JP7325307B2 - 凍結工法 - Google Patents
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Description
ここで、水が氷になるためには結晶化して分子が整列しなければならないが、地下水の流速が速いほど水分子が整列し難くなる。換言すれば、流速が速くても、水分子が整列するのに必要な冷熱を越える冷熱が投入されれば、海、川、滝であっても凍る。
冷媒として冷却温度が-20℃~-30℃のブライン或いは-30℃~-45℃の二酸化炭素を使用する従来の凍結工法では、経験的な目安として、凍結前の地下水の流速が1~2m/日というのが、施工の限界地下水流速であった。
地下水の流速を低減し、或いは、地下水を止めるために、遮水壁(地中連続壁、地盤改良)を造成することが考えられる。しかし、遮水壁を造成することにより施工工程数が増加し、工事費が高騰し、施工期間が長期化するという問題が存在する。
また、凍結管を増設し、凍結管の間隔を狭めることも考えられるが、凍結管を増設する分だけ工費が高騰し、工期が長期化してしまうという問題がある。
さらに、ブライン或いは二酸化炭素以外の冷却温度が低い冷媒を使用することが考えられる。例えば、極低温(1気圧下での沸点-196℃)の液体窒素を冷媒として用いれば、地下水の流速が10m/日以下であれば凍結することが出来る。しかし、液体窒素は地盤冷却後には使い捨てとなる(気化した後に大気開放する)ため、施工に際して大量の液体窒素が必要となり、施工設備が大規模化してしまうので、コスト面から長期間の凍結工事への適用は不適であり、非現実的である。
しかし、特許文献1には地下水の流速を低減し或いは地下水を止めるという要請や、大規模な設備を必要としないという要請に応えることは出来ない。
凍結管(1)を使用して液体窒素(第1の冷媒)により地下水の流速または/及び流向を制御する工程と、
前記制御する工程の後に、循環運転手段を用いて、液体窒素以外の冷媒である第2の冷媒(例えば液化二酸化炭素)を凍結管(1)に供給して地盤が凍結した状態を維持する工程と、
凍結管(1)内の温度を計測し、凍結管(1)内の温度が第2の冷媒の三重点よりも高い温度となった後に前記第2の冷媒(液体窒素以外の冷媒:第1の冷媒とは異なる冷媒)を凍結管(1)に供給する工程とを有し、
液体窒素の流路と前記第2の冷媒の流路は共通する(同じ流路である)ことを特徴としている。
なお「三重点」は、一つの物質の気相、液相、固相が同時に共存し、熱平衡にある状態のことを示す。すなわち、気相、液相、固相の状態図において、気相-液相、液相-固相、気相‐固相の3本の共存線が一つに集結する点である。二酸化炭素の場合には-56.4℃である(図8参照)。
そして本発明において、液体窒素と前記第2の冷媒は所定の切替手段(第1及び第2の切替弁V1、V2)で切り替えるのが好ましい。ここで、前記切替手段(V1、V2)により、液体窒素は大気に開放されている配管(開放式配管)を流れ、前記第2の冷媒(例えば液化二酸化炭素)は密閉式(循環式)配管を流れるのが好ましい。
そして前記凍結管(1)は、液体窒素と接触しても低温脆性を生じない材質(例えば、銅、アルミニウム、オーステナイト系ステンレス鋼、ガラス繊維強化樹脂)で構成されているのが好ましい。
前記第2の冷媒を凍結管(1)に供給する工程は温度調整用流体を供給する工程の後に実行されるのが好ましい。
ここで、前記温度調整用流体は、窒素ガスであるのが好ましい。
また、凍結工法の施工以前の段階で、地盤改良により難透水領域(Q)を造成する工程を有していることが好ましい。
凍結管(1)に液体窒素(第1の冷媒)を供給して施工対象地盤を凍結する工程と、
液体窒素で施工対象地盤を凍結した後に、循環運転手段を用いて、液体窒素以外の冷媒である第2の冷媒(例えば液化二酸化炭素)を凍結管(1)に供給して地盤が凍結した状態を維持する工程と、
