名神高速道路天王山トンネル換気設備

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名神高速道路天王山トンネル換気設備

VentilatlngFacilitiesatTennozanTunnelofNagoya-KobeExpressway

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Akira Sakamoto

内

容

梗

_概

‖柵3咋7ノ115日･日本道路公団名神高速道路の一部が閑地したへこの高速道路にある,延長約1,500m の天￣仙トンネルは,わが国における,道路技術の総力をあげてうと成したもので,現在日本において計耐トの 各トンネルのモデルケースとなるものである｡ 日立製作所においてほ,関門トンネルに引き続いて,天三仙トンネルの換気も設備を製作光成した｡ここに本 トンネル換気設備の送風機およびその付属品についての概要を紹介する｡ 西ノ宮

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凡 例 ･･-････････名神高速道港間通区間 --･-一名神高速道路(エ享刊 = 7姐国道/号･2号 -⊂トーインターチェンジ コ屯国鉄東海道本腺 恥国鉄新幹線(エ書中) t■ 大都市市彷 ● 都 _市 一府県界

1.緒

口 名神高速道路は,小牧と西宮を結ぷ約191kmのわが国における 最初の高速道路で阪神と中京の2大経済圏を結び,自動申輸送量の 増大とスピードアップをはかるた捌こ計画されたもので,わが国に おける道路技術の総力がかけられ,昭和32年10月に着手され,全 線の開通を急いでいるものである｡ 本年7月15日より,この名神高速道路の栗東インターチェンジよ り尼崎インターチェンジまで71kmが開通された｡この区間にある 天王山トンネルは,日本で3番目の長さのトンネルとなっている｡ このトンネルにほ自動車の排気ガスをトンネル外に排出するため の換気装置が設けられており,換気方式は半縦流方式を採用してい る｡これは既設の関門トンネルの構流方式を簡略化したもので,日 本では初めての試みであり,今後日本における高速道路トンネルの モデルケースになるものと考えられている｡ トンネル内における自動車の煤煙と一酸化炭素を検出し,すべて 自動的に8∼12段階に換気量を制御するもので,関門トンネルにひ きつづいて換気装掟,中央遠方監視制御装置,一酸化炭素検出装置 などを日立の総合技術により製作したものである｡

2.自動車トンネル換気方式

2･1換気方式の概要 一般に自動車トンネルの換気方式は次の3種類に大別される｡ (A)横流式換気方式 (B)半横流(または半縦流)換気方式 (C)艇流式換気方式 横流式とはトンネル車道の上下などにダクトを設仇トンネルの 横断面に沿って空気を流して換気を行なう方法で,2,000m以上の 長大トンネルや都市トンネルにおける交通量が多く,しかも停滞し やすい場合などに採用される｡ 縦流式は前者とは反対に,トンネルの入口部またほ中央部などに 送風機を取り付け,吐出圧力を利用して, * 日立製作所川崎工場 トンネル延長方向にジェ 第1表 各換気方式 ＼ -､---___､､換気方式▼￣ 項i] の _比較

横流式【

半縦流式 縦 流 式 掘 削 断 面 ダ _{ク ト 断} 倍音 交 通 _{方 向} 幅 員 良 人 換 気l互 閃 長 尾大換気￣･棚巨トンネ′レ延長 火災に対する安全性 二【二 _{]‡ 壬哲} 大 大 いづれでも吋 関係なし 約1,000mまで 1王坑があわ 大 大 信 扱 _{他l 大} 中 中 一方向が可 大なる方が良い 約700mまで 約1,400mまで ′ト 巾 中 小 な し 一方向が叫 大なる方が良い な し 小 小 ソト流を吹かせて,トンネル内空気を縦方向に流し,トンネル出口 より排気する方法で,ごく短いトンネルや一定時間に通過する鉄道 トンネルなどに採用されている｡ 半縦流式は前2老の中間のもので,横流式における給排気ダクト の1方の克を設け,たとえば給気ダクトを設けて,トンネル内に新 鮮な空気を送f)ここち,トンネル車道部を排気ダクトに利用している もので,1,500m程度までのトンネルや1方向トンネルに交通換気 を利用できるので採用されている｡これらの換気方式は,いずれも 長所,短所をもっておF),トンネルの延長,交通量,勾配,地形な どを考慮して,もっとも経済的な方法を総合的に決定すべきであ る｡おもな比較を舞1表に示す｡また各換気方式の系統図を弟1∼ 3図に示す｡ 2･2 _{半縦流方式の換気計算} 天王山トンネルに採用した半縦流式の換気に関する決定数値につ いて説明する｡ トンネル換気の目的は自動車の排気ガス中に含まれている有害成 分を除去することで,日本においてはディーゼル車が多いので,排 気ガス中の煤煙をトンネル外に排出するのが第1の目的となり,次

