挪威海底隧道经验

1、第24卷第23期岩石力学与工程学报V ol.24 No.23 2005年12月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.,2005挪威海底隧道经验吕明1,GrØv E1,Nilsen B2,Melby K3(1. 挪威SINTEF集团岩土力学研究所,特隆赫姆 7465;2. 挪威科技大学,特隆赫姆 7491;3. 挪威公路管理局,奥斯陆 0033摘要:海底隧道深埋于海水以下,因而在勘探、设计、施工和运行方面都比陆地隧道更困难。挪威在近30 a来修建了40条海底隧道,积累了丰富的经验,形成了被称为“挪威海底隧道概念”的一

2、整套技术。规划设计阶段要采用各种可能方法进行尽可能详细的地质勘探,尤其是海洋折射地震波探测,以提供基岩表面深度、基岩地质剖面等重要资料。影响隧道的稳定主要为断层和软弱带,因此,在地质勘探中确认断层和软弱带是极为重要的。施工时需采用精心设计的方法,包括减少每轮爆破的进尺及采用喷射混凝土拱肋、密集长锚桩等。典型的挪威海底隧道衬砌由作为支护的喷锚结构和自立的防水防冻的内衬砌组成。挪威海底隧道的衬砌都按排水结构设计,而不承受外水压力。渗水是海底隧道的最大威胁,施工期应随时了解掌子面前的地质和水文地质条件,超前探测孔和预灌浆是控制渗流的最佳方法,同时必须时刻准备处理可能发生的紧急情况。最小岩石覆盖厚度影

3、响隧道安全和造价,必须慎重考虑,根据岩石条件、稳定要求、渗水量充分论证,大部分挪威海底隧道的最小岩石覆盖厚度都小于50 m。海水的腐蚀性给海底隧道带来一系列的特殊问题,须认真对待。关键词:隧道工程;海洋;地质;勘探;设计与施工;运行中图分类号:U 45 文献标识码:A 文章编号:10006915(200523421907NORWEGIAN EXPERIENCE IN SUBSEA TUNNELLINGLU Ming1,GrØv E 1,Nilsen B2,Melby K3(1. SINTEF Rock and Soil Mechanics,Trondheim7465,Norway;2

4、. Norwegian University of Science and Technology,Trondheim 7491,Norway;3. Norwegian Public Roads Administration,Oslo0033,NorwayAbstract:Subsea tunnels are located deeply under sea. Therefore,they are more difficult in geological investigation,design,construction and operation than land tunnels. In t

5、he last 30 years rich experiences have been gained in Norway from constructing 40 subsea tunnels and the“Norwegian subsea tunnelling concept”has formed. In the planning and design stage,careful pre-investigation is of critical importance. Extensive marine seismic refraction survey is the major metho

6、d for investigating bedrock profiles and detecting fault,weakness zones and depressions,which are the major threats to the tunnel stability. Directional core drilling from onshore passes geological structures and obtains rock cores,therefore,direct evaluation of the rock conditions can be provided.

7、Special rock support methods are needed in order to pass such weakness zones,including reduced blast rounds, bolt-enforced shotcrete rib and dense long spilling bolts. The lining of Norwegian subsea tunnels consists typically of sprayed concrete and rock bolts for support and free standing inner lin

8、ing for water/frost protection. The lining is designed as a drained structure,sustaining no external water pressure. Cast-in-place concrete is used only in extremely adverse geological conditions. All subsea tunnels in Norway are excavated by drill and blast method. Inflow of sea water is one of the

9、 critical issues for subsea tunnels since there is no natural exit for the inflow water,and therefore,it is essential to know the geological and hydrogeological conditions ahead of face. Probe drilling and pre-grouting technique are the best ways to detect the water inflow and reduce it to the accep

10、table level. Even so,equipments and measures have to be ever ready to meet the emergency situation. The minimum收稿日期:20050810;修回日期:20051020作者简介:吕明 (1944,男,博士,1967年毕业于清华大学水利水电工程系,现任挪威SINTEF集团首席科学家、挪威科技大学教授,主要从事岩石力学方面的教学与研究工作。E-mail:ming.lusintef.no。 4220 岩石力学与工程学报 2005年rock cover is an influential fac

11、tor to the tunnel stability as well as economy and should be evaluated carefully. A minimum rock cover of 23 m has been used,despite the Norwegian road tunnel standard requires more detailed geological investigation and special analysis if the minimum rock cover is less than 50 m. Problems related t

