JP2022107878A - トンネルの裏込め材注入方法及び装置、裏込め材 - Google Patents

Abstract

【課題】裏込め部に高強度の裏込め材を確実かつ効率的に注入可能な裏込め材注入装置を提供する。【解決手段】裏込め材注入装置１０は、骨材、水、及びミセル剤を混合してジェル状骨材体を作成するミキサー１６と、セメント、水、あるいはセメント、水及びミセル剤を混合してセメントジェルを作成するミキサー２４と、ジェル状骨材体をトンネル４の切羽付近まで圧送する骨材ジェル圧送ポンプ１２と、セメントジェルをトンネル４の切羽付近まで圧送するセメントジェル圧送ポンプ２１と、ジェル状骨材体とセメントジェルを混合して裏込め材７ａを作成するミキサータンク４０と、混合された裏込め材７ａをトンネル４の裏込め部７に注入する裏込め注入管８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、トンネルを築造するとき、トンネルの裏込め部（以下、テールボイドともいう。）に裏込め材を注入するトンネルの裏込め材注入方法及び装置、裏込め材に関する。

一般に、トンネルを築造するとき、覆工体（セグメント）と地盤との間に形成される裏込め部に裏込め材が注入される。この裏込め材の注入方法としては、一液性と二液性がある。一液性は、一例としてセメント、ベントナイト、骨材、及び水を混合したものがあり、これらに適宜混和剤が加えられることもある。この一液性は、現在では主に山岳トンネルの裏込め部に使用されている。

また、トンネル発進基地で裏込め材が作成され、この裏込め材がポンプ等の圧送手段でトンネル内の配管を通して圧送され、トンネル内の切刃付近で裏込め部に充填される。

二液性は、主にシールドトンネル工事で採用されている。例えば、トンネル発進基地でＡ液とＢ液を作成する。Ａ液としては、例えばセメント、骨材と粘土、ベントナイトと水の混合体であり、Ｂ液としては、水ガラス溶液等の凝結剤である。

Ａ液とＢ液は、トンネル発進基地からそれぞれ別の配管を通して圧送され、シールド掘進機の後端付近で混合されて裏込め部に注入充填される。Ａ液にＢ液の凝結剤を混合することにより、Ａ液の裏込め材のゲル化と凝結を早めて裏込め部おいて地下水に希釈されにくいようにしている。

近年では、長距離シールドトンネル工事においては、発進基地やトンネル坑内でＡ液とＢ液の凝結剤とが別々の配管で圧送される。Ａ液は、砂や粘土等の骨材とセメント等の固化材が含まれる混合体（モルタル）である。

シールド掘進機が掘進すると同時に、Ａ液にＢ液をシールド掘進機の直後方で混合して圧入ポンプでシールド筒後方より裏込め部へ充填される。この裏込め部の付近では、Ｂ液としての凝結剤をＡ液に添加して混合し、これを裏込め部に充填して早期に凝結（ゲル化）させるようにしている。

特開２０１６－１６６４４７号公報

しかしながら、シールド掘進機の掘進に支障が生じて掘進動作が停止すると、裏込め部に裏込め材を注入することができなくなる。このため、トンネル坑内の配管に充填されたＡ液のセメント等の固化材が固化する。その結果、上記配管内からＡ液のモルタルを除去してトンネル坑内で掃除することになる。あるいは、上記配管を解体して地上の発進基地に搬送して固化した裏込め材を除去する作業が必要になる。あるいは、上記配管を交換することにもなり、その交換作業時間と経費が嵩むことになる。

これまで、シールドトンネル工事では、良好な施工性を図るため、裏込め材の流動性が重要視されている。我国では、シールドトンネル工事が軟弱地盤において多く採用されてきた。このため、強度が高い裏込め材の必要性が少なかった。

シールドトンネル周辺の地盤は、軟弱地盤であることが多かったため、Ａ液の骨材としてセメント、粘土、ベントナイトが主体となっていた。

近年、シールドトンネル工事では、第三紀層や岩盤の硬質地盤を通過するケースが増加している。

したがって、現在では、高強度の裏込め材としてモルタル等を注入する効率的で安全性が高く施工の容易な注入方法が求められている。周辺地盤の強度に相当する裏込め材がトンネル周辺に充填されることにより、地盤と覆工体（セグメント）の一体化が図れ、地盤のばねを利用した合理的な覆工体の設計が可能になり、覆工体の厚さを薄くすることができる。あるいは覆工体内部の鉄筋を削減することができる等の利点がある。

