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本隧道的设计、施工条件可称谓前所未有的，特别是工程处在东京湾地震多发性地域，隧道位置又处在深度较大的水下海底、地质非均匀地层中。针对诸多技术性问题，曾设置了各种机构的调查研究委员会，对东京湾地区的固有特性，进行积极调查、实验和研究，特别是对技术难度特大的课题也进行专题的研究。此外，还进行了多种方案的比选、设计标准的制定以及各种结构抗震性能的试验研究，最后才确定了最佳的设计方案。
（一）隧道设计的条件
就本隧道设计而盲，是属于无先例可循的，无论在结构规模的庞大，或是技术难度的苛刻都是有其明显的特点的。经综合分析，本隧道设计、施工上所遭受到的各种问题，可归纳成以下八大特点的设计条件：
1.隧道外径D一13．9m，是以往不曾出现过的大直径隧道；
2．隧道位置处在海底下，平均深度约15m的地层中。覆盖层厚度在海底部分为1D；处在人工地基的斜坡段的覆盖层厚度仅有0．7D(D为隧道直径)；
3．隧道断面部分以及覆盖层土部分全为极其软弱的土质，而且在人工地基（斜坡段部分）和自然地基分界处，地层土层土质有明显的变化；
4．隧道底部是处在海平面以下50～60m深处，所受到的最大水压力高达0．6MPa之多；
5．横贯东京湾的海底隧道，正处于地震活动十分频繁、且发生过大规模地震的地域；
6．盾构处在前所未有过的大断面，且长达2000m以上的掘进长度。最后要求面对面推来的两台大盾构在海底地层中实现对接接合；
7．为了缩短工期，力求实现相关工种的同时施工、工程作业的自动化和机械设备的高速化；
8．设置在海上的盾构临时设施和处在海上输送施工器材的隔水栈桥，皆需充分考虑到海上的气象条件的恶劣性。
（二）隧道衬砌结构的设计
根据上述的设计条件，要求隧道的衬砌结构，在满足强度条件、且能达到抗震要求下，十分明显的是要求管片衬砌能承受高水压头的作用。亦即是要使管片本身能经受高水压的抗渗、抗漏外，还得要保证管片与管片之间、衬砌环与衬砌环之间的接头和接缝的密封性。
在达到强度和防水指标后，还要把管片设计成能符合快速施工一－自动化拼装要求的管片结构。
1．结构方面
由于该隧道与其他隧道相比具有较大的横断面尺寸，在进行衬砌结构设计时其基本思路表现为；
（1）为了提高隧道衬砌环对软弱地基变形的抵抗和增强抗震性能，管片拼装按锗缝拼装，K型封顶管片按纵向插入方式进行（见图5）。
图5 轴向插入等分管片
（2）管片衬砌结构计算时，不考虑内衬砌（二次衬砌）的共同作用，全部荷载皆由外层管片衬砌承受。
（3）管片衬砌结构计算方法，系采用弹性地基梁模型。对常规计算法（假定环的刚度相同）所设定的η·ξ(刚度有效系数、弯矩增加系数）进行验证（见图6）。接头弹簧系数Ko、Ks按照导入轴力而进行的足尺管片接头弯曲试验、拼接弯曲试验及剪切试验结果取得。通过利用其他方法的足尺管片的接头性能对比试验，选定长螺栓钢筋混凝土板式管片接头结构，管片间与环与环之间的螺栓导入轴力，分别为螺栓容许值的80％、60％。
图6 隧道分析模型
（4）管片衬砌接头具有高度的刚性和屈服强度。不论是纵向或是环向，皆是采用长螺栓。接头（用锚碇板、加强肋及肋板焊接方式来加强）的最佳结构方案。此种接头具有刚性强、耐久性强，并能使拼装作业自动化操作，此外，此种接头可提高抗震性能，并能取得较高的经济指标。
（5）荷载条件的规定。管片衬砌结构要承受全部荷载，为使设计偏于安全，对衬砌周围的土水压力分别进行考虑。对人工地基和粘性土地基是按水、土合算方式进行；对砂质地层则按水、土分界原则进行。此外在垂直荷载计算中，则考虑整个覆盖土层厚度。
