JP6865130B2 - ケーソン刃口の地盤掘残し検知方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、ケーソン内部の地盤の掘削に併せてケーソンを地中に沈下させる各種のケーソン工法において、ケーソン内部の地盤を掘削してケーソンを地中に沈下させる際に、ケーソン刃口の内側面に掘り残された地盤（土砂）を検知するのに用いるケーソン刃口の地盤掘残し検知方法及びシステムに関する。

地盤中に基礎や地下構造物を構築する工法として、複数段の区分（ロット）からなるケーソン（断面形状が円形、矩形又は小判形の箱形（筒状）のコンクリート製又は鋼製の構造物）を地中所定の設置深さまで沈下させて設置するオープンケーソン工法、圧入ケーソン工法、ニューマチックケーソン工法など各種のケーソン工法が知られている（例えば、特許文献１、２など参照。）。
図８に示すように、例えば、オープンケーソン工法や圧入ケーソン工法では、まず、先端に刃口Ｃ１０を有する第１ロットのケーソンＣ１をケーソンＣ１の沈下位置に配置し、ケーソンＣ１内部の底部開口において地盤をクラムシェルバケット（図示省略）などにより掘削してケーソンＣ１外部に排出し、これに併せてケーソンＣ１をその自重により又は荷重を載荷することにより地中に沈下させる。続いて、この第１ロットのケーソンＣ１の上に第２ロットのケーソンＣ２を継ぎ足して、同様に、第１ロットのケーソンＣ１内部の底部開口において地盤をクラムシェルバケットなどにより掘削して第１、第２ロットのケーソンＣ１、Ｃ２の外部に排出し、これに併せて第１、第２ロットのケーソンＣ１、Ｃ２を地中に沈下させる。第３ロット以降のケーソンＣ３についても同様の施工を繰り返す。また、この施工においては、第１ロットのケーソンＣ１を地中所定の深さまで沈下させたところで、ケーソンＣに囲まれた地盤上に水を供給し、ケーソンＣに囲まれた地盤を水中掘削しながら、ケーソンＣを地中に沈下させていく。そして、複数段のケーソンＣ１、Ｃ２、Ｃ３…を地中所定の設置深さまで沈設した後、ケーソンＣ内の底部に水中コンクリートを打設して底版を施工する。

このようなオープンケーソン工法や圧入ケーソン工法では、ケーソン内部で地盤を水中掘削するために、ケーソン刃口の状況を目視することができない。そこで、ケーソンを沈下させる際のケーソンの姿勢制御のための情報を必要とし、その一つとして、通常、ケーソン刃口の刃先に荷重計や土圧計などの土圧センサが設置されて、ケーソンの躯体への地盤反力を測定している。
図９にケーソン刃口の刃先における土圧センサの設置例を示している。
図９に示すように、通常、土圧センサＳ１はケーソンＣの断面内で複数個所に設置される。円形のケーソンＣの場合は、図９（ａ）に示すように、例えば０（１２）時、３時、６時、９時の方向に９０度間隔で４箇所に設置される。矩形のケーソンＣの場合は、図９（ｂ）に示すように、例えば矩形の４頂点（４隅）、４箇所に設置される。なお、大型のケーソンの場合、土圧センサがさらに増設されることがある。
このようにして、ケーソンＣ内部の地盤を掘削しケーソンＣを沈設する際に、ケーソン刃口Ｃ１０の複数方向の土圧センサＳ１から得られた測定値及びこれらの値が概ね均等であるか否かを確認する。

また、特許文献１のケーソンの沈設方法では、ケーソン刃口に、刃口地山嵌入長さ計、沈下計、傾斜計、土圧計などを設け、ケーソンの沈設途中において、これら刃口地山嵌入長さ計、沈下計、傾斜計、土圧計などにより沈設情況を把握し、これらの情報から、例えばケーソン刃口が傾斜しているような場合はセンタホールジャッキの押圧力を調整して水平バランスをとったり、土圧が高まっているような場合は高圧水噴射管よりケーソン刃口の先端部分に高圧水を供給し砂や礫を吹き飛ばして沈下を容易にしたりするなど、良好な沈設状態を得るようにしている。

特開平０７−２６８８７８号公報 特開平０７−４８８４２号公報

しかしながら、従来のオープンケーソン工法や圧入ケーソン工法では、次のような問題がある。
（１）ケーソン刃口の内側面に地盤の掘り残しがある場合、刃先の土圧センサでは地盤（土砂）の掘残しを検知できない。
（２）特許文献１（の図２）に例示されたケーソンには、ケーソン刃口の内側面に土圧センサが設けられているが、このようにしても、図１０（ａ）に示すように、ケーソン刃口の内側面に地盤の掘残しがある場合、土圧センサにより土水圧が検知され、図１０（ｂ）に示すように、ケーソン刃口の内側面に地盤の掘残しがない場合、土圧センサにより水圧が検知されるが、この場合に有効土圧が小さいと、土水圧と水圧の値が近似し、地盤の掘残しの有無を判別することが難しい。
（３）土圧センサではケーソン刃口の内側面に作用するせん断力を検知できない（図１０（ａ）参照）。
以上（１）−（３）により、ケーソン刃口の内側面に地盤（土砂）の掘残しの有無を検知することができないまま、ケーソンの沈設を続けると、土砂の内部摩擦角や粘着力により、ケーソン刃口の内側面にせん断力が発生して、ケーソンが傾斜するおそれがあり、ケーソンの沈設精度が低下して、最終構造物の品質に悪影響を及ぼしかねない。

