JP4034814B2 - グラウト注入工法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、グラウト注入工法及びその装置に関するものである。詳しくは地盤、好適には、岩盤、特に大きな亀裂と小さい亀裂との両者を有する岩盤の亀裂に対し、浸透性に優れた岩盤におけるグラウト注入を達成しようとするものである。

都市の軟弱地盤における注入と異なり、岩盤でのグラウト注入は、亀裂が小さく、かつその亀裂が注入に伴って膨張するものではないので、まったく異なる注入形態が必要になる。
近年、岩盤におけるグラウト注入工法において、いわゆる「動的注入」の有効性が確認されており、その工事数が増加傾向にある。
動的注入の代表例は特許文献１に開示されたもので、グラウト材を注入ポンプにより所定の注入圧力で圧送し、末端の注入管を介して亀裂性岩盤に穿設された注入孔にグラウト材を注入するに際し、前記注入圧力に５Ｈｚ〜３０Ｈｚの周波数域から選択された特定の周波数を持つ脈動圧力を重畳的に付加し、前記グラウト材の構成粒子を励起させるものである。
しかし、その後の本発明者らは、かかる方法ではグラウト材の浸透性が充分でないことが知見された。
特許第３０９６２４４号公報

したがって、本発明が解決しようとする主たる課題は、グラウトの浸透性に優れた、特に、微細な亀裂に対しても優れた浸透性を示す注入工法及びその装置を提供することにある。

この課題を解決した本発明は、次のとおりである。
〔請求項１記載の発明〕
注入対象領域にグラウト材を、その注入圧力を周期的に変動させながら注入するに際し、
長波の注入圧力の周期的変動に、短波の注入圧力の周期的変動を重畳した注入圧力の変動をもって前記グラウト材を注入することを特徴とするグラウト注入工法。

〔請求項２記載の発明〕
前記長波の周波数が０．０５〜１Ｈｚの周期である請求項１記載のグラウト注入工法。

〔請求項３記載の発明〕
前記短波の周波数が１〜１０Ｈｚの周期である請求項１または２記載のグラウト注入工法。

〔請求項４記載の発明〕
注入対象領域にグラウト材を、その注入圧力を周期的に変動させながら注入する装置であって、
前記グラウト材を長波の注入圧力の周期的変動を与えながら圧送する低周波圧送手段と、グラウト材の流れの下流側にあって短波の注入圧力の周期的変動を重畳させる高周波重畳手段と、対象地盤に臨ませ、長波の注入圧力変動に、短波の注入圧力変動を重畳した注入圧力の変動をもって前記グラウト材を吐出する注入管類とを備えたことを特徴とするグラウト注入装置。

本発明によれば、後記の実施例のように、従来例のものの短波と言うべき圧力変動のみのものとは異なり、長波の注入圧力の周期的変動に対して短波の注入圧力の周期的変動を重畳させているので、グラウトの浸透性に優れたものとなる。特に、後述の実施例で明らかにしたように、岩盤における微細な亀裂に対しても優れた浸透性を示すものとなる。

次に、本発明の概要及び実施の形態をまず説明した後に、多くの実験結果を示しながら本発明の効果を明らかにする。
＜本発明の概要＞
図１は、本発明の概念図を示したもので、０．０５〜１Ｈｚ（より好適には０．０５〜０．３Ｈｚ、さらに好適には０．０５〜０．１５Ｈｚ、特に望ましいのは０．１〜０．１５Ｈｚ）の長波（一次低周波）の注入圧力変動に、１〜１０Ｈｚ（より好適には５〜９Ｈｚ、特に好適には５〜８Ｈｚ）の短波（二次高周波）の注入圧力変動を重畳した複合波を示す注入圧力の変動をもって対象領域、たとえば岩盤にグラウト材を注入するものである。なお、０．０５未満では長波の制御が困難であるため、０．０５以上が好ましい。
グラウト注入は、都市土木でのグラウト注入と山岳土木でのグラウト注入（たとえばダムグラウト）とに大別され、本発明は、これらの両者に適用できるが、地盤、特に岩盤グラウトにおいて顕著な利点をもたらすものである。
なお、本発明において、注入開始当初から完了まですべての時間的期間において複合波による注入を必須とするものではなく、少なくとも注入の最終段階で複合波による注入を確保されればよい。したがって、注入開始段階あるいは注入最終段階では、注入圧力を一定としたり、長波（一次低周波）あるいは短波（高周波）のみによる注入圧力変動による注入などでもよい。また、注入圧力の振幅としては、ある時点の圧力Ｐに対し、±（０．１〜０．７Ｐ）の変動を生じるような振幅が好ましい、±（０．３〜０．５Ｐ）の変動を生じるような振幅が特に好ましいことを知見している。

