１０を備えており、本体部１０の前面にはカッターヘッド２が配設されている。
カッターヘッド２は、地山に接する前面に複数のカッタービット２１，２１，…が固定されていて、本体部１０内に配設されたカッターモータ２２の動力によって回転することで地山Ｇを切削する。
また、カッターヘッド２には、図示しない気泡吐出口が形成されている。気泡吐出口は、本体部１０から延設された注入管に接続されていて、切羽に気泡を吐出する。なお、気泡吐出口の配置、形状および数等は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

カッターヘッド２の後面（内側面）には、複数の撹拌翼３，３，…が突設されている。
撹拌翼３は、カッターヘッド２とともに回転することで、チャンバ５内の土砂および気泡を撹拌する。チャンバ５内には、カッターヘッド２により切削された土砂（発生土）が入り込み、チャンバ５内において気泡と撹拌されることで気泡混合土が生成される。なお、撹拌翼３の数、形状および配置は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

隔壁４は、カッターヘッド２の後方に隙間を開けて形成された壁部材である。隔壁４は、シールド掘削機１の前面側を遮蔽している。カッターヘッド２と隔壁４との間に形成された隙間は、カッターヘッド２によって切削された土砂が入り込むチャンバ５となる。隔壁４には、気泡注入口４１が形成されている。気泡注入口４１は、チャンバ５へ気泡を注入する際に使用される。なお、気泡注入口４１の構成や配置は限定されるものではないが、本実施形態では、隔壁４を貫通するように配管された管材により構成している。
チャンバ５内では、カッターヘッド２によって切削された土砂と、気泡注入口４１から注入された気泡とが、撹拌翼３により撹拌されて、気泡混合土が生成される。
チャンバ５には、排土手段６が接続されていて、チャンバ５内の気泡混合土の搬出が可能に構成されている。

本実施形態の排土手段６は、スクリューコンベア６１と、ベルトコンベア６２とを備えている。
スクリューコンベア６１は、チャンバ５内の土砂を後方へ輸送する。スクリューコンベア６１の先端は、隔壁４の下端部を貫通してチャンバ５内に挿入されている。また、スクリューコンベア６１の後端は、ベルトコンベア６２の上方に位置するように、先端よりも高い位置に配置されている。
ベルトコンベア６２は、スクリューコンベア６１の後端部から排出された土砂を、坑口側（坑外）へ輸送する。ベルトコンベア６２の先端は、スクリューコンベア６１の後端部に形成された排土口の下方に位置している。
シールドジャッキ７は、シールド掘削機１の後部において組み立てられたセグメント８から反力を取って伸張することで、シールド掘進機１を前進させる。なお、シールドジャッキ７の配置や数は限定されるものではない。

本実施形態で使用する気泡は、疎水膜剤が水溶性溶剤で可溶化され、さらに陰イオン界面活性剤が混合されてなる起泡剤水溶液を発泡倍率１０倍〜５０倍の倍率で発泡させて生成する。このとき、起泡剤水溶液には、予め重金属類を不溶化するための不溶化材が添加されている。次に、生成された気泡をチャンバ５内に注入して撹拌することで気泡混合土を作成する。
切羽の土砂に気泡が注入されて形成された気泡混合土は、切羽前面領域の遮水性や止水性が良好になる。なお、不溶化材は、生成された気泡をチャンバに注入する際に添加してもよい。

また、チャンバ５内の土砂に気泡が注入されることで、透水性の低い気泡混合土が形成され、流動性を維持した状態で、気泡混合土をトンネル坑外へ搬出することが可能となる。すなわち、従来の方法では、チャンバ５内の気泡混合土中の気泡が消泡し、チャンバ５の上部に空気が集まって溜り、下部には流動性を失った掘削土が地下水で飽和された状態で堆積するとともに、スクリューコンベア６１から噴発が発生するといった問題が生じる場合があったが、本実施形態によればこのような問題は生じ難い。
さらに、気泡には予め不溶化材が混合されているため、土砂に含まれる自然由来の重金属類の溶出が防止されている。
次に、起泡剤水溶液の各構成成分について詳細に説明する。

