JP4202279B2 - 注入試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、地山に施工したトンネルの背面側に生じた空洞に、裏込め注入材等の充填材を注入する方法について検討するための注入試験装置に関する。

シールドトンネル等においては、施工終了後の月日の経過に伴って、シールドトンネルを構成する筒状構造物の背面側の地山や裏込め材等が地下水等によって侵食あるいは流失して、トンネル背面側に空洞が生じる場合がある。したがって、定期的にトンネル背面側を検査して、空洞が生じていた場合は、速やかにこの空洞に裏込め材等の充填材を注入して該空洞を埋める必要がある。
このような空洞に充填材を注入する場合、筒状構造物を構成するセグメントには裏込め用の注入孔が形成されているので、この注入孔から充填材を注入する場合がある（特許文献１参照）。
ところで、トンネル背面側にある空洞に、セグメントの注入孔から充填材を注入する場合、グラウトポンプ等の注入用ポンプによって充填材を比較的高い圧力で注入しているので、空洞に注入された充填材によって、トンネルを構成する筒状構造物に外側から圧力が作用し、筒状構造物の変形や破損を招く可能性がある。
また、充填材を比較的高い圧力で注入しているので、充填材が空洞を超えて地山側に浸透していき易いので、充填材を空洞に注入して満遍なく充填し難くなるとともに、必要以上の充填材を要する場合がある。
そこで、前記空洞を負圧に保持したうえで、セグメントの注入孔から充填材を該空洞に注入することが考えられる。
特開２００２−３０９８９４号公報

上記のように、空洞を負圧に保持したうえで、セグメントの注入孔から充填材を該空洞に注入すれば、従来に比して低い圧力で充填材を注入できるので、筒状構造物の変形や破損を未然に防止できるとともに、充填材を空洞に満遍なく充填できるが、この充填材の注入方法を検討するための注入試験装置は現在のところ提供されていないので、充填材をどの程度の圧力で、また空洞にどの程度の負圧を生じさせて注入すればいいか等の試験を行うことはできなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、地山に施工したトンネルの背面側に生じた空洞に、裏込め注入材等の充填材を注入する注入方法について検討するための注入試験装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、例えば図１に示すように、両端開口を閉塞可能でかつ内部に砂等の地盤材料が充填される筒状の容器１と、
この容器１を水平面に対して傾斜するようにして支持する支持台２と、
前記容器１にその軸方向に所定間隔で取り付けられ、容器１内の圧力を計測する複数の圧力計３と、
前記容器１の一端部に接続され、この容器１内に充填された地盤材料によって作製された模型地盤と前記容器１の内面との間に形成された空洞に充填材を前記容器１の一端部から注入する注入装置４と、
この注入装置４による充填材の注入圧力を計測する圧力計２４と、
前記容器１の他端部に接続され、容器１内を吸引する吸引装置５とを備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、容器内に砂等の地盤材料を充填するとともに、支持台によってこの容器を水平面に対して傾斜するようにして支持しておき、注入装置によって容器の一端部から充填材を地盤材料によって作製された模型地盤と容器の内面との間に形成された空洞に注入し、この注入圧力を圧力計によって計測するとともに、吸引装置によって容器の他端部から容器内を吸引することによって、前記空洞を含む容器内に負圧を生じさせ、このときの容器内の圧力を前記複数の圧力計によって計測する。
そして、前記空洞の体積に対する実際に充填できた充填材の体積を求めることによって、充填材を空洞に低い圧力で注入して満遍なく充填できたか否かを知ることができ、よって、地山に施工したトンネルの背面側に生じた空洞に、裏込め注入材等の充填材を注入する注入方法について検討することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の注入試験装置において、
前記容器１は複数の筒部材６を軸方向に接合することによって構成されており、前記筒部材６は半円筒状の半円筒部材６ｂ，６ｂを径方向に接合することによって構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、複数の筒部材を接合することによって、容器の長さを調整して、空洞の体積を調整することができる。また、筒部材を構成する半円筒部材を取り外すことによって、容器内の空洞に充填された充填材を容易に取り出すことができ、したがって、充填材の体積や重量を容易に測定することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の注入試験装置において、
前記容器１の一端部および他端部にはそれぞれ開閉栓２３，３２が設けられ、一端部側の開閉栓２３に前記注入装置４が接続されており、他端部側の開閉栓３２に前記吸引装置５が接続されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、容器の一端部に設けられた開閉栓を開閉することによって、容器内の空洞に注入装置によって充填材を注入するか否かを選択でき、また、容器の他端部に設けられた開閉栓を開閉することによって、容器内を吸引装置によって吸引するか否かを選択できる。

