(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド機によるトンネルの余掘掘削によって生じる空隙部に充填するための充填材であって、
水と消石灰とを混合した消石灰水に、前記消石灰を前記消石灰水中に均一に分散させるための分散剤を添加した消石灰スラリーと、ベントナイトとを含むことを特徴とする充填材。
【請求項２】
シールド機の余掘掘削によって生じる空隙部に充填される充填材の作製方法において、
水と消石灰とを混合して消石灰水を作製し、
この消石灰水に、前記消石灰を前記消石灰水中に均一に分散させるための分散剤を添加して消石灰スラリーを作製し、
充填直前にその消石灰スラリーとベントナイトを含む水とを混合することを特徴とする充填材の作製方法。
【請求項３】
シールド機によりトンネルが掘削された地山を安定化するための安定化方法において、
消石灰と、この消石灰と水とを混合して作製された消石灰水中に当該消石灰を均一に分散させる分散剤と、ベントナイトとを含む充填材を、前記シールド機の余掘掘削によって生じる空隙部に充填して地山を保持することを特徴とする地山の安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールド機によるトンネルの余掘掘削によって形成された空隙部に充填される充填材及びその充填材を用いた地山の安定化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的にシールド工法は、シールド機でトンネルを掘削し、このシールド機の後方にトンネルの内周面を覆う覆工体を形成するとともに、形成した覆工体から推進反力を得ながらシールド機を推進させてトンネルを構築する工法である。トンネル掘削時にはシールド機が地山をオーバーカットしながら掘削するために、シールド機の外周面と地山との間に空隙部が生じる。この状態のまま、例えば、施工時間の制約等により掘進作業が長時間にわたり停止すると、地山がこの空隙部で崩落する可能性があるために、空隙部に充填材を充填して地山を保持する。
【０００３】
このような充填材として、例えば、特許文献１には、水と粘土とからなるＡ液と、セメントと水ガラス系凝集剤とからなるＢ液とを混合したものが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、水と膨潤性材料とからなるＡ液と、水と消石灰等の硬化材とからなるＢ液とを混合した充填材が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１６０９５５号公報
【特許文献２】特開２００４−２４４４８３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に記載の充填材は、高価な水ガラス系凝集材を大量に使用するので材料費が高くつくという問題点があった。
【０００６】
また、特許文献２に記載の充填材は、撹拌を停止すると消石灰が短時間で沈降してしまうので、Ｂ液の作製装置から注入孔へ送給する際に、配管内に消石灰が沈殿してしまい、配管が閉塞してしまう場合があり、さらに、消石灰が配管内に沈殿すると注入される充填材に含まれる消石灰の濃度にばらつきが生じ、場所によって充填材の強度にばらつきが生じるという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、消石灰が均一に分散されており、長時間沈降しない安価な充填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】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明の充填材は、シールド機によるトンネルの余掘掘削によって生じる空隙部に充填するための充填材であって、水と消石灰とを混合した消石灰水に、消石灰を前記消石灰水中に均一に分散させるための分散剤を添加した消石灰スラリーと、ベントナイトとを含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る充填材によれば、分散剤を含むので、消石灰を充填材中に均一に分散させるとともに、沈降を防止することができる。そして、消石灰を充填材中に均一に分散させることができるので、空隙部に充填された充填材の強度にばらつきが無い。したがって、地山を確実に保持し、地山の崩落を防止することができる。
【００１０】
また、充填材に含まれる消石灰の沈殿を防止できるので、充填作業時における配管等の装置類の閉塞を防止することができる。
