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1998:日本营团地铁7号线麻布站超大直径盾构工程

作者:  来源:  发布:2019/11/29  浏览: + 放大字体 | - 减小字体

摘 要:日本营团地铁7号线麻布站工程,以品川区的目黑站为起点,绕过皇宫西侧,南北方向纵贯市心区,终点在北区的赤羽岩渊站,全长为21.4km的线路。麻布站和清正公前站之间的盾构工程中使用了超大直径Φ14.18m的泥水盾构机+外径9.7m的泥水盾构机=搂抱式母子泥水盾构机(IHI),盾构机穿越夹带冲积层的薄薄砂砾层,于1998年完成掘进。

营团地铁7号线(南北线),是以品川区的目黑站为起点,绕过皇宫西侧,南北方向纵贯市心区,终点在北区的赤羽岩渊站,全长为21.4km的线路,如图所示

地下铁7号线线路图

这条线路预定在目黑站处和东急目蒲线,在北面的赤羽岩渊站处和正在建设中的琦玉高速铁道线可以互相直接转车,南面连接神奈川县,北向琦玉县,成为连接一都两县的线路。

在这条线路上,共设置了19个车站,其中12个车站计划和其他地铁道线,JR (国有铁道)线、私铁(包括在建设中的)具有换乘的功能。此外,对乘用已有线路的乘客来说,也成为极其方便的一段线路,因对首都圈的交通道路网起到重大的作用而引起人们的关注。

在此线路之中,从溜池山王站至赤羽岩渊站之间也已开通,剩下的从目黑站到溜池山王站,已经把1999年通车作为目标,如今正在迎接着盾构推进工程高潮的来到。

本文就溜池山王站开始向南近2km的港区麻布10号地建设中的麻布站和清正公前站之间的盾构工程中,有关在麻布段筑造具有3车道隧道的超大型断面的盾构工程的施工概况作出介绍。

工程概况

(1)特征

盾构推进工程,是以麻布车站作为盾构顶出的始发基地,使用了直径Φ14.18m的超大型断面泥水盾构机,从工作井推出,到麻布通风井为止的363.8m长度内筑造三线隧道工程。

在本工程中所使用的盾构机,还得继续施工从麻布通风井~清正公前车站止,长度为777m的双线隧道,是采用外径Φ9.70m的盾构掘进的,此盾构机内藏在上述大盾构机体之内,也是世界上最大直径的“搂抱式母子泥水盾构机”。

通常,对断面不同的盾构隧道,要使用两台不同规格的盾构机,各自掘进不同的断面。在施工长度短的区间中,会造成明显的不经济的结果。“搂抱式母子泥水盾构机”只要用一台盾构机,就可以掘进不同断面隧道的两段区间施工长度,这是以提高经济性能为目的而开发出来的新颖盾构机种。母机盾构从麻布车站推出,掘过了3线车道区间,在到达麻布通风井后,就把子机盾构从母机盾构体内分离推出。分离后在竖井内经改造成为双线盾构机,然后再从通风井到清正公前站为止的长度内掘进双线车道的区间。本文对搂抱式母子泥水盾构机的概况,和作为母机盾构的超大型断面盾构工程的施工状况作一介绍(如图)。

搂抱式母子泥水盾构机概念图

(2)平面、纵断面线形

本工程位置处于都道高轮、麻布线的道路下方,是属于交通量非常繁重的区间(如图)。

工程线路平面图

作为工程周边主要的邻接构筑物来说,有从盾构推进侧的首都高速道路2号线的桥墩,有架设在古川河岸的两座桥台和盾构右侧斜上方存在着都府管辖的共同沟隧道,还有埋设在地下的φ1350mm的上水管道等(如图)。

3k400m附近横断面图(首都高速2号线邻接)

3k360m附近横断面图(邻接两座桥台处)

从平面线形来看,盾构推出侧起,是处在R=2501m、4050m、1001m的曲线段上,整个工程中区间内,40%部位是呈曲线状的。

在纵断面线形上,由于要设置停车段,从盾构推出侧到通风井的方向上,是呈5‰坡度缓缓向上的上坡坡道,隧道顶部覆土也从推出侧的14.6m逐渐减薄到12.7m厚度。

(3)地质情况

工程地质,是从地表面往下约10m的深度范围,是由于回填土、腐殖质土、冲积层的粘性土层组成,是一种非常软弱的地基土。此地层以下,是由夹带冲积层的薄薄砂砾层,非常硬质的第三纪的上总层泥岩和细砂层所组成,在泥岩中有薄薄的砂层较多地介于其中(如图)。

