土壌の凍結現象とその利用技術

(a)地盤凍結工法

軟弱地盤や地下水流域などでの土木工事においては、凍土の性質を生かした地盤凍結工法が採用されており、東京湾の海底下を通るアクアライントンネルなど400件以上の実施例があります。地盤凍結工法は、冷却管と呼ばれる円管に冷却液（ブライン：塩化カルシウム水溶液など）を循環させて周囲土壌に凍結層を形成します。複数の凍結管を配置し、図７に示すように連結した厚い凍結層を発達することができます。凍土の凍結半径は、土壌温度14℃の状態で直径10cmの冷却管に-30℃の冷却液を循環させると約1ケ月後には、70cm程度に達します。凍結管群の配置を地盤の深さ方向に配置することで、図７に見られるように凍土層が地下水の流れを遮水する工法として活用さています。また、凍結管群の配置を工夫することで、軟弱地盤域の土壌を凍結することで適当な強度の確保や止水が可能となり、通常の凝固薬液の注入を行う土木工法よりも環境面での安全性が高まります。地盤凍結工事後は凍結土壌中の氷は自然融解により水となります。

図８の写真は凍結工法によるトンネルの掘削状態を示しています。地下の約30m位置における軟弱地盤の土壌層に水平凍結管をアーチ状に多数配置して凍土層を形成し、その内部土壌を掘削機で掘削した凍土トンネルを示しており、トンネル長さは約20mに達します。凍土層の形成は、図８の冷却管の構造に示しますように２重管構造で冷却管内に冷却液（塩化カルシウム水溶液：凝固点-30℃）を流して、冷却管周囲の土壌を凍結させます。

図7 冷却管による凍土層の形成⁵⁾

図8 地盤凍結工法による掘削トンネル⁶⁾と冷却管の構造

(b)汚染土壌の凍結融解による浄化修復

近年、重金属イオンやVOC（揮発性有機化合物）^＊1等による土壌汚染が社会問題となっております。従来の技術で土壌の洗浄が困難である細粒分を含む土壌に閉じ込められた汚染物資を前述の土壌凍結を利用することで除去が可能です。図９は、土壌凍結現象を利用した土壌洗浄の概念を示したものです。図9に示しますように、温度調節管と給排水管を汚染土壌に挟むように2組設置します。右側に示す温度調節管に冷却液を流して温度を低下させて凍土領域を成長させると未凍結土壌部分より凍結面に向かって凍上現象により水分が移動します。この際にイオン等の汚染物質を含む水溶液の移動に伴い、凍土内に発生したアイスレンズ前面まで移動して、そこで水分が凍結することで水溶液濃縮により氷点降下を起こして液体状態で停留します。その後、凍結領域の成長により、凍土内に汚染物質を含む水溶液は取り残されます。未凍土部分では高温部分から水の連続補給が可能で、汚染土壌全体が凍結した後、右側に温調パイプに温水を循環させることで、冷却を開始した方向から凍土の融解を進めると、融解水とともに汚染物質が流れ出して、排水管から外部へ排水します。この一連の操作を繰り返すことで、汚染土壌の浄化が可能となります。

図9 汚染土壌の凍結融解による浄化修復の概要

また、揮発性のVOC汚染物質含有土壌の除去は、凍結・融解管に冷ブライン水溶液を流して汚染土壌を凍結管周囲へアイスレンズなど汚染物質を集積させます。次に、温ブライン水溶液を融解管に流して、凍結で体積が膨張した土壌中の氷を融解することで、凍上内に間隙が形成されて多孔質状態となり、通気性が向上します。この多孔質状態の土粒子間隙から凍結融解管に付属したガス吸引管でVOCガスを外部へ排出処理することで、汚染土壌の修復がなされます。

＊1：VOCは揮発性有機化合物（Volatile Organic Compounds）の略称で、塗料や接着剤などに含まれるトルエン、キシレン、酢酸エチルなどが代表的物質で、光化学スモックなど引き起こす原因物質で、人体などに有害な物質である。

(c)凍結鋳型鋳造

通常の鋳造は、鋳物砂の改質に粘結剤・硬化剤などを利用するために、その分解ガスの発生や注湯後の鋳物砂の再生などの多くの工程があり、作業環境改善や環境負荷の低減などの課題を有しています。凍結鋳型鋳造は、鋳物砂と水そして低温空気の凍結システムを用いることで、従来の鋳造法の課題を解決する技術として注目されています。

