JP5718432B1 - 安定液固化工法 - Google Patents

Abstract

【課題】大深度に適用しても安定液と固化材を均等に混合可能な安定液固化工法を提供する。【解決手段】掘削孔１の底面１ｄを平坦に均したうえで、流動化剤７０を排出する排出部５０Ａを備えた流動化剤供給部材５０を用いて、投入された固化材６０により安定液１０中に形成される固化材層Ｌ３よりも下方にある安定液層に、当該安定液層の安定液１０の粘度を低下させるための所定量の流動化剤７０を注入し、エア攪拌により流動化剤７０と安定液１０と固化材６０を攪拌混合する。【選択図】図４

Description

本発明は、掘削孔内の安定液に固化材を投入して混合攪拌し、安定液を固化させて地中連続壁等を構築する安定液固化工法に関するものである。

地中連続壁など構造物の基礎を構築する場合に採用される工法として、安定液固化工法が知られている。これは、掘削機により地盤を掘削する際に掘削孔内に充填される安定液に、固化材を添加して攪拌混合し安定液を固化させるものであり、固化材と安定液を均一に混合することと、固化材の投入により発生する余剰安定液の有効利用が求められる。
かかる課題を解決するため、特許文献１に記載された発明では、安定液の内部に固化材を収容した容器を入れ、容器から固化材を排出して安定液内に固化材を注入して、安定液と固化材とをエア攪拌（圧縮空気を用いた攪拌方法）により混合するようにしている。この工法では、容器の体積に相当する安定液を前もって汲み上げておくので、汚染されていない安定液を回収できるとともに、容器から排出された固化材が安定液中で容器のまわりに分散するので、固化材を速やかに均等に分配できる。

特許第２６６５８２４号公報

上記したような、安定液中に固化材を注入してエア攪拌により攪拌混合する工法は、従来、深度４０ｍ程度の掘削孔に適用されていた。しかし、掘削孔の深度をより大きくする場合には、注入された固化材（セメント）による安定液のゲル化や、掘削孔下層部の上方にある固化材および安定液の重量によって掘削孔下層部の安定液の粘度が増大し、エア攪拌の効率が低下して良好に固化材を混合できない場合が懸念される。ここで、混合攪拌の過程において、安定液に流動化剤（セメント成分による安定液のゲル化を防止する分散剤）を投入し、安定液の流動性を改善させることが考えられるが、安定液に流動化剤を混入させると、安定液の安定性が低下して孔壁の保護が損なわれるおそれがある。
そこで本願発明は、かかる事情に鑑み、大深度に適用しても安定液と固化材とを均等に混合することができる安定液固化工法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、安定液１０が満たされた掘削孔１内の最深部にエア噴射部(エア管３１)を配置し、管状の固化材投入部材(トレミー管６)を用いて、安定液１０の内部に固化材６０を注入し、流動化剤７０を排出する排出部(排出口５０Ａ)を備えた流動化剤供給部材(流動化剤ホース５０)を用いて、投入された固化材６０により安定液１０中に形成される固化材層Ｌ３よりも下方にある安定液層(下部安定液層Ｌ２)に、当該安定液層の安定液１０の粘度を低下させるための所定量の流動化剤７０を注入し、前記エア噴射部からエアを噴射させて流動化剤７０および安定液１０および固化材６０を攪拌混合し、掘削孔１内の安定液１０を固化させることを特徴とする。

本発明によれば、固化材層Ｌ３よりも下方でありエア噴射部よりも上方に流動化剤７０を注入してエア攪拌処理を行うので、掘削孔１の深部にある安定液１０が、沈殿した固化材６０の成分や上方にある固化材６０および安定液１０の圧力により粘度が高くなっても、流動化剤７０により粘度が改善されるため、エア攪拌を効率的に行うことができる。特に、掘削孔１の深度が大きいほど、液圧により掘削孔１の深部にある安定液１０の粘度が高くなるので、掘削孔１の深部に流動化剤７０を注入する意義がある。一方、掘削孔１の上部にある安定液１０の粘度は流動化剤７０の影響を受けにくいので、安定液１０の安定性が損なわれることがない。

