JP2022053933A - 基礎構造の施工方法および基礎構造 - Google Patents

Abstract

【課題】大規模な台船を要することなく既存の起重機船を使用しての施工が可能で、仮支承台を要することなく施工することが可能な水上施設用基礎構造の施工方法を提案する。【解決手段】洋上風力発電施設１の直下の水底地盤Ｇに直杭３を鉛直に打設する直杭打設工程と、直杭３の上部の水面以上の高さ位置にテンプレート構造体５を設置するテンプレート設置工程と、直杭３に対して傾斜した斜杭４を水底地盤Ｇに打設する斜杭打設工程と、斜杭４の上部をテンプレート構造体５に固定する斜杭固定工程とを備えている。斜杭打設工程ではテンプレート構造体５に形成されたガイド部材５２によって斜杭４の打設方向を規制し、斜杭固定工程ではガイド部材５２に斜杭４を固定する。【選択図】図２

Description

本発明は、水上施設用の基礎構造の施工方法および基礎構造に関する。

温室効果ガスの排出量削減を目的として、再生可能エネルギーの需要が高まっている。再生可能エネルギーには、例えば、太陽光発電、風力発電、水力発電、地熱発電、バイオマス等がある。風力発電施設は、風車による騒音や振動が生活環境に影響を及ぼす場合があり、居住空間等への影響を十分に考慮する必要があることから、居住区域から離れた山間部などに設置されることが多い。しかしながら、大型の風車を設置する用地を山間部に確保することは難しく、また、風力発電施設までの交通路の確保や、送電線等の設置等も困難であった。
そのため、風力発電施設を海上（水上）に設置することが検討されている。

風力発電施設を水上に設置する場合には、風車の基礎構造を水上に露出させた状態で構築する必要がある。このような基礎構造の多くは、水底に設置された杭により支持される。
水上風力発電施設の基礎構造として、例えば、特許文献１には、水底に打ち込まれた一本の鋼管杭からなるものが開示されている。鋼管杭は、大口径の鋼管であり、鋼管杭の上端部の杭径は、風車を支持するタワーの基部と同程度となっている。
また、特許文献２には、複数の斜杭と、斜杭の頭部を連結する連結部材とを備える基礎構造が開示されている。特許文献２の基礎構造は、複数本の仮設杭と仮設杭の頭部を保持する枠体とを備える仮支承台を形成し、この仮支承台に設けられたテンプレートを利用して斜杭を水底に打ち込むことにより形成する。

特許文献１の基礎構造では、水深や風力発電施設の規模が大きくなるにつれて杭の構造も大規模になる。大規模な杭は重量が大きいため、杭の施工に大規模な台船（ＳＥＰ船等）を使用する必要があるが、大規模な台船の隻数は限られており、台船を確保できないおそれもある。
また、特許文献２の基礎構造は、仮設の仮支承台の施工や撤去に手間がかかる。また、水深が大きい場合には、仮支承台の規模も大きくなり、コストも高くなる。

特開２００３－２９３９３８号公報 特開昭６０－３３１９号公報

本発明は、大規模な台船を要することなく既存の起重機船等を使用しての施工が可能で、仮支承台を要することなく施工することが可能な基礎構造の施工方法および基礎構造を提案することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明の基礎構造の施工方法は、水上施設を支持する基礎構造の施工方法であって、前記水上施設の直下の水底地盤に直杭を鉛直に打設する直杭打設工程と、前記直杭の上部の水面以上の高さ位置にテンプレート構造体を設置するテンプレート設置工程と、前記直杭に対して傾斜した斜杭を水底地盤に打設する斜杭打設工程と、前記斜杭の上部を前記テンプレート構造体に固定する斜杭固定工程とを備えている。前記斜杭打設工程では前記テンプレート構造体に形成されたガイド部材によって前記斜杭の打設方向を規制し、前記斜杭固定工程では前記ガイド部材に前記斜杭を固定する。
前記基礎構造の施工方法により構築される基礎構造は、前記水上施設の直下に鉛直に設けられた直杭と、前記直杭の周囲に前記直杭に対して傾斜するように設けられた複数本の斜杭と、前記直杭の上部および前記斜杭の上部に固定されたテンプレート構造体とを備えている。

