凍結工法

【課題】一本の凍結管により凍結される領域を拡大して、凍結作業の効率を向上し、且つ施工費用を抑制することが出来る様な凍結工法の提供。
【解決手段】平板状のフィン（２）を取り付けた断面円形（好ましくは二重管１）の凍結管を改良すべき土壌中に設置する立込み工程と、凍結管内に冷媒またはブラインを流過させて凍結管及び平板状のフィン２周辺の土壌を凍結する工程、とを有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟弱地盤を凍結することにより、当該軟弱地盤を改良する凍結工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の凍結工法では、断面円形の凍結管に冷媒を供給或いは循環して、改良するべき土壌を冷却、凍結していた。
しかし、断面円形の凍結管を使用する従来の凍結工法では、一本の凍結管により凍結できる領域の断面積が狭いので、広大な領域を凍結して地盤改良するためには、多数の凍結管を使用して施工する必要がある。
従って、労力が増大し、コストが上昇してしまうという問題を抱えていた。
【０００３】
その他の従来技術として、予め高吸水性材料の水溶液等を改良すべき地盤に注入した後に、当該地盤を凍結するものが存在する（特許文献１参照）。
しかし、かかる技術は凍結面積を小さくして地盤の隆起等を抑制することを目的としており、上述した様な問題を解決するものではない。
【特許文献１】特開平７−７１１８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、一本の凍結管により凍結される領域を拡大して、凍結作業の効率を向上し、且つ施工費用を抑制することが出来る様な凍結工法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の凍結工法は、平板状のフィン（２）を取り付けた断面円形（好ましくは二重管１）の凍結管（１）を改良すべき土壌中に設置する立込み工程(図５〜図６)と、凍結管内に冷媒（ブライン）を流過させて凍結管（１）及び平板状のフィン（２）周辺の土壌を凍結する工程(凍結工程：図７)、とを有することを特徴としている（請求項１：図１、図２、図５〜図７）。
【０００６】
本発明において、前記立込み工程(図５〜図６)では、凍結管（１）及び平板状のフィン（２）の先端部に設けた削孔手段（例えば、両端に切削水ジェット噴射用ノズルを設けたロッド３）により当該凍結管（１）及び平板状のフィン（２）下方の領域を削孔しつつ、削孔された領域に凍結管（１）及び平板状のフィン（２）を降下させているのが好ましい（請求項２：図３、図６）。
【０００７】
或いは本発明において、前記立込み工程は、ボーリング孔（ｈ）を削孔するボーリング孔削孔工程(図１０)と、削孔されたボーリング孔（ｈ）内に掘削手段を有する掘削用ロッド(モニタ７)を挿入する掘削手段挿入工程(図１０及び／、又は図１１)と、掘削用ロッド(モニタ７)を時計方向と反時計方向とに交互に回動し(矢印Ｒ)且つ掘削手段(モニタ７)から切削流体を噴射して掘削用ロッド(モニタ７)を引き上げ(矢印Ｙ４)、以って、凍結管（１）及び平板状のフィン（２）が挿入可能な様に前記ボーリング孔（ｈ）を拡径する拡径工程(図１１〜図１２)と、拡径された前記ボーリング孔（Ｈ）に凍結管（１）及び平板状のフィン（２）を挿入する工程(図１３)、とを有するのが好ましい（請求項３：図１０〜図１３）。
【０００８】
前記平板状のフィン（２）の材質としては、伝熱効率の良さ、及び入手の容易さからアルミニウム系材質が好ましい。ただし、鉄により、前記平板状のフィン（２）を形成しても良い。
なお、冷熱の伝熱効率が良好で、実用に耐え得る程度の強度があれば、種々の物質がフィンの材料として適用可能である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の凍結工法によれば、凍結管（１）に平板状のフィン（２）が取り付けてあるため、凍結管（１）のみならず、平板状のフィン（パネル２）をも介して、改良すべき土壌に冷熱を与えて当該土壌を凍結することが出来る。
すなわち、従来の凍結工法では円管状の凍結管周辺の土壌のみしか凍結されないのに対して、本発明によれば、円管状の凍結管周辺に加えて、平板状のフィン（パネル２）周辺の土壌をも凍結することが出来る。
