地盤凍結工法とは?氷の壁で水を止める

地面を凍らせて、氷の壁で地下水を止める——。

そう聞くと、SFのように感じるかもしれません。けれど東京都下水道局や東京電力は、地下水対策が必要な現場でこの技術を採用しました。

この記事では、仕組み、使われた現場、発注前の確認ポイントを整理します。

地下工事で怖いのは、水そのものだけではありません。水を含んだ砂が流れ込むと、掘削面が崩れます。作業空間も一気に不安定になります。

ポンプで水を抜ける現場ばかりではありません。周りに鉄道、道路、下水道、ガス管があれば、大きく掘り広げにくい。そこで設計者は、掘る場所の周辺だけを冷やす選択肢を持ちます。

狙いはシンプルです。水の通り道を一時的に止め、地盤の崩れも抑える。地下で安全に作業するための時間をつくるわけです。

地盤凍結工法は、地中に凍結管を入れて冷媒を循環させ、土中の水を凍らせて掘削範囲を守る工法です。

凍結管の周りから温度が下がる仕組みです。凍った地盤が、水と土砂の動きを抑えます。冷媒はブラインや液体窒素などです。

ポイントは、凍らせること自体より「つながったか」の確認です。地中では目で見えません。測温管の値、間隙水圧、排水状況などを組み合わせて判断します。

地下水流が速いと、流れる水が熱を運びます。凍結しにくい場所では、凍結管の間隔を狭める、冷却力を上げる、上流側で水の流れを弱める、といった対策が候補です。

• 凍結管地中に入れて、周囲の地盤から熱を奪う管。
• 冷却設備冷媒を低温に保ち、凍結管へ循環させる設備。
• 温度計測凍結の進み具合を確認するための管理項目。
• 維持冷却施工中に凍った状態を保つための運転。

ここが職人技だけでなく、管理技術でもある理由です。

隅田川幹線その3工事

有名な事例の一つが、東京都下水道局の「隅田川幹線その3工事」です。施工者は東急建設株式会社。地下約40mで既設シールドトンネルを拡幅し、新しい幹線を地中で接続しました。

計画凍土量は3,700m³。拡幅部の上には道路や京成電鉄の施設があり、地下には多数の埋設管がありました。地上から大きく開削する選択は取りにくい条件です。

この現場で難しいのは、凍らせた後です。凍結中は凍上、解凍時は沈下を見ます。建設機械施工誌は、地中温度から凍土厚を推定し、三次元モデルで凍土の形を把握する管理を紹介しています。

福島第一原子力発電所の陸側遮水壁

福島第一原子力発電所の陸側遮水壁は、強く記憶に残る大規模事例です。東京電力ホールディングスは、建屋に地下水を近づけない対策として凍土方式を説明しています。日建連の土木賞ページは、施工者を鹿島建設株式会社と記載しています。

規模も特殊です。日建連は延長約1,500m、深さ約30m、計画凍土量約70,000m³の遮水壁と説明しています。鹿島建設の資料では、凍結管1,568本、測温管359本、冷凍機30台という計画概要を確認できます。

ここでは、短期の仮設だけでは済みません。長期運用、地下水流による凍結阻害、既存埋設物、高い放射線量下での施工。通常の地下工事とは違う難しさが重なっています。

石狩湾新港発電所の海底シールド

鹿島建設は、北海道小樽市の石狩湾新港発電所1号機新設工事でも技術発表を出しました。液化CO2を冷媒に使い、海底シールドと既設放水口の接続に適用した事例です。

海底下でシールドマシンとJ字型放水管をつなぐ場面では、止水性と施工精度の両方が問われます。鹿島建設は、従来方式に比べて温室効果ガス排出量を約50%削減できることも確認したと発表しています。

この工法の面白さは、外から壁を運び込まない点です。現場にある土と水を、その場で一時的な構造体に変えます。

ただし魔法ではありません。温度、時間、地下水流が結果を左右します。冷やす範囲が広いほど、計測と維持管理も重くなります。

• 水を敵にしない土の中の水を利用し、地下水の動きを抑える。
• 必要な期間だけ効かせる永久構造物ではなく、施工中の安全を支える。
• 温度で判断する見えない地中を、計測値で管理する。
• 解凍後まで考える沈下や周辺構造物への影響を施工計画に入れる。

意外なのは、凍らせる技術だけで完結しないことです。地下水の勢いを弱めるために薬液注入を併用する場面もあります。冷やす力を上げるだけでなく、水の流れ方そのものを読む技術でもあります。

ここからは、業者を探す発注検討者向けです。工法名だけで候補を選ぶと危うい。次の項目を説明できる会社か確認してください。

「地盤凍結工法」という許可業種はありません。地下土木、地盤改良、掘削、管路、トンネル、仮設工事の文脈で候補を探す方が現実的です。

• 土木一式工事トンネルや立坑を含むなら、まずここから。土木一式工事の会社一覧
• とび・土工・コンクリート工事掘削、土留め、地盤改良、仮設まわりで候補に入る業種です。とび・土工・コンクリート工事の会社一覧
• 管工事地下管路や設備配管が主対象なら、合わせて確認。管工事の会社一覧

迷う場合は、許可業種の見方と建設業許可番号の見方も合わせて見てください。許可情報は候補整理の入口です。実際の経験と体制は、会社ごとに確認します。

特に聞きたいのは、過去に似た条件を扱ったかどうかです。大深度、河川近接、海底下、既設構造物との接続、長期運用では、必要な管理が変わります。

この記事は、公開資料をもとに一般的な考え方を整理したものです。個別工事への適用可否は、地盤調査と施工計画で判断してください。

• 土木研究所地盤凍結工法指針(案)を確認しました。
• 東京都下水道局隅田川幹線工事の技術資料を参照しました。
• 建設機械施工国内最大級!大深度で3,700m³に及ぶ凍結工法で、発注者と施工者を確認しました。
• 東京電力HD凍土方式の陸側遮水壁の設置を確認しました。
• 日建連福島第一原子力発電所陸側遮水壁（凍土壁）で施工者情報を確認しました。
• 日本雪氷学会凍土の知識 人工凍土壁の技術で、地下水流と温度計測の考え方を確認しました。
• 鹿島建設凍土方式 陸側遮水壁工事と液化CO2地盤凍結工法の適用事例を参照しました。