JP2007120064A - 低温地下タンク施設の施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温地下タンク施設を効率的に施工でき、全体工期の短縮と工費削減を図る。
【解決手段】貯槽１となる空洞２を掘削するに先立ってその周囲地盤にボーリング孔６を先行施工し、該ボーリング孔に冷媒を循環させることにより周囲地盤を凍結させて先行凍結領域５を形成し、先行凍結領域を維持したままでその内側を掘削して貯槽を施工するとともに、完成させた貯槽に低温流体を貯蔵するまでは先行凍結領域をそのまま維持する。貯槽をトンネル状の空洞として施工して、所定掘進長ずつ段階的に掘進していくこととし、各段階の掘進に際しては、切羽より前方に１掘進分のボーリング孔６を先行施工し、そこから周囲地盤に先行凍結領域５を形成してから掘進を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、地下地盤中に掘削した空洞を低温流体を貯蔵するための貯槽とする低温地下タンク施設の施工方法に関する。

この種の低温地下タンク施設は、地下の安定した地盤（岩盤）中に大規模な空洞を掘削し、その空洞を貯槽（タンク）としてＬＰＧやＬＮＧ、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）等の低温液化ガス、あるいはその他の低温液体や低温気体を貯蔵するための施設であって、空洞の内面に設ける覆工の構造によって特許文献１に示されているような所謂「凍結式」といわれるものと、特許文献２に示されているような所謂「メンブレン式」といわれるものに大別される。

凍結式の低温地下タンク施設は、貯蔵物が極低温であることから貯槽周囲に存する地下水が自ずと凍結してしまって貯槽周囲に安定な凍結領域が形成され、したがって岩盤中に多少の亀裂や間隙があっても貯槽の気密性や液密性が自ずと安定に確保されることが期待できることから、空洞の内面に吹き付けコンクリート程度の簡易な支保を設けるだけに留めるものであって、格別のライニング材や大がかりな覆工を設ける必要がないことから構造が簡略であって建設コストを抑えることができるものであり、ＤＭＥやＬＰＧのように貯蔵温度が−７０°Ｃ程度までの場合には好適に採用可能であるとされている。

メンブレン式の低温地下タンク施設は、ＬＮＧのように貯蔵温度がさらに低温である場合に適用するものとして提案されたもので、貯槽として要求される気密性と液密性をメンブレン材により確保するというものである。この場合、具体的には空洞の内側に覆工コンクリートと断熱材とメンブレン材とによる３層構造の躯体を形成することが一般的であり、したがって凍結式のものに比べて構造が複雑にはなるものの地盤の影響を受け難いものとなるし、凍結式の場合と同様にいずれは貯槽の外側に凍結領域が形成されてそれが二次的なバリアになるとも考えられることから、信頼性や安定性の点ではより有利であるとされている。
特開２００５−１９５１１０号公報 特開平７−５４３６６号公報

ところで、凍結式の低温地下タンク施設は運用後には貯槽周囲に良好な凍結領域が確実に形成されなければならないことから、その施工に際して貯槽としての空洞を掘削する際にもその周囲地盤に常に地下水が飽和状態で存在していることが必要である。すなわち、空洞を掘削するに際してその周囲地盤の地下水位が低下して一時的にでも不飽和状態になってしまうと、その後に地下水位を回復させたたとしても完全な飽和状態に回復させることは困難であり、そのために運用後においても貯槽周囲に良好な凍結領域が形成されないことも想定され、この種の施設に要求される信頼性や安全性の点で問題を残す懸念があるためである。

そのため、凍結式の低温地下タンク施設の施工に際しては、貯槽としての空洞を掘削するに先立ってその上方に大規模な注水ボーリング孔を先行施工し、そこから空洞掘削領域の周囲地盤に対して人工的な地下水涵養としての多量の注水を連続的に行うことによって周囲地盤を常に飽和状態に維持しつつ空洞を掘削する必要があり、そのために多大な手間とコストを要するものであった。

一方、メンブレン式の低温地下タンク施設では、逆に施工途中においては空洞周囲の地下水位を低下させて周囲をドライとして掘削を行う必要がある。すなわち、メンブレン式の場合には地中に掘削した空洞内に覆工としての躯体を施工するのであるが、そのような施工を地下水位以下で地盤中で行うことは、多量の地下水流入が生じるばかりでなく施工途中の覆工材、特にメンブレン材に対して地下水圧が外圧として作用してしまうことから、著しく困難であり事実上不可能である。

したがって、メンブレン式の低温地下タンク施設の施工に際しては、通常の土中工事の場合と同様に周囲地盤から地下水を排水して地下水位を低下させることにより、施工領域をドライとして空洞を掘削し覆工を施工する必要があり、そのためには空洞を掘削するべき領域の下方に集水および排水のための大規模なボーリングを先行施工し、そこから地下水を多量に汲み上げて地下水位を低下させて空洞周囲をドライに維持する必要があり、やはりそのために多大な手間とコストを要するものである。

