JP2007016504A

JP2007016504A - 山岳トンネル背面空洞充填材およびこれを用いた山岳トンネル背面空洞充填工法

Info

Publication number: JP2007016504A
Application number: JP2005199817A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Yoshikawa; 和行吉川; Akiyoshi Chichibu; 顕美秩父
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】トンネルの背面空洞は、地山の緩みを生じさせる要因にもなり得るため、従来は、エアモルタル工法、発泡ウレタン工法、可塑性グラウト工法等により、背面空洞に充填材を注入していた。しかし、このような充填材には、軽量、注入性、取り扱い性、低コスト性が求められていた。
【解決手段】製造プラント１０１で製造した、水とセメントとフライアッシュと軽量骨材とを含有する山岳トンネル背面空洞充填材を、生コン車１０２で現場まで運搬し、そこで生コン車から供給される充填材をホッパー１０３で受け、モルタルポンプ１０４により圧送し、高所作業車１０５からノズル１０６を経て背面空洞１０に注入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、山岳トンネル背面空洞充填材およびこれを用いた山岳トンネル背面空洞充填工法に関するものであり、詳しくは、軽量であるとともに、注入性、取り扱い性に優れ、なおかつ施工コストの低減も可能である山岳トンネル背面空洞充填材およびこれを用いた山岳トンネル背面空洞充填工法に関するものである。

山岳トンネル工法で施工された鉄道、道路、水路トンネルには、背面空洞が存在する場合があり、この背面空洞は、トンネルが塑性圧や偏圧を受けた場合、覆工背面より十分な地盤反力が期待できないため構造的に不利な状態となることがある。また、背面空洞は、地山の緩みを生じさせる要因にもなり得る。

このような背面空洞による悪影響を抑制するために、エアモルタル工法、発泡ウレタン工法、可塑性グラウト工法に代表される背面空洞への裏込め注入工法が行われている。

エアモルタル工法は、裏込め注入材としてモルタルにエアを混入したものを用い、背面空洞に注入する工法である。しかしエアモルタル工法は、一般に安価であるが、高い流動性を有するため、地山中の亀裂、覆工のひびわれ、目地などへの逸脱が生じたり、充填すべき箇所（クラウン部など）に留まらず流れたり、湧水により材料分離が生じるなどの課題が指摘されている。また、限定注入が難しいという欠点がある。

発泡ウレタン工法は、ウレタンあるいはシリカレジンを注入材として背面空洞に注入する工法である。発泡ウレタン工法は、樹脂の硬化時間が短く、施工設備が小型になるなどの利点があるが、注入材が高価であるため、湧水下での裏込め注入や小規模な範囲の裏込め注入にとどまっているのが現状である。また、樹脂の硬化時間が短いので、注入孔を多くしなければならないという欠点もある。

可塑性グラウト工法は、可塑性（注入材料自体に流動性はないが、加圧により容易に流動する性質）を有するセメント系材料を背面空洞に注入する工法である。可塑性グラウト工法は、地山中の亀裂、覆工面の所定外の空隙への逸脱等が少なく、限定注入が可能である。可塑性グラウト工法に用いられる材料は、下記で示すような１液性の非エア系と２液性のエア系に分類できる。

１液性（非エア系）材料：セメント、ベントナイトおよび吸水性ポリマーを含む材料や、モルタルおよび特殊増粘剤を含む材料が知られている。１液性材料は、施工設備が縮小可能である反面、比重は１．３〜１．５程度で下記の２液性（エア系）材料を用いたものと比べるとやや大きなものとなっている。
２液性（エア系）材料：２系統で材料を圧送し、圧送管先端で混合して注入材とし、背面空洞に注入する。この工法によれば、一般に長距離圧送を行なっても注入材の品質は良好であるが、少なくとも２つのミキサおよびポンプが必要となり、施工設備が前記１液性材料を用いる工法よりも大きくなり、コスト増となる。

なお、山岳トンエル工法については、例えば下記非特許文献１に記載されている。

地下鉄のつくり方−山岳トンネル工法、［online］、［平成17年6月24日検索］、インターネット＜URL：http://www.city.kyoto.jp/kotsu/kensetu/tunnel＞

したがって本発明の目的は、軽量であるとともに、注入性、取り扱い性に優れ、なおかつ施工コストの低減も可能である山岳トンネル背面空洞充填材およびこれを用いた山岳トンネル背面空洞充填工法を提供することである。

