JP2004346692A - パッカーおよびそれを用いた地山補強工法 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば岩盤等に穿設したボアホール内に固結材を注入して地山を補強する場合などに用いるパッカーおよびそれを用いた地山補強工法に係り、パッカー膨張用の固結材として非発泡性のセメント系固結材を用いる場合でも、パッカーとしての機能を良好に発揮できるようにする。
【解決手段】本発明によるパッカーは、筒体の両端部に難透液性材料からなる袋体を設け、その両袋体間に上記筒体内の圧力が所定値以上に上昇したときに開く逆止弁機構を備えたことを特徴とする。また上記のパッカーを用いて岩盤等の地山を補強することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば岩盤等に穿設した長尺のボアホール内にセメントミルクやモルタル等の固結材を注入して地山を補強する場合などに用いるパッカーおよびそれを用いた地山補強工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばトンネル掘削時のいわゆる長尺先受工やパイプルーフなどでは、掘削すべき先行地山内に通常１０ｍ以上にわたって長尺なボアホールを穿設し、そのボアホール内およびその周辺地山内に固結材を注入して地山を改良補強することが行われている。
【０００３】
このように固結材を注入すべき領域が長尺である場合、その領域全長にわたって一度に固結材を注入すると、地山の性状や地質等によっては固結材の一部が亀裂等でリークして、固結材をボアホールの長手方向全長にわたって均一に注入することができない等のおそれがある。
【０００４】
そこで、上記ボアホール内にパッカーを設けて該ボアホール内外を複数個の領域に仕切り、その各領域毎に固結材を注入することが提案されており、上記のようなパッカーとして本出願人は先に下記特許文献１のようにダンベル状のパッカーを用いることを提案した。そのダンベル状のパッカーは、ボアホールまたはボアホール内に設置した鋼管等の補強管内を仕切るだけでなく、その周囲の地山を仕切ることにより、その仕切られた地山毎に固結材を注入することを目的としている。
【０００５】
しかしながら、上記パッカーは、その膨張用固結材としてウレタンなどの発泡性樹脂を用いた場合には、樹脂の発泡によりまず両端部が膨らんでボアホール内面と密着してから、通液性材料からなる中央部から徐々に外方に浸み出して、注入すべき地山に良好な仕切りを形成することができるが、例えば上記の固結材として非発泡性の固結材、特にセメントミルクやモルタル等のセメント系固結材を用いた場合には、ダンベル状パッカーの両端部が完全に膨らむ前に中央部から固結材が流出してパッカーとしての機能が充分に発揮されず、仕切りがうまく形成できないおそれがあった。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７８５９０７号公報
【０００７】
【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、パッカー膨張用の固結材として非発泡性の固結材、特にセメント系固結材を用いる場合でも、パッカーとしての機能を良好に発揮することができると共に、長尺ボアホールの全長にわたって固結材を良好に注入することのできるパッカーおよびそれを用いた地山補強工法を提供することを目的とする。
【０００８】
【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パッカーおよびそれを用いた地山補強工法は、以下の構成としたものである。
【０００９】
