JP6495578B2 - トンネル換気方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル工事において発生する粉塵を除塵して換気するトンネル換気方法に関するものである。

トンネル施工において、その地盤性状やトンネルの規模などに応じてその掘削方法は多岐に亘っており、都市部を中心に多用されているシールドマシンを使用したシールド工法の他に、例えば削岩機を使用した造成方法や発破による造成方法などが挙げられる。このように削岩機や発破を使用したトンネルの施工方法においては、削岩時や発破時においてトンネル坑内に大量の粉塵が発生するほか、坑内の機器から排出される排ガスなども発生する。したがって、坑内環境の維持のためには、粉塵等の除塵と新鮮な外気の供給が常時おこなわれる必要がある。

このような坑内環境の維持に当たっては、図５で示すような換気方法が一般に適用されている。

まず、トンネルＴ内に配設された集塵機Ｃの集塵設備に連通する２本のダクトＤ１，Ｄ２のうち、一方のダクトＤ１の端部にある吸気口Ｏ１を切羽側に向け、他方のダクトＤ２の端部にある排気口Ｏ２を坑口側に向け、さらに、トンネルＴ外に配設された別途の送風機ＳのダクトＤ３の端部にある吐出口Ｏ３を切羽側に向ける。

切羽側で発生した粉塵混じり空気を吸気口Ｏ１で吸気し、集塵設備にて除塵された除塵後空気を排気口Ｏ２を介して坑口側へ排気する。

この集塵機Ｃの作動と並行して送風機Ｓも作動させ、坑口側からの新鮮な空気が切羽側へ提供される。

この際、送風機Ｓによって送気される新鮮な空気の送気量Q1よりも多い吸気量Q2の粉塵混じり空気を吸気口Ｏ１から吸気する制御が、高い粉塵除去性の観点から一般に適用されている。そのため、吸気量Q2から送気量Q1を差し引いた差分Q2-Q1によって坑口側から切羽側への空気流れ（図中のＸ方向）が生じる。この空気流れＸにより、吸気されずに切羽側の領域で浮遊する粉塵が当該切羽側の領域に封じ込められることになる。

なお、吸気口Ｏ１からの吸気による空気の流れと、坑口側から流通してくる空気の流れがぶつかって生成される空気滞留面ＡＣは、エアーカーテンなどと称される。

図５で示すように、従来の換気方法では、エアーカーテンＡＣが送風機ＳのダクトＤ３の吐出口Ｏ３から集塵機Ｃ付近を繋ぐような曲面形状で生成されており、同図からも明らかなように、切羽に可及的に近い領域にて粉塵を封じ込めておくことができず、場合によっては粉塵の拡散にも繋がり、坑内環境を悪化させる要因の一つとなっていた。なお、集塵機を可及的に切羽近傍に設置することでエアーカーテンＡＣを切羽近傍に形成するといった対策が想定されるが、実際のトンネル施工においては、切羽側から坑口側にかけて、掘削用の削岩機やコンクリート吹付け機、積み込み機、運搬ダンプやコンクリート運搬車等の機器が配設され、これらの機器の後方（坑口側）に集塵機Ｃが配設されることになり、したがって、集塵機Ｃを切羽近傍に配設するのは現実的でない。したがって、エアーカーテンＡＣが集塵機Ｃ付近に形成されるということは、それよりも切羽側に位置する各種機器がエアーカーテンＡＣの前方の粉塵雰囲気内に存在することを意味しており、各種機器を操作する作業員やこの近傍で作業する作業員の作業環境の改善が急務である。

また、上記するように、送風機Ｓによって送気される新鮮な空気の送気量Q1よりも多い吸気量Q2の粉塵混じり空気を吸気口Ｏ１から吸気する制御を実行するべく、集塵能力の高い集塵機Ｃを必須としており、このためにトンネル内換気に際して設備コストが高価になるといった課題もある。

ここで、特許文献１には、トンネル内の切羽付近での作業内容に応じて送風機と集塵機の運転を制御することにより、送風機と集塵機の運転コストを低減可能なトンネル換気方法と換気システムが開示されている。より具体的には、切羽へ向かって延びる送風ダクトを備える送風機と、切羽の近くに設置されて切羽から発生する粉塵を浄化する集塵機を備え、送風機と集塵機には制御装置が電気的に接続され、制御装置は粉塵濃度計測センサからの信号を受けて送風機と集塵機の運転を制御するようになっている。ここで、制御装置は切羽付近の粉塵濃度実測値が予め設定された低濃度域、中濃度域、あるいは高濃度域のいずれの範囲に属するかを判定し、それらの濃度域に応じた送風機と集塵機の運転条件を選択し、選択された条件で運転制御をするものである。

