JP2009144453A - 注入工法 - Google Patents

Abstract

【課題】注入経路にブリッジが形成されても、それを解消して、セメントグラウトの注入を継続することが出来る注入工法の提供。
【解決手段】セメントグラウトの注入が完了する兆候を検出し（Ｓ２）、係る兆候がセメントグラウトの充填により生じたのか、あるいは、セメント粒子による閉塞（ブリッジの形成）により生じたのかを判定し（Ｓ１１）、当該判定（Ｓ１１）では、セメントグラウトを孔口側に逆流させてセメント粒子による閉塞を解消している。
【選択図】図１

Description

本発明は、岩盤の割れ目にセメントグラウトを注入する注入工法に関する。

岩盤の割れ目にセメントグラウトを注入する注入工法は、主にダム、トンネル等の工事で、岩盤の補強や遮水性の向上のために用いられる。ダムやトンネルは、常時大きな水圧や土圧が作用しており、長期耐久性が要求される。
ここで、セメントの粒子は大きい。そのため、セメントと水の混合体であるセメントグラウトは、浸透性が低い。また、大きな粒子であるセメント粒子が沈降してしまうことにより、材料分離が生じ易い。

岩盤のグラウチングにおいては、設計量を注入するのではなく、「セメントグラウトが浸透しなくなるまで注入する」というのが基本とされている。そして、浸透量が閾値未満の状態が、所定時間以上続くと、「浸透しなくなった」「入らなくなった」と判断する。
セメントグラウトが浸透しなくなるまで注入する作業が、いわゆる「ダメ押し」と言う作業である。

セメントグラウトのように、浸透し難い材料を用いて、遮水性を高めるため、厳しい目標が設定されている。
ここで、セメントグラウトを改良するべき岩盤に注入するに際して、非常に早い時期に、「ダメ押し」が行われてしまう場合がある。
その原因の主要な一つとして、図８に示すように、岩盤Ｇ中のセメントグラウトＣｇが注入される経路Ｇｃに、例えば、狭隘部（ボトルネック）Ｎが存在し、狭隘部Ｎがセメント粒子Ｐｃにより閉塞することが挙げられる。係る場合には、セメントグラウトＣｇはそれ以上注入されなくなり、非常に早い時期に、「ダメ押し」が行われてしまう。

係る閉塞は、図２で示す様に、アーチ（ブリッジＢ）が形成されることにより発生する。
狭隘部ＮにおいてブリッジＢ（図２参照）が形成されて閉塞されてしまうと、注入圧力や注入流量等に関しては、その計測結果は、セメントグラウトＣｇが充分に注入されて、それ以上注入できない場合と同様の挙動を示す。
そのため、狭隘部ＮにおいてブリッジＢが形成されると、セメントグラウトＣｇが充分に注入されたと誤判定されて、「ダメ押し」が行われてしまう。

狭隘部ＮにおいてブリッジＢが形成され、セメントグラウトＣｇが充分に注入されたと誤判定されて「ダメ押し」が行われてしまうと、セメントグラウトＣｇの注入時間が短くなり、本来セメントグラウトＣｇが注入されるべき量に比較して注入量が不十分になる。
その結果、岩盤の割れ目へのセメントグラウトの充填が不十分になる。

その他の従来技術として、溶液グラウトを地盤に注入した後、注入率と固結状況を把握し、改良された地盤の固結した範囲と分布を確認し、以って、地盤改良の効果を確認する技術で知られている（特許文献１参照）。
しかし、係る従来技術（特許文献１）は、ブリッジの解消を目的とするものではなく、上述した問題点を解決することはできない。
特開２００７−５１４９７号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、セメントグラウトを岩盤の割れ目に注入するに際して、注入経路にブリッジが形成されても、それを解消して、セメントグラウトの注入を継続することが出来る注入工法の提供を目的としている。

