(57)【要約】【課題】  地下空洞への充填材の充填を効率よく経済的にしかも適切に行うことができるとともに、地下空洞充填後の地盤を、強度や地質などの各種の面で周辺地盤と高い一体性をもった地盤とすることができる地下空洞充填方法及び地下空洞用充填材を提供する。【解決手段】  土質材料における粒径分類で粗粒土に属する溶融スラグ１００重量部に対して、細粒土に属する粘性土１０〜１０００重量部、セメント３〜６００重量部、水５０〜１７００重量部を配合して充填材とし、該充填材を地下空洞に充填して、溶融スラグと粘性土とが水和せずに粒形をほぼとどめた状態でセメント水和物にて硬化させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
土質材料における粒径分類で粗粒土に属する溶融スラグ１００重量部に対して、細粒土に属する粘性土１０〜１０００重量部、セメント３〜６００重量部、水５０〜１７００重量部を配合して充填材とし、該充填材を地下空洞に充填して、溶融スラグと粘性土とが水和せずに粒形をほぼとどめた状態でセメント水和物にて硬化させることを特徴とする地下空洞充填方法。
【請求項２】
充填材の材料配合比を、溶融スラグ１００重量部に対して、粘性土８０〜２４０重量部、セメント８〜４０重量部、水１２０〜５００重量部とすることを特徴とする請求項１に記載の地下空洞充填方法。
【請求項３】
充填材の材料配合比を、地下空洞の周辺地盤の土質に応じて調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の地下空洞充填方法。
【請求項４】
充填材の材料配合比を、地下空洞の深いところの方が強度が高くなるように調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の地下空洞充填方法。
【請求項５】
充填材の材料配合比を、周辺地盤の強度と同程度となるように調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の地下空洞充填方法。
【請求項６】
土質材料における粒径分類で粗粒土に属する溶融スラグ１００重量部に対して、細粒土に属する粘性土１０〜１０００重量部、セメント３〜６００重量部、水５０〜１７００重量部を配合し、地下空洞に充填後、溶融スラグと粘性土とが水和せずに粒形をほぼとどめた状態でセメント水和物にて硬化されるものであることを特徴とする地下空洞用充填材。
【請求項７】
充填材の材料配合比を、溶融スラグ１００重量部に対して、粘性土８０〜２４０重量部、セメント８〜４０重量部、水１２０〜５００重量部とすることを特徴とする請求項６に記載の地下空洞用充填材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中に存在する地下空洞（例えば、採石場跡や炭坑跡や防空壕など）に起因する地表面の陥没や構造物の沈下・傾斜などを予防するために、地下空洞に充填材を充填する充填方法及びその充填材に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（特開平１０−２１８６５４号公報）には、廃棄物の溶融スラグを原料とした次のような空洞充填材が開示されている。
すなわち、この空洞充填材は、溶融スラグとして、ＣａＯ分０〜３７重量％、ＳｉＯ2分２３〜９０重量％及びＡｌ2Ｏ3分０〜４０重量％で、酸化鉄、アルカリ分、リン分、酸化チタン、酸化マンガン及び酸化マグネシウムから選ばれる１種又は２種以上の成分が０．１〜５０重量％又は／及びハロゲン分が０．１〜１０重量％のスラグ組成物を硬化材として用い、これにセメントと水を混合した混合物に流動化剤を添加したものである。配合比は、スラグ組成物１００重量部に対し、セメントを５〜３０重量部配合した硬化材１００重量部に対して、流動化剤が１．５重量部以下、水が３０〜１２０重量部となっている。
【０００３】
しかし、これによると次のような問題点がある。
（１）溶融スラグの粒度についての記載はないが、溶融スラグの特定の組成物がセメント等のアルカリ刺激剤と併用することにより、良好な水硬性を示すとの見地から、溶融スラグをセメントと同様に硬化材として用いる主旨であり、また流動化剤が必要であることから、溶融スラグは、高温で溶融・急冷し、粉砕したセメントと同程度の微粉末であると想定される。