＜実施の形態＞
以下、岩盤グラウト注入の例を挙げて実施の形態を説明すると、図２に示すように、岩盤Ｅのクラックにパッカー１ａを備えた注入管１を挿入設置しておく。また、注入プラントとして、グラウト材料撹拌機２から、長波の注入圧力変動を与えながら圧送する低周波（長波）圧送手段を構成する、インバータ制御を行う注入ポンプ（一次低周波発生器）３、並びにグラウト材の流れの下流側にあって短波の注入圧力変動を重畳させる高周波（短波）重畳手段を構成する、回転盤を備えた二次高周波発生器４を通して、グラウト材を吐出する注入管類としての前記注入管１にグラウト材Ｇを圧送するようにしてある。
二次高周波発生器４を通るグラウト材Ｇの一部はリターンバルブ５によりグラウト材料撹拌機２へ流路１１を通して返送するようにしてある。
注入時の圧力は、１次圧力計６により検出し、流量は流量計７により検出し、所定の圧力を超えた時点でコントローラ８によりリターンバルブ５を操作し、グラウト材料撹拌機２へ返送するようにしてある。また、流量が過大となった時点においてもリターンバルブ５を操作し、グラウト材料撹拌機２へ返送するようにしてある。これらのリターン系は、通常のダムグラウトで行われているのと同様の方法であるので詳細の説明を省略する。

流量計７と注入管１との間には２次圧力計９が設けられ、また、グラウト材を送給する流路１０において、二次高周波発生器４の前後にバイパス路１２が設けられ、そのバイパス路１２にバイパス量調整用の調整弁１４が設けられている。２次圧力計９で圧力変動に応じて、二次高周波振幅調整器１３により、調整弁１４の開度を調整し、二次高周波の振幅の調節を行うようにしてある。
かかる設備では、注入ポンプ３、たとえばピストン型の注入ポンプ３を、これに付属のインバータ制御器により回転数制御を行い、グラウト材の送給圧力を長波（一次低周波）で周期的に変動させる。その後において、後に詳しい構造例を説明する二次高周波発生器４により、短波（二次高周波）で周期的に変動させる。その結果、長波（一次低周波）に短波（二次高周波）が重畳された、図１に示す複合波が生じ、かかる複合波の、経時的な圧力変動を示す注入圧力変動（注入流量も変動する。）をもって、注入管１を通してグラウト材Ｇを岩盤ＥのクラックＣに注入する。
他方、図３に示すように、二次高周波振幅調整器１３、バイパス路１２及び調整弁１４は、流量計７の後段に設けてもよい。

二次高周波発生器４としては、特許文献１のように油圧サーボアクチュエータとその油圧サーボアクチュエータにより駆動される容積型のポンプ、たとえばピストンポンプにより、発振器により二次高周波をもって圧力変動させることもできるが、図４に示す装置構成のほうが、装置が簡素となる。
図４に示す二次高周波発生器４は、モータ４Ａの出力軸に、同軸心回りに連続的に回転する回転盤４Ｂを設け、その回転盤４Ｂの周囲円に適宜の数で透過孔４ｂ、４ｂ…を等間隔で形成したものである。前記周囲円の一部に対して流路１０が連なるよう構成してある。

