(57)【要約】【課題】凍結地盤等の低温環境下において、裏込め注入の施工を行う際の流動性を確保しつつ、施工後、短時間の養生で所望の強度を発現させることができる裏込め注入材を提供すること。【解決手段】本発明の裏込め注入材は、セメント、水、高性能減水剤及び耐寒硬化促進剤を含有する。高性能減水剤を含有させることにより、上記材料を混合した直後から所定時間の間、裏込め注入材の流動性を保持する。また、耐寒硬化促進剤を含有させることにより、低温環境下での短時間の養生で、所望の初期強度を発現させる。上記材料に加えて、セメントの水中不分離性を確保するための増粘剤と、セメントの自己収縮を防止する膨張材を含有させてもよい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山の掘削面とセグメントとの間の空隙に注入される裏込め注入材であって、
セメント、水、高性能減水剤及び耐寒硬化促進剤を含有することを特徴とする裏込め注入材。
【請求項２】
さらに増粘剤を含有することを特徴とする請求項１に記載の裏込め注入材。
【請求項３】
さらに膨張材を含有することを特徴とする請求項１に記載の裏込め注入材。
【請求項４】
前記高性能減水剤がポリカルボン酸系高性能減水剤であり、
前記セメントの重量に対して０．８重量％〜２重量％含有することを特徴とする請求項１に記載の裏込め注入材。
【請求項５】
前記耐寒硬化促進剤が亜硝酸塩及び／又は硝酸塩を主成分とするものであり、前記セメント１００ｋｇ当たり１リットル〜３リットル含有することを特徴とする請求項１に記載の裏込め注入材。
【請求項６】
前記増粘剤がアルキルアリルスルフォン酸塩及びアルキルアンモニウム塩とを主成分とするものであり、前記水の重量に対して１．０重量％〜２．５重量％含有することを特徴とする請求項２に記載の裏込め注入材。
【請求項７】
前記膨張材の含有量が前記セメントの重量に対して２重量％〜４重量％であることを特徴とする請求項３に記載の裏込め注入材。
【請求項８】
前記セメントとして早強セメントを適用したことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の裏込め注入材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールド工法において使用される裏込め注入材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シールド工法は、シールド掘削機に設けたジャッキ等の推進装置を用いて、後方に順次覆工されたセグメントを押圧し、その反力をシールド掘削機の推力として掘進しながらトンネルを構築していく工法である。このシールド工法では、地山の掘削面とセグメントとの間の空隙部分に裏込め注入材を注入し、固化させることによって、地山の変形を最小限に抑えるようにしている。この裏込め注入材としては、通常、セメントやモルタル等が用いられる。
【０００３】
上記シールド工法の一つとして、地山の止水や強度増加等を目的とした地盤凍結工法が知られている。地盤凍結工法とは、地盤内に凍結管を打ち込み、凍結管に液体窒素等を流し込んで地盤中に液体窒素を充填することによって地盤を凍結させ、地下水の流動を防止した上で作業を実施し、作業完了後に地盤の凍結を解除して、元の地盤に復帰させる工法である。
【０００４】
凍結工法を行う場合、地山の掘削面とセグメントとの間の空隙部分の雰囲気温度は０℃〜５℃程度となる。このため、凍結工法において通常の常温施工用の裏込め注入材を用いると、地盤とセグメントとの間に注入された裏込め注入材の硬化が阻害され、シールドの掘進に必要な強度を発現させることができないという問題が生じる。そこで、凍結工法のような低温環境下においても所定の強度を発現させることが可能な裏込め注入材が提案されている（例えば特許文献１を参照）。特許文献１に記載された裏込め注入材は、セメント、フライアッシュ、粘土鉱物及び水を所定の比率で混練した液体と、珪酸ソーダ水溶液とを混合したものであり、雰囲気温度が０℃以下であっても凍結崩壊せず、雰囲気温度が常温に達した後に所定の強度を発現するものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２９１７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した裏込め注入材は、シールドにおけるジャッキの推力を確保するのに必要な強度を、工期の都合上、１日程度という短時間で発現させることが要求される。特許文献１に記載された裏込め注入材は、雰囲気温度が常温に達した後、所定の強度が発現するまでに数日程度を要する。従って、低温環境下での短時間の養生では必要な強度を発現することができず、工期に遅れが生じるという問題がある。
