特許 7429912 超音波振動薬液注入システム及び超音波振動薬液注入工法

(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】

(24)【登録日】2024-02-01

(45)【発行日】2024-02-09

(54)【発明の名称】超音波振動薬液注入システム及び超音波振動薬液注入工法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/06 20060101AFI20240202BHJP

   E02D 3/12 20060101ALI20240202BHJP

【ＦＩ】

E21D9/06 301

E02D3/12 102

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023196949

(22)【出願日】2023-11-20

【審査請求日】2023-12-11

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】596119571

【氏名又は名称】サン・シールド株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】514035512

【氏名又は名称】株式会社人材開発支援機構

(73)【特許権者】

【識別番号】516284046

【氏名又は名称】東陽工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】323011981

【氏名又は名称】株式会社ジバング

(74)【代理人】

【識別番号】110003214

【氏名又は名称】弁理士法人服部国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】米森 清祥

(72)【発明者】

【氏名】野口 好夫

(72)【発明者】

【氏名】石田 明人

(72)【発明者】

【氏名】横山 智也

【審査官】高橋 雅明

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－４７８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２０１９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平８－１３４８９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１３８７２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ９／０６

Ｅ０２Ｄ３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シールド工法によるトンネル掘削工事において、到達立坑（９１）への貫通に先立って地下水の噴出を防止する薬液を、超音波振動を利用して貫通予定部（９３）の周囲の地盤に注入する薬液注入システムであって、
立坑壁（９２）に固定される立坑取り付け金具（３０）、及び、前記立坑取り付け金具に先端が連結され、主剤と硬化剤とが混合された薬液を送出可能であり、電気信号により超音波振動を発生させる振動子（４７）が内部に設けられたロッド本体（４０）を有し、前記振動子が発生させた超音波振動を薬液及び地盤に付与しつつ、注入ポイント（ＧＰ）に薬液を注入する薬液注入ロッド（２０）と、
前記薬液注入ロッドに主剤及び硬化剤をそれぞれ供給する薬液供給装置（５０）と、
前記振動子に超音波振動を発生させる電気信号を出力する超音波発振器（６１）と、
超音波振動の発生時に前記振動子を冷却するエアを前記薬液注入ロッドに供給するエア供給装置（６２０）と、を備え、
前記ロッド本体は、
前記薬液供給装置から供給された主剤及び硬化剤が先端側に形成された薬液混合室（４４４）に向かってそれぞれ送られる主剤通路（４４１）及び硬化剤通路（４４２）と、前記エア供給装置から供給されたエアを前記振動子の周囲に導入するエア通路（４６）とが互いに隔離されて形成されている超音波振動薬液注入システム。

【請求項2】

前記ロッド本体は、前記主剤通路、前記硬化剤通路及び前記エア通路が同軸の三重管構造で形成されている請求項１に記載の超音波振動薬液注入システム。

【請求項3】

前記エア供給装置は、
圧縮空気を発生させるエアコンプレッサ（６２）と、
圧縮空気を調圧するレギュレータ（６３）と、
圧縮空気中の水分を除去し、前記ロッド本体に供給するエアドライヤ（６４）と、
を含む請求項１に記載の超音波振動薬液注入システム。

【請求項4】

前記超音波発振器から前記振動子に電気信号を送る電気ケーブル（６６）は、前記ロッド本体のエア送気口（４５１）に接続されるエアチューブ（６５）の内部に挿通されている請求項１に記載の超音波振動薬液注入システム。

【請求項5】

シールド工法によるトンネル掘削工事において、到達立坑（９１）への貫通に先立って地下水の噴出を防止する薬液を、超音波振動を利用して薬液注入ロッド（２０）から貫通予定部（９３）の周囲の地盤に注入する薬液注入工法であって、
前記薬液注入ロッドに主剤及び硬化剤をそれぞれ供給する薬液供給装置（５０）、電気信号を出力する超音波発振器（６１）、及び、前記薬液注入ロッドにエアを供給するエア供給装置（６２０）を設置する設置工程（Ｓ１１）と、
立坑取り付け金具（３０）を立坑壁（９２）に固定する取付工程（Ｓ１２）と、
前記超音波発振器が出力した電気信号により超音波振動を発生させる振動子（４７）が内部に設けられたロッド本体（４０）の先端を前記立坑取り付け金具に連結して前記薬液注入ロッドを構成する連結工程（Ｓ１３）と、
前記薬液注入ロッドにて、前記薬液供給装置から供給された主剤と硬化剤とを混合して送出し、且つ、前記エア供給装置から供給されるエアで前記振動子を冷却しながら前記振動子が発生させた超音波振動を薬液及び地盤に付与しつつ、注入ポイント（ＧＰ）に薬液を注入する注入工程（Ｓ１４）と、
を含む超音波振動薬液注入工法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波振動薬液注入システム及び超音波振動薬液注入工法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１、２に開示された通り、超音波振動を用いて地盤に薬液を注入する薬液注入装置及び工法が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５０１６９４７号公報

