(57)【要約】【課題】シールドトンネルを施工するにあたり、テールボイドに充填されて硬化後に、確実に透水性を発現することが可能な透水性裏込め材、及びそれを用いてシールドトンネルの外周に透水層を形成する方法、並びにその透水層を提供する。【解決手段】シールドトンネルを施工する際にテールボイドに充填する裏込め材は、アルカリ性を有するとともに、テールボイドに充填時に流動性を有し、テールボイドに充填後、時間の経過とともに硬化するアルカリ性硬化材と、アルカリ性環境で脱水し収縮する吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルと、を混合してなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドトンネルを施工する際にテールボイドに充填する裏込め材であって、
アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに硬化する硬化材と、
アルカリ環境で脱水し収縮する吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルと、を混合してなることを特徴とする裏込め材。
【請求項２】
前記硬化材として、モルタルを用いたことを特徴とする請求項１に記載の裏込め材。
【請求項３】
前記硬化材と前記ゲルとの合計体積に対する、前記ゲルの容積比を４０％以上として混合したことを特徴とする請求項１又は２に記載の裏込め材。
【請求項４】
シールドトンネルの外周に透水層を形成する方法であって、
アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに硬化する硬化材と、アルカリ性環境で脱水し収縮する吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルとを、前記シールドトンネルのテールボイドに充填することを特徴とするシールド外周への透水層形成方法。
【請求項５】
前記硬化材と前記ゲルとを、前記テールボイドに充填する直前に混合することを特徴とする請求項４に記載のシールド外周への透水層形成方法。
【請求項６】
シールドトンネルの外周に形成された透水層であって、
アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに硬化する硬化材と、アルカリ性環境で脱水し収縮する吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルとが混合状態で前記シールドトンネルのテールボイドに充填されていることを特徴とする透水層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドトンネルを施工する際にテールボイドに充填する裏込め材に係り、特に硬化後に透水性を備えるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シールド工法において、海底や川底、湖底等にトンネルを構築し、透水性のセグメントを介して海水や淡水等をトンネル内に導入して取水したり、構築されたトンネルが生活用水等となる水脈を分断しないようにトンネル外周に水流の迂回路を形成したりするために、セグメントと地山との間に生じる空隙（テールボイド）に、硬化後に透水性を備える裏込め材を充填する技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、シールド工法により地山を掘進後、トンネル外周に、裏込め材として、粒度調整した砂や礫などともに、植物繊維を主材としたセルロース系増粘材を充填する技術が開示されている。これは、砂や礫とともに粘性を有するセルロース系増粘材が配合されていることにより、充填直後には、透水性が低く止水効果が高いことから地山の緩みや漏水を抑制し、時間が経過するにつれて生分解によってその粘性が消滅することにより、裏込め材が透水性を発現するというものである。
【０００４】
また、特許文献２には、砂や砂利等の骨材に適量のセメントと水とを混合したコンクリートの基材に、ゼラチンやニカワなどのコラーゲンからなる水溶性もしくは熱溶解性を有する溶解性繊維を水で膨潤させたものを加えて、裏込め材として使用する技術が開示されている。これは、テールボイドに充填された裏込め材内に分散する溶解性繊維が、その充填後に溶解して空隙を形成し、トンネル外周に透水層が形成されるというものである。
【特許文献１】特開２００１−３０３８８６号公報
【特許文献２】特開２００８−２５１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の裏込め材を用いる方法では、セルロース系増粘材が地山中に生息する微生物等により生分解され、透水性を有するようになるまでの時間を予測するのは困難であり、トンネル外周に透水層を形成するにあたり確実性に欠ける。
【０００６】
特許文献２に記載の裏込め材を用いる方法では、溶解性繊維を水で膨潤させる際に低温に管理する必要があり、そのための設備及び多大な手間が生じてしまう。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、シールドトンネルを施工するにあたり、テールボイドに充填されて硬化後に、確実に透水性を発現することが可能な透水性裏込め材、及びそれを用いてシールドトンネルの外周に透水層を形成する方法、並びにその透水層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】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明は、シールドトンネルを施工する際にテールボイドに充填する裏込め材であって、
アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに硬化する硬化材と、
アルカリ環境で脱水し収縮する吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルと、を混合してなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の裏込め材によれば、シールドトンネルを施工するにあたり、テールボイドに充填時に吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルと硬化材とは共に流動性を有することから、硬化材とゲルとが互いに均一に混合されてテールボイド内の隅々まで良好に充填される。
【００１０】
そして、テールボイドに充填後の裏込め材は、裏込め材中に分散したゲルがアルカリ性の硬化材と接触することで脱水して収縮するととともに、硬化材は硬化していくので、複数の空隙を有する硬化体となる。これにより、空隙同士が連通して水みちとなり、トンネル外周に透水性が良好な層を確実に形成することができる。
【００１１】
本発明において、硬化材として、モルタルを用いることとしてもよい。
【００１２】
本発明において、前記硬化材と前記ゲルとの合計体積に対する、前記ゲルの容積比を４０％以上として混合したこととしてもよい。この構成によれば、テールボイドに充填された裏込め材が、十分な透水性を有している地盤（例えば、砂地盤や地山等級がＤII級相当の地盤）と同程度の透水性及び変形性を備える硬化体となる。
【００１３】
また、本発明は、シールドトンネルの外周に透水層を形成する方法であって、アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに硬化する硬化材と、アルカリ性環境で脱水し収縮する吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルとを、前記シールドトンネルのテールボイドに充填することを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記硬化材と前記ゲルとを、前記テールボイドに充填する直前に混合することとしてもよい。この構成によれば、ゲルがテールボイドに充填される前に脱水反応が生じることを防止し、テールボイドに充填された裏込め材内に、確実に空隙を形成することができる。
【００１５】
また、本発明は、シールドトンネルの外周に形成された透水層であって、アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに硬化する硬化材と、アルカリ性環境で脱水し収縮する吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルとが混合状態で前記シールドトンネルのテールボイドに充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、シールドトンネルを施工するにあたり、テールボイドに充填されて硬化後に、確実に透水性を発現することが可能な透水性裏込め材、及びそれを用いてシールドトンネルの外周に透水層を形成する方法、並びにその透水層を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る裏込め材の配合の一例を表にまとめたものである。
図１に示すように、本実施形態に係る裏込め材は、シールドトンネルを施工する際にテールボイドに充填する硬化材と、吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルとを混合したものである。
【００１８】
硬化材には、アルカリ性を有するとともに、テールボイド充填時には流動性を有し、テールボイドに充填後、時間の経過とともに硬化するものを用いる。
かかる硬化材としては、例えば、従来から裏込め材に汎用される一液型のモルタル等を用いることができるが、二液型のものを用いてもよい。
【００１９】
二液型の硬化材は、テールボイドに充填する際に、Ａ液と呼ばれるスラグセメント系モルタルと、Ｂ液と呼ばれる水ガラスとを混合して用いる。Ａ液は、施工態様により様々であるが、一般的には、スラグなどのセメント系硬化材を主剤とし、石灰、粘土鉱物などの助剤、必要に応じ安定剤を含む水系懸濁液である。Ｂ液は、Ａ液を短時間に硬化させるための凝結剤として作用する。このようなＡ液及びＢ液は、一般にアルカリ性を示す。
【００２０】
本実施形態で使用する吸水性ポリマーは、高い水分保持性能を有するとともに、保持した水をアルカリ性環境下で脱水し収縮する性質を有するものである。
かかる吸水ポリマーとして、例えば、ポリアクリル酸塩架橋体重合物を用いることができる。ポリアクリル酸塩架橋体重合物は、自重の数十倍から数百倍の水を吸収保持することが可能である一方、アルカリ性の水と接触すると、保持していた水を脱水する性質を有する。
【００２１】
