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 伊斯坦布尔16.8m超大直径三层隧道的设计挑战

发布时间:2019年12月12日
来源:隧道网公众号(2019-12-11) ​作者:STECJacob​

大伊斯坦布尔三层隧道项目将穿越博斯普鲁斯海峡,通过单管隧道内的地铁与公路连接欧亚大陆。工程在设计阶段便面临着诸多挑战:极高的静水压力、复杂的地质条件、隧道的超大直径、紧张的施工工期、密集城区内TBM始发/接收与过渡结构设计、共轨合建模式下的隧道线路设计等。本期带大家了解三层隧道设计中的挑战与解决方案!

 

工程简介

2015年,土耳其运输和基础设施部进行了一项调研,评估了伊斯坦布尔地区两大洲之间现有和未来的运输需求。结果显示,博斯普鲁斯海峡口岸的交通量在2015年为130万人次/天,而到2023年则将猛增至380万人次/天,现有的桥梁、隧道等基础设施到2020年即无法满足通行需求。

为此,土耳其当局提出建设一项全新的高运量运输基础设施——大伊斯坦布尔工程,这是一个连接欧亚两大洲的公铁合建隧道项目,包含16.5km公路、31km地铁线路与14个车站。其中,穿越博斯普鲁斯海峡的三层隧道部分是一条长4.3m、直径16.8m、位于海平面以下130m深的TBM法单管隧道,隧道内设2×2高速公路车道与双轨地铁线。工程开通后,通过公路与地铁穿越海峡的时间分别只需14分钟与6分钟。

图中橙色为公路,黄色为地铁,绿色为隧道

工程概念:将双层公路隧道与双管地铁隧道合并至一条单管隧道内

设计挑战与解决方案

隧道设计面临多项挑战:

 极高的静水压力;

 复杂的地质条件;

 隧道的超大直径(16.8m);

 紧张的施工工期;

 密集城区内TBM始发/接收与过渡结构设计;

 公铁合建系统中的隧道线路设计;

 紧张的总体设计时间(300天)。

地层地质勘探

根据博斯普鲁斯海峡下现有的三条隧道(马尔马雷沉管隧道、亚欧公路隧道与梅伦水下隧道)的地质研究,隧道主要穿越两种地层:

■ 上方是由沙、淤泥与粘土沉积物组成的Holosen层;

■ 下方则是由砂岩,粉砂岩,泥岩,页岩与砾岩组成的Trakya层。

地质勘探图

由于隧道采用超大直径TBM掘进,因此需在较稳定的Trakya层内掘进,且保持尽可能较浅的埋深。20177月进行的地质勘探在海床以下80m处进行了7次钻孔勘测,确定隧道较为理想的掘进深度为海平面以下约130m,隧道沿线主要位于Trakya层,另含长300m不透水砂层,最大静水压13bar

隧道沿线地质

TBM隧道设计与断面优化

建设方邀请了海瑞克、日立造船与日本JIMT(由JFE钢铁、石川岛播磨,三菱三家公司共同组建的TBM厂商)进行了隧道掘进方案与TBM设计。

隧道原始概念设计中,地铁位于三层隧道的中间层,上下两层分别为公路的两个方向。该设计下,由于无法加入纵向支撑构件,因此出于地铁系统带来的沉重荷载,中层的底板厚度需要大幅增加。为保证底板厚度与列车之间的安全距离,隧道直径将增加至19m以上,或将超过现有TBM施工的极限。

隧道断面原始概念设计

因此,设计中对原方案进行了变更,将地铁线置于隧道底层,上方两层为公路。该方案中可设纵向支撑构件,在不加厚底板的条件下保障了结构稳固与列车之间的安全距离,隧道外径也减小到16.8m

新断面设计

根据结构分析,隧道管片确定为10+1形式,管片厚度65cm。此外,主隧道旁20m设直径6.3m导洞,与隧道平行,施工中用作地质超前探测,隧道完工后则用于放置管线。

主隧道导洞

TBM始发/接收结构与过渡结构

隧道原始概念设计中,TBM段全长6.5km,后续通过变更始发/接收井位置使其靠近海峡,而使TBM段缩短至4.3km,以平均每天4m的预计掘进速度计算,可节约工期1.5年。

三层隧道与地铁/双层公路之间的过渡段采用明挖法施工。原始设计中的过渡段全长300m,但是随着隧道截面的减小,过渡段长度也缩短至80m,深度保持在50m以保证稳定的覆土。

在施工阶段,过渡结构也可作为TBM始发/接收结构,在密集城区内有效节约施工用地。

过渡段结构断面

欧洲的接收区与亚洲的始发区

隧道线路设计

设计方花费了极大的精力对隧道线路进行了设计,满足这条公铁合建三层隧道在结构、岩土与掘进技术中的综合要求:如隧道需要在尽可能埋深较浅的稳定地层中穿越海峡,过渡结构和临近地铁站的高度与现有地铁站保持一致等。

图中绿圈为隧道起点与终点

隧道线路图

隧道截面渲染图

在超大直径、复杂地质、超高水压、紧张用地、有限工期等挑战下,大伊斯坦布尔三层隧道对原设计进行了大刀阔斧的修改与优化:重新布置功能断面以缩小直径、隧道线路设置于低渗透性地层中以应对13bar水压、缩小并共用过渡与始发接收结构以节约施工用地等。

隧道目前尚未开工,但相信随着未来工程的建设与运营,三层隧道也将成为一个具有代表性的超大直径隧道工程。

[责任编辑:dc]

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