JP2008230849A - 低温岩盤貯槽およびその施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲岩盤から地下水圧を受けることによる悪影響と周囲岩盤が凍結膨張することによる悪影響を排除し得るメンブレン式の低温岩盤貯槽とその施工方法を提供する。
【解決手段】岩盤内に掘削された空洞１の表面に、吹付コンクリート（一次吹付コンクリート２と二次吹付コンクリート３）、躯体コンクリート４、保冷材５、メンブレン材６からなる覆工を形成し、その内部空間を低温流体を貯蔵するための貯槽とするメンブレン式の低温岩盤貯槽において、吹付コンクリート中に周囲岩盤から地下水を集水して排水するための排水管路網７を埋設し、躯体コンクリート中に温水やブライン等の加温媒体を循環させることにより躯体コンクリートおよびその外側を凍結温度以上に維持するための加温管路網８を埋設する。加温管路網を躯体コンクリートの外周部に埋設して外周部のみを加温し、躯体コンクリートの内周部は凍結させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、岩盤内に掘削した空洞を低温流体を貯蔵するための貯槽（タンク）として利用する低温岩盤貯槽、およびその施工方法に関するものである。

この種の低温岩盤貯槽は、安定した岩盤内に大規模な空洞を掘削し、その空洞をタンクとして機能せしめてＬＰＧやＬＮＧ、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）等の低温液化ガス、あるいはその他の低温液体や低温気体を貯蔵するものであって、空洞の内面に設ける覆工の構造によって特許文献１に示されているような所謂「凍結式」のものと、特許文献２に示されているような所謂「メンブレン式」のものに大別される。

凍結式の低温岩盤貯槽は、貯蔵物が氷点以下の低温であることから貯槽周囲に存する地下水が自ずと凍結してしまって貯槽周囲に安定な凍結領域が形成され、したがって岩盤に多少の亀裂や間隙があっても貯槽の気密性や液密性が自ずと安定に確保されることが期待できるものである。そのため、空洞の内面に吹付コンクリートとロックボルト程度の簡易な支保を設けるだけに留めて格別のライニング材や大がかりな覆工を省略可能であり、構造が比較的簡略であって建設コストを抑えることができる点で有利である。
但し、このような凍結式は貯蔵温度が極めて低いと岩盤に温度クラックが発生することが懸念されることから、貯蔵温度は−６０℃〜−８０°Ｃ程度が限界とされ、したがってＤＭＥ（沸点−２５℃）やＬＰＧ（沸点−４２℃）のような比較的貯蔵温度が高い燃料の場合には好適に採用可能であるが、ＬＮＧ（沸点−１６２℃）のような極低温流体には不適であるとされている。

それに対し、メンブレン式の低温岩盤貯槽はＬＮＧのような極低温流体の貯蔵に適用するものとして提案されたもので、貯槽として要求される気密性と液密性をメンブレン材により確保するというものである。この場合、具体的には空洞の内側に吹付コンクリートおよび躯体コンクリートによる覆工を設け、さらにその内側に保冷材を設けた上でその表面にメンブレン材を取り付けるという多層構造の覆工を設けることになり、したがって凍結式のものに比べて構造が複雑にはなるものの岩盤の影響を受け難いものとなるし、凍結式の場合と同様にいずれは貯槽の外側に凍結領域が形成されてそれが二次的なバリアになるとも考えられることから、信頼性や安定性の点ではより有利であるとされている。
特開２００５−１９５１１０号公報 特開平７−５４３６６号公報

ところで、凍結式の低温岩盤貯槽は運用後には貯槽周囲に良好な凍結領域が確実に形成されなければならないことから、貯槽としての空洞を掘削する際にもその周囲岩盤に常に地下水が飽和状態で存在していることが必要である。すなわち、空洞を掘削するに際して周囲岩盤の地下水位が低下して一時的にでも不飽和状態になってしまうと、その後に地下水位を回復させたとしても完全な飽和状態に回復させることは困難であり、そのために運用後においても貯槽周囲に良好な凍結領域が形成されないことが想定され、この種の施設に要求される信頼性や安全性の点で問題を残す懸念があるためである。
そのため、凍結式の低温岩盤貯槽の施工に際しては、貯槽としての空洞を掘削するに先立ってその上方に大規模な注水トンネルや注水ボーリング孔を先行施工し、そこから空洞掘削領域の周囲岩盤に対して人工的な地下水涵養としての多量の注水を連続的に行うことによって周囲岩盤を常に飽和状態に維持しつつ空洞を掘削する必要があるとされ、そのために多大な手間とコストを要するものであった。

一方、メンブレン式の低温岩盤貯槽では、逆に施工途中においては空洞周囲の地下水位を低下させて周囲をドライとして掘削を行うことが有利である。すなわち、メンブレン式の場合には地中に掘削した空洞内に覆工としての躯体を施工するのであるが、そのような施工を地下水位以深の岩盤内で行うことは、多量の地下水流入が生じてしまうばかりでなく、施工途中の覆工材、特に躯体コンクリートやメンブレン材に対して大きな地下水圧が外圧として作用してしまうことから、施工性の点でも施工精度を確保する上でも著しく困難である。
したがって、メンブレン式の低温岩盤貯槽の施工に際しては、通常の土中工事の場合と同様に周囲岩盤から地下水を排水して地下水位を低下させることにより、施工領域をドライとして空洞を掘削し覆工を施工する必要がある。そして、そのためには空洞を掘削するべき領域の下方に集水および排水のための大規模な排水トンネルや排水ボーリング孔を先行施工し、そこから地下水を多量に汲み上げて地下水位を低下させて空洞周囲をドライに維持する必要があり、そのような大規模な排水工法を実施するために多大な手間とコストを要するものである。しかも、そのような工法によっても岩盤状況によっては必ずしも充分にドライにできないことも想定され、その場合には覆工時に地下水圧が作用して施工性が良くないばかりか施工品質に悪影響が及ぶ懸念がある。

