(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーソン躯体内に設置したケーシングを通じて刃口の下方に存在する地盤にボーリング孔を形成し、当該ボーリング孔を介して当該刃口の下方に存在する地盤中に気体を注入して不飽和領域を形成し、
前記ケーソン躯体の沈設に伴い、前記ケーソン躯体の周辺地盤に不飽和領域を形成することにより、ケーソン作業室内への地下水流入量を低減させる、
ことを特徴とするニューマチックケーソン工法。
【請求項２】
ケーソン躯体内に設置した滑材注入管を介して、前記ケーソン躯体の周辺地盤中に気体を注入して不飽和領域を形成し、
前記ケーソン躯体の沈設に伴い、前記ケーソン躯体の周辺地盤に不飽和領域を形成することにより、ケーソン作業室内への地下水流入量を低減させる、
ことを特徴とするニューマチックケーソン工法。
【請求項３】
難透水性層を挟んで上下に透水性層が存在する地盤では、
予め前記難透水性層の下部に存在する前記透水性層へ気体を注入して、前記難透水性層の下部に存在する透水性層の周辺地盤に不飽和領域を形成すること、
を特徴とする請求項１または２に記載のニューマチックケーソン工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニューマチックケーソン工法に関するものであり、特に、掘削方向に透水性が異なる地盤が存在する場合に、ケーソン作業室内へ効率的に送気を行うことが可能なニューマチックケーソン工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ニューマチックケーソン工法は、筺体の下部にケーソン作業室を設け、このケーソン作業室内に地下水圧に相当する圧縮空気を送り込んで、ケーソン作業室内への地下水の流入を抑制し、ケーソン作業室内で掘削を行いながら、筺体を地盤中に沈下させて、地下構造物を構築する工法である。ニューマチックケーソン工法により構築する地下構造物は、橋梁や構造物の基礎、地下調整池、シールドトンネルの立坑、地下鉄やトンネルの本体構造物等である。
【０００３】
具体的には、筒状筐体の下部に設けたケーソン作業室の下端部に、下方へ向かって鋭角状となった刃を設けておき、筒状筐体の自重および載荷によって筒状筐体を地中に沈設する。その後、筒状筐体を増設して、筒状筐体を所望の大きさにしていきながら、筒状筐体を沈設する際の載荷として利用する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−８７５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、ニューマチックケーソン工法では、ケーソン作業室内への地下水流入量が適正量となるように送気圧力を設定して、ケーソン作業室内に圧送する空気圧を管理することが必要となる。しかし、適正な地下水流入量に対する送気圧力は、施工場所の土質や透水係数等により一律に決定することができないのが現状である。
【０００６】
すなわち、ケーソン作業室内への地下水流入量は、掘削対象地盤の透水係数に応じて変化する。図６に示すように、透水係数が大きければ通気係数が小さくなり、透水係数が小さくなれば通気係数が大きくなる。また、透水係数は飽和度に依存している。したがって、掘削対象地盤の飽和度を適正に管理することにより、作業効率を向上させることができる。
【０００７】
ところで、ニューマチックケーソン工法により大深度（例えば、深度７０ｍ程度）の立坑を掘削するには、対応可能な水圧に対して設備面及び安全面での余裕がない場合が多い。また、大深度の立坑では、ケーソン作業室内の圧力を高める必要があり、ケーソン作業室内の圧力が高くなるほど、ケーソン作業室内における作業員の作業時間が短くなるとともに、減圧時間が長くなるため、作業効率が悪い。
【０００８】
さらに、地盤が透水性層と難透水性層とを有している場合には、難透水性の地盤から透水性の地盤へと掘削が進行した際に、ケーソン作業室内への地下水流入量が急激に増加するため、ケーソン作業室内の圧力を高めなければならない。しかし、ケーソン作業室内の圧力を高めるには時間がかかるため、掘削作業の効率が低下する。
【０００９】
本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、掘削対象地盤の飽和度を適正に管理することにより、作業効率を高めることが可能なニューマチックケーソン工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】
【００１０】
