水分豊富な砂層におけるEPBシールド掘削のための発泡剤選定基準と調整土の機械的性能評価

地下で泡が重要な理由

現代の都市は地下鉄やユーティリティトンネルに依存しており、多くは土を噛み砕く巨大な機械で掘られています。これらのトンネル掘削機がゆるく水に浸かった砂地で作業すると、地盤は固い地盤というよりも砂沼のように振る舞い、陥没や浸水、遅延といったリスクを高めます。本研究は、巧妙に設計された発泡—要するに制御された気泡—を用いてそのような厄介な砂を制御し、掘進面を安定化させ、機械を安全かつ効率的に前進させる方法を探ります。

水を含み揺らぐ砂を掘る

ここで扱う掘削機は地盤圧バランス（EPB）シールドと呼ばれるタイプです。トンネル正面で土圧を受け止めつつゆっくりと前進します。水分の多い砂では、掘削された土は透水性が高く粒状で、粘着性は低く内部摩擦は大きいことが多いです。水がスクリューコンベアに流れ込みやすく、ゆるい砂はアーチ状の固着や閉塞を起こしやすくなります。これを避けるために、作業者は新しく掘られた土に発泡剤などの調整材を注入します。目的は、粗く漏れやすい砂を圧力を支え、機械内を流れて詰まりや水・土の急激な噴出を防ぐ、なめらかでペースト状の混合物に変えることです。

多様な泡のレシピを試す

研究者たちは市販の8種類の発泡剤—水と空気を加えることで気泡を生成する化学混合物—を検討しました。専用の発泡器といくつかの実験装置を用いて、発泡液の主要特性を測定しました。これには表面張力（気泡ができやすさ）、発泡倍率（一定量の液体からどれだけの泡体積が得られるか）、ガラス管内での崩壊の速さ、そして泡の半減期（泡の半分が排水などで失われるまでの時間）などが含まれます。各発泡剤の濃度を変えることで、気泡が容易に形成されながらも安定を保ち、材料を無駄にしない「適正域」を特定しました。

泡の試験から地盤挙動へ

泡の品質だけでは不十分で、実際に掘削された砂を改善する必要があります。研究チームは代表的な発泡剤3種を選び、南昌（中国）の地下鉄工事現場から採取した粗分布の水分豊富な砂に混合しました。続いて、扱いやすさを示すシンプルだが有益な試験を行い、処理土の挙動を測定しました。スランプ試験は円錐形の調整土が自重でどれだけ広がるかを測り、流動性を示します。圧力下の透水試験は混合物を水がどれだけ通しやすいかを示します。ミニチュアベーン試験は無排水せん断強度を測り、調整土が可塑的な塊として変形にどれだけ抵抗するかを示す指標です。注入する泡量を調整することで、研究者たちは土の挙動をEPB掘削で安全かつ作業可能とされる範囲に合わせました。

用途に合った発泡剤の選び方

これらの実験から著者らは実務的な選定ルールを抽出しました。効果的な発泡剤は、水に約3％の濃度で表面張力を40 mN/m未満に低下させ、液体体積の12倍以上に膨張する泡を作り、標準試験で15分後にも少なくとも150 mLの泡を維持し、半減期が400秒以上であることが望ましいと示されました。また、時間経過とともに容量がゆるやかに曲がる“凹型”の減衰挙動を示す泡は、より直線的かつ急速に体積を失う泡よりも性能が良い傾向があることも分かりました。このような泡を適切な体積、しばしば掘削土量の約20–25％前後で注入すると、得られる土はスランプ150–200 mm、非常に低い透水性、適度なせん断強度を示し、機械の安定した制御運転を支えます。

より安全なトンネルに向けての意義

専門外の方へのメッセージは、すべての泡が同じではないということです。発泡の作り方を慎重に調整し、明確な数値基準で発泡剤を選ぶことで、扱いにくい水分豊富な砂を圧力を支えクリーム状に流れ、漏洩を防ぐ管理しやすい材料に変えることができます。本研究は発泡剤を選定・試験する標準化された方法を示し、現場での試行錯誤を減らして労働者や道路、近隣建物の安全を守りながら、新たな地下空間を掘り進める助けとなります。

引用: Zhou, Y., Zhu, B., Luo, R. et al. Selection criteria for foaming agent and mechanical performance evaluation of conditioned soil for EPB shield tunneling in water-rich sand strata. Sci Rep 16, 12331 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38868-y

キーワード: トンネル掘削, 土壌調整, 発泡剤, 水分豊富な砂, 地下建設