国家863项目地铁盾构问世(下)
覆土达85ｍ的大断面内部水压隧道
横滨市 今井川地下调节池
1. 前言
近年来在人口增加显著的大都市内河水流中，作为提高治水安全性的整治手法，乃是进行地下调节池·地下河道的修建。
对于横滨市而言，为了求得防止和减轻今井川河流域的水淹受害。是在保土谷区猎场镇55号～权太坂2段的国道1号线下进行了修筑内径10.8m、长度2410m的地下调节池（贮存量为21.4万m3的内部水压隧道）的规则（图－1）。
图－1 工程场所周边地形图
在本文中，就有关该项地下调节池建设工程中的地下调节池部分的盾构工程设计和施工内容作出介绍。
2. 设计的概要
2－1 今井川流域
今井川河流流经横滨市保土谷区内，与帷子川河合流的流域面积为7.6km2，需要修复长度达4.74km的2级河道。该流域从1955年代开始进行着城市化步伐，到1994年预估占流域的70%，将来大部分都要成为市区化。由于这种急剧的城市化进展，使得流域整体的保水·游水功能降低，在流域的低洼地处，从1956年起至1994年止的时期内，曾经发生过8次大规模的水淹受灾遭遇（表－1）。
2－2 今井川河道的修复计划
为减轻流域范围的水淹受灾程度，作为彻底的修复计划，需要实施河流和下水道成为整体的综合性治水措施。对应将来的流域发展和成熟的整治目标基础上，有必要一边谋求两事业的配合，一边实施事业的持续进行。
从1992年开始的建设省河道局的“市区河道内水对策特别紧急事业”的启动，今井川河亦作为这一类特定河道被采纳。在河道的整治同时，计划在地底下设置隧道式调节池，今井川河道修复计划的要点如表－2中所刊内容。
( )表示对应于81.5mm/h的降雨
2－3今井川调节池概要
设施是由地下调节池、取水设施和排水设施3种设施组成（图－2）。
调节池的调节容量，除了从横滨地方气象台降雨强度曲线所规定的24小时中央集中型模式降雨之外，还要根据过去的水淹实绩来选定4种降雨，计算按计划规模的24小时内雨量拖长流出量的河道不定流、横越流式组合成用水文模式算定，作成214,000m3的容积。
2－3－2 取水设施
取水设施是将来自河道的流水分流经横向越流堰（越流长度80m），引导流水进入沉砂池的辅助管道·引水管道；沉降土砂的沉砂池和处理高落差，引向地下调节池的取水井·连络管渠组成。
2－3－3 排水设施
具有将贮存在地下调节池中的调节水，排放到今井川河道中的功能，作成备有调节池维修管理设施、排水泵、排水管道内径21.2m、深度56.9m的设施。将这类设施作为筑造调节池的盾构机始发工作井利用。
3. 地下调节池工程概要
3－1 地质概要
施工场所是从JR东海道正线“保土谷车站”东边约1km的保土谷区猎场镇的横滨须贺道路守猎场立交枢纽国道1号线出口附近起，沿国道1号线向户塚方向进行、到箱根车站处有名的东海道“权太坂”处所为止。
地质构成在丘陵部分上方位置是埋土层、垆坶层、洪积粘性土、砂质土层，在此以下分布着是上总层群的固结粉砂层和砂质土层相互交替的地层。冲积低地部分(始发井附近)分布在丘陵部位上方，没有垆坶层，代之以分布着冲积粘性土、砂质土(图－3)。地下调节池(以下称为隧道)掘进在N值在50以上的上总层群的冲积粘性土层和固结了的洪积砂质土层相互交替层中。
始发工作井附近，砂层以狭条形存在较多，而随着进展到到达侧成为不多的了。
3－2 隧道线形
由于将隧道设置在国道1号线的道路之下，隧道的平面线形取决于地面道路线形。曲率半径400m以下的区间较多(约占40%)，特别有半径130m的小半径曲线2处。关于纵断面线形、始发部分的覆土45m，是以1/1000的向上坡道；到达部分覆土是76m，最大的在85m。作为如此大的覆土理由，那是考虑到将来的地下利用规划，由此规划了隧道的埋设位置。
3－3 隧道的断面
隧道衬砌环外径11.9m，完成后的衬砌结构内径10.8m。省略了二次衬砌是求得贮存量的保证。在隧道内下边部分，为了便于维修管理，构筑了管道内底的倒拱填充(图－4)。
