您现在的位置:sbf123胜博发娱乐 >>

海底隧道 挑战从未休止 高难施工需各学科联动革新

文章来源:北京日报编辑:北京日报点击:5642014/11/5

 

世界最长海底隧道烟台-大连半小时可达“2600亿元巨资打造”……渤海湾海底隧道项目未建先,在人们茶余饭后的谈笑间,仿佛可见天堑变通途。的确,因不占地、不妨碍飞行、不影响生态环境等特质,海底隧道已成为当今一种非常安全的全天候海峡通道。然而,现实远未如此简单。世界上每一条海底隧道的问世,都需要克服一系列难题,甚至是漫长的论证和等待。

 

穿越海峡梦想求索百余年

 

人类建设海底隧道的梦想,可追溯到英吉利海峡隧道(又称欧洲隧道)的最初构想。从提出建议到隧道建成开通,期间历经180余年,几代人进行了艰辛曲折的探索和实践,可说是世界上从论证到建成历时最久的一条海底隧道。

 

1802年,正值法国拿破仑一世时代,当时的法国采矿工程师阿尔伯特·马修建议开凿英吉利海峡隧道,他最初的想法是,在海底隧道内以油灯照明,马车拖运,还要修建探出海面的木质换气塔。但他没能解答如何在海底挖掘隧道的难题。通过这条隧道,预计2小时马车就能从法国到达英国。尽管这个想法很得拿破仑的欢心,但由于后来两国交恶,有关这个海峡工程的第一次提议也就不了了之。

 

1830年,27岁的法国人艾梅·托梅开始对马修的想法进行研究。1855年,艾梅·托梅在女儿的陪同下,划着小船来到了预定开挖隧道的海面,经过简单的防护准备后下潜到30深的海底,采集了海底岩石样本。采样显示,海峡的地质对于隧道建设极为理想。而这份报告也为以后的海底隧道工程提供了极为宝贵的勘探信息。

 

第二年,艾梅·托梅绘出了一个详细的、安全可靠的,甚至拥有海峡中段观景平台的隧道工程设计图,并向他大学时代的好友拿破仑三世呈上了一份提案——挖掘一条设有通风井的铁路隧道。他几经修订的最后施工方案是:先用砖块铺设巨大的海底构筑带,然后采用在内里凿洞的方式修建隧道,工期预定为30年。但如何在湍急的水流中进行作业,是他预置施工想法中无法破解的大难题。

 

尽管艾梅·托梅最终注定也是失败的,但相较于他的前辈马修,他付出的代价就是他的一切——成为一个一辈子没有落实一个实际项目的纸上工程师,但仍被后人称为海底隧道之父

 

人们关于海底隧道的梦想,也出现在不少著名文学作品中。法国科幻小说家儒勒·凡尔纳写于1865-1868年间的代表作——《海底两万里》的第五章中,就有关于虚构的阿拉伯海底隧道的描述,反映了当时人们以隧道方式穿越海峡的梦想。1895年,凡尔纳还曾预言过,由蒸汽驱动巨型风扇的火车,将以时速1600千米穿越隧道;1972年,科幻小说作家哈里森也构想过横渡大西洋海底隧道。

 

从图纸上下来的艰辛

 

1865年,英国人又牵头提出了在英吉利海峡拟建一条用通风过道相连的双隧道海底交通线的设想。因为当时不但盾构机械效率大幅提高,而且蒸汽机也迅猛发展,人们可以依靠双向火车的快速运动完成隧道内的换气(活塞效应),无需再担心必须设立通风塔而给工程上带来很大的麻烦。当时的主持设计师威廉·劳尔表示,自己从艾梅·托梅的研究里得到了无法估计的助益。

 

1872年,英法两国成立各自的施工企业,准备两边同时进行隧道施工。法国还在拟定隧道完成了开凿试验。1876年,一份官方的关于海峡铁路隧道的英法协议签署。但这次两国共同合作的隧道实验性工作于18825月被放弃,原因是英国的政治和报刊宣传活动主张隧道会削弱英国的国防。于是,19世纪所有关于修建英吉利海峡隧道的尝试都被否决了。