【００１１】
さらに、消石灰及び分散剤は、原料の入手性が容易であり、また、安価なので充填材のコストを低減することができる。
【００１２】
第２の発明の充填材の作製方法は、シールド機の余掘掘削によって生じる空隙部に充填される充填材の作製方法において、水と消石灰とを混合して消石灰水を作製し、この消石灰水に、前記消石灰を前記消石灰水中に均一に分散させるための分散剤を添加して消石灰スラリーを作製し、充填直前にその消石灰スラリーとベントナイトを含む水とを混合することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る充填材の作製方法によれば、消石灰水に分散剤を添加するので、消石灰を充填材中に均一に分散させるとともに、沈降を防止することができる。そして、消石灰を充填材中に均一に分散させることができるので、空隙部に充填された充填材の強度にばらつきが無い。したがって、地山を確実に保持し、地山の崩落を防止することができる。
【００１４】
第３の発明の地山の安定化方法は、シールド機によりトンネルが掘削された地山を安定化するための安定化方法において、消石灰と、この消石灰と水とを混合して作製された消石灰水中に当該消石灰を均一に分散させる分散剤と、ベントナイトとを含む充填材を、前記シールド機の余掘掘削によって生じる空隙部に充填して地山を保持することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る地山の安定化方法によれば、消石灰が充填材中に均一に分散しているので、空隙部に充填された充填材の強度にばらつきが無い。したがって、充填材は、地山を確実に保持し、地山の空隙部での崩落を防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の充填材を用いることにより、消石灰が均一に分散されており、長時間沈降しないので、空隙部に充填された充填材の強度にばらつきが生じず、地山を確実に保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る地山の安定化方法及び安定化構造の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態においては、シールド機による急曲線施工で進行方向に対して左右方向に大きく形成された空隙部に充填材を充填する場合について説明するが、これに限定されるものではなく、シールド機による余掘掘削で形成される空隙部全般に適用可能である。
【００１８】
図１は、シールド機１で急曲線施工にて掘削したトンネル２の平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’矢視図である。なお、以下の図において、本発明の説明に不要な部分の図示は省略している。
【００１９】
図１及び図２に示すように、シールド機１によって急曲線状のトンネル２を掘削する場合は、直線状のトンネル２を掘削する場合よりも進行方向に対して左右方向を大幅に余掘掘削するので、シールド機１の外周面と地山３との間に大きな空隙部４が形成される。そして、この空隙部４をそのまま放置すると地山３の肌落ちや地盤沈下等が生じるので、空隙部４には充填材５が充填される。この充填材５は、シールド機１の掘進と同時に空隙部４に充填され、地山３を保持する。
【００２０】
図３は、本実施形態に係る充填材５に含まれる材料の配合割合の一例を示す図である。
【００２１】
図３に示すように、充填材５は、水、ベントナイト等を含むＡ材と、消石灰、分散剤等を含む消石灰スラリーのＢ材とからなる。充填材５には、分散剤が含まれているので、消石灰は充填材５中に均一に分散する。
【００２２】
また、図３に示すように、例えば、１ｍ３の充填材５を作製するには、Ａ材のベントナイト及び水をそれぞれ９１ｋｇ、８７５Ｌ使用し、Ｂ材の消石灰、分散剤及び水をそれぞれ２１．８４ｋｇ、０．７２８ｋｇ、７２．８Ｌ使用する。なお、ベントナイト、消石灰、分散剤、水等の配合割合は、各現場の地質条件によって異なるものであって、設計等により適宜決定される。
【００２３】
充填材５は、空隙部４を確実に充填できるように急速に高粘性化すること無く、かつ、シールド機１の推進に影響を与えないように遅延硬化性を有する。また、本実施形態においては、充填材５の粘度は、配管内で閉塞せず、かつ、テールボイド部への裏込材の注入により切羽へ排出されるように、例えば、３０Ｐａ・ｓとした。
【００２４】
