JP7260393B2 - 泥水式シールド工法 - Google Patents

Description

本発明は、泥水式シールド工法に関する。

従来、土砂地盤中にトンネルを構築する工法として、シールド工法や推進工法等が用いられている。これら工法においては、切羽の安定を図る等の目的で、泥土または泥水に対して、増粘効果を発揮する薬剤を添加することがある。

増粘効果をもたらす薬剤としては、高分子型増粘剤を含むものが広く使用されている。
例えば特許文献１には、カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ）とグルコン酸ナトリウムを含む掘削泥水用添加剤が開示されている。

特開２００６－２０６７１１号公報

しかしながら、ＣＭＣは増粘効果が弱く、ＣＭＣで泥水を増粘させるためには大量のＣＭＣを要する。さらに、増粘効果を発揮する薬剤には、泥水と簡便に混ぜ合わせるために、液状であることが望まれる。特許文献１のＣＭＣは水溶性高分子であり、水溶液とすることも可能であるが、溶解時にダマが生じやすく、均一な溶液とするのに時間を要する。高分子を増粘剤として働かせるためには、一般に分子量を大きくする必要があり、分子量の大きな物質は、溶かすときにダマになりやすい傾向にあるためである。

また、ＣＭＣを予め水溶液としておくことも、保管や運搬の面から困難である。ＣＭＣのような水溶性高分子は、高濃度の溶液にするとゲル化してしまうため、低濃度の液体を大量に作液することになり、大質量となってしまうためである。特にＣＭＣは、上記のように、増粘のために大量の投入を要するため、溶液量はますます膨大になる。
以上のことから、特許文献１に記載のＣＭＣは、液化した上で泥水と混ぜ合わせることが難しいため、取り回し上の問題を有し、また、大量の投入を必要とするため、コスト面の問題も有していた。

本発明は、以上のような状況を踏まえてなされたものである。すなわち、本発明は、安価でかつ取り回しが容易な、高濃度かつ液状の増粘剤を少量用いて泥水の増粘を行うことにより、実施が簡便で低コストな泥水式シールド工法を開発することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る泥水式シールド工法は、地上の泥水処理設備で、泥水に分散剤を混合し、混合した前記泥水を泥水式シールド機前部のチャンバーに送泥する工程と、前記チャンバー内で、前記泥水と、掘削された土砂と、増粘剤としてのポリアクリルアミドエマルジョンとを撹拌して混合し前記泥水を増粘させ、混合した前記泥水を前記泥水処理設備に送泥する工程とを含み、前記ポリアクリルアミドエマルジョンの濃度が３５～４５質量％である。
かかる泥水式シールド工法によれば、安価で、液状での保管や運搬が容易で、かつ増粘効果の高い増粘剤を用いて、泥水を凝集させることなく増粘させることで、泥水式シールド工法のコストを低減させ、かつ、簡便な実施を可能にすることができる。さらに、ポリアクリルアミドエマルジョンが少量でも増粘効果を発揮し、かつ泥水への混合が容易になるため、泥水式シールド工法の簡便な実施を可能にすることができる。

さらに、本発明に係る泥水式シールド工法は、前記ポリアクリルアミドエマルジョンと撹拌され混合された前記泥水のファンネル粘性が２０～６０秒であることが好ましい。
かかる泥水式シールド工法によれば、泥水の凝集を起こさずに十分な増粘効果が得ることができるため、泥水式シールド工法の簡便な実施を可能にすることができる。また、過剰な高粘度の泥水が送泥の際にポンプに負担をかけることを防止し、泥水式シールド工法に用いる設備の損耗や整備負担を軽減することができる。

本発明は、安価でかつ取り回しが容易な、高濃度かつ液状の増粘剤を少量用いて泥水の増粘を行うことにより、泥水式シールド工法のコストを低減させ、かつ、簡便な実施を可能にする。

泥水式シールドシステムの概略図である。

以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は「～」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、「部」および「％」は、特に断らない限り、それぞれ「質量部」および「質量％」を示す。

本発明者らは、増粘剤として、高い増粘効果を有するポリアクリルアミドに着目した。ポリアクリルアミドは、高濃度のエマルジョンとすることが可能であるため、液状にしても嵩張らず、液状での運搬や保管が容易である。さらに、ポリアクリルアミドは少量でも高い増粘効果を奏するため、使用量を抑えて施工コストを低下させることもできる。
しかしながら、ポリアクリルアミドはその高い増粘効果により、泥水に凝集を発生させてしまうことがある。この凝集は、泥水式シールド工法の泥水の循環において以下に説明するような大きな問題を引き起こす。

