JP3871937B2 - 水中骨組構造物の施工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は水底地盤上に設置されるジャケット等の水中骨組構造物の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水底地盤上に設置される水中骨組構造物の代表例としては、石油掘削用構造物をベースとしたジャケットが知られている。このジャケットは、レグとブレースを陸上ヤードであらかじめ組み立てたものを設置場所に移送し、水底地盤上に杭で固定するものであり、設置現場での工期短縮を図ることができる。そのため最近、埋立護岸、防波堤、消波堤等に採用されてきており、今後、桟橋や海上空港等にも適用が検討されている。
【０００３】
従来のジャケットの構造およびその施工方法については、多数の先行文献があるが、その中から２例をあげると図９、図１０に示すものがある。図９のジャケットは特公平５−４３８０８号公報に開示されているものであり、石油掘削用足場に用いられる最も一般的なジャケットである。
【０００４】
このジャケットは、鉛直および鉛直に近い斜方向の複数の鋼管からなるレグ４と、水平材５ａおよび斜材５ｂのブレース５とによって構成されたものであり、陸上ヤードで製作・組立られた後、バージによって建設場所迄移送される。建設場所では、小型ジャケットの場合は、フローティングクレーン等の揚重機で吊上げられて海底１ａに立設される。大型ジャケットの場合は、レグ４の上端部と下端部に蓋を設けて密閉して海中に滑落させ、横向きに浮上させた後、レグ4 内に注水して浮力を減じるとともに揚重機を使用して立設する。
【０００５】
両者のジャケットとも立設された後は、レグ４（鋼管）の上端から杭２を挿入し、水底地盤１内にフローティングハンマー等により打設する。この公報には説明がないが、全ての杭２の打設が終了したら、杭２とレグ４の間隙にレグ４の下方からグラウト材６を注入し、水をグラウト材６と置換させて排除する。かくして充填したグラウト材６によってレグ４と杭２を固定する。
【０００６】
図１０のジャケットは特公昭６０−５６８４５号公報に開示されているジャケット護岸の例である。この護岸では前部管柱４、中間管柱４、後部管柱４の鉛直レグ４と、水平方向５ａ、斜方向５ｂに配設された連結材５（ブレース）によってジャケットが構成されており、各レグ４には上端まで杭２が挿入され、杭２とレグ４はモルタルのグラウト材６で固定されている。施工手段は前記説明と同様であるので省略する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のジャケットに代表される水中骨組構造物には、以下の課題があった。
（１） 事前に設置したジャケットのレグ内に杭を挿入して打設するため、レグは鋼管の如き中空管体とし、かつ内径を杭の外径より大きくする必要があった。このため、特に軟弱地盤等の水底地盤において大径の杭を使用する必要がある場合には、レグの外径をさらに大きくしなければならないので、過剰設計となり、その分ジャケットの重量が重くなり、製作費と建設費が高くなった。
【０００８】
（２） 事前に設置したジャケットのレグ内に杭をレグ上端から挿入して打設し、杭の上端をレグ上端（ジャケット天端）と同じにしてレグと杭の隙間にグラウト材を注入するため、ジャケットレグと杭の結合強度に必要な長さ以上の過剰な結合長となり、杭材、グラウト材が無駄になるばかりか、グラウト材の注入作業に時間を要した。
【０００９】
（３） ジャケットとブレースが交差する格点部には応力が集中し、特に疲労強度が問題となるため、部分的にレグの板厚を厚くする必要があり、加えて残留応力除却のため焼鈍処理を必要とする場合があり、製作コストが高くなった。
【００１０】
（４） ジャケットの設置時（杭の打設前）には水底地盤の表層が軟らかい場合、不等沈下を防止するためにジャケット下端部にマッドマットと称する広幅の面板を設けて、載荷圧を低減させる必要があり、この分不経済であった。
