隧道博客裡-順頌平台
 

1993年 英法海峽隧道:隧道掘進施工(四)

作者:阿樓編譯   阿樓博客裡  2003/5/29 23:54:00   来源:阿樓翻译
    英法海峽隧道工程由三條平行隧道構成,相鄰隧道中心軸線相隔15m。兩條單線鐵路區間隧道內徑7.6m;中間一條服務隧道內徑4.8m。每條隧道長47km,其中37km建在海底。三條隧道之間由橫向通道連接。這有利於隧道撤空、電器設備安裝、泵站建設和隧道內的氣流迴圈。
  法國一側的英法海峽隧道工程在布欣克地區開始動工,布欣克地區距海岸僅3200m。隧道穿越海岸東面的桑加特村莊,計畫在距桑加特隧道工作井15.8km的海底深處,同英國一側的隧道進行對接。
  (一)盾構初始推進
  在膨潤土水泥防水牆內,建造一個直徑55m、深65m的工作井。這樣的設計能確保在乾燥條件下開始工程建設,也能進行自動化工業裝卸設備的安裝。
盾構掘進機部件從地面吊入工作井進行安裝。起初盾構掘進機長度為190m,然後逐漸增長至240m。這個新建工作井隨後改為施工人員的進人口。
  1.經由地質情況
  法國一側海峽隧道都在白堊泥灰岩地層中掘進施工。白堊泥灰岩在多佛和桑加特之間形成一個連續不斷的均勻厚層,白堊泥灰岩層和下部的白堊紀砂岩層之間被泥灰質粘土層分開。海底隧道線路設置在藍色白堊岩床上,藍色白堊岩床屬塑性地層、中等滲透,粘土約占25%,適合於盾構掘進機開挖地工。這種藍色白堊岩地層在將近法國海岸時,就急劇下降到海岸下面,而隧道則往上穿越上層具有滲透性的灰色和白色的白堊層,一直通至隧道出口處。
  總體上講,法國一側的海底地質情況要比英國一側的複雜,而且又擁有多處斷層,海底隧道線路穿越多處含水的藍色白堊地層。該處地層傾角從英吉利海峽北面起開始逐漸增大。
  2.技術措施
  在隧道掘進中,採用了能進行閉胸式施工的盾構掘進機,因為這種盾構掘進機能在惡劣地層或含水地層中施工,無需事先實施地基加固處理。在海底複雜地層中施工時,使用混合式盾構掘進機。這種盾構掘進機在良好地層中能轉換成開啟式進行高速施工。
  當地層水壓力高或條件差時,採用閉胸式盾構法施工,用液壓千斤頂推在盾尾已拼裝好的隧道襯砌上,使盾構掘進機向前推進。這些後位推進千斤頂固定在裝有套筒頭的前部盾構上。
  當地質條件良好和水壓降低或無水壓時。採用開啟式盾構法施工。盾構掘進機通過後盾上的側向液壓撐腳向前推進,隧道開挖掘進是套筒式可延伸切削頭沿線向鑽進。每次推進工作結束,側向液壓撐腳就縮回,盾構再推離已拼裝好的襯砌管片,向前移進。這些襯砌管片是在盾構開挖時拼裝的。
  五台盾構掘進機在桑加特隧道工作井內安裝。三台盾構掘進機從桑加特隧道工作井朝海底方向掘進,在15800m處同英國一側的盾構掘進機對接。另兩台盾構掘進機用於法國一側的陸地隧道,第一台盾構掘進機為服務隧道掘進3200m才能抵達隧道出口,第二台盾構掘進機用於兩條鐵路區間隧道的掘進。
  3.服務隧道超前探測作用
  服務隧道在英法海峽隧道工程中起著超前導洞的作用。在盾構掘進機裏面,實施掘進鑽探和對地層特性進行量測,並記錄地質條件情況。同時也在盾構掘進機後面進行調查研究,以查明位於上部的藍色白堊地層和位於下部的泥灰質粘土層等地質情況。
