+1.5m +3.0m +4.5m +6.0m -1.5m

トンネル切羽付近の空気質改善を目的とした 新換気システムの測定による評価

柴田 勝実

・樋渡 潔

・国分 茂夫

1正会員 大成建設株式会社土木本部土木技術部（〒163-0606東京都新宿区西新宿1-25-1） E-mail:katu@ce.taisei.co.jp

2大成建設株式会社技術センター（〒245-0051 神奈川県横浜市戸塚区名瀬町344-1） E-mail:kiyoshi.hiwatashi@sakura.taisei.co.jp

3大成建設株式会社東北支店（〒980-0811 宮城県仙台市青葉区一番町3-1-1） E-mail:s-kokubu@ce.taisei.co.jp

山岳トンネル切羽付近では，岩盤穿孔や吹付けコンクリート，発破後ガスなど，空気質を悪化させる汚 染物質を発生させながら施工を進めざるを得ない．この環境を改善するため，様々な換気システムが適用 されているが，切羽付近の空気質改善効果が高いとされる送気・吸引捕集方式を採用する事例が多い．

しかしながら，本方式は送気風管先端から吐出する風速が速いと，切羽で発生する粉じんを拡散させて しまい，排気風管に効率的に捕集されないことが指摘されている．

著者らは，これまで送気・吸引捕集方式をベースにした新たな換気システム（並列円筒面送気口方式）

についてCFD解析により検討を行ってきたが，本報では新換気システムを現場に適用し，その効果につい て測定を行った結果について報告する．

Key Words : ventilation system, air curtain, improvement of air quality, measurement, in-situ

1. はじめに

山岳トンネル切羽付近では，岩盤穿孔や削岩，吹付け コンクリート，重機車両の排気ガス，発破後ガスなど，

空気質を悪化させる様々な汚染物質を発生させながら施 工を進めざるを得ない．このため，空気質の改善を図る ために厚生労働省は，「ずい道等建設工事における粉じ ん対策に関するガイドライン」において，切羽後方50ｍ 地点における粉じん濃度目標レベルを3mg/m³以下とする ことを求めている．

現在，坑内換気システムには様々な方式があり，作業 環境に応じた手法が選ばれているが，切羽付近の空気質 改善効果が高いとされる送気・吸引捕集方式を採用する 事例が多い．

しかしながら，従来の送気・吸引捕集方式では切羽面 から送気口までの距離が近いと，切羽付近で発生する粉 じんを拡散させてしまい，粉じんが排気風管に効率的に 捕集されないことが指摘されている¹⁾．

また，物理的な隔壁を設けて影響を排除する方法も考 えられるが²⁾，トンネル施工現場では，切羽付近で大型 機械を入れ替えながら施工するため，最適な改善策とは 必ずしも言えない．

著者らは，これまで送気・吸引捕集方式をベースにし た新換気システムを提案してきた^3)～5)．新換気システム は，集じん機からの排気を利用し，円筒面送気口を同一 横断面に並列に設置する方式である（円筒面送気口方 式）．これまで，CFD解析（Computational Fluid Dynamics） による検討を行い，3mg/m³以上の粉じん濃度の領域が 従来の送気・吸引捕集方式に比べて60％低下すること，

また，切羽から50m 後方での粉塵濃度は約1/10 に低下し，

捕集率は31％向上するという結果を得た．

本報では新換気システムを現場に適用し，その効果に ついて測定を行った結果について報告する．

2. 新換気システムの概要

図-1に従来の換気システムの送気・吸引捕集方式お よび新換気システムである並列円筒面送気方式の概念図 を示す．従来の換気システムである送気・吸引捕集方式 では，送気量Q1よりも集じん装置を経由した排気量Q2 を多くすることで，∆Q Q2 Q1の空気量が集じん機 排気口から切羽方向に向って流れる．この空気の流れが

トンネル工学報告集，第25巻，I-3，2015.11.