凍結管(1)内の温度を計測し、凍結管(1)内の温度が前記第2の冷媒の三重点よりも高い温度となった後に前記第2の冷媒を凍結管(1)に供給する工程とを有し、
液体窒素の流路と前記第2の冷媒の流路は共通する(同じ流路である)ことを特徴としている。
凍結管(1)を有する冷媒配管系統(10)を備え、
前記冷媒配管系統(10)には、液体窒素(第1の冷媒)の供給源(3)と、液体窒素以外の冷媒である第2の冷媒(例えば二酸化炭素)を液化する冷凍装置(4)が連通しており、
凍結管(1)に配置され且つ凍結管内温度を計測する凍結管内温度計測装置(2:例えば光ファイバ)と、
凍結管(1)近傍に配置され且つ凍結管(1)近傍の地盤の温度を計測する周辺地盤温度計測装置(5)と、
制御装置(CU)を有し、
当該制御装置(CU)は、
周辺地盤温度計測装置(5)の計測結果により、凍結管(1)近傍の地盤が凍結したか否かを判断する機能と、
凍結管(1)近傍の地盤が凍結した後に、凍結管(1)内の温度が前記第2の冷媒の三重点よりも高い温度となったか否かを判断する機能と、
凍結管(1)内の温度が前記第2の冷媒の三重点よりも高い温度となった場合には第2の冷媒を凍結管(1)に供給する機能を有していることを特徴としている。
マイクロチャンネルは、全体が扁平な形状をしている配管(扁平な形状ではない配管であっても良い)であって、その内部に複数の微小冷媒流路(1δ)が形成されている。マイクロチャンネルの材質は軽量で冷熱の放散ならびに温熱の吸収に関与する熱特性に優れるアルミニウム製であるのが好ましい。材料としてはアルミニウムのみならず、銅、アルミニウム合金、銅合金、オーステナイト系ステンレス鋼、ガラス繊維強化樹脂などを用いることが出来る。ただし、材料については特に限定されるものではない。
ここで、施工対象地盤を凍結することに比較して、施工対象地盤が凍結した状態を維持するには投与するべき冷熱が少なくても良い。すなわち、超低温の液体窒素(1気圧下での沸点-196℃)を凍結管(1)に流さなくても、液体窒素よりも温度が高い第2の冷媒(例えば、-30℃~-45℃程度の液化二酸化炭素)を凍結管(1)に流せば、施工対象地盤が凍結した状態は十分に維持される。
本発明では、地下水流速が第2の冷媒でも凍結可能な数値(例えば、液化二酸化炭素であれば、1~2m/日)以下となった場合或いはその様に推定される場合(例えば、周辺地盤の温度がゼロ℃となった場合)には、液体窒素から第2の冷媒(例えば液化二酸化炭素)に切り替え、以て施工に必要な超低温の液体窒素(液体窒素)の使用量を減少して、液体窒素を大量に供給するために必要な大規模な設備を不要にせしめ、凍結期間が長期間に亘ったとしても施工コストを節減できる様にしている。
そのため、長期に亘って凍土の継続が必要な場合においても、本発明の凍結工法を適用することが出来る。
その際に、液体窒素と第2の冷媒の切り替えは、所定の切替手段(切替弁V1、V2)で容易に行うことが出来る。
なお本発明は、地下水流がある地盤に対してのみ適用される訳ではない。例えば、地熱が高い場合や、施工期間が非常に短く及び/又は施工領域が広い場合等においては、地下水流の有無とは無関係に本発明を適用可能である。
図示の実施形態では、冷媒(第1の冷媒)として超低温(沸点-196℃)の液体窒素が用いられる。そして、液体窒素よりも高温の第2の冷媒として、液化二酸化炭素を例示する。もちろん、第2の冷媒は液化二酸化炭素に限定される訳ではなく、ブラインその他の冷媒が使用可能である。
最初に図1、図2、図3を参照して、本発明の第1実施形態を説明する。
第1実施形態で用いられる凍結工法を施工するためのシステムを示す図1において、凍結工法を施工するためのシステム100(凍結工法用のシステム)は、凍結管1を含む冷媒配管系統10を備えている。冷媒配管系統10には、液体窒素(第1の冷媒)を供給する液体窒素供給装置3と、液化二酸化炭素(第2の冷媒)を供給する冷凍装置4が介装(連通)されている。冷凍装置4は気相の二酸化炭素を冷凍して液化二酸化炭素に凝縮する機能を有している。そして液体窒素供給装置3は、図示しない貯蔵手段から液体窒素を冷媒配管系統10に供給する機能を有している。
