JP2006347777A

JP2006347777A - 充填材および充填材を使用した構造物の構築方法

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Publication number: JP2006347777A
Application number: JP2005171902A
Authority: JP
Inventors: Taiji Morita; 泰司森田; Keizo Kawamoto; 啓蔵川本; Yasuharu Toshida; 靖治利田; Tetsuji Kanetaka; 鉄次金高
Original assignee: SANKOO CHEMICAL KK; Taisei Corp; Sanko Chemical Co Ltd
Current assignee: SANKOO CHEMICAL KK; Taisei Corp; Sanko Co Ltd
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-13
Also published as: JP4769024B2

Abstract

【課題】ゲルタイムが短く、短時間で必要強度が得られ、かつ、その後の強度増加が小さく、また、躯体等との付着強度が低い充填材と、この充填材を使用した構造物の構築方法を提案する。
【解決手段】地山Ｇを掘削する工程と、地山Ｇの掘削より形成された空間の内部においてセグメント２０を組み立てる工程と、地山Ｇとセグメント２０との間に形成された空隙Ｋ２，Ｋ３に水ガラスと水とからなるＡ液と、水酸化カルシウムを含む懸濁液であるＢ液との混合体である充填材１０を充填する工程とによりトンネル１を構築する。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造物と地山との間に形成された空隙の充填に使用される充填材とこの充填材を使用した構造物の構築方法に関する。

従来、構造物と地山との間に形成された空隙部に充填される充填材としては、セメント系の材料が使用されていた。このようなセメント系充填材は、ゲル化までに時間がかかり、充填材が地山に浸透してしまうために、注入量が増大する場合があった。また、初期強度の発現までの時間が長いことから、空隙部の安定化を図る点でも問題点を有していた。

そのため、特許文献１には、ケイ酸カルシウム水和物とセメントと水とからなるＡ液と、水ガラスからなるＢ液とを混合することにより、ゲルタイムを短縮し、初期強度を早期に発現する充填材が開示されている。この従来の充填材は、Ａ液のケイ酸カルシウム水和物から溶出されたカルシウムイオンと水ガラス中のＳｉＯ₂イオンとの反応によりゲルタイムの短縮、ゲルの強度増加を図り、また、セメントから徐々に溶出されたカルシウムイオンと水ガラスのＳｉＯ₂イオンとの反応により長期強度の増加を図っている。なお、前記充填材においてケイ酸カルシウム水和物は、Ａ液１ｍ³当り４０〜３００ｋｇ添加されており、セメントは、Ａ液１ｍ³当り２５０ｋｇ以上投入されている。
特開平１０−１０１３９３号公報（［００１５］−［００３３］、図１）

ところが、前記従来の充填材は、ケイ酸カルシウム水和物と水ガラスとの反応により、早期のゲル化が実現されるものの、充填材の強度はセメントにより発現されるため、時間経過とともに強度が増加する性質を有している。そのため、必要以上の強度を発現し、当該充填材の充填後の作業に支障をきたす場合があった。
つまり、例えば、前記従来の充填材をトンネル工事等において、小口径のシールドトンネルにより先進トンネルを掘進した後、大口径の後進トンネルを構築する施工手順による大断面トンネル施工に適用した場合、先進トンネルの充填材の強度が周辺の地山よりも大きいため、後進トンネルの掘削機の掘削能力を上げる必要があるとともに、作業時間が増大する場合があった。

また、前記従来の充填材は、セメントの硬化により付着強度が強いため、前記のように先進トンネルの裏込め材として適用した場合、後進トンネルの構築の際にセグメントの解体が困難となる場合があった。
また、掘進機や躯体との付着強度により、掘進中は別途滑材を充填する必要があり、滑材の空隙への充填および滑材と充填材との置換により二度手間となるため、作業時間の短縮に支障をきたすという問題点を有していた。