かかる基礎構造の施工方法によれば、支持杭としての直杭や斜杭の１本あたりの重量を小さくすることができるため、大型の台船（ＳＥＰ船）を使用しなくても、既存の起重機船等を使用して基礎構造を構築できる。また、直杭によりテンプレート構造体を支持するので、仮支承台を必要としない。このため、仮支承台の設置および撤去に要する手間や費用を削減できる。
前記直杭打設工程において直杭を一本のみ打設した場合には、前記テンプレート設置工程において一本の前記直杭によって前記テンプレート構造体を支持する。
なお、前記ガイド部材が前記斜杭を挿通可能な外挿管である場合には、前記斜杭打設工程において前記ガイド部材に前記斜杭を挿通し、前記斜杭固定工程において前記斜杭の外面と前記テンプレート部材の内面との隙間に固化材を充填すればよい。
また、前記ガイド部材が一対の半割管を組み合わせてなる筒状部材である場合には、前記斜杭打設工程において一方の前記半割管を取り外した状態で他方の前記半割管に沿って前記斜杭を打設し、前記斜杭固定工程において前記半割管同士を組み合わせた状態で前記斜杭の上部と前記ガイド部材とを固定すればよい。
前記水上施設が、風車１１と、風車１１を支持する支柱１２とを有している場合は、前記直杭は前記支柱の中心軸上の延長線と一致するように設ける。

本発明の基礎構造の施工方法および基礎構造によれば、大規模な台船を要することなく既存の起重機船を使用しての施工が可能で、仮支承台を要することなく施工することが可能となる。

本発明の実施形態に係る水上施設を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る基礎構造を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る基礎構造の一部を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る基礎構造の施工方法のフローチャートである。 第一実施形態の基礎構造の施工方法の各工程を示す正面図であって、（ａ）は直杭打設工程、（ｂ）はテンプレート設置工程である。 （ａ）～（ｃ）本実施形態の基礎構造の施工方法の斜杭打設工程を示す正面図である。 第一実施形態の斜杭打設工程を示す拡大断面図である。 第一実施形態の斜杭固定工程を示す拡大断面図である。 第二実施形態の基礎構造の施工方法を示す拡大断面図であって、（ａ）はテンプレート構造体の設置状況、（ｂ）は斜杭の打設状況である。

＜第一実施形態＞
第一実施形態では、洋上風力発電施設（水上施設）１の基礎構造２について説明する。図１は、洋上風力発電施設１の正面図である。図１に示すように、洋上風力発電施設１は、風車１１と、風車１１を支持する支柱１２とを有していて、基礎構造２を介して水面よりも高い位置に設けられている。風車１１は、支柱１２の上端部に回転可能に設けられている。支柱１２は、基礎構造２上に立設されている。
基礎構造２は、水底地盤から立設された複数本の杭（直杭３および斜杭４）と、杭の頭部に固定されたテンプレート構造体５とを備えている。図２に基礎構造２の正面図、図３に基礎構造２の平面図を示す。本実施形態の基礎構造２は、図２および図３に示すように、一本の直杭３と、四本の斜杭４とを備えている。

直杭３は、洋上風力発電施設１の支柱１２の直下に鉛直に設けられている。直杭３は、水底地盤Ｇに、十分な根入れを確保した状態で水中に立設されている。本実施形態の直杭３は、鋼管により構成されている。直杭３の中心軸は、洋上風力発電施設１の支柱１２の中心軸の延長線と一致している。直杭３の頭部には、テンプレート構造体５が固定されている。直杭３は、テンプレート構造体５を単独（一本）で支持することが可能な強度（杭径）を有している。すなわち、直杭３を構成する鋼管（材料）の寸法は、洋上風力発電施設１の形状寸法、波や風により予想される作用応力、テンプレート構造体５を頭部に固定した際に自立可能な強度等に応じて適宜決定する。なお、基礎構造２は、直杭３の中心軸が洋上風力発電施設１の支柱１２の中心軸の延長線と一致していない場合であっても、直杭５で鉛直力を負担し、斜杭４で水平力を負担できる。そのため、直杭３の中心軸と洋上風力発電施設１の支柱１２の中心軸の延長線は、一致していなくてもよい。

斜杭４は、図２および図３に示すように、直杭３の周囲に設けられている。斜杭４は、直杭３から離れた位置において十分な根入れを確保した状態で水底地盤Ｇに打設されている。斜杭４は、上に向かうにしたがって直杭３に近付くように、直杭３に対して傾斜している。本実施形態では、四本の斜杭４が、直杭３を囲うように配設されている。周方向に隣り合う斜杭４同士の間隔は等間隔である。また、各斜杭４と直杭３との間隔は同等である。また、本実施形態の斜杭４は、直杭３よりも小さい外径の鋼管からなる。斜杭４を構成する鋼管の寸法は、直杭３とともに洋上風力発電施設１を支持することが可能な寸法とする。すなわち、予想される波や風による影響も考慮した上で、斜杭４の寸法を決定する。

