JP2019082049A - 凍結管及び凍結工法 - Google Patents
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- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
Description
ここで、凍結管同士を溶接する作業は、冷媒が漏洩することを防止するために溶接部分に気密性・水密性が要求され、多大な労力を必要とする。
さらに、凍結管同士は現場で溶接接合されて凍結管が形成されるため、凍結が終了して凍結管を撤去する際には、ガス溶断により凍結管を切断して解体する必要がある。このため、切断された凍結管を再利用することは出来ず、凍結工事の都度、いわゆる新品の凍結管を準備する必要があり、材料コストが高いものとなっている。
また限定凍結の場合、地盤の凍結させない領域に相当する凍結管の領域に発泡スチロール製断熱材料である半割り管部材などを巻き付ける作業等、断熱材を配置する作業に多大な労力を必要とする。
上述した多大な労力を軽減して、凍結工法全体のコストを低減する要請が存在するが、係る要請に応える技術は未だに提案されていない。
また、凍結管の接合は上記のように溶接で行い、断熱材は発泡スチロール製材料などを用いるので、溶接の熱で断熱材が溶けないような特段の処理が必要となるばかりでなく、火災の発生も留意しなければならない。
しかし、係る従来技術(特許文献1)は二重管を用いて掘削し、当該二重管をそのまま凍結管として使用しているので、垂直方向(凍結管管軸方向)に凍結させない領域を有する限定凍結に適用するのが困難である。さらに、二重管により削孔した後、二重管の内管からブラインを供給して外管内に流出させる前記従来技術は、切削水と冷媒とを切り替える機構が内管を上方にスライドするものであり、内管よりも先端側には、冷媒を供給することが出来ない。そのため、凍結管先端周辺の地盤を凍結することが出来なかった。そして先端周辺の地盤を凍結することが出来ないので、従来技術では、必要な長さを凍結するためにはその分だけ余計に削孔しなければならなかった。
削孔ロッド(10)は冷媒供給管(6)が挿入された後は凍結管外管(10)として機能し、凍結管外管(10)に対して着脱自在で且つ凍結管外管(10)と冷媒供給管(6)の間の領域に連通している冷媒用ヘッダー(冷媒循環用ヘッダー20)と、凍結管(100)の構成部材が、螺合により接続または組み立てられ、螺合解除によって部材単位に分解することができることを特徴としている。
前記二重管部(2)と単管部(1)の境界部分には、削孔時には削孔トルクを伝達する剛性と管軸方向の断熱性を併せ持つ材料で削孔ロッド(10)に両端が螺合接続された断熱継手部(2C)と、凍結管外管(10)に対して着脱自在で且つ二重管部(2)の内管(2A)と外管(2B)の間の領域に連通している断熱材用ヘッダー(40)を有し、前記断熱材用ヘッダーにより断熱空間を低い圧力にすることにより断熱するのが好ましい。
前記二重管部(2)と単管部(1)の境界部分には、削孔時には削孔トルクを伝達する剛性と管軸方向の断熱性を併せ持つ材料で削孔ロッド(10)に両端が螺合接続された断熱継手部(2C)と、凍結管外管(10)に対して着脱自在で且つ二重管部(2)の内管(2A)と外管(2B)の間の領域に連通している断熱材用ヘッダー(40)を有し、前記断熱材用ヘッダーにより断熱空間に断熱流体を充填することにより断熱するのが好ましい。
前記二重管部(2)と単管部(1)の境界部分には、削孔時には削孔トルクを伝達する剛性と管軸方向の断熱性を併せ持つ材料で削孔ロッド(10)に両端が螺合接続された断熱継手部(2C)と、凍結管外管(10)に対して着脱自在で且つ二重管部(2)の内管(2A)と外管(2B)の間の領域に連通している断熱材用ヘッダー(40)を有し、前記断熱材用ヘッダーにより断熱空間に断熱材を設置することにより断熱するのが好ましい。
凍結させない二重管部では、外管(2B)と内管(2A)の間の領域に断熱層を設け、地盤と冷媒(R)を熱遮断する。このため、凍結時には地盤に接した外管(2B)と冷媒(R)に接した内管(2A)には著しい温度差が生じ、内管(2A)は外管(2B)に対し著しく収縮することになる。
従来の凍結管のように、溶接接合で凍結管を形成する場合には、内管(2A)と外管(2B)も溶接で接合されているので、内管(2A)と外管(2B)に温度差が生じていても鋼材の連続性は保たれて熱変形するだけで、冷媒(R)の漏洩などには至らない。
本発明では、凍結管(100)の各構成部材を螺合接合され、再利用できるような構造としている。特に、凍結が終了して、凍結管を撤去する際に外管(2B)はそのままの状態で、内管(2A)を地上に引き抜くため、内管(2A)と断熱継手部(2C)は螺合接合せず、接合面を複数のOリングを挟み込んで気密性を確保している。そのため本発明では、前記の抑制する機構(52、54)を設けるのが好ましい。