図-1 従来の換気システム（送気・吸引捕集方式）と新換気システム（並列円筒面送気方式）の概念図

エアカーテンとなり，切羽付近で発生した粉じんを切羽 付近に封じ込め，坑内に拡散することを抑制する．

一方，新換気システムの並列円筒面送気方式は，2つ の送気風管を設置していることを特徴とする．一方の送 気風管は坑口から外気を導入しており，他方の送気風管 は，集じん風管吸込み口から吸い込んだ空気を，集じん 機を経て再び送気している．

送気口の先端は，円筒面に設けており，横断面方向に 吐出する．2ヶ所の送気口は，同一横断面に左右対称に 配置されエアカーテンを形成している．

写真-1に新換気システムの設置状況を示す．

3. 測定概要

(1) 対象トンネル

国土交通省東北地方整備局三陸国道事務所管内のトン ネルに設置し測定を行った．

送気風管 集じん風管

集じん機

切羽

従来送気口 送気風管 吸込口

集じん風管 Q2

ΔQ=Q2-Q1

Q1 Q1

従来排気口 Q1

Q2

吸込口

集じん風管

集じん機

集じん機 従来排気口 Q2 ΔQ=Q2-Q1

従来送気口 送気風管

Q1 Q1

Q2

ΔQ=Q2-Q1

Q2 Q1 Q2

集じん機 集じん風管

送気風管1 (坑口より) 送気風管2

(集じん機より)

切羽

円筒送気口 1．送気風管側 2．集じん風管側

送気風管1 集じん風管

Q1

Q1 Q2

Q1 Q1

送気風管2 Q2

Q2

Q2 Q1

集じん機

集じん風管

Q1

Q2 Q2

送気風管2 集じん機 送気風管1

Q2 Q1

Q2

Q1 Q1

105‹

吸込口

吸込口

(b) 新換気システム（並列円筒面送気方式）

(a) 従来の換気システム（送気・吸引捕集方式）

表-1 測定項目，測定機器および測定方法 図-2 換気システムの配置および各種測定点位置 写真-1 新換気システム（並列円筒面送気方式）の設置

(2) 換気システムの配置および測定項目

測定は，2次吹付け作業時を対象に2回行った．図-2に 換気システムの配置および各種測定項目の測定点を示す．

表-1に測定項目，測定機器および測定方法を示す．坑口 からの送気風管と集じん機からの送気風管の先端位置は 切羽から32.4m（1回目），33.6m（2回目）の位置，集じ ん風管の吸込み口は切羽から32.4m（1回目），33.6m（2 回目）の位置に置した．切羽側の集じん機の位置は切羽 から62.2m（1回目），63.4m（2回目）の位置である．連 続測定の測定点も，切羽面の掘削の進展に伴い，1.2m変 化している．

坑口からの送気風量は1 855m³/min.，集じん機からの送 気風量は，1 856m³/min.である．

トンネル内環境の測定は，相対粉じん濃度，温湿度，

トンネル内風速，気流可視化について行った．写真-2に 測定状況を示す．

写真-2 測定状況

● 粉じん濃度(連続測定） ★ 粉じん濃度および風速，気流可視化(移動測定） ○ 温度，湿度(連続測定）

0m 10m 20m 30m 40m 50m 70m 80m

送気風管(坑口から）

集じん風管

集じん機 切

羽

吹付機

トラミキ

A列 ★ ★ ★ ★ ★ ★

★ ★ ★ ★ ★ ★

★ ★ ★ ★

C列 B列

送気口

送気風管先端位置 32.4m(1回目) 33.6m(2回目) 集じん風管先端位置

15.6m(1回目) 16.8m(2回目) 集じん機先端位置

62.2m(1回目) 63.4m(2回目)

送気風管 (集じん機から）

60m

測定項目 測定機器 測定方法

1 粉じん濃度 相対粉じん濃度計：LD-3K2(柴田科学) 連続測定 移動測定 3 温湿度 温湿度計：おんどとり TR-72Ui（T&D） 連続測定 4 ﾄﾝﾈﾙ内風速