また、本発明では、エア噴射部に、掘削孔１内に設置された状態で下方に向かってエアを噴射する複数の噴射口を設け、エア噴射部が掘削孔１の最深部に設置された状態で複数の噴射口が水平に位置するように形成し、掘削機２によって掘削孔１の底面１ｄに形成された凹部に均し材を打設することにより掘削孔１の底面１ｄを平坦にした状態で、エア噴射部による攪拌混合を行うようにすることができる。ここで、掘削孔１を形成するのにバケット式掘削機や水平回転式掘削機を用いた場合には、掘削孔１の底面１ｄが円弧状に抉れたかたちとなるので、これをモルタルやコンクリートなどの均し材１００を打設して平坦化する。このようにすることで、水平に並んでいるエア噴射部の噴射口から噴射されるエアがエア噴射部の下方にある安定液１０に均等に行き渡り、掘削孔１の底部の攪拌不良を防ぐことができる。

あるいは、エア噴射部が掘削孔の最深部に設置された状態で、複数の噴射口が、掘削機によって掘削孔の底面に形成された凹部の形状に添って位置するように、エア噴射部を形成してもよい。このように形成した場合にも、掘削孔１の底面１ｄから噴射口までの距離が同等となるので、噴射口から噴射されるエアがエア噴射部の下方にある安定液１０を均等に攪拌することができる。
なお、流動化剤供給部材は、エア噴射部を掘削孔１内に支持する支持部材（支柱Ｈ）に取り付け、エア噴射部が掘削孔１内の最深部に設置された状態で、流動化剤供給部材の排出部が、安定液１０中に形成される固化材層Ｌ３よりも下方であってエア噴射部よりも上方の位置、好ましくはエア噴射部寄りの位置となるように配置すると、エア噴射部を掘削孔１内にセットするのと同時に、流動化剤供給部材を適位置に配置することができる。

本発明は、以上のように形成されているので、大深度に適用しても安定液と固化材とを均等に混合可能な安定液固化壁工法を提供することができる。

本発明の実施の形態であって、（Ａ）掘削機を用いて地盤を掘削する工程、（Ｂ）エア攪拌治具をセットする工程を示す説明図である。 エア攪拌治具の拡大図である。 本発明の実施の形態であって、（Ｃ）トレミー管をセットする工程、（Ｄ）エア攪拌治具によりセメントペーストの投入前に安定液を攪拌する工程を示す説明図である。 本発明の実施の形態であって、（Ｅ）トレミー管を介して安定液内にセメントペーストを注入する工程、（Ｆ）下方安定液層に流動化剤を注入する工程を示す説明図である。 本発明の実施の形態であって、（Ｇ）トレミー管の引き抜き後、エア攪拌治具により安定液、流動化剤および固化材を攪拌混合する工程、（Ｈ）エア攪拌治具を引き抜いて固化液に芯材を建て込む工程を示す説明図である。 本発明の実施の形態の変形例であって、エア攪拌治具の概略を示す図である。

本実施の形態における安定液固化工法について、図面に基づき説明する。
本実施の形態による安定液固化工法では、掘削機２で地盤Ｇを掘削して掘削孔１を形成し（図１(Ａ)参照）、安定液１０で満たされた掘削孔１の底面１ｄを平坦に均すとともに、掘削孔１内にエア攪拌治具３およびトレミー管６をセットし（図３(Ｃ)参照）、トレミー管６を介して安定液１０内に固化材６０を注入するとともに流動化剤供給装置５によって安定液１０内に流動化剤７０を注入し（図４参照）、その後エア攪拌装置４によってエア攪拌治具３からエアを噴射して掘削孔内の安定液１０、流動化剤７０および固化材６０を攪拌混合し（図５(Ａ)参照）、それらが混合された固化液９０を固化させることにより、安定液固化壁の施工単位であるエレメントを構築する。そして、図示しないが、一定間隔をあけて構築される先行エレメントの間に後行エレメントを構築することにより、安定液固化連続壁を造成するものである。

