52日本泥水盾构隧道

1、第五章二、日本泥水盾构隧道70年代江川户河污水管隧道在20世纪70年代，还不到十年的时间里，日本就用不同直径的泥水盾构施 工了 20km隧道。就当时技术发展水平来说，认为日本对于一切的细 颗粒土地层 有较丰富的经验，日本泥水盾构常利用开挖出来的泥土作为开挖泥浆，并只要加 上膨润土或其它材料就可调制成用于泥水盾构的泥浆性能，而当时英国的 经验 仅仅局限于膨润土这一种泥浆材料。日本东京南郊江川户河下的污水管隧道，承包商是东京Nishmatsu建设有限 公司，当时正在施工一条内径5.85m长670m的作为河下 虹吸作用的污水管主干 道隧道。隧道采用二次衬砌，初次衬砌是由螺孔的预制混凝土管片组成，而管

2、片 之间用短弯螺丝联接，见照片20。有6块管片，1块封顶 块，环宽为900mm， 衬砌具有堵缝凹槽，将条形止水带塞到管片边缘的凹槽中去。工程地质是一种由 粗粉砂、砂和卵石组成的冲积层。这条隧道在计划中是笔直的，上坡的掘进正 以微小坡度上升。在隧道通过高潮位岸段，盾构在河下17m深处掘进。泥水盾构 操纵台见照片21。照片20江户川污水隧道混凝土管片照片21东京污水隧道泥水盾构仪表控制台竖井尺寸很大，因而隧道掘进机可以整个单元放进去，而不必要在地下盾构 工作室内拼装。竖井底部浇上了混凝土，非常干净。隧道本身显得非常空，异常 清洁的环境提高了工作效率，所有泥土都是用泵输送。一条轧钢板连成的人行道 设

3、置在隧道的一侧。东京河岸处当时正沉放一只非常大的现浇混凝土矩形气压沉箱， 15.6mX31.6m，深26.9m, 一只相同井设在河对岸为隧道盾构接收井。隧道掘进 机从始发井出洞时，一开始就碰到了因沉放沉箱而引起地层扰动的麻烦，于是采 用地面冻结后再掘进。川崎重工业公司制造的这台泥水盾构，长为6.08m，配备了一只旋转切削头， 切削头是靠安置在一个环向装置上若干只马达驱动的。切削刀头可以任意方向 旋转。借助少量气封，经过切削头和闸墙的孔洞，可修理或置换切削刀头，6只 旋转扰动器保持开挖面泥浆的扰动。这只旋转扰动器穿过闸墙安装，并可通过 切削头向前转动来达到扰动泥浆作用。盾构设置18只千斤顶，每只

4、150t。这台机器的土石分离装置十分简单，在日本称为“滚动筛法”。它由一个 50mm粗筛和一个筛后粗料盛藏器组成的一个圆筒箱。在压力作用下，含有任何 种类大型卵石的污浊泥浆都要通过这个滚筒箱，筛子将卵石留在筛子上，再倒入 盛藏器内，而筛下来的泥浆仍可在压力作用下泵到地面上。当盛藏器满了时，整 个过程停下来，然后将筛下来的卵石倒到一辆污泥运输车中。虽然在含有一定量 卵石层中因弃卵石而耽误时间，但这种以一个连续流程采取的分批处理的土石分 离方法既简单又有效。对于盾尾密封的安装进行了各种各样设计试验。但在隧道内当时出现有长长 的辫编束扎稻草，表示在密封方面还未获得全部成功。好的密封还是依靠缩小 控制

5、间隙到15mm左右（盾构外径和盾尾内径之间的距离）。泥水处理已经自动化 了，放射密度计和隧道中污浊泥浆和清洁泥浆流程的电磁仪，都可以真实地 连 续地用一架小型计算机计算，可以从土体中推算出开挖出来的净土量。从隧道中 的信息反馈可表示出掘进机的推进情况，因此，也可计算出超挖和欠挖量；并把 它们画在一张图表报告上。在一定范围内，变化调节推进压力使以均等的体积 来控制地面沉降。从其它工地的地面沉降记录看，显示控制地面沉降是可能的。 泥浆浓度 可以随回转流程中水和开挖粉砂的比例变化而变化，或者有必要的话， 添加粘土或聚合物到泥浆中去。改变盾构千斤顶推力及泥浆流程的泵旋转速度可 控制开挖面的 泥浆压力。