本発明に係るニューマチックケーソン工法は、上述した目的を達成するために提案されたもので、以下の特徴を有している。すなわち、本発明に係るニューマチックケーソン工法は、掘削対象地盤を不飽和化することにより透水性が低くなるという知見に基づいて、ケーソン躯体（筐体）の刃口下方の地盤へ向かって気体を注入して不飽和領域を形成し、ケーソン躯体（筐体）の沈設に伴い、ケーソン躯体（筐体）の周辺地盤に不飽和領域を形成することにより、ケーソン作業室内への地下水流入量を低減させることを特徴とするものである。なお、ケーソン作業室内には、周辺地盤から地下水が流入するため、ケーソン作業室内の圧力を高めているが、本発明に係るニューマチックケーソン工法では、不飽和領域を形成することにより、ケーソン作業室内の圧力を必要以上に高めることなく、ケーソン作業室内へ流入する地下水量を減らして、僅かな地下水の流入を許容し、あるいは地下水の流入をほぼ阻止している。
【００１１】
不飽和領域を形成する工程では、ケーソン躯体（筐体）内に設置したケーシングを通じて刃口の下方に存在する地盤にボーリング孔を形成し、当該ボーリング孔を介して当該刃口の下方に存在する地盤中に気体を注入する。また、不飽和領域を形成する工程では、ケーソン躯体（筐体）内に設置した滑材注入管を介して、ケーソン躯体（筐体）の周辺地盤中に気体を注入してもよい。
【００１２】
また、難透水性層を挟んで上下に透水性層が存在する地盤では、予め難透水性層の下部に存在する透水性層へ気体を注入して、難透水性層の下部に存在する透水性層の周辺地盤に不飽和領域を形成することが好ましい。この場合、上述した「ケーソン躯体（筐体）内に設置したケーシングを通じて刃口の下方に存在する地盤にボーリング孔を形成し、当該ボーリング孔を介して当該刃口の下方に存在する地盤中に気体を注入する」方法を採用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るニューマチックケーソン工法によれば、ケーソン躯体（筐体）の沈設に伴い、ケーソン躯体（筐体）の周辺地盤に不飽和領域を形成することにより、掘削対象地盤の飽和度を適正に管理して、作業効率を高めることが可能となる。
【００１４】
また、難透水性層を挟んで上下に透水性層が存在する地盤において、予め難透水性層の下部に存在する透水性層へ気体を注入して、難透水性層の下部に存在する透水性層の周辺地盤に不飽和領域を形成することにより、難透水性層から透水性層へ掘削が進行した際に、ケーソン作業室内への地下水流入量の急激な増加を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るニューマチックケーソン工法の原理説明図。
【図２】本発明の実施形態に係るニューマチックケーソン工法の説明図（難透水性層）。
【図３】本発明の実施形態に係るニューマチックケーソン工法における不飽和領域形成の説明図（１）。
【図４】本発明の実施形態に係るニューマチックケーソン工法における不飽和領域形成の説明図（２）。
【図５】本発明の実施形態に係るニューマチックケーソン工法における不飽和領域形成の説明図（３）。
【図６】飽和度と透水係数及び透気係数との関係を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るニューマチックケーソン工法を説明する。図１〜図５は本発明の実施形態に係るニューマチックケーソン工法の説明図である。また、図６は飽和度と透水係数及び透気係数との関係を示す説明図である。
【００１７】
＜ニューマチックケーソン工法の概要＞
本発明の実施形態に係るニューマチックケーソン工法は、図１〜図５に示すように、ケーソン躯体（筐体）１０の沈設に際して、掘削対象地盤中に気体を注入することにより当該地盤を不飽和化し、ケーソン作業室２０内への地下水流入量を低減させるものである。
【００１８】
＜飽和度と透水係数の関係＞
先に説明したように、透水係数が大きければ通気係数が小さくなり、透水係数が小さくなれば通気係数が大きくなり、透水係数は飽和度に依存している（図６参照）。したがって、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、掘削対象地盤を不飽和化することにより透水性が低くなり、自然水頭よりも刃口水頭を下げてケーソン作業室２０内の気圧を低下させることが可能である。すなわち、図１（ｂ）に示すように、ケーソン躯体１０の刃口３０を包み込むように不飽和領域（低透水性ゾーン）が形成されると、ケーソン作業室２０内へ地下水が浸入し難くなり、ケーソン作業室２０内の作業気圧を下げることが可能となる。
【００１９】
＜ニューマチックケーソン工法の具体的構成＞
本発明に係るニューマチックケーソン工法では図２〜図５に示すように、ケーソン躯体１０の刃口３０の下方に存在する地盤へ向かって気体を注入して不飽和領域を形成する。そして、ケーソン躯体１０の沈設に伴い、ケーソン躯体１０の周辺地盤に不飽和領域を形成することにより、ケーソン作業室２０内への地下水流入量を低減させるようになっている。
