JP6675637B2 - 凍結工法 - Google Patents

Description

本発明は、地中防護坑を施工する場合に凍土壁の厚さを小さくして地中防護坑の施工を容易かつ迅速に行うことができる凍結工法に関する。

従来、道路トンネルの分岐合流部などの大断面の地中空洞を施工する場合に、地中空洞の施工予定位置の外側に複数の外殻シールドトンネルを所定間隔で配列した状態で施工して、施工予定位置を取り囲むシールドルーフ先受工を構築する方法が考案されている（例えば、特許文献１〜３を参照）。

例えば、特許文献１では、本線シールドトンネルの一部分を切り広げた円周シールド発進基地を施工し、円周シールド発進基地から円周シールド機により本線シールドトンネルの外周面に沿って周方向に掘削することでリング状の外殻シールド発進基地を施工し、外殻シールド発進基地の側壁部より外殻シールド機を発進させ、複数の外殻シールドトンネルを施工する。さらに、複数の外殻シールドトンネル間の地山を凍結管で凍結させて掘削することにより連結し、掘削予定位置を取り囲む外殻体を構築する。

特開２０１４−４３７３８号公報 特開２０１５−１２９４１１号公報 特開２００７−２１７９１１号公報

ところで、本線シールドトンネルの一部分を切り広げた円周シールド発進基地などの地中防護坑を施工する場合、地中防護坑の周囲の地山を凍結した凍土壁を形成する必要がある。凍土壁の計画では、地山の安定を確実に保持できる凍土厚さや凍土形状が要求される。従来の凍結管の施工は直線ボーリングが一般的であったため、凍土壁は直壁形状となる。直壁形状では、応力集中が生じる。したがって、直壁形状の凍土壁では、安全性を保つため、凍土壁の厚さが厚くなってしまう。厚い凍土壁は凍土量が多くなり、凍結時に大きな膨張圧が生じるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、地中防護坑を施工する場合に凍土壁の厚さを小さくして地中防護坑の施工を容易かつ迅速に行うことができる凍結工法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる凍結工法は、主坑の外周上に形成される地中防護坑の周囲の地山を凍結した凍土壁を形成した後、前記地中防護坑を掘削する凍結工法であって、前記凍土壁は、前記地中防護坑を覆い、横断面がアーチ状の凍土壁であることを特徴とする。

また、本発明にかかる凍結工法は、上記の発明において、前記凍土壁は、前記主坑から曲線ボーリングによって形成された孔に前記主坑側から曲線凍結管が挿入されて凍結されたものであることを特徴とする。

また、本発明にかかる凍結工法は、上記の発明において、前記凍土壁の前記主坑側の一部は、直線ボーリングによって形成された孔に前記主坑側から直線凍土管が挿入されて凍結され、前記主坑側の一部を開口する場合、前記直線凍土管を引き抜いて前記主坑側の一部の凍土壁を掘削することを特徴とする。

また、本発明にかかる凍結工法は、上記の発明において、前記地中防護坑は、外殻シールドトンネルの地中発進基地であることを特徴とする。

本発明によれば、凍土壁が、地中防護坑を覆い、横断面がアーチ状の凍土壁であるため、地中防護坑を施工する場合に凍土壁の厚さを小さくして地中防護坑の施工を容易かつ迅速に行うことができる。

図１は、分岐合流部の施工方法の概略説明図である。 図２は、分岐合流部の施工方法の概略説明図である。 図３は、分岐合流部の横断面図である。 図４は、分岐合流部の施工方法の手順を示す図である。 図５は、本実施の形態の凍結工法によって形成された凍土壁を軸に対する横断面として示した図である。 図６は、図５のＡ−Ａ線断面図である。 図７は、本実施の形態の凍結工法を用いた地中発進基地構造の施工方法を示す図である。 図８は、従来の凍結工法によって形成された凍土壁の横断面図である。 図９は、本実施の形態の凍結工法によって形成された凍土壁の応力集中を示す解析図である。 図１０は、従来の凍結工法によって形成された凍土壁の応力集中を示す解析図である。

以下に、本発明に係る凍結工法の実施の形態について、シールド工法により施工される道路トンネルの分岐合流部の場合を例に取り、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（地中空洞の施工方法）
まず、本発明に係る凍結工法を含む地中空洞の施工方法について説明する。

