编者按 随着我国地铁及城市轻轨交通的迅速发展,地下工程对于城市基础设施的建设将具有十分重要的意义。在这一方面我国与西方发达国家存在着明显的差距。为了有助于广大读者开阔思路,我刊本期介绍世界三大海底隧道工程。以后将陆续邀请相关专家邀请有关专家就地铁及地下空间的开发等问题发表观点。欢迎读者踊跃来稿,参与争鸣。
一、英法海峡隧道工程
横穿英吉利海峡、连接英国与法国的海峡隧道工程的历史可以追溯到1802 年。在这漫长时期中,经过了许许多多次的尝试,其中包括1880 年采用“博蒙特”号隧道掘进机、掘进长度已达2 km 的尝试,今天一个用海底隧道连接英吉利海峡两岸的构想终于成为现实。
长49 km 连接英国和法国的英法海峡隧道工程由三条隧道组成,于1987 年12 月开始动工,1993 年6 月对外运营开放。在整个隧道长度的走向中,直径4. 8 m 的服务隧道居中,直径7. 8 m 铁路隧道位于两侧。建成后的铁路隧道主要用于装载乘客、汽车、特快列车和货运慢车运行。总计长度147 km 的隧道,主要由11 台具有高度自动化和ZED 激光导向特点的盾构掘进机担任掘进施工。盾构掘进机后辅助设备车架长数百米,盾构掘进机昼夜不停地连续施工,推进速率达到1400 m/ mon 。当英法海峡隧道施工完成后,大多数盾构掘进机的施工距离都超过世界上已有的其它多数盾构掘进机设计施工的三倍多。
1991 年6 月29 日,投资128 亿美元、总长约50 km 的英法海峡隧道全部凿通。欧洲隧道公司是英法海峡隧道的业主,施工承包是英法TML 公司。英法隧道于1987 年开工,经过7 年的努力,3 条平行隧道及配套工程于1993 年12 月12 日移交欧洲隧道公司。这项工程由于隧道工程的设计与施工方法的快速向前发展,使这项巨大工程在施工、安全、造价和工期等方面终于都取得了空前的成功。
英法海峡隧道采用TBM 施工法进行长距离、大断面机械开挖施工成效显著。特别是TBM 机型的确定, TBM 技术创新与进步,新型掘进机的技术性能和功能特征以及TBM 后车架配套设备优化等技术环节起到了非常重要作用,其有效性也得到了证实。
英法海峡隧道是近l0 年来世界上规模最大、最宏伟的海底铁路隧道之一。新一代的TBM 在施工中采用了最新的技术及设备,并创下了掘进新成就。
1) 采用TBM 掘进大断面隧道长度达18532m(8 号TBM) 创世界之最; 2) 最大月进尺达1487m(9 号TBM) 创长大海底铁路隧道施工掘进最好成绩之一;
3) 在长大的海峡隧道中TBM 时间利用率提高到90 % , 整个系统的时间利用达到了60 % 的最好成绩,也是最新纪录;
4) 建造海底长大铁路隧道采用混合机型TBM 崭新技术的施工还属首创;
5) 由于最初的基本技术的应用得到了极大的变革,已与复杂地质条件下施工相适用, TBM 的适用性、可靠性和先进性在工程实践中作用也得到证实;
6) 海峡隧道施工和运营的通风设置见图1 。
图1 英法海峡隧道施工和运营的通风设置
英法海峡隧道工程采用TBM 施工所取得的成效十分显著,科技创新是新技术、新材料、新设备、新工艺、新结构施工生产应用的不可缺少环节。它具有明确的目的性、综合性、系统性和可行性。它是TBM 新型号研制、系统设备配套和工艺流程等的创新过程,它已成为英法海峡隧道实现快速施工的基本要素。
英法海峡隧道采用TBM 法的技术创新和进步主要在以下方面取得进步:
