編者按 隨著我國地鐵及城市輕軌交通的迅速發(fā)展,地下工程對于城市基礎設施的建設將具有十分重要的意義。在這一方面我國與西方發(fā)達國家存在著明顯的差距。為了有助于廣大讀者開闊思路,我刊本期介紹世界三大海底隧道工程。以后將陸續(xù)邀請相關專家邀請有關專家就地鐵及地下空間的開發(fā)等問題發(fā)表觀點。歡迎讀者踴躍來稿,參與爭鳴。
一、英法海峽隧道工程
橫穿英吉利海峽、連接英國與法國的海峽隧道工程的歷史可以追溯到1802 年。在這漫長時期中,經(jīng)過了許許多多次的嘗試,其中包括1880 年采用“博蒙特”號隧道掘進機、掘進長度已達2 km 的嘗試,今天一個用海底隧道連接英吉利海峽兩岸的構想終于成為現(xiàn)實。
長49 km 連接英國和法國的英法海峽隧道工程由三條隧道組成,于1987 年12 月開始動工,1993 年6 月對外運營開放。在整個隧道長度的走向中,直徑4. 8 m 的服務隧道居中,直徑7. 8 m 鐵路隧道位于兩側。建成后的鐵路隧道主要用于裝載乘客、汽車、特快列車和貨運慢車運行。總計長度147 km 的隧道,主要由11 臺具有高度自動化和ZED 激光導向特點的盾構掘進機擔任掘進施工。盾構掘進機后輔助設備車架長數(shù)百米,盾構掘進機晝夜不停地連續(xù)施工,推進速率達到1400 m/ mon 。當英法海峽隧道施工完成后,大多數(shù)盾構掘進機的施工距離都超過世界上已有的其它多數(shù)盾構掘進機設計施工的三倍多。
1991 年6 月29 日,投資128 億美元、總長約50 km 的英法海峽隧道全部鑿通。歐洲隧道公司是英法海峽隧道的業(yè)主,施工承包是英法TML 公司。英法隧道于1987 年開工,經(jīng)過7 年的努力,3 條平行隧道及配套工程于1993 年12 月12 日移交歐洲隧道公司。這項工程由于隧道工程的設計與施工方法的快速向前發(fā)展,使這項巨大工程在施工、安全、造價和工期等方面終于都取得了空前的成功。
英法海峽隧道采用TBM 施工法進行長距離、大斷面機械開挖施工成效顯著。特別是TBM 機型的確定, TBM 技術創(chuàng)新與進步,新型掘進機的技術性能和功能特征以及TBM 后車架配套設備優(yōu)化等技術環(huán)節(jié)起到了非常重要作用,其有效性也得到了證實。
英法海峽隧道是近l0 年來世界上規(guī)模最大、最宏偉的海底鐵路隧道之一。新一代的TBM 在施工中采用了最新的技術及設備,并創(chuàng)下了掘進新成就。
1) 采用TBM 掘進大斷面隧道長度達18532m(8 號TBM) 創(chuàng)世界之最; 2) 最大月進尺達1487m(9 號TBM) 創(chuàng)長大海底鐵路隧道施工掘進最好成績之一;
3) 在長大的海峽隧道中TBM 時間利用率提高到90 % , 整個系統(tǒng)的時間利用達到了60 % 的最好成績,也是最新紀錄;
4) 建造海底長大鐵路隧道采用混合機型TBM 嶄新技術的施工還屬首創(chuàng);
5) 由于最初的基本技術的應用得到了極大的變革,已與復雜地質條件下施工相適用, TBM 的適用性、可靠性和先進性在工程實踐中作用也得到證實;
6) 海峽隧道施工和運營的通風設置見圖1 。
圖1 英法海峽隧道施工和運營的通風設置
英法海峽隧道工程采用TBM 施工所取得的成效十分顯著,科技創(chuàng)新是新技術、新材料、新設備、新工藝、新結構施工生產(chǎn)應用的不可缺少環(huán)節(jié)。它具有明確的目的性、綜合性、系統(tǒng)性和可行性。它是TBM 新型號研制、系統(tǒng)設備配套和工藝流程等的創(chuàng)新過程,它已成為英法海峽隧道實現(xiàn)快速施工的基本要素。
