最新掘进在市区日本最大级别的双设盾构隧道

1、掘进在市区日本最大级别的双设盾构隧道首都高速中央环状新宿线 西新宿隧道 1、引言 首都高速道路，现今提供运营的达270.4km，每天平均通过的交通车辆为115万辆，推断利用道路交通人数达200万人次，作为首都圈范围不可缺少的社会资本，对其所起的作用寄予很大的期望。为此，理所当然地将目标指向道路网络的完成上，重点的进行全长约46km的中央环状线的建设。 道路网中的中央环状新宿线，是以东京都目黑区青叶台四段作为起始点，到板桥区野熊町为止，长度约在11km，在山手大街都道环状6号线的地下，成为几乎全是采用非开挖工法盾构隧道施工的工程。西新宿隧道是和这条新宿线工程之中的甲州街道国道20号交叉的新宿区初

2、台交叉点附近通过，分开成向内转弯，向外转弯的盾构隧道，在完成隧道工程时，将成为往、返的四车道两来两去线的高速道路。此条隧道位置在山手大街的甲州街道北侧始发到达工作井开始，采用外径13.23m的盾构，掘进山手大街下的600m先行隧道隧道，在采用其他施工法施工的旋转盾构用工作井中，将此盾构作180方向掉头后，再始发推出，返回到原先始发到达工作井后行街道，总长度约1200m的双设隧道图-1。图-1 西新宿隧道的线路图 本文中，就有关在市区施工日本最大级别的双设盾构隧道的方案设计、在工作井中的盾构机旋转施工、掘进中的泥水管理以及有关管片衬砌、邻接构筑物的量测等内容作出介绍。 2、工程概况 工程名称：S

3、J32工区隧道工程 施工单位：大成西松佐藤大丰三井不动产建设共同企业体 建设单位：首都高速道路公团 工程期间：2000年9月2002年2月盾构掘进期间，表-1 表-1 西新宿隧道工程进度表 2-1 地形、地质 该工程地域位置在下末吉面淀桥台的标高40m左右，从地表部位起，往下是关东垆坶层、东京层、东京砾石层，上总层等图-2。盾构隧道所通过的上半局部，有东京砾石层Tog：N值50，下半局部是上总层的砂层Ks：N值50。在东京砾石层中，确认最大粒径有35cm，东京砾石层和砂层上总层一起有很高的透水性。 图-2 地质纵断面图 2-2 隧道性能 规 格：属于第2种第2等级设计车速60km/n 施工长度

4、：599m2条 车道数： 一个方向2车道，来去共计4车道 隧道间隔：最小处为3.2m 纵断面坡度：最大坡度0.3% 隧道断面：管片衬砌外径13.0m 平面线形：最小曲线半径R=204m 道路附属设施：参见图-3中内容 2-3 盾构规格泥水式盾构 本工程中使用的盾构规格如下所示图-4内容，要点是在盾构中装备了中间转向装置，和用于管片自动搬运、自动拼装的自动装置，是这台盾构机的主要特征。 外直径：13.23m 机 长：L 13.12m 盾构千斤顶 ：3920KN2200mm42台 切 削 转 矩：常用24160KNm；最大28990KNm 中间转向千斤顶：3920KN500mm34台中间转向角的最

5、大值1.5 管 片 拼 装 器：中空轴式自动拼装附手动拼装 3、方案设计 3-1 道路方案 隧道内道路的宽度组成，每一车道标准为3.25m，左侧路肩1.25m，右侧路肩0.75m，考虑紧急车的行驶等因素，正线隧道局部的总宽度，至少确保有9m的数值，是一个方向2条车道的往返分开断面形式。此外，在隧道竖直向，是做成车道的建筑限界4.7m和加上1.3m的高度，作为信息空间通常是矩形的标识。在西新宿隧道中，根据有效利用空间的观点，在确保有信息空间的同时，把剩下的余量空间用于通风道。按照需要，作设置防灾平安设施等的空间，配置避难通道、紧急用设施、管道所需空间、通风道。紧急用设施是作为相对隧道防灾AA等级

