JP6474180B1 - 硬化グラウトの地下水下地盤注入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地下水下の地盤に充填されて希釈されてもグラウトがゲル化タイムの遅延が少なく、且つ、早期強度の発現が充分である硬化グラウトの地下水下地盤注入方法を提供する。【解決手段】硬化グラウトを、１ｍ3あたりセメント５００〜１，２００ｋｇを含んだセメントミルクのＡ液に、モル比２．５〜４．０のＳｉＯ2の容量で２０〜３５％の濃度の水ガラスのＢ液を、Ａ液１ｍ3に対して１３０〜５００Ｌの比率で混合したものであり、前記硬化グラウトが地下水で３倍以内の所定の希釈倍率に希釈されることを想定して、希釈前の基本配合のゲルタイムと比べて想定した前記所定の希釈倍率に水で希釈されたゲルタイムの遅延が１５秒以内で、且つ、前記所定の希釈倍率に水で希釈された３時間後の一軸圧縮強度が０．１５Ｎ／ｍｍ2以上となるように配合した前記硬化グラウトを地下水下地盤に注入する。【選択図】なし

Description

本発明は、止水と地盤強化のために硬化グラウトを地下水下の地盤に注入する硬化グラウトの地下水下地盤注入方法に関するものである。詳しくは、本発明は、セメントミルクのＡ液に少量の高濃度水ガラス液のＢ液を比例注入したグラウトが地下水に希釈されてもゲル化時間の遅延が少なく、且つ、早期強度の発現を発揮することができる硬化グラウトの地下水下地盤注入方法に関するものである。

従来、地下水下の地盤の止水や地盤強化を図る方法として、地盤注入薬液（以下、グラウトという）が用いられている。しかし、このうち山岳等の破砕帯やクラック等の流動高被圧水や砂礫層中の伏流水等の止水、山岳トンネルの破砕帯や透水地盤の掘削時に発生する湧水の防止（水止め）は、非常に困難であった。そのため、有効な止水グラウトが切望されていた。

また、地震、台風、豪雨当の自然災害等で地下水下の地盤が崩壊したり、土砂流出等で水洞（水で充填された空洞）が発生したりした場合、速やかに補強、補修のための手段としてグラウトを注入充填する必要がある。

特に、併用中（使用中）の道路、鉄道等の地下水下の地盤に発生した土砂流出や水洞は、至急（通常３時間が目標とされている）現状復帰することが求められる。

また、注入工法のうち、ロット注入工法は、地盤の削孔やロットの脱着時に多量の水を使うため、地下水下でなくともグラウトは希釈される。

以上のように、地下水下の地盤の水やロット注入工法に起因する止水、湧水防止や水洞に充填するグラウトには、水に希釈されても、ゲル化時間の遅延が少なく、且つ、早期に強度発現するグラウトが求められている。

従来、このような地下水下の地盤へ注入する止水・地盤強化のためのグラウトとしては、溶液型グラウトが知られている（非特許文献１の３８頁、図２，２８等参照）。この溶液型グラウトは、高濃度の水ガラスとアルミン酸ソーダとからなり、水に希釈されるとかえってゲル化時間が短く、且つ、ホモゲル強度が約０．８Ｎ／ｍｍ²である特異な性質をもったグラウトとして知られており、地下水下の地盤においても止水効果を発揮していた。

しかし、この種の溶液型グラウトに含まれるアルミン酸ソーダによる人体への健康障害が知られようになり、１９７４年に暫定指針が制定され、アルミン酸ソーダが劇物に指定されているためグラウトとしては使用禁止されるに至った（非特許文献１の２２５頁〜２３５頁参照）。

その後、地下水に希釈されてもゲル化時間が遅延され難たく、且つ、地下水圧に耐え得る早期強度が発現するグラウトは、現在に至っても出現していないのが現状である。

地下水下の地盤にグラウトを注入すると、グラウトは必ず水に希釈される。しかし、従来では、多量の水に希釈されるグラウトであっても、設計時に考慮されることなく、目的とする用途の応じたゲル化時間や強度（２８日）は、配合時の値を基準にして設定されている。

通常、一定以上の強度が必要とされる場合、セメント−水ガラス系グラウトが用いられ、本発明もこれに属する。セメント−水ガラス系グラウトでは、通常、グラウト強度を２〜５Ｎ／ｍｍ²に設定した場合、セメント量は、グラウト１ｍ³あたり２００〜４００ｋｇ程度とするのが一般的である。

［地盤注入］
先ず、本発明に関する地盤注入のセメントと水ガラスを組み合わせたグラウトの先行技術について述べる。特許文献１には、水ガラスと水ガラス原液の０．０１〜０．４程度のセメントを含んだグラウトを別個にポンプで送り、注入管のなるべく先端付近で合流させて直ちに固結させることを特徴とする水ガラスとセメントを用いた注入工法が開示されている（特許文献１の特許請求の範囲等参照）。

特許文献１記載の注入工法は、水ガラスに少量のセメント（１ｍ³あたり６０〜７０ｋｇ）を添加するもので、ゲル化時間（以下、ゲルタイムという）１０〜２０分であり、主に土粒子間隙に浸透させることを目的とするものであった。しかし、実施に実用化されることはなかった。