また、充填材５は、ゲル状なので、地山３へ浸透しにくく、かつ、地下水で希釈されにくい。したがって、空隙部４に充填されて地山３の崩落を確実に防止する。
【００２５】
図４は、シールド機１によるトンネル２の掘削で形成される空隙部４に充填材５を充填している状態を示す概略図である。また、図５は、本実施形態に係る充填材５の作製方法を示すフロー図である。
【００２６】
図４に示すように、シールド機１は、地中を掘削するためのカッターヘッド６等を備えたフード部７と、カッターヘッド６の駆動装置８やシールド機１本体を前進させるための複数のシールドジャッキ９等を備えたガーダ部１０と、セグメント１１を組み立てるためのエレクタ１２等を備えたテール部１３とから構成されている。
【００２７】
図４及び図５に示すように、地上に設置されたプラント１４にてベントナイトと水とを上記割合で混合してＡ材を作製し、送給ポンプ１５で送給管１６を介して坑内のシールド機１の後方に設置されたタンク１７に供給する。タンク１７内に貯留されたＡ材は、攪拌機１８で撹拌されながら貯留される。そして、充填作業時にＡ材を圧送ポンプ１９で圧送管２０を介して混合機２１に供給する。
【００２８】
Ａ材の作製作業と並行して、坑内のシールド機１の後方に設置された製造装置２２にて消石灰と水とを上記割合で混合し、消石灰水を作製してタンク２３内に貯留する。タンク２３内の消石灰水を攪拌機２４で充分に撹拌したら、この消石灰水と分散剤とを上記割合で混合してＢ材である消石灰スラリーを作製する。Ｂ材は、タンク２３内の攪拌機２４で撹拌されて貯留される。そして、充填作業時にＢ材を圧送ポンプ２５で圧送管２６を介して混合機２１に供給する。Ｂ材には分散剤が含まれているので、消石灰はＢ材中に均一に分散している。
【００２９】
混合機２１でＡ材とＢ材とを混合して充填材５を作製し、シールド機１のガーダ部１０に設けられている注入孔２７から、シールド機１の掘進時に、空隙部４に充填材５を充填する。充填作業は、注入孔２７付近に設けられた圧力計２８にて空隙部４内の圧力を測定しつつ行う。注入孔２７は、ガーダ部１０の、例えば、上部に複数個設けられているので、シールド機１の全外周にわたって良好に充填材５の充填が行われる。
【００３０】
各圧送ポンプ１９、２５の駆動やＡ材及びＢ材の供給量の調整等は、シールド機１の後方に設けられた制御装置２９にて行う。
【００３１】
所定の距離を掘進したらシールド機１を停止し、シールド機１のテール部１３内でセグメント１１を組み立てて、その後にテール部１３を推進させる。テール部１３の推進と同時に、テールボイド部に裏込材を充填する。このとき、充填材５はゲル状で流動性を有しているので、テールボイド部に充填されていた充填材５が裏込材の充填によって前方に押し出されて、ガーダ部１０やテール部１３の周囲の空隙部４に充填されている充填材５の一部が切羽へ流入する。切羽へ流入した充填材５は、次の掘進時に掘削土砂とともに排出される。また、ガーダ部１０やテール部１３の周囲の充填材５もゲル状なので、再び掘進を開始する場合には、シールド機１の外周面と充填材５との間に生じる摩擦抵抗は小さく、シールド機１はスムーズに推進する。
【００３２】
次に、本実施形態に係る充填材５を、シールド機１による急曲線施工で進行方向に対して左右方向に大きく形成された空隙部４に充填した場合における地表面の変位量を実際に測定した結果を示す。
【００３３】
図６は、シールド機１で掘削したトンネル２を示す平面図である。また、図７は、図６のＤ−Ｄ断面図である。
【００３４】
図６及び図７に示すように、直径６５６０ｍｍの円形断面のシールド機１で深度２５ｍ付近を掘削してトンネル２を構築した。トンネル２は、半径Ｒ＝２５ｍの急曲線区間Ａと、直線区間Ｂと、半径Ｒ＝２５ｍの急曲線区間Ｃとからなる構造である。
【００３５】
図８及び図９は、それぞれシールド機１でトンネル２を掘削した場合におけるシールド機１の総推力及び地表面の変位量を示す図である。
【００３６】
図８に示すように、急曲線区間Ａ及びＣを推進する際の総推力平均値は共に、直線区間Ｂを推進する際の総推力平均値よりも小さかった。すなわち、急曲線施工におけるシールド機１の左右方向に形成された空隙部４の崩壊による胴締めは発生していないと考えられる。したがって、シールド機１の周囲、特に空隙が大きい左右両側に充填された充填材５は、地山３を保持していることがわかる。
【００３７】
図９に示すように、トンネル２の上方に位置する地表面の沈下量を測定した。具体的には、急曲線区間Ａを５箇所、直線区間Ｂを１７箇所、急曲線区間Ｃを６箇所の合計２８箇所について測定した。  