いで人体に猛毒性のある一酸化炭素を稀釈して,排出することとな

る｡ いま中種別交通量を弟2表のように推定して換気量を煤煙に対し て次式により算出した｡なお一酸化炭素よりの換気量は少ないので 除外した｡

ー24-名

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1955 第2表 車種別 交通 量推定値 ト ラ ッ ク r バ ス

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1一子 //ノ.′ イナ 進行方向 排 気 第1図 桟 流 式 換 気 方 式

阿:二＼一し-し-し-し-＼

一進行力向 排 気 ′,∵ 第2図 -､ll縦流式換 気 方 式 / 推 比 項 目 `定 交 車 ＼ 通 主丘 率 種 ＼ (台/時) (%) 1台当たり排気丑(m3/km) 1台当たり燃料消雪苧量(J/km)

書写】至工竺l書写L至ユ聖l書写

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表ミミ±±±±

進行方向 梯 気

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ハV A r ∬ に こ こ 〃 (7 第3図 縦 流 式 換 気 _二方式

3げ＋J自￣聯オ

ノ￣訂好･∬ 換気量(m3/s/km) トンネル1kmの内容積(m3) 日動申の間隔時間(s) 許容煤煙濃度 煤煙量 煤煙量の標準偏差 また所要風圧を決定する各要素には次のものがある｡ (1) (2) (3) トンネル車道部圧力分布 トンネル天井ダクト部圧力分布 接続ダクト部圧力損失 (4)吸込郡圧力損失 (1)のトンネル車道部圧力分布は次式により求められる｡

凡一見=(昔)2(1＋孟J)J2÷

如÷卜2±帖(貰う＋与(芸ザ)･

県 民 ヴ A ス β に こ こ α Ⅴ丁 (1) (2) 中性点におけるトンネル内圧力(mmAq) 小性点よりJmのトンネル内風圧(mmAq) トンネル長さ1m当たり換気最 トンネル車道部面積(m2) トンネル壁面摩擦抵抗係数 トンネル車道部代表寸法(m) 交通換気常数 車速(m/s) 自然風と交通換気より,第4図に示す中性点 (m3/s/m) ■＼＼＼､､､

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第4図 _{トンネル車道部旺力分布} 爪) しユ)

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①た一哉=去帆2(去-1)

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』県=((1＋吉)が＋(;2-1)帆2i古

見∼一哉=去㍑2(芸一1ト

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ス ここに Pr (トンネル内換気流 ..(3) …(4) ..(5) バルクヘッドよりJmの点におけるダクト内圧力 (mmAg) 月):バルクヘッドの圧力(mmAq) か:トンネルダクト代表寸法(m)

1956 _{昭和38年12月} ス:トンネルダクト壁面摩擦抵抗 Ⅴ:ダクト内風速(m/s) 』県:J点における分岐点とトンネル内と の圧力差(mmAq) 〃:スロット吹出し速度(全開時) (m/s) ∈:スロットの抵抗係数 (2:分岐損失係数 以上よりトンネル換気の仕様を次のように決定され た｡ トンネル延長 幅 員 天 井 高 さ 勾 配 換 気 延 長 交 通 量 換 気 量 所 要 風 圧 3. 上り 1,453m 下り 1,389m 8.7m 4.5m 上り _一0.88%＼ 下り _＋1.59%＼ 約700m 2,000台/時 300m3/s(トンネル全長に対し) 50∼80mmAq

