高水圧下の止水グラウト工法及びシステム
【課題】高水圧の深地層において岩盤を破壊することなく施工できる止水グラウト工法及びシステムを提供する。
【解決手段】地下深部の坑道６の構築時に生じうる高水圧の湧水９を抑えるため、坑道６から周囲の湧水発生地質８にグラウト孔１１及び水抜き孔２１を穿ち、グラウト孔１１に圧力計１３及びグラウト材注入装置１５を接続すると共に水抜き孔２１に制御バルブ２２及び排水装置２５を接続し、水抜き孔２１の制御バルブ２２を徐々に拡げてグラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐ以下となる初期開度に調節したうえで注入装置１５を駆動してグラウト材Ｇを注入し、グラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇に応じて制御バルブ２２の開度を拡げて圧力計１３を所定圧力Ｐ以下に維持する。好ましくは、水抜き孔２１の制御バルブ２２が全開となり且つ排水流量計２４の排水流量が所定流量Ｗ以下となるまでグラウト孔１１へのグラウト材Ｇの注入を継続する。
【解決手段】地下深部の坑道６の構築時に生じうる高水圧の湧水９を抑えるため、坑道６から周囲の湧水発生地質８にグラウト孔１１及び水抜き孔２１を穿ち、グラウト孔１１に圧力計１３及びグラウト材注入装置１５を接続すると共に水抜き孔２１に制御バルブ２２及び排水装置２５を接続し、水抜き孔２１の制御バルブ２２を徐々に拡げてグラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐ以下となる初期開度に調節したうえで注入装置１５を駆動してグラウト材Ｇを注入し、グラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇に応じて制御バルブ２２の開度を拡げて圧力計１３を所定圧力Ｐ以下に維持する。好ましくは、水抜き孔２１の制御バルブ２２が全開となり且つ排水流量計２４の排水流量が所定流量Ｗ以下となるまでグラウト孔１１へのグラウト材Ｇの注入を継続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高水圧下の止水グラウト工法及びシステムに関し、とくに地下深部に坑道を構築する際に発生しうる高水圧の湧水に対応するための止水グラウト工法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地下深部の地層は難透水性・低透気性といった遮蔽性能を有しており、そのような遮蔽性能を利用して地上の不要な物質等を地下深部の地層内に貯留・処分する技術の開発が進められている。例えば原子力発電所から生じる放射性廃棄物（放射性核種を含む）を人間の生活環境から隔離して処分するため、図４（Ａ）に示すように、地下深度３００〜１０００ｍ程度の地層（以下、深地層という）の安定した岩盤内に構築した処分坑道６ｂに放射性廃棄物を閉じ込める地層処分施設の建設が計画されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
図４（Ａ）の地層処分施設は地表２上の地上設備３と地下施設とからなり、地下施設は、深地層１に構築した複数の処分坑道６ｂ及びそれらを相互に連絡する主要坑道６ａと、作業員等が地表２から処分坑道６ｂに出入りするためのアクセス立坑４と、放射性廃棄物を地表２から処分坑道６ｂへ搬入するためのアクセス斜坑５とで構成されている。放射性廃棄物を地下施設の処分坑道６ｂ内に搬入・集積したのち、処分坑道６ｂの内側をベントナイト等の緩衝材で充填して埋め戻し、深地層１の遮蔽性能を損なわない状態に復帰させる。放射性廃棄物中の核種は長期にわたり減衰しつつも存在し続けるが、遮蔽性能を有する深地層１と緩衝材等とを組み合わせた多重バリアによって閉じ込めることにより、人間の生活環境への放射性核種の移行を長期にわたり確実に抑止することが期待できる。
【０００４】
図４（Ａ）のような地層処分施設を構築する場合は、同図（Ｂ）に示すように、先ず深地層１にアクセスするための立坑４や斜坑５を掘削し、その後に深地層１の主要坑道６ａや処分坑道６ｂ（以下、両者をまとめて坑道６ということがある）を水平方向に展開して掘削する。坑道６の掘削に際しては、放射性核種の卓越した移行通路となりうる水みち等を作らないことが重要である。また、深地層１には湧水の原因となる未固結層、水みちとなる亀裂、断層破砕部、透水性の高い割れ目等の地層（以下、湧水発生地層という）が存在すると想定されるが、掘削する坑道６（大気圧状態）と地上近傍の地下水位との間にはかなりの高差圧（例えば地下３００ｍの坑道の場合は３ＭＰａ、１０００ｍの場合１０ＭＰａの圧力差）を生じる可能性があり、同図（Ｂ）のように坑道６の掘削時に湧水発生地層８が存在すると突発的に大量・高圧の湧水９が発生して施工の安全性や工程に多大な影響を与えるので、坑道６の掘削に際しては湧水９に対する対策工が不可欠である。
【０００５】
従来から湧水９に対する代表的な対策工として、湧水発生地層８に水抜きボーリング孔を設ける水抜き工法、湧水発生地層８にグラウト材（セメント系材料、粘土系材料等）を注入する止水グラウト工法等が知られている。通常の山岳トンネル等の掘削作業では、一般的に排水が容易であることから先ず水抜き工法が適用され、それでも不十分な場合に止水グラウト工法が適用されている。これに対して地層処分施設を構築する場合は、水抜き工法によって地下水を坑道６に集水すると周辺の地下水位が低下すると共に坑道６の地質的・化学的環境が乱されて深地層１の遮蔽性能を損なうおそれがあるため、周辺の地下水位をできるだけ低下させない止水グラウト工法を用いることが好ましいとされている（非特許文献２参照）。また、深地層１での水抜き工法は、地上までの揚水距離が長くなるので、通常の山岳トンネル等の水抜き工法に比してコスト高となる問題もある。
【０００６】
地下に構造物（坑道等）を構築する際の止水グラウト工法として、特許文献１は、構造物から周囲の透水性岩盤に複数の孔を形成し、何れかの孔にセメントミルク（グラウト材）を３〜１０ＭＰａで圧力注入すると共に他の孔から余剰水を排水する工程を複数の孔に対して順次繰り返し、各工程において低濃度（セメント／水が１／３０〜１／５００の割合）のセメントミルクを用いると共にセメントミルクの注入の進行に応じて注入圧力を徐々に大きくすることにより、岩盤内の亀裂（湧水発生地層）の深部又は細部までセメントミルクが充填された止水領域を形成するグラウト工法を開示している。また特許文献２は、止水対象の岩盤内に浸透水流（地下水の流れ）が存在する場合に、水流の上流側に形成したグラウト流入孔（ボーリング孔）から粘土懸濁液（グラウト材）を供給し、水流の下流部に形成した空間（坑道等）に粘土懸濁液を水流により自然流下させることにより、岩盤内の亀裂（湧水発生地層）を均一で高い密度で充填するグラウト工法を開示している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２９９７４１号公報
【特許文献２】特許第２６９１２５２号公報
