JPH08218066A - 地山固結法およびそれに用いる固結用薬液 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】火山灰層，砂層等の地層からなる地山に対して
も亀裂等を生じさせることなく、すみやかに浸透し、強
固な固結を行う地山固結法を提供する。 【構成】下記の（Ａ）成分と（Ｂ）成分を混合して乳化
分散状態にし、これを地山に浸透硬化させて地山を固結
する方法である。 （Ａ）：水性液。 （Ｂ）：乳化分散型ジフェニルメタンジイソシアネー
ト。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軟弱な地山、特に都市
部の地下の砂層，粘土層等の地山を堅固な地盤に改良
し、地下鉄工事等のトンネル掘削の容易化を目的とする
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、山岳トンネル掘削時に、軟弱
な岩盤を堅固な岩盤に改良する目的で、トンネル掘削時
に、掘削すべき周囲の岩盤に対し、アーチ状に複数の孔
を所定間隔で穿設し、この孔内に、ロックボルトを挿入
し、このロックボルトを通してウレタン系の二液硬化型
固結用薬液（Ａ液，Ｂ液）を上記孔内に圧入して岩盤に
浸透硬化させるという方法が開発されている（特願昭６
１−１３０５３１号）。この工法では、ロックボルトか
ら孔内に圧入された薬液は、発泡反応するため、その発
泡反応時の圧力によって、岩盤内の亀裂等を通して岩盤
に浸透する。この場合、上記の浸透とは別に、上記薬液
の浸透時に、上記発泡圧力によって、岩盤に新たな亀裂
が無数に発生し、その亀裂を通じて、薬液の浸透も行わ
れる。このように、従来の工法では、二液硬化型固結用
薬液の発泡圧力によって、岩盤にすでに生じていた亀裂
に薬液を浸透させ、また、岩盤の弱い個所に新たに網目
状に亀裂を発生させ、その亀裂を通じて薬液を浸透させ
ることによって、岩盤固結を行うことがなされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、岩盤に
すでに形成されている亀裂を通じて、また、岩盤の弱い
個所に新たに生じた網目状亀裂を通じて薬液を岩盤内に
浸透させ、岩盤の固結を行う場合には、岩盤のように、
多くの亀裂が生じていたり、亀裂が生じやすいところに
は、応用可能である。ところが、最近では、上記のよう
な山岳トンネルだけでなく、都市部において、地下鉄ト
ンネルの掘削、ないしは、下水用のトンネル等の掘削が
行われるようになっている。この種の地下工事は、最近
では、都市部において、深度地下（６０ｍ程度）を掘削
するようになっている。ところが、都市部の地下を深く
掘削する場合には、その地層は火山灰層（粘土状）また
は、砂層（礫の混ざったもの）等の地層となる。このよ
うな地層に対しては、上記ウレタン系二液硬化型固結用
薬液を浸透させることは困難である。すなわち、上記二
液硬化型固結用薬液は、二液混合後の粘度がかなり高い
ことから、上記のような地層の地山に浸透させることが
できない。上記地層に亀裂を生じさせて浸透させること
も地山の軟弱化を招くことになり、困難である。したが
って、低粘度にすることができる水ガラス（ケイ酸ソー
ダ）を固結用薬液として使用する方法が行われている。
しかし水ガラス系のものは、固結後の強度が低いことか
ら、地山を充分な強度に固結できないという致命的な欠
点がある。なお、水ガラス系薬液において、水ガラスの
濃度を低くし低粘度化することによって、地山に浸透さ
せることが考えられるが、このようにすると、ただでさ
え低い固結強度が、更に低くなることから、実用に供し
えないようになる。

【０００４】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、火山灰層，砂層等の地層からなる地山に対して
も亀裂等を生じさせることなく、すみやかに浸透し、強
固な固結を行う、地山固結法およびそれに用いる固結用
薬液の提供をその目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、下記の（Ａ）成分と（Ｂ）成分を混合し
て乳化分散状態にし、これを地山に浸透硬化させて地山
を固結する地山固結法を第１の要旨とし、 （Ａ）：水性液。 （Ｂ）：乳化分散型ジフェニルメタンジイソシアネー
ト。 上記地山固結法に用いる、上記（Ａ）成分と（Ｂ）成分
とからなる固結用薬液を第２の要旨とする。