本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、各種のケーソン工法において、ケーソン刃口の内側面に掘残された地盤の有無を検知できるようにすることにより、ケーソンの刃口の内側面における地盤の掘残しを可及的に少なくして刃口の内側面略全体を確実に掘削することができ、ケーソンの沈設精度を確保して、最終構造物の品質を良好に維持すること、を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、
先端に刃口を有するケーソンをケーソン内部の地盤の掘削、殊に水中での掘削に併せて地中に沈下させる各種のケーソン工法に用いるケーソンの前記刃口の内側面における地盤の掘残しを検知するケーソン刃口の地盤掘残し検知方法であって、
前記刃口の内側面の全周方向複数個所に、せん断力計又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサを配設し、
前記各せん断力計又は前記各センサにより、前記刃口の内側面に作用する地盤からの反力をせん断力として測定して、
当該せん断力に基づいて、前記刃口の内側面における地盤の掘残しの有無を判断する、
ことを要旨とする。
この場合、ケーソンの刃口の各部においてせん断力計又はセンサにより得たせん断力の各値を、前記刃口各部のせん断力計又はセンサの位置とともに、一般のパーソナルコンピュータ及びソフトウェアを用いてデータ処理し、その結果をパーソナルコンピュータのディスプレイ上に可視化することが好ましい。

また、上記目的を達成するために、本発明は、
先端に刃口を有するケーソンをケーソン内部の地盤の掘削、殊に水中での掘削に併せて地中に沈下させる各種のケーソン工法に用いるケーソンの前記刃口の内側面における地盤の掘残しを検知するケーソン刃口の地盤掘残し検知システムであって、
前記刃口の内側面の全周方向複数個所に配設され、ケーソン内部の地盤の掘削に併せてケーソンを地中に沈下させる際に、前記刃口の内側面に作用する地盤からの反力をせん断力として測定する複数のせん断力計又は土水圧力・せん断力測定センサと、
前記各せん断力計又は前記各土水圧力・せん断力測定センサに電気的に接続されて、前記ケーソンの外部に設置され、前記各せん断力計又は前記各土水圧力・せん断力測定センサにより測定されたせん断力に基づいて、前記刃口の内側面における地盤の掘残しの有無を判定する判定装置と、
を備える、
ことを要旨とする。
この場合、土水圧力・せん断力測定センサは、先端に開口を有する略筒状のケースと、前記ケースの開口面内に配置され、前記土水圧力及びせん断力を受ける受圧部と、前記ケース内に設置されて前記受圧部を支持し、前記受圧部が前記土水圧力を受けて前記受圧部を前記ケースの軸心方向に進退可能に歪み変形し、かつ前記受圧部が前記せん断力を受けて前記受圧部を前記ケースの軸心を中心に揺動可能に歪み変形して、前記土水圧力による歪み量及び前記せん断力による歪み量を電気抵抗の変化として検出する感度部とを備えることが好ましい。

本発明のケーソン刃口の地盤掘残し検知方法及びシステムによれば、ケーソンの刃口の内側面の全周方向複数個所に配設されたせん断力計又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサにより、ケーソンの刃口の内側面に作用する地盤からの反力をせん断力として測定し、当該せん断力に基づいて、ケーソン内部の地盤の掘削での刃口の内側面における地盤の掘残しの有無を判断するようにしたので、各種のケーソン工法において、ケーソンの刃口の内側面における地盤の掘残しを可及的に少なくして刃口の内側面の略全体を確実に掘削することができ、ケーソンの沈設精度を確保して、最終構造物の品質を良好に維持することができる、という本発明独自の格別な効果を奏する。

本発明の一実施の形態によるケーソン刃口の地盤掘残し検知方法及びシステムの構成を示す図 同方法及びシステムに用いる土水圧力・せん断力測定センサ（Ａ型）の構成を示す図（（ａ）は側面断面図（ｂ）は正面断面図） 同方法及びシステムに用いる土水圧力・せん断力測定センサ（Ｂ型）の構成を示す図（（ａ）は側面断面図（ｂ）は正面断面図） （ａ）同方法及びシステムに用いる土水圧力・せん断力測定センサの特に土水圧力測定用歪みゲージにより構成される土水圧力測定用ブリッジ回路の構成を示す図（ｂ）同方法及びシステムに用いる土水圧力・せん断力測定センサの特にせん断力測定用歪みゲージにより構成されるせん断力測定用ブリッジ回路の構成を示す図 （ａ）同方法及びシステムを適用する円形のケーソンの刃口の内側面における土水圧力・せん断力測定センサの設置例を示す図（ｂ）同方法及びシステムを適用する矩形のケーソンの刃口の内側面における土水圧力・せん断力測定センサの設置例を示す図 同方法及びシステムに用いる判定装置を構成するＰＣ（パーソナルコンピュータ）の構成を示す図 同方法及びシステムによりケーソン刃口の内側面に作用する地盤からの反力を測定して、ケーソン刃口の内側面における地盤の掘残しの有無を判断する態様を示す図（（ａ）は地盤の掘残しがある場合（ｂ）は地盤の掘残しがない場合） 一般のオープンケーソン工法や圧入ケーソン工法の施工状況を示す図 一般のオープンケーソン工法や圧入ケーソン工法に用いられるケーソンの刃口に設置される土圧センサの設置例を示す図（（ａ）は円形のケーソンの場合（ｂ）は矩形のケーソンの場合） 一般のオープンケーソン工法で従来提案されているケーソン刃口の内側面に作用する地盤からの反力を測定する状況を示す図（（ａ）は地盤の掘残しがある場合（ｂ）は地盤の掘残しがない場合）

