JP5041238B2 - 低温岩盤貯槽 - Google Patents

Description

本発明は、岩盤内に掘削した空洞を低温流体を貯蔵するための貯槽（タンク）として利用する低温岩盤貯槽に関するものである。

この種の低温岩盤貯槽は、安定した岩盤内に大規模な空洞を掘削し、その空洞をタンクとして機能せしめて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ものであって、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」のものと、特許文献２に示されているような所謂「メンブレン式」のものに大別される。

凍結式の低温岩盤貯槽は、貯蔵物が氷点以下の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凍結領域が形成され、したがって岩盤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確保されることが期待できるものである。そのため、空洞の内面に吹付コンクリートとロックボルト程度の簡易な支保を設けるだけに留めて格別のライニング材や大がかりな覆工を省略可能であり、構造が比較的簡略であって建設コストを抑えることができる点で有利である。
但し、このような凍結式は貯蔵温度が極めて低いと岩盤に温度クラックが発生することが懸念されることから、貯蔵温度は−６０℃〜−８０°Ｃ程度が限界とされ、したがってＤＭＥ（沸点−２５℃）やＬＰＧ（沸点−４２℃）のような比較的貯蔵温度が高い燃料の場合には好適に採用可能であるが、ＬＮＧ（沸点−１６２℃）のような極低温流体には不適であるとされている。

それに対し、メンブレン式の低温岩盤貯槽はＬＮＧのような極低温粒体の貯蔵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吹付コンクリートおよび躯体コンクリートによる覆工を設け、さらにその内側に保冷材を設けた上でその表面にメンブレン材を取り付けるという多層構造の覆工を設けることになり、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岩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、凍結式の低温岩盤貯槽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、貯槽としての空洞を掘削する際にもその周囲岩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周囲岩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が想定され、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、凍結式の低温岩盤貯槽の施工に際しては、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トンネルや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岩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岩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るとされ、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岩盤貯槽では、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ことが有利である。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深の岩盤内で行うことは、多量の地下水流入が生じてしまうばかりでなく、施工途中の覆工材、特に躯体コンクリートやメンブレン材に対して大きな地下水圧が外圧として作用してしまうことから、施工性の点でも施工精度を確保する上でも著しく困難である。
したがって、メンブレン式の低温岩盤貯槽の施工に際しては、通常の土中工事の場合と同様に周囲岩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る。そして、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排水トンネルや排水ボーリング孔を先行施工し、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、そのような大規模な排水工法を実施するために多大な手間とコストを要するものである。しかも、そのような工法によっても岩盤状況によっては必ずしも充分にドライにできないことも想定され、その場合には覆工時に地下水圧が作用して施工性が良くないばかりか施工品質に悪影響が及ぶ懸念がある。

また、メンブレン式の場合においても、貯槽完成後の低温貯蔵開始後に周囲岩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てそれが二次バリアとして機能するとも考えられるが、上述したように施工中には周囲岩盤が不飽和化されることから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充分な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。

さらに、貯槽を完成させた後には短時間にクールダウンを行って低温貯蔵を開始するが、貯槽周辺が十分にドライでない場合は局所的に大きな地下水圧が作用したり、凍結膨張により周囲岩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ず、構造的な安定性や信頼性を確保するためには地下水圧の作用や凍結膨張による悪影響を可及的に排除する必要があると考えられている。

なお、特許文献１には貯槽の周囲に形成される凍結領域が地表部付近にまで達してしまうことを防止する目的で、貯槽の上方の岩盤中に設けた水封ボーリング内において水を循環させることにより周囲地盤を凍結温度以上に維持することが開示されている。また、特許文献２には、ＬＮＧ用の一般的な地下タンクにおける周知技術として周囲岩盤の凍結をヒーティングパイプによって防止することが開示されている。
そのような凍結防止手法をメンブレン式の低温岩盤貯槽の周囲岩盤に対しても適用すれば凍結膨張による覆工に対する弊害を防止できると考えられるが、それを実現するための具体的かつ有効適切な手法は提案されていない。

上記事情に鑑み、本発明は、周囲岩盤から地下水圧を受けることによる悪影響や、周囲岩盤が凍結膨張することによる悪影響を有効に排除し得て、構造的な安定性や信頼性を充分に向上させることができる有効適切な構造のメンブレン式の低温岩盤貯槽を提供することを目的としている。