さらに、冷媒用ヘッダー(20)ならびに断熱材用ヘッダー(40)も、それぞれ削孔ロッド(10)に雄ねじと雌ねじで螺合接続され、複数のシール部材(例えば、2個以上のOリング)が嵌合しており、気密性・水密性が確保されている。
したがって、前記構成部材は、螺合接続であるので、凍結が終了して引抜・解体・撤去の際、螺合を解除するだけで各構成部材に分解でき、この各構成部材を次の凍結工事に再利用できる。
例えば、地盤Gにボーリング孔を削孔する工程を示す図1で示す様に、削孔ロッド(10)は、削孔側(地中側)が単管部(1)で構成され、地上側は二重管部の外管(2B)で構成されている。
本発明の凍結工法は、接続箇所がシール性能を有する複数の削孔ロッド(例えば単位長さの定尺ロッドであって、雄ねじ部近傍に複数のOリングを嵌合したロッド)から構成され且つ単管部(1)と二重管部(2)を有する削孔ロッド(10)を用いて削孔水(W)を噴射しつつボーリング孔を削孔し、削孔ロッド(10)の先端のボーリングヘッド(30)には、削孔水(W)の圧力では開弁するが冷媒(R)の供給圧力では閉弁したままの弁機構(3)が設けられており、
削孔後、削孔ロッド(10)を凍結するべき地盤に残存し、削孔ロッド(10)内に継ぎ目の無い冷媒供給管(6:例えばコイルドチューブ)を挿入し、削孔ロッド(10)は冷媒供給管(6)が挿入された後は凍結管外管(10)として機能し、
断熱材用ヘッダー(40)を用いて二重管部(2)の内管(2A)と外管(2B)の間の領域(α)を断熱し、
冷媒供給管(6)から冷媒(R)が供給され、凍結管(100)の軸方向に延在する軸方向流路(4)及び冷媒流路(5)を介して冷媒(R)は弁機構(3)をバイパスして凍結管(100)の先端まで到達した後、単管部(1)と冷媒供給管(6)の間の領域(β)を流れ、二重管部(2)の内管(2A)と冷媒供給管(6)の間の領域(β)を介して冷媒用ヘッダー(冷媒循環用ヘッダー20)から冷媒が排出されることを特徴としている。
ここで、地上側に冷媒冷却設備を設け、例えば冷媒(R)に液化二酸化炭素を用いる場合には、冷媒(R)が地盤中から気化熱を奪う様に、地上側の冷媒冷却設備は、凍結管外管(10)から排出された気液混合二酸化炭素を冷却して液相二酸化炭素(液化二酸化炭素)として凍結管外管(10)に供給される循環冷却機構として構成されるのが好ましい。冷媒(R)がブラインの場合も同様に、凍結管外管(10)から排出されたブラインを冷却して凍結管外管(10)に供給する循環冷却機構とするのが好ましい。
ここで、冷媒供給管(6)を継ぎ目のないコイルドチューブで構成することにより、冷媒供給管(6)を容易に地上側に引き抜くことが出来る。
そして、冷媒供給管(6)を容易に地上側に引き抜くことにより、凍結管の半径方向最外方の管であった削孔ロッド(10)を用いて、容易にボーリング孔の追加削孔を行うことが出来る。
本発明の限定凍結管の二重管部(2)は、三重管構成になるが、最も内側の冷媒供給管(6)は、継ぎ目のない例えばコイルドチューブを用い、その外側の内管(2A)ならびに外管(2B)は、螺合接続であるのでいずれの管も表面の凹凸が無く、凍結管構成部材を高い精度で組み立てることができる。
このため、従来の溶接接合で組み立てていた凍結管に比べ、本発明の凍結管は、従来の100mm程度のものに比べて凍結管径(最外径)を小さくすることができる。発明者の試作実験では、60mm程度の外径で十分な凍結性能・断熱性能を発揮することが確認されており、さらに径を小さくすることも可能である。
そして本発明の凍結管は、従来の凍結管より細径化が可能であるため、削孔に要する削孔機を小型化することができて、削孔速度も速くできる。
それに対して本発明によれば、接続箇所がシール性能を有する複数の削孔ロッド(例えば単位長さの定尺ロッドであって、雄ねじ部に複数のOリングを嵌合したロッド)で構成されたものを凍結管として再利用しており、凍結された地盤の解凍後、凍結管外管(10)を構成する削孔ロッド同士の接続(例えば螺合)を解除しながら地上側に引き抜くので、接続を解除した削孔ロッドを再利用することが出来る。また、前記削孔ロッド以外の凍結管構成部材も螺合接続されているので、消耗部品を除いて、基本的に全ての凍結管構成部材を再利用できる。
ここで、接続箇所がシール性能を有する削孔ロッド(例えば定尺ロッド)として、例えば単位長さの定尺ロッドであって、雄ねじ部近傍に複数のOリングを嵌合したロッドを使用し、施工現場で継手漏洩検査を省略することが可能である。
そのため、例えば、シールドマシンが立坑に近づいた時、立坑とシールドマシン先端との間の領域を凍結するため、凍結管を配置して凍結工法を実施する場合に、凍結管の先端部より先の領域を凍結することが出来るので、立坑近傍まで凍結管を配置すれば、立坑の壁の一部を削孔しなくても、シールドマシンと立坑との間の領域を凍結させることが出来る。そのため、凍結管を配置するに際して立坑の壁の一部を削孔する必要が無く、立坑の壁を損傷させてしまうこともない。
