JP3241056B2 - 場所打ちライニング工法用セメント組成物及びそれを使用したトンネルの施工方法 - Google Patents

場所打ちライニング工法用セメント組成物及びそれを使用したトンネルの施工方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、トンネルの場所打ちラ
イニング工法用セメント組成物及びそれを使用したトン
ネルの場所打ちライニング工法に関する。
【0002】
【従来の技術とその課題】従来、トンネルの施工方法と
して、鋼アーチ支保工によるシールド工法、掘削した断
面を吹き付けコンクリートで固めながら掘り進める工法
であるNATM工法、及び推進とともに覆工コンクリー
トを打設する場所打ちライニング工法等が知られてい
る。本発明は、このうちの、場所打ちライニング工法に
関するものである。
【0003】場所打ちライニング工法は、ヨーロッパに
おいて開発され、昭和56年に日本に導入されたトンネル
の施工方法であり、コンクリート打設時に、2kgf/cm2
程度の圧力をかけるため、コンクリートが地山と密着し
て、地山のゆるみを無くすることができ、地盤沈下を最
小限にすることが可能となる工法である。即ち、場所打
ちライニング工法は、掘削装置と推進装置からなり、型
枠機構を装備したシールド機後部で、直接覆工コンクリ
ートを打設する工法であり、シールド機の推進と同時
に、コンクリートを導入管から、地山により異なるが通
常40〜50cm程度のコンクリート厚になるように設置され
た巻き立てコンクリート型枠の中へ流し込み、連続的に
加圧打設して覆工するものである。
【0004】この工法で使用されるコンクリートは、例
えば、混練後のスランプ値が20cm以上のように、型枠内
に充分充填されるだけの流動性が必要であり、しかも、
混練後、コンクリートポンプを使用して打設するので、
一定時間はその流動性の保持が必要とされる。さらに、
シールド機を数百m/月程度の割合で前進させるため、例
えば、1日圧縮強度が100kgf/cm2以上と、早期強度の発
現性に優れていなければならない。このように、場所打
ちライニング工法には適当な流動性や良好な初期強度の
発現性が要求されるが、従来のコンクリートは流動性を
一定時間保持させると、強度発現が遅れ、そのため施工
の能率が著しく悪くなるという課題があった。
【0005】一方、従来の急硬材や超速硬セメントを含
有したコンクリートを用いた場合は、強度発現が十分で
あっても、一定時間流動性を保持することが難しく、コ
ンクリートポンプ内で硬化してしまう場合もあり、特別
な混合機を必要とし、実用的ではなかった。
【0006】本発明者らは、前記の課題を解決すべく種
々検討を重ねた結果、特定の組成物を使用することによ
り、その混練物の流動性を一定時間保持し、しかも、早
期の強度発現が可能で、高強度が得られるとの知見を得
て、本発明を完成するに至った。
【0007】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、セメン
ト、アルミノケイ酸カルシウムガラス、無機硫酸塩、及
び凝結調整剤を含有してなる場所打ちライニング工法用
セメント組成物であり、さらに、該セメント組成物を使
用したトンネルの場所打ちライニング工法である。
【0008】以下、本発明を詳細に説明する。
【0009】本発明に係るセメントとしては、各種ポル
トランドセメントや、それらに高炉スラグ、フライアッ
シュ又はシリカを混合した各種混合セメント、さらに
は、中庸熱セメント、白色セメント、及びコロイドセメ
ント等の特殊セメント等が挙げられる。
【0010】本発明に係るアルミノケイ酸カルシウムガ
ラス(以下CASガラスという)は、その組成領域として、C
aO30〜60重量%、Al2O320〜60重量%、及びSiO25〜25
重量%が好ましく、CaO30〜55重量%、Al2O330〜60重量
%、及びSiO210〜20重量%がより好ましい。CaOが30重
量%未満あるいはAl2O3が60重量%を超えると、急硬性
に劣る傾向があり、逆に、CaOが60重量%を超えるかあ
