(57)【要約】【課題】トンネル掘削工事などにおける不安定地盤を経済的に、かつ早期に安定強化し、注入後２４時間以内に掘削可能な強度を確保する注入材を提供する。【解決手段】（Ａ）ブレーン値が８０００〜１００００ｃｍ2／ｇのセメントの水懸濁液、（Ｂ）ＳｉＯ2およびＮａ2Ｏからなり、ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ（モル比）が２．１５〜２．７０であるケイ酸ソーダ水溶液、ならびに（Ｃ）塩化カルシウムを含んでなり、注入材１０００Ｌ当たり、セメントの重量が２２５〜２５０ｋｇ、ケイ酸ソーダ成分由来のＳｉＯ2の重量が１００〜１２０ｋｇ、塩化カルシウムの重量が１〜１５ｋｇである地盤の安定化用注入材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）ブレーン値が８０００〜１００００ｃｍ2／ｇのセメントの水懸濁液、
（Ｂ）ＳｉＯ2およびＮａ2Ｏからなり、ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ（モル比）が２．１５〜２．７０であるケイ酸ソーダ水溶液、ならびに
（Ｃ）塩化カルシウム
を含んでなり、
注入材１０００Ｌ当たり、セメントの重量が２２５〜２５０ｋｇ、ケイ酸ソーダ成分由来のＳｉＯ2の重量が１００〜１２０ｋｇ、塩化カルシウムの重量が１〜１５ｋｇである地盤の安定化用注入材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤の安定化用注入材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トンネル掘削などを目的とした不安定地盤の安定強化工法としては、有機または無機系グラウトの注入による方法が行われている。しかしながら、これらの方法では必ずしも満足し得る結果が得られていない。たとえば、有機系注入材では地盤の安定化効果は期待できるが、原料のポリオールやポリイソシアネートなどは高価なうえ可燃性であるため、経済性や安全性の面で改善が要求されている。一方、無機系注入材については、たとえば懸濁型注入材に一般に多用されているセメントは粒径が大きいため地盤への浸透性が悪く、均一な固結体を得ることが困難である。また、ケイ酸ソーダを主成分とする溶液型では、浸透性に問題はないが、固結体強度が低く、地盤の安定化が不充分である。
【０００３】
そこで、これらの欠点を改良した注入材として、懸濁粒子を超微粒子にすることにより地盤への浸透性を改良する方法が提案されている（たとえば、特許文献１〜５参照）。しかしながら、これらの方法では、掘削に必要な固結体強度を得るためにはセメントおよびケイ酸ソーダの配合量を多くする必要があり、経済性の面で改良の余地がある。また、溶液型注入材のサンドゲル強度を大幅に改善した注入材が提案されている（たとえば、特許文献６参照）。しかしながら、硬化剤に用いられている有機化合物の溶出が発生するおそれがある。これらの問題点を改良する方法として、超微粒子のセメントを用いて、セメントのゲル化時間が短く、かつ充分な固結体強度を与える注入材が提案されている（たとえば、特許文献７参照）。しかしながら、固結体の一軸圧縮強度が２．０ＭＰａ以上である固結体を経済的に得るという点において改良の余地がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８５１３３号公報
【特許文献２】特開２００１−４９２５６号公報
【特許文献３】特開平１０−２４５５５６号公報
【特許文献４】特開平７−２２９１３７号公報
【特許文献５】特開２００３−６３８５３号公報
【特許文献６】特開２００２−１８００４６号公報
【特許文献７】特開２００６−２４９３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記従来技術における課題を補うものであり、トンネル掘削工事における不安定地盤を経済的に、かつ早期に安定強化するため、固結体の一軸圧縮強度が充分な固結体を早期に与える注入材であって、セメント量を減量した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】
【０００６】
本発明は、
（Ａ）ブレーン値が８０００〜１００００ｃｍ2／ｇのセメントの水懸濁液、
（Ｂ）ＳｉＯ2およびＮａ2Ｏからなり、ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ（モル比）が２．１５〜２．７０であるケイ酸ソーダ水溶液、ならびに