図１〜図３は、分岐合流部（地中空洞）の施工方法の概略説明図である。この施工方法では、本線シールドトンネル１０およびランプシールドトンネル１２を包含する分岐合流部１４の掘削予定位置の外側に、小口径の外殻シールド機１６を使って予め複数の外殻シールドトンネル１８を配列した状態で施工することにより、それら外殻シールドトンネル１８によって分岐合流部１４の掘削予定位置を取り囲む外殻体２０を構築し、この外殻体２０の内側の地山を掘削して分岐合流部１４を施工する。

より具体的には、まず、図４（１）に示すように、本線シールドトンネル１０を在来のシールド工法により地山を安定に支保し、止水性を確保しつつ施工する。同様に、本線シールドトンネル１０の隣に図示しないランプシールドトンネル１２を在来のシールド工法により施工する。続いて、施工予定の分岐合流部１４の軸方向（本線シールドトンネル１０が延在するトンネル軸方向と平行な方向）の後端部（始端部）となる本線シールドトンネル１０の外周に大径の本発明の地中発進基地構造２２を構築する。地中発進基地構造２２は、分岐合流部１４の外殻体２０をなす外殻シールドトンネル１８を掘進する小口径の外殻シールド機１６を発進するための基地である。なお、本実施の形態では本線シールドトンネル１０の直径が例えば１６ｍ程度、ランプシールドトンネル１２の直径が例えば１１ｍ程度、分岐合流部１４の直径が３２ｍ程度であることを想定している。

次に、図４（２）に示すように、地中発進基地構造２２から外殻シールド機１６を発進させ、施工予定の分岐合流部１４の外側周囲にその軸方向に沿う複数の小径（例えば直径４ｍ程度）の外殻シールドトンネル１８を所定間隔で配列した状態で施工する。

次に、図４（３）に示すように、この外殻シールドトンネル１８間の地山を本発明に係る凍結工法により凍結させて掘削し、掘削した領域に本体覆工壁２４を形成し、さらに、本体覆工壁２４の両端となる部分にそれぞれ不図示の褄壁を形成することによって外殻体２０を構築する。そして、図４（４）に示すように、この外殻体２０によって囲まれた領域の地山を掘削して分岐合流部１４を施工する。このようにして図４（５）に示すような道路トンネル用の分岐合流部１４が完成する。

（凍結工法）
次に、上述した地中空洞の施工方法に用いられる本発明に係る凍結工法について説明する。

図５は、本実施の形態の凍結工法によって形成された凍土壁３０を軸Ｃに対する横断面として示した図である。また、図６は、図５のＡ−Ａ線断面図である。図５及び図６に示すように、地中防護坑としての地中発進基地構造２２は、主坑としての本線シールドトンネル１０の一部の外周を環状に切り広げたものである。環状に形成される地中発進基地構造２２は、環状の掘削領域Ｅ１内に形成される。この掘削領域Ｅ１の周囲を覆うように、掘削領域Ｅ１の周囲の地山を凍結した凍土壁３０が形成される。凍土壁３０は、横断面がアーチ状となっている。凍土壁３０の形成によって、地山の崩れや、地下水の浸入を防ぐことができる。

凍土壁３０の形成は、本線シールドトンネル１０の軸Ｃを中心に、本線シールドトンネル１０から放射状に配置された曲線凍結管３１と、放射状に配置された直線凍結管３２とによってなされる。曲線凍結管３１の弧の角度は、１８０度を超えている。直線凍結管３２は、曲線凍結管３１の先端部分まで延びている。すなわち、本線シールドトンネル１０の横断面では、曲線凍結管３１と直線凍結管３２とでアーチを形成し、曲線凍結管３１と直線凍結管３２との周囲にアーチ状の凍土壁３０が形成されることになる。なお、曲線凍結管３１及び直線凍結管３２は、二重管構造となっており、先端で二重管の外管と内管とが連通する。外管側に冷却した塩化ナトリウム水溶液などの冷媒を導入し、内管で冷媒を戻すことによって周囲の地山を凍結することができる。

図７は、本実施の形態の凍結工法を用いた地中発進基地構造２２の施工方法を示す図である。図７（１）に示すように、アーチ状の凍土壁３０を形成する領域であって、本線シールドトンネル１０に凍土壁３０が接する部分の一端側から、曲線ボーリングを行って曲線凍結管３１が挿入される曲線孔４１を放射状に形成する。また、他端側から、直線ボーリングを行って直線凍結管３２が挿入される直線孔４２を放射状に形成する。

