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北陸新幹線のトンネル工事で周辺住宅180棟超に歪みや傾き [地下工法]

北陸新幹線長野-飯山駅間にある高丘トンネル(長野県中野市、延長6944m)の建設工事の影響で、周辺の住宅など少なくとも88世帯182棟にゆがみや傾きなどが生じていたことが1日、市などへの取材で分かった。建設主体の独立行政法人鉄道建設・運輸施設整備支援機構によると、トンネルは平成13年3月着工で24年3月に完成。

市によると、建物に歪みや傾きが出たなどの苦情が住民から機構に寄せられた。機構は26年11月までに、182棟の88世帯に補償したと市に報告。減水や渇水が生じた井戸も14カ所で確認されたという。

補償を受けた中野市の小内八幡神社では、地面が沈下し門の支柱と基礎石の間に隙間ができたり、地面のコンクリートにひびが入ったりした。宮司は「父親の代の事前説明では『全く問題は生じない』とのことだった」と話した。機構は「トンネル工事で建物に影響が及ぶのは珍しいことではない。補償の詳細は住民のプライバシーもあり、明らかにできない」としている。2017.6.1 20:13 産経

筆者は「山留めと山止め」と題するブログを書いたが、要約すれば「山止めは地盤の崩壊を防ぐのが主眼で、山留めには周辺環境に影響を出来うる限り少なくする思いが込められている」と言う事である。従って、上記の報道で機構の担当が「トンネル工事で建物に影響が及ぶのは珍しいことではない」と説明したのに筆者は違和感を覚えたのであった。

トンネル工事は「地山」に孔を開けるのだから、地盤のヤング係数の違いによって「変位」は異なるが、全く影響なく工事をすることは出来ない。しかしながら「周辺環境に影響を出来うる限り少なくする」努力は必要なのである。今回の被害が「修復可能」だったことは不幸中の幸いであるが、はたして機構は努力を怠ったという自責の念はないのだろうか?

先ず施工計画である。どのようなトンネル工法を用いたかであるが、「NATOM工法」か「泥水シールド工法」だと思うが、おそらくNATOM工法であろう。NATOM工法では「切羽:トンネル先端部の地山面」の崩壊を防止するための補助工法が適切であったか、が問題である。ジェットグラウト注入等であるが、十分な本数を計画したのだろうか?

施工の段階では、例えば地下水があった場合、単にトンネル内に流出させたしまったとすると、それに伴い土粒子が入ってくる。水道の土粒子が少しずつ流れ出てくると、空洞が出来、地盤沈下の原因になる。切羽の崩壊にはならない程度の地下水の流入でも、工事期間が長いから沈下の原因になる。それを防ぐには、予めの揚水工法が必要である。

又、新幹線の開業は北陸地方の念願であったから、早期開業は施工担当者の使命であったろう。その為に、十分なジェットグラウト注入を省いたことは無かったか?勿論想定していた地盤より強度があった時は少なくしてもかまわないが、地層は急激に変化する場所があるかもしれない。そうした時の日常観察は十分だったのだろうか?

今回の被害が「修復可能」だったから、大きな問題にはならなかったが、反省すべき点が全くないはずはなく、そのことは是非次への技術的なノウハウにすべく、公開(技術報告)してもらいたいものである。

もっともトンネル工事(インフラ事業)の海外への展開を考えると、あまり公開しない方が良いかもしれないのだが。

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有難うございます

地下工法-逆打工法② [地下工法]

筆者が入社して2つ目の現場であった。地下4階、地上24階建ての事務所ビルであった。敷地はほぼ正方形であったが、地下の一隅に、斜めに地下鉄が横断しており、掘削する形は5角形となっていた。地盤は都内では有数の軟弱な土であり、GL-23mまで掘削して強固な東京礫層に建物が支持される設計であった。

