特許 7655838 変状抑制構造の構築方法及び凍土融解方法

(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】2025-03-25

(45)【発行日】2025-04-02

(54)【発明の名称】変状抑制構造の構築方法及び凍土融解方法

(51)【国際特許分類】

   E02D 3/115 20060101AFI20250326BHJP

【ＦＩ】

E02D3/115

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021184561

(22)【出願日】2021-11-12

(65)【公開番号】P2023072182

(43)【公開日】2023-05-24

【審査請求日】2024-04-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100122781

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 寛

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 敏幸

(72)【発明者】

【氏名】江崎 太一

(72)【発明者】

【氏名】柴田 慶一郎

(72)【発明者】

【氏名】吉田 輝

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 一成

【審査官】小倉 宏之

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５９－０４１５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１２０３０９３８（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開平０８－３３８０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１８１６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－１３２３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１９９５５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０２Ｄ ３／１１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

凍結工法により地盤中の凍結管の周囲に形成された凍土の融解時における周辺地盤の変状を抑制する変状抑制構造の構築方法であって、
前記凍結管への冷媒の流通が継続中であり前記凍土が凍結している状態で、前記凍土内を通過するボーリング孔を形成するボーリング工程と、
前記凍結管への冷媒の流通が継続中であり前記凍土が凍結している状態で、前記ボーリング孔を所定の充填材料で充填し前記充填材料からなる地中構造体を形成する地中構造体形成工程と、を備える、変状抑制構造の構築方法。

【請求項2】

前記凍土は、複数の平行に延びる前記凍結管の周囲に形成され前記凍結管の配列方向に延びる鉛直な凍土壁をなしており、
前記ボーリング工程では、
前記凍土壁内において前記凍結管の延在方向に延び前記凍結管の配列方向に並ぶ複数の前記ボーリング孔、及び／又は、前記凍土壁内において前記凍結管の配列方向に延び前記凍結管の延在方向に並ぶ複数の前記ボーリング孔が形成される、請求項１に記載の変状抑制構造の構築方法。

【請求項3】

地中構造体形成工程では、
セメント系材料が前記充填材料として前記ボーリング孔に導入され硬化して前記地中構造体を形成する、請求項１又は２に記載の変状抑制構造の構築方法。

【請求項4】

地中構造体形成工程では、
吸水膨潤性の土質系材料が前記充填材料として前記ボーリング孔に導入され前記地中構造体を形成する、請求項１又は２に記載の変状抑制構造の構築方法。

【請求項5】

複数の前記凍結管が平行に延在しており、
前記地中構造体は、前記凍結管に平行に延在する棒状の部分及び／又は前記凍結管に直交する方向に延在する棒状の部分を有する、請求項１～４の何れか１項に記載の変状抑制構造の構築方法。

【請求項6】

前記凍土には低透水層の一部が凍結した部分が含まれており、
前記ボーリング工程では前記低透水層内を通過する前記ボーリング孔が形成される、請求項１～５の何れか１項に記載の変状抑制構造の構築方法。

【請求項7】

凍結工法により地盤中の凍結管の周囲に形成された凍土を融解させる融解方法であって、
請求項１～６の何れか１項に記載の変状抑制構造の構築方法によって前記地中構造体を形成した後、前記凍土の冷却を停止して前記凍土を融解させる、凍土融解方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、変状抑制構造の構築方法及び凍土融解方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、工事に関わる地盤を一時的に改良する方法として、下記の特許文献１に開示されているような凍結工法が知られている。凍結工法は、冷媒を流通させる凍結管を地盤中に埋設し、地下水を含む地盤を凍結させて凍土を造成するものである。凍土として固まった地盤は強度と止水性とを備えており、工事中の地盤掘削に伴う地盤の崩壊や地下水の流入を抑えることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平07-268856号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

凍結工法において凍結する地盤は、地下水の凍結膨張によって数パーセント体積膨張する。工事完了後等に凍土を融解させる際には逆に地盤の体積が収縮するところ、凍結前の地盤の状態に完全に戻るとは限らない。その結果。融解時に周辺地盤に変状（例えば、地盤沈下）が生じる虞がある。周辺地盤の変状を抑えるための手法として、薬液注入などによって地盤改良を行うことも考えられるが、凍結した地盤中に薬液注入を行うことは難しい。また、融解後の地盤中に薬液注入等を行う場合であってもその実施のタイミングは難しく、もはや融解時に発生する地盤の変状を抑えられない場合もある。このような課題に鑑み、本発明は、凍土の融解時における周辺地盤の変状を抑制する変状抑制構造の構築方法及び凍土融解方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の変状抑制構造の構築方法は、凍結工法により地盤中の凍結管の周囲に形成された凍土の融解時における周辺地盤の変状を抑制する変状抑制構造の構築方法であって、凍土が凍結している状態で、凍結管の近傍を通過するボーリング孔を形成するボーリング工程と、凍土が凍結している状態で、ボーリング孔を所定の充填材料で充填し充填材料からなる地中構造体を形成する地中構造体形成工程と、を備える。