また、メンブレン式の場合においても、貯槽完成後の低温貯蔵開始後に周囲岩盤からの排水を中止することによりいずれは地下水位が回復し、したがって運用後には貯槽周囲に凍結領域が形成されてそれが二次バリアとして機能するとも考えられるが、上述したように施工中には周囲岩盤が不飽和化されることから良好な凍結領域が形成される保証はなく、そのような凍結領域には二次バリアとして充分な機能を期待できないことも想定されるから、それを見越して覆工の設計を行う必要がある。

さらに、貯槽を完成させた後には短時間にクールダウンを行って低温貯蔵を開始するが、貯槽周辺が完全に不飽和でない場合は、局所的に大きな地下水圧が作用したり、凍結膨張により周囲岩盤に異常なクラックが生じるような懸念も完全には否定できず、構造的な安定性や信頼性を確保するためには地下水圧の作用や凍結膨張による悪影響を可及的に排除する必要があると考えられている。

なお、特許文献１には貯槽の周囲に形成される凍結領域が地表部付近にまで達してしまうことを防止する目的で、貯槽の上方の岩盤中に設けた水封ボーリング内において水を循環させることにより周囲地盤を凍結温度以上に維持することが開示されている。また、特許文献２には、ＬＮＧ用の一般的な地下タンクにおける周知技術として周囲岩盤の凍結をヒーティングパイプによって防止することが開示されている。
そのような凍結防止手法をメンブレン式の低温岩盤貯槽の周囲岩盤に対しても適用すれば凍結膨張による覆工に対する弊害を防止できると考えられるが、それを実現するための具体的かつ有効適切な手法は提案されていない。

上記事情に鑑み、本発明は、周囲岩盤から地下水圧を受けることによる悪影響や、周囲岩盤が凍結膨張することによる悪影響を有効に排除し得て、構造的な安定性や信頼性を充分に向上させることができる有効適切な構造のメンブレン式の低温岩盤貯槽と、それを施工するための有効適切な施工方法を提供することを目的としている。

本発明の低温岩盤貯槽は、岩盤内に掘削された空洞の表面に、吹付コンクリート、躯体コンクリート、保冷材、メンブレン材からなる覆工が形成され、その内部空間が低温流体を貯蔵するための貯槽とされるメンブレン式の低温岩盤貯槽であって、前記吹付コンクリート中に、周囲岩盤から地下水を集水して排水するための排水管路網が埋設され、前記躯体コンクリート中に、温水やブライン等の加温媒体を循環させることにより、躯体コンクリート、吹付コンクリートおよび周囲岩盤を凍結温度以上に維持するための加温管路網が埋設されてなることを特徴とするものである。
上記の加温管路網は躯体コンクリート全体を凍結温度以上に維持してその全体が凍結しないように埋設すれば良く、その場合には加温管路網を躯体コンクリートの厚さ方向の中央部に埋設して躯体コンクリート全体を加温すれば良い。
あるいは、躯体コンクリートの厚さを充分に厚くしてその外周部に加温管路網を埋設することにより、躯体コンクリートの外周部とその外側のみを凍結温度以上に維持しつつ、躯体コンクリートの内周部に対しては加温せずに凍結温度以下に維持されるようにしてそこでは凍結が生じるようにしても良い。
本発明の低温岩盤貯槽においては、空洞は基端側から先端側に向かって上り勾配を有するトンネル状に形成され、該空洞の底部に、排水管路網により集水された地下水を基端側に向けて自然流下させて排出するための排水溝が設けられていることが好ましい。
また、躯体コンクリートと保冷材との間に止水膜を介装したり、吹付コンクリートと躯体コンクリートとの間に、それら吹付コンクリートと躯体コンクリートとの相対的な熱変形を吸収するための空隙を確保することも考えられる。

本発明の低温岩盤貯槽の施工方法は、岩盤内に掘削した空洞の表面に、吹付コンクリート、躯体コンクリート、保冷材、メンブレン材からなる覆工を形成し、その内部空間を低温流体を貯蔵するための貯槽とするメンブレン式の低温岩盤貯槽を施工するための方法であって、トンネル状の空洞を基端側から先端側に向かって上り勾配で掘進するとともに、掘進に伴って周囲岩盤から空洞内に流入してくる地下水をその底部に設けた排水溝により坑口側に自然流下させて排水し、空洞内面にコンクリートを吹き付けて吹付コンクリートを形成するとともに、該吹付コンクリート中に、周囲岩盤から地下水を集水して排水するための排水管路網を埋設し、前記排水管路網により周囲岩盤からの地下水を集水し前記排水溝を通して排水しながら、吹付コンクリートの表面にコンクリートを打設して躯体コンクリートを形成するとともに、該躯体コンクリート中に、温水やブライン等の加温媒体を循環させるための加温管路網を埋設し、躯体コンクリートの表面に保冷材を取り付けるとともに、該保冷材の表面にメンブレン材を取り付けて覆工を完成させた後、低温流体の貯蔵を開始するに先立ち、前記加温管路網に加温媒体を循環させて、少なくとも躯体コンクリートの外周部とその外側の吹付コンクリートおよび周囲岩盤の温度を凍結温度以上に維持することを特徴とするものである。
本発明の低温岩盤貯槽の施工方法においては、吹付コンクリートの表面にコンクリートを打設して躯体コンクリートを形成する際にはそれらの間に空隙を形成し、躯体コンクリートの表面に保冷材を取り付ける際にはそれらの間に止水膜を介装することが考えられる。

