JP6587921B2 - 凍結管の施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、凍結管の施工方法に関するものである。

従来、透水性のある地盤に凍結工法を利用して立坑を構築する場合、立坑の底部根切り面付近以下の範囲に予め薬液注入による地盤改良を行った後、凍土壁を造成し、凍土壁内側の地盤を掘削する方法があった（例えば、特許文献１参照）。

また、トンネルを掘削する際に、先行して作業用トンネルを構築し、作業用トンネルを用いて、本トンネルの掘削部に沿った領域に予め薬液注入により強度増加領域を形成した後、強度増加領域を含む領域に凍結工法により凍結領域を形成し、本トンネルを掘削する方法があった（例えば、特許文献２参照）。

他に、凍結による地盤***や解凍後の地盤沈下を抑制するために、予め高吸水性材料の水溶液や水懸濁液を高圧ジェット水と共に改良すべき地盤中に注入した後、地盤を凍結させる方法があった（例えば、特許文献３参照）。

特開昭６１−６０９９５号公報 特開平３−１３２５９２号公報 特開平７−７１１８３号公報

上述した各方法によれば、薬液等による地盤改良と凍結工法とを併用することにより、湧水による凍土壁の融解や、地下水の流れによる凍結の阻害を防止することが可能である。しかし、いずれの方法も広範囲にわたって地盤改良を行うため、効率的でなかった。また、長期間にわたって凍土による止水壁の運用を続けるような場合は想定されていなかった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、凍結に支障となる地盤中の隙間や通水層を凍結管の施工中に効率良く目詰まりさせることができ、凍結外管の破損時に迅速に補修できる凍結管の施工方法を提供することである。

前述した目的を達成するために本発明は、流動性固化材を外ケーシングの下方に所定の圧力で注入しつつ、前記外ケーシングを用いて地盤に孔を掘削し、前記孔の壁面と前記外ケーシングの外周面との間および前記外ケーシングの内部に前記流動性固化材を充填し、前記孔の周囲の通水層に前記流動性固化材を浸透させる工程ａと、前記外ケーシング内に、凍結外管と凍結内管とからなる凍結管を挿入し、前記孔の周囲に凍結土を構築する工程ｂと、を具備し、前記工程ａでは、前記孔を前記通水層の下方まで掘削することを特徴とする凍結管の施工方法である。
第２の発明は、流動性固化材を外ケーシングの下方に所定の圧力で注入しつつ、前記外ケーシングを用いて地盤に孔を掘削し、前記孔の壁面と前記外ケーシングの外周面との間および前記外ケーシングの内部に前記流動性固化材を充填し、前記孔の周囲の通水層に前記流動性固化材を浸透させる工程ａと、前記外ケーシング内に、凍結外管と凍結内管とからなる凍結管を挿入し、前記孔の周囲に凍結土を構築する工程ｂと、を具備し、前記工程ｂで、前記凍結外管からの冷却液の漏出を検知した後、前記凍結管から冷却液を抜き取り、前記凍結外管と前記凍結内管との間に追加凍結外管を設置する工程ｄをさらに具備することを特徴とする凍結管の施工方法である。
第３の発明は、流動性固化材を外ケーシングの下方に所定の圧力で注入しつつ、前記外ケーシングを用いて地盤に孔を掘削し、前記孔の壁面と前記外ケーシングの外周面との間および前記外ケーシングの内部に前記流動性固化材を充填し、前記孔の周囲の通水層に前記流動性固化材を浸透させる工程ａと、前記外ケーシング内に、凍結外管と凍結内管とからなる凍結管を挿入し、前記孔の周囲に凍結土を構築する工程ｂと、を具備し、前記工程ａで、前記通水層の上方の地盤および／または前記通水層の下方の地盤では、前記流動性固化材の代わりに泥水を注入して前記孔を掘削することを特徴とする凍結管の施工方法である。