【非特許文献１】電気事業連合会・核燃料サイクル開発機構「ＴＲＵ廃棄物処分技術検討書第３章、地層処分の工学技術」、２００５年９月、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｅｐｃ−ａｔｏｍｉｃ．ｊｐ／ｎｕｃｌｅａｒ／ｗａｓｔｅ／ｔｒｕ／００１．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】佐藤稔紀ほか「地下１，０００ｍに向けて・瑞浪超深地層研究所の建設計画」サイクル機構技法、第２０号、２００３年９月、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊｏｌｉｓｆｕｋｙｕ．ｔｏｋａｉ−ｓｃ．ｊａｅａ．ｇｏ．ｊｐ／ｆｕｋｙｕ／ｇｉｈｏｕ／ｐｄｆ２／ｎ２０−０４．ｐｄｆ＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１のように湧水発生地層にグラウト材を圧力注入する止水グラウト工法は、深地層１のような高水圧下でグラウト材を注入できる適当な装置（ポンプ等）が存在しない問題点がある。一般に止水グラウト工法では湧水圧（外水圧）の２〜３倍の圧力でグラウト材を注入する必要があり、通常の山岳トンネル等では最大でも注入圧力を７〜８ＭＰａ程度とすればグラウト材の注入が可能であるが、例えば地下深度１０００ｍ程度の深地層１では湧水圧も１０ＭＰａ程度の高圧となるため、既存の注入装置ではグラウト材を注入することができない。また、たとえ深地層１でグラウト材を注入する適当な注入装置が開発できたとしても、注入圧力を非常に大きくする必要があるため、周辺岩盤の種類や状態によっては高い注入圧により割裂破壊（亀裂）等が発生しうるという問題点もある。深地層１の岩盤に破壊（亀裂）が発生すると、放射性核種の移行通路となる水みちになりうると共に深地層１の遮蔽性能が損なわれる。高水圧の深地層において岩盤を破壊することなく施工できる止水グラウト工法の開発が望まれている。
【０００９】
これに対し、特許文献２が開示するような地下水の流れが深地層１内に存在する場合は、その流れを利用してグラウト材を注入することが期待できる。しかし、実際の深地層１の地下水は停止しているか、流動していても極めて低流速であり、深地層１には特許文献２の工法を適用できないことが多い。また、特許文献２の工法では地下水の流動方向にグラウト材を自然流下させるので、グラウト材が湧水発生地層以外の場所にも浸透してしまう問題点もある。深地層１の地質的・化学的環境を保持するためには、グラウト材Ｇの注入範囲をできる限り湧水発生地層に限定し、想定外の場所への浸透は避けることが望ましい。更に、特許文献２の工法では、水流の上流側から供給されたグラウト材が亀裂（湧水発生地層）に充填されるに応じて流れが止まる可能性があり、そのような流れの停止に抗して上流側にグラウト材を供給するためには注入圧力を大きくする必要があるため、やはり深地層１の岩盤に破壊（亀裂）を発生させる可能性が残る。
【００１０】
そこで本発明の目的は、高水圧の深地層において岩盤を破壊することなく施工できる止水グラウト工法及びシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
図１の実施例を参照するに、本発明による高水圧下の止水グラウト工法は、地下深部の坑道６（図４（Ａ）の坑道６ａ、６ｂ参照）の構築時に生じうる高水圧の湧水９（図４（Ｂ）参照）を抑える止水グラウト工法において、坑道６から周囲の湧水発生地質８（図４（Ｂ）も参照）にグラウト孔１１及び水抜き孔２１を穿ち、グラウト孔１１に圧力計１３及びグラウト材注入装置１５を接続すると共に水抜き孔２１に制御バルブ２２及び排水装置２５を接続し、水抜き孔２１の制御バルブ２２を徐々に拡げてグラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐ以下となる初期開度に調節したうえで注入装置１５を駆動してグラウト材Ｇを注入し、グラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇に応じて制御バルブ２２の開度を拡げて圧力計１３を所定圧力Ｐ以下に維持してなるものである。
【００１２】
また図１のブロック図を参照するに、本発明による高水圧下の止水グラウトシステムは、地下深部の坑道６（図４の坑道６ａ、６ｂ参照）の構築時に生じうる高水圧の湧水９（図４（Ｂ）を抑える止水グラウトシステムにおいて、坑道６から周囲の湧水発生地質８（図４（Ｂ）も参照）に穿ったグラウト孔１１に接続する圧力計１３及びグラウト材注入装置１５、その湧水発生地質８に坑道６から穿った水抜き孔２１に接続する制御バルブ２２及び排水装置２５、並びに水抜き孔２１の制御バルブ２２を徐々に拡げてグラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐ以下となる初期開度に調節したうえでグラウト材注入装置１５を駆動し且つグラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇に応じて制御バルブ２２の開度を拡げて圧力計１３を所定圧力Ｐ以下に維持する制御装置２６を備えてなるものである。
【００１３】
好ましくは、水抜き孔２１に排水流量計２４を設け、圧力計１３の圧力上昇に代えて又は加えて、排水流量計２４の排水流量の減少に応じて制御バルブ２２の開度を拡げる。更に好ましくは、水抜き孔２１の制御バルブ２２が全開となり且つ排水流量計２４の排水流量が所定流量Ｗ以下となるまでグラウト孔１１へのグラウト材Ｇの注入を継続する。望ましくは、図１に示すように、グラウト材注入装置１５にグラウト材Ｇの粘度又は硬化速度を調整する調整装置１６を含め、グラウト孔１１へのグラウト材Ｇの注入時に排水流量計２４の排水流量が低減しない場合にグラウト材Ｇの粘度又は硬化速度を高める。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による高水圧下の止水グラウト工法及びシステムは、地下深部の坑道６から周囲の湧水発生地質８に穿ったグラウト孔１１に圧力計１３及びグラウト材注入装置１５を接続すると共に、その湧水発生地質８に坑道６から穿った水抜き孔２１に制御バルブ２２及び排水装置２５を接続し、水抜き孔２１の制御バルブ２２を徐々に拡げてグラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐ以下となる初期開度に調節したうえでグラウト材注入装置１５を駆動してグラウト材Ｇの注入を開始し、グラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇に応じて制御バルブ２２の開度を拡げて圧力計１３を所定圧力Ｐ以下に維持しながらグラウト材Ｇの注入を継続するので、次の顕著な効果を奏する。
【００１５】
（イ）水抜き孔２１の制御バルブ２２の開度の調節によりグラウト孔１１と水抜き孔２１との間に人工的な動水勾配Ｕを形成するので、地下深部の岩盤強度が弱い場合でも、グラウト孔１１が岩盤に破壊（亀裂）を生じさせない所定圧力Ｐ以下となるように制御バルブ２２の開度を調節してグラウト材Ｇを注入することができる。
（ロ）グラウト材Ｇの注入の進行に応じて人工的な動水勾配Ｕは徐々に小さくなりうるが、水抜き孔２１の制御バルブ２２の調節により動水勾配Ｕを回復させてグラウト孔１１を所定圧力Ｐ以下に維持するので、岩盤破壊（亀裂）の原因となりうるグラウト材Ｇの注入圧力の増大を避けることができる。
（ハ）また、グラウト孔１１を所定圧力Ｐ以下に維持するので、例えば１０ＭＰａ程度の高水圧下の深地層においても、比較的低圧の既存のグラウト材注入装置１５を利用してグラウト材Ｇを注入することができる。
【００１６】
（ニ）グラウト孔１１及び水抜き孔２１の穿設位置は湧水発生地質８の形状に合わせて任意に選択し、その形状に応じた人工的な動水勾配Ｕを形成してグラウト材Ｇを浸透させることができる。すなわち、グラウト材Ｇの浸透向きの制御が可能であり、グラウト材Ｇの想定外の場所への浸透を防ぐことができる。
（ホ）また、人工的な動水勾配Ｕによるグラウト材Ｇの浸透過程における目詰まり又は硬化を利用して湧水発生地質８の湧水を低下させるので、通常の止水グラウト工法で使用されるセメント系のグラウト材Ｇだけでなく、硬化速度の遅い低アルカリセメント系や粘土系のグラウト材Ｇも利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１（Ａ）は、本発明の止水グラウトシステムを図４（Ａ）に示すような放射性廃棄物の地層処分施設の坑道６を深地層１に掘削する際に適用した実施例を示し、図４（Ｂ）の線Ｉ−Ｉにおける深地層１の坑道６を含む水平断面図を表している。図示例では、地表２から深地層１に立坑４又は斜坑５を掘削したのち、その立坑４又は斜坑５の下端から異なる水平方向に、想定される湧水発生地層８を前方探査しながら２本の主要坑道６ａ及び処分坑道６ｂを同時に掘削している。例えば坑道６ｂの掘削時の前方探査（例えば物理探査や探りボーリング探査等）により湧水発生地層８の存在が検出された場合に、本発明の止水グラウト工法をプレグラウト工法として用いて湧水発生地層８にグラウト材Ｇを注入し、坑道６ｂの計画位置（掘削計画位置）に止水ゾーン１９を形成することで高水圧の湧水９の発生を未然に防止する（図１（Ｂ）参照）。
