JP7017980B2 - 地盤改良構造および掘削方法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤改良構造および地盤の掘削方法に関する。

地下構造物の構築時には地盤の掘削を行う。その際、適切な深度に不透水層が有る場合は、不透水層に達する山留壁を構築した後、切梁・腹起しを掛けながら山留壁の内側の地盤を掘削する。山留壁は外側の地盤からの土圧に抵抗するほか、地下水を遮水する遮水壁としても機能する。

一方、適切な深度に不透水層が無い場合、山留壁の内側の地盤を改良して人工の不透水層（以下、人工不透水層という）を形成することがある（例えば、特許文献１～６）。

人工不透水層の厚さは、地下水の揚圧力によって人工不透水層に生じる曲げモーメントやせん断力に耐え得るものとする。人工不透水層は山留壁の間に設けられ、山留壁の変形を防止する地中梁としても機能する。

特開平11-209998号公報 特開平11-247174号公報 特開2003-171949号公報 特開2001-182088号公報 特開2004-27722号公報 特開2015-229822号公報

山留壁の離れ（スパン）が大きくなると、地盤改良による人工不透水層のコストアップの問題がある。すなわち、人工不透水層の応力度は両側の山留壁を支点とした単純梁に一様な揚圧力が加わっているものとして求められ、山留壁のスパン（支点間距離）が大きくなると揚圧力によって生じる曲げモーメントやせん断力の最大値が大きくなる。そのため人工不透水層の厚さや強度を大きくする必要があり、コストや工期の面から地盤改良による人工不透水層とは別の方法を採用せざるを得ない場合もある。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、人工不透水層に生じる曲げモーメントやせん断力を小さくできる地盤改良構造等を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための第１の発明は、地盤の掘削箇所の両側の山留壁と、前記山留壁の間の地盤を改良して形成された人工不透水層と、前記山留壁の間に設けられ、下部が前記人工不透水層に埋設される、前記山留壁との間で切梁を支持するための中間杭と、を有し、前記中間杭には、前記人工不透水層に加わる地下水の揚圧力に対する抵抗力を、前記中間杭の位置で前記人工不透水層に与えるための支点形成機構が設けられ、前記山留壁の延長方向に隣り合う前記中間杭同士が、前記掘削箇所の表面に配置された梁材によって接続されたことを特徴とする地盤改良構造である。

本発明では、切梁の支持用の中間杭を利用して、山留壁の間で人工不透水層に地下水の揚圧力に対する抵抗力を与え、地下水の揚圧力に対し人工不透水層を支持する支点を新たに形成することができる。これにより人工不透水層の支点間距離が小さくなり、地下水の揚圧力により人工不透水層に生じる曲げモーメントやせん断力を小さくすることができる。

例えば、前記中間杭の下端は前記人工不透水層より深い位置にあり、前記支点形成機構は、前記中間杭の前記人工不透水層以深の部分である。あるいは、前記支点形成機構は、前記中間杭に接続され、且つ下端が前記人工不透水層より深い位置の地盤に固定されたグラウンドアンカーであってもよい。
支点形成機構としては、アンカーとして機能する中間杭の人工不透水層以深の部分、あるいは人工不透水層より深い位置に固定されたグラウンドアンカーを用いることができ、これにより人工不透水層をその下方の地盤にアンカーして地下水の揚圧力に対する抵抗力を与え、人工不透水層の浮き上がりを防止して人工不透水層に支点を形成することが可能になる。前者の場合、中間杭自体に支点形成機構を持たせるので施工が簡単であり、後者の場合、グラウンドアンカーの緊張力によって高い抵抗力を与えることができる。いずれの場合も支点形成機構以外の構成は従来通りであり、軽微な変更で済みコストの増加を抑制できる。