本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであり、ゲルタイムが短く、短時間で必要強度が得られ、かつ、その後の強度増加が小さく、また、躯体等との付着強度が低い充填材と、この充填材を使用した構造物の構築方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、水ガラスと水とからなるＡ液と、水酸化カルシウムを含む懸濁液であるＢ液との混合体である充填材であって、前記水酸化カルシウムが、前記混合体１ｍ³に対して５０ｋｇ以上２００ｋｇ以下の範囲内で添加されることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、水ガラスと水とからなるＡ液と、水酸化カルシウムおよび潜在水硬性のある材料を含む懸濁液であるＢ液との混合体である充填材であって、前記水酸化カルシウムが、前記混合体１ｍ³に対して５０ｋｇ以上２００ｋｇ以下の範囲内で添加されて、前記潜在水硬性のある材料が、前記混合体１ｍ³に対して１００ｋｇ以下添加されることを特徴としている。

なお、前記潜在水硬性のある材料としては、潜在水硬性を有し、粒度が懸濁液として圧送が可能な物であればよく、例えば、高炉水砕スラグ等、好ましくはブレーン値３２００ｃｍ²／ｇ以上、さらに好ましくはブレーン値５０００ｃｍ²／ｇ以上の材料を使用することが可能である。

また、水ガラスとして、ＳｉＯ₂／Ｎａ₂Ｏのモル比ｎが０．５〜４．２、ＳｉＯ₂の濃度が９．５〜３８．０重量％の範囲内のものを使用してもよい。

かかる充填材は、水ガラスと水酸化カルシウム懸濁液または水酸化カルシウムとスラグを含む懸濁液とを反応させることにより、ゲルタイムが６０秒以内、初期強度を１〜７日後に発現し、その後の強度発現が３０％以内という性質を有している。そのため、従来の充填材と比べて、必要以上の強度を発現することが無く、また、地山空隙に漏出することが無いため、充填に要する材料費を必要最小限に抑えることが可能となるとともに、充填後の作業がある場合にも、その作業に支障をきたすことがない。

また、従来のセメント系の充填材と比べて付着強度が低いため、例えば、シールドトンネルや推進トンネル等の滑材としての使用も可能である。

また、従来のセメント系の充填材は、六価クロムの溶出等による、環境面での問題点が懸念されていたが、本実施形態に係る充填材は、六価クロムを含んでおらず、環境面に関して安全なものである。

さらに、本発明の構造物の構築方法は、地山を掘削する工程と、前記地山の掘削より形成された空間の内部において躯体を形成する工程と、前記地山と前記躯体との間に形成された空隙に請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載された充填材を充填する工程と、を含むことを特徴としている。

かかる構造物の構築方法は、地山と躯体との間に形成された空隙に、ゲルタイムが６０秒以内、初期強度を１〜７日後に発現し、その後の強度発現が３０％以内という性質を有した充填材を充填することにより、必要最小限の注入量により地山の崩壊を防止するため、経済的かつ安全な施工を可能となる。また、周辺地山と同等の強度を発現し、躯体との付着強度の小さい充填材を使用しているため、当該構築方法により構築された構造物と隣接して新たな構造物を構築する際に支障をきたすことがない。

本発明により、ゲルタイムが短く、短時間で必要強度が得られ、かつ、その後の強度増加が小さく、また、躯体等との付着強度が低い充填材を提供することが可能となり、またこの充填材を使用した本発明の構造物の構築方法により、安全かつ経済的な施工が可能となる。

本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。
ここで、図１は、本実施形態に係る構造物の構築方法を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

本実施形態では、図１に示すように、シールド工法によりトンネル（構造物）１を構築する際に、地山Ｇの崩落を防止することを目的として、セグメント（躯体）２０またはシールド機３０と掘削面Ｋ１との間に形成された空隙Ｋ２またはＫ３に充填材１０の充填を行っている。

トンネル１の構築は、シールド機３０により地山Ｇを掘削する掘削工程と、地山Ｇの掘削より形成された空間の内部にセグメント２０を配置する躯体構築工程と、空間内において地山Ｇとセグメント２０との間に形成された空隙Ｋ２に裏込め材１１（充填材１０）を充填する裏込め工程とを含んでいる。

