西松建設技朝 vOL.23 U.D.C. 624,191.6:624,132.6
大断面泥土圧 シール ドにおける掘削土のポンプ圧送 と改質
Th ePu mp‑ d i s c h a r g i n go fExc a v a t e dS o i l a tt heL a r g eDi a me t e rEPBS h i e l d
桑原 賢司* 森 ‑ * KenjiKuwabara HajimeMori 坪井 広美 **
HiromiTsuboi
要 約
｢平野川 調節池築造工事‑4｣ は ,現在最大径 の≠11.52m大 断面泥土庄 シール ドによ り延長 1.7kmの トンネル を施工す るものである.そ して ,大量 に発生す る掘削土の搬出は ,切羽か ら地上 まではポ ンプ圧送 を採用 し,場外搬出は普通 ダンプ トラックで行 う計画である. この搬出形態 にお ける掘削土 には ,ポ ンプ圧送のための液性状態 と,普通 ダンプ トラックでの搬出における塑性状態 が要求 され る. この相反す る要求性状 に対 して ,最適かつ効率の良い切羽添加材 ,土砂改質材の選 定 と土砂性状の管理が必要 となる. さらに,土砂 ス トック量の制限か ら連続的に性状 を変化 させ る 必要 がある.
この様 な厳 しい課題 に対 して ,シール ド発進前 に土砂圧送実験 および改質実験 をとお して最適 な 切羽添加材および改質材添加量 を把握 し施工 に臨んだ.その結果 ,大 きな トラブル もな く,効率 よ
く排土 ,改質が可能であった.
目 次
§1.は じめに
§2.工事概要
§3.土砂圧送および改質実験
§4.施工結果
§5.おわ りに
$1.は じめに
大阪市 は,市南東部の浸水被害 を軽減す るため寝屋川 南部地下河川の建設 を進めている.本工事 は,その一部 である ｢平野川調節池｣の Ⅲ期工事 として ,延長1.7km の 区 間 に12万m3の貯 留 量 を もつ トンネル を ,外 径 ≠ ll.52mの泥土庄 シール ド工法で施工す るものである.
大断面泥土庄 シール ドの多 くの技術 的課題の一つ とし て ,大量 に発生す る掘削土の坑内輸送 と場外搬出をいか に効率良 く行 うか とい う課題 がある.原設計では,切羽 添加剤 として気泡材 を使用 し,場外搬出は,消泡材 を使 用す ることで改質材 な しで普通 ダンプ トラックで搬出す るものであった.一方 ,高水庄下での施工や輸送効率か ら,坑内輸送 にポ ンプ圧送 を採周す ることとなった.そ こで大規模 な土砂圧送固化実験 をとお して最適 な施工法
* 関西 (支)平野川 シール ド (出)
** 横浜 (支)MM線山下町 (也)
を検討す ることとなった.
本報では ,掘削土の坑内輸送 と改良搬出について ,事 前検討 と実施工結果 について記述す る.
$2.工事概要
2‑1 工事内容
工事内容 を表‑ 1に示す.
2‑ 2 地質概要
地質概要図 を図‑ 1に示す.掘削対象土質は,海成粘 土層 と淡水成砂質土 が規則的に互層 となる下部洪積層大
乗‑ 1 工事概要 工 事 名 平野川調節地築造工事‑4 企 業 先 大阪市建設局
工 事 場 所 大阪市阿倍野区桃ヶ池町1‑松虫通1 施 工 延 長 1f杖)m
シ ー ル ド 泥土圧シール ド (中折れ付) 外径￠1152m機長95m 残 土 搬 出 ボン刀王送方式
平 面 線 形 R70mX1カ所､R双 )mX3カ所 縦 断 勾 配 i=14刃 )
土 質 下部洪積層大阪層那粘性土と砂質土の互層 土 か ぶ り 巌大玉.1m､最小26.7m
セ グ メ ン ト デクタイ舵デメント外径 ￠113王n.桁高35(ln,幅em nln RCtクttメント 外径￠113m.桁高5Clhl.幅15(Ⅰhnl
補 助 工 法 発進防護:凍結工法および薬液注入工法
大断面泥土圧 シール ドにおける掘削土のポ ンプ圧送 と改質
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0(㌔)繍屯細榊桝無頼西松建設技報 VOL.23
図‑ 1 地質概要図
】'lt Os1】 W=15.3YoUc
.