このシステムによれば、送風機と集塵機の運転コストを低減することは可能であるものの、制御が複雑であり、システム構築に要するコスト増が課題となり得る。

特開２００９−２５６９２９号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、従来一般のトンネル換気設備を使用しながら、高能力の集塵機を不要とでき、複雑な制御システムを必要とせず、トンネル内における換気性に優れたトンネル換気方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明によるトンネル換気方法は、トンネルの施工に当たり、集塵設備と、集塵設備に連通して吸気口を端部に備えた吸気ダクトと、集塵設備に連通して排気口を端部に備えた排気ダクトと、から構成される集塵機、および、吐出口を端部に備えた送気ダクトを具備する送風機、をともにトンネル内に配設し、吸気口と排気口と吐出口をいずれも切羽側に向け、排気口に比して吸気口を切羽寄りに位置決めし、集塵設備と送風機を作動させ、吸気口から粉塵混じり空気を切羽側から吸気し、集塵設備にて除塵された除塵後空気を排気口から切羽側へ排気し、坑口側から取り込んだ新鮮な空気を吐出口から切羽側へ送気してトンネル内の換気を図るものである。

本発明のトンネル換気方法は、集塵機の具備する排気ダクトの排気口を、吸気ダクトの吸気口と同様に切羽側に向けて配置する構成を適用し、さらに、排気口に比して吸気口を切羽寄りに位置決めする構成を適用したことより、送風機から送気される新鮮な空気と集塵機から吐出される除塵後空気がともに切羽側に提供されることとなり、トンネル内で生成されるエアーカーテンを新鮮な空気と除塵後空気による押圧力にて切羽側に押し込むことができ、粉塵を切羽に可及的に近い領域に留めておくことが可能になる。そのため、粉塵の拡散も抑制され、クリーンな坑内環境を形成することができる。さらに、粉塵の吸気と拡散防止を目的とした高能力の集塵機の必要性は無くなり、したがってトンネル内換気に要する設備コストの低減を図ることも可能になる。

なお、従来の換気方法では、集塵機の具備する排気ダクトを坑口側に向け、除塵後空気を坑口側へ排気するのが常識であったものを、逆に切羽側へ排気するという発想の転換により、集塵機の性能を低下させても粉塵の拡散防止が図られ、除塵性能の高い換気を実現することができる。

さらに、粉塵の拡散防止効果を高めること、および高い粉塵回収効果を奏する観点から、排気口に比して吸気口を切羽寄りに位置決めする構成を適用している。

ここで、吸気ダクトと排気ダクト、および送気ダクトの全てのダクトが伸縮ダクトから形成されているのが好ましい。

送風機は坑口側に配設されることから、トンネルの延伸に応じて送気ダクトも随時延長する必要があることより、単に風管を繋げていくよりも、伸縮ダクトによる対応がトンネルの延伸に応じた効率的な送気ダクトの延長に繋がる。なお、伸縮ダクトと非伸縮の風管を組み合わせて送気ダクトを形成してもよいことは勿論のことである。

また、吸気ダクトと排気ダクトも伸縮ダクトから形成されていることにより、トンネルが延伸した場合でも、集塵設備を一定の場所に置いたままで、双方のダクトを伸長させ、排気口と吸気口を所望の位置に位置決めすることが可能になる。なお、これら吸気ダクトと排気ダクトに関しても、伸縮ダクトと非伸縮の風管を組み合わせて形成してもよい。

また、集塵機は、たとえば大型の平ボディートラックの荷台に集塵設備を搭載し、トンネル内で移動自在な機器を適用するのが好ましい。また、集塵設備は、除塵をおこなう多数のフィルターやバキュームポンプなどから構成でき、さらに、サイレンサや吸気ファン、換気ファンなどが直列に繋がれて構成された送風設備が集塵設備に流体連通した形態などが挙げられる。

さらに、前記排気ダクトが２以上設けられ、それぞれの排気ダクトが異なる方向に向いた姿勢で配設されているのが好ましい。

ここで、「排気ダクトが２以上設けられ」とは、文字通り２以上の排気ダクトを使用する形態の他にも、１本の排気ダクトの途中から分岐管等を介して２以上の枝管が取り付けられ、２以上の枝管のそれぞれが除塵後空気を排気する排気口を具備する形態などを含む意味である。

トンネルの側面方向や、切羽面の上面方向、下面方向など、異なる方向に向いた姿勢の複数の排気ダクトから除塵後空気が排気されることで、エアーカーテンの可及的に広い範囲を切羽側へ押圧することが可能になり、粉塵の拡散抑制効果も高まる。

ここで、排気ダクトの向く方向としては、切羽に向かう方向からトンネルの側面側へ傾斜した方向が挙げられる。たとえば４本の排気ダクトが、トンネルの切羽面の0度、90度、180度、270度に対応するトンネル側面方向に向いて除塵後空気を排気するような形態が一例である。