流路１０を通して送給されるグラウトＧは、流路１０に対して透過孔４ｂが一致したときはその透過孔４ｂを通して下流に流れ、その後、回転盤４Ｂが回転し、透過孔４ｂ、４ｂ間の位置においては流れが遮断される。このように、グラウトＧの流れと遮断とが繰り返される。そして、上流側からグラウトＧが注入ポンプ３により圧送されているので、遮断時においては、圧力が高まり、連通して下流に流れる時点で圧力が低下する。また、遮断から連通、連通から遮断の移行期においては、圧力変動があるので、図１に示す圧力変動を生じさせることができるのである。
ここで、透過孔４ｂの数は、透過孔４ｂの直径を２５ｍｍにした場合、本発明で規定する条件を得るためには、６孔では大きな振幅を得ることが困難であり、２孔では遮断時間が長すぎるので、３〜５孔、特に４孔が最適であることを知見している。また、透過孔４ｂの直径を２０ｍｍにした場合、６孔でも良好であり、図５に示す圧力振幅及び流量振幅が得られる。

また、二次高周波振幅調整器１３、バイパス路１２及び調整弁１４を設けない場合、図４の二次高周波発生器４自体の構造が原因となって、モータ４Ａの回転数が一定の場合には、透過孔４ｂの直径、及び透過孔４ｂ、４ｂ間の距離により、圧力振幅及び流量振幅は一定である。しかし、圧力振幅及び流量振幅が過度に大きいと、浸透性が良好でない。そこで、圧力振幅及び流量振幅を調整するために、二次高周波振幅調整器１３により調整弁１４の開度を調節し、バイパス路１２に流れる流量を高めることで、圧力振幅及び流量振幅を低減させ、クラック（亀裂）への良好な浸透性を確保できる。
本発明によれば、図６の模式図に示すように、岩盤Ｅに大きいクラックと細かいクラックがあるときにおいても、細かいクラックに対しても浸透させることができる。この特有の作用効果については、続いて説明する実施例（実験例）によって明らかにする。

一方、本発明において、低周波圧送手段としては、ピストンポンプやスクイズポンプなどモータを駆動力とする場合に、そのモータの回転周波数を制御する装置を付加したもの、またはモータの回転数をパルス的に増加減させるもの、ピストンポンプの駆動軸に電気−油圧アクチュエータを連結し、電気−油圧アクチュエータを通す油量を電気信号に応じて増加減することによりピストンポンプの往復動速度を調整するものなどを使用できる。
また、高周波重畳手段としては、前掲例のほか、特許第２９４８８８１号公報の第２図、あるいは特開昭５２−５３５０４号公報に示されたダイヤフラムポンプを使用する形態、特開昭５１−８８８１０号公報に示された超音波振動子を使用する形態、特許第２９５２３２４号公報に示された振動媒体又は衝撃媒体を使用する形態、特開２００２−１３１３０号公報に開示されたアキュムレータを使用する形態など適宜の手段を採用できる。
本発明のグラウト材を吐出する注入管類としては、単管又は二重管のほか、適宜の流路を有する公知のものを使用できる。
グラウト材としては、適宜選択できるが、恒久的に高い強度を得るためにセメントミルク系のものが望ましい。

一方、上記例では、注入管類（注入管１）一つ当たり、一つの注入ポンプ（一次低周波発生器）３と一つの二次高周波（低周波）発生器４が直列に設けられ例であるが、図２２に示すように、高周波重畳手段が複数直列に設けられている、図２３に示すように、高周波重畳手段が複数並列に設けられている、図２４に示すように、低周波圧送手段が複数直列に設けられている、図２５に示すように、低周波圧送手段が複数並列に設けられている、あるいはこれらの適宜の組み合わせによる装置構成としてもよい。なお、以上は岩盤グラウト注入の例を挙げているが、本発明は岩盤に限定されるものでなく、他の地盤にも適用できるものである。

