JP4952108B2 - 地盤改良装置及び地盤改良方法 - Google Patents

Description

本発明は地盤改良装置及び地盤改良方法に係り、特に、湾曲した地盤改良体を構築する技術に関する。

トンネルの内部空間に非常駐車帯などの領域を構築するために、トンネルを構成するセグメントの一部を開削して拡幅することがある。この開削対象となる地盤が軟弱な場合、開削時の地盤の崩落や落石を防止するために、従来より、拡幅領域の外側にあたる地盤に地盤改良材を注入し、固結させて地盤強度を向上させる施工が行われている。

例えば、特許文献１には、先ず、セグメントから湾曲した外管と、掘削装置が取り付けられた内管とを同時に、位置測定器で掘進位置を確認しながら拡幅部の所定位置まで掘進させ、その後、外管を残置したまま内管を掘削装置とともに引き抜いて、外管内に注入管を挿入し、その注入管を通じて凍結剤又はセメントミルク等の改良材を地盤中に注入して拡幅部外側に地盤改良体を構築する地盤改良方法が開示されている。
特開平４−２８１９９０号公報

しかしながら、特許文献１に開示される地盤改良方法では、地盤改良体を構築するにあたり、所定位置まで地盤を掘進した後、一旦、外管内の掘削装置が取り付けられた内管を引き抜き、注入管を再び挿入して内管と注入管を入れ替えるので、この入れ替え作業に手間と時間を要する。

また、地盤改良に凍結剤を用いた場合には、開削工事前の地盤の凍結作業に時間を要するだけでなく、開削工事を終了した後、凍結領域を解凍する際にも手間と時間を要する。

また、地盤改良にセメントミルク等の改良材を用いた場合には、地盤改良体の強度を、凍結剤を用いたときと同等のものにするために、大量の注入量及び高い注入圧が必要となるので、コストがかかると共に、周辺地盤が持ち上がるなどの悪影響を及ぼすおそれもある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、湾曲する地盤改良体を構築するにあたり、低コストで作業効率高く施工可能な地盤改良装置及び地盤改良方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、湾曲状の地盤改良体を構築する地盤改良装置であって、
一定の曲率を有する円弧状の曲管と、
前記曲管の先端部に設けられ、地盤改良材が噴射される噴射孔を具備する掘削ビットと、
前記曲管内に設けられ、前記地盤改良材を前記噴射孔へ供給する供給管とを備えることを特徴とする（第１の発明）。

本発明による地盤改良装置によれば、掘削ビットが噴射孔を備えているため、地盤を掘削して進入させた管を引き抜く時に、掘削ビットの噴射孔から地盤改良材を噴射することにより地盤改良体を構築できる。このため、地盤改良材の注入管等の入れ替え作業を省略することができ、工期を短縮できる。
また、地盤改良材が地盤中に噴射されることにより、噴射孔周辺の地盤が切削され、切削された地盤と地盤改良材とが混合攪拌又は置換されるため、掘削孔から広範囲にわたって地盤を改良でき、全体として強度の高い地盤改良体を構築することができる。
また、掘削ビットに噴射孔が備えられていることにより、掘削孔の最も深い位置から地盤改良材を地盤中に噴射することができるため、掘削孔の全長にわたって地盤改良体を構築することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記曲管は、外管と、前記外管の内側に前記外管の内周と隙間を隔てて配置された内管とからなることを特徴とする。
本発明による地盤改良装置によれば、曲管を構成する外管の内周と前記内管の外周との隙間を、曲管内に取り入れられた掘削土砂や地下水等を外部に排出する通路として利用できるので、掘削時に掘削ビットが、掘削された地盤等の詰まりにより動かなくなってしまう現象を回避できる。また、地盤改良材を地盤中に噴射する際にも、この隙間を通じて地盤中に注入される余分な地盤改良材、切削された地盤、或いは地下水等を外部に排出できるので、地盤改良材の注入によって周辺地盤が持ち上がる現象を回避できる。

第３の発明は、第２の発明において、前記掘削ビットは、前記内管の先端部に設けられた駆動部により駆動されることを特徴とする。

第４の発明は、第２又は３のいずれかの発明において、前記外管の先端縁部にパッキンを備え、前記内管は前記外管内を管軸方向へ移動可能であり、前記内管を管軸方向に移動させることにより、前記掘削ビットと前記パッキンとの隙間を開閉可能とされていることを特徴とする。

