特許 5734601 地盤改良工法とその装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5734601

(24)【登録日】2015年4月24日

(45)【発行日】2015年6月17日

(54)【発明の名称】地盤改良工法とその装置

(51)【国際特許分類】

   E02D 3/12 20060101AFI20150528BHJP

【ＦＩ】

   E02D3/12 102

【請求項の数】4

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2010-186078(P2010-186078)

(22)【出願日】2010年8月23日

(65)【公開番号】特開2012-41794(P2012-41794A)

(43)【公開日】2012年3月1日

【審査請求日】2012年5月11日

【審判番号】不服2014-8247(P2014-8247/J1)

【審判請求日】2014年5月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000152642

【氏名又は名称】株式会社日東テクノ・グループ

(73)【特許権者】

【識別番号】000128027

【氏名又は名称】株式会社エヌ、アイ、ティ

(74)【代理人】

【識別番号】100073623

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 幸吉

(72)【発明者】

【氏名】所崎 茂

(72)【発明者】

【氏名】山崎 淳一

(72)【発明者】

【氏名】中西 康晴

【合議体】

【審判長】 本郷 徹

【審判官】 小野 忠悦

【審判官】 住田 秀弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２６３４５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−４１３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５８−５４４３６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００２−９７６２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

E02D3/12

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

注入ロッドの先端部側壁に、２〜８ｃｍ程度の段差をもって背向して対をなす核ノズルと囲周ノズルから成る重合噴射ノズルを１又は複数対設定した注入ロッドを対象地盤に挿入し、各重合噴射ノズルの囲周ノズルからエアーを噴出しながら、対の上段重合噴射ノズルの核ノズルから硬化材を高圧噴射し、同時に、下段重合噴射ノズルの核ノズルから、上段重合噴射ノズルの核ノズルから噴射される硬化材の吐出量より１．５〜２倍程度高い吐出量による硬化材を高圧噴射しつつ、注入ロッドの回動及び上昇作動を行って硬化材注入層を造成することを特徴とする地盤改良工法

【請求項2】

重合噴射ノズルの外側周囲を、円筒状遮蔽体で囲むようにして、重合噴射ノズルから噴射される噴流の拡散と干渉を防止するようにした請求項１記載の地盤改良工法

【請求項3】

隣接する重合噴射ノズルの間に、注入ロッドの外周壁軸方向に沿って遮蔽板を設定して、重合噴射ノズルから噴射される噴流の拡散と干渉を防止するようにした請求項１又は請求項２記載の地盤改良工法

【請求項4】

隣接する重合噴射ノズルの間に、注入ロッドの外周壁面に沿ってオーガー翼状に張出する掘削排出翼を設定して、スライムの破砕と揚出を行うようにした請求項１又は請求項２又は請求項３記載の地盤改良工法

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は構築基礎地盤の強化支保、或いは地盤の安定化や止水を目的として対象地盤に地盤硬化材を高圧注入して地盤中に地盤硬化材注入層を造成する地盤改良工法とその装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、地盤の覆工支保や強化支保、或いは止水を目的とする硬化材層造成のための地盤硬化材注入については、対象地盤に挿入した注入ロッドから地盤硬化材を高圧噴射しながら注入ロッドを回転、上昇させて円柱状に硬化材注入層を造成する方法が行われてきているが、その硬化材噴流の到達距離を少しでも伸長して大径の硬化材層を造成するため、様々な工夫が凝らされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

硬化材噴流の到達距離を伸長する手段として、核ノズルとこれを囲繞する環状ノズルからなる重合噴射ノズルにより硬化材噴流をエアーで包合して保護し到達距離を延長する方法（例えば特許文献１参照）が開発されている。この重合噴射ノズルは地盤硬化材の噴射注入の場合だけでなく、地盤の掘削や混合攪拌のための清水噴射を行う場合にも用いられている。