換気装置の概要

天王山トンネルの換気方式は,舞d図のトンネ′いF 上土 シャッタ部 タンパ＼ 異形 管＼＼ 送風綴 ベルマフス管 竪 杭// 電動槻 上リ 面図に示すように,新鮮な外気を天井ダクトに設けた 5m一ピッチで1mxO.155mx3ケ所のスロット吹出 ロより車道に送り,申両の排気ガスで汚染された空気 は,車道空間よりトンネル両坑口に押し出さカ1て排出する半縦流式 換気法である｡トンネルは中心間隔30mの上下2本とし,トンネ ル延長約1,400mで,2車線の幅員となっておi),トンネル中退上 部の弓形状トンネルダクトは,トンネル延長の中央部より東西に 700mづつに区切られ,コンクリート接続ダクトにより西口,東口 の各坑口付近に設置された換気塔の送風機に接続されている｡ この換気塔には上下線用として,各2台づつ計4台の送風機が据 え付けられ,東口,西口合計8台の送風機が使用されている｡換気 は給気を主体とし,交通量に応じて運転台数1∼2台,回転速度2 種類(電動機の極数変更による),および動翼の取付角度8種頸を適 宜組み合わせて,8∼12段階に風量制御を行なう｡またトンネル内 にて自動車の火災発生のときは,急きょ送風機を逆転させて,最大 風量にて排風するものであり,この動作ほすべて火災感知器により 自動制御となっている｡弟7図ほ換気塔とトネルとの関係を立体的 に示したものである｡

4.換

気

塔

換気塔の概略構造および寸法を弟8図に示す｡2階建にて吸込塔 が高く,屋上より突き出してお声),1階には送風機,ダンパなどが 据え付けられた送風牧童と,電動機,減速機などが据え付けられた 電動機宅がある｡送風機搬入部は床面積を広くしてあi),送風機, 電動機などの分解,運搬には送風機室と電動機宅にクレーンを設け て便利にしてある｡ 電動機室の2階は電気室になっており,4台の電動機盤,極数変 更盤,可逆制御盤,ローカル盤,COメーター,補機接触器などが 据え付けられている｡ また換気塔とl､ソネルダクトとを接続しているコソグリートダク トには,切換シャッター3台が取り什けられており,こかによぎ)4 台並列の中央の2台はL￣F線に切換えが可能である｡ これらの作り御は約1,500m離れた中央制御室よりCOメータお 損気杭内

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損 第45巻 第12号 エア￣トラッフ_■＼ 土リ † 【 l † ＼ □ ′

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1 シャッタ部 気塔 ベルマウス管 ーー+ト__+ 損気坑内 パ 管 綴 抗 格 ∪ ￣F†_｢ ダ 異 送 堅 ＼電 11 換

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第6図 ト ン ネ _{ル 平 面 図} 送気口 :知 $ (′ ′ パ 退京カト 珍 ナトリウム灯 信号灯 亀話桟 煙簑透過季判定薬置 火災感知器 (′ へぢbヒ

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シーいソ夕空 丁ヽ タゝバ/ 異粁哲 ナトリウム灯(増幻皇B) 空気 立坑 声風粍 第7図 換気塔およびトンネル立体図 JdJJJ ーン ｢[.[上 /､..しノ 4∬♂十く占〟 第8図 換 走行クレーンJ亡 一--侶脱7 電気枚械室 ベルマウス 気 塔 ＼ 霞気重 換気塔 霞動線 電動粍 減速機 軸 受 送風機 異形管 風管取付金具 ダンパ よび煙霧計と連動して,自動制御を行なえるようになっている｡

5.送

風

機

本送風機の仕様は次のとおりである｡ 形送 排 凧 風 送 排 風 全 風 温 式 _{3,000mml段直管形,正逆転,} 動静巽可変ピッチ式歯車減速,軸 流送風機 景 _75m8/s 肝 度 回 転 数 電 動 楼 出 力 電 動 機 極 数 50∼80mmAq(常用65mmAq) 0∼20℃(ただし火災時は100℃) 420/315rpm lOO/70kW 6/8極 動翠f小生要二む範閃および速度 200度(2.250/s) 静男草/勺圧変更範｢吼 速度 200度(90/s) 動賀設定角度種煩 9種類

