海底隧道 - 图文

水底隧道的矿山法修筑技术

目前，世界上采用盾构法、掘进机法、气压沉箱法、沉管法和矿山法修筑水底隧道的事例相当多。下面介绍的是用矿山法修筑水底隧道的几个事例。 1·挪威横断海峡隧道

这是一座连接挪威西海岸和本岛间公路隧道。隧道长1.89km(图1)，隧道净空断面54m。纵坡10％，位于海底40m，海面下80m。隧道的地质主要是片麻岩和千枚岩和几条断层破碎带（图2）。

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图1 隧道平面位置及线形

图2 隧道纵断面和地质图

隧道完成时，除设置紧急停车带和防火装置、紧急用电话外。在隧道内还可以使用携带电话无线通信等。事故发生时，警察、消防、救急对可使用洞内无线频道，一边进行作业一边联络。同时，在近郊还设置道路监视所，对隧道进行经常监视。通风采用能够基础供给新鲜空气自动控制功能的通风机。

隧道开挖中，在掌子面钻设6个直径55mm，长27m的调查钻孔。钻孔与前次钻孔最少搭接7m。从调查钻孔出现10L/min以上的涌水的场合，进行止水压注。其结果，最初的150m区间，连续地通过27m的调查钻孔进行压注。

标准断面，一个循环进尺5m，作业采用9.5h的两班制。一日2个循环。工程进展顺利。

喷混凝土和土砂运送时的粉尘对策，要求隧道内的风速，确保0.5m/sec。隧道通风

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采用直径1.4m，30m/sec的通风机和直径1.8m的风管。在1.24km处增设一台直径1.4m，30m3/sec的通风机。 2·北岬隧道

位于欧洲最北端的北岬（North Cape）隧道的位置示于图3。是挪威连接本土的海岸线中穿越海底的一座隧道。长6.796km（图4）。最深部在海面下212m。隧道遇到的地质大致分为2类，南侧主要是云母片岩，有一部分砂岩。北侧是层状的砂岩、页岩。分界线是断层。北岬隧道是从南北2洞口采用矿山法施工的。隧道宽8m，是3m宽的2车道，外加2m宽的路肩，路肩可以通行自行车。隧道净空断面43.8m2，开挖断面是53.2m2。

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图3北岬隧道平面位置

图4北岬隧道纵断面图

南侧隧道的地质条件比较好，经常出现数cm的粘土。施工中采用较小间距的锚杆和厚度较大的喷混凝土。采用能够搭载炸药容器的钻孔台车。在挪威通过严格的安全管理，钻孔和装药数同时进行的，这是挪威隧道施工进度较高的一个原因。

支护通常采用聚酯锚杆。从拱顶到侧壁每隔1.3～3.2m打设。纵向间距一律采用2.0m。喷混凝土掺入纤维，厚度4～10cm，平均6cm。

隧道开挖采用每周11班。1天的施工循环是：早6：00～下午4：00和下午4：00～早2：00。爆破循环3次。进度65～70m/周。

北侧隧道的地质，是裂隙非常发育的沉积岩。裂隙面经常夹有粘土。

洞口附近采用非常密的锚杆（1根/m）和15cm的纤维喷混凝土。在最初的55m区间，一次掘进进尺比较短，拱形、核心土、台阶3部开挖。岩层极不稳定每次开挖后都要喷

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纤维混凝土。采用注浆式锚杆（6～8m长、间距0.5～0.75m，打入角度10～20度））和4m长的注浆斜锚杆（打入角度45度），尽管如此，岩层还有崩塌。因此从距洞口65m处，开始采用钢支撑并灌注混凝土衬砌。中止锚杆施工，而改为喷10cm正面混凝土，并按5m一段灌注混凝土衬砌。

涌水对策采用全自动的Craelis Unigrout 800－100自行注浆台车进行注浆。此台车搭载2台ZBE压浆泵和自动搅拌机。涌水的最大量月1000L/min。采用普通水泥及微粒子水泥进行压注。 3·青函隧道

青函隧道的路线径选择采用了西口方案，理由是：东口是最大水深约270m，而西口最大水深为140m。东口还须通过断层地形和火山带。

一般说，在规划海底隧道时，埋深的大小对施工的难易、安全性、经济性都有重大的影响。也就是说，埋深越小，隧道的长度越短，水压也小，但如果产生大崩塌，发生陷没，想恢复是不可能的。

