特開 2023-173989 薬液注入の出来形管理方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023173989

(43)【公開日】2023-12-07

(54)【発明の名称】薬液注入の出来形管理方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   E02D 3/12 20060101AFI20231130BHJP

   E02D 1/00 20060101ALI20231130BHJP

【ＦＩ】

E02D3/12 101

E02D1/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022086575

(22)【出願日】2022-05-27

(71)【出願人】

【識別番号】591205536

【氏名又は名称】ＪＦＥシビル株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000166627

【氏名又は名称】五洋建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002963

【氏名又は名称】弁理士法人ＭＴＳ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】榊原 淳一

(72)【発明者】

【氏名】山本 敦

(72)【発明者】

【氏名】堤 彩人

(72)【発明者】

【氏名】山下 航洋

【テーマコード（参考）】

2D040

2D043

【Ｆターム（参考）】

2D040AB01

2D040CA02

2D040CA10

2D043AB06

2D043AB07

2D043BA10

(57)【要約】

【課題】地盤改良における薬液注入に際して、薬液が固結する前の薬液浸透範囲の地盤内の変化を注入直後からリアルタイムで監視できるようにする。
【解決手段】地盤改良における薬液注入に際して、マイクロバブル及びナノバブルを含む薬液を地盤８に注入し、薬液注入直後から、薬液注入部分を含む地盤８中を伝搬する弾性波（例えば音波）の振幅の変化を、例えば地盤８に設けた孔（２０、３０、３１、１６）に挿入した発振器２２と受信器３２を用いる音響トモグラフィの技術を用いて測定して、薬液が固結する前から薬液浸透範囲（改良体Ａ）をリアルタイムで監視する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

地盤改良における薬液注入に際して、
マイクロバブル及びナノバブルを含む薬液を地盤に注入し、
薬液注入直後から、薬液注入部分を含む地盤中を伝搬する弾性波の振幅の変化を測定して、
薬液が固結する前から薬液浸透範囲をリアルタイムで監視することを特徴とする薬液注入の出来形管理方法。

【請求項2】

前記振幅の変化を、地盤に設けた孔に挿入した発振器と受信器を用いる音響トモグラフィの技術を用いて測定することを特徴とする請求項１に記載の薬液注入の出来形管理方法。

【請求項3】

前記発振器又は前記受信器を挿入する孔として、薬液の注入孔を用いることを特徴とする請求項２に記載の薬液注入の出来形管理方法。

【請求項4】

室内試験の結果をキャリブレーションとして用いることで、前記振幅の減衰率の分布から薬液の浸透範囲を把握し、改良率及び地盤強度を推定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の薬液注入の出来形管理方法。

【請求項5】

室内試験の結果から閾値を設け、前記振幅の変化量がこの閾値を超えたことを自動的に検知し、薬液浸透範囲を把握することを特徴とする請求項１に記載の薬液注入の出来形管理方法。

【請求項6】

地盤改良における薬液注入の出来形管理装置であって、
マイクロバブル及びナノバブルを含む薬液を生成する手段と、
該マイクロバブル及びナノバブルを含む薬液を地盤に注入する手段と、
薬液注入直後から、薬液注入部分を含む地盤中を伝搬する弾性波の振幅の変化を測定する手段とを備え、
薬液が固結する前から薬液浸透範囲をリアルタイムで監視することを特徴とする薬液注入の出来形管理装置。

【請求項7】

前記振幅の変化を、地盤に設けた孔に挿入した発振器と受信器を用いる音響トモグラフィの技術を用いて測定することを特徴とする請求項６に記載の薬液注入の出来形管理装置。

【請求項8】

前記発振器又は受信器を挿入する孔として、薬液の注入孔を用いることを特徴とする請求項７に記載の薬液注入の出来形管理装置。

【請求項9】

室内試験の結果をキャリブレーションとして用いることで、前記振幅の減衰率の分布から薬液の浸透範囲を把握し、改良率及び地盤強度を推定することを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の薬液注入の出来形管理装置。

【請求項10】

室内試験の結果から閾値を設け、前記振幅の変化量がこの閾値を超えたことを自動的に検知し、薬液浸透範囲を把握することを特徴とする請求項６に記載の薬液注入の出来形管理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、薬液注入の出来形管理方法及び装置に係り、特に、地盤改良における薬液注入の際に用いるのに好適な、かつ薬液注入直後から薬液が固結する前の薬液浸透範囲の地盤内の変化をリアルタイムで監視することが可能な、薬液注入の出来形管理方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