送気および集じん風量

風速計：Model6542(日本カノマックス) 移動測定

6 気流可視化 煙検知管：スモークテスタ 501（ガステック） 移動測定

4. 実験結果

(1) 送気口横断面の気流性状

図-3に送気口部における横断面の風速分布及び気流方 向を示す．風速は，1秒間隔で10回測定した値の平均値 である．なお，作業の制約上，測定は吹付け作業を行っ ていない時間帯に行っている．左右対称に設置した2ヶ

所の送気口からの吐出空気は，送気口高さから下のエリ アについては，概ね左右対称にエアカーテンが形成され ていることが分かる．風速は，送気口付近で約25m/s， H=1.5の高さで，5～6m/sであり，大きな風速が維持され ている．気流方向については，送気口付近では送気方向 と同じ向きとなるが，地面に近いH=1.5mでは左右に振 れる箇所が多い．これは，地面に近くなったことと，風 4450

5619 15506650 8200

坑口から切羽を見る

+1.5m +3.0m +4.5m +6.0m -1.5m

-3.0m -4.5m

-6.0m CL

SL

+3.0m

+4.5m +6.0m

4.28

坑口方向 切羽方向

5.48 5.18 4.90 6.91 5.06 6.19 8.15 4.35

17.1 7.61 10.8 9.51 11.8 16.6 12.6

4.19 13.4

26.4 7.81

+1.5m

1.34

振れる 振れる 振れる 振れる

円筒送気口

集じん風管側 円筒送気口

送気風管側

図-3 送気口部における横断面の風速分布及び気流方向（単位：m/s 風速は1秒間隔で10回測定の平均値）

図-4 切羽から60mまでの風速および気流方向分布（高さH=1.5m）（単位：m/s 風速は1秒間隔で10回測定の平均値）

切羽CL

+5m

-5m

10m 20m 30m 40m 50m

0m 60m

21.6 31.2 40.8

14.5

10.8 坑口より207.4m

0.82 1.60

1.47

0.30

吹付機 ﾄﾗﾐｷ

円筒送気口

16.8 吸込口

円筒送気口 63.4

33.6

1.50 1.27

0.86 1.28

2.48 3.52

4.25 1.97

1.87 3.02

2.87

0.53

0.17

51.6 61.4

集塵機

風速:10回計測(地面より1.5m)の平均値 (m/秒) ○:乱流を示す。

B列 A列

C列

切羽CL

+5m

-5m

10m 20m 30m 40m 50m

0m 60m

20.4 30.0 39.6

14.5

9.6 坑口より206.2m

0.65 1.83

0.83

吹付機 ﾄﾗﾐｷ

円筒送気口

15.6 吸込口

円筒送気口 62.2

32.4

0.55 1.17

1.31 0.86

4.19 3.05

3.60 1.68

1.17 1.60

3.53

0.17

0.48

50.4 60.2

集塵機

風速:10回計測(地面より1.5m)の平均値 (m/秒) ○:乱流を示す。

B列 0.32 A列

C列

(a) 1回目

(b) 2回目

速が弱まったことにより，2ヶ所の吐出気流が影響しあ っているためだと考えられる．中央部の高さH=3m，

4.5mでは，衝突した空気が切羽方向に向かう気流が見ら れるが，送気口より高いH=6.0mでは，風速は小さいな がら坑口方向に向かう気流となっている．

(2) 切羽から60mまでの気流性状

図-4に切羽から60mまでの風速および気流方向分布

（H=1.5m）を示す．1回目と2回目いずれも，送気口か ら切羽の領域においては，C列およびB列の空気は切羽 方向に向かっているのに対して，A列の空気は坑口側に 向かっており，風速は1m/s前後である．これは当初の想 定とは違っており，重要な違いだと考えられる．現場状 況から，後述する2ヶ所の送気口の吹出し温度の差，ま た重機の発熱などで生じる切羽付近での温度分布がこの ような気流を作っている可能性がある．

送気口から坑口側の領域の送気口に近い部分につい ては，気流が定まらない部分があるものの大枠としては，

坑口側へ流れている．しかし，送気口より離れた部分に ついては，坑口から切羽に向かった流れもみられる．風 速が，送気口付近か離れるに従い減少し，切羽から60m 付近で0.5m/s前後の風速を示したことも併せて考えると，

