JP2003321992A - 地山補強工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 例えばトンネル掘削時に切羽鏡部の前方地山
を補強する、いわゆる注入式長尺先受工法などに用いる
地山補強工法に係り、地山を的確かつ経済的に改良する
ことが出来、また、掘削作業の障害とならない地山補強
工法を提供する。 【解決手段】 管状補強材１を地中に打設し、その打設
された又は打設途中の管状補強材１の内部空間から膨張
性セメント系固結材Ｇを注入し、その固結材を管状補強
材１の周囲の地山Ｅ内に浸出させて膨張させ、固化させ
ることにより、地山内の圧力を上昇させて地山を補強す
ることを特徴とする。上記の膨張性セメント系固結材の
膨張率は、５〜２０％程度とするのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばトンネル掘
削時に切羽鏡部の前方地山を補強する、いわゆる注入式
長尺先受工法、或いは注入式鏡補強工法などに用いる地
山補強工法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、トンネル掘削時に切羽鏡部前方の
掘削領域を長尺にわたって補強する手段として、鋼管等
の管状補強材を用いた注入式長尺先受工法や注入式鏡補
強工法が知られている。この工法は、周面に多数の貫通
小孔を設けた鋼管あるいはＦＲＰ（Fiberglass Reinfor
ced Plastics）や高強度塩化ビニール等の樹脂管などよ
りなる管状補強材を切羽鏡部の外周から斜めに或いは鏡
面から水平方向にそれぞれ前方地山に向って打設するも
ので、例えば通常山岳トンネルで用いているドリルジャ
ンボ等を用い、上記管状補強材の内部に中空の削孔ロッ
ドを収容した、いわゆる二重管削孔方式によって削孔を
施すと同時にその削孔内に上記管状補強材を順次挿入し
ていく。そして所定の深さまで削孔し且つ管状補強材を
挿入したところで、その管状補強材内の削孔ロッドを回
収する。次いで、上記管状補強材の内部に固結材を注入
することによって、その固結材を補強材周面の貫通小孔
から上記削孔内およびその周囲の地山内に浸出させて、
地山を補強（改良）するもので、上記の固結材としては
通常、速硬性のウレタン系樹脂が用いられている。

【０００３】ところが、ウレタン系樹脂は、セメント系
材料に比較して高価であり、経済性に難がある。また、
ウレタン系樹脂は、薬液を選定することによって固結材
の性状が決まってしまうので、その固結材性状が工法や
地山条件と合致しなかった場合には、設計通りの地山改
良効果が得られないおそれがある。特に、トンネル先受
工などの現場では、トンネル掘進に伴って地山条件が変
わってきてしまうことが往々にしてあり、これに薬液が
追従することができない。

【０００４】さらに、この種の先受工法のうち、特許第
３１０１５５０号公報や特許第２９５５２７９号公報の
ように、掘削断面の拡幅を行なわない方法では、補強材
の一部または全部を切断可能なＦＲＰや高強度塩化ビニ
ール管で構成し、これを切除しながら掘進するが、本来
粘性があり、しかも剛性の低いウレタン系樹脂が上記の
ような補強材の内外に固結材として充填された状態とな
っているものを、ロードヘッダ等の掘削機で切断しよう
とすると、カッタービットを押し付けても補強材が簡単
に曲がってしまって、切断力が伝わらず良好に切断でき
ない。そこで、部分的に少しずつ削るようにしている
が、例えばＦＲＰ製の補強材では、切断しようとしても
軸線方向に裂けるだけで、掘削面と同じ位置で良好に切
除することはできず、補強繊維等がささくれて掘削面か
ら飛び出した状態となる。このように補強材が切削面か
ら飛び出した状態では、その後の作業の妨げとなるた
め、時間をかけてでも切断作業を行わなければならな
い。

【０００５】ところが、トンネル掘削時には、その都
度、鏡面等の掘削面に速やかに吹き付けコンクリートを
打設して表面の緩みを防止する必要があるが、上記のよ
うに補強材の切除に時間がかかると、上記鏡面等の掘削
面を長時間放置することとになり、往々にして地山に緩
みが生じる等の問題もあった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
に鑑みて提案されたもので、切羽鏡部の前方地山等を的
確且つ経済的に改良することが出来、また、掘削作業の
障害とならない地山補強工法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による地山補強工法は、以下の構成としたも
のである。即ち、管状補強材を地中に打設し、その打設
された又は打設途中の管状補強材の内部空間から膨張性
セメント系固結材を注入し、その固結材を管状補強材の
周囲の地山内に浸出させて膨張させ、固化させることに
より、地山内の圧力を上昇させて地山を補強することを
特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明による地山補強工法
を、図に示す実施形態に基づいて具体的に説明する。

