JP6775414B2 - 地盤掘削方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機等の掘削機械により地盤を掘削する地盤掘削方法に関する。

地下水を含む帯水層や軟弱層を含む地盤をシールド掘進機等の掘削機械により掘削する場合、止水や地盤の強化のために地盤の一部を凍結させる凍結工法が用いられることがある。

前記凍結工法を用いた地盤掘削方法としては、特許文献１に記載された地盤掘削方法（トンネル掘削方法）が知られている。この地盤掘削方法では、地山の礫質地盤に挿入した凍結管を介して凍結媒体を地盤に注入して地盤を凍結させ、その後、凍結管を地盤から引き抜き、この状態で、凍結された地盤をシールド掘進機により掘削している。これにより、掘削中の切羽面の崩壊や地下水のシールド掘進機内への流入を防止又は抑制している。

特開２００９−２９３２０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された地盤掘削方法では、凍結された地盤をシールド掘進機により掘削する前に、凍結管を引き抜かなければならず、その引き抜き作業に手間が掛っていた。また、地盤が凍結した状態で凍結管を引き抜くことが困難な場合には、凍結管を引き抜くために解凍させているので、実際に地盤を掘削するときには、折角凍結させた地盤の一部を解凍させてしまい、凍結地盤を適切な範囲に施工することができない可能性がある。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、作業工数を低減可能であると共に、凍結地盤を適切な範囲に施工した状態で掘削を行うことが可能な地盤掘削方法を提供することを目的とする。

上記課題に対して、本発明に係るトンネル掘進方法は、その一態様として、地盤を掘削機械により掘削する地盤掘削方法において、前記地盤の掘削予定領域のうちの所定領域に、前記掘削機械により切削可能な冷媒流通用の配管を配置する配管配置工程と、前記配管に冷媒を流通させて前記所定領域の地盤を凍結させる凍結工程と、前記掘削予定領域のうちの前記所定領域については、前記凍結工程の後に前記所定領域に前記冷媒流通用の配管を残置させた状態で前記掘削機械により掘削する掘削工程と、を含む、構成とした。

本発明に係る地盤掘削方法の上記一態様によると、掘削機械による掘削に先立って、掘削予定領域のうちの所定領域（例えば、地下水を含む帯水層や軟弱層の領域）に、掘削機械により切削可能な冷媒流通用の配管を配置すると共にこの配管に冷媒を流通させて前記所定領域の地盤を凍結させ、その後、冷媒流通用の配管を残置させた状態で前記所定領域を掘削する。
このように、冷媒流通用の配管を掘削機械により切削可能なものとしたことにより、所定領域の地盤と共に冷媒流通用の配管を一緒に切削することができるため、掘削機械による掘削の前に、凍結管（冷媒流通用の配管）の引き抜き作業を必要とした従来の掘削方法と比較して、作業工数を削減することができる。また、引き抜き作業を不要としたため、例えば、引き抜きのために冷媒流通用の配管に温水等を流して解凍させる必要もない。その結果、適切な範囲に凍結地盤を施工することができる。

このようにして、作業工数を低減可能であると共に、凍結地盤を適切な範囲に施工した状態で掘削を行うことが可能な地盤掘削方法を提供することができる。

本発明に係る第１実施形態の地盤掘削方法を適用するトンネル工事エリアの地盤の断面図である。 前記地盤掘削方法における配管配置工程を説明するための図面である。 前記配管配置工程において配置する凍結管の断面図である。 前記地盤掘削方法における所定領域の凍結工程を説明するための図面である。 前記地盤掘削方法におけるシールド掘進機の発進用の坑口の形成工程を説明するための図面である。 前記坑口に設けられるエントランスパッキンの部分拡大図である。 前記坑口にシールド掘進機の前部が進入した状態を示した部分拡大図である。 前記地盤掘削方法における掘削工程を説明するための図面である。 前記掘削工程における前記所定領域の掘削状態を示した図である。 前記掘削工程における裏込め材の充填状態を示した図である。 前記所定領域を貫通して、セグメントリングを構築しつつ、残りの掘削を行っている状態を示した図である。 本発明に係る第２実施形態の地盤掘削方法を説明するための図である。 本発明に係る第３実施形態の地盤掘削方法を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る地盤掘削方法の実施形態について、当該地盤掘削方法をトンネル工事エリアに適用した場合を一例に挙げて説明する。

