JP4358207B2 - 掘削底盤の地盤強化工法 - Google Patents

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本発明は地盤の掘削に先行して行われる掘削底盤の地盤強化工法に関し、地盤の掘削に伴うボイリングやヒービング等の掘削底盤面の崩壊を未然に防止して根切り工事などの掘削工事を安全に行えるようにしたものである。
根切り工事などで、鋼矢板や地中連続壁などのような遮水性の山留め壁を用いて地盤を掘り下げていった際に、ボイリングやヒービングが生じて掘削不能に陥ったり、あるいは山留め壁近くの砂が湧き出すように見えることが知られている。
この現象は、特に地下水位の高い砂あるいはれき層のような透水性の地盤で起こる現象で、山留め壁の背面と掘削地盤面の地下水位の差によって地下水が山留め壁の下端から掘削地盤面側に浸透し、掘削地盤面に生ずる上向きの浸透圧によって砂の有効応力が減少あるいは消滅するために起こる現象とされ、時として山留め壁が崩壊して大惨事を招くことがある。
従来、この問題を未然に防止する方法として、例えば周囲に山留壁として施工される鋼矢板を掘削底面よりかなり深く打ち込んで地下水が掘削地盤面側に浸透するのを阻止したり、掘削地盤面に浸透あるいは流入してきた地下水を直接ポンプで排水したり、あるいは山留め壁の周囲の地下水をウェルポイント工法などによって強制的に排水して敷地全体の地下水位を下げる方法、さらには注入工法によって固化材を注入して止水層を形成する方法が一般に用いられている。
特許第２５０９００５号 特許第２７７２６３７号 特許第３５０９７４４号 特開２００３−２０６３６号公報 特開２００５−３１４９３９号公報
しかし、山留め壁を掘削地盤面より深く施工することは、山留め壁の回収が困難になるだけでなく、長尺の山留め材を必要とするため現地への搬入等が困難になる等の課題があった。
また、掘削地盤面に浸透あるいは流入してきた地下水を直接ポンプ排水する方法は、掘削地盤上(根切り底)に集水用の池を設ける必要があるため、これが工事の障害になることがあった。さらに、山留め壁周囲の地下水を強制的に排水して地下水の水位を下げる方法は、設備が大規模化しその管理も面倒であった。
また、薬液注入工法による方法は、浸透固結が不十分になりやすく、このため固結層を厚くすることが必要になり、このため注入ステージを長くする必要があり、また施工工程が長くなるため、多くの費用を必要とするという欠点があった。
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、根切り工事などの掘削工事に伴うボイリングやヒービングの発生を未然に防止するための地盤改良層を、少ない工程数の注入工法により確実かつ容易に形成することを可能にした掘削底盤の地盤強化工法を提供することを目的とするものである。
請求項１記載の掘削底盤の地盤強化工法は、山留め壁の内側を掘り下げる掘削工に先行して、掘削予定の掘削底盤面より下方の地盤中に、袋体と当該袋体の下方に位置する複数の注入材吐出口とを備えた注入外管と、複数の膨張収縮パッカと複数の注入材噴出口を備えた注入内管を用いて地盤改良層を形成することにより、前記掘削工に伴うボイリングやヒービング等の掘削底盤面の崩壊を防止するための掘削底盤の地盤強化工法であって、前記掘削底盤面より下方までボーリング孔を削孔する工程と、当該ボーリング孔に前記注入外管を挿入し、前記袋体を固化材の充填により膨張させる工程と、前記注入外管に前記注入内管を挿入し、前記膨張収縮パッカをエアまたは流体の注入により膨張させて前記注入外管と注入内管との間に二以上の密封空間を前記注入内管の上下方向に前記注入材噴出口と交互に形成する工程と、前記注入内管、前記注入材噴出口、前記二以上の密封空間、前記複数の注入材吐出口および前記ボーリング孔を介して地上から前記掘削底盤面より下方の地盤中に注入材を注入して地盤改良層を形成する工程とからなり、前記袋体を膨張させて前記ボーリング孔の孔壁を圧密する膨張パッカを前記複数の注入材吐出口より上方に形成し、さらに前記袋体を通って地盤中に浸透する固化材によって注入材の浸透しにくい地盤内パッカを前記膨張パッカ周囲の地盤領域に形成し、前記注入材は前記注入内管、前記複数の注入材噴出口、前記二以上の密封空間、前記複数の注入材吐出口および前記ボーリング孔を介して地上から前記掘削底盤面より下方の地盤中に均等な注入圧で注入することを特徴とするものである。
