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裏込め注入材混入時硬化遅延型テールグリース「シールノック CR 」の開発〈泉報徹〉

文2

裏込め注入材混入時硬化遅延型テールグリース「シールノックCR」の開発
中央技術研究所

潤滑油研究所

グリース・冷凍機油グループ

1. はじめにいずみ とおる

泉徹れる。次にジャッキが伸びきったら、ジャッキを縮めてセグメントを組み立てていく。一周セグメントを組み上げたら、トンネルは、鉄道、道路、上水道、下水道、電力、ガス、共同溝、地下河川、地下貯留管等、さまざまな用途で使

再びカッタヘッドを回転させ、ジャッキを伸ばしてマシンを前進させることでトンネルを築き上げていく。

用されており、我々が快適な生活を送るためには欠くことのできない土木構造物である。トンネルの工法には、シールド工法、山岳工法、開削工法、沈埋工法等の種類がある。このうち、シールド工法は、周囲の地盤への影響が小さく、地面を掘り返す必要もない。そのため、軟弱地盤や人口密集地ではシールド工法を採用することが多い。
シールド工法の安全性は、東京湾アクアトンネル（直径14.4m、最大 水深 60m、全長 9.6km、1997 年開通）、中央環状品川線シールドトンネル（北行）（直径 12.5m、最大土被り 46m、全長 8.0km、2015 年開通）等、これまでに図1

行われてきた数多くのトンネル工事の積み重ねによって高シールドマシンの概略図 1）められてきたが、昨今では、工事の大深度化・長距離化・大断面化・高速施工等と施工条件は一段と厳しさを増して2. 2 テールグリースの役割いる。特に、大深度化では高い地下水圧下での掘進が強シールド工法は比較的地下水の多い地質で積極的に用いられるため、坑内作業の安全性を確保するためにシールいられる工法であり、シールドマシン内部の作業の安全のドマシンのテール部で使用されるテールグリースの止水性確保や地山の圧力バランス維持の観点から、シールドマシ能が重要である。

ン内部への地下水の浸入を防ぐことが重要である。図 2 に本報では、裏込め注入材によるテールグリースの止水性シールドマシンテール部の拡大図を示す。

能への悪影響を低減し、これまで以上に安定した止水性能を維持することのできる「シールノック CR」を新たに開発したので、その詳細を報告する。
2. シールド工法におけるテールグリースの役割
2. 1 シールド工法とはシールド工法とはシールドマシンによりトンネルを掘進す

図2る工法である。シールドマシンの概略図を図 1に示す。シー

シールドマシンテール部の拡大図 1）

ルド工法の掘進の流れは次の通りである。まず、シールドマシンの掘削面にあるカッタヘッドを回転させて地山を削シールドマシンテール部には、マシン径や工区の地下水り、シールドジャッキでマシン後方にあるセグメントを押す量などに応じて、シールドマシン円周方向に複数段の柔軟ときの反力でマシンを前進させていく。このとき、マシン性を有するワイヤブラシが取り付けられており 2）、これがセが前進するとマシン円周部の後方にはマシン外径とセグメグメントと接する構造をしている。テールグリースは、このント外 径の差から空間が生じる。この空間は、地山の圧ワイヤブラシとセグメントで囲まれた空間を埋めてシールド力均衡を保ち崩落事故や地盤沈下を防ぐ観点から、裏込

マシンテール部 / セグメント間をシールし、シールドマシン

め注入材と呼ばれるセメントを主成分とする物質で充填さ内部への地下水の浸入を防ぐ役割を担っている。

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ENEOS Technical Review・第58巻第3号（2016年10月）