本発明では、前記工程ａと前記工程ｂとの間に、前記外ケーシングの下端部付近を止水部材で閉塞し、前記外ケーシング内の前記流動性固化材を抜き取る工程ｃをさらに具備してもよい。
この場合、前記工程ｂで、前記外ケーシングの内周面と前記凍結外管の外周面との間に熱伝導性を有する充填材を充填することが望ましい。

前記工程ｄで、前記凍結外管の内周面と前記追加凍結外管の外周面との間に熱伝導性を有する充填材を充填することが望ましい。

本発明では、前記工程ａで、前記通水層の上方の地盤および／または前記通水層の下方の地盤では、前記流動性固化材の代わりに泥水を注入して前記孔を掘削してもよい。

本発明によれば、凍結に支障となる地盤中の隙間や通水層を凍結管の施工中に効率良く目詰まりさせることができ、凍結外管の破損時に迅速に補修できる凍結管の施工方法を提供できる。

地盤１に孔５を掘削する工程を示す図 孔５の周囲に凍結土３３を形成する工程を示す図 凍結土３３によって形成された止水壁５１の垂直方向の断面図 凍結土３３によって形成された止水壁５１の水平方向の断面図 凍結外管２３の補修を行う工程を示す図

以下、図面に基づいて、本発明の第１の実施の形態を詳細に説明する。図１は、地盤１に孔５を掘削する工程を示す図である。図１（ａ）は、通水層６の上方の地盤１を掘削している状態を、図１（ｂ）は、通水層６を掘削している状態を、図１（ｃ）は、通水層６の下方の地盤１を掘削している状態を示す。

図１に示すように、外ケーシング３を用いて地盤１に孔５を掘削するには、まず、図１（ａ）に示すように、泥水７を矢印Ａに示すように外ケーシング３の下方に所定の圧力で注入しつつ、外ケーシング３の下端のビット４を用いて、通水層６の上方の地盤１に孔５を掘削する。孔５の径は、例えば１０〜２０ｃｍ程度とする。

続いて、図１（ｂ）に示すように、流動性固化材であるＣＢ（セメントベントナイト）改良泥水１３を矢印Ｂに示すように外ケーシング３の下方に所定の圧力で注入しつつ、通水層６に孔５を掘削する。このとき、ＣＢ改良泥水１３が外ケーシング３の外側に回り込み、孔５の壁面９と外ケーシング３の外周面１１との間に充填される。また、外ケーシング３の外側に回り込んだＣＢ改良泥水１３が孔５の壁面９から通水層６に浸透し、通水層６の一部に改良層１５が形成される。

さらに、図１（ｃ）に示すように、ＣＢ改良泥水１３を矢印Ｃに示すように外ケーシング３の下方に所定の圧力で注入しつつ、通水層６の下方の地盤１に孔５を掘削する。このとき、引き続き、ＣＢ改良泥水１３が外ケーシング３の外側に回り込み、孔５の壁面９と外ケーシング３の外周面１１との間に充填される。また、ＣＢ改良泥水１３が孔５の壁面９から通水層６に浸透し、改良層１５が形成される。

図２は、孔５の周囲に凍結土３３を形成する工程を示す図である。図２（ａ）は、孔５の掘削が完了した状態を、図２（ｂ）は、止水部材１９を設置した状態を、図２（ｃ）は、外ケーシング３内に凍結管２９を挿入した状態を、図２（ｄ）は、孔５の周囲に凍結土３３を構築した状態を示す図である。

図２に示す工程では、図１（ｃ）に示す状態から、地盤１をさらに掘削し、図２（ａ）に示すように、所定の深さまで孔５を掘削する。そして、ＣＢ改良泥水１３が所定の注入量に達したところで、孔５の全長に亘って孔５の壁面９と外ケーシング３の外周面１１との間にＣＢ改良泥水１３が充填され、また、孔５の周囲の通水層６（図１（ａ））にＣＢ改良泥水１３が十分に浸透して目詰まりし改良層１５が形成されたと判断して、ＣＢ改良泥水１３の注入を終了し、掘削を完了する。外ケーシング３の内部には、ＣＢ改良泥水１３が充填される。