地质纵断面图

地下水位情况是如此,在GL-5m处上下,各地层均带水量,特别是在上总层中,既是承压又是压力很高且是丰实的地下水。

掘进时开挖面上的地质,以无侧限抗压强度为18~28kgf/cm2的上总层泥岩为主体,在夹有细砂层部分N值在50以上,渗透系数在10-3~10-4cm/s之间,孔隙水压力在盾构中心部分可达到1.6~1.9kgf/cm2

盾构机械的基本规格

在决定盾构机械基本规格时,考虑到要包含子机盾构,并以大断面尺寸在极为硬质的地质地基土中掘进短距离等因素进行研讨,同时参考了其他大直径盾构工程的实绩,和在上总层中掘进工程实例(如图)。

盾构机

(1)盾构设计

① 盾构机外径Φ14,180mm (子机Φ9,700mm);② 盾构机长10,655mm (子机10,635mm),对子机的盾尾部分,是在与母机分离后再行安装的;③ 盾构千斤顶装备推力14,400t (300t×48台);考虑要转化为子机盾构,使用300t千斤顶,根据千斤顶缸体行程,考虑把K型块管片按轴向插入要求,作成长度为1800mm;④ 推进速度最大为20mm/min,布设成后方基地是根据车站部分的面积,对于用作双线断面规模的泥水处理设备,是把用于三线区间所设定的推进速度20mm/min的功率缩减,以求得送、排泥管尺寸的减小;⑤ 装备扭矩,常用为2,484t.m (α = 0.87),最大达2,980t.m (α = 1.04),装备扭矩在通常的泥水盾构使用中,一般α=0.9~1.5,而所需要的扭矩在类似土质的上总层掘削实绩和推进速度比起往常的要缓慢些,将α值降低至0.87;⑥ 切削槽口和开口率,切削槽口宽度为250mm,开口率22%(子机为25%),对于本台盾构机而言,其掘进的平均速度为10mm/min左右,切削槽口宽度要比以住同直径盾构机级别要小些;⑦ 切削盘的旋转数0.37r.p.m(子机为0.5 r.p.m),圆周速度 16.5m/min(子机为11.3m/min),以母机为基本,对于子机来说是设定得稍为偏低一些,而旋转次数的影响要关系到切削刀头的切入深度,子机部分增加了刀头条数,配置刀头是要按照所规定的进刀深度来进行;⑧ 切削刀头的形状  进刀角 (α = 30°),退刀角 (α =15°)。安装方法:母机部分为焊接固定方式, 子机部分为螺栓连接以便更换刀头。安装方法中已考虑到了车道区间部分的掘进施工距离短,可采用焊接固定方式;而在双车道区间部长掘进施工距离长,采用螺栓方式连接,以便于替换刀头;⑨ 超挖装置  仿形切削器2把(0~100mm),子机的位置上预先装置好4把(其中2把属于备用);⑩ 旋转搅拌罐  装备台数为7台,母机运转时4台(子机运转时为3台),旋转搅拌罐在母机中使用为4台,子机专用3台,共装备了7台(如图)。

搅拌系统配备图

举重臂 空心轴式

具有微调机构和抓取机构

推压力 42,000kgf

旋转数(2级速度)  0.35(r.p.m)

            0.70(r.p.m)

伸缩行程1700mm、650mm,考虑到施工距离较短,拼装管片按人工操作方式。把举重臂仅作成往常那种环鼓形方式,但设想到①管片和举重臂的重量,在操纵过程中要产生较大的惯性能;②旋转驱动部分和举重臂的距离,要作较长的操纵时间,造成管片拼装过程中的难度。

作为针对上述问题的改进措施,是在举重臂的抓取部位,安装了一台微调用的千斤顶,通过流畅的举重臂动作,达到了管片拼装作业的顺利化境况(如图)。

举重臂微调机构图

(2) 搂抱式母子泥水盾构机的内藏方式

对于盾构机的内藏方式,在外径Φ14.18m的母机盾构中,预先装配好一台外径Φ9.70m,用于双线隧道掘进的子机盾构。在母机盾构掘进到达风井中后,就将子机盾构顺利地作成分离出来的结构。作为盾构机内藏方式的要点,可举出以下几条:

① 不得妨碍作为母机盾构的功能;② 子机盾构的分离和装配,既要做到容易,而又能顺利;③ 不能妨碍作为子机盾构的功能;④ 能最大限度地达到母机盾构和子机盾构之间部件共有化的经济性能。