【文献】特許第６６０１７３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１，２の従来技術では主に、比較的広い範囲の軟弱地盤への薬液注入を目的として、地上から地中に向かって掘られた既設溝や削孔に注入管を貫入させる工法が想定されている。超音波振動を付与することで、割裂注入の発生が回避され、固化剤の円滑で均質な浸透が実現される。

【0005】

一方、シールド工法によるトンネル掘削工事では、シールドマシンが到達立坑に貫通した瞬間に土中の地下水が立坑内に流れ込むおそれがある。そのため、周囲の地盤に薬液を注入して地盤強化し、地下水の噴出を防止することが安全対策として求められる。

【0006】

従来、トンネル上部の地上からボーリングした削孔に薬液を注入する大掛かりな工法が専門業者によって行われていた。しかし、削孔に貫入した注入管を通して広範囲に薬液を浸透させるため、貫通予定部の周囲の狙いポイントに薬液が浸透せず、地下水の噴出を確実に防止できない懸念があった。また、専門業者の手配や施工準備に時間がかかるため、工事日程が延び、コストが高くなるという問題があった。

【0007】

本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、シールド工法によるトンネル掘削工事の到達立坑で地下水の噴出を防止するための、簡便でピンポイントに薬液注入できる超音波振動薬液注入システム及び超音波振動薬液注入工法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様は、シールド工法によるトンネル掘削工事において、到達立坑（９１）への貫通に先立って地下水の噴出を防止する薬液を、超音波振動を利用して貫通予定部（９２）の周囲の地盤に注入する薬液注入システムである。このシステムは、薬液注入ロッド（２０）と、薬液供給装置（５０）と、超音波発振器（６１）と、エア供給装置（６２０）と、を備える。

【0009】

薬液注入ロッドは、立坑壁（９２）に固定される立坑取り付け金具（３０）、及び、立坑取り付け金具に先端が連結されるロッド本体（４０）を有する。ロッド本体は、主剤と硬化剤とが混合された薬液を送出可能であり、電気信号により超音波振動を発生させる振動子（４７）が内部に設けられている。薬液注入ロッドは、振動子が発生させた超音波振動を薬液及び地盤に付与しつつ、注入ポイント（ＧＰ）に薬液を注入する。

【0010】

薬液供給装置は、薬液注入ロッドに主剤及び硬化剤をそれぞれ供給する。超音波発振器は、振動子に超音波振動を発生させる電気信号を出力する。エア供給装置は、超音波振動の発生時に振動子を冷却するエアを薬液注入ロッドに供給する。

【0011】

ロッド本体は、薬液供給装置から供給された主剤及び硬化剤が先端側に形成された薬液混合室（４４４）に向かってそれぞれ送られる主剤通路（４４１）及び硬化剤通路（４４２）と、エア供給装置から供給されたエアを振動子の周囲に導入するエア通路（４６）とが互いに隔離されて形成されている。

【0012】

好ましくは、ロッド本体は、主剤通路、硬化剤通路及びエア通路が同軸の三重管構造で形成されている。これにより、コンパクトで製造しやすい構造が実現される。

【0013】

また好ましくは、エア供給装置は、圧縮空気を発生させるエアコンプレッサ（６２）と、圧縮空気中の水分を除去するエアドライヤ（６３）と、水分が除去された圧縮空気を調圧し、ロッド本体に供給するレギュレータ（６４）と、を含む。圧縮空気中の水分を除去することで、振動子の接続端子部への水分付着によるショートを防止することができる。また、供給エア圧を調整することで、冷却性能のばらつきを低減することができる。

