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1997:汉堡易北河第4孔超大直径盾构隧道

作者:邓应祥  来源:隧道世界  发布:2019/11/27  浏览: + 放大字体 | - 减小字体

摘 要:在德国汉堡易北河下修建有三座不同时代的公路隧道:1907~1911年在压气条件下采用设有工作平台的开胸式盾构、人工开挖老易北河隧道;1968年~1975年在易北河岸坡下面采用盾构以机城化开挖和机械化支护工作面方式开挖新易北河隧道(在易北河下则采用沉管法修建);1995~2003年,以液压盾构法掘进易北河第4孔隧道。盾构开挖直径则由当时Φ6.06m发展到Φ11.08m和Φ14.20m。

位于汉堡和北海人海口之间的易北河段,是世界上最为繁忙的航道之一。保证汉堡港和易北河西段的航运畅通,是施工时首要考虑的头等大事。

易北河在汉堡和对岸港口之间构成了天然屏障。在1900年的时候,每天都有数千名家住汉堡圣保利街区的码头工人,横渡易北河到汉堡港的工场上班。当因天气条件被迫停渡时,人们就必须绕道步行或乘马车上班。

当时,仅汉堡港东头处有一座公路桥和相邻的一座铁路桥横跨河道通达对岸。迂回路段有长10km。这就说,常常有数千名工人误工。针对这种状况,在1907~1911年修建了第一座易北河公路隧道。

1965年后,汉堡港的经济发展迅速。公路交通发生了结构性变化.轿车取代了马车,易北河公路桥严重超负荷运营。迫使人们采取补救措施,尽快解决过河难的交通问题,老易北河隧道通车能力不足,也使行车受到严重限制。为此在1968~1975年间修建了第二座易北河隧道。

又过了30年,新易北河公路隧道每天的通车量几乎超过了140000辆次。隧道两端常常有长达1km以上的堵车长龙,扩建开挖第4孔洞的方案提到了议事日程。与此同时也表明,汉堡港的经济活力——因德国统一和向东欧开放——有明显增长并有望持续增长。

就技术而言,汉堡两座既有公路菇道的修建,为汉堡在隧道工程史上谱写了光辉篇章,但技术进步的最高峰体现在易北河第4孔隧道工程。

易北河老隧道

1907~1911年修建的老易北河隧道

第一座易北河隧道——通行汽车和行人——由汉萨同盟城市汉堡委托给一家德国工程公司修建。这座水下隧道工程包括两座由沉箱法施工的、净空内径为22m的大型升降竖井和两座气压盾构掘进的、近于水平并排布置的孔洞,两孔洞外径是5.92m,轴线间距是8m,长度都是449m。

在每座竖井内,各设置6台升降机,每小时可输送大约14000人次,同时也可运送马车和当今的轿车。由于老易北河隧道的通车量急剧增加,1959年补充设置了通风设备,在掘进作业竣工之后,隧道设置了侧边排水的混凝土树砌。这座隧道已处于满负荷运营状态,但对于现代的汽车交通来讲,使用仍受到严重限制,几乎没有行车效率。

隧道位置处的易北河水道宽度约有400m,河道通航段范围内河底的深度当时是水平面以下8.55m,隧道管段上部处在水平面以下14.55m处,隧道上方的覆盖层厚度仅是6m左右。隧道孔洞的净空内径为5.64m,宽25cm,隧道环组成的隧道衬砌是一种可锻造的拱形工字钢梁。弓形工字钢梁的腹板是非对称的,工字梁的外侧凹槽在工字梁安装之前,就要用混凝土填满,六块弓形件组成一个衬砌环,接头法兰推人连接槽口中,以便于安装作业。整个衬砌环没有封闭块,所有接头都以长22mm的铆钉连接,特殊槽口则以铅块密封。

如汉堡易北河区域一样,隧道所处的土层是一种非均质地层,采用盾构掘进相当困难。隧道南侧大约有2/3路段是冰川期的砂砾石冲积层,部分被泥炭与淤泥所贯穿,并且还夹有较大的石块,此段地层的透水性很高。隧道北侧1/3路段是第三纪云母粘土,在盾构掘进时,这种密实的粘土岩必须采用爆破法开挖。地下水压和静水压相一致。

