厄勒海峡固定联络线及其沉管隧道段的设计_甄士孝

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1、世界隧道 , 19 97 ; (6) : 4 一1 1 厄勒海峡固定联络线 及其沉管隧道段的设计 摘 要 : 荷兰的 工程师们很早就投入到丹麦与瑞典之 问1 6 km长的固定联络线的设计与施工上 。 在设计这条 将是欧洲最长的混 凝土沉管隧 道的厄勒海峡联络 线时 将 充分休现他 们 的聪明才智 。 从199 3年起 , 随道工程顾问 集团(TEC)就已经开始研究这个工程 。 近5 0年来在荷兰修建了2 4座以上 的混报土沉管随道 ,从 中积军的经脸和 知识可 以应用列这个工程上 。 本 文介绍了厄 勒海峡联绍线 的设计 , 特别是丹麦海岸与萨尔特岛之 问多格登航道下 的沉管隧道段的设计 。

2、关键词 : 固定联络线 沉管隧道段坏晚要 求设计方案比选 1 前言 19 91 年3月 , 瑞典和丹麦政府签订了在两 国之 间修建一条固定联络线的协议 。 这条厄勒海峡联络 线是 用来缩短两 国之间 , 特别是哥本哈根与马 尔默 之间的距离 。 这条联络线可望能促进经济及文化的 合作与发 展 ; 能创造条件使哥本哈根一马 尔默地区 成为一个最有吸弓!力的发展 地区 以及欧共体(EC) 北部最 重要的经济巾 心之一 。 这条收费的联络线也 将是整个厄勒海峡地区整体交通网的组成部分 , 这 个交通 网包括丹麦凯斯楚普国际机场周围的地下交 通工程以及连接丹麦和瑞典公路及铁路 网的连接线 部分(图l)

3、 。 已经组建了厄 勒海 峡联合公司来开发和 运营将 来的厄勒海峡 联络线 。 月麦和瑞典两 国参与该工 程 的是国营的A/S厄勒海峡 公司(丹麦)和SVE DA B A B(瑞典) 。 它们各占厄勒海峡公司5 0 %的股份 。 这条近1 6 km 长的联络线包括一条双向双车道 的公路和一条双线电气化铁路 。 它由一个人工筑造 的半岛 , 一座在多格登航道下的沉管隧道 , 一个人 工 群岛和 一个带引桥的悬索桥组成 。 厄勒海峡联络线 的总建造 费用 , 按 1 9 90 年的价格 标准为1 3 9 . 2 5亿 D K K(丹麦克朗) , 约合2 3 . 9 5 亿美元 。 自19 9 1年

4、3月协议签字以来 , 已组建了 厄勒海 峡联合公司 , 公审已通 过 , 顾间集团也已选定 , 设计 和招标文书也已准备 , 承包商也已选定 。 隧道的建造 合同和浚挖填筑施 工合同已于19 95年6月1 7 日签 - 订 。 这条联络线计划将于2。o年完成 。 本文主 要介绍该工 程的设计过程 , 论述厄勒海 峡联络线总的情况并把重 点放在 多格登航道下的隧 道段上 , 以及那些在隧道设计上的问题 , 以使隧道设 计满足在协议中列出的那些环境要求 。 厄勒海 峡 一 1曰 - 叽岛 一 、沙 , ,. 夕 叼 俐 心 萨 幼 长 触跳 人工双岛 高架桥 引桥 图1厄勒海峡联络线 2 当地条件

5、 .2 1 水力条件 这条固定联络线的定线位于哥本哈根凯斯楚普 飞机场与马尔默之间的多格登海槛之上 。 这个海槛 将卡特加特分层海水同波罗的海的淡盐水分隔开来 ( 图 2) . 厄勒海峡的水流条件受气候的控制 , 因为这 里没有明显的潮汐影响 。 风流和大气条件的经常变 化迫使浓盐海水进入而淡盐海水流出波罗的海 。 多 格登海水深度适中 , 在3 . 5一8 . sm 之间 , 局部地方 的深度增加到1 2 m 。 现在的多格登航道允许吃水 7 . 7m 的海船通过 . . 22 地理条件 厄勒海峡中的萨尔特岛正处在联络线中线的北 面 , 这个岛是一个重要的夭鹅和灰雁的换毛地 。 也是 绒鸭的

