日本隧道与地下工程新技术（PPT142页）

1、日本隧道与地下 工程新技术 傅德明 2012.11.7 前言 英国是最早开发应用盾构法隧道的国家18251843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧道（11.4m6.8m）。1882年1月12日泰晤士河底隧道施工时涌入水日本于19391942年，首次用盾构施工国铁关门隧道工程（盾构直径7.18m，隧道长度725.8m）。1964年，开发应用3m泥水式盾构掘进下水道工程；1969年，开发应用7.3m泥水加压式盾构。1974年，开发应用首台土压平衡盾构。19891996年，日本采用8台世界最大直径14.14m泥水加压盾构，掘进东京湾海底隧道，2条隧道各长9.4km。近15年来，

2、日本盾构隧道技术向大直径、大深度、长距离、多样化发展；开发应用盾构隧道新技术、新工法、新设备百余种，成为世界盾构隧道技术最先进的国家。 日本盾构隧道技术的发展1、日本盾构隧道新技术概况1.1 超大直径盾构技术1.2 DOT盾构工法1.3 MF盾构工法1.4 H&V盾构工法1.5 偏心多轴(DPLEX)盾构工法1.6 摆动型盾构工法1.7 茎盾构工法1.8 球形盾构工法1.9 盾构隧道预应力管片工法1.10 PSS-Arch工法(弯曲顶管） 用于东京湾海底隧道的14.14m泥水加压盾构 1.1 超大直径盾构技术 母子型14.16m泥水加压盾构 1.2 DOT盾构工法（土压型双圆盾构）DOT工法双

3、圆盾构掘进机MF（Multi Face）盾构由多个圆形断面的一部分错位重合而成，可同时开挖多个圆形断面的盾构法。 2个或多个大小不同的圆形断面通过一定规则的叠合可提供任意断面形式的隧道。MF盾构法更适用于地铁车站，共同沟和地下停车场等大断面隧道的开挖。 1.3 MF盾构工法（泥水加压型多圆盾构）MF工法多圆盾构掘进机 1.4 H&V盾构工法 H&V（Horizontal variation & Vertical variation）盾构法是将几个圆形断面根据需要进行组合，以开挖多种隧道断面形式的特殊施工方法。H&V施工法可同时开挖多条隧道，推进方式有像绳子一样互相纠缠在一起的螺旋式推进和让其中

4、的某一个断面从中独立出去的分叉式推进两种方式。可根据隧道的施工条件和用途在地下自由的掘进和改变隧道断面形式和走向。 H&V盾构工法 1.5 偏心多轴(DPLEX)盾构工法偏心多轴盾构采用多根主轴，垂直于主轴方向固定一组曲柄轴，在曲柄轴上再安装刀架。运转主轴刀架将在同一平面内作圆弧运动，被开挖的断面接近于刀架的形状。因此，可根据隧道断面形状要求设计刀架是矩形，圆形，圆环形，椭圆形或马蹄形。 偏心多轴盾构掘进机 1.6 摆动型盾构工法（ Wagging Cutter Shield) 通过油压千斤顶切削器摆动动机构，兼用切削器辐条伸缩机构，用以掘削非圆形断面的盾构新机种。 摆动型盾构掘进机 1.7

5、茎盾构工法 1.8 球形盾构工法 3.94m2.68m球形盾构掘进机 1.9 盾构隧道预应力管片工法大口径预应力混凝土管片结构试验Frozen rangeFreezing pipeR=4.0mSoil improvement by GroutingSoil improvement by GroutingExisting structureExisting structureNew structureSubway shield tunnel 1.10 PSS-Arch工法(弯曲顶管） 2.日本盾构隧道新技术工程实例2.1 MF双园盾构工程实例2.2 DOT双圆土压盾构工程实例2.3 MF 4圆盾

6、构掘进地铁车站工程2.4 MF3圆盾构掘进地铁车站工程实例2.5 装卸式圆MF盾构施工地铁车站实例2.6 母子盾构工法工程实例2.7 茎盾构工法施工实例2.8 东京湾海底隧道工程2.9 东京地铁13号线工程新技术2.10 东京高速中央环线新宿线工程2 . 1 MF双园盾构工程实例： 京叶线京桥隧道新设工程工 期1986年4月1989年4月隧道长度619m隧道断面外径：高度7,420mm，宽12,190mm地 质洪积砂，粉砂层和砂砾层覆土厚度2326.5m最小曲线半径R=400m双圆泥水型MF盾构机及隧道工程 2.2 DOT双圆土压盾构工程实例： 高速铁道4号线茶屋坂公园工程 发包单位：名古屋市

