JP5940400B2 - 集水トンネルの構築方法および集水トンネル - Google Patents

Description

本発明は、集水トンネルの構築方法および集水トンネルに関する。

地盤内に集水管を配置して、地下水等を集水する場合がある。このような集水管の形成方法として、取水口が設けられた集水トンネルを地盤内に形成する場合がある。
集水トンネルは、施工時には取水口を遮蔽しておくことで、取水口から取り込まれた水により水没することを防止する必要がある。

集水トンネルの施工方法としては、例えば、特許文献１には、トンネル内外の圧力差により取水口を閉塞しておく施工方法が開示されている。
かかる施工方法は、トンネルの外面側に形成された透水部につながる取水口を中蓋とキャップにより閉塞した状態でトンネルの施工を行った後、トンネル内の圧力を高めた状態でキャップを取り外すことにより、中蓋により取水口を閉塞した状態とする。その後、トンネル内から作業員を退避させ、トンネル内の圧力を低下させることで、中蓋を落下させて、取水口を開栓する。

また、特許文献２には、トンネルの外面側に形成された透水部と、この透水部につながる取水口が形成されたトンネルであって、透水部の外周面を覆うように生分解樹脂製の不透水性シートを設置しておき、トンネル施工中は止水性を確保しておき、所定時間経過後に不透水性シートが溶けることで取水口からの集水を可能とした集水トンネルが開示されている。

さらに、特許文献３には、発泡ポリスチレンからなる止水層と通水層を有した管材によりトンネルを施工し、トンネルの施工後に溶剤によって止水層を減溶させることで、取水可能な集水トンネルを形成する方法が開示されている。

特開平１１−３０３１５５号公報 特開２００３−２６８８１４号公報 特開２００９−２３５８８３号公報

特許文献１の集水トンネルの施工方法は、大掛かりなトンネル圧気設備が必要となるため、設備の配置、駆動、撤去等に手間がかかってしまう。また、トンネル内外の圧力差のみでは、中蓋が落下しないおそれがある。

また、特許文献２の集水トンネルは、地盤内に存在する微生物によっては、不透水シートが生分解しない場合がある。この場合には、通水性を確保することができないため、施工箇所が限られてしまう。

また、特許文献３の集水トンネルでは、溶解後の残渣により取水口（通水部）が塞がれる可能性がある。また、止水層を形成する発泡ポリスチレンは、接着剤により固定するが、この接着部からの漏水も懸念される。

さらに、前記従来の集水トンネルは、部分的にポーラスコンクリート等からなる透水部（透水層）を形成するなど、セグメント自体に特殊な機能をもたせるのが一般的であるため、セグメントの製造コストが高くなってしまう。

本発明は、前記の問題点を解決するものであり、トンネル施工中の止水性を確保することができ、かつ、供用時には確実に集水できる集水トンネルの構築方法および集水トンネルを提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の集水トンネルの構築方法は、グラウトホールが閉塞されたトンネルを形成するトンネル施工工程と、前記グラウトホールを開栓して前記トンネルに取水口を形成する開栓工程とを備えることを特徴としている。

かかる集水トンネルの構築方法によれば、グラウトホールを利用して確実に集水することができる。
セグメントのグラウトホールを利用することで、セグメントに特殊な機能を持たせる必要がなく、材料費（セグメントの製造費等）が高価になることがない。

前記開栓工程では、シリンダ部および前記シリンダ部に内挿された有孔ロッドからなるピストン部を備えるグラウトホール開栓機を使用し、前記シリンダ部を前記グラウトホールに螺着させて固定した後、前記ピストン部を地山側に押し出すことで、前記ピストン部を地山に挿入するとよい。このようにすると、取水口を確実に形成することができる。
また、有孔ロッドの長さと有孔率を変更することにより、取水量を調整することもできる。

また、前記グラウトホールキャップの先端に切削機構を設けておき、前記開栓工程では、セグメントに予め固定しておいた回収装置を遠隔操作することにより、前記グラウトホールキャップを正回転させて裏込め層を貫通させた後、前記グラウトホールキャップを逆回転させて前記グラウトホールから撤去すれば、裏込め層を備えるトンネルであっても、取水口を確実に確保することが可能となる。

