JP4458460B2 - 鋼管矢板の孔形成方法及びその孔形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、土木又は建築構造物の地下部分を施工する鋼管を用いた土留め壁技術に関し、電食技術により、鋼管の内部から薄肉劣化させ、掘削機（シールド機）で直接切削を行うことのできる鋼管矢板の孔形成方法及びその孔形成装置に関する。

従来、補強コンクリート構造物の解体方法は、削岩機や解体用重機等の機械的破壊方法が用いられ、特殊なケースでは爆薬による破壊が行われている。
しかし、地中に構築された土留め壁などのように、土圧・水圧に晒されており、解体により地山崩壊の危険がある補強コンクリート構造物の解体方法では種々の問題があった。この顕著な事例はシールド工法である。

シールド工法では、地下深い個所で立坑から発進、到達を行う。 深い立坑の土留壁には、大きな土圧、水圧が作用することから、その構造は一般的に鉄筋コンクリート連壁あるいはＨ形鋼を連結してソイルセメントで固化した泥水固化壁等による強固なものとなっている。
従来、これらの立坑からのシールド機の発進、到達は、土留壁背面の地盤に地盤改良のための薬液を注入したり凍結管を複数地盤内に挿入し、凍土または凍土壁等を形成して自立させる防護工を施工して地山崩壊を抑えてから行い、土留壁を人力あるいは解体用重機で取り壊すことが行われてきた。

しかし、この方法では地盤の改良にかなりの工期と費用がかかる問題があった。また、地盤や深度によっては、これらの地盤改良による所定の強度や、止水性の確保が難しい場合もあった。また、これらの背面地盤の改良のためには、地山の露出、開放を伴うことから、安全性面からの問題もあった。

シールド機のディスクカッターで立坑の土留壁を直接切削、開口して発進到達ができれば、経済的であり、また、安全でもある。しかし、立坑の土留壁には杭芯材として鉄筋や鋼材が埋設されており、シールド機のカッターで切削することはできなかった。これらの問題を解決するため、鉄筋や鋼材に代わる杭芯材として高強度の炭素繊維強化プラスティックを用い、石灰砕石を粗骨材とするシールド機で切削可能な土留壁が知られている。しかし、杭芯材である高強度の炭素繊維強化プラスティックが高価であるため経済性に問題があった。

前記問題を解決するため、破壊予定個所を有する補強コンクリート構造物の構築が施工しやすく、高価な部材を用いることなく経済性に優れ、短期間で容易に且つ確実に破壊可能にし、また、シールド工法において、シールド機のディスクカッターで切削可能な立坑又はシールド機の掘削進路を遮る土留め壁を提供し、シールド工法の発進・到達の際の立坑における防護工の不要化と、安全性の確保と工期の短縮を目的とする電食によって杭芯材を溶解して補強コンクリートの仮壁部を脆性化する技術も知られている。（特許文献１）。

特開２００１−２８００６９号公報

本発明の第１の目的は、地下開削構築物の造築に際し、施工される鋼管矢板の継手部材を電食することで脆弱化し、工事の安全性を確保しつつ工期の短縮を可能にすることである。
第２の目的は、鋼管矢板の継手部材の電食時間を短くすることである。
第３の目的は、鋼管矢板の継手部材が掘削機により能率良く回収できるようにすることである。

請求項１の発明は、鋼管及び鋼管外側面に設けた雄及び雌の継手部材を各々中空部材とし、前記雌の継手部材は鋼管の外周面により前記中空部材の中空部を閉じるように取り付けられた一組の中空部材からなり、前記鋼管内に電解質を介在させた状態で電極部材を挿入し、鋼管及び継手部材と電極部材との間に電圧を印加して、鋼管及び継手部材の内壁をアノード溶解して脆弱化した後、鋼管矢板を破壊することを特徴とする鋼管矢板の孔形成方法である。

請求項１に係る発明によれば、鋼管矢板の破壊予定部に設けられる鋼管及び継手部材がアノード溶解により電解質に溶解し脆弱化するため、構造物全体の強度を保ちつつ破壊予定部を容易且つ確実に孔を形成しやすくすることができる。

請求項２の発明は、鋼管及び鋼管外側面に設けた継手部材からなる鋼管矢板の外側に遮水材を構築し、鋼管及び雄及び雌の継手部材を各々中空部材とし、前記雌の継手部材は鋼管の外周面により前記中空部材の中空部を閉じるように取り付けられた一組の中空部材からなり、鋼管内に電解質を介在させた状態で電極部材を挿入し、鋼管及び継手部材と電極部材との間に電圧を印加して、鋼管及び継手部材の内壁をアノード溶解して脆弱化した後、鋼管矢板を破壊することを特徴とする鋼管矢板の孔形成方法である。

