JP2005264717A - 地盤の凍結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 凍土の造成期間の短縮を図るとともに、凍上や過大な凍結膨張圧の発生を防止することができる地盤の凍結方法を提供する。
【解決手段】 シールドトンネルを接合する際、シールド掘進機１，２に設けられた止水装置３，４により、接合部分の周囲の地山を凍結して凍土を造成する。凍土を造成するにあたり、極低温度、たとえば−８０℃のブラインを貼付凍結管３１，４１に流通させて地山を凍結し、短期間で必要な厚さの凍土を造成する。必要な厚さの凍土が造成された後は、緩低温度、たとえば−１０℃のブラインを貼付凍結管３１，４１に流通させて、凍土を必要な厚さに維持するとともに凍土の解凍を防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地盤を凍結させて地盤の強度を向上させて地盤の崩落を防止し、または遮水性を高めるための地盤の凍結方法に係り、特に、トンネル工事を行う際の地盤の崩落を防止するために好適な地盤の凍結方法に関する。

たとえば、シールドトンネルを形成する際、近年においては、シールドトンネルの長距離化に伴い、トンネルの両方向からシールド掘進機を発進させ、それらの２台のシールド掘進機で形成された２つのシールドトンネルを地中で接合させて、トンネルを完成させる工法が行われている。このような２つのシールドトンネルを接合する際、接合部分における地山の崩落を防止する必要がある。このように、接合部分における地山の崩落を防止する技術として、たとえば特公平３−６９４３９号公報（特許文献１）に開示された地中接合方法がある。

この地中接合方法では、２方向から掘進してきたシールドトンネルを接合するにあたり、その接合部に所定の傾斜角でまた周方向に所定のピッチで地山内に穿孔式凍結管を配置する。この凍結管内にブラインを循環させることにより、地山を囲むようにスキンプレートの外周の地山を凍結させた後、シールド掘進機間の地山を掘削して、２つのシールドトンネル接合するというものである。
特公平３−６９４３９号公報（１頁右欄〜２頁左欄、第７図）

ところで、地山では、地下水の流れ、周囲の構造物の影響などにより、地山を凍結させて凍土を形成する際の凍土ができやすい部分とできにくい部分とがある。ところが、上記特許文献１に開示された地中接合方法では、所定の傾斜角でまた周方向に所定のピッチで地山内に配置された凍結管内にブラインを循環させて周囲の地山を凍結させて凍土を形成させているのみである。このため、シールドトンネルを接合するためにその周囲の全体を凍結させるためには、もっとも凍土ができにくい部分で凍土が形成されるまで待たなければならず、凍土の造成に長時間を要するという問題があった。

また、このように凍土ができにくい部分での凍土の形成を待つ間、凍土ができやすい部分では凍土の成長が進行してしまう。このため、地盤条件などによっては、凍上による地盤変位や凍結膨張圧の発生といった問題が生じえるという問題もあった。

そこで、本発明の課題は、凍土の造成期間の短縮を図るとともに、凍上や過大な凍結膨張圧の発生を防止することができる地盤の凍結方法を提供することにある。

上記課題を解決した本発明は、地盤における凍結対象領域を凍結させる地盤の凍結方法であって、地盤を極低温度で冷却して凍結地盤を形成した後、地盤を緩低温度で冷却して、凍結地盤の解凍および凍結地盤の過生成を防止するものである。

本発明に係る地盤の凍結方法では、凍結対象領域を凍結させて凍結地盤を形成するにあたり、まず極低温度で凍結地盤を形成する。このため、凍結対象地盤を短時間で凍結させることができる。ところが、このまま極低温度で地盤を凍結させること、凍結部分が拡張してしまい、凍上の発生などが懸念される。これに対して、本発明に係る地盤の凍結方法では、凍結地盤を形成した後は、緩低温度で凍結地盤を冷却している。緩低温度では、凍結地盤が解凍することなく、しかも凍結地盤の成長を止めることができるので、凍上などの発生を防止することができる。

