水下隧道

水下隧道

1825年,在英國工程師布魯內爾指導下,於1843年建成穿越泰晤士河的水下人行隧道,隧道長約366米。這座隧道於1865年歸併於東倫敦鐵路,改建成為水下鐵路隧道,這是世界第一條水下鐵路隧道,1913年實現電氣化。

基本介紹

  • 中文名:水下隧道
  • 外文名:subaqueous tunnel
  • 時間:1825年
  • 地區:英國
  • 工程師:布魯內爾
簡史,修建條件,施工方法,防水方法,設計,舉例,

簡史

公元前2180~前2160年巴比倫修建了一條穿越幼發拉底河,從王宮到朱庇特廟的長約 900米的人行隧道。近代水底隧道始建於英國。1807年英國在倫敦動工修建連線泰晤士河兩岸的人行隧道,開挖時因無法克服泥水湧入隧道而被迫停工。直到1825年在法國工程師M.I.布律內爾指導下,初次採用盾構法施工,才於1843年建成第一條泰晤士河水底隧道。此後,英國等國不斷發展盾構工程技術,至20世紀30年代以後,水底隧道建設有了迅速發展。近50年間,世界上修建的水底隧道總數幾乎是在此之前百餘年間修建的總和。至20世紀80年代初,世界上已有100多條水底隧道,其中道路隧道有60餘條,一公里以上的鐵路隧道有10餘條。日本於20世紀70年代至80年代中修建的青函海底隧道,是目前世界上最長的海底鐵路隧道。上海黃浦江打浦路隧道為中國第一條水底道路隧道。台灣省高雄市的過港隧道已於1984年通車。

修建條件

根據水道斷面、水流狀況、水文地質條件、兩岸地形及建築情況、水陸交通要求、城市總體規劃、經濟效益及社會效益等諸因素,對橋隧兩種方案進行綜合比較。通常在下述條件下宜考慮修建水底隧道:①航運繁忙,通過巨型船隻較多,而陸上車輛流量大,又不容間斷;②水道較寬,兩岸地面高出水面不多;③兩岸建築物密集,不宜於建造高橋和長引橋;④城市總體規劃上在該處沒有修建橋樑的特殊要求(如通過易燃易爆危險品車輛),或要求鐵路列車在地下運行以防止噪聲;⑤工程費用和運營管理費用較低。

施工方法

修建水底隧道所採用的主要施工方法有:圍堤明挖法、氣壓沉箱法、盾構法及沉管法。圍堤明挖法比較經濟,有條件時一般應儘先考慮採用。氣壓沉箱法只適用於航運不多的較小河道中。由於需要修建水底隧道處的航運通常比較頻繁,採用圍堤明挖法及氣壓沉箱法對水上交通干擾較大,所以在150多年來的水底隧道建設中大多採用盾構法及沉管法。至20世紀50年代後,沉管法的水下接頭及基礎處理等重大技術關鍵相繼突破,使施工工藝大為簡化,並使隧道防水性大為提高,且能採用容納四車道以上的矩形斷面。在一定條件下,沉管法隧道覆土淺,線路短,照明和通風代價較小,工程和運營費用低,使用效果好,故自1965年以來,世界各國建成的20多條水底道路隧道,大多系採用沉管法。
明挖法:排水,挖深坑,然後施工,最後填埋。這種方法最簡單,但是施工場地大,受周邊建築物的制約大。蘇州獨墅湖隧道、武漢東湖隧道就採取了這種辦法。
礦山法:源於礦山開採,採用爆破,用人工或者機器開挖。這種方法相對簡單,但是受地質條件的影響比較大,在土體軟弱處容易塌方,所以一般只在山體內使用。長沙捷運在河西有一段要穿越嶽麓山山體,據說會採用這種礦山法。
盾構法:隧道施工中最常用、最先進的方法。始於英國,興於日本,已有180多年歷史,最大的優點是適用於軟土地質的隧道開挖。
凍結法:將土體凍住,使其達到一定強度,增加自身的穩定性,滿足開挖條件。工人們會在土體上鑽很多孔,然後放進去冷凍管,利用冷凍機提供製冷液,凍住後把冷凍管拆除,土體也會保持很長時間不融化。不過冷凍管雖然拆除了,但是溫度仍然還在零下十幾度,工人們像是站在開門的冰櫃前,是要穿大衣施工的。不過這個大冰櫃的脾氣不大好,需要小心控溫。
沉管法施工,只要滿足船舶的拋錨要求即可,約1.5m左右。

防水方法

水底隧道的主要部分處於河、海床下的岩土層中。常年在地下水位以下,承受著自水面開始至隧道埋深的全水頭壓力。因此水底隧道自施工到運營均有一個防水問題。防水的主要措施有:
1、採用防水混凝土
防水混凝土的製作,主要靠調整級配、增加水泥量和提高砂率,以便在粗骨料周圍形成一定厚度的包裹層、切斷毛細滲水沿粗骨料表面的通道,達到防水抗水的效果。
2、壁後回填
壁後回填是對隧道與圍岩之間的空隙進行充填灌漿,以使襯砌與圍岩緊密結合,減少圍岩變形,使襯砌均勻受壓,提高襯砌的防水能力。
3、圍岩注漿
為使水底隧道圍岩提高承載力、減少透水性,可以在圍岩中進行預注漿。特別是採用鑽眼爆破作業的隧道,通過注漿可以固結隧道周邊的塊狀岩石,以形成一定厚度的止水帶,並且填塞塊狀岩石的裂縫和裂隙,進而消除和減少水壓力對襯砌的作用。
4、雙層襯砌
水下隧道採用雙層襯砌可以達到兩個目的。其一是防護上的需要,在爆炸載荷作用下,圍岩可能開裂破壞,只要襯砌防水層完好,隧道內就不致大量湧水、影響交通。其二是防範高水壓力,有時雖採用了防水混凝土回填注漿、在高水壓下仍難免發生襯砌滲水。在此情況下,雙層襯砌可作為水底隧道過河段的防水措施。

