(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切羽の安定状態を継続させるシールド工法における切羽安定方法であって、
掘削した地盤に含まれる細粒分や粘土と、水と、ベントナイトと、該ベントナイトの粒子を凝集させるアクリルアミド系高分子凝集剤のみを配合するとともに地盤への浸透性を有する切羽保持用泥水を切羽に加圧供給して切羽から地盤に浸透させることにより、該切羽保持用泥水が浸透した地盤の浸透領域全体を地盤改良して当該浸透地盤全体に固化現象をおこさせて自立性を持たせることを特徴とするシールド工法における切羽安定方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシールド工法における切羽安定方法であって、
アクリルアミド系高分子凝集剤は油中水型エマルジョンの形態を有することを特徴とするシールド工法における切羽安定方法。
【請求項３】
請求項１に記載のシールド工法における切羽安定方法に用いるシールド工法における切羽保持用泥水であって、
掘削した地盤に含まれる細粒分や粘土と、水と、ベントナイトと、該ベントナイトの粒子を凝集させるアクリルアミド系高分子凝集剤のみが配合され、地盤への浸透性を有していることを特徴とするシールド工法における切羽保持用泥水。
【請求項４】
請求項３に記載のシールド工法における切羽保持用泥水において、
アクリルアミド系高分子凝集剤は油中水型エマルジョンの形態を有することを特徴とするシールド工法における切羽保持用泥水。
【請求項５】
請求項４に記載のシールド工法における切羽保持用泥水において、
前記切羽保持用泥水を構成するアクリルアミド系高分子凝集剤は、分子量が１００万以上、イオン化度が０〜１００モル％であるアクリル系高分子からなる分散粒子径が１００μｍ以下の油中水型エマルジョンの形態を有する高分子凝集剤であって、用いるアクリル系高分子として、
ノニオン性としては、ポリアクリルアミド、
アニオン性としては、アクリル酸、メタアクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、アクリルアミド２−メチルプロパンスルフォン酸、ビニルスルフォン酸、スチレンスルフォン酸、などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体、
カチオン性としては、アクリル酸ジメチルアミノエチル、メタクリル酸ジメチルアミノプロピルメタアクリルアミド、アクリロイルエキシエチルトリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロイド、アクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、アクリロイル２−ヒドロキシプロピルリド、
などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体のいずれかを用いることを特徴とするシールド工法における切羽保持用泥水。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切羽を良好に保持し、安定した掘削作業を行うことが可能なシールド工法における切羽安定方法、及び切羽保持用泥水に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド工法では、切羽を安定させて掘進することが工事を安全に行うため、またトンネル周辺地盤への影響を抑止するために重要である。しかし、粒径がそろった砂地盤や固結していない砂礫地盤は、自立性が乏しいため切羽の崩壊が生じやすく、工事におけるトラブルや周辺へ影響を及ぼすことが少なくなかった。
【０００３】
シールド工法の主流である泥水式シールドでは、図５に示すように、連続地中壁と同様に掘進に用いる泥水２４が、切羽２３の表面に泥膜２１を形成し、この泥膜２１を介して泥水圧を地盤２２に伝達することにより、地盤２２を安定させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、シールド工法では、シールドマシンのカッタが地盤２２の表面を常に切削しているために切羽２３の表面に形成した泥膜２１を保持することができず、粒径がそろった砂地盤や固結していない砂礫地盤等の土質条件では切羽２３の崩落などが生じやすかった。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明は、切羽を良好に保持し、安定した掘削作業を行うことが可能なシールド工法における切羽安定方法、及び切羽保持用泥水を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のシールド工法における切羽安定方法は、切羽の安定状態を継続させるシールド工法における切羽安定方法であって、掘削した地盤に含まれる細粒分や粘土と、水と、ベントナイトと、該ベントナイトの粒子を凝集させるアクリルアミド系高分子凝集剤のみを配合するとともに地盤への浸透性を有する切羽保持用泥水を切羽に加圧供給して切羽から地盤に浸透させることにより、該切羽保持用泥水が浸透した地盤の浸透領域全体を地盤改良して当該浸透地盤全体に固化現象をおこさせて自立性を持たせることを特徴としている。
請求項２に記載のシールド工法における切羽安定方法は、請求項１に記載のシールド工法における切羽安定方法であって、アクリルアミド系高分子凝集剤は油中水型エマルジョンの形態を有することを特徴としている。
