技術論文: ローストフトのガルウィング橋におけるポリマー支持流体を使用した杭建設

Oct 30, 2023

Alex Wallis-Evans と Duncan Nicholson 著、Arup。 ヘンリー・スピンクス＝エッサム、KBインターナショナル、 スティーブン・ヒーニー、クイン・パイリング

ガルウィングは、ローストフトのロシング湖にある全長 350 メートルの新しい横断橋で、目玉となる長さ 39.5 メートルのローリング跳開橋があり、油圧シリンダーを使用して開閉します (図 1 を参照)。 橋床の幅は最大 22 メートルで、両側に歩行者用道路と自転車用道路が組み合わされた 1 つの車道をサポートします。 橋の横断と両側のアプローチ堤防は既存の道路網とつながり、船舶の通行を可能にする既存の橋の短い開通期間に伴う町の交通渋滞を緩和します。

ローリングバスキュールは、油圧シリンダーによって操作されるこの種の可動橋としては世界最大となる。 このプロジェクトのクライアントはサフォーク郡議会で、元請け業者はファランス建設です。 アラップがリードデザイナーです。

ガルウィング構造は、南アプローチ高架橋、北アプローチ高架橋、ローリングバスキュール橋で構成されています (Kanaris、2022)。 橋脚のうち 2 つの橋脚、ピア 4 (P4) とピア 5 (P5) は水上に位置し、直径 1.08 メートルの鉄筋コンクリート回転ボーリング杭で支えられています。 Quinn Piling は杭打ちの専門請負業者であり、このプロジェクトに革新的な合成ポリマー スラリー技術を提供するために KB International を指名しました。

ピア4仮締切の配置図を図2に示します。仮締切は外径1,220mmの鋼管を用いて形成されており、穴あけ杭工事と矢板の仮ケーシングを兼ねています。 コンビウォールチューブは所定の位置に残り、常設の橋脚の一部を形成し、フェンダー保護をサポートします。

ピア 4 の場所の地盤状況は、2019 年の現地調査で得られたボーリング孔の情報から解釈されました。 ボーリング孔 BH02A はピア 4 の位置に完成し、回転ボーリング杭打ち設計のための地盤条件を確立するために使用されました。 図 3 は、BH02A から解釈された層序を示しています。

図 3 には、BH02A の標準侵入テスト (SPT) プロファイルも示しています。 BH02A における低い SPT 結果の一部は、ボーリング孔の掘削中に遭遇した「吹き出す砂」に関連している可能性があります。 その後、地下水の圧力のバランスをとり、ボーリング孔を安定させるために支持流体が使用されました。

設計に採用された土壌特性を表 1 にまとめます。

表 1: 土壌のプロファイルと特性

図 4 は、クラッグ グループのグレーディング曲線を示しており、通常 15% 未満のシルトと粘土、および 5% 未満の砂利を含む均一にグレーディングされた中程度の砂を示しています。 比較のために、ロンドンのクロスレールプロジェクトの一環としてサネットサンドで実施されたテストの公表されたグレーディングもプロットされています（Menkiti 他、2015）。 Lam、Troughton、Jefries、Suckling が 2010 年に報告したように、杭は以前に KB ポリマー支持液を使用してサネットサンドに建設され、荷重試験が実施されました。

ロシング湖はローストフト港の内側にあります。 水位は潮の影響を受け、通常の変動は2m程度です。 岩山グループは海水面と水力的につながっていると考えられています。

大潮や高潮現象（洪水）時には、潮汐範囲が大幅に大きくなることがあります。 ローストフトでは、天文満潮 (HAT) レベルは +1.48mOD と記録されていますが、平均高水湧水 (MHWS) は +1.08mOD です (国立海洋センター (NOC)、2022)。 高潮によって水位が上昇することもあります。 これらの影響を考慮して、杭内の流体レベルを評価するために HAT レベルが使用されています。

踏切の橋脚 4 を支える杭は、ローリングバスキュールが「閉じた」位置にあるときに大きな静的荷重を受け、船舶の通過を可能にするために橋の床版が前後に回転するときに大きな周期的荷重を受けます。 この橋は、120 年の設計寿命を通じて 1 日あたり平均 10 回開口するように設計されています。 したがって、橋脚 4 の杭の設計では、静的荷重条件と周期的荷重条件の両方に対する軸耐力が考慮されています。