本発明の低温岩盤貯槽によれば、躯体コンクリートに埋設した加温管路網に加温媒体を強制循環させて躯体コンクリートの全体もしくは少なくとも外周部を加温して、躯体コンクリートの全体もしくは少なくとも外周部と、その外側の吹付コンクリートおよび周囲岩盤の温度を凍結温度（氷点温度）以上に維持するように制御することにより、凍結領域が周囲岩盤にまで及ぶことを防止でき、それにより従来においては懸念されていた凍結膨張に起因する悪影響を排除できて覆工の構造力学的な信頼性と安全性を十分に確保することができる。
また、周囲岩盤には凍結領域が生じないことから、周囲岩盤中の地下水を吹付コンクリート中に埋設した排水管路網によって常に空洞内に流入させて排水することができ、したがって貯槽完成後に覆工に対して過大な地下水圧が外圧として作用することがなく、この点においても覆工の信頼性を向上させることができる。

また、基本的には躯体コンクリートによって充分な止水性を確保でき、躯体コンクリートの内周部を凍結させる場合にはさらに充分な止水性が確保し得るが、躯体コンクリートの内周部を凍結させることに代えて、あるいはそれに加えてさらに躯体コンクリートと保冷材との間に止水膜を全面的に介装しておくことによって、躯体コンクリートが万一ひび割れが生じた場合や、躯体コンクリートの内周部に充分に凍結が生じないことを想定した場合においても、岩盤からの地下水が止水膜により確実に遮水されて保冷材にまで達することを確実に防止でき、止水性能についての信頼性と安全性を向上させることができるし、躯体コンクリート中に埋設した加温管路網からの万一の漏水にも対処し得る。なお、貯槽に要求される気密性と液密性はメンブレンにより確保されるが、止水膜を設ける場合や、躯体コンクリートの内周部を凍結させる場合には、それらが気密性と液密性についての二次バリアとしても機能するものとなるので気密性と液密性の向上にも寄与し得る。

さらに、吹付コンクリートは熱的にはその外側の岩盤とともに挙動するものとなるので、吹付コンクリートとその内側の躯体コンクリートとの間には相対的な熱変形が生じることが想定されることから、それら吹付コンクリートと躯体コンクリートとの間に敢えて空隙を確保して双方を絶縁しておくことにより、躯体コンクリートの熱変形を拘束することなく吸収することが可能であり、したがって躯体コンクリートに熱応力とそれに起因するひび割れが生じることを有効に防止でき、躯体コンクリートの止水性能についての信頼性をより向上させることができる。

本発明の施工方法によれば、施工段階においては周囲岩盤からの地下水を排水管路網を通して空洞内に流入させ、空洞内の底部に設けた排水溝を自然流下させて排水することにより、従来一般のメンブレン式の貯槽を施工する場合のように大がかりな排水トンネルや排水ボーリング孔を設けて周囲岩盤全体をドライにするような必要がなく、したがって施工性を十分に改善することができて工期短縮、工費削減に大きく寄与できる。
また、低温流体の貯蔵開始、あるいはそれに先立つクールダウンに先立って、加温管路網に加温媒体を強制循環させて少なくとも躯体コンクリートの外周部からその外側を凍結温度以上に維持する制御を行うことにより、吹付コンクリートおよび周囲岩盤に凍結領域が不用意に形成されてしまうことを確実に防止することができる。

図１は本発明の第１実施形態である低温岩盤貯槽の概略構成を示す横断面図である。
本実施形態の低温岩盤貯槽は、基本的には従来一般のこの種の貯槽と同様に、岩盤に形成された円形断面のトンネル状の空洞１の内面に、一次吹付コンクリート２、二次吹付コンクリート３、躯体コンクリート４、保冷材５、メンブレン材６を順次積層状態で形成してメンブレン式の覆工を形成することにより、ＬＮＧやＬＰＧ、ＤＭＥ等の低温流体の貯槽（タンク）として機能するものであるが、本実施形態の低温岩盤貯槽が従来一般のものと異なる点は、二次吹付コンクリート３中に周囲岩盤からの地下水を常に集水して排水するための排水管路網７が埋設されているとともに、躯体コンクリート４中には加温媒体を循環させることにより躯体コンクリート４およびその外側の温度を常に凍結温度以上に維持するための加温管路網８が埋設されている点にある。

すなわち、従来一般のこの種の低温岩盤貯槽では、上述したように低温流体の貯蔵によって周囲岩盤に自ずと生じる凍結領域を二次バリアとしても活用することを基本としているのであるが、それは反面において凍結膨張による種々の悪影響が問題となることもあることから、本実施形態の低温岩盤貯槽ではそのような凍結領域を敢えて生じさせないものとしており、そのために躯体コンクリート４中に埋設した加温管路網８にたとえば２０℃程度の温水やブライン（不凍液）を常時強制循環させることによって躯体コンクリートおよびその外側の温度を少なくとも氷点以上の温度に維持するものとしている。
但し、その場合には周囲岩盤中の地下水圧がそのまま覆工に対して外圧として常に作用してしまうことから、その対策として本実施形態では二次吹付コンクリート３中に排水管路網７を埋設しておき、周囲岩盤中の地下水をその排水管路網７を通して積極的に空洞１内に流入させて常に排水することとしている。それにより、貯槽完成後には覆工に対して過大な地下水圧が作用することを有効に防止できるとともに、施工段階においてもその排水管路網７を有効に利用して周囲岩盤からの排水を行うことが可能であるから、従来のように大がかりな排水トンネルや排水ボーリング孔を設けて周囲岩盤全体をドライにするような必要なく、覆工を効率的にかつ精度良く安全に施工し得るものとなっている。

