JP4933931B2

JP4933931B2 - 地盤の安定化用注入材組成物およびそれを用いた安定強化工法

Info

Publication number: JP4933931B2
Application number: JP2007074886A
Authority: JP
Inventors: 亨山田
Original assignee: DKS CO. LTD.
Current assignee: DKS CO. LTD.
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-03-22
Also published as: JP2008231308A

Description

本発明は、地盤の安定化用注入材組成物およびそれを用いた安定強化工法に関する。

従来、トンネル掘削などを目的とした不安定岩盤や地盤の安定強化工法としては、有機または無機系グラウトの注入による方法が行われている。しかしながら、これらの方法では必ずしも満足しうる結果が得られていない。たとえば、有機系注入材では地盤の安定化効果は期待できるが、原料のポリオールやポリイソシアネートなどは高価なうえ可燃性であるため、経済性や安全性の面で改善が要求されている。一方、無機系注入材については、たとえば懸濁型注入材に一般に多用されているセメントは粒径が大きいため岩盤および地盤への浸透性が悪く、均一な固結体を得ることが困難である。また、ケイ酸ソーダを主成分とする溶液型では、浸透性に問題はないが、固結体強度が低く、岩盤および地盤の安定化が不十分である。

そこで、これらの欠点を改良した注入材として、懸濁粒子を超微粒子にすることにより地山への浸透性を改良する方法が提案されている（たとえば、特許文献１〜５参照）。しかしながら、これらの方法では、掘削に必要な固結体強度を得るためにはセメントおよびケイ酸ソーダの配合量を多くする必要があり、経済性の面で改良の余地がある。また、溶液型注入材のサンドゲル強度を大幅に改善した注入材が提案されている（たとえば、特許文献６参照）。しかしながら、硬化剤に用いられている有機化合物の溶出が発生するおそれがある。これらの問題点を改良する方法として、超微粒子のセメントを用いて、セメントのゲル化時間が短く、かつ十分な固結体強度を与える注入材が提案されている（たとえば、特許文献７参照）。しかしながら、固結体の一軸圧縮強度が２．０ＭＰａ以上である固結体を経済的に得るという点において改良の余地がある。

特開２００４−２８５１３３号公報特開２００１−４９２５６号公報特開平１０−２４５５５６号公報特開平７−２２９１３７号公報特開２００３−６３８５３号公報特開２００２−１８００４６号公報特開２００６−２４９３３６号公報

本発明は、前記従来技術における課題を補うものであり、トンネル掘削工事における不安定地盤を経済的に、かつ早期に安定強化するため、固結体の一軸圧縮強度が２．０ＭＰａ以上である固結体を早期に与える注入材であって、セメント量を減量した注入材を提供することを目的とする。

第１発明は、前記目的を達成するために、（Ａ）ブレーン値が８０００〜１００００ｃｍ²／ｇのセメントの水懸濁液、および（Ｂ）ＳｉＯ₂およびＮａ₂Ｏからなり、ＳｉＯ₂／Ｎａ₂Ｏ（モル比）が２．１５〜２．２５であるケイ酸ソーダ水溶液を含むトンネル掘削用の岩盤または地盤の安定化用注入材であって、該注入材１０００Ｌ当たり、セメントの重量が２２５〜２５０ｋｇ、およびケイ酸ソーダ成分由来のＳｉＯ₂の重量が１００〜１２０ｋｇであり、該注入材のゲル化時間が１分３０秒〜２分３０秒、および２４時間後の一軸圧縮強度が２．０ＭＰａ以上であることを特徴とする岩盤または地盤の安定化用注入材を提供する。

第２発明は、（ａ）岩盤または地盤に所定間隔で複数個の孔を穿設する工程、該孔内に中空のボルトを挿入する工程、および（ｂ）該ボルトの開口部より請求項１記載の岩盤または地盤の安定化用注入材を岩盤または地盤に注入し、固結させる工程を含むトンネル掘削のための岩盤または地盤の安定強化工法に関する。

