JP6976192B2 - ケーソン沈設方法 - Google Patents

Description

本発明は、ケーソンを地盤中に沈設するケーソン沈設方法に関する。

建築構造物の基礎工事や、地下構造物の築造等の工法の一つとして、ケーソン沈設工法がある。この工法は、有底筒状に形成され筒底の下部に地盤掘削用の作業室を備えたニューマチックケーソンや無底筒状に形成されたオープンケーソン等のケーソン（函）を地盤上に配置し、このケーソンの周壁内側の地盤及び周壁下端の刃口部の下方の地盤を掘削しつつ、その自重により又は荷重を加える等して、ケーソンを所定の深さまで徐々に沈下させて設置し、地盤中に基礎や地下構造物等を構築する工法である。

この種の工法におけるケーソンの沈設方法では、ケーソンを沈下させる力である沈下力（主にケーソンの自重）を、この沈下力に抵抗する力である地盤の支持力（沈下抵抗力）より高くなるようにすることにより、ケーソンを沈下させている。ここで、ケーソンの沈設領域の原地盤が軟弱地盤である場合、この軟弱地盤では、大重量のケーソンを適度に支持できるほどの支持力を確保できないことがある。この場合、例えば、ケーソンが静止した状態でその周壁内の地盤等を掘削してケーソンの沈下を開始させると、ケーソンが予定していた沈下量より深く沈下（過沈下）することがある。そのため、軟弱地盤にケーソンを沈設させる場合には、通常、ケーソン沈下前に、予めケーソンの沈下領域における刃口部の下方に地盤改良を施している。

例えば、特許文献１に開示されたケーソン沈設方法では、ケーソン沈下前に、沈下領域における刃口部の下方の地盤を、砂柱又は砂利柱が互いに連接してなる砂杭群に置き換えて、地盤改良を施している。また、砂や砂利に限らず、セメントを充填等して地盤改良を施すことも一般的に行われている。

特公昭５８−０４３５３２

しかしながら、特許文献１に記載されたケーソン沈設方法のように、ケーソンの刃口部の下方の地盤を砂杭に置換して地盤改良を施す場合、砂杭の周囲の原地盤に変位が生じ易いなどの問題がある。また、セメントを充填して地盤改良を施す場合、周囲の原地盤の変位についての懸念は解消し得るが、地盤改良体の強度が過大になってしまうため、ケーソンを容易に沈設させることが困難になる。

本発明は、このような実状に着目してなされたものであり、ケーソンの過沈下及び原地盤への影響を抑制又は防止しつつ、ケーソンを容易に沈設することが可能なケーソン沈設方法を提供することを目的とする。

上記課題に対して、本発明に係るケーソン沈設方法は、その一態様として、刃口部を備えるケーソンを、前記刃口部を下方に向けて地盤の地表面側から所定深さまで沈下させて設置するケーソン沈設方法であって、前記ケーソンの沈下領域における前記刃口部の下方に位置する刃口部下方地盤の少なくとも一部を凍結させる凍結処理により、前記刃口部下方地盤の少なくとも一部に凍結改良体を予め構築した後に、前記ケーソンを沈下させて設置する構成とした。

本発明に係るケーソン沈設方法の上記一態様によると、前記凍結処理により、刃口部下方地盤の少なくとも一部を凍結させて、刃口部下方地盤の少なくとも一部に凍結改良体を予め構築した後に、ケーソンを沈下させている。これにより、例えば、刃口部下方地盤の一部に、軟弱地盤が存在することが事前のボーリング調査により分かっている場合等には、その部分について前記凍結処理を施すことにより、その部分の強度（例えば、一軸圧縮強さ）を少なくとも原地盤よりも高めることができるため、ケーソンの過沈下を抑制又は防止することができる。また、凍結改良体は原地盤を凍結させることにより造成したものであるため、従来の砂杭と比較して改良体自体の自立性を容易に高めることができることができ、ひいては、周囲の原地盤の変位を、砂杭の場合よりも抑制又は防止することができる。そして、凍結改良体は、従来のセメントを用いた地盤改良体と比較すると低強度に造成することができるため、ケーソン沈下の際に凍結改良体を容易に掘削することができる。したがって、ケーソンを容易に沈下させることができる。

このようにして、ケーソンの過沈下及び原地盤への影響を抑制又は防止しつつ、ケーソンを容易に沈設することが可能なケーソン沈設方法を提供することができる。

また、従来の砂杭やセメントを用いた地盤改良体の場合、地盤内へのケーソンの設置が完了した状態で、地盤内におけるケーソンの周囲等に掘削されずに残った地盤改良体の残余部分について、地盤内にそのまま残置させずに撤去すると共に埋戻し、原地盤に復帰させることを要求されることがある。この点、本発明に係るケーソン沈設方法の上記一態様によると、地盤内へのケーソンの設置が完了した状態で、凍結改良体の一部が掘削されずに地盤内におけるケーソンの周囲等に残ったとしても、その凍結改良体の残余部分を解凍させるだけで原地盤に復帰させることができる。

本発明の第１実施形態におけるケーソンの概略構成を説明するための概念図である。 図１に示すＡ−Ａ線矢視断面図である。 第１実施形態におけるケーソン沈設方法の手順を説明するための概念図であり、ボーリング工程を示す図である。 図３に示すＢ−Ｂ線矢視断面図である。 図４に続く冷媒管挿通工程を示す図である。 図５の要部拡大図である。 図６に示すＣ方向から視た要部上面図である。 凍結改良体の構築工程を示す図である。 前記凍結改良体の凍結温度と強度との関係を説明するための図である。 図９に続く第１ロットケーソンの構築工程を示す図である。 前記第１ロットケーソンの構築後の状態を示す図である。 図１１の第１ロットケーソンの刃口部と凍結改良体との位置関係を示す部分拡大断面図である。 図１２に続く第１ロットの掘削沈下工程を示す図である。 図１３に示すＤ−Ｄ線矢視断面図である。 第２ロットケーソンの設置工程を示す図である。 第１〜第５ロットケーソンを設置した状態を示す図である。 ケーソン内部への中埋めコンクリートの打設工程を示す図である。 図１７に続く頂版設置工程を示す図である。 沈設が完了したケーソン上に橋脚を配置した状態を示す図である。 前記第１実施形態の変形例を説明するための概念図である。 本発明の第２実施形態におけるケーソン沈設方法の手順を説明するための概念図であり、第１ロットの掘削沈下工程を示す図である。 第２実施形態におけるケーソンの沈設が完了した状態を示す図である。

