JP2017057594A - 地下構造物、地下構造物の構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地下構造物の合理的構造を提供する。
【解決手段】地下タンク１は地盤２１中に構築される地下構造物であり、鉄筋コンクリート製の筒状の側壁１２と、側壁１２と一体として形成される鉄筋コンクリート製の下層底版１１ａと、下層底版１１ａの上部に配置される調整コンクリート層１１ｂを有する。調整コンクリート層１１ｂのコンクリートは下層底版１１ａのコンクリートの硬化後打設されており、下層底版１１ａと調整コンクリート層１１ｂは一体ではない。下層底版１１ａの構造寸法等は躯体に生じる応力に応じて設計され、調整コンクリート層１１ｂの構造寸法等は、その重量が下層底版１１ａ、側壁１２等と合わせて地下タンク１の浮力に抵抗できるように定められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、地下構造物およびその構築方法に関する。

LNG（液化天然ガス）、LPG（液化石油ガス）などの低温液化ガスを貯留する設備として地下タンクがある。図７（ａ）に地下タンク１００の例を示す。地下タンク１００は、鉄筋コンクリート製の地中連続壁３１を山留として内部の地盤２１を掘削し、躯体の構築を行った地下構造物である。躯体は鉄筋コンクリート製の底版１０１、側壁１０２、および鋼製屋根１０３から構成されることが一般的である。なお、図７（ａ）において２２は地盤２１上の盛土部であり、２３は地下水位を示す。

地下タンクの側壁と底版の接合方式にはヒンジタイプと剛結タイプがある。地下タンクが大容量化、大深度化してきていること、ヒンジタイプは接合部の構造が複雑であり施工時間がかかることから、最近は剛結タイプとされることが多い。剛結タイプの地下タンクの例が特許文献１〜３に記載されている。

図７（ａ）の地下タンク１００は剛結タイプの地下タンクであり、底版１０１と側壁１０２が一体に形成（剛結）される。底版１０１と側壁１０２の接合部内側には傾斜状のハンチ１０４が設けられる。また、地下タンク１００の稼働時（低温液化ガスの貯留時）に周囲地盤が凍結するのを防ぐため、底版１０１の下面近傍には底部ヒータ１０５が設けられる。図示は省略したが、ヒータは側壁１０２の外側地盤(または地中連続壁)にも設けられる。

特開2001−073396号公報 特開平11-182797号公報 特開2011-32633号公報

地下タンクの場合、浮力に対して躯体のコンクリート重量で抵抗させるため、容量20万KLクラスで底版厚は10m、側壁厚は2mを超えることが一般的である。このように、従来の地下タンクは浮力に応じて躯体全体の構造寸法が決まっており、底版厚、側壁厚が応力的に必要な厚さに比較してかなり大きくなっている。鉄筋コンクリート部材では最小鉄筋量（例えば構造物の断面積×0.2％）の規定もあり、底版、側壁の部材厚が大きくなると鉄筋量も増加する。

また、地下タンクの底版や側壁には、建設時の躯体温度が稼働時に低温化することによる温度荷重が作用するが、部材厚が大きくなるにつれて温度荷重が大きくなる。そのため底版や側壁の部材厚が大きいと鉄筋量を多くする必要があり、コストアップの要因となる。

また図７（ａ）の例では底部ヒータ１０５が底版１０１の下面近傍に配置されることから、地下タンク１００の稼働時には底版１０１のコンクリート上面と下面で大きな温度差が付く。図７（ｂ）は地下タンク１００の稼働時の底版１０１の温度分布を模式的に示す図であり、底版１０１の温度分布を底版上面からの深さを縦軸、温度を横軸として底版１０１の構成と共に示したものである。

地下タンク１００では底部ヒータ１０５を地中温度と同程度（10℃程度）で運転することが多いが、例えばLNGの貯留時の温度は-162℃程度と非常に低温であり、図の例では底版１０１の上面が約-60℃、下面で約10℃となって70℃程度の温度差が生じる。この温度差によって大きな曲げモーメントが発生し、底版１０１の鉄筋量が増加する。