【００１０】
そして、平板状のフィン（パネル２）からの冷熱により凍結される土壌の分だけ、１本の凍結管（１）で凍結できる範囲が拡大される。その結果、単管式の凍結工法に比較して、施工の際に立込まれる凍結管の本数を減少することが出来るので、施工の労力及びコストを低減することが出来る。
【００１１】
ここで、本発明において、平板状のフィン（２）を設けてはいるが、凍結管（１）自体は通常の管（二重管が好適）であり、その内部が冷媒流路に構成されている。そして、冷媒は、例えば二重管の内側の領域を流過して地上側から地中の領域を流れ、二重管の外側の領域を流れて地上側に戻される。その様に構成すれば、凍結管（１）中の冷媒流路や、平板状のフィン（２）中に、複雑に曲折した冷媒配管を配置する必要が無くなり、冷媒配管（１）が破損する恐れも無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
先ず、図１〜図７を参照して第１実施形態を説明する。
【００１３】
ここで、図１及び図２に基づいて、本発明による当該施工領域の冷却の原理を説明する。
原理を説明するために図１及び図２で表現された凍結装置は、凍結管である二重管１と二重管の外周に固着された平板状フィン（パネル）２とで構成される。
【００１４】
前記凍結管(二重管)１は、外管１１及び内管１２より構成され、外管１１の先端は閉塞１１ａしている。
前記内管１２の先端１２ａは開放しており、前記外管１１の閉塞部１１ａとは所定の隙間１３が確保されるように形成されている。
【００１５】
前記二重管１の先端から所定の範囲にわたって、二重管１の外周部、すなわち、外管１１の外方に、互いに一直線上に離反するように一対の平板状フィン（パネル）２が固着されている。
【００１６】
冷媒は、図１の矢印Ｙ１で示すように、二重管１の図示しない上端部から内管１２内に供給され、内管１２内を下り、二重管先端の前記隙間１３から折り返して、外管１１と内管１２とによって形成された環状隙間１４内を上昇して、地上側に回収されるように構成されている。
【００１７】
ここで、外管１１の外周に平板状フィン２が固着されているので、中央の二重管１の周辺のみならず、平板状のフィン２の周辺にも（冷媒から伝達された）冷熱ｔが伝達され、施工領域を広範囲に亘って効率よく凍結することが出来る。
ここで、図１の符号ｔ１の矢印は平板状のフィン２中に伝達される冷熱及びその伝達方向を示す。
【００１８】
冷媒が最初に内管１２内に供給され、環状隙間１４内を上昇して地上側に戻るのは、環状隙間１４の断面積に比較して内管１２の断面積が小さいため、内管１２内における冷媒の流速は、環状隙間１４内における冷媒の流速よりも速くなる。その結果、冷媒が供給されてから最深部である隙間１３まで到達する時間が短くなり、その間の熱損失を少なくすることが出来るからである。
【００１９】
それに加えて、冷媒が下方に向って流れている際には冷媒中に混在するエアを抜くことが困難であるが、冷媒が上昇している際にエアを抜くのは容易である。そのため、冷媒が下方に向って流れる場合の流速を速くして、冷媒が上昇する際の流速を遅くすれば、冷媒中に混在しているエアが冷媒上昇時に冷媒から分離して上方へ抜け易くなる。そのため、冷媒が下降する際に内管１２内を流れ、冷媒上昇時に環状隙間１４内を流れる様にすれば、冷媒中のエアが効率良く分離されるのである。
【００２０】
平板状フィン２の材質としては、伝熱効率の良さと入手の容易さからアルミ板が好ましい。ただし、平板状フィンを鉄で構成しても良い。鉄であれば、腐食して分解されるので、環境に優しい。
【００２１】
図３及び図４は、第１実施形態に係る掘削機能を具備した当該凍結装置Ａの要部断面図である。
図３及び図４に基づいて、凍結装置Ａの構成を説明する。
図３において、外管１１と内管１２とで構成される二重管１のその外管１１の先端部の底部１１ｂには水平管状部材３が二重管１の中心に対して対称となるように水平に配置され、固着されている。
【００２２】
前記内管１２の先端１２ａは開放しており、前記外管１１の底部１１ａとは所定の隙間１３が確保されるように形成されている。
その内管１２の内周の先端１２ａ部には、その内管１２の内径と同じ外径の連通管４の上端４ａが嵌入されている。
【００２３】
