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

Description

本発明は、寒冷地域のトンネル内における針状氷柱の発生を防止する方法に係り、特に、製造コストが安く、かつ、トンネルの内壁面への設置が容易であって、氷柱の発生を確実に防止することが可能な導水パネルとその製造方法に関する。

日本国内には、鉄道ならびに道路用トンネルが多数存在する。これらのトンネルは、竣工後の経時変化により地下水がトンネル内に滲み出す、いわゆる漏水現象が高い頻度で発生する。そして、北海道、東北、北陸地方などの寒冷地や、中国、四国、近畿、東海、関東地方の標高の高い地域に立地するトンネルでは、この漏水が冬季には針状の氷柱となる。特に、１０ｃｍ程度に成長した氷柱は地上に落下して、通行人や通行車両に重大なダメージを与える危険性がある。
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。

例えば、特許文献１には、「トンネル内の氷柱防止設備」という名称で、保守管理が不要であって、少ない設備費やランニングコストでトンネル内の氷柱を防止できる設備に関する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。

また、特許文献２には、「トンネル内の氷柱防止設備」という名称で、特別な加熱設備を必要とすることなく、トンネル内の氷柱の発生を防止することが可能な設備に関する考案が開示されている。
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には、「トンネル凍害防止装置」という名称で、寒冷地のトンネルにおいて発生する、つらら、側壁氷、氷盤等の凍害を防ぐことが可能な装置に関する発明が開示されている。
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。

実開平６−４１９９号公報 実開平５−７７９７号公報 特開２００１−２０６９１号公報

しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された考案においては、地下水の漏洩部分がトンネルの天井付近にしか発生していない場合でも、その漏洩部分と側溝をつなぐ溝をトンネルの内壁面に上下方向へ形成し、その溝内にヒートパイプを設置する必要がある。すなわち、地下水が漏洩していない箇所についても溝を形成するという無駄な工事を行わなければならず、また、いたずらに長いヒートパイプを使用しなければならないため、ヒートパイプの設置作業に長期間を要する上、ヒートパイプ等の材料コストや溝の形成及びヒートパイプの設置等に要する作業コストが高くなるという課題があった。しかも、トンネルの内壁面に溝を形成し、その溝内にヒートパイプを設置するという作業そのものが短期間で容易に行うことができるものではないという課題があった。
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、特許文献２に開示された考案を既設のトンネルに対して適用した場合、トンネル内壁を構成するコンクリートを一旦取り除いて、コンクリートの内部に透水層が形成されたトンネル内壁を新たに構築する工事を行わなければならず、その工事に多大な費用と時間を要する。すなわち、上記考案においては、新設のトンネルに対しては適用できるものの、既設のトンネルには適用できないという課題があった。また、透水層がコンクリート躯体中に形成されているため、透水層の一部に不具合が生じた場合、その箇所を容易に特定し、修繕することができないという課題があった。

さらに、特許文献３に開示された発明では、壁面から漏出した水を側溝等へ誘導するための流路を形成する構造となっていないため、不燃性防水断熱板の周囲から滲出した水が凍結して凍害を引き起こすおそれがある。なお、トンネルの内壁面に対して上記断熱板を隈なく敷き詰めるとともに、断熱板同士の境目から水が滲出しないような対策を講じれば、ある程度、上述の現象を防ぐことができる。しかし、この場合、材料費用や施工費用が高くなってしまう。すなわち、上記発明においては、トンネル内の凍害対策を安価に行うことができないという課題があった。

本発明は、このような従来の事情に対処してなされたものであり、トンネルの内壁面への設置作業や保守作業が容易な導水パネルと、その導水パネルを安価に製造する方法及びその導水パネルを用いて漏水による氷柱の発生を効率良く、かつ、確実に防止できる方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、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、パネル本体は、金属箔ヒータ及び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金属箔ヒータ及び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、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ものである。

