JP7398281B2 - 高圧噴射撹拌工法及び噴射装置 - Google Patents

Description

この発明は、高圧噴射撹拌工法及び噴射装置に係り、特に、高圧噴射撹拌工法の効率化及び改良体の品質向上を同時に可能とする技術に関する。

地盤改良工法の一つとして、高圧噴射撹拌工法が知られている。
この工法においては、まず地上に地盤改良装置を設置し、その下方の地盤に向けてほぼ鉛直に所定深度までケーシングで削孔する。
ケーシングが所定深度に達したら、ケーシングに代えて二重管ロッド等の注入ロッドを削孔内に挿入し、その先端に装着された噴射装置（造成モニタ）の側面のノズルからセメント系固化材液を半径方向外方に向けて高圧で噴射すると共に、注入ロッドを回転させる。

この結果、固化材液の噴流によって切削された土壌が、固化材液と撹拌混合される。
この注入ロッドを所定の速度で引き上げることで、土壌内に円筒形状の改良体が鉛直方向に造成される。
前記ノズルは一つの場合もあるが、施工の効率化等を図る目的で、注入ロッドの先端に二つ以上のノズルが形成される場合もある。
特開２０１６－２１７１１９

この円筒形状の改良体を、平面的に縦横に配列することにより、所定範囲の地盤改良が実現される。
したがって、一定面積の地盤を改良するに当たっては、一本当たりの改良体の造成径（口径）をできるだけ大きく形成することにより、より少ない本数で対象地盤をカバーできることとなり、作業工程の簡素化と作業時間の短縮化が実現できる。

この改良体の造成径を拡大するための一番簡単な方法は、各ノズルに供給される固化材液の圧力や流量を増やすことにより、ノズルから遠く離れた地盤にまで固化材液を到達させることであるが、そのためには従来よりも大型の高圧ポンプを導入したり、高圧ポンプをノズル毎に複数台設置したりする必要があり、工費のアップを招く結果となる。

このような事態を回避しながら、すなわち従来の設備をそのまま利用した上で改良体の造成径を拡大する一つの方策として、ノズルの構造に工夫を凝らすことにより、ノズルから遠く離れた地盤にまで固化材液を到達させ得る噴流を形成することが試みられている。
新しい高圧噴射攪拌による地盤改良工法の開発／2.2 大型径改良インターネットURL：https://www.jstage.jst.go.jp/article/jgs/8/2/8_179/_pdf検索日：令和１年１０月１４日

この非特許文献１において紹介されているように、地盤の切削効率の高い噴流を形成可能なツインノズルを用いることにより、改良体の一本当たりの造成径が拡大し、従来に比べて少ない本数で所定面積の地盤改良が完了することが期待できる。
しかし実際は、切削性に優れるツインノズルを用いると、固化材液の噴流の流線形状がシャープに窄まる分、土壌の撹拌不足（粉砕不足）が生じやすく、多数のディスクを縦に重ねたような、外周部がギザギザで有効面積の狭い改良体が形成されるという問題が生じる。
これを回避するためには、改良体が固化する前に同じ位置に注入ロッドを再挿入し、二度目ないし三度目の施工を繰り返すか、噴流の回転速度を遅くして土壌の撹拌性を高めることが考えられるが、何れの場合も作業工程の複雑化や所要時間の拡大という問題が生じ、全体としての作業効率が低下する結果となる。

この発明は、このような現状に鑑みて案出されたものであり、所定範囲の地盤改良をより効率的に施工可能とする技術の実現を目的としている。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載した高圧噴射攪拌工法は、側面に複数のノズルを備えた注入ロッドを改良対象地盤中に挿入し、当該注入ロッドを回転させながら引き上げる際に、各ノズルから固化材液を高圧で噴射し、この固化材液の高圧噴流によって土壌を切削すると共に、切削した土壌と固化材液とを攪拌混合し、地盤中に改良体を造成する工法において、前記ノズルの一部を、固化材液の噴流の流線形状が比較的狭く絞り込まれ、その到達距離がより長くなるように設定された第１のノズルより構成し、残りのノズルを、固化材液の噴流の流線形状が比較的広く拡大するように設定された第２のノズルより構成し、前記第１のノズル及び第２のノズルに対し、共通の高圧ポンプを介して固化材液を供給することを特徴としている。
前記「回転」には、注入ロッドを所定の角度範囲で往復回動させ、固化材液の噴流を揺動させる場合も含まれる。