本実施形態の低温岩盤貯槽の構造について、その施工手順とともにさらに詳細に説明する。
まず、地表より立坑および作業坑を施工し、図２に示すように作業坑１０の先端からトンネル状の空洞１を若干の先上がり勾配で掘進する。その際、周囲岩盤から空洞１内に地下水が流入してくるので、空洞１の底部に排水溝１１を設けて流入地下水を坑口側に自然流下させ、集水ピット１２に集水して排水する。なお、作業坑１０と空洞１との境界部は最終的には頑強なプラグ１３により気密裡かつ液密離に封止するが、施工段階では開放しておく。

上記のように空洞１を掘進しつつ、その内面に対してコンクリートを吹き付けて一次吹付コンクリート２および二次吹付コンクリート３を順次形成していくが、二次吹付コンクリート３中には図２に示すように排水管路網７を埋設していく。
排水管路網７としては、たとえば土木工事の分野において法面排水用の資材として使用されている樹脂製の立体成形品や、多孔質材料あるいは有孔管等が好適に採用可能であり、それを二次吹付コンクリート３の全周かつ全長にわたって格子状に縦横に配設したり、あるいはマット状に全面的に配設して、その下流端を空洞１底部に設けた上記の排水溝１１に接続するか、あるいは空洞１底部に開放する。これにより、周囲岩盤からの地下水をこの排水管路網７を通して積極的に集水し排水することができ、したがってこのような排水管路網７を施工した以降は、後段の躯体コンクリート４や保冷材５、メンブレン材６の施工に際しても、また貯槽完成後にも、それらに大きな地下水圧が作用することはない。
なお、上記のように空洞１の表面に対するコンクリートの吹き付けを一次吹付コンクリート２と二次吹付コンクリート３との２段階に分けて行うことが一般的ではあるが、それに限るものではなく、全体の吹き付けを１度で行うことでも良く、その場合にも同様にそこに排水管路網７を埋設すれば良い。あるいは、上記のように一次吹付コンクリート２と二次吹付コンクリート３とを順次施工する場合において、必要であれば排水管路網７を二次吹付コンクリート３に埋設することに代えて一次コンクリート２中に埋設することも考えられる。

排水管路網７を埋設しつつ二次吹付コンクリート３を施工した後、その内側に躯体コンクリート４を打設するが、その際には図３に示すように躯体コンクリート４中に加温管路網８を埋設する。加温管路網８は躯体コンクリート４の全面に対して温水やブライン等の加温媒体を強制循環させることにより躯体コンクリート４を加温するためのもので、躯体コンクリート４全体が可及的に均等な温度となって温度むらが生じないように、かつ循環抵抗が過大にならないように、加温管路網８の位置やピッチを設定すると良く、たとえば図示例のように空洞１の先端部においてＵターンする形状の管路を敷設したり、あるいは躯体コンクリート４全面に対して蛇行状態や螺旋状態で管路を敷設することも考えられる。
なお、加温媒体を加温しつつ強制循環させるための装置が当然に必要であるので、地表部に熱源装置や循環ポンプ等の主装置類を適宜設けるとともに立坑および作業坑１０内には循環供給用の主管路１４を設けて加温管路網８と接続すれば良い。また、加温媒体を加温するための熱源としては自然エネルギーや各種の排熱を有効利用することが好ましく、立地条件によっては、また周囲環境に対して悪影響を及ぼす懸念がない場合には、たとえば海水や湖沼水、河川水等の天然水と加温媒体との熱交換、あるいはそれら天然水を加温媒体として直接利用することが考えられるし、地熱や太陽熱の利用も考えられる。勿論、この貯槽に貯蔵する低温流体を使用する施設から人為的に発生する様々な排熱、たとえばタービン排熱や、ボイルオフガスを再液化するための冷凍サイクルからの排熱等の有効利用も考えられる。

以上のようにして加温管路網８を埋設した躯体コンクリート４を施工した後、その表面にたとえば硬質ポリウレタンフォーム等の適宜の保冷材５（すなわち断熱材）を全面的に取り付け、さらにその表面にステンレス薄鋼板等からなるメンブレン材６を全面的に取り付けて覆工を完成させる。その際には上述したように周囲の地下水は排水管路網７により集水されて排水されてしまうので、覆工の施工段階では大きな地下水圧が作用することはなくその作業を効率的に実施することができる。

以上により覆工が完成した後には、低温流体の貯蔵に先立って覆工および周囲岩盤をクールダウンするのであるが、それに先立ち、加温管路網８に加温媒体を強制循環させて躯体コンクリート４に対する加温を開始し、低温流体の貯蔵後においても周囲岩盤温度が氷点温度以下に低下しないように加温媒体の循環温度や循環量を制御する。
具体的には、たとえば加温媒体として温水を使用してその供給温度を１５℃、還り温度を５℃に設定して、躯体コンクリート４各部の平均温度が１０℃程度となるように維持するように制御する。このような制御を行うことにより低温流体を貯蔵した後にも凍結線（０℃等温線）は加温管路網８の内側に留まり、その外側に凍結領域が生じることはない。