6、泥浆流程泵是放在掘进机内，从竖井处设置泵开始每 隔250m左右放一个，管道的堵塞和磨损是一个大问题，曾发生由于井里泥浆管 道的堵塞而停工。设在竖井附近地面上的泥水分离厂，它类同于一个小型的污水处理厂。这个 单元是自动化遥控的，分离出来的水质是好的。开挖出来的污浊泥浆在地面上加 以处理，它是通过一个振动筛提取砾石和粗砂，然后再将一大批过滤后的污泥压 缩干燥成细粉砂和砂。装在一个长箱子里的泥浆通过一个中心管装到一只麻袋里去，大量水靠自己 从麻袋中流出。当灌满同时，不断加入泥浆自重压力增加了过滤作用，最 后这 泥浆麻袋就可以被压缩，那时松开麻袋，用液压千斤顶纵向作用直至得到干燥的 泥土，倒在一条泥土

7、皮带运输机上。这条皮带运输机一直伸进到压缩泥土和滴水 器之间，干燥的泥土再由自动翻斗卡车搬运。泥土是由黑灰色细砂、粗颗粒状粉砂组成，它可直接填土，无公害，也不需 要安全的篱栅。污水要通过一系列沉淀池，或者加入澄清剂和化学剂使泥土絮凝成细颗粒。隧道施工每天两班，每班4h，每周工作5d，当时平均日推进是4.5m。最大 的推进速度为9m,隧道费用是200万日元/m。东京一条污水管隧道用相同掘进机施工，盾构掘进机也是川崎重工制造。隧 道衬砌使用相同的混凝土管片，管片联接是用短直螺丝装在预埋在管片内钢孔中， 隧道内径3m，总掘进长2km。这条线路包括一个曲率90m的水平曲线，隧道再用 250mm现浇混凝

8、土做二次衬砌。80年代日本京叶线双圆盾构隧道日本，进入20世纪80年代后的前6年(19801985年)，泥水盾构工程的 长度已达到261km。在泥水盾构外形尺寸方面，以往的泥水盾构在外径7m的一 级，进入80年代，已制成外径10m的盾构并投入双线铁路隧道施工。1986年日本研制世界上第一台双圆泥水加压式盾构，又称双头型泥水盾构 或双连体泥水盾构，由日本日立造船株式会社为日本熊谷组承包商制 造。这台双 圆泥水加压式盾构是由两个直径为7.42m的盾构组合而成，盾构横向总宽度为 12.19m，刀盘呈半重叠状。1988年用于日本新建京叶线的京 桥双线隧道施工， 长度约620m。这段隧道原计划是单孔圆形

9、断面的双线隧道，采用双圆泥水加压 式盾构施工后，使双孔并联隧道截面变成更为合理，见图115。这是日本首次使 用MF(Multiple Face)盾构修建隧道。其断面及参数与常规施工的单孔圆形断面 双线隧道相比较，见图116、照片22及表30。图115双圆隧道隧道断面形状-11 卯 U 图116双圆隧道断面比较照片22两个直径7.42m双圆盾构掘进机盾构断面各参数比较表（单位m）表30项目单位圆形（A）MF(B)比率B/A断面外径（竖）M10.47.20.69断面外径（横）M10.411.971.15开挖断面积M287.976.10.871次衬砌M312.610.30.822次衬砌M36.35.

10、60.89壁后注浆M34.45.51.25仰拱混凝土M39.71.80.19在实施双圆泥水盾构隧道工程前，为了确认隧道主体结构的安全性，曾用实 际衬砌荷载进行了试验，见照片23。为了掌握开挖面的稳定性和控制盾构掘进 机的工作位置，又进行了模拟开挖试验。双圆泥水加压式盾构从1988年1月底 开始掘进至8月底未发生大的事故，顺利完成。照片23双圆盾构掘进机概念及模拟试验（1）工程概况和地质条件隧道周围为15层楼的典型办公楼群，由设在道路下面的东京地下车站东端 的竖井开始掘进。线路平面在刚推进不久就遇到R1200m的曲线，然后是直线，在接近末尾处变为 400m的小半径曲线。曲线区间占隧道长度的60%

11、。线路纵断面从起点竖井算起约 200m内是平坡，此后至终端竖井为7%。的上坡。盾构刚推进不久，即与东京电业局的盾构交叉。此后又先后与营团地下铁3 号线（银座线）、都营地下铁1号线（浅草线）的地下构筑物交叉。其交叉间距分别 为918m。在接近线路末端与首都高速公路1号线、8号线交叉。地质条件见图117,洪积砂砾层，覆土厚度为2327m，地下水位为GL-12.3m， 土的单位体积重量为r=1.82.3tf/m3（水中0.81.3tf/m3），土的内摩擦角为1342， 土的N值为50以上，含水比5.898.8%，土的渗透系数为1.4X10-45.2X10-2cm/s， 泥水室压力（盾构掘进机中心处）