なお、本実施形態では、シールド工法により導坑であるトンネル１を構築し、このトンネル１を利用して計画された大断面トンネルの外周囲に止水やグランドアーチの形成等を目的とした補助工法を施した後、トンネル１を拡幅して大断面トンネルを構築する場合について説明する。

空隙Ｋ２に充填される裏込め材１１（充填材１０）は、水ガラス（珪酸ナトリウムまたは珪酸ソーダともいう）と水とからなるＡ液と、水酸化カルシウムおよびスラグ（潜在水硬性のある材料）を含む懸濁液であるＢ液とを反応させてなる充填材（混合体）であって、水酸化カルシウムが混合体１ｍ³に対して５０〜２００ｋｇの範囲内で添加されて、スラグが混合体１ｍ³に対して１００ｋｇ以下添加されたものを使用する。

ここで、水酸化カルシウムは、限定されるものではないが、水に極僅かしか溶けない難溶性物質で、水ガラスの存在下では十分な量が溶解して水ガラスとの反応によるゲルタイムが安定しているものが好ましい。

また、本実施形態では、スラグとして、高炉水砕スラグを使用するが、スラグは、潜在水硬性を有するものであれば前記のものに限定されるものではない。また、スラグの粒度は、懸濁液として圧送可能な程度であればよく、好ましくはブレーン値３２００ｃｍ²／ｇ以上、さらに好ましくは５０００ｃｍ²／ｇ以上のものであればよい。

また、本実施形態では、水ガラスとして、ＪＩＳＫ１４０８の３号珪酸ソーダ（比重（１５℃Ｂ’ｅ）４０以上、二酸化珪素２８〜３０％、酸化ナトリウム９〜１０％、鉄０．０２％以下、水不溶分０．２％以下）を使用する。なお、水ガラスは前記のものに限定されるものではなく、分子式がＮａ₂Ｏ：ｎＳｉＯ₂（ｎはモル比）で表されるもので、モル比ｎ（＝ＳｉＯ₂のモル数／Ｎａ₂Ｏのモル数）０．５〜４．２、ＳｉＯ₂の濃度が９．５〜３８．０重量％の範囲内のものを適宜選択して使用すればよい。

なお、本実施形態では、Ａ液とＢ液との混合を図示しないタンクにおいて行った後、注入管１３により圧送して、空隙Ｋ２，Ｋ３に充填する。なお、Ａ液とＢ液との混合のタイミングは前記の方法に限定されるものではなく、例えば、Ａ液とＢ液とをそれぞれ個別の配管により注入箇所まで圧送した後、注入直前に混合して注入するなど、充填材のゲルタイムや注入箇所までの距離、注入箇所の形状等に応じて、適宜設定すればよい。
ここで、本実施形態では、Ａ液とＢ液との混合比率を１：１として、比率の変動を抑えるものとするが、Ａ液とＢ液との混合比率は、適宜変更可能であることはいうまでもない。

Ｂ液の懸濁液に添加されるスラグは、地山の状況（原地盤の強度等）に応じて省略することが可能であり、充填材１０として、水ガラスと水とからなるＡ液と、水酸化カルシウムを含む懸濁液であるＢ液と、の混合体である充填材であって、前記水酸化カルシウムが、前記混合体１ｍ³に対して５０ｋｇ〜２００ｋｇの範囲内で添加されたものを使用してもよい。

掘削工程は、シールド機３０により地山Ｇを切削する工程である。シールド機３０は、図１（ａ）に示すように、主に、地山Ｇの切削を行うカッターヘッド３１とシールド機３０の内部を保護する鋼製部材からなるシールド部３２とから構成されている。
本実施形態では、図１（ｂ）に示すように掘削断面が円形断面となるように構成されたシールド機３０を使用するが、シールド機３０の形状は限定されるものではなく、例えば、矩形断面のものを使用してもよい。