ところで、特許文献１に記載された技術は、モルタル（Ａ液）と硬化促進剤（水ガラス）を別個に作成している。上記Ａ液には、砂とセメントが配合されている。この技術では、モルタルが配管内を圧送されることにより、長期的な掘進動作が停止すると、配管内でモルタルの硬化により固結が発生するため、継続して裏込め注入ができなくなり、骨材である砂の再利用も不可能である。そして、上述したように固化した配管内を掃除するために時間とコストが大幅にかかるという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、裏込め部に高強度の裏込め材を確実かつ効率的に注入可能なトンネルの裏込め材注入方法及び装置、裏込め材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の発明は、トンネルの発進基地又は前記トンネルの坑内において、骨材、水、及び増粘剤を混合してジェル状骨材体を作成する第１の混合工程と、前記トンネルの発進基地又は前記トンネルの坑内において、セメント、水、あるいはセメント、水及び増粘剤を混合してセメントジェルを作成する第２の混合工程と、前記第１の混合工程によって混合された前記ジェル状骨材体を、第１の配管を通して前記トンネルの切羽付近まで圧送する第１の圧送工程と、前記第２の混合工程によって混合された前記セメントジェルを、第２の配管を通して前記トンネルの切羽付近まで圧送する第２の圧送工程と、前記トンネルの切羽付近まで圧送された前記ジェル状骨材体と前記セメントジェルを混合して裏込め材を作成する第３の混合工程と、前記第３の混合工程によって混合された前記裏込め材を前記トンネルの裏込め部に注入する注入工程と、を有する。

また、本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記第１の混合工程において、前記骨材、前記水、及び前記増粘剤に、消泡剤を添加して前記ジェル状骨材体を作成する。

また、本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記裏込め材の注入直前に前記裏込め材に凝結剤を混入して前記裏込め部に注入する。

また、本発明の請求項４に記載の発明は、トンネルの発進基地又は前記トンネルの坑内において、骨材、水、及び増粘剤を混合してジェル状骨材体を作成する第１の混合手段と、前記トンネルの発進基地又は前記トンネルの坑内において、セメント、水、あるいはセメント、水及び増粘剤を混合してセメントジェルを作成する第２の混合手段と、前記第１の混合手段によって混合された前記ジェル状骨材体を、第１の配管を通して前記トンネルの切羽付近まで圧送する第１の圧送手段と、前記第２の混合手段によって混合された前記セメントジェルを、第２の配管を通して前記トンネルの切羽付近まで圧送する第２の圧送手段と、前記トンネルの切羽付近に設置され、前記第１の圧送手段によって圧送された前記ジェル状骨材体と前記第２の圧送手段によって圧送された前記セメントジェルを混合して裏込め材を作成する第３の混合手段と、前記第３の混合手段によって混合された前記裏込め材を前記トンネルの裏込め部に注入する注入手段と、を備える。

また、本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１又は４に記載の前記裏込め材の成分は、少なくとも前記セメント、前記骨材、前記水、及び前記増粘剤を含む。

また、本発明の請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の前記裏込め材の成分は、少なくとも前記セメント、前記骨材、前記水、前記増粘剤、及び前記凝結剤を含む。

また、本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１又は４に記載の前記裏込め材は、前記水と前記セメントとの比が５０％以下である。

また、本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１又は４に記載の前記裏込め材は、前記水と前記セメントとの比が５０％であって、１ｍ^３当たりの重量が前記水４４０ｋｇ、前記セメント８８０ｋｇ、前記骨材５２８ｋｇであり、前記ジェル状骨材体における前記水と前記骨材との比は４２～２１％で、前記セメントジェルにおける前記水と前記セメントとの比が３８～２５％であり、前記水と前記ミセル剤との比が１．５０～３．０％である。

また、本発明の請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の前記増粘剤は、ミセル剤であって、該ミセル剤は、下記一般式（１）で表される化合物を２種以上含有するミセル剤であって、前記２種以上の化合物は、一般式（１）中のＸが異なっており、前記２種以上の化合物のうち、少なくとも１つは一般式（１）中のＸのＲ１ａ又はＲ１ｂがアルケニル基の化合物であって、更にアニオン性化合物との組合せからなる裏込め材。