  在隧道掘進施工中,遭遇極其惡劣的地層和盾構掘進機發生問題時,根據需要對隧道實施全斷面注漿加固。橫向通道施工時,也同樣可在服務隧道裏,向鐵路區間隧道的路線上進行注漿加固。這種施工設備也用於對連接鐵路區間隧道的橫向通道路線進行注漿加固。
  隧道襯砌採用預製鋼筋混凝土管片,襯砌周邊上設置氯丁橡膠接頭。盾構向前推進時。對隧道襯砌和地層之間的環形空間進行注漿,以確保隧道襯砌圓環在原地牢固地穩定住。注漿是通過設在盾尾部位的管道,直接對盾構掘進機後面進行注漿加固。
  盾構全斷面切削大刀盤在電動馬達的驅動下,進行開挖掘進。旋轉切削大刀盤上配置8條扭臂,上面裝有一些中心切削刀頭。扭臂和中心切削刀頭用於支撐並切削地層斷面。8條扭臂的未端裝有刮鑿,用於刮鑿地層和開挖艙內堆聚泥土。朝陸地方向推進的盾構掘進機配置一個中央螺旋輸送機,有利於在潮濕地層施工時,移去白堊層土塞。
  在陸地一側的隧道,旋轉切削刀盤由整體盾構帶動,隧道長度在圓體盾尾後面延伸,預製襯管片就在盾尾內拼裝。旋轉切削刀盤、盾構和盾尾在掘進施工時,是通過液壓千斤頂推離已經拼裝好的隧道襯砌,向前移動。
  在海底一側的隧道,旋轉切削刀盤由盾構前部導向控制的套筒式切削頭帶動,液壓千斤頂對盾構的後面部分施加壓力。後部盾構四置惻向液壓撐腳,在盾尾內進行襯砌管片拼裝,並向前推進。
  隧道掘進施工表明,白堊地層的狀況有著相當大的差別,差別取決於地層中的粘土和含水量、斷層的地下水狀況。這就德要在盾構切削頭機械工具的定位和掘進方法等方面多加完善。
  其他的適應改進措施也是必不可少的。特別是碰到相當乾旱的地層,需要採取幹出土。這種相同情形也可能存在於英國一側的藍色堊地層中。
  (二)盾構穿越含水斷裂層
  英法海峽隧道工程施工的全部長度中,除由6台盾構掘進機施工的隧道工程長度以外,還需要設置一些其他長度的隧道工程。其中,橫向通道有306段(總長2.8km)和在中間服務隧道頂端跨越過去的、直徑2m的活塞式泄壓風道工程(總長2.5km)。英法海峽下面設有兩座泵站,一座建設在6km處,另一座建設在13km處。這些複雜的結構,包括一個與上面三條隧道成直角的集水井,隧道之間設有兩個泵房。
  所有的盾構掘進機運轉良好,但海底服務隧道推進到1km後,遇上極其難以對付的地層。水流通過嚴重開裂的地層,沖刷著四周的碎石泥塊,導致地層形成楔形狀,直接坍落在盾構掘進機的尾部。針對這種情況,即採用"指狀"支撐,但是,襯砌被漲開時,這種支撐會不斷陷落、歪扭和拉落。
  為解決這個難題,在指狀支撐之間,設置了不銹鋼板。然而,這種技術措施僅在5km外意外得到改善地層裏相當有效。海峽鐵路區間隧道在相同地段中,也經歷了甚至更加嚴重的困境。有效的技術措施是在盾構施工的服務隧道裏,朝這個地層注射以二氧化矽為主體的化學裝。盾構化學注漿的最後效果是盾構最後700m掘進時,在情況更加嚴重的地層中形成一個保護外殼。;
  兩種不同類型的盾構掘進機,其管片的提升用銷釘位置也不同。詹姆斯·豪登公司的盾構掘進機,使用兩只有角度的銷釘,用液壓動力將其串入管片。羅賓斯/馬卡海姆公司的盾構掘進機的管片則使用設置單只銷釘。
  另一個日益嚴重的問題,是碎石泥塊墜落或被水流沖刷到盾構掘進機的機頂上,並自然堆積在盾構掘進機外殼上。外殼上的碎石泥塊又被擠壓成人造岩塊。必須用氣鏟將這些堅硬的人造岩塊剷除,因而延長了圓環襯砌的施工時間。為徹底消除自然堆土,應用了有彈簧裝置的刮土器。