【0014】

また好ましくは、超音波発振器から振動子に電気信号を送る電気ケーブル（６６）は、ロッド本体のエア送気口（４５１）に接続されるエアチューブ（６５）の内部に挿通されている。これにより、ロッド本体に電気ケーブルの引き込み口を別途設ける必要がなくなり、配線が単純になる。並びに電気ケーブルの被覆損傷等に対する保護にもなる。また、エア配管及び電気信号配線の作業を一度に行うことができる。さらに、エア経路の途中に電気ケーブルを合流させた場合に懸念される合流部分からのエア漏れを防止することができる。

【0015】

本発明の別の態様は、シールド工法によるトンネル掘削工事において、到達立坑（９１）への貫通に先立って地下水の噴出を防止する薬液を、超音波振動を利用して薬液注入ロッド（２０）から貫通予定部（９３）の周囲の地盤に注入する薬液注入工法である。この工法は、設置工程（Ｓ１１）と、取付工程（Ｓ１２）と、連結工程（Ｓ１３）と、注入工程（Ｓ１４）と、を含む。

【0016】

設置工程では、薬液注入ロッドに主剤及び硬化剤をそれぞれ供給する薬液供給装置（５０）、電気信号を出力する超音波発振器（６１）、及び、薬液注入ロッドにエアを供給するエア供給装置（６２０）を設置する。取付工程では、立坑取り付け金具（３０）を立坑壁（９２）に固定する。

【0017】

連結工程では、ロッド本体（４０）の先端を立坑取り付け金具に連結して薬液注入ロッドを構成する。ロッド本体は、超音波発振器が出力した電気信号により超音波振動を発生させる振動子（４７）が内部に設けられている。

【0018】

注入工程では、薬液注入ロッドにて、薬液供給装置から供給された主剤と硬化剤とを混合して送出し、且つ、エア供給装置から供給されるエアで振動子を冷却しながら振動子が発生させた超音波振動を薬液及び地盤に付与しつつ、注入ポイント（ＧＰ）に薬液を注入する。

【0019】

本発明のシステム及び工法では、到達立坑の内側から貫通予定部の周囲の注入ポイントにピンポイントに薬液注入することができる。超音波振動を用いて薬液を効果的に浸透させるため、地下水の噴出がより確実に防止され、安全性が向上する。また、注入ポイントに薬液注入ロッドを取り付けるだけの簡便な工法であり専門業者を手配する必要がないため、施工時間を短縮し、コストを下げることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】一実施形態による超音波振動薬液注入システムの全体構成を示す図。

【図2】薬液注入ロッドの外観図。

【図3】（ａ）薬液注入ロッドの軸方向模式断面図、（ｂ）ＩＩＩｂ－ＩＩＩｂ線径方向模式断面図。

【図4】薬液及びエアの流れを示す薬液注入ロッドの軸方向模式断面図。

【図5】振動子の模式拡大図。

【図6】超音波振動の発生を示す薬液注入ロッドの軸方向模式断面図。

【図7】薬液供給装置の模式構成図。

【図8】超音波発振器ユニットの模式構成図。

【図9】一実施形態による超音波振動薬液注入工法のフローチャート。

【図10】立坑取り付け治具の取付工程を説明する図。

【図11】立坑取り付け治具とロッド本体との連結工程を説明する図。

【図12】比較例の薬液注入工法のフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0021】

＜一実施形態＞
本発明の一実施形態による超音波振動薬液注入システム及び超音波振動薬液注入工法について図面に基づいて説明する。このシステム及び工法は、シールド工法によるトンネル掘削工事において、到達立坑への貫通に先立って地下水の噴出を防止する薬液を、超音波振動を利用して貫通予定部の周囲の地盤に注入するシステム及び工法である。

【0022】

図１～図８を参照し、一実施形態の超音波振動薬液注入システムについて説明する。図１にシステムの全体構成を示す。地中を掘進したシールドマシン８０が到達立坑９１に貫通する直前の位置にある。到達立坑９１の内壁には鋼製筒状の立坑壁９２が埋め込まれている。このままシールドマシン８０が到達立坑９１の貫通予定部９３に貫通すると、貫通した瞬間に土中の地下水が立坑内に流れ込むおそれがある。そのため、周囲の地盤９０に薬液を注入して地盤強化し、地下水の噴出を防止することが安全対策として求められる。