〔式中、ＸはＲ１ａ又はＲ１ｂ-〔ＣＯＮＨ－ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２〕ｎ－で表される基である。Ｒ１ａは、炭素数１４以上２２以下のアルキル基又は炭素数１４以上２２以下のアルケニル基である。ｎは１以上３以下の整数である。Ｒ^２およびＲ^３は、それぞれ独立に、炭素数１以上４以下のアルキル基又は－（Ｃ_２Ｈ_４Ｏ）ｐＨで表される基である。ｐは、平均付加モル数であり、Ｒ^２およびＲ^３の合計で０以上５以下の数である。〕。

また、本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の前記セメントジェルは、前記セメントとセメント分散剤との比が０．２～０．７％である。

本発明の請求項１乃至請求項１０に記載の発明によれば、骨材、水、及び増粘剤を混合してジェル状骨材体を作成し、セメント、水、あるいはセメント、水及び増粘剤を混合してセメントジェルを作成し、これらジェル状骨材体とセメントジェルを別々にトンネルの切羽付近まで圧送し、これらジェル状骨材体とセメントジェルを混合して裏込め材を作成して裏込め部に注入することにより、裏込め部に高強度の裏込め材を確実かつ効率的に注入することが可能となる。

また、本発明の請求項１乃至請求項１０に記載の発明によれば、ジェル状骨材体にセメントが含まれていないため、長期的に全く固化しなくなり、取扱いが容易である。これにより、ジェル状骨材体を圧送するための配管内の掃除が容易になるとともに、ジェル状骨材体内の砂を再利用することができる。

本発明の一実施形態に係るトンネルの裏込め材注入装置の構成を示す系統図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［一実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係るトンネルの裏込め材注入装置の構成を示す系統図である。

図１に示すように、シールド掘進機１は、主に、スキンプレート２、カッタヘッド３、図示しない推進用ジャッキ及びセグメント組立装置を備える。シールド掘進機１は、前方の地盤５を掘削する。一方、そのシールド掘進機１の後方では、上記セグメント組立装置を用いてセグメント６をリング状に組み立て、組み立てたセグメント６と地盤５の掘削孔５ａとの間に形成される裏込め部（テールボイド）７に裏込め材７ａを裏込め材注入管８の吐出口８ａから注入してトンネル４を築造するトンネル施工が実施される。

＜裏込め材注入装置の構成説明＞
裏込め材注入装置１０は、主にジェル状骨材体を作成する骨材ジェル製造設備１１と、骨材ジェル製造設備１１によって製造されたジェル状骨材体をトンネル坑内４ａの切羽付近まで圧送する第１の圧送手段としての骨材ジェル圧送ポンプ１２と、セメントジェルを作成するセメントジェル製造設備２０と、このセメントジェル製造設備２０によって製造されたセメントジェルをトンネル坑内４ａの切羽付近まで圧送する第２の圧送手段としてのセメントジェル圧送ポンプ２１と、凝結剤を作成する凝結剤製造設備３０と、この凝結剤製造設備３０によって作成された凝結剤を裏込め材注入管８まで圧送する凝結剤圧送ポンプ３１と、トンネル坑内４ａの切羽付近に設置され、骨材ジェル圧送ポンプ１２によって圧送されたジェル状骨材体とセメントジェル圧送ポンプ２１によって圧送されたセメントジェルを混合する第３の混合手段としてのミキサータンク４０とを備える。

これら骨材ジェル製造設備１１、骨材ジェル圧送ポンプ１２、セメントジェル製造設備２０、セメントジェル圧送ポンプ２１、凝結剤製造設備３０、及び凝結剤圧送ポンプ３１は、地上の発進基地９に設置されている。

骨材ジェル製造設備１１は、砂等の骨材を収容する骨材槽１３と、水を収容する水槽１４と、ミセル剤を収容するミセル剤槽１５と、計量器１３ａ，１４ａ，１５ａと、第１の混合手段としてのミキサー１６とを有している。上記骨材とは、主として砂、高炉スラグ、フライアッシュ、ミクロサンド、石灰石微粉末、石粉、シラス微粉末等であって、あるいはこれらの混合体をいう。上記砂としては、川砂、海砂、陸砂、珪砂、砕砂等が挙げられる。計量器１３ａ，１４ａ，１５ａは、それぞれ骨材、水、ミセル剤を計量する。ミキサー１６は、計量器１３ａ，１４ａ，１５ａによって計量された骨材、水、ミセル剤を撹拌混合することでジェル状骨材体が作成される。

