JP4614996B2 - ケーソンを用いて構築した地下構造物および止水装置付ケーソン - Google Patents

Description

本発明は、ケーソンを用いて構築した地下構造物と、ケーソンの沈設時における止水を実施するための止水装置付ケーソンに関する。

近年、ケーソンを地上から地下の岩盤深く貫入させて地下空間を設ける例が増加している。

地上やトンネルでの岩盤部分の掘削は、一般に素掘りまたはナトム工法により施工可能であるが、地下の岩盤上部に透水性の高い地山がある場合、素掘りまたはナトム工法では施工が困難である。このような場合、ニューマチックケーソン工法により、ケーソンを岩盤深く貫入させる手法が採られる場合が多い。

ニューマチックケーソン工法によりケーソンを岩盤深く貫入させるべく施工した場合、上部の透水係数の高い地山を掘削することは容易であるが、岩盤部分の掘削は高気圧下での発破作業を要するため、作業員に苦渋作業を強いることになる。発破作業により掘削を行う先行例としては、特開平９−１５８１９７が存在する。また、高気圧下における作業時間の制約等から作業能率が悪く、工程数も多くなり、かつ工期が長くなるため、コストも高くなるという問題があった。

この問題を解決するため、上部の透水係数の高い地山をニューマチックケーソン工法で施工し、岩盤部分を大気圧のナトム工法で施工することにより、工程およびコストを削減できることが考えられる。

しかし、ナトム工法による施工時に大気圧で施工すると、ケーソン躯体と地山との間の隙間から作業室内に地下水が流入し、施工が困難になるという問題がある。また、ケーソン躯体と地山の空隙から地下水が流入しなくとも、岩盤部分の掘削個所から湧水が発生し、施工が困難となることがある。
特開平９−１５８１９７

本発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、上部の透水係数の高い地山をニューマチックケーソン工法により施工し、岩盤部分を素掘りまたはナトム工法により施工して構築した地下構造物を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、ケーソンの沈設時における止水を実施しつつ上記地下構造物を構築し得る止水装置付ケーソンを提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１の地下構造物は、ニューマチックケーソン工法により掘削し、刃口２の先端部が透水性の高い地山２１の下の岩盤２２に到達または貫入される、圧気、排気可能な作業室３としての第１の空間を有するケーソン躯体１と、このケーソン躯体１の外面と前記透水性の高い地山２１との間の空隙ｇに充填し水道を塞ぐ止水グラウト材２３と、前記ケーソン躯体１における作業室３の下部の前記岩盤２２を所定深さまで圧気工法、素堀りまたはナトム工法にて掘削し前記岩盤中に形成した前記第１の空間と連通する第２の空間２４と、前記刃口２の内面と、この刃口２の内面から岩盤２２の上面に向かって取り付けられた仕切り板１７と前記岩盤２２とにより形成される第３の空間１９に充填し、前記空間ｇのグラウト材２３が前記作業室３内へ漏洩するのを防止するグラウト材２３ａとを具備する、ことを特徴とする。

また、前記目的をより良く達成するため、請求項２では、請求項１記載の地下構造物において、前記第２の空間２４が形成された内面に施すライニング２５と、さらに、前記岩盤２２における湧水の著しい層２７に設置される支保工２８または、およびロックボルト３０または、および覆工２９コンクリートを具備する、ことを特徴とする。

請求項３の止水装置付ケーソンは、ケーソン躯体１の上面から内部を通って作業室スラブ４の方向に、上端部をグラウト材圧送設備に接続した複数の第１の注入通路１１を設け、前記ケーソン躯体１の前記各第１の注入通路１１に対応する外面に、高さ方向に所要の間隔をおいて、前記ケーソン躯体１の外面と地山２１間の空隙ｇにグラウト材２３を注入可能に複数個の第１の注入口１２を設け、上端部を前記グラウト材圧送設備に接続し、前記作業室スラブ４の上面から刃口２の下部の外面に向かって斜めに、刃口２の下部の外面と岩盤２２間の空隙にグラウト材２３を注入可能に、互いに所要の間隔をおいて複数本の第２の注入通路１３を設け、ケーソンの作業室３内に、刃口２の内面から岩盤２２の上面に向かって延びる仕切り板１７を取り付け、前記刃口２の内面と岩盤２２の上面と仕切り板１７とにより空間１９を形成し、前記仕切り板１７の作業室３側に第２の注入口１８を設け、この第２の注入口１８を、作業室３側からグラウト材２３を供給可能に前記グラウト材圧送設備に接続した、ことを特徴とする。

