JP5865575B2 - 裏込め材、透水層の形成方法、透水層 - Google Patents

Description

本発明は、硬化後に透水性を発現する裏込め材に関するものである。

従来より、シールド工法において、海底や川底、湖底等にトンネルを構築し、セグメントを介して海水や淡水等をトンネル内に導入して取水したり、構築されたトンネルが生活用水等となる水脈を分断しないようにトンネル外周に水流の迂回路を形成したりするために、セグメントと地盤との間に、硬化後に透水性を発現する裏込め材を充填する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、シールド工法により地盤を掘進後、トンネル外周に、裏込め材として、粒度調整した砂や礫などともに、植物繊維を主材としたセルロース系増粘材を充填する技術が開示されている。これは、砂や礫とともに粘性を有するセルロース系増粘材が配合されていることにより、充填直後には、砂や礫の間にセルロース系増粘材が介在することで透水性が低く止水効果が高いため、地盤の緩みや漏水を抑制し、時間が経過するにつれてセルロース系増粘材が生分解することによって砂や礫の間に隙間が生じることで、裏込め材が透水性を発現するというものである。

また、特許文献２には、砂や砂利等の骨材に適量のセメントと水とを混合したコンクリートの基材に、ゼラチンやニカワなどのコラーゲンからなる水溶性もしくは熱溶解性を有する溶解性繊維を水で膨潤させたものを加えて、裏込め材として使用する技術が開示されている。これは、セグメントと地盤との間に充填された裏込め材内に分散する溶解性繊維が、その充填後に溶解して空隙を形成して裏込め材が透水性を発現し、トンネル外周に透水層が形成されるというものである。

特開２００１−３０３８８６号公報 特開２００８−２５１１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の裏込め材を用いる方法では、セルロース系増粘材が地盤中に生息する微生物等により生分解され、透水性を発現するまでの時間を予測するのは困難であり、トンネル外周に透水層を形成される時期が不確実である。

また、特許文献２に記載の裏込め材を用いる方法では、溶解性繊維を水で膨潤させる際に低温に温度管理する必要があり、そのための設備及び多大な手間が生じてしまう。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、充填後、手間をかけることなく、短時間で確実に透水性を発現することが可能な裏込め材、及びそれを用いた透水層の形成方法、並びにその透水層を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の裏込め材は、
アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに自身が硬化する硬化材と、
吸収した水をアルカリ性環境で脱水して自身が収縮する吸収性材料と、
アルカリと反応して水素ガスを発生する膨張剤と、を混合してなり、
前記硬化材、前記吸水性材料、及び前記膨張剤は、
前記吸水性材料がアルカリ性の硬化材と接触することで脱水して収縮することにより前記硬化材中に生じた複数の空隙が、前記膨張剤が発生した水素ガスにより前記硬化材中に形成されたひび割れによって連通し、該ひび割れが水みちとなって、透水性を発現するように配合されていることを特徴とする。

本発明によれば、裏込め材中の吸水性材料がアルカリ性の硬化材と接触することで脱水して収縮するととともに、硬化材は硬化していくので、裏込め材は複数の空隙を有する硬化体となる。

また、裏込め材中の膨張剤がアルカリと反応してガスを発生することにより、硬化材中にひび割れが形成される。これにより、空隙同士がひび割れによって連通し、ひび割れが水みちとなって、良好な透水性を発現させることができる。

また、本発明において、前記吸水性材料は前記裏込め材を注入する直前に、前記硬化材と前記膨張剤とを混練した混合物と混合されることとしたり、前記硬化材は前記裏込め材を注入する直前に、前記吸水性材料と前記膨張剤とを混練した混合物と混合されることとしたりしてもよい。

本発明によれば、注入前に脱水反応が生じることを防止し、注入された後の裏込め材中に、確実に空隙を形成することができる。

また、本発明において、前記吸水性材料として、ゲル状又は粉状の吸水性ポリマーが混合されることとしてもよい。

本発明によれば、吸水性材料として、ゲル状又は粉状の吸水性ポリマーを混合することにより、多くの水を吸収することができるので、硬化材中に大きな空隙を形成することができる。