図１は、本発明に係る第１実施形態の地盤掘削方法を適用するトンネル工事エリアの地盤の断面図であり、掘削機械としてのシールド掘進機１の円柱状の掘削予定領域Ａ０と地盤の各層との位置関係を示した図である。

本実施形態におけるシールド掘進機１の発進側のトンネル工事エリアの地盤は、図１に示すように、地下水を含む帯水層（例えば、砂層又は礫層）Ｇ１と、この帯水層Ｇ１の下方に隣接する泥岩層Ｇ２と、を含んでいるものとする。シールド掘進機１は、発進用の発進立坑２内の底面側に配置され、例えば、図示省略する到達用の到達立坑又は地山の法面等に向かって水平方向に掘進するものとする。発進立坑２は、例えば、鉄筋コンクリートからなり、円筒状の周壁２ａと周壁２ａの下端を閉塞する底壁２ｂとを有し、上端が開口された有底筒状に形成されており、地表面側から鉛直方向に延伸するように配置されている。図１中、二点鎖線は、シールド掘進機１の掘進中の外形軌跡を示している。シールド掘進機１の掘削予定領域Ａ０は、この外形軌跡（二点鎖線）と発進用の立坑２の周壁２ａとで囲まれた円柱状の領域を言う。本実施形態においては、掘削予定領域Ａ０のうちの発進用の立坑２の近傍の領域が帯水層Ｇ１内に位置しており、掘削予定領域Ａ０のうち到達立坑等の図示外の領域は、例えば、泥岩層内に位置しているものとする。

ここで、シールド掘進機１の発進立坑２の近傍の領域に帯水層Ｇ１が存在すると、地下水や土砂が、発進立坑２の周壁２ａに形成する発進用の坑口２ｃ（後述する図５参照）を介して発進立坑２内に流れ込む可能性がある。一方、本実施形態では、到達側においては、例えば、帯水層でも軟弱層でもない泥岩層に位置しており、止水や土砂流入に対する対策を図る必要性は低いものとし、発進側についてのみ上記対策を図るものとする。

本実施形態における地盤掘削方法は、地盤をシールド掘進機１により掘削する方法であり、配管配置工程と、凍結工程と、坑口形成工程と、掘削工程とを含み、止水及び土砂の発進立坑２内への流入を防止可能に構成されている。

以下においては、図２〜図１１を参照して各工程について説明する。図２、図４、図５、図８〜図１１は、本実施形態の地盤掘削方法の手順を説明するための図である。図３は図２に示すＢ−Ｂ矢視における凍結管３の断面図であり、図６は発進用の坑口２ｃ（図５参照）に設けられるエントランスパッキン４の部分拡大図であり、図７は坑口２ｃからシールド掘進機１が進入した状態を示した部分拡大図である。詳しくは、図２は配管配置工程を、図４は凍結工程を、図５は坑口形成工程を、図８〜図１１は掘削工程を、それぞれ示している。

前記配管配置工程では、図２に示すように、地盤の掘削予定領域Ａ０のうちの所定領域Ａ１に、凍結管３を配置する。本実施形態において、所定領域Ａ１は、発進立坑２の近傍の領域である。所定領域Ａ１は、詳しくは、発進立坑２の周壁２ａに形成されるシールド掘進機１の発進用の坑口２ｃ（図５参照）を周壁２ａの外方から覆うように設定された領域である。言い換えると、この所定領域Ａ１は、凍結工程において凍結させる予定の領域として概ね設定された領域であり、その範囲が厳密に設定された領域を示しているものではない。凍結工程において、この所定領域Ａ１内の地盤は確実に凍結され、所定領域Ａ１外の領域であっても、所定領域Ａ１の近傍の地盤は一部凍結し得る。