本実施形態では、砂等に一定の割合でミセル剤と水を混合する。本実施形態では、これをジェル状骨材体という。このジェル状骨材体は、骨材ジェル圧送ポンプ１２の圧送に適した不分離状態を長時間維持し、適度な流動性と粘性を有している。上記骨材ジェル圧送ポンプ１２は、ジェル状骨材体配管１７を介してミキサータンク４０に接続されている。ジェル状骨材体配管１７は、地上の発進基地９から地盤５に掘削した発進立坑１８を経てトンネル坑内４ａのミキサータンク４０まで延びている。このミキサータンク４０は、撹拌装置４０ａを備えている。

セメントジェル製造設備２０は、セメントを収容するセメント槽２２と、水を収容する水槽２３と、計量器２２ａ，２３ａと、第２の混合手段としてのミキサー２４とを有している。計量器２２ａ，２３ａは、それぞれセメント、水を計量する。ミキサー２４には、計量器２２ａ，２３ａによって計量されたセメント、水と、例えば一定量の遅延剤が添加混合されてセメントジェル（セメントミルク）が作成される。上記セメントジェル圧送ポンプ２１は、セメントジェル配管２５を介してミキサータンク４０に接続されている。セメントジェル配管２５もジェル状骨材体配管１７と同様に、地上の発進基地９から発進立坑１８を経てトンネル坑内４ａのミキサータンク４０まで延びている。

凝結剤製造設備３０は、凝結剤を収容する凝結剤槽３２と、凝結剤の量を計る流量計を含む計量器３２ａとを有している。上記凝結剤としては、例えば所定の濃度の水ガラス液が用いられる。凝結剤圧送ポンプ３１は、凝結剤配管３３を経て撹拌混合機能を有する混合部４１に接続されている。この混合部４１は、トンネル坑内４ａの切羽付近に設置されている。混合部４１は、裏込め材注入管８に配設されている。凝結剤配管３３は、地上の発進基地９から発進立坑１８を経てトンネル坑内４ａの混合部４１まで延びている。混合部４１は、裏込め材注入管８に向けて供給される裏込め材７ａに凝結剤を添加混合する。

トンネル坑内４ａのミキサータンク４０は、注入配管４２を介して裏込め材注入管８に接続されている。この裏込め材注入管８は、スキンプレート２に装着され、その先端部に裏込め部７に向けて後方に開口された吐出口８ａを有している。注入配管４２には、注入ポンプ４３が配設されている。これら裏込め材注入管８、吐出口８ａ、注入配管４２、及び注入ポンプ４３は、本実施形態の注入手段を構成する。

＜裏込め材注入装置の作用説明＞
次に、本実施形態の裏込め注入装置１０の作用を説明する。

地上の発進基地９では、骨材槽１３の骨材である砂と、水槽１４の水と、ミセル剤槽１５のミセル剤とがそれぞれ計量器１３ａ，１４ａ，１５ａにより計量されてミキサー１６に移送される。このミキサー１６は、砂と、水と、ミセル剤とが撹拌混合されてジェル状骨材体が作成される（第１の混合工程）。このジェル状骨材体は、上述したように骨材ジェル圧送ポンプ１２の圧送に適した不分離状態を長時間維持し、適度な流動性と粘性を有している。

このため、ジェル状骨材体は、コンクリートポンプ等に類した骨材ジェル圧送ポンプ１２で容易に圧送することが可能である。本実施形態のようにトンネル４の長さが非常に長い場合には、中継ポンプを使用することができる。ジェル状骨材体は、骨材ジェル圧送ポンプ１２を駆動させると、ジェル状骨材体配管１７を経由してシールド掘進機１付近、すなわち切羽付近のミキサータンク４０まで圧送されて貯留される（第１の圧送工程）。このミキサータンク４０では、撹拌装置４０ａによって撹拌することで、長時間の流動性や不分離性を確保することができる。

また、地上の発進基地９では、セメント槽２２から計量器２２ａで計量されたセメントと、水槽２３から計量器２３ａで同じく計量された水とともに、例えば一定量の遅延剤がミキサー２４に添加混合されて、セメントジェルが作成される（第２の混合工程）。このセメントジェルは、セメントジェル圧送ポンプ２１によりセメントジェル配管２５を経由してシールド掘進機１付近のミキサータンク４０に圧送される（第２の圧送工程）。第３の混合工程では、このミキサータンク４０に設けられた撹拌装置４０ａによって撹拌することで、上記ジェル状骨材体と混錬されて、裏込め材が作成される。この裏込め材７ａは、注入ポンプ４３を駆動することにより注入配管４２を経由して撹拌混合機能を有する混合部４１に圧送された後、裏込め材注入管８を経由して吐出口８ａから裏込め部７に注入される（注入工程）。

