英法海峡隧道工程设计与施工技术详细讲解

英法海峡隧道工程设计与施工横穿英吉利海峡、连接英国与法国的海峡隧道工程的历史可以追溯到1802年。在这漫长时期中，经过了许许多多次的尝试，其中包括互1880年采用"博蒙特"号隧道掘进机、掘进长度已达2km的尝试，今天一个用海底隧道连接英吉利海峡两岸的构想终于成为现实。长49km连接英国和法国的英法海峡隧道工程由三条隧道组成，于1987年2月开始动工，1993年6月对外运营开放。在整个隧道长度的走向中，直径4.8m的服务隧道居中，直径7.8m铁路隧道位于两侧。建成后的铁路隧道主要用于装载乘客、汽车、特快列车和货运慢车运行。总计长度147km的隧道，主要由11台具有高度自动化和ZED激光导向特点的盾构掘进机担任掘进施工。盾构掘进机后辅助设备车架长数百米，盾构掘进机昼夜不停地连续施工，推进速率达到1400m／mon。当英法海峡隧道施工完成后，大多数盾构掘进机的施工距离都超过世界上已有的其它多数盾构掘进机设计施工的三倍多。1991年6月29日，投资128亿美元、总长约50km的英法海峡隧道全部凿通。这项具有非凡抱负的工程由于隧道工程的设计与施工方法的快速向前发展，使这项雄心勃勃的巨大工程在施工、安全、造价和工期等方面终于都取得了空前的成功。1986年8月，TML国际建筑集团在激烈的竞争中，赢得了英法海峡隧道的设计与施工合同。经过连续紧张的掘进施工，英法海峡服务隧道已于1990年12月胜利凿通。然而；这个工程浩大的海峡隧道工程的施工长度、海底地质、快速掘进和后方勤务等诸问题。是TML国际建筑集团在英法海峡隧道建设中面临的最主要的挑战。欧洲隧道公司是英法海峡隧道工程的业主。其他主要的合作伙伴是TML国际建筑集团和法国芒什集团。TML是一个国际建筑合资集团，由国际上10个最大的建设公司组成。英国一侧的承包商有拜尔福·贝梯公司、考斯丁公司、德麦克翁、泰勒·伍德罗公司和威姆沛公司。法国一侧的承包商有波奥基斯公司、登姆斯公司、SAF公司、SGF公司和斯勃厄·帕迪诺尔斯公司。一、英法海峡隧道兴建史两千多年来，英国有幸拥有许多海域把自己和欧洲大陆分割开来。它给英国以安全感，尽管也曾遭到罗马人和微克逊人的侵犯。上世纪末拿破仑战争结束和英国的兴起，很多人便梦想在英法两国之间修建一条固定连线。近两个世纪来，关于英法海峡隧道英国伦敦和法国巴黎谈判过将近30次。与此同时，该间题在英国下议院讨论过38次。英法两国曾两次着手从海峡两岸同时开工，但多数建议和设计都没实现。英法海峡隧道兴建史可分为三个时期：1802～1875年:修建隧道的主张逐渐兴起，但缺乏实现的技术可能性；1875～1963年：工程方案进一步发展，积累了必需的资料；1963年～80年代后期：克服政治、管理、财政等方面的障碍，并开始修建隧道。修建英法海峡隧道的想法是1802年亚眠和约之后由采矿工程师阿贝尔·马蒂厄提出的。他提出修建海底隧道的设计，其内容是从两岸修筑隧道（每侧长18.7km），在瓦恩·班克浅滩贯通。但由于1803年英法又开战，使拿破仑放弃了这个设计。1803年莫特雷提出在海峡底敷设金属管的设想也由于同样的原因而未被采纳。从十九世纪30年代初期，托梅·德·加蒙研究了英法海峡的海底地质，并提出英国与欧洲大陆连接的许多方案，如支承在许多巨型花岗岩桥墩上的金属桥；设在海底的沉埋金属管，其上用海底沉积物加载；双线隧道，中间在瓦恩·班克浅滩设车站；蒸汽轮渡，两岸修筑8km长的防波堤；带有三个通道和一座开合桥的大坝。最后一个设计是德·加蒙1867年和两位英国工程师威廉·洛和詹姆斯·布伦利斯共同编制的，他们将设计同时呈交拿破仑三世和英国商业委员会，但后来没有下文。1855年詹姆斯·威尔逊提出"浮管"设计，浮管处于半淹没状态，用锚链固定在海底。1856年阿贝·安德林提出类似的设计，不过他把管子刚性固定于海面下58m深度处。1860年赫克托·霍里奥建议在海峡底部敷设椭圆形管，其通风竖井上部作成哥特式建筑。1869年K·E·杨编制了与詹姆斯·威尔逊近似的设计，把管子锚固在海面至海底中间的深度。1870年安妮建议修筑穿越瓦恩·班克浅滩的桥梁。1872年英国首次设立海峡隧道公司，他们采用了英国工程师查尔斯·霍克肖修建一座双线隧道的设计。经过三年与官僚主义作斗争和运用外交手段之后，终于在1875年8月2日争取到英法两国议会都通过了法案。英国用法律方式规定出修建隧道必需的用地，并给该公司在多佛尔地区圣玛格丽特湾进行试验工作的权利。1876年英法两国签订议定书，决定于20年期限内共同修筑该隧道。最初的工作由法国人开始进行。霍克肖利用德·加蒙收集的资料进行钻探、测深及收集加莱和多佛尔一带海底地层资料。1878年法国在桑加特打了两个竖井和一个尺寸不大（直径2.13m）的坑道，向北方开挖约2.4km，目的是研究法国海岸下面某些最不稳定的地层。英国方面的工作是东南铁路公司董事长爱德华·沃特金斯按议会决定在多佛尔西面的艾博特角及莎士比亚峭壁进行。沃特金斯根据威廉斯·洛的设计，用英国皇家工程兵博蒙特设计的一台旋转挖掘机开挖了两条直径2.13m的隧道，一条在艾博特角，长728m；另一条在莎士比亚峭壁，长1884m。但在1882年，英国公众意见不愿修筑英法海峡隧道，《泰晤士》周刊助长了这种意见的形成。英国耽心这样会丧失因地理位置而具有的战略优势。虽然爱德华·沃特金斯及其追随者热情极高，但博蒙特挖掘机还是在1882年7月停止运转了，英法海峡隧道建设的首次尝试就这样收场了。直到现在人们还可以经由海角右侧的坑道进入隧道之中。1975年。当试图第二次征服英法海峡隧道而挖掘探测隧道时，在水下发现从莎士比亚峭壁挖掘的那条较长的隧道。但是在上世纪末叶，提出修筑海峡工程的方案与设计并没有停止过。1882年两家英国公司提出有72座桥墩的钢桥方案。1886年约翰·福勒编制了修建带液压升降装置的浮桥或轮渡的设计。1887年施奈德和赫森特提出支承在55个石砌桥墩上的桥梁设计。1907～1913年福克斯和萨尔蒂奥克斯研究了修筑铁路隧道的可能性。第一次世界大战暂时中断了英法海峡交通连接的探索。但1929年又开始对海峡进行新的地质勘探，这项工作是由约翰·弗莱德领导。1930年科拉尔德提出修建轨距为2.13m的铁路隧道设计，并且从两洞门分别向伦敦和巴黎修筑同样轨距的线路。由伦敦至巴黎的运行时间，按他的估计近3h；由多佛尔至伦敦的新线造价，1930年估计为58.2百万英镑。同一时期提出的另一设计为修筑两条直径5.64m的导洞，以及个别直径为2.13m的排水坑道。但是这个设计在议会中总共只有7票赞成。第二次世界大战后又兴起了对这项工程的关切。1949年英国议会决定召集设计专家组进行此项工作，法国也成立了类似的专家组。1957年苏伊士运河工程公司在寻求适当设计的过程中联合组成英法海峡工程公司，其规模在当时是很大的。隧道工程设计组中，也有美国金融家和技术开发公司参加。这个设计组进行了大量的工作，其成果反映在1960年的详细报告中，此报告指出了修建隧道的必要性。1964～1965年，研究小组沿隧道设计路线实行地质勘探，从而确定一条隧道连络线的管理路线，这个方案是利用隧道下面所具有的天然地质构造。一切都准备就绪可按设计开始施工，当然这还需要政治支持和资金筹集。政治支持反映在1966年6月8日英国首相和法国总理签署的英法公报中，公报指出两国达成协议，因而可以正式开始进行工作。工作分为两个阶段，同时基本投资也随之扩大。第一阶段主要进行技术研究，此项工作在1973年6月完成，并编制了详细报告书。1973年9月准备了这方面的文件，同年11月17日签定了英法条约及第二号协议文件，其中规定工作的初始费用为3千英磅。条约应在1975年1月1日前批准，工程资金通过复杂的方式筹集，其中既包括投资贷款，也包括有把握的政府补贴，而前者应占费用的10％～30％。当发生工程延误情况时，要详细地研究财政措施。