(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設トンネルの覆工コンクリート背面に生じた空洞内に、発泡倍率が３５倍以上で発泡後の圧縮強度が０．０５ＭＰａ以上である発泡ウレタン系薬液を充填して固化させるようにした空洞充填工法であって、上記発泡ウレタン系薬液が、ポリオールとヌレート化触媒と水を含有するＡ液と、イソシアネートを主成分とするＢ液とからなり、上記空洞内への発泡ウレタン系薬液の充填が、圧縮空気の流れの周りから上記Ａ液とＢ液とをそれぞれ供給することによりＡ液とＢ液とを霧化混合させ、それを、上記圧縮空気のエアー圧を利用して吹き付けることにより行われることを特徴とする空洞充填工法。
【請求項２】
上記発泡ウレタン系薬液の発泡後の比重が４０ｋｇ／ｍ3 以下である請求項１記載の空洞充填工法。
【請求項３】
上記Ａ液とＢ液との霧化混合が、下記（Ｉ）のミキシング装置を用いて行われる請求項１または２記載の空洞充填工法。
（Ｉ）圧縮空気を流出させる第１オリフィスの流出口が、上記Ｂ液を流入させる第１流路内に位置決めされ、上記第１オリフィスの流出口から流出する圧縮空気により上記Ｂ液を霧化し、その霧化したＢ液と上記第１オリフィスからの圧縮空気との混合流体を流入させた後流出させる第２オリフィスの流出口が、上記Ａ液を流入させる第２流路内に位置決めされ、上記第２オリフィスの流出口から流出する上記混合流体により上記Ａ液を霧化し、これにより、上記Ａ液とＢ液とを霧化混合するミキシング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、老朽化した山岳トンネル等の既設トンネルを補修するための空洞充填工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、老朽化した山岳トンネル等の既設トンネルにおいては、その覆工コンクリートのアーチ天端付近の背面に空洞が存在すると、この空洞に地山の応力が集中しこの空洞近傍の地山部分が崩れてアーチ天端付近から崩落等したり、覆工コンクリートのアーチ天端付近に突き上げ力が作用してアーチ天端付近にひび割れ等が発生したりするおそれがある。
【０００３】
そこで、図７および図８に示すように、既設トンネル４１の覆工コンクリート４２のアーチ天端付近の背面に空洞４３が生じた場合には、これを補修するために、地山４４に、その表面と空洞４３を連通する長孔４５を穿設し、この長孔４５にパイプ４６を挿通した（図９参照）のち、図１０に示すように、充填剤注入装置（図示せず）によりパイプ４６を介して空洞４３内に空洞充填剤４７を充填して固化させることが行われている。この工法によれば、空洞４３を固化した空洞充填剤４７で埋めることができ（図１１および図１２参照）、地山４４の応力を緩和させて崩落等を防止したり、突き上げ力を抑えてひび割れ等の発生を防止したりすることができる。このような空洞充填剤４７としては、例えば、発泡コンクリートや硬質発泡ウレタンの１０〜３０倍発泡品等が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記工法において発泡コンクリートを用いた場合には、発泡コンクリートの重量が重いため、老朽化した覆工コンクリート４２に対して重量的な負荷が大きく、依然として崩落等のおそれがある。一方、上記工法において硬質発泡ウレタンを用いた場合には、硬質発泡ウレタンが軽量であるため、老朽化した覆工コンクリート４２に対して重量的な負荷が小さく、この点では、発泡コンクリートを用いた場合に比べて優れている。ところが、硬質発泡ウレタンの発泡倍率が３０倍程度と小さいため、ウレタンが発泡する時の発泡圧が大きく、過充填時には、空洞４３内の内圧が増大して、老朽化した覆工コンクリート４２を壊すおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、崩落等したり、覆工コンクリートが壊れたりすることのない空洞充填工法の提供をその目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の空洞充填工法は、既設トンネルの覆工コンクリート背面に生じた空洞内に、発泡倍率が３５倍以上で発泡後の圧縮強度が０．０５ＭＰａ以上である発泡ウレタン系薬液を充填して固化させるようにした空洞充填工法であって、上記発泡ウレタン系薬液が、ポリオールとヌレート化触媒と水を含有するＡ液と、イソシアネートを主成分とするＢ液とからなり、上記空洞内への発泡ウレタン系薬液の充填が、圧縮空気の流れの周りから上記Ａ液とＢ液とをそれぞれ供給することによりＡ液とＢ液とを霧化混合させ、それを、上記圧縮空気のエアー圧を利用して吹き付けることにより行われるという構成をとる。
