JPH0988475A

JPH0988475A - シールド掘削方法

Info

Publication number: JPH0988475A
Application number: JP24325395A
Authority: JP
Inventors: Tanehide Tsuruoka; 胤英鶴岡; Masaru Saito; 優斎藤; Masanori Muto; 雅典武藤; Akio Kitagawa; 明雄北川
Original assignee: Zenitaka Corp; Nissan Chemical Corp
Current assignee: Zenitaka Corp; Nissan Chemical Corp
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 1997-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】注入材を抵抗少なく安定して切羽に供給し、
浸透させることが出来ると共に、切羽から掘削された掘
削土砂を容易に坑外に圧送出来、且つ坑外に搬出された
掘削土砂の公害上の問題もない。【解決手段】地下地盤２２をシールド掘削する切羽２
１に、地下地盤２２の崩壊を防止し、且つ止水効果をも
たらす注入材として、珪酸質水性ゼリーを破砕すること
によって生成した微細粒子と、これら微細粒子間に介在
し全体に流動性を持たせる液体とを主成分とする珪酸質
ペースト２３を用いると共に、切羽２１から掘削され注
入材と混合された掘削土砂１４をそのまま坑外２４に圧
送する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地下地盤の掘削方
法の改良に係り、特に切羽の崩壊を防止し、且つ止水効
果をもたらす注入材を注入しながら掘削すると共に、掘
削された掘削土砂を坑外に搬出する地下地盤のシールド
掘削方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、泥土圧シールド工法は、一般にベ
ントナイト、粘土を主成分とする泥漿、即ち水性スラリ
ーを注入材として切羽に圧入させながら地下地盤を掘削
する方法として、トンネル等の掘削に主に用いられてい
る。その効果は従来の無注入の土圧式シールド工法と比
較し、地山に不足する細粒分を補えること、更には切羽
地下水と置換することによって、掘削出来る対象が粘性
土地盤から砂地盤、更には砂礫地盤にまで拡大出来るこ
とが大きな利点となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、地下水
が豊富な砂、砂礫、玉石層等の地盤を対象に泥土圧シー
ルド工法を適用し、注入材をベントナイト、粘土を主成
分とするスラリーとした場合、次のような問題点があっ
た。即ち、スラリーを注入する泥土圧シールド工法にお
いて、地下水圧が高く且つ豊富な砂地盤、砂礫地盤を掘
削する場合、掘削土砂の土粒子構成に起因して、切削ト
ルクの異常な上昇によるシールド掘削機のカッター回転
の中断や掘削土砂の土圧室からスクリュウコンベア或い
はリボンスクリュウ等の搬出機構へ至るまでの間に必要
な流動性を欠き、地下水の噴発、対抗土圧の発生不良を
生じる恐れがあった。

【０００４】これらの対策として、地下水が豊富な砂、
砂礫、玉石層等の地盤に対しては、泥漿に気泡を混入さ
せて切羽に注入する気泡泥漿シールド掘削方法（特公平
５−４２５６０号公報）や高分子系吸水剤を注入するこ
とにより、掘削土砂の止水性を改善して掘削する方法等
が採用されている。

【０００５】これら各シールド掘削方法は、対象地盤に
合わせて適宜用いることによりある程度の安定した掘削
を維持することが出来る。しかしながら、これらいずれ
のシールド掘削方法においても、切羽から掘削された掘
削土砂は、この時点で注入材である泥漿、気泡又は高分
子系吸水剤が分離してしまうため、切羽から掘削された
ままの掘削土砂をそのまま坑外に圧送して搬出すること
が出来なかった。掘削土砂を坑外に搬出するためには、
再度これら注入材を添加して圧送するか、或いは注入材
の分離した掘削土砂を別に準備した搬送車に積載して運
搬する等によって坑外に搬出せねばならなかった。

【０００６】上記のように注入材を新たに添加すること
は、注入材の消費量を増大させて不経済になるばかりで
なく、最終的に坑外に搬出された掘削土砂、即ち排土の
中に、注入材として添加されたベントナイト、気泡又は
高分子吸水剤等が余分に混入するため、公害低減の観点
からも排土処理対策が一層必要となる恐れがあった。