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̲26.90
.001 0.01 0.1 1 10 粒 径 (mm)
図‑2 081層粒度分布
阪層群である.大阪層群は,本工区終点付近を軸 とする 背斜構造 となってい るため ,掘削断面 内に粘性土層 (Oc層) と砂質土層 (Os層)が繰 り返 し出現することと なる.掘削対象土層の代表 として,Osl,Oc2層の粒度 分布 を図‑2,図‑3に示す.
粘性土層は,‑軸圧縮強度の平均がqu‑0･33MPa程度 と比較的硬質であるが,5〃m以下の粘土含有率が平均 44%と高 く,塑性指数 も平均lP‑60と高塑性 を示すこと から,チャンバ内での混練 ･塑性流動化および各機械や 圧送管への付着に留意する必要がある.一方 ,砂質土は, いずれ もⅣ‑50以上 と蜜実であるが,細粒度の混入率が 10%以下で ,均等係数がUc‑5以下 となる流動性 ,崩壊 性の高い砂質土層 も存在することから,切羽の安定に留 意する必要がある.
$3.土砂圧送および改質実験
3‑1 実験 日的
シール ド発進前に実施 した土砂圧送実験および土砂改 質実験は,掘削土砂のポンプ圧送と排土後の土砂改質の 高効率化を目的に実施 した.それぞれの実験 目的は次の
とおりである.
(1)土砂圧送実験
① 切羽添加材の選定
② 実工事での圧送距離 を考慮 した,切羽添加材の最適 添加量の把握
③ 圧力損失係数の把握
(%)線中細哨枇照憎
001 0.01 0.1 粒 径 (mm) 図‑ 3 062層粒度分布
1 10
④ 添加材添加前後での土砂性状の変化
(2)土砂改質実験 G)効果的な改良材の選定
② 添加量の把握
3‑2 土砂圧送実験 (1) 実験方法
実験装置の模式図を図‑4に,本実験 と実施工時の条 件比較を表‑2に示す,
添加材の添加場所は,掘削土砂の塑性流動化や付着防 止の 目的で添加する切羽 (チャンバ)と,ポンプ圧送効 率向上の 目的で添加す る注水 リングの2ヶ所 とした.切 羽での添加は,チャンバ内を想定 したピッ トで添加材 と 地盤材料 を混練することで再現 した.
計測項 巨=
ま
圧送管4個所での管内圧力 (P1‑P4),疏 量および密度で,0.5Sピッチでデータを収録 した.また, 圧送後における含水比 ･スランプ試験 を行い土砂性状の 変化を捉 えた.(2) 地盤材料
圧送土砂は,当工事で主体 となる下部洪積層大阪層群 粘性土を対象 とし,同 じ地盤 を掘削 した他現場の発生土 を使用 した.また砂質土は,土砂を主体 として,当工区 の対象地盤 と同様な粒度に調整 した.
(3) 切羽添加材の種類
実験に使用 した添加材は,粘性土に対 して高分子系の A,Bの2種葦である.添加材Aはアク リルマイ ドを主成
西松建設技報 voL.23
＼
∴ .:. 岳 図‑4 実験装置の模式図
表‑ 2 実験条件
;霧険 実施工
ポ ンプ最大吐出畠 50m3A1 340m3A1 ピス トンポンプ (170×2系統) 圧送管 6BX1系統 12(BP2X以降)1系統 水平圧送距離 約220m 最大500m
注水 リング吐出量 15
T Z
iyJnin 0‑15T Z
;yJnin分 とし,粘性土表面に吸着 し保護皮膜 を形成 ,掘削土の 塑性流動性 を向上 させ るものである.添加材Bは天然物 質である海藻か ら抽出 され るアルギ ン酸 を主成分 とし, 別にカル シウムを添加す ることで高い凝集力 を発揮 し, 泥水処理等で用い られるものである.どちらの添加材 も 硬質粘性土の切削状態 を考慮 し,摩擦 ･付着低減 を主眼 とした もので ある.一方 ,砂質土 に対 しては ,泥奨材 (クレイサン ド) を切羽添加材 として使用 した.
(4) 実験 ケース
圧送実験のケースを表‑ 3に示す.粘性土地盤 に対 し ては,その添加量 を変化 させた.砂質土地盤に対 しては, 主に圧力損失の把握 を目的に1ケースを実施 した.
