JP7028566B2 - 減水地山改良材、及び地山安定化工法 - Google Patents

Description

本発明は、減水地山改良材、及び地山安定化工法に関する。

従来、例えば山岳トンネル等で不安定岩盤や地盤の安定強化を行う際に、ウレタン系シリカレジンによる注入材が用いられていることが知られている。この場合、多量の湧水がある場合に、注入材が水とともに流出してしまい、減水効果が期待できない。

これに対して止水・減水を目的とした注入材として、例えば、特許文献１には、ポリオールおよび／または有機ポリアミン化合物、有機ポリイソシアネート化合物ならびに水からなる土質などの安定化用注入薬液組成物が開示されている。しかし、特許文献１に記載の該薬液組成物は、発泡倍率が高いことから、十分な強度を有しておらず、大量の漏水や湧水に対しては、完全に止水をすることが難しいこともあり得た。

一方、多量の漏水や湧水に対して、これらを長期的に止水する注入材としては、例えば特許文献２に示すような、ポリオールがポリエーテルポリオールを含有するものであり、アミン化合物が一級または二級アミノ基を有するアミン化合物を含有する注入薬液組成物が開示されている。この場合、多量の漏水や湧水を止水することができる十分な強度を有し、水と触れた際の白濁がなく、環境に悪影響を与えることがなく、さらに発泡倍率も小さくて済む。つまり、薬剤と水が触れた際の発泡倍率が大きい場合に、漏水や湧水と共に流出する発泡体の体積が大きくなり、環境への悪影響を防止できるという利点を有している。

特開平７－２６２６３号公報 特開２０１５－１１７３０４号公報

しかしながら、従来の注入材では、以下のような問題があった。
すなわち、特許文献２の注入材の場合には、長期的な止水を目的としており、地山からの湧水発生時には、水と接触して発泡固結体を形成しながら減水効果を徐々に高め、連続的に注入することで最終段階では、水と接触しない無発泡ゾーンを形成して確実な止水減水効果を発揮するものである。この場合、大量湧水における止水減水効果が高いうえ、無発泡時の強度が高いため高圧湧水の条件であっても止水減水効果が得られる。

しかし、例えば山岳トンネルの場合には、断面内で湧水がある部分と無い部分が混在している場合が多い。そのため、部分的に湧水が無い部分があると、断面全体を湧水が無い状態として注入量を決定することから、上記特許文献２のように水が無い場合に発泡しない注入材では発泡倍率を１として注入量を決めることになり、注入量が増える傾向となる。しかも、特許文献２のような物性の注入材は高価であり、注入量の増加とともにコストが増大するという問題があった。
したがって、材料コストが増大するという問題と、止水減水性及び地山の安定化とをバランスよく達成することができない現状があり、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、止水減水効果や地山改良効果を確保しつつ、材料にかかるコストの低減を図ることができる減水地山改良材、及び地山安定化工法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る減水地山改良材は、岩盤又は地山に充填することで減水効果及び地山改良効果を有する減水地山改良材であって、ウレタン系止水材からなり、水と接触しても、水に対して非接触であっても発泡する物性であり、前記ウレタン系止水材は、ポリオールと触媒からなるＡ液とポリイソシアネートからなるＢ液とを主成分とし、前記Ａ液と前記Ｂ液の配合は、前記Ａ液が１重量部、前記Ｂ液が０．９～１．１重量部であり、前記Ａ液は、温度２５℃における粘度が１５０～３５０ｍＰａ・ｓ、温度２０℃における比重が１．０２～１．０８であり、前記Ｂ液は、温度２５℃における粘度が１５０～２５０ｍＰａ・ｓ、温度２０℃における比重が１．２０～１．２６であり、水に接触した場合の発泡倍率及び水に非接触の場合の発泡倍率は、それぞれ６～１０倍であることを特徴としている。