【００１８】
以下、図１の実施例を参照して本発明の止水グラウト工法及びシステムを説明するが、本発明の適用範囲は地層処分施設のような深地層１に限定されるものではなく、高水圧の湧水９が発生しうる通常の山岳トンネルや地下備蓄基地等の構築時にも広く適用可能である。また、本発明の止水グラウト工法は、プレグラウト工法として用いるだけでなく、坑道６の掘削時に湧水９が発生した後に周囲の湧水発生地質８に対してグラウト材Ｇを注入するポストグラウト工法として用いることもできる。
【００１９】
先ず、深地層１の坑道６から周囲の湧水発生地質８まで少なくとも一対のボーリング孔１１、２１を削孔し、一方のボーリング孔２１を排水装置２５と接続して水抜き孔とし、他のボーリング孔１１をグラウト材注入装置１５と接続してグラウト孔とする。グラウト孔１１及び水抜き孔２１の削孔位置（削孔方向、削孔深さを含む。以下同じ）は、止水対象の湧水発生地質８の形状（例えば亀裂の走向や傾斜等）に合わせて任意に選択することができる。後述するように、本発明ではグラウト孔１１と水抜き孔２１との間に人工的な動水勾配Ｕを形成してグラウト材Ｇを浸透させるが、湧水発生地質８の形状に位置合わせてグラウト孔１１及び水抜き孔２１の削孔位置を定めることにより、例えば亀裂の走行や傾斜に沿ってグラウト材Ｇを浸透させて止水ゾーン１９を形成することができ、グラウト材Ｇが湧水発生地質８外の場所へ浸透するのを防ぐことができる。
【００２０】
グラウト孔１１及び水抜き孔２１は、図１に示すように、将来的に坑道６の掘削が計画されている坑道計画位置７と重なるように削孔することが望ましい。深地層１に地層処分施設を構築する場合は、ボーリング孔等が将来的に放射性核種の水みち等となる可能性があり、岩盤中にボーリング孔が残存することが望ましくない。グラウト孔１１及び水抜き孔２１を坑道計画位置７と重ねて削孔すれば、その後の坑道６の掘削によってグラウト孔１１及び水抜き孔２１が残存しなくなり、水みちとなるおそれがなくなる。図示例では、処分坑道６ｂから前方の坑道計画位置７に沿って水抜き孔２１を削孔し、その処分坑道６ｂと平行な坑道計画位置７に沿って主要坑道６ａからグラウト孔１１を削孔している。グラウト孔１１及び水抜き孔２１を坑道計画位置７と重なるように削孔できない場合は、止水グラウト完了後にボーリング孔１１、２１の埋め戻しが必要となる。
【００２１】
なお、図１の実施例では説明簡単化のためにグラウト孔１１及び水抜き孔２１をそれぞれ１本ずつ設けているが、坑道６から湧水発生地質８に向けて複数本のグラウト孔１１及び／又は水抜き孔２１を設けてもよい。例えば１本の水抜き孔２１の両側にそれぞれグラウト孔１１を削孔し、両側の２本のグラウト孔１１と中央の水抜き孔２１との間にそれぞれ人工的な動水勾配Ｕを形成しながらグラウト材Ｇを同時に浸透させることにより、湧水発生地質８の形状に合わせて水抜き孔２１の両側に広がる止水ゾーン１９を形成することができる。逆に、１本のグラウト孔１１の両側に２本の水抜き孔２１を削孔し、中央のグラウト孔１１と両側の水抜き孔２１との間にそれぞれ人工的な動水勾配Ｕを形成しながら、中央のグラウト孔１１に注入したグラウト材Ｇを湧水発生地質８の形状に合わせて異なる方向へ同時に浸透させることも可能である。
【００２２】
図示例の止水グラウトシステムは、グラウト孔１１に接続するグラウト材注入装置１５及び圧力計１３と、水抜き孔２１に接続する排水装置２５及び制御バルブ２２と、注入装置１５、圧力計１３、及び制御バルブ２２に接続された制御装置２６とを有している。図示例のシステムは、注入装置１５にグラウト孔１１の開閉バルブ（又は制御バルブ）１２及び流量計１４を含め、そのパルブ１２及び流量計１４を制御装置２６と接続しているが、バルブ１２及び流量計１４を注入装置１５から分離して制御装置２と接続してもよい。また、水抜き孔２１の制御バルブ２２は排水装置２５に含めることができ、その場合は制御装置２６を排水装置２５と接続すればよい。なお、図示例では水抜き孔２１にも深地層１の圧力を確認するための圧力計２３を設けているが、水抜き孔２１の圧力計２３は本発明に必須のものではない。
【００２３】
図３は、グラウト孔１１のバルブ１２を閉鎖しつつ水抜き孔２１の制御バルブ２２を徐々に拡げた場合に、グラウト孔１１と水抜き孔２１との間に生じる圧力水頭差（動水勾配Ｕ）の変化の一例を示す。この例では、グラウト孔１１のバルブ１２と水抜き孔２１の制御バルブ２２とが共に閉鎖された定常状態においてグラウト孔１１と水抜き孔２１との間に圧力水頭差が存在していない（初期水頭）。しかし、制御バルブ２２の開度を徐々に拡げることにより、グラウト孔１１の水頭が水頭２、水頭３、水頭４と徐々に低下すると共に、グラウト孔１１と水抜き孔２１との間に動水勾配Ｕを形成することができる。上述したように湧水圧が１０ＭＰａ程度にもなる深地層１の高水圧下でグラウト材Ｇを注入することは困難であるが、図３のように水抜き孔２１の制御バルブ２２を拡げてグラウト孔１１の水頭を低下させれば、比較的低圧の既存の注入装置１５を利用してグラウト材Ｇを注入することができる。
【００２４】
例えば、排水装置２５により水抜き孔２１から排水しながら、制御装置２６によりグラウト孔１１の圧力計１３がグラウト材Ｇの注入可能な所定圧力（グラウト可能圧）Ｐより若干低い圧力（例えば図３の水頭３）となるように水抜き孔２１の制御バルブ２２を初期開度に調節したのち、注入装置１５を駆動してグラウト孔１１からグラウト材Ｇの注入を開始する。或いは、排水装置２５の処理可能排水量に余裕がある場合は、グラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐより十分低い圧力（例えば図３の水頭４）となるように水抜き孔２１の制御バルブ２２を初期開度に調節してグラウト材Ｇを開始してもよい。制御バルブ２２の初期開度は、グラウト孔１１の圧力計１３がグラウト材Ｇの注入可能な所定圧力Ｐ以下となる範囲内において、排水装置２５の処理可能排水量等を考慮して決めることができる。
【００２５】
グラウト孔１１における所定圧力Ｐは、グラウト材注入装置１５の注入圧力に応じてグラウト材Ｇが注入できる圧力とすればよい。例えば、グラウト孔１１の所定圧力Ｐが注入装置１５の注入圧力の１／２〜１／３となるように水抜き孔２１の制御バルブ２２の初期開度を調節する。ただし、本発明ではグラウト孔１１に注入されたグラウト材Ｇが人工的に形成された動水勾配Ｕにより流すことができるので、グラウト材Ｇを外水圧の２〜３倍の圧力で押し込む必要はなく、外水圧と同程度の圧力でグラウト孔１１内に送り込めば、動水勾配Ｕによりグラウト材Ｇを湧水発生地質８に浸透させることが期待できる。この場合は、グラウト孔１１の所定圧力Ｐが注入装置１５の注入圧力と同程度となるように水抜き孔２１の制御バルブ２２の初期開度を調節すればよい。
【００２６】
グラウト孔１１から注入されたグラウト材Ｇは、動水勾配Ｕにより湧水発生地質８を浸透して水抜き孔２１側へ送られる。その浸透の過程において、グラウト材Ｇの目詰まり効果又はグラウト材Ｇの硬化作用によって湧水発生地質８に止水ゾーン１９が徐々に形成される。グラウト材Ｇの目詰まり又は硬化の進行に応じて地下水が流れにくくなり、動水勾配Ｕが徐々に小さくなってグラウト孔１１の圧力が（例えば水頭３から水頭２へと）上昇しうるが、そのような圧力計１３の圧力上昇は制御装置２６により検出することができる。図示例の制御装置２６は、圧力計１３の圧力上昇に応じて水抜き孔２１の制御バルブ２２の開度を拡げて動水勾配Ｕを回復させることにより、グラウト孔１１を所定圧力Ｐ以下に維持してグラウト材Ｇの注入を継続する。すなわち、従来のグラウト工法では湧水発生地層８の充填に応じてグラウト材Ｇの注入圧力を大きくしていたが、本発明のグラウト工法では、グラウト材Ｇの注入圧力を大きくするのではなく水抜き孔２１からの排水量を増やすることによりグラウト材Ｇの注入を継続するので、岩盤破壊（亀裂）の原因となりうるグラウト材Ｇの注入圧力の増大を避けることができる。