【０００７】
また、裏込め注入材を地上で混練した後、ポンプによって裏込め注入材を注入箇所まで圧送し、注入作業を完了させるまでには１〜２時間程度を要する。特に、掘削深度が大きい場合には裏込め注入材の圧送距離が長距離になるため、注入作業の施工性を確保するために、比較的長時間に亘って裏込め注入材の流動性を保持する必要がある。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑み、凍結地盤等の低温環境下において、裏込め注入を行う際の流動性を確保しつつ、施工後、短時間の養生で所望の強度を発現させることができる裏込め注入材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に記載の裏込め注入材は、地山の掘削面とセグメントとの間の空隙に注入されるものであり、セメント、水、高性能減水剤及び耐寒硬化促進剤を含有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載の裏込め注入材は、上記請求項１において、さらに増粘剤を含有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項３に記載の裏込め注入材は、上記請求項１において、さらに膨張材を含有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項４に記載の裏込め注入材は、上記請求項１において、前記高性能減水剤がポリカルボン酸系高性能減水剤であり、前記セメントの重量に対して０．８重量％〜２重量％含有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項５に記載の裏込め注入材は、上記請求項１おいて、前記耐寒硬化促進剤が亜硝酸塩及び／又は硝酸塩を主成分とするものであり、前記セメント１００ｋｇ当たり１リットル〜３リットル含有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項６に記載の裏込め注入材は、上記請求項２おいて、前記増粘剤がアルキルアリルスルフォン酸塩及びアルキルアンモニウム塩とを主成分とするものであり、前記水の重量に対して１．０重量％〜２．５重量％含有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項７に記載の裏込め注入材は、上記請求項３おいて、前記膨張材の含有量が前記セメントの重量に対して２重量％〜４重量％であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項８に記載の裏込め注入材は、上記請求項１から7のいずれか一つにおいて、前記セメントとして早強セメントを適用したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の裏込め注入材によれば、高性能減水剤及び耐寒硬化促進剤を含有させたことで、裏込め注入を施工する際の流動性を確保しつつ、施工後、低温環境下での短時間の養生で所望の強度を発現させることができる。その結果、凍結工法における裏込め注入や厳冬期における裏込め注入の施工効率を著しく向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の裏込め注入材の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
本実施の形態である裏込め注入材は、セメント、水、高性能減水剤及び耐寒硬化促進剤とを混合することにより得られる。高性能減水剤は、上記材料を混合した直後から所定時間の間、裏込め注入の施工性を確保するのに必要な流動性を保持するために添加されるものである。また、耐寒硬化促進剤は、低温環境下で裏込め注入材を養生させた場合に、所望の初期強度を短時間で発現させるために添加されるものである。
【００２０】
