地盤の凍結方法
【課題】 凍結管としてのステンレス管や非常に低温での使用に耐えうるブラインなどを用いる必要がなく、冷凍機の設備の大型化を招かないようにしながら、地盤を早期に凍結させることができる地盤の凍結方法を提供する。
【解決手段】 シールド掘進機１，２で掘進される第一シールドトンネルおよび第二シールドトンネルの接合部の周囲における地山を凍結させるために、シールド掘進機にブラインを供給する。ブラインは、シールド掘進機１，２内に配置された凍結装置５によって冷却される。凍結装置５は、ブラインを−６０℃〜−５０℃の温度に冷却して、シールド掘進機１における貼付凍結管３１に供給して地盤を凍結させる。
【解決手段】 シールド掘進機１，２で掘進される第一シールドトンネルおよび第二シールドトンネルの接合部の周囲における地山を凍結させるために、シールド掘進機にブラインを供給する。ブラインは、シールド掘進機１，２内に配置された凍結装置５によって冷却される。凍結装置５は、ブラインを−６０℃〜−５０℃の温度に冷却して、シールド掘進機１における貼付凍結管３１に供給して地盤を凍結させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤を凍結させて地盤の強度を向上させて地盤の崩落を防止し、または遮水性を高めるための地盤の凍結方法に係り、特に、トンネル工事を行う際の地盤の崩落を防止するために好適な地盤の凍結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールド掘進機の発進や到達、トンネルからの非開削拡幅、トンネルや立坑の地中接続などを行う際には、地盤を凍結させる地盤凍結工法が用いられることがある。この地盤凍結工法は、たとえば−３０℃程度の温度のブラインを地盤に配置された凍結管に循環供給し、地盤を凍結させて凍土を形成するものである。凍土の形成に長時間を要すると、工期の長期化を招くなどの弊害が生じることから、凍土の形成に要する時間（日数）短縮することが求められる。
【０００３】
地盤を早期に凍結させる方法として、たとえば特開平１１−２０８７号工法に開示された止水方法がある。この止水方法は、パイプルーフ工法などで開削孔から地盤へ管を導入する際に、地下水が開削孔へ漏水するのを防止するものであるが、凍結管内に液体窒素を挿入して、凍結治具の周辺に凍結領域を形成するものである。この止水方法によれば、液体窒素を用いることから、急速に凍結させることができる。
【０００４】
また、このように液体窒素を地盤に埋設された凍結管に直接導入するのではなく、液化窒素の冷熱をブラインに吸熱させ、または能力の大きな冷凍機で−８０℃程度まで冷却し、ブラインを地盤に埋設された凍結管に導入して、地盤を凍結させる方法も考えられる。
【特許文献１】特開平１１−２０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に開示された止水方法では、凍結管内に液体窒素を導入しているが、液体窒素はたとえば−１９６℃程度と非常に低い温度まで冷却される。このため、凍結管として、液体窒素の導入に耐えることができる、たとえばステンレス管を用いなければならないという問題があった。
【０００６】
さらに、液体窒素の冷熱をブラインに吸熱させて低温化されたブラインを凍結管内に循環させる方法では、ブラインをたとえば−８０℃程度の低温まで冷却することが可能であるが、液体窒素の冷熱を吸熱しうるブラインの種類が限定されてしまう。このため、ブラインとして、非常に低温での使用に耐える特殊なものしか使用することができないという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、凍結管としてのステンレス管や非常に低温での使用に耐えうる特殊なブラインなどを用いる必要がなく、冷凍機の設備の大型化を招かないようにしながら、地盤を早期に凍結させることができる地盤の凍結方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決した本発明に係る地盤の凍結方法は地盤における凍結対象領域を凍結させる地盤の凍結方法であって、凍結対象領域に配置された凍結管内に対して、圧縮器で圧縮された冷媒を熱交換器に供給し、熱交換器によってブラインと冷媒との間で熱交換してブラインを冷却する冷凍機によって、−６０℃〜−３５℃の範囲に冷却されたブラインを循環供給して、凍結対象領域を凍結させることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る地盤の凍結方法においては、−６０℃〜−３５℃の範囲に冷却されたブラインを凍結対象領域に配置された凍結管内に対して循環供給して地盤を凍結させる。ブラインを−６０℃〜−３５℃程度の温度に冷却するためであれば、液体窒素などの非常に低温の冷媒を必要としない。また、凍結管としてのステンレス管や非常に低温での使用に耐えうるブラインなどを用いる必要がない。また、−６０℃〜−３５℃の範囲、特に−６０℃〜−５０℃の範囲では、従来の地盤凍結方法よりも迅速に地盤を早期に凍結させることができる。
【００１０】
ここで、圧縮器として、冷媒を二段圧縮する二段式圧縮器が用いられている態様とすることができる。
【００１１】
このように、圧縮機として二段式圧縮器が用いられていることにより、ブラインを−６０℃〜−３５℃に冷却するための冷媒を容易に冷却することができる。
【００１２】
また、冷凍機は、圧縮器から供給される冷媒を熱交換器に膨張させながら供給する膨張弁を備えており、膨張弁として、冷媒の圧縮機への吸入温度と蒸発圧力とを検出し、吸入温度および蒸発圧力に基づいて、開度をリニアに変化させて温度調節を行うリニアバルブを用いる態様とすることができる。
【００１３】
このように、熱交換器に冷媒を供給する膨張弁としてリニアバルブを用いることにより、ブラインを−６０℃〜−３５℃に冷却するための冷媒を適切に熱交換器に供給することができる。
【００１４】
さらに、ブラインの粘度が１５０（ｍＰａ・ｓ）以下とされている態様とすることができる。
【００１５】
このように、粘度が１５０（ｍＰａ・ｓ）以下のブラインを用いることにより、凍結管内にブラインを円滑に供給することができる。
【００１６】
また、地盤の凍結方法によって凍結対象領域を凍結させた後、−３５℃を超える温度のブラインを凍結対象領域に配置された凍結管内に供給して、凍結地盤の解凍および凍結地盤の過生成を防止する態様とすることができる。
【００１７】
このように、凍結対象領域を凍結させた後は、凍結対象領域における凍土の過生成を防止することが望まれる。また、凍結対象領域に凍土を形成することによる止水などの役割が済んだ後は、凍土を早期に解凍することが望まれる。このような過生成の防止や凍土の解凍を行うために、本発明では、−３５℃を超える温度のブラインを凍結対象領域に配置された凍結管内に供給している。このため、凍結対象領域を高い温度に昇温させることができるので、凍土の過生成を好適に防止することができるとともに、凍土を早期に解凍することができる。なお、凍土を解凍するためには、さらに高い温度、たとえば０℃〜９０℃程度の温度のブラインを循環させることが好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る地盤の凍結方法によれば、凍結管としてのステンレス管や非常に低温での使用に耐えうる特殊なブラインなどを用いる必要がなく、冷凍機の設備の大型化を招かないようにしながら、地盤を早期に凍結させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。本実施形態では、２つのシールドトンネルを接合する際の接合部位における周囲の地盤を凍結させる例について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る凍結方法が適用される第一シールドトンネルと第二シールドトンネルとの接合部位の断面図である。本実施形態では、トンネルの両方向から、第一シールド掘進機１および第二シールド掘進機２によってそれぞれ第一シールドトンネルおよび第二シールドトンネルを掘削し、所定の接合位置において両トンネルを接合する。この両トンネルの接合を行う前段階として、接合部位の周囲における地盤を凍結するものである。地盤を凍結することにより、地盤の強度を高めて地盤の崩落を防止するとともに、止水性を高めるものである。ここで、地盤の凍結装置を説明する前に、第一シールドトンネルおよび第二シールドトンネルを掘削するシールド掘進機について説明する。