本発明によれば、注入装置によって容器の一端部から充填材を空洞に注入し、この注入圧力を圧力計によって計測するとともに、吸引装置によって容器の他端部から容器内を吸引することによって、前記空洞に負圧を生じさせ、このときの容器内の圧力を前記複数の圧力計によって計測することができる。
そして、前記空洞の体積に対する実際に充填できた充填材の体積を求めることによって、充填材を空洞に低い圧力で注入して満遍なく充填できたか否かを知ることができるので、トンネルの背面側に生じた空洞に、裏込め注入材等の充填材を注入する注入方法について検討することができる。

また、複数の筒部材を接合することによって、空洞の体積を調整することができ、さらに、半円筒部材を取り外すことによって、容器内の空洞に充填された充填材を容易に取り出して、充填材の体積や重量を容易に測定することができる。
また、開閉栓を開閉することによって、容器内の空洞に充填材を注入するか否かや、容器内を吸引するか否かを選択できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る注入試験装置の一例を示す側面図である。この図に示す注入試験装置は、容器１と、支持台２と、複数の圧力計３と、注入装置４と、吸引装置５とを備えている。

容器１は内部に砂等の地盤材料が充填されるものであり、円筒状に形成されている。容器１の両端部はそれぞれ着脱可能な円板状の蓋１ａ，１ｂによって閉塞されている。
また、容器１は、複数（例えば３つ）の筒部材６…を軸方向に接合することによって構成されている。筒部材６はその両端部にフランジ部６ａ，６ａを有しており、筒部材６，６どうしは、対向するフランジ部６ａ，６ａを当接して接合することによって接合されている。
なお、容器１の両端部に位置する筒部材６，６の一方のフランジ部６ａ，６ａに前記蓋１ａ，１ｂが接合されることで、容器１は蓋１ａ，１ｂによって閉塞されている。
前記筒部材６は半円筒状の半円筒部材６ｂ，６ｂを径方向に接合することによって構成されている。すなわち、半円筒部材６ｂ，６ｂの長手方向に沿う縁部には、接合板６ｃ，６ｃが形成されており、半円筒部材６ｂ，６ｂどうしは、対向する接合板６ｃ，６ｃを当接して接合することによって接合されて筒部材６を構成している。

支持台２は容器１を水平面に対して傾斜するようにして支持するものであり、基台１０と、この基台１０に立設された支持柱１１と、この支持柱１１に頭部に取り付けられたチェーンブロック１２とを備えている。
一方、容器１の端部（図１において右端部）は、基台１０の端部に設けられた連結部１０ａに回動自在に連結されており、これによって容器１は連結部１０ａを支点として上下に回動可能となっている。また、容器１の外周部には、係止部１ｃが軸方向に所定間隔で複数設けられており、所望の係止部１ｃに前記チェーンブロック１２のフック１２ａを引掛けることによって、容器１を水平面に対して所定の角度で傾斜させて支持するようになっている。
なお、前記支持柱１１は、基台１０への取付位置（左右方向の位置）を変更できるようになっており、例えば、図１に二点鎖線で示すように、支持柱１１の位置を若干左側に変更した場合は、チェーンブロック１２のフック１２ａを他の係止部１ｃに引っ掛けることによって容器１を水平面に対して所定の角度で傾斜させて支持するようになっている。

前記圧力計３は容器１内の圧力を計測するものであり、容器１にその軸方向に所定間隔で複数取り付けられている。具体的には、容器１を構成する各筒部材６の左端部と中央部にそれぞれ圧力計３が取り付けられている。