セメントは、早強セメント、普通セメント等のポルトランドセメントを使用することができるが、所望の強度をより速く発現させるために早強セメントを用いるのが好ましい。本実施の形態では、水セメント比３０％〜４０％程度のセメントペーストとしている。ここで、「セメントペースト」とはセメントと水を構成材料としたものであり、「水セメント比」とは、セメントに対する水の重量比をいう。なお、本実施の形態では、水セメント比の水の重量に、後述する高性能減水剤、耐寒硬化促進剤及び増粘剤の重量を含むものとする。
【００２１】
なお、セグメントに形成された裏込め注入材の注入孔は、直径５ｃｍ以下とし、逆止弁の付いた構造となっている。従って、この注入孔から空隙全体に満遍なく裏込め注入材を充填させるための施工性を考慮すると、モルタルよりもセメントペーストを用いることが好ましい。但し、注入孔の直径が比較的大きい場合など、詰まるおそれがない場合には、セメントペーストを用いる替りに、水セメント比３０％〜４０％のモルタルを適用してもよい。ここで、「モルタル」とは、セメント、水、細骨材（砂）を構成材料としたものである。また、セメントにフライアッシュ、高炉スラグ等を混合したものを適用することも可能である。
【００２２】
高性能減水剤（ＪＩＳ  Ａ  ６２０４）は、減水剤よりも高い減水性能及びスランプ保持性能を有する公知の混和剤である。ここで、減水剤とは、コンクリートの単位水量を減少させるための混和剤であり、セメント粒子を分散させてセメントペーストの流動性を高めるために用いられるものである。高性能減水剤の種類は、ポリカルボン酸系、ナフタリン系、メラミン系及びアミノスルホン酸系があるが、特にポリカルボン酸系を用いるのが好ましい。高性能減水剤の含有量は、セメントの重量に対して０．８重量％〜２重量％程度とするのが好ましい。含有量がセメント重量に対して０．８％を下回る場合、所望の流動性が得られない可能性がある。また、含有量が２重量％を超えた場合、セメントペーストやモルタルが材料分離を生じる状態となる。
【００２３】
なお、高性能減水剤の替わりに高性能ＡＥ減水剤を用いてもよい。高性能ＡＥ減水剤とは、ＡＥ減水剤よりも高い減水性能及びスランプ保持性能を有する公知の混和材である。また、ＡＥ減水剤とは、ＡＥ剤、減水剤両方の効果を兼ね備えた混和剤であり、ＡＥ剤は、微小な独立した空気の泡をコンクリート中に一様に分布させるために用いる混和剤である。高性能ＡＥ減水剤の含有量は上記の高性能減水剤の含有量と同様とする。
【００２４】
耐寒硬化促進剤は、コンクリート中の水分の凍結温度を下げるとともに、０℃前後の低温環境下での初期強度を促進させる機能を有する公知の混和剤である。耐寒硬化促進剤は、硝酸カルシウム等の硝酸塩及び／又は亜硝酸カルシウム等の亜硝酸塩を主成分とするものが好ましく用いられる。耐寒硬化促進剤の含有量は、セメント１００ｋｇ当たり０．３リットル〜３リットル、好ましくは１リットル〜３リットルである。含有量が０．３リットルを下回る場合、必要な初期強度が得られない可能性がある。また、含有量が３リットルを超えた場合、流動性が急激に低下する状況となる。
【００２５】
さらに、上記の材料に加えて、材料の水中不分離性を確保するための増粘剤と、セメントの自己収縮を防止する膨張材とを含有させてもよい。以下、増粘剤と膨張材について説明する。
【００２６】
例えば地盤の掘削面とセグメントとの間の空隙が地下水で充たされている場合など、水中にセメントペーストを注入する場合、セメントペーストの材料分離が生じる。そこで、増粘剤を添加することで、裏込め注入材の粘性を増大させ、水中での材料分離を防止する。これにより、裏込め注入材を水中に充填した場合であっても、所望の強度を発現させることができる。増粘剤は、セメントの水和を遅延させないタイプのものを用いるのが好ましく、本実施の形態ではアルキルアリルスルフォン酸塩とアルキルアンモニウム塩とを主成分とするものを適用している。増粘剤の含有量は、水の重量に対して１．０〜２．５重量％とするのが好ましい。増粘剤の含有量が水の重量に対して１．０％を下回る場合、所望の粘性が得られない可能性がある。また、含有量が２．５％を超えた場合、粘性が過大となり、施工性が低下する状態となる。なお、地下水の少ない場所に施工する場合など、水分の少ない場所に施工する場合には、必ずしも増粘剤を添加する必要性はない。
【００２７】
