(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
坑道に敷設された支保の化学的影響を評価する原位置試験方法であって、
坑道に敷設された支保の内側から地山に向けて筒状部材を挿入することにより、前記筒状部材に囲まれた所要深さの岩盤を周辺岩盤から隔離し、
少なくとも前記筒状部材の先端部における間隙水圧を計測するとともに、前記筒状部材で隔離された岩盤に流れる水を採取しこの採取した水の水質を分析することと、前記筒状部材で隔離された岩盤を採取しこの採取した岩盤の化学分析を行うこととによって支保の化学的影響を評価することを特徴とする原位置試験方法。
【請求項２】
前記筒状部材で隔離された岩盤の深さ方向複数の部位から水を採取することを特徴とする請求項１に記載の原位置試験方法。
【請求項３】
前記筒状部材の基端部側から前記筒状部材の先端部で計測した間隙水圧の水を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の原位置試験方法。
【請求項４】
前記筒状部材の基端部側から所要圧力の水を供給し、前記筒状部材で隔離された岩盤に想定する流れ場を設けることを特徴とする請求項１または２に記載の原位置試験方法。
【請求項５】
所要の期間が経過した後に、前記筒状部材で隔離された岩盤をオーバーコアリングし、支保と該支保に接する岩盤とを含むコア供試体を採取することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の原位置試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地層処分施設における支保の化学的な影響を評価する原位置試験方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、核燃料サイクルを示す模式図である。図１に示すように、再処理工場Ｆ１で処理され、利用できなくなった高レベルの放射性廃棄物は、高レベル放射性廃棄物貯蔵施設Ｆ２で一定期間貯蔵され、その後、地層処分される。このように、高レベルの放射性廃棄物を地層処分する施設が地層処分施設Ｆ３である。
【０００３】
図２は、地層処分施設を示す概念図である。図２に示すように、地層処分施設Ｆ３は、地上施設Ｓ１と地下施設Ｓ２とから構成される。地下施設Ｓ２は、坑道群Ｔと、地上施設Ｓ１から坑道群Ｔにアクセスするための立坑Ｔ１または斜抗（図示せず）とから構成される。坑道群Ｔは、数ｋｍ四方の広さに設けられ、その坑道延長は数百ｋｍにわたることが想定されている。また、わが国では、坑道群Ｔを地下３００ｍ以深の地下施設とすることが法令で定められている。
【０００４】
この地層処分施設Ｆ３は、硬質岩と堆積軟岩の二つを対象とした岩種に対して地下施設Ｓ２の建設や処分に係る技術的な検討や計画が国や関連機関において行われている。
【０００５】
ところで、坑道の支保やグラウトに用いられるセメント系材料は、地下水と反応して坑道の周辺環境を高アルカリの環境にする。この高アルカリの環境は、緩衝材や埋め戻しに用いるベントナイトや、周辺岩盤に化学的な影響（ベントナイトや岩盤の変質）を与え、それに伴う力学的な性能の低下や劣化（強度の低下や剛性の低下（変形性の増加）など）、水理・物資移動特性の変化が生じる可能性が指摘されている（たとえば、非特許文献１参照）。このため、低アルカリ性吹付けコンクリートや、セメントの使用量を極力抑えた坑道の構築方法が研究され、開発されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００６】
そして、つぎの段階では、研究、開発で得られた成果を原位置で評価することが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４３５６２５２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「わが国における高レベル放射性廃棄物地層処分の技術的信頼性  −地層処分研究開発第２次取りまとめ−分冊２  地層処分の工学技術」核燃料サイクル開発機構，平成１１年１１月２６日，ｐ．ＩＶ−２２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、研究、開発で得られた成果は、周辺岩盤や地下水の地質環境に左右され、地質環境の影響を制御しなければ、正確な評価は難しい。