JP2510425B2 - 水ガラス系二液性裏込注入工法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、シールド等のトンネルの裏込注入に関
し、詳しくは水ガラス系二液性裏込注入工法（以下二液
性注入という）で、特に耐久性に優れた硬化発現材を用
いた注入工法に関するものである。

「従来の技術、発明が解決せんとする問題点」 従来の裏込注入は、セメントに砂、粘土等の骨材を組
合わせたモルタル（さらに起泡剤を加えたエアー系）
等、一液性グラウトを用いた一液性注入が主に実施され
ていた。

しかしながら、軟弱地盤を対象としたシールド工法に
おいては、シールド掘進に伴い発生するセグメント地山
の空洞に地下水に影響されることなくグラウトを充填さ
せ、併せて速やかに地山相当以上の早期強度が得られる
ことが要求されるが、これら全ての要求に対して従来の
一液性グラウトでは満足することができないことから、
近年では水ガラスを導入した水ガラス系二液性裏込注入
工法が用いられるようになってきた。

即ち、水ガラス系二液性グラウトは、水ガラスとセメ
ントの化学反応を利用したもので、地盤注入でよく使わ
れているLW工法と同様に、比較的短いゲルタイムを有
し、セメントの早期強度の発現をもたらす効果があるた
め、この性質を裏込に用いることにより、空洞の地下水
に影響されることなく切羽の漏洩防止などの限定注入が
可能となり、また速やかに地山相当以上の早期強度が得
られるようになった。

この結果、充填性に優れ、止水効果も高まり、均一固
結強度が得られ、地盤沈下を防止することができるよう
になった。

このように、二液性グラウト注入は、施工的に優れた
性質をもたらし、最近では裏込注入の主流をなしてい
る。

この二液性注入材のゲルタイムについては、これまで
の多くの施工実績からできるだけ短い方が望ましく、一
般的には約30秒以下が用いられている。

また、早期強度については、ゲル化１時間後で約0.1K
gf/cm²以上が用いられている。

このため、硬化発現材として水ガラスと反応性に富み
（短いゲルタイムが得られる）、さらに早期強度の発現
にも優れた普通ポルトランドセメントなどのセメントが
用いられている。

ところが、硬化発現材としてセメントを用いた二液性
のグラウトは、一液性のモルタル等よりも施工的には非
常に優れているが、その反面では耐久性（固結強度の長
期安定性）を損なうという裏込材として重大な欠点があ
り、特に注入対象地盤に海水あるいは、海水を含有した
地下水が存在する場合には著しく耐久性が損なわれると
いう問題があった。

即ち、硬化発現材の素材としてセメントは、一般に耐
久性に非常に優れていることは周知の通りであるが、こ
れに水ガラスを作用した場合には、水ガラスの影響によ
り耐久性を損なうことが判明している。

このようなセメントと水ガラスを組合わせた二液性グ
ラウトは、使用目的が地盤注入の場合においては仮設
（本工事が完了するまでの期間、通常数ヶ月）が多く、
長期耐久性（数年）を要求されることは希であるが、こ
れに対して裏込グラウトにおいてはコンクリート等の構
築物と地山の間隙に本設として充填するものであるた
め、長期に渡って安定した固結強度が要求される。

従って、裏込注入は耐久性に優れたグラウトであるこ
とが重要な性質である。

なお、従来から地盤注入グラウトにおいて、セメント
に高炉セメントを使用したり、あるいは普通ポルトラン
ドセメントに高炉スラグ微粉末を添加して硬化発現材の
原価低減Ｂ、ゲルタイムを遅くして強度を高める等を目
的として使用されていた。また、従来からゲルタイムを
促進するために石灰が有効であることも知られていた。

「問題点を解決するための手段」 この発明は、前記従来の二液性裏込グラウトの問題点
である耐久性を解決するため鋭意研究の結果、スラグと
セメントと石灰とをおおむね所定範囲の混合比率で混合
した硬化発現材を含有した懸濁液を用いることにより、
耐久性に優れ、併せて二液性の特徴である早期ゲルタイ
ム及び早期強度の発現性にも優れた裏込注入工法を開発
したものである。

