(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、複数個の円形の集水開孔が所定間隔をあけて列設され、該集水開孔周縁に前記セグメント内側に向けて形成された所定高さの円筒形をなす外筒が連接され、該外筒のセグメント内周面側は、開閉バルブ付き集水パイプが設けられた円形蓋板で閉塞され、前記外筒内に、濾材が充填されたフィルタ層からなるストレーナが形成され、前記フィルタ層を通過する地下水の一部を前記ストレーナ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、前記外筒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】
前記ストレーナは前記フィルタ層と、高透水性ドレーン材が収容されたドレーン層とを積層してなり、前記フィルタ層内に前記洗浄パイプが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の取水トンネル。
【請求項３】
請求項１または請求項２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孔を介して前記ストレーナ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孔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７、図８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の所定位置に集水ボーリング孔５３が延設されている。
【０００３】
この集水ボーリング孔５３は取水斜坑５１内から削孔された水平ないしわずかに斜坑側に下り勾配をなす横孔で内部には、たとえば、個々の空隙が小さく、かつ均質に分布し、透水性の高い素材を硬質パイプ状に成形したドレーンパイプ５４が全長にわたり収容されている。この集水ボーリング孔５３の規模は、地下水の範囲、水位等の地盤条件や予定する取水量によって適宜設定することができるが、その一般的な規模として図８に示した程度のものが考えられる。
【０００４】
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５５を運転して揚水立坑５２内の水位を調節して集水ボーリング孔５３から地下水の取水を行うようになっている。すなわち、各集水ボーリング孔５３が分布する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各集水ボーリング孔５３から取水斜坑５１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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のように取水斜坑の両側に比較的延長のある集水ボーリング孔を備えた取水トンネルでは、集水ボーリング孔を含めた全体の建設コストが大きくなる上、集水ボーリング孔の削孔作業やボーリング内へのドレーンパイプの挿入作業を取水斜坑内から行わなければならない。したがって、削孔装置とドレーンパイプ挿入装置とを据え付けることができ、かつ必要な作業空間を確保できる程度に取水斜坑の直径を大きくする必要がある。このため、取水斜坑の掘削コストも増大する。
【０００６】
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、地下水を集水できるようにした、複数個の集水孔が設けられたセグメントを支保部材として構築された取水トンネルを提供することにある。
【０００７】
【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、複数個の円形の集水開孔が所定間隔をあけて列設され、該集水開孔周縁に前記セグメント内側に向けて形成された所定高さの円筒形をなす外筒が連接され、該外筒のセグメント内周面側は、開閉バルブ付き集水パイプが設けられた円形蓋板で閉塞され、前記外筒内に、濾材が充填されたフィルタ層からなるストレーナが形成され、前記フィルタ層を通過する地下水の一部を前記ストレーナ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、前記外筒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。
【０００８】
前記取水トンネルにおいて、前記ストレーナは前記フィルタ層と、高透水性ドレーン材が収容されたドレーン層とを積層してなり、前記フィルタ層内に前記洗浄パイプを設けることが好ましい。
【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孔を介して前記ストレーナ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。
【００１０】
上述のセグメントを組み立てた取水トンネルによれば、確実な取水を達成できるとともに、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、集水開孔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。
【００１１】
【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は集水セグメント２０（図２参照）を支保部材として組み立てられたシールドトンネルであって、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とからなる。取水斜坑１１は砂層や砂礫層からなる帯水層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。
【００１２】
揚水立坑１２底には揚水ポンプ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の集水開孔から取水斜坑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。
【００１３】
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の支保にはリング周方向かつ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は鋼製セグメントからなり、スキンプレートの表面に所定間隔をあけて複数の集水開孔が形成されている。本実施の形態では、図２〜図４に示したようにセグメントのスキンプレート２１の周方向、トンネル延長方向に直径が１５０ｍｍの集水開孔２２が３個ずつ列設されている（図３参照）。この集水開孔２２を介して帯水層６０中の地下水あるいは海水を取水斜坑１１内に流入させることができる。この集水セグメント２０を１リング分組み立てた状態では図３に示したように、全周から地下水を取水可能となる。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。また、セグメント１ピースに設ける集水開孔２２の個数も上記数に限定されない。なお、図２では図の簡単化のために後述するストレーナ３０の図示を一部省略している。
【００１４】
集水セグメント２０のストレーナ３０の構成について、図５他を参照して説明する。