実用化されたものとしては、例えば、非特許文献２に、Ａ液として、３号水ガラス２００〜２５０Ｌに水を加えた計５００Ｌに、Ｂ液として、セメント２００〜２５０ｋｇに水を加えた計５００Ｌを、混合させた水ガラス系懸濁グラウトが開示されている（非特許文献１の１３、２６、４０頁等参照）。

非特許文献２に記載の水ガラス系懸濁グラウトは、一般的にＬＷと称するゲルタイムが約１分前後、ホモゲル強度が３Ｎ／ｍｍ²（材齢２８日）程度のグラウトであり、主に、砂礫層などの大間隙の浸透や粘性土層への割裂（脈状）注入として、止水や地盤強化を目的として使用されるものであった。

また、砂質土にグラウトを注入する場合、シルト、粘土分が１０％以上含まれると溶液型グラウトであっても、土粒子間に浸透できず割裂状に注入すること（地盤の地層を割裂させながら注入すること）になる。

この水ガラス系懸濁グラウトは、地盤注入工法として用いられ、水ガラスをＡ液とし、セメントは水ガラスをゲル化させるための硬化剤（Ｂ液）としており、要は水ガラスが主剤であるという特許文献１と同様の技術思想から実用化されたグラウトである。

しかし、ＬＷは、Ａ液とＢ液を等量に注入することを原則としており、ゲルタイムを短く瞬結性にすることができず、さらに、ゲル後の立ち上がり強度（早期強度の発現）が非常に弱いという難点があった。このため、ゲル化後の立ち上がり強度が非常に弱く、ゲル化後においても注入ポンプ（注入圧に関係なく一定量吐出）で遠方まで圧入されて、限定範囲にとどめるがことができなかった。

その後、瞬結工法が開発され、ＬＷに石灰等のゲル化促進剤を加えた瞬結性グラウトができたがゲル化後の立ち上がり強度はあまり向上されずＬＷと大差がなかった。その理由は、ゲル化直後の立ち上がり強度は、全て水ガラスのゲル化強度に支配され、セメントが硬化開始するには、長時間（約５〜８時間程度）を要するからである（非特許文献１のＰ１７９〜１８１）。

なお、瞬結性グラウトは、二重管ロットによる瞬結工法として開発されたもので、流動被圧水の止水や地下水下の透水地盤からの湧水防止（水止め）での止水グラウトとして使用することはできなかった。

以上のように、従来技術では、ゲル化後の立ち上がり強度を高めることができなかったため、限定範囲に注入することができないという大きな難点があった。このため、現状では、ＬＷは、殆ど使用されていない。

［空洞充填注入］
次に、本発明に関する空洞充填注入の先行技術について述べる。昭和５４年に出願された特許文献２には、空洞充填（裏込め）注入工法として全く新しい発想による揺変性（チキソトロピー）ゲルを用いた可塑状グラウトが開示されている（特許文献２の特許請求の範囲等参照）。なお、ここでいう可塑状グラウトとは、静止状態では自立する程の強度を有しているが、加圧すれば（注入圧力を加えれば）容易に流動化する程度の固結強さ（マヨネーズ状）であるグラウトを指している。

特許文献２に記載の可塑状グラウトは、前述のＬＷと異なり、セメントを主剤（Ａ液）として、多量のセメントをゲル化させる硬化剤として水ガラス（Ｂ液）を高濃度で少量加える、いわゆる比例注入方法で行うことを原則としている。

また、特許文献３には、セメント懸濁液であるＡ液と水ガラス水溶液であるＢ液とからなり、Ｂ液１Ｌ中の水ガラス濃度がＳｉＯ₂基準で２０重量％以上であること、Ｂ液中のＳｉＯ₂の量が、Ａ、Ｂ混合液の容積の１００ｃｃに対して約３．５〜９ｇとなるような割合ＡＢ両液を混合してなることを特徴とするグラウト材が開示されている（特許文献３の特許請求の範囲の請求項１等参照）。この特許文献３に記載のグラウト材は、Ａ液に対して高濃度のＢ液を少量加えることにより、ゲルタイムの短縮を図ったものである。

そして、特許文献４には、セメント懸濁液であるＡ液と水ガラス水溶液であるＢ液とからなり、Ｂ液１Ｌ中の水ガラス濃度がＳｉＯ₂の量で約１６０〜３２０ｇの範囲であること、Ｂ液の容積とＡ液中の水の容積の１００ｃｃに対して、Ｂ液から由来するＳｉＯ₂の量が約０．６〜３．５ｇとなるような割合ＡＢ両液を混合してなるグラウト材を注入することを特徴とするグラウト注入工法が開示されている（特許文献４の特許請求の範囲等参照）。この特許文献４に記載のグラウト注入工法は、早期強度の発現が得られるというメリットがあり、前述のＡ液とＢ液を等量ずつ混合して注入するＬＷよりも優れた性質を備えている。

