トンネル工法とその熱交換路固定具
【課題】コンクリート覆工と同時に、地中熱交換システム用流路を設置可能であるトンネル工法である。
【解決手段】トンネル工において、コンクリート覆工３の前、又は途中で、このコンクリート覆工２の外周の地中と熱交換を行うために、熱交換された熱を離れた位置に循環流体を介して移動させるために地中熱交換システム用流路を形成する。熱交換ユニットとして、地中熱交換システム用パイプ１２を固定された金網ユニット１０をコンクリート覆工３内に埋め込む。地中熱交換システム用パイプ１２の熱媒体液の流路は、相互に連結、又は並列して用いる。
【解決手段】トンネル工において、コンクリート覆工３の前、又は途中で、このコンクリート覆工２の外周の地中と熱交換を行うために、熱交換された熱を離れた位置に循環流体を介して移動させるために地中熱交換システム用流路を形成する。熱交換ユニットとして、地中熱交換システム用パイプ１２を固定された金網ユニット１０をコンクリート覆工３内に埋め込む。地中熱交換システム用パイプ１２の熱媒体液の流路は、相互に連結、又は並列して用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル工法とその熱交換路固定具に関する。地盤を掘削した後のコンクリート覆工内に、それを構成する金網又は鉄筋に熱交換のための流体路を配置して、コンクリート覆工及びその周辺の地盤の地中熱を利用して熱交換器を構成した、トンネル工法とその熱交換路固定具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から特に寒冷地においては、例えば、路面に発熱ケーブルを埋設して電熱を利用し凍結を防止する方式のもの、或いは路面にパイプを埋設して温水をパイプに流し循環させ凍結を防止する温水循環方式のもの等が知られている。又、最も簡易な方式では、単に路面に散水するのみの凍結防止方法もよく行われている。
【０００３】
近年は環境に配慮し、自然エネルギーの有効利用、低ランニングコスト化の観点から地中熱利用のシステムが注目されている。地中温度は一年中ほぼ一定であり、外気温度に比べ夏は低く、冬は高くなっている。即ち、地中熱利用ヒートポンプ装置とは、地中に広く分布する１０〜１５℃という低温であるがほぼ恒温の熱エネルギーを利用し、ヒートポンプでより高温又は低温の熱エネルギーに交換し、冷温水や冷温風を造成することで、融雪用熱源又は冷暖房用熱源等として利用する装置である。
【０００４】
一方、トンネル内の排気ファンの排出口付近に熱交換器を設置し、排気熱を熱源とするヒートポンプを設け、このヒートポンプの利用側熱交換器で温水を製造し、この温水を融雪管に循環させる融雪設備が知られている（例えば、特許文献１参照）。更に、トンネルの壁面に横方向に孔を穿設し、この孔に地熱吸収用パイプを設置し、この地熱吸収用パイプを路面の融雪用パイプと接続させ、地熱吸収用パイプと融雪用パイプとの間で水をポンプで循環させるようにした路面の凍結防止方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
トンネル工事は、シールド工法、爆破作業等でトンネル掘削を行う場合、一般に数メートル単位で所定スパンを掘削後、地盤（地山）をコンクリート覆工、又はトンネル保坑のためコンクリートやパネル（セグメントともいう。）をトンネル内壁に設置する工法が一般的に採用されている。本発明者は、このパネル内に熱媒体となる流体路を配置し、トンネルの壁、地盤を熱交換器とするものを提案した（特許文献３参照）
【０００６】
しかしながら、一般的なトンネル工法は、掘削を行った後、トンネル周囲の崩壊と漏水を防ぎ、地山を安全に支持するためにコンクリート覆工を行う。地質が悪い場合、土かぶりが小さい場合は、トンネルの覆工には鉄筋コンクリートとする場合があるが、この覆工では所定距離掘削後に、最初にロックボルト等で金網を地山に固定し覆ってこれを保持し、これをコンクリート吹き付け等の工法が採用されている。また、鋼アーチ式支保工をそのまま巻き立てコンクリート中に埋め込んで鉄骨材とする工法であっても、同様な工法が採用されている。地質が強固な場合であっても、同様な工法が採用されることもある。
【０００７】
通常、地中熱を直接利用したり、ヒートポンプの熱源として利用する場合は、地中熱と熱交換を行うために地中熱交換器を設置する必要がある。地中熱交換器を設置する方法として、一般的には、ボーリング等で孔井を掘削し、この中に鋼管やポリエチレンパイプ等を挿入したり、基礎杭等の中あるいは外側に、杭に沿ってポリエチレンパイプ等を設置して地中熱交換器を構成している。このように設置した地中熱交換器のポリエチレンパイプ等の中に、水、不凍液等の熱媒体液を循環させ、地中熱と熱交換を行なうシステムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２８５８０７０号公報
【特許文献２】特許第３５６１８４９号公報
【特許文献３】特開２００７−１０７２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、前述したように、パネルを使用しない一般的なトンネル工法において、地中熱を利用しようとすれば、コンクリート覆工内に地中熱交換器として、ポリエチレン等で作られた地中熱交換システム用パイプをコンクリート内に設置する作業が必要である。この設置作業は、トンネル本体の工事ではないこともあり、工数と手間のかかるものであってはならない。このために現状のトンネル地盤からの地中熱の利用は、そのトンネル本体の施工方法の制約もあり、安定した恒常的な地中熱の利用には至ってはいない。