12、o in-leaking saline water,such as erosion of shotcrete and metallic parts,are special issues for subsea tunnels and need to be coped with seriously.Key words:tunnelling engineering;sea;geology;investigation;design and construction;operation1 引言近几十年来海底隧道技术发展很快,著名的工程有连接英法的海峡隧道和日本的青函隧道。中国第一条海底隧道厦门翔安隧道已

13、于几个月前开工,青岛黄岛的湾口隧道正在积极筹建。正在规划和论证中的还有很多,包括跨越琼州海峡的海底隧道和连接大连和烟台的海底隧道等1。在过去30 a里,挪威建成了40条海底隧道,其中24条是公路隧道,其他的主要是为近海石油工业服务,包括管道峒、电缆峒。另外还有2条在建,十几条在规划。北欧其他国家的3条海底隧道也采用了挪威海底隧道技术。挪威海底隧道多建在前寒武纪的硬岩中,最典型的是花岗片麻岩,用钻爆法开挖。公路海底隧道主要为穿越峡弯,图1给图1 挪威部分海底公路隧道位置分布2 Fig.1 Location of Norwegian subsea road tunnels2 出了挪威部分公路海底隧

14、道的位置,表1列出了挪威部分海底隧道的主要参数,表中A为断面积,L为峒长,h为最小岩石覆盖厚度,H为海平面以下的深度。第一条公路海底隧道是1981年建成的Vardø隧道,最长的是Bømlafjord隧道,长7.9 km,最深的是海平面以下264 m的Hitra隧道,最小岩石覆盖厚度为23 m。公路海底隧道均为双车道或三车道,断面积分别约为50和70 m2,总长近100 km。表1 挪威部分海底隧道主要数据3Table 1 Key data of some Norwegian subsea tunnels3隧道名称完工年代A/m2岩石种类L/km h/m H / m Vard

15、ø 198153页岩/砂岩 2.6 28 88 Ellingsøy 198768片麻岩 3.5 42 140 Kvalsund 198843片麻岩 1.6 23 56 Godøy 198952片麻岩 3.8 33 153 Nappstraumen1990 55片麻岩 1.8 27 60 Freifjord 199270片麻岩 5.2 30 100 Byfjorden 199270千枚岩 5.8 34 223 Hitra 199470片麻岩 5.6 38 264 North Cape 1999 50页岩/砂岩 6.8 49 212 Oslofjord 200078片

16、麻岩7.2 32 130 Frøya 200052片麻岩 5.2 41 157 Bømlafjord 2000 78片麻岩7.9 35 260 Skatestraum 2002 52片麻岩 1.9 40 80 Eiksund 200771片麻岩7.8 50 287通过这些工程,挪威积累了大量经验,当然也包括教训,最终形成了被称为“挪威海底隧道概念”的一整套技术,其中包括勘探、设计、施工和管理,同时也培养了一大批经验丰富、高水平的技术队伍。本文将对挪威海底隧道技术作一简介,希望能对中国海底隧道建设有所帮助。2 海底隧道的主要特点图2给出典型海底隧道的示意图,与其他岩石已建隧道

17、在建隧道第24卷第23期吕明等. 挪威海底隧道经验 4221 图2 典型海底隧道示意图4Fig.2 Sketch of a typical subsea tunnel4地下工程相比,海底隧道有如下主要特点:(1 工程的大部分地区都深埋于水下,因此很难采用直接的地质勘探方法。(2 虽然挪威海底隧道大部分建在硬岩中,由于穿越峡湾,经常在峡湾底部的基岩中遇到断层或软弱带,给施工带来极大的困难。有的情况下,这些断层或软弱带含有极为破碎的石块和膨胀性粘土断层泥。(3 地下水位就是海平面,远高于岩石地表,地下水压力高,而海水的补给又是无穷的,导致渗流成为严重问题。不仅如此,海底隧道的进口和出口都向上倾斜,

18、滲水不能自然流出,必须采用人工办法排水。(4 由于隧道建在海底,渗入的都是海水。海水中盐的成分具有极强的腐蚀性,对隧道的安装和支护结构造成极大威胁。3 地质勘探海底隧道的地质勘探工作要比陆地隧道困难得多,费用也大得多。在挪威,陆地隧道的地质勘探费用约占总施工费的1%,而海底隧道要占到5% 10%。考虑到海底隧道工程的复杂性,通常要进行深入的勘探工作。勘探工作的第一步是从现有的数据库中搜集区域地质资料,再进行岸边的常规地质描绘。在规划阶段可采用海洋声发射测得海水深度、海底地形和松散材料覆盖层。开始时航船线路网格可以粗一些,隧道线路初步确定之后,应沿选定的线路作细网格探测。在详细设计阶段,则进行折