また底版、側壁の接合部に大きなハンチが付くが、ハンチの傾斜がタンク内のメンブレンや断熱材の据付構造を複雑にしており、コストアップの要因となる。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、地下構造物の合理的構造を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための第１の発明は、地盤中に構築される地下構造物であって、コンクリートによる筒状の側壁と、前記側壁と一体に形成されたコンクリートによる下層底版と、前記下層底版の上に配置された上層底版と、を有することを特徴とする地下構造物である。

本発明では、剛結タイプの地下タンク等の地下構造物の底版を、側壁と一体化され応力的に必要な下層底版と、重量のみ必要な上層底版の二層に分けて形成する。浮力に対しては上層底版の重量を含めたタンク全体の重量によって十分な重量を確保し、下層底版は応力的に必要な厚さとすれば良いので従来の底版よりも薄くでき、上層底版はほぼ無筋でよいので全体として鉄筋量等を低減できる合理的構造となる。また地下タンクで低温液化ガスを貯留するようなケースでは、下層底版の薄さが温度応力（温度荷重）の低減につながり、鉄筋量の低減に寄与する。

前記地下構造物は低温液化ガスを貯留する地下タンクであり、前記下層底版の上面近傍に底部ヒータが埋設されていることが望ましい。また前記下層底版と前記上層底版の境界が0℃以下(凍結温度以下)となることが望ましい。
下層底版の上面近傍にヒータを配置することで、地下タンクで低温液化ガスを貯留するようなケースでも、下層底版については建設時から稼働時の温度変化がほとんどなく、稼働時の温度分布もほぼ一定となり、下層底版に発生する温度応力が極端に小さくなり鉄筋量を少なくできる。また下層底版と上層底版の境界が0℃以下となることで、下層底版の上面は凍結しており、下層底版より上の部分に水分が侵入することを防止することができる。

前記側壁と前記下層底版の接合部の内側にハンチが設けられ、前記上層底版の上面は、前記ハンチの上端と同じ高さかそれより高い位置にあることが望ましい。また前記ハンチは、前記側壁から略水平方向に延びる段部と、前記段部と前記下層底版を接続する接続部を有し、メンブレンが前記段部に固定されることが望ましい。
本発明では上層底版の上面がハンチの上端まで来ることから、上層底版を側壁と直角に交差させることができるのでメンブレンや断熱材の据付構造を簡略化できる。またハンチが略水平方向の段部を有する構成とすることでメンブレンを段部にアンカーで固定し据付が簡単になる。

前記上層底版は例えばコンクリート層である。あるいは、砕石層または前記下層底版のコンクリートよりも貧配合且つ無筋の貧配合コンクリート層の上に、コンクリート層を設けたものである。コンクリート層には鉄筋が埋設されることが望ましい。
上層底版としては、重量を確保するため、コンクリート層、あるいは砕石層や無筋の貧配合コンクリート層が形成される。後者の場合は表面の平滑化や一定の強度確保のため表面にコンクリート層を設けるのがよい。コンクリート層にひび割れ分散用の鉄筋を設けることで、ひび割れを分散して平面内でほぼ均等に発生させることが可能になり、メンブレンや断熱材に悪影響を与えることがない。

前記下層底版の中央部に、前記上層底版の上面高さまで突出する突起部が設けられ、メンブレンが前記突起部に固定されることが望ましい。
これにより、メンブレンの中央部の固定を強固かつ容易に行うことができる。

第２の発明は、地下構造物を構築する構築方法であって、地盤中に、コンクリートによる筒状の側壁と下層底版とを一体に形成する工程と、前記下層底版のコンクリートの硬化後、前記下層底版の上に上層底版を設ける工程と、を有することを特徴とする地下構造物の構築方法である。

本発明により、地下構造物の合理的構造を提供することができる。

地下タンク１を示す図 地下タンク１の底部近傍を示す図 地下タンク１の構築方法を示す図 地下タンク１の下層底版１１ａと調整コンクリート層１１ｂの温度分布を示す図 地下タンク１ａを示す図 突起部１１１を示す図 地下タンク１００を示す図

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

[第１の実施形態]
（１．地下タンク１）
図１は本発明の第１の実施形態に係る地下タンク１を示す図である。地下タンク１はLNG（液化天然ガス）、LPG（液化石油ガス）などの低温液化ガスを貯留する地下構造物であり、図７（ａ）の例と同様、地盤２１に設けた地中連続壁３１の内部を掘削して地盤２１中に構築される。地下タンク１の側方では地盤２１の上に盛土部２２が設けられる。図１の２３は地下水位を示しており、地下タンク１には周囲の地下水による浮力が作用する。

