JP2016156169A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凍結工法を利用して地下構造物同士を接合する接合方法であって、施工環境に限定されることなく、凍結膨張による既設地下構造物への影響を抑制することが可能な接合方法を提案する。【解決手段】先行トンネル１に後行トンネル２を接続する接合方法であって、先行トンネル１と後行トンネル２との接合部３周辺の地盤を凍結させる凍結工程を備えており、先行トンネルの外側に袋体１３を設け、袋体１３の内部に凍結開始温度が０℃未満の流動体を循環させながら前記凍結工程を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、凍結工法を利用して地下構造物同士を接続するための接合方法に関する。

到達立坑やトンネル等の既設地下構造物にトンネル掘削機等により新設トンネルを接続する場合に、接合部の周囲の地盤を冷媒により凍土化させることで、当該地盤を自立させる凍結工法が採用される場合がある（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
ところが、既設地下構造物の周囲の地盤を凍結させると、地盤の凍結膨張によって、既設構造物に悪影響が及ぶ恐れがある。特に粘性土の場合は凍結による膨張が大きい。

特開２０００−２６５７８０号公報 特開２００４−３３２３８７号公報

凍結工法における地盤の膨張圧の解消を目的として、接合部の周囲の地盤に対して、予め地上からボーリングによって多数の砂杭を構築しておき、凍土造成時に再度ボーリングを行って砂杭の砂を逐次消失させることで膨張圧を散逸、消散させる方法が採用される場合があった。

ところが、地上部が供用中の道路等である場合には、ボーリングを行うための用地を確保するのが困難となる。
また、大深度において凍結工法を採用する場合には、地上部からのボーリングは困難である。

このような観点から、本発明は、凍結工法を利用して地下構造物同士を接合する接合方法であって、施工環境に限定されることなく、凍結膨張による既設地下構造物への影響を抑制することが可能な接合方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、第一地下構造物にトンネルからなる第二地下構造物を接続する接合方法であって、前記第一地下構造物と前記第二地下構造物との接合部周辺の地盤を凍結させる凍結工程を備えており、前記第一地下構造物の外側に袋体を設け、前記袋体の内部に凍結開始温度が０℃未満の流動体を循環させながら前記凍結工程を行うことを特徴としている。

かかる接合方法によれば、凍結工程において袋体内の流動体が凍結しないため、袋体内の圧力を低減させることにより凍結膨張の膨張圧を吸収することができる。そのため、凍結膨張による第一地下構造物への負担を軽減させることができる。

前記第一地下構造物がシールドトンネルである場合には、前記第一地下構造物を構築するトンネル構築工程において、前記接合部の位置に袋体として袋付きセグメントを配置し凍結開始温度が０℃未満の流動体を循環すればよい。
このとき、第一地下構造物の外面と地盤との隙間（余掘り部分）に凍結開始温度が０℃程度の裏込め材を注入しておけば、第二地下構造物を第一地下構造物に接合する際に、袋体内の圧力を低減させることにより凍結膨張の膨張圧を吸収することができ、裏込め材を融解させることで泥状化するのでトンネル掘進機の第一地下構造物に対する負担を軽減させることができる。この場合の裏込め材は、通常セメント主体のスラリーに代替し、ベントナイト主体のスラリーとすれば、凍結・融解によりベントナイト内部の骨格構造が崩壊し泥状化するので、この効果を得られる。

また、前記第一地下構造物が地中連続壁により形成された立坑である場合には、前記地中連続壁を構築する立坑構築工程において、地盤に形成された溝または孔（凹部）に、前記接合部の位置に前記袋体が取り付けられた鉄筋籠または芯材を挿入すればよい。

前記凍結工程では、前記第二地下構造物を構築するためのトンネル掘進機から前記接続部の周囲を囲うように複数の凍結管を配設し、前記凍結管に冷却剤を循環させることで、接合部の周辺地盤を凍結させるのが望ましい。

本発明の接合方法によれば、凍結工法を利用して地下構造物同士を接合する場合において、施工環境に限定されることなく、凍結膨張による既設地下構造物への影響を抑制することが可能となる。