在土质特性和有限元分析中的地基反力系数、侧压力系数，按设计的实绩取值，作以下的假定：
对于人工地基K＝0．35Mpa，λ＝0．6；
对于天然地基K=0,λ＝0．8～0．75；
在Dc地层中K＝0．15～0．25Mpa，λ＝0．65
对双线并列隧道的相邻影响，是通过有关粘性地基与该层地基中已有的实例（φ7．25m一－泥水平衡式盾构），施工间距为0．5D的现场实测来取值（D为隧道直径）。
（6）考虑到隧道位于地震活动频繁的地域，隧道的抗震设计方面增设"响应变形法"来进行地震响应分析的验证，以确认地震时隧道结构的稳定性能。作为衬砌结构的抗震设计的指导思想是以下五点：
a．隧道的地基是软弱地层，但不会液化和泥浆化，故不需要对地基进行加固等特别的处理；
b．隧道衬砌环和竖井的联接处应做成地震时能吸收变形能的柔性结构；
C．浮岛斜坡道段前端的加固地基与原有的软弱地基间的交界附近的地段，为缓和由于地基刚度急剧变化而造成的应变集中影响，隧道的轴向应设置成柔性结构；
d．在二次衬砌的混凝土中，要设置一定数量的连续钢筋，而在外层的管片衬砌的特定接头处以阻止变形集中；
e．管片衬砌所承受的截面内力，同不浇筑内衬砌的情况相比可以减少些，但为安全起见，环与环之间的接头设计，仍按仅有管片衬砌的截面内力进行设计。
2．防水方面
本隧道工程处于软弱粘性地层，承受高达0.6MPa的水头压力且在海水腐蚀的不利环境中，为了提高衬砌结构的耐久性、抗腐蚀性，事先对此隧道衬砌的防水、抗蚀进行了深刻的探讨。
1．作为隧道衬砌结构防水的目的
(1）避免因漏水造成经常性的维修
a．减少因维修管理带给交通运行上的种种限制,以确保交通流量的畅通；
b．减少漏水的排水费用及止水堵漏的费用；
C．减少隧道清扫及各种设备更换频率，降低维修管理费用。
(2）确保隧道结构的耐久性。防止因漏水引起隧道内部结构和外部装饰材料的腐蚀、老化现象。
(3）确保隧道内部的安全性和舒适性；
a．防止因漏水过大引起的交通事故；
b．防止内部装饰污损，确保隧道内部的整洁性。
2．作为隧道衬砌结构防水设计的几个前提：
(1）隧道衬砌结构的防水是以管片衬砌的自身防水为主，为防止万一有渗漏流向内部，特在管片衬砌内壁和二次衬砌背壁之间敷设防水片材，此防水片材的材质和规格由试验结果来确定；
(2）为提高内外两层衬砌结构的抗渗性和耐久性，规定在上述两种结构的混凝土配比中，水泥用量的1/2以高炉矿碴水泥来替代；
(3）管片衬砌的密封防水层的形状和材料组成，必须具有耐久性，对可能形成的水渗，水流通路，必须采取防水措施；
(4)对于完成浇筑的内衬混凝土，必须予以精心养护，以防止热收缩和干收缩引起的裂缝；
(5）必须研究开发透过管片接头和渗透水起反应的防水添加剂；
(6）做好管片衬砌后背的注浆工序也是结构防水上的重要环节。
3．隧道衬砌防水结构的要点和防水措施的实施
(1）防水结构的要点有以下几项（图7）：
a．管片衬砌的密封材料
b. 管片衬砌后背的注浆材料
C．注浆孔和衬垫材料、逆止阀、后背的防水衬垫材料
d．管片衬砌混凝土
e．防水密封
图7 基本防水方案
(2）在施工实施中主要防水措施为以下几项：
a．用密封材料进行接头面的止水。密封材料的层数、形状、材质，均须根据水压试验和水膨胀特性、水膨胀物质的淋溶性等实施有关质量变化的耐久性试验，并在螺栓外侧配置一层宽幅的水膨胀性密封圈；
b．注浆孔周围的止水尤为重要，注浆孔栓塞与衬垫材料以及逆止阀，选用了能承受1MPa水压力的材料。防水衬垫材料，选用具有与混凝土反应后产生粘结性的水膨胀异丁系橡胶；