【0004】

また、造成硬化材層の大径化や注入施工の高速化のために、噴射圧力の高圧化、硬化材吐出量の増大を目指す開発も進められているが、施工設備の大型化や工事コストの高額化を招く問題があり、硬化材噴流自体の破砕力を高める手段としてサイクロイド噴流とする方法（例えば特許文献２参照）、噴射衝撃によりキャビティション噴流とする方法（例えば特許文献３参照）が提案されている。

【0005】

更に、特許文献４に記載されるように、注入ロッドの先端側壁に設けた第１ノズルの下方近辺に第２ノズルを設け、それぞれのノズルに備えられた材液噴射ノズルから同方向に硬化材液を高圧噴射し、第１ノズル及び第２ノズルのそれぞれから噴射される噴流によって生じる渦流及びキャビテーションにより地盤中の噴流作用領域を増大させる提案もなされている。

【特許文献1】特公平７ー１００９３１号公報

【特許文献2】特開昭５７ー６６２１９号公報

【特許文献3】特開２００１ー２９５２６３号公報

【特許文献4】特開２００８ー６９５４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献２、３によるサイクロイド噴流や、キャビティション噴流は、注入ロッド内で発生させてから噴射するもので、そのままの直接的な効果が期待できない。また、ノズルを近接して設定し近傍噴流の相互干渉によって渦流及びキャビテーションを発生させる方法は、２つのノズルから同一方向に噴射するため高圧噴射による負荷が一方に片寄ることによる施工時におけるロッドのぶれや、造成した硬化材注入層の均質について問題を残している。

【0007】

そこで本願発明は、硬化材噴流をエアーで包合して保護し到達距離を伸長する重合噴射ノズルを中心として、これを背向設定することによりバランスを保つと共に、２つのノズル設定位置に２〜８ｃｍ程度の段差を設けるようにしたが、背向するエアー包合噴流が先端において拡散残留し、回動してきた下段重合噴射ノズルからの噴射流に干渉して噴射エネルギーを減衰させる問題がある。

【0008】

硬化材を高圧噴射した時のジェット噴流の噴射流径は、噴射ノズルから１．５ｍ程度離れた位置で、通常５〜１０ｃｍ程度であり、ノズルから離れるに従って拡散し流径が大きくなる。改良体の造成径は噴射エネルギー量で決定され、同じ位置で多数回噴射しても、３回程度以上になると掘削径が拡径されることはなく、改良体品質も大きく改善されることはないとされており、重合する多数回噴射は、むしろ硬化材使用量のロスと排泥量の増量により廃棄物処理量が大きくなり、環境負荷の拡大につながるものとされる。

【0009】

また、本願発明は背向設定し位置段差を設けた重合噴射ノズルからの硬化材吐出量に較差を設けて較差界面に生ずるキャビテーションの破砕エネルギーによって硬化材噴流の到達距離伸長を図るものであるが、上記のように重合する多数回噴射は、むしろ硬化材使用量のロスと排泥量の増量により廃棄物処理量が大きくなる問題があり、エアーの使用と硬化材吐出量の調整による過剰スライムの排出をしなければならない問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、上記の課題に対応してこれを解決するため、注入ロッドの先端部側壁に、２〜８ｃｍ程度の段差をもって背向して対をなす、核ノズルと囲周ノズルから成る重合噴射ノズルを、１又は複数対設定した注入ロッドを対象地盤に挿入し、各重合噴射ノズルの囲周ノズルからエアーを噴出しながら、対の上段重合噴射ノズルの核ノズルから硬化材を高圧噴射し、同時に、下段重合噴射ノズルの核ノズルから、上段重合噴射ノズルの核ノズルから噴射される硬化材の１．５〜２倍程度高い吐出量による硬化材を高圧噴射しつつ、注入ロッドの回動及び上昇作動を行って硬化材注入層を造成するように構成した。

【0011】

即ち、硬化材噴流をエアーで包合して保護し到達距離を伸長する重合噴射ノズルを中心として、これを背向設定することによりバランスを保つと共に、２つのノズル設定位置に２〜８ｃｍ程度の段差を設けるように構成すると共に、上段重合噴射ノズルの核ノズルから硬化材を高圧噴射し、同時に、対になっている下段重合噴射ノズルの核ノズルから、上段重合噴射ノズルの核ノズルから噴射される硬化材の１．５〜２倍程度高い吐出量による硬化材を高圧噴射しつつ、注入ロッドの回動及び上昇作動を行って硬化材注入層を造成するようにした。