【００２１】
第一シールド掘進機１は、第一外筒部１０を備えており、第一外筒部１０の前方には第一カッタ装置１１が設けられている。第一カッタ装置１１は、円盤状をなす第一カッタ部１１Ａを備えている。第一カッタ部１１Ａの表面には、複数のビット１１Ｂが取り付けられており、第一カッタ部１１Ａが回転することにより、ビット１１Ｂによって地山が掘削される。また、第一カッタ部１１Ａの側縁部には、伸縮スポーク１１Ｃが設けられており、この伸縮スポーク１１Ｃは、第一カッタ部１１Ａに対してその半径方向に伸縮する。こうして、第一カッタ装置１１は、その半径方向に縮径可能とされている。
【００２２】
第一カッタ部１１Ａは、掘削を行っている間は、伸縮スポーク１１Ｃが伸長した状態で、第一外筒部１０と同一径とされている。また、伸縮スポーク１１Ｃが収縮したときには、第一カッタ部１１Ａの径は、第一外筒部１０の内径よりも小さくなり、第一カッタ部１１Ａが第一外筒部１０に対して引き込み可能となる。
【００２３】
第一カッタ装置１１の後方には、第一内筒部１２が設けられている。第一内筒部１２は、第一外筒部１０の内面に沿った外周部を有しており、第一外筒部１０の内面に沿って移動可能とされている。第一内筒部１２には、隔壁１３が設けられており、隔壁１３には駆動モータ１１Ｄが設けられており、駆動モータ１１Ｄにより第一カッタ部１１Ａを回転させている。また、第一内筒部１２は、掘削作業中は第一外筒部１０に固定されており、第一カッタ装置１１は第一外筒部１０とともに前後進する。
【００２４】
第一内筒部１２には、中折れジャッキ１４が取り付けられており、中折れジャッキ１４によって、第一外筒部１０が中折れ可能とされている。さらに、第一外筒部１０には、シールドジャッキ１５が取り付けられており、組み立てられたセグメントを押圧する。シールドジャッキ１５でセグメントを押圧することにより、このセグメントに反力をとって第一シールド掘進機１が前進する。さらに、第一外筒部１０には図示しないエレクタが設けられている。エレクタは、第一カッタ装置１１によって形成された孔にセグメントを順次組み立てていく。
【００２５】
また、第一シールド掘進機１には、送泥管１６および図示しない排泥管が設けられている。送泥管１６および排泥管は、いずれも第一カッタ装置１１における第一カッタ部１１Ａと隔壁１３との間に配置されている。送泥管１６からは、第一カッタ部１１Ａと隔壁１３との間に高濃度泥水を供給し、第一カッタ部１１Ａの圧力を高めている。また、排泥管は、第一カッタ部１１Ａと隔壁１３との間における送泥管１６から供給された高濃度泥水および掘削された土からなる泥水を排出している。このように、送泥管１６からの水の供給量および排泥管からの泥水の排出量により、第一カッタ装置１１の圧力を調整している。さらに、第一外筒部１０の後端部には、テールシールが設けられている。テールシールは、第一シールド掘進機１の後端部において、セグメントと第一シールド掘進機１との間を止水している。
【００２６】
また、第一シールド掘進機１には、図２に示すように、第一止水装置３が設けられている。第一止水装置３は、第一外筒部１０に設けられた互いに連通する複数の貼付凍結管３１を備えている。この貼付凍結管３１に、凍結装置５からブラインが循環供給されて、シールド掘進機１，２の接合部位の地山を凍結する。この凍結装置５の構成については、後に説明する。
【００２７】
凍結装置５から循環供給されるブラインが貼付凍結管３１を流れることにより、第一外筒部１０の外側の地山における凍結対象領域Ｘに含まれる土中水を冷凍させることにより、凍結対象領域Ｘに凍土（凍結地盤）を形成することができる。また、凍結対象領域Ｘに凍土が形成された後、貼付凍結管３１内を低温のブラインが流れると、凍土が解凍することなく維持される。本実施形態においては、ブラインとしてギ酸カリウム系ブライン（ショーワ社製：コールドブライン）を用いている。
【００２８】
さらに第一止水装置３は、図１に示すように、第一内筒部１２に設けられた注入管３２を有しており、注入管３２からは充填剤Ｆ１が噴出される。充填剤Ｆ１としては、土質系の無機質材料と水とを混合したものなどを用いることができる。また、第一止水装置３は、第一内筒部１２の先端に位置するスライドフード１２Ａに設けられた環状シール部材３３を有している。環状シール部材３３は、ワイヤブラシからなり、基端部がスライドフード１２Ａに取り付けられ、先端部が第一外筒部１０の内面に接触して、スライドフード１２Ａと第一外筒部１０との間に空間を形成している。
【００２９】
第一シールド掘進機１における第一トンネルの掘進時には、この空間に注入管３２から噴出された充填剤Ｆ１が充填されている。また、第一内筒部１２の内面側には、冷却部材３４が設けられている。冷却部材３４は、スライドフード１２Ａを介して冷熱を伝達させ、充填剤Ｆ１を冷凍可能としている。
【００３０】
また、第二シールド掘進機２は、第一シールド掘進機１と同一の構成を有しており、第二外筒部２０および第二カッタ装置２１を備えている。第二カッタ部２１Ａの後方には、可動内筒部である第二内筒部２２が設けられており、第二内筒部２２には、隔壁２３が設けられている。また、第二内筒部２２の後部には、中折れジャッキが取り付けられている。
【００３１】
さらに、第二外筒部２０の後部にはシールドジャッキ取り付けられており、セグメントを押圧することにより、このセグメントに反力をとって第二シールド掘進機２を前進させる。第二外筒部２０における後部上方位置にはエレクタが設けられており、セグメントを順次組み立てる。また、第二シールド掘進機２には、送泥管および排泥管が設けられ、第二カッタ部２１Ａと隔壁２３との間に泥水を供給し、または排出している。第二外筒部２０の後部には、テールシールが設けられている。
【００３２】
また、第二シールド掘進機２には、第二止水装置４が設けられている。第二止水装置４は、第一シールド掘進機１に設けられた第一止水装置３と同様、第二内筒部２２の先端に位置するスライドフード２２Ａに設けられた互いに連通する複数の貼付凍結管４１を備えている。この第一シールド掘進機１と同様、凍結装置５によって、貼付凍結管４１にブラインが循環供給される。その他、第二止水装置４は、第一止水装置３と同様の注入管、環状シール部材、および冷却部材を有している。
【００３３】
凍結装置５は、第一シールド掘進機１および第二シールド掘進機２にそれぞれ設けられており、互いに同一の構造をなしている。以下に凍結装置５の構成を第一シールド掘進機１に接続された凍結装置５を参照して説明する。
【００３４】
図１に示す凍結装置５は、図３に示すように、熱交換器であるブライン冷却器５０、コンデンサ５５、および冷却塔５８を備えている。ブライン冷却器５０は、ブライン循環室５１および冷媒流通管５２を有しており、ブライン循環室５１にはブラインが滞留し、冷媒流通管５２内には、冷媒が流通している。また、ブライン冷却器５０には、膨張弁としてリニアバルブ５３が設けられている。さらに、ブライン冷却器５０には、冷媒が液体である際の温度を計測する図示しない温度センサおよび冷媒が蒸発して気体となった際の蒸発圧力を計測する図示しない圧力センサが設けられている。温度センサで計測された冷媒温度および圧力センサによって計測された蒸発圧力は、リニアバルブ５３に出力される。コンデンサ５５は、冷媒循環室５６および冷却水流通管５７を有しており、冷媒循環室５６には気化した冷媒が充満し、冷却水流通管５７内には、冷却水が流通している。さらに、冷却塔５８には冷却水が滞留している。
【００３５】
ブライン冷却器５０におけるブライン循環室５１には、ブライン用配管６１が接続されており、このブライン用配管６１は、ブラインヘッダ６２を介して貼付凍結管３１に接続されている。また、ブライン用配管６１には、ブライン循環ポンプ６３が設けられている。地盤を凍結するブラインは、ブライン循環ポンプ６３を作動させることにより、ブライン用配管６１を介してブライン循環室５１から貼付凍結管３１に循環供給される。
【００３６】
冷媒流通管５２は、ブライン循環室５１内に配設されており、冷媒が冷媒流通管５２を流通することにより、冷媒流通管５２を流通する冷媒とブライン循環室５１内におけるブラインとの間で熱交換が行われ、冷媒の冷熱がブラインに伝熱されて、ブラインが冷却される。
【００３７】
