(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中空洞の充填領域の外周部を、相対的に流動性の低いゲル状の外周充填材の注入により閉鎖し、その内周側の領域に、前記外周充填材よりも相対的に初期流動性の高い中詰充填材を充填することを特徴とする地下空洞の充填工法。
【請求項２】
外周充填材は、水ガラス、セメント系固化材及び土質材料を構成材料とし、水ガラスを含む第一の充填液と、セメント系固化材を含む第二の充填液とを、地下空洞への供給過程で連続的に合流・混合させることによりゲル化させることを特徴とする請求項１に記載の地下空洞の充填工法。
【請求項３】
外周充填材の初期流動性を、各構成材料の配合比率により制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の地下空洞の充填工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下空洞のうち、限定された領域を埋戻すための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各地の地中に存在する亜炭廃坑、防空壕，採石場、石灰岩やシラスによる自然空洞等、比較的大規模な地下空洞は、しばしば地盤沈下や地盤陥没等の事故を引き起こしており、その対策としては、前記地下空洞を埋め戻す充填工法が有効である。
【０００３】
従来技術による典型的な充填工法においては、充填材としてセメントミルク、モルタル、コンクリート等を用いる工法や、エアモルタルを用いる工法や、土質材料に石灰系あるいはセメント系の固化材及び水を混合した流動性の高いスラリーを用いる工法が知られている。しかしながら、これら従来工法によれば、それぞれ次のような問題が指摘される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
まず、充填材としてセメントミルク、モルタル、コンクリート等の固化材を用いる工法の場合は、材料コストが高価になり、しかも充填材の発現する強度が周囲の地盤よりも著しく大きいため、オーバースペックとなってしまう。また、充填後の流動性の制御や、限定された領域への充填が困難であり、しかも地下水が充満した空洞への充填では、材料分離による地下水汚染を防止するための増粘剤を配合するといった対策が必要であり、この場合は流動性の低下によって、ポンプによる長距離の圧送が困難になる。
【０００５】
次に、充填材としてエアモルタルを用いる工法の場合は、ポンプによる地下空洞への圧送過程や地下水中でエアの損失を起こす可能性がある。しかも地下水中下では、高い水圧が作用することによって、混入されたエアの容積が地上に比較して著しく減少し、所定の充填形状を確保することが困難である。
【０００６】
また、流動性の高いスラリーを用いる工法の場合は、地下空洞中の限定された領域に充填する工法としては不向きであり、充填対象外の広い領域まで充填材が流出してしまうといったロスを見込む必要があり、充填材の量が徒らに多くなって、充填に要する時間も長大化する等の問題がある。
【０００７】
本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、その主な技術的課題とするところは、地下空洞内の任意の領域を地下水の有無に拘らず限定的に充填可能とし、低コストで、しかも施工の容易な充填工法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、本発明に係る地下空洞の充填工法は、地中空洞の充填領域の外周部を、相対的に流動性の低いゲル状の外周充填材の注入により閉鎖し、その内周側の領域に、前記外周充填材よりも相対的に初期流動性の高い中詰充填材を充填するものである。好ましくは、例えば前記外周充填材は、水ガラス、セメント系固化材及び土質材料を構成材料とし、水ガラスを含む第一の充填液と、セメント系固化材を含む第二の充填液とを、地下空洞への供給過程で連続的に合流・混合させることによりゲル化させる。また、前記外周充填材の初期流動性は、前記構成材料の配合比率により制御するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る水中充填工法の好ましい実施の形態を概略的に示すもので、参照符号Ｇは地盤、Ｃはこの地盤Ｇ中に存在する亜炭廃坑等の平面的な広がりを持つ大規模な地下空洞である。
