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采用SENS工法对固结度较低的滞水层土体的机械化施工 ——北海道新干线津轻蓬田隧道

作者:汪德珍 编译  发布:2017/7/11  浏览:
单位:上海隧道工程有限公司

摘 要:北海道新干线新青森、新函馆(暂称)之间是将东北新干线进一步向北延伸的工程,计划在2015年底完成,现在正在建设中。在建设区间中,津轻蓬田隧道是从青森县东津郡蓬田村至外之浜町的延长6190m的新干线复线断面隧道。本隧道根据该区间的土质状况,为确保开挖面安全采用了用盾构进行现场浇捣支护系统(以下称SENS)进行施工(照片1)。SENS在东北新干线三本木原隧道的约3000m区间中首次开发使用,从2004年至2006年进行了施工。津轻蓬田隧道是第二次采用SENS工法的工程事例。

北海道新干线新青森、新函馆(暂称)之间是将东北新干线进一步向北延伸的工程,计划在2015年底完成,现在正在建设中。在建设区间中,津轻蓬田隧道是从青森县东津郡蓬田村至外之浜町的延长6190m的新干线复线断面隧道。本隧道根据该区间的土质状况,为确保开挖面安全采用了用盾构进行现场浇捣支护系统(以下称SENS)进行施工(照片1)。SENS在东北新干线三本木原隧道的约3000m区间中首次开发使用,从2004年至2006年进行了施工。津轻蓬田隧道是第二次采用SENS工法的工程事例。

照片1   津轻蓬田隧道坑口部(青森方向)

2  津轻蓬田隧道的土质概况

津轻蓬田隧道的土质纵断面图如图1所示。掘削对象土质是以未固结砂为主体的蟹田层的基岩。蟹田层根据土质的特征被分为蓬田层、濑边地部层、砂川泽部层。蓬田部层是整体固结度较低的滞水层,地层岩相在侧向或上下方向具有变化大的特征。赖边地部层是浮岩凝灰岩与中、细颗粒砂的薄夹层的特征。砂川泽整体均质,由块状无层理的固结砂岩层组成。

图1   隧道土质纵断面图

地下水位几乎位于隧道顶端以上,高水位处达到顶端+40m左右。此外,透水性小的凝灰岩及粉砂岩的薄层存在不规则,并设想层边界的地下水位很难得到充分排水效果。此外,从粒径分布细颗粒含量及均等系数的判断,认为蟹田层是易产生土体流动化的土质条件。

3  SENS概况

根据上述土工学特性,对经济性及施工工期等进行综合性探讨,决定采用具有相同土质条件,并在东北新干线三本木原隧道中有实际施工实绩的SENS工法。

所谓SENS工法是用密闭型盾构(Shield)进行掘削及为了达到开挖面的稳定,同时通过形成一次衬砌的现场浇捣混凝土衬砌(ECL)进行隧道支护,并通过测量确认一次衬砌的稳定后,实施漏水处理及力学机能上无荷载的二次衬砌的施工(NATM)来完成隧道施工的工法(System),由各单词的头字母组成“SENS”。

本工法,在三本木原隧道施工中凭借良好的安全性、施工性、经济性的业绩,获得了“2006年土木学会技术奖”及“第37届日本产业技术大奖审查委员会特别奖。”

3.1  SENS断面

津轻蓬田隧道是新干线复线断面隧道,平面线形为全区间直线。净空直径是在建筑净空上加上建筑界限外余量50mm及施工余量100mm(蛇形余量+变形余量)为10040mm,掘削外径在一次衬砌厚度330mm上再加上二次衬砌厚度300mm为11300mm(图2)。

图2   SENS断面图 

3.2  SENS掘进机构

SENS盾构的掘进机理如图3所示,在盾构后方由拼装的内模与土体间形成的空间内通过现场浇捣在浇筑一次衬砌混凝土的同时进行掘进。该一次衬砌混凝土为抵抗土体的土水压力,在保持压力的情况下进行浇捣。

图3  SENS掘进机构

推进所需反力由硬化的一次衬砌混凝土与内框模间的黏附力来确保,30根千斤顶顶靠在开挖面侧的内框模上后进行掘进。

1环1.5m的内框模由10块组成,搭载16环(除了备用1环),在后方已脱模的内框模,每掘进1.5m,就在前方拼装1环,依次挪用。

3.3 一次衬砌混凝土的特性

表1  一次衬砌混凝土的要求性能

SENS中使用的一次衬砌混凝土具有如表1所示的许多特性。首先,要求混凝土能进行泵压送及确实能充填盾尾空隙的高流动性。其次,还必须在内框模解体、拼装等场合,即使在混凝土浇捣停止期间,也要保持在搅拌机内长时间的新鲜度。此外,即使在高地下水位条件下的混凝土浇捣也必须确保满足目标强度及质量的耐水性。并且由于与内框模间的摩擦要求混凝土能确保推进反力及确保内框模脱模时耐荷载力的早期强度出现。最后,在混凝土泵压送及充填时必须不发生材料的分离。