そのため、凍結管挿入、削孔ロッドの引き抜きという複数の工程を省略することが出来る。
内管(2A)と外管(2B)の間の領域(α)を断熱するに際しては、断熱材用ヘッダー(40)を用いて、凍結管外管(10)の二重管部(2)の内管(2A)と外管(2B)との間の領域(α)を、凍結時に、例えば真空引きにより減圧し、或いは、断熱気体(または断熱液体)で充填することにより行なれる。
ここで、真空引きにより減圧すること、或いは、断熱気体(または断熱液体)を充填することは、従来技術における内管の外周に断熱材を巻き付ける作業に比較して遥かに容易であり、作業性が良好である。そのため、内管と外管の間に断熱材を設置する方法に比較して、容易に限定凍結を実行することが出来る。
内管の外周に断熱材を巻き付けるような内管と外管の間に断熱材を設置する方法では、当該内管を再利用するためには設置した断熱材を取り外さなければならず、その作業の労力が必要になる。それに対して、真空引きによる減圧、或いは、断熱気体(または断熱液体)で充填の方法によれば、真空引きにより減圧した領域の圧力を大気圧まで昇圧し、或いは、充填された断熱気体(または断熱液体)を排出することにより、断熱された状態を容易に解除して、二重管部(2)を再利用可能な状態にすることが出来る。
断熱継手部(2C)は、削孔ロッド(10)の接合部材でもあるので、削孔時には地上から与えられた削孔トルクを、地上側の削孔ロッド(10)から地中側の削孔ロッド(10)に力を伝達する剛性を併せ持つため、地上の削孔機からの削孔トルクを削孔ロッド(10)の先端部に伝達し地盤を削孔できる。
そして本発明によれば、凍結管外管(10)引抜きの際、先端から充填材(ボーリング孔を穴埋めするための埋め立て材料)を吐出することが出来るため、凍結管外管(10)引抜きと同時に削孔空間の穴埋めをすることが出来、解凍した周辺地盤の崩壊を防ぎ、充填作業も容易である。
図示の実施形態では、凍結管は全体を符号100で示している。そして本明細書において、凍結管外管10を「削孔ロッド10」と表記する場合がある。
ここで、図1、図2は限定凍結を行う場合を示しており、図3は限定凍結を行わない場合を示している。
図1は限定凍結を行う場合に地盤Gにボーリング孔を削孔する工程を示しており、図1において、削孔ロッド10は、削孔側(地中側)が単管部1で構成され、地上側は二重管部2の外管2Bで構成されている。
明確には図示されていないが、単管部1及び二重管部2は、それぞれ単位長さの削孔ロッド(定尺ロッド)を連結(接続)して構成されている。前記削孔ロッド(単位長さのロッド)は、一端に雄ねじ(図示せず)が形成され、他端に雌ねじ(図示せず)が形成されており、雄ねじと雌ねじを螺合させて定尺ロッド同士を連結する。そして、単管部1の長さと二重管部2の外管2Bでの長さを適宜設定することにより、多様な施工条件に対応することが出来る。
ここで、削孔ロッド10におけるロッド同士の螺合部分は、削孔ロッド10を凍結管外管10として再利用した際に冷媒Rが漏洩しない様に、高い気密性・水密性を有しており、例えば雄ネジに複数の(例えば2個以上の)Oリングを嵌合している。
弁機構3は、スプリング3A(図10)、球状の弁体3B(図10)及び弁座3C(図10)で構成されているが、詳細は後述する。また、削孔ロッド10の先端(地中側端部)に配置され、噴射口7Bが形成された削孔ビット部7についても、図10、図12を参照して後述する。
上述した様に単管部1、二重管部2は、それぞれ複数の定尺の(単位長さの)単管、二重管で構成されている。
削孔時には、内管2Aの中空部が削孔水Wの流路を構成する。
二重管部2と単管部1との境界近傍には、断熱機能を有し冷熱の伝達を遮断する断熱継手部2Cが設けられており、断熱継手部2Cは前記領域α(断面円環状の領域α)を単管部1の中空部分から遮断している。二重管部2と単管部1の接続部分については、後述する。
削孔水Wは地上側の図示しない水源から供給され、二重管部2の内管2Aの中空部、単管部1の中空部を流過して、単管部1の先端部(地中側端部)まで供給される(矢印W1)。削孔水Wが弁機構3に達すると、弁機構3のスプリング3Aの弾性反撥力に抗して弁機構3を開弁する。そして削孔水Wは、削孔ロッド10の先端に配置された削孔ビット部7に形成された噴射口7B(図10、図12参照)から地中に吐出される(矢印W2)。
吐出された削孔水Wは、削孔ロッド10(単管部1、二重管部2)の外壁を伝って地上側に戻る(矢印W3)。
なお、限定凍結を行わない場合(図3)であっても、地盤Gにボーリング孔を削孔する工程は、図1を参照して説明したのと同様である。
換言すれば、削孔ロッド10は所定のボーリング孔を削孔した後、凍結管外管10或いは二重管部の外管2Bや単管1となり、そのため、ボーリング孔の削孔完了と同時に単管部1或いは二重管部2が配置される。上述した通り、図示の実施形態では、削孔ロッドと凍結管外管は、共に符号10で示されている。
