JP7470936B2 - 高圧噴射攪拌工法で用いる噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧噴射攪拌工法で用いる噴射装置（先端モニター）と、これを用いた高圧噴射攪拌工法に関するものである。

高圧噴射攪拌工法では、ロッドの先端に噴射装置を装着し、ロッドを回転または揺動させつつ地盤中に硬化材を高圧で噴射することにより、地盤改良体を造成する。従来の高圧噴射攪拌工法は、硬化材噴流の噴射距離を伸ばし、かつ、地盤切削効果を持たせるために、液状の硬化材を圧縮空気で抱合して噴射している。このように空気抱合して硬化材を噴射する場合、施工方向（削孔および造成の方向）は、鉛直方向が基本で、斜め方向では傾斜角１０度程度が限界であった。

一方で、水平方向にも適用可能な高圧噴射攪拌工法の開発が長年のあいだ強く望まれていた。このような要求に鑑み、本願出願人らによって水平方向での施工を可能にする高圧噴射攪拌工法が開発された。

図６に高圧噴射攪拌工法の水平方向の施工工程の一例を示す。
図６の（ａ）～（ｄ）の各工程の概要は次のとおりである。

（ａ）坑口に口元管を取り付けて、養生を行う。
（ｂ）削孔・造成兼用の施工マシンを据え付け、ロッド（多孔管）の先端に噴射装置を装着し、ロッドを継ぎ足しながら計画距離まで削孔を行う。
（ｃ）所定の引抜き速度と揺動角度を維持し、ロッドを引抜きながら地盤改良体の造成を行う。
（ｄ）１ストローク造成後、ロッドを切断し回収する。そして、（ｃ）（ｄ）の作業を順次繰返し、計画造成長の施工を行う。

しかしながら、硬化材を圧縮空気で抱合して噴射する従来の高圧噴射攪拌工法を水平方向の施工に適用した場合には、地盤中に空気溜まりができてしまうため、円柱状（断面円形）の地盤改良体の造成は不可能であった。すなわち、圧縮空気を使用して水平方向で地盤改良体を造成する方法では、下向き180度（断面半円形）までの地盤改良体の造成のみ可能であった。

そのため、前述した空気抱合の弊害を除去し、水平方向を含むあらゆる方向で円柱状（断面円形）の地盤改良体の造成を可能にする高圧噴射攪拌工法の開発が依然として強く望まれていた。

そこで、上述した従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、水平方向を含むあらゆる方向に円柱状（断面円形）の地盤改良体を造成することを可能にする噴射装置とこれを用いた高圧噴射攪拌工法を提供することにある。

上記目的は、
液状の噴射材からなるメインジェットを噴射するためのメインノズルと、
前記メインノズルの周囲に設けられ、液状の噴射材からなるサブジェットを噴射するための複数のサブノズルと、を有する高圧噴射攪拌工法用の噴射装置であって、
前記サブノズルから噴射されたサブジェットの中心が、前記メインノズルから噴射されたメインジェットの中心に対し予め定めた位置で交わるように、前記メインノズル及び前記サブノズルが設けられている、ことを特徴とする噴射装置によって達成される。

上記噴射装置を直径Ｄの地盤改良体の造成に用いる場合には、メインジェットとサブジェットの組み合わせからなるジェットの切削幅が、噴射装置からの距離がＤ*1/2で最大となるように、前記メインノズル及び前記サブノズルが設けられている。

上記噴射装置には、例えば、メインノズルの周囲に４つサブノズルが等間隔で設けられており、
噴射装置を用いて直径２ｍの地盤改良体を造成する場合に、サブノズルから噴射されたサブジェットの中心が、メインノズルから噴射されたメインジェットの中心に対し噴射装置から１．２ｍ離れた位置で交わるように、前記メインノズル及び前記サブノズルが設けられているとともに、
メインジェットとサブジェットの組み合わせからなるジェットの切削幅が、噴射装置から距離１ｍで最大となるように、前記メインノズル及び前記サブノズルが設けられている。

また、前述した目的は、
ロッドの先端に噴射装置を装着して目標深度まで削孔する工程と、
前記ロッドを引抜きつつ該ロッドを回転又は揺動させながら、メインノズルから液状改良材として高圧のセメントミルクを噴射するとともに、サブノズルから液状改良材として高圧の水または珪酸溶液を噴射する工程と、
を含む高圧噴射攪拌工法によって達成される。