在这种土层中进行掘进,盾构必须一直处于气压状态下。使隧道管孔能够在气压下自稳。根据潮汐变化压力最高达2.3bar,两台结构一样的盾构不包括挖掘机具各重约120t,是一种简单的筒状盾构,盾壳厚52mm,盾构外径为6.06m,连同盾壳厚度在内,环形缝宽有8.5cm。

每台盾构在工作面范围被2个工作平台和2道垂直柱壁分为9个斗室。施工工人站立于这9个斗室内作业,并且在开挖面支护和拱顶预压人钢板桩的保护下人工开挖土层。16台顶进千斤顶的顶进推力总计为20000MN,每一顶进循环长度是50cm。这样就可连续安装2个衬砌环。为便于拼装重达220kg的弓形件,在反向横壁上安装有一台可转动的液压管片拼装吊机。全部施工作业都在气压下进行,出土则采用有轨方式进行。全天24h轮班作业所达到的掘进效率平均为1.50m,最高掘进效率为3.25m/d,即13个衬砌环。

为了保证安全,隧道全长都布置有较高的桥台,若是河水涌人隧道,施工人员可通过桥台逃离。1909年6月,在隧道施工中发生过一次压缩空气故障一一此时的耗风量应是180m3/min,在隧道内的压气降低几秒钟之后,大约有600m3的砂和卵石块发生坍塌,但未造成人员伤亡。这件事故促使在以后的掘进作业时采用额外的安全措施使开挖面封闭并加载约1m高的砾石预先处理河床。在易北河两岸高精密度水准测量、河岸闯的光学测量轴线基础上进行常规测量并借助于竖并垂直投影引伸至洞内。

按1911年9月的决算.该隧道工程的造价为107亿金马克(前德国货币单位)。

1968年~1975年修建新易北河隧道

此座隧道是一座6车道公路隧道(3×2车道)。是联邦高速公路BAB7号线的组成部分,隧道轴线与河流轴线呈450斜交。出于当时的施工技术水平,采用几种不同的施工方法施工:横跨易北河隧道段考虑以浮运、沉埋法施工;而北侧岸坡连接部分决定以盾构法施工。整个工程划分为3个工段进行施工:

•工段1:包括南通风塔的过河段;

•工段2:包括中间通风塔的易北河岸坡段;

•工段3:以明挖法修建的隧道北段及北通风塔。

1968~1975年修建新易北河隧道的纵断面图

新易北河隧道的沉埋施工段长l057m,8节隧道管段各长132m、宽42m、高8.4m,在一个紧邻隧道轴线南侧的干坞内加工顶制、浮运和沉埋。在紧邻的基坑内以明挖法修建另外800m工段。

在易北河北岸第8节沉埋段直接与中间通风塔的基坑相连,该基坑同时也是盾构掘进段的起始基坑。相邻的三座隧道孔洞各长1113m,净空内径10.35m。

易北河岸坡段3座以盾构法开挖的行车孔洞横断面图

下面主要就盾构掘进段的有关情浣进行讨论。

为了能够创建一个干燥的起始基坑,要全面降低地下水压,在隧道前半段地下水压下降较大,使得隧道内的空气压力不超过1.5bar,隧道孔洞的开挖交错进行。该工程使用的盾构是一种设有工作平台的开胸式盾构。设置于中问的主工作平台和垂直柱壁将盾构分成4个部分,在这4个部分内,液压挖掘机挖土,并将挖下的出土经横向输送带送到设于中问位置的纵向输送带上,这条纵向输送带布置在大约长60m的后配套系统中。其它的可拆卸式中间工作平台,在掘进通过砂土层时夹紧倾斜支撑构件,并起着稳定工作面的作用。另外的支护措施是,在不稳定的土层设置液压伸缩式支承构件。

盾构外径11.08m,长约9.0m,重约700t。40台千斤顶提供的推力达100000MN。所开挖的地层是砂/砾石和泥灰岩,并夹有岩块。挖掘机开挖的土碴通过轨道由电瓶车牵引的碴车运送到起始基坑,再由起始基坑经输送带装入驳船,倾卸在易北河下游段。隧道采用单层衬砌。每个衬砌环宽1.125m,每环包括15块管片和一块封顶块。管片由带球墨结构的球墨铸铁GGG60组成。这种球墨铸铁同灰口铸铁相比,延展性比较好。在隧道工程中第一次采用静力较好的波纹状断面的管片,其结构高度仅有24cm。其制造商——Buderus在大型试验中测得该种管片抗荷载性提高2.5倍。在运人隧道之前,管片的外侧凹槽要浇注混凝土。铸铁管片的重量与造价都取决于壁厚。管片的壁厚通常为14mm、16mm、18mm,并承载相应的荷载。

