从沙漠到海洋——卡塔尔多哈深排隧道的建设之路

小编语

卡塔尔多哈的深排隧道是中东地区最长的深排隧道。隧道始于沙漠，终于海洋。一路之上困难阻碍众多，但来自 卡塔和奥地利的施工方还是提前58天完成了掘进工作 。 本期，小编就为大家介绍一下即将开通运作的卡塔尔多哈深排隧道建设中成功的秘诀！

工程背景

虽然卡塔尔地区主要是沙漠，但在 9 月至来年3 月的雨季中，卡塔尔地区时常会有暴雨天气。强降雨会连续数天，将严重破坏交通运输系统。加之，卡塔尔的多哈地区地下水位一直较高，这给城市建设带来了很多问题，并增加了建设成本。

有鉴于此，卡塔尔公共工程管理局计划新建一条深排隧道，旨在接收和运输来自多哈南部 270 平方公里的地下水和雨水。以解决上述问题。卡塔尔公共工程管理局还计划将多哈地下水位降低至负 3m，这需要通过不断排水来实现。

深排项目将收集和处理这些多余的地下水，然后将水安全的排放入海洋。排水隧道将在海底延伸 10.2 公里，并通过立管连接到扩散排放区。排入海洋的雨水和地下水符合环境要求。

项目难点

根据前期调查和项目设计，承包方在开始施工前，列出了多哈深排项目的三大挑战和难点：

1，地质问题

根据钻探信息和其他地球物理调查，TBM 将穿过三个地质地层：Rus 地层、Midra 页岩和 Simsima 石灰岩。

隧道剖面图

当TBM从一个地层过渡到另一个地层时，开挖面将同时包括两种地层。其中Midra页岩和Simsima石灰岩都被认为是不利于开挖的。地质问题中，可能出现的岩溶地形也是施工过程中的一个巨大风险。尽管招标时的岩土调查显示路线上没有此类地形。但承包商还是在TBM上准备了相关设备。

2，物流运输

只有一个通道的长隧道会带来许多后勤方面的问题，但再加上整个隧道有10.2 公里是在海床下挖掘的，更是加大了困难程度。如何确保隧道内物流能有效的将渣土运出隧道，然后将所需物资运进隧道，将是一个巨大的调整。施工方需要选择正确的台车和物料箕斗，并且对物流运行进行仔细的规划。

3. 地下水

在海床下进行隧道掘进，水是不可忽视的威胁。承包商首先要考虑静水压力对TBM的影响。其次，一些区域可能存在垂直向结构薄弱的问题，这些区域发生不可控进水的可能性较大。需要提前做好准备，以免造成严重事故。

施工前准备

承包商认为解决地质问题和由于垂直向结构薄弱而造成的渗水问题的关键是对沿线地下情况进行详细的探测。除了标准的钻探外，还进行了电阻率断层扫描测量 (ERT) 和地震反射地球物理调查(SRG)，两种不同类型的地球物理调查。

电阻率断层扫描测量 (ERT)：

电阻率断层扫描测量利用土壤/岩石类型和矿物含量等地质参数，以及岩石中的孔隙度和含水饱和度等数据，来确定二维或三维（2D 和 3D）的电阻率地下分布图。然后通过电阻率值变化以识别不同的地质单元。

地震反射地球物理调查(SRG)：

地震反射地球物理调查记录任何从地下结构反射回海洋表面的声波，当两种不同地质材料之间的边界发生密度或速度变化时，通常会发生这种声波反射。声波是通过众多水听器记录下来的，这些水听器沿着电缆以固定距离部署。承包商通过地震反射地球物理调查确定了项目沿线有20 个区域的垂直向结构薄弱，进水可能性较大。这些位置被编码为 F1 到 F20。

通过将这些调查数据与岩土剖面数据结合，形成了选择 TBM 和隧道管片衬砌类型的数据基础。

超前探测

在TBM上，承包商还安装了一套隧道前方电子化监测系统 (BEAM) 系统。这是一套非侵入式的探测系统，是基于岩体在不同频率下具有不同电阻率的岩土力学原理来运行的。该系统预测范围为工作面前方三倍所用隧道直径的距离。该系统还能进行实时预测，但探测距离缩短为，前方三分之二所用隧道直径的距离。

