JP2013036177A - 集水管の施工方法、集水管の施工装置、集水管の施工構造 - Google Patents

Abstract

【課題】集水管の目詰まりを防止して長期的に安定した取水能力を維持することができる集水管の施工方法、集水管の施工装置、集水管の施工構造を提供する。
【解決手段】集水井の側壁２から周囲の帯水層４に向けて集水管３を施工する集水管３の施工方法において、帯水層４に挿入した集水管３に振動を加えて、管周辺の細粒子７を除去する。また、集水管３を帯水層４に集水管３の施工箇所の土を押し出しながら圧入して管周辺に粗粒層を形成する圧入工程と、集水管３に振動を加えて、管周辺の細粒子を除去する振動工程と、を同時に又は繰り返し行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、特に多量の地下水を取水することができる集水井に取り付ける集水管の施工方法、集水管の施工装置、集水管の施工構造に関する。

飲料等の生活用水、工業及び農業等の産業用水として、地表水（河川水、湖沼水など）・地下水・再利用水が利用されている。このうち地下水は、土中の帯水層まで掘削した井戸から取水して確保することができる。特に、産業用水など多量の地下水が必要な場合には、効率的に大量の地下水を確保することができる次のような集水井が利用されている。

図７は従来の集水井の説明図であり、（１）は側面の断面図であり、（２）は（１）のＡ−Ａ線の断面図である。
図示のように、従来の集水井１は、井筒２と、集水管３を主な基本構成としている。井筒２は、円筒形状の筒本体からなり、地表から所定深さの帯水層４まで掘削した掘削穴に埋設している。井筒２の材質としては、強度等を考慮して鉄筋コンクリート又は金属材料を適用することができる。井筒２の長さは、地表から帯水層４まで達する長さに設定している。井筒２の直径は、集水管３を圧入する水平ボーリング工事に必要なスペースを確保できる長さに設定する必要がある。そして、外部の帯水層４と接する井筒２の側壁には、壁面に沿って複数の挿入孔５が形成されている。この挿入孔５には、内側から外側の帯水層４に向けて、集水管３を圧入している。

集水管３は円筒状の配管であって、管面に複数の集水孔が形成されている。この集水孔は所定の孔径に設定されており、帯水層４から地下水を管内に導入することができる。集水管３は、井筒２を中心として、水平放射状に突き出すように取り付けられている。集水井１は、この突き出し分だけ井戸半径を大きくすることができ、大量取水に有利な構造となる。

このような集水井１は、一例として、内径が４ｍ〜７ｍの鉄筋コンクリート又は鋼製の井筒２を用いて、井筒２から水平放射状に多孔の集水管３を突き出した構造となる。集水管３の設置深さ、本数は、帯水層４の現場状況によって異なり、帯水層４の１段当たりの本数を６本から３０本に設定することができる。また帯水層４の段数は２段〜３段、集水管３の長さは５ｍ〜３０ｍ程度に設定することができる。

図８は従来の集水管の施工方法の説明図である。
従来の集水管の施工方法は、ボーリングマシーンによる打撃、回転、フィード（給進）を併用した二重管掘削方式を採用している。
まず（１）に示すように、内管８ａと外管８ｂから構成される二重管８の先端にドリルヘッドを取り付けて、このドリルヘッドにより、打撃、回転させて集水管の長さに相当する長さまで掘削する。

次に（２）に示すように、掘削後、二重管８の内管だけを引き抜く。そして（３）に示すように、内管に替えて集水管３を外管８ｂの内側に挿入する。
次に（４）に示すように、外管を引き抜く。このとき、外管で抑えられていた外管の管周辺の地下水と土砂が井筒２内に一気に流入する。そして（５）に示すように、井筒２の挿入孔５と集水管３の間にパッキン９を設置して、集水管３の管周辺からの地下水と土砂の流入を止める。この操作を井筒２に形成した挿入孔５に対して繰り返して行う。

このような集水井１によれば、施工が容易で、一例として、１００００ｍ^３／日以上の大量の地下水を確保することができる。
前記集水井を用いた取水方法・装置として特許文献１，２が挙げられる。