なお、本発明にいう極低温度とは、地盤を凍結するにあたり短時間で凍結地盤を形成できる温度であり、具体的には、地盤や周囲の構造物の環境などにより適宜決定される。ただし、緩低温度よりも低い温度に設定され、具体的には、たとえば−５０℃以下、さらには−６０℃〜−９０℃の範囲に設定することができる。また、緩低温度とは、形成された凍結地盤が解凍せず、かつ凍結地盤の成長を止めることができる温度であり、やはり地盤や周囲の構造物の環境などにより適宜設定される。

また、上記課題を解決した本発明は、地盤における凍結対象領域を凍結させる地盤の凍結方法であって、凍結対象領域における難凍結領域を極低温度で冷却するとともに、凍結対象領域における易凍結領域を、極低温度よりも高い低温度で冷却して、地盤を凍結させるものである。

本発明に係る地盤の凍結方法では、たとえば地下水の温度が高く、凍結地盤を形成しにくい難凍結領域を極低温度で冷却することにより、難凍結領域に対して短時間で凍結地盤を形成することができる。また、たとえば地下水の温度が低く、凍結地盤を形成しやすい易凍結領域を極低温度よりも高い低温度で冷却することにより、難凍結領域とほぼ同時間で易凍結領域に凍結地盤を形成することができる。したがって、凍結対象領域にほぼ同時に短時間で凍土を形成することができ、易凍結領域における凍上や過大な凍結膨張圧の発生を防止することができる。

ここで、難凍結領域が、地盤を流れる地下水の上流側の領域であり、易凍結領域が、地盤を流れる地下水の下流側の領域である態様とすることができる。

地盤を凍結させる際には、凍結しきらない地下水は、その流れに乗って上流側から下流側に流れるため、地下水は、一般的に上流側の方が下流側よりも温度が高くなっている。このため、地下水の上流側を難凍結領域とし、下流側を易凍結領域とすることができる。

また、極低温度での冷却および緩低温度での冷却を、不凍液を循環させる冷却システムにより行い、難凍結領域から易凍結領域に向けて、不凍液を循環させる態様とすることもできる。

不凍液を循環させて凍結地盤を形成する際、凍結地盤形成のために熱を吸収した不凍液は、その分温度が上昇する。したがって、まず難凍結領域に不凍液を供給して難凍結領域の凍結地盤を形成し、そこで温度が上昇した不凍液を易凍結領域に供給することにより、１つの不凍液循環経路で難凍結領域および易凍結領域を良好に冷却することができる。

さらに、冷却システムが、二元冷凍システムである態様とすることができる。

二元冷凍システムを用いることにより、異なる温度の不凍液を良好に供給することができる。

また、凍結対象領域が、トンネル形成領域である態様とすることができる。

そして、凍結対象領域が、２つのシールドトンネルを地中で接合させる際の接合領域である態様とすることができる。

トンネル形成領域、特に、特にシールドトンネルの接合領域においては、地盤崩落事故を防止する要請が高い。したがって、本明に係る地盤の凍結方法は、トンネルの形成領域を対象とするのが望ましい態様となる。

本発明によれば、凍土の造成期間の短縮を図るとともに、凍上や過大な凍結膨張圧の発生を防止することができる地盤の凍結方法を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る凍結方法が適用される第一シールドトンネルと第二シールドトンネルとの接合部位の断面図である。本実施形態では、トンネルの両方向から、第一シールド掘進機１および第二シールド掘進機２によってそれぞれ第一シールドトンネルおよび第二シールドトンネルを掘削し、所定の接合位置において両トンネルを接合する。この両トンネルの接合を行う前段階として、接合部位の周囲における地盤を凍結するものである。地盤を凍結することにより、地盤の強度を高めて地盤の崩落を防止するとともに、止水性を高めるものである。

第一シールド掘進機１は、第一外筒部１０を備えており、第一外筒部１０の前方には第一カッタ装置１１が設けられている。第一カッタ装置１１は、円盤状をなす第一カッタ部１１Ａを備えている。第一カッタ部１１Ａの表面には、複数のビット１１Ｂが取り付けられており、第一カッタ部１１Ａが回転することにより、ビット１１Ｂによって地山が掘削される。また、第一カッタ部１１Ａの側縁部には、伸縮スポーク１１Ｃが設けられており、この伸縮スポーク１１Ｃは、第一カッタ部１１Ａに対してその半径方向に伸縮する。こうして、第一カッタ装置１１は、その半径方向に縮径可能とされている。