【００１０】
地下空洞Ｃは、高さｈが例えば１〜２ｍ程度であり、地上までの土被り深さｄが１００ｍ前後までである。また、亜炭廃坑からなる地下空洞Ｃの場合、亜炭の採掘方法によって、図２（Ａ）に示されるような柱房式のものと、図２（Ｂ）に示されるような残柱式のものがあり、内部は、地下水ＧＷで満たされている場合が多い。
【００１１】
本工法においては、まず図３（Ａ）に示されるように、地下空洞Ｃの充填領域Ｃａの外周部へ向けて地盤Ｇのボーリングを行い、次に図３（Ｂ）に示されるように、そのボーリング孔に挿入した注入管１０１を介して、前記充填領域Ｃａの外周部へ、初期流動性が低い外周充填材１を充填する。
【００１２】
外周充填材１は、水ガラス、セメント系固化材、砂キラや粘土キラ等の土質材料及び水を構成材料とし、図４に示されるように、水ガラスを含む第一の充填液１０と、セメント系固化材を含む第二の充填液２０とを、地下空洞Ｃへ送る過程で合流・混合することによってゲル化させたものである。
【００１３】
なお、上述した砂キラ及び粘土キラは、珪砂や、耐火煉瓦等の窯業原料として使用される耐火粘土の製造過程で副産物として生じる、石英、長石、カオリンを構成鉱物とする粘土混じりの微粒珪砂であって、「キラ」と総称され、微粒珪砂と粘土の混合比率によって砂キラと粘土キラに分類されたものである。そして、これらのキラ材は有害物質を含まず、他の土質材料に比較して安価に入手でき、ブリーディングが少なく，材料分離抵抗性に優れるため、本発明の工法において使用される充填材として極めて有用である。しかもキラ材はかつては廃棄物として河川に放流されていたものであり、河川の汚濁防止の観点で放流が禁止されて以来、有効利用が検討されて来たが、本工法は、このようなキラ材の有効利用を促進するものである。
【００１４】
また、第一の充填液１０に配合される水ガラスは、よく知られているように、二酸化珪素ＳＩＯ２及び酸化ナトリウムＮａ２Ｏからなるものであるが、充填領域外への充填材の流出を抑えるために、第二の充填液２０のセメント系固化材との反応によって瞬時にゲル化を起こし、ゲル化後は、地下空洞Ｃの天端へ密着した状態に充填されるように、適度な塑性流動特性を保持し、主な劣化要因であるＮａ２Ｏの含有量の少ないものが選択される。
【００１５】
第二の充填液２０に用いられるセメント系固化材としては、早期に固結強度を発現し、しかも地下水ＧＷへのアルカリ溶出が少ないものが望ましく、このような観点から、水ガラス中のアルカリ成分（Ｎａ２Ｏ）を消費するスラグ−セメント系固化材が好適に使用される。
【００１６】
第一の混合プラント１０２からポンプ１０６によって供給される第一の充填液１０と、第二の混合プラント１０３からポンプ１０７によって供給される第二の充填液２０は、いずれも高い流動性を有する。したがって、これら第一及び第二の充填液１０，２０は、それぞれ配管１０４，１０５内を円滑に送られるが、混合器１０８で合流してスタティックミキサ１０９で混合されることによって、第一の充填液１０における水ガラス１３と第二の充填液２０におけるセメント系固化材２１が反応し、地盤Ｇに挿入した注入管１０１から地下空洞Ｃへ送られる過程で短時間（１０秒程度）でゲル化する。
【００１７】
ゲル化した外周充填材１は、自らの重量による広がりが少なく、注入位置の近傍で地下空洞Ｃの天端に達して、この地下空洞Ｃを閉鎖するのに十分な粘度を有するものである。このため、外周充填材１を、充填領域Ｃａの外周に沿って所定間隔で地盤Ｇに挿入した各注入管１０１から継続的に充填して行くことによって、その頂部がやがて地下空洞Ｃの天端に達し、前記充填領域Ｃａの外周を閉鎖した状態で経時的に固結して行く。
【００１８】
次に、外周充填材１の充填完了後は、これによって閉鎖された空間Ｓに、図３（Ｃ）に示されるように、前記外周充填材１よりも初期流動性の高い中詰充填材２を充填する。
【００１９】
中詰充填材２も、上述の外周充填材１と同様に、水ガラス、セメント系固化材、砂キラや粘土キラ等の土質材料及び水を構成材料とし、図４に示されるように、水ガラスを含む第一の充填液１０と、セメント系固化材を含む第二の充填液２０とを、地下空洞Ｃへ送る過程で合流・混合することによってゲル化させたものであるが、水ガラス、セメント系固化材、砂キラや粘土キラ等の土質材料及び水の配合比率によって、ゲル化後の初期粘度が外周充填材１より低く（流動性が高く）調整されている。
