JP4006166B2 - 地盤注入装置および地盤注入薬液の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軟弱あるいは漏水地盤に地盤注入薬液を注入して該地盤を固結する地盤注入装置および該薬液の製造方法に係り、詳細には、水ガラスおよび炭酸ガスを有効成分とした無公害で、均質な地盤注入薬液を地盤中に連続して注入する地盤注入装置および該薬液の製造方法に関する。特に、本発明は高圧炭酸ガス容器中の炭酸ガスを無駄なく使い切ることができる。
【０００２】
【従来の技術】
水ガラスおよび炭酸ガスを有効成分とした地盤注入薬液は無公害であって、地盤中に注入しても地下水等を汚染する心配がないため、従来からその使用が広く試みられている。
【０００３】
しかし、炭酸ガスは気体であるため、水ガラス水溶液への溶解性が悪く、水ガラス水溶液に炭酸ガスを噴射する際、地盤中の注入圧よりも高い炭酸ガス圧を必要とする。特に、注入圧が相当に高いときには、水ガラス水溶液の導管中に一層高圧の炭酸ガスを噴射、供給しなければならない。このため、高圧炭酸ガス容器（ボンベ）中の炭酸ガス量が少なくなると、炭酸ガスの供給圧を注入圧以上とすることができず、炭酸ガスがボンベに残ってしまい、ボンベ中の炭酸ガスを使い切ることができないため無駄となる。
【０００４】
また、攪拌機を備えた炭酸ガス吸収装置（タンク型反応槽）により水ガラス水溶液に炭酸ガスを吸収させる技術も知られている。この場合、連続的に一定濃度の地盤注入薬液を製造し、注入することは困難であり、また、注入材のゲル化時間を数分以下のように短くすることもさらに難しく、しかも炭酸ガス吸収装置には部分的にゲルができて、トラブルの原因ともなった。しかも、炭酸ガスが十分吸収されていない地盤注入薬液を地盤に注入すると、地盤内で炭酸ガスが分離するために、炭酸ガスの使用効率が悪いばかりか、得られるゲルは弱く、地盤の隆起がおこる。
【０００５】
いずれの方法においても、従来、水ガラスと炭酸ガスの反応液のゲル化時間は、吸収された炭酸ガスの少量の変化により大きく変わるため、ゲル化時間が長い地盤注入薬液を連続して注入することは極めて困難であった。したがって、炭酸ガスを硬化材として使用した従来の地盤注入薬液では、ゲル化時間が短いか、あるいは長いゲル化時間でゲル強度の小さなものであった。
【０００６】
【発明が解決すべき課題】
そこで、本発明の目的は、水ガラスおよび炭酸ガスを有効成分とした無公害で、均質な地盤注入薬液を地盤中に連続して注入し得、かつ、高圧炭酸ガス容器中の炭酸ガスを無駄なく使い切ることができ、上述の公知技術に存する欠点を改良した地盤注入装置および地盤注入薬液の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入装置によれば、水ガラス水溶液貯槽から地盤中の注入管に配管された水ガラス水溶液送液管路と、高圧炭酸ガス容器から前記水ガラス水溶液貯槽、前記水ガラス水溶液送液管路、または前記地盤中の注入管に配管された設定圧力の異なる複数系統の炭酸ガス圧送管路とを備えてなり、炭酸ガスを所望の一定流速で水ガラス水溶液中に噴射することにより、水ガラス水溶液に炭酸ガスを一定割合で、吸収し、均一に混合された地盤注入薬液を注入管を通して地盤中に連続して注入することを特徴とする。
【０００８】
