工程4（2018）249研究隧道工程海底长隧道：认识和克服运营和施工Gareth Mainwaringa，Tor Ole OlsenbaMott MacDonald，Croydon CR0 2EE，UKbDr.techn.Olav Olsen AS，Lysaker 1325，Norway阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年4月19日收到2017年9月7日修订2017年9月22日接受2018年3月21日在线提供关键词：英吉利海峡隧道消防和生命安全轴重力结构A B S T R A C T长长的海底隧道，特别是那些为运输目的而建造的隧道，并不是普通的基础设施。虽然它们的规划和建设需要相当长的时间，但一旦投入使用，它们就成为重要的固定环节。这些隧道通常位于海底，这一事实涉及独特的挑战，包括施工和运营的复杂问题，这些问题与隧道最终路线沿线缺乏中间接入点类似的问题与长的地下隧道有关，例如阿尔卑斯山等山脉下的隧道。本文确定了与此类隧道的设计和施工相关的关键问题，并提出了一个潜在的解决方案，使用另一个工程学科的成熟技术。©2018 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一个在CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 问题的背景与陆上隧道相比，用于运输目的的海底隧道的建设和运营有其独特的挑战和限制-特别是对于较长的隧道。英国和法国之间的英吉利海峡隧道是世界上最长的海底隧道，它连接了英国和法国的高速铁路网。英国、法国和欧洲大陆。整个隧道长约50公里，海底部分长38公里。在日本，青函隧道全长53.8公里，其中海底部分为23.3公里。英吉利海峡隧道的总体布局如图所示。1.一、对于已经建成或正在建设中的跨高山隧道，隧道位于山区下方的事实类似地限制了沿着路线长度的定位中间接入点，例如竖井和平洞。连接意大利和瑞士的AlpTransit项目的圣哥达基线隧道全长57公里。世界各地正在考虑其他海底和陆地下的长运输隧道，包括德国和丹麦之间的Fehmarn Belt隧道（海底18公里），法国和意大利之间的*通讯作者。电子邮件地址：mottmac.com（G. Mainwaring）。中国的海底隧道（海底最长110公里），以及中国的台湾海峡隧道（海底150公里）。如以下部分所述，这些固定链路沿着隧道长度具有中间接入点对于施工和运营目的都是有利的该等出入口可方便隧道的多方面运作，并可在发生事故时提供紧急出口，方便乘客疏散然而，这种设施难以为海底隧道提供，除非隧道要从一系列岛屿下方通过，无论这些岛屿是天然的还是人工的，而在深海条件下不太可能出现这种情况2. 建物流以上述最长的隧道为例，即英吉利海峡隧道、青函隧道和圣哥达基线隧道，我们认识到这三个项目都是使用多个隧道掘进机建造的虽然英吉利海峡隧道的总长度约为50公里，但最长的隧道车道为22公里。这是从英国海岸线延伸到英吉利海峡下的一个交汇点与法国隧道掘进机（TBM）驱动器连接较短的车道从海岸线延伸到每个码头的入口。对于圣哥达基线隧道，沿路线长度形成了许多平洞和竖井，以便细分https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.03.0042095-8099/©2018 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng250G. Mainwaring，T.O. 奥尔森/工程4（2018）249·图1.一、图为英国和法国之间的英吉利海峡隧道。整个隧道分成多个部分，便于多个驱动器。圣哥达基线隧道的示意图如图2所示。实际上，这些平硐中最深的为800 m，这是相当深的开挖;然而，这意味着最长的隧道掘进长度为14 km。