书馆banner

您的位置:首页 > 书馆 > 工程档案

2001:荷兰绿心隧道Φ14.87m泥水气压平衡盾构工程

作者:兰利敏 苑春艳  来源:隧道及地下工程  发布:2019/12/5  浏览: + 放大字体 | - 减小字体

摘 要:荷兰Groene Hart高速铁路隧道(生态绿心隧道)位于阿姆斯特丹到布鲁塞尔高速铁路TGV沿线,是连接阿姆斯特丹和鹿特丹高速铁路的一段,把阿姆斯特丹—鹿特丹高速轨道线连接起来。工程加上引道段,隧道总长达到8km,采用当时世界上直径最大、NFM制造的Φ14.87m、长120m、命名为“极光”泥水平衡气压盾构施工,盾构穿越泥炭土、粘土、饱和砂层土高水压地层,掘进机配置容量为8,000 kVA,切削刀盘旋转速度为0-1.4rpm,总推力达到184,300 kN。这台盾构掘进机比以前的盾构(盾构直径最高记录为14.2m)大10%,配置Benton’air泥浆压力限制技术,包括盾构工作面上膨润土泥浆压力与气泡控制调节的应用技术。“绿心隧道”建设合资公司由法国Bouygues布依格公司和荷兰Koop Holding Europe公司组成。

具有挑战性的工程项目

当英法海峡隧道铁路连线竣工后,从阿姆斯特丹到巴黎的旅程只需3h。而从鹿特丹中部到伦敦中部也只需3h。到2005年,当荷兰与欧洲高速铁路网相连接时,上述情况将成为可能。这样就再也不会出现公路堵车和在斯希普霍尔机场等候登机的这种情况了。相反,旅客可以享受时速为300km的顺利旅程。这不仅是欧洲国家之间,而且在荷兰国内也是这样。

荷兰西部有一片美丽的乡村大地,它被阿姆斯特丹、鹿特丹、鸟得勒支和德哈格(黑格)这四座城市拥挤的地区所包围。由于其所处的位置和乡村秀色,这个位于荷兰西部城市聚集地内的公园被称之为荷兰的“绿色心脏”。此地区大约有600000人口,大部分乡村土地,主要是农牧业用地,例如奶牛场和园艺场。这个“绿色心脏”是荷兰最后剩下来未受破坏的处女地之一。分割该地区将增大城市的开发力度,但是会降低乡村景现的价值。鉴于这些原因。1998年4月荷兰政府决定在阿姆斯特丹和鹿特丹之间“绿色心脏”下开挖一条隧道来减少施工期期间及未未来运行期间的干扰。

因此,荷兰运输、水路部要求其顾问HSL-Zuid(Zuid高速铁路公司)以一个长达8km的地下工程来实现这段铁路线建造,这一地区的地质条件与工程实施阶段对该地段的景观保护要求,也促使了工程业主使用盾构法挖掘隧道。

高速线路的施工重点将放在现代化技术、安全性、可靠性、可持续性、低成本和低风险上,同时对所需求的基础设施的建筑结构也应非常重视,这包括大约170座大桥、隧道和地下通道。此高速线是一项独特的工程,是由国家和私人企业相互合作从而形成的安全、快速、能满足目前及将来需求的运输系统。在荷兰“绿色心脏”下开挖的盾构掘进隧道将作为南部高速线的一部分,以满足未来发展的需要。将来,旅游的人会越来越多,而且他们旅行的距离也较远。荷兰西部兰斯塔地区密集城市的公路和拥挤的斯希普霍尔机场将不能满足日益增长的客流量。鉴于这个原因,2005年就有必要在荷兰与欧洲高速铁路网之间建一条连接线路。1993年3月公布的针对欧盟的环境影响评估表明,这个新的高速铁路网连接线将导致运输模式的重大变化。将欧洲的旅客交通看作一个整体,一些研究表明铁路所占的市场份额将从l5%增至25%,其中,新铁路线40%的乘客不再使用私车,还有34%的人取消乘坐飞机。