【００１１】
（５） また、杭打施工時にレグ内壁に杭が接触して共下りを生じさせ、ジャケットを傾斜させてしまうことがあり、その修正作業が必要となる場合があった。
【００１２】
出願人は前記課題を解決するため、水底地盤近傍において打設杭とジャケットをグラウト結合した水中骨組構造を特願平６−３５２７３として出願している。本発明は、前記出願特許に関連してこれをさらに改良するものであって、ジャケットと杭の合理的設計が可能であり、かつ経済的に有利な水中骨組構造物を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、所定位置の水底地盤にあらかじめ打設された複数の杭に、脚柱と前記脚柱下端を連結する水平材５ａ及び斜材５ｂのブレースで構成されたジャケットの脚柱下部をグラウト結合する水中骨組構造物の施工方法であって、ジャケット底面の外周側に位置する少なくとも３箇所以上の結合部において、せん断抵抗材付杭の杭頭を所定高さに調整し、かつ前記杭を挿入するジャケットの脚柱内周に杭頭を支持するリブ７ｂからなる支持部材を所定奥行で溶接してジャケット仮支持用結合部を設け、水底地盤から所要高さ以上に突出する前記杭を、杭径より内径を大きくした脚柱下部に挿入させ、前記ジャケット仮支持用結合部によって水平状態でジャケットを仮支持させ、この結合部の脚柱内周と杭外周間の所定長さにグラウト材を充填して結合したことを特徴とする。
＜作用＞
前記請求項１の発明では、杭２の外周と脚柱４の内周でグラウト結合するようにしているため、杭内の土砂の排出が不要となる。また、本発明ではジャケット３の下端部の脚柱内を結合部４ａにしているため、ジャケット３下端を水中骨組構造体に作用する最大曲げモーメントの生じる水底地盤面１ａまで下げることができ構造的に有利となる。
【００１４】
また、請求項１の発明は、ジャケット３を結合する際に水平に仮支持するための手段に関するものである。すなわち、請求項１の発明では、ジャケット３底面の外周側に位置する少なくとも３箇所の杭頭を所定高さに調整して杭２を設置し、これに対応するジャケット３の脚柱４内周に杭頭を支持する支持部材７を所定奥行で溶接してジャケット仮支持用結合部（Ａ，Ｂ，Ｃ）を構成する。これにより杭２にジャケット３を設置する際に水平状態で仮支持して、ジャケット仮支持用結合部以外のすべての結合箇所をグラウト結合することが出来る。なお、仮支持用以外の杭２は所定長さ以上であれば不揃いとしてもよく、脚柱４の内周に支持部材７を溶接しておく必要もない。なお、ジャケット仮支持用結合部は少なくとも３箇所にすれば安定してジャケット３を仮支持できるが、ジャケット重量と杭本数、安全面を考慮して３箇所以上にしても構わない。
【００１５】
本発明は、先に出願の特願平６−３５２７３の実施例に開示したものと同様に、ジャケット３の下端から突設した結合部４ａを杭２内に所定長Ｌ挿入し、脚柱４と杭頭部２ａをグラウト材６で固定した結合構造において、あらかじめ打設した杭２にジャケット３を水平に仮支持するための手段を加えたものである。請求項３，４，５の発明では、前記結合部材４ｂの外周にレベル調整可能な杭頭仮支持材７ａを取付けておき、杭２にジャケット３を設置する際に杭頭仮支持材７ａによってジャケット３を水平状態で仮支持し、この状態を保持したまま全ての結合箇所をグラウト結合する。
【００１６】
本発明は、前記発明のレベル調整可能な杭頭仮支持材７ａとして、鋸刃状に上面が形成されたリングＡ１３と、リングＡ１３の鋸刃状下面と噛合する鋸刃状上面が形成されたリングＢ１４を用いる。結合部材４ｂにリングＡ１３を溶接し、このリングＡ１３に対向するように杭頭支持板１４ｂ付きのリングＢ１４を回動可能に設けておき、ジャケット３を水平保持（吊下げ）した状態でリングＢ１４を回動してリングＡ１３のテーパ部１３ａとリングＢ１４のテーパ部１４ａとをずらして杭頭仮支持材７ａの杭頭支持板１４ｂを杭頭２ａに接触支持させる。そして、この状態でリングＡ１３とリングＢ１４との接触部をダイバーによる水中溶接１５で固定し、ジャケット３を水平状態で仮支持した状態ですべての結合箇所をグラウト結合するものである。なお、杭頭仮支持材７ａは全ての結合部に設けてもよいが、前記請求項２の発明と同様にジャケット底面の外周側に位置する少なくとも３箇所の結合部のみに設けてもよい。
