特許 7498154 凍土膨張圧吸収体と凍土形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-03

(45)【発行日】2024-06-11

(54)【発明の名称】凍土膨張圧吸収体と凍土形成方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/04 20060101AFI20240604BHJP

【ＦＩ】

E21D9/04 C

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021108340

(22)【出願日】2021-06-30

(65)【公開番号】P2023005991

(43)【公開日】2023-01-18

【審査請求日】2023-09-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000206211

【氏名又は名称】大成建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】近藤 智人

(72)【発明者】

【氏名】大森 裕一

(72)【発明者】

【氏名】常田 和哉

(72)【発明者】

【氏名】矢野 毅

(72)【発明者】

【氏名】庄司 和真

(72)【発明者】

【氏名】湯上 繁信

【審査官】亀谷 英樹

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－１２８９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５６１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６９５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－１０２０８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２６５７８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４５１６８７８（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平０７－０７１１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２８０２７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２７８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１３３１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１６２６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３３２３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３３２２９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ２１Ｄ １／００－９／１４

Ｅ２１Ｄ １１／００－１９／０６

Ｅ２１Ｄ ２３／００－２３／２６

Ｅ０２Ｄ １／００－３／１１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地盤内に存在する地中構造物の周囲の凍結領域において、該地中構造物と地盤が凍結されてなる凍土との間の緩衝層に設けられて、凍土の形成過程における凍土膨張圧を吸収する、凍土膨張圧吸収体であって、
水よりも低い氷点を有しており、
主剤と、変質防止剤とを有するＡ液と、Ｂ液とが混合されている、二液混合剤であり、
前記Ａ液は、主剤と、変質防止剤とを有し、
前記主剤は、水と、塩化カルシウムと、セルロース系水溶性高分子剤とを含み、
前記変質防止剤は、水と、有機窒素化合物とを含み、
前記Ｂ液は、水と、高分子架橋剤とを含んでいることを特徴とする、凍土膨張圧吸収体。

【請求項2】

地盤内に存在する地中構造物の周囲の凍結領域に凍土を形成する、凍土形成方法であって、
前記地中構造物の周囲の前記凍結領域において、水よりも低い氷点を有していて、凍土の形成過程における凍土膨張圧を吸収する、凍土膨張圧吸収体からなる緩衝層を形成する、Ａ工程と、
前記凍土膨張圧吸収体にて凍土の形成過程における膨張圧を吸収させながら、前記凍結領域に前記凍土を形成する、Ｂ工程と、を有し、
前記凍土膨張圧吸収体は、
主剤と、変質防止剤とを有するＡ液と、Ｂ液とが混合されている、二液混合剤であり、
前記Ａ液は、主剤と、変質防止剤とを有し、
前記主剤は、水と、塩化カルシウムと、セルロース系水溶性高分子剤とを含み、
前記変質防止剤は、水と、有機窒素化合物とを含み、
前記Ｂ液は、水と、高分子架橋剤とを含んでいることを特徴とする、凍土形成方法。

【請求項3】

前記Ｂ工程において、前記緩衝層に前記凍土膨張圧が作用し、該緩衝層の圧力が、前記地中構造物へ影響を与える圧力となる前の段階で、前記凍土膨張圧吸収体を該地中構造物の内部に回収することを特徴とする、請求項２に記載の凍土形成方法。

【請求項4】

前記Ｂ工程の後に、前記地中構造物の内部から前記凍土膨張圧吸収体を凍結させる、Ｃ工程をさらに有することを特徴とする、請求項２又は３に記載の凍土形成方法。

【請求項5】

前記Ｂ工程の後に、前記地中構造物の内部に前記凍土膨張圧吸収体を回収し、前記緩衝層の空間に、水、もしくは氷点が水に近い物質を収容し、前記地中構造物の内部から前記水もしくは前記氷点が水に近い物質を凍結させる、Ｄ工程をさらに有することを特徴とする、請求項２又は３に記載の凍土形成方法。

【請求項6】

前記Ｂ工程において、凍土の過度な形成、もしくは、前記凍土膨張圧吸収体の凍結が確認された際に、前記地中構造物の内部から前記凍土の一部もしくは凍結した前記凍土膨張圧吸収体を切削して圧力解放を行い、前記凍結領域に対して新たに前記凍土膨張圧吸収体を形成することを特徴とする、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の凍土形成方法。

【請求項7】

前記Ｃ工程の後に、前記地中構造物の内部から少なくとも前記緩衝層の内部まで連続する作業空間を形成し、該作業空間内で作業を行うＥ工程をさらに有することを特徴とする、請求項４、もしくは請求項４に従属する請求項６に記載の凍土形成方法。

【請求項8】

前記Ｄ工程の後に、前記地中構造物の内部から少なくとも前記緩衝層の内部まで連続する作業空間を形成し、該作業空間内で作業を行うＥ工程をさらに有することを特徴とする、請求項５、もしくは請求項５に従属する請求項６に記載の凍土形成方法。

