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Oct 17, 2023

ポータケットプロジェクトの設計と建設の革新

Figura 1 – Mappa dell’area del progetto Scritta da Irwan S. Halim, Vojtech Ernst Gall, Stephane

図 1 – プロジェクトエリアマップ

Irwan S. Halim、Vojtech Ernst Gall、Stephane Polycarpe 著

ポータケット トンネル プロジェクトは、ロードアイランド州のポータケットとセントラル フォールズのコミュニティからの CSO を削減することを目的とした、ナラガンセット湾委員会 (NBC) フェーズ 3 合流下水道オーバーフロー (CSO) プログラムの第 1 フェーズです。 プログラムのフェーズ I と II はプロビデンス地域に焦点を当てており、それぞれ 2008 年と 2015 年に完了しました。

ポータケット トンネルは、最小完成内径 30 フィート、長さ約 11,700 フィートになるように計画されています。このトンネルは、反転までの深さが 115 フィートから 155 フィートの範囲の岩石トンネルになります。トンネルは、TBM と掘削機を使用して掘削されます。同時にガスケットを付けたプレキャストコンクリートセグメントで裏打ちされます。 このプロジェクトは、設計施工納品プロセスを使用して実施されます。 設計施工請負業者は、CBNA と Barletta の合弁会社 (CBNA-Barletta JV) で構成されています。 CB3Aとも呼ばれます。 主な設計者は AECOM です。 GEI Consultants は、地盤工学エンジニアリングと現場サポートで AECOM を支援しています。 設計サブコンサルタントには、Gall Zeidler Consultants、Mueser Rutledge Consulting Engineers、BETA Group が含まれます。

ポータケット トンネル プロジェクトの建設には、主要な輸送トンネルと貯蔵トンネルが含まれます。 トンネルボーリングマシン（TBM）の発射シャフトと受入シャフト。 トンネルポンプ場。 ドロップシャフトとベントシャフト、および接続坑。 トンネルの掘削はハイブリッド TBM を使用して行われ、条件が許せば開放または閉鎖の加圧面土圧平衡 (EPB) モードで動作することができます。

TBM の建設が進むと、トンネルはプレキャスト鋼繊維強化コンクリート セグメントで内張りされることになります。 プロジェクトの場所は、以下の図 1 に示されています。 TBM 発射シャフトは直径 60 フィート、深さ約 150 フィートで、トンネルポンプ場 (TPS) シャフトの近くにトンネルに沿って位置しています。 代替技術コンセプト (ATC) としての入札設計段階では、既知のせん断ゾーンを避けるために TPS と発射シャフトが再配置され、互いに近づけられました。 発射シャフトは、直径 10 フィートの吸引ヘッダー トンネルで TPS シャフトに接続されます。 TBM テール トンネルと事前に掘削された TBM スターター トンネルが提供されます。 トンネル線形には追加の落差坑の位置が 4 か所あります。 受入シャフトは直径 36 フィート、深さ 130 フィートです。

トンネルの全長は、氷河堆積物やその他の盛土材料で覆われたロードアイランド層の珪砕岩の岩盤内に建設され、地下水面の下に位置します。 図 2 に示すように、7 セグメントのユニバーサルテーパーリングシステムが採用されました。トンネルライニングリングは 14 インチです。 厚さ30フィート2インチ。 内径、6フィート7インチ。 長さは 4 つの長方形の通常のセグメント、2 つの右台形のカウンターキー セグメント、および 1 つのくさび形のキー セグメントで構成されます。 応力集中による漏れや構造的損傷を引き起こす可能性のある十字形の接合部が形成されるのを避けるために、すべてのセグメントが互い違いに配置されます。 キーセグメントは常にトンネルクラウンに設置できるとは限らないため、TBM はリング組立中にエレクターとサポートローラーシステムを使用してセグメントを所定の位置に保持できる必要があります。 リングの長さは、建設可能性の要素 (輸送、組み立ての容易さ、曲線を通過する能力) と実用性の要素 (漏れと生産コストを削減し、トンネルの前進速度を高めるために接合部の数を制限する) の間のバランスを考慮して選択されました。