前記凍結管３は、シールド掘進機１により切削可能な冷媒流通用の配管であり、適宜の断面形状を有して形成されている。本実施形態では、凍結管３は、図３に示すように、例えば、偏平な断面形状を有して一方向（鉛直方向）に延伸するように形成されている。凍結管３は、例えば、アルミニウムや銅等の軟鋼材の押出し成形により形成されたものであり、偏平な角柱の内部に通路（後述の供給通路３ａ、戻し通路３ｂ）が形成されている。また、凍結管３は、例えば、その断面の長辺Ｌ１がシールド掘進機１の掘進方向に延伸するように地盤内に配置されている。後述するように、冷媒として液化二酸化炭素を用いる場合、液化二酸化炭素の粘性が塩化ナトリウム等のブラインより著しく低いため、凍結管３内を流通する際の抵抗がブラインと比較すると極めて小さい。そのため、凍結管３内の通路断面積を、ブラインを用いた場合と比べると格段に小さくすることができるので、図３に示すような偏平な部材で凍結管３を形成することができる。例えば、凍結管３の長辺Ｌ１の長さを約５０ｍｍ程度とし、凍結管３の短辺Ｌ２の長さを５ｍｍ程度とすることができる。なお、各図において、凍結管３は、図の明瞭化のため、実際の大きさよりも誇張して大きく示されている。

また、本実施形態では、凍結管３は、地上側に配置される冷媒供給装置１０から供給される冷媒を流通させる供給通路３ａと、供給通路３ａを流通した冷媒を冷媒供給装置１０へ還流させる戻し通路３ｂとを有する。具体的には、凍結管３の内部には、供給通路３ａ及び戻し通路３ｂがそれぞれ適宜の本数（図では５本）ずつ形成されており、凍結管３の内部は、各通路（供給通路３ａ、戻し通路３ｂ）が互いに間隔を掛けて平行に延伸するように区画されている。また、図２に示すように、凍結管３の上端側（地表面側端部）には、上端蓋３ｃが取付けられており、この上端蓋３ｃには、冷媒供給装置１０からの冷媒供給管１０ａが接続されると共に、冷媒供給装置１０への冷媒戻り管１０ｂが接続される。上端蓋３ｃの内部は、複数の供給通路３ａと連通する領域と複数の戻し通路３ｂと連通する領域とに区画されている。そして、凍結管３の下端側（地中側端部）には、下端蓋３ｄが取付けられており、この下端蓋３ｄの内部は、上端蓋３ｃと同様に複数の供給通路３ａと連通する領域と複数の戻し通路３ｂと連通する領域とに区画されている。

前記冷媒供給装置１０は、例えば、冷媒を圧送するポンプ（図示省略）と、冷媒を冷却する冷却装置（図示省略）を含む。冷媒供給装置１０は、前記冷却装置により冷却された冷媒を前記ポンプにより圧送して冷媒供給管１０ａを介して凍結管３へ供給し、温度上昇した冷媒を凍結管３から冷媒戻り管１０ｂを介して前記冷却装置へ還流させて冷却し、その後、再び前記ポンプにより圧送するように構成された、冷媒の冷却循環装置である。循環させる冷媒としては、例えば、液化二酸化炭素や塩化ナトリウム等のブライン等の適宜のものを用いることができ、本実施形態では、液化二酸化炭素を用いるものとする。

また、本実施形態では、配管配置工程において、所定領域Ａ１に凍結管３の外径よりも大きい内径を有するガイド管５を配置し、ガイド管５内に凍結管３を配置する。このガイド管５は、凍結管３を地盤内に挿入するための孔ＢＨの孔壁の崩壊を防止し、例えば、その下端が所定領域Ａ１の下端に位置するように配置されている。そして、ガイド管５の内壁と凍結管３の外壁との間の空間Ｓには、熱伝導性の比較的高い適宜の熱伝導媒体６が充填される。具体的には、熱伝導媒体６としては、例えば、適宜に配合されたセメントベントナイトが用いられる。このセメントベントナイトからなる熱伝導媒体６は、充填し終えた時の液面が所定領域Ａ１の上端の高さ位置に一致するように、前記空間Ｓに流し込まれている。したがって、地表面から所定領域Ａ１の上端（熱伝導媒体６の上端）までの領域には、熱伝導媒体６は充填されておらず、単に大気（空気）が存在しているだけであるため、所定領域Ａ１より上方における凍結管３の外周には簡易な断熱層が形成されている。