外気の影響を受けたためと考えられる．

(3) 粉じん濃度

図-5に，切羽から60mまでの粉じん濃度分布（H=1.5m）

を示す．なお，粉じん濃度は，K=0.002として求めた値 である．切羽から約50mの地点の濃度は，1回目は1.3～

1.7mg/m³，2回目は0.9～1.1mg/m³を示し，ガイドラインの 濃度よりも低い値を示す．

1回目と2回目とも粉じん濃度は切羽付近が一番大きく，

坑口に向けて順序良く小さくなっている．これは，エア カーテンにより封じ込めが効果的に行われていることを 示している．送気口から60mの領域の粉じん濃度は，切 羽からの距離が変わってもほぼ同程度の粉じん濃度を示 す．これは，エアカーテンを超えた粉じんが一定量あり，

均等に坑口方向に流れていることを示している．

図-6に粉じん濃度の経時変化を示す．なお，粉じん濃 度は，K値を0.002に設定し求めた値である．切羽から 10m，20mの地点では，吹付け作業の粉じん濃度は8～

16mg/m³を示すが，35m，50m地点では，約1～2mg/m³の 一定の値を示している．送気口を境に明らかに粉じん濃 度が異なっており，エアカーテンが確実に生成されてい ることがわかる．またガイドラインの目標値である

3.0mg/m³よりも低い値を達成しており，本換気システム

の有効性が確認できる．

(4) 温度

図-7に各測定点の温度および湿度の経時変化を示す．

坑口からの送気口の吹出し温度は約20℃，集じん機か らの送気口の吹出し温度は約30℃を示し約10℃の温度差 がある．トンネル内温度は，1回目の20mの一部温度上 昇の理由は不明であるが．概ね約20～25℃を示す．

坑口からの送気の吹出し温度は約40~50％，集じん機 からの送気口の湿度は約30％を示す．トンネル内の湿度 は，約35~45％の範囲である．

図-5 移動測定による作業域における粉じん濃度（高さH=1.5m単位：mg/m³）

切羽CL

+5m

-5m

10m 20m 30m 40m 50m

0m 60m

20.4 30.0 39.6

14.5

9.6 坑口より206.2m

吹付機 ﾄﾗﾐｷ

円筒送気口

15.6 吸込口

円筒送気口 62.2

32.4

50.4 60.2

集塵機

移動式粉じん計による計測　mmg/m³

B列

8.3

4.9

1.7 1.2 1.8

11.4 2.7 1.9 1.0

1.7 1.4

1.3 1.1

1.2 1.5

3

A列

C列

14.0

切羽CL

+5m

-5m

10m 20m 30m 40m 50m

0m 60m

21.6 31.2 40.8

14.5

10.8 坑口より207.4m

吹付機 ﾄﾗﾐｷ

円筒送気口

16.8 吸込口

円筒送気口 63.4

33.6

51.6 61.4

集塵機

移動式粉じん計による計測　mmg/m³

7.9

7.1

6.0

2.0 1.5

1.7 3.4

1.2 0.8 0.9

1.1 1.0

0.9 1.0

1.1 1.2 B列

A列

C列

(a) 1回目

(b) 2回目

(a) 1回目 (b) 2回目

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 10 20 30 40

粉じん濃度(mg/m3)

経時変化（分）

(1)A 列

10m 20m 35m 50m 外気

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 10 20 30 40

粉じん濃度(mg/m3)

経時変化（分）

(3)C 列

10m 20m 35m 50m 外気

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 10 20 30 40

粉じん濃度(mg/m3)

経時変化（分）

(2)B 列

35m 50m 外気

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 10 20 30 40

粉じん濃度(mg/m3)

経時変化（分）

(2)B 列

35m 50m 外気

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 10 20 30 40

粉じん濃度(mg/m3)

経時変化（分）

(3)C 列

10m 20m 35m 50m 外気

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 10 20 30 40

粉じん濃度(mg/m3)