図 2 – トンネル覆工の形状

くさび形のキーブロックは、セグメントが小さい方が扱いやすいため、他のセグメントよりも小さいサイズのピースとして設計されることがよくあります。 最近、大きな主要セグメントが業界で受け入れられるようになってきています。 私たちの設計では、同様のサイズのセグメントを採用しました。 中心線での弦の長さは、通常のセグメントでは約 14.1 フィート、カウンターキー セグメントでは約 14.0 フィート、キー セグメントでは約 14.3 フィートです。 構造上および組み立てやすさの理由から、すべてのセグメントをできるだけ同じサイズにすることが有利です。 リング内に均等な間隔で配置された縦方向のジョイントにより、耐荷重能力が向上し、リングの歪みが軽減されます。 キー セグメントが大きくなると、通常のセグメントのサイズも小さくなります (したがって、縦方向のジョイントの数も減少します)。 セグメントは縦方向の接合部で互いにボルト締めされません。 これにより、一部のボルト締結が排除されるため、トンネルの前進速度が向上します。 リングは、等間隔に配置された 14 個のダボ (SOF FAST 110) を使用して、リングジョイントで互いに接続されます。 さらに、14 対の等間隔に配置されたせん断コネクタ、つまり鋼芯を備えたせん断バイコーン (Optimas Sofrasar F500) が、後述するようにトンネル掘削開口部のセンタリングとせん断回復の目的でリング接合部に指定されました。

防水目的のため、当初は万能エチレン プロピレン ジエン モノマー (EPDM) 圧縮ガスケット (Datwyler M389 33 "Doha") プロファイルが指定されていましたが、請負業者は代替の Algaher DV9 IS ガスケットを使用することを選択しました。 圧縮ガスケットは、設計圧縮および許容オフセット シナリオの下で最大 25 bar の静水圧に耐えると予想され、これは予想される最大地下水圧 5 bar に十分耐えられるものでした。 典型的なセグメントは鋼繊維 (Dramix 4D 80/60 の立方ヤードあたり 60 ポンド以上) で強化されます。 設計に採用された 28 日後の最小必要強度は、3.5 mm の亀裂口開口変位 (CMOD) での特性圧縮強度 f_c^'=6,500 psi、および残留曲げ強度 f_150^'D=700 psi でした。 セグメントの厚さは、あらゆる短期および長期の荷重ケースおよび使用条件に耐えられるように選択されました。 望ましい 100 年の耐用年数を達成するために、選択されたセグメントの厚さ (14 インチ) には、CSO 水からの硫化水素 (H2S) ガスによるコンクリートの劣化からトンネル覆工を保護するために、最大 2.35 インチの犠牲コンクリート層が含まれています。 トンネル覆工は、犠牲層の損失が覆工システムの 100 年間の構造的完全性に影響を与えないように設計されました。

図 3 – トンネル覆工設計の検証

採用されたトンネル覆工設計の適切性を実証するために、図 3 に示すように、トンネル覆工の応力と変形が 2 次元 (2D) 数値解析を使用して評価されました。変動の代表として合計 5 つの解析セクションが選択されました。表土の深さと予想される地面と地下水の状態。 5 つの解析セクションのうち、ステーション 118+00 で切断されたセクションは、トンネル線形を横切る激しく破壊された柔らかく弱い黒鉛頁岩層の存在により、設計を支配していることが判明しました。 黒鉛頁岩層は、岩盤内に埋め込まれた厚さ約 20 フィートの準水平層です。 ATC としての入札設計段階で、トンネルの垂直線形は 25 フィート引き上げられ、その結果、ライニングの厚さが 15 インチから 14 インチに減少し、ハイブリッド補強 (繊維と鉄筋) セグメントの要件が削除されました。黒鉛頁岩帯の場合。

