JP5584646B2 - パイプルーフの施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、地下に構築されるパイプルーフの施工方法に関するものである。

従来、地下構造物の施工において、パイプルーフ工法が適用されている。パイプルーフは、複数の鋼管が一体となって構成される。例えば、一対のトンネルの間に構造体を構築する場合などにおいて、構造体施工位置の上方にパイプルーフを構築し、パイプルーフ下方を掘削し、掘削した空間に構造物が構築される。

このようなパイプルーフを用いた地下構造物の構築方法としては、例えば、間隔を置いて併設する２以上のトンネルを地盤内に構築する工程と、該トンネルの延伸方向に延びるパイプルーフを地盤内に構築しながら、併設するトンネル間に該パイプルーフを掛け渡す工程と、該パイプルーフ下を掘削して空間を形成し、該空間内に併設するトンネル間を跨ぐトラス架構体を構築してパイプルーフを支持させる工程と、トラス架構体下の併設するトンネル間の地盤を掘削してトンネル間を貫通させる工程と、からなる大断面トンネルの構築方法がある（特許文献１）。

特開２００６−３２２２２２号公報

しかし、特許文献１に記載のパイプルーフの構築方法においては、パイプルーフ下をバックホー等で掘削する旨は記載されているが、鋼管同士の間の掘削については具体的に記載されていない。特に、掘削箇所が地下水以深の場合には、地盤改良や凍結工を行う旨の記載はあるものの、凍結土の掘削方法は具体的に記載がなく、通常の機械的な掘削が行われるものである。

しかし、パイプルーフを構成する鋼管同士を、隙間をあけて配置する場合には、鋼管同士の隙間が狭く、重機等を使用することが困難であった。一方、凍結工を施した場合には、凍土の損傷を防ぐため、通常、凍土に対して水を用いることができず、水による土砂の除去を行うことはできなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、作業性に優れ、凍土を損傷することなく鋼管同士の間の土砂を除去することが可能なパイプルーフの施工方法を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、本発明は、パイプルーフの施工方法であって、地盤に複数の鋼管を打設する工程（ａ）と、少なくとも前記鋼管同士の間の上方の地盤を凍結止水する工程（ｂ）と、前記鋼管同士の間の凍土および土砂を除去する工程（ｃ）と、前記鋼管同士を一体化する工程（ｄ）と、を具備し、前記工程（ｃ）は、凍結止水性能が維持されるように凍結止水部の温度を測定しながら、鋼管同士の間の凍土および土砂をウォータージェットで除去することを特徴とするパイプルーフの施工方法である。

前記工程（ｃ）は、鋼管の軸方向に移動可能な第１の移動手段と、鋼管の軸方向に略垂直であって、鋼管同士の間の土砂を掘り起こす方向に移動可能な第２の移動手段と、によりそれぞれの方向に移動可能なノズルを用い、前記ノズルを前記第２の移動手段の移動方向を軸に回転させながら水を噴射して鋼管同士の間の凍土および土砂を除去することが望ましい。

前記第１の移動手段は、隣り合う前記鋼管の内面側にそれぞれ設けられる支柱と、前記支柱に取り付けられ、前記鋼管の併設方向に設けられるフレームと、前記フレームに設けられ、前記鋼管の軸方向に形成されるレールと、前記レールに沿って移動可能な移動装置と、を具備し、前記第２の移動手段は、前記移動装置に設けられ、前記ノズルを昇降可能な昇降部を具備し、前記移動手段には前記ノズルを回転させる回転部が設けられてもよい。

前記ノズルは、複数の方向に水を噴射可能であり、掘削方向に水を噴射して凍土および土砂を掘削すると同時に、鋼管側面方向に水を噴射して鋼管側面を洗浄しながら鋼管同士の間の凍土および土砂を除去してもよい。

凍結止水部における温度の測定位置と温度とを、事前に求められた凍結止水部の温度分布と比較することで、凍結止水部全体の温度分布を予測し、凍結止水性能が維持されているかを判断してもよい。