以下、添付図面参照して本発明に係るケーソン沈設方法の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態におけるケーソンの概略構成を説明するための概念図である。本実施形態においては、ケーソンとしてニューマチックケーソン１を利用し、このニューマチックケーソン１を沈設させて橋脚１００の基礎を構築するケーソン沈設工法に、本発明に係るケーソン沈設方法を適用した場合について、以下に説明する。

本実施形態における地盤は、地表側の軟弱土層Ｇ１と、この軟弱土層Ｇ１の下方に隣接し軟弱土層Ｇ１より地耐力の高い支持層Ｇ２とを含む地盤で構成されているものとする。この支持層Ｇ２は、例えば、泥岩層等のように、ニューマチックケーソン１及び橋脚１００を支持可能な地耐力を有しているものとし、図１に示すように、ニューマチックケーソン１の後述する刃口部６の先端を、支持層Ｇ２に貫入させた状態で地盤中に沈設させるものとする。

ニューマチックケーソン１は、円筒、角筒等の所定の断面形状を有し、筒形状をなして上下方向に延びる周壁２を有するものである。

図２に示すように、本実施形態では、ニューマチックケーソン１は、全体として、概ね円筒形状であり、沈設された状態で、下から順に、ケーソン基部３と、ケーソン中間部４と、ケーソン頂部５とにより構成される。

周壁２は、ケーソン基部３、ケーソン中間部４及びケーソン頂部５の外周壁からなる。例えば、ケーソン中間部４及びケーソン頂部５は、それぞれケーソン基部３と同外径で形成される。周壁２の下端側、すなわち、ケーソン基部３における周壁２の下端側には、刃口部６が形成される。

また、図２に示すように、周壁２は、地盤中に沈設される際に、その周囲の一部が軟弱土層Ｇ１で覆われると共に、周囲の残りの部分が原地盤を凍結させてなる凍結改良体２１で覆われる。凍結改良体２１は、凍結前の原地盤よりも高い強度（例えば、一軸圧縮強さ）を有する。

図１に戻って、ケーソン基部３は、周壁２の下端側に刃口部６を備えてなるものであり、この刃口部６の内側に地盤掘削用の作業室７が形成されている。具体的には、ケーソン基部３は、円筒状の刃口部６と、この円筒の上端を覆い作業室７の天井となる作業天井壁８とからなる。以下において、このケーソン基部３を、第１ロットケーソン１１と呼ぶ。

刃口部６は、ケーソン沈下時に地盤や凍結改良体２１に貫入する部位である。

作業室７は、作業員や掘削機等により地盤を掘削するための地盤掘削用の空間である。作業室７内には外部から空気等が供給されており、作業室７内は圧気状態になっている。これにより、地盤から作業室７内への地下水、泥及びガス等の流入を抑制又は防止して、掘削作業の安全及び効率化を図っている。

作業天井壁８には、貫通孔８ａが形成されている。この貫通孔８ａは、ケーソン沈設施工時に作業天井壁８の上面に設置される筒状のマンロック及びマテリアルロック（図示省略）の内部空間と連通する。図１では、貫通孔８ａは、図の簡略化のため１つのみ示したが、実際には、マンロック内部との連通用、マテリアルロック内部との連通用、作業室７の圧気用の配管及び作業室７内のガスモニタリング用等の孔がそれぞれ、適宜の位置に形成されている。なお、マンロックには、上方開口部から下方開口部を経て作業室７まで到達する階段が形成されており、この階段を通って、作業員が作業室７内に入室可能とされている。また、マンロックには、途中に減圧室が設けられており、作業員は圧気された作業室７での作業終了後、この減圧室を経由して地表側に退出可能になっている。そして、図示省略のマテリアルロックは、作業室７において掘削した土砂をクレーン等によって排出する際等に利用される。

ケーソン中間部４は、第１ロットケーソン１１の上部に構築され、例えば、円筒状に形成されケーソン沈設深さに応じて適宜個数に分割されている。本実施形態において、ケーソン中間部４は、例えば、３分割されており、下側から第２ロットケーソン１２、第３ロットケーソン１３、第４ロットケーソン１４と呼ぶものとする。各ケーソン１２〜１４は、後述するように第１ロットケーソン１１を軟弱土層Ｇ１内で沈下させる際に鉛直方向に順次積み重ねて構築される。

ケーソン頂部５は、ケーソン中間部４の上部に構築されものであり、例えば、円筒状ケーソン５１と、この円筒状ケーソン５１の開口を閉塞する頂版となる円柱状の頂版５２とを含んで構成される。円筒状ケーソン５１は、例えば、その周壁２（外周壁）の外径をケーソン中間部４と合せて形成され、内径をケーソン中間部４の内径より大きくして形成される。以下において、この円筒状ケーソン５１を、第５ロットケーソン１５と呼ぶ。

次に、本発明に係るケーソン沈設方法の第１実施形態を、ケーソンとして上記ニューマチックケーソン１を用いた場合について、図２〜図１８を参照して説明する。図３及び図４はボーリング工程、図５〜図７は冷媒管挿通工程、図８及び図９は凍結改良体構築工程、図１０及び図１１は第１ロットケーソン１１の構築工程、図１２〜図１４は第１ロットの掘削沈下工程、図１５は第２ロットケーソン１２の構築工程、図１６は第１〜第５ロットケーソン１１〜１５の設置状態、図１７は中埋めコンクリートの打設工程、図１８は頂版設置工程、を説明するための概念図である。なお、各図において、前述したマンロック及びマテリアルロックや、圧気用等の配管等については、図の簡略化のため図示省略している。