线路确定与合同签订

自1991年起,高速铁路线项目的论证已进人有关法定程序,包括载人荷兰基础设施(规划程序)法中的关键部分规划决策(KPD)程序。在国会通过了高速连接线的KPD后,l997年底开始进行线路的详细设计。这些都是在当地居民、省市和国家机关及政府部门的密切商议下进行的。部长们也都接受了此线路决定,国务院举行听证会,在此期问,当地的居民、公司和一些机构团体还可以提出反对意见并正式提交。1999年8月,国务院作出最后决定,此线路决定便成为了不可撤消的法令,不再允许有官方的和任何形式的阻抗。

盾构法掘进的“绿色心脏”隧道合同签订始于1998年9月,采用的招标方式,是新颖而不平常的。这里没有采用传统的做法,提供有关信息、记录过程和总规定,相反采用的是一种非正式的、坦率的,通过一个国内外承包商参与的研讨会来进行招标的公开方法。此研讨会的主要目的是向“市场”寻求一种明智的、创造性的和新颖的方法,因为该盾构隧道工程是高速铁路连线项目最大和价值最高的部分。合同签订程序必须于1999年11月完成,到时设计和施工合同将授予一家承包商。

1999年12月7日法荷联营体(法国布衣格公司Bouygues Travaux Publics–荷兰Koop公司)中标,其中法方占90%,荷方占10%。本项目为建设长达十几公里的鹿特丹―阿姆斯特丹高速铁路支线,它穿越一片天然绿化、水网河流密集、传统风车遍布的风景地段,荷兰当地政府和人民绝对要保留这片风光地段。

根据该线总规划要求,也由于工期限制,这一项目在1998年底向五5家通过预审工程企业发出招标文件,项目包括隧道工程及其辅助工程。工程的地理位置完全处在荷兰沿海围垦地区,地面高度也低于海面高度(北部低1m,南部低4m)。土质虽均匀,但却含有一层10m~15m以上厚度的软弱粘土和泥炭,其机械应力很差(密度达1.3)。软土以下由0mm~2mm渗透性特强而机械应力不等的沙层组成。地面水和雨水由沟渠排至离地面几分米的地下,然后抽至高位运河,由上而下形成地下河出口流向大海。沙层深处由于连接着海,所以因海水渗入而有点带咸。“绿心隧道”挖掘直径Φ14.87m,内径Φ13.2m,管片厚度0.6m,盾构于1999年12月向NFM Technologies公司(LeCreusot)订购,于2001年11月投入现场使用。

隧道设计有关考虑

准备隧道参考设计的目的是:

(1)为必要的管理咨询建立一定的基础和条件;

(2)使候选承包商在设计方面花费的精力较少(设计与施工合同)。正如业主所预料的那样,该参考设计加上质量标准可为设计提供指南。

该隧道计划始于霍赫马德(Hoogmade)南部,止于本赫伊直(Benthuizen)北部的哈泽斯沃德(Hazefswoude)村庄附近。隧道的起始竖井位于杜斯(Does)河北边(如图)。

“绿色心脏”隧道纵断面

内径为Φ9.54m的盾构隧道双孔洞连接起始竖井和尾部竖井(如图)。预制混凝土管片(7节管片和1节封顶块)厚45cm,宽1.5m,在TBM后边进行拼装,从而构成隧道结构。



绿心隧道设计剖面图


隧道横断面


隧道孔洞之间的横向通道间距为300m,每隔2km建一条紧急和维修竖井(如图)。采用冻结注浆技术进行横向通道施工。沿长度7.01km,两个隧道孔洞都将采用盾构机械进行开挖。在竖井处隧道轴线之间的距离为半个直径,其余部部分为一个直径。

间隔为2km的紧急、维修竖井

竖曲线在20000m与50000m之间,水平曲线大于4250m。最大坡度小于2.5%,总的净空横断面最小为60m2(如图)。

总的净空横断面(最小为60m2

紧急和维修竖井位于奥德瑞金河、NIl公路和本特赫伊真村庄处,采用沉降到-37mN.A.P处的气动沉箱作为施工方法,竖井尺寸的确定是为了能在隧道孔洞施工期间进行TBM大修。因此,竖井必须在TBM到达之前建成。竖井尺寸设计成能通过两个隧道孔洞。

