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超邻近长距离复线盾构隧道的设计、施工 ——阪神高速大和川线

作者:汪德珍 编译  发布:2017/6/28  浏览:
单位:上海隧道工程有限公司

摘 要:大阪高速公路网是以阪神高速1号环线为中心的网络,交通主要集中在大阪府中心部并引起慢性的交通阻塞。此外,在堺市及松原市地区由于东西道路的修建还不完善,故担心已有的干线道路因交通阻塞严重对沿线环境产生影响。为此,需要根本性地改变车辆交通的流速,施行大幅度改善大阪府中心部慢性阻塞及沿线环境恶化等的新环线道路的建设。

1  前言

大阪高速公路网是以阪神高速1号环线为中心的网络,交通主要集中在大阪府中心部并引起慢性的交通阻塞。此外,在堺市及松原市地区由于东西道路的修建还不完善,故担心已有的干线道路因交通阻塞严重对沿线环境产生影响。

为此,需要根本性地改变车辆交通的流速,施行大幅度改善大阪府中心部慢性阻塞及沿线环境恶化等的新环线道路的建设。2001年8月作为都市再建工程决定实施“大阪都心部新环线道路=大阪都市再建环线道路”。

大和川线是形成该“都市再建环线道路”的部分线路,在堺市堺区筑港八幡町从阪神高速公路4号湾岸线开始分歧;在松原市三宅地区与14号松原线连接的延长约9.7km的车辆专用道路(图1)。

图1  大和川线位置图

2  大和川线的概况

2.1  线路概况

大和川线,考虑到大和川景观不受破坏、对周边街区的环境影响以及与沿线土地利用的整合等,除了4号湾岸线与14号松原线的连接部外,基本上都采用地下结构或开挖结构。

本线路于1999年由阪神高速道路公团着手该项目,但是,由于道路相关公团的体制民营化时的项目重新划分及堺市的行政指定都市的搬迁,2006年由大阪府、堺市、阪神高速道路株式会社三家共同进行建设(堺市建设区间由大阪府与阪神高速道路株式会社接受委托分别进行施工)。隧道构造、工程区分如图2所示。

图2  隧道构造、工程区分

地下结构区间,当初全线采用开挖隧道结构。但是,从南海高野线至近铁南大阪线的交叉部约4.4km区间,由于地表部有铁路及自来水厂等重要设施,故盾构工法有经济性好且工期短的长处,因此,在2007年的都市计划变更时,调整为盾构隧道结构(但是,常磐西、东匝道分合流部为开挖隧道结构)。

若将盾构隧道线形收纳在当初计划的开挖隧道宽度内,则盾构隧道的上下线间的间隔在1m左右,这一间隔贯穿整条隧道,故这是一条长距离、超邻近的复线盾构隧道结构。

2.2  地质概况

大和川线中,位于盾构隧道区间的纵断面地质如图3所示。在盾构区间西端能看到上町断层产生的挠曲。其东侧区间是以洪积层为主体的土体,在盾构掘进的深度中,是较密实的砂质土及砾质土与较硬的黏性土的互层状土体。

图3  盾构区间的地质纵断面图

3  隧道平行设置影响的考虑

大和川线的盾构隧道,管片外径12.3m,若以管片外径为1D的话则最小间距为0.08D,是大断面且超邻近的复线隧道(图4)。以如此超邻近进行长距离掘进的盾构隧道,在日本也是前无先例,故对平行设置影响进行了探讨。

图4  盾构断面与复线间距

对于平行设置隧道影响探讨的课题是设定了适当的应力释放率,多数场合是采用二次元FEM解析进行的。但是,仅采用应力释放率来评价隧道掘削时的土体状况是否妥当尚不明确,解析结果不仅受到应力释放率大小的左右,而且在明确考虑土体的状况及土压后进行设定是困难的。

因此,作为应对上述解析手法的课题点,在大和川线的复线盾构隧道中采用了接近盾构掘进时的实际土体状况,以及考虑到相当于盾构掘进施工过程中的掘削应力。此外,作为管片接头部及环向接头部的平行设置影响的可能评价的手法,采用抽出FEM解析中得到的土体应力增加量,使其作用在梁-弹簧模型(图5)来进行平行设置影响的计算。

