建設資材データベーストップ > 特集記事資料館 > 積算資料公表価格版 > 地下を守る技術 新しい地盤凍結技術 ICECRETE工法 ─ 環境負荷低減を目指して─

 

はじめに

地盤凍結工法は,冷媒を用いて地中の間隙水を凍結させる地盤改良技術である。
地中に埋設された凍結管と呼ばれる配管内に不凍液等の冷媒を循環させることにより凍土を造成する。
凍土は,強固で高い止水性を有し,止水壁や耐力壁としてシールド地中接続工事や地中拡幅工事など,地下空間で躯体を構築する際の仮設目的の地盤改良工法として採用されてきた。
写真−1に掘り起こした凍土を示す。
躯体等の構築が完了した際は,凍土を融解するのみであり,地中に地盤改良体などを残置しないことから,地球環境にやさしい工法である。
わが国では,1960年代に初めて施工が行われ,現在に至るまで数多くの実績を有する。
 
一般的な地盤凍結工法では,地盤を凍結させるための冷凍機にフロン系冷媒が広く使用されてきた。
しかしながらフロン系冷媒を使用することは,地球温暖化を促進させるため,現在は世界中で製造や使用が制限されている。
そこで,環境負荷低減を考慮し,フロン系冷媒に比べて極めて地球温暖化係数が小さい自然冷媒と呼ばれるNH3とCO2を用いたICECRETE工法を開発した。
自然冷媒とは,化学的に合成された物質ではなく,元々自然界に存在する冷媒である。
表−1に地球温暖化係数一覧を示す。
他の地盤改良工法と比べても,地中に地盤改良体を残さないことはもちろん,セメント系地盤改良で使用するセメントを製造する際に排出される大量のCO2も削減が可能となり,環境への影響の少なさから,自然冷媒を用いたICECRETE工法は,近年のSDGs(持続可能な開発目標)などの取組みの中で注目を集めている。
本稿では,ICECRETE工法の特長,実績を紹介する。

  • 掘り起こした凍土
    写真−1 掘り起こした凍土
  • 地球温暖化係数(GWP)一覧
    表−1 地球温暖化係数(GWP)一覧

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    1. ICECRETE工法の特長

    1-1 凍結システム

    図−1図−2に従来凍結システム図とICECRETE凍結システム図を示す。
    従来システムでは,塩化カルシウム水溶液等のブラインを地盤に埋設した凍結管に循環し,地盤から熱を奪い温められたブラインを冷凍機で冷却する。
    冷凍機でフロン系冷媒を圧縮,膨張させることにより,地中の熱を冷却水に移動させて,冷却塔から大気に放熱する。
    従来工法では,ブラインの送りと戻りの温度差分の熱量を地盤から奪って,凍土を造成する顕熱を利用したシステムであった。
     
    ICECRETE工法では,地中に埋設された凍結管に液体のCO2を循環し,地盤から熱を奪って一部のCO2が気化し,冷凍機で再液化する。
    冷凍機では,NH3を圧縮,膨張させ冷却水に熱を移動し,冷却塔で大気に放熱する。
    ICECRETE工法は,CO2の気化潜熱を利用して凍土を造成するシステムである。
    CO2の気化潜熱は,塩化カルシウム水溶液等の顕熱に比べ,単位kgあたりの熱量が約60倍とはるかに大きいため,小流量の循環量で同程度の凍土を造成することが可能となった。
     
    ICECRETE工法で二次冷媒として使用しているCO2は,大気圧下では固体(ドライアイス)と気体の状態しか存在しないが,ある一定の圧力下においては,液体の状態が存在する。
    ICECRETE工法では,この特性を生かし,0.8MPa・-45℃の液体CO2を凍結管へ循環させる。
    図−3にCO2状態図を示す。
    液体CO2は従来の-30℃の塩化カルシウム水溶液と比較して,動粘性が約1/90となり,非常に小さいことも特徴である。
    そのため,循環する配管径は約1/2,循環ポンプの動力が約1/10となる。
    また,従来では困難であった長距離送液も可能となり,送り配管と戻り配管の全長約4kmでも送液可能であることを実証実験により確認した。
    写真−2に長距離配管全景を示す。
     
    流量の低減,液体CO2の低粘性,冷凍機本体の効率化により消費電力を従来工法に比して,40%程度削減可能となった。

  • 従来凍結システム図
    図−1 従来凍結システム図
  • ICECRETE凍結システム図
    図−2 ICECRETE凍結システム図

  • CO2状態図
    図−3 CO2状態図(※1)

