【正文】 2020 屆土木工程（隧道及軌道）畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 1 釜山 —— 巨濟(jì)的交通 系統(tǒng)：沉管隧道開(kāi)創(chuàng)新局面 Wim Janssen1, Peter de Haas 1, YoungHoon Yoon178。 185。 荷蘭隧道工程顧問(wèn) :大宇工程建設(shè)公司釜山 — 巨濟(jì)交通線(xiàn)隧道工程技術(shù)顧問(wèn) 178。 韓國(guó)大宇工程建設(shè)公司 摘 要 釜山 — 巨濟(jì)交通系統(tǒng) 將 會(huì)為釜山和巨濟(jì)兩島 上 的大城市提供一條道路 連接 。該沉管隧道有 許多特點(diǎn) ：長(zhǎng) 度達(dá)到 千米， 處 于水下 35 米處， 海況條件嚴(yán)峻 、地基土較 為 軟 弱 和線(xiàn) 型要求較高 。 基于以上諸多 特點(diǎn)，隧道的設(shè)計(jì)和建造 面臨著 巨大的挑戰(zhàn)。 可以預(yù)見(jiàn)的是這項(xiàng)工程將會(huì)開(kāi)創(chuàng)沉 管隧道施工技術(shù)的新局面。本文突出論述了這些特點(diǎn)以及闡述在土木和結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題。 釜山是韓國(guó)的第二大城市和一座重要的海港。它位于韓國(guó)的東南部，其南面和東面朝向朝鮮海峽同時(shí)在釜山北部山勢(shì)較為陡峭。該市發(fā)展迅速，近年來(lái)的人口增長(zhǎng)超過(guò) 370 萬(wàn)（總計(jì) 460 萬(wàn)人）。人口密度達(dá)到 4850 人 /km2，約為香港的 3/4。釜山市的進(jìn)一步發(fā)展由于其所處的地理位置而受到限制。釜山 — 巨濟(jì)交通系統(tǒng)在釜山和巨濟(jì)島之間創(chuàng)造了一條直接的聯(lián)系線(xiàn)，以從客觀(guān)上滿(mǎn)足釜山的城市擴(kuò)展，在巨濟(jì)島上發(fā)展工業(yè)區(qū)，以及為釜山市民在較短的行車(chē)距離內(nèi) 增加休閑娛樂(lè)的去處。巨濟(jì)島西側(cè)目前已經(jīng)與朝鮮半島相連，在本項(xiàng)連接工程完工之后，從釜山市到巨濟(jì)島的駕車(chē)時(shí)間將由原來(lái)的 2 小時(shí)縮短為現(xiàn)在的 45 分鐘。釜山 — 巨濟(jì)交通系統(tǒng) 將在 巨濟(jì)島與 Gaduk 島之間提供一條連接，使 其 成為連接釜山新港地區(qū)至巨濟(jì)島的雙重高速公路體系的 一 部分。 這一系統(tǒng)總計(jì) 公里長(zhǎng)，穿越海峽并將Daejuk, Jungjuk 和 Jeo 三個(gè)無(wú)人小島連接在一起。原則上該系統(tǒng)由一條長(zhǎng)度為 3240m 的雙向四車(chē)道沉管隧道和兩座主跨 475，兩邊跨 230m 的斜拉橋組成。 2020 屆土木工程（隧道及軌道）畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 2 組織 該項(xiàng)目 是 作為一個(gè)公私 合作，共同建設(shè)的工程， GK 交通系統(tǒng)公司可獲得設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)的特許權(quán)， 經(jīng)營(yíng)期限為 40 年。 特許權(quán)基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的一個(gè)環(huán)節(jié)。 GK 交通系統(tǒng)公司由 大宇工程建設(shè)公司領(lǐng)銜的 7家特許權(quán)法人組成。 TEC/Halcrow等合資公司作為技術(shù)顧問(wèn)，從工程開(kāi)始便參與該項(xiàng)工程。 Halcrow 與 TEC 兩個(gè)合資公司分別 負(fù)責(zé)關(guān)于橋梁和隧道建設(shè)方面的技術(shù)問(wèn)題。永久設(shè)施的設(shè)計(jì)工作已接近完成，后續(xù)的建設(shè)的準(zhǔn)備工作也已經(jīng)開(kāi)始。 圖 1. 工程地理位置 圖 2. 