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IV 地盤環境の保全技術に関する研究

→個別課題の研究成果

研究期間:平成13年度~17年度
プロジェクトリーダー:材料地盤研究グループ長
研究担当グループ:材料地盤研究グループ(新材料、土質、地質)

1. 研究の必要性
 最近の社会資本整備においては、有害化学物質などによる環境リスクへの対応がこれまで以上に強く求められるようになってきている。このため、建設事業が環境汚染の原因者となるおそれのある建設資材中の汚染物質による地盤環境への影響評価と対策に関する研究や、建設事業が原因者でない遭遇型の地盤汚染への現実的な対処方法に関する研究が必要である。

2. 研究の範囲と達成目標
 本重点プロジェクト研究では、汚染物質の環境特性および地盤中での移動特性を解明して地盤、地下水の調査・モニタリング計画手法を開発すること、安全で経済的な恒久対策を確立するまでの現実的な対策技術として、汚染物質の暫定的な安定化手法、封じ込め手法を開発することを研究の範囲とし、以下の達成目標を設定した。
   (1) 建設資材および廃棄物中の汚染物質の環境特性および地盤中での移動特性の解明
   (2) 地盤、地下水の調査・モニタリング計画手法の開発
   (3) 汚染物質の暫定的な安定化手法、封じ込め手法の開発

3. 個別課題の構成
 本重点プロジェクト研究では、上記の目標を達成するため、以下に示す研究課題を設定した。
   (1) 建設資材の環境安全性に関する研究(平成14~17年度)
   (2) 特殊な岩盤および岩石による環境汚染の評価手法の開発(平成14~17年度)
   (3) 地盤中ダイオキシンの簡易分析手法の開発(平成12~14年度)
   (4) 建設分野におけるダイオキシン類汚染土壌対策技術の開発(平成12~14年度)
   (5) 建設事業における地盤汚染の挙動予測・影響評価・制御技術の開発(平成14~17年度)
 このうち、平成17年度は(1)、(2)、(5)の3課題を実施した。

4. 研究の成果
 本重点プロジェクト研究の個別課題の平成17年度における成果は、以下の個別論文に示すとおりである。なお、「2. 研究の範囲と達成目標」に示した達成目標に関して、これまでに実施した研究の成果と今後の課題について要約すると以下のとおりである。

(1) 建設資材および廃棄物中の汚染物質の環境特性および地盤中での移動特性の解明
「建設資材の環境安全性に関する研究(1)」では、建設工事における地盤改良などに使用する建設資材の環境安全性を明らかにするとともに、建設資材の環境安全性データベースを作成することを目標とした。本研究でははじめに、地盤改良などに使用される建設資材の整理を行うと共に、地盤材料(防水シート、ジオグリッド、ジオテキスタイル、発泡スチロール)に含まれる可能性のある環境ホルモン物質を分析するための抽出/分析方法について検討を行い、収集した地盤材料25試料を分析した。その結果、抽出/分析法として「外因性内分泌攪乱化学物質調査暫定マニュアル(水質・底質・水生生物)」平成10年10月、環境庁水質保全局水質管理課が準用できることが判明した。地盤材料の環境ホルモンの含有を分析した結果、以下のことが判明した。

