JP2014092018A - 砂礫地盤の掘削に適した気泡シールド工法 - Google Patents

Abstract

【課題】礫分を含む地盤の掘削時においても土砂を纏めることができ、高い止水性が得られる気泡シールド工法を実現する。
【解決手段】
気泡剤と増粘剤とを水に溶解させた起泡材を発泡させて微細気泡を作製し、作製された微細気泡を切羽又はチャンバー１１に向けて注入し、カッター４で掘削された掘削土に前記気泡を混合する気泡シールド工法であって、礫分を含む地盤の掘削時に増粘剤としてキサンタンガムを用いるとともに、水に対するキサンタンガム添加量を０．１５％重量以上に定めることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細気泡を掘削土に混合する気泡シールド工法に関し、特に砂礫地盤の掘削に適した工法に関する。

気泡シールド工法は、切羽又はチャンバー内にシェービングクリーム状の微細気泡を注入しながら掘進する工法である。この気泡シールド工法では、微細気泡が掘削土の流動性と止水性を向上させる。これにより、切羽土圧の安定化、カッタートルクの負荷低減、及び、地下水流入による噴発防止等を行いつつ、シールド掘進を行っている。

この気泡シールド工法では、砂礫分が多くなり、細粒分が少なくなると、土砂の流動性が確保できなくなる場合がある。このような場合、気泡を安定させるべく気泡添加剤を起泡材に添加することが行われている。

例えば、非特許文献１には、粘土層から粗礫層までの地盤を領域Ｉから領域IVまでの４つの領域に分け、各領域に適した起泡材を用いることが記載されている。例えば、主に粘土層やシルト層が属する領域Ｉでは起泡材水溶液（Ａタイプ）を用いることが記載されている。また、主に細砂層から粗砂層が属する領域IIでは起泡材水溶液か、添加剤を加えた起泡材水溶液（Ｂタイプ）を用いることが記載されている。また、主に中砂層から粗砂層が属する領域IIIでは添加剤を加えた起泡材水溶液を用いることが記載され、さらに、主に中砂層から粗礫層が属する領域IVではゲル化剤（ホウ砂等）及び添加剤を加えた起泡材水溶液（Ｃタイプ）を用いることが記載されている。

特許文献１にはアルファオレフィンスルホン酸塩を有効成分として含むことを特徴とする気泡シールド工法用起泡材が開示されており、併用可能な混和剤の一種としてキサンタンガム、グァガム等が例示されている。また、特許文献２，３には、ゲル形成の目的でキサンタンガムとホウ酸塩等を併用する気泡止水材が開示されている。

特開２００７−２１６８号公報 特開平２−５３８９０号公報 特開平２−１６２８９号公報

「気泡シールド工法 技術資料」、シールド工法技術協会、平成２３年８月、インターネット＜URL：http://www.shield-method.gr.jp/gijyutsu/kiho.pdf＞

砂礫層等の礫分を含む地盤は、掘削土の透水性が礫分を含まない地盤と比べて格段高く、噴発防止の観点から高い止水性を有する増粘剤が求められていた。また、礫分を含む地盤は土砂がまとまりづらく、土砂の流動性を確保することが難しい。

特許文献２及び３に開示された技術は標準砂を対象としており、礫分を含む地盤に対する止水性、まとまり感、流動性等について何ら記載がない。また、これらの技術はキサンタンガム及びホウ酸塩のゲル化機構を用いた技術であり、ゲルを形成せずに起泡材を利用する技術についても何ら記載がない。更には、ホウ酸塩を用いた技術であり、環境に対する負荷の面から懸念が残る。

従前、起泡材に使用されてきたグァガム（特許文献１〜３）は、起泡材調製後１〜２日以内に使用しなければならないという制約を抱えている。具体的には、グァガムを含有する起泡材を掘削現場で数日貯留すると溶液の腐敗により粘度が低下し、起泡材としての機能を果たしえない。更にはグァガムを用いた起泡材を砂礫層に用いても十分な止水性や土砂のまとまり感を得ることができなかった。

また、実際の現場では、掘削対象となる地盤の性状が変わることがある。例えば、掘削中に砂質層から砂礫層へと地盤の性状が変わることがある。この場合、使用する起泡材の種類を変えざるを得ないことがあり、掘削工程を一時中断し、それまでの起泡材を廃棄し、かつ新たな起泡材を調製しなければならない、複数の起泡材原料を用いなければならない等の多大な手間が掛かるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、礫分を含む地盤の掘削時においても土砂を纏めることができ、高い止水性が得られる工法を実現することである。また、他の目的は、掘削中に地盤の性状が変化しても対応が容易な工法を実現することである。更には、環境への負荷が少ない工法を実現することである。

本発明者は鋭意検討を重ねた結果、多数存在する添加剤の中からキサンタンガムを特定量起泡材に用いることで上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至ったものである。

すなわち、本発明は、気泡剤と増粘剤とを水に溶解させた起泡材を発泡させて気泡を作製し、作製された前記気泡を切羽又はチャンバーに向けて注入し、カッターで掘削された掘削土に前記気泡を混合する気泡シールド工法であって、礫分を含む地盤の掘削時に前記増粘剤としてキサンタンガムを用いるとともに、前記水に対する前記キサンタンガム添加量を０．１５％重量以上に定めることを特徴とする。

