JP6023040B2 - 高圧噴射攪拌工法用口元管および高圧噴射攪拌工法 - Google Patents

Description

本発明は、汚染した土壌の原位置浄化工事において薬剤を地盤に注入する高圧噴射攪拌工法用の口元管および高圧噴射攪拌工法に関する。

土壌汚染の除去を目的とした措置方法には、特定有害物質で汚染した土壌を現場から掘り出して汚染されていない土壌で埋め戻す『掘削除去』、および現場（原位置）から汚染土壌を動かすことなく特定有害物質を除去する『原位置浄化』等がある。
掘削除去では、汚染土の移動による二次環境汚染の懸念や汚染土の引き受け先（処理場）の逼迫による汚染土処分費の高騰などの問題があり、原位置での対策が望ましいとされている。

最近、原位置浄化の手法の中では、『原位置分解』の用例が多くなっている。これは化学的作用や生物学的作用により特定有害物質を原位置で分解する方法である。すなわち、現場において汚染土に酸化剤または還元剤を添加して特定有害物質の化学分解反応を起こさせる、あるいは栄養剤を添加することにより土壌微生物の活性を高めて特定有害物質の分解を促進させる手法である。工費を抑えてこれらの薬剤を汚染土に添加するために、可能な限り汚染土を動かさず、効率良く目的とする汚染範囲に薬剤を地上から注入できる工法が求められている。
しかし、これまで、粘性土層やシルト層などの難透水地盤では、薬剤が地盤に浸透しないため、薬剤の注入工法を利用した原位置分解により汚染土を効果的に浄化することは困難であった。

一方、土木工事における地盤改良を目的とした注入工法の一つに高圧噴射攪拌工法がある。この工法は難透水地盤の改良が可能である。しかしながら、この工法では、良質な改良体を造成するために、発生する余剰物（スライム）を速やかに地表部に排出することが必要な場合がある。このため、このような従来の高圧噴射攪拌工法を原位置土壌浄化工事において実施した場合、汚染した余剰物を地表部に排出することになり、特定有害物質が拡散するおそれがある。

そこで、余剰物の地表部への排出量を削減するために、例えば、特許文献１と特許文献２に記載されている技術を適用することが考えられる。
特許文献１は、余剰物の排出量を調整することが可能で、更にその坑外排出を円滑にすることができる口元管を開示する。この口元管は、水平方向の高圧噴射注入工法で使用される。
特許文献２は、汚染した領域を含む難透水地盤までボーリング孔を削孔し、難透水地盤においてそのボーリング孔の内壁面に切込みを形成し、切込みを形成した領域の上方及び下方にパッカを配置して膨張させ、これらのパッカで挟まれた領域に薬剤を加圧しつつ供給する汚染土壌浄化工法を開示する。この工法によれば、薬剤を加圧して供給することによりボーリング孔内壁面に形成された切込みから難透水地盤中に割裂が進展するため、進展した割裂を介して比較的広い範囲に薬剤を到達させることができる。更に、上方及び下方のパッカにより、汚染されていない上下の地層や地表に漏出する薬剤の量を減少させることができる。

特開平５−２８０２７５号公報 特開２０１０−１７９２１９号公報

しかし、特許文献１に記載の口元管を用いても大量の余剰物が地表に排出される。また、この口元管を用いるだけでは、地盤中における薬剤の到達範囲を広げることはできない。
特許文献２に記載の汚染土壌浄化工法は、地盤中の比較的広い範囲に薬剤を到達させ、余剰物の非汚染地盤や地表への漏出量を減少させることができるが、割裂を十分な長さに進展させるために長時間を要する場合が有り得る。

本発明の目的は、地盤中の広い範囲に薬剤を到達させ、余剰物の非汚染地盤や地表への漏出量を減少させることができ、施工期間を短縮することができる高圧噴射攪拌工法用の口元管および高圧噴射攪拌工法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の高圧噴射攪拌工法用口元管は、
先端から薬剤を噴射する噴射管が回転しながら引き上げることができるように挿入される高圧噴射攪拌工法用口元管であって、
当該高圧噴射攪拌工法用口元管の一端に配置されており、膨張すると、当該高圧噴射攪拌工法用口元管の外周面と、当該高圧噴射攪拌工法用口元管が挿入される口元管挿入穴との間の第１の隙間を閉塞する下部パッカと、
当該高圧噴射攪拌工法用口元管の他端に配置されており、膨張すると、前記噴射管の外周面と当該高圧噴射攪拌工法用口元管の内周面の間の第２の隙間を閉塞する上部パッカと、
を備えることを特徴とする。