(1) フタル酸エステル類は、地盤材料25試料全てから検出され、アルキルフェノール類は、防水シート6試料のうち4試料、ジオグリッド8試料のうち6試料、ジオテキスタイル5試料全て、発泡スチロール6試料のうち3試料から検出された。
(2) 防水シート2試料とジオテキスタイル1試料は比較的高濃度のノニルフェノールが検出された。
(3) ビスフェノールAは、防水シート6試料のうち3試料、ジオグリッド8試料のうち1試料、ジオテキスタイル5試料全て、発泡スチロール6試料のうち2試料で検出された。
(4) ジオテキスタイル2試料および防水シート2試料からは、t-オクチルフェノールは検出されなかった。
 次いで、環境ホルモンを含む地盤材料からの溶出挙動(特にpHの影響)と、土壌による環境ホルモンの吸着・脱離特性に関する検討をジオテキスタイル2試料および防水シート4試料に対し行った。溶出実験により環境ホルモンの溶出が確認されたのは以下の通りである。
(1) ノニルフェノールは、pH12でジオテキスタイル1試料と防水シート1試料から、フタル酸ジ-2-エチルヘキシルは、pH4,7,12で防水シート2試料から、フタル酸ジ-n-ブチルは、pH4,7,12でジオテキスタイル2試料から溶出した。
(2) ビスフェノールAおよびt-オクチルフェノールは、いずれの地盤材料からもほとんど溶出はなかった。
(3) 環境ホルモンの最大溶出量は24時間振とうでほぼ確認できることが明らかとなった。
 吸着実験の結果は次のようにまとめられた。
(1) 環境ホルモンの流出量は、通水速度の速い砂質土、関東ロームが粘性土、黒ボク土よりも多かった。
(2) 流出総量では、砂質土、関東ロームではノニルフェノール、フタル酸ジ-n-ブチルが他に比べ多く流出した。
(3) 対添加総量では、砂質土、関東ロームではノニルフェノール、ビスフェノールAが吸着しないで大半が流出した。砂質土と関東ロームは、フタル酸類の吸着率は大きいが、フェノール類の吸着率は小さい。特にノニルフェノールの吸着率が最も小さかった。関東ロームはノニルフェノールをほとんど吸着しなかった。
(4) 荒木田土と黒ボク土は、5種類のすべての環境ホルモンに大きな吸着率を示した。
 脱離実験の結果、これらの土壌は供試した5種類の環境ホルモンをひとたび吸着すると容易に脱離しないことが明らかとなった。
 「建設資材の環境安全性に関する研究(2)」では、土質材料(セメント改良土や建設発生土)から溶出する可能性のある重金属類の環境影響を把握するとともに、土質材料の環境安全性を評価する技術を確立することを目標とした。土質材料の環境安全性評価技術を開発するために、トンネル掘削ズリなどの建設発生土に含まれている可能性があり、自然由来の重金属類として比較的多く存在する鉛・ひ素を対象とした簡易分析技術の前処理過程を短縮させる手法について検討を行った。その結果、固液比を小さく、振とうの回転数を大きくすることで、例えば1分程度の非常に短時間でも土壌中の重金属類(鉛・ひ素)を蒸留水へ抽出することが可能であることがわかった。ただし、土壌によって抽出量が前後するため、簡易な前処理技術の精度向上のためには、今後さらなる検討が必要であることも判明した。
 「特殊な岩盤および岩石による環境汚染の評価手法の開発」では、建設工事における掘削面として露出する岩盤、および掘削ズリ、廃棄岩などの中には重金属等を含み、それらの溶出が周辺環境や生態系、人の健康などに影響を与える可能性が近年問題となっているため、これらの汚染源の地質的要因(岩種ごとの重金属の存在形態、分布形態など)および溶出機構を明らかにすることを目標とした。本研究では、自然界における重金属の存在状況ならびに重金属汚染リスクを把握し、重金属の溶出が予想される岩石の特性について試験を行うとともに、岩石の特性をもとに重金属汚染リスクの調査と評価の手法について検討した結果、本達成目標に関して以下の成果が得られた。
(1) 重金属の溶出特性は、溶媒の種類、酸の種類、溶液のpH、元素の種類によって異なることを、多くの試料を用いて実証的に明らかにした。
(2) 酸性水の発生は、岩石に含まれる硫酸態硫黄、黄鉄鉱態硫黄、カルシウムの量によっておおむね予測できることを明らかにした。
 「建設事業における地盤汚染の挙動予測・影響評価・制御技術の開発」は、重金属類や揮発性有機化合物等により汚染された地盤に対して、移流分散解析等を用いた影響予測手法や封じ込め等の汚染拡散防止対策技術、地盤汚染のモニタリング技術の開発を行い、これらを中心とした地盤汚染の制御技術の提案を行うことを目標とした。本達成目標に関する研究の内容とその成果は次のとおりである。
(1) 公共事業で遭遇する地盤汚染問題の特徴をふまえ、「建設工事で遭遇する地盤汚染対応マニュアル(暫定版)」を作成した。マニュアルでは用地内で汚染土壌等を管理しながら利用する対策(リスク管理型工法)を提案するとともに、その手順とアカウンタビリティーを確保するための影響検討手法を示した。影響検討手法においては、汚染の速さの選別、予測解析やモニタリングの意義、動き易さに応じた予測手法の選定法(解析の種類、次元)を明確化した。
(2) マニュアルに示した影響検討の手段である移流分散解析は、研究開始当初においては数値解析プログラムが普及段階に達していたが、溶出濃度、分散長、遅延係数などの入力条件の設定方法が明らかになっていなかった。そこで、それらの決定法に関する実証実験等を行った結果、以下の成果が得られた。
  ・ 固形物の汚染源からの溶出濃度に関しては、外表面からの浸潤深さの実測データを蓄積しておき、環境庁告示46号溶出量値をもとに溶出総質量を算出し、周辺地盤の含水比で地下水に放出される濃度に換算する手順を提案した。
  ・ 分散長の決定に際しては、遅延係数とともに地下水流速の把握に不備があると、移行規模を誤認し、規模の依存性を有する分散長に重大な誤差を生じる恐れがある。
  ・ 遅延係数(地盤中での吸着能)の決定に際しては、濃度依存性に対する認識が極めて重要であり、バッチ吸着試験から溶出濃度に応じた遅延係数を求めて入力する方法の妥当性を確認した。
  ・ 移流分散解析の入力条件に関しては、溶出濃度が把握できなければ、遅延係数の誤差が拡大し、さらに移行規模の依存性を有する分散長の不確定性を生む構図を明らかにした。
 固形物状の汚染源以外からの溶出濃度の設定のため、汚染源と水との接触条件、例えば、汚染源が降雨や融雪の浸透、地下水位変動を受けた場合の溶出濃度を明らかにすること必要である。

