三圆盾构构筑车站.docx

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三圆盾构构筑车站

采用侧部突前、中央摆动型三连盾构筑造车站部分

营团半藏门线·清澄工区

1、引言

地铁11号线工程，是将正在运营中的半藏门线（涉谷~水天宫前）向东北部分延伸的工程（图-1）。

此条线路起始于水天宫前车站，经过江东区的清澄车站、住吉车站、墨田区的锦系町，至押上车站共6.1km的路程。

预定在押上车站和东武伊势崎线互相直通运转。

如此一来，通过已经作直通运转的东急田园都市线，就能完成从神奈川县起贯通东京都，直达崎玉县的长大线路建设。

清澄三连盾构工程，是从现今运营中的水天宫前车站开始，穿越过隅田河，筑造成为第一个车站式的清澄车站的停车场和存车线。

在本文中，就采用这种三连盾构工程的新技术证实试验和有关在实际的掘进管理的概况作一介绍（文中的车站名称均系临时称呼）。

2、工程概况

2-1施工概况及其特点

清澄停车场是采用泥水式三连盾构（宽16.44m×高7.44m，照片-1），将按明挖法筑造的车站始端侧、车站终端侧（中间竖井）和变电所的三处构筑物，和已建的隧道相连接的工程。

在车站始端侧的始发工作井内拼装的盾构，掘进至中间竖井为止的停车场部分（长度为143.6m）后，作通过中间竖井的构筑内约75m长的移动，盾构由此处再作始发推进，成为进行存车线部分（长度229.1m）的盾构推进。

（图-2）

这种三连盾构工程的特征，汇集成下述3个方面：

l盾构的特征：

是世界上第一次采用的侧部突前、中央摆动型三连盾构。

l衬砌构造上的特征：

在三连盾构中最先采用的钢筋混凝土管片结构。

l地质方面的特征：

作为三连盾构工程中第一次以软弱粘性土层为地质对象。

2-2地质概况

本项工程位置处在受隅田河和荒河拦截的下町低地层，成为隧道对象的地质全断面，是N值在0~4，极其软弱的下部有乐町层（Ylc1,Ylc2）（图-3）。

3、构造上的特征

3-1停车场和存车线

采用三连盾构筑造的隧道断面，有停车场型和存车线型2种类别。

停车场型在中央处是岛式站台断面，存车线型则在中央处可作为列车折返、利用为存车线用的断面（图-4）。

衬砌管片的外直径、管片厚度以及宽度是相同的，而作为中间柱子的支承方式是截然不同的。

停车场型是每隔4环处设置正式的组合钢管柱子，其间加设3根立柱，是临时设置的H型钢（临时柱子）。

这种临时柱子，在柱子的上下处，由于设置了纵梁作切断、撤除，来自衬砌管片的荷载通过此纵梁传递到组合钢管柱上。

在以后撤除临时柱子所生成的空间，成为站台的一部分，作为上下旅客来往的通道。

对此，存车线范围在每环中要设置成为正式的方角钢柱（□-350mm），在构造上，成为和每环管片一起拼装。

3-2三连盾构工程最先用的钢筋混凝土衬砌管片

衬砌管片是有着外直径7.2m×全部宽度16.2m（管片宽1.2m，厚度350mm）的圆形三连型结构，由A型块×10D型块（与圆交叉部分）×4共计14块组成。

隧道复土约为17m，筑造在软弱的粘性土层下部有乐町层内。

此外，三连盾构隧道过去已有3个实际工程（营团南北线白金台车站、大阪地下铁7号线OBP车站和都营地下铁大江户线饭田桥车站）实例，都是采用的球墨铸铁或者钢质材料制作的管片，而这次作为三连盾构工程中是第一次使用了钢筋混凝土制成的管片衬砌（照片-2）。