(5) 圧送実験結果
① 粘性土地盤での圧送性
実験結果の代表 として切羽で添加剤Aを5%混練 した もの と添加材Bを10%混練 した ものについて ,水平換算 距離 と管内圧力の関係 を図‑5および図‑6にそれぞれ 示す.これ らの図より注水 リングか らの注水がポンプ元 症(Pl)の低減 ,管内摩擦の低減に対 して非常に有効であ ることが分かった.また,水の注水よりも添加材の注水 が,ポンプ元庄(Pl),管内圧 とも低 く抑 えることがで き た. さらに,添加材Bを切羽で混練 したものは,注水 リ ングか らの水の添加が最 も有効であることが分かった.
図‑ 7にポ ンプ元庄(Pl)と単位長圧力損失の散布図を 示す.土砂圧送は,ポンプ元圧が低 く,かつ圧力損失 も 小 さい ものが好 ましい. したがって ,圧送性 に優位性 を 認め られるNO.6(切羽で添加材A,注水 リングで添加材 Bの0.5%溶液 を注入),およびNO.7(切羽で添加剤B, 注水 リングで水 を注入)が圧送性に優れていることが分 かった.
② 土砂性状の変化
圧送後の土砂改質 を考慮す ると,できるだけ含水比の
大断面泥土圧 シール ドにおける掘削土のポ ンプ圧送 と改質
低い状態で排土 され るのが好ましい.図‑ 8に圧送前後 の含水比の変化 を示す.この結果か ら,切羽で添加材B を注入 したものは,注入に拘わ らず圧送前後の含水比の 増加 は小 さい. これは添加材Bの持つ離水作用 によるも ので ,圧送過程で注水 された水が圧送土砂 に取 り込 まれ ることなく,土砂 と圧送管壁 との間に存在す るためであ る.これは,注水 リングか ら添加する水 を着色す ること
表‑3 実験ケース
実験NO 切羽での添加(混練時添加) 注水リング 材料地盤 材料名 (添加盤Vo10/o)
1 (1添加材A/2000)溶液 】 凋 水 粘性土
2… ′ 添加剤B(
0
.2
%)溶沌3 添加剤B(0.5%)溶液
4 (1添加材A/2恥0)溶液 瑞 水
5 添加斉B(0.謁)溶液
6 添加斉B(0.5%)溶液
7
(1添加材B/
1000)溶液 1% 水 8 添加斉jB(0.2%)溶液9 添加斉B(0.5%)溶液
0 50 100 日0 200 250 300 水平換算距離(m)
図‑ 5 管内圧力 (切羽で添加材A5%混練)
(edM)
nm 型 尾
脚0 50 100 150 200 水平換算距離 (m)
250 308 図‑6 管内圧力 (切羽で添加材B10%混練)
大断面泥土圧 シール ドにお ける掘削土のポンプ圧 送 と改 質
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1 1.5 2 Pl圧力 tMPa) 図 一7 ポンプ元圧 と圧力損失2.5 3
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38 40 42 44 46
圧 送 前 含 水 上ヒ (% )
図‑8 圧送後の含水比の変化
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‑2 8 2 4 6 8 10 固化剤 漆加盈 (kgf/刺
図‑9 改質材添加量 とフォールコーン沈下量
‑;0 ILL 20 40 80 80
砂分(75Jlm以上)含有率 (%)
図‑10 土砂改質実験結果
100 120
西松建設技報 VOL.23
で確認 した.
すなわち,切羽で添加材Bを添加すれば ,注水 リング か ら水を添加す ることで ,最大の圧送性 を発揮 し,注水 した水が圧送土砂内に取込 まれないため圧送後の含水比 が増大せず ,改質効率 も向上する.
以上より,NO.7(切羽で添加剤B,注水 リングで水 を 注入)が圧送性 ･土砂性状変化 ともに最 も優れているこ とが分かった.
3‑ 3 土砂改質実験 (1)実験方法 と改質材の選定
圧送実験 に引 き続 き,実験装置端部にセ ッ トしたスク リューフィーダで圧送土砂 と改質材 を混練 し,土砂 ピッ トにてスランプテス ト (JISAllOl)とフローテス ト OISR5201)を実施 し,最適な改質材 を選定 した.改質 材 に求め られ る機能 として ,速効性 とpH中性域での改 質があり,高分子系の粉体2種類 ･液体2種類の4種類改 質材 について実験 を実施 した結果 ,最良な値 を示 した粉 体の天然高分子系吸水材 を採用 した.
