JP2012112157A

JP2012112157A - 岩盤グラウト注入方法

Info

Publication number: JP2012112157A
Application number: JP2010261132A
Authority: JP
Inventors: Jun Nobuto; 遵延藤; Hirokazu Sugiyama; 博一杉山
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-06-14

Abstract

【課題】塩水系地下水を含む岩盤内にグラウト注入を行う際に、グラウト材の所定のゲルタイムを確保し、有効な範囲にわたるグラウト注入を実現する。
【解決手段】塩水系地下水環境下の岩盤亀裂に注入されるグラウト注入方法であって、グラウト孔からの水押し試験後に、該水押し試験結果に基づき設定された低濃度グラウト材による１次グラウト注入を行う。次いで、前記グラウト孔から前記１次グラウト材が注入された岩盤亀裂内に、高濃度グラウト材を注入する２次グラウト注入を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は岩盤グラウト注入方法に係り、特に塩水系地下水環境下にある岩盤の亀裂に注入するグラウト注入作業において、確実な施工が行え、十分なグラウト強度と湧水抑止効果とが確保できるようにした岩盤グラウト注入方法に関する。

コロイダルシリカグラウト工法は、粒径が１０〜２０nm程度のコロイド状に生成されたコロイダルシリカを、岩盤亀裂等に注入した後にゲル化させることで安定化させる岩盤グラウト技術である。現在、スウェーデン等の北欧諸国において、数十μmの微小な岩盤亀裂まで止水改良し、湧水量を数L/100m/分程度まで抑制することが要求される環境配慮型トンネルのトンネル周辺地盤の止水グラウトとして試験的に使用されている。また、同様に大深度の岩盤中に掘削された地下空間への湧水量を極めて微小な値に抑制することが要求される高レベル放射性廃棄物処分場の工事においても注目を集めているグラウト材料である。

コロイダルシリカグラウトを上述したような岩盤止水に用いる場合は、たとえば発破掘削による振動により、グラウト注入した領域の岩盤が損傷するおそれがあったり、トンネル周辺岩盤のグラウト注入領域へ補強ロックボルトを打設することによって、ボルト孔が水みちとなるおそれがあったり、地下３００m以深の大深度下における掘削空間（坑道）の周囲に施工されたグラウト改良体に高い湧水圧が作用する場合等があり、これらのグラウトが晒される状況では、ると、固化後のグラウトにある程度の強度性能が要求される。このため、シリカ濃度２０〜３０wt％程度の高濃度なシリカ水溶液を併用し、この高濃度シリカ水溶液に硬化促進剤として無機塩を添加することで、水溶液中で電気的に安定しているシリカ粒子の電気二重層を破壊して、コロイダルシリカをゲル化させ、その後速やかに硬化を促進させ、早期に所定強度が確保されるようにしている。また、活性ケイ酸とコロイダルシリカとを有効成分とし、ｐＨをアルカリ領域におさまるように調整し、シリカ濃度を高濃度にした場合に、よりコロイダルシリカの強度増進が図れるようにしたグラウト工法も提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４−３５５８４号公報

ところで、沿岸地域においては、地下水が海水による影響を受けた塩水系地下水であることが多く、地下水中には塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム等の無機塩が存在する。このため、塩水系地下水環境においてコロイダルシリカを用いる場合は、注入時におけるゲルタイム調整ができず、ゲル化が急激に進行し、ダマ状の白濁ゲルが形成される。したがって、塩水を含む岩盤では、コロイダルシリカをグラウト材として微小な岩盤亀裂中に注入することは難しい。

一方、コロイダルシリカは酸性領域においてゲル化が遅延されるため、ｐＨ調整剤を用いてシリカ溶液を酸性にすることで注入時の急速なゲル化を抑制することは可能である。しかし、この場合は、グラウト液中にｐＨ調整剤(リン酸等)の周辺の地下水環境に与える影響が懸念される材料を使用することになる上、ｐＨ調整剤の添加量によりゲル化時間が大きく変わるため、現場での注入材の計量管理を高い精度で行うことが要求され、施工上好ましくない。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、塩水系地下水環境下において、その施工性、固化体強度、湧水抑止効果とを十分確保できるようにした岩盤グラウト注入方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は塩水系地下水環境下の岩盤亀裂に注入されるグラウト注入方法であって、グラウト孔からの水押し試験後に、該水押し試験結果に基づき設定された低濃度グラウト材による１次グラウト注入を行い、次いで、前記グラウト孔から前記１次グラウト材が注入された岩盤亀裂内に、高濃度グラウト材を注入する２次グラウト注入を行うことを特徴とする。