  (三)盾構掘進效率
    盾構掘進機一直處在工作狀態,第一條陸地方向的隧道於1989年4月鑿通。陸地方向的4號區間段服務隧道盾構掘進機,在3Pa壓力下的含水地層中,其安全可靠的掘進工作效率得到驗證,並在隧道鑿通前最後一個月施工中,又創下了月度掘進887m的紀錄。1號區間段海底服務隧道盾構層進機,在艱難通過難以對付的地層之後,每月可保持掘進50多米的平均速率。
  2號和3號區間段海底鐵路隧道的盾構掘進機,設法通過灰白堊地層,並解決了粘稠土層的開挖問題,未讓粘稠土充塞盾構切削刀盤。由於服務隧道的施工經驗,鐵路區間隧道施工獲得了一個令人滿意的掘進速度。2號區間段北面隧道盾構掘進機,在隧道掘進施工第6個月中,月推進350m。3號區間段南面隧道盾構掘進機,從第二個月起月推進200m。
  全斷面密封艙盾構掘進機能確保高速隧道施工。朝海底方向推進的隧道在開啟式盾構法施工時,推進速率達4.4m/h;在閉胸式盾構法施工時,當盾構掘進機承受最大壓力達1.1Mpa的條件下,推進速率為3m/h。從法國桑加特豎井工地向陸地方向推進時,服務隧道的盾構推進速率為3.5m/h;兩條鐵路區間隧道的盾構推進速度為3m/h。
  英法海峽隧道工程掘進的速率不斷變化著。但海底服務隧道的每週平均掘進速度在150~250m之間,而海底鐵路區間隧道的每週掘進速度為265m。
  施工進度能達到這樣高的效率,關鍵是對盾構掘進機的有效使用率,如螺栓對準機械和電氣問題等實施了電腦分析,再制定機械保養和維修的指標。由於應用了電腦,盾構掘進機有效使用率達到了90%。盾構專家認為,長距離隧道的整個掘進系統,其有效使用率達到60%是最合適的。儘管遇到這種或那種困難,但盾構掘進機仍然按原定計劃在1991年年中完成掘進施工。
  (四)服務隧道海底會合和鐵路區間隧道貫通情況
  服務隧道挖掘進入法國境內,法國一側的隧道掘進機避讓到一側,讓英國一側隧道掘進機向前掘進靠近貫通點。英國一側的海底服務隧道同法國一側的隧道會合還剩100m時,英國盾構掘進機上的試探鑽繼續向前鑽進,直到同法國一側的盾構掘進機接頭為止。對鑽機鑿通的位置進行了量測,英法兩側隧道平面位置相差0.5m,隧道的高程位置相差僅50mm。英法海峽隧道工程的成功對接得益於量測技術的發展。
  隨後,英國一側的盾構掘進機停止向法國一側掘進。採用台架式Craelius試探鑽機從英國一側向法國一側開挖一條通道,開挖足夠長後,拆除豪登公司隧道掘進機,將尾殼留在原地。在以後某個時間,盾構掘進機將報廢並埋進混凝土裏。而法國的盾構掘進機則進行設備拆除,部分機械設備還可以維修利用。英法海底隧道的最後對接段,用人工開挖一座隧道,先挖一個適當的洞室,再擴大到全尺寸,並用鑄鐵砌塊進行襯砌。在首次貫通的位置鑲嵌一塊有紀念意義的壁板。根據襯砌設計的變化,貫通點的位置很容易區分,因為法國一側同英國一側的砌塊有明顯區別。英法海峽服務隧道於1990年12月初貫通,並在1991年2月底竣工,隧道掘進機創造了新的掘進紀錄。
  在1991年3月,海底鐵路區間隧道採用4台隧道掘進機開挖,完成總長度在5.5km以上。在英國一側南端的區間隧道採用羅賓斯/馬卡海姆直徑8.36m的全斷面掘進機進行開挖,在距多佛懸崖海岸16km處,僅一周時間(包括停工維修的時間在內)就完成掘進428m。
