大直径盾构隧道工程技术 - 图文

大直径盾构隧道工程实例

1 东京湾道路隧道工程

1.1. 工程概况:

横贯东京湾道路于1997年12月18日建成运营，这是一条将神奈川县川崎市和千叶县木更津市进行连接的汽车专用道路。在全长15km的长度中，从川崎一侧起10km是水底隧道构造部分；而从木更津市一侧起约5km则成为桥梁结构部分(图-1)。

图-1 横段东京湾道路总体布置概况图

隧道的中央部分筑有川崎人工岛，此人工岛接界川崎侧为川崎隧道，在木更津侧为中央隧道，分别设有北线、南线隧道。隧道的施工以川崎人工岛为中心，分成8条盾构机施工隧道，在海底地下4处所作地下接合。隧道平面线形在浮岛附近R=1650～1800m的曲线，确保平行的隧道之间有1D的间隔距离。纵断面线形在隧道两端的浮岛部分和木更津人工岛部分有4%坡度的斜道、其长度约900m，斜道部分以下到川崎人工岛为止、按0.2%的缓和坡度，川崎人工岛处便成为最深的部分。

本道路的设计位置的海底、整体地呈现了极为缓和的船底型地形，中央部分的最大水深约在28m。从川崎一侧的浮岛起、直到湾的中央部分，堆积有软弱冲积性粘性土层(有乐町层)，层厚在20～30m之间。 TP-80～-90m以下，N值大致在70以上的砂质地基。

隧道掘进部分地基，靠川崎一侧是比较弱的粘性土(Ac2)和较好固结粘性土(D1c)组成相互交错的地质层，是主体层；而靠近木更津一侧是较好固结粘性土(D1c)，比较松散的砂质土(D1s)和软弱的粘性土(Ac2)的交替层组成；而在中间部分下面存在较好固结的砾石层地基。

浮岛引道部分和木更津人工岛的两斜道部分、皆为人工筑造的地基土层。

1.2 盾构机械(标准规格) 1.2.1 基本形状 外直径：φ14.14m 盾构机长：L13.5m 总重量：约3200tf 1.2.2 推进装置

总推进力：24000tf(盾构千斤顶500tf348台)

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千斤顶冲程：2550mm 1.2.3 切削器装置

切削器刀头：先行刀头、外周保护刀头 外周侧面保护刀头：装备着磨损检测刀头

切削器刀盘：作成电传动驱动方式，转速在0.39～0.45rpm 不1.2.4 盾构密封

为了提高机械的耐磨性、耐久性、耐水性，设置了4排钢丝刷型的密封。 1.2.5 其他的装置

装备了正圆保持装置、人行气闸、后背压注装置、地下接合有关设备等。 在照片-1中为盾构机的外貌，在图-2中显示了盾构机械图概况。

照片-1 盾构机械外形

图-2 盾构机械

1.3 始发防护

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在盾构机从工作井始发推出之际，必须要撤除工作井的井墙，为了确保作业的安全性，事先通过使用冻结工序对工作井外侧的土体进行改良，据此才有可能将海面以下50m的工作井井墙(地下连续墙)进行安全地撤除。

由于担忧冻结膨胀压力对工作井井墙的影响，在冻土墙的中央线附近处造成称之为“对策沟”、吸收膨胀量的缓冲带。此种对策沟系在土中掘削宽度在350mm以上的连续吸收变形的沟槽，在此种沟槽中封存着几乎显示不出强度的冻胶状高吸水性树脂，作成相随膨胀变形的发生、冻胶可以移动的构造。 1.4 始发推进准备

从川崎人工岛始发推出的盾构机的掘进，是要在人工岛内部构筑的底板、要直至B5层上隔墙完成阶段时才可以始发推出。

洞口处密封衬垫是在盾构机通过工作井井洞时，用衬砌管片置换之际，能起到洞口的止水功能、将橡胶衬垫和挡圈接头成为组合式构造。

盾构机从出海、经过海上运输到投入至施工现场，是在北线2JV和南线2JV共同进行的。工厂中制作的盾构机械，为了运输方便分割成前机体和中后机体两大部件。借助起吊量为3000tf的起重船出海、搭截在12000tf平底驳船上，由4000PS的主拖轮作海上运输、再由4100tf大型起重船进行现场装配。

照片-2 将盾构机前机体部分投入安装状况

临时拼装管片衬砌环的正圆度乃是决定自动化拼装作业时间的重要因素，在设定正圆度的容许误差在30mm以内的标准进行管理。临时拼装是采用铸铁管片衬砌、努力确保正圆度，极力降低盾构机空掘进时际的变形和绕度。

不比

空掘进工序

该种盾构机分解为2大部件投入，是在将盾构机的中后机体投入后，为了确保前机体投入时的空间、盾构机的承台要承受反力，借助千斤顶作用将中后机体需要形成空掘进步骤。设计上，相对盾构机重量的摩擦系数μ=0.1～0.2就可以推进，然后在实际施工中要作用着相当摩擦系数μ=0.4的推进力。 为了降低推进阻力，尽管对型钢轨道上涂有了研磨过的润滑材料，然而还是因摩擦生热使轨道上产生擦伤的痕迹，并且逐渐地增加了推力。根据现场的目视观察，当盾构机的翘曲和轨道之间就要嵌入稍稍的灰尘时，可以明白无误地看到这种倾向显著地体现出来。 准备始发推出时的问题要点