次に、この発明を実施するための形態について図を用いて説明する。
図１にケーソン刃口の地盤掘残し検知方法（以下、単に方法という場合がある。）を示している。
この方法は、先端に刃口を有するケーソンをケーソン内部の地盤の掘削、殊に水中での掘削に併せて地中に沈下させる各種のケーソン工法に用いるケーソンの刃口の内側面における地盤の掘残しを検知するもので、ここでは、オープンケーソン工法や圧入ケーソン工法などに用いるケーソン刃口の地盤掘残し検知方法について例示する。

図１に示すように、オープンケーソン工法では、既述のとおり、まず、先端（下端）に刃口Ｃ１０を有する第１ロットのケーソンＣ１をケーソンＣ１の沈下位置に配置し、ケーソンＣ１内部の底部開口において地盤をクラムシェルバケット（図示省略）などにより掘削してケーソンＣ１外部に排出し、これに併せてケーソンＣ１をその自重により又は荷重を載荷することにより地中に沈下させる。続いて、この第１ロットのケーソンＣ１の上に第２ロットのケーソンＣ２を継ぎ足して、同様に、第１ロットのケーソンＣ１内部の底部開口において地盤をクラムシェルバケットなどにより掘削して第１、第２ロットのケーソンＣ１、Ｃ２の外部に排出し、これに併せて第１、第２ロットのケーソンＣ１、Ｃ２を地中に沈下させる。第３ロット以降のケーソンＣ３についても同様の施工を繰り返す。また、この施工においては、第１ロットのケーソンＣ１を地中所定の深さまで沈下させたところで、ケーソンＣに囲まれた地盤上に水を供給し、ケーソンＣに囲まれた地盤を水中掘削しながら、ケーソンＣを地中に沈下させていく。そして、複数段のケーソンＣ１、Ｃ２、Ｃ３…を地中所定の設置深さまで沈設した後に、ケーソンＣ内の底部に水中コンクリートを打設して底版を施工する。

そして、このようなオープンケーソン工法や圧入ケーソン工法の場合、既述のとおり、ケーソンＣ内部で地盤を水中掘削するために、ケーソンＣの刃口Ｃ１０の状況を目視することができない。
そこで、この工法では、ケーソンＣを沈下させる際のケーソンＣの姿勢制御のための情報の一つとして、ケーソン刃口Ｃ１０の刃先に土圧計などの土圧センサＳ１を設置して、ケーソンＣの躯体への地盤反力を測定し、これに併せて、新たなケーソン刃口Ｃ１０の地盤掘残し検知方法を取り入れる。
なお、この場合、土圧センサＳ１には汎用品の土圧計（土圧（圧力）を検知する略平板形状の計測機材で、片側一方の面が圧力を受け反応（受圧）する受圧面になっている。）を用いる。

このケーソン刃口の地盤掘残し検知方法では、特に、刃口Ｃ１０の内側面の全周方向複数個所に、せん断力計又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能な土水圧力・せん断力測定センサを配設し、各せん断力計又は各土水圧力・せん断力測定センサにより、刃口Ｃ１０の内側面に作用する地盤からの反力をせん断力として測定し、当該せん断力に基づいて、刃口Ｃ１０の内側面における地盤の掘残しの有無を判断する。
なお、一般にケーソンＣは全体が略筒状をなし、特に、第１ロットになるケーソンＣ１には、先端（下端）に刃口Ｃ１０を有し、この刃口Ｃ１０は刃先が断面三角形状に形成され、刃口Ｃ１０の内側面にテーパが付けられる。また、この場合、刃口Ｃ１０の刃先先端とこの刃先先端を挟んでその外側面及び内側面の一部には刃口金物Ｃ１１が装着される。複数のせん断力計又は土水圧力・せん断力測定センサは刃口Ｃ１０のテーパを付けられた内側面に所定の高さにかつ全周方向に所定の間隔で設置される。

この場合、汎用品のせん断力計（せん断力を感知する略平板形状の計測機材で、片側一方の面が圧力を受け反応（感知）する受感面になっている。）が用いられてもよいが、ここでは特に、土水圧力とせん断力とを同時に測定可能な土水圧力・せん断力測定センサＳ２を採用する。この土水圧力・せん断力測定センサＳ２についてはシステムの説明の欄で併せて説明する。

このようにしてケーソンＣの刃口Ｃ１０の内側面各部において土水圧力・せん断力測定センサＳ２により得たせん断力の各値を、刃口Ｃ１０各部の土水圧力・せん断力測定センサＳ２の設置位置とともに、一般のパーソナルコンピュータ及びソフトウェアを用いてデータ処理し、その結果をパーソナルコンピュータのディスプレイ上に可視化する。

図１にケーソン刃口の地盤掘残し検知システム（以下、単にシステムという場合がある。）を併せて示している。このシステムは、先端に刃口を有するケーソンをケーソン内部の地盤の掘削に併せて地中に沈下させる各種のケーソン工法に用いるケーソンの刃口の内側面における地盤の掘残しを検知するもので、ここでは、オープンケーソン工法や圧入ケーソン工法などに用いるケーソン刃口の地盤掘残し検知システムについて例示する。

図１に示すように、このケーソン刃口の地盤掘残し検知システムは、刃口Ｃ１０の内側面の全周方向複数個所に配設され、ケーソンＣ内部の地盤の水中掘削に併せてケーソンＣを地中に沈下させる際に、刃口Ｃ１０の内側面に作用する地盤からの反力をせん断力として測定する複数のせん断力計又は土水圧力・せん断力測定センサ（Ｓ２）と、各せん断力計又は各土水圧力・せん断力測定センサ（Ｓ２）に電気的に接続されて、ケーソンＣの外部に設置され、各せん断力計又は各土水圧力・せん断力測定センサ（Ｓ２）により測定されたせん断力に基づいて、刃口Ｃ１０の内側面における地盤の掘残しの有無を判定する判定装置Ｄ（図６参照）とを備えて構成される。