即ち、本発明によるパッカーは、筒体の両端部に難透液性材料からなる袋体を設け、その両袋体間に上記筒体内の圧力が所定値以上に上昇したときに開く逆止弁機構を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また本発明による地山補強工法は、地山内に形成したボアホールの長さ方向所定位置に仕切り箇所を設定し、その各仕切り箇所に上記請求項１に記載のパッカーを配置して該パッカー内に固結材を注入し、該パッカーの前記筒体両端部に設けた袋体を膨張させて、その両袋体間に仕切り形成用吐出空間を形成した後、前記逆止弁機構を介して固結材を上記仕切り形成用吐出空間内およびその周囲の地山内に吐出させて上記仕切り箇所に隔壁を形成し、その隔壁により仕切られたボアホール内およびその周囲の地山領域ごとに固結材を注入して固化させることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるパッカーおよび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。
【００１２】
図１（ａ）は本発明によるパッカーの一実施形態を示す縦断面図、同図（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線横断面図である。
【００１３】
本実施形態のパッカーＰは、筒体１の両端部に、袋体２を接着もしくは溶着等により一体的に設けると共に、上記筒体１の軸線方向中央部に逆止弁機構Ｖを設けたもので、その逆止弁機構Ｖは、本実施形態においては筒体１の周壁面に形成した貫通小孔１ａと、その貫通小孔１ａを覆うように上記筒体１の外周面に被覆したゴム等よりなる弾性スリーブ３とで構成されている。上記貫通小孔１ａは、本実施形態においては筒体１の周方向に複数個、特に図の場合は３つ設け、それらの貫通小孔１ａを１つの弾性スリーブ３で覆った構成である。
【００１４】
上記逆止弁機構Ｖは、該パッカー内の圧力が所定値以上に上昇すると、その圧力で貫通小孔１ａを介して弾性スリーブ３が筒体１の半径方向外方に押し上げられ、その弾性スリーブ３と筒体１との間から筒体１の外方に固結材が流出するように構成されている。また上記パッカーＰは、該パッカー内にセメントミルク等の固結材を注入したとき、筒体両端部の袋体２が図１（ａ）のように筒体１よりも大径に膨張して全体略ダンベル状を呈するように構成されている。
【００１５】
上記のパッカーＰを構成する筒体１および袋体２の材質は適宜であるが、筒体１としては例えば塩化ビニール等の合成樹脂管もしくは鋼管等の金属管を用いることができる。また袋体２としては、パッカーＰを膨張させる固結材を透過しない又は透過が少ない難透液性材料で好ましくは固結材を充填する前には収縮あるいは折畳み可能で、固結材を充填することによって拡径し得るものがよく、例えば難透液性のゴムまたは布などを用いることができる。
【００１６】
特に、上記の固結材としてセメントミルクやモルタル等のセメント系固結材を用いる場合には、固結材中の水分だけは通すが、セメント成分は通さない難透水性材料よりなるものを用いるのが望ましい。具体的には、例えばパッカー両端部の袋体２を縫い目から水分だけが逃げるように縫い合わされた止水布あるいは樹脂製のフィルムによって形成するか、あるいは袋体全体を水分だけが透過する材料、たとえば晒し等の布や織物等で形成してもよい。
【００１７】
また袋体２・２間の中間部は、前記のように一定の圧力で開放する逆止弁機構を有する筒体１単独で形成するか、或いは筒体１の内側もしくは外側に、固結材が通過する粗い織り目をもつ布地、または固結材を通過させない素材に穴をあげた布やフィルム等を設けた二重構造としてもよい。
【００１８】
上記のような構成にすることにより、上記パッカーＰをボアホール内に挿入してセメント系の固結材を注入すると、その固結材は先ず適度な脱水を受けた後に逆止弁機構を経てパッカー外に吐出し、上記ボアホール内に後述するような補強管を設ける場合には該補強管内に流出する。その際、固結材は脱水作用により粘性が低下し、補強管にあけられた吐出孔から補強管の外周部に流出してその場に留まり、補強管と孔壁の間をシールすることができる。
【００１９】
さらに上記筒体１と袋体２とは、前者が比較的硬質で後者が軟質の合成樹脂により一体に形成することも可能であり、その場合、袋体２に水分は通すが、セメント成分は通さない孔を設ければ、上記の脱水作用を持たせることができる。
