土木工程外文翻译隧道与地下空间技术

隧道与地下空间技术 2006 年 5-7 月刊，第 21 期，章节 3-4，第 332 页 釜山巨济的交通系统：沉管隧道开创新局面 1 1Wim Janssen Peter de Haas Young-Hoon Yoon 荷兰隧道工程顾问:大宇工程建设公司釜山巨济交通线隧道工程技术顾问 韩国大宇工程建设公司摘 要 釜山巨济交通系统将会为釜山和巨济两岛上的大城市提供一条道路连接。该沉管隧道有许多特点：长度达到 3.2 千米，处于水下 35 米处，海况条件严峻、地基土较为软弱和线型要求较高。基于以上诸多特点，隧道的设计和建造面临着巨大的挑战。可以预见的是这项工程将会开创沉管隧道施工技术的新局面。本文突出论述了这些特点以及阐述在土木和结构方面的问题。1.工程简介 釜山是韩国的第二大城市和一座重要的海港。它位于韩国的东南部，其南面和东面朝向朝鲜海峡同时在釜山北部山势较为陡峭。该市发展迅速，近年来的人口增长超过 370 万（总计 460 万人）。人口密度达到 4850 人/km2，约为香港的 3/4。釜山市的进一步发展由于其所处的地理位置而受到限制。釜山巨济交通系统在釜山和巨济岛之间创造了一条直接的联系线，以从客观上满足釜山的城市扩展，在巨济岛上发展工业区，以及为釜山市民在较短的行车距离内增加休闲娱乐的去处。巨济岛西侧目前已经与朝鲜半岛相连，在本项连接工程完工之后，从釜山市到巨济岛的驾车时间将由原来的 2 小时缩短为现在的 45 分钟。釜山巨济交通系统将在巨济岛与 Gaduk 岛之间提供一条连接，使其成为连接釜山新港地区至巨济岛的双重高速公路体系的一部分。这一系统总计 8.204 公里长，穿越海峡并将Daejuk Jungjuk 和 Jeo 三个无人小岛连接在一起。原则上该系统由一条长度为 3240m 的双向四车道沉管隧道和两座主跨 475，两边跨 230m 的斜拉桥组成。2.规划2.1 组织 该项目是作为一个公私合作，共同建设的工程，GK 交通系统公司可获得设计、施工和运营的特许权，经营期限为 40 年。特许权基于该系统设计理念的一个环节。GK 交通系统公司由大宇工程建设公司领衔的 7 家特许权法人组成。TEC/Halcrow 等合资公司作为技术顾问，从工程开始便参与该项工程。Halcrow 与 TEC 两个合资公司分别负责关于桥梁和隧道建设方面的技术问题。永久设施的设计工作已接近完成，后续的建设的准备工作也已经开始。 图 1. 工程地理位置 图 2. 空中鸟瞰效果图2.2 设计要求和基本闲置因素 该项目将 Gaduk 岛与巨济岛经 Daejuk Jungjuk and Joe island 三个小岛连接在一起，基本布局由三条航道的要求决定。位于 Gaduk 岛和 Daejuk 岛之间的主航道宽 1800m， 18m。 深由于这条航道没有官方的水深规定，因此选择以隧道的方式穿越成为一种可行的方案。另外两条位于 JungjukJeo 岛和 Joe巨济岛的次级航道，最小宽度分别为 435m 和 404m，各自的通航净空要求分别为 52m 和 36m。两条次级航道的水深均为 16m。 鉴于 Daejuk 岛和 Gaduk 岛之间相对较为陡峭的海岸，开挖作业又是在海床以下 25至 30 米处，这就使得工程无法满足两岛之间的对准开挖。而为了驾驶的舒适与安全又不得不延长梯度线和坡长。因此，将穿越该水域的沉管隧道设置在略低于海床平面成为一个合理的选择。 图 3. 线路纵剖面图2.3 岩土条件 地层在隧道线路方向上呈现出不同但是在纵向自上而下依次为典型的海洋粘土、海砂、砾卵石和海床基岩。 在沉管隧道沿线的海床主要以海洋粘土为主，除了在海岸线附近露出地表的海床、浅滩和沙砾层。沉管隧道周围的海洋粘土厚度大多数都超过 20m。因此沉管隧道的主体将会穿越该地层。 海洋粘土包括正常固结和轻微超固结的软粘土。这些粘土形成于全新世。位于海床以下的大部分粘土都是十分软弱和塑性非常高的。这种粘土的塑性指数范围从 5685，均值为 68；饱和单位重度为 13.915.4kN/m3，平均重度为 14.6kN/m3。2.4 海洋情况 施工位置在太平洋上，处于朝鲜海峡上并位于日本海的南面。这将影响工地现场的海洋情况。10000 年一遇的南向海浪会影响该工程的水文条件。设计最大浪高达到 9.2m，对应的海浪周期为 15s。这种由台风引起的海浪是向南运动的。 图 4.工程地质剖面图 图 5. 波浪特征 洋流主要受潮汐的影响，这是一个典型的半日潮，最大潮高达到 1.6m，流速 0.8m/s，流向与隧道走向一致。 工程所处位置的海浪包括三个主要部分： 当地海风引起的波浪，主要是冬季来自东北和西北方的风； 雨水带来的风，主要是夏季来自南方和东南方的风； 深水海流产生的波浪，主要是夏季来自南方和东南方的风。 在海上设施建设期间，应该考虑浪高超过 0.5m，周期为 6 次/s 的海浪的影响。夏季的大多数时间里浪高都大于此值。