特許文献１には、浅井戸の胴囲に多孔状の集水管を放射状に設けて、砂礫層の周域を高圧エアー、高圧水で洗浄し、浅深度の地下水を取水する地下水の広域取水方法が開示されている。
特許文献２には、地下水を貯留する貯水部の内側から外側に向けてスライドして集水管を地中に圧入する圧入部を備えた集水管埋設装置が開示されている。

特開２０００−９６６３４号公報 特開２００９−２６４０５９号公報

図９は従来の集水管の施工構造の説明図である。（１）は集水管の施工前の帯水層の断面図である。図示のように帯水層４は、粗粒子６と、細粒子７とが略均等に分散した層である。このような帯水層４は、層中を流れる地下水に好適な隙間が形成されている。

（２）は、図８（１）の工程によって帯水層４に挿入された二重管８の断面を示している。二重管８を構成する外管によって、集水管３の断面径よりも大きい、外管の断面径に相当する土が取り除かれている。

（３）は、図８（４）の工程によって帯水層４に埋設された集水管３の断面を示している。外管を取り外したことにより、矢印に示す管周辺の粗粒子６及び細粒子７などの土層が緩んで、地下水が流れる隙間が形成される。このとき短期的に集水能力が高くなる。しかし、二重管掘削方式では、一旦、集水管３よりも管径の大きい孔を掘削してから集水管３の管径に戻しているため、管周辺の土層を乱すことになり、集水管３の孔に目詰まりや、細粒子７が膜状に形成されることによる土中の目詰まりによって次第に集水能力が低下してしまう。

このように取水量の低下の原因としては細粒子による目詰まりが挙げられる。ところで、従来の目詰まりしにくい土層構造としては、廃棄物処分場の集排水管や、集水埋渠が知られている。図１０は、廃棄物処分場の集排水管の説明図である。図示のように、透水層中の集水管３は管周辺に粗粒子６の層（粗粒層）を設けている。換言すれば、集水管３は粗粒層で覆われている。そして集水管３の管周辺から外部へ離れるに従って次第に粒径の小さい材量の層を構築している。このような集水管３の施工構造であれば、管周辺から外部に向けて次第に粒径を細かく設定することにより、集水管３の目詰まりを防止することができる。

しかしながら、図１０に示す集水管の施工構造を施工するには、次のように行わなければならない。まず、平面視した集水管に相当する領域を地表から帯水層の下層の難透水性層まで掘削した後、粗粒層を敷いて集水管を配置する。そして集水管の側面及び上面を粗粒層で覆う。このように図１０に示す集水管の施工方法は、いわゆる気中工程で行わなければならず、二重管掘削方式によって形成することができなかった。また地表から帯水層まで掘削すると、帯水層を損傷する可能性や、施工費用が極めて高くなるなどの問題があった。

このように従来の集水管の施工方法によれば、外管の引き抜き時に外管の外径と集水管の外径の隙間に地下水と共に土砂が瞬時に導かれて、集水管の孔の部分的な閉塞及び集水管の管周辺の土の乱れから取水効率の低下等が生じることがあった。また、図１０に示す集水管構造は、従来の圧入方式で形成することができなかった。さらに、特許文献２のような集水管の圧入工程によれば、管周辺の細粒子が粗粒子間の隙間を埋めてしまったり、細粒子による集水管の孔の目詰まりが起こったりして、取水効率が低下して長期の安定した取水を行うことができない虞がある。

そこで本発明は、集水管の目詰まりを防止して長期的に安定した取水能力を維持することができる集水管の施工方法、集水管の圧入装置、集水管の施工構造を提供することを目的としている。

上記従来技術の問題点を解決するため、本発明の集水管の施工方法は、集水井の側壁から周囲の帯水層に向けて集水管を施工する集水管の施工方法において、前記帯水層に挿入した前記集水管に振動を加えて、管周辺の細粒子を除去することを特徴としている。

この場合において、前記集水管を前記帯水層に前記集水管の施工箇所の土を押し出しながら圧入して管周辺に粗粒層を形成する圧入工程と、前記集水管に振動を加えて、前記管周辺の粗粒層の細粒子を除去する振動工程と、を同時に又は繰り返し行うとよい。