  鐵路運行隧道的貫通方式稍有不同。北端鐵路區間隧道的結尾工作在4月末進行。英國一側掘進班已安裝最後的混凝土拱圈和長約12m的鑄鐵拱圈,使隧道掘進機適應於向下掘進,在半徑為350m的曲線上,隧道掘進機沿這條線路向前開挖,直到車架和車體第一節支架的大部分低於法國一側隧道掘進機的標高為止。然後對由掘進機向下開挖成的拱部採用噴混凝土(用混凝土混合料)作為臨時支護。
  下一步是將後車架下行到隧道內拆除,除第一節外,還拆除了一部分,使剩下一部分低於鐵路區間隧道的標高,然後用輕質2400cm的含砂礫混凝土進行回填。設計這種回填模式不僅可埋掉英國一側的隧道掘進機,還保證法國一側隧道掘進機的正常掘進。法國一側的隧道只需在英國拼裝的最後一環拱圈的2m處停一下,然後拆除法國一側的掘進機,僅留下頭部的外殼,在外殼內安裝鑄鐵拱圈以便完成隧道作業。
  同樣,英國一側南端鐵路區間隧道的羅賓斯/馬卡海姆隧道掘進機在5月19日開始掘進,以便使法國一側能在6月13日完成作業。英法海峽隧道所有實際的開挖工程都提前半年完工。
  剩下的輔助開挖包括橫向通道、活塞作用泄壓風道、泵站和變電站,其施工情況良好,按原計劃也都提前完成。距英國海岸7km處的海底渡線隧洞,在1991年中兩條鐵路區間隧道的隧道掘進機到達前就進行了開挖和初步襯砌,灌注了素混凝土的永久襯砌。襯砌厚度的範圍從拱頂900mm起到邊牆1200mm不等,端牆則用3.5m厚的鋼筋混凝土修築。
  當英國一側採用新奧法開挖渡線隧洞時,法國更多地採用了新方法。掘進機通過該處後,修建了大約相似尺寸的隧洞。這是隧道工程中需要完成的最後的主要土建工程。這項工程位於距法國海岸約12km處的斷裂白堊泥灰岩中。
  在洞室拱頂周圍開挖了11個聯鎖區域和長160m的水準隧洞,將鐵路運行隧道包圍起來。這些小斷面開挖可通過灌注混凝土作為初次支護和渡線室隧洞的襯砌.波線室隧洞將被開通,運行隧道的弓形塊襯砌將被拆除而灌注混凝土永久襯砌來完成這項工程.詳細施工方法將在下面章節中獨立論述。
  中間服務隧道的開挖從入口坑道網和遠高服務隧道的橫巷道開始進行,這樣修建鐵路區間隧道能使額外增加的運輸暢通無阻。
  英法海峽隧道的北線鐵路區間隧道於1991年5月22日貫通.貫通誤差為:豎直方向23mm,水準方向21mm.比1990年12月1日貫通的服務隧道的貫通精度有所提高.南線鐵路區隧道於1991年6月28日貫通,貫通地點臣法國側18.9km.貫通誤差為:豎直方向32mm,水準方向Zmm.北線隧道是1988年12月開始掘進施工的,南線隧道是1989年3月開始掘進施工的。當初預計湧水多,地質條件差,因此計畫掘進距離為16.3km.實際上開的掘進最初的1km,花費了數月的時間.後來速度逐漸提高,到貫通前的幾個月,已達月進1000m以上,使工期大大縮短,掘進距離分別達20.0km和18.9km.結果從開始掘進到北線鐵路區隧道貫通平均月進664m,最高月進1106m,南線鐵路區間隧道則分別為685m和1177m.而英國一側的掘進機施工,因湧水等使進度受到影響,實際掘進裏離比預計的短.但從地質條件穩定後,曾創造月進1500m的高記錄。平均月進:北線鐵路區間隧道為667m,南線鐵路區間隧道為764m.
