JPH0579277A - 岩盤固結工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 得られる発泡硬化体が難燃性で、しかもどの
ような岩盤に対しても均一な固結領域を形成することの
できる岩盤固結工法を提供する。 【構成】 岩盤内に穿設された孔２２内に、ロツクボル
トを位置決めし、このロツクボルト内に、水および尿素
類を主成分とするＡ液と、イソシアネートプレポリマー
を主成分とするＢ液とを組み合わせてなる岩盤固結用薬
液を圧入し、上記孔２２内にこの薬液を充満させ岩盤に
浸透させた状態で硬化させることによつて岩盤固結を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、軟弱な岩盤等を堅固
な岩盤に改善する岩盤固結工法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、軟弱な岩盤（地盤も含む）に
穴を開けてトンネル工事を行う場合、トンネル切羽の天
盤の落下防止のために、トンネル切羽先端の天盤部に、
天盤のアーチに沿つて孔を穿設し、この孔内に、硬化時
間が１〜５分である二液硬化型の薬液を注入して岩盤に
浸透させ硬化させることにより強化することが行われて
いる。しかしながら、上記岩盤固結工法では、樹脂の硬
化までに長い時間を要するため、樹脂の浸透領域が大き
くなり、樹脂の使用量が多くなるとともに樹脂の圧入時
間も長くなることが問題となつていた。そこで、本出願
人は、岩盤に穿設された孔内に、先端側に薬液吐出孔を
有するロツクボルトを根元まで挿入した状態で位置決め
し、そのロツクボルト内に、二液混合後の硬化時間が５
〜３０秒の二液型発泡ウレタン樹脂からなる岩盤固結用
薬液を圧入し、上記孔内に岩盤固結用薬液を充満させた
のち岩盤に浸透させ、上記孔内にロツクボルトを残した
状態で上記孔内に充満し岩盤に浸透した薬液を硬化させ
ることにより岩盤固結を行う方法を開発し、すでに出願
している（特願昭６１−１３０５３１号、いわゆる「Ｐ
Ｕ−ＩＦ工法」）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の工法に用いられる薬液は、いずれも、ポリオールを主
体とするＡ液と、ポリイソシアネートを主体とするＢ液
とを組み合わせ、ポリオールの−ＯＨとポリイソシアネ
ートの−ＮＣＯとを反応させて発泡ウレタン樹脂を生成
するよう構成されたものであり、この発泡ウレタン樹脂
が燃えやすいため、作業環境の安全確保の観点から、難
燃性のものが望まれている。そこで、Ａ液として水ガラ
ス水溶液と硬化用のポリオールとを用い、Ｂ液としてポ
リイソシアネートを用いることにより、不燃性の水ガラ
スを硬化体中に分散含有させ硬化体に難燃性を与える方
法が提案されている（特開昭５５−１６００７９号公
報）。しかし、この方法の薬液は、従来の、水ガラスを
含有しない薬液に比べて二液混合時の粘度が著しく大き
く、発泡性もやや劣る。このため、岩盤に浸透する際の
抵抗が非常に大きくなり、隙間の多い部位への浸透は行
われるものの、隙間の少ない緻密な部位には浸透せず、
浸透領域に偏りが生じることが問題となつている。ま
た、その浸透に非常に時間がかかるという問題も有す
る。そこで、緻密な部位を含む岩盤への薬液注入時に
は、薬液吐出圧をより高く設定することも行われている
が、このようにすると、改良しようとする地盤を乱し崩
壊を招くおそれがあり、好ましくない。

【０００４】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、得られる発泡硬化体が難燃性で、緻密な岩盤
内にもすばやく浸透してどのような岩盤に対しても均一
な固結領域を形成することのできる岩盤固結工法の提供
をその目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明の岩盤固結工法は、岩盤に穿設された孔内
に、先端側に薬液吐出孔を有するロツクボルトを位置決
めし、このロツクボルト内に岩盤固結用薬液を圧入して
上記孔内に岩盤固結用薬液を充満させたのち岩盤に浸透
させ、この岩盤固結用薬液を硬化させることにより岩盤
固結を行う方法であつて、上記岩盤固結用薬液として、
水および尿素類を主成分とするＡ液と、イソシアネート
プレポリマーを主成分とするＢ液とを組み合わせた二液
発泡ウレタン樹脂を使用するという構成をとる。

