JP2008019650A - Ground freezing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、地盤を凍結させて地盤の強度を向上させて地盤の崩落を防止し、または遮水性を高めるための地盤の凍結方法に係り、特に、トンネル工事を行う際の地盤の崩落を防止するために好適な地盤の凍結方法に関する。 The present invention relates to a method of freezing the ground to improve the strength of the ground by freezing the ground to prevent the ground from collapsing, or to prevent the ground from collapsing during tunnel construction. It is related with the freezing method of the ground suitable for doing.
シールド掘進機の発進や到達、トンネルからの非開削拡幅、トンネルや立坑の地中接続などを行う際には、地盤を凍結させる地盤凍結工法が用いられることがある。この地盤凍結工法は、たとえば−30℃程度の温度のブラインを地盤に配置された凍結管に循環供給し、地盤を凍結させて凍土を形成するものである。凍土の形成に長時間を要すると、工期の長期化を招くなどの弊害が生じることから、凍土の形成に要する時間(日数)短縮することが求められる。 When starting and reaching a shield machine, non-cutting widening from a tunnel, underground connection of a tunnel or a shaft, etc., a ground freezing method for freezing the ground may be used. In this ground freezing method, for example, brine having a temperature of about −30 ° C. is circulated and supplied to a freezing pipe disposed on the ground, and the ground is frozen to form frozen soil. If it takes a long time to form frozen soil, it will cause adverse effects such as prolonging the construction period. Therefore, it is required to shorten the time (number of days) required to form frozen soil.
地盤を早期に凍結させる方法として、たとえば特開平11−2087号工法に開示された止水方法がある。この止水方法は、パイプルーフ工法などで開削孔から地盤へ管を導入する際に、地下水が開削孔へ漏水するのを防止するものであるが、凍結管内に液体窒素を挿入して、凍結治具の周辺に凍結領域を形成するものである。この止水方法によれば、液体窒素を用いることから、急速に凍結させることができる。 As a method for freezing the ground at an early stage, for example, there is a water stopping method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-2087. This water stop method is to prevent groundwater from leaking into the excavation hole when introducing the pipe from the excavation hole to the ground by pipe roof construction method, etc., but by inserting liquid nitrogen into the freezing pipe, A frozen region is formed around the jig. According to this water stopping method, since liquid nitrogen is used, it can be rapidly frozen.
また、このように液体窒素を地盤に埋設された凍結管に直接導入するのではなく、液化窒素の冷熱をブラインに吸熱させ、または能力の大きな冷凍機で−80℃程度まで冷却し、ブラインを地盤に埋設された凍結管に導入して、地盤を凍結させる方法も考えられる。
しかし、上記特許文献1に開示された止水方法では、凍結管内に液体窒素を導入しているが、液体窒素はたとえば−196℃程度と非常に低い温度まで冷却される。このため、凍結管として、液体窒素の導入に耐えることができる、たとえばステンレス管を用いなければならないという問題があった。
However, in the water stop method disclosed in
さらに、液体窒素の冷熱をブラインに吸熱させて低温化されたブラインを凍結管内に循環させる方法では、ブラインをたとえば−80℃程度の低温まで冷却することが可能であるが、液体窒素の冷熱を吸熱しうるブラインの種類が限定されてしまう。このため、ブラインとして、非常に低温での使用に耐える特殊なものしか使用することができないという問題もあった。 Further, in the method in which the cold heat of liquid nitrogen is absorbed into the brine and the cooled brine is circulated in the freezing tube, the brine can be cooled to a low temperature of about −80 ° C., for example. The kind of brine that can absorb heat is limited. For this reason, only the special thing which can be used at a very low temperature can be used as a brine.
そこで、本発明の課題は、凍結管としてのステンレス管や非常に低温での使用に耐えうる特殊なブラインなどを用いる必要がなく、冷凍機の設備の大型化を招かないようにしながら、地盤を早期に凍結させることができる地盤の凍結方法を提供することにある。 Therefore, the problem of the present invention is that it is not necessary to use a stainless steel tube as a freezing tube or a special brine that can withstand use at a very low temperature. An object of the present invention is to provide a ground freezing method that can be frozen at an early stage.
上記課題を解決した本発明に係る地盤の凍結方法は地盤における凍結対象領域を凍結させる地盤の凍結方法であって、凍結対象領域に配置された凍結管内に対して、圧縮器で圧縮された冷媒を熱交換器に供給し、熱交換器によってブラインと冷媒との間で熱交換してブラインを冷却する冷凍機によって、−60℃〜−35℃の範囲に冷却されたブラインを循環供給して、凍結対象領域を凍結させることを特徴とするものである。 The ground freezing method according to the present invention that has solved the above problems is a ground freezing method for freezing an area to be frozen in the ground, and is a refrigerant compressed by a compressor with respect to the inside of a freezing pipe disposed in the area to be frozen. Is supplied to the heat exchanger, and the brine cooled to the range of −60 ° C. to −35 ° C. is circulated and supplied by the refrigerator that cools the brine by exchanging heat between the brine and the refrigerant by the heat exchanger. The freezing target area is frozen.
