JP4071245B2 - 地盤注入装置 - Google Patents

Description

本発明は、普通セメント等のセメント粒子を含むグラウトを用い、現場でセメント粒子を微粒子化した後に地盤に注入する装置に関するものである。

ゆるい軟弱砂質地盤の地震時の液状化対策として、各種対策工法が提案されている。グラウト工法もそのひとつであるが、砂質地盤に対する注入工法は、注入材の耐久性が確認されていないことから、仮設工法として用いられてきた。このため、最近では恒久的なグラウト工法の開発が行われている。

恒久的なグラウト工法の開発においては、固化材の性能が重要となる。懸濁系グラウトに用いられる普通セメントは恒久材料として認められてきているが、粒子が粗い（ブレーン値３，０００〜４，０００）ことから砂質地盤であっても浸透注入を期待することはできず、恒久性の要求を満足することができない。これに対して、微粒子セメント（ブレーン値８，０００〜１０，０００）あるいはそれ以上の超微粒子セメントは透水係数が１０^-3ｃｍ／ｓ以上の砂質地盤では浸透注入が可能であることが実験的に明らかになっており、グラウトにおける使用も提案されている（特許文献１）。

しかしながら、微粒子セメントは普通セメントのほぼ１０倍と価格が高く、注入技術も含めて普及にいたっていないのが現状である。
特開平１１−６１１３１号公報

そこで、本発明の主たる課題は、安価なセメントを用いながらも、高価な微粒子セメントを用いたのと同様の浸透性能を発揮させる技術を提供することにある。

上記課題を解決した本発明は次記のとおりである。
＜請求項１記載の発明＞
セメント粒子を含有するグラウトを圧送する圧送ポンプと、
この圧送ポンプにより圧送されるグラウトに含まれるセメント粒子を粉砕する粉砕装置と、
この粉砕装置によりセメント粒子を粉砕した後のグラウトを地盤内に注入する注入手段と、
を備えた地盤注入装置であって、
前記粉砕装置は、一端部が流入口とされ、他端部が流出口とされた管体と、この管体内における流れ方向に複数段設けられた粉砕部とを有しており、
各前記粉砕部は、前記管体内に同心的に配置された筒状体からなる噴射ノズルと、この噴射ノズルの下流側に設けられた衝突部材とからなり、
各前記衝突部材は、管体内面から離間して中央に支持された衝突部分を含む本体部と、本体部外面と管体内面との間に形成された、本体部の上流側及び下流側を繋ぐ流路とを備えており、
前記セメント粒子の粉砕に際して、前記粉砕装置の流入口から管体内に高圧で送り込まれたグラウトが前記流出口に向かって流れる過程で、各前記粉砕部において前記噴射ノズルから前記衝突部材に向かって噴射・衝突され、この衝突の衝撃によりスラリー中のセメント粒子が粉砕されるとともに、前記衝突部材の上流側に跳ね返ったグラウトが前記衝突部材の周囲にある流路を通って衝突部材の下流側に排出されるように構成されている、
ことを特徴とする地盤注入装置。

＜請求項２記載の発明＞
前記粉砕装置によりセメント粒子を粉砕した後のグラウトを分級処理し、粗粒分を分離除去する分級装置を備え、この分級装置により粗粒分を分離除去したグラウトを地盤内に注入する、請求項１記載の地盤注入装置。

＜請求項３記載の発明＞
前記粉砕装置は、前記粉砕部の数が増減可能なように構成されている、請求項１または２記載の地盤注入装置。

＜請求項４記載の発明＞
前記グラウトが、セメントミルクに分散剤を添加したものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の地盤注入装置。

＜請求項５記載の発明＞
前記圧送ポンプによる供給圧のみにより、前記粉砕装置における前記噴射・衝突がなされるとともに前記地盤への注入もなされるように構成されている、請求項１、３又は４記載の地盤注入装置。

本発明によれば、グラウトを注入にするにあたり、衝突部材に対する高圧噴射衝突によりセメント粒子を微粒子化しながら注入することによって、安価なセメントを用いながらも、より高い浸透性能を発揮させることができるようになる。

したがって、例えば普通セメント（ブレーン値３，０００〜４，０００）を用いながらも、微粒子セメント（ブレーン値８，０００〜１０，０００）と同等またはそれ以上の高い浸透性能を発揮させることができるようになる。

特に、注入に先立って、粉砕粒子を含むグラウトから粗粒分を分離除去した後、地盤に注入するようにすると、より確実に高い浸透性能を得ることができるとともに、粉砕負荷を軽減することもできる。

また、セメントミルクに助剤を添加したグラウトを粉砕して用いると、ゲルタイムの調整、浸透性の増加、固結強度の増加などの機能の向上を図ることができ、セメントだけの場合よりも注入材としての材料特性を高めることができるため好ましい。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しつつ詳説する。
図１は、溶液型の瞬結性グラウトと浸透性グラウトとを併用し、瞬結性グラウトの脈状注入により注入管の周りの間隙をパックし、グラウトの流出を防いだ上で、細かい間隙に対して浸透性グラウトを注入する、いわゆる２相注入工法への適用例を示している。