(2)改質材の添加量
本工事での残土処分は,普通ダンプ トラックでの指定 地処分である.そこで ,普通ダンプ トラックで運搬可能 な改質後の土砂の 目標性状 を定める必要があり,ベ ッセ ル輸送 と普通ダンプ トラック輸送 との境界 を以下のよう に実験的に示 した文献1) より目標性状 をフォール コー ン沈下量Fc‑4mmと定めた.
Fc:0→
4 →8→ (皿)
① ② ③
① 普通ダンプ トラック輸率
② 土質性状､運搬条件等による
③ ベ ッセル輸送
また,圧送実験か ら,圧送後の土砂のフォールコーン 沈下量がFc‑8mmとなる結果 を得 た.また ,本工事で の掘削土質や場外運搬状況 を考慮す ると,Fc‑5mmで も普通 ダ ンプ トラ ックによる運搬 が可能 で あるため , Fc‑8mmの土砂 をFc‑5mm以下にす るために必要な改 質材の添加量 を求めた. ここでは ,この添加量 をK5億 とす る.改質材添加量 とフォール コーン沈下量 (Fc) との関係 を図‑ 9に,この図か ら,Fc‑8mmを5mmに す るのに必要 な最小の改質材の添加率 (K5値) 蚤求め て ,砂分含有含有量でプロッ トした もの を図‑10に示 す. この図か ら砂分 (75〃m以上)含有率 (餐) とK値
(kgf/m3) には強い相関があることが分かった.
$4.施工結果
4‑1 ポンプ圧送 (1)ポンプ圧送設備
西松建設技朝 VOL･23
本工事のポ ンプ圧 送 システムは ,掘削土 を1軸 の スク リ ューコ ンベ アに直結 され てい る左右2機 のPlポ ンプで2 系統 に振 り分 け る.次 に後方 台車後部 の シル トミキサ (解放型) まで圧送 し,シル トミキサの2軸オーガによっ てP2ポ ンプに送 られ,500mピッチ に設置 され た中継 ポ ンプを介 して地上の土砂改質装置 まで送 られ る.ポ ンプ 庄送設備概 要 図 ･圧送設備 の諸 元 を図‑ll,表 ‑ 4に 示す.
(2) 圧送性
事前の圧送実験結果 よ り,実施工での切羽添加材 と し て ,粘性土地盤 に対 しては添加材Bを ,注水 リングでは 水 を添加 した. また砂質土 に対 しては泥奨材 (クレイサ ン ド)を添加 した.その結果 ,良好 な圧送性 を示 したが , p2ポ ンプ吐 出部 に圧 力計 を設 置 し管 内圧 力 を土質 ･圧 送距離別 に測定 し,従来 よ り土砂 ポ ンプ圧送検討 に使用 されてい るコ ンク リー トの ポ ンプ圧 送式((1)式)と比 較 を行 った.
△ p = 旦 r‡ × K l ･ K 2 X ( 1 + 矩 Ⅴ ) x a ･ ･ ･(1)
ここに ,△P :単位長 さ当 りの管内圧力損失 (MPa/m)
土砂ピット
. I..‑h H こ＼パ･･古 ･･＼＼
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図‑11 ポ ンプ圧送設備図
大断面泥土圧シール ドにおける掘削土のポンプ圧送と改質
r :圧送管半径(m)
K, :粘着係数‑(3‑0･1×SDX918×1け 5即Pa) K2 :速度係数‑(4‑0･1×SL)×9･8×1ひ 5岬 a) SL :圧送土のスランプ
t,/t2:圧送排土流動時間/停止時間(0･3)
V
:管内平均流速‑Qp/(3600×7rXr')(m/S) Qp :時間当 り排度量 (m
3/h)α :管軸方向 と半径方向の庄 力比 表‑5に実験 および実施工の比較 を示す.
実験 と同 じ土砂性状 区間にて実施工結果 と比較 した結 栄 ,砂質土 においては ,推定値 と実測値 が一致 した. こ れ は ,砂 質土 に泥奨材 を添加 し不足 す るバ インダー分 を 補充す ることによ りコンク リー ト性状 に近い状態 とな る ためである.一方粘性土 は ,推定値 が実験値 を上回 る結 果 となった.前項 で述べ た よ うに粘性 土の圧 力損失 は , 注水 によって左右 され るため ,注水 による摩擦低減効果
を加味 していないスランプに基づいたコンク リー ト圧送 式 ((1)式)では ,実測 よ り大 きくなると考 える.