前記工程（ａ）において打設される前記鋼管には、隣り合う鋼管方向に張り出した凍土および土砂除去部区画部材が前記鋼管の長手方向に沿って接合されており、前記工程（ｃ）において、前記鋼管同士の間の前記凍土および土砂除去部区画部材の下方の凍土および土砂を除去してもよい。

前記工程（ａ）は、前記鋼管の長手方向と略垂直な方向にアーチ状のパイプルーフを形成してもよい。

本発明によれば、凍土の温度を測定しながら凍土および土砂の除去を行うため、凍土が損傷することがない。したがって、凍結止水性能を維持した状態で、確実に鋼管同士の間の凍土および土砂を除去することができる。このため、狭隘な部位で重機等を用いる必要がない。

また、水を噴射するノズルを鋼管の軸方向および掘削方向のそれぞれに移動可能とし、さらにノズルを回転させながら水を噴射することで、掘削範囲の凍土および土砂を効率良く除去することができる。

また、少なくとも２方向にノズルから水を噴射することで、鋼管間の凍土および土砂の除去とともに、鋼管の表面を洗浄することができる。このため、鋼管表面を別途洗浄する必要がなく、その後の鋼管間へのモルタル等の充填の際に、より高いモルタルの密実性とモルタルと鋼管の密着性を得ることができる。

また、凍結止水部で測定した温度と、あらかじめ計算された温度分布とから、凍結止水部全体の温度分布を予測して、凍結止水性能を判断するため、少ない温度測定箇所で、より高い精度で凍結止水部の温度分布を予測することができる。

また、鋼管同士の間に凍土および土砂除去部区画部材が設けられれば、凍土および土砂除去部区画部材によって、凍土および土砂の除去範囲が明確となり、容易に鋼管同士の間の凍土および土砂を掘削することができる。

また、鋼管の長手方向とは垂直な方向にアーチ状にパイプルーフが形成されるため、アーチ効果によって効率良くパイプルーフがアーチの法線方向からの荷重を受けることができる。

本発明によれば、作業性に優れ、凍土を損傷することなく鋼管同士の間の凍土および土砂を除去することが可能なパイプルーフの施工方法を提供することができる。

（ａ）はパイプルーフ１を示す図、（ｂ）はパイプルーフ１ａを示す図。 鋼管３をアーチ状に設置した状態を示す図で、（ａ）はトンネル軸方向から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 パイプルーフ１上方の地盤を凍結止水した状態を示す図。 パイプルーフ１下方に移動装置２１等を取り付けた状態のトンネル軸方向から見た図。 パイプルーフ１下方に移動装置２１等を取り付けた状態のトンネル側方から見た図。 ノズル２７から水を噴射する状態を示す図。 土砂を除去する工程を示す図。 凍結土壌１３の温度分布を示す概念図。 移動装置２１の配置を変更させる状態を示す図。 鋼管１３同士の間にモルタル３７を充填した状態を示す図。

以下、本発明の実施の形態にかかるパイプルーフの施工方法について説明する。図１（ａ）は、本発明により構築されたパイプルーフ１を示す図である。パイプルーフ１は、鋼管の長手方向と略垂直な方向にアーチ状に形成される。このようなパイプルーフ１の下方には、地下構造物１０が構築される。地下構造物１０は、例えば、一対のトンネルと、トンネルの間に形成された合流部等を構成する躯体から構成される。なお、本発明のパイプルーフ１は、地下に構築される構造物であれば、図１（ａ）に示す設置例に限られない。

また、パイプルーフ１は、円断面の鋼管以外でも任意の断面形状のものが使用できる。また、図１（ｂ）に示すパイプルーフ１ａのように、鋼管をアーチ状に形成せずに鋼管軸方向に対して垂直にまっすぐに配列してもよい。