本発明に係る噴射装置は、メインノズルと複数のサブノズルを備えている。そして、サブノズルから噴射されたサブジェットの中心（仮想の中心軸）が、メインノズルから噴射されたメインジェットの中心（仮想の中心軸）に対し予め定めた位置で交わるように、メインノズル及びサブノズルが設けられている。すなわち、図２に示すように、メインジェットの中心に対しサブジェットの中心が近寄るようにメインノズルとサブノズルがそれぞれ配置されている。
これにより、メインジェットとサブジェットの交点（図２のＣ－Ｃ断面の位置）の手前に、これらのジェットが結合して切削幅が最大となる位置（図２のＢ－Ｂ断面の位置）を創り出すことができる。ここでいう切削幅とは、メインジェットとサブジェットが（隙間を隔てることなく）組み合わさって一体化した状態で地盤を切削する位置の幅を意味する。

また、本発明の噴射装置を用いて直径Ｄの地盤改良体を造成する場合には、メインジェットとサブジェットの組み合わせからなるジェット（以下「組合せジェット」という」）の切削幅が、噴射装置からの距離がＤ*1/2で最大となるように、メインノズルとサブノズルが設けられる。
すなわち、改良径Ｄの施工の場合に、噴射装置からの距離が[Ｄ*1/2]の位置において、組合せジェットの切削幅が最大となるように設定されている。
これにより、組合せジェットが改良径Ｄに到達する地点で切削幅が最大となるので、ロッドの引抜き速度を速くすることが可能になる。

本発明に係る噴射装置を示す正面図と側面図である。 本発明に係る噴射装置が具備する複数のノズルから噴射されたジェット（メインジェット、サブジェット）を示す側面図と、異なる位置での複数のジェットの断面を示す断面図である。 本発明に係る噴射装置が具備する複数のノズルの取り付け角度等のレイアウトの一例を示す側面図である。 本発明に係る噴射装置を用いた高圧噴射攪拌工法であって、水平方向の施工を示す工程図である。 本発明に係る噴射装置を用いた高圧噴射攪拌工法であって、水平方向の施工の様子を示す断面図である。 従来の高圧噴射攪拌工法であって、水平方向の施工を示す工程図である。

（噴射装置の構成）
はじめに、図１～図３に基づいて、噴射装置（先端モニター）の構成について説明する。本実施形態の噴射装置１は、高圧噴射攪拌工法においてロッド先端に先着して用いる装置である。

この噴射装置１は、図１に示すように、
・液状の噴射材を高圧で噴射するメインノズル３（中心ノズル）と、
・液状の噴射材を高圧で噴射する複数のサブノズル５（周囲ノズル）と、
・メインノズル３に向けてセメントミルクなどの液状噴射材を圧送するための流路７と、
・サブノズル５に向けて水などの液状噴射材を圧送するための流路９を
有している。

また、噴射装置１は、その先端に図示しない掘削ビットを備えている。

本実施形態では、サブノズル５は四つ設けられ、メインノズル３を取り囲むようにその周囲に等間隔で設けられている。具体的には、メインノズル３を中心に、サブノズル５を、１２時、３時、６時、９時の位置に配置している。

メインノズル３からは、改良体造成工程において、例えば液状噴射材として高圧のセメントミルクを噴射する。この出願では、メインノズル３から噴射された液状噴射材からなるジェット（噴流）を「メインジェット」という。メインジェットは、改良体造成時に地盤を切削する役割と、噴射材（セメントミルクなど）を地盤と攪拌混合する役割を担っている。

サブノズル５からは、改良体造成工程において、例えば液状噴射材として高圧の水または珪酸溶液を噴射する。この出願では、サブノズルから噴射された液状噴射材からなるジェット（噴流）を「サブジェット」という。サブジェットは、改良体造成時に地盤を切削する役割と、噴射材（セメントミルクなど）を地盤と攪拌混合する役割を担っている。

なお、本実施形態では、メインノズル３、サブノズル５は、いずれも、空気抱合することなく液状噴射材を高圧で噴射する。すなわち、空気抱合して液状噴射材を噴射する態様は本実施形態から除かれている。したがって、空気抱合を利用する従来の高圧噴射攪拌工法用の噴射装置とはこの点で大きく相違する。

メインノズル３とサブノズル５から液状噴射材を高圧で噴射する様子を図２に示す。

図２の上に示す側面図では、メインジェットＭＪ、サブジェットＳＪの中心軸（仮想の中心線）を破線で示している。メインジェットＭＪ、サブジェットＳＪは、ぞれぞれ、ノズル３，５から離れるにつれて徐々にその断面サイズが拡大している。すなわちラッパ状に拡径している。