工事の困難さは、不整形な掘削平面(切梁工法が難しい)であること、軟弱な土を23mも掘削すること,近接する地下鉄構造物を変位させてはいけないこと、等であった。しかも、顧客の要求する竣工期日までには27ヶ月しか無く、通常の工期より6ヶ月も短縮する必要があった。このような施工条件に対して,現場所長は本社、支店の技術部署と検討を行い、出した結論が「逆打工法」の採用であった。

地下室がある場合、通常は地下室の底まで掘削を行い、基礎梁から順次鉄筋を組立て,形枠を作りコンクリートを打設する。それに対し、逆打工法では,基礎杭(主に場所打ちコンクリート杭)工事の時に、地下の柱の鉄骨を杭の中に挿入し、地上まで鉄骨を出しておく。その鉄骨柱に鉄骨梁を取り付け、先に1階の床を作るので逆打という。この1階床を作ることによって、その上に掘削用や鉄筋、鉄骨、コンクリート用の重機が載ることが出来,地上部分は鉄骨建て方を行う。

一方,地下部分は1階スラブの開口部を利用して,土砂の掘削や、1階スラブを作った要領で、今度は地下1階のスラブを作っていく。つまり逆打工法では、地下工事と地上工事とを同時に行うことで,大幅な工期短縮が可能となるのである。
逆打工法.jpg

しかし、地下工事と地上工事とを同時に行うには、1階スラブをどのように使用するか、つまり掘削機械を優先するのか、鉄骨搬入車両を優先するかがいつも工程打合せ会議で議論された。又、地下工事は上にスラブがあるために暗く、空気も粉塵まみれであり、逆打工法を嫌う所長もいたのである。

現在の逆打工法では、1階スラブの使用法についてはCADにより、毎日の作業がシュミレーションされ、重機の配置、車両の搬出入を検討して支障が無い事を確認する。又、照明・換気設備が格段と良くなっているし、雨天時にも鉄筋、型枠工事を行う事が出来る。雨天時にも作業できるので「全天候型工法」という言い方もされている。なお掘削工事は残土受け入れ先が休業するので、作業は出来ない。

逆打工法は,本設の躯体を使うことで仮設の作業構台や切梁が不要となるため、結果として省資源となる。このように逆打工法は環境保全にも貢献しており、最近では超高層ビルなどの大規模現場だけでなく、多くの工事現場で採用されている.

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建築の地下工事-地下工法(逆打工法) [地下工法]

「逆打(さかうち)工法」は、切梁の代わりに躯体スラブで山留壁を支持させる工法である。

施工方法は先ず山留壁を施工し、次に基礎杭例えばアースドリルを施工する。鉄筋籠を挿入してから、「構真柱」と呼ばれる本体地下鉄骨をそこに挿入する。仮設の鉄鋼柱でもよい。そして杭のコンクリートを打設する。
3m程度掘削して「構真柱」に本体鉄骨梁を建て方をする。次に1階梁、床の鉄筋、型枠、コンクリートで1階の床が出来上がる。これで山留壁が支持できる。

以下、地下1階の床レベルより2m程度深く掘削して、設計で地下1階の梁が鉄骨鉄筋コンクリートの場合、地下1階の梁鉄骨の建て方を行う。次は又、梁、床の躯体工事である。この繰り返しで掘削、躯体工事を行っていく。

逆打工法のメリットは、1階床が出来ることにより地下工事と並行して地上工事も可能となることである。ただし、併行作業のためには2000m2以上はないとお互いの工事の足を引っ張って生産性が下がってしまう。

地上工事が併行できれば、例えば超高層ビルでは地上工事が工程上の「クリティカル」であるため、大幅な工期短縮が出来ることになる。大変な生産性の向上である。

又、地下工事では1階の床で降雨が防げるため、雨の日でも躯体作業が可能となり、「全天候型工法」となる。躯体工事の生産性向上である。ただし掘削工事では、残土の受け入れ場が休みとなるため雨天では作業できない。