ここで、シールド機３０のカッターヘッド３１の外径は、シールド部３２の外径よりも大きく形成されており、シールド機３０による切削に伴い、シールド部３２と掘削面Ｋ１との間には空隙Ｋ３が形成される。そして、この空隙Ｋ３には、地山Ｇの崩落の防止を目的として、充填材１０（滑材１２）を充填する。

空隙Ｋ３への滑材１２の充填は、シールド部３２に形成された注入孔３４から行うものとし、注入孔３４には、充填材１０を圧送するための注入管１３が取り付け部材１４を介して取り付けられている。

躯体構築工程では、シールド機３０のシールド部３２内において、地山Ｇの掘進に伴い随時組み立てられたセグメント２０を、地中（掘削工程において形成された空間の内部）に配置する。なお、シールド機３０の推進は、推進ジャッキ３５により、シールド部３２内において組み立てられたセグメント２０から反力を取って行う。

裏込め工程では、シールド部３２とセグメント２０との形状差により生じた空隙Ｋ２に、裏込め材１１（充填材１０）を充填する。ここで、空隙Ｋ２への裏込め材１１の充填は、セグメント２０の所定の位置に形成された図示しない注入孔に注入管１３を介して行う。なお、図１（ａ）における符号３６は、シールド機３０内への充填材１０（裏込め材１１または滑材１２）の流入を防止するテールシールである。

ここで、何らかの原因により、シールド機３０による掘進を中断する場合には、カッターヘッド３１と切羽面Ｋ４との間に形成された空隙Ｋ５にも、充填材１０を充填することにより、切羽の崩壊を防止する構成としてもよい。

本実施形態に係る充填材１０は、前記の配合により、ゲルタイムが６０秒以内となるように構成されているため、空隙Ｋ２，Ｋ３への充填直後にゲル化して、地山Ｇ内に漏出することがないため、必要最小限の充填量による充填が可能となるため、経済的な施工が可能となる。
また、充填材１０は、前記の配合により、地山と同等程度の強度（０．５Ｎ／ｍｍ²〜１．０Ｎ／ｍｍ²）を発現するため、地山の崩壊を抑止して、安全な施工が可能となる。

また、充填材１０は、付着強度が低く、シールド機３０に付着して、掘進の妨げとなることがなく、滑材として安全、かつ、効率的な施工を提供することを可能としている。また、トンネル１を拡幅して大断面トンネルを施工する際も、その付着強度が低いため、容易にセグメント（躯体）２０を撤去することを可能としており、施工を効率的に行うことが可能となる。

また、充填材１０は、初期強度からの強度増加が３０％以下となるように構成されているため、周囲の地山Ｇと比較して充填材１０が強固となることで、大断面トンネルの施工時に支障をきたすことがない。

また、掘進の中断時において、切羽面Ｋ４とカッターヘッド３１との間の空隙Ｋ５に充填材１０を充填すれば、切羽面Ｋ４の崩壊を抑えることが可能となる。さらに、掘進が再開しても、充填材１０は、地山Ｇと同等の強度に構成されているため、掘進の妨げとなることがなく、さらに、付着強度が低いため、チャンバ３３内や土砂搬送手段（図示省略）に付着することがなく、施工の妨げとなることがない。

また、本実施形態の充填材１０は、スラグが添加されていることにより、アルカリ刺激剤（水酸化カルシウム）と潜在水硬性反応を起こし、早期に硬化反応を引き起こし、固結強度が増加されている。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の各実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜設計変更が可能であることはいうまでもない。
例えば、前記実施形態では、構造物の構築方法として、シールド工法により行うものとしたが、例えば推進工法により行ってもよく、施工方法は限定されるものではない。

