(57)【要約】【課題】トンネルの周辺地盤の凍結を行うためのトンネル内での作業を軽減する。【解決手段】地盤凍結方法は、セグメント１１のスキンプレート１３の内面１３ｂに、スキンプレート１３に沿って延び接触するように第１冷媒流通管２を配置する工程と、第１冷媒流通管２が配置されたセグメント１１を組み立てて筒状のトンネル１８を構築する工程と、第１冷媒流通管２内に冷媒を流通させて、トンネル１８の周辺地盤を凍結させる工程と、を含む。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セグメントのスキンプレートの内面に、前記スキンプレートに沿って延び接触するように第１冷媒流通管を配置する工程と、
前記配置された前記セグメントを組み立てて筒状のトンネルを構築する工程と、
前記第１冷媒流通管内に冷媒を流通させて、前記トンネルの周辺地盤を凍結させる工程と、
を含む、地盤凍結方法。
【請求項２】
前記第１冷媒流通管は、前記スキンプレートの変形に追従して変形可能である、請求項１に記載の地盤凍結方法。
【請求項３】
地中に構築される筒状のトンネルの周辺地盤を凍結する装置であって、
前記トンネルを構成するセグメントに設けられた第１冷媒流通管と、
前記第１冷媒流通管内に冷媒を供給する冷媒供給装置と、
を有し、
前記セグメントは、枠体と、前記枠体の地山側を塞ぐように配置されるスキンプレートと、を有し、
前記第１冷媒流通管は、前記スキンプレートにおける地山側と反対の側の面に、前記スキンプレートに沿って延び接触するように配置されている、地盤凍結装置。
【請求項４】
前記スキンプレートにおける地山側と反対の側の面と前記第１冷媒流通管との間に介装された充填材を更に有する、請求項３に記載の地盤凍結装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中に構築される筒状のトンネルの周辺地盤を凍結する方法、及び、当該周辺地盤を凍結する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中に筒状のトンネルを構築する際には、例えばシールド工法が用いられる。シールド工法では、例えば、地山に発進立坑と到達立坑とを構築し、発進立坑から到達立坑へ向けてシールド掘進機で地山を掘削しながら、シールド掘進機の後部で次々にセグメントをトンネル周方向に組み立ててセグメントリングを構築すると共に、隣接するセグメントリング同士をトンネル軸方向で連結することで筒状のトンネル（覆工体）を構築する。この工法では、シールド掘進機は、その後方の既設セグメントリングを推進ジャッキで後方へ押圧し、その反力として発生する推力によって、地山を掘削しながら前進する。
【０００３】
特許文献１には、シールド工法を用いて地中にトンネルを構築した後に、トンネルの内壁面に凍結管を設けて、凍結管内に冷媒を流通させることにより、トンネルの周辺地盤の凍結を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１６０７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示の技術では、セグメントを組み立ててトンネルを構築した後にトンネルの内壁面に凍結管を設けるので、トンネルを構築してからトンネルの周辺地盤の凍結を開始するまでに時間を要していた。つまり、トンネルの周辺地盤の凍結を開始するためのトンネル内での作業に手間がかかっていた。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑み、トンネルの周辺地盤の凍結を行うためのトンネル内での作業を軽減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのため本発明に係る地盤凍結方法は、セグメントのスキンプレートの内面に、スキンプレートに沿って延び接触するように第１冷媒流通管を配置する工程と、前記配置されたセグメントを組み立てて筒状のトンネルを構築する工程と、第１冷媒流通管内に冷媒を流通させて、トンネルの周辺地盤を凍結させる工程と、を含む。
【０００８】
本発明に係る地盤凍結装置は、地中に構築される筒状のトンネルの周辺地盤を凍結する装置である。この地盤凍結装置は、トンネルを構成するセグメントに設けられた第１冷媒流通管と、第１冷媒流通管内に冷媒を供給する冷媒供給装置と、を有する。セグメントは、枠体と、枠体の地山側を塞ぐように配置されるスキンプレートと、を有する。第１冷媒流通管は、スキンプレートにおける地山側と反対の側の面に、スキンプレートに沿って延び接触するように配置されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、セグメントの組み立て工程（トンネルの構築工程）に先立って、セグメントに第１冷媒流通管を設けることができるので、トンネルの周辺地盤の凍結を行うためのトンネル内での作業を従来に比べて軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態における地盤凍結装置の概略構成を示す図