本体の床で山留壁を支えるのは、山留の総合的な安全性が大きくなる。「総合的」と断ったのは床コンクリートの収縮や、「プレロード効果」がないことから、山留壁の微小な変形を抑制することは出来ないからである。しかし切梁工法に比べ、施工中の地震に対しての安全・安心感は大きい。

短所としては、「構真柱」を基礎杭工事に用意する必要があることで、鉄骨の発注が急がれるのである。鉄骨の製作には設計図から施工図を描いて、施工上の問題点を解決する必要がある。

一般にデザイナーは建物外観と共に、1階部分のデザインにより多くの推敲をするものである。工事が進んでいく中でも「設計変更」してより良いデザインにしたい。しかし「逆打工法」では1階の設計の決定が絶対条件である。

以上から、「逆打工法」では建物の基本設計の段階から施工者が関与している場合が多い。従って設計と施工が分離する必要のある公共工事では「逆打工法」は難しい。ただし最近では公共事業でも設計・施工の事業体としての入札も行われるようになった。

逆打工法での地下作業は1階などの床があるため、施工性(生産性)は一般に悪くなる。掘削工事では、残土を揚げる場所(開口)が限定されるので、開口部まで土を横移動させる必要がある。土が軟弱な場合には地盤改良をしてでもブルドーザーの施工性を良くしなければならない。

床スラブで山留壁を支持させるのだが、基礎梁部分の支持方法には2通りの方法がある。一つは山留壁の強度・剛性を上げて(山留壁のコストアップ)支持なしで掘削する方法である。この方法は最も「側圧」の大きな個所で「支保工」をしないという、不合理さからコストアップ要因となる。

もう一つは基礎梁部のスラブを上部の地下スラブのように作る方法である。このためには基礎梁の上端鉄筋を分離して先にスラブと作ることになる。構造的にはあまり感心しないが、「肋(あばら)鉄筋」を増したり、継ぎ目にグラウトするなどの基礎梁に対し処置が必要であろう。

躯体工事での鉄筋の吊り下しは開口部からで、その後の横移動は手作業では大変である。地下に鉄骨梁があるとさらに大変である。その為、キャタピラ式の小型の揚重機が使われ、作業性を確保している。

躯体品質では、通常の施工に比べコンクリートの打継個所が多くなるため、その弱点に対する対策が必要となる。外壁に対しては止水のため「スパンシール」が多く使われており、柱や耐震壁については打継の隙間に対して「グラウト」している。

グラウトの意味は、打ち継部に後から打つコンクリートが「ブリージング」によって、微笑に沈降し、隙間が出来るからである。なお後打ちのコンクリートには上から流し込む通常の方法ではなく、型枠の下部から圧入する方法が取られている。

地下は開口部のみしかないことから、粉塵や排気ガスなどで空気汚染が問題である。十分な換気設備が必要であり、又、適正な照明も事故防止には欠かせない。開口部は掘削面積にもよるが、400~800m2に1か所設けている例が多い。

「逆打工法」は切梁工法に比べ、仮設資材を使わないので省資源(切梁の支柱は滅失する)であり、又、仮設材の搬出入の車両分の排気ガス、燃料がなくなることから環境配慮工法である。



















建築の地下工事-地下工法(地盤アンカー工法) [地下工法]

「地盤アンカー工法」は鋼線を撚って製作する「PS鋼線」を引張り材として使い、山留め壁を支持させる方法である。

施工法は1次掘削後(GL-3m程度)山留め壁の外側に向けて、直径135mmの孔を開けてその中に鋼線を挿入する。鋼線に取り付けたパイプを使って「セメントミルク」を圧入して硬化させ、PC鋼線を地盤に密着させる。セメントミルクが硬化した後、PC鋼線を「腹起し」に金具を使って取り付け、緊張させて固定する。