1973～1974年设计包括修筑两条直径为7.lm的铁路隧道，在两条隧道之间修筑直径为4.5m的服务隧道。又在彻利通和弗雷特霍姆之间修筑两条主要的折返隧道，其中设有大型折返设施，实际上这是地下折返渡线室轨道线路。设计还规定要修建伦敦至巴黎及布鲁塞尔直达客、货运输的铁路。第二号协议规定的工作于1974年开始，从距莎士比亚海岸顶点不远的施工现场向旧煤矿方向开挖了长285m的引道隧洞，在引道隧洞水平上又开挖了长447m的平行于海岸的通道。而在阿什福德靠近金伯利铁路支线处设置了制造引道隧洞衬砌砌块的工厂。为了隧道施工，把许多专门组装的挖掘机械运到莎士比亚海岸的施工现场。但是必需考虑意外问题。从通往伦敦的新高速铁路的详细设计可以看出其造价比原先预计的要大大超出，特别是考虑环境保护措施时更加如此。隧道按计划在1981年开工。但在开工15个月后；这时英国一侧已挖了400m，法国一侧掘进了300m，工程停了下来。由于没有克眼财政困难，伦敦下令停工。修建英法海峡隧道的第二次尝试就这样告终。1977年初，有进取精神的美国银行家戴维森将其企业加入到英法海峡隧道原先的设计组中，并进行编制报告书，其中研究了将隧道直径增大0.5m。但英法政府对展开新的尝试持否定态度。然而到1979年两国政府关系有所改善，并给予私营企业以强有力的管理权，使两国同意在4月份发出公开的建议征稿。建议必须遵守的条件是：海峡连线是固定的；完全由私人提供资金；无政府保证；倡议人必须说明他们的方案在技术上的可行性和对投资者利润。这次征稿结果，收到4个可采纳的建议：(1）从两岸用一系列跨度为0.5km的桥梁接在离开海岸的两座人工岛，在人工岛上修建螺旋形的坡道将公路引入穿过主航道的沉管隧道（欧洲公路）；(2）采用一座跨度为5km的桥梁和一条完全封闭起来的多车道公路；(3）对平行的直径为11m的隧道，路面铺设公路和铁路，包括设人工岛，可在上面修筑为隧道通风服务的竖井（海峡高速线路）；(4)1972年提出的方案采用两条直径为7.3m的铁路隧道，它们之间有平行的直径为4.5m的第三条服务隧道提供应急和其他用途。铁路隧道将为铁路穿梭式列车提供运行线路，英国铁路公司及法国国有铁路公司提供直达列车的设备。这个方案的大致线路示意见图1。图l建议的海峡隧道工程线路平面图到1986年初，从中选定了一个方案。这个最优的设计是将两条长49.2km的铁路隧道平行地设在海底之下40m处。其中有37.5km是在海底下面。两条隧道之间还设有服务隧道。小轿车、公共汽车和货车都装在由专用平台往返于彻利通终点站和加莱地区的弗雷蒂纳终点站之间，开始时每10min开出一辆，到2000年时则缩短为每2.5smin一列。计划在初始阶段单向每小时运送1000辆汽车，而运输能力充分发挥之后单向每小时可运送4000辆汽车。隧道也计划通过普通客、货列车。隧道工程造价初步定为36亿美元（按1985年价格）。海峡隧道工程于1987年5月开工，尽快使隧道在1993年投入运营。最初计划规定修建海峡隧道时；英法承担施工区段长度相同。但在进行初步工作之后就明确在同样期限内，英国要比法国多掘进5～6km，因为英国一侧的地质条件优于法国一侧的地质条件。隧道工程建设由8家私营大公司承担，必须在6年期限内完成施工，并且经营到2020年。后一作法的目的是补偿基建费用及取得利润。根据测算，运营12～15年时间即可将投资收回。计算表明，英法海峡隧道通车后，乘TGV列车在两国首都间旅行，所需时间可由现在的5h缩短为3h。二、海峡隧道地质和工程概况（一）地质勘测自1865年起就对海峡隧道进行现场研究，在圣玛格丽特海湾钻孔并在海底取样。1958～1959年海峡隧道研究组又进行了一些研究，包括海中钻探、地球物理探测和海底取样。1964～1965年再次进行大范围的现场研究，包括近100个海上钻孔、20个陆地钻孔、岩石的现场和实验室试验以及在海上的地震波探测。1972～1974年海峡隧道地质勘测工作又进行了进一步研究，包括靠近海岸7处钻孔勘测，海上进行15个钻孔勘测，对特殊问题的地带进行地球物理探测和对英国海岸一部分路线再作测量。1．地质确定海峡地质由一些白垩层覆盖在泥灰质粘土和绿砂上面所组成。海峡的英国一侧多褶皱，但极轻微。法国一侧的褶皱情况较严重并且复杂。沿隧道的选择线上有三个主要岩层，按从上到下的顺序是中白垩、晚白垩和泥灰质粘土。中白垩和晚白垩的上面部分是脆弱的破碎白垩。晚白垩的下面部分是粘土与白垩混杂在一起，表现为白垩质泥灰岩。白垩质泥灰岩为中等强度、均质和用具塑性，并且一般没有张开断裂，使它成为实际上不透水的岩层，对开挖隧道十分理想。泥灰质粘土虽也不透水，但它较软弱且有强塑性的性态，当加压时变形不一致。裂缝和断层是隧道开挖最不利的情况。裂缝能加重地层的透水性并因渗水量的加大而造成延误工期。断层也能增大渗水性或从断裂面渗漏或从断层附近被扰动的地层内裂缝渗漏。但是，有些迹象表明它对开挖工作面的稳定性不致于造成问题，并且渗漏水也无侵蚀作用。此外，白垩层内部既无纵向位移，断裂层的位移且偏移也不大于15m。从勘测到的断层看，一般是接近垂直的，尽管在局部地带也有接近偏移很小的平行断层，见图2。图2海峡隧道沿线的地质断面2．超前钻探在制定英法海峡隧道设计和施工方案中，提出一个重要建议是利用服务隧道对前方渗透度很高的不稳定地层或地带进行超前钻探，以期掌握服务隧道前方的地层规律。服务隧道进行钻探，在开挖工作面前经常保持至少20m的地层探查，钻孔深达100m。勘探钻机在工作面稍稍偏上部位钻入，垂直地向下来找出泥灰质粘土层的位置，并向侧面达到铁路运行主隧道的位置。一旦查明确定是一个不稳定的高渗透性地带，在盾构掘进机到达通过前使用速凝水泥浆进行注浆加固处理。（二）工程仅况英国和法国之间，海峡隧道经过的地质地形情况，有着极大的差异。这种地质情况差异导致英法两侧采取两种不同的施工方法。英国一侧的隧道工程，都在包含粘土质碳酸盐泥岩的泥灰岩地层中施工。泥灰岩地层具有良好的自立性，比较适合于全断面盾构掘进机施工。！法国一侧的海峡隧道要穿越多处断层的泥灰岩地层，所以采用了与英国一侧不同类型的土压平衡盾构掘进机。1．隧道理深和长度英国一侧的隧道理深在21～70m之间，平均埋深40m。英国一侧的隧道在莎士比亚峭壁工地开始掘进。一条直径4.8m的服务隧道和两条直径7.6m的铁路区间隧道在海峡掘进20km，与从法国方向推过来的隧道会合·还有8km陆地隧道，推进至希尔舒格洛夫。而法国一侧的陆地隧道仅3km，海底隧道为15km。海峡隧道的英国西侧，有0.5km长的隧道是采用新奥法脑工，还有0.5km长的隧道是采用随挖随填法施工，隧道通至希尔城堡。英国一侧的海峡隧道出口距莎士比亚峭壁隧道工地约9km，见图3。2.槽向通道设置除了一条服务隧道和两条铁路隧道外，英法海峡铁路运行隧道每隔375m设置一条与服务隧道相连接的横向通道，每隔250m设置连接两条铁路隧道的横向活塞式泄压风道，见图4。每第二条横向通道为双通道，以便每间隔375m设置一个人行通道，每间隔750m设置一个电力控制室或变电站。图3英法海峡隧道工程地质剖面图3．交叉转线段英法海峡隧道设立四个交叉转线段，有利于火车编组和往复行驶。火车可从一条铁路隧道驶入另一条铁路隧道。两个交叉转线段设置在海底，将海底铁路隧道分为三段。英国一侧的交叉转线段的隧洞长158m、宽22m、高15m，是建设在海底最大的隧洞。除了交叉转线段外，英国还凭借隧道施工技术，在自己一侧建设两个低位集水井。这两个低位集水井也列为主要工程。图4英法海峡隧道横向通道和横向活塞式泄压风道4.隧道衬砌英法海峡隧道使用两种类型的隧道衬砌，一种是预制混凝土管片，另一种是铸铁管片。预制混凝土管片是根据100inch标准换形块衬砌开发的。所有的衬砌接头都是采用铰接。还开发设计了焊接强度为20N／mm2的特殊梯形钢筋网片用于衬砌接头，以防衬砌破裂。隧道直径为7.6m的铁路区间隧道，每环需要8块管片和一块封顶块管片。