(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、改良地盤から高アルカリや有害物質が溶出しないような固結剤（薬液）および該薬液を用いた先受け工や薬液注入工等の地盤改良工法を提供することにある。【解決手段】  酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムとからなる懸濁液（Ａ液）と、該酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムの固化剤の懸濁液または水溶液（Ｂ液）とを別々に調製しておき、ゲル化遅延剤としての有機酸をＡ液および／またはＢ液に添加した地盤改良用固結剤を地盤に注入する直前に混合して地盤に注入する。  酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムは低アルカリであり、また改良地盤の強度を高めるために酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムの濃度を高くしても、有機酸の添加によってゲル化時間の調節が容易であり、かつ改良地盤の強度を高くする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムと、該酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムの固化剤と、ゲル化遅延剤としての有機酸とからなることを特徴とする地盤改良用固結剤。
【請求項２】
該固化剤は多価金属塩である請求項１に記載の地盤改良用固結剤。
【請求項３】
該有機酸はヒドロキシカルボン酸である請求項１または２に記載の地盤改良用固結剤。
【請求項４】
該酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムを含有するＡ液と、該固化剤を含有するＢ液とを別々に調製し、該有機酸はＡ液および／またはＢ液に添加した請求項１〜３に記載の地盤改良用固結剤を、該Ａ液とＢ液とを使用直前に混合し地盤に注入することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項５】
該地盤改良工法はトンネル切羽奥の掘削予定箇所の周辺の地盤を改良する先受け工である請求項４に記載の地盤改良工法。
【請求項６】
該地盤改良工法は地盤中の間隙に薬液を注入する薬液注入工である請求項４に記載の地盤改良工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は先受け工や薬液注入工等に適用される地盤改良用固結剤および該地盤改良用固結剤を用いた地盤改良工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地質条件の悪い地山等ではトンネル切羽奥の掘削予定個所の上周部の地盤を改良する先受け工が実施されており、また地盤強化、止水、遮水、液状化防止等を目的として地盤中の間隙に薬液を注入する薬液注入工が実施されている。
【０００３】
〔発明の背景〕
上記先受け工にあっては、従来主としてセメント系固結剤やウレタン系固結剤が使用され、また上記薬液注入工にあっては、主として水ガラス系の固結剤が使用されている。
セメント系固結剤の場合には改良地盤から高アルカリ分や６価クロムが溶出するおそれがあり、注入圧が異常に上昇して注入困難となる場合がある。このような場合にはウレタン系固結剤が使用されるが、ウレタン系固結剤の場合には早期に強度が発現されるが、ウレタン系固結剤が改良地盤から溶出して環境を汚染すると云う問題点があり、またコストにも問題がある。更に密な砂質土にはウレタン系固結剤であっても注入が困難となる。
更に水ガラス系固結剤にあっては、早期のホモゲル強度や長期のホモゲル強度が充分でないし、改良地盤中の水ガラス固化物からシリカ分が溶脱して強度が劣化する問題点、あるいはセメント系固結剤と同様に改良地盤中から高アルカリ分が溶出する問題点がある。    
【０００４】
〔従来の技術〕
これを改良する目的で、酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムを含有する固結剤が提案されている。