本発明の岩盤および地盤の安定化用注入材においては、超微粒子セメントが用いられるため、微細なクラックや空隙にも注入材が浸透し高い安定化効果が得られる。また、該超微粒子セメントに対して、特定の組成を有するケイ酸ソーダを特定比率で配合することにより注入材のゲル化時間を特定の範囲とすることができるため、必要箇所への限定注入を容易に行うことが可能となる。また、注入後短時間での強度発現性を有するため、作業性に優れている。さらに、注入材においてセメント量を減量することができるため、経済性にも優れている。

したがって、本発明の注入材を用いることにより、トンネル工事において要求されるような、高強度かつ安全であり、しかも経済的にも優れた岩盤または地盤の安定強化工法を提供することができる。

本発明のトンネル掘削用の岩盤または地盤の安定化用注入材は、（Ａ）セメントの水懸濁液、および（Ｂ）ＳｉＯ₂およびＮａ₂Ｏからなるケイ酸ソーダ水溶液を含むものである。

セメントの水懸濁液（Ａ）のセメントとしては、とくに限定されず従来公知のセメントを用いることができ、たとえば、普通ポルトランドセメント、早強セメント、中庸熱セメントなどのポルトランドセメント、Ａ種、Ｂ種、Ｃ種高炉セメント、Ａ種、Ｂ種、Ｃ種フライアッシュセメント、シリカセメントなどがあげられる。

セメントはジェットミルなどにより微粉砕して、ブレーン値の大きい超微粒子セメントとして使用することが好ましい。ここで、ブレーン値とは１グラムあたりの粒子表面積のことをいう。セメントのブレーン値は、８０００〜１００００ｃｍ²／ｇであり、好ましくは８５００〜９５００ｃｍ²／ｇである。ブレーン値が８０００ｃｍ²／ｇ未満では、地盤への浸透性が低下するため十分な安定化効果を得にくくなる傾向がある。一方、ブレーン値が１００００ｃｍ²／ｇを超えると、水懸濁液の流動性が低下する傾向がある。

セメントの水懸濁液（Ａ）のセメントと水の割合は、セメント１００重量部に対し、水は１００〜３００重量部が好ましく、１２５〜２５０重量部がより好ましい。１００重量部未満ではセメント懸濁液（Ａ）の粘度が高くなるため注入作業性が低下し、重量部が３００を超えると注入材中の固形分量が少なくなり、固結体強度が低下する傾向がある。

セメントの水懸濁液（Ａ）のセメントには本発明の効果を損なわない範囲で適宜添加剤を配合することができる。このような添加剤としては、カルシウムの溶出を調整するために、重炭酸塩、炭酸塩、縮合リン酸系を含むリン酸塩などのカルシウム溶出量調整剤、ゲル化時間を調整するために、エステル類、アルデヒド類、アミド類、アルコール類、酸類、石灰、石膏、セメント等の反応剤、酸性ケイ酸水溶液などのゲル化促進剤、さらにフライアッシュ、ケイ華、ケイ藻土、白土などのポゾラン類などがあげられる。

ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）のＳｉＯ₂およびＮａ₂Ｏからなるケイ酸ソーダ水溶液におけるＳｉＯ₂／Ｎａ₂Ｏ（モル比）は、２．１５〜２．２５である。ＳｉＯ₂／Ｎａ₂Ｏ（モル比）が２．１５未満では、ケイ酸ソーダ水溶液中のナトリウム濃度が高くなり、ゲル化時間が遅くなる傾向がある。一方、２．２５を超えると、ゲル化時間が早くなり、またケイ酸ソーダ水溶液中のナトリウム濃度が低いことによりセメントの硬化反応を促進する効果が小さいため、十分な固結体強度が得られないという問題が生じる。

ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）の濃度は、１０〜４０重量％であることが好ましく、１５〜３０重量％であることがより好ましい。ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）の濃度が、１０重量％未満であるとケイ酸ナトリウムによる硬化反応がほとんど期待できず、ゲル化時間が長くなり、４０重量％より大きいとケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）の粘度が高くなるため注入作業性が低下する傾向がある。

なお、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）に硬化剤として本発明の効果を損なわない範囲で、ケイ酸ソーダ水溶液に水溶性アルミニウム化合物や水溶性多価金属化合物を添加してもよい。水溶性アルミニウム化合物としては、アルミン酸アルカリ金属塩、硫酸アルミニウム、ミョウバン類、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウムなどがあげられる。また、水溶性多価金属化合物としては、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化鉄などを添加することができる。