决定青函隧道的埋深时，矿山保安规则禁止在海底开采地点的规定有以下几点： ①海底下的第四纪层在30m以上时，第三纪层的厚度不满10m的地点； ②海底下的第四纪层不满5m时，第三纪层厚度不满60m的地点； ③从海底的炭层露头沿该炭层不满100m的地点。

青函隧道主要通过第三纪层的沉积岩，线路上没有第四纪层沉积，因此原则上可以采用②的规定，埋深要求在60m以上。

从涌水量、埋深的关系和扬水费用方面也进行了考察。

计算海底下隧道的涌水量有许多公式，此处采用了英法海峡隧道建议的公式。

Q＝2πK【H＋h/ln（2h/ro －1）】 （1）

式中：Q－涌水量（m/sec/m），H－水深（m），h＝隧道上埋深（m），K－渗透系数（m/sec），ro－隧道半径（m）。

同时还采用了日本建议的公式，即：

Q＝2πK【PB-PO/ln（2h/ro）】 （2）

式中：PB海底的水头，即水深，PO隧道壁面的水头（洞内是大气压的场合，PO＝0）。 采用这2个公式求出的埋深于涌水量的关系示于图5。计算中水深H＝140m，渗透系数K＝10cm/sec，隧道半径ro＝3.6m。

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图5隧道埋深和涌水量的关系

由（1）式求出的涌水量，随埋深的增加，而急剧减少，h＝60m时最小，以后随h的增加逐渐增大。

从（2）式求出的涌水量，随埋深的增加开始急剧减少，其后逐渐减少。由图5可知，涌水量在埋深到70m前，是急剧减少的，超过100m后，就缓慢地减少。因此在海底70～100m间，h＝70m时，Q＝2.4·10m3/sec/m，h＝100m时，Q＝2.19·10m3/sec/m。两者约差10％。随着埋深的增加，扬程也增加但涌水量减少，因此扬水费用几乎没有变化。

而后根据海底的地质调查，海底下30m左右受到风化的影响，渗透性高，故最后决定埋深为100m。

青函隧道的断面形式是采用2座单线还是采用1座双线，从隧道施工和完成后的运营角度，进行了各种比较分析。

从施工角度看，一条双线比2条单线，开挖、衬砌等数量少；如进行地层压注，2条单线都比双线需要更为仔细的作业；即使断面大，双线也能够进行切实的、安全的施工；从工程量和涌水量看双线型也少些，工程费约节省10％左右。

从运营角度看，列车进入的空气阻力，双线型小；双线型进行维修作业时，会限制邻接线的列车速度；因列车运行引起的温度上升，双线型大；万一出现列车事故，双线型易于恢复等。

因此，青函隧道采用了双线型断面。

青函隧道是一座长达53.85m（其中海底部长度23.3km）的特长隧道。因此，施工方式采用了超前导坑、作业导坑和主洞等方式进行开挖。超前导坑是从斜井向上以0.3％的坡度向海底中央部掘进，在海底中央部与作业坑道合流并与主洞平行。超前导坑的主要作用是进行地质、涌水的精查以及施工后作为排水、通风之用。

作业坑道是在主洞断面以外，与主洞平行设置的，其作业是，除进行地质涌水调查外，约每隔600m设一联络通道，增加主洞的开挖面，一缩短总工期。运营后也可作为排水、通风及洞内维修作业之用。在超前导坑、作业导坑中，开挖前都采用超前钻孔进行地质、涌水的状态，根据其状态进行地层压注，而后进行开挖。

青函隧道的地质调查始于1946年。通过预备调查、技术可能性调查、实施调查历

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经17年左右。调查中采用了可能采用的各种调查方法，如海上弹性波调查、声波调查、磁气调查、钻孔调查、潜水艇观察以及各种压注试验、涌水分析地面地质精查、水文调查等。开挖前后的青函隧道海底部的地质断面图示于图6。比较看，在地层出现的顺序上差异不大。

图6 青函隧道地质断面图

海底隧道与一般山岭隧道最显著的差异就是涌水源是无限的海水，必须止水。在青函隧道中，主要采用水泥浆和水玻璃进行压注，止水后到海面的水压作用在压注域外周上。完全地止水从时间、经费上都由困难，为了处理衬砌表面渗透的海水，要设置排水结构。

隧道的断面形状 1 超前导坑、作业导坑

超前导坑和作业导坑的开挖速度对青函隧道的总体进度有重要影响以及考虑维修的条件等，采用了图7、8所示的断面。

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