【図２】前記第１実施形態における第１冷媒流通管を有するセグメントを示す斜視図
【図３】前記第１実施形態における第１冷媒流通管を示す斜視図
【図４】前記第１実施形態における冷媒流通部材の概略構成を示す図
【図５】前記第１実施形態における第１冷媒流通管と第２冷媒流通管との連結方法を示す図
【図６】前記第１実施形態における第１冷媒流通管と第２冷媒流通管との連結パターンを示す図
【図７】前記第１実施形態における第１冷媒流通管と第２冷媒流通管との連結パターンの変形例を示す図
【図８】本発明の第２実施形態における、冷媒流通部材を覆う断熱材を示す図
【図９】本発明の第３実施形態における第１冷媒流通管を有するセグメントを示す斜視図
【図１０】本発明の第４実施形態における第１冷媒流通管を有するセグメントを示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態における地盤凍結装置１の概略構成を示す図である。図２は、本実施形態における第１冷媒流通管２を有するセグメント１１を示す斜視図である。尚、本実施形態では、地中に筒状のトンネル（覆工体）１８（後述する図５〜図７参照）を構築する際に前述のシールド工法を用いることを前提とし、複数のセグメント１１をトンネル周方向及びトンネル軸方向に連結することでトンネル１８を構築するとして以下説明するが、トンネル１８の構築時に用いられる工法はシールド工法に限らない。
【００１３】
図１に示すように、地盤凍結装置１は、複数の第１冷媒流通管２、複数の第２冷媒流通管３、冷媒循環ポンプ４、及び、冷却装置５を有している。冷却装置５は、液化器６、凝縮器７、及び、冷却塔８を有している。
冷却装置５では凝縮器７と冷却塔８との間で水が循環している。冷却装置５では液化器６と凝縮器７との間で一次冷媒（例えばアンモニア（液化アンモニア））が循環している。
【００１４】
本実施形態において、冷却装置５の液化器６から冷媒循環ポンプ４、複数の第１冷媒流通管２及び第２冷媒流通管３を経て液化器６に戻る冷媒循環経路内では二次冷媒が循環している。本実施形態ではこの二次冷媒が二酸化炭素（液化二酸化炭素）であるとして以下説明するが、二次冷媒は二酸化炭素に限らない。また、この二次冷媒が本発明の「冷媒」に対応する。
【００１５】
本実施形態において、二次冷媒である二酸化炭素が流通する前述の冷媒循環経路は、第１冷媒流通管２と第２冷媒流通管３とを交互に連結してなる冷媒流通管群を複数含んでおり、冷媒循環ポンプ４の吐出側からこれら冷媒流通管群に分岐した後、合流して液化器６に戻るように構成されている。ここで、図１には、８つの第１冷媒流通管２と７つの第２冷媒流通管３とを交互に連結してなる冷媒流通管群が４つ図示されているが、この冷媒流通管群の個数、及び、冷媒流通管群を構成する第１冷媒流通管２及び第２冷媒流通管３の個数は図１に図示されたものに限らない。
【００１６】
図２に示すように、本実施形態では、セグメント１１は、湾曲した矩形状の鋼製の枠体１２と、この枠体１２の地山側（トンネル１８の周辺地盤に隣接する側）を塞ぐように配置される鋼製のスキンプレート１３と、複数（図２では４つ）の縦リブ１４と、を備える鋼製セグメントである。尚、セグメント１１を構成する縦リブ１４の個数はこれに限らない。また、以下の説明において、スキンプレート１３のうち、トンネル１８の外面（地山側表面）に対応する表面を「外面１３ａ」とする一方、トンネル１８の内面（内壁面）に対応する表面を「内面１３ｂ」とする。
【００１７】
枠体１２は、一対の主桁１５，１５と、一対の継手板１６，１６により構成される。主桁１５，１５は、それぞれ、弧状の鋼材であり、トンネル軸方向に互いに離間して平行に配置されている。継手板１６，１６は、トンネル周方向に互いに離間して配置されており、主桁１５，１５の端部同士を連結している。ここで、主桁１５及び継手板１６が本発明の「板状部材」に対応する。
【００１８】
継手板１６，１６間にて主桁１５，１５同士を接続する複数の縦リブ１４は各々が鋼製であり、トンネル周方向に互いに間隔を空けて並列配置されて、トンネル軸方向に延びている。
【００１９】
複数（例えば８つ）のセグメント１１は、隣接するセグメント１１の継手板１６，１６同士が連結して、環状のセグメントリングを構成する。また、隣接するセグメントリングの主桁１５，１５同士が連結されることにより、トンネル軸方向に延びるトンネル（覆工体）１８が構築される。
【００２０】
スキンプレート１３の内面１３ｂには、複数（図２では５つ）の第１冷媒流通管２が貼り付けられている。尚、スキンプレート１３の内面１３ｂに貼り付けられる第１冷媒流通管２の個数はこれに限らない。
第１冷媒流通管２をセグメント１１のスキンプレート１３の内面１３ｂに貼り付ける作業は、セグメント１１を製造する地上の工場で行われることが好ましい。
【００２１】
図１に示す地盤凍結装置１では、第１冷媒流通管２内及び第２冷媒流通管３内を流通する二次冷媒である液化二酸化炭素がセグメント１１のスキンプレート１３を介してトンネル１８の周辺地盤と熱交換を行ない、液化二酸化炭素の顕熱及び潜熱により当該周辺地盤を凍結する。当該周辺地盤と熱交換を行なって昇温した二酸化炭素は、冷却装置５の液化器６で一次冷媒と熱交換を行ない、低温の液化二酸化炭素になり、再び冷媒循環ポンプ４を介して第１冷媒流通管２内及び第２冷媒流通管３内に供給されて、循環する。ここで、冷媒循環ポンプ４が本発明の「冷媒供給装置」に対応する。