19、射地震波探测,以了解基岩的地质情况,作出沿峒线的地质剖面图,重点部位还要作几个横剖面。探测的重点是基岩表面位置、软弱带、断层、大的劈裂和沉陷4,5。在详细设计阶段还应进行岩芯钻孔,加以室内岩石力学试验,以便进一步了解各岩层的工程地质、水文地质和岩石力学特性。钻孔可在岸边或有关海域中的小岛或礁石上进行,通常为垂直孔或倾斜孔,必要时应采用水平定向岩芯钻孔。水平定向岩芯钻孔从岸边倾斜开钻,与水平线成25°45°,逐步转成水平,孔线可沿所选定的峒线。若采用3 m钻杆,转弯度可达每10 m转3°。这种钻孔的优点是可以穿过隧道可能遇到的大部分断层和软弱带,得到断层和软弱带的详

20、细资料。图3是水平定向岩芯钻孔示意图。图3 水平定向岩芯钻孔示意图Fig.3 Sketch of horizontal directional core drilling大多数情况下地质勘探工作都能为规划和设计提供足够可靠的资料。例如,在Frøya隧道中,全面深入的前期地质勘探发现了断层、强渗透区和含有松散砂和膨胀土的软弱带,2个独立的专家组对勘探资料进行了分析论证,从而为设计施工提供了可靠保证。但在有些情况下,即使预先做了大量勘探工作,施工时还是遇到了预想不到的情况。例如, Oslofjord隧道的运气就不那么好,尽管都采用了折射地震波和定向岩芯钻孔技术,并发现了一条明显的软弱带,

21、但是一个充填有第四纪土的大劈裂未能探测出。一个定向钻孔就在该劈裂底部下面2 m 处通过。当施工时隧道穿过该劈裂时发生大规模坍塌,最后不得不采用岩石冷冻技术通过3,4,6,见图4。4 隧道选线隧道选线主要指的是垂直线路,垂直线路的主要问题是最小岩石覆盖厚度,这是海底隧道最重要的参数之一。岩石覆盖太小会增加隧道丧失稳定的可能性,并增加隧道漏水,支护、防渗和排水的费用都要增加。加大岩石覆盖意味着增强隧道埋深,海平面 4222 岩石力学与工程学报 2005年 图4 Oslofjord 隧道地质勘探4Fig. 4 Geological investigation at the Oslofjord sub

22、sea tunnel 4增加隧道长度,因而提高造价。关于海底隧道最小岩石覆盖厚度,挪威公路隧道设计规范规定要大于50 m ;如果小于50 m ,则必须进行详细的地质勘探及特别分析,并报告国家公路管理局批准。但是实际上,大部分挪威海底公路隧道的最小岩石覆盖厚度都小于50 m ,最浅的只有23 m 。 最小岩石覆盖厚度与岩石强度和基岩以上水深有关,岩石强度高,基岩以上海水浅,岩石覆盖厚度可以降低。此外,岩石覆盖厚度还与灌浆压力有关,要保证预灌浆质量,必须用足够高的压力,而高灌浆压力则要求足够的岩石覆盖厚度。在挪威,海底隧道最小岩石覆盖厚度通常用工程类比法,凭经验确定。考虑到输入数据的不准确性,很少

23、进行理论分析和数值计算。隧道垂直线路的另一个问题是两端坡道的坡度。坡度过小将增加隧道长度,导致造价提高,坡度过陡则可能增加交通事故隐患。挪威海底隧道的最大允许坡度由隧道交通量决定,通常为6% 8%,最大可达10%。据悉,中国公路隧道设计规范规定一般情况下最大坡度为3%7。图5给出部分挪威海底隧道岩石覆盖厚度与水下深度及岩石声波速度的关系,图中圆圈旁编号代图5 挪威海底隧道最小岩石覆盖Fig.5 Minimum rock cover of Norwegian subsea tunnels至基岩深度(h w + h s /mStorskjær单位:m第24卷 第23期 吕 明等. 挪威海

24、底隧道经验 4223 表的隧道名称示于表2。表2 图5中圆圈旁编号代表的隧道 Table 2 Tunnels referred by the figures by the circles inFig. 5编号 隧道名称编号隧道名称编号名称1 Vardø 6 Hvaler 12 Hitra Karmsund 7 Flekkerøy 13 Bjorøy 2 Ellingsøy 8 Nappstraumen 14 Nordkapp 3 Valderøy 9 Fannefjord 15 Frøya 4 Kvalsund 10Freifjord

