(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山に接する外側面の所定範囲に、所定深さで形成された凹所と、該凹所とトンネル内とを連通する集水孔とを有する集水開口が形成され、該集水開口の凹所の底面側に集水受け面が形成されるようにスペーサが配設され、該スペーサ上に繊維補強樹脂製の格子枠が載置され、該格子枠上に立体網状樹脂成形材のフィルタマットが積層され、該フィルタマットと前記格子枠と前記スペーサとが積層された状態で前記凹所内に固定され、前記集水開口のストレーナを構成したことを特徴とするセグメント。
【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横坑であって、該取水横坑内に前記セグメントの集水開口を介して周辺地下水を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及びセグメントに係り、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た集水開口を介して取水するようにした取水トンネル及び同トンネルを構築するためのセグメントに関する。
【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８、図９に示した取水トンネル５０を提案している。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横坑５１と、この取水横坑５１の深い側の一端が連結する揚水立坑５２とからなる。取水横坑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内を通過する取水横坑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９は帯水層６０中を通過する取水横坑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。本例の集水セグメント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横坑５１内に流入させることができる。
【０００４】
図９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、取水横坑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横坑５１内に地下水を流入させ、さらに取水横坑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、取水横坑内に直接、地下水を集水できるようにした取水トンネル及びこの取水トンネルを支保するとともに、地下水の集水を確実に行えるようにした大型の集水開口が形成されたセグメント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外側面の所定範囲に、所定深さで形成された凹所と、該凹所とトンネル内とを連通する集水孔とを有する集水開口が形成され、該集水開口の凹所の底面側に集水受け面が形成されるようにスペーサが配設され、該スペーサ上に繊維補強樹脂製の格子枠が載置され、該格子枠上に立体網状樹脂成形材のフィルタマットが積層され、該フィルタマットと前記格子枠と前記スペーサとが積層された状態で前記凹所内に固定され、前記集水開口のストレーナを構成したことを特徴とする。
【０００９】
取水トンネルとして、上述した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横坑であって、該取水横坑内に前記セグメントの集水開口を介して周辺地下水を取水するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の取水トンネル及びセグメントの一実施の形態について、添付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８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、取水横坑１１と、この取水横坑１１の深い側の一端が連結する揚水立坑１２とからなる。取水横坑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。取水横坑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。たとえば取水横坑１１の直径としてはφ２．５〜５．０ｍ程度（図３参照）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コンクリート製セグメントが使用されている。
【００１１】
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、取水横坑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横坑１１の集水開口から取水横坑１１内に地下水を流入させ、さらに取水横坑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。
【００１２】
図２は帯水層６０中を通過する取水横坑１１のセグメント組立状態を示した部分斜視図である。帯水層６０（図１参照）では取水横坑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コンクリート製セグメントが用いられている。セグメント外側面には１ピース当たり４箇所の長方形をなす集水開口２２が形成されている。各集水開口２２の表面にはセグメント外側面と面一になるようにマット状のストレーナ３０が取付ボルト２６（図７参照）を介して取り付けられている。これにより、ストレーナ３０、集水孔２５を介して集水開口２２から帯水層６０中の地下水あるいは海水を濾過して取水横坑１１内に流入させることができる。
【００１３】
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開口２２を有する集水セグメント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。
【００１４】
次に、ストレーナ３０の構成について、図４〜図７を参照して説明する。
ストレーナ３０はフィルタマット３２と、フィルタマットを支持する格子枠３３とを積層した構造からなり、集水セグメント２０に形成された集水開口２２の外側面に取り付けられている（図４、図６、図７参照）。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セグメント外側面に形成された凹所２４にはめ込むように取り付けられている。なお、ストレーナ３０の平面形状は本実施の形態では４００×１０００ｍｍに設定されており、Ｋセグメントにも所定形状の集水開口２２が形成されている。この結果、１リング当たりのセグメント外側面の表面積に対する開口率は６６％程度確保される。ストレーナ３０の寸法、枚数はセグメント表面に所定の開口率を確保できれば適宜設定できることは言うまでもない。