【0006】

地中構造体形成工程では、セメント系材料が充填材料としてボーリング孔に導入され硬化して地中構造体を形成する、こととしてもよい。また、地中構造体形成工程では、吸水膨潤性の土質系材料が充填材料としてボーリング孔に導入され地中構造体を形成する、こととしてもよい。

【0007】

本発明の変状抑制構造の構築方法では、複数の凍結管が平行に延在しており、地中構造体は、凍結管に平行に延在する棒状の部分及び／又は凍結管に直交する方向に延在する棒状の部分を有する、こととしてもよい。また、凍土には低透水層の一部が凍結した部分が含まれており、ボーリング工程では低透水層内を通過するボーリング孔が形成される、こととしてもよい。また、ボーリング工程では凍土内を通過するボーリング孔が形成される、こととしてもよい。

【0008】

本発明の凍土融解方法は、凍結工法により地盤中の凍結管の周囲に形成された凍土を融解させる融解方法であって、上記の何れかの変状抑制構造の構築方法によって地中構造体を形成した後、凍土の冷却を停止して凍土を融解させる。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、凍土の融解時における周辺地盤の変状を抑制する変状抑制構造の構築方法及び凍土融解方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】（ａ）は、変状抑制構造の構築方法及び凍土融解方法が適用される地盤中の状態を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）はその要部の水平断面図である。

【図2】（ａ）は第１及び第４実施形態における地盤を模式的に示す鉛直断面図であり、（ｂ）はその要部の水平断面図である。

【図3】（ａ）は第２及び第５実施形態における地盤を模式的に示す鉛直断面図であり、（ｂ）はその要部の水平断面図である。

【図4】（ａ）は第３及び第６実施形態における地盤を模式的に示す鉛直断面図であり、（ｂ）はその要部の水平断面図である。

【図5】（ａ），（ｂ）は、挿入具を用いてボーリング孔内にベントナイトペレットを充填する方法を順次示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら本発明に係る変状抑制構造の構築方法及び凍土融解方法の実施形態について詳細に説明する。図１（ａ）は、この変状抑制構造の構築方法及び凍土融解方法が適用される地盤１中の状態を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）はその要部の水平断面図である。なお、図１（ａ）では、図の煩雑化を避けるために地盤１を除去した状態が図示されている。本実施形態における凍結工法では、地中に凍土の鉛直壁（後述の凍土壁１１）が形成される。

【0012】

地盤１中には、水平な地表面から鉛直下方に向けて棒状に延びる複数の凍結管５が埋設されている。複数の凍結管５は、平面視でおよそ一直線上に等間隔で配列されている。例えば、凍結管５の配列ピッチは約４ｍであり、凍結管５の長さは約３０ｍである。地上において各凍結管５の上端には冷媒を流通させる冷媒管７が接続されており、冷媒管７を通じて各凍結管５内に冷媒が導入及び排出される。各凍結管５に極低温の冷媒が流通することで、各凍結管５の周囲の地盤が冷却される。冷媒としては、例えば不凍液や液体窒素等が用いられる。

【0013】

各凍結管５の周囲の地盤が冷却され凍結することで、各凍結管５を中心とする円柱状の凍土９が形成される。例えば、凍結管５の配列ピッチが前述の通り約４ｍであり、各凍結管５は半径約２．５ｍの範囲の地盤を凍結させる能力があるものとすれば、隣接する円柱状の凍土９同士が凍結管５の配列方向に互いに繋がることにより、地中には凍結管５の配列方向に延びる凍土壁１１が形成される。形成された凍土壁１１は、強度と止水性とを備えており、周辺の工事の地盤掘削に伴う地盤崩壊や地下水の流入を防止することができる。その後、例えば工事完了後に凍土壁１１が不要になったときには、凍結管５への冷媒の流通が停止され、凍土壁１１の冷却が停止されることで、凍土壁１１は融解される。