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、周辺岩盤や地下水の状態などの地質環境の変化の影響を制御することができる原位置試験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】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、坑道に敷設された支保の化学的影響を評価する原位置試験方法であって、坑道に敷設された支保の内側から地山に向けて筒状部材を挿入することにより、前記筒状部材に囲まれた所要深さの岩盤を周辺岩盤から隔離し、少なくとも前記筒状部材の先端部における間隙水圧を計測するとともに、前記筒状部材で隔離された岩盤に流れる水を採取しこの採取した水の水質を分析することと、前記筒状部材で隔離された岩盤を採取しこの採取した岩盤の化学分析を行うこととによって支保の化学的影響を評価することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記発明において、前記筒状部材で隔離された岩盤の深さ方向複数の部位から水を採取することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記発明において、前記筒状部材の基端部側から前記筒状部材の先端部で計測した間隙水圧の水を供給することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、上記発明において、前記筒状部材の基端部側から所要圧力の水を供給し、前記筒状部材で隔離された岩盤に想定する流れ場を設けることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、上記発明において、所要の期間が経過した後に、前記筒状部材で隔離された岩盤をオーバーコアリングし、支保と該支保に接する岩盤とを含むコア供試体を採取することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかる原位置試験は、坑道の内側から地山に向けて筒状部材を挿入することにより、筒状部材に囲まれた所要深さの岩盤を周辺岩盤から隔離するので、周辺岩盤や地下水の状態などの地質環境の影響を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、核燃料サイクルを示す模式図である。
【図２】図２は、高レベル放射性廃棄物の埋設処分施設を示す概念図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態である原位置試験を実施する試験坑道を試験アクセス坑道との関係で示す模式図である。
【図４】図４は、図３に示した試験坑道の横断面を示す断面図である。
【図５】図５は、図４に示した試験坑道に敷設した支保の化学的な影響を評価する原位置試験を説明するための断面図であって、支保に高強度吹付けコンクリートを採用した例を示す図である。
【図６】図６は、図４に示した試験坑道に敷設した支保の化学的な影響を評価する原位置試験を説明するための断面図であって、支保に岩石を利用し、セメントの使用量を極力抑えたセグメントを採用した例を示す図である。
【図７】図７は、図４に示した試験坑道に敷設した支保の化学的な影響を評価する原位置試験を説明するための断面図であって、支保に低アルカリ吹付けコンクリートを採用した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる原位置試験の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態に示す例によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
図３は、本発明の実施の形態である原位置試験を実施する試験坑道を試験アクセス坑道との関係で示す模式図であり、図４は、図３に示した試験坑道の横断面を示す断面図である。また、図５〜７は、図４に示した試験坑道に敷設した支保の化学的な影響を評価する原位置試験を説明するための断面図であって、図５は、支保に高強度吹付けコンクリートを採用した例を示す図、図６は、支保に岩石を利用し、セメントの使用量を極力抑えたセグメントを採用した例を示す図、図７は、支保に低アルカリ吹付けコンクリートを採用した例を示す図である。
【００２０】
本実施の形態である原位置試験方法は、坑道に敷設された支保Ｍの化学的な影響を評価するもので、ＪＡＥＡ（日本原子力研究開発機構）の幌延の地下施設と同様の軟岩における地層処分施設を対象とする。
【００２１】