【０００９】図は本発明による地山補強工法をトンネル
掘削時の切羽鏡部の前方地山を補強するための注入式長
尺先受工法に適用した実施形態を示すもので、図１はそ
の施工状態の縦断側面図、図２はその切羽鏡部の拡大横
断面図、図３はその一部の拡大図である。

【００１０】本発明をトンネル掘削時の注入式先受工法
として適用する場合には、図１に示すように、切羽鏡部
Ｗの外周及び／又は鏡面から前方地山に向けて管状補強
材１を打設する。その管状補強材１としては好ましくは
周面の多数の貫通小穴を有するものを用い、その材質は
適宜であるが、例えば鋼管又はＦＲＰ等の樹脂管などを
用いることができる。

【００１１】例えば上記管状補強材１を図１の実線示の
ように切羽鏡部Ｗの外周に打設する場合であって、図の
ようにトンネル断面の拡幅を行うことなく支保工Ｓを建
て込んでいく場合には、その支保工建て込み位置に配置
される管状補強材の後端部はトンネル掘削時に切除する
必要があり、少なくとも上記の支保工建て込み位置に配
置される管状補強材として樹脂製のものを用いると、ト
ンネル掘削時に掘削機械のカッタービット（不図示）等
で容易に切削除去することができる。上記管状補強材１
を図１の鎖線示のように切羽鏡部Ｗの前方地山に打設す
る場合も同様である。

【００１２】上記の管状補強材１を打設するには、予め
地山にドリル等で削孔を施してから管状補強材１を挿入
してもよいが、例えば管状補強材１の打設長が長い場合
や地山の自立性がよくない場合などには、削孔と同時に
管状補強材１を挿入するのが望ましい。その方法として
は、例えば管状補強管の先端部に削孔用ビットを一体的
に設け、そのビットで削孔しながら該削孔内に管状補強
管１を挿入する、いわゆる自穿孔タイプと、管状補強管
の内部に削孔ロッドを挿入し、それらの先端部に設けた
削孔用ビットで削孔を施しながら管状補強管を削孔内に
挿入する前記の二重管削孔方式等があるが、管状補強材
１として樹脂管等を用いる場合には、後者を用いるのが
望ましい。

【００１３】また上記二重管削孔方式には、削孔ロッド
の先端部に拡径ビットを装着するものと、管状補強材に
リングビットを装着し、それに脱着可能に係合するセン
タービットを削孔ロッドの先端部に装着するもの等があ
るが、いずれでもよく、また上記削孔ロッドは、削孔後
は引き抜き回収するもので、その際、上記拡径式のビッ
トやセンタービットは削孔ロッドとともに回収すること
ができる。

【００１４】上記管状補強材１および削孔ロッドは、特
に打設長が長い場合には、予め所定の単位長さ寸法に形
成したものをカップリング材等で順次継ぎ足しながら打
設するもので、その打設手段としては図１に示すような
公知のドリルジャンボ等を用いることができる。

【００１５】上記のようにして地山Ｅに削孔ｈを施すと
共に、その削孔ｈ内に管状補強材１を挿入した状態、も
しくはその過程で、上記管状補強材１の内部空間を介し
て該管状補強材１の周面に設けた貫通小孔等から上記削
孔ｈ内およびその周囲の地山Ｅ内に固結材を充填して固
化させるもので、その固結材として本発明においては膨
張性セメント系固結材を用いるものである。

【００１６】一般にセメント系固結材としては、例えば
セメントに砂を混合したモルタルタイプと、セメントミ
ルクに必要に応じて炭酸カルシウム等の増量材を付加し
たミルクタイプとがあるが、本発明においてはそのいず
れでもよく、それらの固結材に、それらが硬化する前に
膨張させる成分を含有させればよい。具体的には、例え
ば特殊添加剤としてアルミニウム粉等の膨張剤を添加す
ると共に、必要に応じて硬化時間を調整するために一般
に「セッター」と称する硬化調整剤を適量添加したもの
を、上記の膨張性セメント系固結材として用いることが
できる。なお上記の特殊添加剤としてアルミニウム粉を
用いる場合は、予め硬化調整剤や減水剤と混ぜてから他
の材料中に投入してセメント系固結剤を製造すれば、む
らのない均質な固結材が得られる。