冷媒流通管５２の一端側は、気体冷媒用配管６４と接続されており、他端側はリニアバルブ５３を介して液体冷媒用配管６５と接続されている。気体冷媒用配管６４は、コンデンサ５５における冷媒循環室５６に接続されており、気体冷媒用配管６４には、冷凍機圧縮機６６が設けられている。また液体冷媒用配管６５は、気体冷媒用配管６４とは個別にコンデンサ５５における冷媒循環室５６に接続されている。冷凍機圧縮機６６を作動させることにより、冷媒流通管５２で気化した冷媒が気体冷媒用配管６４を介してコンデンサ５５における冷媒循環室５６に流通する。冷凍機圧縮機６６としては、内部に高段部と低段部が設けられた二段式圧縮構造をなす二段式圧縮機を用いており、冷媒を二段圧縮する。このため、気体となった冷媒をより好適に圧縮することができる。
【００３８】
またコンデンサ５５における冷媒流通管５２で液化した冷媒が液体冷媒用配管６５を流通し、リニアバルブ５３を介して冷媒流通管５２に供給される。リニアバルブ５３は、図示しない温度センサおよび圧力センサで計測された液体の冷媒の温度および気化した冷媒の圧力に基づいて、その開度を調整する。また、コンデンサ５５では、冷却水流通管５７内に冷却水が流通することにより、気体の状態にある冷媒が冷熱を吸収して液化する。
【００３９】
また、コンデンサ５５における冷却水流通管５７には、冷却水用配管６７が接続されており、冷却水用配管６７は、冷却塔５８に接続されている。また、冷却水用配管６７には、冷却水循環ポンプ６８が設けられている。この冷却水循環ポンプ６８を作動させることにより、冷却塔５８内の冷却水がコンデンサ５５における冷却水流通管５７に循環供給される。冷却塔５８では、コンデンサ５５において冷媒を液化させることによって昇温した冷却水の熱を大気中に放出し、冷却水を冷却する。
【００４０】
この凍結装置５では、ブラインとしてギ酸カリウム系ブラインを用いているが、そのほか、表１に示す塩化カルシウム系、グリコール系、アルコール系、塩素系、シリコーン系、フッ素系の各ブラインを用いることもできる。これらのブラインのうち、凝固点が−５０℃以下であるものが好適に用いられることから、この観点では塩化カルシウム系以外のブラインが好適となる。
【００４１】
【表１】
【００４２】
また、ブラインを循環させるためにブラインの粘度が１５０（ｍＰａ・ｓ）以下であることが好適な条件となる。この観点ではグリコール系以外のブラインが好適となる。さらに、土木工事などで使用するブラインでは、溶接熱などにより、分解等がないことが要求される。そのため引火性や毒性が生じるなどのブラインは不向きである。この観点からはアルコール系および塩素系のブラインは不向きとなり、また、フッ素系のブラインについては、熱すると有毒ガスを生じる可能性があることから、毒性の観点で好適とはいい難い。したがって、塩化カルシウム系、グリコール系、ギ酸カリウム系が好適となる。
【００４３】
これらの各条件を踏まえて検討した結果、もっとも好適に用いることができるブラインはギ酸カリウム系ブラインとなる。これらの理由から、本実施形態では、ギ酸カリウム系ブラインを用いているが、表１に示す他のブラインを用いることもできる。特に、フッ素系ブラインについては、−８０℃レベルでの使用にも耐えうることから高価となる傾向があることと、毒性を生じえる可能性があるといった観点から不向きとなるが、経済的観点を除いて毒性を生じ得ない状況下での使用を考慮すれば好適に用いることができる。
【００４４】
また、従来のブライン冷却器における膨張弁としては、自動バルブを用いるものが多く、このようなブライン冷却器を用いた冷凍装置では、通常、−３０℃程度までしかブラインを冷却することができない。これに対して、本実施形態に係るブライン冷却器５０では、リニアバルブ５３を用いている。リニアバルブ５３では、温度センサから出力される冷媒の吸入温度および圧力センサから出力される冷媒の蒸発圧力に基づいてその開度を変化させ、別途温度調節器で設定した過熱度でブライン冷却器５０を稼動させることにより、高効率で熱交換を行うようにしている。
【００４５】
ここで、過熱度とは、冷媒の蒸発温度と圧縮機の吸入温度との温度差のことをいう。過熱度が０となった場合、蒸発器内で冷媒が蒸発しきれていないことを意味し、冷凍機圧縮機６６は液圧縮を行うこととなる。冷凍機圧縮機が液圧縮を行うと、冷凍機圧縮機の故障の原因となることから、液圧縮となるのを防止するためには、過熱度が大きく異なるように設定することが要求される。ところが、過熱度を大きく、たとえば１５℃程度異なるように設定した場合、コンデンサの能力を十分に発揮することができなくなり、非効率的な運転となってしまう。
【００４６】
膨張弁として自動バルブを用いた場合には、常に一定の過熱度で装置を運転させることができないことから、冷凍機圧縮機の損傷を防止するために、過熱度を大きく設定することが要求される。この点、本実施形態では、膨張弁としてリニアバルブ５３を用いていることから、過熱度を大きく異ならせることなく、温度設定をすることができる。具体的には、５℃程度の過熱度とすることができる。このため、冷凍機圧縮機の損傷を防止しながら、効率よくコンデンサの能力を発揮させることができるので、−３５℃〜−６０℃といった温度域まで、ブラインを冷却することができる。したがって、冷凍機の設備の大型化を招かないようにしながら、地盤を早期に凍結させることができる。
【００４７】
また、ＬＮ２（液体窒素）を直接凍結管に流入させる方法では、凍結管としてステンレス管を用いることが要求されるが、本実施形態では、凍結管には−６０℃〜−３５℃程度のブラインを流入させる。このため、凍結管としてステンレス管など低温脆性が生じない高い金属製のものを要求されることがなく、通常の鋼管を利用することができる。また、−８０℃といった非常に低い温度まで低下させるものではないので、冷却設備の簡素なもので済ませることができる。したがって、その分装置の簡素化を図ることができる。
【００４８】
この点についてさらに説明する。ブラインの温度を低く設定すると、その分地盤を早期に凍結させることができるが、凍結管の耐性が問題となる。鋼管として広く用いられる炭素鋼には、一般に、低温になるほど脆くなるとう性質がある。この性質を裏付けるべく、試験片としてＳＭ４９０Ａを用いて行ったシャルピー試験の一例の結果を図４に示す。図４（ａ）には、試験片温度と衝撃吸収エネルギーとの関係、図４（ｂ）には試験片温度と脆性破面率との関係を示す。
【００４９】
図４（ａ）から分かるように、常温では２００Ｊ以上の衝撃吸収エネルギーを有する試験片であっても、−８０℃を下回る温度となると、衝撃吸収エネルギーは１０Ｊ以下にまで低下してしまう。また、図４（ｂ）から分かるように、−８０℃以下の温度となると、脆性破面率についてもほぼ１００％となってしまう。これに対して、−６０℃程度であれば、衝撃吸収エネルギーは５０Ｊ程度を維持するとともに、脆性破面率についても８５％程度に抑えることができる。このことから、ブラインの温度が−６０℃以上であれば、ステンレス鋼ではなく、通常の炭素鋼などを用いた鋼管を凍結管として利用しても、鋼管の破損を防止することができることが分かる。したがって、ブラインの温度は、−６０℃以上で、かつできるだけ低い温度とすることにより、凍結管として通常の鋼管を用いながらも、早期に地盤を凍結させることができる。
【００５０】
次に、本実施形態に係る凍結装置を用いた地盤の凍結方法について説明する。
【００５１】
本実施形態に係る凍結装置５では、シールドトンネルを接合するに際して地盤の凍結を行うにあたり、ブライン循環ポンプ６３を作動させて、ブラインを貼付凍結管３１に対して循環供給する。ブライン循環ポンプ６３によって循環させられるブラインは、ブライン冷却器５０を通過する。これと同時に、冷凍機圧縮機６６を作動させて、冷媒をブライン冷却器５０に供給する。
【００５２】
ブライン冷却器５０では、冷凍機圧縮機６６によって供給される冷媒とブライン循環ポンプ６３によって供給されるブラインとの間で熱交換が行われる。この熱交換によって、冷媒がブラインから吸熱し、冷媒が吸熱した熱で気化するとともに、ブラインが冷却される。この熱交換により、ブラインは−６０℃〜−５０℃程度に冷却される。
【００５３】
こうして、冷却された低温となったブラインは、ブライン用配管６１を介して貼付凍結管３１に循環供給される。貼付凍結管３１に低温のブラインが循環供給されることにより、シールド掘進機１，２の接合部における周囲の地山の熱がブラインに吸熱され、ブラインの温度が上昇するとともに、地山が凍結させられる。温度が上昇したブラインは、ブライン用配管６１を介してブライン冷却器５０へと流入する。また、ブライン冷却器５０において気化した冷媒は、気体冷媒用配管６４を介してコンデンサ５５に送られる。
