海峡隧道掘进施工

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1、四、海峡隧道掘进施工英法海峡隧道工程由三条平行隧道构成，相邻隧道中心轴线相隔15m。两条单线铁路区间隧道内径7.6m；中间一条服务隧道内径4.8m。每条隧道长47km，其中37km建在海底。三条隧道之间由横向通道连接。这有利于隧道撤空、电器设备安装、泵站建设和隧道内的气流循环。法国一侧的英法海峡隧道工程在布欣克地区开始动工，布欣克地区距海岸仅3200m。隧道穿越海岸东面的桑加特村庄，计划在距桑加特隧道工作井15.8km的海底深处，同英国一侧的隧道进行对接。（一）盾构初始推进在膨润土水泥防水墙内，建造一个直径55m、深65m的工作井。这样的设计能确保在干燥条件下开始工程建设，也能进行自动化工业装

2、卸设备的安装。盾构掘进机部件从地面吊入工作井进行安装。起初盾构掘进机长度为190m，然后逐渐增长至240m。这个新建工作井随后改为施工人员的进人口。1.经由地质情况法国一侧海峡隧道都在白垩泥灰岩地层中掘进施工。白垩泥灰岩在多佛和桑加特之间形成一个连续不断的均匀厚层，白垩泥灰岩层和下部的白垩纪砂岩层之间被泥灰质粘土层分开。海底隧道线路设置在蓝色白垩岩床上，蓝色白垩岩床属塑性地层、中等渗透，粘土约占25，适合于盾构掘进机开挖地工。这种蓝色白垩岩地层在将近法国海岸时，就急剧下降到海岸下面，而隧道则往上穿越上层具有渗透性的灰色和白色的白垩层，一直通至隧道出口处。总体上讲，法国一侧的海底地质情况要比英国

3、一侧的复杂，而且又拥有多处断层，海底隧道线路穿越多处含水的蓝色白垩地层。该处地层倾角从英吉利海峡北面起开始逐渐增大。2.技术措施在隧道掘进中，采用了能进行闭胸式施工的盾构掘进机，因为这种盾构掘进机能在恶劣地层或含水地层中施工，无需事先实施地基加固处理。在海底复杂地层中施工时，使用混合式盾构掘进机。这种盾构掘进机在良好地层中能转换成开启式进行高速施工。当地层水压力高或条件差时，采用闭胸式盾构法施工，用液压千斤顶推在盾尾已拼装好的隧道衬砌上，使盾构掘进机向前推进。这些后位推进千斤顶固定在装有套筒头的前部盾构上。当地质条件良好和水压降低或无水压时。采用开启式盾构法施工。盾构掘进机通过后盾上的侧向液压

4、撑脚向前推进，隧道开挖掘进是套筒式可延伸切削头沿线向钻进。每次推进工作结束，侧向液压撑脚就缩回，盾构再推离已拼装好的衬砌管片，向前移进。这些衬砌管片是在盾构开挖时拼装的。五台盾构掘进机在桑加特隧道工作井内安装。三台盾构掘进机从桑加特隧道工作井朝海底方向掘进，在15800m处同英国一侧的盾构掘进机对接。另两台盾构掘进机用于法国一侧的陆地隧道，第一台盾构掘进机为服务隧道掘进3200m才能抵达隧道出口，第二台盾构掘进机用于两条铁路区间隧道的掘进。3.服务隧道超前探测作用服务隧道在英法海峡隧道工程中起着超前导洞的作用。在盾构掘进机里面，实施掘进钻探和对地层特性进行量测，并记录地质条件情况。同时也在盾构

5、掘进机后面进行调查研究，以查明位于上部的蓝色白垩地层和位于下部的泥灰质粘土层等地质情况，见图9。在隧道掘进施工中，遭遇极其恶劣的地层和盾构掘进机发生问题时，根据需要对隧道实施全断面注浆加固。横向通道施工时，也同样可在服务隧道里，向铁路区间隧道的路线上进行注浆加固。这种施工设备也用于对连接铁路区间隧道的横向通道路线进行注浆加固。 隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片，衬砌周边上设置氯丁橡胶接头。盾构向前推进时。对隧道衬砌和地层之间的环形空间进行注浆，以确保隧道衬砌圆环在原地牢固地稳定住。注浆是通过设在盾尾部位的管道，直接对盾构掘进机后面进行注浆加固。盾构全断面切削大刀盘在电动马达的驱动下，进行开挖掘进