本実施形態におけるケーソン沈設方法は、ニューマチックケーソン１を、刃口部６を下方に向けて地盤の地表面側から所定深さまで沈下させて設置する方法であって、ニューマチックケーソン１の沈下領域における刃口部６の下方に位置する刃口部下方地盤の少なくとも一部を凍結させる凍結処理により、刃口部下方地盤の少なくとも一部に凍結改良体２１を予め構築した後に、ニューマチックケーソン１を沈下させて設置するように構成される。

本実施形態では、凍結改良体２１は、図２に示すように、前記刃口部下方地盤のうちのケーソン周方向に離間した複数の位置において地盤上下方向に延伸する複数の柱体２１ａからなる。詳しくは、本実施形態では、前記凍結処理により、凍結改良体２１は、前記刃口部下方地盤において、深さ方向については地表面から概ね支持層Ｇ２までの全深さ範囲であって、ケーソン周方向についてはケーソン中心軸周りの所定角度ピッチ毎に間隔を空けた範囲に、形成される。つまり、各柱体２１ａは、地表面から概ね支持層Ｇ２まで延び、複数の柱体２１ａは、その互いに隣り合う柱体２１ａの間に間隔を空けて設けられている。

本実施形態におけるケーソン沈設方法は、具体的には、以下に詳述する、「ボーリング工程」、「冷媒管挿通工程」、「凍結改良体構築工程」、「ケーソン構築工程」及び「掘削沈下工程」を含んで構成される。

まず、「ボーリング工程」では、図３及び図３に示すＢ−Ｂ線矢視断面図である図４に示すように、ボーリング孔２０を、複数の柱体２１ａのそれぞれの構築予定位置に合せて地盤の地表面側から下方に向かって削孔する。詳しくは、前記刃口部下地盤（軟弱土層Ｇ１）に、複数のボーリング孔２０を、互いに連通しないように間隔を空けて、地表から下方に向かって、例えば、支持層Ｇ２の手前まで削孔する。各ボーリング孔２０は、それぞれの孔中心が、例えば、図４に示すように、刃口部６周りの周壁２の輪郭線Ｌ１（図中、二点鎖線）で示される仮想円より僅かに大径の仮想円Ｌ２（図中、一点鎖線）の線上に沿うようにして、削孔される。したがって、ボーリング孔２０は、例えば、ケーソン中心軸周りに等角度のピッチで削孔される。図４中、各ボーリング孔２０を中心として点線で示された円は、原地盤の凍結予定範囲２１ａ’を示す。なお、ボーリング孔２０の角度ピッチは、ニューマチックケーソン１の沈下時に必要とする支持力等に基づいて適宜定めればよい。

次に、「冷媒管挿通工程」では、図５、図５の要部拡大図及び図６に示すＣ方向から視た要部上面図である図７に示すように、前記ボーリング工程で削孔された各ボーリング孔２０内に、冷媒を循環供給させるための第１冷媒管３０を挿通する。第１冷媒管３０は、図５及び図６に示すように、その上端部を地表面より上方に突出させた状態で配置される。第１冷媒管３０の上端部には、図７に示すように、冷媒の供給口と戻り口が形成されている。第１冷媒管３０の内部には、図示を省略するが、第１冷媒管３０の上端から下端の間を複数回往復する流路が形成されている。この複数回往復する流路全体の入口は前記供給口に接続され、複数回往復する流路全体の出口は前記戻り口に接続されている。第１冷媒管３０は、例えば、図７に示すように、矩形状の断面を有し、可撓性を有する長尺薄板状に形成されており、矩形断面の長手方向の面をニューマチックケーソン１の沈下領域側に向けて配置される。このように、第１冷媒管３０は、ニューマチックケーソン１の沈下領域の近傍（図６及び図７では輪郭線Ｌ１の左側の領域）において、ニューマチックケーソン１の沈下領域の周囲を囲むように配置される。ボーリング孔２０内には、例えば、熱伝導流体（水等）が充填されており、第１冷媒管３０の外面とボーリング孔２０の孔壁面との間の隙間に前記熱伝導流体が満たされている。なお、熱伝導流体に替えて熱伝導部材を充填してもよい。また、第１冷媒管３０は、冷媒を往復循環可能であればよく、例えば、矩形断面に限らず、円形断面を有してもよく、適宜の断面形状を適用できる。そして、本実施形態のように、第１冷媒管３０が可撓性の部材である場合には、適宜のガイド管内に挿通させた状態で、ボーリング孔２０内にガイド管と伴に挿通させてもよい。また、第１冷媒管３０に剛性を持たせ、ボーリング孔２０内に直接挿通するようにしてもよい。

そして、「凍結改良体構築工程」では、図８に示すように、冷媒供給装置６０を地表面上に設置する。この冷媒供給装置６０は、温度調整した冷媒を供給可能な装置である。冷媒供給装置６０と各第１冷媒管３０の前記供給口及び前記戻り口との間は、配管で接続される。冷媒供給装置６０を起動させると、第１冷媒管３０に冷媒が循環供給される。これにより、ボーリング孔２０内の前記熱伝導流体が冷却され、ボーリング孔２０の周囲の軟弱土層Ｇ１は冷却された前記熱伝導流体を介して冷却されて凍結する。つまり、第１冷媒管３０に冷媒を循環供給して第１冷媒管３０の周囲の地盤を凍結させる。これにより、第１冷媒管３０の周囲の軟弱な原地盤（軟弱土層Ｇ１）が凍結し、前記刃口部下方地盤のうちのケーソン周方向に離間した複数の位置において地盤上下方向に延伸する複数の柱体２１ａからなる凍結改良体２１が形成される。なお、本実施形態では、第１冷媒管３０は、前述したように複数回往復する流路を内部に有しているため、冷媒流通時における第１冷媒管３０の温度の上下方向のばらつきは小さく抑えられている。そのため、柱体２１ａは上下方向に略同程度の温度（凍結温度）で凍結している。また、本明細書における「凍結」とは、凍結改良体（凍土）を組成する土質物が全く流動できない状態のみを意味するものではなく、例えば、凍結改良体が全体としてシャーベット状になって、ある程度の流動を許容する状態をも含む。軟弱な原地盤（軟弱土層）をシャーベット状に凍結させて得られる凍結改良体２１であっても、凍結前の原地盤よりも自立性は高い。