6、所作的配置。管道空间、进风通道是利用车道板下面的空间。 隧道内的空间断面，根据以往记述的内容，主要的各个断面的核查；在曲线段部位处的车道增宽和收缩；留心始发到达部位处的盾构施工轨道作出决定。 图-5 管片衬砌构造概要图 3-2 衬砌管片的设计 所使用的衬砌管片，考虑到行车性能、照明、通风等要求，做成钢筋混凝土平板型管片。接头形式那么采用已经有的实绩，做成球墨铸铁型接头盒和短螺栓的结合，不再进行二次衬砌混凝土的浇筑。 除此之外，为了适应管片的自动拼装工艺所需，作为对常有的大块管片缺损部位的补缺，是在每块管片的两侧，做成3处环接头见图-5。 设计断面是根据复土厚度最大的山手大街处，和甲州街道交叉的

7、初台交叉点附近的断面为设计控制断面。隧道位置上的土层，由于全线路通过的是洪积砂和洪积粘性土层，作用在衬砌管片上的土、水压力，按土、水分开计算原那么进行。结构分析计算时，采用梁弹簧模型作为可靠的评定刚度的依据。对于这种模型，是将弯矩作用发生在相应管片块间接头转角刚度旋转弹簧，和因剪力作用发生在相应衬砌环间接头位移刚度剪切弹簧，来计算所评定的断面力。 这种管片块间接头的旋转弹簧值，在相对轴力的弯矩值较小时，弯曲刚度是较大的；而在弯矩值较大时，弯曲刚度是较小的，根据管片接头的特征来算定。此外，对于环间的实际状态，在发挥到达摩擦限界大的剪切刚度后，超过摩擦限界阶段变形，使得发生的剪切弹簧值变小。管片环

8、间接头的剪切弹簧值，是根据在这样状态下的剪切弹簧的状态来算定的。再有，设计上作为要确认这些弹簧值的性能，进行了管片的接头荷载试验，对于其妥善性作了验证。 双设盾构隧道的分隔距离是3.25.5m之间，作为这种大规格的盾构隧道算是十分靠近的尺寸。至于后行隧道对先行隧道施加的影响，可参照图-6所示的断面力算定流程，考虑到施工工序，再经过FEM分析，算出增加出来的断面力，然后把增加的断面力分配在管片结构主体和接头中，在设计上反映出来。FEM的分析计算，是根据由于后行隧道的掘削工序操作，对先行隧道的衬砌结构中的影响，评价增加断面力的。 图-6 考虑到隧道双设影响、断面力计算流程 3-3 内部构筑设计 为

9、了确保隧道内道路的空间，在隧道内构筑了车道板。西新宿隧道为了施工，包括工作井局部在内的南北隧道作业基地等内容，需要缩短工期，采用了可使现场作业可迅速操作的预制预应力混凝土车道板。施工时，是在卧梁与卧梁之间，以充填倒拱部的混凝土来固定被竖向插入的预制钢筋混凝土支承墙体，在以现浇方式筑造好左、右端的侧墙后，撤除掉横梁作业脚手板，并同时进行车道板的设置作业。横断面上的坡度，从直线段部位的1.5%标准坡度向曲线断面局部过渡直至8.0%为止的变化。作为筑造横向坡度的方法，有使混凝土车道板作倾斜设置的方法，在平铺的车道板上均匀地浇筑混凝土料来作调整的方法，而在比拟研讨之后，决定在标准坡度段用的方法；而对坡

10、度作变化的曲线部位，那么采用的方法。 道路上的排水，根本上是做成圆形排水沟，对于现场浇筑混凝土断面缺乏的一局部区间，是采用钢制排水沟处置。为了防范行驶中车辆对隧道管片的直接冲撞，在车道的侧面处，用混凝土照设计要求做成防护墙体图-7中所示。 3-4 成套设备设计 对本工程来说，路面上是一条被高楼大厦挟持的山手大街，缺乏供施工期盾构掘进所必须要的流体输送、土砂别离、后背注浆、造泥等成套设备等放置的空间。 因此，如图-8中所示，几乎施工中所有置于地面上的设备，如今全部放置在盾构的始发、到达工作井内。 图-8 始发到达工作井内设备配置图 除此之外，对成为噪声声源的土砂别离机，是采用防噪声墙来围护隔断，