本発明の注入工法は、岩盤Ｇの割れ目（Ｇｃ）にセメントグラウトを注入する注入工法において、セメントグラウトの注入が完了する兆候を検出する工程（Ｓ２）と、係る兆候がセメントグラウトの充填により生じたのか、あるいは、セメント粒子による閉塞（ブリッジの形成）により生じたのかを判定する工程（Ｓ１１）とを有し、当該判定する工程（Ｓ１１）では、セメントグラウトを孔口側（Ｅ）に逆流（Ｆ２）させてセメント粒子（Ｐｃ）による閉塞を解消し、セメント粒子（Ｐｃ）による閉塞を解消した後にも依然としてセメントグラウトの注入が完了する兆候が検出されるか否かを判定することにより行われることを特徴としている（請求項１）。

セメントグラウトを孔口側（Ｅ）に逆流（Ｆ２）させるに際しては、セメントグラウトの供給源（グラウトポンプ４）と注入孔（Ｈ）との間の領域に介装された開閉弁（Ｖ）を閉鎖し、当該開閉弁（Ｖ）と注入孔（Ｈ）との間に設けた正流逆流制御装置（１）により注入孔（Ｈ）側に負圧を付加することにより行われるのが好ましい（請求項２）。

ここで、セメントグラウトの注入が完了する兆候が、セメントグラウトの充填により生じたのか、あるいは、セメント粒子（Ｐｃ）による閉塞（ブリッジＢの形成）により生じたのかを判定する前記工程（Ｓ１１）では、セメントグラウトを孔口側（Ｅ）に逆流させること及びセメントグラウトを改良するべき領域（Ｇ）側に流す（正流させる）ことを、所定回数だけ繰り返すのが好ましい（請求項３）。
そして、セメントグラウトを孔口側（Ｅ）に逆流せしめ、改良するべき領域（Ｇ）側に流す（正流させる）のを繰り返すに際しては、前記正流逆流制御装置（１）により、所定回数だけ、注入孔（Ｈ）側に正圧及び負圧を交互に繰り返し作用させることにより行うのが好ましい（請求項４）。

上述する構成を具備する本発明によれば、従来技術においては孔口側（Ｅ）から改良するべき岩盤あるいは地盤（Ｇ）に向う一方向にのみ流しているのに対して、本願発明では、セメントグラウトを逆流（Ｆ２）させることにより、改良するべき岩盤あるいは地盤（Ｇ）から孔口側（Ｅ）に向うセメントグラウトの流れ（Ｆ２）を発生させている。当該流れ（Ｆ２）は、従来のセメントグラウトの流れとは逆方向に流れることとなり、係る逆方向の流れ（Ｆ２）により、改良するべき岩盤や地盤（Ｇ）中の狭い領域（狭隘部Ｎ）に形成されたブリッジ（Ｂ）が解消される。
ブリッジ（Ｂ）を解消することが出来れば、セメントグラウトの注入を続行して、セメントグラウトが充分に注入されて、それ以上注入できない状態にすることが出来る。そのため、セメントグラウトを注入した領域において、十分な充填が達成出来る。

上述した「従来のセメントグラウトの流れとは逆方向の（セメントグラウトの）流れ（Ｆ２）」を形成するために、本発明では、ポンプ（４）の吐出圧を解除することにより行う。
セメントグラウトは、ポンプ（４）の吐出圧を大きくすることにより行われている。係る大きな吐出圧を解除することにより、セメントグラウトが注入された岩盤や地盤（Ｇ）が復元しようとして、セメントグラウトを孔口側（Ｅ）に逆流（Ｆ２）させるように押し出そうとする。
大きな圧力でセメントグラウトが注入された岩盤や地盤（Ｇ）は、隙間（Ｇｃ）が広がる。吐出圧を解除することにより、当該広がった隙間が元に戻ろうとして、セメントグラウトを孔口側（Ｅ）に押し出そうとするのである。
また、地下水が存在する地盤や岩盤（Ｇ）では、大きなポンプ（４）の吐出圧により、地下水圧に逆らって、セメントグラウトを注入している。そのため、ポンプ（４）の吐出圧を解除すれば、地下水圧によって、セメントグラウトは孔口側（Ｅ）に向って逆流する。