なお、メンブレン式の場合においても、貯槽完成後に周囲地盤からの排水を中止することによりいずれは地下水位が回復し、したがって運用後には貯槽周囲に凍結領域が形成されることが期待できるが、上述したように周囲地盤が既に不飽和となっていることから必ずしも良好な凍結領域が形成される保証はなく、そのような凍結領域には二次バリアとしての機能を機能を期待できないことも想定されるから、それを見越して覆工の設計を行う必要がある。

また、凍結式、メンブレン式のいずれの場合であっても、貯槽を完成させた後には運用を開始するに先だって液体窒素等によるプレクーリングを行って貯槽自体を低温とし、かつ周囲地盤を凍結させて凍結領域を形成する必要があり、そのためにも多大なコストと長期のプレクーリング期間を要するのである。

さらに、プレクーリングにより周囲地盤が凍結されていく際の挙動は充分に解明されているとはいえず、プレクーリングに起因して生じることが想定される凍結膨張が貯槽に対して悪影響を及ばしたり、凍結膨張により周囲地盤に異常なクラックが生じるような懸念も完全には否定できない。

以上のような事情に鑑み、本発明は、凍結式、メンブレン式の如何を問わず、この種の低温地下タンク施設の施工に際して全体工期を大きく短縮することができるとともに工費削減を図ることができ、かつ構造的な安定性や信頼性も向上させることができる有効適正な施工方法を提供することを目的としている。

本発明は、地下地盤中に掘削した空洞を低温流体を貯蔵するための貯槽とし、該貯槽に貯蔵した低温流体により貯槽の周囲地盤に形成される凍結領域によって貯槽の気密性と液密性を確保する構造の低温地下タンク施設を施工するための施工方法であって、
貯槽を掘削するに先立ってその周囲地盤にボーリング孔を先行施工し、該ボーリング孔に冷媒を循環させることにより該周囲地盤を凍結させて先行凍結領域を形成し、該先行凍結領域を維持したままでその内側を掘削して貯槽を施工するとともに、完成させた貯槽に低温流体を貯蔵するまでは先行凍結領域を維持することを特徴とする。

特に、貯槽をトンネル状の空洞として施工する場合には、地下地盤中を所定掘進長ずつ段階的に掘進していくことでトンネル状の空洞を施工するとともに、各段階の掘進に際しては切羽より前方に先進ボーリング孔を先行施工し、該先進ボーリング孔に冷媒を循環させることにより当段階での掘進領域の周囲地盤を凍結させて先行凍結領域を形成し、該先行凍結領域を維持したままで当段階の掘進を行い、以上の工程を繰り返して貯槽を施工していくとともに、貯槽を全長にわたって完成させて低温流体を貯蔵するまではその周囲の全長にわたって形成した先行凍結領域を維持すれば良い。

本発明によれば、貯槽としての空洞の掘削に先行してその周囲地盤を凍結させて先行凍結領域を形成するので、周囲地盤の地下水の影響を受けることがなく、また周囲の地下水位を低下させて不飽和状態としてしまうこともなく、そのため、従来一般の工法のように周囲地盤に対して敢えて注水を行ったり、逆に周囲地盤から集水し排水するような作業は不要であり、したがって従来においては必要とされていた大規模な注水ボーリング、あるいは集水・排水ボーリングを不要とでき、それにより施工性を大きく向上させることができ、凍結式およびメンブレン式の如何に関わらず低温地下タンク施設の施工に際しての工費削減と工期短縮に大きく寄与することができる。

また、本発明によれば、施工途中に形成した先行凍結領域を運用開始までそのまま維持することにより、運用開始後には先行凍結領域が自ずと本来の凍結領域として機能することになるから、運用開始段階での格別のプレクーリングは不要であり、その分のコストダウンと工期短縮も図ることができる。

さらに、本発明によれば、掘削に先行して形成した安定な先行凍結領域に対して掘削を行い、かつ貯槽を施工した後もその周囲地盤の安定な先行凍結領域を維持してプレクーリングを不要としたことから、従来一般の工法においては懸念される掘削に際しての地盤の緩みや、プレクーリングに起因する地盤の不明解な挙動が生じる余地がなく、それにより貯槽の構造的な健全性や安全性、信頼性を充分に確保することができる。

