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英吉利海峽隧道工程的經驗教訓與21世紀工程

08-22 12:12:12  瀏覽次數:968次  欄目:地鐵遂道
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英吉利海峽隧道(The Channel Tunnel)又稱歐洲隧道(Eurotunnel),由三條長51km的平行隧洞組成,總長度153km,其中海底段的隧洞長度為3×38km,是目前世界上最長的海底隧道。兩條鐵路洞襯砌后的直徑為7.6m,開挖洞徑為8.36~8.78m;中間一條后勤服務洞襯砌后的直徑為4.8m,開挖洞徑為5.38~5.77m。(見圖1)從1986年2月12日法、英兩國簽訂關于隧道連接的坎特布利條約(Treaty of Canterbury)到1994年5月7日正式通車,歷時8年多,耗資約100億英鎊(約150億美元),也是世界上規模最大的利用私人資本建造的工程項目。 Tran bbs.Com

隧道的開通填補了歐洲鐵路網中短缺的一環,大大方便了歐洲各大城市之間的來往。(見圖1)英、法、比利時三國鐵路部門聯營的‘歐洲之星’(Eurostar)列車車速達300km/h;平均旅行時間,在倫敦與巴黎之間為3個小時,在倫敦和布魯塞爾之間為3小時10分。如果把從市區到機場的時間算在內,乘飛機還不如乘‘歐洲之星’快。歐洲隧道還專門設計了一種運送公路車輛的區間列車,稱‘樂謝拖’(‘Le Shuttle’)。各種大小汽車都可以全天候地通過英吉利海峽,從而使歐洲公路網也連成了一體。人們稱譽這項工程,‘一夢200年海峽變通途。’

歐洲隧道工程的經驗和教訓,內容十分廣泛,如果下一個世紀中國要修建臺灣海峽隧道,有很多值得借鑒的東西。本文僅根據考察和采訪中收集到的資料,就主要方面談一些看法。


一、 采用成熟的先進技術

西方傳媒和學術著作都稱歐洲隧道為人類工程史上的一個偉業。這不僅因為它總長踞世界之冠,為它投入了巨額資金,而且工程量宏大,從歐洲隧道中挖出的土石方計750多萬立方米,相當3座埃及大金字塔的體積;隧道襯砌中用的鋼材,僅法國一邊就相當于3座埃弗爾鐵塔,更重要的是它成功地解決了許多工程技術上的難題。它在技術上的方針是要求可靠、先進。可靠與先進之間不總是統一的,所以它幾乎‘排除了為隧道工程進行專門的創新設計的可能性’,而是‘采取經過試驗的成熟技術’,‘在各個部分精心選取歐美不同國家的標準設計,以確保其高質量和可靠性’。將成熟的先進技術在復雜的工程中成功地加以綜合應用,本身就是一種創造,這樣做大大減小了工程風險。這種技術方針和觀念,在我國對高、新技術的呼聲十分高漲和普遍的情況下是有借鑒意義的。如何在權衡技術的先進性與可靠性以及資金、時間的限制之間,找到一個合適的‘度’,是各種項目決策中值得認真研究的。

在歐洲隧道的建設中比較突出的工程技術成就如下(當然不限于這些):

1.充分的地質工作和正確的判斷 地質鉆探工作從58年做到87年,重要的鉆孔達94個。淺層勘探在海底以下150m之內,

考慮隧道布置的范圍;深層勘探在海底以下800m之內,主要為評價地震風險提供數據。海底鉆探曾采用大型北海石油鉆機,每個鉆孔平均費用約為50萬英鎊。勘探發現海底有一層泥灰質白堊巖(Chalk Marl),厚度約30m,飽和容重約23KN/m3,抗壓強度6~9MPa,變形模量800~1600MPa,蠕變系數φ=1.5,滲透系數(1~2)×10-7m/s。該巖層抗滲性好,硬度不大,裂隙也較少,易于掘進,隧道線路就布置在它的下部,距海底25~40m。由于巖層的起伏,而隧道要求一定的運行坡度,所以隧道軸線在平面和立面上均呈平坦的W形。工程專家們認為,充分的地質資料和正確的判斷,使歐洲隧道找到了理想的巖層。

2.精心、合理的安全設計

海底隧道的規劃設計把施工和運行安全放在極重要的地位。之所以不采用一條大跨度雙線鐵路共用隧洞,是為了減小海底施工的風險和提高運行、維護的可靠性。在兩條單線鐵路洞之間是后勤服務洞,每間距375m設置直徑為3.3m的橫向通道與兩個主洞連接,連接處有防火撤離門。后勤服務洞的主要功能是在隧道全長范圍內提供正常維護和緊急撤離的通道。在接到命令后,它可在90分鐘內將全部人員從隧道和列車中撤到地面。它還是向主洞提供新鮮空氣的通道,并保持其氣壓始終高于主洞,使主洞中的煙氣在任何情況下都不能侵入后勤服務洞。后勤服務洞在施工期是領先掘進的,這為主洞的掘進提供了詳盡的地質資料,對保證安全施工有重要意義。此外,隧道的運輸、供電、照明、供水、冷卻、排水、通風、通訊、防火等系統都充分考慮了緊急備用的要求。