ここで、ミキサータンク４０は、例えば大口径トンネルで、大量に裏込め材７ａを注入する場合やトンネル４の掘進延長が長距離となる場合、複数設置する場合もある。この場合、注入ポンプ４３も同様に複数設置される。

さらに、地上の発進基地９では、凝結剤槽３２において凝結剤である例えば所定の濃度の水ガラス液を計量器３２ａにより計量して凝結剤圧送ポンプ３１によりシールド掘進機１付近の混合部４１に圧送することで、上述のようにして作成された裏込め材７ａに添加混合される。ここで、凝結剤である水ガラスを含む溶液の注入量は、裏込め材７ａの２．５～４．５％であることが望ましい。なお、本実施形態では、凝結剤に水ガラス系を用いたが、これに限らずアルミニウム塩系、又は水酸化アルミニウム系の凝結剤を用いてもよい。そして、本実施形態では、図示はしていないが混合部４１を組み立てられたセグメントの裏込め注入孔に取り付け、直接裏込め部７に充填する場合もある。

混合部４１では、裏込め材に水ガラス液等の凝結剤が添加混合され、裏込め注入管８の吐出口８ａから裏込め部７であるテールボイドへ吐出され、裏込め部７に充填される。なお、混合部４１は、裏込め注入管８に配設する場合もある。

また、本実施形態では、セメントジェル（ジェル状セメント）に代えて、上記ジェル状骨材体とセメントジェルを別系統でトンネル坑内４ａの切羽付近まで圧送し、この切羽付近で上記ジェル状骨材体とセメントジェルをミキサータンク４０あるいはラインミキサー等で混合して裏込め材７ａを作成するようにしてもよい。この裏込め材７ａは、上記と同様に注入ポンプ４３を駆動することで、注入配管４２、裏込め材注入管８を経由して裏込め部７に充填される。上記セメントジェルとは、ミセル剤等の増粘剤を混合してジェル状を呈するものをいう。

なお、増粘剤には、ミセル剤の他に、例えばメチルセルロース（ＭＣ）が用いられる。メチルセルロース以外のセメントコンクリート向け増粘剤には、例えば酵素より作られるバイオポリマー系の増粘剤や、アクリル系の合成品であるポリアクリルアミド系増粘剤が用いられる。

さらに、セメントジェルは、地上の発進基地９等において、セメントと、水と、セメント分散剤(マイティ（商品名：花王株式会社製）等)とを混合して、それぞれ別系統の配管で、シールド掘進機１の後方まで圧送する。セメントジェルは、圧送距離や可使時間等に応じて他の分散剤や遅延剤等の添加剤を加えるとより好適である。なお、分散剤の使用量は、セメントの０．２～０．７％程度が良好である。

ここで、砂ジェルの製造やセメントジェルの製造は、例えば地上の発進基地９の用地に砂置き場が設けられていない等の条件によっては、トンネル坑内４ａ、発進基地９のみならず、近隣のコンクリートプラント設備を転用して製造してもよい。このコンクリートプラント設備は、精度の良好な管理設備や熟練の管理技術者が常設・常置しているので、精度が確保されたセメントジェルやジェル状骨材体が製造可能であり、ここから発進基地９までコンクリート運搬車（生コン車）を利用して運搬すると好適である。

＜本実施形態で用いられる各材料の説明＞
次に、本実施形態で用いられる各材料について説明する。

ジェル状骨材体は、流動性を有し、かつ粘性を有し、砂等を包含して容易に分離しない性質を有し、骨材ジェル圧送ポンプ１２によるポンプ圧送が容易な状態を長時間維持している。ジェル状骨材体は、ヨーグルト、煮凝り、すりおろしたとろろ芋のような状態を呈する。ジェル状骨材体は、セメント等の硬化材が含まれていないので、ジェル状骨材体配管１７内で固結現象を起こすことがなくなる。

ジェル状骨材体において、骨材として用いられる砂には、シルト（沈泥）以下の土粒子がわずかに含まれていることが実情としてあるものの、上記ミセル剤はシルト以下の土粒子の影響による性能低下がほとんどないという特徴があるので、ミセル剤を用いることで常に安定した状態のジェル状骨材体を作成することができる。

本実施形態に用いられる増粘剤としてのミセル剤とは、下記一般式（１）で表される化合物を２種以上含有するミセル剤であって、前記２種以上の化合物は、一般式（１）中のＸが異なっており、前記２種以上の化合物のうち、少なくとも１つは一般式（１）中のＸのＲ１ａ又はＲ１ｂがアルケニル基の化合物であって、更にアニオン性化合物との組合せからなる。