【請求項9】

前記Ｅ工程の後に、前記緩衝層に収容されている、前記凍土膨張圧吸収体、もしくは、前記水、もしくは、前記氷点が水に近い物質を前記地中構造物の内部に回収し、該地中構造物の周囲の地盤の地盤強度と同等以上の強度の裏込め材を前記緩衝層の空間に充填する、Ｆ工程をさらに有することを特徴とする、請求項７又は８に記載の凍土形成方法。

【請求項10】

前記地中構造物は、シールド工法もしくは推進工法にて適用される掘進機であり、
前記Ａ工程では、
前記掘進機の内部からウォータージェットにより、緩衝層用空間を形成し、該緩衝層用空間に前記凍土膨張圧吸収体を充填して前記緩衝層を形成する、もしくは、
前記掘進機の掘進過程で、該掘進機のカッタヘッドの側面からコピーカッタを張り出して緩衝層用空間を形成し、該緩衝層用空間に前記凍土膨張圧吸収体を充填して前記緩衝層を形成することを特徴とする、請求項２乃至９のいずれか一項に記載の凍土形成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、凍土膨張圧吸収体と凍土形成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

シールド工事や推進工事において、シールドトンネルや推進トンネル等のトンネル同士の地中接合や、掘進機のテールブラシ（テールシール）の地中交換、あるいは、テール構造の地中換装などを行うに際し、掘進機の周囲に凍土を形成する凍結工法が補助工法として適用される場合がある。
凍結工法において、シールドトンネルや推進トンネル、掘進機等の地中構造物に対して、凍土が形成される過程で生じる凍土膨張圧が作用すると、地中構造物が破損に至り得ることから、凍結工法の適用に際して地中構造物に作用し得る凍土膨張圧を抑制もしくは抑止できる方策が望まれている。

【0003】

ここで、特許文献１には、確実に凍土膨張圧を制御でき、工期短縮を可能にした凍結工法が提案されている。具体的には、凍結運転開始から所定領域の凍土が連続的に繋がって止水性能が確保された段階と、必要な凍土厚の凍土壁が造成されて強度性能が確保された段階との間の任意のタイミングで、凍土壁に対して内側の領域の一部の地盤を先行掘削する凍結工法である。
この凍結工法では、止水に必要な厚みの凍土壁が造成されるまでの過程で掘進機等の地中構造物に凍土膨張圧が作用することになり、上記するように地中構造物に作用し得る凍土膨張圧を抑制することは難しい。

【0004】

一方、特許文献２には、凍結領域の凍土膨張圧（ここでは凍結膨張圧）による立坑壁体等の既存構造物の応力増加を防止する、凍結膨張圧低減構造体が提案されている。具体的には、凍結予定領域と既存構造物との間の地盤内に構築され、凍結予定領域が凍結膨張した際に、その一部が塑性変形して膨張圧を吸収し、既存構造物の付加応力の増加を阻止するようにした、変形吸収壁からなる凍結膨張圧低減構造体である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１７－１３３１６３号公報

【文献】特開平９－２７９９８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献２に記載の凍結膨張圧低減構造体を形成する変形吸収壁は、ビーズ混合処理土を地盤内に充填して造成した壁体構造であり、ビーズ混合処理土は、現地発生土に発泡ビーズを混合したものであるとしている。
そのため、凍結管による地盤の凍結の際に、ビーズ混合処理土を形成する現地発生土の凍結を発泡ビーズが抑制する機序が不明であり、現地発生土が凍結する恐れは依然としてあることから、地中構造物に作用し得る凍土膨張圧を抑制する効果を有するか否かに関して定かでない。

【0007】

本発明は、凍結工法の適用に際して、地中構造物に作用し得る凍土膨張圧を抑制もしくは抑止することのできる凍土膨張圧吸収体と凍土形成方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記目的を達成すべく、本発明による凍土膨張圧吸収体の一態様は、
地盤内に存在する地中構造物の周囲の凍結領域において、該地中構造物と地盤が凍結されてなる凍土との間の緩衝層に設けられて、凍土の形成過程における凍土膨張圧を吸収する、凍土膨張圧吸収体であって、
水よりも低い氷点を有していることを特徴とする。

【0009】

本態様によれば、水よりも低い氷点（もしくは凝固点）を有している凍土膨張圧吸収体が地中構造物の周囲の緩衝層に設けられ、凍結管により地盤の凍結領域が凍結した際に、未だ凍結していない凍土膨張圧吸収体が収容される緩衝層が地中構造物の周囲に存在することにより、未凍結で変形性能を有する凍土膨張圧吸収体がその周囲において凍土が形成される過程で作用する凍土膨張圧を効果的に吸収し、地中構造物に作用し得る凍土膨張圧を抑制もしくは抑止することが可能になる。
ここで、本態様の凍土膨張圧吸収体が収容される緩衝層が周囲に設けられる地中構造物としては、既述するように、シールドトンネルや推進トンネル、シールド工法や推進工法に適用される掘進機等が挙げられる。例えば、地中構造物の内部からウォータージェット等により、地中構造物の周囲の所定範囲に亘り所定厚の緩衝層用の空間を形成し、この空間に対して地中構造物の内部から変形性能のある凍土膨張圧吸収体を充填することにより、地中構造物の周囲の凍結領域において、所定範囲に亘る所定厚の緩衝層を形成することができる。