前記凍結工程では、図４に示すように、凍結管３に冷媒を流通させて所定領域Ａ１の地盤を凍結させる（図中、網掛け部分は凍結領域を示している）。つまり、冷媒供給装置１０から送出された液化二酸化炭素が凍結管３内の複数の供給通路３ａを流通する際に、液化二酸化炭素が地中の熱を吸収して気化する時の気化潜熱を利用することにより、地盤を凍結させる。本実施形態では、所定領域Ａ１の高さ位置に対応して熱伝導媒体６としてセメントベントナイトが凍結管３とガイド管５との間に充填されており、この熱伝導媒体６を介して地盤と凍結管３内の冷媒との間の熱交換が効率的に行われて、所定領域Ａ１の地盤が凍結される。一方、所定領域Ａ１より上方においては、凍結管３とガイド管５との間（冷媒と地盤との間）に断熱層が存在するため、地盤と凍結管３内の冷媒との間の熱交換は殆ど行われず、所定領域Ａ１より上方の地盤はほぼ凍結されない。

ここで、所定領域Ａ１の鉛直方向の高さｈは、少なくとも坑口２ｃの開口直径よりも大きくなるように設定され、所定領域Ａ１のシールド掘進機１が掘進する部分についての水平方向の厚みｔは、シールド掘進機１のうちのカッターヘッド１ａを含む掘進機本体１ｂの本体全長Ｌの概ね１／２の長さより長くなるように設定されている（つまりｔ＞約０．５Ｌ）。本実施形態では、所定領域Ａ１の厚みｔは、例えば、本体全長Ｌと同じになるように設定されている。この所定領域Ａ１の高さｈや厚みｔは、シールド掘進機１の外径及び本体全長Ｌや帯水層Ｇ１の地下水圧及び土圧等に応じて、凍結工程における冷媒の循環時間や循環量等を調整することにより適宜に設定することができる。また、本実施形態では、一本の凍結管３を配置するものとして示したが、凍結させるべき領域の体積が比較的大きくなり、所定領域Ａ１が広範囲になった場合には、複数本の凍結管３を配置してもよい。

前記坑口形成工程では、図５に示すように、発進立坑２の周壁２ａにシールド掘進機１の発進用の坑口２ｃを形成する。坑口２ｃは、前記凍結工程の完了後に形成され、シールド掘進機１の外径よりも大きい開口を有する。周壁２ａの内周面側における坑口２ｃの周縁部には、図５及び図６に示すように、エントランスパッキン４が取付けられている。このエントランスパッキン４は、発進立坑２の坑口２ｃとシールド掘進機１の外周との間の隙間（図７及び図８参照）や、発進立坑２の坑口２ｃと後述するセグメントリング７との間の隙間（図９参照）を塞ぐことにより、地下水や土砂が当該隙間から発進立坑２の内部に浸入することを防止又は抑制することを目的として設置されるパッキン装置である。なお、図７は、シールド掘進機１がエントランスパッキン４に接触している状態を示しており、このときにエントランスパッキン４はシールド掘進機１に接触しつつ屈曲する。このように、発進立坑２の坑口２ｃにシールド掘進機１が配置され、掘削工程に進む。

前記掘削工程では、図８〜図１１に示すように、掘削予定領域Ａ０のうちの所定領域Ａ１については、前記凍結工程の後に所定領域Ａ１に凍結管３を残置させた状態でシールド掘進機１により掘削し、掘削予定領域Ａ０のうちの所定領域Ａ１以外の領域については、凍結させることなくシールド掘進機１によりそのまま掘削する。

