JP2008285811A - 地盤硬化材注入工法とその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、地盤硬化材を高圧噴射する噴射ノズルは、注入ロッドの側壁に設定されるため、圧送されてきた地盤硬化材はノズル部において略直角に屈折することになり、屈折部において発生する乱流によって圧送エネルギーが消耗減衰されてしまうという問題がある。
【解決手段】上記の課題に対応してこれを解決するため、注入ロッドの核ノズル２１に連絡する硬化材料圧送流路１２の所定部位から核ノズルに至る部位に旋回流誘導構造３を形成して圧送材料を旋回誘導し、エネルギーロスの少ない旋回流を発生させるように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は構築基礎地盤の強化支保、或いは地盤の安定化や止水を目的として対象地盤に地盤硬化材を高圧注入して地盤中に地盤硬化材層を造成する地盤硬化材注入工法とその装置に関するものである。

従来、地盤の覆工支保や強化支保、或いは止水を目的とする硬化材層造成のための地盤硬化材注入は、硬化材噴流の到達距離を少しでも伸長して大径の硬化材層を造成することを理想とし様々な工夫が凝らされ、その１つとして核ノズルとこれを囲繞する環状ノズルからなる重合噴射ノズルにより硬化材噴流をエアーで包合して保護し到達距離を延長する方法（例えば特許文献１参照）が開発されている。

また、硬化材噴流に先立って清水噴射による事前改良を行い、硬化材噴流の有効射程を延長し（例えば特許文献２参照）、或いは余剰スライムを吸引機構によって吸引し（例えば特許文献３参照）てスライムの排出を良くする手段等が講じられてきた。

更に、側方噴射ノズルの内壁を螺旋構造とすることにより、高圧噴射される硬化材噴流に螺旋回転を与えて有効射程を延長（例えば特許文献４参照）する手段等も講じられてきた。
特公平７ー１００９３１号公報 特許第２８６５６５３号公報 特公平６ー２９５０６号公報 特開昭６３ー２８９１１０号公報

しかしながら、地盤硬化材を高圧噴射する噴射ノズルは、注入ロッドの側壁に設定されるため、圧送されてきた地盤硬化材はノズル部において略直角に屈折することになり、屈折部において発生する乱流によって圧送エネルギーが消耗減衰されてしまう問題がある。

また、硬化材噴流の到達距離を伸ばすために注入圧を高圧化すれば、それだけの危険を伴うほか、地盤に不自然な負荷を掛けて地盤隆起等の現象を発生させる恐れもあり、注入材料もそれだけ多量に必要となり、コスト的にも大きな負担となる。

更に、従来の注入ロッド内における硬化材圧送流路の径は、構造上の理由から多少の容積径に差異が生ずることはあるものの大きく変化することはなく、曲折等による乱流の発生等による圧送エネルギーの消耗減衰に対しては、特許文献４に記載の発明のように硬化材噴流に螺旋回転を与えて噴射時にエネルギーを付加することのほか、意識的に圧送力を変化させることは行われていない。

本発明は、上記の課題に対応してこれを解決するため、注入ロッドの核ノズルに連絡する硬化材料圧送流路の所定部位から核ノズルに至る部位に旋回流誘導構造を形成して圧送材料を旋回誘導し、エネルギーロスの少ない旋回流を発生させるように構成した。

また、材料圧送流路を先端モニター部から拡径し、拡径部から核ノズル入口に到る所定範囲に旋回流誘導構造を形成し、旋回流誘導構造によって形成される流体誘導流路を螺旋旋回角度のまま伸長してそれぞれの核ノズルに連通させて誘導された高圧噴流を注入ロッド管壁に対して斜め方向（注入ロッド横断面円との同芯円円弧に対する接線方向）に噴射するようにした。

即ち、注入ロッドの核ノズルに連絡する材料圧送流路を先端モニター部において拡径することにより、強力な送圧が開放されると共に旋回流誘導構造によって圧送流路内を螺旋旋回流として圧送され、注入ロッド管壁に対して斜め方向に開口する核ノズルに螺旋旋回角度のまま直進進行して噴射されるもので、硬化材流は屈折することなく、円滑に核ノズル入口に集中され、流速が高められるようにしたものである。

更に、旋回流誘導構造を構成する螺旋状の案内溝若しくは突条或いは板翼を、複数の案内溝若しくは突条或いは板翼が並列旋回する多条螺旋構造に構成し、並列旋回する多条誘導路にそれぞれ対応する核ノズルを開口させることにより、注入ロッド管壁に複数の重合噴射ノズルを設定するようにした。