（起泡剤の濃度について）
起泡力のある界面活性剤は各種あるが、気泡シールド掘削時の地下水汚染や掘削後の早期分解性や水性毒性などの環境影響を考慮すると、起泡剤水溶液の成分として使用する起泡剤の種類としては、陰イオン界面活性剤が望ましい。陰イオン界面活性剤には、例えばアルファオレフィンスルホン酸塩（略号ＡＯＳ）、アルキル硫酸エステル塩（同ＡＳ）、アルキルエーテル硫酸エステル塩（同ＡＥＳ）等の各種塩の陰イオン界面活性剤が挙げられ、これらの一種もしくは二種以上の混合物を使用することもできる。

本実施形態では、高倍率発泡の気泡の生成に好ましい界面活性剤として、アルキルエーテル硫酸エステル塩を使用するものとし、必要に応じて、エチレンオキサイド付加モル数が５モル以上のアルキルエーテル硫酸エステル塩を発泡強化剤として陰イオン界面活性剤に対し５〜２０質量％使用してもよい。
起泡剤水溶液の成分である陰イオン界面活性剤の起泡剤水溶液における配合量は、２０〜５０質量％であり、好ましくは３０〜４０質量％である。

（疎水膜剤の配合量について）
起泡剤水溶液の成分である疎水膜剤としては、陰イオン界面活性剤の起泡性を抑制しない限り、炭化水素系やフッ素系などの水に難溶あるいは不溶である各種疎水性物質を使用できる。また、疎水膜剤には、水溶性溶剤に溶解する物質を選択する。
また、疎水膜剤は、気泡液膜の吸着層として配向させることから、陰イオン界面活性剤の疎水基の構造や官能基の種類に応じて適正に選定する。例えば、陰イオン界面活性剤として炭素数２０のアルキルエーテル硫酸エステル塩を使用する場合、疎水膜剤としては、炭素数が同程度（たとえば１８〜２２の範囲）の高級アルコールが相溶バランス的に良い。

本実施形態では、常温で固体状の疎水膜剤を使用する。具体的には、易分解性が知られる直鎖の炭素数１２〜２０の脂肪族アルコールを疎水膜剤として使用する。より具体的には、例えばドデシルアルコール、テトラデシルアルコール、ヘキサデシルアルコール、オクタデシルアルコール、エイコシルアルコールおよびこれらの二種以上の混合物を疎水膜剤として使用する。疎水膜剤の起泡剤水溶液における配合量は０．２〜３０質量％であり、好ましくは１〜１５質量％であると不飽和状態を長く持続でき、高い止水性を達成できる。

（水溶性溶剤の配合量について）
高発泡技術の観点から、水溶性溶剤は、疎水膜剤を起泡剤水溶液に可溶化させるための成分である。また、陰イオン界面活性剤の溶解性を補助すること、発泡時の液膜の粘性を下げて膨張率を高めること、および凝固点を下げるなどの作用として有用である。
したがって、起泡剤水溶液の成分である水溶性溶剤としては、起泡剤の起泡性を抑制しないもので、かつ、使用する疎水膜剤を可溶化できる溶剤種類から選択する。水溶性溶剤としては、例えばセロソルブ系溶剤（メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ｎ−プロピルセロソルブ、ｎ−ブチルセロソルブ、イソブチルセロソルブ、フェニルセロソルブなど）、カルビトール類（エチルカルビトール、ブチルカルビトールなど）、エチレンオキシドの付加モル数が３〜１０のポリオキシエチレン低級アルキルエーテル（ポリオキシエチレン（３）メチルエーテルなど）、ジオール類（エチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコールなど）およびこれらの二種以上の混合物が挙げられる。また、水溶性溶剤の起泡剤水溶液における配合量は５〜５０質量％であり、好ましくは２０〜４０質量％である。