さらに、上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入薬液の製造方法によれば、水ガラス水溶液中に炭酸ガスを所望の一定流速で噴射、混合して該水ガラス水溶液に炭酸ガスを所望の一定割合で吸収せしめ、これにより均一に混合された地盤注入薬液を得ることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の態様】
以下、本発明を添付図面を用いて詳述する。
【００１０】
図１は本発明装置の基本概念を表したフローシートであって、主に水ガラス水溶液送液管路５、複数系統（図１では２系統）の炭酸ガス圧送管路、すなわち、高圧炭酸ガス圧送管路12および低圧炭酸ガス圧送管路14、および地盤６中に挿入された注入管７を含んで構成される。
【００１１】
水ガラス水溶液送液管路５は水ガラス水溶液貯槽１から地盤６中に挿入された注入管７に配管され、図１に示されるように上流側からそれぞれ、気液混合装置２、注入ポンプ３および流量計４が管路５に配置される。
【００１２】
高圧炭酸ガス圧送管路12は高圧炭酸ガス容器８−１と連結管９−１を介して連結され、注入管７まで配管される。管路12内には電磁弁10−１、減圧弁11−１および炭酸ガス吹き出しノズル13がそれぞれ配置される。この炭酸ガス吹き出しノズル13は図示しないが注入管７に備えることもできる。
【００１３】
炭酸ガス吹き出しノズル13は図１に示されるように、円盤13ａの中心部に任意の大きさの小孔13ｂを穿設して構成される。この種の炭酸ガス吹き出しノズル13は図２に示されるように口径の異なる小孔の穿設された複数個の円盤Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ 、Ｖ₄ を切り換え自在に装着することもできる。
【００１４】
低圧炭酸ガス圧送管路14は上述高圧炭酸ガス圧送管路12と同様、圧力の低下された高圧炭酸ガス容器８−１と連結管９−２を介して連結され、水ガラス水溶液貯槽１、または水ガラス水溶液送液管路５の気液混合装置２よりも上流側ａまで配管される。管路14内には上述と同様、電磁弁10−２、減圧弁11−２および上記と同様な炭酸ガス吹き出しノズル15がそれぞれ配置される。15ａは円盤、15ｂは小孔である。
【００１５】
上述構成からなる本発明装置によれば、水ガラス水溶液送液管路５の上流側ａ、または水ガラス水溶液貯槽１中に、低圧炭酸ガス圧送管路14を介し、低圧炭酸ガス容器８−２から電磁弁10−２、減圧弁11−２および炭酸ガス吹き出しノズル15を経て水ガラス水溶液に炭酸ガスを噴射し、次いで、気液混合装置２で水ガラス水溶液と炭酸ガスを充分混合して炭酸ガスの水ガラス水溶液への吸収率を高め、かつ注入ポンプ３により炭酸ガスの吸収された水ガラス水溶液を水ガラス水溶液送液管路５介して注入管７に送液する。
【００１６】
さらに、高圧炭酸ガス圧送管路12を介し、高圧炭酸ガス容器８−１から電磁弁10−１、減圧弁11−１および炭酸ガス吹き出しノズル13を経て注入管７中に炭酸ガスを噴射する。
【００１７】
注入管７は例えば図１０に示される構造を有している。まず、図１０（イ）について説明すると、図１の水ガラス水溶液送液管路５を通して、水ガラスと炭酸ガスの長結型混合液Ｂを注入管７の内管７ａに導入し、吐出口20から地盤中に注入する。同時に、注入管７の外管７ｂに図１の高圧炭酸ガス圧送管路12を通して高圧炭酸ガスＡを導入し、炭酸ガス吹き出しノズル25を通して吐出口20内で、外管７ｂからの炭酸ガスＡと、内管７ａからの水ガラスおよび炭酸ガスの長結型混合液Ｂとの混合にかかる瞬結型混合液を吐出し、上部から瞬結型グラウト、下部から長結型グラウトの複合注入を達成する。
【００１８】
