JP7027203B2 - 地下水位上昇システムおよび地下水位上昇方法 - Google Patents

Description

本発明は、地下水位を上昇させるための地下水位上昇システム等に関するものである。

地下構造物の躯体構築時などで地盤の掘削を行う際、掘削部の側方に土留壁を構築して外側の地盤からの土圧を支持させることがある。また、掘削時に地下水による盤膨れ等の支障が生じると予想される場合、揚水井戸を設置して掘削部の下方の地盤の地下水を揚水する。

掘削部の下方の地盤の地下水を揚水すると、土留壁の外側の地盤でも地下水位が低下して地盤沈下等の問題が生じる場合がある。これを防ぐための一般的な方策として、土留壁の外側の地盤に鉛直方向の注水井戸等を設け、注水を行う方法がある（例えば特許文献１など）。

特開2014－101661号公報

しかしながら、都市部での工事では、敷地境界の関係から注水井戸を設置するスペースが限られたり、注水用の配管長が膨大になったりして、注水井戸による注水が実施できない場合があった。

また注水用の配管が既存の埋設管と干渉し、埋設管の撤去作業や埋戻し作業が必要となる場合もある。さらに、鉛直方向に長い注水井戸を複数本設置するには多大な設置費用や維持管理費用がかかるという問題もある。

本発明は前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スペースが限られる場合でも適用可能であり、容易に地下水位を上昇させることのできる地下水位上昇システム等を提供することである。

前述した目的を達成するための第１の発明は、地盤からの揚水と土留壁の内側の地盤の掘削を行う際に用いられる地下水位上昇システムであって、前記土留壁を貫通して前記土留壁の外側の地盤に挿入された注水管を有し、前記土留壁の内側から前記注水管を介して前記土留壁の外側の地盤に注水することで、前記土留壁の外側の地盤の地下水位を上昇させることが可能であり、複数の前記注水管がヘッダー管に連結され、前記ヘッダー管が、前記土留壁における前記注水管の貫通部分に対応する高さに位置することを特徴とする地下水位上昇システムである。

第１の発明では、土留壁を貫通してその外側の地盤に挿入された注水管を用い、土留壁の内側から注水を行うことで、都市部などで土留壁の外側の地盤に鉛直方向の注水井戸を設置できない場合でも土留壁の外側の地盤の地下水位を上昇させることが可能となり、揚水に伴って低下した地下水位を回復させることができる。

また注水用の配管が少なくて済み、配管を土留壁の外側の地盤に設置する必要もないため、配管の埋設作業や既存の埋設管の撤去作業などが発生しない。さらに、注水管はハンドボーリングなどを用いて容易に施工でき、大型の施工機械を必要とせず注水管の撤去も簡単である。そのため、従来の工法と比較して、工期短縮、費用低減、安全性向上が見込まれ、容易且つ迅速に水位回復を行うことが可能である。また、注水管の長さやピッチを調整することにより、平面的な水位回復のニーズに柔軟に対応できる。

例えば前記揚水は、前記土留壁の内側の地盤に対して行われ、前記注水管の外側の端部が、前記土留壁の外側近傍の地盤内に位置する。
この場合、揚水による地下水位の低下の影響は土留壁の外側近傍の地盤で最も大きくなるが、本発明ではこのような位置で重点的に地下水位を回復することができる。また注水管も短いもので済み、施工が容易である。

また本発明ではヘッダー管を用いて複数の注水管を容易に接続することができ、複数の注水管を接続することで注水が効率良く実施され、全体の配管長を短くできるとともに各注水管からの注水時の水圧の維持管理も容易になる。

前記土留壁の下端は、例えば地盤の難透水層の上面以深に達している。
この場合、土留壁の外側での注水が土留壁の内側の地盤の地下水位に与える影響は小さいので、本発明の地下水位上昇システムを利用するのに特に適している。

前記注水管が前記土留壁を貫通する貫通部分に、止水部材が設けられることが望ましい。
これにより、土留壁の内側への漏水を防止することができる。

第２の発明は、地盤からの揚水と土留壁の内側の地盤の掘削を行う際に用いられる地下水位上昇方法であって、注水管を、前記土留壁を貫通して前記土留壁の外側の地盤に挿入されるように設け、前記土留壁の内側から前記注水管を介して前記土留壁の外側の地盤に注水し、前記土留壁の外側の地盤の地下水位を上昇させ、複数の前記注水管がヘッダー管に連結され、前記ヘッダー管が、前記土留壁における前記注水管の貫通部分に対応する高さに位置することを特徴とする地下水位上昇方法である。