前記１次グラウト注入では、シリカ濃度１０％以下のコロイダルシリカグラウト材が注入され、前記２次グラウト注入では、硬化促進剤が添加された、シリカ濃度２０〜３０％のコロイダルシリカグラウトが注入されることが好ましい。

前記コロイダルシリカグラウトは、シリカ表面がアルミニウム改質されたコロイダルシリカを用いることが好ましい。

以上に述べたように、本発明によれば、塩水分を含む岩盤内にグラウト注入を行う際に、グラウト材の急激なゲル化が生じるのを緩和し、設計で予定された所定のゲルタイムを確保し、有効な範囲にわたり、所定量のグラウト注入を行うことができるという効果を奏する。

削孔したグラウト孔にコロイダルシリカグラウト注入を行うための全体設備の構成を示した説明図。本発明のコロイダルシリカグラウト作業の作業手順を示した作業フローチャート。グラウト孔先端部における１次グラウト注入状態を示した施工説明図。グラウト孔先端部における２次グラウト注入状態を示した施工説明図。

以下、本発明の岩盤グラウト注入方法の実施するための形態として、以下の実施例について添付図面を参照して説明する。

図１は、所定深度の岩盤１位置にグラウト孔先端が位置した状態を示したグラウト孔２（断面）とグラウトの事前試験（水押し試験）及び注入作業のための設備を併せて示した説明図である。同図には、グラウト設計のための事前試験としての、水押し試験のための設備と、グラウト注入作業のための設備とが地上部に設備されている。

本発明では、図１に示したグラウト孔先端位置を横切る亀裂に、高い濃度の塩分を含む地下水が浸透している状態（以下、塩水系地下水環境と呼ぶ。）を想定している。この塩水系地下水環境においては、上述したように、注入したグラウト材のゲルタイム調整が困難なことが知られている。そこで、以下、本発明の工程およびその作用により、有効なグラウト作業を実現する点について説明する。

グラウト孔２の先端に加圧部２ｂを形成するためにグラウト孔先端近傍に、パッカー３が配置されている。このパッカー３は地上の加圧ポンプ４の動作により膨張し、グラウト孔２の中央部に挿通されたグラウトパイプ５と孔壁２ａとの間を閉塞し、グラウト孔先端の所定範囲にわたり、加圧部２ｂを形成する。

グラウト注入作業に利用されるグラウト設備として、地上部には、パイプ内圧力計６、流量計７、および清水タンク１０、グラウトタンク１１とそれぞれの材料を、切替弁９を介してグラウトパイプ５を通じて圧送する材料供給ポンプ８とが配備されている。

図１は、グラウト作業前における水押し試験の状態を示している。この水押し試験はルジオンテストを簡易手順で行うグラウト計画用の透水性試験であり、引き続き行われるグラウト作業におけるグラウト設計のための亀裂性岩盤の評価のために行う。試験は、清水注入圧力状態を昇圧、降圧時それぞれ２，３段階ごとに設定し、それぞれの圧力で安定した際の注入量を測定し、ルジオン値（Ｌｕ）、限界圧力を求める。また、試験時に得られた限界圧力は、後工程のグラウト作業時のグラウト最大注入圧として用いる。

この水押し試験の実施により、グラウト孔先端の加圧部２ｂに位置する、当初塩水で満たされていた亀裂１２内には、高圧の孔内側から塩水を岩盤奥部に押し戻すように清水Ｗが注入されている。本発明では、水押し試験の結果をもとに、好適とされているコロイダルシリカグラウトの総注入量を決定し、グラウト注入は、それぞれ別途の仕様からなる１次グラウト注入作業、２次グラウト注入作業とで実施することを構成としている。