（Ｃ）塩化カルシウム
を含んでなり、
注入材１０００Ｌ当たり、セメントの重量が２２５〜２５０ｋｇ、ケイ酸ソーダ成分由来のＳｉＯ2の重量が１００〜１２０ｋｇ、塩化カルシウムの重量が１〜１５ｋｇである地盤の安定化用注入材に関する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の地盤の安定化用注入材においては、超微粒子セメントが用いられるため、微細なクラックや空隙にも注入材が浸透し高い安定化効果が得られる。また、該超微粒子セメントに対して、特定の組成を有するケイ酸ソーダを特定比率で配合し、さらに塩化カルシウムを特定比率で配合することにより注入材のゲル化時間を特定の範囲とすることができるため、流水のある地盤においても必要箇所への限定注入を容易に行うことが可能となる。また、注入後短時間での強度発現性を有するため、作業性に優れている。さらに、注入材においてセメント量を減量することができるため、経済性にも優れている。
【０００８】
したがって、本発明の注入材を用いることにより、トンネル工事において要求されるような、高強度かつ安全であり、しかも経済的にも優れた地盤の安定強化工法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のトンネル掘削用の地盤の安定化用注入材は、セメントの水懸濁液（Ａ）、ＳｉＯ2およびＮａ2Ｏからなるケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）および塩化カルシウム（Ｃ）を含むものである。
【００１０】
セメントの水懸濁液（Ａ）のセメントとしては、とくに限定されず従来公知のセメントを用いることができ、たとえば、普通ポルトランドセメント、早強セメント、中庸熱セメントなどのポルトランドセメント、Ａ種、Ｂ種、Ｃ種高炉セメント、Ａ種、Ｂ種、Ｃ種フライアッシュセメント、シリカセメントなどがあげられる。
【００１１】
セメントはジェットミルなどにより微粉砕して、ブレーン値の大きい超微粒子セメントとして使用することが好ましい。ここで、ブレーン値とは１グラムあたりの粒子表面積のことをいう。セメントのブレーン値は、８０００〜１００００ｃｍ2／ｇであり、好ましくは８５００〜９５００ｃｍ2／ｇである。ブレーン値が８０００ｃｍ2／ｇ未満では、地盤への浸透性が低下するため充分な安定化効果を得にくくなる。一方、ブレーン値が１００００ｃｍ2／ｇをこえると、水懸濁液の流動性が低下する。
【００１２】
セメントの水懸濁液（Ａ）のセメントと水の割合は、セメント１００重量部に対し、水が１００〜３００重量部が好ましく、１２５〜２５０重量部がより好ましい。１００重量部未満では、セメントの水懸濁液（Ａ）の粘度が高くなるため注入作業性が低下する傾向があり、３００重量部をこえると、注入材中の固形分量が少なくなり、固結体強度が低下する傾向がある。
【００１３】
セメントの水懸濁液（Ａ）のセメントには、本発明の効果を損なわない範囲で適宜添加剤を配合することができる。このような添加剤としては、カルシウムの溶出を調整するために、重炭酸塩、炭酸塩、縮合リン酸系を含むリン酸塩などのカルシウム溶出量調整剤、ゲル化時間を調整するために、エステル類、アルデヒド類、アミド類、アルコール類、酸類、石灰、石膏、セメントなどの反応剤、酸性ケイ酸水溶液などのゲル化促進剤、さらにフライアッシュ、ケイ華、ケイ藻土、白土などのポゾラン類などがあげられる。
【００１４】
ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）のＳｉＯ2およびＮａ2Ｏからなるケイ酸ソーダ水溶液におけるＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ（モル比）は、２．１５〜２．７０であり、好ましくは２．１５〜２．２５である。ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ（モル比）が２．１５未満では、ケイ酸ソーダ水溶液中のナトリウム濃度が高くなり、ゲル化時間が遅くなる。一方、２．７０を超えると、ゲル化時間が早くなり、またケイ酸ソーダ水溶液中のナトリウム濃度が低いことによりセメントの硬化反応を促進する効果が小さいため、充分な固結体強度が得られないという問題が生じる。
【００１５】
ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）の濃度は、１０〜４０重量％であることが好ましく、１５〜３０重量％であることがより好ましい。ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）の濃度が、１０重量％未満であるとケイ酸ナトリウムによる硬化反応がほとんど期待できず、ゲル化時間が長くなる傾向があり、４０重量％より大きいとケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）の粘度が高くなるため注入作業性が低下する傾向がある。
【００１６】
なお、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）に硬化剤として本発明の効果を損なわない範囲で、ケイ酸ソーダ水溶液に水溶性アルミニウム化合物や、塩化カルシウム（Ｃ）以外の水溶性多価金属化合物を添加してもよい。水溶性アルミニウム化合物としては、アルミン酸アルカリ金属塩、硫酸アルミニウム、ミョウバン類、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウムなどがあげられる。また、塩化カルシウム（Ｃ）以外の水溶性多価金属化合物としては、塩化マグネシウム、塩化鉄などを添加することができる。
【００１７】
ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）にこれらの硬化剤を配合する際には、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）中の硬化剤の濃度は、１〜１０重量％が好ましく、１〜５重量％がより好ましい。硬化剤の濃度が１重量％未満であると、硬化剤によるケイ酸ソーダ水溶液の硬化調整効果が得られにくい傾向があり、１０重量％をこえると、硬化剤によりケイ酸ソーダ水溶液の液状安定性が低下し、セメントの水懸濁液（Ａ）との混合前にゲル化を起こしやすくなる傾向がある。
【００１８】
塩化カルシウム（Ｃ）は、ケイ酸ソーダの硬化剤として知られており、塩化カルシウム（Ｃ）を適量配合することで、塩化物イオンおよびカルシウムイオンがケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）中に溶解しているＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ成分からナトリウムイオンを引き抜き、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）の液状安定性が低下することにより、注入材混合液の硬化を促進し、同時にカルシウムイオンがセメントの水懸濁液（Ａ）中のセメント水和反応をも促進する効果が得られる。
【００１９】
塩化カルシウム（Ｃ）としては、とくに限定されず、汎用の塩化カルシウムを用いることができ、たとえば、寒冷地における路面の凍結防止用に散布される顆粒状の塩化カルシウムなどが例示できる。
【００２０】
塩化カルシウム（Ｃ）の配合方法としては、とくに限定されないが、たとえば、塩化カルシウム水溶液として配合する方法を用いることができる。なお、注入作業性およびゲル化時間安定性の面から、セメントの水懸濁液（Ａ）を調製する際にセメントと同時に塩化カルシウム（Ｃ）を所定量配合し、混合溶解して使用することが好ましい。その後、混合溶解したものを（Ａ）液とし、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）を（Ｂ）液として混合することが好ましい。
【００２１】
セメントの水懸濁液（Ａ）、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）および塩化カルシウム（Ｃ）を混合して本発明の注入材を得る際、該注入材１０００Ｌ当たりのセメントの重量は２２５〜２５０ｋｇであり、好ましくは２３０〜２５０ｋｇである。セメントの量が２２５ｋｇ未満では、注入材中の固形分量が少なくなるため充分な固結体強度が得られない。また、２５０ｋｇをこえると、注入剤の粘度が高くなり注入作業性が低下する。
【００２２】
