國家863項目地鐵盾構問世(下)

覆土達85ｍ的大斷面內部水壓隧道
橫濱市　今井川地下調節池

　　1.　前言
　　近年來在人口增加顯著的大都市內河水流中，作為提高治水安全性的整治手法，乃是進行地下調節池·地下河道的修建。
　　對于橫濱市而言，為了求得防止和減輕今井川河流域的水淹受害。是在保土谷區獵場鎮55號～權太坂2段的國道1號線下進行了修筑內徑10.8m、長度2410m的地下調節池（貯存量為21.4萬m3的內部水壓隧道）的規則（圖－1）。

圖－1　　工程場所周邊地形圖

　　在本文中，就有關該項地下調節池建設工程中的地下調節池部分的盾構工程設計和施工內容作出介紹。

　　2.　設計的概要
　　2－1　今井川流域
　　今井川河流流經橫濱市保土谷區內，與帷子川河合流的流域面積為7.6km2，需要修復長度達4.74km的2級河道。該流域從1955年代開始進行著城市化步伐，到1994年預估占流域的70%，將來大部分都要成為市區化。由于這種急劇的城市化進展，使得流域整體的保水·游水功能降低，在流域的低洼地處，從1956年起至1994年止的時期內，曾經發生過8次大規模的水淹受災遭遇（表－1）。
　　2－2　今井川河道的修復計劃
　　為減輕流域范圍的水淹受災程度，作為徹底的修復計劃，需要實施河流和下水道成為整體的綜合性治水措施。對應將來的流域發展和成熟的整治目標基礎上，有必要一邊謀求兩事業的配合，一邊實施事業的持續進行。
　　從1992年開始的建設省河道局的“市區河道內水對策特別緊急事業”的啟動，今井川河亦作為這一類特定河道被采納。在河道的整治同時，計劃在地底下設置隧道式調節池，今井川河道修復計劃的要點如表－2中所刊內容。

( )表示對應于81.5mm/h的降雨

　　2－3今井川調節池概要

　　設施是由地下調節池、取水設施和排水設施3種設施組成（圖－2）。

　　調節池的調節容量，除了從橫濱地方氣象臺降雨強度曲線所規定的24小時中央集中型模式降雨之外，還要根據過去的水淹實績來選定4種降雨，計算按計劃規模的24小時內雨量拖長流出量的河道不定流、橫越流式組合成用水文模式算定，作成214,000m3的容積。
　　2－3－2 取水設施
　　取水設施是將來自河道的流水分流經橫向越流堰（越流長度80m），引導流水進入沉砂池的輔助管道·引水管道；沉降土砂的沉砂池和處理高落差，引向地下調節池的取水井·連絡管渠組成。
　　2－3－3 排水設施
　　具有將貯存在地下調節池中的調節水，排放到今井川河道中的功能，作成備有調節池維修管理設施、排水泵、排水管道內徑21.2m、深度56.9m的設施。將這類設施作為筑造調節池的盾構機始發工作井利用。

　　3. 地下調節池工程概要
　　3－1 地質概要
　　施工場所是從JR東海道正線“保土谷車站”東邊約1km的保土谷區獵場鎮的橫濱須賀道路守獵場立交樞紐國道1號線出口附近起，沿國道1號線向戶塚方向進行、到箱根車站處有名的東海道“權太坂”處所為止。
　　地質構成在丘陵部分上方位置是埋土層、壚坶層、洪積粘性土、砂質土層，在此以下分布著是上總層群的固結粉砂層和砂質土層相互交替的地層。沖積低地部分(始發井附近)分布在丘陵部位上方，沒有壚坶層，代之以分布著沖積粘性土、砂質土(圖－3)。地下調節池(以下稱為隧道)掘進在N值在50以上的上總層群的沖積粘性土層和固結了的洪積砂質土層相互交替層中。

　　始發工作井附近，砂層以狹條形存在較多，而隨著進展到到達側成為不多的了。
　　3－2 隧道線形
　　由于將隧道設置在國道1號線的道路之下，隧道的平面線形取決于地面道路線形。曲率半徑400m以下的區間較多(約占40%)，特別有半徑130m的小半徑曲線2處。關于縱斷面線形、始發部分的覆土45m，是以1/1000的向上坡道；到達部分覆土是76m，最大的在85m。作為如此大的覆土理由，那是考慮到將來的地下利用規劃，由此規劃了隧道的埋設位置。
　　3－3 隧道的斷面
　　隧道襯砌環外徑11.9m，完成后的襯砌結構內徑10.8m。省略了二次襯砌是求得貯存量的保證。在隧道內下邊部分，為了便于維修管理，構筑了管道內底的倒拱填充(圖－4)。

