(57)【要約】    【課題】      永久凍土地帯に敷設されたチルドガスパイプラインにおいて永久凍土と非永久凍土の境界部に発生する曲げ応力を抑制できるチルドガスパイプラインの敷設方法を提供すること。    【解決手段】  特性長（１／λ）に着目した緩衝区間（埋め戻し層１５）を設ける。緩衝区間の形状は、永久凍土側ではフロストバルブの最大径とし、非永久凍土側ではパイプ埋設標準断面とする。また、緩衝区間は、非凍上性材料（例えば、礫、砂、ウッドチップ、クリンカアッシュ、廃タイヤチップなど）で置換する。緩衝区間では、非凍上性材料を用いた埋め戻しの深さを起点Ｂから終点Ｃに向かって減少させる。緩衝区間は、三角錐台または四角錘台の形状をしている。  【選択図】      図４
2006250175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久凍土地帯に埋設されるチルドガスパイプラインの敷設方法であって、
前記チルドガスパイプラインの永久凍土部および非永久凍土部にそれぞれ作用する荷重の差を緩和する緩衝区間を設け、
前記緩衝区間は、起点および終点を有し、永久凍土と非永久凍土の境界部を前記起点として非永久凍土側に向かって伸長し、
前記緩衝区間では、埋め戻し用の材料として非凍上性の材料を用いる、
ことを特徴とするチルドガスパイプラインの敷設方法。
【請求項２】
前記緩衝区間では、前記非凍上性材料を用いた埋め戻しの深さが、前記起点から前記終点に向かって減少している、ことを特徴とする請求項１記載のチルドガスパイプラインの敷設方法。
【請求項３】
前記埋め戻し深さは、前記起点では、前記チルドガスパイプラインのパイプの周囲に形成されるフロストバルブの最大予測成長量に相当する深さであり、前記終点では、前記パイプを埋設する際に掘削される標準的な深さに相当する、ことを特徴とする請求項２記載のチルドガスパイプラインの敷設方法。
【請求項４】
前記終点は、最終予測凍上量、前記チルドガスパイプラインの剛性、および前記非凍上性材料の物性によって決まる特性長に基づいて決定される、ことを特徴とする請求項１記載のチルドガスパイプラインの敷設方法。
【請求項５】
前記緩衝区間は、三角錐台または四角錘台の形状をしている、ことを特徴とする請求項１記載のチルドガスパイプラインの敷設方法。
【請求項６】
前記非凍上性の材料は、礫、砂、ウッドチップ、クリンカアッシュ、および廃タイヤチップの少なくとも１つである、ことを特徴とする請求項１記載のチルドガスパイプラインの敷設方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チルドガスパイプラインの敷設方法に関し、特に、永久凍土地帯に敷設されたチルドガスパイプラインにおいて永久凍土と非永久凍土（未凍土、季節凍土）の境界部（境界およびその近傍の部分）に発生する曲げ応力を抑制する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久凍土地帯において常温の天然ガスを埋設型パイプラインで搬送すると、地盤の融解によりパイプラインが浮上および洗堀され、パイプの損傷機会が増加し、最終的には搬送ガスの漏洩が起きる可能性があることが知られている。このため、１９８０年代に欧米を中心にチルドガスパイプライン（搬送ガスを冷却して負の温度とするガス搬送法）が提案され、その合理性が模型実験により検証された。
【０００３】
しかしながら、チルドガスパイプラインにおいても永久凍土地帯には地形および気象の関係から凍結していない地盤（未凍土）が一部に分布している。例えば、河川の底部や、アラスと呼ばれる融解地形、永久凍土南縁部の不連続永久凍土地帯などがそれである。このような地区では、非永久凍土区間が相対的に短いため、搬送ガスの温度を地盤の凍結土／非凍結土（融解土）に合わせて負／正の温度に変換することが、経済的な理由から不可能である。このため、一般には、このような地区ではチルドガスをそのまま搬送すると考えられる。ただし、可燃性のガスを搬送するパイプラインは安全性確保の見地から地中に埋設されるため、非永久凍土区間ではパイプの周囲にフロストバルブと呼ばれる凍土が発生する。このとき、凍上性が高い地盤の場合、非永久凍土区間におけるパイプラインは凍上に伴い上昇する。これに対して、非永久凍土に隣接する永久凍土側では、パイプはコンクリートのような強度を持つ永久凍土中に強固に保持されるため、永久凍土と非永久凍土の境界面付近でパイプラインには未凍土の凍上性に依存する鉛直方向への曲げが発生することが予想された。
