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布莱顿污水道升级工程

作者:  发布:2015/2/1  浏览:
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摘 要:布莱登和候夫位于英格兰南海岸边上,几乎在伦敦的正南方。随着采纳了欧盟1991年颁发的城市污水指示,南方水务致力于新建污水处理厂的工作,为了替代既有的筛网过滤厂和至布莱顿以东的长距离排放口工程。考虑到许多地方具有众多杰出的自然美景,还有特殊的科研价值的场地等等多个区域,经研究大量方案,而执行该计划已经处于规划的第12个年头。作为计划的一部分,不可避免地需要隧道掘进,还有该地区以前的隧道工程出现过众多困难。于是南方水务决定吸取历史教训。

布莱顿

布莱顿位于白垩石山岭之中的干燥谷底,在其东边形成令人惊讶的海边悬崖。

在1700年布莱顿是一个位于英格兰南海岸不为人知的小村落,但到了1800年,他是英国最大和最受欢迎的海边胜地。海潮起落凶猛是由于2个原因:

1752年,理查德·鲁塞尔出版了《腺体疾病》,或者称为使用海水来治疗腺体感染的方法,很快变成畅销书。他主张水疗和饮用海水作为多种疾病和肌痛的治疗,而且还反映出了他实践的地点,鲁塞尔医生具体介绍了布莱顿的海水。

1783年,威尔斯亲王(后来的乔治四世国王)访问了布莱顿。他喜欢这里的所见所闻并买下了一座房屋,这个他后来转换成布莱顿行宫,并在每年在他的行宫廷度过大半时间。

布莱顿的下水系统赶不上人口的快速成长速度,在1800年,那时还有排放到海滩的粪坑和粗糙的系统,假如考虑到这个小镇受欢迎程度是基于喝海水的话,这不是一个好主意。

布莱顿隧道掘进

这件事由维多利亚时代的著名工程师约翰霍克晓勋爵落实,相当于现代的Brunel、Bazelgette和Stephensen 于1869年建议沿海岸建造一条截流下水道到Portobello排放,那时位于城镇东面大约6.4km。该计划将要建造大约11.5km隧道,其直径1.53m~2.14m.不等,都要穿过白垩石挖掘。

1871年,签订了一个施工合同,但是工作进行了只有5个月,承包商那时毁约,因为不能对付地下水入侵水量。该合同在3个月之后再发标,总额为571160美元(按照当时的汇率),计划最后在1874年完工。承包商报告损失了216800美元,因为挖掘困难,地下水达到68Ml (百万升)/天(或者800l/s)。建成的砖砌下水道质量杰出,而且到今天还在很好地服务那里的居民。

隧道掘进是到了1970年代才开始的,那时建成了一条长距离海边排放口顶替Portobello短程的海边排放口。调查研究表明地层中有坚硬的白垩石,并选择了一台敞开式盾构机,推进长1.8km、直径2.14m的隧道。大量的进水造成了施工的困难,在多个场合下要求在工作面前方构建一个临时堵墙进行预注浆。该项目再次发生了困难,于是项目交付使用也推迟了,并且超出了预算。

挖掘困难集中在隧道初步的三分之一的长度上(那里的进水情况是严重的,并且几乎是连续不断的)而最后三分之一(那里,但是个别的现象进水更严重),那么现在还可以为隧道下降并跨越各种白垩石层位时认出不同的节理图式。

维多利亚时代截流管道系统在暴雨时,有一些溢流暴雨进入到海滩。1976年欧洲海浴场水质指示要求这些管道拆除,并在1990年代,布莱顿和候夫暴雨隧道建成,这是直径6m的隧道,在海滩底下大概铺设了  4.7km。连接溢流到新隧道的涡流跌水井,如果流量减少,泵送暴雨水回到截流下水道,隧道当做蓄水库。

大量地层调查给了人们信心,在挖掘过程中将遇到坚硬的白垩石,为此选择了一台土压平衡盾构,这就是老的英法海峡隧道陆上段的TBM,经过扩展尺寸和改装,放进一台螺旋输送机。可是,再一次大量进水可能造成巨大困难,最明显地处在白垩石层位改变后,隧道的后一半路段。广泛的横卧板状燧石也会对刀齿和大刀盘造成巨大磨损,而因为进水,人工进去往往办不到,从而使大刀盘和辐条多次受损。因此,该项目又一次推迟完工并且超支。

