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シールドトンネル技術

掘進用添加材「マジカルラスティングフォーム®

環境負荷の低い気泡シールド工法用特殊起泡剤

気泡シールド工法は、掘削用添加材として特殊起泡剤を発泡して作製した気泡を、シールド機チャンバー内に注入しながら掘進する工法です。微細なシェービングクリーム状の気泡が掘削土と混合され、切羽の安定を保持しスムーズな掘進が可能となります。これまでの起泡剤はAOS*系の材料が用いられてきましたが、掘削土砂の埋立利用の観点から、より水生生物や周辺環境への影響の少ない材料が求められていました。

そこで、鹿島は、タックと共同で環境負荷の低い新型起泡剤「マジカルラスティングフォーム」を開発しました。

*α-オレフィンスルホン酸塩

特許出願中

図版:マジカルラスティングフォームで作った気泡

マジカルラスティングフォームで作った気泡

キーワード

気泡シールド、陰イオン界面活性剤、低環境負荷
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特長・メリットココがポイント

水生環境に対して低負荷です

マジカルラスティングフォーム(MLF)は、魚類に対する毒性が従来型の起泡剤の1/6~1/3程度と水生環境に対して低負荷な材料です。

GHS(化学品の危険有害性ごとに、分類基準及びラベルや安全データシートの内容を世界的に統一したルール)の分類方法では、LC50が100mg/Lよりも大きければ有害分類対象外とされています。

※LC50:試験に用いられた生物の50%が死亡する化学物質の濃度。右のグラフでは、ヒメダカを用いた魚類急性毒性試験による96時間半致死濃度を示しています。

図版:ヒメダカを用いた魚類急性毒性試験結果

ヒメダカを用いた魚類急性毒性試験結果

植物に対する生育障害もありません

こまつなの発芽と発芽後の生育への障害の有無、およびその程度を確認しました。

気泡を混合した土壌は気泡を混合しない土壌に対して、同等の発芽率・草丈・生体重を示し、葉の黄化・しおれなども見られず、生育障害は認められませんでした。

図版:こまつなの生育状況

こまつなの生育状況

気泡が長持ちします

従来型の起泡剤よりも気泡が長持ちします。

従来型の気泡は10分で60%以上、30分で90%以上が消泡していますが、マジカルラスティングフォームは30分で50%以上、60分経過時にも20%以上の気泡が残存しており、耐消泡性に優れた材料であることを確認しています。

図版:気泡の持続性(残存率)の比較結果

気泡の持続性(残存率)の比較結果

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適用実績

図版:大和川線シールドトンネル

大和川線シールドトンネル

場所:大阪府堺市

竣工年:2019年3月

発注者:阪神高速道路

規模:泥土圧シールド工法 
セグメント外径Φ12,230mm 
延長L4,082m

学会論文発表実績

  • 「気泡シールド工法に用いる新型起泡剤の開発」,土木学会第72回年次学術講演会,2017年9月
  • 「気泡シールド工法に用いる気泡の圧力下における性状」,土木学会第74回年次学術講演会,2019年9月

アイスクリート®工法(液化CO2凍結工法)

自然冷媒を用いた地球環境に優しい地盤凍結工法を開発

鹿島とケミカルグラウト(鹿島グループ会社)が開発したICECRETE(アイスクリート)工法は、新たな自然冷媒として一次冷媒にアンモニア(NH3)、二次冷媒に液化炭酸ガス(CO2)を用いた地球環境に優しい地盤凍結工法です。

これまでの地盤凍結工法では、地盤を冷やす冷却液(二次冷媒)には塩化カルシウムを用い、また冷却液自体を冷やすための冷凍機(一次冷媒)ではフロンを用いるものが主流でした。しかし、自然冷媒を用いたICECRETE工法により、凍結の大幅な効率化が図れるようになったため、冷却液(CO2)の循環にかかるエネルギー消費量などを抑え、温室効果ガス排出量を約50%削減できることを確認しました。