【０００７】本発明の目的は、注入材を抵抗少なく安定
して切羽に供給、浸透させて掘削出来ると共に、切羽か
ら掘削された掘削土砂を容易に坑外に搬出することが出
来、且つ搬出された掘削土砂の公害上の問題のないシー
ルド掘削方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係るシールド掘削方法は、地下地盤をシー
ルド掘削する切羽に、前記地下地盤の崩壊を防止し、且
つ止水効果をもたらす注入材を注入して掘削し、前記切
羽から掘削された掘削土砂を坑外に搬出するシールド掘
削方法において、前記注入材として珪酸質水性ゼリーを
破砕することによって生成した微細粒子と、これら微細
粒子間に介在し全体に流動性を持たせる液体とを主成分
とする珪酸質ペーストを用いると共に、前記切羽から掘
削され前記注入材と混合された前記掘削土砂をそのまま
前記坑外に圧送することによって搬出することである。

【０００９】珪酸質水性ゼリーを破砕した微細粒子と、
これら微細粒子間に介在し全体に流動性を持たせる液体
とを主成分とする珪酸質ペーストを注入材として用いる
ものは、このように形成された珪酸質ペーストの微細粒
子同士が結合して再び元のゼリーに戻ることがほとんど
なく、全体が懸濁液の状態で、ゼリー状態とは違って泥
水のように流動性がある。この珪酸質ペーストの流動性
によって、注入ラインの通過抵抗が大幅に低下し、玉石
等の存在の有無によらず安定して切羽に浸透させること
が可能になると共に、切羽から掘削された掘削土砂を容
易に坑外に圧送することによって搬出出来る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るシールド掘削
方法の実施の形態を詳細に説明する。

【００１１】本実施の形態のシールド掘削方法に使用す
る注入材は、ＳiＯ₂の含有率が約１〜６０重量％の珪酸
質水性ゼリーを用いるが、そのまま用いるのではなく、
破砕することによって生成した微細粒子と、これらの微
細粒子間に介在し全体に流動性を持たせる液体とを主成
分とする珪酸質ペーストとして用いる。このように形成
された珪酸質ペーストは、前述のように、切羽への注入
ライン内を通過する通過抵抗が小さく、且つ掘削土砂に
混合されることによって掘削土砂を坑外に圧送する圧送
管内の通過抵抗を小さくして掘削土砂の搬出を容易に
し、いずれの場合も流動性を高めるという作用を呈する
のである。

【００１２】前記珪酸質水性ゼリーを破砕して作る微細
粒子の粒径は、画一的には決められず、掘削する地盤の
土質に対応して変わってくるが、本発明の目的である注
入ラインの通過抵抗が小さく安定して切羽に供給、浸透
させて掘削出来ると共に、切羽から掘削された掘削土砂
を容易に坑外に搬出することが出来ることを基準に決ま
る。

【００１３】上記破砕による生成粒子の粒径は３００μ
ｍを目安とし、それ以下となるようにすれば、種々の土
質の地盤に対応出来る。３００μｍを超えるものを主と
するときは、上記流動性が低下してくることからも微細
粒子の粒径は約３００μｍ以下のものを主とするように
するのが好ましい。又、ＳiＯ₂の含有率が約１〜６０重
量％の範囲外になると、上記珪酸質水性ゼリーを破砕し
ても上記性質の珪酸質ペーストにはなりにくいので、Ｓ
iＯ₂の含有率は約１〜６０重量％の範囲内、好ましくは
３〜３０重量％とする。

【００１４】又、珪酸質ペーストを微細粒子の粒径から
規定せずに粘度の値から規定することが出来る。粘度が
約５０ｃｐｓ〜１００万ｃｐｓであり、このペースト
を用いることにより前記と同様の作用が得られる。この
粘度範囲の珪酸質ペーストはチクソトロピックな性質を
示す。ここで粘度の測定方法は、温度２０℃、Ｂ型粘度
計でローター回転数１２rpm である。

【００１５】本実施の形態で用いられる珪酸質水性ゼリ
ーは、公知の方法によって容易に得られる。その例とし
ては、水ガラス等水溶性珪酸塩の水溶液に、各種酸や塩
類、例えば、硫酸、塩酸、酢酸、くえん酸、食塩、硫酸
マグネシウム等を加える方法が挙げられる。又、水ガラ
ス等水溶性珪酸塩の水溶液を脱陽イオン処理することに
より得られる珪酸又はそのオリゴマーの水溶液をゲル化
させる方法、或いは更に、シリカ水性ゾルを公知の方法
によりゲル化させる方法等が挙げられる。