【００１７】
本発明におけるジャケット３と杭２の結合固定は、従来のように脚柱４の全長に渡って行うことなく、脚柱と杭との結合部４ａにおいて下記に示す設計上必要な長さ（Ｌ）とする。ここで、設計上必要な長さ（Ｌ）はジャケット３に作用する外力、グラウト材６の強度、脚柱４と杭２のサイズおよびせん断抵抗材（シアキー）１２ａ，１２ｂの有無等に応じて決定することができる。
【００１８】
この際、グラウト結合強度は、ＡＰＩの下記算定式により決定することができる。
ｆba＝20 psi (0.138 MPa)＋0.5ｆcu・(h/s) ・・・・・・・ 平常時
ｆba＝26.7 psi (0.184 MPa)＋0.67ｆcu・(h/s) ・・・・・・ 暴風時
ｆba：許容結合強度
ｆcu：グラウト材の圧縮強度
ｈ：シアキー突起高さ（インチ，mm）
ｓ：シアキー間隔（インチ，mm）
シアキーが無い場合はそれぞれの式において第１項のみとする。
【００１９】
また、従来はジャケット３の脚柱４内に杭２を貫通させていたため、応力が集中する格点部４ｃの補強にあたり、脚柱４内に補強材を施すことができず、脚柱４の板厚を増加する等の手段を用いていたが、本発明に係るジャケット３では、最下段の格点部を除いて内部を貫通するものがないため、インナーリング等による格点部４ｃの内部補強が可能であり、また、コンクリートを充填した合成構造にすることもできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１〜図８は本発明に係る水中骨組構造物の実施例を示した図であり、図１は水中骨組構造の側面図、図２はその平面図、図３は杭打設用のテンプレート、図４は杭にジャケットを吊下げて挿入する作業中の側面図である。
【００２１】
図５および図６は第１実施例における杭２とジャケット３の固定部の詳細を示すものである。水底地盤１の所定位置に水中ハンマー等の杭打機等で打設された複数の杭２（鋼管杭）は、上端が水底地盤１から一定高さに打ち止め（または切断）されている。杭２の上部には、レグ４（脚柱、鉛直材）とブレース５（水平材５ａ、斜材５ｂ）を組合せたジャケット３が所定長さＬの結合長で固定されている。
【００２２】
杭２には、水底地盤１から所要高さ以上に突出したシアキー（せん断抵抗材）１２ｂ付の杭頭部２ａが設けられている。杭２とジャケット３との固定部は、杭径より内径を大きくしたレグ結合部４ａに杭頭部２ａを挿入し、このレグ結合部４ａの内周と杭２外周間の所定長さＬにグラウト材６を充填して結合した構造である。
【００２３】
この施工にあたっては、結合時にジャケット３を水平状態に保つため、ジャケット３底面の外周側に位置する少なくとも３箇所以上の結合部（図２のＡ，Ｂ，Ｃ）において、杭２は杭頭２ａを所定高さに調整して設置される。また、杭２に挿入するレグ結合部４ａ内周には、リブ７ｂで補強された支持部材７がレグ４の下端から所定奥行で溶接されており、打設杭２にジャケット３を設置する際に水平状態で仮支持可能としている。
【００２４】
なお、ジャケット仮支持用結合部（Ａ，Ｂ，Ｃ）はジャケット３底面の外周側に位置する少なくとも３箇所に設ければ安定よく支持できるが、ジャケット３の荷重が重かったり杭本数が多い場合はさらに仮支持箇所を増やしても良い。
【００２５】
また、ジャケット仮支持用結合部以外の結合部は、図６ａに示すようにレグ４内周に支持部材７を設けず、また杭頭高さも所要の結合長さＬ以上確保して、かつ杭先端はジャケット３の挿入を容易にするため斜めに切断されている。さらに、仮支持に用いられない杭２は所定長さＬ以上であれば、杭頭高さは不揃いとしてもよい。
