JP7566566B2 - 気泡シールド工法用起泡材、気泡シールド工法 - Google Patents

Description

本発明は、気泡シールド工法用起泡材、及び気泡シールド工法に関する。

気泡シールド工法は、起泡材の発泡により得られた気泡を、シールド機のカッターやチャンバー内に注入しながら掘進する工法である。気泡シールド工法では、カッター等に注入される気泡が掘削土の流動性と止水性を向上させ、かつ、チャンバー内での掘削土の付着を抑制する。これにより、カッターの安定性を保持しつつ掘進をスムーズに行うことができる。

注入する気泡は、対象土の粒度によって使用する材を使い分けている（非特許文献１参照）。たとえば、一般的に細粒分が一定量ある場合、陰イオン界面活性剤を主成分とするＡタイプ気泡の材を用いる。また、細粒分が少ない砂質～砂礫質土については、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）に代表される粉体の増粘剤を溶解させた液に、Ａタイプで使用される起泡材原液を混合して発泡させることで粘性の高い気泡を生成し、粘性により細粒分不足を補うＢタイプ気泡の材を用いる。或いは、粗粒な礫質土に対しては、増粘剤に対して、ゲル化作用のある薬剤を発泡時に散布することで、固く非常に強い気泡を作成し、礫を強固にまとめることができるＣタイプ気泡の材を用いる。なお、Ｂタイプ気泡及びＣタイプ気泡については、起泡材溶液を調製する際、Ａタイプ気泡で必要となる設備に加え、粉体を溶解する設備が別途必要となる。更には、発泡性を確保するため、別途添加材を必要とする場合がある（特許文献１参照）。

特開２０１４－２３４４８４号公報

気泡シールド工法 技術資料 シールド工法技術協会 （http://shield-method.gr.jp/wp/wp-content/uploads/doc_tec_rf.pdf）

本発明は、良好な曳糸性及び発泡性を有する気泡シールド工法用起泡材、及び当該気泡シールド工法用起泡材を用いた気泡シールド工法を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様は、（Ａ）両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤からなる群から選択される少なくとも１種と、（Ｂ）アニオン性界面活性剤と、（Ｃ）少なくとも１種類の多価金属塩を含む水溶性無機金属塩類と、を含む気泡シールド工法用起泡材である。
本発明の他の実施態様は、前記（Ａ）及び前記（Ｂ）のモル比が、１０/９０～９０/１０である気泡シールド工法用起泡材である。
本発明の他の実施態様は、（Ｄ）水溶性溶剤を更に含む気泡シールド工法用起泡材である。
本発明の他の実施態様は、前記（Ｄ）の含有量が、前記気泡シールド工法用起泡材全体の５０重量％以下である気泡シールド工法用起泡材である。
更に、本発明の他の実施態様は、（Ａ）両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤からなる群から選択される少なくとも１種、（Ｂ）アニオン性界面活性剤、（Ｃ）少なくとも１種類の多価金属塩を含む水溶性無機金属塩類、及び（Ｄ）水溶性溶剤を含む気泡シールド工法用起泡材を希釈した希釈液を発泡させて気泡を生成し、前記気泡を、シールド機のカッター及びチャンバー内の少なくとも一方に注入しながら当該シールド機を掘進する、気泡シールド工法である。

本発明によって、良好な曳糸性及び発泡性を有する気泡シールド工法用起泡材、及び当該気泡シールド工法用起泡材を用いた気泡シールド工法を提供することができるようになった。

図１は、シールド機の概略図である。

本発明の目的、特徴、利点、及びそのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであり、本明細書の記載から、当業者であれば、容易に本発明を再現できる。以下に記載された発明の実施の形態及び具体的な実施例などは、本発明の好ましい実施態様を示すものであり、例示又は説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図並びに範囲内で、本明細書の記載に基づき、様々な改変並びに修飾ができることは、当業者にとって明らかである。

＝＝シールド機＝＝
本実施形態におけるシールド機は、気泡シールド工法に用いられる一般的な機械である。たとえば、図１に示すように、シールド機１は、スキンプレート２、隔壁３、カッター４、カッターモーター５、気泡注入管６、スクリューコンベア７、土圧センサ８、チャンバー９、及び支持アーム１０を備えている。