第２の発明は、地盤の掘削箇所の両側の山留壁と、前記山留壁の間の地盤を改良して形成された人工不透水層と、前記山留壁の間に設けられ、下部が前記人工不透水層に埋設される、前記山留壁との間で切梁を支持するための中間杭と、を有し、前記中間杭には、前記人工不透水層に加わる地下水の揚圧力に対する抵抗力を、前記中間杭の位置で前記人工不透水層に与えるための支点形成機構が設けられ、前記支点形成機構は、前記人工不透水層より上方で前記中間杭の周囲に設けられたコンクリートであることを特徴とする地盤改良構造である。
これにより、中間杭を介して人工不透水層に上方からのコンクリート荷重を与えることで、上記と同じく人工不透水層に支点を形成することが可能になる。この場合、地上部分に支点形成機構を設けることができるので施工も容易である。

第３の発明は、地盤の掘削箇所の両側の山留壁、前記山留壁の間の中間杭および人工不透水層を設ける工程（ａ）と、前記山留壁の間の地盤の掘削と、前記山留壁と前記中間杭の間の切梁の設置を行う工程（ｂ）と、を有し、前記中間杭の下部は前記人工不透水層に埋設され、前記中間杭には、前記人工不透水層に加わる地下水の揚圧力に対する抵抗力を、前記中間杭の位置で前記人工不透水層に与えるための支点形成機構が設けられ、前記山留壁の延長方向に隣り合う前記中間杭同士が、前記掘削箇所の表面に配置された梁材によって接続されることを特徴とする掘削方法である。
第３の発明は、第１の発明の地盤改良構造を形成して地盤の掘削を行う掘削方法である。

第４の発明は、地盤の掘削箇所の両側の山留壁、前記山留壁の間の中間杭および人工不透水層を設ける工程（ａ）と、前記山留壁の間の地盤の掘削と、前記山留壁と前記中間杭の間の切梁の設置を行う工程（ｂ）と、を有し、前記中間杭の下部は前記人工不透水層に埋設され、前記中間杭には、前記人工不透水層に加わる地下水の揚圧力に対する抵抗力を、前記中間杭の位置で前記人工不透水層に与えるための支点形成機構が設けられ、前記支点形成機構は、前記人工不透水層より上方で前記中間杭の周囲に設けられるコンクリートであり、前記コンクリートは、前記工程（ｂ）において上から順に構築されることを特徴とする掘削方法である。
これにより、中間杭を介して人工不透水層に上方からのコンクリート荷重を与えることで、人工不透水層に支点を形成することが可能になる。また地上部分で支点形成機構を設けることができるので施工も容易であり、コンクリートを逆巻き工法で施工して地下構造物の本設躯体として利用することで地下構造物の構築にかかる工期の延長も防止できる。

本発明により、人工不透水層に生じる曲げモーメントやせん断力を小さくできる地盤改良構造等を提供することができる。

ポンプ室１を示す図。 ポンプ室１の構築方法について示す図。 ポンプ室１の構築方法について示す図。 ポンプ室１の構築方法について示す図。 人工不透水層４の支点を示す図。 梁材９を示す図。 ボックスカルバート１０を示す図。 ポンプ室１ａの構築方法について示す図。 ポンプ室１ａの構築方法について示す図。 ポンプ室１ｂの構築方法について示す図。 ポンプ室１ｂの構築方法について示す図。 ポンプ室１ｂの構築方法について示す図。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

［第１の実施形態］
（１．ポンプ室１）
図１は、本発明の実施形態に係る地盤改良構造を利用して構築されるポンプ室１を示す図である。

ポンプ室１は、火力発電所、原子力発電所などで海水を冷却水として使用するために用いられる。海水は、取水口、取水路を通ってポンプ室１に導かれ、循環水ポンプによって発電所のタービン室に供給される。

ポンプ室１は地盤２に構築される地下構造物であり、コンクリートによって形成された底版１１と側壁１２からなる函状の躯体を有する。側壁１２の間の中間部にはコンクリートによる分流壁１３が設けられる。

なお図１の符号４、５、および６はそれぞれ人工不透水層、中間杭の一部、および中間杭の固定部であるが、これらについては後述する。

（２．ポンプ室１の構築方法）
図２～図４はポンプ室１の構築方法について示す図である。本実施形態ではポンプ室１の構築に先立って地盤改良構造を形成し、その後地盤２の掘削が行われるが、以下ではその掘削方法についても説明する。

