52日本泥水盾構(gòu)隧道

1、第五章二、日本泥水盾構(gòu)隧道70年代江川戶河污水管隧道在20世紀(jì)70年代，還不到十年的時(shí)間里，日本就用不同直徑的泥水盾構(gòu)施 工了 20km隧道。就當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展水平來說，認(rèn)為日本對于一切的細(xì) 顆粒土地層 有較豐富的經(jīng)驗(yàn)，日本泥水盾構(gòu)常利用開挖出來的泥土作為開挖泥漿，并只要加 上膨潤土或其它材料就可調(diào)制成用于泥水盾構(gòu)的泥漿性能，而當(dāng)時(shí)英國的 經(jīng)驗(yàn) 僅僅局限于膨潤土這一種泥漿材料。日本東京南郊江川戶河下的污水管隧道，承包商是東京Nishmatsu建設(shè)有限 公司，當(dāng)時(shí)正在施工一條內(nèi)徑5.85m長670m的作為河下 虹吸作用的污水管主干 道隧道。隧道采用二次襯砌，初次襯砌是由螺孔的預(yù)制混凝土管片組成，而管

2、片 之間用短彎螺絲聯(lián)接，見照片20。有6塊管片，1塊封頂 塊，環(huán)寬為900mm， 襯砌具有堵縫凹槽，將條形止水帶塞到管片邊緣的凹槽中去。工程地質(zhì)是一種由 粗粉砂、砂和卵石組成的沖積層。這條隧道在計(jì)劃中是筆直的，上坡的掘進(jìn)正 以微小坡度上升。在隧道通過高潮位岸段，盾構(gòu)在河下17m深處掘進(jìn)。泥水盾構(gòu) 操縱臺見照片21。照片20江戶川污水隧道混凝土管片照片21東京污水隧道泥水盾構(gòu)儀表控制臺豎井尺寸很大，因而隧道掘進(jìn)機(jī)可以整個(gè)單元放進(jìn)去，而不必要在地下盾構(gòu) 工作室內(nèi)拼裝。豎井底部澆上了混凝土，非常干凈。隧道本身顯得非?？眨惓?清潔的環(huán)境提高了工作效率，所有泥土都是用泵輸送。一條軋鋼板連成的人行道 設(shè)

3、置在隧道的一側(cè)。東京河岸處當(dāng)時(shí)正沉放一只非常大的現(xiàn)澆混凝土矩形氣壓沉箱， 15.6mX31.6m，深26.9m, 一只相同井設(shè)在河對岸為隧道盾構(gòu)接收井。隧道掘進(jìn) 機(jī)從始發(fā)井出洞時(shí)，一開始就碰到了因沉放沉箱而引起地層擾動的麻煩，于是采 用地面凍結(jié)后再掘進(jìn)。川崎重工業(yè)公司制造的這臺泥水盾構(gòu)，長為6.08m，配備了一只旋轉(zhuǎn)切削頭， 切削頭是靠安置在一個(gè)環(huán)向裝置上若干只馬達(dá)驅(qū)動的。切削刀頭可以任意方向 旋轉(zhuǎn)。借助少量氣封，經(jīng)過切削頭和閘墻的孔洞，可修理或置換切削刀頭，6只 旋轉(zhuǎn)擾動器保持開挖面泥漿的擾動。這只旋轉(zhuǎn)擾動器穿過閘墻安裝，并可通過 切削頭向前轉(zhuǎn)動來達(dá)到擾動泥漿作用。盾構(gòu)設(shè)置18只千斤頂，每只

4、150t。這臺機(jī)器的土石分離裝置十分簡單，在日本稱為“滾動篩法”。它由一個(gè) 50mm粗篩和一個(gè)篩后粗料盛藏器組成的一個(gè)圓筒箱。在壓力作用下，含有任何 種類大型卵石的污濁泥漿都要通過這個(gè)滾筒箱，篩子將卵石留在篩子上，再倒入 盛藏器內(nèi)，而篩下來的泥漿仍可在壓力作用下泵到地面上。當(dāng)盛藏器滿了時(shí)，整 個(gè)過程停下來，然后將篩下來的卵石倒到一輛污泥運(yùn)輸車中。雖然在含有一定量 卵石層中因棄卵石而耽誤時(shí)間，但這種以一個(gè)連續(xù)流程采取的分批處理的土石分 離方法既簡單又有效。對于盾尾密封的安裝進(jìn)行了各種各樣設(shè)計(jì)試驗(yàn)。但在隧道內(nèi)當(dāng)時(shí)出現(xiàn)有長長 的辮編束扎稻草，表示在密封方面還未獲得全部成功。好的密封還是依靠縮小 控制

