2.2 日本东京湾跨海公路隧道工程
日本东京湾跨海公路西端连接产业区域的神奈川县川崎市,东端连接自然田园区域的叶县木更津市,全长15.1km。该工程于1966年4月开始进行环境及地质调查,1989年5月正式开工,1997年12月竣工并投入营运,与周围的海岸高速公路、外环公路等形成公路网,大幅度改善了首都圈的交通状态。
该公路在方案比选阶段曾有3个大的方案：①大跨径吊桥案、②桥梁与沉埋隧道结合方案、③桥梁与盾构隧道结合方案。由于吊桥塔高及架设施工设备的高度对航空管制空中域有负面影响,故未采纳①方案,②方案存在对船舶航行、渔业、环境等的不良影响等,因而也未被采纳。加之盾构掘进技术在日本已相当发达,故决定按③方案实施。该工程主要由人工岛、盾构隧道及桥梁三部分构成,均在海岸上及海底内实施,因此工程技术相当复杂,是综合技术的产物。
该公路设计车速80km／h,4车道×3.5m（随着交通量的增加,将来可拓展为6车道）。隧道长9.5km,桥梁长4.4km,为了沉放盾构掘进机并作为施工基地,在大约隧道中部设置直径195m的人工岛（隧道施工完成后作为营运通风竖井）,并在隧道两端设置人岛或通风竖井（其中一端为桥隧结合部）。全线预测交通量：投入使用时间约3.3万辆／日,20年后约6.4万辆／日。总建设费用1 004 823亿日元（约10 000亿元人民币）。
隧道为双管道盾构隧道,外径约为14m,隧道一次衬砌环由11块管片用螺栓联结而成,每块管片厚0.65m,宽1.5m,长约4m,二次衬砌厚0.35m,为钢筋混凝土结构。
在平均水深27.5m海底开挖隧道,结构要承受海水压600kPa（最大）的压力。为了防止海水透漏进入隧道,在管片之间,一次衬砌与二次衬砌之间、管片背面注浆、联结螺栓防腐以及管片结构材料等方面采用了若干措施,取得好的效果。
在管片周边粘贴遇水膨胀性止水带,该止水材料要求具有耐水压性和耐久性。在管片联结螺栓周围安设充填式防水垫圈。在（管片背面）注浆孔内设置缓膨胀性止水环,在其孔口处充填止水材料。为了防止海水进入隧道内,同时考虑减少一次衬砌与二次衬砌之间的约束力,防止二次衬砌开裂,故在一次衬砌与二次衬砌之间铺设防水层。该防水层采用聚乙烯烃塑料板（EVA）,板厚0.8mm,或聚乙烯一沥青板（ECB）,其板厚1.0mm,并与厚3mm的无纺布叠合采川,防水板与无纺布呈网格状粘结（厂制）。二次衬砌不另设止水带。
该隧道在海底要承受巨大的水压力,因此作为隧道单元的管片要求具有很高的强度和密实性,管片采用高炉矿渣水泥,矿渣掺入率为50％,从而降低了透水系数,有效控制了混凝土温度开裂,提高了管片的耐久性（长期强度）。对于加矿渣后（冬季）早期脱模强度较低和干燥收缩裂纹较多两个缺点,工程上采取了加热,旨料,用温水拌和混凝土,并采取水中养生7日以上,加湿保养管片等措施,取得较好效果（早期强度要求1500MPa）。
隧道结构内存在若干金属件,以及海水下混凝土均应考虑防腐蚀问题。在海底土层中,金属件的腐蚀速度估计为0.03mm每年,考虑结构100年的耐用期,则钢材的防腐厚度为3mm,管片混凝土表面增加5cm（外侧）或4cm（内侧）的防腐层,二次衬砌也考虑4cm的防腐层。螺栓表面采取镀锌铬或氟化乙烯树脂油漆。
东京湾是一个多地震地区,隧道主要在软弱粘土地层（冲积层）中通过,又多处与竖升等铅垂方向结构物相联结,抗震性能要求极高。
该隧道进行了抗震设计。隧道横截方向用响应位移法和地震响应法分别进行了校核,表明横向联结螺栓已满足抗震要求。隧道轴向是抗震设计的重点,用动态解析法进行了校核,决定在轴向采用了高强且具有一定柔性的长螺栓（长62cm）联结管片。
在结构解析中,未考虑二次衬砌,它的作用仅是增加隧道自重,并保护一次衬砌,因此二次衬砌只考虑自重荷载利水压荷载即可。抗震设计所考虑的地层条件分别为地质构成、地层容重、地层的刚性及衰减系数。