裏込め注入材混入時硬化遅延型テールグリース「シールノック CR 」の開発〈泉102徹〉

ワイヤブラシのすぐ後方には裏込め注入材が充填され工事を再開するには、テールグリースに裏込め注入材が混る。裏込め注入材は充填後すぐに硬化する性質を持つた

入しても、給脂ポンプからテールグリースを継続的に圧送め、通常はブラシに裏込め注入材が触れることのないよすることにより、硬化前にテール部外に押し出すことがでう、土圧や地下水圧、グリース吐出圧とバランスをとりなきる程度の軟らかさを維持する必要がある。また、安定しがら充填していく。しかしながら、土圧や地下水圧は掘進た止水性能を維持するとの観点から、裏込め注入材混入する中で刻々と変化していくため、しばしば圧力バランス直後に生じるテールグリースの著しい流動性の上昇は避けが崩れ、ブラシ間に裏込め注入材が混入してしまうことがるべきであり、ある程度の硬さを保つことも必要である。

ある。裏込め注入材がワイヤブラシ間へ混入すると、周りしたがって、グリースに裏込め注入材が混入した際に、適のグリースとともに硬化し、ワイヤブラシ間で固着し、ワイ度な範囲の硬さを一定時間維持することが重要である。

ヤブラシの柔軟性を損ねる場合がある。その状態でシールドマシンを動かすと、テール部の止水性能が低下したり、

4. 硬化遅延型テールグリースの開発セグメントを破損させてしまう可能性があり、実際にそうし3）た破損事例が報告されている 。そうした事態に陥ると、

4. 1 従来品の硬化遅延性能

ブラシあるいはセグメント交換による工期の遅れが生じる

硬化遅延性能は、図 3 に示すようにグリースと裏込め注だけでなく、止水性能低下による漏水事故など、工事の入材を 1 対 1 の割合で混合し、一定時間静置した後のちょ安全性に対しても悪影響を与える。

う度を測定し評価した。ちょう度とはグリースの硬さを表す

上述の事態を避ける方法の一つとして、テールグリース数値である。測定器の概略を図 4 に示す。試料（グリーに裏込め注入材の硬化遅延性能を付与することが考えらス）を規定の容器に入れ、表面を平らにした試料の上に規れる。すなわち、テールグリース自体に裏込め注入材混定円錐を落とし、5 秒間に沈んだ深さ（㎜）を 10 倍した数

入時の硬化を遅らせる機能を持たせることができれば、万値で表す。ちょう度の数値が大きいほど軟らかく、数値がが一裏込め注入材がブラシ間に混入してしまっても、ワイ小さいほど硬いことを意味する。目標ちょう度範囲は、グヤブラシやセグメントが固着するのを抑制することができ、リースと裏込め注入材を混入した後に 24 時間以上 150 ～止水性能の低下やセグメントを破損させるリスクを低減さ300を維持することとした。
従来品の時間毎のちょう度測定結果を図 5 に示す。従せることができる。
そこで、従来のテールグリースに求められる性能に加え、来品①、②では、裏込め注入材混合直後にちょう度が大硬化遅延性能を付与したテールグリースを（株）大林組殿きく増加し目標ちょう度を超え、裏込め注入材の更なる混と開発することとした。

入を招き、止 水性能を低下させる恐れがある。また、24時間経過後には従来品①～③ともに目標ちょう度を下回

3. テールグリースの要求性能

り、ブラシを破損させる懸念がある。

主な要求性能は止水性能、圧送性能、硬化遅延性能の3 つである。
3. 1 止水性能
テールグリースの最も基本的かつ重要な性能は、シールドマシン内部への地下水の浸入を防ぐ止 水性能である。
特に、大深度工区では水圧が高く、国内では地下水圧が0.8 MPa を超える現場での工事実績も報告されており、このような高い水圧が加わっても地下水を浸入させないことが重要となる。
図3

テールグリースと裏込め注入材混合の様子

3. 2 圧送性能
テールグリースは、専用の給脂ポンプを用いてドラムやペールからワイヤブラシ間へ長い配管を通して圧送されるため、給脂ポンプでの圧送性能も重要な性能の一つとなる。
3. 3 裏込め注入材混入時の硬化遅延性能
シールド工事の現場においては装置の不具合や資材の配送トラブル等により、長時間工事が停止する事態がしばしば発生する。こうした事態が発生した後でもスムーズに
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第3号（ 2016 年10月）− 24 −

図4

ちょう度測定方法（JIS K2220）

4）

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裏込め注入材混入時硬化遅延型テールグリース「シールノック CR 」の開発〈泉徹〉