このように施工された地盤アンカーは、背面地盤が安定している限り山留め壁を支持することが出来る。又、緊張力を加えることによって「プレロード」効果がある。

地盤アンカー工法のメリットは、掘削面積が大きいと掘削底で「パワーショベル」が集めた残土を「作業構台」の上から「クラムシェル」で上げる掘削ではなく、ダンプトラックを掘削面にスロープで下し、「パワーショベル」で残土を直接積み込み掘削効率が良くなる。

又、切梁の解体時の「手待ち」がないことも地盤アンカー工法の大きなメリットである。しかしこれもある程度の敷地面積があって、地盤アンカーの解体(金具、腹起し)と型枠・鉄筋作業の併行作業が可能となることが前提である。掘削効率向上と併行作業には、およそ2000m2の広さが必要である。

敷地が傾斜していると、切梁工法では高い部分の地盤に対する「切梁」の相手側に地盤がないことになる。この様な場合には高い地盤面の山留めとして地盤アンカーは最適となる。

地盤アンカー工法の問題点は、山留め壁背面の地盤の安定性である。地盤が強固であればアンカーの長さは少なくてもよいが、軟弱な地盤の場合には硬い地盤があるところまで深くアンカーしなければならず、コストアップとなってしまう。

アンカーの長さの検討は定着地盤(砂でN値30以上、粘性土では粘着力100kn/m2以上)への長さと、「斜面安定解析」と同じ方法で、種々の「滑り面」の「安全率」を計算して決定する。そのためには地盤調査は不可欠となる。

基本的にアンカーは敷地内にとどめるべきで、従って広い敷地での採用となる。1980年くらいより「除去式地盤アンカー」が開発・実用化されて、アンカー解体時に鋼線を引き抜くことが出来るようになってからは、敷地外の所有者の同意を得て施工が可能となった。



















建築の地下工事-「山留め」と「山止め」 [地下工法]

今まで「山留め」という用語を使ってきたが、直接の説明をしてなかったので、今回解説する。

山留めとは掘削する際に地盤が崩れないよう、安全に掘削するための方法を言う。掘削する方法を「地下工法」として紹介してきたが、概念としては「地下工法」も「山留め」に含まれる。又、その中で「山留め壁」とか「切梁」なども「山留め」に含まれるパーツである。

ところで「山止め」という用語があって、土木で使われており「山留め」と全く同じ意味である。建築でも最初は「山止め」であったが、日本建築学会は標準仕様書の1987年改定時に、「山留め」と改めたのである。これは改定委員長の古藤田喜久雄教授の考えによるものである。

古来より地盤が崩壊することを「山が来る」と言った。山崩れによって土砂が迫ってくる状況を表していると考えられる。「山止め」はこの「山が来る」のを「止める」技術として考えられたのである。トンネル工事などで「山が鳴いている」のを止めるのも同じことである。

「山止め」は崩壊という危機的状況を止めることに対し、建築では市街地での地下工事が多いことから、崩壊を防ぐのは当然のこととして、周辺の道路・家屋への悪影響が出ないようにすることが義務づけられている。

そのためには地盤の変形を出来うる限り少なくすることが求められる。即ち、掘削するに際し周辺の元々の地盤「地山」の状態を保つのである。つまり「山留め」の「山」は「地山」のことなのである。

現代は「環境保全」が人類に課せられた重要な問題である。「環境保全」は温暖化や砂漠化など地球規模のものから、近所の騒音・振動など身近なものまでが対象である。「山留め」と改名したのは古藤田先生の遺言と思われてならない。



















建築の地下工事-地下工法(切梁工法) [地下工法]

「切梁」とは山留壁を支える部材のことで、「広幅」H形鋼シリーズとしてH300~H500まで重仮設業者でリースしている。昭和45年頃からH形鋼の切梁が普及し始めたが、以前はRCで作られた梁で施工に時間がかかった。さらに昔は「尺角」と言って300×300㎜の木材が使われていた。

切梁工法ではまず、地下室外周に「山留壁」を作り、地盤などによるが約3m掘削して、2mの位置に山留壁面に「腹起し」という切梁と同じH形鋼を水平に取り付ける。この腹起しで山留壁を支え、切梁で腹起しを支えるのが「切梁工法」である。

