(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セグメントを支保部材として帯水層内に延在するように連結して構築された取水トンネルであって、前記セグメントの地山に接する外周面の一部に、その周囲がセグメント内側に向けて形成された所定高さの枠体側部と、該枠体側部に周縁が支持され、内周面側を閉塞し、その一部に開閉バルブ付き集水パイプが設けられた蓋板とからなる枠体フレームで補剛された矩形集水開口が形成され、前記枠体フレーム内には、濾材が充填されたフィルタ層と高透水性ドレーン材が収容されたドレーン層とが積層され、前記フィルタ層を通過する地下水の一部を前記枠体フレーム外に排水可能な洗浄パイプが前記フィルタ層内に配設され、前記洗浄パイプは前記フィルタ層内は有孔管からなり、前記枠体フレーム外に位置する端部に開閉バルブが設けられ、該開閉バルブの切替えにより、前記フィルタ層内の洗浄あるいは前記フィルタ層からの排水を行えるようにしたことを特徴とする取水トンネル。
【請求項２】
請求項１に記載のセグメントを支保部材として帯水層内に延在するように構築された取水斜坑からなる取水トンネルであって、前記セグメントの集水開口を介して前記枠体フレーム内に流入した周辺地下水を、前記集水パイプから前記取水トンネル内に取水するようにしたことを特徴とする取水トンネル。
【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に係り、特に地下水をシールドトンネルのセグメントに形成され、フィルタ層の洗浄機能を有する集水開口を介して取水するようにした取水トンネルに関する。
【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６、図７に示した取水トンネル５０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６１内で揚水立坑５２の下端に連結されている。帯水層６０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７は帯水層６０中を通過する取水斜坑５１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の表面に所定間隔をあけて複数の集水開口５５が形成されている。一例として同図には周方向、トンネル延長方向に３個ずつの集水開口５５が列設されている。この集水開口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内に流入させることができる。
【０００４】
図７に示したように、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、揚水立坑底に設置された揚水ポンプ等の揚水設備５７を運転して揚水立坑５２内の水位を調節して集水開口５５から地下水の取水を行うようになっている。すなわち、取水斜坑５１が構築された範囲の地盤の地下水位と揚水立坑５２内の水位との水頭差を利用して集水開口から取水斜坑５１内に地下水を流入させ、さらに取水斜坑５１内を揚水立坑５２まで自然流下させ、揚水立坑５２の坑底にある揚水設備５５を運転させて取水する。
【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、一般的には５％程度と想定されるが、集水開口近傍の地盤では地下水の流速が早くなる。このため砂粒子が地下水とともに流入しやすくなり、メッシュフィルタやフィルタ層に目詰まりが発生する可能性が高くなる。また、各集水開口での地下水の流入速度を遅くする方法として、集水開口の数を増やすことも考えられるが、セグメントの剛性低下が生じるともに、各ストレーナの製作や集水開口に付着したグリース等の除去洗浄が極めて頻繁になることが予想される。
【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、取水斜坑内に直接、地下水を確実に集水できる大型の集水開口が形成されたセグメントを構築してなる取水トンネル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、本発明はセグメントを支保部材として帯水層内に延在するように連結して構築された取水トンネルであって、前記セグメントの地山に接する外周面の一部に、その周囲がセグメント内側に向けて形成された所定高さの枠体側部と、該枠体側部に周縁が支持され、内周面側を閉塞し、その一部に開閉バルブ付き集水パイプが設けられた蓋板とからなる枠体フレームで補剛された矩形集水開口が形成され、前記枠体フレーム内には、濾材が充填されたフィルタ層と高透水性ドレーン材が収容されたドレーン層とが積層され、前記フィルタ層を通過する地下水の一部を前記枠体フレーム外に排水可能な洗浄パイプが前記フィルタ層内に配設され、前記洗浄パイプは前記フィルタ層内は有孔管からなり、前記枠体フレーム外に位置する端部に開閉バルブが設けられ、該開閉バルブの切替えにより、前記フィルタ層内の洗浄あるいは前記フィルタ層からの排水を行えるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
上述のセグメントを支保部材として帯水層内に延在するように構築された取水斜坑からなる取水トンネルであって、前記セグメントの集水開口を介して前記枠体フレーム内に流入した周辺地下水を、前記集水パイプから前記取水トンネル内に取水することが好ましい。
【００１１】
