JP6635603B2

JP6635603B2 - 地下空洞充填工法

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Publication number: JP6635603B2
Application number: JP2017133196A
Authority: JP
Inventors: 幸二郎和田; 乾郎杉浦
Original assignee: Tobishima Corp
Current assignee: Tobishima Corp
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2037-07-07
Also published as: JP2019015098A

Description

本発明は、地下空洞のうち、所定の地域において、そのすべての地下空洞領域ではなく、あらかじめ充填される領域が決められた、いわゆる限定された地下空洞領域を埋戻すための地下空洞充填工法に関するものである。

近年では、空洞充填工事のほとんどの工事が事業範囲の外側空洞には関与しないものとし、前記外側空洞に充填材が流出することを極力防止しなければならないものとされている。そのため、地下空洞内の充填領域と非充填領域とを境界線などによって確実に分け、前記境界線内で充填作業を行わなければならないため、境界線での線引き作業、外側への充填材の漏れ防止など、充填作業の作業コスト増大が懸念されていた。

地中に存する亜炭廃坑、防空壕、採石場、石灰岩やシラスによる自然空洞等、比較的大規模な地下空洞は、しばしば地盤沈下や地盤陥没等の事故を引き起こしている。

そして、その対策としては、前記地下空洞を埋め戻すいわゆる地下空洞充填工法が有効である。

典型的な地下空洞充填工法としては、充填材としてセメントミルク、モルタル、コンクリート等を用いる工法、エアモルタルを用いる工法、土質材料に石灰系あるいはセメント系の固化材及び水を混合した流動性の高いスラリーを用いる工法が一般に知られている。しかしながら、これらによれば、以下の課題が指摘される。

すなわち、充填材としてセメントミルク、モルタル、コンクリート等の固化材を用いる工法の場合、材料コストが高価になり、しかも充填材の発現する強度が周囲の地盤よりも著しく大きいため、オーバースペックとなってしまう。また、充填後の流動性の制御や、限定された領域への充填が困難であり、しかも地下水が充満した空洞への充填では、材料分離による地下水汚染を防止するための増粘剤を配合するといった対策が必要であり、この場合は流動性の低下によって、ポンプによる長距離の圧送が困難になる。

次に、充填材としてエアモルタルを用いる工法の場合、ポンプによる地下空洞への圧送過程や地下水中でエアの損失を起こす可能性がある。しかも地下水中下では、高い水圧が作用することによって、混入されたエアの容積が地上に比較して著しく減少し、所定の充填形状を確保することが困難である。また、流動性の高いスラリーを用いる工法の場合は、地下空洞中の限定された領域に充填する工法としては不向きであり、充填対象外の広い領域まで充填材が流出してしまうといったロスを見込む必要があり、充填材の量が徒らに多くなって、充填に要する時間も長大化する等の課題があった。

これらの課題を解決するため、特開２００２−８１０５４号公報の発明が提案され、いわゆる地下空洞内の任意の領域を地下水の有無に拘らず限定的に空洞の充填を可能とし、低コストで、しかも施工の容易な充填工法が提供されたのである。

空洞充填工法とは、砕石工場や砂利工場で発生した砂キラや粘土キラと呼ばれる土質材料に固化材と水とを練り混ぜて製造した充填材を地上からボーリング孔を通じて空洞内に注入して固化させる充填工法である。

特に、限定充填工法とは、最初に流動性を制御した端部充填材を充填領域の境界線に沿って注入し、この注入した端部充填材で充填対象として限定された空洞の境界線上に空洞天盤に達する隔壁を複数形成し、これにより充填領域を閉鎖し、囲まれた充填領域のみを充填するものとするものである。
すなわち、その後、内側に流動性の高い中詰充填材を注入して完了するという、２ステップでの施工工法なのである。

ここに、端部充填材には上記の充填材に水ガラスを添加したものであり、そのゲル化作用で流動性を制御するものである。これに対し、中詰充填材は端部充填材より少量の水ガラスを添加するかまたは水ガラスを添加しないため端部充填材より安価で、また流動性が高いため隔壁内の空洞を隅々まで均質に充填できる利点がある。

