JP2017186858A

JP2017186858A - 凍結工法の凍結膨張圧算出方法

Info

Publication number: JP2017186858A
Application number: JP2016083209A
Authority: JP
Inventors: 小林　伸司; Shinji Kobayashi; 伸司小林; 幸一浜口; Koichi Hamaguchi; 保司上田; Yasuji Ueda; 聡志吉田; Satoshi Yoshida
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Seiken Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Seiken Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP6756512B2

Abstract

【課題】より精度よく凍結膨張圧を予測することを可能にする凍結工法の凍結膨張圧算出方法を提供する。【解決手段】凍結工法を用いて地盤を凍結させる際の凍結膨張圧を算出する方法であって、凍結運転開始から凍土が繋がり、凍土が繋がって必要な凍土厚が造成され、造成した凍土を維持する凍結工法の凍土が造成されてゆく過程を段階的に分け、各凍土成長段階における線膨張率を求め、該線膨張率と高志による無限円筒の式とを用いて所望の位置の地盤の膨張圧を求めるようにした。【選択図】図６

Description

本発明は、凍結工法における凍結膨張圧算出方法に関する。

従来、地盤の安定化、防水層の形成などを目的とした防護工として凍結工法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、トンネル掘進機で地盤を掘削してトンネルを構築する際、特に、道路トンネルの分岐・合流部や鉄道トンネルの渡り線部などの大断面トンネルを構築する際の発進・到達時やセグメント切り開き時（シールドトンネルの地中拡幅時）などに、凍結工法が用いられている。

ここで、大断面トンネルを構築する際などの大規模な凍土造成を行う場合や凍結対象地盤に粘性土が含まれている場合には、地盤の凍結による膨張圧が大きくなり、組み立てたセグメント（周囲の構造物など）に凍結膨張圧による過大な荷重が作用してセグメントボルトが破断したり、セグメントが破損するおそれがある。このため、地盤の凍結対象範囲の３次元の体積膨張率を求め、凍結対象範囲の周囲の凍結膨張圧を予め計算／予測する必要がある（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。

従来、地盤の凍結対象範囲の３次元の体積膨張率を求め、凍結対象範囲の周囲の凍結膨張圧を予測する手法としては、経験則から体積膨張率に方向係数（例えば１／３〜２／３とする場合が多い）を乗じ、この値と、高志による無限円筒の式とを適用することによって、簡易的に凍結対象範囲の周囲の凍結膨張圧を求める方法が用いられている。

特開２００５−２６４７１７号公報

上田保司，生瀬孝博，田村武、「土の凍結線膨張率を取り込んだ３次元地盤変形解析」、公益社団法人土木学会、土木学会論文集Ｃ、Ｖｏｌ．６３Ｎｏ．３，ｐ．８３５−８４７，２００７年９月高志勤、「凍結膨張による未凍結領域内の土圧と変位の経時変化」、公益社団法人土木学会、土木学会論文報告集、第２００号，ｐ．４９−６２，１９７２年４月山本英夫，上田保司，伊豆田久雄、「飽和度の三軸凍結膨張に関する実験的研究」、公益社団法人日本雪氷学会、雪氷、５６巻，４号，ｐ．３２５−３３３，１９９４年１２月

しかしながら、上記従来の凍結膨張圧の算出方法においては、経験則に基づいて簡易的に凍結膨張圧を求めることができる反面、凍土の形状や凍結管の配置などによっては安全側に過大な膨張圧が算出される場合がある。

すなわち、上記従来の高志による無限円筒の式を用いる手法は、無限円筒の式に、体積膨張率に円筒法線方向の方向係数を乗じて求めた「構築物への膨張率」を代入することによって膨張圧を算出するものであり、凍土膨張率の異方性や凍土成長段階を考慮していないため、精度よく膨張圧を求めることができない場合もある。

一方、凍結膨張解析によって凍結膨張圧を求める手法も提案されている。この凍結膨張解析による方法は、モデル化により凍土膨張率の異方性や凍土成長段階を考慮することが可能であるが、現状では条件設定と解析精度などの点で改善の余地が残されている。

