JP3492501B2

JP3492501B2 - 空洞充填材

Info

Publication number: JP3492501B2
Application number: JP24728597A
Authority: JP
Inventors: 勲太田; 雅雄岸本; 正夫空西; 博小田中; 善彦増田; 憲資角永; 重行河野; 勉木内; 大介橘; 澄夫堀内; 健二名倉; 文裕宮瀬; 恒久野口
Original assignee: Railway Technical Research Institute; Rasa Industries Ltd; Nippon Shokubai Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Railway Technical Research Institute; Rasa Industries Ltd; Nippon Shokubai Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1997-09-11
Publication date: 2004-02-03
Anticipated expiration: 2017-09-11
Also published as: JPH10237446A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば地山の空洞
や間隙などの充填、またトンネルやシールドセグメント
の裏込材等として好適な空洞充填材に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、山岳にトンネルを掘削す
るに際しては、地山を構成する岩盤に孔を掘削してい
く。このとき、掘削した孔の内周面の、特に天端部に小
規模な崩落による空洞が発生しやすい。この空洞は、地
山の安定性にとって好ましくないため、空洞充填材を充
填して埋める必要がある。このような場合に用いる空洞
充填材としては、充填後に空洞の内部で膨張し、空洞を
満たす性質が要求され、従来はそのような充填材とし
て、例えば発泡ポリウレタンやエアモルタル等が用いら
れていた。

【０００３】また、トンネルボーリングマシンやシール
ド掘削機等を用いて地中にトンネルを掘削する場合、地
山に孔を掘削しつつ、その後方にセグメント等を組み立
てて覆工することがある。この場合、組み立てたセグメ
ントの外周面と孔の内周面との間隙にいわゆる裏込材を
充填している。このような裏込材としては、モルタルや
セメントミルク等のセメント系材料が多用されているの
は周知の通りである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の充填材や裏込材として用いていた材料に
は以下のような問題があった。まず、空洞を埋めるため
の充填材として、発泡ポリウレタンは高価である。一
方、エアモルタルは流動性が大きいため、特定の注入箇
所に定着させる、いわゆる限定充填が困難である。

【０００５】また、セグメントの裏込材として用いるモ
ルタル等のセメント系材料では、特に掘削にトンネルボ
ーリングマシンを用いた場合、裏込材をセグメントの頂
部側に充填しようとしても、トンネルボーリングマシン
にはセグメントと周囲地山との隙間を塞ぐテールシール
が通常備えられていないので、充填した裏込材がセグメ
ント端部と周囲地山との隙間から流出してしまい、作業
が実質的に非常に困難なものとなる。

【０００６】本発明は、以上のような点を考慮してなさ
れたもので、充填材や裏込材としてトンネル等の天端側
にも確実に充填することができる限定充填が可能な空洞
充填材を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
少なくとも吸水性樹脂、ベントナイト、セメント及び水
を含む組成物からなり、この組成物の水への流出率が４
０％以下であり、かつこの組成物のフロー値が１４０〜
２１０の範囲内であり、セメントの水に対する重量比が
１／１０〜６／１０の範囲内であり、かつこの組成物
の、下記式１吸液指数＝（吸水性樹脂配合量（ｇ）×吸水性樹脂の吸
液倍率＋ベントナイト配合量（ｇ）×ベントナイトの吸
液倍率）／水の配合量（ｇ） …式１で規定される吸液指数が１〜３の範囲内であることを特
徴としている。請求項２に係る発明は、請求項１の空洞
充填材において、ベントナイトの水に対する重量比が２
／１０〜８／１０の範囲内であることを特徴としてい
る。請求項３に係る発明は、請求項２の空洞充填材にお
いて、水を１００とするときの重量比で、吸水性樹脂が
０．１〜５の範囲内であることを特徴としている。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る空洞充填材の
実施の形態について詳しく説明する。本発明は請求項１
において、少なくとも吸水性樹脂、ベントナイト、セメ
ント及び水を含む組成物からなり、この組成物の水への
流出率が４０％以下であり、かつこの組成物のフロー値
が１４０〜２１０である空洞充填材を提供する。この空
洞充填材は流動性を有し、ポンプ圧送等が可能である。
吸水性樹脂は、予め空洞外で十分に吸水膨張させておい
てもよいし、予め空洞外である程度吸水膨張させてお
き、この状態で組成物を空洞に充填し、空洞内で残余の
膨張が完了した後にセメントが硬化するように施用して
もよい。不完全膨張の状態で空洞に注入すると、空洞内
で残余の膨張が起こるので、ポンプ圧送が可能な程度に
流動性でありながら、空洞内でも膨張して緻密な充填が
できるようになる。これらの施工法を空洞の規模や状況
に応じて適宜採用することによって、地山の様々な状態
の空洞を充填したり、建物基礎やトンネルの裏込め等を
行う際に有利に使用することができる。この空洞充填材
は、充填材として発泡ポリウレタンを用いる場合より遥
かに安価であり、エアモルタルに比べて流動性が大幅に
調節可能であるので、注入箇所に定着させ易く、例えば
トンネルの裏込めに際しても定着性がよいので、天端部
に空隙を残すことなく緻密に限定充填することができ
る。また本発明の空洞充填材から形成された固化物は比
較的軽量かつ緩衝性を有しているので、空洞周辺の地殻
の変化にもある程度対応できると共に、トンネルなどの
裏込め等に使用したとき側壁への局部的な衝撃を拡散緩
和する効果もある。また吸水性樹脂が空洞内で膨張する
ような空洞充填材を選択採用すれば、本空洞充填材は空
洞に発生している細かい間隙などにも膨張して進入し、
空隙を残さない緻密な充填を実現することができる。

