JP4880406B2 - 凍結用材料および地盤凍結工法 - Google Patents

Description

本発明は、凍結用材料および地盤凍結工法に係り、特に、地盤を凍結させる際に用いる凍結用材料およびこの凍結用材料を用いて、地盤に埋設した鋼管の周囲やシールドトンネル、さらにはパイプルーフなどの周囲を凍結させる際の地盤凍結工法に関する。

シールド掘進機の発進や到達、トンネルからの非開削拡幅、トンネルや立坑の地中接続などを行う際には、地盤を凍結させる地盤凍結工法が用いられることがある。地盤凍結工法では、凍土の形成に要する時間（日数）短縮することが工期短縮のために求められる。

凍結時間の短縮を図った地盤凍結工法として、たとえば特開平６−１３６７３８号公報に開示された地盤凍結工事方法がある。この地盤凍結工事方法は、凍土化地点の地表面下掘削空間を設け、この掘削空間に冷却体および高熱伝導率をもつ流動体、たとえば金属粉を含む汚泥を注入充填し、冷熱エネルギーを給送して、掘削地盤の壁部に至る範囲一帯を凍結するというものである。また、凍結処理を行う際の熱伝導性材料としては、特開昭６１−２７５３８３号公報に開示されているように、アルミニウム、鉄、銅などの粉末が知られている。さらに、特開平２−１５７３９７号公報に開示されるように、シールドトンネルの裏込め材に凍結促進材として金属片を混入させる方法が知られている。
特開平６−１３６７３８号公報 特開昭６１−２７５３８３号公報 特開平２−１５７３９７号公報

しかし、高熱伝導率をもつ流動体として、金属粉を含む汚泥や金属片を含む裏込め材を用いる場合、金属粉や金属片の流動性が低いことから、流動性を高めるために水などの液体や粘土を大量に含ませることが必要となる。このため、金属粉や金属片が高い熱伝導性を有しているに係わらず、汚泥中における金属の占有率を高めることができず、高い熱伝導性を発揮させるのが困難であるという問題があった。また、液体として水を大量に含ませた場合、凍結時に放出される水の潜熱が大きく、場合によっては原地盤よりも大きくなってしまうことがある。このような場合には凍結を促進させるどころか、却って地盤凍結を阻害することになるという問題もあった。

そこで、本発明の課題は、高い流動性および熱伝導率を有するとともに、凍結時に放出される水の凍結潜熱が少なくなることにより、地盤などの凍結対象を短時間で凍結させることができる凍結用材料およびこの凍結用材料を用いた地盤凍結工法を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る凍結用材料は、冷熱源からの冷熱を凍結対象領域に供給して、凍結対象領域を凍結するにあたり、冷熱源からの冷熱を凍結対象領域に供給する冷媒となる凍結用材料であって、基材と、基材よりも熱伝導性が高い高熱伝導性材料とが水に混合された液体に混合され、さらに、基材および高熱伝導性材料が含まれる液体の流動性を増加させる分散剤と、を構成原料とし、構成原料を練り混ぜて形成されており、凍結対象領域に注入された際に、高熱伝導性材料が凍結対象領域内に均等に配置されるように構成されているものである。

本発明に係る凍結用材料は、基材と、基材よりも熱伝導性が高い熱伝導性材料とが液体に混合されている。この液体の作用により、高い流動性を発揮する。また、液体のみで流動性を高めるためには、液体を大量に混合させなければならず、熱伝導性材料による高い熱伝導性を発揮しにくいことになる。さらには、単位体積あたりに占める液体の凍結潜熱が増加するので、凍結促進効果を高めることができない。ここで、本発明に係る凍結用材料では、さらに分散剤を混合させている。分散剤は、基材を液体中で分散させて流動性を増す効果があることから、この分散剤を混合させることにより、液体の含有量を増加させることなく流動性の向上を図ることができる。したがって、液体の含有量を増やすことなく流動性を発揮させることができるので、熱伝導性材料の高い凍結促進性能を活かしながら、高い流動性を発揮させることができる。したがって、地盤などの凍結対象域を短時間で凍結させることができる。

ここで、基材は、自然鉱物由来材料および人工非水溶性材料のうちの少なくとも一方であり、粉末状または粒状とされている態様とすることができる。これらの自然鉱物由来材料や人工非水溶性材料を粉末状または粒状の態様とすることにより、基材として好適に用いられる。

また、高熱伝導性材料は、金属または炭素である態様とすることができる。金属やまたは炭素は高い熱伝導性を有することから、高熱伝導性材料は、金属製または炭素製である態様とするのが好適である。

さらに、分散剤は、減水剤および遅延剤のうちの少なくとも一方である態様とすることができる。これらの分散剤を用いることにより、液体の量が少ない場合でも、高い流動性を発揮させることができる。