特開２００２−８１０５４号公報

しかしながら、前記端部充填材を用い、充填対象とされる限定された空洞の充填領域と非充填領域との境界線上に空洞天盤に達する隔壁を複数形成し、前記の重点領域を閉鎖するに際しては、例えば道路を跨いで両脇に存する充填領域を充填しなければならないときなど、その充填対象範囲は、道路を挟んで２箇所になってしまい、もって充填領域範囲を囲む境界線の距離が長くなってしまう。

その様な場合、充填領域範囲を囲む箇所に充填される端部充填材の施工量は充填対象範囲を囲む境界線の距離が長い分だけ多くなってしまうのである。
そして、その結果、比較的高価な水ガラスが多く必要になって、工事費が嵩むという課題が生じた。

かくして、本発明は、前記従来の課題に対処すべく創案されたものであって、従来の空洞充填工法と異なる施工ステップを踏むことで、特に水ガラスの使用量を減じ、充填領域が決められ、限定された範囲での充填を低コストで提供できる地下空洞充填工法を提供することを目的とするものである。

地中空洞を、決められた領域内に限定して充填する充填工法であり、充填領域と非充填領域との境界線に沿って複数の注入孔を穿設し、該注入孔から中詰充填材より流動性の低いゲル状の端部充填材を注入して、充填領域を囲む隔壁を形成し、前記隔壁で囲まれた充填領域内に前記端部充填材よりも流動性の高い中詰充填材で充填する地下空洞充填工法であって、
前記端部充填材よりコストが安価で流動性の高いゲル状の第２端部充填材を用意し、前記第２端部充填材を複数の注入孔から充填した後に端部充填材を充填した、
ことを特徴とし、
または、
前記第２端部充填材の充填終了確認は、前記端部充填材のみの充填で前記隔壁形成したときの裾部広がりと略同等の裾部広がりによって確認する、
ことを特徴とし、
または、
地中空洞を、決められた領域内に限定して充填する充填工法であり、充填領域と非充填領域との境界線に沿って複数の注入孔を穿設し、該注入孔から中詰充填材より流動性の低いゲル状の端部充填材を注入して充填領域を囲む隔壁を形成し、前記隔壁で囲まれた充填領域内に前記端部充填材よりも流動性の高い中詰充填材を前記充填領域の略中心位置から充填する地下空洞充填工法であって、
前記中詰充填材を前記充填領域の略中心位置から充填し、該中詰充填材の充填終了を、前記端部充填材の充填で前記隔壁形成したときの裾部広がりと略同等の裾部広がりが確認できたときに行い、
その後、前記複数の注入孔から前記端部充填材を注入して前記決定された充填領域を囲む隔壁を形成し、
次いで、前記中詰充填材を前記充填領域の略中心位置から充填する、
ことを特徴とし、
または、
端部充填材は、水ガラス、セメント系固化材及び土質材料を構成材料とし、水ガラスを含む第一の充填液と、セメント系固化材を含む第二の充填液とを、地下空洞への供給過程で連続的に合流・混合させ、ゲル化させることを特徴とするものである。

本発明によれば、今までの基本的な地下空洞充填工法と異なる施工ステップを踏むことで、特に水ガラスの使用量を減じ、充填領域が決められ、限定された範囲での充填を低コストで提供できる地下空洞充填工法を提供できるとの優れた効果を奏する。

本発明の全体構成を説明する構成説明図である。地下空洞の状態を説明する説明図である。充填するための注入孔を穿設する状態を説明する説明図である。端部充填材を注入した状態を説明する説明図である。中詰充填材を充填した状態を説明する説明図である。本発明による充填工法の構成を説明する説明図（１）である。本発明による充填工法の構成を説明する説明図（２）である。本発明による充填工法の構成を説明する説明図（３）である。本発明による充填工法の構成を説明する説明図（４）である。本発明による充填工法の構成を説明する説明図（５）である。本発明による充填工法の構成を説明する説明図（６）である。本発明による充填工法の構成を説明する説明図（７）である。本発明による充填工法の構成を説明する説明図（８）である。本発明による充填工法の構成を境界線上から破断した断面図で説明する説明図（１）である。本発明による充填工法の構成を境界線上から破断した断面図で説明する説明図（２）である。

