JP2007023656A - 坑道の支保構造体及び支保方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粘土系難透水性材料を劣化させることなく、超長期に亘って遮水性を維持できる廃棄物地下坑道の支保構造体及び支保方法を提供する。
【解決手段】支保構造体は、地下坑道の長手方向に所定間隔でほぼ平行に隣接する複数のＨ型鋼製支保工５を備えており、支保工５は、地下坑道の内側に形成された第１リブ６と、外側に形成された第２リブ７とを備えている。鋼製の板状部材９は、支保工５の第１リブ６に沿って配置されている。板状部材９と地下坑道の壁面との間には、裏込め材として粘土材料１０が充填される。粘土材料１０としては、難透水性材料であるベントナイトや、ベントナイトを顆粒状にした材料等が使用でき、さらにベントナイト及びエタノールを含むスラリーを裏込め充填することも可能である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、廃棄物を埋設処分するための坑道の支保構造体及び支保方法、特に、粘土系難透水性材料を劣化させることなく、超長期に亘って遮水性を維持できる廃棄物地下坑道の支保構造体及び支保方法に関するものである。

廃棄物を埋設処分するための地下坑道では、坑道周囲に地下水が通過することによる毒性物質の漏出を遮水性構造物で防止する必要がある。廃棄物を埋設処分するための地下坑道、特に、放射性廃棄物の埋設処分施設では、埋設する廃棄物を定置する坑道のコンクリート製の支保部材が干年あるいは万年の超長期に亘る経年劣化により透水性の増大を生じ、有害物質の漏出経路となることが懸念されている。

図１３は、支保部材を通過して有害物質が漏洩する地下水流れの例を示す概略図である。図１３において、地中に埋設された坑道群５０は、坑道群５０を繋ぐ連絡坑道５１と共に支保工５２(例えばコンクリート製覆工構造)により保持されている。支保工５２が経年劣化すると、支保工５２を通過して有害物質が矢印で示す地下水経路を経て施設外に漏出する場合がある。

また、図１４に示すように、坑道群５０の経年劣化した支保工５２(例えばコンクリート製覆工構造)を通過して、有害物質を含む地下水が施設を横断する高透水層５３（破砕帯等）に漏出する場合もある。

放射性廃棄物の埋設処分では、廃棄物の周囲を粘土系難透水性材料であるベントナイト系粘土で覆う、或いは坑道内全体を埋め戻すことにより、地下水への漏出を抑制することが考えられている。しかし、セメント系部材をベントナイトの近傍に構築する場合には、干年あるいは万年オーダーの期間で地下水によりセメント成分の溶出が生じて、カルシウム成分あるいは高アルカリ成分によるベントナイトの材質劣化を招き、ベントナイトの超長期の低透水性能を確保できなくなることがわかってきた。

このような懸念を排除するためには、セメントを一切使用しない支保部材が必要であるが、粘土系難透水性材料を劣化させることなく、超長期に亘って遮水性を維持できる支保工はないのが現状である。

特許文献１は、高密度粘土系土質材料から成るセグメントで覆工構造を構成する技術を開示している。具体的には、セグメントを岩盤側が開放された鋼製箱に形成し、その内部に高密度粘土系土質材料を充填して構成し、セグメント構造もしくは放射性廃棄物の地下施設における遮水プラグに適用している。

また、特許文献２は、地下水の短絡経路となる高透水部を改善し、地盤の長期遮水性能を向上させる地盤改良材及び地盤透水係数改良工法を開示している。地盤改良材として、固相にベントナイト、液相にエタノールと水を配合したスラリー材を作成し、ボーリング孔を介してポンプにより地盤改良材を地盤内に加圧注入している。これらの特許文献では、いずれもセメント系材料を使用していない。