25、16 Oslofjord5 Godøy 11 Byfjord 17 Bømlafjord5 渗水问题水压高,水源充足,又无天然出口,加上勘探工作不可避免的不确定性,使得海底隧道的渗水问题远比陆地隧道严重得多,处理起来也困难得多。不可控制的突发涌水可能造成极为严重的后果,甚至威胁施工人员的人身安全。完全避免渗水是不可能的也是不必要的。主要的工作是降低渗水,达到可接受的水平。挪威海底隧道规范规定允许的渗流量为300 L/(km ·min。为保证隧道的干燥运行条件,将安装防水防护板,渗入隧道的水将在防护板内与岩壁之间经排水系统收集,导入集水池。集水池一般设在隧道的最低处

26、,其容积要能容下24 h 的渗水8,9。控制渗流的方法为预灌浆,而预灌浆的设计则依赖于超前探测孔,二者紧密相连缺一不可。超前探测孔通常为直径4550 mm 的冲击钻孔,长度30 m 左右,依爆破进尺而定,最长可达33 m ,每 45轮爆破钻1次,相邻2次探测孔最少搭接 8 m 。探测孔沿掌子面周边布置,与峒轴线成一角度向外延伸,每一轮探测孔的数目依节理发育程度取为26。对探测孔的渗水进行量测,如果渗水量大于56 L/min ,则需要灌浆。预灌浆的功能是在隧道外围形成一个不透水层,使隧道周边的水压力降到最小。灌浆孔沿整个隧道呈360°锥型分布,长度1030 m ,搭接6 10 m 。灌

27、浆效果通过在监控孔量测渗水量和地下水压力来控制。图6是采用探测孔和预灌浆方法控制渗水的示意图。图6 采用超前探测孔和预灌浆方法控制渗水Fig.6 Seepage control by probe drilling and pregrouting超前探测孔、灌浆孔和爆破孔的钻孔都由同一台液压钻车完成,挪威经验表明,预灌浆是降低渗水的唯一可行的工程措施。当大量渗水已经发生时再灌浆,通常不会起到预期的效果。6 与海水有关的问题渗入海底隧道的海水是咸水,有腐蚀性,这是海底隧道的特殊问题。喷射混凝土对海水很敏感,渗入海水使喷射混凝土脱落,缩短喷射混凝土的寿命,尤其是当喷射混凝土质量不好时,喷射混凝土和混

28、凝土内的钢筋也会受到腐蚀。海水还会腐蚀其他材料和安装设备,例如水泵、排水管道、电器设备、电缆支架、及防水防冻设备等等,这些设备的更换周期就要缩短,从而增加运行和维护费用。不只是直接接触海水的部件被腐蚀,海水引起的隧道内的潮湿咸气同样有腐蚀作用。挪威公路隧道设计规范规定海底隧道内的一些设备,如电缆支架等,应采用不锈钢,排水管在满足压力的条件下用塑料制成,锚杆须电镀并涂以抗腐蚀材料,如环氧树 脂5。另外,渗入海水引起海藻在峒底沥青地面上滋生,使路面变滑,会增加交通事故。挪威在混凝土和喷射混凝土抗腐蚀方面做了很多研究,取得了很好的成果,但总的来说,这方面的研究还需加强。7 隧道开挖和岩体支护所有挪威

29、海底隧道都用钻爆法开挖,钻爆法经济灵活,适用于各种不同的岩石条件。考虑到渗水问题,不采用TBM 掘进4。挪威海底隧道的稳定问题主要发生在含有粘土的断层和软弱带中,并与渗水有联系。例如,在Ellingsøy 隧道中,尽管连续进行超前探孔钻探,但由于含膨胀粘土的断层和承水节理,峒脸发生坍 4224 岩石力学与工程学报 2005 年 塌，一直延伸到峒顶以上 810 m，直至 24 h 以后 才停止，最后只好现浇 700 m3 混凝土堵塞，才得以 通过6。 海底隧道的衬砌都按排水结构设计，即不承受 地下水的压力。典型的挪威海底隧道衬砌由作为支 护的喷锚结构和自立的为防水防冻的内衬砌组成。 钢

30、纤维加固的喷射混凝土是主要的永久岩石支护结 构，喷射混凝土拱肋也有应用，重型衬砌，如混凝 土，只在地质条件复杂的特殊地段采用。广泛采用 防腐蚀的锚杆，如 CT 锚杆。 在极为恶劣的岩石条件下，如断层和破碎带， 则需要采用精心设计的施工方法通过6，包括减少 每轮爆破的进尺，由锚杆锚固的喷射混凝土拱肋， 以及密集的扇型分布的长锚桩(spiling bolts，图 7 是这种支护结构的示意图。 Fig.8 图 8 挪威公路隧道分类5 Classification of Norwegian road tunnels5 表3 Table 3 有关指标 顶拱和墙用纲纤维 喷混凝土和锚杆支 护，或用混凝土衬