請求項２に係る発明によれば、電解質が周辺地盤へ逸水することなく、管理面の負荷がかからない、鋼管矢板が形成される。

請求項３の発明は、各々中空部材から形成された鋼管及び鋼管外側面に設けた雌雄の継手部材と、鋼管内に挿入された電極部材と、前記鋼管内に充填された電解質と、鋼管及び雌雄の継手部材と電極部材との間に電圧を印加する電源を有し、前記雌の継手部材は鋼管の外周面により前記中空部材の中空部を閉じるように取り付けられた一組の中空部材からなることを特徴とする鋼管矢板の孔形成装置である。

請求項３に係る発明によれば、鋼管矢板の破壊予定部に設けられる鋼管及び継手部材がアノード溶解により電解質に溶解し、脆弱化するため、構造物全体の強度は保ちつつ破壊予定部を容易且つ確実に破壊しやすい鋼管矢板の孔形成装置を提供することができる。

請求項４に係る発明は、前記鋼管内部の電極部材の形状を前記雌雄の継手部材近傍方向に突出させた形状にした請求項３に記載の鋼管矢板の孔形成装置である。

請求項４に係る発明によれば、電極部材から異なる距離にある鋼管と継手部材とを略同じ時間に電食を終了させることができる。

請求項５の発明は、前記雌の継手部材の横断面の幅が鋼管との溶接部が幅広で先端ほど狭くなっているＶ字形状とした請求項３又は４記載の鋼管矢板の孔形成装置である。

請求項５に係る発明によれば、前記鋼管と継手部材との電解質の流入口の拡大により、電食時間を短縮できる。

請求項１に係る発明：鋼管矢板の破壊予定部に設けられる鋼管及び継手部材がアノード溶解により電解質（電解液）に溶解し脆弱化するため、構造物全体の強度は保ちつつ破壊予定部を容易且つ確実に孔を形成しやすくすることができる。

請求項２に係る発明：遮水材により電解質（電解液）が周辺地盤へ逸水することなく、管理面の負荷がかからない鋼管矢板が形成される。

請求項３に係る発明：鋼管矢板の破壊予定部に設けられる鋼管及び継手部材がアノード溶解により電解質（電解液）に溶解し、脆弱化するため、構造物全体の強度は保ちつつ破壊予定部を容易且つ確実に破壊しやすい鋼管矢板の孔形成装置を提供することができる。

請求項４に係る発明：電極部材を継手方向に突出させることにより、電極部材から異なる距離にある鋼管と継手部材とを略同じ時間に電食を終了させることができる。

請求項５に係る発明：鋼管と継手部材との電解質（電解液）の流入口の拡大により、電食時間を短縮できる。

図１は、本発明の実施の形態である鋼管矢板の継手部材の連結する状態を説明するための概略平面図であり、図２は、図１に示された鋼管の連結状態を示す概略斜視図であり、図３は、鋼管矢板の電食装置の原理を説明するための縦断面図である。
以下に本発明の実施の態様を図１〜３に基づいて説明する。
鋼管を用いた土留工法に使用される鋼管矢板１は鋼管２、雌雄並設継手部材３、４から構成される。鋼管２は径方向に並設する鋼管２同士の外側面に、雌雄並設継手部材３、４をその長手方向に沿わせて、例えば溶接等の方法により取付けると共に、雌雄並設継手部材３、４を互いに嵌合することにより機械的に連結される。
前記雌並設継手部材３は、横断面Ｕ字形状とした一対の雌並設継手要素部材３１よりなり、鋼管２へ取付けた状態で各部材３１内に断面Ｕ字の中空部３ａを形成する。前記雄並設継手部材４は、横断面Ｏ字形状とし、前記雌並設継手部材３の一対の部材３１間に嵌入可能に構成する。

前記雌並設継手部材３の一対の雌並設継手要素部材３１は鋼管２の外側面により中空部３ａを閉じるように取付けられ、鋼管２の中空部材内に電解質（電解液）５を充填する。
鋼管２の中空部２ｃの内部には電極部材６を設け、鋼管２と雌並設継手部材３の中空部材と電極部材６との間に電圧を印加すると、鋼管２と雌並設継手部材３の内壁をアノード溶解して、内壁が脆弱化し、鋼管矢板１の破壊予定部１ａの内壁を破壊することにより、鋼管矢板１に孔を形成する。