特開２００４−１９１７８号公報 特開２００３−９６４５０号公報

しかしながら、特許文献１では、鋼製セグメントを必要とするので、部材の製作コストが比較的高価となり、また、鋼製セグメントを適用する対象が円形断面のトンネルに限定されるという問題点があった。また、特許文献２では、セメント系グラウト工法に代わる粘土系材料のグラウトであるが、廃棄物を埋設処分するための地下坑道における支保工には、そのままでは適用できないという問題点があった。

本発明は、以上のような従来の課題を解決するためになされたものであって、粘土系難透水性材料を劣化させることなく、超長期に亘って遮水性を維持できる廃棄物地下坑道の支保構造体及び支保方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の坑道の支保構造体は、坑道の内壁に沿って湾曲し、かつ坑道の長手方向にほぼ平行に隣接して配置される複数の鋼製支保工と、前記鋼製支保工間に装着される金属製の板状部材と、前記坑道の壁面と前記板状部材との間に充填される粘土材料とを備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の坑道の支保構造体にあっては、粘土材料が少なくともベントナイトを含むことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の坑道の支保構造体にあっては、板状部材がリブ構造を付加した板状部材であることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の坑道の支保構造体にあっては、鋼製支保工が前記粘土材料を充填する開口部を備えていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載の坑道の支保構造体にあっては、鋼製支保工が、掘削する坑道断面形状に合致する形状に予め成型され、折り畳み可能に接合された２つ以上の鋼製部材から成ることを特徴とする。

また、本発明の請求項６に記載の坑道の支保構造体にあっては、鋼製支保工を前記坑道の内壁に沿って設置したときに、前記坑道内壁に支保外力を発揮する閉じたアーチ構造を形成することを特徴とする。

また、本発明の請求項７に記載の坑道の支保方法にあっては、坑道に支保構造体を構築する支保方法であって、掘進した前記坑道の切羽直近に、前記坑道の内壁に沿って湾曲した鋼製支保工を建て込み、切羽直近に建て込んだ前記鋼製支保工と直近の鋼製支保工とを所定の間隔で維持するために固定部材で固定し、前記鋼製支保工間に板状部材を装着し、この板状部材と前記内壁との間に粘土材料を充填することを特徴とする。

また、本発明の請求項８に記載の坑道の支保方法にあっては、粘土材料を充填した後、ベントナイト及びエタノールを含むスラリーをさらに裏込め充填することを特徴とする。

本発明にかかる坑道の支保構造体及び支保方法は、以下の効果を有する。すなわち、
１）セメント系材料を一切使わない支保工を坑道に構築できるため、放射性廃棄物から地下水に漏出することを抑止するために設置される、ベントナイト系人工バリアのセメント成分による性能劣化を生じさせない。
２）鋼製支保工のみでは地下水の坑道内部への湧水を抑制できないが、透水性の小さい粘土材料を鋼製支保工の間に充填するので、坑道湧水量を最小限にできる。
３）粘土系材料にベントナイトのような吸水膨潤性を有する粘土を採用する場合には、岩盤壁面に膨潤圧を発揮する。岩盤からの地圧の一部に相当する反力は金属製板状部材に伝達され、さらには当該板状部材を支持している鋼製支保工に伝達されるので、坑道の壁面全体の地圧に対抗できるシェル状の支保構造を発揮する。
４）千年あるいは万年オーダーの超長期の経年変化によって、鋼製支保工が腐食劣化した場合には、ベントナイトが吸水膨潤してその欠陥部分を埋めるので、支保部材領域の透水性の増大を防止できる。
５）なお、廃棄物の埋設処分施設では、坑道を掘削し、廃棄物を定置した後には、廃棄物周囲と坑道支保工との間の空間を粘土材料等で充填埋め戻しするので、坑道を埋め戻した後の支保工の剛性は喪失しても問題とはならない。坑道壁面に構築した支保工が地下水の卓越する水みちとなることを防止できれば、埋設施設の本来の機能を維持できるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる坑道の支保構造体及び支保方法の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による地下坑道の支保構造体を示す概略図であり、図３は、支保構造体を示す概略斜視図である。これらの図１及び３において、廃棄物を埋設処分するために硬質岩に掘削した地下坑道１内に、支保構造体２が構築されている。硬質岩では岩盤が強く、地圧が比較的小さいので、地下坑道１の上部からの岩盤の落下に対抗できる支保構造体２で地下坑道１の安定性を確保することができる。そのため、図１では、地下坑道１の床面３を除く壁面４に沿って支保構造体２が構築されている。なお、壁面４と支持構造体２との隙間には、必要に応じて木製、金属製或いは合成樹脂製等のパッキン４ａを挿入する。

