特許 6984834 地盤注入工法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6984834

(24)【登録日】2021年11月29日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】地盤注入工法

(51)【国際特許分類】

   C09K 17/02 20060101AFI20211213BHJP

   C09K 17/12 20060101ALI20211213BHJP

   C09K 17/48 20060101ALI20211213BHJP

   C09K 17/46 20060101ALI20211213BHJP

   E02D 3/12 20060101ALI20211213BHJP

【ＦＩ】

   C09K17/02 P

   C09K17/12 P

   C09K17/48 P

   C09K17/46 P

   E02D3/12 101

【請求項の数】9

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2020-202931(P2020-202931)

(22)【出願日】2020年12月7日

【審査請求日】2020年12月9日

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000162652

【氏名又は名称】強化土エンジニヤリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096714

【弁理士】

【氏名又は名称】本多 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100124121

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 由美子

(72)【発明者】

【氏名】角田 百合花

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 隆光

(72)【発明者】

【氏名】田井 智大

(72)【発明者】

【氏名】島田 俊介

【審査官】 中野 孝一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１９−０１１４７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０３３００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１６７５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３０２８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第６７９６３０５（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２００１−３５４９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２４１０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２７０２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０９Ｋ１７／００−１７／５２

Ｅ０２Ｄ３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地熱水中のシリカを収集したシリカ材を含むシリカグラウトからなる地盤注入材を地盤に注入して地盤を固結する地盤注入工法であって、前記シリカ材に含まれる重金属の含有量が、地盤注入における目的に対応する一律排水基準値または環境基準値以下であり、
前記シリカグラウトが、前記シリカ材と、水ガラスと、酸性反応剤とを有効成分として含み、シリカ濃度が０．４〜５０．０ｗ／ｖｏｌ％であって、ｐＨが１．０〜１０．０の範囲であり、
前記シリカグラウトの気中ゲルタイム（ＧＴ０）と、気中ｐＨ（ｐＨ０）と、土中ｐＨ（ＰＨｓ）と、土中ゲルタイム（ＧＴｓ）とを確認し、該地盤注入材中の水ガラスの濃度や酸性反応剤の量を調整してシリカ材のバラつきや固結地盤の反応のバラつきを調整し、注入方式および注入設計から得られた注入時間（Ｈ）との関連を確認し、注入目的を満たす配合設計を行うことにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行うことを特徴とする地盤注入工法。

【請求項2】

前記シリカグラウトが、前記シリカ材と、水ガラスと、酸性反応剤とを有効成分として含み、シリカ濃度が２〜４０ｗｔ％、気中ｐＨ（ｐＨ０）が１〜４、気中ゲル化時間（ＧＴ０）が瞬結〜１００００分／２０℃であり、該シリカ材に由来するシリカ濃度が該シリカグラウトのシリカ濃度の１０〜５０％であって、該シリカグラウトに含まれる重金属の含有量が、地盤注入における目的に対応する一律排水基準値または環境基準値以下であり、ｐＨを前記地盤のｐＨ値よりも酸性側である１〜４の範囲とした該シリカグラウトを該地盤に注入して、土中における該シリカグラウトのｐＨを中性方向に移行させることにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行う請求項１記載の地盤注入工法。

【請求項3】

前記地盤にあらかじめ一次注入材を注入した後、該地盤に二次注入材として前記シリカグラウトを注入することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行う請求項１または２記載の地盤注入工法。

【請求項4】

地盤改良を行う地盤において、以下の（１）〜（８）の手法でシリカグラウトの配合設定を行うことにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行う請求項１〜３のうちいずれか一項記載の地盤注入工法。
（１）前記シリカグラウトの配合と、気中ｐＨ（ｐＨ０）と、気中ゲル化時間（ＧＴ０）との関係を確認する。
（２）前記地盤からの採取土と前記シリカグラウトとを用いて、該シリカグラウトの配合と、土中ゲル化時間（ＧＴｓ）と、土中ｐＨ（ｐＨｓ）との関係を確認する。
（３）前記採取土と前記シリカグラウトとを用いて、該シリカグラウトの配合と固結採取土の強度（ｑｕ）との関係を確認する。
（４）要求される地盤改良強度から前記シリカグラウトの配合のシリカ濃度を決定する。（５）注入対象土層における改良土の単位体積あたりの注入量を算出する。
（６）注入孔間隔と注入ステージ量とを決定し、単位ステージあたりの受持土量から１ステージあたりの注入量（Ｑ）を算出する。
（７）毎分吐出量（ｑ）を設定し、１ステージあたりの注入時間（Ｈ）を設定する。但し、毎分吐出量は、限界注入速度範囲内の吐出量をいう。
（８）注入時間（Ｈ）と土中ゲル化時間（ＧＴｓ）との関係から、注入材の反応剤濃度を設定する。但し、注入時間（Ｈ）は、１ステージあたりの注入量を毎分吐出量で割った時間をいう。

【請求項5】

注入対象地盤の地盤状況、注入孔間隔および単位ステージあたりの注入量に応じて、注入材の気中ゲル化時間（ＧＴ０）、注入材と前記地盤からの採取土とを混合した混合物のゲル化時間である土中ゲル化時間（ＧＴｓ）、および、１ステージあたりの注入時間（Ｈ）の関係が、下記式（Ｉ）および／または（ＩＩ）で示される関係を満足するように、注入材の配合処方を設定することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行う請求項４記載の地盤注入工法。
ＧＴ０＞Ｈ≧ＧＴｓ （Ｉ）
ＧＴ０＞ＧＴｓ≧Ｈ （ＩＩ）

【請求項6】

注入材の気中ゲル化時間（ＧＴ０）、注入材と前記地盤からの採取土とを混合した混合物のゲル化時間である土中ゲル化時間（ＧＴｓ）、および、１ステージあたりの注入時間（Ｈ）の値を以下の範囲で設定して、注入範囲外への注入材の逸脱を低減することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行う請求項５記載の地盤注入工法。
（１）注入速度は限界浸透注入速度内とする（但し、限界浸透注入速度内とは、割裂・浸透注入速度よりも小さい浸透注入速度をいう。）。
（２）注入孔間隔または固結径：１．０〜３．０ｍ。
（３）毎分注入速度ｑ：１ｌ〜３０ｌ／ｍｉｎ（但し、限界浸透注入速度内とする。）。（４）１ステージ長：０．３３ｍ〜３．０ｍ。
（５）１ステージあたりの注入時間Ｈ：４．４分〜１００００分（但し、注入時間Ｈは現場の作業性や工期の短縮を考慮して短縮することができる。）。
（６）シリカグラウトの気中ゲル化時間ＧＴ０：１０分〜１００００分。
（７）シリカグラウトのｐＨ（ｐＨ０）：１．０〜１０．０。
（８）シリカグラウトのシリカ濃度：０．４％〜５０％（ｗ／ｖ％）。
（９）土中ゲル化時間ＧＴｓ：１０分〜３０００分。

【請求項7】

注入材を、点注入、多点注入、柱状注入、多点同時注入または柱状注入同時注入によって地盤に注入することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行う請求項５または６記載の地盤注入工法。

【請求項8】

注入材を点注入によって地盤に注入するにあたり、以下の条件を満足することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行う請求項５〜７のうちいずれか一項記載の地盤注入工法。
注入孔間隔：１ｍ〜３ｍ。
土中ゲル化時間（ＧＴｓ）：１０分〜３０００分。
注入速度（毎分吐出量）：１ｌ〜３０ｌ／ｍｉｎ（但し、注入速度は限界浸透注入速度内とする。）。
１ステージあたりの注入量：１３２ｌ〜１０，８００ｌ。
１ステージあたりの注入時間（Ｈ）：４．４分〜１０，８００分。
β＝Ｈ／ＧＴｓ（＝１０８００／１０〜４．４／３０００）：１０８０〜０．００１。

