JP5718196B2 - 地下構造物構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、地下構造物構築方法に関する。

大深度掘削を伴う地下工事においては、工期短縮や周辺への影響低減を目的として、逆打ち工法が採用されるケースが多い。ここに逆打ち工法は、山留め壁を設けた後、本体構造の１階床を築造し、これで山留壁を支えながら順次下位階へ掘削と躯体の構築を繰り返していくものであり、その際、地下構造物の本設躯体である床と梁（床梁躯体）を支保工として利用する工法である。
床梁躯体を支保工として利用する場合、地下の作業空間において、シアーコネクター等の接合金具を用いて山留め壁と床梁躯体の端部を接合している。しかし、この接合作業は手間を要し、コストアップを招来するという問題がある。

そこで、地下の作業空間における床梁躯体の端部の支持を容易にする工法が提案されている（特許文献１）。
特許文献１の方法は、床梁躯体（床スラブ）の端部の支持方法として吊り下げ具を用いる方法である。即ち、先ず、地下構造物の中の最上階の床スラブの端部を、吊り下げ具を介して山留め壁の上端部に支持させる。そして、以下順次、吊り下げ具を介して下階の床スラブの端部を上階の床スラブに吊り下げ支持させる。

ここに、逆打ち工法においては、掘削深度が大きくなると、床梁躯体を支保工として利用するのみでは、山留め壁に変形が生じる場合がある。この変形を抑制するため、例えば、鋼製斜梁や鋼製切梁等の支保工が広く使用されている。しかし、地下の作業空間における鋼製斜梁や鋼製切梁等の使用は作業性が悪く、手間を要するという問題がある。

特許文献１は、支保工として床スラブを利用する構成である。このため、掘削深度が大きくなると、山留め壁の変形を抑制するために鋼製斜梁や鋼製切梁等の支保工が別途必要となるという課題は解決されていない。

特開昭６３−１８１８３１号公報

本発明は、上記事実に鑑み、掘削深度が大きくなっても、山留め壁の変形を抑制するための鋼製斜梁や鋼製切梁を必要としない、地下構造物構築方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る地下構造物構築方法は、地下構造物が構築される掘削部の周囲に山留め壁を構築する山留め壁構築工程と、地下の最上階から予め設定した基準階まで、地盤を掘削排土しながら、本設躯体の床及び梁となる床梁躯体を順次構築する床梁躯体構築工程と、前記基準階の床梁躯体を構築した後、前記山留め壁と一体化させて前記基準階の本設躯体の地下外壁を構築する立上り外壁構築工程と、前記基準階下の山留め壁部分を先行掘削し、前記山留め壁と一体化させて、前記床梁躯体の下面から立下り外壁を構築する立下り外壁構築工程と、前記立上り外壁及び前記立下り外壁の強度出現後、前記基準階下を掘削し、前記基準階下の床梁躯体を構築する基準階下床梁躯体構築工程と、を有することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、先ず、山留め壁構築工程により、地下構造物が構築される掘削部の周囲に山留め壁が構築される。次に、床梁躯体構築工程により、地上階から予め設定した基準階まで、地盤を掘削排土しながら、本設躯体の床及び梁となる床梁躯体が順次構築される。次に、立上り外壁構築工程により、地下の基準階の床梁躯体が構築された後、山留め壁と一体化させて基準階の本設躯体の外壁が構築される。次に、立下り壁構築工程により、基準階下の山留め壁部分が先行掘削され、山留め壁と一体化させて、床梁躯体の下面から立下り壁が構築される。最後に、基準階下床梁躯体構築工程により、立上り外壁及び立下り外壁の強度出現後、基準階下が掘削され、基準階下の床梁躯体が構築される。