図４（ａ）は、ＬＮＧ（−１６２℃）を貯蔵するための貯槽に対して上記のような温度制御を行った場合の躯体コンクリートの温度の経時変化の解析結果を示すものである。解析モデルとしては、半径１０ｍの円形断面の空洞を地表面下６０ｍの深度に水平に掘削し、その内面に、一次吹付コンクリートおよび二次吹付コンクリートの厚さをそれぞれ１０ｃｍ、躯体コンクリートの厚さを５０ｃｍ、保冷材（硬質ウレタンフォーム）の厚さを３０ｃｍとした覆工を形成し（したがって貯槽としての有効半径が９ｍ）、躯体コンクリート中に３２本の配管を空洞の軸方向に沿わせて周方向に等間隔（中心角１１．２５度）で配設し、温水の供給温度を１５℃、還り温度を５℃に制御したものである。外気温度は１５℃、規定温度境界位置（深度−２１０ｍ）における岩盤温度は２１．３℃と想定した。
その解析により、温水による加温制御を行わない場合には、躯体コンクリートの温度は運用開始後から急速に低下して５０年後（１８２５０日後）には−５０℃にもなるのに対し、上記のような加温制御を行うことにより＋５℃程度で安定してそれ以下となることはなく、したがって凍結領域が躯体コンクリートの外側にまで達することがないことが確認できた。
なお、図４（ｂ）には上記の解析モデルにおけるボイルオフガスの経時変化を示すものである。これによれば、加温制御を行わない場合にはボイルオフガスは次第に低下して約２０年後（７３００日後）には０．１％以下となるのに対し、加温制御を行った場合にはクールダウン後には約０．１３％程度とやや高い状態に維持されるが、その程度のボイルオフガスの増大は許容範囲であって実質的に問題にならない。

以上で説明した第１実施形態の低温岩盤貯槽によれば、躯体コンクリート４に埋設した加温管路網８に加温媒体を強制循環させて躯体コンクリート４を介して周囲岩盤の温度を制御することによって、凍結領域が躯体コンクリート４およびその外側にまで生じることを防止でき、それにより従来においては懸念されていた凍結膨張に起因する悪影響を排除できて覆工の構造力学的な信頼性と安全性を十分に確保することができる。
特に、従来一般のメンブレン式の低温岩盤貯槽においては二次バリアとしての凍結領域が確実に生じることをモニタリングする必要があり、しかもそのようなモニタリングを信頼性高く行うことは必ずしも容易ではないのであるが、本実施形態では二次バリアとしての凍結領域を期待するものではないのでそのような高度のモニタリングを不要とすることができる。但し、本実施形態では躯体コンクリート４やその周囲岩盤の温度に関するモニタリングは必要であるが、それは躯体コンクリート４内での簡易なモニタリングや、排水量の観察などで簡単かつ確実に実施することができ、この点においても従来一般のメンブレン式の貯槽に比べて施設全体の維持や管理を行う上で有利である。

また、本実施形態の低温岩盤貯槽によれば、周囲岩盤には凍結領域が生じないことから周囲岩盤中の地下水は常に排水管路網７を通して空洞１内に流入し、排水溝１１を自然流下して集水ピット１２に集水されて速やかに排水されてしまい、したがって貯槽完成後に覆工に対して過大な地下水圧が外圧として作用することもなく、この点においても覆工の構造力学的な信頼性を向上させることができる。
しかも、排水管路網７を通しての周囲岩盤からの排水を施工段階においても行うことにより、従来一般のメンブレン式の貯槽を施工する場合のように大がかりな排水トンネルや排水ボーリング孔を設けて周囲岩盤全体をドライにするような必要がなく、したがって施工性を十分に改善することができて工期短縮、工費削減に大きく寄与できるものである。

なお、上記実施形態のように空洞１の形態を先上がり勾配のトンネル状として形成すれば、空洞１内に流入した地下水を坑口側に自然流下させることができるのでその点で有利であるが、本発明は必ずしもそれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜の形態、構造の貯槽とする場合一般に広く適用できるものであり、たとえば空洞の形態がドーム状である場合にも同様に適用可能である。

以上で本発明の第１実施形態を説明したが、次に図５〜図６を参照して第２の実施形態を説明する。本実施形態は、保冷材５と躯体コンクリート４との間に止水膜２０を介装し、かつ躯体コンクリート４と二次吹付コンクリート３との間に空隙２１を確保した点で先の実施形態で異なるものである。

すなわち、本実施形態においても基本的には上記実施形態と同様に躯体コンクリート４によって止水性が充分に確保され、岩盤から空洞１内に流入してくる地下水は躯体コンクリート４の外側の一次吹付コンクリート２中に埋設されている排水管路網７により排水されるのであるが、理論的には躯体コンクリート４が万一ひび割れを生じるリスクも完全には否定できず、その場合には躯体コンクリート４の内側への万一の漏水が生じる懸念も完全には否定できない。
そこで本実施形態では、躯体コンクリート４と保冷材５との間に止水膜２０を全面的に介装し、躯体コンクリート４に万一ひび割れが生じて地下水が躯体コンクリート４を越えてその内側に浸入してくる事態となった場合であっても、その地下水を止水膜２０により完全に遮水して保冷材５にまで達することを確実に防止し、それによって覆工全体として万全の止水性能とその信頼性を確保し得るものとなっている。