本発明による地盤改良装置によれば、掘削ビットと外管の先端縁部に設けられるパッキンとの隙間を開閉することができる。これにより、掘削時にはこの隙間を開けることによって、掘削土砂又は地下水等を曲管内へ取り入れて曲管の基端部から排出することができ、一方、曲管の連結作業時などの曲管の基端部が開放状態にある時にはこの隙間を閉じることによって、曲管内からの出水を防止できる。

第５の発明は、第２〜４のいずれかの発明において、前記内管の断面は、略矩形型であることを特徴とする。
本発明による地盤改良装置によれば、掘削時に、曲管の地盤への進入方向を示す曲管の管軸周りの回転角度を、内管の断面を目視で参照することで容易に確認できるため、掘進方向の精度を向上させることができる。

第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明において、前記曲管は、複数の管体を連結して構成されることを特徴とする。
本発明による地盤改良装置によれば、例えば、トンネル空間のように作業スペースが限定されるような場合でも、必要な寸法の地盤改良体を構築することができる。

第７の発明は、第１〜６のいずれかの発明において、前記地盤改良材は、セメントミルク又はモルタルであることを特徴とする。

第８の発明は、湾曲状の地盤改良体を構築する地盤改良方法であって、一定の曲率を有する円弧状の曲管と、前記曲管の先端部に設けられ、地盤改良材が噴射される噴射孔を具備する掘削ビットと、前記曲管内に設けられ、前記地盤改良材を前記噴射孔へ供給する供給管を備える地盤改良装置を用いて、前記掘削ビットを回転させながら前記曲管を管軸方向に推進させることにより、前記地盤を湾曲状に掘削しながら前記曲管を地盤に進入させ、前記曲管を前記地盤から引き抜きながら、前記噴射孔から地盤改良材を噴射して、前記地盤を切削するとともに、前記切削された地盤と前記地盤改良材とを混合攪拌又は置換することで円弧状に湾曲した円柱状の地盤改良体を形成することを特徴とする。

本発明によれば、湾曲する地盤改良体を構築するにあたり、低コストで作業効率高く施工可能な地盤改良装置及び地盤改良方法を提供できる。

以下、本発明の好ましい一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る地盤改良方法を説明するための説明図である。図１に示すように、本実施形態に係る地盤改良方法では、例えば、トンネル１２内から拡幅領域１４を開削する際に地盤１６が軟弱な場合、地盤１６の崩落や落石を防止するために、地盤改良装置１０により前もって拡幅領域１４の外側にあたる地盤１６の強度を向上させるものである。

図１に示すように、地盤改良装置１０は、円弧状の曲管１７と、その曲管１７の先端部に設けられる掘削ビット２０と、掘削ビット２０によって掘削された掘削孔２１へ曲管１７を推進又は引き抜きする推進機１９とから構成される。

図２は、図１に示す曲管１７の先端部の拡大断面図であり、図３は、図２の曲管１７のＡ−Ａ横断面図である。

図２に示すように、曲管１７は、一定の曲率を有する円弧状に形成された外管２２とその内部に配置された内管２４とを備えている。また、図３に示すように、外管２２は略円形状の断面形状を有し、内管２４は略矩形型の断面形状を有している。そして、外管２２の内周面には、板状のセントラライザー２６が設けられ、このセントラライザー２６が内管２４の略矩形型の頂点を支承することで、内管２４と外管２２との間に隙間が保たれている。なお、セントラライザー２６と内管２４とは固定されておらず、外管２２内を内管２４が管軸方向に自由に移動できるようになっている。

内管２４と外管２２との間の隙間は、曲管１７の先端部から取り入れられた掘削土砂や地下水等を曲管１７の基端部へ導き、曲管１７外部に排出させるための通路となる。以下、この隙間２８を排出通路２８という。曲管１７の基端部には、例えば、外部に排出される掘削土砂や地下水等の圧力が所定圧になった時に流体を排出するバルブ（図示しない）が設けられており、排出通路２８を通して曲管１７の基端部に導かれた土砂等は、このバルブを介して外部に排出される。

内管２４の内部には、複数の管路３０ａ〜３０ｄを備えた供給管３０が挿通されている。これら夫々の管路３０ａ〜３０ｄは、後述する送油管３０ａ、空気供給管３０ｂ、水供給管３０ｃ及び地盤改良材供給管３０ｄとして用いられる。また、図１に示すように、曲管１７は複数の管体１８を順次連結することによって構成されており、これに対応して外管２２及び内管２４には管間で連結可能な管連結部３２（図２参照）が設けられている。管連結部３２は管の内外間で流体の浸入や浸出が防止できるように密閉構造となっている。

