概念规划与岩土工程要素：超级探测器选址建设与BNSF喀斯喀特隧道通风改造工程.pdf

与 建 材装 饰2014 年 8 月 概念规划与岩土工程要素： 超级探测器选址 建设与 BNSF 喀斯喀特隧道通风改造工程 贺 均 （中铁二局第六工程有限公司四川 成都610013） 中图分类号： U453.5文献标识码： B 文章编号： 1673-0038 （2014） 32-0117-09 1 引 言 本概念设计文件介绍了如何联合美国伯灵顿北方圣太菲铁 路运输公司 （BNSF） 在其喀斯喀特隧道系统附近修建一个大型探 测器 （如水契伦科夫探测器） 通道以便进行中微子研究。 同时还介绍了该工程与喀斯喀特隧道通风改造工程如何实 现互利共赢， 如将当前的单区隧道系统改造为双区隧道系统。新 隧道系统将大大提高 BNSF 通过隧道运行列车的灵活性， 将东向 （上坡） 列车之间的最小间隔时间从 64min 减小到 34min， 从而帮 助缓解现已几近饱和的重要运输路线的压力。本文件是华盛顿 大学、 Shannon & Wilson 公司和柏诚公司共同协作的产物。 BNSF 铁路喀斯喀特隧道系统包括距离西雅图 55 英里的 7.8 英里长喀斯喀特隧道和 19251926 年间用作施工便道现在 用作排水洞的 5.35 英里长超前导洞。超前导洞与喀斯喀特隧道 西部的 2/3 平行。超前导洞东起于地表之下，米尔溪谷地下方， 1928 年建成而现已关闭的施工竖井的位置。此处的上覆岩层最 少， 位于喀斯喀特隧道东入口以西 2.44 英里处。 喀斯喀特隧道是 美国最长的运输隧道， 我们相信它也是美国最深的运输隧道。超 前导洞和喀斯喀特隧道都穿过斯图尔特山岩基，即喀斯喀特山 脉东部斜坡上最北边的一片面积 600km2的花岗岩体。 一份提议在岩基的另一个位置即 Cashmere 山以南 16 英里 和以西 16 英里建立深部科学与工程实验室 （DUSEL） 的建议书 引起了物理学家对喀斯喀特隧道的兴趣。DUSEL-喀斯喀特项目 一旦建成， 将会提供一个深度深、 清洁度高、 环境安静的地方， 便 于安装和运营多个用以探测和观测中微子、暗物质和其他用途 的探测器或观测台。由于岩石顶部屏蔽了宇宙射线， 因此需要较 大的深度， 否则将会干扰这些观测台的运行。DUSEL-喀斯喀特 项目还包括一个复杂地表实验室 （ “科学分部” 将坐落于华盛顿 州的 Leavenworth 镇附近） ， 科学团队将在此处构建探测器组件， 分析数据以及与学生和其他青年研究人员共事。DUSEL-喀斯喀 特项目在 Cashmere 山的选址是目前美国国家科学基金会考虑为 该设施选择的六个地点之一。 物理界已经规划了一个超大型探测器（ “超级探测器” ） 其中一种方案是采用一个装满超纯水的 60m伊60m伊180m 洞 室将在 DUSEL 投入运营之后不久开始修建。该报告探讨了 在喀斯喀特隧道附近修建该大型探测器的可能性， 并用 DUSEL- 喀斯喀特科学分部的设施对此进行了论证。该想法利用了一种 优势条件： 该隧道几乎直接从斯蒂文森山口的两个山峰、 牛仔山 和大酋长山下方穿过， 每座山的海拔都超过 5850 英尺。这样超 级探测器就可以建于地下深度超过 3600 英尺的地方。距离西入 口 2.3 英里的牛仔山位置更佳， 原因在于其地质条件更优越 （花 岗闪长岩） ， 距离西入口更近 （2.3 英里） 。 本施工计划将要求翻新和扩建超前导洞， 安装一个大功率通 风系统， 并在米尔溪附近修建一个通风井。这也是将当前的单区 通风系统改造成类似于加拿大太平洋铁路麦克唐纳德隧道的双 区通风系统的必要步骤。 2 概念规划： 探测器与 BNSF 通风系统 2.1 几何结构 隧道的几何结构与上覆岩层是概念规划的两个重要因素。 喀斯喀特隧道是一条活跃的干线铁路隧道，平均每日都有 25 辆列车从中穿过。 与南边的史丹皮山口铁路隧道不同的是， 喀 斯喀特隧道呈马蹄形， 横断面面积约为 324 平方英尺， 高度足以 容纳双层集装箱列车。这足以说明其在将西雅图港和塔科马港 的集装箱向东部运输过程中的重要性。附近目前充当主钻孔排 水管道的超前导洞比较容易接近， 为评估岩石条件、 实施原位岩 石试验和将其作为钻探孔进入拟建测试舱的始发区提供了绝佳 的机会。该隧道的大部分区域都没有进行衬砌。 斯图尔特山岩基不仅为 DUSEL-喀斯喀特项目提供了一个 适合的深挖点 （Cashmere 山） ， 还为类似于本规划中的大型探测 器的大规模民用建筑工程提供了理想的浅挖点（牛仔山下的喀 斯喀特隧道、超前导洞） 。规划的 DUSEL-喀斯喀特地表科学分 部， 将坐落在 Leavenworth 镇附近， 可以为两个挖掘点提供支持。 超前导洞约呈长方形， 宽约 9 英尺， 高约 8 英尺， 长约 5.35 英里。主隧道南段的中心线距离约为 66 英尺。超前导洞西入口 位置非常靠近喀斯喀特隧道西入口。标示为东端起点的前米尔 溪施工竖井的钻孔深度为 622 英尺， 采用木质支护， 横断面为 8伊 24 英尺， 长轴与隧道平行。据我们了解， 喀斯喀特隧道拟建南侧 隧道壁沿线的竖井已经被挖掉，随后又用混凝土塞回填到了喀 斯喀特隧道拱顶上方约 10 英尺处， 竖井的其余部分则用竖井中 挖出的岩石进行了回填。 