【００２２】
冷却装置５の一次冷媒は、冷却装置５の液化器６にて二次冷媒である二酸化炭素から熱が供給されて蒸発・気化した後、凝縮器７で水と熱交換して降温し、液化する。そして凝縮器７で一次冷媒から熱が供給されて昇温した水は、冷却塔８で冷却される。
【００２３】
次に、第１冷媒流通管２の構成について図３及び図４を用いて説明する。
図３は、本実施形態における第１冷媒流通管２を示す斜視図である。図４は、本実施形態における冷媒流通部材２０の概略構成を示す図である。ここで、図４（ア）は冷媒流通部材２０の斜視図であり、図４（イ）は冷媒流通部材２０の断面図である。
【００２４】
図３に示すように、第１冷媒流通管２は、冷媒流通部材２０と、一対のソケット２１ａ，２１ｂと、ソケット２１ａ，２１ｂの各々に設けられた管状部材２２ａ，２２ｂとにより構成されている。
【００２５】
冷媒流通部材２０は、図４に示すように、複数（図４では１１個）の微小冷媒流路２４を有する扁平な部材であり、金属製（例えばアルミニウム製）である。すなわち、冷媒流通部材２０は、複数の微小冷媒流路２４が設けられたマイクロチャンネル構造を有している。尚、本実施形態では、微小冷媒流路２４の断面形状を矩形状としているが、断面形状は矩形状に限らず、例えば円形状又は楕円形状であってもよい。また、冷媒流通部材２０を構成する微小冷媒流路２４の個数は１１個に限らない。
【００２６】
本実施形態では、冷媒流通部材２０の微小冷媒流路２４を流通する二次冷媒として液化二酸化炭素を用いている。ここで、液化二酸化炭素は、塩化カルシウム水溶液や塩化ナトリウム水溶液などのブラインよりも粘性が非常に低い。ゆえに、液化二酸化炭素が冷媒流通部材２０の微小冷媒流路２４を流通する際の抵抗がブラインと比較すると極めて小さい。それゆえ、冷媒流通部材２０の微小冷媒流路２４の流路断面積を、ブラインを用いる場合に比べて格段に小さくすることができるので、図４に示すような、２つの矩形状の表面（平面）２０ａ，２０ｂを有する扁平な部材で冷媒流通部材２０を形成することができる。例えば、冷媒流通部材２０の幅ｗを約５０ｍｍとし、冷媒流通部材２０の厚さｔを約５ｍｍとすることができる（図４（イ）参照）。また、冷媒流通部材２０は可撓性を有し得る。換言すれば、冷媒流通部材２０は容易に変形可能である。
【００２７】
図３に示すように、ソケット２１ａ，２１ｂは各々が直方体状の箱形であり、直方体状の内部空間を有しており、金属製（例えばアルミニウム製）である。冷媒流通部材２０の一端側はソケット２１ａに連結されており、冷媒流通部材２０の微小冷媒流路２４とソケット２１ａの内部空間とは互いに連通している。冷媒流通部材２０の他端側はソケット２１ｂに連結されており、冷媒流通部材２０の微小冷媒流路２４とソケット２１ｂの内部空間とは互いに連通している。
【００２８】
管状部材２２ａは、その基端部がソケット２１ａに連結されており、先端部に、第２冷媒流通管３との接続口２３ａが設けられている。管状部材２２ａの内部空間はソケット２１ａの内部空間と連通している。管状部材２２ａは、その基端部よりもトンネル径方向内側に先端部が位置するように、トンネル径方向に沿って延びている。
【００２９】
管状部材２２ｂは、その基端部がソケット２１ｂに連結されており、先端部に、第２冷媒流通管３との接続口２３ｂが設けられている。管状部材２２ｂの内部空間はソケット２１ｂの内部空間と連通している。管状部材２２ｂは、その基端部よりもトンネル径方向内側に先端部が位置するように、トンネル径方向に沿って延びている。
【００３０】
ここで、接続口２３ａ，２３ｂのうちの一方が本発明の「冷媒流入口部」に対応し、他方が本発明の「冷媒排出口部」に対応する。本実施形態では、接続口２３ａが本発明の「冷媒流入口部」に対応するものとし、接続口２３ｂが本発明の「冷媒排出口部」に対応するものとして以下説明する。
【００３１】
本実施形態では、スキンプレート１３の内面１３ｂに冷媒流通部材２０の表面２０ａが接触するように、冷媒流通部材２０がスキンプレート１３の内面１３ｂに貼り付けられている。尚、冷媒流通部材２０をスキンプレート１３の内面１３ｂに貼り付ける際には、接着剤などの接着手段、バンドなどの固縛手段、又は、ビスなどの締結手段が用いられ得る。
【００３２】
本実施形態では、冷媒流通部材２０は、スキンプレート１３の内面１３ｂに接触するようにスキンプレート１３に沿って延びている。また、いくつかの冷媒流通部材２０は、隣り合う縦リブ１４同士の間に配置されて縦リブ１４と平行に延びている。また、別のいくつかの冷媒流通部材２０は、隣り合う縦リブ１４と継手板１６との間に配置されて縦リブ１４及び継手板１６と平行に延びている。
複数のセグメント１１が組み立てられてトンネル１８が構築された状態で、冷媒流通部材２０はトンネル軸方向に延びる。
【００３３】