【００１３】ここで、組成物の水への流出率は、下記に
より測定することができる。１２０mlのＰＰ容器中に混
練終了から５分経過した組成物を充填する。次に、この
充填容器を、開口を上に向けて１０００mlの水中に浸漬
し、１３０rpm で上層の水を攪拌する。５分間攪拌後に
容器を取り出し、残存する組成物の重量から、下記の式
２により該組成物の水への流出率を求める。流出率(%)＝（水浸漬前の重量−水浸漬後の重量）／水浸漬前の重量×１００ …式２

【００１４】請求項１の空洞充填材においては、前記
の流出率が４０％以下とされる。流出率を４０％以下に
調整することによって、地下水の存在下で空隙充填を行
う際にも水中への流失が防止でき、その結果、湧水の存
在するトンネル等の人工構造物と岩盤等との間に発生し
た空隙の天端部にも、注入時の流失が著しく少なく、地
下水や工事現場周辺への環境汚染を起こさず、確実かつ
効率的に限定注入することが可能になる。この観点か
ら、流出率は好ましくは３０％以下、更に好ましくは１
０％以下に調整される。

【００１５】流出率を４０％以下にするためには、セ
メント／水を重量比で１／１０〜６／１０の範囲とし、
かつベントナイトを加えて前記の式１で規定される吸液
指数を１〜３の範囲内、更に好ましくは１〜２の範囲内
となるように調整すればよい。

【００１６】請求項１の空洞充填材においては、更
に、組成物のフロー値が１４０〜２１０の範囲内に調整
される。このフロー値は、混練開始から５分経過後の組
成物について、ＪＩＳＲ５２０１に基づき測定した値
である。フロー値を１４０〜２１０の範囲内に調整する
ことによって、可塑性がありポンプ圧送による注入が可
能でありながら、しかも注入後のスラリーが打設場所に
停留するという、限定注入に適したのもとなる。つま
り、重力に抗して盛り上げる充填が容易になり、その結
果、トンネル等での人工構造物と岩盤や地盤との間に発
生した空隙の天端部にも届くようになり、確実かつ効率
的に充填することが可能になる。この観点からフロー値
は好ましくは１４０〜１８０の範囲内に調整される。

【００１７】このフロー値を１４０〜２１０に調整す
るためには、セメント／水を重量比で１／１０〜４／１
０の範囲内とし、ベントナイトを加えて前記の式１で規
定される吸液指数を１〜３の範囲内、更に好ましくは１
〜２の範囲内となるように調整すればよい。

【００１８】フロー値が２１０を超える場合には組成物
の流動性が高すぎるために、特に重力に抗した盛り上げ
充填を行うに際して充填物が盛り上がらず、下方に流れ
易いために空隙の上部空間に充填物が到達することが困
難になる。また、フロー値が１４０未満の場合には極め
て粘凋な組成物となり、高性能ポンプを使用しても充填
に長時間を要したり、ポンプで圧送できなかったりして
実用的でない。

【００１９】以上のことから、請求項１の空洞充填材
においては、上記のように少なくとも吸水性樹脂、ベン
トナイト、セメント及び水を含む組成物からなり、セメ
ントの水に対する重量比が１／１０〜６／１０の範囲内
であり、かつこの組成物の、前記式１で規定される吸液
指数が１〜３の範囲内とされる。

【００２０】ここで、吸水性樹脂及びベントナイトの吸
液倍率は、下記の方法で測定することができる。先ず、
脱イオン水８０重量部に普通ポルトランドセメント（ト
クヤマ社製）２０重量部を添加し２時間攪拌する。次い
で、東洋濾紙社製Ｎｏ．２濾紙で濾過して２０％セメン
ト水ろ液を調製する。ティーバッグに吸水性樹脂粉末ま
たはベントナイト約０．１ｇをとり、前記の２０％セメ
ント水ろ液１００ｇに１時間浸漬した後、ティーバッグ
を引き上げ重量を測定し、次式３に従って算出する。吸液倍率＝（Ｂ−Ｃ）／Ａ …式３Ａ：採取した吸水性樹脂粉末またはベントナイトの重量
（ｇ）Ｂ：吸水後のティーバッグを含めた全重量（ｇ）Ｃ：空試験におけるティーバッグを含めた重量（ｇ）

【００２１】ベントナイトは本発明の空洞充填材の骨材
として用いられるものであるが、骨材としては比較的比
重が小さいので、組成物中に均一に混合することが容易
であり、また骨材が分離し難いので安定した空洞充填材
が得られる。更にベントナイトは、無機塩を含有する水
を吸収して膨潤する性質を有するため、水を含む組成物
に配合した状態では比重が更に小さく、水の比重に近づ
くので、組成物中に一層均一に分布し、分離し難くな
る。またこれによって、前記のように、空洞充填に好適
な１４０〜２１０の範囲内のフロー値を有する空洞充填
材が容易に得られるようになる。従ってベントナイトを
含む空洞充填材を充填後に硬化させると、得られた固化
物は緻密で均質となり、また前記のようにセメント／水
が重量比で１／１０〜６／１０と小さくても、比較的高
強度の固化物が得られる。

【００２２】本発明はまた請求項２において、前記請
求項１で用いたベントナイトの水に対する重量比が２／
１０〜８／１０の範囲内である空洞充填材を提供する。
ベントナイトの添加量をこの範囲内とすることによっ
て、組成物に適度の粘性と流動性とを付与し、ポンプ注
入が可能でありながら重力に抗した盛り上げ充填等を可
能にし、また空洞充填材の比重を小さくするのでトンネ
ル天端部空洞等への注入時の覆工等への荷重も小さく施
工の安全性をより高くすることができる。