【００２６】
図６ｂは杭２とレグ結合部４ａの先端部の詳細を示した図である。ジャケット３におけるレグ接続部４ａの内周にはグラウト結合を強固にするためのせん断抵抗材としてシアキー１２ａが設けられている。このシアキー１２ａは１０ｍｍ前後の丸鋼や帯鋼を数十ｃｍ間隔にリング状またはスパイラル状に溶接したり、溶接ビードを盛って形成したものである。杭２の頭部外周の結合部２ｂにも同様にシアキー１２ａと高さをずらしてシアキー１２ｂが設けられている。
【００２７】
また、ジャケット３下部のレグ結合部４ａ内周と杭２外周の間隙１１には、モルタルまたはコンクリート等のグラウト材６を充填するため、レグ４下端の内周面にゴム製のグラウトシール６ｂが固定されている。そして、レグ４にはグラウト配管６ａが設けられている。
【００２８】
なお、杭２の杭頭部２ａとレグ結合部４ａとの結合長さＬは、ジャケット３に作用する波力、潮力、その他の外力を杭２に伝達させるために必要な設計結合長を前述した算定式によって決定する。
【００２９】
次に第１実施例に係る水中骨組構造物の施工手順を説明する。
【００３０】
（１） まず、 建設場所の水底地盤１に打設される杭配置に対応したガイド枠１０ｄを設けたテンプレート１０を設置する。そして、ガイド枠１０ｄ内に杭２を挿入して、フローティングハンマーや水中ハンマーによって所定位置に杭２を打設する。
【００３１】
テンプレート１０は杭２をあらかじめ所定位置に正確に打設するためのもので、図３に示すようにＨ型鋼１０ａ，１０ｂ，１０ｃを縦・横に組合せて杭２の配置に対応したガイド枠１０ｄを形成している。全ての杭２を打設後にテンプレート１０は撤去され、次のジャケット設置箇所に移設して使用する。なお、ガイド枠１０ｄはテンプレート１０の他、仮設杭等で代用してもよい。
【００３２】
また、ジャケット３を杭２に対して結合時に水平状態に保つべく、ジャケット３底面の外周側に位置する少なくとも３箇所以上の結合部（図２のＡ，Ｂ，Ｃ）において、杭打時の最終打止め、または打設後水中切断によって杭頭部２ａを所定高さに正確に揃えてジャケット仮支持用結合部とする。他の杭は所定の結合長さＬを確保できる高さ以上であれば不揃いであってもよい。なお、第１実施例では杭内土砂を排出する必要はない。
【００３３】
（２） 次に、図４に示すように陸上ヤード等で製作・組立られ、バージ等で移送されたジャケット３をクレーンで吊上げ、所定位置に打設された前記杭２の杭頭部２ａにジャケット３下端のレグ結合部４ａを合致させて吊下し、挿入する。
【００３４】
ジャケット仮支持用結合部Ａ，Ｂ，Ｃにおいて、杭２を挿入するレグ結合部４ａの内周には、リブ７ｂで補強された支持部材７が杭頭２ａを支持するために所定高さで溶接固定されている。この結果、打設杭２にジャケットを吊下げて設置すると、高さ調整された仮支持用の杭２によって支持部材７が支持されて、自動的にジャケット３は水平状態で仮支持される。
【００３５】
（３） 杭２上へのジャケット３の設置が完了した後、レグ結合部４ａと杭頭部２ａとの固定作業を行う。この固定手段は、図６ａ，図６ｂに示すように杭頭部の所定長Ｌにおいて、杭頭部２ａ外周と結合部レグ４ａの内周との間隙１１にモルタル又はコンクリートのグラウト材６を注入することによる。グラウト材６の注入は、グラウト配管６ａを通してレグ下部に設けた注入口から行う。
【００３６】
グラウト材６は、レグ下端部に設けたグラウトシール６ｂによって下方に漏れることなく、海水を置換しながら上方に向けて間隙１１に充填される。グラウト材６が杭頭部２ａとレグ結合部４ａの所定結合長さＬに十分充填されているか否かはグラウト材６の注入量で管理することができる。なお、グラウト材６を杭２内に充填してもよい。
【００３７】
