JP5055974B2 - 地中構造物の構築方法、地盤掘削装置 - Google Patents

Description

本発明は、ソイルセメントからなる地中構造物の構築方法及び地中構造物を構築する際に用いられる地盤掘削装置に関する。

従来より、土留壁などには、低コストで構築することのできるソイルセメント壁が用いられている。このようなソイルセメント壁を構成するソイルセメントは、原位置で地盤を掘削することにより発生した対象土にセメント系材料からなる注入液を混入し、対象土と注入液を撹拌するソイルセメント撹拌工法を用いて構築される。

現場においてソイルセメントを形成する場合には、セメントミルクと対象土とが充分に撹拌されていないなどの理由により強度のばらつきが生じ易い。これに対して、従来、形成されたソイルセメントの注入液の混入率を調べる方法がなく、確実にソイルセメントが所定の強度を発揮できるように、ソイルセメントの設計基準強度に対して割り増し係数（３倍程度）をかけて配合強度を算出し、この配合強度を確保するために必要なセメントミルクの量を地盤に供給することによりソイルセメントを形成していた。（非特許文献１参照）
"改訂版 建築物の改良地盤の設計及び品質管理指針 ―セメント系固化材を用いた深層・浅層混合処理工法―" 財団法人 日本建築センター、平成１４年１１月３０日、ｐ．４０９−４１４

上述のように、現場においてソイルセメントを形成する場合には、実際に所定の強度を発現させるのに必要なセメントミルクの量に比べて、過大な量のセメントミルクをソイルセメントに混合しなければならない。このため、地中構造物を構築するために必要以上のコストがかかってしまう。特に、ソイルセメントを高強度にするような場合では、セメントミルクの混合量が非常に大きくなり、大幅なコスト高を招いてしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、低コストで地中構造物を構築するため、地盤に混合するセメントミルクの量を必要最低限に抑えることのできる地中構造物の構築方法を提供することである。

本発明の地中構造物の構築方法は、地盤に埋設されるソイルセメントからなる地中構造物を構築する方法であって、前記地盤の前記地中構造物に相当する部分を、地盤掘削装置に設けられたカッタードラムを回転させることにより、断面長方形状に削孔撹拌する削孔撹拌ステップと、前記削孔撹拌された対象土にセメント系材料からなる注入液を注入し、注入液の注入される位置よりも上方の削孔撹拌された対象土を押し上げる注入ステップと、前記対象土と前記注入液とを混合撹拌する混合撹拌ステップと、前記対象土と前記注入液とを混合撹拌した混合物を、前記地盤掘削装置に設けられた揚泥ポンプによりサンプリングするステップと、前記サンプリングした混合物における前記注入液の混入率を算出するステップと、前記算出した注入液の混入率に基づき、前記注入液の供給量を調整するステップと、を備えることを特徴とする。

また、前記注入液の混入率を算出するステップは、前記混合された注入液の密度をＤ１、前記混合された注入液の累積体積をＶ１、前記注入液を混合する前の前記対象土の密度をＤ２、前記注入液を混合する前の前記対象土の体積をＶ２、前記サンプリングした混合物の密度をＤ３、とした場合に、前記注入液の混入率Ｘを、次式（１）により算出してもよい。
Ｘ＝Ｖ１／Ｖ２×（Ｄ１−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ２） …（１）

上記の地中構造物の構築方法において、前記ソイルセメントを、上方と下方とで強度が異なるように構築してもよい。
また、注入ステップでは、高圧圧送された注入液を注入してもよい。
また、削孔撹拌することにより形成された掘削孔の断面の少なくとも一部を塞ぐように前記注入液を注入する位置よりも上方に遮蔽部材を設け、前記注入ステップでは、注入液の注入速度に合わせて前記遮蔽部材を上方に移動させながら、前記遮蔽部材の下方に注入液を注入してもよい。

また、本発明の地盤掘削装置は、上記地中構造物の構築方法で用いる地盤掘削装置であって、地盤を断面長方形状に削孔撹拌するカッタードラムと、前記カッタードラムにより削孔撹拌された対象土にセメント系材料からなる注入液を注入する注入手段と、を備え、前記カッタードラムにより削孔撹拌された対象土と前記注入液とを前記カッタードラムにより混合撹拌し、前記混合撹拌された対象土と注入液の混合物をサンプリングする揚泥ポンプを備えることを特徴とする。

本発明によれば、対象土に注入液を混入することにより、対象土を上方に押し上げるため、掘削孔上部より排出される対象土には注入液が含まれていない。このため、対象土とともに外部に排出される注入液の量を削減することができ、混入する注入液の量を削減することができる。