ＣＢ改良泥水１３の注入量は、注入範囲（直径および層厚）と間隙率とから算出する。なお、ＣＢ改良泥水１３が外ケーシング３と孔５の間から地上に流出が確認された場合、または図示しない観測井から地表面へのＣＢ改良泥水１３の流出が確認された場合、注入を継続しても通水層６には浸透しないため、所定の注入量に達していなくてもＣＢ改良泥水１３の注入を終了する。

掘削完了後、図２（ｂ）に示すように、外ケーシング３内に地表側からロッド１７を介して止水部材１９を外ケーシング３に挿入し、止水部材１９を外ケーシング３の下端部付近の内周面２１に係止して、外ケーシング３の下端部付近を止水部材１９で閉塞する。止水部材１９は、例えばゴム製等とする。

その後、図２（ｃ）に示すように、外ケーシング３内のＣＢ改良泥水１３を抜き取り、ロッド１７を止水部材１９との接続部を残して撤去する。そして、外ケーシング３内に、凍結外管２３と凍結内管２４とからなる凍結管２９を挿入し、外ケーシング３の内周面２１と凍結外管２３の外周面２５との間に、熱伝導性を有する充填材である防錆材２７を充填する。防錆材２７は、例えば水ガラスである。

次に、図２（ｄ）に示すように、凍結管２９内に冷却液３１を充填する。そして、図示しない冷却液供給機構を用いて、冷却液３１を凍結内管２４から凍結外管２３へ矢印Ｄに示すように循環させ、孔５の周囲に凍結土３３を構築する。

図３は、凍結土３３によって形成された止水壁５１の垂直方向の断面図、図４は、凍結土３３によって形成された止水壁５１の水平方向の断面図である。図４は、図３に示す矢印Ｅ−Ｅによる断面図である。

図３、図４に示すように、地盤１に所定の間隔で掘削した複数の孔５に凍結管２９を挿入し、凍結土３３を構築することにより、孔５を中心に略円柱状に形成される凍結土３３が連結し、止水壁５１が形成される。孔５同士の間隔は、例えば１ｍ程度とする。

地盤１の通水層６（図１）では、図４に示す矢印Ｆの方向の地下水の流れが存在するが、地盤１に孔５を掘削する段階で、孔５の壁面９と外ケーシング３の外周面１１との間にＣＢ改良泥水１３が充填され、通水層６にＣＢ改良泥水１３が浸透して改良層１５が形成されているため、孔５の壁面９と外ケーシング３の外周面１１との間や通水層６を通って、止水壁５１の上流側から下流側に水が流れることはない。

このように、第１の実施の形態では、凍結管２９を設置するための削孔時に、孔５の壁面９と外ケーシング３の外周面１１との間および外ケーシング３の内部にＣＢ改良泥水１３を充填し、孔５の周囲の通水層６にＣＢ改良泥水１３を浸透させて改良層１５を形成する。これにより、凍結管２９の施工過程で、孔５の壁面９と外ケーシング３の外周面１１との間を閉塞し、通水層６の領域を効率良く改質することができ、凍結に支障となる水の流れを阻止することができる。

なお、第１の実施の形態では、孔５を掘削する際に流動性固化材としてＣＢ改良泥水１３を用いたが、流動性固化材の種類はこれに限らない。例えば、水ガラス等の緩結タイプの薬液や、微粒子セメント、超微粒子セメント、極超微粒子セメント等を用いた改良泥水を用いてもよい。

また、孔５を掘削する際に、通水層６の上方の地盤１の掘削に流動性固化材のかわりに泥水を用いたが、通水層６の下方の地盤１の掘削にも泥水を用いてよい。

さらに、外ケーシング３の内周面２１と凍結外管２３の外周面２５との間の充填材として防錆材２７を充填したが、この充填材は防錆剤に限らず、潤滑性を有し熱伝導性を有するものであればよい。