6、。旋转切削大刀盘上配置8条扭臂，上面装有一些中心切削刀头。扭臂和中心切削刀头用于支撑并切削地层断面。8条扭臂的未端装有刮凿，用于刮凿地层和开挖舱内堆聚泥土。朝陆地方向推进的盾构掘进机配置一个中央螺旋输送机，有利于在潮湿地层施工时，移去白垩层土塞。在陆地一侧的隧道，旋转切削刀盘由整体盾构带动，隧道长度在圆体盾尾后面延伸，预制衬管片就在盾尾内拼装。旋转切削刀盘、盾构和盾尾在掘进施工时，是通过液压千斤顶推离已经拼装好的隧道衬砌，向前移动。在海底一侧的隧道，旋转切削刀盘由盾构前部导向控制的套筒式切削头带动，液压千斤顶对盾构的后面部分施加压力。后部盾构四置恻向液压撑脚，在盾尾内进行衬砌管片拼装，并向前推

7、进。 隧道掘进施工表明，白垩地层的状况有着相当大的差别，差别取决于地层中的粘土和含水量、断层的地下水状况。这就德要在盾构切削头机械工具的定位和掘进方法等方面多加完善。其它的适应改进措施也是必不可少的。特别是碰到相当干旱的地层，需要采取干出土。这种相同情形也可能存在于英国一侧的蓝色垩地层中。（二）盾构穿越含水断裂层英法海峡隧道工程施工的全部长度中，除由6台盾构掘进机施工的隧道工程长度以外，还需要设置一些其它长度的隧道工程。其中，横向通道有306段（总长2.8km）和在中间服务隧道顶端跨越过去的、直径2m的活塞式泄压风道工程（总长2.5km）。英法海峡下面设有两座泵站，一座建设在6km处，另一座建

8、设在13km处。这些复杂的结构，包括一个与上面三条隧道成直角的集水井，隧道之间设有两个泵房。所有的盾构掘进机运转良好，但海底服务隧道推进到1km后,遇上极其难以对付的地层。水流通过严重开裂的地层，冲刷着四周的碎石泥块，导致地层形成楔形状，直接坍落在盾构掘进机的尾部。针对这种情况，即采用指状支撑，但是，衬砌被涨开时，这种支撑会不断陷落、歪扭和拉落。为解决这个难题，在指状支撑之间，设置了不锈钢板。然而，这种技术措施仅在5km外意外得到改善地层里相当有效。海峡铁路区间隧道在相同地段中，也经历了甚至更加严重的困境。有效的技术措施是在盾构施工的服务隧道里，朝这个地层注射以二氧化硅为主体的化学装。盾构化学

9、注浆的最后效果是盾构最后700m掘进时，在情况更加严重的地层中形成一个保护外壳。；两种不同类型的盾构掘进机，其管片的提升用销钉位置也不同。詹姆斯豪登公司的盾构掘进机，使用两只有角度的销钉，用液压动力将其串入管片。罗宾斯马卡海姆公司的盾构掘进机的管片则使用设置单只销钉。 另一个日益严重的问题，是碎石泥块坠落或被水流冲刷到盾构掘进机的机顶上，并自然堆积在盾构掘进机外壳上。外壳上的碎石泥块又被挤压成人造岩块。必须用气铲将这些坚硬的人造岩块铲除，因而延长了圆环衬砌的施工时间。为彻底消除自然堆土，应用了有弹簧装置的刮土器。（三）盾构掘进效率盾构掘进机一直处在工作状态，第一条陆地方向的隧道于1989年4月