【0014】

ここで、凍土壁１１が形成される際には、凍結する地盤は、地下水の凍結膨張によって数パーセント体積膨張する。逆に、凍土壁１１を融解させる際には地盤の体積は収縮するところ、凍結前の状態に完全に戻るとは限らない。その結果、融解時に周辺地盤に変状（例えば地盤沈下等）が生じる虞がある。そこで、本実施形態における凍土融解方法では、凍土壁１１の冷却の停止に先立って、周辺地盤の変状を抑制するための変状抑制構造が地中に構築される。以下、このような変状抑制構造の構築方法の第１～第６実施形態についてそれぞれ説明する。第１～第６実施形態における変状抑制構造の構築方法は、それぞれ説明する、ボーリング工程と、地中構造体形成工程と、を備えている。ボーリング工程及び地中構造体形成工程は、凍結管５への冷媒の流通が継続中で凍土壁１１が凍結している状態で実行される。

【0015】

〔第１実施形態〕
変状抑制構造の構築方法の第１実施形態について説明する。図２（ａ）は本実施形態における地盤１を模式的に示す鉛直断面図であり、図２（ｂ）はその要部の水平断面図である。
（ボーリング工程）
本実施形態のボーリング工程では、凍土壁１１内を通過するように地上から複数の鉛直のボーリング孔１３が形成される。具体例として、図２に示されるように、各凍結管５同士の中間の位置が凍結管５に平行に地上からボーリングされ、複数の鉛直のボーリング孔１３が形成される。なお、図２の例では凍結管５と同じピッチでボーリング孔１３が形成されているが、このボーリング孔１３は適宜間引かれてもよい。ボーリング孔１３は凍土壁１１の下端よりもやや下方の深さまで到達し、ボーリング孔１３の直径は例えば約２０ｃｍである。このボーリング工程では、公知の鉛直ボーリング工法が用いられ、凍土壁１１に含まれる凍結した地盤が穿孔され、ボーリング孔１３は凍土壁１１内を通過する。

【0016】

（地中構造体形成工程）
本実施形態の地中構造体形成工程では、ボーリング孔１３内にセメント系材料が注入され、ボーリング孔１３はセメント系材料で充填される。上記セメント系材料としては、例えば、コンクリート、モルタル、セメントペースト、セメントミルク等を用いることができる。また、上記セメント系材料には、添加剤が適宜含まれてもよい。その後、注入したセメント系材料が硬化すると、セメント系材料からなる複数のセメント系地中構造体１５が形成される。セメント系地中構造体１５は凍土壁１１内で鉛直に棒状に存在する。このようにして、凍土壁１１内には複数のセメント系地中構造体１５で構成される変状抑制構造１７が構築される。なお、上述のように変状抑制構造１７が複数のセメント系地中構造体１５で構成されることは必須ではなく、変状抑制構造１７が１つのセメント系地中構造体１５で構成されてもよい。

【0017】

上記変状抑制構造１７が構築された後、凍結管５への冷媒の流通が停止され、凍土壁１１の冷却が停止されることで、凍土壁１１は融解する。このとき、凍土壁１１の融解によって凍結管５の周辺地盤は体積が縮小し強度も低下するところ、変状抑制構造１７の剛性によって周辺地盤が支持され地盤の変状（例えば地盤沈下等）が抑制される。また、セメント系地中構造体１５の表面はボーリング孔１３の内壁面の粗さに倣って粗くなっているので、この表面の粗さによってセメント系地中構造体１５と周囲地盤との付着力が期待でき、地盤の変状が効率的に抑制される。

【0018】

凍土壁１１の融解による周辺地盤の変状を抑制するためには、凍土壁１１を囲む広い範囲の地盤に対して変状抑制の対策を施すことも考えられるが、これは、労力、コスト、及び廃棄物発生量等の観点から現実的ではない。これに対し、本実施形態の変状抑制構造の構築方法は、凍土壁１１の一部分をセメント系地中構造体１５に置換するといった現実的な対策であり、変状抑制対策のための労力、コスト及び廃棄物発生量を抑えることができる。

【0019】

〔第２実施形態〕
変状抑制構造の構築方法の第２実施形態について説明する。図３（ａ）は本実施形態における地盤１を模式的に示す鉛直断面図であり、図３（ｂ）はその要部の水平断面図である。
（ボーリング工程）
本実施形態のボーリング工程では、各凍結管５の近傍の位置で凍土壁１１内を通過するように水平なボーリング孔２３が複数形成される。ボーリング孔２３は、凍土壁１１の水平幅一杯に達する長さで凍結管５の配列方向に延び、複数のボーリング孔２３が上下方向に複数並ぶように形成される。ボーリング孔２３の直径は例えば約２０ｃｍである。このようなボーリング孔２３は、例えば、公知の曲がりボーリング工法を用いて形成される。