さらに、特許文献５には、実施例としてグラウト１ｍ³あたりセメントが２００〜４００ｋｇ含有し、Ｓ／Ｗ×１００÷√Ｃが０．１９〜０．４６であるグラウト材が開示されている。ここで、Ｓは、水ガラス中のＳｉＯ₂の重量、Ｗは、水ガラス中のＳｉＯ₂とＮａ₂Ｏを除く残容量、Ｃは、セメントの重量（特許文献５の特許請求の範囲の請求項１、表４等参照）。特許文献５に記載のグラウト材は、特許文献４のグラウト注入工法に使用するグラウト材よりもさらに早期強度の発現が得られるものである。

しかし、特許文献５に記載の発明の目的とするところは、早期強度の発現がグラウト１ｍ³あたりセメント２００〜４００ｋｇの範囲でＡ液のセメント対するＢ液の水ガラス（３号水ガラスを半割したものでＳｉＯ₂濃度２０容量％）の最適量を求めたもので、１時間後の一軸圧縮強度が実施例１〜２１で０．０２１〜２．１８Ｎ／ｍｍ²と極端に異なっている。このことは、実用的な早期強度を求めたグラウトではないことを示している。

以上述べた地盤注入及び空洞充填注入は、地下水下の地盤にグラウトを注入して希釈されるという技術思想は全くなく、配合時の数値を示したに過ぎない。

特公昭３６−２４１２２号公報 特開平０８−２３９２５５号公報 特公平０２−４６３４号公報 特公平０２−４３７９０号公報 特開２０００−２９０６５１号公報

柴崎光弘・下田一雄著、「最新・薬液注入工法の設計と施工」、山海堂、昭和６０年９月２０日、Ｐ３８〜３９，Ｐ１７９〜１８１，Ｐ２２５〜２３５ 三木五三郎・下田一雄著、「可塑状グラウト注入工法」、日刊建設工業新聞社、２００１年７月２０日、Ｐ１２，１３，２６，２９，４０

そこで、本発明は、前記問題点を解決するために案出されたものであり、その目的とするところは、地下水下の地盤の止水、特に流動高被圧水や伏流水等の止水、透水地盤からの湧水防止（水止め）注入、又は水洞へ充填されて希釈されたグラウトがゲル化タイムの遅延が少なく、且つ、早期強度の発現が充分である硬化グラウトの地下水下地盤注入方法を提供することにある。

第１発明に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法は、硬化グラウトを地下水下地盤に注入する硬化グラウトの地下水下地盤注入方法であって、前記硬化グラウトは、１ｍ³あたりセメント５００〜１，２００ｋｇを含んだセメントミルクのＡ液に、モル比２．５〜４．０のＳｉＯ₂の容量で２０〜３５％の濃度の水ガラスのＢ液を、Ａ液１ｍ³に対して１３０〜５００Ｌの比率で混合したものであり、前記硬化グラウトが地下水で３倍以内の所定の希釈倍率に希釈されることを想定して、希釈前の基本配合のゲルタイムと比べて想定した前記所定の希釈倍率に水で希釈されたゲルタイムの遅延が１５秒以内で、且つ、前記所定の希釈倍率に水で希釈された３時間後の一軸圧縮強度が０．１５Ｎ／ｍｍ²以上となるように配合した前記硬化グラウトを地下水下地盤に注入することを特徴とする。

本発明によれば、地下水下の地盤に注入された硬化グラウトが地下水に希釈された場合であっても、ゲル化タイムの遅延が少なく、且つ、早期強度の発現が充分となる。このため、地下水下の地盤の止水、特に流動高被圧水や伏流水等の止水、透水地盤からの湧水防止（水止め）注入、又は水洞へ充填された場合であっても、止水や水止めの効果を発揮することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法について説明する。先ず、本発明の実施の形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法に用いる硬化グラウトについて説明する。

［硬化グラウト］
地下水下の地盤にグラウトを注入すると、必ず希釈されるという現象が起こる。特に、山岳の高低差に起因する伏流水等の流動高被圧水、掘削時に発生した山岳の破砕帯や透水地盤からの湧水、又は地下水下の地盤に発生した水洞等に注入されたグラウトは、多くの地下水に希釈される。

そこで、本発明は、従来の設計から求めた配合値ではなく、注入されたグラウトが地下水に３倍以内（容量の希釈倍率）に希釈されることを想定して、硬化グラウトを基本配合と比べてゲル化タイム（以下、単にゲルタイムという）の遅延が１５秒以内で、且つ、希釈されたグラウトの３時間後の一軸圧縮強度が０．１５Ｎ／ｍｍ²以上となるように配合することを特徴としている

つまり、本発明の硬化グラウトは、（１）第１に注入されたグラウトが地下水に希釈されてもゲル化タイムの遅延が１５秒以内であること、（２）第２に希釈されたグラウトが早期強度を発現することの２つの要件を満たすこととしている。ここで、早期強度とは、３時間後の一軸圧縮強度のことを指している。

上記（１）は、特に、流動高被圧水では、ゲルタイムが遅延される程、希釈が大きくなり、注入地点からグラウトが流され、注入範囲が移動してしまう。また、地盤内から湧水が発生している箇所では、特に、希釈が大となる。さらに、地盤内に発生した水洞に硬化グラウトを注入する場合は、水中にグラウトを注入することとなり、水に接したグラウトは、瞬時に多量の水に希釈されることとなる。このように、地下水でグラウトが希釈され易い地盤に注入する場合でも、後述のように、希釈倍率が３倍以内であれば、ゲルタイムの遅延が１５秒以内を確保する。