第一カッタ部１１Ａは、掘削を行っている間は、伸縮スポーク１１Ｃが伸長した状態で、第一外筒部１０と同一径とされている。また、伸縮スポーク１１Ｃが収縮したときには、第一カッタ部１１Ａの径は、第一外筒部１０の内径よりも小さくなり、第一カッタ部１１Ａが第一外筒部１０に対して引き込み可能となる。

第一カッタ装置１１の後方には、第一内筒部１２が設けられている。第一内筒部１２は、第一外筒部１０の内面に沿った外周部を有しており、第一外筒部１０の内面に沿って移動可能とされている。第一内筒部１２には、隔壁１３が設けられており、隔壁１３には駆動モータ１１Ｄが設けられており、駆動モータ１１Ｄにより第一カッタ部１１Ａを回転させている。また、第一内筒部１２は、掘削作業中は第一外筒部１０に固定されており、第一カッタ装置１１は第一外筒部１０とともに前後進する。

第一内筒部１２には、中折れジャッキ１４が取り付けられており、中折れジャッキ１４によって、第一外筒部１０が中折れ可能とされている。さらに、第一外筒部１０には、シールドジャッキ１５が取り付けられており、組み立てられたセグメントを押圧する。シールドジャッキ１５でセグメントを押圧することにより、このセグメントに反力をとって第一シールド掘進機１が前進する。さらに、第一外筒部１０には図示しないエレクタが設けられている。エレクタは、第一カッタ装置１１によって形成された孔にセグメントを順次組み立てていく。

また、第一シールド掘進機１には、送泥管１６および図示しない排泥管が設けられている。送泥管１６および排泥管は、いずれも第一カッタ装置１１における第一カッタ部１１Ａと隔壁１３との間に配置されている。送泥管１６からは、第一カッタ部１１Ａと隔壁１３との間に高濃度泥水を供給し、第一カッタ部１１Ａの圧力を高めている。また、排泥管は、第一カッタ部１１Ａと隔壁１３との間における送泥管１６から供給された高濃度泥水および掘削された土からなる泥水を排出している。このように、送泥管１６からの水の供給量および排泥管からの泥水の排出量により、第一カッタ装置１１の圧力を調整している。さらに、第一外筒部１０の後端部には、テールシールが設けられている。テールシールは、第一シールド掘進機１の後端部において、セグメントと第一シールド掘進機１との間を止水している。

また、第一シールド掘進機１には、第一止水装置３が設けられている。第一止水装置３は、第一外筒部１０に設けられた互いに連通する複数の貼付凍結管３１を備えている。貼付凍結管３１は、二元冷凍システム５に接続されている。二元冷凍システム５は、マイナス温度とされた不凍液（ブライン）を貼付凍結管３１内に循環供給する。この二元冷凍システム５では、高温側・低温側に２台の冷凍機が熱交換器を介して直列に接続され、貼付凍結管３１に対して温度の異なるブラインを循環供給することができる。

二元冷凍システム５は、図３に示すように、蒸発器５０を備えている。蒸発器５０には、第一配管５１Ａを介して、貼付凍結管３１が接続されている。第一配管５１Ａは蒸発器５０と貼付凍結管３１との間で閉回路として形成されており、第一配管５１Ａ内には、ブラインが流通しており、蒸発器５０から貼付凍結管３１に対してブラインが循環供給される。また、第一配管５１Ａにおける貼付凍結管３１と蒸発器５０との間には、ポンプ５２が配設されている。このポンプ５２を駆動することにより、第一配管５１Ａ内をブラインが流通する。

また、蒸発器５０は、第二配管５１Ｂを介して膨張タンク５３、低温側圧縮器５４、カスケードコンデンサ５５、および低温側膨張弁５６と接続されている。第二配管５１Ｂは、第一配管５１Ａと同様に閉回路を形成しており、低温冷媒が循環している。さらに、カスケードコンデンサ５５には、第三配管５１Ｃを介して、高温側圧縮器５７、凝縮器５８、および高温側膨張弁５９が接続されている。この第三配管５１Ｃには、高温冷媒が循環している。また、凝縮器５８には、冷却水が循環供給されている。