【請求項9】

注入材を柱状注入方式によって地盤に注入するにあたり、以下の条件を満足することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行う請求項５〜７のうちいずれか一項記載の地盤注入工法。
１ステージあたりの注入量：１３２ｌ〜１０，８００ｌ。
注入速度：１０ｌ〜３０ｌ／ｍｉｎ。
１ステージあたりの注入時間：４．４分〜１０８０分。
土中ゲル化時間（ＧＴｓ）：１０分〜３０００分。
β＝Ｈ／ＧＴ０（＝１０８０／１０〜４．４／３０００）：１０８〜０．００１。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地盤注入材、その製造方法およびそれを用いた地盤注入工法（以下、単に「注入材」、「製造方法」および「注入工法」とも称する）に関し、詳しくは、地熱水中のシリカを収集したシリカ材を用いたシリカグラウトからなる地盤注入材、その製造方法およびそれを用いた地盤注入工法の改良に関する。

【背景技術】

【0002】

地盤を固結する耐久性に優れた地盤注入材および注入工法として、本出願人によるコロイダルシリカを用いた注入材がすでに知られている（特許文献１，２）。コロイダルシリカはそれ自体が安定性に優れ、固結性がないため、塩および／または酸を加えて不安定化させてゲル化させるか（特許文献１）、あるいは、さらに水ガラスを加えて強度発現を速くしたり、長い浸透性をもつ酸性〜弱アルカリ性のｐＨに調整した、本出願人によるシリカグラウトが知られている（特許文献２）。

【0003】

これらのコロイダルシリカは、水ガラスのアルカリをイオン交換法により除去したシリカを弱アルカリ性のｐＨ領域で増粒させてつくるか、または、金属シリカを溶解して製造される。これらはいずれも重金属等の汚染物質を含まないため、注入地盤の安全性は維持され、安全な地盤改良が多く実施されてきた。

【0004】

一方で、近年、火山地帯の地熱エネルギーを利用した地熱発電が注目されており、これに伴い、地熱水に含まれるシリカの処理方法やその利用方法が提案されている。地熱発電は、蒸気や熱水からなる地熱流体を地下から取り出して、発電に用いるものである。地下は高温高圧であり、多くの成分が地熱流体中に溶解しているため、地熱発電では、これらの成分が発電設備の腐食やスケールの原因となる。特に、地熱流体から熱を回収し、流体の温度が低下すると、熱水からシリカが析出してスケールになりやすい（非特許文献１）。

【0005】

このシリカスケールの熱水からの回収に関する技術として、地熱流体からの沈殿無定形シリカの製造方法が、特許文献３に記載されている。また、特許文献４には、地熱水由来のシリカを用いた地盤注入用固結材が開示されている。その一方、地熱発電では、環境汚染上の問題が多く指摘されている。

【0006】

例えば、特許文献３の記載によれば、地熱水にはヒ素などの汚染物質が多く含まれ、地熱水から取り出したシリカやシリカケーキを用いたシリカグラウトにも、汚染物質が含まれる危険があることがわかる。また、非特許文献２には、「…分離された熱水中にヒ素がふくまれていることが問題になった。…浴場排水地点ではいずれも環境基準０．０５μｇ／ｍＬを上回る０．５４μｇ／ｍｌのヒ素が検出された…施設従業員の頭髪中ヒ素量は正常値範囲と比較したとき、やや高濃度でありヒ素による何らかの異常暴露が疑われる結果」との内容が記載されている。

【0007】

これに対し、例えば、特許文献５には、ヒ素含有量が多い汚染土壌に対し鉄塩、半水石膏、及びセメント系固化材、石灰系固化材、マグネシア系固化材等を添加混合する方法が提示されている。このように、ヒ素の不溶化ではマグネシウム系が有効であることが分かる。また、特許文献６には、有害物質について、酸化マグネシウムと珪酸アルカリ金属塩によって不溶化を行う方法が開示されている。

【0008】

さらに、特許文献７には、本出願人による地盤注入工法であって、コロイド−水ガラス−酸または水ガラス−酸を有効成分とする注入工法について記載されている。

【0009】

さらに、非特許文献３には地熱熱水の環境基準の遵守について記載されており、非特許文献４には汚染状態に関する基準として土壌溶出量基準や地下水基準が記載されている。さらにまた、非特許文献５にはシリカスケール防止と地熱水中の全シリカ濃度が記載されており、非特許文献６には第二種特定有害物質の基準値や自然的上限値が記載されている。さらにまた、非特許文献７〜９は環境省ホームページであり、それぞれ一律排水基準の有害物質基準、地下水の水質汚濁に係る環境基準、および、土壌環境基準について記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特公平１−８６７７号公報

【特許文献2】特公平７−１０９７７号公報

【特許文献3】特開平３−３３００９号公報

【特許文献4】特開２０１９−１１４７３号公報（特許第６４６６６１５号公報）

【特許文献5】特開２００６−１６７５２４号公報

【特許文献6】特開２００７−３０２８８５号公報

【特許文献7】特許第６５３１９２９号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】地熱熱水利用バイナリー発電システムにおけるシリカスケール対策技術、川原、柴田、久保田、富士電機技報２０１３ ｖｏｌ．８６ ｎｏ２

【非特許文献2】地熱発電所からのヒ素含有温水による河川汚染および人身影響、稲益、石西、児玉、日本衛生学雑誌、１９７８−０８（５２８〜５３１ページ）

【非特許文献3】「温泉資源の保護に関するガイドライン（地熱発電関係）（案）」に対する意見、一般社団法人 日本秘湯を守る会 代表 佐藤、平成２４年２月２２日（Ｐ４６）

【非特許文献4】汚染土壌の処理業に関するガイドライン（改訂第２版追補）環境省 水・大気環境局 土壌環境課、平成２７年７月

【非特許文献5】ｐＨ調整によるシリカスケール防止評価のためのカラム試験−澄川地熱水の例、日本地熱学会誌、上田、加藤、宮内、加藤、第２５巻第３号（２００３）１６３頁〜１７７頁

【非特許文献6】地盤工学・実務シリーズ２５ 続・土壌・地下水汚染の調査・予測・対策

【非特許文献7】環境省ＨＰ，一律排水基準ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｎｖ．ｇｏ．ｊｐ／ｗａｔｅｒ／ｉｍｐｕｒｅ／ｈａｉｓｕｉ．ｈｔｍｌ

【非特許文献8】環境省ＨＰ，地下水の水質汚濁に係る環境基準について，ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｎｖ．ｇｏ．ｊｐ／ｋｉｊｕｎ／ｔｉｋａ．ｈｔｍｌ

【非特許文献9】環境省ＨＰ，土壌環境基準ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｎｖ．ｇｏ．ｊｐ／ｋｉｊｕｎ／ｄｔ１．ｈｔｍｌ

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

上述したように、地盤注入用固結材として、地熱水由来のシリカを含有するコロイダルシリカを用いる技術は、すでに知られている（特許文献４）。しかし、地熱水中にはヒ素などの重金属が多量に含まれており、地熱水由来のシリカにも当然に重金属が含まれているため、そのシリカを用いた地盤注入材を地盤に注入した場合には、注入地盤が汚染される危険性が生ずる（非特許文献２）。よって、地熱水由来のシリカを地盤注入材に用いることができるように、汚染の原因を事前に取り除くことができれば、コストやＣＯ_２削減の点において有利である。

【0013】

上記のような点から、本発明は、地熱水中のシリカを収集したシリカ材を含むシリカグラウトを用いても、土壌汚染を生ずることがない地盤注入材、その製造方法、および、それを用いた地盤注入工法を提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

地熱発電所の地盤から噴出する地熱水は、シリカを含むものである一方、火山地帯の地中深くボーリングし注水して噴出してくるものであるために、火山帯に含まれるヒ素等の有害重金属も含む場合がある。そのため、地熱水中のシリカをそのまま用いることによって、地盤が汚染されてしまうことが問題になる。以下に具体的に説明する。

