JP2010121332A - 地山補強用インサートユニットおよびそれを用いた地山補強工法 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネル先受工や鏡補強工等の地山補強工法、特に地山内に打設した補強管内およびその周囲の地山内に固結材を注入して地山を補強する際の補強管内への固結材の注入量を少なくして、周辺地山内に固結材を良好に浸透させることのできる地山補強用インサートユニットおよびそれを用いた地山補強工法を提供する。
【解決手段】地山補強用インサートユニット１は、拡径可能な袋体２ａ・２ｂと、その袋体内に収容された吸水性ポリマーＰと、上記袋体内に水を供給する給水管３ａ・３ｂと、上記袋体の外側の補強管内に固結材を注入する注入管４ａ〜４ｃとを、一括して補強管１０内に挿入可能に一体的に組付けたことを特徴とする。また地山補強工法は上記インサートユニット１を補強管内に挿入して袋体を膨張させた状態で上記補強管内に固結材を注入することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばトンネルを掘削する際に切羽前方地山を補強するいわゆる長尺先受工や鏡補強工等の地山補強工法、特に地山内に打設した周面に多数の貫通小孔を有する補強管内およびその周囲の地山内に固結材を注入して地山を補強する地山補強工法において、上記補強管内に固結材を注入する際に上記補強管内に挿入して使用する地山補強用インサートユニットおよびそれを用いた地山補強工法に関するものである。

従来たとえば地質条件の悪い脆弱な地山内にトンネルを掘削する際には、切羽前方地山を補強しながらトンネルを掘り進めることが行われている。このような切羽前方地山を先行して補強する地山補強工法には、トンネルの掘削に先立ってトンネル天端部付近の剥落を防止するために切羽前方地山のトンネル外周にアーチ状の補強体を設ける先受け工と、切羽前方の押出し挙動を抑制するために切羽鏡部の前方地山であるトンネル掘削領域を補強材で補強する鏡補強工とがある。このような地山補強工法において、補強材として鋼管等の周面に多数の貫通小孔を有する補強管（有孔補強管）を用いるようにしたものは知られている（例えば下記特許文献１参照）。

図５は上記のような補強管を用いた地山補強工法、特に長尺な補強管を用いた長尺先受け工の一例を示すもので、トンネル掘削空間Ｔにおける切羽１１ａの前方上部の地山１１内に、ドリルジャンボ等の削孔機１２を用いて削孔ｈを施すと同時に、該削孔ｈ内に、周面に多数の貫通小孔を有する補強管１０を収容配置し、その補強管１０内およびその周囲の地山１１内に固結材Ｇを注入固化させて固結領域Ｒを形成するものである。図中、１３は切羽鏡部１１ａの内面に施した一次吹付けコンクリート、１４ａは鋼製等よりなる支保工、１４ｂは隣り合う支保工１４ａ・１４ａ間に施した二次吹付けコンクリートである。

上記のような削孔ｈを施すと同時に該削孔ｈ内に補強管１０を収容配置するに当たっては、従来一般に上記補強管１０と、その内方に配置される管状の削孔ロッドとを用いた、いわゆる二重管削孔方式で行われている。上記図５はその一例を示すもので、上記補強管１０内に管状の削孔ロッド１５を挿入すると共に、その削孔ロッド１５の後端側を上記ドリルジャンボ等の削孔機１２のガイドシェル１２ａ上に設けた削岩機１６に連結し、その削岩機１６で上記削孔ロッド１５の先端に設けた不図示の削孔用ビットにより切羽１１ａの前方地山１１内に所定の仰角で削孔ｈを施す。それと同時に、上記削孔ロッド１５の前進動作に伴って、その周囲に配置した補強管１０を上記削孔ｈ内に順次打ち込み又は引き込むようにして打設するものである。

その際、上記補強管１０と削孔ロッド１５は、それぞれ予め必要長さに形成した長尺のものを用いるか、或いは予め短尺に形成したものを順次継ぎ足しながら必要に長さに形成して上記削孔内に打設する。そして、所定深さまで打設したところで、上記削孔ロッド１５と不図示の削孔ビットの一部または全部を引き抜き回収して上記削孔ｈ内に補強管１０を存置させる。次いで、その補強管１０内にセメント系やレジン系等の固結材Ｇを注入して該補強管内およびその補強管１０の周面に形成した貫通小孔（不図示）から該補強管１０の周囲の地山１１内に固結材Ｇを充填固化させて固結領域Ｒを形成し、それによって切羽１ａの前方上部の地山を補強するものである。