7、交通局施工长度：L=1007.3m工 法： 土压式双心圆盾构工法盾构外径：6.52m11.12m衬砌外径：6.30m10.90m衬砌宽厚度：1.20m/0.30m最小曲线半径：R=500m覆土厚度： 11.5032.10m地 质： 洪积砂质土(N=3050)， 粘性土(N=1030)双圆土压型DOT盾构机及隧道工程 駅部大断面NATM標準断面図大断面双圆隧道车站断面图（岛式站台）大断面双圆隧道车站断面图（侧式站台） 2.3 MF 4圆盾构掘进地铁车站工程 4圆盾构掘进地铁车站圆MF盾构工法施工地铁站（纵剖图） 2.4 MF3圆盾构掘进地铁车站工程实例： 东京地铁12号线饭田桥工区建设工程 工

8、期 1992年4月2000年12月 隧道长度 275m 隧道断面 高度8,846mm，宽17,440mm 地 质 江户川砂层 覆土厚度 2628m 最小曲线半径 R=125m 世界首座3圆MF盾构工法车站（纵剖图）地铁车站位于东京饭田桥大久保大街、护城大街和目白大街交叉处，交通十分繁忙，地面是高速道路、神田川分水渠道；地下有地铁东西线、有乐町线、南北线、东电隧洞等重要构筑物交织在一起；车站埋深30m，若采用明挖工法来筑造十分困难。 世界首座3原型MF盾构工法车站（横剖面图）c.tc. 4m世界首台3圆形MF盾构掘进机 3圆形MF盾构工法车站 3圆形MF盾构工法车站 3圆形MF盾构工法车站4.M

9、F工法駅用单圆盾构机掘进区间隧道到达车站端头井中；在端头井内，将单圆盾构的两侧装配上小型盾构、改造成三连型盾构三连型盾构掘进车站部分的整个断面后到达接收井中；在接收井中，脱卸掉两侧 2台小盾构，恢复成单圆盾构；用此单圆盾构继续掘进另一段区间隧道。 2.5 装卸式心圆MF盾构施工地铁车站实例 东京帝都高速交通7号线白金台二工区工程长度：双线盾构隧道418m三连型车站盾构隧道120m 施工单位：熊谷青木建设工程共同企业体工期：1994年3月11日1998年6月10日盾构外径：15,840mm10,040mm地质：东京砾石层，东京层粘性土覆土厚度：1522m装卸式心圆MF盾构 在工作井中将单元盾构改

10、装成3圆盾构心圆MF盾构掘进和拼装地铁车站 心圆地铁车站结构 大深度地铁车站构想 大深度地铁车站效果图大深度地铁车站横剖面图（岛式车站）大深度地铁车站横剖面图（侧式车站） 2.6 摆动型盾构隧道工程实例： 京都市高速铁道东西线建设工程泥土加压矩形(二轴) 盾构：H6,870W10,240L9,330隧道长度：753m 覆土：8.2m14.4m 地质： 洪积砂砾 N=2050以上 工期： 1999.102003.10 2.6 母子盾构工法工程实例： 多摩川河上游雨水干线分项工程工 法： 泥土加压盾构(地层中分离式母子盾构机)工程场所：羽村市绿丘3段青梅市末广町1段发包单位：东京都下水道局施工单位

11、：五洋西松竹中土木建设共同企业体工 期： 2001年7月2004年1月掘削外径：5,890mm/4,390mm隧道长度： L=1,745m 母机部分 988m 子机部分 757m 管片种类：RC带榫槽管片(母子分离部分为钢管片) 母机部分 (5,750，厚度250mm，宽度1,200mm) 子机部分 (4,250，厚度250mm，宽度1,200mm)覆土： 9.8m17.8m地 质： 砂砾层和洪积粘土层 母子盾构工法示意图 母子盾构机施工实绩表 2.7 茎盾构工法施工实例： 大阪谷町筋新设管道工程 施工场所：大阪市上本町西一 段天满桥二段发包单位：西松大林前田奥村共同企业体工 期： 1993年

12、12月2000年9月工 法： 泥水盾构工法地 质： 洪积层砂质土(N值在50以上)和粘性土(N值在 1020左右)的相互交迭层 谷町筋管道(干线盾构机)盾构机外径：7.26m 隧道断面：外直径7.1m施工长度：2,650m 最大覆土：50m最小曲线半径：R=60m 上二本町线管道(分岔盾构机)盾构机外径：4.24m 隧道断面：外直径4.1m施工长度：850m 最大覆土：50m最小曲线半径：R=20m 7.26m/4.24m泥水式茎盾构 茎盾构施工流程图 2.8 东京湾海底隧道大直径盾构施工实例东京湾横断道路位置图东京湾横断道路一般图东京湾横断道路工程全长15.1 km，其中隧道长9.6 km，