注入ロッド管壁に設定された複数の重合噴射ノズルは、注入ロッド管壁の上下段差部位若しくは同一レベル部位に設けるように構成して硬化材層造成の施工環境に応じて、上下に拡散する注入に対応し、或いは、同一レベル部位に集中して円盤状の放射注入に対応する。

また、噴射ノズルが注入ロッド管壁に対して斜め方向に開口しているので、注入ロッドの回動方向によってロッドの回動を、高圧噴流の噴射方向に逆行させたり、順行させたりすることができる。

即ち、ロッドの回動が高圧噴流の噴射方向に逆行する場合には、硬化材噴流が切削地盤に対向するので地盤に対する破砕力が増強されるのに対し、順行する場合には、硬化材噴流が切削地盤に順応するので破砕によるエネルギー消費がなく、噴射エネルギーがそのまま土粒子に対する浸透推進力として働く。

本願発明の特徴は、注入ロッドの核ノズルに連絡する材料圧送流路に旋回流誘導構造を形成することにより、高圧噴流の自然な流動性向を維持してエネルギーの効率化と噴射時におけるエネルギー付加をも達成したものである。

以下図面に従って本発明の実施の形態を説明する。１は注入ロッドで、スイベル１１を介して噴射材料槽に連絡するロッド内の分隔された流路１２、１３から成る全体として２重管で構成され、先端部側壁には、中心部に核ノズル２１、その周囲を囲んで囲周ノズル２２が重合開口する重合噴射ノズル２が設定され、核ノズル２１が流路１２に、囲周ノズル２２が流路１３に連通する。

流路１２はスイベル１１からモニターＡの部分までの狭径部１２ａ、モニターＡの部分からノズル口までの拡径部１２ｂから成り、拡径部１２ｂの先端底部に設定された清水噴出孔１４に連絡すると共に、モニターＡの先端側壁部に設定された重合噴射ノズル２の核ノズル２１に集中して連通開口する。なお、モニターＡの部分からノズル口までの拡径部１２ｂは、必ずしも設ける必要はなく、流路１２をノズル口まで同一径に構成し、適宜部位に旋回流誘導構造３を形成するようにしても良い。

清水噴出孔１４は、ボール４１の投入による噴出孔閉鎖のために拡径部１２ｂの先端底部に形成されたボール弁座４を介して下方に開口するが、流路１３は流路１２の外周に沿って環状に形成され、モニターＡの先端側壁部に設定された重合噴射ノズル２の囲周ノズル２２に集中して連通開口し、先端側は閉鎖状態となる。なお、清水噴出孔の開閉はボール投入によらず、差圧弁によることもでき、この場合にはボール弁座４に代えて差圧弁が設定されることになる。

流路１２は、狭径部１２ａから拡径部１２ｂに連絡するテーパー状の基部Ｅ付近から核ノズルに至る流路内壁面に螺旋状に案内溝若しくは突条による旋回流誘導構造３が形成され、狭径部１２ａから拡径部１２ｂに開放された高圧噴流は、この旋回流誘導構造３によって旋回エネルギーが加えられて核ノズル２１に集中噴射される。

旋回流誘導構造３の案内溝若しくは突条或いは板翼によって形成される流体誘導流路３１は、図６に示すように螺旋角度のまま伸長してそれぞれの核ノズルに開通させて１つ又は複数の高圧噴流を注入ロッド管壁に対して斜め方向に噴射するようになっており、対象地盤に対して直角ではなく斜め方向に切削する効率的な方向付けを行うようにしている。

旋回流誘導構造３における案内突条は条体素材に限らず加工螺旋板を、流路に対してオーガー翼状に張出設定しても良い。また、核ノズル入口まで接合しないで、図２、図３に示すように核ノズル入口上部の所定範囲にのみ設定すれば、高圧送により旋回力を維持したまま核ノズル入口に達する。更に、案内溝を用いる場合には、案内溝は施工環境に応じてその断面形状を変化させることにより、様々な効果を挙げることができる。

また、旋回流誘導構造３を複数の案内溝若しくは突条が並列旋回する多条螺旋構造に構成することによって、図４に示すように複数の流れ１、２が並列旋回する独自の高圧噴流を創成することができる。

多条螺旋構造ににより、複数に設定された重合噴射ノズル２は図３に示すように上下段差部位、若しくは図７に示すように同一レベル部位からの複数の高圧噴流を注入ロッド管壁に対して斜め方向に噴射させる。