该项目小组研究布莱顿隧道掘进历史,其详细程度远远超过在这里能描述的,并找出一些从过去能学到的教训,并简述如下。

地层调查

1990年代研究白垩石,揭示不同层位之间有重大变异,也就是造成隧道掘进条件的不同。因此本项目的地层调查包括详细的不连续性的记录、岩石分层测量、地质构造测绘、白垩石沉降测绘和解决方法的特征、危险分析等等,使得人们高程度了解可能的条件。

图1  布莱顿污水隧道历经风霜

隧道走线

早期隧道所遇到的问题到大多数与地下水进水有关,因而该项目小组力图使走线位于地下水位以上,而且要尽量做得符合实际。这个,他们已经通过引入中间泵站和建立一种垂直“锯齿牙”剖面办到了。具体参见图2。

图2  塞克斯让海水更清隧道垂直走线

让色塞克斯海水更清

塞克斯让海水更清项目包括在Peacehaven北面的农田里新建一家废水处理厂,现在大部分厂房已在地下建成而且盖上了英国迄今最大的绿化屋顶,并且把已处理的水排出到新建2.5km长近海排放口,这样需要大约长11km新建隧道见图3。

图3  色塞克斯让海水更清项目的各条隧道

新计划连接到位于布莱顿海边新建闸门房的既有维多利亚下水道。流量通过临时管桥(施工期内一直由此支撑着)在既有下水道内保持着。

一条长700m、直径顶管连接着1.8m闸门房和位于Marine Drive海边机动道路泵站。这分2次推进完成,海边门户(Marine Gate)从一个中间通风站到出入井,使用的是Costain队伍的洛瓦特M86土压平衡盾构。

隧道大部分是直径2.44m,并用2台洛瓦特经改装的土压平衡盾构挖掘,分4次推进。Ovingdean 和Peacehaven 工作井分别推进2次。Ovingdean 井的Alice(取名自爱丽丝梦游记),还有Peacehaven 井的Hollyblue(根据在白垩山区找到的蝴蝶而命名的)。

爱丽丝(Alice)盾构在2010年7月份始发,完成1.8km 推进,西去海边门户(Marine Gate),采用敞开式模式然后再改装成封闭模式,用Portobello推进3.6km,同时Hollyblue盾构暗挖2.7km,西至Portobello,再有1km 到 Friars 海湾端头井,用的都是封闭式,因为Peacehaven可能存在有地下水。推进率有时很可观,爱丽丝每12小时每班最高达32环(每环长1m),而Hollyblue超过37环这个数字,被本项目小组认为是螺栓连接和注浆衬砌环可能达到的最高记录。

最后0.9km隧道构筑时,由Joseph Gallagher公司采用新的伊势机泥水盾构进行直径1.8m顶管作业。盾构从一条长288m按照1:10坡度下降,再后克服600m半径垂直曲线,并进入位于悬崖脚下漫步道的临时井。在盾构抵达水下回收地区的疏浚沟,并拟连接混凝土管道至直径1.4m重型塑料管(这在事先已经铺设在疏浚沟内,再覆上回填土)之前,还要进一步挖掘660 m抵达海边,由此再有2km至位于放置海底的扩散管管段。

工作井注浆

延伸到地下水位以下的一些井,其中大部分均经过分阶段用超细水泥处理的井都是非常成功的,比1990年代计划所使用困难的水泥注浆要远远好得多。有2个例外,它们是Portobello井和Peacehaven井中施工决定不用注浆的那个。沉井时的进度明显地放慢,所花费的代价比不过所取得的节省。每个井的基底段采用顺序混凝土衬砌,取得了简便构筑隧道眼细部的全部优势。

额外的工作井

泵站地点所建额外的井为计划带来很大节省,可以让泵站施工继续进行不必等待TBM拆卸。短程的连接隧道的施工则用敞开工作面顶管法,用顺序混凝土衬砌法,或者有一个场合采用坑木支撑的导坑。