※「ICECRETE/アイスクリート」はケミカルグラウトの登録商標です。

NETIS KT-180037-A

図版:アイスクリート工法による凍土造成試験の様子

アイスクリート工法による凍土造成試験の様子

キーワード

アイスクリート、自然冷媒、凍結効率化、エネルギー消費量抑制、温室効果ガス排出量削減
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特長・メリットココがポイント

凍土造成の効率化

従来の二次冷媒(塩化カルシウム冷却液)では-30℃までしか冷却できませんでしたが、液化CO2を用いることで更に低温の-45℃まで冷却が可能です。また、顕熱(温度差による冷却)だけでなく、潜熱(気化する際に熱を奪うことによる冷却)も利用することで、冷却液そのものの低温化と併せ、高効率で凍土を造成することができ、工期とコストの両面で有利になります。

図版:アイスクリート工法の概要

アイスクリート工法の概要

環境負荷低減の効果

液化CO2という高効率な冷却液を用いることで、同等の凍土であれば1/10程度の流量で造成が可能です。これにより、冷却液の循環にかかるエネルギー消費量が激減し、温室効果ガス排出量は約50%削減されることを確認しました。さらには、一次冷媒にもノンフロンであるアンモニアを使用しているため、環境負荷低減効果の高い工法です。

図版:凍結システム比較表

凍結システム比較表

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作業の効率化、工期短縮

低粘性である液化CO2を用いることで、消費電力も従来の60%程度に抑えることができる上、冷凍機や凍結管、配管のサイズダウンが可能となり、準備作業の施工性や安全性が向上します。従来工法と比較して、凍結期間も短縮できるため、設備・配管設置作業を含め、全体工期の短縮を図ることができます。

図版:コンパクトな凍結設備と貼付凍結管(ICチャンネル)

コンパクトな凍結設備と貼付凍結管(ICチャンネル)

適用実績

図版:石狩湾新港発電所1号機新設工事のうち土木本工事(第3工区)

石狩湾新港発電所
1号機新設工事のうち
土木本工事(第3工区)

場所:北海道小樽市

竣工年:2018年8月

発注者:北海道電力

規模:シールドマシン側貼付凍結管:
□50mm×3列 
放水管(J管)側埋込凍結管:
φ60.5mm×3列

図版:東京都芝浦水再生センター・森ヶ崎水再生センター間連絡管建設工事その2

東京都芝浦水再生センター・
森ヶ崎水再生センター間
連絡管建設工事その2

場所:東京都大田区

竣工年:2019年3月

発注者:日本下水道事業団

規模:最大水圧0.65MPa下の大深度におけるシールドマシン到達防護工

図版:茨城幹線 久慈川河口シールド工事

茨城幹線 
久慈川河口シールド工事

場所:茨城県那珂郡

竣工年:2020年10月

発注者:東京ガス

規模:最大水圧0.4MPa下におけるシールドマシン到達防護工

学会論文発表実績

  • 「CO2凍結によるシールド到達防護 ─石狩新港発電所1号機新設工事のうち土木本工事(第3工区)工事報告(その17)─」,土木学会平成29年度全国大会,第72回年次学術講演会
  • 「到達位置探査およびCO2凍結工法を用いた海底シールドトンネルの施工実績とCIMによる可視化」,第9回日中シールドトンネル技術交流会
  • 「石狩湾新港発電所放水設備工事 ─CO2凍結によるシールド到達防護」,第52回地盤工学研究発表会
  • 「自然冷媒を用いた到達防護凍結工の実績 ─石狩湾新港発電所放水設備工事─」,第58回地盤工学会北海道支部技術報告会
  • 「世界初の液化CO2凍結工法を海底シールド到達防護に採用 ─石狩湾新港発電所1号機放水路トンネル─」,トンネルと地下,2018年3月号

シールド坑内での台車逸走防止装置

速度検知型ブレーキ装置を備えた台車による運搬

シールド工事の坑内において、逸走した台車を停止させる装置は数種あるが、いずれもバッテリーロコの運転手による作業・操作が必要でした。

そこで鹿島では、材料運搬台車自体に予め装備された速度検知器にて作動するブレーキ装置を開発しました。

特許申請準備中

図版:速度検知型ブレーキ装置のイメージ動画

速度検知型ブレーキ装置のイメージ動画(動画:30秒/音なし)