5、間隙到15mm左右（盾構(gòu)外徑和盾尾內(nèi)徑之間的距離）。泥水處理已經(jīng)自動化 了，放射密度計(jì)和隧道中污濁泥漿和清潔泥漿流程的電磁儀，都可以真實(shí)地 連 續(xù)地用一架小型計(jì)算機(jī)計(jì)算，可以從土體中推算出開挖出來的凈土量。從隧道中 的信息反饋可表示出掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)情況，因此，也可計(jì)算出超挖和欠挖量；并把 它們畫在一張圖表報(bào)告上。在一定范圍內(nèi)，變化調(diào)節(jié)推進(jìn)壓力使以均等的體積 來控制地面沉降。從其它工地的地面沉降記錄看，顯示控制地面沉降是可能的。 泥漿濃度 可以隨回轉(zhuǎn)流程中水和開挖粉砂的比例變化而變化，或者有必要的話， 添加粘土或聚合物到泥漿中去。改變盾構(gòu)千斤頂推力及泥漿流程的泵旋轉(zhuǎn)速度可 控制開挖面的 泥漿壓力。

6、泥漿流程泵是放在掘進(jìn)機(jī)內(nèi)，從豎井處設(shè)置泵開始每 隔250m左右放一個(gè)，管道的堵塞和磨損是一個(gè)大問題，曾發(fā)生由于井里泥漿管 道的堵塞而停工。設(shè)在豎井附近地面上的泥水分離廠，它類同于一個(gè)小型的污水處理廠。這個(gè) 單元是自動化遙控的，分離出來的水質(zhì)是好的。開挖出來的污濁泥漿在地面上加 以處理，它是通過一個(gè)振動篩提取礫石和粗砂，然后再將一大批過濾后的污泥壓 縮干燥成細(xì)粉砂和砂。裝在一個(gè)長箱子里的泥漿通過一個(gè)中心管裝到一只麻袋里去，大量水靠自己 從麻袋中流出。當(dāng)灌滿同時(shí)，不斷加入泥漿自重壓力增加了過濾作用，最 后這 泥漿麻袋就可以被壓縮，那時(shí)松開麻袋，用液壓千斤頂縱向作用直至得到干燥的 泥土，倒在一條泥土

7、皮帶運(yùn)輸機(jī)上。這條皮帶運(yùn)輸機(jī)一直伸進(jìn)到壓縮泥土和滴水 器之間，干燥的泥土再由自動翻斗卡車搬運(yùn)。泥土是由黑灰色細(xì)砂、粗顆粒狀粉砂組成，它可直接填土，無公害，也不需 要安全的籬柵。污水要通過一系列沉淀池，或者加入澄清劑和化學(xué)劑使泥土絮凝成細(xì)顆粒。隧道施工每天兩班，每班4h，每周工作5d，當(dāng)時(shí)平均日推進(jìn)是4.5m。最大 的推進(jìn)速度為9m,隧道費(fèi)用是200萬日元/m。東京一條污水管隧道用相同掘進(jìn)機(jī)施工，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)也是川崎重工制造。隧 道襯砌使用相同的混凝土管片，管片聯(lián)接是用短直螺絲裝在預(yù)埋在管片內(nèi)鋼孔中， 隧道內(nèi)徑3m，總掘進(jìn)長2km。這條線路包括一個(gè)曲率90m的水平曲線，隧道再用 250mm現(xiàn)澆混凝

8、土做二次襯砌。80年代日本京葉線雙圓盾構(gòu)隧道日本，進(jìn)入20世紀(jì)80年代后的前6年(19801985年)，泥水盾構(gòu)工程的 長度已達(dá)到261km。在泥水盾構(gòu)外形尺寸方面，以往的泥水盾構(gòu)在外徑7m的一 級，進(jìn)入80年代，已制成外徑10m的盾構(gòu)并投入雙線鐵路隧道施工。1986年日本研制世界上第一臺雙圓泥水加壓式盾構(gòu)，又稱雙頭型泥水盾構(gòu) 或雙連體泥水盾構(gòu)，由日本日立造船株式會社為日本熊谷組承包商制 造。這臺雙 圓泥水加壓式盾構(gòu)是由兩個(gè)直徑為7.42m的盾構(gòu)組合而成，盾構(gòu)橫向總寬度為 12.19m，刀盤呈半重疊狀。1988年用于日本新建京葉線的京 橋雙線隧道施工， 長度約620m。這段隧道原計(jì)劃是單孔圓形