【０００６】なお、この発明において、「主成分とす
る」とは、全体が主成分のみからなる場合も含める趣旨
である。

【０００７】

【作用】すなわち、本発明者らは、得られる発泡硬化体
が難燃性で、しかも岩盤の粗密に係わらず均一な固結領
域を形成しうる岩盤固結工法を確立するには、難燃剤を
含み、それでいて低粘度であるような岩盤固結用薬液の
開発が必要であるとの立場から一連の研究を行つた。そ
の結果、二液硬化型ウレタン樹脂を形成するＢ液の主成
分として、単なるポリイソシアネートではなく、イソシ
アネートプレポリマーを用いるようにすると、Ａ液とし
てエチレングリコール等のポリオールを使用しなくて
も、水と触媒だけで、上記プレポリマーの−ＮＣＯが水
の−ＯＨと反応して硬化することがわかつた。したがつ
て、Ａ液の主成分として、水と難燃剤である尿素類を用
いると、Ｂ液との混合時に非常に粘度が低くて浸透性に
優れ、しかも難燃性で作業時の安全性を確保することの
できる薬液となることを見いだしこの発明に到達した。

【０００８】つぎに、この発明を詳細に説明する。

【０００９】この発明に用いる岩盤固結用薬液は、水お
よび尿素類を主成分とするＡ液と、イソシアネートプレ
ポリマーを主成分とするＢ液とを組み合わせてなるもの
である。

【００１０】上記Ａ液に用いられる尿素類としては、尿
素および各種の尿素誘導体，尿素変性体等をあげること
ができる。これらの尿素類は不燃性であるため、二液混
合後に発泡硬化体中に分散含有されることによつて、発
泡硬化体に難燃性を付与する。また、発泡硬化体に対し
増量作用を有する。そして、発泡性を損なうこともな
い。

【００１１】また、Ａ液には、水および尿素類ととも
に、通常、触媒が配合されるが、このような触媒として
は、トリエチレンジアミン、トリエチルアミン、エタノ
ールアミン、ジエタノールアミン、ジメチルエタノール
アミン等の脂肪族アミンや、２，４，６−トリス（ジメ
チルアミノメチル）フエノール−Ｎ，Ｎ，Ｎ′，Ｎ′−
テトラメチルメタンジアミン、エチレンジアミン、４，
４′−ジアミノジフエニルアミン等の芳香族アミンと、
ジブチル錫ビラウレート，オクチル酸錫，塩化第二錫，
オクテン酸鉛，ナフテン酸鉛等の有機金属系触媒との併
用があげられる。そして、なかでも、２，４，６−トリ
ス（ジメチルアミノメチル）フエノール−Ｎ，Ｎ，
Ｎ′，Ｎ′−テトラメチルメタンジアミンが好適であ
る。

【００１２】なお、Ａ液全体に対し、水は４８〜６４重
量％（以下「％」と略す）含有させるようにし、尿素類
は２０〜４０％含有させるようにすることが好適であ
る。水が４８％より少ないと尿素類が溶解せず液の分離
を引き起こし、逆に水が６４％を超えると尿素類の割合
が低下し難燃性の効果が得られにくいからである。

【００１３】一方、Ｂ液の主成分であるイソシアネート
プレポリマーは、一般に、ポリイソシアネート成分とポ
リオール成分とを部分的に重合して得られるもので、ど
のようなものを用いても差し支えはないが、なかでも、
ポリイソシアネート成分としてジフエニルメタン−４，
４′−ジイソシアネート（以下「ＭＤＩ」と略す）およ
びトリレンジイソシアネート（以下「ＴＤＩ」と略す）
を用い、ポリオール成分としてポリエチレングリコール
（以下「ＰＥＧ」と略す）およびポリプロピレングリコ
ール（以下「ＰＰＧ」と略す）を用いて得られるプレポ
リマーが好適である。

【００１４】上記ＭＤＩは、得られる硬化体を硬くする
作用を有し、Ｂ液全体に対し、７０〜８０％配合するこ
とが好適である。ただし、上記ＭＤＩには、ピユアＭＤ
Ｉ（ＭＤＩ−Ｐ）と、ポリメリツクＭＤＩ（ＭＤＩ−Ｐ
Ｍ）の２種類があり、硬化体の硬さを高める観点からは
ＭＤＩ−Ｐのみを用いることが好ましいが、コストとの
兼ね合いからＭＤＩ−ＰとＭＤＩ−ＰＭとを併用するこ
とが実用的である。両者の使用割合は、ＭＤＩ−Ｐを１
とすると、ＭＤＩ−ＰＭを１．５〜２の割合に設定する
ことが好適である。