【００２３】更に本発明は請求項３において、請求項
２における吸水性樹脂が、水を１００とするときの重量
比で０．１〜５の範囲内とされた空洞充填材を提供す
る。この割合で各成分を配合するとき、得られた空洞充
填材は、各種の空洞の充填に好適なバランスのとれた流
動性と、限定充填性と、比重と、硬化後強度とを有する
ものとなる。

【００２４】この請求項３に記載の空洞充填材を、ト
ンネル等の人工構造物と岩盤等との間に発生した空隙の
充填に用いると、目的の箇所に限定的に容易に注入する
ことが可能となる。また、地下水等の湧水下でも、重力
に抗した盛り上げ充填等を時間的にも材料的にも高効率
に、しかも環境汚染の問題を回避しながら行うことがで
きる。更に、本組成物の比重は、１．１〜１．４と比較
的小さいので、特にトンネル天端部の空洞等への注入時
の覆工等への荷重も小さく、安全に注入を行えるように
なる。

【００２５】本発明の空洞充填材は、前記の各成分の他
にも、この分野で一般に用いられている添加材、例えば
骨材として使用される砂、磔、土、粘土、フライアッシ
ュ、パーライト、バーミュキュライト等や炭酸カルシウ
ム、微粉末シリカ、アルミナなどの無機粉末、或いは木
粉、パルプ、吸水性繊維、ガラス繊維などの無機あるい
は有機の繊維質物質やカルボキシメチルセルロース、ヒ
ドロキシエチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポ
リアクリルアミド等の天然あるいは合成増粘剤、および
／または水溶性有機溶剤を含有していてもよい。

【００２６】以下、本発明の各構成要素ついて詳しく説
明する。本発明に用いられる吸水性樹脂は、親水性ポリ
マーの架橋構造体であり、自重の１０〜１０００倍の水
を吸収し膨潤する性質を持つものである。通常は、架橋
剤の存在下に水溶性のエチレン性不飽和モノマーを重合
させて得られるものと、水溶性のエチレン性不飽和モノ
マーを重合し水溶性ポリマーとしたものを架橋処理して
得られるものとがある。

【００２７】前記吸水性樹脂の例としては、例えば、ポ
リ（メタ）アクリル酸またはポリ（メタ）アクリル酸塩
架橋体、スルホン酸基を有するポリ（メタ）アクリル酸
エステル架橋体、ポリアルキレン鎖を有するポリ（メ
タ）アクリル酸エステル架橋体、ポリ（メタ）アクリル
アミド架橋体、ポリジオキソラン架橋体、架橋ポリエチ
レンオキシド、架橋ポリビニルピロリドン、スルホン化
ポリスチレン架橋体、架橋ポリビニルピリジン、デンプ
ン−ポリ（メタ）アクリロニトリルグラフト共重合体の
ケン化物、デンプン−ポリ（メタ）アクリル酸（および
その塩）グラフト架橋共重合体、ポリビニルアルコール
と無水マレイン酸（塩）の反応物、架橋ポリイソブチレ
ン−マレイン酸塩共重合体、ポリビニルアルコールスル
ホン酸塩、ポリビニルアルコール−アクリル酸グラフト
共重合物等の吸水性ポリマー等を挙げることができる。

【００２８】前記において、水溶性のエチレン性不飽和
モノマーの具体例としては、例えば、アクリル酸、メタ
クリル酸、イタコン酸、マレイン酸、フマール酸、クロ
トン酸、シトラコン酸、ビニルスルホン酸、（メタ）ア
リルスルホン酸、２−（メタ）アクリルアミド−２−メ
チルプロパンスルホン酸、２−（メタ）アクリロイルエ
タンスルホン酸、２−（メタ）アクリロイルプロパンス
ルホン酸、（メタ）アリルスルホン酸、及びそれらのア
ルカリ金属塩やアンモニウム塩；Ｎ，Ｎ’−ジメチルア
ミノエチル（メタ）アクリレートおよびその４級化物、
（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’ジメチル（メタ）ア
クリルアミド、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリル
アミド、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、
２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、ヒドロ
キシアルキル（メタ）アクリレ−ト、ポリエチレングリ
コールモノ（メタ）アクリレート、ポリアルキレングリ
コ−ル（メタ）アクリレ−ト等が挙げられ、これらの１
種または２種以上を混合して用いることができる。

【００２９】セメントを含む組成物中で特に高い吸液膨
潤性を付与するためには、前記のモノマー、特に好まし
くはアクリル酸、メタクリル酸、又はそれらのアルカリ
金属塩やアンモニウム塩に、重合により耐塩性の吸液性
ポリマーを与えるモノマー（耐塩性モノマー）を共重合
させることが好ましい。

【００３０】前記の、吸水性樹脂に耐塩性を付与するた
めに用いられるモノマー（耐塩性モノマー）の好ましい
例としては、例えば２−（メタ）アクリロイルエタンス
ルホン酸、２−（メタ）アクリロイルプロパンスルホン
酸、２−（メタ）アクリルアミド−２−メチルプロパン
スルホン酸、それらのアルカリ金属塩及びアンモニウム
塩等の、スルホン酸基を有する水溶性エチレン性不飽和
モノマー；（メタ）アクリルアミド、（メタ）アクリロ
イルモルホリン、ジアセトン（メタ）アクリルアミド、
Ｎ−イソプロピル（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−
ジメチル（メタ）アクリルアミド等の、（メタ）アクリ
ルアミド及びその誘導体；ポリエチレングリコール（メ
タ）アクリレートやメトキシポリエチレングリコール
（メタ）アクリレート等の、ポリアルキレングリコール
（メタ）アクリレート；ヒドロキシエチル（メタ）アク
リレートやヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート等
の、ヒドロキシアルキル（メタ）アクリレート；Ｎ−ビ
ニルピロリドンやＮ−ビニルサクシンイミド等の、Ｎ−
ビニルモノマー；Ｎ−ビニルホルムアミド、Ｎ−ビニル
−Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ−ビニルアセトアミド、
Ｎ−ビニル−Ｎ−メチルアセトアミド等の、Ｎ−ビニル
アミドモノマー；及びビニルメチルエーテル等が挙げら
れる。