ここで、本実施の形態では、掘削機２として、バケット２０を備えたバケット式掘削機を用いているが、回転式掘削機やその他の機械を用いてもよい。また、エア攪拌治具３は、Ｈ鋼等より成る支持部材３０に、エア噴出部としてのエア管３１を取り付けたものであり、図１（Ｂ）に示すように、長尺の鋼管またはＨ鋼等より成る支柱Ｈの先端に固定される。また、エア攪拌装置４は、図３（Ｄ）に示すように、圧縮空気を発生させるコンプレッサー４１と、圧縮空気をエア管３１に送るためのエアホース４０とから構成されている。流動化剤供給装置５は、図４（Ｆ）に示すように、流動化剤７０を送り出すポンプ５１と、ポンプ５１に連結された流動化剤供給部材としての流動化剤ホース５０とから構成されている。そして、本実施の形態では、安定液１０としてベントナイト液を用い、固化材６０としてセメントペーストを用いる。また、流動化剤７０としては、ポリカルボン酸ナトリウム塩などの分散剤を用いる。以下、安定液固化壁の１エレメントの構築工程について詳述する。

（掘削）
まず、図１（Ａ）に示すように、掘削機２を用いて、地盤Ｇに掘削孔１を形成する。掘削工程においては、掘削した土砂の代わりに安定液１０を充填して孔壁を保護する。安定液１０を補充しつつ地盤Ｇを掘り進め、所定の深度、たとえば７０ｍまで掘削したら、掘削機２を引き上げる。
（掘削孔底面の平坦化）
ここで、バケット式の掘削機２で掘削した場合、バケット２０の掘削跡により、掘削孔１の底面１ｄには、図１（Ａ）に示すような凹凸が残ってしまう。また、水平回転式の掘削機を用いた場合には、図示しないが、掘削孔１の底面１ｄが半円状に抉れてしまう。そこで、この掘削跡を平坦に均すために、図示しない注入管を用いて、均し材１００（図１(Ｂ)参照）を打設する。均し材１００は、モルタルまたはコンクリートであり、掘削孔１の底面１ｄが平坦になるように注入管から注入される。これは、底面１ｄを平坦にすることにより、一直線状のエア管３１から下方（孔底方向）に向かって噴出されるエアが掘削孔１の底部に均等に行き渡り、底部の安定液１０の攪拌が十分に行われるようにするためである。

（エア攪拌治具３のセット）
均し材１００を注入後、注入管を撤去し、図１（Ｂ）に示すように、支柱ＨをクレーンＣで吊り下げエア攪拌治具３を掘削孔１の最深部に配置する。ここで、エア攪拌治具３のエア管３１には、図２に示すように、エアホース４０を装着するためのエアホース取り付け部３３と、エアを噴射するための複数のエア噴射ノズル３２が形成されている。エア攪拌治具３を掘削孔１内に降下させるときには、エアホース取り付け部３３にエアホース４０を装着し、流動化剤７０を排出する排出部である排出口５０Ａがエア攪拌治具３の近傍に位置するように（図２参照）、流動化剤ホース５０を支柱Ｈに固定する。そして、エアホース４０および流動化剤ホース５０が垂れ下がれないように、支柱Ｈに番線等で固定しながら降下作業を行う。

降下作業は、降下深度を測定しながら行い、所定の深度、たとえば５０ｍ、６０ｍ、７０ｍに達したときに、エア噴射装置４（図３(Ｄ)参照）を作動させて、エア管３１から正常にエアが噴射されるか確認する。具体的には、コンプレッサー４１を作動させてエアホース４０からエア管３１に圧縮空気を送り込み、安定液１０の水面に到達する気泡の状況を確認する。正常にエアが噴射される状態でエア攪拌治具３が掘削孔１の最深部（７０ｍ）に位置するよう支柱Ｈを降下させたら、地面に設置された架台（図示せず）に支柱Ｈの上部を固定して、エア攪拌治具３を掘削孔１の最深部に保持する。エア攪拌治具３がセットされた状態では、図１（Ｂ）に示すように、エア管３１は水平に配置され、エア噴射ノズル３２の先端（エア管３１の噴射口）が水平に並んだ状態になっている。すなわち、複数のエア噴射ノズル３２の先端から、均し材１００によって平坦に均された掘削孔１の底面１ｄまでの距離が、いずれのエア噴射ノズル３２についてもほぼ同等に保たれている。