3-3D型管片的抗剪力增强

3-3-1D型管片的补强方法

设想在地震时等情况下，有异常的荷载作用在D型管片结构（与圆形交叉部分）中的较大剪切力。

为此，对D型管片的构件中，不仅要求对L1级别的地震荷载有足够的安全度，就是对其以上的地震等情况，要求控制住脆断破坏的作用，必须使其成为接近弯矩破坏先行型的构件，亦即是和抗弯极限强度相同，将抗剪强度提高到设计断面力的3倍以上作为目的进行设计，必须要配置抗剪补强钢材（图-5）。

3-3-2抗剪强度试验方法

为了确认抗剪补强钢材的效果，试制作和实物大小一般的D型管片，对有无抗剪补强钢材进行了比较性试验。

试验方法是使用了20，000kN大型构筑物试验机，将D型管片的外面一侧作成2点可动支撑，内侧面作成分布荷载加载的承压面（图-6）

3-3-3试验结果

在设有抗剪补强钢材的条件下，破坏荷载是14，600kN（极限设计荷载8，900kN），相比不设补强钢材的场合大930kN。

破坏荷载比计算值大的理由、认为是在计算中没有考虑主钢筋的抗剪和有助于支点附近的压缩应力。

在设有抗剪补强钢材的场合下，极限时的状态，由于材料的韧性加大，破坏形式成为呈弯曲破坏在先的形式，可以说是由于抗剪补强钢材的效果发挥了作用的缘故。

抗剪极限强度如表-1中所示，有抗剪补强钢材的场合，着眼的整个断面上，具有设计抗剪力3倍以上的极限抗剪强度的同时，比没有抗剪补强钢材的场合β值变得大了起来。

从这些数值来看，已确认了抗剪补强钢筋存在的效果了。

3-4纵梁

3-4-1构造上的特征

清澄三连盾构的停车场型中的纵梁是把分别设置在中柱上、下，顺轴向的槽钢，按现场浇筑方式浇筑成型钢混凝土结构。

上部纵梁是每隔4.8m设置正式的柱子支承的形式（图-7）。

槽钢在离开正式柱中心3m位置存有腹板拼接接头构造。

由于该接头部分的刚度相比母材断面处刚度为小，接头变成犹如旋转弹簧的性能，而在设计上考虑到安全性，将此视作仅能传递剪切力的销子接头的多跨连续梁体系（图-8）。

3-4-2纵梁加载试验

纵梁接头部分的性能，和作为确认其钢材和混凝土的组合结构的整体性，特进行纵梁结构的加载试验。

对于试件，考虑到试验的现实性，用了与实物为1：

2的模型（图-9）。

3-4-3试验结果

试验结果如下所述几点：

1）在加荷到设计荷载级别，接头接近刚性接合，显示了稳定的性能（图-10）。

2）设计荷载级别时的接头旋转弹性常数约为110，000kN·m/rad，还有，滑动发生后的旋转弹性常数约19，000kN·m/rad，接头虽然是稳定的滑动，可是须保持有一定的摩擦力（图-11）。

3）接头抗弯极限强度是相当纵梁设计弯矩的1.8倍时的加载在900kN以上。

通过以上内容得知，接头在设计荷载作用下是接近刚性接合状态，即便在滑动发生后，还是显示出增加抗弯强度的稳定性能。

可以确认，作为纵梁主体结构，在接近屈服阶段，确保了钢材和混凝土的整体性，是具有足够的抗弯极限强度的。

4、三连型盾构机的开发

4-1侧部突前、中央摆动型三连盾构机

如今的三连型盾构机，其面板的配置是属于侧部突前、中央摆动型，和前面谈到的过去施工的3个工例采用的三连盾构机是中央突前、侧部在后型是不同的。

在本工程中所使用的三连盾构机在图-12中示出。

掘削土砂的取入是和营团南北线白金台车站和都营地下铁大江户线饭田桥车站中采用的方式相同，是做成全断面整体型密闭舱方式，中央一个系统排泥，在此次那样的软弱地基的掘削来讲，开挖面泥水管理由于是施工上最重要课题，开挖面泥水压力管理是比较容易的。

