日本隧道施工技术考察报告

日本隧道施工技术考查汇报365JT摘要：本文系作者于1994年6月赴日本考查隧道施工技术综合汇报。分为上下两篇。上篇介绍正在施工几项大型工程，下篇介绍惯用施工技术与新技术，包含多面型盾构机、盾构机产品系列化、盾构技术发展新课题等。关键词：日本隧道

施工技术

新进展深层海底公路

地铁

地下河

盾构

掘进机

巨臂钻掘机

高效作业

多面型盾构机

自动化施工产品系列化

特殊新机型引言1994年6月，作者有幸参加中国地下工程赴日本考查团，考查重点是隧道及地铁施工技术与装备。回国后，除了写成“多面型盾构隧道掘进机”、“SMW工法地下连续墙”等专题汇报早已公开发表外，本文为关于隧道施工技术综合汇报，因故未及发表，时隔今日看来仍具备一定借鉴意义和资料价值。因为日本关于方面妥善安排，此次考查虽仅两周时间，却访问了正在施工四项大型工程，访问了在世界盾构掘进机制造业中长久居领先地位日立造船株式会社及其著名神奈川工场，以及其余若干相并单位和施工现场，使作者受益匪浅。尤其难得是考查团在抵日次日，应邀专程赴神奈川县，与日本及其余国家数百名同行一起，出席了世界第一台三连型盾构隧道掘进机研制成功并交付使用新闻公布盛会。在此之前，日本曾于1986年制成了世界第一台二连型盾构机。于是三连型和二连型盾构机被统一命名为“多面型盾构机”，它们问世表明了盾构法应用突破传统，进入了新阶段，是世界盾构隧道发展史上一件大事。本文分为上下两篇，上篇介绍正在施工几项大型工程，下篇介绍考查所见施工技术与新技术。因为考查时间短暂，所见既非全方面，更因作者水平有限，学习不深不透，报道难求详尽。文中如有错讹，祈识者指正。上篇施工中几项大型工程1东京湾横断道路工程图1表示东京湾及其正在担心施工横断道路地理位置。由图不言可知此项工程对于沟通东京湾东西两侧交通运输和促进产业活动主要意义。这是日本政府近年在经济建设中最重大举措之一。该工程西起川崎市川崎区，东至木更津市中岛，横跨东京湾中部，从而形成了东京首都圈(东京都及其附近大城市之间)大型环状道路网。该工程全长15.1公里，见图2。其中川崎一侧约10公里为盾构隧道。它建于海面以下约60米深处。盾构外径Ф14.14m，为当今世界最大直径。盾构掘进机为高压泥浆式，以适应大深度高水压施工条件。木更津一侧约5公里为多跨钢架桥梁，其桥墩多数采取R、C，个别采取钢结构。桥梁最高跨在海面以上约41米，可通吨级船舶。大于此吨级船舶在川崎一侧海面航行。在隧道中途及隧道与桥梁连接处，各设一人工岛。川崎人工岛直径约Ф200m，由深入海面以下114m园筒形R.C连续墙筑成，施工时作为盾构掘进机出发井，完工后成为隧道换气塔，露出海面约5m。木更津人工岛为填土式人工岛。隧道施工在川崎侧浮岛、川崎人工岛及木更津人工岛之间分两段分别双向进行，亦即：川崎侧浮岛→←川崎人工岛→←木更津人工岛。该工程所需主要物资，钢材约46万吨，水泥约70万吨，砂约560万立方米，石材约570万立万米。该工程自1987年7月开工，预定于1996年3月完工。计划通车量为33，000辆/天，设计车速为80公里/小时。东京湾横断道路工程集海底深层大断面长距离隧道、大型人工岛及海上专长高架桥等高难度工程于一体，堪称当今世界各国规模最大海洋土木工程之一。表1列出了该工程与欧洲英吉利海峡隧道二者主要技术经济指标，从中能够看到东京湾横断道路工程具备多项特色。

因为东京湾横断道路工程规模浩大，技术复杂，已在川崎区东扇岛专门建立了一座永久性模型展示馆，名曰“海洋之路广场”(MarineRoadPlaza)，常年对外开放。馆内陈列各种模型包含总体模型、分部工程模型、施工机械设备模型等，均可借按钮自动显示其中任一局部或全部结构结构、机械设备结构和施工细节。馆内并有100寸彩色电视机，参观者可自由开启播放工程情况，换言之，模型显示和电视介绍均实施无人管理。

