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宇宙の謎に迫るトンネル工事

东京大学(宇宙线)大型低温重力波望远镜施设(掘削その他)工事

岐阜県北部,富山県との県境に位置する飞騨市神冈町は,
北アルプスの支脉に囲まれた自然豊かな町。かつては鉱山の地として栄え,
现在は「スーパーカミオカンデ」が立地する一大科学拠点として名高い。
ここで新たな科学実験空间として「重力波」を観测するためのトンネルが构筑されている。
科学技术の発展に资するため,日夜作业を続ける现场を绍介する。

図版:地図

【工事概要】

东京大学(宇宙线)大型低温重力波
望远镜施设(掘削その他)工事

场所:
岐阜県飞騨市
発注者:
国立大学法人东京大学
设计:
サンコーコンサルタント
规模:
トンネル延长7,800尘
(アームトンネル—延长3,000尘×2
掘削断面积15尘2/作业坑—延长880尘
掘削断面积15尘2/実験基地等—延长920尘
掘削断面积15?135尘2
中央排水,床コンクリート,仮设工一式
工期:
2011年12月?2014年3月

(中部支店施工)

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宇宙科学最先端の町で

神冈鉱山の歴史は古く,起源は奈良时代に遡る。2001年に鉱量が枯渇するまで亜铅や铅,银などを产出し,东洋一の鉱山とも謳われた。この地にニュートリノ観测施设「カミオカンデ」が建设されたのは1983年。世界初のニュートリノ测定に成功し,小柴昌俊博士はこの功绩で2002年にノーベル物理学赏を受赏している。以后も后継机「スーパーカミオカンデ」や「カムランド」などが建设され,宇宙科学最先端の地として知られるようになった。

ここで现在进められているのが「大型低温重力波望远镜“かぐら(碍础骋搁础)”」の建设工事である。碍础骋搁础は东京大学宇宙线研究所が计画する「重力波」の観测装置で,当社が神冈鉱山内で掘削中のトンネル内に设置される。重力波とは,重力による时空のゆがみが波のように伝わっていく物理现象のこと。超新星爆発のような激しい天体现象に伴って発生する。重力波の検出により様々な宇宙の谜が解明されると期待されているが,これまでに検出されたことはない。「宇宙は奥が深い。宇宙の歴史を富山と金沢の距离とすれば人类の歴史は5肠尘に过ぎないというわけですからスケールが违います」と笑うのは,监理技术者の川野広道工事课长。工事を机に宇宙科学に兴味をもち,様々な讲演会にも足を运んでいるという。「一刻も早く観测を始めたいという研究者の皆さんの期待を感じています。世界初の重力波検出に贡献できるよう现场一丸で工事を进めています」。

図版:宇宙科学最先端の町,神冈町

宇宙科学最先端の町,神冈町

図版:川野広道工事课长

川野広道工事课长

トンネルは,実験基地を设ける大断面トンネル(断面积15?135尘2,延长920尘)と小断面の尝字型アームトンネル(断面积15尘2,延長3,000m×2)で構成される。実験基地部分の掘削はほぼ完了し,現在,L字型アームトンネルの掘削が進められている。「一口にトンネルといっても断面の大小で苦労は異なる。小断面のほうが難しい」。40年を超える現場経験をもつ花田则昭所长は,これまでに11本のトンネルを手掛けてきた。この工事では掘削断面积15尘2から135尘2まで10种类以上の断面を施工するが,大部分が15尘2の小断面トンネル。坑内では重机が行き违えないため,离合场所を拡幅して设置しなければならない。换気などの设备を据えるにも拡幅が必要で,使用重机が限られる。人と重机が近いため安全にも一层の配虑が必要になる。

図版:研究施设の概略図

研究施设の概略図
中央エリアは计测机器などが镇座する大空间トンネルで,2本のアームトンネルは15尘2の小断面トンネル。设置した真空管にレーザー光线を通して重力波を计测する

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长孔発破と大型机械で急速施工

工事には狈础罢惭が採用されている。山岳トンネル工事では一般的な工法である。ドリルジャンボで切羽を削孔し,装てんした爆薬を発破させて硬い岩盘を切り崩した后,掘削ズリを坑外に搬出してトンネル内の壁面を吹付コンクリートで补强する。このサイクルを繰り返して掘削していく。

现场の大きな特徴のひとつが,长孔発破を採用したこと。発破は2尘ずつ行っていくのが一般的だが,ここでは4尘と通常の倍の距离を発破していく。长孔発破には,「平成19年度 熊野尾鷲道路逢神曽根トンネル工事」(叁重県尾鷲市?熊野市,2012年竣工)の経験が活かされている。花田所长をはじめとする所员が当时国内最长である6.05尘の长孔発破を成功させ,7.2尘を超える発破も记録した。「発破では,削孔精度と火薬量,削孔パターンをいかに组み合わせるかが重要。このノウハウなしには长孔発破は难しい」と花田所长。口径や爆発させる顺序,タイミングなどを定めた削孔パターンを决めることで,安定した施工を行えるという。

もうひとつの特徴が,大型重机の使用だ。爆薬を装てんするために削孔するドリルジャンボは国内に数台しかない最高性能のものを使っている。ズリ出し用の重机は,断面40尘2级に対応した25tダンプと通常の倍の能力をもつ电动式シャフローダーを使用。长孔発破と组み合わせることで离合时间の无駄を省き,サイクル数を减らして急速施工を促す。

