地中空洞部の地盤強化改善方法

【課題】下水道管などの地中埋設管からの漏水や浸入水により軟弱化しあるいは空洞化した地中欠陥部を、的確にしかも後の地中埋設管の交換やメンテナンス作業に支障を来さないように強化、改善することができ、かつそれを低コストで行なえる地中空洞部の地盤強化改善方法を提供する。
【解決手段】下水道管の周囲などで代表される地中に生じている空洞部ないし軟弱化部を強化改善する方法であり、活性汚泥式廃水処理過程から排出される剰余汚泥脱水ケーキの破砕物を骨材とし、これに耐有機酸性のセメント系固化材を配合して硬化日数が２８日経た時点での圧縮強度が３〜１５ｋｇｆ／ｃｍ²程度となるように構成した補修用材を用い、これを地中の空洞部ないし軟弱化部に圧入充填し、硬化させ、強度を発現させる。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は主として下水道管など地中に埋設された配管の周辺に形成された地中空洞部の地盤強化改善方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】地下には種々の導管（配管）が埋設されているが、このうち下水道管からの漏水や浸入水が社会問題となっている。すなわち、下水道管として使用されているヒューム管、陶管、塩化ビニール管等の接合部が、埋設時やその後の山留め材引抜きなどによりずれたり、あるいは埋設後の地盤の沈下などにより管体付近にクラックが発生し、そうした破損、欠損部分から汚水が配管の周囲に漏れ出していることが多い。
【０００３】その結果、漏水個所や浸入水の地盤は軟弱化が進行し、さらに空洞が発生し、そして、空洞に溜った汚水は転圧が不十分な軟弱な地盤に沿って流れを形成し、そのまま放置すると地下水脈へと成長する。この汚水により形成された地下水脈は、地盤沈下により陥没といった問題や、貴重な地下水の汚染を誘発するのである。しかし、従来ではその補修方法について経済性を満たす実用的な方法がないため放置されていることが多く、下水道管からの漏水や浸入水による生活破壊環境問題は深刻化の一途をたどっていた。
【０００４】
【発明が解決しようする課題】本発明は前記のような問題点を解決するためになされたのもので、その目的とするところは、下水道管などの地中埋設管からの漏水や浸入水により軟弱化しあるいは空洞化した地中欠陥部を、的確にしかも後の地中埋設管の交換やメンテナンス作業に支障を来さないように強化、改善することができ、かつそれを低コストで行なえる地中空洞部の地盤強化改善方法を提供することにある。
【０００５】また、本発明の他の目的は、前記目的に加えて、地盤強化改善用材料が地中埋設管内に固着するのを防止して実施できる地中空洞部の地盤強化改善方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記第１の目的を達成するため本発明は、地中に生じている空洞部ないし軟弱化部を補修して地盤を強化改善するにあたり、活性汚泥式廃水処理過程から排出される剰余汚泥脱水ケーキの破砕物を骨材とし、これに耐有機酸性のセメント系固化材を配合して硬化日数が２８日経た時点での圧縮強度が３〜１５ｋｇｆ／ｃｍ²程度となるように構成した補修用材を、地中の空洞部ないし軟弱化部に圧入充填し、硬化させ、強度を発現させることを特徴としている。地中に生じている空洞部ないし軟弱化部は、代表的には、地中埋設管周辺の漏水や浸入水よる空洞部ないし軟弱化部である。