詳しくは、発進立坑２の周壁２ａに坑口２ｃを形成する前に、前記凍結工程を完了させ、坑口２ｃが形成された後に、坑口２ｃからシールド掘進機１を進入させて掘削工程を開始する。そして、坑口２ｃ内にシールド掘進機１の前部を配置した後、シールド掘進機１の先端部としてのカッターヘッド１ａがガイド管５に到達する前に、図８に示すように、ガイド管５を、例えば、その下端が所定領域Ａ１の上端に位置する所まで引き上げる。ガイド管５は、完全に引き抜いてもよいが、本実施形態のように、セメントベントナイトからなる熱伝導媒体６を所定領域Ａ１に対応する高さ位置にのみに充填する場合には、凍結工程における孔壁の崩壊を確実に防止するために、ガイド管５を、その下端部が所定領域Ａ１の上端に位置するところまで引き上げた状態で維持するとよい。なお、凍結工程の完了後においては、凍結管３についてはそのまま地盤内に残置させ、ガイド管５については、完全に引き抜いてもよいし、地表面から吐出した部分を切断して凍結管３と共に地盤内に残置させてもよい。ガイド管５を完全に引き抜く場合は、孔壁と凍結管３との間に土砂等を埋戻し、ガイド管５も残置させる場合は、ガイド管５と凍結管３との間の空間Ｓに土砂等を埋め戻す。

ここで、図示を省略するが、シールド掘進機１の後端部とこの後端部に対向する周壁２ａとの間には、例えば、反力架台が配置されており、この反力架台を介して、発進立坑２から反力を取ってシールド掘進機１を発進させる。なお、冷媒供給装置１０からの冷媒の供給は、例えば、シールド掘進機１が凍結管３に到達する直前まで行う、つまり、凍結管３に到達する直前に冷媒供給装置１０のポンプを停止させるとよい。しかし、これに限らず、本実施形態のように、冷媒として液化二酸化炭素を用いる場合は、冷媒の供給を、例えば、シールド掘進機１が所定領域Ａ１を貫通するまで行ってもよい。

図９は、シールド掘進機１が図８の状態から更に掘進した状態を示しており、カッターヘッド１ａが所定領域Ａ１を貫通する直前の状態を示している。したがって、この状態では、坑口２ｃは依然として凍結された地盤によって確実に覆われている。そして、本実施形態では、シールド掘進機１が所定領域Ａ１を貫通する前に、シールド掘進機１の掘進機本体１ｂの後部において、複数のセグメントからなり、掘進機本体１ｂの外径より小さい外径を有する円筒状のセグメントリング７を組み立てる。本実施形態では、図９に示す状態において、最初のセグメントリング７の後端（掘進方向とは反対側端部）は、坑口２ｃ内に位置しており、セグメントリング７の外周にエントランスパッキン４が接触している。ここで、図９の状態で、そのまま更に掘進を進めて、掘進機本体１ｂが所定領域Ａ１を貫通し始めると、帯水層Ｇ１内の水や土砂が、その貫通部分から掘進機本体１ｂの外周と掘削された地山の掘削内面Ｓ１（図１０参照）との間（僅かな隙間）を経由して、セグメントリング７と坑口２ｃとの間の領域に流入し得るが、この場合であっても、エントランスパッキン４と、掘進機本体１ｂの外殻をなす円筒状のスキンプレートの後端部とセグメントリング７との間をシールするテールシール８とにより、発進立坑２及びシールド掘進機１内への水や土砂の流入は防止又は抑制されている。
なお、発進立坑２及びシールド掘進機１内への水等の流入を確実に防止するために、掘削工程において、シールド掘進機１が所定領域Ａ１を貫通する前に、例えば、図１０に示すように、裏込め材９を、坑口２ｃの内周面、エントランスパッキン４の表面、セグメントリング７の外周面、及び、掘進機本体１ｂの外周面によって区画形成される空間内に充填してもよい。

次に、シールド掘進機１により所定領域Ａ１を貫通し、図１１に示すように、掘削予定領域Ａ０のうちの所定領域Ａ１以外の領域を更に掘進しつつ、シールド掘進機１の後方に次々にセグメントリング７を組み立てて掘進方向に連結すると共に、セグメントリング７と掘削内面Ｓ１との間に裏込め材９’を充填することで筒状の覆工体を図示省略する到達用の到達立坑又は地山の法面等に向かって構築する。これにより、トンネル工事が完了する。