請求項１記載の地下構造物は、構築の際にケーソンの刃口２の先端部が岩盤２２に到達または貫入するまでは地山２１をニューマチックケーソン工法により掘削し、ケーソンを沈下させて行く。そして、ケーソンの刃口２の先端部が岩盤２２に到達または貫入したときは、ケーソン躯体１の外面と地山２１間の空隙にグラウト材２３を充填し、水道を塞ぎ、刃口２の先端部から作業室3への漏水を防止する。これにより、刃口２の先端部が岩盤２２に到達した後における作業室３内への漏水や湧水の浸水を確実に防止することができる。したがって、岩盤部分を素掘りまたはナトム工法により能率良く掘削でき、工程数を削減し、工期を短縮できるので、コストダウンを図り得る効果がある。

また、本発明によれば、刃口２の先端部が岩盤２２に到達または貫入した後、前述のごとく作業室３内に漏水や湧水が浸入しないように止水できるので、漏水や湧水の発生を抑えるために作業室３内を高気圧に保つ必要がなく、したがって作業員を高気圧下での苦渋作業から解放し、安全に掘削作業を遂行し得る効果もある。

また、この地下構造物の構築に当たって、刃口２の内面と岩盤２２の上面との間に、仕切り板１７により空間１９を形成し、この空間１９にグラウト材２３を充填し、地山２１側から作業室３内へのグラウト材２３の漏洩を防止できるので、より一層能率良く施工し得る効果がある。

さらに、請求項２に記載したように、岩盤中に、被圧砂層や破砕帯等の湧水の層があっても、ケーソンの圧気設備で湧水を止め、支保工２８を設置して覆工２９後、素掘りまたはナトム工法を行うことにより、岩盤中に地下構造物を効率良く構築することができる。

さらにまた、請求項３記載の本発明ケーソンでは、前記刃口２の内面から岩盤２２の上面に向かって延びる仕切り板１７を取り付け、前記刃口２の内面と岩盤２２の上面と仕切り板１７とにより空間１９を形成し、前記仕切り板１７の作業室３側に第２の注入口１８を設け、この第２の注入口１８を通じて空間１９内にグラウト材２３を充填し、地山２１側から作業室３内へのグラウト材２３の漏洩を防止できるので、前記地下構造物の構築をより一層的確に実施し得る効果がある。

まず、本発明の基本構成の地下構造物の構築方法と止水装置付ケーソンについて図１〜図５により説明する。

図１は止水装置付ケーソンの縦断側面図であって、刃口の先端部が岩盤上面に到達するまで沈下させた状態における縦断側面図、図２は岩盤部分を掘削し、ケーソンを沈下させている状態の縦断側面図、図３は岩盤部分を所定深さまで掘削し、地下構造物を構築した状態の縦断側面図、図４は図１のＡ−Ａ線横断平面図、図５は図１のＢ部分の拡大図である。

これら図１〜図５において、ニューマチックケーソンはケーソン躯体１と、これの下部に形成された刃口２と、この刃口２の内面と作業室スラブ４とに囲まれた作業室３と、作業室スラブ４の上面と上スラブ６の下面とケーソン躯体１の下部内面とに囲まれた上部室５と、作業室３の天井面から作業室スラブ４を経て地上に向かって延びるマテリアルシャフト７と、上部に設置されたマテリアルロック８と、作業室３の天井面から作業室スラブ４を経て地上に向かって延びるマンシャフト９と、上部に設置されたマンロック１０と、圧気設備と、掘削機等を装備している。圧気設備と掘削機は図示を省略している。

前記ニューマチックケーソンには、止水装置が付設されている。

前記止水装置は、グラウト材用の第１の注入通路１１と、この第１の注入通路１１に設けられた第１の注入口１２と、第２の注入通路１３と、グラウト材圧送設備（図示省略）とを備えて構成されている。

前記第１の注入通路１１は、パイプを用いてケーソン躯体１の上面から内部を通って作業室スラブ４の方向に設けられている。また、この第１の注入通路１１は互いに所要の間隔をおいて複数本設けられている。さらに、各第１の注入通路１１の上端部はグラウト材圧送設備に接続されている。