図２に示すように本実施形態では、サブノズル５から噴射されたサブジェットＳＪの（仮想の中心線）が、メインノズル３から噴射されたメインジェットＭＪの中心軸（仮想の中心線）に対し予め定めた位置で交わるように、メインノズル３とサブノズル５が設置されている。すなわち、メインジェットＭＪに対しサブジェットＳＪが寄っていくように、各ノズルから液状噴射材を高圧噴射している。メインジェットＭＪに対しサブジェットＳＪが寄っていくように噴射することで、メインジェットをカバーしつつ、より大きなキャビテーション効果が得られる。

上記の如くメインジェットＭＪに対しサブジェットＳＪが近寄る様に高圧噴射すると、サブジェットＳＪはメインジェットＭＪとの間隔を徐々に狭めながらメインジェットに近づき（Ａ－Ａ断面）、やがて、サブジェット３１の外縁部がメインジェット５１の外縁部に接して、これらのジェットが一体化し（Ｂ－Ｂ断面）、さらにその先で、メインジェット、サブジェットの中心軸が交わるようになっている（Ｃ－Ｃ断面）。

この場合、メインジェットＭＪとサブジェットＳＪの組み合わせからなるジェット（組合せジェット）の切削幅は、図２のＢ－Ｂ断面の位置で最大となる。すなわち、Ｂ－Ｂ断面の位置では、サブジェットＳＪの外縁部がメインジェットＭＪの外縁部に接してこれらのジェットが一体化し、この位置で切削幅が最大となっている。

なお、メインジェットＭＪ、サブジェットＳＪの中心軸が交わる位置では、図２のＣ－Ｃ断面に示すように、メインジェットＭＪに対しサブジェットＳＪが同心状に重合するため、切削幅はＢ－Ｂ断面の位置よりも小さくなる。

したがって、切削幅が最大となるＢ－Ｂ断面の位置を、設計改良径の外縁に合わせることで、（切削幅が最大限確保されるため）地盤改良体造成時の噴射装置の引抜き速度を早くすることができる。これにより、施工速度が速まり、効率的な施工が可能となる。

（設計改良径Ｄの施工に用いる場合の噴射装置の具体的構成）
次に、設計改良径Ｄの地盤改良に本実施形態の噴射装置を用いる場合について説明する。

本実施形態の噴射装置を用いて、直径Ｄの円柱状の地盤改良体を造成する場合には、メインジェットＭＪとサブジェットＳＪの組み合わせからなるジェット（組合せジェット）の切削幅が、噴射装置からの距離が[Ｄx1/2]で最大となるように、メインノズル３とサブノズル５を設ける。

例えば、噴射装置１を用いて直径Ｄ＝２ｍの地盤改良体を造成する場合には、組合せジェットの切削幅が最大となる位置（図２のＢ－Ｂ断面の位置）が、噴射装置から１ｍ（=Ｄx1/2）の位置となるように、メインノズル３とサブノズル５を設置する。

また、上記の事例（直径Ｄ＝２ｍの地盤改良体）の場合には、サブノズル５から噴射されたサブジェットＳＪの中心軸が、メインノズル３から噴射されたメインジェットＭＪの中心軸に対し噴射装置から１．２ｍ離れた位置で交わるように、メインノズルとサブノズルを設ける。

この場合、メインノズル３とサブノズル５は、図３に示すように、２２ｍｍ離して設置する。

また、メインノズル３は、噴射装置１の中心軸に対してメインジェットＭＪの中心軸が直交するように、当該ノズルを設置する。

さらに、サブノズル５は、図３に示すように、メインジェットＭＪの中心軸に対してサブジェットＳＪの中心軸がおよそ１．０５°傾斜するように、当該ノズルを設置する。すなわち、メインジェットＭＪの中心軸に対するサブジェットＳＪの中心軸の傾斜角度θは、およそ１．０５°に設定される。

サブジェットＳＪの初速度は、メインジェットＭＪの初速度のおよそ２割増しに設定する。

なお、メインジェットとサブジェットの合計流量２００Ｌ／分を、仮に１つのノズルから噴射すると仮定した場合、目標とする１ｍの距離での噴流の切削幅は約φ１０ｃｍとなる。
これに対し、本実施形態に従って、メインジェットの流量を１００Ｌ／分、サブジェットの流量を２５Ｌ／分×４ノズルで噴射すると、目標とする１ｍの距離での噴流（組合せジェット）の切削幅は約φ２０ｃｍとなる。
したがって、前者に比べると、後者の本実施形態の方が、引上げ速度を１．８倍程度早くできる。