凝縮器５８では、冷却水と高温冷媒との間で熱交換が行われ、高温冷媒が冷却水によって吸熱される。また、カスケードコンデンサ５５では、高温冷媒と低温冷媒との間で熱交換が行われ、低温冷媒の熱が高温冷媒に吸熱される。さらに、蒸発器５０では、ブラインと低温冷媒との間で熱交換が行われ、ブラインの熱が低温冷媒に吸熱される。こうして、ブラインの温度が低下させられ、貼付凍結管３１に対して、極低温、たとえば−８５℃程度のブラインが循環供給される。

この貼付凍結管３１を冷媒が流れることにより、第一外筒部１０の外側の地山における凍結対象領域Ｘに含まれる土中水を冷凍させることにより、凍結対象領域Ｘに凍土（凍結地盤）を形成することができる。また、凍結対象領域Ｘに凍土が形成された後、貼付凍結管３１内を緩低温のブラインが流れると、凍土が解凍することなく維持される。

さらに第一止水装置３は、第一止水装置３は、図２に示すように、第一内筒部１２に設けられた注入管３２を有しており、注入管３２からは充填剤Ｆ１が噴出される。充填剤Ｆ１としては、繊維なしエコメールなどを用いることができる。また、第一止水装置３は、第一内筒部１２の先端に位置するスライドフード１２Ａに設けられた環状シール部材３３を有している。環状シール部材３３は、ワイヤブラシからなり、基端部がスライドフード１２Ａに取り付けられ、先端部が第一外筒部１０の内面に接触して、スライドフード１２Ａと第一外筒部１０との間に空間を形成している。

第一シールド掘進機１における第一トンネルの掘進時には、この空間に注入管３２から噴出された充填剤Ｆ１が充填されている。また、第一内筒部１２の内面側には、冷却部材３４が設けられている。冷却部材３４は、スライドフード１２Ａを介して冷熱を伝達させ、充填剤Ｆ１を冷凍可能としている。

また、第二シールド掘進機２は、第一シールド掘進機１と同一の構成を有しており、第二外筒部２０および第二カッタ装置２１を備えている。第二カッタ部２１Ａの後方には、本発明の可動内筒部となる第二内筒部２２が設けられており、第二内筒部２２には、隔壁２３が設けられている。また、第二内筒部２２の後部には、中折れジャッキが取り付けられている。

さらに、第二外筒部２０の後部にはシールドジャッキ取り付けられており、セグメントを押圧することにより、このセグメントに反力をとって第二シールド掘進機２を前進させる。第二外筒部２０における後部上方位置にはエレクタが設けられており、セグメントを順次組み立てる。また、第二シールド掘進機２には、送泥管および排泥管が設けられ、第二カッタ部２１Ａと隔壁２３との間に泥水を供給し、または排出している。第二外筒部２０の後部には、テールシールが設けられている。

また、第二シールド掘進機２には、第二止水装置４が設けられている。第二止水装置４は、第一シールド掘進機１に設けられた第一止水装置３と同様、第二内筒部２２の先端に位置するスライドフード２２Ａに設けられた互いに連通する複数の貼付凍結管４１を備えており、図示しないポンプを作動させることにより、貼付凍結管４１内にブラインが循環供給される。その他、第二止水装置４は、第一止水装置３と同様の注入管、環状シール部材、および冷却部材を有している。

次に、本実施形態に係るシールド掘進機１，２によって形成された２つのシールドトンネルの接合工程、およびこの接合工程の際におけるシールド掘進機１，２に設けられた止水装置による止水工程について説明する。この止水工程において、地盤凍結方法が用いられる。

まず、止水が行われる前のシールドトンネルの接合について説明する。シールドトンネルを構築するにあたり、構築されるトンネルの一方から第一シールド掘進機１で第一トンネルを掘削して形成し、他方から第二シールド掘進機２で第二トンネルを掘削して形成する。第一シールド掘進機１では、接合位置近傍の第一トンネル掘削位置まで掘削し、第二シールド掘進機２では、やはり接合位置近傍の第二トンネル掘削位置まで掘削を行う、それから、接合作業が行われる。なお、両シールド掘進機１，２のうち、先に到達した方のシールド掘進機が本実施形態における第二シールド掘進機２となる。