（希釈液の作液濃度について）
起泡剤水溶液は、陰イオン界面活性剤、疎水膜剤および水溶性溶剤の他に、必要に応じて、発泡強化剤や有機酸及び／又は水を均一混合することによっても容易に得ることができる。なお、この起泡剤水溶液を発泡する際には、予め水で希釈して作液する希釈液の濃度が起泡剤水溶液の０．２〜１０質量％であり、好ましくは０．５〜５質量％である。なお、希釈濃度は発泡方法や土質条件を考慮して選択するとよい。例えば、気泡シールド工事で用いられる発泡筒方式を使用して気泡径や均質性を良好に調整できれば、希釈液の下限濃度を１質量％以下の低濃度から使用できる。一方、土質条件が悪い地山の場合に高い止水効果を求めるには、希釈液の下限濃度は２質量％以上で使用すると良い。

（発泡倍率について）
気泡密度が小さいほど液膜水分が少ないので、掘削土中の自由水との気水交換で不飽和状態にし易い。気泡はできるだけ高倍率に発泡し、気泡径を小さく生成した方が掘削土の透水性を低下させることができることから好ましい。より具体的には、気泡密度０．１ｇ／ｍｌ以下が好ましいことより、発泡倍率は１０倍以上がよい。また、高発泡技術は技術的には最大５００倍発泡まで可能であるものの、気泡シールド工事で使用できる発泡装置の機械的制限などから、実用的には最大５０倍発泡が適している。

（不溶化材の添加量について）
本実施形態では、粉体及び液体の不溶化材を使用する。なお、水溶性の粉体については、水に溶かして液体としても使用できる。また、不溶化材には、粉体または液体のいずれか一方のみを使用してもよい。
また、不溶化材を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、多価金属塩（例えば、硫酸第一鉄や塩化第一鉄等）、金属系凝集剤（例えば、ポリ硫酸第二鉄等）、金属酸化物（例えば、酸化マグネシウム等）、または、これらのうちの少なくとも２つを混合したものを使用すればよい。
不溶化材の添加量は限定されるものではなく、使用する材料に応じて適宜決定すればよいが、例えば、ポリ硫酸第二鉄を使用する場合は土砂１ｍ^３に対して１〜５Ｌ、硫酸第一鉄を使用する場合は土砂１ｍ^３に対して０．５〜２．５ｋｇ添加すればよい。

以上、本実施形態の気泡シールド工法によれば、発泡倍率１０倍〜５０倍の微細なシェービングクリーム状の気泡を使用しているため、透水性の低い不飽和状態の気泡混合土を形成できる。微細な気泡を添加することにより、気水交換が容易になり、不飽和土の高い気泡混合土を形成することができる。

疎水膜剤が常温で固体状の物質で、水に対して不溶または難溶であり、かつ水溶性溶剤に溶解または易溶であることにより、間隙自由水と気水交換後の疎水膜剤は、液膜の水分や水溶性溶剤が自然に排水あるいは揮散して液膜が薄化するのにともなって、再び結晶化して薄膜状に析出する。析出した薄膜は水に溶解しないので、疎水膜剤は気泡混合土中に不溶化して残置され、気泡混合土の間隙を疎水性の雰囲気にする。

また、疎水膜剤を吸着させた気泡を注入すると、土粒子の間隙中を疎水膜剤で疎水的な性質にすることができるので、気泡混合土中に流入する水量を少なくし、不飽和状態を持続させることができる。
また、不飽和状態が持続するので、気泡混合土の流動性が損なわれない。したがって、搬送時にスクリューコンベアが詰まる等の弊害が生じることがなく、また、スクリューコンベアからの噴発発生の頻度を少なくすることができる。

また、不溶化材を併用しているため、自然由来の重金属類の不溶化が両立される。そのため、新たな付帯設備や地上部での不溶化処理ヤードの設置に要する費用、および、無処理の発生土を運搬することによる汚染拡散のリスクを低減することができる。
また、粉体の不溶化材を使用すれば、不溶化材の搬送や添加等を行う際の取り扱いが容易となる。液体の場合に比べて、輸送手段や注入手段等の設備の簡素化も可能となる。