本実施形態の地盤掘削方法によれば、シールド掘進機１による掘削に先立って、掘削予定領域Ａ０のうちの所定領域Ａ１に、シールド掘進機１により切削可能な凍結管３を配置すると共にこの凍結管３に冷媒を流通させて所定領域Ａ１の地盤を凍結させ、その後、凍結管３を残置させた状態で所定領域Ａ１を掘削する。このように、凍結管３をシールド掘進機１により切削可能なものとしたことにより、所定領域Ａ１の地盤と共に凍結管３を一緒に切削することができるため、シールド掘進機１による掘削の前に、凍結管の引き抜き作業を必要とした従来の掘削方法と比較して、作業工数を削減することができる。また、引き抜き作業を不要としたため、例えば、引き抜きのために凍結管３に温水等を流して解凍させる必要もない。その結果、適切な範囲に凍結地盤を施工することができる。
このようにして、作業工数を低減可能であると共に、凍結地盤を適切な範囲に施工した状態で掘削を行うことが可能な地盤掘削方法を提供することができる。

また、本実施形態では、シールド掘進機１が凍結管３に到達する直前に冷媒供給装置１０のポンプを停止させる構成とした。これにより、ポンプ停止による所定領域Ａ１の自然解凍を凍結管３の切削直前まで防止することができるため、凍結地盤をより適切な範囲で施工した状態で所定領域Ａ１の掘削を行うことができる。

また、本実施形態では、前記配管配置工程において、所定領域Ａ１に凍結管３の外径よりも大きい内径を有するガイド管５を配置し、ガイド管５内に凍結管３を配置すると共に、ガイド管５の内壁と凍結管３の外壁との間にセメントベントナイトからなる熱伝導媒体６を充填する、構成とした。これにより、冷媒と地盤との間の熱交換を効率的に行いつつ、ガイド管５を引き上げた部分の孔ＢＨ（図２参照）の孔壁の安定化を容易に図ることができる。

また、本実施形態では、前記掘削工程において、シールド掘進機１が所定領域Ａ１を貫通する前に、坑口２ｃの内周面、エントランスパッキン４の表面、セグメントリング７の外周面、及び、掘進機本体１ｂの外周面によって区画形成される空間に裏込め材９を充填すると共に、シールド掘進機１が所定領域Ａ１を貫通して掘進する際に、セグメントリング７と掘削内面Ｓ１との間に裏込め材９’を充填する構成とした。これにより、地下水圧や土圧が比較的に高く、エントランスパッキン４やテールシール８だけでは、十分に止水や土砂の流入を抑制又は防止できない場合に、それらを確実に抑制又は防止することができる。なお、エントランスパッキン４やテールシール８により十分に止水や土砂の流入を抑制又は防止できる場合には、坑口２ｃにおいて裏込め材９を充填しなくてもよい。

また、本実施形態では、シールド掘進機１の発進立坑２の近傍の領域に帯水層Ｇ１が存在するものとし、発進立坑２の周壁２ａにシールド掘進機１の発進用の坑口２ｃを形成する前に、前記凍結工程を完了させ、坑口２ｃが形成された後に、坑口２ｃからシールド掘進機１を進入させて前記掘削工程を開始するものとした。これにより、発進立坑２の周壁２ａを開口して坑口２ｃを形成したときに、地下水や土砂が坑口２ｃを介して発進立坑２内に流入することを容易に防止することができ、発進側における掘削を比較的容易に行うことができる。

また、本実施形態では、凍結管３は、偏平な断面形状を有するものとし、その断面の長辺Ｌ１がシールド掘進機１の掘進方向に延伸するように地盤内に配置されているものとした。つまり、凍結管３の短辺Ｌ２側の側面をシールド掘進機１のカッターヘッド１ａに対向させている。これにより、シールド掘進機１における切削抵抗を極めて低くすることができ、凍結管３をより容易に切削することができる。

本実施形態では、発進立坑２の近傍の領域にのみ帯水層Ｇ１が存在する場合を一例に挙げて説明したが、これに限らず、到達立坑２０の近傍のみに帯水層Ｇ１が存在する場合もある。