従来技術では、ボーリング孔の削孔後に凍結管を挿入し、削孔ロッドを引き抜くという複数の工程を行うが、上述した理由から、図示の実施形態では当該複数の工程が不要となる。
コイルドチューブ6は継ぎ目が無く長尺であるので、地中に挿入する際に切り継ぎを行う必要がなく、冷媒が漏洩する恐れも無いので、容易に配置することが出来る。
図示の実施形態において、冷媒Rはブラインでも液化二酸化炭素(CO2)でも良く、特に限定条件は無い。明確には図示されていないが、地上側の冷媒冷却設備を設け、例えば冷媒Rが液化二酸化炭素の場合には冷媒Rが地盤中から気化熱を奪う様に、凍結管外管10から排出された気液混合二酸化炭素を冷却して液相とし、液相の二酸化炭素を凍結管外管10に供給する循環冷却機構として構成されている。冷媒Rがブラインの場合も、同様に、凍結管外管10から排出されたブラインを冷却して凍結管外管10に供給する循環冷却機構となっている。
図2で示す様に、凍結管外管10における単管部1は、コイルドチューブ6が挿入された状態で二重管と同様な構造になっている。そして、凍結管外管10における二重管部2は、コイルドチューブ6が挿入された状態では三重管と同様な構造になっている。
なお、限定凍結を行わない場合(図3)であっても、ボーリングヘッド30にコイルドチューブ6を挿入する工程は、図2を参照して説明したのと同様である。
係る弁機構を用いることにより、凍結管100を水平方向に配置しても、上向きに配置しても、弁機構3を確実に開閉することが出来る。
図3において、削孔ロッド10は単管で構成され、削孔ロッド10先端のボーリングヘッド30には、削孔水の圧力では開弁するが冷媒の供給圧力では閉弁する弁機構3が設けられ、削孔ロッド10の削孔側(地中側)先端には削孔ビット部7が配置されている。
削孔ロッド10は、ボーリング孔削孔後は凍結管外管10として再利用される。凍結管外管10の地上側には冷媒用ヘッダー20が取り付けられている。
冷媒用ヘッダー20の冷媒導入部21から供給(矢印R1)された冷媒はコイルドチューブ6内を通り、凍結管外管10の地中側端部近傍において、冷媒Rは弁機構3を開弁せず(矢印R2)、凍結管外管10の中空部を流れる(矢印R3)。凍結管外管10の中空部を流れる冷媒Rは、冷媒用ヘッダー20の冷媒戻り口22から戻される(矢印R4)。
凍結管外管10内を流れる(矢印R3)際に、冷媒の冷熱は凍結管外管10近傍の地盤に伝達され、単管部凍結管外管10近傍の地盤は凍結する。
図4で示す様に、冷媒用ヘッダー20は冷媒導入部21と冷媒戻り口22を有し、冷媒導入部21には、コイルドチューブ6が挿入されている。コイルドチューブ6の地上側端部は、地上側の図示しない冷媒供給機構に接続される。冷媒戻り口22は、地中の所定領域の冷却作業を終えた冷媒が、後述する流路を流れて、最終的に凍結管外管10外に排出されるための戻り口となっており、地上における図示しない冷媒戻り流路に接続されている。
断熱流体を用いた場合に断熱を解除する際は(図7〜図9参照)、断熱材導入部41から断熱流体を排出する。領域αを減圧(或いは真空引き)している場合には、断熱材導入部41から外気を導入して領域αを昇圧して、例えば大気圧まで戻す。
なお、領域αの断熱は、上記のように断熱材導入部41から真空引き、または断熱流体を導入する例を示しているが、従来の発泡ウレタン製などの断熱材を二重管設置時に内管(2A)に巻くなどの手法により、内管と外管の間に断熱材を設置することも可能である。
図4において、凍結管外管10の二重管部の内管2Aの地上側端部近傍には、低温収縮漏洩防止装置11が設けられている。低温収縮漏洩防止装置11については、図5を参照して後述する。
図示の限定凍結において、凍結させる領域(凍結領域)は、凍結管外管10の単管部1に相当する垂直方向領域であり、凍結させない領域(非凍結領域)は、凍結管外管10の二重管部2に相当する垂直方向領域である。
断面円環状の領域αを真空又は真空に近い低圧にすることにより、或いは、断熱流体(断熱気体又は断熱液体)が充填された状態とすることにより、断面円環状の領域αは高い断熱性を有する。
凍結管100の地中側端部近傍において、冷媒Rは弁機構3を開弁せず(矢印R2)、単管部1の中空部(単管部1の内壁とコイルドチューブ6の間の空間β)を流れる(矢印R3)。ここで、矢印R2で示す冷媒或いはその一部は凍結管100の地中側端部近傍を流れるが、その詳細については図10を参照して後述する。
凍結管外管10の単管部1内を流れる(矢印R3)際に、冷媒Rの冷熱は単管部1近傍の地盤に伝達され、単管部1近傍の地盤は凍結する。凍結管外管10の二重管部2においては、冷媒Rの冷熱は断面円環状の領域αで遮断されるため、冷媒Rの冷熱は二重管部2近傍の地盤には伝熱されず、凍結管外管10の二重管部2に相当する垂直方向位置の地盤は凍結しない。すなわち、図4では地中側の単管部1近傍の地盤は凍結するが、地上側の二重管部2近傍の地盤は凍結せず、限定凍結が施工される。