4. 3 セメント硬化遅延材の適用
裏込め注入材の主成分はセメントであることから、セメントの硬化遅延材が裏込め注入材の硬化遅延材としても有効であると考えられる。
セメントの硬化メカニズムを図 7 に示す。まず、セメントと水を混合すると、セメントから Al、Ca、Fe、Si 等の金属イオンが水へ溶出する。溶出した金属イオンは水と反応し、水和物を形成する。この水和反応が進行し、セメント粒子間を満たすことでセメントは硬化する 5）。セメントの硬化遅延材としては、無機系ではフッ化物・ほう酸類・りん酸塩・亜鉛・鉛・銅酸化物等、有機系ではカルボン
図5

従来品の硬化遅延性能 4）酸塩・ケト酸塩・糖類・アルコール類等、多くの化合物が公知となっている。

4. 2 従来品の組成分析

このうち、糖・アルコール類は入手性がよく、取り扱い従来品の組成分析結果を表 1に示す。
表 1に示すように、も容易である。糖・アルコール類による硬化遅延性能の従来品の基本構成はいずれも基油、ポリマー、繊維、粉発現メカニズムの一例を紹介する。まず、糖・アルコール粒体が配合されている。また、従来品①、②については、をセメントに添加すると、糖・アルコールがセメントから溶その他の成分として、エステルが配合されていることがわ出してきた金属イオンと錯体を形成し、ゲル化してセメントかった。

粒子に吸着する。こうしてできたゲルが水和反応を阻害し、エステル配合の効果を確認するため、従来品③にエステセメントの硬化が妨げられる。しかしながら、時間が経ルを配合し、硬化遅延性能を評価したところ（図 6 参照）、過すると、糖・アルコール成分がセメント粒子表面から消エステルを配合すると裏込め注入材混合直後にちょう度が失していく。糖・アルコール成分がセメント粒子表面から増加し、軟化が認められた。エステル配合により裏込め消失していくメカニズムは未だ明らかとなってはいないが、注入材混合直後にちょう度が増加するメカニズムは解明で糖・アルコールがセメント粒子周辺から消失することでセきていないが、エステルがちょう度の増加に何らかの影響メントの金属イオンの水和が起こりセメントが硬化し始めを及ぼしていることは明確である。

る 6）,7）,8）,9）。

表1

従来品の組成分析結果 4）

グリース

従来品①

従来品②

従来品③

ちょう度

240

270

230

○○○○

○

○

繊維物

セルロール系

セルロース系

ポリエステル系

粉粒体

CaCO3 系

CaCO3 系

タルク系

その他成分

エステル

エステル－タイプ

通常型

硬化遅延型

通常型

主成分

鉱油ポリマー

図7

セメントの硬化メカニズムおよび糖・アルコールによる硬化遅延メカニズム 6）,7）,8）,9）実際に、従来品③に糖・アルコール類を添加し、裏込め注入材混合時の硬化遅延性能を評価したところ、図 8に示すとおり、裏込め注入材混合時に良好な硬化遅延性能が発現することがわかった。

図 6 従来品③にエステルを添加したときの硬化遅延性能− 25 −

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裏込め注入材混入時硬化遅延型テールグリース「シールノック CR 」の開発〈泉104徹〉a）小・中口径想定（ポンプ：#2024、ホース：φ 1 インチ× 20m）b）大口径想定（ポンプ：#2077、ホース：φ 2 インチ× 50m）

図 10
図8

従来品③に糖・アルコールを添加したときの硬化遅延性能

開発品と従来品①のポンプ圧送性能 4）（3）止水性能
止 水性能は、図 11 に示す圧力容器 内にグリースを高4. 4 開発品の性能

さ 35mmまで 充 填した 上に高さ 10mm程 度 水を入れて以上の検討結果から入手性や価格なども勘案し、開発密封し、圧 縮空 気により圧力を加え（0.5MPa → 1MPa品の配合を決定し、各種要求性能を評価した。