以下、本実施形態の地中構造物の構築方法について説明する。
図１は、本実施形態の地中構造物の構築方法により構築されたソイルセメント１３からなる地中構造物１０の一例を示す図であり、（Ａ）は鉛直方向断面図であり、（Ｂ）は水平方向断面図である。同図に示すように、地中構造物１０は、ソイルセメント１３と、ソイルセメント１３に埋設された芯材１１とで構成され、建物２を支持する杭として機能する。地中構造物１０を構成するソイルセメント１３の支持層３にあたる部分は高強度ソイルセメント１６からなり、その他の部分は普通強度のソイルセメントからなる。高強度ソイルセメント１６は、普通強度のソイルセメントに比べて土砂に対するセメント量の割合を増加させることにより形成され、４［Ｎ／ｍｍ^２］以上の強度を有するソイルセメントである。ただし、一般的には高強度ソイルセメント１６の強度の上限は２０［Ｎ／ｍｍ^２］程度である。後に詳述するように、本実施形態の地中構造物１０を構成するソイルセメント１３は、複数の改良区間２０に分割され、下方から上方に向かって、改良区間２０ごとに順次形成されたものである。

図１に示すように、芯材１１は、横方向に並べられた鉛直方向に延びる複数のＨ型鋼１２と、これら複数のＨ型鋼１２を軟弱層４にあたる部分で連結するように、Ｈ型鋼１２の両フランジ面に取り付けられた第１の鋼板１４と、Ｈ型鋼１２を支持層３にあたる部分で連結するように、Ｈ型鋼１２の両フランジ面に取り付けられた第２の鋼板１５とを備える。第１の鋼板１４は、水平方向に対して傾斜した状態でＨ型鋼１２に取付けられており、傾斜の向きが交互に反転することでトラス状の構成を呈している。このように第１の鋼板１４が傾斜して設けられることで、第１の鋼板１４が筋かいのように働き、軟弱層４内での地中構造物１０の水平方向の耐力が向上されている。
また、Ｈ型鋼１２のウェブの表面には、水平方向（紙面に垂直な方向）に延びるように凸部１８が形成されている。この凸部１８は、例えばアングル材をＨ型鋼１２のウェブの表面に水平に溶接することにより形成することができる。

建物２の荷重は鉛直下向きに地中構造物１０の芯材１１のＨ型鋼１２に伝達される。この荷重により、表面に設けられた凸部１８と高強度ソイルセメント１６との間に支圧力が作用し、この支圧力により建物の鉛直荷重が高強度ソイルセメント１６に伝達される。高強度ソイルセメント１６は支持層３まで到達しているため、建物２の荷重は高強度ソイルセメント１６から支持層３に伝達される。これにより地中構造物１０は建物の鉛直荷重を支持することができる。

図２は、地中構造物を構築するために用いられる地盤掘削装置１００の構成を示す図であり、（Ａ）は、遮蔽板１４０が格納された状態を、（Ｂ）は遮蔽板１４０が開いた状態を示す。
同図に示すように、地盤掘削装置１００は、装置の下部に設けられた、油圧モータなどにより駆動される一対のカッタードラム１１０と、セメント系材料からなる注入液であるセメントミルクを装置下部より対象土内に供給する注入液供給装置１２０と、エアーリフト１３０と、注入液供給装置１２０の上方に設けられた遮蔽板１４０と、を備える。

地盤掘削装置１００は、カッタードラム１１０を回転させることにより、地盤を断面長方形状に削孔撹拌することができる。なお、削孔撹拌とは、地盤を削孔するとともに削孔することにより生じた土砂を撹拌することを意味し、ベントナイトや水を注入しながら行ってもよい。
また、地盤掘削装置１００は、注入液供給装置１２０により削孔撹拌された対象土に注入液を供給した後、カッタードラム１１０を回転させることにより、対象土と注入液とを混合撹拌してソイルセメントを形成することができる。
注入液供給装置１２０は地上より高圧圧送されたセメントミルクを地盤掘削装置１００の下部より対象土内に注入する。

エアーリフト１３０は、対象土とセメントミルクとの混合物を圧送する揚泥ポンプ１３２と、揚泥ポンプ１３２により圧送された混合物に空気を混入させるエアー供給装置１３１と、を備える。また、混合物を地上まで圧送するための配管内には逆流防止用の弁が取り付けられており、逆流が防止されている。かかる構成により、エアーリフト１３０は、エアー供給装置１３１により対象土とセメントミルクの混合物に空気を混入させ、混合物の比重を下げることで、揚泥ポンプ１３２により混合物を地上高さまで揚げることができる。