スキンプレート２は、シールド機１の外殻部となる鋼製の筒状部材である。隔壁３は、スキンプレート２に設けられており、スキンプレート２の前側部分においてチャンバー９を区画する。カッター４は、回転によって地中を掘削する部分であり、スキンプレート２よりも前方に配設されている。カッターモーター５は、カッター４を回転させるための駆動源であり、隔壁３の後側に設けられている。支持アーム１０は、カッターモーター５の駆動力をカッター４に伝達するための部材である。カッター４を回転させながら、シールド機１を掘進することで、土壌を掘削することができる。

気泡注入管６は、発泡装置（図示なし）で起泡材を発泡して得られたシェービングクリーム状の気泡を注入するための部材である。図１の例において、気泡注入管６の先端はカッター４の前方に位置しているため、気泡はカッター４に向けて注入される。カッター４で掘削された掘削土は、カッター４の回転により気泡と混合され、流動性が高まった状態（いわゆる、気泡混合土の状態）でチャンバー９に流入する。なお、気泡注入管の配置や構造を変更することにより、気泡をチャンバー９内のみに注入させることも可能であるし、カッター４及びチャンバー９内の両方に注入させることも可能である。

スクリューコンベア７は、チャンバー９内に流入した掘削土をシールド機１の後側に排出する装置である。土圧センサ８は、チャンバー９内に流入した掘削土の圧力を測定する部材である。土圧センサ８で測定された掘削土の圧力に応じて、シールド機１の推進力やスクリューコンベア７による掘削土の排出量が調整される。

＝＝気泡シールド工法用起泡材＝＝
本実施形態に係る気泡シールド工法用起泡材は、（Ａ）両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤からなる群から選択される少なくとも１種と、（Ｂ）アニオン性界面活性剤と、（Ｃ）水溶性無機金属塩類と、を含む。

［両性界面活性剤、アミンオキシド型界面活性剤］
両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤は、気泡シールド工法用起泡材に起泡性を付与するための剤である。また、両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤は、（Ｂ）アニオン性界面活性剤との相互作用により紐状ミセルを形成することで、増粘作用を発揮し、気泡シールド工法用起泡材に曳糸性を付与するための剤である。両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤は、環境毒性が低いため、取り扱いが容易である。

両性界面活性剤としては、アルキルベタイン型、アルキルアミドベタイン型、イミダゾリン型、アルキルアミノスルホン型、アルキルアミノカルボン酸型、アルキルアミドカルボン酸型、アミドアミノ酸型、リン酸型等が挙げられる。両性界面活性剤は、ベタイン型が好ましい。ベタイン型の具体例としては、ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン、ヤシアルキルジメチルアミノ酢酸ベタイン、ヤシ油脂肪酸アミドプロピルベタイン、ラウリン酸アミドプロピルジメチルアミノ酢酸ベタイン、ヤシアルキルアミドプロピルジメチルアミノ酢酸ベタイン、ヤシ油脂肪酸アミドプロピルジメチルアミノ酢酸ベタイン（コカミドプロピルベタイン）、２－アルキル－Ｎ－カルボキシメチル－Ｎ－ヒドロキシエエチルイミダゾリニウムベタイン等が挙げられる。ベタイン型としては、ヤシ油脂肪酸アミドプロピルジメチルアミノ酢酸ベタイン（コカミドプロピルベタイン）がより好ましい。両性界面活性剤は、これらのうち１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

アミンオキシド型界面活性剤としては、ドデシルジメチルアミンオキシド、ヤシアルキルジメチルアミンオキシド、デシルジメチルアミンオキシド、テトラデシルジメチルアミンオキシド等が挙げられる。アミンオキシド型界面活性剤は、これらのうち１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本実施形態において、（Ａ）成分は、両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤からなる群から選択される少なくとも１種である。曳糸性の観点からは、両性界面活性剤がより好ましい。なお、両性界面活性剤及びアミンオキシド型界面活性剤を併用してもよい。

（Ａ）成分は、気泡シールド工法用起泡材全体の重量に対して３～４０重量％であることが好ましく、５～３０重量％がより好ましい。また、（Ａ）成分は、気泡シールド工法用起泡材の希釈液全体の重量に対して０．０５～４．００重量％であることが好ましく、０．２０～１．６０重量％がより好ましく、０．３０～１．００重量％が更に好ましい。希釈液とは、気泡シールド工法用起泡材（原液）を水で希釈したものでる。たとえば、希釈液濃度１％とは、溶液１容積中に原液が０．０１容積、希釈水が０．９９容積である。

（Ａ）成分及び（Ｂ）成分のモル比は、１０／９０～９０／１０であり、好ましくは２０／８０～８０／２０であり、より好ましくは３０／７０～７０／３０である。また、（Ａ）成分及び（Ｂ）成分の重量比は、１０／９０～９０／１０であり、好ましくは２０／８０～８０／２０であり、より好ましくは３０／７０～７０／３０である。