また、本発明の地盤内に透水層を形成する方法は、
地盤内に透水層を形成する方法であって、
アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに自身が硬化する硬化材と、吸収した水をアルカリ性環境で脱水して自身が収縮する吸収性材料と、アルカリと反応して水素ガスを発生する膨張剤とを混合してなり、前記硬化材、前記吸水性材料、及び前記膨張剤は、前記吸水性材料がアルカリ性の硬化材と接触することで脱水して収縮することにより前記硬化材中に生じた複数の空隙が、前記膨張剤が発生した水素ガスにより前記硬化材中に形成されたひび割れによって連通し、該ひび割れが水みちとなって、透水性を発現するように配合された裏込め材を地盤内の隙間に充填することを特徴とする。

また、本発明において、前記隙間に裏込め材を充填する直前に、前記吸水性材料を、前記硬化材と前記膨張剤とを混練した混合物と混合することとしたり、前記隙間に裏込め材を充填する直前に、前記硬化材を、前記吸水性材料と前記膨張剤とを混練した混合物と混合することとしたりしてもよい。

また、本発明において、前記吸水性材料として、ゲル状又は粉状の吸水性ポリマーを混合することとしてもよい。

また、本発明の地盤内に形成される透水層は、
アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに自身が硬化する硬化材と、吸収した水をアルカリ性環境で脱水して自身が収縮する吸収性材料と、アルカリと反応して水素ガスを発生する膨張剤と、が混合状態で地盤内の隙間に充填されてなり、
前記硬化材、前記吸水性材料、及び前記膨張剤は、
前記吸水性材料がアルカリ性の硬化材と接触することで脱水して収縮することにより前記硬化材中に生じた複数の空隙が、前記膨張剤が発生した水素ガスにより硬化材中に形成されたひび割れによって連通し、該ひび割れが水みちとなって、透水性を発現するように配合されていることを特徴とする。

また、本発明において、前記吸水性材料は、ゲル状又は粉状の吸水性ポリマーであることとしてもよい。

本発明によれば、充填後、手間をかけることなく、短時間で確実に透水性を発現することが可能な裏込め材、及びそれを用いた透水層の形成方法、並びにその透水層を提供できる。

本実施形態に係る裏込め材の配合割合を示す表である。 本実施形態に係る裏込め材中の硬化材、膨張剤及び吸水性ポリマーの経時変化を説明するための図であり、同図（ａ）は混合された直後、同図（ｂ）は硬化材の硬化時の状態を示す。 各試験体を構成する材料及びそれらの配合割合を示す一覧である。 試験体の加圧試験方法を説明する写真であり、同図（ａ）は試験機内に試験体を充填した状態、同図（ｂ）は、充填した試験体の上に砂及び水を入れた状態、同図（ｃ）は加圧試験状態、同図（ｄ）は加圧試験後の試験機内の状態を示す。 加圧試験後の試験体Ｎｏ．１を破断して内部を露出させた状態を示す写真である。 加圧試験後の試験体Ｎｏ．２を破断して内部を露出させた状態を示す写真である。 加圧試験後の試験体Ｎｏ．３を破断して内部を露出させた状態を示す写真である。 加圧試験後の試験体Ｎｏ．４を破断して内部を露出させた状態を示す写真である。 加圧試験後の試験体Ｎｏ．５を破断して内部を露出させた状態を示す写真である。 加圧試験後の試験体Ｎｏ．２の外観を示す写真である。 加圧試験後の試験体Ｎｏ．３の外観を示す写真である。 加圧試験後の試験体Ｎｏ．４の外観を示す写真である。 加圧試験後の試験体Ｎｏ．５の外観を示す写真である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る裏込め材の配合割合を示す表である。
本実施形態に係る裏込め材は、シールドトンネルを施工する際にテールボイドに充填するものであって、図１に配合を示すように、硬化材と、膨張剤と、吸水性材料である吸水性ポリマーと、を混合したものである。