(2) 地盤、地下水の調査・モニタリング計画手法の開発
 「地盤中ダイオキシンの簡易分析手法の開発」は、建設工事現場で遭遇する地盤のダイオキシン類汚染に関して、土壌のダイオキシン類汚染の有無を迅速に判定する簡易分析手法を確立することを目標とした。迅速前処理方法及び迅速分析法の検討を行った結果、土壌中のダイオキシン類の簡易分析法として、以下のことが明らかとなった。
(1) 迅速前処理法として、高速溶媒抽出法、加熱流下法が公定法のソックスレー抽出法より、操作時間を大幅に短縮できる。ただし、迅速分析法毎に適切な精製法を選択することが有効である。
(2) 迅速分析法として、イムノアッセイ法、TOX計によるSNVOXの測定、四重極GC/MS法で代替物質として2,3,4,7,8-PeCDFと8塩素化ダイオキシン類を測定する方法が、測定時間の短縮と費用の低減に有効である。
(3) 迅速前処理法と迅速分析法を組み合わせることによって、公定法が1ヶ月程度要していたのに比べて、2日程度で、土壌のダイオキシン類による汚染の程度を把握することが可能である。
 本研究では以上の成果を基に、簡易分析手法の適切な普及を図るため、「土壌のダイオキシン類簡易測定法マニュアル」を作成した。
 また、既述の「特殊な岩盤および岩石による環境汚染の評価手法の開発」では、以下の成果を得た。
(1) 日本全国の鉱山等に関連する自然由来の重金属汚染リスク箇所をデータベース化するとともに、GISを用いて汚染リスクマップを作成した。
(2) 土壌汚染対策法の含有量基準の簡易判定において、蛍光X線分析が適用可能であることを明らかにした。
(3) バッチ試験では黄鉄鉱態硫黄の酸化現象が捉えられないこと、粒度によっても溶出特性が異なることなどを明らかにした。このため、実際の現場の実現象に近い長期溶出試験として、暴露試験等の試験方法を新たに開発した。
 本研究では、以上の成果のほか、必要な調査手法・試験方法・対策手法等を取りまとめ、岩石による自然由来の環境汚染の調査・評価・対策に関するマニュアル(暫定案)を作成した。
 また、既述の「建設事業における地盤汚染の挙動予測・影響評価・制御技術の開発」では、「建設工事で遭遇する地盤汚染対応マニュアル(暫定版)」を作成し、このマニュアル中に土壌・地下水汚染の拡散状況を把握するモニタリング手法について記述した。