本発明に係る地盤の凍結方法においては、−60℃〜−35℃の範囲に冷却されたブラインを凍結対象領域に配置された凍結管内に対して循環供給して地盤を凍結させる。ブラインを−60℃〜−35℃程度の温度に冷却するためであれば、液体窒素などの非常に低温の冷媒を必要としない。また、凍結管としてのステンレス管や非常に低温での使用に耐えうるブラインなどを用いる必要がない。また、−60℃〜−35℃の範囲、特に−60℃〜−50℃の範囲では、従来の地盤凍結方法よりも迅速に地盤を早期に凍結させることができる。 In the ground freezing method according to the present invention, brine cooled to a range of −60 ° C. to −35 ° C. is circulated and supplied to the inside of the freezing pipe disposed in the freezing target region to freeze the ground. If the brine is cooled to a temperature of about −60 ° C. to −35 ° C., a very low temperature refrigerant such as liquid nitrogen is not required. Further, there is no need to use a stainless steel tube as a freezing tube or a brine that can withstand use at a very low temperature. Moreover, in the range of −60 ° C. to −35 ° C., particularly in the range of −60 ° C. to −50 ° C., the ground can be frozen earlier than the conventional ground freezing method.
ここで、圧縮器として、冷媒を二段圧縮する二段式圧縮器が用いられている態様とすることができる。 Here, it can be set as the aspect by which the two-stage type compressor which compresses a refrigerant | coolant two steps is used as a compressor.
このように、圧縮機として二段式圧縮器が用いられていることにより、ブラインを−60℃〜−35℃に冷却するための冷媒を容易に冷却することができる。 Thus, the refrigerant | coolant for cooling a brine to -60 degreeC--35 degreeC can be easily cooled by using the two-stage type compressor as a compressor.
また、冷凍機は、圧縮器から供給される冷媒を熱交換器に膨張させながら供給する膨張弁を備えており、膨張弁として、冷媒の圧縮機への吸入温度と蒸発圧力とを検出し、吸入温度および蒸発圧力に基づいて、開度をリニアに変化させて温度調節を行うリニアバルブを用いる態様とすることができる。 In addition, the refrigerator includes an expansion valve that supplies the refrigerant supplied from the compressor while expanding it to the heat exchanger, and detects an intake temperature and an evaporation pressure of the refrigerant into the compressor as the expansion valve, A linear valve that adjusts the temperature by linearly changing the opening degree based on the suction temperature and the evaporation pressure can be used.
このように、熱交換器に冷媒を供給する膨張弁としてリニアバルブを用いることにより、ブラインを−60℃〜−35℃に冷却するための冷媒を適切に熱交換器に供給することができる。 Thus, by using a linear valve as an expansion valve that supplies the refrigerant to the heat exchanger, the refrigerant for cooling the brine to −60 ° C. to −35 ° C. can be appropriately supplied to the heat exchanger.
さらに、ブラインの粘度が150(mPa・s)以下とされている態様とすることができる。 Furthermore, it can be set as the aspect by which the viscosity of brine is 150 (mPa * s) or less.
このように、粘度が150(mPa・s)以下のブラインを用いることにより、凍結管内にブラインを円滑に供給することができる。 Thus, by using a brine having a viscosity of 150 (mPa · s) or less, the brine can be smoothly supplied into the freezing tube.
また、地盤の凍結方法によって凍結対象領域を凍結させた後、−35℃を超える温度のブラインを凍結対象領域に配置された凍結管内に供給して、凍結地盤の解凍および凍結地盤の過生成を防止する態様とすることができる。 In addition, after freezing the area to be frozen by the freezing method of the ground, a brine having a temperature exceeding −35 ° C. is supplied into the freezing pipe arranged in the area to be frozen, so that the frozen ground is thawed and the frozen ground is overproduced. It can be set as the aspect which prevents.
このように、凍結対象領域を凍結させた後は、凍結対象領域における凍土の過生成を防止することが望まれる。また、凍結対象領域に凍土を形成することによる止水などの役割が済んだ後は、凍土を早期に解凍することが望まれる。このような過生成の防止や凍土の解凍を行うために、本発明では、−35℃を超える温度のブラインを凍結対象領域に配置された凍結管内に供給している。このため、凍結対象領域を高い温度に昇温させることができるので、凍土の過生成を好適に防止することができるとともに、凍土を早期に解凍することができる。なお、凍土を解凍するためには、さらに高い温度、たとえば0℃〜90℃程度の温度のブラインを循環させることが好適である。 Thus, after freezing the freezing target area, it is desired to prevent overproduction of frozen soil in the freezing target area. In addition, it is desirable to thaw frozen soil at an early stage after the role of water stoppage by forming frozen soil in the freezing target region is completed. In order to prevent such over-generation and thaw of frozen soil, in the present invention, brine having a temperature exceeding −35 ° C. is supplied into a freezing tube disposed in the freezing target region. For this reason, since the freezing area can be heated to a high temperature, it is possible to suitably prevent overproduction of frozen soil, and to thaw frozen soil early. In order to thaw the frozen soil, it is preferable to circulate brine having a higher temperature, for example, a temperature of about 0 ° C. to 90 ° C.
本発明に係る地盤の凍結方法によれば、凍結管としてのステンレス管や非常に低温での使用に耐えうる特殊なブラインなどを用いる必要がなく、冷凍機の設備の大型化を招かないようにしながら、地盤を早期に凍結させることができる。 According to the ground freezing method according to the present invention, there is no need to use a stainless steel tube as a freezing tube or a special brine that can be used at a very low temperature, so that the size of the refrigerator equipment is not increased. However, the ground can be frozen at an early stage.
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。本実施形態では、2つのシールドトンネルを接合する際の接合部位における周囲の地盤を凍結させる例について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each embodiment, portions having the same function are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. This embodiment demonstrates the example which freezes the surrounding ground in the junction part at the time of joining two shield tunnels.