【０００７】第２の目的を達成するため本発明は、漏水や浸入水による空洞部ないし軟弱化部に対応する部分の地中埋設管内に、補修用材の浸入防止手段を配して行なう。好適には、補修用材の浸入防止手段として、軸方向中心に管体を有しその外周に複数の可縮性膨張体を相互に間隔をおいて設け、前記可縮性膨張体間の管体壁部位に補修用材を注入するノズルが位置しているものを使用し、ノズルが漏水による空洞部ないし軟弱化部に対応する部位に位置するように補修用材の浸入防止手段を地中埋設管内に配して可縮性膨張体を膨張させ、ノズルから補修用材を地中埋設管の欠陥部分を通して外部に吐出させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。まず、本発明の地中空洞部の地盤強化改善方法は、補修用材５として特殊な組成物を使用する。基本的には、図１のように、活性汚泥式廃水処理過程から排出される剰余汚泥脱水ケーキの破砕物１を骨材とし、これにセメント系固化材２と水３を配合し均一に混合したたとえば密度が１．０〜２．５ｇ／ｃｍ²、ｐＨ１３〜１４のミルク状の組成物からなる。組成物には、さらに、混和剤４などが添加されていてもよい。
【０００９】詳述すると、本発明による補修用材５の特徴は、骨材として、活性汚泥式廃水処理施設から排出される剰余汚泥脱水ケーキを使用することにある。こうした剰余汚泥脱水ケーキは、従来では大半が焼却処分されているが、含水率が高いために燃焼しにくく重油などの燃料を使用しなければならず、焼却に費やされる燃料とエネルギーロスは多大である。また、焼却に起因して発生する排煙、残灰の処理も難渋していた。本発明は、かかる産業廃棄物の剰余汚泥を、地中空洞部ないし空洞部形成の前段階の軟弱化した地盤状態の補修・強化改善用補修用材の原料として資源化し、同時に補修用材の低コスト化を図ったものである。
【００１０】本発明において、剰余汚泥脱水ケーキ破砕物１は、脱水ケーキを撹拌粉砕したものを使用する。公共下水道の剰余汚泥の脱水ケーキは、有機物含有率（平均）が夏期において約６４％、冬期において約７０％であり、含水率は約７０〜８２％である。この状態の脱水ケーキをホッパーやタンクなどに装入し、ミキサーなどの撹拌手段によって機械的に分断、破砕する。剰余汚泥脱水ケーキ破砕物１は、表面乾燥状態で、最大粒径が約１．５ｍｍφ以下の丸みを帯びた粒状物である。しかも、前記粒径は比較的そろっているため、補修用材を作ってこれを圧送し、対象個所に注入充填するときの流動性がよいものとなる。この理由から、本発明は剰余汚泥の破砕物１を骨材として使用するのである。
【００１１】さらに、脱水ケーキおよびこれを処理した粒状物は、通常、炭素分４５〜５９％、水素分５〜８％、窒素分５〜１０％、可燃性硫黄分０．５〜２．１％、酸素２３〜３７％であり、この組成中にセルロースなどの繊維分がかなり多く含まれている。この繊維分がつなぎ材として機能するため、水中不分離性を向上することができる。この理由からも本発明は剰余汚泥の破砕物１を骨材として使用するのである。
【００１２】次に、セメント系固化材２としては、汎用のポルトランドセメントで代表される普通セメントでは不適当である。その理由は、下水道管を通る生活排水中には有機物が多く含まれており、これが腐敗すると有機酸となる。こうした生活排水が下水道管から漏水することにより空洞部や軟弱化部は有機酸環境にある。有機酸はセメントの水和反応を阻害し、固化作用を遅延させるので、普通セメントでは本発明で目的とする補修用材として機能しえないからである。
【００１３】そのために、本発明は耐有機酸性を有するセメント系固化材２を使用する。かかるセメント系固化材２としては、セメントに耐有機酸性物質を添加した組成を有するものが好適な例としてあげられる。具体例としては、太平洋セメント株式会社の製造に係る商品名ゼオセットＧＳ３０があげられる。このセメント系固化材は粉末状で、性状として密度約２．９９ｇ／ｃｍ³、比表面積４８５０ｃｍ²／ｇであり、化学成分として、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化第二鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、二硫化硫黄などを含んでいる。
