JP6211280B2 - トンネル内の氷柱防止方法とそれに用いる導水パネル及びその製造方法 - Google Patents
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Description
現状では、多くの既設トンネルにおいて、夜間や早朝など、車の通行量の少ない時間帯に、手作業で氷柱を叩き落すなどの予防策を講じている。
しかし、寒冷地等において夜間や早朝の極寒の中で行う上記作業は、極めて過酷なものである。また、凍結路面上で行われる交通規制は、大きな危険を伴う。そこで、このような課題を解決するものとして、近年では、上記作業に代わって、安全で確実に氷柱の発生を防止できる技術が注目されており、それに関し既に幾つかの発明や考案が開示されている。
特許文献1に記載された考案は、地下水の漏洩部分を通るようにトンネルの内壁面に上下方向へ溝を形成し、この溝の内部へヒートパイプの凝縮部を収容し、この凝縮部の下方に設けられたヒートパイプの蒸発部を熱源に配設したことを特徴としている。
このような構造によれば、トンネル内に漏洩する地下水が溝内に集められ、ヒートパイプの凝縮部からの放熱により加温されるため、氷結することなく、溝の内面を伝ってトンネル内の側溝等に流下するという作用を有する。
特許文献2に記載された考案は、トンネル内壁を構成するコンクリート躯体中に、サンドイッチ状の透水層を形成し、この透水層の下端部をトンネル内壁面の下部に設けた排水溝内に露出させたことを特徴としている。
このような構造によれば、コンクリート躯体のひび割れ部分などの隙間を通ってしみ込んだ地下水は、透水層に到達した後、その内部に浸透して下端側に流れ、コンクリート躯体の内壁面に漏れ出さないため、トンネル内に冷気が吹き込んでも氷柱が発生しないという作用を有する。
特許文献3に記載された発明は、トンネル覆工内空側に、単層の板状体である不燃性防水断熱板を設置したことを特徴としている。
このような構造によれば、材料コストや製造コストが安く、また、施工も容易であることから、費用削減と設置工事の短縮化を図ることができる。
さらに、一旦設置されたヒートパイプ同士をつなぐような亀裂が壁面に生じ、この亀裂から地下水が漏洩し始めた場合には、既に設置されたヒートパイプが邪魔になって、その漏洩部分に溝を形成することができないという課題があった。また、ヒートパイプがトンネルの壁面内に埋め込まれているため、点検等の保守作業が困難であることに加え、ヒートパイプに不具合が見つかったとしても容易に交換作業を行うことができないという課題があった。
また、金属箔ヒータが発した熱が伝熱板によって広範囲に拡散されるという作用を有する。
このような構造の導水パネルにおいては、請求項1記載の発明の作用に加え、断熱材がパネル本体の外側への熱移動を妨げるため、金属箔ヒータの発熱によりパネル本体の内側を流れる漏水が効率良く温められるという作用を有する。
このような導水パネルの製造方法においては、金属箔ヒータを間に挟んだ状態で、既に硬化した2種類の繊維強化樹脂層を接合する場合と異なり、金属箔ヒータと繊維強化樹脂層の間に空気が混入するおそれがなく、また、2種類の繊維強化樹脂層の厚さを個々に管理せずとも、パネル本体の厚さ方向の中央となる位置に金属箔ヒータと伝熱板が埋設された導水パネルが容易に製造されるという作用を有する。
このようなトンネル内の氷柱防止方法によれば、導水パネルを設置する際は、導線を給電線に接続し、導水パネルを撤去する際は、給電線との接続を解除して導線を取り外すだけで良い。したがって、導水パネルを追加で設置する場合や導水パネルを交換する場合の作業性に優れている。また、パネルユニット単位で金属箔ヒータの発熱量を管理できるため、設計時の自由度が大きい。さらに、予めパネルユニットごとに導線に流れる電流量が異なるように設計しておけば、電流検出手段によって検出される給電線の電流量に基づいて、パネルユニットの通電状態が把握されるという作用を有する。