【０００４】
これらの予想を検証するため、本発明者は、アラスカ州フェアバンクスの不連続永久凍土地帯に実大（直径９０ｃｍ、長さ１０５ｍ）のパイプラインを埋設し（図５参照）、-１０℃の圧縮空気を循環し、上記の予想を定量的に把握した（図６、図７参照）。また、課題の根元である地盤の凍上性をいわゆる土の凍上性を把握するための凍上試験により把握し、さらには凍土中のパイプラインの安定性を評価するための凍土の強度試験も実施した。
【０００５】
ここで、図５および図６は、永久凍土と非永久凍土の境界部における地盤とチルドガスパイプラインの相互作用を説明するための図であり、特に、図５は、実大実験におけるパイプライン敷設直後のパイプの埋設状況を示す模式図であり、図６は、同実大実験における数年経過後のフロストバルブの成長に伴う非永久凍土側パイプの凍上の様子を示す模式図である。さらに、図５（Ａ）および図６（Ａ）は、永久凍土と非永久凍土の境界部におけるパイプの埋設状況を示すパイプライン中心線に平行な横断面図であり、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）は、パイプライン敷設直後（初期段階）の非永久凍土側パイプの埋設状況を示すパイプライン中心線に垂直な縦断面図であり、図６（Ｃ）は、パイプライン敷設後数年経過後の非永久凍土側パイプの埋設状況を示すパイプライン中心線に垂直な縦断面図である。図５および図６において、「１」はパイプライン（敷設直後のパイプライン１ａ、敷設後数年経過後のパイプライン１ｂ）、「３」は地面、「５」は活動層（凍結・融解を繰り返す表土）、「７」は永久凍土、「９」は非永久凍土、「１１」はパイプラインの冷熱による周囲地盤の凍結部位、「１３」は周囲地盤の凍結に伴う凍上量である。「１１」と「１３」で示す範囲が、フロストバルブである。また、「Ｅ０」は当初のパイプ位置、「Ａ」は鉛直方向の凍上量、「Ｆ」は凍上力、「Ｒ」は凍土抵抗力である。なお、フロストバルブの範囲１１、１３では、凍結地盤内に凍上の起源であるアイスレンズと呼ばれる氷脈が複数同心円上に成長する。周囲地盤の凍結に伴う凍上量１３は、アイスレンズの総厚さに相当する。
【０００６】
また、図７は、アラスカ州フェアバンクスの実大実験におけるパイプの鉛直変位の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸は、エアインレットからの距離であり、縦軸は、パイプラインの変位量である。グラフは、２０００年冬期から２００３年夏期までの測定結果をプロットしたものである。
【０００７】
これらの諸実験により、パイプの曲げ剛性、地盤の凍上性、強度・変形係数、凍土の強度・変形係数（温度依存性有り）、パイプラインの埋設深度、フロストバルブの形状・大きさ、気温といった多くの影響因子が相互に複雑な関係のもとでパイプに発生する曲げモーメントを支配していることが判明した。ここで、曲げモーメントとは、梁に湾曲を起こさせるように作用する力のことであり、曲げ応力とは、曲げモーメントにより湾曲した梁の内部に発生する応力のことである。
【０００８】
また、本発明者は、上記の曲げモーメントにより凍土中に保持されているパイプが夏期にその凍土を破壊して上昇するという新たな現象を発見した。この現象は連続する二夏にて確認されていることから、これが継続することによりパイプが地上に露出するという新たな課題が想定され、曲げモーメント、ひいては曲げ応力の軽減・抑制が非常に重要であることを確認した。
【０００９】