【００１４】本発明は、剰余汚泥破砕物１とセメント系固化材２、さらに少なくとも水３を、２８日の範囲の硬化日数が経た時点での圧縮強度（日本工業規格に準拠した水中養生での強度）が、３〜１５ｋｇｆ／ｃｍ²程度、さらに好適には４〜１０ｋｇｆ／ｃｍ²、最も好適には４〜７ｋｇｆ／ｃｍ²となるように所定重量比で計量し、ミキサーなどにより均一に混合し、流動性の良好な補修用材５を得る。
【００１５】強度範囲を限定したのは、空洞部、軟弱化部の地盤強化を図るのには圧縮強度が高い方がよいが、通常の地中埋設構造物と異なり、下水道管は経路変更などのために再掘削されて地中から取り出されたり、再修理されることがある。その際に、あまり圧縮強度が高いと、固化している補修用材を含む地盤をスコップや簡易な破壊機器による破壊が困難になり、その作業に多大な手間と時間がかかることになる。そのために、軟弱すぎず固すぎもしない適当な強度とする必要があるからである。２８日の範囲の硬化日数が経た時点での圧縮強度が前記範囲であれば、実用上十分な強度であり、かつ前記作業を容易に行なうことが可能である。
【００１６】さらに、硬化した補修用材を含む地盤の強度が高すぎると、硬化した補修用材を含む地盤が支点として機能してしまい、下水道管の割れやクラックの進行を助長するが、前記強度範囲であれば下水道管が不等沈下したときにもこれにうまく追従することができる。この点からも強度範囲を限定したものである。
【００１７】さらに、前記範囲の強度と流動性を得るために、膨張剤、ＡＥ減水剤、流動化剤、水中不分離剤など所望の混和剤を１種以上添加することも好都合である。それらの添加量は適宜設定すればよく、たとえば、セメント系固化材２に対し、膨張剤は５〜８％程度、流動化剤は０．６〜１％程度、ＡＥ減水剤は２％程度、水中不分離剤は１．０％程度添加すればよい。
【００１８】表１は補修用材５の配合比を決定するために、剰余汚泥脱水ケーキ破砕物１の量を一定にした実験の内容とその結果を示している。剰余汚泥脱水ケーキ破砕物１は最大粒径１．５ｍｍ以下（表面乾燥状態）のものを使用した。表中のセメント系固化材は、太平洋セメント株式会社の製造に係る商品名ゼオセットＧＳ３０を使用した。流動性はフロー試験によって評価したもので、直径約３．０ｃｍ、高さ約４．５ｃｍの円筒容器に補修用材を充填し、円筒容器の底面を開口することにより床面に落下させた後、床面に広がったサンプルの直径を直交する値の平均値であり、８ｃｍ程度の流動性をもって良否を判定した。○は良好、◎は極めて良好を指しており、圧縮強度は、水中養生と酢酸浸漬条件の２種とした。後者は有機酸に接触する環境に対応するものである。
【００１９】
【表１】

【００２０】この表１によれば、サンプル３が水中およびと酢酸浸漬条件での強度が良好であり、サンプル２が水中および酢酸浸漬条件での強度と流動性の双方の特性のバランスがよい。なお、本発明はこの例に限定されるものではなく、前記圧縮強度を満たし、かつ、ポンプ圧送と材料分離回避の面から、フロー値が７．０〜９ｃｍ程度の範囲の配合が好ましい。いずれにしても実際の施工に際しては、テストサンプルによりフロー試験、及び圧縮強度試験を行い、必要な強度と流動性を有する配合を設定する。この配合に基づき必要量に応じた補修用材を製造する。
【００２１】次に、本発明は、前記補強用材５を地中の空洞部ないし軟弱化部に圧入充填し、硬化させ強度を発現させる。図２はその施工法の第１実施例を示している。この第１実施例はマンホール付近の下水道管Ａの漏水による欠陥地盤部１０（空洞部ないし軟弱化部位）に対する施工を示しており、前記のように調製した補修用材５を撹拌機能付きの貯蔵タンク６たとえばアジテーター車に収容し、圧送ポンプ７により導管８中を圧送し、マンホール１３の底付近から欠陥地盤部１０に向けたノズル９から圧入充填する。前記導管８には補修用材５の流動性および充填部位までの距離に応じた注入圧を得るための圧力制御弁１１と欠陥地盤部１０の大きさに則した充填量に制御するための流量制御弁１２を設けている。さらに導管８には補修用材の圧入充填流量および注入圧が測定できるように流量圧力測定用計計器２２を設けている。
