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世界最大直径盾构机施工所面临的诸多挑战—美国西雅图的阿拉斯加道路隧道

发布于：2015-06-20 19:22:20 来自：道路桥梁/隧道工程 [复制转发]

美国西雅图SR99阿拉斯加公路隧道完工后将会成为世界上最大直径的软土盾构法隧道，它将取代一条建于20世纪50年代的西雅图沿海双层高架公路，并减轻城市交通混乱及卡车行驶绕行的问题，它还能通过改建超过3.5公顷的新公用开放空间和海滨公园改善环境。文章主要论述该隧道施工遇到的技术挑战、创新方案、施工难题，以及为确保工程顺利完成的管理策略。
　　1、前言
　　华盛顿州交通运输部（WSDOT）与西雅图市、金县、西雅图港、联邦公路管理局在西雅图市中心地下协力打造一条巨大的、史无前例的单管双层隧道以取代SR99阿拉斯加高架公路。原高架公路始建于20世纪50年代，是一条沿着西雅图市中心海滨行使的双层公路，现已接近其使用年限。该高架公路既不美观，又易产生噪音及振动并污染空气，还将海滨与市民游客隔离。该高架公路还曾一度在2001年的尼斯阔利地震中受损，且现在仍易受地震影响而受损。取而代之的隧道采用单管双层隧道方案以减轻城市交通混乱及卡车行驶绕行的情况，同时它还能在高架公路改建区创建超过3.5公顷的新公用开放空间和海滨公园，用来改善环境。
　　该项目正在施工中。2010年华盛顿州交通运输部选中了西雅图隧道的主要设计合作伙伴，以11亿美元的合同价加上3亿美元的备用金交给了由美国Dragados和Tutor Perini公司所组成的联营体,HNTB-Tutor Perini公司为西雅图隧道的领衔设计方。该隧道位于西雅图市中心街道以下约66m深，长2.8km，隧道外径17.07m。该项目一旦完工，它的直径将比中国上海崇明的水下隧道还要宽约2m。该隧道包括南北两端的明挖部分、洞口结构、地下结构、2座操控室及通风建筑，并配有各种机械、电气设备、消防逃生安全通道和控制中心。
　　项目位于美国西北部的华盛顿西雅图。西雅图西邻奥林匹克山，东靠喀斯喀特山脉。在两山脉之间的是普捷湾低洼地。城市依地势呈南北走向，西接普捷湾，东连华盛顿湖，两湖深度均超150m。

　　该项目位于高烈度地震区，美国国家公路与运输协会将该地区定为地震区4。
　　该项目贯穿西雅图市中心西侧，靠近艾略特湾。该线路南起西雅图港附近，沿线向北穿过阿拉斯加高架公路底部，延伸至包括先锋广场在内的历史名区，然后线路一路向北从第一大道下穿过并终于布罗德街附近。隧道高程由南向北逐渐提升，最北段约高于海平面45m。隧道线路如图1所示。

图1　隧道线路图

　　开挖隧道长2804m，穿越阿拉斯加高架公路、大型公共设施、古建筑群和一条货运铁路隧道。南部明挖过渡段长454m以调节普通车道到双层双车道的过渡。北部明挖过渡段长约140m。在南北洞口各有一个操控室与通风建筑。
　　该双层隧道每层有2个行车道，配有应急通道。上层为北向南车道，下层为南向北车道。上下层之间由紧急通道楼梯相互连接，还有一条紧急通道可用于人员疏散。隧道内车道两边为通风系统，与风塔相连，以满足正常和紧急情况下的通风。此外，隧道底层下部为公用管线通道。隧道剖面图如图2所示。

图2　隧道剖面图

　　隧道段使用土压平衡盾构机进行施工。隧道衬砌采用预应力钢筋混凝土楔形管片，衬砌由宽1.98m的楔形管片组成。10块管片为1环：由7块标准管片、2块邻接管片和1块封顶管片组成。纵向管片由斜螺栓径向连接，环向管片通过螺栓及剪力销连接。通用楔形管片衬砌可以让隧道轴线满足水平曲率和垂直剖面的要求，并对隧道盾构机的掘进理论轴线与实际轴线的偏差，起到纠偏的作用。
　　3、地质条件