【００１０】
地盤（地山）によって異なるが、トンネル施工工事には前述したとおり、数回のコンクリート覆工が伴うので、この工事のときに地中熱交換器用の部材も合わせて取り付けることができれば、地中熱交換器設置のために新たな工事をする必要がなく、効率的で施工コストを低減することができる。特に、トンネルを掘削しながら、地中熱交換システム用パイプをコンクリート内に、トンネルの掘削に応じて無理なく設置できればより好ましい。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点を解決するために想起されたもので、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、コンクリート覆工と同時に、地中熱交換システム用流路を設置可能であるトンネル工法とその熱交換路固定具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１のトンネル工法は、
トンネル地盤を掘削するトンネル掘削工と、
前記掘削した地盤の周囲を支持するために行うコンクリート覆工からなトンネル覆工と
からなるトンネル工において、
前記コンクリート覆工の前、又は途中で、前記コンクリート覆工及び／又は前記コンクリート覆工の外周の地盤の地中熱と熱交換を行うために、熱媒体液を通す流体路を配置した固定具を、前記掘削したトンネルに配置する流体路配置工と、
各前記固定具に配置された前記流体路を相互に連結する連結工とからなることを特徴とする。
【００１３】
本発明２のトンネル工法は、本発明１において、前記流体路は、合成樹脂製又は耐蝕性のある金属製のパイプであり、前記連結は、前記パイプの両端を継手により相互に接続するものであることを特徴とする。
【００１４】
本発明３のトンネル工法は、本発明１又は２において、前記流体路は、蛇行して配置されていることを特徴とする。この蛇行した流体路を多層になるように積層して配置したものでも良い。
【００１５】
本発明４のトンネル工法は、本発明２において、前記固定具は、前記パイプが固定された金網であり、前記金網は地盤又は前記コンクリート覆工にアンカーピンで設置することを特徴とする。
【００１６】
本発明５のトンネル工法は、本発明２において、前記固定具は、前記パイプを地盤又は前記コンクリート覆工に固定するためのアンカーピンであることを特徴とする。
【００１７】
本発明６のトンネル工法用熱交換路固定具は、本発明４のトンネル工法に用いる固定具であって、前記パイプ及び前記パイプが固定された前記金網のユニットからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のトンネル工法とその熱交換路固定具は、トンネルのコンクリート覆工のための工事と同時進行で、トンネル側熱交換部の設置工事を行うことができるので、トンネル工事の完了と同時にコンクリート覆工内にトンネル側の熱交換部を設置できる。この地中熱交換用の熱媒体液の流路は、トンネルのコンクリート覆工の任意の位置に任意の数量を設置できるので、熱量の調整が容易である。この結果、トンネルの地盤、コンクリート覆工、トンネル内の空気等との間で熱交換が安定して、効率よく行えるようになる。
【００１９】
本発明により、トンネル側熱交換部の設置工事期間、費用が、既設又は新設のトンネル内から半径方向にボーリングして、熱交換器を設置するような従来の工事に比し、ボーリングの必要がないので大幅に軽減される。言い換えると、本発明はコンクリート覆工内に、大容量のトンネル側熱交換部が経済的に、かつ短期間に設置できる。この結果、本発明は、前述したトンネル側熱交換部でトンネルの地中熱又は空気と熱交換した熱を、熱源として広く活用することができ、自然エネルギーの活用、省エネルギー化が図れ、環境にやさしい冷暖房装置、融雪装置、給湯装置等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、トンネル覆工内にトンネル側熱交換部である金網ユニットを配置した例を模式的に示したトンネルの外観図である。
【図２】図２は、金網ユニットの配置を示すトンネルの断面図である。
【図３】図３は、金網に地中熱交換システム用パイプを配置した金網ユニットの平面図である。
【図４】図４は、金網をロックボルトでトンネルの地山に固定した状態を示す平面図である。
【図５】図５は、各金網ユニット上の地中熱交換システム用パイプを並列接続した連結例を示す接続図である。
【図６】図６は、金網ユニットの他の例を示す平面図である。
【図７】図７は、各金網ユニット上の地中熱交換システム用パイプを直列に接続した連結例を示す接続図である。
【図８】図８は、金網ユニットの他の施工例を示すトンネルの断面図である。
【図９】図９は、金網ユニットを使用しない施工例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明のトンネル工法により完成したトンネル熱利用熱交換システムのトンネル１側のトンネル側熱交換部３の外観を模式的に示す外観図である。図２は、図１のトンネル１の断面を示す断面図である。本実施の形態におけるヒートポンプ４は、コンクリート覆工２で構成されるトンネル熱交換部３で地中熱を取り出して、融雪、空調等の熱負荷５に利用するものである。コンクリート覆工２内には、熱交換を行うための金網ユニット１０が埋め込んである。
【００２２】