本报告中的定位以 BNSF 对本隧道的定 位为基础，而 BNSF 的定位则是沿着喀斯喀特隧道从铁路东端 （Berne） 到铁路西端 （Scenic） 的测量距离。 一条道路连接了米尔溪竖井区域和 2 号高速公路。 下文讨论 的规划要求在米尔溪重新建立一个超前导洞开孔用于通风排 气。 2.2 超级探测器背景 中微子超强光束及其配套探测器的发展是物理界正在竞相 交通建设 117 与 建 材装 饰2014 年 8 月 讨论的一个有效开展长基线 （-2500km） 中微子震荡实验的重要 机遇。这样的计划将利用用美国大陆境内可用的长基线中微子 束流以及 FermiLab 或 Brookhaven 的技术产生兆瓦级的质子驱动 力。可能的发现包括一个新的违反宇称守恒的测量值， 可能会成 为理解物质起源的关键。在讨论多种探测器技术的同时， 美国最 大的组织 （终极中微子观测台） 还将焦点集中在与神冈矿 （日本 超级神冈） 和萨德伯里矿 （加拿大萨德伯里中微子观测站） 中使 用的探测器相似的水契伦科夫探测器，但其数量级远比超级神 冈大。水探测器因其体积原因可能会对隧洞开挖处的岩石质量 以及进入挖掘点的便利性要求较高，这是因为在开发实验设施 过程面临的土建设计难题和施工难题都是巨大的。 如上所述， 针对该实验的讨论已经可以与 DUSEL （深部科学 与工程实验室） 的讨论相提并论， 以至于美国国家科学基本会希 望为 FY08 或 FY09 提供资助。DUSEL 将焦点主要集中在实验的 物理学、 天体物理学、 地球科学和工程学方面， 很多情况下这些 方面都要求较大的深度和罕见的清洁度。超级探测器的规模跟 DUSEL 完全不同：高能物理咨询委员会预计其施工成本为 6.5 亿美元， 几乎是 DUSEL 总成本的两倍。此外， 美国能源部科学办 公室 （即超级探测器的预期主办单位） 的 20 年计划建议从 DUSEL 投入运营后不久开始超级探测器的施工建设。 然而， 科学 界的很多人均将 DUSEL 视作超级探测器的铺垫， 因为 DUSEL 可 以为该大型项目提供必要的国家级实验室规模的基础设施和社 区组织支持。 将喀斯喀特隧道视作潜在超级探测器选址的提议是由 DUSEL-喀斯喀特项目的支持者提出的， 他们给出了几个重要原 因： （1） Cashmere 山靠近喀斯喀特隧道， 使得超级探测器在施工 时可以利用 DUSEL 的科技人员和基础设施。华盛顿州 Leaven原 worth 镇附近的 DUSEL-喀斯喀特科学分部将通过 2 号高速公路 连接喀斯喀特隧道的西入口， 43 英里的行程只需 50min 左右。 科 学分部同时也会靠近 BNSF 铁路。探测器选址与 Leavenworth 小 镇的铁路距离为 35 英里。因此， DUSEL-喀斯喀特科学分部可用 作暂存区域，将人员与设备经主要交通干线门对门运输至牛仔 山选址。 （2） 幸运的是两个地下选址到科学分部都比较方便， 消除了 “深度与清洁度” 与超级探测器需求之间的潜在冲突。DUSEL-喀 斯喀特实现了前者， 提供了高清洁度高深度的地点。明确地说就 是超级探测器在同一地点的施工建设将在未来近 10 年的时间 内降低便利性、 无声性与清洁度对 DUSEL-喀斯喀特项目中运营 的这些实验的重要性。未开发选址将会失去很多原有的优势， 因 为超级探测器的施工建设将产生一个与生产矿类似的环境。 （3） 第二个选址强调了超级探测器最重要的需求， 包括： 淤一 个优良的现有岩土工程数据库；于容易进入深层岩体以便低成 本地进行深入试验和建模并设计开挖方案；盂优良的铁路和高 速公路水平通道。前两点有助于在做出任何重要投资之前全面 评估项目的成本和可行性。水平铁路通道将有助于在地下装载 岩石挖方然后拖运至普吉特海湾地区，在此地区压碎石是一种 有价值的商品。到达隧洞的铁路和卡车通道在探测器施工建设 期间也是非常重要的，因为承包商可以以更低的成本更容易地 运输材料和设备。 （4） 该选址提供了良好的深度。下文所述的规划将探测器底 座建于牛仔山山峰下方 3660 英尺处或约 3240m 水当量 （mwe） 处。虽然长基线设备要求的深度较小， 但是美国国家研究委员会 中微子设施委员会仍要求深度达到 2000mwe 以防质子衰变。一 般规定 3000mwe 的深度为太阳能中微子研究 （如昼夜差异测量） 的适合深度。 HEPAP 将其对超级探测器的目标设置为 4000mwe。 （由于应力场一般随着深度升高， 在确定最佳深度时应同时考虑 物理学目标和岩土工程支护成本。日本的超级探测器超级神冈 14001900mwe 的规划深度部分是出于岩土工程要素考虑。 （5） 该选址相对于 FermiLad 位置较为优越： 在建议的质子驱 动力参数条件下， 2630km 的距离为最佳距离。到 Brookhaven 的 距离为 3830km， 刚好在 10005000km 的可接受范围内。 （6） 该选址位于美国林务局 （USFS） 土地上， 包括 BNSF 拥有 道路优先权的地区。该项目要求获得 USFS 的使用许可和与 BNSF 的合作协议。USFS 土地的选定是合适的。所有权的稳定 性喀斯喀特隧道已经运营了 75 年在几十年的超级探 测器物理计划预期期限内是非常重要的。 （7） 由于 2 号高速公路是连接哥伦比亚河大坝和普吉特海湾 的主要电力通道， 隧道两端入口有可用的电源连接和光纤连接。 