　　普捷湾低洼地由一系列南北走向的山脊以及峡谷组成，峡谷（下游）在冰川沉积、冲刷以及次冰川侵蚀作用下形成广阔山谷，普捷湾低洼地地形特征就是山脊和山谷相间分布。普捷湾曾被认为在更新世冰期（二百万年前）受过超过6次的冰川作用。各种土壤的分布及分层也很复杂，因为每次冰川作用都会侵蚀掉之前的沉积物并又产生新的沉积物。这些沉积物既有冰湖沉积黏土和粉土，冰川冲击沙石又有冰碛土，如杂岩，冰海堆积物，冰碛及消融冰碛。在冰川沉积物中包含卵石及巨砾比较常见。在两次冰川作用的间隙，部分侵蚀，重新塑造及再次沉积导致一些土壤产生；当地溪流、河流以及海洋侵蚀和沉积更进一步塑造了该地区的复杂地质环境。在冰川期或间冰期形成的土壤单元在一定范围内具有典型性，并包含可能来自其他地层单元的大块土层与之相互叠加。正因为如此，隧道线路穿过区域多为复合型地质。
　　隧道沿线的土壤根据土壤类型，相对密度及动态特征的不同被划分为8个工程土壤单元（ESUs）。8个单元如表1所示：

表1　工程土壤单元

　　在隧道开挖线路上，都会遇到上述所有8个土层。隧道穿越不同的填方沉积区、冰碛堆沉积区、非黏性沙及砾石、非黏结性淤泥及细沙、黏土和细沙以及冰碛状沉积物。由于该地地质环境复杂且各个相邻土壤单元（甚至是单个土壤单元内）渗水性能差异较大，导致了该地区复杂多样的水文条件。隧道开挖沿线及开挖面都会遇到包含在复杂地层内的各种地下水和承压水。地下水的流动方向受水利坡降的控制，水利坡降受地层剖面影响而出现上升或降低。隧道沿线的地下水高程多数受潮汐的影响，每日高度偏差多达1.5m。隧道将可能承受0.7MPa的水压。
　　项目所在地为地震高发区，普捷湾低洼地正处于喀斯喀特山消减带的前端。圣胡安.德.福卡板块和北美洲板块的收敛使华盛顿州西部和普捷湾低洼地底部承受每年5mm速度的东西向挤压。该地区曾发生的地震有：1949年4月13日在奥林匹亚发生过里氏7.1级的地震；1965年4月29日在西雅图塔科马港市发生过里氏6.5级的地震；以及近期2001年2月28日在尼斯夸利发生过的里氏6.8级地震。在过去170年的历史记录里，相应的地面加速度峰值曾有0.10～0.15g。然而，在杜瓦米许区域相对松散的填方区或冲击土所测的地面加速度峰值高达0.28g，而在岩床裸露在地表的西雅图西沃德公园，其峰值则高达0.31g。
　　4、项目的挑战和机遇
　　该项目面临着来自技术以及管理层面的严峻挑战，其中就包括了隧道尺寸位居世界之首，针对该类型隧道盾构机设计尚属首次，复杂的地表和地下水系统，项目位于地震多发并且人口稠密的区域，隧道施工对附近建筑物及设施的影响，工期紧，环境管控严，资金需高效利用。下面将对项目中的一些挑战及应对措施介绍如下。
　　4.1衬砌设计