【0023】

図１にはシステム全体の構成要素及び配線配管接続系統を概略的に示す。各構成要素について詳しくは図２～図８を参照して後述する。この超音波振動薬液注入システム１００は、薬液注入ロッド２０、薬液供給装置５０、超音波発振器６１及びエア供給装置６２０を備える。本実施形態では、超音波発振器６１及びエア供給装置６２０は超音波発振器ユニット６０としてユニット化されている。

【0024】

薬液注入ロッド２０は、立坑取り付け金具３０及びロッド本体４０を有し、到達立坑９１内で略水平に保持されている。ロッド本体４０は、主剤と硬化剤とが混合された薬液を送出可能である。また、ロッド本体４０の内部には振動子４７が設けられている。薬液注入ロッド２０は、振動子４７が発生させた超音波振動を薬液及び地盤に付与しつつ、注入ポイントＧＰに薬液を注入する。

【0025】

薬液供給装置５０は、薬液注入ロッド２０に主剤及び硬化剤をそれぞれ供給する。超音波発振器６１は、振動子４７に超音波振動を発生させる電気信号を出力する。エア供給装置６２０は、超音波振動の発生時に振動子４７を冷却するエアを薬液注入ロッド２０に供給する。

【0026】

図２に薬液注入ロッド２０の外観を示す。以下、薬液注入ロッド２０の説明で、立坑取り付け金具３０が連結される側（図の左側）を先端側と称し、先端側と反対の方（図の右方）を後方と称する。薬液注入ロッド２０は、ロッド本体４０の先端に設けられた連結部４２が立坑取り付け金具３０に連結されて構成される。

【0027】

立坑取り付け金具３０は、平鋼３１にソケット３２が溶接されており、ソケット３２にコネクタ３２Ｃがねじ込まれて固定されている。平鋼３１が立坑壁９２に溶接される（図１０参照）ことで立坑取り付け金具３０は立坑壁９２に固定される。平鋼３１の中央部には注入ポイントＧＰを囲むように開口３３が形成されている。

【0028】

例えばコネクタ３２Ｃはカムロックオス、連結部４２はカムロックメスで構成されている。コネクタ３２Ｃが連結部４２に挿入されてカムロックのオスとメスとが嵌合した状態でレバー４２Ｌをロックすることで、立坑取り付け金具３０とロッド本体４０とが連結する（図１１参照）。

【0029】

ロッド本体４０の外観には外筒４１１が現れている。ロッド本体４０の後方には、主剤吸入口４３１及び硬化剤吸入口４３２が設けられている。主剤吸入口４３１及び硬化剤吸入口４３２の更に後方には、エア送気口４５１及びエア排気口４５２が設けられている。ロッド本体４０の中央部には、クレーン作業用のリング付チェーン４９が、重心を挟んで前後対称の２箇所を吊り上げ可能に取り付けられている。リング付チェーン４９を用いて吊り上げながら、ロッド本体４０は略水平の状態で立坑取り付け金具３０に連結される。

【0030】

図３（ａ）、（ｂ）に薬液注入ロッド２０の軸方向及び径方向の断面を模式的に示す。また、薬液注入ロッド２０内の薬液及びエアの流れを図４に示す。ロッド本体４０には、電気信号により超音波振動を発生させる振動子４７が内部に設けられている。振動子４７の先端のホーン４７３は開口３３に臨むように位置している。

【0031】

振動子４７の後方には、薬液供給装置５０から供給された主剤及び硬化剤が先端に向かって送られる薬液通路４４と、エア供給装置６２０から供給されたエアを振動子４７の周囲に導入するエア通路４６とが互いに隔離されて形成されている。薬液通路４４は、主剤通路４４１、硬化剤通路４４２、及び、ロッド本体４０の先端側に形成された薬液混合室４４４からなる。薬液混合室４４４の後方では、主剤通路４４１と硬化剤通路４４２とは互いに隔離されて形成されている。

【0032】

詳しくは、薬液混合室４４４の後方において外筒４１１、中筒４１２及び内筒４１３の三部材が同軸に設けられている。外筒４１１と中筒４１２との間の環状空間が主剤通路４４１をなし、中筒４１２と内筒４１３との間の環状空間が硬化剤通路４４２をなす。内筒４１３の内側の空間がエア通路４６をなす。このように本実施形態のロッド本体４０は、主剤通路４４１、硬化剤通路４４２及びエア通路４６が同軸の三重管構造で形成されている。これにより、コンパクトで製造しやすい構造が実現される。