1. TBM 主体功能的技术开发、技术创新导致英法海峡隧道修建成为可能,并使隧道施工技术水平和开挖能力得到迅速提高。新型的TBM 在混杂的地层条件下和破碎岩石中的成功作用,把TBM 的适用范围推向一个新阶段。
2. TBM 新型号研制所共有的综合性能提高而出现的几种特殊新功能:
1) 设计制造了能抵抗1 MPa 防水用密封装置;
2) 吸盘式衬砌(或管片) 拼装机具有双臂双作用;
3) 衬砌储运就位系统;
4) 长寿命的盘式刀具(混合地层条件下);
5) 多控的螺旋机串联组合结构出碴系统;
6) TBM 既能以开启式作业又能以闭胸式作业;
7) 不受衬砌的拼装工序的影响而有连续开挖的功能;
8) “V”字形布置的推进千斤顶是跨在前后盾构壳体之间的缝隙处环板位置上,使TBM 转弯或前进;
9) 主机内皮带输送机出碴,当有地下水浸入,该机具有快速缩回机构,且能将压力舱隔板的开口自动关闭应急安全措施; 10) 4 号、5 号盾构掘进机的出渣系统用一套双作用的旋转器来作为压力释放装置;
11) 使TBM 利用率提高到90 % 的关键措施是采用计算机来分析TBM 的运转效果,并指出机电方面的故障问题,明确了机电维修保养目标;
12) TBM 的后方快速运输系统的技术创新。
3. TBM 施工中实际位置与理论中线间的偏差控制采用了创新技术:
英法海峡隧道建成,不但再现了其无以伦比的TBM 技术,而且还向人们展示了TBM 技术发展所取得的惊世成就。其成功关键因素,是致力于TBM 技术追求多样化技术的有机融合而不仅仅是技术突破。这一点在研究、设计、工程和持续改进等各个环节中看到。其结果使英法海峡隧道工程建设优质高效完成,而且海峡隧道的修建标志着TBM 施工技术的最新水平,也是融合英法美日德等国家TBM 施工技术于一体的最高成就。
(据上海隧道施工技术研究所科技情报室提供)
二、日本东京湾公路隧道设计与施工
横贯东京湾公路的建造,其意义和作用非常大,它把位于日本首都国内的干线公路—东京湾海岸公路、东京外围环形公路、首都中央联络汽车道路和东关东汽车道路联成一体,构成为广阔领域的干线公路网。
东京湾公路几乎处在海湾的中间部位,把西面的神奈川县和东面的千叶县的木更津市联结在一起, 成为全长为15. 1 km 的汽车专用道路。
横贯东京湾公路是一项海上工程,气势宏大的施工规模,对于困难的自然条件(包括地质、气候和地震等) 以及严格的规划限制(指海上拥挤不堪的航运和环境保护) 等诸多因素均要求采取对策。
从1966 年日本的建设省开始调查起,经1976 年日本道路公团继续进行调查,于1986 年成立了横贯东京湾公路工程公司。到1989 年着手建设该工程,直到1996 年8 月完成全线工程。整个工程概况如表所示。
全长为15. 1 km 的东京湾公路,其海上部分由三大段组成:一为船舶航行较多的川崎侧,长为9. 1 km 的海底盾构隧道;二为处在水深较浅的木更津侧,长为4. 4 km 的海上桥梁;三为川崎侧岸边浮岛的引道部分。为了缩短盾构的掘进距离,于9. 9 km 隧道段的海上部分的中间处筑造了川崎人工岛。此人工岛的筑造,是供隧道盾构向东、西两个方向推出4 台盾构;而在隧道的东端、联接桥梁的西端处,也筑造了木更津人工岛。从此岛上的沉井中向西推出2 台盾构,和由川崎人工岛沉井中向东推出的2 台盾构在东侧的海底地层中对接接合;而从川崎人工岛沉井中向西推出的2 台盾构, 和从浮岛部分沉井中向东推出的2 台盾构,在西侧海底地层中对接接合。整条长度为9. 1 km 的海底隧道建造,是由8 台直径为14. 14 m 的超大型泥水式土压平衡盾构在海底地层中穿越接通。此类盾构掘进机,长为13. 5 m 、重达3200 t , 实属世界上最大级的盾构机械。