本発明の集水管の施工装置は、集水井の側壁から周囲の帯水層に向けて集水管を施工する集水管の施工装置において、前記帯水層に挿入した前記集水管に振動を加えて、管周辺の細粒子を除去する振動手段を備えたことを特徴としている。

この場合において、前記集水管を前記帯水層に前記集水管の施工箇所の土を押し出しながら圧入して前記管周辺に粗粒層を形成する圧入手段と、前記振動手段と前記圧入手段を同時に又は繰り返し行う制御手段と、を備えているとよい。

本発明の集水管の施工構造は、集水井の側壁から周囲の帯水層に向けて集水管を施工した集水管の施工構造において、前記帯水層に挿入した前記集水管に振動を加えて、前記集水管の管周辺の細粒子を除去して前記管周辺に粗粒層を形成したことを特徴としている。

上記構成による本発明の集水管の施工方法、集水管の圧入装置、集水管の施工構造によれば、集水管の管周辺に細粒子が除かれた粗粒子の層（粗粒層）、換言すれば、集水管の管周辺を粗粒子で覆った粗粒層を形成することができる。これにより、集水管が細粒子によって目詰まりして取水が低下することなく、長期間の安定した大量取水を行うことができる。
また、帯水層に直に集水管を圧入することにより、作業時間を短縮して、作業効率を向上できると共に、作業の安全性を確保することができる。

本発明の集水管の施工装置の説明図であり、（１）は平面図、（２）は側面図、（３）は正面図である。 集水管の施工装置による集水管の圧入前の側面図である。 集水管の施工装置による集水管の圧入後の側面図である。 本発明の集水管の施工方法の説明図である。 本発明の集水管の施工構造の説明図である。 本発明の集水管の施工方法及び二重管掘削方式により採取した粒土試験の説明図である。 従来の集水井の説明図であり、（１）は側面の断面図であり、（２）は（１）のＡ−Ａ線の断面図である。 従来の集水管の施工方法の説明図である。 従来の集水管の施工構造の説明図である。 廃棄物処分場の集排水管の説明図である。

本発明の集水管の施工方法、集水管の圧入装置、集水管の施工構造の実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。本発明の施工対象となる集水井１は、図７に示すような地下水を貯留する円筒形状の井筒２と、井筒２の内壁から外側に向けて突出する集水管３と、井筒２に貯留される地下水を地上へ汲み上げるポンプ（不図示）から構成されている。集水管３は、井筒２の周囲の帯水層４の地下水を、表面に設けた複数の集水孔から集水している。集水管３は、井筒２の内壁から周囲の帯水層４に向けて水平方向であって放射状に複数突出している。そして、このような水平方向の放射状に突出した複数の集水管３が、垂直方向（井筒２の軸芯）に沿って多段に形成されている。

図１は本発明の集水管の施工装置の説明図であり、（１）は平面図、（２）は側面図、（３）は正面図である。図２は集水管の施工装置による集水管の圧入前の側面図である。図３は集水管の施工装置による集水管の圧入後の側面図である。図示のように本発明の集水管の施工装置１０（以下、単に施工装置という）は、足場に設置する脚部１２と、集水管３を帯水層４へ圧入する圧入手段２０と、圧入した集水管３に振動を加える振動手段３０と、圧入手段２０と振動手段３０を制御する制御手段４０と、を主な基本構成としている。
脚部１２は、圧入手段２０と振動手段３０を支持している。

圧入手段２０は、井筒２の側壁から周囲の帯水層４に集水管３を圧入する手段である。本実施形態の圧入手段２０は、一例として圧入シリンダーを用いている。圧入手段２０は、本体に、スライドヘッド２２と、圧入シリンダー（不図示）と、スライドガイド（不図示）とを備えている。

スライドヘッド２２は、圧入する集水管３を支持すると共に、圧入本体に対して圧入方向へスライドするサポート部材である。スライドヘッド２２は、上部に集水管３の端部を挟持する挟持部２３と振動手段３０を取り付けている。またスライドヘッド２２は、下部に圧入シリンダーのシリンダーシャフトを接続させている。