切割刀齿设计和磨损

结核状和平片状燧石一般发生在带状地层,位于挖掘经过的白垩层位所有地方,大约相隔1~1.5m。大块燧石的冲击可能造成脆性刀具断裂而粉碎的燧石变成及其有效的磨料浆,致使未受保护的钢制材料快速磨损。从1990年代挖掘暴雨隧道的TBM凿子设计中学习到,所建议的刀齿装上了较软级别的碳化钨而且顽强地保护其防止磨耗。大刀盘也用硬质表面全部防护。很少有刀齿在挖掘时受损,这也是1990年代那时候急迫的向往,那时刀齿每隔200m挖掘就需调换。

图4  当爱丽丝盾构在额外的接受井内回收时,Portobello泵站所处境况

合约的形式

《南方水务》本来根据缔约形式 IChemE 绿皮书(可补偿)招标,但是该行业对条件不满意,没有收到投标书。因为听到了风险分担的恐惧,业主转移到IchemE酒红皮书(目标成本)形式的缔约。这样确保了各方协作并履约良好。

利益攸关人管理

本项目一直在本地居民中造成强烈反应,在规划阶段时就遭受到坚决反对。因此,团队尽了全力与当地社区保持接触并投身于此项目。这是整个项目队伍努力和技巧的见证,在施工期间使得许多反对者转变成拥护者。

提问回答专题

Neville Harrison:(Mott MacDonald公司)

有关管片类型和沉井方法。报告人回答2.44m直径管片环长1m,并由6块锥形梯形管片组成,管片用钢纤维加强(除去有一短程路段位于干谷地下方)。所有工作井的上半部分用预制环构成,而下半部一般用顺序混凝土衬砌法构成,并且用现浇混凝土衬砌。

Bob Ibell:(英国隧道工程学会主席)关于IchemE酒红皮书的使用是否达成了原本拟定去做的事情。Craig Reade 回答说,目标成本是因为合同本来没有被以前合同中布莱顿所遭遇到的问题所困扰,亏/赢合同并没有“做得太难”,但是合作伦理的成功却是明显的。他又补充说,南方水务花去了大部分时间规划这个工程,只在施工期间才有些修改。

David Percival:( Atkins)关于既有流量的分流以及该系统是否照应到所有一切的暴风雨流量。报告人回答说,1990年代暴雨隧道拟想去汇集和存储暴雨流量,而新系统装有溢流装置可回到维多利亚时代的截流污水道(在海边)并进入位于Portobello的既有排放口。

David Court:(BAM Nuttall)说明他以前有过白垩石地层的经验并问及到该团队是否经历过弃土处置的困难,Craig Reade回答说,大约有181000m3的白垩石从隧道和工作井内产生了,最后百分百又用于有益处的再利用,其中结合了绿化景色、盖顶水泥厂和农地土壤pH值控制。可是TBM所造成的弃土,一种非常稀薄的土浆,而其定期处理要加入生石灰或者Dry-Add 才可以确保在运输过程中不会因弃土掉到路上发生飞溅。

Jean-Marc Barsam:(Halcrow公司)描述承包商和设计人Halcrow协同工作,而且报告人也同意这点。他也指明一条太小的隧道内挖掘的困难处境,这样小的隧道违反了HSE/BTS/PJA向设计师颁发的最小隧道直径和最大推进距离的指南。报告人描述,为了保持所需最小逃逸通道尺寸和为此要改装爱丽丝盾构后挂台车所遇到的困难。他们也指出隧道直径不是Halcrow公司的设计,而是南方水务的规划要求。

Phillip Wall:(Capita Symond公司)问及为什么在Ovingdean的TBM使用始发巷道,而在Peacehaven的TBM不是这样。Craig Reade 回答说,Peacehaven 的地下水情况如果构建巷道的话,太有风险,而且,因为完工后对建造始发巷道所取得的益处是否真能胜过其所花去的代价,这样的分析还是不能确定的。

Beata Bonin:(Halcrow公司)—提及到泵站工作井的施工分成预制环和SCL(顺序混凝土衬砌法),这是因为作业时井内还有水位,因此需要二次现浇衬砌。她建议还要对泵站施工做进一步的介绍。

Peter Murphy:(咨询师)傍晚时分,在结束本次提问专题之际,祝贺该团队能够在布莱顿进行四次隧道掘进,并且问到是否能立即拟定一种方法,以便能够容易地吸取教训。 Craig Reade 回答说通过发表论文和介绍报告,正如拟向ICE土木工程师学会论文集投搞的本文,使合适的信息传布开来。

 2012年3月

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