［アニオン性界面活性剤］
（Ｂ）成分であるアニオン性界面活性剤は、（Ａ）成分と同様、気泡シールド工法用起泡材に起泡性を付与するための剤であり、且つ気泡シールド工法用起泡材に曳糸性を付与するための剤である。上述の通り、アニオン性界面活性剤は、（Ａ）成分との相互作用により紐状ミセルを形成することで、増粘作用を発揮する。

アニオン性界面活性剤としては、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸又はその塩、α－オレフィンスルホン酸塩、直鎖又は分岐鎖のアルキル硫酸エステル塩、アルキルエーテル硫酸エステル塩又はアルケニルエーテル硫酸エステル塩、アルキル基を有するアルカンスルホン酸塩、α－スルホ脂肪酸エステル塩等が挙げられる。これらのアニオン性界面活性剤における塩としては、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩、マグネシウム等のアルカリ土類金属塩、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン等のアルカノールアミン塩等が挙げられる。アニオン性界面活性剤は、これらのうち１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

また、上記のアニオン性界面活性剤のうちアルキルエーテル硫酸エステル塩が好ましく、炭素数１０～２０の直鎖又は分岐鎖のアルキル基もしくはアルケニル基を有し、平均１～１０モルのエチレンオキシドを付加したものがより好ましく、炭素数１２の直鎖又は分岐鎖のアルキル基もしくはアルケニル基を有し、平均２モルのエチレンオキシドを付加したものが更に好ましい。

（Ｂ）成分は、気泡シールド工法用起泡材全体の重量に対して３～４０重量％であることが好ましく、５～３０重量％がより好ましい。また、（Ｂ）成分は、気泡シールド工法用起泡材の希釈液全体の重量に対して０．０５～４．００重量％であることが好ましく、０．２０～１．６０重量％がより好ましく、０．３０～１．００重量％が更に好ましい。

［水溶性無機金属塩類］
（Ｃ）成分である水溶性無機金属塩類は、希釈後の低濃度下においても増粘作用を発揮させるための剤である。水溶性無機金属塩類は、少なくとも１種類の多価金属塩を含む。

多価金属塩としては、マグネシウム塩、カルシウム塩、亜鉛塩、鉄塩などが挙げられる。これらのうち、マグネシウム塩がより好ましい。水溶性無機金属塩類は、これらのうち１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよい。また、水溶性無機金属塩類は、ナトリウム塩、カリウム塩など１価の金属塩を含んでいてもよい。

（Ｃ）成分は、気泡シールド工法用起泡材全体の重量に対して２０重量％以下であることが好ましく、１０重量％以下であることがより好ましい。また、（Ｃ）成分は、気泡シールド工法用起泡材の希釈液全体の重量に対して０．０１～２．２０重量％であることが好ましく、０．０４～０．８８重量％がより好ましく、０．０６～０．５５重量％が更に好ましい。

また、（Ｃ）成分と、（Ａ）成分及び（Ｂ）成分の合計とのモル比は、（（Ａ）成分＋（Ｂ）成分）／（Ｃ）成分＝１０／９０～９０／１０であり、好ましくは２０／８０～８０／２０であり、より好ましくは３０／７０～７０／３０である。また、（Ｃ）成分と、（Ａ）成分及び（Ｂ）成分の合計との重量比は、（（Ａ）成分＋（Ｂ）成分）／（Ｃ）成分＝９５／５～５０／５０であり、好ましくは９３／７～６０／４０であり、より好ましくは９０／１０～６５／３５である。

［水溶性溶剤］
本実施形態に係る気泡シールド工法用起泡材は、（Ｄ）成分である水溶性溶剤を含んでもよい。（Ａ）成分～（Ｃ）成分を含む気泡シールド工法用起泡材の原液は、ゲル化や凝集物が発生する可能性がある。水溶性溶剤は、このようなゲル化や凝集物の発生を抑制し、均一性を維持するための剤である。一方、水溶性溶剤は、気泡シールド工法用起泡材の曳糸性及び発泡性には影響を与えることが無い。すなわち本実施形態に係る気泡シールド工法用起泡材においては、任意成分である。