このような構造の導水パネルにおいては、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、かつ、漏水箇所を覆うように設置することで、パネル本体と内壁面との間に形成される空間が漏水の流路となり、この流路により漏水が内壁面の円周方向へ沿って誘導されるという作用を有する。このとき、電気絶縁材及びパネル本体は、漏水の金属箔ヒータへの接触を阻み、短絡事故の発生を防止するという作用を有する。また、金属箔ヒータは、剛性の高い繊維強化樹脂製のパネル本体に埋設されており、破損等による故障のおそれがないため、本発明の導水パネルは耐用年数が長い。

さらに、本発明の導水パネルは、導線を介して電力を供給することにより金属箔ヒータが発熱し、上記流路を流れる漏水が温められ、その凍結が防止されるという作用を有する。加えて、繊維強化性樹脂の板材からなるパネル本体は柔軟性を有し、トンネルの内壁面の形状に沿って容易に変形可能であるため、内壁面に取り付ける際に隙間が生じ難いという作用を有する。そして、繊維強化樹脂製のパネル本体は薄肉軽量構造であるため、運搬や保管の際に嵩張ることがなく、トンネルの内壁面への固定にボルト等を用いることができるため、設置作業や撤去作業が容易である。
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。

なお、線状ヒータや金属箔ヒータは、長さや断面積を変えることで電気抵抗値が変化する。しかし、線状ヒータは断面積の調節が困難であるのに対し、金属箔ヒータは厚さや幅を変えることで断面積を容易に調節することができる。すなわち、このような特性を備えた金属箔ヒータを熱源として用いることで、本発明の導水パネルは、パネル本体の隅々まで配置するために熱源の長さに制約があり、自由に変更できない場合であっても、上述の通り、容易かつ正確に電気抵抗値が調節され、所望の発熱量が得られるという作用を有している。

また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の導水パネルにおいて、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ものである。
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。

請求項３記載の発明である導水パネルの製造方法は、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、第一の繊維強化樹脂層の表面に熱硬化性樹脂が硬化する前に金属箔ヒータと伝熱板を設置する工程と、第一の繊維強化樹脂層の表面に金属箔ヒータと伝熱板を覆うように配置した第二の繊維シートに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、第一の繊維強化樹脂層と第二の繊維強化樹脂層の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、第一の繊維シート及び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、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ものである。
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。

請求項４記載の発明であるトンネル内の氷柱防止方法は、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、導水パネルの金属箔ヒータに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、導線をパネルユニットごとに給電線を介して給電手段に対して並列接続したことを特徴とするものである。
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。

以上説明したように、本発明の請求項１に記載の導水パネルによれば、トンネルの内壁面からの漏水が凍結することなく、側溝等へ速やかに誘導されるため、氷柱の発生を確実に防止することができる。また、運搬や保管、あるいはトンネルの内壁面への設置作業が容易なため、施工費用を削減するとともに、施工期間を大幅に短縮することが可能である。そして、撤去作業も容易であるため、点検や交換等の保守作業を効率良く行うことができる。加えて、故障し難いため、耐用年数が長く、経済的である。

さらに、熱源として用いる金属箔ヒータは、長さを変えずに、その電気抵抗値を正確に調節できるため、本発明の導水パネルにおいては、所望の発熱性能を維持しつつ、パネル本体の長手方向及び幅方向に対し隅々まで行き渡るように熱源を配置できるという効果を奏する。また、漏水箇所がトンネル内に点在する場合でも、その箇所のみに設置すれば良いため、無駄な費用の発生を防ぐことができる。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のみ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設置する際にも、設置済みの導水パネル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。そして、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ため、効率良く、氷柱の発生を防止することができる。

本発明の請求項２に記載の導水パネルによれば、請求項１記載の発明の効果に加え、消費電力を抑えて効率良く、氷柱の発生を防止できるという効果を奏する。

本発明の請求項３に記載の導水パネルの製造方法によれば、金属箔ヒータや伝熱板と繊維強化樹脂層の間に空気が混入するおそれがないため、熱効率の高い導水パネルを製造することができる。また、パネル本体の製造時に２種類の繊維強化樹脂層の厚さを個々に管理する必要がないため、製造コストを安く抑えることができる。