（ａ）は本発明の第一の実施形態に係る地下構造物同士の接合部を示す平面図、（ｂ）は同横断図である。 （ａ）は先行トンネル構築工程を示す縦断図、（ｂ）は同横断図、（ｃ）は（ａ）に続く作業時を示す縦断図、（ｄ）は同横断図である。 （ａ）は後行トンネル構築工程を示す縦断図、（ｂ）は同横断図、（ｃ）は凍結工程を示す縦断図、（ｄ）は同横断図である。 （ａ）は本発明の第二の実施形態に係る地下構造物同士の接合部を示す縦断図、（ｂ）は同平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は立坑構築工程の各施工段階を示す縦断図である。 （ａ）は掘削機を示す正面図、（ｂ）は掘削機による掘削状況を示す断面図、（ｃ）は掘削機による拡幅部の掘削状況を示す断面図である。 （ａ）は凍結工程を示す縦断図、（ｂ）は同平面図である。

＜第一の実施形態＞
第一の実施形態では、先行トンネル１（第一地下構造物）に、後行トンネル２（第二地下構造物を接続する接合方法について説明する（図１（ａ）および（ｂ）参照）。
本実施形態の接合方法は、先行トンネル構築工程と、後行トンネル構築工程と、凍結工程と、接合工程とを備えている。
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、後行トンネル２は先行トンネル１の側面に接続する。

なお、本実施形態では、先行トンネル１および後行トンネル２をシールドトンネルにより構築する場合について説明するが、先行トンネル１および後行トンネル２を構築するためのトンネル工法は限定されるものではなく、例えばＴＢＭであってもよい。
また、本実施形態では、後行トンネル２の断面（外径）が、先行トンネル１の断面（外径よりも小さい場合について説明するが、後行トンネル２の断面形状は、先行トンネル１の断面形状以下の大きさであれば限定されない。
さらに、本実施形態では先行トンネル１のトンネル軸と後行トンネル２のトンネル軸とが斜めに交差する場合について説明するが、先行トンネル１のトンネル軸と後行トンネル２のトンネル軸は直角に交わっていてもよい。

先行トンネル構築工程は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、先行トンネル１を構築する工程である。
先行トンネル１は、トンネル掘削機Ｍ１により地盤を掘削するとともに、トンネル掘削機Ｍ１内の後部で複数のセグメント１２，１２，…をリング状に組み立ててセグメントリング１１を形成するとともに、後方のセグメントリング１１に連結することにより形成する。本実施形態では、先行トンネル１を断面円形に形成するが、先行トンネル１の断面形状は、例えば矩形でもよく、限定されない。

本実施形態では、先行トンネル１を構成するセグメント１２，１２，…のうち、先行トンネル１と後行トンネル２との接合部３の位置に対応するセグメント１２を袋付きセグメント１２ａとすることで先行トンネル１の外側（セグメント１２の背面）に袋体１３を設ける。なお、先行トンネル１に設ける袋体１３の数や配置は、接合部３の形状や袋体１３の形状等に応じて適宜設定すればよく、限定されるものではないが、本実施形態では、３つの袋体１３をトンネル軸方向に沿って並設している。

袋体１３は、帆布等のシート材の周縁をセグメント１２の背面に固定することにより形成されている。なお、袋体１３を構成する材料は限定されるものではなく、例えば合成繊維やゴム等により構成されていてもよい。また、袋体１３は、シート材を縫製して袋状に形成したものをセグメント１２の背面に沿って設けたものであってもよい。さらに、本実施形態の袋体１３は、正面視小判型であるが、袋体１３の形状は限定されるものではなく、例えば、円形や矩形であってもよい。

袋体１３を備えたセグメントリング１１がトンネル掘削機Ｍ１のテールを脱したら、図２（ｃ）および（ｄ）に示すように、当該セグメントリング１１の周囲の余掘り部分（先行トンネルの外面と地盤との隙間）に裏込め材４１を注入する。裏込め材４１の注入は、セグメント１２のグラウトホール１６から行う。

裏込め材４１は、凍結開始温度が０℃程度のものを使用する。なお、裏込め材４１として、余掘り部分のうちの接合部３に対応する部分（緩衝空間４）と接合部３（緩衝空間４）以外の部分とで異なる材料を使用してもよい。例えば、余掘り部分４の緩衝空間４以外の部分にはセメント主体のスラリーである固化材を注入してもよい。
本実施形態では、裏込め材４１として、凍結・融解によりベントナイト内部の骨格構造が崩壊し泥状化するベントナイト主体のスラリーを採用するが、裏込め材４１は、凍結開始温度が０℃程度のものであれば限定されない。