止水膜２０としてはたとえば天然ゴムやブチルゴム等のゴム系のシート材（厚さ数ｍｍ程度のもの）が好適に採用可能であり、大判あるいは長尺のシート材を躯体コンクリート４の表面に取り付けてからその上に保冷材５を適宜取り付ければ良いが、いずれにしても図６に示すように各シート材の縁部を所定寸法ずつラップさせて相互に接着することにより隙間なく取り付ければ良い。
特に、図６に示すように保冷材５としてパネルを使用する場合には、そのパネルとともに止水膜２０をアンカー２２により躯体コンクリート４に対して固定することによって、パネルと躯体コンクリート４との間に止水膜２０を挟み込んだ状態で取り付ければ良い。その場合においては、止水膜２０となるシート材を予めパネルの背面側に取り付けておいてその縁部をラップ代としてパネルの外側に延出させておき、パネルの取り付けの際に自ずとシート材の縁部どうしが重ね合わせられて接着されるようにすると効率的な施工が可能である。なお、図示例ではシート材どうしのラップ代をパネルの２辺に対して設けているが、躯体コンクリートへのパネルの取り付け構造や取り付け手順によってはそのようなラップ代を１辺にのみ、あるいは３辺〜４辺に設けることでも良い。符号２３はパネル間に充填するグラスウール等の充填材である。

本実施形態のように止水膜２０を設けることにより、躯体コンクリート４に万一ひび割れが生じたとしても、岩盤からの地下水が止水膜２０により確実に遮水されて保冷材５にまで達することを確実に防止でき、止水性能についての信頼性と安全性を向上させることができるし、躯体コンクリート４中に埋設されている加温管路網８からの万一の漏水にも対処し得る。さらに、上記実施形態と同様に貯槽に要求される気密性と液密性はメンブレン材６により確保されるが、この止水膜２０は気密性と液密性についての二次バリアとしても機能するものとなるので気密性と液密性の向上にも寄与し得るものとなる。
なお、止水膜２０の取り付け構造やその手法によっては、たとえば図示しているように止水膜２０と躯体コンクリート４との間に若干の空隙２４が生じてしまうこともあり得るが、そのような空隙２４が生じたとしても止水膜２０が健全である限りは保冷材５側への漏水は防止されるので特に支障はないし、寧ろ、その空隙２４によって止水膜２０と躯体コンクリート４とが絶縁（縁切り）されることにより、躯体コンクリート４の熱変形の影響が止水膜２０に及んでしまうことが回避されるので好ましいともいえる。

さらに、本実施形態では、躯体コンクリート４が万一ひび割れを生じるというリスク自体を低減させるべく、躯体コンクリート４と二次吹付コンクリート３との間に敢えて空隙２１を確保するものとしている。
すなわち、岩盤の表面に吹き付けられて形成される吹付コンクリート（本実施形態では一次吹付コンクリート２および二次吹付コンクリート３）は自ずと岩盤と確実に一体化し、したがってそれらは熱的にも岩盤と一体に挙動する（同様に熱変形する）ものとなるが、吹付コンクリートの表面上に後打ちされて形成される躯体コンクリート４は必ずしも吹付コンクリートとは一体に挙動せず、それらの間には熱的な相対変形が生じることが想定される。そのため、吹付コンクリートの表面上に単に躯体コンクリート４を一体に形成しておくと、岩盤に強固に一体化している吹付コンクリートによって躯体コンクリート４の熱変形が拘束されてしまい、それに起因して躯体コンクリート４には無視し得ない熱応力が生じ、それに起因するひび割れの発生も想定される。
具体的には、躯体コンクリート４の温度は吹付コンクリートよりも自ずと低温となるのでその熱収縮量は吹付コンクリートよりも大きくなるが、その熱収縮が拘束されることによって躯体コンクリート４には引っ張り応力が生じ、それがひび割れの原因となる。

そこで本実施形態では、図６（ａ）に示すように二次吹付コンクリート３の内側に躯体コンクリート４を後打ちして形成する際に、それらの間に敢えて空隙２１を確保して双方を積極的に絶縁（縁切り）しておくこととし、それにより躯体コンクリート４の熱変形を拘束することなく吸収して躯体コンクリート４に熱応力とそれに起因するひび割れが生じることを有効に防止でき、その結果、躯体コンクリート４の止水性能についての信頼性をより向上させることができるものとなっている。
なお、躯体コンクリート４にひび割れが生じることを想定した場合には、躯体コンクリート４と二次吹付コンクリート３との間に敢えて確保する上記の空隙２１や、上述したように止水膜２０と躯体コンクリート４との間に形成されてしまうことのある空隙２４に地下水が浸入してくることも想定される。その場合も、いずれは空隙２１，２４から排水管路網７を通して排出されてしまうので特に支障はないと考えられるが、必要であればそれらの空隙２１，２４から積極的に排水するための適宜の排水経路を適宜位置に設けておけば良い。

次に、図７〜図９は本発明の第３実施形態を示すものである。これは、図１〜図４に示した第１実施形態を基本とするものであるが、第１実施形態の場合よりも躯体コンクリート４の厚さを大きくしてその外周部側に加温管路網８を埋設することにより、躯体コンクリート４の外周部のみを加温してそれよりも外側のみを凍結温度以上に維持するに留め、躯体コンクリート４の内周部は積極的に加温せずにそこでは凍結温度以下になることを許容するようにしたものである。
すなわち、上記第１、第２実施形態ではいずれも躯体コンクリート４全体を可及的に均等に加温してその全体を凍結温度以上に維持するように、躯体コンクリート４の厚さ方向の中央部に加熱管路網８を埋設していたのであるが、本第３実施形態では躯体コンクリート４を厚くしたうえで加温管路網８を躯体コンクリート４の中央部よりも外周側にずらした位置に埋設して、躯体コンクリート４の外周部に対しては適切な加温を行って凍結温度以上に維持するが、内周部に対しては敢えて加温せずにそこでは凍結温度以下となって凍結が生じるようにしている。