また、本発明の集水トンネルは、トンネル本体と、前記トンネル本体を貫通した複数のグラウトホールと、前記グラウトホールに固定されて先端が地山内に挿入されたグラウトホール開栓機とを備える集水トンネルであって、前記グラウトホール開栓機は、先端部に複数の貫通孔が形成されており、前記グラウトホール開栓機の内部には、砂利が充填されていて、前記グラウトホール開栓機により、前記トンネルの内空と地山とが連通しており、前記トンネルの周囲の地下水を当該トンネル内へと導くことが可能に形成されていることを特徴としている。

かかる集水トンネルは、グラウトホールを取水口として利用するものであるため、特殊な設備等を要することなく簡易に構築することができる。

本発明の集水トンネルの構築方法および集水トンネルによれば、トンネル施工中の止水性を確保することができ、かつ、供用時には確実に集水できる。

本発明の実施形態に係る集水トンネルの概要を示す縦断図である。 図１に示す集水トンネルを示す断面図である。 第１の実施形態の取水口を示す断面図である。 図３の取水口の施工状況を示す図であって、（ａ）はグラウトホール開栓機取り付け前のグラウトホールの断面図、（ｂ）はグラウトホール開栓機取り付け後のグラウトホールの断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態の取水口の各施工段階を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、グラウトホールキャップの他の形態を示す断面図である。

第１の実施形態では、地上施設２から地盤に浸透した汚染地下水を集水するために、地上施設２の下方を通過するように集水トンネル１を形成する場合について説明する。

集水トンネル１は、図１に示すように、立坑３から地上施設２の下方に向けて形成されたトンネルＴの一部分を構成している。図１では、集水トンネル１が下り勾配の場合について表示するが、集水トンネル１は上り勾配であってもよい。集水トンネルの勾配（傾斜方向や角度）は、立坑３のポンプや地形等に応じて適宜設定すればよい。

トンネルＴは、集水トンネル区間Ｔ１と、通常トンネル区間Ｔ２とを備えている。
図１に示すように、集水トンネル区間Ｔ１は地上施設２の下方の区間であり、通常トンネル区間Ｔ２は、集水トンネル区間Ｔ１以外の区間である。

トンネルＴは、集水トンネル区間Ｔ１は地下水の取込が可能な集水トンネル１により形成されており、通常トンネル区間Ｔ２は通常のシールドトンネル１ａにより形成されている。
なお、本実施形態では、トンネルＴをシールドトンネルにより形成する場合について説明するが、トンネルＴのトンネル形式は限定されるものではなく、例えば推進トンネルやＴＢＭであってもよい。また、開削工事によって敷設されたボックスカルバート等により形成されたトンネルＴであってもよい。

集水トンネル１は、図２に示すように、トンネル本体１１と、複数の取水口１２，１２，…とを備えて形成されている。

トンネル本体１１は、複数のセグメント１３，１３，…を組み合わせることにより断面円形に形成されている。なお、トンネル本体１１の断面形状は円形に限定されるものではない。

各セグメント１３の中央部には、グラウトホール１４が形成されている。グラウトホール１４の内周壁には、雌ネジが形成されている。なお、グラウトホール１４の配置や数は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

グラウトホール１４は、トンネル施工時に裏込め注入孔として使用されたものであり、トンネル本体１１を貫通し、集水トンネル１の内空と地山Ｇとを連通させるように形成されている。集水トンネル１は、グラウトホール１４を取水口１２として、周囲の地山Ｇから地下水を内空へと導くことが可能に形成されている。

集水トンネル１の外面と地山Ｇとの隙間には、裏込め材（グラウト）が注入されていて、裏込め層４が形成されている。グラウトホール１４を利用して形成した取水口１２は、裏込め層４を貫通して、地山Ｇに面している。なお、裏込め材を構成する材料は、グラウトに限定されるものではない。

集水トンネル１の構築は、トンネル施工工程と、開栓工程とを備えている。
トンネル施工工程は、図１に示すように、立坑３から地上施設２の下方に向けてトンネルＴを構築する工程である。

トンネル施工工程では、シールド工法により、グラウトホール１４がグラウトホールキャップ１５で閉塞された状態のトンネルＴを構築する（図４の（ａ）参照）。
トンネルＴの施工は、掘削機Ｍによる地中の掘進とともに、地中にセグメントリングを軸方向に沿って連設することにより行う。