図３は、この金網ユニット１０の平面図である。金網ユニット１０は、鉄筋である矩形の金網１０とこの上に取り付けられたポリエチレン製の地中熱交換システム用パイプ１２等からなる。金網１１は、掘削後にトンネルの壁面に設置される一般的な金網である。この金網１１上には、地中熱交換システム用パイプ１２が蛇行して配置固定されている。この金網１１と地中熱交換システム用パイプ１２の相互の固定は、鉄筋を結束するのに使われている鉄線である結束線１３を用いる。ただし、結束線１３に替えて、結束バンド、ケーブルタイ等と呼ばれている専用又は汎用の固定具を用いても良い。
【００２３】
地中熱交換システム用パイプ１２は、本例では金網１１の上で蛇行しており、互いに等距離で平行で所定の間隔Ｓになるように配置されている。この理由は、地中熱交換システム用パイプ１２の周辺から効果的に熱を取り出すためである。トンネルの地山の近くに水脈があるときは、単位面積当たりで熱容量を大きく取り出せるので、この間隔Ｓは短くする。即ち、コンクリート覆工２に接している金網１１の単位面積当たりの地中熱交換システム用パイプ１２の表面積を増加させることができる。
【００２４】
金網ユニット１０は、コンクリート覆工２と協働してトンネル１を構成する。金網ユニット１０上に固定された地中熱交換システム用パイプ１２は、コンクリート覆工２と接触して熱交換を行う。地中熱交換システム用パイプ１２を相互に連結するには、ソケット１４を用いる（図５参照）。ソケット１５は、他の金網ユニット１０の地中熱交換システム用パイプ１２の端部１４を挿入して、相互に連結するためのものである。この連結は、この中を流れる熱媒体液の漏れを防ぐために熱融着により行われる。
【００２５】
金網ユニット１０は、直接的にはコンクリート覆工２、及び／又はトンネル周囲の地盤（地山）が有している熱と地中熱交換システム用パイプ１２内を流れる熱媒体液との間で、熱交換する機能を有するものである。トンネル１を構成するコンクリート覆工２は、一般的には地盤の掘削を行った後、周囲の崩壊と漏水を防ぎ、地山を安全に支持するために行う。トンネル工は、地盤の掘削後、コンクリートを地山に直接吹き付ける一次吹付後に、金網を設置するのが一般的なコンクリート覆工のための工法である。本実施の形態の金網ユニット１０の金網１１の設置例では、このコンクリートの一次吹付後に、この吹付けコンクリートの上に、アンカーピン２０によって位置され固定する。
【００２６】
この実施の形態の金網ユニット１０は、前述したように地盤を所定間隔掘削した後、吹付けコンクリートの内壁にアンカーピン２０で固定される。この金網ユニット１０は、図２に示すように、通常のトンネル工法の金網設置のように、トンネル１の壁の中の鉄筋を構成するものであり、地盤に一次吹付けコンクリートを吹き付ける前、又は一次吹き付けた後に壁面に取り付けるものである。金網ユニット１０の地盤への取り付け方法は、一般にトンネル工で用いられているものであり、トンネル１の中心部から放射状に配置されたアンカーピン２０を用いる。なお、地盤（地山）にロックボルト（図示せず。）がトンネルの中心部から半径方向に設置されている。
【００２７】
アンカーピン２０の構造、機能、施工方法は周知であるので、その説明は省略する。この金網ユニット１０は、地中熱交換システム用パイプ１２を固定して取り付ける機能、及びトンネル１の内壁を補強する機能を果たすものである。なお、地中熱交換システム用パイプ１２には、例えば、ポリエチレン管、ステンレス（ＳＵＳ）管、耐蝕性を有する鋼管等を使用しても良い。このＳＵＳ管や鋼管は金属体であるので、熱の伝達性がよく、強度が高いので好適である。
【００２８】
この金網ユニット１０には、図２に示したように、コンクリート覆工２の周方向に複数個並べて設置されている。図５に示すように、複数の各金網ユニット１０上に設置された地中熱交換システム用パイプ１２は、相互にソケット１５で直列接続になるように、互いに連結されている。そして、一群の金網ユニット１０上の地中熱交換システム用パイプ１２の一端のソケット１５は、熱媒体液の往路２１に接続されている。一群の金網ユニット１０上の地中熱交換システム用パイプ１２の他端のソケット１５は、復路２１に連結されている。熱媒体液は、往路２１から各金網ユニット１０上の地中熱交換システム用パイプ１２に入り、コンクリート覆工２内で地中熱と熱交換して、復路２２に戻ることになる。なお、各金網ユニット１０のトンネルの周面への配置は、図１に示すように、トンネルの掘削方向、周方向、又はこれを組み合わせた何れの方向に配置しても良い。
【００２９】
このようにトンネル掘削中に、トンネル１の鉄筋でもある金網ユニット１０を使用することで、本工事の進行に合わせて、コンクリート覆工２に沿って熱交換（熱採取、熱放出）機能を有する金網ユニット１０を、任意の数量、任意の位置に設置が可能となり、迅速にかつ容易にトンネル側熱交換部３を構成することが可能となる。地下鉄のような地中深く掘削されたトンネル１は、その周囲が地盤に囲まれ、大気との熱交換も少なく一定の安定した地温下にある。
【００３０】
このため、このようなトンネル１は、地中熱を利用する上では、非常にめぐまれた条件下にある。トンネル１内の空気の熱（廃熱等）を利用するのにも、非常にめぐまれた条件下にある。この地中又は空気の熱は、駅舎、地下鉄関係の各設備の冷暖房装置、給湯装置等に利用するとよい。更に、昇降客が多く、かつ電車が走行しているトンネル１内の廃熱を金網ユニット１０から採取すると、熱源として利用しながらトンネル内の空気の温度を下げる効果もある。
【００３１】