好ましくは、本発明の高圧噴射攪拌工法用口元管は、
当該高圧噴射攪拌工法用口元管の内周面と前記噴射管の外周面の間の隙間に侵入する余剰物の圧力を測定する圧力計を備えることを特徴とする。

また、本発明の高圧噴射攪拌工法は、
上述した高圧噴射攪拌工法用口元管を用いる高圧噴射攪拌工法であって、
地表から所定の深さまで前記口元管挿入穴を削孔する口元管挿入穴削孔工程と、
削孔された前記口元管挿入穴に前記高圧噴射攪拌工法用口元管を挿入して設置し、前記下部パッカを膨らませて前記第１の隙間を閉塞する口元管設置工程と、
前記口元管挿入穴の底から薬剤注入領域の最下部まで噴射管挿入穴を削孔する噴射管挿入穴削孔工程と、
前記高圧噴射攪拌工法用口元管の内部の空洞と削孔された前記噴射管挿入穴とに前記噴射管を挿入して設置し、前記上部パッカを膨らませて前記第２の隙間を閉塞する噴射管設置工程と、
薬剤注入が予定されている領域の最上部に前記噴射管の先端が達するまで、前記噴射管から薬剤を噴射させ、前記噴射管を一定の速度で回転させながら一定の速度で引き上げる薬剤注入工程と、
前記圧力計により圧力を監視し、圧力が所定の値より低下したら噴射管の先端から薬剤を高圧で注入して薬剤が注入された領域の圧力を回復させて所定の圧力に保つ加圧工程と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、地盤中の広い範囲に薬剤を到達させ、余剰物の非汚染地盤や地表への漏出量を減少させることができ、施工期間を短縮することができる。

本発明の実施形態に係る高圧噴射攪拌工法で使用する口元管の構成の一例を示す縦断面図である。 本発明の実施形態に係る高圧噴射攪拌工法の注入原理を示す図である。 本発明の実施形態に係る高圧噴射攪拌工法の工程の流れの一例を示す図である。 口元管挿入穴削孔工程の一例を示す図である。 口元管挿入工程の一例を示す図である。 噴射管挿入穴削孔工程の一例を示す図である。 噴射管挿入工程の一例を示す図である。 薬剤注入工程の開始直後の状態の一例を示す図である。 薬剤注入工程の中間段階の状態の一例を示す図である。 薬剤注入工程において薬剤注入領域の最上部に噴射間の先端が達した状態の一例を示す図である。 加圧工程において、上部パッカと下部パッカによって閉塞された薬剤注入領域の圧力が上昇し、薬剤注入領域が拡大した状態の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る高圧噴射攪拌工法用口元管および高圧噴射攪拌工法について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る高圧噴射攪拌工法で使用する口元管１００の構成の一例を示す。
口元管１００は、上部パッカ１０１と、下部パッカ１０２と、圧力計１０３とを備える。口元管１００は、地表２００から所定の深さまで（例えば、汚染地盤に達するまで）削孔された口元管挿入穴にその下部が挿入される。また、口元管１００は、その内部に、削孔管と噴射管が挿入される空洞を有する。ここで、削孔管は口元管挿入穴の底から薬剤が注入される領域（以下、薬剤注入領域という。）の最下部まで噴射管挿入穴を削孔するための管であり、噴射管は薬剤注入領域に薬剤を高圧で噴射するための管である。なお、口元管１００は高圧噴射攪拌工法用口元管の一例である。
下部パッカ１０２は、口元管１００の下端部に配置されている。下部パッカ１０２は、施工時に膨張して口元管１００の外周面と口元管挿入穴との間の隙間を閉塞する。また、上部パッカ１０１は、口元管１００の上端部に配置されている。上部パッカ１０１は、施工時に膨張して噴射管の外周面と口元管１００の内周面の間の隙間を閉塞する。上部パッカ１０１と下部パッカ１０２の素材は、例えば、ゴムである。上部パッカ１０１と下部パッカ１０２は、施工時に水圧、空気圧もしくは機械的圧縮力等により膨らませ、施工終了後に水圧、空気圧もしくは機械的圧縮力等を解除することにより元の形状に戻される。
圧力計１０３は、口元管１００の内周面と噴射管の外周面の間の隙間に侵入する余剰物の圧力を測定する。この隙間は薬剤注入領域につながっているので、圧力計１０３により薬剤注入領域の圧力を間接的に測定することができる。