引道的施工采用传统的明挖法进行,并利用泥水墙、板桩、混合墙和由板桩支护的“水下”混凝土。北边引道的长度为690m,南边引道的长度是810m。

“绿色心脏”隧道现场的土壤特性极具复杂,这里有许多层土壤,包括盐水和微碱水,其水位高达地表。全新统西部地层有厚10~15m的泥炭层(比重为1100~1300kg/m3)和位于松散砂土层上的海相粘土层(如图)。对于任何施工方法来讲,其土层条件都是较困难的。在这个西部地层下面是Twente和Urk地层,距地表25~30m。这种地层由密度在10%~60%的细砂层组成,这也就意味着有大的挤压、沉降和液化的风险。所有计划在此种地层条件下进行施工的工程都必须认真地考虑到土层破坏对结构的影响。

隧道现场的地质剖面图

在“绿色心脏”下建设隧道是出于环境保护方面的原因,因此这些考虑因素在隧道设计方面起很大作用。为了满足这些要求,决定隧道掘进机从北竖井开始开挖隧道,这样的施工计划将严重限制现场空间和施工活动。为了避免在关键地方出现麻烦,必须施做无板桩的挡土墙。

成立Westin-Bent施工活动委员会的一个主要原因是严峻的环境条件。这个委员会由当地居民和地方当局组成,包括来自项目办公室的代表。小组多次会议的结果是产生了列在“参考条款”中的额外要求,并与候选承包商进行了沟通。侧如,施工时间将限定在7:00~19:00时之间;现场照明可以开启,但不能直射房屋。在施工期间,委员会将与当地居民联系,而监控所有的条件,以避免施工出现麻烦。当然,所有必须的许可同意直接取决于业主、承包商与官方的交流。

高速线工程机构负责高速线的100km施工。在该机构中,NS-RIB(荷兰铁路基础设施管理部门)、荷兰铁路咨询和DHV(环境和基础设施咨询)与运输、公共工程和水管理部以及房屋及地区开发部一起共同工作。1998年该机构从准备阶段转为强调工程施工的结构形式。高速线南段工程机构的“绿色心脏”隧道项目办公室有以下这些任务:

(1)实现隧道设计和施工目标,包括技术设施安装;

(2)为征地、迁移电缆和管道以及获得官方许可创造必要条件;

(3)就有关隧道设计及施工方面与当地居民和行政当局进行联系沟通;

(4)工程竣工后负责10年的维修。

该单孔隧道中的双线将用钢筋混凝土板隔开,隔板上设有许多紧急疏散门。此外隧道从进口到出口,每隔2km设一座用于火灾时紧急疏散的竖井,全隧道共设三座竖井。预计该隧道两年后完工。

隧道掘进机选型

荷兰“绿心隧道”采用世界上最大直径Φ14.87m掘进机进行施工。“绿心隧道”加上引道段,隧道总长达到8km。“绿心隧道”建设合资公司由法国Bouygues布依格公司和荷兰Koop Holding Europe公司组成,采用NFM长120m、命名为“极光”泥水平衡气压盾构掘进机,穿越泥炭土、粘土、饱和砂层土高水压地层。盾构掘进机配置容量为8,000 kVA,总推力达到184,300 kN,切削刀盘旋转速度为0~1.4rpm。这台盾构掘进机比以前的盾构(盾构直径最高记录为14.2m)大10%,配置Benton’air泥浆压力限制技术,包括盾构工作面上膨润土泥浆压力与气泡控制调节的应用技术。

这是一台巨型掘进机,盾构直径Φ14.87m,与前Elbe隧道使用的直径Φ14.20m的挖掘机相比,其截面大10%。该设备虽使用传统技术(泥水气压盾构法),但为了满足其特殊的直径要求,设备及隧道结构都结合了密集工艺的新设想(当时世界上只有10台直径大于12.5m的大型设备,而欧洲仅有这一台)。

隧道掘进机及其车架主要技术资料

掘进机 隧道挖掘直径 :Φ14.87m 

挖掘机长度: 12.40m

拖车长度 :110m (未计挖掘机长度)