図1(a)に示すように、導水パネル1は、平面視矩形状をなすパネル本体2と、長尺帯状の金属箔ヒータ3と、この金属箔ヒータ3とともにパネル本体2に埋設される厚さ0.3mmのアルミニウム板からなる伝熱板4と、金属箔ヒータ3に接続される導線5と、パネル本体2の両面にそれぞれ接合される断熱材6及び緩衝材7からなる。なお、緩衝材7は、トンネルの内壁面に導水パネル1を設置する際に、内壁面とパネル本地2との隙間を埋めるためのものである。また、断熱材6には、導線5を内部に配置するための溝(図示せず)が長手方向に沿って形成されている。
そして、図1(b)に示すように、パネル本体2の高さと幅は、それぞれ30mm程度及び300〜1000mm程度となっている。
加えて、金属箔ヒータ3は厚さや幅を変えることで断面積が変わることから、線状ヒータとは異なり、長さを自由に変更できない場合でも容易かつ正確に電気抵抗値を調節できるという特性を有している。そして、導水パネル1は、このような特性を備えた金属箔ヒータ3を熱源として用いていることから、パネル本体2の隅々まで配置する必要がある等の理由から金属箔ヒータ3の長さが予め決められている場合でも厚さや幅を変えることで所望の発熱量が得られるという作用を有する。すなわち、導水パネル1においては、所望の発熱性能を維持しつつ、パネル本体2の長手方向及び幅方向に対し隅々まで行き渡るように金属箔ヒータ3を配置することが可能である。
また、パネル本体2や断熱材6や緩衝材7の寸法は、本実施例に示した場合に限らず、適宜変更可能である。ただし、柔軟性を確保するため、パネル本体2の厚さは5mm以下にすることが望ましい。さらに、金属箔ヒータ3は曲折部2bに埋設されていても良いし、熱電対の本数や設置箇所も適宜変更可能である。そして、アルミニウム板の代わりに、熱伝導性の高い塗装を施した板や他の金属板を伝熱板4として用いることもできる。
まず、ステップS1において、金属箔ヒータ3をパネル本体2の長手方向両端近傍で複数回折り返し、かつ、互いに重ならないように伝熱板4の表面に配置する(図1(a)参照)。さらに、金属箔ヒータ3を間に挟んだ状態で、幅50mm、厚さ0.1mmのアルミ箔テープ13を金属板4に貼り付ける。
次に、ステップS2では、幅方向の両端が同一方向へ曲折されるように形成された型枠(図示せず)の上にガラスクロス(図示せず)を布設し、ステップS3では、ガラスクロスの表面にローラ等の塗装治具を用いて不飽和ポリエステル樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を塗布する。なお、供給電力を制御することで金属箔ヒータ3の発熱量を調節できるため、パネル本体2は熱硬化性樹脂の耐熱温度を超えない範囲で安全に使用することができる。ただし、使用する熱硬化性樹脂は難燃性を有することが望ましい。
そして、ステップS7では、この状態のまま、25℃の温度条件で30分放置して熱硬化性樹脂を硬化させる。これにより、金属箔ヒータ3、金属板4及び熱電対8が埋設された繊維強化樹脂からなるパネル本体2が形成される。
さらに、第一のガラスクロスと熱硬化性樹脂からなる繊維強化樹脂層を形成する際に、同時に取付部2c,2cが形成されるため、第二の繊維強化樹脂層は、取付部2c,2cを設けるために必要な形状とすべきことを特に気にすることなく、第一の繊維強化樹脂層の表面に布設した第二のガラスクロスに熱硬化性樹脂を含侵させるだけで良い。すなわち、簡単な作業で第二の繊維強化樹脂層が形成されるため、導水パネル1を安価に製造することができる。