また、本発明に係る安定強化工法は、岩盤又は地山に充填することで減水効果及び地山改良効果を有する減水地山改良材を使用して前記岩盤又は地山に充填する地山安定化工法であって、前記減水地山改良材は、ウレタン系止水材からなり、水と接触しても、水に対して非接触であっても発泡する物性であり、前記ウレタン系止水材は、ポリオール触媒からなるＡ液とポリイソシアネートからなるＢ液とを主成分とし、前記Ａ液と前記Ｂ液の配合は、前記Ａ液が１重量部、前記Ｂ液が０．９～１．１重量部であり、１％の水に接触した場合及び水に非接触の場合のそれぞれの発泡倍率が６～１０倍であり、前記Ａ液は、温度２５℃における粘度が１５０～３５０ｍＰａ・ｓ、温度２０℃における比重が１．０２～１．０８であり、前記Ｂ液は、温度２５℃における粘度が１５０～２５０ｍＰａ・ｓ、温度２０℃における比重が１．２０～１．２６であり、前記減水地山改良材は、注入圧力が０．５ＭＰａ以上、注入初期圧を０．７ＭＰａ以上となるように岩盤又は地山に注入することを特徴としている。

本発明では、減水地山改良材が水と接触すると発泡するとともに、水と接触しないところでも発泡する材料であり、強固な硬化物が得られて地山改良効果を発揮しつつ、例えば山岳トンネル工事等における作業性や地下水位の低下を抑制することができるといった減水効果も得られる。つまり、本発明の減水地山改良材を不良地山に注入した場合に、湧水と接触して発泡固結体を形成しながら減水効果を徐々に高めることができる。そのため、減水地山改良材を連続的に注入することで、弱発泡ゾーンを形成し、トンネル掘削の作業等に支障がない程度に減水することが可能となる。

また、部分的に湧水が発生しているような複雑な地山状況の場所であったり、或いは湧水が無い場所であっても、ある程度の発泡性をもたせることが可能となるので、注入する減水地山改良材の地山浸透性を確保することができ、前述したように止水減水効果と地山改良効果を同時に効果的に発揮することができる。したがって、多量湧水又は高圧湧水の条件下においても、注入する減水地山改良材が発泡することで、止水、或いは減水させることができる。
このように本発明の減水地山改良材は、水に対して非接触である場合でも発泡するため、水に接触しない場合に無発泡となる材料を注入する場合に比べて全体の注入量を減少させることができ、材料コストの低減を図ることができる。

さらにまた、本発明では、発泡することにより減水地山改良材の固結体強度が無発泡の注入材の固結体強度よりも小さく抑えられる。そのため、高圧注入が不要となり、注入に使用する注入設備にかかる負担を小さくでき、汎用の設備を用いることが可能となる。例えば超高圧用の設備が不要になり、コストの低減を図ることができる。

この場合には、水に対して非接触であっても３倍以上１０倍以下の発泡倍率で発泡させることで、地山改良効果と止水減水効果とをより効果的に実現することができる。

このような構成とすることで、水に接触した場合の発泡倍率が水に対して非接触の場合の発泡倍率に比べて過剰に大きくなることがなく、発泡時の改良強度の低下を抑えることができる。

また、本発明に係る地山安定化工法は、前記減水地山改良材の注入圧力は、０．５ＭＰａ以上であることが好ましい。

この場合には、山岳トンネルの場合において、水圧が０．５ＭＰａ以上の高水圧となる土被りの条件であっても本発明の減水地山改良材を岩盤又は地山に充填して地山安定化工法を適用することができる。

本発明の減水地山改良材、及び地山安定化工法によれば、止水減水効果や地山改良効果を確保しつつ、材料にかかるコストの低減を図ることができる。

本発明の実施例による試験装置の構成を示す一部破断した縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態による減水地山改良材、及び地山安定化工法について、図面に基づいて説明する。

本実施の形態の減水地山改良材は、岩盤又は地山に充填することで減水効果及び地山改良効果を有する減水地山改良材である。減水地山改良材は、ウレタン系止水材からなり、水と接触しても、水に対して非接触であっても発泡する物性である。

減水地山改良材として、例えば、特開２０１５－１１７３０４の特許文献に記載される組成物を採用することができる。すなわち、減水地山改良材の一例として、ポリオールおよびアミン化合物を含んでなる（Ａ）成分とイソシアネート化合物を含んでなる（Ｂ）成分とからなる、実質的に水を含まない注入薬液組成物であって、前記ポリオールが、ポリエーテルポリオール（ａ１）を含有するものであり、アミン化合物が、一級または二級アミノ基を有するアミン化合物（ｂ１）を含有する注入薬液組成物を用いることができる。
本実施の形態の減水地山改良材は、（Ａ）成分と（Ｂ）成分は、使用時、適宜な混合比により混合することにより、硬化物を形成する。