本発明の請求項４に記載のトンネル内の氷柱防止方法によれば、トンネルの内壁面への導水パネルの設置や交換が容易なため、それらの作業を短期間で安価に行うことができる。また、パネルユニットの通電状態を把握できるため、点検等の保守作業に要する費用の削減を図ることができる。

（ａ）は本発明の実施の形態に係る導水パネルの実施例の外観斜視図であり、（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ線矢視断面図であり、（ｃ）は同図（ｂ）において金属箔ヒータとその近傍を拡大した図である。 図１（ａ）の導水パネルの製造方法を示した工程図である。 （ａ）は図１（ａ）の導水パネルがトンネル内の壁面に設置された状態を示す模式図であり、（ｂ）は同図（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。 （ａ）は図１（ａ）の導水パネルの配線状態を示した斜視図であり、（ｂ）は導水パネルの配線状態を模式的に示した図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ導水パネルの実験装置を示す平面図及び側面図であり、（ｃ）は同図（ｂ）におけるＣ−Ｃ線矢視断面図である。 （ａ）乃至（ｆ）は図５の実験装置を用いて行った氷柱融解実験の結果を示す写真である。 本発明の導水パネルの数値解析モデルと数値解析により求めた導水パネルの温度分布を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の導水パネルについて数値解析を行った結果を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の導水パネルについて数値解析を行った結果を示すグラフである。

本発明の導水パネルの構造とその製造方法について図１及び図２を用いて説明し、本発明の導水パネルを用いたトンネル内の氷柱防止方法について図３及び図４を用いて説明する。なお、図１（ｂ）では、パネル本体２のハッチングを省略している。
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。

パネル本体２は厚さ３ｍｍの繊維強化樹脂製の平板材で柔軟性を有しており、平面視して縦が２〜３ｍ、横が０．３〜１．０ｍの矩形状をなしている。そして、幅方向の両端が同一方向へ曲折されるようにして、平面部２ａの両端に曲折部２ｂ，２ｂを介して取付部２ｃ，２ｃがそれぞれ設けられている。なお、取付部２ｃ，２ｃは平面部２ａと略平行をなすように曲折部２ｂ，２ｂから外側へ曲折され、互いの側面をトンネルの内壁面に対して同時に当接可能な構造となっている。また、曲折部２ｂの表面近傍には熱電対８の先端部８ａが配置されるとともに、平面部２ａの表面には先端部９ａを接触させた状態で熱電対９が設置されており、熱電対８，９にはそれぞれ導線１０，１１が接続されている。
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。

図１（ｃ）に示すように、金属箔ヒータ３は、厚さ３０〜６０μｍで、幅３〜３０ｍｍのステンレス製の金属箔と、この金属箔を被覆する厚さ０．１ｍｍのフィルム状の電気絶縁材１２からなる。なお、電気絶縁材１２は、ポリエチレン、ポリイミド、フッ素樹脂、シリコン、合成ゴム、ウレタンゴム、エポキシ樹脂等によって形成される。また、金属箔ヒータ３はアルミ箔テープ１３で伝熱板４に貼り付けられた状態でパネル本体２の平面部２ａに埋設されている。

このような構造の導水パネル１は、金属箔ヒータ３が、剛性の高い繊維強化樹脂製のパネル本体２に埋設されており、破損等による故障のおそれがないため、耐用年数が長く、経済的である。また、電気絶縁材１２及びパネル本体２は、漏水等の金属箔ヒータ３への接触を阻み、短絡事故の発生を防ぐという作用を有する。さらに、断熱材６がパネル本体２の外側への熱移動を妨げ、伝熱板４が金属箔ヒータ３の発した熱を広範囲に拡散するという作用を有する。したがって、トンネルの内壁面の漏水箇所に設置した場合、後述するように内壁面とパネル本体２との間を流れる漏水を、金属箔ヒータ３の発熱により、消費電力を抑えて効率良く温めることができる。
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。