本発明は、山留め壁によって囲われた内側を掘削予定底盤面まで掘り下げる掘削作業に先行して、掘削予定底盤面より下方に硬質の地盤改良層を予め形成することによりその後の掘削に伴うボイリングやヒービングを未然に防止することで、掘削工事を安全に行えるようにしたものである。
この場合の地盤改良層は、対象地盤の地質性状等により厚さ、位置などを任意に設定することができる。一般に１．０ｍ〜４．０ｍ程度の厚さがあればよい。
また、地盤改良層は所定間隔をおいて複数層に形成してもよい。注入材には例えばシリカ系の注入材が望ましい。また、山留め壁は止水性の鋼矢板工法やＲＣ地中連続壁工法などによって構築することができる。
また、本発明は、地盤中に相当の深きにわたって注入材を注入するのに適しており、注入外管と注入内管との間に密封空間が複数段に形成されるように膨張収縮パッカと注入材噴出口が設けられていることで、注入地盤が相当深い場合でも注入材の注入圧が深さによって変わることはないので、一回の注入で注入圧を低下させることなく注入材の注入を行うことができる。
なお、注入外管の各注入材吐出口に逆止弁を取り付けることにより、注入材の逆流を阻止することができる。逆止弁にはゴムスリーブ等を用いることができる。
請求項２記載の掘削底盤の地盤強化工法は、請求項１記載の掘削底盤の地盤強化工法において、地盤改良層は掘削底盤の表層部に形成することを特徴とするものである。
本発明は、掘削底盤の表層部に地盤改良層を一定厚さに形成することで、掘削に伴うボイリングやヒービングを阻止するようにしたもので、比較的透水性の小さい地盤に適している。
請求項３記載の掘削底盤の地盤強化工法は、請求項１記載の掘削底盤の地盤強化工法において、地盤改良層は掘削底盤の深層部に形成することを特徴とするものである。
本発明は、地盤改良層より上側の掘削予定地盤面までの地層を積載荷重として地盤改良層に作用させることにより掘削に伴うボイリングやヒービングを阻止するようにしたものであり、比較的透水性の小さい地盤はもとより透水性の大きい地盤のボイリングやヒービングも効果的に防止することができる。
なお、地盤改良層は所定間隔おきに複数層に形成してもよい。
なお、ボイリングやヒービングは、特に山留壁の近くで発生しやすいことから、山留め壁の近傍に表層部から深層部まで連続する地盤改良層を厚く形成してボイリングやヒービングに備えることができる。
本発明は、山留め壁の内側地盤を掘り下げる掘削工に先行して、掘削予定地盤面より下方に硬質の地盤改良層を形成することにより、掘削に伴う掘削底盤のボイリングやヒービングを未然に防止することができるため、根切り工事などの掘削工事を安全にかつ効率的に行うことができる。
また特に、ボーリング孔の孔壁から注入材が注入される孔壁周囲の地盤領域の上側に、袋体が膨張することにより形成された膨張パッカと袋体に充填された固化材の一部が膨張パッカ周囲の地盤中に浸透し、固化することにより形成された、浸透しにくい地盤パッカが形成されるため、注入外管の注入材吐出口からボーリング孔内に吐出された注入材は必要な領域にのみ注入することができるため、注入材の逸走を防止し、均一な地盤改良層を形成することができ、また注入材の無駄がなく経済施工が期待できる。
最初に、本発明で用いられる注入管装置について説明する。図１(ａ)，(ｂ)はその一例を示し、注入管装置１はボーリング孔Ａ内に挿入される注入外管２と当該注入外管２内に挿入され、当該注入外管２と共にボーリング孔３内に挿入される注入内管４とから構成されている。
注入外管２は鋼管または硬質樹脂管などから形成され、当該注入外管２の下端部は閉塞されている。また、注入外管２の下端部より上方の所定位置にセメントミルク等の固化材を充填することにより膨張する袋体５が取り付けられている。