請求項２に記載した高圧噴射攪拌工法は、請求項１に記載した工法であって、前記第１のノズルと第２のノズルには、それぞれの開口径に差違が設けられていることを特徴としている。

請求項３に記載した高圧噴射攪拌工法は、請求項１または２に記載した工法であって、前記第１のノズルと第２のノズルには、それぞれの開口形状に差違が設けられていることを特徴としている。

請求項４に記載した高圧噴射攪拌工法は、請求項１～３に記載した工法であって、前記第１のノズルと第２のノズルには、それぞれの断面形状に差違が設けられていることを特徴としている。

請求項５に記載した噴射装置は、高圧噴射攪拌工法に用いる注入ロッドの先端に設けられる噴射装置であって、側面に高圧の固化材液を噴射するための複数のノズルを備え、前記ノズルの一部が、固化材液の噴流の流線形状が比較的狭く絞り込まれ、その到達距離がより長くなるように設定された第１のノズルよりなり、残りのノズルが、固化材液の噴流の流線形状が比較的広く拡大するように設定された第２のノズルよりなり、前記第１のノズル及び第２のノズルに対し、共通の高圧ポンプを介して固化材液が供給されることを特徴としている。

この発明に係る高圧噴射撹拌工法及び噴射装置によれば、第１のノズルから噴射される土壌の切削性に比較的優れた噴流によって、より遠く離れた地点にまで固化材液を到達させることができ、改良体の造成径の拡大が実現されると共に、第２のノズルから噴射される土壌の粉砕性（攪拌性）に比較的優れた噴流によって、切削された土壌間を突き崩して固化材液と十分に攪拌混合させることができ、改良体の品質確保が同時に実現される。
しかも、ノズル毎に別個の高圧ポンプが用意されるのではなく、第１のノズル及び第２のノズルに対し、共通の高圧ポンプを介して固化材液が供給されるため、その分コストの上昇を抑えることができる。

以下、添付の図面に従い、この発明の実施形態を説明する。
初めに、図１及び図２に従い、高圧噴射攪拌工法の一般的な手順について説明する。
まず、図１(a)に示すように、地表10に地盤改良装置12を設置し、ケーシング14の先端から高圧の削孔水を噴射しながら所定のストローク速度で下降させることにより、計画深度まで縦孔16を穿設する。

つぎに、図１(b)に示すように、二重管ロッド18を縦孔16の底部まで建込んだ後、二重管ロッド18の先端側面に装着された噴射装置のノズルから固化材と水の混合物である固化材液を高圧で噴射しながら回転させ、所定のストローク速度で計画深度まで上昇させる。

この結果、図１(c)に示すように、土壌と水、固化材の混合物である円柱状の改良体（杭体）26が形成される。
この施工を通じて、土壌と水、固化材の混合物である排泥24が、二重管ロッド18と縦孔16の隙間を経由して地上に圧送され、スライムピット22に貯められる。

この施工の完了をもって地盤改良工事の終了とできる場合もあるが、改良体26が所定の品質を下回っている場合には、図２(a)及び(b)に示すように、改良体26が固化する前に二重管ロッド18を同じ深度まで下降させ、二度目、三度目の施工を実施することにより、改良体26の品質の向上が図られる。

図３は、二重管ロッド18の先端に装着されたこの発明に係る噴射装置30の断面図であり、中心に形成された内管32と、その外側に形成された外管34と、第１のノズル36と、第２のノズル38を備えている。
第１のノズル36は、中央開口部36aと、これを取り巻くように形成された周縁開口部36bを備えている。中央開口部36aは、内管32と連通接続されている。また周縁開口部36bは、外管34と連通接続されている。
第２のノズル38も、中央開口部38aと、これを取り巻くように形成された周縁開口部38bを備えている。中央開口部38aは、内管32と連通接続されている。また周縁開口部38bは、外管34と連通接続されている。

図４に示すように、二重管ロッド18の上端に接続された二重管スイベル40を介して、外管34にはエアコンプレッサ42からエアーが高圧で供給されると同時に、内管32には高圧ポンプ44及びスラリープラント46からセメントと水を混練した固化材液が高圧で供給される。
この結果、第１のノズル36及び第２のノズル38からは、セメントと固化材液がエアーと共に勢いよく噴射される。