【0015】

上記非特許文献２によれば、地熱水中に含まれる重金属の含有量は、例えばヒ素であれば、３か所から採取した結果が３．５３、３．３３、２．１８ｍｇ／Ｌであった。また、特許文献３には、「地熱源から沈殿させたシリカの砒素による汚染は、沈殿シリカの最終用途により問題になったり・・・」（５頁左下欄１４〜１６行目）と記載され、表１〜表８には化学組成としてＡｓの含有量が記載されている。

【0016】

このように、地熱水においては重金属の含有量が環境基準値を上回っている場合があり、この地熱水中のシリカをそのまま使用すると地盤を汚染するおそれがある。また、所定の注入領域において注入目的通りの注入効果を得られないおそれがある。

【0017】

上述の値はヒ素の環境基準値０．０１ｍｇ／Ｌを超えるため、このような地熱水や地熱水中から収集したシリカは、環境基準値以下にしなければ再利用はできない。そこで、重金属がヒ素の場合、ヒ素の不溶化方法において有効なマグネシウム系等の不溶化剤を用いて、不溶化を行うことができる。

【0018】

非特許文献５によれば、地熱水中の全シリカ濃度は７７５ｍｇ／Ｌであり、カウエロー産出井戸から採取された水の中には、１．９０ｍｇ／ｋｇ〜２．２６ｍｇ／ｋｇのヒ素が含有されていることがわかる。このように、本発明は、地熱水には重金属、特にはヒ素が環境基準値以上に含まれており、この地熱水中のシリカを用いた地盤注入材は注入地盤を汚染する可能性があることから、このような汚染を生じない地盤改良技術に係るものである。

【0019】

非特許文献６によれば、地熱水における自然由来上限値での重金属含有量は３９ｍｇ／ｋｇである。このように自然由来であっても地熱水中には重金属が環境基準値を超えて含有されているため、汚染重金属を含有する地熱水中のシリカをそのまま再利用することは、注入地盤を汚染することになる。そこで本発明者らは、地熱水中のシリカを収集したシリカ材を含むシリカグラウトからなる地盤注入材であって、シリカ材に含まれる重金属の含有量が環境基準値または一律排水基準値以下であるもの、または、基準値以下に調整されたものを用いることで、土壌汚染を生じないか、または、基準値以上の重金属を含んでいても、必要最小限の不溶化剤で土壌汚染を生ずることのない地盤注入材および地盤注入工法を実現したものである。また、本発明によれば、地熱水の熱そのものでシリカをコロイド化しているため、シリカコロイド製造時におけるＣＯ_２の排出を低減でき、地球温暖化防止にも寄与することができる。

【0020】

また、上述したように、地熱水中に含まれるシリカ材を地盤注入に用いる場合の最大の課題は、特許文献３の表１〜表８に記載されているようにヒ素のような有害重金属が含有されていること、および、ヒ素以外の成分としてかなりの量のＳｉＯ_２、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂ、ＳＯ_４、Ｃｌ等が含まれ、かつ、その含有量が一律ではなく、地熱水の位置や濃度によって異なることにより、これを注入材として用いた場合のゲル化にバラつきが生じたり、あるいは、多様な地盤に注入した場合に地盤中の組成物と反応して土中におけるゲル化や固結強度にバラつきが生じることである。よって、地熱水中に含まれるシリカ材を地盤に注入するにあたっては、注入材そのもののゲルタイムとｐＨ、すなわち、気中ゲルタイム（ＧＴ０）と、気中ｐＨ（ｐＨ０）と、それを地盤に注入した場合の土中ｐＨ（ｐＨｓ）と、土中ゲルタイム（ＧＴｓ）とを確認し、水ガラスの濃度や酸性反応剤の量を調整してシリカ材のバラつきや固結地盤の反応のバラつきを調整し、注入方式および注入設計から得られた注入時間（Ｈ）との関連を確認し、注入目的を満たす配合設計を行うことが要求される。また、注入目的を達するには、注入対象地盤からの注入材の逸脱を防ぎ、粗い層を懸濁液または瞬結性グラウトを一次注入して地盤を均質化してから、本シリカ材を注入することが望ましい。

【0021】

排水基準と環境基準の例を下記の表１に示す。第二種特定有害物質の基準として、土壌溶出量基準または地下水基準、第二溶出量基準、さらに、自然的要因の上限値の目安、および、一律排水基準を一覧にした。環境基準としては、地下水の水質汚濁に係る環境基準、および、土壌環境基準を記載した。

【0022】

【表1】

【0023】

土壌溶出量基準または地下水基準および第二溶出量基準は、非特許文献４より抜粋したものであり、自然要因の上限値の目安は非特許文献６より抜粋したものであり、一律排水基準は非特許文献７より抜粋したものであり、地下水の水質汚濁に係る環境基準は非特許文献８から抜粋したものであり、土壌環境基準は非特許文献９から抜粋したものである。

【0024】

ここで、第一種特定有害物質とは揮発性有機化合物であり、第二種特定有害物質は重金属類、第三種特定有害物質は農薬類である。本発明は重金属を不溶化して低減しているため、第二種特定有害物質について上記に示している。本発明において、地熱水中のシリカを収集したシリカ材に含まれる重金属の不溶化は、目的に応じ、第二種特定有害物質が表に示すような基準値を満足するよう行う。

【0025】

以下に、汚染重金属の不溶化の例を説明する。複合汚染土に対する不溶化として、宇部マテリアルズ株式会社製のマグネシウム系の不溶化材である「グリーンライムＭＰ−Ｓ」を使用した不溶化の一例を示す。配合量３０ｋｇ／ｍ^３を用いた試験では、ヒ素とセレンの含有量が約０．０３ｍｇ／Ｌであったものが、養生６時間後には、土壌溶出量基準０．０１ｍｇ／Ｌ以下まで低減している。マグネシウム系薬剤がヒ素を不溶化した事例である。よって、同様にして、地熱水中に含まれるヒ素やセレンなどの重金属を環境基準値以下に不溶化することが可能であることがわかる。

【0026】

すなわち、本発明の地盤注入工法は、地熱水中のシリカを収集したシリカ材を含むシリカグラウトからなる地盤注入材を地盤に注入して地盤を固結する地盤注入工法であって、前記シリカ材に含まれる重金属の含有量が、地盤注入における目的に対応する一律排水基準値または環境基準値以下であり、
前記シリカグラウトが、前記シリカ材と、水ガラスと、酸性反応剤とを有効成分として含み、シリカ濃度が０．４〜５０．０ｗ／ｖｏｌ％であって、ｐＨが１．０〜１０．０の範囲であり、
前記シリカグラウトの気中ゲルタイム（ＧＴ０）と、気中ｐＨ（ｐＨ０）と、土中ｐＨ（ＰＨｓ）と、土中ゲルタイム（ＧＴｓ）とを確認し、該地盤注入材中の水ガラスの濃度や酸性反応剤の量を調整してシリカ材のバラつきや固結地盤の反応のバラつきを調整し、注入方式および注入設計から得られた注入時間（Ｈ）との関連を確認し、注入目的を満たす配合設計を行うことにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行うことを特徴とするものである。

【0031】

本発明の地盤注入工法においては、前記シリカグラウトが、前記シリカ材と、水ガラスと、酸性反応剤とを有効成分として含み、シリカ濃度が２〜４０ｗｔ％、気中ｐＨ（ｐＨ０）が１〜４、気中ゲル化時間（ＧＴ０）が瞬結〜１００００分／２０℃であり、該シリカ材に由来するシリカ濃度が該シリカグラウトのシリカ濃度の１０〜５０％であって、該シリカグラウトに含まれる重金属の含有量が、地盤注入における目的に対応する一律排水基準値または環境基準値以下であり、ｐＨを前記地盤のｐＨ値よりも酸性側である１〜４の範囲とした該シリカグラウトを該地盤に注入して、土中における該シリカグラウトのｐＨを中性方向に移行させることにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行うことが好ましい。

【0034】

また、本発明の地盤注入工法においては、前記地盤にあらかじめ一次注入材を注入した後、該地盤に二次注入材として前記シリカグラウトを注入することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行うことが好ましい。

