JPH0260987A - シールド工法用添加材および泥水材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はシールド工法用添加材および泥水材に係り、特
に土圧式シールド工法において砂質土地盤用に適用され
る泥土式シールド工法に使用さ札掘削土砂に塑性流動性
を与えるために供給されるシールド工法用添加材、およ
び泥水式シールド工法に使用され、掘削土砂を流動化す
るために供給されるシールド工法用泥水材の改良に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、シールド掘進する場合において、土庄式シールド
工法はシールドの掘進に伴い、シールドチャンバ内に取
り込まれた掘削土砂を加圧充填し、排土機構によって掘
進量に見合う量だけ連続排土して切羽の安定を図りなが
らシールドを掘進させるようにしている。この場合にお
いて、シールドチャンバ内から排出機構に円滑に排出さ
れるためには泥土が充分な塑性流動性をもっていること
が必要となっている。しかし砂や砂礫地盤を掘削するよ
うな場合では、シールドチャンバ内やスクリュウコンベ
ア内に掘削土砂が過度に充満するとアーチ作用等により
連続移動が困難となり、また、連続的に移動させるとス
クリュウコンベア内の土砂が過粗密状態になり、地下水
の流れ込みによって切羽が崩壊して噴発事故が起きる。

このようなことから、掘削土砂に添加材を注入し、攪拌
して地山と同程度の粒度と含水比を有する塑性流動性と
不透水性を持つ泥土に変換する必要があり、従来からヘ
ントナイトや陶土を主゛体にした添加材をシールドチャ
ンバ内の掘削土砂に注入供給するようにしていた。この
添加材は、一般的にベントナイトと陶土に水を加えた組
成とさ瓢シールドチャンバ内の掘削土砂が所定の塑性流
動性を持つようにベントナイトと陶土を計量混合し、水
を加えて加圧搬送できるようにしてシールドチャンバま
でポンプ圧送するようにしていた。この添加材の注入に
より、粒子の荒い砂や砂礫間に添加材が混入し、切羽の
安定化、カッタービットの損耗遅延機能、掘削土砂の塑
性流動化、止水効果等が得られる。

一方、泥水式シールド工法は泥水に所定の圧力を与えて
循環させることにより、切羽の安定を図るとともに掘削
土砂の流体輸送を行うものである。

この工法に使用される泥水材は従来からベントナイトと
陶土を主成分としたもので、必要に応じてＣＭＣ（カル
ボキシメチルセルロース）や逸水防止剤、分散剤を添加
した構成となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記土圧式シールド工法用添加材としての従
来のベントナイトと陶土を主成分とする添加材では、そ
の見掛けの粘性が３０００〜４０００　ｃｐｓ（Ｃ型粘
度計）以下になるように調整しなければならなかった。

これはそれ以上に粘性が高くなると圧送ポンプ（ＰＡ−
３０）の送給能力を越えてしまい、シールドチャンバま
で圧送できなくなるためであった。このため加水量を増
して粘性を下げることで対処することが考えられるが、
砂層や砂礫層の高水圧地盤および高透水係数地盤では止
水機能が低下し、逆に噴発率を高めてしまう問題が生じ
てしまう。したがつて、添加材にヘアリング効果をもた
せるために、シールドチャンバに至るまでの粘性を低く
押さえつつシールドチャンバ内での高流動化を抑制する
ために吸水剤を注入する方法や、あるいはコストの高い
ベントナイトの混入割合を高めたりする方法が提案され
ていた。しかし、上記各種の方法を適用しても、実際上
は良好な添加材とすることができず、ベントナイトと陶
土との混合割合を加減調整してポンプで送れるような流
動性をもつように配合量を調整し、コスト面で有利な陶
土の割合を増大しつつシールドチャンバ内の泥土の塑性
流動性が確保できるようにしているのが現状であった。

すなわち、従来では、添加材に必要な高粘性をもたせつ
つポンプ圧送ができるような相反する条件をもつ添加材
とすることができないものであった。

一方、泥水シールド工法用の泥水材には地盤条件により
要求される泥水性状があり、一般的にはファンネル係数
、液比型、造壁性がある値となるように性状が定められ
、゛この設計値となるように泥水が作られる。ところが
、従来の泥水は粘土やベントナイトおよび陶土を主成分
としているが、これらの成分は沈降速度が大きいため、
繰り返し使用により分散性が低下し易く、付着性が高い
ためベントナイトケーキが生じて早期に送泥管やシール
ドチャンバに付着してしまう弊害があった。