C．在管片衬砌和内衬砌之间，敷设引水型防水片材，以确保隧道内部的止水性，并能防止内衬混凝土表面的裂缝产生（图8）。
图8 盾构隧道横断面图
3．隧道衬砌结构的基本形式
衬砌结构的设计，通过在结构构造和防水抗渗两大方面的考虑，定下的基本形式如图9、图10所示，衬砌环外径φ1＝13．9m，环宽1.5m、厚度0．65m、内径大φ2=12．6m。衬砌环由三种类别块管片、共11块组成,A型块8块,B型块2块，再加上K型块（最后纵向插入成环）。内部浇筑二次内部衬砌，厚度为0．3m，其作用是增加整个衬砌环的自重，以作抗浮所需，此外尚有防灾的目的。
（三）盾构的设计
本隧道施工中，是选用了实绩较多、安全可靠的泥水加压式盾构。在筹划与设计、制造盾构时，事先较详细地探讨了本隧道的盾构在掘进时的施工条件，以谋求设计、制造出既具有足够的强度、耐久性、安全性的盾构，又能体现具有较高的经济指标的盾构机械。
图9 钢筋混凝土管片的概况图
1．盾构的设计条件探讨
1)大直径、高水压的条件
(1）盾构的设计、制作
外径为14．14m的盾构设计和制作时的主要技术课题，乃是在高水压作用下能确保可靠的止水性。
图10 隧道管片结构图
(2）掘削（开挖）面上稳定性的管理手法
大型隧道掘进的地层较为复杂，因而为确保掘进的稳定性，要求在掘进过程中，获得较多的量测统计数值，以此来进行掘削面上稳定性的管理。
2）长距离掘进的条件
盾构隧道掘进距离的限度，是取决于盾构和泥水输送、掘削土砂处理设备的耐久性。本工程要求盾构在掘进2000～2500m后，在地层中对接接合，为了要实现这样长的距离掘进，必须对以下诸项内容进行探讨：
·切削刀头的耐摩性，耐久性的提高
·提高切削刀盘面板和外周面的耐磨性和耐久性
·要确保切削刀盘轴承处的止水性；要确保土砂密封、盾构与管片间的止水性并提高其耐磨性和耐久性
3）隧道的施工条件
作业环境、劳动条件的改善，避免危险作业。由于要对付操作者的不熟练性和年龄偏大，本隧道施工也不例外要求作业和成品的标准化、高效化和省力化。
(1）作业的自动化。盾构后尾、管片拼装处在14m高的空间作业，每块管片重量约有10t，是不能掉以轻心的。为使管片能在短时间内安全地进行拼装，要求采用自动化搬运、自动化拼装系统。
(2）开发在地层中对接接合的方法
在隧道施工中，分别从浮岛、川崎人工岛、木更津人工岛推出的盾构，在相向推进2000～2500m后，要求在隧道的中央区段的地层中实行对接接合。
在地层中接合时，为了确保止水性，多半采用作为相助工法的地基冻结工法。在本工程中实施盾构对接接合时，是尽可能把面对面的两台大盾构，按最近距离（面板之间距离仅有30cm）高精度地对接。由此可降低冻结土体的体积、缩短工期，也由此达到提高止水性能的目的。
2．在盾构设计、制作上的对策
1） 处在海底、高水压力下的掘进
(1）把根据水压力造成的各轴向力荷载，组成按直线、曲线各种工况，通过FEM分析计算，进行较详细的应力、应变验算，其结果要求盾构壳体钢板厚度达80mm。
(2）轴承处的土砂密封装置要具有耐压性、耐磨耗性，并且对黄油等润滑油脂等的耐化学性也需具备，是采用了可靠性高的氨基甲酸酯为材料的，多段形式带凸织的密封条。图11所示为此种土砂密封装置的构造断面图。
图11 土砂密封装置概要图
(3）盾尾密封，是设置了4段以不锈钢丝为主的刷子到密封条，以求得能耐高压水和耐盐分的侵蚀。同时为以防不测，在第一段和第二段之间（靠近开挖面一侧）的盾尾处，设置了紧急止水装置，从尾部进入地下水时，这种内胎式密封装置可通过水压作用而达到止水效果。
图12所示为盾尾密封和紧急止水装置图
图12 盾尾密封图
图13为自动相立拼装管片衬砌的流程图
