JP2006097298A - 粉体の空洞に対する充填工法 - Google Patents

Abstract

【課題】 浮力が働かず、比重差があってもプレミックスが可能である粉体を、空洞に充填することのできる粉 体充填工法により充填材を充填した後に加水する方法を開示する。
【解決手段】 基本的な工法として、乾燥した粉体を空洞に充填した後、前記粉体に液体を付与し、加湿する。具体的な第１の工法では、空洞には予め液体を滴下させるためのオリフィスを有する給液管を設け、給液を行う。第２の工法では、空洞内の下方部に予め液体を貯留した後に、乾燥した粉体を充填して給液を行う。第３の工法では、乾燥した粉体を地下に存在する空洞に対して充填した後、地下水、または雨水の流入により水分を供給し、粉体を湿潤させる。粉体は、セメント粉と砕石微粉末を混合した粉体、あるいはフライアッシュにセメント粉を混合した粉体を選択的に採用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、乾燥粉粒体を空洞に充填した後に、吸水等によって液体を均等に湿潤させることにより、スラリー材で充填したと同様な効果を発現させる充填工法に関するものである。

成熟した社会においては、老朽化等による既存設備等の撤去・更新を含む維持・補修が必要となる。すなわち、地下設備等にも撤去、更新、維持、補修といったメンテナンスの必要性が生じる。特に不用になった空洞や、老朽管に新管を挿入しその周囲を充填する老朽管更新工法などのために、コストパフォーマンスの高い空洞充填工法が求められる。

特開２００１−１０７３５２ 特開２００２−１５５５２７

上述した公知技術は、出願人の発明に係るものであり、両者共に地下空洞などを充填するための工法を開示している。そして、これらの技術では、充填材料に加水し強度を求めたり、いわゆる水締めによる締め固めを積極的に採用することなく空洞を充填するようにしている。

ところで、充填材料に強度を求める場合は、セメント、焼成石膏などの固化材と粉体とを混合し水との化学反応を利用する方法や、特殊な薬液を混入させ固化させる方法などが公知である。このような場合、充填前にこれらをスラリー状に混合して充填し、硬化反応を待つのが一般的であるが、スラリー材には流動性、粘性、不分離性などが求められ、強度発現等に必要な量以上の水や、材料、薬液などがさらに必要であるという問題がある。また、混入材料によっては比重の違いのためスラリーの上部に浮遊してしまい、十分に混合できないといった問題もある。

また、スラリー材による充填工法には浮力が作用するため、トンネル内にさらにガス管や水道管を布設し、その周囲を充填するような中詰工法という充填工事においては、浮力に対抗する防護策を講じたり、スラリー材を何回かに分けて充填しなくてはならないという問題がある。したがって、工程を簡素化するためにこれらの問題をも解決する必要がある。

本発明は上記のような従来の課題を解決することを目的とするもので、強度等発現に必要な最小限の液体を混入させることによって、不必要な浮力が生じる等の不都合を防止した粉体の充填技術を開示するものである。

上記目的を達成するために、本発明では、浮力が働かず、比重差があってもプレミックスが可能である粉体を、空洞に充填することのできる粉体充填工法により充填材を充填した後に加水する方法を採用した。

加水する際に、急激に給水すると粉体の吸水速度を越え、粉体が供給した液体とともに流出してしまう恐れがある。そこで給水には水滴の滴下による等の適度な速度が求められる。そこで本発明の第１の加湿方法として、粉体を充填する前に空洞内に、水分を少量ずつ均等に加えることのできるオリフィスを有する給水チューブを設け、充填後にそのチューブにより加水する手段を用いた。この給水チューブは全長においてオリフィスの位置による圧力水頭の変化に影響を受けず、各オリフィスの吐出量が一定のものを使用する。この方法を採用することにより、給水液、給水量や給水時間は完全に管理でき、設計値を満足する品質の充填物を作成することが可能である。

次に、第２の方法として、密閉された空洞内に粉体を充填する前に、必要な量の水、または薬液などをその低部に貯留しておき、その上に粉体を充填し、粉体の吸水能力（毛管現象）を利用して加水する方法を採用した。この場合は、液体の種類や量を制御できるが、小断面や、短距離、の空洞には不向きである。また、充填箇所は密閉された空洞である必要がある。粉体の吸水速度には限界があり、吸水速度より粉体の充填速度の方が勝る場合、液体は排出されてしまうからである。この方法による吸水方法においては、下部から吸水された粉体は上部まで完全に湿潤されており、本発明が期待する加水効果は確認された。