【０００７】
すなわち、本発明の空洞充填工法は、空洞充填剤として、発泡倍率が３５倍以上で発泡後の圧縮強度が０．０５ＭＰａ以上である発泡ウレタン系薬液を用い、これを覆工コンクリート背面に存在する空洞内に充填して固化させている。このように、本発明では、発泡後の圧縮強度が０．０５ＭＰａ程度の発泡ウレタン系薬液を用いた場合にも、これを空洞内に完全に充填することにより、崩落等を防止することができるようになる。また、本発明では、発泡倍率が３５倍以上である高発泡倍率の発泡ウレタン系薬液を用いているため、発泡する時の空気量が多く、過充填時に、この過充填分の発泡ウレタン系薬液により発生した泡は潰れてしまい、上記過充填によっても空洞の内圧が上昇しない。したがって、上記過充填時にも、老朽化した覆工コンクリートが壊れない。しかも、発泡後の発泡ウレタン系薬液が軽量であり、老朽化した覆工コンクリートに対して重量的な負荷が小さく、崩落等が起こらない。また、本発明に用いる発泡ウレタン系薬液は高発泡倍率であるため、空洞内への充填量が少量ですみ、施工時間の短縮と充填量の低減を図ることができるうえ、軽量であり、トンネルへの搬入の負担を低減することができる。また、上記Ａ液とＢ液と霧化して混合するため、上記Ａ液とＢ液との混合性が大幅に向上する。しかも、圧縮空気のエアー圧により発泡ウレタン系薬液を遠くまで吹き付けることができ、空洞内の隅々にまで発泡ウレタン系薬液を吹き付けることができる。
【０００８】
本発明において、上記発泡ウレタン系薬液の発泡後の比重が４０ｋｇ／ｍ3 以下である場合には、発泡後の発泡ウレタン系薬液が軽量であり、覆工コンクリートへの負荷が軽減される。
【０００９】
また、本発明において、上記Ａ液とＢ液との霧化混合が、下記（Ｉ）のミキシング装置を用いて行われる場合には、Ａ液とＢ液とを充分に混合攪拌することができる。
（Ｉ）圧縮空気を流出させる第１オリフィスの流出口が、上記Ｂ液を流入させる第１流路内に位置決めされ、上記第１オリフィスの流出口から流出する圧縮空気により上記Ｂ液を霧化し、その霧化したＢ液と上記第１オリフィスからの圧縮空気との混合流体を流入させた後流出させる第２オリフィスの流出口が、上記Ａ液を流入させる第２流路内に位置決めされ、上記第２オリフィスの流出口から流出する上記混合流体により上記Ａ液を霧化し、これにより、上記Ａ液とＢ液とを霧化混合するミキシング装置。
【００１０】
つぎに、本発明を詳しく説明する。
【００１１】
本発明に用いる空洞充填剤としては、発泡倍率が３５倍以上で発泡後の圧縮強度が０．０５ＭＰａ以上である発泡ウレタン系薬液が用いられる。このような発泡ウレタン系薬液としては、好適には、ポリオールとヌレート化触媒と水を含有するＡ液と、イソシアネートを主成分とするＢ液とからなり、上記Ａ液とＢ液の混合比が、重量比で、Ａ液：Ｂ液＝１：３〜７の範囲に設定され、かつ、上記水の配合量がＡ液とＢ液の合計量中０．８〜２．５重量％の範囲に設定されているものが用いられる。このような発泡ウレタン系薬液において、ポリオールが低分子量グリコールを含有し、かつ、この低分子量グリコールの含有量がポリオール全体の３０重量％以上に設定されている場合には、ハードセグメント同士をつなぐソフトセグメント（低分子量グリコール）の割合が多くなり、圧縮強度が向上する。また、イソシアネートの粘度が２００ｃｐｓ／２５℃以下に設定されている場合には、発泡ウレタンの発泡倍率がより高くなり（発泡倍率４０倍以上）、発泡圧をより小さくすることができるとともに、ポリオールとの発熱反応を抑制することができる。また、Ａ液にアミン触媒が配合されている場合には、ポリオールとイソシアネートの発熱反応を抑制し、発泡ウレタン系薬液の発熱温度を低減することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
【００１３】