次に、パイプルーフ１の施工方法について説明する。図２は、地下にパイプルーフ１（鋼管３）を打設した状態を示す図で、図２（ａ）はトンネル軸方向より見た図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。まず、図２に示すように、地下構造物の施工部上に立坑５が構築される。次いで、立坑５より、複数の鋼管３を打設してパイプルーフ１が構築される。なお、パイプルーフの施工は、立坑のみからではなく、のり面や既設躯体から行ってもよい。

鋼管３は、軸方向に略まっすぐであり、並列方向に対してアーチ状に設置される。すなわち、複数の鋼管３は鋼管３の軸方向に対して略垂直な方向にアーチ状に配置される。

次に、図３に示すように鋼管３上方（鋼管３同士の間）の地盤改良が行われる。図３は、図２（ａ）のＢ部に対応する部位の拡大図である。図３に示すように、鋼管３は、あらかじめ両側方にずれ止筋１１が設けられる。ずれ止筋１１は、鋼管３の長手方向に沿って溶接されており、鋼管３を打設した際に、隣り合う鋼管同士の互いの間に位置する部位に配置される。

鋼管３内部の上方（例えば、鋼管３の中心から両側方に略４５度程度の位置）には凍結管７が設置される。凍結管７内部には図示を省略したポンプ等によって冷媒を流すことが可能である。なお、凍結管７の配置や本数は図示した例に限られない。また、凍結管７は、あらかじめ鋼管３に設けておいてもよいが、パイプルーフに隣接するように、隣接地盤に別途設置してもよい。

鋼管３外方の凍結管７の設置位置に略対応する位置には、凍土および土砂除去部区画部材である板部材９が設けられる。板部材９はあらかじめ鋼管３に溶接等によって接合されており、鋼管３の長手方向に沿って形成される。板部材９は、鋼管３の両側方に向けて設けられている。鋼管３を打設する際には、図３に示すように、隣り合う鋼管３のそれぞれの板部材９および鋼管３同士が所定間隔をあけて打設される。なお、板部材９は例えば鋼板であるが、鋼管同士の間の凍土および土砂を除去する範囲を区画できれば、板状その他の形態でも良い。

凍結管７に冷媒を流すと、図３に示すように、鋼管３の上方（鋼管３同士の間の上方）が凍結土壌１３となる。すなわち、板部材９の上方（板部材９近傍）の土壌が凍結する。したがって、鋼管３同士の上方が止水される。なお、鋼管３同士の間の板部材９上方は凍結止水されるため、板部材９は、単体で上方からの凍土および土砂を受け持つほどの強度は不要である。

このような地盤改良を各鋼管３に対して行うことで、パイプルーフ１上方全体に凍結土壌１３が形成され、パイプルーフ１の上方から下方に対して止水を行うことができる。土壌の止水後、パイプルーフ１下方の所定範囲の土砂を掘削する。この際、必要に応じて支保工を用いてもよい。なお、土砂を掘削した方向がパイプルーフの内面側となる。

次に、鋼管３同士の間の凍土および土砂を除去する。図４はパイプルーフ１下方に移動装置２１等を取り付けた状態のトンネル軸方向から見た図、図５はトンネル側方から見た図である。凍土および土砂が掘削された範囲において、隣り合う鋼管３の内面側には、それぞれ支柱１５が接合される。また、支柱１５は、図５に示すように、鋼管３の軸方向に所定の間隔をあけて同様に設けられる。

隣り合う鋼管３に設けられたそれぞれの支柱１５にまたがるように、フレーム１７が設けられる。鋼管３の軸方向に離間して形成された一対のフレーム１７にはレール１９が接合される。すなわち、レール１９は鋼管３の軸方向に沿って設けられる。レール１９には、レール１９に沿って移動可能な移動装置２１が取り付けられる。すなわち、第１の移動手段である移動装置２１は、モータ２３等によって鋼管３の軸方向に往復移動することができる（図５の矢印Ｅ方向）。