「実施例」 この発明は、水ガラスと硬化発現材二液性グラウトに
おいて、耐久性、早期ゲルタイム及び早期強度を満足す
ることのできる硬化発現材を開発することによって完成
された。

［イ］ 耐久性 セメントを含有した水ガラス系グラウトの耐久性に関
する試験方法は、現状ではまだ確立していない。このた
め、本発明ではセメントを含有した懸濁液と水ガラスを
混合してから時間の経過と共に硬化が段々と進み、28日
付近で最も高い強度を示すことから、この28日後を基準
とし、その後６ヶ月後の強度が低下（劣化現象）するか
どうかによって、耐久性を判定した。

すなわち、28日後の固結強度が６ヶ月において、低下
しないものを耐久性があるグラウトとした。なお、耐久
性の基準を６ヶ月後としたのは、28日後に比べて、６ヶ
月の強度が低下しないものは１年、あるいはそれ以上、
ある程度越えても変わらないものと思われるので定め
た。

［ロ］ 早期ゲルタイム 裏込注入材として、従来からの施工実績に鑑みてゲル
タイムとして約30秒以下（好ましくは約20秒以下）とし
た。

［ハ］ 早期強度 裏込注入材として、従来からの施工実績に鑑みて、早
期強度は、約0.1Kgf/cm²以上の固結強度とした。

しかし、今後大断面シールド（径20m前後以上）が登
場した場合には裏込材の注入時間が１時間近くになるた
め、１時間後の固結強度が0.1Kgf/cm²を多少下回っても
本発明とする。

［Ａ］ 硬化発現材 本発明は上記、［イ］［ロ］及び［ハ］のいずれも条
件をも満足する硬化発現材としてスラグ（高炉水砕スラ
グ）を主材とし、これに加えるセメントと石灰の３成分
の混合比による相乗効果により完成した。

即ち、本発明者らの多くの実験研究の結果、混合する
硬化発現材として上記条件を満足するためには、スラグ
とセメント及び石灰の混合比（重量％）は、おおむねス
ラグ38〜68、セメント60〜17、石灰２〜15の範囲である
ことが必要であることが分かった。

上記の内、スラグの混合比がおおむね38以下になると
耐久性が損なわれ、セメントの混合比がおおむね17以下
になると早期強度の発現性が低下して所期のグラウトと
はなり得ない。

また、上記のスラグとセメントだけではゲルタイムを
30秒以下（好ましくは20秒以下）にすることは非常に難
しいことから、石灰を適量加えてゲルタイムを約30秒以
下に調整することとした。

即ち、本発明の硬化発現材はスラグとセメントと石灰
の３成分の配合をおおむね前記混合比率の範囲内で定め
ることによって、初めて耐久性、ゲルタイム、早期強度
の３要素を満足させることができる。

なお、本発明の硬化発現材としてのスラグとセメント
と石灰の混合比率は、前記数値にはっきり特定されるも
のではなく、硬化発現材及び骨材、水量、水ガラス等の
種類や量あるいは液量、注入対象周辺の水質（清水又は
海水）等の条件によって若干異なっても、本発明の目的
である耐久性、早期ゲルタイム、早期強度を満足するも
のであれば、本発明の硬化発現材となり得ることはいう
までもない。

また、ゲルタイムが約30秒以下（好ましく20秒以下）
の所定値にするには、スラグとセメントと石灰の量を上
記混合比率の範囲内で適宜変えながら調整するが、その
他液量や水ガラスの量や濃度あるいはＡ液中の硬化発現
材の量、水量、エアーの有無によってもゲルタイムに若
干の影響があるため、調整においては必要に応じてこれ
らも多少考慮する。