【０００７】
請求項３に記載のシールド工法における切羽保持用泥水は、請求項１に記載のシールド工法における切羽安定方法に用いるシールド工法における切羽保持用泥水であって、掘削した地盤に含まれる細粒分や粘土と、水と、ベントナイトと、該ベントナイトの粒子を凝集させるアクリルアミド系高分子凝集剤のみが配合され、地盤への浸透性を有していることを特徴としている。
請求項４に記載のシールド工法における切羽保持用泥水は、請求項３に記載のシールド工法における切羽保持用泥水において、アクリルアミド系高分子凝集剤は油中水型エマルジョンの形態を有することを特徴としている。
【０００８】
すなわち、本発明は、泥水シールド工法において切羽保持のために使用する泥水として、掘削した地盤に含まれる細粒分や粘土と水との他には、ベントナイトと、そのベントナイトの粒子を凝集させるためのアクリルアミド系高分子凝集剤のみを配合した泥水を使用することを要旨とするものであって、その切羽保持用泥水を所定泥水圧で切羽に供給することのみで、泥水中のベントナイト粒子が自ずと凝集してある程度の大きな粒径となって切羽前方の地盤中に浸透していって、それによりその浸透領域の地盤に固化現象がおこって掘進可能な程度に地盤改良され、それによって切羽を自立せしめることが可能である。しかも、掘進に伴って切羽保持用泥水の浸透領域（つまり地盤改良領域）は自ずと漸次前進していくので切羽を常に安定に自立させながら掘進を行うことが可能なものである。
したがって本発明によれば、切羽に単に泥膜が形成されるに過ぎない従来一般の泥水シールド工法による場合に比べて、切羽を常に良好に保持してその崩落を防止しつつ安定した掘削作業を行うことが可能である。
なお、本発明の切羽保持用泥水は、上記のように切羽前方の地盤に自ずと浸透していき、かつそこで地盤に固化現象がおこって切羽を自立させる程度の地盤改良効果が得られるものであれば良く、そのためには掘削した地盤に含まれる細粒分や粘土と水との他には、ベントナイトとアクリルアミド系高分子凝集剤のみを配合した泥水を用いれば良いのであって、その泥水における各成分の具体的な組成やその配合、泥水としての性状（比重や粘性等）、切羽において保持するべき泥水圧等は特に限定されるものではなく、それらは原地盤の状況や施工性、その他の諸条件を考慮して適宜設定すれば良い。
本発明の切羽保持用泥水の一具体例を挙げれば、請求項５に記載のシールド工法における切羽保持用泥水のように、たとえば前記切羽保持用泥水を構成するアクリルアミド系高分子凝集剤は、分子量が１００万以上、イオン化度が０〜１００モル％であるアクリル系高分子からなる分散粒子径が１００μｍ以下の油中水型エマルジョンの形態を有する高分子凝集剤が考えられ、それに用いるアクリル系高分子として、ノニオン性としては、ポリアクリルアミド、アニオン性としては、アクリル酸、メタアクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、アクリルアミド２−メチルプロパンスルフォン酸、ビニルスルフォン酸、スチレンスルフォン酸、などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体、カチオン性としては、アクリル酸ジメチルアミノエチル、メタクリル酸ジメチルアミノプロピルメタアクリルアミド、アクリロイルエキシエチルトリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロイド、アクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、アクリロイル２−ヒドロキシプロピルリド、などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体のいずれかを用いることが考えられる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシールド工法における切羽安定方法、及び切羽保持用泥水について、図１から図４を用いて説明する。
【００１０】
トンネル８は、図４に示すような泥水式シールドマシン９を用いた工法により築造されている。この泥水式シールドマシン９を用いた泥水式シールド工法は、一般に、切羽３と前記泥水式シールドマシン９の隔壁１０との間に、送泥管１１を介して加圧した切羽保持用泥水４を満たし、切羽３の安定を図るとともに、掘削した土砂を前記切羽保持用泥水４中に取り込み、排泥水として排泥管５を介して流体輸送するものである。
本実施の形態では、礫層におけるトンネル８の築造において、掘削した地盤に含まれる細粒分や粘土と泥水の他には、ベントナイト６と、アクリルアミド系高分子凝集剤７のみが配合された前記切羽保持用泥水４を用いるものである。
【００１１】
前記切羽保持用泥水４は、前記排泥管５を介して流体輸送された掘削した土砂を含む排泥水が、図示しない泥水処理プラントに送られ、ここで排泥水に含まれる土砂が分級処理されて、所定の性状に調泥され、前記送泥管１１により再度加圧されて前記切羽３と前記隔壁１０との間に、流体輸送されるものである。つまり、切羽保持用泥水４は、新たな材料を用いて泥水とするわけではなく、掘削している地盤２に含まれる細粒分を利用しているものである。
【００１２】