【0035】

さらに、本発明の地盤注入工法においては、地盤改良を行う地盤において、以下の（１）〜（８）の手法でシリカグラウトの配合設定を行うことにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行うことが好ましい。
（１）前記シリカグラウトの配合と、気中ｐＨ（ｐＨ０）と、気中ゲル化時間（ＧＴ０）との関係を確認する。
（２）前記地盤からの採取土と前記シリカグラウトとを用いて、該シリカグラウトの配合と、土中ゲル化時間（ＧＴｓ）と、土中ｐＨ（ｐＨｓ）との関係を確認する。
（３）前記採取土と前記シリカグラウトとを用いて、該シリカグラウトの配合と固結採取土の強度（ｑｕ）との関係を確認する。
（４）要求される地盤改良強度から前記シリカグラウトの配合のシリカ濃度を決定する。（５）注入対象土層における改良土の単位体積あたりの注入量を算出する。
（６）注入孔間隔と注入ステージ量とを決定し、単位ステージあたりの受持土量から１ステージあたりの注入量（Ｑ）を算出する。
（７）毎分吐出量（ｑ）を設定し、１ステージあたりの注入時間（Ｈ）を設定する。但し、毎分吐出量は、限界注入速度範囲内の吐出量をいう。
（８）注入時間（Ｈ）と土中ゲル化時間（ＧＴｓ）との関係から、注入材の反応剤濃度を設定する。但し、注入時間（Ｈ）は、１ステージあたりの注入量を毎分吐出量で割った時間をいう。

【0036】

さらにまた、本発明の地盤注入工法においては、注入対象地盤の地盤状況、注入孔間隔および単位ステージあたりの注入量に応じて、注入材の気中ゲル化時間（ＧＴ０）、注入材と前記地盤からの採取土とを混合した混合物のゲル化時間である土中ゲル化時間（ＧＴｓ）、および、１ステージあたりの注入時間（Ｈ）の関係が、下記式（Ｉ）および／または（ＩＩ）で示される関係を満足するように、注入材の配合処方を設定することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行うことができる。
ＧＴ０＞Ｈ≧ＧＴｓ （Ｉ）
ＧＴ０＞ＧＴｓ≧Ｈ （ＩＩ）

【0037】

さらにまた、本発明の地盤注入工法においては、注入材の気中ゲル化時間（ＧＴ０）、注入材と前記地盤からの採取土とを混合した混合物のゲル化時間である土中ゲル化時間（ＧＴｓ）、および、１ステージあたりの注入時間（Ｈ）の値を以下の範囲で設定して、注入範囲外への注入材の逸脱を低減することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行うことができる。
（１）注入速度は限界浸透注入速度内とする（但し、限界浸透注入速度内とは、割裂・浸透注入速度よりも小さい浸透注入速度をいう。）。
（２）注入孔間隔または固結径：１．０〜３．０ｍ。
（３）毎分注入速度ｑ：１ｌ〜３０ｌ／ｍｉｎ（但し、限界浸透注入速度内とする。）。（４）１ステージ長：０．３３ｍ〜３．０ｍ。
（５）１ステージあたりの注入時間Ｈ：４．４分〜１００００分（但し、注入時間Ｈは現場の作業性や工期の短縮を考慮して短縮することができる。）。
（６）シリカグラウトの気中ゲル化時間ＧＴ０：１０分〜１００００分。
（７）シリカグラウトのｐＨ（ｐＨ０）：１．０〜１０．０。
（８）シリカグラウトのシリカ濃度：０．４％〜５０％（ｗ／ｖ％）。
（９）土中ゲル化時間ＧＴｓ：１０分〜３０００分。

【0038】

さらにまた、本発明の地盤注入工法においては、注入材を、点注入、多点注入、柱状注入、多点同時注入または柱状注入同時注入によって地盤に注入することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行うことが好ましい。

【0039】

さらにまた、本発明の地盤注入工法においては、注入材を点注入によって地盤に注入す
るにあたり、以下の条件を満足することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行うものとすることができる。
注入孔間隔：１ｍ〜３ｍ。
土中ゲル化時間（ＧＴｓ）：１０分〜３０００分。
注入速度（毎分吐出量）：１ｌ〜３０ｌ／ｍｉｎ（但し、注入速度は限界浸透注入速度内とする。）。
１ステージあたりの注入量：１３２ｌ〜１０，８００ｌ。
１ステージあたりの注入時間（Ｈ）：４．４分〜１０，８００分。
β＝Ｈ／ＧＴｓ（＝１０８００／１０〜４．４／３０００）：１０８０〜０．００１。

【0040】

さらにまた、本発明の地盤注入工法においては、注入材を柱状注入方式によって地盤に注入するにあたり、以下の条件を満足することにより、組成が一律でない地熱水由来のシリカ材を用いて注入目的を満たす地盤固結を行うものとすることができる。
１ステージあたりの注入量：１３２ｌ〜１０，８００ｌ。
注入速度：１０ｌ〜３０ｌ／ｍｉｎ。
１ステージあたりの注入時間：４．４分〜１０８０分。
土中ゲル化時間（ＧＴｓ）：１０分〜３０００分。
β＝Ｈ／ＧＴ０（＝１０８０／１０〜４．４／３０００）：１０８〜０．００１。

【発明の効果】

【0042】

本発明によれば、地熱水中のシリカを収集したシリカ材を含むシリカグラウトを用いても、土壌汚染を生ずることがない地盤注入材、その製造方法、および、それを用いた地盤注入工法を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】マイクロバブル製造装置を含む地盤改良装置の一実施形態を示し、（ａ）は全体を示す概略図、（ｂ）はバブル発生装置の縦断面図、（ｃ），（ｄ）は（ｂ）におけるイ−イ線断面図である。

【図2】非アルカリ性シリカグラウトのｐＨとゲル化時間とシリカ濃度の関係を示す図である。

【図3】非アルカリ性シリカグラウトのホモゲルとサンドゲルのゲルタイムの例を示す図である。

【図4】種々の地盤における非アルカリ性シリカグラウトの気中ｐＨと土中ゲルタイムの例を示す図である。

【図5】一次注入材としてＣＢ（セメント・ベントナイト）を注入したとき、ｐＨ２のシリカ溶液を二次注入材として注入した場合の注入材のゲル化時間の短縮例を示すグラフである。

【図6】注入時間Ｈ＞ＧＴｓの場合の非アルカリ性シリカグラウトの土中における浸透固結土挙動を示す図である。

【図7】注入速度と注入圧との関係を示す図である。

【図8】浸透半径と注入圧との関係を示す図である。

【図9-1】（ａ）〜（ｄ）は、浸透注入工法の例を示す図である。

【図9-2】（ｅ）〜（ｆ）は、浸透注入工法の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0044】

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

【0045】

本発明の地盤注入材は、地熱水中のシリカを収集したシリカ材を有効成分として含むシリカグラウトからなり、シリカ材に含まれる重金属の含有量が、一律排水基準値または環境基準値以下であるものである。これにより、地熱水中のシリカを収集したシリカ材を用いたシリカグラウトを、地盤改良に利用できるとともに、上記本発明の地盤注入材を地盤に注入することで、土壌を汚染することなく地盤を固結できる地盤注入材および地盤注入工法を実現することができ、また、シリカコロイド製造時におけるＣＯ_２の排出を低減できるため、地球温暖化防止にも寄与することができる。さらに、地熱水中に含まれるシリカを収集したシリカ材を、地盤注入に適合する１〜１００ｎｍの粒径まで微細化して用いることで、シリカスケールやシリカケーキを含むシリカ分の地盤注入への適合量を増大して、地熱水中のシリカの有効利用率を高め、経済性を向上することができる。