11、路面上的空间是作为管片构件等资材的运入和渣土运出之通途。 4、施工 图-9 盾构机到达旋转施工流程图 4-1 盾构机在工作井中做旋转施工 4-1-1 施工概况 在工作井内的盾构机旋转施工情况，如图-9， 图-10所示的到达旋转的施工流程和形象图进行实施操作。 对重量达3000吨的盾构机旋转施工来说，是采用了借助球支承，作了特殊的旋转工序。 图-10 盾构机旋转形象图 4-1-2 到达工序 对于本工程，作为用于盾构机的到达始发时的挡土和截水的防护方法，是采用了冻结工法。 至于采用冻结工法的理由，那是因为需要防护的地层断面的孔隙水压力较高，加上砂砾层的渗透系数较高，要求防护手段兼备有优良的截水性和

12、一定的土体强度。原位置上的地基土经冻结处理后，因为冻结而造成的膨胀，在砾石层和砂质土中是比拟难以形成的，也就限定了地基变形的影响。 进行冻结工法，是先要在地基土中，或者是构造物中，按设定的间隔距离埋设冻结管道，在管道中使冷却液盐水：氯化钙溶液做循环的流动，对管道的周围造成以冻结管为中心的冷却，使土中的孔隙水结成冰，是一种既能挡土又有截水效果的工法。 采用冻结工法是对盾构机到达部位处的地层土一侧实施冻结，在到达防护要求以后，开挖面局部挡土墙地下连续墙：厚度为1.2m被撤除。之后构筑起盾构机到达时要用的松散材料体=13.53m。这种松散体上有着正好被茶桶状盾构机进入的口子，而在前面用钢材支护着。在

13、此松散材料体内用流动化处理土所充填，让盾构机从中掘进。在盾构机到达所设定的位置后，从盾构机的盾尾处脱出3环管片衬砌中予以放置用作冻结管道，实施盾构后面部位的止水冻结，在止水工序完成后，将松散材料从前面上半局部顺次撤除，然后再转到盾构机旋转工序作业照片-1。 照片-1 盾构机到达井内松散体拆卸完毕 4-1-3 旋转工法的选择 对于盾构机外径在7m左右重量在350t以下盾构机旋转作业是有着很多实绩的，而这次是一种大直径断面，重量达3000t规模的大型盾构机的掉头旋转作业，是前所未有的，对于此种盾构机的纵横移动旋转方法进行了研讨。 从表-2中的研讨结果来看，本钱要低，对于粘结着地层土泥巴的盾构机，作

14、为有可能最平安的施工工法，对本工程而言，是选择了采用球形旋转支承工法。 表-2 盾构机旋转方法比拟表 工法 优缺点 实绩 评价 在操作台上涂布润滑脂，摩擦系数约在0.30.5。 l 本钱较低l 需要劳动力l 调整旋转困难 摩擦系数较大，难以适合于实施 在承台面上贴上聚四氟乙烯，摩擦系数约在0.06。 l 构造简单l 贴面有变形之虞l 调整旋转困难 6.45m340t 聚四氟乙烯贴敷方法，耐久性缺乏可靠度 插入球形旋转支座，摩擦系数约为0.05。 l 旋转容易l 反力较小l 需要巩固底板 将重75t盾构移动140m 优势明显者高于其他的工法 插入翻转罐、滚轴摩擦系数约为0.1。 l 反力较小l

15、旋转有困难l 需要巩固底板 6.61m，160t作为设计例子 旋转方向困难存在平安上的问题 通过插入轨道的滑动体系，摩擦系数约在0.20.3。 l 横向移动容易l 需大规模设备l 需要一定旋转空间 7.45m350t 对于旋转工作井狭窄的操作有困难 使用旋转台座。 l 移动旋转容易l 本钱高l 大规模装置 有装载250t，400t实例 不易搞到适合于本次工程的装置规模 气动脚轮设施的使用，摩擦系数可小到0.01。 l 移动旋转同时l 本钱高l 底板要具有精度 4.68m，120t5.85m，200t5.44m，180t 不易搞到适用于本次工程的装置规模 其他。起重机吊动拆开、再拼装。 l 能力