遮蔽板１４０は、上側の端部が、地盤掘削装置１００本体の側面の注入液供給装置１２０の吐出口より上方位置に回動自在に取付けられた一対の板状部材から構成されている。また、遮蔽板１４０の中間部と、地盤掘削装置１００本体との間には、油圧ジャッキ１４１が連結されている。なお、油圧ジャッキ１４１の両端は夫々遮蔽板１４０及び地盤掘削装置１００本体と回動自在に接続されている。
かかる構成により、図２（Ａ）に示すように、油圧ジャッキ１４１を収縮することにより、遮蔽板１４０は装置本体に当接して格納された状態となり、また、図２（Ｂ）に示すように、油圧ジャッキ１４１を伸長することにより、遮蔽板１４０は略水平に開いた状態となって、地盤掘削装置１００の側面と掘削孔の内壁面との間を塞ぐことができる。

後述するように、本実施形態の地中構造物の構築方法では、注入液供給装置１２０の吐出口の上方において遮蔽板１４０を開き、掘削孔断面を塞いだ状態で、注入液の注入速度に合わせて地盤掘削装置１００を上方に移動させながら、遮蔽板１４０の下方の対象土に高圧圧送された注入液を注入し、対象土と注入液とを混合撹拌したのち、対象土と注入液との混合物における注入液の混入率を算出する。

ここで、注入液の混入率を算出する方法の一例について説明する。図３は、注入液の混入率を算出する方法の原理を説明するための図である。以下の説明では、一の改良区間２０のソイルセメントにおける注入液の混入率を算出する場合について説明する。同図に示すように、改良区間２０に注入される注入液の密度及び体積を夫々Ｄ１、Ｖ１、改良区間２０の地盤の密度及び体積を夫々Ｄ２、Ｖ２、混合撹拌することにより形成される対象土と注入液の混合物の密度をＤ３とする。

改良区間２０に注入される注入液の密度Ｄ１は、注入液の調合に基づき求めることができる。
注入される注入液の体積Ｖ１は、注入液供給装置１２０における注入時間と流量とを積算するなどの方法により求めることができる。
改良区間２０の地盤の密度Ｄ２は、地中構造物１０を構築する前に実施される地盤調査の結果から得ることができる。
改良区間２０の体積Ｖ２は、地盤掘削装置１００の性能や施工計画に基づき決定される。
排出される対象土及び注入液の混合物の密度Ｄ３は、サンプリングした混合物の質量及び体積などを測定することにより算出できる。

注入液を注入したあとの改良区間２０の質量Ｍは注入液の混入率をＸとすると、以下の式で算出される。
Ｍ＝Ｖ２×Ｄ１×Ｘ＋Ｖ２×Ｄ２×（１−Ｘ） …（２）
また、改良区間２０における質量の収支を考えると、改良区間２０の質量Ｍは以下の式で表される。
Ｍ＝Ｖ１×Ｄ１＋Ｖ２×Ｄ２−Ｖ１×Ｄ３ …（３）
式（２）及び式（３）からから次式（４）が導かれる。
Ｘ＝Ｖ１／Ｖ２×（Ｄ１−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ２） …（４）

式（４）を用いることにより、改良区間２０における注入液の混入率Ｘを算出することができる。なお、改良区間２０の体積が大きい場合には、地盤掘削装置１００の体積の影響が小さいため、改良区間２０の体積を式（４）におけるＶ２として用いることができるが、改良区間２０の体積が小さいような場合には、改良区間２０の体積から地盤掘削装置１００の体積を除いた値をＶ２とするとよい。

以下、地盤掘削装置１００を用いた地中構造物の構築方法を説明する。図４は、地中構造物の構築方法を説明するための図である。
まず、揚重機により地盤掘削装置１００を揚重し、図４（Ａ）に示すように、地中構造物１０の構築位置に地盤掘削装置１００を設置し、遮蔽板１４０を格納した状態でカッタードラム１１０を回転させて、地中構造物１０の下端にあたる深さまで削孔撹拌することにより緩め掘りを施す。