すなわち、本実施形態では、ポンプ室１を構築する際、まず図２（ａ）に示すように山留壁３と中間杭５を地盤２に施工する。

山留壁３は地盤２の掘削箇所（ポンプ室１の構築箇所）の両側に設けられる。山留壁３は外側の地盤２からの土圧に抵抗するとともに、地下水の遮水を行う遮水壁としても機能する。山留壁３は特に限定されず、鋼矢板壁、鋼管矢板壁、芯材入りのソイルモルタル壁などを用いることができる。

中間杭５（中間柱ともいう）は山留壁３の間に打設する鋼製の鉛直材であり、後述する切梁の支持を行うためのものである。本実施形態では中間杭５が山留壁３のスパン中央部で山留壁３の延長方向（図２（ａ）の紙面法線方向に対応する）に複数本設けられる。中間杭５としては例えばH形鋼を用い、その下端をコンクリート等による固定部６で固定する。中間杭５の施工には既知の工法を用いることができる。

こうして山留壁３と中間杭５を施工した後、図２（ｂ）に示すように山留壁３の間で地盤２の改良を行い、人工不透水層４を形成する。これにより、人工不透水層４を含む地盤改良構造が形成される。

本実施形態では人工不透水層４が山留壁３の底部に当たる深さで形成され、人工不透水層４の下端と山留壁３の下端の位置がほぼ一致する。また中間杭５の下部は人工不透水層４に埋設される。特に本実施形態では、中間杭５の下部が人工不透水層４を貫通してその下端が人工不透水層４より深い位置にある。

人工不透水層４の形成方法（地盤２の改良方法）は特に限定されず、例えば既知の噴射混合攪拌工法、機械混合攪拌工法、薬液注入工法などを用い、セメントミルクなどの固化材で地盤２を固化することにより人工不透水層４を形成できる。

人工不透水層４を形成した後、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、山留壁３の間の地盤２の掘削と切梁７の設置を繰り返す。切梁７の一端は腹起し７０を介して山留壁３に接続し、他端は中間杭５に取り付ける。これにより山留壁３と中間杭５の間で切梁７を支持させる。

こうして山留壁３の間の地盤２を図４（ａ）に示すように床付け位置まで掘削した後、図４（ｂ）に示すようにポンプ室１の構築を行う。ポンプ室１の構築時、中間杭５と切梁７は適当な時点で撤去する。例えば切梁７はポンプ室１の底版１１と側壁１２を下から順に構築するのに応じて下段から順に撤去し、側壁１２を頂部まで構築した後中間杭５を底版１１上で切断して撤去し、その後分流壁１３を構築する。

なお、本実施形態では山留壁３もポンプ室１の構築時に撤去するが、山留壁３を残置する場合もある。また本実施形態では掘削時の床付け位置（ポンプ室１の底版１１の下面位置に対応する）を人工不透水層４の上面としているが、それより高い位置でもよい。その場合はポンプ室１の底版１１と人工不透水層４の間に地盤２が介在する。またポンプ室１の外面の位置は山留壁３の内面の位置に対応しているが、ポンプ室１の外面の位置はそれより内側でも良い。

本実施形態では中間杭５の下端が人工不透水層４より深い位置にあり、中間杭５の人工不透水層４以深の部分（支点形成機構）によって人工不透水層４をその下方の地盤２にアンカーし、地下水の揚圧力に対する抵抗力を中間杭５の位置で人工不透水層４に与えて人工不透水層４の浮き上がりを防止する。

これにより、図５に示すように、地下水の揚圧力ａに対し人工不透水層４を支持する支点（図中▽で示す）を、山留壁３の位置に加えて中間杭５の位置で新たに形成することができる。

