長隧道中隧道掘進機的應用
發布時間：2010-01-14 共4頁
2.2 日本東京灣跨海公路隧道工程
日本東京灣跨海公路西端連接產業區域的神奈川縣川崎市，東端連接自然田園區域的葉縣木更津市，全長15.1km.該工程于1966年4月開始進行環境及地質調查，1989年5月正式開工，1997年12月竣工并投入營運，與周圍的海岸高速公路、外環公路等形成公路網，大幅度改善了首都圈的交通狀態。
該公路在方案比選階段曾有3個大的方案：①大跨徑吊橋案、②橋梁與沉埋隧道結合方案、③橋梁與盾構隧道結合方案。由于吊橋塔高及架設施工設備的高度對航空管制空中域有負面影響，故未采納①方案，②方案存在對船舶航行、漁業、環境等的不良影響等，因而也未被采納。加之盾構掘進技術在日本已相當發達，故決定按③方案實施。該工程主要由人工島、盾構隧道及橋梁三部分構成，均在海岸上及海底內實施，因此工程技術相當復雜，是綜合技術的產物。
該公路設計車速80km／h，4車道×3.5m（隨著交通量的增加，將來可拓展為6車道）。隧道長9.5km，橋梁長4.4km，為了沉放盾構掘進機并作為施工基地，在大約隧道中部設置直徑195m的人工島（隧道施工完成后作為營運通風豎井），并在隧道兩端設置人島或通風豎井（其中一端為橋隧結合部）。全線預測交通量：投入使用時間約3.3萬輛／日，20年后約6.4萬輛／日。總建設費用1 004 823億日元（約10 000億元人民幣）。
隧道為雙管道盾構隧道，外徑約為14m，隧道一次襯砌環由11塊管片用螺栓聯結而成，每塊管片厚0.65m，寬1.5m，長約4m，二次襯砌厚0.35m，為鋼筋混凝土結構。
在平均水深27.5m海底開挖隧道，結構要承受海水壓600kPa（最大）的壓力。為了防止海水透漏進入隧道，在管片之間，一次襯砌與二次襯砌之間、管片背面注漿、聯結螺栓防腐以及管片結構材料等方面采用了若干措施，取得好的效果。
在管片周邊粘貼遇水膨脹性止水帶，該止水材料要求具有耐水壓性和耐久性。在管片聯結螺栓周圍安設充填式防水墊圈。在（管片背面）注漿孔內設置緩膨脹性止水環，在其孔口處充填止水材料。為了防止海水進入隧道內，同時考慮減少一次襯砌與二次襯砌之間的約束力，防止二次襯砌開裂，故在一次襯砌與二次襯砌之間鋪設防水層。該防水層采用聚乙烯烴塑料板（EVA），板厚0.8mm，或聚乙烯一瀝青板（ECB），其板厚1.0mm，并與厚3mm的無紡布疊合采川，防水板與無紡布呈網格狀粘結（廠制）。二次襯砌不另設止水帶。
該隧道在海底要承受巨大的水壓力，因此作為隧道單元的管片要求具有很高的強度和密實性，管片采用高爐礦渣水泥，礦渣摻入率為50％，從而降低了透水系數，有效控制了混凝土溫度開裂，提高了管片的耐久性（長期強度）。對于加礦渣后（冬季）早期脫模強度較低和干燥收縮裂紋較多兩個缺點，工程上采取了加熱，旨料，用溫水拌和混凝土，并采取水中養生7日以上，加濕保養管片等措施，取得較好效果（早期強度要求1500MPa）。
隧道結構內存在若干金屬件，以及海水下混凝土均應考慮防腐蝕問題。在海底土層中，金屬件的腐蝕速度估計為0.03mm每年，考慮結構100年的耐用期，則鋼材的防腐厚度為3mm，管片混凝土表面增加5cm（外側）或4cm（內側）的防腐層，二次襯砌也考慮4cm的防腐層。螺栓表面采取鍍鋅鉻或氟化乙烯樹脂油漆。
東京灣是一個多地震地區，隧道主要在軟弱粘土地層（沖積層）中通過，又多處與豎升等鉛垂方向結構物相聯結，抗震性能要求極高。
該隧道進行了抗震設計。隧道橫截方向用響應位移法和地震響應法分別進行了校核，表明橫向聯結螺栓已滿足抗震要求。隧道軸向是抗震設計的重點，用動態解析法進行了校核，決定在軸向采用了高強且具有一定柔性的長螺栓（長62cm）聯結管片。
在結構解析中，未考慮二次襯砌，它的作用僅是增加隧道自重，并保護一次襯砌，因此二次襯砌只考慮自重荷載利水壓荷載即可。抗震設計所考慮的地層條件分別為地質構成、地層容重、地層的剛性及衰減系數。
為了能承受海水壓力等荷載，必須提高隧道橫截方向的剛度。為此，將每環等分為11管片，即加入了最后插入安裝的拱頂K管片的尺寸，并采取從前進方向插入安裝的辦法，使得管片呈等分狀，從而提高了盾構環圈的剛度。
