JP4861782B2 - 地盤の削孔方法 - Google Patents

Description

本発明は、被圧状態の地盤内に孔を削孔するための削孔システム及びこの削孔システムを用いた削孔方法に関する。

従来、地中構造物の構築、改修時等の工事の際に湧出する地下水は、地中構造物から地盤内に水抜き用井戸を構築し、この水抜き用井戸から地下水を排水していた。かかる場合には、周辺の地下水位が低下して井戸や川の水脈が変化し、周辺の環境に影響を与えてしまう可能性があるために、最近は、地中構造物の周囲に薬液注入を行い地盤を改良して止水する止水工法が実施されている。

しかし、薬液注入用の孔を削孔する際にも地下水が湧出し、この地下水をそのまま排水すると上述したように地下水位が低下してしまう可能性があるという問題点があった。

そこで、例えば、特許文献１には、孔内を掘削水で充満し、常に孔内の水圧を地下水の湧水圧よりも高く保ちながら孔内への湧水を防止して、地盤を削孔する方法が開示されている。これは、地盤を削孔するための削孔機と、削孔機にて削孔された孔と外気とを密閉状に遮蔽する密閉管と、削孔装置に掘削水を供給するためのポンプと、掘削により生じた土砂を含む泥水の排出量及び排出圧力を調整可能な排水バルブとから構成された削孔システムを用い、密閉された孔内の水圧を、地質調査時に測定された地下水の湧水圧に基づいて予め設計にて設定される所定の圧力値よりも常にやや高くなるように排水バルブ及びポンプにて調整しつつ、掘削装置にて地盤を削孔する方法である。
特開２００５−１３９８９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、以下に示すような問題点があった。
（１）設計にて設定される所定の圧力値は、地質調査時に測定された地下水の湧水圧のうち最も高い値に設定され、この値よりも孔内の水圧が常にやや高くなるように管理するために、削孔場所によっては、孔内の水圧が実際の湧水圧よりも大幅に高くなるときがある。かかる場合には、掘削水が地盤内に逸水してしまい、地盤の貯水量を増加させてしまう。（２）孔内の水圧を一定に維持するために、排水バルブは絞った状態で使用することが多い。かかる場合には、孔内の循環水量が減少するので掘削速度が遅くなり、掘削能率が低下する。（３）バルブを絞った状態で使用することが多いために、泥水中に含まれる掘削土でバルブが詰まり易い。（４）バルブの詰まりを防止するために、密閉式土砂分離装置を設置すると、作業スペースが狭くなり作業効率が悪くなるとともに、コストがかかる。

そこで、本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、地盤内の被圧地下水を流出させることなく地盤を削孔することが可能な削孔方法を提供することを目的とする。

本発明の地盤の削孔方法は、被圧状態の地盤に孔を削孔するための削孔方法において、
前記地盤を削孔するための掘削手段と、前記掘削手段に掘削水を供給するための給水手段と、前記掘削手段から排出され、削孔にて生じた土砂を含む泥水を排水するための排水手段と、前記給水手段が供給する掘削水の流量及び前記排水手段が排水する泥水の流量を制御するための制御手段とを備えた削孔システムを用い、
前記制御手段にて、前記掘削手段から排出される泥水の流量が前記掘削手段に供給される掘削水の流量を超えないように、前記給水手段及び前記排水手段を制御しつつ地盤を削孔し、
地盤の削孔を終了した後、削孔を開始してから終了するまでの前記給水手段による掘削水の総供給量と前記排水手段による泥水の総排水量とを比較し、前記制御手段にて、前記総排水量が前記総供給量よりも多い場合はその差分量だけ前記給水手段により掘削水を供給し、前記総排水量が前記総供給量よりも少ない場合はその差分量だけ前記排水手段により排水することを特徴とする。
本発明による地盤の削孔方法によれば、地盤を削孔する際に使用する掘削水の給水流量及び掘削により生じる土砂等を含んだ泥水の排水流量を制御するための制御手段を備えた削孔システムを用い、制御手段にて、掘削手段から排出される泥水の流量が掘削手段に供給される掘削水の流量を超えないように、給水手段及び排水手段を制御するために、孔内に供給する掘削水よりも孔内から排出される泥水の量を少なくすることが可能となる。さらに、掘削終了後、削孔を開始してから終了するまでの泥水の総排水量が掘削水の総供給量よりも多い場合はその差分量だけ掘削水を供給し、総排水量が総供給量よりも少ない場合は、その差分量だけ排水する。したがって、周辺の地盤内に貯留している地下水の貯水量は減少しないので地下水位は低下しない。つまり、地盤内に孔を削孔しても周辺の環境に影響を与えることがない。