＜気泡の安定性および気泡の消泡性を検証した実験とその結果＞
次に、本実施形態の気泡シールド工法について検証した結果について記載する。
まず、気泡によって形成された気泡混合土の透水係数の改善効果を確認した。
起泡剤水溶液を表１で示す希釈濃度で発泡し、高発泡気泡１〜６（それぞれ、実施例１−１〜１−６）と比較気泡（比較例１−１〜１−３）を生成し、それぞれの発泡時の評価を行い、発泡可能倍率や気泡径を測定するとともに、気泡の安定性および気泡の消泡性について比較した。

［希釈液］
起泡剤水溶液を表１に例示した希釈濃度で水に溶解して希釈液を調整した。
［発泡方法］
発泡筒はステンレス製管（管径２５Ａ、長さ２５ｃｍ）内に綿状のステンレス細繊維やガラスビーズ等の充填剤を詰めたもので、これに任意の圧力（０〜４００ｋＰａ）で圧縮空気を流した。圧力ごとの圧縮空気量と希釈液の吐出量を予め条件ごとに計量しておき、発泡倍率（体積比）は気泡体積と希釈液体積との比率から計算した。圧縮空気を流した発泡筒内に希釈液の一定量を定量ポンプで吐出して強制的に発泡させ、水の泡膜に空気を含んだ微細なシェービングクリーム状の気泡を生成した。
表１に示すように、六種の実施例はいずれも、気泡の安定性に関して良好な結果が得られている。また、消泡剤を用いた気泡の強制的な消泡性に関しても良好な結果が得られている。

＜飽和度を変化させた際の透水係数と不飽和状態の持続性に関する実験とその結果＞
次に、飽和度を種々変化させ、それぞれの飽和度における実施例と比較例の不飽和状態の持続性に関する実験をおこなった。
表１の高発泡２（実施例１−２）の希釈液（濃度５質量％）と、Ａタイプ（比較例１−１）の希釈液（濃度３質量％）を以下の表２の発泡倍率で気泡を生成し（それぞれ、実施例２−１〜２−４、比較例２−１〜２−４）、実験砂の含水比を調整して気泡混合土の飽和度を変化させ、気泡混合土の不透水性と不飽和状態の保持性を比較した。
ここで、気泡混合率（Ｑ＝気泡体積／掘削土体積）は３０％で、飽和度を変えた実験砂に練り混ぜて気泡混合土を作製した。この条件で以下の透水試験方法にて透水係数を測定した。また透水容器の気泡混合土に一定の水圧をかけて排水量の時間変化を観察し、それを不飽和状態の持続性として評価した。

［実験砂の条件］
実験砂は、珪砂５号[市販品を水洗してゴミおよび粘土分等を取り除いてから乾燥したもの、最大粒径１．１８（ｍｍ）、乾燥密度１．３６（ｇ／ｃｍ^３）、透水係数１．８７×１０^−１(ｃｍ／ｓｅｃ、本実施例による透水試験結果）、間隙率１９％]の含水比を調整したものである。

［透水試験の方法］
実験砂に気泡を所定の気泡混合率で添加し、練り混ぜる際に巻き込み気泡が入らないように注意しながら手早く練り混ぜて、気泡混合土を作製し、直ちに透水円筒に充填した。透水円筒はアクリル製の内径３０ｍｍ（高さ８０ｃｍ）の容器と、内径５０ｍｍ（高さ８０ｃｍ）の耐圧容器を使用し、透水円筒の下部からの排水量を測定して透水係数を計算した。また、透水円筒上部に一定の水圧（０．０３ＭＰａ〜０．０５ＭＰａ）をかけて不飽和状態が持続する時間を測定した。
［実験結果］
以下、表２に測定結果を示す。
表２に示すように、飽和度の異なる各実施例はいずれも、比較例に比して透水係数の低下が図られ、不飽和状態の持続時間が長くなっていることが分かる。