図７および図８は、本発明の水中骨組構造の第２実施例を示した図である。第２実施例の水中骨組構造は、ジャケット３のレグ下端に設けられた結合部材４ｂを所定長さＬだけ杭２に挿入してジャケット３を仮支持し、結合部材４ｂの外周と杭２内周との間にグラウト材６を充填して結合するものである。なお、第２実施例において、第１実施例と共通する構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
第２実施例の水中骨組構造では、ジャケットのレグ下端に杭内径より小径の結合部材４ｂが下方に突設されている。結合部材４ｂの長さは少なくとも結合長さＬ以上に設定される。また、結合部材４ｂの外周面にはシアキー１２ａが設けられる。
【００３９】
また結合部材４ｂの上方には杭頭仮支持材７ａが設けられている。杭頭仮支持材７ａは、結合部材４ｂの上方に溶接固定されたリングＡ１３と、リングＡ１３の下方に配置され、かつ杭外径よりも大きな鍔状の杭頭支持板１４ｂを備えたリングＢ１４とから構成される。リングＢ１４の中央には結合部材４ｂを挿通可能な開口が設けられ、リングＢ１４は結合部材４ｂに対して回動可能となっている。なお、それぞれ対向するリングＡ１３およびリングＢ１４の外径はほぼ同径に設定される。
【００４０】
リングＡ１３の下面は、テーパ部１３ａの始点と終点とを接続して環状に連続させた鋸刃状に形成されており、一方、リングＡ１３に対向するリングＢ１４の上面は、リングＡ１３の鋸刃状下面と噛合するような鋸刃状上面に形成されている。そのため、杭頭仮支持材７ａでは、リングＢ１４を回動させてリングＡのテーパ部１３ａとリングＢのテーパ部１４ａとの接触部長さを調整することで、ジャケットの設置高さの調整が可能となっている。なお、図８ｂに杭頭仮支持材７ａのリングＡとリングＢの断面を示す。
【００４１】
また杭２の杭頭部２ａには結合部材４ｂを上方から挿入可能となっている。杭２における挿入部深さは少なくとも結合部材４ｂの長さよりも長く設定され、挿入部内周面にはシアキー１２ｂが設けられている。
【００４２】
次に第２実施例に係る水中骨組構造物の施工手順を説明する。
【００４３】
（１） 前記第１実施例と同様に建設場所の水底地盤１にテンプレート１０を設置し、所定位置に杭２を打設する。そして、結合長さＬと同じ長さだけ杭２を水底地盤１から上方に突出させて杭頭高さを水平状態に揃える。なお、ジャケット底面の外周側に位置する少なくとも３箇所以上の仮支持用の杭のみ杭頭を水平に揃えるようにしても良い。
【００４４】
（２） 杭２の打設後において杭頭部２ａの開口内に管内土砂がある場合は、結合長さＬが確保されるように杭２の管内土砂を掘削排除する。
【００４５】
（３） 次に結合部材４ｂの上方に杭頭仮支持材７ａを取り付けたジャケット３を吊下し、ジャケットの結合部材４ｂを杭２の開口内に挿入する。このとき、ダイバー作業で結合部材４ｂに溶接固定されていないリングＢ１４を回動させ、リングＡのテーパ部１３ａとリングＢのテーパ部１４ａとの接触部長さを調整することで、杭頭支持板１４ｂを杭頭に接触支持させてジャケットの設置高さを調整する。そして、図８ｃに示すようにリングＡのテーパ部１３ａとリングＢのテーパ部１４ａとの接触部をダイバー作業で水中溶接１５し、ジャケット３を杭に水平状態で仮支持する。なお、図８ｄはジャケット３を水平状態に保った状態で杭頭仮支持材７ａのテーパ部を水中溶接で固定した状態を示したものである。
【００４６】
（４） 打設杭２内にジャケット３の結合部材４ｂを挿入し、水平状態に仮支持した状態で杭内周と結合部レグの外周４ａとの間隙１１および結合部材４ｂの内部にグラウト配管６ａを通してグラウト材６を注入する。
【００４７】