地下タンク１は、躯体として鉄筋コンクリート製の下層底版１１ａと側壁１２を有する。側壁１２の上部には鋼製屋根１３が設けられる。下層底版１１ａと側壁１２は一体として形成（剛結）され、その接合部の内側ではハンチ１４が設けられる。なお、内側とはタンク中心側を指し、その逆は外側というものとする。

本実施形態では、下層底版１１ａの上の上層底版として調整コンクリート層１１ｂ（コンクリート層）が配置される。また底部ヒータ１５が下層底版１１ａの上面近傍に埋設され、建設時の地中温度と同程度（10℃程度）の温度で運転される。

後述するが、調整コンクリート層１１ｂのコンクリートは下層底版１１ａのコンクリートの硬化後打設されており、下層底版１１ａと調整コンクリート層１１ｂは一体ではない。下層底版１１ａと調整コンクリート層１１ｂの間に縁を切るための縁切り層を設けることもできる。

下層底版１１ａの構造寸法等は躯体に生じる応力に応じて設計される。一方、調整コンクリート層１１ｂの構造寸法等は、その重量が下層底版１１ａ、側壁１２等と合わせて地下タンク１の浮力に抵抗できるように定められる。

図２は地下タンク１の底部近傍を示す図である。図２に示すように、ハンチ１４は段部１４ａと接続部１４ｂを有する。段部１４ａは側壁１２から内側へと略水平方向に延びる。

接続部１４ｂは鉛直面とその下方の傾斜面で構成され、段部１４ａと下層底版１１ａの上面を接続する。傾斜面は下方に行くにつれ内側へと向かうように上方の鉛直面に対して傾斜する。なお、接続部１４ｂは傾斜面を有さず全て鉛直面であってもよい。

調整コンクリート層１１ｂの上面の高さはハンチ１４の上端の段部１４ａの高さと同じとなっている。ただし、調整コンクリート層１１ｂの上面の高さがハンチ１４の上端より上にあってもよい。

調整コンクリート層１１ｂ内には、ひび割れ分散用の鉄筋として平面視で放射状の鉄筋１６ａと平面視で同心円状の鉄筋１６ｂが埋設される。放射状の鉄筋１６ａの外側の端部は側壁１２で定着される。

地下タンク１では、調整コンクリート層１１ｂの上面と側壁１２の内面に沿ってメンブレン１７が設けられ、メンブレン１７と調整コンクリート層１１ｂの上面の間、メンブレン１７と側壁１２の内面の間に断熱材１８（保冷材）が設けられる。

メンブレン１７には屈曲部１７１が設けられ、熱によるメンブレン１７の膨張収縮を屈曲部１７１の変形により吸収する構成となっている。アンカー１９はメンブレン１７を固定するためのものである。特に本実施形態では、メンブレン１７の平面外周部がアンカー１９によってハンチ１４の段部１４ａに固定されている。

（２．地下タンク１の構築方法）
地下タンク１を構築する際は、まず図３（ａ）に示すように地盤２１に地中連続壁３１を構築してその内部を掘削する。その後、図３（ｂ）に示すように地中連続壁３１の内部に下層底版１１ａと側壁１２、ハンチ１４を鉄筋コンクリートにより形成する。下層底版１１ａの上面近傍には底部ヒータ１５を埋設しておく。

下層底版１１ａのコンクリートが硬化した後、下層底版１１ａの上にコンクリートを打設して図３（ｃ）に示すように調整コンクリート層１１ｂを設ける。鋼製屋根１３、メンブレン１７、断熱材１８（図２参照）等の機械工事も行うと、図３（ｄ）に示すように地下タンク１が完成する。

（３．地下タンク１の下層底版１１ａ、調整コンクリート層１１ｂの温度分布）
図４は地下タンク１の稼働時の下層底版１１ａ、調整コンクリート層１１ｂの温度分布を図７（ｂ）と同様に示す図である。