解析は段階的に行われ、建設中および設計寿命全体にわたって予想されるさまざまな荷重条件下でのライニング力と変形を評価しました。 これらには、予想される地下水位の変動、建設中の地下水の脱水、激しく割れた断層帯の横断などが含まれます。 分析の結果、トンネル覆工は予想される荷重に耐えることができ、これらすべての条件に対するリングの歪み要件を満たすことができることがわかりました。 トンネル軸に対して垂直に垂直に伝播する地震波の影響を評価するために地震解析が実行されました。 横方向ラッキング解析を実行して、ラッキング変形とそれがトンネル覆工に及ぼす影響を定量化しました。 解析は、表土材料を含まず、岩石材料のみを含むようにトンネル開口部の周囲で切り取られた同じ FLAC モデルを使用して行われました。

セグメントの設計は、最小コンクリート強度 1,800 psi の剥離と取扱い、保管と輸送、組立てとセグメントを押す TBM スラスト ラム、埋め戻しと接触グラウト注入中、TBM ガントリーの荷重とセグメントを含む仮設建設荷重シナリオに対してチェックされました。エレクターのすぐ後ろにあるフィーダー。

セグメントジョイントの設計は、組立中にセグメントを保持し、設計上の静水圧を適切にシールするためにガスケットの圧縮を維持するための円周ダボシステムの能力をチェックすることから構成されていました。

ポータケット トンネルは、その線形に沿ったトンネル坑道によって 4 つの落差立坑に接続されています。上の図 4 には、そのうちの 3 つの坑道が概略的に示されています。2 つの坑道は連続掘削法 (SEM) によって建設される予定であり、3 番目の坑道は連続掘削法 (SEM) によって建設される予定です。マイクロトンネリング。

図 4 – 退屈なトンネルに接続する坑道

SEM トンネル坑道は、図 5 に示すように、主トンネルからドリルと発破によって建設され、落坑構造の基部に向かって外側に向かって採掘されます。 マイクロトンネルによって建設された 3 番目の坑道は、落差坑の位置から始まり、メイントンネルにジャッキで接続されます。 メイントンネルライニングと側溝の間の最終的な接続は、図に示すように、セグメントの切断部の周囲にモノリシック現場打ち (CIP) コンクリートカラーを設置することによって実現されます。

図 5 – 最終的な場所打ちコンクリート カラーと掘削ライニングを備えたトンネル リング カットの SEM 掘削。

トンネル内の坑道箇所では、セグメントが切断され、除去されます。 これらの場所では、トンネル壁の開口部による一時的な力をサポートするために、トンネルに追加のブレースが必要です。 これらの場所に通常の外部ブレースフレームを設計するのではなく、開口部はトンネル建設中に設置される改良されたセグメントリングによって一時的に支持されます。 これらのリングには、開口部のすぐ隣の 4 つのリングに沿って設置された特別に設計されたトンネル セグメント内に追加の補強要素とせん断要素が含まれています。 線形に沿った標準的なライニング設計は、各スラスト パッドに 2 つのせん断ダボが取り付けられた純鋼繊維強化コンクリート (SFRC) ですが、特別に強化されたセグメントは、SFRC に加えて重い鉄筋ケージと 2 つの追加の高容量せん断を備えています。セグメントごとのコーン リングジョイントは、せん断ダボの間のスラストパッドの中央に取り付けられます。 特別に強化されたセグメントの形状は、一般的なセグメントの形状と同等です。段階的な有限要素 (FE) モデルは、TBM トンネル坑道位置のライニングとカラーの構造解析のために開発され、すべての重要な設計問題を考慮します。たとえば、現場の地盤圧力、一時的および永続的な地下水荷重、リング間の摩擦による支持作用（またはその欠如）、覆工コンクリートの耐久性、および関係するすべての材料の非線形性などです。 モデルのイメージを以下の図 6 に示します。