従来の構造では人工不透水層４の支点が山留壁３の位置のみであり、支点間距離が山留壁３の離れ（スパン）となっていたのが、中間杭５の位置に揚圧力ａに抵抗する支点が新たに追加されることにより支点間距離が従来の1/2となる。そのため、揚圧力ａによって人工不透水層４に生じる曲げモーメントとせん断力の最大値はそれぞれ従来の1/4、1/2となる。中間杭５の根入れ長や固定部６の仕様は、支点としての効果が得られるように設定される。また、人工不透水層４の上面に当たる位置で中間杭５の周囲にプレート（不図示）を設け、これにより人工不透水層４を抑えて人工不透水層４の浮き上がりを防止することも可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、切梁７の支持用の中間杭５を利用して、山留壁３の間で人工不透水層４に地下水の揚圧力ａに対する抵抗力を与え、揚圧力ａに対し人工不透水層４を支持する支点を新たに形成することができる。これにより人工不透水層４の支点間距離が小さくなり、地下水の揚圧力ａにより人工不透水層４に生じる曲げモーメントやせん断力を小さくすることができる。

そのため、人工不透水層４を薄くしたり強度を抑えたりすることができ、人工不透水層４の形成にかかるコストや工期を抑えることができる。例えば本実施形態のように地下水の揚圧力ａにより人工不透水層４に生じるせん断力の最大値を従来の1/2とできる場合、人工不透水層４の厚さは従来の1/2とすることが可能である。また本実施形態では山留壁３と人工不透水層４の下端の位置をほぼ一致させるので、人工不透水層４を薄くする結果、山留壁３の深度も小さくすることができる。

また本実施形態では、中間杭５の人工不透水層４以深の部分をアンカーとして用い、これにより人工不透水層４をその下方の地盤２にアンカーして地下水の揚圧力ａに対する抵抗力を与え、人工不透水層４の浮き上がりを防止して人工不透水層４に支点を形成する。この場合、中間杭５自体に支点形成機構を持たせるので施工が簡単である。またその他の構成については従来通りであり、軽微な変更で済むのでコストの増加を抑制できる。

しかしながら、本発明はこれに限らない。例えば中間杭５は切梁７の座屈防止の目的もあることから、山留壁３のスパンが大きい場合には山留壁３の間に複数本の中間杭５が配置される場合もある。例えば山留壁３のスパンを３分割するように中間杭５を２本配置する場合、地下水の揚圧力ａにより人工不透水層４に生じる曲げモーメントとせん断力の最大値はそれぞれ従来の1/9、1/3となる。

また、山留壁３の間の中間杭を全て支点として機能させる必要は無く、一部のみ支点として機能させてもよい。例えば山留壁３の間に３本の中間杭を設ける場合、中央の中間杭５のみ本実施形態の構成を有するものとできる。

また、図６に示すように山留壁３の延長方向に隣り合う中間杭５同士を梁材９によって接続することも可能であり、これにより支点としての効果をより高めることができる。梁材９は例えば山留壁３の間の地盤２の表面近傍に設け、当該地盤２の掘削に応じて下方に付け替えてゆき、床付け位置まで掘削した時点で床付け位置の表面近傍に配置されるようにする。

また、本実施形態はポンプ室１の例を挙げて説明したが、これに限ることはなく、ポンプ室１の上流側に設けられる取水ピット、またタービン室から放出された海水を放水路に放水する放水ピットなどにも適用できる。また分流壁１３は省略される場合もある。

さらに、本実施形態はその他の地下構造物の構築時にも適用可能であり、例えば図７のような道路トンネルなどのボックスカルバート１０の構築時にも適用できる。図７のボックスカルバート１０は底版１１０、側壁１２０、中壁（あるいは柱）１３０、頂版１４０を有する。図７は２連形式のボックスカルバート１０の例であるが、４連形式のボックスカルバートや中壁１３０の無い１連形式のボックスカルバートなどにも同様に適用できる。ボックスカルバート１０の構築方法は前記と略同様である。ただし、頂版１４０を構築した後、その上部は埋戻土で埋め戻される。

