JP3826331B2 - ニューマチックケーソン及びその沈設方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はニューマチックケーソン及びその沈設方法に係り、特に液化天然ガスを貯蔵する地下式タンクを築造する際に、地中側壁部を効率よく構築するようにしたニューマチックケーソン及びその沈設方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液化天然ガス（以下、ＬＮＧと記す。）を貯蔵するタンクとして大規模な地下式タンクが多く建設されている。これらのＬＮＧ地下式タンクを築造するためには対象となる地盤に大深度掘削を行う必要がある。通常、大深度掘削を行うには、剛性の高い大規模な山留め工を構築する必要がある。このため、ＬＮＧ地下式タンクの築造には、地中連続壁工法やケーソン工法が適用されることが多い。
図５は、地下水位が高い位置にある地盤にＬＮＧ地下式タンクの躯体を、ケーソン工法で構築している状態を示した断面図である。同図にはニューマチックケーソン工法によって沈設されたケーソン本体５０が示されている。このケーソン本体５０は、円筒形状の側壁躯体５１と、側壁躯体５１の下端に形成され地山に接地した刃口５２と、側壁躯体５１の下端開口を閉塞するとともに、作業室５３天井スラブとして機能する底版躯体５４とから構成されている。
【０００３】
図５に示したニューマチックケーソン工法では、底版躯体５４下の閉空間に設けられた作業室５３は圧気状態が保持されている。これにより、地盤面から作業室５３内への地下水の侵入が防止され、作業室５３内での掘削作業はドライな状態で行える。また、この圧気下の作業室５３内には掘削機械として天井走行式掘削装置６１と函内ブルドーザ６２とが配備されている。これらの掘削機械は地上からの遠隔操作によって操縦でき、所定範囲の掘削が自在に行えるようになっている。掘削された土砂は、ベッセル５８に積み込まれ、底版躯体５４の一部に立設され作業室５３と連通するマテリアルシャフト５５を介して地上に設置された排土用キャリアタワー５６により搬土装置（図示せず）まで排出される。なお、マテリアルシャフト５５の一部には公知のマテリアルロック５７が設けられている。このため、搬出土砂を積載したベッセル５８を作業室５３から引き上げる場合にも、作業室５３の気密は確実に保持される。
ケーソン本体５０の沈設作業は、ケーソン本体５０の刃口５２下の地盤を全周にわたってバランス良く掘削することで、ケーソン本体５０全体に均等な沈下が生じるように制御しながら行われる。そして、この沈設作業と並行して側壁躯体５１の上部にリング状のコンクリート側壁（図示せず）が順次構築され、このコンクリート側壁がケーソン本体５０として順次地中内に沈設されていき、所定深さの側壁躯体５１が地中に完成する。
【０００４】
上述したニューマチックケーソン工法では、地下水を確実に制御しながら躯体を沈設することができるが、沈設時には底版躯体が作業室の天井スラブとして使用される。このため、底版躯体の版厚は、本設時の版厚より厚くしなければならない。また、スラブとしての強度を得るため十分な補強筋を配筋しなければならない。そして作業室の気密性を保持するために、側壁躯体の下端と底版躯体の周縁とを一体的に接合させなくてはならない等、種々の構造上の問題がある。
【０００５】
そこで、図６（ａ）に示したように円筒形状の側壁躯体部分を２重壁構造で構成し、外周壁７１と内周壁７２との間を、放射状に配置した隔壁７６で連結して複数室の隔室７７を設けたケーソン７０を沈設させ、ケーソン沈設完了後にケーソンで区画された地盤領域８０を支持地盤位置まで掘削して図示しない底版躯体を施工するようにしたニューマチックケーソン工法も提案されている（特開平３−２８４２１号公報参照）。このニューマチックケーソン工法では、ケーソン底部の圧気作業空間を２重壁下端の刃口部分７５に限ったので、圧気規模を大幅に減少でき、コスト的に有利になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、２重壁構造のケーソン７０は躯体重量が小さいため、ケーソン沈設の際に地盤の沈下抵抗が大きいと、沈設重量が不足してしまい、適正な沈設作業が行えない。また、図６（ｂ）に示したような躯体構造となっているため、作用土圧に対して外周壁７１はリング効果により圧縮部材として作用するが、内周壁７２には引張力が作用することになるので、十分な鉄筋量の配筋を行う必要がある。さらに放射状に配設された隔壁７６が壁体との連結部７８で支点となるため、隔壁７６の連結位置に支点モーメントや面外せん断力が発生する。このため、連結部７８のせん断補強を十分に行う必要もあり、補強のための配筋が大がかりになる。また、地盤の影響により沈下が均等に進行しない場合には隔壁との連結部等に過大な局部応力が発生し、壁体が損傷するおそれもある。