また、当該袋体５より下方に一個ないし複数の注入材吐出口２ａが上下方向および周方向に所定間隔をおいて形成され、さらに当該各注入材吐出口２ａの外側にゴムスリーブ等からなる逆止弁６が取り付けられている。
逆止弁６は注入材吐出口２ａからボーリング孔３に吐出された注入材が注入外管２内に逆流するのを阻止するための弁である。
袋体５は当該袋体５に注入された固化材の一部が通過可能な透水性のシート材から形成され、例えば織布、不織布、網体などから形成されている。また、袋体５は膨張時の外径がボーリング孔３の内径より大きくなるように形成され、具体的には、好ましくはボーリング孔Ａの内径よりも１．２〜５．０程度の直径に膨張するように形成されているのがよい。
このように形成された袋体５は、ボーリング孔３内にあってセメントミルク等の固化材を充填して膨張させることにより膨張パッカとなる。図１(ｂ)において、符号イは注入された固化材の流れを示す。
袋体５は、膨張パッカとしてボーリング孔３の内径より大きく膨張することで、当該膨張パッカ周囲の孔壁が圧密され、さらに固化材イの一部が袋体５を通って膨張パッカ周囲の地盤中に浸透して固化することで、膨張パッカ周囲の地盤領域に後述する注入材の浸透しにくい密な地盤内パッカ５ａが形成される。
なお、袋体５にセメントミルク等の固化材イを充填するには、ボーリング孔３内に注入外管２を建てこんだ後、当該注入外管２に固化材充填管(図省略)を挿入し、地上から圧送ポンプを利用して行い、固化材充填管は繰り返し使用される。
注入内管４は、注入外管２と同様に鋼管または硬質樹脂管などから形成され、当該注入内管４の下端部は注入外管２の下端部と同様に閉塞されている。
注入内管４には、注入外管２の袋体５の位置と同じ位置か、若しくは袋体５よりやや下方の位置にエアまたは流体を注入することにより膨張および収縮する膨張収縮パッカ７が取り付けられている。なお、図１(ｂ)において符号ロは膨張収縮パッカ７に注入されるエアまたは流体を示す。
さらに、当該膨張収縮パッカ７より下方に一個ないし複数の注入材噴出口４ａが上下方向および周方向に所定間隔をおいて形成されている。
膨張収縮パッカ７は、ゴムまたは合成樹脂などから袋状に形成され、注入外管２内にあって膨張することにより、当該膨張収縮パッカ７より下方の注入外管２と注入内管４との間に密封空間８を形成するようになっている。なお、膨張収縮パッカ７はエアまたは流体を抜くと収縮し、これにより注入内管４は注入外管２から容易に引き抜くことができるようになっている。
また、膨張収縮パッカ７の膨張および収縮は、注入内管４にエアまたは流体を注入するための注入管(図省略)を挿入し、当該注入管を介して地上から圧送ポンプを利用して行うようになっている。なお、エアまたは流体を注入するための注入管は繰り返し用いられる。
各注入材噴出口４ａは細孔に形成され、特に当該注入材噴出口４ａの合計の開口面積が注入内管３の内法断面積より小さくなるように形成されている。このため、注入材注入時の注入内管４の管内圧力を一定圧力以上に保つことにより、注入外管２の注入材吐出口２ａに対する抵抗圧が変化したり、ボーリング孔３の孔壁が崩落して注入材の吐出抵抗が変化したり、あるいは一部の注入材吐出口２ａの前面が孔壁の崩落などで埋まっても、注入内管４の各注入材噴出口４ａからは注入材圧送ポンプのポンプ圧と注入材噴出口４ａの口径に対応した一定量の注入材が密封空間８を介してボーリング孔３内に吐出され、かつボーリング孔３内に吐出された注入材はボーリング孔３の孔壁から周囲の地盤中に一定圧で一定量注入される。
なお、図１(ｂ)において、符号ハは地上から注入された注入材が密封空間８とボーリング孔３を通ってボーリング孔３の孔壁から周囲地盤中に注入される注入材の流れを示す。
この場合特に、ボーリング孔３の孔壁から注入材が注入される孔壁周囲の地盤領域の上側に、袋体５が膨張することにより形成された膨張パッカと当該膨張パッカの周囲に形成された、浸透しにくい地盤パッカ５ａが形成されているため、注入材吐出口２ａから吐出された注入材は、後から掘削される地盤領域まで浸透することがないので、注入材は必要な領域にのみ必要量を注入することができる。