地盤改良のための薬液注入工事における確認施工は、配合試験の結果と設計時に計画した注入諸元のとおりに薬液が注入できているかどうかを確認するために実施される。確実な施工を行うためには、薬液の浸透速度（圧力）・方向、シルト等の難浸透部の有無の把握が重要であるが、現状の確認ボーリングでは、ボーリング位置の情報しか把握できないため、ボーリングデータの無い地盤における浸透速度や浸透方向などの詳しいことはわからない。

【0003】

薬液の注入範囲を評価する技術として、出願人は、特許文献１で、薬液の注入範囲では弾性波の振幅減衰率が増加することを利用して、注入範囲を評価する手法を提案している。

【0004】

又、特許文献２や特許文献３には、薬液の注入範囲を監視するために、気泡（特許文献２）やマイクロバブル（特許文献３）を混入させた薬液を用いて、縦波速度Ｖｐや横波速度Ｖｓを測定する手法が記載されている。

【0005】

一方、薬液の注入状態を監視する技術ではないが、特許文献４や特許文献５には、液状化防止のために地盤を不飽和化することを目的として、地盤内に微細気泡（マイクロバブル）を混入したシリカ溶液を注入することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１９－１４３４３２号公報

【特許文献2】特許第６７９２１１７号公報（請求項２）

【特許文献3】特許第６９６１２７０号公報（段落０１５５、図１４）

【特許文献4】特許第５１９０６１５号公報

【特許文献5】特許第５０９２１０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、減衰率の増加は薬液がある程度固結（３時間以上）してから発現するため、薬液注入後から固結前までの改良中の状態を監視することはできなかった。

【0008】

又、特許文献２や特許文献３に記載の技術では、マイクロバブルの混入による速度低下はわずかであり、精密な測定が可能な模型土槽などでの検知は可能であるが、測定精度に影響を与えるノイズや地盤の不均一が存在する実際の現場での実施は難しく実用的ではなかった。

【0009】

一方、特許文献４や特許文献５に記載の技術は、地盤改良を目的としており、薬液の注入範囲を監視することは考えられていなかった。

【0010】

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、薬液が固結する前の薬液浸透範囲の地盤内の変化を注入直後からリアルタイムで監視できるようにすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、地盤改良における薬液注入に際して、マイクロバブル及びナノバブルを含む薬液を地盤に注入し、薬液注入直後から、薬液注入部分を含む地盤中を伝搬する弾性波の振幅の変化を測定して、薬液が固結する前から薬液浸透範囲をリアルタイムで監視することにより前記課題を解決するものである。

【0012】

本発明は、又、地盤改良における薬液注入の出来形管理装置であって、マイクロバブル及びナノバブルを含む薬液を生成する手段と、該マイクロバブル及びナノバブルを含む薬液を地盤に注入する手段と、薬液注入直後から、薬液注入部分を含む地盤中を伝搬する弾性波の振幅の変化を測定する手段とを備え、薬液が固結する前から薬液浸透範囲をリアルタイムで監視することを特徴とする薬液注入の出来形管理装置により、同様に前記課題を解決するものである。

【0013】

ここで、前記振幅の変化を、地盤に設けた孔に挿入した発振器と受信器を用いる音響トモグラフィの技術を用いて測定することができる。

【0014】

又、前記発振器又は前記受信器を挿入する孔として、薬液の注入孔を用いることができる。

【0015】

又、室内試験の結果をキャリブレーションとして用いることで、前記振幅の減衰率の分布から薬液の浸透範囲を把握し、改良率及び地盤強度を推定することができる。

【0016】

又、室内試験の結果から閾値を設け、前記振幅の変化量がこの閾値を超えたことを自動的に検知し、薬液浸透範囲を把握することができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、薬液が固結する前の薬液浸透範囲の地盤内の変化を注入直後からリアルタイムで監視することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施形態の全体構成を示す、一部ブロック線図を含む断面図

【図2】本発明の実施形態における注入開始直後の状態の例を示す断面図

【図3】同じく想定改良径２５％の状態の例を示す断面図

【図4】同じく想定改良径５０％の状態の例を示す断面図

【図5】同じく注入完了時点の状態の例を示す断面図

【図6】本発明の実施形態におけるマイクロバブルとナノバブルを含む薬液を注入した場合の（Ａ）初期値からの速度の変化と（Ｂ）初期値からの振幅の変化を比較して示す線図

【図7】同じくマイクロバブルとナノバブルを混入させる効果を示すための振幅の変化を示す線図

【図8】同じく速度の変化を示す線図

【図9】同じく検知範囲を示す線図

【図10】本発明の比較例であるマイクロバブルとナノバブルを含まない薬液を注入した場合の（Ａ）初期値からの速度の変化と（Ｂ）初期値からの振幅の変化を比較して示す線図