每块管片外弧面上有4块厚20mm的衬垫。封顶块管片拼装嵌入时，衬垫在压力下压向与泥灰岩层的接触面，并留有20mm的环形空间，以便进行注浆加固。在采用其他手段进行衬砌密封之前，注浆加固是有效控制地下水侵入的第一步措施。海底隧道段管片，厚度约360mm；陆地隧道段管片要承受更大的压力，其厚度约540mm。除了使用混凝土管片以外，英法海峡铁路区间隧道之间的横向通道衬砌，采用螺栓连接的铸铁衬砌管片。同时，为使横向通道能在毗连接合口应用这些铸铁管片，铁路隧道圆环中的预留接合口为混凝土结构。因此，一种混合衬砌也随之开发和应用。5.莎士比亚峭壁隧道工程海峡工程的一条长1.6km交通公路于1987年8月开始施工，与莎士比亚峭壁上部隧道工地相连接。莎士比亚峭壁上下两个隧道工地，水平高差达50m，由一条1974年建成的公路隧道相连接。莎士比亚峭壁下部工地的第二条坑道采用新奥法施工，与下方主隧道相连。英国一侧首次应用新奥法进行这样规进的隧道施工l974年建成的现有隧道用于出土运输，新坑道则用于材料供应。列车编组、交叉转线的隧洞，也采用新奥法施工。6．冷却水管道和通风系统莎士比亚峭壁下部隧道工地的建筑，将作为主要冷却工厂的设施。两条直径400mm、水温为5℃的冷却水管道通过隧道，以防隧道作业环境温度升高。隧道内还设置备用的通风系统，在遇到紧急情况下启用。现有的工作风井作为主要通风系统的一部分。海峡服务隧道通风压力保持在低正压力值，以防发生火灾时烟雾涌入安全通道。7．电力配置长距离海底铁路区间隧道的通风，不能承受柴油机动力机车的废气排放，所以采用电气机车。设计一个专用铁路运输系统，以确保大批乘客和物资顺利通过英法海峡隧道。电力由架空线引入隧道内，在出土料斗机械和盾构掘进机处转换成蓄电池供电。在盐渍地层的潮湿条件下，漏电问题成为当时供电线路的一个重要问题，电力系统经常跳闸。当时又缺乏这方面的施工技术和经验。为克服这些困难，做了许多开创性工作。经过12个月的努力，一种完全新型、具有180马力的电力机车设计问世，并交付使用。8.施工安全体系英法海峡隧道大量投资于施工安全体系的开发和完善。TML国际建筑集团同卫生和安全劳防行政部门（HSE）合作，1990年贯彻实施了重要措施，对施工安全体系完善改进起到了指导作用。9.设备安装1990年2月开始隧道固定设备安装。l991年底，部分隧道根据试车要求，提早进行区间短程低速运输。隧道掘进、施工和设备安装各阶段按计划完成，并投入使用。整个服务系统在1992年12月15日投入运转。英法海峡隧道于1993年6月15日正式对外开放，规划网络见图5。图5英法海峡隧道工程计划投入使用的规划网格三、海峡隧道盾构掘进机从隧道施工考虑，英法海峡隧道施工划分为12个区段。英国一侧有6个区段，从莎士比亚峭壁隧道工地开始掘进。法国一侧有6个区段，从桑加特隧道工地开始掘进。工程施工包括两个三条各自通至两个岸边终点的陆地隧道掘进和两个三条在英法海峡水下对接的海底隧道掘进，所有12个区段隧道都是采用盾构掘进机施工。为加速长距离海底6个区间段隧道的施工，这些盾构掘进机是根据连续施工开挖和衬砌独立拼装的要求进行设计的。所有盾构掘进机都配置ZED型激光测量导向仪。ZED型激光测量导向仪为盾构操作者连续提供有关盾构位置和轴线的数据信息，以便及时调整控制。共有11台盾构掘进机进行英法海峡隧道工程12个区间段的隧道掘进，其中4台盾构掘进机在海底施工。每台盾构掘进机长度为200m，造价大约为950万英磅。（一）英国一侧后构掘进机1.盾构掘进机分布英国一侧的隧道工程由6个区间段部分组成。使用6台盾构掘进机进行施工。其中两台由苏格兰詹姆斯·家登公司制造(11号区间段南面陆地铁路隧道的盾构掘进机和12号区间段北面陆地铁路隧道的盾构掘进机）。英国一侧的隧道工程开始在蓝色白垩地层中掘进（平均抗压强度在5～9MPa之间）。实际上英国一侧隧道工程和整个长度，都在该蓝色白垩地层中施工。1974～1975年进行的英法海峡试验隧道工程，长度为350m。根据该试验隧道所获得的施工经验和钻孔勘测调查，詹姆斯·家登公司设计制造的盾构掘进机，为开启式刀盘切削头形式。刀盘上装有滚刀和切削刀头。根据设计原理，盾构掘进机的切削刀盘转速是固定的，电动马达能在顺转或逆转方向上均有两种切削速度可供选择。英国一侧的盾构掘进机都是通用型的。开启式盾构机械前部设置全断面切削刀盘。服务隧道的两台盾构掘进机（直径分别为5.38m和5.66m）和两台直径8.76m的陆地区间铁路隧道的盾构掘进机，均由英国豪登公司提供。两台直径8.36m海底铁路区间隧道的盾构掘进机,由罗宾斯／马卡海姆合资公司提供。盾构掘进机在英国马卡海姆公司所属的切斯费尔德工厂制造。两台直径8.76m海底铁路区间隧道盾构掘进机所具备的一个显著特点，是配置了20只1260kN的液压干斤顶。每只千斤顶对角倾斜于邻座千斤顶，不需要使用另外的方向干斤顶，就能控制盾构方问和旋转。海底隧道三台盾构掘讲机的另一个特点，是推讲时即使遇上开裂地段或旧时钻孔，螺旋输送机亦可从盾构工作面撤回。以便关闭液压制动闸门，将涌入的水流同后面的隧道隔开以防水淹。盾构掘进机环形间隙的周边密封也将封闭。海峡隧道施工时所有的盾构掘进机运行正常。由于海底盾构掘进机在块状结构地层中施工，需要对盾构工作面周围进行注浆加固，所以盾构掘进机需要在某些方面进行改进。2.防淹装置英国一侧的盾构掘进机在施工时，开挖工作面没有机械支撑，出上直接通过皮带运输机运出。为预防不可预见的水流涌入隧道，对盾构多处组合细节进行了改进。皮带运输机可在几秒钟内缩回，隔舱的开口部分能自动关闭。英国一侧的陆地隧道盾构掘进机，没有自动缩回关闭作业装置，因为陆地隧道遭遇水淹的风险极微小。罗宾斯／马卡海姆公司的盾构掘进机，在海底遭遇水流施工时，一种宽200mm的钢板制扇形叶片从切削头后面呈辐射状伸出，将盾构操作区四周封锁起来。但是来自暴露区地层中的水流仍然会在盾构撑脚密封处和最后一环衬砌之间的空隙通入。为防止这种情况发生，可将钢板制的防护叶片从盾尾处合上，构成这个空档的临时密封护壳。除了采取这些措施以外，主撑脚上的自动保险装置会产生足够的压力，崩破岩壁，将盾构掘进机楔进隧洞内。同时也需在盾构掘进机和衬砌空档之间的指状支撑上，设置一个罩盖，以防楔形岩块下坠落入隧道。但是"指状"支撑在初始实施时，因涨开式衬砌而受到限制和陷落。为缓解这个难题，在指状支撑之间，设置薄型不锈钢叶片覆盖，这样盾构掘进机在这种恶劣地层中向前掘进500m后，进入较好的地层。3.盾构液压撑脚英国一侧的盾构掘进机使用液压将撑脚装置伸出，支撑在地层上。盾构切削头的撑杆也后靠在撑脚装置上。这样，盾构掘进机就能协调地向前掘进，隧道衬砌也因而向前延伸。只是在软土地层中，撑脚装置和切削头之间的推力转换受到限制，需要通过辅助液压千斤顶来转换推力。宽1.5m的钢筋混凝土管片，设计成不串螺栓的栓接衬砌。在管片接缝处，设置海露罗苔特膨胀密封带。衬砌管片在盾尾后面进行拼装，在楔形封顶块拼上时，管片背部就紧贴岩壁。詹姆斯·豪登公司制造的盾构掘进机，用于7号、10号、11号和12号区间段隧道施工。这些盾构躯身分为两节，套筒接合，盾构前面一节可由旋臂把手操纵控制。罗宾斯／马卡海姆公司的两台海底隧道盾构掘进机，由切削头后面的推进千斤顶操纵。沿盾构掘进机周边成对排列的于斤顶，由双联式液压泵送系统操纵控制，每对千斤顶呈"V"型对着盾构掘进机的后面。11号和12号区间段陆地隧道的豪登公司盾构掘进机切削头，配置8条切削扭臂，上面装有236个滚刀。滚刀装配在一个直径为5m的罗特·艾达整体旋转式轴承上。两台罗宾斯／马卡海姆公司的盾构掘进机，用于英国一侧8号和9号区间段海底铁路隧道的施工。每台掘进机都是由长15m的双节式盾构组成。盾构切削头的支撑部件，包括一个回转环主轴承，盾构切削头就安装在这个主轴承上。这个切削头支撑部件是固定在前部盾构上，前部盾构装有主要千斤顶和10对角度千斤顶。