第３の加水方法として、地下水のある地下の空洞を充填する場合、または地下水のない地下に充填する場合であっても、乾燥した粉体を充填した後に、地下水位が自然に回復すること、または雨水が流入することにより吸水する加水方法を採用した。この場合における地下水位の回復、または雨水の流入は、空洞両端部の閉塞箇所のみならず、空洞全体のあらゆる箇所を意味しており、液体の種類は地下水または雨水のみであり、選択の余地はない。また、吸水時間、吸水量なども制御できない。しかしながら、飽和状態に至るまでに水和反応は終了する。そのため前述のように締め固め密度は材料により一定であり、固化材の量を調整することにより、強度等の管理は可能である。なお、この第３の加水方法は、概念的には第２の加水方法と同じくするものであり、加水のための液体を予め計算値で用意するか、自然現象によって液体を獲得するかという手段が相違するものである。

一般にセメントを固化材とする場合、水和反応による発熱が生じる。前述した中詰工法において、トンネル内にさらにガス管などコーティングされた管を布設し、その周囲を充填するような充填工事においては、発熱によるコーティング材等の損傷を嫌う。ところが本発明による給水による充填工法を採用すると、固化材の水和反応による発熱もほとんど確認されない。しかしながら、本発明では粉体の組成を特定し、第１にはセメント粉と砕石微粉末を均一に混合した粉体を、第２にはフライアッシュにセメント粉をあらかじめ適量混合したものを採用した。これらの粉体は放熱性も良く、セメントの水和反応によって生じた熱は有効に外部に放出されるので、空洞にガス管など別の構造を埋設する場合などにおいても熱損傷を引き起こすことはない。

本発明では、上述した加水方法を採用したので、充填材に強度が求められた場合でも、充填工法として粉体充填工法の適用が可能となり、スラリー材による充填工法の欠点である、浮力の発生、不必要な薬剤や水の使用、硬化熱の発生などを回避できる効果が期待できる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を添付した図面に従って説明する。図１、図２は、本発明方法を実現するための装置全体の模式図であって、１は地下空洞などに充填された粉体充填物であり、その全体的な形態は、空洞の形状に沿ったものになる。２は空洞に粉体を充填する前に空洞の天井などに予め設置された給水パイプであり、適宜な吊り金具３などによって配置される。４は給水パイプ２の源流側に設けられた量水計であって、空洞に充填された粉体に対する給水量を制御する。なお、量水計の上流には、給水のための水道栓や給水タンクが接続されている。このような構成を用いて空洞に充填された粉体に対して給水を行うが、本発明では装置に特異性を見出しているのではなく、粉体の充填後に適切な給水を行うという方法を重要としているものであり、適用される装置は図１、図２に限定されるものではない。

次に給水パイプ２をより詳細に説明すると、給水パイプ２に求められる技術的な要件は、空洞に充填した粉体に対して、重力方向に対して均等に水分が供給されることである。そのために、本実施形態では、パイプに適宜間隔でオリフィスが設けられたチューブを採用した。このオリフィスの付いたチューブであるが、一般に水は、吐出箇数に比例して水が加圧供給される部分から離れるに従って圧力は低下するし、流れとともにチューブと水との摩擦や障害物等により圧損が生じる。これを回避して給水パイプ２の上流下流について均一に給水を行うためには、それぞれのオリフィスから等量の水が排出される必要がある。本発明では、定流量型の給水パイプ（商品名：ドリップチューブ）を採用した。ドリップチューブは、その設けられたオリフィスから均等に水分が滴下する。したがって、この構造を採用すれば、給水口上流に設けた流量計４により総給水量を計量することによって、均等な加水を達成することができる。