本発明は、上記事情に鑑み、より精度よく凍結膨張圧を予測することを可能にする凍結工法の凍結膨張圧算出方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の凍結工法の凍結膨張圧算出方法は、本発明の凍結工法の凍結膨張圧算出方法は、凍結工法を用いて地盤を凍結させる際の凍結膨張圧を算出する方法であって、凍結運転開始から凍土が繋がり、凍土が繋がって必要な凍土厚に造成され、造成した凍土を維持するまでの凍土成長過程を段階的に分け、各凍土成長段階における線膨張率を求め、該線膨張率と高志による無限円筒の式とを用いて所望の位置の地盤の膨張圧を求めるようにした。

本発明の凍結工法の凍結膨張圧算出方法においては、凍土成長段階に応じた精度の高い凍結膨張率、凍結膨張圧を算出することができ、合理的な凍結工法の施工を実現することが可能になる。

凍結工法を用いて構築するトンネルの施工方法の一例を示す図である。凍結工法を用いて構築するトンネルの一例を示す図である。凍結工法を用いて構築する分岐・合流部のトンネルの一例を示す図である。凍結工法を用いて構築するトンネルの施工方法の一例を示す図である。凍結工法を用いた際の凍土の造成段階の説明に用いた図である。本発明の一実施形態の凍結工法の凍結膨張圧算出方法によって求めた膨張圧と、従来の方法によって求めた膨張圧を比較した図である。図６の各部の位置を示す図である。

以下、図１から図７を参照し、本発明の一実施形態に係る凍結工法の凍結膨張圧算出方法について説明する。

ここで、本実施形態では、例えば、道路トンネルの分岐・合流部や鉄道トンネルの渡り線部などの大断面トンネルを構築する際の発進・到達時やセグメント切り開き時（シールドトンネルの地中拡幅時）などに対し凍結工法を用いるものとして説明を行う。
但し、本発明の凍結工法の凍結膨張圧算出方法は、土木建築分野において凍結工法を用いるあらゆるケースに適用可能である。

はじめに、図１から図４に示すように、道路トンネルの分岐・合流部などの大断面トンネルを構築する際には、例えば、本線シールド１、ランプシールド２（２本の導坑）を横方向に間隔をあけて先行構築するとともに、本線シールド１を通じ、凍結工法で環状や門型の凍土壁５を形成して地盤の安定化を図りつつ地中発進基地３を構築し、この地中発進基地３から本線シールド１、ランプシールド２を囲繞するように小径のトンネル掘進機で複数の外殻シールド４を構築する。

さらに、凍結工法を用いて凍土壁５を形成しつつ隣り合う外殻シールド４を切り開いて連通させ、本線シールド１、ランプシールド２を囲繞する本設覆工６を構築する。そして、本線シールド１から本設覆工６で囲まれた地盤を掘削して連通させ、分岐・合流部となる大断面トンネルを構築する。

また、凍結工法で凍土壁５を形成する際には、凍結管７と測温管を地盤内に設置し、凍結管７にブラインを循環供給するための配管設備、冷凍機設備を設置し、測温管に計装設備等を設置する。そして、凍結管５にブラインを循環させて凍土造成を開始する。このとき、測温管で地中温度をリアルタイムで計測し、凍土造成の進行状況や凍土の維持状況を捉え、施工管理を行う。

一方、図５に示すように、凍結工法では、凍結管７にブラインを循環させるとともに凍結管７の周囲に凍土が造成されて膨張が生じる（凍土領域１０）。ブライン流通方向上流側の凍土が先行して造成され（凍土領域１１）、次第に下流側の凍土が造成され（凍土領域１２）、凍土が繋がり、止水性能をもつ凍土壁が形成される。さらに、必要凍土厚まで凍土造成され、所望の強度性能をもつ凍土壁５が形成される。凍土の維持を図ることにより、さらに凍土が内側、外側に造成され（凍土領域１３、凍土領域１４）、凍土壁５が増厚してゆく。