支保構造体２は、地下坑道１の長手方向に所定間隔でほぼ平行に隣接する複数のＨ型鋼製支保工５（以下、支保工５とする）を備えており、支保工５は、地下坑道１の内側に形成された第１リブ６と、外側に形成された第２リブ７とを備えている。また、支保工５は、ヒンジ８により２つの鋼製部材が結合されて構成されている。

鋼製の板状部材９は、支保工５の第１リブ６に沿って配置されている。板状部材９は、支保工５の第１リブ６に橋渡し状に載せた状態を示しているが、ボルトで固定したり、溶接により固定しても良い。

板状部材９は、図２−１及び図２−２に示すように、断面が凹凸形状である。この他、板状部材９としてはデッキプレートやスキンプレートなど、種々の形状の板状部材を使用することができる。板状部材９と地下坑道１の壁面４との間には、裏込め材として粘土材料１０が充填される。なお、図１では、図を見やすくするために粘土材料１０の図示を省略している。

粘土材料１０は、難透水性材料であるベントナイトや、ベントナイトを顆粒状にした材料、さらにそれらと砂等の骨材を混合した材料等を使用することができる。また、必要に応じて、固相にベントナイト、液相にエタノールと水を配合したスラリー材を地盤改良材として裏込め充填しても良い。

以上のように構成される支保構造体２は、次のようにして地下坑道１内に構築される。地下坑道１内に支保構造体２を構築する場合、まず、地下坑道１先端部の切羽で支保工５の１スパン分相当の掘進をする。次に、掘進した地下坑道１の切羽直近に、壁面４に沿って支保工５を建て込む。

切羽直近に建て込んだ支保工５と直近の支保工５との間を、固定部材である鋼製のタイロッド１１及びつっぱり管１２で固定し、支保工５相互を所定の間隔で維持するように締結する。隣接し合う支保工５内側の第１リブ６に載せる状態で、板状部材９を装着する。次に、板状部材９と岩盤との空間に、粘土材料１０である穎粒状のベントナイトを投入する。

なお、板状部材９と岩盤との空間への穎粒状ベントナイトの充填作業は、切羽側にさらに１基の支保工５を建て込んだ後で実施するので、タイロッド１１の締め付け作業は簡単にできる。こうして、支保構造体２を地下坑道１内に構築できる。粘土材料１０を充填することによって、十分な遮水性を確保することができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、硬質岩に掘削した地下坑道１内に支保構造体２を構築する場合について説明したが、実施の形態２では、軟質岩に掘削した地下坑道１内に支保構造体２を構築する場合について説明する。

軟質岩では岩盤が弱く、地圧が比較的大きいので、岩盤壁面のいたるところに地圧が作用する。したがって、地下坑道１の壁面４だけでなく床面３にも鋼製支保工を設置する必要がある。図４は、この発明の実施の形態２による支保工５Ａを示す概略斜視図である。

支保工５Ａは、地下坑道１の断面形状、すなわち、壁面４及び床面３を含む内壁に合致する形状に予め成型され、ヒンジ８で接合されている２つ以上、図４では４つの鋼製部材から形成されている。なお、支保工５Ａを構成する鋼製部材は、ヒンジ８ではなくボルトや溶接で接合されていても良い。

また、図５に示すように、隣接して配置される支保工５Ａの第１リブ６に沿って、鋼製の板状部材９Ａが配置される。板状部材９Ａは、図６−１及び図６−２に示すように、突出部９Ｂを有する断面形状である。板状部材９Ａと地下坑道１の壁面４との間には、裏込め材として、実施の形態１と同様な粘土材料１０が充填される。