【００２０】
また上記筒体１および袋体２の外径寸法や長さ寸法は適宜であるが、少なくとも袋体２の外径寸法は、固結材を充填した状態において、鋼管等の補強管を用いる工法にあってはその内面、補強管を用いない工法にあってはボアホールＨの内面に所定のつぶれ代以上分だけ充分に密着する大きさに形成し、また筒体１は補強管またはボアホールよりも充分に小さく（即ち、パッカーＰ全体が膨らんでも筒体１は補強管またはボアホールの内壁と離間した状態となるように）形成するのが望ましい。
【００２１】
図２は上記のパッカーＰを用いてトンネル先受工やパイプルーフ工法等の地山補強工法を施工する場合のプロセスの一例を示すもので、図において、Ｈはトンネルを掘削すべき箇所の上部に形成したボアホールで、そのボアホールＨ内には鋼管等よりなる補強管４が挿入配置されている。
【００２２】
上記ボアホールＨの穿孔方法や補強管４の挿入方法は適宜であるが、例えば回転する軸の先端に穿孔用ビットを有するドリル等でボアホールを穿孔しながら、そのボアホールＨ内に補強管を順次押し込み又は引き込んで行き、所定の深さまで穿孔されたところでドリルを引き抜き除去する。あるいはドリル等でボアホールを穿孔した後、該ボアホールＨ内に補強管４を挿入してもよい。
【００２３】
上記補強管４には、図には省略したが、その長手方向複数箇所において周方向に略等間隔に複数個の固結材吐出孔が形成され、そのいずれかの固結材吐出孔の内方に位置するように前記図１と同一構成のパッカーＰが収容配置されている。
そのパッカーＰはボアホールＨ内の所定の位置に仕切り箇所を設定して、その位置に配置するようにしたもので、本実施形態においては全長約１２ｍの補強管４内の所定の位置に所定の間隔をおいて複数箇所、図の場合は２箇所に仕切り箇所を設定して、その各仕切り箇所にパッカーＰを収容配置した構成である。
【００２４】
図２において、５は上記各パッカーＰ内に固結材を注入するためのパッカー用注入管、６は上記パッカーＰで仕切られたボアホール（補強管）内の領域Ｒ１〜Ｒ３に固結材を注入するための本注入管で、それらの注入管５，６の材質としては、樹脂管、鋼管等その他適宜であるが、管自体に所定の強度を有するものを用いれば、地山補強効果を増大させることができる。
【００２５】
上記各パッカーＰは上記パッカー用注入管５の端部および本注入管６の周面を覆うようにして、それらの管５，６の外周に被覆し、各パッカーＰの袋体２の筒体１と反対側の端部を図に省略したバンドや紐等で締め付けることによって上記注入管５，６の周面に密着固定するもので、その際、それらのパッカーＰと注入管５，６は予め一体的に組付けてから補強管４内に挿入すると、容易に装填することができる。図中、７は補強管１とボアホールＨとの間の端部開口を塞ぐゴム栓状のシール部材である。
【００２６】
上記のようにして補強管４内にパッカーＰと注入管５，６を収容配置した状態で、先ず始めにパッカー用注入管５を介して各パッカーＰ内にセメントミルク等の固結材を加圧注入するもので、それによって図２（ｂ）のように先ず各パッカーＰの袋体２が膨らんで補強管４の内面に密着する。
【００２７】
引き続き、上記各パッカーＰ内に固結材を注入して各パッカーＰ内の圧力が所定値以上になると、前記の逆止弁機構が開くもので、本実施形態においては各パッカー内の圧力で前記図１における貫通小孔１ａを介して弾性スリーブ３が半径方向外方に押し上げられて、その弾性スリーブ３と筒体１との間から両袋体２・２間の筒体１と補強管４との間に固結材が流出する。その筒体１と補強管４との間に流出した固結材は、袋体２・２間の補強管４内に充填された後、引き続き補強管４に形成した吐出孔（不図示）から補強管４の周囲の地山内に浸透して図２（ｃ）のようにボアホールＨ内およびその周囲の地山内に隔壁Ｗが形成されるものである。
【００２８】
上記のようにして隔壁Ｗが形成された後は、本注入管６を介して各パッカーＰで仕切られたボアホールＨ内の領域Ｒ１〜Ｒ３に固結材を注入して各領域内および補強管４に形成した吐出孔（不図示）を介して該領域Ｒ１〜Ｒ３にそれぞれ対応した周囲の地山領域内に固結材を充填すればよく、上記領域Ｒ１〜Ｒ３への固結材の注入順序は適宜である。それによってボアホールＨの内外両側に固結材による補強領域が形成され、地山を良好に改良補強できるものである。