従って、硬化後の組織形態は図７（模式図）に示すように、溶融スラグとセメントとが硬化材として水和して粒形を留めない緻密なしかも硬度の高い硬化材水和物になるものと想像される。このため、地下空洞内で硬化したその硬化材水和物は、剛性の違いから周辺地盤の地質とは全く異質なものとなり、周辺地盤との一体性がない充填地盤となり、地表面の不等沈下等の原因となる。また、再掘削が困難となるため、後に施工される杭工事等に支障を来す可能性がある。
【０００４】
（２）上記のように溶融スラグを硬化材の一部として用いるため、その化学範囲の成分を上述のように定める必要がある。その成分調整は、スラグ化温度（融点）やガラス化などの条件を考慮しなればならず、調整が面倒である。
【０００５】
（３）溶融スラグがセメントと同程度の微粉末であるため、充填材の粘性が高くなりがちで、流動性を高めるために流動化剤の添加が必要となる。また、高強度化のために水量を減らすと粘性が高くなるので、流動性を改善する必要が生ずる。
【特許文献１】特開平１０−２１８６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、上述したような問題がなく、地下空洞への充填材の充填を効率よく経済的にしかも適切に行うことができるとともに、地下空洞充填後の地盤を、強度や地質などの各種の面で周辺地盤と高い一体性をもった地盤とすることができる地下空洞充填方法及び地下空洞用充填材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、溶融スラグを使用するものの、これを硬化材として用いずに、硬化後も粒形を留める単なる骨材として使用し、これとセメントだけでは材料分離を起こすことから、その抑制のために適量の粘性土を併用するもので、土質材料における粒径分類で粗粒土に属する溶融スラグ１００重量部に対して、細粒土に属する粘性土１０〜１０００重量部、セメント３〜６００重量部、水５０〜１７００重量部を配合して充填材とし、該充填材を地下空洞に充填して、溶融スラグと粘性土とが水和せずに図８に示すように粒形をほぼとどめた状態でセメント水和物にて硬化させる。
【０００８】
充填材の材料である溶融スラグ、粘性土、セメントの入手から地下空洞への充填までの過程を図に示すと、例えば図１のように表すことができる。
溶融スラグとしては、一般廃棄物や下水汚泥を焼却・溶融施設で焼却・溶融処理又は溶融処理した後、水砕した通常の溶融スラグを使用できる。
粘性土には、砕石工場や珪砂工場等で得られる脱水ケーキを利用できる。
セメントは通常通りである。
【０００９】
これらの原料と水を上記のような配合比をもって現地プラントで混合し、パイプ輸送等により地下空洞へ充填する。
【００１０】
好ましくは、充填材の材料配合比を、溶融スラグ１００重量部に対して、粘性土８０〜２４０重量部、セメント８〜４０重量部、水１２０〜５００重量部とする。
【００１１】
材料配合比は、地下空洞の周辺地盤の土質に応じて調整したり、地下空洞の深いところの方が強度が高くなるように調整したり、周辺地盤の強度と同程度となるように調整する。
【００１２】
本発明で用いる溶融スラグ及び粘性土は、粒径分類として、地盤工学会基準「地盤材料の工学的分類方法（JGS 0051-2000）」（社団法人地盤工学会編：土質試験の方法と解説 第一回改訂版，pp.214-238，2000.）に準じている。本基準では、図２に示すように、地盤材料の構成成分を粒径の範囲で区分している。しかし、地盤材料では、各粒度成分が混在しており、それらの構成比率（粒度分布）によって分類される。なお、地盤材料の粒度分布は、JIS A 1204「土の粒度試験方法」により把握される。
【００１３】
粒度分布に基づくと、地盤材料は図３のように分類される。また、そのうち土質材料は、図４のように分類される。なお、図３における含有率％は、地盤材料に対する質量百分率、図４における含有率％は、土質材料に対する質量百分率である。
【００１４】