10、凿通。陆地方向的4号区间段服务隧道盾构掘进机，在3Pa压力下的含水地层中，其安全可靠的掘进工作效率得到验证，并在隧道凿通前最后一个月施工中，又创下了月度掘进887m的纪录。1号区间段海底服务隧道盾构层进机，在艰难通过难以对付的地层之后，每月可保持掘进50多米的平均速率。2号和3号区间段海底铁路隧道的盾构掘进机，设法通过灰白垩地层，并解决了粘稠土层的开挖问题，未让粘稠土充塞盾构切削刀盘。由于服务隧道的施工经验，铁路区间隧道施工获得了一个令人满意的掘进速度。2号区间段北面隧道盾构掘进机，在隧道掘进施工第6个月中，月推进350m。3号区间段南面隧道盾构掘进机，从第二个月起月推进200m。全断面密封舱

11、盾构掘进机能确保高速隧道施工。朝海底方向推进的隧道在开启式盾构法施工时，推进速率达4.4m/h；在闭胸式盾构法施工时，当盾构掘进机承受最大压力达1.1Mpa的条件下，推进速率为3m/h。从法国桑加特竖井工地向陆地方向推进时，服务隧道的盾构推进速率为3.5m/h；两条铁路区间隧道的盾构推进速度为3m/h。英法海峡隧道工程掘进的速率不断变化着。但海底服务隧道的每周平均掘进速度在150250m之间，而海底铁路区间隧道的每周掘进速度为265m。施工进度能达到这样高的效率，关键是对盾构掘进机的有效使用率，如螺栓对准机械和电气问题等实施了电脑分析，再制定机械保养和维修的指标。由于应用了电脑，盾构掘进机有效

12、使用率达到了90。盾构专家认为，长距离隧道的整个掘进系统，其有效使用率达到60是最合适的。尽管遇到这种或那种困难，但盾构掘进机仍然按原定计划在1991年年中完成掘进施工。（四）服务隧道海底会合和铁路区间隧道贯通情况服务隧道挖掘进入法国境内，法国一侧的隧道掘进机避让到一侧，让英国一侧隧道掘进机向前掘进靠近贯通点。英国一侧的海底服务隧道同法国一侧的隧道会合还剩100m时，英国盾构掘进机上的试探钻继续向前钻进，直到同法国一侧的盾构掘进机接头为止。对钻机凿通的位置进行了量测，英法两侧隧道平面位置相差0.5m，隧道的高程位置相差仅50mm。英法海峡隧道工程的成功对接得益于量测技术的发展。 随后，英国一侧

13、的盾构掘进机停止向法国一侧掘进。采用台架式Craelius试探钻机从英国一侧向法国一侧开挖一条通道，开挖足够长后，拆除豪登公司隧道掘进机，将尾壳留在原地。在以后某个时间，盾构掘进机将报废并埋进混凝土里。而法国的盾构掘进机则进行设备拆除，部分机械设备还可以维修利用。英法海底隧道的最后对接段，用人工开挖一座隧道，先挖一个适当的洞室，再扩大到全尺寸，并用铸铁砌块进行衬砌。在首次贯通的位置镶嵌一块有纪念意义的壁板。根据衬砌设计的变化，贯通点的位置很容易区分，因为法国一侧同英国一侧的砌块有明显区别。英法海峡服务隧道于1990年12月初贯通，并在1991年2月底竣工，隧道掘进机创造了新的掘进纪录。在199

14、1年3月，海底铁路区间隧道采用4台隧道掘进机开挖，完成总长度在5.5km以上。在英国一侧南端的区间隧道采用罗宾斯马卡海姆直径8.36m的全断面掘进机进行开挖，在距多佛悬崖海岸16km处，仅一周时间（包括停工维修的时间在内）就完成掘进428m。铁路运行隧道的贯通方式稍有不同。北端铁路区间隧道的结尾工作在4月末进行。英国一侧掘进班已安装最后的混凝土拱圈和长约12m的铸铁拱圈，使隧道掘进机适应于向下掘进，在半径为350m的曲线上，隧道掘进机沿这条线路向前开挖，直到车架和车体第一节支架的大部分低于法国一侧隧道掘进机的标高为止。然后对由掘进机向下开挖成的拱部采用喷混凝土(用混凝土混合料）作为临时支护。下