また、本発明において、前記制御手段は、前記掘削水の流量及び前記泥水の流量を単位時間あたりの流量を管理することとしてもよい。この削孔方法によれば、掘削水の給水量及び泥水の排水量を単位時間あたりの流量で管理するために、削孔とともに湧水量が変化しても湧水量に応じて掘削水の給水量及び泥水の排水量をそれぞれ変更することが可能となる。

本発明の地盤の削孔方法を用いることにより、地盤内の被圧地下水を流出させることなく、地盤内に孔を構築することができる。

以下、本発明に係る地盤の削孔システムの好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態においては、トンネル内から孔を構築する場合について説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、地下街等の地中構造物全般に適用可能である。

図１は、本実施形態に係る被圧状態の地盤を削孔するための削孔システムを示す図である。また、図２は、トンネル内に削孔機を設置した状態を示す図である。

図１に示すように、地盤の削孔システム１は、地盤を削孔するための掘削手段２と、掘削手段２に掘削水を供給するための給水手段３と、掘削手段２から排出され、削孔により生じた土砂を含む泥水を排水するための排水手段４と、給水手段３から供給される掘削水の流量及び排水手段４から排水される泥水の流量を制御するための制御手段５とを備える。

掘削手段２は、地盤を削孔するためのビット２１と、このビット２１が一端に接続され、ビット２１に回転力を伝達するとともに、掘削水を送水するためのロッド２２と、このロッド２２の他端に接続され、給水手段３から送給される掘削水をロッド２２に供給するためのスイベル２３と、掘削された土砂を含む泥水を孔口から排水するためのプリペンダー２４とを備える。

図２に示すように、プリペンダー２４は孔を削孔する予定位置のセグメントキャップ２６に、セグメントキャップ２６とプリペンダー２４との接続部から泥水が漏水しないように、例えば、バンド２７で脱着可能に接続される。そして、プリペンダー２４内にロッド２２を挿通させ、ロッド２２を介してビット２１を回転させることにより地盤を削孔する。プリペンダー２４は泥水を排水するための排水口２５を備えており、削孔により生じた泥水をトンネル９内に流すことなく、沈殿槽７に集水する。泥水は沈殿槽７にて濾過され、濾過された水は給水手段３に供給される。

図１に示すように、給水手段３は、掘削水を掘削手段２に供給するための給水ポンプ３１と、この給水ポンプ３１から供給される掘削水の流量を測定するための給水流量計３２と、掘削水の圧力を測定するための給水圧力計３３と、給水ポンプ３１から供給される掘削水をスイベル２３に送給するための送給管３４とを備える。給水ポンプ３１は、吐出流量及び吐出圧力の調整が可能なものを用いる。

排水手段４は、プリペンダー２４の排水口２５に接続され、泥水を所定の箇所まで送給するための排水管４１と、排水口２５より排出される泥水の圧力を測定するための排水圧力計４２と、泥水の流量を測定するための排水流量計４３と、泥水の流量を調整するための流量調整バルブ４４と、この流量調整バルブ４４を迂回して泥水を排水可能にする安全弁４５とを備える。排水手段４から排出された泥水は、沈殿槽７に集水される。

制御手段５は、給水ポンプ３１の給水量、給水圧、及び流量調整バルブ４４の開度を制御する制御盤５１と、制御盤５１による制御状況を表示するためのモニタ等の表示盤５２とを備える。

制御盤５１は、給水流量計３２及び排水流量計４３による測定データを受信し、給水流量計３２及び排水流量計４３の測定結果に基づいて、排水流量が給水流量に対して所定値よりも超えないように流量調整バルブ４４の開度を調整する。また、給水圧力計３３及び排水圧力計４２による測定データも受信し、給水圧力及び流量調整バルブ４４の開閉に伴う排水圧力を監視するとともに、排水圧力の変動に応じて適宜、給水ポンプの吐出量及び吐出圧力を監視する。各計測器による測定データ及び制御盤５１の制御状況は常時表示盤５２に表示され、目視にて監視することができる。

以下に、図２を参照して、この削孔システム１を用いた地盤８の削孔方法について説明する。

図２に示すように、削孔機１０をトンネル９内に設置し、ロッド２２の上部付近を削孔機１０の回転装置１１に接続し、ロッド２２の上端をスイベル２３を介して送給管３４（図１）に接続する。

図３は、掘削方法のフローを示す図である。また、図４は、削孔機１０で孔１２を削孔している状態を示す図２の拡大図である。

図３のステップＳ１において、給水ポンプ３１の運転を開始する。そして、図４に示すように、給水ポンプ３１から供給される掘削水（矢印で示す）をロッド２２内に送給し、ビット２１の先端より注水しつつ、ビット２１を回転させて地盤８を削孔する。