这些千斤顶的行程跨越前部盾构和后部盾构之间的空档，并操纵控制盾构掘进机向前推进。两套撑脚垫块具备三点撑脚作用，以密切配合盾构掘进机保持在设计轴线高程。根据设计，这个三点撑脚的中间点正好处在仰拱之间。这样设计的三脚撑就更加稳固，而且在盾构掘进机推进前方空间位置不太大的情况下，让液压杠杆装置发挥作用。4.出土输送出土由门式移动吊车作业范围的系列运输机送出，装入姆霍瑟侧面倾卸车。出上倾卸运输是朝反方向的，所以只有一半车辆装满，然后重复反向出上倾卸运输，再让剩余出土装车。为满足大部分出土运输的服务需求，在盾尾车架后面的吊机架下，留出足够的空间，铺设双线轨道，以便同时让一辆运土列车进行装土，另一辆运土列车进行运输或在莎士比亚峭壁地下废土仓进行倾卸。5.衬砌拼装由于英国一侧使用两种不同类型的盾构掘进机，其管片的提升用销钉位置也不同。詹姆斯·豪登公司的盾构掘进机，使用两只有角度的销钉，串入管片的一对孔内。罗宾斯／马卡海姆公司的盾构掘进机的管片则设置单只销钉。詹姆斯·豪登公司的陆地隧道盾构掘进机，使用瑞士罗瓦设计的拼装系统。该拼装系统主要依靠2辆沿15m长的三角形框架两侧运输的有轨运输车，将所有管片贮存在隧道底的仰拱部位，管片在此提起。双头拼装机的工作运转范围为200°，但其中的一个拼装头工作时，其运转范围可增至380°。每环衬砌由8块管片组成。其中1块重7.7t,5块重5.st，2块重1.8t，封顶块管片重1.8t。4对组合千斤顶将未拼好圆环衬砌的上部管片，保持在适当的位置，直至封顶块管片拼装到位。拼装机除设有专用的动力装置外，还安置拼装防撞装置。两台罗宾斯／马卡海姆公司的盾构掘进机，使用4台独立工作的管片拼装机。管片是从上部管片运输线或从下部管片输送线运送到位。2台仰拱拼装机从下部输送线集合3块管片,提取就位，并提抓封顶块管片准备拼装就位。完成后，上部输送线运送剩余的5块管片。由另外2台拼装机进行集合和就位拼装。衬砌管片以交错排列的形式进行拼装，仰拱管片就位比上部管片就位至少提前一环。6.盾构对接1990年10月30日，英法海峡服务隧道经过近两年的连续掘进，英国一侧豪登公司盾构和法国一侧罗宾斯公司盾构，在海底离对接相距100m时停止了推进。在两台盾构之间，用直径60mm的探头进行钻进。这个钻孔距英国莎士比亚峭壁隧道工地22319m，距法国桑加特隧道工地15618m。钻孔的凿通，标志着英国和法国之间自冰期年代以来这两块土地首次连在一起。随后，英国一侧豪登公司的盾构掘进机偏离施工轨线，进入隧道旁侧，报废埋入混凝土里。法国一侧罗宾斯公司的盾构掘进机再推进60m后，进行拆卸整修，并运回地面。最后的对接施工，由坑道挖掘机和人工风钻来完成。（二）法国一侧盾构掘进机法国一侧的隧道工程开始是在含水的白色的灰色白垩地层里施工，然后进入完全不渗透的蓝色白垩地层。这个地层被认为是隧道工程施工理想的中间地层，因而法国一侧的盾构掘进机采用土压平衡式设计方案。盾构施工作业面，无需任何的支撑措施。法国一侧使用了土压平衡盾构掘进机，施工中要对付的地下水压力高达0.95MPa，由于隧道要经过多处自然断裂地层，采用这种盾构掘进机是合乎实际的。法国一侧的海底服务隧道盾构掘进机的一个显著特点，是配置了一个套筒式能伸缩的切削刀盘。这种能伸缩的切削刀盘可在盾构前面掘进。在这种难以施工的地层里，盾构掘进机只能采用闭胸式施工。盾构掘进机的尾部周边密封装置是使用4道涂上油育的钢丝刷。法国一侧的土压平衡盾构掘进机。在最初6000m海底服务隧道施工中，经历了极其困难的阶段。在这6000m里，1号区间段海底服务隧道处于含水软土地层时遭遇的最大地下水压力达0.92MPa。1.盾构掘进机分布法国一侧隧道工程共有6个区间段，使用5台盾构掘进机。其中1号区间段海底服务隧道使用一台美国罗宾斯公司的盾构掘进机；2号区间段北面海底铁路隧道和3号区间段南面海底铁路隧道使用两台罗宾斯/川崎公司的盾构掘进机；4号区间段陆地服务隧道使用一台日本三菱公司的盾构掘进机；5号区间段北面陆地铁路隧道使用一台三菱公司的盾构掘进机，掘进结束后，再进行南面陆地铁路隧道的掘进，见图6。2号和3号区间段海底铁路隧道，使用罗宾斯/川崎公司的盾构掘进机。盾构掘进机设置侧向撑脚锚壁系统，能用于较硬的蓝色白垩地层中施工。1号、2号和3号区间段隧道的盾构掘进机，都有一个铰接，铰接的盾构前部直径小于盾构后部，以便液压千斤顶操纵控制工作。4号和5号区间段隧道的三菱公司盾构掘进机，也同样利用千斤顶控制盾构方向，显示出高度的机动性。图6英法海峡隧道工程由12个区间段组成2．盾构形式法国一侧1号区间段隧道的罗宾斯公司盾构和2号、3号区间段隧道的两台罗宾斯/川崎公司盾构，设计为一种既能应付坚硬岩层又能适应软弱地层的混合式盾构掘进机。能进行开启式和阔胸式掘进施工。开启式施工时，盾构掘进机如同岩石钻进机一样，使用带有圆盘式滚刀和靠后30mm装有刀头的切削头。切削头向前掘进时，盾构躯身保持锚固不动，出土通过螺旋输送机传送到链动输送机上，再送至轨道装土车，最后送到桑加特工作井底的泥浆处理装置里。真空管片拼装机在盾尾延伸范围之间进行圆隧道混凝土衬砌拼装。在衬砌拼装同时，盾构掘进机在施工人员的操纵下，可不受干扰地连续向前掘进施工。闭胸式施工时，1号区间段隧道的盾构掘进机切削头缩回，螺旋输送机末端的释放闸门关闭，将工作面同盾构掘进机的其余部分隔绝。盾尾和隧道衬砌之间设置5道充满油脂的钢丝刷，主要起密封作用，可防止水流从盾构掘进机后面涌入隧道。为确保密封防水，注浆料在有效压力下通过灌浆泵注入衬砌和盾构之间的环带，油脂也在压力下挤入密封层内．切削头向前掘进时，盾构掘进机紧随其后，通过20只液压千斤顶推离后面隧道衬砌向前推进。两台活塞排泥泵将出土从高压舱内向外送到常压区段。每一环掘进行程完成后，进行隧道衬砌的拼装，然后根据施工组织设计计划书的要求，对1000m后的隧道衬砌进行压浆。1号区间段隧道的最后5000m衬砌拼装时间，每环需用13min。月度最高推进速度为1032m(1990年5月）。罗宾斯/川崎公司的2号和3号区间段隧道掘进机，为铰接盾构，各自长14m，盾构切削头配置49个单头圆盘滚刀和232把刮齿.这两台盾构按设计要求在开始掘进阶段的软土地层中进行气压施工，能承受1.5MPa的压力．待盾构掘进机一旦通过承压含水地层，就可转换成开启式无气压施工。开挖出土是通过两节长15m、直径分别为1．4m和1．Zm的阿基米德式螺旋输送机运出。两节螺旋输送机的运转方向相反，因此通过其中一节的变速，将出土压缩进入一个变动的土塞区段．改变螺旋输送机的速度，还可使出土的含水量保持正常不变，而可不管土的原来的状态如何，见图7。海峡隧道掘进机分布和性能情况见表1。3．土压平衡盾构出土从盾构切削排出的土，通过螺旋输送机进到活塞卸上装置，活塞卸土装置能使所出的土保持在较低的压力。因为从切削头排出的土，其压力可能高达1．IMPa．而皮带运输机都处于大气压条件下。在陆地隧道施工中，盾构掘进机一直处在含水地层中。自由端头螺杆使粘稠泥土在开挖舱底部聚集．有两个特殊装置装在两节螺杆上，使得压力下降。一个是套管旋转器，部分靠近套管旋转器的螺杆在旋转时可使压力降低值增加，另一个是对螺旋输送机后面的排放闸门进行控制，用以控制排放到皮带运输机上的出土量。服务隧道的盾构螺旋输送机，设置第二节螺旋输送机，与第一节螺旋输送机配套使用。图7法国一侧的海底铁路区间隧道采用罗宾斯/川崎公司的盾构掘进机海底一侧，隧道的较大部分都位于干燥地层中。开挖出土都是由安装在切削刀盘边缘的铲头挖集，然后倒入盾构掘进机中心轴下面的螺杆进口槽筒。安装两个分隔装置，进行降压。服务隧道盾构掘进机，两个活塞进出装置安装在螺旋输送机出口，各自形成一个上舱。螺旋输送机的交替排放，形成一个半连续性的送上状态．随着活塞汽缸的退缩和出口闸门的关闭，螺旋输送机出土借助其重力排落．铁路区间隧道日本川崎公司的盾构掘进机，也安装了两节串联螺旋输送机。