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1、日本隧道施工技术考察报告http:/ 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察团，考察重点是隧道及地铁的施工技术与装备。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”等专题报告早已公开发表外，本文为关于隧道施工技术的综合报告，因故未及发表，时隔10年今日看来仍具有一定的借鉴意义和资料价值。由于日本有关方面的妥善安排，此次考察虽仅两周时间，却访问了正在施工的四项大型工程，访问了在世界盾构掘进机制造业中长期居领先地
2、位的日立造船株式会社及其著名的神奈川工场，以及其他若干相并单位和施工现场，使作者受益匪浅。尤其难得的是考察团在抵日次日，应邀专程赴神奈川县，与日本及其他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的新闻发布盛会。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”，它们的问世表明了盾构法的应用突破传统，进入了新阶段，是世界盾构隧道发展史上的一件大事。 本文分为上下两篇，上篇介绍正在施工的几项大型工程，下篇介绍考察所见的施工技术与新技术。由于考察时间短暂，所见既非全面，更因作者水平有限，学习不深不透，报道难求
3、详尽。文中如有错讹，祈识者指正。 上篇 施工中的几项大型工程 1东京湾横断道路工程 图1表示东京湾及其正在紧张施工的横断道路的地理位置。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的重要意义。这是日本政府近年在经济建设中的最重大举措之一。 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(东京都及其附近大都市之间)的大型环状道路网。 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14.14m，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的施工条件。木更津一侧约5公里为多跨
4、钢架桥梁，其桥墩多数采用R、C，个别采用钢结构。桥梁最高跨在海面以上约41米，可通2000吨级船舶。大于此吨级的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200m，由深入海面以下114m的园筒形R.C连续墙筑成，施工时作为盾构掘进机的出发井，竣工后成为隧道的换气塔，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199
5、6年3月竣工。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、大型人工岛及海上特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的海洋土木工程之一。表1列出了该工程与欧洲英吉利海峡隧道二者的主要技术经济指标，从中可以看到东京湾横断道路工程具有多项特色。 由于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的模型展示馆，名曰“海洋之路广场”(MarineRoad Plaza)，常年对外开放。馆内陈列的各种模型包括总体模型、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的结构构造、机械设
6、备构造和施工细节。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行无人管理。 在展示馆的屋顶上，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2 2、主体结构 海底隧道约10km，桥梁约5km 海底隧道约50km3、隧道直径 13.9m 8.4m4、隧道断面面积 约152m2 约55m25、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 28m 60m7、总造价 约8
7、5亿美元 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15年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都市。施工中的地铁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。本文引言中提到的世界首创的三连型盾构掘进机即首先应用于该7号线的一个大站，其站名暂定为“商务公园”站。三连型盾构机突破了常规的盾构机只有一个园形掘进面的传统，它有三个相连的园形掘进面，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”是大阪市正在兴建的一个新的市中心，位于著
8、名的观光胜地“大阪城堡”(Osaka Castle)的东北，占地26公顷。该地周边为两条河流及日(本)铁(道)大阪环线所包围，而新车站的位置正落在“大阪松下国际市场广场”大厦的下方，故新车站的站台标高定在地面以下35m，建成后将是大阪市最深的地铁车站，又是该地区最重要的交通枢纽。商务公园”站站台长155m，隧道施工出发井尺寸为24m22m38.1m (深)，到达井为24m23m38.0m(深)。井坑均采用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7.8m17.3m，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
9、速度40mm/min。三连型盾构机具有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。该隧道支护系统包括：预制R.C.环片7.5m17m(宽)，共105圈，每圈14片；纵向上下桁梁(型钢砼结构)404m；柱700mm46mm(厚)，每4m一根，共52根。图4为“商务公园”站的总平面及纵剖面(包括地层剖面)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的建筑物及工程设施实行每天24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区，河川密布。由大阪市向东南的大片土地，即寝屋川南部约200余
10、平方公里，由于地势偏低，常受洪涝灾害。日本政府的对策是兴建一条13公里长的隧道作为地下河，使雨水以每秒50180m3的流量直接排入大阪湾。该地下河采取分段分期施工，当个别段已竣工而全线未开通前，先将其作为暴雨时的集水库利用。图8和图9分别为该地下河的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。此次考察正在施工的一段，称为平野川集水库。它位于地面以下2327m，长1.2公里，隧道直径10.3m，坡度1/1500，盾构机外径11.52m，集水能量10万立方米。它建成后与先前两段合计，集水总能量达24万立
11、方米，将成为世界最大的同类型水库之一。平野川集水库工程的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，此后向东约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的砾石的砂土与粘土的互层。砂土的N值在10至60以上，性质紧密。孔隙水压力在出发侧为24kPa，到达侧为17kPa。该工程的难点，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的住宅区，并且穿越一条地铁、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的急转弯。为此，采
12、用了屈折式盾构机，其机身最大屈折角为2。平野川集水库造价约1.8亿美元。施工实行两班制。每天掘进约10m。由于机械化、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到达终点。日本已建成的规模类似上述平野川集水库的工程，尚有神田川集水库。它长2.0公里，隧道内径12.5m，盾构机外径13.94m，1993年3月竣工。它属于东京环状7号线地下河的组成部分。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用盾构法施工。日(本)铁(道) 北陆新干线丸子隧道(自长野至高崎)是此次考察时的一项采用
13、新奥工法(NATM)及钻掘法(Short Punch Cut Method)施工的山岳岩石隧道。主要施工机械为S200型巨臂钻掘机(Road Header，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，是世界上最新的强力、高效、防尘、适合于中硬岩盘大断面隧道的掘进机型。它在我国大陆尚未闻有引进者
14、，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400700m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型的配件，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的岩石；钻头迴转数，高速46/55rpm30/60Hz，低速23/28rpm50/60Hz。 该工程坑内除尘通风效果甚佳，考察时即使走至掘进前沿亦未感觉到粉尘污染。这与其所采用通风排气
15、设备有关，也与巨臂钻掘机的性能有关，因它的钻头前端能喷出高压水(水压35MPa，水量52L/min)，既可迅速冷却钻头，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。该工程支护系统包括：5100100mm钢格网，150mm厚喷射混凝土，2232mm自穿孔岩栓，防水膜，125工字钢肋条，300mm厚衬砌混凝土。在考察时看到喷射混凝土正使用“无人全自动”(Robot)喷抢操作，包括自动转向、移位和行走。 此外，为提高工效，确保坑内车辆通行安全，该工程在常规栈桥的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发布会，会后去工场参观了该盾构机(图15-0)，听取了有关专家生动的讲解。7日又在日立造船株式会社总部会见了该盾构机设计总负责人、日立建设机械设计部参事部长平田昌三先生及其同事，听取了他们较详细的介绍。之后，