＜流動性効果を検証した実験とその結果＞
次に、気泡混合率を種々変化させ、それぞれの気泡混合率における実施例と比較例の流動性を確認する実験をおこなった。
表１の高発泡２（実施例１−２）およびＡタイプ（比較例１−１）とＢタイプ（比較例１−２）について以下の表３の希釈濃度で希釈液を作製し（それぞれ、実施例３−１，３−２、比較例３−１，３−２）、発泡倍率を表３の範囲で変化させて複数種の気泡を生成した。それぞれの気泡について、気泡混合率Ｑ（気泡体積／掘削土体積）を表３の範囲で変化させ、現場から採取した以下の砂礫質の試料土に練り混ぜ、スランプ値と外観を目視判断して流動性効果を判定した。

[試料土]
土質：砂礫質土、粒度（礫分７５．６％、砂分２１．９％、シルト粘土２．５％）、含水比８．５％である。
[流動性試験法]
試料土（２０リットル）をコンクリート用のポット式ミキサーに投入し、気泡発泡は同様の方式による大型発泡筒で生成して所定量をミキサーに加えて練り混ぜた。
[実験結果]
以下、表３に測定結果と評価結果を示す。
表３に示すように、比較例は低発泡倍率の気泡であり、スランプ値は得られたが、いずれも材料分離ぎみで崩れた変形であり均質な塑性流動性が確認されなかった。一方、実施例の高発泡倍率の気泡はいずれも材料のまとまりが良く均質な塑性流動性があり、流動性が良好であることが確認された。

＜気泡維持性能を検証した実験とその結果＞
次に、気泡に不溶化材を添加することによる気泡の維持状況を観察した。
本実験では、本実施形態の起泡剤と、比較例として従来の起泡剤とを、それぞれ発泡倍率１０倍で発泡させて容器に充填した後、上方から不溶化材を散布して、体積の変化を確認した。
本実験で使用した不溶化材の種類および添加量を表４に示す。
なお、硫酸第一鉄および酸化マグネシウムの場合は粉体を散布し、液体であるポリ硫酸第二鉄の場合はピペットを用いて気泡の上面から滴下した。また、比較例では硫酸第一鉄を散布した。

実験の結果を図２に示す。ここで、図２（ａ）は、本実施形態の気泡シールド工法に係る気泡に不溶化材を添加したものであり、図２（ｂ）は、従来の起泡剤による気泡に酸化マグネシウムを添加した結果を示している。
図２（ａ）に示すように、本実施形態の気泡には、不溶化材を添加することによる影響はほとんど見られなかった。一方、図２（ｂ）に示すように、従来の起泡剤（ＯＫ−１：第一化成産業株式会社製）は、不溶化材を添加するとともに体積が減少する傾向が見られ、添加後３０分を過ぎると急激に体積が減少する結果となった。
そのため、本実施形態の気泡シールド工法によれば、不溶化材を切羽やスクリューコンベア等で供給しても、気泡は維持され、発生土の流動性が低下しないことが確認で確認できた。

＜不溶化性能を検証した実験とその結果＞
次に、気泡を添加することによる不溶化材の機能低下について確認した。
本実験では、ヒ素を含有する２種類の土壌（原土Ａおよび原土Ｂ）について、原土のみの場合（Ａ１，Ｂ１）、原土に不溶化材のみを添加した場合（Ａ２，Ａ３，Ｂ２，Ｂ３）、原土に気泡のみを添加した場合（Ａ４，Ｂ４）、原土に気泡および不溶化材を添加した場合（Ａ５，Ａ６，Ｂ５，Ｂ６）、原土に気泡と噴発防止剤を添加した場合（Ａ７，Ｂ７）、原土に気泡、不溶化材および噴発防止剤を添加した場合（Ａ８，Ａ９，Ｂ８，Ｂ９）、について、それぞれヒ素の溶出量を確認した。

表５に各試験ケースの配合を示す。なお、噴発防止剤には、「ＳＰ−α」（登録商標：太平洋シールドメカニクス株式会社製）を使用している。
なお、本実験では、不溶化材として、硫酸第一鉄とポリ硫酸第二鉄を使用した。また、原土Ａおよび原土Ｂの性状を表６に示す。