該切羽保持用泥水４に配合される前記ベントナイト６は、モンモリロナイトを主成分とする一種の粘土鉱物であり、水に混ぜると粘性や比重を増し、増量するとゲル状になる。従来より、井戸や連続地中壁を掘削するときの泥水工法において、ベントナイト安定液として用いられているものである。
【００１３】
同じく、前記切羽保持用泥水４に配合される前記アクリルアミド系高分子凝集剤７は、高分子中に反応性に富む酸アミド基を含んでおり、容易に種々の誘導体をつくることができるなどの特徴を有している。また、各種モノマー（親水性〜疎水性）との共重合や構造制御も可能であり、幅広いニーズに対応することの可能な水溶性機能ポリマーである。従来より、懸濁廃水の凝集沈殿、砂利、砕石、石洗浄土木工事濁水の処理、弱酸性〜中性廃水の処理、等に用いられている。
【００１４】
本実施の形態では、アクリルアミド系高分子凝集剤７として、分子量が１００万以上、イオン化度が０〜１００モル％であるアクリル系高分子からなる分散粒子径が１００μｍ以下の油中水型エマルジョンの形態を有する高分子凝集剤で、アクリル系高分子が、ノニオン性としてはポリアクリルアミド、アニオン性としては、アクリル酸、メタアクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、アクリルアミド２−メチルプロパンスルフォン酸、ビニルスルフォン酸、スチレンスルフォン酸、などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体、カチオン性としては、アクリル酸ジメチルアミノエチル、メタクリル酸ジメチルアミノプロピルメタアクリルアミド、アクリロイルエキシエチルトリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロイド、アクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、アクリロイル２−ヒドロキシプロピルリド、などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体のいずれかを用いればよい。
なお、もっとも好ましいものは、イオン化度が０〜３０モル％のノニオン性、アニオン性あるいはカオチン性の水溶性重合体である。
【００１５】
このような材料による切羽保持用泥水４の性状は、比重が１〜１．５、ファンネル係数が60秒以下を目安に作泥するものである。従来より泥水式シールド工法に用いられる泥水の性状が、一般に、比重が1.15〜1.25、ファンネル粘性25〜30ｓ程度であることを鑑みると、本実施の形態で用いる切羽保持用泥水４の性状は、従来の泥水とほぼ同様のものであるといえる。
【００１６】
なお、ファンネル粘性とは、泥水の性質を良好に維持する上での目安として一般に用いられている指標で、一定量の泥水が流化する時間を測定することにより、その粘性の度合いを評価するものである。
【００１７】
このような材料を配合した前記切羽保持用泥水４は、前記切羽３に泥膜を形成することなく地盤２中の粒子間へ浸透していくが、図２に示すように、その浸透領域１は有限であり、切羽保持用泥水４が地盤２中に逃げるような逸泥といった現象が起こることはない。該浸透領域１は、前記切羽保持用泥水４が前記地盤２中の粒子間へ浸透していく際に生じる浸透抵抗力と、切羽保持用泥水４の泥水圧により決定され、浸透抵抗力と泥水圧のバランスが保持されたときに、浸透は終了する。
【００１８】
つまり、図１に示すように、切羽３の掘削を進行している場合にも、前記切羽保持用泥水４が常に浸透抵抗力と泥水圧とのバランスを保持するために掘削した距離と同じ長さだけ、切羽保持用泥水４の地盤への浸透が進むこととなる。したがって、切羽３の掘削を連続しても、常に該浸透領域１は浸透幅Ｌを有する状態を保っていることとなる。
【００１９】
また、前記浸透領域１は、泥水に前記ベントナイト６と、前記アクリルアミド系高分子凝集剤７のみを配合したことにより固化現象が現れ、自立性を有する改良地盤体を形成する。なお、前記切羽保持用泥水４へのアクリルアミド系高分子凝集剤７の配合量は、容積比に換算して0.05％以下であり、これを超える量を配合すると、切羽保持用泥水４は泥水工法として泥水の機能を果たすことができない。
【００２０】
なお、ここに示す本実施の形態は、あくまでも一つの例示であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、本実施の形態に限定されずに、いかなる形態をも採用しうることは言うまでもない。
【００２１】
上述する構成によれば、図２に示すように、前記切羽３を含む近傍に浸透幅Ｌを有する浸透領域１が存在するため、前記切羽保持用泥水４の泥水圧と、浸透領域１自らの自立性により、シールド掘進においても切羽３が崩壊することなく保持され、常に安定した掘削を得ることが可能となった。
【００２２】
これに伴い、前記切羽３と前記泥水式シールドマシン９の隔壁１０との間に、送泥管１１を介して満たされる加圧した切羽保持用泥水４が、地盤２に逃げる逸泥現象を低減することができた。
【００２３】
また、前記切羽３の崩壊による土砂の巻き込みが減少するため、泥水式シールドマシン９を構成し、掘削した土砂を切羽保持用泥水４と混合するアジテータ１２が過負荷で停止する現象を低減することが可能となった。
【００２４】