【0010】

また、本発明による凍土膨張圧吸収体の他の態様は、
主剤と、変質防止剤とを有するＡ液と、Ｂ液とが混合されている、二液混合剤であり、
前記Ａ液は、主剤と、変質防止剤とを有し、
前記主剤は、水と、塩化カルシウムと、セルロース系水溶性高分子剤とを含み、
前記変質防止剤は、水と、有機窒素化合物とを含み、
前記Ｂ液は、水と、高分子架橋剤とを含んでいることを特徴とする。

【0011】

本態様によれば、上記所定成分のＡ液とＢ液とが混合されている、二液混合剤によって形成されていることにより、水よりも低い氷点を有し、適度な変形性能を有する凍土膨張圧吸収体を形成できることが実証されている。

【0012】

また、本発明による凍土形成方法の一態様は、
地盤内に存在する地中構造物の周囲の凍結領域に凍土を形成する、凍土形成方法であって、
前記地中構造物の周囲の前記凍結領域において、水よりも低い氷点を有していて、凍土の形成過程における凍土膨張圧を吸収する、凍土膨張圧吸収体からなる緩衝層を形成する、Ａ工程と、
前記凍土膨張圧吸収体にて凍土の形成過程における凍土膨張圧を吸収させながら、前記凍結領域に前記凍土を形成する、Ｂ工程と、を有することを特徴とする。

【0013】

本態様によれば、水よりも低い氷点を有している凍土膨張圧吸収体が収容された緩衝層を地中構造物の周囲に設けることにより、凍結管により地盤の凍結領域が凍結した際に、未凍結で変形性能を有する凍土膨張圧吸収体が地中構造物の周囲に存在することから、凍土が形成される過程で生じる凍土膨張圧を凍土膨張圧吸収体が効果的に吸収し、地中構造物に作用し得る凍土膨張圧を抑制もしくは抑止することが可能になる。

【0014】

ここで、Ａ工程では、地中構造物の周囲の凍結領域において、複数の厚みの異なる緩衝層を形成してもよい。地中構造物の周囲の凍結領域における凍土の厚み（設計凍土厚）が場所ごとに相違する場合に、凍土の厚みに応じて凍土膨張圧も変化し得ることから、場所ごとに相違する設計凍土厚（による凍土膨張圧）に応じた層厚の緩衝層を形成することにより、凍土の厚みの相違に起因する場所ごとに異なる凍土膨張圧を、場所に応じた複数の厚みを有する緩衝層が効果的に吸収することが可能になる。

【0015】

また、本発明による凍土形成方法の他の態様において、
前記Ｂ工程において、前記緩衝層に前記凍土膨張圧が作用し、該緩衝層の圧力が、前記地中構造物へ影響を与える圧力となる前の段階で、前記凍土膨張圧吸収体を該地中構造物の内部に回収することを特徴とする。

【0016】

本態様によれば、凍土の形成過程における凍土膨張圧の作用によって緩衝層の圧力が地中構造物へ影響を与える圧力となる前の段階で、凍土膨張圧吸収体を地中構造物の内部に回収することにより、緩衝層から作用する圧力によって地中構造物が破損等することを効果的に防止できる。

【0017】

また、本発明による凍土形成方法の他の態様は、
前記Ｂ工程の後に、前記地中構造物の内部から前記凍土膨張圧吸収体を凍結させる、Ｃ工程をさらに有することを特徴とする。

【0018】

本態様によれば、Ｂ工程にて凍土が形成され、凍土膨張圧が地中構造物に作用する恐れが無くなった後に、Ｃ工程において、地中構造物の内部から例えば貼付け凍結管等を利用して凍土膨張圧吸収体を凍結させることにより、地中構造物の周囲に沿って流れる地下水の止水性を高めることができる。
例えば、緩衝層を形成するＡ工程に先んじて、地中構造物の周囲であって、かつ凍結領域の外側に、例えば薬液注入等によって予め止水層を造成しておき、地下水が地中構造物の周囲に沿って凍結領域に浸入するのを止水層にて防止した後に、Ａ工程にて緩衝層を形成するのが好ましい。この際、地中構造物の周囲の凍結領域の内部には止水対策が講じられていないことから、当該領域への地下水の浸入の可能性があるため、Ｃ工程において、地中構造物の周囲の凍結領域に存在する凍土膨張圧吸収体を凍結させることにより、薬液注入等による止水層と、凍結した凍土膨張圧吸収体による止水層とにより、地中構造物の周囲における止水性が一層高められる。