経時変化（分）

(1)A 列

10m 20m 35m 50m 外気

図-7 各測定点の温度および湿度の経時変化 図-6 粉じん濃度の経時変化（K=0.002）

20 25 30 35 40 45 50 55

0 10 20 30 40

湿度（%）

経時変化（分）

(a) 1回目 (b) 2回目

10 15 20 25 30 35

0 10 20 30 40

温度（℃）

経時変化（分）

10 15 20 25 30 35

0 10 20 30 40

温度（℃）

経時変化（分）

20 25 30 35 40 45 50 55

0 10 20 30 40

湿度（%）

経時変化（分）

送気口（坑口） 送気口（集じん機）

吸込口 10m

20m 50m

外気

5．結論

本報告では，トンネル切羽付近の空気質改善を目的 とし新換気システムを現場に設置し，その測定を行った 結果について報告した．以下に得られた結論を示す．

・ 左右対称に設置した2ヶ所の送気口からの吐出空気は，

エアカーテンの対象領域に設定した送気口高さから 下のエリアについては，概ね左右対称にエアカーテ ンが形成されていることが分かった．中央部上部で は，坑口方向に向かう気流，切羽方向に向かう気流 が見られた．

・従来の送気・吸引捕集方式による粉じん濃度は，送気 風管から切羽35m，50m地点において，約1～2mg/m³ の値を示しガイドラインの目標値である3.0mg/m³より も低い値を達成し，本換気システムの有効性を確認 した．

また今後の課題として挙げられるのは気流方向の制 御である．当初の予想としては吸込み口の影響はある ものの総じて同一横断面上は同じ気流方向であると考 えていた．結果としては，図が示すように同一の気流 方向ではなく複雑な気流を示していた．このような流 れを生じる要因を分析し，均一な気流をつくることに より本換気システムの効果を上げていきたいと考えて いる．

謝辞：本検討を行うにあたり，（株）流機エンジニアリ ングの田中誠氏，廣木有作氏には多大なご協力を頂きま した．ここに記して感謝の意を表します．

参考文献

1) 前田全規，真下義章，田中誠，酒井健二：トンネル換気 システム改善への取組，土木建設技術発表会2013 概要集，

2) 諏訪薗和彦， 荒川晃士， 中村亮， 西本卓生：トンネ ル坑内の粉じん低減工法「トラベルクリーンカーテ ン」の適用， 土木学会第 67回年次学術講演会， VI 部門， pp.125-126， 2012.

3) 文村 賢一，樋渡 潔，国分茂夫，佐藤大樹，中原史晴:

トンネル切羽付近の空気質改善を目的とした新換気 システムの提案， 土木学会年次学術講演会講演概要 集，Vol.69，VI-009，pp.17-18，2014.

4) 文村 賢一， 樋渡 潔， 国分 茂夫， 佐藤 大樹， 中原 史晴：トンネル切羽付近の空気質改善を目的とした 換気システムの検， 土木学会論文集 F１（トンネル 工学），Vol.70，No.3（特集号），I_65-I_74，2014 日本道路協会：道路橋示方書・同解説IV下部構造編，

pp.110-119，1996.

5) 樋渡潔，文村賢一，国分茂夫，佐藤大樹，中原史晴，

谷卓也:トンネル切羽付近の空気質改善を目的とした 換気システムの開発，大成建設技術センター，No.47， pp.45-1-6，2014.

(2015 .8 .7受付)

EVALUATION OF NEW VENTILATION SYSTEMS

FOR THE AIR QUALITY IMPROVEMENT AT THE TUNNEL FACE BY IN-SITU MEASURMENT

Katsumi SHIBATA, Kiyoshi HIWATASHI and Shigeo KOKUBU

In a mountain tunnel excavation, the air environment is worsened by the various types of dusts gener- ated with rock drilling, blasting, mucking and shotcreting. In general, the various ventilation systems are applied for improvement of air quality around the tunnel face.

We have suggested the new ventilation system which has three ventilation ducts. One duct is for vac- uuming polluted air at face. Two ducts are for sending fresh air from portal and the exhaust pipe of the dust collector. The direction of two ducts are not toward to the face but toward to center of the tunnel.

In this paper, we describe the effect of this system through the result of in-situ measurement data.