緩衝空間４への裏込め材４１の注入に伴い、袋体１３内には流動体を注入する。
袋体１３内への流動体の注入は、袋付きセグメント１２ａに形成された注入孔１４および排出孔１５を利用して行う。

袋体１３は、図２（ｄ）に示すように、流動体が注入されることにより膨張する。
流動体は、凍結開始温度が０℃未満の材料を使用するものとする。本実施形態では、流動体として、ケイ酸ナトリウム、水およびグリセリンを主剤としたＡ液と、ベントナイト、セメント、水およびグリセリンを主剤としたＢ液との混合体を使用する。かかる流動体は、目標凝固点が−１０〜−５℃で、かつ、高粘性で、なおかつ、１カ月〜半年程度で固化する塑性流動体である。なお、流動体に使用可能な材料は限定されるものではなく、例えば、フライアッシュ、スラグ、ケイ酸ソーダの混合物質を使用してもよい。

後行トンネル構築工程は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、後行トンネル２を先行トンネル１の近傍まで構築する工程である。
後行トンネル２は、トンネル掘削機Ｍ２により地盤を掘削するとともに、トンネル掘削機Ｍ２の後部で複数のセグメント２２，２２，…をリング状に組み立ててセグメントリング２１を形成するとともに、後方のセグメントリング２１に連結することにより形成する。本実施形態では、後行トンネル２を断面円形に形成するが、後行トンネル２の断面形状は、例えば矩形でもよく、限定されない。

なお、本実施形態では、先行トンネル構築工程後に後行トンネル構築工程を実施する場合について説明するが、先行トンネル構築工程と後行トンネル構築工程との施工順序は限定されるものではなく、例えば、先行トンネル構築工程と後行トンネル構築工程とを同時に実施してもよい。

凍結工程は、図３（ｃ）および（ｄ）に示すように、接合部３の周辺の地盤を凍結させる工程である。
本実施形態では、後行トンネル２を構築するためのトンネル掘進機Ｍ２から、接続部３の周囲を囲うように複数の凍結管５，５，…を配設し、この凍結管５，５，…に冷却剤を循環させることにより、接合部３周辺の地盤を凍結させる。袋体１３内には、流動体を循環させる。すなわち、注入口１４から袋体１３内部に流動体を注入するとともに排出口１５から袋体１３の内部の流動体を排出する。また、周辺地盤の凍結膨張に応じて流動体の注入量、排出量を調整することで、袋体１３内の流動体の圧力を低減させる。こうすることで、接合部３周囲の地盤の凍結を融解させることなく、凍結膨張を吸収し、先行トンネル１への負担を軽減する。なお、袋体１３内に滞留する流動体の温度が凝固温度を下回らないように流動体の循環速度を調整する。

接合工程は、後行トンネル２を先行トンネル１に接続する工程である（図１および図３参照）。
接合工程では、トンネル掘削機Ｍ２の内部を解体し、接合部３（先行トンネル１）に向けて掘進して、凍結により止水された先行トンネル１の側面を貫通させる。このとき、接合部３の周囲の地盤は、凍結により自立している。

先行トンネル１と後行トンネル２との接続が完了したら、接合部３周囲の地盤を解凍する。本実施形態では、自然解凍により解凍するが、必要に応じて強制解凍を行ってもよい。

第一の実施形態の接合方法によれば、凍結工程において袋体１３内の流動体が凍結しないため、袋体１３内の圧力を低減させることにより凍結膨張の膨張圧を吸収することができる。そのため、凍結膨張による先行トンネル１への負担を軽減させることができる。

接合部３の周囲は凍結により自立しているため、施工時に先行トンネル１坑内への湧水等が抑制され、安全性および施工性に優れている。
そのため、大深度における地中構造物同士の接合であっても、比較的簡易かつ安価に凍結工法を利用した接合方法を採用することができる。

