JP2017222985A

JP2017222985A - 既存建物の地下化工法

Info

Publication number: JP2017222985A
Application number: JP2016117122A
Authority: JP
Inventors: 前田　裕一; Yuichi Maeda; 裕一前田; 雅徳土屋; Masanori Tsuchiya
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2016-06-13
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: JP6691831B2

Abstract

【課題】既存建物を地下化して有効利用するための既存建物の地下化工法を提供する。
【解決手段】既存建物１の周囲の地盤Ｇに土留め壁２を設け、土留め壁２内の地盤Ｇを掘削する。土留め壁２内の既存建物１の下端部にケーソン作業室の天井版３を構築し、既存建物１を支持する既存の支持杭に天井版３を支持させる。天井版３に刃口６を設けるとともにケーソン作業室を形成し、ケーソン作業室に掘削設備８を艤装する。既存建物１の外壁側と天井版３を接続するように外壁用支柱９を設ける。ケーソン作業室に圧縮空気を供給しながら掘削設備８で地盤Ｇを掘削し、天井版３及び刃口６からなるケーソン７とともに既存建物１を順次地中に沈下させ、既存建物１を地中に沈設する。
【選択図】図５

Description

本発明は、既存建物を地下化する工法に関する。

土地の有効利用を図ることが可能であるため、１９６０年以降、都市部を中心に高層ビルが多数建設されてきた。そして、現在、５０年近く経過し、老朽化が生じたり、耐震性能が十分でなかったり、ＩＴ化への対応ができないなどの様々な理由により、リニューアル又は建て替えが必要な建物が増えている。

このため、建築・土木分野では、建物の解体方法、解体物の有効活用などの研究開発が進めされている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２５５３７４号公報

しかしながら、老朽化した高層ビルなどの建物を解体撤去する場合には、莫大な解体物が発生するため、十分に有効利用することは難しく、やはり莫大な産業廃棄物が発生し、これを処理するために莫大な費用が必要になる。

そして、今後老朽化したビルなどの建物の解体が大きな社会問題となることが予想され、画期的な対策手法が強く望まれている。

本発明は、上記事情に鑑み、既存建物を地下化して有効利用するための既存建物の地下化工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。

本発明の既存建物の地下化工法は、既存建物の周囲の地盤に土留め壁を設け、前記土留め壁内の地盤を掘削する土留め壁設置工程と、前記土留め壁内の既存建物の下端部にケーソン作業室の天井版を構築するケーソン作業室天井版構築工程と、既存建物を支持する既存の支持杭に前記天井版を支持させるケーソン作業室天井版受け替え工程と、前記天井版に刃口を設けるとともにケーソン作業室を形成する刃口／ケーソン作業室形成工程と、前記ケーソン作業室に掘削設備を艤装する掘削設備艤装工程と、既存建物の外壁側と前記天井版を接続するように外壁用支柱を設ける外壁用支柱設置工程と、前記ケーソン作業室に圧縮空気を供給しながら前記掘削設備で地盤を掘削し、前記天井版及び前記刃口からなるケーソンとともに既存建物を順次地中に沈下させ、既存建物を地中に沈設する掘削沈下工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明の既存建物の地下化工法においては、前記掘削沈下工程によって既存建物を地中に沈下させる際に、既存建物の沈下に応じて順次高強度外壁パネルを地盤の掘削壁面に設置する高強度外壁パネル設置工程を備えることが望ましい。

本発明の既存建物の地下化工法においては、既存建物を解体するのではなく、地下化して有効利用することができる。これにより、今後大きな社会問題となり得る老朽化したビルなどの建物を地下化して有効利用することで莫大な産業廃棄物の処理を不要にでき、資源の有効活用を可能にするという画期的な対策手法を実現・提供することができる。

本発明の一実施形態に係る既存建物の地下化工法において、既存建物の周囲の地盤に土留め壁を設け、土留め壁内の地盤を掘削した状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る既存建物の地下化工法において、土留め壁内の既存建物の下端部にケーソン作業室の天井版を構築した状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る既存建物の地下化工法において、既存建物を支持する既存の支持杭に天井版を支持させて受け替えを行った状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る既存建物の地下化工法において、天井版に刃口を設けるとともにケーソン作業室を形成し、ケーソン作業室に掘削設備を艤装した状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る既存建物の地下化工法において、ケーソンとともに既存建物を順次地中に沈下させる状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る既存建物の地下化工法において、既存建物の地下化が完了した状態を示す図である。既存建物の補強対策の一例を示す図である。既存建物をケーソン化した場合の沈下計算の一例を示す図である。

以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係る既存建物の地下化工法について説明する。

はじめに、本実施形態の既存建物の地下化工法は、例えば、高度成長期から５０年以上が経過して老朽化したビルなどの既存建物を解体するのではなく、そのまま地下に沈設して地下化し、既存建物を地下空間として再利用する画期的な技術に関するものである。