硬化材には、アルカリ性であり、かつ、テールボイド充填時には流動性を有し、テールボイドに充填後、時間の経過とともに硬化するものを用いる。
かかる硬化材としては、例えば、従来から裏込め材として一般的に使用されている一液型のモルタル等を用いることができるが、二液型のものを用いてもよい。

二液型の硬化材は、テールボイドに充填する際に、Ａ液と呼ばれるスラグセメント系モルタルと、Ｂ液と呼ばれる特殊水ガラスとを混練して用いる。Ａ液は、施工態様により様々であるが、一般的には、セメント系硬化材を主材とし、粘土鉱物などの助材、必要に応じ安定剤を含む水系懸濁液である。Ｂ液は、Ａ液を短時間に硬化させるための凝結剤として作用する。このようなＡ液及びＢ液は、一般にアルカリ性を示す。

硬化材としては、例えば、太平洋ソイル株式会社製の製品であれば、主材にエスハイト、助材に助材−Ｓ、安定剤にＳＰ−Ｒ、凝結剤にＳＰ−７０を用いることができる。この場合、例えば、エスハイトを２３０ｋｇ、助材−Ｓを２０ｋｇ、ＳＰ−Ｒを１ｋｇ、ＳＰ−７０を３０Ｌ、水を８７２Ｌずつ配合する。

膨張剤は、アルカリと反応して水素ガスを発生することにより膨張する性質を有するものである。
かかる膨張剤として、本実施形態においては、太平洋ソイル株式会社が販売しているＦフォーマー（セルテック株式会社製）を用いた。Ｆフォーマーは、アルカリと反応して水素ガスを発生し、それにともなって膨張する性質を有する。そして、本実施形態においては、膨張剤としてＦフォーマーを３ｋｇ配合する。

また、吸水性ポリマーは、高い水分保持性能を有するとともに、保持した水をアルカリ性環境下で脱水し収縮する性質を有するものである。
かかる吸水性ポリマーとして、例えば、ポリアクリル酸塩架橋体重合物を用いることができる。ポリアクリル酸塩架橋体重合物は、自重の数十倍から数百倍の水を吸収保持することが可能である一方、アルカリと接触すると、保持していた水を脱水する性質を有する。本実施形態においては、ポリアクリル酸塩架橋体重合物を１５ｋｇ配合する。

本実施形態に係る裏込め材を作製する際は、まず、硬化材と膨張剤とを混練して混合物を作製し、その後に、混合物中にゲル状又は粉状の吸水性ポリマーを混合する。この吸水性ポリマーは、テールボイドに充填される直前、或いはテールボイドに充填されると同時に混合することとしている。

その理由は、上記混合物と吸水性ポリマーとが混合されてからテールボイドに充填されるまでの時間が長いと、アルカリ性を示す硬化材と吸水性ポリマーとが反応して充填前に脱水が生じ、充填後の裏込め材中に充分な空隙が形成されないからである。

これに対し、上記混合物と吸水性ポリマーとがテールボイドに充填される直前、或いはテールボイドに充填されると同時に混合されると、テールボイドに充填された後に、アルカリ性を示す硬化材と吸水性ポリマーとが反応して脱水が生じるとともに、硬化材も硬化し始めて、硬化材中に充分な空隙が形成される。

さらに、膨張剤も水素ガスを発生しながら、硬化材中で膨張するので、膨張剤の周囲の硬化材にひび割れが生じる。膨張剤は、硬化材中に均等に分布しているので、硬化材中にひび割れが多数生じることにより、空隙同士が連通し、裏込め材中を水が通過可能な状態となる。

したがって、裏込め材として硬化材、膨張剤及び吸水性ポリマーを配合したものを用いることで、テールボイドに充填された裏込め材が良好な透水性及び強度を備えた硬化体となる。

なお、本実施形態においては、Ａ液とＢ液とを混練した硬化材を膨張剤と混合して混合物を作製したが、これに限定されるものではなく、Ａ液と膨張剤とを混合した後に、Ｂ液を更に混合して混合物を作製したり、Ｂ液と膨張剤とを混合した後に、Ａ液を更に混合して混合物を作製したりしてもよい。