因此，很明显，这些方案的建造者认为，沿隧道长度提供中间施工点对成本和计划都有利2.1. 隧道通风无论隧道是采用钻爆法还是隧道掘进机开挖，在整个施工阶段都需要用新鲜空气覆盖隧道表面。这种通风是由管道提供的，管道通常沿着已建成隧道的拱腹延伸。对于较长的隧道，可能需要在管道长度上的点安装冷却器，以确保隧道表面的冷空气，以保证工人的健康。虽然通风是在隧道表面进行的，但实际上为整个开挖隧道提供了清洁的空气。显然，隧道驱动器越长，必须输送的空气就越多，管道的尺寸就越大。对于极长的隧道，可能的是，通风要求-即管道和冷却设备的尺寸-实际上可以决定所建造隧道的直径。这不是一个具有成本效益的解决办法。因此，将整个隧道分成多个较短的部分是有益的。2.2. 融合驱动器使用多个施工集结区以及从这些位置双向掘进的隧道，意味着为施工提供了一定的灵活性和保证物流如果一台隧道掘进机发生故障，那么从相反方向来的机器就可以完成整个隧道。这在单头掘进的情况下是不可能实现的，因为单头掘进需要一台掘进机完成整个掘进长度。同样，多个驱动器有利于确保在合理的时间范围内完成工作。2.3. 进入隧道工作面为了运送材料和劳动力，通常通过沿完工隧道运行的机车提供进入隧道面的通道为了隧道内工人的安全，这些运输列车的速度约为20-考虑到英吉利海峡隧道的最长行驶距离为22公里，很明显，当隧道掘进机接近其行驶终点时，隧道掘进机机组人员将在每个班次开始时花费一个小时（在结束时花费类似的时间）前往他们的工作场所。更长的车程将花费更多的时间。对于超长隧道，如果20%的工作日用于往返隧道面，则劳动力成本可能是一个主要问题因此，将隧道划分为合理长度的逻辑，如圣哥达基线隧道所示，可以被视为有利于整体成本。3. 业务问题在已建成隧道的运营物流中需要考虑的问题包括：空气质量/通风、空气动力学（特别是铁路隧道）、温度、排水以及消防和生命安全。在讨论这些项目时，参考了英国和法国之间的英吉利海峡隧道，包括在该项目设计期间进行的研究。图二. 圣哥达基线隧道，位于意大利和瑞士之间。G. Mainwaring，T.O. 奥尔森/工程4（2018）249251●···3.1. 初步设计考虑3.1.1. 空气质量和通风英吉利海峡隧道的设计实际上包括三条并行隧道--两条行车隧道和一条中央服务隧道，后者用于维修人员的进出和紧急疏散，如图所示。3.第三章。英吉利海峡隧道自1994年投入运营以来取得了重大成功; 2014年，有2100万乘客通过隧道。每天最多有400列火车通过隧道-每个方向200列-平均日交通量如下：58000名乘客6000辆车180辆客车54000吨货物运行隧道的正常通风依赖于列车通过隧道，并由位于海岸线上的风扇辅助空气是需要多达20000人在隧道中在任何一个时间，在26米3的速度每人，即144米3秒-1[1]。中央服务隧道是加压的，以确保在隧道内发生火灾时保持无烟，并通过气密门与运行隧道隔开这被称为正常通风系统（NVS）。辅助灭火系统（SVS）在发生火灾时控制隧道内的烟雾。在这种情况下，风机向每个运行隧道提供300 m3s-1的空气。这些风扇位于法国和英国的海岸线上，因此它们必须在38公里的总长度之间他们3.1.2. 空气动力显然，出于成本原因，承包商要求确定隧道的最小直径。因此，隧道的大小应能容纳使用隧道的最大机车车辆-在本例中，是用于运输重型货车（HGV）的穿梭货车。的内径区间隧道设7.6m。隧道堵塞率50%的车都是这种车[2]。据确定[1]，高速行驶的列车将在运行隧道中排出5000吨空气，机车的功率需求将受到阻力的显著影响。需要一个解决方案，以避免推动这列空气通过隧道的整个长度;这是通过包括活塞减压管（PRD）连接隧道的长度。这些隧道每隔250米建造一个，可以将隧道内的压力转移到对面的隧道。通风系统的设计和隧道的直径需要在设计阶段进行优化。较小的隧道在发生火灾时更容易密封，尽管需要考虑分段衬砌引起的摩擦力空气动力学将通过扩大隧道得到改善对于没有中间竖井的长隧道来说，这是一个特别的问题。