【００３１】前記耐塩性モノマーの特に好適な例として
は、アクリルアミド、メタアクリルアミド、Ｎ−ビニル
アセトアミド、メトキシポリエチレングリコール（メ
タ）アクリレート、ヒドロキシアルキル（メタ）アクリ
レート、２−（メタ）アクリルアミド−２−メチルプロ
パンスルホン酸、及びそれらのアルカリ金属塩から選ば
れる１種または２種以上を挙げることができる。

【００３２】架橋の方法としては、架橋性モノマーを親
水性モノマー等と同時に重合架橋する方法と、親水性ポ
リマーを重合により得た後に反応性を有する架橋剤で架
橋する方法とがある。このような架橋剤としては、共重
合可能な多官能性の水溶性飽和モノマーやモノマーの官
能基と反応することのできるものを用いることができ
る。架橋剤は、上記モノマー中に予め加えておいてもよ
く、重合後に添加してもよい。

【００３３】好適な吸水性樹脂を得るための架橋剤の例
としては、例えばエチレングリコールジ（メタ）アクリ
レート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレー
ト、トリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、
プロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポリエ
チレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリメチロ
ールプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリス
リトールトリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリト
ールジ（メタ）アクリレート、Ｎ，Ｎ−メチレンビスア
クリルアミド、イソシアヌル酸トリアリル、トリメチロ
ールプロパンジアリルエーテル、テトラアリルオキシエ
タン等の、１分子中にエチレン系不飽和基を２個以上有
する化合物；ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、
グリシジル（メタ）アクリレート等の、１分子中にエチ
レン系不飽和基を１個と他の反応性官能基とを有する化
合物；エチレングリコール、ジエチレングリコール、ト
リエチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリ
セリン、ポリグリセリン、プロピレングリコール、ジエ
タノールアミン、トリエタノールアミン、ポリプロピレ
ングリコール、ポリビニルアルコール、ペンタエリスリ
トール、ソルビット、グルコース、マンニット、マンニ
タン、ショ糖、ブドウ糖等の、多価アルコール；エチレ
ングリコールジグリシジルエーテル、グリセリンジグリ
シジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジル
エーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテ
ル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、
ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、１，６
−ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、トリメチロ
ールプロパンジグリシジルエーテル、トリメチロールプ
ロパントリグリシジルエーテル、グリセリントリグリシ
ジルエーテル等の、ポリエポキシ化合物；及びアルキレ
ンカーボネート等を挙げることができ、これらの１種ま
たは２種以上を用いることができる。

【００３４】共重合のために特に好ましい架橋剤として
は、例えば、トリメチロールプロパントリ（メタ）アク
リレート、Ｎ，Ｎ−メチレンビスアクリルアミド、ポリ
エチレングリコールジ（メタ）アクリレート等を挙げる
ことができる。

【００３５】前記架橋剤の使用量は、上記モノマーの種
類や重合条件により適宜選択することができる。一般的
には、全単量体１モルに対して０．０００５〜０．０２
モルの範囲内で用いることが好ましい。使用量が０．０
００５モル量未満の少ない架橋剤量では、重合中あるい
は重合完結後の含水ゲルの安定性が悪くなる傾向があ
る。また乾燥後の製品中の可溶分量が増加する傾向があ
る。０．０２モル量より多い架橋剤量では吸水倍率が低
下する傾向がある。

【００３６】吸水性樹脂を重合（共重合）により製造す
るに際しては重合開始剤を用いることが好ましい。この
重合開始剤としては特に制限はなく、広い範囲の開始剤
が用いられる。例えば、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリ
ウム等の過硫酸塩；過酸化水素、２−２’−アゾビス
（２−アミジノプロパン）塩酸塩、４，４’−アゾビス
−４−シアノバレリン酸等の水溶性アゾ化合物；過酸化
ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過酢酸等の有機過酸化
物系；アゾビスイソブチロニトリル、２，２’−アゾビ
ス（４−メトキシ−２，４−ジメチルバレロニトリル）
等の油溶性アゾ化合物等を挙げることができる。また、
これらの重合開始剤の分解を促進する目的で還元剤を併
用することもできる。このような還元剤の例としては、
（重）亜硫酸（塩）、Ｌ−アスコルビン酸（塩）、還元
性金属（塩）、アミン類等を挙げることができる。

【００３７】吸水性樹脂を重合（共重合）により製造す
る際の重合溶媒には特に制限がなく、通常水性媒体およ
び有機溶媒が使用される。水性媒体とは、水あるいは水
と水に溶解可能な無機または有機溶媒との混合溶媒を意
味する。水に溶解可能な有機溶媒の例として炭素数１〜
４のアルコール、低級ケトン系溶媒などを挙げることが
できる。また有機溶媒としては、ベンゼン、トルエン、
キシレン等の芳香族炭化水素類、シクロヘキサン等の脂
環炭化水素類、アセトン、メチルエチルケトン等のケト
ン類等を挙げることができる。

【００３８】重合時の温度は、用いる開始剤の種類によ
り異なるが、比較的低温の方が架橋重合体の分子量が大
きくなり好ましい。しかし、重合が完結するためには２
０℃〜１００℃の範囲であることが好ましい。

【００３９】重合系の単量体濃度は、特に制限はない
が、重合反応の制御のし易さと収率・経済性を考慮すれ
ば、２０〜８０重量％、特に３０〜６０重量％の範囲内
とすることが好ましい。重合形態としては種々の形態が
採用できるが、逆相懸濁重合、水溶液注型重合、双腕型
ニーダーの剪断力によりゲル状含水重合体を細分化しな
がら重合する方法（特開昭５７−３４１０１号）等があ
る。