【００５４】
コンデンサ５５には、冷却水循環ポンプ６８に作動によって、冷却水が循環供給されている。コンデンサ５５では、冷却水と気化した冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒が冷却されて、液化する。この液化した冷媒がブライン冷却器５０に循環供給されて、ブラインを冷却する。
【００５５】
本実施形態においては、地山を凍結して凍土を造成する際に、ブラインの温度を−６０℃〜−３５℃、さらに好ましくは−６０℃〜−５０℃に範囲としている。従来、ブラインを用いた凍土の造成では、ブラインを−３０℃〜−２５℃程度としていたのに対して、本実施形態では、この温度よりも低温である、たとえば−６０℃〜−５０℃で凍土を造成している。このように、低温のブラインで凍土を造成することにより、凍土を迅速に造成することができるとともに、凍結膨張の発生を抑制することができる。また、低温で凍土を造成することができ、さらには地下流水による凍土成長阻害の影響を小さくすることができる。
【００５６】
また、本実施形態では、シールドトンネルを接合する間は凍土を維持し、接合作業終了後は凍土を解凍させる。また、凍土を維持している間でも、必要以上の凍土厚は要求されず、凍土厚が大きくなりすぎると、逆に環境に対して悪影響を与えることが懸念される。そこで、地盤にブラインを循環させて所定の厚さまで凍土を成長させた後、凍土の過生成を防止すべく、このときのブラインの温度よりも高い温度、具体的に−３５℃を超える温度に調整されたブラインを凍土に循環供給する。このように、所定の厚さの凍土が形成された後は、温度の高いブラインを循環供給することにより、凍土の過度の成長を抑制するとともに、凍土の解凍を防止することができる。
【００５７】
さらに、シールドトンネルの結合が終了し、凍土の利用が済んだら、さらに高い温度、たとえば０℃〜３０℃程度のブラインを凍結対象領域に循環させることにより、凍土を解凍することができる。また、さらに高い温度、たとえば９０℃程度のブラインを地盤に循環供給することにより、凍土を早期に解凍することができる。このとき、ブライン冷却器５０を用いてブラインの温度調整を行っているので、ブライン冷却器５０に供給する冷媒の供給量などを調整することにより、ブラインの温度の調整を容易に行うことができる。あるいは、電気式のヒータによりブラインを加熱することもできる。
【００５８】
次に、ブラインの温度と造成される凍土の厚さとの関係について本発明者らが行った数値解析（数値シミュレーション）の結果について説明する。その結果を図５および表２に示す。数値解析は、地盤の容積含水率を６０％、地盤温度を２０℃にそれぞれ設定し、ブラインを−３０℃、−５０℃、−６０℃、−９０℃にそれぞれ調整し、凍結対象地盤に供給してその凍結半径を予測した。このシミュレーションでは、図５に破線で示す片側凍土厚０．４ｍ未満については単管理論に基づき、０．４ｍ以上では管列理論に基づきそれぞれシミュレーションを行った。
【００５９】
【表２】
【００６０】
図５および表２から分かるように、−３０℃のブラインを用いた場合には、１．５ｍの凍土を形成するための凍土造成期間に６８日の期間を要したのに対して、−５０℃のブラインでは３９日、−６０℃のブラインでは、３３日、−８０℃のブラインでは２５日の期間を要した。この結果から、ブラインの温度が低いほど凍土造成期間が短くて済むことが分かる。それとともに、−３０℃のブラインを用いた場合には、−５０℃のブラインを用いる場合よりも２９日も長期間がかかる一方、−５０℃のブラインを用いた場合には、−８０℃のブラインを用いた場合よりも１４日ほどしか長くかかる期間がない結果となった。さらに−６０℃のブラインを用いた場合には、−８０℃のブラインを用いた場合よりもわずか８日ほどしか長くかかる期間がない結果となった。
【００６１】
その一方で、−８０℃まで低温化されたブラインを地盤に供給するためには、凍結管としてステンレス管などの非常な低温に耐えることができる管を用いなければならないなどの制約が生じていた。この点、−６０℃〜−３５℃程度であれば、上記のシャルピー試験で鋼管を用いたＳＭ４９０ＡやＳＧＰ（スチールガスパイプ、配管用炭素鋼管）などの通常の鋼管を用いることができる。
【００６２】
また、ブラインを−８０℃程度にまで冷却するためには、大型設備となる二元式冷凍機や冷媒として液化窒素を用いるなど、設備負担が強いられることとなるが、−６０℃〜−３５℃程度にまで冷却するのであれば、簡素な二段式圧縮器冷凍機で十分に対応することができる。このため、冷凍機の設備の大型化を招かないようにすることができる。
【００６３】
以上、本発明好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、シールドトンネルの接合部に凍土を造成しているが、シールドトンネルやそれ以外のトンネルの周囲に凍土を形成する場合にも用いることができ、さらには、トンネル以外の地下構造物を構築するときに凍土を造成する場合などにも用いることができる。
【００６４】
さらに、上記実施形態では、凍結管として貼付凍結管を用いているが、他の凍結管とすることもできる。たとえば、地中に削孔して埋設する形式の単管、二重管、もしくは三重管や、シールドセグメントや鋼管などの内部に埋め込む形式の凍結管、その他のあらゆる形式の凍結管を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】凍結方法が適用される第一シールドトンネルと第二シールドトンネルとの接合部位の断面図である。
【図２】シールド掘進機に設けられた止水装置の断面図である。
【図３】ブライン冷却器を含む冷媒およびブラインの流れを説明する図である。
【図４】シャルピー試験における結果を示すグラフであり、（ａ）は試験片温度と衝撃吸収エネルギーの関係、（ｂ）は試験片温度と脆性破面率との関係をそれぞれ示す。
【図５】凍土が造成される前後の経過日数と凍土厚との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
１…第一シールド掘進機
２…第二シールド掘進機
３…第一止水装置
４…第二止水装置
５…凍結装置
３１…貼付凍結管
３２…注入管
３３…環状シール部材
３４…冷却部材
４１…貼付凍結管
５０…ブライン冷却器
５１…ブライン循環室
５２…冷媒流通管
５３…リニアバルブ
５５…コンデンサ
５６…冷媒循環室
５７…冷却水流通管
５８…冷却塔
６１…ブライン用配管
６２…ブラインヘッダ
６２…ブライン用配管
６３…ブライン循環ポンプ
６４…気体冷媒用配管
６５…液体冷媒用配管
６６…冷凍機圧縮機
６７…冷却水用配管
６８…冷却水循環ポンプ
Ｘ…凍結対象領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤を凍結させて地盤の強度を向上させて地盤の崩落を防止し、または遮水性を高めるための地盤の凍結方法に係り、特に、トンネル工事を行う際の地盤の崩落を防止するために好適な地盤の凍結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シールド掘進機の発進や到達、トンネルからの非開削拡幅、トンネルや立坑の地中接続などを行う際には、地盤を凍結させる地盤凍結工法が用いられることがある。この地盤凍結工法は、たとえば−３０℃程度の温度のブラインを地盤に配置された凍結管に循環供給し、地盤を凍結させて凍土を形成するものである。凍土の形成に長時間を要すると、工期の長期化を招くなどの弊害が生じることから、凍土の形成に要する時間（日数）短縮することが求められる。
【０００３】
地盤を早期に凍結させる方法として、たとえば特開平１１−２０８７号工法に開示された止水方法がある。この止水方法は、パイプルーフ工法などで開削孔から地盤へ管を導入する際に、地下水が開削孔へ漏水するのを防止するものであるが、凍結管内に液体窒素を挿入して、凍結治具の周辺に凍結領域を形成するものである。この止水方法によれば、液体窒素を用いることから、急速に凍結させることができる。
【０００４】