請求項１に記載の発明を用いることにより、基準階の床梁躯体に加え、基準階の立上り外壁及び基準階下の立下り外壁が支保工として作用する。このため、鋼製斜梁や鋼製切梁を用いなくても山留め壁の変形を抑制できる。また、鋼製斜梁や鋼製切梁の解体作業も不要となる。これにより、作業性が改善される。
即ち、掘削深度が大きくなっても、山留め壁の変形を抑制するための鋼製斜梁や鋼製切梁を必要としない、地下構造物構築方法を提供できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の地下構造物構築方法において、前記山留め壁は芯材が挿入されたソイルセメント柱列壁であり、前記芯材には根切り後にスタッドが打ち込まれ、前記山留め壁と前記立上り外壁、前記床梁躯体及び前記立下り外壁が前記スタッドでそれぞれ一体化されていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、山留め壁には芯材が挿入され、芯材には根切り後にスタッドが打ち込まれる。このスタッドにより山留め壁と立上り外壁、山留め壁と床梁躯体及び山留め壁と立下り外壁がそれぞれ一体化されている。
これにより、山留め壁と立上り外壁、床梁躯体及び立下り壁が強く接合され、床梁躯体のみでなく、立上り外壁と立下り外壁を支保工として利用することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の地下構造物構築方法において、前記最終根切りの部位における前記基準階下床梁躯体は、基礎梁及び耐圧版が構築されていることを特徴としている。
即ち、根切り深さが大きい最終根切りの部位においても、山留め壁の変形を抑制するための鋼製斜梁や鋼製切梁を必要とせず、基礎梁と耐圧版を構築できる。

本発明は、上記構成としてあるので、掘削深度が大きくなっても、山留め壁の変形を抑制するための鋼製斜梁や鋼製切梁を必要としない、地下構造物構築方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る地下構造物構築方法により構築された床スラブと外壁の基本構成を示す断面図である。 従来の地下構造物構築方法において専用の支保工を用いた掘削部の基本構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る地下構造物構築方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る地下構造物構築方法の施工工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る地下構造物構築方法のスタッドによる接合状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る地下構造物構築方法の立下り壁の変形量の解析モデルを示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る地下構造物構築方法の立下り壁の変形量の解析モデルの土壌の物性値等を示す図である。 本発明の実施の形態に係る地下構造物構築方法の山留め壁の背面側側圧の解析モデルを示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る地下構造物構築方法の立下り壁の変形量の解析モデルを示す断面図である。 本発明の解析結果を示す山留め壁の変形量を示す特性図である。 本発明の解析結果を示す変位抑制率を示す特性図である。

図１の断面図に示すように、本実施の形態に係る地下構造物構築方法により構築された床スラブ２６、２８、３０、梁２７、２９、３１及び地下外壁４６、４８は、後述する施工工程に従い施工される。逆打工法において、掘削部２２の上部から順次下方へ構築された床スラブ２６、２８、３０、梁２７、２９、３１及び地下外壁４６、４８は支保工として利用される。

図１において、地盤２０が掘削された掘削部２２の周囲には、山留め壁２４が構築されている。山留め壁２４は、最終根切り位置４４より深い位置まで構築され、山留め壁２４の側壁には梁２７が接合されている。梁２７により、地上階（地下最上階）の床スラブ２６の周囲が支持されている。
床スラブ２６の下方には、地下１階の床スラブ２８が構築されている。床スラブ２８の周囲は、山留め壁２４に接合された梁２９で支持されている。

床スラブ２８の下方には、地下２階の床スラブ３０が構築されている。床スラブ３０は、山留め壁２４に接合された梁３１で、周囲が支持されている。
床スラブ３０は、後述する基準階の床スラブであり、床スラブ３０と梁２９の間には、本設躯体の地下外壁を構築する立上り外壁４６が、山留め壁２４と一体化されて設けられている。
また、床スラブ３０の下の階には、立下り外壁４８が山留め壁２４と一体化されて構築されている。立下り外壁４８は、梁３１の下面と最終根切り位置４４との中間程度の高さまで構築されている。

床スラブ３０の以深の掘削において、従来は山留め壁２４の変形を抑制するために、図２（Ａ）に示す鋼製斜梁５４や、図２（Ｂ）に示す鋼製切梁５６が採用されていた。
しかし、図１の構成とすることで、これらを必要とせずに、最終根切り面４４が深くても、最終根切り面４４まで掘削することができる。

