JP6624444B2

JP6624444B2 - 凍結工法

Info

Publication number: JP6624444B2
Application number: JP2016011549A
Authority: JP
Inventors: 小林　伸司; 伸司小林; 幸一浜口
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2036-01-25
Also published as: JP2017133164A

Description

本発明は、地盤を凍結させる凍結工法に関する。

従来、地盤の安定化、防水層の形成などを目的とした防護工として凍結工法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、トンネル掘進機で地盤を掘削してトンネルを構築する際、特に、道路トンネルの分岐・合流部や鉄道トンネルの渡り線部などの大断面トンネルを構築する際の発進・到達時やセグメント切り開き時（シールドトンネルの地中拡幅時）などに、凍結工法が用いられている。

特開２００５−２６４７１７号公報

ここで、大断面トンネルを構築する際などの大規模な凍土造成を行う場合や凍結対象地盤に粘性土が含まれている場合には、地盤の凍結による膨張圧が大きくなり、組み立てたセグメント（周囲の構造物など）に凍結膨張圧による過大な荷重が作用してセグメントボルトが破断したり、セグメントが破損するおそれがある。

また、凍結工法では、凍結管にブラインを循環させるとともに凍結管周囲に凍土が造成されて膨張が生じ、ブライン流通方向上流側の凍土が先行して造成され、次第に下流側の凍土が造成され、凍土が繋がって止水性能をもつ凍土壁が形成される。さらに凍土を造成して増厚させ、強度的に十分な凍土壁を形成するとともに凍土の維持を図る。そして、凍土を維持するようにブラインを循環させ続けると、凍土の造成が継続し、凍土壁の厚さが増大してゆき、さらに大きな凍結膨張圧の発生を招くことになる。

このため、凍結管列の外側に温水管（ヒータ管）を設置し、温水管の周辺地盤を加熱することで凍土壁の過剰造成を抑える対策を講じる場合がある。しかしながら、温水管を設置する対策は、温水の循環設備等の施工コスト、施工手間が掛かり、凍結工法のコストや工期の増大を招く一要因となっていた。

本発明は、上記事情に鑑み、確実且つ簡便に凍結領域を制御して凍結膨張圧の低減を図ることができ、工期短縮、コストダウンを可能にする凍結工法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の凍結工法は、地盤中に設置した凍結管にブラインを循環供給して地盤を凍結させる凍結工法において、計画凍土造成領域の外側の地盤中に設けた温水管に温水を循環供給し凍土の造成領域を制御するとともに、前記凍結管に循環供給するブラインを冷却するブライン冷却設備で回収した廃熱を利用して前記温水を生成し、前記温水管に供給することを特徴とする。

本発明の凍結工法においては、順次冷却したブラインを凍結管に供給するためのブライン冷却設備の冷凍サイクルの熱交換などで回収された廃熱を用いて温水を生成し、この温水を温水管に供給して凍土の造成領域を制御することができる。これにより、従来の凍結工法では冷却塔などから大気中に放出される廃熱を利用して確実且つ簡便に凍結領域を制御し、凍結膨張圧の低減を図ることができる。

よって、本発明の凍結工法によれば、従来と比較し、温水を循環供給するための設備等の施工コスト、施工手間を低減でき、凍結工法の工期短縮、コストダウンが可能になる。

凍結工法を用いて構築するトンネルの施工方法の一例を示す図である。凍結工法を用いて構築するトンネルの一例を示す図である。凍結工法を用いて構築する分岐・合流部のトンネルの一例を示す図である。凍結工法を用いて構築するトンネルの施工方法の一例を示す図である。凍結管、測温管の配置の一例を示す図である。ブライン冷却設備の一例を示す図である。凍結工法を用いた際の凍土の造成段階の説明に用いた図である。温水管の配置の一例を示す図である。

以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係る凍結工法について説明する。

ここで、本実施形態では、例えば、道路トンネルの分岐・合流部や鉄道トンネルの渡り線部などの大断面トンネルを構築する際の発進・到達時やセグメント切り開き時（シールドトンネルの地中拡幅時）などに対し凍結工法を用いるものとして説明を行う。
但し、本発明の凍結工法は、土木建築分野において、地盤を凍結させて凍土壁（凍結領域）等を形成するあらゆるケースに適用可能である。

はじめに、図１から図４に示すように、道路トンネルの分岐・合流部などの大断面トンネルを構築する際には、例えば、本線シールド１、ランプシールド２（２本の導坑）を横方向に間隔をあけて先行構築するとともに、本線シールド１を通じ、凍結工法で環状や門型の凍土壁５を形成して地盤の安定化を図りつつ地中発進基地３を構築し、この地中発進基地３から本線シールド１、ランプシールド２を囲繞するように小径のトンネル掘進機で複数の外殻シールド４を構築する。