図1は、本発明の実施形態に係る凍結方法が適用される第一シールドトンネルと第二シールドトンネルとの接合部位の断面図である。本実施形態では、トンネルの両方向から、第一シールド掘進機1および第二シールド掘進機2によってそれぞれ第一シールドトンネルおよび第二シールドトンネルを掘削し、所定の接合位置において両トンネルを接合する。この両トンネルの接合を行う前段階として、接合部位の周囲における地盤を凍結するものである。地盤を凍結することにより、地盤の強度を高めて地盤の崩落を防止するとともに、止水性を高めるものである。ここで、地盤の凍結装置を説明する前に、第一シールドトンネルおよび第二シールドトンネルを掘削するシールド掘進機について説明する。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a joint portion between a first shield tunnel and a second shield tunnel to which a freezing method according to an embodiment of the present invention is applied. In this embodiment, the
第一シールド掘進機1は、第一外筒部10を備えており、第一外筒部10の前方には第一カッタ装置11が設けられている。第一カッタ装置11は、円盤状をなす第一カッタ部11Aを備えている。第一カッタ部11Aの表面には、複数のビット11Bが取り付けられており、第一カッタ部11Aが回転することにより、ビット11Bによって地山が掘削される。また、第一カッタ部11Aの側縁部には、伸縮スポーク11Cが設けられており、この伸縮スポーク11Cは、第一カッタ部11Aに対してその半径方向に伸縮する。こうして、第一カッタ装置11は、その半径方向に縮径可能とされている。
The
第一カッタ部11Aは、掘削を行っている間は、伸縮スポーク11Cが伸長した状態で、第一外筒部10と同一径とされている。また、伸縮スポーク11Cが収縮したときには、第一カッタ部11Aの径は、第一外筒部10の内径よりも小さくなり、第一カッタ部11Aが第一外筒部10に対して引き込み可能となる。
The
第一カッタ装置11の後方には、第一内筒部12が設けられている。第一内筒部12は、第一外筒部10の内面に沿った外周部を有しており、第一外筒部10の内面に沿って移動可能とされている。第一内筒部12には、隔壁13が設けられており、隔壁13には駆動モータ11Dが設けられており、駆動モータ11Dにより第一カッタ部11Aを回転させている。また、第一内筒部12は、掘削作業中は第一外筒部10に固定されており、第一カッタ装置11は第一外筒部10とともに前後進する。
A first
第一内筒部12には、中折れジャッキ14が取り付けられており、中折れジャッキ14によって、第一外筒部10が中折れ可能とされている。さらに、第一外筒部10には、シールドジャッキ15が取り付けられており、組み立てられたセグメントを押圧する。シールドジャッキ15でセグメントを押圧することにより、このセグメントに反力をとって第一シールド掘進機1が前進する。さらに、第一外筒部10には図示しないエレクタが設けられている。エレクタは、第一カッタ装置11によって形成された孔にセグメントを順次組み立てていく。
A middle folded
また、第一シールド掘進機1には、送泥管16および図示しない排泥管が設けられている。送泥管16および排泥管は、いずれも第一カッタ装置11における第一カッタ部11Aと隔壁13との間に配置されている。送泥管16からは、第一カッタ部11Aと隔壁13との間に高濃度泥水を供給し、第一カッタ部11Aの圧力を高めている。また、排泥管は、第一カッタ部11Aと隔壁13との間における送泥管16から供給された高濃度泥水および掘削された土からなる泥水を排出している。このように、送泥管16からの水の供給量および排泥管からの泥水の排出量により、第一カッタ装置11の圧力を調整している。さらに、第一外筒部10の後端部には、テールシールが設けられている。テールシールは、第一シールド掘進機1の後端部において、セグメントと第一シールド掘進機1との間を止水している。
The
また、第一シールド掘進機1には、図2に示すように、第一止水装置3が設けられている。第一止水装置3は、第一外筒部10に設けられた互いに連通する複数の貼付凍結管31を備えている。この貼付凍結管31に、凍結装置5からブラインが循環供給されて、シールド掘進機1,2の接合部位の地山を凍結する。この凍結装置5の構成については、後に説明する。
Moreover, the
凍結装置5から循環供給されるブラインが貼付凍結管31を流れることにより、第一外筒部10の外側の地山における凍結対象領域Xに含まれる土中水を冷凍させることにより、凍結対象領域Xに凍土(凍結地盤)を形成することができる。また、凍結対象領域Xに凍土が形成された後、貼付凍結管31内を低温のブラインが流れると、凍土が解凍することなく維持される。本実施形態においては、ブラインとしてギ酸カリウム系ブライン(ショーワ社製:コールドブライン)を用いている。
The brine to be circulated and supplied from the freezing device 5 flows through the
さらに第一止水装置3は、図1に示すように、第一内筒部12に設けられた注入管32を有しており、注入管32からは充填剤F1が噴出される。充填剤F1としては、土質系の無機質材料と水とを混合したものなどを用いることができる。また、第一止水装置3は、第一内筒部12の先端に位置するスライドフード12Aに設けられた環状シール部材33を有している。環状シール部材33は、ワイヤブラシからなり、基端部がスライドフード12Aに取り付けられ、先端部が第一外筒部10の内面に接触して、スライドフード12Aと第一外筒部10との間に空間を形成している。
Further, as shown in FIG. 1, the first
第一シールド掘進機1における第一トンネルの掘進時には、この空間に注入管32から噴出された充填剤F1が充填されている。また、第一内筒部12の内面側には、冷却部材34が設けられている。冷却部材34は、スライドフード12Aを介して冷熱を伝達させ、充填剤F1を冷凍可能としている。
When the first tunnel is dug in the
また、第二シールド掘進機2は、第一シールド掘進機1と同一の構成を有しており、第二外筒部20および第二カッタ装置21を備えている。第二カッタ部21Aの後方には、可動内筒部である第二内筒部22が設けられており、第二内筒部22には、隔壁23が設けられている。また、第二内筒部22の後部には、中折れジャッキが取り付けられている。