【００２２】漏水部位は下水道管Ａの内外に通じているから、欠陥地盤部１０への補修用材５の充填に伴って下水道管Ａ内に補修用材５が浸入すると、それが下水道管内壁に固化して断面積を減少させ、以後の円滑な汚水の流れを阻害する可能性がある。また同時に、補修用材５が際限なく流出してしまう。そこで、補修用材５の注入に先立ち、下水道管Ａ内に補修用材浸入防止手段１４を配して行なう。この補修用材浸入防止手段１４としては、ゴム袋などの可縮性膨張体が都合よく、収縮した状態で下水道管Ａ内に搬入し、補修用材５の欠陥地盤部１０への注入に先立って、可縮性膨張体内に流体供給源１５から空気あるいは水を注入して膨張させ、欠陥地盤部１０と通ずる漏水部の塞ぐように下水道管内壁に密着させる。この状態で補修用材５が硬化するまで保持させ、補修用材浸入防止手段１４を収縮して取り出せばよい。５’は充填された補修用材である。
【００２３】図３ないし図６は施工法の第２実施例を示している。この第２実施例も下水道管Ａの漏水による欠陥地盤部１０（空洞部ないし軟弱化部位）に対する施工を示しているが、第１実施例と異なり、下水道管Ａの内部から欠陥地盤部１０に補修用材５を注入する点で異なっている。
【００２４】この第２実施例においては、補修用材注入機を兼ねた補修用材浸入防止手段１４が用いられる。すなわち該手段は、軸方向中心に管体１６を有し、その外周に複数（この例では２つ）の可縮性膨張体１７，１７を相互に間隔をおいて設けている。前記管体１６は前後に下水道管Ａの内壁に接してスムースな移動を行なうためのガイド手段２０，２０を有している。ガイド手段２０，２０は駆動機構を有した自走式でもよい。
【００２５】前記管体１６には左右の可縮性膨張体１７，１７間の管壁部位を貫いて補修用材５のノズル９が設けられており、ノズル９には導管８’が接続され、管体１６の軸方向に伸びている。導管８’の端部には圧送ポンプ７からの導管８が着脱可能に接続されるようになっている。また、可縮性膨張体１７，１７の中央部に対応する管体１６には膨張用流体の給排部１８，１８が設けられており、それら給排部１８，１８には管体１６の軸方向に伸びる導管１９が接続され、これに流体供給源１５からの導管が着脱可能に接続されるようになっている。
【００２６】この第２実施例においては、図４のように、可縮性膨張体１７，１７を収縮させた状態にして補修用材浸入防止手段１４を下水道管Ａ内へと移動させ、可縮性膨張体１７，１７の間のノズル９が欠陥地盤部１０に略対峙する位置で停める。第１実施例、第２実施例のいずれも欠陥地盤部位１０に補修用材５を圧入するに先立って、欠陥地盤部１０の場所を任意の方法たとえばテレビカメラ、探傷器、圧気などによって検知し、あるいはさらに、欠陥地盤部位の規模や大きさを知るため、欠陥部位１０に給水してその給水量を予め測っておく。第２実施例においては、管体１６の先端にテレビカメラなどの検出手段を搭載しておくことができ、また、ノズル９から水を吐出させることにより欠陥地盤部位の規模や大きさを知ることができる。
【００２７】ついで、図５のように導管１９から給排部１８，１８に流体を注入して可縮性膨張体１７，１７を膨張させ、欠陥地盤部位１０に近接する下水道管内壁に密着させる。これにより欠陥地盤部位１０に通ずる漏水個所１０’は可縮性膨張体１７，１７で囲繞された環状空間２１に存することになる。そこで、補修用材５を圧送ポンプ７により導管８，８’に圧送し、ノズル９から吐出させる。これにより補修用材５は下水道管内の環状空間２１から漏水個所１０’を通して下水道管外の欠陥地盤部位１０に圧入充填される。
