JPH11101092A - 取水トンネルの構築方法及びそのためのトンネル掘削機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大型の集水開口を有するセグメントを、地下
水の流入をおさえながら組み立てて取水トンネルを構築
する。 【解決手段】 地山に接するスキンプレート２１の一部
に集水開口２２が形成されたセグメント２０をトンネル
掘削機１の掘進に伴って組み立てていき、帯水層６０内
に取水トンネルを構築する際に、集水開口２２から構築
中の取水トンネル内への地下水を、トンネル掘削機１の
テール位置の胴殻４内面に周方向に沿って集水開口２２
を跨ぐように設けられた複数段のテールシール３で止水
するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は取水トンネルの構築
方法及びそのためのトンネル掘削機に係り、特に集水開
口が形成されたセグメントを支保部材とした取水トンネ
ルの構築方法及び同トンネルを構築するためのトンネル
掘削機に関する。

【０００２】

【従来の技術】出願人は、陸地部および海底下の土壌中
の地下水資源（淡水または海水）を大規模に取水する取
水施設の一例として図７、図８に示した取水トンネル５
０を提案した。図示した取水トンネル５０はシールドト
ンネルからなる取水斜坑５１と、この取水斜坑５１の深
い側の一端が連結する揚水立坑５２とからなる。取水斜
坑５１は砂層や砂礫層からなる帯水層６０から下り勾配
で傾斜して粘性土層あるいは岩盤等からなる不透水層６
１内で揚水立坑５２の下端に連結されている。帯水層６
０内を通過する取水斜坑５１の支保部材として集水セグ
メント５３が用いられている。

【０００３】図８は帯水層６０中を通過する取水斜坑５
１の集水セグメント５３の組立状態を示した部分斜視図
である。集水セグメント５３は鋼製セグメントからな
り、スキンプレート５４の表面に集水開口５５が形成さ
れている。一例として同図には長方形状の集水開口５５
が列設されている。この大型の集水開口５５を介して帯
水層６０中の地下水あるいは海水を取水斜坑５１内に流
入させる。

【０００４】また、集水開口５５のセグメント内側には
ストレーナ５６が取り付けられている。集水開口５５は
メッシュフィルタ７０で覆われ、ストレーナ５６内には
図示しないフィルタ層と、フィルタ層に連続したドレー
ン層とが形成されている。フィルタ層内にはフィルタ材
として単粒度砕石が所定層厚で充填されている。ドレー
ン層には例えば透水性の高い立体網状の繊維を円筒状に
成形したドレーン部材が収容されている。

【０００５】以上のような構成からなる取水トンネルで
は、たとえば従来のシールドトンネルのセグメントと同
様の手順によってシールド掘削機によって集水セグメン
トをリング状に組み立て、図７に示した取水斜坑５１を
構築していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の集水
セグメントの開口率は、セグメントの全表面積に対して
４０〜５０％程度と想定される。このため、従来のシー
ルド掘削機で被圧水中を掘進し、セグメントを組み立て
る段階では、集水開口部を経由してテールシール部を迂
回して流入するテール部分からの地下水の流入は避けら
れない。このため、シールド掘削機内への地下水の流入
が多い場合にはセグメントの組み立てが困難となる。ま
た、テール部での地下水流入を防止するために、シール
ド掘削機の掘進中にテールシールに防水グリースパテを
供給すると、集水開口表面に防水グリースパテが大量に
付着し、取水運転前のメッシュフィルタ、フィルタ層の
洗浄が煩雑になるという問題がある。

【０００７】そこで、本発明の目的は上述した従来の技
術が有する問題点を解消し、大きな集水開口を有するセ
グメントを組み立てる取水トンネルを安全に構築でき、
また集水開口部分を汚さないようにセグメントを組み立
てるようにした取水トンネルの構築方法及びトンネル掘
削機を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は地山に接するスキンプレートの一部に集水
開口が形成されたセグメントをトンネル掘削機の掘進に
伴って組み立てていき、帯水層内に取水トンネルを構築
する際に、前記集水開口から構築中の前記取水トンネル
内への地下水を、前記トンネル掘削機のテール位置の胴
殻内面に周方向に沿って前記集水開口を跨ぐように設け
られた複数段のテールシールで止水するようにしたこと
を特徴とする。