The
さらに、第二外筒部20の後部にはシールドジャッキ取り付けられており、セグメントを押圧することにより、このセグメントに反力をとって第二シールド掘進機2を前進させる。第二外筒部20における後部上方位置にはエレクタが設けられており、セグメントを順次組み立てる。また、第二シールド掘進機2には、送泥管および排泥管が設けられ、第二カッタ部21Aと隔壁23との間に泥水を供給し、または排出している。第二外筒部20の後部には、テールシールが設けられている。
Further, a shield jack is attached to the rear portion of the second
また、第二シールド掘進機2には、第二止水装置4が設けられている。第二止水装置4は、第一シールド掘進機1に設けられた第一止水装置3と同様、第二内筒部22の先端に位置するスライドフード22Aに設けられた互いに連通する複数の貼付凍結管41を備えている。この第一シールド掘進機1と同様、凍結装置5によって、貼付凍結管41にブラインが循環供給される。その他、第二止水装置4は、第一止水装置3と同様の注入管、環状シール部材、および冷却部材を有している。
The
凍結装置5は、第一シールド掘進機1および第二シールド掘進機2にそれぞれ設けられており、互いに同一の構造をなしている。以下に凍結装置5の構成を第一シールド掘進機1に接続された凍結装置5を参照して説明する。
The freezing device 5 is provided in each of the
図1に示す凍結装置5は、図3に示すように、熱交換器であるブライン冷却器50、コンデンサ55、および冷却塔58を備えている。ブライン冷却器50は、ブライン循環室51および冷媒流通管52を有しており、ブライン循環室51にはブラインが滞留し、冷媒流通管52内には、冷媒が流通している。また、ブライン冷却器50には、膨張弁としてリニアバルブ53が設けられている。さらに、ブライン冷却器50には、冷媒が液体である際の温度を計測する図示しない温度センサおよび冷媒が蒸発して気体となった際の蒸発圧力を計測する図示しない圧力センサが設けられている。温度センサで計測された冷媒温度および圧力センサによって計測された蒸発圧力は、リニアバルブ53に出力される。コンデンサ55は、冷媒循環室56および冷却水流通管57を有しており、冷媒循環室56には気化した冷媒が充満し、冷却水流通管57内には、冷却水が流通している。さらに、冷却塔58には冷却水が滞留している。
The freezing apparatus 5 shown in FIG. 1 includes a
ブライン冷却器50におけるブライン循環室51には、ブライン用配管61が接続されており、このブライン用配管61は、ブラインヘッダ62を介して貼付凍結管31に接続されている。また、ブライン用配管61には、ブライン循環ポンプ63が設けられている。地盤を凍結するブラインは、ブライン循環ポンプ63を作動させることにより、ブライン用配管61を介してブライン循環室51から貼付凍結管31に循環供給される。
A
冷媒流通管52は、ブライン循環室51内に配設されており、冷媒が冷媒流通管52を流通することにより、冷媒流通管52を流通する冷媒とブライン循環室51内におけるブラインとの間で熱交換が行われ、冷媒の冷熱がブラインに伝熱されて、ブラインが冷却される。
The
冷媒流通管52の一端側は、気体冷媒用配管64と接続されており、他端側はリニアバルブ53を介して液体冷媒用配管65と接続されている。気体冷媒用配管64は、コンデンサ55における冷媒循環室56に接続されており、気体冷媒用配管64には、冷凍機圧縮機66が設けられている。また液体冷媒用配管65は、気体冷媒用配管64とは個別にコンデンサ55における冷媒循環室56に接続されている。冷凍機圧縮機66を作動させることにより、冷媒流通管52で気化した冷媒が気体冷媒用配管64を介してコンデンサ55における冷媒循環室56に流通する。冷凍機圧縮機66としては、内部に高段部と低段部が設けられた二段式圧縮構造をなす二段式圧縮機を用いており、冷媒を二段圧縮する。このため、気体となった冷媒をより好適に圧縮することができる。
One end side of the
またコンデンサ55における冷媒流通管52で液化した冷媒が液体冷媒用配管65を流通し、リニアバルブ53を介して冷媒流通管52に供給される。リニアバルブ53は、図示しない温度センサおよび圧力センサで計測された液体の冷媒の温度および気化した冷媒の圧力に基づいて、その開度を調整する。また、コンデンサ55では、冷却水流通管57内に冷却水が流通することにより、気体の状態にある冷媒が冷熱を吸収して液化する。
Further, the refrigerant liquefied in the
また、コンデンサ55における冷却水流通管57には、冷却水用配管67が接続されており、冷却水用配管67は、冷却塔58に接続されている。また、冷却水用配管67には、冷却水循環ポンプ68が設けられている。この冷却水循環ポンプ68を作動させることにより、冷却塔58内の冷却水がコンデンサ55における冷却水流通管57に循環供給される。冷却塔58では、コンデンサ55において冷媒を液化させることによって昇温した冷却水の熱を大気中に放出し、冷却水を冷却する。
A cooling
この凍結装置5では、ブラインとしてギ酸カリウム系ブラインを用いているが、そのほか、表1に示す塩化カルシウム系、グリコール系、アルコール系、塩素系、シリコーン系、フッ素系の各ブラインを用いることもできる。これらのブラインのうち、凝固点が−50℃以下であるものが好適に用いられることから、この観点では塩化カルシウム系以外のブラインが好適となる。 In this freezing apparatus 5, potassium formate-based brine is used as the brine, but in addition, calcium chloride-based, glycol-based, alcohol-based, chlorine-based, silicone-based, and fluorine-based brines shown in Table 1 can also be used. . Among these brines, those having a freezing point of −50 ° C. or less are preferably used, and therefore, a brine other than calcium chloride is suitable from this viewpoint.