本発明によれば、起泡材の増粘剤としてキサンタンガムを用い、その添加量を０．１５％重量％以上に定めているので、礫分を含む地盤を掘削しても土砂を纏めることができ、高い止水性を得ることができる。

前述の気泡シールド工法において、前記掘削土に含まれる礫分が多いほど、前記起泡材中の前記キサンタンガム濃度を高めることが好ましい。この工法では、起泡材中のキサンタンガム濃度を変更するのみで、透水性の異なる様々な性状の地盤に対する対応が容易に行える。

前述の気泡シールド工法において、前記チャンバーから排出された前記掘削土に、金属塩を含有する水溶液からなる消泡剤をさらに混合することが好ましい。この工法では、キサンタンガムによって強度が高められた気泡であっても、確実に消泡することができる。

前述の気泡シールド工法において、前記消泡剤は、３価の鉄塩を含有する水溶液からなることが好ましい。この工法では、３価の鉄塩を用いているので、入手が容易であって環境に対する負荷を低く抑えることができる。

本発明によれば、礫分を含む地盤の掘削時においても、高い止水性を得ることができる。また、掘削中に地盤の性状が変化してもキサンタンガムの濃度を変化するのみで掘削工程を中断することなく容易に対応することができる。更に本発明の工法は、環境に対する負荷が低い素材のみを用いて実施できるという利点を有する。

（ａ）はシールドマシンの断面図である。（ｂ）は特殊起泡材の組成を説明する図である。 サンプル１，２に対するスランプ試験を説明する図である。 サンプル３に対するスランプ試験を説明する図である。 サンプル４，５に対するスランプ試験を説明する図である。 サンプル６，７に対するスランプ試験を説明する図である。 サンプル８，９に対するスランプ試験を説明する図である。 サンプル１０，１１に対するスランプ試験を説明する図である。 サンプル１２，１３に対するスランプ試験を説明する図である。 グァガム０．５％及びキサンタンガム０．１５％における、砂質土での気泡添加量とスランプ値との関係を説明する図である。 グァガム１％及びキサンタンガム０．３％における、砂質土での気泡添加量とスランプ値との関係を説明する図である。 キサンタンガム０．６％、０．９％、１．２％における、砂礫土での気泡添加量とスランプ値との関係を説明する図である。 透水試験を実施した４つのケースを説明する図である。 （ａ）は透水試験装置の外観写真である。（ｂ）は透水カラムを説明する概念図である。 （ａ）は透水試験開始前における透水カラムの拡大写真である。（ｂ）は透水試験終了後における透水カラムの拡大写真である。 （ａ）は保存前後の粘度を説明する図である。（ｂ）は保存前後の粘度を比較するグラフである。 キサンタンガム濃度０．３％で作製された気泡の消泡試験を説明する図であり、塩化第二鉄溶液及び硫酸第一鉄溶液の１％希釈液〜１０％希釈液での結果を示す。 キサンタンガム濃度０．３％で作製された気泡の消泡試験を説明する図であり、塩化第二鉄溶液及び硫酸第一鉄溶液の２０％希釈液〜原液での結果を示す。 キサンタンガム濃度１．２％で作製された気泡の消泡試験を説明する図であり、塩化第二鉄溶液、硫酸第一鉄溶液及び硫酸第二鉄溶液の１％希釈液〜１０％希釈液での結果を示す。 キサンタンガム濃度１．２％で作製された気泡の消泡試験を説明する図であり、塩化第二鉄溶液、硫酸第一鉄溶液及び硫酸第二鉄溶液の２０％希釈液〜原液での結果を示す。 比較例の消泡試験を説明する図である。 本実施形態の特殊起泡材に適する土質範囲を説明する概念図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。まず、気泡シールド工法に用いられるシールドマシンの概略、及び起泡材の概略について説明する。

図１（ａ）に示すように、本工法に用いられるシールドマシン１は、スキンプレート２と、隔壁３と、カッター４と、カッターモータ５と、気泡注入管６と、スクリューコンベア７と、土圧センサ８と、ベルトコンベア９と、消泡剤散布部１０とを備えている。

スキンプレート２は、シールドマシン１の外殻部となる鋼製の筒状部材である。隔壁３は、スキンプレート２に設けられており、スキンプレート２の前側部分にチャンバー１１を区画する。カッター４は、回転によって地中を掘削する部分であり、スキンプレート２よりも前方に配設されている。カッターモータ５は、カッター４を回転させるための駆動源であり、隔壁３の後側に設けられている。カッターモータ５の駆動力は支持アーム１２を介してカッター４に伝達される。

気泡注入管６は、起泡材が発泡装置（図示せず）で発泡されることで得られたシェービングクリーム状の微細気泡を案内する部材である。気泡注入管６の先端はカッター４の前方に位置しているため、案内された微細気泡は切羽に向けて注入される。また、微細気泡はチャンバー１１に注入してもよい。カッター４で掘削された掘削土は、このカッター４の回転によって気泡と混合されることで流動性が高められ、チャンバー１１に流入する。そして、チャンバー１１では、微細気泡の存在によって壁面への掘削土の付着が抑制される。また、土粒子同士の間に微細気泡が入り込むので、止水性も高められる。

