國家863項目地鐵盾構(gòu)問世(下)

覆土達(dá)85ｍ的大斷面內(nèi)部水壓隧道
橫濱市　今井川地下調(diào)節(jié)池

　　1.　前言
　　近年來在人口增加顯著的大都市內(nèi)河水流中，作為提高治水安全性的整治手法，乃是進(jìn)行地下調(diào)節(jié)池·地下河道的修建。
　　對于橫濱市而言，為了求得防止和減輕今井川河流域的水淹受害。是在保土谷區(qū)獵場鎮(zhèn)55號～權(quán)太坂2段的國道1號線下進(jìn)行了修筑內(nèi)徑10.8m、長度2410m的地下調(diào)節(jié)池（貯存量為21.4萬m3的內(nèi)部水壓隧道）的規(guī)則（圖－1）。

圖－1　　工程場所周邊地形圖

　　在本文中，就有關(guān)該項地下調(diào)節(jié)池建設(shè)工程中的地下調(diào)節(jié)池部分的盾構(gòu)工程設(shè)計和施工內(nèi)容作出介紹。

　　2.　設(shè)計的概要
　　2－1　今井川流域
　　今井川河流流經(jīng)橫濱市保土谷區(qū)內(nèi)，與帷子川河合流的流域面積為7.6km2，需要修復(fù)長度達(dá)4.74km的2級河道。該流域從1955年代開始進(jìn)行著城市化步伐，到1994年預(yù)估占流域的70%，將來大部分都要成為市區(qū)化。由于這種急劇的城市化進(jìn)展，使得流域整體的保水·游水功能降低，在流域的低洼地處，從1956年起至1994年止的時期內(nèi)，曾經(jīng)發(fā)生過8次大規(guī)模的水淹受災(zāi)遭遇（表－1）。
　　2－2　今井川河道的修復(fù)計劃
　　為減輕流域范圍的水淹受災(zāi)程度，作為徹底的修復(fù)計劃，需要實(shí)施河流和下水道成為整體的綜合性治水措施。對應(yīng)將來的流域發(fā)展和成熟的整治目標(biāo)基礎(chǔ)上，有必要一邊謀求兩事業(yè)的配合，一邊實(shí)施事業(yè)的持續(xù)進(jìn)行。
　　從1992年開始的建設(shè)省河道局的“市區(qū)河道內(nèi)水對策特別緊急事業(yè)”的啟動，今井川河亦作為這一類特定河道被采納。在河道的整治同時，計劃在地底下設(shè)置隧道式調(diào)節(jié)池，今井川河道修復(fù)計劃的要點(diǎn)如表－2中所刊內(nèi)容。

( )表示對應(yīng)于81.5mm/h的降雨

　　2－3今井川調(diào)節(jié)池概要

　　設(shè)施是由地下調(diào)節(jié)池、取水設(shè)施和排水設(shè)施3種設(shè)施組成（圖－2）。

　　調(diào)節(jié)池的調(diào)節(jié)容量，除了從橫濱地方氣象臺降雨強(qiáng)度曲線所規(guī)定的24小時中央集中型模式降雨之外，還要根據(jù)過去的水淹實(shí)績來選定4種降雨，計算按計劃規(guī)模的24小時內(nèi)雨量拖長流出量的河道不定流、橫越流式組合成用水文模式算定，作成214,000m3的容積。
　　2－3－2 取水設(shè)施
　　取水設(shè)施是將來自河道的流水分流經(jīng)橫向越流堰（越流長度80m），引導(dǎo)流水進(jìn)入沉砂池的輔助管道·引水管道；沉降土砂的沉砂池和處理高落差，引向地下調(diào)節(jié)池的取水井·連絡(luò)管渠組成。
　　2－3－3 排水設(shè)施
　　具有將貯存在地下調(diào)節(jié)池中的調(diào)節(jié)水，排放到今井川河道中的功能，作成備有調(diào)節(jié)池維修管理設(shè)施、排水泵、排水管道內(nèi)徑21.2m、深度56.9m的設(shè)施。將這類設(shè)施作為筑造調(diào)節(jié)池的盾構(gòu)機(jī)始發(fā)工作井利用。