9、斷面的雙線隧道，采用雙圓泥水加壓 式盾構(gòu)施工后，使雙孔并聯(lián)隧道截面變成更為合理，見圖115。這是日本首次使 用MF(Multiple Face)盾構(gòu)修建隧道。其斷面及參數(shù)與常規(guī)施工的單孔圓形斷面 雙線隧道相比較，見圖116、照片22及表30。圖115雙圓隧道隧道斷面形狀-11 卯 U 圖116雙圓隧道斷面比較照片22兩個(gè)直徑7.42m雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)盾構(gòu)斷面各參數(shù)比較表（單位m）表30項(xiàng)目單位圓形（A）MF(B)比率B/A斷面外徑（豎）M10.47.20.69斷面外徑（橫）M10.411.971.15開挖斷面積M287.976.10.871次襯砌M312.610.30.822次襯砌M36.35.

10、60.89壁后注漿M34.45.51.25仰拱混凝土M39.71.80.19在實(shí)施雙圓泥水盾構(gòu)隧道工程前，為了確認(rèn)隧道主體結(jié)構(gòu)的安全性，曾用實(shí) 際襯砌荷載進(jìn)行了試驗(yàn)，見照片23。為了掌握開挖面的穩(wěn)定性和控制盾構(gòu)掘進(jìn) 機(jī)的工作位置，又進(jìn)行了模擬開挖試驗(yàn)。雙圓泥水加壓式盾構(gòu)從1988年1月底 開始掘進(jìn)至8月底未發(fā)生大的事故，順利完成。照片23雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)概念及模擬試驗(yàn)（1）工程概況和地質(zhì)條件隧道周圍為15層樓的典型辦公樓群，由設(shè)在道路下面的東京地下車站東端 的豎井開始掘進(jìn)。線路平面在剛推進(jìn)不久就遇到R1200m的曲線，然后是直線，在接近末尾處變?yōu)?400m的小半徑曲線。曲線區(qū)間占隧道長度的60%

11、。線路縱斷面從起點(diǎn)豎井算起約 200m內(nèi)是平坡，此后至終端豎井為7%。的上坡。盾構(gòu)剛推進(jìn)不久，即與東京電業(yè)局的盾構(gòu)交叉。此后又先后與營團(tuán)地下鐵3 號線（銀座線）、都營地下鐵1號線（淺草線）的地下構(gòu)筑物交叉。其交叉間距分別 為918m。在接近線路末端與首都高速公路1號線、8號線交叉。地質(zhì)條件見圖117,洪積砂礫層，覆土厚度為2327m，地下水位為GL-12.3m， 土的單位體積重量為r=1.82.3tf/m3（水中0.81.3tf/m3），土的內(nèi)摩擦角為1342， 土的N值為50以上，含水比5.898.8%，土的滲透系數(shù)為1.4X10-45.2X10-2cm/s， 泥水室壓力（盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)中心處）

12、0.2MPa，最大礫徑100mm。M 的if I 牛坦Wi- *圖117京橋雙線隧道地質(zhì)縱斷面圖（2）雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)構(gòu)造考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的周圍有地下水等施工條件，采用了密閉型盾構(gòu)。由于以 下原因采用了泥水盾構(gòu)：地基以砂質(zhì)土為主體；容易確保開挖面的穩(wěn)定；掘進(jìn)時(shí)操作比土壓盾構(gòu)容易；以往的大斷面施工實(shí)例多。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)為了不妨礙左右兩切削盤的旋轉(zhuǎn)而前后錯(cuò)開1.3m，這是盾構(gòu)掘 進(jìn)機(jī)的一大特點(diǎn)。為了控制盾構(gòu)推進(jìn)中可能出現(xiàn)的各種偏差，裝備了各 種校正 蛇形用的設(shè)備。在機(jī)器上下裝有28個(gè)可動的伸縮裝置，用來糾正盾構(gòu)縱向傾斜。 為克服左右搖擺，把44個(gè)盾構(gòu)千斤頂分成14組，每組裝備了可以隨時(shí)調(diào) 整推 力的盾構(gòu)