4  津轻蓬田隧道中的SENS盾构的改良

在三本木原隧道中,用SENS工法取得了平均月掘进量109.6m的实绩。津轻蓬田隧道为了提高施工速度和应对长距离施工,对各种机械设备进行了改良。

津轻蓬田隧道中的盾构的主要技术参数如图4及表2所示,主要改良点有以下几项。

 图4   SENS盾构侧面图

表2  SENS盾构主要参数

4.1  高速施工的应对措施

4.1.1  提高一次衬砌混凝土浇捣能力

在三本木原隧道中配备了6台混凝土浇捣泵,但是由于还不能给盾构掘进速度能力提供相匹配的混凝土,故增设到12台混凝土泵(照片2)。

照片2  混凝土泵

4.1.2  内框模加宽

三本木原的内框模宽度为1.2m,但是在津轻蓬田隧道中内框模加宽至1.5m,通过减少拼装次数来提高施工的高速化。

4.2  施工性、质量管理、安全性的提高

4.2.1  采用轴向插入型内框模

在三本木原隧道中对于考虑到便于内框模脱模的半径方向插入型的内框模结构,由于在津轻蓬田隧道中是将内框模受到的外力作为轴力传递到圆周方向的结构,故采用轴向插入型结构,该结构在内框模的拼装螺栓上不会作用过大的剪切力。由此,可以减轻由于长距离掘进重复使用内框模而产生的变形,达到提高施工的安全性(图5)。

图5  内框模的比较

4.2.2  端模千斤顶的长度

端模千斤顶(照片3)的行程长度在三本木原隧道中是0.9m,但在津轻蓬田隧道为1.6m,比内框模宽度还长,通过加长端模千斤顶长度,提高了在清扫等时的保养效率。

照片3  侧模

4.3  长距离施工的应对措施

4.3.1  刀头寿命的长寿化

刀头的配置形式,相同轨迹的贝壳刀为30mm,切削刀设置了20mm的高低差(图6)。掘进初期以高刀头为主进行掘削,通过减少低刀头的负荷,确保从工作井至设置在距坑口3000m附近的中间工作井的掘进刀头寿命。

图6  刀头的配置

4.3.2  连续皮带输送机的采用

出土时采用连续皮带输送机,以减少坑内的运行车辆,改善坑内环境。

5  施工状况

津轻蓬田隧道的施工于2009年11月开始了掘进。最初的162m区间由于后续车架的投放等时常要进行转换作业,故作为初期掘进区间,同时也为正式掘进时的掘进管理进行各种数据的收集。

在SENS掘进中,不仅开挖面土压的设定,一次初期混凝土浇捣压力的设定也很重要。各项管理压力的设定,为了把握更正确的作用,土压从掘进停止时的土压计的测量值开始了设定。开挖面土压是在该实测土压上附加预备压力,在考虑到初期掘进时的掌握的变动幅度后进行了设定。此外,一次衬砌混凝土浇捣压力管理值,为了大于开挖面土压附加了预备压力,同样在考虑变动幅度后进行了设定。

正式掘进从2010年3月开始,开始的覆土在15m左右,但随着掘进的进行,覆土逐渐增加,水压也加大,故开挖面实际作用的土压也已增加。最大覆土在65m,与实际作用土压的增加相对应,开挖面土压及一次衬砌混凝土浇捣压力的管理值也同样边增加边进行掘进。

随后持续顺利的掘进,7月份的掘进量为220.5m/月,大幅度刷新了三本木原隧道创下的最高月掘进量172.8m/月。2011年1月底现在,完成了约2000m掘进。

6  结语

本文就津轻蓬田隧道的SENS概况、针对各种课题的机械设备改善点进行了论述,同时介绍了现在的施工状况。该隧道工程到目前为止正顺利地进行掘进,今后还将继续收集各种数据,在摸索开挖面稳定及确保一次衬砌混凝土质量最适宜管理方法的同时,进一步提高隧道的高速掘进。

摘自《特殊条件下盾构工程》
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