对掘削土的取入土量要做到不发生偏差，以能尽量减少对土层土体的影响，采用了中央一个系统的排泥方式。

此外，关于土砂的取入方面，作为侧部突前、中央滞后方式，因中央的密闭舱变狭窄而进行的从左右涌向中央的土砂排出机构的确认试验（土砂回收试验），将获得的试验数据务必反映在盾构机的设计上。

4-2土砂回收试验

4-2-1试验概况

采用侧部突前型的密闭舱形状掘削冲击性粘土场合，中央面板对来自左右涌向中央的土砂流动有影响，这些土砂涌向中央面板下部分的两个侧面堆积和由于黏着作用，将导致影响土砂的回收率，可以设想由于产生闭塞等现象，会给掘进带来很大的影响（图-13）。

作为对付措施，是装备了回流喷射机构，通过吸入中央上部的浓度稀薄的泥水，直接向来自侧部、堆积在两侧圆下部的土砂体作喷射，使之形成流向中央处的循环系统。

并且，为了选定作为最为有效率的喷射位置和流量来回收掘削土砂，根据过去的三连型盾构的实绩，采用为实机1/6比例的模型，做土砂回收的试验（图-14）。

4-2-2试验方法

是将定量的粒状体投入到有流体的循环机构模型的密闭舱内，通过测定回收物中粒状体的数量，来求取回收率，把左右的密闭舱内不带粒状体堆积状态70%作为目标值。

并且，为了推导这次实机和模型机之间的力学相似，采用了弗鲁德相似法则，在试验中使用的流体是清水、粘性液体和泥水，粒状体则是使用了模拟土块的玻璃珠（比重2.5，粒径1mm和4mm的混合体）。

4-2-3试验结果

把试验结果的一部分表示在图-15中。

首先，作为预备试验，是根据过去的实例，把包含当初计划值（回流喷射流量实机：

5m3/min，试验：

57l/min）的数种工况试验当作目标，不计回收率。

另外，变更下述诸参数，再作试验。

l变更回流喷射喷出口的形状（圆形→扁平形，以缩小喷出口面积50%）

l送泥喷射量的增加（把左右送泥口以下部作送泥喷射）

l回流喷射流量的增大（把当初计划的57l/min变更为70l/min）

其结果是如图-15中所示，回流喷射流流量用70l/min以上值时，获得了超过目标回收率70%（清水）的结果。

根据这些结果，设置了左右各自2处喷嘴，并设置了各自相当1/6模型机的70l/min的泵设备。

4-3中央摆动部分的新机构

4-3-1摆动切削机中心部分的旋转机构

采用摆动切削机掘削的场合下，安装在切削刀盘上的切削刀头向四周方向的摆动量，其作用半径不能再小，因此，对切削机刀盘中心附近处，由于刀头块体的尺寸关系，其摆动量变得很小，形成了不能够切削到的地层土。

作为对付措施，是在摆动切削刀盘中心部分，设置可独立进行掘削的小型的旋转型掘削装置。

切削机的形状，考虑土砂的粘结等因素，采用了鱼尾形状（1枚板，见图-16）。

4-3-2使用拼装机设置中柱机构

拼装隧道管片时支柱的插入，是采用拼装机扶持作拼装的。

以往的拼装机是绕着与隧道轴心平行的轴心旋转，和同轴成垂直方向作伸缩的机构。

可是，在本工程中存车线部分，特殊的组合角钢柱端部的支座底板为□-700×700较大，由于在支柱插入是需要作微微调整，在以往的旋转和伸缩功能上增加功能，设置了隧道轴方向的旋转轴，做成摆动自在的扶持机构。