以下、支点形成機構が異なる本発明の別の例を第２、第３の実施形態として説明する。第２、第３の実施形態は第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、同様の構成については図等で同じ符号を付すなどして説明を省略する。また、第１の実施形態も含め、各実施形態で説明する構成は互いに組み合わせて用いることも可能である。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、支点形成機構としてグラウンドアンカーを用いる点で第１の実施形態と異なる。

すなわち、第２の実施形態では、図８（ａ）に示すように山留壁３および中間杭５の打設とグラウンドアンカー８の設置を行い、中間杭５にグラウンドアンカー８を接続する。グラウンドアンカー８は中間杭５に対応する平面位置に設けられ、その下端はコンクリート等の固定部６ａで固定される。グラウンドアンカー８の施工方法は特に限定されず、既知の工法を利用可能である。

その後、図８（ｂ）に示すように人工不透水層４を形成し、グラウンドアンカー８の頂部を中間杭５の頂部に固定し、その後緊張する。本実施形態でも中間杭５の下部は人工不透水層４に埋設されるが、当該下部は人工不透水層４を貫通しない。その代わり、グラウンドアンカー８の下端が人工不透水層４より深い位置の地盤２に固定される。

以下、第１の実施形態と同様、山留壁３の間の地盤２の掘削と切梁７の設置を繰り返し、図９（ａ）に示すように山留壁３の内側の地盤２を床付け位置まで掘削した後、図９（ｂ）に示すようにポンプ室１ａが構築される。

本実施形態では、グラウンドアンカー８と中間杭５により人工不透水層４をその下方の地盤２にアンカーすることで、第１の実施形態と同様、人工不透水層４に地下水の揚圧力ａに対する抵抗力を与え、揚圧力ａに対し人工不透水層４を支持する支点を中間杭５の位置で新たに形成することができる。これにより、第２の実施形態でも第１の実施形態と同様の効果が得られる。グラウンドアンカー８の仕様は、支点としての効果が得られるように設定される。

さらに本実施形態ではグラウンドアンカー８の緊張力によって高い抵抗力を与えることができる。またグラウンドアンカー８以外の構成については従来通りであるので、軽微な変更で済みコストの増加を抑制できる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、支点形成機構として中間杭５の周囲にコンクリートを巻き立てる点で第１の実施形態と異なる。

第３の実施形態では、まず図１０（ａ）に示すように山留壁３、中間杭５、および人工不透水層４の施工を行う。その方法は第１の実施形態と同様であり、中間杭５の下部も人工不透水層４に埋設されるが、当該下部は人工不透水層４を貫通せず、中間杭５の下端が人工不透水層４内で固定部６により固定される。

その後、図１０（ｂ）に示すように山留壁３の間の地盤２の掘削と分流壁１３のコンクリートの打設を行う。ここでは中間杭５を支持部材として中間杭５を巻き込むように分流壁１３のコンクリートを打設し、その後図１１（ａ）に示すように切梁７の設置を行う。切梁７は分流壁１３のコンクリートの外面に固定する。以下、山留壁３の間の地盤２の掘削と分流壁１３のコンクリートの打設、および切梁７の設置を上から順に行う。これにより図１１（ｂ）に示すように山留壁３の間の地盤２が床付け位置まで掘削されるとともに、分流壁１３が逆巻き工法で構築される。

その後、図１２に示すようにポンプ室１ｂが構築される。本実施形態では本設の分流壁１３が先行して構築されるので、ここではポンプ室１ｂの底版１１と側壁１２のみ構築すればよい。また第１の実施形態と異なり、中間杭５は撤去せず残置される。

本実施形態では、分流壁１３の位置に中間杭５を設置し、人工不透水層４より上方にある分流壁１３のコンクリートを逆巻き工法で中間杭５の周囲に打設することで、中間杭５を介して人工不透水層４に上方からのコンクリート荷重を与える。これにより、第１の実施形態と同様、人工不透水層４に地下水の揚圧力ａに対する抵抗力を与え、中間杭５の位置で人工不透水層４に支点を形成することが可能になり、第１の実施形態と同様の効果が得られる。分流壁１３のコンクリートの重量は、支点としての効果が得られるように設定される。