＜第二の実施形態＞
第二の実施形態では、連続地中壁７により形成された立坑６（第一地下構造物）に、トンネル８（第二地下構造物）を接続する接合方法について説明する（図４（ａ）および（ｂ）参照）。
本実施形態の接合方法は、立坑構築工程と、後行トンネル構築工程と、凍結工程と、接合工程とを備えている。
図４（ａ）および（ｂ）に示すように、トンネル８は立坑６の側面に接続する。

立坑構築工程は、図５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、立坑６を構築する工程である。
立坑構築工程は、地盤に溝（凹部）６１を形成する作業と（図５（ａ））、溝６１内に鉄筋籠７１を挿入する作業と（図５（ｂ））、溝６１内にコンクリートを打設して地中連続壁７を形成する作業とを備えている。なお、本実施形態では、壁式連続地中壁を形成する場合について説明するが、地中連続壁の形成方法は限定されるものではなく、例えば柱列式地中連続壁を採用してもよい。

溝６１は、図５（ａ）に示すように、掘削機６２により形成する。掘削機６２は、図示しないクレーンにより吊持されている。
本実施形態の掘削機６２は、図６（ａ）に示すように、上部に拡幅用回転式掘削手段６３を有しており、接合部３の位置に対応して溝６１に拡幅部（緩衝空間）６４を形成することができる。

拡幅用回転式掘削手段６３は、通常の溝６１の掘削時には、図５（ｂ）に示すように、折りたたまれた状態（上向きに立った状態）で、掘削機本体６５の上側に配設されており、拡幅部６４の掘削時には、掘削機本体６５よりも外方向（立坑６の外側）に突出した状態（側方に倒した状態）で地盤を掘削する。なお、拡幅用回転式掘削手段６３の構成は限定されるものではない。例えば、アースオーガー拡径機を利用して拡幅してもよい。

溝６１を形成したら、図６（ｂ）に示すように、溝６１に鉄筋籠７１を挿入する。鉄筋籠７１には、接合部３の位置（深さ）に対応して袋体７２を取り付けておく。なお、地中連続壁７に設ける袋体７２の数や配置は、接合部３の形状や袋体７２の形状等に応じて適宜設定すればよく、限定されるものではない。
ここで、袋体７２の詳細は、第一の実施形態で示した袋体１３と同様なため、詳細な説明は省略する。また、地中連続壁７に鉄筋籠を配筋しない場合には、芯材等に袋体７２を固定して溝（孔）内に挿入すればよい。

溝６１に鉄筋籠７１を挿入したら、図５（ｃ）に示すように、袋体７２内に流動体を注入する。袋体７２は、流動体が注入されることにより拡幅部６４内で膨張する。袋体７２への流動体の注入は、地上部から延設された注入管７３を利用して行う。このとき、拡幅部６４（緩衝空間）内の袋体７２同士の隙間には、溝６１内に打設されたコンクリートが充填されることとなる。
なお、柱列式地中連続壁により立坑を形成する場合には、地上からボーリングにより形成した掘削孔を利用して拡幅部に裏込め材を充填するのが望ましい。裏込め材を構成する材料は限定されるものではないが、凍結・融解によりベントナイト内部の骨格構造が崩壊し泥状化するベントナイト主体のスラリーとして、セメント・ベントナイトスラリーとケイ酸水溶液を混ぜることにより得られたものを使用すればよい。
ここで、流動体の詳細は、第一の実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

袋体６５への流動体の注入に伴い、溝６１内にコンクリートを打設する。なお、溝６１には、必ずしもコンクリートを打設する必要はなく、例えば、固化材を溝内の安定液と撹拌することにより地中連続壁７を形成してもよい。

地中連続壁７を形成したら、地中連続壁７により囲まれた部分を掘削し、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、立坑６を形成する。このとき、地中連続壁７には、立坑６内から袋体７２内に至る流路７４を形成しておく。

トンネル構築工程は、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、トンネル８を立坑６の近傍まで構築する工程である。トンネル８の詳細は、第一の実施形態で示した後行トンネル２と同様なため、詳細な説明は省略する。
なお、本実施形態では、立坑構築工程後にトンネル構築工程を実施する場合について説明するが、立坑構築工程とトンネル構築工程との施工順序は限定されるものではなく、例えば、立坑構築工程とトンネル構築工程とを同時に実施してもよい。