上述のセグメントを組み立ててなる取水トンネルによれば、確実な取水が行えるとともに、ストレーナ内に形成されたフィルタ層に洗浄パイプを取り付け、該パイプの開閉バルブの開閉操作を行うことにより、トンネル構築時はトンネル内への湧水を防止でき、また、取水運転に先立って、集水開口のメッシュフィルタやフィルタ層に付着したグリース等を確実に洗浄することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の取水トンネルの一実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の取水トンネル１０の全体構造を示す模式全体図である。この取水トンネル１０の全体構成は、図６に示した取水トンネル５０とほぼ同様であり、図２に示した集水セグメント２０を支保部材としたシールドトンネルで、取水斜坑１１と、この取水斜坑１１の深い側の一端が連結する揚水立坑１２とからなる。取水斜坑１１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６１内で揚水立坑１２の下端に連結されている。取水斜坑１１の直径、延長、勾配は地盤条件、地下水条件等の設計条件や、設備の維持管理面を考慮して適宜設計可能である。たとえば取水斜坑１１の直径としてはφ２．５〜５．０ｍ程度の規模のトンネルを想定している。なお、図１に示したように帯水層６０と不透水層６１との境界には図示しない可撓性セグメントが、不透水層６１でのトンネルの支保には従来の鋼製あるいはコンクリート製セグメントが使用されている。
【００１３】
揚水立坑１２の底部には揚水ポンプ１３等の揚水設備が設置されている。さらに揚水ポンプ１３から地上に設置された取水施設（図示せず）まで揚水パイプが配管されている。このような構成からなる取水トンネル１０において、揚水ポンプ１３を制御運転して揚水立坑１２内の水位を調節することで地下水の取水を行うことができる。すなわち、取水斜坑１１の地下水位と揚水立坑１２位置の水位との水頭差を利用して取水斜坑１１の集水開口から取水斜坑１１内に地下水を流入させ、さらに取水斜坑１１内を揚水立坑１２まで自然流下させ、揚水立坑１２の揚水ポンプ１３を運転させて取水することができる。なお、この揚水立坑１２は揚水の機能を発揮できれば、鉛直坑の他、適当な斜坑構造であってもよいことはいうまでもない。
【００１４】
図２は帯水層６０中を通過する取水斜坑１１のセグメント組立状態を示した部分斜視図である。同図に示したように帯水層６０では、取水斜坑１１の支保部材としてトンネル延長方向の所定範囲にわたって、集水セグメント２０が使用されている。この集水セグメント２０には本実施の形態では、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１１内に流入させることができる。
【００１５】
図３は集水セグメント２０を１リング分組み立てた状態を示したトンネル横断面図である。図３に示したように、集水開口２２が全周にわたって位置するため、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、トンネル下半のみに組み込むようにしてもよい。
【００１６】
次に、ストレーナ３０の構成について、図４を参照して説明する。
図４に示したように、ストレーナ３０は集水セグメント２０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い矩形で、高さがセグメントのウェブ厚にほぼ等しく、箱形の枠体フレーム３１で集水開口２２とともに補剛されている。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も図示しない縦リブで補剛されている。
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内には図３に示したように、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。その目合いは接触する地盤の土粒子が地下水流入時にフィルタ層３３に入り込んだり、充填された濾材（フィルタ材）４０が外部に散逸しない程度に設定されている。フィルタ層３３を形成するためにメッシュフィルタ３２の内面側から所定の層厚にフィルタ材４０としての単粒度砕石が充填されている。さらにフィルタ層３３と隣接する内側にドレーン層３４が形成されている。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。本実施の形態ではこのドレーン部材４１として、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。この硬質ドレーン材はポリプロピレン繊維からなる不織布とポリエステル繊維からなる不織布とを立体的な網目形状となるように繊維間の交点を熱接着した立体網状成形材からなる。この立体網状成形材は個々の空隙が小さく、かつ均質に分布し、高い透水性が得られる。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。メッシュフィルタ３２としては溶接金網の他、平織金網、種々の型抜き形状からなるパンチングメタル等が好適である。フィルタ材４０としては天然砕石の他、たとえば粒径５〜１５ｍｍ程度の単粒度の人工砕石、ガラス球、ステンレスボール、セラミックボール等を用いることが可能である。また、ドレーン部４１としては上述の立体網状成形材の他、多数の気泡状の空隙が連通するように分布した樹脂成形材や、例えば織布ような透水性薄層材を積層成形した部材等、小さな空隙が均質に分布した部材を使用することができる。
【００１７】
図５（ａ）は集水セグメント２２のフィルタ層３３位置での断面を示した平断面図である。同図に示したように、フィルタ層３３位置の枠体フレーム３１には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に入り込んだグリースやベントナイトなどを取り除いてメッシュフィルタ３２とフィルタ材４０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。なお、洗浄パイプ３５の本数は４本に限られず、想定される汚れの程度、洗浄能力に応じてパイプ本数、配置を設定することができる。また、集水開口２２の形状としては周囲がスキンプレート２１に囲まれた矩形以外に、図５（ｂ）に示したように、セグメントの周方向全長にわたって帯状に開口を有するようにしてもよいし、図５（ｃ）に示したように、集水開口の長手方向の端部を半円形としてもよい。
【００１８】
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。この集水パイプ３７の直径は本実施の形態ではφ５０ｍｍ程度に設定されており、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。
【００１９】