さらに、構成原料に増粘剤が混合されている態様とすることができる。このように、増粘剤が含まれていることにより、粘性が増加させる。この粘性の増加により、高熱伝導性材料の沈降に伴う材料分離や地下水の流入による希釈を防止することができ、好適に高熱伝導性材料を分散させることができる。

また、高熱伝導性材料が、粉末状、粒状、繊維状、および箔状のうちの少なくとも一つとされている態様とすることができる。高熱伝導性材料が粉末状、粒状、繊維状、または箔状であることで、より高い熱伝導性を発揮させることができる。

他方、上記課題を解決した本発明に係る地盤凍結工法は、上記の凍結用材料を用いて地盤を凍結することにより凍結地盤を形成するものである。

このように、上記の凍結用材料は、地盤を凍結する地盤改良工法に好適に用いることができる。以下の地盤凍結工法において、短時間で地盤を凍結させることができるので、工期の短縮に貢献することができる。

ここで、地盤凍結工法として、凍結対象地盤に凍結管を挿入し、凍結管の周囲に凍結用材料を充填し、凍結管にブラインを流通させて、凍結対象地盤を凍結して凍結地盤を形成する態様とすることができる。

また、凍結管が非磁性体材料からなるとともに、高熱伝導性材料が磁性体金属からなり、凍結管の周囲に凍結用材料を充填した後、凍結管内に磁力発生手段を挿入して、高熱伝導性材料に磁力を作用させる態様とすることもできる。このように、高熱伝導性材料に磁力を作用させることにより、凍結管の外周面に高熱伝導性材料を誘導することができるので、さらに効率よく地盤を凍結させることができる。

さらに、シールド機本体に取り付けられたカッタによって地盤を掘削して掘進するシールド工法におけるカッタから掘進方向に交差する方向に突出するコピーカッタで地盤を余掘りして形成された余掘り部に熱伝導性材料を充填し、熱伝導性材料に冷熱を供給して、熱伝導性材料が充填された空間の周囲の地盤を凍結させる態様とすることもできる。

また、シールド機本体に取り付けられたカッタによって地盤を掘削して掘進するシールド工法におけるシールド機本体が通過して形成された掘削領域で組み立てられたセグメントと地盤との間に裏込め材を注入する際に、裏込め材として熱伝導性材料が用いられ、裏込め材が注入された後、熱伝導性材料に冷熱を供給して、熱伝導性材料が充填された空間の周囲の地盤を凍結させる態様とすることもできる。

さらに、地盤内を推進掘削機で掘進して形成された領域に推進管を推進するにあたり、推進掘削機に取り付けられたコピーカッタで推進管と地盤との間に形成された余掘り部に熱伝導性材料を充填し、熱伝導性材料に冷熱を供給して、熱伝導性材料が充填された空間の周囲の地盤を凍結させる態様とすることもできる。

そして、地盤内を推進掘削機で掘進して形成された領域に推進管を推進するにあたり、推進管の外周から地盤に注入する滑材として、熱伝導性材料を用いて、推進管が推進された後、推進管と地盤との間に熱伝導性材料を残存させ、推進管と地盤との間の残存する熱伝導性材料に冷熱を供給して地盤を凍結させる態様とすることもできる。

本発明に係る凍結用材料および地盤凍結工法によれば、高い流動性および熱伝導率を有するとともに、凍結時に放出される水の凍結潜熱が少なくなることにより、地盤などの凍結対象を短時間で凍結させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。図１（ａ）は、地盤凍結工法が行われる地盤の平面図、（ｂ）はその側断面図である。

図１に示すように、地盤凍結工法では、凍結対象地盤となる地盤Ｇを凍結するにあたり、ボーリング孔Ｈを掘削した後、このボーリング孔Ｈに凍結管１を配管し、凍結管１内に冷熱源となるブラインを循環供給する。凍結管１は、内管１Ａと外管１Ｂとを備える二重管であり、内管１Ａにブラインを供給し、内管１Ａ内から外管１Ｂ内を流通して、排出口から排出される。このブラインの循環供給を行うことにより、ブラインの冷熱が地盤Ｇに伝熱されて地盤Ｇが凍結させられる。

また、ボーリング孔Ｈの内壁面と凍結管１との間には、凍結用材料が充填された熱伝導部２が形成されている。熱伝導部２は、凍結管１を埋設するために形成したボーリング孔Ｈに凍結管１を配設した後、凍結管１の周囲に残る余掘り部に凍結用材料を充填することによって形成されている。この凍結用材料は、基材と高熱伝導性材料とが水に混合され、さらに分散剤が混合された構成原料を練り混ぜることによって形成されている。本実施形態では、基材として土質材料、高熱伝導性材料として金属粉が用いられている。また、構成原料には、このほか増粘剤および水硬性固化材などが適宜混合されている。