【０００７】
また、このような２重壁構造の問題を解消するために、壁厚が一定な一重円筒形壁の底部の内外周面の下端に刃口を設けた例もある（特開平８−４３５１号公報参照）。しかし、この一重円筒形壁は壁体厚が薄く、壁体底部に作業機械が稼働するために必要な広さの掘削作業室を確保できない。このため、大型ケーソンでは迅速な沈設作業が望めない。また、底版と側壁との剛性の差が大きく、一体化した際の構造物としての安定性に欠けるという問題もある。
さらに、刃口位置での掘削作業は、狭い作業室内で、広い底面積を効率よく掘削する作業と刃口部分を慎重に掘削する作業とを並行して進行させなければならない。このため、各掘削機械の配置及び稼働の調整が必要となってくる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、沈設作業の効率化を図れ、また、底版躯体との連結を確実に行え、さらに躯体完成後において、維持用管路設備等を組み込めるようにしたニューマチックケーソン及びその沈設方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は軟弱地盤上に構築された構造物を支持する鉛直支持杭と、前記構造物の外縁に沿った地盤内に、その先端が前記軟弱地盤下の中間層まで到達し、前記構造物の外縁辺に沿った格子壁状領域をなすように所定の傾角で打設された斜杭とを備え、水平方向荷重作用時に生じる水平力を、前記格子壁状領域を構成する各斜杭で負担して、前記鉛直支持杭の応力増加を抑えるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のニューマチックケーソンの一実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１には、図３に示したＬＮＧ地下式タンクのケーソン本体１０の半径方向の断面および地上設備の一部が示されている。図２には、図３に示したＬＮＧ地下式タンクのケーソン本体１０の円周方向の壁体断面および地上設備の一部が示されている。
なお、本実施の形態では、築造されるＬＮＧ地下式タンクは、図１及び図３に示したように外径Ｄ＝８０ｍ、側壁厚Ｂ＝２．５ｍ（上端）〜５．２ｍ（下端）、深さ６５ｍの容量２０万キロリットル程度の規模のものを想定している。
【００１３】
図１に示したように、ケーソン本体１０の側壁躯体１１の下端位置には底版厚Ｔにほぼ等しい高さ分だけ壁体内周面１１ａが円筒形ケーソンの中心としての円中心に向けて拡幅された壁体拡幅部１９が形成されている。そしてこの壁体拡幅部１９の内周下端と側壁躯体１１の外周下端に２重刃口１２、１３が形成されている。このように側壁躯体１１の下端を壁体拡幅部１９を設けて拡幅して２重刃口とすることにより、刃口全体の支持面積を増加させ、接地圧を小さくしてケーソン本体１０の不同沈下を防止することができる。刃口１２、１３間の側壁躯体１１下端の閉空間は作業室１４として使用されるため、確保すべき作業室１４の規模に合わせて壁体拡幅部１９の拡幅量Δを設定すればよい。また、壁体拡幅部１９が側壁躯体１１より内方にΔだけ突出した形状となっているため、ケーソン本体１０を沈設する際に、上部の壁体内周面と地盤との摩擦が切れるので、内周面の沈設抵抗を低減するフリクションカッターとしての役割を果たすことができる。なお、側壁厚Ｂ及び後に施工される底版厚Ｔは本設時の設計荷重によって設定されている。また、壁体拡幅部１９のコンクリート内には底版との連結のための補強筋が配筋されるとともに、内周面近傍には機械継手２５が埋設されており、後工程で構築される底版３６の鉄筋３７との連結を確実かつ迅速に行えるようになっている。これにより、底版３６と側壁との隅角部に発生する大きな応力に確実に抵抗することができる。図中では機械継手２５の位置を模式的に示しているが、配筋計画に従って所定位置に配置されることはいうまでもない。
【００１４】
一方、側壁躯体１１下端の閉空間に形成された作業室１４内には図示しない地上の圧源から圧縮空気が送気されている。さらに、図１左半図の側壁躯体１１にはマテリアルシャフト１５が示されている。このマテリアルシャフト１５は、下端が作業室１４の天井位置に連通している。本実施の形態では、マテリアルシャフト１５の直径は１ｍに設定されている。また、マテリアルシャフト１５の下端にはマテリアルロック１６が設置されている。ベッセル１７は、マテリアルロック１６及びマテリアルシャフト１５を介して地上まで引き上げられるようになっている。
【００１５】
