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?伊斯坦布爾16.8m超大直徑三層隧道的設計挑戰

發布時間:2019年12月12日
來源:隧道網公眾號(2019-12-11) ?作者:STECJacob?

大伊斯坦布爾三層隧道項目將穿越博斯普魯斯海峽,通過單管隧道內的地鐵與公路連接歐亞大陸。工程在設計階段便面臨著諸多挑戰:極高的靜水壓力、復雜的地質條件、隧道的超大直徑、緊張的施工工期、密集城區內TBM始發/接收與過渡結構設計、共軌合建模式下的隧道線路設計等。本期帶大家了解三層隧道設計中的挑戰與解決方案!

 

工程簡介

2015年,土耳其運輸和基礎設施部進行了一項調研,評估了伊斯坦布爾地區兩大洲之間現有和未來的運輸需求。結果顯示,博斯普魯斯海峽口岸的交通量在2015年為130萬人次/天,而到2023年則將猛增至380萬人次/天,現有的橋梁、隧道等基礎設施到2020年即無法滿足通行需求。

為此,土耳其當局提出建設一項全新的高運量運輸基礎設施——大伊斯坦布爾工程,這是一個連接歐亞兩大洲的公鐵合建隧道項目,包含16.5km公路、31km地鐵線路與14個車站。其中,穿越博斯普魯斯海峽的三層隧道部分是一條長4.3m、直徑16.8m、位于海平面以下130m深的TBM法單管隧道,隧道內設2×2高速公路車道與雙軌地鐵線。工程開通后,通過公路與地鐵穿越海峽的時間分別只需14分鐘與6分鐘。

圖中橙色為公路,黃色為地鐵,綠色為隧道

工程概念:將雙層公路隧道與雙管地鐵隧道合并至一條單管隧道內

設計挑戰與解決方案

隧道設計面臨多項挑戰:

 極高的靜水壓力;

 復雜的地質條件;

 隧道的超大直徑(16.8m);

 緊張的施工工期;

 密集城區內TBM始發/接收與過渡結構設計;

 公鐵合建系統中的隧道線路設計;

 緊張的總體設計時間(300天)。

地層地質勘探

根據博斯普魯斯海峽下現有的三條隧道(馬爾馬雷沉管隧道、亞歐公路隧道與梅倫水下隧道)的地質研究,隧道主要穿越兩種地層:

■ 上方是由沙、淤泥與粘土沉積物組成的Holosen層;

■ 下方則是由砂巖,粉砂巖,泥巖,頁巖與礫巖組成的Trakya層。

地質勘探圖

由于隧道采用超大直徑TBM掘進,因此需在較穩定的Trakya層內掘進,且保持盡可能較淺的埋深。20177月進行的地質勘探在海床以下80m處進行了7次鉆孔勘測,確定隧道較為理想的掘進深度為海平面以下約130m,隧道沿線主要位于Trakya層,另含長300m不透水砂層,最大靜水壓13bar

隧道沿線地質

TBM隧道設計與斷面優化

建設方邀請了海瑞克、日立造船與日本JIMT(由JFE鋼鐵、石川島播磨,三菱三家公司共同組建的TBM廠商)進行了隧道掘進方案與TBM設計。

隧道原始概念設計中,地鐵位于三層隧道的中間層,上下兩層分別為公路的兩個方向。該設計下,由于無法加入縱向支撐構件,因此出于地鐵系統帶來的沉重荷載,中層的底板厚度需要大幅增加。為保證底板厚度與列車之間的安全距離,隧道直徑將增加至19m以上,或將超過現有TBM施工的極限。

隧道斷面原始概念設計

因此,設計中對原方案進行了變更,將地鐵線置于隧道底層,上方兩層為公路。該方案中可設縱向支撐構件,在不加厚底板的條件下保障了結構穩固與列車之間的安全距離,隧道外徑也減小到16.8m

新斷面設計

根據結構分析,隧道管片確定為10+1形式,管片厚度65cm。此外,主隧道旁20m設直徑6.3m導洞,與隧道平行,施工中用作地質超前探測,隧道完工后則用于放置管線。

主隧道導洞

TBM始發/接收結構與過渡結構

隧道原始概念設計中,TBM段全長6.5km,后續通過變更始發/接收井位置使其靠近海峽,而使TBM段縮短至4.3km,以平均每天4m的預計掘進速度計算,可節約工期1.5年。

三層隧道與地鐵/雙層公路之間的過渡段采用明挖法施工。原始設計中的過渡段全長300m,但是隨著隧道截面的減小,過渡段長度也縮短至80m,深度保持在50m以保證穩定的覆土。

在施工階段,過渡結構也可作為TBM始發/接收結構,在密集城區內有效節約施工用地。

過渡段結構斷面

歐洲的接收區與亞洲的始發區

隧道線路設計

設計方花費了極大的精力對隧道線路進行了設計,滿足這條公鐵合建三層隧道在結構、巖土與掘進技術中的綜合要求:如隧道需要在盡可能埋深較淺的穩定地層中穿越海峽,過渡結構和臨近地鐵站的高度與現有地鐵站保持一致等。

圖中綠圈為隧道起點與終點

隧道線路圖

隧道截面渲染圖

在超大直徑、復雜地質、超高水壓、緊張用地、有限工期等挑戰下,大伊斯坦布爾三層隧道對原設計進行了大刀闊斧的修改與優化:重新布置功能斷面以縮小直徑、隧道線路設置于低滲透性地層中以應對13bar水壓、縮小并共用過渡與始發接收結構以節約施工用地等。

隧道目前尚未開工,但相信隨著未來工程的建設與運營,三層隧道也將成為一個具有代表性的超大直徑隧道工程。

[責任編輯:dc]

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