図１２は、本発明に係る第２実施形態の地盤掘削方法を説明するための図である。本実施形態においては、シールド掘進機１の到達用の到達立坑２０の近傍のみに帯水層Ｇ１が存在するものとし、以下に、第１実施形態と異なる構成について説明する。
本実施形態では、所定領域Ａ１は、シールド掘進機１の到達用の到達立坑２０の近傍の領域である。到達立坑２０は、例えば、鉄筋コンクリートからなり、円筒状の周壁２０ａと周壁２０ａの下端を閉塞する底壁２０ｂとを有し、上端が開口された有底筒状に形成されており、地表面側から鉛直方向に延伸するように配置されている。所定領域Ａ１は、詳しくは、到達立坑２０の周壁２０ａに形成されるシールド掘進機１の退出用の坑口２０ｃを周壁２０ａの外方から覆うように設定された領域である。例えば、図示外の発進立坑又は地山の法面等からシールド掘進機１を到達立坑２０に向かって掘進させて、掘削予定領域Ａ０のうちの所定領域Ａ１以外の領域の地盤を凍結させることなくそのまま掘削し、シールド掘進機１の後方に次々にセグメントリング７を組み立てると共に、セグメントリング７と掘削内面Ｓ１との間に裏込め材９’を第１実施形態と同様に充填する。そして、到達立坑２０の周壁２０ａに坑口２０ｃを形成する前に、前記凍結工程を完了させる。その後、所定領域Ａ１の掘削を行いつつ、セグメントリング７の組み立て及び裏込め材９’の充填を行い。最後に、坑口２０ｃを形成することにより、トンネル工事が完了する。

第２実施形態による地盤掘削方法によれば、到達立坑２０の周壁２０ａを開口して坑口２０ｃを形成したときに、地下水や土砂が坑口２０ｃを介して到達立坑２０内に流入することを容易に防止することができる。また、裏込め材９’により、止水や土砂の流入をより確実に抑制又は防止することができる。
なお、第２実施形態では、所定領域Ａ１をシールド掘進機１が貫通する前に、シールド掘進機１の後方では裏込め材９’により十分な止水が施されている。したがって、第２実施形態における前記厚みｔは、掘進機本体１ｂの本体全長Ｌに関わらず、単に、帯水層Ｇ１の地下水圧及び土圧に耐え得るように設定されていればよく、第１実施形態における前記厚みｔよりも薄くすることができる。また、発進立坑２の近傍と到達立坑２０の近傍のいずれにも帯水層Ｇ１が存在する場合は、所定領域Ａ１を発進立坑２の近傍と到達立坑２０の近傍としてそれぞれに凍結管３を配置して凍結地盤を形成し、それぞれの所定領域Ａ１において凍結管３と共に地盤を掘削するようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、所定領域Ａ１は帯水層Ｇ１に位置するものとしたが、これに限らず、軟弱層であってもよい。この場合、前記配管配置工程において、ガイド管５は不要であり、凍結管３の上端を押圧することにより、凍結管３を所定領域Ａ１に圧入して配置すればよい。また、軟弱層において凍結管３単体での所定領域Ａ１への圧入が困難な場合や、帯水層Ｇ１において、例えば、凍結管３を加工して適宜の断面形状の形鋼（Ｈ形鋼、山形鋼、溝形鋼等）に仮止めした状態で、形鋼と共に圧入し、その後、形鋼のみを地盤から引き抜くようにしてもよい。

さらに、シールド掘進機１の発進、到達用に、鉄筋コンクリート製の立坑（２、２０）を形成するものとしたが、これに限らず、スチール製等の土留め壁により発進、到達用の空間を形成してもよい。

また、上記各実施形態では、凍結管３は、地表面側から鉛直に延伸するように配置するものとしたが、これに限らず、傾斜させて配置してもよい。

そして、上記各実施形態では、発進立坑２や到達立坑２０の近傍の地盤を凍結させることを目的として、凍結管３を地表面側から地盤内に挿入する場合を一例に挙げて説明したが、これに限らない。例えば、軟弱層等を含む地盤を掘削中において、作業者がシールド掘進機１の機外に出て、カッターヘッド１ａ等のシールド掘進機１の前部をメンテナンスする場合には、本発明に係る第３実施形態の地盤掘削方法を説明するための図である図１３に示すように、凍結管３をシールド掘進機１の前部から前方の地盤に挿入して、シールド掘進機１による掘削中の切羽面を含む前方地盤を凍結させるようにしてもよい。詳しくは、複数の凍結管３を、カッターヘッド１ａのスポーク等の間を介して機内から機外に向かって直接建て込んで、カッターヘッド１ａの前方にシールド掘進機１の推進中心軸を頂点とする円錐状（傘の骨組み状）の凍結管群を配置するとよい。これにより、図１３に網掛け部分で示すように、円錐状の外殻をなす所定領域Ａ１内の地盤を凍結させることができるため、作業者は、所定領域Ａの内部に作業スペースを安全に確保することができる。