 图5  梁-弹簧模型

有关本设计手法,由“大和川线隧道技术委员会”进行审议,制定了“盾构隧道设计手册”。

4  大阪府施工区间的工程概况

大阪府施工的盾构隧道区间的掘进顺序如图6所示。

图6  盾构掘进顺序

盾构从No.5工作井向东开始始发进,在No.6工作井调头后,一度到达No.5工作井。随后盾构由No.5工作井移动到No.4工作井,再从No.4工作井开始始发进,在No.3工作井调头后再到达No.4工作井,是掘进延长约3.8km的长距离复线盾构工程。

4.1  衬砌结构概况

本盾构隧道的内空断面设有紧急停车带,需要确保最大限度的内空断面。对于衬砌,根据经济性比较结果,认为使用合成管片是最经济的。管片概况如图7所示。管片的各项参数如表1所示。管片由8块分割的A、B、C管片及1块K型管片组成。

图7  管片概况

表1  管片参数

此外,由于省略了二次衬砌,则另行需要确保耐火机能,故在管片中使用混入有机纤维的混凝土来确保这一机能。有关耐火性能,根据“设计手册”通过采用RABT时间-温度曲线(图8)条件下的试验,确认构成管片的各种材料在允许温度以下(表2)。

图8  RABT时间-温度曲线

  表2  管片中使用材料的最高温度

4.2  盾构技术参数

本工程中使用的盾构如图9所示。盾构形式为土压式,盾构机体的外径为12.54m。

图9  盾构概况图

由于是长距离掘进,作为磨损措施安装了高低落差刀头、应对NOMST壁的切削安装了活动式先行刀(照片1)。此外,作为曲线段施工的应对措施,配备了铰接机构。

照片1  活动式先行刀

本工程由于要在铁路等重要构筑物正下方掘进,故在盾构前檐部安装了能确认开挖面前方土体状况的土体探测装置。此外,通过同步注浆装置及管片形状保持装置来应对管片的变形及土体变形。

4.3  掘进管理

4.3.1  开挖面土压管理

大口径土压式盾构的场合,土仓内土压在上端及下端呈现大的压差趋势。由此,当将盾构中心位置的静止土压作为设定土压时,在盾构上部有可能产生土压不足。

根据这一趋势,以盾构中心部的静止侧压为基准,对盾构上部的主动侧压+变动压力进行确认,并进行了土压的设定。土压设定的流程如图10所示。

图10  土压设定流程

4.3.2  壁后注浆管理

壁后注浆是将同步注浆装置设置在盾构机体外周后体部进行注浆的。由于是大断面掘削直径,注浆量大,故配置了4路同步注浆管管道。设置位置图如图11所示。

图11  壁后注浆管设置位置

对于壁后注浆位置中沉降的对象土压,在考虑作用在盾构顶部的垂直土压后,则以下列公式为基础进行注浆压力的设定。

壁后注浆压力=垂直土压+水压(+预备压力)(kPa)

4.3.3  出土量管理

掘削土的出土,由于是采用高速皮带输送机连续排土方式进行出土,故采用了扫描传感器与输送带刻度尺组合起来的出土量管理系统进行出土管理。

由扫描传感器测定的出土量,对过去10环平均值进行排土量变化率管理及标准偏差量管理。此外,还采用由输送带刻度尺测得的出土重量的换算出土量管理,来进行多元化的排土量管理。扫描传感器的测量概要如图12所示。

图12  扫描传感器测量概要

5  结语

大和川线从1997年开始工程招投标,随后依次着手工程施工。大阪府施工的盾构隧道于2011年1月开始了始发进。盾构在No.5工作井的安装状况如照片2所示。

照片2  盾构安装状况

本盾构隧道由于在日本也是史无先例的第一条超邻近的长距离复线盾构隧道,故在掘进时考虑要实施各种测量。由此不仅要施行掘进时的施工管理,还将进一步验证“设计手册”中的平行设置影响探讨的妥当性。

摘自《特殊条件下盾构工程》

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