31、 砌支护 AADT (20 最大坡度/% 挪威公路隧道坡度 Allowable gradient for Norwegian road tunnels 双向行车隧道 01 500 8 1 500 7 单向行车隧道 15 000 7 15 000 6 注：括号中 20 表示运行 20 a。 图7 Fig.7 断层和软弱带峒段的岩石支护6 于初始投资的 1.0%1.5%，其中 25%是电费。 8.3 交通与防火安全 挪威公路隧道规范对交通与防火安全有极为详 细的规定，包括安全设备、交通控制、事故探测、 预警系统、防火设备、火灾处理、逃生方式、紧急 措施等。标准火灾荷载由运行 10 a 后的年平均日

32、 通车量 AADT(10确定：当 ADDT(1010 000 时为 5 MW；当 ADDT(1010 000 时为 20 MW。 8.4 紧急情况处理 除了以上谈到的超前探测孔、预灌浆、排水泵 之外，挪威公路隧道设计规范还要求海底隧道施工 时要有备用水泵、备用电源和备用排水管。当开挖 到海下段，防护设备必须时刻待命，一旦涌水发生 立即封堵掌子面。 8.5 通风、照明 基本都采用纵向通风，使用喷射式鼓风机，根 据运行 10 a 后的年平均日通车量 AADT(10设计。 单向行车隧道和双向行车隧道的最大风速分别为 Rock support in fault and weakness zone6 8

33、 其他问题 除以上介绍的内容外，海底隧道还有如下一些 特殊问题，详细论述可参阅文4，5。 8.1 挪威公路隧道分类 挪威公路隧道根据长度和年平均日通车量分为 AF 这 6 类，见图 8。此分类用于确定隧道的有关 指标，包括车道数目、断面宽度、坡道坡度、紧急 避难道、紧急备用电源、通风照明通讯设备、防火 标准等。例如隧道最大坡度的规定如表 3 所示。 8.2 运行与维护 海底隧道的运行和维护费用大大高于陆地隧 道，其原因包括排水、紧急备用电源、海藻排除、 通风照明等。受到海水侵蚀，一些设备需要定期更 新，如水泵、排水管、电器设备、防水护板等。每 年的运行和维护费用大约为 65130 美元/m，相

34、当 第 24 卷 第 23 期 吕 明等. 挪威海底隧道经验 4225 10 和 7 m/s，当发生火灾时，风速要降到 2.03.5 m/s。照明分为正常运行时的照明和紧急情况下的 照明，白天和夜间的照明。照明设计要给司机提供 舒适安全的驾驶环境，以减少交通事故。 8.6 风险分析和风险管理 与其他岩石工程相比，海底隧道的风险是比较 大的。风险主要来自 2 个方面：地质条件和施工表 现。在挪威地质条件是由业主负责的，包括地震、 渗水、灌浆、岩石支护等。施工表现由承包商负责， 包括单位造价和工程质量。挪威隧道合同的主要特 点之一是业主和承包商共同承担风险，这一点对海 底隧道尤其重要，详细介绍请见

35、参考文10。 2 (5 海水的腐蚀性给海底隧道带来一系列的特 殊问题，须认真对待。 在各种不同类型的岩石工程中，海底隧道是比 较复杂的，风险也相对大些。但是，工程经验已充 分证明，挪威的海底隧道技术是成熟的，可以在不 同的地质条件下，安全、经济地建成海底隧道。 参考文献(References： 1 王梦恕. 蓬勃发展的中国水底隧道R. 北京：北京交通大学， 2005.(Wang Mengshu. Dynamic development of Chinese under-water tunnelingR. Beijing： Beijing Jiaotong University， 2005.(i

36、n Chinese Melby K. Norwegian subsea road tunnels from owners viewpointR. Beijing：Beijing Jiaotong University，2005. 3 Nilsen B. Concept of Norwegian subsea tunnellingR. Beijing： Beijing Jiaotong University，2005. 9 结 语 本文介绍了近 30 a 来挪威海底隧道建设的经 验，包括勘探、设计、施工、运行各方面。这些经 验的主要内容可归结为如下几点： (1 规划设计阶段要采用各种可能方法进行尽 可能详细的地质勘探，尤其是海洋折射地震波探 测，它可以提供基岩表面深度、基岩地质剖面、断 层、软弱带等重要资料，是必须进行的。 (2 隧道稳定的主要弱点是断层和软弱带，因 此在地质勘探中确认断层和软弱带是极为重要的。 施工时需采用精心设计的方法通过，包括减少每轮 爆