セグメントリングは、掘進機Ｍの後方において複数のセグメント１３，１３，…を組み合わせることにより形成し、既設のセグメントリングに連結することによりトンネルの覆工（トンネル本体１１）を形成する。

掘進機Ｍ内で組み立てたセグメントリングが掘進機Ｍのテールから抜け出したら、グラウトホール１４からセグメントリング（トンネル）の外周囲にグラウト（裏込め材）を注入する。本実施形態では、グラウトホール１４に樹脂製の逆止弁であるグラウトホールキャップ１５（図４の（ａ）参照）を予め装着しておき、トンネル施工時の地下水Ｗや土砂の流入を防止するとともに、グラウトの注入が可能に構成しておく。なお、グラウトホールキャップ１５は、必ずしも逆止弁である必要はない。例えば、裏込注入が不要な場合には、樹脂製の蓋材であってもよい。また、グラウト注入後にグラウトホール１４に螺着するグラウトホールキャップ１５であってもよい。

開栓工程は、トンネルＴの構築後、集水区間Ｔ１内において、グラウトホール１４を開栓して、トンネルＴに取水口１２を形成する工程である。

本実施形態では、図３に示すように、グラウトホール開栓機５を利用して、グラウトホール１４の開栓を行う。

グラウトホール開栓機５は、シリンダ部５１と、シリンダ部５１に内装された有孔ロッドであるピストン部５２とにより構成されている。シリンダ部５１およびピストン部５２は、筒状の部材により構成されており、ピストン部５２がシリンダ部５１内において摺動可能に保持されている。

シリンダ部５１は、図３および図４の（ｂ）に示すように、後端側に形成された流体流入口５３と、先端側に形成された流体排出口５４とを備えている。流体流入口５３は、シリンダ５１内の内空側シリンダ室５１ａに接続しており、流体排出口５４はシリンダ５１内の地山側シリンダ室５１ｂに接続している。

流体排出口５４から地山側シリンダ室５１ｂの流体（エア、水、油等）を排出させつつ、流体流入口５３から内空側シリンダ室５１ａ内に流体（エア、水、油等）を注入すると、ピストン部５２が伸長する。

流体流入口５３に接続されている配管は、トンネル坑内および立坑内を通って、図示せぬ注入装置に接続されている。
本実施形態では、流体排出口５４から排出する流体は、回収せずにそのままトンネル内に排出する。

シリンダ部５１の先端側（地山側）の外周面にはネジ加工（雄ネジ）が施されており、グラウトホール１４に螺着されている。なお、グラウトホール開栓機５の固定方法は限定されるものではない。例えば、セグメント製作時にセグメント１３に取り付けておいたインサート金物等を利用してグラウトホール開栓機５を固定してもよい。

ピストン部５２には、シリンダ部５１内を摺動する拡径部５５が形成されている。拡径部５５は、シリンダ部５１の内部を内空側シリンダ室５１ａと地山側シリンダ室５１ｂに分割している。拡径部５５には、Ｏリング等のシール材が外嵌されている。
拡径部５５が内空側シリンダ室５１ａの内部に圧入された流体の圧力を受けることで、ピストン部５２を押出す力が作用する。

ピストン部５２の先端（地山側端部）には、ビットやチップ等の切削機構５６が装備されている。また、ピストン部５２の先端部の側面（切削機構５６の後部）には、複数の貫通孔５７が形成されている。さらに、ピストン部５２の後端は開口している。なお、ピストン部５２の先端（切削機構５６）の構成は限定されるものではない。例えば、切削機構５６をスポーク型にすることで、ピストン部５２の先端部を開口させて、貫通孔５７を省略してもよい。

開栓工程では、まず、図４の（ｂ）に示すように、グラウトホール開栓機５をグラウトホール１４に固定する。グラウトホール開栓機５をグラウトホール１４に固定したら、作業員は、トンネルＴの外部に退避する。
その後、地上の注入装置（図示略）を操作し、流体流入口５３から流体を圧入することで、シリンダ部５１内の圧力（油圧、空気圧または水圧）を上昇させて、ピストン部５２を地山Ｇ側に押出す。

地山Ｇ側に押出されたピストン部５２は、図３に示すように、グラウトホールキャップ１５を突き破って地山Ｇに貫入される。
ピストン部５２の先端を地山Ｇに配置することで、集水トンネル１の内空と地山Ｇとが連通した状態となり、集水トンネル１が形成される。