詳細は後述するが、ボーリングヘッド30の内部には、冷媒Rが流れる冷媒流路が形成されている(図10〜図12参照)。
図5において、二重管部の外管2Bは、図示の実施形態では単位長さのロッド(定尺ロッド2BS)同士を接続して構成している。ロッド2BS同士は、雄ねじと雌ねじとが螺合することにより接合され、螺合箇所46において、ロッド2BSの雄ねじ近傍の複数個所(図5では2箇所)にOリング48が嵌合している。
そのため、外管2(或いは単管部1)を構成するロッド2BS同士の接合部は、冷媒Rが漏洩しない十分なシール性能が付与されている。
なお、図5〜図9において、左側が地上側で、右側が地中側である。
断熱材用ヘッダー40は、軸方向の概略中央に断熱材導入部41が形成されている。断熱材用ヘッダー40には断熱材導入部41と連通し、地中側に開口する円筒状空間42が形成されている。断熱材用ヘッダー40の地上側端部には、雌ねじを形成したガイド部材螺合部F40が設けられ、ガイド部材螺合部F40に隣接して円筒状のシール装着空間45が形成され、シール装着空間45にはシール部材S40が装着されている。
シール装着空間45と円筒状空間42は隔壁43で遮られており、シール装着空間45内に収容されているシール部材S40は、例えばゴムパッキンで構成されており、断熱材の漏洩や真空破壊(圧力の漏洩)を防止している。
接続部材2AJの地中側には接続箇所62が形成されており、接続箇所62において、接続部材2AJの地中側端部(図5の右端部)は内管2Aの地上側端部(図5の左端部)と螺合している。
断熱材用ヘッダー40は外管2Bと螺合しているので、図5の状態では、断熱材用ヘッダー40の地中側端部40eと突起52の地上側の面との距離(間隔)Lは一定であり、その間にコイルスプリング54が圧縮された状態で介装されている。コイルスプリング54の自由長をLsf(図示せず)とし、自由長Lsfが間隔Lよりも長ければ、コイルスプリング54は圧縮され、その弾性反撥力は突起52を介して内管2Aを図5の右方すなわち地中側へ付勢している。
一方、二重管部の内管2Aと外管2Bとの間の断面円環状の領域αは断熱されているので、領域αで冷媒の冷熱が遮断され、二重管部の外管2Bは収縮しない。そして、後述する様に図6の断熱継手部2Cは断熱性材料で構成されている。
そのため、凍結時には二重管部の内管2Aのみが(冷媒Rの冷熱で)熱収縮し、当該熱収縮により内管2Aに地上側に引き上げる力が作用したのと同等の現象となり、係る力により内管2Aのみが地上側に引き上げられてしまうと、図6におけるOリング25にせん断力が作用して、損傷する可能性がある。
その結果、内管2Aを地上側に引き上げることが抑制され、図6におけるOリング25にはせん断力が作用せず、Oリング25が損傷することが防止される。そのため、Oリング25を設けている個所のシール性能は低下せず、冷媒Rの漏洩が防止される。
図示の例では、定尺管2ASの地上側端部は雌ねじ(符号省略)が形成され、地中側端部は雄ねじ(符号省略)が形成されている。そして、複数の定尺管2ASを継ぎ足すことにより、所定長さの内管2Aが構成される。
接続部材2AJの両端部には雄ねじ(符号省略)が形成されている。そして内管2Aの地上側端部を構成する定尺管2ASは、接続箇所62において接続部材2AJに接続(螺合)されている。
図5、図6における符号26は、例えばOリングの様なシール部材を示す。
ねじ31を締め込み、ねじ31の先端をコイルドチューブ6に当接させることにより、コイルドチューブ6を冷媒用ヘッダー20に固定している。
さらに、断熱継手部2Cは削孔ロッド10の接続部となるので、削孔時には地上の削孔トルクを伝達する剛性を備えている。
ここで、断熱継手部2Cの材料が熱伝導性の高い金属、例えば鉄であると、凍結領域(単管部1の部分)における冷媒の冷熱が断熱継手部2Cにより伝導されて二重管部2の外管2Bに熱伝導されてしまうので、二重管2の地盤が凍結する恐れが存在する。
そのため図示の実施形態では、断熱継手部2Cは断熱性とトルク剛性を併せ持つ材料(例えばMCナイロン樹脂、ポリアミド樹脂、硬質ゴム等)で製造されている。
断熱継手部2Cを断熱性材料で構成することにより、凍結領域における冷媒の冷熱は断熱継手部2Cで遮断され、外管2Bに伝わることはない。そのため、二重管部2に冷媒の冷熱が伝わり、凍結してしまうことは防止される。
先ず、図5において、コイルドチューブ6への冷媒供給を停止し、内管2Aと外管2Bとの間の領域(図1、図2、図4における領域α)に連通する冷媒戻り口22から冷媒を回収する。そして、断熱材導入部41から真空引きにより減圧した領域の圧力を大気圧まで昇圧し、或いは、充填された断熱気体(または断熱液体)を排出することにより、断熱された状態を容易に解除する。
次に、解凍液を循環させる以前の段階で、冷媒用ヘッダー20を取り外す。