16、缺乏l 工期、质量有问题 这种工法，摩擦系数是较小的，约为0.05。由于在平面上使用千斤顶等设施，亦可以进行任意方向的移动，水平移动旋转作业的转换，亦只要重新布设千斤顶就可以了。再有假设对钢球的间距作调整的话，对重量的制约就少了，这是该种工法的特点。 4-1-4 旋转工序的顺序 旋转台座的根本构造如图-11中所示内容，作业底面和通常的盾构机支承台座之间夹持有钢球，对作业底板而言，为防止钢球嵌入，要确保其光滑性，底板厚度3.5cm的钢筋混凝土板上要浇筑25mm的找平砂浆，再将厚度25mm的钢垫板，无台阶高差地铺满作业面，钢垫板的接头部位，经现场焊接后，再作砂轮机打磨、修整。 图-11 旋转台座详

17、图 在钢垫板上设置钢球和在下部安装钢板的盾构支座，将盾构进入到支座上后，就和支座在一起移动旋转。 照片-2 滚珠轴承 照片-3 盾构机旋转状况 钢球直径为90mm，通过做成如照片-2那样的构架来决定其位置，把这种构架连接56座，将盾构机支座整体予以覆盖。正式移动旋转之中，相对支承台座移动距离，仅将1/2钢球作移动，在预先要作移动进行的方向上准备好钢球，从后退出钢球，并边转换着构架来进行施工。 4-1-5 实施情况 照片-3是图-10中工序的旋转完成后的情况，其次是根据再始发位置要作的纵横移动。在移动旋转过程中，是使用了400t2100mm的油压千斤顶2台，而实际上作为需要的推力是约为8085t

18、/台，作业顺利地完成了。 作为实施工程，作180旋转为2天，前后的纵横移动要求2天。 作业内容是 纵横移动行程5100mm和行程3500mm； 180旋转； 纵横移动行程8827mm。 4-2 掘进中的泥水管理 本工程地区的地质如图-2中所示的地质纵横断面图，隧道的上半部位是东京砾石层Tog：N值50；在其下半部位那么为上总层的砂土层Ks：N值50，是比拟坚硬的地质层；而东京砾石层中的最大砾径达35cm，渗透系数为2.310-1cm/sec，是容易发生泥浆失散的地层土，在掘进时际，为求得开挖面稳定，重要的是在开挖面作泥水压力管理的同时要进行泥水管理。特别是对于西新宿隧道施工期间，主要干线道路山

19、手大街、甲州街道、首都高速道路4号线，和京王线、京王新线等邻接着众多重要的构筑物，就有必要限制对周边地基土的影响在低程度以内。对于这条隧道作用着的外来水压力，在盾构中心位置处，大体上保持有190Kpa的水压；而在开挖面上的泥水压力，那么保持在地下水压力+主动土压力+30Kpa以上的数值。再有，在本工区的施工范围内，掘削断面的上半部位，沿全线分布着使泥浆易失散的东京砾石层，对砾石层的措施，就是在对开挖面的水压力管理的同时，必须着眼于防止泥浆失散措施的泥水管理，以能顺利地作掘进照片-4。 照片-4 东京砾石层的砾径调查状况 4-2-1 西新宿隧道施工中泥水管理 在西新宿线隧道的施工中，是通过以下的

20、工程进行管理的： 粘性 比重 过滤水量 砂的成分 特别是对作为泥水失散的防治粘性管理相当重视，在以往的漏斗状粘性中加上采用泥浆的流动值来作管理。 作为这样做的理由，那是由于漏斗状粘性是一种综合性常见的粘性，包括由于砂土的固体形成分产生的摩擦力的粘性，漏斗状粘性认为是适当的，不限于必然有良好的泥膜形成。 对此，泥浆的流动值，通过采用关系到泥膜形成的微粒子，来显示粘性粘结力，将这个值作为管理工程，通过提高维持就可以直接维持开挖面的稳定。 在西新宿隧道的盾构掘进中的泥水管理，是将竖井挖掘时所取得的土，事先进行了泥水渗透试验，定出了初期管理标准值泥浆流动值，漏斗状粘性，比重，过滤水量，砂成分百分率，观

21、察掘进过程中泥水渗透量等，调整每环掘进的泥水图-12。 4-2-2 泥水调整 对泥水的调整，是在每环掘进终止以后进行的，确认每一种地基土中变化了的泥水性质，要经常性地为满足设定的标准值而进行泥水的调整。 各管理工程在内的调整方法，对粘性、比重、过滤水量，通过泥水制作和用水进行稀释、置换，对于砂的成分是通过分流运转去除的。 始发工作井附近地层中的微粒子较少，补充了粘土和膨润土，并参加了增粘材料，以提高比重和粘性，与此相反，在旋转工作井附近，是采用4台压力过滤机排土容量在9.1m3作24小时充分运转，除去过分浓的泥水中的细砂的同时，又得要补充膨润土溶液成为稀释的结果。从2001年12月到现今为止，