スクリューコンベア７は、チャンバー１１に流入した掘削土を後側に排出する装置である。土圧センサ８は、チャンバー１１に流入した掘削土の圧力を測定する部材である。この土圧センサ８で測定された掘削土の圧力に応じて、シールドマシン１の推進力やスクリューコンベア７による掘削土の排出量が調整される。

ベルトコンベア９は、スクリューコンベア７から排出された土砂Ｘを立坑側へ移送する装置であり、消泡剤散布部１０は、スクリューコンベア７で移送されている土砂Ｘに消泡剤を散布する装置である。スクリューコンベア７から排出された土砂Ｘには微細気泡が混合されているが、消泡剤の散布によって気泡を消すことができる。

微細気泡の基となる起泡材は、例えば図１（ｂ）に示すように、気泡剤を主成分として含有するとともに増粘剤が添加されている。そして、ホウ酸塩等のゲル化剤は含まれていない。

気泡剤は、気泡の基となる成分であり、界面活性剤が用いられる。本実施形態では、この気泡剤としてアルファオレフィンスルホン酸塩（ＡＯＳ）が用いられる。このＡＯＳは、陰イオン界面活性剤であり、気泡剤として広く用いられている。増粘剤は、気泡を安定強化するための薬剤である。この実施形態では、砂礫地盤の掘削時において増粘剤としてキサンタンガムを用い、起泡材におけるキサンタンガム濃度を０．３％以上にすることを主要な特徴としている（詳細は後述する）。また、増粘剤にキサンタンガムを用いたことに伴い、消泡剤には塩化第二鉄水溶液を用いている。なお、塩化第二鉄水溶液以外にも、３価の鉄塩を含有する水溶液であれば消泡剤として用いることができる（詳細は後述する）。

ここで、キサンタンガムについて説明する。キサンタンガムは、微生物（Xanthomonas campestris）が菌体外に産出する多糖類であり、次式に示す一次構造をしている。すなわち、主鎖はβ−１，４結合したＤ−グルコースである。側鎖は、主鎖のＤ−グルコース残基１つおきにＤ−マンノース２分子とＤ−グルクロン酸が結合したものである。なお、側鎖の末端にあるＤ−マンノースは、ピルビン酸塩になっている場合があり、主鎖に結合したＤ−マンノースのＣ−６位はアセチル化されている場合がある。

キサンタンガムは、主鎖に対する側鎖の割合が大きく、この側鎖に含まれるカルボキシル基とピルビン酸に由来するマイナス荷電の非常に強い多糖類である。キサンタンガムは１〜１００℃の水に可溶であり、冷水、常温下においても溶解することが可能である。１％水溶液におけるｐＨは５．０〜８．５と弱酸性から弱アルカリ性を示す。このキサンタンガムは、微生物の栄養源となり難いことから、起泡材の腐敗を抑制できる。さらに、キサンタンガムの水溶液は、静置状態での粘度は高いが、流動状態での粘度は比較的小さくなることから、ポンプ圧送に有利である。

このキサンタンガムの有用性を確認すべく、気泡混合土におけるスランプ試験、及び、気泡混合土における透水試験を行った。また、増粘剤水溶液の経時安定性試験（保存前後の粘度評価）、及び、微細気泡に対する消泡試験を行った。以下、これらの試験結果について説明する。

まず、気泡混合土におけるスランプ試験について説明する。このスランプ試験は、増粘剤にキサンタンガムを用いて作製した本実施形態の微細気泡について、土砂を一体にまとめ上げる能力を確認すべく行った。このスランプ試験では、図２から図８に示すサンプル１〜１４を作製して試験を行った。なお、これらのサンプル１〜１４における増粘剤は、キサンタンガムとグァガムを用いた。そして、キサンタンガムは、三栄源エフ・エフ・アイ株式会社のビストップ（登録商標）Ｄ−４１２０Ｋ（キサンタンガム３０％含有品）を用いた。また、グァガムは、株式会社立花マテリアルから販売されているものを用いた。

ここで、サンプル１〜７は試料土として砂質土を用いたものであり、サンプル８〜１３は試料土として砂礫土を用いたものである。これらのサンプル１〜１３のうち、サンプル１〜３、８〜１１は増粘剤としてキサンタンガムを用いた実施例であり、他のサンプルは増粘剤としてグァガムを用いた比較例である。

なお、図２１に示すように、本実施形態における砂質土とは、前述の非特許文献１で定義される領域III（中砂層から粗砂層）に属するものである。同様に、本実施形態における砂礫土とは、この文献で定義される領域IV（中砂層から粗礫層）に属するものである。そして、何れの土砂も礫分を含んでいる。例えば、領域IIIでは細礫分や中礫分が比較的多く含まれ、領域IVでは中礫分〜粗礫分が比較的多く含まれている。

図２から図８に示すように、起泡材の主成分である気泡剤は、何れのサンプルでもＡＯＳを用いており、０．１５重量％となる量を水道水に添加した。そして、各サンプルは、増粘剤濃度や気泡添加量が個別に定められている。以下、サンプル毎に説明する。