基材としては、粉末状または粒状の自然鉱物由来材料や人工非水溶性材料が用いられる。自然鉱物由来材料としては、土質材料、たとえばシルト、土、石灰石（炭酸カルシウム）の微粉末などを用いることができる。また、人工非水溶性材料としては、ガラスビーズ、高炉スラグ、石炭灰、硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４：バライト）などを用いることができる。もちろん、これらの材料を混合して用いることもできる。

高熱伝導性材料としては、金属や炭素（カーボン）などを用いることができ、金属としては、アルミニウム、銅、鉄などを挙げることができる。また、高熱伝導性材料は、粉末状、粒状、繊維状、または箔状として用いるのが好適である。粉末状、粒状、繊維状、または箔状とすることにより、熱伝導性をより高めることができる。

分散剤としては、コンクリート用化学混和剤の減水剤や遅延剤（遅延効果を有する薬剤）を用いることができる。具体的には、減水剤としては、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、さらに具体的には、リグニンスルホン酸またはその塩、オキシカルボン酸またはその塩、糖類などを用いることができる。さらには、メラミンスルホン酸ホルマリン縮合物、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、ポリカルボン酸、ポリアルキルスルホン酸、芳香族アミノスルホン酸、およびこれらの誘導体または塩などを挙げることができる。そのほか、分散材として遅延効果を有する薬剤、たとえばオキシカルボン酸またはその塩、ホスホン酸誘導体またはその塩、糖類またはその誘導体などを用いることができる。

水硬性固化材としては、ポルトランドセメント、混合セメント、特殊セメント、高炉スラグ粉末、生石灰、消石灰などを用いることができる。また、増粘剤としては、非イオン性水溶液セルロースエーテル、水溶性ポリアクリルアミド、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロースエーテル、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリル酸ソーダ、キサンタンガム、グアガムなどを用いることができる。

この凍結用性材料は、土質材料に液体である水を加え、さらに金属粉、分散剤、および普通ポルトランドセメントを混合してなり、固化するまでの間は流動性を維持している。ここで、土質材料と金属粉とが大量に含まれているため、液体の流動性が懸念されるが、分散剤が含まれていることにより、高い流動性を確保することができる。その結果、高い熱伝導性を有する金属粉を熱伝導部２に均等に配置することができる。

次に、地盤Ｇを凍結させる手順について説明する。地盤Ｇの凍結を行う際には、まず、凍結管１を地盤Ｇに埋設するとともに、凍結管１の周囲に熱伝導部２を形成する。熱伝導部２をボーリング孔Ｈ内に形成する際には、ボーリング孔Ｈ内に凍結管１を配管するとき、ボーリング孔Ｈの開口部に凍結管１の開口部を位置し、凍結管１にブラインを循環供給するための供給口をボーリング孔Ｈの開口部に配置する。こうしてボーリング孔Ｈに凍結管１を配管したら、凍結管１を配管したボーリング孔Ｈの余掘り部となるボーリング孔Ｈと凍結管１との間に流動性を有する状態にある凍結用材料を流入する。このとき、凍結用材料は高い比重と流動性を有していることから、ボーリング孔Ｈと凍結管１との間に充填され、両者の間の隙間を非常に少ない状態としている。その後、時間の経過とともに凍結用材料が固化し、熱伝導部２が形成される。

熱伝導部２が形成されたら、凍結管１内にブラインを循環供給して地盤Ｇの凍結を開始する。地盤Ｇを凍結するにあたり、凍結管１内にブラインを循環供給すると、ブラインの冷熱が熱伝導部２を介して地盤Ｇに伝熱される。ここで、熱伝導部２には、熱伝導率が高い金属粉が混入された熱伝導性材料によって形成されているので、ブラインの冷熱を効率よく地盤Ｇに伝達することができる。したがって、地盤Ｇを効率よく凍結させることができ、凍結管１の径を大きくする場合と同等の冷却効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、ボーリング孔Ｈの余掘り部に凍結用材料を充填して熱伝導部を形成したが、図２に示すように、離間して形成された複数のボーリング孔Ｈ同士の間に、凍結用材料を注入して、さらに熱伝導効率を高めることもできる。

次に、本発明の第二の実施形態について説明する。図３は、第二の実施形態に係る地盤凍結工法が行われる地盤の側断面図である。

図３に示すように、本実施形態に係る地盤凍結工法では、上記第一の実施形態と同様、凍結対象地盤となる地盤Ｇを凍結するにあたり、ボーリング孔Ｈを掘削した後、このボーリング孔Ｈに凍結管１を配管し、凍結管１内にブラインを循環供給する。このブラインの循環供給を行うことにより、ブラインの冷熱が地盤Ｇに伝熱されて地盤Ｇが凍結させられる。また、ボーリング孔Ｈの内壁面と凍結管１との間には、凍結用材料が充填された熱伝導部２が形成されており、熱伝導部２を介して凍結管１内に循環するブラインの冷熱が地盤Ｇに伝熱される。

