(57)【要約】【課題】  終始止水が行え、また安価で製造し得る、エントランス部の止水構造１を提供すること。【解決手段】  地下水圧下に構築した構造物の内部より、壁体を貫通して掘進機を発進するエントランス部の止水構造１において、構造物の壁体に配置する、地中まで貫通しない掘進機の挿通孔２１を有した管部材２と、掘進機を移動自在に貫通し、内部圧力を調整可能に構成する中空部３２を設けた圧力容器３と、圧力容器３の貫通孔３１両端に配置する、掘進機の外形に応じて変形可能な孔４３を備えた複数のシール材４と、を具備しており、管部材２の挿通孔２１と圧力容器３の貫通孔３１を同軸上に配列して接続し、掘進機を挿通孔２１および貫通孔３１に挿入した際に、圧力容器３の中空部３２内の圧力を地下水圧より低圧に設定可したことを特徴とする、エントランス部の止水構造１である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下水圧下に構築した構造物の内部より、壁体を貫通して掘進機を発進するエントランス部の止水構造において、
前記構造物の壁体に配置する、地中まで貫通しない前記掘進機の挿通孔を有した管部材と、
前記掘進機を移動自在に貫通し、内部圧力を調整可能に構成する中空部を設けた圧力容器と、
前記圧力容器の貫通孔の両端部に配置する、掘進機の外形に応じて変形可能な孔を設けた複数のシール材と、を具備しており、
前記管部材の挿通孔と前記圧力容器の貫通孔とを同軸上に配列して接続し、
掘進機を前記挿通孔および貫通孔に挿入した際に、前記圧力容器の中空部内の圧力を地下水圧より低圧に設定したことを特徴とする、
エントランス部の止水構造。
【請求項２】
請求項１に記載したエントランス部の止水構造において、
複数の圧力容器を、各貫通孔が同軸上に配列するように接続し、
前記管部材に接続する圧力容器の中空部の内圧を、地下水圧より低圧に設定し、
この圧力容器に後続して接続する他の圧力容器の中空部内圧を、前記管部材より離れるに従って段階的に低圧に設定したことを特徴とする、
エントランス部の止水構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のエントランス部の止水構造において、
前記圧力容器内の圧力の調整手段として、地中内の地下水を利用可能にしたことを特徴とする、
エントランス部の止水構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エントランス部の止水構造に関するもので、特に高水圧下に構築した構造物の内部からボーリングを行う際の止水構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地下利用の大深度化に伴い、地下構造物には高圧に耐え得るものが要求されるようになってきた。そして構築範囲を広げた地下構造物は、より一層用途の幅を広げている。
たとえば、日本を取り巻く海底の大陸縁辺部に天然に存在するメタンハイドレート層は、近年新しいエネルギーとして注目を集めているが、この大深度下に存在するメタンハイドレートを採取する方法の一つに、トンネルを利用する方法がある。この方法は、メタンハイドレート層の近傍までトンネルを構築し、トンネルの先端から地中に向けてセメントを注入し（カバーブロックの構築）、メタンハイドレート層に向けてボーリングを行って、メタンハイドレートを採取するという方法である（例えば、特許文献１）。
この場合、カバーブロックを形成するために、トンネルの内部から地中に向けて複数のボーリングが行うが、これに伴ってトンネル内への地下水の浸入を防止する措置が必要となってくる。
この方法には、ボーリングの開始後にパッカーと呼ばれるアクリルなどの高張力、高弾性の繊維でできた袋を口許（エントランス部）に挿入し、その隙間からセメントミルクなどを地盤に注入して止水する方法や、或いはボーリングを行う前に予めエントランス部をゴムパッキンなどでシールしておき、ボーリング時の止水を図ろうとする対策方法などがある。
【特許文献１】特開平１０−３１７８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記した従来のエントランス部の止水構造にあっては、次のような問題点がある。