在展示馆屋顶上，有高倍望远镜可眺望海上现场施工实况。

表1

东京湾横断道路工程与欧洲英吉利海峡工程主要技术经济指标比较

指

标东京湾横断道路欧洲英吉利海峡1、工程用途高速公路，双车道×2铁道，单线×22、主体结构海底隧道约10km，桥梁约5km海底隧道约50km3、隧道直径Ф13.9mФ8.4m4、隧道断面面积约152m2约5、地质条件冲积洪积层(软弱层)，覆盖土约15m白垩层(岩盘)，覆盖土约30m以上6、最大水深28m60m7、总造价约85亿美元约150亿美元8、平均每公里造价约5.7亿美元约3亿美元9、工期约8.5年约10、年平均投资约10亿美元约10亿美元2大阪市地铁7号线工程大阪是日本第二大城市。施工中地铁7号线，其平面走向自西向东，横贯全市。该工程全长8.5公里，分东西两段11个站，全线为地下式。本文引言中提到世界首创三连型盾构掘进机即首先应用于该7号线一个大站，其站名暂定为“商务公园”站。三连型盾构机突破了常规盾构机只有一个园形掘进面传统，它有三个相连园形掘进面，可使地铁上行线、下行线与车站三者同时掘进，从而大大缩短工期，降低造价。商务公园”是大阪市正在兴建一个新市中心，位于著名观光胜地“大阪城堡”(OsakaCastle)东北，占地26公顷。该地周围为两条河流及日(本)铁(道)大阪环线所包围，而新车站位置正落在“大阪松下国际市场广场”大厦下方，故新车站站台标高定在地面以下35m，建成后将是大阪市最深地铁车站，又是该地域最主要交通枢纽。商务公园”站站台长155m，隧道施工出发井尺寸为24m×22m×38.1m(深)，抵达井为24m×23m×38.0m(深)。井坑均采取R.C地下连续墙，并为承重墙，逆作法施工。该站所用三连型盾构机为泥浆式，外径Φ7.8m×17.3m，长9.4m，总推力14.400吨，单位面积推力123.1吨/平方米，切削速度0.86rpm，掘进速度40mm/min。三连型盾构机具备3个掘进面，3个切削舱，3个环片安装机，3套形状保持装置。它们既可合而成整体，又可分而各自独立工作。该隧道支护系统包含：预制R.C.环片Φ7.5m×17m(宽)，共105圈，每圈14片；纵向上下桁梁(型钢砼结构)404m；柱Φ700mm×46mm(厚)，每4m一根，共52根。图4为“商务公园”站总平面及纵剖面(包含地层剖面)图。图5为隧道标准纵横剖面图。在隧道施工期间，对隧道本身及其上部和邻近建筑物及工程设施实施天天二十四小时跟踪监测。图6为监测仪表埋设位置一例。3寝屋川南部地下河工程大阪市及其周围地域，河川密布。由大阪市向东南大片土地，即寝屋川南部约200余平方公里，因为地势偏低，常受洪涝灾害。日本政府对策是兴建一条13公里长隧道作为地下河，使雨水以每秒50～180m3图8和图9分别为该地下河线路平面和纵横剖面示意图。该地下河已于1986年及1991年先后建成两段，其长度分别为1.3及0.6公里，集水能量分别为10万及4万立方米。此次考查正在施工一段，称为平野川集水库。它位于地面以下23—27m，长1.2公里，隧道直径Φ10.3m，坡度1/1500，盾构机外径Φ11.52m，集水能量10万立方米。它建成后与先前两段共计，集水总能量达24万立方米，将成为世界最大同类型水库之一。平野川集水库工程地质条件由上部洪积层及下部洪积层(大阪层群)组成。在隧道自西掘进起始约300m，所遇主要是下部洪积层粘性土，今后向东约900m均为上部洪积层，见图10。下部洪积层为硬粘土，其标贯N值在10至20之间，不含砂砾。上部洪积层为混有最大粒径达20mm砾石砂土与粘土互层。砂土N值在10至60以上，性质紧密。孔隙水压力在出发侧为24kPa，抵达侧为17kPa。该工程难点，除隧道直径大、地质条件较差外，还在于在线路之上为已建成住宅区，而且穿越一条地铁、一条高速公路和两条电气化铁道，还有大小河川。另方面，线路带有R130m急转弯。为此，采取了屈折式盾构机，其机身最大屈折角为2°。平野川集水库造价约1.8亿美元。施工实施两班制。天天掘进约10m。因为机械化、自动化、无人化及电脑化程度高(详见本文下篇)，地面地下全部作业人员仅24人。据介绍，至1994年6月初已完成约850m，其余约350m可在一个半月内完成而抵达终点。日本已建成规模类似上述平野川集水库工程，还有神田川集水库。它长2.0公里，隧道内径Φ12.5m，盾构机外径Φ13.94m，1993年3月完工。它属于东京环状7号线地下河组成部分。4日铁北陆新干线丸子隧道工程以上所介绍三项隧道均采取盾构法施工。