13、千斤頂，并有自動調(diào)整系統(tǒng)。盾構(gòu)構(gòu)造見圖118。E俏.盼 f ! :-技洋H慌也tt圖118盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)構(gòu)造圖盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)中央的凹陷部分是為了防止地層崩塌而設(shè)計(jì)的，此處安裝了利用 放射線探測開挖面坍塌的檢測裝置?；靥罟嘧⒀b置也安裝在這個(gè)位置。升降架分別裝在先行切削盤和后行切削盤側(cè)面，襯砌、中柱都用拼裝結(jié)構(gòu)。 為了防止先行切削盤和后行切削盤重合部分被土粒等物塞滿，設(shè)有泥水噴射孔， 能進(jìn)行沖洗。雙圓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的各主要部件如下：盾構(gòu)機(jī)身全長9.00m；橫寬12.19m；高度7.42m盾構(gòu)千斤頂300tfX1200stX13 臺（下部）200tfX 1200X31 臺總推力10100tf單位面積推力132.

14、4tf/m2掘進(jìn)速度4.0cm/min配液壓泵 60l/minX35.0MPaX2 臺配電動機(jī)45kWX4PX2臺配油箱40001切削刀盤（見圖119）刀盤轉(zhuǎn)矩 常用466.8tf,m,最大700.3tf*m刀盤轉(zhuǎn)速 低速0.43rpm，高速0.86rpm驅(qū)動用電動機(jī)5.5kWX4/8PX16臺仿形刀（先行面板）21tfX250stX2把仿形刀（后行面板）10tfX120stX2把配液壓泵 35l/minX21.0MPaX2 臺配電動機(jī)15kWX4PX2臺油箱由盾構(gòu)千斤頂油箱兼用拼裝機(jī)起吊重量14tf伸縮力22tf旋轉(zhuǎn)速度0.8rpm旋轉(zhuǎn)用液壓馬達(dá)1260kgfmX21.0MPaX2臺 伸縮千

15、斤頂 100X800stX140kg/cm2 X2 只 滑動千斤頂 100X250stX140kg/cm2 X1 只配液壓泵 76l/minX21.0MPaX2 臺配電動機(jī)30kWX4PX2臺攪拌裝置攪拌機(jī) 1000mmX6臺旋轉(zhuǎn)速度55rpm力矩常用800kgfm最大1200kgfm圖119切削刀盤面板和密閉室關(guān)系形狀保持裝置型式門型3連移動式頂力最大80tf 移動量1100mm3、隧道襯砌構(gòu)造隧道襯砌設(shè)計(jì)是采用有接頭的兩環(huán)襯砌。兩環(huán)襯砌重合的中心部位在上下有 兩塊特殊的K型管片，在周圍部分有8塊A型管片，共分割成10塊，中間設(shè)立 柱一根。K型和A型管片為厚30cm，寬度1.0m的平板型鋼筋

16、混凝土結(jié)構(gòu)，管片最大 重量約3100kgf/塊。管片拼裝順序見圖120。圜冏圖120雙圓盾構(gòu)管片拼裝順序圖為了校正曲線和蛇行使用了錐形砌塊，并制作了豎曲線和平面曲線用的兩種 襯砌，見照片3、照片24。照片24特殊錐形砌塊拼裝施工在施工中未發(fā)生因雙圓泥水加壓式盾構(gòu)的特殊斷面而引起的困難，取得了比 預(yù)想還好的成果。一次掘進(jìn)可開挖完成地鐵雙線隧道，且減少開挖面積15%。這 對復(fù)雜的城市中心地區(qū)的地下開挖施工，具有特殊意義。90年代東京灣海底隧道工程在20世紀(jì)90年代，日本最引人注目的泥水盾構(gòu)隧道工程是東京灣海底隧道，長 10km,是世界最長公路專用海底隧道，用八臺直徑14.14m泥水加壓式盾構(gòu)施工 （詳見本書第九章）。最初推進(jìn)的兩臺盾構(gòu)分別位于浮島的北線和南線開始推進(jìn)， 到1996年10月底各工區(qū)的 盾構(gòu)已在海底進(jìn)行地中對接。1997年12月18日東 京灣橫斷道路貫通，使川崎到木更津的路程時(shí)間縮短到原來的39%，在東京灣橫 斷道路未建成以前，從川 崎到木更津沿環(huán)線的距離為110km左右，耗時(shí)118min， 橫斷道路建成后，川崎全木更津近乎直線，其距離僅為30km，需時(shí)46min，其中 東京灣橫 斷