本発明は、これまでロシア西シベリアにおいて建造された膨大な類似の構造物に発生している、天然ガスパイプラインからのガス漏洩を抑止する目的で提案されているチルドガスパイプライン（冷却ガスを搬送するガスパイプライン）の採用においてもなお危惧される不具合を軽減するための技術である。すなわち、現時点では、不具合が顕在化しつつある状況であり、その対策はいまだ確立も提案もされていない状況である。
【００１０】
換言すれば、過去に請求項に係る発明と関連性を有する技術の蓄積がなく、記載すべき先行技術文献情報はない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ただ今、ロシア西シベリアの永久凍土地帯にのみに現存する大規模な国際幹線天然ガスパイプラインからは、年間５３０ＢＣＭ程度の天然ガスが大気に漏洩している。この原因は十分公表されていないが、本発明者の独自の調査では、上記のように、地盤と永久凍土の相互作用によりパイプラインに変状を来たすことがわかった。なお、ロシアの統計では、パイプの溶接部からの天然ガスの漏洩が最も大きな原因とされている。
【００１２】
現在、永久凍土地帯を生産地とする天然ガスのさらなる開発および極東アジアへのパイプライン搬送が数多く計画されている。このため、西シベリアにおけるガス漏洩の現状を回避し得る永久凍土地帯における天然ガスパイプラインの敷設方法の確立が急務である。
【００１３】
したがって、今後敷設されると考えられる永久凍土地帯における天然ガスパイプラインからのガス漏洩を回避するためには、パイプラインの曲げ応力抑制方法の考案が極めて重要な課題となる。ここでは、前提として、搬送する天然ガスは、既往の研究から推奨されているチルドガス（負の温度に冷却された天然ガス）であり、また、曲げ応力抑制方法の適用対象は、永久凍土と非永久凍土の境界部であるとする。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、永久凍土地帯に敷設されたチルドガスパイプラインにおいて永久凍土と非永久凍土の境界部に発生する曲げ応力を抑制することができるチルドガスパイプラインの敷設方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、永久凍土地帯に埋設されるチルドガスパイプラインの敷設方法であって、前記チルドガスパイプラインの永久凍土部および非永久凍土部にそれぞれ作用する荷重の差を緩和する緩衝区間を設け、前記緩衝区間は、起点および終点を有し、永久凍土と非永久凍土の境界部を前記起点として非永久凍土側に向かって伸長し、前記緩衝区間では、埋め戻し用の材料として非凍上性の材料を用いるようにした。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、永久凍土地帯に敷設されたチルドガスパイプラインにおいて永久凍土と非永久凍土の境界部に発生する曲げ応力を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
本発明者は、上記の研究を基に、凍土工学（凍土の力学的性質および凍上機構論を活用した建設工学）、永久凍土工学（凍土工学および永久凍土地帯の地形学を活用した建設工学）、および構造力学（地盤（凍土／未凍土）とパイプライン（構造物）の相互作用の評価）による解析を実施し、永久凍土地帯に敷設されたチルドガスパイプラインにおいて永久凍土と非永久凍土の境界部に発生する曲げ応力を抑制するためには、チルドガスパイプラインに作用する曲げ応力自体を抑制するようにチルドガスパイプラインの敷設方法を工夫する必要があることを見出した。また、そのためには、チルドガスパイプラインの敷設方法として、チルドガスパイプラインの永久凍土部および非永久凍土部にそれぞれ作用する荷重差を緩和する緩衝区間を設ける必要があることを見出した。さらに、そのためには、緩衝区間の形状を最適化すること、また、緩衝区間の形成方法として、非凍上性の材料を利用することが必要であることを見出したのである。