(3) 汚染物質の暫定的な安定化手法、封じ込め手法の開発
 建設工事において、建設事業が直接原因者ではないが、各種有害物質(重金属類・揮発性有機化合物等)によって汚染された土壌、地下水に遭遇する場合があり、汚染浄化などの対策を実施することが基本となるが、安全かつ経済的な対策がないのが現状で、安全で経済的な対策が確立されるまで、現実的な対応手法を提案し、汚染の拡散を防止し安全に工事を進めることが求められている。 既述の「建設資材の環境安全性に関する研究(1)」では、有機高分子系地盤材料の環境ホルモンの地盤環境に対する安全性の検証・確認のフローの提案を行った。また、既述の「建設資材の環境安全性に関する研究(2)」では、以下の成果が得られたことからセメント改良土からの六価クロムの溶出抑制手法を示した通達(「セメント及びセメント系地盤改良への使用及び改良土の再利用に関する当面の措置について」平成12年3月24日)の有効性を確認した。
(1) 固化材では普通ポルトランドセメント、セメント系固化材が、土質では火山灰質粘性土を用いたセメント改良土からの六価クロム溶出頻度が高い傾向がある。
(2) セメント改良土から溶出する六価クロムは、周辺地盤においては拡散しにくい傾向がある。これは主に土壌の六価クロムの吸着効果や還元効果によるものと考えられる。
 「建設分野におけるダイオキシン類汚染土壌対策技術の開発」は、建設工事現場で遭遇するダイオキシン類に汚染された土壌および底質を対象に、暫定対策工法として汚染の二次拡散を防止する原位置処理工法の開発を目標とした。本研究では、まず、陸域の対策工法を検討するに当たって、起源が異なる二種類のダイオキシン類汚染土壌を対象に、懸濁態ダイオキシン類(土粒子(SS、コロイドも含む)に吸着されているダイオキシン類)と非懸濁態ダイオキシン類を定量的に測定し、汚染土壌からのダイオキシン類の溶出を把握した。
 その結果および既往の研究成果から、以下のことが確認された。
(1) 非懸濁態ダイオキシン類の量は土壌に含まれるダイオキシン類全体の10-5以下であった。これは実際に文献などから推定されるダイオキシン類の水への溶解度と比較するとやや高い。このことは0.45μm未満の微粒子に付着しているダイオキシン類が非懸濁態としてカウントされたためと考えられる。
(2) 地盤中のダイオキシン類は主に雨水や地下水の通過に伴って土粒子の移動とともに汚染土壌から拡散すると考えられる。実験の結果、汚染土壌に含有されるダイオキシン類の移動は地盤の透水係数に依存するが全体としては僅かであり、また周辺土壌へ移動したダイオキシン類も懸濁態、非懸濁態ともに大部分が捕捉され、移動が抑制される。
(3) したがって、土粒子の移動を制限することにより、ダイオキシン類の汚染拡大を防止することが可能であるので、土粒子の移動を抑制する覆土・敷土工法、遮水壁工法、固化工法は、ダイオキシン類の汚染土壌の封じ込め工法としての適用性が高いことが検証された。
 次に水域の対策工法の検討では、ジオテキスタイル製袋の持つダイオキシン類を含む濁質のろ過性能の確認と、袋材および凝集剤のろ過性能への影響を明らかにするために、袋へのダイオキシン類汚染試料の充填実験を行った。その結果、底質対策としての袋詰脱水処理工法では、ろ過性能の高い袋材と凝集剤を組み合せることによりダイオキシン類の捕捉率が向上し、汚染底質に含まれるダイオキシン類の99.9%以上を封じ込めながら脱水・減量化が可能であることを確認した。
 また、既述の「建設事業における地盤汚染の挙動予測・影響評価・制御技術の開発」では、「建設工事で遭遇する地盤汚染対応マニュアル(暫定版)」を作成し、このマニュアル中に汚染土壌及び汚染地下水の拡散を防止し、環境リスクを低減する封じ込め工法について記述した。


個別課題の成果

4.1 建設資材の環境安全性に関する研究(1)

