特許 6860142 トンネル裏込め注入材の製造方法

(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】6860142

(24)【登録日】2021年3月30日

(45)【発行日】2021年4月14日

(54)【発明の名称】トンネル裏込め注入材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 11/00 20060101AFI20210405BHJP

   E21D 9/04 20060101ALI20210405BHJP

【ＦＩ】

   E21D11/00 A

   E21D9/04 A

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2017-34838(P2017-34838)

(22)【出願日】2017年2月27日

(65)【公開番号】特開2018-141286(P2018-141286A)

(43)【公開日】2018年9月13日

【審査請求日】2020年1月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000166432

【氏名又は名称】戸田建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】594203999

【氏名又は名称】株式会社タック

(74)【代理人】

【識別番号】110001151

【氏名又は名称】あいわ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】市川 政美

(72)【発明者】

【氏名】請川 誠

(72)【発明者】

【氏名】和田 洋一

(72)【発明者】

【氏名】田中 孝

(72)【発明者】

【氏名】小林 修

(72)【発明者】

【氏名】中山 卓人

(72)【発明者】

【氏名】平原 直樹

(72)【発明者】

【氏名】吉原 康雄

(72)【発明者】

【氏名】吉田 智哉

【審査官】 石川 信也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０７７３３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２４９９１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−３１０５９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１９０２７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｄ １／００− ９／１４

Ｅ２１Ｄ １１／００−１９／０６

Ｅ２１Ｄ ２３／００−２３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気泡が混入され、注入された充填空間において予め定められた空気量の裏込め注入材の製造方法であって、
前記裏込め注入材が注入される前の充填空間の圧力は、大気圧より高いものであって、 前記裏込め注入材が充填空間に注入される前の大気圧における配合時の空気量について、前記裏込め注入材が注入される前の充填空間の圧力の大気圧より高い分に対応する空気量を増加して設定しておくことを特徴とする裏込め注入材の製造方法。

【請求項2】

前記増加して設定した配合時の空気を、注入する前に圧縮した後に気泡として混入させることを特徴とする請求項１に記載の裏込め注入材の製造方法。

【請求項3】

前記裏込め注入材は、凍結地盤に注入される裏込め注入材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の裏込め注入材の製造方法。

【請求項4】

前記裏込め注入材は、シールド工法において使用される裏込め注入材であって、前記裏込め注入材に気泡を混入させる工程は、トンネル坑内で行われることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の裏込め注入材の製造方法。

【請求項5】

前記裏込め注入材は、シールド工法において使用される裏込め注入材であって、前記裏込め注入材に気泡を混入させる工程は、複数に分けて行われることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の裏込め注入材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シールド掘進機をはじめとするトンネルに用いられる裏込め注入材の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

シールド掘進機などによるトンネル工事では、掘削された地山とセグメントとの隙間であるテールボイドに裏込め注入材が注入される。
裏込め注入材は、地上部や坑内で製造され、テールボイドに注入される。

【0003】

裏込め注入材には、特許文献１に示すような気泡が混入されたもの（以下、「エア系裏込め注入材」という。）と混入されないもの（以下、「非エア系裏込め注入材」という。）がある。エア系裏込め注入材は、流動性が高いので、注入場所までの圧送性と充填性に優れるといった利点がある。
エア系裏込め注入材の空気量は、二液型の裏込め注入材の場合、気泡を含むＡ液の体積に対して通常１０〜１５％程度で製造される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特公昭５９−１８５１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

比較的土被りが大きいトンネルでは、高い土水圧（以下、単に「水圧」という。）が作用する。このため、エア系裏込め注入材は、注入された直後からその水圧により、気泡が収縮し、所定の空気量が減少する。これでは、必要な空気量が確保できなくなる。
特に、凍結地盤では、凍結によって配合中の水分などの材料が膨張するので、気泡によって材料の膨張を吸収し、材料の崩壊や分解を防止できるエア系裏込め注入材が採用される。この場合には、エア系裏込め注入材の注入後の空気量を確保することが特に重要となる。