【0020】

（地中構造体形成工程）
本実施形態の地中構造体形成工程では、ボーリング孔２３内に第１実施形態と同様にセメント系材料が注入され、ボーリング孔２３はセメント系材料で充填される。その後、注入したセメント系材料が硬化すると、セメント系材料からなる複数のセメント系地中構造体２５が形成される。セメント系地中構造体２５は凍土壁１１内で水平に棒状に存在する。このようにして、凍土壁１１内には複数のセメント系地中構造体２５で構成される変状抑制構造２７が構築される。なお、上述のように変状抑制構造２７が複数のセメント系地中構造体２５で構成されることは必須ではなく、変状抑制構造２７が１つのセメント系地中構造体２５で構成されてもよい。

【0021】

このような変状抑制構造２７によっても、第１実施形態と同様の効果が得られ、凍土壁１１の融解時における地盤の変状が抑制される。なお、第１実施形態の変状抑制構造１７と本実施形態の変状抑制構造２７とが両方とも構築されてもよい。この場合には、セメント系材料からなる柱梁構造物が地盤１中に存在することになり、地盤の変状が更に抑制される。

【0022】

〔第３実施形態〕
変状抑制構造の構築方法の第３実施形態について説明する。図４（ａ）は本実施形態における地盤１を模式的に示す鉛直断面図であり、図４（ｂ）はその要部の水平断面図である。図４（ａ）に示されるように、本実施形態では、地盤１中には水平な低透水層２（例えば粘性土の層）が存在している。各凍結管５は例えば低透水層２に達する深さまで延びており、凍結管５による地盤１の凍結範囲内に低透水層２の一部が存在している。各凍結管５が低透水層２を上下に貫通して低透水層２よりも深い位置まで延びていてもよい。凍土壁１１は低透水層２を一部含んでおり、すなわち、凍土壁１１と低透水層２とが重複する領域では、低透水層２が凍結した状態となっている。このように、凍土壁１１のうち低透水層２が凍結してなる部分を「低透水凍結部１２」と呼ぶ。ここで低透水層２とは透水係数が小さい層を言う。専門書（例えば、土質工学ハンドブック）によれば、地盤の透水係数が1.0×10^-5～1.0×10^-7cm/sec以下であれば、透水性が非常に低い層または工学的に不透水層とされる。これに従って、本実施形態における低透水層２は、地盤の透水係数が1.0×10^-5～1.0×10^-7cm/sec以下の層である、と定義されてもよい。

【0023】

（ボーリング工程）
本実施形態のボーリング工程では、各凍結管５の近傍の位置で凍土壁１１の低透水凍結部１２内を通過するように、水平なボーリング孔３３が複数形成される。ボーリング孔３３の形成方法は、第２実施形態のボーリング孔２３と同様である。

【0024】

（地中構造体形成工程）
本実施形態の地中構造体形成工程では、ボーリング孔３３内に第２実施形態と同様にセメント系材料が注入され充填され硬化されて、セメント系材料からなる複数のセメント系地中構造体３５が形成される。セメント系地中構造体３５は凍土壁１１の低透水凍結部１２内で水平に棒状に存在する。このようにして、凍土壁１１の低透水凍結部１２内には複数のセメント系地中構造体３５で構成される変状抑制構造３７が構築される。なお、上述のように変状抑制構造３７が複数のセメント系地中構造体３５で構成されることは必須ではなく、変状抑制構造３７が１つのセメント系地中構造体３５で構成されてもよい。

【0025】

このような変状抑制構造３７によっても、第１実施形態と同様の効果が得られ、凍土壁１１の融解時における地盤の変状が抑制される。

【0026】

またここで、一般的に低透水層は保持している水分を排出し難い性質がある。従って低透水層が凍結／融解するときには、保持された水分が層内から排出されずに膨張／収縮し、その結果低透水層自体が大きく膨張／収縮する。この知見に基づけば、凍土壁１１の中でも低透水凍結部１２は特に、融解時における収縮が大きく、地盤の変状の要因になりやすい。従って、本実施形態では、変状抑制構造３７を低透水凍結部１２内に構築することにより、凍土壁１１の融解時における地盤の変状が効率的に抑制される。また、本実施形態では、低透水層２内を上下方向に横切らずに水平にボーリング孔３３が形成されるので、ボーリング孔３３が水みちとなって低透水層２の低透水機能が劣化するといったことを避けることができる。

【0027】

〔第４実施形態〕
変状抑制構造の構築方法の第４実施形態について説明する。本実施形態の構築方法は、セメント系材料に代えて、吸水膨潤性の土質系材料（例えば、ベントナイト）がボーリング孔１３に充填される点において第１実施形態の構築方法と異なっている。本実施形態で構築される変状抑制構造４７の外観は第１実施形態における変状抑制構造１７（図２）と同様であるので、主に図２を参照しながら本実施形態の構築方法について説明する。