为了能承受海水压力等荷载,必须提高隧道横截方向的刚度。为此,将每环等分为11管片,即加入了最后插入安装的拱顶K管片的尺寸,并采取从前进方向插入安装的办法,使得管片呈等分状,从而提高了盾构环圈的刚度。
该海底隧道长约9.5km,其安全设施及营运通风非常重要。安全设施分为二类：①公路利用者自行使用的（紧急电话、手动报警装置、灭火器、消火栓、避难诱导标志、避难口）；②向公路利用者通报或警告用的（隧道入口及洞内情报板、信号灯、有线广播、无线广播）：③公路管理者使用的（火灾检测器、ITV摄像器、通风（排烟）设备、路面板下部空间通风设备、给水栓、送水口、灭火器、消火栓、水泡沫喷淋装置、管理用升降口、管理人员通道、电梯、救援用直升飞机机场、船舶靠岸设施等）。
该隧道很重要的一个特点是将管理人员通道及公路利用者避难通道设于隧道路面板下部空间,避难通道入口设于隧道左侧检修道处,按每300m间距设置。该入口设有滑道,即人员一旦进入避.难口,很快可乘滑道到达隧道下部空间（安全检查区域）。另在该入口附近还设有由下部管理通道上到路面的管理用升降口,以用于紧急情况时灭火、救援活动的通道,还可用于隧道保养维修。
该隧道内设有降烟雾用的水喷淋装置,按5m间距设置喷嘴,50m为一个水喷雾区段,可在二个区段同时放水。为提高控制火灾效果,采用水性泡沫灭火药剂（3％型）与水混合的水喷雾。该喷雾装置在消防队到达现场前可有效控制火灾的漫延。
当交通事故或火灾发生时,救援人员或救援车辆从受灾车辆后面到达现场较为困难,这时可从非火灾段隧道通过川崎人工岛的车道连接通道到达现场。另外,还可以浮岛、木更津两洞口利用管理通道（下部空间）到达现场,从而有效进行灭火、救援活动。
该隧道按每150m间距设置监视摄像器,可监视洞内任何位置的情况,与报警设施、灭火设施及避难设施等构成一个整体。东京湾海底隧道洞内情况,在日本道路公团东京第二管理局的交通管制室和设施控制室实行24小时不间断监控。当火灾检测器检测到火灾发生时,要选择火灾联动方式,即自动切换到将灭火水泵、照明设备、排烟设备、下部空间通风设施、紧急报警装置等相联动的状态；另外,当用紧急.电话报告或ITV摄像器发现火灾时,同样地由设施控制室切换到联动状态。东京湾海底隧道的安全设施及其通风系统非常先进、齐全,造价当然也高昂,这是以“优先考虑人的生命”为设计思想形成的。
在川崎人工岛（隧道中央部）、木更津人工岛（桥隧结合部）、浮岛（接岸部）三个盾构掘进出发基地建成,并运来盾构机等施工机械之后,即可进行隧道掘进。盾构掘进共分8个工区,即8个掘进面。总的工序是两端（木更津岛和浮岛）先于中央（川崎岛）掘进。
该隧道全部采用泥水加压式盾构掘进机,分别由日立造船、川崎重工、三菱重工、三井造船、小松、石川岛重工、日立建机等制造。掘进机外径14.14m,主机长13.5m；板厚：前仓和中仓为70mm,尾仓为80mm或40mm,盾构掘进千斤顶48只,推进速度45mm／min。
该盾构掘进机在以下5个方面具有特点：
a. 管片的输送、提升、安装等工序采用全自动成套系统。
b. 为防止高压水进入机械仓内,在盾构机后仓尾部挡板外设置了4段密封帚（层）及紧急止水装置。密封帚由弹簧钢、钢丝刷、不锈钢制钢网构成,为了防锈,前二者采用氟化乙烯树脂涂层,每段密封帚长0.25m（最外侧为0.3m）。
紧急止水装置设在（自掘进面后）第2和第3密封帚之间的位置。为提高止水性,在各密封帚之间注入润滑脂（黄油）,采用黄油注入泵连续或非连续地注入。
c. 为防止管片变形,设置了上下扩张式真圆保持装置。
d. 为探测掘进面前方有否障碍物以及监视掘进面情况,设置了地下雷达探测装置。