次に、第１冷媒流通管２と第２冷媒流通管３との連結方法について、図５を用いて説明する。図５（ア）は、第２冷媒流通管３が第１冷媒流通管２に連結される前の状態を示す。図５（イ）は、第２冷媒流通管３が第１冷媒流通管２に連結された後の状態を示す。図５（ウ）は、第１冷媒流通管２と第２冷媒流通管３との連結部分の拡大図である。
【００３４】
まず、図５（ア）に示すように、第１冷媒流通管２を有するセグメント１１を組み立てることによりトンネル１８を構築する。ここにおいて、トンネル１８にてトンネル軸方向に隣り合うセグメント１１同士は、各々の主桁１５が互いに接触した状態で適宜の連結手段を介して連結されている。また、トンネル１８にてトンネル周方向に隣り合うセグメント１１同士は、各々の継手板１６が互いに接触した状態で適宜の連結手段を介して連結されている。
【００３５】
次に、図５（イ）に示すように、トンネル１８にて隣り合うセグメント１１同士のうち一方の第１冷媒流通管２の接続口２３ｂ（冷媒排出口部）と他方の第１冷媒流通管２の接続口２３ａ（冷媒流入口部）とを第２冷媒流通管３を介して連結する。
【００３６】
図５（ウ）に示すように、第２冷媒流通管３の両端にそれぞれ円筒状の継手部材２６が設けられている。継手部材２６は、第２冷媒流通管３の中心軸を回転中心として、第２冷媒流通管３に対して相対的に回転自在である。継手部材２６の内周面には雌ねじ部が形成されている。これに対応するように、第１冷媒流通管２の管状部材２２ａ，２２ｂの接続口２３ａ，２３ｂの外周面には雄ねじ部が形成されている。継手部材２６の内周面の雌ねじ部を接続口２３ａ，２３ｂの外周面の雄ねじ部に螺合させることにより、第２冷媒流通管３が第１冷媒流通管２に着脱可能に取り付けられ得る。尚、第２冷媒流通管３を第１冷媒流通管２に着脱可能に取り付ける手法はこれに限らず、例えば、いわゆるワンタッチジョイント方式で第２冷媒流通管３を第１冷媒流通管２に着脱可能に取り付けてもよい。
【００３７】
ここにおいて、第２冷媒流通管３は金属製（例えば銅製）である。第２冷媒流通管３は可撓性を有し得る。換言すれば、第２冷媒流通管３は容易に変形可能である。
【００３８】
図６は、本実施形態における第１冷媒流通管２と第２冷媒流通管３との連結パターンを示す図である。図７は、本実施形態における第１冷媒流通管２と第２冷媒流通管３との連結パターンの変形例を示す図である。図６及び図７において、点線は縦リブ１４を示し、一点鎖線は主桁１５を示し、二点鎖線は継手板１６を示す。ゆえに、図６及び図７において、一点鎖線（主桁１５）と二点鎖線（継手板１６）とで囲まれた領域が１つのセグメント１１に対応する。
【００３９】
図６に示す態様では、第２冷媒流通管３０（第２冷媒流通管３）は、互いに接触した状態の主桁１５同士を跨ぐように延びている。尚、第１冷媒流通管２はトンネル軸方向に延びている。
【００４０】
図７に示す変形例では、セグメント１１を組み立ててトンネル１８を構築するに先立って、第２冷媒流通管３と同様の構成の冷媒流通管２９をセグメント１１に設けて、第１冷媒流通管２と冷媒流通管２９とによる蛇行した冷媒流通経路を形成した後に、当該セグメント１１を組み立ててトンネル１８を構築する（図７（ア）参照）。ここで、冷媒流通管２９は縦リブ１４を跨ぐように延びている。尚、冷媒流通管２９をセグメント１１に設ける作業は、第１冷媒流通管２をセグメント１１のスキンプレート１３に貼り付ける作業と同様に、セグメント１１を製造する地上の工場で行われてもよい。
【００４１】
次に、図７（イ）に示すように、互いに接触した状態の主桁１５同士を跨ぐように延びる第２冷媒流通管３０（第２冷媒流通管３）と、互いに接触した継手板１６同士を跨ぐように延びる第２冷媒流通管３１（第２冷媒流通管３）とを用いて、隣り合うセグメント１１同士のうち一方の第１冷媒流通管２の接続口２３ｂ（冷媒排出口部）と他方の第１冷媒流通管２の接続口２３ａ（冷媒流入口部）とを連結する。図７に示すような複雑に蛇行する冷媒流通経路を形成する場合であっても、その形成作業の大部分を、セグメント１１を製造する地上の工場で行うことができるので、トンネル１８内での作業を大幅に軽減することができる。尚、図７に示す変形例においても、第１冷媒流通管２はトンネル軸方向に延びている。
【００４２】
次に、地盤凍結装置１を用いてトンネル１８の周辺地盤を凍結させる方法について説明する。
まず、図５（ア）に示すように、第１冷媒流通管２を有するセグメント１１を組み立ててトンネル１８を構築する。
【００４３】
次に、図５（イ）に示すように、トンネル１８にて隣り合うセグメント１１同士のうち一方の第１冷媒流通管２の接続口２３ｂ（冷媒排出口部）と他方の第１冷媒流通管２の接続口２３ａ（冷媒流入口部）とを第２冷媒流通管３を介して連結する。
次に、第１冷媒流通管２内及び第２冷媒流通管３内に二次冷媒である液化二酸化炭素を流通させて、トンネル１８の周辺地盤を凍結させる。
このようにして、トンネル１８の周辺地盤が凍結される。
【００４４】