該海底隧道長約9.5km，其安全設施及營運通風非常重要。安全設施分為二類：①公路利用者自行使用的（緊急電話、手動報警裝置、滅火器、消火栓、避難誘導標志、避難口）；②向公路利用者通報或警告用的（隧道入口及洞內情報板、信號燈、有線廣播、無線廣播）：③公路管理者使用的（火災檢測器、ITV攝像器、通風（排煙）設備、路面板下部空間通風設備、給水栓、送水口、滅火器、消火栓、水泡沫噴淋裝置、管理用升降口、管理人員通道、電梯、救援用直升飛機機場、船舶靠岸設施等）。
該隧道很重要的一個特點是將管理人員通道及公路利用者避難通道設于隧道路面板下部空間，避難通道入口設于隧道左側檢修道處，按每300m間距設置。該入口設有滑道，即人員一旦進入避.難口，很快可乘滑道到達隧道下部空間（安全檢查區域）。另在該入口附近還設有由下部管理通道上到路面的管理用升降口，以用于緊急情況時滅火、救援活動的通道，還可用于隧道保養維修。
該隧道內設有降煙霧用的水噴淋裝置，按5m間距設置噴嘴，50m為一個水噴霧區段，可在二個區段同時放水。為提高控制火災效果，采用水性泡沫滅火藥劑（3％型）與水混合的水噴霧。該噴霧裝置在消防隊到達現場前可有效控制火災的漫延。
當交通事故或火災發生時，救援人員或救援車輛從受災車輛后面到達現場較為困難，這時可從非火災段隧道通過川崎人工島的車道連接通道到達現場。另外，還可以浮島、木更津兩洞口利用管理通道（下部空間）到達現場，從而有效進行滅火、救援活動。
該隧道按每150m間距設置監視攝像器，可監視洞內任何位置的情況，與報警設施、滅火設施及避難設施等構成一個整體。東京灣海底隧道洞內情況，在日本道路公團東京第二管理局的交通管制室和設施控制室實行24小時不間斷監控。當火災檢測器檢測到火災發生時，要選擇火災聯動方式，即自動切換到將滅火水泵、照明設備、排煙設備、下部空間通風設施、緊急報警裝置等相聯動的狀態；另外，當用緊急.電話報告或ITV攝像器發現火災時，同樣地由設施控制室切換到聯動狀態。東京灣海底隧道的安全設施及其通風系統非常先進、齊全，造價當然也高昂，這是以“優先考慮人的生命”為設計思想形成的。
在川崎人工島（隧道中央部）、木更津人工島（橋隧結合部）、浮島（接岸部）三個盾構掘進出發基地建成，并運來盾構機等施工機械之后，即可進行隧道掘進。盾構掘進共分8個工區，即8個掘進面。總的工序是兩端（木更津島和浮島）先于中央（川崎島）掘進。
該隧道全部采用泥水加壓式盾構掘進機，分別由日立造船、川崎重工、三菱重工、三井造船、小松、石川島重工、日立建機等制造。掘進機外徑14.14m，主機長13.5m；板厚：前倉和中倉為70mm，尾倉為80mm或40mm，盾構掘進千斤頂48只，推進速度45mm／min.
該盾構掘進機在以下5個方面具有特點：
a. 管片的輸送、提升、安裝等工序采用全自動成套系統。
b. 為防止高壓水進入機械倉內，在盾構機后倉尾部擋板外設置了4段密封帚（層）及緊急止水裝置。密封帚由彈簧鋼、鋼絲刷、不銹鋼制鋼網構成，為了防銹，前二者采用氟化乙烯樹脂涂層，每段密封帚長0.25m（最外側為0.3m）。
緊急止水裝置設在（自掘進面后）第2和第3密封帚之間的位置。為提高止水性，在各密封帚之間注入潤滑脂（黃油），采用黃油注入泵連續或非連續地注入。
c. 為防止管片變形，設置了上下擴張式真圓保持裝置。
d. 為探測掘進面前方有否障礙物以及監視掘進面情況，設置了地下雷達探測裝置。
e. 為了便于與對方掘進機對接，設置了探查鉆孔裝置和凍結管等裝置。整個掘進作業全面納入計算機管理，主要由三個大的系統來承擔，即①盾構掘進綜合管理系統：②掘進方向自動控制系統；③掘進面前方探查與控制系統。另外，為保證隧道平縱線形的正確性，在洞外測量、豎井導入測量、洞內測量、掘進控制測量等方面均采用了先進技術。
盾構機從隧道兩側掘進，對接的精度非常重要。當初從機械誤差及測量誤差考慮，預計對接時錯位誤差為200mm，但在兩臺盾構機到達相對面距離為50m處時錯位誤差為180mm，經過調整，對接時僅為5mm.