 

进入20世纪,世界各国的隧道盾构掘进技术突飞猛进,这为英吉利海峡隧道的尽早建成提供了可能。19862月,英法两国签订坎特布利条约,正式拉开了隧道工程建设的帷幕。隧道历经8年于1994年正式建成通车。工程总耗资约100亿英镑,成为世界上规模最大的利用私人资本建造的工程项目。这个20世纪后半叶建成的世界工程佼佼者,在隧道尺寸上出奇地相似于艾梅·托梅当年手绘的那个通道,开凿隧道使用的技术则沿用了布鲁内尔在英国泰晤士河隧道建设中发明的盾构法,而双隧道的做法就是直接借鉴了威廉·劳尔的图纸。如今,每年约有600万乘客,坐车不到1小时通过这条隧道,穿梭于巴黎和伦敦之间,实现了英法两国几代人的梦想。

 

从设想到建成同样历经百余年的另一条海底隧道,是土耳其的马尔马拉隧道。据土耳其历史学家考证,在大约150年前,奥斯曼帝国苏丹阿卜杜勒·马吉德提出了在博斯普鲁斯海峡下面挖一条隧道的想法。1891年,另一位苏丹阿卜杜勒·哈米德委任建筑师和工程师为这项工程起草计划,但直到一战爆发,奥斯曼帝国灭亡,这项工程也没有动工。2004年,土耳其重启这项计划,并于201310月实现了150年前奥斯曼帝国苏丹的梦想——穿越博斯普鲁斯海峡的马尔马拉铁路隧道开通,全长13.6公里,水下部分1.4公里,成为土耳其打通欧亚大陆的一条新丝绸之路

 

目前,世界上正在构想中的海底隧道项目也为数不少,如在直布罗陀海峡兴建一条连结欧洲和非洲的海底隧道铁路,在白令海峡兴建隧道连结亚洲美洲,还有连通中韩、日韩的海底隧道项目,以及我国的渤海隧道项目等。但因为修建海底隧道特别是跨国隧道牵涉问题十分复杂,所以真正通车或正在施工的却不多。

 

高难施工需各学科联动革新

 

目前,全世界已建成和在建的海底隧道有100余座,主要分布在美国、欧洲、日本、中国大陆和香港九龙等地区。自从海底隧道工程开启以来,人们与各种施工难题的斗争就从未休止。到了21世纪的今天,人们常用的隧道建造工法主要有三种,即盾构法、钻爆法和沉管法。这三种工法各有适用范围和条件,也各有待突破的难题。

 

比较而言,人们用盾构法修建隧道的历史相对悠久,已有150余年。最早进行研究的是在法国出生的工程师布鲁内尔。他由观察船蛆在船的木头中钻洞,并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启发,于1818年开始研究盾构法施工,并于1825年开始在英国伦敦泰晤士河下,用一个矩形盾构建造了世界上第一条水底隧道,这条隧道宽11.4,高6.8。在修建过程中,隧道曾两次被河水淹没,直到1835年,使用了改良后的盾构机,才于1843年完工。

 

进入20世纪后,隧道盾构技术得到创新发展。1963年,奥地利人拉布采维茨将隧道喷浆法正式命名为新奥地利隧道施工法(简称新奥法),这项技术在当年英吉利海峡隧道的建设中被首次应用。1986年,在软土中开挖大断面隧道的范例工程——美国贝克山公路隧道竣工。这些盾构创新技术无疑大大加快了海底隧道建设的进程。

 