図４は、管連結部３２の拡大断面図である。図４に示すように、外管２２及び内管２４の端部は、外側が切欠かれた雄端部２２ａ、２４ａと、内側が切欠かれた雌端部２２ｂ、２４ｂとで形成され、雄端部２２ａ、２４ａが雌端部２２ｂ、２４ｂの内側に嵌合される。なお、雄端部２２ａ、２４ａと雌端部２２ｂ、２４ｂとの間にはパッキン３４が介装されることで管連結部３２における密閉性が確保されている。管連結部３２は、ボルト３６が、雌端部２２ｂ、２４ｂの外側から貫通して雄端部２２ａ、２４ａに螺着されるようになっていると共に、螺着後、ボルト３６の頭部が雌端部２２ｂ、２４ｂの外周面から突出しないように、雌端部２２ｂ、２４ｂの外周面には、ボルト３６の頭部を収納する凹部３８が形成されている。以上の構成により、雄端部２２ａ、２４ａと雌端部２２ｂ、２４ｂとが密着されて管内外の密閉性が維持できるとともに、管が管軸方向へ移動された場合でも、管外周からの突起物による引っ掛かり等の問題が生じることはない。

再び、図２を参照すると、曲管１７の先端部には、内管２４の内側に取り付けられた油圧モーター４０と、油圧モーター４０に駆動されて回転する掘削ビット２０とが設けられている。

油圧モーター４０は、トンネル１２内に設置される油圧ポンプ（図示しない）から、内管２４内に挿通された供給管３０内の送油管３０ａを通じて供給される作動油により駆動される。そして、油圧モーター４０により、掘削ビット２０全体を回転させながら、推進機１９により曲管１７を推進させることによって、掘削ビット２０が地盤１６を円弧状に掘削する。

掘削ビット２０は、外管２２の同程度の外径を有する略円柱状の鋼製本体２０ａと、鋼製本体２０ａの掘削面側に設けられるビット２０ｂとからなり、鋼製本体２０ａの外周面には、空気、水、地盤改良材を高圧噴射する噴射孔２０ｃが設けられている。

噴射孔２０ｃは、例えば、鋼製本体２０ａの外周面の対向する位置に２箇所設けられ、供給管３０内の空気供給管３０ｂと、水供給管３０ｃと、地盤改良材供給管３０ｄとが接続されている。そして、トンネル１２内に設置される空気、水及び地盤改良材を夫々供給するための高圧ポンプ（図示しない）から、各供給管を通じて供給され、空気、水、地盤改良材が混合された流体が噴射孔２０ｃから噴射されるようになっている。噴射された流体はその圧力により曲管１７の周囲の地盤１６を切削し、流体中の地盤改良材及び水と切削された地盤とが混合攪拌又は置換されて地盤改良体が形成されることになる。

また、外管２２の先端縁部には、パッキン４２が設けられており、外管２２内の内管２４を管軸方向に移動させることによって、掘削ビット２０とパッキン４２との隙間を開閉できるようになっている。

図５は、（ａ）掘削時、（ｂ）曲管１７連結時における掘削ビット２０とパッキン４２との位置関係を示す拡大断面図である。

図５（ａ）に示すように、掘削時には、掘削ビット２０とパッキン４２との隙間を開けた状態を保つ。これにより、掘削された土砂や地下水等は、その隙間から取り入れられ、排出通路２８を通じて曲管１７の外部に排出されることになる。

一方、図５（ｂ）に示すように、外管２２又は内管２４などの連結時には、掘削ビット２０とパッキン４２との隙間を閉じる。これにより、掘削ビット２０とパッキンとの隙間から地下水等が浸入することないため、連結作業時など曲管１７の基端部が開放された状態になっている場合においても、管内からの出水が起きることはない。

再び、図１を参照すると、推進機１９は、曲管１７を挟持可能な挟持部１９ａと、挟持部の水平移動を案内するレール１９ｂと、挟持部１９ａを移動させるための伸縮可能なジャッキ１９ｃと、挟持された曲管１７を地盤１６へと案内するガイド部１９ｄとを備えている。そして、曲管１７を挟持部１９ａによって挟持させてジャッキ１９ｃを伸縮させることにより、曲管１７の地盤１６中への推進と、地盤１６からの引く抜きを行うことができる。

なお、トンネル１２からは、内管２４の断面を目視で参照できるようになっており、その断面の管軸周りの回転角度を見ることによって、曲管１７の地盤への進入方向を確認し、この進入方向に応じて掘削中に挟持部１９ａから曲管１７に外力を加えて、曲管１７の進入方向を調節して掘進の軌道修正を行えるようになっている。