冷媒用ヘッダー20を取り外すに際しては、図5において、先ず、プラグ部材P20のねじ31を緩めて、コイルドチューブ6との係合を解除する。そして、プラグ部材P20と冷媒用ヘッダー20の螺合を解除して取り外す。冷媒用ヘッダー20と接続部材2AJとの螺合を解除し、冷媒用ヘッダー20を接続部材2AJから取り外す(図7の状態)。
ついで、図7〜図9を参照して、断熱材用ヘッダー40、二重管部の内管2Aを取り外す手順を説明する。
図8の状態から、図示しない冶具を接続部材2AJの地上側端部に固定し(螺合し)、当該治具を用いて接続部材2AJを地上側(図8の左方)に引き抜く。
内管2A全体を地上側に引き抜く際に、内管2Aと溶接等で一体化した突起52とスプリング54も(内管2Aと共に)引き抜かれる。
図8において、接続部材2AJ、内管2A、スプリング54が引き抜かれると、図9の実線で示す状態、すなわち、二重管の外管2B(或いは単管)とコイルドチューブ6のみが残存した状態になる。
コイルドチューブ6から解凍液(その流れを矢印NFで示す)を供給して、解凍液ヘッダー60の解凍液排出口61から排出(矢印NF8)することにより、コイルドチューブ6から供給された解凍液は、二重管の外管2Bの半径方向内方の中空部を介して地上側に戻り、解凍液が保有する熱量は、単管1の半径方向外側の地盤のみならず、外管2Bの半径方向外側の地盤にも確実に伝達される。そのため、図1、図2、図4において二重管部2に相当する非凍結領域の地盤が凍結していても、解凍液で確実に凍結解除することが出来る。
解凍液で凍結管周辺地盤の解凍が完了し、コイルドチューブ6を引き抜き、地中に残存する削孔ロッド10を螺合解除しながら引き抜く。
前述の凍結終了後に螺合接続を解除して分解した凍結管構成部材(ボーリングヘッド30を含む)は、新たな凍結工事に再利用される。
図10において、凍結管外管10の地中側端部に配置されたボーリングヘッド30は、その地上側が単管接続部30Aを構成している。そしてボーリングヘッド30の地中側には、削孔ビット接続部30Bが設けられている。
ボーリングヘッド30の単管接続部30Aには雄ねじが形成されており、凍結管外管10(単管部1)の地中側(ボーリングヘッド30側)にも雄ねじが形成されている。そして単管接続部30Aと単管部1は、カップリング部材9を介して接合されている。ここでカップリング部材9には、ボーリングヘッド30の雄ねじと螺合する雌ねじ(符号なし)と、単管部1の雄ねじと螺合する雌ねじ(符号なし)が形成されている。
削孔ビット接続部30Bにも雄ねじ(符号なし)が形成されており、当該雄ねじと削孔ビット部7の雌ねじ(接続部7Cの内周に形成された雌ねじ:符号なし)が螺合して、ボーリングヘッド30と削孔ビット部7が接合されている。
図10において、コイルドチューブ6は、凍結時においては、流路4におけるコイルドチューブ先端差込部4Bに挿入された状態が保持される。ボーリングヘッド30において、流路4の地上側(図10の上方)には内壁面がテーパー状の形成されたテーパー状領域4Tが形成されている。
上述した通り、コイルドチューブ6が挿入された以降は、削孔ロッド10は凍結管外管10として機能する。
ここで、先端部冷媒通過領域5Cはスプリング収納部12の半径方向外方の領域として構成されている。後述するように、スプリング収納部12は中空円筒状に構成され、その内部に弁機構3のスプリング3Aを収納している。
冷媒戻り側の流路である戻り用冷媒流路5Dは、垂直方向冷媒流路5Bと円周方向に隣接して、垂直方向(図11において紙面と直交する方向)に延在しており、垂直方向冷媒流路5Bと戻り用冷媒流路5Dは、それぞれ4本ずつ、円周方向に交互に配置されている。換言すれば、先端部冷媒通過領域5Cは、4本の垂直方向冷媒流路5B及び4本の戻り用冷媒流路5D(図11参照)と連通する空間により構成されている。
図10において、流路4から分岐した冷媒Rは半径方向冷媒流路5Aを流れ、垂直方向冷媒流路5B(冷媒供給側の垂直方向流路)に連通して、ボーリングヘッド30の地中側先端における先端部冷媒通過領域5Cに到達する。
先端部冷媒通過領域5Cに到達した冷媒Rは、戻り用冷媒流路5Dを介して、凍結管外管10内の中空部分を地上側に向かって流れる(図10の矢印R3)。
一般的に、冷媒が流路内を流れる際に、層流よりも流れの速い乱流の方が熱移動性(熱伝達率)に優れていることが知られている。図示の実施形態では、上述した通り垂直方向冷媒流路5B、先端部冷媒通過領域5C、戻り用冷媒流路5Dを流れる冷媒Rの流速は、矢印R3で示す冷媒Rの流速よりも速いため、熱移動性に優れる。
そのため、垂直方向冷媒流路5B、先端部冷媒通過領域5C、戻り用冷媒流路5Dを流れる冷媒Rによる地盤凍結効果は、削孔ロッド10内壁とコイルドチューブ6との間の領域を流れる冷媒Rによる地盤凍結効果と遜色なく発揮される。