図２は、本実施形態に係る裏込め材中の硬化材、膨張剤及び吸水性ポリマーの経時変化を説明するための図であり、同図（ａ）は混合された直後、同図（ｂ）は硬化材の硬化時の状態を示す。

図２（ａ）に示すように、硬化材１０、膨張剤１５及び吸水性ポリマー２０が混合された直後は、流動状態の硬化材１０の内部に膨張剤１５及び吸水性ポリマー２０が粒状となって分散している。このとき、吸水性ポリマー２０は、硬化材１０中の水分を吸収して膨張している。
なお、裏込め材は、流動性を保持した状態で、テールボイド内に充填されるので、テールボイド内の隅々まで行き渡ることができる。

テールボイド内に充填された裏込め材は、硬化材１０の部分が時間の経過とともに硬化する。このとき、吸水性ポリマー２０はアルカリ性を示す硬化材１０と接触しているので、混合直後に吸収した水を脱水して収縮していき、これにより、図２（ｂ）に示すように、硬化材１０中に複数の空隙３０が形成され、空隙３０の内部には脱水した吸水性ポリマー４０が残る。また、水素ガスを発生しながら膨張した膨張剤３５により、硬化材１０中に多数のひび割れ４３が形成される。この結果、空隙３０同士がひび割れ４３によって連通し、そのひび割れ４３が水みちとなって、透水性が良好な透水層が形成されることになる。

次に、本実施形態に係る裏込め材に含まれる硬化材、膨張剤及び吸水性ポリマーの最適な配合を検討するための実験を行ったので、以下にその詳細について述べる。本実験では、硬化材、膨張剤及び吸水性ポリマーの配合割合がそれぞれ異なる複数の試験体を所定の条件（後述する）にしたがって硬化させて、その硬化体に形成された空隙、ひび割れの状態を観察した。

図３は、各試験体を構成する材料及びそれらの配合割合を示す一覧である。
図３に示すように、硬化材、膨張剤及び吸水性ポリマーをそれぞれ所定の割合で配合して、５種類の試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５を作製した。なお、試験体Ｎｏ．４は、図１に示したものと同一の配合割合である。

具体的には、試験体Ｎｏ．１は、硬化材と膨張剤とを混合したものである。
そして、試験体Ｎｏ．２は、試験体Ｎｏ．１に、粉状の吸水性ポリマーを混合したものである。また、試験体Ｎｏ．３は、試験体Ｎｏ．２よりも硬化材の配合割合を増加させたものである。また、試験体Ｎｏ．４は、試験体Ｎｏ．２よりも膨張剤及び吸水性ポリマーの配合割合を増加させたものである。
そして、試験体Ｎｏ．５は、試験体Ｎｏ．１に、吸水性ポリマーと水とを混練してゲル状にしたもの（図３中のＢ材）を混合したものである。

次に、加圧された条件下で各試験体がひび割れを形成することができるか否かを検討する加圧試験を行った。以下に、その試験方法及び試験結果について説明する。

図４は、試験体の加圧試験方法を説明する写真であり、同図（ａ）は試験機内に試験体を充填した状態、同図（ｂ）は、充填した試験体の上に砂及び水を入れた状態、同図（ｃ）は加圧試験状態、同図（ｄ）は加圧試験後の試験機内の状態を示す。

まず、図４（ａ）に示すように、試験機４５内に試験体を充填し、その試験体の厚さを測定した。
なお、試験体Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４においては、試験機４５内に充填する直前に、粉体の吸水性ポリマーを、硬化材と膨張剤とを混練した混合物と混合した。また、試験体Ｎｏ．５においては、試験機４５内に充填する直前に、ゲル状の吸水性ポリマーを、硬化材と膨張剤とを混練した混合物と混合した。

次に、図４（ｂ）に示すように、試験体の上に砂を層状に供給し、その厚さを測定した。その後、所定量の水を供給した。

そして、図４（ｃ）に示すように、試験機４５に蓋をして、コンプレッサー５０を駆動させて、例えば、２ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を加えて、この状態を３日間維持した。
なお、本実施形態においては、２ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を加えたが、この値に限定されるものではなく、裏込め材を充填する各現場条件等により適宜、決定することができる。