本実施の形態である原位置試験方法は、図３に示すように、試験アクセス坑道ＧＡから分岐して建設した試験坑道ＧＴを原位置とする。試験坑道ＧＴには、評価対象となる構造の支保Ｍ１を構築した一定区間と比較対象となる構造の支保Ｍ２，Ｍ３を構築した一定区間とを設ける。本実施の形態で示す例では、岩石を利用し、セメントの使用量を極力抑えたセグメント（以下、「岩石利用のセグメント」という）で構築した支保を評価対象となる構造の支保Ｍ１とし、たとえば、比較対象として、高強度吹付けコンクリートで構築した支保および低アルカリ吹付けコンクリートで構築した支保を支保Ｍ２，Ｍ３とする。なお、支保Ｍ１を構成する岩石利用のセグメントは、図６に示すように、花崗岩などで構成される岩石ａを鋼製枠ｂの内部に充填して、鋼製枠ｂと一体化したもので、岩石ａと岩石ａとの間には、セメント・モルタルｃが充填される。また、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１は、セグメントの地山Ｅ側に砕石ｄなどを利用して裏込めする一方、セグメントの試験坑道ＧＴ側が鋼製枠ｂの鋼板で被覆される。
【００２２】
図３に示す例では、試験アクセス坑道ＧＡから試験坑道ＧＴの奥に向けて、比較対象となる構造の支保Ｍ２、評価対象となる構造の支保Ｍ１、比較対象となる構造の支保Ｍ３、をそれぞれ一定区間Ａ２，Ａ１，Ａ３敷設する。具体的な例として、高強度吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ２（図５参照）、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１（図６参照）、低アルカリ吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ３（図７参照）、をそれぞれ一定区間敷設する。なお、試験アクセス坑道ＧＡから試験坑道ＧＴの奥に向けて敷設する支保Ｍ（Ｍ１〜Ｍ３）は、この順番に限られるものではなく、任意の順番で敷設してもよい。
【００２３】
つぎに、区間Ａ２，Ａ１，Ａ３ごとに試験坑道ＧＴの内側から地山Ｅに向けて所要長さの筒状部材１を挿入することにより、筒状部材１に囲まれた所要深さの岩盤を周辺岩盤から隔離する。図３および図４に示す例では、試験坑道ＧＴの側壁内側から地山Ｅに向けて筒状部材１を挿入する。あるいは、試験坑道ＧＴの底盤内側から地山（下方）Ｅに向けて筒状部材１を挿入する。筒状部材１は、試験坑道ＧＴに敷設された支保Ｍ（Ｍ１〜Ｍ３）の化学的影響の評価に十分な岩盤Ｅ１（図５〜７参照）を周辺岩盤Ｅ２（図５〜７参照）から隔離するためのもので、所要の断面積、所要の深さの岩盤Ｅ１を周辺岩盤Ｅ２から隔離するように、横断面および長さが設定されている。具体的には、直径２０〜５０ｃｍ程度、長さ１〜３ｍ程度の鋼管またはステンレス管であって、試験坑道ＧＴの内側に所要長さの基端部（頭部）が突出するように、挿入する。なお、鋼管またはステンレス管は、円筒形のものを用いるが、角筒形のものを用いてもよい。また、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１では、筒状部材１を挿入後あるいは挿入前に筒状部材１の内側となる部分の鋼板（鋼製枠ｂ）を取り除いておく。
【００２４】
つぎに、図５〜７に示すように、周辺岩盤Ｅ２から隔離された岩盤Ｅ１の中心を通る所要直径のボーリング孔Ｂを設ける。ボーリング孔Ｂは、筒状部材１の先端部（最深部）における間隙水圧を測定するとともに、筒状部材１で隔離された岩盤Ｅ１に流れる水を採取するためのもので、筒状部材１と略同一の長さを有している。岩盤Ｅ１に流れる水は、筒状部材１の先端部から流入する地下水や支保Ｍ側から注入した水（供給した水）である。
【００２５】
つぎに、ボーリング孔Ｂに採水管２を挿入する。採水管２は、間隙水圧を測定するとともに、筒状部材１で隔離された岩盤Ｅ１に流れる水を採取するためのもので、ボーリング孔Ｂの直径と略同一の外径を有するとともに、ボーリング孔Ｂの長さに所要の長さ（試験坑道ＧＴの内側に突出するための長さ）を加えた長さを有している。また、採水管２は、パッカー２１により、深さ方向に複数の区間に区分けされ、それぞれの区間に採水管（枝管（図示せず））が連通し、それぞれの区間に間隙水圧を計測するセンサ（図示せず）が設けられる。これにより、パッカー２１により区分けされた区間ごとに水が採取可能となり、区間ごとに間隙水圧が計測可能となる。なお、採水管２は、所望位置における水の採取、所望位置における間隙水圧の計測、が可能なものであれば、深さ方向に等間隔に区分けするものでもよいし、不等間隔に区分けするものでもよい。
【００２６】