【図11】本発明の実施例における地中の注入孔、発振器用計測孔及び受信器用計測孔の配置例を示す斜視図

【図12】同じく平面図

【図13】同じくリアルタイムで可視化処理する方法の例を示す線図

【図14】減衰率と一軸圧縮強度の関係の例を示す線図

【図15】（Ａ）減衰率分布図と（Ｂ）一軸圧縮強度分布図の例を示す線図

【図16】本発明の実施例において（Ａ）浸透速度、（Ｂ）浸透方向、（Ｃ）難浸透層を検出している状態を示す断面図

【図17】本発明を利用した出来形管理の実施手順の例を示す流れ図

【図18】本発明の他の実施例を示す斜視図

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

【0020】

本発明の実施形態は、図１に全体構成を示す如く、地盤改良における薬液注入の出来形管理装置であって、マイクロバブル及びナノバブルを含む薬液を生成する手段である、薬剤供給装置１０、バブル水供給装置１２及びミキサー１４と、前記マイクロバブル及びナノバブルを含む薬液を地盤８に注入する手段である注入孔１６と、薬液注入直後から、薬液注入部分を含む地盤８中を伝搬する弾性波の振幅の変化を音響トモグラフィの技術を用いて測定する手段である発振回路１８、発振器用計測孔（発振孔とも称する）２０に挿入された発振器２２、受信器用計測孔（受信孔とも称する）３０に挿入された受信器３２、受信回路３４及びパソコン４０とを備え、薬液が固結する前から薬液浸透範囲をリアルタイムで監視するようにされている。

【0021】

前記弾性波は、例えば疑似ランダム信号と振幅変調を組み合わせた多重発振の音波とすることができ、前記発振回路１８は例えば発振信号増幅器、前記発振器２２は例えば水中スピーカー、前記受信器３２は例えば水中マイクロフォン、前記受信回路３４は例えば受信信号フィルター、前記パソコン４０は例えばデータロガーとすることができる。

【0022】

また、発振回路１８、パソコン４０、受信回路３４間は、通信装置（図示せず）で有線又は無線で通信可能となっている。

【0023】

薬剤供給装置１０で供給する薬剤は、例えば溶液型・活性シリカのような特殊シリカ系（恒久グラウト）とすることができるが、薬剤の種類はこれに限定されない。

【0024】

前記マイクロバブルのサイズは、例えば直径１μｍ～１００μｍ、前記ナノバブルのサイズは、例えば直径０．０００１μｍ～１μｍとされるが、マイクロバブルやナノバブルのサイズはこれらに限定されない。

【0025】

薬液注入開始直後の状態を図２に、想定改良径２５％の状態を図３に、想定改良径５０％の状態を図４に、注入完了時の状態を図５に示す。図中の細線、太線は音波の波線を示すが、太線は薬液浸透範囲に対応する改良体Ａの影響を受ける波線を示す。改良体Ａが大きくなれば改良体Ａの影響を受ける波線が増えるため、これをモニタリングすれば改良体Ａの大きさを把握することができる。

【0026】

マイクロバブルとナノバブルを含む薬液を地盤８中に注入して（Ａ）初期値からの音波の速度の変化と（Ｂ）初期値からの音波の振幅の変化を、１～１０分間隔で実測した例を図６に示す。注入は６０分かけて行い、計測は注入開始から１４０分経過まで継続した。図６中のＡは注入完了時点での改良体を表している。速度は、図６（Ａ）から明らかなように、改良体Ａを横切る発振１－受信１の波線Ｂ、改良体Ａを横切らない発振２－受信２の波線Ｃのいずれもほとんど変化していない。これに対して、振幅は、図６（Ｂ）から明らかなように、改良体Ａを横切らない発振２－受信２の波線Ｃがほとんど変化しないのに対し、改良体Ａを横切る発振１－受信１の波線Ｂは改良体Ａが大きくなると徐々に小さくなっていくことがわかる。