熱伝導部２に充填される凍結用材料は、第一の実施形態と同様のものであるが、高熱伝導性材料としては、鉄やニッケルなどの磁性体である金属、ここでは鉄粉が用いられている。また、凍結管１としては、非磁性体金属であるオーステナイト系ステンレス製のものが用いられている。また、他のステンレス製のものを用いることもできる。さらに、本実施形態では、地盤凍結を行う前段階として熱伝導部２を形成する際に、凍結管１の周囲の余掘り部に凍結用材料を充填した後、図３に示すように、磁力発生手段である電磁石３をロープ４によって複数連結させて、凍結管１内に挿入されている。このロープ４を介して電磁石３に通電して磁力を発生させる。

次に、地盤Ｇを凍結させる手順について説明する。地盤Ｇの凍結を行う際には、上記第一の実施形態と同様、まず、凍結管１を地盤Ｇに埋設するとともに、凍結管１の周囲に熱伝導部２を形成する。ここで、本実施形態では、熱伝導部２を形成するにあたり、凍結管１の周囲の余掘り部に凍結用材料を充填した後、凍結用材料が固化するまでの間、凍結管１内の深さ方向に沿って複数の電磁石３に電気を通電して磁力を発生させる。

電磁石３から磁力が発生されると、電磁石３から発生する磁力が磁力線Ｍとして線状に形成される。凍結管１としては、非磁性体のオーステナイト系ステンレスが用いられていることから、電磁石３から発生した磁力は、凍結管１を抜けて凍結用材料内の鉄粉に影響を与える。このため、凍結用材料内の鉄粉は、電磁石３から発生する磁力が凍結管１に対して垂直な方向を主体とした磁力線Ｍとして線状に形成され、この磁力線Ｍに沿って冷熱を伝達したい向きである凍結管に直交する方向に連続的に鉄粉が配列され、鉄粉同士が接した状態となるので、上記第一の実施形態のように、鉄粉同士が接触しない状態よりも熱伝導部２の伝熱性が向上し、凍結効率を向上させることができる。

熱伝導部２を形成した後は、上記第一の実施形態と同様、凍結管１内にブラインを循環供給して地盤Ｇの凍結を開始する。地盤Ｇを凍結するにあたり、凍結管１内にブラインを循環供給すると、ブラインの熱が熱伝導部２を介して地盤Ｇに伝熱される。ここで、熱伝導部２には、熱伝導率が高い鉄粉が混入された熱伝導性材料によって形成されており、かつ鉄粉同士が線状に連続した状態で配列されているので、ブラインの熱を効率よく地盤Ｇに伝達することができる。したがって、地盤Ｇを効率よく凍結させることができ、凍結管１の径を大きくする場合と同等の冷却効果を得ることができる。

なお、上記第二の実施形態では、磁力発生手段として電磁石を用いているが、永久磁石などを用いることもできる。ただし、電磁石を用いることにより、必要な磁力を容易に生じさせることができるので、凍結管１内に電磁石を挿入したり、凍結管１内から撤去したりする作業を行う際に、磁力を発生させないようにするなど取り扱いが容易となる。また、電磁石３をロープで連結しているが、ロッドなどを用いて連結することもできる。さらに、凍結地盤に冷熱をより多く必要とする部分が予め分かる場合などには、磁石の配置を調整することにより、冷熱を多く伝熱することができる位置を必要に応じて配分することもできる。

また、凍結用材料が固化するまでの過程で、磁力発生手段を上下方向や円周方向に揺り動かしたり、凍結管１に振動や打撃などを加えたりすることにより、凍結用材料内において、凍結用材料における粘性抵抗に抗して鉄粉が配列し易くなるようにすることができる。また、凍結用材料の粘性により、磁力の作用が停止した後も鉄粉の配列の乱れは大きくはないが、固化材の強度が発現されるまでの間、磁力を作用させることにより、さらに確実に鉄粉の配列を維持することができる。

さらに、凍結管１としてステンレス管を用いていることから、耐腐食性にも優れ、防錆塗装が不要となるので、凍結管１を鉄粉と直接接触させることができる。したがって、伝熱効率をさらに高くすることができる。

続いて、本発明の第三の実施形態について説明する。本実施形態では、シールド掘進機で掘削して形成したシールドトンネルの周囲、たとえばシールド掘進機の前部の周囲における地盤の凍結を行う。図４（ａ）は、地盤凍結工法が行われるシールド掘進機の正面図、（ｂ）はその断面図である。

図４に示すように、シールド掘進機１０は、円筒状のシールド機本体１１を備えており、シールド機本体１１の前方位置には、切羽を切削するカッタ１２が設けられている。カッタ１２は、正面視した形状が略円形状をなすカッタ本体１２Ａにカッタ刃１２Ｂが複数取り付けられて構成されており、カッタ本体１２Ａの側方には、カッタ本体の周方向に延出可能なコピーカッタ１３が設けられている。このカッタ１２によってトンネルを掘削するとともに、適宜の箇所において、コピーカッタ１３によってトンネルの周囲の余掘りを行う。

