英吉利海峡隧道的设计与施工

0 ，。．， 英吉利海 峡隧道 的设计与施工 A·比 加尔 特 、约 翰 ·金 z 0 前言 ：通过 隧道联通 英国本土和法国的历史可追溯 数次努力，包括于 I 8 8 O年采用布 终于使得海雇隧道联通的梦想变 种 方法 这些方法 已用于本工程 方面获得成功 。 经 过无 蒙(Beau∞oilt)掘进机开凿2km长的隧道 ． 为现实 这篇文章 总结了设计与施工的各 并在施工技术 、安全 、投资和进度控制 1 9 8 6年B月， 将海蛱隧道 的设计及施工合 同授予于全斯曼栩联合公司 【T rlib Smallthe Link(TML)]， 其施工随着于 1 9 9 0年1 2月服务凋的胜利贯通 而达到高潮。隧道的施工工期 、水下施 工的特 点、高速掘进的要求 以及巨 大的工程后勤 ，一直被认 为是对TIlL构严竣挑战。 海域隧道的发 包人是欧 隧道 公司(Eur 0tilnneI)。其它主要单位包括 TML和口a l re d OeuV r e。 T blL是由全世界最太 的十家花 工工程 公司组成的 联营企业 。在英 国端的承 包商有巴尔福比蒂(Ba1four Be atty)、手季斯坦 (c 0 s￡ain)、塔尔马(Tarmac)、泰勒伍德罗(Tayl 0r 0od r OW)和威姆培 ( impeY)等公司一面在j圭国侧的承包商有布依盏(Bouygtip S)、达米鼓 (Du目ez)sAE、s髓和斯比马蒂尼奥讷(spi e Bati 9uoII es)等公司。 工 程 于I 9 8 7年9月开工 ，到90年 I 8为止完成 了总共 1 4 7k盈隧道中的 i 0Okm。 预 计于 1 9 9 3年6月·隧道 可投入营运 。 英国和法 国两边的地质和地形条件差别很大 因此采甩 了两种不同的 施 工方祛。所有英国栅的隧道在含牯土碳 酸盐混岩构成的自鼍泥灰岩中进 行施工 。这种泥灰岩很适合采用全断面据进机掘进 因为泥灰岩围岩其有 较长的 自稳时 问。熊而 ，在法国侧 隧谴 出入于 白垩混灰岩 ，因此采用了 · 3 8 ．二、 ， 。 ／ ， L埤 蛐 维普资讯 http://www.cqvip.com 不 同的掘 进机 。 英国删的隧道埋耀为2l-至 0_，平均4 0-。 英国侧的隧道在莎士比亚 悬崖(shak e sp eaT e c iff)开始掘进 ，需要开凿一条直径为4．8m的服务洞 及二条直径 为7．6-的交通凋 据进 备达z km后与法国{III相通 ，往 陆地方向 还需掘进 8ka到苏格洛夫 山(su 9a r【0 af Hi LI)。相对应的法国倒 ，需往陆 地方向掘进3kt 及往海 向掘进1．5km。在英国J融陆地隧道的西端 ，有0．5km 长的挖填式隧道 ，其后接贯穿卡斯特山(castI eⅡj¨ )、采用新奥法施工 的0．5km长的隧遵。 故最终的英国侧入口离莎士比亚悬崖工地的内陆矩离 为 9km。 除了服务洞和 交通 洞，每隔3 7 5m有一横通道联通服务耐和交通洞 ，每 隰2 5 Om蒋 降低活塞作 用的减压洞联 接两条交通莉。每二条横通道中每隔一 条就有一条为双通道布置 ，这样人行道的问距为3 7 5Ⅲ，电气室或变电站的 问距 为 7 5 0_。 整个工程有四处岔道段，使得列车能从一条交通洞转入另一交通词运 行 其 中有二处岔道段在海底 并把海底隧道分为三段。英国侧的岔道段 室是己建离开海岸工程中最大的水下洞塞 其尺寸为 l 5 8_长×2 2m宽 ×l 5m 高。弓外 ，英国稠还有二座低点集水井需要施工 ，这本身就是很大的工程 。 