次に実施例（実験例）を示し、本発明の効果を明らかにする。
岩盤を模擬的に再現させるために、図７に示す被注入器に対して、図２に示す装置を使用して、注入実験を行った。
被注入器は、上下の圧肉鉄板（肉圧５０ｍｍ）の間に狭い間隔Ｓの流路を形成し、その流路内に邪魔板スペーサを設け、グラウト材の入口Ｐ１から出口に向かって邪魔板スペーサを巡りながら注入するようにしたものである。被注入器として、間隙Ｓが１００μｍの場合と、５０μｍの場合との２つものを用意した。グラウト材Ｇを注入した。グラウト材は、間隙Ｓが１００μｍの場合には、図１８のグラフの上部に記載した、高炉セメントＢ種を使用した配合とし、Ｗ／Ｃ＝２／１とし、間隙Ｓが５０μｍの場合には、図１９のグラフ中に記載した、超微粒子セメントを使用した配合とし、同じくＷ／Ｃ＝２／１とした。なお、注入材については以下の例も含めてすべて同一である。
このとき、各位置Ｐ１、Ｐ２及びＰ３において、グラウト材の通過量及び圧力を検出した。
間隙Ｓが１００μｍの場合の結果を図８〜図１２に、間隙Ｓが５０μｍの場合の結果を図１３〜図１７にそれぞれ示した。
各図において、グラフ上の「注入圧力」の文言の後にたとえば（Ｘ−Ｙ）と記載されている、前者の数字Ｘは、長波（一次低周波）の周波数であり、後者のＹは短波（二次高周波）の周波数を示す。

間隙Ｓが１００μｍの場合において、図８の動的注入を行わない場合（０−０）、注入開始後まもなく（約１０分後に）閉塞が生じ、以後の注入が不能となる。図９の短波のみによる動的注入を行う場合（０−３）、注入が可能であるが、約２０分〜３０分後に注入が不安定となり、その後に閉塞が生じる。しかも、通過量は低いレベルにとどまる。図１０の短波が１０Ｈｚの場合（０−１０）、注入が良好で、しかも通過量が高いレベルとなる。図１１の本発明に従う複合波による注入の場合（０．１−３）、図１０の場合と同様に注入が良好である。なお、図１１において、注入開始後、約５０分後に閉塞が生じているが、これは、後に示す図１６の場合における結果との整合性（図１６の場合には、間隙Ｓが５０μｍでより狭いにもかかわらず、閉塞が生じていないこととの整合性）からしても、他の要因に基づくものと考えられる。図１２の場合（０．１−１０）、注入が良好でるものの通過量が低いレベルとなる。

間隙Ｓが５０μｍの場合において、図１３の動的注入を行わない場合（０−０）、注入開始後しばらくして閉塞が生じ、以後の注入が不能となる。図１４の短波のみによる動的注入を行う場合（０−３）、注入が可能であるものの、早期に閉塞が生じる。図１５の１０Ｈｚの場合（０−１０）、通過量がやや高いレベルとなる。図１６の本発明に従う複合波による注入の場合（０．１−３）、注入が良好であり、特に長時間にわたって閉塞が生じることがなく、しかも通過量も高いレベルとなる。図１２の場合（０．１−１０）、短期に閉塞が生じ、しかも通過量が低いレベルとなる。

これらの実験結果について、通過量を質量換算で示したものが、図１８及び図１９である。図１８の場合（間隙Ｓが１００μｍの場合）には、従来の短波のみによる動的注入と有意差はないが、図１９の場合（間隙Ｓが５０μｍの場合）には、従来の短波のみによる動的注入に対して、（０．１−３）の場合、特に高い質量レベルＰとなる。これらから、本発明に従う複合波による動的注入は、微細クラックに対しても浸透注入性が優れたものとなることが判明する。

図２０及び図２１は、注入経路の各点での、注入圧力の振幅の減衰を示したものであり、減衰率が大きいほど、動的注入効果がなくなることを示すものである。図２０の場合には、有意差はないが、図２１の場合（間隙Ｓが５０μｍの場合）には、従来の短波のみによる動的注入に対して、本発明に従う複合波による動的注入の場合は減衰率が小さいから、いわば振動が深くまで伝達していることを示し、微細クラックに対して浸透注入性が優れたものとなることが判明する。