本発明によれば、スペースが限られる場合でも適用可能であり、容易に地下水位を上昇させることのできる地下水位上昇システム等を提供することができる。

地下水位上昇システム２の概要を示す図。 注水管２１を示す図。 注水管２１とヘッダー管２３、貯水タンク２７を示す図。 地下水位上昇システム２による水位回復効果について説明する図。 注水管２１を示す図。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。

（１．地下水位上昇システム２）
図１（ａ）は本発明の実施形態に係る地下水位上昇システム２の概要を示す図である。本実施形態の地下水位上昇システム２は、地盤１からの揚水を行いつつ、土留壁１１の側方の掘削部４３で地盤１を掘削する際に用いられる。以下、土留壁１１から見て掘削部４３側を内側といい、土留壁１１から見て掘削部４３の反対側を外側というものとする。

地盤１は、上から順に透水層３、難透水層７、透水層９を有し、本実施形態では土留壁１１の下端が難透水層７の上面以深に達している。より具体的には、土留壁１１は難透水層７を貫通し、その下端が難透水層７の下の透水層９に達している。透水層３、９は例えば砂層であり、難透水層７は例えば粘土層である。

土留壁１１は掘削部４３の両側に設けられ、その外側の地盤１からの土圧を支持する。土留壁１１の内側の掘削部４３には、土圧支持のため切梁１５等の支保工が設けられる。

掘削部４３には、下端が透水層９に達する揚水井戸１３が設けられる。掘削部４３は、揚水井戸１３を用いて揚水を行いつつ、土留壁１１の内側の地盤１を掘削して形成される。揚水は土留壁１１の内側の地盤１に対して行われ、これにより土留壁１１の内側の地盤１の地下水位を低下させ、床付け面の盤膨れ等、地下水による支障を防止する。

しかしながら、このように揚水井戸１３を用いて土留壁１１の内側の地盤１の揚水を行うと、土留壁１１の外側、特に土留壁１１の外側近傍の地盤１の地下水位も低下する。図１（ａ）の２９は地盤１の透水層３における揚水以前の初期水位の例、３１は揚水に伴って地下水位が低下（矢印参照）した後の透水層３の水位の例である。同様の地下水位の低下は、透水層３だけでなく難透水層７や透水層９でも生じる。

図１（ｂ）は、縦軸を地表面からの深さ、横軸を水圧として、揚水に伴う土留壁１１の外側近傍の地盤１の水圧の変化を模式的に示したグラフである。

土留壁１１の外側近傍の地盤１の水圧は、揚水井戸１３を用いて揚水することにより、実線３５に示す初期状態から、破線３７に示す揚水後の状態へと低下する。このように揚水により地下水位が低下すると、地盤１のそれぞれの層に働く水圧（浮力）も低下して当該層の自重や当該層の上方の層からの荷重に伴う圧密応力が増加し、地盤沈下が生じる。

地下水位上昇システム２は、このような地盤沈下を防ぐために設けられ、注水管２１、ヘッダー管２３、貯水タンク２７等を有する。

注水管２１は、土留壁１１の内側から土留壁１１を貫通し、土留壁１１の外側の地盤１に挿入される。本実施形態では、注水管２１が地盤１の透水層３の初期水位２９より若干上方に挿入される。注水管２１はほぼ水平方向に設置されるが、水平方向に対して傾斜して設置されてもよい。

図２は注水管２１を示す図である。本実施形態では、土留壁１１とその外側の地盤１をハンドボーリング等で削孔して注水孔１９を形成し、この注水孔１９に注水管２１が挿入される。

注水孔１９および注水管２１は、地盤１と土留壁１１の境界面から外側に1m程度の深さＤの位置まで設けられ、注水管２１の外側の端部は、土留壁１１の外側近傍の地盤１内に位置する。注水管２１の地盤１への挿入部分には複数の孔２５が設けられる。注水管２１の内側の端部は、土留壁１１の内側に配置されたヘッダー管２３に連結される。複数の孔２５は、メッシュ状に形成された注水管の空隙部であってもよく、地盤中に水を浸透させる機能を有するものであれば、その形態はどのようなものであってもよい。

