JPH06136738A - 地盤凍結工事方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 地下の建設工事に先立ち掘削地点を急速に凍
結し、安全且つ短工期で凍土化する地盤凍結工事方法。 【構成】 凍土化予定の地下に空間１０を掘削により設
けて板状冷却体１１を埋設するとともに、周囲の地盤の
飽水土の有する熱的性質よりも高熱伝導率、高比重の流
動体１６を注入充満し、冷凍装置Ｒより上記板状冷却体
に熱エネルギを給送して、掘削地盤の壁部１３に至る範
囲一体を凍結せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地下の建設工事に先行
して、高水位の軟弱地盤或いは地下での湧水を凍結させ
ることにより地盤を強固にする地盤の凍結工事方法に係
り、地表面下の掘削空間に注入した高熱伝導率の流動体
を介して、広面積の冷却体により上記掘削空間の全域を
含む地盤壁部に亙って効率的且つ短期間に凍結せしめ得
る地盤凍結工事方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、地下工事の補助的工法の一つとし
て地盤凍結工法があるが、これは地下水位の高い軟弱な
地盤或いは地中の湧水を凍結させて、地盤を強固にする
ことによって掘削をし易くする目的で施行されている。
図５に示すように凍結予定地点に例えば約８００ｍｍ間
隔でボーリングして棒状冷却管１２を地中に埋設し、こ
の冷却管に地上の冷凍装置から冷熱エネルギを供給し
て、前記冷却管の周囲の土壌を点状に凍結させて凍土１
５を形成している。（第１の従来技術という）

【０００３】又、例えば、地表から適宜の深さに亙って
未凍結土を残し、その周囲を凍結した後、前記未凍結土
を掘削してそこに構築物を建設する場合には、前記凍結
させない部分に相当する冷却用外管の上部内側に断熱材
の充填部を設けて、前記外管との間を冷媒が通過できる
ようにした内管を挿入してなる３重式凍結管（冷却管）
を用い、前記第１の従来技術と同様に該冷却管を地中に
埋設し、冷凍装置から前記内管の冷媒送給孔を介して送
り込まれる冷媒が、前記内管内を通って下部内管に入
り、この下部内管と前記外管との間を通って上昇し、更
に前記内管と前記外管との間を通って外部へ排出すると
いった操作を連続的に繰り返すことによって、前記外管
の断熱材充填部を設けていない部分の外周に凍土を形成
し、前記断熱材充填部の外周は、断熱によって冷媒によ
る冷却が阻止されて凍結しないまま残されるという凍結
方法が知られている。（第２の従来技術という）

【０００４】また、地中に鋼矢板を打込んで土止め作業
途中に、該鋼矢板と直角に埋設された水道管や下水管、
或いは通信ケーブル等が工事の障害となる場合には、前
記鋼矢板の打込み不能箇所に生じる隙間を塞ぐため、こ
の部分の凍結が行なわれる。この場合、随意の長さの横
断面がＬ字状の固結材、例えばコンクリートによる板体
内に、屈折蛇行した冷却管を挿通して冷却板体とし、こ
れを前記鋼矢板と直角な埋設物とに沿うように埋設し、
冷凍装置から冷熱エネルギを供給して前記冷却板体を凍
結させることにより、障害物と鋼矢板とにより生じる隙
間のある地盤を凍結させる方法がある。（第３の従来技
術という）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の第１技術、第２技術はともに、棒状冷却管により点
状の限られた周囲を凍結させることはできるが、広範囲
に亙って面状に凍結させるためには前記冷却管の埋設数
を増加させなくてはならず、しかも凍結部までの深さに
よって何本かの冷却管を溶接等により継足して長くする
必要があり、凍結範囲が点状に限られ而も凍結速度が遅
いだけでなく、冷却管の設置工数と工費が嵩むといった
欠点がある。

【０００６】更に前記第３の従来技術による冷却板体を
用いる凍結方法では、冷却管を挿通した前記冷却板体が
コンクリート製のために断熱作用によって凍結を阻害す
るといった障害があり、この凍結方法も凍結速度が遅い
ばかりか余分な冷熱エネルギを消費し、工期が長くなる
という障害がある。