この場合、上記補強管１０内への固結材Ｇの注入方式としては、いわゆるステップ注入方式と同時注入方式とがある。ステップ注入方式は、例えば図６（ａ）に示すように補強管１０内に配置した隔壁形成用のパッカー２１・２２内に注入管３１・３２から注入材を注入して上記パッカー２１・２２を膨らませることによって補強管１０内を複数の領域に分割し、その各分割領域に注入管４１〜４３から固結材Ｇを順に段階的に注入するものである。この注入方式は上記各分割領域の注入量・注入圧の管理が的確に行えるため、効果的な限定注入が可能である等の利点がある。一方、同時注入方式は、例えば図６（ｂ）に示すように補強管１０内に長さの異なる複数の注入管５１〜５３を配置し、その各注入管５１〜５３から上記補強管１０内に固結材Ｇを同時に注入するものである。この注入方式は短時間で注入が終了し、また均質な地山改良効果が図れる、さらに固結材Ｇの充填量が少なくて済む等の利点がある。

しかし、上記いずれの注入方式も補強管１０内に固結材Ｇが充分に充填されてから、その周囲の地山内に浸透して行くため、上記補強管１０内に詰まった固結材Ｇが邪魔をして、周辺地山への固結材Ｇの浸透性が悪くなる。また注入圧を高くしても、補強管１０内の圧力が上がるだけで、周辺地山に浸透させるまでには至らない。そのため補強管１０内には大量の固結材Ｇを高圧注入した状態で残留させることになってしまう。特にウレタン系の固結材Ｇの場合には、先に補強管１０内のウレタンが発泡して後からくる薬液の道を塞いでしまうので、孔奥側の地山への浸透性が悪くなる等の不具合がある。

そこで下記特許文献２においては、上記のような補強管内の断面積（容積）を小さくして補強管内への固結材の充填量を減少させるために、両端をキャップで閉塞したスペーサパイプ等の棒状スペーサを挿入することが提案されている。しかし、棒状スペーサの容積（体積）が小さいと、補強管内への固結材の充填量を減少させる効果が少なく、棒状スペーサの容積が大きいと、補強管内への挿入が困難となる等のおそれがある。特に、上記棒状スペーサによって断面積が減少する分、補強管内の注入管の配置スペースが減るため、注入管の本数が制限される。とりわけ、隔壁形成用のパッカー等を用いる場合には、そのための注入管も配置しなければならないので、必要本数の注入管を補強管内に配置するのが困難となるおそれがある。

特開平８−１２１０７３号公報 特開平７−３００８５０号公報

本発明は上記の問題点に鑑みて提案されたもので、注入管の配置スペースを減じることなく補強管内への固結材の注入量を少なくして、周辺地山内に固結材を良好に浸透させることのできる地山補強用インサートユニットおよびそれを用いた地山補強工法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明による地山補強用インサートユニットおよびそれを用いた地山補強工法は、以下の構成としたものである。すなわち、本発明による地山補強用インサートユニットは、地山内に打設した周面に多数の貫通小孔を有する補強管内およびその周囲の地山内に固結材を注入して地山を補強する際に、上記補強管内に挿入して用いる地山補強用インサートユニットであって、拡径可能な袋体と、その袋体内に収容された吸水性ポリマーと、その袋体内に水を供給する給水管と、上記袋体の外側の補強管内に固結材を注入する注入管とを、一括して上記補強管内に挿入可能に一体的に組付けたことを特徴とする。

また本発明による地山補強工法は、周面に多数の貫通小孔を有する補強管を地山内に打設し、その補強管内に前記請求項１に記載の地山補強用インサートユニットを挿入し、そのインサートユニットの前記給水管を介して前記袋体内に水を供給して該袋体内の吸水性ポリマーを膨潤させて該袋体を膨らませた後、上記インサートユニットの注入管を介して上記補強管内に固結材を注入することによって該補強管内およびその周囲の地山内に上記固結材を浸透固化させて補強領域を形成することを特徴とする。