また、セメントペーストは、水和反応の進行によって体積が減少し、収縮を起こす（自己収縮）。このため、掘削地盤とセグメントとの間の空隙に裏込め注入材を注入した後、所定の期間が経過すると、裏込め注入材と掘削地盤との間、及び、裏込め注入材とセグメントとの間に若干の隙間が生じ、この隙間を通じて地下水が坑内に浸入する虞がある。そこで、膨張材を添加することでセメントペーストの自己収縮を防止し、地下水の坑内への浸入を防止する。本実施の形態では、膨張材として石灰系のものを適用している。膨張材の含有量はセメントの重量に対して２重量％〜４重量％とするのが好ましい。なお、坑内の止水性が要求されず、裏込め注入材の若干の体積収縮が許容される場合には、膨張材を省略することも可能である。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例により本発明の裏込め注入材について具体的に説明する。
【００２９】
（試料の作成）
上述した高性能減水剤、耐寒硬化促進剤、増粘剤、膨張材を、表１に示す比率で混合し、試料（実施例１〜１８、比較例１〜５）を作成した。セメントは早強ポルトランドセメントを用い、水セメント比は３０％、３５％、４０％の３種類とした。なお、すべての実施例及び比較例において、高性能減水剤として、花王株式会社製の「マイテイ２１ＨＰ」（液体）を用いた。また、耐寒硬化促進剤として、株式会社ポゾリス物産製の「ポズテック９９」（液体）を用いた。また、増粘剤として、花王株式会社製の「ビスコトップ１００Ａ，１００Ｂ」（２液タイプ：以下、各液をＡ液、Ｂ液という）を用いた。なお、増粘剤として１液タイプの「ビスコトップ２００Ｌ」又は粉末タイプの「ビスコトップ２００Ｐ」を用いてもよい。また、膨張材は、太平洋マテリアル株式会社製の「Ｎ−ＥＸ」（粉体）を用いた。
【００３０】
表１において、高性能減水剤の添加率はセメント量に対する比率であり、耐寒硬化促進剤の添加率はセメント１００ｋｇ当たりのリットル数であり、膨張材の添加率はセメント量に対する比率である。また、増粘剤の添加率は、Ａ液、Ｂ液それぞれの水量に対する比率である（例えば２．０％の場合、Ａ液とＢ液をそれぞれ水量に対して２．０％ずつ添加する）。また、表１に示す水の重量には、高性能減水剤、耐寒硬化促進剤及び増粘剤のＡ液の添加量が含まれている。
【００３１】
（混練手順）
常温（２０℃）の室内において、セメントと膨張材に、水、高性能減水剤、耐寒硬化促進剤及び増粘剤のＡ液を混合し、１分間練り混ぜた後、増粘剤のＢ液を投入し、さらに１分間練り混ぜて、各試料を製造した。なお、表１に示すように、実施例１５〜１８では膨張材を省略した。また、比較例１〜５では、耐寒硬化促進剤及び膨張材を省略した。また、実施例１８と比較例４，５には砂を添加し、モルタルとした。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
（フロー値の測定）
上記混練手順で作成した試料をコーンに入れ、コーンから試料を流したときの試料の広がり（直径）を測定することにより、試料の流動性を評価した。フロー値の測定は、混練直後、混練から６０分経過後、１２０分経過後、１８０分経過後に行い、流動性の経時変化を測定した。なお、裏込め注入材として要求される性能は、シールド工事の規模、形状寸法、充填箇所の空隙の大きさなどによって異なるが、掘削径φが５ｍ程度の例では、混練直後のフロー値が３５０ｍｍ×３５０ｍｍ以上、１２０分後のフロー値が２５０ｍｍ×２５０ｍｍ以上である。測定結果を表２に示す。
【００３４】
（初期強度の測定）
上記混練手順で作成した試料を所定の容器に充填し、５℃の室内（大気中）で養生した。コンクリート圧縮試験装置を用いて、１日養生後と２８日養生後の各試料の圧縮強度をそれぞれ測定した。裏込め注入材として要求される性能は、周辺地盤の地盤条件によって変化するが、材齢１日での圧縮強度が１．５Ｎ／ｍｍ2以上、材齢２８日での圧縮強度が１５Ｎ／ｍｍ2以上である。なお、材齢１日の圧縮強度「１．５Ｎ／ｍｍ2以上」は、シールドにおけるジャッキの推力を確保するのに必要な強度であり、凍結していない場合の裏込め注入材の要求性能と同等である。また、材齢２８日の圧縮強度「１５Ｎ／ｍｍ2」は、「給水・換気竪坑センター孔」の花崗岩Ｍ級の一軸圧縮強度（１０．２Ｎ／ｍｍ2）を目安としている。測定結果を表２に示す。
【００３５】