對接鉆探采用了無線電放射性同位素（R1）技術（猶如醫生的聽診器）。對接工程順序為：
a. 先期到達預定位置的盾構機停止掘進，撤除盾構機封隔墻后方部分設備，安裝探測鉆頭。
b. 后期到達的盾構機在相距50m處停住，先到盾構機向后到盾構機鉆探，采用無線電放射性同位素（R1）技術測定兩機相對錯位量，即第一次鉆探（探測傳感器設置于鉆桿前端）。
c. 后到盾構機根據此錯位量邊修正盾構機變位量邊掘進。
d. 后到盾構機掘進到30m處時，第二次鉆探測定相對錯位量。
e. 再次邊修正邊掘進，在對接前夕，其刀刃面非常緩慢地靠近對方刀刃面，其間空隙為0.3m.
f. 這時對后到盾構機進行解體，并作凍土保護（地基改良）工程準備。
當兩機之間空隙為0.3m時，對該接合部的地層施作2m厚的環狀凍結處理。凍結管直徑89mm，長4m，按1m間距共48根，呈放射狀，從先到盾構機前面斜向插入地層中，進行凍結，另外，為了使盾構機周圍地層完全達到凍結程度，在兩臺對向的盾構機前端分別2.5m范圍內設置了緊貼式凍結管。為了縮短工期，該凍結管是在盾構機工廠制作時預先安裝上去的（一般的情況是掘進完成后在現場臨時安裝的）。為了確認凍結溫度，分別從兩臺盾構機各插入8根測溫管。待凍結厚度達到2m時，開始拆除盾構機密封墻。
凍結作業中非常重要的是凍結對隧道主體的影響，即凍結后土體體積增大，是否會造成盾構機變位，或引起管片環開裂，為此，設置了沉降測器進行觀測，并通過凍結溫度和速度來控制。
整個對接及貫通施工的作業順序：
a. 由先到盾構機實施鉆探，后到盾構機根據鉆探結果邊修正邊掘進，至到對接位置，然后拆除盾構機密封墻后方的設備（即第一次解體）。
b. 插入放射式凍結管，對地中接合部實施凍結，使其形成凍土，同時繼續進行第一次解體的工作。
c. 第一次解體工作完成后，剩下密封墻，在兩盾構機刀刃盤面之間焊接。型鋼制止水板（暫時留下密封墻是為了防止萬一的情況發生）。
d. 鋼止水板焊接工作完成后，對刀刃面周邊部位進行補強，然后拆除密封墻以及盾構機其它機械部分（即第二次解體）。
e. 在地中對接部設置3環鋼制管片，經鋪設防水板后，澆筑二次襯砌，然后，對凍土進行強制解凍，并實施襯背注漿。
送入洞內的管片由盾構機的自動裝置進行組裝。該裝置由具有3個功能的設備構成：①洞內運送管片的絞車及輸送機（能連續輸送11塊管片）；②升降式管片安裝機（能自動完成旋轉、伸縮等作業，具有自動定位功能）：③螺栓聯結并緊擰裝置（能自動作業）。
管片四周粘貼防水密封條和緩沖材料。密封條在抗壓性、耐久性和施工性三方面均作了試驗，保證能滿足設計的質量要求。
防水板各接口均在現場進行烙接，烙接方法采用熱式自動烙接機。為判斷烙接部的止水性，在該處設置檢查溝，為此采取了雙列烙接，搭接寬8 cm～10cm，烙接檢查采取負壓試驗。鋪掛防水板（含無紡布）時，需要安設鋼筋錨桿作為臨時吊掛支點，該處對防水板開孔，然后將螺母、墊圈、水膨脹橡膠襯圈與吊桿形成整體，并擰固。
二次襯砌工程包括仰拱、側墻、中壁、路面板、上半拱及檢修通道5部分，全部為鋼筋混凝土結構。
二次襯砌每段澆注長度為15m，其澆注接頭處的施工縫或微小錯臺縫需要作適當補修：混凝土澆注后，在區段中可能發生收縮開裂，同樣要作裂縫補修處理，以防止內部鋼筋出現銹蝕。施工縫或收縮裂縫均取0.5mm為管理基準值，補修材料分別采用氨基甲酸乙脂（類）粘接劑（亦稱尿烷類材料）、樹脂砂漿或瀝青類涂料。
東京灣跨海公路所處的水域，其水深約30m，海底地層為淤泥或軟弱厚層，又是地震多發地區，在這樣嚴峻的自然條件下，隧道采用了安全可靠且快捷施工的新技術。開發適合在大水深且海底軟弱地層中施工的大直徑盾構掘進機和相應的隧道結構設計是其具有代表性的新技術。在隧道防災技術方面也采用了新技術，例如將避難通道及管理通道設于隧道下半部窨，形成可避難、救援和消防的完整防災系統。總之，東京灣跨海公路隧道工程所開發出來的許多新技術可推廣應用于今后的盾構隧道工程。