【００１６】本実施の形態の珪酸質ペーストは、上記の
如きゼリーを、このゼリーの破壊をもたらすに十分な物
理的外力を与えて破砕することにより得られる。斯る細
分をもたらす破砕は、例えばホモジナイザーの如き強力
撹拌を常温のゼリーに与えることにより行なうことが出
来る。この強力撹拌は、通常の目安としては、粒径が約
３００μｍ以下のものを主とする微細粒子になるまで継
続するのがよい。或いは得られたペーストの粘度が約５
０ｃｐｓ〜１００万ｃｐｓを示すようになるまで継続
するのがよい。

【００１７】珪酸質ペーストを構成する液体としては、
水又は本発明の目的が達成される限りにおいて無機成分
や有機成分が適宜添加された水溶液或いは水分散液が用
いられる。ところで、珪酸質水性ゼリーはそれ自体が水
を内包しており、該ゼリーをそのまま破砕すればゼリー
内部に取り込まれていた水の一部が外部に解放される。
珪酸質水性ゼリーの種類によっては、その解放された水
だけで、即ち更に液体を加えなくても、当該ペーストに
必要な流動性を持たせることが出来るものもある。破砕
によって外部に開放された水の量だけでは足りない場合
に前記液体を加える。この水等の液体は、微細粒子間に
その再結合を妨げる如く介在し、これによりペーストの
安定した流動性が得られるものである。

【００１８】本実施の形態の珪酸質ペーストは、本発明
の目的が達成される限り、上記破砕された微細粒子の他
に、任意の成分、たとえば泥漿、高分子吸水剤や水溶性
高分子等を含有してもよい。このような任意成分の含有
は、ペーストとこの任意成分とを混合する方法、上記ゼ
リーの破砕工程において、破砕前のゼリーにこの任意成
分を添加してからゼリーを破砕する方法、或いはゼリー
の破砕中にこの任意成分を添加する方法により行なうこ
とが出来る。

【００１９】次に、本実施の形態に係るシールド掘削方
法を図１乃至３に基づいて更に説明する。

【００２０】図１〜３において、本実施の形態のシール
ド掘削方法は、地下地盤２２をシールド掘削する切羽２
１に、地下地盤２２の崩壊を防止し、且つ止水効果をも
たらす注入材である珪酸質ペースト２３を注入して掘削
し、切羽２１から掘削された掘削土砂１４を坑外２４に
搬出するものである。珪酸質ペースト２３は、珪酸質水
性ゼリーを破砕することによって生成した微細粒子と、
これら微細粒子間に介在し全体に流動性を持たせる液体
とを主成分とするもので、切羽２１から掘削され、その
掘削時に珪酸質ペースト２３と混合された掘削土砂１４
をそのまま坑外２４に圧送することによって搬出する。

【００２１】地下地盤に掘削されたトンネル内のシール
ド掘削機１と地上の珪酸質ペースト供給プラント２とが
長い注入ライン３により連通されている。珪酸質ペース
ト供給プラント２は、珪酸質ペースト２３の圧送ポンプ
４を介して注入ライン３と接続されている。注入ライン
３には必要に応じて中継ポンプ５を設けてもよい。

【００２２】シールド掘削機１の切羽カッター６が設け
られている面板７（図２）には注入材の注入口８が複数
設けられている。面板７の手前側には土圧室９が設けら
れ、この土圧室９に連なってリボンスクリュー１０が設
けられ、土圧室９には土圧計１１が設けられている。リ
ボンスクリュー１０の後部はサンドプラグゾーン１２と
なっており、１３は排土ゲートを示す。土圧室９内には
切羽から掘削され注入材と混合された掘削土砂１４が充
満されている。この掘削土砂１４には玉石１５が多く含
まれているものを示した。

【００２３】排土ゲート１３に接続されて、掘削土砂１
４を運搬するベルトコンベア１６が設けられ、その下に
は地下ホッパー１７及び掘削土砂１４を坑外２４に圧送
する圧送ポンプ１８が設けられ、圧送管１９を経由して
坑外２４の地上ホッパー２０に至る。