次に、図１０（ロ）について説明すると、図１の水ガラス水溶液送液管路５を通して、水ガラスと炭酸ガスの中結型混合液Ｂを注入管７の内管７ａに導入し、吐出口20から地盤中に注入する。同時に、注入管７の外管７ｂに図１の高圧炭酸ガス圧送管路12を通して高圧炭酸ガスＡを、さらに水ガラス水溶液送液管路５を通して、水ガラス水溶液と炭酸ガスの中結型混合液Ｂをそれぞれ導入し、両者を混合して中結型混合液および瞬結型混合液として吐出口20から地盤に注入する。この結果、上部から瞬結型グラウト、中部から中結型グラウト、下部から長結型グラウトの複合注入を達成する。25はノズルである。
【００１９】
図１において、低圧炭酸ガス圧送管路14に（一次側）から水ガラス水溶液貯槽１または水ガラス水溶液送液管路５に噴射される炭酸ガスの圧力は低圧であり、また、高圧炭酸ガス圧送管路12（二次側）から注入管７に噴射される炭酸ガスの圧力は高圧である。ここで、高圧としては１.0ＭＰａ以上の圧力が好ましく、また、低圧としては１.0ＭＰａ以下の圧力が好ましい。
【００２０】
本発明では、二次側に供給している高圧の炭酸ガスでも、使用している間に次第に低圧となるが、この場合、二次側を一次側に切り換え、新たに二次側に高圧の炭酸ガスを使用する。このようにして、本発明では、炭酸ガスの供給圧が小さくなっても、一次側に切り換えることにより使用でき、高圧炭酸ガス容器８−１に入っている炭酸ガスを極めて効率よく、残ガスが少なくなるまで殆ど全部使い切ることができる。
【００２１】
図２は図１における高圧炭酸ガス容器８−１、あるいは低圧炭酸ガス容器８−２をそれぞれ複数本、好ましくは２〜５本連結して供給圧力を長時間にわたって一定とし、かつ、高圧炭酸ガス圧送管路12あるいは低圧炭酸ガス圧送管路14のそれぞれ減圧弁11−１、11−２の上流側に気化器23−１、23−２を配設し、さらに、減圧弁11−１、11−２と炭酸ガス吹き出しノズル13、15の間に炭酸ガス留器24−１、24−２を配設することにより圧力の変化を極力小さくした例を示す。なお、炭酸ガス容器８−１、８−２からの炭酸ガスを気化するには、外部から気化熱に相当する熱量を供給する必要がある。例えば、これら容器８−１、８−２を温水と接触したり、電気式加熱器で加熱したり等である。
【００２２】
また、炭酸ガス吹き出しノズル13、15は図２に示されるように複数個並列して配設することもできる。これにより、供給される炭酸ガス圧力に応じてノズル13の円盤13ａを取り換えて小孔14の口径を変更することにより、炭酸ガスの供給量を一定とする。この場合、小孔13ｂの口径は０.1〜１.5mmが好ましく、使用するノズルの数は２〜５個が好ましい。ノズルの取り換えはノズル全体を別のノズルと交換してもよく、あるいは口径の異なる小孔13ｂを穿った円盤13ａのみを交換してもよい。あるいは複数個のノズル間で切り換えることにより炭酸ガスの供給量を一定とすることもできる。なお、炭酸ガスの吐出量によっては、複数のノズルを同時に使用することもでき、その場合、異なる口径のノズルを使用することもできる。
【００２３】
図３は炭酸ガス容器８−１、８−２内の炭酸ガスの量、すなわち、供給される炭酸ガスの圧力によって高圧炭酸ガス圧送管路12（高圧供給配管）と低圧炭酸ガス圧送管路14（低圧供給配管）を切り換えることができるようにした系統図であり、電磁弁10により自動的に切り換えることもできる。