圧入シリンダーは、シリンダーシャフトを圧入本体に対して圧入方向に往復運動させている。圧入シリンダーは、圧入本体上に圧入方向に沿って複数並べて配置することができる。圧入シリンダーは、駆動源として油圧、空気圧等を用いることができる。

スライドガイドは、スライドヘッド２２を圧入方向へスライドするように支持するガイドである。
このような構成の圧入手段２０は、スライドヘッド２２の挟持部２３で集水管３を挟持しながら、圧入シリンダーの往復運動によって、スライドヘッド２２が圧入本体に対して集水管３の圧入方向へスライドして集水管３を帯水層４へ圧入することができる。

振動手段３０は、帯水層４に挿入した集水管３に振動を加える手段である。本実施形態の振動手段３０は、一例としてエアーノッカーを用いている。振動手段３０は、スライドヘッド２２の上部に１個以上、好ましくは２個以上取り付けるとよい。振動手段３０は、圧縮空気によって内部のピストン３２が飛び出す構成であり、挟持部２３を介して集水管３に周期的に振動を与えることができる。なお振動手段３０は、集水管３に振動を与えることができる構成であれば、エアーノッカーの他にも、電磁ノッカー、エアー式ピストンバイブレーター等を適用することができる。

制御手段４０は、圧入手段２０と、振動手段３０と電気的に接続されている。制御手段４０は、帯水層４の粗粒子の状態に応じて、圧入手段２０による圧入工程と、振動手段３０による振動工程を同時に、又は繰り替えし行うように制御することができる。

次に、上記構成による集水管の施工装置を用いた施工方法について以下説明する。図４は本発明の集水管の施工方法の説明図である。図５は本発明の集水管の施工構造の説明図である。図４（１）に示すように、井筒２の壁面に形成された挿入孔５に集水管３を圧入可能な位置に施工装置１０を配置する。

次に、集水管３の端部をスライドヘッド２２の挟持部２３で挟持して、集水管３を施工装置１０に装着する（図２）。そして圧入手段２０の圧入シリンダーを伸長させて集水管３を挿入孔５から帯水層４へ圧入する。なお集水管３は帯水層４の現場状況によって長さが決まり、長尺となる場合には順次継ぎ足しできるように構成されている。１本目の集水管３の圧入工程が完了した後（図３）、２本目の集水管３を継ぎ足す場合には、挟持部２３の挟持状態を解除して、１本目の集水管３を開放し、圧入シリンダーを後退させる。そして２本目の集水管３の端部を同様にスライドヘッド２２の挟持部２３で挟持して集水管３を施工装置１０に装着する（図４（２））。以下、同様の作業を集水管３が設定長さとなるまで繰り返し行う。

帯水層４に集水管３を圧入する工程では、図５（１）に示すように、集水管３を圧入することにより、帯水層４における集水管の施工箇所の粗粒子を押し出して、管周辺の領域には粗粒子と細粒子が密な状態となる。

次に、帯水層４に圧入された集水管３に振動を加える（図４（３））。スライドヘッド２２の挟持部２３で集水管３を挟持している状態で、振動手段３０を作動させる。本実施形態の振動手段３０は、エアーノッカー式を用いており、圧縮空気によって内部のピストン３２がスライドヘッド２２に向けて飛び出す。このような振動手段３０の構成により、挟持部２３を介して集水管３に周期的に振動を与えることができる。

集水管３に振動を加える工程では、図５（２）に示すように、振動によって集水管３の管周辺の土から集水孔の孔径以下の細粒子を集水管３内へ導くことができる。これによって、集水管３の周辺には、集水孔の孔径以上の粗粒子が多く存在する粗粒層が形成される。

このような圧入工程と振動工程は、帯水層４の現場状況に応じて、制御手段４０により、同時に又は繰り返し行うことができる。すなわち、集水管３を継ぎ足す場合には、集水管３を１本圧入した後に振動工程を行う。そして２本目の集水管３も同様に圧入後に振動工程を行う工程を繰り返すことができる。また、継ぎ足す集水管３毎に圧入工程と振動工程を同時に行うようにすることもできる。これにより集水管３の管周辺の土層構成を高い取水能力とし、目詰まりが起こりにくい構造とすることができる。