【００１５】また、上記ＭＤＩとともに用いられるＴＤ
Ｉは、硬化反応時の発泡力を高める作用を有し、Ｂ液全
体に対し、５〜１０％配合することが好適である。

【００１６】さらに、上記ＰＥＧは、上記ＭＤＩ同士，
あるいはＭＤＩとＴＤＩ，あるいはＴＤＩ同士を連結す
るものであつて、特に得られるプレポリマーの−ＮＣＯ
が水と反応しやすい環境を作る作用を有する。ただし、
ポリオール成分としてＰＥＧのみを用いると、二液混合
時の発泡性が乏しいため、上記ＰＥＧとともにＰＰＧを
用いて、二液混合時の発泡性を補うようにする。

【００１７】なお、上記ＰＥＧおよびＰＰＧの使用割合
は、ＰＥＧ（分子量１０００）を１モルとすると、ＰＰ
Ｇ（ジオール，分子量４００）を０．６〜０．７モルの
割合に設定することが好適であり、ＮＣＯ％を１４〜１
６％にすることが好適である。

【００１８】また、上記Ｂ液には、必要に応じて、トリ
クロロモノフルオロメタン，メチレンクロライド等やペ
ンタン等の不活性溶剤からなる発泡助剤を配合すること
が考えられるが、作業者の安全性確保の観点から、その
使用は最少限に止めるべきである。

【００１９】このようにして得られたＢ液は、粘度が１
００〜２００ｃｐｓ（２５℃）の溶液である。

【００２０】この発明に用いる岩盤固結用薬液は、前記
Ａ液と上記Ｂ液を組み合わせたもので、使用時に両者は
混合される。両者の混合割合は、Ａ：Ｂが１：１〜１：
３となるよう設定することが好適である。上記の範囲外
では、良好な岩盤固結効果が得られない。

【００２１】この発明の岩盤固結工法は、上記Ａ液，Ｂ
液からなる岩盤固結用薬液を用い、例えばつぎのように
して岩盤固結を行うものである。すなわち、まず、薬液
圧入に先立ち、トンネル切羽先端の天蓋部８に、天蓋に
沿つて所定間隔で、図１に示すように、ジヤンボドリル
等の削岩機２１によつて孔２２を穿設する（水平面から
上向きに１０〜２０°の角度に穿設することが好まし
い）。そして、上記孔２２内に、図２に示す中空パイプ
状のロツクボルトを挿入する。このロツクボルトは、先
端閉鎖型中空パイプからなるパツカー部１と、中空のロ
ツクボルト本体２とを、ねじ継手３で連結してなり、外
径２７mm，内径１４mmで全長Ａが略３ｍ、パツカー部１
の長さＢが１ｍ、ロツクボルト本体２の長さＣが２ｍに
設定されている。そして、上記パツカー部１の先端部の
外周に直径５mmの薬液吐出孔４が１０個形成されてい
る。なお、パツカー部１内には、静止ミキサー５が、そ
の根元側リング部６をパツカー部１内の段部１ａに固定
した状態で挿入されている。また、７は逆止弁付継手
で、通常は除かれており薬液注入時にら合される。つぎ
に、孔２２に挿入されたロツクボルトのロツクボルト本
体２の後端に、図３に示すように、打ち込み用アダプタ
ー２３を取り付けて削岩機，コールビツク２４等で打ち
込み、ついで打ち込まれたロツクボルトの後端に、図４
に示すように逆止弁付継手２５を取り付け、これに、接
続ユニツト１０付ホース１１を、その接続ユニツト１０
を逆止弁付継手２５にワンタツチで装着することにより
取り付ける。ついで、そのホース１１から、この発明の
岩盤固結用薬液であるＡ液およびＢ液をロツクボルト内
に３〜１０kg／cm² の圧力で圧入する。このようにして
圧入されたＡ液およびＢ液は、ねじ継手３までは互いに
層流状態で到達し、パツカー部１に到達した以降は、静
止ミキサー５（図２参照）により混合され、その状態で
ロツクボルト先端の薬液吐出孔４から吐出される。この
場合、最初に吐出された混合液は、孔２２の奥側から手
前開口に向かつて流れ、開口から流出する。これを防止
するため、岩盤固結用薬液を圧入する前に発泡硬化型の
ウレタン系薬液をウエス等４０に塗布し、図１２に示す
ように、開口近傍に押し込んでシールしておくことが好
ましい。そして、上記吐出された混合液が周辺地山にゆ
きわたり完全に硬化すると、ウレタン圧入ポンプの圧力
が急に高くなるため、薬液の圧入を停止し、接続ユニツ
ト１０を外す。このようにしてロツクボルトが孔２２内
に固定され、かつ孔２２の周囲の岩盤（地山）が硬化樹
脂で固結される（図５）。このようにして岩盤固結が行
われる。２６は得られた固結領域である。その結果、図
６に示すように、複数のロツクボルトとそれぞれの周囲
の固結領域２６との相乗効果により天蓋部８全体の補強
が行われる。なお、この工法においては、薬液の粘度が
従来よりも低く、浸透性が高いため、従来よりも薬液を
短時間で浸透させることができる。あるいは、薬液圧入
の圧力を従来より低く設定しても、従来と同様の圧入時
間で充分な浸透領域を形成することができる。