このような構成のストレーナ３０が取り付けられた集水セグメント２０を組み立てて構築された取水斜坑１１と、前述の揚水立坑１２とから構成された取水トンネル１０で、地下水を取水する原理について簡単に説明する（図１参照）。
揚水立坑１２内の揚水ポンプ１３を運転しない段階では、揚水立坑１２の水位は帯水層６０の地下水位と等しく、取水斜坑１１内は地下水で満たされた状態にある。一方、揚水立坑１２内に貯水されている地下水を揚水すると、揚水立坑１２と連通している取水斜坑１１内の地下水も減少し、大気中に現れた集水セグメント２０の集水開口２２から湧水が発生する。地下水は所定の透水係数を有するストレーナ３０から湧水するので、揚水立坑１２内の水位を調節することにより取水斜坑１１内で大気中に露出するストレーナ３０の範囲を制御してストレーナ３０からの湧水量の増減調整を行うことができる。このとき、集水開口２２の開口率が十分大きいので、地下水のフィルタ層への流入速度を十分遅くすることができ、目詰まりの原因となる砂粒子等の流入を抑えることができる。なお、集水セグメントではストレーナ３０が設けられる開口周囲のスキンプレートの内面側に補剛リブ（図示せず）を配してセグメントの剛性確保を図っている。
【００２０】
次に、集水セグメント２０を組み立てて取水斜坑１１を構築し、揚水立坑１２とにより取水を開始するまでの手順について簡単に説明する。
集水セグメント２０は公知の鋼製セグメントからなり、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。
本実施の形態では、トンネル（取水斜坑１１）の掘削は公知のシールド掘削機を用い、揚水立坑１２を発進立坑として使用して行っているが、帯水層６０側に仮設の発進立坑を構築し、揚水立坑１２に向けてシールド掘削機を運転させるようにしてもよい。掘進に従ってシールド掘削機のテール位置で集水セグメント２０を組み立てる。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ことで、帯水層６０内を掘進するトンネル内への湧水を防止することができる。取水斜坑１１が完成し、揚水立坑１２内に揚水設備を設けた後に、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１１内は大気圧状態にあるため、トンネル内にはストレーナ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。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のテールシール位置で供給されたグリースや掘削泥水中のベントナイトが付着している。したがって、メッシュフィルタ３２とフィルタ層３３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。流入する地下水圧が低い場合には、矢印Ｂ方向（図４）に洗浄パイプ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。洗浄が終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を開放して取水運転を開始することができる。
【００２１】
取水を長期にわたって行っていると、メッシュフィルタ３２やフィルタ層３３に細かい砂粒子等が流入し、目詰まりが生じてくる。この目詰まりを取り除く作業も定期的に行うことが好ましい。そのために定期的にストレーナ３０の洗浄を行うことが好ましい。定期的な洗浄を行うには、まず取水斜坑１１内の洗浄パイプ３５と集水パイプ３７のバルブ３６、３８を閉状態としてトンネル内を大気圧状態におき、すべての洗浄パイプ３５を開放してフィルタ層３３から直接湧水を発生させて比較的速い流速の地下水でメッシュフィルタ３２及びフィルタ材４０の洗浄を行う。この洗浄で効果が得られないときは洗浄パイプ３５の口元にパッカー（図示せず）を装着して、注入管を洗浄パイプ３５に挿入して圧力水あるいは圧縮エアを注入して洗浄することが好ましい。同様にドレーン層３４の洗浄においては、集水パイプ３７の口元にパッカー（図示せず）を装着して注入管を挿入し、圧力水または圧縮エアを矢印Ｃ方向（図４）に送り込み、ドレーン部材４１の空隙に詰まっている土粒子等をフィルタ層３３、メッシュフィルタ３２を通じて外部に排出させることが好ましい。
【００２２】
なお、本実施の形態では、図５に示したようにストレーナ３０のフィルタ層３３内に配置された４本の洗浄パイプ３５はそれぞれを独立して開閉できるように開閉バルブ３６が設けられているが、バルブ操作を簡素化するためにセグメント１ピースごとに１系統の洗浄パイプ系統にすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による取水トンネルの一実施の形態を示した模式全体図。
【図２】本発明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。
【図３】  本発明の取水トンネルの１リング分の組立状態を示したトンネル断面図。
【図４】ストレーナの内部構成を説明するために一部断面を示した部分拡大斜視図。
【図５】集水セグメント内の洗浄パイプの配置例と集水開口の形状例を示したセグメント平断面図。
【図６】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７】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】
１０  取水トンネル
１１  取水斜坑
１２  揚水立坑
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
３１  枠体フレーム
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  ドレーン材
【図１】
0003648667.tif 000002
【図２】
0003648667.tif 000003
【図３】
0003648667.tif 000004
【図４】
0003648667.tif 000005
【図５】
0003648667.tif 000006
【図６】
0003648667.tif 000007
【図７】
0003648667.tif 000008