　　3－4 工程進展安排
　　工程起始于1993年9月，計劃到2001年3月為止(表－3)。

　　3－5 始發工作井
　　始發工作井在建成地下調節池(隧道)之后，是作為排水設施而加以利用。工作井井身是由地下連續墻和厚度為2.5m的內襯墻(預定上部為1.5m)組成(圖－5)。

　　3－6 始發防護工序
　　始發防護工序是用作為開挖面自立的凍結工法和高水壓力不直接作用于引入口襯墊為目的，采用化學注漿工藝(雙重管工層堵塞物、圖－6)，在決定輔助工法時考慮了以下幾點因素。

　　① 凍結工法的施工范圍，在開挖面的階段僅作成地層土能自立的最小厚度(4.4m)；
　　② 凍結范圍要設計成包括粘性在內，對付凍土膨脹措施(砂緩沖溝等)；
　　③ 化學注漿區間(5.3m)是從盾構機后端進入到引入口襯墊，作成可以安全可靠地處理洞口的長度；
　　④ 將袋裝管片設置在距洞口2m的位置處，并通過在引入口襯墊和袋裝管片之間進行可靠的砂漿充填，以確保洞的止水功能，縮矩化學注漿區的距離。
　　3－7 盾構機和設備的自動化
　　3－7－1 盾構機
　　盾構機是外徑φ12,140mm的泥水式盾構機，考慮到地質條件、長距離施工、高水壓力、凍結部分掘削等條件，決定切削器刀頭形狀·配置等的規格。盾尾密封作為對付高水壓力，是安裝了刷子型4排和緊急止水裝置。作為對付小半徑曲線是作成2.5°中間轉向結構構造(圖－7)。

　　3－7－2 機械化·自動化施工
　　作為熱衷于機械化·自動化施工，引入以下的措施：
　　① 旋轉式吊籃腳手架
　　作為要確保在大斷面隧道中高空場所作業的安全性，是裝配了吊籃式腳手架、旋轉方式拼裝管片襯砌。
　　② 自動搬運管片的特別車架系統
　　由于作業基地狹隘，先將管片自動收容在工作井內的車架上，再按照要求采用搬運系統自動地送到開挖面處。
　　③ 自動控制方向系統
　　由于是要求嚴格的線形管理，根據高精度的傳感器(旋轉式羅盤·水平儀檢測裝置等)和位置分析演算的實際資料，采用了備有按模糊理論的千斤頂選擇功能和自動控制方向系統。
　　④ 盾構機綜合管理系統
　　集盾構機操縱、背后注漿、泥水輸送、泥水處理等的各部份技術于一個操縱臺上，是進行這一系列工序的各系統的綜合監視·操作。
　　⑤ 工程系廢棄物人工操縱自動發行系統
　　對于大量地排出二次棄土，由運輸人員登記收集，采用人工操縱自動而敏捷的發行系統，按照登記資料(收集運輸、處理場所、車身重量)，進行自動量訓累積重量、人工操縱打印發行，根據發行資料進行除去排出量、人工操縱回收確認外的日常管理。
　　3－8 環境保護措施
　　3－8－1 防噪聲措施
　　在市中心地塊免不了有規模極大的機械類(振動篩、泥水輸送泵等)要經歷長時間的日以繼夜運轉，要實施個別措施和防噪聲墻遮蔽的二道、三道隔離。
　　特別是對付低頻率噪聲，從設計時要考慮，這是影響到工程的關鍵問題，筑起厚度為300mm的混凝土墻、頂棚結構的完全封閉的隔離建筑(棄土用螺旋輸送機輸送到外面)，在內部側設置降低低頻波的材料。并且要對措施完成后進行試運轉的測定，在功能、耐久性上不存在問題時的范圍為1100rpm。
　　3－8－2 對付振動的措施
　　作為對今井河道上進行隧道的基地施工，為了使車輛的通行、各種機械的振動不致影響到周邊的居民，設置防震橡膠、鋪裝等設施。

　　4. 盾構機始發推進施工
　　4－1 始發防護凍結工程
　　對于本工程而言，隧道頂部覆土為45m。當盾構機作始發推進時，其下端部位作用著0.55MPa的水壓力。在撤除地下連續墻時要保障開挖面土體的自立和止水，特采用了凍結工法。
　　凍結工法是使埋設在地底下的許多管道中循環流動著冷卻液，使地基土體凍結造成堅固且具有均勻承載力的止水墻工法。還有，設想在凍結對象地基土內，包含著硬質固結粉砂層一起凍結時，要發生很大的凍結膨脹壓力，為了確保工作井井壁、地下連續墻的健全性，要掘削緩沖溝槽，置換成砂，進行防止膨脹的對策(圖－8)。