また、作業室１４の天井には走行レール２０が取り付けられている。この走行レール２０には天井走行式掘削装置２１が走行可能に懸架されている。この天井走行式掘削装置２１は、図示しない地上の操作室からの遠隔操作によって操縦できる。なお、天井走行式掘削装置２１による掘削動作を確実にコントロールするために、天井の各所、各掘削装置に複数台の監視カメラ（図示せず）が配備されている。この監視カメラによって得られた撮像情報は、前記操作室に設置されたモニタに各所の映像として選択可能に映し出される。これにより、操作室内のオペレーターは各映像を切り替えて無人の作業室１４内の状況を把握することができる。また、この撮像情報を入力データとして所定の演算を行い、作業室１４内の作業空間と一致する仮想現実空間を構成することもできる。この仮想現実空間においてオペレーターが天井走行式掘削装置のブーム、バケットの操作を行うようにしてもよい。
【００１６】
マテリアルシャフト１５の突出した地上にはトラス構造の排土用キャリアタワー３０が構築されている。この排土用キャリアタワー３０の水平ブーム３１上には横行ウインチ３２が搭載されている。この横行ウインチ３２を走行させることでマテリアルシャフト１５上端から吊り上げたベッセル１７を、搬土ベルトコンベア３３まで移動できる。ベッセル１７内の掘削土砂は、搬土ベルトコンベア３３に移し替えられ、さらに図３に示したように、搬土ベルトコンベア３３によって土砂ホッパー３４まで移送され、土砂ホッパー３４内に投下されるようになっている。
【００１７】
なお、図１、図２には側壁躯体１１の地上部には上段のロットの躯体コンクリートのために組み立てられた多数の鉄筋３５が示されている。
【００１８】
図２は、側壁躯体１１を壁体に沿った円周方向の断面（図３参照）で示した断面図である。
同図に示したように、隣接したマテリアルシャフト１５に挟まれた作業室１４内の所定位置に、作業室１４を区画する隔壁１８が形成されている。この隔壁１８の下端１８ａは作業室１４を地盤面から仕切るように地盤に食い込んでいる。このため、隔壁１８で区画された隣合った作業室１４は異なった圧気状態にすることができる。各作業室１４内には天井走行式掘削装置２１が配備されており、それぞれ各作業室１４の刃口１２、１３部分を掘削できるようになっている。また、作業室１４内には土砂積込みコンベア２２が配備されている。この土砂積込みコンベア２２は、遠隔操作によって運転することができ、掘削土砂は土砂積込みコンベア２２を利用してベッセル１７に積み込まれる。
なお、側壁躯体１１の小規模の場合には、躯体全体の沈下量の管理が容易であるため、隔壁１８によって各作業室１４を区画せず、作業室１４全体を側壁躯体１１と同形状の環状とすることも可能である。
【００１９】
図３は、ケーソン本体１０と各種の地上設備とを上方から見た概略設備配置図である。同図に示したように、本実施の形態では、１２本のマテリアルシャフト１５が側壁躯体１１内に設けられている。このマテリアルシャフト１５は、躯体コンクリートの鉄筋にマテリアルシャフト１５となる鋼管を固定して構築したものであるが、ボイド管等によりコンクリートの所定位置を箱抜きしてもよい。
また、排土用キャリアタワー３０も各マテリアルシャフト１５に対応した基数分（１２基）が構築されているが、複数本のマテリアルシャフト１５が旋回半径内に入るブームを備えた排土用キャリアタワー３０を構築し、旋回半径内にある各マテリアルシャフト１５から搬出された掘削土砂を１台の排土用キャリアタワー３０で処理するようにしてもよい。また、本実施の形態の平面レイアウトでは土砂ホッパー３４を１箇所にのみ設けて土砂を処理しているが、ベルトコンベア３３の搬土能力、経路を考慮して各種公知の代替手段により土砂を処理してもよい。
【００２０】
図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明のニューマチックケーソン及びその沈設方法により円筒形状地下式タンクの躯体部分を築造する過程を示した施工状態説明図である。
まず、同図（ａ）に示したように、図１に示した円筒形をなす側壁躯体１１を所定の沈設工程により刃口１２、１３が支持層２に到達するまで沈下させる。このとき、説明図では側壁躯体１１の下端の壁体拡幅部１９より上部の各ロットのコンクリート壁厚は一定になっているが、壁厚は本設時のその深度における作用荷重との関係で設定でき、深度に応じて低減させる経済設計を行ってもよい。なお、本実施の形態のケーソン本体１０の側壁は、本設時の作用荷重に余裕をもって抵抗する十分な壁厚のコンクリートからなるが、これを「厚壁コンクリート」と呼ぶものとする。
そして、ケーソン本体１０が所定の深度まで沈下したら、側壁躯体１１で囲まれた地盤３の盤下げ掘削を行う（図４（ｂ）参照）。この場合、ケーソン本体１０は底部の刃口１２、１３が支持層２に到達しているので、側壁躯体１１で囲まれた地盤３はドライな状態にある。このため、掘削作業は通常の掘削用重機５を配備して行うことができ、作業効率もきわめてよい。
【００２１】