セメントの水懸濁液（Ａ）およびケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）を混合して本発明の注入材を得る際、該注入材１０００Ｌ当たりのセメントの重量は２２５〜２５０ｋｇであり、好ましくは２３０〜２５０ｋｇである。セメントの量が２２５ｋｇ未満では、注入材中の固形分量が少なくなるため十分な固結体強度が得られない。また、２５０ｋｇを超えると、注入剤の粘度が高くなり注入作業性が低下する傾向がある。

セメントの水懸濁液（Ａ）およびケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）を混合して得られる注入材１０００Ｌ当たりのケイ酸ソーダ成分由来のＳｉＯ₂の重量は、１００〜１２０ｋｇであり、好ましくは１０５〜１１５ｋｇである。ＳｉＯ₂の重量が１００ｋｇ未満では、ケイ酸ソーダのゲル化性能が低下するため、ゲル化時間が遅くなる傾向があり、また１２０ｋｇを超えると、ケイ酸ソーダ水溶液の粘度が高くなり、注入作業性が低下する傾向がある。

セメントの水懸濁液（Ａ）およびケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）を混合して得られる注入材のゲル化時間は、両者を混合した後に１分３０秒〜２分３０秒である。岩盤および地盤の微細なクラックや空隙に注入材を浸透させる場合、ゲル化時間が１分３０秒未満だと、注入材が微細なクラックや空隙に浸透する前にゲル化してしまい、十分な安定化効果が得られにくくなる。また、２分３０秒より長いと、流水の存在下では注入材が逸走し、限定注入が困難になる傾向がある。なお、ゲル化時間は、あらかじめ２０℃に調整した（Ａ）液、（Ｂ）液を２０秒間攪拌してよく混合し、引き続いて２つのポリカップを用いて注入材を移動させ、流動性が消失するまでの時間とする。

（Ａ）液および（Ｂ）液を混合して得られる注入材の一軸圧縮強度（ＪＩＳＡ１２１６（１９９８）における「土の一軸圧縮試験方法」に準拠）は、十分な安全性、作業性を確保すること、および、翌日の掘削作業を可能にするために、２４時間後の一軸圧縮強度は２．０ＭＰａ以上であり、好ましくは２．３ＭＰａ以上である。

本発明の注入材組成物は、特殊な注入材であり、例えばトンネル掘削の際、切羽天端の崩落防止や緩みの拡大防止を目的として行なわれる注入式フォアポーリング工法、または注入式長尺先受工法（ＡＧＦ工法）において、空隙やクラックの多い軟質ないし不安定な地盤、岩盤または破砕帯層に注入固結される。

本発明の注入材を用いた岩盤または地盤の安定強化工法としては公知の方法を採用することができ、たとえば（ａ）岩盤または地盤に所定間隔で複数個の孔を穿設する工程、該孔内に中空のボルトを挿入する工程、および（ｂ）該ボルトの開口部より本発明の岩盤または地盤の安定化用注入材を岩盤または地盤に注入し、固結させる工程を含む方法が好ましく用いられる。

注入材を岩盤または地盤に注入する際には、たとえばセメントの水懸濁液（Ａ）およびケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）の注入量、圧力および配合比などをコントロールしうる比較配合式ポンプが用いられる。この場合、セメントの水懸濁液（Ａ）とケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）とを別々のタンクに入れ、岩盤などの所定箇所（たとえば０．５〜３ｍ程度の間隔で穿設された複数個の孔）に、あらかじめ固定されたスタティックミキサーや逆止弁などを内装した有孔のロックボルトや注入ロッドを通し、この中に前記タンク内の各成分を注入圧０．０５〜５ＭＰａで注入し、スタティックミキサーを通して、所定量のセメントの水懸濁液（Ａ）とケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）を均一に混合させ、所定の不安定岩盤ないし地盤箇所に注入浸透、硬化させて固結安定化する。