英法海峽隧道采用TBM 法的技術創(chuàng)新和進步主要在以下方面取得進步:
1. TBM 主體功能的技術開發(fā)、技術創(chuàng)新導致英法海峽隧道修建成為可能,并使隧道施工技術水平和開挖能力得到迅速提高。新型的TBM 在混雜的地層條件下和破碎巖石中的成功作用,把TBM 的適用范圍推向一個新階段。
2. TBM 新型號研制所共有的綜合性能提高而出現(xiàn)的幾種特殊新功能:
1) 設計制造了能抵抗1 MPa 防水用密封裝置;
2) 吸盤式襯砌(或管片) 拼裝機具有雙臂雙作用;
3) 襯砌儲運就位系統(tǒng);
4) 長壽命的盤式刀具(混合地層條件下);
5) 多控的螺旋機串聯(lián)組合結構出碴系統(tǒng);
6) TBM 既能以開啟式作業(yè)又能以閉胸式作業(yè);
7) 不受襯砌的拼裝工序的影響而有連續(xù)開挖的功能;
8) “V”字形布置的推進千斤頂是跨在前后盾構殼體之間的縫隙處環(huán)板位置上,使TBM 轉彎或前進;
9) 主機內皮帶輸送機出碴,當有地下水浸入,該機具有快速縮回機構,且能將壓力艙隔板的開口自動關閉應急安全措施; 10) 4 號、5 號盾構掘進機的出渣系統(tǒng)用一套雙作用的旋轉器來作為壓力釋放裝置;
11) 使TBM 利用率提高到90 % 的關鍵措施是采用計算機來分析TBM 的運轉效果,并指出機電方面的故障問題,明確了機電維修保養(yǎng)目標;
12) TBM 的后方快速運輸系統(tǒng)的技術創(chuàng)新。
3. TBM 施工中實際位置與理論中線間的偏差控制采用了創(chuàng)新技術:
英法海峽隧道建成,不但再現(xiàn)了其無以倫比的TBM 技術,而且還向人們展示了TBM 技術發(fā)展所取得的驚世成就。其成功關鍵因素,是致力于TBM 技術追求多樣化技術的有機融合而不僅僅是技術突破。這一點在研究、設計、工程和持續(xù)改進等各個環(huán)節(jié)中看到。其結果使英法海峽隧道工程建設優(yōu)質高效完成,而且海峽隧道的修建標志著TBM 施工技術的最新水平,也是融合英法美日德等國家TBM 施工技術于一體的最高成就。
(據(jù)上海隧道施工技術研究所科技情報室提供)
二、日本東京灣公路隧道設計與施工
橫貫東京灣公路的建造,其意義和作用非常大,它把位于日本首都國內的干線公路—東京灣海岸公路、東京外圍環(huán)形公路、首都中央聯(lián)絡汽車道路和東關東汽車道路聯(lián)成一體,構成為廣闊領域的干線公路網(wǎng)。
東京灣公路幾乎處在海灣的中間部位,把西面的神奈川縣和東面的千葉縣的木更津市聯(lián)結在一起, 成為全長為15. 1 km 的汽車專用道路。
橫貫東京灣公路是一項海上工程,氣勢宏大的施工規(guī)模,對于困難的自然條件(包括地質、氣候和地震等) 以及嚴格的規(guī)劃限制(指海上擁擠不堪的航運和環(huán)境保護) 等諸多因素均要求采取對策。
從1966 年日本的建設省開始調查起,經(jīng)1976 年日本道路公團繼續(xù)進行調查,于1986 年成立了橫貫東京灣公路工程公司。到1989 年著手建設該工程,直到1996 年8 月完成全線工程。整個工程概況如表所示。