この場合、せん断力計又は土水圧力・せん断力測定センサのいずれを用いてもよいが、ここでは特に、土水圧力・せん断力測定センサＳ２が採用される。なお、せん断力計を採用する場合は、汎用品のせん断力計で差し支えない。

図２、図３に示すように、土水圧力・せん断力測定センサＳ２（以下、単にセンサＳ２ということがある。）は、先端に開口３０を有する略筒状のケース３と、ケース３の開口３０面内に配置され、土水圧力及びせん断力を受ける受圧部４と、ケース３内に設置されて受圧部４を支持し、受圧部４が土水圧力を受けて受圧部４をケース３の軸心方向に進退可能に歪み変形し、かつ受圧部４がせん断力を受けて受圧部４をケース３の軸心を中心に揺動可能に歪み変形して、土水圧力による歪み量及びせん断力による歪み量を電気抵抗の変化として検出する感度部５とを備えて構成される。

このセンサＳ２は、基本的に、ケーソンＣの刃口Ｃ１０の内側面に埋め込み設置されるが、ケーソンＣにはさまざまな形状のものがあるため、設置形式の異なるＡ型、Ｂ型の２種類のセンサＳ２（Ａ）、（Ｂ）が用意されている。これらのセンサＳ２（Ａ）、（Ｂ）はケース３（３Ａ、３Ｂ）の形状のみが若干異なり、ケース３内部の構造は共通である。

Ａ型のセンサＳ２（Ａ）のケース３Ａは、図２に示すように、先端に受圧部４を配置可能な開口３０を有し、後端に感度部５のための取付基部３３を有する有底円筒状のケース本体３１と、ケース本体３１の周面の後端にケース本体３１の軸方向に対して略直角に外側に向けて円形に張り出され、外周端に取付ねじのための取付穴３４ａを有する取付フランジ３２ａとからなる。
このケース３Ａの場合、ケース本体３１の外周面の先端に浅い溝３１０ａが全周に形成され、この溝３１０ａに断面Ｌ字形の円形のリング部材からなる土砂浸入防止リング３１１ａがケース本体３１の外周面に一体的に環装されて、この土砂浸入防止リング３１１ａによりケース本体３１の先端開口３０と受圧部４との間の隙間が覆われ、この隙間から土砂が侵入するのを防止する。ケース本体３１の後端は底部として塞がれていて、その内側の面の中央に感度部５のための取付基部３３が形成される。取付基部３３は感度部５の基端面の大きさより大きい円形の凹状に形成され、その中心から半径方向所定の位置に複数のねじ挿通部３３１が穿たれる。また、この取付基部３３とは反対側の外側の面にはその中央に取付基部３３よりも大きい円形の浅い凹部３６を形成され、凹部３６の中心と外周との間に円形の凸状部３７が突設されるとともに、この凸状部３７の外側で凹部３６の外周近傍の所定の位置に複数のねじ孔３８が形成され、さらに、この凸状部３７と各ねじ孔３８との間に円周方向に幅狭の浅い溝３９を形成されて、測定ケーブルチャンバー６のための取付部３５が設けられる。なお、この取付フランジ３２の取付基部３３と取付部３５との間には貫通穴（図示省略）が形成され、この貫通穴に感度部５の電気信号を外部に導出するための端子部（図示省略）が併せて設けられる。この取付部３５に取り付けられる測定ケーブルチャンバー６は全体が略ハット形に形成され、一端が肉厚で、その中心にケーブル挿通部６０を有する円筒部６１と、この円筒部６１の他端に外周方向に向けて円形に張り出され、その外周近傍の所定の位置に複数のねじ挿通部６３を有する取付フランジ６２とからなる。この測定ケーブルチャンバー６はケーブル挿通部６０に測定ケーブル７をグランドパッキン６４を介して挿通され、取付部３５の溝３９に防水Ｏリング６５が嵌着されて、円筒部６１の他端が取付部３５の凸状部３７の外周面に嵌合されるとともに、取付フランジ６２が取付部３５の凹部３６に嵌め込まれ、取付ねじ６６を測定ケーブルチャンバー６の取付フランジ６２のねじ挿通部６３を通し取付部３５のねじ孔３８に締結して、チャンバー６内部を水密に密閉して取り付けられる。なお、この測定ケーブルチャンバー６に通された測定ケーブル７は取付基部３３と取付部３５との間に設けられる端子部に電気的に接続される。また、このケース３Ａの取付フランジ３２ａの各取付穴３４ａは全体が同径の円筒形で、取付ねじのねじ部のみが挿通可能になっている。なお、この取付穴３４ａは、取付ねじのねじ部が挿通可能な小径のねじ挿通部と取付ねじの頭部が嵌合可能な大径の頭部嵌合部とからなり、取付ねじを取付フランジ３２ａの後面と面一に埋め込む形式としてもよい。