【００２２】また、この発明では、図７および図８に示
す自穿孔タイプのロツクボルトを使用して薬液圧入を行
うことができる。このロツクボルトは、パツカー部１お
よびロツクボルト本体２をねじ継手で連結することによ
り構成されているが、パツカー部１の先端が開放されて
おり、この開放部にドリル部（図８参照）１３を嵌合し
て構成されている。このドリル部１３は、先端の端面に
４枚の刃１４が円周方向に９０°間隔で設けられてお
り、端面の中央部に中心孔１５が形成されているととも
に、刃と刃の間にそれぞれ外周孔１６が形成されてい
る。なお、逆止弁付継手は、薬液圧入時にロツクボルト
本体２の後端にねじ結合される。上記ロツクボルトを用
いて薬液を圧入するときは、図９に示すように、ロツク
ボルトを削岩機２８にドリルとして取り付け、孔穿設時
に、水（エアー）供給配管２９からロツクボルト内に水
等を圧入してロツクボルトの刃が削り出す土，砂等を、
孔２２の外部に排出しながら孔２２の穿孔を行う。この
ように、ロツクボルトをドリルとして使用して孔を形成
し、その孔の中にロツクボルトを残し、ついでロツクボ
ルト後端に逆止弁付継手２５を接続し、図１０に示すよ
うに、接続ユニツト１０付ホース１１をワンタツチで接
続し、岩盤固結用薬液のＡ液およびＢ液を注入し、ロツ
クボルト先端の刃部に設けられた中心孔１５，外周孔１
６から吐出させ、打ち込みタイプと同様にして岩盤固結
（図１１参照）を行う。このようにして、天蓋部８のア
ーチに沿つて所定間隔でロツクボルトが打ち込まれ、そ
の周囲にウレタン樹脂による固結領域２６が形成され天
蓋部８の補強がなされる。

【００２３】このようにして得られた固結領域２６は、
細部まで、岩盤固結用薬液による固結がゆきわたつてお
り、岩盤の粗密にかかわらず均一な固結がなされてい
る。そして、固結領域２６の発泡硬化体は、尿素類の存
在によつて難燃性が付与されており、強度も高い。

【００２４】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００２５】

【実施例１〜４、比較例１，２】まず、下記の表１に示
すような組成で４種類のＡ液をつくつた。

【００２６】

【表１】 ＊１：２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フ
エノール−Ｎ，Ｎ，Ｎ′，Ｎ′−テトラメチルメタンジ
アミンとジブチルチンジラウリレートとを１：６の割合
で配合した。 ＊２：Ｂ型粘度計によつて、２５℃における粘度を測定
した。

【００２７】一方、下記の組成のＢ−１液を調製した。 ＜Ｂ−１液の組成＞ ＴＤＩ−８０ ７．４重量部 ＭＤＩ−Ｐ １４．８〃 ＭＤＩ−ＰＭ １６０ 〃 ＰＥＧ ９．６〃 ＰＰＧ ８．２〃 ＴＭＰ ２ 〃