  (五)盾構掘進施工詳細資料
  注:①鵬隧道每一混凝土襯砌環由6如管片加1塊封頂塊管片組成,長度約1.5m,厚度為410mm(陸地)與270mm(海底)
  ②運行隧道每一混凝土襯砌環由8塊管片加1塊封頂塊管片組成,長度約1.5m,厚度為540mm(陸地)或360mm(海底)
  (六)軸線控制測量和貫通施工監測
  法國一側和英國一側隧道要在加萊海峽底下會合,這就產生了一個問題:即這樣長的開挖長度沒法設一個臨時(測量)交會點,法國一側的海底隧道要掘進16km,英國一側的海底隧道要掘進21km。就是在這樣長距離的海底隧道工程施工中,必須保持隧道在途中不遭受意外的事故,不能使施工停頓。
  1.軸線控制測量手段
  盾構掘進機的導向推進是一個面臨的關鍵問題。必須考慮隧道竣工後,鐵路交通列車通過隧道時兩側或上面所需留下的空隙,以及長距離隧道的彎曲度和斜坡度。尤其當英國鐵路公司和SNCF的列車以及將來高速列車和歐洲地鐵公司專列。運載著大量汽車和貨車通過鐵路區間隧道時,這個問題就顯得更加突出。又考慮到襯砌管片製造和拼裝時所需的空隙和隧道襯砌變形等因素,這個空隙可允許在±15cm之間。這就要求盾構掘進機軸線的推進精度達±5cm。
  服務隧道的盾構掘進機軸線的推進精度,在幾個分米之間。這就需要英國和法國在隧道施工開始階段就要進行盾構施工測量;使其保持栩度一致。建立一個特定座標量測系統,通過應用納斯塔電腦附屬網路系統,使誤差縮小,接近一個分米。
  服務隧道掘進施工結束之前,需要打測試鑽孔,以確保最後100m隧道軸線的施工精度,同時保持隧道所需的限差。服務隧道限差的精確度不如鐵路區間隧道限差的精確度。通過服務隧道對鐵路區間隧道的地形測量,鐵路區間隧道掘進的軸線精度沒有出現任何特別問題。
  盾構掘進機的推進導向,與隧道應用楔形襯砌管片有著密切關係,隧道楔形環襯砌附隨整個隧道的曲線。通過在四個可能位置上輪流調節封頂塊管片,使楔形管片的位置可被移高或移低。
  海底隧道掘進,盾構掘進機的推進導向是由ZED測量系統控制。ZED測量系統依靠鐳射追蹤目標和計算,從設計軌線上測定盾構掘進機的自身位置,並設定盾構掘進機向前推進的位置。
  根據盾構掘進機所處的相對於理論軌線的實際位置,來確定下一步糾偏步驟,在制定下步糾偏步驟時,應考慮到隧道襯砌的線形特性和其他方面的約束,以最大可能來保證盾構掘進機尾部隧道襯砌的對中,以免影響盾尾襯砌的防水密封和防止盾尾表面和隧道襯砌之間不必要的變形。
  2.服務隧道超前導坑探測
  英法海峽隧道工程是當今世界是宏偉的地下工程項目之一。隧道總長近50km,其中38km位於海底以下,服務隧道對鐵路主隧道的開挖起了超前導坑的作用·在服務隧道工作面前還作了超前探測,以確定潛在的大量湧水地段的位置。探測孔直徑56mm,鑽孔長度有時接近240m,定期監測湧水、滲透率以及鑽探沖洗返回物.即沖洗水和岩屑的性質。圖10為一個典型的探測示意圖,將切割下來的岩屑試樣在現場作顯微古生物學分析,以確定隧道所處的地層層位.在英國一側,探測工作占盾構掘進機停機時間的7%。幾乎海峽的整個寬度都進行了上述的探測.