また、陶土の粒子形状からすれば土粒子間への浸透性が
良好といえず、地山の安定化や逸水防止機能が充分とい
えない問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に着目し、第一には高濃度
・高粘性でありながらポンプ圧送特性が非常に良好であ
って、シールドチャンバ内の掘削土砂への浸透性が高く
塑性流動化を容易にして切羽の安定機能、ビット損耗遅
延機能、止水効果があり、シールドチャンバやスクリュ
ウコンヘアへの付着防止特性にも優れた土庄式シールド
工法用添加材を提供することを目的とする。また、第二
には付着性が低く、地山の安定化や逸水防止機能に優れ
るとともに、劣化の少ない泥水シールド工法に使用され
る泥水材を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

石炭灰は陶土に比べて見掛けの粘性が高い傾向にあるが
、付着性に関しては切れのよい材料であって、石炭灰粒
子の形状が丸く流動性に富んで浸透性に優れているとの
知見を得て本発明を完成するに至ったものである。すな
わち、本発明に係るシールド工法用添加材は、シールド
チャンバ内に取り込まれる掘削土砂中に注入する添加材
であって、石炭灰スラリーまたは石炭灰スラリーを含む
組成としたものである。

−ｉに、礫層地山の粒度分布をみると、第２図に示した
ように、粒径の大きい砂や礫の割合が大きく、粒径の小
さいシルトや粘土成分が非常に少なくなっており、分布
曲線は全体的に二次曲線の様相を示している。このよう
な礫層をそのままシールド掘削すると、掘削土砂は均一
な圧力媒体とならず、カッタビットへの応力集中を生じ
、掘削土砂の望性移動が困難となり、かつ止水機能が低
下する等の種々の問題を呈する。このため、掘削土砂に
良好な塑性流動性をもたせ、上記の問題を改善するため
に添加材をシールドチャンバ内に供給注入するが、本発
明では添加材の主成分として上述のように石炭灰を用い
た。

石炭灰は、粒度の違いにより１〜１０薗程度をクリンカ
、０．１〜１ｍｓ程度をシンダーアッシュ、０．１ａｍ
以下をフライアッシュとして分類されるが、基本的には
産地により第３図に示したように粒度分布が異なる。こ
の内、使用する石炭灰としては粒度が一定で、粒子形状
の丸いフライアッシュが望ましい。これは掘削土砂への
浸透性がよく、掘削土砂を塑性流動化して圧力媒体とな
し、止水機能を発渾させるには、クリンカ、シンダーア
ッシュより粒子径の小さいフライアッシュが望ましいか
らである。もちろん、掘削土砂の粒度分布が第２図直線
Ａに近似するようにクリンカ、シンダーアッシュを粒度
分布の改善に寄与させるために配合することはかまわな
い。

また、この場合において、添加材は掘削土砂に塑性流動
性をもたせるために供給されるが、最適な塑性流動性を
もつ場合は第２図に示した粒度分布曲線が直！！Ａに近
似する場合であるから、掘削しようとする地山の粒度分
布が直線Ａに近付くように石炭灰の配合量を調整するよ
うにしている。