空中鳥(niǎo)瞰效果圖 設(shè)計(jì)要求和基本閑置因素 該項(xiàng)目將 Gaduk 島與巨濟(jì)島經(jīng) Daejuk, Jungjuk and Joe island 三個(gè)小島連接在一起，基本布局由三條航道的要求決定。位于 Gaduk 島和 Daejuk 島之間的主航道寬 1800m，深 18m。 2020 屆土木工程（隧道及軌道）畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 3 由于這條航道沒(méi)有官方的水深規(guī)定，因此選擇以隧道的方式穿越成為一種可行的方案。另外兩條位于 Jungjuk— Jeo 島和 Joe— 巨濟(jì)島的次級(jí)航道，最小寬度分別為 435m 和 404m，各自的通航凈空要求分別為 52m 和 36m。兩條次級(jí)航道的水深均為 16m。 鑒于 Daejuk 島 和 Gaduk 島之間相對(duì)較為陡峭的海岸， 開(kāi)挖 作業(yè) 又是在海床 以 下 25至 30 米 處 ， 這就 使得工程無(wú)法滿(mǎn)足兩島之間的對(duì)準(zhǔn)開(kāi)挖 。 而為了駕駛的舒適與安全又不得不延長(zhǎng)梯度線(xiàn)和坡長(zhǎng)。因此，將穿越該水域的沉管隧道設(shè)置在略低于海床 平面成為 一個(gè)合理的選擇。 巖土條件 地層在隧道線(xiàn)路方向上呈現(xiàn)出不同但是在縱向自上而下依次為典型的海洋粘土、海砂、礫卵石和海床基巖。 在沉管隧道沿線(xiàn)的海床主要以海洋粘土為主，除了在海岸線(xiàn)附近露出地表的海床、淺灘和沙礫層。沉管隧道周?chē)暮Ｑ笳惩梁穸却蠖鄶?shù)都超過(guò) 20m。因此沉管隧道的主體將會(huì)穿越該地 層。 海洋粘土包括正常固結(jié)和輕微超固結(jié)的軟粘土。這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軟弱和塑性非常高的。這種粘土的塑性指數(shù)范圍從 56%~85%，均值為68%；飽和單位重度為 ~，平均重度為 。 海洋情況 施工位置在太平洋上，處于朝鮮海峽上并位于日本海的南面。這將影響工地現(xiàn)場(chǎng)的海洋情況。 10000 年一遇的南向海浪會(huì)影響該工程的水文條件。設(shè)計(jì)最大浪高達(dá)到 ，對(duì)應(yīng)的海浪周期為 15s。這種由臺(tái)風(fēng)引起的海浪是向南運(yùn)動(dòng)的。 洋流主要受潮 汐的影響，這是一個(gè)典型的半日潮，最大潮高達(dá)到 ，流速 ，流向與隧道走向一致。 工程所處位置的海浪包括三個(gè)主要部分： — 當(dāng)?shù)睾ｏL(fēng)引起的波浪，主要是冬季來(lái)自東北和西北方的風(fēng)； — 雨水帶來(lái)的風(fēng)，主要是夏季來(lái)自南 方 和東南 方的 風(fēng)； — 深水海流產(chǎn)生的波浪， 主要是夏季來(lái)自南 方 和東南 方的 風(fēng) 。 在海上設(shè)施建設(shè)期間，應(yīng)該考慮浪高超過(guò) ，周期為 6 次 /s 的海浪的影響。夏季的大多數(shù)時(shí)間里浪高都大于此值。 2020 屆土木工程（隧道及軌道）畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 4 地震條件 根據(jù)韓國(guó)“地震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究”，釜山 — 巨濟(jì)交通系統(tǒng)的抗震等級(jí)被劃分為重要的一 級(jí)。韓國(guó)的地震活動(dòng)主要是由位于 Pohang灣和釜山市之間離岸的對(duì)馬島和陸上的 Yangsan斷層決定的。然而，只有很少的幾次大地震被記錄下來(lái)。這就解釋了為什么在如此大的范圍內(nèi)，韓國(guó)的地震危害評(píng)級(jí)被定為低級(jí)。最近發(fā)生的一次地震是由 Yangsan 斷層引起的，震源位于施工地點(diǎn)東部 5~10km 處，由此產(chǎn)生的瞬時(shí)震級(jí)為 ~6 級(jí)。 這項(xiàng)工程采納了兩種抗震設(shè)計(jì)方案，即運(yùn)營(yíng)地震抗震設(shè)計(jì)（ ODE）和最大地震抗震設(shè)計(jì)（ MDE）。在抗震能力上， MDE 被認(rèn)為是工程承受地震的極限狀況。