e. 为了便于与对方掘进机对接,设置了探查钻孔装置和冻结管等装置。整个掘进作业全面纳入计算机管理,主要由三个大的系统来承担,即①盾构掘进综合管理系统：②掘进方向自动控制系统；③掘进面前方探查与控制系统。另外,为保证隧道平纵线形的正确性,在洞外测量、竖井导入测量、洞内测量、掘进控制测量等方面均采用了先进技术。
盾构机从隧道两侧掘进,对接的精度非常重要。当初从机械误差及测量误差考虑,预计对接时错位误差为200mm,但在两台盾构机到达相对面距离为50m处时错位误差为180mm,经过调整,对接时仅为5mm。
对接钻探采用了无线电放射性同位素（R1）技术（犹如医生的听诊器）。对接工程顺序为：
a. 先期到达预定位置的盾构机停止掘进,撤除盾构机封隔墙后方部分设备,安装探测钻头。
b. 后期到达的盾构机在相距50m处停住,先到盾构机向后到盾构机钻探,采用无线电放射性同位素（R1）技术测定两机相对错位量,即第一次钻探（探测传感器设置于钻杆前端）。
c. 后到盾构机根据此错位量边修正盾构机变位量边掘进。
d. 后到盾构机掘进到30m处时,第二次钻探测定相对错位量。
e. 再次边修正边掘进,在对接前夕,其刀刃面非常缓慢地靠近对方刀刃面,其间空隙为0.3m。
f. 这时对后到盾构机进行解体,并作冻土保护（地基改良）工程准备。
当两机之间空隙为0.3m时,对该接合部的地层施作2m厚的环状冻结处理。冻结管直径89mm,长4m,按1m间距共48根,呈放射状,从先到盾构机前面斜向插入地层中,进行冻结,另外,为了使盾构机周围地层完全达到冻结程度,在两台对向的盾构机前端分别2.5m范围内设置了紧贴式冻结管。为了缩短工期,该冻结管是在盾构机工厂制作时预先安装上去的（一般的情况是掘进完成后在现场临时安装的）。为了确认冻结温度,分别从两台盾构机各插入8根测温管。待冻结厚度达到2m时,开始拆除盾构机密封墙。
冻结作业中非常重要的是冻结对隧道主体的影响,即冻结后土体体积增大,是否会造成盾构机变位,或引起管片环开裂,为此,设置了沉降测器进行观测,并通过冻结温度和速度来控制。
整个对接及贯通施工的作业顺序：
a. 由先到盾构机实施钻探,后到盾构机根据钻探结果边修正边掘进,至到对接位置,然后拆除盾构机密封墙后方的设备（即第一次解体）。
b. 插入放射式冻结管,对地中接合部实施冻结,使其形成冻土,同时继续进行第一次解体的工作。
c. 第一次解体工作完成后,剩下密封墙,在两盾构机刀刃盘面之间焊接。型钢制止水板（暂时留下密封墙是为了防止万一的情况发生）。
d. 钢止水板焊接工作完成后,对刀刃面周边部位进行补强,然后拆除密封墙以及盾构机其它机械部分（即第二次解体）。
e. 在地中对接部设置3环钢制管片,经铺设防水板后,浇筑二次衬砌,然后,对冻土进行强制解冻,并实施衬背注浆。
送入洞内的管片由盾构机的自动装置进行组装。该装置由具有3个功能的设备构成：①洞内运送管片的绞车及输送机（能连续输送11块管片）；②升降式管片安装机（能自动完成旋转、伸缩等作业,具有自动定位功能）：③螺栓联结并紧拧装置（能自动作业）。
管片四周粘贴防水密封条和缓冲材料。密封条在抗压性、耐久性和施工性三方面均作了试验,保证能满足设计的质量要求。
防水板各接口均在现场进行烙接,烙接方法采用热式自动烙接机。为判断烙接部的止水性,在该处设置检查沟,为此采取了双列烙接,搭接宽8 cm～10cm,烙接检查采取负压试验。铺挂防水板（含无纺布）时,需要安设钢筋锚杆作为临时吊挂支点,该处对防水板开孔,然后将螺母、垫圈、水膨胀橡胶衬圈与吊杆形成整体,并拧固。
二次衬砌工程包括仰拱、侧墙、中壁、路面板、上半拱及检修通道5部分,全部为钢筋混凝土结构。