全長為15. 1 km 的東京灣公路,其海上部分由三大段組成:一為船舶航行較多的川崎側,長為9. 1 km 的海底盾構隧道;二為處在水深較淺的木更津側,長為4. 4 km 的海上橋梁;三為川崎側岸邊浮島的引道部分。為了縮短盾構的掘進距離,于9. 9 km 隧道段的海上部分的中間處筑造了川崎人工島。此人工島的筑造,是供隧道盾構向東、西兩個方向推出4 臺盾構;而在隧道的東端、聯(lián)接橋梁的西端處,也筑造了木更津人工島。從此島上的沉井中向西推出2 臺盾構,和由川崎人工島沉井中向東推出的2 臺盾構在東側的海底地層中對接接合;而從川崎人工島沉井中向西推出的2 臺盾構, 和從浮島部分沉井中向東推出的2 臺盾構,在西側海底地層中對接接合。整條長度為9. 1 km 的海底隧道建造,是由8 臺直徑為14. 14 m 的超大型泥水式土壓平衡盾構在海底地層中穿越接通。此類盾構掘進機,長為13. 5 m 、重達3200 t , 實屬世界上最大級的盾構機械。
隧道行車按每只盾構為同向雙車道通行,兩來兩去,規(guī)劃要求是6 車道,也即將來還要增推一條相同規(guī)模的隧道。
橫貫東京灣公路工程的分類包括人工島、隧道和橋梁三大部分。
從工程的易難度的次序來分,人工島的筑造是問題最多、技術難度較大的結構物,特別是在地基改善工法中的疑難雜癥內容甚多。而隧道工法由于在日本這幾年來一直處于有成功的業(yè)績出現(xiàn),這兩方面的工程內容,是橫貫公路結構物的骰胳組成部分,尤其是海底隧道工程占到整個工程的大部分。而反映在隧道的設計、施工中都體現(xiàn)了隧道工程規(guī)模的龐大、施工技術難度的高深。其中提出了不少前所未有的新技術、新工藝,有的是通過相當規(guī)模的試驗、研究,最后應用到工程施工中去,取得了相當大的成績,其施工實施要點:
表1 橫貫東京灣公路的主要特征表
公路名稱:橫貫東京灣的公路
公路命名:409 號國有公路
區(qū)間:從川崎的浮島至木更津人工島
總長:15. 1 km
設計速度:80 km/ h
設計荷載: TL —20 t 和TT —43 t
寬度、車道數(shù):3. 5 m ×4 車道(每個方向雙車道);將來擴寬為6 車道
工程項目:隧道,橋梁及人工島
工程費用:大約11500 億日元
施工期限;從1986 年財政年度起約10 年
計劃交通量: 竣工后20 年內每天通行64000 輛(每天運營通行33000 輛)
1) 快速施工; 2) 施工中的各種機械裝備采用自動化裝置; 3) 在高精度的定向控制方法的基礎上,進行相向推進的盾構,實施自動化對接; 4) 管片拼裝作業(yè)自動化,管片拼裝作業(yè)和內襯澆筑砼同步施工。
此外,隧道工程的掘進是在長距離、高水壓的軟弱粘土層中進行的,條件之苛刻也是世界隧道掘進史上所少有的, 尤其是在掘進了2000～2500 m 后,兩臺面對面的大盾構在海底地層中實施對接,并達到了預期的效果,亦是盾構掘進史上值得稱頌的,令同行刮目相看的。
三、丹麥斯多貝爾特大海峽隧道工程
多年以來,丹麥人的一個心愿是在斯多貝爾特大海峽下修建一條水下通道,用一條固定的公路和鐵路將西面的菲英島和東面的西蘭島連接起來。
1986 年,丹麥政府決定將人們的愿望變?yōu)楝F(xiàn)實。
丹麥境內連接菲英島與西蘭島、丹麥首都哥本哈根之間交通的斯多貝爾特大海峽連接工程,是丹麥建筑史上最大的土木工程,也是當前世界三大隧道工程之一。該工程對隧道事業(yè)的建設和發(fā)展具有很大的影響,有助于丹麥將公路、鐵路交通網(wǎng)貫通全國,將來也有助于交通網(wǎng)連接丹麥、瑞典和歐洲大陸。斯多貝爾特大海峽連接工程對丹麥影響的重大程度,并不亞于英法海峽隧道工程對英國和法國的影響程度。
位于丹麥斯多貝爾特至日德蘭半島本土的大海峽,是一條繁忙的海上通道,見圖1 。不僅用于丹麥東部和西部之間的客運和貨運,而且也是波羅的海諸國通至北海的主要航線。大海峽寬18 km , 中央的斯普羅小島將大海峽分為兩條海峽航道,即東面海峽航道和西面海峽航道,國際航線使用東面深水海峽航道。