図１における、鋼管２と雌雄並設継手部材３、４からなる鋼管矢板１の外側にソイルセメントからなる遮水材（壁）１ｂを構築すると、その遮水材１ｂが電解質（電解液）の逸水を防ぐ遮水層となる。
図２中鋼管矢板１の破壊予定部１ａをハッチングで示す。

（鋼管矢板の孔形成装置）
図３は鋼管矢板の破壊予定部１ａにある鋼管矢板の電食装置の縦断面図である。
図３に基いて、雌雄並設継手部材３、４を取付けた鋼管２の破壊予定部１ａ（図２）である鋼管矢板の電食装置について説明する。
鋼管２は、導電性でかつ所定の強度を有する厚さの中空部材であり、破壊予定部１ａの鋼管２の中空部内にはその略中心に電極部材６が配置されており、中空部の底は、遮水材７により遮水層が設けられている。

また、鋼管２の破壊予定部１ａにおける長手方向の上方近傍と下方近傍には、鋼管の内壁２ａをアノード溶解するための電解質（電解液）５の入口５ａと出口５ｂをそれぞれ設ける。この入口５ａから電解質（電解液）５を鋼管２の内部に供給し、鋼管２の中空部材と電極部材６との間に電解質（電解液）５を介在させた状態で、鋼管の中空部材と電極部材６との間に電圧を印加して鋼管の中空部材の内壁２ａをアノード溶解する。
電解質（電解液）５は入口５ａから鋼管２の内部に供給するだけでなく、循環させることができる。このように電解質（電解液）５を供給することによりアノード溶解が促進されるとともに、溶出物を外に排出して回収することができる。

この実施の形態では、鋼管２の破壊予定部１ａに電解質（電解液）の出入口５ａ、５ｂを設けたが、予め鋼管内部に陰極復極剤を含む電解質を充填することにより、アノード溶解による水素ガスの発生を抑止して出入口５ａ、５ｂを設けない密封構造とすることもできる。

更に、鋼管内壁２ａに塗料などによる被膜等で絶縁層を形成することができる。この実施の態様では絶縁層は鋼管２の破壊予定部１ａにおける長手方向の上方近傍と下方近傍で鋼管の導電材を覆うように形成し、絶縁層の形成部以外の鋼管内壁２ａは導電材が露出した露出部とすることで、絶縁層部分はアノード溶解防止部となり、導電材の露出部のみをアノード溶解することができる。絶縁層と導電材の露出部分とを鋼管内壁２ａに上下左右交互に配置することによって格子状とすることにより導電材の露出部のみのアノード溶解を短期間で行うことができ、消費電力の節約を図ることができる。

鋼管２は、直流電源５１の正極と接続するための接続部５１ａを備える一方、前記電極部材６は直流電源５１の負極と接続するための接続部５１ｂを備えている。負極との接続部５１ｂは電極部材６に設けられており、これにより接続部５１ｂに近い鋼管内壁２ａのアノード溶解反応を進行させる。

鋼管２としては、活性溶解しやすく、安価で、強度を備えている鉄鋼管を用いることができるが、本管の材質は鋼に限ることなく、銅、真鍮、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、などの活性溶解しやすい材料であれば適宜選択することができる。

また、鋼管２の材料として複数の異種の導電材で構成された材料、または異種の金属材料からなる合金を用いることもできる。これらの材料を用いることにより、電解活性の高い部分が優先的に溶解するため、全体を溶解するよりも短時間で脆性化することができる。

電極部材６には、例えば、黄銅等を選択できる。また炭素などの非金属導電材であっても良い。図３の実施の形態ではその電極材料６として中実の黄銅棒が使用されているが、電極部材６としての性質から強度は求められていないため、中空の丸棒や角棒または薄い黄銅板であってもよい。

次に、アノード溶解による鋼管２の脆性化の反応について説明する。
鋼管２に直流電源５１の正極を接続すると共に、電極部材６に負極を接続して、鋼管２および電極部材６の間に電圧を印加する。これにより金属鉄Ｆｅが電子を失い鉄イオンになり、電解質中に溶解する。また、電解質中の水が電解され水素ガスを発生し、水からヒドロキシンイオン（水酸イオン）が生じる。そして鉄イオンとヒドロキシンイオンとが反応して水酸化鉄の沈殿となる。電解質の供与を継続しながら電極部材６に電圧印加を行うことにより、鋼管２の内壁２ａが溶解（アノード溶解）し、それによって鋼管２の肉厚を徐々に薄くし、鋼管２を脆弱化することができる。