因为输电线路也沿着米尔溪，因此米尔溪竖井区域也有可用的 电力。 超前导洞 （600gpm） 产生的排水质量高， 足以填满超级探测 器。然而， 水权问题仍需进一步研究。 2.3 BNSF 通风系统 东向行驶的列车进入喀斯喀特隧道时必须从西入口 （Scenic） 向东入口 （Berne） 爬升 1.57%的坡度。 出于本初始概念研 究之目的，我们假设东向行驶的载重列车的一般速度为 15 英里/h。 东入口的通风系统包括两个大功率轴流风机和一个隧道洞门。 我们这里讨论有两列连续的东向行驶的列车的情况。当第一列 列车靠近西入口时， 关闭东入口隧道洞门， 开启一个风机。隧道 洞门可以防止列车产生 “活塞效应” ， 推挤前方的空气柱。风机产 生足够的压力迫使前进中的列车周围的空气向西流动，从而防 止列车机车过热， 为引擎和列车人员提供充足的氧气。当列车到 达距离东入口 3250 英尺的某个点时， 关闭该风机， 隧道洞门自 动开启。当列车全部出了隧道之后， 跳到第二个信号， 指示关闭 隧道洞门开始吹扫循环：在下一列东向行驶的列车可以进入西 入口之前， 必须吹扫完隧道内的废气。在吹扫循环中两个 BNSF 风机将同时工作。两个风机总共可以向空隧道下方吹入 550， 000cfm 的空气。 约 30min 后隧道即可完成吹扫。 只有这时第 二列列车才可以进入西入口。这种单区通风系统要求两列连续 的东向行驶的列车的最小间隔时间约为 65min。 这是隧道通行能 力的主要限制条件。 （1） 现有喀斯喀特隧道 （单区） 。说明了一系列东向行驶列车 的这一过程。为一种理想的状态： 60min 的循环忽略了列车车身 长度和吹扫前关闭隧道洞门的约 20s 的时间。以 1 英里为例， 列 车需要 4min 才能完全通过东入口。一旦这种情况发生， 将会触 发入口洞门关闭。只有在这之后才能开始吹扫 （绿色） 循环。因 此， 当列车标称速度为 15 英里/时， 两列东向行驶列车的最小间 隔时间约为 64.3min。 目前， 每日约有 2427 列列车通过此隧道， 接近隧道通行能 交通建设 118 与 建 材装 饰2014 年 8 月 力。由于从西雅图港到塔科马港的集装箱运输量的增加， 该路线 的压力将会继续增大。普吉特海湾诸港处理的货物量排名全国 第三 （仅次于纽约地区和洛杉矶地区） 。预计在未来十年早期通 行能力限制将变得至关重要。BNSF 担心隧道的吞吐量受限， 已 经研究了一些解决方案。只有两个办法可以提高当前单区系统 的通行能力， 即减少通过时间 （加快列车速度） 或减少吹扫时间。 已经详细检验了可能的改进措施，但是发现均存在边际成本效 益。正在考虑中的区域性替代方案包括提高史丹皮山口隧道的 净空， 使双层集装箱列车能够通过该路线， 或让列车单向行驶， 使东向经过喀斯喀特隧道的列车可以经由史丹皮山口返回。 然而还有另一种可能， 即通过重新设计通风系统提高喀斯喀 特隧道的通行能力。若将当前的单区系统改造成多区系统， 则在 列车穿过一个隧道区时， 另一个隧道区可以同步完成吹扫。加拿 大境内的加拿大太平洋铁路罗杰斯山口 （麦克唐纳德山） 隧道采 用的就是这种方法。该隧道有两个隧道区， 两组隧道洞门和两套 通风系统。 （2） 拟建双区系统的循环过程。 喀斯喀特隧道双区系统的通风 循环过程。 除东入口现有的隧道洞门外， 还需要增加一个洞门将隧 道分成平均分成西段 （第一区） 和东段 （第二区） 。该规划同时还要 求在中点建立通风系统给第一区供氧并将第二区的废气从超前导 洞排放至新建的米尔溪竖井中。多区系统的一般原则是各区的通 过时间和吹扫时间总和应相等， 确保隧道的正常运营。 图 1 说明了拟定的通风方案。 超前导洞的西入口也将安装一 个类似于喀斯喀特隧道东入口现有的 BNSF 系统的风机系统和 入口洞门。该系统将迫使空气沿着超前导洞向东流动进入喀斯 喀特隧道第一区的东端， 然后向西流动进入喀斯喀特隧道， 参与 第一区的冷却和吹扫循环。也就是说， 超前导洞将作为进气口， 提供第一区东部边缘的新鲜空气。 其中一部分空气会流向探测器区域， 但是由于这部分空气仍 然是清洁的， 因此可以向上返回至超前导洞气流中去。跟现有单 区系统一样的是， 在喀斯喀特隧道范围内， 第一区和第二区里面 的空气总是从西向东流动的。 第一区和第二区通过一个喀斯喀特隧道中点的一个隧道洞 门以及一个将超前导洞分成西段 3.89 英里东段 1.46 英里的防 水壁隔开。超前导洞的东段用作喀斯喀特隧道第二区的排气通 道，将废气从第二区西端向东排放至超前导洞东端起点的新建 排气井中。此处的超前导洞从米尔溪谷地下方穿过， 其上覆岩层 厚度仅为 620 英尺。 当一列东向行驶列车自西进入第一区时， 新建通风系统将按 照现有 BNSF 系统在单风机 （ “通过” ） 模式中的方式朝列车吹扫 空气。关闭中点处的隧道洞门， 以便削弱列车的活塞效应和隔离 第二区。 当列车穿过第一区时， BNSF 系统开启吹扫模式，清除第二 区中前一列列车产生的废气。当列车靠近中点时，隧道洞门打 开， 第一区通风停止。冷却则由通过模式中运行的现有 BSSF 系 统接替进行。当然， 第二区在列车到达该点时即已经完成吹扫。 当列车完全进入第二区后， 中点隧道洞门关闭， 第一区的风机系 统开始全速运行吹扫该区。