泥水の凝集によって生じる問題を説明するにあたり、まず、泥水式シールド工法における泥水の循環方式の例を以下に説明する。泥水は、地上の泥水処理設備から送泥ポンプにより泥水式シールド機前部のチャンバーへと送られて、切羽に圧をかけることで切羽を安定させ、当該切羽で掘削された土砂と前記チャンバー内で一体となった後、前記泥水処理設備に流体輸送（排泥）され、前記泥水処理設備で当該土砂と分離されてから再び前記チャンバーへと送られ、再利用される。

泥水式シールド機前部のチャンバー内の泥水による切羽の安定を促進し、また当該チャンバー内で土砂と撹拌された泥水を排泥する際の輸送性を向上すべく、当該チャンバー内に増粘剤が投じられる。泥水の増粘が必要となるのは、例えば、地盤の掘削中に泥水が散逸しやすい砂礫層が予期せず出現した等の理由で、泥水圧の低下に早急に対応する必要が生じた場合等である。このとき、泥水式シールド機前部のチャンバーは大容量であるため、当該チャンバーに投入した増粘剤が均一に混ざるまでには時間を要し、当該チャンバー内には増粘剤の一時的な濃度ムラが発生すると考えられる。この増粘剤の濃度ムラにより、泥水に局所的な凝集が発生する場合がある。

このように、増粘剤によって泥水式シールド機前部のチャンバー内で泥水に凝集が生じてしまうと泥水による切羽の安定化作用が得られず、また、排泥管内で泥水に凝集が生じてしまうと上記の泥水の循環と再利用が行えなくなるという問題が生じる。凝集を解膠できれば泥水は再利用できるものと考えられるが、沈殿した泥が配管に深刻な閉塞を引き起こしていた場合等は、単に解膠するだけでは問題が解決しない可能性もあり、その場合は当該配管等の整備に多大な労力を要することになる。

そこで本発明者らは、泥水の凝集を解膠するのではなく、凝集の発生そのものを抑制する方法について検討した。
まず、本発明者らは、泥水に凝集を発生させるポリアクリルアミドの濃度を確認することを試みた。本発明者らは、ベントナイト３０ｋｇ、クレーサンド１００ｋｇおよび水９４０Ｌを混合した泥水に対して、ポリアクリルアミド４０％エマルジョンを０．０１％、０．０２％、０．０５％添加した３種のサンプルを調製し、３種全てのサンプルにおいて軽度な凝集が泥水に発生することを見出した。なお、ここで言う泥水の軽度な凝集とは、目視可能なフロックが沈殿しており、当該フロックの粒子が小さいためにファンネル粘度計を通過することは可能であるが、粘性等の泥水に必要な性質は既に喪失している程度の凝集である。

次に本発明者らは、ポリアクリルアミド４０％エマルジョンの添加量を上記の凝集が生じる添加量から徐々に増大させていき、泥水の凝集の変化を確認した。その結果、泥水へのポリアクリルアミド４０％エマルジョンの添加量を０．１０％以上とすると、泥水の凝集を抑制できることを見出した。さらに、ポリアクリルアミドエマルジョンの添加量が増大するほどファンネル粘性も増大していくことも見出した。
具体的には、ポリアクリルアミドエマルジョン添加量を０．１０％から０．８０％まで増大させると、ファンネル粘性は３２．４秒から２分２秒まで増大した。なお、ファンネル粘性は、ファンネル粘度計（西日本試験機社製 型番Ｓ－２５１）を用いて測定した。

このように、ポリアクリルアミドの濃度が一定以上となると凝集が起こらなくなる現象は、高分子が、増粘剤（凝集剤）としても 分散剤（解膠剤）としても機能し得る物質であることに起因すると考えられる。すなわち、高分子が泥水中の分散質に吸着して粒子表面を覆った場合は、当該粒子同士が互いに吸着できなくなるため、高分子は分散剤として機能し得る。一方、一つの高分子が分散質の幾つもの粒子に吸着し、粒子間を繋ぐ役割を果たした場合は、当該高分子は増粘剤として機能し得る。
なお、分散作用と解膠作用とは同質の作用であり、一般に、粒子の分散状態を維持して凝集を抑制するものを分散剤、既に凝集した粒子を解膠するものを解膠剤と呼称する。

上記実験の泥水については、ポリアクリルアミド４０％エマルジョンの添加量０．０１～０．１％の範囲内に、泥水の凝集が発生する濃度領域があるものと推測できる。しかしながら、泥水式シールド機前部のチャンバー内の泥水は大量であるため、ポリアクリルアミドが混合容易なエマルジョンの形態であっても、泥水に均一に混ざるまでにはある程度時間を要し、前記チャンバー内には一時的なポリアクリルアミドの濃度ムラが発生する。このため、泥水式シールド機前部のチャンバー内の泥水の全領域において、上記凝集の発生する濃度領域への該当が一時的にでも起こらないようにしようという試みは、現実的ではない。