例えば特許文献１では、水酸化マグネシウムと塩基性アルミニウム複合塩とを組み合わせた固結剤が提案され、また特許文献２では酸化マグネシウムと多価金属塩とを組み合わせた固結剤が提供されている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭５１−２０４１４号公報
【特許文献２】特開２０００−２３９６６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムを含有する固結剤にあっては、改良地盤のｐＨを水道法第４条に示された水質基準の許容値の上限８．６を下回るようにすることが出来、また有害物質の溶出もない。更には早期のホモゲル強度や長期のホモゲル強度が水ガラス系固結剤に比べると高く、そして水ガラス系固結剤に比べると溶脱も少なく、地盤改良後の強度は耐久性を有し経時的な劣化の問題もない。
しかしながら、酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムと上記多価金属塩とを混合した水溶液は、混合した直後、あるいは地盤に注入する配管内でゲルが形成されてしまい、薬液を地盤に注入する作業に重大な支障をきたすおそれがある。
酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムと、多価金属塩との配合割合を調節したり、あるいはあるいは適当なゲル化遅延剤を添加したりしてゲル化時間を延長することも出来るが、地盤物性に対応してゲル化時間を調節することは困難である（何となれば地質は予想外に変化している場合も多く、その場合には設定したゲル化時間では遅過ぎて地盤から固結剤が散逸してしまい、所定箇所の地盤を確実に改良することが出来ない。
更に工事対象の多様性により、それぞれの工事で配管長や揚程が異なり、したがってそれぞれの工事あるいは工程ごとに所定のゲル化時間が得られるように固結剤の配合割合を決めることは殆ど不可能である。
通常上記固結剤は酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムを含有するＡ液と、該酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムの固化剤を含有するＢ液とを調製し、使用直前にＡ液とＢ液とを混合する。
地盤改良の際、改良地盤の強度を充分高めるにはＡ液として酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムを高濃度、例えばＡ液１００ml中に５０ｇ以上添加する必要がある。しかしこのような高濃度のＡ液にＢ液を添加すると瞬間にゲル化（瞬結）してしまう。したがってこのような場合には、上記有機酸を添加してゲル化時間を延長することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するための手段として、酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムと、該酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムの固化剤とゲル化遅延剤としての有機酸とからなる地盤改良用固結剤を提供する。
該固化剤は多価金属塩であり、該有機酸はヒドロキシカルボン酸であることが望ましい。このようなゲル化時間の遅延調節効果は、クエン酸が顕著である。
更に、該酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムを含有するＡ液と、該固化剤を含有するＢ液とを別々に調製し、該有機酸はＡ液および／またはＢ液に添加した上記地盤改良用固結剤を、該Ａ液とＢ液とを使用直前に混合し地盤に注入する地盤改良工法を提供する。
該地盤改良工法はトンネル切羽奥の掘削予定箇所の周辺の地盤を改良する先受け工あるいは地盤中の間隙に薬液を注入する薬液注入工に適用される。
【発明の効果】
【０００８】
〔作用効果〕
本発明の地盤改良用固結剤にあっては、酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムと、該酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムの固化剤とゲル化遅延剤としての有機酸を添加するから、改良地盤の強度を高めるために酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムの濃度を高くしても、有機酸の添加によって所定のゲル化時間に調節することが出来る。