【０００６】

【作用】本発明者らは、火山灰層，砂層等の都市部の地
層に対して、強固な固結をなしうる固結法の研究を重ね
る過程で、従来から用いられているウレタン系薬液に高
浸透性を持たせれば、速やかに地層中に浸透するのでは
ないかと着想し、一連の研究を重ねた。その結果、ウレ
タン系薬液に用いられているジフェニルメタンジイソシ
アネートを乳化分散型にし、これを水性液とともに用い
ると、両液を混合した状態では、ジフェニルメタンジイ
ソシアネートが乳化分散状態となり、速やかに地山に浸
透するようになることを見いだし、本発明に到達した。
さらに、上記水性液である（Ａ）液に、分子量２００〜
６００の末端に水酸基を有する水溶性のポリオールを添
加すると、薬液の良好な浸透性とともに得られる硬化体
強度のさらなる向上効果が得られるようになることをも
突き止めた。この浸透の状態は、例えば砂の上に水を滴
下して浸透させる状態に似ている。この場合、上記乳化
分散液は、地層に充分浸透したのち、上記水性液とジフ
ェニルメタンジイソシアネートとが発泡等を伴って硬化
反応をし、地層の固結を行う。この固結の状態は、つぎ
のとおりである。すなわち、従来の二液硬化型ウレタン
系岩盤固結用薬液を用いて岩盤の固結を行うと、岩盤中
に浸透した薬液は、葉が無数に分布した板状になってい
るところが、本願発明では、浸透部を中心に大塊状とな
ることから、火山灰層，砂層等の地層であっても、充分
な強化がなされるようになる。なお、上記のような効果
は、都市部の地層だけでなく、山岳部の岩盤等にも応用
しうるのであり、したがって、本発明における地山と
は、都市部の深度地下、浅度地下だけでなく、山岳部の
岩盤等も含める広い範囲を意味する。

【０００７】つぎに、本発明を詳しく説明する。

【０００８】本発明は、下記の（Ａ）成分と（Ｂ）成分
とを用いて地山を固結する。 （Ａ）：水性液。 （Ｂ）：乳化分散型ジフェニルメタンジイソシアネー
ト。

【０００９】上記（Ａ）液は、水を主成分とするもので
あり、必要に応じて他の薬剤が含有される。ここで主成
分とするとは、水が全体の４０〜１００重量％（以下
「％」と略す）を占めることをいう。上記水性液には、
通常、触媒が配合される。このような触媒としては、エ
チレンジアミン、トリエチレンジアミン、トリエチルア
ミン、エタノールアミン、ジエタノールアミン、ジメチ
ルエタノールアミン等の脂肪アミン族や、２，４，６−
トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール−Ｎ，Ｎ，
Ｎ′，Ｎ′−テトラメチルメタンジアミン、４，４′−
ジアミノジフェニルアミン等の芳香アミン族と、ジブチ
ル錫ジラウレート、オクチル酸錫、塩化第二錫、オクテ
ン酸鉛、ナフテン酸鉛等の有機金属系触媒との併用があ
げられる。なかでも、２，４，６−トリス（ジメチルア
ミノメチル）フェノール−Ｎ，Ｎ，Ｎ′，Ｎ′−テトラ
メチルメタンジアミンが好適である。このような触媒の
使用量としては、（Ａ）液全体の５％以下の範囲内に設
定される。すなわち、この触媒の量の調節により、本発
明の上記固結用薬液が地層に浸透してから、どの位の時
間経過したのち、反応硬化を起こすようにするかの時間
を調節できるようになる。通常、両液混合後、３分〜２
０分程度経過してから、硬化反応（ゲル化反応）が開始
するように設定される。