其中最主要的技术进步是,首次采用了特别为之开发的氯丁橡胶密封条。这种密封条厚仅6mm、宽40mm,底面呈波纹形,在8bar外力下可保持密封性。这种密封原理发展到了当今的技术水平,密封条的横断面还可根据使用状况加以改变。

易北河隧道内设置的隧道衬砌及其密封系统,已使得隧道内的气压使用显得多余。只是在汉堡威廉斯堡集水池工程成功开发液压盾构后,才有可能在大气压下在地下水中开挖隧道。在隧道中间段3座孔洞通过横通道相连,其施工没有出现任何问题。

带有支护板及支撑架的盾构掘进系统往往会引起临时的土层松动和下沉。这就是说,虽覆盖层厚度大,但部分地方沉降超过了10cm,在盾构后大约50m处由已衬砌完工的隧道孔洞施做连续的、仔细的二次注浆,可减少沉降。1969年12月开始掘进隧道两孔洞,1973年6月,隧道东孔洞的掘进作业结束,共设置衬砌环大约3000环,铸铁管片大约48000块。掘进效率平均为3.90m/d,而最高的掘进效率是7.9m/d。

如同老易北河隧道一样,接常规进行了测量,只是水平环和圆锥形环之问的相互影响根据隧道和盾构的实际位置进行了预先计算。在隧道的前面设置了激光仪作为方向控制。

完成主体施工的隧道孔洞接着设置横向通风装置。行车道和顶板以分部循环施工法施做钢筋混凝土。这样在行车道下形成的沟槽则用作进入新鲜空气,而隧道中的废气则经由顶板上方的槽道捧出。隧道的侧墙采用预制的混凝土板作为衬砌,并全部铺上瓷砖。隧道于1975年1月开通。

1995~2003年施工易北河第4孔隧道


易北河第4孔隧道工程平剖面图

易北河隧道已经建成了三个孔洞,1995~2003年正在修建这座隧道的第4孔洞。该孔洞只允许由北向南方向行车。

第4孔洞全长4.4km,隧道段长约3.1km,其中大约有2.6km以盾构法掘进,而南引道段和北段的进入段以不降低地下水位的明挖方式施工。

第4座行车孔洞布置有两条各宽3.75m的行车带、一条宽2.00m停车带和两条各宽0.50m与0.63m的紧急人行道。在盾构掘进段内,开挖公差为±15cm,坡度公差为±10cm,隧道孔洞的内径为12.35m。.第4孔洞经3座逃离横通道与已建隧道的西侧孔洞相连接,其中2座逃难通道是以顶管法修建的,其内径为3.50m。第4孔洞同既有隧道的间距在15m与70m之间。

易北河第4孔隧道,采用盾构掘进机开挖,外径为14.20m,是当时世界上最大的,采用盾构在松散地层开挖和采用单层村砌的水下隧道。从易北河南岸的起始竖井起,易北河隧道的覆盖层厚度最小是7m,而在易北河底的覆盖层最厚是13m,并要在保证长950m航道正常航运的条件下进行开挖作业。在易北河范围隧道底部最深处位在NN-42m左右,水压为6bar。与河中段相连接的陡升至NN+38m的北侧岸坡,其上分布有密集的住宅楼群,隧道从距楼房地下室底部9.50m处穿过。

1995~2003年修建的易北河第4孔隧道的地质状况

鉴于当地的这种条件和岩土的不均质,1986年在世界范围内邀请有经验的施工公司提出自己的施工方案。这样就不必在以后的方案确定过程中以及可能的重新设计中更改设计资料。另一方面,地下工程的所有最新技术和各种革新施工工艺都可融人设计方案中。在1988~1990年期间,设计方案的确定反反复复经过了7500多次讨论。