【００４０】本発明の空洞充填材に用いることができる
吸水性樹脂の好ましい市販品としては、例えば、商品名
「アクアリックＣＡ」、「アクアリックＣＳ」（いずれ
も（株）日本触媒製）等を挙げることができる。アクア
リックＣＳは、耐塩性が優れているので、特に好ましい
吸水性樹脂である。

【００４１】本発明に用いられるセメントは、一般的に
はポルトランドセメントであるが、その他のセメント、
例えば白色セメント、アルミナセメント、高炉セメント
等も単独で、又は他のセメントと混合して用いることが
できる。通常、セメントと共に用いられる混和剤につい
ても、公知の混和剤を適宜用いることができる。

【００４２】本発明に用いられるベントナイトは、シリ
カとアルミナとを主成分とするモンモリロナイトを主と
した粘土であり、その平均粒子径が１０〜１００μｍ、
好ましくは３０〜５０μｍの微粉末であり、吸水性およ
び膨潤性に富んでいる。ベントナイトは産地や粒径等に
より物性や膨潤力が異なるため、これらを考慮して選択
されるべきである。好ましいベントナイトの例として
は、例えば米国ワイオミング州産（吸液倍率は７．５ｇ
／ｇ）、栃木産（４．６ｇ／ｇ）等を挙げることができ
る。

【００４３】次に、本発明の空洞充填材を用いる空洞
充填の施工例を示す。なお、以下の説明において、水や
ベントナイトを含まない空洞充填材Ｆ１，Ｆ２，Ｂ _１に
よる施工例は参考例である。（施工例１）図１及び図２に示す施工例は、山岳等にトンネルを掘削
するため各種工法で地山に孔１を掘削するに際して、岩
盤（地山）Ｇの崩落によって孔１の天端部に空洞Ａが発
生した場合に、本発明の空洞充填材を用いてこの空洞Ａ
を充填する例である。

【００４４】図１に示すように、先ずリング状の支保工
２を、孔１の進行方向に所定間隔を隔てて複数設置す
る。各支保工２は、孔１の内径よりも所定寸法だけ小径
とされており、例えば、所定の曲率に湾曲形成されたＨ
型鋼材を複数本接続することによってリング状に形成さ
れている。次いで、矢板３を、前記設置した支保工２，
２，…上と、孔１の天端部との間に挿入して設置し、空
洞Ａの下方全体を覆うようにする。この矢板３には、例
えば鋼製のキーストンプレートが用いられる。

【００４５】この空洞Ａに空洞充填材Ｆ１を充填する。
用いる空洞充填材Ｆ１は、例えばセメントと混和剤と耐
塩性の吸水性樹脂とを粉末状態で混合した粉体組成物で
あってもよい。この場合はこの粉体組成物を矢板３の上
に載置する。矢板３の外側から空洞Ａ内にホースを挿入
して水をこの空洞Ａ内に注入するか、又は空洞Ａ内に滲
み出す自然湧水が載置された空洞充填材Ｆ１を浸潤する
と、空洞充填材Ｆ１は、これに配合されている吸水性樹
脂が水を吸収することによって体積が急速に膨張し、空
洞Ａに広がる。この状態で、時間の経過と共に空洞充填
材Ｆ１中に配合されたセメントが硬化することにより強
度が発現し、空洞Ａが固化物で充填される。

【００４６】前記の空洞充填材Ｆ１はまた、例えば、セ
メントと混和剤とを所定の配合比で混合し、これに耐塩
性の吸水性樹脂を水溶性有機溶剤（プロピレングリコー
ル等）と混合した液状物を加え、流動性にした組成物で
あってもよい。空洞充填材Ｆ１が流動性とされている場
合は、図２に示すように、三叉パイプ６を用い、第一の
枝管は空洞充填材Ｆ１を圧送するホース５Ａに接続し、
第二の枝管は水を送給するホース５Ｂに接続し、開放さ
れた第三の枝管の先端部６ｂを注入ノズルとして、矢板
３の外側の凹凸によって形成された隙間から前記の空洞
Ａに挿入する。この状態で、ホース５Ａから空洞充填材
Ｆ１を圧送し、ホース５Ｂからは水を送給する。する
と、三叉パイプ６の合流部６ａにおいて空洞充填材Ｆ１
と水とが混合され、形成された混合物が先端部６ｂから
空洞Ａ内に注入される。

【００４７】空洞Ａ内に注入された空洞充填材Ｆ１は、
これに配合されている吸水性樹脂が水を吸収することに
よって体積が急速に膨張し、空洞Ａを満たす。この状態
で、時間の経過と共に空洞充填材Ｆ１中に配合されたセ
メントが硬化することにより強度が発現し、空洞Ａの固
化物による充填が完了する。

【００４８】（施工例２）次に、他の施工例を図３に示
す。ここでは先ず、前記の施工例１と同様に支保工２と
矢板３とを設置する。次いで、矢板３の外側から空洞Ａ
内に挿入した第一のホース７で、流動性の空洞充填材Ｆ
１を空洞Ａ内に注入する。続いて、矢板３の外側から空
洞Ａ内に挿入した第二のホース８で水を空洞Ａ内に注入
する。このホース８は、その周面に多数の孔８ａが形成
されており、これによって、水はこれらの孔８ａから空
洞Ａ内に既に注入されている空洞充填材Ｆ１に散布され
ることになる。

【００４９】この後は、前記施工例１と同様、空洞充填
材Ｆ１は、散布された水を吸水性樹脂が吸収することに
より急速に膨張して空洞Ａを満たし、セメントの硬化に
より強度が発現し、空洞Ａの固化物による充填が完了す
る。