このように、本実施形態では、前記凍結処理は、複数の柱体２１ａのそれぞれの構築予定位置に合せて地盤の地表面側から下方に向かって削孔するボーリング孔２０に、冷媒循環供給用の第１冷媒管３０を挿通すること（前記冷媒管挿通工程）と、第１冷媒管３０に冷媒を循環供給して第１冷媒管３０の周囲の地盤を凍結させること（前記凍結改良体構築工程）と、を含む。

ここで、図９は、事前に採取した軟弱土層Ｇ１の柱状テストピースを凍結させ、そのテストピースの強度（一軸圧縮強さ）が凍結温度（テストピースの温度）の変化に応じてどのように変化するかを示したグラフの一例である。図９に示すように、凍結温度が低くなるほどテストピースの強度は高くなる。軟弱土層Ｇ１の低支持力に起因するニューマチックケーソン１の過沈下の抑制又は防止の点にのみ着目すると、柱体２１ａの強度が高いほどよい。しかし、強度が過剰であると、沈下速度、沈下量が極端に低下し効率的でない場合がある。過沈下の発生を防止するために、柱体２１ａがどの程度の支持力（強度）を必要とするかは、ニューマチックケーソン１の自重、軟弱土層Ｇ１の支持力、軟弱土層Ｇ１の性状、図９のような凍結温度と凍結改良体の強度との関係の試験データ等により、事前に想定することができる。したがって、柱体２１ａの強度を、過沈下の発生を防止するために必要とする想定強度を確保可能な最小限の強度に設定できれば、過沈下を防止しつつ、沈下作業の確実な効率化を図ることができる。

この点、本実施形態では、前記凍結処理は、循環供給する冷媒の温度を所定値に設定することにより凍結改良体２１（各柱体２１ａ）の強度を所定強度に設定することを含む。具体的には、図示省略するが、例えば、ボーリング孔２０の上下方向の所定位置に温度検知センサを設けて柱体２１ａの温度（凍結温度）を検知し、この検知温度が柱体２１ａについて必要とする強度に対応する凍結温度になるように、冷媒供給装置６０から供給する冷媒の温度を設定する。冷媒供給装置６０には、前記温度検知センサからの測定データが入力され、冷媒供給装置６０は、入力された測定データに基づいて、供給する冷媒の温度を設定（調整）する。例えば、柱体２１ａについて必要とする一軸圧縮強さがσ１[ＭＮ／ｍ^２]程度である場合、凍結温度（つまり、凍結時の柱体２１ａの温度）は図９では概ね−１[℃]であるため、前記温度検知センサによる検知温度が概ね−１[℃]になるように、冷媒供給装置６０から供給する冷媒の温度を設定する。目標の強度で構築された凍結改良体２１の強度は、凍結改良体２１の凍結温度が維持される限り維持される。なお、概ね−１[℃]程度で凍結した柱体２１ａは、全体としてシャーベット状に形成されている。凍結温度は柱体２１ａについて必要とする強度に応じて適宜に設定できる。柱体２１ａの外径（凍結予定範囲２１ａ’）は、冷媒供給装置６０から供給される冷媒の温度、冷媒の流量、原地盤の性状等によって定まり、事前の試験等により想定することができる。

また、本実施形態では、前記凍結処理は、一旦構築した凍結改良体２１の強度を冷媒の温度調整により調整することを含む。つまり、一旦、目標の強度で凍結改良体２１が構築された後に、目標の強度を変更する必要がある場合には、冷媒の温度調整により、凍結改良体２１の強度を増減変更することができる。

次に、図１０に示すように、地表面から突出した第１冷媒管３０の内側における地表面上に、第１ロットケーソン１１の形成用に盛り土Ｍをする。そして、図示を省略するが、この盛り土Ｍを覆うように型枠を構築すると共にその型枠内に鉄筋を配筋する。その後、型枠内にコンクリートを打設することにより、図１１に示すように、鉄筋コンクリート製の第１ロットケーソン１１（ケーソン基部３）が構築される。これにより、第１ロットケーソン１１は、その刃口部６を柱体２１ａの上端面上に据え付けた状態で設置される。この状態で、第１ロットケーソン１１は、その内側の盛り土Ｍ及び凍結改良体２１により支持され、沈下せずに静止している。なお、この第１ロットケーソン１１の構築工程と、後述する図１５及び図１６で示した各ロットのケーソン１２〜１５の構築工程とが、「ケーソン構築工程」である。

本実施形態では、各ロットのケーソン１２〜１５も、第１ロットケーソン１１と同様に、型枠内にコンクリートを現場打ちすることにより形成する。ただし、これに限らず、各ロットのケーソン１１〜１５は、工場等で予め形成したものを配置してもよい。また、鉄筋コンクリート製に限らず、鋼製等の適宜材質で形成することができる。

次に、図１２に示すように、第１ロットケーソン１１を地盤上に設置した状態で、周壁２の内側の盛り土Ｍを掘削して、作業室７外に排出する。これにより、第１ロットケーソン１１に対する盛り土Ｍからの支持力が徐々に低減し、第１ロットケーソン１１の刃口部６が各柱体２１ａの上端部に嵌入し始め、第１ロットケーソン１１が刃口部６の下方に沈下し始める。その後、作業室７内の盛り土Ｍの残土を排出し、刃口部６下の柱体２１ａと、刃口部６下の各柱体２１ａの間の地盤（軟弱土層Ｇ１）とを順次掘削することにより、図１３に示すように、第１ロットケーソン１１の全体が地盤内に沈設される。つまり、掘削と沈下を交互に繰返し、徐々に第１ロットケーソン１１を沈下させる。一度の沈下量（沈下深さ）は、支持力を低減させる分に応じて変化するため、一度に掘削する掘削土の量が多いほど、一度の沈下量は多くなる。柱体２１ａは原地盤（軟弱地盤）よりも強度が高められているため、一度の沈下量は比較的に低く抑えられる。この沈下の際に、周壁２は、図１３に示すＤ−Ｄ線矢視断面図である図１４に示すように、その周囲の一部が軟弱土層Ｇ１で覆われていると共に、周囲の残りの部分が凍結改良体２１で覆われている。