次に、図４（Ｂ）に示すように、下端の改良区間２０内に注入液供給装置１２０の吐出口が位置するように地盤掘削装置１００を配置し、遮蔽板１４０を開いて掘削孔断面を塞いだ状態で、注入液供給装置１２０を起動させ、高圧圧送された注入液を遮蔽板１４０の下方の対象土内に注入する。このとき、遮蔽板１４０が注入液が遮蔽板１４０の上方の対象土内に注入液が流出するのを防止するため、確実に下方の対象土内のみに注入液が注入される。
さらに、注入液を遮蔽板１４０の下方の対象土内に注入しながら、その注入液の注入速度に合わせて、地盤掘削装置１００を揚重機により上方に移動させる。これにより、遮蔽板１４０より上方の対象土は、高圧圧送された注入液により上方に向かって圧力を受けるとともに、遮蔽板１４０により上方に押し上げられる。上方に押し上げられた上方の対象土は、掘削孔上部まで達すると順次バックホーなどにより外部に排出される。このように、注入液を注入した遮蔽板１４０より下方の対象土は排出されず、注入液が注入されていない遮蔽板１４０より上方の対象土のみが掘削孔より排出されるため、注入した注入液が排出されることがなく、対象土に注入する注入液の量を必要最小限に抑えることができる。
次に、図４（Ｃ）に示すように、カッタードラム１１０を回転させることにより、対象土と注入液とを混合撹拌する。

次に、図４（Ｄ）に示すように、エアーリフト１３０により対象土と注入液との混合物をサンプリングする。そして、混合物における注入液の混合率Ｘを式（４）により算出する。
次に、図４（Ｅ）に示すように、算出された注入液の混入率Ｘが設計混入率Ｘ_０未満の場合には、混入率Ｘが設計混入率Ｘ_０に達するまで注入液の供給及び対象土と注入液との混合撹拌を繰り返す。これにより、ソイルセメントにおける注入液の混入率Ｘを高めていくことができ、設計混入率Ｘ_０となるように調整することができる。このようにして、注入液の混入率Ｘが設計混入率Ｘ_０になった時点で注入液の供給及び混合撹拌を終了する。

なお、支持層３にあたる部分の改良区間２０の高強度ソイルセメント１６を形成する場合には、注入液の供給と、対象土と注入液との混合撹拌と、を繰り返せばよい。これらの工程を繰り返すことによりソイルセメントの強度を高めていくことで、高強度ソイルセメント１６を形成することができる。
各改良区間２０について上記の工程を行うことにより、図４（Ｆ）に示すように、地中構造物１０を構成するソイルセメント１３を構築することができる。

次に、上記のようにして形成されたソイルセメント１３が硬化する前に、図４（Ｇ）に示すように、ソイルセメント１３内に芯材１１を埋設する。なお、地中構造物１０内に埋設される芯材１１は、予め、地上において複数の凸部１８の設けられたＨ型鋼１２を第１の鋼板１４及び第２の鋼板１５により連結しておき、これをソイルセメント１３に挿入すればよい。
そして、図４（Ｈ）に示すように、ソイルセメント１３が硬化することにより、ソイルセメント１３からなる地中構造物１０が構築される。

以上説明したように、本実施形態の地中構造物の注入液を遮蔽板１４０の下方の対象土に注入することにより、遮蔽板１４０の上方の対象土が押し上げられ、上方の対象土のみが掘削孔上部より排出される。このように、注入液の注入された下方の対象土は外部に排出されないため、注入された注入液が掘削孔外部に排出されることがなく、地盤に注入する注入液の量を必要最低限に抑えることができる。

また、形成したソイルセメント１３における注入液の混入率Ｘを施工中に算出することができるため、確実に注入液を所定の割合まで混入させることができる。これにより、設計基準強度に対して積算する割り増し係数が抑えられ、注入液の量を削減することができるため、コストを削減することができる。特に、高強度ソイルセメントを構築する場合には、割り増し係数を抑えることにより、必要となる注入液を大きく削減することができるため、非常に有効である。

また、本実施形態では、複数の改良区間２０に分割して、改良区間２０ごとにソイルセメント１３を構築する構成としが、これに限らず、連続的にソイルセメントを構築することも可能である。このような場合には、注入液を供給しながら混合撹拌を行い、適宜なタイミングでサンプリングを行い、ソイルセメントの混入率が所定の割合以上となったら、地盤掘削装置１００を上方に移動させればよい。

また、本実施形態では、地中構造物にあたる位置の地盤を削孔撹拌することにより緩め掘りを行ったのち、下方の改良区間よりソイルセメントを構築していき、高強度ソイルセメントにあたる位置では、供給するセメントミルクの量を増やすことによりソイルセメントを高強度ソイルセメントにする構成としたが、これに限らず、地盤の地中構造物にあたる部分全体をソイルセメントとしたのち、高強度ソイルセメントにあたる箇所に地盤掘削装置１００を配置して、図４における（Ｂ）〜（Ｃ）と同様に、セメントミルクの供給及び混合撹拌を行うことにより、この箇所のソイルセメントを高強度ソイルセメントとしてもよい。
また、本実施形態では、地中構造物を構成するソイルセメントの支持層にあたる部分を高強度ソイルセメントとしたが、これに限らず、ソイルセメントの中間部を高強度ソイルセメントとすることもできる。