注水孔１９および注水管２１が土留壁１１を貫通する貫通部分では、土留壁１１の内側表面に止水部材４１が設けられる。止水部材４１は注水管２１の周囲に配置される、止水部材４１には例えば風船状のゴム製部材が用いられ、内部に空気等を充填し膨らませて使用される。

図３は図２を矢印Ａに示す方向から見た図である。注水管２１は土留壁１１の延長方向（図３の左右方向に対応する）に間隔をおいて複数設置され、各注水管２１がヘッダー管２３に連結される。

本実施形態では自然水頭による注水が行われ、ヘッダー管２３が地上に設置された貯水タンク２７に接続される。各注水管２１からの注水時の水頭（水圧）は、これらの注水管２１をヘッダー管２３を用いて接続することにより一括して維持管理される。

図１（ａ）に示すように、土留壁１１の外側近傍の地盤１には小径の観測井戸１７が設けられ、これにより地盤１の透水層３の地下水位が観測される。

本実施形態では、観測井戸１７によって観測される地下水位が所定値以下となった場合や地盤沈下が所定量生じた場合に、貯水タンク２７の水を各注水管２１を介して土留壁１１の内側から土留壁１１の外側の地盤１（透水層３）に注水する。

これにより、土留壁１１の外側近傍の地盤１の地下水位を上昇させる。図１（ａ）の３３は注水後の地盤１の透水層３の水位の例であり、揚水後の水位３１よりも上昇し、本実施形態では初期水位２９より若干高くなっている。難透水層７でも同様に地下水位が上昇する。この時の地盤１の水圧を示すのが図１（ｂ）の二点鎖線３９であり、地盤１の透水層３や難透水層７において、破線３７に示す揚水後の状態から実線３５に示す初期状態に近づく。

このように地盤１に注水を行うことにより、地盤１の透水層３や難透水層７に働く水圧（浮力）が回復し、地盤１の各層の圧密応力が軽減されて地盤沈下が防止される。なお、土留壁１１の下端は難透水層７の上面以深にあるので、土留壁１１の外側での注水が土留壁１１の内側の地盤１の水位に与える影響は少ない。

注水管２１は土留壁１１の延長全てに亘って設置することも可能であるが、一部でもよい。例えば事前に沈下予測を行って、特に沈下が問題になると予測される部分のみに限定して部分的に注水管２１を設置することができる。これにより、効率的、経済的な沈下対策を行うことができる。

また注水管２１の設置範囲は一定でなくてもよく、必要に応じて注水管２１を増減して注水範囲を変更することも可能である。例えば事前の沈下予測に反して大きな地盤沈下が発生した部分に即座に注水管２１を追加設置して注水を行うことも可能である。

図４は、地下水位上昇システム２による水位回復効果を、地盤１の鉛直断面での浸透流解析により確認した結果を示す図である。図４（ａ）は注水前の地下水位（土留壁１１の内側の地盤１の揚水後の水位）の分布を示す図、図４（ｂ）は、注水３０日後の地下水位の分布を示す図である。

各図において地下水位はグレースケールの濃淡で表されており、白に近いほど水位が高いことを示す。ここで、注水管の地盤１への挿入深さ（図２のＤ参照）は1mであり、図４（ａ）のYu-c、Yl-s、Yl-c、To-c、To-g、Ka-sは解析に用いた地盤１の各層の地質分類である。

図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較すると、土留壁１１の外側の地盤１の破線で囲んだ領域で、注水３０日後に水位が回復していることがわかる。さらに本解析では、土留壁１１の外側近傍の地盤１に限定すれば、それよりも早く１～７日程度で地下水位が回復することも確認できた。

このように、本実施形態によれば、土留壁１１を貫通してその外側の地盤１に挿入された注水管２１を用い、土留壁１１の内側から注水を行うことで、都市部などで土留壁１１の外側に鉛直方向の注水井戸を設置できない場合でも土留壁１１の外側の地盤１の地下水位を上昇させることが可能となり、揚水に伴って低下した地下水位を回復させることができる。