また、ブラインを循環させるためにブラインの粘度が150(mPa・s)以下であることが好適な条件となる。この観点ではグリコール系以外のブラインが好適となる。さらに、土木工事などで使用するブラインでは、溶接熱などにより、分解等がないことが要求される。そのため引火性や毒性が生じるなどのブラインは不向きである。この観点からはアルコール系および塩素系のブラインは不向きとなり、また、フッ素系のブラインについては、熱すると有毒ガスを生じる可能性があることから、毒性の観点で好適とはいい難い。したがって、塩化カルシウム系、グリコール系、ギ酸カリウム系が好適となる。 In order to circulate the brine, the viscosity of the brine is preferably 150 (mPa · s) or less. From this point of view, brines other than glycols are suitable. Further, brine used in civil engineering work is required to be free from decomposition due to welding heat or the like. For this reason, brines that cause flammability and toxicity are not suitable. From this point of view, alcohol-based and chlorine-based brines are unsuitable, and fluorine-based brines are not suitable in terms of toxicity because they may generate toxic gases when heated. Therefore, calcium chloride, glycol and potassium formate are preferred.
これらの各条件を踏まえて検討した結果、もっとも好適に用いることができるブラインはギ酸カリウム系ブラインとなる。これらの理由から、本実施形態では、ギ酸カリウム系ブラインを用いているが、表1に示す他のブラインを用いることもできる。特に、フッ素系ブラインについては、−80℃レベルでの使用にも耐えうることから高価となる傾向があることと、毒性を生じえる可能性があるといった観点から不向きとなるが、経済的観点を除いて毒性を生じ得ない状況下での使用を考慮すれば好適に用いることができる。 As a result of studying based on each of these conditions, a brine that can be most suitably used is a potassium formate-based brine. For these reasons, potassium formate-based brine is used in this embodiment, but other brines shown in Table 1 can also be used. In particular, fluorine-based brine is unsuitable from the viewpoint that it can withstand use at a level of −80 ° C. and tends to be expensive, and may cause toxicity. If it considers the use in the condition which cannot produce toxicity except, it can use suitably.
また、従来のブライン冷却器における膨張弁としては、自動バルブを用いるものが多く、このようなブライン冷却器を用いた冷凍装置では、通常、−30℃程度までしかブラインを冷却することができない。これに対して、本実施形態に係るブライン冷却器50では、リニアバルブ53を用いている。リニアバルブ53では、温度センサから出力される冷媒の吸入温度および圧力センサから出力される冷媒の蒸発圧力に基づいてその開度を変化させ、別途温度調節器で設定した過熱度でブライン冷却器50を稼動させることにより、高効率で熱交換を行うようにしている。
In addition, as an expansion valve in a conventional brine cooler, there are many that use an automatic valve, and a refrigeration apparatus using such a brine cooler can usually cool the brine only to about −30 ° C. In contrast, in the
ここで、過熱度とは、冷媒の蒸発温度と圧縮機の吸入温度との温度差のことをいう。過熱度が0となった場合、蒸発器内で冷媒が蒸発しきれていないことを意味し、冷凍機圧縮機66は液圧縮を行うこととなる。冷凍機圧縮機が液圧縮を行うと、冷凍機圧縮機の故障の原因となることから、液圧縮となるのを防止するためには、過熱度が大きく異なるように設定することが要求される。ところが、過熱度を大きく、たとえば15℃程度異なるように設定した場合、コンデンサの能力を十分に発揮することができなくなり、非効率的な運転となってしまう。
Here, the degree of superheat refers to the temperature difference between the evaporation temperature of the refrigerant and the suction temperature of the compressor. When the degree of superheat becomes 0, it means that the refrigerant has not completely evaporated in the evaporator, and the
膨張弁として自動バルブを用いた場合には、常に一定の過熱度で装置を運転させることができないことから、冷凍機圧縮機の損傷を防止するために、過熱度を大きく設定することが要求される。この点、本実施形態では、膨張弁としてリニアバルブ53を用いていることから、過熱度を大きく異ならせることなく、温度設定をすることができる。具体的には、5℃程度の過熱度とすることができる。このため、冷凍機圧縮機の損傷を防止しながら、効率よくコンデンサの能力を発揮させることができるので、−35℃〜−60℃といった温度域まで、ブラインを冷却することができる。したがって、冷凍機の設備の大型化を招かないようにしながら、地盤を早期に凍結させることができる。
When an automatic valve is used as an expansion valve, the device cannot always be operated with a constant degree of superheat, so it is required to set a large degree of superheat to prevent damage to the refrigerator compressor. The In this regard, in the present embodiment, since the
また、LN2(液体窒素)を直接凍結管に流入させる方法では、凍結管としてステンレス管を用いることが要求されるが、本実施形態では、凍結管には−60℃〜−35℃程度のブラインを流入させる。このため、凍結管としてステンレス管など低温脆性が生じない高い金属製のものを要求されることがなく、通常の鋼管を利用することができる。また、−80℃といった非常に低い温度まで低下させるものではないので、冷却設備の簡素なもので済ませることができる。したがって、その分装置の簡素化を図ることができる。 Further, in the method of flowing LN 2 (liquid nitrogen) directly into the freezing tube, it is required to use a stainless steel tube as the freezing tube, but in this embodiment, the freezing tube has a temperature of about −60 ° C. to −35 ° C. Bring in brine. For this reason, an ordinary steel pipe can be used without requiring a high-temperature metal pipe that does not cause low-temperature brittleness, such as a stainless steel pipe. In addition, since the temperature is not lowered to a very low temperature such as -80 ° C., a simple cooling facility can be used. Therefore, the apparatus can be simplified correspondingly.