【００２９】
上記のように本発明においてはパッカー両端部の袋体２が充分に膨らんで補強管４の内面に密着した後、パッカー内の圧力が所定値以上に達したとき逆止弁機構が開いて筒体１と補強管４との間に固結材が流出するようにしたから、その筒体１と補強管４との間に流出した固結材が袋体２と補強管４との間から漏れることなく、筒体１と補強管４との間およびその周囲の地山内に限定的に固結材を確実に注入して隔壁Ｗを良好に形成することが可能となるものである。
【００３０】
なお、上記実施形態は、ボアホールＨ内に鋼管等の補強管４を設けるようにしたが、図３に示すように補強管４を設けることなく地山補強する場合にも適用可能である。このような場合には、注入した固結材の逸走が起き易く、また補強管を用いずに固結材の注入のみによる地盤補強を期待する工法であるため逸走が起きた場合には補強効果が全く得られないおそれがあるが、このような場合にも、パッカー両端部の袋体２が充分に膨らんでボアホールＨの内面に密着した後に逆止弁機構が開いて筒体１と補強管４との間に固結材が流出するので、その筒体１と補強管４との間に流出した固結材は袋体２と補強管４との間から漏れることなく良好に隔壁Ｗを形成することができるものである。
【００３１】
また前記補強管４の代わりにロックボルトや異形棒鋼等を用いることも可能であり、特に例えば図４のように中空のロックボルト８等を用いてその中空孔８ａと、パッカーで仕切られたボアホールＨ内外の領域Ｒ１〜Ｒ３とを連通する貫通小孔８ｂを上記ロックボルト８等の周面に形成すれば、該ロックボルト８を前記の本注入管６の代わりに使用することができる。また上記の貫通小孔８ｂをパッカー内に連通させればパッカー用注入管５の代わりに使用することができる。
【００３２】
さらに前記図１のパッカーにおいては、逆止弁機構として筒体１に形成した貫通小孔１ａを覆うようにして筒体１の外周面に弾性スリーブ３を単に被覆した構成であるが、例えば図５に示すように弾性スリーブ３の貫通小孔１ａに対応する位置にスリット３ａを形成してもよい。この場合にもパッカーの袋体２が充分に膨らんでパッカー内の圧力が所定値以上になったとき上記スリット３ａから固結材が流出するようにすればよい。
【００３３】
また図５に示すように筒体１の内周面には必要に応じて軸線方向に延びるリブ１ｂを形成するとよく、そのようにすると、上記筒体１内に注入管５，６を挿入した際に、それらの管で上記貫通小孔１ａが閉塞されるのを防ぐことができる。
【００３４】
さらに前記の逆止弁機構は上記以外にも適宜変更可能であり、例えば図６のように筒体１の周面に弁体１０を設けるようにしてもよい。特に図の場合は筒体１の周面に複数個のリング状の弁座１１を取付け、その各弁座１１内に略円錐台形の弁体１０を設けたもので、その弁体１０は、図６（ｂ）に示すようにそれと一体的に設けた取付部１０ａを弁座１１に固着することによって同図鎖線示のように開くものであり、パッカー内の圧力が所定値以上になったとき上記鎖線示のように開く構成である。他の構成は前記図１の場合と同様であり、上記図５および図６のような逆止弁機構を設けることによっても前記と同様の作用効果が得られる。
【００３５】
なお、上記各パッカーＰの袋体２として晒布等のセメント系固結材中の水分だけは通すが、セメント成分は通しにくいものを用いた場合には、袋体２内にセメント系固結材が注入された際に、固結材中の水分が絞り出されて固練り状態となるため、パッカーＰ内はもとより、ボアホールＨまたは補強管４内において、より強固に固結させることが可能となり、固結材の密閉効果や補強効果を更に向上させることができる。
【００３６】