ここで、セメントグラウトを単に孔口側（Ｅ）に逆流（Ｆ２）したのでは、逆流（Ｆ２）したセメントグラウトが孔口側（Ｅ）に排出されて、セメントグラウトの材料（セメント）が無駄になってしまうと共に、作業現場の環境保全上、問題がある。

これに対して本発明によれば、ポンプ（４）の吐出圧を解除するためには、孔口側のポンプ（４）と注入孔（Ｈ）との間に介装された開閉弁（Ｖ）を閉鎖すると共に、当該開閉弁（Ｖ）と注入孔（Ｈ）との間に設けた正流逆流制御装置（１）により注入孔（Ｈ）側に負圧を付加することにより、行っている。
そのため、逆流したセメントグラウトは孔口側（Ｅ）に排出されてしまうことは無く、材料の浪費を抑制することが出来る。また、セメントグラウトが地上に排出されてしまうことによる作業現場の環境保全の問題も、未然に防止することが出来る。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
先ず、図示の実施形態に係る注入方法に使用する装置について、図１を参照して説明する。
図１において、全体を符号１００で示す注入装置は、正流・逆流制御装置１と、流量・圧力制御装置２と、グラウトミキサ（以下、ミキサと言う）３と、グラウトポンプ（以下、ポンプと言う）４とを有している。
本明細書においては、孔口から岩盤の割れ目に向う方向を「正流側」と記載し、その逆方向を「逆流側」と記載している。

正流・逆流制御装置１は、油圧シリンダ５と、プランジャ６と、油圧パワーユニット７と、正流・逆流コントローラ１０とから構成されている。
油圧シリンダ５は、ピストン５１とピストンロッド５２とを有している。
プランジャ６は、ピストン６１を有している。
油圧シリンダ５のピストンロッド５２とプランジャ６のピストン６１とは一体に接続されている。

油圧パワーユニット７は、二つのソレノイドバルブＳＶ１とＳＶ２を有しており、ソレノイドバルブＳＶ１、ＳＶ２の作動を制御するように構成されている。
ソレノイドバルブＳＶ１は、後述する開閉バルブＶと制御ラインＬｏ１で接続されている。
ソレノイドバルブＳＶ２は、油圧シリンダ５と制御ラインＬｏ２で接続されている。
油圧パワーユニット７は、制御信号ラインＳｏ１によって正流・逆流コントローラ１０と接続されている。

流量・圧力制御装置２は、リターンバルブ付き流量・圧力検出器８と、流量・圧力コントローラ２０とを有し、リターンバルブ付き流量・圧力検出器８と流量・圧力コントローラ２０とは、制御信号ラインＳｏ２によって接続されている。

注入装置１００はセメントグラウト供給ラインＬｇを有している。セメントグラウト供給ラインＬｇは、施工対象地盤Ｇに予め削孔したセメントグラウト注入孔Ｈに接続されている。
セメントグラウト供給ラインＬｇには、ミキサ３とポンプ４と、リターンバルブ付き流量・圧力検出器８と、開閉バルブＶとが介装されている。
セメントグラウト供給ラインＬｇにおいて、開閉バルブＶとセメントグラウト注入孔Ｈとの間の領域には、分岐点ＰＢが形成されている。分岐点ＰＢとプランジャ６とは、ラインＬｂで接続している。
セメントグラウト供給ラインＬｇにおいて、リターンバルブ付き流量・圧力検出器８と開閉バルブＶとの間の領域には、圧力ゲージ９が介装されている。ミキサ３とリターンバルブ付き流量・圧力検出器８とは、リターンラインＬｒで接続されている。

ここでリターンバルブ付き流量・圧力検出器８は、必要な量のセメントグラウトのみを注入孔Ｈへ供給し、残りのセメントグラウトは、リターンラインＬｒを介してミキサ３に戻すように構成されている。
図１において、符号３０は注入管理室を示し、符号Ｇｃは地盤にできた経路（隙間）、あるいは、岩盤Ｇにできた経路（隙間）を示している。また、符号Ｅは地上側（孔口側）を示している。