図２、図４に示したように、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孔２２の内側にはストレーナ３０が取り付けられている。ストレーナ３０は拡大して示した図５にあるように、外形が集水開孔２２の直径にほぼ等しい直径の鋼製外筒からなり、一端が集水開孔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。また、集水開孔２２を覆うようにメッシュフィルタ３２が装着され、外筒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。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、フィルタ材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。フィルタ層３３と隣接するように内側にドレーン層３４が形成されている。ドレーン層３４には円筒状のドレーン部材４１が外筒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円筒形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。フィルタ材４０とドレーン部材４１とが収容された外筒３１の端部は蓋部材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。
【００１５】
また、フィルタ層３３位置の外筒３１には洗浄パイプ３５が取り付けられている。この洗浄パイプ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くために、メッシュフィルタ３２とフィルタ材４０とを洗浄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。
【００１６】
一方、外筒３１の蓋部材３９には集水パイプが取り付けられている。この集水パイプ３７の直径はφ２５ｍｍ程度で、その一端はドレーン層３４内まで挿入されている。ドレーン層３４内に位置する集水パイプ３７は有孔管となっている。この有孔管部分で、集水開孔２２からストレーナ３０内に流入した地下水をトンネル内に集水する。また、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。
【００１７】
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。
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のストレーナ３０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。
【００１８】
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が収容されるようになっている。
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はともに閉状態にあるため、帯水層６０内を掘進する場合でもトンネル内への湧水は生じない。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の洗浄パイプ３５の開閉バルブ３６を開く。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。初めて集水開孔２２から取水する段階ではメッシュフィルタ３２の外面に、トンネル構築時にトンネル内への地下水流入を防止するためにシールド掘削機のテ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で示した方向に洗浄パイプ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を開放することにより、取水運転を開始することができる。
【００１９】
取水を行っていると、メッシュフィルタ３２やフィルタ層３３に細かい土粒子等が流入し、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、順次洗浄パイプ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。
【００２０】
次に、ストレーナ３０の変形例について図６各図を参照して説明する。
図６（ａ）は集水パイプ３７をドレーン層３４に挿入しないで、外筒３１の蓋部に取り付け、集水するようにした変形例を示したものである。この場合には集水パイプ３７の加工が簡単になるため、ストレーナ３０の製作コストを下げることができる。なお、ドレーン部材４１を収容したドレーン層３４を設けずに外筒３１内を、粒状のフィルタ材４０で充填したフィルタ層３３のみで構成するようにしてもよい。図６（ｂ）はコンクリートセグメント２５内部にストレーナ３０を組み込むようにした変形例を示したものである。すなわち、コンクリートセグメントの場合には、円筒形状の箱抜きを行ってセグメント２５本体を製造した後に、ストレーナ３０を構成する筒部を挿入して固定するようにして集水セグメント２０としている。この場合、箱抜き部の形状を簡単化するために外筒３１に対して蓋部材３９を内側ネジで取り付ける。洗浄パイプ３５はドレーン層３４内を配管し、蓋部材３９の一部からトンネル内に突出させることが好ましい。
図６（ｃ）は、ストレーナ３０を構成する外筒３１に対して内筒４５を設け、この内筒４５をトンネル完成後にトンネル外に所定量だけ突出させるようにした変形例を示したものである。すなわち、内筒４５のうち、セグメントの外周面から突出する部分をメッシュフィルタ３２で構成し、このメッシュフィルタ３２と内部に位置するフィルタ層３３部分をトンネル外に突出させることで、セグメント外周面に設けられた集水開孔２２の面積より広い集水部を確保することができる。内筒４５をトンネル外に突出させる手段としては外筒３１と内筒４５との間にネジを切っておき、ネジ回転により内筒４５を押し出すようにするようにしたり、内筒４５と外筒３１との間に水密性を保持した摺動面を形成しておき、図示しない押圧ジャッキ等で内筒４５のメッシュフィルタ３２部分を押し出すようにし、図示しないロック手段によって突出状態を保持させることも可能である。
【００２１】
以上に示したストレーナ３０は各洗浄パイプ３５、集水パイプ３７は各外筒３１に設け、またそれぞれを独立して開閉できるように開閉バルブ３６、３８を設けているが、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や集水パイプ系統と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】ストレーナが取り付けられたセグメントを示した部分断面図。
【図５】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６】ストレーナの変形例を示した断面図。
【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】図７のVIII-VIII矢視線に沿って見た平面図。
【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  集水開孔
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  ドレーン材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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