【0027】

したがって、マイクロバブルとナノバブルを含む薬液を注入した際の振幅の変化を測定することにより、改良体Ａの固結範囲を検出することができる。

【0028】

マイクロバブル、ナノバブルが音の伝播に与える影響を調べるため水道水を満たした水槽に、直径１μｍ～１００μｍの気泡であるマイクロバブルＭＢと直径０．０００１μｍ～１μｍの気泡であるナノバブルＮＢを含む水を注水し、発振器２２と受信器３２を用いて振幅を計測した結果を図７に、同じく速度を計測した結果を図８に示す。

【0029】

図７から明らかなように、振幅はマイクロバブルＭＢ＋ナノバブルＮＢを含む水の注水により大きく減少（最大変化量４０ｄＢ（１００分の１））した後、マイクロバブルＭＢが減少することで回復するが、残るナノバブルＮＢにより約２０ｄＢ（１０分の１）に低下した状態がナノバブルＮＢが減少し、マイクロバブルＭＢとナノバブルＮＢを含まない水道水に置換されるまで続く。これに対して速度は、図８から明らかなように、マイクロバブルＭＢ＋ナノバブルＮＢを含む水の注水により少し低下（最大変化量４％）するが、マイクロバブルＭＢが減少することで元の状態まで回復し、ナノバブルＮＢは速度に大きな影響を与えないことが分かる。

【0030】

薬液にマイクロバブルとナノバブルを混入させる効果を図９に示す。従来は、薬液の注入開始から薬液の注入がほぼ完了した状態になってからしか検知できないが、本発明によれば、注入開始後の早い段階で不具合を検知可能となり、例えば早期に注入のやり直しを行うことも可能になる。

【0031】

一方、参考例として、マイクロバブルとナノバブルを含まない薬液を地盤８中に注入した場合は、図１０に示す如く、（Ａ）初期値からの速度、（Ｂ）初期値からの振幅のいずれもほとんど変化していない。

【0032】

実際の測定時の配置例を図１１に示す。注入孔１６を囲むように、発振器２２が装入される発振孔２０、及び、受信器３２が挿入される受信孔３０が配置される。

【0033】

発振孔２０及び受信孔３０の平面配置の例を図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す。

【0034】

図１２（Ａ）では、注入孔１６の一方側（図では上側）の発振孔２０内に挿入した発振器２２から発生した波線を、注入孔１６の反対側（図では下側）に配置した３つの受信孔３０内に配置した受信器３２で検出している。

【0035】

図１２（Ｂ）では、図中上側の３つの発振孔２０内に挿入した発振器２２から発生した波線を、図中下側に配置した３つの受信孔３０内に配置した受信器３２で検出している。

【0036】

図１２（Ｃ）では、図１２（Ａ）に加えて、注入孔１６と並べて一方側（図中左側）に配置した発振孔２０内の発振器２２から発生した波線を、同じく注入孔１６と並べて反対側（図中右側）に配置した受信孔３０内の受信器３２で検出している。

【0037】

なお、図１２は例示であって、例えば発振孔２０と受信孔３０を入れ替えた配置や他の配置も可能である。

【0038】

更に、薬液注入用に地盤８に例えば２ｍ程度の間隔で多数設けられる注入孔１６を利用し、その中に発振器２２や受信器３２を配置して、音響トモグラフィを行うことも可能である。この場合は発振孔２０や受信孔３０を別途設ける必要がなく、測定を容易に行うことができる。

【0039】

振幅の変化に基づいてリアルタイム可視化処理を行う方法の例を図１３に示す。

【0040】

ステップ１００で発振孔内の発振器２２―１～２２－Ｎを順次発振させて、例えば２本の受信孔１内の受信器３２－１～３２－Ｎと受信孔２内の受信器３３－１～３３－Ｎで各波線経路における振幅を順次読み込み、０分経過時の初期値とする。

【0041】

同様に、ステップ１１０で、現時点であるＴ分経過後の各波線経路における振幅を順次読み込む。

【0042】

そして、ステップ１２０で、ノイズの影響を排除するため初期値との差分を計算し変化量として取得する。

【0043】

次いでステップ１３０に進み、断面をセルに区切り、振幅の変化量が閾値を超えた波線が所定数を超えたセルを薬液が浸透していると判断して着色すれば、Ｔ分経過時の薬液浸透範囲に対応する改良体Ａをリアルタイムで表示して可視化することができる。更に、ｔ１、ｔ２、・・・、ｔ５分後の着色セルを異なる色又は濃度で表示すれば、着色セルの変化状況から改良体Ａの形成推移をリアルタイムで表示して可視化することができる。