冷媒配管系統10を流れる冷媒(液体窒素、液化二酸化炭素)は凍結管1に供給され、凍結管1内において供給側流路を流れ(矢印A)、排出側流路を流れて(矢印B)、凍結管1から排出される。
なお、凍結管1は、液体窒素に接触しても低温脆性を生じない材質(例えば、アルミニウム、銅、オーステナイト系ステンレス鋼、ガラス繊維強化樹脂)で構成されている。
冷媒配管系統10において、凍結管1の下流側(窒素、二酸化炭素の排出側)には第2の切替弁V2が介装されており、凍結管1の排出側は第2の切替弁V2を介して大気開放側に連通し、或いは、二酸化炭素冷凍装置4に連通している。ここで、大気開放側は、矢印Oで示す様に大気開放(窒素が大気開放)される開放式配管である。切替弁V2を切り替えることにより、凍結管1の排出側は、大気開放側と二酸化炭素冷凍装置4側の何れかに連通する様に切り替えられる。
一方、凍結管1に液化二酸化炭素を供給する場合には、冷媒配管系統10は、二酸化炭素冷凍装置4、第1の切替弁V1(二酸化炭素冷凍装置4側に切り替えた状態)、凍結管1、第2の切替弁V2(二酸化炭素冷凍装置4側に切り替えた状態)、二酸化炭素冷凍装置4を循環する様に構成されて、液化二酸化炭素を凍結管1に供給し、冷熱を地盤に投与して気化した二酸化炭素が凍結管1から二酸化炭素冷凍装置4に戻される密閉式配管(循環配管系)を構成する。本明細書においては、この密閉式配管(循環配管系)を「循環運転手段」と表現する場合がある。
冷媒配管系統10において、第1の切替弁V1から凍結管1を介して第2の切替弁V2に至るまでの領域における配管(流路)は、液体窒素と液化二酸化炭素が共通して流過する共通の配管(流路)或いは同一の配管(流路)である。
図示の実施形態において、凍結管1に液体窒素を供給する場合に、冷熱を地盤に投与して気化した窒素を大気開放する開放式配管(大気開放配管系)を構成しているのは、窒素は気化すると膨張するので、冷媒として液体窒素を用いる場合には、窒素の膨張に対する安全を確保するためである。すなわち、膨張率が大きい窒素の場合には密閉式配管にはせず、大気に開放する方が安全だからである。
明確には図示していないが、窒素膨張に対する安全性をさらに向上するため、大気開放側に連通する配管系にはレリーフ弁等の安全手段を設けている。
凍結管1内には、凍結管1内の温度を計測するため、光ファイバを使用した凍結管内温度計測装置2が配置されている。
また、凍結管1の近傍の周辺地盤には、当該地盤の温度を計測する周辺地盤温度計測装置5が配置されており、周辺地盤温度計測装置5としては例えば光ファイバを使用したタイプの温度計測装置が用いられる。
また、制御装置CUは制御信号ラインSL3により第1の切替弁V1と接続され、制御信号ラインSL4により第2の切替弁V2と接続され、制御信号ラインSL5により第3の切替弁V3と接続される。
ここで、制御装置CUを情報処理機器(コンピュータ等)で構成することが出来るが、作業員が制御装置CUを構成することも可能である。
また、制御装置CUは、凍結管1の近傍の地盤が凍結した後に、計測信号ラインSL1を介して凍結管内温度計測装置2の計測結果を取得し、凍結管1内の温度が液化二酸化炭素(第2の冷媒)の三重点よりも高い温度となったか否かを判断する機能を有している。
さらに制御装置CUは、後述する様に、凍結管内温度計測装置2の計測結果、周辺地盤温度計測装置5の計測結果に基づき、第1の切替弁V1、第2の切替弁V2、第3の切替弁V3にそれぞれ制御信号ラインSL3、SL4、SL5を介して制御信号を送信し、第1の切替弁V1、第2の切替弁V2、第3の切替弁V3の切り替え制御を実行し、凍結管1に液体窒素(第1の冷媒)、液化二酸化炭素(第2の冷媒)、或いは窒素ガス(温度調整用流体)を選択的に供給する機能を有している。