キーワード

シールド工事、下り勾配、逸走防止装置、速度検知型、ヒューマンエラー

速度検知型ブレーキ装置の概要

速度検知型ブレーキ装置は、シールド坑内の下り勾配において、資材運搬台車の連結不良等により逸走した場合、ある設定速度になると資材運搬台車に装備されているブレーキが掛かり停止させるシステムです。

特長・メリットココがポイント

ヒューマンエラー、誤動作がなくなる

  • 資材運搬台車自体に台車の速度を検知するブレーキ装置が装備されているため、作業員による作業・操作が不要で、ヒューマンエラーがなくなります。
  • 全て機械式であるため、防爆の現場にも対応できます。
  • 電気式でなく、構造もシンプルなので、誤動作がありません。

スクリーンシールド工法(回収型シールド工法)

補助工法要らずのカッター回収工法

シールド工事の長距離化に伴い、掘進途中での全断面ビット交換可能なシールド機のニーズがあります。一般的にはビット交換のための地盤改良や立坑を設けるなどの準備が必要です。また、立地条件的に到達立坑が設けられない場合にはカッター部を残置せざるを得ない場合があります。

この二つの問題を解決するのが「スクリーンシールド工法」です。

カッタースポークを縮めて、機内へ駆動部ごと引き込みシールド機の前面に配置しているナイロン繊維のカテーン(スクリーン)を締めることで、補助工法無しで安全にカッターを改修することができ、ビット交換した後は再びカッターを所定の場所に戻すこともできます。

特許登録済

図版:スクリーンシールド機

スクリーンシールド機

キーワード

スクリーン、シールド機、カッター回収、ビット交換、補助工法不要、伸縮スポーク
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カッター回収手順

図版:カッター回収手順

特長・メリットココがポイント

  • トンネル施工費の低減
    立坑や地盤改良を省略できることでの施工費の低減ができます。
  • シールド機のコスト低減
    カッター全体を回収することができるので、他工事への転用することでのコスト低減が可能です。
  • 付加価値の創造
    全断面ビット交換や直角分岐シールドへの適用などの付加価値を生み出します。

マイクロECミスト®

新開発の帯電ミストによる浮遊粉じん洗い落とし技術

帯電ミストによる浮遊粉じん除去システム「マイクロECミスト」は、解体工事現場や土工事の現場などで発生する浮遊粉じんを効率的に除去することができます。これまで有効な回収方法が確立されていなかった空気中に浮遊した粉じんを、特殊なノズルで帯電させた水粒子をミスト状に発生させ噴霧することにより、浮遊粉じんを効果的に吸着し洗い落とす技術です。

なお、本システムは弊社の建築・土木現場にて適用中ですが、外販・リース等の予定はありません。

平成30年度土木学会賞 環境賞(Ⅰグループ)

図版:帯電ミストファン概観

帯電ミストファン概観

キーワード

粉じん、浮遊粉じん、ミスト、帯電、ノズル、送風機
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帯電ミストとは

帯電ミストは、マイナスの電荷を載せた200ミクロン以下の微細な微粒子群で形成された微噴霧です。帯電ミストは、通常のミストでは除去困難とされていた10ミクロン以下の浮遊粉じんを静電気力により空間で確実にキャッチして落下させることができます。さらに、帯電ミストを粉じん発生源に作用させると、粉じん粒子を覆うように立体的に水が付着して発生源全体をくまなく濡らす効果が確認され、粉じんの発生そのものを抑制する作用も有しています。

帯電というと危険なイメージがありますが、200ミクロン以下の微小な水粒子に静電気が載った状態のミスト噴霧で、人体に影響は全くなく、自然界でも滝などで発生するマイナスイオンと同じです。 本システムは、特殊な帯電ミスト発生ノズルで帯電ミストを発生させ、大型ファンによる気流に乗せて噴射する「帯電ミストファンノズル」の他、ポンプ、水槽、電源等で構成されています。