但是為了能承受地震荷載（保持工程結(jié)構(gòu)主體的完整 和安全）， MDE 被采用為運(yùn)營(yíng)地震抗震設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足所有連接處的水密性良好和鋼筋的應(yīng)力不超過(guò)其屈服強(qiáng)度的要求。 作為釜山 — 巨濟(jì)交通系統(tǒng)一部分的沉管隧道有很多特別的地方，同時(shí)也面臨了很多挑戰(zhàn)。 — 線(xiàn)形的要求對(duì)海床上隧道兩端的出入口產(chǎn)生制約； — 本隧道是繼連接丹麥和瑞典的厄勒聯(lián)絡(luò)線(xiàn)隧道之后的世界上最長(zhǎng)的沉管 隧道； — 隧道基坑位于水面以下大約 50m 深處； — 施工地點(diǎn)海況惡劣； — 地基土異常軟弱。 此外，本隧道的施工方法尚未在韓國(guó)有過(guò)實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。 隧道線(xiàn)形 從線(xiàn)路最低點(diǎn)到主航道處斜拉橋最高點(diǎn)的爬升高度為 95m。道路的 最大坡度 為 %，略 小于 Gaduk 島入口處 5%的坡度。 二者均超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)情況下 4%的最大設(shè)計(jì)坡度。隧道西側(cè)的坡度與在海床上布置隧道客觀(guān)上產(chǎn)生了沖突。由于在距西側(cè)入口東面約 350m 處有一片天然的洼地，這就使得此處的沉管底部會(huì)高于原海床平面 8m。 海洋粘土厚度最薄處所在位置， 2020 屆土木工程（隧道及軌道）畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 5 可通過(guò)人工的改良，使之滿(mǎn)足埋藏隧道的受力要求。 初步的土壤調(diào)查 表明， 海洋粘土 的 厚度 在其 最薄處可 以 通過(guò)人工改良，使 它的強(qiáng)度得到提高以 滿(mǎn)足埋藏隧道的受力要求。 在設(shè)計(jì)過(guò)程 中更詳細(xì)的土壤調(diào)查顯示凹陷處的海洋粘土延伸范圍更大。由于對(duì)隧道更深位置豎向線(xiàn)形的修正，我們采取了更廣泛的研究以克服這一問(wèn)題，但是最終得出的 6%的坡度未能獲得通過(guò)。從砂樁，土體置換，堆載預(yù)壓和深層水泥攪拌等諸多預(yù)選方案中，最終認(rèn)為深層水泥攪拌是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最為可行的一種方案。深層水泥攪拌樁的灌注范圍將會(huì)在隧道兩頭延伸到足夠長(zhǎng)，以支撐高于原海床平面約 16m的基礎(chǔ)和防止由于船只擱淺和海洋侵蝕的對(duì)基礎(chǔ)造成的損害。 隧道長(zhǎng)度 當(dāng)前的設(shè)計(jì)有 18 個(gè)長(zhǎng)度約為 180m 的沉管單元組成?；炷翗?gòu)件的橫截面積為 60m2，寬 ，高 。位于 Daejuk 島側(cè)的兩個(gè)沉管寬度從 擴(kuò)大為 ，以為爬坡車(chē)道提供空間。為了節(jié)省單元管段的造價(jià)，原用于厄勒海峽隧道的沉管單元的制作方法被考慮在其中。計(jì)劃采用的通過(guò)移動(dòng)已澆注管段來(lái)制作沉管的方法被認(rèn)為可操作性和經(jīng)濟(jì)性不好。 所以 后來(lái) 將制作流程變?yōu)橛煽梢苿?dòng)的造管機(jī)沿管身 全截面 制作管段，這 樣 就可以 同時(shí)進(jìn)行 不同沉管單元 的 預(yù)制工作 。許多瑞士的隧道就是使用這樣的方法，有 很成功的 經(jīng)驗(yàn)。 隧道埋深 防水 在 Daejuk 島一側(cè)海床平面位于正常海面以下約 35m 處，這 使得結(jié)構(gòu)的底部到海平面的距離達(dá)到了 ，在有海浪作用時(shí)甚至深達(dá) 55m。所有修建于西歐的混凝土分節(jié)段預(yù)制隧道均位于大約 15m 深的平緩的海域內(nèi)。最深的一座隧道是位于鹿特丹的格蘭特隧道，結(jié)構(gòu)底部距水面為 26m。在建的博斯普魯斯海峽隧道埋深達(dá)到 60m，這樣的水深有相應(yīng)的規(guī)定來(lái)防止隧道受到侵蝕和海水滲入隧道內(nèi)部。盡管在修建埋深超過(guò) 26m 的沉管隧道上欠缺經(jīng)驗(yàn)，但是從技術(shù)上來(lái)講這仍然是可行的。