カッタ１２の後方には、隔壁１４が設けられ、カッタ１２と隔壁１４との間には泥水または加泥材が充填されたチャンバＣが形成されている。隔壁１４の後部には、カッタ１２を駆動するモータ１５や、チャンバＣと連通する送泥管１６および排泥管１７などが設けられている。さらにその後方には、セグメントＳに反力を取って前進するためのシールドジャッキ１８が設けられている。また、シールド機本体１１と組み立てられたセグメントＳとがラップする部位には、テールブラシＴが設けられており、テールブラシＴよりも後方には、裏込め注入装置１９が設けられている。この裏込め注入装置１９によって、テールブラシＴの後方における地盤ＧとセグメントＳとの間に裏込め注入を行う。ここで、裏込め材として凍結用材料が用いられる。

また、カッタ１２におけるカッタ本体１２Ａの側部には、充填材吐出口１２Ｃが設けられている。充填材吐出口１２Ｃには、図示しない充填材供給装置が接続されており、充填材供給装置から充填材吐出口１２Ｃに充填材が供給される。この充填材は、コピーカッタ１３で拡幅形成された余掘り部に充填される。ここでの充填材として、凍結用材料が用いられる。さらに、シールド機本体１１の前方位置には、ブラインが循環供給される図示しない貼付凍結管が設けられている。この貼付凍結管にブラインを循環供給することにより、ブラインの冷熱が余掘り部に充填された凍結用材料に伝熱され、図４（ｂ）に示す熱伝導部２が形成される。

続いて、本実施形態に係る地盤凍結方法の手順について説明する。本実施形態では、シールドトンネルを２方向から掘進し、２つのシールドトンネルを地中で接合する際における接合部位の地盤を凍結対象地盤とする。シールドトンネルの接合部位に到達する前は、コピーカッタ１３を伸出させることなく、カッタ１２による掘削によって掘進を進行する。やがて、シールドトンネルの接合部近傍に到達すると、コピーカッタ１３を伸出させ、余掘り部を形成する。それからさらに掘削を進行して、図４（ｂ）に示すようにシールドトンネルの接合位置に到達する。コピーカッタ１３を伸出させた状態での伸進を行っている間、充填材吐出口１２Ｃからは充填材を吐出し、余掘り部に充填材を充填する。

ここで、本実施形態では、充填材として凍結用材料を用い、余掘り部には凍結用材料が充填される。熱伝導部２が形成されたら、シールド機本体１１における貼付凍結管にブラインを供給する。貼付凍結管にブラインを供給することにより、ブラインの冷熱が熱伝導部２を介して地盤に伝熱される。こうして、シールドトンネルを接合する際におけるシールド掘進機１０の周囲の地盤Ｇを凍結させる。

このとき、熱伝導部２を形成する際に用いられる充填材として凍結用材料が用いられている。凍結用材料には、熱伝導率が高い金属粉が混入された熱伝導性材料によって形成されているので、ブラインの冷熱を効率よく地盤Ｇに伝達することができる。したがって、凍結地盤を短時間で形成することができ工期の短縮に寄与することができる。

続いて、本発明の第四の実施形態について説明する。本実施形態では、シールド掘進機で掘削して形成したシールドトンネルにおけるセグメントと地盤との間に充填される裏込め注入材として凍結用材料が用いられる。また、凍結用材料には、水硬性固化材が混合されている。図５（ａ）は、地盤凍結工法が行われるシールド掘進機の正面図、（ｂ）はその断面図である。シールド掘進機の構成は、上記第三の実施形態と同様であるため、その説明は省略する。

続いて、本実施形態に係る地盤凍結方法の手順について説明する。シールド掘進機１０によるシールドトンネルの掘削を行う際には、掘削したトンネルに沿ってセグメントを組み立てる。このとき、トンネルの周囲を安定させるために裏込め注入装置によって地盤とセグメントとの間に裏込め注入材Ｕを充填する。ここで、本実施形態では、シールドトンネルにおける将来的に周囲の地盤を凍結させる必要性が生じる可能性がある部位について、裏込め注入材Ｕとして凍結用材料を用いている。「シールドトンネルにおける将来的に周囲の地盤を凍結させる必要性が生じる可能性がある部位」としては、既設のシールドトンネルの側方から新設のシールドトンネルを掘進し、既設のシールドトンネルと新設のシールドトンネルとの接合予定部位などを挙げることができる。先行して施工するシールドの裏込め注入材Ｕとして凍結用材料を充填し、熱伝導部２を形成しておいた後、既設シールドの側方から別のシールドを到達させる。