設計された桟橋 4 の杭は直径 1,080 mm、先端レベルは -32.5mOD から -62.5mOD の範囲で、岩山グループに埋め込まれています。 この深さまで全長の仮設ケーシングを設置することは現実的ではないため、杭はポリマー支持流体の下で建設される回転式穴あけ鉄筋コンクリート杭として設計されました。 設計では、回転式ボーリング杭の設置に先立って、交互に打ち込まれた鋼管と矢板からなる仮のコンビパイル締切構造を止端深さ -14mOD まで設置することを考慮しました。 (図 1 および 2 を参照)。 鋼管は、回転式ボーリング杭の建設を可能にするケーシングとして機能します。 鋼管の外径は1,220mm、肉厚は25.4mmです。 回転ボーリング杭のコンクリートカットオフレベルは-5.425mODです。

建設試行杭や予備・契約杭載荷試験を実施する予定はなかった。 したがって、建設の品質をチェックするための明確な監視ポイントを備えた杭の建設方法が合意されることが重要でした。 杭の建設プロセスに関してリスク評価が実施され、緩和策が開発されました。 ポリマーの試験体制は、杭打ち方法に関する声明の作成中に合意されました。 ポリマーの性能について推奨される基準は、杭打ち擁壁および埋め込み擁壁に関する ICE 仕様 (Sperw) (土木学会、2016 年) の表 C20.2 の推奨事項に基づいています。

建設リスクの一部を以下に示します。

杭の設計者は、杭の試験結果と同様の地盤条件を持つ他の現場での施工経験を利用して設計を補完しました。 建設リスクを軽減するために、包括的な方法記述が開発されました。 杭打ち手順を確認するために、建設中に詳細な記録を保管することが合意されました。 以前の経験に基づいて、プロジェクト仕様書では、許容される建設期間が Sperw 後の 12 時間から 72 時間に緩和されました (Lam、Troughton、Jeffries、Suckling、2010)。

ボーリング杭を建設するために、仮の鋼床版が直径 610 mm の仮打ち込み鋼杭の各仮締切りの上に設置されました。 Pier 4 のデッキレベルは +3.0mOD でした。 永久鋼管レベルの上限は +2.5mOD でした。 これらの鋼管に一時的なケーシングを取り付けてケーシング レベルの上部を +4.2mOD まで延長し、液面を十分に高く拡張して最小正味液圧を維持できるようにしました。 これには高潮の影響に対する考慮も含まれています。

ポリマーの供給者は、HAT 上で 1.5m の最小正味流体圧力を推奨しました。 掘削バケットの引き抜きを可能にするために、合計 2m の許容範囲が実装されました。 補償タンクは、掘削バケットの引き抜き中および潮の変動中に液体レベルを満杯に保つために使用されました。 補償タンク内の液面を観察することでこれを監視できるようにセットアップが調整されました。 図 3 は、ポリマーセットアップの断面図を示しています。

ボーリング孔 BH02A では砂利サイズのシェル層が確認されたため、KB は浸透を減らすために高いマーシュ ファンネル値を採用しました。 KB ポリマー システムには、浸透性土壌の流れを減らすために使用できる添加剤 (コブルブロックとマグマ ファイバー) が含まれています。 KB は、杭打ち作業員とクライアントの代表者にこれらの添加剤の適切な使用に関するトレーニングを提供し、掘削の最初の 1 週間でポリマーのサンプリングと試験方法についても指導しました。

掘削中にポリマーが砂で汚染される危険性がありました。 これにより、パイルシャフト上に厚いフィルターケーキが蓄積し、パイルシャフトの摩擦が減少する可能性があります。

このリスクを軽減するために、杭の掘削中にポリマーをサンプリングしてテストすることによって砂の含有量を監視し、砂の含有量を 0.5% 以下に維持しました。 同様に、パイルからのポリマーの流出を最小限に抑えるために、マーシュ漏斗の値を 90 秒以上に維持しました。

pHも定期的に記録しました。 砂を沈降させ、懸濁液への砂の撹拌を最小限に抑えるために、ボーリングは非常にゆっくりと実行されました。 プロジェクトの仕様書では、掘削中に砂の含有量が 2% を超えた場合、または杭の許容建設時間を超えた場合に、流体損失テストを実施することが求められていました。 液体損失試験の目的は、これらの条件下でのフィルターケーキの蓄積を評価することでした。

杭の長さは最大 60 メートルで、これは杭を一晩から最大 3 日間開いた状態にしておく必要があることを意味しました。 騒音規制のため、夜間の作業は禁止されていました。 この影響を軽減するために、杭の基部は最終つま先レベルより 2 メートル上に維持され、翌日清掃されました。 液面の低下は一晩定期的に記録され、必要に応じて補充されました。

ケリーバーは全長に近い長さであったため、パイルの長さを増やす機会はほとんどありませんでした。 同様に、杭のレイアウトでは仮締切壁チューブを杭の仮ケーシングとして使用し、仮締切の隅に追加の杭用の予備チューブのみを残しました。 仮締切内に追加の杭をすぐに設置することは困難です。

