JP5228862B2 - 地下構造、地下構造の構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、地表面から３０ｍ以上掘削した掘削空間の底部に構造物が構築されてなる地下構造に関する。

近年、深さ数十ｍの大深度地下の様々な用途への利用が試みられており、例えば、特許文献１には、大深度地下工事を行うための土留め壁の構築方法が記載されている。

また、本願出願人らは、このような大深度地下をオフィスとして利用可能なように、地表よりも低い階でも採光を確保できる建物を提案している（特願２００８−２７６９７２）
特開平６―１７４１６号公報

ここで、大深度地下に建物を構築するために地盤を大深度まで掘削すると、周囲の地盤から大きな土圧が作用する。これに対して、周囲の地盤から作用する土圧に抵抗できるように地中壁の厚さを大きくすることが考えられるが、地中壁の厚さを大きくするとコスト高になるという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、大深度地下に建物を低コストで構築できるようにすることである。

本発明の地下構造は、周囲の少なくとも一部に中央に向かって斜め下方に傾斜するように、地下水位よりも深い位置まで地盤が掘削されてなる掘削空間が形成され、前記掘削空間の底部に構造物が構築され、前記掘削空間の傾斜する部分には、複数段の段状部が形成され、前記段状部の各段の鉛直面には、土留壁が構築され、外周建物が前記土留壁と一体に、平面視矩形状に構築されたことを特徴とする。

また、本発明の地下構造は、周囲の少なくとも一部に中央に向かって斜め下方に傾斜するように、地下水位よりも深い位置まで地盤が掘削されてなる掘削空間が形成され、前記掘削空間の底部に構造物が構築され、前記掘削空間の傾斜する部分には、傾斜面が形成され、前記傾斜面には盤状のコンクリート部材が構築され、前記コンクリート部材を貫通し、前記コンクリート部材の下方の地盤内に先端が到達するように芯材が設けられ、前記下方の地盤はグラウトが浸透し、前記芯材を介して、前記コンクリート部材と一体化され、前記底部には底盤が構築され、前記底盤の下部には地盤アンカー又は引抜抵抗杭が接続され、前記掘削空間の傾斜する部分には外周建物が構築されていることを特徴とする。

上記の地下構造において、前記構造物は高層建物であってもよい。
また、前記外周建物の屋上部には屋上緑化が施されていてもよい。

また、本発明の地下構造における浮力対策方法は、周囲の少なくとも一部に中央に向かって斜め下方に傾斜するように、地下水位よりも深い位置まで地盤が掘削されてなる掘削空間が形成され、前記掘削空間の底部には底盤と構造物とが構築された地下構造における浮力対策方法であって、前記掘削空間の傾斜する部分に、傾斜面を形成して、前記傾斜面に盤状のコンクリート部材を構築し、前記コンクリート部材を貫通し、当該コンクリート部材の下方の地盤内に先端が到達するように芯材を設け、前記下方の地盤にグラウトを浸透させ、前記芯材を介して、前記下方の地盤と前記コンクリート部材とを一体化させ、前記底盤の下部に地盤アンカー又は引抜抵抗杭を接続し、前記掘削空間の傾斜する部分に外周建物を構築し、前記コンクリート部材、前記下方の地盤、及び、前記外周建物の自重と、前記地盤アンカー又は引抜抵抗杭の抵抗力とにより、前記底盤に作用する浮力に抵抗することを特徴とする。

本発明によれば、掘削空間の周囲に段状部又は傾斜部を設けることで、大掛かりな地中壁を構築することなく、掘削空間を形成することができる。これにより、施工コストを削減することができる。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の地下構造の第１実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の建物構造１０を示し、（Ａ）は鉛直断面図であり（Ｂ）は平面図（図において上下対称のため、上半分のみを示す）である。同図に示すように、本実施形態の建物構造１０は、平面視矩形状に構築された地中壁４０内を、外周が複数段の段状になるように掘削してなる掘削空間２０の底部に構築された高層建物２２と、掘削空間２０の外周に形成された階段状の部分（以下、段状部３０という）の各段に構築された外周建物３２とにより構成される。掘削空間２０は、深度５０ｍ程度であり、かつ、その幅が１００ｍ以上である。