一方、前記外管１１の底部１１ｂと水平管状部材３の固着部には、前記外管１１の底部１１ｂと水平管状部材３の外周を同位置で貫通する貫通孔１１ｃが形成されている。その貫通孔１１ｃの直径は、前記連通管４の外径と同じであり、前記連通管４の下端４ｂが嵌入されている。
従って、図３の状態では、二重管１の外管１１と内管１２及び連通管４とで形成される環状隙間１４の先端部は、閉塞されていて、内管１２の内部は連通管４を介して、前記水平管状部材３に連通するように構成されている。
【００２４】
前記水平管状部材３の左右の両先端で、装置全体の下方には、中心から外側の位置に（１対の）垂直のジェットＪａを噴射する噴射孔３ａが、またその噴射孔３ａの近傍で中心寄りには、噴射ジェットＪｂが中心部を向くように斜めの噴射孔３ｂ(１対)が開口している。
尚、水平管状部材３は円形管でもよいし、四角な角管で構成されていてもよい。
【００２５】
図３では、当該凍結装置Ａによって水平断面が溝状の掘削孔（図示せず)を掘削する状態を示している。
即ち、切削流体である、例えば高圧水が二重管の内管１２に供給され、矢印Ｙ１のように、連通管４を介して水平管状部材３に流入する。
【００２６】
水平管状部材３に流入した高圧水は矢印Ｙ２のように水平管状部材３の左右端部に流過し、前記垂直の噴射孔３ａからは切削水のジェット噴流Ｊａとなって、斜めの噴射孔３ｂからはジェット噴流Ｊｂとなって勢い良く噴射される。以って、平板状のフィン２を取り付けた凍結管(二重管)１の下方の領域を、フィン２及び凍結管１の投影形状に対応して切削する。
【００２７】
図４は、図３で削孔工程が終了した後、冷媒を凍結装置Ａに流過させて、施工領域の地盤を凍結させる際の凍結装置Ａ内の冷媒の流れを示している。
【００２８】
冷媒を流下させるに先立ち、前記連通管４の上端部４ａに、地上側から栓部材(プラグ；ピグ)５を下降させ、その栓部材５によって、閉塞させる。そして、前記連通管４を内管１２の先端内部から下方に押し下げる。
次に、連通管４を下方に押し下げた位置に残存させた状態で、内管１２のみを図３の位置まで引き上げる。その結果、外管１１の底部１１ｂと内管１２の先端部に、隙間１３が形成される。
【００２９】
図４で示す様な状態にすれば、外管１１と内管１２とで形成される環状隙間１４は、上述した隙間１３を経由して、内管１２の内部と連通する。その結果、図４の状態では、冷媒を二重管１中に循環させるための循環経路が形成される。
一方、二重管１の内部と水平管状部材３の管内とは、栓部材５によって、連通を阻止されている。したがって、内管１２を介して地上側から供給される冷媒が、土中に排出されてしまうことが防止される。
【００３０】
上述したように、栓部材５によって二重管１の内部と管状部材３の管内との連通を阻止した後、地上側から、内管１２を経由して冷媒を供給する。供給された冷媒は、図４の矢印Ｙ３のように、隙間１３を介して、（二重管１内の）外管１１と内管１２とで形成される管状隙間１４を流れ、二重管１及び平板状フィン２の周辺における土壌を凍結する。
【００３１】
次に、図５から図７を参照して、第１実施形態による施工の手順を説明する。
図５の削孔工程では、当該凍結装置Ａの前記水平管状部材３の垂直噴射孔３ａ及び斜めの噴射孔３ｂ（何れも図３を参照）から高圧水のジェットＪａ、Ｊｂを噴射しながら下方に向って掘削を進める。この時、当該凍結装置Ａの先端部は、図３で示した状態となっている。
【００３２】
図６のパネル立込み工程（当該凍結装置Ａが、凍結を行うべき箇所に位置している（凍結パネルが立込まれた）状態）では、所定の深さまで掘削した後、冷媒を二重管１中に循環させるべく、冷媒管路の形成作業を行うため、図４で示す様な状態にせしめる。
尚、図示の例では、当該凍結装置Ａの幅寸法は、凡そ２０００ｍｍである。
【００３３】
図７の凍結工程では、図４で説明したように二重管内部に冷媒を供給して周囲の土壌を凍結させる。
即ち、図４の状態で、地上側から内管１２の内部に冷媒を供給すれば、供給された冷媒は二重管の先端の隙間１３（図４）に到達し、そこで折り返して、二重管１の外管１１と内管１２とで形成される環状隙間１４の流路を流過し、平板状のフィン２に冷熱を伝達しつつ、地上側に戻される(図４参照)。
【００３４】
ここで、冷媒が保有する冷熱は、二重管１の周辺だけではなく、平板状のフィン２へも伝達される。そのため、冷媒が環状隙間１４の流路を経て地上側に戻される際に、冷媒が保有する冷熱により、二重管１の周辺土壌のみならず、平板状フィン２周囲の土壌Ｇｆをも凍結される。