上記のように構成された本発明による地山補強用インサートユニットおよびそれを用いた地山補強工法によれば、以下のような作用効果が得られる。
（１）補強管内に注入する固結材を減少させて、それが硬化する前に早急に補強管周辺の地山内に固結材を浸透させることが可能となり、より効果的な地山補強効果を発揮させることができる。
（２）拡径可能な袋体を用いたので、注入管配置スペースを減らすことなく、かつ補強管内への挿入時は縮径状態で容易に挿入できると共に、固結材を注入する際には、それに先だって補強管内の上記袋体を拡径させることによって補強管内の容積が低減され、それによって補強管内への固結材の注入量を減少させることができる。
（３）袋体を膨らませるために該袋体内に予め吸水性ポリマーを収容しておくようにしたことによって、膨らませる際には水を供給するだけでよいので操作が簡単である。
（４）袋体を膨らませたときの最大径が補強管の内径より小径となるようにすると、補強管内の殆どを袋体で塞いでしまっても、固結材を補強管内壁に沿って、そのほぼ全長にわたって流通させ、該補強管の周面に形成した貫通小孔から補強管周囲の地山内に固結材を良好に吐出させることができる。

以下、本発明による地山補強用インサートユニットおよびそれを用いた地山補強工法を図に示す実施形態に基づいて具体的に説明する。

図１（ａ）は本発明によるよる地山補強用インサートユニットの一実施形態を示す側面図、同図（ｂ）は上記インサートユニットを補強管内に挿入した状態の一部縦断側面図、同図（ｃ）は上記インサートユニット内の袋体を膨らませた状態の一部縦断側面図、図２（ａ）よび（ｂ）は図１におけるＡ−ＡおよびＢ−Ｂ拡大断面図である。

本実施形態の地山補強用インサートユニット１は、拡径可能な２つの袋体２ａ・２ｂと、その各袋体２ａ・２ｂ内に収容された吸水性ポリマーＰと、上記各袋体内に水を供給するための給水管３ａ・３ｂと、上記袋体２ａ・２ｂの外側の補強管１０内に固結材Ｇを注入する３本の注入管４ａ〜４ｃとを、一括して上記補強管内に挿入可能に一体的に組付けたものである。上記袋体２ａ・２ｂ、給水管３ａ・３ｂ、注入管４ａ〜４ｃの数や配置位置は適宜変更可能である。

上記吸水性ポリマーＰとしては、本実施形態においては２０倍吸水膨張タイプの高吸水性ポリマーが用いられている。その吸水性ポリマーＰを収容する上記袋体２ａ・２ｂは、本実施形態においては上記吸水性ポリマーＰに供給する水およびその水を吸水する前と後の吸水性ポリマーＰが透過しない布等で、図１（ｃ）および図２に示すように、それぞれ内外二重の筒状に形成され、その内外筒状部間に上記吸水性ポリマーＰが密閉状態で収容されている。上記各袋体２ａ・２ｂは拡径可能で、各袋体内の吸水性ポリマーＰが吸水する前は、図１（ａ）のように縮径した状態にあって、図１（ｂ）および図２（ａ）のように補強管１０内に容易に挿入可能である。また上記吸水性ポリマーＰが吸水して膨潤すると、図１（ｃ）および図２（ｂ）のように各袋体２ａ・２ｂが膨らみ、その各袋体が最も膨らんだときの最大径（外径）は、補強管１０の内径より僅かに小径になるように設定されている。