【００２０】
掘削対象地盤に対して不飽和領域を積極的に生成して維持する方法として、例えば、掘削深度が浅い段階では、水圧が小さく地盤が緩いことから、ケーソン作業室２０内への圧気により掘削対象地盤を不飽和化させ易い。そして、一旦、不飽和領域が形成されると、透水圧が低下するため、ケーソン作業室２０内への多少の地下水流入を許容しても、刃口３０近傍の間隙水圧は周辺地盤（ケーソン躯体１０の外側の地盤）よりも小さくなり、作業気圧を調整することにより、掘削対象地盤を不飽和化させ易くなる。このように、ケーソン躯体１０の沈設に伴い、連続的に刃口３０の下方へ向かって不飽和領域を形成して維持することにより、ケーソン作業室２０内の作業気圧を小さくして、掘削を行うことができる。
【００２１】
＜難透水性層が存在する地盤＞
掘削対象地盤に難透水性層が存在する場合には、当該難透水性層は透気性が小さいため、不飽和化し難い。そして、難透水性層から透水性層へと掘削が進んだ際に、不飽和化していない透水性層の地下水がケーソン作業室２０内に大量に流入することが考えられる。そこで、本発明に係るニューマチックケーソン工法では、図２に示すように、難透水性層を挟んで上下に透水性層が存在する地盤では、予め難透水性層の下部に存在する透水性層へ気体を注入して、難透水性層の下部に存在する透水性層の周辺地盤に不飽和領域を形成するようになっている。これにより、ケーソン作業室２０内への急激な湧水増加を防止して、ケーソン作業室２０内の作業気圧を必要以上に上昇させることなく、掘削を継続することが可能となる。
【００２２】
なお、難透水性層の存在は、掘削工程において判明することもあるが、予め調査ボーリング等を行い、難透水性層の存在を確認しておき、掘削が進行してケーソン躯体１０の刃口３０が難透水性層に到達した際に、当該難透水性層の下方に存在する透水性層を不飽和化することが好ましい。
【００２３】
本発明に係るニューマチックケーソン工法において、不飽和領域を形成する工程には種々の態様がある。以下、不飽和領域の形成方法について説明する。なお、不飽和領域の形成では、以下に示す形成方法の一つのみを使用してもよいが、掘削対象地盤の性状や施工状況等に応じて、二つ以上の形成方法を組み合わせて使用してもよい。
【００２４】
＜不飽和領域の形成方法（１）＞
第１の不飽和領域の形成方法は、図３に示すように、ケーソン躯体１０内に設置したケーシング４０を通じて刃口３０の下方に存在する地盤にボーリング孔を形成し、当該ボーリング孔を介して当該刃口３０の下方に存在する地盤中に気体を注入する方法である。第１の不飽和領域の形成方法は、特に、掘削対象地盤に難透水性層が存在する場合に好適に用いることができる。すなわち、掘削が進行し、ケーソン躯体１０の刃口３０が透水性層から難透水性層に達したら、難透水性層を貫通して、その下方に存在する透水性層までボーリング孔を形成し、当該ボーリング孔を介して透水性層に気体を注入することにより、難透水性層の下方に存在する透水性層を、予め不飽和化させることができる。
【００２５】
なお、掘削工程においてケーシング４０に土砂等が侵入してケーシング４０が閉塞すると、適切なボーリングを実施できないことも考えられる。そこで、ケーシング４０内に水圧を付与しながら掘削を行い、あるいは、ケーシング４０の先端部に逆止弁等を設けておくことが好ましい。
【００２６】
＜不飽和領域の形成方法（２）＞
第２の不飽和領域の形成方法は、図４に示すように、ケーソン躯体１０の下部解放面から、ケーソン躯体１０の周辺地盤中に気体を注入する方法である。第２の不飽和領域の形成方法では、ケーソン躯体１０の下部解放面から地盤中に気体を注入すると、刃口３０の下方に不飽和領域が形成される。そして、気体の注入を継続しながら掘削を行うことにより、ケーソン躯体１０の周辺地盤中に不飽和領域を形成することができる。
【００２７】
＜不飽和領域の形成方法（３）＞
第３の不飽和領域の形成方法は、図５に示すように、ケーソン躯体１０内に設置した滑材注入管５０を介して、ケーソン躯体１０の周辺地盤中に気体を注入する方法である。第３の不飽和領域の形成方法では、滑材注入管５０からケーソン躯体１０の地盤中に気体を注入すると、ケーソン躯体１０の周辺や刃口３０の下方に不飽和領域が形成される。そして、気体の注入を継続しながら掘削を行うことにより、ケーソン躯体１０の周辺地盤中に不飽和領域を形成することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１０  ケーソン躯体
２０  ケーソン作業室
３０  刃口
４０  ケーシング
５０  滑材注入管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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