次に、図２〜図５を参照して図示の実施形態による工法の原理を説明する。
従来技術に関連して図８を参照して説明したように、岩盤Ｇ中のセメントグラウトＣｇが注入される経路（岩盤等にできた割れ目：岩盤割れ目）Ｇｃに、狭隘部（ボトルネック）Ｎがあると、狭隘部Ｎは注入したセメントグラウトＣｇのセメント粒子Ｐｃにより閉塞してしまう可能性が存在する。
図２は、かかる閉塞箇所を模式的に示した図である。
図２では、閉塞によってアーチ（ブリッジ）Ｂが形成されていることが示されている。なお図２において、符号を付さずに示されている矢印は、ブリッジＢに作用する力の方向を示している。

図２のようにブリッジＢが形成されてしまうと、流れの方向に大きな力を加えても、図２に示すようにセメント粒子Ｐｃは動かなくなる。ところが、図３に示すように、ブリッジＢに作用する力（符号を付さずに示されている矢印）の方向を反転させると、セメント粒子Ｐｃは、散逸してブリッジＢは容易に解消される。
図示の実施形態の注入工法では、係る原理（図２、図３を参照して上述した原理）をグラウチングに応用している。

図４、図５は、図示の実施形態を施工した際に、経路（岩盤等にできた割れ目：岩盤割れ目）Ｇｃのセメントグラウトの流れの変化を説明している。
図示の実施形態の注入装置１００では、セメントグラウト供給ラインＬｇに介装したリターンバルブ付き流量・圧力検出器８から送られるセメントグラウトの流量・圧力に関するデータを、流量・圧力コントローラ２０で常時読み取っている。
そして、注入孔Ｈにセメントグラウトを注入している間に、セメントグラウトの流量が安定した一定量から減少した場合、あるいは、圧力が急激に上昇した場合には、主要な割れ目Ｇｃで、セメント粒子ＰｃによるブリッジＢが形成されたと判断する。

そのため、正流・逆流制御装置１を駆動して、先ず、図４に示すように経路Ｇｃに逆流Ｆ２を起こさせる。そして、所定時間経過後には、図５に示すように経路Ｇｃに正流Ｆ１を起こさせる。さらに、所定時間経過後、経路Ｇｃに逆流Ｆ２を発生する（図示は省略）。
このようにして、正流Ｆ１と逆流Ｆ２を交互に起こすことによって、ブリッジＢを形成していたセメント粒子Ｐｃが分離して、ブリッジＢは解消され、その後の注入によりセメントグラウトが狭隘部Ｎを通過し、岩盤中へ確実に注入される。

次に、図６を主に参照しつつ、図１〜図５の実施形態に係るセメントグラウト注入時の制御について説明する。
先ず、ステップＳ１では、セメントグラウト供給ラインＬｇから、地盤あるいは岩盤Ｇに形成した注入孔Ｈに、セメントグラウトを注入する。この時、開閉バルブＶは開放されている。

ステップＳ２では、リターンバルブ付き流量・圧力検出器８からの情報（計測信号）が流量・圧力コントローラ２０で記録され、閉塞の兆候があるか否かを判断する。
閉塞の兆候が無ければ（ステップＳ２がＮＯ）、ステップＳ２のループを繰り返す。
閉塞の兆候があれば（ステップＳ２がＹＥＳ）、正流・逆流コントロールユニット１０の操作により油圧パワーユニット７に指示が送られ、ソレノイドバルブＳＶ１及び制御ラインＬｏ１を介して開閉バルブＶが閉じられ（ステップＳ３）、繰り返し回数ｎを「ｎ＝０」と規定する。

ステップＳ４に進み、正流・逆流制御装置１の油圧シリンダ５のピストン５１が、図１において右方向へ移動するように操作する。するとプランジャ６のピストン６１も図１において右方向へ移動して、プランジャの圧力室６２は、負圧となる。プランジャの圧力室６２が負圧となれば、地盤あるいは岩盤Ｇ中に形成された注入孔Ｈ内の（図１における）上方側が負圧となる。そして、岩盤Ｇの経路（隙間）Ｇｃのセメントグラウトの流れは逆流する（Ｔ＆Ｆ→逆流）。
セメントグラウトの流れが逆流すれば、図示しない割れ目Ｇｃの狭隘部ＮにできたブリッジＢが破壊され、ブリッジＢを構成していたセメント粒子Ｐｃは、孔口側に引き戻される（図３参照）。