このドリップチューブは一例として直径が１６ｍｍまたは２０ｍｍの構造のものを容易に入手できるが、これらには２０ｃｍ〜１．０ｍ間隔でオリフィスが設けられており、そのオリフィスからはそれぞれのドリップチューブとも、１．６、２．１、３．８Ｌ/ｈ等の吐出量を得ることができる。従って必要な給水総量をどのぐらいの時間で給水するかによって、適切なドリップチューブが選択される。ところで、一般的な土木の施工においては、充填工事の経済性、管理上等の要請から、粉体充填後２４時間以内に給水を終えることが好ましい。また、粉体の種類によるが、炭酸カルシューム系の砕石微粉末にセメントを５％プレミックスしたものに等分に水が行き渡り、水和反応により強度を発現するために必要最小水量は、粉体の総重量に対する重量比で２０％程度であることが経験上で確認されている。

ドリップチューブの選択として、例えば、１００ｍ³空洞に砕石微粉末とセメントを重量比５％で混合した粉体を１．３の締め固め密度で充填した場合、２０％重量比の加水をしたい場合には、
１００×１．３×０．２＝２６ｍ³（ｔ）＝26000Ｌ
の水を給水する。
空洞延長が１５０ｍである場合、チューブを１本設置し、２４時間程度で給水するとした場合のチューブを選択すると、吐出量３．８Ｌ/ｈ、オリフィスのピッチを５０ｃｍ毎に設定したものを使用すれば、
２６０００Ｌ÷〔３．８Ｌ/ｈ×（１５０ｍ０．５個/ｍ）〕＝２２時間４８分
で給水が完了する。
ただし、給水可能距離には限界があるため、チューブの径を１６ｍｍまたは、２０ｍｍのどちらかを選択する必要がある。すなわち１６ｍｍでは１００ｍ前後、２０ｍｍで２００ｍ前後の間、等量の水を吐出できる。この距離を越す場合には区間を分けて、ドリップチューブの前方に適度な径のオリフィスのない給水管を、オリフィス管と並行に接続すればよい。この構成の一例は、図３に示すようなものである。即ち、給水パイプ全長にわたってドリップチューブを適用して全ての管路にオリフィスを設けた場合には大きい圧損が生じてしまうので、これを避けるために給水パイプの全長３００ｍを一例として半分に分け、１本のドリップチューブ５ａは１５０ｍとして、他方のドリップチューブ５ｂは３００ｍの下流側１５０ｍにオリフィスを設けた構造を採用する。このようにすれば、圧損を抑制することが可能となる。

ところで、給水量が多く、かつ給水時間に制約がある場合には、ドリップチューブの延長を長くし、吐出個数を増やす必要がある。その方法は、管路の総延長が２００ｍ以内であれば、数往復に折り返して設置するか、それを越すようであれば複数本設置する構成を採用してもよい。いずれにしてもオリフィス１個当りの単位時間吐出量にオリフィスの個数を乗じたものが１時間の給水量となる。

上記方法に従って粉体上部に注入された水は、粉体とパイプ（トンネルなどの空洞、および水道管）の界面を走る。即ち、このような２重のパイプ構造からなるパイプインパイプ工法における中詰充填工法の場合には、加水された水はまず界面を流れ、次に四方八方に吸水されていく。したがって、空洞に勾配がある場合は、高所側上流2/3程度の位置にのみ給水することにより、全体を加湿することも可能である。

次に、空洞などに充填する粉体の具体例であるが、本発明では第１の形態として、セメント粉と砕石微粉末を均一に混合した粉体を採用した。ここで、砕石微粉末は充填用の主体をなすものである。また、砕石微粉末だけであれば充填後にずれやすべりが生じて沈下が発生したり、水分の供給によって沈下が発生することがあるために、セメント粉を混合する。セメント粉はポーラスであるから、砕石微粉末に均等に混ぜ合わせた場合には、水分の供給によってこれを取り込み、水和反応によって膨張して砕石微粉末を拘束するため、ずれやすべり、あるいは沈下を抑制するという作用を行う。セメント分の混合量は特に厳格に制限されるものではないが、１０〜１２重量％程度が好ましい。なお、本発明において採用する砕石微粉末とは、採石場において製造する砕石、砕砂の製造過程において発生する粉末を、電気集塵機で集め、分級乾燥させたものである。一般には硬質砂岩系、および炭酸カルシウム系があるが、本発明を検証するための実験では主に炭酸カルシウム系を採用する。ただし、アルミナなどを含む硬質砂岩系を排除するものではない。