【００２７】
或いは、図示例のように水抜き孔２１の制御バルブ２２に排水流量計２４を設け、制御装置２６によりグラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇に代えて排水流量計２４の排水流量の減少を検出し、その排水流量の減少に応じて水抜き孔２１の制御バルブ２２の開度を拡げて動水勾配Ｕを回復させることも可能である。例えば、制御バルブ２２を初期開度の排水流量より減少したときは、制御バルブ２２の開度を拡げて初期開度の排水流量に維持することにより、グラウト孔１１の圧力を低下させる。制御装置２６により圧力計１３の圧力と排水流量計２４の排水流量とを共に監視し、その圧力と排水流量との両者に基づいて制御バルブ２２の開度を調節することも有効である。
【００２８】
グラウト孔１１からグラウト材Ｇを注入しているにも拘わらず、グラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇又は水抜き孔２１の排水流量計２４の流量減少が生じない場合は、グラウト材Ｇの動水勾配Ｕが大きすぎると考えられる。この場合は、グラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐ以下となる範囲内において、制御バルブ２２の初期開度を縮小して動水勾配Ｕを小さくすることができる。また、制御バルブ２２の開度を縮小することが難しい場合は、図示例のようにグラウト材注入装置１５にグラウト材Ｇの粘度又は硬化速度を調整する調整装置１６を設け、グラウト材Ｇの粘度又は硬化速度を高める。例えば調整装置１６によってグラウト材Ｇの粉体の割合を調整し、又はグラウト材Ｇに適当な粘度調整剤を添加する。或いはグラウト材Ｇに適当な硬化速度調整剤添加してもよい。
【００２９】
グラウト孔１１からのグラウト材Ｇの注入は、水抜き孔２１の制御バルブ２２が全開となり、且つ、水抜き孔２１の排水流量計２４の排水流量が所定流量Ｗ以下となるまで継続する。グラウト材Ｇの目詰まり又は硬化により止水ゾーン１９の浸透特性が低下すると水抜き孔２１の排水流量も低下するが、水抜き孔２１の排水流量により止水ゾーン１９の浸透特性をある程度推定することができる。例えば、止水ゾーン１９が所望の浸透特性となったときの所定流量Ｗを予め求め、水抜き孔２１の制御バルブ２２を全開にしても排水流量がその所定流量Ｗ以下であることから、所望の浸透特性の止水ゾーン１９が形成できたことを確認することができる。
【００３０】
こうして本発明の目的である「高水圧の深地層において岩盤を破壊することなく施工できる止水グラウト工法及びシステム」の提供を達成できる。
【実施例１】
【００３１】
図２は、坑道６ａの所定部位から湧水発生地質８に向けて水抜き孔２１を削孔すると共に、その水抜き孔２１の周囲に湧水発生地質８に向けて複数本のグラウト孔１１ａ、１１ｂをファン形状に削孔し、周囲の複数本のグラウト孔１１ａ、１１ｂと中央の水抜き孔２１との間にそれぞれ人工的な動水勾配Ｕを形成しながらグラウト材Ｇを同時に浸透させる本発明の止水グラウト工法及びシステムを示す。このようなグラウト工法によれば、例えば湧水発生地質８が面的に広がっている場合に、その形状に合わせて面的な止水ゾーン１９を迅速且つ効率的に形成することができる。ただし、水抜き孔２１は坑道計画位置７と重なるよう削孔しているが、坑道計画位置７と重ならないグラウト孔１１ａ、１１ｂは、将来的に水みちとなりうるので止水ゾーン１９の完成後に埋め戻す必要がある。なお、図示例では水抜き孔２１を１本としているが、水抜き孔２１を複数本設けることも可能である。
【００３２】
図示例のシステムにおいても、図１の場合と同様に、水抜き孔２１を排水装置２５及び制御バルブ２２と接続し、複数のグラウト孔１１ａ、１１ｂをそれぞれグラウト材注入装置１５及び圧力計１３ａ、１３ｂと接続している。排水装置２５により水抜き孔２１から排水しながら、制御装置２６により各グラウト孔１１ａ、１１ｂの圧力計１３ａ、１３ｂがグラウト材Ｇの注入可能な所定圧力Ｐ以下となるように水抜き孔２１の制御バルブ２２を初期開度に調節したのち、注入装置１５を駆動して各グラウト孔１１ａ、１１ｂからグラウト材Ｇを注入する。また、各グラウト孔１１ａ、１１ｂの圧力計１３ａ、１３ｂの圧力上昇を制御装置２６により検出し、その圧力上昇に応じて水抜き孔２１の制御バルブ２２の開度を拡げることにより各グラウト孔１１ａ、１１ｂを所定圧力Ｐ以下に維持してグラウト材Ｇの注入を継続する。図１の場合と同様に、水抜き孔２１の制御バルブ２２が全開となり、排水流量計２４の排水流量が所定流量Ｗ以下となるまでグラウト材Ｇの注入を継続することにより、周辺の湧水発生地質８に所望の浸透特性の止水ゾーン１９を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による止水グラウト工法の一実施例の説明図である。
【図２】本発明による止水グラウト工法の他の実施例の説明図である。
【図３】水抜き孔のバルブ開度に応じたグラウト孔の水圧変化の一例を示すグラフである。
【図４】放射性廃棄物の地層処分施設の説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…深地層（岩盤） ２…地表
３…地上施設 ４…アクセス立坑
５…アクセス斜道 ６…坑道
７…坑道計画位置 ８…湧水発生地質
９…湧水 １１…グラウト孔
１２…バルブ １３…圧力計
１４…流量計 １５…グラウト注入装置
１６…グラウト調整装置 １９…止水ゾーン（改良ゾーン）
２１…水抜き孔 ２２…制御バルブ
２３…圧力計 ２４…流量計
２５…排水装置 ３０…制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は高水圧下の止水グラウト工法及びシステムに関し、とくに地下深部に坑道を構築する際に発生しうる高水圧の湧水に対応するための止水グラウト工法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地下深部の地層は難透水性・低透気性といった遮蔽性能を有しており、そのような遮蔽性能を利用して地上の不要な物質等を地下深部の地層内に貯留・処分する技術の開発が進められている。例えば原子力発電所から生じる放射性廃棄物（放射性核種を含む）を人間の生活環境から隔離して処分するため、図４（Ａ）に示すように、地下深度３００〜１０００ｍ程度の地層（以下、深地層という）の安定した岩盤内に構築した処分坑道６ｂに放射性廃棄物を閉じ込める地層処分施設の建設が計画されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
図４（Ａ）の地層処分施設は地表２上の地上設備３と地下施設とからなり、地下施設は、深地層１に構築した複数の処分坑道６ｂ及びそれらを相互に連絡する主要坑道６ａと、作業員等が地表２から処分坑道６ｂに出入りするためのアクセス立坑４と、放射性廃棄物を地表２から処分坑道６ｂへ搬入するためのアクセス斜坑５とで構成されている。放射性廃棄物を地下施設の処分坑道６ｂ内に搬入・集積したのち、処分坑道６ｂの内側をベントナイト等の緩衝材で充填して埋め戻し、深地層１の遮蔽性能を損なわない状態に復帰させる。放射性廃棄物中の核種は長期にわたり減衰しつつも存在し続けるが、遮蔽性能を有する深地層１と緩衝材等とを組み合わせた多重バリアによって閉じ込めることにより、人間の生活環境への放射性核種の移行を長期にわたり確実に抑止することが期待できる。
【０００４】