隧道施工采用了二种衬碰塑式 ，即预剜i虽凝土和铸铁衬碰。预铺混凝 土管片是由的l 0 0英寸(2．5 4m)楔块衬砌发展起来的。所有接头都为铰 接 ，为了防止破裂 ，接头处迁焊接有特殊的梯形钢筋笼 ，其焊接强度为20 N／_m2 直径为1．6m的交通漏 ， 需要由9块摄翩管片外加楔块以组成完整的衬 卿环。每块颈制管片的外侧 面有四块2 OⅢm厚 的垫板 ，当楔块插入时，垫摄 被迫接触 泥灰岩 ，留出z0m_厚的环形空间用于澄浆 。事实证 明，在采取其 它方法止水前灌浆是控制海 水入侵的第一步有效措施 。用于海底隧道的预 铆管片厚3 6 mm 而陆地隧道的预铡管片厚这5 4 0m_，因为它需承担更大的 维普资讯 http://www.cqvip.com 复盏层压力 。 预制管片在专用的新建工场浇注，地处泰晤大河上的格林(Gr&i n)岛， 选择该处的原 因是这儿有一太片水磕交通方便的场地。所有骨料(1 0mm和 2 0mm)和砂都是通过海运 由苏格兰西海岸的林尼潭的花 岗岩采石场运来 。 预制管片浇注场包括四座工厂式的建筑物和一个容量为7 0 0 0 0块的预 制管片贮存场地。安装在每座工厂 中的两条圆盘生产线 ，每 1 2小时的产量 为 0块。这个 生产速度 的高峰产量为每 2 4小时 1 0 0 0块。整个工程将需要5 0 万块预制管 片。 浇注好后 ，混凝土管片被置于5 0℃ 的蒸汽 中养护以达到6小耐强度为 1 0N,mffl~。经过养护 ，模板被拆除后，在生产线 的不同位置移动 其过程包 括：清模 、绑扎钢筋 、设置埋入件 、封闭和检查、浇注和最后检查。每道 工序 的循环时问是 1 0分钟 。任何时问每备生产线能容纳3 6个处于不 同生产 阶段的摸于 。一里制成后，颈制管片以5 O 0块为一组 ， 通过铁路运到沙士 比亚悬崖工地 ．运输时间为3个半小时。 除 了预割混凝 土管片，在隧道之问的横通道内还需要使用桂接铸铁衬 砌管片 。为了能在横通道 进口的地方使用铸铁衬砌管片 而同时衬砌环的 其它部位为混凝土结构 ，故诙处采用了混合式衬砌方式。 隧道掘进机 英国侧的掘进机都是普通型式 ，属开敞形式 前端具有全断面的切削 转盘。二台用于服务洞的掘进机(直径为5．3 Bm和5．6 6m)和两台直径为8． 6 m用于掘进陆地交通洞的掘进机都是 由格拉斯哥的吉姆斯霍钡(J aⅢe s nowd en)公司提供。两台直径为8．3 6m用于掘进海底 隧道的掘进机由鲁宾斯 、 马卡姆(R o b bins， Ma rkham)联台 公司提供 并在马卡姆 的切斯特菲尔德 (ch e st e rfi el d)工厂 制 造 。 后二台掘进机 具有一种不寻常的特征 ，即该机采用 了二十台1 2 6t的液 压千斤顶，并 且相 邻千斤顶相反颤斜一个角度 。选样使得在驾驶掘进机和 维普资讯 http://www.cqvip.com 控制滚动时不需额外的操纵千斤顶 所有三台鹰底隧道掘进机 的另一特 点 是 ·当碰 刊 较大 裂 隙唆废 孔 时 输 送 机能 撤 离工 作面井 关闭 液压 操作 门 ， 这样使得隧道其它部份免受淹没 另外 还采用了周边密封圈密封掘进机 溺囤的环形缝醵 。阿拉斯坦 比加尔特说 所有掘进机工作很好，但是海 底隧道掘进机需要怍些改进 ，这是为了满 足在块扶岩体的工作面上进{亍灌 浆的需要。 相 比之下，．法国侧采用的EPB掘进机的揖作压力可达9．5 b ar 这是因 为开凿的岩体 比较破碎丽必缬采用的。法国俺海底服务洞掘进机的不寻常 特点是具有可伸缩的切削转轱 井能超前掘进机机体掘进 。