図 6 – アディット接続のモデル: a) アディット カラー。 b) セグメントライニングリングの等角図。

構造解析の結果、予想通り、設計上最も重要なケースは、ライニングの切断と除去の直後、および CIP コンクリートカラーの設置前のセグメントの一時的な荷重であることがわかりました。 具体的には、分析では、引張応力が鋼繊維だけで支えるには高すぎるため、これらの特別なセグメントに追加の円周鉄筋補強とシャーコーンが必要になることがわかりました。

CB3A はヘレンクネヒト ハイブリッド TBM を選択しました。 Herrenknecht とのプロジェクト チームは、オープン/クローズド EPB モード機能を備えたハイブリッド TBM について合意しました。これにより、汚物管理の制御、メンテナンスの最小化、生産時間の最適化という利点が得られます。 TBMの引き渡しは2022年6月末に完了した。

ボア直径 33.8 フィートの TBM には、長さ 46 フィートのシールドと長さ 300 フィートのバックアップがあり、シールドに電力を供給し、電力会社と物流を接続する 4 つのガントリーで構成されています。

シールドは、1 つのアクティブな関節を備えた 3 つの主要セクションで構成されています。 これにより、半径 1,000 フィートの最小必要曲率を達成できるようになります。 構造とシールは 72 psi (5 bar) の圧力に耐えるように設計されています。

直径 33.8 フィートのカッター ヘッドは硬岩用に設計されており、摩耗から保護されています。 19インチが64本装備されています。 予想される条件下で高い効率と信頼性を実現するディスクカッター。

この機械には、オープン モードのコンベア ベルトと EPB モードのスクリュー コンベアが取り付けられており、切断チャンバーから材料を立坑まで輸送するトンネルズリ コンベアにズリを移動します。 必要に応じて、フェイスを 10 分以内に閉じることができます。

デュアル モードは、シングル オープン モード TBM に必要なプローブの穴あけと事前グラウト注入の必要性を大幅に軽減するため、プロジェクトに真の利点をもたらします。 選択した TBM を図 7 に示します。

図 7 – 2022 年 1 月のヘレンクネヒト工場の TBM

TBMは、プロジェクトの南端のメインサイトにある発射シャフトから打ち上げられ、運用されます。 直径62フィート、深さ155フィートで、セカントパイルで作られた掘削支持壁の内側の土壌部分と岩盤内でドリルアンドブラスト法を使用して掘削されました。 立坑の掘削が深さ 120 フィートのトンネルのレベルに達すると、長さ 230 フィートのスターター トンネルと長さ 60 フィートのテール トンネルが、トップ ヘディングとベンチの 2 段階で SEM によって掘削されました。 スターター トンネルとテール トンネルが掘削された後、シャフトの残りの部分が完成しました。 図 8 に示すように、立坑の底部は埋め戻され、垂直コンベヤの底部を設置するためにトンネル インバートの下に溝が残されました。

図 8 – TBM 動作中の発射シャフトの設置

TBM は表面上に事前に組み立てられていました。 1,665 トンの機械は 82 個の梱包で納品されました。 図 9 に示すように、表面で事前に組み立てることにより、組み立てられた大型の TBM セクションを最大 375 トンの重量のシャフトに降ろすことが可能になりました。

図 9 – 発射シャフト内で 600 トンのクローラークレーンによって降ろされた 375 トンの TBM フロントシールド

メインサイトは、TBM の運用に必要な後方支援を提供するために設立されています。 350 トンの容量を持つクローラー クレーンが発射シャフト内のセグメントとサービスを処理します。 シャフトの上部には最大 60 個のリングを保管するのに十分なスペースがあり、これは予想される TBM 生産の 1 週間以上に相当します。

TBM ズリは、TBM からチェーンコンベアによって 1 時間あたり 1,250 トンの速度で輸送されます。 図 10 に示すように、ズリは垂直バケットコンベアを使用して立坑内で持ち上げられます。