【0012】

出願人は、上下で対となる噴射ノズルの吐出量に差をつける比例噴射について、高圧噴射によるジェットエネルギーの有効活用について検証するため、地盤中での硬化材層造成実験を行っている。この実験によれば、ポンプ吐出量が４００リットル／分の噴射において、Ａ、Ｂノズルで各２００リットル／分の同吐出量で噴射したケースでは、造成径が４．６メートルであったが、Ａノズル１６０リットル／分、Ｂノズル２４０リットル／分の吐出量で噴射したケースでは、５．０メートルの造成径が得られている。

【0013】

その結果、上下位置をずらして背向設定したノズルよりの硬化材噴射量を変化させることにより高圧噴射エネルギーを有効に活用することができ、一次切削（先行切削）及び二次切削（仕切り切削）により地盤改良層造成径の拡大が可能であることが確認できた。

【0014】

さらに、この改良体からコア採取した供試体の次表の圧縮試験結果より、改良体の外周付近においても強度低下は認められず、十分な攪拌混合が行われていることが確認できた。

【表1】

この効果を用いれば、異なる地盤強度の地盤における造成を同じ噴射時間で行うことも可能にする。従来工法では、地盤強度が大きくなった場合には、噴射時間を長くすることで同一の造成径を得る設計が行われているが、全体の噴射量を変えずに上下位置をずらして背向設定したノズルよりの硬化材噴射量を変化させることにより、同じ噴射時間で同一の造成径を得ることがてきる。

【0015】

例えば、（ア）Ｎ値が０から３０までの砂質土でＡ対Ｂの吐出量の比を１対１、（イ）Ｎ値が３０から５０までの砂質土でＡ対Ｂの吐出量の比を１対１．５、（ウ）Ｎ値が５０から１００までの砂質土でＡ対Ｂの吐出量の比を１対２、（エ）粘着力Ｃが０から５０キロニュートン／平方メートルまでの粘性土でＡ対Ｂの吐出量の比を１対１、（オ）粘着力Ｃが５０から１００キロニュートン／平方メートルまでの粘性土でＡ対Ｂの吐出量の比を１対１．５、（カ）粘着力Ｃが１００キロニュートン／平方メートル以上の粘性土でＡ対Ｂの吐出量の比を１対２と設定する。

【0016】

図８は、上記実験において、背向設定した２つのノズルの合計吐出量を同量として上下位置をずらさず段差のない部位に背向設定したノズルと、上下位置をずらして段差をつけた部位に背向設定したノズルよりの噴流により、一次切削（先行切削）が行われた後に二次切削（仕切り切削）が行われる場合の噴流到達距離の変化、更に、二次切削ノズルの吐出量を一次切削ノズルの吐出量の１．５倍とした場合の上半分或いは下半分の部分で重合する噴流軌跡の状况と噴流到達距離の変化を示す噴流軌跡半径部分を、それぞれ比較する縦断側面図として示したものである。

【0017】

図８の（一の１）は段差のない背向設定したノズル１ステップ２５ミリで先行ノズルによる先行切削が行われた後、後行ノズルによる仕切り切削が行われる２回切削により、各ノズル２００リットル／分（合計４００リットル／分）の吐出量で、１回転で同じ部位について２回切削が行われて２５ミリだけステップアップされる行程が４回繰り返されている。

【0018】

（一の２）は（一の１）と同じく段差のないノズルにより、先行ノズルによる先行切削を１６０リットル／分、後行ノズルによる仕切り切削を２４０リットル／分（合計４００リットル／分）の吐出量で１回転で同じ部位について２回切削が行われて２５ミリだけステップアップされる行程を４回繰り返した噴流軌跡図である。