ところで、従来、シールド工法を用いて地中にトンネルを構築した後に、トンネルのセグメントのスキンプレートの内面に凍結管を設ける場合には、冷媒としてブラインを用いるために冷媒流通部材２０（微小冷媒流路２４）よりも流路断面積が非常に大きく剛性が高い角管などの金属管を凍結管として用いていた。これに加えて、トンネル構築後にはスキンプレートが地山の圧力により変形することがあった。それゆえ、凍結管をスキンプレートの内面に設けるときに、エポキシ樹脂モルタルなどの間詰め材を凍結管とスキンプレートとの間の隙間に注入して凍結管とスキンプレートとの間の隙間を無くす作業を行う必要があり、この作業に手間がかかっていた。この点、本実施形態によれば、セグメント１１の製造と、第１冷媒流通管２のスキンプレート１３への設置（貼り付け）とを、地上の工場で一体的に行うことができ、また、トンネル構築後に、第１冷媒流通管２（冷媒流通部材２０）は、スキンプレート１３の変形に追従して変形可能であるので、前述の間詰め材注入作業を低減することができる。
【００４５】
本実施形態によれば、地盤凍結方法は、第１冷媒流通管２を有するセグメント１１を組み立てて筒状のトンネル１８を構築する工程と（図５（ア）参照）、トンネル１８にて隣り合うセグメント１１同士の各々の第１冷媒流通管２同士を第２冷媒流通管３を介して連結する工程（図５（イ）参照）と、第１冷媒流通管２内及び第２冷媒流通管３内に冷媒（二次冷媒：二酸化炭素）を流通させて、トンネル１８の周辺地盤を凍結させる工程と、を含む。それゆえ、セグメント１１の組み立て工程（トンネル１８の構築工程）に先立って、セグメント１１に第１冷媒流通管２を設けることができるので、トンネル１８の周辺地盤の凍結を行うためのトンネル１８内での作業を従来に比べて軽減することができる。
【００４６】
また本実施形態によれば、セグメント１１は鋼製である。第１冷媒流通管２は、その少なくとも一部（冷媒流通部材２０）が、セグメント１１のスキンプレート１３に接触するようにスキンプレート１３に沿って延びている（図２及び図５参照）。また、第１冷媒流通管２は、その少なくとも一部（冷媒流通部材２０）が、セグメント１１のスキンプレート１３の内面１３ｂに貼り付けられている（図２及び図５参照）。それゆえ、第１冷媒流通管２内を流通する二次冷媒である液化二酸化炭素が、トンネル１８の周辺地盤からスキンプレート１３を介して良好に受熱することができる。
【００４７】
また本実施形態によれば、トンネル１８にて隣り合うセグメント１１同士は、各々の板状部材（主桁１５、継手板１６）が互いに接触した状態で連結されている。第２冷媒流通管３は、この接触した状態の板状部材（主桁１５、継手板１６）を跨ぐように延びている（図５〜図７参照）。これにより、異なるセグメント１１に設けられた第１冷媒流通管２同士を簡易な構成で連結することができる。
【００４８】
また本実施形態によれば、第２冷媒流通管３は第１冷媒流通管２に着脱可能に取り付けられる（図５参照）。これにより、例えば、構築されたトンネル１８内にて第２冷媒流通管３を適宜移設することで、二次冷媒である液化二酸化炭素の冷媒流通経路を容易に変更することができる。
【００４９】
また本実施形態によれば、地盤凍結装置１は、地中に構築される筒状のトンネル１８の周辺地盤を凍結する装置である。地盤凍結装置１は、トンネル１８を構成するセグメント１１に設けられた第１冷媒流通管２と、トンネル１８にて隣り合うセグメント１１同士の各々の第１冷媒流通管２同士を連結する第２冷媒流通管３と、第１冷媒流通管２内及び第２冷媒流通管３内に冷媒（二次冷媒：二酸化炭素）を供給する冷媒供給装置（冷媒循環ポンプ４）と、を有する。それゆえ、セグメント１１の組み立て工程（トンネル１８の構築工程）に先立って、セグメント１１に第１冷媒流通管２を設けることができるので、トンネル１８の周辺地盤の凍結を行うためのトンネル１８内での作業を従来に比べて軽減することができる。
【００５０】
また本実施形態によれば、セグメント１１は、複数の板状部材（主桁１５、継手板１６）によって構成される鋼製の枠体１２と、枠体１２の地山側を塞ぐように配置される鋼製のスキンプレート１３と、を有する。第１冷媒流通管２は、その少なくとも一部（冷媒流通部材２０）が、スキンプレート１３における地山側と反対の側の面（内面１３ｂ）に接触するようにスキンプレート１３に沿って延びている。また、第１冷媒流通管２は、その少なくとも一部（冷媒流通部材２０）が、セグメント１１のスキンプレート１３における地山側と反対の側の面（内面１３ｂ）に貼り付けられている。それゆえ、第１冷媒流通管２内を流通する二次冷媒である液化二酸化炭素が、トンネル１８の周辺地盤からスキンプレート１３を介して良好に受熱することができる。
【００５１】
次に、前述の第１実施形態の変形態様について説明する。