接合を行う際には、まず、第二シールド掘進機２が接合位置に到達した後、第二シールド掘進機２は、第一シールド掘進機１が接合位置に到達するのを待つ。シールド掘進機１，２では、トンネルの掘進中は、カッタ装置１１，２１における伸縮スポーク１１Ｃを伸長した状態としておき、外筒部１０，２０の径とほぼ同径のトンネルを構築する。

それから、第一シールド掘進機１が接合位置に到達したら、第二カッタ装置２１における伸縮スポーク２１Ｃを収縮させ、第二カッタ装置２１における第二内筒部２２を後退させる。その後、第一シールド掘進機１における第一カッタ装置１１が第二シールド掘進機２における第二外筒部２０の直前位置まで第一シールド掘進機１を前進させる。このときに第一シールド掘進機１と第二シールド掘進機２との間に残存する地山を第一カッタ装置１１によって掘削する。続いて、第一シールド掘進機１における第一カッタ装置１１の伸縮スポーク１１Ｃを収縮させ、第一外筒部１０と第二外筒部２０とが向き合う位置まで第一シールド掘進機１をさらに前進させる。

その後、第一シールド掘進機１における第一内筒部１２を第一外筒部１０に対して相対的に前進させる。そして、第一シールド掘進機１における第一内筒部１２の先端に位置するスライドフード１２Ａが、第二シールド掘進機２における第二外筒部２０と重なる位置まで第一内筒部１２を前進させる。図１に示す位置関係は、この状態のときのものである。

シールド掘進機１，２によるシールドトンネルの接合が行われたら、その後、シールド掘進機１，２の解体作業を始める。この解体作業を行う際に、シールド掘進機１，２内に地山中に含まれる地下水が流入するのを防止するため、接合位置付近における地山を凍結対象領域として、凍結対象領域に含まれる地下水を凍結させる。ここで、本実施形態に係る凍結方法が用いられる。この凍結方法は、次の手順で行われる。

凍結対象領域における地下水が凍結する前は、早期に凍土を形成して、シールド掘進機１，２の解体作業を開始できるように、極低温度、たとえば−８０℃のブラインを貼付凍結管３１，４１に流通させる。極低温度のブラインを貼付凍結管３１，４１に流通させることにより、凍結対象領域における地下水を短い造成期間で凍結させて、凍土を造成することができる。

凍土が必要な厚さ、たとえば０．５ｍ程度の厚さに成長したら、貼付凍結管３１，４１に流通させるブラインの温度を高くし、緩低温度、たとえば−１０℃のブラインを流通させる。このように、緩低温度のブラインを貼付流通管３１，４１に流通させることにより、凍土の成長が抑制され、凍土は必要厚さに維持されることにある。こうして、凍土の解凍を防止することができる。また、凍土の成長による凍上や過大な凍結膨張圧の発生を防止することができる。

ここで、従来の凍結と本実施形態に係る凍結方法との比較について説明する。たとえば、必要凍土厚を０．５ｍとした例について、本発明例として所定期間、すなわち凍土が形成されるまでの期間と、その後の期間とのブラインの温度を変更した例と、比較例として、温度を常時一定とした例について、凍土厚をシミュレーションした。

この例では、実施例として、凍土造成時間を３０時間に設定し、凍土造成時間中はブラインの温度を−８０℃とし、凍土造成時間経過後はブラインの温度を−１０℃にした。また、比較例１として、ブラインの温度を−８０℃に固定した例と、比較例２として、ブラインの温度を−１０℃に固定した例とを示した。これらの例について、経過時間と凍土厚との関係を図４に示す。

図４からわかるように、グラフＡに示す実施例では、３０時間の凍土造成時間で必要凍土厚である０．５ｍの凍土を形成することができ、その後は、維持運転を行うことにより、凍土圧を必要凍土厚に維持することができた。一方、グラフＢに示す比較例１では、３０時間凍土造成時間で０．５ｍの凍土を形成することができたものの、その後も凍土が成長してしまう結果となってしまった。この場合には、凍上などの心配が生じるものであった。また、グラフＣに示す比較例２では、必要凍土厚に到達した後における凍土の過度の成長は見られないものの、２８８時間経過した後も、必要凍土厚である０．５ｍに到達しない結果となった。このことから、シールド掘進機１，２を解体する工期の長期化を招くことになる。