水溶性溶剤としては、炭素数２～４の一価アルコール、炭素数２～６の多価アルコール、グリコールエーテル系溶剤等、有機溶剤が挙げられる。具体的には、エタノール、プロパノール、ブタノール、イソプロピルアルコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、イソプレングリコール、へキシレングリコール、１，３－ブタンジオール、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル等である。これらのうち、エタノール、ジプロピレングリコール、イソプレングリコール、へキシレングリコール、１，３－ブタンジオール、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテルが好ましい。水溶性溶剤は、これらのうち１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

（Ｄ）成分は、気泡シールド工法用起泡材全体の重量に対して５０重量％以下であることが好ましく、０．１～３０重量％であることがより好ましく、０．３～２０重量％であることが更に好ましい。

［その他の添加剤］
気泡シールド工法用起泡材は、その機能に影響を及ぼさない範囲で適宜の添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、たとえば長鎖アルコールがある。長鎖アルコールは、気泡の安定性（たとえば泡の均一性や連続性）を高めることができる。長鎖アルコールとしては、炭素数８～３０の炭化水素基をもつ脂肪族アルコールが挙げられ、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ラウリルアルコール、トリデシルアルコール、ミリスチルアルコール、ペンタデシルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール、ノナデシルアルコール、オクテニルアルコール、デセニルアルコール、ドデセニルアルコール、トリデセニルアルコール、ペンタデセニルアルコール、オレイルアルコール、ガドレイルアルコール、リノレイルアルコール、エチルシクロヘキシルアルコール、プロピルシクロヘキシルアルコール、オクチルシクロヘキシルアルコール及びノニルシクロヘキシルアルコール等の一価アルコールが挙げられる。これらの脂肪族アルコールは直鎖状でも、分岐状でも、環状でもよいが、直鎖状が好ましい。

＝＝気泡シールド工法＝＝
本実施形態に係る方法は、（Ａ）両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤からなる群から選択される少なくとも１種、（Ｂ）アニオン性界面活性剤、（Ｃ）少なくとも１種類の多価金属塩を含む水溶性無機金属塩類、及び（Ｄ）水溶性溶剤を含む気泡シールド工法用起泡材を希釈した希釈液を発泡させて気泡を生成し、気泡を、シールド機のカッター及びチャンバー内の少なくとも一方に注入しながら当該シールド機を掘進する。

たとえば、（Ａ）成分～（Ｄ）成分を含む気泡シールド工法用起泡材の原液と水を混合した希釈液を発泡装置に投入する。発泡装置は、希釈液を発泡させて気泡を生成し、図１に示したシールド機１の気泡注入管６に注入する。気泡は、気泡注入管６を介してカッター４に注入される。この状態でシールド機１を掘進することにより、掘削土と気泡が混合された気泡混合土が生成される。なお、気泡シールド工法用起泡材の原液と水とは発泡装置内で混合されてもよい。また、上述の通り、シールド機（気泡注入管）は、気泡がチャンバー内に注入されるような構成となっていてもよい。また、希釈液にあらかじめ不溶化材を混合して発泡してもよいし、気泡混合土に対して不溶化材を添加してもよい。不溶化材は、掘削土に含まれる重金属類を不溶化するものである。また、本実施形態に係る方法において、希釈液の発泡倍率は５０倍以下が好ましく、２～２５倍の範囲がより好ましい。

＝＝気泡シールド工法用起泡材の曳糸性及び発泡性＝＝
本実施例では、本明細書に開示された気泡シールド工法用起泡材が、優れた曳糸性及び発泡性を有することを示す。

［起泡材の製造］
表１に記載の所定の割合で、水と（Ａ）成分を混合し（工程１）、次いで（Ｂ）成分を添加工合した（工程２）。この時、必要に応じて（Ｂ）成分が融解するよう加温しながら混合した。そして（Ｃ）成分を添加混合すること（工程３）により起泡材を作製した。

［評価方法］
（曳糸性）
起泡材の希釈液１００ｍＬを、２００ｍＬビーカーに入れ、直径約６ｍｍのガラス棒をビーカー底中央に垂直に立てた。その状態からガラス棒を約１秒間で引き抜き、ガラス棒先端が液面から出た後の糸引きの有無を目視で評価した。なお、一の実施例または一の比較例において、希釈濃度が異なる３種類の希釈液（１％、５％、１０％）を準備し、曳糸性の評価を行った。評価は、希釈濃度１％、５％、１０％の希釈液のうち、一つでも糸引きが見られた場合を「〇」と評価し、全てにおいて糸引きが見られなかった場合を「×」と評価した。