本発明に用いる硬化発現材は、スラグとセメントと石
灰を予め上記混合比率で混合した上で水ガラス液に配合
するか、その３成分を水ガラス液に配合するときにその
混合比率の範囲で別々に混合するか、あるいは予め混合
したスラグとセメントの混合物と石灰とを別々に水ガラ
ス液に配合してもよい。

要は、配合したグラウト中におけるスラグとセメント
と石灰の混合比率が上記範囲内であればよい。

本発明に用いるスラグは高炉水砕スラグ粉末であり、
その細かさはブレーン比表面積で1500cm²/gが、好まし
くは3000cm²/g以上の粉末である。

本発明に用いる石灰は、消石灰（Ca(OH)₂）及び生石
灰（CaO）等があるが、好ましくは前者の消石灰であ
る。また、生石灰を用いる場合は、水中に投入して水酸
化カルシウムに変質するものに限定される。

また、これらの硬化発現材を含有した懸濁液（Ａ液）
には、通常の裏込注入と同様、骨材や起泡剤や添加剤等
を加えることができる。

また、骨材（または増量材）は水ガラスとセメントと
の反応に悪影響を及ぼさない物質であり、Ａ液中に懸濁
された状態でポンプで圧送できる粒度のものであれば、
従来からこの種の用途に使用されている材料を特に制約
なく使用できる。

この種の骨材として従来から知られているものとして
は、砂分（礫および粒砂は除く）と粘土鉱物分がある
が、本発明においては砂分もしくは粘土鉱物分またはこ
れら両者を骨材としてセメントと共に懸濁させてＡ液と
して用いる。

砂分としては、モルタルやコンクリートに使用する砂
あるいは現場で掘削した砂質土を使用でき、また粘土鉱
物分としては代表的なモンモリロナイト系粘土であるベ
ントナイト、カオリン系の陶土、その他の粘土鉱物が使
用でき、現場で掘削した粘性土を使用することもでき
る。

更に、砂分と粘土鉱物分とを併用することもでき、現
場で掘削したシルト、粘土混砂等で代用することもでき
る。

起泡剤はグラウト中に空気を導入するもので、通常、
動物性蛋白質や界面活性剤を用いることができる。

また、添加剤としては、Ａ液として硬化発現材の遅延
剤や流動性を改善する分散剤、その他添加剤を加えるこ
とができる。

本発明に用いる（Ｂ液）は特に特定するものではな
く、通常の裏込注入に用いるものであれば良く、強いて
いえば比重1.3、モル比3.0程度以上のものが望ましい。

本発明の工法の裏込め注入は特に限定するものではな
いが主には、本発明の硬化発現剤を含有した懸濁液をＡ
液とし、水ガラス溶液をＢ液とし、A,B両液を別々のポ
ンプで圧送し、グラウトホールの手前で合流し、地盤内
（テールボイド）に注入する。

注入したグラウト（Ａ＋Ｂ液）のゲル化は、通常地盤
内で行うが、場合によってはグラウトホールの手前でゲ
ル化させ、流動可能な可塑状に近い状態で地盤内に圧入
することもできる。

また、注入において、A,B液の合流比率は特に限定す
るものではなく、比例（Ａ液に対してＢ液が少ない）あ
るいは等量で行うが、好ましくは比例注入である。

「実施例」 次に、本発明を以下の実験例に基づいてさらに詳しく
説明する。

実験に用いたスラグ（粉末）は第一セメント株式会社
製商品名「セラメント」、セメントは普通ポルトランド
セメント、石灰は消石灰、骨材としてベントナイト（25
0メッシュ）、水ガラスは比重1.32、モル比3.0の溶液、
養生水は海水（東京湾採取）及び清水（水道水）であ
る。

また、グラウト（Ａ液）の練り混ぜ水には、清水を用
いた。

実験−Ｉ 硬化発現材として、スラグ、セメント、石灰の混合比
率を変えたＡ液に水ガラス（Ｂ液）を加えた場合のゲル
タイムおよび早期強度（１時間後）の一軸圧縮強度の測
定結果を別紙表−Ｉに示す。