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J♂ イβ 〟 〃･〃 β♂ ββ 〝♂ 凪よ王比(ク;J 第9図 プロペラフアンの各種コントロール 方式の効率比較 釦 郎 ハレ っn 2() 〝 β / へ叩ご 播庶〃類

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J♂ 〃♂ ∬ 仰 7(7 _ββ ゴβ 岨呈比(%) 仰 第10図 プロペラフアンの各種コントロール 方式の効率比率(2速度の場合) この送風機の風量調節方法はトンネル内交通量に応じて,1ダク トに対し送風機2台,回転数2段,動翼角度8種類を適宜組み合わ せて,送風量40∼150m3/sの範囲で高性能を維持しつつ8または 12段階に風量調節を煙霧計と連動させて自動的に制御できるもので ある｡各種の風量調節方法中,極数変換,動翼可饗ピッチ方式が最 もすぐれていることが弟9,10図に示されている｡ 火災その他,非常時にほ送風機の動静巽何度を約180度1月l転さ せ,電動機を逆相に入れ,逆回転として排風するもので,正転より逆 転までを2分以内におこなうようにしている｡逆転は風量150m3/s の1段階のみとなっている｡ 正転時は後置静巽式であったものを,逆転時には前置静巽式とし て運転するもので,正,逆転のいずれの場合でも効率が低￣Fしない よう考慮して動静巽が設計されている｡策11図ほこれらの速度線 図を示したものである｡ この送風機は大風量の部分を2台並列運転とし,この際サージン グを起こさないよう設計製作されており,また電動機は0℃にこおい ても10%の出力の余裕のあるものとした｡木送風機の勺判生山線を第 12図に,外観図を弟13∼15図に示す〔 本送風機は正逆転可能の電動機により,歯rl-(減速機を介して約ナ盲 に減速され,･￣帥柵tlを経て主軸に取り付けられた羽根りiを駆勅させ 送風を行なうもので,そのおもな部分の詳細についてのべる〔 5.1羽 根 車 動翼とボスほアルミニウム合金鋳物製とし,動翼の遠心力に対し ては単式スラスト玉軸受を,ラジアル方向にはニードル軸受を使用 仰 即 爪 仰 へ杓い) 揃ぃ〃Lヤ‥竹 ｢′し ■ソ+ β一 即

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1958 _{昭和38年12月 日 立}

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-28-第15図 吸込口より見た送風轢 第16図 3,000mm￠ 羽 根 車

名

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高

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1959 5.5 _{カップリング} 主電動機と送風棟,減速機間はすべてギヤカップリングを使用し ている｡このカップリングの歯面は大きくクラウニングを施し,若 干の偏心,ねじれが生じても安定した運転ができるので,本棟のよ うに据付場所の地盤条件の思い場合には適している｡ 5.d _{動力伝達用減速機} 電動機の回転数(1,200rI)m)を本減速機により減速して,送風機 (420rpm)に動力を仁三えるもので,ヘリカルギヤーを使用している｡ ギヤは炭素鋼,ピニオンはニッケルクローム鋼製で熱処理後歯面研 磨を行ない,精度をあげている｡軸受はコロガリ軸受を使用し,ギ ヤケースに1体に取り付けられ油浴潤滑とし,外部に取り付けられ た細面計により油面を監視できるようになっている｡ 5.7 _{動翼可変ピッチ機構} 内筒に内装された電動機より減速歯車,ネジ,ラックなどを介し て羽根の角度を調節する構造で,可変角度が200度となっている｡ 電動機の制御開閉には,ギヤドリミットスイッチを使用し,あら かじめ設定した任意の動翼角度にセットすることができる｡このリ ミットスイッチほ叫変角度範囲内で口由に調節できるもので,送風 機ケースの外部に取り付けられ,調節作業を窮易に行なえるように なっている｡電動機はトンネル内における火災時の紀度上界を考慮 してH種絶縁としている∩ 5.8 _{静巽可変ピッチ機構} 動翼と異なり静巽は簡単な構造となり,ケース外川に多数のウォ ームとウォーム歯中を組み合わせ,静巽の軸端にウォーム歯車を取 り付け,ウォームは自在接手により多角形に接続して回転させて, 爪度変更を子￣Jなうものである｡ 静熟ま賀の設計上ピッチ/コードが秋元部で約0.6程度を必要と するので,同一方向に全部を阿転した場介,途小で隣りの撃と接触 して180度凹転を行なうことができないので,半数ずつl_r_り転させ, リミットスイッチとマグネットカップリングによF)切り換えを行な っている｡ 5.9 _{保 安 装 置} 主軸および中間他の軸受には電㌔も式温度計が取i)付けられ,送風 機外部の計器盤にて計測できるようになっており,一定以上の温度 上界の場合には賢稚を発し,送風機を停止するようになっている｡