図３−イは炭酸ガスの多く入った高圧炭酸ガス容器８−１を高圧供給配管と接続し、炭酸ガスの少ない低圧炭酸ガス容器８−２を低圧供給配管と接続し、低圧炭酸ガス容器８−２内の炭酸ガスを使い切った後、図３−ロのように新しい炭酸ガス容器８−１に交換し、これを高圧供給配管に切り換え、同時に高圧供給配管に接続されていた炭酸ガス容器８−１を低圧供給配管に切り換える。
【００２４】
図４は図１における気液混合装置２の配置されたネットワーク管路の側面模式図であり、平板16上にダイヤモンド型突起物17が複数個設置されており、上部の密閉用板18との空間を水ガラス水溶液と炭酸ガスの混合液が通過し、その際突起物の流れに対して下手で渦流ができ、液体と気体を混合することにより気体の吸収が行われる。
【００２５】
ここで、ネットワーク管路とは、液体の流路に複数の突起物を平面上に設置し、そこを液体と気体の混合液が通過する際に、液体と気体の混合が充分なされるような管路のことをいう。具体的には平面上に複数個の突起物を液体の流れに対して平行な直線上とならないように（例えば、格子状あるいは千鳥状に）配置し、突起物と突起物の間を液体が流れるようにする。もちろん液体の一部が突起物の高さよりも上まできても構わないが、これらの条件は突起物の数と液体の流速等で決定される。また突起物は好ましくはダイヤモンド状であり、その大きさおよび数は適宜選択できるが、例えば高さ１〜２cm、ダイヤモンドの上部面積が１〜２cm² その間隔が０.5〜２cm、数は１０〜２００程度である。また突起物の上にはガスが散逸しないように板状物で密閉系とするのが好ましい。さらに、このようなネットワーク管路を複数個設置することもできる。これらは一次側で用いることも二次側で用いることもできる。
【００２６】
図５は図４と同じくネットワーク管路の側面模式図であるが、突起物の相対的な大きさと間隔を示し、図示されているものは、一番手前の突起物を示す。
【００２７】
図６はネットワーク管路の模式図であり、突起物の大きさと配置を示す。水ガラスと炭酸ガスの混合物は図面の左からａのように流れ、突起物の間を通過し、突起物に衝突する。突起物の後ろでは突起物の両側から流れてきた液がｂのように合流する。また、突起物の後ろではｃのように渦流ができて炭酸ガスが水ガラス水溶液に吸収される。なお、ダイヤモンド型突起物群の前後は配管により水ガラス貯槽および注入ポンプと接続される。
【００２８】
図７は水ガラスに対する炭酸ガス量とゲル化時間の関係を示し、３号水ガラス２５ｌを水７５ｌで希釈して得られる水溶液１００ｌに、炭酸ガスを約０.45kg 吸収させると、ゲル化時間は約４０分となり、さらに約２.55kg 吸収させると約４秒となる。
【００２９】
図８は円盤（板厚３mm）の中心部に０.8mmの口径を穿ったノズルを使用した場合、炭酸ガス圧（３.5、３.0、２.5ＭＰａ）と炭酸ガス吹き出し量との関係を示しており、炭酸ガス圧が地盤圧力より１.0ＭＰａ多くなければ一定流量で炭酸ガスを吹き込むことができないことを示している。すなわち、炭酸ガス圧が小さくなった場合には、その容器（ボンベ）は使用できず、炭酸ガスが残ることを示している。
【００３０】
図９は、炭酸ガス圧を一定（３.5ＭＰａ）にしてノズル口径を異にした場合ノズル口径と炭酸ガス吹き出し量との関係を示し、ノズルの口径をどれだけにすれば、ゲル化時間が何分となるか推定することができる。なおこの場合、炭酸ガスの吸収率が影響してくるが、水ガラスへの吸収率は比較的高く、通常９０％以上となり、特に本発明の気液混合装置を使用した場合には１００％に近くなる。さらに、複数のノズルを使用した場合の炭酸ガスの吹き出し量は、単独使用した場合の吹き出し量から計算できることを示している。
【００３１】