符号１は、セメント粒子をスラリー化してなるグラウトを一時的に貯留する攪拌装置付タンクを示している。タンク１内に貯留されたグラウトは高圧スラリーポンプ２により圧送され、ジェット粉砕装置３を経由してセメント粒子の微粒子化がなされた後に注入管４に供給され、注入管４の先端部注入口４ａから地盤に浸透注入されるようになっている。また、攪拌装置付タンクＡ，Ｂに一時的に貯留された主剤及び反応剤がそれぞれポンプＰにより注入管４に供給され、注入管４内で合流混合された後、瞬結性グラウトとして基端側注入口４ｂから地盤に注入され、注入管４の注入口４ｂ付近と地盤との間の空隙がパッキングされるようになっている。

図示例は、注入効率を高めるために瞬結性グラウトによるパッカ注入１０と浸透注入１１を同時に行う場合の例を示しており、パッカ注入１０が１ステップ先行する、すなわち浸透注入１１と同時に、次の浸透注入部分１１の真上にパッカ注入１０を行うものである。もちろん、瞬結パッカ注入をした後、その直下の領域に浸透注入を行う等、本発明の範囲内であらゆる注入手順を採用できる。

図２は、ジェット粉砕装置３の具体例を示している。このジェット粉砕装置３は、一端部が流入口３１とされ、他端部が流出口３２とされた管体３０内に、筒状体からなる噴射ノズル３３が同心的に配置されるとともに、この噴射ノズルの下流側に衝突部材３４が設けられており、流入口３１から管体３０内に高圧で送り込まれたグラウトＧ１は、流出口３２に向かって流れる過程で、噴射ノズル３３から衝突部材３４に向かって噴射・衝突され、この衝突の衝撃によりスラリー中のセメント粒子が粉砕されるようになっている。

噴射ノズル３３は適宜設計することができるが、図３に示すように、セメント粒子による磨耗を考慮し、流路を取り囲む筒状部分３３ｆを超硬合金等の耐摩耗性材料により形成するのが好ましい。また、衝突部材３４も適宜設計することができる。図４に示される衝突部材３４は、衝突部分３４ｃを含む本体部３４ｂと、本体部３４ｂ外面と管体３０内面との間に形成された、本体部の上流側及び下流側を繋ぐ流路３４ｆとを備えた構造を有している。より詳細には、本体部３４ｂは、その周囲から管体３０内面まで延在する支持部３４ｓにより管体３０内面から離間して中央に支持されており、支持部３４ｓは周方向に流路３４ｆ分の間隔を空けて複数設けられている。このような構造によって、グラウトは衝突部材３４の衝突部分３４ｃに衝突し、衝突部材３４の上流側に跳ね返った後、衝突部分の周囲にある流路を通って衝突部材３４の下流側に排出される。もちろん、衝突部材３４の衝突部分３４ｃについても、超硬合金等の耐摩耗性材料により形成するのが好ましい。

より細かく粉砕するために、噴射ノズル３３及び衝突部材３４からなる粉砕部は複数段設けられる。図示例では、グラウトが第１〜第３粉砕部までを通過する過程で、グラウト中のセメント粒子が微粒子化される。粉砕部の数は、目的とする微粒子化の程度、ポンプ圧と流量、セメントの種類などによって増減することができる。

ジェット粉砕装置３による微粒子化の管理は、例えば、セメントの種類やスラリーの配合を決定した後に試験を実施し、管理値（目標値）をあらかじめ把握しておくことにより行うことができる。例えば、所定のセメントスラリーに対する流速及び圧力と、製造される微粒子の分布との相関を試験により求め、この相関に基づいて目標の微粒子分布となるような管理圧力および管理流速（ｌ／ｓ）を求める。このため、図１に示すように粉砕装置３の入側に圧力及び流量の計測装置５を介在させることができる。そして、施工に際しては、計測される圧力および流速が管理値の範囲内にあるように設定して注入を行う。微粒子の分布を直接連続管理することは困難であるが、このような管理法で十分に実用レベルの管理を行うことができる。もちろん、注入作業中に随時グラウトをサンプリングし、粒径やその分布等を確認しても良い。

一方、上記例では、粉砕後のグラウト全てが地盤内に注入されるが、さらに高い浸透性を安定確実に発揮するためには、図５に示すように、ジェット粉砕装置から排出される粉砕スラリーをサイクロン等の分級装置６に供給し、粉砕スラリーに含まれる粗粒分を分離除去し、実質的に細粒分のみを注入するのが好ましい。この場合、粗粒分の除去のみならずジェット粉砕機３の負荷を軽減する効果もある。

分級装置６により分離した粗粒分は、タンク１等、粉砕装置３の入側の適所に戻すのが好ましい。

また、分級装置６を介在させる等により、高圧スラリーポンプ２による供給圧のみでは地盤注入が困難となる場合には、粉砕処理後のグラウトを攪拌装置付中間タンク７に一時的に貯留した後、粉砕用とは別の注入ポンプ８により注入管４に対して注入するのが望ましい。