【0006】

エア系裏込め注入材の製造方法において、このような観点が注目されることはなく、発明者らが初めてこの観点に着目し検討を行った。
本発明の目的は、上記の問題点を鑑みて、エア系裏込め注入材の注入後に必要な空気量を確保することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本願請求項１に係る発明は、気泡が混入され、注入された充填空間において予め定められた空気量の裏込め注入材の製造方法であって、前記裏込め注入材が注入される前の充填空間の圧力は、大気圧より高いものであって、前記裏込め注入材が充填空間に注入される前の大気圧における配合時の空気量について、前記裏込め注入材が注入される前の充填空間の圧力の大気圧より高い分に対応する空気量を増加して設定しておくことを特徴とする裏込め注入材の製造方法である。

【0008】

本願請求項２に係る発明は、前記増加して設定した配合時の空気を、注入する前に圧縮した後に気泡として混入させることを特徴とする請求項１に記載の裏込め注入材の製造方法である。

【0009】

本願請求項３に係る発明は、前記裏込め注入材は、凍結地盤に注入される裏込め注入材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の裏込め注入材の製造方法である。

【0010】

本願請求項４に係る発明は、前記裏込め注入材は、シールド工法において使用される裏込め注入材であって、前記裏込め注入材に気泡を混入させる工程は、トンネル坑内で行われることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の裏込め注入材の製造方法である。

【0011】

本願請求項５に係る発明は、前記裏込め注入材は、シールド工法において使用される裏込め注入材であって、前記裏込め注入材に気泡を混入させる工程は、複数に分けて行われることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の裏込め注入材の製造方法である。

【発明の効果】

【0012】

請求項１乃至請求項５に係る構成により、エア系裏込め注入材の注入後に必要な空気量を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】空気量の違いによる低温養生後の一軸圧縮強度の違いを示したグラフである。

【図2】本実施の形態の裏込め注入材の製造フロー図である。

【図3】本実施の形態の裏込め注入材を製造する際における各材料の体積変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、実施形態に限定されないことはいうまでもない。

【0015】

本発明の実施形態におけるエア系裏込め注入材は、Ａ液に気泡が混練された気泡Ａ液と、Ｂ液とが混合された二液型のエア系裏込め注入材である。
Ａ液は、硬化材、助材、安定剤および水が混練して構成される。気泡は、起泡剤と水で構成された起泡溶液に空気が混練されて構成される。Ｂ液は、塑強調整剤で構成される。
空気量は、混練された空気が気泡になるものとして、気泡Ａ液の体積に対して混入される空気の体積を百分率で表している。

【0016】

本発明の実施形態は、予め注入される箇所の水圧によって収縮した後のエア系裏込め注入材の配合を設定し、収縮する前の配合を算出して（空気量を増加させて）配合する。具体的には、以下のように行う。
表１は、注入後のエア系裏込め注入材１ｍ^３を得るための配合例である。凍結地盤に注入するのに適切な空気量を、３０％と設定したものである。
凍結地盤に適した空気量を設定する方法は、後述する。

【0017】

【表1】

【0018】

表１の空気量のエア系裏込め注入材が、例えば0.3MPaの水圧が作用している環境下で注入されるとすると、エア系裏込め注入材は大気圧下で配合され製造されるので、その水圧に基づいて空気量を増加させて製造する必要がある。ボイルの法則を用いて、大気圧下で製造する配合を算出すると、表２のようになる。

【0019】

【表2】

【0020】

表１と表２より、0.3Mpaの水圧下で30％の空気量のエア系裏込め注入材1ｍ³を確保するために、大気圧下で製造するエア系裏込め注入材は、約1.8倍の1.8ｍ³となる。

【0021】

また、同様に、例えば0.4MPaの水圧が作用している環境下で注入されるとすると、大気圧下で製造する配合を算出すると、表３のようになる。

【0022】

【表3】

【0023】

表１と表３より、0.4MPaの水圧下で30％の空気量のエア系裏込め注入材1ｍ³を確保するために、大気圧下で製造するエア系裏込め注入材は、約2.09倍の2.09ｍ³となる。