以上の説明から理解できるように、本発明のトンネル換気方法によれば、集塵機の具備する排気ダクトの排気口を、吸気ダクトの吸気口と同様に切羽側に向けて配置する構成を適用し、さらに、排気口に比して吸気口を切羽寄りに位置決めする構成を適用したことにより、送風機から送気される新鮮な空気と集塵機から吐出される除塵後空気がともに切羽側に提供され、生成されるエアーカーテンを新鮮な空気と除塵後空気による押圧力にて切羽側に押し込むことができ、粉塵を切羽に可及的に近い領域に留めておくことが可能になるとともに粉塵の拡散も抑制され、クリーンな坑内環境を形成することができる。さらに、粉塵の吸気と拡散防止を目的とした高能力の集塵機の必要性が無くなり、したがってトンネル内換気に要する設備コストの低減を図ることも可能になる。

本発明のトンネル換気方法の実施の形態１の縦断面図である。 （ａ）は図１のII−II矢視図であり、（ｂ）は図２ａのｂ−ｂ模式図である。 トンネル内における施工状況を説明した図である。 （ａ）は図２ａに対応した図であって、本発明のトンネル換気方法の実施の形態２の平面図であり、（ｂ）は図４ａのｂ−ｂ模式図である。 従来のトンネル換気方法の実施の形態の平面図である。

以下、図面を参照して、本発明のトンネル換気方法の実施の形態を説明する。

（トンネル換気方法の実施の形態１）
図１は本発明のトンネル換気方法の実施の形態１の縦断面図であり、図２は図１のII−II矢視図であり、図３はトンネル内における施工状況を説明した図である。なお、図３はトンネル工事を表す施工次第図でもあるが、切羽には掘削用の削岩機やコンクリート吹付け機、積み込み機、運搬ダンプやコンクリート運搬車等の機器が配置されている。これらの機器からは削岩機の粉塵、吹付けコンクリートの粉塵、排気ガスの粉塵が発生する。

図１で示すように、トンネルＴの施工に際し、トンネルＴ内の換気に供される集塵機１０は、平ボディートラック１の荷台の上に、２段式の下段に多数のフィルターとバキュームポンプ（いずれも不図示）などから構成される集塵設備２、上段に排気設備３をそれぞれ搭載し、集塵設備２には吸気ダクト４が流体連通し、排気設備３には排気ダクト５が流体連通してその全体が大略構成された自走式の集塵機である。なお、各機器が搬送台車上に載置されて全体が構成され、牽引車や人力で牽引される非自走式の集塵機であってもよい。

排気設備３は、切羽側から順に、サイレンサ３１、吸気ファン３２、換気ファン３３が直列に繋がれて構成されている。なお、集塵設備２と排気設備３は流体連通していることから、集塵設備２に対し、吸気ダクト４は直接接続されており、排気ダクト５は間接的に接続された構成となっている。

吸気ダクト４と排気ダクト５はともに蛇腹状の伸縮ダクトから構成されており、かつ、双方のダクトがいずれも切羽側に向けられた姿勢で設置されている。なお、図示する吸気ダクト４と排気ダクト５はいずれも、その全長に亘って蛇腹状の伸縮ダクトから構成されているが、伸縮ダクトと直鋼管が組み合わされたダクト形態であってもよい。

さらに、吸気ダクト４の吸気口４ａが排気ダクト５の排気口５ａよりも切羽寄りに位置決めされた姿勢で双方のダクト４，５がトンネルＴ内で配設される。なお、吸気ダクト４と排気ダクト５の設置に関しては、それぞれが吊りレール７Ａ，７Ｂに固定され、吊りレール７Ａ，７ＢがトンネルＴの天井から吊られることで各ダクトのトンネル内設置がおこなわれる。

一方、図２ａ，ｂで示すように、集塵機１０の側方には坑口側から延びる送気ダクト６が配設されており、この送気ダクト６は、坑口側に配設されている不図示の送風機に流体連通している。

図２ａで示すように、トンネルＴの切羽側でトンネルの延伸施工をおこなうに当たり、集塵設備２および排気設備３を作動させ、かつ不図示の送風機を作動させると、吸気ダクト４の吸気口４ａから粉塵混じり空気を切羽側から吸気し（Ｙ１方向）、集塵設備２にて除塵された除塵後空気を排気設備３を介し、排気ダクト５の排気口５ａから切羽側へ排気し（Ｙ２方向）、さらに、坑口側から取り込んだ新鮮な空気を送気ダクト６の吐出口６ａから切羽側へ送気することにより（Ｙ３方向）、トンネルＴ内の換気が実行される。