このように、本発明に係る凍土の形成方法では、短い造成期間で所定厚の凍土を形成することができ、しかもその凍土厚を維持することにより、凍土の過度の成長を防止することができる。

また、貼付凍結管３１，４１を流通するブラインの温度と、地盤の温度との関係を図５に示す。図５からわかるように、ブラインの温度が−２５℃の場合と、−８０℃の場合のいずれも、貼付凍結管３１，４１からの距離が３ｍ以内の範囲では０℃以下となっており、おおよそ貼付凍結管３１，４１からの距離が３ｍ以内の範囲では、地盤の地下水が凍結した状態となる。さらにそれ以上離れた位置では、地盤の温度は０℃を超える状態となっており、地下水が凍結しない状態となっている。このことから、凍土が必要厚以上に形成されないようにすることができることがわかる。

このように、本実施形態に係る地盤の凍結方法によれば、短い造成期間で凍土を形成することができるとともに、凍土の厚さを一定に維持することができるので、凍上や過度の凍結膨張圧の発生を防止することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る地盤の凍結方法では、上記第１の実施形態で用いたシールド掘削機１，２を用いて行われる。

それでは、本実施形態に係る地盤の凍結方法について説明する。図６は、本実施形態に係る地盤の凍結方法に用いられる２台のシールド掘進機を模式的に示す側面図である。図６においては、シールド掘進機１，２のほか、ブラインの循環流路である貼付凍結管３１，４１が模式的に描かれている。

本実施形態に係る地盤の凍結方法においては、シールド掘進機１，２の周囲における地盤を流れる地下水の流れ方向に着目する。図６に示すように、地盤中には地下水Ｗが流れているが、地下水は、動水勾配の高い方から低い方に流れ、その流れに伴い地盤に熱を奪われて温度が低下する。この例では、第一シールド掘進機１の位置から、第二シールド掘進機２の位置の方向に向けて地下水が流れているとする。

このような温度勾配を有する地下水Ｗに対して、均等に冷却して凍土を形成しようとすると、地下水の上流側に位置する地盤における凍土が発達してしまい、下流側での凍土の造成が進まないこととなる。したがって、この場合には、接合位置周囲の凍結対象領域における第一シールド掘進機１の周囲が本発明の難凍結領域となり、第二シールド掘進機２の周囲が本発明の易凍結領域となる。

そこで、本実施形態に係る地盤の凍結方法では、地下水の上流側に位置する第一シールド掘進機１に設けられた貼付凍結管３１に極低温、たとえば−８０℃のブラインを流通させる。また、第二シールド掘進機２に設けられた貼付凍結管４１に緩低温、たとえば−４０℃のブラインを流通させる。このようにすると、難凍結領域が極低温のブラインで凍結させられ、易凍結領域において緩低温のブラインで凍結させられる。したがって、難凍結領域と易凍結領域とを同程度の時間で凍土とすることができる。

さらに、本実施形態では、貼付凍結管３１，４１にブラインを循環供給する際、難凍結領域側から易凍結領域側にブラインが流通するようにしている。いま、図７に示すように、第一シールド掘進機１における第一外筒部１０に形成された複数の貼付凍結管３１を、その前方から順に３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ，…，３１Ｙ，３１Ｚとする。また、第二シールド掘進機２における第二外筒部２０に形成された複数の貼付凍結管４１を、その外側から順に４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，…，４１Ｙ，４１Ｚとする。