【0024】

さらに、同様に、例えば0.6MPaの水圧が作用している環境下で注入されるとすると、大気圧下で製造する配合を算出すると、表４のようになる。

【0025】

【表4】

【0026】

表１と表４より、0.6MPaの水圧下で30％の空気量のエア系裏込め注入材1ｍ³を確保するために、大気圧下で製造するエア系裏込め注入材は、約2.64倍の2.64ｍ³となる。

【0027】

一般的に、設定されるエア系裏込め注入材の空気量は、流動性の観点から設定され、通常１０〜１５％程度で使用されることが多い。
しかし、凍結地盤で用いる場合は、適切なエア系裏込め注入材の空気量は、試験によって求める。凍結地盤の低温度によって材料が膨張するため、気泡による吸収効果を期待するのであるが、気泡が少ないとその効果は少なく、多いと必要な強度が得られないからである。また、硬化材や助材などにも強度は影響を受けるからである。

【0028】

エア系裏込め注入材の適切な空気量を求める試験は、所定の配合のエア系裏込め注入材において、空気量を変化させたものを用意して、凍結地盤を想定した環境で養生した後、解凍してからの一軸圧縮強度を測定する。凍結後に解凍してから強度を測定するのは、凍結温度ではエア系裏込め注入材が凍結することで、裏込め注入材本来の固化による強度を上回ってしまい、裏込め注入材本来の固化による強度を測定できないからである。

【0029】

図１は、表１の配合において、空気量を５％、１０％、１５％、３０％、４５％と変化させた供試体を作成し、低温−１０℃で三日間養生後に２０℃で７日間養生したものの一軸圧縮強度を測定した結果である。また、裏込め注入材に必要な７日間養生の一軸圧縮強度を１．０Ｎ／ｍｍ^２としている。

【0030】

図１に示すように、一軸圧縮強度は、空気量が低い方から３０％に向うにしたがって増加し、３０％を超えると低下する。そして、空気量が３０％および４５％のものは、必要な一軸圧縮強度を超えている。空気量が５％、１０％、１５％のものは、ひび割れが目視においても確認され、これによって必要な一軸圧縮強度が得られなかったと考えられる。
また、３０％のものは、必要な透水係数である１．０×１０^-7ｃｍ/sec以下であり、裏込め注入材としての止水性もクリアされていた。
この結果から、注入時のエア系裏込め注入材の適切な空気量を３０％と設定する。

【0031】

裏込め注入材の製造フローを図２に示す。
本発明では、配合時の空気量を増加させるため、地上で気泡を製造してＡ液に混合し気泡Ａ液として注入位置まで圧送すると、ポンプの負荷などの原因で効率的でなくなるので、気泡の製造は、トンネル坑内Ｋで行うことが好ましい。
地上部Ｇに配置されたＡ液プラント３およびＢ液プラント４から立坑Ｔを経由して各材料が圧送され、坑内Ｋに配置された気泡プラント５からの気泡がＡ液に混入され、さらにＢ液が混ぜられて、シールド掘進機１の後方のセグメント２から裏込め注入材としてテールボイドに注入される。
なお、Ａ液に配合される安定剤は省略して説明する。

【0032】

Ａ液プラント３は、硬化材サイロ３０、助材サイロ３１、貯水槽３２、Ａ液混合ミキサ３３、Ａ液アジテータ３４、Ａ液ポンプ３５を有している。硬化材サイロ３０から硬化材、助材サイロ３１から助材、貯水槽３２から水がそれぞれ計量され、Ａ液混合ミキサ３３で混合され、Ａ液アジテータ３４に供給された後、Ａ液ポンプ３５によって、Ａ液供給管３６を介して坑内Ｋまで圧送される。
Ｂ液プラント４は、Ｂ液タンク４０、Ｂ液ポンプ４１を有している。Ｂ液タンク４０からＢ液がＢ液ポンプ４１によって、Ｂ液供給管４２を介して坑内Ｋまで圧送される。