3－4 工程进展安排
工程起始于1993年9月，计划到2001年3月为止(表－3)。
3－5 始发工作井
始发工作井在建成地下调节池(隧道)之后，是作为排水设施而加以利用。工作井井身是由地下连续墙和厚度为2.5m的内衬墙(预定上部为1.5m)组成(图－5)。
3－6 始发防护工序
始发防护工序是用作为开挖面自立的冻结工法和高水压力不直接作用于引入口衬垫为目的，采用化学注浆工艺(双重管工层堵塞物、图－6)，在决定辅助工法时考虑了以下几点因素。
① 冻结工法的施工范围，在开挖面的阶段仅作成地层土能自立的最小厚度(4.4m)；
② 冻结范围要设计成包括粘性在内，对付冻土膨胀措施(砂缓冲沟等)；
③ 化学注浆区间(5.3m)是从盾构机后端进入到引入口衬垫，作成可以安全可靠地处理洞口的长度；
④ 将袋装管片设置在距洞口2m的位置处，并通过在引入口衬垫和袋装管片之间进行可靠的砂浆充填，以确保洞的止水功能，缩矩化学注浆区的距离。
3－7 盾构机和设备的自动化
3－7－1 盾构机
盾构机是外径φ12,140mm的泥水式盾构机，考虑到地质条件、长距离施工、高水压力、冻结部分掘削等条件，决定切削器刀头形状·配置等的规格。盾尾密封作为对付高水压力，是安装了刷子型4排和紧急止水装置。作为对付小半径曲线是作成2.5°中间转向结构构造(图－7)。
3－7－2 机械化·自动化施工
作为热衷于机械化·自动化施工，引入以下的措施：
① 旋转式吊篮脚手架
作为要确保在大断面隧道中高空场所作业的安全性，是装配了吊篮式脚手架、旋转方式拼装管片衬砌。
② 自动搬运管片的特别车架系统
由于作业基地狭隘，先将管片自动收容在工作井内的车架上，再按照要求采用搬运系统自动地送到开挖面处。
③ 自动控制方向系统
由于是要求严格的线形管理，根据高精度的传感器(旋转式罗盘·水平仪检测装置等)和位置分析演算的实际资料，采用了备有按模糊理论的千斤顶选择功能和自动控制方向系统。
④ 盾构机综合管理系统
集盾构机操纵、背后注浆、泥水输送、泥水处理等的各部份技术于一个操纵台上，是进行这一系列工序的各系统的综合监视·操作。
⑤ 工程系废弃物人工操纵自动发行系统
对于大量地排出二次弃土，由运输人员登记收集，采用人工操纵自动而敏捷的发行系统，按照登记资料(收集运输、处理场所、车身重量)，进行自动量训累积重量、人工操纵打印发行，根据发行资料进行除去排出量、人工操纵回收确认外的日常管理。
3－8 环境保护措施
3－8－1 防噪声措施
在市中心地块免不了有规模极大的机械类(振动筛、泥水输送泵等)要经历长时间的日以继夜运转，要实施个别措施和防噪声墙遮蔽的二道、三道隔离。
特别是对付低频率噪声，从设计时要考虑，这是影响到工程的关键问题，筑起厚度为300mm的混凝土墙、顶棚结构的完全封闭的隔离建筑(弃土用螺旋输送机输送到外面)，在内部侧设置降低低频波的材料。并且要对措施完成后进行试运转的测定，在功能、耐久性上不存在问题时的范围为1100rpm。
3－8－2 对付振动的措施
作为对今井河道上进行隧道的基地施工，为了使车辆的通行、各种机械的振动不致影响到周边的居民，设置防震橡胶、铺装等设施。
4. 盾构机始发推进施工
4－1 始发防护冻结工程
对于本工程而言，隧道顶部覆土为45m。当盾构机作始发推进时，其下端部位作用着0.55MPa的水压力。在撤除地下连续墙时要保障开挖面土体的自立和止水，特采用了冻结工法。
冻结工法是使埋设在地底下的许多管道中循环流动着冷却液，使地基土体冻结造成坚固且具有均匀承载力的止水墙工法。还有，设想在冻结对象地基土内，包含着硬质固结粉砂层一起冻结时，要发生很大的冻结膨胀压力，为了确保工作井井壁、地下连续墙的健全性，要掘削缓冲沟槽，置换成砂，进行防止膨胀的对策(图－8)。
4－1－1 冻结工艺的设计