セメントの水懸濁液（Ａ）、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）および塩化カルシウム（Ｃ）を混合して本発明の注入材を得る際、該注入材１０００Ｌ当たりのケイ酸ソーダ成分由来のＳｉＯ2の重量は、１００〜１２０ｋｇであり、好ましくは１０５〜１１５ｋｇである。ＳｉＯ2の重量が１００ｋｇ未満では、ケイ酸ソーダのゲル化性能が低下するため、ゲル化時間が遅くなる。また、１２０ｋｇをこえると、ケイ酸ソーダ水溶液の粘度が高くなり、注入作業性が低下する。
【００２３】
セメントの水懸濁液（Ａ）、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）および塩化カルシウム（Ｃ）を混合して本発明の注入材を得る際、該注入材１０００Ｌ当たりの塩化カルシウム（Ｃ）の重量は、１〜１５ｋｇであり、好ましくは５〜１５ｋｇである。塩化カルシウム（Ｃ）の重量が１ｋｇ未満では、塩化カルシウム（Ｃ）によるケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）のゲル化効果が得られにくいため、ゲル化時間が遅くなる。また、１５ｋｇをこえると、ゲル化時間が早くなりすぎるため、注入作業性が低下する傾向にある。
【００２４】
以上の構成をとることで、セメントの水懸濁液（Ａ）、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）および塩化カルシウム（Ｃ）を混合して得られる注入材のゲル化時間を３０秒〜１分３０秒とすることができる。地盤の微細なクラックや空隙に注入材を浸透させる場合、ゲル化時間が３０秒未満だと、注入材が微細なクラックや空隙に浸透する前にゲル化してしまい、充分な安定化効果が得られにくくなる傾向があり、１分３０秒より長いと、流水の存在下では注入材が流失し、限定注入が困難になる傾向があるが、本発明ではこのような問題を解決できる。なお、ゲル化時間は、あらかじめ２０℃に調整した上記の（Ａ）液および（Ｂ）液を２０秒間攪拌してよく混合し、引き続いて２つのポリカップを用いて、注入材を移動させ、流動性が消失するまでの時間とする。なお、このゲル化時間は、上限値および下限値ともに、±５秒程度の誤差は許容できる。
【００２５】
セメントの水懸濁液（Ａ）、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）および塩化カルシウム（Ｃ）を混合して得られる注入材の一軸圧縮強度（ＪＩＳ  Ａ  １２１６（１９９８）における「土の一軸圧縮試験方法」に準拠）は、充分な安全性、作業性を確保すること、および翌日の掘削作業を可能にするために、２４時間後の一軸圧縮強度は２．０ＭＰａ以上であり、好ましくは２．３ＭＰａ以上である。なお、２４時間後の一軸圧縮強度は、とくに限定されるわけではないが、通常４．０ＭＰａ程度である。なお、この一軸圧縮強度は、上限値および下限値ともに、±０．２ＭＰａ程度の誤差は許容できる。
【００２６】
本発明の注入材は、特殊な注入材であり、たと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なわれる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、空隙やクラックの多い軟質ないし不安定な地盤、岩盤または破砕帯層に注入固結される。なお、本発明では、地盤とはトンネル周辺の土砂および岩盤の総称で、空隙やクラックなどを含むものを、岩盤とは主として岩石からなる地盤を、破砕帯層とは土砂や岩石が風化・堆積した地盤に多く見られる、トンネル掘削により崩落を生じる可能性が高い崩壊性の地層をいう。
【００２７】
本発明の注入材を用いた地盤の安定強化工法としては、公知の方法を採用することができ、たとえば、地盤に所定間隔で複数個の孔を穿設する工程、該孔内に中空のボルトを挿入する工程（ａ）、および該ボルトの開口部より本発明の地盤の安定化用注入材を地盤に注入し、固結させる工程（ｂ）を含む方法が好ましく用いられる。
【００２８】
注入材を地盤に注入する際には、たとえば、事前に塩化カルシウム（Ｃ）をセメントの水懸濁液（Ａ）に配合した後、たとえば、セメントの水懸濁液（Ａ）およびケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）の注入量、圧力および配合比などをコントロールし得る比較配合式ポンプが用いられる。この場合、セメントの水懸濁液（Ａ）とケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）とを別々のタンクに入れ、地盤などの所定箇所（たとえば０．５〜３ｍ程度の間隔で穿設された複数個の孔）に、あらかじめ固定されたスタティックミキサーや逆止弁などを内装した有孔のロックボルトや注入ロッドを通し、この中に前記タンク内の各成分を注入圧０．０５〜５ＭＰａで注入し、スタティックミキサーを通して、所定量のセメントの水懸濁液（Ａ）とケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）を均一に混合させ、所定の不安定地盤箇所に注入浸透、硬化させて固結安定化する。