（発泡性）
コンプレッサーにて圧縮した空気と、その空気と同じ圧力の起泡材の３％希釈液を、セラミックボールが充填された筒内で二流体混合することで発泡させ気泡を得た。得られた気泡の重量Ａｇと、体積Ｂｍｌを測定し、式１で発泡倍率を算出した。
発泡倍率（倍）＝（気泡の体積Ｂｍｌ）／（気泡の重量Ａｇ）・・・式１

発泡倍率が６倍以上でも安定した発泡が可能であった場合を「○」と評価し、発泡倍率が６倍以上の場合に安定した発泡が不可能であった場合を「×」と評価した。なお、安定した発泡とは、連続して発泡し、且つ気泡が均一な状態をいう。

表１から明らかなように、実施例１の起泡材は、曳糸性及び発泡性のいずれの評価も「〇」となった。一方、比較例１～３の起泡材は、曳糸性または発泡性のいずれかの評価が「×」となった。すなわち、これらの実験結果から、（Ａ）両性界面活性剤、（Ｂ）アニオン性界面活性剤、及び（Ｃ）少なくとも１種類の多価金属塩を含む水溶性無機金属塩類を含む起泡材は、曳糸性及び発泡性に優れることが明らかとなった。

＝＝（Ｄ）成分を含む場合の均一性＝＝
本実施例では、本明細書に開示された気泡シールド工法用起泡材が、優れた曳糸性、発泡性、及び均一性を有することを示す。

［起泡材の製造］
表２に記載の所定の割合で、水と（Ｄ）成分を混合し（工程１）、（Ａ）成分を添加混合し（工程２）、次いで（Ｂ）成分を添加工合した（工程３）。この時、必要に応じて（Ｂ）成分が融解するよう加温しながら混合した。そして（Ｃ）成分を添加混合すること（工程４）により起泡材を作製した。

［評価方法］
（曳糸性及び発泡性）
実施例１、比較例１～３と同様の方法により評価を行った。

（均一性）
希釈前の原液が１剤であり、２５℃で分離せず安定しているか否かを目視で評価した。１剤であり安定している場合は、「○」と評価し、１剤でない、あるいは分離している場合は、「×」と評価した。なお、「安定している」状態は、原液中にゲルや凝集物が生じていない状態である。

表２から明らかなように、実施例２～２５の起泡材は、曳糸性、発泡性、及び均一性のいずれの評価も「〇」となった。一方、比較例４～６の起泡材は、（Ｄ）成分を含むことから均一性の評価は「〇」となったが、いずれも曳糸性の評価が「×」となった。すなわち、これらの実験結果から、（Ａ）両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤からなる群から選択される少なくとも1種、（Ｂ）アニオン性界面活性剤、及び（Ｃ）少なくとも１種類の多価金属塩を含む水溶性無機金属塩類を含む起泡材は、曳糸性及び発泡性に優れることが明らかとなった。また、（Ａ）成分～（Ｃ）成分を含む気泡シールド工法用起泡材が、原液の状態で（Ｄ）水溶性溶剤を更に含むことで、均一性も得られることが明らかとなった。

１ シールド機
２ スキンプレート
３ 隔壁
４ カッター
５ カッターモーター
６ 気泡注入管
７ スクリューコンベア
８ 土圧センサ
９ チャンバー
１０ 支持アーム

Claims (5)

1. （Ａ）両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤からなる群から選択される少なくとも１種と、
   （Ｂ）アニオン性界面活性剤と、
   （Ｃ）少なくとも１種類の多価金属塩を含む水溶性無機金属塩類と、
   を含む気泡シールド工法用起泡材。
2. 前記（Ａ）及び前記（Ｂ）のモル比は、１０/９０～９０/１０であることを特徴とする請求項１記載の気泡シールド工法用起泡材。
3. （Ｄ）水溶性溶剤を更に含むことを特徴とする請求項１または２に記載の気泡シールド工法用起泡材。
4. 前記（Ｄ）の含有量は、前記気泡シールド工法用起泡材全体の５０重量％以下であることを特徴とする請求項３記載の気泡シールド工法用起泡材。
5. （Ａ）両性界面活性剤、及びアミンオキシド型界面活性剤からなる群から選択される少なくとも１種、（Ｂ）アニオン性界面活性剤、（Ｃ）少なくとも１種類の多価金属塩を含む水溶性無機金属塩類、及び（Ｄ）水溶性溶剤を含む気泡シールド工法用起泡材を希釈した希釈液を発泡させて気泡を生成し、
   前記気泡を、シールド機のカッター及びチャンバー内の少なくとも一方に注入しながら当該シールド機を掘進する、気泡シールド工法。
   

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