【0019】

また、本発明による凍土形成方法の他の態様は、
前記Ｂ工程の後に、前記地中構造物の内部に前記凍土膨張圧吸収体を回収し、前記緩衝層の空間に、水、もしくは氷点が水に近い物質を収容し、前記地中構造物の内部から前記水もしくは前記氷点が水に近い物質を凍結させる、Ｄ工程をさらに有することを特徴とする。

【0020】

本態様によれば、Ｂ工程にて凍土が形成され、凍土膨張圧が地中構造物に作用する恐れが無くなった後に、Ｄ工程において、地中構造物の内部に凍土膨張圧吸収体を回収してそれまで緩衝層が存在していた空間を空洞にし、この空間に、水、もしくは氷点が水に近い物質であるベントナイトや裏込め注入材等を収容し、地中構造物の内部から例えば貼付け凍結管等を利用して水やベントナイト等を凍結させることにより、地中構造物の周囲に沿って流れる地下水の止水性を高めることができる。

【0021】

また、本発明による凍土形成方法の他の態様は、
前記Ｂ工程において、凍土の過度な形成、もしくは、前記凍土膨張圧吸収体の凍結が確認された際に、前記地中構造物の内部から前記凍土の一部もしくは凍結した前記凍土膨張圧吸収体を切削して圧力解放を行い、前記凍結領域に対して新たに前記凍土膨張圧吸収体を形成することを特徴とする。

【0022】

本態様によれば、Ｂ工程において、凍土の過度な形成や凍土膨張圧吸収体の凍結が確認された際に、地中構造物の内部から凍土の一部や凍結した凍土膨張圧吸収体を切削して圧力解放を行い、凍結領域に対して新たに凍土膨張圧吸収体を形成することにより、これらの緊急事態においても地中構造物への凍土膨張圧の作用を抑制もしくは抑止することができる。
例えば、探針棒を地中構造物からその背面の地盤（地山）に突き刺すことにより、その突き刺し深度に応じた凍土の膨張量を特定することで、凍土の成長（地中構造物と凍土の離間）を地中構造物の内部に居ながら確認することができる。

【0023】

ここで、「凍土の過度な形成」とは、凍土膨張圧が地中構造物に影響し得る程度まで凍土が成長することや、凍土膨張圧を受けた凍土膨張圧吸収体から地中構造物に作用する圧力が地中構造物に影響し得る程度まで凍土が成長することを意味している。地中構造物の背面（地盤に対向する面）に設置されている圧力計や上記探針棒等による凍土の膨張量の計測や反力計測により、地中構造物に影響し得る圧力に関して予め設定している圧力閾値を計測値が超えそうな段階で、地中構造物の内部から凍土の一部や凍結した凍土膨張圧吸収体を切削して圧力解放を行う。例えば、ウォータージェットを用いて凍土の一部等の切削を行うことができる。

【0024】

また、本発明による凍土形成方法の他の態様は、
前記Ｃ工程もしくは前記Ｄ工程の後に、前記地中構造物の内部から少なくとも前記緩衝層に亘って作業空間を形成し、該作業空間内で作業を行うＥ工程をさらに有することを特徴とする。

【0025】

本態様によれば、Ｃ工程もしくはＤ工程により、掘進機等の地中構造物の周囲の凍結領域を確実に止水した後、Ｅ工程において、地中構造物の内部から少なくとも緩衝層に亘って作業空間を形成することにより、作業空間をドライ空間にでき、高い安全性の下で、例えばテールブラシの地中交換やテール構造の地中換装などを行うことができる。ここで、「少なくとも緩衝層に亘って作業空間を形成する」とは、緩衝層を切削等して作業空間を形成することの他、緩衝層のさらに背面の凍土の一部まで切削等して作業空間を形成することを含む意味である。

【0026】

また、本発明による凍土形成方法の他の態様は、
前記Ｅ工程の後に、前記緩衝層に収容されている、前記凍土膨張圧吸収体、もしくは、前記水、もしくは、前記氷点が水に近い物質を前記地中構造物の内部に回収し、該地中構造物の周囲の地盤の地盤強度と同等以上の強度の裏込め材を前記緩衝層の空間に充填する、Ｆ工程をさらに有することを特徴とする。

【0027】

本態様によれば、Ｅ工程における地中作業の後、緩衝層から本来的には強度の低い凍土膨張圧吸収体や水等を地中構造物の内部に回収して緩衝層が存在していた空間を空洞にし、この空間に対して、地中構造物の周囲の地盤の地盤強度と同等以上の強度の裏込め材を充填する（埋め戻す）ことにより、地中構造物の周囲において、例えば地震時に地中構造物に影響を与え得る低強度エリアが存在することを防止できる。