本発明は、岩盤を掘削して形成した空洞の表面に吹付コンクリート、躯体コンクリート、保冷材、メンブレン材からなる覆工を設けて、その内部空間を低温流体を貯蔵するための貯槽とするメンブレン式の低温岩盤貯槽であって、前記吹付コンクリート中に、周囲岩盤から地下水を集水して排水するための排水路網を設けることにより、前記空洞の周囲岩盤中に前記排水路網に向かって流れる地下水流を生じさせて、該地下水流によって前記空洞の周囲岩盤の温度を凍結温度以上に維持して前記空洞の周囲に非凍結領域を形成可能としたことを特徴とする。

本発明においては、前記空洞の上方に、地表から該空洞の周囲岩盤に対して注水することによって地下水を涵養するための注水用井戸を設けることが考えられる。
また、前記空洞の周囲岩盤中に前記排水路網に通じる排水用ボーリング孔を設けることが考えられ、さらにその場合においては、前記排水用ボーリング孔の周囲岩盤中に透水性の高い破砕領域を形成することが好ましい。

従来一般のこの種の低温岩盤貯槽においては、空洞の周囲岩盤中に地下水が滞留していることからその地下水が凍結して空洞周囲に凍結領域が形成されてしまうのであるが、本発明の低温岩盤貯槽では空洞の周囲岩盤中の地下水が排水路網により積極的に集水されて排水されることによって空洞側に向かって流れるような地下水流が自ずと生じ、そのような地下水流が常時確保されることにより周囲岩盤の温度が凍結温度以上に維持される。したがって本発明の低温岩盤貯槽では空洞周囲に自ずと非凍結領域が形成され、それにより従来においては懸念されていた凍結膨張に起因する悪影響を排除できて覆工の構造力学的な信頼性と安全性を十分に確保することができる。
また、周囲岩盤中の地下水は常に排水路網により集水されて速やかに排水されてしまうことから、貯槽完成後に覆工に対して過大な地下水圧が外圧として作用することもなく、この点においても覆工の構造力学的な信頼性を向上させることができる。
さらに、施工段階においても排水路網を通して周囲岩盤からの排水を行うことが可能であり、それにより従来一般のメンブレン式の貯槽を施工する場合のように大がかりな排水トンネルや排水ボーリング孔を設けて周囲岩盤全体をドライにするような必要がなく、したがって施工性を十分に改善することができて工期短縮、工費削減に大きく寄与できるものである。

なお、周囲岩盤の地下水位が低いために充分な地下水流が期待できないような場合には、空洞の上方に地下水涵養のための注水井戸を設けて地下水位を高く維持することにより、地下水流が確実に生じるようにできる。
また、周囲岩盤の透水性が低いために充分な地下水流が生じないような場合には、排水路網に通じる排水用ボーリング孔を周囲岩盤に形成したり、さらにその周囲に破砕領域を形成しておくことにより、周囲岩盤の透水性を高めて地下水流がより確実に生じるようにでき、それにより非凍結領域を確実に形成することができる。

図１〜図３は本発明の一実施形態である低温岩盤貯槽の概略構成を示すものである。
本実施形態の低温岩盤貯槽は、岩盤に形成された略馬蹄形断面のトンネル状の空洞１の内面に、吹付コンクリート２、躯体コンクリート３、保冷材４、メンブレン材５を順次積層状態で形成してメンブレン式の覆工を形成することにより、ＬＮＧやＬＰＧ、ＤＭＥ等の低温流体の貯槽（タンク）として機能するものであるが、本実施形態の低温岩盤貯槽が従来一般のものと異なる点は、吹付コンクリート２中に周囲岩盤からの地下水を常に集水して排水するための排水路網６が埋設されている点にある。

すなわち、従来一般のこの種の低温岩盤貯槽では、上述したように低温流体の貯蔵によって周囲岩盤に自ずと生じる凍結領域を二次バリアとしても活用することを基本としているのであるが、それは反面において凍結膨張による種々の悪影響が問題となることもあることから、本実施形態の低温岩盤貯槽ではそのような凍結領域を敢えて生じさせないようにしている。
そして、そのために本実施形態では、吹付コンクリート２中に排水路網６を埋設しておいて、周囲岩盤中の地下水をその排水路網６により積極的に集水して空洞１内に流入させて常に排水するようにしており、それにより空洞周囲の岩盤中には排水路網６に向かって流れるような地下水流ｆが自ずと生じるようになっている。