由此，支柱插入之际的位置调整，成为平行于环的动作，特别地提高了柱子的拼装性能（图-17）。

4-3-3管片拼装、中柱设置

管片拼装采用在3台拼装机于两侧部分，而在中央部分做成独立的拼装机构。

对于D型管片拼装，除了拼装机的主要把持部分以外，设置了支承千斤顶，可以作决定圆周方向以外的位置调整。

再者，对于中柱的拼装，是装备了管片把持部分和相对侧向把持中柱机构的拼装机。

再有，为了确保中柱插入的空隙，在盾构机的支承环部分装备了夹住D型管片的提升千斤顶。

5、掘进

5-1泥水处理成套设备

在本工程中，整个区间大体上是均匀的冲击粘性土层。

根据钻孔资料，从物质的收支结果，由以下因素来决定主要机器：

l一次处理：

低压头型双层板式振动筛4台

l二次处理：

压力过滤器□-1，650×150室，5台

l三次处理：

30m3/h能力，1种样式

机器类的配置，由地基条件决定：

l地面上作业基地处有一次分离机、压力过滤器、调整槽、土砂集料坑

l在构筑物内地下一层处，有稀释水槽、三次处理设备

l同处的地下2层处，有剩余泥水槽、稀泥浆槽、造泥设备分散设置

特别在地面上部分，考虑到对周边环境的影响，采用防低频率声音的构筑予以围护；在对待设备整体的防声、防振动的措施，亦用防声构筑物作覆盖，以期待万全之策。

5-2盾构在现场的装配

该种盾构的主体是分成前壳体（6块）、中壳体（6块）、后壳体（4体），共计16块构件。

起吊构件的最大重量是38t，是采用360t汽车式起重机，在夜间将这些构件吊运入工作井内的。

盾构机主体的装配，是限定在6×8m这样大小的投入口进行的。

由于此三连型盾构机具有高度7，400mm×全宽16，440mm的大小尺寸，将主体分成左侧部分（前壳体、中壳体、后壳体）、中央部分（前壳体、中壳体、后壳体）、右侧部分（前壳体、中壳体、后壳体），共计为9大块件，通过开口部分直接下吊每件块体进行装配，按照所定的位置，顺次前后左右移动，以拼装成整体。

5-3盾构机的始发工序

5-3-1辅助工法

作为盾构始发时的辅助工法，是采用高压喷射搅拌工法，对全断面开放时的背面地层土圆弧滑裂面，作安全的加固范围地基进行加固。

5-3-2入口

在多圆形盾构机的场合下，圆与圆之间的交叉部分呈现凹型形状，该处的入口填土部呈倒曲线状态，不能跟随盾构形状的间隙形成空出部分，不能保证这部分的止水。

作为对付的措施，是在凹型形状的填土的背面处设置通气管道，充气加压膨胀，使其与密封条紧贴而达到止水的目的（图-18）。

盾构的尾部钢板在一般部分为80mm，由于在凹型形状处为130mm，比通常的盾构壳板要厚，在盾尾部分通过入口部分之际，入口处填土和刚性盖板无法完全地跟随衬砌结构，呈现非常的不稳定性，成为出水的可能性很高的状态。

作为对付的措施，实在盾构的尾部即将通过入口填土处之前，暂时停止掘进，从安装在井口处止水钢板的背面空隙处，所设置在入口环外周处的压注管道，充填止水材料进行止水（图-19）。

5-4掘进管理

作为掘削对象的土质，是如图-3中所示的非常软弱的土体，为了控制住地基的变形在最小限度内，泥水压力和后背注浆的管理成为最重要的事，根据地基变形量测，作出确认为最合适的管理值。