また、このように液体窒素を地盤に埋設された凍結管に直接導入するのではなく、液化窒素の冷熱をブラインに吸熱させ、または能力の大きな冷凍機で−８０℃程度まで冷却し、ブラインを地盤に埋設された凍結管に導入して、地盤を凍結させる方法も考えられる。
【特許文献１】特開平１１−２０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に開示された止水方法では、凍結管内に液体窒素を導入しているが、液体窒素はたとえば−１９６℃程度と非常に低い温度まで冷却される。このため、凍結管として、液体窒素の導入に耐えることができる、たとえばステンレス管を用いなければならないという問題があった。
【０００６】
さらに、液体窒素の冷熱をブラインに吸熱させて低温化されたブラインを凍結管内に循環させる方法では、ブラインをたとえば−８０℃程度の低温まで冷却することが可能であるが、液体窒素の冷熱を吸熱しうるブラインの種類が限定されてしまう。このため、ブラインとして、非常に低温での使用に耐える特殊なものしか使用することができないという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、凍結管としてのステンレス管や非常に低温での使用に耐えうる特殊なブラインなどを用いる必要がなく、冷凍機の設備の大型化を招かないようにしながら、地盤を早期に凍結させることができる地盤の凍結方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決した本発明に係る地盤の凍結方法は地盤における凍結対象領域を凍結させる地盤の凍結方法であって、凍結対象領域に配置された凍結管内に対して、圧縮器で圧縮された冷媒を熱交換器に供給し、熱交換器によってブラインと冷媒との間で熱交換してブラインを冷却する冷凍機によって、−６０℃〜−３５℃の範囲に冷却されたブラインを循環供給して、凍結対象領域を凍結させることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る地盤の凍結方法においては、−６０℃〜−３５℃の範囲に冷却されたブラインを凍結対象領域に配置された凍結管内に対して循環供給して地盤を凍結させる。ブラインを−６０℃〜−３５℃程度の温度に冷却するためであれば、液体窒素などの非常に低温の冷媒を必要としない。また、凍結管としてのステンレス管や非常に低温での使用に耐えうるブラインなどを用いる必要がない。また、−６０℃〜−３５℃の範囲、特に−６０℃〜−５０℃の範囲では、従来の地盤凍結方法よりも迅速に地盤を早期に凍結させることができる。
【００１０】
ここで、圧縮器として、冷媒を二段圧縮する二段式圧縮器が用いられている態様とすることができる。
【００１１】
このように、圧縮機として二段式圧縮器が用いられていることにより、ブラインを−６０℃〜−３５℃に冷却するための冷媒を容易に冷却することができる。
【００１２】
また、冷凍機は、圧縮器から供給される冷媒を熱交換器に膨張させながら供給する膨張弁を備えており、膨張弁として、冷媒の圧縮機への吸入温度と蒸発圧力とを検出し、吸入温度および蒸発圧力に基づいて、開度をリニアに変化させて温度調節を行うリニアバルブを用いる態様とすることができる。
【００１３】
このように、熱交換器に冷媒を供給する膨張弁としてリニアバルブを用いることにより、ブラインを−６０℃〜−３５℃に冷却するための冷媒を適切に熱交換器に供給することができる。
【００１４】
さらに、ブラインの粘度が１５０（ｍＰａ・ｓ）以下とされている態様とすることができる。
【００１５】
このように、粘度が１５０（ｍＰａ・ｓ）以下のブラインを用いることにより、凍結管内にブラインを円滑に供給することができる。
【００１６】
また、地盤の凍結方法によって凍結対象領域を凍結させた後、−３５℃を超える温度のブラインを凍結対象領域に配置された凍結管内に供給して、凍結地盤の解凍および凍結地盤の過生成を防止する態様とすることができる。
【００１７】
このように、凍結対象領域を凍結させた後は、凍結対象領域における凍土の過生成を防止することが望まれる。また、凍結対象領域に凍土を形成することによる止水などの役割が済んだ後は、凍土を早期に解凍することが望まれる。このような過生成の防止や凍土の解凍を行うために、本発明では、−３５℃を超える温度のブラインを凍結対象領域に配置された凍結管内に供給している。このため、凍結対象領域を高い温度に昇温させることができるので、凍土の過生成を好適に防止することができるとともに、凍土を早期に解凍することができる。なお、凍土を解凍するためには、さらに高い温度、たとえば０℃〜９０℃程度の温度のブラインを循環させることが好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る地盤の凍結方法によれば、凍結管としてのステンレス管や非常に低温での使用に耐えうる特殊なブラインなどを用いる必要がなく、冷凍機の設備の大型化を招かないようにしながら、地盤を早期に凍結させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。本実施形態では、２つのシールドトンネルを接合する際の接合部位における周囲の地盤を凍結させる例について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る凍結方法が適用される第一シールドトンネルと第二シールドトンネルとの接合部位の断面図である。本実施形態では、トンネルの両方向から、第一シールド掘進機１および第二シールド掘進機２によってそれぞれ第一シールドトンネルおよび第二シールドトンネルを掘削し、所定の接合位置において両トンネルを接合する。この両トンネルの接合を行う前段階として、接合部位の周囲における地盤を凍結するものである。地盤を凍結することにより、地盤の強度を高めて地盤の崩落を防止するとともに、止水性を高めるものである。ここで、地盤の凍結装置を説明する前に、第一シールドトンネルおよび第二シールドトンネルを掘削するシールド掘進機について説明する。
【００２１】
第一シールド掘進機１は、第一外筒部１０を備えており、第一外筒部１０の前方には第一カッタ装置１１が設けられている。第一カッタ装置１１は、円盤状をなす第一カッタ部１１Ａを備えている。第一カッタ部１１Ａの表面には、複数のビット１１Ｂが取り付けられており、第一カッタ部１１Ａが回転することにより、ビット１１Ｂによって地山が掘削される。また、第一カッタ部１１Ａの側縁部には、伸縮スポーク１１Ｃが設けられており、この伸縮スポーク１１Ｃは、第一カッタ部１１Ａに対してその半径方向に伸縮する。こうして、第一カッタ装置１１は、その半径方向に縮径可能とされている。
【００２２】
第一カッタ部１１Ａは、掘削を行っている間は、伸縮スポーク１１Ｃが伸長した状態で、第一外筒部１０と同一径とされている。また、伸縮スポーク１１Ｃが収縮したときには、第一カッタ部１１Ａの径は、第一外筒部１０の内径よりも小さくなり、第一カッタ部１１Ａが第一外筒部１０に対して引き込み可能となる。
【００２３】
第一カッタ装置１１の後方には、第一内筒部１２が設けられている。第一内筒部１２は、第一外筒部１０の内面に沿った外周部を有しており、第一外筒部１０の内面に沿って移動可能とされている。第一内筒部１２には、隔壁１３が設けられており、隔壁１３には駆動モータ１１Ｄが設けられており、駆動モータ１１Ｄにより第一カッタ部１１Ａを回転させている。また、第一内筒部１２は、掘削作業中は第一外筒部１０に固定されており、第一カッタ装置１１は第一外筒部１０とともに前後進する。
【００２４】
第一内筒部１２には、中折れジャッキ１４が取り付けられており、中折れジャッキ１４によって、第一外筒部１０が中折れ可能とされている。さらに、第一外筒部１０には、シールドジャッキ１５が取り付けられており、組み立てられたセグメントを押圧する。シールドジャッキ１５でセグメントを押圧することにより、このセグメントに反力をとって第一シールド掘進機１が前進する。さらに、第一外筒部１０には図示しないエレクタが設けられている。エレクタは、第一カッタ装置１１によって形成された孔にセグメントを順次組み立てていく。
【００２５】