凍結工法を施工するべき地盤の地下水の流速が、液化二酸化炭素では凍結困難な流速(例えば1~2m/日以上)であっても、液体窒素の超低温(1気圧下での沸点-196℃)により、地下水の流速が10m/日以下であれば凍結することが出来る。
液体窒素を凍結管1に供給することにより、施工対象地盤を凍結して凍土を造成し、地下水流を止め或いは地下水流の流速を低下させ(例えば液化二酸化炭素でも凍結可能な流速1~2m/日)、或いは地下水の流向を変える。ここで、地下水の流向を変えることにより、例えば、地下水流を凍結させたい領域を回避する様にせしめることが出来る。
そして、対象地盤の地下水流速が液化二酸化炭素で凍結できる速度(1~2m/日)以下となるまで、液体窒素を凍結管1に供給する。
図示の実施形態では、地中温度或いは周辺地盤温度を計測する機器として、例えば光ファイバが用いられている。温度依存性があるラマン散光を検知して温度計測を行う光ファイバであれば、温度計測箇所を光ファイバに沿った領域全域にすることが出来るからである。
図示の実施形態では、地中温度或いは周辺地盤温度を計測することにより、地下水流速が液化二酸化炭素で凍結できる速度(1~2m/日)以下となったか否かを判定しているが、地下水の流速を計測し、或いは、孔内水位を計測することにより判定することも可能である。
図示の第1実施形態では、地下水流速が液化二酸化炭素で凍結できる速度(1~2m/日)以下となった場合或いはその様に判定(推定)される場合(例えば、周辺地盤の温度がゼロ℃となった場合)には、冷凍管1に供給される冷媒を液体窒素から液化二酸化炭素に切り替え、冷媒配管系統10に液化二酸化炭素を循環させる。これにより、凍結工法の施工に必要な液体窒素量を減少して、大量の液体窒素供給に必要な大規模な設備を不要として、長期間の凍結であっても施工コストを節減せしめている。
以て、冷媒配管系統10(凍結管1)に液化二酸化炭素を供給し、循環させる。その際、第3の切替弁V3は窒素ガス供給装置6と連通する側を閉鎖し且つ上流側(切替弁V1側)を開放している。
すなわち、地下水流速が液化二酸化炭素で凍結できる速度(1~2m/日)以下となった時点或いはその様に推定される時点(例えば、周辺地盤の温度がゼロ℃となった時点)で、直ちに冷媒を液化二酸化炭素に切り替えると、液体窒素により超低温に冷却された凍結管1内で液化二酸化炭素は固体になり、凍結管1内を流動出来なくなる。
すなわち、地下水流速が液化二酸化炭素で凍結できる速度(1~2m/日)以下となった時点或いはその様に推定される時点(例えば、周辺地盤の温度がゼロ℃となった時点)で温度調整用流体として窒素ガスを凍結管1内に流し、凍結管1内温度を二酸化炭素の三重点よりも高い温度にせしめてから、液化二酸化炭素を供給している。
第1~第3の切替弁V1、V2、V3の上述した切り替え制御に際して、周辺地盤の温度がゼロ℃まで低下し、周辺地盤温度計測装置5の計測結果に基づき制御装置CUが地下水流速が液化二酸化炭素で凍結できる速度(1~2m/日)以下となったと判定している。そして、制御信号ラインSL3を介して第1の切替弁V1に弁切替制御信号を送信し、制御信号ラインSL4を介して第2の切替弁V2に弁切替制御信号を送信し、制御信号ラインSL5を介して第3の切替弁V3に弁切替制御信号を送信する。
二酸化炭素であれば、圧力が5.18×105Paで、温度-56.4℃の状態が三重点である(図8参照)。
したがって、凍結管内温度が三重点温度である-56.4℃よりも高い温度であれば、液化二酸化炭素を凍結管1に供給しても固体とはならず、凍結管内の閉塞を防止することが出来る。
ここで、温度調整用流体である窒素ガスによって、凍結管内に生じた水分或いは氷を除去することが出来る。
なお温度調整用流体の温度は、凍結管内を閉塞させる要因となる結露を生じさせない露点温度に設定する。露点温度とは、水蒸気を含む気体を冷却したとき、結露が始まる温度である。
なお、温度調整用流体として窒素ガス以外の流体を適用することも可能であり、例えば、空気や液化二酸化炭素を気化した二酸化炭素ガスでも良い。不活性でコストが安い気体や不活性ガスから適宜選択することが出来る。