この点についてさらに説明する。ブラインの温度を低く設定すると、その分地盤を早期に凍結させることができるが、凍結管の耐性が問題となる。鋼管として広く用いられる炭素鋼には、一般に、低温になるほど脆くなるとう性質がある。この性質を裏付けるべく、試験片としてSM490Aを用いて行ったシャルピー試験の一例の結果を図4に示す。図4(a)には、試験片温度と衝撃吸収エネルギーとの関係、図4(b)には試験片温度と脆性破面率との関係を示す。 This point will be further described. If the brine temperature is set low, the ground can be frozen at an early stage, but the resistance of the freezing tube becomes a problem. In general, carbon steel widely used as a steel pipe has a property of becoming brittle as the temperature decreases. FIG. 4 shows the result of an example of the Charpy test performed using SM490A as a test piece to support this property. FIG. 4A shows the relationship between the test piece temperature and impact absorption energy, and FIG. 4B shows the relationship between the test piece temperature and the brittle fracture surface ratio.
図4(a)から分かるように、常温では200J以上の衝撃吸収エネルギーを有する試験片であっても、−80℃を下回る温度となると、衝撃吸収エネルギーは10J以下にまで低下してしまう。また、図4(b)から分かるように、−80℃以下の温度となると、脆性破面率についてもほぼ100%となってしまう。これに対して、−60℃程度であれば、衝撃吸収エネルギーは50J程度を維持するとともに、脆性破面率についても85%程度に抑えることができる。このことから、ブラインの温度が−60℃以上であれば、ステンレス鋼ではなく、通常の炭素鋼などを用いた鋼管を凍結管として利用しても、鋼管の破損を防止することができることが分かる。したがって、ブラインの温度は、−60℃以上で、かつできるだけ低い温度とすることにより、凍結管として通常の鋼管を用いながらも、早期に地盤を凍結させることができる。 As can be seen from FIG. 4 (a), even when the specimen has an impact absorption energy of 200 J or more at room temperature, the impact absorption energy is reduced to 10 J or less when the temperature is lower than −80 ° C. Further, as can be seen from FIG. 4B, when the temperature is -80 ° C. or lower, the brittle fracture surface ratio is almost 100%. On the other hand, when the temperature is about −60 ° C., the impact absorption energy can be maintained at about 50 J, and the brittle fracture surface rate can be suppressed to about 85%. From this, it can be seen that if the temperature of the brine is −60 ° C. or higher, the steel pipe can be prevented from being damaged even if a steel pipe using ordinary carbon steel or the like is used as a freezing pipe instead of stainless steel. . Therefore, by setting the temperature of the brine to −60 ° C. or higher and as low as possible, the ground can be frozen at an early stage while using a normal steel pipe as a freezing pipe.
次に、本実施形態に係る凍結装置を用いた地盤の凍結方法について説明する。 Next, a ground freezing method using the freezing apparatus according to the present embodiment will be described.
本実施形態に係る凍結装置5では、シールドトンネルを接合するに際して地盤の凍結を行うにあたり、ブライン循環ポンプ63を作動させて、ブラインを貼付凍結管31に対して循環供給する。ブライン循環ポンプ63によって循環させられるブラインは、ブライン冷却器50を通過する。これと同時に、冷凍機圧縮機66を作動させて、冷媒をブライン冷却器50に供給する。
In the freezing device 5 according to the present embodiment, when the ground is frozen when joining the shield tunnel, the
ブライン冷却器50では、冷凍機圧縮機66によって供給される冷媒とブライン循環ポンプ63によって供給されるブラインとの間で熱交換が行われる。この熱交換によって、冷媒がブラインから吸熱し、冷媒が吸熱した熱で気化するとともに、ブラインが冷却される。この熱交換により、ブラインは−60℃〜−50℃程度に冷却される。
In the
こうして、冷却された低温となったブラインは、ブライン用配管61を介して貼付凍結管31に循環供給される。貼付凍結管31に低温のブラインが循環供給されることにより、シールド掘進機1,2の接合部における周囲の地山の熱がブラインに吸熱され、ブラインの温度が上昇するとともに、地山が凍結させられる。温度が上昇したブラインは、ブライン用配管61を介してブライン冷却器50へと流入する。また、ブライン冷却器50において気化した冷媒は、気体冷媒用配管64を介してコンデンサ55に送られる。
The cooled low-temperature brine is circulated and supplied to the
コンデンサ55には、冷却水循環ポンプ68に作動によって、冷却水が循環供給されている。コンデンサ55では、冷却水と気化した冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒が冷却されて、液化する。この液化した冷媒がブライン冷却器50に循環供給されて、ブラインを冷却する。
Cooling water is circulated and supplied to the
本実施形態においては、地山を凍結して凍土を造成する際に、ブラインの温度を−60℃〜−35℃、さらに好ましくは−60℃〜−50℃に範囲としている。従来、ブラインを用いた凍土の造成では、ブラインを−30℃〜−25℃程度としていたのに対して、本実施形態では、この温度よりも低温である、たとえば−60℃〜−50℃で凍土を造成している。このように、低温のブラインで凍土を造成することにより、凍土を迅速に造成することができるとともに、凍結膨張の発生を抑制することができる。また、低温で凍土を造成することができ、さらには地下流水による凍土成長阻害の影響を小さくすることができる。 In this embodiment, when freezing natural ground and creating frozen soil, the temperature of the brine is in the range of −60 ° C. to −35 ° C., more preferably in the range of −60 ° C. to −50 ° C. Conventionally, in the creation of frozen soil using brine, the brine was set to about −30 ° C. to −25 ° C., but in this embodiment, the temperature is lower than this temperature, for example, −60 ° C. to −50 ° C. Frozen soil is being created. Thus, by creating frozen soil with low-temperature brine, it is possible to quickly create frozen soil and to suppress the occurrence of freezing expansion. In addition, it is possible to create frozen soil at a low temperature, and furthermore, the influence of the inhibition of frozen soil growth by the groundwater can be reduced.