例えば、トンネル先受け工等の地山補強工法においては、パッカー内への固結材の注入後は、継続してパッカー間の領域等に本注入を行うため、パッカー内およびその周囲に吐出する固結材を早期に硬化させる必要がある。しかし、一般に補強管内に挿入される固結材は補強管の内径により寸法上の制限があると共に、使い捨て部材であることからコストを抑制する必要性があり、パッカー内に固結材を送り込む注入管の径は一般に１０〜１５ｍｍ程度である。また、パッカーにより補強管４の内外を仕切り、続いて行われる本注入を効率よく実施するためには、できるだけ早く硬化する材料を注入しなければならない。従って、トラブルなくパッカー内に固結材を送り込むためには固結材の流動性は高くしなければならない。
【００３７】
しかし、固結材の流動性が高いままでは補強管外に吐出した固結材が仕切りを設けたい部分にとどまらずに削孔されたボアホール内壁面と補強管４との間を補強管の長さ方向に流れてしまい隔壁を形成する機能を果たすことができな。ところが、上記のようにパッカーＰに脱水機能を持たせることにより、これまでは困難とされてきた、セメント系の固結材を用いて、補強管内外に仕切りを設けることが可能となる。このため固結材はパッカーＰ内までは流動性が良く、パッカーＰ内に到達してから適度に脱水され、補強管内もしくはボアホール内に吐出する際には粘性が高まって目的とする仕切り箇所の補強管外周等に留まって短時間で硬化する。すなわち、脱水されることにより注入時の配合よりも水分量が低下して迅速に硬化させることができるものである。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によるパッカーおよび地山補強工法は、上記の構成であるから、固結材としてセメントミルク等の非発泡性のセメント系固結材を用いた場合にもパッカーＰの袋体２が充分に膨らんだところで筒体１の周囲のボアホールＨ内およびその周囲の地山内に固結材を確実に注入することが可能となり、隔壁Ｗを良好に形成することができる。又それによって上記隔壁で仕切られたボアホール内およびその周囲の地山内にも固結材を良好かつ確実に注入することが可能となり、補強効果に優れた地山補強工法を提供できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明によるパッカーの一実施形態を示す縦断面図。
（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線拡大断面図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は上記パッカーを用いた地山補強工法の一例を示す説明図。
【図３】上記パッカーを用いた地山補強工法の他の例を示す説明図。
【図４】上記パッカーを用いた地山補強工法の更に他の例を示す説明図。
【図５】（ａ）は本発明によるパッカーの他の実施形態を示す縦断面図。
（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線拡大断面図。
【図６】（ａ）は本発明によるパッカーの更に他の実施形態を示す一部切欠き正面図。
（ｂ）はその一部の拡大縦断面図。
（ｃ）は（ｂ）におけるｃ−ｃ線断面図。
【符号の説明】
Ｐ パッカー
１ 筒体
２ 袋体
３ 弾性スリーブ
４ 補強管
５、６ 固結材注入管
Ｈ ボアホール

Claims (2)

1. 筒体の両端部に難透液性材料からなる袋体を設け、その両袋体間に上記筒体内の圧力が所定値以上に上昇したときに開く逆止弁機構を備えたことを特徴とするパッカー。
2. 地山内に形成したボアホールの長さ方向所定位置に仕切り箇所を設定し、その各仕切り箇所に上記請求項１に記載のパッカーを配置して該パッカー内に固結材を注入し、該パッカーの前記筒体両端部に設けた袋体を膨張させて、その両袋体間に仕切り形成用吐出空間を形成した後、前記逆止弁機構を介して固結材を上記仕切り形成用吐出空間内およびその周囲の地山内に吐出させて上記仕切り箇所に隔壁を形成し、その隔壁により仕切られたボアホール内およびその周囲の地山領域ごとに固結材を注入して固化させることを特徴とする地山補強工法。

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