【0033】

図４に示すように、薬液供給装置５０から供給された主剤は、主剤吸入口４３１から主剤通路４４１を通り、薬液混合室４４４に向かって送られる。薬液供給装置５０から供給された硬化剤は、硬化剤吸入口４３２から硬化剤通路４４２を通り、薬液混合室４４４に向かって送られる。主剤及び硬化剤は薬液混合室４４４で合流し、混合される。混合された薬液（クロスハッチングで図示）は、開口３３から注入ポイントＧＰに注入される。

【0034】

また、エア供給装置６２０から供給されたエアは、エア送気口４５１からエア通路４６を通って振動子４７の周囲に導入され、エア排気口４５２から排出される。エア通路４６内に配設されたエアチューブ４６５を用いてエアを流すことで、振動子４７を冷却することに加え、薬液注入ロッド２０内の錆びによる腐食を防止することができる。なお、図３、図６ではエアチューブ４６５の図示を省略する。

【0035】

図５に振動子４７の拡大図を示す。また、超音波発振器６１から出力される電気信号により振動子４７が超音波振動を発生する様子を図６に示す。振動子４７は略円筒状を呈しており、本体４７１、フランジ部４７２、ホーン４７３等を含む。本体４７１は圧電素子等で構成され、超音波発振器６１から送られた電気信号により振動する。

【0036】

ホーン４７３は、フランジ部４７２を挟んで、本体４７１の先端側に設けられている。図６に示すように、ホーン４７３は、本体４７１の振動を増幅して先端から超音波を放射する。ホーン４７３は、例えばＯＮ３０秒－ＯＦＦ３０秒の周期で、周波数２８ｋＨｚ、出力１０Ｗ～１００Ｗの超音波を薬液及び地盤に向けて放射する。特許文献１、２に記載されているように、薬液に含まれる粒子や媒体、及び、地盤の土粒子、水、空気に超音波振動エネルギーが付与されることで、注入された薬液の浸透拡散効果が向上する。

【0037】

ところで、超音波振動の発生時に振動子４７が発熱するため、性能を維持するには冷却が必要となるが、特許文献１、２には振動子の発熱に対する課題について何ら言及されていない。本実施形態では、超音波振動発生時における振動子４７の発熱を冷却する構成を設けたことが特徴の一つである。

【0038】

超音波振動の発生時、エア供給装置６２０からのエアは、エア通路４６を通って振動子４７に供給される（図４参照）。本体４７１の後部外周にはウレタン樹脂モールドによる絶縁層４７４が形成されている。また、本体４７１の後方で電気ケーブル６６に接続される接続端子４７５は、収縮チューブ４７６で覆われている。絶縁層４７４及び収縮チューブ４７６により、冷却エア中の水分付着によるショートが防止される。さらに収縮チューブ４７６は電気ケーブルの芯線の捩れやキンクを防止する。

【0039】

図７に薬液供給装置５０の構成例を示す。薬液供給装置５０は、主剤ミキサー５１１、硬化剤ミキサー５１２、薬液ポンプ５３等を含む。主剤ミキサー５１１及び硬化剤ミキサー５１２と薬液ポンプ５３とは、それぞれポンプ前ホース５２１、５２２で接続されている。薬液ポンプ５３とロッド本体４０の主剤吸入口４３１及び硬化剤吸入口４３２とは、それぞれポンプ後ホース５４１、５４２で接続されている。

【0040】

主剤ミキサー５１１及び硬化剤ミキサー５１２は、それぞれタンクに貯蔵された主剤及び硬化剤を攪拌する。薬液ポンプ５３は、ミキサー５１１、５１２で攪拌された主剤及び硬化剤を吸入し、ロッド本体４０の主剤吸入口４３１及び硬化剤吸入口４３２にそれぞれ圧送する。

【0041】

図８に超音波発振器ユニット６０の構成例を示す。超音波発振器ユニット６０は、超音波発振器６１とエア供給装置６２０とが共通のプラットフォームにユニット化して設置されている。エア供給装置６２０は、上流から下流の順に、エアコンプレッサ６２、レギュレータ６３及びエアドライヤ６４を含む。超音波発振器６１にはＡＣ２００Ｖ電源が供給され、エアコンプレッサ６２、レギュレータ６３及びエアドライヤ６４にはトランスを介してＡＣ１００Ｖ電源が供給される。