注入装置４は、容器１内に充填された地盤材料によって作製された模型地盤と容器１の内面との間に形成された空洞に充填材を容器１の一端部（図では左端部）から注入するものであり、２つのタンク１５，１５を備えている。
タンク１５，１５には２液混合型の充填材の一方と他方とがそれぞれ貯留されている。タンク１５，１５の上端部には、配管１６，１６の一端部が接続されており、この配管１６，１６の他端部は配管１７に接続され、この配管１７がコンプレッサー１８に接続されている。また、配管１６には、レギュレーター１９を介して圧力計２０が取り付けられている。

また、タンク１５，１５の下端部には、配管２１，２１の一端部が接続されており、この配管２１，２１の他端部は配管２２に接続され、この配管２２が容器１の一端部（図では左端部）に設けられた開閉栓２３に接続されている。また、配管２２には圧力計２４が取り付けられている。また、前記配管２２，２２にはそれぞれ開閉栓２５，２５が取り付けられている。
そして、このような構成の注入装置４では、コンプレッサー１８を作動させて、圧縮空気をタンク１５，１５内に配管１７，１６，１６を介して導入することによって、タンク１５，１５内の２液混合型の充填材が所定の圧力で配管２１，２１，２２を介して、容器１内に注入されるようになっている。なお、充填材を注入する場合は、前記開閉栓２３，２５，２５は開状態としておく。

吸引装置５は、真空ポンプ３０と、この真空ポンプ３０に接続された配管３１とを備えており、この配管３１は、容器１の他端部（図では右端部）に設けられた開閉栓３２に接続されている。
そして、このような構成の吸引装置５では、開閉栓３２を開状態として、真空ポンプ３０を作動させることによって配管３１を介して、容器１内の空気を吸引するようになっている。

上記のような注入試験装置では、まず、容器１内に砂等の地盤材料を所定量充填するとともに、支持台２のチェーンブロック１２のフック１２ａを容器１の係止部１ｃに引掛けることによってこの容器１を水平面に対して傾斜するようにして支持しておく。このとき、容器１内には、模型地盤が作製され、この模型地盤と容器１の内面との間に空洞が形成される。図１においては、符号Ｋで示す二点鎖線が模型地盤と空洞との境界である。

次に、開閉栓２３を開状態として注入装置４のコンプレッサー１８を作動させるとともに、開閉栓３２を開状態として吸引装置５の真空ポンプ３０を作動させる。
すると、真空ポンプ３０によって容器１内の空気が配管３１を介して吸引され、地盤材料で満たされている容器１内に右端部から負圧が生じていき、前記境界Ｋの近傍、さらには空洞まで負圧が生じていく。
一方、コンプレッサー１８を作動させると、圧縮空気がタンク１５，１５内に配管１７，１６，１６を介して導入され、これによって、タンク１５，１５内の２液混合型の充填材が所定の圧力で配管２１，２１，２２を介して、容器１内の前記空洞に注入される。
また、吸引装置５による吸引と、注入装置４による充填材の注入の際に、前記圧力計３１…によって容器１内の所定の位置の圧力をそれぞれ計測する。また、圧力計２４によって充填材を注入するときの圧力も計測する。

そして、前記空洞の体積に対する実際に充填できた充填材の体積を求めることによって、充填材を空洞に低い圧力で注入して満遍なく充填できたか否かを知ることができ、よって、地山に施工したトンネルの背面側に生じた空洞に、裏込め注入材等の充填材を注入する注入方法について検討することができる。

また、容器１は複数の筒部材６を軸方向に接合することによって構成されているので、複数の筒部材６を接合することによって、容１器の長さを調整して、空洞の体積を調整することができる
さらに、筒部材６は半円筒状の半円筒部材６ｂ，６ｂを径方向に接合することによって構成されているので、半円筒部材６ｂを取り外すことによって、容器１内の空洞に充填された充填材を容易に取り出すことができる。