【0019】

（二の１）は２５ミリ程度の段差をつけて背向設定したノズルにより、１ステップ５０ミリで上段ノズルによる先行切削が行われた後、下段ノズルによる仕切り切削が行われ、２回切削により、各ノズル２００リットル／分（合計４００リットル／分）の吐出量で２回転で同じ部位について上下位置をずらして２回切削が行われて５０ミリだけステップアップされる行程が２回繰り返される。

【0020】

（二の２）は（二の１）と同じく２５ミリ程度の段差をつけて背向設定したノズルにより、１ステップ５０ミリで上段ノズルによる先行切削が行われた後、下段ノズルによる仕切り切削が行われ、先行ノズルによる先行切削を１６０リットル／分、後行ノズルによる仕切り切削を２４０リットル／分（合計４００リットル／分）の吐出量で２回転で同じ部位について２回切削が行われて５０ミリだけステップアップされる行程が２回繰り返されている。

【0021】

段差のないノズルによるが、後行ノズルの吐出量を先行ノズルの１．５倍とした（一の２）は（一の１）と比較して後行ノズルによる仕切り切削噴流の到達距離が明らかに伸長している。更に、段差をつけて背向設定したノズルにより上段ノズルと下段ノズルの吐出量を同量とした（二の１）は段差のない（一の１）と到達距離において略同一であるが、段差をつけ後行ノズルの吐出量を先行ノズルの１．５倍とした（二の２）は後行ノズルの噴流到達距離が、他の各ケースと比較して明らかに伸長している。

【0022】

このことから、段差をつけて背向設定したノズルにより下段ノズルの吐出量を上段ノズルの１．５倍とすることにより、硬化材噴流の到達距離を大きく伸長させることができることを確認することができた。このことにより、地盤改良工法を前記背向して上下段差を設けた対のノズルによる噴射を基本構成としたものである。

【0023】

また、背向するエアー包合噴流が先端において拡散残留し、回動してきた下段重合噴射ノズルからの噴射流に干渉して噴射エネルギーを減衰させる問題に対応して、重合噴射ノズルの外側周囲を、円筒状遮蔽体で囲み、或いは隣接する重合噴射ノズルの間に、注入ロッドの外周壁軸方向に沿って遮蔽板を設定して、重合噴射ノズルから噴射される噴流の拡散と干渉を防止するように構成した。

【0024】

更に、重合噴射ノズルからの硬化材吐出量に較差を設けて較差界面に生ずるキャビテーションの破砕エネルギーによって硬化材噴流の到達距離伸長を図るものであるが、エアーの使用と硬化材吐出量の調整による過剰スライムの発生が避けられないことに対応して、その過剰スライムの排出を積極的に図るため、隣接する重合噴射ノズルの間に、注入ロッド外周壁面に沿ってオーガー翼状に張出する掘削排出翼を設定して、スライムの破砕と揚出を行うように構成した。

【発明の効果】

【0025】

本発明は、以上のような構成により、重合噴射ノズルによる硬化材噴流の地中推進距離を従来に比して飛躍的に伸長させると共に、エアーの使用により発生する過剰スライムを積極的に排出して、予期せぬ場所での地上への隆起や噴射材の無駄をなくして改良施工の効率化と低コスト化の実現を可能にした。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の実施例を示すもので、段差をつけて背向設定したノズルから噴射される噴流を示す注入ロッド先端部の側面図

【図2】同じく、段差をつけて背向設定した重合噴射ノズルを設定した注入ロッドを縦断面として構造の要部のを示す注入ロッド先端部の縦断面側面図

【図3】同じく、段差をつけて背向設定した重合噴射ノズルを２対設定した場合における側方からの２対の重合噴射ノズルの位置関係を示す注入ロッドの先端外表部の側面図

【図4】同じく、図３における２対の重合噴射ノズルの位置関係を、軸方向の段差を捨象して示す注入ロッド先端ノズル設定部の横断面平面図

【図5】同じく、段差をつけて背向設定した１対の重合噴射ノズルに円筒状遮蔽体とオーガー翼を設定した注入ロッド先端部の側面図

【図6】同じく、２対の重合噴射ノズルを設定し、１対について円筒状遮蔽体を設定し各ノズル間に遮蔽板を設定した注入ロッドのノズルと円筒状遮蔽体と遮蔽板の位置関係を、軸方向の段差を捨象して示す注入ロッド先端ノズル設定部の横断面平面図