　　3. 地下調(diào)節(jié)池工程概要
　　3－1 地質(zhì)概要
　　施工場所是從JR東海道正線“保土谷車站”東邊約1km的保土谷區(qū)獵場鎮(zhèn)的橫濱須賀道路守獵場立交樞紐國道1號線出口附近起，沿國道1號線向戶塚方向進(jìn)行、到箱根車站處有名的東海道“權(quán)太坂”處所為止。
　　地質(zhì)構(gòu)成在丘陵部分上方位置是埋土層、壚坶層、洪積粘性土、砂質(zhì)土層，在此以下分布著是上總層群的固結(jié)粉砂層和砂質(zhì)土層相互交替的地層。沖積低地部分(始發(fā)井附近)分布在丘陵部位上方，沒有壚坶層，代之以分布著沖積粘性土、砂質(zhì)土(圖－3)。地下調(diào)節(jié)池(以下稱為隧道)掘進(jìn)在N值在50以上的上總層群的沖積粘性土層和固結(jié)了的洪積砂質(zhì)土層相互交替層中。

　　始發(fā)工作井附近，砂層以狹條形存在較多，而隨著進(jìn)展到到達(dá)側(cè)成為不多的了。
　　3－2 隧道線形
　　由于將隧道設(shè)置在國道1號線的道路之下，隧道的平面線形取決于地面道路線形。曲率半徑400m以下的區(qū)間較多(約占40%)，特別有半徑130m的小半徑曲線2處。關(guān)于縱斷面線形、始發(fā)部分的覆土45m，是以1/1000的向上坡道；到達(dá)部分覆土是76m，最大的在85m。作為如此大的覆土理由，那是考慮到將來的地下利用規(guī)劃，由此規(guī)劃了隧道的埋設(shè)位置。
　　3－3 隧道的斷面
　　隧道襯砌環(huán)外徑11.9m，完成后的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)徑10.8m。省略了二次襯砌是求得貯存量的保證。在隧道內(nèi)下邊部分，為了便于維修管理，構(gòu)筑了管道內(nèi)底的倒拱填充(圖－4)。

　　3－4 工程進(jìn)展安排
　　工程起始于1993年9月，計劃到2001年3月為止(表－3)。

　　3－5 始發(fā)工作井
　　始發(fā)工作井在建成地下調(diào)節(jié)池(隧道)之后，是作為排水設(shè)施而加以利用。工作井井身是由地下連續(xù)墻和厚度為2.5m的內(nèi)襯墻(預(yù)定上部為1.5m)組成(圖－5)。

　　3－6 始發(fā)防護(hù)工序
　　始發(fā)防護(hù)工序是用作為開挖面自立的凍結(jié)工法和高水壓力不直接作用于引入口襯墊為目的，采用化學(xué)注漿工藝(雙重管工層堵塞物、圖－6)，在決定輔助工法時考慮了以下幾點(diǎn)因素。

　　① 凍結(jié)工法的施工范圍，在開挖面的階段僅作成地層土能自立的最小厚度(4.4m)；
　?、?凍結(jié)范圍要設(shè)計成包括粘性在內(nèi)，對付凍土膨脹措施(砂緩沖溝等)；
　　③ 化學(xué)注漿區(qū)間(5.3m)是從盾構(gòu)機(jī)后端進(jìn)入到引入口襯墊，作成可以安全可靠地處理洞口的長度；
　?、?將袋裝管片設(shè)置在距洞口2m的位置處，并通過在引入口襯墊和袋裝管片之間進(jìn)行可靠的砂漿充填，以確保洞的止水功能，縮矩化學(xué)注漿區(qū)的距離。
　　3－7 盾構(gòu)機(jī)和設(shè)備的自動化
　　3－7－1 盾構(gòu)機(jī)
　　盾構(gòu)機(jī)是外徑φ12,140mm的泥水式盾構(gòu)機(jī)，考慮到地質(zhì)條件、長距離施工、高水壓力、凍結(jié)部分掘削等條件，決定切削器刀頭形狀·配置等的規(guī)格。盾尾密封作為對付高水壓力，是安裝了刷子型4排和緊急止水裝置。作為對付小半徑曲線是作成2.5°中間轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)構(gòu)造(圖－7)。