また、前記実施形態では、トンネル工法により地下構造物を構築する場合について説明したが、本発明の充填材が適用可能な構造物はトンネルに限定されるものではなく、さまざまな空隙への充填が可能であることはいうまでもない。
また、前記実施形態では、トンネルを構築した後、このトンネルを拡幅して大断面トンネルを構築する場合について説明したが、複数のトンネルを並設させて連結することにより大断面トンネルを構築する場合や、完成形状として構造物（トンネル）を構築する場合等に本発明の構造物の構築方法を採用してもよいことはいうまでもない。

また、前記実施形態では、充填材の強度増加を目的として、スラグを添加するものとしたが、スラグのほかに、ベントナイト等を添加してもよい。

また、前記実施形態では、円形断面形状のトンネルを構築する場合について説明したが、トンネルの断面形状は限定されるものではなく、例えば、矩形状の断面を有したトンネルに対して使用してもよい。つまり、掘削機による形成された掘削孔（空間）が矩形状なため、グランドアーチが形成されにくく、地山の崩落が予想される場合に、本発明の充填材を充填すれば、掘削面の崩落を抑止するため、好適である。
また、同様に、欠円形断面の函体を使用した推進工法の滑材兼裏込め材として本発明の充填材を使用してもよい。つまり、掘削機により断面円形に形成された掘削孔（空間）に欠円形の函体を配置すると、欠円部の地山保持が困難となるため、本発明の充填材を充填することにより、欠円部の地山の保持を行う。この時、充填材は、付着強度が小さいため、函体の推進のための滑材としての機能を果たし、好適である。

次に、本発明の充填材の性質に係る実証実験を行った結果を示す。

まず、水ガラス（ＪＩＳＫ１４０８の３号珪酸ソーダ）と水との混合体であるＡ液と水酸化カルシウムと水または水酸化カルシウムと水砕スラグと水の懸濁液であるＢ液とを１：１で混合した充填材および従来のセメント系充填材について、ゲルタイムと１,３,７,２８日経過後の一軸圧縮強度の測定を行った。

表１に示すように、本実証実験では、Ｂ液として懸濁液５００ｌに対して水酸化カルシウムの量を２０ｋｇ〜２２５ｋｇの範囲内で添加した充填材（試料１〜８）、Ｂ液として懸濁液５００ｌに対して水酸化カルシウムを５０ｋｇと水砕スラグを５０ｋｇ〜１００ｋｇの範囲内で添加した充填材（試料９〜１１）と、表２に示すように、従来のセメント系充填材であるポルトランドセメントとベントナイトと水ガラスと水との混合体（試料１２）を採用した。

前記の各配合の充填材について、ゲルタイムと一軸圧縮強度の測定結果を表３に示す。

表３に示すように、試料１のように水酸化カルシウムも添加量が混合体１ｍ³あたり２０ｋｇと少ない場合には、ゲルタイムが２５０秒と、長くなるため、地盤内に浸透することで、充填量が増加して不経済となることから、充填材に適さない。また、強度発現も、７日後まで発現することがなく、その強度も、０．０１Ｎ／ｍｍ²と小さいため、地山の安定化にも適していない。

また、試料２のように、水酸化カルシウムの添加量を混合体１ｍ³あたり４０ｋｇとした場合は、強度発現まで３日かかり、その初期強度が０．０１Ｎ／ｍｍ²、２８日強度が０．０２Ｎ／ｍｍ²と小さいため、地山の安定化の面で、その機能を果たさない恐れがあるという問題点を有している。
さらに、試料８に示すように、水酸化カルシウムの量を２２５ｋｇと多くすれば、適切な強度を発現するが、ゲル化が瞬時に行われて、注入作業に支障をきたす恐れがある。