図１などに、本発明に係る地下充填工法の実施例を示す。
例えば、充填対象範囲である地下空洞Ｃにおいて、その空洞の高さｈは、例えば１〜３ｍ程度であり、地上までの土被り深さ、すなわち空洞深度ｄは１２０ｍ程度までが想定されている。

また、亜炭廃坑からなる地下空洞Ｃの場合、亜炭の採掘方法によってその地下空洞の形は異なる。図２に示してあるのは、複数の残柱６を有する残柱式の地下空洞Ｃの水平に破断した断面図であり、その内部は、地下水で満たされている場合が多い。

図３に示されるように、地下空洞Ｃの充填領域Ｃａの外周部へ向けて地盤Ｇのボーリングを行う。このボーリングによって形成される注入孔１は、前述したように充填領域と非充填領域の境界線上に複数穿設され、充填領域を囲み、充填領域を閉鎖する充填材の注入孔１として使用される。

図４に示されるように、そのボーリング孔、すなわち注入孔１を介して、前記充填領域Ｃａの外周部へ、流動性が低い端部充填材２を充填する。
端部充填材２は、水ガラス、セメント系固化材、砂キラや粘土キラ等の土質材料及び水を構成材料とし、水ガラスを含む第一の充填液と、セメント系固化材を含む第二の充填液とを、地下空洞Ｃへ送る過程で合流・混合することによってゲル化させたものである。

なお、上述した砂キラは砕石工場の砕石選別時の脱水粘土や石粉または珪砂工場の珪砂選別残渣等の土質材料で、粘土キラは砂利工場の山砂利選別時の脱水粘土よりなる土質材料である。そして、これらのキラ材は有害物質を含まず、他の土質材料に比較して安価に入手でき、ブリーディングが少なく、材料分離抵抗性に優れるため、本発明の工法において使用される充填材として極めて有用である。しかもキラ材の一部は、かつては廃棄物として河川に放流されていたものであり、河川の汚濁防止の観点で放流が禁止されて以来、有効利用が検討されて来たが、本工法は、このようなキラ材の有効利用を促進するものである。

また、第一の充填液に配合される水ガラスは、よく知られているように、二酸化珪素ＳＩＯ₂及び酸化ナトリウムＮａ₂Ｏからなるものであるが、充填領域外への充填材の流出を抑えるために、第二の充填液のセメント系固化材との反応によって瞬時にゲル化を起こし、ゲル化後は、地下空洞Ｃの天端へ密着した状態に充填されるように、適度な塑性流動特性を保持し、主な劣化要因であるＮａ₂Ｏの含有量の少ないものが選択される。

第二の充填液に用いられるセメント系固化材としては、早期に固結強度を発現し、しかも地下水ＧＷへのアルカリ溶出が少ないものが望ましく、このような観点から、水ガラス中のアルカリ成分（Ｎａ₂Ｏ）を消費するスラグ−セメント系固化材が好適に使用される。

例えば、第一の混合プラントからポンプによって供給される第一の充填液と、第二の混合プラントからポンプによって供給される第二の充填液は、いずれも高い流動性を有する。したがって、これら第一及び第二の充填液は、それぞれ配管内を円滑に送られるが、混合器で合流してスタティックミキサで混合されることによって、第一の充填液における水ガラスと第二の充填液におけるセメント系固化材が反応し、地盤に設けた注入孔１から地下空洞Ｃへ送られる過程で短時間（１０秒程度）でゲル化する。

ゲル化した端部充填材２は、自らの重量による広がりが少なく、注入位置の近傍で地下空洞Ｃの天端に達して、この地下空洞Ｃを閉鎖するのに充分な粘度を有するものである。このため、端部充填材２を、充填領域Ｃａの外周に沿って所定間隔で地盤Ｇに設けた注入孔１から継続的に充填して行くことによって、その頂部がやがて地下空洞Ｃの天端に達し、前記充填領域Ｃａの外周を閉鎖した状態で経時的に固結して行く。