なお、本実施例では、第二の繊維強化樹脂層を第一の繊維強化樹脂層と略同一形状としているが、金属箔ヒータ3と伝熱板4が露出しなければ良いため、第一の繊維強化樹脂層の表面の少なくとも一部に布設した第二のガラスクロスに熱硬化性樹脂を含侵させるようにして第二の繊維強化樹脂層を形成しても良い。
また、本実施例では、熱硬化性樹脂を含浸させる繊維シートとしてガラスクロスを用いているが、これに限らず、例えば、カーボンクロスを用いることもできる。
図3(a)に示すように、トンネル14の壁面15の一部に生じた亀裂16は、地下水等の漏出を招き、氷柱の原因となり易い。そこで、例えば、亀裂16として示された箇所、すなわち、既に漏水が発生し、若しくは、これから漏水が発生しそうな箇所を覆うように導水パネル1を設置する。
具体的には、導水パネル1の長手方向を壁面15の円周方向に一致させ、1つの導水パネル1の下端の一部に対し、他の導水パネル1の上端の一部を被せるようにしながら、壁面15の円周方向に沿って複数枚の導水パネル1を、最後の導水パネル1の下端が路面19の両脇に設けられた側溝17の近傍に達するまで順次設置する。
また、繊維強化性樹脂の板材からなるパネル本体2は柔軟性を有するため、トンネル14の壁面15の形状に沿って容易に変形する。そのため、壁面15に取り付ける際に、パネル本体2の取付部2cとの間に隙間が生じ難い。従って、パネル本体2の曲折部2bと平面部2aで形成される流路内の空間で温められた空気は逃げることなく漏水や壁面15を加温して、その流路に漏水を導くことができるのである。
すなわち、金属箔ヒータ3の発熱により温められた漏水は、凍結することなく、速やかに側溝17へ誘導される。したがって、導水パネル1を用いることによれば、トンネル14の壁面15からの漏水による氷柱の発生を確実に防止することができる。
また、漏水箇所が点在する場合でも、導水パネル1は、従来技術のヒートパイプとは異なり、その箇所のみに設置すれば良いため、無駄な施工費用等が発生しない。加えて、全体の消費電力を抑えつつ、漏水が集中する箇所に設置された導水パネル1の発熱量を多くするなどして、氷柱の発生を効率良く防止することが可能である。さらに、新たに発見された漏水箇所に追加で導水パネル1を設置する際にも、設置済みの導水パネル1が邪魔になることはないため、設置作業を効率良く行うことができる。
また、給電線20は給電線用ダクト21によって保護されている。さらに、熱電対8,9は導線10,11を介して温度検出部(図示せず)にそれぞれ接続されている。これにより、各導水パネル1では、漏水の流路となるパネル本体2の内側の空間の気温及び金属箔ヒータ3の温度をそれぞれ測定可能となっている。
なお、本実施例では、断熱材6に溝を設けて、その内部に導線5を配置しているが、導線5に防水対策が施されている場合には、このような構造に限らず、例えば、導線5をパネル本体2とトンネル14の壁面15との間に配置しても良い。
また、各導水パネル1の金属箔ヒータ3の電気抵抗値を変更することで、パネルユニット22ごとに導線5を流れる電流値が調節される。このように、本発明のトンネル内の氷柱防止方法においては、パネルユニット22ごとに金属箔ヒータ33の発熱量を管理できるため、設計時の自由度が大きい。
なお、aとbは、この例に示す場合に限らず、電流検出手段の検出能力を考慮した上で、パネルユニット22の導線5に正常時に流れる電流の最大値と最小値に基づいて、所望の値に設定することが可能である。また、導線5が断線したパネルユニット22は2箇所以外でも同様にその箇所を容易に特定することが可能である。
このとき、各パネルユニット22の導線5に正常時に流れる電流値を表1の2行目に示す。今仮に、2番目と4番目と5番目のパネルユニット22において導線5が断線していると仮定すると、電源制御部18において検出される電流値の減少量Idは248mAとなる。