【0028】

（ボーリング工程）
本実施形態のボーリング工程は、第１実施形態のボーリング工程と同様に実行され、図２（ａ），図２（ｂ）に示されるように、凍土壁１１内に、複数のボーリング孔１３が形成される。

【0029】

（地中構造体形成工程）
本実施形態の地中構造体形成工程では、ボーリング孔１３内に吸水膨潤性の土質系材料が導入され充填される。吸水膨潤性の土質系材料は、水を吸収することで膨潤し体積が増加する性質をもつものである。本実施形態では、締め固められたベントナイトが上記の吸水膨潤性の土質系材料として採用される。ここでは、例えば粒径約５ｍｍのベントナイトペレット４１がボーリング孔１３内に連続的に挿入されボーリング孔１３内に充填される。ボーリング孔１３内へのベントナイトペレット４１の挿入・設置は、図５に示される挿入具８１を用いて実行される。

【0030】

図５（ａ）に示されるように、挿入具８１は、ボーリング孔１３よりもやや小径な円筒状をなす収納部８３を備えている。収納部８３は、ベントナイトペレット４１を収納可能で且つボーリング孔１３内に挿入可能である。収納部８３の先端には蓋８３ａが取付けられる。更に、挿入具８１はパイプ材８５を備え、収納部８３はパイプ材８５の先端に設けられている。地上からボーリング孔１３内にパイプ材８５を押し入れることで、収納部８３がボーリング孔１３内を奥に向かって移動する。パイプ材８５の中空部には、収納部８３からベントナイトペレット４１を押出すための押出しロッド８７が挿入されている。押出しロッド８７はパイプ材８５の中空部内で軸方向に往復動可能である。地上からの操作によって押出しロッド８７がパイプ材８５内に押し入れられると、押出しロッド８７の先端に設けられた押出し板８９が収納部８３内に突き出すようになっている。

【0031】

上記のような挿入具８１の収納部８３にベントナイトペレット４１が収納され蓋８３ａが取付けられる。そして、収納部８３が地上からボーリング孔１３内に挿入され押し進められて、図５（ａ）に示されるように、先に充填済みのベントナイトペレット４１’の直前まで収納部８３が到達する。この状態から、地上の操作によって、押出しロッド８７を押さえつけたままパイプ材８５が引き戻されると、図５（ｂ）に示されるように、蓋８３ａが収納部８３から脱落し、ベントナイトペレット４１がベントナイトペレット４１’上に残置された状態となる。その後、地上の操作により、パイプ材８５及び押出しロッド８７が引き戻されて挿入具８１が回収される。なお、図５の例の場合には蓋８３ａはベントナイトペレット４１と一緒にボーリング孔１３内に残置されるが、蓋８３ａが収納部８３に伴って回収されるような構造にしてもよい。この場合、例えば、蓋８３ａが収納部８３に対してヒンジを介して開閉可能に接続されてもよい。

【0032】

上記の挿入具８１を用いてベントナイトペレット４１の挿入・設置が繰り返されることで、ボーリング孔１３内がベントナイトペレット４１により充填される。その結果、図２に示されるように、ベントナイトペレット４１の粒の集合体からなる複数のベントナイト系地中構造体４５が形成される。ベントナイト系地中構造体４５は凍土壁１１内で鉛直に棒状に存在する。このようにして、凍土壁１１内には複数のベントナイト系地中構造体４５で構成される変状抑制構造４７が構築される。なお、上述のように変状抑制構造４７が複数のベントナイト系地中構造体４５で構成されることは必須ではなく、変状抑制構造４７が１つのベントナイト系地中構造体４５で構成されてもよい。

【0033】

上記変状抑制構造４７が構築された後、凍結管５への冷媒の流通が停止され、凍土壁１１の冷却が停止されることで、凍土壁１１は融解する。そして、凍土壁１１に含まれる地下水が液体に戻り、ボーリング孔１３内のベントナイトペレット４１が地下水に接触して膨潤する。このとき、このとき、凍土壁１１の融解によって凍結管５の周辺地盤は体積が縮小し強度も低下するところ、変状抑制構造４７の剛性によって周辺地盤が支持され地盤の変状（例えば地盤沈下等）が抑制される。また、凍土壁１１の融解によって凍結管５の周辺地盤の体積が縮小するところ、ベントナイト系地中構造体４５が膨張することにより周辺地盤の体積縮小分のうちの少なくとも一部が補われるので、地盤の変状が更に抑制される。