【0042】

超音波発振器６１は、振動子４７に超音波振動を発生させる電気信号を出力する。電気信号は、電気ケーブル６６を経由して振動子４７に送られる。なお、振動子４７には２本の導線が接続される（図５参照）が、図８には簡略化して電気ケーブル６６を１本の線で図示する。振動子４７に発生させる超音波の周波数は例えば２８ｋＨｚ、超音波の出力は例えば１０Ｗ～１００Ｗである。電気信号のＯＮ／ＯＦＦはタイマーにより制御される。また、負荷電流値を計測、記録することで、超音波出力がモニタリングされる。

【0043】

エアコンプレッサ６２は圧縮空気を発生させる。レギュレータ６３は、圧縮空気を調圧（例えば０．２ＭＰａに減圧）する。エアドライヤ６４は、圧縮空気中の水分を除去して乾燥させ、エアチューブ６５を介してロッド本体４０のエア送気口４５１に供給する。振動子４７側での上記の絶縁構造に加えて、エアドライヤ６４により圧縮空気中の水分を除去することで、接続端子４７５への水分付着によるショートをより確実に防止することができる。また、レギュレータ６３により供給エア圧を調整することで、冷却性能のばらつきを低減することができる。なお、他の機器でエアを使用している場合、振動子４７の冷却用エアとして転用も可能である。

【0044】

超音波発振器６１から振動子４７に電気信号を送る電気ケーブル６６は、ロッド本体４０のエア送気口４５１に接続されるエアチューブ６５の内部に挿通されている。これにより、ロッド本体４０に電気ケーブルの引き込み口を別途設ける必要がなくなり、配線が単純になる。並びに電気ケーブルの被覆損傷等に対する保護にもなる。また、エア配管及び電気信号配線の作業を一度に行うことができる。さらに、エア経路の途中に電気ケーブルを合流させた場合に懸念される合流部分からのエア漏れを防止することができる。

【0045】

次に図９のフローチャート及び図１０、図１１を参照し、一実施形態による超音波振動薬液注入工法について説明する。フローチャート中の記号「Ｓ」はステップを意味する。Ｓ１１の設置工程では、超音波振動薬液注入システム１００を構成する装置、機材等が搬入され、到達立坑９１の周囲にプラントが仮設される。システム１００を構成する装置には、薬液供給装置５０、超音波発振器６１及びエア供給装置６２０が含まれる。

【0046】

Ｓ１２に先立ち、貫通予定部９３の周囲に薬液注入ポイントＧＰの位置が決められる。Ｓ１２の取付工程では、立坑壁９２の注入ポイントＧＰに対応する位置に、作業者が立坑取り付け金具３０の平鋼３１を溶接して固定する。図１０に取付工程の具体的な作業例として２つのパターンを示す。初期状態０から完了状態３まで、パターンＡでは０→１Ａ→２Ａ→３の順、パターンＢでは０→１Ｂ→２Ｂ→３の順に作業が実施される。完了状態３では、探り孔９５からの水の流出を防ぐため、探り孔９５に木栓９６が嵌められる。

【0047】

パターンＡでは、作業者は、先に立坑壁９２に探り孔９５を開け（１Ａ）、水の流出程度を確認し、探り孔９５に木栓９６を嵌める（２Ａ）。木栓９６は、探り孔９５の大きさに応じて適宜加工された木材がハンマーで打ち込まれる。その後、作業者は、探り孔９５の周囲の立坑壁９２に立坑取り付け金具３０の平鋼３１を溶接する。

【0048】

パターンＢでは、作業者は、先に立坑壁９２に立坑取り付け金具３０の平鋼３１を溶接する（１Ｂ）。その後、作業者は、立坑取り付け金具３０の開口内側の立坑壁９２に探り孔９５を開け（２Ｂ）、探り孔９５に木栓９６を嵌める。

【0049】

Ｓ１３の前に連結工程の準備として、ロッド本体４０が水平を保ちながら到達立坑９１内にクレーンで吊り下ろされる。ロッド本体４０の先端が立坑取り付け金具３０に臨む位置で保持されると、連結工程の直前に木栓９６が取り外される。Ｓ１３の連結工程では、作業者は、ロッド本体４０の先端を立坑取り付け金具３０に連結する。この連結によって薬液注入ロッド２０が構成される。