凍結管内温度計測装置2により凍結管1内の温度が二酸化炭素の三重点温度(-56.4℃)よりも高い温度になった場合に、第1~第3の切替弁V1~V3の上述した切替制御が実行される。
また、第3実施形態で後述するが、切替弁V1~V3の開閉制御は、施工対象地盤が凍結したか否かに加えて、周辺地盤に変状等の悪影響を生じたか否かをも考慮して行われる場合がある。
さらに、施工対象地盤に図示の実施形態に係る凍結管1及び冷媒配管系統10を複数本或いは複数系統配置することも可能である。
マイクロチャンネルの材質は、軽量で冷熱の放散ならびに温熱の吸収に関する熱特性が良好なアルミニウムを採用している。ただし、マイクロチャンネルの材質はアルミニウムに限定される訳ではなく、銅、アルミニウム合金、銅合金、オーステナイト系ステンレス鋼、ガラス繊維強化樹脂などを用いることが可能である。
図2で示す様に、例えば、複数の微小冷媒流路1δの一部(図2で右側)で冷媒供給側流路1Sを構成し、他の微小冷媒流路(図2で左側)で冷媒排出側流路1Eを構成することが出来る。
また、図2において、冷媒供給側流路1Sと冷媒排出流路1Eの何れにも該当しない微小冷媒流路1λを設け、当該微小冷媒流路1λ内に光ファイバOPを配置して凍結管内温度計測装置2を構成し、凍結管1全体に亘る管内温度を計測することが出来る。
或いは、図示はされていないが、冷媒供給側流路1Sと冷媒排出流路1Eの何れにも該当しない微小冷媒流路1λを真空引きして、冷媒供給側流路1Sを流れる冷媒と冷媒排出流路1Eを流れる冷媒とが熱交換することを防止することも可能である。
図1において、液体窒素と液化二酸化炭素は、冷媒配管系統10の内、第1の切替弁V1から凍結管1を介して第2の切替弁V2に至るまでの領域では、同一の配管、同一の凍結管を流れている。ただし、液体窒素が流れる配管系及び凍結管と、液化二酸化炭素が流れる配管系及び凍結管を、別系統に構成することも可能である(図示せず)。
図3において、ステップS1では、液体窒素を冷媒として凍結管1に供給する。
その際、第1の切替弁V1は液体窒素供給装置3と連通する側が開放し、二酸化炭素冷凍装置4と連通する側が閉鎖している。第2の切替弁V2は、大気開放側(矢印O側)と連通する側が開放し、二酸化炭素冷凍装置4と連通する側が閉鎖している。第3の切替弁V3は、窒素ガス供給装置6と連通する側を閉鎖し、上流側(第1の切替弁V1側)と連通する側を開放する。
液体窒素供給装置3から凍結管1に液体窒素を供給することにより、施工対象地盤は凍結する。そしてステップS2に進む。
ステップS3では、ステップS2の計測の結果、凍結管1の周辺地盤の温度が0℃以下であるか否かを判断する。当該判断は、周辺地盤温度計測装置5による地盤温度の計測結果に基づき、制御装置CUが実行する。
ステップS3の判断の結果、地盤温度が0℃以下である場合(ステップS3が「Yes」)にはステップS4に進み、地盤温度が0℃以下でない場合(ステップS3が「No」)にはステップS1に戻り、液体窒素の供給を継続する。
当該切替に際しては、第1の切替弁V1を液体窒素供給装置3に連通する側及び二酸化炭素冷凍装置4に連通する側を閉鎖(全閉)して、液体窒素の供給を停止する。第2の切替弁V2は、ステップS1と同様に、大気開放側(矢印O)と連通する側を開放する。第3の切替弁V3は、上流側(第1の切替弁V1側)と連通する側を閉鎖して、窒素ガス供給装置6と連通する側を開放する。その結果、窒素ガス供給装置6から凍結管1に窒素ガスが供給されて、凍結管1内の温度を上昇させて、液化二酸化炭素が凍結管1に供給された際に固体になってしまうことが防止される。
そしてステップS5に進む。
ステップS6では、制御装置CUにより、凍結管内温度計測装置2により計測された(ステップS5)凍結管1内の温度が、二酸化炭素の三重点温度(-56.4℃)よりも高い温度であるか否かを判断する。