【００２９】
なお、たとえばトンネルの天盤部に注入する場合には、注入に先立ち、たとえば約２ｍ程度の間隔で、たとえば４２ｍｍφビットのレッグオーガーを用いて削孔し、深さ２ｍ、削孔角度１０〜３０°の注入孔を設け、この注入孔に、スタティックミキサーおよび逆止弁を内装した有孔の長さが３ｍである中空炭素鋼管製ロックボルトを挿入し、該ロックボルトの口元を、注入材の逆流を防ぐために、ウエスおよび発泡硬質ウレタン樹脂などを用いてシールし、薬液を前記の方法で注入することが好ましい。注入作業は、注入圧が急激に上昇した時点、または所定注入量よりもさらに約５０％増量した時点で終了する。一般に、注入孔１個あたり注入材は５０〜５００ｋｇ注入することが好ましい。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３１】
セメントとして、表１に示すようなブレーン値を有するセメント１（商品名：デンカコロイダルスーパー、電気化学工業（株）製）、セメント２（商品名：普通ポルトランドセメント、太平洋セメント（株）製）、セメント３（商品名：ファインハード、三菱マテリアル（株）製）を使用した。
【００３２】
【表１】
2009046611.tif 000002
【００３３】
また、ケイ酸ソーダとしては、表２に示すような組成を有するケイ酸ソーダ１〜４（いずれも富士化学（株）製）を使用した。
【００３４】
【表２】
2009046611.tif 000003
【００３５】
さらに、塩化カルシウムは、塩化カルシウム二水和物を使用した。
【００３６】
実施例１〜６および比較例１〜６
表３にしたがって、注入材１０００Ｌ当たりのセメントの重量、ケイ酸ソーダ成分由来のＳｉＯ2の重量および塩化カルシウムの重量を変化させて、事前に塩化カルシウムを配合したセメントの水懸濁液（Ａ）を（Ａ）液、ケイ酸ソーダ水溶液（Ｂ）を（Ｂ）液とし、（Ａ）液と（Ｂ）液を混合し注入材を得た。
【００３７】
得られた注入材のゲル化時間および２４時間後の固結体強度を次の方法により測定した。結果を表３に示す。
【００３８】
（ａ）ゲル化時間
あらかじめ２０℃に調整した（Ａ）液、（Ｂ）液をスパチュラで２０秒間攪拌してよく混合し、引き続いて２つのポリカップを用いて注入材を移動させ、流動性が消失するまでの時間を測定した。
【００３９】
（ｂ）固結体強度
５φ×１０ｃｍのモールドに注入材を流し込み、２０℃で２４時間密閉養生し、ＪＩＳ  Ａ  １２１６（１９９８）における「土の一軸圧縮試験方法」に準拠して測定した。
【００４０】
【表３】
2009046611.tif 000004
【００４１】
表３によると、本願発明の地盤の安定化用注入材は、塩化カルシウムを配合することで、短時間でゲル化し、かつ２４時間後における固結体強度も非常に優れていることがわかる。実施例１および３では、固結体強度がとくに優れている。実施例２、４、５および６における注入材は、減量したセメント量であっても、優れた固結体強度を有することがわかる。一方、比較例１における注入材はセメントのブレーン値が小さいため、充分な固結体強度を得ることができないことがわかる。また、比較例２〜６の注入材についても、本発明の組成を満たしていないため充分な固結体強度が得られないことがわかる。なお、（Ｂ）液におけるＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ（モル比）が低い比較例４では、注入材のゲル化時間が著しく遅く、流水の存在下での注入材の注入に困難を生じさせる。また、比較例２および４では、塩化カルシウムを配合していないため、ゲル化時間がさらに遅くなっている。さらに、比較例５では、塩化カルシウムの配合量が少ないため、充分な固結体強度が得られないだけでなく、ゲル化時間も遅くなり、比較例６では、塩化カルシウムの配合量が多いため、充分な固結体強度が得られないだけでなく、ゲル化時間もはやくなり、いずれの比較例でも、適切なゲル化時間が得られていない。