（トレミー管６のセット）
続いて、図３（Ｃ）に示すように、安定液１０内に固化材６０を注入する固化材投入部材としてのトレミー管６をクレーンＣで建て込む。トレミー管６は、固化材６０の投入量分の安定液１０を回収できるように、全長が所定の長さとなるよう、複数の管を繋ぎ合わせながら掘削孔１内に降下させる。たとえば、掘削孔１の壁厚が１ｍ、延長３．２ｍ、深度７０ｍである場合、直径３０cm長さ３ｍのトレミー管６を７本繋ぎ合わせた全長２１ｍのトレミー管６を２セット用いる。所定の長さに繋ぎ合わせたトレミー管６は、地面に設置された架台（図示せず）に上部を固定して、図３（Ｄ）に示すように、掘削孔１内に吊り下げられた状態とする。その後、エア噴射装置４で掘削孔１内の安定液１０を攪拌することにより、安定液１０の粘度（比重）を均一にする。

（固化材６０の注入）
安定液１０の比重と固化材６０の比重を確認した後、図４（Ｅ）に示すように、トレミー管６の上端部に取り付けたホッパー６Ｂから、所定量の固化材６０を投入する。固化材６０は安定液１０よりも比重が大きいので、トレミー管６の内部を通って出口６Ａから排出され、トレミー管６の下方に沈殿する。そして、固化材１０がトレミー管６の下方に分散して孔内を満たすと、掘削孔１の深部の安定液１０と固化材１０の対流が妨げられる。このように、トレミー管６を介して安定液１０の内部に注入された固化材６０は、掘削孔１の上層部にある上部安定液層Ｌ１と、掘削孔１下層部にある下部安定液層Ｌ２との間に、固化材層Ｌ３を形成する。また、固化材６０に押されて出口６Ａから排出される安定液１０により安定液１０の水位が上昇するので、図示しない汲み出しポンプを用いて上澄みの安定液１０を回収する。回収した安定液１０は再利用することができる。そして、所定量の固化材６０を投入したら、トレミー管６を掘削孔１内から引き抜く。

（流動化剤７０の注入）
固化材６０の投入が完了した状態では、下部安定液層Ｌ２には、固化材６０のセメント成分が分散しているとともに、上方にある固化材６０や安定液１０の加重も加わるので、下部安定液層Ｌ２の安定液１０は上部安定液層Ｌ１の安定液１０に比して、粘度が高い状態となっている。そこで、下部安定液層Ｌ２の安定液１０の粘度を低下させるために、流動化剤供給装置５により、下部安定液層Ｌ２内に流動化材７０を注入する。具体的には、供給ポンプ５１を作動させて流動化材ホース５０の排出口５０Ａから所定量の流動化材７０を排出させる（図４(Ｆ)参照）。ここで、流動化材ホース５０は、排出口５０Ａが、固化材６０が注入された状態で、エア管３１よりも上方であり固化材層Ｌ３よりも下方に位置することとなるように、支柱Ｈに固定されている。このため、流動化材ホース５０から排出された流動化材７０は、下部安定液層Ｌ２中において固化材層Ｌ３とエア管３１との間に、流動化材層Ｌ４を形成する。本実施の形態では、掘削孔１の最深部付近に流動化材層Ｌ４が形成されるようになっている。