この方法では、アノード溶解によって金属鉄を溶解する反応を、鋼管２の内壁に対して行うため、周囲のコンクリートに影響を及ぼすことなく、また、周囲のコンクリートの影響を受けることもなく、小電力で、効率よくアノード溶解を促進して鋼管２を脆弱化することができる。

（雌並設継手部材と電極部材）
図４は実験電食システムのフロー図であり、図５は、図４に示された鋼管部の概略平面図である。
鋼管上部は合板６ｄ及びスポンジ６ｃにより蓋がされ、鋼管下部も合板６ｄ及びスポンジ６ｃにより蓋がされる。
前記鋼管上部と下部間には電極部材６を設け、電解液貯留槽にある水中ポンプ９により、送液管５ｄを介して、電極部材６が配置されている鋼管２の中空部に電解液（食塩水）５を充填する。また、排液管５ｃにより電解液５を電解液貯留槽に排出する構造にする。
鋼管２の外側には中空部４ｃを有する雄並設継手部材（Ｏ型継手材）４と雌並設継手部材３を溶接する。雌並設継手部材３は、横断面Ｖ字形状とした一対の雌並設継手要素部材３２よりなり、鋼管２へ溶接した状態で各部材３２内に断面Ｖ字の中空部３ｄを形成する。前記雄並設継手部材４は前記雌並設継手部材３の一対の部材３２間に嵌入可能に構成する。電極部材６には雄並設継手部材４及び雌並設継手部材３ｄの一対の部材３２に向けて突出する突出部６ｂを設ける。
そして、鋼管２には直流電源５１の正極と接続し、電極部材６には直流電源５１の負極と接続し、これにより鋼管２の内壁及び雌雄並設継手部材３、４の内壁のアノード溶解反応を進行させる。
鋼管２の外側にはモルタル１ｂを充填させ、電解液が周辺地盤へ逸水しないようにする。

図５に基づいて雌並設継手部材と電極部材の実施の形態を説明する。
鋼管２の中空部と雌並設継手部材３の一対の部材３２との境界部における電解液５の流入口を断面Ｖ字構造により幅広に大きくする。
雌並設継手要素部材３２の流入口の拡大により、鋼管２の中空部から電解液５が雌並設継手要素部材３２の中空部３ｄに速やかに流れ、雌並設継手部材３の電食時間を短縮することができる。

また、鋼管２の内部にある電極部材６の形状を一対の雌並設継手要素部材３２の近傍方向に突出した形状とすることにより、電極部材６の突出部６ｂと雌並設継手部材３の一対の要素部材３２との距離が短くなるため、要素部材３２付近の電食を先行し、雌並設継手部材３の電食時間が短くなる。同様のことが、雄並設継手部材４側の電極部材６の突出部６ｂについても言える。

（シールド工法の立坑）
図６は、シールド工法の立坑の断面図である。このシールド工法では、周囲の構造よりも脆弱な構造に変化可能な仮壁部１０を有した発進立坑５０及び到達立坑を発進位置および到達位置にそれぞれ施工する。
なお、到達立坑は仮壁部１０を発進立坑５０側に向ける以外は発進立坑と同じであるため図示を省略してある。
この施工の後、まず、発進立坑５０の仮壁部１０を上述したアノード溶解によって脆弱化した後、発進立坑５０からシールド機３０を駆動して仮壁部１０を切削破壊する。そして到達立坑に向かってシールド機３０を前進させながらシールドトンネル２０を施工し、シールド機３０が到達立坑に到達したとき、到達立坑の仮壁部１０を上述したアノード溶解によって脆弱化する。その後、シールド機３０により仮壁部１０を切削破壊してシールドトンネル２０との連結を行う。このシールド工法では、シールド機３０のディスクカッター３０ａで切削可能な発進、到達立坑を用いるため、安全性の確保、防護工の不要化、工期の短縮を図ることができる。

つまり、このシールド工法における仮壁部１０では、電極部材を鋼管２の内部に遊挿したものを用いるものである。
鋼管２内部に電解液を供給しながら鋼管矢板１と電極部材６とに電圧を印加して鋼管矢板１をアノード溶解して脆弱化することができる。

発進立坑５０は、設計されたシールドトンネルの深度まで掘削され、鋼管矢板で周囲の土水圧から防護されており、仮壁部１０はシールド機３０で切削破壊する予定部に設けられる。

立坑の構築に続き、シールド機３０の組立てと並行し仮壁部１０の脆弱化の準備のため地上に直流電源５１、電解液槽４０を設置する。そして電解液の送出ポンプ４２を介して仮壁部１０の電解液の供給口、排出口と液送パイプ４１ａ，４１ｂを連結する。また、直流電源５１により鋼管矢板１と電線５１ｃを介して接続した電極部材との間に電圧を印加する。