以下、この水押し試験の実施からグラウト作業までの一連の作業手順について、図２のフローチャート、図３，図４の作業状態図を参照して説明する。上述した水押し試験の実施により、ルジオン値、最大注入圧が得られるが、その際、グラウト注入の実績のない最初のグラウト範囲では、最初に行う水押し試験により、グラウト注入の対象岩盤の透水性を確認し、その結果に応じて、岩盤に生じている亀裂の規模（幅、間隔）や湧水状態などを推定し、対象範囲でのグラウト注入量を決定する。この際、水押し試験の実施により求められたルジオン値を参照する。通常、コロイダルシリカグラウトを行うような細い亀裂がある岩盤のルジオン値は１Ｌｕ以下、その際の２次グラウト総注入量はおよそ数十〜数百リットルの範囲であると想定している。

本発明では、グラウト注入範囲が塩水系地下水環境であることを考慮して、２段階グラウト注入を行うこととした。本明細書では、この２段階に分けたグラウトを１次グラウト、２次グラウトと呼び、それぞれ異なった仕様（シリカ濃度、添加剤有無）のグラウト注入を設定している。まず、水押し試験終了後に、水押し試験結果に基づき設定された仕様に沿って１次グラウト注入を行う。１次グラウト注入では、材料仕様として、硬化促進剤を添加しない、低濃度アルミニウム改質コロイダルシリカを用いる。この１次グラウトのグラウト材は、シリカ濃度が数％〜１０wt％に設定された、標準配合より低濃度の材料である。このため、注入時の粘性を低くでき、図１に示したように、水押し試験でグラウト孔から清水Ｗが注水された亀裂に注入された際に、地下水中の無機塩の影響によるゲル化の進行がきわめて緩やかで、亀裂内に注入された際の浸透不良が起きにくい。また、シリカ材がアルミニウム改質され、無機塩に対して化学的に安定しているため、この点でも塩水系地下水環境における初期の急激なゲル化をさらに抑制することができる。注入圧は水押し試験において確認された、グラウト注入可能な最大圧と同等としてよい。

次いで、１次グラウトとしての低濃度グラウト材の注入後に、２次グラウトとして標準的な粘性、固化強度を有する仕様の溶液型グラウト(硬化促進剤を添加した、シリカ濃度２０〜３０wt％程度の高濃度コロイダルシリカ)を注入する。２次グラウト注入時には、すでに亀裂内に充填された１次グラウト材の存在により、亀裂内は、先端位置（奥部位置）で塩水領域との遮断が果たされる。このため、２次グラウトでは、塩水領域の影響を受けないグラウト注入が可能となる。すなわち、岩盤亀裂内の奥部まで、低濃度の１次グラウト材が、地下水に希釈された状態で浸透し、地下水の亀裂内への浸透を遮断した状態にある。２次グラウトでは、さらにその１次グラウトを亀裂奥部に押し込むように、注入が行われる。これにより、まず低強度の１次グラウト材により、亀裂奥部で塩水領域とを遮断する湧水遮断域が形成され、次いで、グラウト孔壁からこの湧水遮断域にかけての亀裂内には、高強度で、低透水性の岩盤改良域が形成される。この結果、図４に示したように、グラウト孔の周辺岩盤の地下水圧に抵抗可能で止水性に優れたグラウト改良体を構築することが可能になる。

なお、１次グラウト、２次グラウトのグラウト材は、ともにコロイダルシリカを主成分とし、シリカ粒子の表面をアルミニウム改質したコロイダルシリカグラウトを使用している。また、グラウト材の組成において、シリカ濃度は、上述したように、１次グラウトでは、低濃度（数％〜１０wt.％）、２次グラウトでは、高濃度（２０〜３０wt.％）に設定されている。さらに、２次グラウトではアルミニウム改質コロイダルシリカグラウトに、硬化促進剤を添加することで固化調整を行っている。硬化促進剤としては、周辺の地下水環境への影響を考慮してＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＣａＣｌ₂等の無機塩を添加することが好ましい。