【００２４】珪酸質ペースト２３を注入材とする本実施
の形態のシールド掘削方法は、シルト層から砂層、礫層
まで、とりわけ礫率６０％程度までの幅広い地下地盤を
対象とすることが出来、特に、砂層は、均等係数Ｕｃが
１０未満の均等粒度のものも対象とすることが出来る。
ここで、均等係数Ｕｃは、粒径加積曲線の通過質量百分
率６０％、１０％にそれぞれ相当する粒径Ｄ₆₀、Ｄ
₁₀（有効径）をとり、Ｕｃ＝Ｄ₆₀／Ｄ₁₀で定義される値
である（土質試験法−第２回改訂版−土質工学会編）。
従って、一般にＵｃが４〜５以下の土は「粒度分布が悪
い」といい、１０以上の土は「粒度分布が良い」と云え
る。

【００２５】切羽２１又は土圧室９内への珪酸質ペース
トの注入は、所要圧力下において注入ライン３から注入
され、その注入量は地下地盤の有効間隙率又は間隙率を
目安に行ない、掘削土砂１４が均一に混合された状態の
塑性化土に改良されるように調節される。珪酸質ペース
ト２３の注入率は、一般的には掘削しようとする土砂の
２０〜３０体積％を注入する。スランプ０ｃｍでも実際
にはかなりの塑性流動性を示す。

【００２６】本実施の形態のシールド掘削方法は、珪酸
質ゼリーを強力撹拌して得られた流動性に優れた珪酸質
ペースト２３を注入材として用いたので、この注入材を
注入ライン３を通して通過抵抗少なく安定して切羽２１
に供給することが出来る。切羽２１に注入された珪酸質
ペースト２３は、その流動性により玉石等の存在の有無
によらず安定して切羽２１に浸透させることが出来る。
従って、この浸透により水を地盤中に追い出すことが出
来、即ち止水性が向上し、安定した掘削を維持すること
が出来る。

【００２７】更に、このようにして切羽２１から掘削さ
れた注入材と混合した混合掘削土砂１４は、掘削後直ち
にベルトコンベア１６、圧送管１９等の圧送手段によっ
て坑外２４に圧送可能なことは勿論、翌日の圧送も特に
問題なく、混合掘削土砂１４の分離は認められない。
又、排出土砂の乾燥性が高く、残土処分が容易である。
最終の混合掘削土砂１４は、ベントナイトを含んだ掘削
土砂のように泥土化せずに、地上ホッパー２０や図示し
ていないストックヤードでの放置中に乾燥して含水比が
半分以下に減少し、普通土としての処分も可能になる。

【００２８】次に、上記のように切羽２１から掘削され
珪酸質ペースト２３と混合された掘削土砂１４を圧送す
る圧送実験について、図表を用いて説明する。

【００２９】図４は、掘削土砂１４を圧送する実験の系
統図である。ポンプ車２５から直径５インチ（１２５
Ａ）、長さ９３ｍの圧送管１９ａを水平に、曲がり部二
個所を設けて敷設した。ポンプ車２５からそれぞれ６
ｍ、２５ｍ、４４ｍ、６５ｍ、８６ｍの圧送距離に掘削
土砂の圧力を測定する土圧計を測定点２６、２７、２
８、２９及び３０の５個所に設けた。土圧計容量は、測
定点２６は１００ｋｇｆ／ｃｍ²、測定点２７〜３０は
５０ｋｇｆ／ｃｍ²のものを設置した。

【００３０】表１は、実験地盤の構成を示すもので、実
験地盤として（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の３種類を取り
上げた。（Ａ）は礫率１６％、（Ｂ）は礫率４６％及び
（Ｃ）は礫率６０％のもので、ｓ／ａは細骨材率を示
し、ｓは砂の割合、ａは砂と礫の合計割合である。特
に、（Ｃ）の場合は、細骨材率３１％、細粒分１５％程
度、スランプ０．０〜１０．０ｃｍである。