重合噴射ノズル２からの硬化材噴射が、注入ロッド管壁に対して斜め方向に噴射されることにより、注入時における注入ロッドの回動を高圧噴流の噴射方向に逆行する方向、或いは順行する方向に選択することができ、注入施工環境に即応した注入を行えるようにしている。

このような旋回流誘導構造３は、流路内壁面に螺旋状に案内溝若しくは突条やオーガー翼の設定によるほか、図５に示すように、芯材に螺旋翼若しくは多条螺旋翼を付設した軸体を先端モニター部の流路スーペス内に格納して構成することもできる。

従って、図５に示すように複数の案内溝若しくは突条３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを並列旋回させて設定すると共に、これによって形成される流路のの開口部を、それぞれ核ノズルの開口部に構成して注入ロッド１に複数の重合噴射ノズル２を設け、それぞれ異なった角度方向から高圧噴流を旋回噴射することにより独自の破砕攪拌力を得ることができる。

図６は４条に構成した案内溝３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが流路拡径部１２ｂ内を並列走行する状態を流路拡径部の横断面斜視図として示したもので、それぞれの案内溝に対応して重合噴射ノズル２を設けることにより、異なった角度方向から複数の高圧旋回噴流が周辺土壌を交差攪拌して、噴射により注入ロッドにかかる偏った反力が相殺されてロッドのぶれや撓みがなくなり、安定した注入による均質な硬化材混入層が造成されるものである。

流路１２の狭径部１２ａから拡径部１２ｂへの連絡は、モニターＡのテーパー状の基部Ｅを介してロッド先端部を構成し重合噴射ノズル２が設定されるモニター部Ａへの連通によって行われ、その外径は上部のロッド本管Ｂの外径より大径に構成され、モニター部の挿入掘削によりロッド本管Ｂと挿入孔Ｃの内壁の間にクリアランスが形成される。

更に、注入ロッド１にはその外表部に、所定間隔毎に前記モニター部Ａの外径と同一にした外殻体１５が設定され、設定された複数の外殻体の外表が全体として注入ロッド１の外表と挿入孔Ｃの内壁との間のクリアランスを維持するスペーサーを形成するように構成されている。

注入ロッド１の後端はスイベル１１となっており、ロッド内の各流路の対応部とその噴射材料槽に連絡するホース８、８に連結すると共に、基台６上に装置された注入ロッド駆動部５と作動機構７に支持される。

ロッド１は上記のように全体として２重管で構成され、その中心部は掘削下降時には清水供給路、硬化材の噴射注入を行う上昇時には硬化材供給路に切り換えられる流路１２、その外周に環状に囲周ノズル２２に噴射エアーを供給するエアー供給流路１３が形成される。

以上のように構成された地盤硬化材注入装置は対象地盤上に設置され、先ず、流路１２に潤滑清水を供給して先端噴出孔１４から噴出し、注入ロッド作動機構７によって注入ロッド１に対して回転等の作動を与えながら前進させて、ロッドクラウンの掘削刃９と注入ロッド１の回転によって注入ロッドを対象地盤Ｇに挿入させる。

このように注入ロッド１を対象地盤Ｇに向けて推進挿入し、所定の深度に達したところで、スイベル１１を外し流路１２に連通する連結部からボール３を投入すると、ボール３は重力によって落下搬送され噴出孔１４に設定された弁座４に嵌入して噴出孔１４を閉塞する。

同時に、それまで清水を供給していたホース８を硬化材に切替える。地盤硬化材としてはセメントミルクを用い、硬化材圧送の送圧力を２０〜３０メガパスカル、硬化材吐出量を１００〜２００リットル／分程度の高圧噴流として囲周ノズル２２からのエアー噴射と共に噴射し、上昇速度を１５分／メートル程度とするものである。

流路１２に圧送された硬化材は、狭径部１２ａから拡径部１２ｂに至ると、流路の拡張によって内圧が発散してモニターＡのテーパー斜面壁に誘導され、旋回流誘導構造３によって旋回エネルギーが付加され、更に、流線湾曲面に構成された内壁によって流速を高められ、乱流や流路抵抗が最小限に抑えられてノズル２１の入口に集中する流線テーパーによって搬送されるので、ロッドの引揚げ時間を従来の２分の１程度としても注入密度を十分に維持することができる。

エア供給路１３に供給されたエアは、重合噴射ノズル２の囲周ノズル２２に供給されて上記硬化材噴流の包合噴流体として噴射されるので、前記乱流や流路抵抗の減殺と相まって核ノズルの口径を拡大することを可能にし、より短時間で硬化材噴流の到達距離の長い硬化材注入層Ｘの造成を行えるようにした。