又、逆に長さの短い鉄道、道路の山岳トンネルのような場合は、通気がよく、トンネル内は一定の温度が維持される。従って、比較的温度の安定しているトンネル１で、地盤側に近く地中温度の安定している部位に、トンネル側熱交換部３を構成する金網ユニット１０を設置するほうが熱交換効率は有効である。熱媒体液を通す往路である往路管２０は、トンネルに沿って壁面に沿って配置されているものであり、コンクリート覆工２に埋め込まれてはいない。往路管２１は、ポリエチレン製、プラスチック製、金属製等のパイプで構成されている。
【００３２】
トンネルの一方の端部には、熱交換された熱媒体液が戻るための復路管２２が配置されている。復路管２２は、本例ではトンネルに沿って壁面に沿って配置されているものであり、往路管２１と同様に、コンクリート覆工２内に埋め込まれてはいない。復路管２２は、ポリエチレン製、プラスチック製、金属製等のパイプで構成され、その外周は断熱材でカバーされている。なお、往路管２１及び復路管２２は、コンクリート覆工２内に埋め込んでも良い。
【００３３】
〔金網ユニット２５の他の実施の形態〕
前述した金網ユニット１０の地中熱交換システム用パイプ１２は、金網１１の上で蛇行して配置されている。図６に示す金網ユニット２５は、地中熱交換システム用パイプ１２をクロスして重ねて配置した例である。地中熱交換システム用パイプ１２をクロスして重ねて配置する方法は、単位面積、又は体積当たりの地中熱交換システム用パイプ１２の密度を高くするためである。地下水が多いトンネルの場合、単位面積、又は体積当たりの熱交換効率が高いので、この金網ユニット２５の地中熱交換システム用パイプ１２を積層して配置する方法は有効である。なお、この地中熱交換システム用パイプ１２を円弧状に巻いてクロスさせて積層する方法は、二層であったが、三層又は四層に重ねたものであっても良い。
【００３４】
〔地中熱交換システム用パイプ１７の他の接続例〕
図７は、金網ユニット１０に配置した地中熱交換システム用パイプ１２の接続例を示すものである。この接続例は、各金網ユニット１０の地中熱交換システム用パイプ１２を相互に連結して直列にしたものである。この接続例では、往路管２１の配管が短くできる利点がある。ただし、地中熱交換システム用パイプ１２を直列に接続すると、並列接続に比してコンクリート覆工３の各部から均等に熱交換性に劣る。
【００３５】
〔金網ユニットの他の施工例〕
図８は、金網ユニットの他の施工例であり、トンネル１の断面図である。前述した金網ユニット１０の施工は、ユニット化した金網１１をトンネル１の内側に、地中熱交換システム用パイプ１２をトンネルの外側に配置した例であった。しかしながら、この施工方法ではなく、金網１１をトンネル１の外側に、地中熱交換システム用パイプ１２をトンネル１の内側に配置した例である。
【００３６】
図９は、金網ユニットを使用しない施工例である。前述した地中熱交換システム用パイプ１２は、金網１１の上に固定し、この金網１１をロックボルト２０で地盤に固定するものであった。しかしながら、地中熱交換システム用パイプ１２の固定は、必ずしも金網１１を用いて固定しなくても良い。トンネル工法によっては、金網１１を用いることなく、直接的に地中熱交換システム用パイプ１２をアンカーピン２０で地山に固定すると良い。また、地中熱交換システム用パイプ１２を、アンカーピン２０でなくても、鋼アーチ支保工、一般的な鉄筋金網がある場合は、これに結束線等で固定しても良い。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されることはない。本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内で変更可能なことはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３８】
１…トンネル
２…コンクリート覆工
３…トンネル側熱交換部
４…地中熱利用システム
５…熱負荷
１０，２５…金網ユニット
１１…金網
１２…地中熱交換システム用パイプ
１３…結束線
１５…ソケット
２０…アンカーピン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル工法とその熱交換路固定具に関する。地盤を掘削した後のコンクリート覆工内に、それを構成する金網又は鉄筋に熱交換のための流体路を配置して、コンクリート覆工及びその周辺の地盤の地中熱を利用して熱交換器を構成した、トンネル工法とその熱交換路固定具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から特に寒冷地においては、例えば、路面に発熱ケーブルを埋設して電熱を利用し凍結を防止する方式のもの、或いは路面にパイプを埋設して温水をパイプに流し循環させ凍結を防止する温水循環方式のもの等が知られている。又、最も簡易な方式では、単に路面に散水するのみの凍結防止方法もよく行われている。
【０００３】
近年は環境に配慮し、自然エネルギーの有効利用、低ランニングコスト化の観点から地中熱利用のシステムが注目されている。地中温度は一年中ほぼ一定であり、外気温度に比べ夏は低く、冬は高くなっている。即ち、地中熱利用ヒートポンプ装置とは、地中に広く分布する１０〜１５℃という低温であるがほぼ恒温の熱エネルギーを利用し、ヒートポンプでより高温又は低温の熱エネルギーに交換し、冷温水や冷温風を造成することで、融雪用熱源又は冷暖房用熱源等として利用する装置である。
【０００４】