表−１より、比較例No.1のように一液性でＡ液のみで
は短時分のゲルタイムは得られず、さらに早期強度（１
時間後）は全く得られなかった。

また、比較例No.2のように二液性で硬化発現材として
セメントのみの場合、および比較例No.4のようにスラグ
とセメントの混合比が30:70とセメントが非常に多い場
合ではゲルタイムは30秒以下が得られ、さらに早期強度
の発現は大であり、施工性の面からのみ見れば優れたグ
ラウトということができる。

しかし、比較例No.3のように、スラグとセメントの混
合比が約45:55と比較例No.4に比べてスラグが多くなる
とゲルタイムを30秒以下にすることは困難であり、本発
明工法としては使用できない。

一方、比較例No.8のように硬化発現材としてセメント
を全く含まないスラグと石灰の場合は、ゲルタイムは30
秒以下にすることは可能であるが、早期強度（約0.1Kgf
/cm²以上）の発現が非常に小さく、本発明工法としては
除外される。

さらに、実施例No.5,6,7のようにスラグとセメントと
石灰の混合比率が38〜68、17〜60、２〜15の範囲にある
グラウトの場合は、ゲルタイムが30秒以下とすることが
でき、早期強度も約0.1Kgf/cm²以上が可能である。

実験−II 実験−Ｉ（表−１）で、上記施工条件であるゲルタイ
ム約30秒以下、早期強度約0.1Kgf/cm²以上であれる比較
例No.2,4および実施例No.5,6,7について耐久性試験（一
軸圧縮強度）を行った結果を表−２に示す。

表−２より、硬化発現材として、セメントのみを用い
た比較例No.2およびスラグとセメントの混合比が30:70
の比較例No.4は28日後の固結強度が６ヶ月後において低
下しており耐久性が損なうことが判明した。

また、養生水が清水よりも海水の方が固結強度の低下
が著しいことも分かった。

これに対して、本発明の実施例No.5,6,7は養生水が海
水の場合でも28日後の固結強度が６ヶ月後においても低
下が見られず、耐久性を損なうことがないことが確認で
きた。

「発明の効果」 以上の実験−I,IIに示すように、本発明工法の硬化発
現材としてスラグとセメントと石灰の混合比率として、
おおむね38〜68、60〜17、２〜15の範囲に調整すること
により、施工条件として必要なゲルタイムを約30秒以下
にすることができ、早期強度を１時間後において約0.1K
gf/cm²以上にでき、さらに裏込グラウトとして最も重要
な性質である耐久性を損なうことのない耐久性グラウト
を完成することができた。

なお、本発明工法は、裏込注入はもちろんのこと、そ
の他耐久性を必要とする空洞充填やその他の目的にも利
用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下田 一雄 神奈川県横須賀市南浦賀７番６号 (72)発明者 木村 昌義 神奈川県川崎市多摩区東三田１―２―17 ―604 (72)発明者 堀越 源三 神奈川県茅ケ崎市菱沼１―13―29 (56)参考文献 特開 昭63−182394（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−122008（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールド等トンネルの裏込を目的とした水
   ガラス系二液性裏込注入工法において、スラグとセメン
   トと石灰とをおおむね下記の［Ａ］に示す混合比率（重
   量％）で混合した硬化発現材を含有した懸濁液（Ａ液）
   と、水ガラス（Ｂ液）とを混合して下記の［イ］［ロ］
   ［ハ］のいずれの条件をも満足する耐久性グラウトを注
   入することを特徴とした二液性裏込注入工法。 ［Ａ］ 混合比率 ただし、石灰は消石灰に換算した値である。 ［イ］ 28日後の固結強度が６ケ月後においても低下し
   ないこと ［ロ］ ゲルタイムが約30秒以下であること ［ハ］ １時間後の固結強度が約0.1Kgf/cm²以上である
   こと。