さらには、泥水式シールド機前部のチャンバー内の泥水における掘削された土砂の濃度は、掘削状況によって増減する。上記泥水のｐＨ値も、掘削対象の地盤の水質等によって上下するものである。このように泥水の状態は掘削対象の地盤の性質、掘削状況等によって変化するものであり、この変化に伴い、泥水を凝集させてしまうポリアクリルアミドの濃度も変化する。よって、泥水を凝集させないポリアクリルアミドの濃度を、一概に決定することは難しい。

そこで本発明者らは、泥水に対するポリアクリルアミドの濃度の制御によって泥水の凝集を抑制するのではなく、泥水が凝集する前に予め分散剤を加えておくことによって凝集を抑制することを検討した。この場合、泥水式シールド機前部のチャンバー内に、ポリアクリルアミドより先に予め分散剤を投入しておく手法も考えられる。しかし、大容量の泥水式シールド機前部のチャンバー内では分散剤の濃度ムラが発生し得るため、この手法では分散剤が低濃度な領域において凝集抑制効果が適切に働かない可能性がある。

そこで、本発明者らは、泥水式シールド工法では泥水が循環され再利用され続けることに着目した。すなわち、本発明者らは、掘削された土砂が混ざる前の泥水に対して地上の泥水処理設備にて予め分散剤を添加し均一化しておけば、泥水式シールド機前部のチャンバー内に分散剤を直接投入する場合に比べて、土砂と一体化した泥水内で分散剤を均一化させることができることを見出した。

図１に本実施形態の泥水式シールド工法を実施する泥水式シールドシステムの概略図を示す。本実施形態の泥水式シールドシステムは、泥水式シールド機前方の切羽１と、泥水式シールド機前部のチャンバー２と、送泥管３と、排泥管４と、地上の泥水処理設備５とを備え、泥水処理設備５において予め分散剤が投入された泥水を、送泥管３からチャンバー２に送り、圧力をかけて地山の土水圧に対抗させて切羽１の安定を図る。泥水と掘削された土砂とをチャンバー２内で撹拌しつつ、不図示の設備からポリアクリルアミドエマルジョンを投入し、泥水と土砂の混合物を凝集させずに増粘させ、排泥管４を通して泥水処理設備５に流体輸送（排泥）する。泥水処理設備５にて、泥水に対してポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）等の凝集剤を投入し、沈降させた土砂を含む粒子をふるい等でろ過した後、再びチャンバー２内に送泥し循環させる。

なお、ろ過した泥水を再びチャンバー２内に送泥する前に、泥水のサンプルを採取して成分を確認し、分散剤が当初の投入量よりも減少していた場合は必要に応じて分散剤の追加投入を行うことが好ましい。ただし、泥水の循環の過程における分散剤の減少は少ないと考えられる。

（分散剤）
分散剤としては、無機型分散剤、有機型分散剤、界面活性剤型分散剤、キレート剤、高分子型分散剤等の群から選ばれた１以上を使用することができる。本発明は、予め分散剤を泥水と混合しておく工程を備えるため、泥水への混合に時間を要する粉体の分散剤であっても使用可能ではあるが、泥水への混合の均一化を図る観点からは液状の分散剤の方が好ましい。さらに、液状の分散剤の中でも、液状の高分子型分散剤が、高分子型増粘剤であるポリアクリルアミドを分散させるのに適しているため、より好ましい。

粉体の分散剤としては無機型分散剤であるヘキサメタリン酸ソーダ、有機型分散剤である粉ゼラチン、キレート剤である酒石酸等が挙げられる。液状の分散剤としては、高分子型分散剤であるポリアクリル酸ソーダ液、界面活性剤型分散剤であるポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等が上げられる。

（ポリアクリルアミド）
ポリアクリルアミドエマルジョンの濃度は３５～４５％とすることが好ましい。ポリアクリルアミドエマルジョンの濃度が３５％以上であれば、高濃度であるため使用量が少量で済み、保管、運搬等が容易となる。一方、濃度が４５％以下であれば、粘度等の性質から泥水への混合等が容易となる。

ポリアクリルアミドエマルジョンは、上記分散剤と混合された泥水に対して、当該泥水のファンネル粘性が２０～６０秒となる範囲で混合することが好ましい。泥水のファンネル粘性が２０秒以上であれば、泥水の凝集は起こさずに十分な増粘効果が得ることができる。一方、泥水のファンネル粘性が６０秒以下であれば、過剰な高粘度により送泥の際にポンプに負担をかけることがない。