圖1 大海峽連接工程將菲英島、西蘭島同丹麥本土連接成一個完整的運輸系統(tǒng)
橫穿丹麥境內斯多貝爾特大海峽的連接工程建設分為三個階段。
第一階段將包括建設兩條暗挖法圓斷面鐵路隧道,穿越東面深水航道,于1995 年竣工。該隧道出口設在大海峽中央的斯普羅島,與橫跨西面航道的公路、鐵路大橋連接。
斯多貝爾特大海峽隧道工程是20 世紀最困難的隧道工程之一,其最主要的問題是在最低區(qū)段將承受泥灰?guī)r裂隙中的高水壓,最大靜水壓力達8 ×105 Pa , 采用井點降水,降低地下水壓,為盾構施工創(chuàng)造了條件。
第二階段是建設橫跨西面航道的公路、鐵路雙層大橋。西面航道大橋長約6. 6 km , 大橋跨越斯普羅島以西海域,連接斯普羅島和菲英島,這是一座鋼筋混凝土公路、鐵路兩用橋。該橋由四車道公路橋和雙線鐵路橋并列組成。橋下凈空18 m , 橋底面為扁拱形。兩大橋共有110 m 跨距的橋孔51 個,82 m 跨距的橋孔12 個。上部結構、橋墩和基礎均在岸上預制,然后浮運就位安裝架設。最大運輸重量達6000 t 。為了使該島能容納同公路、鐵路雙層大橋連接的隧道出口、連接坡道、碼頭和大橋的眾多橋臺,工程首先在斯普羅島進行填筑擴建。西面大橋工程于1989 年6 月開工,1995 年與大海峽隧道工程同時竣工。1996 年鐵路隧道對外運營開放。
大海峽連接工程的第三階段,是建設一座橫跨東面深水航道的高架大橋。該橋全長約6. 8 km , 其中間部分為4 車道懸索橋。中間懸索橋部分總共3 跨,中間橋跨1624 m , 兩邊橋跨各535 m 。這3 跨均為鋼梁。兩座高260 m 的橋塔采用鋼結構和鋼筋混凝土結構。兩端引橋的兩種選擇為32 孔、124 m 跨距的鋼筋混凝土梁或24 孔、168 m 跨距的鋼梁。
東大橋施工方法采用與西大橋相似的預制、浮運就位、安裝架設橋墩和上部結構的方案。所有工程建設目標分兩步實現(xiàn),1993 年春季鐵路通車,1996 年春季公路交付運營。
丹麥海峽工程是巨大的。跨越東部海峽的是懸索橋,中間跨長1668 m , 距水面高度65 m , 兩者均為最高記錄。越海工程總造價按1990 年的價格計算約為220 億丹麥克朗(約合35 億美元),需耗工50000 人/a 。在這些費用中,直接的工程費(保守的計算) 153 億丹麥克朗(26. 5 億美元) 。整個工程至少需要7000 人。高架公路大橋于1996 年對外營運開放,見圖2 。
圖2 兩條暗挖法圓斷面鐵路隧道和一座高架公路大橋穿越東面深水航道
大海峽連接工程全部竣工之后,海底隧道和海上大橋的運載能力,達到了工程竣工前船運的兩倍。列車通過海底鐵路隧道僅需7 min , 汽車通過越海線也只11 min , 相比輪渡幾乎節(jié)省約75 min 。對汽車司機和鐵路乘客們來說,節(jié)省了大量的寶貴時間。1996 年開始每天有13000 輛汽車和200 列火車通過越海大橋和海底鐵路隧道,行車密度增大了一倍。
斯多貝爾特工程的費用來自于丹麥和其他國家的貸款, 并由政府提供擔保。按1988 年物價,該工程的總造價為220 億丹麥克朗(約合人民幣280 億元),如果考慮金融和物價上漲因素,總造價為380 億丹麥克朗(人民幣490 億元) 。其中,東面海峽隧道的費用約占28 % , 橋梁約占34 % ; 西面海峽橋梁約占23 % ; 其余15 % 用于地面設施、鐵軌鋪設和斯普羅島上工程。如果采用造價/ 人口比的統(tǒng)計方法,斯多貝爾特大海峽工程是當今世界上建筑工程中最大的一個土木工程,它比英法海峽隧道要大六倍以上。實際上,斯多貝爾特大海峽越海通道是連接斯堪的納維亞國家與歐洲大陸的最主要通道。