【００３５】
上述のように構成されているため、図示の第１実施形態によれば、平板状フィン２を有さない凍結管の周囲部を凍結させる場合に比較して、遥かに広い領域の土壌を凍結させることが出来る。
【００３６】
図８は、図３で示す削孔工程が終了した後、水平管状部材３への流路を遮断する手法について、図４を参照して前述したのとは別の例を示している。すなわち、図４の例では、栓部材５により連通管４を閉塞することにより、冷媒が水平管状部材３へ流入することを防止しているが、図８では、栓部材５を用いること無く、冷媒が水平管状部材３へ流入することを防止するものである。
【００３７】
すなわち、図８において、外管１１の底部１１ｂと水平管状部材３との固着部には開閉弁（自動弁）８が介装されている。ここで、図８の例では連通管４（図３、図４参照）は使用せず、二重管１内部と水平管状部材３内部とが、開閉弁８を介して連通している。そして、当該開閉弁８は、高圧の切削流体が供給されている場合には開弁し、高圧の切削流体が供給されていない場合（例えば、より低圧の冷媒が供給されている場合）には閉弁するように、その開弁圧が設定されている。
【００３８】
図８で示す例では、バネにより（上述した様な）開弁圧に設定されたボール弁８にすることにより、構造が簡単な開閉弁を供給している。
ここで、削孔工程で開閉弁８が開弁している際には、環状隙間部１４から切削流体が地上側へ戻ってしまうのを閉鎖するのが好ましい。その意味で、図９に示すように、開閉弁の弁体８Ａを、内管１２内を摺動するスリーブ状の弁体に構成することも可能である。
【００３９】
図８或いは図９で示す様な構成を具備することにより、削孔工程においては開閉弁８（８Ａ）が開弁して内管１２から水平管状部材３を経由して水平管状部材３先端の噴射孔３ａ、３ｂから切削流体が噴射する。一方、冷媒の供給に切り換えると、開閉弁８（８Ａ）は閉じ、冷媒は水平管状部材３を流れること無く、環状隙間１４から地上側へ還流するように自動的に切り換えられる。
【００４０】
次に、図１０〜図１４を参照して第２実施形態を説明する。
図１〜図７の第１実施形態では、凍結装置Ａに、施工領域の土壌を掘削する機能が具備されていた。すなわち、凍結装置Ａの先端に掘削手段が設けられており、凍結装置の立込みと掘削とが同時に行われている。
【００４１】
これに対して、図１０〜図１４の第２実施形態では、凍結装置には掘削手段が設けられておらず、掘削と凍結装置の立込みとが、別々に行われる。
【００４２】
平板状のフィン２を有する凍結管(二重管)１の構成は、前記原理の説明(図１及び図２)で記載したと同様である。
【００４３】
平板状のフィン２を用いて、一度に広範囲に亘って凍結を行う点では第１実施形態と同様である。
【００４４】
図１０〜図１４を参照して、第２実施形態の施工工程を説明する。第２実施形態で用いる凍結装置には、符号Ｂを付す。
【００４５】
先ず、図１０に示す工程では、ボーリングロッド６を用いてボーリング孔ｈを削孔する。
【００４６】
次に、図１１で示す様に、ボーリングロッド６の先端に設けた切削水噴射機構(モニタ)７の先端から高圧の切削水の噴流ジェットＪを噴射しつつ、ボーリングロッド全体、或いはモニタ７部分を所定の角度で往復回動(揺動；矢印Ｒ)させ（回転ではない）ながら、地上側に引き上げる(矢印Ｙ４)。換言すれば、図１１で示す工程では、切削水ジェットＪを噴射する際に、ボーリングロッド６は回転せずに、所定の角度だけ揺動しながら引き上げられる。その結果、比較的狭い幅寸法の長方形横断面が切削される。
【００４７】
引き上げている最中の状態が図１２に示されている。図１２の工程では、凍結装置Ｂの凍結管１及びフィン２の幅寸法（紙面に垂直な方向の寸法）に対応する幅寸法Ｄ(次の図１３を参照)の領域が掘削される。
【００４８】
図１３の工程では、掘削された領域に、平板状のフィン２を固着させた凍結管(二重管)１を立込む。
【００４９】
図１４の最終工程では、立込み後、凍結管１に冷媒を供給する。前述した第１実施形態と同様に、凍結管１及びフィン２周辺の地盤Ｇｆが凍結される。
【００５０】
図１５及び図１６は、第１実施形態に係る凍結工法により地盤改良するパターン(地上の上方から見た図)を示している。