次に、端部充填材２の充填完了後は、これによって閉鎖された空間に、端部充填材２よりも流動性の高い中詰充填材３を中詰め充填材用注入孔５から充填する。

中詰充填材３も、前記の端部充填材２と同様に、水ガラス、セメント系固化材、砂キラや粘土キラ等の土質材料及び水を構成材料とし、水ガラスを含む第一の充填液と、セメント系固化材を含む第二の充填液とを、地下空洞Ｃへ送る過程で合流・混合することによってゲル化させたものであるが、水ガラス、セメント系固化材、砂キラや粘土キラ等の土質材料及び水の配合比率によって、ゲル化後の初期粘度が端部充填材２より低く（流動性が高く）調整するか、又は水ガラスを添加せずにセメント系固化剤、砂キラや粘土キラ等の土質材料及び水を構成材料とした流動性の高い１液の充填材である。

このように、中詰充填材３は端部充填材２で閉鎖された空間に充填されるものであるため、必ずしも端部充填材２のようにゲル化させる必要はない。
また、この場合は圧送過程での第一及び第二の充填液の合流・混合といった手法も不要である。

地下空洞Ｃに放出された中詰充填材３は、端部充填材２よりも粘度が低く、高流動性であるが、その広がりは端部充填材２による隔壁で制限されるので、端部充填材２によって閉鎖された空間に、その天端まで確実に充填されていく。したがって、流動性の高い中詰充填材３の地下空洞Ｃでの広がりが端部充填材２によって阻止されるので、材料ロスを生じることなく、限定した領域の充填を確実にかつ短時間で行うことができるのである。

ここで、本発明による地下空洞充填工法について説明する。
本発明では、まず、２層端部限定充填工法が採用される。２層端部限定充填工法とは、端部充填材２より水ガラス添加量の少ない充填材、すなわち第２端部充填材４を使用するものである。図８に示されるように、この第２端部充填材４を注入孔１から最初に注入し、注入された第２端部充填材４の上に水ガラス添加量の多い端部充填材２を注入する充填工法である。

複数の注入孔１から最初に注入する第２端部充填材４は、水ガラス添加量が少ないことから端部充填材より流動性が高く、充填したときに地下空洞Ｃ内に充填されて形成される山状をなす側面の勾配がより緩くなる。そのため、充填された第２端部充填材４における底面側の裾野部分は広くなりやすい。

そこで、注入孔１から端部充填材２を注入し施工した場合の端部充填材２の前記底面側の裾野部分の広がりをあらかじめ確認しておき、この底面側の裾野部分の広がりを越えない範囲で前記第２端部充填材４の注入を止めるのである。

ここで、最初に注入する第２端部充填材４の底面側の裾野広がりについて、端部充填材２を最初から注入したときの端部充填材２の底面側の裾野部分の広がりを越えない範囲内との充填確認方法は、何ら限定されない。例えば、隣の注入孔１に確認棒などを差し込んでの接触確認でも構わないし、さらに超音波検出器などを使用して電気的信号を用いての電気的な確認をすることも出来る。

そして、前記裾野部分の範囲の広がり充填確認が出来たときには、その上に水ガラス添加量が多い、すなわち流動性の低い本来の端部充填材２を注入すればよい。

すると、結果として端部充填材２の一部を水ガラス添加量の少ない第２端部充填材に置き換えた形となり、水ガラスの使用量を減少することができてコストを安価にすることができる（図１０参照）。

次に、本発明の他の実施例につき説明する。
その実施例は、中詰先行限定充填工法と称される。図１１に示されるように、端部充填材２より安価な中詰充填材３を中詰充填材３の注入孔５から先行注入して端部充填材２の量を低減する充填工法である。

本実施例では最初に充填対象範囲の内側、すなわち中詰充填材３の注入孔５から中詰充填材３を注入する。中詰充填材３は流動性が高く、充填されたときにその底面側の裾野部分が広がりやすい。よって、その裾野部分の広がりが境界線を越えないよう確認しておく必要がある。

すなわち、第１実施例と同様に、中詰充填材３を充填したときの底面側の裾野部分の広がりが、端部充填材２を端部充填材用の注入孔１より注入したときの端部充填材２の底面側の裾野部分の広がりを越えない範囲でその注入を止めるのである。