6、繁殖地 . 该岛及其周围水域是欧共体的鸟类 自然保护区 . 由于这个原因 , 把这个岛放到厄勒海峡 联络线的线路上是不允许的 。 因此联络线的水平定 线从这个岛的南边穿过并离此岛有足够远的距离 。 任何时候都不允许有 任何通道进入这个保护区 。 这个岛两侧都有航道通 过 , 在丹麦侧是多格登 航道 , 在瑞典的领海中有芬蒂尔登(lF in te r e n de n)航 道和准德尔登 (T rin delr en d e n )航道 。 . 2 3 地质条件 这个地区的基底地层是丹麦的碳酸盐沉积岩 , 它包含哥本哈根石灰岩和苔醉一珊瑚石灰岩以及有 限的 、 松散的表面冰川沉积物(图3) 。 哥

7、本哈根石灰 岩包含钙质砂 , 粉砂和 泥 土 , 部分已岩化 , 形成一个 沉积层 , 这个沉积层随着结核和隧石的夹层结合而 发生异质性的变化 。 哥本哈根石灰岩的顶部出现在 一.5。一. 9sm 之间的高层上 。 石灰岩层是水平成 层的 , 其顶上的51 0 m 都已破裂并有裂隙 。 沿着这 条联络线的中线 , 以砂 和砾石为形式的海相沉积层 覆盖在海底上 。 在多格登航道的浅水区部分 , 石灰岩 层上覆盖着第四纪沉积物 。 3 协议 在丹麦和瑞典政府之间签订的协议中和在丹麦 的公共工程条例中 , 已对厄勒海峡固定联络线的设 计和施工总条件作出 了规定 。 为此已确定了一个参 考设计方案 “

8、 KM 4 . 2 方案 (哥本哈根一马 尔 默 , 4车道公路和 双线铁路) 。 而最终设计则与参考 方案有很大差异 。 下面将讨论产生这种差异的原因 和最终设计的开发情况 。 3 1 “ KM 4 . 2 “ 方案 “ KM4 . 2 ” 方案的中线从哥本哈根飞机场(那里 将要建立一个人工半岛)一直到马尔默南边 的勒纳 肯(L ern aeken ) , 中间经过萨尔特岛的南边 。 从 90 0 m 长的人工半岛起 , 将采用一座长约2 00 0 m 的沉 管隧道跨过多格登航道 。 这座隧道止 于一座25 0 om 长的人工岛 , 这个人工岛位于萨尔特岛的西南 。 从这 个人 工岛的东端

9、, 固定联络线包括一些低架桥和一 座高架桥以跨过芬蒂尔登和准德尔登两条航道 , 其 总长为970 om 。 这条联络线的中线位于凯斯楚普飞机场的一条 起降跑道之下 。 这个方案取消了采用桥梁的方案 , 因 为这需要有很高的桥塔以便在航道上有较大的净跨 度 。 为此在协议 中要求用沉管隧道来跨过多格登航 道 。 联系所要选择的建筑物类型 , 对多格登航道的有 限水深 , 人工半岛的有限空间 , 以及异质的基土条件 等各个方面的间题都予以了考虑 。 “ KM. 4 2 ” 方案的中线示 于图4 。 在丹麦和瑞典 的海岸边 , 中线与陆上工程相连接 。 在丹麦海岸上 , 这些陆上工程中包括一座从飞机

10、场0 4 一 22号跑道下 人工半岛海岛 联络 线的位 释 一 一一气考二里遥 渔 监二二 二言已乒 歹 砚湘 湘 3 3 3橇鬓遥轰戛基 囊参 才缀缀 区 ,第四纪沉积物 姗 上哥本哈根石灰岩 巨中哥本哈根石灰岩 下哥 苔鲜 本哈根石灰岩 珊瑚石灰岩 图2厄勒海峡联络线现场的浓盐海水/淡盐海水的剖面 图图3 联络线的地质f f l J面图 曦曦子羚 , 一户尹 尹 图4 KM 4 . 2 参考方案 穿过的铁路 隧道 。 在KM 4 . 2方案中 , 铁路 置于高速 公路的南边 。 . 3 2 要求 协议列出了有关联络线的主 要要求 , 联络线由 一条双向的高速公路 和一 条双线铁路组成 。

11、铁路行 车的设计速度为20 0 k mh / , 管道的净高和净宽分别 为.61 0 m和. 65 0m 。 由于有货运交通 , 故最大坡度 允许为1 . 5 6 % 。 轨道的中心间距为4 . sm , 高速公路 的设计速度为12 0 kmh / 。 防护栏之间的宽度为9 . 0 0 m , 净高为4 . 6om 。 在多格登航道下 沉管隧道的竖向中线必须允许 多格登航道的深度能够在60 0 m 宽度范围内加深 到 一1 0mDN N(丹麦标准高程) 。 芬蒂尔登航道和 准 德尔登航道的净高则分别是5 0 m(3 0Om 宽度范围) 和32m(2 0 om宽度范围) 。 对引桥下的航行船只