図２は、本発明の実施形態に係る高圧噴射攪拌工法の注入原理を示す。
施工時には、口元管１００に噴射管１２０が挿入される。このとき、噴射管１２０の先端は薬剤注入領域の最下部に達する。そして、下部パッカ１０２および上部パッカ１０１を膨らませて、それぞれ口元管１００の外周面と口元管挿入穴との間の隙間、および噴射管の外周面と口元管１００の内周面との間の隙間を閉塞する。
そして、噴射管１２０の先端に設置されたノズルの噴射孔から噴射管１２０の軸と直角方向に薬剤を超高圧で噴射しつつ、噴射管１２０を回転させながら引き上げる。これにより薬剤と土壌が混合攪拌され、土壌中に円盤状の割裂３００が生じる。薬剤は円盤状の割裂３００を通って広い範囲に広がる。

図３は、本発明の実施形態に係る高圧噴射攪拌工法の工程の流れの一例を示す。
高圧噴射攪拌工法は、口元管挿入穴削孔工程（Ｓ１）と、口元管設置工程（Ｓ２）と、噴射管挿入穴削孔工程（Ｓ３）と、噴射管設置工程（Ｓ４）と、薬剤注入工程（Ｓ５）と、加圧工程（Ｓ６）で構成される。
ステップＳ１の口元管挿入穴削孔工程では、図４に示すように、ボーリングマシン等によって地表２００から所定の深さ（例えば、汚染されていない非汚染地盤２１０と汚染された汚染地盤２２０との境界付近）まで口元管挿入穴２１１を削孔する。
次に、ステップＳ２の口元管設置工程で、図５に示すように、口元管挿入穴２１１に口元管１００を挿入して設置する。そして、下部パッカ１０２を膨らませて、口元管１００の外周面と口元管挿入穴２１１との間の隙間を閉塞する。
次に、ステップＳ３の噴射管挿入穴削孔工程で、図６に示すように、口元管１００内に削孔管１１０を挿入し、口元管挿入穴２１１の底から計画深度（薬剤注入領域の最下部）まで噴射管挿入穴２２１を削孔する。
次に、ステップＳ４の噴射管設置工程で、図７に示すように、削孔管１１０を引き抜き、噴射管１２０を口元管１００の内部の空洞と噴射管挿入穴２２１に挿入して設置する。そして、上部パッカ１０１を膨らませて、噴射管１２０の外周面と口元管１００の内周面との間の隙間を閉塞する。なお、図７〜図１１では、噴射管１２０の外周面と汚染地盤２２０との間の隙間を強調して描いてあるが、実際には噴射管１２０の外周面と汚染地盤２２０は密着している。

次に、ステップＳ５の薬剤注入工程で、図８〜図１０に示すように、噴射管１２０の先端に設置されたノズルの噴射孔から、噴射管１２０の軸と直角方向に薬剤１３０を高圧で噴射する。薬剤１３０の噴射圧力はＰ＝２０〜４０ＭＰａ（パスカル）の範囲が望ましい。また、薬剤１３０の噴射量はＱ＝８０〜２００リットル／分の範囲が望ましい。噴射管１２０は、一定の速度で回転させながら、一定の速度で引き上げられることが望ましい。
図８に示すように、薬剤を高圧で注入すると、薬剤と土壌が混合攪拌され、土壌中に円盤状の割裂３００が生じる。このとき、余剰物（スライム）２３０が噴射管１２０の外周面と汚染地盤２２０の間の隙間を上昇し、口元管挿入穴２１１の底に達する。しかし、口元管１００の外周面と口元管挿入穴２１１との間の隙間は下部パッカ１０２によって閉塞されているので、余剰物２３０がその隙間へ侵入することは妨げられる。
噴射管１２０を引き上げながら薬剤を高圧で注入し続けると、図９に示すように、余剰物２３０は、噴射管１２０の外周面と口元管１００の内周面との間の隙間を上昇し、上部パッカ１０１に達するが、余剰物２３０の地表への漏出は上部パッカ１０１によって防げられる。このとき以降、圧力計１０３により、口元管１００の内周面と噴射管の外周面の間の隙間に侵入した余剰物２３０の圧力を測定することができる。
図１０に示すように、薬剤注入が予定されている領域の最上部に噴射管１２０の先端が達すると、噴射管１２０の引き上げを停止する。