最後に、図４（ｄ）に示すように、加圧を停止して蓋を外し、砂の厚さ及び試験体の厚さを計測して、試験体が膨張していないことを確認する。確認後、水及び砂を除去して、試験体の空隙及びひび割れを確認する。
なお、本試験では、すべての試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５において、加圧後における砂の厚さ及び試験体の厚さは加圧試験前と同一であり、膨張していないことを確認した。

以下に、各試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５の加圧試験結果について示す。

図５〜図９は、加圧試験後の各試験体を破断して内部を露出させた状態を示す写真であり、図１０〜図１２は、加圧試験後の各試験体の外観を示す写真である。

＜試験体Ｎｏ．１について＞
図５に示すように、試験体Ｎｏ．１の内部には、空隙がごくわずかな数だけ形成されていた。また、ひび割れは全く形成されておらず、空隙同士の連通は確認できなかった。

＜試験体Ｎｏ．２について＞
図６に示すように、試験体Ｎｏ．２の内部には、空隙が多数形成されていたが、ひび割れは形成されておらず、空隙同士の連通は確認できなかった。
一方、図１０に示すように、試験体Ｎｏ．２の表面付近は、ばらばらに粉砕されていて、吸水性ポリマーによる空隙形成の効果が確認できた。

＜試験体Ｎｏ．３について＞
図７に示すように、試験体Ｎｏ．３の内部には、小さい空隙が多少形成されていたが、ひび割れは形成されておらず、空隙同士の連通は確認できなかった。
また、図１１に示すように、試験体Ｎｏ．３の表面には、空隙やひび割れは形成されなかった。

＜試験体Ｎｏ．４について＞
図８及び図１２に示すように、試験体Ｎｏ．４は、ばらばらに粉砕されていた。粉砕された破片は、塊状で固く、硬化体としての強度を有するものであった。試験体Ｎｏ．４が粉砕した理由は、吸水性ポリマーが収縮したことにより硬化材中に空隙が形成されるとともに、膨張剤の膨張により硬化材に多数のひび割れが形成されたことにより、空隙同士が連通し、最終的に粉砕に至ったものである。したがって、試験体Ｎｏ．４は、良好な透水性が得られると考えられる。

＜試験体Ｎｏ．５について＞
図９に示すように、試験体Ｎｏ．５の内部には、空隙が多数形成されていたが、ひび割れは形成されておらず、空隙同士の連通は確認できなかった。
一方、図１３に示すように、試験体Ｎｏ．５の表面付近は、ひび割れが形成された。

上述したすべての加圧試験結果より、空隙が形成され、かつ、その空隙同士が連通するようにひび割れが形成されたものは、試験体Ｎｏ．４だけであった。
また、試験体Ｎｏ．１より、吸水性ポリマーを含まないと硬化材中にひび割れが生じないことがわかる。

以上説明した本実施形態における裏込め材によれば、裏込め材中の吸水性ポリマーがアルカリ性の硬化材と接触することで脱水して収縮するととともに、硬化材は硬化していくので、複数の空隙を有する硬化体となる。

また、裏込め材中の膨張剤がガスを発生しながら硬化材中で膨張していくので、硬化材中にひび割れが形成される。これにより、空隙同士がひび割れによって連通し、そのひび割れが水みちとなって、透水性が良好な透水層を確実に形成することができる。

なお、充填材を充填する直前に吸水性ポリマーを、硬化材と膨張剤とを混合した混合物と混合するので、テールボイドに充填される前に脱水反応が生じることを防止し、テールボイドに充填された裏込め材内に、確実に空隙を形成することができる。

また、ゲル状又は粉状の吸水性ポリマーを混合することにより、多くの水を吸収することができるので、硬化材中に大きな空隙を形成することができる。

なお、本実施形態においては、シールドトンネルを施工する際のテールボイドに充填する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、石垣や擁壁、矢板壁等の背後に充填してもよい。