【0028】

また、本発明による凍土形成方法の他の態様において、
前記地中構造物は、シールド工法もしくは推進工法にて適用される掘進機であり、
前記Ａ工程では、
前記掘進機の内部からウォータージェットにより、緩衝層用空間を形成し、該緩衝層用空間に前記凍土膨張圧吸収体を充填して前記緩衝層を形成する、もしくは、
前記掘進機の掘進過程で、該掘進機のカッタヘッドの側面からコピーカッタを張り出して緩衝層用空間を形成し、該緩衝層用空間に前記凍土膨張圧吸収体を充填して前記緩衝層を形成することを特徴とする。

【0029】

本態様によれば、Ａ工程において、地中構造物である掘進機の内部からウォータージェットにより緩衝層用空間を形成する、もしくは、掘進機の掘進過程で掘進機のカッタヘッドの側面からコピーカッタを張り出して緩衝層用空間を形成することにより、所望する緩衝層形成範囲に対して、所望厚みの緩衝層用空間を高い精度で形成することができる。

【発明の効果】

【0030】

本発明の凍土膨張圧吸収体と凍土形成方法によれば、凍結工法の適用に際して、地中構造物に作用し得る凍土膨張圧を抑制もしくは抑止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】実施形態に係る凍土形成方法の一例を示す工程図であって、掘進機を掘進方向に沿って切断した縦断面図である。

【図2】図１のII－II矢視図であって、掘進機の前方の周囲に造成された止水層の正面図である。

【図3】図１のIII部の拡大図である。

【図4】図１に続いて、実施形態に係る凍土形成方法の一例を示す工程図である。

【図5】図４のV－V矢視図であって、掘進機の周囲に形成された緩衝層の正面図である。

【図6】図４のVI部の拡大図である。

【図7】図４に続いて、実施形態に係る凍土形成方法の一例を示す工程図である。

【図8】図７のVIII－VIII矢視図であって、掘進機の周囲に形成された凍土の正面図である。

【図9】図７のIX部の拡大図である。

【図10】図７に続いて、実施形態に係る凍土形成方法の一例を示す工程図である。

【図11】図１０に続いて、実施形態に係る凍土形成方法の一例を示す工程図である。

【図12】凍土膨張圧吸収体の氷点測定試験の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、実施形態に係る凍土形成方法と、凍土形成方法に適用される実施形態に係る凍土膨張圧吸収体について、添付の図面を参照しながら説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く場合がある。

【0033】

［実施形態に係る凍土形成方法と凍土膨張圧吸収体］
図１乃至図１１を参照して、実施形態に係る凍土形成方法の一例と、凍土形成方法に適用される実施形態に係る凍土膨張圧吸収体の一例について説明する。ここで、図１，図４，図７、図１０、及び図１１は順に、実施形態に係る凍土形成方法の一例を示す工程図である。

【0034】

図示する地中構造物は、シールド工法にて適用される掘進機１０（シールド掘進機）と施工されるシールドトンネルの一部であり、以下の説明では、地中Ｇにおいて、掘進機１０のテールブラシの一部を交換する際に、補助工法として凍結工法を適用する際の凍土形成方法について説明する。尚、地中構造物は、図示例の掘進機以外にも、推進工法に適用される掘進機や推進工法において地中に施工される推進トンネル、各種公共施設やビル等の地下構造体などであってもよく、その周囲に凍結工法が適用される際に実施形態の凍土形成方法と凍土膨張圧吸収体が適用できる。

【0035】

図１乃至図３に示すように、掘進方向に延設するセグメントトンネルを施工する過程で、例えば延長の長いセグメントトンネルの施工途中において、地中Ｇにてテールブラシ１５の交換を行う。

【0036】

ここで、掘進機１０は、掘進方向前方にあるカッタヘッド１１と、カッタヘッド１１の掘進方向後方に延設する鋼殻１２とを有し、鋼殻１２の内部には、掘進機１０を用いて地中Ｇにセグメントをリング状に組み付けるエレクタ装置１８、セグメントリングに反力を取って掘進機１０を掘進させるシールドジャッキ１３、カッタヘッド１１を介してバルクヘッド１７の内部に取り込まれた土砂を掘進方向後方へ搬送するスクリューコンベア１４等が装備されている。

【0037】

カッタヘッド１１には、その側面１１ａから不図示のコピーカッタが出入り自在に設けられており、以下で説明する緩衝層用空間４０を形成するに当たり、緩衝層用空間４０の造成位置よりも掘進方向手前から、コピーカッタが所望する緩衝層用空間４０の厚みに相当する張り出し長だけ張り出した状態で掘進機１０が掘進することにより、掘進方向に所定の範囲で、かつ所定厚の緩衝層用空間４０を造成することができる。

【0038】

鋼殻１２の後方外周には、セグメントリングの外周面に摺接して止水構造を形成するテールブラシ１５が設けられており、図示例では、その一部を地中Ｇにて交換する際に凍結工法を適用するものである。