〔式中、ＸはＲ１ａ又はＲ１ｂ-〔ＣＯＮＨ－ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２〕ｎ－で表される基である。Ｒ１ａは、炭素数１４以上２２以下のアルキル基又は炭素数１４以上２２以下のアルケニル基である。ｎは１以上３以下の整数である。Ｒ^２およびＲ^３は、それぞれ独立に、炭素数１以上４以下のアルキル基又は－（Ｃ_２Ｈ_４Ｏ）ｐＨで表される基である。ｐは、平均付加モル数であり、Ｒ^２およびＲ^３の合計で０以上５以下の数である。〕
上記ミセル剤においては、砂等に少量含まれる粘土分が酸性あるいはアルカリ性であっても、これに影響されることがなく、長時間の砂ジェルの流動性の低下を抑えることができる。それに加えて、砂ジェルをセメント水と混合した後のアルカリ領域でも、流動性を保持することができ、シールド掘進中の裏込め材７ａの流動性を一定時間保持することもできる。

上記ミセル剤は、弱酸性、アルカリ性の両領域で有効であり、低濃度で長期保持能力を有する。さらに、上記ミセル剤は、凝結剤液に混合しても凝結剤の特性を損なうことがなく、流動性を付与することができるため、このミセル体の利用領域を広げることが可能である。高炉セメントは混合セメントの一種であり、ポルトランドセメントに高炉スラグ微粉末を所定量混合されて製造される。この高炉スラグ微粉末は、本実施形態における骨材体として利用される。

＜各実施例の説明＞
以下、具体的な各実施例を表１及び表２に基づいて説明する。

表１は、本実施形態における好適な裏込め材の配合例として３つのケースを示している。表２において、比較例とはミセル剤を使用しない事例である。表１において、Ｗ／Ｃは水とセメントとの比であり、Ｗ／Ｓは水と骨材との比である。

比較例では、明らかに骨材である細砂と水は直ちに分離してしまい、流動性や粘性の欠けたジェル状を呈さない性状であって、圧送ポンプ等で圧送することができない状態であった。

このように表１に示すように、水とセメントとの比が５０％であって、１ｍ^３当たりの重量が水４４０ｋｇ、セメント８８０ｋｇ、骨材５２８ｋｇであり、ジェル状骨材体における水と骨材との比は４２～２１％で、セメントジェルにおける水とセメントとの比が３８～２５％であり、また表２に示すように水とミセル剤との比が１．５０～３．０％であることが望ましい。

表２において、実施例１から実施例４のそれぞれの配合は、表１の配合ケースを用いている。また、表２において、Ｗ×％は対水質量％であり、Ｃ×％は対セメント質量％である。実施例１から実施例４は、いずれもミセル剤が配合されている。実施例２はいずれも、ジェル状骨材体及びセメント水は分離せず、十分な流動性と粘性を有するので、それぞれ骨材ジェル圧送ポンプ１２、セメントジェル圧送ポンプ２１でジェル状骨材体及びセメント水を圧送することが可能であった。

これらの実施例は、砂ジェルの配合に、ミセル剤を添加しているが、ミセル剤に加えて、ミセル剤の２～３％の消泡剤を加えることも有効である。このような消泡剤としては、シリコーン系消泡剤が好ましく、消泡剤を加えることで、砂ジェルに含まれる気泡を消泡し、硬化体の圧縮強度を向上させる効果がある。

上記マイティは分散剤であって、セメントジェルの流動性を保持するとともに、硬化を遅延させる効果がある。このセメントジェルは、セメントとセメント分散剤との比が０．２～０．３％であることが望ましい。

セメントジェルの流動性と非分離性を高めるとともに、硬化を遅延させるために、セメント分散剤に加えて、ミセル剤や、遅延剤を添加することも有効である。

表２の実施例１～実施例４において、２８日圧縮強度（σ２８）は、いずれも２４Ｎ／ｍｍ^２以上が確保されており、強度の高い地盤における裏込め材として適用可能であることが示された。上記ジェル状骨材体は、３日間程度の不分離性能が確認され、実施工でもシールド掘進トラブル等により、３日程度の掘進停止においても十分使用可能であることが確認された。また、上記ジェル状骨材体は、４日以降でも撹拌することにより流動性や不分離性の回復結果が得られたことで、４日以降でも使用可能であることが示唆された。セメントジェルについては、６時間～１２時間程度の可使時間を得ることができる。