上述した２段階グラウトの注入作業状況について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、グラウト孔先端部における水押し試験の実施後に行う１次グラウト１３の注入状態を示した説明図である。１次グラウト作業は、塩水領域との遮断することを目的とするため、高い改良強度を必要とされないので、水押し試験の結果、設定された２次グラウト総注入量の約１／２程度に設定すればよい。具体的には、数十リットル程度の注入量を想定している。グラウト注入圧力は、水押し試験時に確認された最大注水圧と同等とする。これにより、同図に模式的に示したように、すでに水押し試験で清水Ｗ（図１）が注水された亀裂１２内に低濃度、低粘性の１次グラウト材１３が矢印先端付近まで注入される。この範囲では、被圧状態の地下水圧より大きい注入圧力でグラウト材３１が亀裂１２内に入り込むため、矢印までの範囲の亀裂１２内の清水Ｗ及び希釈された塩水は低濃度のグラウト材１３と置換された状態にある。

次いで、２次グラウト１５の注入作業を行う。図１に示した地上設備において、供給タンク内に２次グラウト材１５を投入し、供給経路を２次グラウト注入用とする。グラウト注入開始時において、グラウト孔の加圧部２ｂに面する亀裂１２内には、低濃度の１次グラウト材１３が満たされている。この状態の亀裂１２部分に、さらに高濃度のロイダルシリカグラウト（以下、単に２次グラウト材１５）を注入する。亀裂１２内は固化前の１次グラウト材１３が注入されているが、比重の大きな２次グラウト材１５が、１次グラウト材１３を亀裂１２の深部に押し込むように注入される。このため、１次グラウト材１３は、孔口側から注入された２次グラウト材１５により、亀裂２１内をさらに深部に浸透して、各亀裂１２内の塩水領域に近い先端側は１次グラウト材１３で満たされ、その後方から孔口までが高濃度の２次グラウト材１５で満たされる。このように、亀裂１２の奥部の、塩分を含む地下水との接触範囲は、奥部まで浸透した１次グラウト材１３で満たされるため、その後方の２次グラウト１５は、塩分の影響を受けることなく、設定ゲルタイム内に所定の範囲まで確実に浸透でき、その後、適正にゲル化が進行し固化し、亀裂内にグラウト改良体が形成される。

グラウト方法としてシングルパッカー３を盛り替えて行き、グラウト孔２内でのグラウト範囲（深度）を移動させて連続してグラウト注入作業を行うことも可能である。その場合には、図２に示したフローチャートに示したように、水押し試験の結果後、その前のグラウト範囲での注入実績を考慮した情報化施工を行うことにより、グラウト総注入量と、先行する１次グラウト材注入量を適正に設定することができる。このようにして、塩水系地下水環境の地下水が浸透している岩盤亀裂においても、水押し試験後に、低濃度の１次グラウト注入と、それに続く高濃度の２次グラウトとを適正な手順で行うことで、グラウト孔の周辺岩盤において高品質のコロイダルシリカグラウト改良体を、確実かつ連続的に構築することができる。

なお、以上の実施例の説明では、図１に示したように、地上から削孔された鉛直グラウト孔２の下端に加圧部２ｂが形成され、その周辺岩盤にグラウト固化体が形成される状態が示されているが、このグラウト孔は地下空間から上方、側方、下方の周囲地盤の各方向に放射状に削孔されたグラウト孔等においても適用できる。また、グラウトにより形成される改良体は、地下空間の周辺岩盤からの湧水抑止、岩盤補強、掘削予定の岩盤の崩落防止など、それらの用途等に何ら規制されないこともいうまでもない。

１岩盤
２グラウト孔
２ｂ加圧部
３パッカー
５グラウトパイプ
１０清水タンク
１１グラウトタンク
１２亀裂
１３１次グラウト材
１５２次グラウト材

Claims

塩水系地下水環境下の岩盤亀裂に注入されるグラウト注入方法であって、グラウト孔からの水押し試験後に、該水押し試験結果に基づき設定された低濃度グラウト材による１次グラウト注入を行い、次いで、前記グラウト孔から前記１次グラウト材が注入された岩盤亀裂内に、高濃度グラウト材を注入する２次グラウト注入を行うことを特徴とする岩盤グラウト注入方法。
前記１次グラウト注入では、シリカ濃度１０％以下のコロイダルシリカグラウト材が注入され、前記２次グラウト注入では、硬化促進剤が添加された、シリカ濃度２０〜３０％のコロイダルシリカグラウトが注入されることを特徴とする請求項１に記載の岩盤グラウト注入方法。
前記コロイダルシリカグラウトは、シリカ表面がアルミニウム改質されたコロイダルシリカである請求項２に記載の岩盤グラウト注入方法。