また、本実施形態では地上部分で支点形成機構を設けることができるので施工も容易であり、コンクリートを逆巻き工法で施工しポンプ室１ｂの本設の分流壁１３として利用することでポンプ室１ｂの構築にかかる工期の延長も防止できる。さらに、中間杭５や分流壁１３の仕様に大きな変更は無く、コストの増加も抑制できる。

以上、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１ａ、１ｂ：ポンプ室
２：地盤
３：山留壁
４：人工不透水層
５：中間杭
６、６ａ：固定部
７：切梁
８：グラウンドアンカー
９：梁材
１０：ボックスカルバート
１１、１１０：底版
１２、１２０：側壁
１３：分流壁
１３０：中壁
１４０：頂版

Claims (6)

1. 地盤の掘削箇所の両側の山留壁と、
   前記山留壁の間の地盤を改良して形成された人工不透水層と、
   前記山留壁の間に設けられ、下部が前記人工不透水層に埋設される、前記山留壁との間で切梁を支持するための中間杭と、
   を有し、
   前記中間杭には、前記人工不透水層に加わる地下水の揚圧力に対する抵抗力を、前記中間杭の位置で前記人工不透水層に与えるための支点形成機構が設けられ、
   前記山留壁の延長方向に隣り合う前記中間杭同士が、前記掘削箇所の表面に配置された梁材によって接続されたことを特徴とする地盤改良構造。
2. 前記中間杭の下端は前記人工不透水層より深い位置にあり、
   前記支点形成機構は、前記中間杭の前記人工不透水層以深の部分であることを特徴とする請求項１記載の地盤改良構造。
3. 前記支点形成機構は、前記中間杭に接続され、且つ下端が前記人工不透水層より深い位置の地盤に固定されたグラウンドアンカーであることを特徴とする請求項１記載の地盤改良構造。
4. 地盤の掘削箇所の両側の山留壁と、
   前記山留壁の間の地盤を改良して形成された人工不透水層と、
   前記山留壁の間に設けられ、下部が前記人工不透水層に埋設される、前記山留壁との間で切梁を支持するための中間杭と、
   を有し、
   前記中間杭には、前記人工不透水層に加わる地下水の揚圧力に対する抵抗力を、前記中間杭の位置で前記人工不透水層に与えるための支点形成機構が設けられ、
   前記支点形成機構は、前記人工不透水層より上方で前記中間杭の周囲に設けられたコンクリートであることを特徴とする地盤改良構造。
5. 地盤の掘削箇所の両側の山留壁、前記山留壁の間の中間杭および人工不透水層を設ける工程（ａ）と、
   前記山留壁の間の地盤の掘削と、前記山留壁と前記中間杭の間の切梁の設置を行う工程（ｂ）と、
   を有し、
   前記中間杭の下部は前記人工不透水層に埋設され、
   前記中間杭には、前記人工不透水層に加わる地下水の揚圧力に対する抵抗力を、前記中間杭の位置で前記人工不透水層に与えるための支点形成機構が設けられ、
   前記山留壁の延長方向に隣り合う前記中間杭同士が、前記掘削箇所の表面に配置された梁材によって接続されることを特徴とする掘削方法。
6. 地盤の掘削箇所の両側の山留壁、前記山留壁の間の中間杭および人工不透水層を設ける工程（ａ）と、
   前記山留壁の間の地盤の掘削と、前記山留壁と前記中間杭の間の切梁の設置を行う工程（ｂ）と、
   を有し、
   前記中間杭の下部は前記人工不透水層に埋設され、
   前記中間杭には、前記人工不透水層に加わる地下水の揚圧力に対する抵抗力を、前記中間杭の位置で前記人工不透水層に与えるための支点形成機構が設けられ、
   前記支点形成機構は、前記人工不透水層より上方で前記中間杭の周囲に設けられるコンクリートであり、
   前記コンクリートは、前記工程（ｂ）において上から順に構築されることを特徴とする掘削方法。

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