第二节螺旋输送机的旋转减速及其相对于第一节螺旋输送机的退缩，使在第一节螺旋输送机和第二节螺旋输送机之间产生土塞。土塞形成后，第二节螺旋输送机继续转动，出土临近土塞时，转速增快，使出土顺利排出。出土从第二节螺旋输送机的出口排落在皮带运输机上。开挖舱内压力甚小或没有压力时，第一节螺旋输送机将直接进行排土。然后，出土通过皮带运输机，送入盾构掘进机后面的轨运装泥车里。盾构掘进机开启式掘进施工时，出土不经过两节螺旋输送机路线，几乎直接落在主要皮带运输机上，然后再倾卸在辅助运输机上。开启式和闭胸式两种施工法的出土途径相同。出土跟随输送机排入装土翻斗车内，然后再送至桑加特料坑．在此，将出土倒入大桶，再制成泥浆，用泥泵送到位于方德彼得诺的弃土堰．2号和3号区间段海底铁路隧道的盾构掘进机，距前面的1号区间段服务隧道盾构掘进机约有2000m。保持这样的距离有利于对1号区间段海底服务隧道盾构所遭遇的水流涌入地段，通过衬砌实施压密注浆．2号和3号区间段隧道的盾构掘进机在开启式掘进施工中，使用盾构躯身前部的6只液压撑脚和躯身后面的4只液压撑脚．撑脚张开锚固时，16只推进行程为1.65m的千斤顶开始工作，使用可延伸的切削头向前推进。盾构将撑脚收回后，依靠盾尾衬砌的反力，使盾构自身向前移动。英法海峡隧道盾构掘进机分布、性能及最高掘进速率表14号和5号区间段陆地隧道掘进机是泥水盾构，由日本三菱公司制造。当采用闭胸式施工时，盾构除了设有两节阿基米德式的螺旋输送机外，还使用了套管旋转器，主要用作减压系统。4.衬砌拼装法国一侧的隧道衬砌是采用预制混凝土管片构成，用螺栓联接。衬砌管片均在盾尾内进行拼装，这是与英国一侧不相同的，英国一侧衬砌直接背靠在白垩地层岩壁上。海底铁路区间隧道，每环衬砌由5块8t重的管片和1块封顶块管片组成。6块管片由载运列车运送到铁轨端头，然后由高架管片运输机提起，送到拼装位置。真空举重臂再将管片递送给两台独立工作真空拼装机的其中一台，真空拼装机将管片拼装就位，见图8。图8长15m盾构和长220m盾构车架重约1350t四、海峡隧道掘进施工英法海峡隧道工程由三条平行隧道构成，相邻隧道中心轴线相隔15m。两条单线铁路区间隧道内径7.6m；中间一条服务隧道内径4.8m。每条隧道长47km，其中37km建在海底。三条隧道之间由横向通道连接。这有利于隧道撤空、电器设备安装、泵站建设和隧道内的气流循环。法国一侧的英法海峡隧道工程在布欣克地区开始动工，布欣克地区距海岸仅3200m。隧道穿越海岸东面的桑加特村庄，计划在距桑加特隧道工作井15.8km的海底深处，同英国一侧的隧道进行对接。（一）盾构初始推进在膨润土水泥防水墙内，建造一个直径55m、深65m的工作井。这样的设计能确保在干燥条件下开始工程建设，也能进行自动化工业装卸设备的安装。盾构掘进机部件从地面吊入工作井进行安装。起初盾构掘进机长度为190m，然后逐渐增长至240m。这个新建工作井随后改为施工人员的进人口。1.经由地质情况法国一侧海峡隧道都在白垩泥灰岩地层中掘进施工。白垩泥灰岩在多佛和桑加特之间形成一个连续不断的均匀厚层，白垩泥灰岩层和下部的白垩纪砂岩层之间被泥灰质粘土层分开。海底隧道线路设置在蓝色白垩岩床上，蓝色白垩岩床属塑性地层、中等渗透，粘土约占25％，适合于盾构掘进机开挖地工。这种蓝色白垩岩地层在将近法国海岸时，就急剧下降到海岸下面，而隧道则往上穿越上层具有渗透性的灰色和白色的白垩层，一直通至隧道出口处。总体上讲，法国一侧的海底地质情况要比英国一侧的复杂，而且又拥有多处断层，海底隧道线路穿越多处含水的蓝色白垩地层。该处地层倾角从英吉利海峡北面起开始逐渐增大。2.技术措施在隧道掘进中，采用了能进行闭胸式施工的盾构掘进机，因为这种盾构掘进机能在恶劣地层或含水地层中施工，无需事先实施地基加固处理。在海底复杂地层中施工时，使用混合式盾构掘进机。这种盾构掘进机在良好地层中能转换成开启式进行高速施工。当地层水压力高或条件差时，采用闭胸式盾构法施工，用液压千斤顶推在盾尾已拼装好的隧道衬砌上，使盾构掘进机向前推进。这些后位推进千斤顶固定在装有套筒头的前部盾构上。当地质条件良好和水压降低或无水压时。采用开启式盾构法施工。盾构掘进机通过后盾上的侧向液压撑脚向前推进，隧道开挖掘进是套筒式可延伸切削头沿线向钻进。每次推进工作结束，侧向液压撑脚就缩回，盾构再推离已拼装好的衬砌管片，向前移进。这些衬砌管片是在盾构开挖时拼装的。五台盾构掘进机在桑加特隧道工作井内安装。三台盾构掘进机从桑加特隧道工作井朝海底方向掘进，在15800m处同英国一侧的盾构掘进机对接。另两台盾构掘进机用于法国一侧的陆地隧道，第一台盾构掘进机为服务隧道掘进3200m才能抵达隧道出口，第二台盾构掘进机用于两条铁路区间隧道的掘进。3.服务隧道超前探测作用服务隧道在英法海峡隧道工程中起着超前导洞的作用。在盾构掘进机里面，实施掘进钻探和对地层特性进行量测，并记录地质条件情况。同时也在盾构掘进机后面进行调查研究，以查明位于上部的蓝色白垩地层和位于下部的泥灰质粘土层等地质情况，见图9。图9服务隧道超前探测作用在隧道掘进施工中，遭遇极其恶劣的地层和盾构掘进机发生问题时，根据需要对隧道实施全断面注浆加固。横向通道施工时，也同样可在服务隧道里，向铁路区间隧道的路线上进行注浆加固。这种施工设备也用于对连接铁路区间隧道的横向通道路线进行注浆加固。隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片，衬砌周边上设置氯丁橡胶接头。盾构向前推进时。对隧道衬砌和地层之间的环形空间进行注浆，以确保隧道衬砌圆环在原地牢固地稳定住。注浆是通过设在盾尾部位的管道，直接对盾构掘进机后面进行注浆加固。盾构全断面切削大刀盘在电动马达的驱动下，进行开挖掘进。旋转切削大刀盘上配置8条扭臂，上面装有一些中心切削刀头。扭臂和中心切削刀头用于支撑并切削地层断面。8条扭臂的未端装有刮凿，用于刮凿地层和开挖舱内堆聚泥土。朝陆地方向推进的盾构掘进机配置一个中央螺旋输送机，有利于在潮湿地层施工时，移去白垩层土塞。在陆地一侧的隧道，旋转切削刀盘由整体盾构带动，隧道长度在圆体盾尾后面延伸，预制衬管片就在盾尾内拼装。旋转切削刀盘、盾构和盾尾在掘进施工时，是通过液压千斤顶推离已经拼装好的隧道衬砌，向前移动。在海底一侧的隧道，旋转切削刀盘由盾构前部导向控制的套筒式切削头带动，液压千斤顶对盾构的后面部分施加压力。后部盾构四置恻向液压撑脚，在盾尾内进行衬砌管片拼装，并向前推进。隧道掘进施工表明，白垩地层的状况有着相当大的差别，差别取决于地层中的粘土和含水量、断层的地下水状况。这就德要在盾构切削头机械工具的定位和掘进方法等方面多加完善。其它的适应改进措施也是必不可少的。特别是碰到相当干旱的地层，需要采取干出土。这种相同情形也可能存在于英国一侧的蓝色垩地层中。（二）盾构穿越含水断裂层英法海峡隧道工程施工的全部长度中，除由6台盾构掘进机施工的隧道工程长度以外，还需要设置一些其它长度的隧道工程。其中，横向通道有306段（总长2.8km）和在中间服务隧道顶端跨越过去的、直径2m的活塞式泄压风道工程（总长2.5km）。英法海峡下面设有两座泵站，一座建设在6km处，另一座建设在13km处。这些复杂的结构，包括一个与上面三条隧道成直角的集水井，隧道之间设有两个泵房。所有的盾构掘进机运转良好，但海底服务隧道推进到1km后,遇上极其难以对付的地层。水流通过严重开裂的地层，冲刷着四周的碎石泥块，导致地层形成楔形状，直接坍落在盾构掘进机的尾部。针对这种情况，即采用"指状"支撑，但是，衬砌被涨开时，这种支撑会不断陷落、歪扭和拉落。为解决这个难题，在指状支撑之间，设置了不锈钢板。然而，这种技术措施仅在5km外意外得到改善地层里相当有效。海峡铁路区间隧道在相同地段中，也经历了甚至更加严重的困境。有效的技术措施是在盾构施工的服务隧道里，朝这个地层注射以二氧化硅为主体的化学装。