また地盤改良工法にあっては、酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムを含有する懸濁液であるＡ液と、液状多価金属塩または多価金属塩を含有する懸濁液または水溶液であるＢ液とを別々に調製し、地盤に注入する直前に混合するから、配管内でゲル化することがなく、工事対象の多様性による配管長や揚程量の違いにも対応することが出来、また工法の違い（先受け工か薬液注入工か）や地質の予想外の変化に対しても、Ａ液とＢ液との混合比率を変えることによって所定のゲル化時間が現場で容易に調節出来る。本発明のＡ液、Ｂ液は低粘度であるから注入直前に均一に混合することが出来る。
更に本発明では、固結剤として酸化マグネシウムあるいは水酸化マグネシウムを含有したものを用いるので、改良地盤から有害物質や高アルカリが漏洩するおそれもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を以下に詳細に説明する。
本発明に使用される酸化マグネシウムには、低温焼成品と高温焼成品とがあるが、反応性の点からみて低温焼成品（軽焼マグネシア）の使用が望ましい。また本発明ではドロマイトのような酸化マグネシウムを含むものも使用出来る。
更に本発明では上記酸化マグネシウムに加水して得られる水酸化マグネシウムも使用される。該水酸化マグネシウムはブルース石から採取される天然品であってもよい。
【００１０】
上記酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムの固化剤としては、主として多価金属塩を使用する。上記多価金属塩としては、硫酸アルミニウム、硫酸第１鉄、ポリ硫酸第２鉄、ポリ塩化アルミニウム、明ばん、仮焼明ばん石、硫酸亜鉛等が例示され、上記多価金属塩は二種以上混合使用されてもよい。
硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、硫酸第１鉄、ポリ硫酸第２鉄は改良地盤のｐＨを低くする作用があり望ましい多価金属塩である。
【００１１】
本発明では、上記酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、多価金属塩に加えて更にゲル化時間の遅延剤として、有機酸を添加する。上記有機酸としては、例えば蓚酸、フマル酸、マレイン酸等があるが、遅延効果の大きな有機酸としては乳酸、グリセリン酸、酒石酸、クエン酸、トロパ酸、ベンジル酸等のヒドロキシカルボン酸があり、特に望ましいのはクエン酸である。
【００１２】
しかし上記有機酸は添加量を増やせばゲル化時間は延長するが、添加量とゲル化時間の延長は必ずしも比例的ではなく、瞬結から急激に１５分程度の中結〜緩結にまで変化し、その間の所定のゲル化時間に調節することが困難である。そこで有機酸の添加量を緩結の配合に設定しておき、それ以下にゲル化時間を短縮する場合にはＡ液に硫酸マグネシウムを添加すると、瞬結から緩結の間の所定のゲル化時間に調節することが容易になる。
【００１３】
本発明では、改良地盤のｐＨを低くするために酸性剤を使用してもよい。該酸性剤としては、例えば粉末硫酸、硼酸等の無機酸、ベンゼンスルホン酸等の有機酸、硫酸アンモニウム、ベンゼンスルホン酸アンモニウム等の強酸と弱塩基との塩、塩化第２鉄、塩化マグネシウム、塩化アンモニウム等の酸性塩等が使用される。
更に前記した有機酸も改良地盤のｐＨを低くするものであり、酸性剤としての機能も有する。
【００１４】
本発明では、更に改良する地盤に水分が例えば５０質量％以上の多量に含まれている場合には、有機高分子凝集剤および／または吸水剤が使用されてもよい。上記有機高分子凝集剤としては、例えばポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミド、アクリル酸ナトリウム−アクリルアミド共重合体、ポリエチレンオキサイド等の合成高分子凝集剤、グアガム、キサンタンガム。アルギン酸等の天然高分子凝集剤等があり、吸水剤としては例えば下水焼却灰、木炭、活性炭、シリカゲル等がある。
【００１５】