図２に示すように、スキンプレート１３の内面１３ｂは、トンネル１８のトンネル周方向に沿うように湾曲した湾曲面となっている。セグメント１１については、地上の工場での製造時に、スキンプレート１３の内面１３ｂ（湾曲面）に微小な不陸が形成され得る。セグメント１１を製造する地上の工場にて冷媒流通部材２０をスキンプレート１３の内面１３ｂに貼り付ける際に、冷媒流通部材２０の表面２０ａとスキンプレート１３の内面１３ｂとの間に前記不陸による空隙が生じると、この空隙が二次冷媒（液化二酸化炭素）とトンネル１８の周辺地盤との熱交換の妨げになる。ゆえに、本変形態様では、地上の工場にて、冷媒流通部材２０の表面２０ａとスキンプレート１３の内面１３ｂとの間に充填材（換言すれば不陸調整材又は間詰め材）を充填する。この充填材の充填作業は、セグメント１１の製造と、第１冷媒流通管２のスキンプレート１３への設置（貼り付け）とを行う地上の工場にて行われることが好ましい。すなわち、この充填材の充填作業は、セグメント１１を組み立ててトンネル１８を構築するに先立って行われ得る。ここで、充填材（換言すれば不陸調整材又は間詰め材）としては、例えばエポキシ樹脂モルタル、セメントペースト、モルタルなどを用いることができる。樹脂系の接着剤を充填材（換言すれば不陸調整材又は間詰め材）として使用してもよい。従って、本変形態様では、冷媒流通部材２０は、スキンプレート１３の内面１３ｂとの間に充填材を介在させた状態で、スキンプレート１３の内面１３ｂに貼り付けられている。このように、スキンプレート１３の内面１３ｂとの間に充填材が充填された冷媒流通部材２０であっても、トンネル１８の構築後（セグメント１１の組み立て後）の地山の圧力によるスキンプレート１３の変形に追従して変形可能である。
【００５２】
特に本変形態様によれば、第１冷媒流通管２を有するセグメント１１は、第１冷媒流通管２とスキンプレート１３の内面１３ｂとの間に介装された充填材（換言すれば不陸調整材又は間詰め材）を更に有する。これにより、二次冷媒（液化二酸化炭素）とトンネル１８の周辺地盤との熱交換を効率良く行うことができる。
【００５３】
図８は本発明の第２実施形態における、冷媒流通部材２０を覆う断熱材２８を示す図である。
前述の第１実施形態及びその変形態様と異なる点について説明する。
【００５４】
本実施形態では、第１冷媒流通管２をセグメント１１のスキンプレート１３の内面１３ｂに貼り付ける作業と、第１冷媒流通管２を覆うように断熱材２８をセグメント１１に設ける作業とが、セグメント１１を製造する地上の工場で行われ得る。
断熱材２８は、少なくとも、冷媒流通部材２０の表面２０ｂ（前述の表面２０ａと反対の側の表面）を覆うようにセグメント１１に設けられる。断熱材２８としては、例えば発泡ウレタンなどが用いられ得る。
【００５５】
特に本実施形態によれば、セグメント１１を組み立ててトンネル１８を構築するに先立って、セグメント１１に設けられた第１冷媒流通管２を覆うように断熱材２８をセグメント１１に設ける。これにより、第１冷媒流通管２の露出部分を減らすことができるので、トンネル１８の周辺地盤を効率良く凍結させることができる。
【００５６】
また本実施形態によれば、地盤凍結装置１は、セグメント１１に設けられた第１冷媒流通管２を覆う断熱材２８を有する。これにより、第１冷媒流通管２の露出部分を減らすことができるので、トンネル１８の周辺地盤を効率良く凍結させることができる。
【００５７】
図９は、本発明の第３実施形態における第１冷媒流通管２を有するセグメント４０を示す斜視図である。
前述の第１実施形態及びその変形態様と異なる点について説明する。
【００５８】
本実施形態では、枠体１２とスキンプレート１３とによって囲まれる空間内に、コンクリート４１が充填されている。すなわち、図９に示すセグメント４０は合成セグメントであり、枠体１２とスキンプレート１３と縦リブ１４とを有するセグメント１１（鋼製セグメント）の内部空間にコンクリート４１が充填されて形成されている。
【００５９】
セグメント４０を製造する地上の工場では、第１冷媒流通管２をスキンプレート１３の内面１３ｂに貼り付ける作業を行った後に、引き続き、このコンクリート４１の充填作業を行う。
【００６０】
本実施形態では、第１冷媒流通管２のうち接続口２３ａ，２３ｂがコンクリート４１の内面４１ａから突出して露出している。ここでコンクリート４１の内面４１ａとはトンネル１８の内面（内壁面）を構成し得る表面である。
第１冷媒流通管２のうち接続口２３ａ，２３ｂ以外の部分は、コンクリート４１内に埋設されている。
【００６１】
特に本実施形態によれば、セグメント４０を組み立ててトンネル１８を構築するに先立って、セグメント１１の枠体１２内にコンクリート４１を充填する。第１冷媒流通管２は、その冷媒流入口部及び冷媒排出口部（接続口２３ａ，２３ｂ）がそれぞれコンクリート４１外に露出して、残部（第１冷媒流通管２のうち接続口２３ａ，２３ｂ以外の部分）がコンクリート４１内に埋設される。これにより、コンクリート４１が前述の断熱材２８として機能し得るので、第１冷媒流通管２の露出部分を減らすことができ、ひいては、トンネル１８の周辺地盤を効率良く凍結させることができる。
【００６２】
図１０は、本発明の第４実施形態における第１冷媒流通管２を有するセグメント５０を示す斜視図である。
前述の第１実施形態及びその変形態様と異なる点について説明する。
【００６３】
セグメント５０はＲＣセグメントである。すなわち、セグメント５０の本体５１はコンクリート製である。
セグメント５０を製造する地上の工場では、本体５１の製造時に第１冷媒流通管２のうち接続口２３ａ，２３ｂ以外の部分を本体５１内に埋設する。
【００６４】