さらに、凍結工法を用いて凍土壁５を形成しつつ隣り合う外殻シールド４を切り開いて連通させ、本線シールド１、ランプシールド２を囲繞する本設覆工６を構築する。そして、本線シールド１から本設覆工６で囲まれた地盤を掘削して連通させ、分岐・合流部となる大断面トンネルを構築する。

また、凍結工法で凍土壁５を形成する際には、図５に示すように、凍結管７と測温管８を地盤内に設置し、凍結管７にブラインを循環供給するための配管設備、ブライン冷却設備（冷凍機設備）を設置し、測温管８に計装設備等を設置する。そして、凍結管５にブラインを循環させて凍土造成を開始する。このとき、測温管８で地中温度をリアルタイムで計測し、凍土造成の進行状況や凍土の維持状況を捉え、施工管理を行う。

一方、本実施形態において、ブライン冷却設備（冷凍機設備）１５は、例えば、図６に示すように、ブライン１６を熱交換によって冷却するためのブライン冷却器（熱交換器）１７と、ブライン冷却器１７と凍結管７の間でブライン１６を循環させるブラインポンプ１８と、ブライン冷却器１７に循環供給してブライン１６を冷却するため冷却水１９を冷却するための凝縮器２０、冷却塔２１、冷凍圧縮機２２などを備えて構成されている。

ここで、図７に示すように、凍結工法では、凍結管７にブラインを循環させるとともに凍結管７の周囲に凍土が造成されて膨張が生じる（凍土領域１０）。ブライン流通方向上流側の凍土が先行して造成され（凍土領域１１）、次第に下流側の凍土が造成され（凍土領域１２）、凍土が繋がり、止水性能をもつ凍土壁が形成される。さらに、必要凍土厚まで凍土造成され、所望の強度性能をもつ凍土壁５が形成される。凍土の維持を図ることにより、さらに凍土が内側、外側に造成され（凍土領域１３、凍土領域１４）、凍土壁５が増厚してゆく。

なお、測温管８による温度計測によって、例えば平均温度−５℃の領域が連続的に形成されれば止水性能を有する（止水性能を確保した）凍土領域１１、１２が形成されたことを検知することができる。また、例えば平均温度−１０°の領域が連続的に形成されれば、強度性能を有する（所望の強度性能を確保した）凍土壁５が形成されたことを検知することができる。

そして、地盤の掘削開始後も第三段階で造成した凍土を維持するようにブラインを循環させ続けると、凍土壁５の増大が進行してしまい、すなわち、計画凍土造成領域（必要凍土壁厚）を超えて凍土が造成されてしまい、さらに大きな凍結膨張圧の発生を招くことになる。

これに対し、本実施形態の凍結工法においては、まず、図８に示すように、必要凍土壁厚の計画凍土造成領域Ｒの外側の所定位置に温水管２３を設置する。そして、この温水管２３に温水２４を供給することによって過大に凍土が造成されることを抑止する。

さらに、本実施形態の凍結工法では、図６に示すように、ブライン冷却設備１５の冷却水１９を熱交換によって冷却することで発生する廃熱を利用して温水２４を生成し、この温水２４を温水管２３に供給して凍土の造成制御、ひいては凍結膨張圧の制御を行う。

したがって、本実施形態の凍結工法においては、順次冷却したブライン１６を凍結管７に供給するためのブライン冷却設備１５の冷凍サイクルの熱交換などで回収された廃熱を用いて温水２４を生成し、この温水２４を温水管２３に供給して凍土の造成領域を制御することができる。これにより、従来の凍結工法では冷却塔２１などから大気中に放出される廃熱を利用して確実且つ簡便に凍結領域を制御し、凍結膨張圧の低減を図ることができる。

よって、本実施形態の凍結工法によれば、従来と比較し、温水２４を循環供給するための設備等の施工コスト、施工手間を低減でき、凍結工法の工期短縮、コストダウンが可能になる。

以上、本発明による凍結工法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１本線シールド
２ランプシールド
３地中発進基地
４外殻シールド
５凍土壁
６本設覆工
７凍結管
１０凍土領域
１１凍土領域
１２凍土領域
１３凍土領域
１４凍土領域
１５ブライン冷却設備
１６ブライン
１７ブライン冷却器
１８ポンプ
１９冷却水
２０凝縮器
２１冷却塔
２２冷凍圧縮機
２３温水管
２４温水

Claims

地盤中に設置した凍結管にブラインを循環供給して地盤を凍結させる凍結工法において、
計画凍土造成領域の外側の地盤中に設けた温水管に温水を循環供給し凍土の造成領域を制御するとともに、前記凍結管に循環供給するブラインを冷却するブライン冷却設備で回収した廃熱を利用して前記温水を生成し、前記温水管に供給することを特徴とする凍結工法。