Ｂ型のセンサＳ２（Ｂ）のケース３Ｂは、図３に示すように、先端に受圧部４を配置可能な開口３０を有し、後端に感度部５のための取付基部３３を有する有底円筒状のケース本体３１と、ケース本体３１の周面の先端にケース本体３１の軸方向に対して略直角に外側に向けて円形に張り出され、外周端に取付ねじのための取付穴３４ｂを有する取付フランジ３２ｂとからなる。
このケース３Ｂの場合、ケース本体３１先端の開口３０縁部全周に浅い溝３１０ｂが円周方向に形成され、この溝３１０ｂに平坦形の円形のリング部材からなる土砂浸入防止リング３１１ｂがケース本体３１の開口３０縁部に一体的に環装されて、この土砂浸入防止リング３１１ｂによりケース本体３１の先端開口３０と受圧部４との間の隙間が覆われ、この隙間から土砂が侵入するのを防止する。ケース本体３１の後端は、Ａ型のケース３Ａと同様で、底部として塞がれ、その内側の面に感度部５のための取付基部３３が形成され、外側の面に取付部３５が設けられ、取付部３５に測定ケーブルチャンバー６が取り付けられる（図１参照）。また、このケース３Ｂの取付フランジ３２ｂの各取付穴３４ｂは、取付ねじのねじ部が挿通可能な小径のねじ挿通部と取付ねじの頭部が嵌合可能な大径の頭部嵌合部とからなり、取付ねじを取付フランジ３２ｂの前面と面一に埋め込む形式になっている。

受圧部４は、図２、図３に示すように、ケース３内で感度部５の先端に取り付けられる円形の支持板４２と、支持板４２に取り付けられ、ケース３の開口３０面内に配置される円形の受圧板４１とからなる。
この受圧部４の場合、支持板４２はケース本体３１内に嵌合可能にケース本体３１の内径と略同じ又は僅かに小さい外径を有する円形の板からなり、その片側一方の面はフラットで、片側他方の面は中央に円形の凹部４２０を形成されて、その底部の直径上の位置に複数のねじ挿通孔４２１が片側一方の面に貫通して穿たれ、この凹部４２０の外側に周方向に等間隔に複数のねじ孔４２２が形成され、さらに、外周面には軸方向中間部に幅狭の浅い溝４２３が全周に亘って形成され、この溝４２３に防水Ｏリング４２４が嵌着される。受圧板４１は支持板４２と同様にケース本体３１の先端開口３０内に嵌合可能に開口３０の内径と略同じ又は僅かに小さい外径を有する円形の板からなり、その片側一方の面の中央には支持板４２の凹部４２０に対して奥側に所定のスペースを残して嵌入可能に円形の凸部４１１が形成されるとともに、この凸部４１１の外周に幅狭の浅い溝４１２が全周に亘って形成され、さらに、外周部には支持板４２の各ねじ孔４２２に連通可能に周方向に等間隔に複数のねじ挿通孔４１３が形成される。受圧部４はこのような構成からなり、支持板４２が片側一方の面を後述する感度部５の先端に向けて感度部５に複数の取付ねじ４３を介して取り付けられた後、受圧板４１が支持板４２の片側他方の面に複数の取付ねじ４４を介して取り付けられる。この点は後述する。

感度部５は、図２、図３に示すように、受圧部４を先端に支持し、受圧部４が土水圧力を受けてその土水圧力に応じて歪み変形し、受圧部４がせん断力を受けてそのせん断力に応じて歪み変形する起歪体５１と、起歪体５１の歪みの発生位置に貼着され、受圧部４の受ける土水圧力を測定する土水圧力測定用歪みゲージ５２及び受圧部４の受けるせん断力を測定するせん断力測定用歪みゲージ５３とを有する。
この感度部５の場合、平行板ばね型のロードセルが採用され、起歪体５１はニッケルクロムモリブデン鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などからなる弾性体の長方形のブロックで上下に薄肉の歪み部を有し、土水圧力測定用、せん断力測定用の各歪みゲージ５２、５３は起歪体５１の上下の各面において幅方向中央を境に対称的な配置で、土水圧力測定用の歪みゲージ５２が起歪体５１の上下の歪み部にそれぞれ２箇所ずつ合計４か所に貼着され、せん断力測定用の歪みゲージ５３が起歪体５１の上下の歪み部にそれぞれ２箇所ずつ合計４か所に貼着される。そして、これら４つの土水圧力測定用歪みゲージ５２、せん断力測定用の歪みゲージ５３はそれぞれ、図４（ａ）、（ｂ）にＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で示すように、ブリッジ回路に接続されて、土水圧力測定用ブリッジ回路５２Ｃ、せん断力測定用ブリッジ回路５３Ｃが構成され、これらのブリッジ回路５２Ｃ、５３Ｃの入力端及び出力端がそれぞれ、ケース３の取付フランジ３２に設けられる端子部に電気的に接続されて、各ブリッジ回路５２Ｃ、５３Ｃから得られる電気信号が測定ケーブル７により外部に導出される。
また、この感度部５の場合、起歪体５１の先端部に受圧部４の支持板４２の各ねじ挿通孔４２１に連通可能に複数のねじ孔５１１が形成され、起歪体５１の基端部にケース３の取付フランジ３２の各ねじ挿通部３３１に連通可能に複数のねじ孔５１２が形成される。このようにして感度部５は起歪体５１の基端部が取付フランジ３２の内面の取付基部３３に当接して設置された状態で、取付ねじ５４を取付フランジ３２の外側から各ねじ挿通部３３１に通し、感度部５（起歪体５１）の基端部の各ねじ孔５１２に締結して固定される。そして、ケース３に固定された感度部５（起歪体５１）の先端部に支持板４２が取り付けられて、この支持板４２に受圧板４１が取り付けられる。この場合、支持板４２は片側一方の面を感度部５に向けてケース３内に挿入され、支持板４２の中央が感度部５の先端に当接されて、この状態で取付ねじ４３を支持板４２の各ねじ挿通孔４２１を通し感度部５先端の各ねじ孔５１１に締結して固定される。そして、受圧板４１は片側一方の面の凸部４１１外周の溝４１２に防水Ｏリング４１４を嵌着され、この凸部４１１が支持板４２の凹部４２０に嵌合されて、受圧板４１の片側一方の面と支持板４２の片側他方の面が面接触され、この状態で取付ねじ４４を受圧板４１の外周部の各ねじ挿通孔４１３に通し、支持板４２の外周部の各ねじ孔４２２に締結して固定される。なお、これにより、ケース３内部はケース３と支持板４２との間の防水Ｏリング４２４により、支持板４２と受圧板４１との間が防水Ｏリング４１４により水密に密閉される。