また、上記（２）は、地下水等で希釈されてゲル化したグラウトは、流動高被圧下では、早期強度の発現がないと水圧に耐えられず、流出してしまう。そこで、本発明では、できるだけ早期に所望の強度発現を達成して、流動高被圧下の水圧にも耐えられ、注入したグラウトが流出しないことを確保する。

従来の硬化グラウトの地下水下地盤注入方法は、等量注入（Ａ液とＢ液が同量）を原則としており、そして、Ａ液が主剤の水ガラス（一定量）とし、Ｂ液のセメントは、水ガラスをゲル化させるための硬化材（強度から求めたセメント量）として長年使用されてきた（非特許文献２ Ｐ１２〜１３）。代表的なＬＷの配合は、段落［００１４］に示しているようにゲルタイムは１分前後、早期強度はほとんど得られない（後述の表１、比較例３及び表２比較例９，１０参照）ことから地下水下地盤からの湧水等を止水することはできなかった。

これは、従来の硬化グラウトが、等量注入に起因して上記（１）及び（２）を同時に満たすことができなかったからである。これに対して本発明は、多量のＡ液（セメントが主剤）に少量の高濃度水ガラスのＢ液（ゲル化並びにセメントの早期強度の発現）を比例注入することにより、初めて上記（１）及び（２）を同時に満足させることができ、ゲルタイムの短縮と早期強度の発現を可能にしたことが両者の根本的な違いである。

つまり、本発明は、予め希釈されることを想定して上記２つの要件を同時に達成することに着目して配合し、希釈倍率が３倍以内であれば注入可能とし、止水及び地盤強化を達成できる硬化グラウトの地下水下地盤注入方法を見出したものである。

［地下水下地盤注入方法］
次に、本発明の実施の形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法について説明する。ロッド注入工法で硬化グラウトを注入する場合を例示して説明する。

ロッド注入工法は、ボーリングマシンに装着した単管又は二重管ロッド（長さ３ｍ又は１．５ｍ）をボーリングロッドとして使用して地盤を削孔するとともに、そのまま硬化グラウトを注入する注入管としても使用する工法である。このロッド注入工法は、削孔時及びロッドの脱着時に多量の水を使用する。

即ち、配合槽からサクションホース、注入ポンプ、注入ホース、注入管（ロッド）を通して水（上水）を送り、地盤に削孔した後、ロッドを注入管として用い、グラウト（Ａ液及びＢ液）に切り替えて、水をグラウトで押し出しながら地盤に注入する。この時、グラウトは、水に接しながら地盤内で希釈され、地下水と同様に希釈されたグラウトは、ゲルタイムは遅延するとともに、早期強度の発現は著しく低下する。

さらに、注入深度が深くロッドを連結して掘削・注入する場合は、１ロッドの長さ分掘削するとその都度（１ステップ毎）引き上げて、グラウトを水に切り替えてロッドを脱着（ロッド１本を取り出す又は連結する）した後、再びグラウトで水を押し出して注入することになる。このため、ロッドの脱着毎にグラウトが水で希釈されてしまう。

具体的には、例えば、サクションホース（内径２５ｍｍ）長さ２ｍ、注入ポンプ内、注入ホース（Ａ液、Ｂ液共、１／２インチ、断面積１２６．６ｍｍ²）長さ４０ｍ、ロッド（内径３８ｍｍ、断面積６５０ｍｍ²）長さ１５ｍとすると、これらの中に溜まった水は、２９Ｌに達する。

一方、グラウトの注入は、１ステップあたり５０Ｌ程度であり、地盤に注入する水は、グラウト容量の５８％にも達し、削孔時の水と合わせると多量の水を注入していることとなる。このことから、ロッド注入工法では地下水下の地盤に注入する場合でなくても、グラウトは、先行した水に希釈されることから、本発明の技術的範囲に包含される。

なお、本発明に使用する注入方法は、特に限定されるものではないが、本実施の形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法では、前述のロッド注入工法で地下水下の地盤に前述の硬化グラウトが注入される。勿論、本発明に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法では、ジェットグラウト工法やアンカー工法など、他の工法を用いて地下水下の地盤に注入される場合も適用される。ロッド注入工法を初め、ジェットグラウト工法やアンカー工法も、多量の水を使用するため、本発明を好適に適用することができる。

前述の硬化グラウトを地下水下の地盤に注入した場合に、グラウトが地下水に希釈される度合いは、流動水の有無、流動水の水圧や速度、湧水量の大小、水洞の大きさ等に影響される。

地下水下に注入されたグラウトは、水に接したところから順次拡大希釈されるが、最大で希釈倍率が容量において３倍までとしている。これは、硬化グラウトの基本配合では、３倍を超えて希釈される場合には、充分な止水又は地盤強化の効果が望めないことから、本発明では、希釈倍率が３倍以内であることを上限としている。