【００５０】（施工例３）次に、更に他の施工例を図４
に示す。これは空洞Ａ’の規模が小さく、かつ岩盤Ｇか
ら地下水が滲み出てくる場合に適用可能な施工例であ
る。この施工例では、まず孔１内に複数の支保工２を設
置する。次に、設置した支保工２上に矢板３を設置する
が、この矢板３の表面には、空洞Ａ’と対応した位置に
空洞充填材Ｆ２を塗布しておく。

【００５１】この空洞充填材Ｆ２は、例えば、セメント
と混和剤とを所定の配合比で混合し、これに耐塩性の吸
水性樹脂を少量（例えば吸水性樹脂１ｇに対して５ml）
の水溶性有機溶剤（プロピレングリコール等）と混合し
た高粘度の流動物を混練したものである。

【００５２】この空洞充填材Ｆ２は高粘性であるから、
矢板３の表面に塗布され付着した状態を維持している。
この矢板３を、支保工２上と孔１の天端部との間に挿入
設置した後、放置すると、空洞Ａ’の岩盤Ｇの表面から
滲み出した地下水が、矢板３に塗布された空洞充填材Ｆ
２上に滴下し、これを浸潤する。このとき空洞充填材Ｆ
２は、これに配合されている吸水性樹脂が先ず吸水し、
膨張して空洞Ａ’を満たし、この後、時間の経過と共に
配合されているセメントが吸水し硬化することによって
空洞充填材Ｆ２自体が硬化し、空洞Ａ’の固化物による
充填が完了する。

【００５３】上記の施工法は、空洞Ａ，Ａ’の充填だけ
でなく、トンネルの覆工材としてセグメントを用いる場
合のセグメントの裏込め等にも適用することができる。
特に、テールシールを備えないトンネルボーリングマシ
ン等を用いる場合、空洞充填材の水溶性有機溶剤として
少量のプロピレングリコール等を用いることによって、
空洞充填材の粘度を高めることができ、天端側において
もセグメント端部から空洞充填材が流れ出すこともな
く、円滑に充填作業を行うことが可能となる。

【００５４】（施工例４）この施工例は、空洞充填材を
空洞に充填した後に、必ずしも水により体積を膨張させ
る操作を必要としない場合の施工例である。この施工例
においては、基本的に吸水性樹脂とセメントと水とが予
め混合され、流動性とされた空洞充填材（以下「空洞充
填材Ｂ」と記す）を用いる。

【００５５】空洞充填材Ｂの第一の典型例（空洞充填材
Ｂ₁）は、吸水性樹脂、セメント及び水を必須成分とし
て含む組成物であって、この組成物の水への流出率が４
０％以下、好ましくは３０％以下、最も好ましくは１０
％以下に調整され、かつフロー値が１４０〜２１０範囲
内に調整されたものである。

【００５６】この空洞充填材Ｂ₁は、予め水が配合され
ているので、１本のホースから空洞に注入するだけでセ
メントが硬化し、充填が完了する。この空洞充填材Ｂ₁
は、流出率が４０％以下に調整されているので、地下水
存在下での空隙充填においても、硬化完了までの期間に
水中への流失が防止でき、その結果、湧水の存在するト
ンネル等の人工構造物と岩盤等との間に空洞が発生した
天端部にも、注入時の流失が著しく少なく、地下水や工
事現場周辺への環境汚染を起こさず、確実かつ効率的に
限定注入することが可能になる。また、フロー値が１４
０〜２１０に調整されているので可塑性がありポンプに
よる注入が可能であり、しかも注入後には打設場所に留
まるので限定注入に適している。すなわち、重力に抗し
た盛り上げ充填が容易になり、その結果、トンネル等で
の人工構造物と岩盤や地盤との間に発生した空隙の天端
部にも届くようになり、確実かつ効率的に充填を完了す
ることが可能になる。

【００５７】空洞充填材Ｂの第二の典型例（空洞充填材
Ｂ₂）は、吸水性樹脂、ベントナイト、セメント及び水
を必須成分として含む組成物であって、水を１００とす
るときの重量比で、吸水性樹脂：ベントナイト：セメン
トが０．１〜５：２０〜８０：１０〜６０とされている
ものである。

【００５８】この空洞充填材Ｂ₂も、前記の空洞充填材
Ｂ₁と同様に、予め水が配合されているので、１本のホ
ースから空洞に注入するだけでセメントが硬化し、充填
が完了する。この空洞充填材Ｂ₂は、トンネル等の人工
構造物と岩盤等との間に発生した空洞の充填に使用する
ことができ、目的の箇所に限定的に容易に注入すること
が可能となる。また、地下水等の湧水下でも、重力に抗
した盛り上げ充填等を、時間的にも材料的にも高効率
に、しかも環境汚染を回避しながら行うことができる。
更に、本組成物の比重は、１．１〜１．４と比較的小さ
いので、特にトンネル天端部空洞等への注入時の覆工等
への荷重も小さく、安全に注入が行えるようになる。

【００５９】前記の空洞充填材Ｂは、Ｂ₁又はＢ₂の何
れであっても、注入以前に吸水性樹脂が飽和状態まで吸
水して膨潤が完了していてもよいが、加える水量を調節
するか、又は調製から注入までの時間を調節することに
よって、吸水性樹脂の膨張が未完了の状態で空洞内に注
入することもできる。膨張が未完了の状態で注入した場
合には、空洞内で更に膨張が進行するので、空洞内の狭
い間隙等へも進入が可能となり、更に緻密な充填施工が
行えるようになる。いずれにしても空洞充填材Ｂは、充
填後に必ずしも水を供給する必要がないので、充填する
ためのポンプは一つで充分であり、全体の設備をコンパ
クトにすることができる。このため短時間での施工や小
規模の空洞の充填にも容易に適用することができる。