【０００９】このとき、トンネル掘削機の掘進に伴い、
前記複数段のテールシールのうち、前記集水開口位置を
摺接して移動するテールシールでの防水グリースパテ供
給ラインの運転を停止する一方、前記セグメントのスキ
ンプレート面を摺接して移動する他のテールシールの防
水グリースパテ供給ラインの運転を行い、前記防水グリ
ースパテ供給ラインを運転中のテールシール位置で止水
することを特徴とすることが好ましい。

【００１０】上記構築方法の発明に用いられるトンネル
掘削機として、組み立てられるセグメントに形成された
集水開口の幅より、トンネル延長方向の最前段のテール
シール位置と最後段のテールシール位置との間隔をあけ
て、テール位置の胴殻内面に周方向に沿って複数段のテ
ールシールを設けることを特徴とし、さらには、組み立
てられるセグメントに形成された集水開口のトンネル延
長方向の幅よりも間隔をあけて、テール位置の胴殻内面
に周方向に沿って複数段のテールシールを設けることが
好ましい。

【００１１】このとき、前記複数段のテールシールのそ
れぞれに独立して運転可能な防水グリースパテ供給ライ
ンを配管することが好ましい。

【００１２】上述のトンネル掘削機及びセグメントを組
み立ててなる取水トンネルの構築方法によれば、トンネ
ル構築時にトンネル内への湧水を防止でき、また集水開
口のメッシュフィルタやフィルタ層に防水グリースパテ
等が不必要に付着して透水性を低下させるのを最小限に
抑えることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の取水トンネルの構
築方法及びそのためのトンネル掘削機の一実施の形態に
ついて、添付図面を参照して説明する。

【００１４】図１は本発明のトンネル掘削機１と、この
トンネル掘削機１の胴殻４のテール部２で組み立てられ
た帯水層６０中を通過する取水斜坑５１の一部を示した
部分斜視図である。本実施の形態ではトンネル掘削機と
してシールド掘削機１が用いられている。同図に示した
ように砂層あるいは砂礫層からなる帯水層６０中を掘進
する仮想線で示したシールド掘削機１の胴殻４のテール
部２で集水セグメント２０がリング状に組み立てられて
いる。各集水セグメント２０の表面には矩形の集水開口
２２が形成されている。

【００１５】シールド掘削機１のテール部２の内側には
前段テールシール３Ａと後段テールシールとからなる２
段テールシール３がトンネルの周方向に沿って装着され
ている。これら２段テールシール３は、本実施の形態で
はワイヤブラシタイプからなり、周方向に沿って延設さ
れたワイヤブラシ束内には、後に詳述する防水グリース
パテ供給ライン５が所定間隔をあけて組み込まれてい
る。この防水グリースパテ供給ライン５によって適当な
タイミングで全周にわたりワイヤブラシ先端近傍に防水
グリースパテを充填し、テール部２での止水性を確保す
ることができる。最前段テールシール３Ａと最後段テー
ルシール３Ｂの前後方向の間隔Ｌは図１に示したよう
に、集水開口２２の開口幅Ａより広くとられており、最
前段テールシール３Ａと最後段テールシール３Ｂとの間
に集水開口２２が位置するようになっている。なお、テ
ールシールの列数としては最小段数の場合、本実施の形
態のように前後２段で構成されるが、テール部での止水
性を高めるために、最前段テールシールと最後段テール
シールとの中間位置にテールシールを設けることができ
る。

【００１６】図１のシールド掘削機１では特に図示して
いないが、切羽安定機構、掘削機構、搬土機構、掘削機
本体の推進機構及びセグメント組立機構等の各設備とし
ては、本発明の実施が特に限定される機構はなく、掘削
対象地盤に応じて公知の種々のものが組み込み可能であ
る。

【００１７】図２は集水セグメント２０のストレーナ３
０のフィルタ層３３での断面を示した平断面である。本
実施の形態では、集水セグメント２０として鋼製セグメ
ントが用いられており、スキンプレート２１の表面には
開口形状が長方形の集水開口２２が形成されている。こ
の集水開口２２は周囲が枠形状のフレームで補剛されて
おり、さらに集水開口２２を一面とするストレーナ３０
がセグメント内面側に設置されている。このストレーナ
３０で帯水層６０中の地下水あるいは海水を濾過して取
水斜坑５１内に流入させることができる。

【００１８】図１に示したように、集水開口２２が全周
に位置するように集水セグメント２２が組み立てられて
いるため、トンネル周囲の広範囲の地山から地下水を取
水することができる。なお、地下水条件によっては集水
セグメント２０は全周に配置する必要はなく、トンネル
下半のみ等、トンネル壁面の特定の一部分に組み込むよ
うにしてもよい。