【００１７】上記膨張性セメント系固結材の膨張率（膨
張による体積増加率）は、例えば長尺先受工にあっては
１０％程度にするのが好ましく、その長尺先受工を含め
て他の地山補強工法にあっても膨張率があまり小さすぎ
ると地山補強効果が少なく、あまり大きいと膨張によっ
て岩盤が破砕されるおそれがあるので、５〜２０％の範
囲内とするのが望ましい。なお上記の膨張率は、固結材
を大気中で硬化させたときの膨張率であり、以下同様で
ある。

【００１８】本発明による地山補強工法に用いるのに適
するモルタルタイプおよびミルクタイプの膨張性セメン
ト系固結材の配合例および配合割合の一例を、下記表１
に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】上記のような膨張性の固結材は、膨張によ
って固結材自体の強度は低下するが、管状補強材１の周
囲の地山内に浸出した状態で膨張し、それによって地山
内の圧力を高めることによって、大きな定着力（引抜強
度）が得られるものである。また上記の固結材はセメン
ト系であるため、現場で混練する際に添加する水量を適
宜調整するだけで、簡単に所望の流動性を得ることがで
きる。従って、補強すべき地山の岩盤が変化しても常に
その時々の岩質に応じたフロー値で、注入を行うことが
出来、管状補強材１の全長にわたって固結材Ｇが万遍な
く行き渡り、その周囲に的確に留まった状態で膨張し、
地山の内圧を高めることができる。また上記固結材には
必要に応じて硬化調整剤を添加し、又その配合割合を適
宜変更することによって、速硬性即ち硬化までの時間を
任意に調整することもできる。

【００２１】上記のような膨張性セメント系固結材を、
前記のように管状補強材１の内部空間を介して削孔ｈ内
およびその周囲の地山Ｅ内に充填するには、例えば一般
のモルタル材に用いられている図１に示すような混練圧
送一体型ポンプＰを用いることができる。この種のポン
プは、例えば支保用のロックボルトを定着するモルタル
材を混練注入する場合などに用いられているが、本発明
による固結材もセメント系であるので、上記のようなポ
ンプを兼用することに何ら問題はない。従って、前記従
来のように固結材としてウレタン系樹脂を用いる場合の
ように先受工の施工用に別途の専用の注入ポンプ等を用
いる必要がないので経済的である等の利点がある。

【００２２】

【実施例】本発明による地山補強工法の具体的な実施例
として、前記のようなトンネル施工時の注入式先受工法
等を想定して前記配合例による固結材の特性を模擬的な
試験により検証した。

【００２３】その試験方法としては、管状補強材１とし
て直径約３２ｍｍの中空の鋼管の先端にビットを溶接し
てなる自穿孔タイプと、管状補強材１として直径約７６
ｍｍのＦＲＰよりなる樹脂管の内部に削孔ロッドを収容
してその先端に設けたビットで穿孔していく樹脂管タイ
プとをそれぞれ用い、固結材としては前記表１における
モルタルタイプの膨張性セメント系固結材（膨張率約１
０％）と、特殊添加剤や硬化調整剤が添加されていない
以外は上記と同材質の非膨張性セメント系固結材を用い
て直径１００ｍｍの擬似ボアホール（削孔）に３５０ｍ
ｍの定着長を得るように施工した。

【００２４】施工後それぞれの固結材が充分に硬化した
ところで、管状補強材１の引き抜き試験を行い、引き抜
くときの最大荷重を測定した。その結果を下記表２に示
す。なお、上記の非膨張性セメント系固結材自体の固結
時の圧縮強度は、下記の表中にも記載したように約７．
５Ｎ／ｍｍ^２ であるのに対し、膨張性セメント系固結
材自体の固結時の圧縮強度は、約２．５Ｎ／ｍｍ^２ で
あった。

【００２５】

【表２】

【００２６】上記の表から明らかなように、膨張率１０
％の膨張性セメント系固結材は、膨張によって圧縮強度
が１／３程度まで低くなってしまうにもかかわらず、引
き抜き試験による最大荷重は、いずれも膨張性固結材の
方が無膨張タイプより上回っている。これは無膨張の固
結材は、浸透した箇所において硬化することにより固結
材自体の強度は大きいが、地山を補強する効果が少ない
のに対して、膨張性の固結材は、それ自体の強度は小さ
いが、地山内で硬化するまでに膨張することにより地山
を圧密にしてその内部応力を高めることで、地山が改良
され、結果的に実質的な引き抜き耐力が増大するためで
ある。