ここで、第一シールド掘進機１に設けられた二元冷凍システム５においては、貼付凍結管３１にブラインを供給するにあたり、後方側に位置する貼付凍結管から順にブラインを供給する。したがって、まず最後方位置の貼付凍結管３１Ｚにブラインを供給し、順に貼付凍結管３１Ｚ→３１Ｙ→…→３１Ｄ→３１Ｃ→３１Ｂ→３１Ａの順となる。また、第二シールド掘進機２に設けられた二元冷凍システム６においては、貼付凍結管４１にブラインを供給するにあたり、前方側に位置する貼付凍結管から順にブラインを供給する。したがって、まず最前方位置の貼付凍結管４１Ａにブラインを供給し、順に貼付凍結管４１Ａ→４１Ｂ→４１Ｃ→４１Ｄ→…→４１Ｙ→４１Ｚの順となる。このように、ブラインが難凍結領域から易凍結領域に向けて流れることにより、凍結対象領域全体における地下水をより均一な時間で凍結させることができる。

そして、所定の厚さの凍土を形成した後は、上記第一の実施形態と同様、緩低温、たとえば−１０℃のブラインを貼付凍結管３１，４１に循環させる。こうして、形成した凍土を所定の厚さに維持することができる。もちろん、地下水が逆方向に流通しているときには、ブラインも逆方向に流すことにより、同様の作用効果を奏するものとなる。

続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る地盤の凍結方法では、上記第１の実施形態で用いたシールド掘削機１，２を用いて行われる。

それでは、本実施形態に係る地盤の凍結方法について説明する。図８は、本実施形態に係る地盤の凍結方法に用いられる２台のシールド掘進機を模式的に描いた側面図である。図８においては、図６と同様、シールド掘進機１，２のほか、ブラインの循環流路である貼付凍結管３１，４１が模式的に描かれている。また、地下水Ｗは、第一シールド掘進機の位置から、第二シールド掘進機の位置に向けて曲がれているとする。

図８に示すように、本実施形態に係る地盤の凍結方法においては、第一シールド掘進機１に設けられた二元冷凍システム５を、不凍液流通管３５に流通させる。不凍液流通管３５は、シールド掘進機１，２における貼付凍結管３１，４１を接続することによって形成されている。

二元冷凍システム５と不凍液流通管３５とは、第一シールド掘進機の第一外筒部１０に形成された貼付凍結管３１のうち、図７に示すもっとも後方に位置する貼付凍結管３１Ｚに接続されている。また、第二シールド掘進機の第二外筒部２０に形成された貼付凍結管４１のうち、もっとも後方に位置する貼付凍結管４１Ｚと接続されている。

また、第一外筒部１０に設けられた貼付凍結管のうちのもっとも前方に位置する貼付凍結管３１Ａと、第二外筒部２０に設けられた貼付凍結管のうちのもっとも前方に位置する貼付凍結管４１Ａとは接続管を介して接続されている。こうして、不凍液流通管３５が形成されている。

かくして形成された不凍液流通管３５に対して、ブラインを流通させるが、このとき、地下水Ｗの上流側から下流側に向けて、ブラインを流通させる。具体的には、二元冷凍システム５における第一外筒部１０のもっとも後方に設けられた貼付凍結管３１Ｚにブラインを供給する。供給されたブラインは、貼付凍結管３１Ｚ→３１Ｙ→…→３１Ｄ，３１Ｃ，３１Ｂ，３１Ａの順に供給され、接続管を介して第二外筒部２０に設けられた貼付凍結管４１Ａに供給される。貼付凍結管４１Ａに供給されたブラインは、順に貼付凍結管４１Ａ→４１Ｂ→４１Ｃ→４１Ｄ→…→４１Ｙ→４１Ｚの順に供給されて二元冷凍システム５に返還される。

このようにブラインを循環供給すると、不凍液流通管３５を流通する間に、ブラインは徐所に熱を吸収して温度が上昇していく。そのため、難凍結領域である地下水の上流側には極低温のブラインが供給され、易凍結領域である地下水の下流側には、極低温よりも高い温度のブラインが供給される。このように、ブラインが難凍結領域から易凍結領域に向けて流れることにより、凍結対象領域全体における地下水をより均一な時間で凍結させることができる。

そして、所定の厚さの凍土を形成した後は、上記第一の実施形態と同様、緩低温、たとえば−１０℃のブラインを不凍液流通管３５に循環させる。こうして、形成した凍土を所定の厚さに維持することができる。もちろん、地下水が逆方向に流通しているときには、ブラインも逆方向に流すことにより、同様の作用効果を奏するものとなる。

