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丹麦斯多贝尔特跨海连接隧道工程

作者:  来源:隧道网  发布:2017/10/12  浏览: + 放大字体 | - 减小字体

摘 要:丹麦本土的跨海连接隧道工程从英国Howden公司订购了四台隧道掘进机。1990年秋/冬季从人工扩大的Sprog¢和SeIandia岛盾构始发掘进。很短一段时间后,所有盾构的螺旋输送机系统就出了问题,这主要是边缘驱动装置和箱式转子的密封系统泄漏而引起的。1991年10月“Jutlandia”盾构机发生了严重的洪水。在几个小时之内,两条管线的盾构机全被淹没。事故发生时,盾构机位于明显的干冰碛土地层覆盖下13m,且距裂隙泥灰岩下方仅3m。恢复和修理工程到1992年6月尚未完成,1992年4月Selandia盾构机不得不再次停机。冰碛土的高磨耗造成了切削轮外缘在过渡边缘有未预期的磨损,复杂的修复附加措施造成了相当长的延误。1993年3月在石灰基床上钻了约43口深井以便将泥灰岩中的孔隙水压从8bar降到3bar,这一措施加快了所有盾构机的进尺。到1993年8月,已完成了工程的66%(隧道长9783m),两条隧道预计在1996年完工,最高进尺为8小时班掘进10m,日进尺(24小时)为24.6m和周进尺为134m。

工程项目
      20世纪最大的土木项目之一就是连接Selandia及Funen岛和丹麦本土的跨海连接隧道工程,在做了大量的调查研究后选择了以下方案:在西部比较浅的Great Belt段用双桥穿越(铁路和公路)。而对Sprog¢岛和Selandia岛之间穿越国际航线则用两条单轨铁路隧道和一条平均跨度为1700m的吊桥共长6800m作为公路交通予以发标,见下图。

 

丹麦Storebaelt跨海交通连接系统隧道,1990/1996

在全长为7917m的隧道中,有7412m用盾构掘进隧道工法及单壳管片衬砌建设。在隧道入口区,西面的227m和东面的228m将用挖填法建造。隧道外径为8.5m。单壳隧道衬砌由厚40cm的B35型钢筋混凝土管片组成。四台隧道掘进机是从英国Howden公司订购的。

地质和水文地质条件

在高地下水压下严重破碎的石灰岩基床被约45m厚的均质但部分破碎的第三纪泥灰岩覆盖。随后是另一个45m厚的冰碛土,带有砂、砾石和漂石(有时直径为lm以上)的粘土质基岩。该冰碛土的水已饱和,尽管粘到硬稠态还是低渗透性的。Storebaelt隧道地质纵剖面见下图。

 

Storebaelt隧道地质纵剖面

在前2km中,隧道穿过冰川泥灰岩,水深达20m。中间段的4km穿过泥灰岩,在Great Belt的最深处水深50m,而在此段隧道中底拱处在海平面下约80m,隧道顶的最小覆盖仅15m。在此区域内,上部冰碛土隆起约长900m。由于该区有破碎的泥灰岩,水压可达8bar,渗水性达5▪10-4m/s。泥灰岩的高渗水性对冰碛土内的水理状况有很大影响,因为该岩层一般渗水性低,在向泥灰岩层的过渡中要承受高达5bar的水压。因此在冰碛土中,尤其是在渗水性高(k高达10-4m/s)的融化水的沉淀里,隧道工作面的稳定性不能得到保证。隧道并不穿过在下层裂隙的石灰岩。

掘进隧道及机器原理

由于与高地下水压相关的极困难的地质状况,考虑了多种掘进隧道的原则。出于经济的考虑,传统掘进隧道的方法及喷射混凝土衬砌,由于预期的附加措施费用很高而被排除了。盾构隧道掘进机在不稳定区域内水压达8bar时仍应保证全断面支撑隧道工作面。最后,选用了土压平衡盾构,以避免在粘土质淤泥冰碛土中用泥浆式盾构时需要的分离设备,且能在无工作面支撑和无须改装机器的条件下就可以掘进长的标段。