図１１に示すステップＳ６の加圧工程では、圧力計１０３により圧力を監視し、圧力が所定の値より低下したら噴射管１２０の先端に設置されたノズルの噴射孔から薬剤１３０を高圧で噴射する。これにより、薬剤注入領域の圧力を回復させて所定の圧力に保つ。このとき、噴射管１２０の引き上げは停止した状態である。噴射管１２０は回転させても回転させなくてもよい。
加圧工程では、余剰物２３０が地盤中に閉塞されて薬剤注入領域の圧力が上昇するため、薬剤１３０は土壌中で押し広げられて円盤状の割裂３００が生じた領域よりも広い拡大領域３１０に広がる。

（実施例）
一般的な高圧噴射攪拌工法であるＣＣＰ−Ｓ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｈｕｒｎｉｎｇ Ｐｉｌｅ−Ｓｕｐｅｒ）工法と、本実施形態に係る高圧噴射攪拌工法（以下、本工法という。）とにより土壌中への浄化剤（薬剤）の注入試験を実施し、土壌中における浄化剤の到達範囲を調べた。両工法とも、噴射圧力Ｐ＝４０ＭＰａ（パスカル）、噴射量Ｑ＝１００リットル／分にて施工した。
浄化剤の到達範囲は、施工位置から０．５ｍ、１．０ｍ、１．５ｍ離れた各位置における施工前と施工後の電気伝導度の変化を基に決定した。電気伝導度は、小型自走式ボーリングマシンにＥＣ（電気伝導度）プローブを装着して土壌に貫入し、そのＥＣプローブにより１２ｍの深さまで測定した。
ＥＣプローブにより検出される電気伝導度は、主として各土質の含水量及び電解質量により、異なった数値を示すことが知られている。当該実例の試験地の施工前の各土質の電気伝導度は、砂質土：10〜30mＳ/ｍ、砂質シルト：30〜50mＳ/ｍ、シルト：40〜60mＳ/ｍ、軟泥岩：50〜70mＳ/ｍの分布を示していた（自然状態では含水率順になる。）。
供試したバイオレメディエーション用の浄化剤は、電解質として、糖類、アミノ酸類、ナトリウムイオン等を含有し、その浄化剤自体の電気伝導度は300mＳ/ｍ程度の値を示していた。したがって、栄養剤が到達した場合は、施工前の各土質の電気伝導度よりも高くなる。施工後ＥＣプローブにより、施工位置から１．５ｍ離れた位置の電気伝導度を測定した結果、施工前の電気伝導度より大きな値を示し、薬剤が到達していることを確認した。