【００１０】また、上記（Ａ）液は水を主成分とする薬
液であるが、これに末端に水酸基を有する水溶性ポリオ
ールを添加することができる。上記末端に水酸基を有す
る水溶性ポリオールとしては、エチレングリコール、プ
ロピレングリコール、１，３−ブタンジオール、１−４
ブタンジオール等のジオール類、グリセリン、トリメチ
ロールプロパン等の多官能ポリオール類があげられる。
特に、これらジオール類やポリオール類にエチレンオキ
サイドを付加した形の分子構造の形態をとる、分子量が
２００〜６００のＯＨ価１００〜３０００のポリエーテ
ルポリオールが望ましい。このようなポリエーテルポリ
オールとしては、ポリエチレングリコールを例にとる
と、例えば、つぎのようにして製造される。すなわち、
エチレングリコールに水酸化カリウムを約０．８％加
え、減圧下で窒素置換を行い、反応温度１００〜１３０
℃でエチレンオキシドを反応圧力１〜４ｋｇｆ／ｃｍ²
で加え、約４〜５時間反応させる。そして、この反応生
成物に、合成珪酸マグネシウムを３％加え、１１０〜１
２０℃で減圧中和処理を行い、濾過を行うことにより高
純度のポリエチレングリコールを製造することができ
る。なお、このポリエチレングリコールの分子量は、エ
チレングリコールとエチレンオキシドの各仕込みの量の
比で調節することができる。このような末端に水酸基を
有する水溶性ポリオールを添加することにより、浸透性
を損なうことなくさらに強度を上げることができる。そ
して、この末端に水酸基を有する水溶性ポリオールを添
加する場合の添加量としては、（Ａ）液全体の１０〜４
０％の範囲内に設定することが好ましい。

【００１１】上記（Ａ）液と共に用いられる（Ｂ）液
は、乳化分散型ジフェニルメタンジイソシアネートであ
る。このものは、ジフェニルメタンジイソシアネート
と、ポリエチレングリコール等のポリアルキレングリコ
ールを付加反応させて得られる。通常は、ポリエチレン
グリコールが用いられる。ポリエチレングリコールとし
ては、分子量が６００〜１０００のものが好適に使用さ
れる。分子量が６００未満であると、乳化しにくくな
り、逆に分子量が１０００を越えるようになると、やや
油分が浮くようになるからである。上記（Ｂ）液の製造
に使用するジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤ
Ｉ）は、ピュアなものであってもよいし、ポリメリック
なものであってもよい。ポリメリックジフェニルメタン
ジイソシアネートとは、ジフェニルメタンジイソシアネ
ートの多官能混合物のことである。このようなジフェニ
ルメタンジイソシアネートと、ポリエチレングリコール
とを付加反応させることによって、目的とする乳化分散
型ジフェニルメタンジイソシアネートが得られる。この
乳化分散型ジフェニルメタンジイソシアネート中のＮＣ
Ｏ％は下記の式により導出される。

【００１２】

【数１】

【００１３】そして、上記式により導出されるＮＣＯ％
は、２５〜２９％の範囲内になることが好ましい。ＮＣ
Ｏ％が２５％未満になると、二液混合後、硬化反応に到
るまでの時間が短くなりすぎる傾向がみられる。逆に２
９％を越えると、乳化しがたくなる。２５〜２９％の範
囲内であれば、二液混合後、硬化反応に到るまでの時間
が適正になり、地層に充分浸透してから、硬化反応が生
ずるようになるのである。