→ 2MPa → 3.5MPa、それぞれ 3 分間静置）、漏水の有無（1）硬化遅延性能の確認およびグリース流出量を測定した。結果を表 2 に開発品の裏込め注入材混合時の硬化遅延性能を図 9示す。開発品は従来品と同様に最大圧力 3.5 MPa でも漏に示す。開発品は 24 時間を経過しても目標のちょう度範水が無く、十分な止水性能を有していることが確認された。

囲を満足した。

図 11 止水性能評価用圧力容器の概略図と容器内部の写真
表 2 止水性能評価結果 4）
図9

開発品の裏込め注入材混合時の硬化遅延性能 4）

グリース水の流出（2）圧送性能

グリース流出量（g）

圧送性能は、小・中口径、大口径のそれぞれのシール
ド工事現場で一般に使用されるテールグリース圧送用ポンプであるリンカーン製 #2024、#2077 に所定のホース（φ 10.5MPa

従来品① 従来品② 従来品③開発品

なし

なし

なし

なし

87881.0MPa141510112.0MPa

182112123.5MPa

19221313インチ× 20 m、φ 2 インチ× 50m）を接続して圧力損失を測定した。図 10 に示すように、何れの条件においても開5. まとめ発品の圧力損失は従来品①よりも低かった。圧力損失が低いほど圧送性能に優れることから、開発品は従来品①テールグリースに、裏込め注入材混合時に硬化遅延性と同等以上の優れた圧送性能を有していることが確認さ能を発現する新たな機能を付与した「硬化遅延型テールグリース」の開発を通じて、次のことを明らかにした。

れた。

（1）エステル含有テールグリースと裏込め注入材を混合すると、ちょう度が増加し、グリースが軟化する。
（2）糖・アルコール類は裏込め注入材混入時の硬化を遅延させる効果を有する。
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裏込め注入材混入時硬化遅延型テールグリース「シールノック CR 」の開発〈泉徹〉（1）、（2）の知見を活用して、硬化遅延性能、止水性能、圧送性能を満足する配合を開発した。本開発品は、（株）大林組殿のご協力により、実際のシールド現場における実用性能も従来品②と同等以上であることが確認され、本年9 月に「シールノック CR」として発売された。
今後、「シールノック CR」が市場で広く使用され、施工条件の厳しさを増す多くのシールド工事現場の安全性向上に貢献できれば幸いである。
− 参考文献 −1）荒井孝；トライボロジスト（シールドマシン用テールシールグリース）, 61, 5（2016）2）吉田正利；日石レビュー（シールド掘進機用テールパッキンについて）, 35, 1, 21（1993）
3）有山毅 , 五十嵐寛昌 , 今立文雄 , 吉村宗男 , 貝沼憲男；
トンネル工学研究論文（高耐久性新型テールシールの開発）, 7, 39, 313（1997）4）泉 徹，内海孝之，荒井孝，山元寛哲，星野智紀；平成 28 年度土木学会全国大会第 71 回年次学術講演会（裏込め注入材で硬化しにくく止水・圧送性能のよい新型テールグリースの開発（その 1），Ⅵ -831（2016）5）太平洋セメント株式会社 HP（研究・技術開発＞セメント資料館＞セメント基礎知識＞セメントの固まる原理について）
6）N . L . Thomas and J. D. Birchall；Cement andConcrete Research（THE RETARDING ACTION
OF SUGARS ON CEMENT HYDRATION）, 13,830（1983）
7）Feraidon F. Ataie, Maria C. G. Juenger, Sarah
C. Taylor-La nge, Kyle A. R iding；Cement a ndConcrete Research（Comparison of the retarding
mechanisms of zinc oxide and sucrose on cement
hydration and interactions with supplementary
cementitious materials）, 72,128-126（2015）8）中 川健太郎；第 37 回土木学会関東支部技術研究発表
会（糖添加がソイルセメントの遅延効果に及ぼす影響）,
Ⅲ- 36（2010）9）株 式会社コンクリート新聞社 HP（WEB マガジン e- コ
ンクリート > コンクリート＋ 1> 第 13 回

凝結遅延剤と水和熱抑制剤）− 27 −

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