次に、第２の実施の形態について説明する。図５は、凍結外管２３の補修を行う工程を示す図である。図５（ａ）は、凍結管２９を用いて地盤の凍結を維持している状態を示す図、図５（ｂ）は、凍結管２９内の冷却液３１を抜き取った状態を示す図、図５（ｃ）は、追加凍結外管３９を設置した状態を示す図である。

第２の実施の形態では、まず、第１の実施の形態と同様にして、図５（ａ）に示すように地盤１に孔５を掘削し、孔５の壁面９と外ケーシング３の外周面１１との間にＣＢ改良泥水３７を充填し、孔５の周囲の通水層６（図１（ａ））にＣＢ改良泥水３７を十分に浸透させて目詰まりさせ、外ケーシング３の内部にＣＢ改良泥水３７を充填する。次に、外ケーシング３内に、凍結外管２３と凍結内管２４とからなる凍結管２９を挿入し、凍結管２９内に冷却液３１を充填する。そして、図示しない冷却液供給機構を用いて、凍結管２９内で冷却液３１を循環させて孔５の周囲に凍結土３３を構築する。凍結維持段階では、ＣＢ改良泥水３７に埋設した凍結管２９を用いて、凍結土３３を長期に亘って維持する。

凍結維持段階では、凍結管２９を長期間使用するため、図５（ｂ）に示すように、凍結外管２３に欠損部３５が生じ、凍結外管２３から少量の冷却液３１の漏出を検知する場合がある。凍結外管２３からの冷却液３１の漏出を検知した場合、図５（ｂ）に示すように、凍結管２９から冷却液３１を抜き取る。なお、凍結外管２３の外周面２５と外ケーシング３の内周面２１との間にはＣＢ改良泥水３７が充填されているため、欠損部３５が生じても冷却液３１が大量に漏出することはない。

次に、図５（ｃ）に示すように、凍結外管２３の上端の露出部を撤去し、凍結外管２３と凍結内管２４との間に追加凍結外管３９を設置して、新しい凍結管４９を形成する。そして、凍結外管２３の内周面４１と追加凍結外管３９の外周面４３との間に、熱伝導性を有する充填材である防錆材４５を充填する。さらに、凍結管４９内に充填した冷却液４７を、図示しない冷却液供給機構を用いて凍結内管２４から追加凍結外管３９へ循環させ、孔５の周囲の凍結土３３を維持する。

図５に示す工程は、地盤１に既に凍結土３３が構築された凍結維持段階であり、必要とする冷熱エネルギーが少ないため、凍結外管２３よりも径が細い追加凍結外管３９と交換しても特段の問題にはならない。

このように、第２の実施の形態では、凍結管２９を設置するための削孔時に、孔５の壁面９と外ケーシング３の外周面１１との間および外ケーシング３の内部にＣＢ改良泥水３７を充填し、孔５の周囲の通水層６にＣＢ改良泥水３７を浸透させて改良層１５を形成する。これにより、凍結管２９の施工過程で、孔５の壁面９と外ケーシング３の外周面１１との間を閉塞し、通水層６の領域を効率良く改質することができ、凍結に支障となる水の流れを阻止することができる。

また、凍結外管２３からの冷却液３１の漏出を検知した場合、凍結管２９から冷却液３１を抜き取り、凍結外管２３と凍結内管２４との間に追加凍結外管３９を設置して、新たな凍結管４９を形成する。これにより、凍結外管２３に欠損部３５が生じた時に迅速な補修が可能となる。