また、本実施形態では、地上の発進基地９でジェル状骨材体を作成し、これをシールド掘進機１の後方の切羽付近まで骨材ジェル圧送ホンプ１２等を用いて、ジェル状骨材体配管１７等で長距離輸送するため、砂の沈降を小さく大きな流動性を有する、配管抵抗の小さい状態が必要であり、粘性が大きいと長距離の管圧送に不利であるので粘性は大きい必要はない。

また、ここに示した配合例のみに限定されるものではない。トンネル建設条件、使用するセメントや骨材等の種類により配合は適宜変更することができる。

なお、本実施形態では、ジェル状骨材体及びセメントジェルを地上の発進基地９にて作成した例について説明したが、これに限らず発進立坑１８あるいはトンネル坑内４ａで作成するようにしてもよい。

＜本実施形態の効果＞
このように本実施形態は、地上の発進基地９において骨材と、水と、ミセル剤とを混合したジェル状骨材体を作成する一方、セメントジェルを作成し、それぞれ別個に骨材ジェル圧送ポンプ１２、セメントジェル圧送ポンプ２１でミキサータンク４０まで圧送し、このミキサータンク４０で混合して裏込め材７ａを作成し、注入ホンプ４３で注入機の近辺のミキサータンク４０まで輸送し、注入配管４２を経て裏込め注入管８の吐出口８ａから裏込め部７に注入することにより、裏込め部７に高強度の裏込め材７ａを確実かつ効率的に注入することが可能となる。

したがって、本実施形態のジェル状骨材体は、セメントが含まれていないことから、長期的にも全く固化しないので、取扱いが容易である。これにより、ジェル状骨材体を圧送するためのジェル状骨材体配管１７内の掃除が容易になるとともに、ジェル状骨材体内の砂等を再利用することができる。

さらに、本実施形態では、ミキサータンク４０内に撹拌装置４０ａを有するので、固化時間を遅らせることが可能である。この場合、特許文献１では、タンクに撹拌装置を有していないため、本実施形態と比べると、固化が早いので取扱いが難しい。なお、固化した材料は、裏込め材に再利用することができない。

因みに、砂等の骨材は、いずれも水と混ぜると直ちに沈殿分離するので、圧送ポンプで圧送するのが困難である。

＜他の実施形態＞
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。

なお、本実施形態の裏込め材は、シールド掘進機１に設けられた裏込め注入管８から裏込め部７へ注入するのみならず、セグメント６に設けられた裏込め注入孔から注入してもよいことは勿論である。

本実施例の裏込め材のセメントは、ポルトランドセメントや高炉セメント等のセメントや、それ以外のセメントを使用することができる。

１ シールド掘進機
２ スキンプレート
３ カッタヘッド
４ トンネル
４ａ トンネル坑内
５ 地盤
６ セグメント
７ 裏込め部（テールボイド）
７ａ 裏込め材
８ 裏込め材注入管（注入手段）
８ａ 吐出口（注入手段）
９ 発進基地
１０ 裏込め材注入装置
１１ 骨材ジェル製造設備
１２ 骨材ジェル圧送ポンプ（第１の圧送手段）
１３ 骨材槽
１３ａ 計量器
１４ 水槽
１４ａ 計量器
１５ ミセル剤槽
１５ａ 計量器
１６ ミキサー（第１の混合手段）
１７ ジェル状骨材体配管（第１の配管）
１８ 発進立坑
２０ セメントジェル製造設備
２１ セメントジェル圧送ポンプ（第２の圧送手段）
２２ セメント槽
２３ 水槽
２４ ミキサー（第２の混合手段）
２５ セメントジェル配管（第２の配管）
３０ 凝結剤製造設備
３１ 凝結剤圧送ポンプ
３２ 凝結剤槽
３２ａ 計量器
３３ 凝結剤配管
４０ ミキサータンク（第３の混合手段）
４０ａ 撹拌装置
４１ 混合部
４２ 注入配管（注入手段）
４３ 注入ポンプ（注入手段）

また、本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１又は４に記載の前記裏込め材は、前記水と前記セメントとの比が５０％であって、１ｍ^３当たりの重量が前記水４４０ｋｇ、前記セメント８８０ｋｇ、前記骨材５２８ｋｇであり、前記ジェル状骨材体における前記水と前記骨材との比は４２～２１％で、前記セメントジェルにおける前記水と前記セメントとの比が３８～２５％であり、前記水と前記増粘剤との比が１．５０～３．０％である。

Claims (10)