二次衬砌每段浇注长度为15m,其浇注接头处的施工缝或微小错台缝需要作适当补修：混凝土浇注后,在区段中可能发生收缩开裂,同样要作裂缝补修处理,以防止内部钢筋出现锈蚀。施工缝或收缩裂缝均取0.5mm为管理基准值,补修材料分别采用氨基甲酸乙脂（类）粘接剂（亦称尿烷类材料）、树脂砂浆或沥青类涂料。
东京湾跨海公路所处的水域,其水深约30m,海底地层为淤泥或软弱厚层,又是地震多发地区,在这样严峻的自然条件下,隧道采用了安全可靠且快捷施工的新技术。开发适合在大水深且海底软弱地层中施工的大直径盾构掘进机和相应的隧道结构设计是其具有代表性的新技术。在隧道防灾技术方面也采用了新技术,例如将避难通道及管理通道设于隧道下半部窨,形成可避难、救援和消防的完整防灾系统。总之,东京湾跨海公路隧道工程所开发出来的许多新技术可推广应用于今后的盾构隧道工程。
2.3 中国山西省万家寨引黄工程TBM施工
万家寨引黄工程是从根本上解决山西水资源紧缺,促进山西工农业生产发展,提高人民生活水平,维系国家能源重化工基地发展的生命工程,由万家寨水利枢纽、总干、南干、连接段、北干等部分组成。
枢纽工程是在偏关县万家寨村西黄河上修建一座90m高的混凝土重力坝,库容8.96×108m3,坝后建一调峰电站,装机容量108×104kW,年发电量27.5×108kWh。
引黄工程从万家寨水利枢纽库区取水。年引水总量12×108m3。由万家寨向东至偏关县下土寨村为总干线,全长44.35km,引水流量48m3/s；由下土寨村分水往南过偏关河穿越管涔山到宁武县头马营村为南干线,全长102.4公里,引水流量25.8 m3/s,每年可向太原供水6.4×108m3；由下土寨村往东过朔州、神头折北到大同赵家小村水库为北干线,全长166.88km,引水流量22.2 m3/s,每年可向朔州、大同地区供水5.6×108m3；从宁武县头马营村南干隧洞出口到太原市接水口呼延村水厂为连接段,全长138.60km,包括81.20km的天然河道和57.40km的输水管线。
引黄工程分两期完成。一期工程建设总干线、南干线、联接段和部分机组的安装,集中解决太原地区用水,一期工程概算112.97亿元,其中利用世界银行贷款4.0亿美元,其余建设资金使用水资源补偿费。二期工程建设北干线和南干泵站剩余机组的安装。工程实行国内国际招投标制。工程建成后,基本满足2020年前或更长一段时期山西省太原、大同、朔州等地区工业及城市生活的用水需要。
总干线的6#、7#、8#洞全长约22km,已于1993年3月由意大利的CMC公司中标承建,使用一台目前世界上最先进的隧洞施工机械即全断面双护盾隧道掘进机（TBM）施工；开挖直径6.125m；成洞直径5.46m。于1994年7月至1997年9月历时三年两个月贯通。隧洞经过的地质条件大部分为石灰岩地层,局部夹有N2红土层；隧洞进出口部位均覆盖着Q2、Q3黄土层；地下水不发育,未遇到较大的地质构造。
南干线的4#、5#、6#、7#隧洞全长约90km,由意大利的Impregil。公司和CMC公司以及中国水电四局组成的万龙联营体中标承建,用四台全断面双护盾TBM对该工程全线进行施工。
南干4#、5#、6#、7#隧洞地质条件主要为灰岩（前57km）和砂岩、泥页岩互层（后33km）。6#洞有溶洞、地下水和局部软弱层。7#“洞有地下水、煤层、膨胀岩和摩天岭大断层,其影响带约长300m。隧洞开挖直径4.82 m ～4.94m,成洞直径4.20 m ～4.30m。南干4#、5#、6#、7#隧洞于1997年9月至2001年5月历时3年8个月贯通。
联接段7#隧洞长13.5km,采用一台全断面双护盾TBM施工,并且已经由意大利CMC公司中标承建。隧洞地质条件为灰岩、泥质灰岩和泥质白云岩,地下水位低于洞线。隧洞开挖直径4.819m,成洞直径4.14m。目前,该隧洞正在掘进中,并创造了最高日掘进113m和最高月进尺1645m的记录。预计2001年年底以前该洞能建成完工。