本発明では、また更に地盤の固化を促進するために更に固化促進剤を添加してもよい。該固化促進剤としては、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、炭酸カリ、重炭酸カリ、エチレンカーボネート、イソシアナート化合物等の水と反応して炭酸ガスを発生することが出来る化合物が使用される。該固化促進剤は上記酸性剤と併用すると、地盤のｐＨが高い場合でも、容易にｐＨを低くすることが出来るので、酸性助剤としても使用出来る。
【００１６】
〔固化（ゲル化）メカニズム〕
酸化マグネシウムの場合には水中に懸濁して、あるいは地盤中の水分に接触して水酸化マグネシウムになる。また固化剤として使用する多価金属塩の場合も水中に懸濁あるいは溶解して、あるいは地盤中の水分に接触して金属水酸化物になる。上記水酸化マグネシウムと金属水酸化物とが接触することによって、上記水酸化マグネシウムと上記金属水酸化物とが反応して非晶質の酸化金属−酸化マグネシウム複合体が形成されてゲル化する。上記複合体は経時と共に結晶化し、結晶成長による結晶相互の絡み合いにより、更にゲルの強度が向上するものと考えられる。しかし有機酸、特にヒドロキシカルボン酸が存在すると、該有機酸と水酸化マグネシウムや金属水酸化物が反応してゲル化時間が遅延される。
【００１７】
〔地盤注入法〕
地盤注入に際しては、酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムを含有する懸濁液であるＡ液と、液状金属塩または多価金属塩を含有する懸濁液または水溶液であるＢ液とを別々に調製しておき、使用直前にＡ液とＢ液とを混合することが好ましい。
上記有機酸はＡ液および／またはＢ液に添加される。
この場合  上記酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムは、水１００ml中に通常２０〜６０ｇ懸濁せしめられる。上記酸化マグネシウムおよび／または水酸化マグネシウムの添加量が大きい程、ゲル化時間は短縮され、少ない程ゲル化時間は延長される。
注入法としてはＡ液とＢ液とを使用直前に混合し、注入管より地盤に注入する１ショット方式もあるが、通常は１．５シヨット方式と２シヨット方式が用いられ、先受け工の場合には一般的に１．５シヨット方式が適用され、薬液注入工では１．５シヨット方式と２シヨット方式の両方が適用される。
１．５シヨット方式とは予め調整したＡ液とＢ液とを２台の注入ポンプで等量あるいは所定の比率で注入管頭部に送り、こゝで合流せしめて地盤中に注入する方式であり、通常ゲル化時間が略１５分以下の中結、緩結の場合に用いることが多く、２シヨット方式とはＡ液とＢ液とを等量あるいは所定の比率で注入管先端に送り、そこで合流させた後、直ちに該注入管により地盤に注入する方式であり、通常ゲル化時間が１分以下の瞬結の場合に用いることが多い。
【００１８】
〔先受け工〕
図１および図２にもとづいて先受け工を説明する。
(1A)はトンネル(1) の切羽面であり、切羽面(1A)より奥の掘削予定個所の周辺(2) （先受け工部）側部(3) 、脚部(4) には所定本の削孔(5) が設けられ、該削孔(5) 内には鋼管または樹脂管である多孔管(6) が挿入されている。
Ａ液およびＢ液は別々に調製され、トラック(7) によって現場に搬入され、ポンプ(8) によって別々の供給管(8A,8B) によって注入管(9) に供給されるが、注入管(9) の頭部(9A)において合流して注入管(9) より多孔管(6) を介して削孔(5) の周辺の地盤(10)に浸透しゲル化し、該地盤(10)を改良する（１．５シヨット方式）。
上記先受け工にあっては、多孔管(6) を介することなく、注入管(9) を削孔(5) 内に直接挿入することもある。
先受け工の場合は、目標強度はＡ液Ｂ液混合後１日でホモゲル強度（一軸圧縮強さ）０．５Ｎ／mm2 以上、ゲル化時間は５分〜１０分程度、固化後のｐＨは１０．０以下に設定する。
【００１９】
〔薬液注入工〕
薬液注入工にあっては、上記先受け工の１．５シヨット方式と同様な方式が採用される他、図３に示すように注入管(9) を外管(9A)と内管(9B)とで構成し、外管(9A)にＡ液を送通し、内管(9B)にＢ液を送通し、注入管(9) 先端部のボールバルブ(9C)の手前に設けられている注入口(9D)から地盤に注入する直前でＡ液とＢ液とを混合する２シヨット方式も採用されている（二重管ストレーナ（単相式）工法）。