図２と図３は、注入管装置の他の例を示し、図２(ａ)，(ｂ)は注入内管４の膨張収縮パッカ７を注入内管４の軸方向に所定間隔おいて上下二段に取り付けることで、注入外管２と注入内管４との間に密封空間８が上下二段に形成されるようにすると共に、注入材噴出口４ａを上下密封空間８にそれぞれ開口するように膨張収縮パッカ７を挟んで形成することによりダブルパッカ方式とした例を示したものである。
また、図３は注入内管４の膨張収縮パッカ７を注入内管４の軸方向に所定間隔おいて上下三段に取り付けて密封空間８が上下三段に形成されるようにすると共に、注入材噴出口４ａを各密封空間８にそれぞれ開口するように膨張収縮パッカ７を挟んで形成することによりトリプルパッカ方式とした例を示したものである。
いずれの注入管装置も、地盤中に相当の深さにわたって注入材を注入する場合に適しており、注入外管２と注入内管４との間に密封空間８が複数段に形成されるようにすることで、ボーリング孔３内に吐出された注入材の注入圧が深さによって変わることがないので、注入地盤が深い場合でも一回の注入で注入圧を低下させることなく、均等な圧力で地盤中に注入することができる。
次に、本発明の地盤強化方法の施工手順を図４〜図７に基いて説明する。
最初に、図４(ａ)に図示するように山留め壁１０を施工する。山留め壁１０は鋼矢板工法や地中連続壁工法などのような遮水性のある山留め工法によって施工する。
次に、図４(ｂ)および図６(ａ)に図示するように、山留め壁１０の内側にボーリング孔３を鉛直に削孔する。ボーリング孔３は地上から掘り下げる掘削予定地盤面Ａよりさらに下方の所定深さＬまで削孔する。
なお、ボーリング孔３は敷地の広さ、地質性状に応じて所定間隔おきに複数削孔し、特に掘削予定地盤面Ａより下方の深さＬは敷地の広さ、地質性状などを参酌の上決定するものとする。
次に、図４(ｃ)および図６(ｂ)に図示するようにボーリング孔３内に注入管装置１の注入外管２を挿入する。
次に、図６(ｃ)に図示するように注入外管２の袋体５を当該袋体５内に地上からセメントミルク等の固化材を注入して膨張させる。袋体５は最終的にボーリング孔３の内径よりも１．２〜５．０程度の直径に膨張して膨張パッカとなる。そして、当該膨張パッカによって周囲の孔壁が圧密され、さらに固化材の一部が袋体５を通って膨張パッカ周囲の地盤中に浸透して固化することで、膨張パッカ周囲の地盤領域に注入材の浸透しにくい密な地盤内パッカ５ａが形成される。
次に、図４(ｄ)と図７(ａ)に図示するように、注入外管２内に注入内管４を挿入する。そして、図７(ｂ)に図示するように注入内管３の膨張収縮パッカ７を当該膨張収縮パッカ７内に地上からエアまたは流体を注入して膨張させることにより注入外管２の内壁に強く密着させる。こうすることで、注入外管２と注入内管４との間に密封空間８が形成される。なお、図４(ｃ)においてボーリング孔は省略されている。
次に、図５(a)と図７(ｃ)に図示するように、地上から注入内管４に注入材を高圧で供給する。注入内管４に供給された注入材は、注入内管４の吐出口４ａを通って密封空間８内に吐出され、さらに注入外管２の吐出口２ａを通ってボーリング孔３内に吐出される。
そして、ボーリング孔３の孔壁からボーリング孔３周囲の地盤中に注入されてボーリング孔３周囲の地盤中に一定範囲にわたって硬質の地盤改良層９が形成される。
この場合、掘削予定地盤面Ａより下方の地盤中に相当な深さＬに渡って硬質の地盤改良層９を形成するときは、図２，図３に図示するようなダブルパッカ方式またはトリプルパッカ方式の注入管装置を用いることにより、一回の作業で深い(厚い)地盤改良層も容易に形成することができる。
こうして、図５(ｂ)に図示するように掘削予定地盤面Ａより下方の地盤中に必要な地盤改良層９が形成されたら、図５(ｃ)に図示するように地上から掘削を開始し、掘削予定地盤面Ａまで掘り下げる。その際、掘削予定地盤Ａより下方の地盤中に上記した方法によって予め地盤改良層９が形成されているため、掘削の途中で掘削底盤面にボイリングやヒービングが発生するおそれがなく、根切り工事をきわめて安全に行うことができる。