すなわち、第２図の礫層のときには微細砂シルト分、粘
土分の成分が不足しているので、これを石炭灰を主成分
とした添加材で補うのである。

このような石炭灰を添加材に適用するに当たり、添加材
の組成は、石炭灰スラリー単体、石炭灰とベントナイト
とのスラリー、あるいは必要に応じて陶土を混合したス
ラリーとすることができ、掘削土砂の状態によって当該
掘削土砂に添加材を注入した粒度分布が、第２図の均等
粒度分布である直線Ａに近似する粒度分布となるように
石炭灰、ベントナイト、および陶土の混合組成を調整す
ればよい。例えば、掘削土砂粒度分布曲線Ｂが第２図の
曲線の場合には、微細砂およびシルト成分に相当する粒
度をもついわゆるフライアンシュ（第３図中の新生灰ａ
、ｂ、ｃ）を従来かう使用されている陶土に変えて使用
し、これと粘土成分に相当する粒度をもつベントナイト
とを混合し、水を加えてスラリー化し、当該対象掘削土
砂の粒度分布が直線Ａに近似するようにシールドチャン
バ内に注入するのである。したがって石炭灰の配合層は
掘削地山の粒度分布によって定まり、石炭灰スラリーに
加えるベントナイトの配合量、もしくは陶土の配合量は
基本的に掘削土砂の粒度分布に依存し、直線Ａに近似さ
せるように各組成材の粒度を勘案して設定される。この
場合において、添加材の混合量は砂・礫に対してシルト
・粘土分が２０％を越える範囲にしなければならないと
いう見解もあるので、これを下限値として設定する。こ
れは２０％を下まわると塑性域を越えて止水作用がなく
なり、噴発に繋がるからと考えられる。

なお、添加材を混合する場合にはベントナイトと水を先
に混合した後に石炭灰を混合するのが一般的である。こ
れは石炭灰を添加材中に均一に分散させるためである。

しかし、石炭灰は混合特性がよ（、ベントナイトおよび
石炭灰のどちらから水に入れても混練粘性は一定になる
ので順位は問題とならない。

次に、石炭灰をスラリー化するために加えられる水は、
掘削土砂の止水機能上の観点からできるだけ少ない方が
よく、また、ポンプ圧送の観点からすれば粘性はできる
だけ小さい方がよい。この発明では、石炭灰スラリーの
濃度がおよそ８０％程度で、その見掛けの粘性が最大２
００００〜３００００　ｃｐｓ（Ｃ型粘度計）に達する
ものとすることができる。従って、高水圧地盤等高粘度
の添加材を要求される場合で施工可能となる。これらは
主としてポンプの圧送能力に依存するが、従来から使用
されているＰＡ−３０型の圧送ポンプ（最大元圧２４〜
３０ｋｇ／ｃｄ）に対して上記高粘性を持たせても充分
圧送することができる。これは石炭灰、特にフライアッ
シュはその粒子形状が球形であり、比重が小さいことに
よるものと考えら瓢粘土系の添加材に比較して粘着性お
よび付着性が少ないため、見掛けの粘性があるものの、
ポンプ圧送特性が非常によいからである。すなわち、石
炭灰粒子によるベアリング効果によるものと考えられる
。したがって、この石炭灰を主成分とした添加材では、
砂・礫等の掘削土砂中に噴発を助畏するような水分は非
常に少なくなり、かつ掘削土砂中への浸透性を高粘性で
ありながら向上させることができ、これにより掘削土砂
の塑性流動性を確保することが可能となる。

このような石炭灰を主成分とした添加材では、石炭灰粒
子のベアリング効果による高い流動性により見掛けの粘
性が従来の添加材の粘性（３０００〜４０００ｃｐｓ　
）の数倍の粘性（８０００〜１２０００　ｃｐｓ　、最
大２００００〜３００００ｃｐｓ）であってもポンプ圧
送が可能となり、従来使用されている圧送ポンプ（ＰＡ
−３０型）によってもｌｏｏＯｍ程度の搬送距離を確保
できる。しかもその流動性により掘削土砂への浸透性が
良好であるため、掘削土砂を塑性流動化させることがで
き、これによって切羽のへの土留力をもつ均一な圧力媒
体となり切羽安定作用を発揮させることができるととも
に、カッタービットへの応力集中を防止して損耗遅延効
果を図り、止水効果を同時に図ることができる。また、
石炭灰を主成分とする添加材は水に希釈され難たく、高
濃度・高粘性を持たせることができるため、本来不要な
水分の減少を図ることができ、湧水の多い地盤において
は、希釈により流されることが少なくなり、噴発事故の
発生防止機能を著しく向上させることができる。