【００１４】本発明は、上記（Ａ）成分および（Ｂ）成
分を用い、例えばつぎのようにして地山の固結を行う。
すなわち、まず、薬液注入に先立ち、強化する地山の部
分、例えば都市部の地層に対し、削岩機等を用いて孔を
所定間隔で複数個穿設する。そして上記孔内に中空パイ
プ状のロックボルトを挿入固定する。そして、このよう
なロックボルトに対し、接続ユニットを取り付けて、２
本のホースを延ばし、それぞれ（Ａ）成分注入用ホース
と（Ｂ）成分注入用ホースにする。そして、（Ａ）成分
用連結ホースに対し、本発明で用いる固結用薬液の
（Ａ）成分である水性液を圧入すると同時に、（Ｂ）成
分注入用ホースに対して、本発明の薬液の（Ｂ）成分で
ある乳化分散型ジフェニルメタンジイソシアネートを圧
入する。圧入された上記（Ａ），（Ｂ）両成分の液体
は、ロックボルト内のスタティックミキサーによって混
合され、乳化分散状態の乳化分散液となり、ロックボル
ト先端の吐出口から地層内に吐出される。この場合、
（Ａ），（Ｂ）両成分の混合液は、乳化分散状となって
おり、粘度が低い。通常、上記粘度は、１０センチポイ
ズ以下に設定されていることから、地層内に速やかに浸
透する。この浸透に際しては、基本的には、乳化分散液
自体の浸透力によって浸透するものであり、（Ａ），
（Ｂ）両液の反応発泡圧力によって、浸透するものでは
ないことから、地層に亀裂等を生じることなく地層全体
に拡散状態で浸透する。そして、浸透後、通常、３〜２
０分間程度の時間経過後、（Ａ），（Ｂ）両液の硬化反
応が始まる。この場合、通常は、発泡をともなう。この
ように発泡を行っても、発泡圧力はそれほど高くないた
め、発泡圧力によって地層に新たな亀裂を生じさせるこ
とはほとんどない。このようにして、地層の強化が行わ
れたのち、上記ロックボルトを地層内に残したまま、な
いしは引き抜いたのち、トンネル等の掘削工事が行われ
る。この場合、上記各ロックボルトの先端を中心に、乳
化分散液が楕円球状の広がりを見せて地層に拡散してお
り、この拡散層は、複数のロックボルトの吐出口先端に
それぞれ生じていて、相互に連結状態となっているた
め、砂層等の脆弱な地層に対しても強固な補強がなされ
るようになる。

【００１５】また、上記のように、ロックボルトを用い
て地層の補強を行うのではなく、予め上記（Ａ）成分，
（Ｂ）成分の両液を混合し、この混合容器から補強すべ
き地層に対し、上記混合溶液を流下して浸透させること
によって地層の補強を行うようにしてもよい。このよう
にして補強を行う場合には、通常、浸透後の硬化反応が
かなり遅れて生ずるように、上記（Ａ）成分，（Ｂ）成
分の配合等が設定される。

【００１６】また、本発明で用いる固結用薬液は、上記
のように、ジフェニルメタンジイソシアネートにポリエ
チレングリコール等を付加反応させて乳化形にしたもの
を用いるだけではなく、ジフェニルメタンジイソシアネ
ートと界面活性剤等とを組み合わせたものを用いてもよ
い。すなわち、ジフェニルメタンジイソシアネート中
に、ノニルフェノールエチレンオキサイド付加物のよう
な界面活性剤を添加し、ジフェニルメタンジイソシアネ
ートを乳化分散しやすくし、これを（Ｂ）成分として用
いるようにしてもよい。例えば、上記（Ｂ）成分液とし
て、ジフェニルメタンジイソシアネート１００重量部
（以下「部」と略す）に対して、ノニルフェノールエチ
レンオキサイド付加物を１０〜２０部混合したものがあ
げられる。このように、界面活性剤を使用する場合にお
いて、この界面活性剤は、通常、（Ｂ）成分液の使用直
前に混合することが行われる。この界面活性剤が混合さ
れたものは、前記（Ａ）成分液と共に、前記と同様、ロ
ックボルトを用いたり、あるいは混合容器に入れて、両
液を直接混合したのち、地山に対して浸透させ、ついで
硬化させることによって、地山の補強が行われる。この
場合には、使用薬液が（Ａ）成分液が水性液であり、
（Ｂ）成分液がジフェニルメタンジイソシアネート液と
界面活性剤の液体の２種類となり、合計３種類の液体を
用いることになることから、作業が煩雑になるという難
点がある。