盾构重量:1900t

拖车:1450t

总功率: 9540kW (未计清除废土)

挖掘机头部功率: 3500kW

挖掘机头力矩 :136000kNm

挖掘机头转速: 0~1.4 rpm

总推力: 19×2×485=18430t

带双舱的人员气闸:2个

设备运输舱口:1个

液压清除废土

进排水管道:Φ 500mm

流量额定 :2500m3/h

总功率: 5040kW

隧道掘进施工

荷兰Groene Hart高速铁路隧道(生态绿心隧道)位于阿姆斯特丹到布鲁塞尔高速铁路TGV沿线,是连接阿姆斯特丹和鹿特丹高速铁路的一段,把阿姆斯特丹—鹿特丹高速轨道线连接起来,全长7.176km,设计直径Φ13.30m,总投资4.31亿美元,由法国Bouygues公司和荷兰Koop Holding Europe公司联合进行建设。工程采用法国NFM公司生产的世界最大直径(Φ14.9m)掘进机。

“绿心隧道”于1999年11月发放设计和施工合同,这就意味从那时起在设想的现场情况下,盾构法施工的“绿色心脏”隧道开工了。当时世界开挖直径最大Φ14.87m掘进机于2001年11月2日开始在Bospolder工作井(十字路口段车站176m2)始发推进,主要穿越泥炭土、粘土和饱和砂层土等高水压地层。隧道施工计划从2000年秋天开始,计划工期三年,计划推进速率为9~12m/d,而且横通道的施工与之为一个整体。安装工程设备和轨道系统计划从2004年5月开始,2005年5月完成隧道工程。计划在2005年12月31日整条线路交付使用。

施工单位之所以选择造价为3.49亿美元的单孔双线隧道进行施工,主要是由于财务和环境两方面的原因:首先是直径Φ14.9m的单孔双线隧道将比两座Φ9.3m直径的双孔隧道产生的弃碴少,而且可以保持地面沉降控制在规定的20mm以内;其次是可以避免修建两座单线隧道间昂贵的横通道。

施工进程实际记录:推进速率为12~16m/d,最高月进尺616m。2004年1月17日,重达3,520t的直径Φ14.87m泥水盾构掘进机进入隧道接收井,长7,176m的“绿心隧道”提前贯通,荷兰的部长和夫人Karla Peijs出席贯通仪式。“绿心隧道”建成把阿姆斯特丹――鹿特丹高速轨道线连接起来,隧道也与Hoogmade线的Hazerswoude-Dorp车站相连接。

盾构推进速度较快提前贯通,原初始目标在2004年春天贯通,这主要归功于12-16m/d的推进速率(计划推进速率为9~12m/d),最高月度推进为616m(出土106,980m3)。圆型隧道一个衬砌环由10块管片组成,整条隧道共拼装了35,870块管片,总出土1.3百万m3

Φ14.87m泥水气压平衡盾构掘进机刀盘进入工作井

隧道工程有关研究开发

“绿色心脏”隧道项目办公室所作的研究主要是为了分析和提供一个风险控制基础、优化施工方案和降低成本。本研究的主题与以下这些方面有关:

(1)TBM技术(工作面稳定性,对周围灌浆工序的影响和力的平衡);

(1)土工技术方面(松散砂土、长期沉降、冻结技术、障碍探测和开挖碴土的重新利用);

(3)隧道结构(寿命、稳定性和施工阶段影响);

(4)横向通道施工;

(5)地层振动和隧道中微气压波的动态影响(施工阶段和使用阶段的振动);

(6)环境问题;

(7)后勤保障问题;

(8)安全性问题;

(9)维修问题。

此研究的预计结果,可说明控制风险所必需采取的措施,并为参考设计和变更设计的技术解决方案提供理论依据,例如双O管孔隧道和双线隧道(如图)。而且,确定成本下降因素和安全措施参数的确很重要。例如,隧道结构必须满足水密性、稳定性和长寿命,以及可靠性这些要求,同时还要实现最优的经济性和低风险的目标。