【００１９】次に、集水開口２２、ストレーナ３０の構
成について、図２、図３を参照して説明する。図３は本
発明のトンネル掘削機としてのシールド掘削機１のテー
ル部２と、テール部２で組み立てられた集水セグメント
２２の断面を拡大して示した部分拡大断面図である。図
３に示したように、ストレーナ３０は集水セグメント２
０のスキンプレート２１に形成された集水開口２２の内
側に取り付けられている。ストレーナ３０の外形は集水
開口２２の開口寸法にほぼ等しく、高さがセグメントの
ウェブ厚にほぼ等しい箱形の枠体フレーム３１で集水開
口２２が補剛されている。枠体フレーム３１の一端は集
水開口２２の周縁に沿ってスキンプレート２１の内側面
に溶接されている。さらに枠体フレーム３１と集水開口
２２の周囲のスキンプレート２１は図示しない縦リブで
補剛されている。

【００２０】集水開口２２のトンネル延長方向の開口幅
Ａは図２、図３に示したように、セグメントのスキンプ
レート２１の前後の幅の合計Ｂ（＝Ｂ１＋Ｂ２）に対し
てＡ＜Ｂで、比率的には２：３程度になるように設定さ
れている。例えばセグメント幅が１００ｃｍの場合には
Ａ＝４０ｃｍ、Ｂ＝６０ｃｍとなる。なお、スキンプレ
ート２１の前後の幅Ｂ１、Ｂ２は等しく設定されてい
る。

【００２１】集水開口２２はメッシュフィルタ３２で覆
われ、枠体フレーム３１内にはフィルタ層３３と、フィ
ルタ層３３に連続したドレーン層３４とが形成されてい
る。本実施の形態では、メッシュフィルタ３２には溶接
金網が用いられている。フィルタ層３３には単粒度砕石
が充填されている。さらにドレーン層３４にはセグメン
トの曲率と等しい湾曲板状のドレーン部材４１が枠体フ
レーム３１内に収容されている。このドレーン部材４１
としては、透水性の高い不織布を湾曲板状に成形した硬
質ドレーン材が使用されている。枠体フレーム３１の集
水開口２２と反対面は蓋板３９で覆われている。

【００２２】フィルタ層３３位置の枠体フレーム３１に
は図２に示したように、４本の洗浄パイプ３５がトンネ
ル周方向に所定の間隔をあけて取り付けられている。こ
れらの洗浄パイプ３５はトンネル掘進時にメッシュフィ
ルタ３２に付着したりフィルタ層３３に入り込んだ防水
グリースや防水ベントナイトパテなどを取り除いてメッ
シュフィルタ３２とフィルタ層３３とを清浄にするため
に用いられる。この洗浄パイプ３５のフィルタ層３３内
に収容される部分は有孔管形状となり、排出口近傍には
開閉バルブ３６が設けられている。

【００２３】一方、枠体フレーム３１の蓋部３９の中央
位置には集水パイプ３７が取り付けられている。パイプ
の口元には開閉バルブ３８が設けられてトンネル内への
地下水の流入を調整できるようになっている。

【００２４】図３に示した実施例では、集水セグメント
２２はシールド掘削機１のテール部２で、すでに組み立
てられているセグメント２０の妻面に連結するようにし
て図示しないセグメント組立機構によりリング状に組み
立てられる。トンネル延長方向及び周方向のセグメント
間は連結ボルト２５で堅固に連結される。またウェブ接
合面での水密性を確保するためにシール材２６が介装さ
れている。

【００２５】一方、シールド掘削機１の胴殻４のテール
部２内面には前述した２段テールシール３が装着されて
いる。前段テールシール３Ａと後段テールシール３Ｂと
の前後の間隔Ｌは図示したように、トンネル延長方向に
連結され隣接した集水セグメント２２のスキンプレート
２１部分の長さＢ（＝Ｂ１＋Ｂ２）よりわずかに短くな
るように設定されている。したがって、図３に示した実
施例では集水開口幅Ａとの関係において、Ａ＜Ｌ＜Ｂが
成立するように各寸法が設定されている。さらに前段テ
ールシール３Ａと後段テールシール３Ｂのそれぞれのワ
イヤブラシ先端に防水グリースパテを独立して供給可能
な防水グリースパテ供給管５が胴殻４内面に別系統５
Ａ、５Ｂとして配管されている。制御部６からの指令に
より前段テールシール３Ａへの防水グリースパテ供給の
タイミングと後段テールシール３Ｂへの防水グリースパ
テ供給のタイミングを調節できるようになっている。な
お、図３では集水セグメント２２において、集水開口２
２の位置はＢ１＝Ｂ２となるように設定されているが、
例えばＢ１＝０またはＢ２＝０としてもよい。また、集
水開口２２をトンネル延長方向あるいは周方向に複数列
をなすスリット状となるように配置もよい。