凍結工程は、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、立坑６とトンネル８との接合部３周辺の地盤を凍結させる工程である。
本実施形態では、トンネル８を構築するためのトンネル掘進機Ｍ２から、接続部３の周囲を囲うように複数の凍結管５，５，…を配設し、この凍結管５，５，…に冷却剤を循環させることにより、接合部３周辺の地盤を凍結させる。このとき、袋体７２の内部では、周辺地盤の凍結膨張に応じて流動体の圧力を低減させる。こうすることで、接合部３周囲の地盤の凍結を融解させることなく、袋体７２が凍結膨張を吸収し、地中連続壁７への負担を軽減する。
なお、連続地中壁７が柱列式地中連続壁の場合等では、地上からボーリングにより形成した掘削孔を利用して拡幅部に充填された裏込め材が、凍結開始が０℃程度で、凍結・融解作用にて粘性低下をおこすため、流動体によって冷却された裏込め材が低粘性化し圧力伝播を鋭敏化することで、凍結膨張をより均一に拡散できる。

接合工程は、トンネル８を立坑６に接続する工程である（図４および図７参照）。
接合工程では、トンネル掘削機Ｍ２の内部を解体し、接合部３（立坑６）に向けて掘進させて、地中連続壁７を貫通させる。このとき、接合部３の周囲の地盤は、凍結により自立している。
立坑６とトンネル８との接続が完了したら、接合部３周囲の地盤を解凍する。本実施形態では、自然解凍により解凍するが、必要に応じて強制解凍を行ってもよい。

第二の実施形態の接合方法によれば、凍結工程において袋体７２内の流動体が凍結しないため、袋体７２内の圧力を低減させることにより凍結膨張の膨張圧を吸収することができる。そのため、凍結膨張による立坑６（地中連続壁７）への負担を軽減させることができる。
接合部３の周囲は凍結により自立しているため、施工時に立坑６への湧水等が抑制され、安全性および施工性に優れている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、第一地下構造物は、第二地下構造物の接続に先だって構築された構造物であれば、前記各実施形態で示したもの（トンネルまたは立坑）限定されるものではない。例えば、人孔やその他の地下構造物であってもよい。

また、裏込め材は、凍結・融解作用にて粘性低下を起こし、液状性状となり、土圧耐荷時に圧抜けや減容の危険を最小化しつつ、凍結段階の凍結進捗に対する膨張圧の放散機能も実現できるものであればよく、例えば、セメントスラリーを採用してもよい。

１ 先行トンネル（第一地下構造物）
１３ 袋体
２ 後行トンネル（第二地下構造物）
３ 接合部
４ 緩衝空間
４１ 裏込め材
５ 凍結管
６ 立坑（第一地下構造物）
６１ 溝
７ 地中連続壁
７１ 鉄筋籠
７２ 袋体
８ トンネル（第二地下構造物）

Claims (5)

1. 第一地下構造物にトンネルからなる第二地下構造物を接続する接合方法であって、
   前記第一地下構造物と前記第二地下構造物との接合部周辺の地盤を凍結させる凍結工程を備えており、
   前記第一地下構造物の外側に袋体を設け、
   前記袋体の内部に凍結開始温度が０℃未満の流動体を循環させながら前記凍結工程を行うことを特徴とする、接合方法。
2. 前記第一地下構造物がシールドトンネルであり、
   前記第一地下構造物を構築するトンネル構築工程において、前記接合部の位置に袋付きセグメントを配置することを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
3. 前記トンネル構築工程において、前記第一地下構造物の外面と地盤との隙間に凍結開始温度が０℃程度の裏込め材を注入することを特徴とする、請求項２に記載の接合方法。
4. 前記第一地下構造物が地中連続壁により形成された立坑であり、
   前記地中連続壁を構築する立坑構築工程では、地盤に形成された凹部に、前記接合部の位置に前記袋体が取り付けられた鉄筋籠または芯材を挿入することを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
5. 前記凍結工程では、前記第二地下構造物を構築するためのトンネル掘進機から前記接続部の周囲を囲うように複数の凍結管を配設し、前記凍結管に冷却剤を循環させることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の接合方法。

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