したがって本実施形態においては、図７に示しているように躯体コンクリート４中の加温管路網８の内側の位置に凍結線Ｆが形成され、その外側の躯体コンクリート４の外周部と吹付コンクリートおよび周囲岩盤には上記第１、第２実施形態と同様に凍結が生じることがなく、それにより凍結膨張による悪影響が排除されるとともに、排水管路網８の凍結も防止されて周囲地下水を集水し排水する機能も支障なく確保されるものとなっている。
一方、凍結線Ｆの内側の躯体コンクリート４の内周側は従来一般の凍結式の貯槽の場合と同様に安定な凍結領域が形成され、それが二次バリアとして機能して躯体コンクリート４に要求される止水性や気密性、液密性を有効に補償し得るものとなっている。
つまり、本実施形態は躯体コンクリート４の厚さの範囲内に凍結線Ｆが生じるように制御することにより、上記第１、第２実施形態と同様に躯体コンクリート４の外側を非凍結状態に維持することによる得られる効果と、従来一般の凍結式の貯槽の場合に得られる凍結による効果の双方を併せて得られるものとなっており、極めて合理的であり有効である。

図８〜図９は躯体コンクリート４に対する温度制御のための解析例を示すものである。
本解析は、第１実施形態の場合と同様の半径１０ｍの円形断面の空洞の内面に、一次吹付コンクリートおよび二次吹付コンクリートの厚さをそれぞれ１０ｃｍ、躯体コンクリートの厚さを１５０ｃｍ（第１実施形態の場合は５０ｃｍ）、保冷材の厚さを３０ｃｍとした覆工を形成し（したがって貯槽としての有効半径が８ｍ）、躯体コンクリート中の外周部に３２本の配管を空洞の軸方向に沿わせて周方向に等間隔（中心角１１．２５度）で配設することとして、その埋設位置を空洞中心から９．５５ｍの位置（躯体コンクリート４の内面から１２５ｃｍ、外面から２５ｃｍの位置）とした場合の例である。覆工材および岩盤の熱物性値は図８に示すとおりである。

上記の貯槽に対してＬＮＧ（−１６２℃）を貯蔵する場合における貯蔵開始後の躯体コンクリートおよび周囲岩盤の温度変化の解析結果を図９に示す（貯蔵開始初日のみは＋１５℃にてクールダウンとした）。
（ａ）に示すようにブラインを循環せずに躯体コンクリートを加温しない場合には、当初は１８℃であった躯体コンクリートや周囲岩盤の温度が次第に低下していき、貯蔵開始１８０日後には躯体コンクリートの内周部が０℃以下になって凍結し、５４５日以前に周囲岩盤まで凍結が進行してしまい、５０年（１８２５０日）後には躯体コンクリートやその直近の岩盤温度は−５０℃〜−４０℃にもなることが分かる。
それに対し、第１実施形態および第２実施形態のように加温管路網に平均温度＋１０℃のブラインを循環させた場合には、（ｂ）に示すように貯蔵開始後５０年（１８２５０日）を経過しても躯体コンクリートの全体が０℃以上に維持され、その外側の岩盤も非凍結状態に維持されることが分かる。
そして、本第３実施形態においては（ｃ）に示すように加温管路網に平均温度＋５℃のブラインを循環させることにより、貯蔵開始後４５日程度で躯体コンクリートの内周部が０℃以下となって凍結するものの、その後は長期間が経過しても躯体コンクリートの外周部では０℃以上が維持されて凍結することはなく、その状態は貯蔵開始後５０年を経過しても安定に維持されることが分かる。したがって躯体コンクリートに対してそのような適切な加温制御を行うことのみで、躯体コンクリートの内周部にのみ安定な凍結リングを永続的に形成でき、かつ躯体コンクリートの外周部およびその外側の吹付コンクリート、周囲岩盤の凍結は有効に防止できることが確認できた。

なお、上記解析における諸元はあくまで一例に過ぎず、加温媒体の温度、加温管路網の埋設位置や経路、躯体コンクリートの厚さその他の諸元は、貯槽の規模や、貯蔵するべき低温流体の温度、周囲岩盤の性状その他の諸条件を考慮して最適設計すれば良い。
また、上記のように躯体コンクリートは内周部が０℃以下に維持されかつ外周部においては０℃以上に維持されることから、躯体コンクリートにはそのような温度勾配による熱応力が生じるが、従来一般の凍結式の貯槽のように加温しない場合に比較すれば躯体コンクリート全体の温度低下ははるかに小さいので、そのような熱応力に対しては躯体コンクリート中に適宜の補強筋を配筋することで支障なく対処し得るし、躯体コンクリートの肉厚は自ずと大きくされているのでその配筋作業も容易に行うことができる。