然而，实际地 质条件饭复杂 因此只仅仅采用封闭状况掘进 。 掘进机尾部用4个油腊裹 起 的金属 丝剧 于密封 止永 。 约翰金说 ，拄8 7年 月开始施工时一必颂修建一条1． kt长的交通道到 沙士比亚悬崖的上部 。上 、下部高差5 0m． 井 且已通过 l 9 4年开凿的交通 洞相 联 接 。在 沙 士比 亚悬 崖 F部 ，采用新 奥 法开 凿了联 通 主洞的 第二条旋 工支洞。在英国，采用这种方挂进行这样大规模的施工还是第 一孜。】9 4 年完成的支洞被用于出碴 ，而新开通的支嗣 卿被用于材料的供应 。一座用 于 列 车编 组的 i阿室 也采 用新 奥法 开挖 。 完成 这些 工 作共 化了 l 4个 月 洞挖 石 方 J 2万 喷 混凝 土4 0 0 0 ，底 板浇筑混凝土8 00 0 。下阶段 将进行混凝士二期衬斑。 在四年多的时问内 隧洞施工需出碴50 O万 。 为此建造 了专门的堆 碴场以堆存这大 量的碴料 。堆碴场的建造 ，采用钢板桩以形威著干个封闭 式黼仓 以使海堤施工和 出碴能平行作业 。海埋为二排钢板桩内填混疆土 结构 井使 用三条顶起式驳船进行施 工。到工程完建 ，隔仓总长 1．7km， 需 用 混凝 土 21．5万 。 隧道的碴料被倒入位于列车编组洞室的料仓内，并通过地龙运辅带与 主运输带支洞联 接，再由主运齄带运到地面堆碴场。皮带运输系统的设计 维普资讯 http://www.cqvip.com 小时运输量为2 40 Ot，而有时可达到每小时3 z00t。 掘进机在编组洞室组装，部件通过新施工的l 0 Om深的竖井从上部吊入。 这座竖井以后用于工作人员的出 口。第一台掘进机六个 月后组装完成，第 六 台在工程开工第 1 9个 月开始组装。掘进机最初长 l 9 Oi 但以后增长剜 24 0-。 金说 ，所有掘进机运辛亍很好 ， 但毒底服务嗣在掘进 lk-后遇封摄其不 良的地质。水淹沿着众多裂隙流入 ，冲走周围破碎岩石中的细粒 ，导致护 盾后的禊形体岩层的崩塌。那儿正是 指状 支撑的所在 ，所以当衬砌扩 展时支撑不断被挤压 、秀弯 ，直至拔出。 为了解决这问息，在 指状 支撑之 问安装了不锈钢钢板 。然而 ， 不 幸的是 ，当这顼技术趋于完善时 地质条粹突然变好，谊 时雒道已掘进5 k-。对于交通洞 ，在相同区域内遇到 了更为严重的问题 ，需 要从服务洞往 交通洞范围灌含二氢化硅的粟液 。灌浆结果在决定性的甚至更坏的7 OOm范 匿的掘进段形成一防护罩 。 二种不同的掘进机具有相异的援铡涡凝 土臂片提升装置 。霍i鳆公司掘 进机采用二只由液压传动的戚角度的提升镑，而鲁宾斯、马卡姆联合公司 掘进机使用单独的提升销 。 另一个政避问童是：由于跌落玻冲刷掉在掘进机 壤都的缎粒附在掘进 机 的表面上，这些细料到达尾端 时 ，已被挤压硬如岩石 ，这些固化的石科 必须用风铲 清除 ，但谊要增加村窃环 的安装时问。后来采用装有弹簧的铲 刮解擞 了这个问题 。 隧道掘进速度是有变化 的 但平均而言，海底服务嗣的掘进速度 为每 周 l 5 O一2 5 0m，而海底交通漏为每周 2 6 5-。 能够达到这样高速掘进 的一项关键因素是采用了计算机分折掘进机的 工作性能 ，指 髓机辕和电气设 备所存 在的i可慧 ，这有坳于保证维修及佩葬 的目标性 。结果 掘进机作业率为9 0 系统怍业率为6 0 ，金认为这样 维普资讯 http://www.cqvip.com 在长隧道 中能达到的最优作业率 。尽管遇到了一些『习题，但原计划于1 9 91 年 中完 成掘进机 开挖任 务 应该 是 能实现 的。 