図10は、凍結鋳型鋳造の工程の概略を示したものです。まず、鋳物砂と水を混錬して、均一な水分分布を持った鋳物砂を生成します。次に、この含水鋳物砂を鋳型に型入します。鋳物砂内の水分の凍結は、冷凍機で冷却された–40℃低温空気を鋳型枠に設け空気口の減圧による圧力差により、鋳物砂中に浸透させて水分の凍結を行います。凍結鋳物砂の鋳型内部へ溶融鋳物金属を注湯後、鋳型は自然に崩壊して鋳物製品と鋳物砂の分離が行われます。この凍結鋳型鋳造では、従来の粘結剤などの使用による環境課題などの解決以外に、注湯時時に発生する水蒸気の効果により、湯流れが向上して鋳物製品の薄肉化が可能となります。

図10 凍結鋳型鋳造の概要

(d)凍土を利用した低温貯蔵庫

凍土を利用した低温貯蔵庫は、冬期の冷気をヒートパイプにより土壌中に人工凍土層を形成し、その冷熱を食料などの保存に利用するもので、概念図を図11に示します。冬期に外気が0℃以下になると、ヒートパイプ下部受熱部に土壌熱が伝わり、ヒートパイプ内の冷媒が蒸発し、その蒸気がヒートパイプ上部の放熱部から大気中へ放熱することで凝縮液となり、ヒートパイプ下部へ下降して再び地熱による冷媒の蒸発を起こします。この冷媒の蒸発と凝縮をヒートパイプでの繰り返しで、ヒートパイプ下部周囲土壌に凍結層が発達します。低温貯蔵庫周囲に多数のヒートパイプを配置することで、低温貯蔵庫の温度は夏期でも凍結した土壌の冷熱で低温が維持されます。北海道などでは、このタイプの低温貯蔵庫が農作物などの保存に利用されています。

図11 凍土を利用した低温貯蔵庫の概要

(e)永久凍土層破壊防止

米国アラスカ州の原油は、永久凍土上に配置されたパイプラインを通じて長距離輸送されていますが、原油をポンプ輸送するうえで原油を数十℃に加熱して粘度低下することでポンプによる輸送を可能にしています。この暖かい原油からパイプラインの支持杭を伝わって永久凍土の融解が起こり、支持杭の倒壊などのパイプラインの破損事故や永久凍土の破壊など環境問題を起こすことになります。このような永久凍土の融解を防止すために、図12の原油輸送パイプラインの写真にある支持杭の近くに、ヒートパイプが大気と永久凍土層間に設置されています。図12のヒートパイプ概要に示しますようにヒートパイプ内の熱媒体として空気が封入してあり、冬期の外気冷熱はヒートパイプ上部フィンを介して内部の空気が冷えて重くなり、ヒートパイプ内を下部へ降下し下部端で凍土から受熱して暖かくなった空気は上昇して、ヒートパイプフィンから冷たい大気中へ放熱します。このように凍土層の融解を、ヒートパイプを介して外気の冷熱で防止しています。

なお、大気温度が凍土層の温度より高い夏期の場合は、ヒートパイプ上部の空気は暖かくて軽く、そしてヒートパイプ下部の空気は冷たく重いために移動しないことにより、下部にある凍土層の融解は起きないことになります。カナダなどの寒冷地域では、永久凍土の上に駐車場などが設けてある場合には、この種のヒートパイプで永久凍土の融解による破壊を防止しています。

図12 パイプラインの概要⁷⁾とヒートパイプの原理

(f)クライオアースアンカー・海底堆積物の凍結保存

クライオアースアンカーは、土壌中に打ち込んだ杭や錨などの支持力向上のために、杭や錨周辺に人工凍土を形成させて利用するものです。クライオアンカーの内部に冷媒（液体炭酸ガスや液体窒素）の循環流路を設けています。クライオアンカーを地盤や海底土壌層に注入固定し、冷媒の蒸発熱でアンカー周囲土壌の凍結層を形成・拡張することで、アンカーの引き抜き抵抗の増加を図り、軟弱地盤に対するアンカー機能の向上を図ります。アンカー使用後は、冷媒の循環と停止して凍結土壌の融解を行うことでクライオアンカーの撤去は容易に行えます。

一方、海底堆積物の凍結保存技術は、海底土壌に埋もれている遺跡品などの脆い物質の回収に利用されます。遺跡品埋蔵土壌層に液体炭酸ガスや液体窒素をノズルなどで注入して、その蒸発潜熱で遺跡品埋蔵土壌層全体を凍結させた状態で、埋蔵遺跡品を破損することなく地上に回収します。地上での自然解凍で埋蔵遺跡品を傷つけることなく保存が可能となります。