对于①,特别是母机盾构和子机盾构接合部的隔板,要成为能充分承受开挖面上的泥水压力,和盾构装备力等作用的结构。对于④,主要能体现在下述几种部件的共有化上:

•切削旋转驱动部分

•盾构千斤顶

•切削刀头

•动力设备部分

•举重臂的旋转部分

(3)子机盾构的搂抱构造

作为母机盾构搂抱子机盾构的构造,也就是后者的支承和固定问题。子机盾构的自重支承和通常的盾构顶出时的支座相同,在壳体的下半部分由两处钢轨来支承,其后面部分则是在上半部分四处以钢制的弧状突起加以固定。

在盾构机的前端部分,为使切削器与隔板成为一整体,在子机盾构分离时作切断。此外,对母机盾构而言,包括子机盾构和制作精度在内,和子机的间隙确保在30mm,以作为大小盾构机分离推出时的空隙。

大断面盾构的施工

(1)盾构机的装配

盾构机的总重量约为2,600t,制作时间化了14个月,装运到现场装配需要5个半月时间。在盾构机装运到现场时,由于受到开口部分尺寸和道路交通规章制度的限制,将其分成91件块体。

限于竖井内净尺寸(宽17.4m,长17.6m)和地面开口部分尺寸(宽8m,长10m)的作业空间,在物资搬入和安装装配受制约的条件下,如何保证安装精度乃是重要的课题。

作为安装误差发生的原因,认为是:①块体制作的精度;②块体的分块数目;③由于块体接合时,因焊接偏斜,扭曲等因素所致。

作为精度保证措施,对③的原因,可以通过块体之间作好临时性固定,而作为提高安装精度,是需要提高单件块体制作时的精度。

为此,①块体的接合面要经过机加工;②对于外周面的块体是要经过单独构件的弯制加工成圆弧面。经过这些措施,就可以把盾构成圆上的正圆度的误差,控制至最小限度以内,对于主体轴向的弯曲,亦可以在接头面处作机加工处理。根据这些措施,可以满足在子机、母机盾构一起安装时所需要的精度。由于提高了块体之间的接合精度,接合工序就容易地进行,达到了缩短工程时间的效果(如照片所示)。

盾构机制造工厂临时装配情况

盾构机在现场装配情况

(2)盾构掘进

由于处在上总层的泥岩地基中掘进,直接在盾构机中配置了粉碎机,以防止排泥道的闭塞。随着盾构的掘进,不曾发生过大的故障,特别是在进入正式掘进以后,是处于顺利施工的状况中。进入正式掘进时,泥岩部分切削土体的溶解率高出当初设定值,每一环(1.2m) 的掘削量约为190m3,由于量多,一次处理作业和挖掘土体的运输作业,在24小时内呈现出满负荷运作,每个工作日里最大掘进长度值是3.6m (3环)。

掘进速度基本上是10mm/min,1环掘进花去约2个小时左右。掘进工程中盾构机总推力、切削转矩值、掘进速度以及泥水压力的实际情况,可参见图-10,图-11中所表示。

盾构掘进实绩


盾构机掘进管理资料

(3)一次衬砌

管片衬砌结构情况见图-12所示,作成管片厚度为62cm的管片芯模。

管片配置图

隧道(3线)标准断面图

由于K型管片是在大直径条件下来考虑拼装的精度,对营团而言,是初次采用的轴向插入型方式。每环衬砌分成11块管片,A型、B型管片各重6.3t,K型管片重4t,一环管片总重达67t。对管片的拼装来说,此种管片一开始是以人工手动拼装方式,慎重地进行施工的。起初由于不甚习惯,1环管片竟然要花费5~6个小时。此外,管片衬砌环的正圆度方面,也已获得5mm以下的高精度的结果(照片-3)。

(4)其他方面

在隧道下部仰拱部位处,掘进时的挖出土混杂在内部管片上(有近厚2mm),就利用一部分挖出的土体,浇筑了该部位的混凝土实体(如图)。

完成管片拼装后的隧道内部情况

盾构机到达竖井时情况

结语

搂抱式母子泥水盾构机是在1997年6月中旬顶出的,于次年元月上旬顺利到达目的(照片-4)。在1998年2月底分离出来的子机盾构,接下来便是从麻布通风井顶出,到清正公前车站止的复线隧道的施工,在本文刊出时子机盾构已将是完成改造好的时刻。

对于处在市中心区施工的大型盾构掘进来说,建立起对邻近的各种市政设施的保护措施,施工基地等环境保护,以及工程进展中的各项安全实施都是极为重要的事。


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