なお、第２の実施の形態では、孔５を掘削する際に流動性固化材としてＣＢ改良泥水３７を用いたが、流動性固化材の種類はこれに限らない。また、第１の実施の形態と同様に、通水層６の下方の地盤１の掘削に、流動性固化材の代わりに泥水を用いてもよい。さらに、外ケーシング３の内周面２１と凍結外管２３の外周面２５との間の充填材として防錆材２７を、凍結外管２３の内周面４１と追加凍結外管３９の外周面４３との間の充填材として防錆材４５を充填したが、これらの充填材は防錆剤に限らず、潤滑で熱伝導性を有するものであればよい。

第１、第２の実施の形態では、隣り合う外ケーシング３の対向する位置に切欠きを設けてもよい。切欠きを設けることにより、隣りの外ケーシング３の方向へのＣＢ改良泥水の浸透が促進され、隣り合う孔５の間の通水層６をより効率良く改質することができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１………地盤
３………外ケーシング
５………孔
６………通水層
７………泥水
９………壁面
１１、２５、４３………外周面
１３、３７………ＣＢ改良泥水
１５………改良層
１９………止水部材
２１、４１………内周面
２３………凍結外管
２４………凍結内管
２７、４５………防錆材
２９、４９………凍結管
３１、４７………冷却液
３３………凍結土
５１………止水壁

Claims (6)

1. 流動性固化材を外ケーシングの下方に所定の圧力で注入しつつ、前記外ケーシングを用いて地盤に孔を掘削し、前記孔の壁面と前記外ケーシングの外周面との間および前記外ケーシングの内部に前記流動性固化材を充填し、前記孔の周囲の通水層に前記流動性固化材を浸透させる工程ａと、
   前記外ケーシング内に、凍結外管と凍結内管とからなる凍結管を挿入し、前記孔の周囲に凍結土を構築する工程ｂと、
   を具備し、
   前記工程ａでは、前記孔を前記通水層の下方まで掘削することを特徴とする凍結管の施工方法。
2. 流動性固化材を外ケーシングの下方に所定の圧力で注入しつつ、前記外ケーシングを用いて地盤に孔を掘削し、前記孔の壁面と前記外ケーシングの外周面との間および前記外ケーシングの内部に前記流動性固化材を充填し、前記孔の周囲の通水層に前記流動性固化材を浸透させる工程ａと、
   前記外ケーシング内に、凍結外管と凍結内管とからなる凍結管を挿入し、前記孔の周囲に凍結土を構築する工程ｂと、
   を具備し、
   前記工程ｂで、前記凍結外管からの冷却液の漏出を検知した後、
   前記凍結管から冷却液を抜き取り、前記凍結外管と前記凍結内管との間に追加凍結外管を設置する工程ｄをさらに具備することを特徴とする凍結管の施工方法。
3. 流動性固化材を外ケーシングの下方に所定の圧力で注入しつつ、前記外ケーシングを用いて地盤に孔を掘削し、前記孔の壁面と前記外ケーシングの外周面との間および前記外ケーシングの内部に前記流動性固化材を充填し、前記孔の周囲の通水層に前記流動性固化材を浸透させる工程ａと、
   前記外ケーシング内に、凍結外管と凍結内管とからなる凍結管を挿入し、前記孔の周囲に凍結土を構築する工程ｂと、
   を具備し、
   前記工程ａで、前記通水層の上方の地盤および／または前記通水層の下方の地盤では、前記流動性固化材の代わりに泥水を注入して前記孔を掘削することを特徴とする凍結管の施工方法。
4. 前記工程ａと前記工程ｂとの間に、前記外ケーシングの下端部付近を止水部材で閉塞し、前記外ケーシング内の前記流動性固化材を抜き取る工程ｃをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の凍結管の施工方法。
5. 前記工程ｂで、前記外ケーシングの内周面と前記凍結外管の外周面との間に熱伝導性を有する充填材を充填することを特徴とする請求項４記載の凍結管の施工方法。
6. 前記工程ｄで、前記凍結外管の内周面と前記追加凍結外管の外周面との間に熱伝導性を有する充填材を充填することを特徴とする請求項２記載の凍結管の施工方法。

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