図２に示すように、サンプル１は、水道水に対するキサンタンガム濃度を０．１５重量％とし、約５倍（４．９倍）発泡の微細気泡を砂質土容積の１０％添加したものである。サンプル２は、サンプル１と同じ微細気泡を砂質土容積の２０％添加したものである。また、図３に示すように、サンプル３は、水道水に対するキサンタンガム濃度を０．３重量％とし、約５倍（４．８倍）発泡の微細気泡を砂質土容積の１０％添加したものである。

図４に示すように、サンプル４は、水道水に対するグァガム濃度を０．５０重量％とし、約５倍（５．１倍）発泡の微細気泡を砂質土容積の２０％添加したものである。サンプル５は、サンプル４と同じ微細気泡を砂質土容積の３０％添加したものである。また、図５に示すように、サンプル６は、水道水に対するグァガム濃度を１．００重量％とし、約５倍（５．２倍）発泡の微細気泡を砂質土容積の２０％添加したものである。サンプル７は、サンプル６と同じ微細気泡を砂質土容積の３０％添加したものである。

図６に示すように、サンプル８は、水道水に対するキサンタンガム濃度を０．３重量％とし、約５倍（５．２倍）発泡の微細気泡を砂礫土容積の２０％添加したものである。また、サンプル９は、水道水に対するキサンタンガム濃度を０．６重量％とし、約５倍（４．９倍）発泡の微細気泡を砂礫土容積の２０％添加したものである。また、図７に示すように、サンプル１０は、水道水に対するキサンタンガム濃度を０．９重量％とし、約５倍（４．４倍）発泡の微細気泡を砂礫土容積の２０％添加したものである。サンプル１１は、水道水に対するキサンタンガム濃度を１．２重量％とし、約５倍（４．３倍）発泡の微細気泡を砂礫土容積の２０％添加したものである。

図８に示すように、サンプル１２は、水道水に対するグァガム濃度を１．００重量％とし、約５倍（４．７倍）発泡の微細気泡を砂礫土容積の３０％添加したものである。また、サンプル１３は、サンプル１２と同じ微細気泡を砂礫土容積の４０％添加したものである。

以上の各サンプルは、次の手順で作製した。所定量（本実施形態では１２ｋｇ）の試験土を準備するとともに、気泡剤と増粘剤と水に溶解させて起泡材を作製した。作製した気泡剤を、容積が５倍程度となるように発泡させて微細気泡を得た。得られた微細気泡を前述の添加量だけ取り分け、速やかに試料土に添加して混ぜ合わせた。微細気泡が試料土に対して均一に混ざったならば、直ちにスランプ試験を行った。スランプ試験は、ＪＩＳ Ａ １１０１「コンクリートのスランプ試験方法」に準拠して行った。

以下、試験結果について説明する。まず、砂質土の試験結果（サンプル１〜７）について説明する。この試験では、スランプ値が１０ｃｍから２０ｃｍの範囲に入っているサンプルを、土砂を纏める能力を有しているとして好適と判定した。また、スランプコーンを外した状態における試料土の性状（流動性、まとまり感）を観察した。

図２に示すように、サンプル１（キサンタンガム０．１５％，気泡１０％添加）に関し、スランプ値は１２．０ｃｍであった。そして、試料土には流動性及び土砂を纏める力が感じられた。また、試料土の底面から離水が認められたが、スランプは釣り鐘型となった。サンプル２（キサンタンガム０．１５％，気泡２０％添加）に関し、スランプ値は１８．５ｃｍであった。試料土に流動性が感じられたが、土砂を纏める力は弱いと感じられた。また、スランプは若干流れ気味であった。これは、気泡の添加量が多いことに起因すると考えられた。

図３に示すように、サンプル３（キサンタンガム０．３％，気泡１０％添加）に関し、スランプ値は１３．０ｃｍであった。試料土には流動性、粘性、及び、土砂を纏める力が感じられた。そして、スランプは釣り鐘型に近い形状となった。

図４に示すように、サンプル４（グァガム０．５０％，気泡２０％添加）に関し、スランプ値は１．０ｃｍであった。試料土に流動性は感じられず、パサつく感じがあった。そして、試料土の底面から離水が認められ、かつ、スランプは直立状態であった。すなわち、試料土はスランプコーンの形状を保ったまま直立していた。サンプル５（グァガム０．５０％，気泡３０％添加）に関し、スランプ値は２０．０ｃｍであった。試料土に流動性が感じられ、多少のまとまり感があったものの、パサつく感じが強かった。そして、スランプは流れる感じが強かった。

図５に示すように、サンプル６（グァガム１．００％，気泡２０％添加）に関し、スランプ値は０．５ｃｍであった。試料土には、多少のまとまり感あるものの流動性は感じられず、試料土はスランプコーンの形状を保ったまま直立していた。サンプル７（グァガム１．００％，気泡３０％添加）に関し、スランプ値は１７．５ｃｍであった。試料土には流動性、及び、土砂を纏める力が感じられた。そして、スランプは形を維持しようとしていた。しかしながら、キサンタンガムを用いた各サンプルと比較した場合、気泡添加量を増やさねばならず、かつ、増粘剤濃度を高めなければならない点で劣っていた。