本発明は、以下のとおりである。
１．水と、セメントと、フライアッシュと、軽量骨材とを含有することを特徴とする山岳トンネル背面空洞充填材。
２．前記軽量骨材が、パーライトであることを特徴とする１．に記載の山岳トンネル背面空洞充填材。
３．さらに増粘剤を含有することを特徴とする１．または２．に記載の山岳トンネル背面空洞充填材。
４．前記増粘剤が、第１の水溶性低分子化合物（Ａ）と、前記化合物（Ａ）とは異なる第２の水溶性低分子化合物（Ｂ）との組合わせからなり、前記化合物（Ａ）及び化合物（Ｂ）の組合わせが、（１）両性界面活性剤から選ばれる化合物及びアニオン性界面活性剤から選ばれる化合物の組合わせ、（２）カチオン性界面活性剤から選ばれる化合物及びアニオン性芳香族化合物から選ばれる化合物の組合わせ、または（３）カチオン性界面活性剤から選ばれる化合物及び臭化化合物から選ばれる化合物の組合わせ、から選択されることを特徴とする１．〜３．のいずれかに記載の山岳トンネル背面空洞充填材。
５．前記化合物（Ａ）と化合物（Ｂ）の合計量が、水に対し、２．５〜３．０質量％であることを特徴とする４．に記載の山岳トンネル背面空洞充填材。
６．山岳に形成されたトンネルの背面空洞に、１．〜５．のいずれかに記載の山岳トンネル背面空洞充填材を注入する工程を有する山岳トンネル背面空洞充填工法。
法を提供するものである。

本発明によれば、軽量であるとともに、注入性、取り扱い性に優れ、なおかつ施工コストの低減も可能である山岳トンネル背面空洞充填材およびこれを用いた山岳トンネル背面空洞充填工法が提供される。

（セメント）
本発明で使用されるセメントは、水硬性を示す無機物質であればとくに制限されないが、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、超微粉砕セメント（コロイドセメント）、アルミナセメント等を挙げることができる。中でもＪＩＳＲ５２０１に規定された普通ポルトランドセメントが好ましい。また、ＪＩＳＲ５２０１に規定されたブレーン比表面積は、２５００〜５０００ｃｍ² ／ｇが好ましい。

（フライアッシュ）
本発明で使用されるフライアッシュは、ＪＩＳ規格のII種であるものが好ましく、ブレーン比表面積は、２５００ｃｍ² ／ｇ以上、好ましくは３８００〜４０００ｃｍ² ／ｇであるものがよい。また、比重は、１．９５以上、好ましくは２．２〜２．３であるものがよい。
フライアッシュの配合割合は、例えば６２０〜６３０ｋｇ／ｍ^３が好ましい。

（軽量骨材）
本発明で使用される軽量骨材は、とくに限定されるものではなく、適宜選択することができるが、パーライトが好ましい。
パーライトを用いる場合、その比重は、０．２６以下、好ましくは０．１８〜０．２６であるものがよい。また、粒径は１．２ｍｍ以下、好ましくは０．６〜１．２ｍｍであるものがよい。また、吸水率は、１５％以下のものが好ましい。
軽量骨材の配合割合は、例えば４５〜５５ｋｇ／ｍ^３が好ましい。

本発明において、水／結合材比は、３５〜４２％（質量基準）が好ましい。なお、本発明でいう結合材とは、セメント、フライアッシュおよび軽量骨材を含む材料を意味する。

本発明の山岳トンネル背面空洞充填材は、さらに増粘剤を含むのが好ましい。本発明における増粘剤としては、第１の水溶性低分子化合物（Ａ）と、前記化合物（Ａ）とは異なる第２の水溶性低分子化合物（Ｂ）との組合わせからなり、前記化合物（Ａ）及び化合物（Ｂ）の組合わせが、（１）両性界面活性剤から選ばれる化合物及びアニオン性界面活性剤から選ばれる化合物の組合わせ、（２）カチオン性界面活性剤から選ばれる化合物及びアニオン性芳香族化合物から選ばれる化合物の組合わせ、または（３）カチオン性界面活性剤から選ばれる化合物及び臭化化合物から選ばれる化合物の組合わせ、から選択されるものがとくに好ましい。最適には、前記（２）の組合わせである。以下、説明する。

両性界面活性剤としては、ベタイン型両性界面活性剤が好ましく、ドデカン酸アミドプロピルベタイン、オクタデカン酸アミドプロピルベタイン、ドデシルジメチルアミノ酢酸ベタイン等が挙げられ、粘度発現の観点からドデカン酸アミドプロピルベタインが好ましい。

アニオン性界面活性剤としては、エチレンオキサイド付加型アルキル硫酸エステル塩型界面活性剤が好ましく、ＰＯＥ（３）ドデシルエーテル硫酸エステル塩、ＰＯＥ（２）ドデシルエーテル硫酸エステル塩、ＰＯＥ（４）ドデシルエーテル硫酸エステル塩等が挙げられ、塩はナトリウム塩等の金属塩、トリエタノールアミン塩等のアルカノールアミン塩等が挙げられる。なお、ＰＯＥはポリオキシエチレンの略であり、括弧内はエチレンオキサイド平均付加モル数である（以下同様）。
これらの中でも、ドデカン酸アミドプロピルベタインとＰＯＥ（３）ドデシルエーテル硫酸エステルトリエタノールアミンもしくはＰＯＥ（３）ドデシルエーテル硫酸エステルナトリウムとの組合わせが好ましい。