【0033】

坑内Ｋに配置された気泡プラント５は、起泡溶液プラント６と空気供給プラント７を有している。気泡は、起泡溶液プラント６からの起泡溶液と空気供給プラント７からの空気とを混練することで製造される。起泡溶液は、起泡剤と水とを混練することで製造される。
図示しないが、Ａ液プラント３、Ｂ液プラント４、気泡プラント５は、通信線によって接続されており、設定された配合による製造を実現できるように制御される。
起泡溶液プラント６は、起泡剤原液タンク６０、起泡剤原液ポンプ６１、起泡溶液ミキサ６２、給水管６３、清水槽６４、清水ポンプ６５、起泡溶液ポンプ６６、起泡溶液流量計６７、起泡溶液圧力計６８、起泡溶液供給管６９を有している。

【0034】

坑外から搬入された起泡剤が起泡剤原液タンク６０に入れられ、起泡剤原液ポンプ６１によって起泡溶液ミキサ６２に搬送される。坑内から給水管６３によって清水槽６４に供給された水が、清水ポンプ６５によって起泡溶液ミキサ６２に搬送される。起泡溶液ミキサ６２にて、起泡剤と水とが混練されて起泡溶液が作成される。そして、起泡溶液は起泡溶液ポンプ６６によって起泡溶液供給管６９を介して起泡溶液空気ラインミキサ５１に圧送される。

【0035】

裏込め注入材は配管によって圧送され注入されるので、配管内の圧力は、当該裏込め材が注入される箇所の圧力と同等（厳密には配管抵抗、圧送するための予備圧力および損失などが考慮されてそれ以上）に加圧される。そのため、施工においては圧縮流体である空気を、配管内で圧縮しておき、起泡溶液と混合することになる。これを行うものが、空気供給プラント７である。空気供給プラント７は、裏込め注入材が注入される箇所の圧力を見込んで増量した空気を、裏込め注入材が注入される箇所の圧力に基づいて圧縮するものである。換言すると、裏込め注入材が注入される箇所の圧力を見込んで増量させた大気圧下の空気が空気供給プラント７に供給され、裏込め注入材が注入される箇所の圧力下で圧縮された所定の空気量の空気が空気供給プラント７から圧送される。

【0036】

空気供給プラント７は、コンプレッサー７０、フィルタレギュレータ７１、空気流量計７２、エアコントロールバルブ７３、空気圧力計７４、空気供給管７５を有している。コンプレッサー７０は、大気圧下の配合時に増量させた空気に圧力をかけて圧縮する。その圧力は、裏込め注入材が注入される箇所の圧力より幾分高い圧力としている。これは、コンプレッサー７０の後に配置されるフィルタレギュレータ７１によって減圧され裏込め注入材が注入される箇所の圧力とされるからである。フィルタレギュレータ７１では、除塵も行われる。裏込め注入材が注入される箇所の圧力下の圧縮された空気（予め設定された空気量となった空気）は、空気流量計７２、エアコントロールバルブ７３で流量が調整され空気供給管７５を介して起泡溶液空気ラインミキサ５１に搬送される。

【0037】

図３は、0.3MPaの水圧が作用している環境下において空気量３０％のエア系裏込め注入材を製造する際における圧力と各材料の体積、すなわち表２から表１への体積変化を示したものである。なお、配管抵抗、圧送するための予備圧力および損失などは考慮していない。
非圧縮流体であるＡ液、起泡溶液およびＢ液は、裏込め注入材が注入される箇所の圧力まで加圧される配管内においても体積変化はないが、圧縮流体である空気については、加圧される空気供給プラント７の前後において体積が1092Ｌから273Ｌに変化している。

【0038】

裏込め注入材が注入される箇所の圧力は、シールド掘進機１の外周に取付けられ、シールド掘進機１の外周に作用する水圧を測定するシールド外周圧力計１２によって計測され、気泡プラント制御装置５３に送られる。気泡プラント制御装置５３は、当該送られた圧力値をもとに増量する空気量を算出して制御する。増量する空気量を算出する際には、送られた圧力値に基づいて、配管抵抗、圧送するための予備圧力および損失などの諸条件も考慮して空気量が算出される。