上記内外二重の筒状に形成した袋体２ａ・２ｂは、ほぼ直線状に並べて配置され、その各袋体２ａ・２ｂの内部に、鉄筋等の鋼線材よりなる芯材５が挿通されている。その芯材５と上記各袋体２ａ・２ｂは、それぞれ図に省略した粘着テープや紐等の連結具によって一体的に連結固定されている。また上記芯材５に沿って前記給水管３ａ・３ｂと注入管４ａ〜４ｃが配置され、その各注入管４ａ〜４ｃの先端部にはスタティックミキサー６が設けられている。また上記給水管３ａ・３ｂと注入管４ａ〜４ｃおよび芯材５は、それらの一端（口元側の端部）を、上記補強管の開口端を塞ぐゴム等よりなるキャップ７の孔に挿通嵌合することによって一体的に組付けられている。なお、上記給水管３ａ・３ｂと注入管４ａ〜４ｃおよび芯材５は、上記キャップ７の孔に挿通嵌合させるだけでなく、適当箇所を粘着テープやバンド等の結束具で束ねられているが図には省略した。

上記のように構成されたインサートユニット１を用いて先受工や鏡補強工等の地山補強工法を施工するに当たっては、例えば、以下の要領で施工すればよい。図３はその一例を示すもので、先ず図３（ａ）のように地山１１に下孔ｈ１を形成した後、削孔ｈを施すと共に、該削孔ｈ内に補強管１０を挿入する。その方法は適宜であるが、例えば前記従来例と同様に二重管削孔方式で行うことができる。このようにして地山１１内に削孔ｈを施すと共に、該削孔ｈ内に補強管１０を挿入したところで、図３（ｂ）のように補強管１０の口元（開口側端部）と削孔ｈの開口側端部内面もしくは下孔ｈ１の内面との間にコーキング材１７を充填して削孔ｈの開口端を閉塞する。

次いで、図３（ｃ）および図４（ａ）のように上記補強管１０内に前記図１（ａ）に示す地山補強用インサートユニット１を挿入するもので、そのとき前記袋体２ａ・２ｂは前述のように縮径状態にあるので、補強管１０内に容易に挿入することができる。そのインサートユニット１を補強管１０内に挿入したところで、上記補強管１０の開口端にキャップ７を嵌める。そのキャップ７は本実施形態のようにインサートユニット１に一体的に備えられている場合には、それを補強管１０の開口端に嵌めればよく、キャップ７が上記インサートユニット１に備えられていない場合には、別途キャップ７を補強管１０の開口端に嵌めると共に、そのキャップ７に形成した孔に、インサートユニット１の給水管３ａ・３ｂと注入管４ａ〜４ｃを挿入すればよい。

そして図３（ｄ）のように上記給水管３ａ・３ｂからインサートユニット１の袋体２ａ・２ｂに水を供給して該袋体２ａ・２ｂ内の吸水性ポリマーＰを膨潤させ、それによって上記袋体２ａ・２ｂを膨らませて拡径させる。そのとき、上記袋体２ａ・２ｂは、本実施形態においては最も膨らんだときの最大径が補強管１０の内径よりも僅かに小径になるように設定されているので、上記各袋体２ａ・２ｂと補強管１０の内周面との間には僅かな隙間Ｓが存在した状態にある。

その状態で、図３（ｅ）のようにインサートユニット１の注入管４ａ〜４ｃから固結材Ｇを注入するもので、その固結材Ｇの材質は適宜であるが、本実施形態においてはＡ液とＢ液との２液を混合するタイプのウレタン系固結材が用いられている。具体的にはＡ液としてポリエーテルポリオールを、Ｂ液としてポリメリックＭＤＩをそれぞれ用い、それらを補強管１０の口元付近に設けた注入管４ａ〜４ｃの注入口から同時に混合注入し、その各注入管４ａ〜４ｃの先端部付近に設けたスタティックミキサー６で撹拌しながらウレタン系固結材Ｇを吐出させるようにしたものである。

上記のようにして注入管４ａ〜４ｃから補強管１０内に注入された固結材Ｇは、補強管１０内の異なる３箇所から同時に吐出して補強管１０内を浸透発泡していく。その際、補強管１０内の袋体２ａ・２ｂは補強管１０内を仕切るものではなく、補強管１０内に固結材Ｇの適切な流通路を形成するものであるため、上記袋体２ａ・２ｂと補強管１０の内面との間に固結材Ｇを流通させることができる。特に上記袋体２ａ・２ｂと補強管１０の内面との間に前記のような隙間Ｓを形成すると、それが補強管１０の内面に沿う流通路となって固結材Ｇを補強管１０の内面のほぼ全長にわたって万遍なく且つ早急に流通させることができる。それと同時に、上記補強管１０の周面のほぼ全長にわたって設けた貫通小孔１０ａから図３（ｆ）および図４（ｂ）のように周囲の地山１１内に固結材Ｇを良好に且つ均等に流出させて補強管１０の周囲に万遍なく固結領域Ｒを形成することができる。また上記補強管１０内に注入する固結材Ｇを、上記の膨張した袋体２ａ・２ｂの体積にほぼ相当する量だけ少なくすることが可能となり、コストを低減することができる。