【0034】

〔第５実施形態〕
変状抑制構造の構築方法の第５実施形態について説明する。本実施形態の構築方法は、セメント系材料に代えて、吸水膨潤性の土質系材料（例えば、ベントナイト）がボーリング孔２３に充填される点において第２実施形態の構築方法と異なっている。本実施形態で構築される変状抑制構造５７の外観は第２実施形態における変状抑制構造２７（図３）と同様であるので、主に図３を参照しながら本実施形態の構築方法について説明する。

【0035】

（ボーリング工程）
本実施形態のボーリング工程は、第２実施形態のボーリング工程と同様に実行され、図３（ａ），図３（ｂ）に示されるように、凍土壁１１内に、複数のボーリング孔２３が形成される。

【0036】

（地中構造体形成工程）
本実施形態の地中構造体形成工程では、第４実施形態と同様に挿入具８１（図５）が用いられて、ボーリング孔２３内がベントナイトペレット４１により充填される。これにより、図３に示されるように、ベントナイトペレット４１の粒の集合体からなる複数のベントナイト系地中構造体５５が形成される。ベントナイト系地中構造体５５は凍土壁１１内で水平に棒状に存在する。このようにして、凍土壁１１内には複数のベントナイト系地中構造体５５で構成される変状抑制構造５７が構築される。なお、上述のように変状抑制構造５７が複数のベントナイト系地中構造体５５で構成されることは必須ではなく、変状抑制構造５７が１つのベントナイト系地中構造体５５で構成されてもよい。

【0037】

このような変状抑制構造５７によっても、第４実施形態と同様の効果が得られ、凍土壁１１の融解時における地盤の変状が抑制される。なお、第４実施形態の変状抑制構造４７と本実施形態の変状抑制構造５７とが両方とも構築されてもよい。この場合には、ベントナイト系材料からなる柱梁構造物が地盤１中に存在することになり、地盤の変状が更に抑制される。

【0038】

〔第６実施形態〕
変状抑制構造の構築方法の第６実施形態について説明する。本実施形態の構築方法は、セメント系材料に代えて、吸水膨潤性の土質系材料（例えば、ベントナイト）がボーリング孔３３に充填される点において第２実施形態の構築方法と異なっている。本実施形態で構築される変状抑制構造６７の外観は第３実施形態における変状抑制構造３７（図４）と同様であるので、主に図４を参照しながら本実施形態の構築方法について説明する。

【0039】

（ボーリング工程）
本実施形態のボーリング工程は、第３実施形態のボーリング工程と同様に実行され、図４（ａ），図４（ｂ）に示されるように、凍土壁１１の低透水凍結部１２内に、複数のボーリング孔３３が形成される。

【0040】

（地中構造体形成工程）
本実施形態の地中構造体形成工程では、第４実施形態と同様に挿入具８１（図５）が用いられて、ボーリング孔３３内がベントナイトペレット４１により充填される。これにより、図４に示されるように、ベントナイトペレット４１の粒の集合体からなる複数のベントナイト系地中構造体６５が形成される。ベントナイト系地中構造体６５は凍土壁１１の低透水凍結部１２内で水平に棒状に存在する。このようにして、凍土壁１１の低透水凍結部１２内には複数のベントナイト系地中構造体６５で構成される変状抑制構造６７が構築される。なお、上述のように変状抑制構造６７が複数のベントナイト系地中構造体６５で構成されることは必須ではなく、変状抑制構造６７が１つのベントナイト系地中構造体６５で構成されてもよい。

【0041】

このような変状抑制構造６７によっても、第４実施形態と同様の効果が得られ、凍土壁１１の融解時における地盤の変状が抑制される。また、第３実施形態と同様に、変状抑制構造６７を低透水凍結部１２内に構築することにより、凍土壁１１の融解時における地盤の変状が効率的に抑制される。また、本実施形態では、低透水層２内を上下方向に横切らずに水平にボーリング孔３３が形成されるので、ボーリング孔３３が水みちとなって低透水層２の低透水機能が劣化するといったことを避けることができる。また、低透水層２に形成されたボーリング孔３３は、低透水性をもつベントナイト系地中構造体６５で埋められるので、低透水層２の低透水機能の劣化は更に抑制される。

【0042】

ここで、第１～第３実施形態と第４～第６実施形態と比較すると、第１～３実施形態では凍土壁１１の融解完了後にはセメント系地中構造体１５，２５，３５が地盤１中に残留する。これに対し、第４～第６実施形態では、凍土壁１１の融解完了後に地盤１中に残留するのは、土質系材料であり元の地盤１により近いベントナイト系地中構造体４５，５５，６５である。従って、第４～第６実施形態は、第１～第３実施形態に比較して地盤１の環境に与える負荷を小さく抑えることができる。

【0043】

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、下記の変形例を構成することも可能である。各実施形態等の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