次に、3番目と5番目のパネルユニット22において導線5が断線した場合を想定すると、上記と同様の方法で求めた2進数(101000)は、表1の5行目に示すように、導線5が断線したパネルユニット22を示す列に、「1」を記入したものと一致することがわかる(ただし、1桁目を除く)。
すなわち、このような方法によれば、電源制御部18において検出される電流値の減少量Idに基づいて、導線5が断線した導水パネル1が含まれるパネルユニット22を容易に特定することができる。
なお、本実施例では、トンネル14の開口端14aに近いパネルユニット22ほど導線5を流れる電流量が多くなるように設定しているが、これに限らず、例えば、開口端14aに近くなくとも漏水が集中している箇所に設置されたパネルユニット22については導線5を流れる電流量が多くなるように設定することもできる。この場合、各パネルユニット22にそれぞれ識別番号を付して、識別番号がkのパネルユニット22について、その導線5の電流値Ikが式(1)で表わされるような状態に金属箔ヒータ3の電気抵抗値を調節することによれば、電流値の減少量Idに基づいて、導線5が断線した導水パネル1が含まれるパネルユニット22を容易に特定できるという上述の効果が同様に発揮される。
図5(a)及び図5(b)はそれぞれ導水パネル1の実験装置を示す平面図及び側面図であり、図5(c)は図5(b)におけるC−C線矢視断面図である。なお、図1に示した構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。
図5(a)乃至図5(c)に示すように、実験装置23は、トンネル14の壁面15を想定した平板24に導水パネル1が取り付けられ、この導水パネル1が支持台25によって断熱材6を下に向けて傾斜状態で支持された構造となっている。また、パネル本体2と平板24の間に形成される空間(以下、導水パネル1の内側の空間という。)に設置されたファイバースコープ26には制御部28が接続されている。
このように、実験装置23では、氷塊27の一部が溶けて貫通孔24aを通って平板24の下面側に滲み出した後、再び凍結することにより形成された氷柱27aの融解する様子が、ファイバースコープ26を通して観察され、金属箔ヒータ3の近傍の温度と、導水パネル1の内側の空間の気温が、熱電対8,9によって検出可能となっている。
図6(a)乃至図6(d)を見ると、冷凍室の室温が−20℃の場合、金属箔ヒータ3への供給電力が100%であれば、氷柱24aが溶解するが、供給電力が70%のときには、氷柱24aがほとんど溶解しないことがわかる。一方、図6(e)及び図6(f)を見ると、冷凍室の室温が−10℃の場合には、金属箔ヒータ3への供給電力が70%のときでも、氷柱24aが溶解することがわかる。
図7は本発明の導水パネルの数値解析に用いたモデルと解析条件及び数値解析により求めた温度分布を示す図である。図8(a)は導水パネルの内側の空間における空気の最低温度及び最高温度に対する金属箔ヒータへの供給電力の影響を示したグラフであり、図8(b)は導水パネルの内側の空間における空気の最低温度及び最高温度に対する断熱層の厚さの影響を示したグラフである。また、図9(a)は導水パネルの内側の空間における空気の最低温度及び最高温度に対する伝熱板の厚さの影響を示したグラフであり、図9(b)は導水パネルの内側の空間における空気の最低温度及び最高温度の時間的な変化を示したグラフである。なお、図9(b)には比較のため、実験装置23を用いて行った実験結果も示している。
通常、典型的な県道レベルのトンネルのように、片側一車線の対面通行となっている場合には、トンネルの内周は約16mである。また、トンネルの老朽度あるいは施工した山地の地質状況によって異なるが、トンネル1つあたり5〜50箇所程度で漏水が発生していると考えられる。この場合、漏水箇所ごとに導水パネル1を一枚ずつ割り当てるとしても、それらの金属箔ヒータ3に供給すべき電力の合計は500〜5000W程度で良いため、一般的な給電設備で十分対応可能である。