＜１＞セメントミルクを注入して止水を行う方法では、パッカーを挿入するまでの間、地下水の浸入を許容せざるを得なかった。このため、特に長い距離のボーリングを行う場合には、構造物に流れ込む地下水の量は膨大となり、この処理に不要な手間がかかってしまう。
＜２＞エントランス部をあらかじめゴムパッキンでシールする方法では、高深度における高い地下水圧に耐え得るゴムパッキンが無く、好適なゴムパッキンの開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記のような課題を解決するために、本発明のエントランス部の止水構造は、地下水圧下に構築した構造物の内部より、壁体を貫通して掘進機を発進するエントランス部の止水構造において、前記構造物の壁体に配置する、地中まで貫通しない前記掘進機の挿通孔を有した管部材と、前記掘進機を移動自在に貫通し、内部圧力を調整可能に構成する中空部を設けた圧力容器と、前記圧力容器の貫通孔両端に配置する、掘進機の外形に応じて変形する孔を備えた複数のシール材と、を具備しており、前記管部材の挿通孔と前記圧力容器の貫通孔を同軸上に配列して接続し、掘進機を前記挿通孔および貫通孔に挿入した際に、前記圧力容器の中空部内の圧力を地下水圧より低圧に設定したことを特徴とする。
ここで、地下水圧下に構築するとは、地盤下に存在する地下水位より下のレベルに構築することをいい、特に被圧水を受ける地盤下に構築することを指す。
また、壁体とは構築物を構成する躯体のことをいう。
【０００５】
さらに、本発明のエントランス部の止水構造は、前記したエントランス部の止水構造において、複数の圧力容器を、各貫通孔が同軸上に配列するように接続し、前記管部材に接続する圧力容器の中空部の内圧を、地下水圧より低圧に設定し、この圧力容器に後続して接続する他の圧力容器の中空部内圧を、前記管部材より離れるに従って段階的に低圧に設定したことを特徴とする。
【０００６】
さらに、本発明のエントランス部の止水構造は、前記したエントランス部の止水構造において、前記圧力容器内の圧力の調整手段として、地中内の地下水を利用可能にしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のエントランス部の止水構造は、上記した課題を解決するための手段により、次のような効果の少なくとも一つを得ることができる。
＜１＞本発明は、内部圧力が調整可能である圧力容器を備えたエントランス部の止水構造であり、これを通じて構造物を貫通し、ボーリングが行える構成であるから、ボーリングの発進時より地下水の止水を行うことができる。
＜２＞圧力容器の内部圧力を地下水圧より低圧に設定し、内外の圧力差を小さくしたため、地下水の急激な流入を防止することができる。
この結果、各部材へ及ぼす負荷を軽減でき、特に特殊な構造が必要とされてきたシール材にあっても、公知のシール材でよい経済的な止水構造である。
また、内部圧力の調整に地下水を利用することによって、コストパフォーマンスをより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【０００９】
＜１＞全体の構造
本発明に係るエントランス部の止水構造１は、被圧水下に構築した構造物の内部から、壁体を貫通してボーリングを行うエントランス部の止水構造であって、壁体に配置する管部材２と、内部圧力を調整可能に構成する複数の圧力容器３ａ、３ｂと、各構成部材２、３ａ、３ｂの間に介在させる複数のシール材４ａ、４ｂ、４ｃと、を接続して構成して一体構成したものである（図１）。
なお、本形態では二基の圧力容器３ａ、３ｂ（以下、第一圧力容器３ａ、第二圧力容器３ｂと呼称する。）を配列する形態について説明するが、これに限定されるものではなく、一基のみ若しくは三基以上配列した形態としても良い。
以下、本発明を構成する各部について詳述する。
【００１０】
＜２＞管部材
管部材２は、構造物の壁体に取り付けて、掘進機の発進部を構成すると共に、止水構造１全体の壁体への固定部となるものである（図１）。
管部材２の中央には、掘進機が貫通可能な挿通孔２１を開設する。