次に、砂礫土の試験結果（サンプル８〜１３）について説明する。この試験でも、スランプ値が１０ｃｍから２０ｃｍの範囲に入っているサンプルを好適と判定し、スランプコーンを外した状態における試料土の性状（流動性、まとまり感）を観察した。

図６に示すように、サンプル８（キサンタンガム０．３％，気泡２０％添加）に関し、スランプ値は１７．０ｃｍであった。試料土には流動性は感じられたが、土砂を纏める力は非常に弱いと感じられた。このサンプル８では、スランプの流れ出しが認められた。サンプル９（キサンタンガム０．６％，気泡２０％添加）に関し、スランプ値は１１．５ｃｍであった。試料土には流動性と土砂を纏める力が感じられた。流動性に関しては、若干重めの（挙動が遅い）感じがあった。スランプは形を維持しようとし、肩部からの崩れ落ちが認められた。

図７に示すように、サンプル１０（キサンタンガム０．９％，気泡２０％添加）に関し、スランプ値は１７．０ｃｍであった。試料土には流動性が感じられ、かつ、土砂を纏める力が非常に強いと感じられた。さらに、スランプは形を維持していた。サンプル１１（キサンタンガム１．２％，気泡２０％添加）に関し、スランプ値は１５．０ｃｍであった。試料土には流動性が感じられ、かつ、もちもちしており土砂を纏める力が感じられた。スランプは釣り鐘型となり、肩部からの流れ出しが認められた。

図８に示すように、サンプル１２（グァガム１．００％，気泡３０％添加）に関し、スランプ値は１５．５ｃｍであった。試料土に流動性は感じられたが、土砂を纏める力は弱いと感じられた。スランプは形を維持しようとするが、肩部からの崩れ落ちが認められた。サンプル１３（グァガム１．００％，気泡４０％添加）に関し、スランプ値は１９．０ｃｍであった。試料土に強い流動性が感じられ、添加量過多であることを伺わせた。土砂を纏める力は若干感じられたが、スランプは流れる感じが強かった。これらのサンプル１２、１３では、気泡添加量を増やさねばならない点で、キサンタンガムを用いた各サンプルよりも劣っていた。

以上のスランプ試験について考察する。砂質土に関し、増粘剤としてキサンタンガムを用いる場合、グァガムを用いる場合よりも低い濃度において、高い流動性と土砂の纏まり感が得られるといえる。図９及び図１０は、上記サンプル１〜７の他、同様の手順で行った他のサンプルのスランプ値を気泡添加量で整理した結果である。この試験結果より、起泡材におけるキサンタンガム添加量を０．１５〜０．３重量％に定めることで、グァガム添加量を０．５重量％に定めた場合よりも良好なスランプ性能が得られることが判った。そして、増粘剤としてキサンタンガムを用いた場合、土砂の纏まり感が得やすく、適した流動性を与えられる点で、グァガムを用いるよりも有利であることが判った。

また、増粘剤としてキサンタンガムを用いることで、グァガムでは適用が困難であった砂礫土についても、流動性と土砂の纏まり感が得られることが判った。図１１は、キサンタンガムの気泡添加量２０％としたサンプル９〜１１の他、気泡添加量を異ならせた他のサンプルのスランプ値を加えた結果である。この試験結果より、起泡材におけるキサンタンガム添加量を０．６〜１．２重量％に、気泡添加量を１０〜２０％に定めることで、砂礫土に対して適した流動性を付与できることが判った。

さらに、砂質土と砂礫土の結果を総合すると、掘削中の地盤が砂質土から砂礫土に、或いは、砂礫土から砂質土に変化したとしても、起泡材におけるキサンタンガム添加量を０．１５〜１．２重量％の範囲で変化させることで、増粘剤の種類の変更やホウ砂溶液用に別の配管を設置するような手間、コストをかけずとも掘削された土砂について適切な流動性を付与できることが判った。

ところで、前述のスランプ試験は、主として掘削された土砂の流動性や纏まり感を評価する試験であり、止水性を評価するものではない。そこで、微細気泡の止水性を評価すべく透水試験を行った。以下、この透水試験について説明する。

図１２に示すように、この透水試験では、ケース１〜４からなる４つのケースに対して試験を行った。各ケースの試験において、試験土は砂礫土（図２１の領域IVに属するもの）を用いた。気泡剤は、スランプ試験と同じくＡＯＳを用い、水道水に対して０．１５重量％となる量を添加した。

ケース１は比較例であり、増粘剤としてグァガムを用い、水道水に対して１重量％となる量を添加した。ケース２〜４は実施例であり、増粘剤としてキサンタンガムを用いた。そして、ケース２では、０．３重量％となる量を水道水に添加した。同様に、ケース３では０．６重量％となる量を、ケース４では１．２重量％となる量を、それぞれ水道水に添加した。なお、各ケースにおける起泡材の発泡倍率は、容積で５倍程度（ケース１，４＝４．９倍，ケース２，３＝５．０倍）とした。また、微細気泡の試験土への添加割合は、３０％とした。