【0039】

地中Ｇの所定位置において掘進機１０の掘進を停止させた後、まず、テールブラシ１５が交換される領域を凍土を形成する凍結領域ＦＡとする。このテールブラシ１５が交換される範囲は、図１に示すように鋼殻１２の掘進方向のｔ１の長さ範囲であり、その後方の長さｔ２の範囲にあるテールブラシ１５の交換は行わない。また、図２に示すように、掘進方向に直交する断面においては、断面円形の鋼殻１２の下方の角度θ１の範囲をテールブラシ１５の交換範囲とする。尚、断面円形の鋼殻１２の全周（３６０度）に亘る範囲がテールブラシ１５の交換範囲に設定されてもよい。

【0040】

図示例のように、テールブラシ１５が交換される範囲が断面環状の鋼殻１２の所定角度θ１の範囲であっても、凍結領域ＦＡは、掘進方向のｔ１の長さ範囲で、かつ断面環状の鋼殻１２の全周（３６０度）に亘る範囲に設定される。

【0041】

鋼殻１２の周囲に凍土を形成するに当たり、掘進機１０の外周面に沿って地下水が凍結領域ＦＡに浸入することを抑制するべく、薬液注入を行う。より具体的には、掘進機１０の鋼殻１２から地中Ｇ内に薬液注入管２１を張り出し、掘進方向で凍結領域ＦＡを挟む位置に、図２に示すように環状の薬液止水層３０Ａ，３０Ｂを造成する。

【0042】

図１及び図３に示すように、薬液注入の前後において、鋼殻１２から地中Ｇの凍結領域ＦＡに対して凍結管２２を張り出し、さらに、凍結管理のための測温計２３を張り出し、凍土形成の準備を行う。また、鋼殻１２の内部のうち、特にテール交換範囲ｔ１やその後方の裏込め硬化体１２ａには、凍土の形成過程において背面地盤から鋼殻１２等に作用する圧力を測定するためのひずみゲージ２４が取り付けられている。

【0043】

薬液注入施工後、凍結領域ＦＡに凍土を形成する前の段階において、鋼殻１２の外周の凍結領域ＦＡの所定範囲（テール交換範囲ｔ１を含む所定範囲）に緩衝層用空間４０を施工する。

【0044】

緩衝層用空間４０の形成方法は、既述するように、掘進機１０の掘進過程においてコピーカッタにて形成する方法や、掘進機１０の内部からウォータージェットにより形成する方法がある。

【0045】

次に、図４乃至図６に示すように、ウォータージェット等により形成された緩衝層用空間４０に対して、掘進機１０の内部から凍土膨張圧吸収体５０を充填することにより緩衝層を形成する。

【0046】

緩衝層形成範囲が鋼殻１２の一部範囲（図２に示す角度θ１の範囲）であっても、図５に示すように、緩衝層用空間４０は鋼殻１２の全周に亘って形成し、掘進方向には、図４に示すように、テール交換範囲ｔ１を含む長さｔ３の範囲に亘って形成する。ここで、図示例の長さｔ３の範囲は、テール交換範囲ｔ１とその後方のテール残置範囲ｔ２に加えて、テール交換範囲ｔ１の前方の所定範囲に亘り設定される。

【0047】

図示例は、テール交換範囲ｔ１の全域において、例えば１００ｍｍ程度の同一厚みの緩衝層５０を形成しているが、テール交換範囲ｔ１において、場所ごとに厚みの異なる緩衝層を形成してもよく、例えば、厚みが異なる３段もしくは４段の段状の緩衝層を形成してもよい。

【0048】

図６に示すように、緩衝層５０の長さ範囲において、鋼殻１２の背面の複数箇所（図６では三箇所）と、その後方のセグメント１２ｂの外側面には、ひずみゲージ２４が設置されている。より具体的には、図６に示す掘進方向の３箇所（３断面）において、ひずみゲージ２４は、断面円形の鋼殻１２の内側面において、周方向に例えば３０度や４５度等の間隔を置いて設置され、断面ごとに、周方向のひずみゲージや、掘進方向（軸方向）のひずみゲージが設置される。

【0049】

また、図４に示すように、鋼殻１２には、緩衝層用空間４０に通じて凍土膨張圧吸収体を供給する配管２６が設けられており、この配管２６の内部には、緩衝層５０の圧力を計測するための圧力計２７が設けられている。図示例の配管２６は、凍土膨張圧吸収体を緩衝層用空間４０に供給する供給管であるとともに、以下で説明するように緩衝層用空間４０から凍土膨張圧吸収体を掘進機１０の内部に排出するドレン配管としても機能する。

【0050】

また、図４及び図６に示すように、緩衝層５０の掘進方向前方位置の鋼殻１２の内側面と、後方位置の裏込め硬化体１２ａの内側面にはそれぞれ、貼付け凍結管１６が取り付けられている。