日(本)铁(道)北陆新干线丸子隧道(自长野至高崎)是此次考查时一项采取新奥工法(NATM)及钻掘法(ShortPunchCutMethod)施工山岳岩石隧道。主要施工机械为S200型巨臂钻掘机(RoadHeader，笔者暂译名)。该隧道为铁路单线行车隧道，直径约9.5m(非正园)，参见图11，长2.32公里，造价约0.5亿美元。地质岩性主要为凝灰质玉石混砾岩，单轴抗压强度约70MPa，据告，自1992年3月末开工至1994年6月初工程进度已完成约67%，平均月进50m，计划于1995年12月完工。作业人员：隧道掘进32人，废土处理5人。巨臂钻掘机，参见图12，是世界上最新强力、高效、防尘、适合于中硬岩盘大断面隧道掘进机型。它在我国大陆还未闻有引进者，在台湾刚开始在北部第二高速公路隧道中应用。该机型最适合于新奥工法。它在日本已形成系列产品，其中能量最大者为S300型，为世界最大级；最小为S90型。详见本文下篇。丸子隧道所用S200型为系列中第二级。据告，开工后在掘进至400～700m时，曾因岩质过硬而对钻头进行了强化，即将其中部分钻刀改换为S300型配件，见图13。S200型机自重50吨，全长15.5m，宽3.6m，高3m；可钻掘单轴抗压强度至100MPa岩石；钻头迴转数，高速46/55rpm—30/60Hz，低速23/28rpm—50/60Hz。该工程坑内除尘通风效果甚佳，考查时即使走至掘进前沿亦未感觉到粉尘污染。这与其所采取通风排气设备关于，也与巨臂钻掘机性能关于，因它钻头前端能喷出高压水(水压35MPa，水量52L/min)，既可快速冷却钻头，又可防粉尘扩散，为德日等国各种旧式岩石掘进机所不能比拟。该工程支护系统包含：Φ5×100×100mm钢格网，150mm厚喷射混凝土，Φ22～Φ32mm自穿孔岩栓，防水膜，125工字钢肋条，300mm厚衬砌混凝土。在考查时看到喷射混凝土正使用“无人全自动”(Robot)喷抢操作，包含自动转向、移位和行走。另外，为提升工效，确保坑内车辆通行安全，该工程在常规栈桥基础上开发了横向可移动式液压栈桥，。下篇常见施工4技术与新技术1多面型盾构隧道掘进机1994年6月2日，作者应邀赴神奈川县参加世界第一台三连型盾构隧道掘进机制造成功及交付使用新闻公布会，会后去工场参观了该盾构机(图15-0)，听取了关于教授生动讲解。7日又在日立造船株式会社总部会见了该盾构机设计总责任人、日立建设机械设计部参事部长平田昌三先生及其同事，听取了他们较详细介绍。之后，访问了若干施工现场。1.1设计思绪三连型盾构机是日本继1986年制成世界第一台二连型盾构机之后又一重大成就。从此，两种机型被统一命名为多面型(或多园面型)盾构隧道掘进机。它们外形见图1。能够看到，它们是以三个或两个园形盾构搭接并列，协同动作，齐头并进。自18英国一位出色工程师勃鲁奈尔(SirMarcIsambardBrunel)首创用盾构建设世界第一条水底隧道—泰晤士河隧道以来至今已170余年，大家知道世界各地盾构机已作了许多重大改进，但盾构机掘进断面几乎无不沿袭传统，采取单一、规整园形或矩形断面。只是为了适应工程需要，乃对盾构直径作种种改变。世界迄今已制成盾构机，其最小直径不足1m(用于给排水管道)，而最大直径达14.14m(1992年日本首先制成，用于东京湾横断道路)。然而，盾构机仅仅依靠直径改变，显然不能完全经济合理地处理日益复杂工程问题。比如，当前应用较广交通隧道，当建设铁路复线或上下行必须对开地铁时，常规质构设计方法几乎都有采取并行布置两园形隧道，或把两条线路安排在一条大园形隧道内，参见图16。此时，因为两辆车辆并列宽度及其必需建筑余量常大于车辆高度及其必需建筑余量，这势必造成大园形隧道顶部和底部空间浪费而且增加工程投资。面对此不合理情况，隧道工程师遂萌发用相连两园形隧道代替两独立而平行隧道构想，见图17。将图16和图17重合绘制得图18；据此作计算而列于表2。它们表明相连两园形比单个大园形为有利。另外，从工程线路占用地下空间考虑，亦得一样结论。以上简单例证说明了二连型以至多面型盾构机设计思绪是何其简单而又合理，而此思绪又具备连锁启发性，其困难在于怎样实现。据告，二连型盾构机从构想至制成，约花8年时间；从二连型制成至三连型问世，又花8年时间。多面型盾构机因为均采取泥浆灌入切削仓施工，故适适用于含粘土、粉土、砂土、砾石、卵石、漂石等各类岩土地层。1.2主体结构与泥浆循环系统多面型盾构机主体结构参见图19和图20，泥浆循环处理系统见图21和图22。为节约篇幅，此处均主要用图表表示之，以下同。仔细看图，不难获一概念。大园形盾构与二连型盾构比较