排水路網６としては、たとえば土木工事の分野において法面排水用の資材として使用されている樹脂製の成形品や多孔質材料あるいは有孔管等も採用可能であるが、本実施形態では図２に示すように横断面形状が扁平な矩形断面とされている長尺帯板状の板状排水材を使用し、それを空洞１の軸方向と周方向の双方に沿うように設置している。
すなわち、空洞１の底面と周面には、空洞１の軸方向に沿う縦排水路６ａおよび周方向に沿う横排水路６ｂとなる板状排水材がそれぞれ所定間隔で交差させた状態で配置されて、それらの全体で縦横の格子網としての排水路網６が形成されている。その排水路網６は空洞１の底面中央部に設けられた主排水溝７に接続されていて、その内部には有孔ヒューム管等の主排水管８が敷設されている。それら主排水溝７および主排水管８は坑口側に向かって下がり勾配としておいて自然流下による排水を行うと良い。

本実施形態では、上記のような排水路網６を設けることにより、図１に示すように空洞１の周囲岩盤には常に空洞１側に向かって流れるような地下水流ｆが生じ、その地下水流ｆによって周囲岩盤の温度が凍結温度以下に低下してしまうことが防止され、それにより空洞１の周囲に非凍結領域を自ずと形成することができるものである。

すなわち、従来一般の低温岩盤貯槽では空洞周囲の岩盤が極低温の貯蔵流体により冷却されて凍結温度以下となることによりそこに滞留している地下水が凍結してしまうのであるが、本実施形態のように地下水が滞留せずに常に流れるようにして充分な水量かつ充分な流速の地下水流ｆが常に生じるようにしておけば、その地下水の保有熱量が周囲岩盤に対して常に伝熱される（つまり、凍結温度以下に冷却されつつある周囲岩盤が常温程度の水温の地下水によって常に加温される）ことになり、したがって周囲岩盤の温度を凍結温度以上に維持することが可能なのである。勿論、一般に流水は静止水よりも凍結し難いから、地下水流ｆが充分な流量かつ流速で流れていれば岩盤温度が仮に氷点以下であっても直ちに凍結してしまうことはなく、地下水は凍結する隙もなく排水路網６を通して速やかに排水されてしまう。

このことについて図３を参照してさらに説明する。物理量としての「熱」は高温側から低温側に向かって流れる（伝熱される）ことで低温側が加熱（加温）されるのであるが、ここでは低温側から高温側に向かって流れることにより高温側を冷却する「冷熱」なる仮想的な概念を想定する。
図３に示すように空洞１側からメンブレン材５、保冷材４、躯体コンクリート３、吹付コンクリート２を介して周囲岩盤に冷熱量Ｑ１が伝熱されるとし、逆に周囲岩盤から空洞１側へは温熱量（本来の熱量）Ｑ３が伝熱されると想定した場合、通常のように地下水が滞留している場合には 冷熱量Ｑ１＞温熱量Ｑ３ となって岩盤の温度は漸次低下していき、いずれは凍結してしまうことになる。
しかし、本実施形態のように排水路網６を通して地下水を集水し排水することによって地下水流ｆを積極的に生じさせると、その地下水流ｆによって冷熱量Ｑ１の一部Ｑ２が排水路網６を通して系外に放熱されてしまい、その分、岩盤への冷熱の伝熱量が減少することになる。そして Ｑ１−Ｑ２＝Ｑ３ となる熱平衡が生じれば岩盤温度を一定温度に維持可能であって凍結温度以下になることを防止できるのである。

以上で説明したように、本実施形態の低温岩盤貯槽によれば、吹付コンクリート２に埋設した排水路網６によって周囲岩盤中に地下水流ｆを生じさせることにより、周囲岩盤が凍結することを防止でき、それにより従来においては懸念されていた凍結膨張に起因する悪影響を排除できて覆工の構造力学的な信頼性と安全性を十分に確保することができる。

また、周囲岩盤中の地下水は常に排水路網６により集水されて主排水管８を通して速やかに排水されてしまうことから、貯槽完成後に覆工に対して過大な地下水圧が外圧として作用することもなく、この点においても覆工の構造力学的な信頼性を向上させることができる。
しかも、施工段階においても排水路網６を通しての周囲岩盤からの排水を行うことが可能であり、それにより従来一般のメンブレン式の貯槽を施工する場合のように大がかりな排水トンネルや排水ボーリング孔を設けて周囲岩盤全体をドライにするような必要がなく、したがって施工性を十分に改善することができて工期短縮、工費削減に大きく寄与できるものである。