従来の集塵機では、具備する排気ダクトの排気口を坑口側に向け、除塵後空気を坑口側に排気する方式が一般に適用されている。そのため、切羽側から坑口側へのエアの流れと逆向きのエアの流れがぶつかってできるエアーカーテンは、送風機のダクトの吐出口から集塵機付近を繋ぐような曲面形状となり、切羽に可及的に近い領域にて粉塵を封じ込めておくことができず、粉塵の拡散にも繋がっていた。

これに対し、図示するように、従来使用される集塵機や送風機を適用するものの、吸気ダクト４の吸気口４ａと同様に排気ダクト５の排気口５ａを切羽側に向けて配置する構成を適用し、さらに、排気口５ａに比して吸気口４ａを切羽寄りに位置決めする構成を適用したことより、送風機から送気される新鮮な空気と集塵機１０から吐出される除塵後空気がともに切羽側に提供され、トンネルＴ内で生成されるエアーカーテンＡＣを新鮮な空気と除塵後空気による押圧力にて切羽側に押し込むことができ、粉塵を切羽に可及的に近い領域に留めておくことが可能になる。そのため、粉塵の拡散も抑制され、クリーンな坑内環境を形成することができる。さらに、粉塵の吸気と拡散防止を目的とした高能力の集塵機の必要性は無くなり、したがってトンネル内換気に要する設備コストの低減を図ることも可能になる。

なお、実際のトンネル内施工においては、図３で示すように、トンネル内において切羽側から順に、ドリルジャンボ２０やブレーカ３０の削孔機のほか、ホイールローダ４０、ダンプトラック５０、エレクター搭載吹付け機６０、トラックミキサー７０が稼働もしくは待機している。したがって、集塵機１０の本体が切羽側に近接できない状況下にある。

そこで、集塵機１０が搭載する吸気ダクト４や排気ダクト５を切羽側まで伸長させた状態でトンネルの頂部に吊り下げておき、トンネルの延伸に応じて吸気ダクト４や排気ダクト５を所望に伸長させる。なお、吸気ダクト４や排気ダクト５を伸長のみならず、トンネルの施工に応じて集塵機１０を切羽側へ移動させるようにしてもよい。いずれにせよ、トンネルの施工に際し、吸気ダクト４や排気ダクト５の先端の吸気口４ａと排気口５ａが切羽から所定距離以内に位置するように設置することで、切羽で生じた粉塵を精度よく除塵することが可能になる。

（トンネル換気方法の実施の形態２）
図４ａは図２ａに対応した図であって、本発明のトンネル換気方法の実施の形態２の平面図であり、図４ｂは図４ａのｂ−ｂ模式図である。

図示する集塵機１０Ａは、排気ダクト５Ａがその先端に複数の枝管５Ｂ，５Ｃ、５Ｄを備えており、それぞれの端部の排気口５ａ’がトンネルＴの側面方向や切羽面の斜め上方向であるＺ１方向、Ｚ２方向、Ｚ３方向を向いた姿勢で配設されている。

このように、複数の排気口５ａ’からトンネルＴの側面方向や切羽面の斜め上方向等に除塵後空気が排気されることにより、エアーカーテンＡＣの広い範囲を坑口側から切羽側に向かって押圧することができ、エアーカーテンＡＣと切羽面の間の空間にある粉塵をより効果的に封じ込めることが可能になる。

なお、枝管の基数や各枝管の向きの設定は適宜選定でき、エアーカーテンＡＣの坑口側からの押圧性の観点から設定される。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…平ボディートラック、２…集塵設備、３１…サイレンサ、３２…吸気ファン、３３…換気ファン、３…排気設備、４…吸気ダクト、４ａ…吸気口、５，５Ａ…排気ダクト、５Ｂ，５Ｃ、５Ｄ…排気ダクト（枝管）、５ａ、５ａ’…排気口、６…送気ダクト、６ａ…送気口、１０，１０Ａ…集塵機、Ｔ…トンネル、ＡＣ…エアーカーテン

Claims (2)

1. トンネルの施工に当たり、
   集塵設備と、集塵設備に連通して吸気口を端部に備えた吸気ダクトと、
   集塵設備に連通して排気口を端部に備えた排気ダクトと、から構成される集塵機、および、吐出口を端部に備えた送気ダクトを具備する送風機、をともにトンネル内に配設し、
   吸気口と排気口と吐出口をいずれも切羽側に向け、排気口に比して吸気口を切羽寄りに位置決めし、
   集塵設備と送風機を作動させ、吸気口から粉塵混じり空気を切羽側から吸気し、集塵設備にて除塵された除塵後空気を排気口から切羽側へ排気し、坑口側から取り込んだ新鮮な空気を吐出口から切羽側へ送気してトンネル内の換気を図る、トンネル換気方法。
2. 吸気ダクトと排気ダクト、および送気ダクトの全てのダクトが伸縮ダクトからなる請求項１に記載のトンネル換気方法。

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