以下、図１〜図４を参照して本発明の一実施形態を説明する。本実施形態はＬＰＧやＤＭＥ等の低温流体を貯蔵するための凍結式の低温地下タンク施設を施工する場合の適用例である。すなわち、本実施形態における貯槽１は、トンネル状に掘削された馬蹄断面形状の大規模な空洞２により形成されるものであり、上述した従来一般の凍結式の低温地下タンク施設における貯槽と同様に、空洞２の内面にはロックボルト３と吹き付けコンクリート４による簡易な支保のみが形成され、最終的には貯槽１周囲に形成される凍結領域によって貯槽１の気密性と液密性が自ずと確保されるものである。

この種の施設の施工に際して、従来一般の工法においては、貯槽１を完成させた後に運用開始に先立ってプレクーリングを実施することで凍結領域の形成を行うのに対し、本実施形態においては施工途中段階において先行凍結領域５を先行形成してそれをそのまま運用開始まで維持し、その先行凍結領域５を運用後においてはそのまま本来の凍結領域として機能させるようにしている。特に、本実施形態では貯槽１としてのトンネル状の空洞２を所定掘進長（たとえば約十メートル〜数十メートル程度）を１単位として段階的に掘進していくことを基本とするものであり、以下に１掘進長分の工程を具体的に説明する。

「先進ボーリング孔の施工工程」
まず、図１に示すように、施工済みの空洞内から切羽前方に複数（図示例では６本）のボーリング孔６を等間隔、かつトンネル軸線に対しやや外側に傾斜させた状態で放射状に施工する。

「凍結工程」
図２に示すように、ボーリング孔６内に冷媒管７を挿入し、冷媒管７にたとえば液体窒素や液体空気等の冷媒を供給し循環させることにより、各ボーリング孔６の周囲地盤を凍結させ、各ボーリング孔６の周囲にそれぞれ形成される凍結領域が互いに連続して切羽前方にやや先広がりの円筒状の先行凍結領域５が形成されたら、次工程の掘進工程に移行するが、その後も貯槽１全体が完成して運用を開始するまではそのまま凍結工程を継続して先行凍結領域５を安定に維持しておく。

「掘進工程」
図３に示すように、上記凍結工程により形成された円筒状の先行凍結領域５の内側を掘進して空洞２を前方に延長していき、その後方において空洞２の内面にロックボルト３を打設し、吹き付けコンクリート４を施工していく。この掘進工程は、先行して形成されている先行凍結領域５の内側において行われるので、地盤の状況の如何に係わらずその先行凍結領域５により地盤が安定に支持されるし、止水性は完全に確保されて地下水が空洞２内に流入してくることはなく、周囲の地下水位が低下して不飽和状態となることもない。

図４に示すように、１掘進長分の掘進とそこへのロックボルト３の打設、吹き付けコンクリート４の施工が完了したら、次段階の掘進に移行し、再び図１の状態から以上の工程を繰り返して貯槽１を全長にわたって完成させる。

施設全体の施工が完了して運用が可能となったら、完成した貯槽１の周囲には既に先行凍結領域５が形成されているので、従来のようにプレクーリングを行う必要はなく直ちに貯蔵流体を貯蔵して運用を開始すれば良い。それ以降は貯蔵流体によって先行凍結領域５はそのまま維持されあるいはさらに拡大していくが、いずれにしてもそれが本来の凍結領域として機能して貯槽１としての気密性や液密性は安定に確保される。

以上で説明した本実施形態の施工方法によれば、掘進に先行して周囲地盤を凍結して先行凍結領域５を形成するので、周囲地盤の地下水の影響を受けることがなく、また周囲の地下水位を低下させて不飽和状態としてしまうこともなく、そのため、従来一般の凍結式の低温地下タンク施設の施工においては必要とされていた大規模な注水ボーリングによる注水工程を不要とすることができ、それにより施工性を大きく向上させることができ、工費削減と工期短縮に寄与することができる。

また、従来一般の工法では運用開始に先立ってプレクーリングを行う必要があり、そのためのコストと長期のプレクーリング期間が必要であるが、本実施形態の工法によれば施工途中から先行凍結領域５を形成してそれをそのまま運用開始まで維持するので、運用開始段階での格別のプレクーリングは不要であり、その分のコストダウンと工期短縮も図ることができる。

勿論、本実施形態の工法では、従来工法に比べて施工途中での凍結工程にそれなりのコストと期間を必要とするものではあるが、それは注水ボーリングの省略とプレクーリングの省略とで充分に相殺可能であるし、全体的には工費削減と工期短縮を充分に図ることができる。

しかも、本実施形態の工法においては、掘削に先行して形成した安定な先行凍結領域５に対して掘削を行い、かつ空洞２を掘削した後も先行凍結領域５をそのまま維持するので、従来一般の工法のように掘削に際して地盤が緩んだり、その後のプレクーリングの時点で地盤が凍結膨張するといった不明解な挙動によりクラックが生じるといった懸念もなく、その点において貯槽１の周囲地盤の健全性と安全性、信頼性をより確保し易いという利点もある。