本発明における溶融スラグは、図４における粗粒土Ｃｍに分類されるものを用い、粘性土は、図４における細粒土Ｆｍに分類されるものを用いることとする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の作用効果は次のとおりである。
（１）充填材の力学的効果
本発明の充填材は、必要とされる最低強度を有することにより、崩壊領域の土塊による鉛直荷重を支持し、地表面の陥没事故を防止する効果を有する。また、地下空洞の周辺地盤と極端に異ならない強度を有することにより、地震等の外力に対して周辺地盤と同様の挙動を示し、不等沈下を防止する効果を有する。さらに、この充填材は、地中応力を下部地盤に伝達する役割を担うことから、上部に構造物が築造された場合、構造物を支える基礎地盤の一部として扱われる。これらの充填材の力学的な効果を有効に発揮するには、対象とする地下空洞内に充填材が確実に充填されていることが重要である。充填性を確保するために、フレッシュ（まだ固まらない）状態の充填材は、材料分離抵抗性と高い流動性を有する必要があるが、本発明はそれを充分に満たしている。
【００１６】
（２）充填材の岩盤風化防止効果
一般的に、岩盤の風化は、外因によって物理的風化と化学的風化に以下のように大別される。
１）物理的風化・・・岩の細片化
・重力作用や応力解放等による岩盤の緩み
・日照による熱応力の日変化の繰返し（気温の日較差が大きい砂漠など）
・凍結融解の繰返し（寒冷地）
・乾燥収縮・湿潤膨張の繰返し；スレーキング（温暖湿潤地）
２）化学的風化・・・岩の粘土化
・水の介入による岩石の化学反応・溶脱（水和、加水分解、溶解、酸化など）
採石場跡、炭鉱跡、防空壕などの地下空洞では、壁面、天井面、床面の岩盤が気中あるいは水中に露出している場合がほとんどである。長期間放置された地下空洞では、上記のうち、（ａ）スレーキング、（ｂ）化学的風化を考慮する必要がある。地下空洞内の残柱、天井で岩盤が風化し、岩盤表面の剥離や低強度化が進むことで、残柱の断面欠損や天井の崩落を生じ、地表面の陥没等の主要因となり得る。
【００１７】
風化に対する対策工法としては、切土法面における法面保護工が代表的な事例として挙げられる。法面保護工のひとつであるモルタル・コンクリート吹付け工は、不透水性の材料で地山を密閉することで乾燥を防止し、さらに降雨の浸透を防ぎ、スレーキングの要因である乾湿の繰返しを抑制する。
【００１８】
地下空洞を対象とした本発明の充填材においても、切土法面におけるモルタル・コンクリート吹付け工と同様の効果が期待できる。すなわち、充填材が露出した岩盤を密着して覆うことで、岩盤中の空気、水の移動を抑制することが可能であり、乾湿繰返しに起因するスレーキングによる風化を抑制することができる。また、亀裂に沿った水の移動が支配的な化学的風化に対しても、同様の理由で充填材の風化抑制効果が期待できる。
【００１９】
地下空洞に用いる充填材には次のような性能が要求されるが、本発明の充填材はこれらをいずれも満足する。
（１）力学的効果を発揮するための充填材性能
「力学的効果」を有効に発揮するには、充填材が以下の性能を有する必要がある。
１）最低強度・・・・崩壊領域の土塊による鉛直荷重を支持し、地表面の陥没を防止するため
２）強度を広い範囲で調整可能なこと・・・・周辺地盤の強度に対応した充填材の強度を得ることで、地表面の不等沈下を防止するため
３）所定の流動性を有すること・・・・地下空洞内の凹凸に確実に充填するため
４）所定の材料分離抵抗性を有すること・・・・地下空洞天井に空隙を残さないように充填するため
【００２０】
充填材が上記性能を有しない場合には、以下のような理由から「力学的効果」が得られない。
１）最低強度・・・・崩壊領域の土塊の鉛直荷重を支持できないため、地表面に陥没を生じる。
２）強度調整範囲・・・・周辺地盤の強度と極端に異なる強度の充填材の場合には、剛性の違いから周辺地盤との一体性が損なわれ、地表面の不等沈下の原因となり得る。
３）流動性・・・・応力集中の原因となる局所的な空洞を残すため、完全な支持地盤となり得ない。
４）材料分離抵抗性・・・・地下空洞天井に空隙が残るため、地中応力を下部地盤に伝達する役割を果たせない。
【００２１】
（２）岩盤風化防止効果を発揮するための充填材性能