按照設(shè)計(jì)，沉管的橫截面應(yīng)該有一部分處于壓應(yīng)力作用之下，以抵御海水的侵入。全截面要保證一次澆注成型，以避免產(chǎn)生橫向施工縫。接頭處設(shè)置雙層防水條。首先 需要處理的主要 問(wèn)題 是在大位移下可 有效承受 水壓力的防水結(jié)構(gòu)。在厄勒海峽隧道中，第二層封條設(shè)置于接頭處的親水橡膠組成。而這種橡膠是不能適應(yīng)地震時(shí)的移動(dòng)的，所以需要一種更有力的解決方案以保證在地震時(shí)處于如此深的結(jié)構(gòu)的可靠性。 隧道挖掘深度 2020 屆土木工程（隧道及軌道）畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯 6 大多數(shù)沉管隧道的基坑都是由絞吸式挖泥船挖掘的。但是這種挖泥船的最大挖掘深得只能達(dá)到 30m。在更大的深度上就只有兩種選擇：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較低并且在開(kāi)闊水域施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。大型拖斗式挖泥船能夠達(dá)到 100m 的水下挖掘深度，同時(shí)它正被使用于韓國(guó)的礦砂填海工程。由于這些大型挖泥船的運(yùn)營(yíng)成本很高，所以只有在一項(xiàng)大的持續(xù)性工程中它們的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)型才能夠得到體現(xiàn)。 海洋環(huán)境 安裝期間 沉管隧道所處的無(wú)遮蔽的海洋環(huán)境的情況很獨(dú)特。氣候的影響會(huì)在海上工作開(kāi)展期間發(fā)揮作用。 沉管操作面臨的最大挑戰(zhàn)是潮汐的作用，它會(huì)對(duì)沉管節(jié)段的拖運(yùn)，受力和沉放設(shè)備產(chǎn)生影響。為了準(zhǔn)確量化這些力和海浪運(yùn)動(dòng)，我們建立了一個(gè)數(shù)值化的波浪模型并且分析了該地區(qū) 10 年的波浪數(shù)據(jù)。我們甚至還于 2020 年 6 月在 Jungjuk 島南面安裝了 一臺(tái)波浪儀。水工和數(shù)值模型試驗(yàn)正與沉管節(jié)段的制作和沉放設(shè)備的安裝同時(shí)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)表明，尤其當(dāng)潮汐高度大于 ，頻率大于 6Hz 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的位移和荷載。結(jié)合波浪分析的結(jié)果可以清楚地知道，在夏季下放沉管回十分困難并且需要發(fā)展特種設(shè)備。因此我們決定將此項(xiàng)工序放在冬季進(jìn)行。大浪的另一個(gè)影響是它會(huì)對(duì)已經(jīng)安放好的沉管產(chǎn)生在豎向和橫向荷載。與固定在基坑中的管段相結(jié)合的附加壓載倉(cāng)需要保證沉管單元的安全，并且還要考慮到沉放過(guò)程中的操作、固定和基坑回填。所以需要建立一個(gè)天氣和海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng) 以便 在沉放過(guò)程中預(yù)測(cè)浪高。 對(duì)永久結(jié)構(gòu)的影響 為了研究大浪對(duì)永久結(jié)構(gòu)的影響，我們?cè)诘湹?DHI 實(shí)驗(yàn)室做了模型試驗(yàn)。在經(jīng)歷最極端的臺(tái)風(fēng)時(shí)浪高確定為 。在直接建成后回填的土石材料滲透性很高，但是隨著時(shí)間的推移，好的粘土?xí)粩嗌钊牖靥钔粒蛊錆B透性降低并起到很好的保護(hù)作用。研究表明，隨著回填材料粒徑的減小，水平和縱向力都會(huì)增大。不過(guò)這些力都是動(dòng)態(tài)的， 變化的方向和強(qiáng)度都會(huì)導(dǎo)致隧道單元的微小移動(dòng)來(lái)平衡隧道周?chē)乃畨毫Α?隧道頂部超出原海床面的地方大浪將會(huì)對(duì)其保護(hù)層的穩(wěn)定性造成影響。水工模型試驗(yàn)表明，需要預(yù)制超過(guò) 30 噸重的人造巖石塊體。