【0051】

緩衝層５０を形成する凍土膨張圧吸収体は、文字通り、凍土が形成される過程で生じる凍土膨張圧を吸収する物質であり、水よりも低い氷点を有している。凍土膨張圧吸収体５０は、Ａ液とＢ液とが混合されている二液混合剤により形成される。

【0052】

ここで、Ａ液は、主剤（増粘剤）と変質防止剤とを有し、主剤は、水と塩化カルシウムとセルロース系水溶性高分子剤とを含んでおり、変質防止剤は、水と有機窒素化合物とを含んでいる。一方、Ｂ液は、水と高分子架橋剤とを含んでいる。

【0053】

以下の氷点測定試験において詳説するように、Ａ液とＢ液を所定の割合で混合することにより、水よりも低い氷点を有し、適度な変形性能を有する凍土膨張圧吸収体が形成される（以上、Ａ工程）。

【0054】

次に、図７乃至図９に示すように、地中Ｇ内に挿入されている凍結管２２を利用して、掘進機１０の外周における凍結領域ＦＡに凍土６０を形成する。

【0055】

図８に示すように、鋼殻１２の周囲において地中Ｇ内に張り出して相互に隣接する凍結管２２は、それぞれの凍結管２２の周囲に形成される凍土が相互にラップした際に、構造計算上必要な厚み（有効厚）ｔ４の凍土によって作られる凍土ライン（有効厚ライン）を形成できる間隔で、周方向に配設されている。そして、鋼殻１２の周方向に間隔をおいて測温計２３が設けられている。

【0056】

ここで、図１０を参照して、凍土が形成される過程で生じる凍土膨張圧が緩衝層に作用することと、過度な凍土膨張圧が作用した際に緩衝層用空間４０から凍土膨張圧吸収体５０を掘進機１０の内部に回収することについて説明する。

【0057】

図１０に示すように、凍結管２２の内部に例えば－３０℃程度のブラインを循環させることにより、凍結管２２の周囲の地盤を徐々に凍結させると、凍結管２２を中心にその長手方向に亘り、径方向に向かうＸ１方向の凍土膨張圧が発生する。

【0058】

凍結管２２の周囲に発生した凍土膨張圧は、凍土の形成過程で徐々に外側へ作用し、凍土が接する緩衝層５０に作用する。作用した凍土膨張圧により緩衝層５０は被圧され、緩衝層５０の圧力が徐々に上昇する。

【0059】

緩衝層５０に連通する配管２６には圧力計２７が設けられており、圧力計２７により緩衝層５０の圧力の変化を随時計測する。緩衝層５０の圧力は、スキンプレート１２や裏込め硬化体１２ａ、セグメント１２ｂに作用する圧力として同定することができる。尚、ひずみゲージ２４により、測定された掘進方向の軸ひずみと掘進方向に直交する周方向ひずみが測定されており、これらの測定ひずみから作用荷重を推定し、圧力計２７による計測結果の妥当性を確認することができる。

【0060】

ところで、緩衝層５０の圧力には、鋼殻１２や裏込め硬化体１２ａ等に影響を与え得る圧力閾値を設定しておく。

【0061】

圧力計２７により計測される緩衝層５０の圧力が圧力閾値を超えそうになった段階（例えば、圧力閾値の８０％乃至９０％程度まで上昇している段階）で、配管２６を介して緩衝層５０から凍土膨張圧吸収体を掘進機１０の内部に回収することにより、破損の原因となり得る大きさの凍土膨張圧が鋼殻１２やテールブラシ１５等に作用することを防止できる。

【0062】

ここで、圧力計２７による計測に加えて、図７に示すように、掘進機１０の内部から凍土６０の内部に対して探針棒２５を突き刺し、探針棒２５の長さに関する計測結果に基づいて凍土が鋼殻１２からどの離間位置まで造成されているかを随時確認する。

【0063】

仮に高圧の緩衝層５０が凍結している場合や、凍土が過度に形成されていることが、探針棒２５や圧力計２７により確認された場合は、掘進機１０の内部からウォータージェット等により緩衝層５０や凍土の一部を切削し、圧力解放を行う。また、ウォータージェット等による切削の他にも、凍結運転の調整（間引き運転等）により、凍土に熱を加えてもよい。圧力を解放した後、凍結領域ＦＡに対して新たに凍土膨張圧吸収体５０を充填する。

【0064】

一方、圧力計２７により計測される緩衝層５０の圧力が圧力閾値を超えないと判断できる場合は、緩衝層５０から凍土膨張圧吸収体を回収することは不要となる。

【0065】

以上のようにして、凍土６０を形成する過程で生じる凍土膨張圧のうち、破損の原因となり得る大きさの凍土膨張圧が鋼殻１２やテールブラシ１５等に作用することを防止しながら、凍土６０を形成する（以上、Ｂ工程）。