次に、第二の発明に係る泥水シールド工法用泥水材は次
のように構成する。泥水シールド工法において、循環使
用される泥水は、■泥水を加圧することにより切羽を安
定化させること、■掘削ズリの長距離流体輸送ができる
こと、■泥水の循環が停止してもズリの沈降による配管
内の詰まりを防止できること、■−次処理によりズリの
分離が可能であること等の機能が必要とされている。こ
れらの機能に対し、泥水の特性における比重は■〜■に
関係し、粘性は■〜■に、また脱水性は■と■にそれぞ
れ関係する。このような機能を持たせる泥水材料として
、本発明はフライアッシュを主成分とし、これに粘性材
としてＣＭＣを混合してスラリーを構成し、これを泥水
材として用いるようにしている。すなわち従来から使用
されている陶土に代えてフライアッシュを用いたのであ
る。

このフライアッシュと他の材料と沈降速度試験を比較し
た実験結果を第４図に示す。この実験は水道水１０００
ｃｃ（水温４．８〜５．５°Ｃ前後）に対し材料３００
ｇ　（各材料に共通）を入れて撹拌混合し、時間経過に
より沈澱高さと上澄み水の高さを測定したものである。

この結果によれば、ベントナイトは時間が経過してもほ
とんど沈降高さが変化しないが、陶土およびセメントは
初期沈降速度が早く、収束沈降高さはセメントの方がや
や高い。

そして、フライアッシュは初期沈降速度は陶土より遅く
、しかも沈降高さが陶土のそれより高く収束する。した
がって、この結果によれば、フライアッシュは陶土より
比重が小さく、分散性に優れていることが理解される。

このことは、陶土を主成分にした泥水材に比較してフラ
イアッシュを主成分にした泥水材の方が分散性がよく、
沈降分離のおそれが少ないことを示している。また、フ
ライアッシュはその粒度分布からすればシルトル粘土に
相応し、しかもその性状は粒子が丸く、切れのよいもの
であるから、付着性が少なく、土粒子間への浸透性がよ
いことを示している。したがって粘土分に相応する陶土
より切羽面から土粒子間への浸透が良好に行われ、地山
の粘着力を増加させて他山の安定化を増大することがで
きる。また、同時に浸透性が良いことにより逸水機能も
向上し、泥水材としての性状を改善することができる。

このようなフライアッシュの混合量は作泥しようとする
泥水材に必要な比重を確保するように水中に入れ、また
所望の粘性を得るようにＣＭＣを適量混合する。これは
例えば泥水材に必要な比重は水の比重よりもやや大きい
１．０５〜１．２５程度とされているので、この比重量
となるように水に対する混合量を定めればよい。また、
泥水の見掛けの粘性は、ファンネル粘性で１０〜２０ｓ
ｅｃが一般的であるので、この粘性となるようにベント
ナイトやＣＭＣを混合して調整すればよい。そして、上
記粘性を下げるには水希釈または分散剤を添加して調整
する。

この泥水材は地山の性状によって異なるが、次表のよう
な仕様を基準にして作泥すればよい。

表−１ 〔実施例１〕 まず、第一の発明にかかるシールド工法用添加材の実施
例を説明する。添加材は地盤条件やその使用目的により
、その要求条件特性が相違する。

しかし、−船釣特性は、■切羽の安定化、■塑性流動性
、■止水効果の観点からは粘性が８０００〜１２０００
ｃｐｓ　、フロー値が１５ｃｍ程度、■損耗遅延効果の
観点からは粘性５０００〜７０００ｃｐｓ　、■固着防
止効果の観点からは粘性２０００ｃｐｓ程度の特性が要
求されているので、これを基準に実験を行った。

添加材は使用材料により特性がかなり相違するため、石
炭灰としては北海道産のフライアッシュを使用し、ベン
トナイトは■５Ｋ−０１、■ツガルＮα１（２５０＃）
、■ツガ用Ｎα２（３００＃）、■クニゲルを用い、更
に陶土としてはＦＣパウダーを使用した。

また、添加材の配合目標として、前記添加材の一般的要
求特性に基づき、粘性が８０００〜１２０００　ｃｐｓ
であって、時間経過による粘性変化が少ないことの他、
希釈性・付着性が少ないことを目標とした。