また、本実施形態では、地盤掘削装置の注入液の吐出口の上方に掘削孔の断面を塞ぐように遮蔽板を設ける構成としたが、必ずしも、遮蔽板を設ける必要はない。高圧圧送されたセメントミルクを対象土内に注入することにより、注入液供給装置の吐出口よりも上方の対象土は押し上げられる。このため、遮蔽板を省略することや、遮蔽板を掘削孔の一部のみを塞ぐように設けることも可能である。

本実施形態の地中構造物の構築方法により構築されたソイルセメントからなる地中構造物の構成を示す図であり、（Ａ）は鉛直方向断面図であり、（Ｂ）は水平方向断面図である。 地中構造物を構築するために用いられる地盤掘削装置の構成を示す図であり、（Ａ）は、遮蔽板が閉じた状態を、（Ｂ）は遮蔽板が開いた状態を示す。 注入液の混入率を算出する方法の原理を説明するための図である。 地中構造物の構築方法を説明するための図である。

符号の説明

３ 支持層
４ 軟弱層
１０ 地中構造物
１１ 芯材
１２ Ｈ型鋼
１３ ソイルセメント
１４ 第１の鋼板
１５ 第２の鋼板
１６ 高強度ソイルセメント
２０ 改良区間
１００ 地盤掘削装置
１１０ カッタードラム
１２０ 注入液供給装置
１３０ エアーリフト
１３１ エアー供給装置
１３２ 揚泥ポンプ
１４０ 遮蔽板
１４１ 油圧ジャッキ
１５０ サンプリング装置
１５１ 回転軸
１５２ 回転翼
１５３ 筒状部材

Claims (6)

1. 地盤に埋設されるソイルセメントからなる地中構造物を構築する方法であって、
   前記地盤の前記地中構造物に相当する部分を、地盤掘削装置に設けられたカッタードラムを回転させることにより、断面長方形状に削孔撹拌する削孔撹拌ステップと、
   前記削孔撹拌された対象土にセメント系材料からなる注入液を注入し、注入液の注入される位置よりも上方の削孔撹拌された対象土を押し上げる注入ステップと、
   前記対象土と前記注入液とを混合撹拌する混合撹拌ステップと、
   前記対象土と前記注入液とを混合撹拌した混合物を、前記地盤掘削装置に設けられた揚泥ポンプによりサンプリングするステップと、
   前記サンプリングした混合物における前記注入液の混入率を算出するステップと、
   前記算出した注入液の混入率に基づき、前記注入液の供給量を調整するステップと、
   を備えることを特徴とする地中構造物の構築方法。
2. 前記注入液の混入率を算出するステップは、
   前記混合された注入液の密度をＤ１、前記混合された注入液の累積体積をＶ１、前記注入液を混合する前の前記対象土の密度をＤ２、前記注入液を混合する前の前記対象土の体積をＶ２、前記サンプリングした混合物の密度をＤ３、とした場合に、前記注入液の混入率Ｘを、次式（１）により算出することを特徴とする請求項１記載の地中構造物の構築方法。
   Ｘ＝Ｖ１／Ｖ２×（Ｄ１−Ｄ３）／（Ｄ１−Ｄ２） …（１）
3. 前記ソイルセメントを、上方と下方とで強度が異なるように構築することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の地中構造物の構築方法。
4. 前記注入ステップでは、高圧圧送された注入液を注入することを特徴とする請求項１から３何れかに記載の地中構造物の構築方法。
5. 削孔撹拌することにより形成された掘削孔の断面の少なくとも一部を塞ぐように前記注入液を注入する位置よりも上方に遮蔽部材を設け、
   前記注入ステップでは、注入液の注入速度に合わせて前記遮蔽部材を上方に移動させながら、前記遮蔽部材の下方に注入液を注入することを特徴とする請求項１から４何れかに記載の地中構造物の構築方法。
6. 請求項１に記載の地中構造物の構築方法で用いる地盤掘削装置であって、
   地盤を断面長方形状に削孔撹拌するカッタードラムと、
   前記カッタードラムにより削孔撹拌された対象土にセメント系材料からなる注入液を注入する注入手段と、を備え、
   前記カッタードラムにより削孔撹拌された対象土と前記注入液とを前記カッタードラムにより混合撹拌し、
   前記混合撹拌された対象土と注入液の混合物をサンプリングする揚泥ポンプを備えることを特徴とする地盤掘削装置。