  在兩條鐵路運行隧道開挖之前,由服務隧道向鐵路運行隧道拱部範圍也進行了側向探測見圖11。這種側向探測的頻率取決於對潛在問題重視的程度。特別要注意在直接鄰近服務隧道已經發現湧水量增大和岩土條件惡化的那些地段,探測間距應密集些。通常作取芯鑽探井作壓水透水性試驗,以驗證岩石品質與湧水量。在海底波線洞室施工開始之前,對其拱頂部位也進行了類似的側向探測。
  除在隧道內進行探測工作外,岩土工程師還承擔了對暴留出的工作面與側牆地段(位於工作面後16m處)的一般地質描述分析工作.對於危險程度高的地段。如在超前的服務隧道中已出現過問題的地段,應予以特別注意。
  施工高峰期間有30個岩土工程技術人員參加地面和地下監測儀器的安裝與監測工作,以及工作面的正規地質描繪(作了幾千份記錄).探測鑽進總長約32km,建立了電腦資料庫,廣泛使用了電腦成圖、赤平投影圖以預測岩土狀況。
  3.貫通監測情況
  1989年12月1日,英法海底服務隧道在里程41596m處最終貫通,從英國一側開挖算起歷時3年,距離21773m。
  (七)盾構掘進施工技術措施小結
  1.英國一側兩台海底鐵路隧道掘進機的掘進速度總的說是令人滿意的。英國一側的海底服務隧道在岩質較好的白堊紀泥灰岩情況下,以每週超過200m的掘進速度.法國一側海底隧道的掘進速度也一直比原計劃稍快.英國一側陸地服務隧道已在1989年10月比原計劃提前貫通。
  2.在英國一側的海底鐵路隧道中出現困難。是因為它們正處在與服務隧道掘進機曾穿過的惡劣地層相同的岩層中.這段白堊地層的裂隙使圍岩很破碎,在掘進機上不得不安裝一種液壓鋼撐腳.這種液壓撐腳在工廠中就被裝在主隧道的掘進機上,但鐵路運行醫道的尺寸幾乎是服務隧道的兩倍,因此支撐這樣寬的拱部效果不明顯。
  3.裂隙增加了水的滲漏程度,這比其他問題更麻煩.為了解決這兩個問題,採用改進掘進機後支承拖車的第一節,以便將注漿站放在前面.注漿能使工作面較密實,這樣就能減少水的侵入,並能使掘進機撐腳板上承受的荷載減至最小。
  這些改進必須在掘進的同時進行,因為在這樣的地層條件下,要使如此大的掘進機在停機一段時間後再起動是成問題的。也不想因為這些改進,影響掘進機遇到較好地層時發揮最佳速度的能力。這些改進完成後,由於水不能進入機器作業區內及液壓撐腳上的壓力較小,推進速度明顯改善。
  4.英國一側南邊陸地鐵路進行隧道的掘進機在1989年10月底前都在岩石中掘進。北邊對應隧道在技術人員掌握了安裝巨大的混凝土襯砌塊的工藝後進展較快。隧道砌塊最大的重9.5t,比相應的海底鐵路運行隧道的砌塊大。機械安裝襯砌最重要的是平整、準確。正如服務隧道導坑所探測的那樣,陸地隧道的地層條件是良好的。
  法國一側海底服務隧道走出最惡劣的地層後,遇到的幾乎都是白堊紀泥灰岩,一周掘進達179m。鐵路運行隧道為橫向通道貫通作準備,需安裝鑄鐵管片襯砌,因而作業進度較緩慢,在重新採用混凝土管片後進度得到明顯改善。
  5.法國一側陸地鐵路運行隧道剛通過開挖服務隧道時整治過的一個地段。因為掘進機的刀盤在白堊紀岩層中遇到了障礙,所以服務隧道掘進機前面的許多地段在開挖導坑時進行了處理。處理地層也是為了使主隧道前方對應範圍便於開挖。由於被處理地段刀具磨損大,當鐵路運行隧道掘進機進入被處理的地段時,有可能停機並進入掘進室檢修刀盤、封焊及刀具的磨損情況。所幸的是在實際施工推進中所有情況良好,既沒有大的維修,也沒有更換刀具,掘進機得以繼續正常推進。
  1989年初夏,法國一側北邊海底鐵路運行隧道掘進機由於刀盤損壞,大約停機5周。中央部件被取出修理,並對它進行高強度焊接。陸地鐵路運行隧道三菱公司盾構掘進機同時也停機約兩周,定期停機檢修,對中心刀盤進行高強度焊接。
  6.英國一側的接觸網供電系統,是一段時間來進展緩慢的諸多問題中的主要問題。加上機車運行所用的導電弓還有一些問題。如果隧道處於小曲線上時,要確保供電線懸掛結實是較困難的。
  7.法國一側桑加特豎井井底的出土系統進行了修改。岩層是在豎井底部用水使之漿化後,再泵出豎井,運到2~3km外的沉澱池裏。當海底隧道掘進機進入較好的白堊紀岩層時,保持泥漿有足夠的均勻平滑性,從而達到有效的泵出效果。
 
阿樓編譯自《國際隧道與隧道工程》
 
 
 

点数:23478 发布:順頌 编辑:阿樓翻译 联系:louruyue@sina.com
 
隧道博客裡-順頌平台
 
 
版权所有:(Notbad) 
电邮: b2b@notbad.cn