前記第１の注入口１２は、各第１の注入通路１１に、ケーソン躯体１の外面と地山２１間の空隙にグラウト材２３を注入可能に設けられている。また、第１の注入口１２はケーソン躯体１の高さ方向に所要の間隔をおいて複数個設けられている。

前記第２の注入通路１３は、パイプにより作業室スラブ４の上面から刃口２の下部の外面に向かって斜めに挿設されていて、刃口２の下部の外面と岩盤２２間の空隙にグラウト材２３を注入可能に設けられている。この第２の注入通路１３も、互いに所要の間隔をおいて複数本設けられている。また、各第２の注入通路１３の上端部はグラウト材圧送設備に接続されている。

各第２の注入通路１３の出口側には、図５に拡大示したように、逆止弁１４が設けられている。この逆止弁１４は、ケーソン躯体１と地山２１間の空隙に充填したグラウト材２３や、同空隙に滞留している水が第２の注入通路１３に逆流して来るのを防止している。

次に、前述のごとく構成した止水装置付ケーソンの作用に関連して、地下構造物の構築方法の一例を説明する。

まず、地上でケーソンを構築し、そのケーソンを沈設すべき位置に設置し、ケーソンにニューマチックケーソン工法に必要な装置や設備を取り付ける。

そして、透水性の高い地山２１をニューマチックケーソン工法により掘削する。すなわち、作業室３を圧気状態に保ち、掘削機により作業室３の底部地盤を掘削し、その掘削土砂を地上に引き上げて排土し、かかる掘削作業を繰り返して行い、図１に示すように、刃口２の先端部が岩盤２２の上面２２′に到達または貫入するまでケーソンを沈下させる。

次に、地上に設置されたグラウト材圧送設備から各第１の注入通路１１にグラウト材２３を圧送し、そのグラウト材２３を各第１の注入通路１１を経て各第１の注入口１２によりケーソン躯体１の外面と地山２１間の空隙ｇに充填し、水道を塞ぐ。

ついで、作業室３内の気圧を徐々に低下させ、刃口２の先端部から作業室３内への湧水発生の有無を検査する。

もし、刃口２の先端部から作業室３内に湧水が発生した場合は、上部室５に設置したグラウト材圧送設備より作業室３を経て、第２の注入通路１３および逆止弁１４（図５参照）を通って刃口２と岩盤２２間の空隙ｇにグラウト材２３を充填することにより止水効果を上げる。

前記刃口２と岩盤２２間の空隙ｇにグラウト材２３を充填した後は、逆止弁１４により第２の注入通路１３の出口が自動的に閉じるので、ケーソン躯体１の外面と地山２１間に充填されたグラウト材２３や水等の、第２の注入通路１３への逆流を防止することができる。

以上の止水作業により刃口２の先端部から作業室３への漏水を止めた後、気圧を低下させて岩盤２２に発破を掛け、岩盤部分を素掘りまたはナトム工法により所定の深さまで掘削し、その掘削土砂を地上に引き上げて排土する。なお、このときケーソンの圧気設備を残して置く。

岩盤部分の掘削中に岩盤２２から湧水が発生した場合には、存置してあった圧気設備により湧水圧に見合った作業気圧を掛け、湧水を一時的に止め、岩盤２２を掘削した空間の地山の湧水の止水グラウトを行い、湧水を止める。

その後、岩盤２２を掘削した空間の気圧を低下させて大気圧に戻し、再び素掘りまたはナトム工法により施工し、所定深さまで掘削する。ナトム工法は一般的に山岳トンネルの構築に使用されているが、ここではそれを縦方向に利用し、岩盤部の施工を行うこととする。

前記ナトム工法による施工時には、必要に応じて支保工やロックボルトを設置する。

以上の掘削作業を繰り返して行い、岩盤部分を所定深さまで掘削し、図３に示すごとく、掘削した空間２４にライニング２５を施し、所望の地下構造物２６を構築する。

以上説明したように、刃口２の先端部が岩盤２２に到達するまでは、透水性の高い地山２１をニューマチックケーソン工法により掘削し、刃口２の先端部が岩盤２２に到達したときは、ケーソン躯体１の外面と地山２１間の空隙から刃口２の先端部を経て作業室３に侵入する漏水、作業室３内の気圧を徐々に低下させて行ったときの刃口２の先端部から作業室３内に発生する湧水、岩盤部分の掘削時中に発生する湧水をそれぞれ止水したうえで、岩盤２２を素掘りまたはナトム工法により掘削するようにしているので、岩盤部分を素掘りまたはナトム工法により的確に、かつ能率良く掘削できるし、岩盤掘削の工程数を削減でき、工期を短縮できるので、コストダウンを図ることができる。