　　3－7－2 機(jī)械化·自動化施工
　　作為熱衷于機(jī)械化·自動化施工，引入以下的措施：
　　① 旋轉(zhuǎn)式吊籃腳手架
　　作為要確保在大斷面隧道中高空場所作業(yè)的安全性，是裝配了吊籃式腳手架、旋轉(zhuǎn)方式拼裝管片襯砌。
　?、?自動搬運(yùn)管片的特別車架系統(tǒng)
　　由于作業(yè)基地狹隘，先將管片自動收容在工作井內(nèi)的車架上，再按照要求采用搬運(yùn)系統(tǒng)自動地送到開挖面處。
　?、?自動控制方向系統(tǒng)
　　由于是要求嚴(yán)格的線形管理，根據(jù)高精度的傳感器(旋轉(zhuǎn)式羅盤·水平儀檢測裝置等)和位置分析演算的實(shí)際資料，采用了備有按模糊理論的千斤頂選擇功能和自動控制方向系統(tǒng)。
　?、?盾構(gòu)機(jī)綜合管理系統(tǒng)
　　集盾構(gòu)機(jī)操縱、背后注漿、泥水輸送、泥水處理等的各部份技術(shù)于一個操縱臺上，是進(jìn)行這一系列工序的各系統(tǒng)的綜合監(jiān)視·操作。
　?、?工程系廢棄物人工操縱自動發(fā)行系統(tǒng)
　　對于大量地排出二次棄土，由運(yùn)輸人員登記收集，采用人工操縱自動而敏捷的發(fā)行系統(tǒng)，按照登記資料(收集運(yùn)輸、處理場所、車身重量)，進(jìn)行自動量訓(xùn)累積重量、人工操縱打印發(fā)行，根據(jù)發(fā)行資料進(jìn)行除去排出量、人工操縱回收確認(rèn)外的日常管理。
　　3－8 環(huán)境保護(hù)措施
　　3－8－1 防噪聲措施
　　在市中心地塊免不了有規(guī)模極大的機(jī)械類(振動篩、泥水輸送泵等)要經(jīng)歷長時間的日以繼夜運(yùn)轉(zhuǎn)，要實(shí)施個別措施和防噪聲墻遮蔽的二道、三道隔離。
　　特別是對付低頻率噪聲，從設(shè)計時要考慮，這是影響到工程的關(guān)鍵問題，筑起厚度為300mm的混凝土墻、頂棚結(jié)構(gòu)的完全封閉的隔離建筑(棄土用螺旋輸送機(jī)輸送到外面)，在內(nèi)部側(cè)設(shè)置降低低頻波的材料。并且要對措施完成后進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)的測定，在功能、耐久性上不存在問題時的范圍為1100rpm。
　　3－8－2 對付振動的措施
　　作為對今井河道上進(jìn)行隧道的基地施工，為了使車輛的通行、各種機(jī)械的振動不致影響到周邊的居民，設(shè)置防震橡膠、鋪裝等設(shè)施。

　　4. 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)推進(jìn)施工
　　4－1 始發(fā)防護(hù)凍結(jié)工程
　　對于本工程而言，隧道頂部覆土為45m。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)作始發(fā)推進(jìn)時，其下端部位作用著0.55MPa的水壓力。在撤除地下連續(xù)墻時要保障開挖面土體的自立和止水，特采用了凍結(jié)工法。
　　凍結(jié)工法是使埋設(shè)在地底下的許多管道中循環(huán)流動著冷卻液，使地基土體凍結(jié)造成堅固且具有均勻承載力的止水墻工法。還有，設(shè)想在凍結(jié)對象地基土內(nèi)，包含著硬質(zhì)固結(jié)粉砂層一起凍結(jié)時，要發(fā)生很大的凍結(jié)膨脹壓力，為了確保工作井井壁、地下連續(xù)墻的健全性，要掘削緩沖溝槽，置換成砂，進(jìn)行防止膨脹的對策(圖－8)。