図４に示すように、本実施形態では底部ヒータ１５が下層底版１１ａの上面近傍にあり、地盤２１から底部ヒータ１５までの下層底版１１ａの温度が地中と同程度(建設時の地中温度と同じ程度)の約10℃となる。タンクの稼働によって、底部ヒータ１５より上方の温度は徐々に低くなるが、本実施形態では底部ヒータ１５が下層底版１１ａの上面近傍にあるので、下層底版１１ａの温度はほぼ全厚で地盤２１と変わらない温度となっている。この温度は建設時（地下タンク１の稼働前）の下層底版１１ａの温度にも近い。

また下層底版１１ａと調整コンクリート層１１ｂの境界の温度は0℃以下となるように定められており、下層底版１１ａより上の部分に水分が侵入するのが下層底版１１ａの上面の凍結により防止される。

以上説明したように、本実施形態では、地下タンク１の躯体の底版を、側壁１２と一体化され応力的に必要な下層底版１１ａと、重量のみ必要な調整コンクリート層１１ｂの二層に分けて形成する。浮力に対しては調整コンクリート層１１ｂの重量を含めたタンク全体の重量で十分な重量を確保し、下層底版１１ａは応力的に必要な厚さとすれば良いので従来の地下タンクの底版よりも薄くでき、調整コンクリート層１１ｂはひび割れ分散用の鉄筋のみでほぼ無筋でよいので、全体として鉄筋量等を低減できる合理的構造となる。

また下層底版１１ａの薄さは温度応力（温度荷重）の低減にもつながり、鉄筋量の低減に寄与する。例えば概略値として、従来の図７（ａ）に示す底版１０１の厚さに対し、図１の下層底版１１ａの厚さを0.7倍程度とできる。温度応力による曲げモーメントは厚さ比の3乗に比例するので0.35倍程度まで低減でき、これに応じて下層底版１１ａの鉄筋量を低減できる。

また底部ヒータ１５を下層底版１１ａの上面近傍に配置し、地中温度に近い10℃程度で運転することから、下層底版１１ａの建設時から稼働時までの温度変化もほとんどなく、稼働時の下層底版１１ａの温度分布もほぼ一定になるので、下層底版１１ａに発生する温度応力は極端に小さくなり鉄筋量を少なくできる。また下層底版１１ａと調整コンクリート層１１ｂの境界が0℃以下となることで、下層底版１１ａより上の部分に水分に侵入するのがコンクリート中の水分の凍結により防止される。

また調整コンクリート層１１ｂの上面はハンチ１４の上端と同じ高さにあり側壁１２と直角に交差することから、図７（ａ）のように底版１０１と側壁１０２の接合部がハンチ１０４によって傾斜している場合に比べ、メンブレン１７や断熱材１８の据付が簡略化できる。なお、調整コンクリート層１１ｂの上面がハンチ１４の上端より上にあっても同様の効果が得られる。また本実施形態ではハンチ１４が略水平方向の段部１４ａを有するので、メンブレン１７の平面外周部は段部１４ａにアンカー１９で容易に固定でき据付が簡単になる。

また、調整コンクリート層１１ｂにはひび割れ分散用の鉄筋１６ａ、１６ｂを配置しており、これによりひび割れを分散して平面内でほぼ均等に発生させることが可能になり、メンブレン１７や断熱材１８に悪影響を与えることが無い。

しかしながら、本発明は上記の実施形態に限ることはない。例えば本実施形態の地下タンク１はLNG、LPG等の低温液化ガスを貯留するタンクであるが、水等その他の液体を貯留するものでもよく、底版の温度応力を考慮しない場合は底部ヒータ１５等を省略することも可能である。その他、本発明は、大径、大深度の立坑など、浮力に対する安全性で部材寸法が決まり、応力的には余裕ある部材寸法となるような各種の地下構造物に対して適用可能である。

次に、第１の実施形態と上層底版の構成が異なる地下タンクの例について第２の実施形態として説明する。第２の実施形態は第１の実施形態と異なる点について説明し、同様の点については同じ符号を付すなどして説明を省略する。