地中壁４０は、下端が遮水層に到達するような長さを有し、例えば、ソイルセメント壁などの遮水性を有するものを採用することができる。地中壁４０の上部には、例えば、鉄骨などからなり、段状部３０の最上段の部分に作用する土水圧を支持可能な長さを有する応力材４１が埋設されている。

段状部３０の各段の鉛直面には、土留壁３１が構築されている。土留壁３１としては、例えば、親杭横矢板工法による土留壁を採用することができる。外周建物３２はこれら土留壁３１と一体に、平面視矩形環状に構築されている。これら外周建物３２の屋上には屋上緑化３３が施されている。

高層建物２２は掘削空間２０の底部に構築された底盤２１上に構築されている。すなわち、高層建物２２は、外周に段状部３０を有する掘削空間２０内の中央に構築されているため、地表高さよりも低い階であっても、図中に矢印で示すように、十分な採光を確保することができる。このため、高層建物２２の地表高さよりも低い階もオフィスなどの居住空間として利用することが可能となる。

図２は、建物構造１０に作用する土圧を示す図である。同図に示すように、地中壁４０及び段状部３０の土留壁３１には、周囲の地盤から土圧が作用する。しかしながら、本実施形態では、通常の地中構造物のように掘削空間の底部から地表高さまでを地中壁により支持するのではなく、掘削空間２０の側部に段状部３０を設け、段状部３０の各段において土留壁３１で支持する構成としており、段状部３０の各段の土留壁３１及び地中壁４０の上部に作用する土圧は、段状部３０を設けない場合に比べて非常に小さくなる。このため、地中壁４０や土留壁３１に大きな耐力が求められず、上部に応力材４１が埋設されたソイルセメント壁からなる地中壁４０や、親杭横矢板からなる土留壁３１によっても支持することができる。

以下、本実施形態の建物構造１０を構築する方法を図３Ａ〜図３Ｆを参照しながら説明する。なお、本実施形態の建物構造１０は、図３Ａ〜図３Ｆの鉛直断面図において左右対称であるため、鉛直断面の左側のみを示す。

まず、図３Ａに示すように、地盤に平面視矩形状の地中壁４０を構築する。この際、地中壁４０の上部に応力材４１を埋設しておく。
次に、図３Ｂに示すように、段状部３０の最上段の底部の高さまで、地中壁４０で囲まれた地盤を掘削する。

次に、図３Ｃに示すように、段状部３０の２段目の土留壁３１を構築するとともに段状部３０の上から２段目の底部の高さまで土留壁３１内の地盤を掘削する。すなわち、まず、２段目の縁に当たる部分の地中に所定の間隔でＨ型鋼を打設する。そして、内部の地盤を掘削しながらＨ型鋼の間に矢板を掛け渡し、土留壁３１を構築する。
また、２段目の地盤の掘削作業と並行して、段状部３０の最上段の部分に外周建物３２を構築し、その屋上に屋上緑化３３を施す。

次に、図３Ｄに示すように、段状部３０の最下段の土留壁３１を構築するとともに掘削空間２０の底部の高さまで土留壁３１内の地盤を掘削する。すなわち、まず、段状部３０の最下段の縁に当たる部分の地中に所定の間隔でＨ型鋼を打設する。そして、内部の地盤を掘削空間２０の底部の高さまで掘削しながら、Ｈ型鋼の間に矢板を架け渡し、土留壁３１を構築する。
また、最下段の地盤の掘削作業と並行して、段状部３０の２段目の上部に外周建物３２を構築する。

次に、図３Ｅに示すように、掘削空間２０の底部に鉄筋コンクリート造の底盤２１を構築する。
次に、図３Ｆに示すように、底盤２１上に高層建物２２を構築する。
以上の工程により、建物構造１０を構築することができる。
なお、建物構造１０の構築方法は上記の方法に限られない。