包括一双O管孔和一双线管孔的参考设计比选方案

根据监测结果和第二座海嫩奥德隧道(荷兰的第一座盾构开挖隧道和第一个先导工程)的观察量测结果得出结论:施工阶段对隧道衬砌设计来说是非常重要的。其拼装过程、特别是横断面中的三维应力分布、尺寸缺陷和误差都会导致混凝土管片的损坏,从而降低结构寿命,并增大维修成本。

建立了一个监测程序,以便对重要的质量、风险和成本进行控制,使其对环境的意外影响和负面影响减至最小。同时应保持完整的计划和工程进度。

“绿色心脏”隧道工程办公室与当地安全部门一起制定了完整的安全程序文件,以便针对安全要求建立和提供必要的控制项目。最大的安全性风险为列车脱轨、塌方和火灾事故。通过应用脱轨导向系统和将铁路渡线减至最短的方法,可以尽可能地减少部分影响。

以英法海峡隧道、勃郎峰隧道和陶恩隧道的事故为证,隧道内的火灾与隧道外的火灾是完全不同的。针对火灾安全性问题进行了广泛的研究,隧道中列车发生火灾对旅客是最危险的。在封闭的空间范围内烟雾与火势的蔓延肯定会危及旅客的生命,由于这个原因,采取一些预防措施将可能的风险降至最低,例如:

•火灾探测和防护系统;

•烟雾探测系统;

•横通道和应急竖井;

•足够的疏散空间•

•防火门。

设计了各种包含不同隧道方案的安全风险模式,以便寻找到最佳的安全措施。对以下隧道横断面进行了分析:

•带横通道的两个单线管孔;

•带分离的疏散隧洞的一个双线管孔;

•中间有隔离墙的一个双线管孔;

•一双0管孔隧道。

列车本身的一些额外措施(例如火灾的及早探测)能大大降低风险,速度的观察和监测对确保救援队的及时到达也是非常重要的。安全门之间的较短距离,以及通风系统的优化有降低风险的可能性。

私人公司参与线路建设

在高速线施工之前,有必要开展一些前期工作。首先必须购得施工现场的土地。项目机构打算购买沉降较小的土地。但是,当不可能达成协议时,法院将要求强制征购。在线路施工开始之前,需对土壤进行勘察。为了确定这条线路的重要参数,需要进行土工技术、地球物理、环境和土地的勘察。为了防止在施工期间破坏具有考古意义的遗址,在项目的初期便进行了考古勘察。

项目组织机构邀请了私人公司参与线路的创建与思考工作,以及铁路运输的整个构想。项目组织机构与私人公司的合作必然会产生一种全新的旅行构想。对来自市场的商业构想,将根据其对旅行者的影响、旅客人数、财政结果和对环境的影响进行专门评估。

结语

“绿心隧道”将阿姆斯特丹与鹿特丹之间的距离缩短为30min,安特卫普和布鲁塞尔在阿姆斯特丹和巴黎之间的旅行时间也减少到2h,该隧道将于2007年4月正式开放运营。到2005年荷兰将拥有超过55km直径大于5m的盾构隧道。列在前面的有“绿色心脏”高速铁路隧道,直径几乎达11m,开挖长度大于7km。此工程的隧道设计和施工将包括大量的研究和开发工作,其成果可供其它地下工程参考。

2003年,这台世界上最大直径Φ14.87m泥水气压平衡掘进机已被出售到上海隧道工程股份有限公司(STEC),通过再制造应用于上海上中路隧道工程。




隧道网版权及免责声明:

凡本网注明“来源:隧道网”的所有作品,版权均属于隧道网,未经本网授权,不得转载、摘编或以其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,须在授权范围内使用,并注明“来源:隧道网”。违反上述声明者,本网将保留追究其相关法律责任的权利。凡本网来源注明为非隧道网的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,该文章仅代表作者观点,并不代表本网赞同其观点或对其真实性负责,请读者自行核实相关内容,仅作参考。如因作品内容、版权和其它问题请与本网联系。

关键词

相关文章

网友评论

发表评论

发表评论 (回复限1000字以内!)

加载更多...


隧道网手机版
隧道网微信公众号
╳ 关闭