　　4－1－1 凍結(jié)工藝的設(shè)計
　　作為凍結(jié)工藝的基本設(shè)計，是要承受在盾構(gòu)機(jī)通過部分的地下連續(xù)墻作撤除時所受到的土、水壓力0.76MPa(開口處中央部位)，開口處的直徑12.6m。凍土墻的平均溫度是以－13℃的砂質(zhì)凍土強(qiáng)度(彎曲抗拉強(qiáng)度=3.19MPa)等的各數(shù)值，作用在周邊固定圓板的均布荷載計算，決定了所需要造成的凍土厚度達(dá)4.4m。根據(jù)工期和經(jīng)濟(jì)性，決定作為凍土墻造成·管理的最為適當(dāng)?shù)膬鼋Y(jié)管測溫管的配置(圖－9、圖－10)。

　　(2) 凍結(jié)膨脹措施計劃
　　凍結(jié)對象的地基土，如圖－10中所示的地質(zhì)柱狀圖。凍結(jié)對象土層的上半部分主要是砂層(Ks層)，而下半部分則為凍結(jié)時要膨脹的固結(jié)粉砂層(Km層)。并且，變形模量亦有560MPa，是作為一種非常硬質(zhì)的地基土，伴隨凍土的造成所發(fā)生的凍結(jié)膨脹壓力，通過慣用的高志圓筒理論測定、預(yù)估為1.12MPa。這種凍結(jié)膨脹壓力作用在地下連續(xù)墻墻體和工作井井壁上的力相當(dāng)于凍結(jié)前土、水壓力的1.5倍之多，總共用了三種對付凍結(jié)膨脹的措施(參照圖－10)。
　?、?設(shè)置砂緩沖溝
　　② 砂緩沖溝的抽樣工序
　?、?加熱柵欄的設(shè)置
　　在三種措施中，①和②都是以吸收作為凍結(jié)膨脹壓力的原因－凍結(jié)時的地基體積膨脹(Km層4.0%，Ks層1.0%)作為目的。在構(gòu)筑物和凍土墻間隔中，是通過砂緩沖溝的壓縮和砂抽樣，以收縮體積來減輕凍結(jié)膨脹壓力。不過這些措施只是在砂緩沖溝凍結(jié)前是有效的，而在始發(fā)前凍土維持期間是不能適用的。對此，作為抑制發(fā)生在凍土維持期間的凍結(jié)膨脹，是在形成凍土的地基土側(cè)邊設(shè)置的溫水管道、還設(shè)計成③加熱柵欄。
　　4－1－2 凍結(jié)工藝的施工
　　(1) 施工和量測的概要
　　如在表－4中所刊示實(shí)施凍結(jié)準(zhǔn)備、凍土造成、凍土維持和強(qiáng)制解凍。在此，所謂凍土造成，即為前面所述在開挖面處制造所需厚度的凍土墻。凍土維持是意味著維持所造成了的凍土墻安全性。為了管理這些事務(wù)，就兼用了有關(guān)凍土造成和凍結(jié)膨脹的量測工序。在凍結(jié)土堵的地基一側(cè)開成凍土的同時期，作了化學(xué)注漿的施工。所實(shí)施的量測項目、量測儀器等在表－5中，而儀器布置的位置則在圖－11中所表示。
凍土造成的管理，是使用了埋設(shè)在地層中測溫管內(nèi)的溫度傳感器，根據(jù)在各地點(diǎn)、各深度的地層溫度，計算出凍土的造成速和范圍，并且確認(rèn)和事前設(shè)計的要求沒有偏移。

　　凍土維持的管理，是使用在造成的凍土內(nèi)的撓度計、監(jiān)視著凍土墻的健全性，用凍土邊界部位的溫度管理和地下連續(xù)墻、工作井側(cè)壁中的鋼筋應(yīng)力量測等，監(jiān)視著工作井的健全性。