【0046】

本発明における地熱水中のシリカを収集したシリカ材に含まれる重金属の含有量は、例えば、不溶化材を用いて重金属を不溶化することにより、低減することができる。シリカ材に含まれる重金属の含有量を低減することにより、シリカグラウトに含まれる重金属の含有量を、一律排水基準値または環境基準値以下に調整することができる。その他の重金属の除去、回収方法としては、硫酸多糖をビーズ、多孔性吸着部材などの固定化担体に固定化し、これを産業廃液中に投入し、遠心法、沈降法などで回収する方法や、産業廃液中に硫酸多糖を直接投入し、遠心法、沈降法などで回収する方法などといった、従来の環境汚染物質などの除去、回収方法を利用することができる。具体的には、重金属の不溶化は、例えば、宇部マテリアルズ株式会社製の不溶化材を用いて、先に述べた不溶化の事例と同様にして、実施することができる。本発明の地盤注入材においては、重金属の中でも、特に、生物に対する毒性が高いことが知られるヒ素の含有量が低減されていることが好ましい。

【0047】

地熱水中のシリカを収集したシリカ材を、重金属を不溶化せずに用いた場合には、地盤を重金属で汚染してしまうおそれがある。よって、地熱水中のシリカを収集したシリカ材に含まれる重金属の含有量を、環境基準値または一律排水基準値以下まで低減して用いたシリカグラウトからなる地盤注入材を使用する。シリカ材における重金属の含有量については、表１に示す目的に対応する基準値以下に調整することができ、このようなシリカ材を用いることにより、効率的に不溶化を行うことができ、地盤注入に用いることができる。また、地熱水中のシリカを収集したシリカ材の重金属の含有量を分析して一律排水基準値または環境基準値以下であることを確認したシリカ材については、そのまま地盤注入材として用いることもできる。

【0048】

また、本発明においては、目的に応じ、地熱水中のシリカを収集したシリカ材として、重金属の含有量を分析して、さらに、第二種特定有害物質の含有量が環境基準値以下に低減されたものを用いることが好ましい。これにより、土壌汚染をより効果的に防止することができる。

【0049】

本発明の地盤注入材としては、上記地熱水に含まれるシリカを収集したシリカ材とともに、水ガラスと、酸性反応剤とを有効成分として含み、特には酸、塩およびアルカリからなる群から選択されるいずれか一種または複数種を含む地盤注入材を好適に用いることができる。また、本発明の地盤注入材は、非アルカリ性であることが好ましい。具体的には、本発明の地盤注入材としては、重金属を不溶化して低減したシリカ材を、特許文献１，特許文献２などに記載されている配合に置き換えて用いることができる。本発明の地盤注入材のその他の構成については限定されず、水ガラスや酸成分などは、通常、地盤注入材で用いられるものであれば、幅広く使用できる。

【0050】

例えば、活性シリカ、コロイダルシリカ、金属シリカ等のシリカの他、水ガラスの原液を希釈せずに使用することもでき、これらから選択される複数種を併用してもよい。注入材としては、ｐＨ１．０〜１０．０の範囲内で瞬結から緩結までゲルタイムを自由に調整することができ、シリカ濃度についても、０．４〜５０．０ｗ／ｖｏｌ％の範囲内で目的の地盤強度に合わせて調整することができる。練り混ぜ水としては、工業用水や海水を用いてもよく、清水でなくても、注入材が通常通り練り混ざるものであれば使用することができるので、施工箇所は限定されない。水ガラスからイオン交換法によって得られるアルカリを除去した活性シリカは、シリカ粒径が１〜５ｎｍに成長して数日後にはゲル化するが、微量の水酸化ナトリウムや水ガラスを加えて弱アルカリ性に安定化させたコロイダルシリカは、上述の活性シリカを加熱することにより濃縮増粒し、ｐＨを９〜１０に調整することで安定化して得られる。このようにして得られたコロイダルシリカは、シリカ濃度が５％以上、通常は３０％程度であり、また、粒径が５〜１００ｎｍ、通常は５〜２０ｎｍであって、重金属の問題はなく、地盤を汚染することはない。しかし、本発明に係るシリカ材は、地熱によって地中のシリカが重合してコロイド化しているため、ＣＯ_２の排出量が少ない点では自然環境によいことになる。

【0051】

非アルカリシリカグラウトとして、酸としては、例えば、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸、スルファミン酸等の無機酸、および、これらの混酸を用いることができる。その他の鉱酸等、クエン酸、グリコール酸、リンゴ酸、酒石酸、その他の有機酸等を幅広く使用することができるが、その中でも硫酸、リン酸および有機酸のうちの少なくとも一種が好ましい。塩としては、例えば、多価金属の無機塩、例えば、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化鉄、塩化アルミニウム、炭酸水素ナトリウム、硫酸アルミニウム、硫酸マグネシウム、硝酸アルミニウム、リン酸アルミニウムなどが挙げられる。アルカリとしては、例えば、消石灰、苛性アルカリ、スラグ、セメント等が挙げられる。本発明の注入材には、さらに、多価金属化合物を配合することもできる。

【0052】

上記のようなシリカグラウトは、シリカ濃度５〜３０％であって、シリカ濃度６％のときのサンドゲル強度が、相対密度にもよるが０．２〜０．５ＭＮ／ｍ^２であり、シリカ濃度４〜１２％のときのサンドゲル強度が０．１〜２．０ＭＮ／ｍ^２である。本発明のシリカグラウトも以下に述べる手法を用いて注入材を調整し、また、注入対象地盤との反応性を調整することによって、このような効果を得ることができるので、特許文献１，特許文献２のコロイダルシリカ等の代わりに、本発明に係る、重金属の含有量を低減したシリカ材を置き換えて用いればよい。したがって、配合については、特許文献１，特許文献２に準ずればよいので、詳細は省略する。

【0053】

本発明の地盤注入材は、地盤改良（補強）、液状化防止、耐震補強、住宅持ち上げなどに、幅広く適用できる。

【0054】

本発明においては、シリカを含有する地熱水中のシリカを収集したシリカ材に重金属が一律排水基準値または環境基準値を超えて含有されているかどうかを事前に確認し、目的に応じ、基準値以下であれば、不溶化材を含有しない地熱水中のシリカを収集したシリカ材を用いた地盤注入材を、地盤に注入することができる。また、地熱水中のシリカを収集したシリカ材における重金属の含有量が基準値を超えていた場合には、このシリカ材中の重金属を不溶化してその含有量を低減したのち、得られたシリカ材をそのまま注入材に用いることができる。さらに、不溶化材を含有する地熱水中のシリカを収集したシリカ材をそのまま用いて地盤注入材として作液し、重金属の不溶化を同時に行うことにより、重金属の値を基準値以下にすることもできる。地熱水中のシリカを収集したシリカ材に含まれる重金属が単一であることが確認できれば、その重金属に対して有効な不溶化材のみを適宜併用することができる。

【0055】

本発明によれば、地盤中に重金属が存在した場合でも、地盤注入材に不溶化材が含まれているため、同時に不溶化することが可能となる。

【0056】

不溶化するために用いる薬剤（不溶化材）としては、第二鉄系、第一鉄系、りん酸系、キレート剤、硫化物、チタン系、セリウム系、カルシウム系、マグネシウム系などが使用される。これらは地盤注入材の成分として使用されている場合があるが、本発明ではこれらの不溶化材を用い、注入材自体に含まれる重金属を基準値以下の量とすることにより、地熱水中のシリカを収集したシリカ材を用いた地盤汚染のない地盤改良を可能にしたものである。これらの薬剤の中には劇物や危険物などに指定されているものもあるため、毒物および劇物取締法、危険物船舶運送および貯蔵規則、消防法などの法令を遵守し、取扱いには注意が必要である。本発明では、事前に地熱水中のシリカを収集したシリカ材の重金属を不溶化してから使用するため、このような確認事項は不要となる。

【0057】

本発明において用いるシリカを含む地熱水としては、発電方式はフラッシュ式でもバイナリー式でもよく、その他の地熱発電方式を使った地熱水でもよい。

【0058】

本発明において、地熱水中のシリカを収集したシリカ材に由来するシリカ濃度は３０％、コロイダルシリカとしての平均粒径は１〜１００ｎｍ、特には５〜２０ｎｍの範囲であることが、耐久地盤の形成に優れているため、好ましい。シリカ濃度としては制限されないが、２０〜５０％であることが好ましく、２０〜３０％であることがより好ましい。