　　4－1－1 凍結工藝的設計
　　作為凍結工藝的基本設計，是要承受在盾構機通過部分的地下連續墻作撤除時所受到的土、水壓力0.76MPa(開口處中央部位)，開口處的直徑12.6m。凍土墻的平均溫度是以－13℃的砂質凍土強度(彎曲抗拉強度=3.19MPa)等的各數值，作用在周邊固定圓板的均布荷載計算，決定了所需要造成的凍土厚度達4.4m。根據工期和經濟性，決定作為凍土墻造成·管理的最為適當的凍結管測溫管的配置(圖－9、圖－10)。

　　(2) 凍結膨脹措施計劃
　　凍結對象的地基土，如圖－10中所示的地質柱狀圖。凍結對象土層的上半部分主要是砂層(Ks層)，而下半部分則為凍結時要膨脹的固結粉砂層(Km層)。并且，變形模量亦有560MPa，是作為一種非常硬質的地基土，伴隨凍土的造成所發生的凍結膨脹壓力，通過慣用的高志圓筒理論測定、預估為1.12MPa。這種凍結膨脹壓力作用在地下連續墻墻體和工作井井壁上的力相當于凍結前土、水壓力的1.5倍之多，總共用了三種對付凍結膨脹的措施(參照圖－10)。
　　① 設置砂緩沖溝
　　② 砂緩沖溝的抽樣工序
　　③ 加熱柵欄的設置
　　在三種措施中，①和②都是以吸收作為凍結膨脹壓力的原因－凍結時的地基體積膨脹(Km層4.0%，Ks層1.0%)作為目的。在構筑物和凍土墻間隔中，是通過砂緩沖溝的壓縮和砂抽樣，以收縮體積來減輕凍結膨脹壓力。不過這些措施只是在砂緩沖溝凍結前是有效的，而在始發前凍土維持期間是不能適用的。對此，作為抑制發生在凍土維持期間的凍結膨脹，是在形成凍土的地基土側邊設置的溫水管道、還設計成③加熱柵欄。
　　4－1－2 凍結工藝的施工
　　(1) 施工和量測的概要
　　如在表－4中所刊示實施凍結準備、凍土造成、凍土維持和強制解凍。在此，所謂凍土造成，即為前面所述在開挖面處制造所需厚度的凍土墻。凍土維持是意味著維持所造成了的凍土墻安全性。為了管理這些事務，就兼用了有關凍土造成和凍結膨脹的量測工序。在凍結土堵的地基一側開成凍土的同時期，作了化學注漿的施工。所實施的量測項目、量測儀器等在表－5中，而儀器布置的位置則在圖－11中所表示。
凍土造成的管理，是使用了埋設在地層中測溫管內的溫度傳感器，根據在各地點、各深度的地層溫度，計算出凍土的造成速和范圍，并且確認和事前設計的要求沒有偏移。

　　凍土維持的管理，是使用在造成的凍土內的撓度計、監視著凍土墻的健全性，用凍土邊界部位的溫度管理和地下連續墻、工作井側壁中的鋼筋應力量測等，監視著工作井的健全性。

　　(2) 凍土墻的造成和維持管理
　　為了凍結相當于造成凍土厚度的地基土，在圖－9中所示的3排凍結管(距離地下連續墻第一排、第二排和第三排)中，循環－30℃的冷卻液進行凍結運轉。不過，對于本工程而言，必須最大限度地限制和地下連續墻鄰接的砂緩沖溝和砂取樣對凍結膨脹的吸收。為此，砂緩沖溝內的每一排凍結運轉推進40天左右的時間，造成大部分的凍土(第二、第三排)在凍結終止后凍結，完成開挖面處所需要的凍土墻造成。此外，為了確保凍土墻和地下連續墻的凍結，在地下連續墻和工作井井壁之間埋設的凍結管道和固定在地下連續墻開挖面上的凍結管，提前40天進行凍結運轉。
通過凍結運轉使地基土和地下連續墻的溫度降低的狀況，在盾構機中間斷面上的溫度分布和凍土的水平分布(凍結第82天)表示出來(圖－12)。

　　對于本工程，由于是大深度形的大的土、水壓力，加上是大斷面不利條件，在長時間內僅靠凍土墻承受，并且在維持凍土期間，作為抑制凍土的增加，還兼用了加熱運轉。為了確認作為受力墻的凍土墻的健全性，進行了量測凍土期間的凍土墻撓度。從圖－13中得知，從開挖面清理開始起量測到凍土墻的撓度，開挖面外周鉆取土樣和從開挖面上半部分的地下連續墻撤除開始，第10～27天的工程，開挖下半部分清理(第33～46天)所致在中心部位發生了6mm的彈性變形。不過，在此之后的凍土墻的蠕動變形以緩慢方式，最大也只是在11mm，可以充分保障作為受力墻的健全性。