【００６０】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に
説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。以下の実施例に用いた吸水性樹脂は、下記の
方法により調製した。

【００６１】（吸水性樹脂Ａ）５００mlの円筒形セパラ
ブルフラスコにアクリル酸ナトリウム０．３３モル、ア
クリルアミド０．７８モル、Ｎ，Ｎ−メチレンビスアク
リルアミド０．００１１モルおよび水１６４．９ｇを仕
込み、均一に溶解させた。フラスコ内を窒素置換したの
ち、湯浴上で２５℃に加熱し、２０％過硫酸ナトリウム
水溶液１．９４ｇおよび１％Ｌ−アスコルビン酸水溶液
１．９４ｇを添加し、攪拌を停止して重合させた。重合
開始後発熱し、４０分後に９０℃まで昇温した。液温の
上昇が停止した時点で浴温を９０℃に維持し、４０分間
熟成を行った。得られた重合物を細分化したのち１６０
℃で３時間乾燥し、粉砕した後ふるい分けし、粉末状の
吸水性樹脂Ａを得た。この吸水性樹脂Ａの、２０重量％
セメント水に対する吸液倍率（前記式３による）は３５
ｇ／ｇであった。

【００６２】（吸水性樹脂Ｂ）温度計を備えた容量２．
５リットルの卓上型ジャケット付きニーダー（内面は３
弗化エチレンでライニング処理）に、メタクリル酸ナト
リウム２．６４モルを含有する３７％メタクリル酸ナト
リウム水溶液、メトキシポリエチレングリコール（ＥＯ
付加モル数９モル）メタクリレート０．１５モル、イオ
ン交換水５０．０ｇ及び架橋剤としてポリエチレングリ
コールジアクリレート０．０００１モルを仕込んだ。こ
れを窒素ガス気流下、攪拌しながらジャケットに４０℃
の温水を流して内容物を４０℃に昇温した後、重合開始
剤として１０％２，２’−アゾビス（２−アミジノプロ
パン）塩酸塩水溶液１１．８ｇ（Ｖ−５０，０．１５モ
ル％）を添加して１０秒間攪拌した後、攪拌を停止し
た。直ちに重合が開始して５９分でピーク温度６９℃に
到達した。次いで、ジャケット温度を８０℃に上げて１
時間熟成した。熟成終了後、ブレード回転数３６ｒｐｍ
で１０分間の解砕を行った。得られた微細な含水ゲルを
熱風循環式乾燥機で１２０℃、４時間乾燥した。乾燥
後、卓上簡易型粉砕機（協立理工株式会社製）を用いて
粉砕し、吸水性樹脂Ｂの粉末を得た。得られた吸水性樹
脂Ｂの吸液倍率は３６ｇ／ｇであった。

【００６３】（吸水性樹脂Ｃ）５００mlの円筒形セパラ
ブルフラスコにアクリル酸ナトリウム１．２５モル、ア
クリル酸８．４２モルとからなるアクリル酸塩単量体の
３７％水溶液４００ｇ及びＮ，Ｎ−メチレンビスアクリ
ルアミド０．０００４モルを仕込み、均一に溶解させ
た。フラスコ内を窒素置換したのち、湯浴上で２５℃に
加熱し、２０％過硫酸ナトリウム水溶液１．６７ｇ及び
１％Ｌ−アスコルビン酸水溶液１．６７ｇを添加し、攪
拌を停止して重合し、ゲル状含水重合物を得た。得られ
た重合物を細分化したのち、１６０℃で３時間乾燥し、
粉砕した後ふるい分けし、粉末状の吸水性樹脂Ｃを得
た。吸水性樹脂Ｃの吸液倍率は１８ｇ／ｇであった。

【００６４】実施例に用いたセメントは秩父小野田社製
「ジオライト３０」及び「ジオライト１０」であり、ベ
ントナイトは米国ワイオミング州産及び栃木産であっ
た。前者の吸液倍率は７．５ｇ／ｇであり、後者は４．
６ｇ／ｇであった。

【００６５】（空洞充填材の調製）前記のそれぞれの吸
水性樹脂、セメント、ベントナイト、及び水を表１に示
す重量比で配合し、機械練り用混練機（ＪＩＳＲ−５
２０１）を使用して実施例の空洞充填材を調製した。調
製に際しては、最初に水を注入し、混練機を始動させ、
次いでセメント、ベントナイト、及び吸水性樹脂を投入
し、３分間混練し、実施例の空洞充填材を得た。（比較例の調製）前記実施例と同様にして、ただし吸水
性樹脂を添加せずに比較例の空洞充填材を調製した。

【００６６】フロー値は、ＪＩＳＲ５２０１に基づき
測定した。水流出率試験は、１２０mlのＰＰ容器中に、
混練終了から５分経過した混和物を充填し、次にこの充
填容器を１０００ml中の水に浸漬し、１３０rpm で上層
の水を攪拌し、５分間攪拌後に容器を取り出し、残存す
る混和物の重量から前記の式２により、水への流出率を
求めた。施工試験は、アクリル板で作製した容器（幅４
００mm、長さ１０００mm、高さ３５０mm）中に水を張
り、底部より、表１の各実施例及び比較例で得られた空
洞充填材を口径５０mmのノズルからポンプで容器中に圧
送し、ポンプ圧送性（可能を○、不可を−で示す）及び
充填状態を下記のランク付けにより評価した。 ◎：容器中の水がほとんど濁らずに凸状に充填できた。 ○：容器中の水が少し濁ったが凸状に充填できた。 △：容器中にこてですくって上から投入することにより
凸状に充填できた。 ×：容器中の水が濁り凸状に充填できなかった。結果を表１に示す。