その後、図７（２）に示すように、曲線孔４１に曲線凍結管３１を挿入するとともに、直線孔４２に直線凍結管３２を挿入する。その後、曲線凍結管３１及び直線凍結管３２に冷媒を通すことによって凍土壁３０を形成する。この凍土壁３０が形成された状態で、円周シールド機を用いて掘削領域Ｅ１を掘削する。

その後、図７（３）に示すように、掘削された掘削領域Ｅ１に地中発進基地構造２２を施工する。

さらに、図７（４）に示すように、外殻シールドトンネル１８を掘進する小口径の外殻シールド機１６を発進する支障となる領域の直線凍結管３２を引き抜く。その後、外殻シールド機１６を発進させ、凍土壁３０の一部を掘削する。

したがって、開口５０を設ける必要がない場合、直線凍結管３２を用いず、曲線凍結管３１のみで凍土壁３０を形成する。開口５０が設けられる部分に直線凍結管３２を用いたのは、直線形状の場合、引き抜きが容易であるからである。

図８は、従来の凍結工法によって形成された凍土壁１３０の横断面図である。従来の凍土壁１３０は、矩形の直壁形状であったため、図１０に示すように応力集中が発生しやすい。一方、本実施の形態の凍土壁３０は、アーチ状の曲壁形状であるため、図９に示すように応力集中が発生しにくい。アーチ状の場合、内部要素に引張力が発生せず圧縮のみを受ける全圧縮状態となるからである。

この結果、凍土壁３０の壁厚は、従来の凍土壁１３０の壁厚に比して小さくできる。壁厚が小さくなると、凍土量を少なくすることができる。凍土量が少ないと、凍結のためのエネルギーを削減でき、さらに、凍土壁３０の完成までの凍結時間を短くすることができる。また、壁厚が小さいと、凍土壁の膨張圧を小さくでき、周囲に与える影響を抑えることができる。

さらに、従来の凍結工法では、掘削領域Ｅ１に対応する掘削領域Ｅ１００にも直線凍結管１３２を設ける必要があった。そして、従来の凍結工法による凍土壁１３０の壁厚は、例えば５．５ｍであり、これに用いる凍結管本数は、直線凍結管１３２を１０００本以上であった。これに対し、同じ強度をもつ、本実施の形態の凍結工法による凍土壁３０の壁厚は、例えば３．５ｍであり、これに用いる凍結管本数は、曲線凍結管１００本、直線凍結管１００本の計２００本となる。すなわち、本実施の形態の凍結工法によって凍土壁３０を形成する場合、凍結管本数を格段に少なくすることができる。

また、従来の凍結工法では、掘削領域Ｅ１００を掘削する場合、この領域の直線凍結管１３２を抜いて掘削し、その後、さらに直線凍結管を挿入して凍結する必要があった。これに対し、本実施の形態の凍結工法では、掘削領域Ｅ１の掘削の際、凍結管を引く抜く必要がない。したがって、本実施の形態の凍結工法は、従来の凍結工法に比して掘削が容易となる。

１０ 本線シールドトンネル
１２ ランプシールドトンネル
１４ 分岐合流部
１６ 外殻シールド機
１８ 外殻シールドトンネル
２０ 外殻体
２２ 地中発進基地構造
２４ 本体覆工壁
３０ 凍土壁
３１ 曲線凍結管
３２ 直線凍結管
４１ 曲線孔
４２ 直線孔
５０ 開口
Ｅ１ 掘削領域

Claims (3)

1. 主坑の外周上に形成される地中防護坑の周囲の地山を凍結した凍土壁を形成した後、前記地中防護坑を掘削する凍結工法であって、
   前記凍土壁は、前記地中防護坑を覆い、横断面がアーチ状の凍土壁であり、
   前記凍土壁の前記主坑側の一部は、直線ボーリングによって形成された孔に前記主坑側から直線凍土管が挿入されて凍結され、
   前記主坑側の一部を開口する場合、前記直線凍土管を引き抜いて前記主坑側の一部の凍土壁を掘削することを特徴とする凍結工法。
2. 前記凍土壁は、前記主坑から曲線ボーリングによって形成された孔に前記主坑側から曲線凍結管が挿入されて凍結されたものであることを特徴とする請求項１に記載の凍結工法。
3. 前記地中防護坑は、外殻シールドトンネルの地中発進基地であることを特徴とする請求項１又は２に記載の凍結工法。

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