二つのノズルを備えた噴射装置の場合、各ノズルの噴射特性は基本的に同等に設定されるのが通常であるが、この発明の場合、各ノズルの断面形状や開口形状、開口径等を調整することにより、第１のノズル36と第２のノズル38の噴射特性を意図的に異ならせている。

すなわち、第１のノズル36から噴射される固化材液の噴流48は、図５(a)に示すように、よりシャープに絞り込まれた流線形状となる。
これに対し、第２のノズル38から噴射される噴流50は、図５(b)に示すように、より広がりのある流線形状となる。
以上の結果、第１のノズル36から噴射される固化材液の噴流48は、土壌の撹拌性では第２のノズル38に劣るものの、土壌の切削性に優れ、より長い到達距離が実現される。
一方、第２のノズル38から噴射される噴流50は、土壌の切削性や到達距離では第１のノズル36に劣るものの、土壌の粉砕性（攪拌性）に優れたものとなる。

図６は、第１のノズル36と第２のノズル38の相対的な特性を比較するために、地上において実施された噴流特性試験の計測結果を示すものである。
まず図６(a)は、第１のノズル36から所定距離を隔てた位置に設置された圧力感知部によって捉えられた噴流48の断面圧力分布図であり、噴流48の断面52の中心付近に５０MPaを超える高圧帯54が広く存在することが示されている。
これに対し図６(b)は、第２のノズル38から同距離を隔てた位置に設置された圧力感知部によって捉えられた噴流50の断面圧力分布図であり、噴流50の断面56の径が比較的大きくなる代わりに、５０MPaを超える高圧帯54はほとんど存在しておらず、わずかに点在しているに過ぎないことが看取できる。

本発明に係る噴射装置30を用いて土壌の改良体を形成する際には、第１のノズル36から噴射された切削性に優れた噴流48が、噴射装置30からより遠く離れた地点まで到達し、改良体の造成径の拡大に寄与する。
これに対し、第２のノズル38から噴射された攪拌性に優れた噴流50は、その到達距離においては第１のノズル36に比べて劣るものの、噴流50の流線形状が比較的広い範囲に拡がるため、第１のノズル36からの噴流48によって切削された土壌間を突き崩して固化材液と十分に攪拌混合させることができ、改良体の品質向上に貢献する。
この結果、図７に示すように、噴射装置30によって形成される改良体60は外周部分に凹凸の少ない円筒体となり、比較的大きな有効径を備えたものとなる。

これに対し、図８に示すように、第１のノズル62及び第２のノズル64の両方を切削性に優れた噴流66を形成するものとした従来の長距離造成用噴射装置68で施工すると、形成される改良体70は、その造成径こそ本発明の噴射装置30に勝ってはいるものの、多数のディスクを縦に重ねたような形状となり、その外周部分に深い凹凸が多数刻まれている。

つぎに、本発明の噴射装置30を用いた工法（以下「本発明造成法」）の有効性について、切削性に優れるツインノズルを備えた長距離造成用噴射装置68を用いた場合（以下「長距離造成法」）と、長距離造成法が登場する前の標準的な噴射装置を用いた工法（以下「標準造成法」）との比較を通じて検証する。

まず図９に示すように、標準造成法に基づいて形成した改良体72の有効造成径をＤとすると、長距離造成法に基づいて形成した改良体70の有効造成径は1.3Ｄとなり、本発明造成法に基づいて形成した改良体60の有効造成径は1.2Ｄとなる。
因みに、ここでいう有効造成径とは、各改良体の外周部分に形成された凹凸を除いた部分の径を意味している（図７、図８参照）。

改良体の長さについては、何れも「100Ｌ」で共通している。
ここで「Ｌ」とは、標準造成法において、各ノズルが一回転する毎に上昇する長さを意味しており、100Ｌはノズルが100回転した時点での改良体の長さを表している。
本発明造成法の場合、標準造成法の場合と同様、各ノズルを１回転させた後にＬの長さ分ノズルが上昇されるため、ノズルを100回転させることによって100Ｌの長さを達成することができる。
これに対し、長距離造成法の場合には、各ノズルから噴射される噴流の幅が狭い分、１回転で上昇させられる距離は「2/3Ｌ」と短くせざるを得ない。これはすなわち、改良体70を100Ｌの長さに形成するためには、標準造成法や本発明造成法に比べて回転数を多くせざるを得ないことを意味している。