図５にケーソン刃口の内側面における土水圧力・せん断力測定センサの設置例を示している。
図５に示すように、複数の土水圧力・せん断力測定センサＳ２は、既述のとおり、刃口Ｃ１０のテーパが付けられた内側面に所定の高さにかつ全周方向に所定の間隔で設置される。これらのセンサＳ２は、刃口Ｃ１０の内側面における地盤の掘残しの有無を検知することが目的であるので、刃口Ｃ１０の内側面において刃口Ｃ１０の刃先先端の土圧センサＳ１の位置に対応する位置に追加的に配置されることが望ましい。したがって、通常、土圧センサＳ１がケーソンＣの断面内で複数個所に設置される。円形のケーソンＣの場合、図５（ａ）に示すように、土圧センサＳ１が、例えば０（１２）時、３時、６時、９時の方向に９０度間隔で４箇所に設置されるので、土水圧力・せん断力測定センサＳ２は、これらの４箇所に対応して（つまり、刃口Ｃ１０内側面の０（１２）時、３時、６時、９時の方向に９０度間隔で）刃口Ｃ１０の内側面の所定の高さに４箇所、さらに、これら４箇所の中間位置に４箇所、合計８箇所に設置される。矩形のケーソンＣの場合、図５（ｂ）に示すように、土圧センサＳ１が、例えば矩形の４頂点（４隅）、４箇所に設置されるので、土水圧力・せん断力測定センサＳ２は、これらの４箇所に対応して（つまり、刃口Ｃ１０内側面の矩形の４頂点（４隅）で）刃口Ｃ１０の内側面の所定の高さに４箇所、さらに、これら４箇所の中間位置に４箇所、合計８箇所に設置される。なお、ケーソンが大型の場合は、土圧センサとともに土水圧力・せん断力測定センサがさらに増設されることがある。
また、この場合、各土水圧力・せん断力測定センサＳ２は刃口Ｃ１０内側面に受圧部４の受圧板４１が刃口Ｃ１０の内側面に面一となるように埋め込み設置される。なお、各土水圧力・せん断力測定センサＳ２は、各センサＳ２の埋め込み位置が刃口Ｃ１０の躯体であれば、受圧部４の受圧板４１が躯体と面一になるように、各センサＳ２の埋め込み位置が刃口金物Ｃ１１であれば、受圧部４の受圧板４１が刃口金物Ｃ１１と面一になるように、刃口Ｃ１０の内側面に埋め込まれ、各センサＳ２の取付フランジ３２が取付ねじにより刃口Ｃ１０の内側面に固定されて設置される。

このようにして土水圧力・せん断力測定センサＳ２は、各種のケーソンＣの刃口Ｃ１０の内側面の複数個所に設置され、刃口Ｃ１０の内側面各部において各センサＳ２により、刃口Ｃ１０の内側面の地盤、泥水による土水圧力及び地盤によるせん断力を同時に測定できるようになっている。

判定装置Ｄは、一般のＰＣ（パーソナルコンピュータ）及びソフトウェアにより実現される。
ＰＣは汎用品が採用され、図６に示すように、ケーソンの刃口の内側面の地盤（土砂）のせん断力を測定するための各種指示が入力される操作入力部ａと、刃口の内側面の地盤のせん断力を測定するための既存の各種アプリケーション（ソフトウェア）及びデータが格納される記憶部ｂと、刃口の内側面の地盤の土水圧力及びせん断力を測定するための情報或いは処理結果を表示する表示部ｃと、外部記録媒体に格納された各種のデータを読み出すデータ読取部ｄと、データ収集ユニットから送付されたデータを受信する通信部ｅと、上記各機能部の動作をコントロールしまた各種演算処理を行う制御部ｆとにより構成される。この場合、操作入力部ａは、キーボード、タッチパネルなどのデータ入力機器により構成され、この操作入力部ａにより、制御部ｆにおける各種処理動作に必要なコマンド及びデータが入力される。記憶部ｂは、土水圧力・せん断力測定センサＳ２からの計測データに基づいて刃口の内側面各部に発生する土水圧力及びせん断力を測定する手段としての処理プログラムを含む各種のプログラムが格納される読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）と、処理動作に際してデータの書き込み、読み出しが実行されるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、刃口の内側面各部に発生する土水圧力及びせん断力を測定して得られたデータを格納する計測データメモリとを有しており、それぞれのメモリが必要に応じて使用される。表示部ｃは液晶その他のディスプレイ機器からなり、刃口の内側面各部に発生する土水圧力及びせん断力により得られた刃口の内側面に掘残された土砂の有無などこのシステムの動作中における種々の状態情報や処理情報などが表示される。データ読取部ｄとしては各種のメモリカードスロット、各種のカードメモリリーダー／ライター、各種のディスクドライバーなど各種のインタフェース機器が用いられる。通信部ｅはデータ収集ユニットから通信により送られてきた記録データを受信するためにインターネットなどの公衆通信ネットワークに接続される。制御部ｆはマイクロコンピュータなどからなり、各種の測定データなどのデータ処理を実行し、その結果をサーバへ送付したりする。