【０００７】本発明の目的は、従来技術の欠点に鑑み、
土質条件の相違による凍結効果と平板冷却体の優位性に
着目し、凍結工事の施工地盤への凍結用冷却体の埋設、
冷凍装置の設置が容易で、地盤の凍結が広範囲且つ短期
間に行ない得る経済的で、安全且つ効率的な地盤凍結工
事の施工方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、掘削予定地点
の地表面下をパイロット削孔し、続いてスリット掘削に
より所要の空間を設け、この地下空間に冷却体を投入す
るとともに、周囲の地盤土質の飽水度よりも高熱伝導率
で高比重の流動体例えば鉄粉等の金属粉を含む汚泥を注
入充填して、冷却体と流動体との熱伝導を良好ならし
め、前記冷却体に対して冷凍装置から冷熱エネルギを給
送することにより、前記流動体を介して前記冷却体から
地盤壁部に至る一帯を広範囲に亙って急速に凍結するこ
とを特徴とするものである。

【０００９】又、本発明は、好ましくは前記掘削により
設けられた地下空間に投入すべき冷却体は、金属製タン
ク内で平面状に鋼管を並列に並べて両端を共通管に連結
して冷熱エネルギを給送するようにした平板タンク型、
又は１本の鋼製給送管を平面状に屈折蛇行させたヘアピ
ンコイル型、或いは２組のＬ字状鋼製給送管を平面状に
並べて夫々の１辺を複数の分岐管を介して相互に連結し
たアイスパネル型等、平面状に形成すればよい。

【００１０】そしてまた本発明は、好ましくは前記冷凍
装置に、ブライン方式又は液化ガス方式の冷凍装置から
冷熱エネルギを給送可能にすればよい。

【００１１】

【作用】従ってかかる技術手段によれば、掘削地盤の性
状如何を問わず、掘削した地下空間に充填した流動体が
周囲の地盤の飽水土の熱的性質よりも高熱伝導率を有し
ているので、上記流動体が板状冷却体の周囲から地盤の
壁部に亘る広い区域に冷却エネルギが効率的且つ急速に
伝えられて凍結を助長せしめることができる。

【００１２】又、掘削空間に埋設される板状冷却体は、
埋設精度を問題にすることがないので、その設置に手間
取らず、広い面積に亙って高熱伝導率の流動体と接触し
て、高速に凍結範囲を拡げることができる。

【００１３】更にエチレングリコール等のブラインを冷
却媒体とするブライン方式の冷却装置では、冷凍能力の
蓄積ができるために急激な温度上昇を避けることがで
き、又、液化ガス方式の冷却装置は、凍結現場への液化
ガスの搬入にタンクローリー車をそのまま横付けして作
業を開始できる簡便さが有利となる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例
を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載
されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置
などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範
囲をそれのみに限定する趣旨はなく、単なる説明例に過
ぎない。

【００１５】先ず本発明の実施例に係る地盤凍結工事方
法を説明するに先立ち、システムについて図１により述
べるに、図１（Ａ）、（Ｂ）は夫々異なる実施例ではあ
るが両者ともに地表面下の掘削空間に土壌を凍結させる
ための冷却体１１−１、１１−２又は１１と、上記冷却
体を介して凍結能力を助長する流動体１６とが投入さ
れ、上記冷却体に冷熱エネルギを給送する冷凍装置Ｒを
備えている。

【００１６】そして凍結すべき対象地盤の熱的性質とし
ては、凍結速度、凍結負荷、温度分布、解凍速度等が関
係する熱伝導方程式を解くことによっても求められる
が、平板に対する１次元理論と単管に対する２次元理論
とから、凍結工事の施工上、平板冷却体による凍結速度
が単管冷却に比べて速く、実験結果ともよく合致するこ
とが判っている。

【００１７】そこで本発明の実施に用いられる冷却体１
１について図２により説明するに、図２（Ａ）は平板凍
結に最も近似させるに相応しい平板タンク型で、内部を
空洞状に形成しても、又、必要に応じてタンク１２０内
にブラインを充填した状態で、冷熱エネルギを給送する
鋼管を金属製タンク１２０内で、例えば並列に並べて両
端を共通管１１０に連結してもよい。同図（Ｂ）は１本
の鋼管を平面状に沿って多回屈折部１１１をもって蛇行
させて構成したヘアピンコイル型、同図（Ｃ）はＬ字状
の鋼管１１２を２組、夫々の１辺を複数の分岐管１１３
を介して互いに連結して実質的に平面状に構成したアイ
スパネル型を示し、これらは理想的な平板凍結を目的と
して構成されており、重量、価格、凍結後の取扱易さ等
を総合的に勘案して何れかの型を選択することができ
る。