減水地山改良材は、それぞれ２０℃に調整した（Ａ）成分と（Ｂ）成分とを混合した際のゲルタイムが、水接触の有無に関わらず３０～９０秒（６０±３０秒）であることが好ましく、４５～７５秒（６０±１５秒）であることがより好ましい。

減水地山改良材の発泡倍率は、水に接触した場合、及び水に対して非接触の場合のそれぞれで少なくとも３倍以上であることが好ましい。なお、漏水や湧水によって硬化物が流出した際の環境への悪影響を低くする意味から、硬化物の発泡倍率は低いことが好ましく、例えば８倍程度とすることが良い。ここで、本実施の形態において、発泡倍率とは、硬化反応終了後の硬化物の体積を、原料たる（Ａ）成分および（Ｂ）成分の体積で除することにより、算出される値である。水に接触した場合における発泡倍率は、（Ａ）成分１００質量部に対して水１質量部を加えたものに、（Ｂ）成分を混合し、発泡させることにより測定される。
また、減水地山改良材の発泡倍率は、水に接触した場合、及び水に対して非接触の場合のそれぞれでほぼ同じ倍率（後述する実施例では、それぞれ８倍）とすることがより好ましい。

また、減水地山改良材における硬化物の圧縮強度は、漏水や湧水の流出を防ぐ観点から、２０ＭＰａ以上であることが好ましい。硬化物の圧縮強度は、（Ａ）成分と（Ｂ）成分を、水を添加することなくそのまま混合したものをφ５０ｍｍ×１００ｍｍの型枠内に所定量注入して蓋をし、拘束させた状態で発泡硬化させ、φ５０ｍｍ×１００ｍｍの試験片を作成して、ＪＩＳ Ａ１２１６に準拠してインストロン万能試験機で測定するものである。

また、本実施の形態では、減水地山改良材の注入圧力が０．５ＭＰａ以上に設定されていることが好ましい。これにより山岳トンネルの場合において、水圧が０．５ＭＰａ以上の高水圧となる土被りの条件であっても本実施の形態の減水地山改良材を岩盤又は地山に充填して地山安定化工法を適用することができる。

このような本実施の形態による減水地山改良材、及び地山安定化工法では、例えばトンネル掘削の際、切羽天端の崩落防止や緩みの拡大防止を目的として行われるウレタン系注入式フォアポーリング工法または注入式長尺先受工法（ＡＧＦ工法）において、破砕帯を有する岩盤や不安定軟弱地盤の固結による安定化・強化、地山とコンクリートセグメントの間の空隙などの充填による安定化・強化、土砂、岩石、レンガ、石炭などの空洞の封止による安定化・強化、コンクリートなどの人工構造物のクラックなどの補修、補強による安定化・強化、および、漏水や湧水のある岩盤ないし地山への適用による止水、減水などのために、岩盤または地山に注入し固結される。
減水地山改良材の注入方法については、とくに限定はなく、例えば、岩盤ないし地山に所定間隔で複数個の孔を穿設し、これら孔内に中空のボルトを挿入し、ボルトの開口部より減水地山改良材を岩盤ないし地山に注入し、固結させる公知の方法を採用することができる。

本実施の形態では、減水地山改良材を使用して岩盤又は地山に充填することにより、減水地山改良材が水と接触すると発泡するとともに、水と接触しないところでも発泡する材料であり、強固な硬化物が得られて地山改良効果を発揮しつつ、例えば山岳トンネル工事等における作業性や地下水位の低下を抑制することができるといった減水効果も得られる。つまり、本実施の形態の減水地山改良材を不良地山に注入した場合に、湧水と接触して発泡固結体を形成しながら減水効果を徐々に高めることができる。そのため、減水地山改良材を連続的に注入することで、弱発泡ゾーンを形成し、トンネル掘削の作業等に支障がない程度に減水することが可能となる。

また、本実施の形態では、部分的に湧水が発生しているような複雑な地山状況の場所であったり、或いは湧水が無い場所であっても、ある程度の発泡性をもたせることが可能となるので、注入する減水地山改良材の地山浸透性を確保することができ、前述したように止水減水効果と地山改良効果を同時に効果的に発揮することができる。したがって、多量湧水又は高圧湧水の条件下においても、注入する減水地山改良材が発泡することで、止水、或いは減水させることができる。
このように本実施の形態の減水地山改良材は、水に対して非接触である場合でも発泡するため、水に接触しない場合に無発泡となる材料を注入する場合に比べて全体の注入量を減少させることができ、材料コストの低減を図ることができる。