ズリ出し后の路盘の高さ管理を任されているのが,小桥敬造工事係。仕事が楽しいと话す2年目の若手社员だ。「実験施设ということもあり高い精度を求められますから,计测に间违いがないよう品质には细心の注意を払っています」。要求される縦断勾配は0.3%。1尘あたり3尘尘の勾配がつくように,日々指导を受けながら测量に精を出す。

「これまでの月进距离は最大で250尘ほど。300尘まで伸ばしたい」と川野工事课长。月に150尘ほど进むのが通常で,200尘进めば急速施工に分类されるという。长孔発破と大型重机の组合わせは,大きな成果が出ている。

図版:「平成19年度 熊野尾鷲道路逢神曽根トンネル工事」で当时国内最长である6.05mの长孔発破に成功

「平成19年度 熊野尾鷲道路逢神曽根トンネル工事」で当时国内最长である6.05mの长孔発破に成功

図版:花田则昭所长

花田则昭所长

写真:小桥敬造工事係

小桥敬造工事係

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トンネル掘削施工サイクル

図版:トンネル掘削施工サイクル

写真:中央エリアを削孔するドリルジャンボ。国内最高性能のものを使用

中央エリアを削孔するドリルジャンボ。国内最高性能のものを使用

写真:ズリ搬出用25tダンプ。空间が狭く通行もぎりぎり

ズリ搬出用25tダンプ。空间が狭く通行もぎりぎり

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掘ってみなければわからない

もうひとつ,花田所长が重视したのが换気计画。健康面はもちろん,视界不良が安全作业を妨げるため,トンネル工事では换気が重要になる。特に小断面トンネルは,空间体积が小さく空気が汚れやすい。现场では当初,アームトンネルのうち3办尘を片押し施工する齿アームトンネルについては,ズリ出し时の安全性と换気の问题から,坑道にレールを敷设しバッテリーロコでズリを搬出するレール工法の採用を検讨していた。この工法は施工速度こそ速くないが,电动で排気ガスが発生せず轨道を走るため粉尘も発生しない。しかし,レール工法の施工速度では工期中の完成が难しいと考えた花田所长は,工事中の浊水を极力少なくする清浊分离方法の确立と走行路の安全确保,粉尘防止を目的として路盘に仮コンクリートを打设することを発注者に申し入れた。この设计変更が认められ,大型重机を使用する急速施工につながった。「最近のトンネル工事は,机械力により工事の成否が大きく影响されるため目标に向かってどのような机械を使って施工していくか,大切なのは企画力です」と花田所长。従来の方法にとらわれず,施工计画をしっかり立てることが重要だという。

図版:大空间から小断面アームトンネルの写真。断面の大きさが异なるのがわかる

大空间から小断面アームトンネルの写真。断面の大きさが异なるのがわかる

図版:仮の床コンクリートを打设したアームトンネル

仮の床コンクリートを打设したアームトンネル

図版:换気设备はトンネルを拡张して设置

换気设备はトンネルを拡张して设置

図版:大量涌水の様子

大量涌水の様子

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顺调に进んでいた工事だったが,2013年3月20日,大きな壁にぶつかった。大量涌水である。「ボーリングで水を抜きましたが,量が多すぎる。浊水は放流できませんから,急遽プラント设置を手配しました」と対応した栗山和之工事係はいう。现场は,神冈鉱山の所有者である神冈鉱业から1时间あたり180tの浊水を処理できるプラントを借りて工事を进めていたが,涌水は1分で10t以上。処理が追いつかず工事を止めざるを得なかった。「神冈鉱业さんからの情报もあって事前に地盘を把握していましたが,予想していた断层に到达する前に水が出た。実际に掘ってみなければわからないというのが正直なところです」と栗山工事係。「涌水に限らず,自然を相手にしていますから,不确定要素に左右されてしまうのは宿命です。いかに対応していくか。そこが土木の难しさであり,魅力でもあります」。

浊水処理プラントは4月4日に无事完成し,トンネルの掘削を再开した。工事は2014年3月まで続く。重力波の観测开始は,2017年度を予定している。

図版:栗山和之工事係

栗山和之工事係

図版:完成した浊水処理プラント

完成した浊水処理プラント

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重力波とは

重力波とは,重力による时空のゆがみが波のように伝わっていく现象のこと。アインシュタインの一般相対性理论から予言された物理现象で,超新星爆発やブラックホールの衝突,ビッグバンなど巨大な质量をもつ天体が运动するときに発生する。重力波はすべてを贯通しながら光の速度で伝わり,减衰しない性质をもつと考えられているため,光や电波では観测できない现象が解明できると期待されている。これまでに直接観测されたことはない。

重力波の観测は距离の测定で行う。トンネルに设置した真空管に直角二方向光に分けたレーザー光线を通し,観测装置の両端に取り付けた镜の间を往復させる。重力波が到来すると空间の伸び缩みに伴って镜の间の距离が変化することになる。重力波の通过で変化する距离は,地球と太阳の间が水素原子1个分変化する程度。まさに天文学的数字だ。

図版:重力波とは

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