以上のように構成される支保構造体２は、実施の形態１と同様にして地下坑道１内に構築される。まず、地下坑道１先端部の切羽で支保工５Ａの１スパン分相当の掘進をする。次に、掘進した地下坑道１の切羽直近に、壁面４に沿って支保工５Ａを建て込む。切羽直近に建て込んだ支保工５Ａと直近の支保工５Ａとの間に、図３に示す鋼製のタイロッド１１及びつっぱり管１２で固定し、支保工５Ａ相互の間隔が変わらないように締結する。

隣接し合う支保工５Ａ内側の第１リブ６に載せる状態で、板状部材９Ａを装着する。次いで、板状部材９Ａと岩盤との空間に、粘土材料１０である穎粒状のベントナイトを投入することにより、支保構造体２を地下坑道１に構築することができる。

ここで、支保剛性を大きくするために、図７−１に示すＨ型鋼で構成される支保工５又は５Ａを、図７−２に示すように二重に結合して使用しても良い。また、図７−３に示すように、箱形断面を有するように、支保工５又は５Ａに補強部材１３及びＬ型鋼１４を結合した支保工５Ｂを使用することもできる。さらに、図７−４に示すように、支保工５又は５Ａに溝型鋼１５を結合した支保工５Ｃを採用しても良い。

なお、これらの支保工５Ｂ、５Ｃには、実施の形態１で説明した支保工５及び実施の形態２で説明した支保工５Ａを元に、補強部材１３等を別途結合して作製されても良く、或いは、支保工５、５Ａと補強部材１３等とが始めから一体に成形された部材であっても良く、共に支保工５Ｂ、５Ｃとして使用できる。

図８−１は、図７−１に示した支保工５又は５Ａに板状部材９Ａを装着した状態を示す。同様に、図８−２は、図７−３に示した支保工５Ｂに板状部材９Ａを装着した状態、図８−３は、図７−４に示した支保工５Ｃに板状部材９Ａを装着した状態をそれぞれ示している。なお、図８−１〜図９−３では、板状部材９Ａが図５とは逆向きに配置されているが、板状部材９Ａは、どちらの向きに配置されていても良い。

これらの支保工５Ｂ、５Ｃに、粘土材料１０を充填するための開口部１６を複数箇所に設けても良い。この開口部１６によって、支保工５Ｂ、５Ｃの内部空間にも粘土材料１０を容易に充填できる。さらに、粘土材料１０として顆粒状ベントナイトを使用した場合には、一層容易に支保工５Ｂ、５Ｃの内部空間に充填できる。

図９−１は、図７−１に示した支保工５又は５Ａに板状部材９Ａを装着し、粘土材料１０を板状部材９Ａと壁面４との間に充填する状態を示す。同様に、図９−２は、図７−３に示した支保工５Ｂに板状部材９Ａを装着し、粘土材料１０を板状部材９Ａと壁面４との間に充填する状態、図９−３は、図７−４に示した支保工５Ｃに板状部材９Ａを装着し、粘土材料１０を板状部材９Ａと壁面４との間に充填する状態をそれぞれ示している。

粘土材料１０を板状部材９Ａと壁面４との間に充填する際に、支保工５Ｂ、５Ｃにはそれぞれ開口部１６が複数箇所に設けられているため、支保工５Ｂ、５Ｃの内部空間にも容易に粘土材料１０が充填できる。

なお、上述では、支保工５Ｂ、５Ｃに開口部１６を設けた場合について説明したが、図１０−１〜図１０−３に示すように、板状部材９Ａにも粘土材料１０を充填するための吹き込み口１７を設けても良い。吹き込み口１７を設けることによって、壁面４と板状部材９Ａとの間の空間に、容易に粘土材料１０を充填することができる。