つぎに、試験坑道ＧＴの内側に突出した筒状部材１の基端部（頭部）内側に連通する注水管３を接続するとともに、上述した採水管２が試験坑道ＧＴの内側に突出した状態で筒状部材１の基端部（頭部）を密閉する。注水管３は、筒状部材１の基端部（頭部）に注水するための管であり、上述したように、一端が筒状部材１の基端部内側に連通し、他端がポンプ（図示せず）に接続してある。そして、ポンプの圧力が所望の圧力となるように、ポンプを自動制御することにより、筒状部材１の基端部（頭部）から注水する水の圧力を所望の圧力に維持する。なお、ここで筒状部材１の基端部に注水する水は、純水または原位置で採取した地下水であるが、原位置で採取した地下水は試験坑道ＧＴの建設（たとえば、グラウト）等の影響を受けていないこと（乱されていないこと）が条件となる。
【００２７】
筒状部材１の基端部から注水する水の圧力（所望の圧力）は、筒状部材１で隔離された岩盤Ｅ１に想定する流れ場によって定まる。たとえば、岩盤Ｅ１に流れ場を生じさせることなく、支保Ｍから岩盤Ｅ１への化学的影響（イオンの移動）が岩盤のマトリックス部分の拡散により生じると想定する場合には、筒状部材１の先端部で計測した間隙水圧の水を注水する。なお、筒状部材１の先端部の間隙水圧が、試験坑道ＧＴを建設する前に計測した岩盤内（地山Ｅ）の初期間隙水圧と変わらないことが想定される場合には、その初期間隙水圧の水を注水すればよい。一方、地下水が岩盤Ｅ１側から支保Ｍ側に向けて流れ、支保Ｍから岩盤Ｅ１への化学的影響（イオンの移動）が主に試験坑道ＧＴへの地下水の流入により生じると想定する場合には、岩盤Ｅ１に所定の流量の地下水が流れるように、所要圧力の水を注水する。具体的には、筒状部材１の先端部で計測した間隙水圧、原位置試験または室内試験により求めた岩盤の透水係数および支保Ｍの透水係数、に基づいて、岩盤に所定の流量の地下水が流れるように、筒状部材１の先端部における間隙水圧に対して相対圧として設定する。この場合には、筒状部材１の基端部（頭部）における水圧は、筒状部材１の先端部における間隙水圧よりも低い状態になる。他方、水が支保Ｍ側から岩盤Ｅ１側に向けて流れ、支保Ｍから岩盤Ｅ１への化学的影響（イオンの移動）が主に岩盤Ｅ１への水の流出によって生じると想定する場合には、岩盤Ｅ１に所定の流量の水が流れるように、所要圧力の水を注水する。具体的には、筒状部材１の先端部で計測した間隙水圧、原位置試験または室内試験により求めた岩盤の透水係数および支保Ｍの透水係数、に基づいて、岩盤Ｅ１に所定の流量の地下水が流れるように、筒状部材１の先端部における間隙水圧に対して相対圧として設定する。この場合には、筒状部材１の基端部（頭部）における水圧は、筒状部材１の先端部における間隙水圧よりも高い状態になる。
【００２８】
つぎに、区分けされた区間ごとに所定の時間間隔で間隙水圧を計測するとともに、地下水を採取する。そして、区分けした区間ごとに水質（たとえば、ｐＨ，溶存イオン等）をモニタリングする。
【００２９】
そして、所要の期間、具体的には、原位置試験に必要な期間が経過した後、試験坑道ＧＴを埋め戻す前に、筒状部材１で隔離された岩盤Ｅ１をオーバーコアリングし、支保Ｍと支保Ｍに接する岩盤Ｅ１とそれ以深の岩盤とを含むコア供試体を採取する。そして、採取したコア供試体の化学分析や力学試験等を実施する。コア供試体の化学分析には、支保Ｍおよび岩盤Ｅ１の化学組成の変化をＸ線回析、熱分析、化学組成分析、水銀圧入試験による間隙孔測定、間隙水中イオン分析等様々な方法が用いられる。また、このほかに、支保Ｍとして用いられたコンクリートの中性化や、岩石利用のセグメントに用いられた岩石ａ、モルタルｃおよび鋼板（鋼製枠ｂ）の変化等についても実施する。さらに、所定の時間間隔で採取した地下水の水質とコア供試体の分析から得られた化学的な影響を比較する。
【００３０】
そして、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１を評価対象とし、高強度吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ２、低アルカリ吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ３、を比較対象として、化学的影響を評価する。具体的には、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１が岩盤Ｅ１に及ぼす化学的影響が高強度吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ２が岩盤Ｅ１に及ぼす化学的影響をよりも小さいか否か、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１が岩盤Ｅ１に及ぼす化学的影響が低アルカリコンクリートで構築した支保Ｍ３が岩盤Ｅ１に及ぼす化学的影響よりも小さいか否かを評価する。