1993年对易北河第4孔隧道的施工进行了国际招标,为此提供了一个功能性的施工工作量详细说明,以便利用投标方的经验针对这项复杂工程任务制定施工方案。投标则以公开参与竞争的原则以非公开方式进行,以便把范围限至在有实力的投标商。共有5个国家的4家投标公司参加了竞标。在1995年10月13日,主要工程发包给了“易北河第4孔隧道工程公司”,这家联营公司由德国7家大型公司组成。

为使承包方和发包方之间的风险界限分明,每位投标人要在投标书中提出可能会出现的事故,并对可能发生的事故作解释,以及提出必要的施工工作量和相应的费用。

易北河第4孔隧道以钢筋混凝土管片施作单层衬砌。采用盾构掘进的2560m隧道段全长共设置1280个隧道村砌环,总计11520块衬砌管片。砌后的隧道内径是12.35m.,外径是13.75m,设置的管片厚度是70cm,450的衬砌环分割形式使得管片环由9块管片组成。管片的平均宽度是2.00m,长度是5.30m,每块管片重约18t。管片都是在附近港区的一家管片预制场制备,并通过铁路运送到施工现场。

两条连续的、EPDM橡胶密封带宽56mm,在纵向接缝和横向接缝中构成隧道的永久密封。借助两条密封带之间的横隔板,在所有的接缝中会形成一种密封小斗室,若是出现河水渗漏,它能够有助于确定渗漏地点。在拼装管片的时候,密封带压缩至初始厚度的60%。该密封带可以在10bar压力下保持密封性。这些结果都在STUVA一系列试验中得到验证。

易北河第4孔隧道的横断面

汉堡易北河第4孔隧道穿过的地层很不均匀,交替出现有松散至坚固的砂、砾石、粘土、云母淤泥、泥灰质漂砾粘土、如软土、泥炭等的有机土、夹杂的砂质透镜体、卵石与粒径大到2m的石块。

盾构掘进的核心设备是隧道掘进机械,这是一台作为液压盾构的、开挖外径为14.20m的混合盾构,包括后配套设备部分在内,掘进设备车架长度达60m。

掘进设备的总重量约为2600t,其中单是包括切削头在内的长度12.9m的盾壳重量就达2000t。切削头由带有5个轮幅的轮辋组成。这5个主轮辐提供的出土通道宽度达1.20m。切削头的纵向行程是800mm,并且可在铰接轴承内翻转。这种盾构特点是轮辐可移动,这样可在维持支护液体压力的情况下进行刀具更换。在轮辐的外侧设有2台发射设备和3台接收设备以地震波法探测地质结构状况。

开挖下来的出土经由液压循环设备送到设于露天的分离设备,再由此经输送带和驳船回填港口的低洼地。盾构掘进机制造时间为20个月,另外花去4个月时间用于在起始竖井安装机具,即是说在合同签订2年以后开始掘进隧道。比合同规定的1997年11月27日开工时问提前了一个月。

由私人银行财团投资的该工程造价,包括价格浮动和利息——以3个月Fibor新标准为依据(工程中间支付)——约为11亿DM,施工时间大约是7.5年,盾构掘进作业时间大约是2年,1997年开始施工的斜坡引道段工程主体施工时间为3年,易北河第4孔隧道的整个施工任务于2003年夏天全面完成。

汉堡易北河第4孔隧道工程同以往已经建成的隧道孔洞相比,在几个方面使技术达到了较高水平。迄今为止的技术发展主要体现在:

•弓形管片的尺寸越来越大;

•隧道衬砌大量使用钢筋混凝土,取代早期使用的铸铁管片;

•60年代还广泛使用的铅封接缝法已不再使用,取而代之以环形橡胶密封带密封接缝;

•德国已开始在盾构掘进隧道中采用单层衬砌;

•封闭式掘进系统明显地增加了隧道工程人员的安全性,如1910年修建的老易北河隧道的掘进情况在今天已不可想像;

•封闭式掘进系统可使沉降较小,且施工误差仅为几厘米,精确度很高;

•不管是盾构始发竖井或者是接收竖井,都不再触及地下水水量平衡问题;

•有关压气使用的生理学和医学认识,比上个世纪之交时有很大变化。根据易北河第4孔洞的经验可将压气作业规范中有关压力的规定改为超过4bar。


参考文献

RohtBieleeki, Siegfried Zell, Die Straβentuntiel unter der Elbe in Hamburg.Tunnel,1999; 3:12~23(德、英文)

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