【００２０】
なお、中詰充填材２は外周充填材１で閉鎖された空間Ｓに充填されるものであるため、必ずしも外周充填材１のようにゲル化させる必要はない。したがって、中詰充填材２には構成材料として水ガラスを含まないもの、例えば従来工法において用いられていたスラリー充填材等を用いることもできる。また、この場合は圧送過程での第一及び第二の充填液１０，２０の合流・混合といった手法も不要である。
【００２１】
上述のように、地下空洞Ｃ（閉鎖空間Ｓ）に放出された中詰充填材２は、外周充填材１よりも粘度が低く、高流動性であるため、外周充填材１による閉鎖空間Ｓ内を流動して平面的に広がろうとする。このため、充填孔のボーリング本数を少なくすることができる。しかも、その広がりは外周充填材１による連続壁で制限されるので、この外周充填材１によって閉鎖された空間Ｓに、その天端まで確実に充填されていく。したがって、本発明の充填工法によれば、流動性の高い中詰充填材２の地下空洞Ｃでの広がりが外周充填材１によって阻止されるので、材料ロスを生じることなく、限定した領域の充填を確実にかつ短時間で行うことができる。
【００２２】
なお、本発明の工法は、亜炭廃坑による地下空洞以外にも、大谷石等の採石場、防空壕、地盤が石灰石からなる地域やシラス台地等における自然の地下空洞等の充填工法に適用することができ、外周充填材の流動性の調整によって、地下水の存在しない空洞の充填も可能であり、地下空洞に起因する地盤陥没事故の防止対策として有効である。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明による地下空洞の充填工法によって試験施工を実施した結果について説明する。
【００２４】
この試験施工において充填対象とする地下空洞の地上部には、土工及び橋梁等の構造物の構築が計画されており、これらの構造物によって、要求される充填材の品質が異なり、また、充填過程での外周充填材及び中詰充填材の流動性を適切に設定する必要がある。したがって、この試験施工においては、橋梁部外周用及び中詰用、土工部外周用及び中詰用の各充填材に、想定される要求品質（例えば材齢２８日の一軸圧縮強度）を次の表１のように設定した。
【表１】
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【００２５】
また、上記橋梁部外周用及び中詰用、土工部外周用及び中詰用の各充填材を得るための第一及び第二の充填液は、それぞれ上記表１に示される要求品質に合致させるため、次の表２に示されるような配合を選定した。そしてこのうち、橋梁部外周用に配合した外周充填材と、土工部中詰用に配合した中詰充填材を試験施工に用いた。
【表２】
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【００２６】
試験施工対象の亜炭廃坑は、残柱式で採掘されたもの（図２Ｂ参照）であることは事前に明らかであった。しかし、本工法の適用性を適切に評価するためには、事前に空洞Ｃ及び残柱Ｇａの状況を正確に把握しておく必要があり、これらの状況の調査結果は充填量の推定や充填順序を決定するための有用な資料となる。したがって、この試験施工においては、ボーリング調査及び音響探査によって空洞状況の事前調査を行った。
【００２７】
ボーリング調査では合計９９本のボーリングを行い、そのうち６９本（約７０％）で地下空洞が確認された。この地下空洞は、地表から約２５ｍの深度に位置し、北から南へ５〜１０％程度の勾配で傾斜しており、空洞の高さは殆どが０．８〜１．４ｍの範囲で、平均１．２ｍ程度であった。なお、ボーリング孔は、事後、音響測深探査や充填管理のための観測孔及び充填用の孔としても利用した。
【００２８】
次に音響測深探査では、地上に突出するロッドの上端に方位センサを取り付けた超音波ゾンデを、地下空洞が確認されたボーリング孔に挿入し、前記ロッドを介して、超音波ゾンデを空洞内の底盤付近、中間高さ位置及び天端付近で回転走査し、出射した超音波の反射波によって空洞Ｃの内壁面Ｇｂ（図２Ｂ参照）までの距離や残柱Ｇａの位置及び距離等を測定し、測定データを次のボーリング孔の削孔位置決定に利用した。そして、この探査の結果、空洞Ｃ内の残柱Ｇａはほぼ均等に分布し、各残柱Ｇａは数ｍ〜十数ｍの断面寸法を有するものと推定された。
【００２９】