図４（Ａ）のような地層処分施設を構築する場合は、同図（Ｂ）に示すように、先ず深地層１にアクセスするための立坑４や斜坑５を掘削し、その後に深地層１の主要坑道６ａや処分坑道６ｂ（以下、両者をまとめて坑道６ということがある）を水平方向に展開して掘削する。坑道６の掘削に際しては、放射性核種の卓越した移行通路となりうる水みち等を作らないことが重要である。また、深地層１には湧水の原因となる未固結層、水みちとなる亀裂、断層破砕部、透水性の高い割れ目等の地層（以下、湧水発生地層という）が存在すると想定されるが、掘削する坑道６（大気圧状態）と地上近傍の地下水位との間にはかなりの高差圧（例えば地下３００ｍの坑道の場合は３ＭＰａ、１０００ｍの場合１０ＭＰａの圧力差）を生じる可能性があり、同図（Ｂ）のように坑道６の掘削時に湧水発生地層８が存在すると突発的に大量・高圧の湧水９が発生して施工の安全性や工程に多大な影響を与えるので、坑道６の掘削に際しては湧水９に対する対策工が不可欠である。
【０００５】
従来から湧水９に対する代表的な対策工として、湧水発生地層８に水抜きボーリング孔を設ける水抜き工法、湧水発生地層８にグラウト材（セメント系材料、粘土系材料等）を注入する止水グラウト工法等が知られている。通常の山岳トンネル等の掘削作業では、一般的に排水が容易であることから先ず水抜き工法が適用され、それでも不十分な場合に止水グラウト工法が適用されている。これに対して地層処分施設を構築する場合は、水抜き工法によって地下水を坑道６に集水すると周辺の地下水位が低下すると共に坑道６の地質的・化学的環境が乱されて深地層１の遮蔽性能を損なうおそれがあるため、周辺の地下水位をできるだけ低下させない止水グラウト工法を用いることが好ましいとされている（非特許文献２参照）。また、深地層１での水抜き工法は、地上までの揚水距離が長くなるので、通常の山岳トンネル等の水抜き工法に比してコスト高となる問題もある。
【０００６】
地下に構造物（坑道等）を構築する際の止水グラウト工法として、特許文献１は、構造物から周囲の透水性岩盤に複数の孔を形成し、何れかの孔にセメントミルク（グラウト材）を３〜１０ＭＰａで圧力注入すると共に他の孔から余剰水を排水する工程を複数の孔に対して順次繰り返し、各工程において低濃度（セメント／水が１／３０〜１／５００の割合）のセメントミルクを用いると共にセメントミルクの注入の進行に応じて注入圧力を徐々に大きくすることにより、岩盤内の亀裂（湧水発生地層）の深部又は細部までセメントミルクが充填された止水領域を形成するグラウト工法を開示している。また特許文献２は、止水対象の岩盤内に浸透水流（地下水の流れ）が存在する場合に、水流の上流側に形成したグラウト流入孔（ボーリング孔）から粘土懸濁液（グラウト材）を供給し、水流の下流部に形成した空間（坑道等）に粘土懸濁液を水流により自然流下させることにより、岩盤内の亀裂（湧水発生地層）を均一で高い密度で充填するグラウト工法を開示している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２９９７４１号公報
【特許文献２】特許第２６９１２５２号公報
【非特許文献１】電気事業連合会・核燃料サイクル開発機構「ＴＲＵ廃棄物処分技術検討書第３章、地層処分の工学技術」、２００５年９月、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｅｐｃ−ａｔｏｍｉｃ．ｊｐ／ｎｕｃｌｅａｒ／ｗａｓｔｅ／ｔｒｕ／００１．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】佐藤稔紀ほか「地下１，０００ｍに向けて・瑞浪超深地層研究所の建設計画」サイクル機構技法、第２０号、２００３年９月、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊｏｌｉｓｆｕｋｙｕ．ｔｏｋａｉ−ｓｃ．ｊａｅａ．ｇｏ．ｊｐ／ｆｕｋｙｕ／ｇｉｈｏｕ／ｐｄｆ２／ｎ２０−０４．ｐｄｆ＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１のように湧水発生地層にグラウト材を圧力注入する止水グラウト工法は、深地層１のような高水圧下でグラウト材を注入できる適当な装置（ポンプ等）が存在しない問題点がある。一般に止水グラウト工法では湧水圧（外水圧）の２〜３倍の圧力でグラウト材を注入する必要があり、通常の山岳トンネル等では最大でも注入圧力を７〜８ＭＰａ程度とすればグラウト材の注入が可能であるが、例えば地下深度１０００ｍ程度の深地層１では湧水圧も１０ＭＰａ程度の高圧となるため、既存の注入装置ではグラウト材を注入することができない。また、たとえ深地層１でグラウト材を注入する適当な注入装置が開発できたとしても、注入圧力を非常に大きくする必要があるため、周辺岩盤の種類や状態によっては高い注入圧により割裂破壊（亀裂）等が発生しうるという問題点もある。深地層１の岩盤に破壊（亀裂）が発生すると、放射性核種の移行通路となる水みちになりうると共に深地層１の遮蔽性能が損なわれる。高水圧の深地層において岩盤を破壊することなく施工できる止水グラウト工法の開発が望まれている。
【０００９】
これに対し、特許文献２が開示するような地下水の流れが深地層１内に存在する場合は、その流れを利用してグラウト材を注入することが期待できる。しかし、実際の深地層１の地下水は停止しているか、流動していても極めて低流速であり、深地層１には特許文献２の工法を適用できないことが多い。また、特許文献２の工法では地下水の流動方向にグラウト材を自然流下させるので、グラウト材が湧水発生地層以外の場所にも浸透してしまう問題点もある。深地層１の地質的・化学的環境を保持するためには、グラウト材Ｇの注入範囲をできる限り湧水発生地層に限定し、想定外の場所への浸透は避けることが望ましい。更に、特許文献２の工法では、水流の上流側から供給されたグラウト材が亀裂（湧水発生地層）に充填されるに応じて流れが止まる可能性があり、そのような流れの停止に抗して上流側にグラウト材を供給するためには注入圧力を大きくする必要があるため、やはり深地層１の岩盤に破壊（亀裂）を発生させる可能性が残る。
【００１０】
そこで本発明の目的は、高水圧の深地層において岩盤を破壊することなく施工できる止水グラウト工法及びシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
図１の実施例を参照するに、本発明による高水圧下の止水グラウト工法は、地下深部の坑道６（図４（Ａ）の坑道６ａ、６ｂ参照）の構築時に生じうる高水圧の湧水９（図４（Ｂ）参照）を抑える止水グラウト工法において、坑道６から周囲の湧水発生地質８（図４（Ｂ）も参照）にグラウト孔１１及び水抜き孔２１を穿ち、グラウト孔１１に圧力計１３及びグラウト材注入装置１５を接続すると共に水抜き孔２１に制御バルブ２２及び排水装置２５を接続し、水抜き孔２１の制御バルブ２２を徐々に拡げてグラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐ以下となる初期開度に調節したうえで注入装置１５を駆動してグラウト材Ｇを注入し、グラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇に応じて制御バルブ２２の開度を拡げて圧力計１３を所定圧力Ｐ以下に維持してなるものである。
【００１２】
また図１のブロック図を参照するに、本発明による高水圧下の止水グラウトシステムは、地下深部の坑道６（図４の坑道６ａ、６ｂ参照）の構築時に生じうる高水圧の湧水９（図４（Ｂ）を抑える止水グラウトシステムにおいて、坑道６から周囲の湧水発生地質８（図４（Ｂ）も参照）に穿ったグラウト孔１１に接続する圧力計１３及びグラウト材注入装置１５、その湧水発生地質８に坑道６から穿った水抜き孔２１に接続する制御バルブ２２及び排水装置２５、並びに水抜き孔２１の制御バルブ２２を徐々に拡げてグラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐ以下となる初期開度に調節したうえでグラウト材注入装置１５を駆動し且つグラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇に応じて制御バルブ２２の開度を拡げて圧力計１３を所定圧力Ｐ以下に維持する制御装置２６を備えてなるものである。