また、上記第３実施形態は第１実施形態を基本としたが、第２実施形態を基本としてさらに止水膜を２０を設けても良い。すなわち、第３実施形態において躯体コンクリート４の内周部を形成される凍結領域は止水性、気密性、液密性に対する二次バリアとして機能するので、第２実施形態のような止水膜２０は省略しても差し支えないが、第２実施形態と同様に躯体コンクリート４と保冷材５との間に止水膜２０を形成すれば、躯体コンクリート４の内周部に充分な凍結が万一生じないことを想定した場合であっても止水膜２０によって止水性や気密性、液密性を確実に補償することができ、より万全である。
また、第２実施形態と同様に、躯体コンクリート４と二次吹付コンクリート３との間にそれらを絶縁するための空隙２１を確保しても良い。
勿論、本第３実施形態の貯槽の施工は、躯体コンクリート４の厚さと加温管路網網８の埋設位置を変更すること以外は、第１、第２実施形態と全く同様の工程により実施することができることはいうまでもない。

本発明の第１実施形態である低温岩盤貯槽の概略構成を示す横断面図である。 同、排水管路網を示す側面図である。 同、加温管路網を示す側面図である。 同、加温による効果を実証するための解析結果を示す図である。 本発明の第２実施形態である低温岩盤貯槽の概略構成を示す横断面図である。 同、覆工の詳細を示す図である。 本発明の第３実施形態である低温岩盤貯槽の概略構成を示す横断面図である。 同、熱伝導解析における熱物性値を示すものである。 同、熱伝導解析結果を示すものである。

符号の説明

１ 空洞
２ 一次吹付コンクリート
３ 二次吹付コンクリート
４ 躯体コンクリート
５ 保冷材
６ メンブレン材
７ 排水管路網
８ 加温管路網
１０ 作業坑
１１ 排水溝
１２ 集水ピット
１３ プラグ
１４ 主管路
２０ 止水膜
２１ 空隙
２２ アンカー
２３ 充填材
２４ 空隙

Claims (7)

1. 岩盤内に掘削された空洞の表面に、吹付コンクリート、躯体コンクリート、保冷材、メンブレン材からなる覆工が形成され、その内部空間が低温流体を貯蔵するための貯槽とされるメンブレン式の低温岩盤貯槽であって、
   前記吹付コンクリート中に、周囲岩盤から地下水を集水して排水するための排水管路網が埋設され、
   前記躯体コンクリート中に、温水やブライン等の加温媒体を循環させることにより、躯体コンクリート、吹付コンクリートおよび周囲岩盤を凍結温度以上に維持するための加温管路網が埋設されてなることを特徴とする低温岩盤貯槽。
2. 岩盤内に掘削された空洞の表面に、吹付コンクリート、躯体コンクリート、保冷材、メンブレン材からなる覆工が形成され、その内部空間が低温流体を貯蔵するための貯槽とされるメンブレン式の低温岩盤貯槽であって、
   前記吹付コンクリート中に、周囲岩盤から地下水を集水して排水するための排水管路網が埋設され、
   前記躯体コンクリート中の外周部に、温水やブライン等の加温媒体を循環させることにより躯体コンクリートの外周部とその外側の吹付コンクリートおよび周囲岩盤を凍結温度以上に維持しつつ、躯体コンクリートの内周部を凍結温度以下に維持するための加温管路網が埋設されてなることを特徴とする低温岩盤貯槽。
3. 請求項１または２記載の低温岩盤貯槽であって、
   空洞は基端側から先端側に向かって上り勾配を有するトンネル状に形成され、該空洞の底部に、排水管路網により集水された地下水を基端側に向けて自然流下させて排出するための排水溝が設けられてなることを特徴とする低温岩盤貯槽。
4. 請求項１，２または３記載の低温岩盤貯槽であって、
   躯体コンクリートと保冷材との間に止水膜を介装してなることを特徴とする低温岩盤貯槽。
5. 請求項１，２，３または４記載の低温岩盤貯槽であって、
   吹付コンクリートと躯体コンクリートとの間に、それら吹付コンクリートと躯体コンクリートとの相対的な熱変形を吸収するための空隙を確保してなることを特徴とする低温岩盤貯槽。
6. 岩盤内に掘削した空洞の表面に、吹付コンクリート、躯体コンクリート、保冷材、メンブレン材からなる覆工を形成し、その内部空間を低温流体を貯蔵するための貯槽とするメンブレン式の低温岩盤貯槽を施工するための方法であって、
   トンネル状の空洞を基端側から先端側に向かって上り勾配で掘進するとともに、掘進に伴って周囲岩盤から空洞内に流入してくる地下水をその底部に設けた排水溝により坑口側に自然流下させて排水し、
   空洞内面にコンクリートを吹き付けて吹付コンクリートを形成するとともに、該吹付コンクリート中に、周囲岩盤から地下水を集水して排水するための排水管路網を埋設し、
   前記排水管路網により周囲岩盤からの地下水を集水し前記排水溝を通して排水しながら、吹付コンクリートの表面にコンクリートを打設して躯体コンクリートを形成するとともに、該躯体コンクリート中に、温水やブライン等の加温媒体を循環させるための加温管路網を埋設し、
   躯体コンクリートの表面に保冷材を取り付けるとともに、該保冷材の表面にメンブレン材を取り付けて覆工を完成させた後、
   低温流体の貯蔵を開始するに先立ち、前記加温管路網に加温媒体を循環させて、少なくとも躯体コンクリートの外周部とその外側の吹付コンクリートおよび周囲岩盤の温度を凍結温度以上に維持することを特徴とする低温岩盤貯槽の施工方法。
7. 請求項６記載の低温岩盤貯槽の施工方法であって、
   吹付コンクリートの表面にコンクリートを打設して躯体コンクリートを形成する際にはそれらの間に空隙を形成し、
   躯体コンクリートの表面に保冷材を取り付ける際にはそれらの間に止水膜を介装することを特徴とする低温岩盤貯槽の施工方法。

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