なお、たとえばトンネルの天盤部に注入する場合には、注入に先立ち、たとえば約２ｍの所定の間隔で、たとえば４２ｍｍφビットのレッグオーガーを用いて削孔し、深さ２ｍ、削孔角度１０〜３０°の注入孔を設け、この注入孔に、スタティックミキサーおよび逆止弁を内装した有孔の長さが３ｍである中空炭素鋼管製ロックボルトを挿入し、該ロックボルトの口元を、注入材の逆流を防ぐために、ウエスおよび発泡硬質ウレタン樹脂等を用いてシールし、薬液を前記の方法で注入することが好ましい。注入作業は、注入圧が急激に上昇した時点、または所定注入量よりもさらに約５０％増量した時点で終了する。一般に、注入孔１個あたり注入材は５０〜５００ｋｇ注入することが好ましい。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例１〜５および比較例１〜５
セメントとして表１に示すようなブレーン値を有するセメント１（商品名：デンカコロイダルスーパー、電気化学工業（株）製）、セメント２（商品名：普通ポルトランドセメント、太平洋セメント（株）製）、セメント３（商品名：ファインハード、三菱マテリアル（株）製）を使用した。また、ケイ酸ソーダとしては、表２に示すような組成を有するケイ酸ソーダ１〜４（いずれも富士化学（株）製）を使用した。

次に、表３にしたがって注入材１０００Ｌ当たりのセメントの重量およびケイ酸ソーダ成分由来のＳｉＯ₂の重量を変化させて、セメントの水懸濁液（Ａ）およびケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）をそれぞれ調製してからＡ液およびＢ液を混合し注入材を得た。

得られた注入材のゲル化時間および２４時間後の固結体強度を次の方法により測定した。結果を表３に示す。

（ａ）ゲル化時間
あらかじめ２０℃に調整したＡ液、Ｂ液をスパチュラで２０秒間攪拌してよく混合し、引き続いて２つのポリカップを用いて注入材を移動させ、流動性が消失するまでの時間を測定した。

（ｂ）固結体強度
５φ×１０ｃｍのモールドに注入材を流し込み、２０℃で２４時間密閉養生し、ＪＩＳＡ１２１６（１９９８）における「土の一軸圧縮試験方法」に準拠して測定した。

表３によると、本願発明の岩盤または地盤の安定化用注入材は、短時間でゲル化し、かつ２４時間後における固結体強度も非常に優れていることがわかる。実施例１、３および５では、固結体強度が特に優れている。実施例２、４および５における注入材は、減量したセメント量であっても、優れた固結体強度を有することがわかる。一方、比較例１における注入材はセメントのブレーン値が小さいため、十分な固結体強度を得ることができないことがわかる。また、比較例２〜５の注入材についても、本発明の組成を満たしていないため十分な固結体強度が得られないことがわかる。なお、Ｂ液におけるＳｉＯ₂／Ｎａ₂Ｏ（モル比）が低い比較例５では、注入材のゲル化時間が著しく遅く、流水の存在下での注入材の注入に困難を生じさせる。

Claims

（Ａ）ブレーン値が８０００〜１００００ｃｍ²／ｇのセメントの水懸濁液、および（Ｂ）ＳｉＯ₂およびＮａ₂Ｏからなり、ＳｉＯ₂／Ｎａ₂Ｏ（モル比）が２．１５〜２．２５であるケイ酸ソーダ水溶液を含むトンネル掘削用の岩盤または地盤の安定化用注入材であって、該注入材１０００Ｌ当たり、セメントの重量が２２５〜２５０ｋｇ、およびケイ酸ソーダ成分由来のＳｉＯ₂の重量が１００〜１２０ｋｇであり、該注入材のゲル化時間が１分３０秒〜２分３０秒、および２４時間後の一軸圧縮強度が２．０ＭＰａ以上であることを特徴とする岩盤または地盤の安定化用注入材。
（ａ）岩盤または地盤に所定間隔で複数個の孔を穿設する工程、該孔内に中空のボルトを挿入する工程、および
（ｂ）該ボルトの開口部より請求項１記載の岩盤または地盤の安定化用注入材を岩盤または地盤に注入し、固結させる工程
を含むトンネル掘削のための岩盤または地盤の安定強化工法。