一方、トンネル内の排気ファンの排出口付近に熱交換器を設置し、排気熱を熱源とするヒートポンプを設け、このヒートポンプの利用側熱交換器で温水を製造し、この温水を融雪管に循環させる融雪設備が知られている（例えば、特許文献１参照）。更に、トンネルの壁面に横方向に孔を穿設し、この孔に地熱吸収用パイプを設置し、この地熱吸収用パイプを路面の融雪用パイプと接続させ、地熱吸収用パイプと融雪用パイプとの間で水をポンプで循環させるようにした路面の凍結防止方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
トンネル工事は、シールド工法、爆破作業等でトンネル掘削を行う場合、一般に数メートル単位で所定スパンを掘削後、地盤（地山）をコンクリート覆工、又はトンネル保坑のためコンクリートやパネル（セグメントともいう。）をトンネル内壁に設置する工法が一般的に採用されている。本発明者は、このパネル内に熱媒体となる流体路を配置し、トンネルの壁、地盤を熱交換器とするものを提案した（特許文献３参照）
【０００６】
しかしながら、一般的なトンネル工法は、掘削を行った後、トンネル周囲の崩壊と漏水を防ぎ、地山を安全に支持するためにコンクリート覆工を行う。地質が悪い場合、土かぶりが小さい場合は、トンネルの覆工には鉄筋コンクリートとする場合があるが、この覆工では所定距離掘削後に、最初にロックボルト等で金網を地山に固定し覆ってこれを保持し、これをコンクリート吹き付け等の工法が採用されている。また、鋼アーチ式支保工をそのまま巻き立てコンクリート中に埋め込んで鉄骨材とする工法であっても、同様な工法が採用されている。地質が強固な場合であっても、同様な工法が採用されることもある。
【０００７】
通常、地中熱を直接利用したり、ヒートポンプの熱源として利用する場合は、地中熱と熱交換を行うために地中熱交換器を設置する必要がある。地中熱交換器を設置する方法として、一般的には、ボーリング等で孔井を掘削し、この中に鋼管やポリエチレンパイプ等を挿入したり、基礎杭等の中あるいは外側に、杭に沿ってポリエチレンパイプ等を設置して地中熱交換器を構成している。このように設置した地中熱交換器のポリエチレンパイプ等の中に、水、不凍液等の熱媒体液を循環させ、地中熱と熱交換を行なうシステムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２８５８０７０号公報
【特許文献２】特許第３５６１８４９号公報
【特許文献３】特開２００７−１０７２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、前述したように、パネルを使用しない一般的なトンネル工法において、地中熱を利用しようとすれば、コンクリート覆工内に地中熱交換器として、ポリエチレン等で作られた地中熱交換システム用パイプをコンクリート内に設置する作業が必要である。この設置作業は、トンネル本体の工事ではないこともあり、工数と手間のかかるものであってはならない。このために現状のトンネル地盤からの地中熱の利用は、そのトンネル本体の施工方法の制約もあり、安定した恒常的な地中熱の利用には至ってはいない。
【００１０】
地盤（地山）によって異なるが、トンネル施工工事には前述したとおり、数回のコンクリート覆工が伴うので、この工事のときに地中熱交換器用の部材も合わせて取り付けることができれば、地中熱交換器設置のために新たな工事をする必要がなく、効率的で施工コストを低減することができる。特に、トンネルを掘削しながら、地中熱交換システム用パイプをコンクリート内に、トンネルの掘削に応じて無理なく設置できればより好ましい。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点を解決するために想起されたもので、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、コンクリート覆工と同時に、地中熱交換システム用流路を設置可能であるトンネル工法とその熱交換路固定具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１のトンネル工法は、
トンネル地盤を掘削するトンネル掘削工と、
前記掘削した地盤の周囲を支持するために行うコンクリート覆工からなトンネル覆工と
からなるトンネル工において、
前記コンクリート覆工の前、又は途中で、前記コンクリート覆工及び／又は前記コンクリート覆工の外周の地盤の地中熱と熱交換を行うために、熱媒体液を通す流体路を配置した固定具を、前記掘削したトンネルに配置する流体路配置工と、
各前記固定具に配置された前記流体路を相互に連結する連結工とからなることを特徴とする。
【００１３】
本発明２のトンネル工法は、本発明１において、前記流体路は、合成樹脂製又は耐蝕性のある金属製のパイプであり、前記連結は、前記パイプの両端を継手により相互に接続するものであることを特徴とする。
【００１４】
本発明３のトンネル工法は、本発明１又は２において、前記流体路は、蛇行して配置されていることを特徴とする。この蛇行した流体路を多層になるように積層して配置したものでも良い。
【００１５】
本発明４のトンネル工法は、本発明２において、前記固定具は、前記パイプが固定された金網であり、前記金網は地盤又は前記コンクリート覆工にアンカーピンで設置することを特徴とする。
【００１６】
本発明５のトンネル工法は、本発明２において、前記固定具は、前記パイプを地盤又は前記コンクリート覆工に固定するためのアンカーピンであることを特徴とする。
【００１７】