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、本発明は上記実施形態に限定されることなく適宜の設計的変更や応用が可能である。
たとえば、上記実施形態では排水路網６を扁平な矩形断面の縦排水路６ａと横排水路６ｂとによる縦横の格子状に形成したが、それに限るものでもなく、空洞１の周囲全体からの集水と排水が可能であれば縦排水路６ａのみあるいは横排水路６ｂのみを設けることでも良いし、逆にほぼ全面的にマット状の排水路網として設けることでも良い。

なお、本発明の低温岩盤貯槽では空洞１の周囲に常に安定した地下水流ｆが確実に生じることが必要であり、したがって本発明の低温岩盤貯槽を計画するに当たっては建設地の岩盤の透水性や地下水位、地下水涵養量等のデータを充分に把握するとともに、岩盤中における熱流動と地下水流動を同時に予測する連成解析シミュレーション技術などにより、施設運転時の周囲岩盤の温度変化を適切に予測する必要がある。
いずれにしても、立地条件としては地下水位が高くかつ岩盤の透水性がある程度大きいことが必要となるが、首都圏や大阪圏等の軟岩が分布する沿岸域はそのような立地条件に該当するので、本発明の低温岩盤貯槽はそれら大都市圏に設置するＬＮＧ貯蔵施設として最適であるといえる。

但し、地下水位が低く充分な地下水涵養が期待できない地域や、周囲岩盤の透水性が充分でない場合に対しても、たとえば図４〜図６に示すような対策により本発明を適用することが可能である。
図４に示すものは、空洞１の上方に注水用井戸１０を設けて地表から人工的に地下水涵養を行うものであり、これにより地下水位を高く維持して充分な地下水流ｆを生じるようにしたものである。
図５に示すものは、空洞１の周囲岩盤中に多数の排水用ボーリング孔１１を排水路網６に通じるように設けるものであり、岩盤の透水性が充分ではない場合であってもそれら排水用ボーリング孔１１を通して排水路網６に導かれるような透水経路が確保され、周囲岩盤に確実に地下水流ｆが生じるものである。
この場合においては、排水用ボーリング孔１１の施工に際してその周囲岩盤中を破砕して透水性の高い破砕領域１２を形成することがより好ましい。そのような破砕領域１２は排水ボーリング孔１１内に高水圧を載荷する水圧破砕法（ハイドロフラクチャリング）により効率的に施工することができる。
図６に示すものは、図４に示した注水用井戸１０と図５に示した排水用ボーリング孔１１および破砕領域１２を備えたものであり、それらの全体により確実な地下水流を生じさせることができる。

本発明の一実施形態である低温岩盤貯槽の概略構成を示す横断面図および覆工の拡大断面図である。 同、排水路網を示す図である。 同、排水路網により集水されて排水される地下水流とそれによる熱移動についての説明図である。 同、注水用井戸を設けた場合の実施形態を示す図である。 同、排水用ボーリング孔と破砕領域を設けた場合の実施形態を示す図である。 同、注水用井戸と排水用ボーリング孔と破砕領域を設けた場合の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 空洞
２ 吹付コンクリート
３ 躯体コンクリート
４ 保冷材
５ メンブレン材
６ 排水路網
６ａ 縦排水路
６ｂ 横排水路
７ 主排水溝
８ 主排水管
１０ 注水用井戸
１１ 排水用ボーリング孔
１２ 破砕領域

Claims (4)

1. 岩盤を掘削して形成した空洞の表面に吹付コンクリート、躯体コンクリート、保冷材、メンブレン材からなる覆工を設けて、その内部空間を低温流体を貯蔵するための貯槽とするメンブレン式の低温岩盤貯槽であって、
   前記吹付コンクリート中に、周囲岩盤から地下水を集水して排水するための排水路網を設けることにより、前記空洞の周囲岩盤中に前記排水路網に向かって流れる地下水流を生じさせて、該地下水流によって前記空洞の周囲岩盤の温度を凍結温度以上に維持して前記空洞の周囲に非凍結領域を形成可能としたことを特徴とする低温岩盤貯槽。
2. 請求項１記載の低温岩盤貯槽であって、
   前記空洞の上方に、地表から該空洞の周囲岩盤に対して注水することによって地下水を涵養するための注水用井戸を設けたことを特徴とする低温岩盤貯槽。
3. 請求項１または２記載の低温岩盤貯槽であって、
   前記空洞の周囲岩盤中に、前記排水路網に通じる排水用ボーリング孔を設けたことを特徴とする低温岩盤貯槽。
4. 請求項３記載の低温岩盤貯槽であって、
   前記排水用ボーリング孔の周囲岩盤中に、透水性の高い破砕領域を形成したことを特徴とする低温岩盤貯槽。

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