本実施形態では、第１冷媒流通管２のうち接続口２３ａ，２３ｂが本体５１の内面５１ａから突出して露出している。ここで本体５１の内面５１ａとはトンネル１８の内面（内壁面）を構成し得る表面である。本体５１の外面５１ｂとは、内面５１ａと反対の側の表面であり、また、トンネル１８の外面（地山側表面）に対応する表面である。
【００６５】
本体５１を、その厚さ方向（トンネル径方向）に同じ厚さとなるように２つの層に分けて、この２つの層のうち、外面５１ｂを含む層を第１の層とし、内面５１ａを含む層を第２の層とした場合に、前記第１の層内に冷媒流通部材２０が位置することが好ましい。すなわち、本体５１の外面５１ｂ側の半分内に冷媒流通部材２０（第１冷媒流通管２）が位置することが好ましい。
【００６６】
第１冷媒流通管２を構成する冷媒流通部材２０の表面２０ａは、本体５１の外面５１ｂの近傍に位置することが好ましい。また、第１冷媒流通管２を構成する冷媒流通部材２０の表面２０ａは、本体５１の外面５１ｂと面一であってもよい。
尚、複数のセグメント５０が組み立てられてトンネル１８が構築された状態で、冷媒流通部材２０はトンネル軸方向に延びる。
【００６７】
特に本実施形態によれば、セグメント５０は、その本体５１がコンクリート製である。第１冷媒流通管２は、その冷媒流入口部及び冷媒排出口部（接続口２３ａ，２３ｂ）がそれぞれ本体５１外に露出して、残部（第１冷媒流通管２のうち接続口２３ａ，２３ｂ以外の部分）が本体５１内に埋設されている。それゆえ、第１冷媒流通管２が一体化されたセグメント５０を用いてトンネル１８の周辺地盤の凍結を行うことができる。
【００６８】
尚、前述の第３及び第４実施形態において、前述の断熱材２８により、冷媒流通部材２０の表面２０ｂ（前述の表面２０ａと反対の側の表面）を覆ってもよい。
【００６９】
また、前述の第３及び第４実施形態では、第１冷媒流通管２のうち接続口２３ａ，２３ｂ以外の部分をコンクリート４１内及び本体５１内に埋設しているが、これに代えて、冷媒流通部材２０をコンクリート４１の内面４１ａ及び本体５１の内面５１ａに貼り付けてもよい。また、この場合においても、前述の断熱材２８により、冷媒流通部材２０の表面２０ｂ（前述の表面２０ａと反対の側の表面）を覆ってもよい。また、この場合においても、前述の第１実施形態の変形態様と同様に、冷媒流通部材２０の表面２０ａとコンクリート４１の内面４１ａ及び本体５１の内面５１ａとの間に充填材（換言すれば不陸調整材又は間詰め材）を介在させてもよい。
【００７０】
また、前述の断熱材２８については、冷媒流通部材２０の表面２０ｂ（前述の表面２０ａと反対の側の表面）を覆うのみならず、ソケット２１ａ，２１ｂと、管状部材２２ａ，２２ｂのうち接続口２３ａ，２３ｂ以外の部分とを覆ってもよいことは言うまでもない。
【００７１】
また、前述の第１〜第４実施形態では、冷媒流通部材２０の複数の微小冷媒流路２４を、二次冷媒である液化二酸化炭素が同じ方向に流れるように構成されているが、この他、冷媒流通部材２０の複数の微小冷媒流路２４のうちの一部での液化二酸化炭素の流れ方向と残部での液化二酸化炭素の流れ方向とを互いに異ならせてもよい。
【００７２】
また、前述の第１〜第４実施形態では、冷媒流通部材２０が、微小冷媒流路２４を有する扁平な部材で構成されているが、冷媒流通部材２０の構成はこれに限らない。
【００７３】
また、前述の第１〜第４実施形態では、第１冷媒流通管２が冷媒流通部材２０とソケット２１ａ，２１ｂと管状部材２２ａ，２２ｂとにより構成されているが、第１冷媒流通管２の構成はこれに限らない。
【００７４】
また、前述の第１〜第３実施形態では、セグメント１１，４０のスキンプレート１３の内面１３ｂに設けられた第１冷媒流通管２がスキンプレート１３に沿って直線状に延びているが、この他、第１冷媒流通管２は、スキンプレート１３に沿って矩形波状又はつづら折り状（ジグザグ状）に延びてもよい。
【００７５】
また、前述の第４実施形態では、セグメント５０の本体５１に設けられた第１冷媒流通管２が本体５１の外面５１ｂに沿って直線状に延びているが、この他、第１冷媒流通管２は、本体５１の外面５１ｂに沿って矩形波状又はつづら折り状（ジグザグ状）に延びてもよい。
【００７６】
また、前述の第１〜第４実施形態では、第１冷媒流通管２を有するセグメント１１，４０，５０を用いて、シールド工法でトンネル１８を構築する例を説明したが、これに代えて、第１冷媒流通管２を有する弧状又はリング状のセグメントを用いて、推進工法でトンネルを構築してもよい。すなわち、第１冷媒流通管２を有するセグメントは、弧状に限らず、リング状であってもよい。
【００７７】
また、第１冷媒流通管２を有するセグメントを組み立てて構築されるトンネルの断面形状は円形状に限らず、例えば楕円状、又は矩形状であってもよい。
【００７８】
また、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
尚、特願２０１７−０４６４５０号の出願当初の請求項は以下の通りであった。
［請求項１］
第１冷媒流通管を有するセグメントを組み立てて筒状のトンネルを構築する工程と、