本発明６のトンネル工法用熱交換路固定具は、本発明４のトンネル工法に用いる固定具であって、前記パイプ及び前記パイプが固定された前記金網のユニットからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のトンネル工法とその熱交換路固定具は、トンネルのコンクリート覆工のための工事と同時進行で、トンネル側熱交換部の設置工事を行うことができるので、トンネル工事の完了と同時にコンクリート覆工内にトンネル側の熱交換部を設置できる。この地中熱交換用の熱媒体液の流路は、トンネルのコンクリート覆工の任意の位置に任意の数量を設置できるので、熱量の調整が容易である。この結果、トンネルの地盤、コンクリート覆工、トンネル内の空気等との間で熱交換が安定して、効率よく行えるようになる。
【００１９】
本発明により、トンネル側熱交換部の設置工事期間、費用が、既設又は新設のトンネル内から半径方向にボーリングして、熱交換器を設置するような従来の工事に比し、ボーリングの必要がないので大幅に軽減される。言い換えると、本発明はコンクリート覆工内に、大容量のトンネル側熱交換部が経済的に、かつ短期間に設置できる。この結果、本発明は、前述したトンネル側熱交換部でトンネルの地中熱又は空気と熱交換した熱を、熱源として広く活用することができ、自然エネルギーの活用、省エネルギー化が図れ、環境にやさしい冷暖房装置、融雪装置、給湯装置等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、トンネル覆工内にトンネル側熱交換部である金網ユニットを配置した例を模式的に示したトンネルの外観図である。
【図２】図２は、金網ユニットの配置を示すトンネルの断面図である。
【図３】図３は、金網に地中熱交換システム用パイプを配置した金網ユニットの平面図である。
【図４】図４は、金網をロックボルトでトンネルの地山に固定した状態を示す平面図である。
【図５】図５は、各金網ユニット上の地中熱交換システム用パイプを並列接続した連結例を示す接続図である。
【図６】図６は、金網ユニットの他の例を示す平面図である。
【図７】図７は、各金網ユニット上の地中熱交換システム用パイプを直列に接続した連結例を示す接続図である。
【図８】図８は、金網ユニットの他の施工例を示すトンネルの断面図である。
【図９】図９は、金網ユニットを使用しない施工例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明のトンネル工法により完成したトンネル熱利用熱交換システムのトンネル１側のトンネル側熱交換部３の外観を模式的に示す外観図である。図２は、図１のトンネル１の断面を示す断面図である。本実施の形態におけるヒートポンプ４は、コンクリート覆工２で構成されるトンネル熱交換部３で地中熱を取り出して、融雪、空調等の熱負荷５に利用するものである。コンクリート覆工２内には、熱交換を行うための金網ユニット１０が埋め込んである。
【００２２】
図３は、この金網ユニット１０の平面図である。金網ユニット１０は、鉄筋である矩形の金網１０とこの上に取り付けられたポリエチレン製の地中熱交換システム用パイプ１２等からなる。金網１１は、掘削後にトンネルの壁面に設置される一般的な金網である。この金網１１上には、地中熱交換システム用パイプ１２が蛇行して配置固定されている。この金網１１と地中熱交換システム用パイプ１２の相互の固定は、鉄筋を結束するのに使われている鉄線である結束線１３を用いる。ただし、結束線１３に替えて、結束バンド、ケーブルタイ等と呼ばれている専用又は汎用の固定具を用いても良い。
【００２３】
地中熱交換システム用パイプ１２は、本例では金網１１の上で蛇行しており、互いに等距離で平行で所定の間隔Ｓになるように配置されている。この理由は、地中熱交換システム用パイプ１２の周辺から効果的に熱を取り出すためである。トンネルの地山の近くに水脈があるときは、単位面積当たりで熱容量を大きく取り出せるので、この間隔Ｓは短くする。即ち、コンクリート覆工２に接している金網１１の単位面積当たりの地中熱交換システム用パイプ１２の表面積を増加させることができる。
【００２４】
金網ユニット１０は、コンクリート覆工２と協働してトンネル１を構成する。金網ユニット１０上に固定された地中熱交換システム用パイプ１２は、コンクリート覆工２と接触して熱交換を行う。地中熱交換システム用パイプ１２を相互に連結するには、ソケット１４を用いる（図５参照）。ソケット１５は、他の金網ユニット１０の地中熱交換システム用パイプ１２の端部１４を挿入して、相互に連結するためのものである。この連結は、この中を流れる熱媒体液の漏れを防ぐために熱融着により行われる。
【００２５】
金網ユニット１０は、直接的にはコンクリート覆工２、及び／又はトンネル周囲の地盤（地山）が有している熱と地中熱交換システム用パイプ１２内を流れる熱媒体液との間で、熱交換する機能を有するものである。トンネル１を構成するコンクリート覆工２は、一般的には地盤の掘削を行った後、周囲の崩壊と漏水を防ぎ、地山を安全に支持するために行う。トンネル工は、地盤の掘削後、コンクリートを地山に直接吹き付ける一次吹付後に、金網を設置するのが一般的なコンクリート覆工のための工法である。本実施の形態の金網ユニット１０の金網１１の設置例では、このコンクリートの一次吹付後に、この吹付けコンクリートの上に、アンカーピン２０によって位置され固定する。
【００２６】
この実施の形態の金網ユニット１０は、前述したように地盤を所定間隔掘削した後、吹付けコンクリートの内壁にアンカーピン２０で固定される。この金網ユニット１０は、図２に示すように、通常のトンネル工法の金網設置のように、トンネル１の壁の中の鉄筋を構成するものであり、地盤に一次吹付けコンクリートを吹き付ける前、又は一次吹き付けた後に壁面に取り付けるものである。金網ユニット１０の地盤への取り付け方法は、一般にトンネル工で用いられているものであり、トンネル１の中心部から放射状に配置されたアンカーピン２０を用いる。なお、地盤（地山）にロックボルト（図示せず。）がトンネルの中心部から半径方向に設置されている。