移動装置２１には、さらに昇降部２５が設けられる。第２の移動手段である昇降部２５は、鋼管３の軸方向に対して垂直な方向（凍土および土砂の掘削方向であって図４、図５の矢印Ｃ方向）に図示を省略したモータ等によって先端に取り付けられたノズル２７を移動させることができる。

ノズル２７は、図示を省略した水の圧送装置等に接続される。また、ノズル２７は、昇降部２５の移動方向を軸として、スイベルジョイント等によって回転可能（図４の矢印Ｄ方向）である。したがって、ノズル２７は、鋼管３の軸方向およびこれと垂直な方向に移動可能であるとともに、自らが回転しながら、水を噴射することができる。なお、ノズルの移動および回転は、遠隔操作することができる。

図６は、鋼管３同士の間に対して、ノズル２７から水を噴射した状態を示す図である。ノズル２７は、複数方向に水を噴射することができる。例えば、前述した昇降部の移動方向である、凍土および土砂の掘削方向に噴射するとともに（図中矢印Ｆ方向）、ノズル２７の側方に向けて、水を噴射する（図中矢印Ｇ方向）。この場合、Ｆ方向の水は、主に凍土および土砂を掘削するために用いられ、Ｇ方向の水は、主に鋼管３の表面に付着した凍土および土砂を洗浄・除去するために用いられる。

図７は、移動装置２１と昇降部２５（いずれも図５参照）の動作を示す図である。ノズル２７は、一定の高さを保持した状態で、移動装置２１によって鋼管の軸方向に沿って移動し、鋼管の間の凍土および土砂を所定の量だけ除去する。ノズル２７がレールの端部まで移動し、所定範囲の凍土および土砂を除去し終えると、昇降部２５が動作し、ノズル２７を所定量掘削方向に移動させる。ノズル２７はさらにその高さを保持した状態で、移動装置２１によって鋼管の軸方向に沿って移動する。以上を繰り返して、所定量の凍土および土砂を除去する（図中矢印Ｈ方向）。

この際、ノズルからの水によって除去される凍土および土砂の上部には凍結土壌１３が設けられる。凍結土壌１３が水によって損傷を受けると、止水機能を発揮できず、上部から水が施工部に流れ出てくる。したがって、凍結土壌１３の止水性能を維持した状態で、必要な範囲の凍土および土砂を除去する必要がある。

本発明では、凍結土壌１３の温度を測定しながら、水の噴射を行う。図８は、凍結土壌１３の温度分布を示す概念図である。鋼管３の内部から凍結土壌１３に向けて、温度計２９が挿入される。温度計２９は、凍土および土砂除去部の上部近傍の温度を測温可能であり、鋼管３の軸方向に複数個所設けられる。温度計２９は、凍結土壌１３の複数個所の測温部３１ａ、３１ｂ、３１ｃで温度を測定可能である。なお、測温部の位置や数は、図示した例に限られない。

ここで、鋼管３および凍結管７の位置と、凍結管７を流れる冷媒温度とから、周囲の凍土および土砂の温度分布があらかじめ算出される。本発明では、あらかじめ算出された温度分布に対して、実際に測温された温度を加味して等温線３３の温度が予測される。すなわち、水の噴射に伴い、周囲の凍土および土砂や鋼管３自体の温度が上昇する。このため、あらかじめ算出された温度分布に対して、水の噴射により全体的に温度が上昇したとして、当該周辺の凍結土壌１３の温度を予測する。

凍結土壌１３の温度が上昇し、凍結土壌による止水性が維持できないと判断すれば、水の噴射を停止する。したがって、確実に凍結止水性能が維持できる状態とすることができる。

このように、本発明では、鋼管３の間が凍結土壌１３によって確実に止水されるため、鋼管３の間の凍土および土砂を掘削してもパイプルーフ１上方から漏水等が起こることがなく、また、凍土および土砂等が落下することもない。