本実施形態によれば、掘削空間２０の外周部に段状に形成された段状部３０を設けることにより、地中壁４０や土留壁３１に作用する土圧を抑えることができる。このため、地中壁４０や土留壁３１を大掛かりにする必要がなく、ソイルセメント壁や土留壁を採用することができ、コストを削減することができる。

また、通常、切梁は８０ｍ程度の長さまでしか設けることができないため、幅が１００ｍを超えるような掘削空間２０を形成することができなかった。これに対して、本実施形態では、地中壁４０や土留壁３１に作用する土圧が小さくなり、地中壁４０や土留壁３１が自立することができ、切梁を省略することができるため、幅が１００ｍを超えるような掘削空間２０を形成することができる。
また、掘削空間２０の外周部に段状部３０を設け、中央に高層建物２２を構築することにより、高層建物２２の地表よりも低い階であっても十分な採光が確保できる。

また、建物を地表面よりも低い階を構築する場合には、逆打ち工法が用いられているが、逆打ち工法では、地上階及び地下階の構築作業を行う前に逆打支柱の打設を行う必要があり、杭工事に時間を要する。また、地下階の構築作業は、支保工の構築作業及び地盤の掘削作業を行いながらの作業となるため、通常の地下階の構築作業に比べて時間を要する。このため、施工期間が長期化していた。

これに対して、本実施形態では、地中壁４０を構築した後、逆打支柱を打設することなく地盤の掘削作業を行うことができる。また、高層建物２２の地表よりも低い部分を地上階と同様に構築することができるため、この部分の構築作業に時間がかからない。このため、逆打ち工法に比べて、短期間で同規模の建物を構築することができる。

さらに、地盤を掘削する作業と並行して、掘削が完了した段状部３０において外周建物３２の構築作業や外周建物３２の屋上に屋上緑化３３を施す作業を行うことができるため、施工期間を短縮することができる。
なお、本実施形態では、建物構造１０に土圧のみが作用する場合について説明したが、これに限らず、地下水による浮力が作用する場合には、底盤２１の下方に拡径杭などの引抜抵抗杭や地盤アンカーを設ければよい。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の地下構造の第２実施形態について説明する。
図４は、本実施形態の建物構造１１０を示す鉛直断面図である。同図に示すように、本実施形態の建物構造１１０は、外周が中央に向かって斜めに下降するように掘削された掘削空間１２０の底部に構築された高層建物２２と、掘削空間１２０内の外周の傾斜部１３０に構築された外周建物１３２とにより構成される。また、本実施形態の建物構造１１０も第１実施形態と同様に平面視矩形に構築されている。
掘削空間１２０は、第１実施形態と同様に、深度が５０ｍ程度であり、また、その幅が１００ｍ以上である。なお、本実施形態では、地下水位が地上に近い高さであるものとする。

傾斜部１３０はその表面に鉄筋コンクリート造のマットスラブ１３１が構築されており、マットスラブ１３１上に段状の外周建物１３２が構築されている。また、傾斜部１３０は、傾斜角が主働崩壊角θ（４５°＋（φ／２）：φは内部摩擦角であり、例えば粘土層ではφ＝０°、θ＝４５°）よりも小さくなるように形成されている。このように傾斜角が主働崩壊角よりも小さいため、傾斜部１３０は土留壁等がなくても自立することが可能となる。

また、傾斜部１３０には、マットスラブ１３１を貫通し、地盤１３６内に到達するような芯材１３４が埋設されている。マットスラブ１３１の下方の地盤１３６はグラウトが充填されることにより、芯材１３４が埋設された状態で硬化している。また、芯材１３４の上端には、マットスラブ１３１の上面にプレート１３５を当接させた状態でボルト１３７が締め付けられており、これにより芯材１３４の上端がマットスラブ１３１に定着されている。