具体的には、第１ロットケーソン１１の設置後、作業室７内を圧気し、その後、マンロックから作業者が作業室７内に入り、掘削機械等により、盛り土Ｍ、及び各柱体２１ａを掘削する。このようにして、軟弱土層Ｇ１及び柱体２１ａの上記順次掘削により、第１ロットケーソン１１を所定の深さまで沈下させ、第１ロットケーソン１１の掘削沈下工程が完了する。その後、図１５に示すように、第１ロットケーソン１１の上部に第２ロットケーソン１２を構築する。

次に、図１５において、第１ロットケーソン１１の第１ロット掘削沈下工程と同様にして、第２ロット掘削沈下工程を行い、その後、更に、第３〜第５ロットのケーソン（１３〜１５）の構築及びそれぞれに対応する第３〜第５ロット掘削沈下工程を行い、図１６に示すように、第１ロットケーソン１１の刃口部６を支持層Ｇ２に貫入させる。そして、作業室７内の設備、マンロック、マテリアルロック及び各種配管等を撤去する。なお、前述の第１ロット掘削沈下工程と、図１５及び図１６で示した第２ロット〜第５ロットケーソン（１２〜１５）にそれぞれ対応する第２ロット掘削沈下工程〜第５ロット掘削沈下工程とが、「掘削沈下工程」である。

そして、冷媒供給装置６０は、前記ケーソン掘削沈下工程が完了するまで、凍結改良体２１の必要とする強度を維持するように、冷媒の循環供給運転を継続する。

また、前述したように、本実施形態では、前記凍結処理は、一旦構築した凍結改良体２１の強度を冷媒の温度調整により調整することを含む。したがって、各ロットのケーソン（１１〜１５）の実際の沈下状況（沈下量、沈下速度等）に応じて、冷媒供給装置６０における冷媒の温度調整により、凍結改良体２１の強度を増減してもよい。

そして、図１７に示すように、刃口部６が支持層Ｇ２に貫入したところで、冷媒供給装置６０による冷媒の循環供給運転を停止させる。これにより、凍結改良体２１（図中、破線の内側部分）は解凍して原地盤に復帰する。このとき、第１冷媒管３０を図１７に示すように撤去してもよいし、残置させてもよい。また、この状態で、作業室７内への中埋めコンクリート１６ａを打設すると共に、第２ロットケーソン１２〜第４ロットケーソン１４の内部へ同様に中埋めコンクリート１６ｂを打設する。なお、第２ロットケーソン１２〜第４ロットケーソン１４の内部へは、中埋めコンクリート１６ｂに替って水を投入するようにしてもよいし、埋戻土を投入するようにしてもよいし、何も投入せず空洞にしてもよい。

次に、図１８に示すように、頂版５２を第５ロットケーソン１５の内部に配置して、第５ロットケーソン１５の開口を閉塞し、ニューマチックケーソン１の躯体が完成する。このようにして、ニューマチックケーソン１をその刃口部６が支持層Ｇ２に貫入する深さまで沈下させて設置し、橋脚の基礎を構築する工事が完了する。その後、図１９に示すように、頂版５２の上に橋脚が設置され橋脚下端を土砂等で埋戻し、橋脚の設置が完了する。

本実施形態によるケーソン沈設方法によれば、前記凍結処理により、ニューマチックケーソン１の沈下領域における刃口部６の下方に位置する刃口部下方地盤の少なくとも一部を凍結させて、刃口部下方地盤の少なくとも一部に凍結改良体２１を予め構築した後に、ニューマチックケーソン１を沈下させている。これにより、例えば、刃口部下方地盤に、軟弱土層Ｇ１が存在することが事前のボーリング調査により分かっている場合等には、その部分について前記凍結処理を施すことにより、その部分の強度（例えば、一軸圧縮強さ）を少なくとも原地盤よりも高めることができるため、ニューマチックケーソン１の過沈下を抑制又は防止することができる。また、凍結改良体２１は原地盤を凍結させることにより造成したものであるため、従来の砂杭よりも改良体自体の自立性を容易に高めることができることができ、ひいては、周囲の原地盤の変位を、砂杭の場合よりも抑制又は防止することができる。そして、凍結改良体２１は、従来のセメントを用いた地盤改良体と比較すると低強度に造成することができるため、ケーソン沈下の際に凍結改良体２１を容易に掘削することができる。したがって、ニューマチックケーソン１を容易に沈下させることができる。

このようにして、ニューマチックケーソン１の過沈下及び原地盤への影響を抑制又は防止しつつ、ニューマチックケーソン１を容易に沈設することが可能なケーソン沈設方法を提供することができる。また、地盤中へのニューマチックケーソン１の設置が完了した状態で、凍結改良体２１の一部が掘削されずに地盤内におけるニューマチックケーソン１の周囲等に残ったとしても、冷媒供給装置６０による冷媒の循環供給運転を停止するだけで、その凍結改良体２１の残余部分を解凍して原地盤に復帰させることができる。

本実施形態では、凍結改良体２１は、刃口部下方地盤のうちのケーソン周方向に離間した複数の位置において地盤上下方向に延伸する複数の柱体２１ａからなる構成とした。これにより、凍結改良体２１の施工範囲をケーソン周方向に適宜に間引くことができ、施工範囲を比較的に狭くすることができる。

