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1、日本隧道施工技术考察报告365JT摘要：本文系作者于1994年6月赴日本考察隧道施工技术的综合报告。分为上下两篇。上篇介绍正在施工的几项大型工程，下篇介绍常用施工技术与新技术，包括多面型盾构机、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
2、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
3、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.
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、，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
11、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
12、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
13、，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
14、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，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
15、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
16、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，访问了若干施工现场。1.1设计思路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
17、型(或多园面型)盾构隧道掘进机。它们的外形见图1。可以看到，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1818年英国一位杰出的工程师勃鲁奈尔(Sir Marc Isambard Brunel)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，大家知道世界各地的盾构机已作了许多重大改进，但盾构机的掘进断面几乎无不沿袭传统，采取单一的、规整的园形或矩形断面。只是为了适应工程需要，乃对盾构直径作种种变化。世界迄今已制成的盾构机，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变化，
18、显然不能完全经济合理地解决日益复杂的工程问题。例如，当前应用较广的交通隧道，当建设铁路复线或上下行必须对开的地铁时，常规的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的园形隧道内，参见图16。此时，由于两辆车辆并列的宽度及其必需的建筑余量常大于车辆高度及其必需的建筑余量，这势必造成大园形隧道顶部和底部空间的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的隧道的构想，见图17。将图16和图17重叠绘制得图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。此外，从工程线路占用的地下空间考虑，亦得同样结论。以上简单例证
19、说明了二连型以至多面型盾构机的设计思路是何其简单而又合理，而此思路又具有连锁启发性，其困难在于如何实现。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。多面型盾构机由于均采用泥浆灌入切削仓施工，故适用于含粘土、粉土、砂土、砾石、卵石、漂石等各类岩土的地层。1.2主体构造与泥浆循环系统多面型盾构机的主体构造参见图19和图20，泥浆循环处理系统见图21和图22。为节省篇幅，此处均主要用图表表达之，以下同。仔细看图，不难获一概念。大园形盾构与二连型盾构的比较 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) m 10.40 7
20、.20 0.69 2、断面外径(横向) m 10.40 11.97 1.15 3、掘进面积 m2 87.90 76.10 0.81 4、第一次表面加固 m2 12.60 10.30 0.82 5、第二次表面加固 m2 6.30 5.60 0.89 6、回填灌浆 m3 4.40 5.50 1.25 7、隧道内底部混凝土 m3 9.70 1.80 0.19 1.3衬砌管片的运送、提升、就位与组装 多面型盾构机对隧道衬砌管片的运送、提升、就位与组装均设有完整的自动化系统，参见图23和23a；管片组装顺序示于图24和图25。值得特别提出的是，多面型盾构机还设有一个机器人(Robot)，它能精确拧紧管片
21、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，采取与掘进同步注浆回填，注浆系统如图27所示。 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的日本经济新闻报新产品奖1988年度最优秀奖。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的联合体(Joint Venture)承建。施工情况
22、良好。日本的许多大中型项目，尤其是高新技术项目常采取由联合体总承包的方式，以便发扬各方优势，形成综合实力，而达到工程优质、快速、安全、经济的目的。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的建设等，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的需要，适应大深度、长距离、高水压、块速施工的需要，尤其是由于岛国复杂地质条件的严峻要求，日本的盾构技术经近20余年的大发展已趋于成熟，并且形成了系列化盾构机产品，可供各项工程选用。兹以常用七类九种大型机型为例，以图表说明之。图30是
23、七类机型对于各类岩土按其粒径大小划分的适用范围。图31列出了七类九种机型的概况、简图、外观、切削面压力平衡条件和结构特性。三、盾构隧道技术发展新课题 日本应用盾构隧道技术始于1920年。它的70余年发展史，大体而言经历了四个时期：(一)自20世纪20年代初至30年代中的探索时期，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年代末的“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年代中的顺利发展时期，由于仿照英国Greathead型盾构机，顺利完成城市住宅区下700余米单轨铁
24、路隧道取得了成功经验，大大推动了盾构技术的发展；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，盾构机类型不断增加，产量逐年上升，至1975年全日本年产量达214台，其中6m以上21台，3.5m6m76台，3.5m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年代中至今的大发展时期，此时各种类型盾构机产量急剧上升，新品种相继涌现，大中型盾构机每年持续增加数十台至上百台(参见图32，以日立一家企业为例)；并且盾构隧道成套技术超过西方各国而领先于世；对于日本现代化城市建设和大规模开发利用地下空间
25、、海底空间和山洞空间起到了至今无可替代的作用。此次考察获悉，当前日本盾构机制造业在现有高技术基础上，正进一步致力于以下特殊机型的研究开发：1、不同直径三连型盾构机，它以大园居中，两小园各居一旁，使隧道宽高比更接近多车道的要求，见图33，将增设副刀以挖除大小园以外必需挖除的土方，副刀伸长尺寸用电脑调控，最后形成的隧道，其断面犹如日本民间崇拜的“福神”的脸型，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到15m，则隧道空间可分隔为上下两层，而成为最紧凑的四车道公路隧道，以上下层双向分流；也可作为地下工厂、仓库、污
26、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、不同直径而可分可合的三连型盾构机，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、变形马蹄形等断面的隧道，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。它将使地下空间的利用更为灵活、更丰富多彩。6、大直径急转弯盾构机，已制成10m级的急转弯盾构机，它将机体中折为前后胴，见图38。正在研制更大直径的急转弯机。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。
27、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的坍方事故而出现的一种技术。此后该技术在日本获飞速发展。我国有关部门在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GBJ20283。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JGJ7990。该技术在日本经20余年应用和不断改进，已臻十分完善。由于它安全可靠，适用的土类广，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。该技术在日本目前的主要特点是：施工压力已达
28、40MPa，因而有高压与超高压两种工法之分(我国目前为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)，且其强度有稳定的参数值。(一)两种工法比较工法 钻堡喷注(JSG)工法* 柱状喷注(CJ)工法 切削方法 高压硬化材液+空气 超高压水+空气 管型 二重管 三重管工法概要 高压硬化材液伴以空气，由旋转的钻杆端部喷口喷入地基，形成园柱形加固体。 超高压水伴以空气，由旋转的钻杆端部喷口喷出而切削地基土，碎土排出地表，同时喷出硬化材液，形成园柱形加固体。技术参数 切削压力：20MPa，硬化材液喷出量：60 l/min。 切削压力：4
29、0MPa水喷出量：l/min硬化材液喷出量：140180 l/min*Jumbo JetSpecial Grouting暂从台湾音译，大陆尚无译名。(二)适用土质范围 (三)有效直径1、钻堡工法砂土(深度025m) 标贯N值 10 1020 2030 3035 3540 4050有效直径(m) 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 粘性土 (深度025m) 标贯N值 1 1 2 3 4 有效直径(m) 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 注：砂砾土、腐植土通过试验确定。2、柱状工法标贯N值 砂 土 40m时通过试验确定。(四)加固强度(设计基准值) 硬化材 土质 单轴抗压强度kPa 粘聚力CkPa 附着力kPa 抗 拉强 度kPa 弹 性模 量kPa 水平向地基反力系数kPa 渗 透系 数cm/sec JG1号 砂土 3000 500 C /3 2 C /3 3105 3000 110-7 粘性土 1000 300 1105 1000 110-7 JG2号 砂土 2000 400 2105 2000 110-7 JG3号 粘性土 1000 200 1105 1000 110-7 JG4号 腐植土 300 100 3104 300 110-7 注：1、砂砾土可视为砂土；2、JG1号 高强型；JG2号 中强型；JG3号 低强型；JG4号 腐植土型