【図7】同じく、１対の重合噴射ノズルを設定し、ノズルについて円筒状遮蔽体を設定しノズル間にオーガー翼を設定した注入ロッドのノズル円筒状遮蔽体とオーガー翼の位置関係を、軸方向の段差を捨象して示す注入ロッド先端ノズル設定部の横断面平面図

【図8】同じく、背向設定した対の重合噴射ノズルからの噴射実験による噴流軌跡を模式的に示した噴流軌跡半径部分の縦断側面図で、（一の１）は上下段差なしで同量の吐出量によるもの、（一の２）は上下段差なしで下段ノズルの吐出量を上段ノズル吐出量の１．５倍としたもの、（二の１）は上下段差をつけて同量の吐出量によるもの、（二の２）は上下段差をつけて下段ノズルの吐出量を上段ノズル吐出量の１．５倍としたもの、の噴流軌跡比較図

【図9】同じく、硬化材層造成部を縦断側面図として装置全体を示す施工状況図

【発明を実施するための形態】

【実施例1】

【0027】

以下図面に従って本発明の実施の形態を説明する。１は注入ロッドで、側腹に核ノズル２と囲周ノズル２１から成る上段重合噴射ノズルＡ（以下、上段ノズルという）と、ノズルＡに背向する部位で、ノズルＡから２〜８ｃｍ程度下部となる部位に、同じく核ノズル２と囲周ノズル２１から成る下段重合噴射ノズルＢ（以下、下段ノズルという）がノズルＡと対をなして設定され、先端はビット１１となっている。

【0028】

注入ロッド１は、回動機構１３、上下動機構１４によって支持され、操作機構１５によって駆動操作され、下部側腹には、核ノズル２を開口部とする硬化材流路３と、囲周ノズル２１を開口部とするエアー供給路３１が設けられ、スイベル１２を介して硬化材供給部（図示しない）とエアーコンプレッサー（図示しない）にそれぞれ連絡している。

【0029】

核ノズル２には噴射設計に応じてノズル径を調整できるように交換可能なノズルチップ（図示しない）が装着され、チップの交換によって硬化材の吐出量を規制できるようになっている。また、１ステップを何ミリとし、何回転でステップアップするかを操作機構１５に入力することによって、自動的に注入設計に沿った注入ロッド１の注入駆動が行われる。

【0030】

このように構成した注入ロッド１を、硬化材流路３を通じて清水等を潤滑液として供給し下方噴出孔１６から噴出しながら回動し、先端ビット１１により対象地盤中に掘進挿入し、所定深度に達したところで球弁１７により下方噴出孔１６を閉塞すると共に清水等を硬化材に切替え、核ノズル２から高圧噴射すると同時にエアー供給路３１を通じて囲周ノズル２１からエアー噴射を行う。

【0031】

上記により、硬化材噴流はエアーに包合された噴流として高圧噴射されるが、設定された噴射ノズルは図１に示すように、２５ミリ程度の段差をつけて背向設定した１対のノズルにより下段ノズルの吐出量を上段ノズル（１６０リットル／分）の１．５倍強の２４０リットル／分（合計４００リットル／分）とし、１ステップを５０ミリとし、２回転でステップアップする行程で行うようにしたもので、段差のない２つのノズルにより２回切削を行い、１ステップを２５ミリとし、各ノズル２００リットル／分（合計４００リットル／分）による施工より作業効率が良く、噴流到達距離も伸長させることができる。

【実施例2】

【0032】

実施例２は、２５ミリ程度の段差をつけて背向設定したノズルを２対とし、図３乃至４に示すように、十字交差により４方向に硬化材の同時噴射を行うものであり、１段目の対ノズルの段差の下に９０度回動した方向で２段目の対ノズルを設定して噴流の方向性を広げると共に２次元的にエネルギーの均填を図るようにしたものである。