（攪拌混合処理）
流動化剤７０を注入後、エア噴射装置４により掘削孔１内の液体を攪拌混合する。エア噴射により、まず下部安定液層Ｌ２の安定液１０と流動化材層Ｌ４の流動化剤７０とが攪拌され、下部安定液層Ｌ２の安定液１０の粘度が改善される。掘削孔１の底面１ｄは平坦に均されているため、エア攪拌治具３のエア噴射ノズル３２から底面１ｄに向かって噴射されるエアは、掘削孔１の底部に均一に行き届き、エア管３１の下方にある安定液１０が、まんべんなく攪拌される。仮に、底面１ｄが図１（Ａ）に示すような円弧状のままだと、凹部の底にエアが到達しにくく、掘削孔１の底部に十分に攪拌されない部分が残ってしまう。そして、気泡が上方に移動することで、下部安定液層Ｌ２の安定液１０と固化材層Ｌ３の固化材６０、固化材６０と上部安定液層Ｌ１の安定液１０とが攪拌され、固化液８０が生成される（図５(Ｅ)参照）。所定時間（たとえば１時間）エア攪拌を行い、所定深度（たとえば５ｍ、３５ｍ、７０ｍ）の固化液８０を採取し、掘削孔１内の固化液８０が均一に攪拌混合されたことを確認したら、掘削孔１からエア攪拌治具３を引き抜く。

（芯材建て込み）
掘削孔１内の固化液８０が完全に固化する前に、Ｈ鋼等の芯材９０を建て込む。すなわち、図示しないクレーンで芯材９０を吊り上げて掘削孔１内の固化液８０内に降下させる。所定数の芯材９０を建て込んだ後、固化液８０が完全に固化するまで養生させる。このようにして、安定液固化壁の１エレメントが構築される。

（まとめ）
以上のように、本実施の形態によれば、トレミー管６を用いて安定液１０の内部に固化材６０を注入しているので、汚染されていない上澄みの安定液１０を回収することができ、リサイクル性に優れている。
また、安定液１０の内部に注入された固化材６０により形成される固化材層Ｌ３の下方であって、エア攪拌治具３のエア管３１よりも上方にある下部安定液層Ｌ２に流動化剤７０を注入して、エア攪拌により安定液１０の攪拌混合を行うようにしているので、下部安定液層Ｌ２にある安定液１０の粘度を改善しつつ固化材６０と攪拌できる。これにより、掘削孔１の深度が大きいために下部安定液層Ｌ２に大きな圧縮力がかかって安定液１０の粘度が大きくなる場合でも、効率よく安定液１０と固化材６０を均等に攪拌混合することができ、短時間で良好な固化液８０を生成することができる。そして、下部安定液層Ｌ２の安定液１０に比して粘度が低い上部安定液層Ｌ１の定液１０については、流動化剤７０の影響をあまり受けずに安定性が保たれるので、孔壁を良好に保護することができる。このようにして、エア攪拌を用いて、大深度の安定液固化壁を造成することが可能となる。

さらに本実施の形態では、掘削孔１の底面１ｄに均し材１００を打設してからエア攪拌処理を行うようにしている。このように、掘削孔１の底面１ｄを平坦にしてエア攪拌を行うことにより、直線状のエア管３１から噴射されるエアが均等に行き届くので、掘削孔１の底部にある安定液１０の攪拌不良を改善することができる。

（変形例）
上記した実施の形態では、流動化材ホース５０の排出口５０Ａがエア管３１の近傍に位置するように、支柱Ｈに流動化ホース５０を取り付けていたが、排出口５０Ａは、固化剤層Ｌ３とエア管３１の間に位置していればよい。また、上記した実施の形態では、流動化材ホース５０を支柱Ｈに固定して、エア攪拌治具３を掘削孔１の最深部に配置することにより自動的に所定の深度に位置するようになっていたが、流動化剤７０を注入するための注入管を、別途掘削孔１内に挿入するようにしてもよい。

また、上記した実施の形態では、下部安定液層Ｌ２に流動化剤７０を注入して流動化剤層Ｌ４を形成した後に攪拌処理を行うようにしていたが、流動化剤７０を注入しつつ攪拌処理を行うようにしてもよい。
また、上記した実施の形態では、エア噴射装置４のみで安定液１０の攪拌混合処理を行っていたが、エア攪拌後、あるいはエア攪拌を行いつつ、エア攪拌治具３を掘削孔１内で上下に移動させて、攪拌混合処理を行うようにしてもよい。