なお、本実施形態においては、裏込め材を作製する手順として、まず、硬化材と膨張剤とを混練して混合物を作製し、その後に、混合物中に吸水性材料を混合する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、裏込め材の作製は、まず、吸水性材料と膨張剤とを混練して混合物を作製し、その後に、混合物中に硬化材を混合してもよい。かかる場合において、硬化材がＡ液とＢ液とからなる二液型の場合は、Ａ液とＢ液とを混練したものを混合物と混合したり、Ａ液又はＢ液のいずれか一方を混合物と混合した後に、他方を更に混合したりしてもよい。

１０ 硬化材
１５ 膨張剤
２０ 吸水性ポリマー
３０ 空隙
３５ （膨張した）膨張剤
４０ （収縮した）吸水性ポリマー
４３ ひび割れ
４５ 試験機
５０ コンプレッサー

Claims (10)

1. 硬化後に透水性を発現する裏込め材であって、
   アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに自身が硬化する硬化材と、
   吸収した水をアルカリ性環境で脱水して自身が収縮する吸収性材料と、
   アルカリと反応して水素ガスを発生する膨張剤と、を混合してなり、
   前記硬化材、前記吸水性材料、及び前記膨張剤は、
   前記吸水性材料がアルカリ性の硬化材と接触することで脱水して収縮することにより前記硬化材中に生じた複数の空隙が、前記膨張剤が発生した水素ガスにより前記硬化材中に形成されたひび割れによって連通し、該ひび割れが水みちとなって、透水性を発現するように配合されていることを特徴とする裏込め材。
2. 前記吸水性材料は前記裏込め材を注入する直前に、前記硬化材と前記膨張剤とを混練した混合物と混合されることを特徴とする請求項１に記載の裏込め材。
3. 前記硬化材は前記裏込め材を注入する直前に、前記吸水性材料と前記膨張剤とを混練した混合物と混合されることを特徴とする請求項１に記載の裏込め材。
4. 前記吸水性材料として、ゲル状又は粉状の吸水性ポリマーが混合されることを特徴とする請求項１〜３のうち、何れか一項に記載の裏込め材。
5. 地盤内に透水層を形成する方法であって、
   アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに自身が硬化する硬化材と、吸収した水をアルカリ性環境で脱水して自身が収縮する吸収性材料と、アルカリと反応して水素ガスを発生する膨張剤とを混合してなり、前記硬化材、前記吸水性材料、及び前記膨張剤は、前記吸水性材料がアルカリ性の硬化材と接触することで脱水して収縮することにより前記硬化材中に生じた複数の空隙が、前記膨張剤が発生した水素ガスにより前記硬化材中に形成されたひび割れによって連通し、該ひび割れが水みちとなって、透水性を発現するように配合された裏込め材を地盤内の隙間に充填することを特徴とする透水層の形成方法。
6. 前記隙間に裏込め材を充填する直前に、前記吸水性材料を、前記硬化材と前記膨張剤とを混練した混合物と混合することを特徴とする請求項５に記載の透水層の形成方法。
7. 前記隙間に裏込め材を充填する直前に、前記硬化材を、前記吸水性材料と前記膨張剤とを混練した混合物と混合することを特徴とする請求項５に記載の透水層の形成方法。
8. 前記吸水性材料として、ゲル状又は粉状の吸水性ポリマーを混合することを特徴とする請求項５〜７のうち、何れか一項に記載の透水層の形成方法。
9. 地盤内に形成される透水層であって、
   アルカリ性を有するとともに、流動状態から時間の経過とともに自身が硬化する硬化材と、吸収した水をアルカリ性環境で脱水して自身が収縮する吸収性材料と、アルカリと反応して水素ガスを発生する膨張剤と、が混合状態で地盤内の隙間に充填されてなり、
   前記硬化材、前記吸水性材料、及び前記膨張剤は、
   前記吸水性材料がアルカリ性の硬化材と接触することで脱水して収縮することにより前記硬化材中に生じた複数の空隙が、前記膨張剤が発生した水素ガスにより前記硬化材中に形成されたひび割れによって連通し、該ひび割れが水みちとなって、透水性を発現するように配合されていることを特徴とする透水層。
10. 前記吸水性材料は、ゲル状又は粉状の吸水性ポリマーであることを特徴とする請求項９に記載の透水層。