隧道行车按每只盾构为同向双车道通行,两来两去,规划要求是6 车道,也即将来还要增推一条相同规模的隧道。
横贯东京湾公路工程的分类包括人工岛、隧道和桥梁三大部分。
从工程的易难度的次序来分,人工岛的筑造是问题最多、技术难度较大的结构物,特别是在地基改善工法中的疑难杂症内容甚多。而隧道工法由于在日本这几年来一直处于有成功的业绩出现,这两方面的工程内容,是横贯公路结构物的骰胳组成部分,尤其是海底隧道工程占到整个工程的大部分。而反映在隧道的设计、施工中都体现了隧道工程规模的庞大、施工技术难度的高深。其中提出了不少前所未有的新技术、新工艺,有的是通过相当规模的试验、研究,最后应用到工程施工中去,取得了相当大的成绩,其施工实施要点:
表1 横贯东京湾公路的主要特征表
公路名称:横贯东京湾的公路
公路命名:409 号国有公路
区间:从川崎的浮岛至木更津人工岛
总长:15. 1 km
设计速度:80 km/ h
设计荷载: TL —20 t 和TT —43 t
宽度、车道数:3. 5 m ×4 车道(每个方向双车道);将来扩宽为6 车道
工程项目:隧道,桥梁及人工岛
工程费用:大约11500 亿日元
施工期限;从1986 年财政年度起约10 年
计划交通量: 竣工后20 年内每天通行64000 辆(每天运营通行33000 辆)
1) 快速施工; 2) 施工中的各种机械装备采用自动化装置; 3) 在高精度的定向控制方法的基础上,进行相向推进的盾构,实施自动化对接; 4) 管片拼装作业自动化,管片拼装作业和内衬浇筑砼同步施工。
此外,隧道工程的掘进是在长距离、高水压的软弱粘土层中进行的,条件之苛刻也是世界隧道掘进史上所少有的, 尤其是在掘进了2000～2500 m 后,两台面对面的大盾构在海底地层中实施对接,并达到了预期的效果,亦是盾构掘进史上值得称颂的,令同行刮目相看的。
三、丹麦斯多贝尔特大海峡隧道工程
多年以来,丹麦人的一个心愿是在斯多贝尔特大海峡下修建一条水下通道,用一条固定的公路和铁路将西面的菲英岛和东面的西兰岛连接起来。
1986 年,丹麦政府决定将人们的愿望变为现实。
丹麦境内连接菲英岛与西兰岛、丹麦首都哥本哈根之间交通的斯多贝尔特大海峡连接工程,是丹麦建筑史上最大的土木工程,也是当前世界三大隧道工程之一。该工程对隧道事业的建设和发展具有很大的影响,有助于丹麦将公路、铁路交通网贯通全国,将来也有助于交通网连接丹麦、瑞典和欧洲大陆。斯多贝尔特大海峡连接工程对丹麦影响的重大程度,并不亚于英法海峡隧道工程对英国和法国的影响程度。
位于丹麦斯多贝尔特至日德兰半岛本土的大海峡,是一条繁忙的海上通道,见图1 。不仅用于丹麦东部和西部之间的客运和货运,而且也是波罗的海诸国通至北海的主要航线。大海峡宽18 km , 中央的斯普罗小岛将大海峡分为两条海峡航道,即东面海峡航道和西面海峡航道,国际航线使用东面深水海峡航道。
图1 大海峡连接工程将菲英岛、西兰岛同丹麦本土连接成一个完整的运输系统
横穿丹麦境内斯多贝尔特大海峡的连接工程建设分为三个阶段。