実験の方法は材料の計量後に混合して試験を行い、検討
を加えて目標値との比較をなし、許容範囲にあれば配合
を決定して補足試験を行い、許容範囲になければ再度計
量して同一処理を行うようにした。このようにして行っ
た結果を表−２に、また比較例として同様な方法でヘン
ナイトと陶土表−２ Ｆ、Ａ：フライアツシュ 表−３ また、これらの結果から得られた最適配合を次表に示す
。

表−４ 上記実験結果から、石炭灰を添加材の骨材として使用で
きることが理解される。

これらの結果に基づいて、石炭灰を主成分とした添加材
の圧送実験を行った。この実験では、上記最適配合にお
けるＴ−２８を対象にして、第１図に示した設備構成に
よって圧送したものである。

すなわち、各材料を計量してミキサー（Ｍ　Ｓ　−７５
０，７，５ｋｗ）１０に入れ、５分間混練する。

その後、アジテータ（２，２ｋｗ）１２により攪拌し、
圧送ポンプ（ＰＡ−３０）１４により添加材を圧送した
。この実験により、ポンプ圧１０ｋｇ／ｃ−ｊで約３５
０ｍ先のチャンバ内に圧送・注入でき、ポンプ圧２．０
ｋｇ／ｃｄで約３００ｍの圧送実績が得られた。したが
って、高い粘性を持つ添加材としても１０００ｍ程度の
圧送可能性があることは明白である。

このような結果から、配合実験により判明した石炭灰の
切れのよい材料の利点は圧送管内でも見られ、圧送特性
の非常によい添加材といえる。これは石炭灰の粒径が均
一で粒子が球形であって動的流動性が高いためである。

また、混合特性がよく、ベントナイトおよび石炭灰のど
ちらから入れても混練粘性は一定になる。

〔実施例２〕 次に第二発明に係る泥水シールド工法用泥水材の実施例
を説明する。次表は他山の性状に応じた泥水材の調合割
合の例である。すなわち、対象地山は滞水砂層であり、
地下水には多量の海水が含まれている。この性状によれ
ば滞水砂層掘削による原泥水の地下水希釈により粘性が
２〜３秒低下し、造壁性が４〜６ｍｌ増大し、更に液比
重が０．０２〜０．０４低下する。そして、地下水中の
塩分混入による加泥水変化を見ると粘性が４〜５秒低下
し、造壁性が７〜１７ｍ１増大する。このような観点か
らの対策として必要な泥水材の仕様はファンネル粘性が
３５秒、液比重が１．０２、造壁性が１５ｍ１とするよ
うに配食調整するものとした。この仕様によって定めら
れた泥水材の基本配合を次表に示す。

上記泥水材によれば、陶土と異なって比重が小さく沈降
し難いため、非常に分散性が良好であって、粒子形状が
丸く、切れのよい性質から付着性が小さくベントナイト
ケーキが発生せず、土粒子浸透性の高さにより他山の安
定性が向上し、逸水防止効果が向上した。そして、特に
塩分に対して非常に強い性質を示した。この泥水材によ
り従来の陶土を主成分とした場合より劣化が少なく、循
環使用率が２０〜３０％向上した。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の第一の構成によれば、掘
削土砂に注入する添加材を石炭灰スラリ、あるいは石炭
灰スラリーを含む添加材として構成したので、高い粘性
と高濃度を持たせなから圧送距離を長くすることができ
、良好な塑性流動性と切羽安定化・損耗防止・止水効果
を持たせることができるという優れた効果が得られる。

また、本発明の第二の構成によれば、石炭灰スラリーを
含む泥水材とし、陶土より比重が小さく沈降分離し難い
泥水材とすることができ、もって劣化の少ない泥水材を
えることができるといいう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はシールド工法用添加材の製造搬送システム構成
図、第２図は礫層地山の粒度分布図、第３図は石炭灰の
粒度分布図、第４図は石炭灰と他の泥水シールド工法用
材料の沈降速度特性図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、土圧式シールドチャンバ内に取り込まれる掘削
   土砂中に注入する添加材であって、石炭灰スラリーまた
   は石炭灰スラリーを含む組成としたことを特徴とするシ
   ールド工法用添加材。
2. （２）、泥水式シールドチャンバ内に供給される泥水材
   を石炭灰スラリーを含む組成としたことを特徴とするシ
   ールド工法用泥水材。