炭酸ガスの水ガラスへの吸収は、気液反応であるために反応性に劣るとはいえ、水ガラスがアルカリ性であるため、密閉した容器中で炭酸ガスの吸収は比較的容易であり、特に加圧下ではさらに容易となるのである。しかし、注入材のゲル化時間が短い場合には、短時間に炭酸ガスを吸収反応させることは困難である。このような場合には、水ガラス水溶液と炭酸ガスの混合液を気液混合装置で炭酸ガスを加えて混合して通過させるのが好ましく、この場合密閉型で空間部分のない構造のものであればよく、加圧状態となればさらによい。このような装置としては単に管路では耐圧ポット等でもよいが、特にラインミキサーあるいはネットワーク管路に通過させるのが好ましい。
【００３２】
図１の気液装置２は、単に管路である場合にはラセン状あるいは循環型でもよい。また、耐圧ポットの場合には、必要に応じて攪拌装置、圧力計を設置し、炭酸ガスの吸収の促進やその度合いを計測するのが好ましい。
【００３３】
炭酸ガスの高圧供給配管（図１における高圧炭酸ガス送液管路12）の接続個所は、注入管の方式および吸収させる炭酸ガス量により異なるが、水ガラス水溶液送液管路５の流量計と注入管の間であり、注入管の上部（通常１.5ショットと称する）、あるいは注入管の先端部（混合室があり、通常２.0ショットと称する）でもよい。
【００３４】
水ガラス水溶液の希釈濃度は地盤注入薬液の使用目的に応じてシリカ濃度が２〜１２（重量）％となるような濃度が通常であり、このような水ガラス水溶液を注入材としての注入速度に合わせて、１分当たり５〜２５ｌで供給し、そこへ炭酸ガスを噴出させる。この場合、炭酸ガスの吐出量は、水ガラス水溶液中のアルカリ濃度、すなわちＮａ₂ Ｏ量および製造される注入材のゲル化時間により決定されるが、例えば、３号水ガラス25を（容量）％からなる水溶液１００ｌに対し、炭酸ガス吐出量は約０.3〜５Kgである。
【００３５】
本発明装置は設備的には簡素であり、主材および硬化剤が流体であるために、自動制御システムとすることが容易である。
【００３６】
さらに、水ガラスのアルカリが中和されて、炭酸塩を生ずるのみであり、炭酸塩はそれ自体非常に安全性が高い。本工法では、逆に地球温暖化の原因になる炭酸ガスを有効利用するのであって、工業的にも有益な工法である。なお、本発明で得られる注入材には、さらに必要に応じて他の硬化材を使用しても構わない。
【００３７】
【発明の効果】
上述の本発明は以下のような効果を奏する。
【００３８】
１．炭酸ガスの供給経路を２系統とし、低圧の炭酸ガスも使用できるようにしたことから、炭酸ガスの使用効率を高めることができる。
【００３９】
２．短時間に炭酸ガスを水ガラス水溶液に吸収することができるために、ゲル化時間の短い注入材を製造することができる。
【００４０】
３．水ガラスに対し充分な炭酸ガスを使用することによりゲル化時間を短くすることができるばかりか、ゲル強度を大きくすることができる。また水ガラスと炭酸ガスから瞬結配合と緩結配合が製造できることから、複合注入工法も採用することができ、あらゆる軟弱地盤にも適用することができる。
【００４１】
４．水ガラスに対し充分な炭酸ガスを使用するため、得られたゲルは耐久性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高圧供給配管および低圧供給配管を有する薬液注入装置の系統図である。
【図２】図１の炭酸ガス供給配管に複数の炭酸ガス吹き出しノズルを結合した薬液注入装置の系統図である。
【図３】図１の高圧供給配管および低圧供給配管を切り換えることのできる薬液注入装置の系統図である。