ステップS6において、凍結管1内の温度が液化二酸化炭素の三重点温度(-56.4℃)よりも高い温度である場合(ステップS6が「Yes」)にはステップS7に進み、凍結管1内の温度が液化二酸化炭素の三重点温度(-56.4℃)よりも高い温度でない場合(ステップS6が「No」)ステップS4に戻り、窒素ガスの供給(凍結管1内の温度の上昇)を継続する。
窒素ガスから液化二酸化炭素に切り替える際、第1の切替弁V1を、二酸化炭素冷凍装置4に連通する側を開放して、液体窒素供給装置3に連通する側を閉鎖する。そして第2の切替弁V2を、大気開放側(矢印O)と連通する側を閉鎖して、二酸化炭素冷凍装置4側(すなわち循環運転手段側)に連通する側を開放する。さらに第3の切替弁V3は、窒素ガス供給装置6と連通する側を閉鎖して窒素ガスの供給を停止し、上流側(第1の切替弁V1側)と連通する側を開放する。
係る切替制御により、凍結管1には液化二酸化炭素が供給され、冷媒配管系統10内を二酸化炭素が循環して、凍結管1周辺地盤が凍結された状態を維持する。
そしてステップS8に進む。
ステップS8の判断の結果、施工対象地盤の凍結した状態の維持を終了する場合(ステップS8が「Yes」)は、凍結工法終了の際に行うべき所定の手順(図示せず)が実行される。一方、施工対象地盤の凍結した状態を維持する場合(ステップS8が「No」)はステップS7に戻り、地盤が凍結した状態の維持を継続する。
図3では明示されていないが、ステップS7、S8のループにおいて、何らかの理由により凍結した地盤が溶解する恐れがある場合には、ステップS1に戻る。
また、図示はされていないが、図3のステップS1或いはそれ以前の工程(例えば、後述する図5のステップS11)において、施工対象地盤に微粉末鉄粉(熱伝導性の高い金属粉)を注入・充填し、凍結効果を促進させることもできる。熱伝導性の高い金属粉を施工対象地盤に混入することにより、液体窒素、液化二酸化炭素の冷熱が施工対象地盤(凍結させるべき地盤)に効率良く投入させ、効率良く地盤を凍結させることが出来る。
或いは、図示は省略するが、地中壁を造成する場合には、凍結管は、単列、複数列、千鳥に配置(千鳥構造)に配置することが出来る。この様に凍結管の配置を工夫することにより、地下水の流速、流向を制御することが出来る。
ここで、施工対象地盤を凍結することに比較して、施工対象地盤が凍結した状態を維持するためには、投与するべき冷熱が少なくても良く、超低温の液体窒素(1気圧下での沸点-196℃)を凍結管1に流さなくても、-30℃~-45℃程度の液化二酸化炭素を凍結管1に流せば、施工対象地盤が凍結した状態は十分に維持される。
第1実施形態においては、地下水流速が液化二酸化炭素でも凍結可能な数値(例えば、液化二酸化炭素であれば、1~2m/日)以下となった場合或いはその様に推定される場合(例えば、周辺地盤の温度が0℃となった場合)に、凍結管1に供給する冷媒を液体窒素から第2の冷媒である液化二酸化炭素に切り替える。それにより、施工に必要な超低温の液体窒素の使用量を減少して、液体窒素を大量に供給するのに必要な大規模な設備を不要にせしめ、凍結期間が長期間に亘ったとしても施工コストを節減することが出来る。
そのため、長期に亘って凍土の継続が必要な場合においても、図示の第1実施形態であれば、コストを高騰化してしまうことが防止出来る。
図示の第1実施形態では、地下水流速が液化二酸化炭素で凍結できる速度(1~2m/日)以下となった時点或いはその様に推定される時点(例えば、周辺地盤の温度がゼロ℃となった時点)で、温度調整用流体である窒素ガスを凍結管1内に流し、凍結管1内温度を液化二酸化炭素の三重点温度(-56.4℃)より高い温度になるまで加温する。そして、凍結管1内温度を液化二酸化炭素の三重点温度(-56.4℃)より高い温度に上昇させてから、冷媒を液化二酸化炭素に切り替え、液化二酸化炭素を冷媒配管系統10(凍結管1)に供給するので、液化二酸化炭素が凍結管1内で固体になることが防止され、液化二酸化炭素は凍結管1内を円滑に流動して、施工対象地盤が凍結された状態を維持することが出来る。