本実施形態では注水用の配管が少なくて済み、配管を土留壁１１の外側の地盤１に設置する必要もないため、配管の埋設作業や既存の埋設管の撤去作業などが発生しない。さらに、注水管２１はハンドボーリングなどを用いて容易に施工でき、大型の施工機械を必要とせず注水管２１の撤去も簡単である。そのため、従来の工法と比較して、工期短縮、費用低減、安全性向上が見込まれ、容易且つ迅速に水位回復を行うことが可能である。また、注水管２１の長さやピッチを調整することにより、平面的な水位回復のニーズに柔軟に対応できる。

土留壁１１の内側の地盤１の揚水による地下水位の低下の影響は土留壁１１の外側近傍の地盤１で最も大きくなるが、本実施形態では、土留壁１１の外側近傍の地盤１に設置した注水管２１によってこのような位置で重点的に地下水位を回復することができる。また注水管２１も短いもので済み、施工が容易である。

また、本実施形態ではヘッダー管２３を用いて複数の注水管２１を容易に接続することができ、複数の注水管２１を接続することで注水が効率良く実施され、全体の配管長を短くできるとともに各注水管２１からの注水時の水圧の維持管理も容易になる。

また本実施形態では土留壁１１の下端が難透水層７の上面以深にあり、土留壁１１の外側での注水が土留壁１１の内側の地盤１の地下水位に与える影響は小さいので、地下水位上昇システム２を利用するのに特に適している。

また本実施形態では、前記の止水部材４１により土留壁１１の内側への漏水を防止することができる。

しかしながら、本発明が上記の実施形態に限定されることはない。例えば注水管２１からの注水のタイミングは、地下水位の低下や地盤沈下を確認した後に限らない。揚水による地盤沈下が生じると予測される箇所で事前に注水管２１からの注水を実施することも可能であり、これにより地盤沈下を予防することができる。

また、本実施形態では複数の注水管２１をヘッダー管２３を用いて接続し、貯水タンク２７での自然水頭を用いて注水を行ったが、注水方法はこれに限らない。例えば自然水頭でなくポンプを用いて加圧注水を行ってもよい。さらに、図５に示すように注水管２１をヘッダー管２３で接続せず、注水管２１ごとに個別に水圧の管理を行って注水してもよい。

また本実施形態では土留壁１１の内側の地盤１に対し揚水を行っているが、土留壁１１の外側の地盤１に対し揚水を行う場合もあり、この場合も本実施形態の地下水位上昇システム２は適用可能である。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明はかか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、各種の変更例又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：地盤
２：地下水位上昇システム
３、９：透水層
７：難透水層
１１：土留壁
１３：揚水井戸
１５：切梁
１７：観測井戸
１９：注水孔
２１：注水管
２３：ヘッダー管
２５：孔
２７：貯水タンク
４１：止水部材
４３：掘削部

Claims (5)

1. 地盤からの揚水と土留壁の内側の地盤の掘削を行う際に用いられる地下水位上昇システムであって、
   前記土留壁を貫通して前記土留壁の外側の地盤に挿入された注水管を有し、
   前記土留壁の内側から前記注水管を介して前記土留壁の外側の地盤に注水することで、前記土留壁の外側の地盤の地下水位を上昇させることが可能であり、
   複数の前記注水管がヘッダー管に連結され、前記ヘッダー管が、前記土留壁における前記注水管の貫通部分に対応する高さに位置することを特徴とする地下水位上昇システム。
2. 前記揚水は、前記土留壁の内側の地盤に対して行われ、
   前記注水管の外側の端部が、前記土留壁の外側近傍の地盤内に位置することを特徴とする請求項１記載の地下水位上昇システム。
3. 前記土留壁の下端は、地盤の難透水層の上面以深に達していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の地下水位上昇システム。
4. 前記注水管が前記土留壁を貫通する貫通部分に、止水部材が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の地下水位上昇システム。
5. 地盤からの揚水と土留壁の内側の地盤の掘削を行う際に用いられる地下水位上昇方法であって、
   注水管を、前記土留壁を貫通して前記土留壁の外側の地盤に挿入されるように設け、
   前記土留壁の内側から前記注水管を介して前記土留壁の外側の地盤に注水し、前記土留壁の外側の地盤の地下水位を上昇させ、
   複数の前記注水管がヘッダー管に連結され、前記ヘッダー管が、前記土留壁における前記注水管の貫通部分に対応する高さに位置することを特徴とする地下水位上昇方法。

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