テンプレート構造体５は、直杭３の上部（頭部）および斜杭４の上部（頭部）に固定されている。テンプレート構造体５は、四角錐台状の本体部５１と、本体部５１の各角部に設けられたガイド部材５２とを備えている。本体部５１は、上下に配設された一対の枠状部材５３と、上下の枠状部材５３を連結するＸ字状のブレース材５４とを備えている。上側の枠状部材５３は、下側の枠状部材５３よりも小さく、ブレース材５４は上に向かうにしたがって中央側に近付くように傾斜している。本体部５１の中央部には、直杭３の頭部に固定するための固定部５５が設けられている。
ガイド部材５２は、斜杭４を挿通可能な外挿管からなる。外挿管は、斜杭４の外径よりも大きな内径を有した管材（鋼管など）からなる。テンプレート構造体５は、ガイド部材５２に斜杭４の頭部を挿入した状態で、斜杭４に固定されている。

次に、基礎構造２の施工方法について説明する。図４は、基礎構造２の施工方法の手順を示すフローチャートである。基礎構造２の施工方法は、図４に示すように、直杭打設工程Ｓ１，テンプレート設置工程Ｓ２，斜杭打設工程Ｓ３および斜杭固定工程Ｓ４を備えている。図５（ａ）に直杭打設工程Ｓ１、図５（ｂ）にテンプレート設置工程Ｓ２を示す。
直杭３および斜杭４を構成する鋼管は、基礎構造２の施工個所近傍まで杭打船７１により運搬する。
直杭打設工程Ｓ１は、図５（ａ）に示すように、水底地盤Ｇに直杭３を打設する工程である。直杭３は、洋上風力発電施設１の設置予定箇所の直下において、鉛直になるように打設する。具体的には、杭打船７１から延びるガイド７２に沿って直杭３を打設する。本実施形態では、油圧ハンマー７３により直杭３の頭部を打撃することにより、直杭３を所定の根入れを確保した状態で水底地盤Ｇに打設する。このとき、直杭３の頭部は、水面ＷＬから突出させる。

テンプレート設置工程Ｓ２は、図５（ｂ）に示すように、直杭３の頭部にテンプレート構造体５を設置する工程である。テンプレート構造体５は、水面ＷＬ以上の高さ位置に設ける。テンプレート構造体５は、直杭３のみによって支持する。すなわち、直杭３は、テンプレート構造体５を上部に固定した状態で自立している。直杭３のテンプレート構造体５への固定は、テンプレート構造体５に設けられた固定部５５に直杭３の上端部を挿入した状態でテンプレート構造体５を仮設置した後に、直杭３と固定部５５との隙間に固化材を充填することにより行う。

斜杭打設工程Ｓ３は、複数本の斜杭４を水底地盤に打設する工程である。図６に斜杭打設工程Ｓ３の作業状況を示す。斜杭４は、図６（ａ）～（ｃ）に示すように、直杭３に対して傾斜した状態で打設する。斜杭４を打設する際には、テンプレート構造体５に形成されたガイド部材５２によって斜杭４の打設方向を規制する。図７に、斜杭打設工程Ｓ３の拡大断面図を示す。図７に示すように、斜杭４は、ガイド部材５２に斜杭４を挿通することで、ガイド部材５２をガイドとして、水底地盤Ｇに打設する。
具体的には、図６（ａ）に示すように、斜杭４をクレーンで吊り込みつつ、ガイド部材５２に挿通させる。次に、図６（ｂ）に示すように、バイブロハンマー７４により斜杭４の角度を調整しながら打撃する。斜杭４の十分な根入れが取れた後、図６（ｃ）に示すように、油圧ハンマー７３により斜杭４の頭部を打撃する。
同様に、残りの三本の斜杭４を打設する。