尚、図１５及び図１６において、符号Ｎは水平管状体の両端部のノズル(噴射孔)部を示している。
【００５１】
図１７及び図１８は第２実施形態に係る凍結工法により地盤改良するパターンを示している。
図１５のパターンと図１７のパターンとが対応、図１６のパターンと図１８のパターンとが対応している。
【００５２】
上述したように、本発明の実施形態の凍結工法によれば、凍結管１に平板状のフィン２が取り付けてあるため、凍結管１のみならず、平板状のフィン（パネル）２をも介して、改良すべき土壌に冷熱を与えて当該土壌を凍結することが出来る。
【００５３】
そのため、単管式の凍結工法（従来技術）に比較して、施工に関する労力を低減することが出来る。
【００５４】
ここで、本発明の実施形態においては、凍結管１に平板状のフィン２を設けており、凍結管１自体は通常の管（二重管が好適）であり、その内部が冷媒流路に構成される。すなわち、本発明によれば、凍結管１中の冷媒流路を曲折する必要が無い。そして、平板中に複雑に曲折した冷媒配管を配置する必要が無いため、冷媒配管１が破損する恐れも無い。
【００５５】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の凍結管による土壌凍結の原理を説明する縦断面図。
【図２】本発明の凍結管による土壌凍結の原理を説明する水平断面図。
【図３】本発明の第１実施形態の凍結管において、掘削工程の作動を説明する要部断面。
【図４】本発明の第１実施形態の凍結管において、凍結工程の作動を説明する要部断面。
【図５】本発明の第１実施形態において、凍結管によって土壌を掘削する掘削工程図。
【図６】本発明の第１実施形態において、凍結管を掘削孔に設置する立込み工程図。
【図７】本発明の第１実施形態において、凍結管中に冷媒を流し、土壌を凍結させる凍結工程図。
【図８】本発明の第１実施形態において、凍結管と水平管状部材との間に開閉弁を介装した例の要部を示す断面図。
【図９】図８で示す開閉弁の別の例を示す断面図。
【図１０】本発明の第２実施形態の削孔工程を示す工程図。
【図１１】本発明の第２実施形態の拡径工程の初期を示す工程図。
【図１２】本発明の第２実施形態の拡径工程の途中状態を示す工程図。
【図１３】本発明の第２実施形態において、凍結管を掘削孔に設置する立込み工程図。
【図１４】本発明の第２実施形態において、凍結管中に冷媒を流し、土壌を凍結させる凍結工程図。
【図１５】第１実施形態に係る凍結工法により地盤改良するパターンを示した水平断面図の一例。
【図１６】第１実施形態に係る凍結工法により地盤改良するパターンを示した水平断面図の他の例。
【図１７】第２実施形態に係る凍結工法により地盤改良するパターンを示した水平断面図の一例。
【図１８】第２実施形態に係る凍結工法により地盤改良するパターンを示した水平断面図の他の例。
【符号の説明】
【００５７】
１・・・凍結管
２・・・平板状のフィン
３・・・水平環状部材
４・・・連通管
５・・・栓部材／プラグ
６・・・ボーリングロッド
７・・・切削水噴射機構／モニタ
１１・・・外管
１２・・・内管
１３・・・隙間
１４・・・環状隙間
Ａ、Ｂ・・・凍結装置
ｈ・・・ボーリング孔

【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状のフィンを取り付けた断面円形の凍結管を改良すべき土壌中に設置する立込み工程と、凍結管内に冷媒を流過させて凍結管及び平板状のフィン周辺の土壌を凍結する工程、とを有することを特徴とする凍結工法。
【請求項２】
前記立込み工程では、凍結管及び平板状のフィンの先端部に設けた削孔手段により当該凍結管及び平板状のフィン下方の領域を削孔しつつ、削孔された領域に凍結管及び平板状のフィンを降下させている請求項１の凍結工法。
【請求項３】
前記立込み工程は、ボーリング孔を削孔するボーリング孔削孔工程と、削孔されたボーリング孔内に掘削手段を有する掘削用ロッドを挿入する掘削手段挿入工程と、掘削用ロッドを時計方向と反時計方向とに交互に回動し且つ掘削手段から切削流体を噴射して掘削用ロッドを引き上げ、以って、凍結管及び平板状のフィンが挿入可能な様に前記ボーリング孔を拡径する拡径工程と、拡径された前記ボーリング孔に凍結管及び平板状のフィンを挿入する工程、とを有する請求項１の凍結工法。

【図１】