12、, 净 空高度必须是高出平均高潮水位之上7 m 。 固定联络线的建筑结构必须按照现行的欧洲法 规和标准来设计 , 而 且最短设计寿命至少应为10 0 年 。 3 . 3 环 境 正 如协议所述 , 必须限制固定联络线对环境的 影响 。 对于波罗的海 , 不 允许改变诸如物理的和化学 的海洋环境或者生物学海洋环境 。 这就意味着 , 联络 线的施 工不能引起水流的任何减弱(即所谓的 “ 零 ” 解决) 。 正如通过水力 一 计算机模型所确定的那样 , 水 流的阻 碍(堵塞)被定义 为通过厄勒海峡流入和流出 波罗的海的海水水流有所减弱 。 对于这一计算模型 , 已经按现有情况 , 借助最近 几年来

13、大量的洋流和水 流量测结果进行了校正 。 对于厄勒海峡本身 , 只能允许有暂时性的和有 限制的环境影响 , 这将土要由浚挖作业所造成 。 浚挖 作业 会使粉砂 和 石灰岩颗粒悬 浮在海水中 , 这个 工 序也将会影 响海水光 照度 和水下动 植物 。 除此 之外 , 浚挖还将对产 贻 贝的海底 产 生不 良影响 , 对萨尔特 岛上 一鸟群 的繁殖产生不 良影响 。 由于 必要的填筑工 程 , 造成水 力条件局 部改变 的永久性影响是不可避免的 , 因而也是允许的 。 根据 上述这些信息 , 瑞典国家环境保护 局和丹麦环境保 护 局最后 断 定 , 必须根 据它对环境 的影 响来优化 KM4 .

14、 2方案 , 以便能够 : (l) 在进行补偿 ( e o mp ensatio n )浚挖之 前 , 使 水流堵塞的影响限制在1% , 这是用一个可靠的二维 模型计算出来的 。 余下的1%可通过补偿浚挖使之减 少到O% 。 ( 2)尽量减少在厄勒海峡中的浚挖 。 就沉积土 洒落而论 ,所有的浚挖都应受到严格的 限制 。 为此需 要有泥土洒落的控制和监测程序 。 (3 ) 通过避免对海槛的破坏以保持多格登海槛 的功能 。 对于KM4 . 2方案来说 , 其水 流堵塞为2 . 3% 。 这 就 意味着需要进行约1 . 1 7千万m 3 的补偿浚挖 , 以 便满足流到波罗的海的水流发生变化这一 环

15、境要 求 。 4 顾问集团的选择 4 . 1 选择过程 1 9 9 3 年春季 , 厄勒海峡联合公司进行了固定联 络线的工程 、 监测和监 理方面的招标 。 除了投标书所涉及的资金方面外 , 厄勒海峡联 合公司是通过 设计方案的竞争来选择顾问公司的 。 一些有资格的顾问集团都被邀请来为本工 程提供设 计建议 。 这些设计建议主要是针对KM 4 . 2方案以 及作为一个设计和施工合同如何来执行这项工程 。 协议中的一个主 要要求就是要按照 环境保护 来 优化KM 4 . 2方案 。 最后 , 这些顾问集团都被邀请来 提供一个比选方案 。 这些比选方案的目标是减少对 环境的影响 , 主要是考虑建筑

16、结构对水流的阻挡和 浚挖的不利影响 。 招标的结果是厄勒海峡联络线顾间集团(。 LC) 赢得了厄勒海峡联合公司顾问集团的位置 。 。 LC 是 由丹麦的R a mb叫l 、 瑞典的斯堪的纳顾间公 司 、 英国 的 51 : w ilxi an H a le ro w 乙 P ra tner s 顾问公司及荷兰 的隧道 工程顾间公司组成的一个联合公司 , 丹麦的 几 ;s i ng+ w i ei l t g n建筑师公司协助进行建筑设计 。 4 . 2中LC 的比选方案设 计 中 LC 比选方案设计将水流堵塞降低到1 . 4% , 补偿浚挖的挖方量减少 到 7 3 0 万m 3。 这些减少的结 果是通 过 下述几项来达 到的 : 将人工半岛的长度缩短 到60 0 m ; 将沉管隧道的 长度增加 到2 90 0 m ; 将人工岛的长度从2 so om 增加到4 20 om ; . 将跨越芬蒂尔登航道和准德尔登航道的主桥 跨合成一个单跨以跨过一条重新定线的航道(图5) 。 4 . 2 . 1 浚挖 通 过将隧道横断面的总高度降低到最小