【0044】

更にステップ１４０に進み、トモグラフィ解析を行って振幅減衰率の分布図を作成することで強度分布を計算することができる。

【0045】

又、図１４に示すような振幅減衰率と一軸圧縮強度の関係を示す式ｑ_uのパラメータａ、ｂ（条件により変化）を実験で求めておき、図１５（Ａ）に例示する減衰率分布図を、図１５（Ｂ）に示す一軸圧縮強度分布図に変換することによって圧縮強度の分布を知ることができる。

【0046】

このようにして、振幅減衰率の変化から薬液の浸透範囲を把握し、確認施工や室内試験の結果等を基に改良率や地盤強度を推定することができる。

【0047】

図１６に測定例のイメージを示す。図１６（Ａ）に示すように、薬液浸透範囲に対応する改良体Ａの形状の変化から浸透速度を把握できる。又、図１６（Ｂ）に示すように、改良体Ａの形状の変化から浸透方向を把握できる。更に、図１６（Ｃ）に示すように、改良体Ａの形状の変化から難浸透層を把握できる。

【0048】

本発明を利用した出来形管理の実施手順を図１７に示す。

【0049】

ステップ２００でボーリング調査を行った後、ステップ２１０で地盤改良範囲を設計し、ステップ２２０で注入孔１６を掘削する。

【0050】

次いで、ステップ２３０で本発明によるマイクロバブルとナノバブルを含む薬液を注入孔１６から地盤８に注入しながら、ステップ２４０で振幅減衰トモグラフィの物理探査等により改良体Ａの形状を調査して、薬液注入対象地盤の性状に基づく注入及び固化状況を正確に把握する。

【0051】

次いで、ステップ２５０で前記状況を勘案して薬液注入条件を見直して、確実な改良を行う。なお、特に薬液注入条件の見直しが不要であれば、ステップ２６０に進む。例えば、改良体が不均質に広がる場合は注入圧により地盤が割裂していることが想定されるので注入速度を下げる。薬液が垂れながら広がる場合は事前の想定より地盤内の透水性が高いことが考えられるのでゲルタイムを短くする。地下水流の影響で薬液が拡散している場合は地下水流の上流側を先行注入して壁を作るといった内容が考えられる。

【0052】

次いで、ステップ２６０で本発明によるマイクロバブルとナノバブルを含む薬液を注入孔１６から地盤８に注入しながら、ステップ２７０で例えば薬液注入量とボーリング調査、振幅減衰トモグラフィの物理探査等により改良体Ａの形状を把握して正確な出来形を把握し、施工後の安心と安全を確保する。

【0053】

本実施形態においては、地盤８中を伝搬させる弾性波として疑似ランダム信号と振幅変調を組み合わせた多重発振の音波を用いているので、雑音の影響を受けにくい正確な測定が可能である。なお、弾性波の種類はこれに限定されず、例えば振幅変調を省略することもできる。

【0054】

又、前記実施形態においては、薬剤供給装置１０から供給される薬剤とバブル水供給装置１２から供給されるバブル水をミキサー１４で混合してマイクロバブルとナノバブルを含む薬液としていたが、マイクロバブルとナノバブルを含む薬液を生成する方法はこれに限定されず、例えば薬剤供給装置１０の出側に微細孔が形成されたノズルを配置してマイクロバブルとナノバブルを含む薬液が直接生成されるようにしてもよい。

【0055】

又、前記実施形態においては、発振孔２０内の発振器２２を順次発振させていたが、図１８に示す他の実施例のように、複数（図では１０個）の発振器２２－１～２２－１０から同時に発振させ、複数の受信孔３０、３１（３本以上でもよい）に設けた複数（図では１０個）の受信器３２－１～３２－１０、３３－１～３３－１０で同時に受信することで迅速な測定を行うことも可能である。

【0056】

弾性波の振幅減衰を検出する際に用いる技術も音響トモグラフィに限定されない。測定も連続的でなく断続的であってもよい。

【符号の説明】

【0057】

８…地盤
１０…薬剤供給装置
１２…バブル水供給装置
１４…ミキサー
１６…注入孔
１８…発振回路
２０…発振器用計測孔（発振孔）
２２、２２－１～２２－１０…発振器
３０、３１…受信器用計測孔（受信孔）
３２、３２－１～３２－１０、３３－１～３３－１０…受信器
３４…受信回路
４０…パソコン
Ａ…改良体（薬液浸透範囲）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】