るいはAl2O3が20重量%未満であると、凝結調整剤を多
量添加しても瞬結してしまい、作業性の面から好ましく
ない。また、SiO2が5重量%未満であると、長期的な強
度の伸びが期待できず、逆に25重量%を超えると初期強
度が小さい傾向がある。
【0011】なお、後述の一般の工業原料には、MgO、F
e2O3、TiO2、K2O、及びNa2O等の不純物が当然含まれて
いる。これらの不純物は、CaO-Al2O3-SiO2系のガラス化
領域を拡張することから、10重量%未満までの存在は好
ましく、また、急硬性、作業性、及び長期強度の伸び等
の諸特性に問題は生じない。また、CASガラス製造の際
に、一般的なガラスの融剤であるNaNO3やKNO3などの硝
酸アルカリ、フッ化カルシウム、及びホウ砂等を加える
ことは、ガラスの融点を下げることから好ましい。
【0012】本発明におけるガラスとは、熱分析から求
められる、「ガラス転移点を示すもの」をいう。
【0013】なお、全てがガラス質である必要はなく、
ガラス化率が50%以上であることが好ましく、70%以上
がより好ましく、80%以上が最も好ましい。50%未満で
は、初期強度が小さくなる傾向がある。なお、ガラス化
率(X)は、例えば、本発明においては、CASガラスを、
1,000℃で2時間加熱して溶融し、その後、5℃/分の
冷却速度で徐冷し、粉末X線回折法により求めた結晶鉱
物のメインピークの面積S0とCASガラス中の結晶のメイ
ンピークの面積Sから式1に従って算出した。
【0014】
【数1】
【0015】CASガラスは、例えば、平均的な化学組成
が、CaO40〜43重量%、MgO5〜8重量%、Al2O313〜15
重量%、及びSiO231〜35重量%である、冶金や金属製練
などで副生する製鋼スラグの組成とは全く異なるもので
ある。また、CASガラスは、アルミナセメントの組成と
は全く異なるものである。即ち、通常のアルミナセメン
トのSiO2量は5重量%未満であり〔笠井順一、コンクリ
ート工学、第22巻、第8号、第67頁(1984)〕、さらに、
ガラス化率は25%を越えることはない〔1964年、ロンド
ン市アカデミック プレス インコーポレーテッド リ
ミテッド発行、H.F.W.Taylor著、ザ ケミストリー オ
ブ セメント(The Chemistry of Cement)、第2巻、第1
6頁〕。
【0016】本発明に係るCASガラス製造用原料として
は、CaO質原料、Al2O3質原料、及びSiO2質原料が挙げら
れる。CaO質原料としては、生石灰、消石灰、及び石灰
石等が、また、Al2O3質原料としては、アルミナ、ボー
キサイト、ダイアスポア、長石、及び粘土等が、さらに
は、SiO2質原料としては、ケイ砂、白土、及びケイ藻土
等が使用可能である。また、比較的安価な高炉スラグ
に、CaO質原料とAl2O3質原料を補うことも可能である。
【0017】本発明に係るCASガラスは、以上のCaO質原
料、Al2O3質原料、及びSiO2質原料を所定の割合で配合
し、直接通電式溶融炉や高周波炉などを用いて溶融し、
得られた溶融体を圧縮空気や高圧水により吹飛ばす方
法、あるいは、水中に流し込む方法などにより製造され
る。さらには、ロータリーキルンで溶融し、急冷するこ
とによっても製造することが可能である。CASガラスの
粉末度は細かければ細かいほど反応性が向上するので好
ましく、特に、ブレーン比表面積で3,000cm2/g以上が好
ましい。
【0018】本発明に係る無機硫酸塩とは、アルカリ金
属又はアルカリ土類金属の硫酸塩であり、そのうち無
水、半水並びに二水の硫酸カルシウムが好ましく、中で
もII型無水セッコウが特に好ましい。無機硫酸塩の粉末
度は、ブレーン比表面積で2,000〜8,000cm2/g程度が好
ましい。無機硫酸塩の使用量は、CASガラス100重量部に
対して、50〜300重量部が好ましく、100〜200重量部が
より好ましい。50重量部未満では強度発現の面で好まし
くなく、300重量部を越えると膨張性を示し、クラック
が発生したり強度が低下する傾向がある。