【００６７】

【表１】

【００６８】表１の結果から、少なくとも吸水性樹
脂、ベントナイト、セメント及び水を含み、流出率が４
０％以下であり、フロー値が１４０〜２１０の範囲内で
ある実施例１〜実施例７の吸水性樹脂は、ポンプ圧送が
可能であり、しかも殆ど水に流失することなく水中にお
ける限定充填が行えたことがわかる。実施例８，９は、
流出率がゼロであり限定充填は可能であるが、フロー値
が１４０未満であったために、ポンプ圧送はできなかっ
た。比較例の空洞充填材は、吸水性樹脂を含まないため
に流出率が１００％で水中での充填はできず、またフロ
ー値も過度に高いため、限定充填も不可能であった。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る空
洞充填材は、少なくとも吸水性樹脂、ベントナイト、セ
メント及び水を含み、流出率が４０％以下、フロー値が
１４０〜２１０、セメントの水に対する重量比が１／１
０〜６／１０、かつ吸液指数が１〜３の範囲内としたの
で、別途水を供給しなくても、例えばトンネル掘削時に
その天端部に生じた空洞や間隙を確実に埋めることがで
き、しかも流動性が適度に制限され周囲の水中に流失す
ることもないので水中での限定充填が可能となる。従っ
て、簡易な装置と単純な操作により、空洞や間隙に確実
に定着することができ、周囲の地山の安定化を図ること
ができる。そして、用いる原料はいずれも安価に入手す
ることができるので、従来用いられてきた発泡ウレタン
等に比べて、充填効果を低コストで達成することがで
き、充填材料を大量に使用することの多い建設分野にお
いて大きな経済効果を得ることが出来る。請求項２に係
る発明はベントナイトの水に対する重量比を２／１０〜
８／１０の範囲内とし、さらに請求項３に係る発明は水
を１００とするときの重量比で吸水性樹脂を０．１〜５
の範囲内としたので、各種の空洞の充填に好適なバラン
スのとれた流動性と、限定充填性と、比重と、硬化後強
度とを有するものとなり、特にトンネル天端部空隙等に
対し有用な盛り上げ限定注入が可能である。なお、これ
らの成分は、注入前に混合しておくことにより流動性と
なりポンプ圧送等により簡易に注入でき、目的とする充
填を湧水の有無に拘らず確実に効率的に行うことが出来
る。また、環境汚染の心配もなく、注入時の覆工等への
荷重による危険も少なく安全に注入が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る空洞充填材を適用する空洞が発
生したトンネルの一例を示す立断面図である。

【図２】前記空洞充填材を充填するための施工方法の
一例を示す立断面図である。

【図３】同施工方法の他の一例を示す立断面図であ
る。

【図４】同施工方法のさらに他の一例を示す立断面図
である。

【符号の説明】

Ａ，Ａ’…空洞Ｆ１，Ｆ２…空洞充填材Ｇ…岩盤（地山）１…孔２…支保工３…矢板５Ａ，５Ｂ…ホース６…三叉パイプ６ａ…合流部６ｂ…先端部７…ホース８…ホース８ａ…ホース孔

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＥ２１Ｄ 11/00 Ｅ２１Ｄ 11/00 Ａ // Ｃ０４Ｂ 111:70 Ｃ０４Ｂ 111:70 Ｃ０９Ｋ 103:00 Ｃ０９Ｋ 103:00 (73)特許権者 000115500 ラサ工業株式会社東京都中央区京橋１丁目１番１号 (74)上記３名の代理人 100064908 弁理士志賀正武（外１名） (72)発明者太田勲東京都中央区京橋一丁目１番１号ラサ工業株式会社内 (72)発明者岸本雅雄東京都中央区京橋一丁目１番１号ラサ工業株式会社内 (72)発明者空西正夫東京都中央区京橋一丁目１番１号ラサ工業株式会社内 (72)発明者小田中博東京都千代田区内幸町一丁目２番２号株式会社日本触媒内 (72)発明者増田善彦大阪府吹田市西御旅町５番８号株式会社日本触媒内 (72)発明者角永憲資大阪府吹田市西御旅町５番８号株式会社日本触媒内 (72)発明者河野重行東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者木内勉東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者橘大介東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者堀内澄夫東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者名倉健二東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者宮瀬文裕東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者野口恒久東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (56)参考文献特開平７−206503（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−265395（ＪＰ，Ａ) 特開平８−121086（ＪＰ，Ａ) 特開平８−157823（ＪＰ，Ａ) 特開平８−104868（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−99127（ＪＰ，Ａ) 特開平10−238289（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C09K 17/44 C04B 24/26 C04B 28/02 C09K 17/48 E21D 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】地山の空洞や間隙等の充填材として用い
る空洞充填材であって、少なくとも吸水性樹脂、ベント
ナイト、セメント及び水を含む組成物からなり、この組
成物の水への流出率が４０％以下であり、かつこの組成
物のフロー値が１４０〜２１０の範囲内であり、この組成物中のセメントの水に対する重量比が１／１０
〜６／１０の範囲内であり、かつこの組成物の、下記式吸液指数＝（吸水性樹脂配合量（ｇ）×吸水性樹脂の吸
液倍率＋ベントナイト配合量（ｇ）×ベントナイトの吸
液倍率）／水の配合量（ｇ）で規定される吸液指数が１
〜３の範囲内であることを特徴とする空洞充填材。
【請求項２】請求項１に記載の空洞充填材において、
ベントナイトの水に対する重量比が２／１０〜８／１０
の範囲内であることを特徴とする空洞充填材。
【請求項３】請求項２に記載の空洞充填材において、
水を１００とするときの重量比で、吸水性樹脂が０．１
〜５の範囲内であることを特徴とする空洞充填材。