【００１９】
本発明は、チルドガスパイプラインの永久凍土部および非永久凍土部にそれぞれ作用する荷重の差を緩和する緩衝区間（起点および終点を有し、永久凍土と非永久凍土の境界部を起点として非永久凍土側に向かって伸長している）を設け、この緩衝区間では、埋め戻し用の材料として非凍上性の材料を用いることにより、チルドガスパイプラインにおいて永久凍土と非永久凍土の境界部に発生する曲げ応力（曲げモーメント）を抑制（軽減）するものである。
【００２０】
まず、本発明の原理を説明する。
【００２１】
非永久凍土では、フロストバルブの成長に伴う上向きの凍上力がチルドガスパイプラインに作用するのに対し、永久凍土では、常にほぼ全層が凍結しているため、このような荷重は作用しない。本発明者による上記研究に示すように、永久凍土と非永久凍土の境界部におけるチルドガスパイプラインの損傷の最大の原因は、境界の両側におけるこのような「急激な」荷重差によるところが大きく、境界をはさんだ両側で大きな曲げ変形が発生し、破損につながっている。
【００２２】
図１は、本発明に係るチルドガスパイプラインの敷設方法における曲げ応力抑制の原理を説明するための簡便な解析モデルを示す図である。ここでは、図１に示す解析モデルを用いて、永久凍土と非永久凍土の境界部における曲げモーメントの分布を、地盤のバネ定数とパイプの曲げ剛性により決定される「特性長」をパラメタに取って算出する。図１の解析モデルは、弾性床上ばりである。
【００２３】
ここで、後述する式（１）〜（４）は、凍土と未凍土のバネ定数を同じにし、かつ、永久凍土区間と非永久凍土区間の等分布荷重が互いに異なると考えた場合を解析したものである。本発明者は、この解析方法により、実大実験のパイプラインの鉛直変位分布を良好に解析できることを見出した。このため、ここに示す解析方法によりパイプラインの挙動を推定することが可能であると考えられる。
【００２４】
図１に示す弾性床上ばりの支配方程式は、次の式（１）で示される。
【数１】
2006250175.tif 000003
ここで、「ＥI」はパイプラインの曲げ剛性、「ｘ」はパイプラインの軸方向の座標、「ｗ」はパイプラインの軸方向ｘに沿ったたわみ、「ｋｓ」は地盤のバネ定数、「ｑ」は地盤から受ける分布荷重である。
【００２５】
図１に示すように、永久凍土７および非永久凍土９においてチルドガスパイプライン１に対して、つまり、チルドガスパイプライン１の永久凍土部１ｃおよび非永久凍土部１ｄに対して、それぞれ一定の圧力（凍上力）ｑ１、ｑ２が作用しているとすると、式（１）の理論解は、次の式（２）および式（３）でそれぞれ与えられる。
永久凍土部１ｃ：
【数２】
2006250175.tif 000004
非永久凍土部１ｄ：
【数３】
2006250175.tif 000005
ここで、「δ」は境界面から十分に遠い位置における非永久凍土部における変位、「ｌ」は永久凍土側端部から境界面までの距離である。また、λは、次の式（４）で与えられる。
【数４】
2006250175.tif 000006
このλの逆数（１／λ）は特性長と呼ばれる。
【００２６】
この特性長（１／λ）は、変形の周期性を司るパラメタであり、地盤のバネ定数とパイプの曲げ剛性が与えられると自動的に決定される。チルドガスパイプライン１の変形は、永久凍土７と非永久凍土９の境界面を中心にこの特性長（１／λ）の長さに応じて発生する。
【００２７】
そこで、例えば、特性長の長さの０倍（０／λ）、１倍（１／λ）、２倍（２／λ）、３倍（３／λ）というように、非永久凍土９側での改良区間（緩衝区間）を変化させて、チルドガスパイプライン１の非永久凍土部１ｄに発生する曲げモーメントを計算してみると、図２に示すようになる。ここで、図２の横軸は、パイプラインの位置を特性長（１／λ）で正規化したものであり、縦軸は、ｔｆ−ｍ（トン重×メートル：単位長さ１ｍにおけるトン単位の力）で表した曲げモーメントである。横軸を特性長（１／λ）で正規化することにより、曲げモーメントの分布をλの値にかかわらず一義的に表現することができる、つまり、様々なλの値に対して同じ曲げ応力分布を表現することができる。図２に示すように、改良区間（緩衝区間）が長ければ長いほど発生する曲げモーメントの低下を期待することができる。具体的には、例えば、２倍程度の改良を施せば２０％〜３０％程度の曲げモーメントの低下を、３倍の改良を施せば５０％近い曲げモーメントの低下をそれぞれ期待することができる。