また、本実施形態では、シールドトンネルを接合する間は凍土を維持し、接合作業終了後は凍土を解凍させる。また、凍土を維持している間でも、必要以上の凍土厚は要求されず、凍土厚が大きくなりすぎると、逆に環境に対して悪影響を与えることが懸念される。そこで、地盤にブラインを循環させて所定の厚さまで凍土を成長させた後、凍土の過生成を防止すべく、このときのブラインの温度よりも高い温度、具体的に−35℃を超える温度に調整されたブラインを凍土に循環供給する。このように、所定の厚さの凍土が形成された後は、温度の高いブラインを循環供給することにより、凍土の過度の成長を抑制するとともに、凍土の解凍を防止することができる。 In this embodiment, the frozen soil is maintained while the shield tunnel is joined, and the frozen soil is thawed after the joining work is completed. In addition, while maintaining frozen soil, an excessively thick frozen soil thickness is not required, and if the frozen soil thickness becomes too large, there is a concern that it adversely affects the environment. Therefore, after circulating brine on the ground to grow frozen soil to a predetermined thickness, in order to prevent overproduction of frozen soil, the temperature is higher than the brine temperature at this time, specifically to a temperature exceeding -35 ° C. Circulate the adjusted brine to the frozen soil. As described above, after the frozen soil having a predetermined thickness is formed, the brine having a high temperature is circulated and supplied, thereby suppressing the excessive growth of the frozen soil and preventing the frozen soil from being thawed.
さらに、シールドトンネルの結合が終了し、凍土の利用が済んだら、さらに高い温度、たとえば0℃〜30℃程度のブラインを凍結対象領域に循環させることにより、凍土を解凍することができる。また、さらに高い温度、たとえば90℃程度のブラインを地盤に循環供給することにより、凍土を早期に解凍することができる。このとき、ブライン冷却器50を用いてブラインの温度調整を行っているので、ブライン冷却器50に供給する冷媒の供給量などを調整することにより、ブラインの温度の調整を容易に行うことができる。あるいは、電気式のヒータによりブラインを加熱することもできる。
Furthermore, after the shield tunnels are combined and the frozen soil is used, the frozen soil can be thawed by circulating a brine at a higher temperature, for example, about 0 ° C. to 30 ° C., to the region to be frozen. Moreover, frozen soil can be thawed at an early stage by circulating and supplying brine at a higher temperature, for example, about 90 ° C., to the ground. At this time, since the brine temperature is adjusted using the
次に、ブラインの温度と造成される凍土の厚さとの関係について本発明者らが行った数値解析(数値シミュレーション)の結果について説明する。その結果を図5および表2に示す。数値解析は、地盤の容積含水率を60%、地盤温度を20℃にそれぞれ設定し、ブラインを−30℃、−50℃、−60℃、−90℃にそれぞれ調整し、凍結対象地盤に供給してその凍結半径を予測した。このシミュレーションでは、図5に破線で示す片側凍土厚0.4m未満については単管理論に基づき、0.4m以上では管列理論に基づきそれぞれシミュレーションを行った。 Next, the results of numerical analysis (numerical simulation) performed by the present inventors on the relationship between the temperature of the brine and the thickness of the frozen soil to be created will be described. The results are shown in FIG. In the numerical analysis, the volumetric water content of the ground is set to 60%, the ground temperature is set to 20 ° C., and the brine is adjusted to −30 ° C., −50 ° C., −60 ° C., and −90 ° C. The freezing radius was predicted. In this simulation, the simulation was performed based on the single control theory when the thickness of one-sided frozen soil shown by a broken line in FIG.
図5および表2から分かるように、−30℃のブラインを用いた場合には、1.5mの凍土を形成するための凍土造成期間に68日の期間を要したのに対して、−50℃のブラインでは39日、−60℃のブラインでは、33日、−80℃のブラインでは25日の期間を要した。この結果から、ブラインの温度が低いほど凍土造成期間が短くて済むことが分かる。それとともに、−30℃のブラインを用いた場合には、−50℃のブラインを用いる場合よりも29日も長期間がかかる一方、−50℃のブラインを用いた場合には、−80℃のブラインを用いた場合よりも14日ほどしか長くかかる期間がない結果となった。さらに−60℃のブラインを用いた場合には、−80℃のブラインを用いた場合よりもわずか8日ほどしか長くかかる期間がない結果となった。 As can be seen from FIG. 5 and Table 2, when −30 ° C. brine was used, the period of 68 days was required for the frozen soil formation period to form 1.5 m of frozen soil, whereas −50 It took 39 days for the brine at 0 ° C, 33 days for the -60 ° C brine, and 25 days for the -80 ° C brine. From this result, it can be seen that the lower the temperature of the brine, the shorter the frozen soil preparation period is. At the same time, when -30 ° C brine is used, it takes 29 days longer than when -50 ° C brine is used, whereas when -50 ° C brine is used, it takes -80 ° C brine. The result was that there was a period that took only about 14 days longer than when using brine. Furthermore, when -60 ° C brine was used, there was a period that took only 8 days longer than when -80 ° C brine was used.