「岩盤風化防止効果」を有効に発揮するには、充填材が以下の性能を有する必要がある。
１）所定の流動性を有すること・・・・地下空洞内の凹凸に充填材が密着し、岩盤表面と空気あるいは水との直接的な接触を遮断するため
２）所定の材料分離抵抗性を有すること・・・・地下空洞天井に空隙を残さないように充填し、地下空洞天井の岩盤表面と空気あるいは水との直接的な接触を遮断するため
【００２２】
充填材が上記性能を有しない場合には、以下のような理由から「岩盤風化防止効果」が得られない。
１）流動性・・・・岩盤と充填材の局所的な空隙が残り水道（みずみち）となるため、岩盤表面の乾湿繰返しを防止できない。よって、岩盤風化の抑制効果が得られない。
２）材料分離抵抗性・・・・地下空洞天井に空隙が残り水道（みずみち）となるため、岩盤表面の乾湿繰返しを防止できない。よって、岩盤風化の抑制効果が得られない。
（３）充填材の必要性能
上記 （１）、（２）を勘案すると、充填材の必要性能は、以下のようにまとめられる。
１）最低強度を有すること
２）強度調整が可能なこと
３）所定の流動性を有すること
４）所定の材料分離抵抗性を有すること
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の充填材の配合比は、上記のように溶融スラグ１００重量部に対して、粘性土１０〜１０００重量部、セメント３〜６００重量部、水５０〜１７００重量部の範囲である。このような配合比で充填材を製造することで、上記の要求性能（最低強度、強度調整範囲、流動性、材料分離抵抗性）の目標値を満足することができる。
【００２４】
粘性土が多すぎる場合、水が少なすぎる場合には、粘性が大きくなり流動性が損なわれるため、地下空洞内の隅々まで充填材が行き渡らず、地下空洞充填が完全になされないおそれがある。また、ポンプ負荷が高くなり、管内閉塞を回避するために大出力のポンプを要する場合がある。逆に、粘性土が少なすぎ、水が多すぎる場合には、材料分離抵抗性が損なわれブリーディングが大きくなるため、地下空洞天井に未充填部が発生するおそれがある。また、ポンプ圧送時に配管内で材料分離を生じ、分離した溶融スラグが管内に沈降して閉塞を生じる場合がある。
【００２５】
強度の調整は、主にセメントの増減によりなされる。しかし、セメントが少なすぎる場合には、地表面陥没対策としての最低強度を満足できないばかりでなく、強度発現せずスラリー状態が維持されるため地下空洞内からの漏洩や流水による流出、さらには、地下水質の汚染を招くおそれがある。逆に、セメントが多すぎる場合には、材料費が高くなり経済性に欠ける充填材となる。
【００２６】
以上のようなデメリットを回避するには、溶融スラグ１００重量部に対して、粘性土８０〜２４０重量部、セメント８〜４０重量部、水１２０〜５００重量部の範囲の配合比が好ましい。
【００２７】
本発明の充填材では、母材（溶融スラグ＋粘性土）の量が重要な配合要因となる。すなわち、廃棄物の有効利用促進の観点で、母材量ができるだけ多い配合が望ましい。また、本発明の充填材ではセメント量が比較的少ないため、母材量が水量に直接影響し、水量による影響が支配的な流動性に対する影響も大きい。まず、所要の流動性を得るための母材量、水量の概略を決定する。
【００２８】
次に重要な配合要因は、母材に占める溶融スラグの量である。廃棄物の有効利用促進の観点で、処分が比較的困難な溶融スラグの使用量ができるだけ多い配合が望ましい。しかし、溶融スラグの母材に占める割合が多い（粘性土の母材に占める割合が少ない）場合には、容易に材料分離を生じることがある。ブリーディング試験により、所要のブリーディング率を下回るための溶融スラグ量と粘性土量の比率を調整し、できるだけ多い溶融スラグ量の配合を採用することが望ましい。
【００２９】
セメント量に関しては、経済性の観点から、所要の強度発現を得るための最低限のセメント量に調整することが望ましい。ここで、所要の強度とは、地下空洞に起因する地表面の陥没や不等沈下を防止するための力学的な効果を考慮するとともに、周辺地盤の強度を考慮して定める必要がある。また、地下空洞内の環境（温度・湿度など）を考慮して、実際に即した強度発現を試験体で確認することが重要である。
【００３０】