ここで、本発明では、例えば約１ｍ径の鋼管３に対して、ノズルの噴射孔は０．５〜０．６ｍｍΦであり、２００ＭＰａの圧力で用いても、噴射される水の量は約２４リットル／分程度と極めて少ない。したがって、ノズル先端からの掘削可能距離が短い。例えば、本発明では、ノズルを凍土および土砂に向けて同一位置で３０秒以上保持したとしても、２０ｃｍ以上は凍土および土砂の掘削ができないように流量等が設定される。このようにすることで、凍結土壌１３に過剰に水を噴射して止水性能を劣化させることがない。

なお、本発明では、ノズルが常に移動しながら水を噴射するため、同一箇所に水を噴射し続けることがなく、さらに、温度測定を行いながら凍土および土砂を除去するため、上述した水の噴射条件と相まって、確実に止水性能を維持した状態で凍土および土砂を除去することができる。

隣り合う鋼管３同士の間の凍土および土砂が板部材９の下面まで除去されると、次に、隣の列の鋼管同士の間の凍土および土砂を同様の手順で除去する。図９は、移動装置２１等を移動させる状態を示す図である。レールおよび移動装置２１等は、フレーム１７に対する設置位置を変更するのみでよい。例えば、レールおよび移動装置２１等をフレーム１７のそれぞれの端部近傍に移動設置することで（図中矢印Ｉ、Ｊ方向）、鋼管３同士の間の３列の凍土および土砂を効率良く除去することができる。

なお、パイプルーフ１がアーチ状である場合には、フレーム１７に対して、ノズルの向き（昇降部２５の移動方向）が必ずしも垂直にならない場合がある。このような場合には、フレーム１７にレールを設置する際に、レールの向き（レールの長手方向を軸とした場合に当該軸を回転軸にして回転する方向）を調整可能とすればよい。

必要な凍土および土砂を除去後、図１０に示すように、パイプルーフ１の下部に型枠３５が設置される。また、鋼管３同士の間であって板部材９の下方の領域に圧縮力伝達部材であるモルタル３７が打設される。

モルタル３７が固結すると、鋼管３同士が一体化される。この際、鋼管３の側方であって、モルタル３７との接触位置にずれ止筋１１が設けられ、さらに、鋼管３の側面が洗浄されているため、モルタル３７と鋼管３とが確実に一体化される。なお、型枠３５は、モルタル３７固結後に撤去してもよく、そのまま埋設してもよい。

以上によりパイプルーフの一体化が完了する。なお、所定範囲のパイプルーフの一体化が完了すると、さらにパイプルーフの先端部に向けて、（未一体化である）パイプルーフ下方を掘削し、上述の作業を繰り返す。すなわち、所定距離のパイプルーフ下方を掘削した後、当該範囲の鋼管同士の間の凍土および土砂を除去して鋼管同士を一体化させる。以上を繰り返して、パイプルーフ１の施工が完了する。

パイプルーフ１の施工が完了すると、パイプルーフ１の下方を掘削して構造物を構築する。この際、上方でパイプルーフ１が完全に一体化されているため、上方の土水圧をパイプルーフ１が受け持つことが可能である。このため、パイプルーフ１下部に支保工等を設置する必要がなく、躯体の設置時に、躯体と支保工とが干渉することもない。なお、パイプルーフが一体化された後、または前に、各鋼管内部にもモルタルを充填することで、より高強度なパイプルーフを得ることができる。

本実施の形態にかかるパイプルーフの施工方法によれば、凍結土壌に対しても、凍結止水性能を維持したまま、ウォータージェットで鋼管間の凍土および土砂を除去することができる。したがって、狭隘な作業空間で重機を扱う必要がない。また、ノズルは常に移動しつつ、凍結土壌の温度を測定しながら凍土および土砂を除去するため、凍結土壌を損傷することがなく、止水性能を確実に維持することができる。特に、測温された温度とあらかじめ算出された凍結土壌の温度分布とから、現状の凍結土壌の温度分布を予測するため、測温部を減らすことができる。