【００２７】
アンカーピン２０の構造、機能、施工方法は周知であるので、その説明は省略する。この金網ユニット１０は、地中熱交換システム用パイプ１２を固定して取り付ける機能、及びトンネル１の内壁を補強する機能を果たすものである。なお、地中熱交換システム用パイプ１２には、例えば、ポリエチレン管、ステンレス（ＳＵＳ）管、耐蝕性を有する鋼管等を使用しても良い。このＳＵＳ管や鋼管は金属体であるので、熱の伝達性がよく、強度が高いので好適である。
【００２８】
この金網ユニット１０には、図２に示したように、コンクリート覆工２の周方向に複数個並べて設置されている。図５に示すように、複数の各金網ユニット１０上に設置された地中熱交換システム用パイプ１２は、相互にソケット１５で直列接続になるように、互いに連結されている。そして、一群の金網ユニット１０上の地中熱交換システム用パイプ１２の一端のソケット１５は、熱媒体液の往路２１に接続されている。一群の金網ユニット１０上の地中熱交換システム用パイプ１２の他端のソケット１５は、復路２１に連結されている。熱媒体液は、往路２１から各金網ユニット１０上の地中熱交換システム用パイプ１２に入り、コンクリート覆工２内で地中熱と熱交換して、復路２２に戻ることになる。なお、各金網ユニット１０のトンネルの周面への配置は、図１に示すように、トンネルの掘削方向、周方向、又はこれを組み合わせた何れの方向に配置しても良い。
【００２９】
このようにトンネル掘削中に、トンネル１の鉄筋でもある金網ユニット１０を使用することで、本工事の進行に合わせて、コンクリート覆工２に沿って熱交換（熱採取、熱放出）機能を有する金網ユニット１０を、任意の数量、任意の位置に設置が可能となり、迅速にかつ容易にトンネル側熱交換部３を構成することが可能となる。地下鉄のような地中深く掘削されたトンネル１は、その周囲が地盤に囲まれ、大気との熱交換も少なく一定の安定した地温下にある。
【００３０】
このため、このようなトンネル１は、地中熱を利用する上では、非常にめぐまれた条件下にある。トンネル１内の空気の熱（廃熱等）を利用するのにも、非常にめぐまれた条件下にある。この地中又は空気の熱は、駅舎、地下鉄関係の各設備の冷暖房装置、給湯装置等に利用するとよい。更に、昇降客が多く、かつ電車が走行しているトンネル１内の廃熱を金網ユニット１０から採取すると、熱源として利用しながらトンネル内の空気の温度を下げる効果もある。
【００３１】
又、逆に長さの短い鉄道、道路の山岳トンネルのような場合は、通気がよく、トンネル内は一定の温度が維持される。従って、比較的温度の安定しているトンネル１で、地盤側に近く地中温度の安定している部位に、トンネル側熱交換部３を構成する金網ユニット１０を設置するほうが熱交換効率は有効である。熱媒体液を通す往路である往路管２０は、トンネルに沿って壁面に沿って配置されているものであり、コンクリート覆工２に埋め込まれてはいない。往路管２１は、ポリエチレン製、プラスチック製、金属製等のパイプで構成されている。
【００３２】
トンネルの一方の端部には、熱交換された熱媒体液が戻るための復路管２２が配置されている。復路管２２は、本例ではトンネルに沿って壁面に沿って配置されているものであり、往路管２１と同様に、コンクリート覆工２内に埋め込まれてはいない。復路管２２は、ポリエチレン製、プラスチック製、金属製等のパイプで構成され、その外周は断熱材でカバーされている。なお、往路管２１及び復路管２２は、コンクリート覆工２内に埋め込んでも良い。
【００３３】
〔金網ユニット２５の他の実施の形態〕
前述した金網ユニット１０の地中熱交換システム用パイプ１２は、金網１１の上で蛇行して配置されている。図６に示す金網ユニット２５は、地中熱交換システム用パイプ１２をクロスして重ねて配置した例である。地中熱交換システム用パイプ１２をクロスして重ねて配置する方法は、単位面積、又は体積当たりの地中熱交換システム用パイプ１２の密度を高くするためである。地下水が多いトンネルの場合、単位面積、又は体積当たりの熱交換効率が高いので、この金網ユニット２５の地中熱交換システム用パイプ１２を積層して配置する方法は有効である。なお、この地中熱交換システム用パイプ１２を円弧状に巻いてクロスさせて積層する方法は、二層であったが、三層又は四層に重ねたものであっても良い。
【００３４】
〔地中熱交換システム用パイプ１７の他の接続例〕
図７は、金網ユニット１０に配置した地中熱交換システム用パイプ１２の接続例を示すものである。この接続例は、各金網ユニット１０の地中熱交換システム用パイプ１２を相互に連結して直列にしたものである。この接続例では、往路管２１の配管が短くできる利点がある。ただし、地中熱交換システム用パイプ１２を直列に接続すると、並列接続に比してコンクリート覆工３の各部から均等に熱交換性に劣る。
【００３５】
〔金網ユニットの他の施工例〕
図８は、金網ユニットの他の施工例であり、トンネル１の断面図である。前述した金網ユニット１０の施工は、ユニット化した金網１１をトンネル１の内側に、地中熱交換システム用パイプ１２をトンネルの外側に配置した例であった。しかしながら、この施工方法ではなく、金網１１をトンネル１の外側に、地中熱交換システム用パイプ１２をトンネル１の内側に配置した例である。
【００３６】