その後、新設のシールドトンネルとの接合が行われる際に、その接合部で本実施形態に係る接合地盤凍結工法が適用される。地盤を凍結させる前提として、既にシールドトンネル同士の接合部位には、裏込め注入材Ｕとして凍結用部材が充填されている。この状態から、裏込め注入材Ｕとして凍結用部材が充填されている位置のセグメントＳに内蔵された埋め込み凍結管もしくはセグメントＳに接してトンネル内に設置された貼付凍結管にブラインを循環供給する。凍結管にブラインを循環供給すると、熱伝導部２を介して、接合部の周囲の地盤が凍結する。このとき、熱伝導部２には、熱伝導率が高くかつ凍結潜熱の放出が少ない熱伝導性材料によって形成されているので、ブラインの熱を効率よく地盤Ｇに伝達することができる。したがって、凍結地盤を短時間で形成することができ工期の短縮に寄与することができる。

次に、本発明の第五の実施形態について説明する。本実施形態では、たとえばパイプルーフ工法で用いられる推進管を推進させる際の推進管の周囲における地盤の凍結を行う。図６（ａ）は、パイプルーフ工法に用いられる推進掘進機の正面図、（ｂ）はその断面図、図７はシールドトンネル間に埋設される推進管の断面図、図８はシールドトンネルにおける推進管の発進部の拡大側面図、図９は図７のIX-IX線断面図である。

パイプルーフ工法の概要を簡単に説明すると、たとえば２本のシールドトンネルを並行して掘進し、これらのシールドトンネルの中間部に山止め工として複数の推進管を掛け渡し、その内側を掘削して中間部を拡幅するものである。

図６に示すように、推進管２０の先端部は、推進掘削機本体の外殻を兼ねている。推進管２０は、掘削が進行するにしたがって順次後方に連結管が継ぎ足される。推進管本体２１の先頭部分には、推進掘削機２２が設けられている。推進掘削機２２は、一方のシールドトンネルから他方のシールドトンネルに向けて発進する。この推進掘削機２２によって、図７に示す２つのシールドトンネルＴ１，Ｔ２の中間部を掘進する。

推進掘削機２２には、カッタ２３が設けられている。カッタ２３は、正面視した形状が略円形をなすカッタ本体２４と、カッタ本体２４に取り付けられたカッタ刃２５を有している。カッタ本体２４には、カッタ本体２４の半径方向に沿って延出するコピーカッタ２６が設けられている。コピーカッタ２６を延出させて掘進を行うことにより、推進管２０の周囲に余掘り部が形成される。

推進管２０では、推進掘削機２２によって地盤を掘削するとともに、一方のシールドトンネルから推進管２０を押し出すことにより、推進管２０による掘進を行う。また、一方のシールドトンネルから推進管２０を押し出す方向を調整することにより、推進管２０の掘進方向を調整する。

また、図８に示すように、発進側シールドトンネルＴ１のセグメントにおける推進管２０の発進部には、凍結管２７が設けられている。同様に、図示はしないが、到達側シールドトンネルＴ２のセグメントにおける推進管２０の到達部にも凍結管が設けられている。発進側シールドトンネルＴ１のセグメントにおける推進管２０の発進部および到達側シールドトンネルＴ２のセグメントにおける推進管２０の到達部には、シールドトンネルＴ１，Ｔ２を形成する際のシールド掘進機によって、あらかじめ余掘り部が形成されているとともに、この余掘り部に充填材が充填されて熱伝導部２が形成されている。この充填材としては、凍結用材料が用いられている。

さらに、図９に示すように、推進管２０の掘進が進み、コピーカッタ２６で掘削され、推進管２０と地盤Ｇとの間に形成される余掘り部には、熱伝導部２が形成される。推進掘削機２２には、余掘り部に充填される充填材を吐出する充填材吐出部が形成されている。本実施形態において、余掘り部に充填されて熱伝導部を形成する充填材として凍結用材料が用いられている。

次に、本実施形態に係る地盤凍結方法の手順について説明する。本実施形態では、まず、図示しないシールド掘進機で掘進された図７に示すシールドトンネルＴ１、Ｔ２のうち、発進側シールドトンネルＴ１の発進部から、図７に示す推進管２０の推進掘削機２２を発進させて、推進管２０をシールドトンネルＴ１，Ｔ２の間に掛け渡す。

推進管２０の掘進を進行させて、シールドトンネルＴ１とＴ２との間に推進管２０を掛け渡す過程において、推進掘削機２２では、コピーカッタ２６を延出させて推進管２０の周囲に余掘り部を形成する。この余掘り部に順次充填材を充填していき、さらに推進管の推進を続ける。推進掘削機２２が通過した後に、推進管本体２１が埋設され、推進管本体２１の周囲に余掘り部が形成され、余掘り部に充填材が充填された状態となる。