    研究予算:運営交付金(道路整備勘定)
    研究期間:平14~平17
    担当チーム:材料地盤研究グループ(新材料)
    研究担当者:西崎到、守屋進
【要旨】
 近年、環境意識の高まりとともに、建設事業における地盤改良などに使用する建設資材の環境安全性を確認し、環境への影響を明らかにすることが求められている。地盤材料として防水シート、ジオグリッド、ジオテキスタイル、発泡スチロールを調査し、含まれる可能性のある環境ホルモンを分析した。環境ホルモンを含んでいる地盤材料からの環境ホルモンの溶出挙動及び土壌による環境ホルモンの吸着・脱離に関する実験を行い、地盤材料の地盤環境に対する安全性に関する考え方を整理した。

キーワード:環境安全性、地盤材料、環境ホルモン、溶出挙動、吸着、脱離


4.2 建設資材の環境安全性に関する研究(2)

    研究予算:運営費交付金(道路整備勘定)
    研究期間:平14~平17
    研究担当チーム:材料地盤研究グループ(土質)
    研究担当者:小橋 秀俊、森 啓年、桝谷 有吾
【要旨】 
 本研究は土質材料(セメント改良土や建設発生土)から溶出する可能性のある重金属類の環境影響を把握するとともに、土質材料の環境安全性を評価する技術を確立することを目的として実施するものである。
  本研究の成果として、セメント改良土については、土質と固化材の種類による六価クロムの溶出傾向を把握するとともに、セメント改良土から溶出した六価クロムの周辺地盤における挙動を明らかにした。また、土質材料の環境安全性を評価する技術については、建設発生土中の鉛と砒素が環境基準を超過する可能性を短時間で判定する簡易分析技術の提案のため、土壌から重金属を溶出させる前処理法の検討を行い、短時間での重金属類の蒸留水への溶出特性を明らかにした。

キーワード:セメント改良土、簡易分析、六価クロム、鉛、ひ素


4.3 特殊な岩盤及び岩石による環境汚染の評価手法の開発

    研究予算:運営費交付金(道路整備勘定)
    研究期間:平14~平17
    研究担当チーム:材料地盤研究グループ(地質)
    研究担当者:佐々木靖人,阿南修司,伊藤政美
【要旨】 
 掘削面として露出する岩盤や掘削ズリなどの岩石中には、重金属等を含むものがあり、道路計画・調査、施工、管理の各段階で、岩盤や掘削ズリからの重金属類溶出の抑制対策が求められている。本研究では、岩石からの重金属類や酸性水の溶出の予測手法に関して、溶出試験を実施し、溶出特性、溶出量および含有量基準の適合性の判定方法に関する検討を行った。
  その結果、岩石の種類、溶媒の種類、酸の種類、溶液のpH、元素の種類によって異なること、また、岩石に含まれる硫酸態硫黄、黄鉄鉱態硫黄、カルシウムの量によって、酸性水の発生が予測できることが分かった。これらを踏まえ、自然由来の重金属の調査・評価に関するマニュアル(暫定案)を平成18年度中に刊行予定である。

キーワード:掘削ズリ、重金属、酸性水、汚染リスク、溶出試験


4.4 建設事業における地盤汚染の挙動予測・影響評価・制御技術の開発

    研究予算:運営費交付金(治水、道路整備勘定)
    研究期間:平14~平17
    研究担当チーム:材料地盤研究グループ(土質)
    研究担当者:小橋秀俊、古本一司、森啓年
【要旨】 
 建設工事において、重金属等によって汚染された土壌、地下水に遭遇する場合がある。このような場合、浄化など恒久的な対策を実施することが望ましいが、安全かつ経済的な対策が存在しないのが現状であり、汚染の拡散を防止し安全に工事を進めることが可能となる技術の確立が求められている。
  本研究では、建設工事において遭遇する地盤汚染(土壌・地下水汚染)に関し、調査技術、移流分散解析等を用いた影響予測技術、汚染拡散防止技術およびモニタリング技術について検討を行い、これらを元に地盤汚染制御技術の提案を行った。
  その成果については、「建設工事において遭遇する地盤汚染マニュアル(暫定版)」としてとりまとめるとともに、影響予測の入力条件である溶出,吸着,分散特性の決定法の検証を行い、今後の技術的課題を明らかにした。

キーワード:土壌・地下水汚染、調査、影響予測、対策、モニタリング