上述のボーリング調査及び超音波測深探査結果を考慮して、外周充填材１及び中詰充填材２の材料配分を決定し、先に説明した図１、図３及び図４に示される方法によって、外周充填材１の充填を行った。
【００３０】
外周充填材１の充填過程では、観測孔からのテープによる充填高さ計測により、空洞Ｃ内の充填材流動状況を確認した。また、充填形状の自動管理の可能性を検証するために、歪み計によるリアルタイムモニタリングも試行した。
【００３１】
外周充填材１の充填終了時は、観測孔位置での外周充填材１の天端到達を確認すると共に、音響測深探査による充填形状の把握も実施した。また、充填法線方向に２測線を設定し、約２ｍピッチで設けた観測孔から、空洞Ｃ内の外周充填材１の充填勾配（外側面の勾配）を測定したところ、各測線での充填勾配はそれぞれ２４％、１７％であり、すなわち平面的な広がりが少なく、外周充填材１による充填領域の閉鎖が可能であることが確認された。
【００３２】
外周充填材１による充填領域の閉鎖が完了した後、引き続き、中詰充填材２の充填を約１０時間行った。その充填過程では充填領域に対応する各観測孔から地下水や充填材の噴出が認められたが、これは、空洞の天端までの確実な充填を裏付ける現象である。更に、充填完了後に行った合計８箇所の確認ボーリングにおいても、全箇所で天端までの充填が確認された。
【００３３】
なお、スタティックミキサ１０９で第一の充填液１０と第二の充填液２０を混合することによってゲル化した外周充填材及び中詰充填材をそれぞれサンプリングし、所定の材齢（３日，７日，２８日）までの水中養生後、一軸圧縮強度試験を行った。試験結果によれば、橋梁部外周用配合による外周充填材は、先の表１に示した要求強度の下限値である４ｋｇｆ／ｃｍ２（０．３９Ｎ／ｍｍ２）を満足し、平均で７．３ｋｇｆ／ｃｍ２（０．７２Ｎ／ｍｍ２）であった。また、土工部中詰用配合による中詰充填材の一軸圧縮強度は、試験結果、１．７ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１７Ｎ／ｍｍ２）であり、表１に示した要求強度１ｋｇｆ／ｃｍ２（０．０９８Ｎ／ｍｍ２）を満足するものであった。
【００３４】
更に、本発明の充填工法による地下水の水質及び空洞内水質への影響を明らかにするために、近隣の水質調査した。調査箇所は充填領域から２０〜２２０ｍ（殆どは６０ｍ以内）に位置する既設の井戸２箇所、地表から３〜５ｍの沖積層に滞水している地下水を３箇所、地下空洞内３箇所、及び近隣の河川水１箇所、合計９箇所である。
【００３５】
調査の結果、飲料水基準に沿った水質試験では、充填工事による水質変化は認められなかった。また、充填中に日常管理として行ったｐＨの調査では、アルカリの溶出によるｐＨの上昇は認められず、浮遊物質（ＳＳ）も、充填による影響は認められなかった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明に係る地下空洞の充填工法によれば、先行注入される外周充填材によって充填領域の外周部を閉鎖してから、流動性の高い中詰充填材を充填するため、材料ロスを生じることなく、地下空洞への限定的な充填を確実に行うことができる。また、この工法は、地下空洞における地下水の有無に関係なく採用可能である。しかも、外周充填材は、地下空洞への直前位置までは流動性の高い第一の充填液と第二の充填液として供給するため、圧送過程で管路が閉塞することなく円滑に供給することができ、地下空洞への直前位置で混合されてゲル化した状態で充填されるため、材料分離による地下水汚染も有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地下空洞の充填工法の好ましい実施の形態を概略的に示す説明図である。
【図２】亜炭廃坑による地下空洞の形状を示す部分的な水平断面図である。
【図３】本発明に係る地下空洞の充填工法の施工手順を概略的に示す説明図で、（Ａ）は施工前の状態、（Ｂ）は外周充填材を充填した状態、（Ｃ）は中詰充填材を充填した状態を示すものである。
【図４】本発明の作業フローを示す説明図である。
【符号の説明】
１  外周充填材
２  中詰充填材
１０  第一の充填液
２０  第二の充填液
Ｃ  地下空洞
Ｇ  地盤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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