管部材２の片端には、ドーナツ状を呈するフランジなどの連結部２２が備えてあり、他部材との連結に用いる。たとえば、フランジに複数の孔２３、２３・・を設けておき、隣り合う部材と相互に孔を連通させて、ボルトなどで連結する。
【００１１】
＜３＞圧力容器
圧力容器３は、掘進機を内部に移動自在に挿通する貫通孔３１と、貫通孔３１の中間部を膨らませて形成した中空部３２とを有する部材である（図１）。
中空部３２は、内部の圧力を自由に調整できる構成とし、その調整範囲は地中内の地下水圧から構造物の内部圧力まで調整し得る構成とする。この調整機構としては、たとえば鋼板で構築した容器の中空部３２内へ、所要の接続ホースを接続し、圧力ポンプで圧力調整を行う形態が採用できる。
中空部３２の圧力調整を行うには液体を用いるのが好ましく、循環水を加圧器を用いて行う調整、また地中内より地下水を引き込んで減圧バルブと圧力計とにより、減圧調整しながら行う形態が使用できる。
【００１２】
圧力容器３を複数配列させる場合、各圧力容器３ａ、３ｂ・・にはそれぞれ一台づつの圧力調整手段を備え、独立して圧力調整できる形態としてもよく、あるいは各容器３ａ、３ｂ・・を共通の圧力調整手段で、一括操作と管理が行える形態としても良い。
【００１３】
貫通孔３１の両端には、ドーナツ状を呈するフランジなどの連結部３３、３４が備えてあり、隣り合う部材との連結に用いる。このフランジには複数の孔を設けておき、隣り合う部材と相互に孔を連通させて、ボルトなどで連結する。
なお、圧力容器３の形態は上記に限定されるものではなく、貫通孔３１と中空部３２を備え、圧力調整に耐え得る構成であれば特に制約を受けない。
【００１４】
＜４＞シール材
シール材４は、圧力容器３の貫通孔３１の両端を塞ぐように配置する部材であって、中央部には掘進機の外形に応じ、形状を変形可能な孔４３を備えている（図１）。
シール材４は、掘進機の断面形状より大きな形状を形成しており、たとえば中央部に変形自在な孔４３を備え、その外側には先述した管部材２および圧力容器３に備える連結部４２、３３と同形の連結部４２を備えた形態などが使用できる。この孔４３は、掘進機の外形にしっかりと密着するように、掘進機の断面形状を小さくしたものが好ましく、その大きさは掘進機の外形に応じて変形できるように構成した、できるだけ小さいものが好ましい。この孔４３の大きさは、シール材４の素材に応じて決定すればよい。
【００１５】
連結部４２には、先述した管部材２や圧力容器３の各連結部２２、３３に設けた孔の相当する箇所に、同等の孔を設けておき、ボルトなどの連結手段を挿入する孔として用いる。この連結部４２は、管部材２や圧力容器３の連結部２２、３３の間に介在させても隙間から水漏れなど起こさないように、同じ厚みで構成するのが好ましい。
一方、連結部４２の内側に位置する孔４３を構成する部分は、孔４３に向けて片面が傾斜するテーパー状に形成したものが好ましい。シール材４を止水構造１に配置させる際、この傾斜面をトンネル７の内部側に向けることによって、掘進機の貫通および摺動がスムーズとなり、また掘進機との密着度も向上するという効果を奏する。
【００１６】
シール材４は、孔４３の周辺を可撓性材料で構成し、曲げ変形、孔４３の大きさを自在に変形し得る構成とする。より好ましくは耐久性、耐水性等に富んだものが好ましく、例えばゴム等を使用することができる。材質を選択するには、水圧力、水圧変化による疲労度などを考慮し、またメタンハイドレートを地盤中から採取する場合には、低温高圧などの条件も加味して適宜選択する。
なお、シール材４は、孔４３周辺を構成する部分に限らず、全体を可撓性材料で構成しても良く、また主要な構成を上記の通り構成しておれば、公知のシール材４を使用することもできる
【実施例】
【００１７】
以下、地盤内に堆積層として天然に存在するメタンハイドレートの採取に、本止水構造１を利用する例について説明する。
【００１８】
＜１＞準備
地上よりメタンハイドレートを含む層（メタンハイドレート層６）の下部に向けてシールドトンネル７を構築し、トンネル７の内部から略垂直にボーリングを立ち上げる（図３）。トンネル７を構成するセグメント７１には、ボーリングマシンが貫通可能なＲＣセグメントを使用する。