判定装置Ｄはこのような装置構成からなり、各土水圧力・せん断力測定センサＳ２の測定ケーブル７とＰＣが接続されて、刃口の内側面各部に発生し、刃口の内側面各部に設置された各センサＳ２により測定された土水圧力、せん断力の計測データはＰＣの処理プログラムでデータ処理され、その結果がＰＣのディスプレイに表示される。
なお、各土圧センサＳ１についても同様で、各土圧センサＳ１の測定ケーブルとＰＣが接続されて、刃口の先端各部に発生し、刃口の先端各部に設置された各土圧センサＳ１により測定された土圧の計測データはＰＣの処理プログラムでデータ処理され、その結果がＰＣのディスプレイに表示される。

図７にオープンケーソン工法や圧入ケーソン工法などの工事に取り入れたケーソン刃口の地盤掘残し検知方法及びシステムにより、ケーソンの刃口の内側面に作用する地盤からの反力を測定して、刃口の内側面における地盤の掘残しの有無を判断する態様を示している。

図７に示すように、オープンケーソン工法により、先端に刃口Ｃ１０を有する第１ロットのケーソンＣ１、第２ロットのケーソンＣ２が順次沈下され、ケーソンＣ内部の底部開口において地盤を水中掘削してケーソンＣ外部に排出する間、ケーソン刃口Ｃ１０の刃先の各土圧センサＳ１では、ケーソン刃口Ｃ１０の刃先への地盤反力が測定され、これらが電気信号として測定ケーブルにより外部に出力され、測定ケーブルに接続されたＰＣのディスプレイ上に表示される。ケーソンＣでの作業者は、ＰＣのディスプレイ上でケーソンＣ刃先各部での測定値及びこれらが概ね均等であることを確認しつつ、ケーソンＣの躯体の姿勢を制御する。

また、図７に示すように、ケーソン刃口Ｃ１０の内側面の各土水圧力・せん断力測定センサＳ２では、ケーソン刃口Ｃ１０の内側面への地盤反力が測定される。
この場合、ケーソン刃口Ｃ１０の内側面に埋設された各センサＳ２で、受圧部４が土水圧力や水圧など受圧部４の受圧面に対して略垂直の圧力を受けると、（図２、図３参照）受圧部４が感度部５の起歪体５１の歪み変形によりケース３の開口３０面内の定位置からケース３の基端側に後退し、このときの起歪体５１の歪み量が土水圧力測定用の４つの歪みゲージ５２の抵抗変化により電気信号として測定される。なお、受圧部４は土水圧力を受けない状態では、起歪体５１の弾性復帰により受圧部４がケース３の開口３０面内の定位置に戻される。このようにして各センサＳ２により、地盤掘削中の土水圧や水圧が測定される。
また、ケーソン刃口Ｃ１０の内側面に土砂が残っていると、土砂の内部摩擦角や粘着力により、刃口Ｃ１０の内側面にせん断力が発生し、受圧部４でこのせん断力、つまり、受圧部４の受圧面に対して略平行の力を受けると、（図２、図３参照）受圧部４が感度部５の起歪体５１の歪み変形によりケース３の開口３０面内で揺動し、このときの起歪体５１の歪み量がせん断力測定用の４つの歪みゲージ５３の抵抗変化により電気信号として測定される。なお、受圧部４がせん断力を受けない状態では、起歪体５１の弾性復帰により受圧部４がケース３の開口３０面内の定位置に戻される。
そして、これらの電気信号は測定ケーブル７により外部に出力され、各測定値が測定ケーブル７に接続されたＰＣのディスプレイ上に表示される。
かくして、ケーソンＣ内部の地盤の掘削後、刃口Ｃ１０の内側面に地盤の掘残しがある場合は、図７（ａ）に示すように、各センサＳ２で土水圧が検知され、掘残しがない場合は、図７（ｂ）に示すように、各センサＳ２で水圧が検知され、この場合に、有効土圧が小さいと土水圧と水圧の値が近くなって土砂の掘残しの有無の判別が難しいが、これらのセンサＳ２では、刃口Ｃ１０の内側面に発生するせん断力を検知するので、刃口Ｃ１０の内側面に地盤の掘残しがある場合は、図７（ａ）に示すように、刃口Ｃ１０の内側面に発生するせん断力を検知して、この測定値がＰＣのディスプレイに表示される。この場合、ケーソンＣでの作業者は、地盤の掘残しがあると判定できる。また、刃口Ｃ１０の内側面に土砂の掘残しがない場合は、、図７（ｂ）に示すように、刃口Ｃ１０の内側面には水圧のみでせん断力は発生しないため、せん断力を「０」と検知して、この測定値がＰＣのディスプレイに表示され、ケーソンＣでの作業者は、土砂の掘残しがないと判定できる。土砂の掘残しがあった場合は、ケーソンＣでの作業者は、この掘残しを掘削しなおして、排出することができる。そして、この掘残しの掘削排出後、掘残しがないことがセンサＳ２で検知され、これをＰＣのディスプレイで確認することができる。

以上説明したように、このケーソン刃口の地盤掘残し検知方法及びシステムによれば、ケーソンＣの刃口Ｃ１０の内側面の全周方向複数個所に配設されたせん断力計又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサにより、ここでは土水圧力・せん断力測定センサＳ２により、ケーソンＣの刃口Ｃ１０の内側面に作用する地盤からの反力をせん断力として測定し、このせん断力に基づいて、ケーソンＣ内部の地盤の掘削での刃口Ｃ１０の内側面における地盤の掘残しの有無を判断するようにしたので、オープンケーソン工法や圧入ケーソン工法の各工事において、ケーソンＣの刃口Ｃ１０の内側面における地盤の掘残しを可及的に少なくして刃口Ｃ１０の内側面の略全体を確実に掘削することができる。これにより、ケーソンＣの沈設精度を確保して、最終構造物の品質を良好に維持することができ、さらに、ケーソンＣの沈設を中断して再度掘削を行うなどの作業の手戻りを防ぐことができ、ケーソンＣの沈設工程の遅延を防止することができる。