【図４】気液混合装置の一種であるネットワーク管路の側面模式図である。
【図５】図４の拡大図（部分）である。
【図６】気液混合装置の一種であるネットワーク管路の説明図である。
【図７】主材に対する炭酸ガスの量とゲル化時間の関係を示す図である。
【図８】地盤圧力に対し、ノズル吹き出し圧力と、炭酸ガス吹き出し量の関係を示す図である。
【図９】地盤圧力に対し、ノズル口径と炭酸ガス吹き出し量の関係を示す図である。
【図１０】注入管のノズル部分を示す図である。
【符号の説明】
１ 水ガラス水溶液貯槽
２ 気液混合装置
３ 注入ポンプ
４ 流量計
５ 水ガラス水溶液送液管路
６ 地盤
７ 注入管
８ 炭酸ガス容器
９ 連結管
10 電磁弁
11 減圧弁
12 高圧炭酸ガス圧送管路
13 炭酸ガス吹き出しノズル
13ａ 円盤
13ｂ 小孔
14 低圧炭酸ガス圧送管路
15 炭酸ガス吹き出しノズル
15ａ 円盤
15ｂ 小孔
16 平板
17 ダイヤモンド型突起物
18 密閉用板
19 外枠
20 吐出口
21 末端吐出口
22 閉塞金具
23 気化器
24 炭酸ガス留器
25 ノズル

Claims (6)

1. 水ガラス水溶液貯槽から地盤中に通じる注入管に配設された水ガラス水溶液送液管路と、炭酸ガス高圧容器から前記水ガラス水溶液貯槽、前記水ガラス水溶液送液管路、または前記地盤中の注入管に配管された設定圧力の異なる複数系統の炭酸ガス圧送管路とを備え、炭酸ガスを所望の一定流速で水ガラス水溶液中に噴射することにより、水ガラス水溶液に炭酸ガスを一定割合で吸収し、均一に混合された地盤注入薬液を注入管を通して地盤中に注入する地盤注入装置において、設定圧力の異なる複数系統の炭酸ガス圧送管路は低圧炭酸ガス圧送管路および高圧炭酸ガス圧送管路であり、低圧炭酸ガス圧送管路は炭酸ガス低圧容器から水ガラス水溶液貯槽または水ガラス水溶液送液管路の気液混合装置および注入ポンプよりも上流側に配管され、高圧炭酸ガス圧送管路は炭酸ガス高圧容器から注入管または注入管近くの水ガラス水溶液送液管に配管されることを特徴とする地盤注入装置。
2. 請求項１において、前記水ガラス水溶液の送液管路には気液混合装置および注入ポンプ
   が配置され、気液混合装置により水ガラスと炭酸ガスが混合されて炭酸ガスの水ガラス水溶液への吸収率を高めるようにし、注入ポンプにより炭酸ガスの吸収された水ガラス水溶液を注入管に送液するようにした請求項１に記載した地盤注入装置。
3. 請求項１において、低圧炭酸ガス圧送管路は炭酸ガス充填量の少なくなった炭酸ガス低圧容器から水ガラス水溶液貯槽、または水ガラス水溶液送液管路の気液混合装置および注入ポンプよりも上流側に配管され、炭酸ガス高圧容器の圧力が低下したときは低圧炭酸ガス圧送管路に切り換えるとともに、高圧炭酸ガス圧送管路に新たに炭酸ガス高圧容器を設置するようにした請求項１に記載の地盤注入装置。
4. 請求項１において、前記炭酸ガス圧送管路または注入管には円盤の中心部に任意の大きさの小孔が穿設された炭酸ガス吹き出しノズルを備えてなる請求項１に記載の地盤注入装置。
5. 請求項４において、前記炭酸ガス吹き出しノズルが口径の異なる小孔の穿設された複数個の円盤を切り換え自在に装着されてなる請求項４に記載の地盤注入装置。
6. 請求項１において、前記各炭酸ガス圧送管路はそれぞれ、複数個の高圧炭酸ガス容器に接続され、これら容器を切り換え自在とした請求項１に記載の地盤注入装置。

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