また、第一シールド掘進機１には、送泥管１６および図示しない排泥管が設けられている。送泥管１６および排泥管は、いずれも第一カッタ装置１１における第一カッタ部１１Ａと隔壁１３との間に配置されている。送泥管１６からは、第一カッタ部１１Ａと隔壁１３との間に高濃度泥水を供給し、第一カッタ部１１Ａの圧力を高めている。また、排泥管は、第一カッタ部１１Ａと隔壁１３との間における送泥管１６から供給された高濃度泥水および掘削された土からなる泥水を排出している。このように、送泥管１６からの水の供給量および排泥管からの泥水の排出量により、第一カッタ装置１１の圧力を調整している。さらに、第一外筒部１０の後端部には、テールシールが設けられている。テールシールは、第一シールド掘進機１の後端部において、セグメントと第一シールド掘進機１との間を止水している。
【００２６】
また、第一シールド掘進機１には、図２に示すように、第一止水装置３が設けられている。第一止水装置３は、第一外筒部１０に設けられた互いに連通する複数の貼付凍結管３１を備えている。この貼付凍結管３１に、凍結装置５からブラインが循環供給されて、シールド掘進機１，２の接合部位の地山を凍結する。この凍結装置５の構成については、後に説明する。
【００２７】
凍結装置５から循環供給されるブラインが貼付凍結管３１を流れることにより、第一外筒部１０の外側の地山における凍結対象領域Ｘに含まれる土中水を冷凍させることにより、凍結対象領域Ｘに凍土（凍結地盤）を形成することができる。また、凍結対象領域Ｘに凍土が形成された後、貼付凍結管３１内を低温のブラインが流れると、凍土が解凍することなく維持される。本実施形態においては、ブラインとしてギ酸カリウム系ブライン（ショーワ社製：コールドブライン）を用いている。
【００２８】
さらに第一止水装置３は、図１に示すように、第一内筒部１２に設けられた注入管３２を有しており、注入管３２からは充填剤Ｆ１が噴出される。充填剤Ｆ１としては、土質系の無機質材料と水とを混合したものなどを用いることができる。また、第一止水装置３は、第一内筒部１２の先端に位置するスライドフード１２Ａに設けられた環状シール部材３３を有している。環状シール部材３３は、ワイヤブラシからなり、基端部がスライドフード１２Ａに取り付けられ、先端部が第一外筒部１０の内面に接触して、スライドフード１２Ａと第一外筒部１０との間に空間を形成している。
【００２９】
第一シールド掘進機１における第一トンネルの掘進時には、この空間に注入管３２から噴出された充填剤Ｆ１が充填されている。また、第一内筒部１２の内面側には、冷却部材３４が設けられている。冷却部材３４は、スライドフード１２Ａを介して冷熱を伝達させ、充填剤Ｆ１を冷凍可能としている。
【００３０】
また、第二シールド掘進機２は、第一シールド掘進機１と同一の構成を有しており、第二外筒部２０および第二カッタ装置２１を備えている。第二カッタ部２１Ａの後方には、可動内筒部である第二内筒部２２が設けられており、第二内筒部２２には、隔壁２３が設けられている。また、第二内筒部２２の後部には、中折れジャッキが取り付けられている。
【００３１】
さらに、第二外筒部２０の後部にはシールドジャッキ取り付けられており、セグメントを押圧することにより、このセグメントに反力をとって第二シールド掘進機２を前進させる。第二外筒部２０における後部上方位置にはエレクタが設けられており、セグメントを順次組み立てる。また、第二シールド掘進機２には、送泥管および排泥管が設けられ、第二カッタ部２１Ａと隔壁２３との間に泥水を供給し、または排出している。第二外筒部２０の後部には、テールシールが設けられている。
【００３２】
また、第二シールド掘進機２には、第二止水装置４が設けられている。第二止水装置４は、第一シールド掘進機１に設けられた第一止水装置３と同様、第二内筒部２２の先端に位置するスライドフード２２Ａに設けられた互いに連通する複数の貼付凍結管４１を備えている。この第一シールド掘進機１と同様、凍結装置５によって、貼付凍結管４１にブラインが循環供給される。その他、第二止水装置４は、第一止水装置３と同様の注入管、環状シール部材、および冷却部材を有している。
【００３３】
凍結装置５は、第一シールド掘進機１および第二シールド掘進機２にそれぞれ設けられており、互いに同一の構造をなしている。以下に凍結装置５の構成を第一シールド掘進機１に接続された凍結装置５を参照して説明する。
【００３４】
図１に示す凍結装置５は、図３に示すように、熱交換器であるブライン冷却器５０、コンデンサ５５、および冷却塔５８を備えている。ブライン冷却器５０は、ブライン循環室５１および冷媒流通管５２を有しており、ブライン循環室５１にはブラインが滞留し、冷媒流通管５２内には、冷媒が流通している。また、ブライン冷却器５０には、膨張弁としてリニアバルブ５３が設けられている。さらに、ブライン冷却器５０には、冷媒が液体である際の温度を計測する図示しない温度センサおよび冷媒が蒸発して気体となった際の蒸発圧力を計測する図示しない圧力センサが設けられている。温度センサで計測された冷媒温度および圧力センサによって計測された蒸発圧力は、リニアバルブ５３に出力される。コンデンサ５５は、冷媒循環室５６および冷却水流通管５７を有しており、冷媒循環室５６には気化した冷媒が充満し、冷却水流通管５７内には、冷却水が流通している。さらに、冷却塔５８には冷却水が滞留している。
【００３５】
ブライン冷却器５０におけるブライン循環室５１には、ブライン用配管６１が接続されており、このブライン用配管６１は、ブラインヘッダ６２を介して貼付凍結管３１に接続されている。また、ブライン用配管６１には、ブライン循環ポンプ６３が設けられている。地盤を凍結するブラインは、ブライン循環ポンプ６３を作動させることにより、ブライン用配管６１を介してブライン循環室５１から貼付凍結管３１に循環供給される。
【００３６】
冷媒流通管５２は、ブライン循環室５１内に配設されており、冷媒が冷媒流通管５２を流通することにより、冷媒流通管５２を流通する冷媒とブライン循環室５１内におけるブラインとの間で熱交換が行われ、冷媒の冷熱がブラインに伝熱されて、ブラインが冷却される。
【００３７】
冷媒流通管５２の一端側は、気体冷媒用配管６４と接続されており、他端側はリニアバルブ５３を介して液体冷媒用配管６５と接続されている。気体冷媒用配管６４は、コンデンサ５５における冷媒循環室５６に接続されており、気体冷媒用配管６４には、冷凍機圧縮機６６が設けられている。また液体冷媒用配管６５は、気体冷媒用配管６４とは個別にコンデンサ５５における冷媒循環室５６に接続されている。冷凍機圧縮機６６を作動させることにより、冷媒流通管５２で気化した冷媒が気体冷媒用配管６４を介してコンデンサ５５における冷媒循環室５６に流通する。冷凍機圧縮機６６としては、内部に高段部と低段部が設けられた二段式圧縮構造をなす二段式圧縮機を用いており、冷媒を二段圧縮する。このため、気体となった冷媒をより好適に圧縮することができる。
【００３８】
またコンデンサ５５における冷媒流通管５２で液化した冷媒が液体冷媒用配管６５を流通し、リニアバルブ５３を介して冷媒流通管５２に供給される。リニアバルブ５３は、図示しない温度センサおよび圧力センサで計測された液体の冷媒の温度および気化した冷媒の圧力に基づいて、その開度を調整する。また、コンデンサ５５では、冷却水流通管５７内に冷却水が流通することにより、気体の状態にある冷媒が冷熱を吸収して液化する。
【００３９】
また、コンデンサ５５における冷却水流通管５７には、冷却水用配管６７が接続されており、冷却水用配管６７は、冷却塔５８に接続されている。また、冷却水用配管６７には、冷却水循環ポンプ６８が設けられている。この冷却水循環ポンプ６８を作動させることにより、冷却塔５８内の冷却水がコンデンサ５５における冷却水流通管５７に循環供給される。冷却塔５８では、コンデンサ５５において冷媒を液化させることによって昇温した冷却水の熱を大気中に放出し、冷却水を冷却する。
【００４０】
この凍結装置５では、ブラインとしてギ酸カリウム系ブラインを用いているが、そのほか、表１に示す塩化カルシウム系、グリコール系、アルコール系、塩素系、シリコーン系、フッ素系の各ブラインを用いることもできる。これらのブラインのうち、凝固点が−５０℃以下であるものが好適に用いられることから、この観点では塩化カルシウム系以外のブラインが好適となる。
【００４１】
【表１】
【００４２】
また、ブラインを循環させるためにブラインの粘度が１５０（ｍＰａ・ｓ）以下であることが好適な条件となる。この観点ではグリコール系以外のブラインが好適となる。さらに、土木工事などで使用するブラインでは、溶接熱などにより、分解等がないことが要求される。そのため引火性や毒性が生じるなどのブラインは不向きである。この観点からはアルコール系および塩素系のブラインは不向きとなり、また、フッ素系のブラインについては、熱すると有毒ガスを生じる可能性があることから、毒性の観点で好適とはいい難い。したがって、塩化カルシウム系、グリコール系、ギ酸カリウム系が好適となる。