ステップＳ２において、給水ポンプ３１から供給される掘削水の給水圧力を給水圧力計３３で測定する。測定された給水圧力値のデータは制御盤５１に送信される。なお、削孔開始時の掘削水の給水圧力は、地質調査により取得された地下水位等に基づいて、予め設計により決定されるが、削孔の進行に伴い適宜変更される。

ステップＳ３において、給水ポンプ３１から供給される掘削水の給水流量を給水流量計３２で測定する。測定された給水流量値のデータは制御盤５１に送信される。なお、掘削水の給水流量は、孔１２の径、ロッド２２の回転速度、地質等に基づいて、予め設計により決定されるが、削孔の進行に伴い適宜変更される。

地盤８を削孔すると、掘削により生じた土砂を含む泥水が地盤８とロッド２２外周との間を通過して孔口より排出され、プリペンダー２４の排水口２５を介して排出される。

ステップＳ４において、排水口２５から排出される泥水の排水圧力を排水圧力計４２で測定する。この測定された排水圧力値は制御盤５１に送信される。

ステップＳ５において、制御盤５１が、実測による単位時間あたりの排水圧力値の変化と、予め設計により決定された所定の排水圧力値の変化に関する基準値とを比較する。排水圧力は、流量調整バルブ４４に小石等が詰まり排水流量が減少すると短時間で急激に上昇する。かかる状態は、排水流量が減少しているために、さらに、他の小石等が流量調整バルブ４４に詰まり易く、このまま放置すると完全に詰まってしまう可能性があり危険である。そこで、予め設計時に、排水管４１の径、排水流量、排水圧力等に基づいて、流量調整バルブ４４に目詰まりが発生したときの排水圧力値の変化の度合いを推定し、この推定した値を上記の排水圧力値の変化に関する基準値として設定する。

そして、実測による排水圧力値の変化が上記基準値よりも大きい場合は、上述したように流量調整バルブ４４の目詰まり等が考えられるので異常状態と判定して、ステップＳ１１において、短時間だけ流量調整バルブ４４を全開にして目詰まり等の解消を試みる。流量調整バルブ４４を全開にしても排水圧力値が低下しない場合は、ステップＳ１２において警報を鳴らし、排水圧力値の異常を作業員に知らせる。

また、実測による排水圧力値の変化が上記基準値よりも小さい場合は、正常状態と判定して、次の工程のステップＳ６において、排水口２５から排出される泥水の排水流量を排水流量計４３で測定する。この測定された排水流量値は制御盤５１に送信される。

ステップＳ７において、排水流量計４３で測定した排水流量値と給水流量計３２で測定した給水流量値とを比較する。

予め設計にて排水流量を管理するための管理値を設定するとともに、この管理値を中心とする管理範囲の上限値及び下限値を設定する。泥水は、孔底に供給された掘削水と同量だけ排出されることが望ましいので、管理値は給水流量計３２にて測定された給水流量値と同じ値にする。

制御盤５１は、排水流量値と給水流量値と、排水流量値と上限値と、排水流量値と下限値とをそれぞれ比較し、排水流量値が上限値よりも大きい場合は、供給した掘削水に加えて地盤８内の地下水も排出している可能性が考えられるので、ステップＳ１３において、流量調整バルブ４４を絞って排水流量を低下させ、排水流量値が上限値よりも小さく、かつ下限値よりも大きくなるように調整する。

また、排水流量値が下限値よりも小さい場合は、供給した掘削水が地盤８内に逸水している可能性が考えられるので、ステップＳ１４において、流量調整バルブ４４を開放して排水流量を増加させ、排水流量値が下限値よりも大きく、かつ、上限値よりも小さくなるように調整する。流量調整バルブ４４を開放しても排水流量が増加しない場合は、ステップＳ１５において警報を鳴らし、流量調整の不具合を作業員に知らせる。

そして、排水流量値が上限値よりも小さく、かつ、下限値よりも大きい場合は、地盤８内の地下水を排出することなく、かつ、供給した掘削水が地盤８内に逸水していることもないと考えられるので、良好な削孔状態であるとして、ステップＳ８において、削孔を継続する。

地盤８を所定の深度まで削孔すると、ステップＳ９において、給水ポンプ３１を停止するとともに、削孔機１０を停止する。そして、給水ポンプ３１を停止後、ステップＳ１０において、直ちに流量調整バルブ４４を閉止し、地盤８内の地下水が排水口２５を介して排出されることを防止する。

削孔終了後、削孔を開始してから終了するまでの掘削水の総給水量及び泥水の総排水量を比較する。

総給水量と総排水量とを比較し、総排水量が総給水量よりも多い場合は、地盤８内の地下水を排出している可能性が考えられるので、流量調整バルブ４４を全閉にした状態のままで、給水ポンプ３１を運転して孔内に不足している量だけ掘削水を供給する。