次に、地下構造物構築方法について説明する。
本実施の形態に係る地下構造物構築方法は、図３のフローチャートに示す工程を経て実現される。以下、フローチャートに従い説明する。
先ず、山留め壁構築工程１０を実行する。
具体的には、図４（Ａ）に示すように、地盤２０に地盤表面から深さＨＹまで、山留め壁２４を構築する。山留め壁２４は、地下構造物が構築される掘削部の周囲に、地下構造物の最深部より深い位置まで、ソイルセメント柱列壁で構築されている。

ここに、ソイルセメント柱列壁は、図示しないオーガで原地盤（地盤２０）を掘削し、掘削土とセメントミルクとを混合攪拌して柱状の地盤改良体を形成し、地盤改良体の外周面同士を一部オーバラップさせて、連続した壁状に構築されている。山留め壁２４には、図示しない芯材となるＨ形鋼が挿入されている。Ｈ形鋼のフランジ表面には、根切り後にスタッドが打ち込まれる。

次に、床梁躯体構築工程１２を実行する。
具体的には、図４（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、地下の最上階から予め設定した基準階まで、地盤２０を掘削排土しながら、本設躯体の床スラブ及び梁を、山留め壁２４を利用して順次構築する。
即ち、先ず、地盤２０を、地盤表面から深さＨ１の１次根切り面３８まで掘削排土する（図４（Ｂ）参照）。

その後、掘削排土された掘削部２２に、最上階の床スラブ２６を構築する。床スラブ２６は鉄筋コンクリート製とされ、端部は山留め壁２４の外周面と接合されている。床スラブ２６は鉄筋コンクリート製の梁２７で周囲を支持されている。梁２７は、山留め壁２４の側壁と接合されている（図４（Ｂ）（Ｃ）参照）。
なお、床スラブ２６には、図示しない作業用の開口部が設けられており、作業用の開口部を利用して、１次根切り面３８以深の地下掘削作業が行われる。

梁２７及び床スラブ２６の構築後、地盤表面から深さＨ２の２次根切り面４０まで、続いて掘削排土する。その後、掘削部２２に、地下１階の床スラブ２８を構築する（図４（Ｃ）参照）。

掘削部２２に、梁２９及び床スラブ２８を構築した後、地盤表面から深さＨ３の３次根切り面４２まで、続いて掘削排土する。その後、掘削部２２に、地下２階の床スラブ３０を構築する（図４（Ｄ）参照）。

次に、立上り外壁構築工程１４を実行する。
具体的には、図４（Ｅ）に示すように、梁３１及び床スラブ３０を構築した後、山留め壁２４と一体化させて本設躯体の地下外壁４６を構築する。ここに、床スラブ３０は、本実施の形態が適用する際の基準階となる。

即ち、床スラブ３０以深は、後述するように、地盤２０から掘削部２２側に加えられる土圧が大きくなり、山留め壁２４に大きな変形が生じる。このため、山留め壁２４の変形を抑制させる目的で、地下外壁（立上げ外壁）４６を山留め壁２４に沿って構築する。

ここに、図５の断面図に示すように、山留め壁２４は、根切り後に、掘削部２２側のソイルセメントがＨ形鋼５０のフラン表面位置まで切除され、フランジ表面が露出されている。このＨ形鋼５０のフランジにはスタッド５２が埋め込まれている。スタッド５２により、山留め壁２４と立上げ外壁４６、及び山留め壁２４と梁３１が一体化される。

次に、立下り外壁構築工程１６を実行する。
具体的には、図４（Ｅ）に示すように、基準階下の山留め壁部分（山留め壁２４の周囲）を先行掘削し、山留め壁２４と一体化させて、床スラブ３０の下面から、下方へ向けて立下り外壁４８を構築する。
立下り外壁４８は、鉄筋コンクリート製とされている。立下り外壁４８の高さは、床スラブ３０と根切り底面４４との距離の半分位が望ましい。少な過ぎては効果が期待できず、多過ぎては、立下り外壁４８を構築するための先行掘削段階における山留め壁２４の変位が大きくなってしまうためである。
これにより、立下げ外壁４８を支保工として利用することが可能となり、山留め壁２４の変形を抑制できる。