【００１７】次に実施例について、比較例と併せて説明
する。

【００１８】まず、下記の表１に示すような組成で４種
類の（Ａ）成分液を作った。

【００１９】

【表１】 ＊１：ダウケミカル社製ダブコ３３ＬＶ

【００２０】さらに、下記の表２に示すような組成でポ
リオールを添加した４種類の（Ａ）成分液を作った。

【００２１】

【表２】 ＊１：ダウケミカル社製ダブコ３３ＬＶ ＊２：分子量６００のポリエチレングリコール

【００２２】さらに、下記の表３に示すような組成で分
子量の異なるポリオールを添加した３種類の（Ａ）成分
液を作った。

【００２３】

【表３】 ＊１：ダウケミカル社製ダブコ３３ＬＶ

【００２４】さらに、下記の表４に示すような組成で上
記以外のポリオールを添加した３種類の（Ａ）成分液を
作った。

【００２５】

【表４】 ＊１：ダウケミカル社製ダブコ３３ＬＶ ＊２：平均分子量４００の、グリセリンのエチレンオキサイド付加物。

【００２６】次に、（Ｂ）成分液を次のようにして調製
した。

【００２７】〔Ｂ−１液の調製〕ポリメリックＭＤＩと
分子量６００のポリエチレングリコールとを従来公知の
方法で付加反応させ、ＮＣＯ％が２７％の乳化分散型ジ
フェニルメタンジイソシアネートを得た。

【００２８】〔Ｂ−２液の調製〕ポリエチレングリコー
ルとして分子量８００のものを用い、ＮＣＯ％を２７％
に設定した。それ以外はＢ−１液と同様にして乳化分散
型ジフェニルメタンジイソシアネートを得た。

【００２９】〔Ｂ−３液の調製〕ポリエチレングリコー
ルとして分子量１０００のものを用い、ＮＣＯ％を２９
％に変えた。それ以外は、Ｂ−１液と同様にして乳化分
散型ジフェニルメタンジイソシアネートを得た。

【００３０】〔Ｂ−４液の調製〕ポリメリックＭＤＩ１
００部に対してノニルフェニルエチレンオキサイド５モ
ル付加物を１０部の割合で用い、使用直前に混合するよ
うにした。

【００３１】

【実施例１〜２０、比較例】そして、上記（Ａ）液と
（Ｂ）液とを１：１の割合（重量比）で下記の表２に示
す組合せで混合し、その浸透性，硬化時間，硬化体の強
度を評価した。なお、比較例として、水ガラスの７０％
液を用いて上記と同様にして評価した。ただし、浸透性
は、下記の簡易試験に従って測定した。これらの結果を
下記の表５〜表１０に示す。

【００３２】〔浸透性の測定〕内径φ４０×２００ｍｍ
の円筒に７号珪砂を２００ｇ充填し、さらに水１０ｇで
充分に湿らせる。つぎに、上部より５０ｇの薬液を流し
込み、底部より１０分以内で流出する材料を○とした。
なかでも、底部より５分以内で流出する材料を◎とし
た。

【００３３】〔硬化時間の測定〕浸透性評価後のサンプ
ルの粘着がなくなる時間の約２倍以上の時間後に強度が
最大となるため、粘着のなくなる時間×２を硬化時間と
した。

【００３４】〔硬化体強度の測定〕浸透性評価で得られ
た砂柱を取り出し、３日放置後、長さを８０ｍｍに調製
し、圧縮速度５ｍｍ／ｍｉｎで圧縮し、破壊強度を測定
した。

【００３５】

【表５】

【００３６】

【表６】

【００３７】

【表７】

【００３８】

【表８】

【００３９】

【表９】

【００４０】

【表１０】

【００４１】上記の結果から実施例品は、浸透性に優れ
るため、地山への浸透が迅速であり、均一に拡散浸透し
て硬化し、硬化体が高強度になることがわかる。特に、
実施例１１〜１７の（Ａ）液にポリオールを添加したも
のについては、浸透性が良好であるとともに、その硬化
体の強度もさらに向上して一層強度的に優れたものが得
られたことがわかる。