以上で本発明の一実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例に過ぎず、本発明は掘削に先行してその周囲に先行凍結領域５を形成してそれを運用開始まで維持するようにすれば良く、その限りにおいて具体的な工程や覆工等の具体的な構造については、施工するべき貯槽１の形態や全体の規模、その他の諸条件を考慮して適宜の設計的変更を行えば良い。たとえば、上記実施形態はトンネル状の空洞２を貯槽１とするものであることから、１掘進長ずつ段階的にボーリング孔６を施工してそこから先行凍結領域５を形成して順次掘進していくという工程を採用したのであるが、仮に比較的小規模の球状やドーム状の空洞を貯槽とするような場合には、空洞掘削に先立ってその周囲全体を凍結させてしまい、その内側全体を一括して掘削するようなことも不可能ではない。勿論、周囲の地盤が掘削しても安定な岩盤であれば、ロックボルトや吹き付けコンクリートを省略できる場合もあり得る。

また、上記実施形態はＬＰＧやＤＭＥを対象とする凍結式の低温地下タンク施設への適用例であるが、本発明は貯蔵流体がＬＮＧ等の場合におけるメンブレン式の低温地下タン施設にも同様に適用することができ、その場合は、上記実施形態の工法におけるロックボルト３の施工と吹き付けコンクリート４の施工に代えて、あるいはそれらに加えて、空洞２の内側に覆工コンクリート、断熱材、メンブレン材からなる３層構造の躯体を施工すれば良い。そして、その場合においても、掘削に先行して形成する先行凍結領域５によって地下水圧が作用したり、地下水流入を防止できるから、従来一般のメンブレン式の場合の工法のように地下水位を低下させてドライにする必要はなく、当然に集水用や排水用のボーリングは不要であり、また、先行凍結領域５はそのまま健全な二次バリアとして支障なく機能するから、メンブレン式の場合においても上記実施形態と全く同様の効果が得られる。

なお、軟弱地盤に対するトンネル工法等の補助工法としての凍結工法は周知であり、そのような従来一般の凍結工法をそのまま本発明において先行凍結領域を形成するための凍結工程として採用することも考えらるが、従来一般のその種の凍結工法はあくまで一時的な遮水効果や地山強度の増強効果を目的としているのに対し、本発明における凍結工程は低温流体の貯蔵のための貯槽に対するプレクーリングを兼ねて周囲地盤を凍結し、かつそのような貯槽に要求される高度の気密性や液密性を確保し、さらには構造的な高度の健全性や安全性、信頼性をも担うことを目的とするものであるから、当然にその実施に当たっては単なる凍結工法の場合よりも綿密かつ厳密計画、設計が不可欠である。

本発明の施工方法の一実施形態を示すもので、１掘進長分の施工領域に先進ボーリング孔を施工した状態を示す図である。 同、先行凍結領域を形成した状態を示す図である。 同、掘進途中の状態を示す図である。 同、次の施工領域に先進ボーリング孔を施工した状態を示す図である。

符号の説明

１ 貯槽
２ 空洞
３ ロックボルト
４ 吹き付けコンクリート
５ 先行凍結領域
６ ボーリング孔
７ 冷媒管

Claims (2)

1. 地下地盤中に掘削した空洞を低温流体を貯蔵するための貯槽とし、該貯槽に貯蔵した低温流体により貯槽の周囲地盤に形成される凍結領域によって貯槽の気密性と液密性を確保する構造の低温地下タンク施設を施工するための施工方法であって、
   貯槽を掘削するに先立ってその周囲地盤にボーリング孔を先行施工し、該ボーリング孔に冷媒を循環させることにより該周囲地盤を凍結させて先行凍結領域を形成し、該先行凍結領域を維持したままでその内側を掘削して貯槽を施工するとともに、完成させた貯槽に低温流体を貯蔵するまでは先行凍結領域を維持することを特徴とする低温地下タンク施設の施工方法。
2. 請求項１記載の低温地下タンク施設の施工方法であって、
   地下地盤中を所定掘進長ずつ段階的に掘進していくことでトンネル状の空洞を施工するとともに、各段階の掘進に際しては切羽より前方に先進ボーリング孔を先行施工し、該先進ボーリング孔に冷媒を循環させることにより当段階での掘進領域の周囲地盤を凍結させて先行凍結領域を形成し、該先行凍結領域を維持したままで当段階の掘進を行い、以上の工程を繰り返して貯槽を施工していくとともに、貯槽を全長にわたって完成させて低温流体を貯蔵するまではその周囲の全長にわたって形成した先行凍結領域を維持することを特徴とする低温地下タンク施設の施工方法。

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