また、図9(b)の「◇」及び「○」は、金属箔ヒータ3に93Wの電力を供給し、導水パネル1の内側の空間の気温を熱電対8,9で測定した結果を示しており、破線及び実線は、対応する箇所の温度を数値解析により求めた結果を示している。
図9(b)に示すように、実測値と計算値は、よく一致している。したがって、導水パネル1の内側の空間の気温を2℃以上とするには、金属箔ヒータ3に対して約40W/m2の電力を供給する必要があるという前述の見積もりは、妥当であるといえる。
なお、トンネルの存在する寒冷地は、冬季であっても常に−20℃の強風にさらされているわけではないため、金属箔ヒータ3に対して、冬季中常時40W/m2の電力を供給する必要はない。そこで、本発明の導水パネル1では、導水パネル1の内側の空間内の気温が約2℃以上となるように、電源制御部18が熱電対8,9の検出値に基づいてオンオフ制御又はPID制御を行い、金属箔ヒータ3へ供給する電力を調節している。
Claims (4)
- 漏水箇所を覆うようにトンネルの内壁面の円周方向に対し長手方向を一致させた状態で設置される導水パネルにおいて、
繊維強化樹脂製の板材からなるパネル本体と、
このパネル本体に埋設され導線を介して電力を供給可能に形成される金属箔ヒータと、
この金属箔ヒータと接触した状態で前記パネル本体に埋設される金属製の伝熱板と、を備え、
この金属箔ヒータは、長尺帯状の金属箔と、この金属箔を被覆するフィルム状の電気絶縁材からなり、
前記パネル本体は、前記金属箔ヒータ及び前記伝熱板を間に挟んで対称に配置されたガラスクロス又はカーボンクロスからなる一対の繊維シートと、この一対の繊維シートと前記金属箔ヒータ及び前記伝熱板を一体として結合するように形成された熱硬化樹脂層からなるとともに、幅方向の両端が同一方向へ曲折され、前記内壁面に対して当接可能に一対の取付部が形成されたことを特徴とする導水パネル。 - 前記パネル本体の外表面に覆設される板状の断熱材を備えたことを特徴とする請求項1記載の導水パネル。
- 第一の繊維シートに熱硬化性樹脂を塗布して第一の繊維強化樹脂層を形成する工程と、
導線が接続されフィルム状の電気絶縁材で被覆された長尺帯状の金属箔からなる金属箔ヒータを金属製の伝熱板に貼付する工程と、
前記第一の繊維強化樹脂層の表面に前記熱硬化性樹脂が硬化する前に前記金属箔ヒータと前記伝熱板を設置する工程と、
前記第一の繊維強化樹脂層の表面に前記金属箔ヒータと前記伝熱板を覆うように配置した第二の繊維シートに前記熱硬化性樹脂を塗布して第二の繊維強化樹脂層を形成する工程と、
前記第一の繊維強化樹脂層と前記第二の繊維強化樹脂層の前記熱硬化性樹脂を硬化させてパネル本体を形成する工程と、を備え、
前記第一の繊維シート及び前記第二の繊維シートは、ガラスクロス又はカーボンクロスからなり、
前記パネル本体は、幅方向の両端に、同一方向へ曲折するように形成される一対の取付部が設けられることを特徴とする導水パネルの製造方法。 - 漏水箇所を覆うようにトンネルの内壁面の円周方向に対して長手方向を一致させた状態で請求項1又は請求項2に記載の導水パネルが1列に配置されたパネルユニットを複数列設置し、
前記導水パネルの前記金属箔ヒータに前記導線を介して電力を供給する給電手段と、この給電手段と前記導線を接続する給電線と、この給電線を流れる電流量を検出する電流検出手段を設置し、
前記導線を前記パネルユニットごとに前記給電線を介して前記給電手段に対して並列接続したことを特徴とするトンネル内の氷柱防止方法。
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