盾构化学注浆的最后效果是盾构最后700m掘进时，在情况更加严重的地层中形成一个保护外壳。；两种不同类型的盾构掘进机，其管片的提升用销钉位置也不同。詹姆斯·豪登公司的盾构掘进机，使用两只有角度的销钉，用液压动力将其串入管片。罗宾斯／马卡海姆公司的盾构掘进机的管片则使用设置单只销钉。另一个日益严重的问题，是碎石泥块坠落或被水流冲刷到盾构掘进机的机顶上，并自然堆积在盾构掘进机外壳上。外壳上的碎石泥块又被挤压成人造岩块。必须用气铲将这些坚硬的人造岩块铲除，因而延长了圆环衬砌的施工时间。为彻底消除自然堆土，应用了有弹簧装置的刮土器。（三）盾构掘进效率盾构掘进机一直处在工作状态，第一条陆地方向的隧道于1989年4月凿通。陆地方向的4号区间段服务隧道盾构掘进机，在3Pa压力下的含水地层中，其安全可靠的掘进工作效率得到验证，并在隧道凿通前最后一个月施工中，又创下了月度掘进887m的纪录。1号区间段海底服务隧道盾构层进机，在艰难通过难以对付的地层之后，每月可保持掘进50多米的平均速率。2号和3号区间段海底铁路隧道的盾构掘进机，设法通过灰白垩地层，并解决了粘稠土层的开挖问题，未让粘稠土充塞盾构切削刀盘。由于服务隧道的施工经验，铁路区间隧道施工获得了一个令人满意的掘进速度。2号区间段北面隧道盾构掘进机，在隧道掘进施工第6个月中，月推进350m。3号区间段南面隧道盾构掘进机，从第二个月起月推进200m。全断面密封舱盾构掘进机能确保高速隧道施工。朝海底方向推进的隧道在开启式盾构法施工时，推进速率达4.4m/h；在闭胸式盾构法施工时，当盾构掘进机承受最大压力达1.1Mpa的条件下，推进速率为3m/h。从法国桑加特竖井工地向陆地方向推进时，服务隧道的盾构推进速率为3.5m/h；两条铁路区间隧道的盾构推进速度为3m/h。英法海峡隧道工程掘进的速率不断变化着。但海底服务隧道的每周平均掘进速度在150～250m之间，而海底铁路区间隧道的每周掘进速度为265m。施工进度能达到这样高的效率，关键是对盾构掘进机的有效使用率，如螺栓对准机械和电气问题等实施了电脑分析，再制定机械保养和维修的指标。由于应用了电脑，盾构掘进机有效使用率达到了90％。盾构专家认为，长距离隧道的整个掘进系统，其有效使用率达到60％是最合适的。尽管遇到这种或那种困难，但盾构掘进机仍然按原定计划在1991年年中完成掘进施工。（四）服务隧道海底会合和铁路区间隧道贯通情况服务隧道挖掘进入法国境内，法国一侧的隧道掘进机避让到一侧，让英国一侧隧道掘进机向前掘进靠近贯通点。英国一侧的海底服务隧道同法国一侧的隧道会合还剩100m时，英国盾构掘进机上的试探钻继续向前钻进，直到同法国一侧的盾构掘进机接头为止。对钻机凿通的位置进行了量测，英法两侧隧道平面位置相差0.5m，隧道的高程位置相差仅50mm。英法海峡隧道工程的成功对接得益于量测技术的发展。随后，英国一侧的盾构掘进机停止向法国一侧掘进。采用台架式Craelius试探钻机从英国一侧向法国一侧开挖一条通道，开挖足够长后，拆除豪登公司隧道掘进机，将尾壳留在原地。在以后某个时间，盾构掘进机将报废并埋进混凝土里。而法国的盾构掘进机则进行设备拆除，部分机械设备还可以维修利用。英法海底隧道的最后对接段，用人工开挖一座隧道，先挖一个适当的洞室，再扩大到全尺寸，并用铸铁砌块进行衬砌。在首次贯通的位置镶嵌一块有纪念意义的壁板。根据衬砌设计的变化，贯通点的位置很容易区分，因为法国一侧同英国一侧的砌块有明显区别。英法海峡服务隧道于1990年12月初贯通，并在1991年2月底竣工，隧道掘进机创造了新的掘进纪录。在1991年3月，海底铁路区间隧道采用4台隧道掘进机开挖，完成总长度在5.5km以上。在英国一侧南端的区间隧道采用罗宾斯／马卡海姆直径8.36m的全断面掘进机进行开挖，在距多佛悬崖海岸16km处，仅一周时间（包括停工维修的时间在内）就完成掘进428m。铁路运行隧道的贯通方式稍有不同。北端铁路区间隧道的结尾工作在4月末进行。英国一侧掘进班已安装最后的混凝土拱圈和长约12m的铸铁拱圈，使隧道掘进机适应于向下掘进，在半径为350m的曲线上，隧道掘进机沿这条线路向前开挖，直到车架和车体第一节支架的大部分低于法国一侧隧道掘进机的标高为止。然后对由掘进机向下开挖成的拱部采用喷混凝土(用混凝土混合料）作为临时支护。下一步是将后车架下行到隧道内拆除，除第一节外，还拆除了一部分，使剩下一部分低于铁路区间隧道的标高，然后用轻质2400cm的含砂砾混凝土进行回填。设计这种回填模式不仅可埋掉英国一侧的隧道掘进机，还保证法国一侧隧道掘进机的正常掘进。法国一侧的隧道只需在英国拼装的最后一环拱圈的2m处停一下，然后拆除法国一侧的掘进机，仅留下头部的外壳，在外壳内安装铸铁拱圈以便完成隧道作业。同样，英国一侧南端铁路区间隧道的罗宾斯／马卡海姆隧道掘进机在5月19日开始掘进，以便使法国一侧能在6月13日完成作业。英法海峡隧道所有实际的开挖工程都提前半年完工。剩下的辅助开挖包括横向通道、活塞作用泄压风道、泵站和变电站，其施工情况良好，按原计划也都提前完成。距英国海岸7km处的海底渡线隧洞，在1991年中两条铁路区间隧道的隧道掘进机到达前就进行了开挖和初步衬砌，灌注了素混凝土的永久衬砌。衬砌厚度的范围从拱顶900mm起到边墙1200mm不等，端墙则用3.5m厚的钢筋混凝土修筑。当英国一侧采用新奥法开挖渡线隧洞时，法国更多地采用了新方法。掘进机通过该处后，修建了大约相似尺寸的隧洞。这是隧道工程中需要完成的最后的主要土建工程。这项工程位于距法国海岸约12km处的断裂白垩泥灰岩中。在洞室拱顶周围开挖了11个联锁区域和长160m的水平隧洞，将铁路运行隧道包围起来。这些小断面开挖可通过灌注混凝土作为初次支护和渡线室隧洞的衬砌．波线室隧洞将被开通，运行隧道的弓形块衬砌将被拆除而灌注混凝土永久衬砌来完成这项工程．详细施工方法将在下面章节中独立论述。中间服务隧道的开挖从入口坑道网和远高服务隧道的横巷道开始进行，这样修建铁路区间隧道能使额外增加的运输畅通无阻。英法海峡隧道的北线铁路区间隧道于1991年5月22日贯通．贯通误差为：竖直方向23mm，水平方向21mm．比1990年12月1日贯通的服务隧道的贯通精度有所提高．南线铁路区隧道于1991年6月28日贯通，贯通地点臣法国侧18．9km．贯通误差为：竖直方向32mm，水平方向Zmm．北线隧道是1988年12月开始掘进施工的，南线隧道是1989年3月开始掘进施工的。当初预计涌水多，地质条件差，因此计划掘进距离为16．3km．实际上开的掘进最初的1km，花费了数月的时间．后来速度逐渐提高，到贯通前的几个月，已达月进1000m以上，使工期大大缩短，掘进距离分别达20．0km和18．9km．结果从开始掘进到北线铁路区隧道贯通平均月进664m，最高月进1106m，南线铁路区间隧道则分别为685m和1177m．而英国一侧的掘进机施工，因涌水等使进度受到影响，实际掘进里离比预计的短．但从地质条件稳定后，曾创造月进1500m的高记录。平均月进：北线铁路区间隧道为667m，南线铁路区间隧道为764m．（五）盾构掘进施工详细资料隧道掘进开挖覆土、效率表表2注：①鹏隧道每一混凝土衬砌环由6如管片加1块封顶块管片组成，长度约1.5m，厚度为410mm（陆地）与270mm（海底）②运行隧道每一混凝土衬砌环由8块管片加1块封顶块管片组成，长度约1.5m，厚度为540mm（陆地）或360mm（海底）（六）轴线控制测量和贯通施工监测法国一侧和英国一侧隧道要在加莱海峡底下会合，这就产生了一个问题：即这样长的开挖长度没法设一个临时（测量）交会点，法国一侧的海底隧道要掘进16km，英国一侧的海底隧道要掘进21km。就是在这样长距离的海底隧道工程施工中，必须保持隧道在途中不遭受意外的事故，不能使施工停顿。1.轴线控制测量手段盾构掘进机的导向推进是一个面临的关键问题。