1. トンネルの発進基地又は前記トンネルの坑内において、骨材、水、及び増粘剤を混合してジェル状骨材体を作成する第１の混合工程と、
   前記トンネルの発進基地又は前記トンネルの坑内において、セメント、水、あるいはセメント、水及び増粘剤を混合してセメントジェルを作成する第２の混合工程と、
   前記第１の混合工程によって混合された前記ジェル状骨材体を、第１の配管を通して前記トンネルの切羽付近まで圧送する第１の圧送工程と、
   前記第２の混合工程によって混合された前記セメントジェルを、第２の配管を通して前記トンネルの切羽付近まで圧送する第２の圧送工程と、
   前記トンネルの切羽付近まで圧送された前記ジェル状骨材体と前記セメントジェルを混合して裏込め材を作成する第３の混合工程と、
   前記第３の混合工程によって混合された前記裏込め材を前記トンネルの裏込め部に注入する注入工程と、
   を有するトンネルの裏込め材注入方法。
2. 前記第１の混合工程において、前記骨材、前記水、及び前記増粘剤に、消泡剤を添加して前記ジェル状骨材体を作成する請求項１に記載のトンネルの裏込め材注入方法。
3. 前記裏込め材の注入直前に前記裏込め材に凝結剤を混入して前記裏込め部に注入する請求項１又は２に記載のトンネルの裏込め材注入方法。
4. トンネルの発進基地又は前記トンネルの坑内において、骨材、水、及び増粘剤を混合してジェル状骨材体を作成する第１の混合手段と、
   前記トンネルの発進基地又は前記トンネルの坑内において、セメント、水、あるいはセメント、水及び増粘剤を混合してセメントジェルを作成する第２の混合手段と、
   前記第１の混合手段によって混合された前記ジェル状骨材体を、第１の配管を通して前記トンネルの切羽付近まで圧送する第１の圧送手段と、
   前記第２の混合手段によって混合された前記セメントジェルを、第２の配管を通して前記トンネルの切羽付近まで圧送する第２の圧送手段と、
   前記トンネルの切羽付近に設置され、前記第１の圧送手段によって圧送された前記ジェル状骨材体と前記第２の圧送手段によって圧送された前記セメントジェルを混合して裏込め材を作成する第３の混合手段と、
   前記第３の混合手段によって混合された前記裏込め材を前記トンネルの裏込め部に注入する注入手段と、
   を備えるトンネルの裏込め材注入装置。
5. 請求項１又は４に記載の前記裏込め材の成分は、少なくとも前記セメント、前記骨材、前記水、及び前記増粘剤を含む裏込め材。
6. 請求項３に記載の前記裏込め材の成分は、少なくとも前記セメント、前記骨材、前記水、前記増粘剤、及び前記凝結剤を含む裏込め材。
7. 請求項１又は４に記載の前記裏込め材は、前記水と前記セメントとの比が５０％以下である裏込め材。
8. 請求項１又は４に記載の前記裏込め材は、前記水と前記セメントとの比が５０％であって、１ｍ^３当たりの重量が前記水４４０ｋｇ、前記セメント８８０ｋｇ、前記骨材５２８ｋｇであり、前記ジェル状骨材体における前記水と前記骨材との比は４２～２１％で、前記セメントジェルにおける前記水と前記セメントとの比が３８～２５％であり、前記水と前記ミセル剤との比が１．５０～３．０％である裏込め材。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の前記増粘剤は、ミセル剤であって、該ミセル剤は、下記一般式（１）で表される化合物を２種以上含有するミセル剤であって、前記２種以上の化合物は、一般式（１）中のＸが異なっており、前記２種以上の化合物のうち、少なくとも１つは一般式（１）中のＸのＲ１ａ又はＲ１ｂがアルケニル基の化合物であって、更にアニオン性化合物との組合せからなる裏込め材。
   

   

   〔式中、ＸはＲ１ａ又はＲ１ｂ-〔ＣＯＮＨ－ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２〕ｎ－で表される基である。Ｒ１ａは、炭素数１４以上２２以下のアルキル基又は炭素数１４以上２２以下のアルケニル基である。ｎは１以上３以下の整数である。Ｒ^２およびＲ^３は、それぞれ独立に、炭素数１以上４以下のアルキル基又は－（Ｃ_２Ｈ_４Ｏ）ｐＨで表される基である。ｐは、平均付加モル数であり、Ｒ^２およびＲ^３の合計で０以上５以下の数である。〕
10. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の前記セメントジェルは、前記セメントとセメント分散剤との比が０．２～０．７％である裏込め材。

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