さらに、粘土材料１０として顆粒状ベントナイトを使用した場合には、壁面４と板状部材９Ａとの間の空間に、一層容易に顆粒状ベントナイトを充填できる。なお、支保工５Ｂ、５Ｃに開口部１６を設け、板状部材９Ａに吹き込み口１７を設ける場合を説明したが、開口部１６又は吹き込み口１７の何れかを、それぞれ支保工５Ｂ、５Ｃ又は板状部材９Ａに設けても良い。

（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態２と同様に、軟質岩に掘削した地下坑道１内に支保構造体２を構築する場合について説明する。但し、実施の形態３における支保工５Ｄは、折り畳み可能な鋼製部材から構成されていること以外は、実施の形態２と同様である。

図１１及び図１２は、折り畳み可能な支保工５Ｄを示す概略図を示し、図１１は折りたたまれた状態の支保工５Ｄを示し、図１２は展開された状態の支保工５Ｄを示している。これらの図１１及び１２において、支保構造体２を構成する支保工５Ｄは、４つの鋼製部材１８からなり、これらの鋼製部材１８は、折り畳み可能に結合するヒンジ８によって接合されている。なお、支保工５Ｄは、例えばＨ型の断面形状を有している。

以上のように構成される支保構造体２は、次のようにして地下坑道１内に構築される。地下坑道１内に支保構造体２を構築する場合、まず、地下坑道１先端部の切羽で支保工５Ｄの１スパン分相当の掘進をする。次に、掘進した地下坑道１の切羽直近まで、折りたたんだ状態の支保工５Ｄ（図１１参照）を運搬する。支保工５Ｄを切羽直近の支保工設置位置の床面３に仮置きし、折り畳んであった支保工５Ｄを図１２に示すように広げると共に、岩盤の壁面４に密着させる。

次に、建て込んだ支保工５Ｄと直近の支保工５Ｄとの間を締結して、図４に示すように、あばら骨状に並べた支保工５Ｄがずれないようにタイロッド及びつっぱり管等で固定する。隣接し合う支保工５内側の第１リブに載せる状態で、板状部材を装着する。次いで、板状部材と岩盤との空間に、粘土材料として例えば穎粒状のベントナイトを投入する。支保工５Ｄは、図１２に示すように、広げることによってアーチ構造を形成するので、支保剛性は有効に坑道周囲の岩盤の地圧に対抗することができる。

なお、実施の形態３では、粘土材料として顆粒状のベントナイトを投入する場合を説明したが、実施の形態１において説明した他の粘土材料やエタノールを含むスラリー材も同様に使用できる。また、実施の形態２で説明した支保剛性を大きくするための支保工５Ｂ、５Ｃであっても、折り畳み可能な支保工５Ｄの代わりに使用することができる。この場合、支保工５Ｂ、５Ｃには開口部が形成されていても良い。また、板状部材９Ａには吹き込み口１７が設けられていても良い。

さらに、板状部材としては、実施の形態１で説明した板状部材９やその他の板状部材、或いは、実施の形態２で説明した板状部材９Ａも実施の形態３に適用できる。このように、実施の形態１〜３における各構成は、互いに他の実施の形態によっても同様に適用できる。

以上のように、本発明にかかる坑道の支保構造体及び支保方法は、セメント系材料を一切使わない支保工を坑道に構築できるため、放射性廃棄物から地下水に漏出することを抑止するために設置される、ベントナイト系人工バリアのセメント成分による性能劣化を生じさせない。従って、超長期に亘って遮水性を維持できる廃棄物地下坑道の支保工に有用であり、特に、放射性廃棄物の埋設処分施設における支保工に適している。