12、0.2MPa，最大砾径100mm。M 的if I 牛坦Wi- *图117京桥双线隧道地质纵断面图（2）双圆盾构掘进机构造考虑到盾构掘进机的周围有地下水等施工条件，采用了密闭型盾构。由于以 下原因采用了泥水盾构：地基以砂质土为主体；容易确保开挖面的稳定；掘进时操作比土压盾构容易；以往的大断面施工实例多。盾构掘进机为了不妨碍左右两切削盘的旋转而前后错开1.3m，这是盾构掘 进机的一大特点。为了控制盾构推进中可能出现的各种偏差，装备了各 种校正 蛇形用的设备。在机器上下装有28个可动的伸缩装置，用来纠正盾构纵向倾斜。 为克服左右摇摆，把44个盾构千斤顶分成14组，每组装备了可以随时调 整推 力的盾构

13、千斤顶，并有自动调整系统。盾构构造见图118。E俏.盼 f ! :-技洋H慌也tt图118盾构掘进机构造图盾构掘进机中央的凹陷部分是为了防止地层崩塌而设计的，此处安装了利用 放射线探测开挖面坍塌的检测装置。回填灌注装置也安装在这个位置。升降架分别装在先行切削盘和后行切削盘侧面，衬砌、中柱都用拼装结构。 为了防止先行切削盘和后行切削盘重合部分被土粒等物塞满，设有泥水喷射孔， 能进行冲洗。双圆盾构掘进机的各主要部件如下：盾构机身全长9.00m；横宽12.19m；高度7.42m盾构千斤顶300tfX1200stX13 台（下部）200tfX 1200X31 台总推力10100tf单位面积推力132.

14、4tf/m2掘进速度4.0cm/min配液压泵 60l/minX35.0MPaX2 台配电动机45kWX4PX2台配油箱40001切削刀盘（见图119）刀盘转矩 常用466.8tf,m,最大700.3tf*m刀盘转速 低速0.43rpm，高速0.86rpm驱动用电动机5.5kWX4/8PX16台仿形刀（先行面板）21tfX250stX2把仿形刀（后行面板）10tfX120stX2把配液压泵 35l/minX21.0MPaX2 台配电动机15kWX4PX2台油箱由盾构千斤顶油箱兼用拼装机起吊重量14tf伸缩力22tf旋转速度0.8rpm旋转用液压马达1260kgfmX21.0MPaX2台 伸缩千

15、斤顶 100X800stX140kg/cm2 X2 只 滑动千斤顶 100X250stX140kg/cm2 X1 只配液压泵 76l/minX21.0MPaX2 台配电动机30kWX4PX2台搅拌装置搅拌机 1000mmX6台旋转速度55rpm力矩常用800kgfm最大1200kgfm图119切削刀盘面板和密闭室关系形状保持装置型式门型3连移动式顶力最大80tf 移动量1100mm3、隧道衬砌构造隧道衬砌设计是采用有接头的两环衬砌。两环衬砌重合的中心部位在上下有 两块特殊的K型管片，在周围部分有8块A型管片，共分割成10块，中间设立 柱一根。K型和A型管片为厚30cm，宽度1.0m的平板型钢筋

16、混凝土结构，管片最大 重量约3100kgf/块。管片拼装顺序见图120。圜冏图120双圆盾构管片拼装顺序图为了校正曲线和蛇行使用了锥形砌块，并制作了竖曲线和平面曲线用的两种 衬砌，见照片3、照片24。照片24特殊锥形砌块拼装施工在施工中未发生因双圆泥水加压式盾构的特殊断面而引起的困难，取得了比 预想还好的成果。一次掘进可开挖完成地铁双线隧道，且减少开挖面积15%。这 对复杂的城市中心地区的地下开挖施工，具有特殊意义。90年代东京湾海底隧道工程在20世纪90年代，日本最引人注目的泥水盾构隧道工程是东京湾海底隧道，长 10km,是世界最长公路专用海底隧道，用八台直径14.14m泥水加压式盾构施工 （详见本书第九章）。最初推进的两台盾构分别位于浮岛的北线和南线开始推进， 到1996年10月底各工区的 盾构已在海底进行地中对接。1997年12月18日东 京湾横断道路贯通，使川崎到木更津的路程时间缩短到原来的39%，在东京湾横 断道路未建成以前，从川 崎到木更津沿环线的距离为110km左右，耗时118min， 横断道路建成后，川崎全木更津近乎直线，其距离仅为30km，需时46min，其中 东京湾横 断