上記二液型の硬化材の材料としては、例えば、太平洋ソイル株式会社製の製品であれば、Ａ液として、主剤にエスハイト、助剤に助剤−Ｓ、安定剤にＳＰ−Ｒ、Ｂ液の水ガラスとしてＳＰ−７０を用いることができる。この場合、例えば、エスハイトを３００ｋｇ、助剤−Ｓを２５ｋｇ、ＳＰ−Ｒを１．５ｋｇ、水を８１２ｋｇ、ＳＰ−７０を７４Ｌ配合する。
【００２２】
また、吸水ポリマーとして、例えば、４ｋｇのポリアクリル酸塩架橋体重合物を使用し、これに９９８ｋｇの水を混合することによりゲルを作製する。
【００２３】
本実施形態に係る裏込め材の材料である、二液型の硬化材のＡ液とＢ液と、吸水ポリマーに水を吸水させたゲルとは、それぞれ、別々の配管を介して、充填対象のテールボイド近傍まで圧送され、テールボイドに充填される直前、或いはテールボイドに充填されると同時に混練されることとしている。
その理由は、硬化材とゲルとが混練されてからテールボイドに充填されるまでの時間が長いと、アルカリ性を示す硬化材とゲルとが反応して充填前にゲルに脱水が生じ、テールボイドに充填後の裏込め材中に、充分な空隙が形成されないからである。
【００２４】
これに対し、これらの材料がテールボイドに充填される直前、或いはテールボイドに充填されると同時に混練されると、テールボイド充填後は流動性を有するので、テールボイド内の隅々まで行き渡ることができる。
また、ゲルも硬化材の硬化とともに脱水していき、硬化材が硬化時に、その内部に充分な空隙が形成される。
【００２５】
ここで、テールボイドに充填する硬化材とゲルとを混合する際に、ゲルの配合が、硬化材とゲルとの合計体積に対して、少なくとも４０％以上の体積を占めるように配合する、ものとする。
このような割合でゲルを硬化材に配合することで、テールボイドに充填された裏込め材が、周辺に存在する十分な透水性を有して適当な強度を有する地盤（例えば、砂地盤や地山等級がＤII級相当の地盤）と同程度の透水性及び変形性を備える硬化体となる。
【００２６】
図２は、本実施形態に係る裏込め材中の硬化材とゲルとの経時変化を説明するための説明図であり、同図（ａ）は混合された直後、同図（ｂ）は硬化材の硬化時の状態を示す。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、硬化材１０とゲル２０とが混合された直後は、液状の硬化材１０の内部にゲル２０が粒状となって分散している。すなわち、流動性を保持した状態で、テールボイド内に充填されるので、テールボイド内の隅々まで行き渡ることができる。
図２（ｂ）に示すように、テールボイド内に充填された裏込め材は、硬化材１０の部分が時間の経過とともに硬化していくとともに、ゲル２０の部分がアルカリ性を示す硬化材と接触しているので脱水して収縮していき、これにより裏込め材内に複数の空隙３０が形成され、空隙３０の内部には脱水した吸水ポリマー４０が残る。
その結果、空隙同士が連通して水みちとなり、トンネル外周に透水性が良好な層が形成されることになる。
【００２８】
次に、本実施形態に係る裏込め材の、硬化材とゲルとの最適な配合を検討するための実験を行ったので、以下にその詳細について述べる。
【００２９】
図３は、本実験に用いた硬化材とゲルとの配合を表にまとめたものである。
図３の表に示すように、本実験では、硬化材とゲルとの配合を、硬化材とゲルとの体積比が、５：５（配合１）と６：４（配合２）の２種類設定し、これら配合で試験体をそれぞれ作製し、透水性及び変形性の試験を行った。
なお、本実験では、硬化材及びゲルとして、図１に示したものと同一の材料及び配合のもの用いた。
【００３０】
図４は、各試験体の透水試験の状況を示す写真である。
図４の写真に示すように透水性の試験には、ＪＩＳ-Ａ１２１８に基づく変水位透水試験を採用した。
具体的には、内径５ｃｍのアクリル製の円筒内に、各配合について、裏込め材の高さが約１０ｃｍ程度になるように充填し、充填された裏込め材を硬化させて、材齢２８日における透水係数を測定した。図４中の左側は配合１、右側は配合２の裏込め材による試験体の変水位透水試験の状況である。
【００３１】
図５は、各試験体の透水性の試験結果を表にまとめたものである。透水係数は、値が大きいほど透水性が良好である事を示す。また、図６は透水係数とその対応する土質区分を示す図である（出典：土木工学ポケットブック―ＪＲ版（１９５８年）、オーム社、ｐ８３）。
【００３２】
図５の表に示すように、裏込め材に含まれるゲルの割合が大きいと透水性が向上している。
具体的に、配合１では、透水係数が１．７×１０−４〜１．１×１０−３ｃｍ／ｓｅｃとなり、これはシルト・風化粘土〜砂の透水性に相当する（図６参照）。当該透水係数は、社団法人日本道路協会発行による「道路トンネル技術基準（構造片）・同解説」に記載の地山基準であれば、ＤII級に概ね相当する。
配合２では、透水係数が１．８×１０−５〜１．７×１０−４ｃｍ／ｓｅｃとなり、これはシルト・風化粘土の粘土混合土の透水性に相当する（図６参照）。
上記した土質区分又は地山等級は、一般に十分な透水性を有すると判断される地盤である。すなわち、配合１又は配合２のような割合で裏込め材を配合することで、テールボイドに充填された裏込め材は、十分な透水性を有する硬化体となる。
【００３３】
図７は、各試験体の変形係数の試験に用いた試験体の写真であり、上側が外観写真、下側が断面写真である。なお、各試験体は、直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円柱形状に作製した。