必须考虑隧道竣工后，铁路交通列车通过隧道时两侧或上面所需留下的空隙，以及长距离隧道的弯曲度和斜坡度。尤其当英国铁路公司和SNCF的列车以及将来高速列车和欧洲地铁公司专列。运载着大量汽车和货车通过铁路区间隧道时，这个问题就显得更加突出。又考虑到衬砌管片制造和拼装时所需的空隙和隧道衬砌变形等因素，这个空隙可允许在±15cm之间。这就要求盾构掘进机轴线的推进精度达±5cm。服务隧道的盾构掘进机轴线的推进精度，在几个分米之间。这就需要英国和法国在隧道施工开始阶段就要进行盾构施工测量；使其保持栩度一致。建立一个特定坐标量测系统，通过应用纳斯塔计算机附属网络系统，使误差缩小，接近一个分米。服务隧道掘进施工结束之前，需要打测试钻孔，以确保最后100m隧道轴线的施工精度，同时保持隧道所需的限差。服务隧道限差的精确度不如铁路区间隧道限差的精确度。通过服务隧道对铁路区间隧道的地形测量，铁路区间隧道掘进的轴线精度没有出现任何特别问题。盾构掘进机的推进导向，与隧道应用楔形衬砌管片有着密切关系，隧道楔形环衬砌附随整个隧道的曲线。通过在四个可能位置上轮流调节封顶块管片，使楔形管片的位置可被移高或移低。图10显示渗透率、涌水量与钻屑返回物的典型超前探测图海底隧道掘进，盾构掘进机的推进导向是由ZED测量系统控制。ZED测量系统依靠激光追踪目标和计算，从设计轨线上测定盾构掘进机的自身位置，并设定盾构掘进机向前推进的位置。根据盾构掘进机所处的相对于理论轨线的实际位置，来确定下一步纠偏步骤，在制定下步纠偏步骤时，应考虑到隧道衬砌的线形特性和其它方面的约束，以最大可能来保证盾构掘进机尾部隧道衬砌的对中，以免影响盾尾衬砌的防水密封和防止盾尾表面和隧道衬砌之间不必要的变形。2．服务隧道超前导坑探测英法海峡隧道工程是当今世界是宏伟的地下工程项目之一。隧道总长近50km,其中38km位于海底以下，服务隧道对铁路主隧道的开挖起了超前导坑的作用·在服务隧道工作面前还作了超前探测，以确定潜在的大量涌水地段的位置。探测孔直径56mm，钻孔长度有时接近240m，定期监测涌水、渗透率以及钻探冲洗返回物．即冲洗水和岩屑的性质。图10为一个典型的探测示意图，将切割下来的岩屑试样在现场作显微古生物学分析，以确定隧道所处的地层层位．在英国一侧，探测工作占盾构掘进机停机时间的7％。几乎海峡的整个宽度都进行了上述的探测．在两条铁路运行隧道开挖之前，由服务隧道向铁路运行隧道拱部范围也进行了侧向探测见图11。这种侧向探测的频率取决于对潜在问题重视的程度。特别要注意在直接邻近服务隧道已经发现涌水量增大和岩土条件恶化的那些地段，探测间距应密集些。通常作取芯钻探井作压水透水性试验，以验证岩石质量与涌水量。在海底波线洞室施工开始之前，对其拱顶部位也进行了类似的侧向探测。除在隧道内进行探测工作外，岩土工程师还承担了对暴留出的工作面与侧墙地段（位于工作面后16m处）的一般地质描述分析工作．对于危险程度高的地段。如在超前的服务隧道中已出现过问题的地段，应予以特别注意。施工高峰期间有30个岩土工程技术人员参加地面和地下监测仪器的安装与监测工作，以及工作面的正规地质描绘（作了几千份记录）．探测钻进总长约32km，建立了计算机数据库，广泛使用了计算机成图、赤平投影图以预测岩土状况。图11服务隧道向铁路隧道拱部作侧向探测3．贯通监测情况1989年12月1日，英法海底服务隧道在里程41596m处最终贯通，从英国一侧开挖算起历时3年，距离21773m．贯通状况见图12。图12贯通时英国一侧盾构埋入地下（七）盾构掘进施工技术措施小结1.英国一侧两台海底铁路隧道掘进机的掘进速度总的说是令人满意的。英国一侧的海底服务隧道在岩质较好的白垩纪泥灰岩情况下，以每周超过200m的掘进速度．法国一侧海底隧道的掘进速度也一直比原计划稍快．英国一侧陆地服务隧道已在1989年10月比原计划提前贯通。2．在英国一侧的海底铁路隧道中出现困难。是因为它们正处在与服务隧道掘进机曾穿过的恶劣地层相同的岩层中．这段白垩地层的裂隙使围岩很破碎，在掘进机上不得不安装一种液压钢撑脚．这种液压撑脚在工厂中就被装在主隧道的掘进机上，但铁路运行医道的尺寸几乎是服务隧道的两倍，因此支撑这样宽的拱部效果不明显。3．裂隙增加了水的渗漏程度，这比其它问题更麻烦．为了解决这两个问题，采用改进掘进机后支承拖车的第一节，以便将注浆站放在前面．注浆能使工作面较密实，这样就能减少水的侵入，并能使掘进机撑脚板上承受的荷载减至最小。这些改进必须在掘进的同时进行，因为在这样的地层条件下，要使如此大的掘进机在停机一段时间后再起动是成问题的。也不想因为这些改进，影响掘进机遇到较好地层时发挥最佳速度的能力。这些改进完成后，由于水不能进入机器作业区内及液压撑脚上的压力较小，推进速度明显改善。4.英国一侧南边陆地铁路进行隧道的掘进机在1989年10月底前都在岩石中掘进。北边对应隧道在技术人员掌握了安装巨大的混凝土衬砌块的工艺后进展较快。隧道砌块最大的重9.5t，比相应的海底铁路运行隧道的砌块大。机械安装衬砌最重要的是平整、准确。正如服务隧道导坑所探测的那样，陆地隧道的地层条件是良好的。法国一侧海底服务隧道走出最恶劣的地层后，遇到的几乎都是白垩纪泥灰岩，一周掘进达179m。铁路运行隧道为横向通道贯通作准备，需安装铸铁管片衬砌，因而作业进度较缓慢，在重新采用混凝土管片后进度得到明显改善。5.法国一侧陆地铁路运行隧道刚通过开挖服务隧道时整治过的一个地段。因为掘进机的刀盘在白垩纪岩层中遇到了障碍，所以服务隧道掘进机前面的许多地段在开挖导坑时进行了处理。处理地层也是为了使主隧道前方对应范围便于开挖。由于被处理地段刀具磨损大，当铁路运行隧道掘进机进入被处理的地段时，有可能停机并进入掘进室检修刀盘、封焊及刀具的磨损情况。所幸的是在实际施工推进中所有情况良好，既没有大的维修，也没有更换刀具，掘进机得以继续正常推进。1989年初夏，法国一侧北边海底铁路运行隧道掘进机由于刀盘损坏，大约停机5周。中央部件被取出修理，并对它进行高强度焊接。陆地铁路运行隧道三菱公司盾构掘进机同时也停机约两周，定期停机检修，对中心刀盘进行高强度焊接。6.英国一侧的接触网供电系统，是一段时间来进展缓慢的诸多问题中的主要问题。加上机车运行所用的导电弓还有一些问题。如果隧道处于小曲线上时，要确保供电线悬挂结实是较困难的。7.法国一侧桑加特竖井井底的出土系统进行了修改。岩层是在竖井底部用水使之浆化后，再泵出竖井，运到2～3km外的沉淀池里。当海底隧道掘进机进入较好的白垩纪岩层时，保持泥浆有足够的均匀平滑性，从而达到有效的泵出效果。五、隧道衬砌结构设计为适应地层条件和设想的盾构法施工，TML集团设计组拟定了许多衬砌类型，见图13。英国一侧大部分地段采用扩张型的预制混凝土砌块，并考虑到变化的荷载条件，使厚度有所不同。也使隧道内径不一致，但大大节约开支，见图14。当碰到不利条件的地层，或需要不透水的衬砌，或是在接头处，则设计成用螺栓连接的球墨铸铁衬砌。图13隧道衬砌图14隧道建筑限界尺寸在法国一侧的地段，地层条件局部变化更多，采用重型预制混凝土的栓接衬砌。（一）法国一侧隧道衬砌由于法国海岸附近的白垩岩具有含承压水持性，法国一侧6段隧道不得不选用上压平衡盾；构进机施工。掘进机必须在密水条件下，为此必须采用螺栓联结的密水式预制混凝土管片衬砌。隧道衬砌必须在掘进机尾部盾壳之内拼装。当掘进机向前推进时，衬砌才能脱离盾尾。1.管片组成和拼装衬砌每环长度均为1.6m，每环圆隧道衬砌的楔形封顶块管片最先拼装，下半断面管片3块，圆心角均为72°其中一块是仰拱，两块是侧墙．拱部左右管片为66°中央一块棋形管片为12°。每块管片四边都有若干槽口。以容纳5个直径255mm的螺栓穿过．这些都是单头上紧，2根是横向连接，3根是纵向连接的螺栓。衬砌环拼好后，由它将聚氯橡胶垫完全压紧，起到密水作用。这些管片在盾构末端从平板车上卸下，一块接着一块由高架管片运输机送入到位．高架管片运输机系统是设置于出土皮带运输机的上方。