　　该隧道外径17.07m，其完工后将成为世界上最大的隧道。如此大尺寸的隧道对盾构机和内部衬砌的设计无疑是一种挑战。隧道衬砌的设计遵循了美国国家公路与运输协会（AASHTO）的荷载和抗力系数设计方法，该方法将构件强度的变化和施加荷载的大小考虑在内。AASHTO荷载系数是根据联邦公路管理局（FHWA）隧道设计手册进行修正的。衬砌采用的标准为在2500年一遇罕有地震中能达到保证生命安全的目标，并能在108年一遇的可预见地震中保证正常运转的目标。隧道内径15.85m，内设2条3.35m的行车线，并在行车道左右2侧分设2.44m及0.6m宽的路肩。行车管廊最小净高4.72m，如图2所示。为了满足设计原则，建立了二维及三维的数值模型。
　　对衬砌的抗震分析采用了以往的动态数据。管片环的动态反应是由动力平衡方程得出的数据整合决定。由于此类分析对地面活动输入方式较敏感，所以选用每2500年一遇的和每108年一遇的波形中的3个波段进行分析。
　　全面性的三维有限元模型是为了加强对隧道在之前的时段里，对自由空间中的位移情况进行分析。其目的在于捕捉因地震引起的隧道轴向反应及内衬轴向的应力。一个由4节管片环组成的局部三维有限元模型用于预测管片环间的局部化性质以及在地震破坏下的径向连接。
　　上述分析得出的结论为：要使用厚0.6m衬砌管片以满足设计标准以及预计的静荷载和动荷载。预制的管片要统一设计成宽1.98m，共设计有7个标准块，2个邻接块和1个封顶块。设计强度48MPa的混凝土预制管片龄期为56天，采用517MPa高强竹节钢筋。相邻环管片用2根25mm螺栓径向连接，管片环向连接通过3根25mm螺栓及2个剪力销连接。管片配有44mm 的三元乙丙橡胶密封。该密封能够在正常及地震的情况下保证密封防止地下水浸入。
　　除了环向连接的剪力销尺寸和橡胶密封圈的设计，地震荷载并不是设计衬砌的决定性因素。由地震事件引起的管片环椭圆变形较小，但地震对橡胶密封圈选择起决定性影响。在由螺栓及剪力销环向连接相邻管片环受外力挤压的地震模型实验中，径向连接处的橡胶密封圈在实验中表现较好。
　　4.2复杂地质与水文条件
　　为了阐述工地的复杂地质条件和水文条件，特制作了一份“地质详勘”（GBR）并将其纳入合同文件。GBR主要提供了盾构机所需要的数值以及明挖部位的参数。文件还包括盾构机开挖隧道轴线的内容，其中就包括巨砾和鹅卵石、冲蚀度、断层带、黏土、泥煤、表面稳定性和软硬不均匀地层。报告还对每种土壤单元做了描述，如含水量、容重、水平垂直应力比（Ko）、黏性、摩擦角、剪力、剪切模量、水平垂直渗透系数等。该报告还对盾构机参数提供了建议，如刀头及排土系统的检查和维修、处置、壁后注浆、地面改善、开挖方量统计、出土操作及排土。在设计隧道及其盾构机的时候，还将应考虑开挖时的地面和地下水特征以及预计的地面活动。
　　4.3隧道掘进机（TBM）
　　基于现有的地质信息，决策者决定采用土压平衡盾构机，但对粗粒土的处理及其在软硬不均匀地层的操作要有特别预案。根据隧道尺寸以及地表特性，盾构机设计必须进行优化以发挥更好的性能。盾构机的参数如表2所示。隧道盾构机的图示效果及实际成型照片如图3所示。