辐条式切削轮有8只臂、中间压力板和周围的轮缘。在冰碛土段的开挖中用了188只硬面的切割刀。对硬岩和单轴压缩强度达200MN/m2。冰碛土中的花岗岩漂石安装了64个辊子刀头。为了保护螺旋输送机,最大开口的宽度不大于400mm。渣料由两台独立驱动的螺旋输送机从开挖舱中排出,这样可形成一个不透水的栓以抵抗开挖舱中的水压。两台螺旋输送机都用边缘驱动装置,后部螺旋输送机2另外配有箱式转子。若在稳定地层中不施加支撑压力时,渣料可从前螺旋输送机1的末端输送到带式输送机上。前螺旋输送机没有轴,因此直径40cm以下的大石块可以从开挖舱中排出。

项目的施工

在延误了6个月之后,于1990年秋/冬季四台土压平衡盾构从人工扩大的Sprog¢和SeIandia岛开始掘进。开工很短一段时间后,所有盾构的螺旋输送机系统就出了问题,其结果使“Dania”和“Selandia”盾构机不得不从1991年3月末停工到1992年2月,而“Fionia”和“Jutlandia”盾构机掘进隧道不到300m时从1991年5月停机到1991年9月,这主要是因为边缘驱动装置和箱式转子的密封系统泄漏而引起的。在掘进不到两个月时,1991年10月14日“Jutlandia”盾构机发生了严重的洪水。在几个小时之内,两条管线的Sprog¢盾构机均被全部淹没。当盾构机的螺旋输送机维修时发生了涌水。在事故发生前不久,机器在敞开式不承压模式下工作;因泵出开挖舱集水的软管问题压力舱壁的开口被打开了。前螺旋输送机伸出去了,因而不能在紧急情况下关闭压力舱壁。事故发生时,盾构机位于明显的干冰碛土地层覆盖下13m,且距裂隙泥灰岩下方仅3m。恢复和修理工程到1992年6月尚未完成,也就是说在Sprog¢盾构机遇到洪水和Selandia盾构机重新掘进隧道之间,整个现场停工了4个月。

 

Storebaelt隧洞隧道掘进机,Eestein隧洞项目(Howden)

1992年4月Selandia盾构机不得不再次停机,冰碛土的高磨耗造成了切削轮外缘在过渡边缘有未预期的磨损。由于机器都处在不稳定的地层,为了修复切削轮不得不采取大量的附加措施,这些措施包括为机器掘进的两个高压灌注体以形成一个半岛,以及人工开挖的修理洞穴,通过两个直径为2m的钻孔与地面相连。

复杂的附加措施造成了相当长的延误。1993年2月以前,只完成了整个工程长度的20%。当水压为2~3bar时,冰碛土增大的渗水性引起的问题只能用附加措施予以解决。在被称作Moses的工程中,在石灰基床上钻了约43口深井以便将泥灰岩中的孔隙水压从8bar降到3bar,这一措施从1993年3月起大大加快了所有盾构机的进尺,到1993年8月,已完成了工程的66%(隧道长9783m),两条隧道预计在1996年完工,最高进尺为8小时班掘进10m,日进尺(24小时)为24.6m和周进尺为134m。

Belt隧道工程的经验表明土压平衡盾构当然有它们的局限性,主要的问题在于渣料的处理和磨损,这就需要采用大量的附加措施,从而导致了工程进度的延误。开挖舱中的支撑压设计不超过3bar。此要求对地层的力学特性只在很少的几种地层才能满足。与泥浆式盾构相比,其支撑介质几乎不能压缩并且有很低的粘度,而在土压平衡盾构中开挖舱中压紧的土浆导致了不经济的磨损并需要增加驱动动力。

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