ピア4は岸から約30mのところにあります。 これは、トレミー コンクリートをトレミー ホッパーにポンプで送り込む必要があることを意味しました。 トレミー コンクリートは、欧州基礎請負業者連合および深部基礎研究所トレミー ガイド (EFFC/DFI、2018) で推奨されているように、バーミキュライト プラグをプラスチック テープで巻いた湿式打設方法を使用して打設されました。

掘削バケットには、掘削中のバケット下の圧力低下を避けるために流体バイパスが付いていました。 最終的なベースの洗浄には、平らなベースの洗浄バケットを使用しました。 掘削バケットには 2 つのドリル穴が開けられ、抽出の最終段階でポリマーが流出できるようにしました。 図 5 は、ガルウィング プロジェクトで使用された掘削および洗浄バケットの例を示しています。 ベース硬度試験は、Sperw に従って直径 100mm × 100mm の鋼板を使用して実施されました。 このプレートは、杭基礎のレベルを記録し、シャフトの崩壊や掘削液中の微細物質の沈降が発生していないかを確認するためにも使用されました。

DMY 社長のジョン・ディン氏が開発した掘削シャフト底部検査装置 (DID) (DMY Inc、2016) を使用して、鋼板に対する校正を目的として、最初の杭の基礎硬度を検査しました。 漏れの問題のため、DID は後続の杭に使用できなかったため、校正を可能にするために収集されたデータが不十分でした。

建設方法が杭コンクリートに重大な異物を生じさせないことを実証するために、最初の 5 つの杭に対して音波検層が指定されました。

図 5: バケツの掘削と洗浄の例

支援流体に関する日常的な現場記録の結果を、桟橋 4 について図 6、7、および 8 にまとめます。

次の点に注意してください。

回転ボーリング杭 P4-7 の建設中に、予期せぬ気象条件により掘削プロセスに遅れが生じました。 これにより、パイルボアはポリマー支持流体の下、-46.5mOD の深さで 10 日間開いたままになった。 杭が開いたままになっていると、汚れた支持液からの砂やシルト粒子が杭シャフトに蓄積して「フィルターケーキ」が形成されることがあります。 これが杭軸減少の主な原因であることが知られています。

フィルタケーキの蓄積は、きれいなポリマー流体と比較してベントナイト掘削流体の方が顕著であり、汚れたポリマーがシャフトの摩擦に及ぼす影響を示す研究はほとんどありません。 したがって、ポリマー流体がボーリングプロセス全体を通して清浄なままであることを示すことが非常に重要でした。 利用可能な杭荷重試験データをレビューすると、一般に杭を開いた期間が 1 日未満であることが示されており、最悪の場合はポリマー支持流体の下で 48 時間開いたままになっています (Lam、Troughton、Jefries および Suckling、2010)、(Lam、 Jefferies と Martin、2014 年)、(Lam、Jeffries、Suckling および Troughton、2015 年)。利用可能なデータが不足しているため、杭の穴が安定に保たれていることを確認し、設計上の仮定を立てることができるように、杭の性能が非常に綿密に監視されました。シャフトの摩擦に影響します。

2 番目の杭である P4-15 も長期間遅れました。 杭は深さ -45.0mOD で 9 日間待機し、P4-7 と同じ観察と現場試験方法が実施されました。

クレイググループを密閉し、予期せぬ液体の損失を防ぐための予防措置として、遅延の開始時に約2kgのコブルブロックとマグマファイバーがP4-7とP4-15に追加されました。

杭内の流体損失率を計算できるように、補償タンク内の流体レベルが頻繁に測定されました。 図 9 は、P4-7 の杭からの流体の累積損失が 10 日間で杭表面 1 平方メートルあたり 12.80 リットルであることを示しています。 P4-15 の体液損失は、9 日間で 11.30 リットル/m2 と記録されています。

流体損失は、P4-7 のポリマーの浸透距離を評価するためにも使用されました。 クラッグ群の空隙率に基づいて、浸透距離は 45mm と計算され、したがって正味の流体圧力動水勾配は急峻であり、杭シャフトのスラッフィングは起こりそうにありません。

頻繁にサンプルが採取され、マーシュ漏斗テストでは、両方のパイルでポリマー粘度が仕様要件の下限である 90 秒をほぼ超えて維持されていることが示されました。 浸透速度を制御し、ボアの安定性を確保するために、粘度を高く (>100 秒) 維持しました。 P4-7 では、総固形分含量は 1% 未満に維持され、懸濁物質の沈降により時間の経過とともに減少することが観察されます。 P4-15 では、砂の含有量がわずかに高く、最大 <1.25% に達しました。 ただし、これは仕様限界内に留まりました。