2.5 地震条件 根据韩国 ， “地震设计标准研究” 釜山巨济交通系统的抗震等级被划分为重要的一级。韩国的地震活动主要是由位于 Pohang 湾和釜山市之间离岸的对马岛和陆上的 Yangsan 断层决定的。然而，只有很少的几次大地震被记录下来。这就解释了为什么在如此大的范围内，韩国的地震危害评级被定为低级。最近发生的一次地震是由 Yangsan 断层引起的，震源位于施工地点东部 510km 处，由此产生的瞬时震级为 5.76 级。 这项工程采纳了两种抗震设计方案，即运营地震抗震设计（ODE）和最大地震抗震设计（MDE）。在抗震能力上，MDE 被认为是工程承受地震的极限状况。但是为了能承受地震荷载（保持工程结构主体的完整和安全），MDE 被采用为运营地震抗震设计，以满足所有连接处的水密性良好和钢筋的应力不超过其屈服强度的要求。3.本隧道的特点 作为釜山巨济交通系统一部分的沉管隧道有很多特别的地方，同时也面临了很多挑战。 线形的要求对海床上隧道两端的出入口产生制约； 本隧道是继连接丹麦和瑞典的厄勒联络线隧道之后的世界上最长的沉管 隧道； 隧道基坑位于水面以下大约 50m 深处； 施工地点海况恶劣； 地基土异常软弱。 此外，本隧道的施工方法尚未在韩国有过实际应用的经验。3.1 隧道线形 从线路最低点到主航道处斜拉桥最高点的爬升高度为 95m。道路的最大坡度为 4.73，略小于 Gaduk 岛入口处 5的坡度。二者均超过了标准情况下 4的最大设计坡度。隧道西侧的坡度与在海床上布置隧道客观上产生了冲突。由于在距西侧入口东面约 350m 处有一片天然的洼地，这就使得此处的沉管底部会高于原海床平面 8m。海洋粘土厚度最薄处所在位置，可通过人工的改良，使之满足埋藏隧道的受力要求。 初步的土壤调查表明，海洋粘土的厚度在其最薄处可以通过人工改良，使它的强度得到提高以满足埋藏隧道的受力要求。在设计过程中更详细的土壤调查显示凹陷处的海洋粘土延伸范围更大。由于对隧道更深位置竖向线形的修正，我们采取了更广泛的研究以克服这一问题，但是最终得出的 6的坡度未能获得通过。从砂桩，土体置换，堆载预压和深层水泥搅拌等诸多预选方案中，最终认为深层水泥搅拌是技术和经济上最为可行的一种方案。深层水泥搅拌桩的灌注范围将会在隧道两头延伸到足够长，以支撑高于原海床平面约 16m的基础和防止由于船只搁浅和海洋侵蚀的对基础造成的损害。3.2 隧道长度 当前的设计有 18 个长度约为 180m 的沉管单元组成。混凝土构件的横截面积为 60m2，宽 26.5m，高 9.75m。位于 Daejuk 岛侧的两个沉管宽度从 26.5m 扩大为 28.5m，以为爬坡车道提供空间。为了节省单元管段的造价，原用于厄勒海峡隧道的沉管单元的制作方法被考虑在其中。计划采用的通过移动已浇注管段来制作沉管的方法被认为可操作性和经济性不好。所以后来将制作流程变为由可移动的造管机沿管身全截面制作管段，这样就可以同时进行不同沉管单元的预制工作。许多瑞士的隧道就是使用这样的方法，有很成功的经验。 图 6. 可同时制作 4 个管段的预制场模型3.3 隧道埋深3.3.1 防水 在 Daejuk 岛一侧海床平面位于正常海面以下约 35m 处，这使得结构的底部到海平面的距离达到了 47.5m，在有海浪作用时甚至深达 55m。所有修建于西欧的混凝土分节段预制隧道均位于大约 15m 深的平缓的海域内。最深的一座隧道是位于鹿特丹的格兰特隧道，结构底部距水面为 26m。在建的博斯普鲁斯海峡隧道埋深达到 60m，这样的水深有相应的规定来防止隧道受到侵蚀和海水渗入隧道内部。尽管在修建埋深超过 26m 的沉管隧道上欠缺经验，但是从技术上来讲这仍然是可行的。按照设计，沉管的横截面应该有一部分处于压应力作用之下，以抵御海水的侵入。全截面要保证一次浇注成型，以避免产生横向施工缝。接头处设置双层防水条。首先需要处理的主要问题是在大位移下可有效承受水压力的防水结构。在厄勒海峡隧道中，第二层封条设置于接头处的亲水橡胶组成。而这种橡胶是不能适应地震时的移动的，所以需要一种更有力的解决方案以保证在地震时处于如此深的结构的可靠性。3.3.2 隧道挖掘深度 大多数沉管隧道的基坑都是由绞吸式挖泥船挖掘的。但是这种挖泥船的最大挖掘深得只能达到 30m。在更大的深度上就只有两种选择：抓斗式挖泥船或者拖斗式挖泥船。抓斗式挖泥船的工作效率较低并且在开阔水域施工时会产生环境污染。大型拖斗式挖泥船能够达到 100m 的水下挖掘深度，同时它正被使用于韩国的矿砂填海工程。由于这些大型挖泥船的运营成本很高，所以只有在一项大的持续性工程中它们的运营经济型才能够得到体现。3.4 海洋环境3.4.1 安装期间 沉管隧道所处的无遮蔽的海洋环境的情况很独特。气候的影响会在海上工作开展期间发挥作用。 沉管操作面临的最大挑战是潮汐的作用，它会对沉管节段的拖运，受力和沉放设备产生影响。为了准确量化这些力和海浪运动，我们建立了一个数值化的波浪模型并且分析了该地区 10 年的波浪数据。