また、図５に示すように、スタッド５２により、立下げ外壁４８と山留め壁２４が接合される。即ち、山留め壁２４には、芯材であるＨ形鋼５０が挿入され、Ｈ形鋼５０には根切り後にスタッド５２が打ち込まれている。このスタッド５２により、上述したように、山留め壁２４と、立上り外壁４６、梁３１、床スラブ３０及び立下り壁４８が一体化されている。
これにより、梁３１と床スラブ３０のみでなく、立上り外壁４６及び立下り壁４８を支保工として利用することができる。

最後に、基準階下床梁躯体構築工程１８を実行する。
具体的には、図４（Ｅ）に示すように、立上り外壁４６及び立下り外壁４８の強度出現後、基準階３０の下を掘削し、基準階下の床梁躯体を構築する。
上述の工程を経て、図１で説明した地下構造物が構築される。

なお、本実施の形態では、地下２階の床スラブ３０を基準階として説明した。しかし、これに限定されることはなく、地下掘削が更に継続される場合には、新たな基準階を従来の基準階の下の階（例えば地下３階）に移動させる。
これにより、上述と同様の手順を経て、新たな基準階の床スラブ、梁を構築し、立上り壁、立下り壁を構築した後に基準階下を掘削すればよい。更に、地下掘削が継続される場合にも、同様に基準階を順次移動させればよい。
また、立上り外壁４６及び立下り外壁４８の構築順序は、どちらを先に構築してもよいし、両者を同時に構築してもよい。

また、最終根切り面４４には、基礎梁３４及び耐圧版３６が構築される。ここに、基礎梁３４及び耐圧版３６の施工においては、耐圧版３６の構築後に基礎梁３４が構築され、構築後、基礎梁３４と耐圧版３６が一体化される。
かかる、根切り深さが大きい最終根切りの部位においても、山留め壁の変形を抑制するための鋼製斜梁５４や鋼製切梁５６を必要とせず、基礎梁３４と耐圧版３６を構築することができる。

以上説明したように、本施工方法を用いることにより、基準階３０の立上り外壁４６、及び基準階下の立下り壁４８を支保工として利用することができる。このため、鋼製斜梁５４や鋼製切梁５６を用いなくても山留め壁２４の変形を抑制することができる。これにより、作業性が改善される。
即ち、掘削深度が大きくなっても、山留め壁２４の変形を抑制するための鋼製斜梁５４や鋼製切梁５６を必要としない、地下構造物構築方法を提供できる。

次に、立下り外壁の効果検証について説明する。
効果検証は、立下り壁４８の変形量の解析により行った。図６に、解析に用いた立下り壁４８の断面形状を示す。立下り壁４８は、床スラブ３０を支持する梁３１の下に、梁３１の底面と上端部を接して設けられている。立下り壁４８の側面は、山留め壁２４の側面と接合されている。
図６において、立下り壁４８の長さＬは、梁３１の底面から立下り壁４８の底面までの長さであり、根切り深さＨは、梁３１の底面から掘削底４４までの深さである。

図７には、解析に用いた地盤定数及び山留め壁２４の物性値等を示す。なお、山留め壁２４の掘削深度は、本実施の形態に対応させた。即ち、山留め壁２４の深さは２２ｍであり、掘削深度は、１次根切りが１ｍ、２次根切りが６ｍ、３次根切りが１０ｍ、４次根切りが１７ｍである。地盤２０の地層は、地表から１０ｍの位置でＮ値が変化している。

図８に、山留め壁の解析モデルを示す。山留め壁２４の変形量の計算においては、山留め壁２４の根入れ部の地盤２０を弾塑性と仮定し、山留め壁２４の長さを有限として梁ばねモデルに基づいて解析した。
山留め壁２４の背面側側圧は、上載荷重ｑ（ｔ／ｍ^２）を考慮した下記（１）式で示すランキン・レザール式により主働側圧Ｐ_ａを用いた。