隧道前方电子化监测系统 (BEAM) 系统所探测的信息可以直接显示在盾构驾驶舱中。系统能够根据探测数据，自动分析危险点。

BEAM系统报告危险点

在实际使用中，BEAM 系统通常能够在进入危险区域的10m–15m 之前就给出指示。前期通过地球物理调查中发现的20个危险点中，有 12 个在施工过程中被BEAM系统独立正确识别，证明了BEAM系统与其他预测结果具有良好的相关性；这些准确的预测使 TBM 推进率实现了最大化。

物流系统优化

只有一个通道的长隧道会为隧道施工带来严重的后勤问题，再加上整个隧道有10.2 公里是在海床下挖掘的，更是加大了困难程度。承包商在动工前，先根据管片环厚度，出土的膨胀系数，可能需要注入的土体改良剂数量，计算出了每环的大致出土量。并且根据这些数据确定了台车和料斗的最佳数量和最佳型号。

随着隧道建设向前推行，台车行驶时间会不断增加，直到某一时刻，TBM会不得不停下来等待台车，然后才能再次开始掘进。为了避免这种情况，承包商计划可以在这条单通道隧道中建设一个或多个铁路交叉点（将一根轨道，一分为二，以便两辆列车可以相互通过）。这将允许复数台车同时在铁路线上运行。但交叉点是一个复杂的结构，需要很多时间来制造。为了确定交叉点的最佳数量和位置。承包商依据多个变量和相互关系进行了建模。考虑的变量包括:

-TBM人员的安全标准；

-每天工作班次数和时间；

-每周工作天数；

-材料/管片的长度；

-出现糟糕地质情况时出现的额外出土；

-对通风系统的影响；

-其他车辆的进出。

承包商以这些变量和相互关系建立模型，进行模拟后，显示需要两个交叉点，但这是一个边际决策，也可能只需要一个。其中的关键是每周的空闲时间是否超过20个小时。因此，承包商计划在隧道3,300米和7,900米的路段上安装两个交叉点。但只有第一个确定会被建造，等待对前4公里隧道建设的实际情况进行评估后，再决定届时是否需要第二个。

闲置时间和交叉点位置的关联

随着隧道施工的进行，根据现场观察。正常情况下，使用3-4辆台车以15公里/小时的速度行驶。TBM 作业不会导致管片运输的供应和交付有过多的闲置时间。在对闲置时间进行了分析后，确认了正常情况下，一个交叉点就足以完成整个隧道。运输系统的速度提高到每小时20公里，因为铁路的高维护水平证明，这个速度是完全安全的。

意料之外

尽管承包商做了大量的准备，但是施工中依旧有意料之外的情况，对施工效率造成了影响。虽然在开挖前，已经仔细了解了地质情况。但承包商对 Midra页岩的开挖难度还是估计不足。TBM在第 250环时进入了Midra页岩地层，开挖至1150环时离开Midra页岩地层(900环= 1170米)。

Midra页岩地层中开挖过程非常缓慢，平均每天只前进8环。在571环后，每环都需要加25立方米的水和75升的土体改良剂(浓缩液)。这导致了出土量的巨大增加。使得原先安排的运输计划出现了严重问题。

尽管挖掘时间很长，但实际的主要瓶颈还是在物流。TBM每环需要等待台车10-20分钟。为了减少闲置时间，承包商改变了运输计划，增加了一列台车，并在第550环位置加装了一个交叉点。TBM在进入Midra页岩区域时比原计划的时间提前了90天，但当TBM离开该区域时，只比原计划提前了51天。

TBM在进入Simsima石灰石层后又遇到了类似的问题。由于水压较高(3.5bar-4.5bar)，开挖进度再次减慢。为了在高水压下保持TBM的进展，再次增加了土体改良剂的使用量。对应的，承包商只能再次改变了运输计划。这一切导致在离开Simsima石灰岩层时，项目已落后计划9天。所幸的是，后面的施工较为顺利，重新追上了进度。

隧道衬砌完工

结语

在项目的早期阶段，承包商在物流方面进行了非常专业和全面的规划和模拟。还使用钻探，地球物理调查，非侵入式的探测系统等多种手段对地质情况进行调查和探测。

大量的前期准备，只为了能在施工中实现安全和效率最高化。虽然过程中还是出现了一些波折。但比计划提前58天的结果，证明这些努力都是值得肯定的！

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