【0059】

また、本発明においては、超音波発生装置を併用することで、上記シリカ材をさらに微細に粉砕して用いたり、浸透性を良くすることもできる。また、注入材に、カチオン系、アニオン系、非イオン系などの界面活性剤を併用することや、分散剤（花王ケミカル社製のマイティ１５０など）を併用することによっても、浸透性を良くすることができる。さらに、高圧ポンプ攪拌によって微細化することもでき、例えば、スギノマシン社製のスターバースト等の湿式微粒子化装置を用いることもできる。さらにまた、図１に示すような装置を用いて、シリカ材を粉砕して微細化すると同時に、マイクロ・ナノバブルの作用で浸透性をよくすることもできる。

【0060】

なお、図１はマイクロバブルをシリカ溶液に混入する装置であるが、エアコンプレッサー７およびエア管１６を使用しなくても（ｂ），（ｃ）の円錐状の溶液導入路１２に上記シリカ材を通すことによって、シリカ材を粉砕、微細化することができる。

【0061】

図１は、マイクロ・ナノバブル製造装置を含む地盤改良装置の一実施形態を示す説明図である。符号１は、微細気泡（マイクロバブル）が混入されたシリカ溶液（以下、「シリカバブル」とも称する）を生成するための加圧タンクであり、この加圧タンク１内にマイクロバブル発生装置２が設置されている。符号３は、加圧タンク１内に送液管４を介して送り込まれるシリカ溶液の原料液を配合するための原料液配合ミキサーであり、符号５は、加圧タンク１内のシリカ溶液を加圧タンク１とマイクロバブル発生装置２との間を送液管６を介して循環させる注入液循環ポンプ（薬液循環ポンプ）である。符号７は、加圧タンク１内に圧縮空気を送り込んで加圧タンク１内を加圧しつつ、マイクロバブル発生装置２にエアを送り込むエアコンプレッサーであり、符号８は、加圧タンク１内で生成されたシリカバブルを地盤中に注入管９を介して注入するための注入ポンプである。符号１０は、マイクロバブル発生装置２、原料液配合ミキサー３、注入液循環ポンプ５および注入ポンプ８にそれぞれ信号ケーブル１１を介して接続され、これらを適正に制御するコントローラー（集中管理装置）である。

【0062】

マイクロバブル発生装置２は、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、内径が下端から上端方向に徐々に小径となる円錐形状の溶液導入路１２と、この溶液導入路１２の直上に接し、円筒形状をなす溶液放出路１３を備えている。溶液導入路１２の下端部は、注入液循環ポンプ５から伸びる送液管６に接続され、上端部は溶液導入孔１４を介して溶液放出路１３に連通している。溶液放出路１３の内径は、少なくとも溶液導入路１２の上端部の内径より大きく形成され、上端部は加圧タンク１内に大きく開口している。また、溶液導入孔１４の内壁部にはエア吐出口１５が形成され、このエア吐出口１５はエアコンプレッサー７から延びるエア管１６に接続されている。

【0063】

このような構成において、注入液循環ポンプ５が作動し、加圧タンク１内のシリカ溶液が送液管６を介して加圧タンク１とマイクロバブル発生装置２との間を循環し、同時にエアコンプレッサー７が作動してエア吐出口１５から溶液導入孔１４内にエアが吐出することにより、溶液放出路１３の上端部から加圧タンク１内にシリカバブルが生成されて放出される。この場合、送液管６を介して溶液導入路１２内にシリカ溶液が圧送されることにより、溶液導入路１２内にはシリカ溶液の旋回流が形成される。

【0064】

そして、シリカ溶液は溶液導入路１２内をその内周面に沿って旋回しながら溶液導入孔１４方向に流れ、溶液導入孔１４を通って溶液放出路１３内に流れ込む。なお、図１（ｂ），（ｃ）において、矢印はシリカ溶液の旋回流を示す。また、溶液放出路１３内でシリカ溶液の旋回流が形成されることにより、溶液放出路１３の中心軸上付近に負圧部分が形成され、この負圧によってエア吐出口１５から溶液導入孔１４内にエアが吐出される。

【0065】

なお、図１（ｄ）に示すように、溶液導入路１２にシリカ溶液を圧送するための送液管６を溶液導入路１２の内周面の接線方向に接続することにより、溶液導入路１２内におけるシリカ溶液の旋回流をシリカ溶液の流れによって確実に形成することができる。

【0066】

溶液放出路１３内に吐出されたエアは、圧力が最も低い溶液放出路１３の中心軸上付近を溶液放出路１３の開口端方向（上方向）に流れ、細い紐状の旋回気体空洞部αを形成する。また、溶液放出路１３内では溶液導入孔１４から溶液放出路１３の先端の間においてシリカ溶液とエアとからなる旋回気液混合体流βが旋回気体空洞部αと共に形成される。この旋回気液混合体流は縮径されて先細りになった後、切断されてマイクロバブルを生成し、その後、溶液放出路１３の先端部に向かって大きく旋回しながら流れ、溶液放出路１３の開口端部から加圧タンク１内に放出される。

【0067】

このように旋回気液混合体流βが旋回すると、シリカ溶液とエアの比重差からシリカ溶液に遠心力、エアに向心力がそれぞれ同時に作用する。このため、エアは溶液放出路１３内の中心軸線における溶液放出路１３の先端付近まで紐状に続き、溶液放出路１３の先端付近の前後で大きな旋回速度差の発生によって連続的に切断されるので、大量のマイクロバブルが溶液放出路１３の端部付近で発生し、加圧タンク１内に放出される。

【0068】

このようにして生成されたバブルが混入されたシリカ溶液（シリカバブル）は、注入ポンプ８が作動することにより、圧送管１７を介して注入管９に送り込まれ、注入管９を介して地盤中に注入される。

【0069】

本発明において、地熱水中のシリカの回収方法としては、限外ろ過や濃縮などを行ってもよい。

【0070】

地熱水から得られるシリカ分の粒径は、シリカケーキやシリカスケールも含めて１ｎｍ程度から数μｍ以上のものもある。それらから地盤注入に適合する粒径１〜１００ｎｍのシリカ分を得るには、限外ろ過膜を用いて溶質分子径の大きさに対する「分子ふるい」効果を用いるが、この場合、液体を全量通過させてろ過を行うことができるものの、孔の大きさが小さいために阻止された微粒子や不純物により短時間で膜が閉塞されやすいという問題がある。本発明においては、限外ろ過膜を用いて上述した地盤注入に適した粒径のシリカをふるい分けて使用することもできるが、上述したように、収集したシリカ材を粉砕、急速攪拌、加圧噴射、超音波および湿式微粒子化のうちのいずれかの手段を用いて微細化して用いることもできる。その場合、界面活性剤や分散剤、マイクロ・ナノバブルのうちのいずれか１種以上を併用することも効果的である。

【0071】

従来のコロイドを有効成分とするシリカグラウトにおいては、水ガラスからコロイドを形成するのに多くの熱量を必要とし、したがってＣＯ_２排出量が大きいのに対し、本発明では、地熱水による熱エネルギーを利用してシリカコロイド化を得ることにより、ＣＯ_２の排出量が少なく良い点を利用しながら、地熱水につきもののヒ素（Ａｓ）などの汚染性重金属の含有量を基準値以下とした環境保全性に優れた地盤改良工法を提供することができる。また、地熱水を起源とするシリカ材は地熱水中の種々の塩を含有するため、広範囲の地盤改良のためにはゲル化時間が短縮しやすいという問題、および、その塩の含有量や組成が一律でないことから多様な地盤に注入した場合に地盤中におけるゲル化が一律でないだけでなく固結性が一律でないという問題を、本発明では後述する手法により、多様な地盤条件、注入条件、施工条件、適用工法において、所定の注入効果を上げることを可能にしたものである。