新鲜空气则经由超前导洞进入对第 一区进行吹扫。东向行驶列车的最小间隔时间为 30min。若仍假 设列车标称速度为 15 英里/h，则考虑到一英里长的列车通过隧 道洞门所需时间， 最小间隔时间将增加至 34.3min。运行过程如 下： （1） 各区经历着一个循环过程， 该循环包括 15min 通过模式、 4.3min 关闭模式和 15min 吹扫模式。 （2） 第一区通过循环结束后第二区立即开始通过循环。 （3） 前一列列车从东入口完全出来后下一列列车立即进入第 一区， 触发关闭东入口隧道洞门。这牵涉一个简单的安全协议： 若隧道已经被完全占用， 则列车不能进入隧道 （随后讨论的三区 系统则不受此限制） 。 若不更改当前的通风系统， 则单区系统仍然是默认方案。我 们在下文中也认为可以在不扰乱当前运营的前提下安装双区系 统。 所有需要进行的开挖工程都可以通过超前导洞完成。 该规划 的其他效益包括提高安全性和排水能力，为超级探测器提供其 他选址难以匹敌的应急通风方案。 2.4 探测器和通风系统开发的概念规划 探测器的深度是华盛顿大学 （UW） 集团考虑的几个初始问 题之一。上述规划恰好将探测器置于喀斯喀特隧道的坡度之下， 从超前导洞的西入口沿正向坡度水平进入。其他选址， 如亨德森 矿，都需要修建倾斜导坑以便为超级探测器获取额外的上覆岩 层。 这也可以在喀斯喀特隧道中完成。 坡度为-3% （仍能够允许通 过列车水平进入的坡度）的一条 2.3 英里长隧道将提供 4200 英 尺/3700mwe 的上覆岩层。选择更陡的-10%坡度， 将会限制轮胎 式车辆的水平进入， 产生 4920 英尺/4350mwe 的上覆岩层。然而 500mwe 或 1000mwe 的增益必须与一系列的弊端两厢平衡： 新建 隧道带来的成本增加， 使用超前导洞排放废气需要修建通风井， 喀斯喀特隧道无法再作为避难所以及与 BNSF 携手合作的可能 性降低。华盛顿大学集团最后认为使用已知岩石的现有隧道非 常重要， 不应再追求位置深度更深需要修建倾斜导坑的方案。 我们拟将该项目分三个阶段推进：第一阶段对应于岩土工 程/设计阶段。穿过超前导洞的现有通道的一个优势是可以立马 在拟建探测器洞室附近对应力进行现场测量。没有现有通道， 一 般说来是不可能进行这种测试的，因为这种测试所采用的方法 在长钻孔中是不能施展的。第一阶段在某些地方也应包括提取 岩心， 用以探测拟建探测器位置喀斯喀特隧道正北方的岩体。由 于探测器将建于隧道坡度下方，因此可以在角度不超过 30毅， 距 离约为 250m 的条件下进行， 以便全面勘探探测器的容积。随后 在本报告中我们将讨论喀斯喀特隧道/超前导洞的现有岩土工程 数据库以及进一步勘探可能获得的数据。 第二阶段是扩建和翻新超前导洞， 使其能够充当通风源和排 气通道以及旧米尔溪竖井排气井的井口。 根据与 BNSF 建立的合 作伙伴关系， 第二阶段可以多种方式推进。我们下文讨论两种基 本方案： 图 1 双区通风系统的示意图视图 交通建设 119 与 建 材装 饰2014 年 8 月 （1） 方案 A 对 BNSF 有利， 因为将对超前导洞进行维修和安 全改造， 但不会改变当前的喀斯喀特隧道通风系统， 因此也不会 提高隧道的吞吐量。因其成本最低且实现的目标最有限， 可称之 为最小方案。 （2） 双区方案， 是一个同时优化了科学通道和配套的喀斯喀 特隧道通风改造工程的设计方案。 第二阶段最小方案：其要求是建立一个可向实验区域提供 150， 000cfm 空气的通风系统和进行以下超前导洞改造工程。 （3） 翻新、 重新支护和扩建超前导洞。科学通道需要的西段 2.4 英里隧道宽度可以扩建至 5m， 拱顶也可以达到 5m， 使横断面 可以达到 260 平方英尺左右。 这要求每英尺隧道要移除约 6.9 立 方码的岩石。该区段隧道将采用喷浆混凝土， 轨道采用混凝土地 面。 （4） 翻新和重新支护超前导洞剩下的 2.95 英里， 并采用光面爆 破技术做一些轻微扩建和抹平。 本部分隧道将作为一个排气通道。 一 个横断面为 100 平方英尺的隧道将允许隧道在 15 英尺/min 的合 理气流速度下输送 150， 000cfm 的空气。 （5） 在超前导洞米尔溪端点开挖一个混凝土衬砌的 620 英尺 深的排气井。 约 8 英尺的内径将产生一个约 3000 英尺/分的气流 速度经济型排气井的一般气流速度。 改造工程：淤2.4 英里隧道扩建至 260 平方英尺，成本基础 6.9 元/英尺伊12， 672 英尺伊63 美元/元， 成本 550 万美元。于2.4 英 里喷浆混凝土和支护， 成本基础 495 美元/英尺伊12， 672 英尺， 成 本 630 万美元。盂2.95 英里隧道扩建至 100 平方英尺， 成本基础 1 元/英尺伊15， 576 英尺伊63 美元/元， 成本 100 万美元。榆2.95 英 里支护，成本基础 15， 576 英尺伊150 美元/英尺，成本 230 万美 元。 虞2.4 英里混凝土地面， 成本基础 0.46 元/英尺伊12， 672 英尺伊 200 美元/元，成本 120 万美元。愚5.35 英里轨道，成本基础 28， 248 英尺伊46 美元/英尺， 成本 130 万美元。舆8 英尺通风井， 620 英尺深， 成本 70 万美元。