本実施形態の集水トンネル１によれば、地山Ｇに圧入されたピストン部５２の先端部の貫通孔５７，５７，…から地下水Ｗが取り込まれる。貫通孔５７から取り込まれた地下水Ｗは、ピストン部５２（取水口１２）を通ってトンネルＴの内空に取り込まれる。

集水トンネル１は、開栓工程が実行されるまでは、取水口１２が遮蔽されていて、トンネル内に地下水Ｗを取り込まないため、施工中の漏水が発生しない。そのため、汚染地下水の集水を目的としている場合であっても、トンネルＴの施工を安全に行うことができる。

取水口１２は、グラウトホール１４を利用して形成するため、特殊なセグメントを要することなく、確実に集水トンネル１を構築することができる。
そのため、トンネルＴの施工時に段取り替えが必要なく、施工性に優れている。

また、透水層等を備えた従来の集水トンネルと比較して、トンネル本体１１の耐力が優れており、覆工の薄肉化も可能である。

また、必要な個所において、適宜、グラウトホール１４を利用して取水口１２を形成することができるため、集水トンネル区間Ｔ１の設定を、現場の状況等に応じて、自由に行うことができる。

トンネル施工工程の直後に開栓工程を行わない場合であっても、経年変化等による変質や変形が生じることもなく、また、待機期間が数年に及ぶような場合であっても、漏水のリスクは小さい。

なお、シリンダ部５１の内周面およびピストン部５２の外周面に、それぞれ螺旋状の凹凸（角ねじ）を形成しておき、圧力によりピストン部５２に回転力を付与する構成としてもよい。こうすることで、ピストン部５２が旋回しながら裏込め層５および地山Ｇを切削することができる。

ここで、流体としてエアーを使用すれば、流体（作動油や水）の戻りを考える必要がなく、つまり、流体排出口５４はトンネル坑内に開口させればよいので、配管作業が容易となる。
グラウトホールキャップ１５は、油圧式ドリフターやエアー式ドリフターにより突き破ってもよい。

ピストン部５２の内部は、目詰まり防止手段５２ａとして先端部に砂利が充填されていて、集水性能が低下することがないように構成されている。ここで、符号５２ｂは、ピストン部５２からの砂利の流出を防止するための透水性の蓋材である。
なお、目詰まり防止手段５２ａは砂利に限定されるものではなく、網状部材やストレーナー等であってもよい。また、蓋材５２ｂは必要に応じて配設すればよい。
ピストン部５２の後端部に、スクリーン等を設けておいてもよい。

第２の実施形態では、グラウトホール１３に螺着されたグラウトホールキャップ１５を取り外すことにより、取水口１２を形成する場合について説明する。

集水トンネル１の構築は、トンネル施工工程と、開栓工程とを備えている。
トンネル施工工程は、図１に示すように、立坑３から地上施設２の下方に向けてトンネルＴを構築する工程である。

トンネル施工工程では、セグメントリングを地中に配置した後、グラウトホール１４からセグメントリング（トンネル）の外周囲にグラウト（裏込め材）を注入する。裏込め材の注入が完了したら、グラウトホール１４にグラウトホールキャップ１５を螺着する（図５の（ａ）参照）。

グラウトホールキャップ１５は、図５の（ａ）に示すように、グラウトホール１４の内面に形成された角ネジに対応するネジ加工が施された柱状部材であって、先端にビットやチップ等の切削機構１６が装備されている。
また、グラウトホールキャップ１５には、グリス充填が行えるようにニップルが設けられていてもよい。

グラウトホールキャップ１５の材質は限定されるものではないが、ステンレス、チタン、ＦＲＰ等により構成すれば、錆び難いため好適である。
切削機構１６は、必要に応じて形成すればよく、必ずしも形成されている必要はない。

この他のトンネル施工工程の内容は、第１の実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

開栓工程では、回収装置（図示省略）を設置して、トンネルＴ内から作業員を退避させた後、回収装置を遠隔操作することにより、グラウトホールキャップ１５をグラウトホールから取り外すことで、グラウトホール１４の開栓を行う（図５参照）。

回収装置は、セグメント製作時にセグメント１３に取り付けておいたインサート金物に固定すればよい。なお、回収装置の固定方法は限定されない。
また、回収装置は電動式でもよいし、油圧式でもよく、その駆動形式は限定されない。