なお、第１実施例および第２実施例では鉛直レグとブレースからなるジャケットに適用した例を示したが、傾斜レグで構成したジャケットであっても結合部を鉛直にすることで本発明を適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、ジャケットの下部に設けたレグ結合部を打設杭に所定長挿入してグラウト固定したものであるため、従来のようにジャケットレグ内に全長に渡って杭を挿入する必要がない。ジャケットと杭は設計上必要な長さ（Ｌ）のみグラウト固定するので、従来のような無駄な杭材、グラウト材を排除できるとともに、固定に要する作業量を軽減でき合理的設計となる。さらにジャケットのレグ内に杭を貫通させないため、応力が集中する格点部の補強材をレグ内に設けたり、あるいはレグ内にコンクリートを充填した合成構造にすることができるため、従来のように格点部のレグ板厚を厚くするようなコストの高い補強手段を用いる必要がない。
【００４９】
また、請求項１に係る発明は、打設杭内の管内土砂を排出する必要がなく、ジャケットの下端高さを曲げモーメントの作用が大きい水底地盤に位置することができるため構造的に有利な水中骨組構造物とすることができる。さらに、少なくとも３箇所以上の結合部においてジャケットを水平状態に仮支持してグラウト結合するためジャケットを容易に且つ、精度よく施工できる。
【００５０】
また、本発明においては、ジャケット結合部材にレベル調整可能な杭頭仮支持材を設け、ジャケットを水平状態に仮支持してグラウト結合するためジャケットを容易に且つ、精度よく施工できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例に係る水中骨組構造物の側面図である。
【図２】 図１に示す水中骨組構造物の平面図である。
【図３】 杭打設用のテンプレートの平面図である。
【図４】 水中骨組構造物の施工過程を示す側面図である。
【図５】 第１実施例に係るジャケットと杭の結合構造図である。
【図６】 （ａ）はジャケット仮支持用結合部以外の結合部を示した詳細図であり、（ｂ）はジャケット仮支持用結合部の詳細図である。
【図７】 第２実施例に係るジャケットと杭の結合構造図である。
【図８】 （ａ）から（ｄ）は第２実施例に係るジャケットと杭の結合構造の詳細図である。
【図９】 従来例（特公平５−４３８０８号公報）におけるジャケットの側面図である。
【図１０】 従来例（特公昭６０−５６８４５号公報）におけるジャケット護岸の側面図である。
【符号の説明】
１ 水底地盤
１ａ 海底面
２ 杭
２ａ 杭頭部
３ ジャケット
４ レグ（脚柱、鉛直材）
４ａ レグ結合部
４ｂ 結合部材
４ｃ 格点部
５ ブレース
５ａ 水平材
５ｂ 斜材
６ グラウト材
６ａ グラウト配管
６ｂ グラウトシール
７ 支持材
７ａ 杭頭仮支持材
７ｂ リブ
１０ テンプレート
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ Ｈ型鋼
１０ｄ ガイド枠
１１ 杭とレグの間隙
１２ａ，１２ｂ シアキー（せん断抵抗材）
１３ リングＡ
１３ａ テーパ部
１４ リングＢ
１４ａ テーパ部
１４ｂ 杭頭支持板
１５ 水中溶接部
１６ 作業船
Ａ，Ｂ，Ｃ ジャケット仮支持用結合部

Claims (1)

1. 所定位置の水底地盤にあらかじめ打設された複数の杭に、脚柱と前記脚柱下端を連結する水平材５ａ及び斜材５ｂのブレースで構成されたジャケットの脚柱下部をグラウト結合する水中骨組構造物の施工方法であって、
   ジャケット底面の外周側に位置する少なくとも３箇所以上の結合部において、せん断抵抗材付杭の杭頭を所定高さに調整し、かつ前記杭を挿入するジャケットの脚柱内周に杭頭を支持するリブ７ｂからなる支持部材を所定奥行で溶接してジャケット仮支持用結合部を設け、
   水底地盤から所要高さ以上に突出する前記杭を、杭径より内径を大きくした脚柱下部に挿入させ、
   前記ジャケット仮支持用結合部によって水平状態でジャケットを仮支持させ、
   この結合部の脚柱内周と杭外周間の所定長さにグラウト材を充填して結合したこと
   を特徴とする水中骨組構造物の施工方法。

Images