　　(3) 凍結膨脹的管理
　　發生凍結膨脹壓力的元兇是凍土墻外面的凍結膨脹變形，在凍土造成完成時，影響最大的是在盾構機始發方向上，往砂緩沖溝一側發生50mm；往地基一側發生20mm左右。此處由于往砂緩沖溝方向的變形大，認為是回填在砂緩沖溝松弛所致。由于凍結膨脹作用在地下連續墻外面的平均作用壓力，可通過設置在固結粉砂和砂層深度內的土壓力盒來測得，推斷其值在0.29MPa左右。
　　盾構機始發部位(開挖面上)的地下連續墻，在造成凍土完成之后是要撤除掉的，而通過凍土墻完成止水前，地下連續墻必須確保其起到受力墻和止水墻的作用健全性。凍土造成期間中在各深度上的地下連續墻的水平變形和所算出的盾構機中心部位的撓度時效變化如圖－14中所示。由于凍土造成量的增加，由此地下連續墻的變形和撓度增加到接近管理值狀況，進行砂緩沖溝的砂取樣，將地下連續墻的撓度一下子回復到原狀，抑制了撓度的增加。為完成凍土墻進行第一排凍結管的運轉操作的結果，是使地下連續墻的撓度再次增加，于是就能維持通過凍土墻的止水完成前的地下連續墻的健全性。

　　有關工作井井體的內襯墻和環梁的鋼筋應力時效變化，可見圖－15、圖－16中所。由于第3排和第2排凍結管凍結運轉開始，凍土造成是從3月10日左右開始，由于發生凍結膨脹壓力，內襯墻、環梁一起鋼筋應力變成為壓縮傾向；而通過砂緩沖溝的取樣等作用、壓縮傾向變弱。在確認所計劃所求求的凍結造成完成之后，從5月8日開始起、對開挖面外周的地下連續墻鉆取試樣，順次序對地下連續墻上半部分、下半部分作撤除。在撤除地下連續墻之前，內襯墻亦成為分擔土、水壓力和凍結膨脹壓力的作用趨于壓縮傾向，而在撤除地下連續墻之后，內襯墻就不再分擔作用壓力。相反在環梁中作用壓力繼續要成為承受如此程度以上的壓縮傾向。不過，由于開挖面作業的完成，鋼筋應力大體上穩定下來，可以做到在鋼筋應力的容許值以內、安全無事地完成始發、防護工序。

　　4－2 盾構機始發推進
　　4－2－1 推進
　　在凍土部分盾構機推力3,500t、扭矩900t·m，按10mm/min掘進速度，進入到化學注漿區間。正式設置RC管片襯砌2環，而在脫掉盾構機的尾部處所進行臨時性停止(盾構機在化學注漿區域內)，進行洞口的處理。
　　4－2－2 洞口處理
　　在高水壓下的洞口部分，始發時采用凍結止水，而在凍結運轉停止后，如不實施可靠的洞口處理、就會成為招致大量的漏水。
　　作為洞口漏水原因可舉出下述三種因素：
　　① 洞口部位后背注漿時壓力不足(注入材料回繞到開挖面)。
　　② 掘削土砂等堆積在下部處，即便作了后背壓注、但也得不到止水效果。
　　③ 對于通常的后背注漿材料的注入，是完全沒有止水性能的。
　　考慮上述原因，使用袋裝管片(RC管片袋囊)和樹脂砂漿來實施洞口止水(圖－17)的。

　　5. 施工結果
　　在1998年10月5日作了始發推進，于第2年1月18日完成了試推進(170m)，現今正朝著正式掘進進行著設備的轉換。現將主要施工結果表示在下面。
　　① 以防止一次襯砌結構施工時的始發洞口的漏水為目的，是采用袋裝管片和注入樹脂砂漿約為1.6m長的止水區域的效果是出色的，達到了原先的要求。
　　② 在試掘進過程中的盾構機日進尺是每天1.3環(1.6m)。
　　③ 盾構機設備的機械化·自動化，采用各自設備可以充分提高成果。特別是自轉·公轉式管片拼裝簡易吊籃腳手的使用，在確保高處所的作業安全性同時，作業效率亦非常高。

　　6. 結語
　　在所謂大深度·高水壓·長距離極為嚴格的條件下，求得了高質量的盾構隧道的施工。對于這種課題，發包者、JV(聯合企業)形成一個整體，全力以赴的努力結果，是定能做到平安無事地完成始發推進·試掘進的。現今正朝向正式掘進的設備作轉換，而要求提前完成掘進施工。防止今井川河流域水淹受災，向市民提供安全街道環境是我們的使命。這一次的工程可認作是今后的大深度·高水壓下盾構隧道的一個實例。
　　最后，對本工程的設計·施工竭盡全力的有關人員，借著本雜志版面予以深切謝意。

譯自日刊“トンネルと地下”
1999年5月刊
江中孚于2004年7月9日