まず、図５の（ａ）および（ｂ）に示すように、回収装置を使用してグラウトホールキャップ１５を正回転させて、当該グラウトホールキャップ１５を地山Ｇ側に進出させる。こうすると、切削機構１６により、裏込め層４および地山Ｇが切削され、グラウトホールキャップ１５の先端が地山内に挿入される。

次に、図５の（ｃ）に示すように、回収装置を使用してグラウトホールキャップ１５を逆回転させて、当該グラウトホールキャップ１５をグラウトホール１４から取り外す。
こうすると、グラウトホール１４により集水トンネル１の内空と地山Ｇとが連通した状態となり、集水トンネル１が形成される。なお、グラウトホールキャップ１５の正逆回転は、人力により行ってもよい。

本実施形態の集水トンネル１によれば、図５の（ｃ）に示すように、集水トンネル１の周辺の地山Ｇの地下水Ｗが、グラウトホール１４（取水口１２）を通ってトンネルＴの内空に取り込まれる。そのため、第１の実施形態の集水トンネル１と同様の作用効果を得ることができる。

なお、グラウトホールキャップ１５の構成は、図５に示すものに限定されるものではなく、適宜構成すればよい。例えば、図６の（ａ）に示すように、切削機構１６として、スポーク型（例えば、正面視十字状のクロスビットタイプ）のビットを使用して、切削機構１６の内面に切削した土砂の取り込みが可能に構成されたものであってもよい。また、グラウトホールキャップ１５の先端側側面に土砂取り込み用の溝１５ａ，１５ａが形成されたものであってもよい。このようにすると、グラウトホールキャップ１５を地山Ｇに押込む際に、土砂の逃げ場を確保できるので、押込み不能になることを防止することができる。

また、図６の（ｃ）に示すように、グラウトホール１４およびグラウトホールキャップ１５が、坑内側に行くに従って拡径するテーパーを備えていれば、グラウトホールキャップ１５が抜け易くなる。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

例えば、前記実施形態では、セグメントにより形成されたトンネルについて説明したが、トンネルの覆工構造は限定されるものではなく、例えば、ヒューム管やボックスカルバートにより形成されたトンネルであってもよい。

集水トンネル１は、トンネルＴの全長にわたって形成してもよいし、トンネルＴの一部分に形成してもよい。

１ 集水トンネル
１１ トンネル本体
１２ 取水口
１４ グラウトホール
１５ グラウトホールキャップ
１６ 切削機構
４１ シリンダ部
４２ ピストン部
Ｇ 地山
Ｔ トンネル
Ｗ 地下水

Claims (3)

1. グラウトホールが閉塞されたトンネルを形成するトンネル施工工程と、
   前記グラウトホールを開栓して前記トンネルに取水口を形成する開栓工程と、を備える集水トンネルの構築方法であって、
   前記開栓工程では、シリンダ部および前記シリンダ部に内挿された有孔ロッドからなるピストン部を備えるグラウトホール開栓機を使用し、前記シリンダ部を前記グラウトホールに螺着させて固定した後、前記ピストン部を地山側に押し出すことで、前記ピストン部を地山に挿入することを特徴とする、集水トンネルの構築方法。
2. グラウトホールが閉塞されたトンネルを形成するトンネル施工工程と、
   前記グラウトホールを開栓して前記トンネルに取水口を形成する開栓工程と、を備える集水トンネルの構築方法であって、
   前記グラウトホールキャップの先端に切削機構を設けておき、
   前記開栓工程では、セグメントに予め固定しておいた回収装置を遠隔操作することにより、前記グラウトホールキャップを正回転させて裏込め層を貫通させた後、前記グラウトホールキャップを逆回転させて前記グラウトホールから撤去することを特徴とする、集水トンネルの構築方法。
3. トンネル本体と、
   前記トンネル本体を貫通した複数のグラウトホールと、
   前記グラウトホールに固定されて先端が地山内に挿入されたグラウトホール開栓機と、を備える集水トンネルであって、
   前記グラウトホール開栓機は、先端部に複数の貫通孔が形成されており、
   前記グラウトホール開栓機の内部には、砂利が充填されていて、
   前記グラウトホール開栓機により、前記トンネルの内空と地山とが連通しており、前記トンネルの周囲の地下水を当該トンネル内へと導くことが可能に形成されていることを特徴とする集水トンネル。

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