高層建物２２は掘削空間１２０内の底部に形成された底盤１２１上に構築されている。底盤は、地盤アンカー１２２に接続されている。高層建物２２は、周囲に傾斜部１３０が形成された掘削空間１２０の中央に構築されているため、図中に矢印で示すように、地表よりも低い高さの階であっても採光を確保できる。

図５は、本実施形態の建物構造１１０に作用する土水圧を示す図である。同図に示すように、建物構造１１０には上方に向かう水圧Ｆが作用する。このような水圧Ｆは、傾斜部に平行に斜め上方に向かう方向の力Ａと、水平方向の力Ａ´に分けて考えることができる。ここで、本実施形態の建物構造１１０は、平面視矩形であるため、鉛直断面において水平方向に対称な構造であるため、対称な位置における水平方向の力Ａ´同士が打ち消し合うこととなる。このため、マットスラブ１３１には、底盤１２１から傾斜面に沿うような斜め上方に向かう力Ａのみが作用する。

上記のようにマットスラブ１３１はその下方の地盤１３６と一体化している。このため、マットスラブ１３１にはマットスラブ１３１及び地盤１３６の自重Ｗが作用する。また、マットスラブ１３１に斜め上方に向かう力が作用すると、マットスラブ１３１と一体化した地盤１３６の下面には、その周囲の地盤から傾斜面に沿うような斜め下方に向かうせん断抵抗力Ｃが作用する。このため、底盤１２１からマットスラブ１３１に作用する斜め上方に向かう力Ａに対して、マットスラブ１３１及び地盤１３６の自重Ｗの傾斜面方向の成分Ｂと、マットスラブ１３１と一体化した地盤１３６に周囲の地盤から作用するせん断抵抗力Ｃにより抵抗することができる。このように、本実施形態の建物構造１１０では、水圧Ｆに対して、マットスラブ１３１及びマットスラブ１３１と一体化した地盤１３６の自重Ｗと、マットスラブ１３１と一体化した地盤１３６に作用するせん断抵抗力Ｃとにより抵抗する。このため、底盤１２１を支持するための地盤アンカー１２２の本数を減らすことが可能となる。

以下、本実施形態の建物構造１１０を構築する方法を図６Ａ〜図６Ｄを参照しながら説明する。
まず、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、地盤を掘削して掘削空間１２０を形成するとともに傾斜部１３０にマットスラブ１３１を構築していく。ここで、掘削空間１２０の周囲の傾斜部１３０の傾斜角が主働崩壊角よりも小さいため、土留壁を構築することなく地盤を掘削しても、周囲の地盤が崩壊することはない。

図７は、マットスラブ１３１の構築方法を説明するための図である。マットスラブ１３１の構築は、まず、同図（Ａ）に示すように、地盤を掘削して形成した傾斜面に鉛直に型枠１４０を立設し、傾斜面に沿うように鉄筋１３８を配筋する、

次に、同図（Ｂ）に示すように、型枠１４０内にコンクリート１３９を打設する。この際、コンクリート１３９として流動性の低いものを用いることで、傾斜面に沿うようにコンクリート１３９を打設することが可能となる。

次に、同図（Ｃ）に示すように、コンクリート１３９が硬化した後、コンクリート１３９を貫通し、地盤内に到達する孔１３１Ａを形成し、孔１３１Ａを通して、地盤１３６内にグラウトを圧入する。

次に、同図（Ｄ）に示すように、孔１３１Ａ内に芯材１３４を挿入する。
次に、地盤内に圧入したグラウトが硬化した後、芯材１３４の先端に孔を有するプレートをボルト１３７により締め付ける。
これにより、マットスラブ１３１の下方の地盤１３６がグラウトとともに硬化し、硬化した地盤１３６は芯材１３４を介してマットスラブ１３１と一体となる。

このように傾斜部１３０にマットスラブ１３１を構築した後、図６Ｃに示すように、掘削空間１２０の底部に地盤アンカー１２２を打設し、地盤アンカー１２２の上端部が接続されるように、鉄筋コンクリート造の底盤１２１を構築する。

