(57)【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の取水トンネルの構築方法において用いられるトンネル掘削機であって、組み立てられる前記セグメントに形成された前記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。
【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の隣接するもの同士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。
【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。
【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８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の隣接するもの同士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３０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５Ａ、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２２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２０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＋Ｂ２）、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）１００））。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
【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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