ここで、最初に注入する中詰充填材３の底面側の裾野広がりについて、端部充填材２を最初から注入したときの端部充填材２の底面部分の裾野部分の広がりを越えない充填範囲内であるとの充填確認方法は、第１実施例と同様に何ら限定されない。例えば、隣の注入孔１に確認棒などを差し込んでのいわゆる接触的確認でも構わないし、超音波検出器などを使用して電気的信号を用いて確認することでも構わない。

次に図１２から理解されるように、先行注入した中詰充填材３の上に、端部充填材用注入孔１から端部充填材２を注入すれば、結果として端部充填材２の一部を中詰充填材３で置き換えた形となり、端部充填材２の使用量を減少させることが出来る。そして、それは充填作業における作業コストのコストダウンにも繋がることになる。

なお、図１４は、２層端部限定充填工法で第２端部充填材４を先に充填し、次いで端部充填材２を充填して隔壁を形成し、充填領域を閉鎖した状態を説明した説明図である。

また、図１５は、中詰先行限定充填工法で中詰充填材３を先行注入し、次いで端部充填材２を注入して、隔壁を形成し、充填領域を閉鎖した状態を説明した説明図である。

このように本発明においても、充填領域と非充填領域との境界線上を完全に閉鎖することができ、非充填領域に充填材が漏れ出さず、決められた充填範囲のみの充填が行える。しかも、従来の工法に比較して大幅に作業コストが低廉化できる利点がある。

前述したように、近年では、空洞充填工事のほとんどが事業範囲となる充填領域の外側空洞には、充填材が流出することを極力防止しなければならず、そのことが地下空洞充填作業の前提となっている。しかし、前記したように充填領域と非充填領域を確実に分けて充填作業を行うことは、作業コストの高額化につながる。本発明はその課題を完全に解決することができたものであり、今後、本発明の充填工法は幅広く採用されると予想されるものである。

１注入孔
２端部充填材
３中詰充填材
４第２端部充填材
５中詰め充填材用注入孔
６残柱
Ｃ地下空洞
Ｃａ充填領域
Ｇ地盤
ＧＷ地下水

Claims

地中空洞を、決められた領域内に限定して充填する充填工法であり、充填領域と非充填領域との境界線に沿って複数の注入孔を穿設し、該注入孔から中詰充填材より流動性の低いゲル状の端部充填材を注入して、充填領域を囲む隔壁を形成し、前記隔壁で囲まれた充填領域内に前記端部充填材よりも流動性の高い中詰充填材で充填する地下空洞充填工法であって、
前記端部充填材よりコストが安価で流動性の高いゲル状の第２端部充填材を用意し、前記第２端部充填材を複数の注入孔から充填した後に端部充填材を充填した、
ことを特徴とする地下空洞充填工法。
前記第２端部充填材の充填終了確認は、前記端部充填材のみの充填で前記隔壁形成したときの裾部広がりと略同等の裾部広がりによって確認する、
ことを特徴とする請求項１記載の地下空洞充填工法。
地中空洞を、決められた領域内に限定して充填する充填工法であり、充填領域と非充填領域との境界線に沿って複数の注入孔を穿設し、該注入孔から中詰充填材より流動性の低いゲル状の端部充填材を注入して充填領域を囲む隔壁を形成し、前記隔壁で囲まれた充填領域内に前記端部充填材よりも流動性の高い中詰充填材を前記充填領域の略中心位置から充填する地下空洞充填工法であって、
前記中詰充填材を前記充填領域の略中心位置から充填し、該中詰充填材の充填終了を、前記端部充填材の充填で前記隔壁形成したときの裾部広がりと略同等の裾部広がりが確認できたときに行い、
その後、前記複数の注入孔から前記端部充填材を注入して前記決定された充填領域を囲む隔壁を形成し、
次いで、前記中詰充填材を前記充填領域の略中心位置から充填する、
ことを特徴とする地下空洞充填工法。
端部充填材は、水ガラス、セメント系固化材及び土質材料を構成材料とし、水ガラスを含む第一の充填液と、セメント系固化材を含む第二の充填液とを、地下空洞への供給過程で連続的に合流・混合させ、ゲル化させることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の地下空洞充填工法。