図１０に示すように、前記のような改良体を用いて所定の幅を備えた施工対象領域について施工する場合、所定の「厚み」を確保するために各改良体の外周部分が相互に重複するように形成する必要があるが、同じ厚みを確保するとした場合には、当然ながら造成径が大きいほどその本数を少なくすることができる。
図１０の例では、標準造成法による場合で12本を要するところ、長距離造成法であれば８本で済み、本発明造成法では９本で済むことが示されている。

この各改良体の本数を前提として、それぞれの削孔時間（T1）や移動設置時間（T2）をも含めたトータルでの造成時間を計算すると、図示の通り、標準造成法の場合で2,040分（34時間）、長距離造成法の場合で1,620分（27時間）かかるところ、本発明造成法では1,530分（25時間半）で済む結果となった。
すなわち、長距離造成法の場合には改良体70の本数が８本で済むのに対し、本発明造成法の場合には改良体60の本数が９本必要となるが、長距離造成法は撹拌性に劣るため１回転当たりの時間が1.1倍必要となり、また１回転で上昇する距離（リード）も2/3と短くなるため、トータルの所要時間では本発明造成法に劣る結果となっている。

本発明造成法に改良体60は、長距離造成法による改良体70に比べ、外周部分に形成される凹凸が少なくて済むため、その分、固化材の無駄が省ける利点もある。

高圧噴射攪拌工法の手順について説明する模式図である。 高圧噴射攪拌工法の手順について説明する模式図である。 二重管ロッドの先端に装着された噴射装置の断面図である。 地盤改良装置とエアコンプレッサ及び高圧ポンプとの接続関係を示す図である。 第１のノズルから噴射される固化材液の噴流と、第２のノズルから噴射される固化材液の噴流の流線形状を比較する写真である。 第１のノズルから噴射される固化材液の噴流の断面と、第２のノズルから噴射される固化材液の噴流の断面を比較する断面圧力分布図である。 この発明に係る噴射装置によって形成される改良体の断面形状を示す模式図である。 従来の長距離造成用噴射装置によって形成される改良体の断面形状を示す模式図である。 標準造成法による改良体と、長距離造成法による改良体と、本発明造成法による改良体を対比する図である。 標準造成法による改良体の必要本数及び造成時間と、長距離造成法による改良体の必要本数及び造成時間と、本発明造成法による改良体の必要本数及び造成時間を対比する図である。

12 地盤改良装置
14 ケーシング
16 縦孔
18 二重管ロッド
30 噴射装置
32 内管
34 外管
36 第１のノズル
38 第２のノズル
40 二重管スイベル
42 エアコンプレッサ
44 高圧ポンプ
46 スラリープラント
48 第１のノズルの噴流
50 第２のノズルの噴流
52 第１のノズルの噴流の断面
54 高圧帯
56 第２のノズルの噴流の断面
60 改良体

Claims (2)

1. 先端に噴射装置を装着した注入ロッドを改良対象地盤中に挿入し、当該注入ロッドを回転させながら引き上げる際に、前記噴射装置のノズルから固化材液を高圧で噴射し、この固化材液の高圧噴流によって土壌を切削すると共に、切削した土壌と固化材液とを攪拌混合し、地盤中に改良体を造成する工法であって、
   前記噴射装置の側面における同一高さ位置に第１のノズル及び第２のノズルが形成されており、
   前記第１のノズル及び第２のノズルに対して共通の高圧ポンプを介して固化材液が供給され、
   前記第１のノズル及び第２のノズルの各開口径、開口形状、断面形状の少なくとも一つについて差異を設けることにより、第１のノズルから噴射される固化材液の噴流の流線形状が、第２のノズルから噴射される固化材液の噴流に比較して狭く絞り込まれ、その到達距離がより長くなるように設定されていることを特徴とする高圧噴射攪拌工法。
2. 高圧噴射攪拌工法に用いる注入ロッドの先端に装着される噴射装置であって、
   その側面における同一高さ位置に高圧の固化材液を噴射するための第１のノズル及び第２のノズルが設けられており、
   前記第１のノズル及び第２のノズルに対して共通の高圧ポンプを介して固化材液が供給され、
   前記第１のノズル及び第２のノズルの各開口径、開口形状、断面形状の少なくとも一つについて差異が設けられることにより、第１のノズルから噴射される固化材液の噴流の流線形状が、第２のノズルから噴射される固化材液の噴流に比較して狭く絞り込まれ、その到達距離がより長くなるように設定されていることを特徴とする噴射装置。
   
   
   

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