管片用螺栓串接拧紧后，再用后部千斤顶压紧管片，确保隧道圆环管片的稳固。隧道在陆地一侧施工时，千斤顶的数量和延伸范围都允许在挖掘时拼装管片。盾构掘进机设置一台双头管片拼装机，需用24min．隧道在海底一侧掘进时，采用开启式盾构法施工，可同时进行管片拼装．盾构依靠侧向撑脚锚入地层进行开挖掘进，并同时进行管片拼装．在闭胸式盾构法施工中，掘进配置两台独立的管片拼装机．按设计要求，完成一环隧道衬砌的拼装，需用15min。2．衬砌壁后注浆在拼装之后，要求及时将盾尾后衬砌与地层间建筑空隙即衬砌背后的环形空间进行注浆充填。注浆压力取决于围岩地质条件和岩石固有的承压水压力。该压力为1～1．4Mpa。用插管注浆，插管上有带叶片型逆止阀的法兰盘接口，以保证全部空隙注满。注浆作业必须富有经验，熟练操作。注浆压力不能太高，以保证浆波不致从掘进机尾盾的三个接头点泄漏出来。如果发生泄漏，可能导致掘进机停止掘进．注浆凝固之后（最多3个月），所有联结螺栓都旅松。因为这样做可使衬砌管片与围岩间形成一个整体结构体系。这也使管片接头即便在拆掉螺栓之后仍处在受压条件下，并能密水。施工证实，法国一侧衬砌系统是非常理想的，适合于所遇到的地质条件，特别遭遇不利地层时，无需改变已采用的施工方法。3．管片制造海峡隧道法国一侧衬砌管片，在桑加特工地附近工厂制造，配有一套自动化拌和系统．总计要生产22．1万块B35型管片．工厂设4条钢筋作业线5条管片生产线。每条生产线上有44套模具，日生产管片400块。为确保混凝土充填密实，消除气泡，模具放在13HZ型振动台上振捣。拆模后人工修整表面。然后放在一个养护隧道内，在30～40℃温度下加温养护。法国一侧的衬砌管片与英国一侧的不同，上面不设吊钩，从工厂到衬砌工作面用吊车以吸盘搬运。每块管片外缘粘聚氯橡胶垫，拧紧接头螺栓就能确保接缝密水。管片在工厂制好后，存放10～30d，增加其强度。（二）英国一侧隧道衬砌海峡隧道大部分处于比较软的和不透水的下白垩纪泥灰岩中。最大埋深低于海平面约130m。而英国一侧的陆地段隧道，在地表以下165m中延伸。接近水平的海底线路最大坡度为1.1％，这样可使隧道尽可能地布置在最有利的岩层中。铁路运营隧道衬砌见图15。下白垩纪岩层含大量粘土，无坚硬底石结核，易于开挖。粘土胶结物的强度虽有变化，但仍为海峡工程的地下结构工程提供了所需的自稳时间。l986～1987年现场调查表明，英国一侧这种有利于隧道施工的岩层的厚度比法国一侧的厚得多。TML集团公司指定的莫特·麦克唐纳德公司为英国一侧隧道土建工程的设计公司。麦克唐纳德公司又聘请奥地利ILF公司为顾问子公司，负责新奥法施工的设计与监测，并雇用工程和动力开发顾问公司协助设计。卡斯尔山下服务隧道衬砌情况见图16。1.衬砌设计研究隧道设计使用寿命为120年，而隧道内设备及易受影响的材料都需要有25年的设计寿命。隧道衬砌设计也必须能适应两种不同的极限状态。第一，围岩对衬砌的作用，必须把衬砌与围岩间的相互影响、衬砌的变形、荷载的重分布（取决于衬砌与围岩的相对柔度与可压缩性）以及毗邻隧道之间的影响考虑进去。其次，计算必须按承受全部围岩及地下水荷载（仅允许少量地下水流入隧道）来进行检验，以保证不超过最终极限。图15铁路运行隧道衬砌图16卡斯尔山下服务隧道衬砌用于隧道管片衬砌的设计方法，是应用凯尔文粘弹性理论，并考虑了一些确定作用于衬砌上的围岩荷载的重要参数。在均布荷载的径向应力场下，这个模型用下列公式表达：式中，N一作用于衬砌内的环向荷载；λ一折减系数；γ一围岩塑性变形系数；θ－围岩瞬间（弹性）变形与塑性变形之比；T0－开挖与衬砌间隔时间；P。一围岩径向初始应力；Q一地层和衬砌的弹性模量（E，V）之比，对塑性变形作用的修正系数，等于衬砌半径与衬砌厚度之比值。2.采用球墨铸铁管片利用1975年在英国服务隧道和法国桑加特试验段的量测数据进行反分析，并用来核实主要的土工技术参数值。其中，下白垩纪新生成的泥灰岩的抗压强度，英国一侧为760～1400MPa，法国一侧为2000～3000MPa，塑性变形系数为1.0～1.6，围岩初始的水平／垂直应力比为0.7。用量测仪器对在1975年建成的英国服务隧道的试验段进行监测。为解释钢弦应变压力盒的量测结果，1979年和1986年曾进行过钻孔取样。1979年预测，1983年衬砌环轴线水平位置处的环向压应力，平均为3.4MPa。估计到1986年为3.4MPa左右。1986年对360mm厚的衬砌管片实测的拱弧内侧应力为3.8～.SMPa。说明环向压应力向洪弧内侧偏移了20mm。平均环向压应力刚好小于衬砌承受全部围岩压力和地下水压力情况下产生的内应力值的一半。这些测试结果表明混凝土管片不适用于运行隧道的高应力地段，也不适用于主隧道间的联络在向通道。高应力区及模向通道要采用密水型铸铁管片衬砌。考虑减轻安装重量和减小安装空间，采用球墨铸铁板预制成的管片。这些衬砌管片用螺栓联结，当隧道有超挖时，也容易安装。为使铸铁管片能够用到横向通道与正隧道相交的岔口隧道附近，而且其余的衬砌环仍为混凝土环，所以研制了一种复合衬砌。3.混凝土管片精度早期的一项试验是测试防钢筋锈蚀所需混凝土保护层的厚度，因钢筋锈蚀会导致接缝附近混凝土保护层过早脱落。这项试验获得了混凝土保护层厚度的折衷值(35mm）。混凝土管片铸造允许公差，必须保证衬砌曲线的径向接缝密贴，确保接触均匀井位于管片厚度的中间三分之一范围内。由于径向接缝曲线半径很大，为避免"扁平"，管片端头铸造价度定为0.2mm。其尺寸用电子扫描仪对照精确的理论面进行量测，管片体的翘曲精度要求在2～3mm范围内。即便只翘曲2～3mm也会影响接头的接触。管片制造精度对这种膨胀衬砌保证封顶管片的正确安装极为重要。混凝土保护层影响管片使用寿命。规定覆盖焊接钢筋笼混凝土保护层厚度的允许公差为±5mm。铸铁管片用机床加工，精度为0.5mm，必须对照经过精确加工的标准管片进行定期检查。拼装衬砌环时，圆度上误差规定为1％，以限制偏心。为保证混凝土管片接缝的整齐严密。接缝的错台不得大于20mm。任何纵向"张口"不得大于2mm。设计研究的下一个课题，是研究含盐条件下钢筋混凝土的寿命。虽然海底隧道现浇混凝土大部分是素混凝土，但预制管片却是钢筋混凝土。为了防止有锈蚀作用的氯化物浸入，研制了一种渗透系数和扩散系数极低的混凝土。4.复合衬砌结构英国一侧的隧道通过的围岩褶皱很少，含承压水的节理裂隙也不多。由于这些隧道处于不透水的地层中。因此决定采用柔性膨胀式衬砌作为英国一侧的标准衬砌。这种衬砌不可能完全防水；因此也不能承受周围全部静水压力，所以厚度比密水型衬砌薄。隧道之间有许多横向通道及连接点，这些都导致增加了衬砌的局部荷载及应力。这些横向通道的连接点最初是采用拆掉铁路运行隧道中的衬砌管片，再安装钢框架的方法施工。这种方法太费时间。后来就改用就地安装一组横向通道用的衬砌环的办法。按设计这些衬砌环的安装办法与安装标准衬砌环一样。当横向通道贯通后，将装在终端处一组衬砌环环口内的临时支撑板条拆除。由于有这个临时支撑板条，连接点的衬砌环的变形就可被限制在预定的量值内。后来铁路运行隧道与横向通道连接口的衬砌又进一步改进，研制了一种钢和混凝土的复合衬砌结构。围绕连接口的衬砌结构是建造在铸铁管片衬砌之内，而这些铸铁管片衬砌是装设在铁路运行隧道标准混凝土管片衬砌之内。因此，这个衬砌结构的每一环都是铸铁管片与预制混凝土管片的结合物。横向通道内径一般为3.3m，少数为4m，内径尺寸与服务隧道相近。这样大小的横向通道机械化作业受到限制，因此采用易于安装的轻型铸铁管片衬砌。5.泄医风道衬砌列车活塞压力作用，设计直径为2m的泄压风道，要求内壁光滑。因此在铸铁管片衬砌拱弧内侧，又设计了现浇混凝土内村。英国一侧的泄压风道的管片之间以及环间无联结螺栓，靠垫圈防水。6.衬砌监测新奥法的二次衬砌和管片衬砌的量测和监控具有双重检查目的。首先是为核实衬砌的动态是否与预计相符，其次是为