【0039】

なお、本実施の形態では、裏込め注入材が注入される箇所の圧力を測定するために、シールド掘進機１の外周部に配置したシールド外周圧力計１２を用いたが、通常設けられるシールド掘進機１のチャンバ内に設けられる圧力計を用いても構わない。この場合は、新たにシールド外周圧力計１２を設ける必要はない。しかしながら、チャンバ内に設けられる圧力計の測定値は、掘削による影響によって変動が比較的大きくなるので、留意して選択する。また、図２においては、シールド外周圧力計１２はシールド外周の上部に設けられているが、スプリングライン上の側部などに設けられていてもよい。

【0040】

起泡溶液と空気は、起泡溶液空気ラインミキサ５１によって発泡され気泡となり、気泡供給管５２を介してＡ液気泡ラインミキサ８に供給される。
Ａ液供給管３６からのＡ液と気泡供給管５２からの気泡は、Ａ液気泡ラインミキサ８によって混練され、気泡Ａ液となり気泡Ａ液供給管９を介して気泡Ａ液Ｂ液ラインミキサ１０に供給される。
そして、気泡Ａ液供給管９からの気泡Ａ液とＢ液供給管４２からのＢ液は、気泡Ａ液Ｂ液ラインミキサ１０によって混練され、エア系裏込め注入材となり、裏込め注入材供給管１１により、セグメント２に設けられた開口からテールボイドに注入充填される。

【0041】

〔その他の変形例〕
本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば以下のようなものも含まれる。

【0042】

本実施の形態では、シールド工法で説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、推進工法においても、推進管設置後に掘削された地山と推進管との間に注入される裏込め注入材の製造に適用しても良い。
また、トンネルだけでなく、他の高水圧下で工事における充填材の注入に適用してもよい。

【0043】

本実施の形態では、気泡プラントを坑内に配置したが、条件が許されるのであれば地上部に配置してもよい。
また、本実施の形態では、気泡を混入させるのに一回で混入させたが、複数に分けて混入させるようにしてもよい。例えば、地上部で標準的な１０〜１５％の空気量を混入させた後、坑内で残りの空気量を混入させるようにしてもよい。このようにすると、標準的なプラントを地上部に設け、増加する分だけのプラントを追加するようにすることができる。坑内において、複数に分けて気泡を混入させるようにしてもよい。
地上部と坑内、坑内の複数個所などというように、複数に分けて混入させることで、注入される環境下の圧力の変化に応じて、プラントを増減させることで効率的なプラントの計画を行うことも可能となる。

【0044】

本実施の形態では、二液型のエア系裏込め注入材を用いたが、一液型のエア系裏込め注入材に適用してもよい。

【符号の説明】

【0045】

１ シールド掘進機
２ セグメント
３ Ａ液プラント
４ Ｂ液プラント
５ 気泡プラント
６ 起泡溶液プラント
７ 空気供給プラント
８ Ａ液気泡ラインミキサ
９ 気泡Ａ液供給管
１０ 気泡Ａ液Ｂ液ラインミキサ
１１ 裏込め注入材供給管
１２ シールド外周圧力計
３０ 硬化材サイロ
３１ 助材サイロ
３２ 貯水槽
３３ Ａ液混合ミキサ
３４ Ａ液アジテータ
３５ Ａ液ポンプ
３６ Ａ液供給管
４０ Ｂ液タンク
４１ Ｂ液ポンプ
４２ Ｂ液供給管
５１ 起泡溶液空気ラインミキサ
５２ 気泡供給管
５３ 気泡プラント制御装置
６０ 起泡剤原液タンク
６１ 起泡剤原液ポンプ
６２ 起泡溶液ミキサ
６３ 給水管
６４ 清水槽
６５ 清水ポンプ
６６ 起泡溶液ポンプ
６７ 起泡溶液流量計
６８ 起泡溶液圧力計
６９ 起泡溶液供給管
７０ コンプレッサー
７１ フィルタレギュレータ
７２ 空気流量計
７３ エアコントロールバルブ
７４ 空気圧力計
７５ 空気供給管
Ｋ トンネル坑内
Ｔ 発進立坑
Ｇ 地上部

【図1】

【図2】

【図3】