【００２８】このようにして欠陥地盤部位１０が補修用材５で充填され、所要の時間が経過したならば、図６のように、可縮性膨張体１７，１７を収縮させ、導管８と導管８’との接続を外し、管体１６を移動させる。漏水個所１０’に対応する部分の下水道管内には補修用材５の一部が局部的に残存しているが、高圧水などを吹き付けることにより除去することができる。
【００２９】この第２実施例の場合、補修用材浸入防止手段１４が移動自在であり、かつノズル９により下水道管内から漏水個所１０’を通して欠陥地盤部位１０に補修用材５を注入、充填するので、マンホール１３に近接した部位だけでなくかなり遠隔部位の施工にも適用できる利点がある。また、ノズル９から補修用材５を可縮性膨張体１７，１７で囲繞された環状空間２１に吐出させるので、漏水個所１０’が下水道管Ａの下部だけでなく側部および上部に存する場合にも、これにうまく充填することができる利点がある。
【００３０】以上の方法により、地中の空洞部や軟弱部の地盤を強化し、しかもその地盤強度を補修等のために都合のよい大きさにすることができる。なお、本発明において、骨材として活性汚泥式廃水処理過程から排出される剰余汚泥脱水ケーキの破砕物を使用することが必須であるが、必ずしも骨材使用量の全部でなくてもよく、強度や流動性を満足する限度で他の汎用の天然あるいは人工の骨材たとえば砂などを添加してもよい。また、本発明は下水道で代表される地中埋設管周辺の漏水部位さらには空洞部の補強施工に好適であるが、そのほか、経年ビルの基礎の埋め戻し部分や、光ファイバーケーブル敷設管付近の施工にも適用しうる。
【００３１】次に本発明の具体例を示す。本発明による補修用材の強度と流動性を見るため、剰余汚泥脱水ケーキ破砕物の量を一定とし、固化材量および水量を種々にして補修用材を調製し、フロー試験と圧縮強度試験を行なった。これらは、水中養生、酢酸浸漬養生（酢酸濃度０．５％）で評価した。酢酸浸漬養生は有機酸に浸けられる環境における性能を知るためである。テストピースは前記表１と同じ条件とした。なお、比較のため、剰余汚泥量を同じとし、固化材として普通セメントを使用した実験（添加量２４０ｋｇ／ｍ²）を行なったみたが、その結果は、７日強度で０．７ｋｇ／ｃｍ²であり、まったく強度不足であった。
【００３２】
【表２】

【００３３】
【表３】

【００３４】これら表から、特に混和剤を添加していないにもかかわらず、サンプル■〜■は２８日強度において３ｋｇ／ｃｍ²を越えている。しかし、酢酸に浸された場合、サンプル■は２８日強度において３ｋｇ／ｃｍ²を下回っている。一方、サンプル■■は２８日強度は高いものの、流動性が低くなっている。したがって、強度と流動性の両面から、サンプル■〜■が好ましい補修用材である。特に、下水道管の空洞部類が置かれる有機酸環境２８日強度でも良好な強度が得られている。
【００３５】次に、実際に地中の欠陥部位の地盤強化、改善効果を得られるかを試験した。この試験は、図７に示すように、透明樹脂パイプ２５を下水道管のモデルとして使用し、これを解体可能な箱体２６に設置し、透明樹脂パイプ２５の周囲に土２７を充填して圧密化した。一方、箱体２６の一側端部に注入口２８を設け、ここからノズル２９を挿込み、本発明の補修用材（表２におけるサンプル■を使用）を圧入した。
【００３６】なお、箱体２６は幅４００ｍｍ、深さ４００ｍｍ、長さ１８００ｍｍとし、透明樹脂パイプ２５は外径２６５ｍｍ、長さ２０００ｍｍとし、ノズル２９は内径２０ｍｍのものを使用し、箱端から１５０ｍｍ突入させた。前記樹脂パイプ２５の下部および側部に人工的に空洞部をつくり、その空洞部に、モルタルポンプを使用し、注入圧力を２．０ｋｇｆ／ｃｍ²にして補修用材を注入充填し、硬化させた。