具体的にいえば、砂礫層等の透水地盤で地下水があまり流動していないところでは、水とグラウトの希釈倍率は、１．２倍〜１．５倍を想定している。それよりも希釈され易い、湧水防止（水止め）や水洞への充填では、最大で希釈倍率が３倍以内までを想定している。また、前述のロッド注入工法では、希釈倍率は、１．１倍〜１．３倍程度を想定している。

＜硬化グラウトのゲル化・硬化原理＞
次に、簡単に、本実施の形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法に用いる硬化グラウトのゲル化・硬化原理ついて説明する。本実施形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法は、セメントミルクをＡ液として水ガラス溶液をＢ液としてこれらを混合して注入する二液性の注入工法である。このような二液性のグラウトは、Ａ液とＢ液を混合するとゾル化し、時間の経過とともに粘性が増大して流動性を失いゲル化する。この二液を混合した時からゲル化するまでの時間がゲルタイムである。

ゲル化したグラウトは、ゲル化後次第に強度を増し、可塑状固結領域（可塑状保持時間）を経て硬化に至る。この可塑状固結領域は、セメント系グラウト（セメントミルク）であれば、いずれのグラウトも硬化する前には、必ず通過する性状である（非特許文献２のＰ２６、図３．１参照）。

よって、二液性のグラウトの注入可能時間は、ゲルタイムと可塑状保持時間を合せた時間となる。これにより、充分な可塑タイム（例えば、１０〜２０分）を有したグラウトを、特に、可塑状グラウトと称している。

しかし、本実施の形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法に用いる硬化グラウトの配合では、早期硬度発現を重視しているため、可塑状保持時間は、１０秒以内と従来の地盤注入方法に用いる硬化グラウトの配合より極端に短くなるように配合している。

＜硬化グラウトの配合＞
次に、本実施の形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法に用いる硬化グラウトの配合について、さらに詳細に説明する。

本注入方法に用いる硬化グラウトの配合では、従来のように、どれくらい希釈されるかを想定しないで単に設計時の配合とするのではなく、硬化グラウトが３倍以内に希釈されることを想定し、その場合のゲルタイムの遅延防止と早期強度の発現を同時に確保することから決定している。具体的には、グラウトが水に３倍以内に希釈された状態で、希釈前配合からゲルタイムの遅延が１５秒以内で、且つ、想定した希釈倍率に希釈された状態の３時間後の一軸圧縮強度が０．１５Ｎ／ｍｍ²以上となるように配合している。勿論、グラウトの長期（２８日後）強度が設計強度に達することも考慮している。

＜水に希釈される前の配合＞
水に希釈される前の硬化グラウトの配合は、Ａ液：１ｍ³あたりセメント５００〜１，２００ｋｇ、Ｂ液：Ａ液１ｍ³に対して１３０〜５００Ｌの比率でモル比２．５〜４．０、ＳｉＯ₂濃度２０〜３５％の水ガラスを混合する。

使用するセメントは、特に限定するものではないが、普通ポルトランドセメント、高炉セメント、早強セメントなどが好ましい。また、Ａ液には、通常のグラウト材に添加されることのある添加剤を添加してもよい。例えば、添加剤としては、スラグ、フライアッシュ、石灰、分散剤（遅延剤）、起泡剤、ベントナイト等の粘土鉱物、増量材などを用いることができる。

ここで、Ａ液のセメント５００ｋｇを下限としたのは、この値未満だと水ガラスで調整しても３倍以内に水で希釈されたグラウトが目標の早期強度が得られないからである。また、セメント１，２００ｋｇを上限としたのは、この値を超えるとセメントミルクの流動性を損ない圧送が困難となるからである。

Ｂ液の水ガラスは、ＳｉＯ₂の容量で２０〜３５％の範囲であり、モル比（ＳｉＯ₂／Ｎａ₂Ｏ）は、２．５〜４．０が好ましい。このＢ液は、Ａ液１ｍ³に対して１３０〜５００Ｌの割合の範囲内で調整して混合する。なお、ここで３０％濃度の水ガラスとは、溶液１Ｌ中にＳｉＯ²が３００ｇ含有された水ガラスを指している。

一方、Ｂ液の水ガラス（ＳｉＯ₂）のＡ液との混合比率の下限値を１３０Ｌとしたのは、この値未満だと目標とする早期強度である３時間後の一軸圧縮強度が１．５Ｎ／ｍｍ²に達しないからである。また、水ガラスの混合比率の上限値を５００Ｌとしたのは、目標とする早期強度が得れる上、水ガラスが高価であることから一応の有限値としたものである。なお、有限値の５００Ｌを超えても本発明のゲルタイムの遅延や早期強度が範囲内であれば使用することもできる。

以上の配合とすることで、３倍以内に水で希釈されたグラウトにおいて、目標の早期強度の発現と、後述のゲルタイムの遅延防止を可能としている。

ゲルタイムは、セメント量や水ガラス濃度（量）によって左右されるが、最も影響を及ぼすのは、水ガラスのモル比である。本発明では、目的とするゲルタイムからモル比を２．５〜４．０の範囲に設定している。