第一阶段将包括建设两条暗挖法圆断面铁路隧道,穿越东面深水航道,于1995 年竣工。该隧道出口设在大海峡中央的斯普罗岛,与横跨西面航道的公路、铁路大桥连接。
斯多贝尔特大海峡隧道工程是20 世纪最困难的隧道工程之一,其最主要的问题是在最低区段将承受泥灰岩裂隙中的高水压,最大静水压力达8 ×105 Pa , 采用井点降水,降低地下水压,为盾构施工创造了条件。
第二阶段是建设横跨西面航道的公路、铁路双层大桥。西面航道大桥长约6. 6 km , 大桥跨越斯普罗岛以西海域,连接斯普罗岛和菲英岛,这是一座钢筋混凝土公路、铁路两用桥。该桥由四车道公路桥和双线铁路桥并列组成。桥下净空18 m , 桥底面为扁拱形。两大桥共有110 m 跨距的桥孔51 个,82 m 跨距的桥孔12 个。上部结构、桥墩和基础均在岸上预制,然后浮运就位安装架设。最大运输重量达6000 t 。为了使该岛能容纳同公路、铁路双层大桥连接的隧道出口、连接坡道、码头和大桥的众多桥台,工程首先在斯普罗岛进行填筑扩建。西面大桥工程于1989 年6 月开工,1995 年与大海峡隧道工程同时竣工。1996 年铁路隧道对外运营开放。
大海峡连接工程的第三阶段,是建设一座横跨东面深水航道的高架大桥。该桥全长约6. 8 km , 其中间部分为4 车道悬索桥。中间悬索桥部分总共3 跨,中间桥跨1624 m , 两边桥跨各535 m 。这3 跨均为钢梁。两座高260 m 的桥塔采用钢结构和钢筋混凝土结构。两端引桥的两种选择为32 孔、124 m 跨距的钢筋混凝土梁或24 孔、168 m 跨距的钢梁。
东大桥施工方法采用与西大桥相似的预制、浮运就位、安装架设桥墩和上部结构的方案。所有工程建设目标分两步实现,1993 年春季铁路通车,1996 年春季公路交付运营。
丹麦海峡工程是巨大的。跨越东部海峡的是悬索桥,中间跨长1668 m , 距水面高度65 m , 两者均为最高记录。越海工程总造价按1990 年的价格计算约为220 亿丹麦克朗(约合35 亿美元),需耗工50000 人/a 。在这些费用中,直接的工程费(保守的计算) 153 亿丹麦克朗(26. 5 亿美元) 。整个工程至少需要7000 人。高架公路大桥于1996 年对外营运开放,见图2 。
图2 两条暗挖法圆断面铁路隧道和一座高架公路大桥穿越东面深水航道
大海峡连接工程全部竣工之后,海底隧道和海上大桥的运载能力,达到了工程竣工前船运的两倍。列车通过海底铁路隧道仅需7 min , 汽车通过越海线也只11 min , 相比轮渡几乎节省约75 min 。对汽车司机和铁路乘客们来说,节省了大量的宝贵时间。1996 年开始每天有13000 辆汽车和200 列火车通过越海大桥和海底铁路隧道,行车密度增大了一倍。
斯多贝尔特工程的费用来自于丹麦和其他国家的贷款, 并由政府提供担保。按1988 年物价,该工程的总造价为220 亿丹麦克朗(约合人民币280 亿元),如果考虑金融和物价上涨因素,总造价为380 亿丹麦克朗(人民币490 亿元) 。其中,东面海峡隧道的费用约占28 % , 桥梁约占34 % ; 西面海峡桥梁约占23 % ; 其余15 % 用于地面设施、铁轨铺设和斯普罗岛上工程。如果采用造价/ 人口比的统计方法,斯多贝尔特大海峡工程是当今世界上建筑工程中最大的一个土木工程,它比英法海峡隧道要大六倍以上。实际上,斯多贝尔特大海峡越海通道是连接斯堪的纳维亚国家与欧洲大陆的最主要通道。