また細粒子を集水管の内側から高圧エアーや高圧水で除去する方式では、集水孔から外側に面する細粒子を除去することはできるが、集水孔が形成されていない管周辺の細粒子は除去することができない。しかし本発明の振動工程によれば、集水管に振動を加えることによって、管周辺の細粒子を集水孔から集水管内へ導入することによって取り除くことができる。

帯水層４に集水管３を圧入した際に、粗粒子を集水管周辺に配しつつ、細粒子を排除できたことを確認するため、振動時に集水管内か流出する土砂を採取して粒土試験を行った。図６は本発明の集水管の施工方法及び二重管掘削方式により採取した粒土試験の説明図である。同図の横軸は粒径（ｍｍ）を示し、縦軸は通過質量百分率（％）を示している。図中の丸印は本発明の施工方法であり、菱形印は二重管掘削方式をそれぞれ示している。図示のように、本発明の圧入振動方式は、二重管掘削方式に比べて、集水管３の管内より除去される土砂が細かいことがわかる。また最大粒径は、本発明の場合９．５ｍｍ、二重管掘削方式の場合２６．５ｍｍであった。このように本発明の施工方法により管内から排除された土砂が、二重管掘削方式により管内から排除された土砂に対して細かいことから、粗粒子を集水管の管周辺に配し、細粒子が取り除かれたことがわかる。従って本発明の施工方法は、従来の二重管掘削方式と比べて、集水管の管周辺の土層構造を目詰まりしにくい構造とすることがわかる。

なお本発明の集水管の施工方法、集水管の施工装置は、二重管掘削方式によって帯水層に挿入された集水管に対しても行うことができる。すなわち、二重管掘削方式により帯水層に挿入された集水管に振動を加えることにより、管周辺の細粒子を除去することができ、上記実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の集水管の施工方法、集水管の圧入装置、集水管の施工構造は、取水、排水、水抜き等の水平ボーリング工事分野及び給排水、空調産業分野において特に有用である。

１………集水井、２………井筒、３………集水管、４………帯水層、５………挿入孔、６………粗粒子、７………細粒子、８………二重管、８ａ………内管、８ｂ………外管、９………パッキン、１０………集水管の施工装置、１２………脚部、２０………圧入手段、２２………スライドヘッド、２３………挟持部、３０………振動手段、３２………ピストン、４０………制御手段。

Claims (5)

1. 集水井の側壁から周囲の帯水層に向けて集水管を施工する集水管の施工方法において、
   前記帯水層に挿入した前記集水管に振動を加えて、管周辺の細粒子を除去することを特徴とする集水管の施工方法。
2. 請求項１に記載の集水管の施工方法において、
   前記集水管を前記帯水層に前記集水管の施工箇所の土を押し出しながら圧入して管周辺に粗粒層を形成する圧入工程と、
   前記集水管に振動を加えて、前記管周辺の細粒子を除去する振動工程と、
   を同時に又は繰り返し行うことを特徴とする集水管の施工方法。
3. 集水井の側壁から周囲の帯水層に向けて集水管を施工する集水管の施工装置において、
   前記帯水層に挿入した前記集水管に振動を加えて、管周辺の細粒子を除去する振動手段を備えたことを特徴とする集水管の施工装置。
4. 請求項３に記載の集水管の施工装置において、
   前記集水管を前記帯水層に前記集水管の施工箇所の土を押し出しながら圧入して管周辺に粗粒層を形成する圧入手段と、
   前記振動手段と前記厚入手段を同時に又は繰り返し行う制御手段と、
   を備えたことを特徴とする集水管の施工装置。
5. 集水井の側壁から周囲の帯水層に向けて集水管を施工した集水管の施工構造において、
   前記帯水層に挿入した前記集水管に振動を加えて、前記集水管の管周辺の細粒子を除去して前記管周辺に粗粒層を形成したことを特徴とする集水管の施工構造。