【００１３】
好ましくは、水抜き孔２１に排水流量計２４を設け、圧力計１３の圧力上昇に代えて又は加えて、排水流量計２４の排水流量の減少に応じて制御バルブ２２の開度を拡げる。更に好ましくは、水抜き孔２１の制御バルブ２２が全開となり且つ排水流量計２４の排水流量が所定流量Ｗ以下となるまでグラウト孔１１へのグラウト材Ｇの注入を継続する。望ましくは、図１に示すように、グラウト材注入装置１５にグラウト材Ｇの粘度又は硬化速度を調整する調整装置１６を含め、グラウト孔１１へのグラウト材Ｇの注入時に排水流量計２４の排水流量が低減しない場合にグラウト材Ｇの粘度又は硬化速度を高める。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による高水圧下の止水グラウト工法及びシステムは、地下深部の坑道６から周囲の湧水発生地質８に穿ったグラウト孔１１に圧力計１３及びグラウト材注入装置１５を接続すると共に、その湧水発生地質８に坑道６から穿った水抜き孔２１に制御バルブ２２及び排水装置２５を接続し、水抜き孔２１の制御バルブ２２を徐々に拡げてグラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐ以下となる初期開度に調節したうえでグラウト材注入装置１５を駆動してグラウト材Ｇの注入を開始し、グラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇に応じて制御バルブ２２の開度を拡げて圧力計１３を所定圧力Ｐ以下に維持しながらグラウト材Ｇの注入を継続するので、次の顕著な効果を奏する。
【００１５】
（イ）水抜き孔２１の制御バルブ２２の開度の調節によりグラウト孔１１と水抜き孔２１との間に人工的な動水勾配Ｕを形成するので、地下深部の岩盤強度が弱い場合でも、グラウト孔１１が岩盤に破壊（亀裂）を生じさせない所定圧力Ｐ以下となるように制御バルブ２２の開度を調節してグラウト材Ｇを注入することができる。
（ロ）グラウト材Ｇの注入の進行に応じて人工的な動水勾配Ｕは徐々に小さくなりうるが、水抜き孔２１の制御バルブ２２の調節により動水勾配Ｕを回復させてグラウト孔１１を所定圧力Ｐ以下に維持するので、岩盤破壊（亀裂）の原因となりうるグラウト材Ｇの注入圧力の増大を避けることができる。
（ハ）また、グラウト孔１１を所定圧力Ｐ以下に維持するので、例えば１０ＭＰａ程度の高水圧下の深地層においても、比較的低圧の既存のグラウト材注入装置１５を利用してグラウト材Ｇを注入することができる。
【００１６】
（ニ）グラウト孔１１及び水抜き孔２１の穿設位置は湧水発生地質８の形状に合わせて任意に選択し、その形状に応じた人工的な動水勾配Ｕを形成してグラウト材Ｇを浸透させることができる。すなわち、グラウト材Ｇの浸透向きの制御が可能であり、グラウト材Ｇの想定外の場所への浸透を防ぐことができる。
（ホ）また、人工的な動水勾配Ｕによるグラウト材Ｇの浸透過程における目詰まり又は硬化を利用して湧水発生地質８の湧水を低下させるので、通常の止水グラウト工法で使用されるセメント系のグラウト材Ｇだけでなく、硬化速度の遅い低アルカリセメント系や粘土系のグラウト材Ｇも利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１（Ａ）は、本発明の止水グラウトシステムを図４（Ａ）に示すような放射性廃棄物の地層処分施設の坑道６を深地層１に掘削する際に適用した実施例を示し、図４（Ｂ）の線Ｉ−Ｉにおける深地層１の坑道６を含む水平断面図を表している。図示例では、地表２から深地層１に立坑４又は斜坑５を掘削したのち、その立坑４又は斜坑５の下端から異なる水平方向に、想定される湧水発生地層８を前方探査しながら２本の主要坑道６ａ及び処分坑道６ｂを同時に掘削している。例えば坑道６ｂの掘削時の前方探査（例えば物理探査や探りボーリング探査等）により湧水発生地層８の存在が検出された場合に、本発明の止水グラウト工法をプレグラウト工法として用いて湧水発生地層８にグラウト材Ｇを注入し、坑道６ｂの計画位置（掘削計画位置）に止水ゾーン１９を形成することで高水圧の湧水９の発生を未然に防止する（図１（Ｂ）参照）。
【００１８】
以下、図１の実施例を参照して本発明の止水グラウト工法及びシステムを説明するが、本発明の適用範囲は地層処分施設のような深地層１に限定されるものではなく、高水圧の湧水９が発生しうる通常の山岳トンネルや地下備蓄基地等の構築時にも広く適用可能である。また、本発明の止水グラウト工法は、プレグラウト工法として用いるだけでなく、坑道６の掘削時に湧水９が発生した後に周囲の湧水発生地質８に対してグラウト材Ｇを注入するポストグラウト工法として用いることもできる。
【００１９】
先ず、深地層１の坑道６から周囲の湧水発生地質８まで少なくとも一対のボーリング孔１１、２１を削孔し、一方のボーリング孔２１を排水装置２５と接続して水抜き孔とし、他のボーリング孔１１をグラウト材注入装置１５と接続してグラウト孔とする。グラウト孔１１及び水抜き孔２１の削孔位置（削孔方向、削孔深さを含む。以下同じ）は、止水対象の湧水発生地質８の形状（例えば亀裂の走向や傾斜等）に合わせて任意に選択することができる。後述するように、本発明ではグラウト孔１１と水抜き孔２１との間に人工的な動水勾配Ｕを形成してグラウト材Ｇを浸透させるが、湧水発生地質８の形状に位置合わせてグラウト孔１１及び水抜き孔２１の削孔位置を定めることにより、例えば亀裂の走行や傾斜に沿ってグラウト材Ｇを浸透させて止水ゾーン１９を形成することができ、グラウト材Ｇが湧水発生地質８外の場所へ浸透するのを防ぐことができる。
【００２０】
グラウト孔１１及び水抜き孔２１は、図１に示すように、将来的に坑道６の掘削が計画されている坑道計画位置７と重なるように削孔することが望ましい。深地層１に地層処分施設を構築する場合は、ボーリング孔等が将来的に放射性核種の水みち等となる可能性があり、岩盤中にボーリング孔が残存することが望ましくない。グラウト孔１１及び水抜き孔２１を坑道計画位置７と重ねて削孔すれば、その後の坑道６の掘削によってグラウト孔１１及び水抜き孔２１が残存しなくなり、水みちとなるおそれがなくなる。図示例では、処分坑道６ｂから前方の坑道計画位置７に沿って水抜き孔２１を削孔し、その処分坑道６ｂと平行な坑道計画位置７に沿って主要坑道６ａからグラウト孔１１を削孔している。グラウト孔１１及び水抜き孔２１を坑道計画位置７と重なるように削孔できない場合は、止水グラウト完了後にボーリング孔１１、２１の埋め戻しが必要となる。
【００２１】
なお、図１の実施例では説明簡単化のためにグラウト孔１１及び水抜き孔２１をそれぞれ１本ずつ設けているが、坑道６から湧水発生地質８に向けて複数本のグラウト孔１１及び／又は水抜き孔２１を設けてもよい。例えば１本の水抜き孔２１の両側にそれぞれグラウト孔１１を削孔し、両側の２本のグラウト孔１１と中央の水抜き孔２１との間にそれぞれ人工的な動水勾配Ｕを形成しながらグラウト材Ｇを同時に浸透させることにより、湧水発生地質８の形状に合わせて水抜き孔２１の両側に広がる止水ゾーン１９を形成することができる。逆に、１本のグラウト孔１１の両側に２本の水抜き孔２１を削孔し、中央のグラウト孔１１と両側の水抜き孔２１との間にそれぞれ人工的な動水勾配Ｕを形成しながら、中央のグラウト孔１１に注入したグラウト材Ｇを湧水発生地質８の形状に合わせて異なる方向へ同時に浸透させることも可能である。
【００２２】
