概念規(guī)劃與巖土工程要素：超級(jí)探測(cè)器選址建設(shè)與BNSF喀斯喀特隧道通風(fēng)改造工程.pdf

與 建 材裝 飾2014 年 8 月 概念規(guī)劃與巖土工程要素： 超級(jí)探測(cè)器選址 建設(shè)與 BNSF 喀斯喀特隧道通風(fēng)改造工程 賀 均 （中鐵二局第六工程有限公司四川 成都610013） 中圖分類號(hào)： U453.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 文章編號(hào)： 1673-0038 （2014） 32-0117-09 1 引 言 本概念設(shè)計(jì)文件介紹了如何聯(lián)合美國伯靈頓北方圣太菲鐵 路運(yùn)輸公司 （BNSF） 在其喀斯喀特隧道系統(tǒng)附近修建一個(gè)大型探 測(cè)器 （如水契倫科夫探測(cè)器） 通道以便進(jìn)行中微子研究。 同時(shí)還介紹了該工程與喀斯喀特隧道通風(fēng)改造工程如何實(shí) 現(xiàn)互利共贏， 如將當(dāng)前的單區(qū)隧道系統(tǒng)改造為雙區(qū)隧道系統(tǒng)。新 隧道系統(tǒng)將大大提高 BNSF 通過隧道運(yùn)行列車的靈活性， 將東向 （上坡） 列車之間的最小間隔時(shí)間從 64min 減小到 34min， 從而幫 助緩解現(xiàn)已幾近飽和的重要運(yùn)輸路線的壓力。本文件是華盛頓 大學(xué)、 Shannon & Wilson 公司和柏誠公司共同協(xié)作的產(chǎn)物。 BNSF 鐵路喀斯喀特隧道系統(tǒng)包括距離西雅圖 55 英里的 7.8 英里長喀斯喀特隧道和 19251926 年間用作施工便道現(xiàn)在 用作排水洞的 5.35 英里長超前導(dǎo)洞。超前導(dǎo)洞與喀斯喀特隧道 西部的 2/3 平行。超前導(dǎo)洞東起于地表之下，米爾溪谷地下方， 1928 年建成而現(xiàn)已關(guān)閉的施工豎井的位置。此處的上覆巖層最 少， 位于喀斯喀特隧道東入口以西 2.44 英里處。 喀斯喀特隧道是 美國最長的運(yùn)輸隧道， 我們相信它也是美國最深的運(yùn)輸隧道。超 前導(dǎo)洞和喀斯喀特隧道都穿過斯圖爾特山巖基，即喀斯喀特山 脈東部斜坡上最北邊的一片面積 600km2的花崗巖體。 一份提議在巖基的另一個(gè)位置即 Cashmere 山以南 16 英里 和以西 16 英里建立深部科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室 （DUSEL） 的建議書 引起了物理學(xué)家對(duì)喀斯喀特隧道的興趣。DUSEL-喀斯喀特項(xiàng)目 一旦建成， 將會(huì)提供一個(gè)深度深、 清潔度高、 環(huán)境安靜的地方， 便 于安裝和運(yùn)營多個(gè)用以探測(cè)和觀測(cè)中微子、暗物質(zhì)和其他用途 的探測(cè)器或觀測(cè)臺(tái)。由于巖石頂部屏蔽了宇宙射線， 因此需要較 大的深度， 否則將會(huì)干擾這些觀測(cè)臺(tái)的運(yùn)行。DUSEL-喀斯喀特 項(xiàng)目還包括一個(gè)復(fù)雜地表實(shí)驗(yàn)室 （ “科學(xué)分部” 將坐落于華盛頓 州的 Leavenworth 鎮(zhèn)附近） ， 科學(xué)團(tuán)隊(duì)將在此處構(gòu)建探測(cè)器組件， 分析數(shù)據(jù)以及與學(xué)生和其他青年研究人員共事。DUSEL-喀斯喀 特項(xiàng)目在 Cashmere 山的選址是目前美國國家科學(xué)基金會(huì)考慮為 該設(shè)施選擇的六個(gè)地點(diǎn)之一。 物理界已經(jīng)規(guī)劃了一個(gè)超大型探測(cè)器（ “超級(jí)探測(cè)器” ） 其中一種方案是采用一個(gè)裝滿超純水的 60m伊60m伊180m 洞 室將在 DUSEL 投入運(yùn)營之后不久開始修建。該報(bào)告探討了 在喀斯喀特隧道附近修建該大型探測(cè)器的可能性， 并用 DUSEL- 喀斯喀特科學(xué)分部的設(shè)施對(duì)此進(jìn)行了論證。該想法利用了一種 優(yōu)勢(shì)條件： 該隧道幾乎直接從斯蒂文森山口的兩個(gè)山峰、 牛仔山 和大酋長山下方穿過， 每座山的海拔都超過 5850 英尺。這樣超 級(jí)探測(cè)器就可以建于地下深度超過 3600 英尺的地方。