このようにして重合噴射ノズル２から硬化材とエアーの包合旋回噴流を噴射し、注入ロッド１を回転若しくは所定角度によって往復回動させながら抜去方向に１メートル当たり１５分でステップアップして後退上昇させることにより、硬化材高圧噴流Ｙは周辺地盤を穿孔切削し土粒子を破砕して、対象地盤Ｇに注入ロッド１の駆動軌跡に沿って円筒状に硬化材注入層Ｘを造成する。

次いで、隣接位置に注入ロッドを設定して同様に硬化材注入層の造成を行って側腹部を相互に交差接合させてを造成し、更に、同様の硬化材注入層を次々に隣接させて所定形状に並列することにより、所定の注入層構造体を造成していくものである。

本発明は以上のように構成したので、硬化材圧送流路の曲折等による乱流の発生による圧送エネルギーの消耗減衰を防止すると共に、狭径部から拡径部に至る流路の拡張、旋回流誘導構造３による旋回エネルギーの付加、拡径流路におけるテーパー斜面壁１６と流線湾曲面１７に構成された内壁によって圧送エネルギーを従来に倍加する効率によって活用することを可能としたものである。

本発明の実施例を示すもので、地盤硬化材注入層造成の施工状況を示す注入装置と地盤の全体を側面から見た施工説明図 同じく、本発明の実施例による旋回流誘導構造を単条螺旋構造とした注入ロッドの構造を示すもので、硬化材流路の所定範囲にのみ旋回流誘導構造を設定した場合における先端モニター部の要部構造を示すため注入ロッドの一部外郭部を切欠する等した縦断面側面図 同じく、本発明の他の実施例による旋回流誘導構造を多条螺旋構造とした注入ロッドの構造を示すもので、硬化材流路の所定範囲にのみオーガー翼体を収納した旋回流誘導構造を設定した場合における先端モニター部の要部構造を示すため注入ロッドの一部外郭部を切欠する等した縦断面側面図 同じく、旋回流誘導構造において複数の流れ１、２が並列旋回する流路内壁面を切割展開図として示す多条螺旋構造の模式説明図 同じく、本発明の他の実施例による旋回流誘導構造を多条螺旋構造とした注入ロッドの構造を示すもので、旋回流誘導構造を、芯材に多条螺旋翼を付設した軸体を先端モニター部の流路スーペス内に格納して構成した場合における先端モニター部の要部構造を示すため注入ロッドの一部外郭部を切欠する等した縦断面側面図 同じく、流路内壁面における旋回流誘導構造を、４条の多条螺旋構造に構成し、その各流体誘導路の開口部を、それぞれ核ノズルの開口部に構成した状態における注入ロッド重合噴射ノズル設定部の構造を示す注入ロッド重合噴射ノズル設定部の横断面図 同じく、本発明の実施例による旋回流誘導構造を多条螺旋構造とした注入ロッドの構造を示すもので、重合噴射ノズルを同一レベル部に設定した場合における先端モニター部の要部構造を示す注入ロッドの縦断面側面図 同じく、重合噴射ノズルの正面からの外観状况を示す注入ロッドのノズル設定部分拡大正面図

符号の説明

１ 注入ロッド
１１ スイベル機構
１２ 核ノズルに連通する流路
１２ａ 核ノズルに連通する流路の狭径部
１２ｂ 核ノズルに連通する流路の拡径部
１３ 囲周ノズルに連通する流路
１４ 清水噴出孔
１５ ロッドに設定される外殻体
２ 重合噴射ノズル
２１ 同核ノズル
２２ 同囲周ノズル
３ 旋回流誘導構造
３ａ 多条螺旋構造として並列旋回する案内溝若しくは突条
３ｂ 多条螺旋構造として並列旋回する案内溝若しくは突条
３ｃ 多条螺旋構造として並列旋回する案内溝若しくは突条
３ｄ 多条螺旋構造として並列旋回する案内溝若しくは突条
４ ボール弁座
４１ ボール
５ 注入ロッド駆動部
６ 基台
７ 注入ロッド作動機構
８ 噴射材料槽に連絡するホース
９ ロッドクラウンの掘削刃
Ａ ロッドモニター部
Ｂ ロッド本管
Ｃ ロッド挿入孔
Ｅ ロッドモニターのテーパー基部
Ｇ 対象地盤
Ｘ 地盤硬化材注入層
Ｙ 硬化材高圧噴流