  • 長距離配管全景
    写真−2 長距離配管全景

  • 1-2 新しい凍結管の採用

    低粘性な液体CO2の特徴を生かし,ICECRETE工法専用の凍結管であるICチャンネルを開発した。
    ICチャンネルは,幅約50mm,厚さ5mmのアルミ製扁平多孔管で,内部に3〜4mm四方の角孔が複数存在し,その中を液体CO2が循環する構造となっている。
    液体CO2が低粘性であることから微小な孔でも圧送することが可能となり,圧力損失も小さい。
    多孔管となっているため,伝熱面積が大きくなり,熱交換率が高くなる。
    また,従来では,鋼管を凍結管として使用し,溶接で継ぎ足しながら設置作業を行っていたが,ICチャンネルは300g/mの軽量なアルミ製であり,曲げ伸ばしも容易で継ぎ目の無いシームレスな凍結管であることから,人力で引き伸ばしながら設置することが可能となった。
    図−4に鉛直凍結管構造図を示す。
    φ114.3mmのSGP管内に凍結長分のICチャンネルを2枚挿入し,凍結しない限定部は断熱材を巻いた銅パイプを使用する。
    解凍用にリボンヒーターも併せて設置する。

  • 鉛直凍結管構造図
    図−4 鉛直凍結管構造図

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    2. 施工実績紹介

    ICECRETE工法は2014年から開発を進め,現在までに数々の実証実験を実施し,優位性,安全性を確認してきた。
    これまで,シールド到達防護3件,推進管接続防護工事2件の施工実績を得た。
    その中の2件を本稿にて紹介する。

    2-1 森ヶ崎シールド到達防護凍結工事
    (1)工事概要

    東京都下水道局では,水再生センターの再構築時に不足する水処理,汚泥処理能力の相互補完や,災害時におけるバックアップ機能の確保を目的とし,水再生センター間を連絡管で接続する事業を進めている。
    その中で,東京都芝浦水再生センターと森ヶ崎水再生センターを結ぶシールドトンネル工事の到達防護工にICECRETE工法が採用された。
    表−2に工事概要を示す。

  • 工事概要
    表−2 工事概要

  • (2)到達防護凍結工

    シールド機が到達立坑に設置された鋼製受入れ室に到達した後,鋼製受入れ室解体作業を安全に実施するために,シールドマシンと到達立坑の間に止水を目的として凍土を造成した。
    施工深度70m,約0.65MPaの被圧された状態での到達防護凍結工であった。
    シールド機にICチャンネルを貼付凍結管として設置し,立坑側は鋼製受入れ室構築時に埋込凍結管を設置した。
    シールド内の貼付凍結管で止水凍土を造成維持し,到達立坑とシールド機に最終仕上げとして止水鉄板を溶接する際の入熱対策として立坑側の埋込凍結管に液体CO2を循環した。
    図−5に平面図,図−6に断面図,
    写真−3に坑内凍結設備,写真−4にICチャンネルを示す。

  • 平面図
    図−5 平面図

  • 断面図
    図−6 断面図

  • 坑内凍結設備
    写真−3 坑内凍結設備
  • 貼付ICチャンネル
    写真−4 貼付ICチャンネル

  • 2-2 江東幹線推進管接続防護工事
    (1)工事概要

    江東幹線は浸水被害低減のため東京都下水道局が地下約30mに設置したシールドトンネルであり,内径φ6.0m,延長約4.3kmの巨大な下水道管である。
    本工事では,既設の人孔と新設した江東幹線を刃口推進(推進管外径φ3.5m)により接続した。
    その掘削防護としてICECRETE工法が採用された。
    表−3に工事概要を示す。

  • 工事概要
    表−3 工事概要

  • (2)掘削防護凍結工

    シールド坑内から水平凍結によって凍土を造成維持した。
    既設人孔のRC連壁との凍着を確保するために,地上から鉛直凍結管を設置した。
    断面図を図−7,平面図を図−8に示す。
     
    地上部に,凍結設備を設置するスペースが無いため,坑内に設置した冷凍機からCO2を供給する必要があった。
    地上の鉛直凍結管へCO2を供給するために,シールド坑内から既設人孔へ連絡管を設置し,既設人孔内に40Aのフレキシブルホースを40m立ち上げ,既設人孔の点検口であるマンホールから配管を接続し,CO2を供給した。
     
    凍土造成完了後は,出水することなく無事に推進工事を完了した。
    凍土掘削状況と接続完了後を写真−5写真−6に示す。

  • 断面図
    図−7 断面図

  • 平面図
    図−8 平面図

  • 凍土掘削状況
    写真−5 凍土掘削状況
  • 推進管設置完了
    写真−6 推進管設置完了


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    3. おわりに

    ICECRETE工法は,自然冷媒を使用した凍結システムを採用し,消費電力削減,地球温暖化緩和に寄与する地球環境にやさしい地盤凍結工法である。
    また,新しい凍結管であるICチャンネルを採用することで施工性が向上し,工期短縮にも寄与する。
    現在も適用範囲拡大に向けて,継続的に研究開発を行っている。
    近年のSDGsなどの取組みに建設産業として応えるためにも,さまざまな場所で適用されることを望み,さらなる発展を目指していく所存である。

     
     

    参考文献
    (※1)(社)日本産業・医療ガス協会 炭酸ガス分科会:液化炭酸ガス取り扱いテキスト,PP.4,2009


     
     
     

    ケミカルグラウト株式会社
    塩屋 祐太

     
     
    【出典】


    積算資料公表価格版2021年10月号
    積算資料公表価格版

     
     

     

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