本実施例では平面部２ａの両端に曲折部２ｂ，２ｂ及び取付部２ｃ，２ｃがそれぞれ設けられているが、本発明の導水パネルは、このような形状に限定されるものではなく、例えば、断面視略円弧状をなす形状のように、平面部２ａや曲折部２ｂ、２ｂを設けなくとも良い。なお、この場合でも、幅方向の両端には、トンネルの内壁面に対して当接可能に取付部を設けることが必要である。
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。

次に、導水パネル１の製造方法について図２を用いて説明する。
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。

ステップＳ４〜ステップＳ６では、熱硬化性樹脂が硬化する前にガラスクロスの上に、金属箔ヒータ３及び金属板４と熱電対８の先端部８ａ以外の部分を間に挟むようにして別のガラスクロスを布設し、このガラスクロスにも同様に熱硬化性樹脂を塗布する。なお、ガラスクロスに熱硬化性樹脂を塗布する作業は、ガラスクロス内に含まれる空気が完全に外部へ放出されるように、ローラで十分に加圧しながら行う。
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。

このような方法によれば、金属箔ヒータ３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３と繊維強化樹脂層の間に空気が混入するおそれがないため、熱効率の高い導水パネル１を製造することができる。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２の厚さ方向の中央となる位置に、金属箔ヒータ３が伝熱板４とともに埋設された導水パネル１が容易に製造されるため、製造コストを安く抑えることができる。
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。

ステップＳ８では、耐水性及び耐熱性を有するポリイミド樹脂製のテープ等を用い、熱電対９を平面部２ａの表面に対し、金属箔ヒータ３に先端部９ａをできるだけ近づけた状態で固定する。さらに、ステップＳ９では、厚さが２０〜３０ｍｍの発泡スチロール製の板材にポリウレタン樹脂を吹き付けて表面をコーティングし、これを断熱材６としてパネル本体２の外面に接着する。そして、ステップＳ１０では、厚さ５〜１０ｍｍ、幅２５〜３０ｍｍのエチレンプロピレンゴムを緩衝材７として、パネル本体２の取り付け部２ｃの内面に接着する。

導水パネル１をトンネル内に設置する方法について図３を用いて説明する。
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。

このとき、導水パネル１と壁面１５で囲まれた空間は、漏水の流路となる。すなわち、連続した状態に設置された複数枚の導水パネル１は、パネル本体２と壁面１５との間に漏水の流路を形成し、この流路により漏水を壁面１５の円周方向へ沿って亀裂１６から側溝１７へ誘導するという作用を有する。
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。

さらに、繊維強化樹脂製のパネル本体２は薄肉軽量構造であって嵩張らないため、運搬や保管が容易である。また、トンネル１４の壁面１５にボルト等を用いて固定できるため、設置作業や撤去作業が容易である。したがって、施工費用を削減し、施工期間を大幅に短縮するとともに、点検や交換等の保守作業を効率良く行うことができる。
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。

図３（ｂ）に示すように、各導水パネル１の導線５は、トンネル１４の出入口である開口部１４ａの付近に設置された電源制御部１８を介して、発電機や太陽電池などの給電手段（図示せず）に接続されている。また、導水パネル１の下端から路面１９の近傍に達した導線５は、電源制御部１８に一端が接続された給電線２０に接続されている。そして、電源制御部１８は、壁面１５の亀裂１６からの漏水によって形成された氷柱を成長させないために必要な最小限度の電力を、各導水パネル１の金属箔ヒータ３に対して供給すべく、給電設備の出力をフィードバック制御している。すなわち、電源制御部１８には、給電線２０を流れる電流量を検出する電流検出手段（図示せず）が設置されている。
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。

トンネル１４の壁面１５の円周方向に対して長手方向を一致させた状態で一列に配置された複数の導水パネル１からなるパネルユニット２２は、図４（ａ）に示すように、上下間で互いの導線５がそれぞれ接続され、給電線２０に対し全体として直列に接続されている。そして、図４（ｂ）に示すように、トンネル１４の壁面１５に設置された導水パネル１に接続される導線５は、パネルユニット２２ごとに給電線２０を介して給電手段（図示せず）に対してそれぞれ並列接続されている。

