JP2008025249A - 坑道周辺複合グラウト止水工法 - Google Patents

Abstract

【課題】高レベル放射性廃棄物等の地層処分において、硬化速度が遅いが、緩衝材や周辺岩盤を変質させない低ｐＨセメントを用いた信頼性の高い止水が可能となる坑道周辺複合グラウト止水工法を提供する。
【解決手段】切羽とその坑道周囲近傍を凍結工法により凍結させ、凍結領域２により一時的に坑道周辺近傍の湧水を止め、凍結工法による止水が終了した後、凍結領域２の周囲の外側領域に低ｐＨセメントを注入し硬化させ、凍結領域２を覆うリング状の低ｐＨセメントグラウト外側領域３を形成し、凍結領域２が融解した後、その凍結領域２の坑道周囲の切羽外周部分２ｂにも低ｐＨセメントを注入し硬化させ、坑道１を覆うリング状の低ｐＨセメントグラウト内側領域４を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、廃棄物の地層処分、特に原子力発電から生じる放射性廃棄物の地層処分において、地下深部の安定した地層中に廃棄体を埋設処分するために構築される処分坑道の周辺岩盤の止水工法に関するものである。

放射性廃棄物の地層処分は、「物質を閉じ込める力」を持っている地下深部の地層に、閉じ込め性をさらに確かなものとするため、工学的対策、例えば廃棄体の周りを水を透しにくいベントナイト等の粘土(緩衝材)で取り囲み、ステンレス鋼製のキャニスター内のガラス固化体から放射性物質が地下水に溶け出ても、水を透しにくい粘土の緩衝材が吸着し、その場所から放射性物質を移動しにくくする対策を施し、高レベル放射性廃棄物を埋設し、人間の生活環境から隔離する方法である。

図７は、地層処分場の一例のイメージ図であり、地下深部に多数本の処分坑道５１からなる処分パネル５０が複数配置されている。立坑や斜坑などのアクセス坑道５２により廃棄体が搬入される。図８は、処分坑道５１における廃棄体定置方法の一例(横置き方式)であり、廃棄体Ａの周囲のベントナイト緩衝材などの人工バリアＢと岩盤の天然バリアＣとの多重バリアシステムにより、安全性が確保されている。人工バリアＢの役目は、廃棄体Ａから天然バリアＣへの核種放出率の低減であり、天然バリアＣの役目は、生物圏への核種移行遅延である。

このような地層処分において、地下に坑道(立坑、斜坑や水平坑道など)を掘削すると、湧水が生じる。湧水量が増加すると、空洞の安定性の維持や湧水の排水が困難になるため、通常はグラウトが行われる。グラウト材料としては強度や長期安定性の点で信頼性の高いセメントを主体とした非薬液系が選定される。

注入されたグラウト材(セメント)が地下水に接すると、地下水のｐＨは12.5から13程度の高アルカリに変化する。通常の土木工事では特に問題とならないが、高レベル放射性廃棄物地層処分の分野では、この高アルカリの地下水が緩衝材(人工バリア)や周辺岩盤(天然バリア)を変質させ、高レベル放射性廃棄物地層処分において必要な人工バリアと天然バリアの機能を損なうことが想定される。

そのため、現在、低ｐＨセメントの開発が進められているが（例えば、特許文献１参照）、低ｐＨセメントは硬化速度が遅いため、グラウト材料としては不適切である。湧水を止めるためにグラウト材には速硬性が求められている。また、粘土グラウト（天然材料のため人工バリアや天然バリアの機能を損なわない）も対象としては考えられているが、硬化せず目詰まりのみに期待する材料であるため、湧水に対するグラウト材料としては低ｐＨセメントと同様に不適切である。