3.1.3. 温度列车通过英吉利海峡隧道的运行隧道时产生的平均热量水平为80MW d-1。据确定，气温可在2-3个月后达到50 °C-这是在北欧的温带气候中。因此，隧道需要冷却;这是通过在位于隧道壁上的400 mm直径的管道中循环3 °C的水来实现的。更长的隧道将需要更多的冷却管道来控制温度，并且可以想象，对于非常长的隧道，这些可能会影响隧道的实际直径。3.1.4. 排水由于隧道穿越的地面相对不透水，地下水可以通过隧道段的接缝流动，以减少地下水的积聚。图3.第三章。英法之间的英吉利海峡隧道。●●●252G. Mainwaring，T.O. 奥尔森/工程4（2018）249作用在隧道衬砌上的静水压力。然而，排水需要被收集在集水坑中并被输送回地表。这是由位于服务隧道中的四个400 mm直径的管道执行的。空间规定因为这些管道对服务隧道的大小有很大影响，考虑到温度因素，较长的隧道可能需要较大直径的设施。3.1.5. 消防和生命安全为了紧急疏散的目的，交叉通道位于沿路线长度的375米中心处这些隧道提供了从每个运行隧道到中央服务隧道的连接，在紧急情况下提供了安全场所。“第一线反应”小组24小时巡逻服务隧道，并在隧道内发生任何事件时全职紧急服务人员位于隧道法国一侧的桑加特终点站。因此，如果隧道事故发生在英国海岸线附近，紧急服务人员可能距离隧道事故40公里。在英吉利海峡隧道运营的头20年里，发生了一些火灾，从一开始就被修改了。3.2. 经验教训当英吉利海峡隧道首次开通运营时，最初的政策是，如果在火车上发现火灾，火车将通过隧道到达对面的入口，并在开放空间灭火。在隧道运作的20年里，总共发生了4次火灾，而最初的政策现在已经修改。所有四起事件都是HGV航天飞机运输车辆起火造成的。第一场火灾是最严重的;虽然它试图让火车穿过隧道，但火灾的强度是最大的。大火竟然烧坏了架空的接触网，列车在隧道里停了下来。修订后的政策是将列车停在隧道内，尽快疏散乘客，然后尽快处理火灾。隧道运营商Getlink（前身为Groupe Eurotunnel）最近在隧道内建造了四个独立的“安全站”（SAFE是法语“stationd'attaquedufeu”的缩写），以处理火车上的任何火灾。这些安全设施包括在隧道内一段870米长的指定隧道内安装的消防设施.每个设施都配备了高压水雾系统，可以在3分钟内将热量从1000 °C降至250 °C。这些SAFE设施的位置使得列车可以在15分钟内从隧道的任何部分到达车站。英吉利海峡隧道在其50公里长的长度上有四个独立的交叉设施-两个位于海底部分，另一个位于法国和英国一侧的入口处。这使得在某些时期，在隧道的维护和任何事故发生后，他们的工作已经证明在上述火灾发生后1996年11月发生第一次火灾后，隧道的一段被关闭了总共6个月。跨线设施的加入使得列车可以绕过这一路段，并在受损路段维修期间维持服务，尽管频率有所降低隧道内还发生了其他小事故，例如HGV穿梭车中的车辆对架空接触网造成的损坏;但是，由于提供了足够的交叉设施以将隧道划分为数量较少的区段，因此运营得以维持。如上所述，迄今为止所有火灾的原因都是HGV航天飞机上的车辆。这种机车车辆，如果不是英吉利海峡隧道所特有的然而，由于隧道的长度和使用隧道的交通量，HGV穿梭车是该计划成功的关键组成部分。任何未来的海底隧道都可能需要提供类似的机车车辆来运输重型货车通过隧道，除非这些车辆被禁止进入隧道并留在渡轮上。在车辆设计方面，可能需要吸取一些经验教训;但是，应认识到沿隧道长度提供中间消防设施和足够的交叉点，以保持服务。3.3. 总结很明显，通过引入交叉点将整个隧道分隔开来，对铁路的运营有很大的好处，而沿整个隧道长度设置中间竖井，对任何形式的运输隧道的建造和运营都然而，当隧道位于广阔的海底时，如何形成这样的中间设施仍然是一个挑战。通过研究另一个有时必须位于深海环境中的行业（石油和天然气行业），可能已经找到了解决方案。4. 