トンネル７断面の上方に位置するセグメント７１に、止水構造１の一構成部材である管部材２を設置する。管部材２は、あらかじめセグメント７１に取り付けておいても良い。管部材２はフランジ２２をトンネル７の内側に向けて、セグメント７１面との間に一定の間隔を設けて配置する。この間隔は、後続のシール材４、第一圧力容器３ａとの接続に使用するボルトやナットが挿入でき、回転操作が可能な間隔とする。
【００１９】
＜２＞組立て
管部材２のフランジ２２に、シール材４ａの連結部４２と第一圧力容器３ａの連結部３３ａを順に配置して、ボルトとナットで連結する。このとき、シール材４はテーパー面を、圧力容器３ａ側すなわちトンネル７の内部に向けて配置する。
【００２０】
次に、圧力容器３ａに備える反対側の連結部３４ａにも、同様にしてシール材４ｂと第二圧力容器３ｂを配置し、各孔にボルトを挿通して一体化させる。
各連結部をボルトで固定すると、圧力容器３ａの中空部３２ａは、二枚のシール材４ａ、４ｂで開口部をほぼ閉塞された状態となる。
【００２１】
一方、圧力容器３ｂの他方の連結部３４ｂにもシール材４ｃを配置し、さらにその上から押えリング５で押え、これらをボルト、ナットで連結する。ここで、押えリング５とは、中央に掘進機が貫通できる孔５１を形成した略ドーナツ状の板材で、板上には第二圧力容器３ｂ、シール材４ｃの各連結部３４ｂ、４２ｃに備える複数の孔と、同位置、同程度の孔を穿設したものである。この押えリング５は、シール材４ｃを第二圧力容器３ｂにしっかりと固定するために、ボルト、ナットの点による締め付け力を面圧に変えて付与するのに使用し、この締め付け力に耐え得る構造であれば、特に限定されるものではなく、防錆処理を施した鋼板などが使用できる。
【００２２】
管部材２の挿通孔２１、第一、第二圧力容器の貫通孔３１ａ、３１ｂをそれぞれ同軸上に配置して、各ボルト、ナットの締め付けを行い、また圧力容器３ａには減圧可能に構成する接続パイプおよび圧力調整機器を取り付けて、止水構造１の組み立てを完成する（図２）。
なお、本例ではセグメント７１に配置した管部材２に、順次各構成部材を組み付けてゆく工程を採っているが、あらかじめ数個の部材を組立てておき、これを一気に管部材２に取りつける方法により、行っても良い。
【００２３】
＜３＞ボーリングの準備
止水構造１の組立てが完了した後、掘進機をセットし、掘削準備を行う。本例においては二重ケーシング式によるボーリング施工を行う。
まず、ケーシングロッド８２先端に備える先導体８１（刃先本体）を、止水構造１の開口部１１にセットする。
ケーシングロッド８２を止水構造１に押し込んでいくと、開口部１１に配するシール材４ｃが押し込み方向に向けて変形する。より詳細には、ケーシングロッド８２の押し込み量に応じて、シール材４ｃは孔４３ｃの大きさを徐々に大きく広げつつ、孔４３ｃ周辺の中央部を押し込み方向に向けて変形させる。やがて、その孔４３ｃは先導体８１の外形とほぼ同じ大きさまで広がり、シール材４ｃを先導体８１が貫通する。シール材４ｃには元の形状に戻ろうとする復元力が働くため、孔４３ｃは先導体８１およびケーシングロッド８２の外壁に圧着し、両者は密着した状態となる。これによって、シール材４ｃを隔てた中空部３２ｂとトンネルの内部空間とは、完全に分断された状態となる。
【００２４】
さらにケーシングロッド８２を押し込んで、他のシール材４ｂ、４ａも同様にして変形させ、先導体８１をＲＣセグメント７１まで到達させる。
【００２５】
＜４＞圧力容器の内圧調整およびボーリング
ＲＣセグメント７１を貫通するにあたり、各圧力容器３ａ、３ｂの内圧の調整を行う。
減圧バルブ９２ａを使用して、地盤内に滞留する地下水を減圧しながら第一圧力容器３ａ内に取りこむ。この圧力は、地下水圧より小さく設定する。
同様に第二圧力容器３ｂにも、減圧バルブ９２ｂを用いて地下水を引き込む。第二圧力容器３ｂの内圧は、第一圧力容器３ａの内圧より小さく設定すると共に、またトンネル７の内部圧力より大きくなるように調整を行う。すなわち各圧力容器３ａ、３ｂの内圧は、地盤の地下水からトンネル７の内部に向けて段階的に小さく設定する。そしてこの圧力差は、大きくなり過ぎないように設定する。これにより、各シール材４ａ、４ｂ、４ｃにおよぶ水圧差による圧力は小さくなり、また水が相互に移動しようとする働きも小さくなるため、強度が過度に大き過ぎない公知のシール材４で、各中空部３２ａ、３２ｂの内圧を保持することができる。