15、一步是将后车架下行到隧道内拆除，除第一节外，还拆除了一部分，使剩下一部分低于铁路区间隧道的标高，然后用轻质2400cm的含砂砾混凝土进行回填。设计这种回填模式不仅可埋掉英国一侧的隧道掘进机，还保证法国一侧隧道掘进机的正常掘进。法国一侧的隧道只需在英国拼装的最后一环拱圈的2m处停一下，然后拆除法国一侧的掘进机，仅留下头部的外壳，在外壳内安装铸铁拱圈以便完成隧道作业。 同样，英国一侧南端铁路区间隧道的罗宾斯马卡海姆隧道掘进机在5月19日开始掘进，以便使法国一侧能在6月13日完成作业。英法海峡隧道所有实际的开挖工程都提前半年完工。剩下的辅助开挖包括横向通道、活塞作用泄压风道、泵站和变电站，其施工情况

16、良好，按原计划也都提前完成。距英国海岸7km处的海底渡线隧洞，在1991年中两条铁路区间隧道的隧道掘进机到达前就进行了开挖和初步衬砌，灌注了素混凝土的永久衬砌。衬砌厚度的范围从拱顶900mm起到边墙1200mm不等，端墙则用3.5m厚的钢筋混凝土修筑。 当英国一侧采用新奥法开挖渡线隧洞时，法国更多地采用了新方法。掘进机通过该处后，修建了大约相似尺寸的隧洞。这是隧道工程中需要完成的最后的主要土建工程。这项工程位于距法国海岸约12km处的断裂白垩泥灰岩中。在洞室拱顶周围开挖了11个联锁区域和长160m的水平隧洞，将铁路运行隧道包围起来。这些小断面开挖可通过灌注混凝土作为初次支护和渡线室隧洞的衬砌波

17、线室隧洞将被开通，运行隧道的弓形块衬砌将被拆除而灌注混凝土永久衬砌来完成这项工程详细施工方法将在下面章节中独立论述。中间服务隧道的开挖从入口坑道网和远高服务隧道的横巷道开始进行，这样修建铁路区间隧道能使额外增加的运输畅通无阻。 英法海峡隧道的北线铁路区间隧道于1991年5月22日贯通贯通误差为：竖直方向23mm，水平方向21mm比1990年12月1日贯通的服务隧道的贯通精度有所提高南线铁路区隧道于1991年6月28日贯通，贯通地点臣法国侧189km贯通误差为：竖直方向32mm，水平方向Zmm北线隧道是1988年12月开始掘进施工的，南线隧道是1989年3月开始掘进施工的。当初预计涌水多，地质条

18、件差，因此计划掘进距离为163km实际上开的掘进最初的1km，花费了数月的时间后来速度逐渐提高，到贯通前的几个月，已达月进1000m以上，使工期大大缩短，掘进距离分别达200km和189km结果从开始掘进到北线铁路区隧道贯通平均月进664m，最高月进1106m，南线铁路区间隧道则分别为685m和1177m而英国一侧的掘进机施工，因涌水等使进度受到影响，实际掘进里离比预计的短但从地质条件稳定后，曾创造月进1500m的高记录。平均月进：北线铁路区间隧道为667m，南线铁路区间隧道为764m（五）盾构掘进施工详细资料隧道掘进开挖覆土、效率表 表2注：鹏隧道每一混凝土衬砌环由6如管片加1块封顶块管片组

19、成，长度约1.5m，厚度为410mm（陆地）与270mm（海底）运行隧道每一混凝土衬砌环由8块管片加1块封顶块管片组成，长度约1.5m，厚度为540mm（陆地）或360mm（海底）（六）轴线控制测量和贯通施工监测法国一侧和英国一侧隧道要在加莱海峡底下会合，这就产生了一个问题：即这样长的开挖长度没法设一个临时（测量）交会点，法国一侧的海底隧道要掘进16km，英国一侧的海底隧道要掘进21km。就是在这样长距离的海底隧道工程施工中，必须保持隧道在途中不遭受意外的事故，不能使施工停顿。1.轴线控制测量手段盾构掘进机的导向推进是一个面临的关键问题。必须考虑隧道竣工后，铁路交通列车通过隧道时两侧或上面所需