Ｐ_ａ＝（γ_ｔ・Ｚ−Ｐ_ｗ＋ｑ）・ｔａｎ^２（４５°−Φ／２）
−２・Ｃ・ｔａｎ（４５°−Φ／２）＋Ｐ_ｗ・・・（１）式
ここで、
Ｐ_ａ ：主働側圧（ｔｆ／ｍ^２）（但し、Ｐ_ａ≧Ｐ_ｗとする）
γ_ｔ ：土の単位体積重量（ｔｆ／ｍ^２）
Ｚ ：地表面からの深さ（ｍ）
Ｚ’ ：掘削底からの深さ（ｍ）
Ｐ_ｗ ：深さＺにおける背面側の水圧（ｔｆ／ｍ^２）
ｑ ：上載荷重（ｔ／ｍ^２）
Φ ：土の内部摩擦角（度）
Ｃ ：土の粘着力（ｔｆ／ｍ^２）
Ｐ_ｗｐ ：掘削底地盤の間隙水圧（ｔｆ／ｍ^２）

また、山留め壁２４の根入れ部の地盤２０は、弾性領域を塑性領域に分けて考え、弾性領域では、平衡側圧と山留め壁２４の変位に１次的に比例する弾性反力が、塑性領域では極限の受働抵抗が山留め壁２４に作用するものとする。極限の受働抵抗は、ランキン・レザール式による受働側圧Ｐ_ａを用いた。

図９の模式図に示すように、立下り壁４８は弾性バネと仮定してモデル化し、バネ定数Ｋ_ｐは、下記（２）式により求めた。
Ｋ_ｐ＝１／（（１／Ｋ_ｐ１）＋（１／Ｋ_ｐ２））・・・（２）式
ここに、
Ｋ_ｐ１ ：梁３１及び床スラブ３０を支保工として評価した時のバネ定数
Ｋ_ｐ２ ：立下り外壁４８を片持ち梁として評価した時のバネ定数
Ｋ_ｐ１＝２Ａ_ｃＥ_ｃ／Ｌ_ｓ
Ｋ_ｐ２＝３Ｅ_ｅＩ_ｅ／Ｌ^３
ここに、
Ａ_ｃ ：梁３１及び床スラブ３０の単位幅当りの断面積（ｍ^２／ｍ）
Ｅ_ｃ ：梁３１及び床スラブ３０のヤング率（ｔ／ｍ^２）
Ｅ_ｅ ：立下り壁４８と山留め壁２４を合成構造とした時のヤング率（ｔ／ｍ^２）
Ｌ ：立下り壁４８の長さ（ｍ）
Ｌ_ｓ ：梁３１及び床スラブ３０の長さ（ｍ）
Ｉ_ｅ ：立下り壁４８と山留め壁２４を合成構造とした時の単位当りの断面２次モーメント（ｍ^４／ｍ）

図１０に解析結果の一例を示す。図１０には、山留め壁２４の深さ方向に算出した、山留め壁２４の変形量が示されている。
図１０（Ａ）の実線で示す特性６０は、床スラブ２６、２８、３０と梁２７、２９、３１以外には補強がされていない状態での山留め壁２４の変形量ｙ_０の変化を示している。
一方、図１０（Ｂ）の実線で示す特性６２は、床スラブ２６、２８、３０と梁２７、２９、３１に加えて、立下り壁４８で補強された山留め壁２４の変形量ｙ_１の変化を示している。

即ち、床スラブ２６から床スラブ２８の間においては、まだ、掘削深度が浅いため、地盤２０から掘削部２２側へ加えられる土圧は小さい。このため、図１０（Ａ）（Ｂ）のいずれにおいても、山留め壁２４には大きな変形は生じていない。
床スラブ２８から床スラブ３０の間においては、まだ、掘削深度がそれほど深くないため、地盤から掘削部２２側に加えられる土圧は大きくはない。しかし、床スラブ３０の近くでは急激に大きくなってきている。結果として、山留め壁２４は、図１０（Ａ）（Ｂ）のいずれにおいても、大きな変形を伴わずに耐えることができる。