また、本実施形態の既存建物の地下化工法では、既存建物を沈設するにあたり、ニューマチックケーソン工法を発展させて用いることによって既存建物の地下化を実現する。さらに、土留め工に外周壁補強パネルを用いたプレキャスト工法を適用することで工期の短縮を可能にする。

すなわち、本実施形態の既存建物の地下化工法では、ビルなどの既存建物をニューマチックケーソン工法、プレキャスト工法を発展利用して地下化する。そして、このために、１）ビルの下部に気密室（ケーソン作業室、天井版（頂版）及び刃口）を設け、２）土水圧に耐えられる躯体にするため、ビル本体に補強対策を施し、３）地下化する際に発生する掘削土を排出する設備を設置する。

具体的に、本実施形態の既存建物の地下化工法では、まず、図１に示すように、既存建物１の周囲の地盤Ｇに土留め壁２を設け、土留め壁２内の地盤Ｇを掘削する（土留め壁設置工程）。これとともに、既存建物１の底版１ａを解体除去する（底版撤去工程）。

次に、図２に示すように、土留め壁２内において、型枠設置、コンクリート打設により、ケーソン作業室の天井版３を構築する（ケーソン作業室天井版構築工程）。

また、図３に示すように、ジャッキ４を用いながら、ケーソン作業室の天井版３を支持する既存建物１の底版１ｂを解体撤去するとともに、既存建物１を支持した支持杭５で天井版３を支持するように受け替えを行う（ケーソン作業室天井版受け替え工程）。

次に、図４に示すように、天井版３に刃口６を取り付けケーソン作業室（ケーソン７）を形成する（刃口／ケーソン作業室形成工程）。

また、ケーソン作業室の天井版３に掘削設備８を艤装する（掘削設備艤装工程）。さらに、既存建物１の外壁側を支持する外壁用支柱９を設置する（外壁用支柱設置工程）。

そして、図５に示すように、ニューマチックケーソン工法と同様、ケーソン作業室に圧縮空気を供給して地下水の流入を防ぎ、ケーソン作業室をドライな状態に保ちながら地盤Ｇを掘削する。また、ケーソン７（天井版３、刃口６）を沈下させながら順次地盤Ｇを掘削するとともに、既存建物１をケーソン７の沈下に合わせ、順次地中に沈設してゆく（掘削沈下工程）。

また、本実施形態では、このとき、ケーソン７ひいては既存建物１の沈下に応じ、順次プレキャストコンクリート製の高強度外壁パネル１０を掘削壁面に設置し、地盤Ｇの掘削壁面の崩壊、地下水の流入等を防止する（高強度外壁パネル設置工程）。

次に、図６に示すように、既存建物１を地中の所定位置まで沈下させた段階で、ケーソンの上方に浮き上がり防止用の重量コンクリート１１を打設する。また、ケーソン作業室に中詰めコンクリート１２を打設充填する（浮き上り防コンクリート打設工程）。

これにより、既存建物１の地下化施工が完了する。

このように地下化した既存建物１を地下空間として再利用しつつ、上方に新設建物を構築すれば、既存建物１と新設建物を複合した新たな建物を構築することができる。

一方、老朽化したビルなどの既存建物１を地下化して再利用するにあたり、場合によっては既存建物１（ビル躯体）を事前に補強することも必要になる。

このように既存建物１の補強が必要な場合には例えば以下のように対応する。

ビル躯体には窓や出入口等の開口があるため、これらを完全に閉塞するとともに、地下化した際に作用する土圧、水圧に対して十分な強度を持たせる必要がある。この対策として、図７に示すように、ビル外面にフレーム材１３を取り付けるとともに、フレーム材１３を介してプレキャストの耐圧コンクリートパネル１４を取り付け、強固な外殻構造を構築する。この補強対策は、短工期で安定した品質が確保でき、また、ビルの外面の凹凸にもある程度対応できるなどの利点がある。

ここで、耐圧コンクリートパネル１４の強度検討の一例について説明する。
なお、一般的なビルとして幅２５ｍ×奥行き２５ｍ、高さ５０ｍのビルを一例として試算した結果を示す。

また、検討を行う上で、外殻構造への作用荷重は表１の通りとした。

コンクリートパネルの強度検討では、コンクリートパネルを等分布荷重を受ける２辺固定板とし、断面力を算出する。例えば、パネルに発生するモーメントＭｙは、２辺固定板での算出式により、Ｍｙ＝β・ｐ_０・ａ^２＝−０．１２５０×１０７５×２．０^２＝５３８ｋＮ・ｍとなる。