さらにまた、本実施の形態では、発泡することにより減水地山改良材の固結体強度が無発泡の注入材の固結体強度よりも小さく抑えられる。そのため、高圧注入が不要となり、注入に使用する注入設備にかかる負担を小さくでき、汎用の設備を用いることが可能となる。例えば超高圧用の設備が不要になり、コストの低減を図ることができる。

また、本実施の形態では、水に対して非接触であっても３倍以上の発泡倍率で発泡させることで、地山改良効果と止水減水効果とをより効果的に実現することができる。

さらに本実施の形態の減水地山改良材では、水に接触した場合の発泡倍率及び水に非接触の場合で発泡倍率が略同一とすることで、水に接触した場合の発泡倍率が水に対して非接触の場合の発泡倍率に比べて過剰に大きくなることがなく、発泡時の改良強度の低下を抑えることができる。

上述のように本実施の形態による減水地山改良材、及び地山安定化工法では、止水減水効果や地山改良効果を確保しつつ、材料にかかるコストの低減を図ることができる。

次に、上述した実施の形態による減水地山改良材、及び地山安定化工法の効果を裏付けるために行った実施例について以下説明する。

（実施例）
本実施例では、上述した実施の形態のウレタン系の減水地山改良材において、湧水と同様の試験条件により注入試験を行い止水効果と地山改良効果について確認した。
試験は、図１に示すように、トンネルを模擬した管状の試験装置１に注入材Ｐ（減水地山改良材）を注入し、その注入材Ｐの注入量、止水状態、硬化状況、硬化範囲を確認するものである。

試験に使用する注入材Ｐは、上述した実施の形態によるウレタン系の減水地山改良材を用いた２種類の実施ケース１、２と、シリカレジン（「スーパーＳＲＦ」カテックス社製）を使用した比較ケースとの３種類とした。各ケースの注入材Ｐにおける詳細な物性値を表１に示す。実施ケース１は、水接触が無い場合の発泡倍率が３倍で、かつ水接触が有る場合の発泡倍率が８倍である（表１、下記に示す表２、表３では「３－８」と示す）。実施ケース２は、水接触が無い場合の発泡倍率が８倍で、かつ水接触が有る場合の発泡倍率が８倍である（表１、下記に示す表２、表３では「８－８」と示す）。
なお、実施ケース１（３－８）は参考例である。

試験装置１は、塩ビ管１１内に砕石１２を詰め込み、塩ビ管１１の一端の流入口１１ａから砕石１２中に水道水からなる水Ｗを注水して、塩ビ管末端（流入口１１ａと反対側の端部）の排水口１１ｂから水Ｗを排出し、流水状態を再現した構成となっている。塩ビ管１１は、外径７６．３ｍｍ、長さ３ｍのものを２本同軸に接続し、全長６ｍのものを採用した。塩ビ管１１における水Ｗの流入口１１ａには、可変式のバイパスバルブ１３が取り付けられており、水圧（バイパス開放圧）を０．５ＭＰａに設定した。塩ビ管１１の長さ方向の中間部には、注入材Ｐの二液（Ａ液、Ｂ液）を混合させて注入する注入管１４が接続されており、短管ミキサ（図示省略）により注入材薬液が注入される。
そして、注入材Ｐの吐出量（注入量）は５Ｌ／分とし、水Ｗの注水量は１０Ｌ／分とした。なお、注入する注入材Ｐ及び水Ｗは、不図示の冷却装置によりそれぞれ２０～２５℃、１５℃前後に冷却されている。

表２は、３ケース（実施ケース１、２、比較ケース）による試験パターンを示している。本試験では、１０Ｌ／分の水Ｗを注水し、塩ビ管１１の排水口１１ｂからの流水が止まることで、止水減水効果を確認する。
先ず、試験に使用する３種類の注入材Ｐにおいて、硬化確認試験を行い性状を確認した。具体的には、表３に示すように、各注入材Ｐの硬化時間、発泡倍率とも規格内であることを確認した。