基礎硬度鋼板を使用して、杭基礎レベルと基礎硬度の測定値を 1 日に複数回測定しました。 P4-7 のベースレベルは変化しませんでした。これは、サイドからのスラッフィングが発生していないことを意味します。 遅延期間中の P4-15 の杭底部の瓦礫レベルの蓄積は、1 日あたり約 33 mm の割合で 120 mm 未満でした。これは、懸濁液から落ちた砂の含有量がわずかに多かったためと考えられます。 シャフトの崩壊を反映するような急激な増加はありませんでした。 これはシャフトが安定していることを示しています。

両方の杭について 100psi で 2 時間の流体損失テストが実施されました。 P4-7 テストで測定された液体損失は 12.5 リットル/m2 で、これは補償タンク内の液体レベルの低下による測定された液体損失 12.80 リットル/m2 に匹敵しました。 P4-15 テストで測定された液体損失は 9.98 リットル/m2 で、これは補償タンク内の液体レベルの低下による測定された液体損失 11.30 リットル/m2 に匹敵しました。 拡張テストが完了したときの濾紙の写真を図 10 に示します。これらは、両方の濾紙にごくわずかな破片の蓄積が見られたことを示しています。 これにより、厚いフィルターケーキがパイル壁に蓄積していないことが安心できました。

P4-7 では、現場でのテストと観察の結果から、シャフト上にフィルターケーキの厚みが薄く蓄積しているだけであり、シャフトの減少の可能性は非常に小さい可能性が高いという確信が得られました。 しかし、シャフトの摩擦を直接測定することはできず、長い開放時間がシャフトの摩擦に及ぼす影響を確認するための公表されたデータもなかったため、保守的なアプローチを採用する必要がありました。 杭シャフトの 50% の劣化は、ケーシング底部 -14.0mOD と立位時の先端深さ -46.5mOD の間で発生したと想定されました。 その結果、設計杭先端は-52.5mODから-62.5mODまで10m延長されました。 杭の延長部分は補強されていませんでした。

P4-15 では、P4-7 に適用された方法に従って、P4-15 に必要な追加の杭の長さは 8.0 m でした。 これにより、つま先レベルは -70.45mOD となりました。 現場のプラントと機器は、修正なしでは先端レベルの -65mOD までしか到達できないため、P4-15 と隣接する 2 つの杭を -65.0mOD のレベルまで延長することが決定されました。

ポリマー技術が急速に進化しており、杭打ちプロジェクトでのポリマーの使用がより一般的になっていることは明らかです。 ただし、業界での使用については依然としてさまざまな意見があります。

ガルウィングでの経験により、粒状の状態で長期間 (10 日以上) 安定した杭穴をかなりの深さまで維持する方法が実証されました。

ポリマー試験の結果は、パイル内の砂の含有量を簡単に非常に低く保つことができ、砂粒子が懸濁液から非常に早く沈降するため、ポリマーを洗浄するためにパイルを一晩放置する必要がないことを示しています。 この結果は、ポンピングによってポリマーの粘度が低下することも示しています。 これは、ダイアフラム ポンプ、ロータリー ローブ ポンプ、ホース ポンプなど、非ニュートンせん断減粘流体用に設計された容積式ポンプを使用することで改善できます。

現在、これらのポンプは入手可能ですが、英国のレンタル市場では利用可能でテスト済みのソリューションが不足しています。 ダイアフラム ポンプも使用できますが、通常、非常に騒音が大きく、適切な流量が得られません。

ポリマーサンプリングからの観察は、Sperw がアドバイスした基準を改善してポリマー流体のより良い性能を保証できることを示しています。 砂の含有量の上限を減らすことができ、マーシュ漏斗時間の上限も増やすことができます。 全固形分試験は、砂含有量が 0.5% 未満の場合に導入する必要があります。

液体損失試験は、Sperw および EFFC/DFI Tremie Guide のポリマーには必要ありません。 ただし、このテストは、ガルウィングで使用されているような非常に薄いフィルターケーキの厚さを評価するために使用できます。

パイル流体損失の測定値は、ポリマー浸透距離の計算に使用できます。 杭ベース上に堆積する破片が非常に少ないことは、杭シャフトが安定していることを示すために使用できます。

アメリカ石油協会 (API) の拡張液体損失テストを使用すると、長期間にわたってフィルターケーキが蓄積しないことがわかります。 フィルターケーキの発達が不足すると、パイルシャフトの摩擦はほとんど減少しません。 しかし、この理論を証明する杭打ち試験データはありません。

ポリマーパイルのパイル開口時間に関する文献をレビューすると、研究には明らかなギャップがあることがわかります。 業界は、長期間放置されたさまざまな材質の杭の杭荷重試験データから恩恵を受ける可能性があります。 これは、フィルターケーキ材料の実験室せん断ボックステストと関連付けられる必要があります。

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