余碎屑/木屑批量清理， 成本 85 万 美元。俞合计 1915 万美元。 根据 DUSEL-喀斯喀特预案， 我们已经使用了 63 美元/立方 码的开挖成本，符合我们发现的类似隧道扩建项目（参见第 4 节） 的 5090 美元/立方码的范围要求。隧道西段的 2.4 英里的支 护成本包括 6 英寸厚的喷浆混凝土和预计 40 美元/英尺的最小 额外支护成本。 对于隧道剩余的未翻新部分， 其平均 150 美元/英 尺的支护成本源于对 88%的隧道需要微型支护（40 美元/英尺） 而剩余 12%的隧道需要重大支护 （960 美元/英尺） 的估计。这包 括一段已经废弃的超前导洞： 这段 1.4 英里的废弃隧道最近没有 进行过勘探。拟挖方 （包括米尔溪的天井钻） 的所有废石将经由 超前导洞运送： 轨道将连接至 BNSF 干线， 将碎石运送至西雅图 市场。 超前导洞改造工程将允许增加新的通风系统， 用以从西入口 吸入 150， 000cfm 的空气， 输送进科学区， 随后将废气沿着超前导 洞向东输送，而空气流经超前导洞时将通过米尔溪的新建通风 井排出。尽管最小方案并未提高 BNSF 喀斯喀特隧道吞吐量， 但 是我们发现本方案中的合作给 BNSF 和科学分部运营带来的许 多好处： （1） Shannon & Wilson 公司 1998 年就建议 BNSF 翻新超前 导洞使其能够继续发挥其对主隧道的重要排水功能。这个被推 迟的维修工程占上述开挖成本的 640 万美元左右。一旦超前导 洞修复完成， 现在堵住的排水口就能重新开启。 （2） 由于喀斯喀特隧道和超前导洞现在已经各自拥有通风系 统， 将大大提高隧道的安全性。若主隧道发生事故， 工作人员可 以在超前导洞中避难，如果修建了足够的带有密封门的人行通 道， 则也可以通过该隧道撤离。同样地， 喀斯喀特隧道也可以充 当科学分部运营的避难所。 （3） 如果科学分部区域如果在紧急情况能够连接大功率喀斯 喀特隧道通风系统， 则会很有帮助， 这样就能产生 700， 000cfm 的 通风气流用以吹扫探测器上方的空间。虽然一般情况下以这种 方式使用 BNSF 系统会有一定的延迟 （隧道中的任何列车都必须 能够撤离隧道） ， 但是这种额外的应急能力却证明可以满足可能 的使用标准。 第二阶段双区方案：上文所述的最小方案在于设立一个基 准， 与推荐的双区方案进行对比。我们认为双区方案， 尽管会带 来一些额外成本，但是会因提高了喀斯喀特隧道的通行能力而 带来额外的价值。该方案要求超前导洞通风系统的空气输送能 力达到 550， 000cfm。开挖步骤包括： （1） 将整个超前导洞扩建至横断面约 325 平方英尺。 例如， 这 将对应于一条 16 英尺宽拱顶弧度达 22 英尺的马蹄形隧道。这 种隧道可以向第一区东端输送 555， 000cfm 的空气，气流速度可 达 1800 英尺/秒， 处于被占用隧道的可接受范围。该隧道的最初 2.4 英里， 即通向实验区的通道， 将采用喷浆混凝土、 轻度锚固和 混凝土地面。剩余 2.95 英里则不进行衬砌。整个隧道将铺设轨 道， 便于翻修。最初 2.4 英里的轨道将用作进入大型探测器的通 道， 剩余轨道则用作维修通道。对最初 2.4 英里隧道和紧接着的 1.5 英里未衬砌但相对光面的隧道采用光面衬砌隧道常用摩擦 系数， 我们估计这 3.9 英里隧道的压降将达到 9 英寸水流量。也 就是说， 这是从超前导洞西入口到第一区东端的压降值。 （2） 在超前导洞米尔溪端点开挖一个混凝土衬砌的 620 英尺 深直径约为 15 英尺的排气井。其所产生的约 3100 英尺/分的气 流速度是经济型排气井的一般气流速度。 其隧道成本可以与最小方案的成本进行比较。 改造工程：淤2.4 英里隧道扩建至 325 平方英尺，成本基础 9.4 元/英尺伊12， 672 英尺伊63 美元/元， 成本 750 万美元。于2.4 英 里喷浆混凝土和支护， 成本基础 600 美元/英尺伊12， 672 英尺， 成 本 760 万美元。盂2.95 英里隧道扩建至 325 平方英尺， 成本基础 9.4 元/英尺伊15， 576 英尺伊63 美元/元，成本 920 万美元。榆2.95 英里支护， 成本基础 15， 576 英尺伊150 美元/英尺， 成本 230 万美 元。 虞2.4 英里混凝土地面， 成本基础 0.46 元/英尺伊12， 672 英尺伊 200 美元/元，成本 120 万美元。愚5.35 英里轨道，成本基础 28， 248 英尺伊46 美元/英尺， 成本 130 万美元。舆15 英尺通风井， 620 英尺深， 成本 120 万美元。余碎屑/木屑批量清理， 成本 85 万 美元。俞合计 3115 万美元。 该方案的安全性和排水优势与最小方案相似， 但是在操作上 会有细微差别。 如图 2 所示， 超前导洞东段的 1.46 英里现在已经 成为喀斯喀特隧道第二区 （至米尔溪竖井） 的排气通道。第一区 将通过超前导洞吸入新鲜空气进行通风，然后通过喀斯喀特隧 道排气。 虽然第一区通风方案可以确保超前导洞西端 3.9 英里的 清洁度，但是东端 1.46 英里的大气却不会与主隧道的大气隔离 交通建设 120 与 建 材装 饰2014 年 8 月 开来。