また、総排水量が総給水量よりも少ない場合は、掘削水が地盤８内へ逸水している可能性が考えられるので、流量調整バルブ４４を開放し、余剰に供給した量だけ孔内から排水する。

以上説明したように、本実施形態の地盤８の削孔システム１によれば、地盤８を削孔する掘削手段２と、掘削手段２に掘削水を供給するための給水手段３と、泥水を排水するための排水手段４と、掘削水の給水流量及び泥水の排水流量を制御するための制御手段５とを備えているために、孔内に供給された掘削水の給水量だけ泥水を排出することが可能となる。また、制御盤５１にて、排水流量が給水流量を超えないように、給水ポンプ３１及び流量調整バルブ４４を制御するために、給水量よりも排水量を少なくすることが可能となる。したがって、周辺の地盤８の地下水の貯水量は減少しないので地下水位は低下しない。つまり、地盤８内に孔１２を削孔しても周辺の環境に影響を与えることがない。

また、給水手段３は、掘削水の吐出量を調整可能なポンプと、このポンプから送給される掘削水の流量を測定するための給水流量計３２とを備えているために、掘削水の給水量を調整することが可能になるとともに、掘削水の給水量を正確に把握することが可能となる。

そして、排水手段４は、泥水の流量を測定するための排水流量計４３と、泥水の流量を調整可能な流量調整バルブ４４とを備えているために、泥水の排水量を調整することが可能になるとともに、泥水の排水量を正確に把握することが可能となる。さらに、排水手段４は、泥水の圧力を測定するための排水圧力計４２を備えているために、流量調整バルブ４４の目詰まり等にて排水圧力が短時間で所定の上昇度合いよりも大きく上昇すると、制御盤５１が流量調整バルブ４４を開放するために、排水手段４系統の破損を防止することが可能となる。また、排水圧力が高くなって、泥水が排水口２５から排水されずに地盤８内に逸水することを防止する。

そして、掘削水の給水量及び泥水の排水量を単位時間あたりの流量で管理するために、削孔とともに湧水量が変化しても湧水量に応じて給水量及び排水量をそれぞれ変更することが可能となる。また、削孔終了後、削孔を開始してから終了するまでの掘削水の総給水量及び泥水の総排水量を管理するために、地盤８内の地下水の貯水量を減少させることがない。

本実施形態に係る被圧状態の地盤を削孔するための削孔システムを示す図である。 トンネル内に削孔機を設置した状態を示す図である。 掘削方法のフローを示す図である。 削孔機で孔を削孔している状態を示す図２の拡大図である。

符号の説明

１ 削孔システム ２ 掘削手段
３ 給水手段 ４ 排水手段
５ 制御手段 ６ セグメント
７ 沈殿槽 ８ 地盤
９ トンネル １０ 削孔機
１１ 回転装置 １２ 孔
２１ ビット ２２ ロッド
２３ スイベル ２４ プリペンダー
２５ 排水口 ２６ セグメントキャップ
２７ バンド ３１ 給水ポンプ
３２ 給水流量計 ３３ 給水圧力計
３４ 送給管 ４１ 排水管
４２ 排水圧力計 ４３ 排水流量計
４４ 流量調整バルブ ４５ 安全弁
５１ 制御盤 ５２ 表示盤

Claims (2)

1. 被圧状態の地盤に孔を削孔するための削孔方法において、
   前記地盤を削孔するための掘削手段と、前記掘削手段に掘削水を供給するための給水手段と、前記掘削手段から排出され、削孔にて生じた土砂を含む泥水を排水するための排水手段と、前記給水手段が供給する掘削水の流量及び前記排水手段が排水する泥水の流量を制御するための制御手段とを備えた削孔システムを用い、
   前記制御手段にて、前記掘削手段から排出される泥水の流量が前記掘削手段に供給される掘削水の流量を超えないように、前記給水手段及び前記排水手段を制御しつつ地盤を削孔し、
   地盤の削孔を終了した後、削孔を開始してから終了するまでの前記給水手段による掘削水の総供給量と前記排水手段による泥水の総排水量とを比較し、前記制御手段にて、前記総排水量が前記総供給量よりも多い場合はその差分量だけ前記給水手段により掘削水を供給し、前記総排水量が前記総供給量よりも少ない場合はその差分量だけ前記排水手段により排水することを特徴とする削孔方法。
2. 前記制御手段は、前記掘削水の流量及び前記泥水の流量を単位時間あたりの流量で管理することを特徴とする請求項１に記載の地盤の削孔方法。

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