【００１５】
ストレーナ３０の長辺の両側縁には細板状の押さえプレート３４が取り付けられてこの押さえプレート３４は繊維補強プラスチック（ＦＲＰ）からなり、このプレート３４に沿って所定間隔に配置された取付ボルト２６（図７参照）でストレーナ３０をセグメント凹所２４に装着するようになっている。セグメント凹所２４は本実施の形態では深さ５０ｍｍに設定されており、ストレーナ３０から流入した地下水等を集水孔２５（図５参照）に導く集水受け部２４ｂとして機能する。
【００１６】
ＦＲＰに混入させる強化繊維としてはガラス繊維（→ＧＦＲＰ）、炭素繊維（→ＣＦＲＰ）、アラミド繊維（→ＡＦＲＰ）等が好適である。このときのマトリクスとしてはエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂が好適である。
【００１７】
ここで、ストレーナ３０を構成するフィルタマット３２と格子枠３３の構成について図６，図７を参照して説明する。
フィルタマット３２と格子枠３３とは図６、図７に示したように、一体的に上下２層をなし、ストレーナ３０を構成している。このうちフィルタマット３２は所定の湾曲板状に成形された高透水性樹脂板で、本実施の形態では、心材としてのポリプロピレン繊維と、さや材としてのポリエステル繊維からなる複合フィラメント不織布を、立体的な網目形状となるように繊維間の交点で熱接着した立体網状成形材としたものが用いられている。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。
フィルタマットとして適用可能なその他の材料としては、単一フィラメントのスパンボンド不織布やニードルパンチ不織布の加工品の他、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、例えば織布からなる透水性薄層材を積層成形した部材、網目状織布と不織布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各種使用することができる。
【００１８】
フィルタマット３２を面支持する格子枠３３はフィルタマット３２と同一平面寸法を有し、本実施の形態では強化繊維として炭素繊維を使用した繊維補強プラスチック（ＣＦＲＰ）が使用されている。この炭素繊維補強プラスチックは所定の目合いの格子状をなし、所定の曲げ剛性を保持する形状に硬化成形されている。この格子枠３３は図７に示したように、セグメント凹所２４の縁に形成された段部２４ａと集水受け面２４ｂに配設された樹脂製スペーサー２７を介して集水受け面２４ｂに載置され、フィルタマット３２を重ねた状態で固定ボルト２６を介してセグメント２０に固定される。
【００１９】
ストレーナ３０は以上のように構成されているので、図７に矢印で示したようにフィルタマット３２の表面から流入した地下水等は集水受け面２４ｂのほぼ中心に設けられた集水孔２５に沿ってセグメント２０からトンネル内に排水（集水）される。
【００２０】
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横坑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、取水横坑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横坑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横坑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、地下水のフィルタマット３２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。
【００２１】
次に、集水セグメント２０を組み立てて取水横坑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は公知のコンクリート製セグメントからなり、工場製作段階でストレーナ３０がセグメント凹所２４にボルト止めされている。
本実施の形態では、トンネル（取水横坑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。このとき集水孔２５には栓２８をして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部分からの地下水の浸入を防止する。これにより帯水層６０内を掘進するトンネル内への湧水が防止される。
【００２２】
取水横坑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の集水孔２５の栓２８を取り除く。このとき取水横坑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を介して地下水が流入する。地下水の水質が安定してきたら取水運転を開始することができる。
【００２３】
なお、取水を長期にわたって行っていると、ストレーナ３０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。
【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】本発明のセグメント１リング分の組立状態を示した正面図。
【図４】ストレーナ配置例を示した集水セグメントの拡大斜視図。
【図５】図４に示した集水セグメントの平面図。
【図６】図５に示した集水セグメントのVI-VI断面線に沿った断面図。
【図７】図６に示した集水セグメントの部分拡大断面図。
【図８】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９】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  取水横坑
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
２４  セグメント凹所
２５  集水孔
３０  ストレーナ
３２  フィルタマット
３３  格子枠
【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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【図９】
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