図７の写真の試験体の断面写真に示すように、裏込め材中には、ゲルによって空隙が確実に形成されていることが確認でき、また、ゲルの配合量が多い配合１の試験体は配合２の試験体よりも、空隙の領域が大きく且つその数が多い。
【００３４】
このようにして作製した各配合の試験体について、材齢２８日における一軸圧縮試験を行い、応力−ひずみ曲線を取得することにより変形係数を求めた。変形係数は、値が大きいほど固くもろい材質である事を示す。
【００３５】
図８は、各試験体の変形係数の測定結果を表にまとめたものである。
図８の表に示すように、ゲルの配合量が少ない配合２の方の試験体の変形係数（２２２〜３５６ＭＮ／ｍ２）の方が、配合１の試験体の変形係数（６２〜１２０ＭＮ／ｍ２）よりも大きい。これは、空隙の領域が少ない配合２の試験体の方が、密実な硬化体となるためであると考えられる。
【００３６】
このように本実施形態では、一軸圧縮条件下における変形係数を求めたが、実際には、シールド機が掘削する地盤には三軸方向から圧縮力が作用しており、一軸圧縮条件下の変形係数よりも三軸圧縮条件下の変形係数の方が大きな値になる。
例えば、シールド機によりトンネル掘削する地盤の三軸圧縮の拘束圧を０．４ＭＰａとした場合の変形係数は、一軸圧縮条件下の変形係数と比べて概ね４倍程度の大きさになる。
そして、シールド機によりトンネル掘削が可能な地盤である地山等級がＤII級相当の地山の変形係数が、三軸圧縮条件下でＥ＝１５０ＭＮ／ｍ２程度とすると、当該条件を、一軸圧縮条件下の変形係数の条件に換算すれば、１５０ＭＮ／ｍ２以上の１／４である約４０ＭＮ／ｍ２以上となる。
【００３７】
ここで、本実験の変形係数の測定結果によれば、配合１及び配合２の裏込め材からなる硬化体は、ともに４０ＭＮ／ｍ２以上の変形係数を有している。すなわち、配合１又は配合２のような割合で裏込め材を配合することで、テールボイドに充填された裏込め材は、十分な強度を有する地盤と同程度の変形性を備える硬化体となると考えられる。
【００３８】
このように、本実施形態に係る裏込め材の実験結果によれば、配合１及び配合２のどちらの配合でも、テールボイドに充填された裏込め材が、十分な透水性を有する地盤（例えば、砂地盤や地山等級がＤII級相当の地盤）と同程度の透水性及び変形性を備えるという結果が得られた。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態に係る裏込め材は、アルカリ性を有するとともに、テールボイドに充填時に流動性を有し、テールボイドに充填後、時間の経過とともに硬化するアルカリ性硬化材と、アルカリ性環境で脱水し収縮する吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルと、を混合してなる。
これにより、シールドトンネルを施工するにあたり、テールボイドに充填時には、吸水性ポリマーに水を吸水させたゲルと硬化材とは共に流動性を有することから、硬化材とゲルとが互いに均一に混合されてテールボイド内の隅々まで良好に充填される。
そして、テールボイドに充填後の裏込め材は、裏込め材中に分散したゲルがアルカリ性の硬化材と接触することで脱水して収縮するとともに、硬化材は硬化していくので、複数の空隙を有する硬化体となる。これにより、空隙同士が連通して水みちとなり、トンネル外周に透水性が良好な層を確実に形成することができる。
【００４０】
また、本実施形態に係る裏込め材によれば、ゲルの配合が、硬化材とゲルとの合計体積に対して、少なくとも４０％以上の体積を占めるように配合することにより、テールボイドに充填された裏込め材が、十分に透水性を有する地盤（例えば、砂地盤や地山等級がＤII級相当の地盤）と同程度の透水性及び変形性を備える硬化体となる。
【００４１】
また、本実施形態に係る裏込め材によれば、硬化材とゲルとを、テールボイドに充填する直前に混合することにより、テールボイドに充填前にゲルに脱水反応が生じることを防止し、テールボイドに充填された裏込め材内に、確実に空隙を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態に係る裏込め材の配合の一例を表にまとめたものである。
【図２】本実施形態に係る裏込め材中の硬化材とゲルとの経時変化を説明するための説明図であり、同図（ａ）は混合された直後、同図（ｂ）は硬化材の硬化時の状態を示す。
【図３】本実験に用いた硬化材とゲルとの配合を表にまとめたものである。
【図４】各試験体の透水試験の状況を示す写真である。
【図５】各試験体の透水性の試験結果を表にまとめたものである。
【図６】透水係数とその対応する土質区分を示す図である。
【図７】各試験体の変形係数の試験に用いた試験体の写真であり、上側が外観写真、下側が断面写真である。
【図８】各試験体の変形係数の測定結果を表にまとめたものである。
【符号の説明】
【００４３】
１０  硬化材
２０  ゲル
３０  空隙
４０  吸水ポリマー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図４】
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【図７】
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