る.付

属 品 る.1吐出 ダ ン パ 木ダンパほ送風時に送風機吐出側に取り付けられるもので,各送 風機が停止時に全閉させて,隣りの送風機よりの送風のバイパスを 防ぐものである｡ダンパの有効面積は3×3mで風圧±160kg/m2 にて開閉できるようになっている｡4枚の流体抵抗の少ないベーン よりなるルーバ型ダンパで,べ-ソの重なり邦やケースとの間隙部 ほゴムパッキングにて気密を保つようになっている｡ る.2 _{切換シャッタ} 送風枚故障時2つのダクトの間の送風の切り換えを行なうため, シャッタを取り付けている｡これは送風機吐出側のダクト内に設け られ,開閉時間2分間で建築用のシャッタで強度をもたせた補強入 り2屯スラットを採用し,気密を保つように改造したものである｡

7.日本におけるトンネル換気の動向

近年における道路の開発によるトンネル換気計画が急増してお F),その換気方式については,そのトンネル特有の条件により種々 の方式が採用されているが,一般的にいって都市トンネルでは横流 式換気方式が採用されている｡これは自動車の流れの停滞がある程 度予想されるため,交通換気の利用が困難な場合と,交通量の増大 や火災発生時を考慮して決定されるものである｡ しかし都市トンネルに二机､てもトンネル延長の短いもの(600m 以下)でほ半縦流式を採用しており,その欠点である火災時におけ るトンネル内の煙や,炎の拡大も大きくないと考えられるためであ る｡ 郊外における高速道路トンネルほ1,500m以下では半縦流式を, それ以_Lでは偵流式が採用されるべきである｡また普通道路トンネ ルでは半縦流式か縦流式が主に採用されているようである｡ いずれのトンネルの場合も火災時における換気方式の欠点に対す る処理を考慮する必要があり,その点で各トンネルともそれぞれの 対策が考慮されている｡ 日本におけるトンネル換気では,ガソリン車とディーゼル車の比 率上,煤煙により換気量が決定されており,トンネル内における煤 炸を浄化する方はや,日動車排克管に再燃焼装置を取り付けるなど により,換去も最を減′J＼させるとともに,数1(mにおよぷ長大トンネ ルの実収する時代になると考えられる〔 これらに使用する送風機も速度変換を3段程度とし,台数制御と 合わせた風量調節のものが多くなり,ノッチ段階も3∼6段階程度 とし,保′二了二の簡!iう,な形態にと移行してゆくであろう｡

8.結

口 以上,大王山トンネル換公設備の概略を説明したが,現在全国各 地に高速迫路が建設されつつあり,天三1三山トンネルは,あらゆる意 味で今後の日本における自動申トンネルのモデルとなるものと考え られる｡ 目l順法作所では引き続いて,首都高速道路公団より三宅坂インタ ーチエソヂ･千鳥ケ淵トンネルの換気設備を受托,旧和39年6月完 成の予定で製作巾である｡ 最後に,本換気設備の完成に終始ご指導をいただいた,口水道路 公団関係者各位に深く感謝の意を表する次第である｡