次に、図６Ｄに示すように、底盤１２１上に高層建物２２を構築するとともに、マットスラブ１３１上に外周建物１３２を構築し、外周建物１３２の屋上に屋上緑化１３３を施す。
以上の工程により、建物構造１１０を構築することができる。
なお、建物構造１１０の構築方法は上記の方法に限られない。

本実施形態によれば、掘削空間１２０の周囲に傾斜角が主働崩壊角よりも小さい傾斜部１３０を設けることにより、傾斜面が自立可能であるため、土留壁を構築することなく、建物構造１１０を構築することができる。

また、マットスラブ１３１の下方の地盤１３６内にグラウトを圧入し、地盤１３６とマットスラブ１３１を貫通するように芯材１３４を埋設することで、マットスラブ１３１と、その下方の地盤１３６とが一体化する。これにより、底盤１２１に作用する浮力が一部がマットスラブ１３１に沿って斜め上方に作用するが、この力に対して、グラウトと一体化した地盤１３６と、その周囲の地盤１３６のせん断抵抗力及びマットスラブ１３１と地盤１３６の自重により抵抗する。このように、地盤１３６と、その周囲の地盤１３６のせん断抵抗力及びマットスラブ１３１と地盤１３６の自重により浮力に抵抗するため、底盤１２１に接続する地盤アンカー１２２を減らすことができる。

また、傾斜部１３０は自立可能であるため、複数の工区に分けて、何れかの工区でマットスラブ１３１を構築する作業を行い、これと並行して、他の工区で掘削作業を行うというように、異なる作業を並行して行うことができる。これにより、施工期間を短縮することが可能となる。

また、掘削空間１２０の周囲に傾斜部１３０を設けることにより、高層建物２２の地表面よりも低い部分においても採光を確保できる。
また、第１実施形態と同様に、逆打ち工法と比べて、本実施形態では、逆打支柱を打設することなく地盤の掘削作業を行うことができ、高層建物２２の地表よりも低い部分を地上階と同様に構築することができるため、この部分の構築作業に時間がかからない。このため、逆打ち工法に比べて、短期間で同規模の建物を構築することができる。

なお、本実施形態では、マットスラブ１３１を現場打ちコンクリートにより構築したが、これに限らず、ＰＣ部材を用いて構築してもよい。また、マットスラブ１３１に代えて、縦横に延びる梁を備えるフリーフレームを用いてもよい。

また、本実施形態では、土水圧に抵抗するため、底盤１２１に地盤アンカー１２２を接続するものとしたが、これに限らず、底盤１２１と一体に拡径杭など引抜抵抗杭を構築することとしてもよい。

なお、上記の各実施形態で、必ずしも、外周建物３２、１３２を構築する必要はなく、省略してもよい。また、外周建物３２、１３２の屋上の屋上緑化３３，１３３も省略してもよい。
また、上記の各実施形態では、掘削空間２０、１２０の周囲の全周に亘って、段状部３０又は傾斜部１３０を設けるものとしたが、これに限らず、周囲の一部のみに段状部３０又は傾斜部１３０を設けた場合も本発明に含まれる。
また、上記の各実施形態では、掘削空間２０、１２０を矩形としたが、これに限らず、多角形状や円形状にしてもよく、形状は問わない。
また、上記の各実施形態では、底盤２１，１２１上に高層建物２２を構築する場合について説明したが、これに限らず、各種建物や構造物を構築してもよい。