さらに、最終掘削盤４までの盤下げ作業が完了したら、同図（ｃ）に示したように、底版コンクリート３６を打設する。このとき支持層２上に支持された状態で側壁下端の壁体拡幅部１９の内周面を連結部の基準として底版コンクリート３６を施工できる。配筋作業では壁体拡幅部１９の内周面の近傍のコンクリート内に機械継手２５があらかじめ埋設されているため、その機械継手２５を利用することにより、底版の配筋を正確かつ効率よく行える。また、配筋設計では、本設時に作用する荷重のみを考慮すればよく、配筋量も底版を沈設時の天井スラブとして使用する従来の場合に比べて少なくて済む。
なお、機械継手２５としては公知のネジ鉄筋用カップラー等を使用することができるが、底版の多段配筋を正確に行うための鉄筋ラック（図示せず）を壁体拡幅部１９内に埋設しておいてもよい。鉄筋ラックは形鋼を組み立てたもの等が好適である。
また、底版の周縁は上述のように壁体拡幅部１９の厚さに一致するように連結する以外に、壁体拡幅部１９の上半部分と通常の壁厚の側壁躯体部分とに掛かるように連結したり、壁体拡幅部１９の上端肩部分に底版の周縁を載置するようにして側壁躯体に連結してもよい。
【００２２】
本実施の形態では、必要に応じて側壁躯体１１下端の作業室１４空間に内巻きコンクリート４１を施工し、監査廊４０、集水ピット（図示せず）を構築している。また、沈設時にマテリアルシャフト１５として利用した立坑４２の一部に揚水管４３を配管することも可能である。この揚水管４３により前記集水ピットに集められた湧水を地上まで汲み上げ、排水することもできる。
なお、同図（ｃ）には図の簡単化のために、ＬＮＧ地下式タンクの屋根部分、内張メンブレン等の設備、構造材の図示を省略しているが、従来と同様の構成を適用できる。また、以上の説明はＬＮＧ地下式タンクを例示してニューマチックケーソンの適用を説明したが、建物基礎として適用されるケーソン基礎において、このニューマチックケーソンを使用できることは明かである。さらに、ケーソンの平面形状は円形に限られず、小判形、矩形でもよい。円形の場合は円中心に向けて壁体を拡幅すればよいが、小判形、矩形の場合にはケーソンの平面形状の中心方向に向けて拡幅させればよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ケーソンの沈設作業を効率化できるとともに、躯体コンクリートを軽減でき、完成後は維持管理用の施設を構築することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のニューマチックケーソンによって側壁躯体の沈設を行っている施工状態を説明した断面図。
【図２】本発明のニューマチックケーソンによって側壁躯体の沈設を行っている施工状態を説明した断面図。
【図３】本発明のニューマチックケーソンに使用する地上設備を示した設備配置図。
【図４】本発明のニューマチックケーソンの沈設方法によって地下式タンクの施工を行っている施工状態を説明した施工順序図。
【図５】従来のニューマチックケーソンによってケーソン本体の沈設を行っている施工状態を説明した断面図。
【図６】従来の２重壁構造からなるニューマチックケーソンの構成を示した正面断面、平断面図。
【符号の説明】
１０ ケーソン本体
１１ 側壁躯体
１２，１３ 刃口
１４ 作業室
１５ マテリアルシャフト
１９ 壁体拡幅部
２０ 走行レール
２１ 天井走行式掘削装置
３０ 排土用キャリアタワー
３３ 搬土ベルトコンベア

Claims (2)

1. 厚壁コンクリートからなる側壁躯体の下端近傍の内周面を突出するように拡幅しその下端位置と、外周面の下端位置とに刃口を形成して２重刃口とし、該２重刃口に挟まれた前記側壁躯体の下部と、下端が掘削地盤面に食い込むように設けられた複数枚の隔壁とで区画形成され、各室内が個々の圧力状態に圧気可能とされた複数の作業室と、該複数の作業室のそれぞれに、掘削機械と、その下端が前記作業室に連通し前記側壁躯体内を貫通してその上端が地上に突出したマテリアルシャフトとを備えたことを特徴とするニューマチックケーソン。
2. 厚壁コンクリートからなる側壁躯体の下端近傍の内周面が突出するように拡幅してその下端と、外周面の下端とで形成された２重刃口に挟まれた前記側壁躯体の下部と、下端が掘削地盤面に食い込むように設けられた複数枚の隔壁で区画形成された複数の作業室で刃口掘削を行って、下端が前記複数の作業室のそれぞれに連通し、上端が地上に突出したマテリアルシャフトを介して、前記各作業室内からの掘削土砂を個々に地上に排出して前記側壁躯体を所定深度まで沈設させ、その後前記側壁躯体で囲まれた内部地盤を掘削し、前記側壁躯体の内周面に、周縁が連結するように底版を構築するようにしたことを特徴とするニューマチックケーソンの沈設方法。

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