前述したように断熱材６には導線５を内部に配置可能な溝が形成されており、上流側（給電線２０から遠い側）の導水パネル１の金属箔ヒータ３に接続された導線５は、下流側（給電線２０に近い側）に配置された導水パネル１の断熱材６の溝の内部に配置されている。この場合、下流側のパネル本体２と断熱材６によって、上流側の導水パネル１の導線５が保護される。また、漏水していない箇所には、金属箔ヒータ３を備えていない導水パネルが設置されるため、通常、パネルユニット２２には、導水パネル１以外に、金属箔ヒータ３を備えていない導水パネルが含まれる。すなわち、この導水パネルは、漏水の流路を形成するためだけに使用される。
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。

このような構成によれば、導水パネル１を設置する際は、導線５を給電線２０に接続し、導水パネル１を撤去する際は、給電線２０との接続を解除して導線５を取り外すだけで良いため、導水パネル１を追加で設置する場合や導水パネル１を交換する場合の作業性に優れている。したがって、導水パネル１の設置や交換等の作業を短期間で安価に行うことができる。
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。

すなわち、本発明の方法によれば、外気の影響を受け易いトンネル１４の開口端１４ａに近いパネルユニット２２ほど、導線５に流れる電流値を大きくして金属箔ヒータ３からの発熱を増加させることも可能である。そして、予めパネルユニット２２ごとに導線５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２０の電流量に基づいて、パネルユニット２２の通電状態を把握することができる。これにより、点検等の保守作業に要する費用が削減される。

また、例えば、ｓ個のパネルユニット２２において、トンネル１４の開口端１４ａに近い側から数えてｋ番目のパネルユニット２２について、金属箔ヒータ３の電気抵抗値を調節することで、その導線５の電流値Ｉ_ｋが式（１）で表わされるような状態にすることができる。このとき、ｎ番目とｍ番目のパネルユニット２２において導線５が断線したと仮定すると、電源制御部１８において検出される給電線２０の電流値の減少量Ｉ_ｄは式（２）及び式（３）で表わされる。

式（２）において、ａとｂは既知であるため、電流値の減少量Ｉ_ｄから直ちに、Ｘが求められる。そして、式（３）に示すように、Ｘは２のべき乗の和で表わされることから、２進数表記に直すことにより、容易にｍとｎの値が特定される。
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。

次に、５箇所のパネルユニット２２のうち、いくつかの箇所において導線５が断線した場合について、表１を用いて説明する。ただし、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はそれぞれ１００ｍＡ及び６５ｍＡであり、ａとｂはそれぞれ１００及び−１とする。
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Ｉ_ｄは２４８ｍＡとなる。

まず、Ｉ_ｄより大きく、かつ、Ｉ_ｄに最も近いａの整数倍の値は３００であることから、Ｉ_ｄから３００を引いてｂで割ることにより、Ｘの値が求められる。次に、このＸの値（５２）を２進数で表わすと（１１０１００）となるが、この２進数は、表１の４行目に示すように、導線５が断線したパネルユニット２２の位置（トンネル１４の開口端１４ａに近い側から数えて何番目であるか）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）。
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Ｉ_ｄ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Ｉ_ｋ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Ｉ_ｄ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。

本実施例の導水パネル１の試作品を製作し、氷柱に模した氷を融解させる実験を行った結果について図５及び図６を用いて説明する。
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。