設計

水下隧道一般分水底段和河岸段,後者又有暗埋、敞開及出口部分。水底隧道的縱向坡度、縱向曲線和平面曲線半徑、通道布置、車輛限界以及照明、通風、消防、交通監控等設備,按通過隧道的車輛類型和運量進行設計。
用盾構法建造的水底道路隧道,自兩端至洞口,一般是槽形敞開式引道段。穿越水底的暗埋段,斷面大多為圓形。修建的隧道除個別為腳踏車道外,均為雙車道(圖1)。有些在車道一側或兩側設高出路面的人行巡邏道。對交通繁忙的水底道路隧道,大多採用兩條平行的隧道,每條隧道中有同向行駛的雙車道;也有的在初期為一條雙向行駛的雙車道隧道,後期發展成兩條同向行駛的雙車道隧道。在圓形隧道中,一般在路面以下是送風道;在吊頂以上是排風道。送排風道與隧道兩岸的通風機房連通,多採用橫向通風。隧道的照明系統,應有適當亮度和均勻的照明裝置,在進出口附近設光過渡設施,以便司機在通過隧道時能較好地適應亮度變化而使行車安全。為取得良好照明及防火效果,要合理選擇隧道吊頂、側牆飾面和道路路面的材料和顏色。在現代化的水底道路隧道中,設定自動或半自動控制的防火、滅火、排水、通風、照明、交通監控等運營設備,由中心控制室集中管理。
用沉管法建造的水底道路隧道,自兩端至洞口大多是較長的槽形敞開式引道段。穿越水底的沉管大多是由幾個通道組成的矩形管段,包括車行道、腳踏車道、人行或巡邏通道以及管線通道等,每個行車通道中有兩個以上同向行駛的車道。由於沉管隧道的長度較短,且每個行車通道中的車輛為同向行駛,故大多採用縱向通風,無需設專用通風道及通風機房,其他設備和盾構法修建的道路隧道相同。
水底鐵路隧道、捷運隧道及公用管線隧道,在構造及設備方面均較水底道路隧道簡單,較典型的橫斷面布置。

舉例

蘇州獨墅湖隧道:國內最長湖底隧道,獨墅湖隧橋工程全長為7.37公里,其中隧道部分長3.46公里,整個工程既要穿越湖底,又要翻越高架橋,是目前國內城市中最長的一條湖底隧道。
杭州西湖隧道:杭州市西湖隧道已建成,2003年10月5日,首輛小汽車穿越湖底。西湖湖底隧道全長約1269米,其中在西湖底下約800米,總投資約2億多元。隧道內部還將安裝無線網路設備,保證在隧道內仍能暢通無阻地使用手機。
玄武湖隧道:國內首條湖底隧道
2003年4月29日,全長2.66公里的南京玄武湖隧道通車,其中陸地隧道約0.8公里,湖底隧道長約1.66公里,隧道設計寬約32米,雙向六車道,設計車速為60公里/小時,這是國內第一條城市湖底隧道。
東湖隧道:國內最長城中湖隧道
東湖隧道是湖北武漢東湖通道的重要組成部分,全長超過7公里,於2012年10月29日正式開工建設,2015年0月28日通車。工程施工採用“圍堰明挖”的方法,是國內最長城中湖隧道。
無錫蠡湖隧道:國內最環保的隧道
江蘇無錫雙向六車道環保型隧道——蠡湖隧道通車。該隧道牆面採用環保材料,並可隨時拆換,此舉為國內首次。
香港海底隧道:先後建成三條
我國香港特別行政區有三條海底隧道,越過維多利亞海峽,把港島與九龍半島連線起來。
港九中線海底隧道1972年建成,全長1.9公里;
港九東線隧道,1989年建成,全長1.8公里;
1997年4月建成的西線隧道,六車道,日車流量可達18萬次。
英法海底隧道:世界最長海底隧道
英吉利海峽隧道又稱英法海底隧道,是一條把英國英倫三島連線往歐洲法國的鐵路隧道,於1994年5月6日開通。它由三條長51公里的平行隧洞組成,是目前世界上最長的海底隧道,歷時8年多,耗資約100億英鎊(約150億美元)。隧道啟用後,把倫敦至巴黎的陸上旅行時間縮短了一半,3小時即可到達,與乘坐飛機抵達時間一致。
日本青函海底隧道:1987年建成了青函海底隧道,它穿越津輕海峽,將日本的本州和北海道連線起來,全長為53.85km,其中海底部分23.3km,其餘為陸地部分。
我國最大水底公路隧道———上海外環線越江隧道建設已全面展開。整個隧道建設將用3年時間全面建成並投入使用。   上海外環線越江隧道東起浦東三岔港,西至浦西吳淞公園附近,全長2880米,水下沉管長度為736米。到目前為止,黃浦江邊已建成兩個規模宏大鋼筋混凝土的乾塢,並完成土方量110萬方。管段生產已全面啟動,江中航道開始疏浚,整個外環線隧道工程進入了主體施工階段。其它的還有武漢越江隧道,上海長江隧道、南京長江隧道,武漢長江隧道,廣深獅子洋隧道,年嘉湖隧道,瀏陽河隧道,營盤路隧道,水果湖隧道,遂寧觀音湖隧道等。

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