作为冻结工艺的基本设计，是要承受在盾构机通过部分的地下连续墙作撤除时所受到的土、水压力0.76MPa(开口处中央部位)，开口处的直径12.6m。冻土墙的平均温度是以－13℃的砂质冻土强度(弯曲抗拉强度=3.19MPa)等的各数值，作用在周边固定圆板的均布荷载计算，决定了所需要造成的冻土厚度达4.4m。根据工期和经济性，决定作为冻土墙造成·管理的最为适当的冻结管测温管的配置(图－9、图－10)。
(2) 冻结膨胀措施计划
冻结对象的地基土，如图－10中所示的地质柱状图。冻结对象土层的上半部分主要是砂层(Ks层)，而下半部分则为冻结时要膨胀的固结粉砂层(Km层)。并且，变形模量亦有560MPa，是作为一种非常硬质的地基土，伴随冻土的造成所发生的冻结膨胀压力，通过惯用的高志圆筒理论测定、预估为1.12MPa。这种冻结膨胀压力作用在地下连续墙墙体和工作井井壁上的力相当于冻结前土、水压力的1.5倍之多，总共用了三种对付冻结膨胀的措施(参照图－10)。
① 设置砂缓冲沟
② 砂缓冲沟的抽样工序
③ 加热栅栏的设置
在三种措施中，①和②都是以吸收作为冻结膨胀压力的原因－冻结时的地基体积膨胀(Km层4.0%，Ks层1.0%)作为目的。在构筑物和冻土墙间隔中，是通过砂缓冲沟的压缩和砂抽样，以收缩体积来减轻冻结膨胀压力。不过这些措施只是在砂缓冲沟冻结前是有效的，而在始发前冻土维持期间是不能适用的。对此，作为抑制发生在冻土维持期间的冻结膨胀，是在形成冻土的地基土侧边设置的温水管道、还设计成③加热栅栏。
4－1－2 冻结工艺的施工
(1) 施工和量测的概要
如在表－4中所刊示实施冻结准备、冻土造成、冻土维持和强制解冻。在此，所谓冻土造成，即为前面所述在开挖面处制造所需厚度的冻土墙。冻土维持是意味着维持所造成了的冻土墙安全性。为了管理这些事务，就兼用了有关冻土造成和冻结膨胀的量测工序。在冻结土堵的地基一侧开成冻土的同时期，作了化学注浆的施工。所实施的量测项目、量测仪器等在表－5中，而仪器布置的位置则在图－11中所表示。
冻土造成的管理，是使用了埋设在地层中测温管内的温度传感器，根据在各地点、各深度的地层温度，计算出冻土的造成速和范围，并且确认和事前设计的要求没有偏移。
冻土维持的管理，是使用在造成的冻土内的挠度计、监视着冻土墙的健全性，用冻土边界部位的温度管理和地下连续墙、工作井侧壁中的钢筋应力量测等，监视着工作井的健全性。
(2) 冻土墙的造成和维持管理
为了冻结相当于造成冻土厚度的地基土，在图－9中所示的3排冻结管(距离地下连续墙第一排、第二排和第三排)中，循环－30℃的冷却液进行冻结运转。不过，对于本工程而言，必须最大限度地限制和地下连续墙邻接的砂缓冲沟和砂取样对冻结膨胀的吸收。为此，砂缓冲沟内的每一排冻结运转推进40天左右的时间，造成大部分的冻土(第二、第三排)在冻结终止后冻结，完成开挖面处所需要的冻土墙造成。此外，为了确保冻土墙和地下连续墙的冻结，在地下连续墙和工作井井壁之间埋设的冻结管道和固定在地下连续墙开挖面上的冻结管，提前40天进行冻结运转。
通过冻结运转使地基土和地下连续墙的温度降低的状况，在盾构机中间断面上的温度分布和冻土的水平分布(冻结第82天)表示出来(图－12)。
对于本工程，由于是大深度形的大的土、水压力，加上是大断面不利条件，在长时间内仅靠冻土墙承受，并且在维持冻土期间，作为抑制冻土的增加，还兼用了加热运转。为了确认作为受力墙的冻土墙的健全性，进行了量测冻土期间的冻土墙挠度。从图－13中得知，从开挖面清理开始起量测到冻土墙的挠度，开挖面外周钻取土样和从开挖面上半部分的地下连续墙撤除开始，第10～27天的工程，开挖下半部分清理(第33～46天)所致在中心部位发生了6mm的弹性变形。不过，在此之后的冻土墙的蠕动变形以缓慢方式，最大也只是在11mm，可以充分保障作为受力墙的健全性。
(3) 冻结膨胀的管理