13、桥梁长4.4km，中间设2座人工岛，人工岛长1 km，工期：89年-96年费用：1万亿日元14.14m泥水加压盾构盾构示意图Digging data東京湾横断道路浮島南工区掘削 木更津人工岛 川崎人工岛 桥梁 出入口风井 隧道内部日本隧道与地下 工程新技术 傅德明 2009.3.13日本东京至2007年底地铁已建12条线，运营总长度达292km，客流量达760万人次/日，是世界上最繁忙的地铁。东京地铁13号线工程新技术 2.9 东京地铁13号线工程新技术2001年6月开工兴建13号线，13号线位于东京西区，从池袋经新宿到涉谷，全长8.9km，工程建设总费用约2500亿日元（相当于人民币200亿

14、元，每公里地铁建设费约22亿元），包括用地费、土木设施工程费、车辆费等。其中土木设施工程费占62%，电气费占11%、车辆费占7%、用地费仅占4%。建设资金来源于东西高速铁道整备事业费补助金、大陆特定财源和地铁公司自有资金。东京地铁13号线于2008年6月14日建成运营，由东京地下铁株式会社承担建设和运营。该公司目前经营9条地铁线，运营里程204km，车站191座，资本金581亿日元，职工8509人。 东京地铁13号线纵剖图地铁线路全线位于繁华的商业街区下，地铁工程采用了许多新技术新工艺新材料新设备。地铁13号线设8座地下车站，其中有6座车站与其它地铁线路平行或立体交叉换乘。 车站最大埋深37m

15、，池袋、新宿七丁目、涉谷站为地下4层，其中涉谷站规模最大，宽度36m，为地下四层五跨箱形结构。地铁车站除杂司谷站和西早稻田站采用盾构法掘进施工外，其余5座车站采用盖挖法施工。 人行道人行道盖板梁托防护栏盖板梁1盖板梁2盖板梁3开口部分首道支撑立柱3m约3m 车站施工采用成熟的地下连续墙围护结构和盖挖施工工法 。围护结构采用柱列式SMW桩，形成地下连续墙。基坑施工先开挖1m后把钢梁安放在地下墙顶部，然后再钢梁上放置预制的路面板。开挖、钢梁、盖板在夜间施工，不影响道路交通。地铁车站的基坑暗挖、支撑、结构混凝土浇筑在盖板下作业。 地铁车站盖挖施工工法 地铁车站盖挖施工工法 车站围护结构SMW桩(新宿

16、七丁目和杂司谷站采用泥水固化壁，涉谷站采用5轴ECW工法+再削孔桩 ) 地下管线悬吊保护(上下水管、煤气管、电缆通信等线路 ) 下水道悬吊保护 车站深基坑开挖施工(5座车站采用盖挖法施工 ) 新宿七段站工程新宿七段站由于要考虑越站急行方案，采用上下2层站台，为地下4层结构，开挖深度达37m，车站长度达372m。车站围护采用施工精度高的地下连续墙，并作为主体结构的一部分。在大久保交叉口处，为避开4.4m的排水隧道和2.85m的NTT电缆隧道，采用了管棚工法施工。 明治神宫前车站工程明治神宫前车站位于地铁千代田线之下并与千代田线车站站台呈T字形连接，换乘方便；还可经由千代田线车站与地面的JR山手线

17、换乘。明治神宫前车站为地下3层，开挖深度达29m，由于地面商业街交通繁忙，分2阶段施工。第1阶段采用SMW围护，盖挖法施工；第2阶段采用BH工法的地下连续墙围护。 地铁13号线盾构隧道掘进施工地铁车站之间的区间隧道采用盾构法施工，隧道断面有6600单线隧道、9800双线隧道、W9700H8600复合圆形隧道三种。 地铁13号线共采用9台盾构掘进10.628km。其中，3段区间隧道采用4台6750mm-6770mm盾构掘进机施工，3台为辐条式泥土压盾构，1台为泥水加压盾构，掘进总长度4532m。2段双线隧道分别采用1台9980mm辐条式泥土压盾构和1台10030mm面板式泥水加压盾构，掘进长度1

18、801m。新宿三丁目站至新千驮站采用泥水盾构掘进施工，穿越地层为粘性土、砂性土、砂砾 杂司谷站及至西早稻田站采用1台8.17m/6.78m母子式泥水盾构和1台8.17m/6.77m母子式土压盾构掘进施工，139m车站掘进完成后，从母盾构中推出6.77m子盾构掘进单线区间隧道1441m。 复合圆形土压盾构掘进施工 明治神宫涉谷站为双线隧道，断面为复合圆形，采用世界第一台W9960H8660mm复合圆形土压盾构掘进施工 。该盾构刀盘采用6根辐条结构，辐条端部可伸缩，刀盘旋转仿形切削形成复合圆形断面。盾构最大推力80000km，最大扭矩18742kn-m，刀盘转速0.5rap。复合圆形隧道衬砌采用8