即ち、セメント量、水ガラス濃度（ＳｉＯ₂量）が一定の場合、モル比が低い程、ゲルタイムは長く、逆に高い程、ゲルタイムが短くなることが確認されている。

前述の硬化グラウトの配合では、数秒から１分以内の範囲で、２０秒以内の瞬結性では、モル比３．０〜４．０を選定、３０秒以上の緩結性では、モル比２．５〜２．８を選定している。

そして、早期強度の発現は地下水に希釈されることを考慮して、３時間後の一軸圧縮強度が１．５Ｎ／ｍｍ²以上の高い強度となる配合としている。

＜水に希釈された後のグラウト：希釈グラウト＞
次に、地表で前述のように配合されたグラウトが、地下水に希釈されたグラウト（以下、希釈グラウトという）のゲルタイムや早期強度の発現（３時間後）に及ぼす影響について述べる。

地盤に注入されたグラウトが、地下水に希釈されると、希釈倍率によって大きく影響を受けることとなる。本発明では、この希釈グラウトのゲルタイムの遅延が１５秒以内であること、及び調合後３時間後の早期強度が０．１５Ｎ／ｍｍ²以上であること、両方を満たすことを条件としている。

このため、具体的には、地下水に希釈されたグラウト１ｍ³あたり、セメント３００ｋｇ以上、水ガラス（ＳｉＯ₂量）２４ｋｇ以上が必要となる。即ち、セメント量にかかわらず、水ガラス（ＳｉＯ₂量）が２４ｋｇ未満であると３時間後の早期強度が０．１５Ｎ／ｍｍ²以上とならないことを突き止めた。

例えば、後述の実験Ｎｏ．２７の希釈グラウトは、セメント３４５ｋｇであっても水ガラス（ＳｉＯ２量）２１ｋｇであれば３時間後の早期強度が０．０９Ｎ／ｍｍ²であり、不適合であることが確認された。

本発明の実施の形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法に用いる注入管は、特に限定されるものではないが、前述のロッド注入工法を採用する。ロッド注入工法は、ロッドで地盤に削孔した後、そのまま注入管として使用する。希釈前のグラウトのゲルタイムが３０秒以上では、単管ロッドを用い、希釈前のグラウトのゲルタイムが２０秒以下では、二重管ロッドを用いる。

以上説明した本発明の実施の形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法によれば、地下水下の地盤に注入された硬化グラウトが地下水に希釈された場合であっても、ゲル化タイムの遅延が少なく、且つ、早期強度の発現が充分となる。このため、地下水下の地盤の止水、特に流動高被圧水や伏流水等の止水、透水地盤からの湧水防止（水止め）注入、又は水洞へ充填された場合であっても、止水や水止めの効果を発揮することができる。

［効果確認実験］
次に、実施例と比較例を挙げ、後述のゲルタイム測定、一軸圧縮強度試験等を配合時のグラウトとそれを水で希釈した希釈グラウトの各試験により硬化グラウトの物性評価を行い、本発明の効果を検証する。なお、各試験は、いずれも液温２０℃で行った。先ず、各試験の試験方法について説明する。

（１．ゲルタイムの測定）
配合時のグラウトのゲルタイムの測定は、５×３０ｃｍのビニール袋内に、所定のＡ液を入れ、そのビニール袋上部を手で閉じた状態でＢ液を入れ、手を放すと同時に激しく上下に揺すって撹拌して流動性を失うまでの時間をゲルタイムとした。また、希釈グラウトは、配合時のＡ液とＢ液の混合と同時に、別に用意した希釈水を添加してゲルタイムを測定した。

（２．一軸圧縮強度試験）
一軸圧縮強度試験は、JIS R 5201（セメントの物理試験方法）に準じて行った。具体的には、ゲルタイムの測定と同様な方法でグラウトを調整し、ゲル化前に４×４×１６ｃｍ三連枠に投入し、２０℃の湿潤養生で１時間、３時間、２８日の各養生期間（時間）後に脱型し、一軸圧縮強度を測定した。

次に、硬化グラウトの実施例を挙げて各種試験結果について説明する。実施例に係る硬化グラウトの生成に用いたセメントは、セメントＡとして普通ポルトランドセメント、セメントＢとして高炉セメントＢ種、セメントＣとして超微粒子セメント（商品名：アロフィクスＭＣ（太平洋マテリアル株式会社製））の３種類を用いた。セメントＢは、セメントと高炉スラグの混合比が６：４で、セメントＣは、セメントと高炉スラグ（超微粒子平均約４μｍ）の混合物である。なお、その他の物質の混合比率は、メーカー側が開示していない。

水ガラスには、水ガラスＡとしてモル比（SiO₂/Na₂O）が３．５のＳｉＯ₂の容量で３０％濃度の水ガラス、水ガラスＢとしてモル比が３．１のＳｉＯ₂の容量４０％の水ガラス、水ガラスＣとしてモル比が２．５のＳｉＯ₂の容量３０％の水ガラス、水ガラスＤとしてモル比が３．０のＳｉＯ₂の容量４０％の水ガラスの４種類の水ガラスを用いた。なお、容量３０％の水ガラスとは、溶液１Ｌ中にＳｉＯ₂が３００ｇ含有された水ガラスを指している。