腹起し、切梁作業が施工し易いよう掘削面から1mの高さに取り付けるのである。切梁、腹起しは「ガセットプレート」を使い、応力が大きい個所では高力ボルトで接合する。切張りには油圧ジャッキを途中で挟んでいて、腹起しを押付ける「プレロード」を行う。

「プレロード」は、切梁の接合部の緩みをとる(リース材でH形鋼の接合面にはエンドプレートがあって、このプレート面同士がリース転用で多少の変形が生じているため、隙間が生じる)ことと、山留壁に圧力を加える(生じている側圧に対して、より大きい圧力)ことによって次の掘削時での山留壁の変形を少なくすることが出来る。「プレロード工法」は特許技術であったが、今では切梁工法での必須作業として広く使われている。

プレロードを掛けた後、次の掘削を行う。掘削深さは地下1階であれば、B1床まで掘削し、1m上に次の切梁を施工する。基礎高さが低い場合には2段目の切梁は掛けずに「床付け」面まで掘削できるよう、山留壁の強度・剛性(変形を少なく保つ)を設計する。

切梁段数は少ないほうが工期短縮となるからである。切梁段数を減らすと山留壁のコストは高くなるが、切梁費用が大幅に下がること、工期短縮により経費が下がるのでコストメリットは大きい。

床付けまで行うと次は「杭頭処理」「敷砂利地業」「レベルコンクリート」、基礎の「墨出し」「型枠」「鉄筋」「設備配管」「コンクリート」となる。コンクリートの「養生・硬化」を待って、切梁の解体作業となる。

この作業は危険なため、型枠、鉄筋工は一旦現場を離れることになる。その間約1週間に適当な型枠・鉄筋工の仕事が他にあれば良いが、無ければ「手待ち:生産性低下」となって,その間の幾らかの補償をしなければならない。補償しないとほかの現場に行ってしまい、戻ってくるのに時間を要して工期遅延となってしまう。切梁工法の最大のデメリットといえる。

この「手待ち」を少なくするために切張段数を減らすのが、やはり大きな命題となる。山留壁のSMWでは芯材としてH800×300@600といった大きなH形鋼を使うのも、山留壁の変形をすく案くするとともに、切梁段数を減らして「作業効率:生産性」を上げているのである。

因みにSMWの大きな芯材が沢山入っている(@600mm)のを見た構造設計者は、ほとんどが驚いている。彼らにとってH800の鋼材は立派な建物の「大梁」なのである。大梁は大抵6400㎜間隔なのだ。
















建築の地下工事-地下工法(山留め壁自立工法) [地下工法]

山留め壁自立工法は地下室外周に「山留め壁」を施工し、山留め壁の強度・剛性で側圧(土圧+水圧)に抵抗させて掘削する工法である。「山留め壁」の種類等については別に記述する。

山留め壁の強度・剛性に期待する、と記述したが本来自立工法は地盤が軟弱ではない場合(砂でいえばN値10以上、粘性土では粘着力が30KN/m2以上)に行うべき方法である。先のオープンカット工法でも説明したが、地盤強度だけで自立するような地盤で、しかし敷地に余裕がない場合に、山留め壁を敷地境界いっぱいに施工して掘削する、というのが最も望ましい。

軟弱な地盤では、例えば「ソイルセメント壁工法:SMW工法」に心材のH形鋼を大きくすれば、強度・剛性は高くなるが、自立工法では山留め壁が「移動」するように変形してしまうのである。

これは掘削面下の地盤で山留め壁を「片持ち」支持するが、支持する地盤が軟弱だと地盤自体が変形してしまうのである。なお、支持する側の地盤のことを「受動側」と言い、側圧側を「主動側」と呼ぶ。各々の土圧を「受動土圧」「主動土圧」と言う。