【0050】

図１１に、立坑取り付け治具３０とロッド本体４０との連結工程の手順を示す。ロッド本体４０の連結部４２は、カムロックメスのレバー４２Ｌが支点を軸として回転可能である。手順１－２では、レバー４２Ｌをアンロックした状態で、立坑取り付け金具３０のソケット３２に固定されたコネクタ３２Ｃがロッド本体４０の連結部４２に挿入され、カムロックのオスとメスとが嵌り合う。挿入後の手順３－４では、立坑取り付け治具３０とロッド本体４０とが連結した状態でレバー４２Ｌがロックされる。

【0051】

Ｓ１４の注入工程では、薬液注入ロッド２０にて、薬液供給装置５０から供給された主剤と硬化剤とを混合して送出し、且つ、エア供給装置６２０から供給されるエアで振動子４７を冷却しながら振動子４７が発生させた超音波振動を薬液及び地盤に付与しつつ、注入ポイントＧＰに薬液を注入する。注入工程における薬液及びエアの流れ、超音波振動の発生については、図４、図６を参照して上述した通りである。

【0052】

注入ポイントＧＰ一箇所あたりの薬液注入が終わると、薬液供給装置５０からの薬液供給、エア供給装置６２０からのエア供給、及び、超音波発振器６１からの電気信号の出力を停止する。Ｓ１５では、立坑取り付け治具３０とロッド本体４０との連結を解除する。そして、薬液通路４４に残った薬液を除去してロッド本体４０の内部を掃除する。

【0053】

シールド穴径が大きい工事や地下水量が多い軟弱地盤の工事では、貫通予定部９３の周囲の複数箇所に薬液注入する必要がある場合がある。Ｓ１６では、他の箇所にも薬液注入が必要か判断される。この判断については、最初から複数の注入ポイントＧＰを設定するよう計画されてもよいし、注入による地盤状態の変化を確認しながら判断されてもよい。他の箇所にも注入要（Ｓ１６：ＹＥＳ）と判断された場合、Ｓ１２～Ｓ１５が繰り返される。立坑取り付け金具３０は、立坑壁９２から取り外して再利用できない場合を想定し、複数個の予備が用意されている。

【0054】

地盤強化が十分に達成され、他の箇所に注入不要（Ｓ１６：ＮＯ）と判断されると、Ｓ１７でプラントが撤去される。以上で本実施形態の超音波振動薬液注入工法は終了する。

【0055】

本実施形態による超音波振動薬液注入工法の効果について、一般的な薬液注入工法と比較して説明する。図１２に一般的な薬液注入工法のフローチャートを比較例として示す。Ｓ９１の設置工程では、装置、機材等が搬入され、到達立坑９１の周囲にプラントが仮設される。Ｓ９２では、ボーリングマシンが設置される。

【0056】

Ｓ９３の削孔工程では、トンネル上部の地上からボーリングマシンにより削孔を形成する。Ｓ９４の注入工程では、削孔に貫入した注入管を通して薬液を地盤に注入する。削孔一箇所あたりの薬液注入が終わると、Ｓ９５では、注入管の引抜き、削孔の穴埋めが行われる。

【0057】

Ｓ９６では、他の箇所にも薬液注入が必要か判断され、ＹＥＳの場合、Ｓ９３～Ｓ９５が繰り返される。比較例の工法では、特許文献２の段落［００１０］、［００１５］等に記載されているように例えば１ｍピッチに多数の削孔が形成されることが一般的であり、Ｓ９３～Ｓ９５のループは多数回繰り返される。全箇所の削孔について薬液注入が完了すると、Ｓ９７でプラントが撤去される。

【0058】

一般的な薬液注入工法と比較すると、プラントの設置、撤去に関するＳ１１、Ｓ１７についてはＳ９１、Ｓ９７と大差はない。しかし本実施形態では、比較例に特有のボーリングマシンの設置、削孔、注入管の引抜き等の工程Ｓ９２、Ｓ９３、Ｓ９４が不要となる。これらの工程は、専門業者によって施行される大掛かりな工程である。それに対し本実施形態で実施される立坑取り付け金具３０の取付やロッド本体４０の連結、連結解除の工程Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１５は、シールド工事の施行業者が自分で作業可能な簡便な工程である。したがって本実施形態では、比較例に対し大掛かりな工程が不要となり、簡便な工程に置き換わる。