次に、本発明に係る注入試験装置による実際の試験について説明する。
試験は図２に示すように、直径20cm、長さ2mの円筒形の容器１を用いて、水平面から40度の傾斜を設けて行った。
模型地盤は水中落下法により砂を投入し、突き固めて所定の密度の地盤を作製した。
試験は表１に示す３ケースについて実施した。試験では試験開始と同時に、注入孔と排水孔のコック（開閉栓２３，３２）を開き、注入を開始し、注入中の圧力に変動が生じなくなるまで注入を行った。

なお、CASE2、3の注入と負圧による強制排水を併用したケース(以下、注入排水併用方法とする)では、圧力変動が生じなくなった後、注入孔のコック（開閉栓２３）は開けたまま、排水孔のコック（開閉栓３２）を閉じ、その後、約60分間圧力の変動を測定した。
注入槽（タンク１５）の加圧は、所定の注入圧力に到達するまで段階的に圧力を増加させ、各ケースでの加圧時の圧力と時間の勾配が同じとなるようにした。

試験結果
各ケースの注入圧力の時系列データを図３、４に示す。従来の注入方法であるCASE1では土槽内の圧力は注入槽の加圧圧力と時間差なく連動している傾向が見受けられる。一方、注入排水併用方法では負圧による影響のためか、注入槽の加圧圧力が一定になった後、しばらく一定状態を保ち、その後、注入孔に近いNo4では上昇し、No1〜3では減少し、最終的に-1kgf/cm2の完全負圧の状態になる傾向を示す結果となった。

表２に空洞部体積、注入量・固結体の体積及び重量の一覧表を示す。同表には注入前の地盤の透水係数、密度も示す。
表２によると、注入槽からの算定した注入量や、固結体の重量などから推定すると、CASE3が最も多く充填材が充填された結果となっているのが分る。

上記表２を参照すると、注入量はCASE1と、CASE２およびCASE３とでほぼ等しく、例えば、D/Aで示すように、計算値による空洞体積に対して実際に注入できた充填材の注入量の比率が１．２０〜１．３０程度であり、１．０に近いので、従来に比べて充填材を高い圧力で注入しなくても、注入された充填材を空洞に満遍なく最適量で充填できることが解る。
したがって、地山に施工したトンネルの背面側に生じた空洞に、裏込め注入材等の充填材を注入する注入方法について、例えば、注入圧力や最大排水圧力等をどの程度に設定すればよいかを検討することができる。

本発明の注入試験装置の一例を示す側面図である。 本発明の注入試験装置による試験方法を説明するためのもので、注入試験装置の概略構成を示す図である。 同、時間経過に伴う注入圧力を示すグラフである。 図３に示すグラフの注入初期部分を拡大して示したグラフである。

符号の説明

１ 容器
２ 支持台
３ 圧力計
４ 注入装置
５ 吸引装置
６ 筒部材
６ｂ 半円筒部材
２３，３２ 開閉栓

Claims (3)

1. 両端開口を閉塞可能でかつ内部に砂等の地盤材料が充填される筒状の容器と、
   この容器を水平面に対して傾斜するようにして支持する支持台と、
   前記容器にその軸方向に所定間隔で取り付けられ、容器内の圧力を計測する複数の圧力計と、
   前記容器の一端部に接続され、この容器内に充填された地盤材料によって作製された模型地盤と前記容器の内面との間に形成された空洞に充填材を前記容器の一端部から注入する注入装置と、
   この注入装置による充填材の注入圧力を計測する圧力計と、
   前記容器の他端部に接続され、容器内を吸引する吸引装置とを備えたことを特徴とする注入試験装置。
2. 請求項１に記載の注入試験装置において、
   前記容器は複数の筒部材を軸方向に接合することによって構成されており、前記筒部材は半円筒状の半円筒部材を径方向に接合することによって構成されていることを特徴とする注入試験装置。
3. 請求項１または２に記載の注入試験装置において、
   前記容器の一端部および他端部にはそれぞれ開閉栓が設けられ、一端部側の開閉栓に前記注入装置が接続されており、他端部側の開閉栓に前記吸引装置が接続されていることを特徴とする注入試験装置。

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