図 10 – トンネルと立坑内の土砂コンベヤー システム

地表では、土砂はラジアルスタッカーによって備蓄庫に投下され、TBM によって掘削される予想される週平均量である 15,000 立方ヤードが蓄積されます。

地上設備の残りの部分は、グラウトプラント、配電、水処理プラント、オフィス、資材保管庫、作業場で構成されます。 メインの発射場を図 11 に示します。

図 11 – TBM 組み立て中のメインサイトの航空写真

2022年9月初旬の時点で、TBMはスタータートンネル内に設置され、月後半に打ち上げられる予定だった。 スタータートンネル掘削の長さを最小限に抑えるために、最初は 3 つのガントリーのみが設置され、TBM が前進すると、重要でないサービスを備えた 4 つ目のガントリーがトンネル内に降ろされます。 トンネル内のセグメントの輸送は、図 12 に示す 2 台のマルチサービス (VMS) 車両によって行われます。この車両には、7 つのセグメントで構成される 1 つの完全なリングと、液体、換気、およびトンネル内に設置される一時的なサービス 1 セットを収容できます。 TBM に電源を供給します。

図 12 – トンネル内のセグメント輸送用の車両マルチ サービス (VMS)

トンネル工事は 2022 年 9 月に開始され、2023 年末までに完了する予定です。

VP – トンネルおよび地下工学AECOM

ハリム博士は、AECOM の水路トンネル担当チーフエンジニアであり、米国、カナダ、および海外の地盤工学および地下プロジェクトで 31 年以上の経験があります。 彼は、北米全土の主要な上下水道および交通機関にエンジニアリングおよび設計サービスを提供してきました。 イルワンの専門知識には、軟弱地盤と硬岩の両方で採掘および開削トンネルの設計と建設が含まれます。 TBM 駆動、ドリルアンドブラスト、SEM による掘削。 土壌/岩石構造の相互作用解析。 そして基礎工学。 Irwan の過去の経験には、大規模な SEM、TBM 駆動の大規模トンネル、複雑で混合面の地盤条件を通過するトンネル掘削が含まれます。

シニア トンネル エンジニアGall Zeidler Consultants ニューヨーク州ニューヨーク

略歴: Vojtech Ernst Gall 博士は、高山環境の深いトンネルから密集した都市環境の浅いトンネルに至るまで、国内外の鉄道、高速道路、鉱山、水力発電のトンネルプロジェクトに携わってきました。 彼は、小規模および大規模プロジェクトの TBM および NATM/SEM 構築の両方の経験があります。 ガル博士の特別な関心は、BIM テクノロジーをサポートするプロジェクト計画と管理から数値および構造モデリングに至るまで、TBM 駆動トンネルの計算支援設計と計画にあります。 ガル博士は、技術的な専門知識に加えて、多くの技術セミナーやイベントの開催にも積極的に関わってきました。 ガル博士は、鉱業冶金探査協会 (UCA of SME) の地下建設協会の若手メンバー グループの会長であり、UCA の中小企業ワーキング グループ「トンネル工事における情報モデリング」の議長でもあり、活発な活動を行っています。国際トンネリング協会 (ITA) ワーキング グループ 22「トンネリングにおける情報モデリング」にも貢献しました。

エンジニアリングマネージャーCBNA

Stephane Polycarpe は世界中で 33 年以上の経験があり、トンネル建設と海峡トンネルで開始された大規模な土木工事において多分野の経験を持っています。 彼の TBM の知識は、ハード ロック マシンだけでなく、さまざまなエア プレナム、土圧バランス (EPB)、スラリー混合シールド マシンにも及びます。 彼の軟弱地盤、硬質地盤、および混合地盤のトンネル掘削の経験には、キャノピー ボールトとグラウト注入、木材の圧造、地盤の凍結、ドリルと発破、土壌/岩石の SEM 掘削が含まれ、トンネルの解体にも経験があります。 2020 年にステファンは CBNA に入社しました。 ポータケット トンネル プロジェクトのエンジニアリング マネージャーとして。