【００２８】
本発明では、上記の知見に基づいて、上記の課題を解決するために、チルドガスパイプライン１の永久凍土部１ｃと非永久凍土部１ｄにそれぞれ作用する荷重差を緩和する緩衝区間を設ける。図３は、本発明の一実施の形態に係るチルドガスパイプラインの敷設方法における緩衝区間の構造（非永久凍土側の置換範囲）を示す模式図であり、特に、図３（Ａ）は透視図、図３（Ｂ）は斜視図である。また、図４は、図３に示す構造における非永久凍土側のパイプライン中心線に平行な横断面図である。ここで、「１５」は埋め戻し層、「Ｂ」は緩衝区間の起点、「Ｃ」は緩衝区間の終点、「Ｌ」は改良区間長、「Ｄ」はパイプラインの直径（外径）、「ｄＴ」は通常のパイプライン掘削深度、「ｄＵ」はパイプラインの埋め戻し深さ（土被厚さ）、「ｄＬ」はパイプライン下のパッドと呼ばれる敷き砂等の厚さ、「ＦＢＵ」はパイプライン上部におけるフロストバルブの厚さ、「ＦＢＬ」はパイプライン下部におけるフロストバルブの最大厚さである。
【００２９】
チルドガスパイプライン１の敷設に当たっては、従来は、埋設部を掘削した後、現地発生土などで再度埋め戻すことが一般的であるが、本発明では、埋め戻し土として、現場発生土などに代えて、非凍上性の材料を用いることにより、チルドガスパイプライン１周辺の凍上性を大幅に抑制することができる。このため、本発明では、チルドガスパイプライン１を埋設するための掘削時に、フロストバルブの成長量を見込んだ深さまで掘削を行い、埋め戻し土に非凍上性の材料を用いることによって、埋め戻し層１５を形成する。このとき、緩衝区間の起点Ｂとなる永久凍土７と非永久凍土９の境界付近では、フロストバルブの最大予測成長量に相当する分だけ掘り下げ、非永久凍土側に向かって徐々に掘削と非凍上性材料による埋め戻し深さを減少させる。非永久凍土側の緩衝区間の終点Ｃは、最終予測凍上量、チルドガスパイプライン１の剛性、および埋め戻し材料の物性によって決まる特性長（１／λ）に基づいて決定される。また、非凍上性材料としては、例えば、礫、砂、ウッドチップ、クリンカアッシュ、廃タイヤ（チップ）などを用いることができる。
【００３０】
その結果、非永久凍土９に埋設されたチルドガスパイプライン１に作用する上向きの凍上力は、永久凍土７との境界付近から徐々に増加するようになり、境界部をはさんで両側に見られた大きな曲げ変形を解消することが可能になる。
【００３１】
これを理論的に簡単に説明すると、次のようになる。上記の式（２）および式（３）はパイプラインのたわみを表しており、曲げ応力は、この式にｘに関する２階微分を施すことによって求められる。このため、曲げ応力の大きさはλの二乗に比例することになる。したがって、曲げ応力を小さくするためには、λを小さくすること、つまり、特性長を大きくすることが有効な対策であり、上記の式（４）より、パイプラインの剛性が与えられた場合はｋｓの値を小さく抑えることが肝要となる。ｋｓを小さくする方策としては、凍上力を下げる必要があり、特に曲げ変形が大きくなる境界部付近での凍上力を非凍上性の材料で埋め戻すことにより、凍上力を意図的に抑制することができる。
【００３２】
すなわち、図１に示す解析モデルを用いた解析結果から、特性長を長くすることにより曲げモーメントを軽減できることがわかり、その手段として緩衝区間を設けるようにした。この緩衝区間の要件としては、上記の解析では、等分布荷重を仮定しているが、境界部の非永久凍土側で荷重（凍上力）を減少させれば、結果的に特性長を長くすることができ、結果として曲げモーメントを減少させることができる。緩衝区間における荷重の軽減方向に関しては、緩衝区間の設置によってもフロストバルブの成長は緩衝区間以外と同様に起きるが、緩衝区間においては非凍上性の置換材料の使用により凍上が発生しないため、凍上力の発生する時期が図４の終点Ｃの面から次第に起点Ｂの面に遷移し、また、その大きさも終点Ｃの面が大きく起点Ｂの面が最小となるように分布するため、特性長の長大化を期待することができる。