平板２４は２枚の部材が貼り合わされた構造であり、中央部には直径３０ｍｍ程度の貫通孔２４ａが設けられている。そして、平板２４の上面には、貫通孔２４ａを塞ぐように氷塊２７が載置されている。また、金属箔ヒータ３は、厚さ６０μｍ、幅６ｍｍのステンレス箔がポリエチレンフィルムにラミネートされた構造であり、１回折り返された状態で伝熱板４とともにパネル本体２に埋設されている。そして、導線５，５には、金属箔ヒータ３に所定の電力を供給するための直流電源２９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は、実験装置２３を冷凍室に設置し、金属箔ヒータ３に供給する電力と冷凍室の室温を変えた場合の氷柱２４ａの溶解状態を示す写真である。図６（ａ）及び図６（ｂ）は室温が−２０℃、金属箔ヒータ３への供給電力が７０％の場合であり、図６（ｃ）及び図６（ｄ）は室温が−２０℃、金属箔ヒータ３への供給電力が１００％の場合であり、図６（ｅ）及び図６（ｆ）は室温が−１０℃、金属箔ヒータ３への供給電力が７０％の場合である。なお、金属箔ヒータ３への供給電力は９３Ｗを１００％としている。また、図６（ａ）、図６（ｃ）及び図６（ｅ）は実験開始直後の氷柱２４ａの状態を示し、図６（ｂ）、図６（ｄ）及び図６（ｆ）は実験開始から６０分後の氷柱２４ａの状態を示している。
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。

本発明の導水パネルについて、式（４）に示した熱伝導偏微分方程式に基づいて有限要素法による数値解析を行い、その温度分布を求めた結果について図７乃至図９を用いて説明する。
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。

図７に示すように、対称性により導水パネル１の右半分のみをモデル化し、トンネルの内壁面の温度を０℃、導水パネル１の断熱材６に接触する外気の温度を−２０℃とした。また、断熱層の熱伝導率には、断熱材６として使用したポリウレタンの熱伝導率（０．０３Ｗ／Ｋ／ｍ）を用い、パネル本体２と伝熱板４の熱伝導率には、アルミニウムの熱伝導率（２４０Ｗ／Ｋ／ｍ）を用いた。さらに、導水パネルの内側の空間の空気は自然対流を行うが、その影響を考慮して、この空気の熱伝導率を等価伝導率（０．０７４Ｗ／Ｋ／ｍ）で置き換えた。そして、導水パネル１の端部より１１０ｍｍ及び２２０ｍｍの箇所にそれぞれ配置された金属箔ヒータ３への供給電力を４０Ｗ／ｍ^２とした。

図８（ａ）に示すように、金属箔ヒータ３を作動させない場合には、導水パネル１の内側の空間の気温が―７℃となり、漏水が凍結する可能性がある。また、この空間内の気温をいたるところで０℃以上とするには、金属箔ヒータ３への供給電力を３２Ｗ／ｍ^２にする必要があり、この気温をいたるところで２℃以上とするには、金属箔ヒータ３への供給電力を４０Ｗ／ｍ^２にする必要がある。したがって、幅１ｍ、長さ２ｍの導水パネルであれば、金属箔ヒータ３への供給電力を８０Ｗとし、給電設備の能力は、余裕を持たせて１００Ｗとすれば良い。
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。

図８（ｂ）を見ると、導水パネル１の内側の空間の気温をいたるところで２℃以上とするには、断熱材６の厚さを２５ｍｍ以上とすれば良いことがわかる。また、図９（ａ）を見ると、導水パネル１の内側の空間の気温をいたるところで２℃以上とするには、伝熱板４の厚さを０．３ｍｍ以上とすれば良いことがわかる。
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／ｍ^２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／ｍ^２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。

請求項１乃至請求項４に記載された発明は、新設であるか、既設であるかを問わず、寒冷地域のトンネル内における針状氷柱の発生を防止するためのシステムに適用可能である。

１…導水パネル ２…パネル本体 ２ａ…平面部 ２ｂ…曲折部 ２ｃ…取付部 ３…金属箔ヒータ ４…伝熱板 ５…導線 ６…断熱材 ７…緩衝材 ８熱電対 ８ａ…先端部 ９…熱電対 ９ａ…先端部 １０，１１…導線 １２…電気絶縁材 １３…アルミ箔テープ １４…トンネル １４ａ…開口端 １５…壁面 １６…亀裂 １７…側溝 １８…電源制御部 １９…路面 ２０…給電線 ２１…給電線用ダクト ２２…パネルユニット ２３…実験装置 ２４…平板 ２４ａ…貫通孔 ２５…支持台 ２６…ファイバースコープ ２７…氷塊 ２７ａ…氷柱 ２８…制御部 ２９…直流電源

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
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。