さらに、上記した実施の形態では、掘削孔１の底面１ｄに均し材１００を打設して底面１ｄを平坦にしてからエア攪拌処理を行うようにしていたが、複数のエア噴射ノズル３２の先端（エア管３１の噴射口）から底面１ｄまでの距離がいずれの噴射口についてもほぼ同等になるようにするのは、かかる手法に限られない。すなわち、掘削孔１の底面１ｄはそのままにして、エア攪拌治具３の形状を変えるようにしてもよい。たとえば、図６（Ａ）に示すように、底面１ｄの形状に添うように形成されたエア管３１を備えたエア攪拌治具３を用いることができる。また、図６（Ｂ）に示すように、直線状のエア管３１に底面１ｄの形状に合わせた長さの異なるエア噴射ノズル３２を設けたものを備えたエア攪拌治具３を用いてもよい。いずれの場合も、全ての噴射口と底面１ｄとの距離が同等になるので、底面１ｄの凹部にある安定液１０の攪拌不良を防ぐことが可能となる。
なお、図２および図６（Ａ）に示すエア管３１の噴射口は、エア管３１に直接形成した孔であってもよい。

ちなみに、掘削孔１の底面１ｄを平坦に均し、あるいはエア管３１の噴射口を掘削孔１ｄの底面の形状に添って位置させることにより、エア攪拌治具３を掘削孔１内にセットしたときの掘削孔１の底面１ｄとエア噴射部のエア排出口までの距離が、いずれの噴射口についても同等となるようにする手法は、大深度でない掘削孔に適用した場合であっても、掘削孔底部の安定液１０の攪拌不良を防ぐ点において効果がある。
また、上記した実施の形態では、地中連続壁を造成する場合について説明したが、本発明を、基礎杭の構築に適用してもよい。

Ｇ 地盤 Ｃ クレーン
Ｌ１ 上方安定液層 Ｌ２ 下方安定液層
Ｌ３ 固化材層 Ｌ４ 流動化剤層
Ｈ 支柱
１ 掘削孔 ２ 掘削機
３ エア攪拌治具 ４ エア噴射装置
５ 流動化剤供給装置 ６ トレミー管（固化材投入部材）
６Ａ 出口 ６Ｂ ホッパー
１０ 安定液 ２０ バケット
３０ 支持部材 ３１ エア管（エア噴射部）
３２ エア噴射ノズル ３３ エアホース取り付け部
４０ エアホース ４１ コンプレッサー
５０ 流動化剤ホース（流動化剤供給部材）
５０Ａ 排出口（排出部） ５１ ポンプ
６０ 固化材 ７０ 流動化剤
８０ 固化液 ９０ 芯材
１００ 均し材

Claims (4)

1. 安定液が満たされた掘削孔内の最深部にエア噴射部を配置し、
   管状の固化材投入部材を用いて、安定液の内部に固化材を注入し、
   流動化剤を排出する排出部を備えた流動化剤供給部材を用いて、投入された固化材により安定液中に形成される固化材層よりも下方にある安定液層に、当該安定液層の安定液の粘度を低下させるための所定量の流動化剤を注入し、
   エア噴射部からエアを噴射させて流動化剤および安定液および固化材を攪拌混合し、掘削孔内の安定液を固化させることを特徴とする安定液固化工法。
2. エア噴射部は、掘削孔内に設置された状態で下方に向かってエアを噴射する複数の噴射口を備え、掘削孔の最深部に設置された状態で複数の噴射口が水平に位置するように形成されており、
   掘削機によって掘削孔の底面に形成された凹部に均し材を打設することにより掘削孔の底面を平坦にした状態で、エア噴射部による攪拌混合を行うことを特徴とする請求項１記載の安定液固化工法。
3. エア噴射部は、掘削孔内に設置された状態で下方に向かってエアを噴射する複数の噴射口を備え、掘削孔の最深部に設置された状態で、複数の噴射口が、掘削機によって掘削孔の底面に形成された凹部の形状に添って位置するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の安定液固化工法。
4. 流動化剤供給部材は、エア噴射部を掘削孔内に支持する支持部材に取り付けられ、
   エア噴射部が掘削孔内の最深部に設置された状態で、流動化剤供給部材の排出部が、安定液中に形成される固化材層よりも下方であってエア噴射部よりも上方の位置となるように配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の安定液固化工法。

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