【0066】

図７及び図９に示すように、緩衝層５０のうち、その端部側の領域においては、凍土６０が十分に形成されない場合が往々にして生じ得る。そこで、図１１に示すように、鋼殻１２の内側面に取り付けられている貼付け凍結管１６を稼働し、形成される凍土６０の前後領域の地盤を凍結させ、追加凍土６５Ａ，６５Ｂを形成するとともに、緩衝層５０も凍結させて、凍結された凍土膨張圧吸収体５０Ａを形成することにより、テール交換範囲ｔ１を含むその前後の領域（掘進方向前後領域）においても、止水構造を形成する（Ｃ工程）。

【0067】

ここで、Ｃ工程に代わり、掘進機１０の内部に凍土膨張圧吸収体５０を回収し、緩衝層用空間４０に対して、水、もしくは氷点が水に近い物質であるベントナイトや裏込め注入材等を掘進機１０の内部から充填し、貼付け凍結管１６により水等を凍結させてもよい（Ｄ工程）。

【0068】

Ｃ工程もしくはＤ工程に続いて、掘進機１０の内部から緩衝層５０やその外側の凍土６０の一部領域に亘り、不図示の作業空間を形成し、作業空間を利用してテール交換作業を実施する（Ｅ工程）。

【0069】

薬液止水層３０Ａ，３０Ｂと、形成されている凍土６０と，凍結された緩衝層５０Ａとにより、高い止水性が確保され、高い施工安全性の下でテール交換等の地中内作業を行うことができる。

【0070】

テール交換作業が終了した後、鋼殻１２の外周に形成されている空洞（緩衝層用空間４０等）に対して、掘進機１０の周囲の地盤Ｇの地盤強度と同等以上の強度を有する裏込め材（図示せず）を充填（埋め戻す）することにより、掘進機１０や裏込め硬化体１２ａの周囲において、例えば地震時に掘進機１０等に影響を与え得る低強度エリアが残存することを防止する（Ｆ工程）。

【0071】

以上で説明する図示例の凍土形成方法によれば、地中構造物である掘進機１０の外周のうち、構成部材の地中交換や地中換装を行うエリアを中心に緩衝層用空間４０を形成し、緩衝層用空間４０に凍土膨張圧吸収体５０を充填して緩衝層を形成し、緩衝層５０にて凍土６０の形成過程で生じる凍土膨張圧を吸収し、必要に応じて凍土膨張圧吸収体５０を掘進機１０の内部に回収することにより、掘進機１０等に破損等の影響を与え得る凍土膨張圧が作用することを抑制もしくは抑止しながら、以後の構成部材の地中交換や地中換装を高い安全性の下で行うことが可能になる。

【0072】

［凍土膨張圧吸収体の氷点測定試験］
次に、凍土膨張圧吸収体の氷点測定試験とその結果について説明する。本試験は、試料の氷点測定を、試料凍結時に生じる潜熱放出に伴う温度停滞域を観測することにより行った。

【0073】

凍土膨張圧吸収体は、１０００Ｌの水，１１ｋｇの塩化カルシウム、１０ｋｇのセルロース系水溶性高分子剤、１Ｌの変質防止剤を含むＡ液と、４５Ｌの水、５Ｌの高分子架橋剤を含むＢ液とが混合された材料とし、Ａ液：Ｂ液の体積比が９５０：５０の試料を実施例１とし、Ａ液：Ｂ液の体積比が９２０：８０の試料を実施例２として、各試料の氷点測定と性状観察を行った。図１２に、氷点測定試験の結果を示す。

【0074】

図１２に示すように、実施例１の氷点は－１．４℃であり、実施例２の氷点は－１．６℃であり、いずれも水よりも低い氷点を有していることが実証されている。

【0075】

また、実施例１，２ともに、性状はゲル状を呈し、凍土膨張圧が作用した際に適度に変形して、凍土膨張圧を効果的に吸収できる性状であることが観察されている。

【0076】

尚、上記実施形態に挙げた構成等に対し、その他の構成要素が組み合わされるなどした他の実施形態であってもよく、ここで示した構成に本発明が何等限定されるものではない。この点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

【符号の説明】

【0077】

１０：掘進機（地中構造物）
１１：カッタヘッド
１１ａ：側面
１２：スキンプレート（鋼殻）
１２ａ：裏込め硬化体
１２ｂ：セグメント
１３：シールドジャッキ
１４：スクリューコンベア
１５：テールブラシ
１６：貼付け凍結管
１７：バルクヘッド
１８：エレクタ装置
２１：薬液注入管
２２：凍結管
２３：測温計
２４：ひずみゲージ
２５：探針棒
２６：配管
２７：圧力計
３０Ａ，３０Ｂ：止水層（薬液止水層）
４０：緩衝層用空間
５０：凍土膨張圧吸収体（緩衝層）
５０Ａ：凍結された凍土膨張圧吸収体
６０：凍土
６５Ａ，６５Ｂ：追加凍土
Ｇ：地盤（地中）
ＦＡ：凍結領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】