また、推進機１９は、地盤１６中を推進する曲管１７からの反力を保持できるように、例えば、トンネル１２内に固定された作業台４４に取り付けられている。

次に、以上説明した地盤改良装置１０を用いた具体的な地盤改良方法について説明する。図６〜図８は、地盤改良装置１０による地盤改良方法を説明するための図であり、図６は施工準備時、図７は掘削時、図８は地盤改良体構築時を示す図である。

図６に示すように、先ず、トンネル１２内の所定の位置に設置された推進機１９に曲管１７を設置し、掘削ビット２０が設けられる先端部をセグメント４６に設けられたガイド管４８に挿通させる。なお、地盤掘削の開始位置にあたるセグメント４６には、鉄筋によって掘削が妨げられないように、予め、無筋コンクリート又はＦＲＰコンクリートで構築されたものを配置しておく。また、ガイド管４８の挿入口には、地盤１６中からの出水等防止のための止水パッキン（図示しない）が取り付けられているものを用いることが好ましい。

図７に示すように、掘削の際には、内管２４の先端の油圧モーター４０を駆動させ、掘削ビット２０を回転させながら、推進機１９により曲管１７を地盤１６中に推進させて、管体１８の連結を順次繰り返しながら曲管１７を地盤１６中に進入させていく。なお、掘削中は、噴射孔２０ｃから泥水などを噴出させることにより、掘削ビット２０の冷却及び掘削片の曲管１７への取り入れ及び外部への排出を促してもよい。このようにして、曲管１７の先端がセグメント４６に到達するまで掘削する。

図８に示すように、掘削完了後は、地盤１６に貫通された曲管１７を推進機１９で引き抜きながら、掘削ビット２０の噴射孔２０ｃから地盤改良材を高圧噴射することにより、掘削孔２１の周辺の地盤１６を切削し、切削された地盤と改良材とを混合攪拌又は置換することで円弧状に湾曲した円柱状の地盤改良体５０を構築していく。なお、地盤改良材には、セメントミルク又はモルタルを用いる。

以上のようにして構築された地盤改良体５０を、所定の期間養生させて硬化させることにより、その後、拡幅領域１４を開削することができる。

以上説明した本実施形態による地盤改良装置１０及び地盤改良方法によれば、次の効果が得られる。

（１）掘削ビット２０が高圧噴射される噴射孔２０ｃを備えているため、地盤１６を掘削して進入させた曲管１７を引き抜く時に、掘削ビット２０の噴射孔２０ｃから地盤改良材を噴射することにより地盤改良体５０を構築できる。このため、地盤改良材の注入管等の入れ替え作業を省略することができ、工期を短縮できる。

（２）空気、水及び地盤改良材が地盤１６中に高圧噴射されることにより、噴射孔２０ｃ周辺の地盤１６が切削され、切削された地盤１６と地盤改良材とが混合攪拌又は置換されるため、掘削孔２１から広範囲にわたって地盤を改良でき、全体として強度の高い地盤改良体５０を構築することができる。

（３）掘削ビット２０に噴射孔２０ｃが備えられていることにより、掘削孔２１の最も深い位置から地盤改良材を地盤１６中に噴射することができるため、掘削孔２１の全長にわたって地盤改良体５０を構築することができる。

（４）曲管１７が管体１８を連結して構成されることにより、トンネル１２のように作業スペースが限定されるような場合でも、必要な寸法の地盤改良体５０を構築できる。

（５）曲管１７を構成する外管２２と内管２４との間の隙間を、曲管１７内に取り入れられた掘削土砂や地下水等を外部へ排出する排出通路２８として利用できるので、掘削時に掘削ビット２０が、掘削された地盤等の詰まりにより動かなくなってしまう現象を回避できる。また、地盤改良材を地盤１６中に高圧噴射する際にも排出通路２８を通して、地盤１６中に注入される余分な地盤改良材、切削された地盤、或いは地下水等を外部に排出できるので、地盤改良材の注入によって周辺地盤が持ち上がる現象を回避できる。

（６）内管２４を管軸方向に移動させることによって、掘削ビット２０と、外管２２の先端縁部に設けられるパッキン４２との隙間を開閉することができる。掘削時にはこの隙間を開けることによって、掘削土砂や地下水等を曲管１７へ取り入れて基端部から排出することができ、一方、曲管１７の連結作業時などの曲管１７の基端部が開放状態にある時にはこの隙間を閉じることによって、曲管１７内からの出水を防止できる。