【0072】

上述したように、地熱水中に含まれるシリカ材を地盤注入として用いる場合の最大の課題は、特許文献３の表１〜表８に記載されているようにヒ素のような有害重金属が含有されていることと、ヒ素以外の成分としてＳｉＯ_２、Ｎａ、Ｃａ、Ａｌ、Ｃｌ等が含まれ、かつ、その含有量が一律ではなく、地熱水の位置や濃度によって異なることにより、注入材のゲル化にバラつきが生じたり、あるいは、多様な地盤に注入した場合に地盤中の組成物と反応して土中におけるゲル化や強度にバラつきが生じることである。よって、本発明に係るシリカ材を地盤に注入するにあたっては、注入材そのもののゲルタイムとｐＨ、すなわち、気中ゲルタイム（ＧＴ０）と、気中ｐＨ（ｐＨ０）と、それを地盤に注入した場合の土中ｐＨ（ｐＨｓ）と、土中ゲルタイム（ＧＴｓ）とを確認し、注入方式および注入設計から得られた注入時間（Ｈ）との関連を確認し、注入目的を満たす配合設計を行うことが要求される。また、注入目的を達するには、注入対象地盤からの注入材の逸脱を防ぎ、粗い層にあらかじめ一次注入材としての懸濁液または瞬結性グラウトを注入して地盤を均質化してから、本発明に係るシリカグラウトを二次注入材として注入することが望ましい。

【0073】

一次注入材としては、瞬結性またはアルカリ性を呈する懸濁液からなる注入材を用いることが好ましい。具体的には、一次注入材としては、セメント、ベントナイト、スラグ、カルシウムシリケート、石灰、石膏および炭酸マグネシウムのうちいずれか１種または複数種を有効成分とするものを用いることができる。

【0074】

本発明においては、シリカグラウトのシリカ濃度が２〜４０ｗｔ％であって、注入材の気中ゲル化時間（ＧＴ０）が瞬結〜１００００分／２０℃であり、かつ、シリカ材に由来するシリカ濃度がシリカグラウトのシリカ濃度の１０〜５０％であって、注入材の気中ｐＨ（ｐＨ０）が１〜４であることが好ましい。

【0075】

図２より、非アルカリ性シリカグラウトのｐＨとゲル化時間とシリカ濃度の関係としては、非アルカリ性シリカグラウトはゲル化時間が１０，０００分までの長いゲル化時間が可能で、かつ、注入材が地下水で希釈されてもゲル化し、固結性を保つことがわかる。また、図２，３より、ｐＨが中性に近い地盤に注入されると、非アルカリ性シリカはゲル化時間の長い酸性シリカグラウトでも中性方向にｐＨが移行してゲル化時間が短縮してゲル化することがわかる。

【0076】

よって、本発明においては、シリカグラウトのｐＨを地盤のｐＨ値よりも酸性側である１〜４の範囲として、このシリカグラウトを地盤に注入することにより、土中のｐＨを中性方向に移行させて、地盤を固結することができる。

【0077】

図４は、実際の種々の地盤において、注入目的を達した非アルカリ性シリカグラウト（ＳｉＯ_２濃度・６ｗ／ｖ％）の注入材の気中ｐＨ（ＰＨ０）と土中ゲルタイム（ＧＴｓ）の関係の例を示す。ここで、土中ゲルタイム（ＧＴｓ）とは、注入対象地盤からの採取土と注入材の混合物、または、採取土に注入材を浸透させた試料のゲルタイムをいう。また、地盤のｐＨをｐＨｓとすると、ｐＨｓ＝５〜８付近にある。

【0078】

本発明者らの研究によれば、広範囲の浸透に必要な注入時間（Ｈ）より土中ゲルタイム（ＧＴｓ）が短くても、図６に示すように、地盤中で注入材がゲル化しかかったサンドゲルの表皮を超えながら浸透固結領域を拡大させて、所定の注入量に相当する注入土量の固結体を形成することがわかった。また、図５に、一次注入材としてセメント・ベントナイトを用い、二次注入材として非アルカリ性シリカグラウトを重ねて注入した場合のゲル化時間の短縮例を示す。一次注入材の地盤中における注入率が多いと、二次注入材のゲル化時間は短縮するため、二次注入材の注入領域外への逸脱は低減する。しかし、図６の挙動によって、所定の注入量に相当する固結体を形成する。

【0079】

次に、上述したように組成が一律でない本発明に係るシリカ液の配合を、所定範囲から逸脱することなく広い注入間隔を用いて大きな固結径を形成するための本発明の工法について説明する。長い気中ゲル化時間（ＧＴ０）の非アルカリ性の本シリカグラウトを用いて、低い注入速度（ｑ（Ｌ／ｍｉｎ））で、注入時間（Ｈ）をかけて、注入範囲外への逸脱を低減しながら広範囲に所定注入量を浸透固結させる注入材の配合組成を、以下のように設定する。

【0080】

この場合、ＧＴ０≧Ｈ≧ＧＴｓとすると、これは図６に示すように、ｐＨが中性側の地盤にゲル化しかかった注入材を乗り越えて浸透することがわかった。この場合、非アルカリ性の注入材のｐＨが上昇するにつれ、注入材がゲル化しかかり、さらに、その上をｐＨが低い注入材が乗り越えてｐＨが上昇してゲル化が進行することを繰り返しながら、固結領域を拡大するという挙動を利用して、注入孔を広くとって注入範囲を広くしても所定範囲外へ逸脱することなく、所定の領域を固結することが可能となった。

【0081】

また、この場合、採取土と注入材で固結した固結採取土の強度（ｑｕ）が、設計強度を満たすシリカ濃度とする。なお、注入時間（Ｈ）は、１ステージあたりの注入量を限界注入速度の範囲内で割った時間である。

【0082】

注入材を土粒子間に浸透せしめるためには、図７に示すように、割裂注入領域の限界よりも低い注入速度ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）で注入しなくてはならない。点注入を用いる場合には、図８（イ）に示すように、浸透半径を大きくするには高い注入圧力を必要とし、割裂注入領域に入ってしまう。しかし、本発明のように柱状浸透を用いれば、図８（ロ）に示すように、同一条件下で柱状浸透源の高さを大きくして注入速度を大きくしても、低圧で浸透注入できることがわかる。

【0083】

下記の表２（ａ）は、注入方式とステージ長と注入時間（Ｈ）の関係を示す。また、表２（ｂ）は、ステージ長と注入時間（Ｈ）と配合液のゲル化時間（ＧＴ０）と土中ゲル化時間（ＧＴｓ）の例を示す。なお、表２中の受持土量は、実際は円柱であるが、便宜上角柱として計算した。

【0084】

【表2】

【0085】

以上の手法によって地盤の均質化をはかって注入地盤を拘束したうえで、大きな注入孔間隔でも所定の範囲外へ逸脱することなく所定の注入量に相当する固結体を形成するための注入材の処方を適用しなくてはならない。そのための手順を、以下に述べる。

【0086】

１）対象となる土を用いて、所定の密度で要求される強度が得られるシリカ濃度を設定する。
２）所定のシリカ濃度を用いて、ｐＨまたは添加剤に対応したゲル化時間（ＧＴ０）を有するシリカグラウト配合液を調製する。
３）その配合液を用いて、現場土と混合して土中ゲル化時間（ＧＴｓ）を測定する。
４）想定する注入孔間隔、注入方式、１注入ステージ長より、単位ステージの固結土量を設定する。（表２（ａ））
５）単位ステージの固結土量から所定注入量を算出し、浸透可能限界内の注入速度から単位ステージあたりの注入時間（Ｈ）を設定する。（表２（ａ））
６）注入対象地盤の地盤状況、注入孔間隔および単位ステージあたりの注入量に応じて、下記式（Ｉ）および／または（ＩＩ）で示される関係を満足するように、注入材の配合処方を設定する（表２（ｂ））。
ＧＴ０＞Ｈ≧ＧＴｓ （Ｉ）
ＧＴ０＞ＧＴｓ≧Ｈ （ＩＩ）