本発明の上記の好適例について言えば、これから想定される上記の各要求性能（最低強度、強度調整範囲、流動性、材料分離抵抗性）の目標値は、以下のような範囲で示される。
１）最低強度・・・・一軸圧縮強度５０ｋＮ／ｍ２以上（JIS A 1216「土の一軸圧縮試験方法」，２０℃水中養生，材齢２８日）
２）強度調整範囲・・・・一軸圧縮強度５０ｋＮ／ｍ２（最低強度）〜５，０００ｋＮ／ｍ２程度（軟岩程度）の範囲（JIS A 1216「土の一軸圧縮試験方法」，２０℃水中養生，材齢２８日）
３）流動性・・・・Ｐ漏斗流下時間１３±３秒（土木学会規準JSCE-F521「プレパックドコンクリートの注入モルタルの流動性試験方法」）
４）材料分離抵抗性・・・・ブリーディング率３％以下（土木学会規準JSCE-F522「プレパックドコンクリートの注入モルタルのブリーディング率及び膨張率試験方法 （ポリエチレン袋方法）」）
ここで、流動性と材料分離抵抗性は、相反する性能であるため、一般的に両立が難しいが、本発明では粘性土によりその調整が比較的容易である。
【実施例】
【００３１】
次に、本発明の実施例について説明する。
＜粘性土の粒度分布＞
本実施例の粘性土の粒度分布を表１、図５に示す。また、各粘性土の成分比率を表２に示す。粘性土Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ、０．０７５ｍｍ以下の細粒分が７９．４％、８６．０％、９０．０％の細粒土Ｆｍに分類されることがわかる。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
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【００３４】
＜溶融スラグの粒度分布＞
本発明における溶融スラグは、図４における粗粒土Ｃｍに分類されるものを用いることとする。
【００３５】
通常、水砕された溶融スラグは、図４における砂質土Ｓに分類される。しかし、溶融物の粘性や冷却過程の違い等により、溶融スラグが団粒構造を呈する場合がある。このような場合には、溶融スラグが図４における礫質土Ｇに分類されることがある。
【００３６】
溶融スラグの粒度分布の例を表３、図６に示す。また、各溶融スラグの成分比率を表４に示す。溶融スラグＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、それぞれ、０．０７５  ｍｍ以上の粗粒分が９９．０％、１００％、１００％、１００％、１００％の粗粒土Ｃｍに分類されることがわかる。さらに、いずれの溶融スラグも、砂分が礫分よりも多いことから、砂質土Ｓに分類されることがわかる。
【００３７】
【表３】
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【００３８】
【表４】
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【００３９】
本実施例における配合を、粘性土を使用しない比較例と共に表５に示し、試験結果を表６に示す。
【００４０】
【表５】
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【００４１】
【表６】
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【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の充填材の製造過程を示す流れ図である。
【図２】地盤材料と粒径区分とその呼び名の基準を示す図である。
【図３】地盤材料の工学的分類体系を示す図である。
【図４】土質材料の工学的分類体系を示す図である。
【図５】本発明で用いる粘性土の粒径加積曲線図である。
【図６】本発明で用いる溶融スラグの粒径加積曲線図である。
【図７】従来の充填材による硬化組織模式図である。
【図８】本発明の充填材による硬化組織模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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