両工法による浄化剤の到達範囲の比較を次の表に示す。この表から、本工法によりＣＣＰ−Ｓ工法と比較して１．１５〜１．３６倍の範囲に浄化剤が到達したことが分かる。

なお、上述した実施形態では、削孔管１１０と噴射管１２０は異なる管であるとしたが、これらを１本の管で兼用することもできる。

また、土壌汚染対策・措置に関係する土中への高圧注入可能な薬剤全てが、本発明に係る高圧噴射攪拌工法の対象と成り得る。以下に、薬剤の例を列挙する。
（１）バイオレメディエーション（バイオスティミュレーション）
土壌微生物の活性を促進する栄養剤（水溶性栄養剤、植物油等を乳化した栄養剤、粉体・固体を問わず、水等の溶媒により最終的に液状を呈する栄養剤）。
（２）バイオレメディエーション（バイオオーグメンテーション）
特定有害物質の分解に効果を発揮する微生物（群）を外部で培養した菌体・栄養培地の液状混合物等。
（３）化学酸化処理法に使用される酸化剤（過酸化水素、過硫酸塩類、過マンガン酸等）及びそれらの触媒（硫酸第一鉄等）
（４）還元分解法に使用される鉄粉（スラリー状になる粒径がミクロン・オーダーのものが好ましい。）
（５）原位置浄化の範疇ではないが、『原位置不溶化』のための不溶化剤（酸化カルシウム、酸化マグネシウム等、第二種特定有害物質（重金属等）を土壌中で不溶化せしめるもの）

以上説明したように、本発明によれば、余剰物が非汚染地盤や地表へ漏出する量を減少させることができる。
また、本発明によれば、余剰物が地盤中に閉塞されて薬剤が注入される領域の圧力が高くなるため、薬剤が土壌中で押し広げられて広い範囲に広がる。
更に、本発明によれば、噴射管の回転によって土壌に円盤状の割裂が生じ、その割裂を通って薬剤が広がるため、短時間で広範囲に薬剤が広がる。
また、本発明によれば、口元管に取り付けられた圧力計により、口元管の内周面と噴射管の外周面の間の隙間に侵入する余剰物の圧力（すなわち、土壌中の薬剤注入領域の圧力）を測定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、設計上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。

１００…口元管、１０１…上部パッカ、１０２…下部パッカ、１０３…圧力計、１１０…削孔管、１２０…噴射管、１３０…薬剤、２００…地表、２１０…非汚染地盤、２１１…口元管挿入穴、２２０…汚染地盤、２２１…噴射管挿入穴、２３０…余剰物（スライム）、３００…円盤状の割裂、３１０…拡大領域

Claims (3)

1. 先端から薬剤を噴射する噴射管が回転しながら引き上げることができるように挿入される高圧噴射攪拌工法用口元管であって、
   当該高圧噴射攪拌工法用口元管の一端に配置されており、膨張すると、当該高圧噴射攪拌工法用口元管の外周面と、当該高圧噴射攪拌工法用口元管が挿入される口元管挿入穴との間の第１の隙間を閉塞する下部パッカと、
   当該高圧噴射攪拌工法用口元管の他端に配置されており、膨張すると、前記噴射管の外周面と当該高圧噴射攪拌工法用口元管の内周面の間の第２の隙間を閉塞する上部パッカと、
   を備えることを特徴とする高圧噴射攪拌工法用口元管。
   
2. 当該高圧噴射攪拌工法用口元管の内周面と前記噴射管の外周面の間の隙間に侵入する余剰物の圧力を測定する圧力計を備えることを特徴とする請求項１に記載の高圧噴射攪拌工法用口元管。
3. 請求項２に記載の高圧噴射攪拌工法用口元管を用いる高圧噴射攪拌工法であって、
   地表から所定の深さまで前記口元管挿入穴を削孔する口元管挿入穴削孔工程と、
   削孔された前記口元管挿入穴に前記高圧噴射攪拌工法用口元管を挿入して設置し、前記下部パッカを膨らませて前記第１の隙間を閉塞する口元管設置工程と、
   前記口元管挿入穴の底から薬剤注入領域の最下部まで噴射管挿入穴を削孔する噴射管挿入穴削孔工程と、
   前記高圧噴射攪拌工法用口元管の内部の空洞と削孔された前記噴射管挿入穴とに前記噴射管を挿入して設置し、前記上部パッカを膨らませて前記第２の隙間を閉塞する噴射管設置工程と、
   薬剤注入が予定されている領域の最上部に前記噴射管の先端が達するまで、前記噴射管から薬剤を噴射させ、前記噴射管を一定の速度で回転させながら一定の速度で引き上げる薬剤注入工程と、
   前記圧力計により圧力を監視し、圧力が所定の値より低下したら噴射管の先端から薬剤を高圧で注入して薬剤が注入された領域の圧力を回復させて所定の圧力に保つ加圧工程と、
   を備えることを特徴とする高圧噴射攪拌工法。

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