（噴射装置を用いた高圧噴射攪拌工法）
次に、図４、図５に基づいて、上記構成の噴射装置１を用いて水平方向に高圧噴射攪拌工法を実施する場合について説明する。

図４の（ａ）～（ｄ）の各工程の概要は次のとおりである。

（ａ）坑口に口元管１３を取り付けて、養生を行う。

（ｂ）削孔・造成兼用の施工マシン１５を据え付け、複数の流路を備えたロッド１７（多孔管）の先端に噴射装置１を装着し、ロッドを継ぎ足しながら計画距離まで水平方向に削孔を行う。

（ｃ） 噴射装置１が目標深度まで達したら造成工程を開始する。本実施形態では、円柱状の地盤改良体を水平方向に造成する。
この造成工程では、ロッド１７を水平方向に引抜きつつ該ロッドを回転又は３６０°揺動させながら、メインノズルから液状噴射材として高圧のセメントミルクを噴射するとともに、サブノズルから液状噴射材として高圧の水を噴射する。
メインジェットとサブジェットで地盤を切削することで発生した排泥は、図５に示すように噴射装置１が備える排泥口２１の中に強制的に吸引し、ロッド１７や排泥排出管１９を介して地表へ移送する。

（ｄ）１ストローク分の造成後、ロッド１７を切断し回収する。

上記（ｃ）（ｄ）の作業を順次繰返し、計画造成長の施工を行う。

上述した実施形態では、メインノズルからはセメントミルクを噴射し、サブノズルからは水を噴射している。したがって、改良体造成時の水セメント比（W/C）を、サブノズルから調整することができる。

なお、上述した実施形態では、メインノズルからはセメントミルクを噴射し、サブノズルからは水を噴射しているが、サブノズルから噴射する液状噴射材は水に限らず、珪酸溶液を噴射してもよい。すなわち、水平方向で円柱状の地盤造成体を造成することや、切削幅を大きくすることは、経済的なメリットにつながるが、施工箇所においての沈下が懸念される。そこで、水平方向で施工する場合の沈下対策として、サブノズルからは珪酸溶液（例えば濃度40％）を噴射し、硬化時間を早めるようにしてもよい。

１ 噴射装置（先端モニター）
３ メインノズル（中心ノズル）
５ サブノズル（周囲ノズル）
７ 流路
９ 流路
１３ 口元管
１５ 施工マシン
１７ ロッド（多孔管）
１９ 排泥排出管
２１ 排泥口
ＭＪ メインジェット（液状噴射材からなる噴流）
ＳＪ サブジェット（液状噴射材からなる噴流）

Claims (2)

1. 高圧噴射攪拌工法で用いられ、空気抱合することなく液状の噴射材を噴射する噴射装置であって、
   液状の噴射材からなるメインジェットを噴射するためのメインノズルと、
   前記メインノズルの周囲に設けられ、液状の噴射材からなるサブジェットを噴射するための複数のサブノズルと、を有しており、
   前記サブノズルから噴射されたサブジェットの中心が、前記メインノズルから噴射されたメインジェットの中心に対し予め定めた位置で交わるように、前記メインノズル及び前記サブノズルが設けられており、
   前記メインノズルの周囲に、４つのサブノズルが等間隔で設けられており、
   前記噴射装置を用いて直径２ｍの地盤改良体を造成する場合に、サブノズルから噴射されたサブジェットの中心が、メインノズルから噴射されたメインジェットの中心に対し噴射装置から１．２ｍ離れた位置で交わるように、前記メインノズル及び前記サブノズルが設けられているとともに、
   メインジェットとサブジェットの組み合わせからなるジェットの切削幅が、噴射装置から距離１ｍで最大となるように、前記メインノズル及び前記サブノズルが設けられている、ことを特徴とする高圧噴射攪拌工法で用いる噴射装置。
2. 請求項１に記載の噴射装置を用いた高圧噴射攪拌工法であって、
   ロッドの先端に噴射装置を装着して目標深度まで削孔する工程と、
   前記ロッドを引抜きつつ該ロッドを回転又は揺動させながら、空気抱合することなく液状改良材を噴射し、その際、メインノズルから液状改良材として高圧のセメントミルクを噴射するとともに、サブノズルから液状改良材として高圧の水または珪酸溶液を噴射する工程と、
   を含むことを特徴とする高圧噴射攪拌工法。