我们甚至还于 2004 年 6 月在 Jungjuk 岛南面安装了一台波浪仪。水工和数值模型试验正与沉管节段的制作和沉放设备的安装同时进行。实验表明，尤其当潮汐高度大于 0.8m，频率大于 6Hz 时，会产生很大的位移和荷载。结合波浪分析的结果可以清楚地知道，在夏季下放沉管回十分困难并且需要发展特种设备。因此我们决定将此项工序放在冬季进行。大浪的另一个影响是它会对已经安放好的沉管产生在竖向和横向荷载。与固定在基坑中的管段相结合的附加压载仓需要保证沉管单元的安全，并且还要考虑到沉放过程中的操作、固定和基坑回填。所以需要建立一个天气和海浪预报系统以便在沉放过程中预测浪高。3.4.2 对永久结构的影响 为了研究大浪对永久结构的影响，我们在丹麦的 DHI 实验室做了模型试验。在经历最极端的台风时浪高确定为 9.2m。在直接建成后回填的土石材料渗透性很高，但是随着时间的推移，好的粘土会不断深入回填土，使其渗透性降低并起到很好的保护作用。研究表明，随着回填材料粒径的减小，水平和纵向力都会增大。不过这些力都是动态的，变化的方向和强度都会导致隧道单元的微小移动来平衡隧道周围的水压力。隧道顶部超出原海床面的地方大浪将会对其保护层的稳定性造成影响。水工模型试验表明，需要预制超过 30 吨重的人造岩石块体。为了减小保护层的厚度和重量，我们将 Core-loc材料应用于隧道最易受影响的部分（位于 Gaduk 到一侧的最初的三个节段） 。 在隧道的两头，既有岛屿都被人工接长以在岛屿和隧道之间建设过渡区。为了保护这些过渡段，韩国一般用四角对称圆锥钢筋混凝土管。韩国 Kordi 水工研究所的水工模型试验表明，需要重量达到 50，60 和 70 吨的四角对称圆锥钢筋混凝土管。3.5 地基土情况和隧道基础 在隧道线路上，海洋粘土占据了主导地位。海洋粘土的厚度虽然各处不同但是通常都超过 30m 且正好位于隧道基础的下方。非常软弱的海洋粘土和高塑性结合其低饱和重度，低固结度和土体的结构性质决定了基础施工方法的最终选择。通常情况下，沉管隧道、回填土和保护层土石材料的重量会比开挖基坑时的掘出物重量小。由这一要求和原有土壤无沉降的假设，如果隧道的质量小于原有土层的质量，理论上可以确定建筑结构不会发生沉降。在此基础之上，普通沉管隧道通常不需要修建桩基础。只有少部分隧道基于设计者的理论需要桩基础。比如荷兰阿姆斯特丹的 IJ 隧道、鹿特丹的地铁、阿姆斯特丹 Zeebger 隧道的一部分和中国宁波的长虹隧道，基于各种而原因采用了桩基础。 隧道在釜山一侧的情况比较特别。回填土的单位重量要求比原覆土重量大，以使隧道保持稳定。这样做的结果是增加了回填土的有效应力和回填土与隧道的沉降。增加的有效应力可能超过预期估计，这意味着因硬土的减少导致的沉降增加风险（二次压缩指数与压缩指数的比例几近达到了 14）。此外，隧道沿线还会有因土壤特性和回填土的不同而导致的巨大沉降。这是因为隧道较深且海洋条件严峻而导致的挖掘精度过低。 图 7. 隧道划分模型和开挖单元 部分混凝土隧道能够适应这种不均匀沉降。但是应当避免在接头处的沉降。鉴于此，我们决定用深层搅拌桩来改良海洋粘土。用这种方法，直接将水泥注入粘土中，就形成了海洋粘土与水泥的混合桩。这种桩的直径取决于所使用的设备。沿岸工程通常是同时制作 4根桩以形成一个 1.8m1.8m 的正方形区域。这种土壤改良方法排除了地基土沉降的影响并将这种不良影响纳入既有的经验范围之内。使用这种混合搅拌桩也会减少因隧道线路所经过的从海洋粘土到裸露基岩的刚度变化的影响。从而减少这些部分的不同沉降。 图 8. 制作 70 米深混合桩的沿岸设备4.结论 釜山巨济交通系统的隧道具有如此多的特点是有很多原因的。上文介绍了本工程并突出了这些特点。它们已经远远超出了现在混凝土沉管隧道施工技术的水平。并非所有的特殊设计在工程开始之前就已经被全面地考虑到，而是随着工程的进行同步设计的。在写就本文的时候尚有很多问题未全部解决，但是最根本的设计已经完成。我们期待此条交通连接线的完工能够开创沉管隧道施工技术在深水、严峻的海洋和地质条件下应用的新局面。 Tunnelling and Underground Space Technology Volume 21 Issues 3-4 May-July 2006 Page 332 Busan Geoje Link: Immersed Tunnel Opening New Horizons Wim Janssen1 Peter de Haas 1 Young-Hoon Yoon21. Tunnel Engineering Consultants the Netherlands: Technical Advisor to Daewoo EampC for the Busan - Geoje Fixed Link2. Daewoo EampC KoreaABSTRACTThe Busan Geoje Fixed Link will provide a road connection