上記したように、材料および施工方法の観点から、現状では、高レベル放射性廃棄物地層処分を対象とした湧水に対する具体的な対処方法が無い。

なお、本発明に関連する湧水対策として、例えば特許文献２〜５に記載された発明がある。特許文献２の発明は、山岳トンネル掘削における凍結法による地盤改良方法であり、本トンネルに先行して作業用シールドトンネルを本トンネルの掘削部に沿って構築し、作業用シールドトンネルの内部より改良地盤内に凍結管を埋設し、掘削部の全周域を凍結固化し、トンネルの形成深度に影響されることなく効率的かつ確実に行えるようにしたものである。

特許文献３の発明は、山岳トンネル掘削における凍結法による地盤改良方法であり、薬液の注入により、本トンネルの掘削部を囲繞する形態に止水領域を形成した後、前記止水領域の内側の前記掘削部に沿った部分を凍結させ、地下流水が存在するような場合でも、冷熱エネルギーが逸散することなく、確実かつ効率的な凍結がなされるようにしたものである。

特許文献４の発明は、軟弱地盤や湧水の多い地盤等のトンネル掘削工法であり、凍結管による凍結工法に代えて、トンネルの切羽部分に液化ガスの冷気を吹き付け、当該切羽部分の地山を凍らせながらトンネルの掘削作業を行うものである。

特許文献５の発明は、山岳トンネルのトンネル先受け工法において、湧水性地盤を含む地山であっても、湧水対策を兼ねた施工を行うものであり、トンネル掘削領域の上方に先受け工として、非湧水性地盤には有孔鋼管が、湧水性地盤には凍結管が配置されるように既設トンネル先端部から打設し、有孔鋼管からは注入材を地山に注入して改良体を造成し、凍結管では地盤を凍結させて凍土を形成し、これらをトンネル上方にアーチ状に形成するものである。

特許第２９４１２６９号公報 特開平３−１３６８８号公報 特開平３−１３６９０号公報 特開平１０−１８７５５号公報 特開２００５−３４４４６０号公報

前述したように、地層処分における湧水対策には、グラウト材料として強度や長期安定性の点で信頼性の高いセメントを主体とした非薬液系が選定され、また、高レベル放射性廃棄物地層処分の分野では、この高アルカリの地下水が緩衝材(人工バリア)や周辺岩盤(天然バリア)を変質させ、高レベル放射性廃棄物地層処分において必要な人工バリアと天然バリアの機能を損なうことが想定されるため、グラウト材として低ｐＨセメントが望まれているが、低ｐＨセメントは硬化速度が遅く、湧水を止めることができない。

また、前述した先行技術文献等の凍結工法による湧水対策は、坑道への湧水を一時的に止められても、強度や長期安定性が要求される地層処分のグラウト材料として用いることはできない。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたもので、放射性廃棄物等の地層処分において、硬化速度が遅いが、緩衝材や周辺岩盤を変質させない低ｐＨセメント等の非薬液系グラウト材料を用いた信頼性の高い止水が可能となる坑道周辺複合グラウト止水工法を提供することにある。

本発明の請求項１に係る発明は、掘削された坑道への湧水を防止する坑道周辺の止水工法であり、坑道周辺（坑道切羽や坑道周囲）近傍を凍結工法により凍結させて坑道への湧水を止めた後、前記凍結領域周囲の外側領域に低ｐＨの非薬液系グラウト材料を注入し、前記凍結領域が融解した後、当該凍結領域の坑道周囲に低ｐＨの非薬液系グラウト材料を注入することを特徴とする坑道周辺複合グラウト止水工法である。

本発明における低ｐＨの非薬液系グラウト材料とは、主として、低アルカリ（ｐＨが12.5から13程度の高アルカリよりｐＨが低いもの）で、セメントを主体とした非薬液系すなわちセメント系（セメントミルク、セメントモルタル、セメントベントナイト等）のグラウト材料（低ｐＨセメント系グラウト材料）をいう。一例として、硬化速度の遅い所謂低ｐＨセメントが用いられる。このようなセメント系以外でも、低ｐＨで非薬液系のグラウト材料であれば、用いることができる。