【００４３】
これらの各条件を踏まえて検討した結果、もっとも好適に用いることができるブラインはギ酸カリウム系ブラインとなる。これらの理由から、本実施形態では、ギ酸カリウム系ブラインを用いているが、表１に示す他のブラインを用いることもできる。特に、フッ素系ブラインについては、−８０℃レベルでの使用にも耐えうることから高価となる傾向があることと、毒性を生じえる可能性があるといった観点から不向きとなるが、経済的観点を除いて毒性を生じ得ない状況下での使用を考慮すれば好適に用いることができる。
【００４４】
また、従来のブライン冷却器における膨張弁としては、自動バルブを用いるものが多く、このようなブライン冷却器を用いた冷凍装置では、通常、−３０℃程度までしかブラインを冷却することができない。これに対して、本実施形態に係るブライン冷却器５０では、リニアバルブ５３を用いている。リニアバルブ５３では、温度センサから出力される冷媒の吸入温度および圧力センサから出力される冷媒の蒸発圧力に基づいてその開度を変化させ、別途温度調節器で設定した過熱度でブライン冷却器５０を稼動させることにより、高効率で熱交換を行うようにしている。
【００４５】
ここで、過熱度とは、冷媒の蒸発温度と圧縮機の吸入温度との温度差のことをいう。過熱度が０となった場合、蒸発器内で冷媒が蒸発しきれていないことを意味し、冷凍機圧縮機６６は液圧縮を行うこととなる。冷凍機圧縮機が液圧縮を行うと、冷凍機圧縮機の故障の原因となることから、液圧縮となるのを防止するためには、過熱度が大きく異なるように設定することが要求される。ところが、過熱度を大きく、たとえば１５℃程度異なるように設定した場合、コンデンサの能力を十分に発揮することができなくなり、非効率的な運転となってしまう。
【００４６】
膨張弁として自動バルブを用いた場合には、常に一定の過熱度で装置を運転させることができないことから、冷凍機圧縮機の損傷を防止するために、過熱度を大きく設定することが要求される。この点、本実施形態では、膨張弁としてリニアバルブ５３を用いていることから、過熱度を大きく異ならせることなく、温度設定をすることができる。具体的には、５℃程度の過熱度とすることができる。このため、冷凍機圧縮機の損傷を防止しながら、効率よくコンデンサの能力を発揮させることができるので、−３５℃〜−６０℃といった温度域まで、ブラインを冷却することができる。したがって、冷凍機の設備の大型化を招かないようにしながら、地盤を早期に凍結させることができる。
【００４７】
また、ＬＮ２（液体窒素）を直接凍結管に流入させる方法では、凍結管としてステンレス管を用いることが要求されるが、本実施形態では、凍結管には−６０℃〜−３５℃程度のブラインを流入させる。このため、凍結管としてステンレス管など低温脆性が生じない高い金属製のものを要求されることがなく、通常の鋼管を利用することができる。また、−８０℃といった非常に低い温度まで低下させるものではないので、冷却設備の簡素なもので済ませることができる。したがって、その分装置の簡素化を図ることができる。
【００４８】
この点についてさらに説明する。ブラインの温度を低く設定すると、その分地盤を早期に凍結させることができるが、凍結管の耐性が問題となる。鋼管として広く用いられる炭素鋼には、一般に、低温になるほど脆くなるとう性質がある。この性質を裏付けるべく、試験片としてＳＭ４９０Ａを用いて行ったシャルピー試験の一例の結果を図４に示す。図４（ａ）には、試験片温度と衝撃吸収エネルギーとの関係、図４（ｂ）には試験片温度と脆性破面率との関係を示す。
【００４９】
図４（ａ）から分かるように、常温では２００Ｊ以上の衝撃吸収エネルギーを有する試験片であっても、−８０℃を下回る温度となると、衝撃吸収エネルギーは１０Ｊ以下にまで低下してしまう。また、図４（ｂ）から分かるように、−８０℃以下の温度となると、脆性破面率についてもほぼ１００％となってしまう。これに対して、−６０℃程度であれば、衝撃吸収エネルギーは５０Ｊ程度を維持するとともに、脆性破面率についても８５％程度に抑えることができる。このことから、ブラインの温度が−６０℃以上であれば、ステンレス鋼ではなく、通常の炭素鋼などを用いた鋼管を凍結管として利用しても、鋼管の破損を防止することができることが分かる。したがって、ブラインの温度は、−６０℃以上で、かつできるだけ低い温度とすることにより、凍結管として通常の鋼管を用いながらも、早期に地盤を凍結させることができる。
【００５０】
次に、本実施形態に係る凍結装置を用いた地盤の凍結方法について説明する。
【００５１】
本実施形態に係る凍結装置５では、シールドトンネルを接合するに際して地盤の凍結を行うにあたり、ブライン循環ポンプ６３を作動させて、ブラインを貼付凍結管３１に対して循環供給する。ブライン循環ポンプ６３によって循環させられるブラインは、ブライン冷却器５０を通過する。これと同時に、冷凍機圧縮機６６を作動させて、冷媒をブライン冷却器５０に供給する。
【００５２】
ブライン冷却器５０では、冷凍機圧縮機６６によって供給される冷媒とブライン循環ポンプ６３によって供給されるブラインとの間で熱交換が行われる。この熱交換によって、冷媒がブラインから吸熱し、冷媒が吸熱した熱で気化するとともに、ブラインが冷却される。この熱交換により、ブラインは−６０℃〜−５０℃程度に冷却される。
【００５３】
こうして、冷却された低温となったブラインは、ブライン用配管６１を介して貼付凍結管３１に循環供給される。貼付凍結管３１に低温のブラインが循環供給されることにより、シールド掘進機１，２の接合部における周囲の地山の熱がブラインに吸熱され、ブラインの温度が上昇するとともに、地山が凍結させられる。温度が上昇したブラインは、ブライン用配管６１を介してブライン冷却器５０へと流入する。また、ブライン冷却器５０において気化した冷媒は、気体冷媒用配管６４を介してコンデンサ５５に送られる。
【００５４】
コンデンサ５５には、冷却水循環ポンプ６８に作動によって、冷却水が循環供給されている。コンデンサ５５では、冷却水と気化した冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒が冷却されて、液化する。この液化した冷媒がブライン冷却器５０に循環供給されて、ブラインを冷却する。
【００５５】
本実施形態においては、地山を凍結して凍土を造成する際に、ブラインの温度を−６０℃〜−３５℃、さらに好ましくは−６０℃〜−５０℃に範囲としている。従来、ブラインを用いた凍土の造成では、ブラインを−３０℃〜−２５℃程度としていたのに対して、本実施形態では、この温度よりも低温である、たとえば−６０℃〜−５０℃で凍土を造成している。このように、低温のブラインで凍土を造成することにより、凍土を迅速に造成することができるとともに、凍結膨張の発生を抑制することができる。また、低温で凍土を造成することができ、さらには地下流水による凍土成長阻害の影響を小さくすることができる。
【００５６】
また、本実施形態では、シールドトンネルを接合する間は凍土を維持し、接合作業終了後は凍土を解凍させる。また、凍土を維持している間でも、必要以上の凍土厚は要求されず、凍土厚が大きくなりすぎると、逆に環境に対して悪影響を与えることが懸念される。そこで、地盤にブラインを循環させて所定の厚さまで凍土を成長させた後、凍土の過生成を防止すべく、このときのブラインの温度よりも高い温度、具体的に−３５℃を超える温度に調整されたブラインを凍土に循環供給する。このように、所定の厚さの凍土が形成された後は、温度の高いブラインを循環供給することにより、凍土の過度の成長を抑制するとともに、凍土の解凍を防止することができる。
【００５７】
さらに、シールドトンネルの結合が終了し、凍土の利用が済んだら、さらに高い温度、たとえば０℃〜３０℃程度のブラインを凍結対象領域に循環させることにより、凍土を解凍することができる。また、さらに高い温度、たとえば９０℃程度のブラインを地盤に循環供給することにより、凍土を早期に解凍することができる。このとき、ブライン冷却器５０を用いてブラインの温度調整を行っているので、ブライン冷却器５０に供給する冷媒の供給量などを調整することにより、ブラインの温度の調整を容易に行うことができる。あるいは、電気式のヒータによりブラインを加熱することもできる。