なお、地上からある程度の深さまで掘り下げて後、本発明の一連の作業を行うようにすれば、ボーリングおよび注入材の注入が容易になる。
図８(ａ)〜(ｄ)は、掘削予定地盤面Ａより下方に所定深さＬにわたって地盤改良層９を形成した例を示し、(ａ)は掘削予定地盤面Ａより下方の表層部に地盤改良層９を全体に均等な厚さに形成した例を示し、(ｂ)は掘削予定地盤面Ａより下方の特に深層部に地盤改良層９を全体に均等な厚さに形成した例を示し、いずれも透水性の小さい地盤に適し、また特に(ｂ)は地盤改良層９より上側の掘削予定地盤面までの層を地盤改良層９を上から押える荷重体として利用することにより掘削に伴うボイリングやヒービングを阻止することができるため、比較的透水性の大きい地盤にも適している。
図８(ｃ)，(ｄ)は、特にボイリングやひーびんぐが発生しやすい山留め壁１近くの地盤に対して地盤改良を行い、特に山留め壁１０の近くで厚く、中央が薄い地盤改良層９を形成した例をしたものであり、いずれの例も、透水性の高い地盤の地盤改良を経済的に行うことができる。
本発明は、地盤の掘削に伴うボイリングやヒービングを未然に防止することにより根切り工事などの掘削工事を安全に行うことができる。
(ａ)，(ｂ)は注入管装置の一例を示す縦断面図である。 (ａ)，(ｂ)は注入管装置の一例を示す縦断面図である。 注入管装置の一例を示す縦断面図である。 (ａ)〜(ｄ)は施工手順を示す断面図である。 (ａ)〜(ｃ)は施工手順を示す断面図である。 (ａ)〜(ｃ)は施工手順を示す注入管装置の先端部断面図である。 (ａ)〜(ｃ)は施工手順を示す注入管装置の先端部断面図である。 (ａ)〜(ｄ)は施工された地盤改良層の例を示す断面図である。
符号の説明
１ 注入管装置
２ 注入外管
３ ボーリング孔
４ 注入内管
５ 袋体
６ 逆止弁
７ 膨張収縮パッカ
８ 密封空間
９ 地盤改良層

Claims (3)

  1. 山留め壁の内側を掘り下げる掘削工に先行して、掘削予定の掘削底盤面より下方の地盤中に、袋体と当該袋体の下方に位置する複数の注入材吐出口とを備えた注入外管と、複数の膨張収縮パッカと複数の注入材噴出口を備えた注入内管を用いて地盤改良層を形成することにより、前記掘削工に伴うボイリングやヒービング等の掘削底盤面の崩壊を防止するための掘削底盤の地盤強化工法であって、前記掘削底盤面より下方までボーリング孔を削孔する工程と、当該ボーリング孔に前記注入外管を挿入し、前記袋体を固化材の充填により膨張させる工程と、前記注入外管に前記注入内管を挿入し、前記膨張収縮パッカをエアまたは流体の注入により膨張させて前記注入外管と注入内管との間に二以上の密封空間を前記注入内管の上下方向に前記注入材噴出口と交互に形成する工程と、前記注入内管、前記注入材噴出口、前記二以上の密封空間、前記複数の注入材吐出口および前記ボーリング孔を介して地上から前記掘削底盤面より下方の地盤中に注入材を注入して地盤改良層を形成する工程とからなり、前記袋体を膨張させて前記ボーリング孔の孔壁を圧密する膨張パッカを前記複数の注入材吐出口より上方に形成し、さらに前記袋体を通って地盤中に浸透する固化材によって注入材の浸透しにくい地盤内パッカを前記膨張パッカ周囲の地盤領域に形成し、前記注入材は前記注入内管、前記複数の注入材噴出口、前記二以上の密封空間、前記複数の注入材吐出口および前記ボーリング孔を介して地上から前記掘削底盤面より下方の地盤中に均等な注入圧で注入することを特徴とする掘削底盤の地盤強化工法。
  2. 地盤改良層は掘削底盤の表層部に形成することを特徴とする請求項１記載の掘削底盤の地盤強化工法。
  3. 地盤改良層は掘削底盤の深層部に形成することを特徴とする請求項１記載の掘削底盤の地盤強化工法。
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