20、留下的空隙，以及长距离隧道的弯曲度和斜坡度。尤其当英国铁路公司和SNCF的列车以及将来高速列车和欧洲地铁公司专列。运载着大量汽车和货车通过铁路区间隧道时，这个问题就显得更加突出。又考虑到衬砌管片制造和拼装时所需的空隙和隧道衬砌变形等因素，这个空隙可允许在15cm之间。这就要求盾构掘进机轴线的推进精度达5cm。服务隧道的盾构掘进机轴线的推进精度，在几个分米之间。这就需要英国和法国在隧道施工开始阶段就要进行盾构施工测量；使其保持栩度一致。建立一个特定坐标量测系统，通过应用纳斯塔计算机附属网络系统，使误差缩小，接近一个分米。服务隧道掘进施工结束之前，需要打测试钻孔，以确保最后100m隧道轴线的施工精

21、度，同时保持隧道所需的限差。服务隧道限差的精确度不如铁路区间隧道限差的精确度。通过服务隧道对铁路区间隧道的地形测量，铁路区间隧道掘进的轴线精度没有出现任何特别问题。盾构掘进机的推进导向，与隧道应用楔形衬砌管片有着密切关系，隧道楔形环衬砌附随整个隧道的曲线。通过在四个可能位置上轮流调节封顶块管片，使楔形管片的位置可被移高或移低。图10 显示渗透率、涌水量与钻屑返回物的典型超前探测图海底隧道掘进，盾构掘进机的推进导向是由ZED测量系统控制。ZED测量系统依靠激光追踪目标和计算，从设计轨线上测定盾构掘进机的自身位置，并设定盾构掘进机向前推进的位置。根据盾构掘进机所处的相对于理论轨线的实际位置，来确定

22、下一步纠偏步骤，在制定下步纠偏步骤时，应考虑到隧道衬砌的线形特性和其它方面的约束，以最大可能来保证盾构掘进机尾部隧道衬砌的对中，以免影响盾尾衬砌的防水密封和防止盾尾表面和隧道衬砌之间不必要的变形。2服务隧道超前导坑探测英法海峡隧道工程是当今世界是宏伟的地下工程项目之一。隧道总长近50km,其中38km位于海底以下，服务隧道对铁路主隧道的开挖起了超前导坑的作用在服务隧道工作面前还作了超前探测，以确定潜在的大量涌水地段的位置。探测孔直径56mm，钻孔长度有时接近240m，定期监测涌水、渗透率以及钻探冲洗返回物即冲洗水和岩屑的性质。图10为一个典型的探测示意图，将切割下来的岩屑试样在现场作显微古生物

23、学分析，以确定隧道所处的地层层位在英国一侧，探测工作占盾构掘进机停机时间的7。几乎海峡的整个宽度都进行了上述的探测在两条铁路运行隧道开挖之前，由服务隧道向铁路运行隧道拱部范围也进行了侧向探测见图11。这种侧向探测的频率取决于对潜在问题重视的程度。特别要注意在直接邻近服务隧道已经发现涌水量增大和岩土条件恶化的那些地段，探测间距应密集些。通常作取芯钻探井作压水透水性试验，以验证岩石质量与涌水量。在海底波线洞室施工开始之前，对其拱顶部位也进行了类似的侧向探测。 除在隧道内进行探测工作外，岩土工程师还承担了对暴留出的工作面与侧墙地段（位于工作面后16m处）的一般地质描述分析工作对于危险程度高的地段。如