发生冻结膨胀压力的元凶是冻土墙外面的冻结膨胀变形，在冻土造成完成时，影响最大的是在盾构机始发方向上，往砂缓冲沟一侧发生50mm；往地基一侧发生20mm左右。此处由于往砂缓冲沟方向的变形大，认为是回填在砂缓冲沟松弛所致。由于冻结膨胀作用在地下连续墙外面的平均作用压力，可通过设置在固结粉砂和砂层深度内的土压力盒来测得，推断其值在0.29MPa左右。
盾构机始发部位(开挖面上)的地下连续墙，在造成冻土完成之后是要撤除掉的，而通过冻土墙完成止水前，地下连续墙必须确保其起到受力墙和止水墙的作用健全性。冻土造成期间中在各深度上的地下连续墙的水平变形和所算出的盾构机中心部位的挠度时效变化如图－14中所示。由于冻土造成量的增加，由此地下连续墙的变形和挠度增加到接近管理值状况，进行砂缓冲沟的砂取样，将地下连续墙的挠度一下子回复到原状，抑制了挠度的增加。为完成冻土墙进行第一排冻结管的运转操作的结果，是使地下连续墙的挠度再次增加，于是就能维持通过冻土墙的止水完成前的地下连续墙的健全性。
有关工作井井体的内衬墙和环梁的钢筋应力时效变化，可见图－15、图－16中所。由于第3排和第2排冻结管冻结运转开始，冻土造成是从3月10日左右开始，由于发生冻结膨胀压力，内衬墙、环梁一起钢筋应力变成为压缩倾向；而通过砂缓冲沟的取样等作用、压缩倾向变弱。在确认所计划所求求的冻结造成完成之后，从5月8日开始起、对开挖面外周的地下连续墙钻取试样，顺次序对地下连续墙上半部分、下半部分作撤除。在撤除地下连续墙之前，内衬墙亦成为分担土、水压力和冻结膨胀压力的作用趋于压缩倾向，而在撤除地下连续墙之后，内衬墙就不再分担作用压力。相反在环梁中作用压力继续要成为承受如此程度以上的压缩倾向。不过，由于开挖面作业的完成，钢筋应力大体上稳定下来，可以做到在钢筋应力的容许值以内、安全无事地完成始发、防护工序。
4－2 盾构机始发推进
4－2－1 推进
在冻土部分盾构机推力3,500t、扭矩900t·m，按10mm/min掘进速度，进入到化学注浆区间。正式设置RC管片衬砌2环，而在脱掉盾构机的尾部处所进行临时性停止(盾构机在化学注浆区域内)，进行洞口的处理。
4－2－2 洞口处理
在高水压下的洞口部分，始发时采用冻结止水，而在冻结运转停止后，如不实施可靠的洞口处理、就会成为招致大量的漏水。
作为洞口漏水原因可举出下述三种因素：
① 洞口部位后背注浆时压力不足(注入材料回绕到开挖面)。
② 掘削土砂等堆积在下部处，即便作了后背压注、但也得不到止水效果。
③ 对于通常的后背注浆材料的注入，是完全没有止水性能的。
考虑上述原因，使用袋装管片(RC管片袋囊)和树脂砂浆来实施洞口止水(图－17)的。
5. 施工结果
在1998年10月5日作了始发推进，于第2年1月18日完成了试推进(170m)，现今正朝着正式掘进进行着设备的转换。现将主要施工结果表示在下面。
① 以防止一次衬砌结构施工时的始发洞口的漏水为目的，是采用袋装管片和注入树脂砂浆约为1.6m长的止水区域的效果是出色的，达到了原先的要求。
② 在试掘进过程中的盾构机日进尺是每天1.3环(1.6m)。
③ 盾构机设备的机械化·自动化，采用各自设备可以充分提高成果。特别是自转·公转式管片拼装简易吊篮脚手的使用，在确保高处所的作业安全性同时，作业效率亦非常高。
6. 结语
在所谓大深度·高水压·长距离极为严格的条件下，求得了高质量的盾构隧道的施工。对于这种课题，发包者、JV(联合企业)形成一个整体，全力以赴的努力结果，是定能做到平安无事地完成始发推进·试掘进的。现今正朝向正式掘进的设备作转换，而要求提前完成掘进施工。防止今井川河流域水淹受灾，向市民提供安全街道环境是我们的使命。这一次的工程可认作是今后的大深度·高水压下盾构隧道的一个实例。
最后，对本工程的设计·施工竭尽全力的有关人员，借着本杂志版面予以深切谢意。
译自日刊“トンネルと地下”
1999年5月刊
江中孚于2004年7月9日