【００２７】なお上記実施例は、前記表１におけるモル
タルタイプのセメント系固結材を用いたが、前記表１に
おけるミルクタイプのセメント系固結材についても上記
とほぼ同様の結果が得られた。上記のように、本発明に
よれば、管状補強材１を打設した削孔内やその周囲の地
山内に注入する固結材として膨張性セメント系固結材を
用いることによって、前記従来のウレタン系樹脂を用い
る場合に比べて経済的なセメント系材料を用いながら、
個々の地山条件に応じて高い地山改良効果や補強効果を
得ることが可能となるものである。

【００２８】また、前記実施形態のように、トンネルの
掘削進行に伴って断面の拡幅を行うことなく支保工を建
て込んでいく場合には、その支保工建て込み位置に配置
される補強材や固結材はトンネル掘削時に切除する必要
があり、前記従来のように固結材としてウレタン系樹脂
を用いた場合には、それを切除する作業がうまくいかず
非常に時間を要していたが、本発明においては、ウレタ
ン系と比較して剛性が高く粘性の低いセメント系の固結
材が補強材の内外に充填されているために、補強材が曲
がることなく切断力が良好に伝達されて掘削機械のカッ
タービットにより短時間で容易に切断することができ
る。従って、鏡面等の切削面が緩むことなく、安全かつ
円滑に掘削作業を進行させることができる。

【００２９】なお、前記実施形態はトンネルの先受工と
鏡打ちに適用した例を示したが、これに限らず、本発明
は、管状補強材の内部空間から膨張性セメント系固結材
を注入し、これを補強管材周囲の地山で膨張させて、内
圧を高めることにより地山改良を図ることができるもの
であれば、各種の地山補強工法に適用可能である。例え
ば、立坑の支保や傾斜地の法面の補強や安定化などにも
適用できる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明による地山補
強工法は、管状補強材１を打設した削孔内やその周囲の
地山内に注入する固結材として膨張性セメント系固結材
を用いたから、その膨張圧力によって固結材を地山内に
良好かつ圧密に充填することが可能となり、優れた地山
改良効果および補強効果を発揮することができる。また
上記固結材はセメント系であるので、前記従来のウレタ
ン系樹脂に比べて安価で経済的であり、地山条件に応じ
た任意の流動性に調整することが現場で容易にでき、ま
た例えば施工後に掘削する場合にもウレタン系樹脂のよ
うに掘削作業に困難を来すことなく短時間で容易に掘削
できる。さらに固結材を充填するための機械や設備は、
従来のウレタン系樹脂にあっては専用のものを用意する
必要があるが、本発明のようなセメント系の固結材にあ
っては、この種の地山補強工法等に広く使用されている
セメント用の機械や設備をそのまま使用できるので、施
工が容易であり、しかも経済的である等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による地山補強工法をトンネル先受け工
法に適用した例の縦断側面図。

【図２】切羽鏡部の横断正面図。

【図３】その一部の拡大断面図。

【符号の説明】

１ 管状補強材 Ｔ トンネル空間 Ｗ 切羽鏡部 Ｃ 吹付コンクリート Ｓ 支保工 Ｅ 地山 ｈ 削孔 Ｇ 固結材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水上 貴雄 大阪府大阪市北区西天満三丁目２番17号 株式会社ケー・エフ・シー内 Ｆターム(参考） 2D054 AC20 FA02 FA07

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管状補強材を地中に打設し、その打設さ
   れた又は打設途中の管状補強材の内部空間から膨張性セ
   メント系固結材を注入し、その固結材を管状補強材の周
   囲の地山内に浸出させて膨張させ、固化させることによ
   り、地山内の圧力を上昇させて地山を補強することを特
   徴とする地山補強工法。
2. 【請求項２】 前記膨張性セメント系固結材の膨張率
   を、５〜２０％の範囲内とした請求項１記載の地山補強
   工法。
3. 【請求項３】 前記管状補強材が、ＦＲＰ等の切削可能
   な材料からなる請求項１または２記載の地山補強工法。
4. 【請求項４】 前記固結材を、混練圧送一体型ポンプに
   より注入するようにした請求項１〜３のいずれかに記載
   の地山補強工法。