【００４２】

【発明の効果】以上のように、本発明の地山固結法は、
固結用薬液として、乳化分散型のジフェニルメタンジイ
ソシアネートを用いているため、これと（Ａ）液である
水性液と混合する際に、両液が乳化分散状態となり、い
わば牛乳の状態に近似した状態となることから、これを
地山に浸透させる際、牛乳が砂質等に良好に浸透するよ
うに良好に浸透し、充分に浸透した後、両液の硬化反応
が行われる。したがって、従来、二液タイプのウレタン
固結用薬液では使用ができなかった都市部の深度地下の
地層に対しても適用できるようになり、深度地下のトン
ネル掘削工事等を安全確実にかつ迅速に行うことを可能
ならしめるようになる。そして、上記（Ａ）液である水
性液に、分子量２００〜６００の末端に水酸基を有する
水溶性のポリオールを添加することにより、薬液の良好
な浸透性を損なうことなく得られる硬化体自身のさらな
る強度の向上が実現する。このように、本発明では、ジ
フェニルメタンジイソシアネートを乳化分散させること
によって、浸透性を向上させ、上記のような硬化を奏さ
せるものであり、これが最大の特徴である。これによっ
て、上記のような都市部の深度地層に適用できるように
なるだけでなく、山岳部の軟弱な岩盤等に対しても適用
できるようになり、掘削工事等の作業効率の大幅な向上
効果をもたらすだけでなく、安全性等の向上効果ももた
らすようになる。

フロントページの続き (72)発明者 夏堀 功 愛知県小牧市大字北外山字哥津3600 東海 ゴム工業株式会社内 (72)発明者 脇坂 治 愛知県小牧市大字北外山字哥津3600 東海 ゴム工業株式会社内 (72)発明者 満留 康幸 愛知県名古屋市西区鳥見町２丁目21番地 シンク化学工業株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の（Ａ）成分と（Ｂ）成分を混合し
   て乳化分散状態にし、これを地山に浸透硬化させて地山
   を固結することを特徴とする地山固結法。 （Ａ）：水性液。 （Ｂ）：乳化分散型ジフェニルメタンジイソシアネー
   ト。
2. 【請求項２】 （Ａ）成分である水性液に、分子量２０
   ０〜６００の末端に水酸基を有する水溶性ポリオールを
   加える請求項１記載の地山固結法。
3. 【請求項３】 上記（Ａ），（Ｂ）両成分の乳化分散液
   の調製直後の粘度が、１０センチポイズ以下である請求
   項１記載の地山固結法。
4. 【請求項４】 乳化分散型ジフェニルメタンジイソシア
   ネートが、ポリメリックジフェニルメタンジイソシアネ
   ートにポリエチレングリコールを反応させたものである
   請求項１記載の地山固結法。
5. 【請求項５】 ポリエチレングリコールが、分子量６０
   ０〜８００のものであり、生成乳化分散型ジフェニルメ
   タンジイソシアネートのＮＣＯ％が、２５〜２９％であ
   る請求項４記載の地山固結法。
6. 【請求項６】 乳化分散型ジフェニルメタンジイソシア
   ネートが、界面活性剤の作用により乳化分散型になって
   いる請求項１記載の地山固結法。
7. 【請求項７】 界面活性剤が、ノニルフェニルエチレン
   オキサイド付加物である請求項６記載の地山固結法。
8. 【請求項８】 下記の（Ａ）成分と（Ｂ）成分とからな
   る固結用薬液。 （Ａ）：水性液。 （Ｂ）：乳化分散型ジフェニルメタンジイソシアネー
   ト。
9. 【請求項９】 （Ａ）成分である水性液に、分子量２０
   ０〜６００の末端に水酸基を有する水溶性ポリオールを
   加える請求項８記載の固結用薬液。
10. 【請求項１０】 上記（Ａ），（Ｂ）両成分の乳化分散
    液の調製直後の粘度が、１０センチポイズ以下である請
    求項８記載の固結用薬液。
11. 【請求項１１】 乳化分散型ジフェニルメタンジイソシ
    アネートが、ポリメリックジフェニルメタンジイソシア
    ネートにポリエチレングリコールを反応させたものであ
    る請求項８記載の固結用薬液。
12. 【請求項１２】 ポリエチレングリコールが、分子量６
    ００〜８００のものであり、生成乳化分散型ジフェニル
    メタンジイソシアネートのＮＣＯ％が、２５〜２９％で
    ある請求項１１記載の固結用薬液。