そして、コンクリートパネル１４は極力薄くすることを想定し、厚さ１５０ｍｍ、配筋Ｄ２５を７５ｍｍピッチとした場合、発生応力度は表２の通りとなる。

次に、フレーム材１３の強度検討では、フレーム材１３をＨ形鋼で作成するものとし、コンクリートパネル１４を介して作用する土水圧に抵抗するように設計する。
表３は、最下段フレーム材（縦部材）１３に生じる発生応力度を試算した結果を示している。

現在、コンクリートは３００Ｎ／ｍｍ^２クラス、鋼材は１０００Ｎ／ｍｍ^２クラスまで開発が進められていることから、上記の補強構造は十分に実現可能であると言える。
なお、外殻のパネル間の継ぎ目には、シールドトンネルのセグメント間に使われる水膨張性ゴムを使用することで、外殻内への地下水の浸入を防止することが望ましい。

次に、本実施形態の既存建物の地下化工法において、沈下重量の確保の検討について説明する。

ケーソン７は、その底部の地盤を掘り取り、重力の作用（ケーソン本体の重量等）によって躯体を地中へ沈設させる。一方、浮力及び周面の地盤Ｇとケーソン躯体との間の摩擦力などが沈下に対する抵抗として働く。すなわち、ケーソン７が沈下するためには、全沈下力（躯体重量＋設備重量）＞沈下抵抗力（揚圧力＋周面摩擦力）の関係を満足する必要がある。

これを踏まえ、ビルのケーソン化における沈下計算の試算例を以下に示す。
ここでは、一般的な鉄骨造のオフィスビルの重量として１フロアあたり８ｋＮ／ｍ^２を想定し、沈下計算を行った。

まず、ビルの躯体重量＋パネル重量＋刃口コンクリート重量を沈下力とし、浮力と周面摩擦力を沈下抵抗力とすると、図８のような沈下関係図が得られる。
なお、周面摩擦力は、外殻コンクリートパネルの表面を滑面仕上げとし、地盤との摩擦抵抗を低減した状態を想定している。

この図から、深度２７．０ｍ付近まで沈設すると沈下抵抗力が沈下力を上回るため、沈下重量を追加する必要が生じることが分かる。そして、躯体内部に沈下用重量コンクリート（５０ｋＮ／ｍ^３）を３．７５ｍ打設すれば沈設可能であると判断することができる。

なお、ビル支持杭の受け替え手順、ケーソン作業室内での支持杭切断及び撤去方法、掘削土排土設備のビル屋上への設置方法（揚重にはエレベータシャフトなどを使用）、沈設後のビルライフライン接続方法、外殻コンクリートパネルと既存ビル躯体の間の間詰め方法などは、現場に合わせて適宜検討して選定すればよい。

したがって、本実施形態の既存建物の地下化工法においては、既存建物１を解体するのではなく、地下化して有効利用することができる。

よって、本実施形態の既存建物の地下化工法によれば、今後大きな社会問題となり得る老朽化したビルなどの建物１を地下化して有効利用し、莫大な産業廃棄物の処理を不要にでき、資源の有効活用を可能にするという画期的な対策手法を実現することができる。

以上、本発明に係る既存建物の地下化工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既存建物
１ａ底版
２土留め壁
３天井版
４ジャッキ
５支持杭
６刃口
７ケーソン
８掘削設備
９外壁用支柱
１０高強度外壁パネル
１１重量コンクリート
１２中詰めコンクリート
Ｇ地盤

Claims

既存建物の周囲の地盤に土留め壁を設け、前記土留め壁内の地盤を掘削する土留め壁設置工程と、
前記土留め壁内の既存建物の下端部にケーソン作業室の天井版を構築するケーソン作業室天井版構築工程と、
既存建物を支持する既存の支持杭に前記天井版を支持させるケーソン作業室天井版受け替え工程と、
前記天井版に刃口を設けるとともにケーソン作業室を形成する刃口／ケーソン作業室形成工程と、
前記ケーソン作業室に掘削設備を艤装する掘削設備艤装工程と、
既存建物の外壁側と前記天井版を接続するように外壁用支柱を設ける外壁用支柱設置工程と、
前記ケーソン作業室に圧縮空気を供給しながら前記掘削設備で地盤を掘削し、前記天井版及び前記刃口からなるケーソンとともに既存建物を順次地中に沈下させ、既存建物を地中に沈設する掘削沈下工程とを備えることを特徴とする既存建物の地下化工法。
請求項１記載の既存建物の地下化工法において、
前記掘削沈下工程によって既存建物を地中に沈下させる際に、既存建物の沈下に応じて順次高強度外壁パネルを地盤の掘削壁面に設置する高強度外壁パネル設置工程を備えることを特徴とする既存建物の地下化工法。