22、完成了先行隧道600m，后行隧道490m的掘进，而作为实绩是在每环进行平均为4060M3，最大达120M3的置换，稀释的同时进行掘进施工的。 5、量测 5-1 管片衬砌的量测 西新宿隧道的管片衬砌外径到达13.0m大直径，构筑成最小间隔约3.2m的双设隧道。工程进行之际，以对于作用在施工时临时性荷载的平安性确认 本设计的妥当性确实认作为目的，进行了管片衬砌的量测。此外，根据这种量测的结果来把握作用在大深度、大断面盾构隧道中的土、水压力和双设隧道的影响，目的在于今后在平安上对管片衬砌的设计起到作用。 量测位置，如图-1中所示的CD断面间的内圈运行侧先行隧道，作用在管片衬砌结构上土、水压力，内部应

23、力、内部净空变形等为对象进行量测。量测是连续不断的进行方式，以下内容是介绍了从管片衬砌拼装起，到量测值到达稳定为止的量侧结果的时效变化。 5-1-1 试验位置和量测工程 盾构机推进的线路上，其复盖土层在2127m厚范围，这次介绍的量测是在最大复盖土层位置附近实施的。所进行量测的工程和量测仪器的种类，见表-3中所刊内容。管片衬砌是钢筋混凝土R管片分成块，宽度1.2m，厚度55cm，短螺栓接头，在连续的环衬砌环结构中布设仪器。土压力表是采用法兰盘式土压力表，应力是把管片块堆置时的结果作为初始值考虑。 表-3 量测工程和种类 5-1-2 量测结果 土、水压力 设置在管片中的土压力表、水压力表的量测结

24、果土水压力、水压力如图-13中所示。管片拼装之后，受到了盾尾刷子和空隙的注入压力的影响，土压力水压力在一起的量测值上升，在盾尾脱离之际，盾尾刷子压紧力和后背主注浆压力成为原因，作用在土压力表中最大760Kpa左右的瞬间的压力。此后，水压力稳定在相当于孔隙水压力在下部250Kpa左右，而土水压力在管片衬砌的下部处，上升到最大到达4000Kpa左右以后，一下子降低到370Kpa止，随着时间的推移，再度缓缓增加，在2个月以后结束在390Kpa左右。 土、水压力的最大值所显示的位置，是在底部的土压力表中，相对于最终压力390Kpa，这个位置上的水压力是240Kpa，两者之差便是有效土压力。再有，注入压

25、力是将注入位置盾构机顶端附近处以400Kpa进行管理。 内部应力 在图-14中，衬砌管片圆周方向上的钢筋应力之中，显示了顶部底部管片衬砌的内侧、外侧应力的时效变化，和后拼装管片衬砌不久，和历时2个月后的各局部应力情况。 图-13 土、水压力，水压力时效变化 图-14 钢筋应力时效变化图 在所有场合下，顶部和底部外侧的压缩应力是最大值正弯矩下状态，相反，在侧部位处呈负弯矩状态。因此，着眼于这种内侧和外侧的应力差由弯矩为起因的时候，发生在刚拼装后不久，后拼装衬砌环应力差急剧地增大。而且，在盾尾脱开时，应力就整体来看在压缩侧变化，可知道衬砌环整体中是处在轴力作用下，而内外的应力差在增加。在此之后，应力的绝对值和应力的内外差，是随着时间而增加着，大致在2个月左右方才稳定下来。从2001年3月到现在，管片衬砌的量测结果最大压应力是在81N/mm2发生在辅助量测管片中最大值是154N/mm2。 和设计断面力的比拟 将设计断面力和量测断面力的比拟在图-15中表示出来。按照设计，管片拼装时按衬砌环单独抵抗结构自重模式计算，而量测值低于设计值。作为这个原因认为是盾尾脱出时受到地层土的约束，使得已设置管片衬砌环起到了3次元的效果。 此外，地层荷载稳定以后的断面力图中，量测值大致上等于设计值。 图-15 设计断面力和量测结果的比拟 迄今为止的量测结果