Claims (13)

1. 先端部に清水噴出孔、同側壁に核ノズルと囲周ノズルから成る重合噴射ノズルを設けた注入ロッドの、上記核ノズルに連絡する材料圧送流路に、その所定部位から核ノズルに至る部位に旋回流誘導構造を形成した注入ロッドを、先端部から清水を噴出しつつ回動下降させて対象地盤の所定深度まで挿入し、所定深度において清水噴出孔を閉鎖すると共に、重合噴射ノズルの核部から高圧による地盤硬化材、囲周部からエアを噴射しつつ、注入ロッドを回動上昇させて円柱状の硬化材注入層を造成することを特徴とする地盤硬化材注入工法
2. 流路の所定部位間における旋回流誘導構造を、先端モニター部から核ノズル入口に到る所定範囲とし、同先端モニター部から上記材料圧送流路を拡径するようにすると共に、旋回流誘導構造として同材料圧送流路の流路内壁面に螺旋状に案内溝若しくは突条或いは板翼を形成した注入ロッドを用いるようにした請求項１記載の地盤硬化材注入工法
3. 旋回流誘導構造における螺旋状の案内溝若しくは突条或いは板翼を、複数の案内溝若しくは突条或いは板翼が並列旋回する多条螺旋構造に構成した請求項１又は請求項２記載の地盤硬化材注入工法
4. 旋回流誘導構造の案内溝若しくは突条或いは板翼によって形成される流体誘導流路を螺旋角度のまま伸長してそれぞれの核ノズルに開通させ、１つ又は複数の高圧噴流を注入ロッド管壁に対して斜め方向に噴射口が形成されるようにした請求項１又は請求項２又は請求項３記載の地盤硬化材注入工法
5. １つ又は上下段差部位若しくは同一レベル部位からの複数の高圧噴流を注入ロッド管壁に対して斜め方向に噴射させると共に、高圧噴流の噴射方向に逆行する方向に注入ロッドを回動させるようにした請求項４記載の地盤硬化材注入工法
6. １つ又は上下段差部位若しくは同一レベル部位からの複数の高圧噴流を注入ロッド管壁に対して斜め方向に噴射させると共に、高圧噴流の噴射方向に順行する方向に注入ロッドを回動させるようにした請求項４記載の地盤硬化材注入工法
7. 先端部に清水噴出孔、同側壁に核ノズルと囲周ノズルから成る重合噴射ノズルを設けた注入ロッドの上記核ノズルに連絡する硬化材料圧送流路の所定部位から核ノズルに至る流路に旋回流誘導構造を形成した注入ロッドを、回転上下動機構に支持して成ることを特徴とする地盤硬化材注入装置
8. 注入ロッドの硬化材料圧送流路の旋回流誘導構造の形成を、先端モニター部の部位からとし、同先端モニター部から上記硬化材料圧送流路を拡径するようにした請求項７記載の地盤硬化材注入装置
9. 旋回流誘導構造の形成を、注入ロッドの流路内壁面に螺旋状に案内溝若しくは突条或いは板翼を設定して行うようにした請求項７又は請求項８記載の地盤硬化材注入装置
10. 螺旋状の案内溝若しくは突条或いは板翼による旋回流誘導構造を、複数条の案内溝若しくは突条或いは板翼が並列旋回する多条螺旋構造に構成した請求項７又は請求項８又は請求項９記載の地盤硬化材注入装置
11. 螺旋構造の案内溝若しくは突条或いは板翼によって形成される流体誘導流路を螺旋角度のまま伸長して核ノズルに開通させ、１つ又は複数の高圧噴流が注入ロッド管壁に対して斜め方向に噴射する噴射口に形成した請求項８又は請求項９又は請求項１０記載の地盤硬化材注入装置
12. 多条螺旋構造の案内溝若しくは突条或いは板翼によって形成される流体誘導流路を螺旋角度のまま伸長してそれぞれの対応する核ノズルに開通させて複数の重合噴射ノズルを、注入ロッド管壁の上下段差部位若しくは同一レベル部位に設けるように構成した請求項８又は請求項９又は請求項１０又は請求項１１記載の地盤硬化材注入装置
13. 旋回流誘導構造を、芯材に螺旋翼若しくは多条螺旋翼を付設した軸体を先端モニター部の流路スーペス内に格納して構成するようにした請求項８又は請求項９又は請求項１０又は請求項１１又は請求項１２記載の地盤硬化材注入装置

Images