（その他）
（イ）上記例では、ボーリングロッドをそのまま注入管として用いる方式を想定しているが、ボーリング後に多連の注入管を建て込んで注入する方式も採用できる。この場合は、スィーベルが必要ないことから、細い注入管を束ねた多連管配置が容易になり、ポンプユニットは増えるが、複数のステップを同時に注入でき、大量注入が可能になるというメリットもある。

（ロ）上記例は、いわゆる２相注入工法（例えば特許第２９３７６０６号公報参照）への適用例であるが、特許第２８７８８９２号公報に示されるような、瞬結性グラウトとともに、セメントベントナイト注入も行った上で浸透注入を行う３相注入工法にも適用できる。

（ハ）上記例は、瞬結性グラウトによる固化体によりパッカを形成するものであるが、本発明は、注入管の外周に設けた袋体を膨出させてパッカとするものや、注入管の外周に設けたゴムを変形させ、膨出させてパッカとするもの等にも適用できる。

（ニ）本発明は、注入管の構成や注入モニター（噴射孔構造）の構成により限定されるものではなく、図示形態以外のものも使用できることはいうまでもない。

（ホ）本発明のセメント粒子を含有するグラウトとしては、セメントベントナイトなどのセメント−粘土系、モルタル−セメントミルク系などの他、水ガラス−セメント系、水ガラス−セメント−粘土系なども含まれる。水ガラスを用いる場合の反応材（硬化材）としては、塩化カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸バンド、アルミン酸ナトリウム、消石灰、硫酸銅、硫酸、重炭酸ナトリウム、ケイ弗化ナトリウム、グリオキザールなどの各種アルカリ、酸、アルコール、金属塩などを適宜選択できる。固結時間の調整には、反応材の量や、ｐＨ、材料の選択などによって行うことができる。特に、ゲルタイムの調整、浸透性の増加、固結強度の増加などの機能の向上を図るために、セメントミルクに混和材、混和剤、分散剤、起泡剤、その他の界面活性剤、水ガラス等の助剤を添加したグラウトが好適である。

本発明は、グラウトを地盤内へ注入するものであれば、特に限定なく広範に適用できるものである。

本発明に係る注入装置の概略図である。 粉砕装置の縦断面図である。 噴射ノズルの、（ａ）側面図、（ｂ）斜視図、および（ｃ）縦断面斜視図である。 衝突部材の、（ａ）側面図、（ｂ）斜視図、および（ｃ）縦断面斜視図である。 本発明に係る注入装置の概略図である。

符号の説明

１…攪拌装置付タンク、２…高圧スラリーポンプ、３…ジェット粉砕装置、４…注入管、５…圧力及び流量の計測装置、６…分級装置、７…攪拌装置付中間タンク、８…注入ポンプ、１０…パッカ注入、１１…浸透注入。

Claims (5)

1. セメント粒子を含有するグラウトを圧送する圧送ポンプと、
   この圧送ポンプにより圧送されるグラウトに含まれるセメント粒子を粉砕する粉砕装置と、
   この粉砕装置によりセメント粒子を粉砕した後のグラウトを地盤内に注入する注入手段と、
   を備えた地盤注入装置であって、
   前記粉砕装置は、一端部が流入口とされ、他端部が流出口とされた管体と、この管体内における流れ方向に複数段設けられた粉砕部とを有しており、
   各前記粉砕部は、前記管体内に同心的に配置された筒状体からなる噴射ノズルと、この噴射ノズルの下流側に設けられた衝突部材とからなり、
   各前記衝突部材は、管体内面から離間して中央に支持された衝突部分を含む本体部と、本体部外面と管体内面との間に形成された、本体部の上流側及び下流側を繋ぐ流路とを備えており、
   前記セメント粒子の粉砕に際して、前記粉砕装置の流入口から管体内に高圧で送り込まれたグラウトが前記流出口に向かって流れる過程で、各前記粉砕部において前記噴射ノズルから前記衝突部材に向かって噴射・衝突され、この衝突の衝撃によりスラリー中のセメント粒子が粉砕されるとともに、前記衝突部材の上流側に跳ね返ったグラウトが前記衝突部材の周囲にある流路を通って衝突部材の下流側に排出されるように構成されている、
   ことを特徴とする地盤注入装置。
2. 前記粉砕装置によりセメント粒子を粉砕した後のグラウトを分級処理し、粗粒分を分離除去する分級装置を備え、この分級装置により粗粒分を分離除去したグラウトを地盤内に注入する、請求項１記載の地盤注入装置。
3. 前記粉砕装置は、前記粉砕部の数が増減可能なように構成されている、請求項１または２記載の地盤注入装置。
4. 前記グラウトが、セメントミルクに分散剤を添加したものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の地盤注入装置。
5. 前記圧送ポンプによる供給圧のみにより、前記粉砕装置における前記噴射・衝突がなされるとともに前記地盤への注入もなされるように構成されている、請求項１、３又は４記載の地盤注入装置。

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