【0087】

以上の条件を満たすように、注入孔間隔、注入方式（点注入、柱状注入、多ステージ同時注入または選択注入）、単位ステージ長、毎分吐出量を設定する。

【0088】

表２（ａ）に、注入孔間隔と１ステージ長と毎分吐出量ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）と注入時間Ｈの関係を示す。また、図２および表２（ａ）より、本発明において、広い注入孔間隔、低い吐出量、長いゲル化時間で長時間注入して所定領域からの逸脱を低減しつつ土粒子間に注入材を浸透させるためには、β＝Ｈ／ＧＴｓとすると、β＝１０８０〜０．００１の範囲で注入材の配合処方を設定すればよいことが判る。但し、ＧＴ０＝１００００分〜１０分、ＧＴ０≧Ｈ≧ＧＴｓである。

【0089】

以上より、本発明は複雑な土層からなる地盤条件下で地表面や粗い土層に逸脱しにくい地盤改良を可能にするが、さらに注入孔間隔を広くとっても、所定注入領域外に注入材が逸脱することなく所定の注入量に相当する固結体を形成することが可能になる。

【0090】

以下に、具体例を示す。
注入孔間隔：１ｍ〜３ｍ。（表２（ａ））
土中ゲル化時間（ＧＴｓ）：１０〜３０００分。（図４）
注入速度（毎分吐出量）：１〜３０ｌ／ｍｉｎ。（表２（ａ））
但し、注入速度は限界浸透注入速度内とする。（図７）
１ステージあたりの注入量：１３２ｌ〜１０，８００ｌ。（表２（ａ））
１ステージあたりの注入時間（Ｈ）：４．４分〜１０，８００分。（表２（ａ））
β＝Ｈ／ＧＴｓ＝１０８００／１０〜４．４／３０００＝１０８０〜０．００１。

【0091】

また、表２（ａ）より、点注入に限定して毎分吐出速度を１〜２５Ｌ／ｍｉｎとすれば、Ｈ＝５．２８分〜１０，８００分となり、同様に計算できる。

【0092】

なお、注入材を柱状注入方式によって地盤に注入する場合に限定すると、以下のとおりである。
１ステージあたりの注入量：１３２ｌ〜１０，８００ｌ。（表２（ａ））
注入速度：１０ｌ〜３０ｌ／ｍｉｎ。（表２（ａ））
１ステージあたりの注入時間：４．４分〜１０８０分。（表２（ａ））
土中ゲル化時間（ＧＴｓ）：１０〜３０００分。（図４）
β＝Ｈ／ＧＴ０＝１０８０／１０〜４．４／３０００＝１０８〜０．００１。

【0093】

以上の条件を満たす注入材の配合処方と、注入孔間隔、単位ステージ、毎分注入量、１ステージあたりの注入時間Ｈからなる注入設計を行えばよい。また、図５より、一次注入と二次注入を行う複合注入の場合、土中ゲルタイムは通常はほぼ１０分程度になるとみてよい。

【0094】

また、図９−１，９−２に、注入方式と、点注入、柱状注入、同時注入および一次注入の例を示す。本発明において、注入材は、点注入、多点注入、柱状注入、多点同時注入または柱状注入同時注入によって地盤に注入することができる。

【0095】

本発明においては、地盤改良を行う地盤において、以下の（１）〜（８）の手法でシリカグラウトの配合設定を行うこともできる。
（１）シリカグラウトの配合と、気中ｐＨ（ｐＨ０）と、気中ゲル化時間（ＧＴ０）との関係を確認する。
（２）地盤からの採取土とシリカグラウトとを用いて、シリカグラウトの配合と、土中ゲル化時間（ＧＴｓ）と、土中ｐＨ（ｐＨｓ）との関係を確認する。
（３）採取土とシリカグラウトとを用いて、シリカグラウトの配合と固結採取土の強度（ｑｕ）との関係を確認する。
（４）要求される地盤改良強度からシリカグラウトの配合のシリカ濃度を決定する。
（５）注入対象土層における改良土の単位体積あたりの注入量を算出する。
（６）注入孔間隔と注入ステージ量とを決定し、単位ステージあたりの受持土量から１ステージあたりの注入量（Ｑ）を算出する。
（７）毎分吐出量（ｑ）を設定し、１ステージあたりの注入時間（Ｈ）を設定する。但し、毎分吐出量は、限界注入速度範囲内の吐出量をいう。
（８）注入時間（Ｈ）と土中ゲル化時間（ＧＴｓ）との関係から、注入材の反応剤濃度を設定する。但し、注入時間（Ｈ）は、１ステージあたりの注入量を毎分吐出量で割った時間をいう。

【0096】

また、本発明においては、注入材の気中ゲル化時間（ＧＴ０）、注入材と地盤からの採取土とを混合した混合物のゲル化時間である土中ゲル化時間（ＧＴｓ）、および、１ステージあたりの注入時間（Ｈ）の値を以下の範囲で設定して、注入範囲外への注入材の逸脱を低減することができる。
（１）注入速度は限界浸透注入速度内とする（但し、限界浸透注入速度内とは、割裂・浸透注入速度よりも小さい浸透注入速度をいう。）。
（２）注入孔間隔または固結径：１．０〜３．０ｍ。
（３）毎分注入速度ｑ：１ｌ〜３０ｌ／ｍｉｎ（但し、限界浸透注入速度内とする。）。
（４）１ステージ長：０．３３ｍ〜３．０ｍ。
（５）１ステージあたりの注入時間Ｈ：４．４分〜１００００分（但し、注入時間Ｈは現場の作業性や工期の短縮を考慮して短縮することができる。）。
（６）シリカグラウトの気中ゲル化時間ＧＴ０：１０分〜１００００分。
（７）シリカグラウトのｐＨ（ｐＨ０）：１．０〜１０．０。
（８）シリカグラウトのシリカ濃度：０．４％〜５０％（ｗ／ｖ％）。
（９）土中ゲル化時間ＧＴｓ：１０分〜３０００分。

【0097】

本発明においては、シリカグラウトが、シリカ分０．４〜５０．０ｗ／ｖ％、ｐＨ１〜１０であって、シリカ材と、水ガラスと、酸性反応剤として酸または塩のいずれか１種または複数種を有効成分として含み、シリカ材に起因するシリカ量がシリカグラウト中のシリカ量の１０〜５０％であり、注入材のゲル化時間が瞬結〜１００００分となる配合であることが好ましい。

【0098】

本発明は、主に地盤の止水性向上、強度増大、液状化防止に適し、大きな吐出量の注入材を、孔壁周囲の地盤中に、低圧力で、広範囲かつ均一に浸透注入させることができる。本発明は、不均質地盤でも大きな固結径でかつ所定範囲以外への逸脱を低減し、経済的で確実に地盤改良を実施することができる。

【符号の説明】

【0099】

１ 加圧タンク
２ マイクロバブル発生装置（渦流発生装置）
３ 原料液配合ミキサー
４ 送液管
５ 注入液循環ポンプ
６ 送液管
７ エアコンプレッサー
８ 注入ポンプ
９ 注入管
１０ コントローラー
１１ 信号ケーブル
１２ 溶液導入路
１３ 溶液放出路
１４ 溶液導入孔
１５ エア吐出口
１６ エア管
１７ 圧送管

【要約】

【課題】地熱水中のシリカを収集したシリカ材を含むシリカグラウトを用いても、土壌汚染を生ずることがない地盤注入材、地熱水中に含まれるシリカ分の地盤注入材としての適合量を増やして地熱水中のシリカ分を有効に活用する地盤注入材、その製造方法、および、シリカ材の組成にバラつきがあっても多様な地盤に注入して所定の注入効果が得られる地盤注入工法を提供する。
【解決手段】地熱水中のシリカを収集したシリカ材を含むシリカグラウトからなり、シリカ材に含まれる重金属の含有量が一律排水基準値または環境基準値以下である地盤注入材である。また、注入にあたって現場採取土との土中ゲル化時間を求め、強度試験を行い、各注入方式における注入設計と注入時間と要求される注入効果に対応した注入材の配合処方を設定することにより、シリカ材中の組成分のバラつきと多様な地盤との反応のバラつきがあっても所定の注入効果を得られる地盤注入工法である。
【選択図】なし

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9-1】

【図9-2】