作为暗挖施工中的一种全机械化施工方法,盾构法水下施工不受天气影响,也不影响水面航运交通,但这种方法要求一次成洞,还要克服基岩这个堪称高水压下盾构、掘进的天敌。盾构机在水底遇到上软下硬的岩层和基岩,对盾构机刀具和刀盘的磨损非常严重,刀具磨损带来的一个更大的麻烦就是洞下换刀。在无法自动检测刀具磨损程度的情况下,在刀盘前高水压下的泥水舱内换刀,其困难程度可想而知。同时盾构机还会因为推进中遇到断层而发生卡机故障无法转动。因此,这些技术难点都是当前亟待攻关的课题。

 

钻爆法隧道施工一般从岩层通过,可以与盾构法互为补充。与盾构法不同,钻爆法的敌人是断层和风化槽。目前一般采取封闭注浆来加固断层带,这也是很有难度的一项工作。如果能够准确地提前了解要开挖地质的性质,将会对海底隧道施工提供很大帮助,但超前地质预报至今仍是一个待解难点。

 

沉管法隧道施工,最早被应用于19世纪末的排水管道工程中。1894年建成的美国波士顿的雪莉排水管隧洞,就是由6节钢壳加砖砌的管段连接而成。20世纪初,沉管法开始用于交通隧道。1910年,美国建成了第一条采用该工法的底特律河铁路隧道。沉管法施工具有较易实现、造价低、水下工期短、隧道施工质量容易保证等优点,但只适于海/河床稳定、水流较缓的水文条件下的隧道铺设,但现实中理想的水文条件往往难以达到。我国采用该施工法的港珠澳大桥海底隧道沉管就是沉埋于深达30多米的海沟内。随着沉管的埋深,其上的荷载结构也更重,而且伴随着潮水回淤和不均匀沉降等一系列的挑战。

 

海底隧道工程涉及土木工程、海洋地质勘探、机械装备制造、自动化控制、海洋生态评估等错综复杂的学科领域,是人类共同的难题,在建设过程中会遇到种种挑战,因此,亟须各学科联动发展,推进工程技术的革新。

 

世界水下隧道“吉尼斯”

 

防灾:隧道运行

 

不得不直面的话题

 

海底铁路隧道发生列车故障也并不鲜见。仍以欧洲隧道为例,1996219日晚20日凌晨,约1000名乘客被困在隧道中。起因是两列欧洲之星班次列车,因为堆积的冰雪在电路板上融化而瘫痪。200783,一场持续六小时的电力故障致使乘客被困在隧道摆渡列车中。

 

200912月的欧洲大雪中,5列开往伦敦方向的欧洲之星列车于18日晚在隧道内发生故障,2000余名乘客在8年来最低温的天气中受困。一位欧洲隧道企业的发言人说明为雪进入了列车的冬季用挡板后,因隧道内外冷暖空气的变化而令积雪融化,导致了电气故障,隧道的阻塞也使得高速公路变为直线停车场。此次是首次有欧洲之星列车在隧道内实行疏散程序。

 

地震也是威胁海底隧道运营安全的一大隐患。由于博斯普鲁斯海峡处于地震多发区,一些人忧虑总造价40亿美金的土耳其马尔马拉隧道是否安全。为了抵御天灾,这座隧道的水下部分并不是通过挖掘形成的,而是采用了世界通用的水下钢管技术,管状隧道的各部分之间由柔性抗震接头连接。土耳其工程师特别使用超厚的橡胶包裹隧道管,再用钢板固定以吸取地震震动,避免隧道断裂。该隧道最深处超过55,是世界上同类最深的铁路隧道。据测算,该隧道能承受9级地震。

 

在海底隧道运营中,有三个比较特殊的安全问题,即通风、照明和消防。而当前制约海底隧道发展的一个很重要的命题就是防灾。如果选择公路隧道而非铁路,按照防灾标准设置相应的消防救灾措施代价极高,这也是当前世界各国为什么更多发展海底铁路隧道的原因。

 