24、在超前的服务隧道中已出现过问题的地段，应予以特别注意。施工高峰期间有30个岩土工程技术人员参加地面和地下监测仪器的安装与监测工作，以及工作面的正规地质描绘（作了几千份记录）探测钻进总长约32km，建立了计算机数据库，广泛使用了计算机成图、赤平投影图以预测岩土状况。图11 服务隧道向铁路隧道拱部作侧向探测3贯通监测情况1989年12月1日，英法海底服务隧道在里程41596m处最终贯通，从英国一侧开挖算起历时3年，距离21773m贯通状况见图12。图12 贯通时英国一侧盾构埋入地下（七）盾构掘进施工技术措施小结1.英国一侧两台海底铁路隧道掘进机的掘进速度总的说是令人满意的。英国一侧的海底服务隧道在

25、岩质较好的白垩纪泥灰岩情况下，以每周超过200m的掘进速度法国一侧海底隧道的掘进速度也一直比原计划稍快英国一侧陆地服务隧道已在1989年10月比原计划提前贯通。2在英国一侧的海底铁路隧道中出现困难。是因为它们正处在与服务隧道掘进机曾穿过的恶劣地层相同的岩层中这段白垩地层的裂隙使围岩很破碎，在掘进机上不得不安装一种液压钢撑脚这种液压撑脚在工厂中就被装在主隧道的掘进机上，但铁路运行医道的尺寸几乎是服务隧道的两倍，因此支撑这样宽的拱部效果不明显。3裂隙增加了水的渗漏程度，这比其它问题更麻烦为了解决这两个问题，采用改进掘进机后支承拖车的第一节，以便将注浆站放在前面注浆能使工作面较密实，这样就能减少水的

26、侵入，并能使掘进机撑脚板上承受的荷载减至最小。 这些改进必须在掘进的同时进行，因为在这样的地层条件下，要使如此大的掘进机在停机一段时间后再起动是成问题的。也不想因为这些改进，影响掘进机遇到较好地层时发挥最佳速度的能力。这些改进完成后，由于水不能进入机器作业区内及液压撑脚上的压力较小，推进速度明显改善。4.英国一侧南边陆地铁路进行隧道的掘进机在1989年10月底前都在岩石中掘进。北边对应隧道在技术人员掌握了安装巨大的混凝土衬砌块的工艺后进展较快。隧道砌块最大的重9.5t，比相应的海底铁路运行隧道的砌块大。机械安装衬砌最重要的是平整、准确。正如服务隧道导坑所探测的那样，陆地隧道的地层条件是良好的。

27、法国一侧海底服务隧道走出最恶劣的地层后，遇到的几乎都是白垩纪泥灰岩，一周掘进达179m。铁路运行隧道为横向通道贯通作准备，需安装铸铁管片衬砌，因而作业进度较缓慢，在重新采用混凝土管片后进度得到明显改善。5.法国一侧陆地铁路运行隧道刚通过开挖服务隧道时整治过的一个地段。因为掘进机的刀盘在白垩纪岩层中遇到了障碍，所以服务隧道掘进机前面的许多地段在开挖导坑时进行了处理。处理地层也是为了使主隧道前方对应范围便于开挖。由于被处理地段刀具磨损大，当铁路运行隧道掘进机进入被处理的地段时，有可能停机并进入掘进室检修刀盘、封焊及刀具的磨损情况。所幸的是在实际施工推进中所有情况良好，既没有大的维修，也没有更换刀具

28、，掘进机得以继续正常推进。 1989年初夏，法国一侧北边海底铁路运行隧道掘进机由于刀盘损坏，大约停机5周。中央部件被取出修理，并对它进行高强度焊接。陆地铁路运行隧道三菱公司盾构掘进机同时也停机约两周，定期停机检修，对中心刀盘进行高强度焊接。6.英国一侧的接触网供电系统，是一段时间来进展缓慢的诸多问题中的主要问题。加上机车运行所用的导电弓还有一些问题。如果隧道处于小曲线上时，要确保供电线悬挂结实是较困难的。7.法国一侧桑加特竖井井底的出土系统进行了修改。岩层是在竖井底部用水使之浆化后，再泵出竖井，运到23km外的沉淀池里。当海底隧道掘进机进入较好的白垩纪岩层时，保持泥浆有足够的均匀平滑性，从而达到有效的泵出效果。