カチオン性界面活性剤としては、４級アンモニウム塩型カチオン性界面活性剤が好ましく、４級アンモニウム塩型のカチオン性界面活性剤としては、構造中に、１０から２６個の炭素原子を含む飽和又は不飽和の直鎖又は分岐鎖アルキル基を、少なくとも１つ有しているものが好ましい。例えば、アルキル（炭素数１０〜２６）トリメチルアンモニウム塩、アルキル（炭素数１０〜２６）ピリジニウム塩、アルキル（炭素数１０〜２６）イミダゾリニウム塩、アルキル（炭素数１０〜２６）ジメチルベンジルアンモニウム塩等が挙げられ、具体的には、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロマイド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムメトサルフェート、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムブロマイド、タロートリメチルアンモニウムクロライド、タロートリメチルアンモニウムブロマイド、水素化タロートリメチルアンモニウムクロライド、水素化タロートリメチルアンモニウムブロマイド、ヘキサデシルエチルジメチルアンモニウムクロライド、オクタデシルエチルジメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルプロピルジメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルピリジニウムクロライド、１，１−ジメチル−２−ヘキサデシルイミダゾリニウムクロライド、ヘキサデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド等が挙げられ、これらを２種以上併用してもよい。水溶性と増粘効果の観点から、具体的には、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド（例えば花王（株）製コータミン６０Ｗ）、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルピリジニウムクロライド等が好ましい。

アニオン性芳香族化合物としては、芳香環を有するカルボン酸及びその塩、ホスホン酸及びその塩、スルホン酸及びその塩が挙げられ、具体的には、サリチル酸、ｐ−トルエンスルホン酸、スルホサリチル酸、安息香酸、ｍ−スルホ安息香酸、ｐ−スルホ安息香酸、４−スルホフタル酸、５−スルホイソフタル酸、ｐ−フェノールスルホン酸、ｍ−キシレン−４−スルホン酸、クメンスルホン酸、メチルサリチル酸、スチレンスルホン酸、クロロ安息香酸等であり、これらは塩を形成していていも良く、これらを２種以上併用してもよい。ただし、重合体である場合は、質量平均分子量５００未満であることが好ましい。

臭化化合物としては、無機塩が好ましく、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＨＢｒ等が挙げられる。

また、化合物（Ａ）がアルキル（炭素数１０〜２６）トリメチルアンモニウム塩であり、化合物（Ｂ）が芳香環を有するスルホン酸塩である組み合わせが特に好ましい。特に、これらの中でも、化合物（Ｂ）としてはトルエンスルホン酸、キシレンスルホン酸、クメンスルホン酸、スチレンスルホン酸又はこれらの塩が好ましく、特に、ｐ−トルエンスルホン酸又はその塩が好ましい。

前記増粘剤は、化合物（Ａ）と化合物（Ｂ）の質量比（有効成分比）が、（Ａ）／（Ｂ）＝９０／１０〜１０／９０、更に６０／４０〜４０／６０であることが好ましい。

本発明において、増粘剤の添加量は、化合物（Ａ）と化合物（Ｂ）の合計量が、水に対し、２．５〜３．０質量％であるのが好ましく、２．６〜２．８質量％がより好ましい。

次に、本発明の山岳トンネル背面空洞充填工法について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の山岳トンネル背面空洞充填工法の一例を説明するための図である。山岳トンネル工法で施工されたトンネル１に、背面空洞１０が存在する場合、本発明の山岳トンネル背面空洞充填材を、１液性材料として該背面空洞１０に注入することができる。図１は、例えば２車線以上の道路トンネルに存在する背面空洞に、片側規制、作業時間昼間８時間以上の作業条件で、充填材を大量注入（３０ｍ^３／日）する形態を説明している。このような作業条件の場合、製造プラント１０１で製造した、本発明の山岳トンネル背面空洞充填材を、まず生コン車１０２で現場まで運搬する。そこで生コン車から供給される充填材をホッパー１０３で受け、モルタルポンプ１０４により圧送し、高所作業車１０５からノズル１０６を経て背面空洞１０に注入する。