推進管２０の推進が完了した後は、推進管２０の周囲の地盤を凍結させて止水山止め部材としての凍結領域を形成する。凍結領域を形成する際には、図９に示すように、推進管２０の内壁面に沿わせて凍結管２８を配置し、推進管２０内をモルタルによって充填する。それから、凍結管２８にブラインを循環供給して、推進管２０の周囲の地盤を凍結させる。ここで、本実施形態では、余掘り部２の充填材として凍結用材料を用い、余掘り部には凍結用材料が充填されている。止水山止め部材としての凍結領域を形成するための凍結用材料には、熱伝導率が高い金属繊維が混入された熱伝導性材料によって形成されているので、ブラインの熱を効率よく地盤Ｇに伝達することができる。したがって、凍結地盤を短時間で形成することができ工期の短縮に寄与することができる。

また、凍結管２８にブラインを循環供給して推進管２０の周囲の地盤を凍結させ、止水山止め部材としての凍結領域を形成すると同時に、発進側シールドトンネルＴ１および到達側シールドトンネルＴ２のセグメント埋め込み凍結管２７にもブラインを循環供給する。このように、セグメント埋め込み凍結管２７にもブラインを供給することにより、止水山止め領域と発進側シールドトンネルＴ１との接合部および止水山止め領域と到達側シールドトンネルＴ２との接合部においても、凍結用部材が充填されたシールド掘進機による余掘り部の周囲地盤を短期間で凍結させることができる。

また、充填材として凍結用材料が用いられている。凍結用材料には、熱伝導率が高い金属粉が混入された熱伝導性材料によって形成されているので、ブラインの熱を効率よく地盤Ｇに伝達することができる。したがって、凍結地盤を短時間で形成することができ工期の短縮に寄与することができる。

続いて、本発明の第六の実施形態について説明する。本実施形態では、推進管で地盤を掘削する際における滑材として凍結用材料が用いられる。図１０（ａ）は、地盤凍結工法が行われる推進管の正面図、（ｂ）はその断面図である。推進管の構成は、上記第五の実施形態と同様であるため、その説明は省略する。

図１０に示すように、推進管２０では、推進管２０の掘進を行うにあたり、推進管２０と地盤Ｇとの間に、滑材Ｊを推進管２０に設けられた注入口から地盤側へ注入して、推進管２０の掘削を円滑に行うようにしている。この滑材Ｊとして、凍結用材料を用いることにより、推進管２０の周囲の地盤Ｇを凍結させる際に、ブラインの熱を効率よく地盤Ｇに伝達することができる。したがって、凍結地盤を短時間で形成することができ工期の短縮に寄与することができる。

また、本実施形態に係る凍結用材料を用いた場合の効果について実験を行った例について説明する。この実験では、第一の実施形態におけるΦ５０のボーリング孔の周囲に凍結地盤を形成するにあたり、形成される凍結地盤の厚さ（凍結地盤厚）およびその凍結厚に到達するまでの時間について測定を行った。実験では、本発明例および比較例のいずれにおいても、ボーリング孔Ｈに配管された凍結管１に、同条件でブラインを循環供給し、凍結対象領域を凍結させて凍結地盤を形成した。このときの地盤条件は水で飽和した標準砂であり、容積含水率は約４０％であった。また、本発明例では、余掘り部に充填して熱伝導部２を形成する凍結用材料として、金属粉および分散剤が混合されたものを用いた。また、比較例では、熱伝導部２を形成することなく凍結地盤を形成した。その結果を図１１および表１に示す。また、本発明例における熱伝導性材料の配合を表２に示す。

図１１から分かるように、本発明例に係る凍結用材料を用いた場合では、比較例に係る凍結用材料を用いた場合よりも、いずれの凍土厚に達するまでの時間を比較しても、その凍土厚に達するまでの時間が短時間で済むこと結果となった。このことから、本発明に係る凍結用材料では、地盤を短時間で凍結させることができることが分かった。

（ａ）は、地盤凍結工法が行われる地盤の平面図、（ｂ）はその側断面図である。 （ａ）は、他の態様に係る地盤凍結工法が行われる地盤平面図、（ｂ）はその側断面図である。 地盤凍結工法が行われる地盤の側断面図である。 （ａ）は、地盤凍結工法が行われるシールド掘進機の正面図、（ｂ）はその断面図である。 （ａ）は、他の態様の地盤凍結工法が行われるシールド掘進機の正面図、（ｂ）はその断面図である。 （ａ）は、パイプルーフ工法に用いられる推進管の正面図、（ｂ）はその断面図である。 シールドトンネル間に埋設される推進管の断面図である。 図７における推進管発進部の拡大側面図である。 図７のIX-IX線断面図である。 他の態様に係る地盤凍結工法が行われる推進管の正面図、（ｂ）はその断面図である。 本発明例に係る凍結用材料を用いた場合と、比較例に係る凍結用材料を用いた場合の凍土厚とその凍土厚に到達するまでの凍結時間を示すグラフである。