斜杭固定工程Ｓ４は、斜杭４の上部をテンプレート構造体５に固定する工程である。図８に斜杭固定工程Ｓ４の断面図を示す。斜杭４のテンプレート構造体５への固定は、図８に示すように、斜杭４の外面とガイド部材５２の内面との隙間に固化材（例えばグラウト）６を充填することにより行う。
なお、斜杭４とガイド部材５２との隙間への固化材６の充填は、直杭３をテンプレート構造体５に仮固定した状態で斜杭４を打設した後に、直杭３と固定部５５との隙間への固化材の充填と同時に行っても良い。
直杭３および斜杭４のサイズは、水上施設１や水底地盤Ｇなどにより異なるが、例えば、１０ＭＷ級水上施設を設置する場合、直杭３は杭径３０００ｍｍ、板厚４５ｍｍの材質がＳＫＫ４９０の鋼管杭と、斜杭４は直径１８００ｍｍ、板厚２７ｍｍの材質がＳＫＫ４９０の鋼管杭が使用される。

本実施形態の基礎構造２の施工方法によれば、支持杭としての直杭３や斜杭４の１本あたりの重量を小さくすることができるため、大型の台船（ＳＥＰ船）を使用しなくても、既存の起重機船や杭打船等を使用して基礎構造２を構築できる。
また、一本の直杭３によりテンプレート構造体５を支持するので、仮支承台を必要としない。このため、仮支承台等の大掛かりな仮設構造物の設置および撤去に要する手間や費用を削減できる。
また、テンプレート構造体５のガイド部材５２が斜杭４を挿通可能な外挿管であるため、ガイド部材５２に斜杭４を挿通することで、斜杭４を所望の角度で打設することができる。また、斜杭４の頭部をテンプレート構造体５に固定する際は、斜杭４の外面とガイド部材５２の内面との隙間に固化材を充填すればいいため、作業性に優れている。
また、本実施形態の基礎構造２は、一本の直杭３と複数本（四本）の斜杭４により支持するため、各杭の軽量化が可能となり、材料の輸送の手間および施工の手間の低減化を図ることができる。また、輸送や施工に使用する作業船の小型化を図ることが可能となり、ひいては費用の低減化も可能となる。
また、波や風に起因する水平力を、直杭３に作用する曲げモーメントと複数本の斜杭４の軸力により分散させることで各杭の負担を低減することができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態では、第一実施形態と同様に、洋上風力発電施設（水上施設）１の基礎構造２について説明する（図１参照）。
基礎構造２は、水底地盤から立設された複数本の杭（直杭３および斜杭４）と杭の頭部に固定されたテンプレート構造体５とを備えている（図２参照）。図９（ａ）、（ｂ）に第二実施形態の基礎構造の施工方法を示す。第二実施形態の基礎構造２は、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、ガイド部材５２が、一対の半割管により構成されている点で、ガイド部材５２が外挿管からなる第一実施形態の基礎構造２と異なっている。その他の基礎構造２の詳細は、第一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。
基礎構造２の施工方法は、直杭打設工程Ｓ１，テンプレート設置工程Ｓ２，斜杭打設工程Ｓ３および斜杭固定工程Ｓ４を備えている（図４参照）。直杭打設工程Ｓ１およびテンプレート設置工程Ｓ２の詳細は、第一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。

斜杭打設工程Ｓ３では、複数本の斜杭４を水底地盤に打設する。本実施形態の斜杭４を打設する際には、図９（ｂ）に示すように、一方の半割管５７を取り外した状態で、他方の半割管５６に沿って斜杭４を打設する。すなわち、斜杭４は、半割管５６の内面を摺動させることで、半割管５６（ガイド部材５２）をガイドとして、所定の角度で水底地盤Ｇに打設する。斜杭４は、まず、クレーンでつり込みつつ、半割管５６に添接させる。次に、バイブロハンマー７４により斜杭４の十分な根入れが確保できるまで打撃する。斜杭４の根入れが確保できたら、油圧ハンマー７３により斜杭４の頭部を打撃する。

斜杭固定工程Ｓ４では、斜杭４の上部をテンプレート構造体５に固定する。斜杭４のテンプレート構造体５への固定は、一方の半割管５７と他方の半割管５６とを組み合わせて管状のガイド部材５２により斜杭４の頭部を覆った後、斜杭４の外面とガイド部材５２の内面との隙間に固化材（例えばグラウト）６を充填することにより行う。

本実施形態の基礎構造２の施工方法によれば、ガイド部材５２に斜杭４を挿通させる必要がなく、半割管５６に沿わせることで、斜杭４を所定の角度で打設することができる。そのため、水面ＷＬから支持層までの距離が大きく、斜杭４の長さが長い場合であっても、施工しやすい。すなわち、斜杭４の上端を吊った状態で施工する場合において、初期の段階から斜杭４の中間部をガイド部材５２に沿わせることができるため、斜杭４の下端がガイド部材５２よりも高くなるように吊り上げる必要が無い。
この他の第二実施形態の基礎構造の施工方法及び基礎構造２の作用効果は、第一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。