また図２は、本発明の山岳トンネル背面空洞充填工法の別の例を説明するための図である。図２は、例えば鉄道単線トンネルにおいて、作業時間夜間３時間以下の作業条件で、充填材を少量注入（１ｍ^３／日）する形態を説明している。このような作業条件の場合、本発明の山岳トンネル背面空洞充填材をトンネル坑口付近の広場で製造し、軌陸車２０２のホッパー２０３に充填材を入れて現場まで運搬し、そこで軌陸車２０２のホッパー２０３から充填材をモルタルポンプ２０４により圧送し、足場２０５を利用してノズル２０６を介して背面空洞１０に注入する。充填材の注入量は、背面空洞１０の容積を満たす程度の量であればよい。

以下、実施例によって本発明をさらに説明する。
下記の表１の配合割合で、本発明の山岳トンネル背面空洞充填材を調製した。なおセメントとしては普通ポルトランドセメントを、増粘剤としては、第１の水溶性低分子化合物（Ａ）と、前記化合物（Ａ）とは異なる第２の水溶性低分子化合物（Ｂ）との組合わせからなり、前記化合物（Ａ）及び化合物（Ｂ）の組合わせが、カチオン性界面活性剤から選ばれる化合物及びアニオン性芳香族化合物から選ばれる化合物の組合わせであり、カチオン性界面活性剤としてアルキルアンモニウム塩を用い、アニオン性芳香族化合物としてアルキルアリールスルホン酸塩を用いた。化合物（Ａ）と化合物（Ｂ）の質量比（有効成分比）は、（Ａ）／（Ｂ）＝５０／５０とした。

増粘剤の添加によって充填材に若干の空気（５．０％）が混入され、練混ぜ時の比重が１．２７９５と軽量化が達成されている。また練混ぜ時のバラツキがあったとしても上記配合割合では１．２±０．１の範囲に収まる。
また表１では、結合材の計量は市販品の袋の数によって行っている。したがって水と増粘剤以外は秤で計量しなくても、袋の数量で管理することができ、計量面で有利となる。例えば練混ぜのミキサーの容量が２００リットルであれば、セメント２袋、フライアッシュ５袋、パーライト１袋となり、このような少量注入の場合、秤を使用しなくても計量誤差が小さくなり、とくに有利である。

得られた充填材について、フロー試験（ＪＨＳＡ３１３−１９９２，直径φ８０ｍｍ×高さＨ８０ｍｍのシリンダー）を行なった。結果を表２に示す。

表２の結果から、本発明の山岳トンネル背面空洞充填材は、練混ぜ後９０分間でのフローダウンが小さいため、ポンプで圧送する際には、高い注入性が保持できることが分かる。また、本発明の山岳トンネル背面空洞充填材は、軽量であるとともに、１液性であることから取り扱い性に優れ、なおかつ施工コストの低減も可能である。
また表２の結果から、本発明の山岳トンネル背面空洞充填材は、日本道路公団「矢板工法トンネルの背面空洞注入材工法設計施工指針，２００２．１０」に記載されている、背面空洞充填材の流動性についての下記表３の規格値を満足することが分かる。

本発明の山岳トンネル背面空洞充填工法の一例を説明するための図である。本発明の山岳トンネル背面空洞充填工法の別の例を説明するための図である。

符号の説明

１……トンネル、１０……背面空洞、１０１……製造プラント、１０２……生コン車、１０３……ホッパー、１０４……モルタルポンプミキサ、１０５……高所作業車、１０６……ノズル、２０２……軌陸車、２０３……ホッパー、２０４……モルタルポンプミキサ、２０５……足場、２０６……ノズル。

Claims

水と、セメントと、フライアッシュと、軽量骨材とを含有することを特徴とする山岳トンネル背面空洞充填材。
前記軽量骨材が、パーライトであることを特徴とする請求項１に記載の山岳トンネル背面空洞充填材。
さらに増粘剤を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の山岳トンネル背面空洞充填材。
前記増粘剤が、第１の水溶性低分子化合物（Ａ）と、前記化合物（Ａ）とは異なる第２の水溶性低分子化合物（Ｂ）との組合わせからなり、前記化合物（Ａ）及び化合物（Ｂ）の組合わせが、（１）両性界面活性剤から選ばれる化合物及びアニオン性界面活性剤から選ばれる化合物の組合わせ、（２）カチオン性界面活性剤から選ばれる化合物及びアニオン性芳香族化合物から選ばれる化合物の組合わせ、または（３）カチオン性界面活性剤から選ばれる化合物及び臭化化合物から選ばれる化合物の組合わせ、から選択されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の山岳トンネル背面空洞充填材。
前記化合物（Ａ）と化合物（Ｂ）の合計量が、水に対し、２．５〜３．０質量％であることを特徴とする請求項４に記載の山岳トンネル背面空洞充填材。
山岳に形成されたトンネルの背面空洞に、請求項１〜５のいずれかに記載の山岳トンネル背面空洞充填材を注入する工程を有する山岳トンネル背面空洞充填工法。