表2

项目单位园形盾构二连型盾构比较(二连型/园形)1、断面外径(纵向)m10.407.200.692、断面外径(横向)m10.4011.971.153、掘进面积m287.9076.100.814、第一次表面加固m212.6010.300.825、第二次表面加固m26.305.600.896、回填灌浆m34.405.501.257、隧道内底部混凝土m39.701.800.191.3衬砌管片运输、提升、就位与组装多面型盾构机对隧道衬砌管片运输、提升、就位与组装均设有完整自动化系统，参见图23和23a；管片组装次序示于图24和图25。值得尤其提出是，多面型盾构机还设有一个机器人(Robot)，它能精准拧紧管片与管片环向和纵向全部连接螺栓。此机器人亦属世界首创。其工效为每小时拧紧120副螺栓。参见图26。1.4衬砌后空隙注浆回填对隧道衬砌后空隙，采取与掘进同时注浆回填，注浆系统如图27所表示。1.5工程应用图28是二连型盾构机在日本国有铁道东京第一工程局线路施工时坑内情景。该工程由熊谷组株式会社承建，由东京车站附近下井，穿越东京市中心，施工顺利。该机获全日本产业界视为最高荣誉《日本经济新闻》报新产品奖1988年度最优异奖。上篇已提及，三连型盾构机现正在大阪地铁7号线“商务公园”站施工。该工程由鹿岛侏式会社、竹中土木株式会社与大丰建设株式会社三单位组成联合体(Joint

Venture)承建。施工情况良好。日本许多大中型项目，尤其是高新技术项目常采取由联合体总承包方式，方便发扬各方优势，形成综合实力，而达成工程优质、快速、安全、经济目标。