　　(2) 凍土墻的造成和維持管理
　　為了凍結(jié)相當(dāng)于造成凍土厚度的地基土，在圖－9中所示的3排凍結(jié)管(距離地下連續(xù)墻第一排、第二排和第三排)中，循環(huán)－30℃的冷卻液進(jìn)行凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)。不過，對于本工程而言，必須最大限度地限制和地下連續(xù)墻鄰接的砂緩沖溝和砂取樣對凍結(jié)膨脹的吸收。為此，砂緩沖溝內(nèi)的每一排凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)推進(jìn)40天左右的時間，造成大部分的凍土(第二、第三排)在凍結(jié)終止后凍結(jié)，完成開挖面處所需要的凍土墻造成。此外，為了確保凍土墻和地下連續(xù)墻的凍結(jié)，在地下連續(xù)墻和工作井井壁之間埋設(shè)的凍結(jié)管道和固定在地下連續(xù)墻開挖面上的凍結(jié)管，提前40天進(jìn)行凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)。
通過凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)使地基土和地下連續(xù)墻的溫度降低的狀況，在盾構(gòu)機(jī)中間斷面上的溫度分布和凍土的水平分布(凍結(jié)第82天)表示出來(圖－12)。

　　對于本工程，由于是大深度形的大的土、水壓力，加上是大斷面不利條件，在長時間內(nèi)僅靠凍土墻承受，并且在維持凍土期間，作為抑制凍土的增加，還兼用了加熱運(yùn)轉(zhuǎn)。為了確認(rèn)作為受力墻的凍土墻的健全性，進(jìn)行了量測凍土期間的凍土墻撓度。從圖－13中得知，從開挖面清理開始起量測到凍土墻的撓度，開挖面外周鉆取土樣和從開挖面上半部分的地下連續(xù)墻撤除開始，第10～27天的工程，開挖下半部分清理(第33～46天)所致在中心部位發(fā)生了6mm的彈性變形。不過，在此之后的凍土墻的蠕動變形以緩慢方式，最大也只是在11mm，可以充分保障作為受力墻的健全性。

　　(3) 凍結(jié)膨脹的管理
　　發(fā)生凍結(jié)膨脹壓力的元兇是凍土墻外面的凍結(jié)膨脹變形，在凍土造成完成時，影響最大的是在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)方向上，往砂緩沖溝一側(cè)發(fā)生50mm；往地基一側(cè)發(fā)生20mm左右。此處由于往砂緩沖溝方向的變形大，認(rèn)為是回填在砂緩沖溝松弛所致。由于凍結(jié)膨脹作用在地下連續(xù)墻外面的平均作用壓力，可通過設(shè)置在固結(jié)粉砂和砂層深度內(nèi)的土壓力盒來測得，推斷其值在0.29MPa左右。
　　盾構(gòu)機(jī)始發(fā)部位(開挖面上)的地下連續(xù)墻，在造成凍土完成之后是要撤除掉的，而通過凍土墻完成止水前，地下連續(xù)墻必須確保其起到受力墻和止水墻的作用健全性。凍土造成期間中在各深度上的地下連續(xù)墻的水平變形和所算出的盾構(gòu)機(jī)中心部位的撓度時效變化如圖－14中所示。由于凍土造成量的增加，由此地下連續(xù)墻的變形和撓度增加到接近管理值狀況，進(jìn)行砂緩沖溝的砂取樣，將地下連續(xù)墻的撓度一下子回復(fù)到原狀，抑制了撓度的增加。為完成凍土墻進(jìn)行第一排凍結(jié)管的運(yùn)轉(zhuǎn)操作的結(jié)果，是使地下連續(xù)墻的撓度再次增加，于是就能維持通過凍土墻的止水完成前的地下連續(xù)墻的健全性。