本実施形態では、前記凍結処理は、複数の柱体２１ａのそれぞれの構築予定位置に合せて地盤の地表面側から下方に向かって削孔するボーリング孔２０に、冷媒循環供給用の第１冷媒管３０を挿通することと、第１冷媒管３０に冷媒を循環供給して第１冷媒管３０の周囲の地盤を凍結させることと、を含む。これにより、軟弱土層等のように支持力の不足し得る地盤が、刃口部下方地盤の深さ方向全体に亘って位置している場合に好適なケーソン沈下方法を提供することができる。また、従来、改良体として砂杭を形成する場合等には、三点杭打ち機等の大規模な設備が必要であるところ、前記凍結処理に必要な設備としては、ボーリング孔２０を削孔するための図示省略したボーリングマシンと冷媒供給装置６０だけでよい。ボーリング孔２０は比較的に小径（例えば１００ｍｍ以下）でよく、前記ボーリングマシンや冷媒供給装置６０は、従来の前記三点杭打ち機等と比較すると、非常に小規模な設備となり、施工設備の設置場所の確保の自由度が高い上、施工コストの面においても優位である。また、施工深さについても砂杭よりも深くまで施工可能である。

本実施形態では、前記凍結処理は、循環供給する冷媒の温度を所定値に設定することにより凍結改良体２１の強度を所定強度に設定することを含む。これにより、柱体２１ａの強度を、過沈下の発生を防止するために必要とする想定強度を確保可能な最小限の強度に設定できるため、過沈下を防止しつつ、より効率的な沈下作業を行うことができる。

本実施形態では、前記凍結処理は、一旦構築した凍結改良体２１の強度を冷媒の温度調整により調整することを含む。これにより、一度の掘削に対する実際の沈下量が、過沈下に至らなくとも、予定した量より若干多い場合は、冷媒の供給温度を下げて、より安全な状態で掘削作業を行うことができる。一方、一度の掘削に対する実際の沈下量が、予定した量より少ない場合は、過沈下に至らない程度に冷媒の供給温度を上げて、より効率的な沈下を図ることができる。つまり、従来の砂杭やセメントを用いた改良体の場合、沈下作業の途中で、改良体の強度を変更することが不可能であるところ、本実施形態に係るケーソン沈設方法では、改良体として凍結改良体２１を用い、冷媒の温度調整を可能とすることにより、沈下作業の途中で、沈下状況に応じて、改良体としての凍結改良体２１の強度を増減変更することができ、安全性及び作業効率の点において、従来と比較して極めて有利な効果を奏することができる。

次に、第１実施形態におけるケーソン沈設方法の変形例について、図２０を参照して説明する。ニューマチックケーソン１の沈下領域の地盤は、図１のように軟弱土層Ｇ１のみの単層に限らず、性状の異なる複数の層（互層）からなる場合もある。例えば、図２０に示すように、地表側から順に、通常土層Ｇ３、軟弱土層Ｇ１、通常土層Ｇ３、軟弱土層Ｇ１及び支持層Ｇ２で構成されている場合もある。通常土層Ｇ３は、支持層Ｇ２ほどの地耐力を有さないものの、軟弱土層Ｇ１におけるような過沈下が生じない程度の支持力を有するものとする。

このような地盤においては、刃口部下方地盤のうちの地盤上下方向についての所定の深さ範囲に、凍結改良体２１を構築すればよい。つまり、図２０では、上側の軟弱土層Ｇ１の深さ範囲と下側の軟弱土層Ｇ１の深さ範囲にのみ、凍結改良体２１を構築すればよい。これにより、凍結改良体２１の施工範囲を過沈下の発生し得る深さ範囲に限定することができるため、例えば、凍結改良体２１の施工期間を短縮することができる。つまり、凍結改良体２１の施工範囲を、ケーソン周方向だけでなく深さ方向についても間引くことができる。

この変形例では、具体的には、前記凍結処理は、地盤の地表面側から下方に向かって削孔するボーリング孔２０に、冷媒を循環供給させるための第２冷媒管４０であって、所定の深さ範囲以外の部位に断熱処理が施された第２冷媒管４０を挿通することと、図２０に示すように、第２冷媒管４０に冷媒を循環供給して第２冷媒管４０における断熱処理の施されていない部位の周囲の地盤を凍結させることと、を含む。具体的には、第２冷媒管４０における上側の軟弱土層Ｇ１及び下側の軟弱土層Ｇ１の深さ範囲以外の部位（つまり、上側の通常土層Ｇ３及び下側の通常土層Ｇ３の深さ範囲の部位）の外周を覆うように、断熱部材が取付けられている。そして、前記冷媒管挿通工程において、第１冷媒管３０に替えて第２冷媒管４０を各ボーリング孔２０に挿通する。前記凍結改良体構築工程において、冷媒供給装置６０により、第２冷媒管４０に冷媒を循環供給することにより、上側の軟弱土層Ｇ１及び下側の軟弱土層Ｇ１の深さ範囲にのみ凍結改良体２１が構築される。これにより、凍結改良体２１の施工範囲を、深さ方向において容易に限定することができる。

また、この変形例において、冷媒供給装置６０は、前記ケーソン掘削沈下工程が完了するまで、冷媒の循環供給運転を継続してもよいし、各軟弱土層Ｇ１の深さ範囲を沈下させる直前から各軟弱土層Ｇ１の深さ範囲を沈下し終わるまでの間にのみ、凍結改良体２１が構築されているように、断続運転してもよい。つまり、上側の通常土層Ｇ３の深さ範囲で沈下させる際と、下側の通常土層Ｇ３の深さ範囲で沈下させる際には、凍結改良体２１は不要である。このように、冷媒供給装置６０は、地盤の有する深さ方向における支持力の分布に応じて途中で運転を一旦停止し、その後、運転を再開、つまり、断続運転（換言すると間欠運転）してもよい。これにより、運転コストの低減を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態におけるケーソン沈設方法について、図２１及び図２２を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、地盤は、図２１に示すように、地表側の軟弱土層Ｇ１と、軟弱土層Ｇ１の下方に隣接する支持層Ｇ２とを含む地盤で構成されているものとする。この軟弱土層Ｇ１は図１に示す地盤と異なり表層の部分にのみ形成されている。したがって、地表面から支持層Ｇ２までの深さも比較的に浅い。