不溶化確認試験は、まず、原土を密閉可能な容器に気泡とともに投入し、混合して、気泡混合土を製造した。このとき、必要に応じて、不溶化材や噴発防止剤を添加する。続いて、気泡混合土を風乾させた後、環境庁告示第４６号に準じて砒素溶出試験を実施した。

試験結果を、図３（ａ）および（ｂ）に示す。
図３（ａ）および（ｂ）に示すように、不溶化材を添加することにより、溶出量が土壌溶出基準の０．０１ｍｇ／Ｌ以下に低減されることが確認できた。また、不溶化材の不溶化効果は、気泡や噴発防止剤を加えることによって多少減少するが、土壌溶出基準値以下に低減できることが確認できた。

＜不溶化材による流動性の検討＞
次に、不溶化材を添加した気泡混合土の流動性を確認した。
流動性の確認は、気泡のみが添加された気泡混合土（Ａ１１）と、気泡および硫酸第一鉄が添加された気泡混合土（Ａ１２）と、気泡およびポリ硫酸第二鉄が添加された気泡混合土（Ａ１３）について、モルタルフロー試験（ＪＩＳ Ｒ ５２０１）に基づいて、フロー値を測定した。

試験の結果を表７に示す。
表７に示すように、不溶化材を添加した場合（Ａ１２，Ａ１３）であっても、不溶化材を添加しない気泡混合土（Ａ１１）とフロー値にはほぼ変化は生じなかった。したがって、本実施形態の気泡シールド工法によれば、不溶化材を添加した場合であっても、気泡混合土の流動性が低下することない。

以上、本発明に係る実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
前記実施形態では、不溶化材が添加された起泡剤水溶液により気泡を生成してからチャンバ内に注入する場合について説明したが、不溶化材を添加するタイミングは限定されるものではない。例えば、気泡とは別に、チャンバ内に不溶化材を投入してもよいし、生成された気泡に不溶化材を添加してもよい。また、スクリューコンベア６１を介して排出された気泡混合土にベルトコンベア６２上で不溶化材を添加してもよいし、排土手段６１を介してトンネル外に搬出された気泡混合土に不溶化材を添加してもよい。

不溶化材は、ヒ素を含有していることが予想される区間にのみ添加してもよい。
また、排土手段の構成は、前記実施形態で示したものに限定されるものではない。例えば、ベルトコンベアに代えて、圧送管を用いてもよい。圧送管を用いる場合は、スクリューコンベアから排出された気泡混合土を、ポンプを介して圧送すればよい。

１ シールド掘進機
２ カッターヘッド
２１ カッタービット
２２ カッターモータ
３ 撹拌翼
４ 隔壁
４１ 気泡注入口
５ チャンバ
６ 排土手段
６１ スクリューコンベア
６２ ベルトコンベア
７ シールドジャッキ
８ セグメント
Ｇ 地山

Claims (5)

1. 疎水膜剤が水溶性溶剤で可溶化され、さらに陰イオン界面活性剤が混合されてなる起泡剤水溶液を発泡倍率１０倍〜５０倍の倍率で発泡させて気泡を生成し、
   切羽の土砂とシールド掘進機のチャンバ内の土砂に前記気泡を注入して気泡混合土を形成する気泡シールド工法であって、
   前記気泡混合土に重金属類を不溶化する不溶化材を添加することを特徴とする、気泡シールド工法。
2. 前記疎水膜剤は、常温で固体状の物質であって水に対して不溶または難溶であり、かつ水溶性溶剤に溶解または易溶であることを特徴とする、請求項１に記載の気泡シールド工法。
3. 前記不溶化材が、前記起泡剤水溶液に予め添加されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の気泡シールド工法。
4. 前記不溶化材が、粉体であることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の気泡シールド工法。
5. 前記不溶化材は、多価金属塩、金属系凝集剤、金属酸化物、または、これらのうちの少なくとも２つを混合したものであることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の気泡シールド工法。

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