各ケースのサンプルは、次の手順で作製した。所定量（本実施形態では１２ｋｇ）の試験土を準備するとともに、気泡剤と増粘剤と水に溶解させて起泡材を作製した。作製した起泡材を発泡させて微細気泡を得た。得られた微細気泡を規定量取り分け、速やかに試料土に添加して混ぜ合わせた。微細気泡が試料土に対して均一に混ざったならば、直ちに透水試験を行った。

透水試験は、図１３（ａ）に示す試験装置を用いて行った。この試験装置は、透水カラム２１とメスシリンダー２２とを有している。そして、透水カラム２１の底部にシリコンチューブ２３の上端を接続し、シリコンチューブ２３の下端をメスシリンダー２２の内側空間に導いている。透水カラム２１は、気泡混合土が充填される容器であり、図１３（ｂ）に示すように、直径２０ｃｍの有底円筒状の透明部材である。メスシリンダー２２は、シリコンチューブ２３を通じて案内される水を貯留して計量する。

この透水試験では、前述の手順で作製された気泡混合土を、深さ２０ｃｍとなるように敷き詰めた。次に、敷き詰めた気泡混合土の上から深さ１０ｃｍとなる量の水を投入し、２Ｌの水がメスシリンダー２２に貯留されるまでの経過時間（２Ｌ通過時間）を計測した。そして、計測された２Ｌ通過時間から透水係数を算出した。

試験結果を図１２に示す。比較例のケース１（グァガム１％）では、２Ｌ通過時間が２８３７ｓ、透水係数が１．５０×１０^−３ｃｍ／ｓであった。これに対し、実施例のケース２（キサンタンガム０．３％）では２Ｌ通過時間が５９６７ｓ、透水係数が７．１１×１０^−４ｃｍ／ｓ、ケース３（キサンタンガム０．３％）では２Ｌ通過時間が１８８２０ｓ、透水係数が２．２６×１０^−４ｃｍ／ｓであった。

これらのケース１〜３では、図１４（ａ）に示すように、透水試験開始前において気泡混合土Ｍは密に充填されていたが、図１４（ｂ）に示すように、試験終了時における気泡混合土Ｍには水みちＲが形成されていた。この水みちＲは、試験終了直前に形成されたものであり、水みちＲが形成されるまでは気泡混合土Ｍによる止水性が保たれていた。そして、ケース１とケース２，３とを比較すると、ケース２，３の気泡混合土は、ケース１の気泡混合土よりも透水係数が１桁小さくなっており、十分に高い止水性を有することが理解できる。これは、増粘剤としてキサンタンガムを用いると、ゲルを形成しないにも関わらず、得られた微細起泡が従来のゲル化気泡に近い特性を有し、更には従来のゲル化気泡よりも優れた物性（止水性、まとまり感、流動性等）を有するためと考えられる。

また、実施例のケース４（キサンタンガム１．２％）では、試験開始から９０００ｓが経過しても水の通過量が２Ｌに届かず、５５ｃｃであった。このため、９０００ｓと５５ｃｃとを用いて透水係数を求めた。その結果、透水係数は１．３０×１０^−５ｃｍ／ｓであり、ケース２，３の気泡混合土よりも透水係数がさらに小さくなっていた。このことから、キサンタンガムの添加量を増やすことで微細気泡の強度が一層高められるといえる。その結果、ケース４の気泡混合土では十分に高い止水性が得られたと解される。

以上の透水試験について考察する。増粘剤としてキサンタンガムを用いたケース２〜４では、増粘剤としてグァガムを用いたケース１よりも十分に高い止水性を発揮することが確認された。これは、増粘剤としてキサンタンガムを用いると、前述したように、ゲルを形成しないにも関わらず、得られた微細起泡が従来のゲル化気泡に近い特性を有するためと考えられる。

この透水試験において、ケース２はキサンタンガムの添加量が最も少なく、水道水に対して０．３重量％であった。このため、起泡材の増粘剤としてキサンタンガムを用いた場合、その添加量を少なくとも０．３重量％以上に定めることで十分な止水性が得られ、噴発を防止できると考えられる。また、礫分の割合が増えた場合には、キサンタンガムの添加量を増やすことで、噴発防止に必要な止水性が得られると考えられる。

次に、増粘剤水溶液の経時安定性試験について説明する。この安定性試験は、実際の工事現場での起泡材の保存性を評価すべく行ったものである。この安定性試験では、通常、土壌菌が付着している工事現場用の溶解設備での製液、貯留を想定し、キサンタンガム０．３％、グァガム１％を溶解した水道水（増粘液）に対し、一般的な土壌菌（Pseudomonas aeruginosa NBRC3899）を、植菌量４．３×１０個／ｍＬとなるよう添加した。そして、土壌菌添加後の増粘液を２０℃及び３０℃の温度雰囲気下で７２時間保管し、粘度を測定するともに性状を評価した。

粘度の測定結果について説明する。図１５（ａ）に示すように、土壌菌添加直後（初発）における増粘液の粘度は、グァガムが８２００ｍＰａ・ｓであり、キサンタンガムが１９００ｍＰａ・ｓであった。そして、７２時間保管後における増粘液の粘度は、２０℃保管のグァガム増粘液が５８００ｍＰａ・ｓであり、キサンタンガム増粘液が１８９０ｍＰａ・ｓであった。また、３０℃保管のグァガム増粘液が１００ｍＰａ・ｓであり、キサンタンガム増粘液が１８５０ｍＰａ・ｓであった。