本実施形態では、ニューマチックケーソン１’は、図２２に示すように、ケーソン基部３（第１ロットケーソン１１）と、ケーソン頂部５（第５ロットケーソン１５）とにより構成される。つまり、ニューマチックケーソン１’は、ケーソン中間部４を有していない点で、図１に示したニューマチックケーソン１と異なるだけである。

本実施形態では、前記凍結処理は、前記刃口部下方地盤を囲むように地盤の地表面側から伝熱性を有する複数の長尺部材７０を地盤中に建て込むことと、冷媒を循環供給させるための第３冷媒管５０を長尺部材７０における地表面側に露出する所定の露出部７０ａに取り付けることと、第３冷媒管５０に冷媒を循環供給して前記長尺部材の周囲の地盤を凍結させることと、を含む。

具体的には、第２実施形態におけるケーソン沈設方法は、第１実施形態における「ボーリング工程」に替って「伝熱部材建て込み工程」を有し、「冷媒管挿通工程」に替って「冷媒管取り付け工程」を有する。

前記伝熱部材建て込み工程では、伝熱性を有する複数の長尺部材７０を前記刃口部下方地盤の全周を連続して囲むように、例えば、支持層Ｇ２に貫入する深さまで建て込む。つまり、互いに隣接する長尺部材７０の間は接続されて隙間を有していない。長尺部材７０としては、例えば、鋼矢板（シートパイルともいう）７１が適用される。したがって、ニューマチックケーソン１’の沈下領域の周囲を連続して囲む円筒状の土留め壁が複数の鋼矢板７１により構築されている。そして、ニューマチックケーソン１’のケーソン基部３の構築の前に、図２１に示すように、複数の鋼矢板７１からなる前記土留め壁の内側において、表層の所定深さまで、軟弱土層Ｇ１が掘削（開削）される。

前記冷媒管取り付け工程では、冷媒を循環供給させるための第３冷媒管５０を長尺部材７０において地表面側に露出する所定の露出部７０ａに取り付ける。露出部７０ａは、例えば、複数の鋼矢板７１からなる前記土留め壁の上端部である。第３冷媒管５０は、例えば、前記土留め壁の上端部上を全周に亘って沿うように延設され、概ね円環状に形成されている。図示省略するが、第３冷媒管５０の一端に、冷媒の供給口が形成され、第３冷媒管５０の他端に、冷媒の戻り口が形成されている。冷媒供給装置６０から供給される冷媒は前記供給口を介して第３冷媒管５０に導かれ、前記戻り口を介して冷媒供給装置６０に戻る。なお、第３冷媒管５０の取り付け位置は、複数の鋼矢板７１からなる前記土留め壁の上端部であるものとして図示されているが、これに限らず、前記土留め壁における開削された内側の上下方向所定の高さ位置に取り付けてもよい。この場合、上下方向下端の高さ位置に第３冷媒管５０を取り付けるとよい。

前記凍結改良体構築工程では、冷媒供給装置６０を起動させると、第３冷媒管５０に冷媒が循環供給される。これにより、鋼矢板７１が第３冷媒管５０により冷却される。そして、第３冷媒管５０の周囲の軟弱土層Ｇ１が冷却されて凍結する。つまり、第３冷媒管５０に冷媒を循環供給して長尺部材７０としての鋼矢板７１の周囲の軟弱土層Ｇ１を凍結させる。したがって、鋼矢板７１は、前記土留め壁としての機能と冷媒と軟弱土層Ｇ１との間の熱交換の際の伝熱部材としての機能を有する。これにより、第３冷媒管５０の周囲の軟弱な原地盤（軟弱土層Ｇ１）が凍結し、前記刃口部下方地盤に、ケーソン周方向の全周に連続して地盤上下方向に延伸する概ね筒状の凍結改良体２１’が形成される。

ここで、冷媒が第３冷媒管５０に循環供給されると、鋼矢板７１は上方から順に冷却される。このとき、鋼矢板７１は、第３冷媒管５０に近いほど低温に冷却され、つまり、下端から上端に向かうほど低温に冷却される。そのため、鋼矢板７１の周囲に形成される凍結改良体２１’の凍結温度は下端から上端に向かうほど低温になり、凍結改良体２１’の強度は下端側に向かうほど低くなる。したがって、本実施形態では、軟弱土層Ｇ１と支持層Ｇ２との境界深さ位置における凍結改良体２１’の強度が、過沈下の発生を防止するために必要とする想定強度に設定されている。具体的には、本実施形態では、前記温度検知センサは、例えば、第３冷媒管５０における軟弱土層Ｇ１と支持層Ｇ２との境界の深さ位置に取付けられている。そして、前記温度検知センサによる検知温度が軟弱土層Ｇ１と支持層Ｇ２との境界深さ位置における凍結改良体２１’について必要とする強度に対応する凍結温度になるように、冷媒供給装置６０から供給する冷媒の温度を設定する。なお、筒状の凍結改良体２１’の厚みは地表面側から下方に向かうほど薄くなる。したがって、凍結改良体２１’は、図２１に示すように、その造成範囲が軟弱土層Ｇ１と支持層Ｇ２との境界深さ位置においてもニューマチックケーソン１’の沈下領域（図２１では、刃口部６周りの周壁２の輪郭線Ｌ１の右側）と重なるように形成されている。

前記ケーソン構築工程では、複数の鋼矢板７１からなる前記土留め壁の内側の開削された地表面上において、第１実施形態と同様にして、盛り土Ｍをすると共に、型枠、配筋及びコンクリート打設をして、第１ロットケーソン１１が構築される。

前記掘削沈下工程では、周壁２の内側の盛り土Ｍと、刃口部６下の凍結改良体２１’とを順次掘削することにより、図２２に示すように、第１ロットケーソン１１をその刃口部６が支持層Ｇ２に貫入する深さまで沈下させる。この状態で、第５ロットケーソン１５が第１ロットケーソン１１の上部に構築される。その後、第３冷媒管５０、作業室７内の設備、マンロック、マテリアルロック及び各種配管等を撤去すると共に、鋼矢板７１が地盤から引き抜かれる。