なお、上記実施の形態では、このケーソン刃口の地盤掘残し検知方法及びシステムについて、円形のケーソンと矩形のケーソンを例示したが、小判状のケーソンでも同様に適用できることは言うまでもない。
また、上記実施の形態では、この方法及びシステムについて、オープンケーソン工法や圧入ケーソン工法に適用するものとして説明したが、ニューマチックケーソン工法など他のケーソン工法にも同様に利用することができる。

Ｃ ケーソン
Ｃ１ 第１ロットのケーソン
Ｃ１０ 刃口
Ｃ１１ 刃口金物
Ｃ２ 第２ロットのケーソン
Ｃ３ 第３ロットのケーソン
Ｓ１ 土圧センサ
Ｓ２ 土水圧力・せん断力測定センサ
３（３Ａ、３Ｂ） ケース
３０ 開口
３１ ケース本体
３１０ａ、３１０ｂ 溝
３１１ａ、３１１ｂ 土砂浸入防止リング
３２ａ、３２ｂ 取付フランジ
３３ 取付基部
３３１ ねじ挿通部
３４ａ、３４ｂ 取付穴
３５ 取付部
３６ 凹部
３７ 凸状部
３８ ねじ孔
３９ 溝
４ 受圧部
４１ 受圧板
４１１ 凸部
４１２ 溝
４１３ ねじ挿通孔
４１４ 防水Ｏリング
４２ 支持板
４２０ 凹部
４２１ ねじ挿通孔
４２２ ねじ孔
４２３ 溝
４２４ 防水Ｏリング
４３ 取付ねじ
４４ 取付ねじ
５ 感度部
５１ 起歪体
５１１ ねじ孔
５１２ ねじ孔
５２ 土水圧力測定用歪みゲージ
５２Ｃ 土水圧力測定用ブリッジ回路
５３ せん断力測定用歪みゲージ
５３Ｃ せん断力測定用ブリッジ回路
５４ 取付ねじ
６ 測定ケーブルチャンバー
６０ ケーブル挿通部
６１ 円筒部
６２ 取付フランジ
６３ ねじ挿通部
６４ グランドパッキン
６５ 防水Ｏリング
６６ 取付ねじ
７ 測定ケーブル
Ｐ１ Ａ型の取付部
Ｐ２ Ｂ型の取付部
Ｄ 判定装置
ＰＣ パーソナルコンピュータ
ａ 操作入力部
ｂ 記憶部
ｃ ディスプレイ
ｄ データ読取部
ｅ 通信部
ｆ 制御部

Claims (4)

1. 先端に刃口を有するケーソンをケーソン内部の地盤の掘削に併せて地中に沈下させる各種のケーソン工法に用いるケーソンの前記刃口の内側面における地盤の掘残しを検知するケーソン刃口の地盤掘残し検知方法であって、
   前記刃口の内側面の全周方向複数個所に、せん断力計又は土水圧力とせん断力とを同時に測定可能なセンサを配設し、
   前記各せん断力計又は前記各センサにより、前記刃口の内側面に作用する地盤からの反力をせん断力として測定して、
   当該せん断力に基づいて、前記刃口の内側面における地盤の掘残しの有無を判断する、
   ことを特徴とするケーソン刃口の地盤掘残し検知方法。
2. ケーソンの刃口の各部においてせん断力計又はセンサにより得たせん断力の各値を、前記刃口各部のせん断力計又はセンサの位置とともに、一般のパーソナルコンピュータ及びソフトウェアを用いてデータ処理し、その結果をパーソナルコンピュータのディスプレイ上に可視化する請求項１に記載のケーソン刃口の地盤掘残し検知方法。
3. 先端に刃口を有するケーソンをケーソン内部の地盤の掘削に併せて地中に沈下させる各種のケーソン工法に用いるケーソンの前記刃口の内側面における地盤の掘残しを検知するケーソン刃口の地盤掘残し検知システムであって、
   前記刃口の内側面の全周方向複数個所に配設され、ケーソン内部の地盤の掘削に併せてケーソンを地中に沈下させる際に、前記刃口の内側面に作用する地盤からの反力をせん断力として測定する複数のせん断力計又は土水圧力・せん断力測定センサと、
   前記各せん断力計又は前記各土水圧力・せん断力測定センサに電気的に接続されて、前記ケーソンの外部に設置され、前記各せん断力計又は前記各土水圧力・せん断力測定センサにより測定されたせん断力に基づいて、前記刃口の内側面における地盤の掘残しの有無を判定する判定装置と、
   を備える、
   ことを特徴とするケーソン刃口の地盤掘残し検知システム。
4. 土水圧力・せん断力測定センサは、先端に開口を有する略筒状のケースと、前記ケースの開口面内に配置され、前記土水圧力及びせん断力を受ける受圧部と、前記ケース内に設置されて前記受圧部を支持し、前記受圧部が前記土水圧力を受けて前記受圧部を前記ケースの軸心方向に進退可能に歪み変形し、かつ前記受圧部が前記せん断力を受けて前記受圧部を前記ケースの軸心を中心に揺動可能に歪み変形して、前記土水圧力による歪み量及び前記せん断力による歪み量を電気抵抗の変化として検出する感度部とを備える請求項３に記載のケーソン刃口の地盤掘残し検知システム。

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