日本盾构隧道新技术

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1825～1843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（11.4m×6.8m）。1882年1月12日泰晤士河底隧道施工时涌入水日本于1939～1942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Φ3m泥水式盾构掘进下水道工程；1969年，开发应用Φ7.3m泥水加压式盾构。1974年，开发应用首台土压平衡盾构。1989～1996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，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1.2DOT盾构工法1.3MF盾构工法1.4H&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1.10PSS-Arch工法(弯曲顶管）用于东京湾海底隧道的Φ14.14m泥水加压盾构1.1超大直径盾构技术母子型Φ14.16m泥水加压盾构1.2DOT盾构工法（土压型双圆盾构）DOT工法双圆盾构掘进机MF（MultiFace）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。1.3MF盾构工法（泥水加压型多圆盾构）MF工法多圆盾构掘进机1.4H&V盾构工法H&V（Horizontalvariation&Verticalvariation）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)盾构工法曲柄轴刀架曲柄轴刀架转动中心驱动轴驱动轴固定轴固定轴刀片刀片旋转式传送带旋转式传送带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（WaggingCutterShield)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茎盾构工法1.8球形盾构工法Φ3.94m×Φ2.68m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FrozenrangeFreezingpipeR=4.0mSoilimprovementbyGroutingSoilimprovementbyGroutingExistingstructureExistingstructureNewstructureSubwayshieldtunnel1.10PSS-Arch工法(弯曲顶管）2.日本盾构隧道新技术工程实例2.1MF双园盾构工程实例2.2DOT双圆土压盾构工程实例2.3MF4圆盾构掘进地铁车站工程2.4MF3圆盾构掘进地铁车站工程实例2.5装卸式３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2.1MF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φ7,420mm，宽12,190mm地质洪积砂，粉砂层和砂砾层覆土厚度23~26.5m最小曲线半径R=400m双圆泥水型MF盾构机及隧道工程2.2DOT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：φ6.52m×11.12m衬砌外径：φ6.30m×10.90m衬砌宽·厚度：1.20m/0.30m最小曲线半径：R=500m覆土厚度：11.50～32.10m地质：洪积砂质土(N=30～50)，粘性土(N=10～30)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）2.3MF4圆盾构掘进地铁车站工程4圆盾构掘进地铁车站４圆MF盾构工法施工地铁站（纵剖图）2.4MF3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工期1992年4月~2000年12月隧道长度275m隧道断面高度φ8,846mm，宽17,440mm地质江户川砂层覆土厚度26~28m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.「MFシールド工法駅」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３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：15,840mm×10,040mm地质：东京砾石层，东京层粘性土覆土厚度：15～22m装卸式３心圆MF盾构在工作井中将单元盾构改装成3圆盾构３心圆MF盾构掘进和拼装地铁车站３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：H6,870×W10,240×L9,330隧道长度：753m覆土：8.2m—14.4m地质：洪积砂砾N=20～50以上工期：1999.10～2003.102.6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：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：φ5,890mm/φ4,390mm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(φ5,750，厚度250mm，宽度1,200mm)子机部分(φ4,250，厚度250mm，宽度1,200mm)覆土：9.8m~17.8m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10~20左右)的相互交迭层①谷町筋管道(干线盾构机)盾构机外径：φ7.26m隧道断面：外直径φ7.1m施工长度：2,650m最大覆土：50m最小曲线半径：R=60m②上二本町线管道(分岔盾构机)盾构机外径：φ4.24m隧道断面：外直径φ4.1m施工长度：850m最大覆土：50m最小曲线半径：R=20mΦ7.26m/Φ4.24m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15.1km，其中隧道长9.6km，桥梁长4.4km，中间设2座人工岛，人工岛长1km，工期：89年-96年费用：1万亿日元５Φ14.14m泥水加压盾构盾构示意图Diggingdata８東京湾横断道路浮島南工区掘削データ•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，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Φ4.4m的排水隧道和Φ2.85m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Ф6600单线隧道、Ф9800双线隧道、W9700×H8600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Ф675