【0033】

即ち、１段目の対ノズルの下段ノズルＢから、９０度回動した方向で２５ミリ程度下方に間隔を置いて２段目の上段ノズルＣが設定され、２段目の上段ノズルＣの２５ミリ程度下方に間隔を置いてノズルＣに背向する２段目の下段ノズルＤが設定されるように構成した。

【0034】

この場合、ノズルＡとノズルＣからの吐出量は１６０リットル／分、ノズルＢとノズルＤからの吐出量は２４０リットル／分とし、１ステップを５０ミリとし、１回転でステップアップする行程で行うことにより、切削噴流が１段目の対ノズルと２段目の対ノズルが並行する能率的な攪拌混合が行われ、高速施工が可能になる。

【実施例3】

【0035】

実施例３は、背向するエアー包合噴流が先端において拡散残留し、回動してきた下段重合噴射ノズルからの噴射流に干渉して噴射エネルギーを減衰させる問題に対応して、重合噴射ノズルの外側周囲を、円筒状遮蔽体４で囲むもので円筒の高さは１５ミリ程度とすることにより、ノズル口での噴流減衰を抑制し噴射エネルギーを推進方向に集中させるものである。

【実施例4】

【0036】

実施例４は、実施例３におけるように隣接するエアー包合噴流が先端において拡散残留し、隣接して回動してくるノズルからの噴射流に干渉して噴射エネルギーを減衰させる問題に対応するもので、隣接する重合噴射ノズルの間に、注入ロッドの外周壁軸方向に沿って遮蔽板５を設定して、重合噴射ノズルから噴射される噴流の拡散と干渉を防止するように構成する。
実施例４の遮蔽板５は、図６に示すように実施例３の円筒状遮蔽体４と併用して施工環境に対応することができる。

【実施例5】

【0037】

実施例５は、エアーの使用と硬化材吐出量の調整による過剰スライムを積極的に排出して硬化材吐出量の較差界面に生ずるキャビテーションの破砕エネルギーを活性化させるためのもので、隣接する重合噴射ノズルの間に、注入ロッド外周壁面に沿ってオーガー翼状に張出する掘削排出翼６を設定して、スライムの破砕と揚出を行うように構成した。

【0038】

重合噴射ノズルから噴射されるエアー包合噴流は、周辺土壌を掘削攪拌すると共に噴射硬化材の量が周辺土壌に存在した空隙率を上回った分だけ過剰スライムとして圧密過剰を生み出す。排出翼６はその下端掬取部６１が過剰圧密によって押し出されるスライムを掬い取って硬化材吐出量の較差界面部の空隙率を上げてキャビテーションの破砕エネルギーを活性化させるうように構成した。

【産業上の利用可能性】

【0039】

本発明は、構築基礎地盤の強化支保、或いは地盤の安定化や止水を目的として対象地盤に地盤硬化材を高圧注入して地盤中に地盤硬化材注入層を造成することにより、そのままでは工作物の構築や建設に利用できない軟弱地盤を効率良く改良することができるようにしたもので、土木産業上に利用価値を有する。

【符号の説明】

【0040】

１ 注入ロッド
１１ 注入ロッド先端ビット
１２ 注入ロッド尾端スイベル
１３ 注入ロッド回動機構
１４ 注入ロッド上下動機構
１５ 注入ロッド操作機構
１６ 注入ロッド下方噴出孔
１７ 注入ロッドの球弁
２ 重合噴射ノズルの核ノズル
２１ 重合噴射ノズルの囲周ノズル
３ 注入ロッドの硬化材流路
３１ 注入ロッドのエアー供給路
４ ノズル口の円筒状遮蔽体
５ 噴流の拡散遮蔽板
６ 掘削排出翼
６１ 掘削排出翼の下端掬取部
Ａ 上段重合噴射ノズル
Ｂ 下段重合噴射ノズル
Ｃ ２段目の上段重合噴射ノズル
Ｄ ２段目の下段重合噴射ノズル
Ｇ 対象地盤
Ｘ 先行施工域
Ｙ 後行施工域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】