したがって、ボーリング孔削孔時において削孔水Wが供給されている際には、削孔水Wの圧力がスプリング3Aの弾性反撥力よりも強いため、弁体3Bはスプリング3Aの弾性反撥力に抗して下方に押圧され、弁体3Bは弁座3Cに座着せず、弁機構3は開放する。
それに対して、凍結時には、冷媒Rの供給圧力がスプリング3Aの弾性反撥力よりも弱いため、スプリング3Aの弾性反撥力で弁体3Bは上方に押圧され、弁座3Cに座着し、弁機構3は閉塞している。
ボーリングヘッド30の底部(地中側端部)に配置される削孔ビット部7のビット先端部7A(図12参照)の中心には、削孔水の噴射口7Bが形成されている。
削孔ビット部7の端面形状を示す図12において、削孔ビット部7のビット先端部7A(削孔ロッド10の地中側先端に位置する部分)は円盤状であり、地盤G側(地中側)の面には、地盤G側に突出した複数(実施形態では6個)のチップ7Dが、円周方向に等間隔に設けられている。上述した様に、削孔ビット部7のビット先端部7Aの中心には、削孔水Wを地中に噴射する噴射口7Bが形成されている。
削孔ビット部7のビット先端部7Aの厚さ寸法(図10の寸法D)は、冷媒の冷熱が伝導される寸法で、且つ、削孔時の使用に耐え得る強度を有する寸法である。
冷媒Rは弁機構3をバイパスし、流路4の分岐部4Aから分岐した半径方向冷媒流路5A、垂直方向冷媒流路5Bを介して、凍結管先端(ボーリングヘッド30の先端)の先端部冷媒通過領域5Cに到達する。先端部冷媒通過領域5Cに到達した冷媒Rの冷熱は、削孔ビット部7を介して地盤Gに投入(伝達)され、凍結管先端近傍の領域の地盤を凍結する。
ボーリングヘッド30の先端部の冷媒通過領域5Cに到達した冷媒Rは、先端部冷媒通過領域5Cに連通する戻り用冷媒流路5D内を流れ、矢印R3とR4で示す様に、凍結管外管10の単管部1の内部空間、二重管部2の内管2Aの内部空間を通過して地上側に戻る(図10及び図4参照)。
例えば、シールドマシンが立坑に近づき、立坑とシールドマシン先端との間の領域を凍結するべき場合には、図示の実施形態では、従来技術の様に立坑の壁の一部を削孔して凍結管を配置する必要が無い。図示の実施形態によれば、立坑近傍まで凍結管を配置すれば、シールドマシンと立坑との間の領域を凍結させることが出来る。
換言すれば、図示の実施形態では、シールドマシンが立坑に近づき、立坑とシールドマシン先端との間を凍結する際に、凍結管が立坑の壁の一部を削孔する必要が無い。そのため、立坑の壁を損傷させてしまうことがない。
また、削孔ロッドは繰り返し使用することが可能であり、定尺ロッドの組合せで多様な深度に対応できる。それに伴い、凍結工法の費用及び労力を節減することが出来る。さらに連結した際に気密性が保持される削孔ロッドを使用するため現地での漏洩検査を省略することが可能である。
真空引きにより減圧し、或いは、断熱気体(または断熱液体)を充填する作業は、従来技術における内管の外周に断熱材を巻き付ける作業に比較して遥かに容易であり、作業性が良好である。すなわち図示の実施形態によれば、従来技術に比較して、容易に限定凍結を実行することが出来る。
そして図示の実施形態によれば、凍結領域と非凍結領域の境界の深度は、凍結管外管10(削孔ロッド10)における単管部1と二重管部2の位置を適宜変更することにより、自在に設定できる。
そして、凍結管外管10として使用した削孔ロッド10を引き抜く際に、従来技術における凍結管引き抜き作業の様にガス切断等を行う必要が無く、火器の使用が不要である。そのため、凍結管撤去作業の安全性、環境保全性が向上する。
また、図示の実施形態によれば、凍結管外管10引抜きの際、先端から充填材(ボーリング孔を穴埋めするための埋め立て材料)を吐出して埋め立てを行うことが出来るため、凍結管10を引き抜いた後の穴埋め作業が容易である。この場合、削孔と同時に、充填材の吐出圧により弁機構3は開弁し、充填材は噴射口7Bから削孔空間に吐出される。
それに加えて、図示の実施形態では冷媒供給管6が、切り継ぎを行う必要がないコイルドチューブで構成されているため、冷媒供給管6を容易に地上側に引き抜くことが出来る。
そして、冷媒供給管6を容易に地上側に引き抜くことにより、凍結管100の半径方向最外方の管を構成している削孔用ロッドを用いて、ボーリング孔の追加削孔を容易に実施することが出来る。
また、図示の実施形態では、二重管部2と単管部1の境界部分に断熱継手部2Cを設け、断熱継手部2Cは例えばMCナイロン樹脂、ポリアミド樹脂、硬質ゴム等の断熱性材料で構成されているので、冷媒Rの冷熱が外管2Bに伝達されることが防止され、二重管部2の地盤が凍結することも防止される。
2・・・二重管(二重管部)
2A・・・内管
2B・・・外管
2C・・・断熱継手部
3・・・弁機構
3A・・・スプリング
3B・・・弁体
3C・・・弁座
4・・・流路
5・・・冷媒流路
6・・・冷媒供給管(コイルドチューブ)
10・・・削孔ロッド(凍結管外管)
11・・・低温収縮漏洩防止装置
30・・・ボーリングヘッド
100・・・凍結管
R・・・冷媒
W・・・削孔水
α・・・断面円環状の領域