また、粉体の第２の形態としては、フライアッシュにセメント粉をあらかじめ適量混合したものを採用した。セメント粉は、フライアッシュが充填用の主体となり、これを拘束して沈下を防止することを目的とするものであるから、これを達成することができる重量比として、フライアッシュに対して４重量％前後とする。このようにセメント粉を混合したフライアッシュは沈下が少ない。なお、本発明において採用するフライアッシュとは、石炭発電プラントにおいて微粉砕した石炭をボイラ内で燃焼させることによって発生した灰の粒子であって、高温の燃焼ガス中を浮遊し、球形の粒子となった後に電気集塵部の水槽に落下堆積したものである。あるいは、本発明では焼却炉内部で同様に生じた灰もフライアッシュの概念に含む。

本発明では、上述したような第１あるいは第２の形態からなる粉体を空洞などに充填し、その後に加水あるいは加湿する一連の方法であるが、いずれの粉体であってもセメント粉の水和反応によって粉体主体を拘束するものであるが、セメント粉の混合量が多すぎると粉体の撤去時に手間がかかるため、過度の混合は避けることが好ましい。

なお、本発明工法に先立って、粉体の締め固め密度は材料により一定であることが確認されている。従って、図４に示すような加水状況をモデル化した装置を用いて、固化材の混合率、吸水量を変えた供試体を作製することにより、必要設計強度の充填材料を計画することができる。また、実際の充填現場より試料を採取し、当該モデル装置により供試体を作製し、強度試験を実施することにより、充填物の品質管理が可能である。図中、１０は直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍのコンクリートテストピースを収容した非浸透性の容器であり、その上面は蓋１１で遮蔽し、蓋１１の一部に直径５ｍｍの孔を設けて、その孔に対して単位時間当たり均等に水分を滴下した。実施例では、水分の滴下については均等な滴下のみに着目したので、医療用点滴装置１２によって滴下速度を調節した。そして、セメント粉の硬化については、温度を測定することによってこれを確認した。即ち、セメントの硬化は水和反応によるものであり、水和反応に応じて温度が変化することは周知であるから、温度測定によってセメントの状態を確認することができることになる。

次に、第２の工法を検証した実験モデルを図５に示す。このモデルでは、水槽２０に第１の工法モデルに採用したテストピースの容器２１を密封浸漬し、徐浸透性のフィルター２２で開口部を遮蔽し、水槽の液体（実験では水を使用）がテストピースに徐々に付与されるようにしている。そして、このようなモデルを採用した場合であっても、第１の工法と同様に好ましい結果を得ることができた。

本発明の第１の工法を示す概略側面図 同、概略断面図 ドリップチューブの配置の一例を示す概略図 第１の工法に従って供試体を作成した際のモデルを説明した斜視図 同、第２の工法に従って供試体を作成した際のモデルを説明した斜視図

符号の説明

１ 粉体充填物
２ 給水パイプ
３ 吊り金具
４ 量水計
１０ 容器
１１ 蓋
１２ 医療用点滴装置
２０ 水槽
２１ 容器
２２ フィルター

Claims (6)

1. 乾燥した粉体を空洞に充填した後、前記粉体に液体を付与し、加湿する粉体の空洞に対する充填工法。
2. 請求項１の粉体の空洞に対する充填工法において、前記空洞には予め液体を滴下させるためのオリフィスを有する給液管を設けた粉体の空洞に対する充填工法。
3. 請求項１の粉体の空洞に対する充填工法において、前記空洞内の下方部に予め液体を貯留した後に、乾燥した粉体を充填する粉体の空洞に対する充填工法。
4. 請求項１の粉体の空洞に対する充填工法において、乾燥した粉体を地下に存在する空洞に対して充填した後、地下水、または雨水の流入により水分を供給し、前記粉体を湿潤させる粉体の空洞に対する充填工法。
5. 粉体は、セメント粉と砕石微粉末を混合した粉体である請求項１〜４のいずれかに記載の粉体の空洞に対する充填工法。
6. 粉体は、フライアッシュにセメント粉を混合した粉体である請求項１〜４のいずれかに記載の粉体の空洞に対する充填工法。

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