这一次是在将世界上最大级别的盾构机、处在高水压条件下始发推出之际，以下几个问题要点是在设计上和施工时际要作考虑的。

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① 始发推出的防护工序，由于是要在高水压头下作大断面敞开的，通过温度表量测要容易确认强度，在止水性上最为优越作为理由、决定采用冻结工法，可是相比起以往的冻结施工规模来，冻土量是相当大的，冻起、冻结膨胀的影响是大的。

② 冻结对象土体的大半部分是没有经验的人工地基改良土，此改良土强度高、形变系数也大，是容易发生膨胀压力的。对应所设定的膨胀压力100tf/m，作为连续墙的临时墙的承压力要达到40tf/m。 ③ 由于实施在高水压的海底下进行大直径地层土的敞开，对于要发生预测不到事态的场合下，是缺少对付办法的。4个工区的盾构机械几乎处在一个时期的始发推进，相互之间工区间并没有隔墙，1个工区的事故会招致对整体的工程有所影响。

④ 在将冻结管的埋设深度设于较深的同时，必须进行建立在海中没有支承的钻杆钻孔状态，就难以确保埋设精度的获得。

⑤ 在撤除临时设施之际，需要将大量的高强度混凝土从狭窄的入口处洞室内、迅速地撤除，有必要充分考虑要保住工程这一重要因素。 1.5 掘进工序

在撤除掉连续墙后，就此启动盾构机开始掘进。掘进分成为要布置后续设备在盾构机后面距离约为100～150m空间的初期掘进和在此以后转入的正式掘进。 1.5.1初期掘进

盾构机初期掘进，是从被称作隔膜所包裹的盾构机整体的洞口混凝土内起始发推出，在掘进了冻土6.0m，深层混合处理地基52.3m之后，就进行了对普通地层土70m长的掘进。在图-4中表示为初期掘进工区的概况和管片衬砌的种类。

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图-4 初期掘进工区衬砌管片配置断面图

始发时的稳定液

作为始发时的稳定液，使用了如表-2中所刊示的2种类型的配比稳定液。配比1是作为掘削前使用的稳定液；而配比2则用作盾尾部分止水的稳定液。

掘削用稳定液作用，由于始发推进后、马上要进入水泥系的改良地基中掘削，使含有水泥微粉末的Ca离子溶解于泥水中，和泥水中粘土粒子结合的结果、会使泥水凝胶化，形成其流动性极端降低的泥水退化现象。对此使用聚合物系的稳定液，此外，对盾构机尾部止水要求是从灌浆孔处压入比重较高的稳定液。通过上述措施、保持开挖面上水压力在6kg/cm状态，则可以达到在入口部分和盾构尾部不再会有漏水进入就可始发推进。

表-2 始发时的稳定液配比

(相对1m水的重量)

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对付不均匀沉降、地震作用的构造措施 不

由于在掘削深层混合处理水泥系改良过的地基土时，所使用的含水泥粉末的钙离子要溶解于稳定液中，经和稳定液中的粘土粒子结合的结果、稳定液就此呈凝胶化，使稳定液的流动性极度降低，担忧再也不能维持悬浊液状态。要对付这种现象，可在稳定液中添加些作为再生剂的重碳酸苏打(小苏打NaHCO3)。 相对于隔墙的东西盾构机

对本工程而言，起始于川崎人工岛东西方向上存在2条隧道的盾构机始发推进，而东西两盾构机的顶推力、各自通过后靠反力均传递至隔墙上。

本工程中的盾构机由于是对付高水压(6kg/m)的大断面盾构机，和通常的盾构机不相同的是在推进一开始时、就要相当大的推力，作为要承受反力的设计反力是设定在16000tf，而此座隔墙可以承受极限强度只有8200tf，并成为要担当承受东西两盾构机推顶力的差值在此座墙上的构造。因此，盾构机推进时推顶力的差值和承受反力撤除时的偏心压力，需要在这种极限强度以下进行管理。为此，在东西承受反力处分别设置了9个处所的变形仪、进行反力的量测。除此之外，这种量测数据、在初期掘进完成时，在撤除反力时如何判断时可以利用之。

在隔膜内推进中，盾构机推力为12000tf，而按原封不动的承受反力悉数传递出去。在掘进54环时，确认盾构机推顶力、不再按承受到的反力传递了。 1.5.2 正式掘进

本盾构机掘进的特征是大直径(衬砌外径为13.9m)、高水压(6kg/m)、自动化拼装管片、在海底地下软弱地基中作长距离的掘进，为此，所选定为密闭型的泥水加压式盾构机。这次使用的衬砌管片长度为1.5m、厚度0.65m、每块管片重约10t(分成11块)的钢筋混凝土管片衬砌结构，在一次衬砌和二次衬砌之间铺设着密封层。

盾构机是在互相重迭组成的地层中掘进的，结合各自的掘进情况、需要求得开挖面的稳定性。为此，掘进资料在实际时间内进行掘进的自动化管理、管理体系如表-3中所示内容。

此外，对一块自重为10tf的管片作人工拼装是有困难的，故此在管片的拼装过程中引入了自动化拼装的装置设备。

表-3 掘进管理系统

项 目 内 容 开挖面水压力管理 掘削土量管理 掘削管理 泥水输送管理 泥水处理管理 盾构机械操作设备 2

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