本発明の実施の形態１による地下坑道の支保構造体を示す概略図である。 板状部材９を示す概略斜視図である。 板状部材９のＡ−Ａ’線に沿った側面図である。 支保構造体を示す概略斜視図である。 この発明の実施の形態２による支保工を示す概略斜視図である。 隣接して配置される支保工の第１リブに沿って、鋼製の板状部材が配置された状態を示す概略断面図である。 板状部材９Ａを示す概略斜視図である。 板状部材９ＡのＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。 支保工５又は５Ａを示す概略断面図である。 支保工５又は５Ａを二重に結合した状態を示す概略断面図である。 支保工５Ｂを示す概略断面図である。 支保工５Ｃを示す概略断面図である。 支保工５又は５Ａに板状部材９Ａを装着した状態を示す概略断面図である。 支保工５Ｂに板状部材９Ａを装着した状態を示す概略断面図である。 支保工５Ｃに板状部材９Ａを装着した状態を示す概略断面図である。 支保工５又は５Ａに板状部材９Ａを装着し、粘土材料１０を充填した状態を示す概略断面図である。 支保工５Ｂに板状部材９Ａを装着し、粘土材料１０を充填した状態を示す概略断面図である。 支保工５Ｃに板状部材９Ａを装着し、粘土材料１０を充填した状態を示す概略断面図である。 板状部材９Ａに吹き込み口１７を設け、粘土材料１０を充填した状態を示す概略断面図である。 板状部材９Ａに吹き込み口１７を設け、粘土材料１０を充填した状態を示す概略断面図である。 板状部材９Ａに吹き込み口１７を設け、粘土材料１０を充填した状態を示す概略断面図である。 折り畳み可能な支保工５Ｄを折り畳んだ状態を示す概略図である。 折り畳み可能な支保工５Ｄを展開した状態を示す概略図である。 支保部材を通過して有害物質が漏洩する地下水流れの例を示す概略図である。 有害物質を含む地下水が高透水層に漏出する状態を示す概略図である。

符号の説明

１ 地下坑道
２ 支保構造体
３ 床面
４ 壁面
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ 支保工
６ 第１リブ
７ 第２リブ
８ ヒンジ
９、９Ａ 板状部材
９Ｂ 突出部
１０ 粘土材料
１１ タイロッド
１２ つっぱり管
１３ 補強部材
１４ Ｌ型鋼
１５ 溝型鋼
１６ 開口部
１７ 吹き込み口
１８ 鋼製部材

Claims (8)

1. 坑道の内壁に沿って湾曲し、かつ坑道の長手方向にほぼ平行に隣接して配置される複数の鋼製支保工と、前記鋼製支保工間に装着される金属製の板状部材と、前記坑道の壁面と前記板状部材との間に充填される粘土材料とを備えることを特徴とする坑道の支保構造体。
2. 前記粘土材料は、少なくともベントナイトを含むことを特徴とする請求項１に記載の坑道の支保構造体。
3. 前記板状部材は、リブ構造を付加した板状部材であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の坑道の支保構造体。
4. 前記鋼製支保工は、前記粘土材料を充填する開口部を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のうち、いずれか１項に記載の坑道の支保構造体。
5. 前記鋼製支保工は、掘削する坑道断面形状に合致する形状に予め成型され、折り畳み可能に接合された２つ以上の鋼製部材から成ることを特徴とする請求項１から請求項４のうち、いずれか１項に記載の坑道の支保構造体。
6. 前記鋼製支保工は、前記坑道の内壁に沿って設置したときに、前記坑道内壁に支保外力を発揮する閉じたアーチ構造を形成することを特徴とする請求項５に記載の坑道の支保構造体。
7. 坑道に支保構造体を構築する支保方法であって、掘進した前記坑道の切羽直近に、前記坑道の内壁に沿って湾曲した鋼製支保工を建て込み、切羽直近に建て込んだ前記鋼製支保工と直近の鋼製支保工とを所定の間隔で維持するために固定部材で固定し、前記鋼製支保工間に板状部材を装着し、この板状部材と前記内壁との間に粘土材料を充填することを特徴とする坑道の支保方法。
8. 前記粘土材料を充填した後、ベントナイト及びエタノールを含むスラリーをさらに裏込め充填することを特徴とする請求項７に記載の坑道の支保方法。

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