そして、図１５（ｂ）に示すように、初発粘度を１００％とした７２時間保管後における各増粘液の粘度比率は、２０℃保管のキサンタンガム増粘液が９９．４％、３０℃保管のキサンタンガム増粘液が９７．３％であるのに対し、２０℃保管のグァガム増粘液が７０．７％、３０℃保管のグァガム増粘液が１．２％であった。加えて、２０℃保管のグァガム増粘液では腐敗臭が発生しており、３０℃保管のグァガム増粘液では強烈な腐敗臭が発生していた。一方、キサンタンガム増粘液については、腐敗臭の発生は認められなかった。

以上の結果より、増粘液における粘度低下と腐敗臭の発生には因果関係が認められ、グァガム増粘液では微生物の繁殖によって増粘液の粘度低下が生じていると解される。一方、キサンタンガム増粘液では微生物は繁殖し難いことが確認された。このため、増粘剤としてキサンタンガムを用いると、起泡材の作り置きが可能になり、気泡シールド工法における作業性を向上させることができる。

次に、微細気泡に対する消泡試験について説明する。詳細は後述するが、増粘剤としてキサンタンガムを用いて作製された微細気泡は、既存の消泡剤を用いても消泡され難いという特性があった。そこで、キサンタンガム増粘剤を用いて作製された微細気泡の消泡剤を得る目的で、この消泡試験を行った。

前述したように、キサンタンガムはマイナス荷電の強い多糖類であり、多価金属塩を加えることでゲル化することが知られている。本知見から、ゲルを形成する多価金属塩含量を更に上回る量の多価金属塩を添加することで、キサンタンガムに凝集が生じて、消泡されると考えた。

最初に、代表的な鉄塩である塩化第二鉄、硫酸第一鉄、及び、硫酸第二鉄を用い、これらの水溶液を消泡剤として試験を行った。塩化第二鉄水溶液は、水溶液中の鉄含有率が１２．８重量％となるように塩化第二鉄を水道水に溶解して作製した。硫酸第一鉄水溶液は、水溶液中の鉄含有率が５．５重量％となるように硫酸第一鉄を水道水に溶解して作製した。硫酸第二鉄水溶液は、水溶液中の鉄含有率が１１重量％となるように硫酸第二鉄を水道水に溶解して作製した。

これらの水溶液を原液（１００％溶液）とし、１％希釈液から原液まで希釈率を段階的に変化させて消泡剤を作製した。今回の試験では、気泡剤としてＡＯＳを用い、増粘剤としてキサンタンガムを用いて起泡材を作製した。ＡＯＳ濃度（添加量）は０．１５重量％とし、キサンタンガム濃度は、０．３％と１．２％の２種類とした。そして、各起泡材１００ｍＬを５００ｍＬビーカーに投入し、約５倍に発泡させて試験に用いた。すなわち、発泡で得られた微細気泡に対して所定量の消泡剤を投入し、攪拌及び観察を行った。ここで、消泡剤の使用量は１０ｍＬとした。これは、シールド工法における消泡剤の使用量が、起泡材量の１０％に定められていることによる。

最初に、キサンタンガム濃度０．３％の試験結果について説明する。この試験では、消泡剤として塩化第二鉄水溶液と硫酸第一鉄水溶液を用いた。

図１６及び図１７に示すように、消泡剤として塩化第二鉄水溶液を用いた上段のケースでは、希釈率５〜５０％のそれぞれにおいて、泡状部分の容積が減少し、ビーカーの底部に液体が溜まっていることが確認された。このことから、消泡剤の添加によって固形分の凝集が生じ、分離された液体分がビーカーの底部に溜まったものと考えられた。そして、図１６及び図１７における上段左端の写真に示すように、気泡の高さは５００ｍＬビーカーの４割程度の高さとなっている。消泡前の気泡容積は約５００ｍＬであったことから、消泡剤の添加によって６割程度の気泡が消滅したといえる。

一方、消泡剤として硫酸第一鉄水溶液を用いた下段のケースでは、図１６及び図１７における下段の写真に示すように、気泡容積は半分程度にしているものの、液体分の分離は確認できなかった。これは、原液を使った実験でも同じであった。このことから、同じ鉄塩であっても、塩化第二鉄の方が硫酸第一鉄よりも高い消泡効果を示すことが判った。

次に、キサンタンガム濃度１．２％の試験結果について説明する。この試験では、消泡剤として塩化第二鉄水溶液、硫酸第一鉄水溶液、硫酸第二鉄水溶液を用いた。

図１８及び図１９に示すように、消泡剤として塩化第二鉄水溶液を用いた上段のケース、及び、硫酸第二鉄水溶液を用いた下段のケースでは、希釈率５〜５０％のそれぞれにおいて、泡状部分の容積が減少し、ビーカーの底部に液体が溜まっていることが確認された。このことから、キサンタンガム濃度を高めた微細気泡であっても、これらの消泡剤であれば十分に消泡できると考えられた。