然而， 如果列车要在喀斯喀特隧道东半段停下， 则应急模 式可能包括默认主隧道进入单区模式，并采用第一区通风系统 迅速吹扫超前导洞的东段部分。 该步骤可以在 4.6min 内完成， 因 此超前导洞可以继续作为一个可行的避难所。 由于整个超前导洞将会进行大幅度扩建， 因此应考虑安装连 接喀斯喀特隧道的改良排水口。现有配套主要设计用来弥补 7 英尺的隧道地面海拔差在超前导洞扩建时该差异可能被消 除。 在第三阶段， 如图 2 所示， 探测器区域将向超前导洞第一区 区段之外扩展。其施工建设将通过铁路支持： BNSF 通风功能所 要求的大隧道横断面也满足科学分部对优良水平铁路和公路通 道的需求。超前导洞轨道可以看作是 BNSF 铁路之外的一个分 支， 连接了西入口外面的干线。大型探测器位于喀斯喀特隧道北 侧上覆岩层最厚的区域。 探测器洞室将在地下进行挖掘。 超前导 洞南部的结构可能稍微比较简单，只损失了约 300 英尺的上覆 岩层。 超前导洞下方的部分通风气流将转向实验区域， 然后返回隧 道上游。 常规气流约为 175， 000cfm， 在整个隧道中产生一个通向 探测器的 500 英尺/分的气流， 其速度足以防止烟气逆流。 如果证 明有必要，则可以在超级探测器洞室的所有入口安装一个空气 过滤器， 用以提高空气清洁度 （安装之后， 将会很容易限制入口 与清洁车或电动车之间的空气流动，从而消除大部分或全部的 碳氢化合物） 。 地下洞室的适用标准一般要求应急通风系统应足够使室内 空气每小时换气六次。由于一个大型水契伦科夫探测器可能约 有 300， 000m3的水上空间，因此本要求对应的气流量为 100 万 cfm。尽管大型水契伦科夫探测器由于自身的良好性能可能不受 此标准约束，但是大功率双区通风系统的一个优势是在短暂延 迟后仍可以满足应急要求。超前导洞第一区通风系统产生的所 有 （若第一区未被占用） 或几乎所有 （第一区被占用） 的 550， 000cfm 的气流量可能立即转向探测器。一旦喀斯喀特隧道 吹扫完成，如果探测器和喀斯喀特隧道之间增加了一条通风通 道（增加到图 2 中） ，则 BNSF（第二区） 系统产生的额外的 550， 000cfm 气流量将可能改变输送方向。 洞室开挖将花费 35 年的时间。水平铁路通道的一个优势 是可以将碎石运到西雅图， 使碎石能够在施工中发挥价值。这可 以与 BNSF 的施工进度协调一致， 而无需使用主隧道。由于当前 的岩石成本约为 6.50 美元/t， 因此总价值约为 2000 万美元。 其他 大部分超级探测器施工选址提案都建议用卡车装运岩石或直接 将岩石丢弃在施工现场。 人们希望超级探测器的施工进度可以在时间上与 BNSF 喀 斯喀特隧道的需求保持一致。可能承担开挖工程的承包商可以 提供自己的通风系统。新系统更有可能在开挖完成之后安装， 在 探测器施工期间同时为 BNSF 和科学家们服务。 探测器施工应与 BNSF 通风需求保持一致。 2.5 变量及其他升级潜力 在确立方案的合理性之前， 2.4 节讨论的所有内容都必须进 行更量化的说明。建立双区通风系统的数值模型和设计可以同 时服务科学分部和第一区通风需求的风机系统将变得至关重 要。 在估算成本时也要重视对超前导洞进行详细勘探。 同时可以 探索几个概念问题： （1） 第二区废气： 我们已经使用了 25%的超前导洞来将第二 区废气输送至米尔溪， 以便将废气通过一个短的 （约 620 英尺） 混凝土衬砌通风井排放至地表。另一种方案是在隧道中点钻一 个长得多的竖井 （约 3000 英尺） ， 但需要对 1.45 英里的隧道进行 不必要的翻新。 两种方案的成本非常具有可比性。 我们支持超前 导洞方案， 因为该竖井距离一条公路很方便， 而且远离史蒂文森 山口滑雪场。正如我们上文所述， 超前导洞改造工程将有助于解 决其他问题， 例如喀斯喀特隧道的排水问题。 （2） 通风支线： 当我们将焦点集中在连续东向行使列车的瓶 颈问题上时，此处所述的改造工程将可能会提高其他组合列车 的效率。可以探索一种可能， 即在一开始或在将来的某个时点将 超前导洞东段的 1.4 英里隧道作为西向行使列车的支线使用。 一 种通风方案可能允许东向行驶和西向行驶的列车使用支线同时 交错通过隧道中点。我们认为这将使通过时间得到最适度的提 升。如果 BNSF 有兴趣探讨这种可能性， 则需要在将来的工程研 究中对这种想法进行仔细和详细的评估。 （3） 三区通风系统： 由于牛仔山和米尔溪有效地将喀斯喀特 隧道分成了三个大致相等的区段，因此可以采用一个三区通风 系统。三个喀斯喀特隧道区段都自东向西进行吹扫 （按照跟双区 系统相同的方式） 。超前导洞东半段将第二区东端的废气输送到 米尔溪排气井。该排气井同时也为第三区服务。如图 3 所示， 这 将进一步缩小两列东向行驶列车的间距，从 34.3min 缩减至 24.3min。 该方案要求在米尔溪附近建立第二个 （吸入） 通风井 （以 便给第二区通风） 、 一个吸入空气用的风机系统和一个能够输送 约 850， 000cfm 气流量的米尔溪排气井（将第二区和第三区的废 气都输送出去） 。由于三区系统将充分利用超前导洞为双区系统 所做的所有改造工程， 包括新建的第一区通风系统， 因此可以看 作是将来双区系统可能实现的一种升级。 