【００２８】また、下記の組成のＢ−２液を調製した。 ＜Ｂ−２液の組成＞ ＴＤＩ−８０ ６０重量部 ＭＤＩ−Ｐ ４０〃 ＭＤＩ−ＰＭ １００〃

【００２９】そして、上記Ｂ−１液，Ｂ−２液と、前記
４種類のＡ液とを、１：１の割合で下記の表２に示す組
み合わせで混合し、その浸透性，硬化時間，硬化体の強
度，発泡性，難燃性を評価した。ただし、浸透性は、下
記の簡易試験法に従つて測定した。また、難燃性は、Ｊ
ＩＳ Ａ ９５１４法に従つて測定した。そして、これ
らの結果を下記の表２に示す。

【００３０】＜浸透性の測定＞図１３に示すように、ガ
ラス管５１の底部開口をガーゼ５２で塞いだカラムに４
号珪砂５３を１６０ｇ詰め、珪砂５３の深さＤを２２cm
にした。そして、上記混合液サンプル５０ｇを、この上
から注入し、液が浸透しガラス管５１の底のガーゼ５２
に到達する時間を測定した。

【００３１】

【表２】

【００３２】上記の結果から、実施例はいずれ
も、得られる発泡硬化体の難燃性および硬化体強度に優
れ、しかも、比較例に比べ優れた浸透性を有しているこ
とがわかる。また、発泡性も良好である。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、この発明の岩盤固結工法
は、Ａ液の主成分として、水と、低分子量である尿素類
を用いているため、薬液全体の粘度が低く、浸透性に優
れている。したがつて、この岩盤固結用薬液を用いるこ
とにより、岩盤組織が緻密で従来の薬液では充分に浸透
していけなかつた部位のすみずみまで薬液を浸透させる
ことができ、均一な固結領域を形成することができる。
そして、この固結領域は、上記尿素類の存在によつて、
難燃性で強固となる。また、上記薬液は安価であるた
め、工法自体にかかるコストも低く抑えることができる
という利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】岩盤に孔を穿設する説明図である。

【図２】この発明の岩盤固結用薬液の圧入に用いる打ち
込みタイプのロツクボルトの縦断面図である。

【図３】薬液の圧入方法の説明図である。

【図４】薬液の圧入方法の説明図である。

【図５】薬液の圧入方法の説明図である。

【図６】薬液圧入による施工後の天蓋部を眺めた状態図
である。

【図７】自穿孔タイプのロツクボルトの縦断面図であ
る。

【図８】上記ロツクボルトの要部拡大図である。

【図９】薬液の圧入方法の説明図である。

【図１０】薬液の圧入方法の説明図である。

【図１１】薬液の圧入方法の説明図である。

【図１２】薬液の圧入方法の説明図である。

【図１３】浸透性の簡易試験法の説明図である。

【符号の説明】

２６ 固結領域

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 岩盤に穿設された孔内に、先端側に薬液
   吐出孔を有するロツクボルトを位置決めし、このロツク
   ボルト内に岩盤固結用薬液を圧入して上記孔内に岩盤固
   結用薬液を充満させたのち岩盤に浸透させ、この岩盤固
   結用薬液を硬化させることにより岩盤固結を行う方法で
   あつて、上記岩盤固結用薬液として、水および尿素類を
   主成分とするＡ液と、イソシアネートプレポリマーを主
   成分とするＢ液とを組み合わせた二液発泡ウレタン樹脂
   を使用することを特徴とする岩盤固結工法。
2. 【請求項２】 上記Ａ液全体に対する水の含有量が４８
   〜６４重量％に設定され、同じく尿素類の含有量が２０
   〜４０重量％に設定されている請求項１記載の岩盤固結
   用薬液。
3. 【請求項３】 上記Ａ液とＢ液の混合割合が、Ａ液：Ｂ
   液＝１：１〜１：３に設定されている請求項１〜３のい
   ずれか一項に記載の岩盤固結用薬液。
4. 【請求項４】 上記Ｂ液のイソシアネートプレポリマー
   が、下記の（Ａ）〜（Ｄ）成分を触媒の存在下で反応さ
   せてなるものである請求項１〜３のいずれか一項に記載
   の岩盤固結工法。 （Ａ）ジフエニルメタン−４，４′−ジイソシアネー
   ト。 （Ｂ）トリレンジイソシアネート。 （Ｃ）ポリエチレングリコール。 （Ｄ）ポリプロピレングリコール。