【００２６】ここで、シールド掘削機１の掘進に伴って
集水セグメント２０を組み立てる際の防水グリースパテ
の供給運転の手順について説明する。集水セグメント２
０は前述したようにスキンプレート２１面に大きな集水
開口２２を備えた鋼製セグメントで、工場製作段階でス
トレーナ３０及び洗浄パイプ３５、集水パイプ３７も同
時に組み立てられ、内部にはフィルタ材４０、ドレーン
部材４１が収容されている。掘進に従ってシールド掘削
機１のテール部２で集水セグメント２０を組み立てる
が、このとき洗浄パイプ３５、集水パイプ３７の開閉バ
ルブ３６、３８をともに閉状態にして図示しないシール
ド掘削機１のテールシール（図示せず）部分からの地下
水の浸入を防止するようになっている。このとき図４，
図５に例示したように２段テールシールまたは３段テー
ルシールからそれぞれ供給される防水グリースパテが集
水開口２２に付着するのを最小限にするために、防水グ
リースパテの供給タイミングを制御しながら運転を行う
ことができる。

【００２７】以下、図４、図５の状態説明図、図６の作
業フローチャートを参照して説明する。集水開口幅Ａ、
スキンプレート２１の幅（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ＝Ｂ１＋Ｂ
２）、前段（以下、図５の３列の場合の最前段も前段と
記す。）テールシールと後段（以下図５の３列の場合の
最後段も後段と記す。）テールシールとの間の取付間隔
Ｌは図４（ａ）乃至図４（ｅ）、図５（ａ）乃至図５
（ｅ）に示した関係にある。図４（ａ）、図５（ａ）に
示した段階からシールド掘削機１が矢印Ａ方向に掘進す
る際に、防水グリースパテは後段テールシール３Ｂ（図
６中、ＴＳと略記）から供給されてテール部２の水密性
が保持される（図４（ａ）→（ｂ）、図５（ａ）→
（ｂ）、図６（ステップ（図６中、Ｓと略記）１０
０））。シールド掘削機１のテール部２が図４（ｂ）、
図５（ｂ）にある状態で集水セグメント２０Ａが組み立
てられる（ステップ１１０）。このとき後段テールシー
ル３Ｂは進行方向に対して集水開口２２Ｂの手前に、前
段テールシール３Ａは集水開口２２Ｂを越えた位置にあ
る。１リング分のセグメント組み立てが完了したら、後
段テールシール３Ｂからの防水グリースパテ供給を停止
するとともに、前段テールシール３Ａから防水グリース
パテを供給開始する。この状態で前段テールシール３Ａ
が組み立て直後の集水セグメントの集水開口２２Ａの手
前位置に到達するまでシールド掘削機１による掘進を行
える（図４（ｂ）→（ｃ）、図５（ｂ）→（ｃ）、（ス
テップ１２０））。このとき後段テールシール３Ｂのワ
イヤブラシ先端は集水開口２２Ｂの表面を摺るように移
動するが、防水グリースパテが供給されないので、集水
開口２２Ｂのメッシュフィルタへの防水グリースパテの
付着は最小限に抑えられる。シールド掘削機１が移動
し、前段テールシール３Ａが集水開口２２Ａの手前に到
達したら、防水グリースパテの供給ライン（図示せず）
を前段テールシール３Ａ側から後段テールシール３Ｂ側
に切り替える（ステップ１３０）。この状態で図４
（ｅ）、図５（ｅ）までの掘進を行える。この間にセグ
メント組立位置に到達したら、セグメント２０を組み立
てる（ステップ１４０）。このようにして２段テールシ
ール３のうち、集水開口２２部分位置を通過するテール
シール以外のテールシールによって防水グリースパテを
供給し、集水開口２２位置での防水グリースパテの付着
を最小限にすることができる。なお、図４、図５各図に
おいてテールシールに沿って示した矢印は防水グリース
パテ供給管５からのグリース供給状態を示している。