また、上記手順で作成した試料を、水中に設置した容器に充填し、水温５℃の水中にて養生した。大気中の養生の場合と同様に、材齢１日と材齢２８日の各試料の圧縮強度をそれぞれ測定した。裏込め注入材として要求される性能は、上記の大気中の養生の場合と同じである。測定結果を表２に示す。なお、表２において、試験を行わなかったものについては空欄とした。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
（自己収縮量の測定）
実施例１０、実施例１３、実施例１４及び比較例５を用いて、日本コンクリート工学協会・自己収縮委員会の「セメントペースト、モルタル及びコンクリートの自己収縮及び自己膨張試験方法（案）」に準拠した自己収縮試験を行った。なお、試料は、各実施例につき２個ずつ作成した。まず、上記混練手順で作成した試料を５℃の室内（大気中）で養生した。打込み面にはポリエステルフィルムをかぶせ、乾燥を防止した。材齢１日で脱型し、全体をアルミ箔粘着テープでシールした。ひずみは、東京測器研究所製埋込みひずみ計を試料中央に設置して測定した。温度ひずみは、線膨張係数を１０×１０-6として処理した。測定結果を図１に示す。
【００３８】
（考察）
表２から明らかなように、実施例１〜１８では、フロー値、大気中打設の場合の圧縮強度、水中打設の場合の圧縮強度のいずれにおいても、上記の要求性能以上の良好な結果が得られた。なお、実施例１５〜１８は、耐寒硬化促進剤の添加率を１％以下としたため、他の実施例と比べて材齢１日での圧縮強度が低い結果となったが、要求性能（１．５Ｎ／ｍｍ2）は満足している。これに対して、耐寒促進剤を添加しなかった比較例１〜４は、大気中打設、水中打設いずれにおいても、材齢１日での圧縮強度が要求性能を下回った。
【００３９】
また、図１に示すように、膨張材を添加した実施例１０、１３、１４は、養生開始直後に一端膨張した後、徐々に収縮し、材齢１０日程度でほぼ一定の値に収束した。ひずみ量の収束値は０以上であり、試料が収縮していないことが分かる。これに対して、膨張材を添加しなかった比較例５は、養生開始直後から自己収縮を起こしていることが分かる。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態の裏込め注入材によれば、高性能減水剤及び耐寒硬化促進剤を含有させたことで、裏込め注入を施工する際の流動性を確保しつつ、施工後、低温環境下での短時間の養生で所望の強度を発現させることができる。その結果、凍結工法における裏込め注入や厳冬期における裏込め注入の施工効率を向上させることができる。
【００４１】
また、本実施の形態の裏込め注入材によれば、上記材料に加えて増粘剤を含有させたことで、裏込め注入材の水中不分離性を向上させることができる。その結果、低温環境下、かつ、水中で養生させた場合であっても、水中での材料分離を起こすことがなく、短時間の養生で所望の強度を発現させることができる。
【００４２】
また、本実施の形態の裏込め注入材によれば、上記材料に加えて膨張材を含有させたことで、セメントペーストの自己収縮を防止することができる。その結果、裏込め注入の施工後、低温環境下で養生させた場合に、裏込め注入材と掘削地盤との間、及び、裏込め注入材とセグメントとの間に隙間が生じることがなく、坑内への地下水の侵入を防止することができる。
【００４３】
また、本実施の形態の裏込め注入材によれば、早強セメントを適用したことで、低温環境下での強度発現をより速くすることができ、さらに工期を短縮することが可能となる。
【００４４】
なお、上述した実施の形態では、すべての実施例に増粘剤を添加したが、上述したように、水分の少ない場所に施工する場合には増粘剤を省略してもよく、また、裏込め注入材の若干の体積収縮が許容される場合には膨張材を省略してもよい。また、上述した実施の形態では、すべての実施例及び比較例に早強セメントを適用したが、早強セメントに替えて普通セメントを適用することも可能である。但し、普通セメントを適用した場合、早強セメントを適用した場合よりも強度の発現が遅れるため、耐寒硬化促進剤の添加量を増やす必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】自己収縮試験の測定結果を示すグラフである。
【図１】
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