潜在解决方案重力结构已成功用于石油和天然气生产超过30年，主要在北海的挪威部分，安装深度超过300米。北海挪威部分的Draugen平台示意图如图所示。 四、该结构有一个20米的中心轴见图4。 Draugen平台示意图。G. Mainwaring，T.O. 奥尔森/工程4（2018）249253直径，位于250米深的水中[3]。劳动力的住宿模块被固定在“上部”上层建筑上。这些结构可以很容易地用作拟建隧道的施工场地，从每个结构沿两个方向进行隧道施工。在石油和天然气工业中，“上部”上的操作支持系统的设计“上部结构”的可用空间隧道段将由驳船运送，在平台旁边停泊。就永久工程而言，有关构筑物将为超长隧道提供通风和排放排水的设施，并会在沿途提供紧急出入口。这种经过验证的技术的新用途可以提供克服建造和运营超长海底隧道的后勤限制的手段。关于重力式结构物在海床上的安全安装和固定方法，已经发表了其他论文，因此这些方法在此不再重复。已经确定了一些需要建立固定连接的路线，特别是在亚太区域。连接中国大陆和台湾地区的台湾海峡最短隧道长约150公里。海深约70米，完全在本文所述重力结构使用四个重力结构沿路线形成中间集结点，将使隧道分为五个部分，每个部分长30公里。最长的隧道将是15公里，这与圣哥达基地隧道的最长隧道相似。人们承认，位于台湾海峡的任何建筑物都需要设计成能够抵抗台风期间遇到的主要地震荷载和不利天气条件然而，这些类型的结构已经在北海的恶劣环境中建造，并且在30年后仍在运行，这表明这些挑战是可以应对的。韩国隧道工程界正在调查朝鲜半岛南端和度假岛屿济州岛之间的潜在固定连接。直接路线将需要一条长约75公里的隧道;虽然可以利用现有岛屿，但隧道将长约15公里。这样一条隧道本身就是一项相当大的工程，因此直接路线有许多优点。多年来，日本和韩国之间的联系一直是许多研究的主题。这条线路的最短路线需要一条长128公里的海底隧道，这条路线的最大水深为220米。可以识别出较浅的水深，但相关的隧道长度更长。最近，人们讨论了一条连接韩国和中国的隧道，其路线将从韩国仁川附近穿过黄海到达中国山东省;这样一条路线将需要在海底建造一条超过300公里的隧道。注意到黄海没有岛屿，以简化建设后勤。然而，使用重力结构可以提供一种解决方案。5. 结论以上提到的所有国家，即中国（大陆和台湾）、韩国和日本，都有高速铁路系统。因此，使用重力结构可以为在这些国家之间提供固定链路连接提供可持续的解决方案。这些平台可以通过风能或太阳能方式为运输系统提供能源发电的中转站，并可以为线路沿线的维护和安全人员提供住宿。最后一个考虑因素是在隧道路线上使用中间施工点可能会带来如果通过使用重力结构将整个隧道细分为约30 km的长度，则无论整个隧道的长度如何，整个隧道的实际施工时间都将彼此遵守道德操守准则Gareth Mainwaring和Tor Ole Olsen声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] Henson DA，Bradbury WMS。英吉利海峡隧道列车的空气动力学。在：HaerterA，编辑.第七届汽车隧道空气动力学和通风国际研讨会论文集; 1991年11月27 -29日;英国布赖顿。London：Elsevier Applied Science; 1991. p.927- 56[2] 教皇TA。英吉利海峡隧道车辆-隧道环境[演示文稿]。在：机械工程师学会研讨会：铁路工程; 1990年4月19日;伦敦，英国; 1990年。[3] 李文辉，李文辉，李文辉.超长海底隧道。In：FrydenlundTE，Flaate K，ScholstlidH，editors.第六届海峡两岸研讨会论文集; 2013年6月16日至19日;挪威卑尔根。奥斯陆：挪威公共道路管理局; 2013年。p.186比95
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