符号の説明

１…凍結管
２…熱伝導部
３…電磁石
４…ロープ
１０…シールド掘進機
１１…シールド機本体
１２…カッタ
１２Ａ…カッタ本体
１２Ｂ…カッタ刃
１２Ｃ…充填材吐出口
１３…コピーカッタ
１４…隔壁
１５…モータ
１６…送泥管
１７…排泥管
１８…シールドジャッキ
１９…注入装置
２０…推進管
２２…推進掘削機
２３…カッタ
２４…カッタ本体
２５…カッタ刃
２６…コピーカッタ
２７，２８…凍結管
Ｃ…チャンバ
Ｇ…地盤
Ｈ…ボーリング孔
Ｊ…滑材
Ｍ…磁力線
Ｓ…セグメント
Ｕ…裏込め注入材

Claims (13)

1. 冷熱源からの冷熱を凍結対象領域に供給して、前記凍結対象領域を凍結するにあたり、前記冷熱源からの冷熱を前記凍結対象領域に供給する冷媒となる凍結用材料であって、
   基材と、前記基材よりも熱伝導性が高い高熱伝導性材料とが水に混合された液体に混合され、さらに、前記基材および高熱伝導性材料が含まれる前記液体の流動性を増加させる分散剤と、を構成原料とし、
   前記構成原料を練り混ぜて形成されており、
   前記凍結対象領域に注入された際に、前記高熱伝導性材料が前記凍結対象領域内に均等に配置されるように構成されていることを特徴とする凍結用材料。
2. 前記基材は、自然鉱物由来材料および人工非水溶性材料のうちの少なくとも一方であり、粉末状または粒状とされている請求項１に記載の凍結用材料。
3. 前記高熱伝導性材料は、金属または炭素である請求項１または請求項２記載の凍結用材料。
4. 前記分散剤は、減水剤および遅延剤のうちの少なくとも一方である請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の凍結用材料。
5. 前記構成原料に増粘剤が混合されている請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の凍結用材料。
6. 前記高熱伝導性材料が、粉末状、粒状、繊維状、および箔状のうちの少なくとも一つとされている請求項１〜請求項５のうちのいずれか１項に記載の凍結用材料。
7. 請求項１〜請求項６のうちのいずれか１項に記載の凍結用材料を用いて地盤を凍結することにより凍結地盤を形成する地盤凍結工法。
8. 凍結対象地盤に凍結管を挿入し、
   前記凍結管の周囲に前記凍結用材料を充填し、
   前記凍結管にブラインを流通させて、前記凍結対象地盤を凍結して凍結地盤を形成する請求項７に記載の地盤凍結工法。
9. 前記凍結管が非磁性体材料からなるとともに、前記高熱伝導性材料が磁性体金属からなり、
   前記凍結管の周囲に前記凍結用材料を充填した後、
   前記凍結管内に磁力発生手段を挿入して、前記高熱伝導性材料に磁力を作用させる請求項８に記載の地盤凍結工法。
10. シールド機本体に取り付けられたカッタによって地盤を掘削して掘進するシールド工法における前記カッタから前記掘進方向に交差する方向に突出するコピーカッタで地盤を余掘りして形成された余掘り部に前記高熱伝導性材料を充填し、
    前記高熱伝導性材料に冷熱を供給して、前記高熱伝導性材料が充填された空間の周囲の地盤を凍結させる請求項７に記載の地盤凍結工法。
11. シールド機本体に取り付けられたカッタによって地盤を掘削して掘進するシールド工法における前記シールド機本体が通過して形成された掘削領域で組み立てられたセグメントと地盤との間に裏込め材を注入する際に、前記裏込め材として前記高熱伝導性材料が用いられ、
    前記裏込め材が注入された後、前記高熱伝導性材料に冷熱を供給して、前記高熱伝導性材料が充填された空間の周囲の地盤を凍結させる請求項７に記載の地盤凍結工法。
12. 地盤内を推進掘削機で掘進して形成された領域に推進管を推進するにあたり、前記推進掘削機に取り付けられたコピーカッタで前記推進管と地盤との間に形成された余掘り部に前記高熱伝導性材料を充填し、
    前記高熱伝導性材料に冷熱を供給して、前記高熱伝導性材料が充填された空間の周囲の地盤を凍結させる請求項７に記載の地盤凍結工法。
13. 地盤内を推進掘削機で掘進して形成された領域に推進管を推進するにあたり、前記推進管の外周から地盤に注入する滑材として、前記高熱伝導性材料を用いて、前記推進管が推進された後、前記推進管と地盤との間に前記高熱伝導性材料を残存させ、
    推進管と地盤との間の残存する前記高熱伝導性材料に冷熱を供給して地盤を凍結させる請求項７に記載の地盤凍結工法。

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