【００２６】
先導体８１をＲＣセグメント７１に当接し、掘削を開始する。先導体８１がＲＣセグメント７１を貫通すると、地盤内の地下水がトンネル７の内部に向けて流入しようとする。しかし、地盤とトンネル７の内部とは、シール材４ａ、４ｂ、４ｃによって二分されており、またシール材４ａを隔てた圧力差は小さいため、地下水が急激にトンネル７内に浸入しようとせず、各部材に水圧による負荷を与えることなく、地下水のトンネル７内への流入を防止することができる。
【００２７】
ボーリング孔８３をどんどんと掘り進めてゆき、メタンハイドレート層６に到達させる。
【００２８】
＜５＞メタンハイドレートの採取
次に、低温高圧条件の下、安定な状態で存在するメタンハイドレートを採取する。
先導体８１をメタンハイドレート層６に到達させた後、非回転の外管（鋼管）を残し、内部のスクリュー付き内管を発進側に引抜く。内管を引抜いても、外管と止水構造１との間からは、シール材４ａ、４ｂ、４ｃでしっかりと遮水されているため、地下水がトンネル７内に流れ込むことはない。
【００２９】
その後、トンネル７内から外管を通じて温水による熱供給を行い、メタンハイドレートをメタンガスと水とに分離して回収する。
このとき、もともと高い圧力下にあるメタンハイドレートが加圧供給した温水によってさらに高い圧力を備えた水となり、トンネルに向けて逆流することが考えられるが、止水構造１と外管の間はシール材４ａによってしっかりと密着されているため、分離した水の浸水も防止することができる。
【００３０】
シール材４ａは、先導体８１の進行方向すなわち地中方向へ向けて曲げ変形しているため、地盤側から受ける地下水圧に対して大きな抵抗力を示す。また、中空部３２ａの内部圧力は、地中内との水圧差が大きくならないように調整してあるため、シール材４ａは反対方向へ折り曲がり難くなっている。
しかし、万が一シール材４ａの耐圧力を超え、地下水が第一圧力容器３ａ内に流れ込んだとしても、第二圧力容器３ｂ内の内圧は第一圧力容器３ａとの差が小さくなるように調整してあるため、地下水の流入を助長させることなく、流入を食い止めることができ、また止水構造１を破壊させることもない。
【００３１】
こうして、メタンハイドレートを採取した後、地中に所要の止水工法を施して、外管を地盤より引抜く。このとき、外管とシール材４ａとの密着状態はセグメント７１側から解放されてゆくが、かかる際には第一圧力容器３ａの内部圧力をボーリング時より高く調整しても良い。これによって、第一圧力容器３ａ内と地盤中の地下水の圧力差はより小さくなるため、シール材４ａが元の形状に復元したとしても、地下水の流入を防止することができる。
このように、本発明は高い被圧水を受ける条件下でも、シール材をはじめとする各部材への水圧による負荷を最小限に留め、高い止水効果を発揮することができるものである。
【００３２】
なお、以上は地中に構築したトンネルの軸方向に対して、略垂直にボーリングを行う方法について説明したが、トンネル先端から進行方向に向けてボーリングが行えるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のエントランス部の止水構造の分解図。
【図２】本発明のエントランス部の組み立て完成図。
【図３】メタンハイドレートの採取における使用例を表した図。
【図４】エントランス部の止水構造の実施図。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・止水構造
２・・・管部材
２１・・挿通孔
３・・・圧力容器
３ａ・・第一圧力容器
３ｂ・・第二圧力容器
３１・・貫通孔
３２・・中空部
４・・・シール材
４３・・孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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