ステップＳ５では、ステップＳ４の状態が所定時間経過するまで待機し、所定時間が経過したなら（ステップＳ５がＹＥＳ）、ステップＳ６で正流とするべく、油圧シリンダ５のピストン５１が左行するように操作する。
するとプランジャ６のピストン６１も左行して、プランジャの圧力室６２は、正圧となる。プランジャの圧力室６２が正圧となれば、地盤あるいは岩盤Ｇ中に形成された注入孔Ｈ内は正圧となる。すると、岩盤Ｇの経路（隙間）Ｇｃのセメントグラウトの流れは逆流から正流に転じる（ステップＳ６：Ｔ＆Ｆ→正流）。
ステップＳ４で逆流すれば狭隘部ＮにできたブリッジＢが破壊される可能性が高く、孔口側に逆流したセメント粒子Ｐｃが正流で流れる際には、狭隘部Ｎを通過し易くなっている可能性が高い。

ステップＳ７では、ステップＳ６の状態が所定時間経過するまで待ち、所定時間が経過したなら（ステップＳ７がＹＥＳ）、ステップＳ８で、ステップＳ４〜ステップＳ７までをサイクルの繰り返し回数を１つ増加する。
ステップＳ９では、ステップＳ４〜ステップＳ７までをサイクルを所定回数ｎだけ繰り返したか否かを判断する。繰り返し回数がｎ回に達していれば（ステップＳ９がＹＥＳ）、ステップＳ１０に進む。一方、繰り返し回数がｎ回に達していなければ（ステップＳ９がＮＯ）、ステップＳ４まで戻り、ステップＳ４以降を繰り返す。

ステップＳ１０では、開閉バルブＶを開放して、セメントグラウトの注入を再開する。次のステップＳ１１では、再度、閉塞の兆候が有るか否かを判断する。
閉塞の兆候があれば（ステップＳ１１がＹＥＳ）、ステップＳ１２に進む。一方、閉塞の兆候が無ければ、ブリッジは解消したが未だダメ押しに至らないと判断して（ステップＳ１４）、ステップＳ１まで戻り、ステップＳ１以降を繰り返す。

ステップＳ１２では、観測された事象は「閉塞の兆候」ではなく、正常な注入が行われた結果、当該岩盤にはそれ以上のセメントグラウトの注入は出来ない状態である（正常な注入は完了した状態である）と判断する。そして、「ダメ押し」を行って（ステップＳ１３）、終了する。

図７は、図示の実施形態の注入工法を施工した際の、時間経過に対する流量及び圧力の変化を示した実験結果を示している。
図７の横軸は経過時間を示し、縦軸に流量及び圧力を目盛っている。
図７において、特性線Ｌｐは圧力の変化を示しており、特性線Ｌｑは流量の変化を示している。
図７において、領域Ｔ１はブリッジＢが形成されつつある兆候を示している。領域Ｔ１の終わりの部分でブリッジＢが形成されたと判断され、開閉バルブＶが閉じられる。符号Ｔ２は、開閉バルブＶを閉じている区間を示している。
領域Ｔ３では、ブリッジＢが形成され、開閉バルブＶが閉じられたため、セメントグラウトがセメントグラウト供給ラインＬｇに供給されなくなったことを示している。
領域Ｔ４では、ブリッジＢが解消され、再びセメントグラウトが注入されている状態が示されている。
図７において、流量の変化を示す特性線Ｌｑにおける破線部分Ｌｃは、従来技術のように、閉塞に対する処理を行わない場合の流量の変化を推測して示している。