以上、本発明好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、難凍結領域と易凍結領域の例として、地下水の上流側と下流側とを挙げているが、そのほか、地盤の比熱や熱伝導率といった地盤条件、近接する地中構造物や地表からの熱伝導など適宜の要因を考慮することができる。

また、上記実施形態では、極低温、緩低温などを一定の温度として説明しているが、たとえば凍土の成長度合い、地盤の温度をモニタリングしながら、適宜それらの温度を調整して凍土形成をすることもできる。この場合、凍結対象領域において同時にしかもなるべく早期に凍土が形成されるように温度調整するのが好適である。もちろん、ブラインの温度を一定とする場合でも、上記実施形態で示した温度に限定されるものではなく、地盤条件などの条件をもとにブラインの温度を適宜決定することができる。

さらに、上記実施形態では、ブラインの温度を変更することができる二元冷凍システムを用いているが、二段圧縮式冷凍機、吸収式冷凍機など、他の態様の冷凍システムを用いることもできる。さらには、異なる冷凍機を組み合わせて凍土を形成する態様とすることもできる。

また、上記実施形態では、ブラインを循環させる流路をシールド掘進機の外筒部に設けているが、直接地盤に埋設する態様とすることもできる。さらに、上記実施形態では、シールドトンネルにおける地中接合の際に地盤凍結を行う例について説明したが、他の態様のトンネルを掘削する際、あるいは地中構造物を構築する際に周囲の凍結に用いることもできる。

第１の実施形態に係る凍結方法が適用される第一シールドトンネルと第二シールドトンネルとの接合部位の断面図である。 シールド掘進機に設けられた止水装置の断面図である。 二元冷凍システムのブロック構成図である。 貼付凍結管にブラインを流通させた際の経過時間と凍土厚との関係を示すグラフである。 貼付凍結管を流通するブラインの温度と地盤の温度との関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係る地盤の凍結方法に用いられる２台のシールド掘進機を模式的に示す側面図である。 二元冷凍システムから供給されるブラインの流路を説明するための貼付凍結管の拡大断面図である。 第３の実施形態に係る地盤の凍結方法に用いられる２台のシールド掘進機を模式的に示す側面図である。

符号の説明

１…第一シールド掘進機
２…第二シールド掘進機
３…第一止水装置
４…第二止水装置
５，６…二元冷凍システム
１０…第一外筒部
１１…第一カッタ装置
１２…第一内筒部
２０…第二外筒部
２１…第二カッタ装置
２２…第二内筒部
３１，４１（３１Ａ〜３１Ｚ，４１Ａ〜４１Ｚ）…貼付凍結管
３５…不凍液流通管
Ｗ…地下水
Ｘ…凍結対象領域

Claims (7)

1. 地盤における凍結対象領域を凍結させる地盤の凍結方法であって、
   前記地盤を極低温度で冷却して凍結地盤を形成した後、
   前記地盤を緩低温度で冷却して、前記凍結地盤の解凍および前記凍結地盤の過生成を防止することを特徴とする地盤の凍結方法。
2. 地盤における凍結対象領域を凍結させる地盤の凍結方法であって、
   前記凍結対象領域における難凍結領域を極低温度で冷却するとともに、前記凍結対象領域における易凍結領域を、前記極低温度よりも高い低温度で冷却して、前記地盤を凍結させることを特徴とする地盤の凍結方法。
3. 前記難凍結領域が、前記地盤を流れる地下水の上流側の領域であり、
   前記易凍結領域が、前記地盤を流れる地下水の下流側の領域である請求項２に記載の地盤の凍結方法。
4. 前記極低温度での冷却および前記極低温度よりも高い低温度の冷却を、不凍液を循環させる冷却システムにより行い、
   前記難凍結領域から前記易凍結領域に向けて、前記不凍液を循環させる請求項２または請求項３に記載の地盤の凍結方法。
5. 前記冷却システムが、二元冷凍システムである請求項４に記載の地盤の凍結方法。
6. 前記凍結対象領域が、トンネル形成領域である請求項１〜請求項５のうちのいずれか１項に記載の地盤の凍結方法。
7. 前記凍結対象領域が、２つのシールドトンネルを地中で接合させる際の接合領域である請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の地盤の凍結方法。

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