between the metropolis of Busanand Geoje Island. The Link comprises amongst others two cable stayed bridges and an underwater tunnel constructed as a concrete immersed tube tunnel.The immersed tunnel has a numberof special features: its length of 32 km the water depth of over 35 m the severe marineconditions the soft subsoil and alignment constraints. Combined with the scale of the projectthese features make the design and the construction of the tunnel a major challenge. It is expectedthat the project will open up new horizons for the use of immersed tunnel technology. This paperhighlights these special features and concentrates on the civil and structural aspects only.1. INTRODUCTIONBusan is the second largest city and a major harbour in South Korea. It is located in the southeastand bordered by the Korean Strait at the south and east side whilst at the north steep mountainsarise. The city is developing rapidly the population grew over the recent years to 37 millioninhabitants in the city 46 million in the agglomeration. The density of population is 4850inhabitants/km2 which is about three-quarter of the density of Hong Kong. The options forexpansion are limited due to its geographic location. The Busan Geoje Link has to create adirect link between Geoje Island and the city of Busan with the objective to allow Busan toexpand to develop industrial areas on Geoje and to add recreational facilities within drivingdistance of Busan city. Geoje Island is currently connected to the mainland at the west side of theisland. The two hours drive by car from Busan city to Geoje will be reduced to 45 minutes aftercompletion of the Link. The Busan Geoje Fixed Link will provide a road connection betweenGeoje Island and Gaduk Island as part of a dual carriage motorway connecting the BusanNewport region to the island of Geoje. The Link will be 8.204 km in total crosses navigationchannels and links the small island of Daejuk Jungjuk and Jeo which are uninhabited. Theprinciple components of the link are an immerse tunnel 3240 m long with two-lane traffic tubes ineach direction and two