【００２８】このようにしてたとえば図７に示したよう
な構成からなる取水トンネルの取水斜坑５１を揚水立坑
５２側から坑奥に到達するまで構築する。揚水立坑５２
内に揚水設備を設けた後に、洗浄運転を行う。初めて集
水開口２２から取水する段階ではメッシュフィルタ３２
の外面にはシールド掘削機１のテール部２から供給され
た防水グリースパテや防水ベントナイトが付着してい
る。そこで、メッシュフィルタとフィルタ層に一定量の
地下水を通水させてグリースやベントナイトを洗い流す
洗浄運転を行う必要がある。

【００２９】まず、図２に示したストレーナ３０の４本
の洗浄パイプ３５の開閉バルブ３６をすべて開放する。
このとき取水斜坑５１内は大気圧状態にあるため、取水
斜坑５１内にストレーナ３０のフィルタ層３３、洗浄パ
イプ３５を介して地下水が流入する。流入する地下水圧
が低い場合には、取水斜坑５１側から洗浄パイプ３５に
圧力水あるいは圧縮空気を送り込み、フィルタ層３３と
メッシュフィルタ３２の洗浄を行うことができる。洗浄
運転が完了した段階で洗浄パイプ３５の開閉バルブ３６
を閉じ、集水パイプ３７の開閉バルブ３８を開放するこ
とにより、取水運転を開始することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による取水トンネルの構築を行うための
一実施の形態としてのシールド掘削機１と、組み立てら
れたトンネルの一部を示した模式全体斜視図。

【図２】トンネルを構成する集水セグメントの内部構成
を示した平断面図。

【図３】本発明のシールド掘削機のテール部とセグメン
トとの関係を示した部分拡大断面図。

【図４】セグメントの組み立て段階におけるセグメント
とテールシールとの位置関係を示した状態説明図（２段
テールシール）。

【図５】セグメントの組み立て段階におけるセグメント
とテールシールとの位置関係を示した状態説明図（３段
テールシール）。

【図６】図４に示した組み立て段階を追って説明した作
業フローチャート。

【図７】従来の取水トンネルの一例の全体構成を示した
模式断面図。

【図８】従来の取水トンネルの一部を拡大して示した部
分拡大斜視図

【符号の説明】

１ トンネル掘削機 ２ テール部 ３ ２段テールシール ３Ａ 前段テールシール ３Ｂ 後段テールシール ４ シールド掘削機胴殻 ５ 防水グリースパテ供給ライン ２０ 集水セグメント ２１ スキンプレート ２２ 集水開口 ３０ ストレーナ ３２ メッシュフィルタ ３３ フィルタ層 ３４ ドレーン層 ３５ 洗浄パイプ ３７ 集水パイプ ３６，３８ 開閉バルブ ４０ フィルタ材 ４１ ドレーン部材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地山に接する外周面の一部に集水開口が形
   成されたセグメントをトンネル掘削機の掘進に伴って組
   み立てていき、帯水層内に取水トンネルを構築する方法
   であって、前記集水開口から構築中の前記取水トンネル
   内への地下水の流入を、前記トンネル掘削機のテール位
   置の胴殻内面に周方向に沿って前記集水開口を跨ぐよう
   に設けられた複数段のテールシールで止水するようにし
   たことを特徴とする取水トンネルの構築方法。
2. 【請求項２】トンネル掘削機の掘進に伴い、前記複数段
   のテールシールのうち、前記集水開口位置を摺接して移
   動するテールシールでの防水グリースパテ供給ラインの
   運転を停止する一方、前記セグメントのスキンプレート
   面を摺接して移動する他のテールシールの防水グリース
   パテ供給ラインの運転を行い、前記テール位置で止水す
   るようにしたことを特徴とする請求項１記載の取水トン
   ネルの構築方法。
3. 【請求項３】組み立てられるセグメントに形成された集
   水開口のトンネル延長方向の開口幅を跨ぐようにテール
   位置の胴殻内面に周方向に沿って複数段のテールシール
   が設けられたことを特徴とするトンネル掘削機。
4. 【請求項４】組み立てられるセグメントに形成された集
   水開口のトンネル延長方向の幅よりも間隔をあけて、テ
   ール位置の胴殻内面に周方向に沿って複数段のテールシ
   ールが設けられたことを特徴とする請求項３記載のトン
   ネル掘削機。
5. 【請求項５】前記複数段のテールシールのそれぞれに独
   立して運転可能な防水グリースパテ供給ラインが配管さ
   れたことを特徴とする請求項３または請求項４記載のト
   ンネル掘削機。