综上所述,山西省万家寨引黄工程总计采用6台TBM进行无压引水隧洞的施工,其掘进总长度为125.5km。
掘进机是这样工作的：后盾通过紧固装置,牢牢地固定在洞壁上,而后驱动电动机在推进液压缸的作用下,带动刀头破岩,此时配套辅助设备均停留在洞内,弃碴由周边铲斗不停地铲起,通过漏斗和溜槽卸到工作面的皮带运输机上,出碴列车在皮带机底部接碴。在后盾的安装室,同时进行调运和安装混凝土管片,并在安装好的管片背后和围岩之间充填豆砾石和灌浆。在掘进过程中,可控制推进液压缸的油量来完成掘进机的转向。
当刀头与前盾向前推进完成掘进,暂停工作后,前盾借助加紧装置固定在岩壁上,后盾则通过推力液压机缸的反作用力,向前推进,后续列车由固定在刀头支架上的一组特别牵引液压机缸向前推进。在后续列车前移时,通过操纵相应的装置,自动延伸风筒、水管、电缆和轨道,至此即完成了一个循环的破岩、石碴装运,延伸管线的工作。
掘进方向的掌握是依靠安装在机头上的激光导向系统产生的激光束反映到光目标上,再反映到测斜仪上,为操作人员提供刀头和前护盾的位置信息,该信息与理论轴线的差异可以精确到毫米。根据掘进的速度及进尺每隔100m左右向前移动一次激光机。对TBM单向掘进贯通精度的要求如表1所示。
表1 TBM单向掘进贯通精度的要求
全部贯通测量精度
横向≤280mm
纵向≤570mm
竖向≤40mm～60mm
注：表中竖向精度根据无压引水隧洞底坡的大小决定。底坡大,取上限值。底坡小,取下限值。
此外,在TBM上安装瓦斯探测器对可能存在的瓦斯进行监测,发出警告声,并能自动中止TBM的工作。
双护盾TBM的特点是开挖、衬砌一次完成,边开挖、边衬砌。混凝土预制管片做成六边形蜂窝状。安装程序是将预制管片由专门运输车运到距开挖工作面约40m处,再改由专门起吊装卸设备转运到距开挖工作面约8m～10m的后护盾内,先装底拱片,再装边拱片,最后装顶拱片。由于形状为六边形,所以每环的底片和两侧边拱片相差半片宽度,边片和顶片也相差半片宽度。这就使得每环的环缝均不在同一断面上,各片各环间形成相互约束。
衬砌管片安装后和TBM掘进的洞径之间存在着5cm左右的空隙,这也就是TBM护盾壳的厚度及其对围岩的摩损形成的,必须用混凝土填充,使其密实。因此采用先回填豆砾石（粒径为5 mm～10mm）再用水泥浆灌注,使其成为预压骨料混凝土,既保证了施工期间管片的稳定又能使管片和围岩接触紧密,形成整体共同承受外力的作用。回填程序为先填底拱片,再填两侧边拱片,最后填顶拱片。豆砾石也是由专门罐车运入洞内,由泵通过软管及管片上的预留孔打入空隙,灌注水泥浆时压力不超过0.2MPa。
每台TBM有三个班组,其中一个班组每日上午进行机械检修、保养、清理、测量等工作,其他时间为正式掘进、管片安装、回填豆砾石、灌水泥浆等工作,由其余的两个班组轮换工作。
预制混凝土管片每环均分为4片。根据不同洞径,管片厚度分别为22cm、25cm和28cm：管片宽度分别为1.2m、1.4m和1.6m。又根据围岩类别分别设计为A、B、C三种型号和A、B、C、D、E五种型号。混凝土管片在预制厂进行加工生产,根据掘进速度及进度要求,确定预制厂的生产规模及作业班次。管片厂采用蒸汽养护快速生产的工艺流程,包括钢筋加工、混凝土浇注和养护。混凝土入仓后通过液压振动台及人工插入振捣联合作业振捣,浇注好一片后推入预热窑,经过0.5h和50℃的预热后马上转入高温窑进行蒸养,温度为80℃,养护时间为2 h～3h。出窑脱模后,吊运到厂房内部的预冷场预冷一昼夜,然后再转移到露天存放或使用。在预冷期间要对每个管片进行外观检查,如发现有蜂窝、麻面、掉边角等质量问题,则马上进行修补,对不能修补或修补后仍有损强度或其他质量问题的,则运到废品处放置或作他用。