掘削直後はなんとか支えていても、受動側地盤が「クリープ」的に日に日に変形することもある。このような時には掘削後すぐに「敷き砂利地業」を行い、「レベルコンクリート」を150㎜くらい打設すると良い。

又、一般に山留め壁の近くで地上工事の重機を近づけてはならない。特に自立壁の場合、「片持ち」支持のため変形しやすく、いったん変形すると、支持機構が不利になる(同じような例では、「片持ち」形式のガレージの屋根が大雪で曲がってしまうのも、変形により、支持機構が不利になっていくからである)ことから、重機の転倒まで生じることがある。従って、目安として掘削底面から45度の範囲には重機を近づけないよう、管理すべきである。
















建築の地下工事-地下工法(オープンカット工法) [地下工法]

これから数回にわたって、建築の基礎梁や地下室を作る際に掘削する方法について記述する。   
最初は「オープンカット工法」で、これは敷地に余裕がある場合に斜めに掘削する方法である。斜め部分を「法面:のりめん」という。掘削底面に対して法面の角度をどう設定するかは、地盤や掘削深さによって判断する。これを「斜面安定問題」という。

砂地盤では「摩擦力」が大きいと締まった地盤で、崩れにくいので掘削角度を45度までの範囲で行うことが出来る。摩擦係数はμは「内部摩擦角φ」のタンジェントでμ=tan(φ)で表わす。内部摩擦角φ=45°の時、摩擦係数は1となる。斜面の角度が45°の場合、重力は滑る方向と、斜面を押し付ける方向に等しい力にベクトル分解できる。

つまり9.8m/sec2×{sin(45°)=cos(45°)}=9.8×0.707である。摩擦係数が1ならば、滑る力と摩擦力が等しいから、すなわち斜面は安定している。このことから「内部摩擦角のことを以前は「安息角」と呼んだ。

なお「内部摩擦角」は「剪断箱」を使って、上下方向に圧力を段階的に加えて、各段階で水平力を加えて、剪断力を測定する。圧力と剪断力は正比例し、その時の直線の勾配が「内部摩擦角」である。

粘性土の場合は「粘着力」が大きいと固い地盤であり、崩れにくいため法面の勾配を大きくできる。粘着力と掘削深さによるが粘性土では垂直に掘削することが出来る。石の採掘場では、岩盤は固結しているので、垂直に切り取って建材に使われている。

砂と粘土の両方の性質を持った地盤では、内部摩擦角が大きく、粘着力も大きい地盤では、掘削角度を大きくできる。実際の地盤では純粋な砂、粘土は無く、両方の性質を有している。「内部摩擦角」と「粘着力」を調べるには。地盤調査で「シンウォールサンプリング」という乱さない地盤試料を採取して、「三軸圧縮試験」を行う。

「内部摩擦角」と「粘着力」、土の密度、掘削の地上部の積載荷重などから「斜面安定解析」を行って安全性を確認する。安定解析は、斜面がどのように滑るかを想定して、摩擦力、粘着力の抵抗力を計算する。滑り線は通常「円弧」を仮定して、円弧の中心、円弧の半径を様々に変えて計算するので、以前は大型コンピューター(能力は今のPC)で行う必要があったが、今ではPCで簡単にできる。

オープンカット工法は最も安価で早い方法なので、敷地に余裕があれば最初に検討すべき掘削方法である。問題点としては、埋め戻しは30cmづつ「ランマー」や「コンパクター」などで十分「転圧」して行わないと将来地盤沈下が生じる。

又、地下工事が長期に渡る時は、降雨によって法面が崩壊することがあるので、シートやモルタルを吹き付ける「法面養生」が必要である。

地下水がある場合は「ディープウェル」であらかじめ地下水位を下げておくか、法面養生に孔を開けて排水できるような処置が必要となる。流れ落ちた水は「釜場排水」で揚水し、「沈砂水槽」を通して下水に流す。なお、下水を流すには水道局への届け出が必要である。
















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