【００５８】
次に、ブラインの温度と造成される凍土の厚さとの関係について本発明者らが行った数値解析（数値シミュレーション）の結果について説明する。その結果を図５および表２に示す。数値解析は、地盤の容積含水率を６０％、地盤温度を２０℃にそれぞれ設定し、ブラインを−３０℃、−５０℃、−６０℃、−９０℃にそれぞれ調整し、凍結対象地盤に供給してその凍結半径を予測した。このシミュレーションでは、図５に破線で示す片側凍土厚０．４ｍ未満については単管理論に基づき、０．４ｍ以上では管列理論に基づきそれぞれシミュレーションを行った。
【００５９】
【表２】
【００６０】
図５および表２から分かるように、−３０℃のブラインを用いた場合には、１．５ｍの凍土を形成するための凍土造成期間に６８日の期間を要したのに対して、−５０℃のブラインでは３９日、−６０℃のブラインでは、３３日、−８０℃のブラインでは２５日の期間を要した。この結果から、ブラインの温度が低いほど凍土造成期間が短くて済むことが分かる。それとともに、−３０℃のブラインを用いた場合には、−５０℃のブラインを用いる場合よりも２９日も長期間がかかる一方、−５０℃のブラインを用いた場合には、−８０℃のブラインを用いた場合よりも１４日ほどしか長くかかる期間がない結果となった。さらに−６０℃のブラインを用いた場合には、−８０℃のブラインを用いた場合よりもわずか８日ほどしか長くかかる期間がない結果となった。
【００６１】
その一方で、−８０℃まで低温化されたブラインを地盤に供給するためには、凍結管としてステンレス管などの非常な低温に耐えることができる管を用いなければならないなどの制約が生じていた。この点、−６０℃〜−３５℃程度であれば、上記のシャルピー試験で鋼管を用いたＳＭ４９０ＡやＳＧＰ（スチールガスパイプ、配管用炭素鋼管）などの通常の鋼管を用いることができる。
【００６２】
また、ブラインを−８０℃程度にまで冷却するためには、大型設備となる二元式冷凍機や冷媒として液化窒素を用いるなど、設備負担が強いられることとなるが、−６０℃〜−３５℃程度にまで冷却するのであれば、簡素な二段式圧縮器冷凍機で十分に対応することができる。このため、冷凍機の設備の大型化を招かないようにすることができる。
【００６３】
以上、本発明好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、シールドトンネルの接合部に凍土を造成しているが、シールドトンネルやそれ以外のトンネルの周囲に凍土を形成する場合にも用いることができ、さらには、トンネル以外の地下構造物を構築するときに凍土を造成する場合などにも用いることができる。
【００６４】
さらに、上記実施形態では、凍結管として貼付凍結管を用いているが、他の凍結管とすることもできる。たとえば、地中に削孔して埋設する形式の単管、二重管、もしくは三重管や、シールドセグメントや鋼管などの内部に埋め込む形式の凍結管、その他のあらゆる形式の凍結管を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】凍結方法が適用される第一シールドトンネルと第二シールドトンネルとの接合部位の断面図である。
【図２】シールド掘進機に設けられた止水装置の断面図である。
【図３】ブライン冷却器を含む冷媒およびブラインの流れを説明する図である。
【図４】シャルピー試験における結果を示すグラフであり、（ａ）は試験片温度と衝撃吸収エネルギーの関係、（ｂ）は試験片温度と脆性破面率との関係をそれぞれ示す。
【図５】凍土が造成される前後の経過日数と凍土厚との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
１…第一シールド掘進機
２…第二シールド掘進機
３…第一止水装置
４…第二止水装置
５…凍結装置
３１…貼付凍結管
３２…注入管
３３…環状シール部材
３４…冷却部材
４１…貼付凍結管
５０…ブライン冷却器
５１…ブライン循環室
５２…冷媒流通管
５３…リニアバルブ
５５…コンデンサ
５６…冷媒循環室
５７…冷却水流通管
５８…冷却塔
６１…ブライン用配管
６２…ブラインヘッダ
６２…ブライン用配管
６３…ブライン循環ポンプ
６４…気体冷媒用配管
６５…液体冷媒用配管
６６…冷凍機圧縮機
６７…冷却水用配管
６８…冷却水循環ポンプ
Ｘ…凍結対象領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤における凍結対象領域を凍結させる地盤の凍結方法であって、
前記凍結対象領域に配置された凍結管内に対して、圧縮器で圧縮された冷媒を熱交換器に供給し、前記熱交換器によってブラインと前記冷媒との間で熱交換して前記ブラインを冷却する冷凍機によって、−６０℃〜−３５℃の範囲に冷却されたブラインを循環供給して、前記凍結対象領域を凍結させることを特徴とする地盤の凍結方法。
【請求項２】
前記圧縮器として、前記冷媒を二段圧縮する二段式圧縮器が用いられている請求項１に記載の地盤の凍結方法。
【請求項３】
前記冷凍機は、前記圧縮器から供給される冷媒を前記熱交換器に膨張させながら供給する膨張弁を備えており、
前記膨張弁として、前記冷媒の圧縮機への吸入温度と蒸発圧力とを検出し、前記吸入温度および蒸発圧力に基づいて、開度をリニアに変化させて温度調節を行うリニアバルブを用いる請求項１または請求項２に記載の地盤の凍結方法。
【請求項４】
前記ブラインの粘度が１５０（ｍＰａ・ｓ）以下とされている請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の地盤の凍結方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４に記載の地盤の凍結方法によって前記凍結対象領域を凍結させた後、
−３５℃を超える温度のブラインを前記凍結対象領域に配置された凍結管内に供給して、前記凍結地盤の解凍および前記凍結地盤の過生成を防止することを特徴とする地盤の凍結方法。
【請求項１】
地盤における凍結対象領域を凍結させる地盤の凍結方法であって、
前記凍結対象領域に配置された凍結管内に対して、圧縮器で圧縮された冷媒を熱交換器に供給し、前記熱交換器によってブラインと前記冷媒との間で熱交換して前記ブラインを冷却する冷凍機によって、−６０℃〜−３５℃の範囲に冷却されたブラインを循環供給して、前記凍結対象領域を凍結させることを特徴とする地盤の凍結方法。
【請求項２】
前記圧縮器として、前記冷媒を二段圧縮する二段式圧縮器が用いられている請求項１に記載の地盤の凍結方法。
【請求項３】
前記冷凍機は、前記圧縮器から供給される冷媒を前記熱交換器に膨張させながら供給する膨張弁を備えており、
前記膨張弁として、前記冷媒の圧縮機への吸入温度と蒸発圧力とを検出し、前記吸入温度および蒸発圧力に基づいて、開度をリニアに変化させて温度調節を行うリニアバルブを用いる請求項１または請求項２に記載の地盤の凍結方法。
【請求項４】
前記ブラインの粘度が１５０（ｍＰａ・ｓ）以下とされている請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の地盤の凍結方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４に記載の地盤の凍結方法によって前記凍結対象領域を凍結させた後、
−３５℃を超える温度のブラインを前記凍結対象領域に配置された凍結管内に供給して、前記凍結地盤の解凍および前記凍結地盤の過生成を防止することを特徴とする地盤の凍結方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１９６５０（Ｐ２００８−１９６５０Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９３２３８（Ｐ２００６−１９３２３８）
【出願日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（３９０００２２３３）ケミカルグラウト株式会社 (79)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（３９０００２２３３）ケミカルグラウト株式会社 (79)
【Ｆターム（参考）】
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