【００３１】
そして、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１が高強度吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ２より岩盤Ｅ１に及ぼす影響が少ないと評価されれば、化学的影響の観点からすると、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１のほうが高強度吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ２よりも優れていることになる。また、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１が低アルカリ吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ３より岩盤Ｅ１に及ぼす影響が少ないと評価されれば、化学的影響の観点からすると、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１のほうが低アルカリ吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ２よりも優れていることになる。なお、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１が岩盤Ｅ１に及ぼす影響が、低アルカリ吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ３が岩盤Ｅ１に及ぼす影響と同等である場合でも、岩石利用のセグメントで構築した支保Ｍ１の強度・剛性を勘案すると、坑道の安定性が優れていることや、支保圧が小さくて済むことにより、掘削断面が小さく、かつ、掘削土量が少なくて済むなどの利点があり、岩石利用で構築した支保Ｍ１のほうが低アルカリ吹付けコンクリートで構築した支保Ｍ３よりも優れていることになる。
【００３２】
上述した本発明の実施の形態である原位置試験方法は、試験坑道ＧＴの内側から地山Ｅに向けて筒状部材１を挿入することにより、筒状部材１に囲まれた所要深さの岩盤Ｅ１を周辺岩盤Ｅ２から隔離するので、周辺岩盤Ｅ２や地下水の状態などの地質環境の影響を制御することができる。これにより、試験環境を長期的に安定した状態に維持することが可能となり、長期間を必要とする化学的な影響評価を安定した環境で行うことができる。
【００３３】
また、筒状部材１の基端部から注水する水の圧力を制御することにより、地下水の流動が比較対照する支保Ｍに及ぼす化学的な影響を評価できる。これにより、地下水が岩盤Ｅ１側から支保Ｍ側に向けて流れる場合や、支保Ｍ側から岩盤Ｅ１側に向けて流れる場合において、支保Ｍが及ぼす化学的な影響の評価が容易になる。
【００３４】
また、筒状部材１の基端部から注水する水の圧力を岩盤Ｅ１の間隙水圧（筒状部材１の先端部で計測した間隙水圧）と同一となるようにできるので、岩盤Ｅ１に流れ場が生じない状態を人工的に造ることができる。これにより、支保Ｍから岩盤Ｅ１のマトリックスへの化学種（溶存イオン）の拡散による状況を把握できる。
【００３５】
さらに、地下水の流動場が制御できるので、地下水の流動を早くすることで、地下水の流動に伴う化学的な影響の評価に必要な期間を短縮できる可能性がある。なお、評価に必要な期間を短縮すれば、経済的な効果も得られる。
【符号の説明】
【００３６】
１    筒状部材
２    採水管
２１    パッカー
３    注水管
Ａ１，Ａ２，Ａ３    区間
Ｂ    ボーリング孔
Ｅ    地山
Ｅ１    岩盤
Ｅ２    周辺岩盤
Ｆ３    地層処分施設
ＧＡ    試験アクセス坑道
ＧＴ    試験坑道
Ｍ    支保
Ｍ１    岩石利用のセグメントで構築した支保（評価対象となる構造の支保）
Ｍ２    高強度吹付けコンクリートで構築した支保（比較対象となる構造の支保）
Ｍ３    低アルカリ吹付けコンクリートで構築した支保（比較対象となる構造の支保）
【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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