本発明では、例えば図１〜図３に示すように、硬化速度の遅い低ｐＨセメント等でも硬化できるように、凍結工法を用いて一時的に坑道周辺近傍の湧水を止める（坑道への地下水流動を止める）。凍結領域周囲の外側領域に低ｐＨセメント等を注入し硬化させる。一時的な坑道周辺近傍の止水に、地質環境特性に与える影響が不明確な硬化速度が速い薬液系（水ガラス系と高分子系）や非薬液系での急硬材の添加の代わりに、凍結工法（凍結管や冷気吹付け等）を採用する。例えば図４に示すように、凍結工法を用いて一時的に湧水を止めた箇所（凍結領域の坑道周囲）にも、融解後（自然融解や強制融解）、低ｐＨセメント等を用いて坑道周囲近傍を硬化させる。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の坑道周辺複合グラウト止水工法において、凍結領域は、坑道切羽とその坑道周囲近傍であることを特徴とする坑道周辺複合グラウト止水工法である。

これは、図２に示すように、坑道切羽において湧水が生じた場合であり、トンネル掘削機の組込凍結管・補助凍結管などを用いて坑道切羽とその坑道周囲近傍（切羽外周部分）を凍結させる。図３に示すように、凍結領域周囲の外側領域に低ｐＨセメント等を注入し硬化させ、融解後、図４に示すように、凍結領域の坑道周囲（切羽外周部分）に低ｐＨセメント等を注入し硬化させる。止水範囲は、湧水箇所や湧水圧などにより決定する。なお、本発明は基本的に切羽部や坑道周辺から湧水が生じた場合に適用されるが、湧水発生前に適用することを排除するものではなく、また全面改良すべき箇所があれば連続的に適用することもある。

本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載の坑道周辺複合グラウト止水工法において、凍結領域は、坑道切羽における坑道周囲近傍の凍結を繰り返すことにより坑道軸方向に沿って連続して形成されていることを特徴とする坑道周辺複合グラウト止水工法である。

これは、図５に示すように、対象領域が全体的に高透水の場合であり、前述した切羽部分での止水（凍結工とグラウト工）を坑道軸方向に沿って連続的に繰り返すことにより、坑道周囲の外側に低ｐＨセメント等を用いたグラウト領域、内側に融解後の低ｐＨセメント等を用いたグラウト領域を連続的に形成する。坑道周囲の透水性を低下させることができる。

本発明の請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３に記載の坑道周辺複合グラウト止水工法において、坑道切羽より後方の位置の坑道内から坑道切羽における凍結領域の外側領域に向けて注入孔を削孔し、凍結領域の外側領域に低ｐＨの非薬液系グラウト材料を注入することを特徴とする坑道周辺複合グラウト止水工法である。

これは、図３に示すように、凍結領域を削孔することなく、凍結領域の外側領域にグラウトを行う場合であり、坑道内から注入孔を傾斜させ凍結領域を避けて削孔することにより、凍結領域に水みちが形成されるのが防止される。

以上のような本発明においては、
（1）凍結工法を用いることにより、一時的に坑道周辺の湧水を止めることができ、坑道への湧水を止めることで、坑道周辺の地下水流動を抑制でき、硬化速度の遅い低ｐＨセメント等を用いても十分に硬化させ、止水することが可能となる。

（2）坑道周辺近傍の凍結領域が融解しても、その外側領域の低ｐＨセメント等を用いたグラウトにより地下水流動が抑制されているため、坑道周囲近傍にも硬化速度の遅い低ｐＨセメント等を用いて止水することができる。

（3）凍結工法を用いることにより、一時的な止水に、地質環境特性に与える影響が不明確な硬化速度が速い薬液系（水ガラス系と高分子系）や非薬液系の急硬材を用いないで済むと共に、一時的な止水の時間調整が可能となる。

（4）坑道周辺を低ｐＨセメント等を用いて連続的に止水し、透水性を低下させることにより、高レベル放射性廃棄物地層処分で核種の移行経路と考えられているゆるみ域の遮断が併せて可能となる。