試験結果を表４に示す。なお、実施ケース２については、バイパス開放圧が０．５ＭＰａで減水効果が確認されたため、１．０ＭＰａに設定した試験も行った。
表４に示すように、試験の結果、比較ケースの注入材Ｐ（シリカレジン）は、水Ｗとともに流出し、模擬地山をなす塩ビ管１１の砕石１２内に留まっていないことが確認された。本試験では、注入材Ｐを撹拌した直後に流水に接触する試験条件であり、シリカレジンが硬化を開始する前の比較的粘度の低い混合物が流出したためと推測できる。

一方、実施ケース１、２の注入材Ｐ（３－８、８－８）とも、注入初期は流水とともに注入箇所の注入管１４から下流側に流れるが、撹拌された注入材Ｐは塩ビ管１１の砕石１２内に留まり、その後、硬化を開始することによって減水することが確認され、減水効果があることを確認することができた。なお、バイパス開放圧が０．５ＭＰａの場合には、実施ケース１、２の注入材Ｐ（３－８、８－８）ともに、バイパスバルブ１３が開放に至るまで、すなわち注水に至るまでの注入材Ｐの注入量に変化はなく、減水効果が確認された時点における注入量にも変化は無かった。注入量は、比較ケースでは１０ｋｇであるのに対して、実施ケース１では８ｋｇ、さらに実施ケース２では５～６ｋｇで比較ケースの約半分に低減できることが確認された。
そして、バイパス開放圧が１．０ＭＰａの実施ケース２（８－８）の場合も、減水効果が認められ、バイパスバルブ１３が開放に至るまでの注入量は増加したが、減水が確認された時点における注入量はバイパス開放圧が０．５ＭＰａの場合と同等となった。

以上、本発明による減水地山改良材、及び地山安定化工法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態の実施例では、減水地山改良材の発泡倍率として、水接触が無い場合が３倍で水接触が有る場合が８倍の例と、水接触が無い場合が８倍で水接触が有る場合が８倍の例の２例を示しているが、このような発泡倍率であることに限定されることはない。要は、ウレタン系止水材からなり、水と接触しても、水に対して非接触であっても発泡する物性の減水地山改良材であればよいのである。さらに、水に接触した場合の発泡倍率及び水に非接触の場合の発泡倍率がそれぞれ少なくとも３倍以上であることが好ましい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ 試験体
１１ 塩ビ管
１２ 砕石
Ｐ 注入材
Ｗ 水

Claims (2)

1. 岩盤又は地山に充填することで減水効果及び地山改良効果を有する減水地山改良材であって、
   ウレタン系止水材からなり、水と接触しても、水に対して非接触であっても発泡する物性であり、
   前記ウレタン系止水材は、ポリオールと触媒からなるＡ液とポリイソシアネートからなるＢ液とを主成分とし、
   前記Ａ液と前記Ｂ液の配合は、前記Ａ液が１重量部、前記Ｂ液が０．９～１．１重量部であり、
   前記Ａ液は、温度２５℃における粘度が１５０～３５０ｍＰａ・ｓ、温度２０℃における比重が１．０２～１．０８であり、
   前記Ｂ液は、温度２５℃における粘度が１５０～２５０ｍＰａ・ｓ、温度２０℃における比重が１．２０～１．２６であり、
   水に接触した場合の発泡倍率及び水に非接触の場合の発泡倍率は、それぞれ６～１０倍であることを特徴とする減水地山改良材。
2. 岩盤又は地山に充填することで減水効果及び地山改良効果を有する減水地山改良材を使用して前記岩盤又は地山に充填する地山安定化工法であって、
   前記減水地山改良材は、
   ウレタン系止水材からなり、水と接触しても、水に対して非接触であっても発泡する物性であり、
   前記ウレタン系止水材は、ポリオール触媒からなるＡ液とポリイソシアネートからなるＢ液とを主成分とし、
   前記Ａ液と前記Ｂ液の配合は、前記Ａ液が１重量部、前記Ｂ液が０．９～１．１重量部であり、
   １％の水に接触した場合及び水に非接触の場合のそれぞれの発泡倍率が６～１０倍であり、
   前記Ａ液は、温度２５℃における粘度が１５０～３５０ｍＰａ・ｓ、温度２０℃における比重が１．０２～１．０８であり、
   前記Ｂ液は、温度２５℃における粘度が１５０～２５０ｍＰａ・ｓ、温度２０℃における比重が１．２０～１．２６であり、
   前記減水地山改良材は、注入圧力が０．５ＭＰａ以上、注入初期圧を０．７ＭＰａ以上となるように岩盤又は地山に注入することを特徴とする地山安定化工法。

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