【００１８】次に、前記掘削空間に注入充填される流動
体としては、土壌の地中温度を例えば＋１８℃、容積含
水率０．６ｍ³ ／ｍを基準とした時に、土壌の凍結の
前、後で比熱（Ｋｃａｌ／ｍｈ℃）が１．２２５４、
２．３１３７、温度伝播率（ｍ²／ｈ）が１．４４７８
×１０^-3、４．５２８８×１０^-2を一応の目安とし、掘
削地点の土壌が有する熱伝導度に基いて汚泥を選択すれ
ばよく、例えば、上記汚泥中に鉄粉等の金属粉を混入す
ることによって熱伝導率を向上させることができる。

【００１９】更に又、前記冷却体に給送すべき冷熱エネ
ルギについては前記の条件下で凍結潛熱（Ｋｃａｌ／Ｋ
ｇ）が２８．９２７であることに注目し、前記掘削空間
に投入された前記板状冷却体１１−１、１１−２、又は
１１に対する冷熱エネルギの供給源となる冷凍装置Ｒの
冷熱容量を求めることができ、代表的には図１（Ａ）の
ブライン方式、又は同図（Ｂ）の液化ガス方式を選択し
て採用することができる。図１（Ａ）において冷却媒体
としてのブラインは、ブラインクーラ１において冷媒側
より熱を交換されて冷やされ、循環ポンプ６によって冷
却体１１−１、１１−２へパイプラインＰ₁及びＰ₂を介
して給送され、再度該ブラインクーラ１へ戻されるブラ
インサイクル（点線にて示す）と、上記吸収された熱の
ために冷媒が蒸発して圧縮機２に吸入され、所定の圧力
まで凝縮した後、この高圧ガスを凝縮器３に送って奪熱
して液化し、該凝縮液を膨張弁を介して上記ブラインク
ーラへ送り込まれ、ここで前記ブラインと蒸発の潜熱が
熱交換され、上記ブラインを冷却した後、再度圧縮機に
戻入し、前記サイクルを繰り返す冷媒サイクル（実線で
示す）と、冷却水が吸収した熱を循環ポンプ４によって
冷却塔５へ送られ、外部に放出する冷却サイクル（１点
鎖線で示す）とから構成されている。又、同図（Ｂ）に
示す液化ガス方式による冷凍装置Ｒは、タンクローリ車
２１に加圧して詰込まれている例えば液体窒素を、貯槽
２２及び膨張弁２３を介して、冷却体１１へ給送循環さ
せ、気化ガスとして大気に放出されるものである。

【００２０】しかして前記したような本発明の地盤凍結
に不可欠な各手段並びに掘削性能に優れる油圧モータ駆
動式スリット掘削機（図６）を用いて本発明の地盤凍結
工事方法について、図３の施工順序に従って説明する。
先ず図３（Ａ）において凍結対象の未凍土１４の地表面
に、図６（Ｂ）に２点鎖線で示すようなチエーンソー６
３が折畳まれた状態の掘削機を設置して、例えばピット
外形が例えば約３５０ｍｍのパイロット孔を試掘し、こ
の孔底で上記掘削機のチエンソー６３を実線矢示のよう
に開角させて土壌壁を削除しつつ点線矢示の開孔端へ向
って引張り上げていくことによって、３図（Ｂ）のよう
な例えば約２，０００ｍｍ×７５ｍｍのスリット状の地
下空間１０が掘削され、ここで上記掘削機が撤去され
る。そして続いて３図（Ｃ）のように、パイプラインＰ
より冷熱エネルギが給送される例えば厚み５０ｍｍ、縦
２，０００ｍｍ、横１，０００の板状冷却体１１を、先
に掘削された上記地下空間１０内に投入して地上からハ
ンガＨ等により吊り下げるとともに、その土壌の掘削壁
部１３の飽水土がもつ熱的性質の基礎データに徹して、
例えば鉄粉等の金属粉を混入した高熱伝導率をもった汚
泥を流動体１６として注入充填する。ここに、上記掘削
される地下空間１０は本実施例の如くスリット状をはじ
め、立方状に掘削形成しても構わない。

【００２１】そして次に、前記図３（Ｃ）の地点へ前記
図１に示した冷凍装置Ｒを配設して、投入されている前
記冷却体１１に 配管を通して冷熱エネルギを給送循環
させると、冷却体が全面的に冷却されるに伴って、注入
充填された高熱導電率の汚泥が高効率で冷却されて、掘
削壁部１３への熱伝導作用を助長し、上記冷却体１１の
周辺全体から流動体１６である汚泥を介し掘削壁部１３
の全域に亙って急速に全面凍結するに至るのである。