19、块钢筋混凝土管片拼装而成，管片环宽1600mm，厚度400mm。盾构穿越的地质为粘性土和砂性土，隧道线路上方有1条矩形下水管渠和2800mm电缆隧道平行，须重点保护。复合圆形隧道与圆形隧道相比，由于断面有效利用率高，隧道断面减少10%左右，并可降低对环境影响。盾构穿越的地质为粘性土和砂性土，隧道线路上方有1条矩形下水管渠和2800mm电缆隧道平行， 6600单线隧道衬砌主要采用6等分的RC平板型管片，环宽1600mm，厚320mm，管片连结采用新研制的FAKT插销式接头。部分段采用环宽1250mm、厚250mm的蜂窝形RC管片。地铁车站8000mm隧道采用7等分的RC平板型管片，环宽1600m

20、m，厚350mm；2隧道联络通道部分用钢管片。9800mm双线隧道采用7等分的RC平板型管片，环宽1600mm，厚400 mm ，管片连结采用新研制的BEST插销式接头。W9700H8400mm复合圆形双线隧道采用8块不等分RC平板型管片，环宽1600mm，厚400mm。管片连结采用新研制的DUET插销式接头。 2.10 东京高速中央环线新宿线工程东京“首都高速中央环线”，总长度47km，环线半径约8km，东侧和北侧已建成运营，西侧新宿线正在建设中，南侧品川线已在2004年11月列入都市计划。 新宿线长11km，为地下道路，工程分为9个工区，2个用明挖法施工，7个用盾构法掘进施工，盾构隧道直径

21、为11m-13m。 西新宿隧道工程 规格：属于第2种第2等级(设计车速60km/min)施工长度：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 中落合盾构隧道工程概要部 位外 圈内 圈工程名称SJ51工区-SJ53工区(外圈隧道)SJ51工区-SJ53工区(内圈隧道)工程场所东京都丰岛千早1段-新宿区上落合2段施工单位大林大丰东急特定建设工程共同企业体夭村钱高大本特定建设工程共同企业体施工长度2,020m盾 构 机外 径12,020mm工 法泥土压力盾构机衬砌外径11

22、,800mmRC管片宽度/厚度1,500mm/450mm种 类一次通过衬砌2蜂窝形管片钢壳管片宽度/厚度1,500mm/399,400,431,432mm球墨铸铁管片宽度/厚度1,200mm/400mm车 道 版结 构预制预应力结构预制钢筋混凝土结构宽 度1,500mm长度/厚度8,150mm/230mm7,170mm/290mm施工方法与盾构机掘进同步施工法 12.02m土压盾构工作参数主项详细项目外圈盾构隧道内圈盾构隧道盾构机主体外 径12,020mm12,020mm机身长度11,200mm11,020mm盾 尾钢丝刷承压型3排推进装置盾构千斤顶3,500kN2,450st36台3,500

23、kN2,850st40台总 推 力126,000kN140,000kN切削器装置辐条根数主辐条6根+辅助辐条6根开 口 率约59%约61%支承方式中间支承方式装备扭矩额定值(100%) 28,846kN-m最大值(120%) 34,615kN-m额定值(100%) 29,174kN-m最大值(150%) 43,762kN-m切削器旋转数0.456rpm0.400rpm超挖装置仿形切刀三套仿形切刀四套搅拌装置中央部位搅拌机：4,200mm旋转扭矩：1,094/1,641kN-m旋转数：2.0/1.23rpm搅拌机：1,000mm4台旋转扭矩：34.34台137.2kN-m旋转数：6.0rpm外周

24、部位搅拌叶片12片固定叶片4片搅拌叶片12片固定叶片2片后背注浆工序注入方法同步注浆同步注浆注入处所管片主体上注浆孔盾构机主体上排土装置形式带1次、2次轴承螺旋输送机：1,200mm带1次、2次轴承螺旋输送机：1,100mm排土能力约350m3/h约378m3/h可能排出砾径420mm415mm新宿线中落合工区盾构法隧道长2020m，隧道外径11.2m，隧道覆土9m-23m。穿越地层为东京粘土、砂土和砂砾，最大粒径30cm。隧道掘进采用1台12.02m的土压盾构，盾构本体长11.2m，最大推力140000kn。盾构的刀盘为辐条式，开口率达60%，最大扭矩43000kn-m，转速0.45rpm。螺旋输送机排土能力350m3/h，排渣粒径最大为42cm，土砂的朔流改良采用添加发泡剂。盾构推进速度20mm/min，盾构始发直接切削竖井的NOMST壁。隧道衬砌采用钢管片和钢筋混凝土（RC）管片；钢管片宽150cm，厚40-43cm；RC管片有2种形式，普通管片宽150cm，厚45cm；蜂窝形管片宽120cm，厚40cm。每环蜂窝形管片由8块,管片呈六角形,每次4块,每块管片用2根斜边接头