【００３１】表２は、本圧送実験で用いた珪酸質ペース
トの配合割合とその特性を示したもので、礫率６０％程
度までの地下地盤を対象とすることが出来る。即ち、１
５〜３０重量％のＳiＯ₂のゾルを主材とし、この主材１
００リットルに助材として５体積％のＨ₂ＳＯ₄を５９リ
ットルと水４３６リットルを加えて混合し、更に硬化材
として３号水ガラスを４０％に薄めた溶液を７５リット
ル加えて混合し珪酸質ゼリーを６７０リットル得た。こ
れに水３３０リットルを加えて強力撹拌し、前記ゼリー
を粒径３００μｍ以下の微細粒子に細分し、全体として
１０００リットルの珪酸質ペーストを得た。

【００３２】こうして調製した珪酸質ペーストの特性
は、同じく表２に示したように、ｐＨ：７±１、比重：
１．０２、粘性：８００ｃｐであった。珪酸質ペースト
の実験地盤への注入率は３０％である。

【００３３】表３は、各実験地盤の圧送実験結果を示し
たもので、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）いずれの実験地盤も
二重丸印のように圧送が良好であった。表中、Ｓは公知
のスランプ試験の値を示し、被試験体のやわらかさを示
す。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】図５は、表１の実験地盤Ｃについての圧送
距離と掘削土砂圧力の関係曲線である。横軸に図４に示
した圧送距離（ｍ）、縦軸に圧送管１９ａ内の掘削土砂
圧力（ｋｇ／ｃｍ²）をとっている。曲線３１は、最大
圧力を示し、曲線３２は定常圧送時の圧力を示す。プロ
ットは、図４における測定点２６〜３０に相当する個所
の値で、横軸に番号２６〜３０でその位置を表示してい
る。

【００３８】図５からわかるように、掘削土砂圧力は圧
送距離の増加と共に略直線的に減少する。しかも最大圧
力と定常圧送時圧力との差は小さく、本実施の形態の掘
削土砂は、実用的に圧送管内を圧送することが可能であ
ることを示している。本圧送実験の圧送距離は、９３ｍ
までを行なったが、実際のシールド掘削においては、例
えば５００〜６００ｍと圧送距離が大きくなるので、圧
送距離の大きさに応じて掘削土砂の圧送ポンプ能力を大
きくすることにより圧送が可能になる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、流動性に優れた珪酸質
ペーストを注入材として用いたので、注入ラインを通し
て通過抵抗少なく安定して切羽に供給することが出来
る。切羽に注入された珪酸質ペーストは、その流動性に
より玉石等の存在の有無によらず安定して切羽に浸透さ
せることが出来、この浸透により水を地盤中に追い出す
こと、即ち止水性が向上し、安定した掘削を維持するこ
とが出来る。

【００４０】更に、注入材は切羽から掘削された掘削土
砂と混合し、圧送のための粒度調整や再混練を必要とせ
ずに、掘削土砂を坑外に圧送可能にする。

【００４１】そして、注入材と混合した掘削土砂は、時
間の経過による性状変化が少なく、土砂と水の分離等に
よる圧送管の閉塞、圧送不能を防止する。又、地上ホッ
パーやストックヤードでの放置により、乾燥して含水比
が半分以下に減少し、普通土としての処分も可能とな
り、公害上の問題もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシールド掘削方法を説明する構成
図である。

【図２】図１の要部拡大図である。

【図３】図２のシールド掘削機の左半分のみを示した正
面図である。

【図４】本発明に係る掘削土砂を圧送する実験の系統図
である。

【図５】図４の実験による圧送距離と圧力の関係曲線で
ある。

【符号の説明】

１４掘削土砂２１切羽２２地下地盤２３珪酸質ペースト（注入材）２４坑外

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武藤雅典東京都千代田区神田錦町３丁目７番地１日産化学工業株式会社内 (72)発明者北川明雄東京都千代田区神田錦町３丁目７番地１日産化学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地下地盤の切羽に、注入材を注入して掘
削し、前記切羽から掘削された掘削土砂を坑外に搬出す
るシールド掘削方法において、前記注入材として珪酸質
水性ゼリーを破砕することによって生成した微細粒子
と、これら微細粒子間に介在し全体に流動性を持たせる
液体とを主成分とする珪酸質ペーストを用いると共に、
前記切羽から掘削され前記注入材と混合された前記掘削
土砂をそのまま前記坑外に圧送することによって搬出す
ることを特徴とするシールド掘削方法。