また、ウォータージェットによって鋼管３表面の凍土および土砂の除去・洗浄を行うことができるため、その後のモルタル３７の打設の際に、モルタル３７と鋼管３とを確実に一体化することができる。また、板部材９が設けられるため、凍土および土砂の除去範囲が明確となり、過剰に凍土および土砂を除去しすぎることがない。

また、ノズルの移動装置２１等は、フレーム１７への設置位置を変更することが可能であるため、複数列の鋼管間の凍土および土砂を効率良く除去することができる。

また、アーチ状にパイプルーフ１が形成されるため、上方からの土水圧をパイプルーフ１が受け持つことができ、躯体構築部位に支保工等を設置する必要がない。このため、躯体構築時に支保工と躯体とが干渉することがない。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１ａ………パイプルーフ
３………鋼管
５………立坑
７………凍結管
９………板部材
１１………ずれ止筋
１３………凍結土壌
１５………支柱
１７………フレーム
１９………レール
２１………移動装置
２３………モータ
２５………昇降部
２７………ノズル
２９………温度計
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ………測温部
３３………等温線
３５………型枠
３７………モルタル

Claims (7)

1. パイプルーフの施工方法であって、
   地盤に複数の鋼管を打設する工程（ａ）と、
   隣り合う前記鋼管の間の上方の地盤を凍結止水する工程（ｂ）と、
   隣り合う前記鋼管の間の凍土および土砂を除去する工程（ｃ）と、
   前記鋼管同士を一体化する工程（ｄ）と、
   を具備し、
   前記工程（ｃ）は、凍結止水性能が維持されるように凍結止水部の温度を測定しながら、鋼管同士の間の凍土および土砂をウォータージェットで除去することを特徴とするパイプルーフの施工方法。
2. 前記工程（ｃ）は、鋼管の軸方向に移動可能な第１の移動手段と、鋼管の軸方向に略垂直であって、鋼管同士の間の土砂を掘り起こす方向に移動可能な第２の移動手段とを用い、それぞれの方向にノズルが移動可能であり、前記ノズルを移動させるとともに、前記第２の移動手段の移動方向を軸に回転させながら水を噴射して鋼管同士の間の凍土および土砂を除去することを特徴とする請求項１記載のパイプルーフの施工方法。
3. 前記第１の移動手段は、隣り合う前記鋼管の内側にそれぞれ設けられる支柱と、前記支柱に取り付けられ、前記鋼管の併設方向に設けられるフレームと、前記フレームに設けられ、前記鋼管の軸方向に形成されるレールと、前記レールに沿って移動可能な移動装置と、を具備し、
   前記第２の移動手段は、前記移動装置に設けられ、前記ノズルを昇降可能な昇降部を具備し、
   前記移動装置には前記ノズルを回転させる回転部が設けられることを特徴とする請求項２記載のパイプルーフの施工方法。
4. 前記ノズルは、複数の方向に水を噴射可能であり、掘削方向に水を噴射して凍土および土砂を掘削すると同時に、鋼管側面方向に水を噴射して鋼管側面を洗浄しながら鋼管同士の間の凍土および土砂を除去することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の地下構造物の施工方法。
5. 凍結止水部における温度の測定位置と温度とを、事前に求められた凍結止水部の温度分布と比較することで、凍結止水部全体の温度分布を予測し、凍結止水性能が維持されているかを判断することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のパイプルーフの施工方法。
6. 前記工程（ａ）において打設される前記鋼管には、隣り合う鋼管方向に張り出した凍土および土砂除去部区画部材が前記鋼管の長手方向に沿って接合されており、
   前記工程（ｃ）において、前記鋼管同士の間の前記凍土および土砂除去部区画部材の下方の凍土および土砂を除去することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のパイプルーフの施工方法。
7. 前記工程（ａ）は、前記鋼管の長手方向と略垂直な方向にアーチ状のパイプルーフを形成することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のパイプルーフの施工方法。

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