前記トンネルにて隣り合う前記セグメント同士の各々の前記第１冷媒流通管同士を第２冷媒流通管を介して連結する工程と、
前記第１冷媒流通管内及び前記第２冷媒流通管内に冷媒を流通させて、前記トンネルの周辺地盤を凍結させる工程と、
を含む、地盤凍結方法。
［請求項２］
前記セグメントは鋼製であり、
前記第１冷媒流通管は、その少なくとも一部が、前記セグメントのスキンプレートの内面に貼り付けられている、請求項１に記載の地盤凍結方法。
［請求項３］
前記トンネルにて隣り合う前記セグメント同士は、各々の板状部材が互いに接触した状態で連結されており、
前記第２冷媒流通管は、前記板状部材を跨ぐように延びている、請求項２に記載の地盤凍結方法。
［請求項４］
前記セグメントを組み立てて前記トンネルを構築するに先立って、前記セグメントの枠体内にコンクリートを充填し、
前記第１冷媒流通管は、その冷媒流入口部及び冷媒排出口部がそれぞれ前記コンクリート外に露出して、残部が前記コンクリート内に埋設される、請求項２又は請求項３に記載の地盤凍結方法。
［請求項５］
前記セグメントは、その本体がコンクリート製であり、
前記第１冷媒流通管は、その冷媒流入口部及び冷媒排出口部がそれぞれ前記本体外に露出して、残部が前記本体内に埋設されている、請求項１に記載の地盤凍結方法。
［請求項６］
前記セグメントを組み立てて前記トンネルを構築するに先立って、前記セグメントに設けられた前記第１冷媒流通管を覆うように断熱材を前記セグメントに設ける、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の地盤凍結方法。
［請求項７］
前記第２冷媒流通管は前記第１冷媒流通管に着脱可能に取り付けられる、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の地盤凍結方法。
［請求項８］
地中に構築される筒状のトンネルの周辺地盤を凍結する装置であって、
前記トンネルを構成するセグメントに設けられた第１冷媒流通管と、
前記トンネルにて隣り合う前記セグメント同士の各々の前記第１冷媒流通管同士を連結する第２冷媒流通管と、
前記第１冷媒流通管内及び前記第２冷媒流通管内に冷媒を供給する冷媒供給装置と、
を有する、地盤凍結装置。
［請求項９］
前記セグメントは、
複数の板状部材によって構成される鋼製の枠体と、
前記枠体の地山側を塞ぐように配置される鋼製のスキンプレートと、
を有し、
前記第１冷媒流通管は、その少なくとも一部が、前記スキンプレートにおける地山側と反対の側の面に貼り付けられている、請求項８に記載の地盤凍結装置。
［請求項１０］
前記トンネルにて隣り合う前記セグメント同士は、各々の前記板状部材が互いに接触した状態で連結されており、
前記第２冷媒流通管は、前記接触した状態の前記板状部材を跨ぐように延びている、請求項９に記載の地盤凍結装置。
［請求項１１］
前記枠体内にはコンクリートが充填されており、
前記第１冷媒流通管は、その冷媒流入口部及び冷媒排出口部がそれぞれ前記コンクリート外に露出して、残部が前記コンクリート内に埋設されている、請求項９又は請求項１０に記載の地盤凍結装置。
［請求項１２］
前記セグメントは、その本体がコンクリート製であり、
前記第１冷媒流通管は、その冷媒流入口部及び冷媒排出口部がそれぞれ前記本体外に露出して、残部が前記本体内に埋設されている、請求項８に記載の地盤凍結装置。
［請求項１３］
前記セグメントに設けられた前記第１冷媒流通管を覆う断熱材を更に有する、請求項８〜請求項１２のいずれか１つに記載の地盤凍結装置。
［請求項１４］
前記第２冷媒流通管は前記第１冷媒流通管に着脱可能に取り付けられる、請求項８〜請求項１３のいずれか１つに記載の地盤凍結装置。
【符号の説明】
【００７９】
１  地盤凍結装置
２  第１冷媒流通管
３  第２冷媒流通管
４  冷媒循環ポンプ
５  冷却装置
６  液化器
７  凝縮器
８  冷却塔
１１  セグメント
１２  枠体
１３  スキンプレート
１３ａ  外面
１３ｂ  内面
１４  縦リブ
１５  主桁
１６  継手板
１８  トンネル
２０  冷媒流通部材
２０ａ，２０ｂ  表面
２１ａ，２１ｂ  ソケット
２２ａ，２２ｂ  管状部材
２３ａ，２３ｂ  接続口
２４  微小冷媒流路
２６  継手部材
２８  断熱材
２９  冷媒流通管
３０，３１  第２冷媒流通管
４０  セグメント
４１  コンクリート
４１ａ  内面
５０  セグメント
５１  本体
５１ａ  内面
５１ｂ  外面
【図１】
2020172858.tif 000003
【図２】
2020172858.tif 000004
【図３】
2020172858.tif 000005
【図４】
2020172858.tif 000006
【図５】
2020172858.tif 000007
【図６】
2020172858.tif 000008
【図７】
2020172858.tif 000009
【図８】
2020172858.tif 000010
【図９】
2020172858.tif 000011
【図１０】
2020172858.tif 000012