在海底公路隧道中行驶的机动车,都不可避免地排出一定量的废气或烟尘。这些废气或烟尘在隧道内蓄积,不仅危害人体,还会降低隧道内的能见度,给安全行车造成威胁。因此,海底公路隧道需要有更为完善的通风系统,以输入新鲜空气,排出有害气体。机动车驾驶员进入洞口时,视觉需要有一段适应时间,否则将产生黑洞现象。因此,海底公路隧道照明主要采取天然光过渡、人工光过渡和两者结合的过渡方式,以有效解决光过渡问题。

 

火灾是海底公路和铁路隧道都可能发生的严重灾害。比如欧洲隧道开通迄今就已发生过三起火灾,并且全部发生在载重汽车摆渡列车上,严重的甚至须关闭隧道。19961118发生的火灾无人严重受伤,事故已知不是欧洲隧道企业的设备或车辆所引发,可能是对一辆载重汽车的纵火所导致。据估计当时火场中心温度达到了100046长的隧道严重受损,另有500受到波及,火灾6个月后服务才全面重开。

 

2006821发生的火灾导致隧道关闭了数小时。2008911的火灾发生在距法国一侧出口11公里处,数人因吸入烟雾、轻微割伤和瘀伤送院。两日后未受损的南侧主隧道重开,提供有限度服务,直到200929才全面恢复服务,这次事故修复耗费了6000万欧元。

 

为预防火灾,海底隧道都会建立警报和消防系统。一般隧道中设置有消防栓、空气泡沫枪和砂箱等,有的还安装有火警探测器和自动水喷淋灭火系统。现代化的海底隧道中,特别是海底公路隧道中,还设有运营控制中心,备有拖车和消防车等。

 

最早的水下隧道 公元前2180年至公元前2160年,古巴比伦人修建了一座穿越幼发拉底河的水下人行隧道,是一条从王宫到朱庇特庙的长约900的人行隧道,宽3.6,高4.6,用砖衬砌。

 

最早的水下铁路隧道 1807年,英国开始修建的穿越泰晤士河的水下人行隧道,当时因隧道进水,于1808年被迫停工;直到1825年,采用盾构法重新施工,才于1843年建成长约366的隧道。这座隧道于1865年归并于东伦敦铁路,改建成为水下铁路隧道,1913年又改为电气化水下铁路隧道。

 

最早的水下公路隧道 1927年美国在纽约市建成的穿越哈得逊河的霍兰公路隧道。

 

最早的海底隧道 日本的关门海峡隧道,建成于1942年,连接日本本州的下关和九州的北九州市,全长6.3公里

 

最长的海底隧道 日本的青函隧道。这条隧道横越津轻海峡,连接日本本州青森地区和北海道函馆地区,全长54公里,海底部分23公里19641月动工,19872月建成。

 

海底部分最长的海底隧道 横穿英吉利海峡的英法海底隧道。它连接英国南部福克斯通与法国北部,隧道由3条长51公里的平行隧洞组成,其中海底段的38公里隧洞在海底40深的岩层中穿过。

 

最繁忙的海底隧道 我国香港特别行政区三条间断的海底隧道,包括港九中线隧道、东线隧道和西线隧道,它们越过维多利亚海湾,把港岛与九龙半岛连接起来,每天流量约40万车次。

 

最长的沉入式隧道 建成于1969年的美国旧金山湾海底隧道,海底部分长达5.8公里,隧道共由57段组成,是美国旧金山湾区捷运交通系统的一部分。

 

海底隧道最多的国家 挪威有较长的海岸线及大量的峡湾与岛屿,大多数人生活在海岸四周。20世纪70年代末以来,已建成约20多座海底隧道,总长约13公里,主要是公路隧道。

 

(转自中国岩土网)

 

产品与服务

公共服务

办公App链接:

服务信息:
天气 航班 铁路 日历
版权所有:sbf123胜博发娱乐   电话:0531-86958840   传真:0531-66770637
地址:山东省济南市高新区颖秀路3366号   邮编:250100   网址:www.zyjs.com.cn
鲁ICP备10200765号-1
XML 地图 | Sitemap 地图