なお、測温管による温度計測によって、例えば−５℃の領域が連続的に形成されれば止水性能を有する（止水性能を確保した）凍土領域１１、１２が形成されたことを検知することができる。また、例えば−１０°の領域が連続的に形成されれば、強度性能を有する（所望の強度性能を確保した）凍土壁５が形成されたことを検知することができる。

そして、従来の凍結工法の凍結膨張圧算出方法では、このような段階的な凍土造成を考慮せず、周知の高志による無限円筒の式に、体積膨張率に円筒法線方向の方向係数の１／２を乗じて求めた「構築物への膨張率」を代入することによって膨張圧を算出していた。

これに対し、本実施形態の凍結工法の凍結膨張圧算出方法では、運転開始から凍土が繋がるまでの第一段階、凍土が繋がって必要な凍土厚が造成されるまでの第二段階、凍結維持期間の第三段階の各段階を考慮し、体積膨張率に円筒法線方向の方向係数を乗じて求めた「構築物への膨張率」ではなく、凍土成長段階に応じた線膨張率の構築方向成分を「構築物への膨張率」として使用することで膨張圧を算出する。

具体的に、本実施形態の凍結工法の凍結膨張圧算出方法おいては、図５、図６、図７に示すように、上記の第一から第三段階の各凍土成長段階に応じた凍結対象範囲の凍結線膨張率を算出する。この凍土膨張率は凍土内発生応力に応じて変化するため、第一から第三段階の各凍土成長段階に応じた凍結対象範囲の凍結線膨張率を算出することにより、本実施形態の凍結工法の凍結膨張圧算出方法では異方性を考慮することができる。

また、凍土成長段階に応じた凍結線膨張率の算出は凍土成長解析によって計算する。
ここで、凍結膨張解析は、凍結膨張圧の算出への適用が難しいレベルであるが、本願の発明者らは、モデル化により凍土膨張率の異方性や凍土成長段階の解析には凍結膨張解析を十分に適用できることを見出し、本実施形態の凍結工法の凍結膨張圧算出方法において、凍土成長段階に応じた凍結線膨張率を算出する手段としてのみ、この凍結膨張解析を適用することとした。

本実施形態の凍結工法の凍結膨張圧算出方法では、このように算出した第一から第三段階の各凍土成長段階の３次元凍結線膨張率（体積膨張率）と、周知の高志による無限円筒の式とを適用し、図６（ａ）（第一段階）、図６（ｂ）（第二段階）、図６（ｃ）（第三段階）に示すように、第一段階、第二段階、第三段階の各凍土成長段階の凍結膨張圧を算出する（図７参照）。

このように段階的な凍結膨張圧を求めることによって、図６（ｃ’）に示す従来の算出方法で求めた凍結膨張圧と比較し、安全側で且つ過大になることなく、より精度よく凍結膨張圧を算出するできることが確認された。
すなわち、実際の検討事例の凍土厚３．５ｍ、ドーム型の凍土造成ケースにおいて、従来の高志による無限円筒の式による凍結膨張圧算出結果が１１１４ｋＮ／ｍ^２であるのに対し、本手法では凍結膨張圧６６８ｋＮ／ｍ^２という結果が得られ、合理的な施工を実現できることが実証されている。

したがって、本実施形態の凍結工法の凍結膨張圧算出方法によれば、凍土成長段階に応じた精度の高い凍結膨張率ひいては凍結膨張圧を算出することができ、合理的な凍結工法の施工を実現することが可能になる。

以上、本発明による凍結工法の凍結膨張圧算出方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１本線シールド
２ランプシールド
３地中発進基地
４外殻シールド
５凍土壁
６本設覆工
７凍結管
１０凍土領域
１１凍土領域
１２凍土領域
１３凍土領域
１４凍土領域

Claims

凍結工法を用いて地盤を凍結させる際の凍結膨張圧を算出する方法であって、
凍結運転開始から凍土が繋がり、凍土が繋がって必要な凍土厚に造成され、造成した凍土を維持するまでの凍土成長過程を段階的に分け、各凍土成長段階における線膨張率を求め、該線膨張率と高志による無限円筒の式とを用いて所望の位置の地盤の膨張圧を求めるようにしたこと特徴とする凍結工法の凍結膨張圧算出方法。