急曲線区間Ａの地表面は、測定点２５〜２８は沈下し、測定点２４のみ隆起した。隆起量及び沈下量の最大値は、それぞれ１ｍｍ、４ｍｍであった。  
直線区間Ｂの地表面にも隆起及び沈下が生じ、隆起量及び沈下量の最大値は共に２ｍｍであった。  
急曲線区間Ｃの地表面は沈下のみ生じ、沈下量の最大値は１ｍｍであった。
【００３８】
これらの結果が示すように、急曲線区間Ａ及びＣの地表面の変位量は、直線区間Ｂの地表面の変位量とほぼ同じである。すなわち、シールド機１の左右方向に充填された充填材５は、地山３を確実に保持しており、急曲線施工による地山３への影響は無い。
【００３９】
なお、本実施形態においては、円形断面のシールド機１を用いた方法について説明したが、円形断面のシールド機１に限定されるものではなく、例えば、矩形断面等の様々な断面形状のシールド機１に広く適用が可能である。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態の充填材５によれば、分散剤を含むので、消石灰を充填材５中に均一に分散させるとともに、消石灰の沈降を防止することができる。したがって、空隙部４に充填された充填材５の強度にばらつきが無いので、地山３を確実に保持し、地山３の崩落を防止することができる。さらに、充填材５に含まれる消石灰の沈殿を防止できるので、充填作業時における配管等の装置類の閉塞を防止することができる。
【００４１】
また、消石灰及び分散剤は、原料の入手が容易であり、安価なので充填材５のコストを低減することができる。
【００４２】
そして、シールド機１の推進時に充填材５はゲル状で流動性を有するので、充填材５とシールド機１の外周面との摩擦抵抗が小さくなり、容易に推進することが可能となる。
【００４３】
なお、本実施形態においては、注入孔２７はガーダ部１０の上部に設けたが、この位置に限定されるものではなく、シールド機１の掘削断面規模に応じて注入孔２７の位置は適宜変更することが可能である。
【００４４】
また、本実施形態において、急曲線施工による左右方向の余掘掘削によって形成された空隙部４に充填材５を充填する方法について説明したが、これに限定されるものではなく、進行方向に対して上下方向の余掘掘削によって形成される空隙部にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】シールド機で急曲線施工にて掘削したトンネルの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’矢視図である。
【図３】本実施形態に係る充填材に含まれる材料の配合割合の一例を示す図である。
【図４】シールド機によるトンネルの掘削で形成される空隙部に充填材を充填している状態を示す概略図である。
【図５】本実施形態に係る充填材の作製方法を示すフロー図である。
【図６】シールド機で掘削したトンネルを示す平面図である。
【図７】図６のＤ−Ｄ断面図である。
【図８】シールド機でトンネルを掘削した場合におけるシールド機の総推力を示す図である。
【図９】シールド機でトンネルを掘削した場合における地表面の変位量を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  シールド機
２  トンネル                  ３  地山
４  空隙部                    ５  充填材
６  カッターヘッド            ７  フード部
８  駆動装置                  ９  シールドジャッキ
１０  ガーダ部                １１  セグメント
１２  エレクタ                １３  テール部
１４  プラント                １５  送給ポンプ
１６  送給管                  １７  タンク
１８  攪拌機                  １９  圧送ポンプ
２０  圧送管                  ２１  混合機
２２  製造装置                ２３  タンク
２４  攪拌機                  ２５  圧送ポンプ
２６  圧送管                  ２７  注入孔
２８  圧力計                  ２９  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005200584.tif 000008
【図８】
0005200584.tif 000009
【図９】
0005200584.tif 000010