3 岩石条件、 地质图与地形图 3.1 岩石条件 87%以上的超前导洞区段的岩石条件可能与修建直径更大 的混凝土衬砌喀斯喀特隧道期间遇到的岩石条件几乎是相同 图 2 探测器和通风系统概念规划 注： 大型探测器在牛仔山下的一个可能的布局示意图， 增加了一个双区通风系统用以提高喀斯喀特隧道的 效率。一个扩建和翻新过的超前导洞将提供到达探测器区域的科学分部专用通道， 通向第一区东端的通 风系统以及从第二区西端至超前导洞米尔溪端点排气井的排气通道。 图 3 三区通风系统的示意图视图 交通建设 121 与 建 材装 饰2014 年 8 月 的，而且与超级探测器隧洞和通道隧道可能遇到的岩石条件也 非常相似。 喀斯喀特隧道系统坐落于斯图尔特岩基最北端， 该岩基是 一块 20 英里伊13 英里的花岗岩 （主要是花岗闪长岩和石英闪长 岩） ， 是 8300 万9400 万年前 （白垩纪晚期） 形成的山心。 在露头 中， 大部分的岩基都是相当巨大的， 有着很宽的裂缝或节理 （缝 隙 从 1 英 尺 到 30 多 英 尺 不 等） ， 岩 石 强 度 约 15， 000 25， 000psi。 岩基在侵入时， 临近的岩体会遭到剪切发生蚀变， 形 成了 Chiwaukum 片岩杂岩。大量变质片岩和片麻岩熔融进花岗 岩岩体。 Shannon & Wilson 公司已经提供了净空与翻修建议，并为 BNSF 铁路公司绘制了喀斯喀特隧道和超前导洞在几种情况下 的地质条件分布图。由于喀斯喀特隧道全部是采用混凝土衬砌 的，因此我们必须依赖于 1926 年和 1929 年施工建设期间遇到 的地质条件的相关历史记录。总之， 隧道施工建设的黑白照片显 示地质条件为 “好到极好” ， 无或仅有少量临时支护， 有块状岩和 少量地下水。 然而， 据报道， 喀斯喀特隧道中间的 1/3 段包含花岗 岩断层带或严重碎裂带区段，并且水压相当高 （Bauhof， 1989 年） 。施工期间首次遇到了短暂的地下水涌水，水量高达 10， 000gpm。然而， 近期测量流出主钻孔两个入口和超前导洞西 入口的地下水时发现总水流量低于 600gpm。根据我们先前对超 前导洞的测绘，我们预计该断层带或碎裂带应该更靠近超级探 测器隧洞选定区域以东更远的 3， 000 英尺左右的区域。 在一次针对超前导洞的局部勘察中，采用了 Barton 等人 （1974 年） 提出的 Q 系统来对两个地点的岩石进行分类。两个地 点的 Q 值为 21.3。 该值与附近的 DUSEL-喀斯喀特项目选址的岩 石露头的 Q 值相似。在拟建 DUSEL 选址处， Q 值从 4.047.5 不 等， 53 个岩石露头的 Q 值平均值为 19.3（Shannon & Wilson 公 司， 2004 年） 。根据 Q 系统， 岩石分级从 “中等” 到 “非常好” 不等， 平均水平为 “较好” 。 3.2 地质图和地形图回顾 虽然喀斯喀特山脉的区域地质条件比较复杂， 但是超级探测 器隧洞区域和通道隧道的地质条件预计将相对比较均匀。根据 Skykomish 河地质图 （USGS， 1993 年） 回顾， 到拟建超级探测器隧 洞选址 （超前导洞西半段） 的通道和隧洞选址本身均处于斯图尔 特山岩基的花岗岩和变质岩分布区域和 Chiwaukum 片岩变质岩 分布区域。具体地， 隧洞处于牛仔山下的一大块花岗闪长岩上， 还可能夹杂有片岩和片麻岩。母质沉积物和形成 Chiwaukum 片 岩的变质作用可能与白垩纪晚期时的斯图尔特山岩基入侵有 关。下面汇总了隧道区域内的地图单元， 包括地质图和地质剖面 图上使用的缩写、 全称和主要的岩石类型： 淤斯图尔特山岩基的 岩石， 东部岩体的石英闪长岩和花岗闪长岩， 西部岩体的石英闪 长岩和花岗闪长岩。于Chiwaukum 片岩， 黑云母片岩和黑云母片 岩和闪岩。 使用 4 张该区域的 USGS 地图编制图 4 所示的地质剖面图 和地面剖面图。使用的地图清单作为注释列于图中。剖面图显 示的地质信息是根据 Skykomish 河地质图 （USGS， 1993 年） 和我 们先前对超前导洞的测绘 （Shannon & Wilson 公司， 1998 年） 编 制的。 4 概念建议 4.1 超级探测器隧洞和辅助建筑物 超级探测器综合体由一个已经发展成熟的约 60m伊60m伊 180m 的隧洞和一个将超前导洞横断面面积扩大到 325 平方英尺 左右的通道隧道构成。尽管超前导洞很多区域是不需要支护的， 但是需要支护的区域通常位于片岩区域内。因此，花岗闪长岩 （Kse） 更适合大面积开挖。上覆岩层最厚的地点牛仔山位于花岗 闪长岩的延伸区域， 距离片岩西部一角约 3000 英尺。沿喀斯喀 特隧道线向的剖面和垂直于线向并穿过超级探测器隧洞的截面 及预期的地质条件。显示了与喀斯喀特隧道相同海拔附近的优 选位置和更深的备选位置： 强烈推荐深度较浅的选址， 因为它可 以提供与 BNSF 合作开发运营的机会。进一步说， 因靠近喀斯喀 特隧道而具有的岩石偏干燥条件，正梯度的水平通道和可以将 喀斯喀特隧道用作避难所都是其优势。将与 BNSF 共同合作， 扩 建和改良超前导洞， 将其用作进入探测器区域的通道， 用于通风 和排气。 4.2 超前导洞扩建工程 采用 BNSF 超前导洞在深度超过 3000 英尺的地方提供容易 获得的岩石条件以便采用多种钻井方法进行原位岩石条件评价 和原位属性测试， 并提供到达目标岩体区域的便利通道。