以上 の ことよ り実測値 とコ ンク リー ト圧 送式((1)式) による推定結果 は ,砂質土 に関 しては ,相似 で あ り土砂 圧送 において も適用で きることが分かった. しか し,デ
表‑4 圧送設備 の諸元
一次圧送7(P1)位ノブ 形式 油圧式ダフ‑Ju:ーストニ林ンフ 最大吐出量 l80n?/h
吐出圧 2.2M⊃a
二次圧送7位ノブ
(P2.P3tP4.P5)形式 油圧式ダブルピスト泌○ンプ 最大吐出量 l70nu h
吐出圧 6MPa シルトミキサ 容量 18㌦ 圧送管 P1‑P2 108
(1系統当たり)
秦‑5 実験 および実施工の比較
Xl上川FJ=十 刺,t腎 十
雰 験no.7 婁 験no.10
土 砂 氏 逮 実
験 圧 送管6B 圧送管 半径 ㍗ m 0.0776 0.0776
圧送土のス ラ ンプ SL cm 2 9.5
排 土 と停止時 間の 比 T2/Tl 0.3 0.3 時間当排土量 Qp m3
/ h
20 29.6､軸方向 と半径方 向圧 力上 α 1 1
粘着係数 Ⅹ1 MP免 0.0003 0.0002 速度係数 K2 MPa 0.0004 0.0003 管 内平均流速 V m/see 0.2937 0.4346 管 内圧 力損 失 APH MPa/m 0.0106 0.0095
実験値 0.0033 0.0096
l圧送管Z推 定Bでの 圧送管 半径 r m 0.1523 0.1523 時間当排土量 Qp m3/h 62.6 58.5 管 内平均 流速 V m/see 0.2386 0.2230 管 内圧 力損失 APH HPa/m 0.0051 0.0037 実施 r̲結果
(圧送管12B) 管 内圧 力損 失 △PH MPa/m 0.0046 0.0038
大断面泥土圧 シール ドにおける掘削土のポンプ圧送 と改質
(㌔＼Jgn撃丈
西松建設技報 voL.23
ヽ‖'gJrI.IIL･LJIJ1
図‑13 改良装置図
‑20 0 20 40 60 80 秒分(75/Am以上)含有率 (%)
川0 120
図‑12 実施工におけるK5億
‑タ不足のため粘性土における管内圧力損失 と注水によ る摩擦低減効果の関係 を把握す ることができず ,今後に 課題 を残す こととなった.
4‑2 圧送土の改質
実施工 において ,実験 で得 た改良材添加量K5値 に着 目した.その結果 ,図‑12に示 した通 り,混練方法等 の相違か ら,実験 と同様 な改良効果 を得 るためには改良 材 を30%増加 させ る必要があることが分かった.
4‑3 改質装置
実施工では,圧送管 より排出 された土砂の上部 より改 良材 をふ りかけ,付着防止効果 をもつ多軸式混合機の3 軸 ロータにより混合 ,スライ ド式ベル トコンベアにて土 砂 ピッ トへ輸送 した.固化装置概要図を図‑13に示す.
この設備 を採用することにより,実験段階で課題 となっ ていた土砂の混練 ･運搬 を 連続的に行 うことがで き, 1日200台以上におよぶ普通 ダンプ トラックの残土搬出が 可能 となった.
§5.おわりに
本工事は,今回述べた土砂圧送だけでなく大断面 シー ル ド工法 における70R急曲線施工 ･地下鉄御堂筋線の交 差施工 と厳 しい条件下での施工ではあったが,本稿で述 べた事前検討および掘進管理 システムを代表 とす る各種 の システムや計測管理の導入により 平成9年11月に発 進 し,平成10年12月に大 きな トラブル もなく無事到達す
ることができました,
最後に,これまで多くのご指導 ,ご支援 を頂いた関係 各位に対 し深 く感謝致 します.
参考文献
1)森永 繁 ,コンク リー トポ ンプの管内圧送圧 に関す る研究 ,コンクリー トジャーナル,Vol.9,1971. 2)寺本 博明 ,山口 弘則 ,可川 清人 ,坪井 広美 ,
世 界最大径 の泥 土庄 シール ド, トンネル と地下 , Vol.30,1999.