（７）内管２４の断面が略矩形型に形成されていることにより、曲管１７の地盤１６への進入方向を示す曲管１７の管軸周りの回転角度を、内管２４の断面を目視で参照することで容易に確認できるため、掘進方向の精度を向上させることができる。また、掘削ビット２０から受ける回転反力を、外管２２内のセントラライザー２６により略矩形型の頂点を支承する構成で簡単に抑止できる。

なお、本実施形態に係る推進機１９によれば、推進機１９にかかる反力を推進機１９の推進方向と反対側から押圧力により受けるように支持する構成があったが、これに限らず、推進方向側のセグメント４６に固定するなどにより、上記反力を推進機１９の推進方向側から引張力により受けて支持する構成としてもよい。これにより、推進機１９の推進方向と反対側に支持部材を設置する必要はなくなるのでトンネル１２内の空間を有効に利用できる。

また、上記実施形態では本発明が、トンネル１２内の拡幅領域１４を構築するべく適用された説明をしたが、これに限らず、例えば、既存構造物の下部の地盤強度を向上させるべく、構造物の側方の地上位置から構造物下部の地盤に向けて、曲管１７を湾曲させて進入させて、地盤改良体を構築する場合等に適用することも可能である。

本実施形態に係る地盤改良方法を説明するための説明図である。 図１に示す曲管１７の先端部の拡大断面図である。 図２の曲管１７のＡ−Ａ横断面図である。 管連結部３２の拡大断面図である。 （ａ）掘削時、（ｂ）曲管１７連結時における掘削ビット２０とパッキン４２との隙間の位置関係を示す拡大断面図である。 地盤改良装置１０による地盤改良方法における施工準備時の説明をするための図である。 地盤改良装置１０による地盤改良方法における掘削時の説明をするための図である。 地盤改良装置１０による地盤改良方法における地盤改良体構築時の説明をするための図である。

符号の説明

１０ 地盤改良装置、１７ 曲管、１８ 管体、
２０ 掘削ビット、２０ａ 鋼製本体、２０ｂ ビット、２０ｃ 噴射孔、
２２ 外管、２２ａ 外管雄端部、２２ｂ 外管雌端部、
２４ 内管、２４ａ 内管雄端部、２４ｂ 内管雌端部、
２８ 排出通路、３０ 供給管、３０ａ 送油管、
３０ｂ 空気供給管、３０ｃ 水供給管、３０ｄ 地盤改良材供給管、
３２ 管連結部、４２ パッキン、５０ 地盤改良体

Claims (8)

1. 湾曲状の地盤改良体を構築する地盤改良装置であって、
   一定の曲率を有する円弧状の曲管と、
   前記曲管の先端部に設けられ、地盤改良材が噴射される噴射孔を具備する掘削ビットと、
   前記曲管内に設けられ、前記地盤改良材を前記噴射孔へ供給する供給管とを備えることを特徴とする地盤改良装置。
2. 前記曲管は、外管と、前記外管の内側に前記外管の内周と隙間を隔てて配置された内管とからなることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。
3. 前記掘削ビットは、前記内管の先端部に設けられた駆動部により駆動されることを特徴とする請求項２に記載の地盤改良装置。
4. 前記外管の先端縁部にパッキンを備え、前記内管は前記外管内を管軸方向へ移動可能であり、前記内管を管軸方向に移動させることにより、前記掘削ビットと前記パッキンとの隙間を開閉可能とされていることを特徴とする請求項２又は３に記載の地盤改良装置。
5. 前記内管の断面は、略矩形型であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の地盤改良装置。
6. 前記曲管は、複数の管体を連結して構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の地盤改良装置。
7. 前記地盤改良材は、セメントミルク又はモルタルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の地盤改良装置。
8. 湾曲状の地盤改良体を構築する地盤改良方法であって、
   一定の曲率を有する円弧状の曲管と、前記曲管の先端部に設けられ、地盤改良材が噴射される噴射孔を具備する掘削ビットと、前記曲管内に設けられ、前記地盤改良材を前記噴射孔へ供給する供給管を備える地盤改良装置を用いて、
   前記掘削ビットを回転させながら前記曲管を管軸方向に推進させることにより、前記地盤を湾曲状に掘削しながら前記曲管を地盤に進入させ、
   前記曲管を前記地盤から引き抜きながら、前記噴射孔から地盤改良材を噴射して、前記地盤を切削するとともに、前記切削された地盤と前記地盤改良材とを混合攪拌又は置換することで円弧状に湾曲した円柱状の地盤改良体を形成することを特徴とする地盤改良方法。
   
   

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