【0019】本発明では、CASガラスと無機硫酸塩の混
合物を、急硬材として、セメントと混和して使用する。
本発明において、急硬材の使用量は、セメントと急硬材
の合計100重量部、7〜50重量部が好ましく、10〜40
重量部がより好ましい。7重量部未満では初期強度の発
現が十分でなく、50重量部を越えると膨張性が強くな
り、長期安定性が悪化する恐れがある。
【0020】本発明に係る凝結調整剤としては、クエン
酸、酒石酸、グルコン酸、リンゴ酸、コハク酸、及びマ
レイン酸等の有機酸又はそれらの塩類、炭酸ナトリウム
や炭酸カリウムなどの炭酸アルカリ、リン酸類又はその
塩類、ホウ酸、ホウ酸アルカリ、ケイフッ化物、アルミ
ン酸アルカリ、酸化カルシウムなどの酸化物、水酸化カ
ルシウムなどの水酸化物、でん粉、糖類、並びに、アル
コール類等やそれらの混和物が挙げられ、中でも有機酸
の使用が好ましい。凝結調整剤の使用量は、セメントと
急硬材の合計100重量部に対して、5重量部以下が好ま
しく、0.1〜2重量部がより好ましい。
【0021】本発明のセメント組成物の混合装置は、十
分に混練できれば特に制限されるものではないが、例え
ば、通常のモルタルミキサー、ハンドミキサー、傾胴ミ
キサー、千代田技研工業社製のオムニミキサー、V型ミ
キサー、ヘンシェルミキサー、及びナウターミキサー等
の既存のいかなる撹拌装置も使用可能である。
【0022】また、各材料の混合方法も特に制限される
ものではなく、各々の材料を施工時に混合してもよく、
予め一部もしくは全部を混合しておくことも可能であ
る。混合方法の具体例として、セメント、急硬材、及
び凝結調整剤をあらかじめ混合しておき、使用に際して
水と混練する。モルタルやコンクリート混練時に急硬
材と凝結調整剤を混合する。モルタルやコンクリート
混練後、任意の時間、例えば、1時間以内に急硬材と凝
結調整剤を混合する。(4) 急硬材と凝結調整剤をスラリ
ー状にして混合する。等いずれの方法も実施可能であ
る。
【0023】また、本発明においては、モルタルやコン
クリートに通常使用される他の混和材料を併用すること
も可能である。他の混和材料としては、例えば、けい
砂、天然砂、及び砂利等の骨材、ガラス繊維、カーボン
繊維、及び鋼繊維等の繊維、ポリマーエマルジョンやラ
テックス、着色剤、AE剤、減水剤、AE減水剤、流動化
剤、防錆剤、メチルセルロースなどの水中不分離性混和
剤、増粘剤、保水剤、塩化カルシウムやケイ酸ソーダな
どの防水剤、発泡剤、起泡剤、水酸化カルシウムなどの
カルシウム塩、並びに、防凍剤等が挙げられ、その中の
一種又は二種以上を、本発明の目的を実質的に阻害しな
い量で併用することが可能である。
【0024】本発明の場所打ちライニング工法用セメン
ト組成物は急硬性をもつと同時に、凝結調整剤の作用に
より、通常10〜120分の間硬化することがなく、成形可
能な状態を保持することが可能である。
【0025】また、本発明の場所打ちライニング工法用
セメント組成物は、短時間で脱型強度を発現する。脱型
強度はトンネルの大きさや形状によって異なり、使用材
料の配合、特に急硬材の使用量や凝結調整剤の使用量に
よって大きく変化し、一般的に限定することができない
が、型枠を移動してもモルタル又はコンクリートが脱落
しない強度、例えば、30kgf/cm2程度以上が好ましい。
型枠に流し込まれた急硬性のモルタル又はコンクリート
は、例えば、3〜6時間程度の短時間で離型することが
でき、次の打設スパンに型枠を移動することができる。
【0026】養生は、通常のモルタル又はコンクリート
と同様で良く、保温養生等を行なうことはさらに有効で
ある。
【0027】
【実施例】以下、本発明を実施例によって詳しく説明す
る。
【0028】実施例1 市販特級試薬のCaCO3、Al2O3、及びSiO2を混合し、その
混合物300gをカーボンるつぼに入れ、高周波炉で約2,00
0℃に加熱溶融した後、水中に入れ急冷し、表1に示し
たA〜Nの14種のCASガラスを合成した。なお、A、
B、H、J、K、及びNは、CaO-Al2O3-SiO2系のガラス
化領域内に無いため、CaF2を外割りで1重量%添加して