图13 为自动相立拼装管片衬砌的流程图
(4）由于是处在海底下的盾构隧道，经受地下水和工作面的气体中的盐分侵蚀的某些机械部件，也面考虑定期抽查、更换措施。
2）超大断面管片衬砌的拼装
(1）在超大断面的盾构内，要搬运、拼装重量很大的管片块件（每块重量约10t）。为了确保管片拼装作业的安全、拼装作业的精度，就此引入自动化拼装机构。
于是，由管片供应装置、举重管装置和螺栓联接装置组成了管片自动化拼装运移机构，能按照预期目的控制这些机构，来完成隧道管片的拼装工序。
图14为举重管装置概念图
图14 举重臂装置概念图
图15为螺栓联结要领图
管片搬运装置是悬挂在盾构后面的操作台上方，搬送管片至举重臂可操作的位置上。环式举重管有进行旋转、伸缩、滑动等多种动作的功能，挟钳管片至决定的位置。
图15 螺栓联结要领图
螺栓联接装置，是将由举重臂定了位后的管片，用螺栓联接在一起的装置。这种联接装置在块与块之间螺栓联接(3根同时进行）用一台机，而处在环与环之间的螺栓联接则用两台机。
(2）为了防止拼装好的管片变形，在举重臂的后面装备了一台保持正圆的装置。此装置能在上下方向施加扩张力，便能对付2环管片由于自重作用而产生的分力。
3）长距离掘进
(1）过去在日本曾有过2．5km的闭胸式盾构掘进记录，那是一条直径仅为4．2m的燃气管隧道。本隧道盾构掘进长度设定为3．0km，且为大直径的海底地层中的隧道，其技术难度肯定要比前者大得多。首先对待切削刀头的耐磨耗性、耐缺损性，是选定了装有超硬度的合金刀块的平板式切削盘。此外为了提高切削性和保护主刀头为目的，而装配了先行刀头。再有，为了监视切削刀头的磨耗量，特装置了8个探测刀头。在超硬刀头内镶嵌有超声波传感器，所以能连续不断地测量唐耗量。
(2）为了防备不测事态发生，在切削圆盘中配置了固定式冻结管，作为能循环冻结的构造。
4）海底地层中的对接接合
(1）海底地层中的接合，是用于相向掘进的两台盾构，按相隔间距为300mm时进行对接接合。为此，到达接合位置时，切削圆盘的中央部分要向后滑动，把两台盾构作成尽量靠拢的构造。
(2）为了在盾构于地层中接合时能量测到盾构的实际位置，是采用探查钻孔进行的，而此钻孔装备是设置在盾构主体隔板上。
(3）当盾构在地层中接合时，必须事先做出把盾构内设备、构件撤空的计划。对遗留在地层中的盾构外壳部分，还是要作为具有足够强度的结构物而加以使用。
(4）地层中接合的辅助工法中，由于采用了冻结工法，则应按如下几点内容而加以考虑：
a．装置好打设放射冻结管用的导向套管设施，在盾构切削顶端、离开盾构主体外壳150mm的位置，在盾构外周1000mm的范围内可能进行冻结。
b．沿切削头面的外周、贴近盾壳钢板的内侧设置冻结管。
c．从盾构罩壳端部约2600mm区间，按圆周方向设置6排贴近盾构壳体的冻结管。
d. 在形成的冻土体内进行盾构机体拆卸作业时，为切断热源、避免造成对冻土的不利影响，在切削头面外周附近亦需要设置冻结管管道。
3．盾构掘进机基本构造和规格
外径14．14m的泥水加压式盾构掘进机是本隧道设计的前提，此种大直径盾构在设计、制造和组装方面的主要技术问题为如下三个内容：
·土砂密封系统和分段制造、然后组装的支承结构的可靠性；
·支承刀盘不致对土砂密封、支承或隔板产生超载作用；
·需要在垂直竖井中进行迅速地组装，井能保证组装后的准确度。
图16为泥水式盾构的基本构造图
图16 泥水式盾构
表3为盾构掘进机机内设备和有关装置的规格明细表
为盾构掘进机机内设备和有关装置的规格明细表 表3
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