なお、本発明で用いる低ｐＨセメントは、ｐＨが12.5よりも小さく、緩衝材や周辺岩盤を変質させない性能を有するものであればよい。また、本発明は、特に高レベル放射性廃棄物の地層処分に有効に適用されが、その他の廃棄物の地層処分にも適用することができる。

本発明は、以上のような構成からなるので、次のような効果が得られる。
（1）凍結工法を用いて一時的に坑道周辺の湧水を止め、その外側に低ｐＨセメントをグラウトし、融解後の凍結領域にも低ｐＨセメント等の非薬液系グラウト材料をグラウトするため、硬化速度が遅いが、緩衝材や周辺岩盤を変質させない低ｐＨセメント等の非薬液系グラウト材料を用いた信頼性の高い止水が可能となる。

（2）高レベル放射性廃棄物地層処分においては、本発明の低ｐＨセメント等の非薬液系グラウトを坑道軸方向に連続させることにより、核種の移行経路と考えられているゆるみ域の遮断も併せて可能となる。

以下、本発明を図示する実施の形態に基づいて説明する。この実施形態は、高レベル放射性廃棄物の地層処分に適用した例である。図１は、本発明で用いる坑道切羽での凍結工法の一例を示す鉛直断面図である。図２は、本発明の坑道切羽での凍結工法の止水範囲を示す水平断面図である。図３は、本発明の凍結後の低ｐＨセメントを用いたグラウト範囲を示す水平断面図である。図４は、本発明の融解後の低ｐＨセメントを用いたグラウト範囲を示す水平断面図である。

図１、図２に示すように、地下深部の安定した岩盤の天然バリアＣ内にシールド機１０により坑道１が掘削され、湧水を有する亀裂Ｋにより坑道切羽において湧水が生じた場合、切羽とその坑道周囲近傍を凍結工法により凍結させ、凍結領域２により、一時的に坑道周辺近傍の湧水を止め、坑道１への地下水流動を止める。

図１に示すように、シールド機１０の組込凍結管１１により切羽部分２ａを凍結させ、坑道周辺に差し込んだ補助凍結管１２により坑道周囲近傍の切羽外周部分２ｂを凍結させる。図２に示すように、切羽前面の切羽部分２ａとその外周におけるリング状の切羽外周部分２ｂにより凍結領域２が形成される。その止水範囲は、亀裂Ｋによる湧水箇所や湧水圧などにより決定される。また、補助凍結管１２を埋め込むために用いた削孔は、適切な埋め戻し材で埋め戻し、水みちが形成されないようにする。

凍結工法による止水が終了した後、図３に示すように、凍結領域２の周囲の外側領域に低ｐＨセメントを注入し硬化させ、凍結領域２を覆うリング状の低ｐＨセメントグラウト外側領域３を形成する。このグラウト外側領域３の坑道軸方向の長さは、凍結領域２の切羽外周部分２ｂを完全に覆うようにするのが好ましい。

このグラウト外側領域３へのグラウト注入は、凍結領域２に水みちが形成されないように、切羽より後方（坑口側）の位置の坑道１内から切羽におけるグラウト外側領域３に向けて注入孔１３を広がるように傾斜させて削孔し、グラウト外側領域３に低ｐＨセメントを注入する。

凍結領域２が融解した後、図４に示すように、その凍結領域２の坑道周囲の切羽外周部分２ｂに低ｐＨセメントを注入し硬化させる。リング状の低ｐＨセメントグラウト外側領域３の内側に、坑道１を覆うリング状の低ｐＨセメントグラウト内側領域４が形成される。これにより、硬化速度が遅いが、緩衝材や周辺地盤を変質させない低ｐＨセメントを用いたグラウト領域３、４により信頼性の高い止水がなされる。

凍結領域２は、自然融解を基本とするが、強制融解でもよい。強制融解の場合、凍結管を融解管として用いることもできる。低ｐＨセメントグラウト外側領域３の低ｐＨセメントグラウトが硬化して十分な止水効果が得られた段階で、凍結領域２が融解するように設定される。