第１実施形態の建物構造を示し、（Ａ）は鉛直断面図であり（Ｂ）は平面図（図中上下対称のため、上半分のみを示す）である。 建物構造に作用する土圧を示す図である。 第１実施形態の建物構造の構築方法を説明するための鉛直断面図（その１）である。 第１実施形態の建物構造の構築方法を説明するための鉛直断面図（その２）である。 第１実施形態の建物構造の構築方法を説明するための鉛直断面図（その３）である。 第１実施形態の建物構造の構築方法を説明するための鉛直断面図（その４）である。 第１実施形態の建物構造の構築方法を説明するための鉛直断面図（その５）である。 第１実施形態の建物構造の構築方法を説明するための鉛直断面図（その６）である。 第２実施形態の建物構造を示す鉛直断面図である。 第２実施形態の建物構造に作用する土水圧を示す図である。 第２実施形態の建物構造の構築方法を説明するための鉛直断面図（その１）である。 第２実施形態の建物構造の構築方法を説明するための鉛直断面図（その２）である。 第２実施形態の建物構造の構築方法を説明するための鉛直断面図（その３）である。 第２実施形態の建物構造の構築方法を説明するための鉛直断面図（その４）である。 マットスラブの構築方法を説明するための図である。

符号の説明

１０、１１０ 建物構造 ２０、１２０ 掘削空間
２１、１２１ 底盤 ２２ 高層建物
３０ 段状部 ３１ 土留壁
３２、１３２ 外周建物 ３３、１３３ 屋上緑化
４０ 地中壁 ４１ 応力材
１２２ 地盤アンカー １３０ 傾斜部
１３１ マットスラブ １３４ 芯材
１３５ プレート １３６ 地盤
１３７ ボルト １３８ 鉄筋
１３９ コンクリート １４０ 型枠

Claims (5)

1. 周囲の少なくとも一部に中央に向かって斜め下方に傾斜するように、地下水位よりも深い位置まで地盤が掘削されてなる掘削空間が形成され、前記掘削空間の底部に構造物が構築され、
   前記掘削空間の傾斜する部分には、複数段の段状部が形成され、
   前記段状部の各段の鉛直面には、土留壁が構築され、外周建物が前記土留壁と一体に、平面視矩形状に構築されたことを特徴とする地下構造。
2. 周囲の少なくとも一部に中央に向かって斜め下方に傾斜するように、地下水位よりも深い位置まで地盤が掘削されてなる掘削空間が形成され、前記掘削空間の底部に構造物が構築され、
   前記掘削空間の傾斜する部分には、傾斜面が形成され、前記傾斜面には盤状のコンクリート部材が構築され、
   前記コンクリート部材を貫通し、当該コンクリート部材の下方の地盤内に先端が到達するように芯材が設けられ、
   前記下方の地盤はグラウトが浸透して硬化され、前記芯材を介して、前記コンクリート部材と一体化され、
   前記底部には底盤が構築され、前記底盤の下部には地盤アンカー又は引抜抵抗杭が接続され、
   前記掘削空間の傾斜する部分には外周建物が構築されていることを特徴とする地下構造。
3. 請求項１又は２記載の地下構造であって、
   前記構造物は高層建物であることを特徴とする地下構造。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の地下構造であって、
   前記外周建物の屋上部には屋上緑化が施されていることを特徴とする地下構造。
5. 周囲の少なくとも一部に中央に向かって斜め下方に傾斜するように、地下水位よりも深い位置まで地盤が掘削されてなる掘削空間が形成され、前記掘削空間の底部には底盤と構造物とが構築された地下構造における浮力対策方法であって、
   前記掘削空間の傾斜する部分に、傾斜面を形成して、前記傾斜面に盤状のコンクリート部材を構築し、
   前記コンクリート部材を貫通し、当該コンクリート部材の下方の地盤内に先端が到達するように芯材を設け、
   前記下方の地盤にグラウトを浸透させて硬化させ、前記芯材を介して、前記下方の地盤と前記コンクリート部材とを一体化させ、
   前記底盤の下部に地盤アンカー又は引抜抵抗杭を接続し、
   前記掘削空間の傾斜する部分に外周建物を構築し、
   前記コンクリート部材、前記下方の地盤、及び、前記外周建物の自重と、前記地盤アンカー又は引抜抵抗杭の抵抗力とにより、前記底盤に作用する浮力に抵抗することを特徴とする地下構造における浮力対策方法。