【００３３】
このように、本実施の形態では、特性長（１／λ）に着目した緩衝区間を設けるため、永久凍土と非永久凍土の境界部に発生する曲げモーメントを軽減することができる。具体的には、緩衝区間の形状および非凍上性材料への置換を活用して緩衝区間内の凍上時期およびその量を凍上しない永久凍土へ漸近させ、曲げモーメントの発生を抑制することができる。
【００３４】
特に、緩衝区間の形状を、永久凍土側ではフロストバルブの最大径とし、また、非永久凍土側ではパイプ埋設標準断面とすることで、フロストバルブが凍上性の現地盤に到達する時期を連続的に変化させ、かつ、非凍上性材料への置換の効果により緩衝区間の凍上量を非永久凍土側で最大に永久凍土側で最小（ゼロ）にすることができる。
【００３５】
また、緩衝区間を非凍上性材料に置換することにより、緩衝区間内で成長するフロストバルブでは凍上を抑止することができる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、図３に示すように、緩衝区間（埋め戻し層１５）の形状を三角錐台にした場合を例示しているが、これに限定されるわけではなく、例えば、四角錐台の形状にすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係るチルドガスパイプラインの敷設方法は、永久凍土地帯に敷設されたチルドガスパイプラインにおいて永久凍土と非永久凍土の境界部に発生する曲げ応力を抑制することができるチルドガスパイプラインの敷設方法として有用である。このため、既往のチルドガスパイプラインの保全および新設されるチルドガスパイプラインの設計・施工に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るチルドガスパイプラインの敷設方法における曲げ応力抑制の原理を説明するための簡便な解析モデルを示す図
【図２】図１に示す解析モデルを用いて、特性長に基づいて非永久凍土における緩衝区間の長さを変化させた場合にそれぞれ発生する曲げモーメントの計算例を示すグラフ
【図３】本発明の一実施の形態に係るチルドガスパイプラインの敷設方法における緩衝区間の構造（非永久凍土側の置換範囲）を示す模式図であり、（Ａ）は透視図、（Ｂ）は斜視図
【図４】図３に示す構造における非永久凍土側のパイプライン中心線に平行な横断面図
【図５】実大実験におけるパイプライン敷設直後のパイプの埋設状況を示す模式図であり、（Ａ）はパイプライン中心線に平行な横断面図、（Ｂ）はパイプライン中心線に垂直な縦断面図
【図６】実大実験における数年経過後のフロストバルブの成長に伴う非永久凍土側パイプの凍上の様子を示す模式図であり、（Ａ）はパイプライン中心線に平行な横断面図、（Ｂ）は初期段階におけるパイプライン中心線に垂直な縦断面図、（Ｃ）は数年経過後におけるパイプライン中心線に垂直な縦断面図
【図７】実大実験におけるパイプの鉛直変位の測定結果を示すグラフ
【符号の説明】
【００３９】
１  パイプライン
３  地面
５  活動層
７  永久凍土
９  非永久凍土
１１、１３  フロストバルブ
１５  埋め戻し層
Ａ  鉛直方向の凍上量
Ｂ  緩衝区間の起点
Ｃ  緩衝区間の終点
Ｅ０  当初のパイプ位置
Ｆ  凍上力
Ｒ  凍土抵抗力
【図１】
2006250175.tif 000007
【図２】
2006250175.tif 000008
【図３】
2006250175.tif 000009
【図４】
2006250175.tif 000010
【図５】
2006250175.tif 000011
【図６】
2006250175.tif 000012
【図７】
2006250175.tif 000013