また、図示を省略するが、例えば、既設のトンネル等の地下構造物の一部を拡幅する拡幅工事エリアにおいて、その拡幅予定領域の周囲に帯水層や軟弱層が存在する場合もある。この場合、前記拡幅予定領域を前記掘削予定領域Ａ０とし、前記拡幅予定領域の周囲を前記所定領域Ａ１とし、この所定領域Ａ１に向かって、既設の地下構造物から複数の凍結管３を配置するようにしてもよい。具体的には、前記拡幅予定領域の前後における既設の地下構造物の外周から前記拡幅予定領域の周囲の前記所定領域Ａ１に向かって、複数の凍結管３を挿入して円錐状に配置された二つの凍結管群によって、前記拡幅予定領域を前後両側から全周を囲むようにしてもよい。これにより、前記拡幅予定領域を囲むそろばん玉状の凍結地盤を形成することができる。そして、前記拡幅予定領域における拡幅構造体の構築の際に、凍結管３と共に凍結地盤を一緒に掘削することができるため、拡幅構造体を容易に構築することができる。

また、凍結管３は、供給通路３ａと戻し通路３ｂとを有し、冷媒を循環可能に構成した場合を一例に挙げて説明したが、これに限らず、冷媒を循環させずに、地盤内に直接、注入させてもよい。また、凍結管３は、偏平な角柱の内部に通路が形成されるものとしたが、これに限らず、シールド掘進機１により切削可能であれば、適宜の形状に形成することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形及び変更が可能である。

１・・・・・シールド掘進機（掘削機械）
２・・・・・発進立坑
２ａ・・・・周壁
２ｃ・・・・坑口
３・・・・・凍結管（配管）
５・・・・・ガイド管
６・・・・・セメントベントナイト（熱伝導媒体）
２０・・・・到達立坑
２０ａ・・・周壁
２０ｃ・・・坑口
Ａ０・・・・掘削予定領域
Ａ１・・・・所定領域
Ｓ１・・・・・掘削内面

Claims (3)

1. 地盤を掘削機械により掘削する地盤掘削方法において、
   前記地盤の掘削予定領域のうちの所定領域に、前記掘削機械により切削可能な冷媒流通用の配管を配置する配管配置工程と、
   前記配管に冷媒を流通させて前記所定領域の地盤を凍結させる凍結工程と、
   前記掘削予定領域のうちの前記所定領域については、前記凍結工程の後に前記所定領域に前記配管を残置させた状態で前記掘削機械により掘削する掘削工程と、
   を含み、
   前記配管は、偏平な角柱状の断面を有し一方向に延伸するように形成され、
   前記配管配置工程は、前記配管の断面における長辺が前記掘削機械の掘進方向に延伸するように、前記配管を地盤内に配置する、地盤掘削方法。
2. 地盤を掘削機械により掘削する地盤掘削方法において、
   前記地盤の掘削予定領域のうちの所定領域に、前記掘削機械により切削可能な冷媒流通用の配管を配置する配管配置工程と、
   前記配管に冷媒を流通させて前記所定領域の地盤を凍結させる凍結工程と、
   前記掘削予定領域のうちの前記所定領域については、前記凍結工程の後に前記所定領域に前記配管を残置させた状態で前記掘削機械により掘削する掘削工程と、
   を含み、
   前記配管は、偏平な角柱状の断面を有し一方向に延伸するように形成され、
   前記配管配置工程は、前記配管における断面視で短辺側の側面が前記掘削機械のカッターヘッドに対向するように、前記配管を地盤内に配置する、地盤掘削方法。
3. 前記配管は、地上側に配置される冷媒供給装置から供給される冷媒を流通させる供給通路と、該供給通路を流通した冷媒を前記冷媒供給装置へ還流させる戻し通路とを有する、請求項１又は２に記載の地盤掘削方法。