以上の要領で、所定量のＡ液とＢ液を混合して硬化グラウトを生成し、ゲルタイム測定、一軸圧縮強度試験等の各試験を行った測定結果を表１に示す。表１の配合は、Ａ液（セメント）１ｍ³に対してＳｉＯ₂濃度が高い少量の水ガラスのＢ液を比例配合し、併せてグラウト（Ａ液＋Ｂ液）１ｍ³あたりのセメント量とＳｉＯ₂量を示している。

表１より、実施例１、２、３のグラウトは、１ｍ³あたりセメントＡがいずれも９２３ｋｇ、Ｂ液の水ガラスＳｉＯ₂が６９、７１、６９ｋｇとほぼ同じであるが、ゲルタイムは３、８、１０秒と異なり、モル比が低い程長くなる傾向を示した。また、早期強度（３時間後の一軸圧縮強度）は、１０．４、１１．１、１１．５Ｎ／ｍｍ²と、非常に高い値を示し、２８日強度も１８．０、２１．７、２３．２と高い値を示した。

つまり、この実験により、早期強度は、モル比（SiO₂/Na₂O）が異なってもほぼ同じ値を示しているが、長期強度はモル比が低い程若干高い値を示していることが確認できた。

また、実施例１０と実施例１１を比べると、配合が同じであるが、セメントＡである実施例１０は、ゲルタイムが１５秒で早期強度が５．９Ｎ／ｍｍ²であるのに対して、セメントＢである実施例１１は、ゲルタイムが３４秒で早期強度が２．６Ｎ／ｍｍ²となっている。しかし、２８日強度は、実施例１０が、１３．０Ｎ／ｍｍ²で、実施例１１が２０．０Ｎ／ｍｍ²となっており、セメントＡよりもセメントＢの方が高い強度であることが判明した。

これは、セメントＡが普通セメントであるのに対して、セメントＢは、高炉セメント（スラグ４０％混合しており、セメント成分は４２０ｋｇ相当）であるため、スラグはゲルタイムや早期強度にはほとんど寄与しないが、長期強度では優れた強度を発揮する性質を備えている。

また、比較例１の配合時のグラウトは、Ａ液１ｍ³あたり、セメント４００ｋｇ、Ｂ液の水ガラス１１０Ｌ、水６０Ｌ（ＳｉＯ₂濃度１９％）と、セメント、水ガラス共に貧配合とした。実験結果は、ゲルタイムは６秒と短いが、早期強度が０．０４Ｎ／ｍｍ²と著しく劣ることが判明した。

さらに、比較例２は、実施例８に比べると、Ａ液とＢ液のモル比とＳｉＯ₂量が同じであるが、ＳｉＯ₂濃度が実施例８の２３％に対して、１５％と少ないため、早期強度（３時間後）の発現が、０．６１Ｎ／ｍｍ²と著しく劣ることが判明した。

以上のように、Ａ液１ｍ³あたりセメント５００〜１，２００ｋｇ、Ａ液１ｍ³に対して１３０〜５００Ｌ（２０〜３５％の濃度）の範囲内で、セメントの種類や量、水ガラスのモル比、ＳｉＯ₂濃度及び量を調整する実験を行った。これにより、表１に示すように、ゲルタイム数秒〜１分程度まで選択でき、且つ、早期強度（３時間後の一軸圧縮強度）を１．５Ｎ／ｍｍ²以上（最大で１１Ｎ／ｍｍ²）とできることが確認できた。つまり、地下水下の地盤に注入してグラウトが地下水に希釈されることを想定すると、本発明に用いるグラウトは、前述の配合により、希釈前において流動高被圧水が存在する地盤へ注入する際にも耐え得る早期強度を有し、且つ、ゲルタイム数秒〜１分程度まで選択可能とすることができる。

一方、比較例３としてしめした従来のＡ液とＢ液を等量で混合した地盤注入グラウト（前述のＬＷ：水ガラス系懸濁グラウトともいう）は、水ガラスの量が多いにもかかわらず、ゲルタイム５２秒、早期強度が０．０４Ｎ／ｍｍ²と、極端に低いことも確認できた。これは、従来の地盤注入グラウト（ＬＷ）の早期強度は、水ガラスの固結強さに起因するものであり、セメントに起因するものでないことが既に判明していることからも裏付けられる。

次に、前述の表１の配合のグラウトが水に希釈された場合のゲルタイムの測定と、一軸圧縮強度試験の試験結果を表２に示す。

表２の実験Ｎｏ.１５〜２３に示すように、実施例１、２、３のグラウトを希釈倍率２、３、３．５倍に希釈した希釈グラウトのゲルタイムは、４，６，７秒、１１、１６、１８秒、１７、２０、２５秒である。このように、モル比が３．５、３．０、２．５と低くなる程、ゲルタイムが長くなる傾向が見て取れる。しかし、ゲルタイムの遅延は、１、３、４秒、３、８、１０秒、７，１０、１５秒と、いずれも１５秒以内と極めて小さくなっており、水に希釈されてもわずかにしか遅延しないことが確認できた。このことは、地下水下の地盤の止水や地盤強化に極めて優れた効果を発揮することを示している。