【００２０】
更に現在では二重管構造の注入管の注入口を上下二段とし、上段の注入口よりゲル時間の短い（瞬結）ＡＢ混合液を地盤に注入して早期にゲル化せしめることによって所定範囲外への拡散を防止した後、下段の注入口より中結〜緩結のＡＢ混合液を地盤に注入して所定範囲の地盤の均質な浸透を図る２または１．５シヨット方式（二重管ストレーナ（複相式）工法）、削孔および多孔管設置と注入作業とを分離して行うことによって地盤の確実な改良効果を狙ったダブルパッカ方式（１または１．５シヨット方式）も適用されている。
【００２１】
上記薬液注入工は、ライナープレート立抗等の側部および底部地盤の改良、土留壁の欠損防護、底盤遮水、シールド材発進到達口の防護、液状化防止等に適用される。
薬液注入工の場合は、目標強度はＡ液Ｂ液混合後、ホモゲル強度（一軸圧縮強さ）７日で１．０Ｎ／mm2 、２８日で３．０Ｎ／mm2 、固化後のｐＨは中性域である。ゲル化時間は状況に応じ、瞬結、中結、緩結のいづれかを選択する。
以下に本発明の実施例を示す。
【実施例１】
【００２２】
〔先受け工〕
〔先受け工用配合〕
下記の処方のＡ液、Ｂ液を調製する。
Ａ液（２００ml）：酸化マグネシウム１０５ｇ
水、残余
Ｂ液（２００ml）：クエン酸４０ｇ
残余、ポリ塩化アルミニウム
上記Ａ液とＢ液とを混合して１５秒攪拌した後ゲル化せしめ、ホモゲル強度（一軸圧縮強さ）、ゲル化時間、ｐＨを測定した。その結果一軸圧縮強さ：１日後０．８１Ｎ／mm2 （目標値＞０．５Ｎ／mm2 ）、ゲル化時間：５分（目標値５〜１０分）、ｐＨ：９．４であり、前記先受け工の目標性状を達成した。
【００２３】
〔比較例〕
先受け工用配合
下記の処方のＡ液、Ｂ液を調製する。
Ａ液（２００ml）：酸化マグネシウム１０５ｇ
水、残余
Ｂ液（２００ml）：ポリ塩化アルミニウム２００ml
上記Ａ液とＢ液とを混合すると直ちに（２〜３秒）ゲル化した（目標値５〜１０分程度）。
【実施例２】
【００２４】
〔薬液注入工〕
〔薬液注入用配合〕
下記の処方のＡ液、Ｂ液を調製する。
Ａ液（２００ml）：酸化マグネシウム１００ｇ
水、残余
Ｂ液（２００ml）：クエン酸４０ｇ
ポリ硫酸第２鉄  ４０ml
残余、ポリ塩化アルミニウム
上記Ａ液とＢ液とを混合してゲル化させた。結果を下記に示す。
ゲル化時間：８秒
一軸圧縮強さ：７日後    １．１Ｎ／mm2 （目標値１．０Ｎ／mm2 ）
２８日後  ３．３Ｎ／mm2 （目標値３．０Ｎ／mm2 ）
固化後のｐＨ：７日後    ｐＨ８．６（目標  中性域）
２８日後  ｐＨ８．４（目標  中性域）
この結果、前記薬液注入工の目標性状を達成することが出来た。
【００２５】
〔測定方法〕
ゲル化時間  ：社団法人地盤工学会が発行している「土質試験の方法と解説（第一回                  改定版）」のｐ３２６の表５．８．２および図−５．８．９で定める                  ゲル化時間の測定方法に従い、測定した。
一軸圧縮強さ：２０℃水中養生した供試体をＪＩＳＡ１２１６に従い、試験した。
ｐＨ        ：社団法人地盤工学会が定める土懸濁液のｐＨ試験方法（ＪＧＳ０２１                  １−２０００）に従い、測定した。ただし、試料中の水はないものと                  した。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の地盤固結剤にあっては、ゲル化時間の調節が容易であり、かつ改良地盤の強度が高くなり、その上環境汚染物質の漏洩がなく、先受工や薬液注入工に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】先受工注入工法説明図
【図２】１．５ショット方式の説明図
【図３】二重管ストレーナ説明断面図
【符号の説明】
【００２８】
1        トンネル
1A       切羽面
5        削孔
6        多孔管
7        トラック
8        ポンプ
9        注入管
10        地盤
【図１】
2005113065.tif 000003
【図２】
2005113065.tif 000004
【図３】
2005113065.tif 000005