図示例の止水グラウトシステムは、グラウト孔１１に接続するグラウト材注入装置１５及び圧力計１３と、水抜き孔２１に接続する排水装置２５及び制御バルブ２２と、注入装置１５、圧力計１３、及び制御バルブ２２に接続された制御装置２６とを有している。図示例のシステムは、注入装置１５にグラウト孔１１の開閉バルブ（又は制御バルブ）１２及び流量計１４を含め、そのパルブ１２及び流量計１４を制御装置２６と接続しているが、バルブ１２及び流量計１４を注入装置１５から分離して制御装置２と接続してもよい。また、水抜き孔２１の制御バルブ２２は排水装置２５に含めることができ、その場合は制御装置２６を排水装置２５と接続すればよい。なお、図示例では水抜き孔２１にも深地層１の圧力を確認するための圧力計２３を設けているが、水抜き孔２１の圧力計２３は本発明に必須のものではない。
【００２３】
図３は、グラウト孔１１のバルブ１２を閉鎖しつつ水抜き孔２１の制御バルブ２２を徐々に拡げた場合に、グラウト孔１１と水抜き孔２１との間に生じる圧力水頭差（動水勾配Ｕ）の変化の一例を示す。この例では、グラウト孔１１のバルブ１２と水抜き孔２１の制御バルブ２２とが共に閉鎖された定常状態においてグラウト孔１１と水抜き孔２１との間に圧力水頭差が存在していない（初期水頭）。しかし、制御バルブ２２の開度を徐々に拡げることにより、グラウト孔１１の水頭が水頭２、水頭３、水頭４と徐々に低下すると共に、グラウト孔１１と水抜き孔２１との間に動水勾配Ｕを形成することができる。上述したように湧水圧が１０ＭＰａ程度にもなる深地層１の高水圧下でグラウト材Ｇを注入することは困難であるが、図３のように水抜き孔２１の制御バルブ２２を拡げてグラウト孔１１の水頭を低下させれば、比較的低圧の既存の注入装置１５を利用してグラウト材Ｇを注入することができる。
【００２４】
例えば、排水装置２５により水抜き孔２１から排水しながら、制御装置２６によりグラウト孔１１の圧力計１３がグラウト材Ｇの注入可能な所定圧力（グラウト可能圧）Ｐより若干低い圧力（例えば図３の水頭３）となるように水抜き孔２１の制御バルブ２２を初期開度に調節したのち、注入装置１５を駆動してグラウト孔１１からグラウト材Ｇの注入を開始する。或いは、排水装置２５の処理可能排水量に余裕がある場合は、グラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐより十分低い圧力（例えば図３の水頭４）となるように水抜き孔２１の制御バルブ２２を初期開度に調節してグラウト材Ｇを開始してもよい。制御バルブ２２の初期開度は、グラウト孔１１の圧力計１３がグラウト材Ｇの注入可能な所定圧力Ｐ以下となる範囲内において、排水装置２５の処理可能排水量等を考慮して決めることができる。
【００２５】
グラウト孔１１における所定圧力Ｐは、グラウト材注入装置１５の注入圧力に応じてグラウト材Ｇが注入できる圧力とすればよい。例えば、グラウト孔１１の所定圧力Ｐが注入装置１５の注入圧力の１／２〜１／３となるように水抜き孔２１の制御バルブ２２の初期開度を調節する。ただし、本発明ではグラウト孔１１に注入されたグラウト材Ｇが人工的に形成された動水勾配Ｕにより流すことができるので、グラウト材Ｇを外水圧の２〜３倍の圧力で押し込む必要はなく、外水圧と同程度の圧力でグラウト孔１１内に送り込めば、動水勾配Ｕによりグラウト材Ｇを湧水発生地質８に浸透させることが期待できる。この場合は、グラウト孔１１の所定圧力Ｐが注入装置１５の注入圧力と同程度となるように水抜き孔２１の制御バルブ２２の初期開度を調節すればよい。
【００２６】
グラウト孔１１から注入されたグラウト材Ｇは、動水勾配Ｕにより湧水発生地質８を浸透して水抜き孔２１側へ送られる。その浸透の過程において、グラウト材Ｇの目詰まり効果又はグラウト材Ｇの硬化作用によって湧水発生地質８に止水ゾーン１９が徐々に形成される。グラウト材Ｇの目詰まり又は硬化の進行に応じて地下水が流れにくくなり、動水勾配Ｕが徐々に小さくなってグラウト孔１１の圧力が（例えば水頭３から水頭２へと）上昇しうるが、そのような圧力計１３の圧力上昇は制御装置２６により検出することができる。図示例の制御装置２６は、圧力計１３の圧力上昇に応じて水抜き孔２１の制御バルブ２２の開度を拡げて動水勾配Ｕを回復させることにより、グラウト孔１１を所定圧力Ｐ以下に維持してグラウト材Ｇの注入を継続する。すなわち、従来のグラウト工法では湧水発生地層８の充填に応じてグラウト材Ｇの注入圧力を大きくしていたが、本発明のグラウト工法では、グラウト材Ｇの注入圧力を大きくするのではなく水抜き孔２１からの排水量を増やすることによりグラウト材Ｇの注入を継続するので、岩盤破壊（亀裂）の原因となりうるグラウト材Ｇの注入圧力の増大を避けることができる。
【００２７】
或いは、図示例のように水抜き孔２１の制御バルブ２２に排水流量計２４を設け、制御装置２６によりグラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇に代えて排水流量計２４の排水流量の減少を検出し、その排水流量の減少に応じて水抜き孔２１の制御バルブ２２の開度を拡げて動水勾配Ｕを回復させることも可能である。例えば、制御バルブ２２を初期開度の排水流量より減少したときは、制御バルブ２２の開度を拡げて初期開度の排水流量に維持することにより、グラウト孔１１の圧力を低下させる。制御装置２６により圧力計１３の圧力と排水流量計２４の排水流量とを共に監視し、その圧力と排水流量との両者に基づいて制御バルブ２２の開度を調節することも有効である。
【００２８】
グラウト孔１１からグラウト材Ｇを注入しているにも拘わらず、グラウト孔１１の圧力計１３の圧力上昇又は水抜き孔２１の排水流量計２４の流量減少が生じない場合は、グラウト材Ｇの動水勾配Ｕが大きすぎると考えられる。この場合は、グラウト孔１１の圧力計１３が所定圧力Ｐ以下となる範囲内において、制御バルブ２２の初期開度を縮小して動水勾配Ｕを小さくすることができる。また、制御バルブ２２の開度を縮小することが難しい場合は、図示例のようにグラウト材注入装置１５にグラウト材Ｇの粘度又は硬化速度を調整する調整装置１６を設け、グラウト材Ｇの粘度又は硬化速度を高める。例えば調整装置１６によってグラウト材Ｇの粉体の割合を調整し、又はグラウト材Ｇに適当な粘度調整剤を添加する。或いはグラウト材Ｇに適当な硬化速度調整剤添加してもよい。
【００２９】
グラウト孔１１からのグラウト材Ｇの注入は、水抜き孔２１の制御バルブ２２が全開となり、且つ、水抜き孔２１の排水流量計２４の排水流量が所定流量Ｗ以下となるまで継続する。グラウト材Ｇの目詰まり又は硬化により止水ゾーン１９の浸透特性が低下すると水抜き孔２１の排水流量も低下するが、水抜き孔２１の排水流量により止水ゾーン１９の浸透特性をある程度推定することができる。例えば、止水ゾーン１９が所望の浸透特性となったときの所定流量Ｗを予め求め、水抜き孔２１の制御バルブ２２を全開にしても排水流量がその所定流量Ｗ以下であることから、所望の浸透特性の止水ゾーン１９が形成できたことを確認することができる。
【００３０】
こうして本発明の目的である「高水圧の深地層において岩盤を破壊することなく施工できる止水グラウト工法及びシステム」の提供を達成できる。
【実施例１】
【００３１】
図２は、坑道６ａの所定部位から湧水発生地質８に向けて水抜き孔２１を削孔すると共に、その水抜き孔２１の周囲に湧水発生地質８に向けて複数本のグラウト孔１１ａ、１１ｂをファン形状に削孔し、周囲の複数本のグラウト孔１１ａ、１１ｂと中央の水抜き孔２１との間にそれぞれ人工的な動水勾配Ｕを形成しながらグラウト材Ｇを同時に浸透させる本発明の止水グラウト工法及びシステムを示す。このようなグラウト工法によれば、例えば湧水発生地質８が面的に広がっている場合に、その形状に合わせて面的な止水ゾーン１９を迅速且つ効率的に形成することができる。ただし、水抜き孔２１は坑道計画位置７と重なるよう削孔しているが、坑道計画位置７と重ならないグラウト孔１１ａ、１１ｂは、将来的に水みちとなりうるので止水ゾーン１９の完成後に埋め戻す必要がある。なお、図示例では水抜き孔２１を１本としているが、水抜き孔２１を複数本設けることも可能である。
【００３２】