溶融し、急冷することによりガラス化した。これらのCA
Sガラスをそれぞれブレーン比表面積で4,000cm2/gにな
るまで粉砕した。分析結果を表1に併記する。
【0029】
【表1】
【0030】次に、第1表に示す焼成物を用い、Gmax15
mm、s/a=45%、W/C=55%、細骨材単位量780kg/m3、及
び粗骨材単位量970kg/m3とし、その他表2に示す配合で
コンクリートを混練した。
【0031】混練したコンクリートは、JIS A 1101に準
じて、混練から120分後までのスランプを測定し、JIS A
1108に準じて、打設から24時間後までの圧縮強度を測
定し、さらに、24時間後に脱型した後、20℃の水中に1
ケ月浸漬した供試体の、ひび割れの有無も観察した。結
果を表2に併記する。
【0032】<使用材料> セメント :電気化学工業社製、普通ポルトランドセメ
ント 無機硫酸塩:II型無水セッコウ、新秋田化成社製、ブレ
ーン5,900cm2/g 細 骨 材:新潟県姫川産川砂、比重2.6、FM2.62 粗 骨 材:新潟県姫川産川砂利、比重2.6、FM6.5 凝結調整剤:和光純薬製、試薬1級、グルコン酸
【0033】
【表2】
【0034】実施例2 セメント単位量を262.5kg/m 3 、急硬材単位量を87.5kg/m
3 とし、凝結調整剤の量をセメントと急硬材の合計100重
量部に対して、1.8重量部として、表3の配合を用いた
こと以外は実施例1と同様に行った。結果を表3に併記
する。
【表3】
【0035】実施例3 場所打ちライニング工法は、地盤と型枠の間にコンクリ
ートを打設し、それをプレスし、硬化後、型枠を移動し
て打継ぎを行なう施工方法であり、圧縮強度と共にその
充填性や型枠との離型性が要求される。そこで、場所打
ちライニング性能を評価するため、実施例1実験No.1-
1と実施例2実験No.2- 5のコンクリートをφ10×20cmの
型枠に充填し硬化させた。充填後4時間で型枠より押し
抜き供試体とし、材令24時間の圧縮強度を測定した。実
験No.1- 1のコンクリートは4時間では硬化が充分でな
く、脱型が不可能であった。一方、実験No.2- 5のコン
クリートを用いた実施例の圧縮強度は、157kgf/cm2であ
った。
【0036】実施例 直径5.3mの円形トンネルにおいて、コンクリート厚40c
m、コンクリート巻立て延長10mのコンクリート打設を、
実施例2実験No.2- 5のコンクリートを用いて実施し
た。なお、打設には、極東開発工業社製モルタルポンプ
を用いた。その結果、型枠への充填性は良好であり、4
時間後に脱型したところ、型枠との離型性も良好であっ
た。
【0037】
【発明の効果】本発明の場所打ちライニング工法用セメ
ント組成物を用いると、 (1) 初期強度が高いため、早期脱型が可能で、工期が短
縮される。 (2) 流動性を一定時間保持できるので、汎用のポンプで
打設可能である。などの効果を奏する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−153850(JP,A) 特開 平2−293360(JP,A) 特開 平1−131797(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 22/08 C04B 22/14 C04B 28/02 - 28/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セメント、アルミノケイ酸カルシウムガ
    ラス、無機硫酸塩、及び凝結調整剤を含有してなる場所
    打ちライニング工法用セメント組成物。
  2. 【請求項2】 地盤と型枠の間に、請求項1記載の場所
    打ちライニング工法用セメント組成物を含有してなるコ
    ンクリートを打設し、それをプレスし、硬化後、型枠を
    移動して打継ぎを行なうことを特徴とするトンネルの場
    所打ちライニング工法。
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