3.較好地解決了某些特殊的工程技術問題

列車在很長的隧洞中高速行駛時會產生壓差和空氣動力阻抗。特別是歐洲隧道列車的阻塞比(列車與隧道斷面之比)很高,如果沒有卸壓管,列車的驅動力需要增加很多。為此隧道沿線每250m設一個2m直徑的卸壓管,從后勤服務洞的頂上跨過,把兩個鐵路主洞連接起來。在設計階段對卸壓管的作用做了許多模型研究,使其有較好的空氣動力效應,并避免在管中產生氣流沖擊。

鐵路隧道和列車要承受車輛震動的長期反復荷載。為此鐵道路軌采用了一種稱作‘松那飛’(Sonneville)的系統。一系列連續焊接的鐵軌下面設彈性減振裝置,使車輛在軌道上行駛非常平穩。該系統的部件要經過多種性能測試,包括經歷1000萬次荷載周期的疲勞試驗,以確保系統的可靠性。

該隧道還采用一種由鐵路控制中心操縱的‘司機臺信號系統’(Cab Signal)。這種信號不是在機車外面或軌道旁邊,而是顯示在司機臺的屏幕上。一旦司機對信號沒有作出反應,自動列車保護裝置就會使列車減速,直到停止,保證列車安全行駛。

長隧洞掘進時的通風往往是施工中的一個難題。歐洲隧道對空氣循環的途徑和風機的布置都作了詳細的規劃和研究。不僅設置通風管,而且也利用隧洞本身作為通風通道,使開挖面的風量達到13.5m3/s,符合社會保障與安全組織和地下工程協會規定的通風標準。

4.掘進機發揮重要作用

隧道施工的主要設備是隧道掘進機(Tunnel Boring Machines),具有不同的型號、尺寸和性能,出自歐洲、北美和日本的不同廠家。它們從英國海岸的莎士比亞崖和法國海岸的桑潔灘兩個掘進基地開始,分別沿三條隧洞的兩個方向開挖,共有12個開挖面,其中6個面向陸地方向掘進,另6個面向海峽方向掘進。開敞式掘進機適用于透水性較小的地層;封閉式掘進機適用于透水性較強的地層,其掘進頭能承受11bar(1巴=0.9869標準大氣壓)的靜水壓力。最大的一臺掘進機直徑8.78m,全長約250m,重達1200T,(合同運行壽命2萬小時),價值超過1000萬英鎊。它能完成掘進、鋼筋砼襯砌塊的安裝、灌漿以及施工軌道敷設等一連串工序,實際就象一條自動化作業線。最高掘進紀錄為428m/周,英國一邊的6臺掘進機平均掘進速度為150m/周。整個掘進工作按計劃完成,只用了三年半時間。由于歐洲隧道工程每延誤一天工期,僅貸款利息就要支付約200萬英鎊,因而施工速度至關重要。當工期對經濟效益有重大影響而掘進工作面又受限制的情況下,采用隧道掘進機能發揮很好的作用。

二、 歐洲一體化進程的產物和推動力

在英、法兩國之間穿過海峽建立固定通道的想法,可以追溯到19世紀初的拿破侖一世時代。今天歐洲隧道竣工,盡管在工程技術上取得了重大的成功,然而‘200年來對是否建造英吉利海峽隧道的決策始終不是取決于科技方面,而是取決于圍繞這個計劃的政治環境’。長期以來英國方面反對建設海峽隧道的主要原因是考慮到軍事上的風險,他們希望利用海峽作為抵御來自歐洲大陸軍事入侵的天然屏障。隨著國際局勢的變化,上述顧慮逐漸消退。后來,英國加入了歐洲共同體,預期會有一個統一的歐洲市場,因而在英國和歐洲大陸之間建立更為方便、快捷的通道成了顯而易見的需求。在1972-1992年的20年間,跨越英吉利海峽的客、貨運交通量實際上增長了1倍。1992年英國與歐洲大陸的貿易占全部對外貿易的60%。

本世紀70年代以來,建設英吉利海峽隧道的決策主要受到歐洲一體化進程的影響。1987年12月隧道工程得以破土動工,是由于當時英、法兩國政府對歐洲一體化都持比較積極的態度。英國首相、保守黨領袖撒切爾夫人,支持把1975年曾被工黨政府下令停止的隧道工程重新提上議事日程。‘法國總統密特朗則把這項工程視為國家強大的象征’。這次歐洲隧道得以竣工建成,兩國首腦的推動,排除各種障礙,起了至關重要的作用。也就在歐洲隧道舉行正式通車儀式的前一年(1993年秋),包括英、法在內的歐共體十二國簽訂了馬斯切克條 約,并將歐共體改名為歐洲聯盟(European Union)。

從歐盟有關國家政府的觀點來看,還有兩個因素與隧道建設有關:一是運輸政策,即通過建設高速鐵路網,以利于節約能源和保護環境。這將大大擴展海峽隧道的影響范圍和增加它的長期效益。二是地區政策,英、法兩國希望通過隧道帶動海峽兩岸地區的繁榮。現在隧道連接地區(Transmanch Region)已成為一個專門名稱,包括英國的Kent和法國的Nord-Pas de Calais地區;后來把比利時的一些地區也包括進來,稱作歐洲專區(Euroregion)。通過地區性的合作,一個稱作TDP(Transfrontier Development Program)的金融發展計劃已經起動。這些‘從政治角度看顯然有重大意義,對歐盟的發展,歐洲單一市場的形成和國際經濟、文化合作交流,都會有重大促進。’但近期還不大可能對經濟產生直接的重大影響。

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