本発明の空洞充填工法の一実施の形態を、例えば、つぎのようにして行うことができる。この実施の形態では、空洞充填剤として、低分子量グリコールを含有するポリオールとヌレート化触媒（いわゆるイソシアネート三量化触媒）と水を含有するＡ液と、イソシアネートを主成分とするＢ液とからなる薬液であって、Ａ液とＢ液の混合比が、重量比で、Ａ液：Ｂ液＝１：５．５に設定され、かつ、水の配合量がＡ液とＢ液の合計量中１．２重量％に設定されているもの（発泡倍率が４３程度で発泡後の圧縮強度が０．１１ＭＰａ程度の発泡ウレタン系薬液）が用いられている。これ以外の部分は従来例の空洞充填工法と同様にする。すなわち、まず、上記発泡ウレタン系薬液を準備する。ついで、老朽化した既設トンネル４１を点検し、その覆工コンクリート４２のアーチ天端付近の背面に空洞４３が生じていることを見つけると（図７および図８参照）、地山４４に長孔４５を穿設してこの長孔４５にパイプ４６を挿通した（図９参照）のち、図１に示すミキシング装置を用い、パイプ４６を介して空洞４３内に上記の空洞充填剤４７を充填して固化させる（図１０）。これにより、空洞４３を固化した空洞充填剤４７で埋めることができる（図１１および図１２参照）。
【００１４】
上記ミキシング装置は、第１ブロック１と、この第１ブロック１に着脱自在にボルト５止めされる第２ブロック２と、この第２ブロック２に着脱自在にボルト（図示せず）止めされる第３ブロック３とを備えており、この第３ブロック３にパイプ４６が着脱自在に固定されている。
【００１５】
上記第１ブロック１には、その一側面（図面では、左側面）に、円筒状の凹部を設けることにより圧縮空気導入穴１０（この圧縮空気導入穴１０の開口が圧縮空気導入口１１となる）が形成されており、この圧縮空気導入穴１０に圧縮空気供給ホース（図示せず）が連結している。また、上記第１ブロック１には、その他側面（図面では、右側面）から圧縮空気導入穴１０の軸方向に沿って、上記圧縮空気導入穴１０と同心状で、この圧縮空気導入穴１０の内径より小径円筒状の第１流路１３が形成されている（図４参照）。そして、上記圧縮空気導入穴１０の奥端面（図面では、右端面）と第１流路１３の先端面（図面では、左端面）とが、上記圧縮空気導入穴１０および第１流路１３と同心状で、これら圧縮空気導入穴１０，第１流路１３の内径より小径円筒状の中間穴１２を介して連通している。
【００１６】
上記第１ブロック１には、その外周面の所定部分（図面では、上側部分）から内側に延びて上記第１流路１３の先端側の所定部分（図面では、上側部分）に至るＢ液導入路１５（このＢ液導入路１５の上端開口がＢ液導入口１６となる）が形成されており、このＢ液導入路１５にＢ液供給ホース（図示せず）が連結している。そして、上記Ｂ液導入路１５と第１流路１３とで第１液流入路が構成されている。
【００１７】
上記中間穴１２には、その内周面にねじ部（図示せず）が形成されており、このねじ部に、円筒状の１次霧化オリフィス１７の左側部外周面に形成されたねじ部（図示せず）がら合している。この１次霧化オリフィス１７には、その右端部内周面に、円錐台状の傾斜部分１８ａと、この傾斜部分１８ａの右端開口に続く小径円筒状の絞り部１８が形成されており、この絞り部１８の右端開口が１次霧化オリフィス１７の右端開口になっている。そして、上記１次霧化オリフィス１７の左端開口が中間穴１２の左端開口に面一状で位置決めされ、かつ、その右端開口がＢ液導入路１５の右端部よりさらに右側に飛び出した位置に位置決めされた状態で、上記中間穴１２に１次霧化オリフィス１７が固定されている。
【００１８】
また、上記第２ブロック２は、その左側面（すなわち、上記第１ブロック１の右側面との接続面）に、上記圧縮空気導入穴１０と同心状で、上記１次霧化オリフィス１７の絞り部１８の内径より大径円筒状の連通穴２０が穿設されている。また、上記第２ブロック２には、その右側面から上記圧縮空気導入穴１０の軸方向に沿って、上記圧縮空気導入穴１０と同心状で、上記連通穴２０の内径より大径円筒状の第２流路２１が形成されている（図５参照）。そして、上記連通穴２０の右端開口と第２流路２１の左端開口とが、上記圧縮空気導入穴１０と同心状で、上記連通穴２０より大径円筒状で、第２流路２１より小径円筒状の中間穴２２を介して連通している。
【００１９】
上記第２ブロック２には、その外周面の所定部分（図面では、上側部分）から内側に延びて上記第２流路２１の先端側の所定部分（図面では、上側部分）に至るＡ液導入路２４（このＡ液導入路２４の上端開口がＡ液導入口２５となる）が形成されており、このＡ液導入路２４にＡ液供給ホース（図示せず）が連結している。そして、上記Ａ液導入路２４と第２流路２１とで、第２液流入路が構成されている。
【００２０】