【0059】

シールド工事の施行業者にとって、比較例の工法では、専門業者の手配や施工準備に時間がかかるため、工事日程が延び、コストが高くなるという管理上の問題もあった。本実施形態の工法はシールド工事の施行業者が自分で作業可能な簡便な工法であるため、日程の管理やコスト低減の面からも有利となる。

【0060】

また、比較例の注入工程Ｓ９４では削孔に貫入した注入管を通して広範囲に薬液を浸透させるため、貫通予定部の周囲の狙いポイントに薬液が浸透せず、地下水の噴出を確実に防止できない懸念があった。それに対し本実施形態の注入工程Ｓ１４では、狙いの注入ポイントＧＰを特定してピンポイントに薬液を注入し、且つ、超音波振動を用いて薬液を効果的に浸透させるため、１回の薬液注入による地盤強化の効果が向上する。

【0061】

したがって、シールド穴径や地盤の条件が同じであれば、Ｓ１６で「他の箇所にも注入要」と判断される回数はＳ９６に比べて少なくなる。シールド穴径が比較的小さい工事の場合、本実施形態による超音波振動薬液注入工法では１回の薬液注入で地盤強化が完了する可能性が高い。よって、一般的な薬液注入工法に比べ、トータルでの施行時間を短縮することができる。さらに地下水の噴出がより確実に防止され、安全性が向上する。

【0062】

＜その他の実施形態＞
（１）薬液注入ロッド２０を構成する立坑取り付け金具３０とロッド本体４０との連結構造はカムロックを用いるものに限らず、他の連結手段が用いられてもよい。

【0063】

（２）ロッド本体４０における主剤通路４４１、硬化剤通路４４２及びエア通路４６の配置は図３（ｂ）に示す三重管構造に限らず、互いに隔離されて形成されていればよい。例えば主剤通路４４１と硬化剤通路４４２とが管内の壁を隔てて左右に分かれてもよい。また、主剤と硬化剤との混合位置は混合後の固化時間等の特性によって決まる。固化時間が長い薬剤を使用する場合、ロッド本体４０のより後方で主剤と硬化剤とが混合されてもよい。

【0064】

（３）超音波発振器６１とエア供給装置６２０とはユニット６０を構成せず、分離配置されてもよい。圧縮空気中の水分による影響が問題とならない場合、エア供給装置６２０はエアドライヤ６４を含まなくてもよい。エア供給装置６２０は、システム内部で圧縮空気を生成して供給するものに限らず、システム外部（例えば隣の別の工事設備）から供給されたエアを調圧して再供給してもよい。

【0065】

以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

【符号の説明】

【0066】

１００・・・超音波振動薬液注入システム、
２０ ・・・薬液注入ロッド、
３０ ・・・立坑取り付け金具、
４０ ・・・ロッド本体、
４４１・・・主剤通路、 ４４２・・・硬化剤通路、 ４４４・・・薬液混合室、
４５１・・・エア送気口、 ４６ ・・・エア通路、
４７ ・・・振動子、
５０ ・・・薬液供給装置、
６１ ・・・超音波発振器、
６２０・・・エア供給装置、 ６２ ・・・エアコンプレッサ、
６３ ・・・レギュレータ、 ６４ ・・・エアドライヤ、
６５ ・・・エアチューブ、 ６６ ・・・電気ケーブル、
９１ ・・・到達立坑、 ９２ ・・・立坑壁、 ９３ ・・・貫通予定部、
ＧＰ ・・・注入ポイント。

【要約】

【課題】シールド工法によるトンネル掘削工事の到達立坑で地下水の噴出を防止するための、簡便でピンポイントに薬液注入できる超音波振動薬液注入システムを提供する。
【解決手段】薬液注入ロッド２０は、立坑壁９２に固定される立坑取り付け金具３０、及び、立坑取り付け金具に先端が連結されるロッド本体４０を有する。ロッド本体４０は、主剤と硬化剤とが混合された薬液を送出可能であり、電気信号により超音波振動を発生させる振動子４７が内部に設けられている。薬液注入ロッド２０は、振動子４７が発生させた超音波振動を薬液及び地盤に付与しつつ、注入ポイントＧＰに薬液を注入する。薬液供給装置５０は、薬液注入ロッド２０に主剤及び硬化剤をそれぞれ供給する。超音波発振器６１は、振動子４７に超音波振動を発生させる電気信号を出力する。エア供給装置６２０は、超音波発生時に振動子４７を冷却するエアを薬液注入ロッド２０に供給する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】