【0044】

例えば、第１実施形態における変状抑制構造１７（図２）、第２実施形態における変状抑制構造２７（図３）、及び第３実施形態における変状抑制構造３７（図４）は、それぞれ単独で構築されてもよいが、３つのうち何れか２つの変状抑制構造が合わせて構築されてもよいし、３つすべての変状抑制構造が合わせて構築されてもよい。同様に、第４実施形態における変状抑制構造４７（図２）、第５実施形態における変状抑制構造５７（図３）、及び第６実施形態における変状抑制構造６７（図４）は、それぞれ単独で構築されてもよいが、３つのうち何れか２つの変状抑制構造が合わせて構築されてもよいし、３つすべての変状抑制構造が合わせて構築されてもよい。更には、変状抑制構造１７，２７，３７，４７，５７，６７のうち、何れか２つ以上の変状抑制構造が合わせて構築されてもよい。

【0045】

また、第４～第６実施形態において、ボーリング孔１３，２３，３３に挿入されるベントナイトとして、ベントナイトペレット４１が採用されているが、これに代えて締固められたベントナイト塊が採用されてもよい。例えば、このベントナイト塊は、ボーリング孔１３，２３，３３の径（例えば直径２０ｃｍ）よりもやや小径で、長さ５０ｃｍ程度の円柱状をなすものである。このようなベントナイト塊が、ボーリング孔１３，２３，３３内で円柱軸方向に連続して並ぶように充填されてもよい。また、ベントナイト塊が円柱軸方向に並び易いように、ベントナイト塊の円柱下面及び円柱上面に、互いに係合する係合部が形成されてもよい。例えば上記係合部として、円柱下面に同軸で円錐形状の部位が突出するように形成され、円柱上面には上記の円錐形状の部位が嵌り込む円錐穴が形成されてもよい。

【0046】

上記のようなベントナイト塊が前述の挿入具８１（図５）を用いてボーリング孔１３，２３，３３内に挿入されてもよい。この場合、ベントナイト塊は、収納部８３の内径よりもやや小径であり収納部８３に収納される。また、円柱状のベントナイト塊とベントナイトペレット４１とが混合して用いられてもよい。この場合、挿入具８１の収納部８３内にベントナイト塊とベントナイトペレット４１とが一緒に収納されてもよい。

【0047】

また、挿入具８１を用いることは必須ではない。例えば、上記のような円柱状のベントナイト塊が用いられる場合、ベントナイト塊がボーリング孔１３，２３，３３内に地上から順々に挿入されるようにしてボーリング孔１３，２３，３３内に充填されてもよい。また、ベントナイトペレット４１が用いられる場合、ボーリング孔１３，２３，３３内にベントナイトペレット４１の粒体が流し込まれるようにして充填されてもよい。また、地中構造体をなす吸水膨潤性の土質系材料としては、ベントナイトに代えて、ベントナイト混合土等が採用されてもよい。

【0048】

第１～第６実施形態においては、ボーリング工程の後、ボーリング孔１３，２３，３３内に光ファイバセンサを設置し、変状抑制構造に埋込まれる光ファイバセンサで地盤のひずみを計測するなどして、凍土壁１１の融解時における周辺地盤の挙動をモニタリングするようにしてもよい。

【0049】

第１～第６実施形態においては、ボーリング孔１３，２３，３３は凍土壁１１内を通過しているが、この構成は必須ではない。ボーリング孔１３，２３，３３は、凍結管５の近傍における凍土壁１１外の領域を通過するようにしてもよい。凍土壁１１に比較的近い領域であれば、凍土壁１１外の領域に変状抑制構造１７，２７，３７，４７，５７，６７が構築された場合であっても、凍土壁１１の融解による地盤の変状を抑制することができる。

【0050】

なおこの場合、凍結管５の周辺地盤において、例えば、地盤の温度が０℃未満である領域を凍土壁１１内とし、地盤の温度が０℃以上の領域を凍土壁１１外と判断することができる。この種の凍結工法においては、凍結管５の周辺地盤中に、地盤の温度をモニタするための温度センサが各箇所に埋設されるので、これらの温度センサで計測される温度に基づいて上記のような凍土壁１１内の領域と凍土壁１１外の領域とが区別されてもよい。

【0051】

ボーリング孔１３，２３，３３が凍土壁１１外を通過する場合において、地盤の変状を抑制する効果を十分に得るためには、変状抑制構造１７，２７，３７，４７，５７，６７が構築される位置が凍土壁１１に近いことが好ましい。この観点から、ボーリング孔１３，２３，３３が凍土壁１１外を通過する場合においては、ボーリング孔１３，２３，３３は、地盤の温度が＋３℃未満である位置を通過することが好ましく、地盤の温度が＋１℃未満である位置を通過することが更に好ましい。