上記中間穴２２には、その内周面にねじ部（図示せず）が形成されており、このねじ部に、円筒状の２次霧化オリフィス２６の左側部外周面に形成されたねじ部（図示せず）がら合している。この２次霧化オリフィス２６には、その右端部内周面に、円錐台状の傾斜部分２７ａと、この傾斜部分２７ａの右端開口に続く小径円筒状の絞り部２７が形成されており、この絞り部２７の右端開口が２次霧化オリフィス２６の右端開口になっている。また、この２次霧化オリフィス２６は、その内径が上記連通穴２０の内径と同じに設定されている。そして、上記２次霧化オリフィス２６の左端開口が中間穴２２の左端開口に面一状で位置決めされ、かつ、その右端開口が第２流路２１の右端開口に面一状で位置決めされた状態で、上記中間穴２２の内周面に２次霧化オリフィス２６が固定されている。
【００２１】
上記第３ブロック３およびパイプ４６は円筒状であり、第３ブロック３の内周面に形成された複数の凹部（図示せず）に、パイプ４６の端部外周面に形成された複数の凸部（図示せず）が着脱自在に係合している。このようなパイプ４６の右端開口は蓋２９で閉塞されているとともに、その右端部に、４つの円形穴からなる吐出口４６ａが等間隔をあけて穿設されている。また、このパイプ４６の内径は上記第２流路２１の内径と同じに設定されている。図１において、３０はＯリングである。
【００２２】
上記構成において、まず、圧縮空気供給ホースから圧縮空気導入口１１を介して圧縮空気導入穴１０に圧縮空気を導入し、Ｂ液供給ホースからＢ液導入口１６を介してＢ液導入路１５にＢ液を導入し、Ａ液供給ホースからＡ液導入口２５を介してＡ液導入路２４にＡ液を導入する。ついで、圧縮空気導入穴１０に導入した圧縮空気は１次霧化オリフィス１７に流入し、この１次霧化オリフィス１７を通過する間に流速が速まるとともに圧力が減少（負圧化）したのち、１次霧化オリフィス１７の絞り部１８を通過し、１次霧化オリフィス１７から流出する。この流出により通路断面積が大きくなるため、圧縮空気は流速が減少するとともに圧力が増大して、膨脹拡散する。一方、Ｂ液導入路１５に導入したＢ液は第１流路１３に流入したのち、１次霧化オリフィス１７から流出した圧縮空気に吸い込まれるようにして合流し、この圧縮空気の膨脹拡散によって霧化される。
【００２３】
つぎに、霧化したＢ液と圧縮空気との混合流体は、２次霧化オリフィス２６を通過することにより、１次霧化オリフィス１７通過による霧化と同様の作用を繰り返す。すなわち、２次霧化オリフィス２６を通過する間に流速が速まるとともに圧力が減少したのち、２次霧化オリフィス２６の絞り部２７を通過し、２次霧化オリフィス２６から流出する。この流出により通路断面積が大きくなるため、圧縮空気は流速が減少するとともに圧力が増大して、膨脹拡散する。一方、Ａ液導入路２４に導入したＡ液は第２流路２１に流入したのち、２次霧化オリフィス２６から流出した圧縮空気に吸い込まれるようにして合流し、この圧縮空気の膨脹拡散によって霧化される。このようにして、２次霧化オリフィス２６の絞り部２７の出口近傍および第３ブロック３の入口近傍において、Ａ液とＢ液とは霧化混合される。このミキシング装置において、「霧化混合」とは、霧化により液体が細やかな粒状体となり、その表面積が数百〜数万倍に増大し、その結果、霧化状態でＡ液とＢ液とを混合させることにより、その接触面積が増えて混合性が大幅に向上する方法である。つぎに、霧化混合されたＡ液とＢ液とは、大気に開放されることなく、パイプ４６内を流れるため、パイプ４６内において圧縮空気の乱流化による渦化が生じ、さらに混合される。そののち、パイプ４６の吐出口４６ａから四方に吐出されて空洞４３内に供給される。
【００２４】
このミキシング装置では、１次霧化オリフィス１７および２次霧化オリフィス２６を用いて、Ａ液およびＢ液を混合攪拌するため、充分な混合攪拌が行える。また、しかも、混合比の大きなＢ液をも効率よく霧化することができる。
【００２５】
このように、上記実施の形態では、空洞充填剤４７として、発泡倍率が４３倍程度で発泡後の圧縮強度が０．１１ＭＰａ程度の発泡ウレタン系薬液を用いているため、崩落等を防止することができる。また、発泡倍率が６０倍程度で発泡後の圧縮強度が０．０５ＭＰａ程度の発泡ウレタン系薬液を用いても、充分崩落等を防止することができた。しかも、過充填時に、老朽化した覆工コンクリート４２が壊れることがないうえ、軽量であるため、老朽化した覆工コンクリート４２に対して重量的な負荷が小さい。さらに、空洞４３内への充填量が少量ですみ、経済的である。また、ミキシング装置は、単純な構造で、充分な混合攪拌が行えるうえ、材料特性（混合比，粘度等）・材料等の変更に容易に対応することができる。しかも、混合攪拌の終了後、洗浄液を使用することなく、各空気導入口１１，１６，２５に圧縮空気を供給することにより、ブロー洗浄による内部清掃を行うことができ、何度でも使用可能である。