若决定 继续进行探测器施工，超前导洞将从当前 8 英尺宽伊9 英尺高的 剖面扩建至横断面面积约 325 平方英尺， 如 16 英尺宽拱高不超 过 22 英尺的马蹄形隧道。 早期勘探包括将牛仔山下的超前导洞扩宽 12 个点，形成 试验区。这些试验区位于 281+00 站附近， 用作导向岩心钻井作 业和取样的钻土暂存区域， 为大规模实验室试验、 原位应力测量 和其他原位试验和测绘采集样本，以便更好地对岩体性质进行 分类。根据与一个专业从事地下空间钻井作业的钻井公司的讨 论结果， 空间面积可减少至最小约 15 英尺伊15 英尺， 并且仍可提 供足够的作业空间。然而， 稍微大一点的面积可能有助于提供生 产率， 为进行额外的地层特性原位试验提供一个洞室。由于岩石 裂隙间距和洞室尺寸的比例关系，较大的高度范围导致岩石荷 载明显增加， 所需的支护也明显增加。 4.2.1 初期开挖和支护要求 由于现有超前导洞洞室的存在和相应位置的支护系统的范 围较大， 隧道可能将采用钻爆法进行扩建。因隧道也可以用于增 图 4 喀斯喀特隧道地质剖面图简图 A-A忆 交通建设 122 与 建 材装 饰2014 年 8 月 强喀斯喀特隧道的通风， 要求采用光面爆破技术， 利用间距相对 较近的爆破孔和大量微秒爆炸延迟减小表面粗糙度。 决定超前导洞的支护需求的控制因子包括： 岩石强度、 裂隙 间距、 岩石定向、 岩石粗糙度和岩石空隙填料； 岩石应力； 以及地 下水涌水。已经根据这些特征提出了几种岩体和支护的分类系 统， 包括 Barton 提出的岩体质量评价 （Q 系统） 。 目前约 13%的超前导洞采用了某种形式的支护。该值是在 我们先前测绘期间的可用隧道区段基础上计算的，并未考虑因 岩崩而堵塞的区域。由于以西的岩崩特征和以东的一大池水的 存在，很难说我们没有进入的 5， 500 英尺左右的超前导洞中究 竟有多少采用了支护多少没有采用支护。在采用了支护的区段 中， 62%由混凝土支护或衬垫构成， 37%由木质支护构成， 1%由 钢支架构成。 在扩建过程中需要移除现有支护。 预计这些区域与 发生岩崩的区段将比当前未采用支护的隧道区段采用更多的岩 石支护。作为指南并根据我们对超前导洞的记录，我们预计约 87%的隧道可以不采用支护， 只需采用临时岩石锚杆支护固定块 石和楔块。再次， 该值忽略了岩崩堵塞通道的区段。若岩石表面 过于粗糙， 则要求采用喷浆混凝土涂抹洞壁， 便于通风。若当前 采用了木质支护，我们预计将需要在间距 1.31.6m 厚度 45cm 的无钢筋喷浆混凝土上安装 2.4m 长的岩石锚杆。若使用了混凝 土支护、 混凝土衬砌或钢支架， 则需要的支护可能包括在间距 1m 长 2.4m 的岩石锚杆配合使用厚度 912cm 的钢纤维喷浆混凝 土。这些区段可能也要求采用格构桁架。这些建议都是初步的， 仅用于成本估算， 对最终图纸或施工并不适用。最终支护需求要 根据另外的隧道测绘和施工期间观察到的具体情况确定。 若大量的岩崩堵塞了超前导洞， 则要求添加地面支护， 重新 开启隧道。 Shannon & Wilson 公司已经针对全部或部分崩塌堵塞 隧道的区段设计了几种翻新方案。一般来说， 已经证明碎石与岩 屑灌浆与锚杆支护有助于建造稳定的拱顶， 随后可以挖除， 然后 再采用钢肋或格构桁架以及喷浆混凝土支护。 4.2.2 施工成本初步估算 假设隧道扩建工程包括一个拱顶， 则隧道的成本规模将按约 9.4 元/英尺隧道的速度增加。根据最近的隧道扩建工程， 预计开 挖土石方的招标价约为 5090 美元/人民币（我们对第 3 标段的 估价取 63 美元/人民币的标称值） 。因此，挖方成本可能约为 470850 美元/英尺。针对 88%的隧道， 我们建议在进行初期成本 估算时假设采用定点岩石锚杆， 如每个定点岩石锚杆为 5 英尺伊 5 英尺长， 造价 40 美元/英尺。我们建议对超前导洞西部将作为 人行通道的 2.5 英里进行喷浆混凝土浇筑。 假设每 325 平方英尺 横断面面积的隧道需要 6 英寸的喷浆混凝土， 估算成本约为 560 美元/英尺。 在约 12%的未衬砌 （通风） 隧道区段， 我们希望找到需要规 则形状的岩石锚杆也可能需要钢纤维喷浆混凝土和格构桁架的 区段。支护成本可能为高达 1200 美元/英尺。对于这 12%我们采 用 860 美元/英尺的平均值。我们预计该值也适用于发生岩崩堵 塞通向超前导洞的通道的区段。 4.3 米尔溪竖井 根据对现有文献的回顾和与 BNSF 工作人员的讨论， 已经采 用岩石对米尔溪竖井进行填塞和回填。虽然技术上可以重新开 启该竖井，但是我们认为重新建造一个竖井的成本可能更低安 全性也更高。 米尔溪竖井周围的岩石条件尚不清楚， 可能已经被竖井原先 的施工作业扰乱了。此外， 竖井位置与喀斯喀特隧道的相对距离 也是一个潜在的问题。重新开启竖井要求在现有喀斯喀特隧道 中作业， 但由于 BNSF 可能存在限制， 因此可能并不具有可行性。 可以采用天井钻孔技术修建竖井， 从地表面向超前导洞钻一 个直径 612 英寸的导向孔，安装一个直径 1520 英尺的刀盘， 并将竖井钻到需要的尺寸。钻屑将经由超前导洞运走， 然后对已 挖好的隧道进行混凝土衬砌。在优质岩石里修建相似的直径 15 英尺深约 1， 000 英尺的