多面型盾构机还计划用于多车道公路建设、公路与铁路上下平举建设等，参见图29。还将被用于地下河、溢洪道、市政或工厂给排水管、电力、电讯线缆或供气管道等建设。2盾构隧道掘进机产品系列化为了适应城市、陆地、山岳和海底隧道建设需要，适应大深度、长距离、高水压、块速施工需要，尤其是因为岛国复杂地质条件严峻要求，日本盾构技术经近20余年大发展已趋于成熟，而且形成了系列化盾构机产品，可供各项工程选取。兹以惯用七类九种大型机型为例，以图表说明之。图30是七类机型对于各类岩土按其粒径大小划分适用范围。图31列出了七类九种机型概况、简图、外观、切削面压力平衡条件和结构特征。三、盾构隧道技术发展新课题日本应用盾构隧道技术始于19。它70余年发展史，大致而言经历了四个时期：(一)自20世纪代初至30年代中探索时期，曾先后自己独立设计制造两台人工盾构机，均因故障而失败；(二)自20世纪30年代中至50年代末“摇篮”时期，曾借鉴美国纽约经验，先后制成三台气压式盾构机，完成单轨铁路和公路隧道约1.6公里；(三)自20世纪60年代初至70年代中顺利发展时期，因为仿照英国Greathead型盾构机，顺利完成城市住宅区下700余米单轨铁路隧道取得了成功经验，大大推进了盾构技术发展；1963年制成第一台机械化盾构机，1967年和1974年相继制成第一台泥浆型和土压力平衡型盾构机，并开始应用于海底隧道，从此，盾构机类型不停增加，产量逐年上升，至1975年全日本年产量达214台，其中Φ6m以上21台，Φ3.5m—6m76台，Φ3.5m以下(用于市政给排水工程、电力电讯线路等)117台。(四)自20世纪70年代中至今大发展时期，此时各种类型盾构机产量急剧上升，新品种相继涌现，大中型盾构机每年连续增加数十台至上百台(参见图32，以日立一家企业为例)；而且盾构隧道成套技术超出西方各国而领先于世；对于日本当代化城市建设和大规模开发利用地下空间、海底空间和山洞空间起到了至今无可代替作用。此次考查得悉，当前日本盾构机制造业在现有高技术基础上，正深入致力于以下特殊机型研究开发：1、不一样直径三连型盾构机，它以大园居中，两小园各居一旁，使隧道宽高比更靠近多车道要求，见图33，将增设副刀以挖除大小园以外必需挖除土方，副刀伸长尺寸用电脑调控，最终形成隧道，其断面如同日本民间崇敬“福神”脸型，故称此种断面为“福神”型断面。2、马蹄形盾构机，见图34。其特点是用普通园形盾构机加副刀伸缩系统进行调控，隧道宽度和高度可望分别达成15m，则隧道空间可分隔为上下两层，而成为最紧凑四车道公路隧道，以上下层双向分流；也可作为地下工厂、仓库、污水处理厂等使用。3、同心园盾构机，见图35。用此机建造铁路线路和车站，不需要两套设备。4、不一样直径而可分可合三连型盾构机，有此一机，可分别用来建造铁路线路和车站，如图36。5、自由断面盾构机，它可建造椭园形、蛋形、矩形、马蹄形、变形马蹄形等断面隧道，见图37。为此，已成立“自由断面盾构机协会”，并正在神户制钢所高砂制作所进行各种试验。它将使地下空间利用更为灵活、更丰富多彩。6、大直径急转弯盾构机，已制成Φ10m级急转弯盾构机，它将机体中折为前后胴，见图38。正在研制更大直径急转弯机。四、高压与超高压喷射注浆技术高压喷射注浆技术(Jet

Grouting)在20世纪60年代末起源于日本。当初它是为了处理大阪地铁一项用冻结法加固地基失败造成坍方事故而出现一个技术。今后该技术在日本获飞速发展。我国关于部门在20世纪70年代初即引进了该技术，当初它在我国被称为“旋喷法”，经一系列试验研究取得成效，于1983年列入我国国家标准《地基与基础工程施工及验收规范GBJ202—83》。该法后正名为高压喷射注浆法，列入国家建筑行业标准《建筑地基处理技术规范JGJ79—90》。该技术在日本经20余年应用和不停改进，已臻十分完善。因为它安全可靠，适用土类广，施工噪音小，振动小，在软弱土隧道工程中应用甚广，参见图39。在山岳隧道工程中遇有可能坍塌部位，也常应用之。该技术在日本现在主要特点是：施工压力已达40MPa，因而有高压与超高压两种工法之分(我国现在为20MPa)；施工深度，高压可达25m，。超高压达40m，(我国在20m内)；加固体直径最大可达2m(我国约1m)，且其强度有稳定