一方、消泡剤として硫酸第一鉄水溶液を用いた中段のケースでは、気泡の高さが最大で３割程度しか減少しなかった。このことから、硫酸第一鉄水溶液は、キサンタンガム濃度を高めた微細気泡に対する消泡剤としては、効果が少ないと考えられた。このように、硫酸第一鉄水溶液と硫酸第二鉄水溶液とで、効果に違いが見られた理由としては、鉄の価数にあると考えられた。これは、キサンタンガムはマイナス荷電の強い多糖類であることから、プラス荷電の強い鉄塩の方が反応し易いと解されるためである。すなわち、プラス荷電の強い鉄塩の方が高い消泡性能を有しているといえる。

また、比較例として、前述した２種類の起泡材（キサンタンガム濃度０．３％，１．２％）で作製された微細気泡に対し、既存の消泡剤を用いて消泡試験を行った。ここで、既存の消泡剤としては、ＯＫ−０１（シリコンオイル），ＯＫ−０２（セルラーゼ），ＯＫ−０３（マンナーゼ）を用いた。加えて、既存の消泡剤における有効性を確認すべく、シールド工法技術協会が指定するＡタイプ気泡をＯＫ−０１で消泡する試験も行った。

図２０に示すように、増粘剤としてキサンタンガムを用いて作製した微細気泡は、既存の消泡剤で消滅させることは困難であることが判った。なお、この試験で用いたＯＫ−０１は、Ａタイプ気泡を完全に消泡できていることから、品質に問題はないといえる。

消泡試験の結果について考察する。増粘剤としてキサンタンガムを用いて作製された微細気泡は、多価金属塩と反応することで凝集し、消泡されると考えられる。このため、鉄塩以外の金属塩（例えば、銅、亜鉛、アルミニウムの塩化物、硫酸塩、硝酸塩）であっても、微細気泡の消泡剤に使用できると考えられる。さらに、２価の金属塩よりも３価の金属塩の方が良好な消泡性が得られる。なお、金属塩に関しては、土壌への混合した際の環境負荷や消泡性を考えると、鉄塩やアルミニウム塩が好ましいといえる。そして、消泡剤として塩化第二鉄水溶液を用いると、消泡後の土砂の有効利用が容易である。

ここで、前述のスランプ試験、透水試験、経時安定性試験、及び、消泡試験の試験結果を総括する。起泡材の増粘剤としてキサンタンガムを用いる場合、図２１の領域IIから領域IVに属する地盤に対し、キサンタンガムの添加量を増減することで対応できると考えられる。

例えば、図２１の領域IIに属する地盤に対しては、水道水に対して０．１５重量％かそれ以下の少ない添加量であっても、流動性を高めることができ、土砂を纏めることができる。そして、領域IIIに属する地盤に対しては、水道水に対して０．３から０．９重量％程度の添加量にすることで、流動性を高めることができ、土砂を纏めることができる。加えて、礫分の割合が増えることで問題となる、地下水流入に起因する噴発についても防止できる。さらに、領域IVに属する地盤に対しては、水道水に対して０．９重量％以上の添加量にすることで、同様の作用効果が得られる。さらに、起泡材の作り置きが可能となり、工事の効率化にも有用である。

このように、掘削土砂に含まれる礫分が多くなる程にキサンタンガムの添加量を増やし、少なくなる程に添加量を減らすことで、領域IIから領域IVに属する地盤に対して、気泡シールド工法による掘削を行うことができる。その際に必要な作業は、キサンタンガムの添加量を調整するだけであるため、気泡シールド工法の作業効率を向上させることができる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。

例えば、気泡剤に関し、他の種類の界面活性剤を用いてもよい。例えば、アルキル硫酸塩（ＡＳ）、ポリオキシエチレンアルキル硫酸塩（ＡＥＳ）、ポリオキシエチレンアルキルエーテル（ＡＥ）を用いてもよい。

１…シールドマシン，２…スキンプレート，３…隔壁，４…カッター，５…カッターモータ，６…気泡注入管，７…スクリューコンベア，８…土圧センサ，９…ベルトコンベア，１０…消泡剤散布部，１１…チャンバー，１２…支持アーム，２１…透水カラム，２２…メスシリンダー，２３…シリコンチューブ，Ｘ…排出土砂，Ｍ…気泡混合土，Ｒ…水みち

Claims (4)

1. 気泡剤と増粘剤とを水に溶解させた起泡材を発泡させて気泡を作製し、
   作製された前記気泡を切羽又はチャンバーに向けて注入し、
   カッターで掘削された掘削土に前記気泡を混合する気泡シールド工法であって、
   礫分を含む地盤の掘削時に前記増粘剤としてキサンタンガムを用いるとともに、前記水に対する前記キサンタンガム添加量を０．１５％重量以上に定めることを特徴とする気泡シールド工法。
2. 前記掘削土に含まれる礫分が多いほど、前記起泡材中の前記キサンタンガム濃度を高めることを特徴とする請求項１に記載の気泡シールド工法。
3. 前記チャンバーから排出された前記掘削土に、金属塩を含有する水溶液からなる消泡剤をさらに混合することを特徴とする請求項１又は２に記載の気泡シールド工法。
4. 前記消泡剤は、３価の鉄塩を含有する水溶液からなることを特徴とする請求項３に記載の気泡シールド工法。