一方、実験Ｎｏ．１５〜２３の早期強度の発現は、表１の配合時の強度と比べて、希釈倍率が上がるにしたがって、低下する傾向を示している。また、希釈倍率が３.５倍の実験Ｎｏ．１７、２０、２３の比較例４、５、６は、０．１０、０．０８、０．１０Ｎ／ｍｍ²と、０．１５Ｎ／ｍｍ²に達していない。これに対して、希釈倍率が３倍以内の実験Ｎｏ．１５，１６、１８，１９、２１，２２の実施例１２〜１８は、早期強度が０．１５Ｎ／ｍｍ²以上となっている。このため、実施例１２〜１８は、流動高被圧水の水圧に充分耐えうることができ、流動高被圧水の存在する地盤の止水にも使用し得ることが確認できた。

また、実施例１２〜１８の希釈グラウトは、希釈された状態の１ｍ³あたり、セメント３０８〜４６２ｋｇ、水ガラス２３〜３９ｋｇであるのに対して、比較例４〜６は、希釈された状態の１ｍ³あたり、セメント２６４ｋｇ、水ガラス２０〜２３ｋｇと少ない。このため、前述のように、比較例４〜６は、早期強度が０．１５Ｎ／ｍｍ²に達していないと考えられる。

また、実施例１９と比較例８とを比べると、セメント量が３０８ｋｇと３４５ｋｇ、水ガラスが２４ｋｇと２１ｋｇでいずれもほぼ同じ、希釈倍率も２倍で同じであるが、早期強度は、０．１７Ｎ／ｍｍ²と０．０９Ｎ／ｍｍ²で差がある。これは、セメントの種類の違いに起因するものと考えられ、セメントＡからなる実施例１９の方が、セメントＢからなる比較例８より高いことが確認できた。

さらに、実施例２１〜２６は、表１の実施例６〜１１を希釈倍率１．２〜１．５倍で希釈した希釈グラウトである。実験結果は、ゲルタイムの遅延が、３、１、３、１０、８、１５秒となり、全て１５秒以内となっている。また、実施例２１〜２６の早期強度は、０．６７、０．５８、０．４０、１．１９、２．８４、０．６１Ｎ／ｍｍ²と、全て０．１５Ｎ／ｍｍ²を上回っている。

また、３倍以内の水に希釈され、早期強度が０．１５Ｎ／ｍｍ²以上の実施例１２〜２６の長期強度（２８日）は、いずれも１．２Ｎ／ｍｍ²以上（最大７．４Ｎ／ｍｍ²）が得られており、充分な固結強度を有していることも確認された。

以上により、表１等で示した基本配合の範囲内において、グラウトが水で３倍以内に希釈されることを想定して、希釈されたグラウトが、１ｍ³あたりセメント３０８〜４６２ｋｇ、水ガラスが２４〜５８ｋｇとなるように配合する。これにより、３倍以内に希釈されることを想定した希釈グラウトが、希釈前のグラウトのゲルタイムに比べて遅延が１５秒以内でゲル化し、且つ、早期強度（３時間後の一軸圧縮強度）が１．５Ｎ／ｍｍ²以上となるように配合できることが確認できた。

よって、このようにグラウトが地下水で３倍以内に希釈されることを想定して配合した硬化グラウトを地下水下の地盤や水洞などに注入することにより、ゲル化タイムの遅延が少なく、且つ、早期強度の発現が充分となる。このため、地下水下の地盤の止水、特に流動高被圧水や伏流水等の止水、透水地盤からの湧水防止（水止め）注入、又は水洞へ充填された場合であっても、止水や水止めの効果を発揮することができる。

なお、表２に示した実験により、従来の地盤注入グラウト（ＬＷ）は、比較例９、１０に示すように、希釈倍率、１．３、１．５倍に希釈されると、５２秒（表１参照）であったゲルタイムが７２秒、９８秒と大幅に遅延することが確認できた。また、早期強度も０．００１Ｎ／ｍｍ²：測定不能であった。

以上、本発明の実施形態に係る硬化グラウトの地下水下地盤注入方法及びそれに用いる硬化グラウトについて詳細に説明したが、前述した実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたって具体化した一実施形態を示したものに過ぎない。よって、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。

Claims (1)

1. 硬化グラウトを地下水下地盤に注入する硬化グラウトの地下水下地盤注入方法であって、
   前記硬化グラウトは、１ｍ³あたりセメント５００〜１，２００ｋｇを含んだセメントミルクのＡ液に、モル比２．５〜４．０のＳｉＯ₂の容量で２０〜３５％の濃度の水ガラスのＢ液を、Ａ液１ｍ³に対して１３０〜５００Ｌの比率で混合したものであり、
   前記硬化グラウトが地下水で３倍以内の所定の希釈倍率に希釈されることを想定して、希釈前の基本配合のゲルタイムと比べて想定した前記所定の希釈倍率に水で希釈されたゲルタイムの遅延が１５秒以内で、且つ、前記所定の希釈倍率に水で希釈された３時間後の一軸圧縮強度が０．１５Ｎ／ｍｍ²以上となるように配合した前記硬化グラウトを地下水下地盤に注入すること
   を特徴とする硬化グラウトの地下水下地盤注入方法。