Claims (9)
- 先端に螺合接続されたボーリングヘッドを有し、接続箇所がシール性能を有し螺合接続された複数の削孔ロッドと、
前記削孔ロッドに挿入される継ぎ目の無い冷媒供給管を有し、
前記削孔ロッドは冷媒供給管が挿入された後は凍結管外管として機能し、
前記凍結管外管に対して着脱自在で且つ凍結管外管と冷媒供給管の間の領域に連通している冷媒用ヘッダーで構成され、
凍結管の構成部材が、螺合により接続または組み立てられ、螺合解除によって前記部材単位に分解することができることを特徴とする凍結管。 - 削孔ロッドの先端のボーリングヘッドには、削孔水の圧力では開弁するが冷媒の供給圧力では閉弁している弁機構が設けられており、凍結管の軸方向に延在し且つ削孔水及び冷媒が流れる軸方向流路から分岐して前記弁機構をバイパスして凍結管の先端まで冷媒を供給する冷媒流路が形成されている請求項1の凍結管。
- 限定凍結させる場合には、前記凍結管外管の内側に接続箇所がシール性能を有し螺合接続された内管を配置し、断熱層を有する二重管部と断熱層を有しない単管部を形成し、前記内管には管軸方向下方に付勢する機構を備え、
前記二重管部と単管部の境界部分には、削孔時には削孔トルクを伝達する剛性と管軸方向の断熱性を併せ持つ材料で凍結管外管に両端が螺合接続された断熱継手部と、凍結管外管に対して着脱自在で且つ二重管部の内管と外管の間の領域に連通している断熱材用ヘッダーを有することを特徴とする請求項1、2の何れかの凍結管。 - 先端に螺合接続されたボーリングヘッドを有し、接続箇所がシール性能を有し螺合接続された複数の削孔ロッドを用いて削孔水を噴射しつつボーリング孔を削孔し、削孔ロッドの先端のボーリングヘッドには、削孔水の圧力では開弁するが冷媒の供給圧力では閉弁する弁機構が設けられており、
ボーリング孔削孔後、削孔ロッドを凍結するべき地盤に残存し、
前記削孔ロッド内に継ぎ目の無い冷媒供給管を挿入し、前記削孔ロッドは冷媒供給管が挿入された後は凍結管外管として機能し、
冷媒供給管から冷媒が供給され、凍結管の軸方向に延在する軸方向配管及び冷媒流路を介して冷媒は弁機構をバイパスして削孔ロッドの先端まで到達し、凍結管外管と冷媒供給管の間の領域を介して、前記凍結管外管に対して着脱自在で且つ凍結管外管と冷媒供給管の間の領域に連通している冷媒用ヘッダーから冷媒が排出されることを特徴とする凍結工法。 - 限定凍結させる場合には、前記削孔ロッドの内側に削孔ロッドと断熱空間を形成する接続箇所がシール性能を有し螺合接続された内管により断熱層を有する二重管部と断熱層を有しない単管部を形成し、前記内管には管軸方向下方に付勢する機構を備え、
前記二重管部と単管部の境界部分には、削孔時には削孔トルクを伝達する剛性と管軸方向の断熱性を併せ持つ材料で削孔ロッドに両端が螺合接続された断熱継手部と、凍結管外管に対して着脱自在で且つ二重管部の内管と外管の間の領域に連通している断熱材用ヘッダーを有し、前記断熱材用ヘッダーにより断熱空間を低い圧力にすることにより断熱する請求項4の凍結工法。 - 限定凍結させる場合には、前記削孔ロッドの内側に削孔ロッドと断熱空間を形成する接続箇所がシール性能を有し螺合接続された内管により断熱層を有する二重管部と断熱層を有しない単管部を形成し、前記内管には管軸方向下方に付勢する機構を備え、
前記二重管部と単管部の境界部分には、削孔時には削孔トルクを伝達する剛性と管軸方向の断熱性を併せ持つ材料で削孔ロッドに両端が螺合接続された断熱継手部と、凍結管外管に対して着脱自在で且つ二重管部の内管と外管の間の領域に連通している断熱材用ヘッダーを有し、前記断熱材用ヘッダーにより断熱空間に断熱流体を充填することにより断熱する請求項4の凍結工法。 - 限定凍結させる場合には、前記削孔ロッドの内側に削孔ロッドと断熱空間を形成する接続箇所がシール性能を有し螺合接続された内管により断熱層を有する二重管部と断熱層を有しない単管部を形成し、前記内管には管軸方向下方に付勢する機構を備え、
前記二重管部と単管部の境界部分には、削孔時には削孔トルクを伝達する剛性と管軸方向の断熱性を併せ持つ材料で削孔ロッドに両端が螺合接続された断熱継手部と、凍結管外管に対して着脱自在で且つ二重管部の内管と外管の間の領域に連通している断熱材用ヘッダーを有し、前記断熱材用ヘッダーにより断熱空間に断熱材を設置することにより断熱する請求項4の凍結工法。 - 解凍時には、前記冷媒用ヘッダー及び前記断熱材用ヘッダーを取り外し、内管を取り外して削孔ロッドと冷媒供給管を残存させ、
削孔ロッドに着脱自在な解凍液ヘッダーを取り付け、
前記冷媒供給管から解凍液を供給し、解凍液ヘッダーから排出し、凍結管周辺を解凍する請求項4〜7の何れか1項の凍結工法。 - 凍結管構成部材を、螺合接続を解除することにより、新たな凍結に再利用する請求項4〜8の何れか1項の凍結工法。
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