【0052】

また、ボーリング孔１３，２３，３３は、凍土壁１１内（すなわち、地盤の温度が０℃未満である位置）を通過することが好ましく、その中でも地盤の温度が－２℃未満である位置を通過することが更に好ましい。

【0053】

上記のようにボーリング孔１３，２３，３３が凍土壁１１外を通過する場合には、形成後のボーリング孔１３，２３，３３内に地下水が液体で存在する可能性がある。この場合、第４～第６実施形態における地中構造体形成工程では、挿入具８１（図５）の収納部８３の蓋８３ａが開いた直後に収納部８３のベントナイトペレット４１が地下水に接触する場合がある。そうすると、ベントナイトペレット４１が収納部８３から完全に排出される前に膨潤し、収納部８３の出口が閉塞することで、ボーリング孔１３，２３，３３内に円滑にベントナイトペレット４１が充填されなくなる虞がある。このような収納部８３の出口閉塞を抑制するために、第４～第６実施形態においては、以下に説明するような方法が用いられてもよい。

【0054】

挿入具８１の収納部８３の出口閉塞を抑制するための方法として、地中構造体形成工程では、収納部８３内にベントナイトペレット４１を収納した後、ボーリング孔１３，２３，３３内への挿入に先立ち、収納部８３内に予めエタノールが注液される。この方法によれば、ボーリング孔１３，２３，３３内の地下水中で収納部８３の蓋８３ａが開いた場合に、収納部８３内のエタノールが地下水に十分に置換される間だけベントナイトペレット４１の膨潤が遅延する。そうすると、ベントナイトペレット４１は膨潤する前に収納部８３外に円滑に排出されボーリング孔１３内に円滑に充填される可能性が高くなる。なお、エタノールは水に混合し易い性質をもつので周囲の地下水によって十分に希釈され、エタノールがボーリング孔１３，２３，３３内に留まることによる周囲への悪影響もほとんどない。

【0055】

挿入具８１の収納部８３の出口閉塞を抑制するための他の方法として、ベントナイトペレット４１の粒表面に予め氷膜が形成される。そして、地中構造体形成工程では、氷膜に覆われたベントナイトペレット４１が収納部８３内に収納され、挿入具８１によってボーリング孔１３，２３，３３内に充填される。この方法によれば、ボーリング孔１３，２３，３３内の地下水中で収納部８３の蓋８３ａが開いた場合に、氷膜が解ける時間だけベントナイトペレット４１の膨潤が遅延する。そうすると、ベントナイトペレット４１は膨潤する前に収納部８３外に円滑に排出されボーリング孔１３，２３，３３内に円滑に充填される可能性が高くなる。なお、ベントナイトペレット４１の粒表面に氷膜を形成するために、例えば、ベントナイトペレット４１を液体窒素に浸漬し冷却した後、水に浸漬することで、ベントナイトペレット４１の粒表面に付着した水を粒表面上で凍結させる、といった方法が用いられてもよい。

【0056】

挿入具８１の収納部８３の出口閉塞を抑制するための更に他の方法として、ベントナイトの層間陽イオンと同一のアルカリ金属イオンの塩をベントナイトに混合して、ベントナイトペレット４１を成型する。具体的な一例として、ナトリウム型ベントナイトに、塩化ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび炭酸水素ナトリウムの少なくとも一つを混合してベントナイトペレット４１を成型する。他の例として、カルシウム型ベントナイトに塩化カルシウムを混合してベントナイトペレット４１を成型する。そして、地中構造体形成工程では、このベントナイトペレット４１が収納部８３内に収納され、挿入具８１によってボーリング孔１３，２３，３３内に円滑に充填される。

【0057】

通常であれば、ベントナイトに水が接触すると、層間陽イオンに水分子が水和し、単位層間の距離が増加していくことによって膨潤が生じる。これに対して上記のベントナイトペレット４１では、ベントナイトの層間陽イオンと同一のアルカリ金属イオンが存在するため、層間陽イオンに水分子が水和するのが抑制される結果、地下水に接触したベントナイトペレット４１の膨潤が遅延する。そうすると、ベントナイトペレット４１は膨潤する前に収納部８３外に円滑に排出されボーリング孔１３，２３，３３内に円滑に充填される可能性が高くなる。

【符号の説明】

【0058】

１…地盤、２…低透水層、５…凍結管、９…凍土、１１…凍土壁、１２…低透水凍結部、１３，２３，３３…ボーリング孔、１５，２５，３５…セメント系地中構造体、４５，５５，６５…ベントナイト系地中構造体、１７，２７，３７，４７，５７，６７…変状抑制構造。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】