その一方で、−80℃まで低温化されたブラインを地盤に供給するためには、凍結管としてステンレス管などの非常な低温に耐えることができる管を用いなければならないなどの制約が生じていた。この点、−60℃〜−35℃程度であれば、上記のシャルピー試験で鋼管を用いたSM490AやSGP(スチールガスパイプ、配管用炭素鋼管)などの通常の鋼管を用いることができる。 On the other hand, in order to supply brine cooled to −80 ° C. to the ground, there has been a restriction that a tube that can withstand extremely low temperatures such as a stainless steel tube must be used as a freezing tube. . If it is about this point and about -60 degreeC--35 degreeC, normal steel pipes, such as SM490A and SGP (steel gas pipe, carbon steel pipe for piping) which used the steel pipe by said Charpy test, can be used.
また、ブラインを−80℃程度にまで冷却するためには、大型設備となる二元式冷凍機や冷媒として液化窒素を用いるなど、設備負担が強いられることとなるが、−60℃〜−35℃程度にまで冷却するのであれば、簡素な二段式圧縮器冷凍機で十分に対応することができる。このため、冷凍機の設備の大型化を招かないようにすることができる。 Further, in order to cool the brine to about −80 ° C., the equipment burden is imposed such as using a binary refrigerator as a large facility or using liquefied nitrogen as a refrigerant, but −60 ° C. to −35. If it is cooled to about 0 ° C., a simple two-stage compressor refrigerator can adequately cope with it. For this reason, it is possible to prevent an increase in the size of the refrigerator equipment.
以上、本発明好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、シールドトンネルの接合部に凍土を造成しているが、シールドトンネルやそれ以外のトンネルの周囲に凍土を形成する場合にも用いることができ、さらには、トンネル以外の地下構造物を構築するときに凍土を造成する場合などにも用いることができる。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. For example, in the above embodiment, frozen soil is created at the junction of the shield tunnel, but it can also be used when frozen soil is formed around the shield tunnel and other tunnels. It can also be used when creating frozen soil when constructing structures.
さらに、上記実施形態では、凍結管として貼付凍結管を用いているが、他の凍結管とすることもできる。たとえば、地中に削孔して埋設する形式の単管、二重管、もしくは三重管や、シールドセグメントや鋼管などの内部に埋め込む形式の凍結管、その他のあらゆる形式の凍結管を用いることができる。 Furthermore, in the said embodiment, although the sticking freezing tube is used as a freezing tube, it can also be set as another freezing tube. For example, a single pipe, double pipe, or triple pipe that is drilled and buried in the ground, a frozen pipe that is embedded inside a shield segment or steel pipe, or any other type of freezing pipe may be used. it can.
1…第一シールド掘進機
2…第二シールド掘進機
3…第一止水装置
4…第二止水装置
5…凍結装置
31…貼付凍結管
32…注入管
33…環状シール部材
34…冷却部材
41…貼付凍結管
50…ブライン冷却器
51…ブライン循環室
52…冷媒流通管
53…リニアバルブ
55…コンデンサ
56…冷媒循環室
57…冷却水流通管
58…冷却塔
61…ブライン用配管
62…ブラインヘッダ
62…ブライン用配管
63…ブライン循環ポンプ
64…気体冷媒用配管
65…液体冷媒用配管
66…冷凍機圧縮機
67…冷却水用配管
68…冷却水循環ポンプ
X…凍結対象領域
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記凍結対象領域に配置された凍結管内に対して、圧縮器で圧縮された冷媒を熱交換器に供給し、前記熱交換器によってブラインと前記冷媒との間で熱交換して前記ブラインを冷却する冷凍機によって、−60℃〜−35℃の範囲に冷却されたブラインを循環供給して、前記凍結対象領域を凍結させることを特徴とする地盤の凍結方法。 A ground freezing method for freezing a freezing target area in the ground,
The refrigerant compressed by the compressor is supplied to the heat exchanger in the freezing pipe arranged in the freezing area, and the brine is cooled by exchanging heat between the brine and the refrigerant by the heat exchanger. A ground freezing method characterized in that a brine cooled in a range of −60 ° C. to −35 ° C. is circulated and supplied by a freezer to freeze the region to be frozen.
前記膨張弁として、前記冷媒の圧縮機への吸入温度と蒸発圧力とを検出し、前記吸入温度および蒸発圧力に基づいて、開度をリニアに変化させて温度調節を行うリニアバルブを用いる請求項1または請求項2に記載の地盤の凍結方法。 The refrigerator includes an expansion valve that supplies the refrigerant supplied from the compressor while expanding the refrigerant to the heat exchanger.
The expansion valve is a linear valve that detects a suction temperature and an evaporation pressure of the refrigerant into the compressor, and linearly changes an opening degree based on the suction temperature and the evaporation pressure. The ground freezing method according to claim 1 or 2.
−35℃を超える温度のブラインを前記凍結対象領域に配置された凍結管内に供給して、前記凍結地盤の解凍および前記凍結地盤の過生成を防止することを特徴とする地盤の凍結方法。
After freezing the region to be frozen by the ground freezing method according to claim 1 to claim 4,
A ground freezing method, wherein brine having a temperature exceeding -35 ° C is supplied into a freezing pipe disposed in the freezing target region to prevent the frozen ground from being thawed and the frozen ground being excessively generated.
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