図示例のシステムにおいても、図１の場合と同様に、水抜き孔２１を排水装置２５及び制御バルブ２２と接続し、複数のグラウト孔１１ａ、１１ｂをそれぞれグラウト材注入装置１５及び圧力計１３ａ、１３ｂと接続している。排水装置２５により水抜き孔２１から排水しながら、制御装置２６により各グラウト孔１１ａ、１１ｂの圧力計１３ａ、１３ｂがグラウト材Ｇの注入可能な所定圧力Ｐ以下となるように水抜き孔２１の制御バルブ２２を初期開度に調節したのち、注入装置１５を駆動して各グラウト孔１１ａ、１１ｂからグラウト材Ｇを注入する。また、各グラウト孔１１ａ、１１ｂの圧力計１３ａ、１３ｂの圧力上昇を制御装置２６により検出し、その圧力上昇に応じて水抜き孔２１の制御バルブ２２の開度を拡げることにより各グラウト孔１１ａ、１１ｂを所定圧力Ｐ以下に維持してグラウト材Ｇの注入を継続する。図１の場合と同様に、水抜き孔２１の制御バルブ２２が全開となり、排水流量計２４の排水流量が所定流量Ｗ以下となるまでグラウト材Ｇの注入を継続することにより、周辺の湧水発生地質８に所望の浸透特性の止水ゾーン１９を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による止水グラウト工法の一実施例の説明図である。
【図２】本発明による止水グラウト工法の他の実施例の説明図である。
【図３】水抜き孔のバルブ開度に応じたグラウト孔の水圧変化の一例を示すグラフである。
【図４】放射性廃棄物の地層処分施設の説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…深地層（岩盤） ２…地表
３…地上施設 ４…アクセス立坑
５…アクセス斜道 ６…坑道
７…坑道計画位置 ８…湧水発生地質
９…湧水 １１…グラウト孔
１２…バルブ １３…圧力計
１４…流量計 １５…グラウト注入装置
１６…グラウト調整装置 １９…止水ゾーン（改良ゾーン）
２１…水抜き孔 ２２…制御バルブ
２３…圧力計 ２４…流量計
２５…排水装置 ３０…制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下深部の坑道構築時に生じうる高水圧の湧水を抑える止水グラウト工法において、前記坑道から周囲の湧水発生地質にグラウト孔及び水抜き孔を穿ち、前記グラウト孔に圧力計及びグラウト材注入装置を接続すると共に前記水抜き孔に制御バルブ及び排水装置を接続し、前記水抜き孔の制御バルブを徐々に拡げてグラウト孔の圧力計が所定圧力以下となる初期開度に調節したうえで注入装置を駆動してグラウト材を注入し、前記グラウト孔の圧力計の圧力上昇に応じて制御バルブの開度を拡げて圧力計を所定圧力以下に維持してなる高水圧下の止水グラウト工法。
【請求項２】
請求項１の止水グラウト工法において、前記水抜き孔に排水流量計を設け、前記圧力計の圧力上昇に代えて又は加えて、前記排水流量計の排水流量の減少に応じて制御バルブの開度を拡げてなる高水圧下の止水グラウト工法。
【請求項３】
請求項２の止水グラウト工法において、前記水抜き孔の制御バルブが全開となり且つ排水流量が所定流量以下となるまでグラウト孔へのグラウト材の注入を継続してなる高水圧下の止水グラウト工法。
【請求項４】
請求項２又は３の止水グラウト工法において、前記グラウト孔へのグラウト材の注入時に排水流量計の排水流量が低減しない場合に、前記グラウト材の粘度又は硬化速度を高めてなる高水圧下の止水グラウト工法。
【請求項５】
地下深部の坑道構築時に生じうる高水圧の湧水を抑える止水グラウトシステムにおいて、前記坑道から周囲の湧水発生地質に穿ったグラウト孔に接続する圧力計及びグラウト材注入装置、その湧水発生地質に前記坑道から穿った水抜き孔に接続する制御バルブ及び排水装置、並びに前記水抜き孔の制御バルブを徐々に拡げてグラウト孔の圧力計が所定圧力以下となる初期開度に調節したうえでグラウト材注入装置を駆動し且つ前記グラウト孔の圧力計の圧力上昇に応じて制御バルブの開度を拡げて圧力計を所定圧力以下に維持する制御装置を備えてなる高水圧下の止水グラウトシステム。
【請求項６】
請求項５の止水グラウトシステムにおいて、前記水抜き孔に排水流量計を設け、前記制御装置により、前記圧力計の圧力上昇に代えて又は加えて、前記排水流量計の排水流量の減少に応じて制御バルブの開度を拡げてなる高水圧下の止水グラウトシステム。
【請求項７】
請求項６の止水グラウトシステムにおいて、前記制御装置により、前記水抜き孔の制御バルブが全開となり且つ排水流量が所定流量以下となるまでグラウト孔へのグラウト材の注入を継続してなる高水圧下の止水グラウトシステム。
【請求項８】
請求項６又は７の何れかの止水グラウトシステムにおいて、前記グラウト材注入装置にグラウト材の粘度又は硬化速度を調整する調整装置を含めてなる高水圧下の止水グラウトシステム。
【請求項１】
地下深部の坑道構築時に生じうる高水圧の湧水を抑える止水グラウト工法において、前記坑道から周囲の湧水発生地質にグラウト孔及び水抜き孔を穿ち、前記グラウト孔に圧力計及びグラウト材注入装置を接続すると共に前記水抜き孔に制御バルブ及び排水装置を接続し、前記水抜き孔の制御バルブを徐々に拡げてグラウト孔の圧力計が所定圧力以下となる初期開度に調節したうえで注入装置を駆動してグラウト材を注入し、前記グラウト孔の圧力計の圧力上昇に応じて制御バルブの開度を拡げて圧力計を所定圧力以下に維持してなる高水圧下の止水グラウト工法。
【請求項２】
請求項１の止水グラウト工法において、前記水抜き孔に排水流量計を設け、前記圧力計の圧力上昇に代えて又は加えて、前記排水流量計の排水流量の減少に応じて制御バルブの開度を拡げてなる高水圧下の止水グラウト工法。
【請求項３】
請求項２の止水グラウト工法において、前記水抜き孔の制御バルブが全開となり且つ排水流量が所定流量以下となるまでグラウト孔へのグラウト材の注入を継続してなる高水圧下の止水グラウト工法。
【請求項４】
請求項２又は３の止水グラウト工法において、前記グラウト孔へのグラウト材の注入時に排水流量計の排水流量が低減しない場合に、前記グラウト材の粘度又は硬化速度を高めてなる高水圧下の止水グラウト工法。
【請求項５】
地下深部の坑道構築時に生じうる高水圧の湧水を抑える止水グラウトシステムにおいて、前記坑道から周囲の湧水発生地質に穿ったグラウト孔に接続する圧力計及びグラウト材注入装置、その湧水発生地質に前記坑道から穿った水抜き孔に接続する制御バルブ及び排水装置、並びに前記水抜き孔の制御バルブを徐々に拡げてグラウト孔の圧力計が所定圧力以下となる初期開度に調節したうえでグラウト材注入装置を駆動し且つ前記グラウト孔の圧力計の圧力上昇に応じて制御バルブの開度を拡げて圧力計を所定圧力以下に維持する制御装置を備えてなる高水圧下の止水グラウトシステム。
【請求項６】
請求項５の止水グラウトシステムにおいて、前記水抜き孔に排水流量計を設け、前記制御装置により、前記圧力計の圧力上昇に代えて又は加えて、前記排水流量計の排水流量の減少に応じて制御バルブの開度を拡げてなる高水圧下の止水グラウトシステム。
【請求項７】
請求項６の止水グラウトシステムにおいて、前記制御装置により、前記水抜き孔の制御バルブが全開となり且つ排水流量が所定流量以下となるまでグラウト孔へのグラウト材の注入を継続してなる高水圧下の止水グラウトシステム。
【請求項８】
請求項６又は７の何れかの止水グラウトシステムにおいて、前記グラウト材注入装置にグラウト材の粘度又は硬化速度を調整する調整装置を含めてなる高水圧下の止水グラウトシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１７４１７１（Ｐ２００９−１７４１７１Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３１４５（Ｐ２００８−１３１４５）
【出願日】平成２０年１月２３日（２００８．１．２３）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２３日（２００８．１．２３）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
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