【００３７】この実験の結果、ノズルの閉塞は生じず、補修用材は空洞部を含む地中に浸透し、図８（ａ）（ｂ）のように透明樹脂パイプ２５の底部から上側部にかけて強化地盤部５’が形成されたことが確認された。なお、図８（ａ）は透明樹脂パイプ２５の前後を図７（ａ）に示すものと逆にして示している。
【００３８】
【発明の効果】以上説明した本発明の請求項１，２によるときには、下水道管で代表される地中構造物付近の軟弱化しあるいは空洞化したしかも有機酸環境下の欠陥部を、的確にしかも後の地中構造物の交換やメンテナンス作業に支障を来さないように強化、改善することができ、同時に処理に膨大な費用と手間をかけていた廃棄物を資源として再利用するため補修用材が安価なものとなり、施工費用を低コストにすることができるというすぐれた効果が得られる。
【００３９】請求項３によれば、地中埋設管の内部への補修用材の浸入を防止できるため、補修用材の無駄な浪費を避けることができるとともに、補修用材の地中埋設管内での固化による下水の流れの悪影響を回避できるというすぐれた効果が得られる。請求項４によれば、地中埋設管内からこれの欠陥個所を通して外部の軟弱化しあるいは空洞化した領域に補修用材を注入、充填することができるので、補修可能部位の範囲を広げることができ、また、ノズルから補修用材を可縮性膨張体で囲繞された環状空間に吐出させるので、漏水個所などの欠陥部分が地中埋設管の下部だけでなく全周部分に存する場合にも、これにうまく充填することができるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による地中空洞部の地盤強化改善法に使用する補修用材の配合を模式的に示す説明図である。
【図２】（ａ）は本発明による地中空洞部の地盤強化改善法の施工例を模式的に示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図３】本発明による地中空洞部の地盤強化改善法の他の施工例を模式的に示す断面図である。
【図４】（ａ）は図３の施工例の第１段階を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。
【図５】（ａ）は図３の施工例の第２段階を示す断面図、（ｂ）はその一部拡大図である。
【図６】図３の施工例の第３段階を示す断面図である。
【図７】（ａ）は本発明の実験装置の側面図、（ｂ）はその断面図である。
【図８】（ａ）は実験後の状態を示す側面図、（ｂ）はその断面図である。
【符号の説明】
１骨材（余剰汚泥破砕物）
２セメント系固化材
５補修用材
１０欠陥地盤部位

【特許請求の範囲】
【請求項１】地中に生じている空洞部ないし軟弱化部を強化改善するにあたり、活性汚泥式廃水処理過程から排出される剰余汚泥脱水ケーキの破砕物を骨材とし、これに耐有機酸性のセメント系固化材を配合して硬化日数が２８日経た時点での圧縮強度が３〜１５ｋｇｆ／ｃｍ²程度となるように構成した補修用材を用い、これを地中の空洞部ないし軟弱化部に圧入充填し、硬化させ、強度を発現させることを特徴とする地中空洞部の地盤強化改善方法。
【請求項２】地中に生じている空洞部ないし軟弱化部が、地中埋設管周辺の空洞部ないし軟弱化部である請求項１に記載の地中空洞部の地盤強化改善方法。
【請求項３】地中埋設管内に、充填材の浸入防止手段を配して行なう請求項３に記載の地中空洞部の地盤強化改善方法。
【請求項４】補修用材の浸入防止手段として、軸方向中心に管体を有しその外周に複数の可縮性膨張体を相互に間隔をおいて設け、前記可縮性膨張体間の管体壁部位に補修用材を注入するノズルが位置しているものを使用し、ノズルが漏水による空洞部ないし軟弱化部に対応する部位に位置するように補修用材の浸入防止手段を地中埋設管内に配して可縮性膨張体を膨張させ、ノズルから補修用材を地中埋設管の欠陥部分を通して外部に吐出させる請求項３に記載の地中空洞部の地盤強化改善方法。

【図１】