また、試料１２に示すように、モルタルからなる従来のセメント系充填材は、２８日強度で２．２Ｎ／ｍｍ²となり、必要以上に強度が発現される。

一方、試料３〜７に示すように、水酸化カルシウムを５０ｋｇ〜２００ｋｇの間で添加すれば、ゲルタイムが６０秒以内で、初期強度も早期に発現するため、地山に漏出することなく、地山の崩壊を防止して、充填材としての機能を果たすことが証明された。また、試料３の一軸圧縮強度と試料９〜１１の一軸圧縮強度を比較すれば、水砕スラグをＢ液に添加することにより一軸圧縮強度が増加することがわかる。特に、混合体１ｍ³に対して、水酸化カルシウムを５０ｋｇ、水砕スラグを７５〜１００ｋｇ添加すれば、充填材の一軸圧縮強度が地山の強度（０．５〜１．０Ｎ／ｍｍ²）と同等以上の強度を示すため、好適である。なお、試料１１の結果から、水砕スラグを１００ｋｇ添加すると、充填材の２８日強度が１．０１Ｎ／ｍｍ²となるため、水砕スラグの投入量が１００ｋｇを超えると、地山の強度（０．５〜１．０Ｎ／ｍｍ²）に対して充填材の一軸圧縮強度が高くなり、過剰となることが証明された。

以上の結果から、混合体１ｍ³に対して、水酸化カルシウムが５０〜２００ｋｇの範囲内で添加されれば、早期のゲル化、および早期の強度発現が実現される、望ましい充填材が生成されることが実証された。また、混合体１ｍ³に対して５０〜２００ｋｇの範囲内の水酸化カルシウムと１００ｋｇ以下のスラグを投入すれば、充填材の強度増加が可能となり、好適である。

また、本発明に係る充填材の付着強度について、検証することを目的として、幅１００×長さ１００×高さ５０ｍｍでその上下面の中心に４５×４５ｍｍの挿通孔が形成された型枠に、４０×４０×１６０ｍｍに形成されたコンクリート部材を挿通孔に相通させた後、このコンクリート部材と型枠との隙間にグラウトを充填し、一定時間後にコンクリート部材の上部から圧力を付加して、コンクリート部材の移動時の付着強度を測定した。この結果を表４に示す。

表４に示すように、本発明による充填材（試料４および試料１１）は、セメント系充填材（試料１２）に比べてその付着強度がはるかに小さいことが実証された。そのため、当該充填材を滑材として使用しても、摩擦抵抗が少なく、地山の掘進の妨げとなることがなく、さらに、所定の強度を有していることから、地山の崩壊を抑止するため、好適である。

本実施形態に係る構造物の構築方法を示す図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１トンネル（構造物）
１０充填材
１１裏込め材
１２滑材
２０セグメント（躯体）
３０シールド機
Ｋ１掘削面
Ｋ２，Ｋ３空隙
Ｇ地山

Claims

水ガラスと水とからなるＡ液と、
水酸化カルシウムを含む懸濁液であるＢ液と、の混合体である充填材であって、
前記水酸化カルシウムが、前記混合体１ｍ³に対して５０ｋｇ以上２００ｋｇ以下の範囲内で添加されることを特徴とする、充填材。
水ガラスと水とからなるＡ液と、
水酸化カルシウムおよび潜在水硬性のある材料を含む懸濁液であるＢ液と、の混合体である充填材であって、
前記水酸化カルシウムが、前記混合体１ｍ³に対して５０ｋｇ以上２００ｋｇ以下の範囲内で添加されて、
前記潜在水硬性のある材料が、前記混合体１ｍ³に対して１００ｋｇ以下添加されることを特徴とする充填材。
前記潜在水硬性のある材料が、ブレーン値３２００ｃｍ²／ｇ以上、好ましくは５０００ｃｍ²／ｇ以上であることを特徴とする、請求項２に記載の充填材。
前記水ガラスが、ＳｉＯ₂／Ｎａ₂Ｏのモル比が０．５〜４．２、ＳｉＯ₂の濃度が９．５〜３８．０重量％の範囲内のものであることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の充填材。
地山を掘削する工程と、
前記地山の掘削より形成された空間の内部において躯体を形成する工程と、
前記地山と前記躯体との間に形成された空隙に請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載された充填材を充填する工程と、を含むことを特徴とする、構造物の構築方法。