床スラブ３０から最終根切り面４４の間においては、山留め壁２４の変形が大きくなっている。特に、図１０（Ａ）における変形量ｙ_０が大きくなっている。一方、図１０（Ｂ）における変形量ｙ_１は、図１０（Ａ）に比べるとさほど大きくなってはいない。これは、立下り壁４８の補強の効果といえる。即ち、立下り壁４８を設けることにより、山留め壁２４の変形を抑制することができる。

次に、図１１の解析結果を用いて、立下り壁４８の望ましい形状について説明する。
図１１は、横軸に、立下り壁の長さＬと立下り壁４８の構築後の根切り深さＨの比Ｌ／Ｈをとり、縦軸に、補強がされないときの山留め壁２４の変形量ｙ_０と補強がさたときの山留め壁２４の変形量ｙ_１との比ｙ_１／ｙ_０をとっている。
図１１には、立下り壁４８の長さＬと厚さＢの比Ｌ／Ｂを変化させたときの特性がプロットされている。特性６４は、Ｌ／Ｂ＝２．０の条件での特性であり、特性６６は、Ｌ／Ｂ＝４．０の条件での特性であり、特性６８は、Ｌ／Ｂ＝６．０の条件での特性である。

結果から、立下り壁４８の長さＬと掘削深度Ｈの比Ｌ／Ｈが０．５前後で、山留め壁２４の変形量の比ｙ_１／ｙ_０が最も小さくなる傾向が見られる。即ち、掘削深度Ｈの半分程度まで立下り壁４６を構築すれば、山留め壁２４の変形量を抑制する効果が大きくなるといえる。
また、立下り壁４８の長さＬと厚さＢの比Ｌ／Ｂにおいて、厚さＢが大きいほど山留め壁２４の変形量を抑制する効果が大きい。即ち、立下り壁４６の厚さＢは、山留め壁２４の変形を吸収することができる厚さが必要といえる。

１０ 山留め壁構築工程
１２ 床梁躯体構築工程
１４ 立上り外壁構築工程
１６ 立下り外壁構築工程
１８ 基準階下床梁躯体構築工程
２０ 地盤
２２ 掘削部
２４ 山留め壁
２６ 床スラブ（床梁躯体）
２８ 床スラブ（床梁躯体）
３０ 床スラブ（床梁躯体）
３４ 床スラブ（床梁躯体）
３６ 耐圧版
４６ 地下外壁（立上り外壁）
４８ 地下外壁（立下り外壁）
５０ Ｈ形鋼（芯材）
５２ スタッド

Claims (3)

1. 地下構造物が構築される掘削部の周囲に山留め壁を構築する山留め壁構築工程と、
   地下の最上階から予め設定した基準階まで、地盤を掘削排土しながら、本設躯体の床及び梁となる床梁躯体を順次構築する床梁躯体構築工程と、
   前記基準階の床梁躯体を構築した後、前記山留め壁と一体化させて前記基準階の本設躯体の立上り外壁を構築する立上り外壁構築工程と、
   前記基準階下の山留め壁部分を先行掘削し、前記山留め壁と一体化させて、前記床梁躯体の下面から立下り外壁を構築する立下り外壁構築工程と、
   前記立上り外壁及び前記立下り外壁の強度出現後、前記基準階下を掘削し、前記基準階下の床梁躯体を構築する基準階下床梁躯体構築工程と、
   を有する地下構造物構築方法。
   
2. 前記山留め壁は芯材が挿入されたソイルセメント柱列壁であり、前記芯材には根切り後にスタッドが打ち込まれ、前記山留め壁と前記立上り外壁、前記床梁躯体及び前記立下り外壁が前記スタッドでそれぞれ一体化されている請求項１に記載の地下構造物構築方法。
   
3. 前記最終根切りの部位における前記基準階下床梁躯体には、基礎梁及び耐圧版が構築されている請求項１又は２に記載の地下構造物構築方法。

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