表2　隧道盾构机参数

图3　隧道挖掘机设计图示及实际图片

　　整个盾构机刀盘表面布满了17寸双刃滚刀及刮刀。滚刀及刮刀可以在正常气压下从切削刀盘内部进行更换，从而减少了高压换刀而对生产效率和工期的影响。然而，仍对高压影响采取诸多预防措施，如设置了3道人闸以及2道材料闸门。使用泡沫注射以及使用可供呼吸的压缩空气，这样就可以在开挖面的盾构前舱形成压力气泡从而为到达隧道施工面（进行刀具更换）提供可能。
　　盾构前舱配有中轴搅拌器和中空搅拌刀片，由刀盘中心回转接头和前舱胸板设置的改良剂注射孔注入改良剂，通过中空搅拌刀片和中轴搅拌器均匀搅拌形成足够开挖面稳定的压力控制，减少地面沉降和避免螺旋机出渣堵塞。
　　盾构机刀盘运转速度大约在0.8～1.2r/min之间，其所受的扭矩计算结果为147,400kN·m。按照1MPa的压力来计算，推进力应为270,000kN, 特殊情况下最大推进力可以达到392,000kN。螺旋输送机直径为1500mm以便于处理大的石块。这是一个多节螺旋输送机，它可以在0.7MPa压力下保证80mm/min的进尺速度，同时它还能在高达1MPa压力下进行施工。
　　隧道盾构机的设计就是能够在0.7MPa及高达1MPa（紧急模式）的正面压力下高效开挖。它的设计超过了之前预期的0.56MPa的静水压并超过了预估的0.43MPa的沉降控制正面压力。为了减轻地面沉降，通过采用主动铰接式盾构将环形空间控制在200mm，并将开挖面和盾构机钢壳之间的空隙控制在300mm。此外，外围的环形空间将会通过盾尾钢壳注入双液浆。浆液要有速凝效果以及好的流动性从而减少地面变形以及潜在的沉降。
　　4.4浅覆土与建筑物的保护
　　最初开挖的500m是在浅且软的城市回填土里进行，这将会对城市的地面稳定产生潜在影响。为了缓解这种风险，在盾构机两边线路打了2排桩并在桩上浇筑一块混凝土板，从而形成一个独创地下的“盒子”盖在该线路上，这个“盒子”为盾构机操作手和其他工作人员始发掘进提供了一个可控环境。该“盒子”还便于刀盘维修与检查。
　　隧道开挖至高架公路下时，由于地表保护层较薄且土质较差，开挖面条件复杂，隧道开挖将会对高架公路的安全稳定产生影响。对此（施工方）想出了若干缓解沉降的方案，而最终采纳的一种是在隧道和高架公路基础间打入微型桩。这些微型桩直径为180mm，桩与桩间距为450mm。
　　共有158座建筑被鉴定认为会受盾构机开挖的影响。此外还进行了广泛的分析以模拟盾构机穿越以及预测可能的沉降。控制盾构机开挖面压力并采取措施降低地层损失，将保护建筑的措施限定在项目两端的几个建筑物上，为项目节约时间和金钱。其他建筑物的保护也会采用和高架公路同样的方法通过在地基补打微型桩来保护建筑物。通过部署仪器（包括全站仪、测斜仪、多点变位计、沉降点、压力盒等）进行广泛的检测和监测。
　　5、采购方式的创新
　　华盛顿交通运输部实施了一种价值工程，将约9%的合同金额用于技术积分，在约一亿美元技术积分奖励中，西雅图隧道伙伴联营体得到了约七千一百万美元——差不多是他们竞争者的两倍。技术创新包括加速工期、降低风险以及高效实用项目基金。公共设施改迁，明挖回填，盾构机始发井提前完成，这些都保证了盾构机始发在2013年3月份得以完成。通过建议要求将隧道外径定为16.46m以容纳9.14m的道路以及保证车道4.57m的垂直净空。为了改善乘车人的安全状况，西雅图隧道伙伴联营体增加了隧道的外径到17.07m以提供更宽的路肩，并同时适应9.75m的路宽以及4.73m的垂直净空。在项目南段的道路重新设计，大大降低了南部入口的占地面积，缩短了工期并节约了一大笔费用，这笔费用足可抵消隧道扩大而带来的额外成本。
　　6、结论
　　用更短的时间，更低的风险建设更大、更长及更少破坏环境的隧道，此项隧道施工的工艺水平已获得极大进步。阿拉斯加公路隧道将是此类探索的又一里程碑。这类项目的运行需要有一群有干劲、勇于创新的管理团队，还需要业主的大力配合，施工人员以及设计者的通力协作以确定最佳技术方案来降低或掌控风险。它是世界上在最具挑战的地质环境下，高密度的城市环境中，在高地震区以及多种地面建筑的影响下施工的最大的软土隧道，虽然遇到了一些困难，相信他也将成为该类工程的典范。

隧道道路施工

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只看楼主我来说两句 抢板凳