cable stayed bridges with respectively one main span of 475 m and a twomain spans of 230 m each.2. THE PROJECT2.1 OrganizationThe project is developed as a Public Private Partnership where GK Fixed Link Corporation hasbeen awarded the concession to design construct and operate the Link for a period of 40 years.The concession is based on a conceptual design for the Link. The GK Fixed Link Corporationconsists of seven Korean contractors amongst them Daewoo Engineering amp Construction Co. Ltd.as the leading company of the concessionaire. The joint venture TEC/Halcrow is appointed asTechnical Advisor and as such involved from the start of the project. In the joint venture Halcrowand TEC take care of the bridge and tunnel related aspects respectively.The design of the permanent works is almost completed and construction in advance of thepermanent works has started. Figure 1. eographic location of site Figure 2. Aerial overview of the project.2.2 Design requirements and basic constraintsThe project has to provide a fixed link from Gaduk island via Daejuk Jungjuk and Joe island toGeoje island. The basic layout is defined by the requirements to the three navigation channels. Amain channel between Gaduk and Daejuk island with a width of 1800 m and a depth of 18 m. Forthis navigation channel no height restriction is accepted by the Authorities and as such a tunnelhas been the obvious way to cross. For the two secondary channels located between Jungjuk-Jeoisland and Joe-Geoje island a minimum width of 435 m and two times 202 m clearance heightsof 52 and 36 m respectively are required. Water depth for both secondary channels is 16 m.The relative steep shores of Daejuk island and Gaduk island and the deep position of a boredtunnel of about 25 to 30 m below the seabed make it physically impossible to fit an alignment fora bored tunnel in between these two islands. The gradient of the alignment would be too great andslopes too long for driving comfort and safety. For this reason the crossing by an immersed tunnelwith its position just under the seabed has been a logical choice.