短波周波数は７Ｈｚとして固定した場合における、長波の周波数変化によって、グラウトの浸透状態及び通過重量（注入量）の変化を調べた。間隙Ｓは５０μｍの例である。総括結果を示す図２６に示すように、長波の周波数は０．３Ｈｚを限界として、それ以上高くなると、通過重量（注入量）は低下する傾向があることが判る。
また、そのときの、位置Ｐ１、位置Ｐ２及び位置Ｐ３での圧力変化を示したのが図２７〜図３７である。位置Ｐ１、位置Ｐ２及び位置Ｐ３の奥まりの順で、波形が微細に変化していることが判る。その変化割合は周波数が低いほど顕著である。このことが通過重量（注入量）を多くする要因になっていると考えられる。

長波周波数は０．１Ｈｚとして固定した場合における、短波の周波数変化によって、グラウトの浸透状態及び通過重量（注入量）の変化を調べた。あわせて、本発明に係る複合動的注入との対比として、短波の注入圧力変動のみとした例（単動的注入）及び圧力変動の一切ない例（静的注入）についても調べた。間隙Ｓは３０μｍの例である。結果を、図３８及び図３９に示した。
短波の周波数が５Ｈｚ〜８Ｈｚの範囲内において特に多い通過重量（注入量）を示すこと、本発明に係る複合動的注入は、単動的注入との比較でも多い通過重量（注入量）を示すことが判る。

長波周波数は０．１Ｈｚとして固定した場合における、短波の周波数変化及び圧力振幅変化によって、グラウトに浸透状態及び通過重量（注入量）の変化を調べた。間隙Ｓは５０μｍの例である。結果を、図４０に示した。
振幅が大きいほど通過重量（注入量）が多いを示すことが判る。ただし、装置的な要因で振幅には上限がある。この観点からして、３０％〜５０％の範囲内で選定するのが望ましい。

以上の例からして、本発明に係る複合動的注入によれば、実用上達成すべき低い透水係数を確保できることが判る。単動的注入では、信頼性の点が疑問を抱く透水係数しか達成できない結果となった。

本発明の概念図である。 本発明の実施の形態の概要図である。 本発明の他の実施の形態の概要図である。 二次高周波発生器の説明図である。 圧力振幅及び流量振幅変動のグラフである。 本発明を従来例との対比で説明する概念図である。 被注入器の形態の説明図である。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。 実験結果のグラフである。

符号の説明

１…注入管、２…グラウトラウト材料撹拌機、３…注入ポンプ（一次低周波発生器）、４…二次高周波発生器、５…リターンバルブ、１０…流路、１２…バイパス路、１３…二次高周波振幅調整器、１４…調整弁。

Claims (4)

1. 注入対象領域にグラウト材を、その注入圧力を周期的に変動させながら注入するに際し、
   長波の注入圧力の周期的変動に、短波の注入圧力の周期的変動を重畳した注入圧力の変動をもって前記グラウト材を注入することを特徴とするグラウト注入工法。
2. 前記長波の周波数が０．０５〜１Ｈｚの周期である請求項１記載のグラウト注入工法。
3. 前記短波の周波数が１〜１０Ｈｚの周期である請求項１または２記載のグラウト注入工法。
4. 注入対象領域にグラウト材を、その注入圧力を周期的に変動させながら注入する装置であって、
   前記グラウト材を長波の注入圧力の周期的変動を与えながら圧送する低周波圧送手段と、グラウト材の流れの下流側にあって短波の注入圧力の周期的変動を重畳させる高周波重畳手段と、対象地盤に臨ませ、長波の注入圧力変動に、短波の注入圧力変動を重畳した注入圧力の変動をもって前記グラウト材を吐出する注入管類とを備えたことを特徴とするグラウト注入装置。

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