[第２の実施形態]
図５（ａ）は第２の実施形態の地下タンク１ａを示す図であり、図５（ｂ）は地下タンク１ａの底部近傍を示したものである。

この地下タンク１ａは、下層底版１１ａの上の上層底版として、砕石を敷き均した砕石層１１ｃと調整コンクリート層１１ｄを下から順に設けた点で異なる。

その他の構成は第１の実施形態と同様である。例えば調整コンクリート層１１ｄには前記と同様のひび割れ分散用の放射状鉄筋１６ａ、同心円状鉄筋１６ｂが配置され、放射状鉄筋１６ａの外側の端部が側壁１２に固定される。また調整コンクリート層１１ｂの上面の高さはハンチ１４の上端の段部１４ａと同じとなっている。

この第２の実施形態でも、地下タンク１ａの躯体の底版を、応力的に必要な下層底版１１ａと、重量のみ必要な砕石層１１ｃおよび調整コンクリート層１１ｄに分けて構築することで、下層底版１１ａを薄くでき第１の実施形態と同様の効果が得られる。また調整コンクリート層１１ｄを表面に設けることにより表面の平滑化や一定の強度確保の効果がある。なお、砕石層１１ｃの場合、比重がコンクリートに比較して小さいことから、砕石層厚は若干補正が必要となる（若干厚くなる）。

また、砕石層１１ｃの代わりに、下層底版１１ａのコンクリートよりも貧配合且つ無筋のコンクリートを打設した貧配合コンクリート層を形成してもよく、同様の効果が得られる。

さらに、図６に示すように、下層底版１１ａの平面中央部にメンブレン１７の固定用の突起部１１１を下層底版１１ａと一体化（剛結）した鉄筋コンクリートにより形成してもよい。突起部１１１は調整コンクリート層１１ｄの上面高さまで突出しており、メンブレン１７の平面中央部のアンカー１９を直接この突起部１１１に強固かつ容易に固定できる。また、調整コンクリート層１１ｄのひび割れ分散用の放射状鉄筋１６ａの両端部を、突起部１１１と側壁１２にそれぞれ定着できる。

以上、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１ａ、１００；地下タンク
１１ａ；下層底版
１１ｂ、１１ｄ；調整コンクリート層
１１ｃ；砕石層
１２；側壁
１３；鋼製屋根
１４；ハンチ
１４ａ；段部
１４ｂ；接続部
１５；底部ヒータ
１６ａ、１６ｂ；鉄筋
１７；メンブレン
１８；断熱材
１９；アンカー
２１；地盤
２２；盛土
２３；地下水位
３１；地中連続壁
１１１；突起部

Claims (10)

1. 地盤中に構築される地下構造物であって、
   コンクリートによる筒状の側壁と、
   前記側壁と一体に形成されたコンクリートによる下層底版と、
   前記下層底版の上に配置された上層底版と、
   を有することを特徴とする地下構造物。
2. 前記地下構造物は低温液化ガスを貯留する地下タンクであり、
   前記下層底版の上面近傍に底部ヒータが埋設されていることを特徴とする請求項１記載の地下構造物。
3. 前記下層底版と前記上層底版の境界が0℃以下となることを特徴とする請求項２記載の地下構造物。
4. 前記側壁と前記下層底版の接合部の内側にハンチが設けられ、
   前記上層底版の上面は、前記ハンチの上端と同じ高さかそれより高い位置にあることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の地下構造物。
5. 前記ハンチは、前記側壁から略水平方向に延びる段部と、前記段部と前記下層底版を接続する接続部を有し、
   メンブレンが前記段部に固定されることを特徴とする請求項４記載の地下構造物。
6. 前記上層底版はコンクリート層であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の地下構造物。
7. 前記上層底版は、砕石層または前記下層底版のコンクリートよりも貧配合且つ無筋の貧配合コンクリート層の上に、コンクリート層を設けたものであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の地下構造物。
8. 前記コンクリート層に鉄筋が埋設されることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の地下構造物。
9. 前記下層底版の中央部に、前記上層底版の上面高さまで突出する突起部が設けられ、
   メンブレンが前記突起部に固定されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の地下構造物。
10. 地下構造物を構築する構築方法であって、
    地盤中に、コンクリートによる筒状の側壁と下層底版とを一体に形成する工程と、
    前記下層底版のコンクリートの硬化後、前記下層底版の上に上層底版を設ける工程と、
    を有することを特徴とする地下構造物の構築方法。

Images