第２実施形態に係るケーソン沈設方法においても、ニューマチックケーソン１’の過沈下及び原地盤への影響を抑制又は防止しつつ、ニューマチックケーソン１’を容易に沈設することが可能であり、また、原地盤への復帰が容易である。そして、第２実施形態では、第３冷媒管５０は地盤内に配置されず、長尺部材７０を介した熱伝導により地盤を冷却する構成であるため、凍結改良体２１’を地盤の表層に造成する場合に好適である。

なお、第２実施形態では、長尺部材７０は、鋼矢板７１であるものとしたが、これに限らず、比較的に高い熱伝導性を有し、かつ、地盤内に建て込み可能な剛性を有する適宜の部材を適用できる。また、凍結改良体２１’は、ケーソン周方向の全周に連続して形成するものとしたが、これに限らず、第１実施形態と同様に、前記刃口部下方地盤のうちのケーソン周方向に離間した複数の位置において地盤上下方向に延伸する複数の柱体からなるものとしてもよい。この場合、長尺部材７０としてＨ鋼をケーソン周方向に離間した複数の位置に建て込むと共に、開削部分において、互いに隣り合うＨ鋼の間に木製矢板を取り付けて土留め壁を形成する。これにより、前記Ｈ鋼の周囲の地盤が凍結し、前記複数の柱体が形成される。また、第２実施形態では、長尺部材７０は、前記土留め壁を構成する部材であることを前提にして説明したが、これに限らない。例えば、施工領域の近傍に構造物や建物等がない場合等には、前記土留め壁は不要であるため、長尺部材７０は、単に、前記刃口部下方地盤を囲むように地盤の地表面側から下方に向けて建て込まれていればよい。この場合、第１ロットケーソン１１は原地盤の地表面上で構築し、開削を行わなくてもよい。

また、第１実施形態では、凍結改良体２１は、前記刃口部下方地盤のうちのケーソン周方向に離間した複数の位置において地盤上下方向に延伸する複数の柱体２１ａからなるものとしたが、第２実施形態のようにケーソン周方向の全周に連続するように形成してもよい。つまり、複数の柱体２１ａのうちの互いに隣り合う柱体２１ａの間に間隔を空けずに、複数の柱体２１ａを延伸させてもよい。

また、上記説明では、ニューマチックケーソン１，１’を橋脚１００の基礎としたが、ニューマチックケーソン１，１’は、橋脚に限らず他の建築構造物の基礎として用いることができる。また、ニューマチックケーソン１，１’は、建築構造物の基礎に限らず、地下構造物として用いることもできる。また、ケーソンとして、ニューマチックケーソン１，１’を利用した場合で説明したが、ケーソンの種類は、これに限らず、底無しの筒からなる一般的なオープンケーソンであってもよい。また、ケーソンは、円筒状のみでなく、角筒状等のあらゆる形状を適用することができる。

以上、本発明の実施形態及びその変形例について説明したが、本発明は上述の実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて更なる変形や変更が可能であることはもちろんである。

１，１’…ニューマチックケーソン（ケーソン）、６…刃口部、２０…ボーリング孔、２１，２１’…凍結改良体、２１ａ…柱体、３０…第１冷媒管、４０…第２冷媒管、５０…第３冷媒管、７０…長尺部材、７１…鋼矢板

Claims (9)

1. 刃口部を備えるケーソンを、前記刃口部を下方に向けて地盤の地表面側から所定深さまで沈下させて設置するケーソン沈設方法であって、
   前記ケーソンの沈下領域における前記刃口部の下方に位置する刃口部下方地盤の少なくとも一部を凍結させる凍結処理により、前記刃口部下方地盤の少なくとも一部に凍結改良体を予め構築した後に、前記ケーソンを沈下させて設置する、ケーソン沈設方法。
2. 前記凍結改良体は、前記刃口部下方地盤のうちのケーソン周方向に離間した複数の位置において地盤上下方向に延伸する複数の柱体からなる、請求項１に記載のケーソン沈設方法。
3. 前記刃口部下方地盤のうちの地盤上下方向についての所定の深さ範囲に前記凍結改良体を構築する、請求項１又は２に記載のケーソン沈設方法。
4. 前記凍結処理は、
   前記複数の柱体のそれぞれの構築予定位置に合せて前記地盤の地表面側から下方に向かって削孔するボーリング孔に、冷媒を循環供給させるための第１冷媒管を挿通することと、
   前記第１冷媒管に前記冷媒を循環供給して前記第１冷媒管の周囲の地盤を凍結させることと、
   を含む、請求項２に記載のケーソン沈設方法。
5. 前記凍結処理は、
   前記地盤の地表面側から下方に向かって削孔するボーリング孔に、冷媒を循環供給させるための第２冷媒管であって、前記所定の深さ範囲以外の部位に断熱処理が施された第２冷媒管を挿通することと、
   前記第２冷媒管に前記冷媒を循環供給して前記第２冷媒管における前記断熱処理の施されていない部位の周囲の地盤を凍結させることと、
   を含む、請求項３に記載のケーソン沈設方法。
6. 前記凍結処理は、
   前記刃口部下方地盤を囲むように前記地盤の地表面側から熱伝導性を有する複数の長尺部材を地盤中に建て込むことと、
   冷媒を循環供給させるための第３冷媒管を前記長尺部材において地表面側に露出する所定の露出部に取り付けることと、
   前記第３冷媒管に前記冷媒を循環供給して前記長尺部材の周囲の地盤を凍結させることと、
   を含む、請求項１〜３のいずれか一つに記載のケーソン沈設方法。
7. 前記長尺部材は、鋼矢板である、請求項６に記載のケーソン沈設方法。
8. 前記凍結処理は、循環供給する前記冷媒の温度を所定値に設定することにより前記凍結改良体の強度を所定強度に設定することを含む、請求項４〜７のいずれか一つに記載のケーソン沈設方法。
9. 前記凍結処理は、一旦構築した前記凍結改良体の強度を前記冷媒の温度調整により調整することを含む、請求項８に記載のケーソン沈設方法。

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