Feasibility study on waste silty clay as a recycled slurry material for slurry shield tunneling
本研究は、廃棄されたシルト質粘土を炭酸ナトリウムで化学的に改質し、そのコロイド安定性と濾過特性を向上させることで、砂および粗砂層におけるシールドトンネル掘削用の実行可能かつ持続可能な再生スラリー材料として機能することを示すが、その有効性は、フィルターケーキの形成が不十分であるため礫層においては限定的である。
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現代の都市の賑やかな街路の遥か地下では、シールド掘進機と呼ばれる巨大な機械が、地下鉄や地下交通のための経路を切り拓いています。これらの機械は単に掘るだけではありません。周囲の土や水が押し寄せてくる力に対抗し続けなければなりません。そのために、彼らは「スラリー」と呼ばれる特殊な泥状の液体を、トンネルの切羽（掘削面）へと送り込みます。この泥は極めて重要なトリックを仕掛けます。周囲の土壌の微細な隙間に染み込むことで、薄く固い「フィルターケーキ（濾過ケーキ）」と呼ばれる層を残し、それが一時的な壁として機能するのです。この壁が圧力を均衡させ、機械が前進して掘り進める間、トンネルの崩落を防ぎ安全を保ちます。数十年にわたり、業界は天然の粘土であるベントナイトを使用してこの泥を作ってきました。しかし、ベントナイトは採掘と加工にコストがかかる有限の資源です。一方で、トンネル工事では膨大な量の廃棄土壌、すなわちシルトと粘土が混ざった泥状の混合物が生成されますが、これらは現在、ゴミとして扱われ埋立地に投棄されています。エンジニアたちが直面している問いは、この廃棄土壌を浄化し、トン密に必要とされる泥そのものへと再生させ、建設に必要な泥を循環させることで、コストを節約し環境を保護できるかという点です。
武漢大学とノースイースタン大学の研究チームは、廃棄されたシルト質粘土が、単純な化学添加物で処理されることで、ベントナイトの代わりになり得るかどうかを検証することで、この問いに答えようとしました。彼らはまず、瀋陽の地下鉄建設現場から採取した廃棄土壌を取り出し、乾燥させてから微細な粉末に挽きました。この粉末をトンネル掘削に必要な高性能な泥として機能させるため、彼らは水、少量の細かい砂、そして洗浄ソーダに似た一般的な家庭用化学物質である炭酸ナトリウムを混ぜ合わせました。彼らは水、粉末、砂の量を調整しながら、数十種類の異なるレシピをテストし、最適なバランスを見つけ出しました。彼らの目標は、岩の破片を運び去るのに十分な粘りけがあり、パイプの中で沈殿しない安定性を持ち、かつ、あの不可欠な保護膜をトンネル壁に形成できる混合物を作り出すことでした。広範なテストの結果、彼らは最適なレシピを特定しました。それは、土壌と水の特定の比率、正確な量の炭酸ナトリウム、そして測定された量の細かい砂によるものです。この混合物は、業界で使用されている標準的なベントナイト泥と同じ流動性と安定性の特性を示しました。
研究者たちは次に、最も重要なテストへと移りました。この新しい泥が、異なる種類の地盤において、実際に保護壁を形成できるかどうかを確認することです。彼らは、砂と礫（れき）で満たされた大きな透明なカラムを作成して地面をシミュレートし、圧力下で新しい泥を注入しながら、泥が土壌とどのように相互作用するかを注意深く観察しました。中程度の砂および粗い砂の層において、結果は有望でした。修正された泥は、ちょうど良い具合に隙間に染み込み、水を効果的に食い止める固い膜を形成しました。これらの条件下では、泥はポンプ圧の85パーセント以上を地盤を安定させる力へと変換しており、これはトンネル建設の厳格な安全要件を満たす性能レベルです。泥が形成した膜は、天然のベントナイトで作られたものよりはわずかに完璧さに欠けるものの、任務を遂行するには十分な強度を持っていました。
しかし、研究者が礫（れき）の層、つまり石の間の隙間がはるかに大きい環境でテストを行ったとき、物語は一変しました。この粗い環境では、泥は保護膜を形成することに失敗したのです。粒子が礫の間の広い隙間を埋めるにはあまりに小さすぎたため、泥はシールを作ることもできず、そのまま通り抜けてしまいました。圧力変換効率は40パーセントを下回り、泥は土や水を食い止めることができませんでした。この発見は、この新素材の限界を定義するという意味で非常に重要です。この泥は砂質の土壌ではうまく機能しますが、さらなる改良なしには、緩い礫層で使用することはできません。研究者たちは、砂の中での成功は化学的な変化によるものであることを確認しました。炭酸ナトリウムが粘土粒子の表面の電気的電荷を変化させ、それらが互いに反発して水の中で均一に広がるようにしたことで、ベントナイトが自然に行うのと同様の挙動を実現しました。これにより、粒子が適切な方法で集まり、土壌の隙間を塞ぐことが可能になったのです。このプロセスは、泥とその膜の微細構造を観察することによって検証されました。
本研究は、廃棄されたシルト質粘土が、単純な化学修飾剤で処理された場合、砂質の地盤におけるトンネル掘削において、高価なベントナイトに代わる実行可能かつ持続可能な選択肢となることを結論付けています。これは、膨大な廃棄物問題を価値ある資源へと変え、建設コストを大幅に削減し、環境負荷を軽減する方法を提示しています。しかし、研究者たちは、これが普遍的な解決策ではないことも明確にしています。修正された泥は、地下世界の多くを占める砂やシルトにおいては見事な性能を発揮しますが、まだ礫質の地盤のような大きな空隙を扱うことはできません。そのような困難な条件下では、泥をより大きな粒子で厚くする必要があるでしょう。現時点では、この発見は建設業界に新たな扉を開いており、条件さえ整っていれば、トンネルを築くために掘り起こされた土が、そのトンネル自体を築く助けとなることを証明しています。
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