除了使用六 台掘进机进行掘进工作外，还需要开挖其它隧道 。采用传 境方 法 开凿 3 0 6条横 通道 (总长 2．8km)和 直径 为 2m的减 压洞(总 长2．5km) 起刘降低活塞作 用的碡压漏戒曲线绕过服务洞的顶舒。在海峡的6kJ和1 3 kB的位置建有二座泵站 一这些复 杂建筑物 包括 一个位于三条隧道以下并与 隧道成砉角 的集 水井和二闻位于隧道之 问的水泵房。 英国侧岔道段的埯工期为 1 5个 月一需采用新奥法开挖一座长1 6 4m、宽 z1m、高 l 5m的漏室。该洞室的开挖进行了详细的施工作业计划设计 ，先用 导洞方法 挖两侧边墙 再开挖拱顶。这是在海底软岩中建成的世界上最 大的洞室。 开始 贯通 当英国侧的晨务洞与法国侧相距 1帅Ⅲ时，从英国侧掘进机钻一探测孔 与法国侧 掘进机联接，对撵硼孔的实际位置进行测量结果表明一涸线误差 为水平向0．5m、垂直 向5 0__，由于采用 了一系列先进的稠量方法，工程涮 ● 量作出了重大贡献。 下一步 ，英国铡的掘进机偏离洞线往法国铡左边掘进 ，偏离洞线形成 与掘进机 长度相当的澜室一随后用混凝土回填，以掩埋该掘进机 。法国调 的掘进机被拆除 并对部件进行处理 。剩下的接头将采用手工方法开挖、 铸铁衬磅 。服务嗣的贯通预期在9 0年l 2月初 而全都完成则在91年1月。 高峰期 整个工程雇用4 6 0O1人和l O 0 0管理人员。在地下工作的工人 每班日小时 工作6个班后体 息2个斑，有4组工人以3班倒轮换 ，每屑工作 天 。 由于长隧道存在通风 问题 ，故不能采用内燃机车，只能采用电力机车。 采用了一个特殊 的有轨运转系统 ，以解决人员、材料进出隧道的交通运输 『可题 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 悬索式电缆提供隧道运输系统的动力 并且对活动料斗和掘进机 的蓄 电池组进行充电。在含盐的潮湿环境下 ，园地层漏 电，常BI起 电力系统短 路 这是遇到的很大问题 。由于当时投有足够高的技术以解决这 个问题， 故马上着手进行大量的研究工作 一经过 1 2个月的研究， 设 计出了一种1 B 0 马力的 电力机车 并交付使用 。 一 笔很大的投资 已用于改蕾施工安全 。工程的规模增加了叉改善了文 明施 工的困难，因为这种 改善要从高层领导到 一线管理人员，再到一线工 人。通过 与健康 安全机构 的共同努力 1 9 9 0年已取得很大进步 TML公司 认为现在可 为取得的进步丽感到 自豪。 比加尔特阐述 了存在于高速铁轨 、补偿投资中的许多内外衔接美 系。这些衔 施 工台 同 ， 以 上 两 部份 接 关系的正确处理是工程成功、按时完工的重要保证。设计和 不仅包括土建工程 ，还包括永久设备的安装 。因此 ，正确处理 的衔接关系应该是整个工程建设的最重要方面之一 ，需要分阶 段逐步 拆除临时设施 商时开始 由永久设施代替。 永久设备的安装始于9 0年2月， 预期列车将于 l 9 91年年底可实现低速 度部分试运行。土建和安装工程必须于9 2年 l 2月1 5日前完成 ，并且准备变 付使用 。整个隧道系统将于9 3年6月1 5日正式投入运营。 沙士比亚悬崖下部将设置主要 的村拎厂 。两条直径为4 0 0mm，通有5℃ 拎却水 的拎却管道通过整个隧道 防止热量积累 。还设有辅助通风系统 以 应付 隧道出现意外紧急情况 。 在现 已工作 的竖井旁边 开挖了第二条竖井 ，前者将成为主通风系统的 一 部分 。服务洞将保持 一定的稍高正压力，以防止万一发生火灾时 烟雾 进入这 条安全通道 。 (这篇文章是根据英国隧道协 会的一次菲正式讨论起草的。该 含议于 l 9 9 0年11月1 5日在伦敦土术工程协会举行 。) 讨 论 维普资讯 http://www.cqvip.com 哈尔克罗(Hal c rOW)的丹尼斯劳伦逊对者在建设隧道的工作中取 得的巨大庸就表示祝贺，同时对英国工作师在打破一系列隧道施工世界记 录后还如此谦虚表示敬佩。关于岩石掘进机壳体周围存在的开挖废碴聚集 问题 ，他认为不是新问题 ，在开凿马赛(Me r 5 e y)隧遭和于l q 4年开凿海 峡 隧道时已出现过类似 问题 。他建议掘进机生产厂家应该提 出解决的办法 。 他还 提 出村砌 管 片设 计者 可 以研 究在 使 用高 建楔 形村 砌 时采 用牵引 式锚 杆 以支护 围 岩的 方法 。 一 位 关心安 全 的人士 提 出 已存 在许 多 实倒 一 些不 属 于操 作人员 的 工人被掘往 掘进机工作 并声称这些人员的安全 已被考虑 。金和比加怎脱 说明他们对掘进机的工作危险性是有深刻认识的．已采取了各种方法以改 善或消除危险性，并使得每个人都意识到选种 危险性 同时不停地改进掘 进机以使之安全工作。 TML一直与掘进机制造厂家和健康安全机构密切告 柞 。 另一位人士询问法国采用油脂密封掘进机尾部的情况。选种油脂处于 隧道衬砌外面环形空睬内 ，在法国侧 环形空睬有l s 0m&宽 油鹰将不 干 扰灌浆作业。 哈扑英脱(Ifl gh Pi nt)的吉尔泼利斯顿琼斯询问是否研 究了在长隧道 施工中工人多班次工作的疲劳程度。没有开展专门研究。地下工作的工人 坚持每班8小时 工怍6小时后休息2或川、时。在开挖岔道段洞室时遇到过 高 的温 度和 湿度 问题 但 已得 到控 制 工地 医 生 日夜值班 ，随叫 随到 。 一 位发言八询 问．与其重新设计电力机车 ，鄢为什么不把隧道衬砌 改 为防水性的结构 。他还提出法国已成功使用了 一套 自动化信号系统 并且 在 用螺拴连接衬砌环时垫上氧丁橡胶密封圈以使隧道变得干燥，减少了电 力系统的问题 。现有的技术不足于搐清英国删所遇到的问题。 另一位发言人询 阿，为什 么英国侧的掘选机需要改变方向 采用这种 方法联接英法两侧服务锕，是因为它适应两种 掘进机的不同结构特点 ，{圭 维普资讯 http://www.cqvip.com 国倒决定采用乙炔氧切割技术切割壳体以拆散掘进机 ，而英国侧掘进祝 则 是不可行的 ，因为设计时没有考虑拆卸。 襞赛尔豹汉赞莱先生祝贺TML在服 务洞施工中{堪量放线达到如此小的 偏差所取得的摄太成功。他考虑隧道 的延伸不是完全直线的，所 以询问隧 道村砌的最大偏差。由于施工时按照每班的测量记录绘制有 “起伏 的偏 差示意图，所以最大偏差为l_，但这已满足设计要求。 ’ 莫脱麦克唐纳的约翰莫斯询问，如果T b4L重新做这工作 鄂将采用多 大的服务洞?尽管结果是服务洞可 以安置所有火车和其它设施 ， 但其直径 的选挥是从经济上考虑 的。 最后 ，有人询 问TML，什 ，厶是最 关键 的工程顼 耳。 对关键项 目的认识 是随不同的施工阶段而变化的 。近期的关键项 目是永久设备的安装，特别 是信号和通信设施。英国侧 的安装工程将于9 2年8月结束 。 译 自 《隧道与隧道工程》 I 9 91年第 1期第 2 0 2 5页 张 正忠 译 葛益恒 校 · 46 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com ．隧 ’洞洞口 陋 班 ]= 碴 女±攫辱 礼 维普资讯 http://www.cqvip.com