　　有關(guān)工作井井體的內(nèi)襯墻和環(huán)梁的鋼筋應(yīng)力時效變化，可見圖－15、圖－16中所。由于第3排和第2排凍結(jié)管凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)開始，凍土造成是從3月10日左右開始，由于發(fā)生凍結(jié)膨脹壓力，內(nèi)襯墻、環(huán)梁一起鋼筋應(yīng)力變成為壓縮傾向；而通過砂緩沖溝的取樣等作用、壓縮傾向變?nèi)酢Ｔ诖_認(rèn)所計劃所求求的凍結(jié)造成完成之后，從5月8日開始起、對開挖面外周的地下連續(xù)墻鉆取試樣，順次序?qū)Φ叵逻B續(xù)墻上半部分、下半部分作撤除。在撤除地下連續(xù)墻之前，內(nèi)襯墻亦成為分擔(dān)土、水壓力和凍結(jié)膨脹壓力的作用趨于壓縮傾向，而在撤除地下連續(xù)墻之后，內(nèi)襯墻就不再分擔(dān)作用壓力。相反在環(huán)梁中作用壓力繼續(xù)要成為承受如此程度以上的壓縮傾向。不過，由于開挖面作業(yè)的完成，鋼筋應(yīng)力大體上穩(wěn)定下來，可以做到在鋼筋應(yīng)力的容許值以內(nèi)、安全無事地完成始發(fā)、防護(hù)工序。

　　4－2 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)推進(jìn)
　　4－2－1 推進(jìn)
　　在凍土部分盾構(gòu)機(jī)推力3,500t、扭矩900t·m，按10mm/min掘進(jìn)速度，進(jìn)入到化學(xué)注漿區(qū)間。正式設(shè)置RC管片襯砌2環(huán)，而在脫掉盾構(gòu)機(jī)的尾部處所進(jìn)行臨時性停止(盾構(gòu)機(jī)在化學(xué)注漿區(qū)域內(nèi))，進(jìn)行洞口的處理。
　　4－2－2 洞口處理
　　在高水壓下的洞口部分，始發(fā)時采用凍結(jié)止水，而在凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)停止后，如不實(shí)施可靠的洞口處理、就會成為招致大量的漏水。
　　作為洞口漏水原因可舉出下述三種因素：
　　① 洞口部位后背注漿時壓力不足(注入材料回繞到開挖面)。
　?、?掘削土砂等堆積在下部處，即便作了后背壓注、但也得不到止水效果。
　?、?對于通常的后背注漿材料的注入，是完全沒有止水性能的。
　　考慮上述原因，使用袋裝管片(RC管片袋囊)和樹脂砂漿來實(shí)施洞口止水(圖－17)的。

　　5. 施工結(jié)果
　　在1998年10月5日作了始發(fā)推進(jìn)，于第2年1月18日完成了試推進(jìn)(170m)，現(xiàn)今正朝著正式掘進(jìn)進(jìn)行著設(shè)備的轉(zhuǎn)換。現(xiàn)將主要施工結(jié)果表示在下面。
　?、?以防止一次襯砌結(jié)構(gòu)施工時的始發(fā)洞口的漏水為目的，是采用袋裝管片和注入樹脂砂漿約為1.6m長的止水區(qū)域的效果是出色的，達(dá)到了原先的要求。
　　② 在試掘進(jìn)過程中的盾構(gòu)機(jī)日進(jìn)尺是每天1.3環(huán)(1.6m)。
　　③ 盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的機(jī)械化·自動化，采用各自設(shè)備可以充分提高成果。特別是自轉(zhuǎn)·公轉(zhuǎn)式管片拼裝簡易吊籃腳手的使用，在確保高處所的作業(yè)安全性同時，作業(yè)效率亦非常高。

　　6. 結(jié)語
　　在所謂大深度·高水壓·長距離極為嚴(yán)格的條件下，求得了高質(zhì)量的盾構(gòu)隧道的施工。對于這種課題，發(fā)包者、JV(聯(lián)合企業(yè))形成一個整體，全力以赴的努力結(jié)果，是定能做到平安無事地完成始發(fā)推進(jìn)·試掘進(jìn)的?，F(xiàn)今正朝向正式掘進(jìn)的設(shè)備作轉(zhuǎn)換，而要求提前完成掘進(jìn)施工。防止今井川河流域水淹受災(zāi)，向市民提供安全街道環(huán)境是我們的使命。這一次的工程可認(rèn)作是今后的大深度·高水壓下盾構(gòu)隧道的一個實(shí)例。
　　最后，對本工程的設(shè)計·施工竭盡全力的有關(guān)人員，借著本雜志版面予以深切謝意。

譯自日刊“トンネルと地下”
1999年5月刊
江中孚于2004年7月9日