本発明者らは、分散剤を予め投入しておくことによる凝集抑制効果の確認のため、以下の実験を行った。
まず、ベントナイト２５０＃３０ｋｇ、クレーサンド１００ｋｇおよび水９４８Ｌを混合して泥水を調製した。この泥水に対して予め分散剤を投入して３分間撹拌し、その後にポリアクリルアミド４０％エマルジョン０．０５％とポリ塩化アルミニウムを０．１％とを添加して１分間撹拌することにより、サンプルを調製した。この結果を表１に示す。

表１は、分散剤として無機型分散剤であるヘキサメタリン酸ソーダを泥水に対してそれぞれ０．０５％、０．１％、０．２％の濃度で加えた３種のサンプル、有機型分散剤であるゼラチンを泥水に対してそれぞれ０．１％、０．２％、０．３％の濃度で加えた３種のサンプル、高分子型分散剤であるポリアクリル酸ソーダ３５％液を泥水に対してそれぞれ０．０２％、０．０５％、０．１％の濃度で加えた３種のサンプル、界面活性型分散剤である平均分子量３００のポリエチレングリコール（ＰＥＧ３００）を泥水に対してそれぞれ０．５％、０．７％、０．８％の濃度で加えた３種のサンプル、キレート剤型分散剤である酒石酸を泥水に対してそれぞれ０．０５％、０．１％の濃度で加えた２種のサンプルについての凝集の発生状況や粘性を示している。

表１のように、分散剤がポリアクリル酸ソーダ３５％液であれば０．０５％以上、分子量約３００のＰＥＧであれば０．８％以上、ヘキサメタリン酸ソーダであれば０．１％以上、ゼラチンであれば０．３％以上、キレート剤であれば０．１％以上を予め泥水に混合しておくことにより、その後でポリアクリルアミド４０％エマルジョンを０．０５％とポリ塩化アルミニウムを０．１％とを投入しても、泥水に凝集が起こらないことが確認できた。

上述のように、このような組成の泥水において、なんら抑制措置を行わずにポリアクリルアミド４０％エマルジョンを０．０５％を投入すれば凝集が生じることが確認されている。このような投入量のポリアクリルアミドエマルジョンに加えて、より強力に粒子同士を吸着するポリ塩化アルミニウムを加えても泥水が凝集しないことから、分散剤の事前投入による泥水の凝集の抑制効果が確認できる。

ただし、上述の通り泥水のコンディションは掘削場所等の条件に応じて変化するものであるため、あらゆる施工における泥水にこの分散剤濃度が適用されるものではない。また、実際の泥水式シールド工法による施工では、泥水処理設備においてポリ塩化アルミニウム０．０３％程度の添加等によって土砂を凝集、沈殿させて除去する必要がある。したがって、上記実験のように「ポリ塩化アルミニウム０．１％を加えても凝集が生じない」量の分散剤を投入すると、土砂の除去による泥水の再生が難しくなるおそれがある。したがって、表１の実験に使用したような泥水に対し、実際の施工において投入する分散剤の量は、表１の分散剤投入量よりも少なくなると考えられる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、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追加や変更が可能である。例えば、ポリアクリルアミドエマルジョンの投入はチャンバー内に行うが、地上の泥水処理施設で泥水を調製する段階において、泥水の粘度調製のために他の増粘効果の弱い増粘剤を加えてもよい。また、泥水に増粘剤、分散剤だけでなく発明の効果を妨げない範囲で他の薬剤を添加し、機能を付与することが可能である。

１ 泥水式シールド機前方の切羽（切羽）
２ 泥水式シールド機前部のチャンバー（チャンバー）
３ 送泥管
４ 排泥管
５ 泥水処理設備

Claims (2)

1. 地上の泥水処理設備で、泥水に分散剤を混合し、混合した前記泥水を泥水式シールド機前部のチャンバーに送泥する工程と、
   前記チャンバー内で、前記泥水と、掘削された土砂と、増粘剤としてのポリアクリルアミドエマルジョンとを撹拌して混合し前記泥水を増粘させ、混合した前記泥水を前記泥水処理設備に送泥する工程とを含み、
   前記ポリアクリルアミドエマルジョンの濃度が３５～４５質量％である
   ことを特徴とする泥水式シールド工法。
2. 前記ポリアクリルアミドエマルジョンと撹拌され混合された前記泥水のファンネル粘性が２０～６０秒であることを特徴とする請求項１に記載の泥水式シールド工法。

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