【００２６】
図６は上記ミキシング装置の変形例を示している。この例では、パイプ４６の内径を第２ブロック２の第２流路２１の内径よりも大きく設定している。このものでは、第２流路２１を通過したのちパイプ４６内に流入するＡ液の一部が外方に拡がるため、パイプ４６内で大きな乱流が生じ、この乱流により混合効果がアップする。それ以外の部分は図１に示すミキシング装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００２７】
なお、図１および図６に示すミキシング装置では、圧縮空気を装置内に導入しているが、これに限定するものではなく、例えば、窒素等を用い、これをコンプレッサー等により圧縮した状態で装置内に導入してもよい。また、パイプ４６として、円筒状体で構成されたもの（図１および図６に示すミキシング装置において、蓋２９や吐出口４６ａが設けられていないもの）を用いることができる。
【００２８】
また、上記実施の形態では、地山４４に穿設した長孔４５にパイプ４６を挿通し、地山４４から空洞４３内に空洞充填剤４７を充填しているが、既設トンネル４１の覆工コンクリート４２に長孔を穿設し、この長孔を利用して、既設トンネル４１の内部から空洞４３内に空洞充填剤４７を充填することができる。この場合には、パイプ４６の長さを１〜４ｍ程度にすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の空洞充填工法によれば、発泡後の圧縮強度が０．０５ＭＰａ程度の発泡ウレタン系薬液を用いた場合にも、これを空洞内に完全に充填することにより、崩落等を防止することができる。また、本発明では、発泡倍率が３５倍以上である高発泡倍率の発泡ウレタン系薬液を用いているため、発泡する時の空気量が多く、過充填時に、この過充填分の発泡ウレタン系薬液により発生した泡は潰れてしまい、上記過充填によっても空洞の内圧が上昇しない。したがって、上記過充填時にも、老朽化した覆工コンクリートが壊れない。しかも、発泡後の発泡ウレタン系薬液が軽量であり、老朽化した覆工コンクリートに対して重量的な負荷が小さく、崩落等が起こらない。また、本発明に用いる発泡ウレタン系薬液は高発泡倍率であるため、空洞内への充填量が少量ですみ、施工時間の短縮と充填量の低減を図ることができるうえ、軽量であり、トンネルへの搬入の負担を低減することができる。また、上記Ａ液とＢ液と霧化して混合するため、上記Ａ液とＢ液との混合性が大幅に向上する。しかも、圧縮空気のエアー圧により発泡ウレタン系薬液を遠くまで吹き付けることができ、空洞内の隅々にまで発泡ウレタン系薬液を吹き付けることができる。
【００３０】
本発明において、上記発泡ウレタン系薬液の発泡後の比重が４０ｋｇ／ｍ3 以下である場合には、発泡後の発泡ウレタン系薬液が軽量であり、覆工コンクリートへの負荷が軽減される。
【００３１】
また、本発明において、上記Ａ液とＢ液との霧化混合が、前記（Ｉ）のミキシング装置を用いて行われる場合には、Ａ液とＢ液とを充分に混合攪拌することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空洞充填工法の一実施の形態に用いるミキシング装置の説明図である。
【図２】上記ミキシング装置の左側面図である。
【図３】上記ミキシング装置の右側面図である。
【図４】第１ブロックの説明図である。
【図５】第２ブロックの説明図である。
【図６】上記ミキシング装置の変形例を示す説明図である。
【図７】従来例の空洞充填工法の説明図である。
【図８】従来例の空洞充填工法の説明図である。
【図９】従来例の空洞充填工法の説明図である。
【図１０】従来例の空洞充填工法の説明図である。
【図１１】従来例の空洞充填工法の説明図である。
【図１２】従来例の空洞充填工法の説明図である。
【符号の説明】
４１  既設トンネル
４２  覆工コンクリート
４３  空洞
４７  空洞充填剤
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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