以上のように本発明は、拡径可能な袋体２ａ・２ｂと、その袋体内に収容された吸水性ポリマーＰと、上記袋体内に水を供給する給水管３ａ・３ｂと、上記袋体の外側の補強管内に固結材を注入する注入管４ａ〜４ｃとを、一括して上記補強管内に挿入可能に一体的に組付けて地山補強用インサートユニット１を構成し、その地山補強用インサートユニット１を地山１１内に打設した補強管１０内に挿入して地山を補強するようにしたから、補強管１０内に充填される固結材Ｇの量を、袋体２ａ・２ｂが膨らんだ体積にほぼ相当する量だけ減少させることができると共に、それらの固結材が固まる前に補強管１０の周囲の地山内に固結材Ｇを早急に流出させて良好に固結領域Ｒを形成することができる。その結果、前記従来の問題点を解消して良好に地山補強を行うことが可能となるもので、上記実施形態のようなトンネル先受工に限らず鏡補強工やその他各種の地山補強工法（地盤補強工法を含む）にも良好に適用することができるものである。

（ａ）は本発明によるよる地山補強用インサートユニットの一実施形態を示す側面図、（ｂ）は上記インサートユニットを補強管内に挿入した状態の一部縦断側面図、（ｃ）は上記インサートユニット内の袋体を膨らませた状態の一部縦断側面図。 （ａ）および（ｂ）は図１におけるＡ−ＡおよびＢ−Ｂ拡大断面図。 （ａ）〜（ｆ）は本発明による地山補強工法の施工例を示す縦断面図。 （ａ）よび（ｂ）は図３におけるＣ−ＣおよびＤ−Ｄ拡大断面図。 （ａ）は地山補強工法としての先受工の一例を示す縦断側面図、（ｂ）はその横断正面図。 （ａ）および（ｂ）は固結材注入方式の説明図。

符号の説明

１ インサートユニット
２ａ、２ｂ 袋体
３ａ、３ｂ 給水管
４ａ〜４ｃ 注入管
５ 芯材
６ スタティックミキサー
７ キャップ
１０ 補強管
１１ 地山
１７ コーキング材
Ｐ 吸水性ポリマー
Ｇ 固結材
Ｒ 固結領域
Ｓ 隙間
ｈ ボアホール

Claims (4)

1. 地山内に打設した周面に多数の貫通小孔を有する補強管内およびその周囲の地山内に固結材を注入して地山を補強する際に、上記補強管内に挿入して用いる地山補強用インサートユニットであって、
   拡径可能な袋体と、その袋体内に収容された吸水性ポリマーと、上記袋体内に水を供給する給水管と、上記袋体の外側の補強管内に固結材を注入する注入管とを、一括して上記補強管内に挿入可能に一体的に組付けたことを特徴とする地山補強用インサートユニット。
2. 前記袋体を最も膨らませたときの最大径が、前記補強管の内径よりも小径になるように設定してなる請求項１に記載の地山補強用インサートユニット。
3. 周面に多数の貫通小孔を有する補強管を地山内に打設し、その補強管内に前記請求項１または請求項２に記載の地山補強用インサートユニットを挿入し、そのインサートユニットの前記給水管を介して前記袋体内に水を供給して該袋体内の吸水性ポリマーを膨潤させて該袋体を膨らませた後、
   上記インサートユニットの注入管を介して上記補強管内に固結材を注入することによって該補強管内およびその周囲の地山内に上記固結材を浸透固化させて補強領域を形成することを特徴とする地山補強工法。
4. 前記固結材として発泡ウレタン系薬液を上記補強管内に注入するようにした請求項３に記載の地山補強工法。

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