前記切羽保持用泥水４の効果を明確にするため、模擬的に礫率が60％程度の砂礫地盤を形成し、実際の切羽と同じ応力状態を再現し、前記切羽保持用泥水４を浸透させる実験を行った。前記切羽保持用泥水４の配合を表１に示す。なお、該切羽保持用泥水４には、掘削した地盤に含まれる細粒分に相当する粘土や水の他には、ベントナイト６、及びアクリルアミド高分子凝集剤７のみを用いている。これら切羽保持用泥水４の性状は、比重1.11、ファンネル粘性30ｓである。
【００２５】
【表１】
0003905348.tif 000002
【００２６】
その結果、図３に示すように、前記切羽保持用泥水４が浸透した浸透領域１について、切羽保持用泥水４による泥水圧を除荷させて、地盤２を安定状態から崩壊させた場合の崩壊時の泥水圧力を測定すると、地盤２の間隙水圧と等しい時点であることがわかる。
【００２７】
これらは、切羽３における泥土圧の下限値は、一般に主働土圧＋地盤の間隙水圧、つまり地盤２が切羽３に及ぼす圧力と地盤の間隙を満たす間隙水の水圧との総和、とされているが、この実験結果より上記切羽保持用泥水４を地盤２に浸透させて前記浸透領域１を形成することにより、主働土圧が０、つまり地盤２が切羽３に及ぼす圧力の影響がない程度に切羽３近傍の地盤２が改良されたこととなる。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１および２に記載のシールド工法における切羽安定方法によれば、シールド工法において切羽の安定状態を継続させるシールド工法の切羽安定工法であって、掘削した地盤に含まれる細粒分や粘土と水の他にはベントナイトと該ベントナイトの粒子を凝集させるアクリルアミド系高分子凝集剤のみが配合されることにより、地盤への浸透性を有し、かつ地盤改良効果を有する切羽保持用泥水を切羽から地盤に浸透させて、該切羽保持用泥水が浸透した地盤の浸透領域全体に自立性を持たせることから、切羽保持用泥水の泥水圧と、浸透領域自らの自立性により、シールド掘進においても切羽が崩壊することなく保持され、常に安定した掘削を得ることが可能となった。
また、前記切羽と前記泥水式シールドマシンの隔壁との間に満たされた切羽保持用泥水が、地盤に逃げる逸泥現象を低減することができた。
さらに、前記切羽の崩壊による土砂の巻き込みが減少するため、泥水式シールドマシンを構成し、掘削した土砂を切羽保持用泥水と混合するアジテータが過負荷で停止する現象を低減することが可能となった。
【００２９】
請求項３および４に記載のシールド工法における切羽保持用泥水によれば、掘削した地盤に含まれる細粒分や粘土と、水と、ベントナイトと、アクリルアミド系高分子凝集剤のみとを配合させることから、切羽から地盤の浸透領域には自立性を有する改良地盤体を形成することが可能となった。
【００３０】
請求項５に記載のシールド工法における切羽保持用泥水によれば、前記切羽保持用泥水を構成するアクリルアミド系高分子凝集剤は、分子量が１００万以上、イオン化度が０〜１００モル％であるアクリル系高分子からなる分散粒子径が１００μｍ以下の油中水型エマルジョンの形態を有する高分子凝集剤であって、用いるアクリル系高分子として、ノニオン性としては、ポリアクリルアミド、アニオン性としては、アクリル酸、メタアクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、アクリルアミド２−メチルプロパンスルフォン酸、ビニルスルフォン酸、スチレンスルフォン酸、などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体、カチオン性としては、アクリル酸ジメチルアミノエチル、メタクリル酸ジメチルアミノプロピルメタアクリルアミド、アクリロイルエキシエチルトリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロイド、アクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、メタアクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムクロリド、アクリロイル２−ヒドロキシプロピルリド、などの単独重合体あるいはアクリルアミドとの共重合体のいずれかを用いることから、切羽保持用泥水は泥水工法として泥水としての機能を果たしながら、自立性を有する改良地盤体を形成することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るシールド工法における切羽安定方法の概念図を示す図である。
【図２】  本発明に係るシールド工法における切羽安定方法を用いた切羽部の詳細を示す図である。
【図３】  本発明に係るシールド工法における切羽安定方法を用いた切羽部の泥水圧力の状況を示す図である。
【図４】  本発明に係るシールド工法における切羽安定方法に用いられる泥水式シールドマシンの概略を示す図である。
【図５】  従来のシールド工法における切羽部の詳細を示す図である。
【符号の説明】
１  浸透領域
２  地盤
３  切羽
４  切羽保持用泥水
５  排泥管
６  ベントナイト
７  アクリルアミド系高分子凝集剤
８  トンネル
９  泥水式シールドマシン
１０  隔壁
１１  送泥管
１２  アジテータ
２１  泥膜
２２  地盤
２３  切羽
２４  泥水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003905348.tif 000006
【図５】
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