【００２２】次に本発明の地盤凍結工事方法の異なる実
施例を、掘削された地下空間１０に未凍土１４の上下で
凍土１５を形成する場合について図４により説明する。
冷却体１１−１、１１−２によって未凍土１４の部分を
挟んで上下に並列配置し、冷凍装置からパイプラインＰ
を通して冷熱エネルギの供給を受ける冷却体１１−１お
よび１１−２の掘削壁部１３に対面する区域一体が、流
動体とともに凍土１５となり、冷却体の配置されていな
い一定の深さは未凍土１４のままに区分された施工がで
きる。この場合、上記冷却体相互の上下間隔を広げるの
と同様な熱伝導作用を得るために、上記未凍土１４の部
分に熱伝導率の低い汚泥を注入することによっても前記
同様の局部的な地盤凍結を達成させることが可能であ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上記載した如く本発明によれば、従
来、凍結地点で目標通りの掘削精度が得難く、点状の限
られた範囲でしかも凍結速度が遅く、長い工期を要して
いた棒状冷却管による凍結工法や、冷却管を挿通した断
熱製の板状冷却体を用いる凍結工法では短工期の効率的
な急速凍結が実現し得なかったが、広い面積の良熱導伝
性の板状冷却体を用い且つ地下を掘削した空間に、その
地盤壁部の飽水土よりも高い熱伝導率をもつ汚泥の如き
流動体を注入充填することによって、上記板状冷却板に
冷却エネルギを給送循環するようにした結果、流動性あ
る汚泥が掘削空間に隙間なく行きわたって、広面積の上
記板状冷却体と全面的に接触し、凍結すべき地盤に対し
て上記流動性汚泥が熱伝導を援けて凍結が加速され、高
効率の凍土化を可能とし、工期の短縮並びに省エネルギ
にも資することとなる他、工事現場の状況に応じた冷凍
装置を選択的に設置することができる等、地盤凍結工事
方法として著効を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る地盤凍結工事方法の概説
図で、（Ａ）はブライン方式、（Ｂ）は液下ガス方式の
冷凍装置による実施例である。

【図２】本発明の地盤凍結工事方法における板状冷却体
の異なる実施例を表す縦断面図で、（Ａ）は平板タンク
型、（Ｂ）はヘアピンコイル型、（Ｃ）はアイスパネル
型を示す。

【図３】（Ａ）はパイロット孔の縦断側面図、（Ｂ）は
スリット掘削空間の縦断側面図、（Ｃ）冷却体の投入並
びに流動体を注入した地下空間の縦断側面図である。

【図４】本発明の地盤凍結工事方法の異なる実施例の説
明図である。

【図５】棒状冷却管による従来の土壌凍結法（従来の第
１技術）の説明図である。

【図６】油圧モータ駆動式スリット掘削機を地下空間に
実装した縦断側面図（Ａ）、及び上面図（Ｂ）である。

【符号の説明】

Ｒ 冷凍装置 １０ 地下空間 １１、１１−１、１１−２ 板状冷却体 １３ 掘削壁部 １４ 未凍土 １５ 凍土 １６ 流動体 Ｈ ハンガ Ｐ、Ｐ₁、Ｐ₂ パイプライン

フロントページの続き (72)発明者 井上 一敏 東京都千代田区岩本町３丁目10番１号 三 井建設株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地下工事に先立って掘削地点周辺の地表面
   下を凍土化する工事方法において、前記棟土化地点の前
   記地表面下に所要の掘削空間を設け、該掘削空間に冷却
   体を投入するとともに、該掘削空間の周囲地盤の飽水土
   が有する熱的性質よりも高熱伝導率をもつ流動体を注入
   充填し、上記冷却体に対して冷凍装置から冷熱エネルギ
   ーを給送することにより、上記流動体を介して上記冷却
   体の周囲から掘削地盤の壁部に至る範囲一帯を凍結する
   ようにしたことを特徴とする地盤凍結工事方法。
2. 【請求項２】前記掘削空間に投入される冷却体が、実質
   的に平面状冷却体であることを特徴とする前記請求項１
   に記載の地盤凍結工事方法。
3. 【請求項３】前記冷凍装置がブライン方式又は液化ガス
   方式の冷凍装置から冷熱エネルギを給送可能としたこと
   を特徴とする前記請求項１に記載の地盤凍結工事方法。