図９は、金網ユニットを使用しない施工例である。前述した地中熱交換システム用パイプ１２は、金網１１の上に固定し、この金網１１をロックボルト２０で地盤に固定するものであった。しかしながら、地中熱交換システム用パイプ１２の固定は、必ずしも金網１１を用いて固定しなくても良い。トンネル工法によっては、金網１１を用いることなく、直接的に地中熱交換システム用パイプ１２をアンカーピン２０で地山に固定すると良い。また、地中熱交換システム用パイプ１２を、アンカーピン２０でなくても、鋼アーチ支保工、一般的な鉄筋金網がある場合は、これに結束線等で固定しても良い。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されることはない。本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内で変更可能なことはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３８】
１…トンネル
２…コンクリート覆工
３…トンネル側熱交換部
４…地中熱利用システム
５…熱負荷
１０，２５…金網ユニット
１１…金網
１２…地中熱交換システム用パイプ
１３…結束線
１５…ソケット
２０…アンカーピン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル地盤を掘削するトンネル掘削工と、
前記掘削した地盤の周囲を支持するために行うコンクリート覆工からなトンネル覆工と
からなるトンネル工において、
前記コンクリート覆工の前、又は途中で、前記コンクリート覆工及び／又は前記コンクリート覆工の外周の地盤の地中熱と熱交換を行うために、熱媒体液を通す流体路を配置した固定具を、前記掘削したトンネルに配置する流体路配置工と、
各前記固定具に配置された前記流体路を相互に連結する連結工と
からなることを特徴とするトンネル工法。
【請求項２】
請求項１に記載されたトンネル工法において、
前記流体路は、合成樹脂製又は耐蝕性のある金属製のパイプであり、前記連結は、前記パイプの両端を継手により相互に接続するものである
ことを特徴とするトンネル工法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたトンネル工法において、
前記流体路は、蛇行して配置されている
ことを特徴とするトンネル工法。
【請求項４】
請求項２に記載されたトンネル工法において、
前記固定具は、前記パイプが固定された金網であり、前記金網は地盤又は前記コンクリート覆工にアンカーピンで設置する
ことを特徴とするトンネル工法。
【請求項５】
請求項２に記載されたトンネル工法において、
前記固定具は、前記パイプを地盤又は前記コンクリート覆工に固定するためのアンカーピンである
ことを特徴とするトンネル工法。
【請求項６】
請求項４に記載されたトンネル工法に用いる固定具であって、
前記パイプ及び前記パイプが固定された前記金網のユニットからなる
ことを特徴とするトンネル工法用熱交換路固定具。
【請求項１】
トンネル地盤を掘削するトンネル掘削工と、
前記掘削した地盤の周囲を支持するために行うコンクリート覆工からなトンネル覆工と
からなるトンネル工において、
前記コンクリート覆工の前、又は途中で、前記コンクリート覆工及び／又は前記コンクリート覆工の外周の地盤の地中熱と熱交換を行うために、熱媒体液を通す流体路を配置した固定具を、前記掘削したトンネルに配置する流体路配置工と、
各前記固定具に配置された前記流体路を相互に連結する連結工と
からなることを特徴とするトンネル工法。
【請求項２】
請求項１に記載されたトンネル工法において、
前記流体路は、合成樹脂製又は耐蝕性のある金属製のパイプであり、前記連結は、前記パイプの両端を継手により相互に接続するものである
ことを特徴とするトンネル工法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたトンネル工法において、
前記流体路は、蛇行して配置されている
ことを特徴とするトンネル工法。
【請求項４】
請求項２に記載されたトンネル工法において、
前記固定具は、前記パイプが固定された金網であり、前記金網は地盤又は前記コンクリート覆工にアンカーピンで設置する
ことを特徴とするトンネル工法。
【請求項５】
請求項２に記載されたトンネル工法において、
前記固定具は、前記パイプを地盤又は前記コンクリート覆工に固定するためのアンカーピンである
ことを特徴とするトンネル工法。
【請求項６】
請求項４に記載されたトンネル工法に用いる固定具であって、
前記パイプ及び前記パイプが固定された前記金網のユニットからなる
ことを特徴とするトンネル工法用熱交換路固定具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１１７１７１（Ｐ２０１１−１１７１７１Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７４５３６（Ｐ２００９−２７４５３６）
【出願日】平成２１年１２月２日（２００９．１２．２）
【出願人】（３９０００４８７９）三菱マテリアルテクノ株式会社 (201)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２日（２００９．１２．２）
【出願人】（３９０００４８７９）三菱マテリアルテクノ株式会社 (201)
【Ｆターム（参考）】
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