その際に、液体窒素と第2の冷媒(液化二酸化炭素)の切り替えは、所定の切替弁V1、V2、V3を切替制御することにより、容易に行うことが出来る。
なお第1実施形態の凍結工法は、地下水流がある地盤に対してのみ適用される訳ではない。
地熱が高い場合、施工期間が非常に短く及び/又は施工領域が広い場合等においては、地下水流の有無とは無関係に第1実施形態を適用可能である。
第2実施形態では、地下水流速が液体窒素により地盤凍結が可能な限界の地下水流速(例えば10m/日)を上回っている場合に適用される。
図4において、施工対象領域R(凍結管1を配置して地盤を凍結するべき領域)よりも地下水流Fの上流側(図4では右側)に、例えば遮水壁の様な機能を有す難透水領域Qとして地中固結体Qを造成する。地中固結体Qは、公知の地盤改良工法により造成される。
地中固結体Qを造成することにより、地下水流(太い矢印F)は流れを阻害されて、地中固結体Qを回り込む様に流れる(細い矢印F)。その結果、上流側(太い矢印F)では10m/日を上回る流速であっても、凍結領域R近傍では10m/日以下に減速される。
凍結対象領域Rの近傍における地下水流速が10m/日以下であれば、液化窒素を凍結管1に供給することにより凍結することが可能である。
図5において、ステップS11では、凍結領域R(図4)近傍の地下水の流速を図示しない地下水流速計測装置で計測する。そしてステップS12に進む。
ステップS12では、ステップS11で計測された地下水流速が、液体窒素で凍結可能な地下水流速(10m/日)よりも速いか否かを判断する。ステップS12の判断は、制御装置CU(図1)が実行する。
ステップS13(地下水流速が10m/日より速い場合)では、図4に示す様に、凍結領域Rよりも地下水流Fの上流側に、従来の地盤改良により地中固結体Qを造成する。ステップS13により地中固結体Qを造成して、凍結領域Rの近傍の地下水流速が10m/日以下となった場合には図3のステップ1に進み、図3の手順に従って凍結工法を実行する。
図4、図5の第2実施形態に係る凍結工法によれば、凍結領域Rの近傍の地下水流速が大きく(10m/日より大きく)、液体窒素を使用しても地盤を凍結することが困難な場合であっても、凍結領域Rより地下水流の上流側に地中固結体Qを造成するので、凍結領域Rの近傍における地下水流速を10m/日以下にまで低減させることが出来る。そのため、液体窒素を使用して地盤を凍結することが可能となる。
図4、図5の第2実施形態のその他の構成及び作用効果は、図1~図3の第1実施形態と同様である。
凍結工法を施工するに際して、地盤が凍結することにより周辺地盤が変状してしまうことは不都合であり、回避しなければならない。
第3実施形態では、凍結管が配置された施工対象地盤の周辺にひずみセンサが配置されており、施工対象地盤が凍結して周辺地盤が膨張して変状すると、変状により生じたひずみがひずみセンサにより検知される。そして、当該ひずみが許容値より大きい場合、周辺地盤が変状したと判断して、当該地盤の凍結作業を中止する等の必要な措置を講じている。
凍結管1に液体窒素を供給し、施工対象地盤が凍結し、凍結管1上方の地盤が変状して隆起すると、ひずみセンサ7が当該ひずみを検知する。そして、当該ひずみが許容値より大きい場合、制御装置CUにより凍結管1上方の地盤の隆起(変状)が許容範囲を超えたと判断して、施工を中止する。そのため、周辺地盤の必要以上の地盤の隆起(変状)を防止することが出来る。
ここで、ひずみの許容値については施工現場の状況、凍結工法の各種仕様により、ケース・バイ・ケースで決定される。
ステップS21では、周辺地盤に発生したひずみを当該地盤に配置されたひずみセンサ7により計測する。そしてステップS22に進む。
ステップS22では、ステップS21で計測されたひずみが、予め設定した許容値より大きいか否かを判断する。当該判断は、制御装置CUが実行する。