また、岩盤２２の掘削時に、前述の止水装置により効果的に止水できるので、作業室３内への漏水や湧水を抑えるために作業室３内を高気圧に保つ必要がなく、したがって作業員を高気圧下での苦渋作業から解放することができる。

なお、各第１の注入口１２の出口部にも逆止弁１４を設けても良い。

また、第１の注入通路１１や第２の注入通路１３にグラウト材２３を圧送するグラウト材圧送設備を地上に設置し、全て地上から配管しても良い。

次に、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図６および図７は本発明の実施例１を示すもので、図６は地下構造物と止水装置付ケーソンの縦断側面図、図７は図６のＣ部分の拡大図である。

これらの図に示す実施例１では、ケーソンの刃口２の内面に仕切り板取り付け具１５（詳しくは図７参照）が固定されている。

この仕切り板取り付け具１５には、ボルト等の固着具１６を介して仕切り板１７が取り付けられている。

この仕切り板１７は、金属板やプラスチック板等により、刃口２の内面から岩盤２２の上面２２′に向かって延びる断面がほぼく字型に形成されている。そして、この仕切り板１７は先端部が岩盤２２の上面２２′に接地し得るように取り付けられている。

前記刃口２の先端部が岩盤２２の上面２２′に到達した状態において、刃口２の内面と岩盤２２の上面２２′と仕切り板１７とにより、空間１９が形成されている。

前記仕切り板１７における作業室３側には、互いに所要の間隔をおいて第２の注入口１８が複数個設けられている。各第２の注入口１８は、上部室５または地上に設置されたグラウト材圧送設備（図示省略）に接続されていて、作業室３側から前記空間１９にグラウト材２３ａを充填し得るようになっている。このグラウト材２３ａとしては、隙間ｇに充填する上記グラウト材２３と同じものであっても良く、異なるものでも良い。

前述のごとく構成した実施例１では、ケーソンをその刃口２の先端部が岩盤２２の上面２２′に到達するまで沈下させ、作業室３の気圧を徐々に下げ、ほぼ大気圧まで低下させたとき、ケーソン躯体１の外面と地山２１間の隙間ｇに充填したグラウト材２３が刃口２の先端部から作業室３内に漏れる場合、前記刃口２の内面と岩盤２２の上面２２′と仕切り板１７とにより形成された空間１９に、第２の注入口１８を通じてグラウト材２３ａを充填し、防止するようにしている。なお、手順としては、第２の注入口１８を通じてグラウト材２３ａを先に充填しても良い。

前記空間１９にグラウト材２３を充填することにより、前記ケーソン躯体１の外面と地山２１間に充填したグラウト材２３が刃口２の先端部から作業室３内に漏れる不具合を解消し、止水効果をより一層高めることができる。

この実施例１における他の構成、作用については、前記本発明の基本構成と同様である。

図８は本発明の実施例２にかかる止水装置付ケーソンの縦断側面図を示す。

この実施例は、岩盤中２２に湧水が著しい湧水層２７が存在する場合の構築方法にかかる。すなわち、図３に示す構築状態の過程において、岩盤部分を所定深さまで掘削し、ライニング２５を施す工程で、岩盤２２に被圧砂層や破砕帯等の湧水の著しい層２７があり、そこに到達した場合、存置してあった圧気設備で、湧水圧に見合った作業気圧を掛けて湧水を一時的に止め、支保工２８を設置し、図示しない型枠を設置し、覆工コンクリートを打設し、覆工２９を行い、必要に応じて覆工２９の部分にロックボルト３０等を設置する。その後、岩盤２２を掘削した空間を大気圧に戻し、素掘りまたはナトム工法で施工し所定の深さまで掘削し、地下構造物２６を構築するようにしている。図中符号２４は、このようにして所定深さまで掘削した空間である。