図７の実験結果によれば、岩盤の隙間の狭隘部ＮにブリッジＢ形成による閉塞が生じても、セメントグラウトの流れを孔口側へ逆流させることにより、ブリッジＢを破壊して、閉塞を解消することが出来る。そして、セメントグラウトの圧力及び流量を閉塞以前まで回復させることができる。

より詳細には、図示の実施形態では、セメントグラウトを逆流させることにより、改良するべき岩盤あるいは地盤Ｇから孔口側に向うセメントグラウトの流れを発生させている。この流れは、従来技術におけるセメントグラウトの流れとは逆方向に流れることとなり、係る逆方向の流れＦ２により、改良するべき岩盤や地盤Ｇ中の狭隘部Ｎに形成されたブリッジＢが解消される。
ブリッジＢを解消することが出来れば、セメントグラウトの注入を続行して、改良するべき岩盤や地盤Ｇへ充分な充填を行うことが出来る。

図示の実施形態では、セメントグラウトの吐出圧を解除するため、ポンプ４と注入孔Ｈとの間に介装された開閉弁Ｖを閉鎖すると共に、当該開閉弁Ｖと注入孔Ｈとの間に設けた正流逆流制御装置１により注入孔Ｈ側に負圧を付加するように構成している。
開閉弁Ｖを閉鎖しているため、逆流したセメントグラウトは孔口側に排出されてしまうことは無く、材料の浪費を抑制することが出来る。また、セメントグラウトが地上に排出されてしまうことによる作業現場の環境保全の問題も、未然に防止することが出来る。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

本発明の１実施形態の注入装置の構成を説明するブロック図。 閉塞箇所に出来たブリッジの模式図。 ブリッジが逆流によって解消される様を模式的に示した様態図。 経路に逆流を生じせしめた際の状態図。 逆流の後に、経路に正流を生じせしめた際の状態図。 本発明の実施形態を施工する際の制御方法を示したフローチャート。 図示の実施形態を施工した場合に流量及び圧力の変化を示した実験結果の特性グラフ。 従来技術において経路中の狭隘部が閉塞した状態を示した状態図。

符号の説明

１・・・正流・逆流制御装置
２・・・流量・圧力制御装置
３・・・ミキサ
４・・・ポンプ
５・・・油圧シリンダ
６・・・プランジャ
７・・・油圧パワーユニット
８・・・リターンバルブ付き流量・圧力検出器
９・・・圧力ゲージ
１０・・・正流・逆流コントロールユニット
２０・・・流量・圧力コントローラ
Ｇ・・・地盤、あるいは岩盤
Ｇｃ・・・岩盤の隙間

Claims (4)

1. 岩盤の割れ目にセメントグラウトを注入する注入工法において、セメントグラウトの注入が完了する兆候を検出する工程と、係る兆候がセメントグラウトの充填により生じたのか、あるいは、セメント粒子による閉塞により生じたのかを判定する工程とを有し、当該判定する工程では、セメントグラウトを孔口側に逆流させてセメント粒子による閉塞を解消し、セメント粒子による閉塞を解消した後にも依然としてセメントグラウトの注入が完了する兆候が検出されるか否かを判定することにより行われることを特徴とする注入工法。
2. セメントグラウトを孔口側に逆流させるに際しては、セメントグラウトの供給源と注入孔との間の領域に介装された開閉弁を閉鎖し、当該開閉弁と注入孔との間に設けた正流逆流制御装置により注入孔側に負圧を付加することにより行われる請求項１の注入工法。
3. セメントグラウトの注入が完了する兆候が、セメントグラウトの充填により生じたのか、あるいは、セメント粒子による閉塞により生じたのかを判定する前記工程では、セメントグラウトを孔口側に逆流させること及びセメントグラウトを改良するべき領域側に流すことを、所定回数だけ繰り返す請求項１または請求項２の何れかの注入工法。
4. セメントグラウトを孔口側に逆流せしめ、改良するべき領域側に流すのを繰り返すに際しては、前記正流逆流制御装置により、注入孔側に正圧及び負圧を、所定回数だけ、交互に繰り返し作用させることにより行う請求項１〜３の何れか１項の注入工法。

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