ステップS22の判断の結果、周辺地盤のひずみが許容値より大きい場合(ステップS22が「Yes」)はステップS23に進み、周辺地盤のひずみが許容値以下の場合(ステップS22が「No」)はステップS24に進む。
一方、ステップS24(周辺地盤のひずみが許容値以下の場合)では、施工対象地盤の凍結作業を継続する。
図6、図7の第3実施形態によれば、施工対象地盤が凍結することにより周辺地盤が変状すると、周辺地盤に配置されたひずみセンサが検知し、当該地盤の凍結作業を中止する等の必要な措置を講じることが出来る。
図6、図7の第3実施形態のその他の構成及び作用効果は、図1~図5の実施形態と同様である。
例えば、図示の実施形態では「地下水流がある」場合について説明した。しかし、地下水流が無くても、例えば、地熱が高い場合、施工期間が非常に短く及び/又は施工領域が広い場合には、図示の実施形態が適用可能である。
1δ・・・微小冷媒流路
2・・・凍結管内温度計測装置(光ファイバ)
3・・・液体窒素供給装置(液体窒素の供給源)
4・・・二酸化炭素冷凍装置
5・・・周辺地盤温度計測装置
6・・・窒素ガス供給装置
10・・・冷媒配管系統
100・・・凍結工法用システム
CU・・・制御装置
V1、V2、V3・・・切替弁
Q・・・難透水領域(地中固結体)
Claims (8)
- 地下水流が存在する地盤の凍結工法において、
凍結管を使用して液体窒素により地下水の流速または/及び流向を制御する工程と、
前記制御する工程の後に、循環運転手段を用いて、液体窒素以外の冷媒である第2の冷媒を凍結管に供給して地盤が凍結した状態を維持する工程と、
凍結管内の温度を計測し、凍結管内の温度が前記第2の冷媒の三重点よりも高い温度となった後に前記第2の冷媒を凍結管に供給する工程とを有し、
液体窒素の流路と前記第2の冷媒の流路は共通することを特徴とする凍結工法。 - 前記第2の冷媒は、液化二酸化炭素或いはブラインである請求項1の凍結工法。
- 液体窒素と前記第2の冷媒は所定の切替手段で切り替える請求項1、2の何れかの凍結工法。
- 前記凍結管はマイクロチャンネル或いは多孔管である請求項1~3の何れか1項の凍結工法。
- 液体窒素から前記第2の冷媒に切り替える際に、液体窒素の供給を停止した後、温度調整用流体を供給する工程を有し、
前記第2の冷媒を凍結管に供給する工程は温度調整用流体を供給する工程の後に実行される請求項3~4の何れか1項の凍結工法。 - 凍結工法の施工以前の段階で、地盤改良により難透水領域を造成する工程を有している請求項1~5の何れか1項の凍結工法。
- 凍結管に液体窒素を供給して施工対象地盤を凍結する工程と、
液体窒素で施工対象地盤を凍結した後に、循環運転手段を用いて、液体窒素以外の冷媒である第2の冷媒を凍結管に供給して地盤が凍結した状態を維持する工程と、
凍結管内の温度を計測し、凍結管内の温度が前記第2の冷媒の三重点よりも高い温度となった後に前記第2の冷媒を凍結管に供給する工程とを有し、
液体窒素の流路と前記第2の冷媒の流路は共通することを特徴とする凍結工法。 - 凍結管を有する冷媒配管系統を備え、
前記冷媒配管系統には、液体窒素の供給源と、液体窒素以外の冷媒である第2の冷媒を液化する冷凍装置が連通しており、
凍結管には配置され且つ凍結管内温度を計測する凍結管内温度計測装置と、
凍結管近傍に配置され且つ凍結管近傍の地盤の温度を計測する周辺地盤温度計測装置と、
制御装置を有し、
当該制御装置は、
周辺地盤温度計測装置の計測結果により、凍結管近傍の地盤が凍結したか否かを判断する機能と、
凍結管近傍の地盤が凍結した後に、凍結管内の温度が前記第2の冷媒の三重点よりも高い温度となったか否かを判断する機能と、
凍結管内の温度が前記第2の冷媒の三重点よりも高い温度となった場合には前記第2の冷媒を凍結管に供給する機能を有していることを特徴とする凍結工法を施工するシステム。
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