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、基礎構造２を使用する水上施設は洋上風力発電施設に限定されるものではなくあらゆる水上施設の基礎構造として使用することができる。
直杭３の本数は一本に限定されるものではなく、複数本であってもよい。
また、斜杭４の本数は限定されるものではなく、例えば三本であってもよいし、五本以上であってもよい。斜杭４の本数が３本の場合は、テンプレート構造体５の本体部５１は、三角錐台状となり、斜杭４の本数が５本の場合は、テンプレート構造体５の本体部５１は、五角錐台状となる。また、直杭３および斜杭４を構成する材料は鋼管に限定されるものではなく、例えば、ＰＣ部材や鋼材であってもよい。

また、前記実施形態では、斜杭４の施工時に、斜杭４の上端部を吊持する場合について説明したが、斜杭４の吊る位置は限定されるものではなく、斜杭４の中間部において吊り上げてもよい。
また、前記実施形態では、直杭３の施工に油圧ハンマー、斜杭４の施工にバイブロハンマー７４と油圧ハンマー７３とを使用する場合について説明したが、各杭の打設に使用する装置は限定されるものではなく、例えば、ドロップハンマーを使用してもよい。また、水底地盤Ｇの地質等によっては、斜杭４の施工に油圧ハンマー７３またはバイブロハンマー７４のいずれか一方のみを使用してもよい。

また、前記実施形態では、ガイド部材５２により斜杭４の頭部を覆い、ガイド部材５２と斜杭４との隙間に固化材を充填することでテンプレート構造体５と斜杭４とを固定するものとしたが、斜杭４の固定方法は限定されるものではない。例えば、ガイド部材５２が一対の半割管５６，５７により構成されている場合には、ガイド部材５２の外径と斜杭４と同等とし、斜杭４の上端面にガイド部材５２の下端面を当接させた状態で、溶接や治具等を介して固定してもよい。

１ 洋上風力発電施設（水上施設）
２ 基礎構造
３ 直杭
４ 斜杭
５ テンプレート構造体
５６，５７ 半割管
６ 固化材

Claims (6)

1. 水上施設を支持する基礎構造の施工方法であって、
   前記水上施設の直下の水底地盤に直杭を鉛直に打設する直杭打設工程と、
   前記直杭の上部の水面以上の高さ位置にテンプレート構造体を設置するテンプレート設置工程と、
   前記直杭に対して傾斜した複数本の斜杭を水底地盤に打設する斜杭打設工程と、
   前記斜杭の上部を前記テンプレート構造体に固定する斜杭固定工程と、を備えており、
   前記斜杭打設工程では、前記テンプレート構造体に形成されたガイド部材によって前記斜杭の打設方向を規制し、
   前記斜杭固定工程では、前記ガイド部材に前記斜杭を固定することを特徴とする、基礎構造の施工方法。
2. 前記直杭打設工程では、一本の前記直杭を鉛直に打設し、
   前記テンプレート設置工程では、前記直杭によって前記テンプレート構造体を支持する ことを特徴とする請求項１に記載の基礎構造の施工方法。
3. 前記ガイド部材は、前記斜杭を挿通可能な外挿管からなり、
   前記斜杭打設工程では、前記ガイド部材に前記斜杭を挿通し、
   前記斜杭固定工程では、前記斜杭の外面と前記ガイド部材の内面との隙間に固化材を充填することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の基礎構造の施工方法。
4. 前記ガイド部材は、一対の半割管を組み合わせてなる筒状部材であって、
   前記斜杭打設工程では、一方の前記半割管を取り外した状態で、他方の前記半割管に沿って前記斜杭を打設し、
   前記斜杭固定工程では、前記半割管同士を組み合わせた状態で、前記斜杭の上部と前記テンプレート構造体とを固定することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の基礎構造の施工方法。
5. 水上施設を支持するための基礎構造であって、
   前記水上施設の直下に鉛直に設けられた直杭と、
   前記直杭の周囲に前記直杭に対して傾斜するように設けられた複数本の斜杭と、
   前記直杭の上部および前記斜杭の上部に固定されたテンプレート構造体と、を備えることを特徴とする、基礎構造。
6. 前記水上施設は、風車と、前記風車を支持する支柱とを有しており、
   前記直杭は、前記支柱の中心軸上の延長線と一致するように一本設けられている
   ことを特徴とする請求項５に記載の基礎構造。

Images