次に、図５は、対象領域が全体的に高透水の場合のグラウト範囲の例を示す水平断面図である。この場合も、坑道周囲近傍の凍結領域２の周囲に凍結領域２を覆う坑道軸方向に連続した低ｐＨセメントグラウト外側領域３が形成され、凍結領域２に坑道軸方向に連続した低ｐＨセメントグラウト内側領域４が形成される。前述した切羽部分での図１〜図４に示す凍結工とグラウト工を坑道軸方向に沿って連続的に繰り返すことにより、図５に示すグラウト領域を連続的に形成することができる。坑道周囲の透水性を低下させることができる。

このような連続したグラウト領域は、図６に示すような、核種の移行経路と考えられているゆるみ域の止水に適用することができる。高レベル放射性廃棄物地層処分においては、地下深部に掘削された処分坑道１内に廃棄体Ａが横置きで配置され、ベントナイト緩衝材などの人工バリアＢで埋め戻される。処分坑道１の周囲には、掘削によりゆるみ域Ｙが形成される。このゆるみ域Ｙに図５の連続したグラウト領域３、４で止水することにより、核種の移行経路と考えられているゆるみ域Ｙを遮断することができる。

なお、以上は放射性廃棄物の地層処分に適用した場合について説明したが、その他の廃棄物の地層処分の坑道周辺の止水にも適用することができる。

本発明で用いる坑道切羽での凍結工法の一例を示す鉛直断面図である。 本発明の坑道切羽での凍結工法の止水範囲を示す水平断面図である。 本発明の凍結後の低ｐＨセメントを用いたグラウト範囲を示す水平断面図である。 本発明の融解後の低ｐＨセメントを用いたグラウト範囲を示す水平断面図である。 本発明の対象領域が全体的に高透水の場合のグラウト範囲の例を示す水平断面図である。 核種の移行経路と考えられているゆるみ域を示す鉛直断面図である。 高レベル放射性廃棄物地層処分場の一例を示す部分断面斜視図である。 高レベル放射性廃棄物の地層処分における廃棄体の定置方式の一例を示す部分断面斜視図である。

符号の説明

Ａ…廃棄体
Ｂ…人工バリア（ベントナイト緩衝材）
Ｃ…天然バリア（岩盤）
Ｋ…湧水を有する亀裂
Ｙ…ゆるみ域
１…坑道（処分坑道）
２…凍結領域
２ａ…切羽部分
２ｂ…切羽外周部分
３…低ｐＨセメントグラウト外側領域
４…低ｐＨセメントグラウト内側領域
１０…シールド機
１１…組込凍結管
１２…補助凍結管
１３…注入孔

Claims (4)

1. 掘削された坑道への湧水を防止する坑道周辺の止水工法であり、
   坑道周辺近傍を凍結工法により凍結させて坑道への湧水を止めた後、前記凍結領域周囲の外側領域に低ｐＨの非薬液系グラウト材料を注入し、前記凍結領域が融解した後、当該凍結領域の坑道周囲に低ｐＨの非薬液系グラウト材料を注入することを特徴とする坑道周辺複合グラウト止水工法。
2. 請求項１に記載の坑道周辺複合グラウト止水工法において、凍結領域は、坑道切羽とその坑道周囲近傍であることを特徴とする坑道周辺複合グラウト止水工法。
3. 請求項１に記載の坑道周辺複合グラウト止水工法において、凍結領域は、坑道切羽における坑道周囲近傍の凍結を繰り返すことにより坑道軸方向に沿って連続して形成されていることを特徴とする坑道周辺複合グラウト止水工法。
4. 請求項２又は請求項３に記載の坑道周辺複合グラウト止水工法において、坑道切羽より後方の位置の坑道内から坑道切羽における凍結領域の外側領域に向けて注入孔を削孔し、凍結領域の外側領域に低ｐＨの非薬液系グラウト材料を注入することを特徴とする坑道周辺複合グラウト止水工法。
   

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