この構築方法は、実施例１にも適用し得ることは勿論である。

本発明の基本構成について説明するもので、ケーソンをその刃口の先端部が岩盤上面に到達するまで沈下させた状態における縦断側面図である。 図１において、岩盤部分を掘削し、ケーソンを沈下させている状態の縦断側面図である。 図１において、岩盤部分を所定深さまで掘削し、地下構造物を構築した状態の縦断側面図である。 図１のＡ−Ａ線横断平面図である。 図１のＢ部分の拡大図である。 本発明の実施例１を示すもので、岩盤部分を所定深さまで掘削し、地下構造物を構築した状態の縦断側面図である。 図６のＣ部分の拡大図である。 本発明の実施例２を示すもので、湧水の著しい湧水層がある岩盤に地下構造物を構築する場合の説明図である。

１ ケーソン躯体
２ 刃口
３ 作業室
４ 作業室スラブ
５ 上部室
６ 上スラブ
７ マテリアルシャフト
８ マテリアルロック
９ マンシャフト
１０ マンロック
１１ 第１の注入通路
１２ 第１の注入口
１３ 第２の注入通路
１４ 逆止弁
１５ 仕切り板取り付け具
１６ 仕切り板の固着具
１７ 仕切り板
１８ 第２の注入口
１９ 刃口内面と岩盤上面と仕切り板とにより形成された空間
２１ 地山
２２ 岩盤
２２′ 岩盤の上面
２３、２３ａ グラウト材
２４ 所定深さまで掘削した空間
２５ ライニング
２６ 地下構造物
２７ 湧水層
２８ 支保工
２９ 覆工
３０ ロックボルト

Claims (3)

1. ニューマチックケーソン工法により掘削し、刃口（２）の先端部が透水性の高い地山（２１）の下の岩盤（２２）に到達または貫入される、圧気、排気可能な作業室（３）としての第１の空間を有するケーソン躯体（１）と、
   このケーソン躯体（１）の外面と前記透水性の高い地山（２１）との間の空隙（ｇ）に充填し水道を塞ぐ止水グラウト材（２３）と、
   前記ケーソン躯体（１）における作業室（３）の下部の前記岩盤（２２）を所定深さまで圧気工法、素堀りまたはナトム工法にて掘削し前記岩盤中に形成した前記第１の空間と連通する第２の空間（２４）と、
   前記刃口（２）の内面と、この刃口（２）の内面から岩盤（２２）の上面に向かって取り付けられた仕切り板（１７）と前記岩盤（２２）とにより形成される第３の空間（１９）に充填し、前記空隙（ｇ）のグラウト材（２３）が前記作業室（３）内へ漏洩するのを防止するグラウト材（２３ａ）とを具備する、
   ことを特徴とするケーソンを用いて構築した地下構造物。
2. 前記第２の空間（２４）が形成された内面に施すライニング（２５）と、さらに、前記岩盤（２２）における湧水の著しい層（２７）に設置される支保工（２８）または、およびロックボルト（３０）または、および覆工（２９）コンクリートを具備する、
   ことを特徴とする請求項１記載のケーソンを用いて構築した地下構造物。
3. ケーソン躯体（１）の上面から内部を通って作業室スラブ（４）の方向に、上端部をグラウト材圧送設備に接続した複数の第１の注入通路（１１）を設け、
   前記ケーソン躯体（１）の前記各第１の注入通路（１１）に対応する外面に、高さ方向に所要の間隔をおいて、前記ケーソン躯体（１）の外面と地山（２１）間の空隙（ｇ）にグラウト材（２３）を注入可能に複数個の第１の注入口（１２）を設け、
   上端部を前記グラウト材圧送設備に接続し、前記作業室スラブ（４）の上面から刃口（２）の下部の外面に向かって斜めに、刃口（２）の下部の外面と岩盤（２２）間の空隙にグラウト材（２３）を注入可能に、互いに所要の間隔をおいて複数本の第２の注入通路（１３）を設け、
   ケーソンの作業室（３）内に、刃口（２）の内面から岩盤（２２）の上面に向かって延びる仕切り板（１７）を取り付け、前記刃口（２）の内面と岩盤（２２）の上面と仕切り板（１７）とにより空間（１９）を形成し、
   前記仕切り板（１７）の作業室（３）側に第２の注入口（１８）を設け、この第２の注入口（１８）を、作業室（３）側からグラウト材（２３）を供給可能に前記グラウト材圧送設備に接続した、
   ことを特徴とする止水装置付ケーソン。

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