ノズル部での帯電ミストの生成は、原理的にはインクジェットプリンタのインクの噴出制御に用いられるものと同様の誘導帯電方式ですが、独自開発技術により、1分間に10リットルの帯電ミスト(電荷量約0.5mC/kg)を連続して安定的に噴射することが可能となり、ノズル部で発生した帯電ミストがファンで粉じん空間に向けて送り込まれるという仕組みです。

図版:マイクロECミスト発生装置

マイクロECミスト発生装置

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特長・メリットココがポイント

浮遊粉じんの約4倍を低減

室内試験により、「関東ローム」、「珪砂」、「フライアッシュ」などの微細な浮遊粉じんに対して、帯電なしに対して約4倍の低減効果を確認しました。

図版:室内試験による帯電ありなしの効果確認結果

室内試験による帯電ありなしの効果確認結果

帯電ミストによる浮遊粉じん除去効果

造成現場で発生する浮遊粉じんの除去効果を検証するため、バックホウ作業時に帯電ミストを噴霧し、粉じん濃度をデジタル粉じん計で計測する実験を行いました。

その結果、帯電ミストによる浮遊粉じん除去効果が無帯電ミストに比べて著しく高いことが確認されました。

図版:バックホウ作業における帯電ミスト効果確認実験状況

バックホウ作業における帯電ミスト効果確認実験状況

図版:バックホウ作業時の帯電ミスト効果確認結果

バックホウ作業時の帯電ミスト効果確認結果

適用実績

図版:新東名高道路速牧平

新東名高速道路牧平

場所:愛知県岡崎市

発注者:中日本高速道路

規模:土工153万m3

エコメール(シールド機のテールシール)

環境に優しく、燃えないテールシール

エコメールは、その名の通りエコフレンドリーな材料を主成分としたシールド機のテールシール剤です。
従来のテールシール剤は油脂系のグリスを含有していることに対して、エコメールは天然鉱物から生成した珪酸塩鉱物を主成分とし、材料の安定性と粘結強化を図るためのポリマーとファイバーが含まれています。

油脂類が含まれていないので、火気による事故の危険性がなく、また、衣類や足場等への付着に対しても水洗いで容易に除去することができ、作業環境が改善されます。

特許登録済

図版:テールシール概念図

テールシール概念図

キーワード

エコメール、シールド機、テールシール剤、エコフレドリー、珪酸塩鉱物、ポリマー、ファイバー、
チクソトロピー性、ポンパビリティ
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特長・メリットココがポイント

ガス溶接等の熱で発火しない

油脂類を一切使用していないので、ガス溶接等の熱で発火しません。

油脂系のシール剤とエコメールを鉄板に載せて下部からガスバーナーで熱を加えてもエコメールは発火はしません。

  • 燃焼性 難燃性(自己消火性)
    消防法に示す危険物には該当しません。

図版:燃焼実験

燃焼実験

集中配管による注入方式へ対応可能

チクソトロピー性を有するため、注入時には粘性が低下してポンプ圧力損失が小さくなり、注入後にはもとの粘性に回復し、止水効果を発揮します。このため、ポンパビリティが良く、集中配管による注入方式への対応が可能となります。

ポンパビリティの評価は、油脂系の製品はちょう度で評価していますが、エコメールは粘性やベーンせん断力で評価します。

図版:実大模型による実験実況(充塡性、止水性)

実大模型による実験実況(充塡性、止水性)

図版:粘性とせん断力

粘性とせん断力

適用実績

図版:外郭放水路トンネル

外郭放水路トンネル

場所:埼玉県浦和市

竣工年:2000年6月

発注者:建設省関東地方建設局

規模:泥水工法
シールド外径φ12,040mm
延長1,384m

図版:きらめき通り地下通路

きらめき通り地下通路

場所:福岡県福岡市

竣工年:1999年4月

発注者:岩田屋・NTT・九州不動産

規模:泥土圧工法
シールド外径
縦4,980mm×横7,810mm
延長119m

シールドトンネル技術 インデックス

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