5-4-1泥水压力管理

泥水压力是用以作为抵抗开挖面上的水平土压力，其管理值是把主动土、水压力（Ka=0.6）+变动压力作为下限，把垂直土、水压力（K=1.0）作为上限。

将其中间值250kpa（相当静止土压力）作为设定的泥水压力（图-20）。

5-4-2后背注入管理

后背注入工序是在与盾构的同步注入管道4处之中，经常是使用3处进行的。

由于地基土的软弱性，是把压力控制作为优先进行管理的。

设置的数值可参照以下的原则：

l注入压力上限：

开挖面上泥水压力+50kpa

l目标注入率：

140%（根据过去的已有实绩设定）

5-4-3量测管理

随着盾构机通过，把握对地表面影响的同时，让开挖面泥水压力和后背注浆率的变化，以能实时地确认对地基的影响，以反映给以后的施工中去。

5-4-4量测结果

伴随盾构机的通过，地基变形情况各阶段如以下所述：

1）盾构通过前，预先隆起

地表面部分可以见到若干的预先隆起，可以认为这是由于泥水压力的影响。

2）盾构通过时沉降和隆起

地表面部分大部分看不到变形，而在盾构机的正上方，可见到有数毫米的隆起，认为是由于后背注浆的影响所致。

3）后续沉降

地表面部分、盾构机的正上方在一起，在盾构机通过以后，可见到有数毫米的后续沉降的倾向。

5-4-5根据量测结果作施工管理

在泥水压力方面，对若干的预先隆起倾向，作适当的判断以后，再以250kpa值进行管理。

在后背注浆方面，对于所见到盾构机正上方的通过时隆起倾向，设定管理值是注入率140%。

比注入压力（泥水压力+50kpa）低一些进行管理。

5-5盾构到达工序

5-5-1到达工序中的防护设施

在盾构机到达了工作井前面，采用高压喷射搅拌工法有范围地进行地基加固，使用化学注浆工艺以形成止水区域，在盾构长度+3环衬砌的范围内作为地基加固区段。

5-5-2隔墙的设置

作为盾构到达前的准备工作，首先是在井口设置钢制的隔墙，从下部起分三块撤除水泥加固墙（t=800mm），以低标号砂浆充填置换。

在此施工之际，设置牵引盾构机时所需要的构件材料、止水用填充料的基底铁件，同时也要埋设将来用作注浆的管道等（图-21）。

6、三连型盾构的工作井内的移动

结束停车场部分的掘进，牵引盾构向下一个存车线部分的始发位置，移动约70m。

由于盾构有14，000kN左右的重量，在作这种移动时，特制作了盾构机移动台架，在此台架下部安装了滚辊（单元式滚动滚辊）。

并且，在工作井底板上铺满钢板，使用了穿心式千斤顶和高拉力钢构件牵引装载盾构机台架作移动（照片-3）。

在移动台架下部设置了24台铸铁罐体作为可以充分承受盾构重量的结构物。

至于使用盾构机的顶升和回落动作，是由8台2000kN油压千斤顶完成的。

在移动台架安置之际，必须予以充分注意，就是要让盾构机的重心和台架的中心相一致。

对盾构机的移动，是使用了4台500kN的穿心式千斤顶。

此外，由于和井壁相隔只有80mm，非常的近，为了不让移动重心出现蛇行轨迹，要在周密考虑千斤顶冲程前提下进行移动。

移动速度按每分钟50~100mm进行。

牵引力约在500kN（占盾构机重量的4%左右），成为非常小的值。

移动作业流程参见图-22。

7、结语

清澄三连型盾构掘进工程是从2000年12月开始，到第二年2月完成了车站部分的掘进，其后，进行了盾构机的牵引和移动作业。

并且从2001年5月开始了存车线部分的掘进，6月份安排盾构初期掘进后的作业。

打算在今后根据量测管理成果，还是要继续作施工管理的。

并且，在完成了掘进之后的车站部分，用高流动性（坍落度较大）混凝土、施工钢骨混凝土结构的纵梁。

以后有机会对各施工结果和量测管理等方面情况作详细的介绍。

译自《トンネルと地下》2001年10月号

江中孚