次に、シールド機３０を仮掘進させメインブレーム内に挿入し、圧力保持をしながら、直流電圧の印加と、電解質の循環により仮壁部１０のアノード溶解を進め、仮壁部１０の脆性化を行う。脆性化が進行した仮壁部１０では、シールド機３０によって圧力保持されているため、外部土圧の崩壊を防止でき、安全に施工することができる。

このとき、循環させた電解質液によって、鋼管矢板１の溶出物として水酸化鉄が電解槽４０に回収される。回収された水酸化鉄は分離機４３により水分、塩分などの電解質と分離し廃棄物として処分するか、適宜の処理を行って再利用する。
切削可能なように脆性化が完了したことを確認した後、シールド機３０を発進させ直接ディスクカッター３０ａで仮壁部１０を切削する。

また、図７に示すように、鋼管矢板１の破壊予定部１ａに設けた中実部材からなる雌並設継手部材３３、例えば、Ｃ型継手部材には、横方向スリット３ｂをその長手方向に沿って所定間隔で複数箇所設けることにより、鋼管２の電食によって雌並設継手部材３３が切り離されても掘削機（シールド機）の回収装置により電食後の前記継手部材を前記スリット部分で切断して、回収できる大きさに分解できるようにする。
鋼管２及びＯ型継手部材４は中空部材であるので電食することで脆弱化する。

本発明の第１実施の形態である鋼管矢板の継手部材の連結する状態を説明するための概略平面図である。 図１に示された鋼管の連結状態を示す概略斜視図である。 鋼管矢板の電食装置の縦断面図である。 要素実験電食システムのフロー図である。 図４に示された電極部材と雌並設継手部材の第２実施の形態を概略的に説明するための平面図である。 シールド工法の立坑を示す断面図である。 雌並設継手部材の第３実施の形態を概略的に説明するための概略斜視図である。

符号の説明

１…鋼管矢板、１ａ…破壊予定部、１ｂ…遮水材（壁）、２…鋼管（鋼管の中空部材）、２ａ…内壁、３…雌並設継手部材、３１，３２…一対の雌並設継手要素部材、３ａ，３ｄ…継手部材の中空部、３ｂ…スリット、４…雄並設継手部材、５…電解質（電解液）、６…電極部材、７…遮水材（底）、８…絶縁部、１０…仮壁部、３０…シールド機、５１…電源。

Claims (5)

1. 鋼管及び鋼管外側面に設けた雄及び雌の継手部材を各々中空部材とし、前記雌の継手部材は鋼管の外周面により前記中空部材の中空部を閉じるように取り付けられた一組の中空部材からなり、前記鋼管内に電解質を介在させた状態で電極部材を挿入し、鋼管及び継手部材と電極部材との間に電圧を印加して、鋼管及び継手部材の内壁をアノード溶解して脆弱化した後、鋼管矢板を破壊することを特徴とする鋼管矢板の孔形成方法。
2. 鋼管及び鋼管外側面に設けた継手部材からなる鋼管矢板の外側に遮水材を構築し、鋼管及び雄及び雌の継手部材を各々中空部材とし、前記雌の継手部材は鋼管の外周面により前記中空部材の中空部を閉じるように取り付けられた一組の中空部材からなり、鋼管内に電解質を介在させた状態で電極部材を挿入し、鋼管及び継手部材と電極部材との間に電圧を印加して、鋼管及び継手部材の内壁をアノード溶解して脆弱化した後、鋼管矢板を破壊することを特徴とする鋼管矢板の孔形成方法。
3. 各々中空部材から形成された鋼管及び鋼管外側面に設けた雌雄の継手部材と、鋼管内に挿入された電極部材と、前記鋼管内に充填された電解質と、鋼管及び雌雄の継手部材と電極部材との間に電圧を印加する電源を有し、前記雌の継手部材は鋼管の外周面により前記中空部材の中空部を閉じるように取り付けられた一組の中空部材からなることを特徴とする鋼管矢板の孔形成装置。
4. 前記鋼管内部の電極部材の形状を前記雌雄の継手部材近傍方向に突出させた形状にした請求項３に記載の鋼管矢板の孔形成装置。
5. 前記雌の継手部材の横断面の幅が鋼管との溶接部が幅広で先端ほど狭くなっているＶ字形状とした請求項３又は４記載の鋼管矢板の孔形成装置。
   

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