距離西入 口 2.3 英里的牛仔山位置更佳， 原因在于其地質(zhì)條件更優(yōu)越 （花 崗閃長巖） ， 距離西入口更近 （2.3 英里） 。 本施工計(jì)劃將要求翻新和擴(kuò)建超前導(dǎo)洞， 安裝一個(gè)大功率通 風(fēng)系統(tǒng)， 并在米爾溪附近修建一個(gè)通風(fēng)井。這也是將當(dāng)前的單區(qū) 通風(fēng)系統(tǒng)改造成類似于加拿大太平洋鐵路麥克唐納德隧道的雙 區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的必要步驟。 2 概念規(guī)劃： 探測(cè)器與 BNSF 通風(fēng)系統(tǒng) 2.1 幾何結(jié)構(gòu) 隧道的幾何結(jié)構(gòu)與上覆巖層是概念規(guī)劃的兩個(gè)重要因素。 喀斯喀特隧道是一條活躍的干線鐵路隧道，平均每日都有 25 輛列車從中穿過。 與南邊的史丹皮山口鐵路隧道不同的是， 喀 斯喀特隧道呈馬蹄形， 橫斷面面積約為 324 平方英尺， 高度足以 容納雙層集裝箱列車。這足以說明其在將西雅圖港和塔科馬港 的集裝箱向東部運(yùn)輸過程中的重要性。附近目前充當(dāng)主鉆孔排 水管道的超前導(dǎo)洞比較容易接近， 為評(píng)估巖石條件、 實(shí)施原位巖 石試驗(yàn)和將其作為鉆探孔進(jìn)入擬建測(cè)試艙的始發(fā)區(qū)提供了絕佳 的機(jī)會(huì)。該隧道的大部分區(qū)域都沒有進(jìn)行襯砌。 斯圖爾特山巖基不僅為 DUSEL-喀斯喀特項(xiàng)目提供了一個(gè) 適合的深挖點(diǎn) （Cashmere 山） ， 還為類似于本規(guī)劃中的大型探測(cè) 器的大規(guī)模民用建筑工程提供了理想的淺挖點(diǎn)（牛仔山下的喀 斯喀特隧道、超前導(dǎo)洞） 。規(guī)劃的 DUSEL-喀斯喀特地表科學(xué)分 部， 將坐落在 Leavenworth 鎮(zhèn)附近， 可以為兩個(gè)挖掘點(diǎn)提供支持。 超前導(dǎo)洞約呈長方形， 寬約 9 英尺， 高約 8 英尺， 長約 5.35 英里。主隧道南段的中心線距離約為 66 英尺。超前導(dǎo)洞西入口 位置非常靠近喀斯喀特隧道西入口。標(biāo)示為東端起點(diǎn)的前米爾 溪施工豎井的鉆孔深度為 622 英尺， 采用木質(zhì)支護(hù)， 橫斷面為 8伊 24 英尺， 長軸與隧道平行。據(jù)我們了解， 喀斯喀特隧道擬建南側(cè) 隧道壁沿線的豎井已經(jīng)被挖掉，隨后又用混凝土塞回填到了喀 斯喀特隧道拱頂上方約 10 英尺處， 豎井的其余部分則用豎井中 挖出的巖石進(jìn)行了回填。 本報(bào)告中的定位以 BNSF 對(duì)本隧道的定 位為基礎(chǔ)，而 BNSF 的定位則是沿著喀斯喀特隧道從鐵路東端 （Berne） 到鐵路西端 （Scenic） 的測(cè)量距離。 一條道路連接了米爾溪豎井區(qū)域和 2 號(hào)高速公路。 下文討論 的規(guī)劃要求在米爾溪重新建立一個(gè)超前導(dǎo)洞開孔用于通風(fēng)排 氣。 2.2 超級(jí)探測(cè)器背景 中微子超強(qiáng)光束及其配套探測(cè)器的發(fā)展是物理界正在競相 交通建設(shè) 117 與 建 材裝 飾2014 年 8 月 討論的一個(gè)有效開展長基線 （-2500km） 中微子震蕩實(shí)驗(yàn)的重要 機(jī)遇。這樣的計(jì)劃將利用用美國大陸境內(nèi)可用的長基線中微子 束流以及 FermiLab 或 Brookhaven 的技術(shù)產(chǎn)生兆瓦級(jí)的質(zhì)子驅(qū)動(dòng) 力?？赡艿陌l(fā)現(xiàn)包括一個(gè)新的違反宇稱守恒的測(cè)量值， 可能會(huì)成 為理解物質(zhì)起源的關(guān)鍵。在討論多種探測(cè)器技術(shù)的同時(shí)， 美國最 大的組織 （終極中微子觀測(cè)臺(tái)） 還將焦點(diǎn)集中在與神岡礦 （日本 超級(jí)神岡） 和薩德伯里礦 （加拿大薩德伯里中微子觀測(cè)站） 中使 用的探測(cè)器相似的水契倫科夫探測(cè)器，但其數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)比超級(jí)神 岡大。水探測(cè)器因其體積原因可能會(huì)對(duì)隧洞開挖處的巖石質(zhì)量 以及進(jìn)入挖掘點(diǎn)的便利性要求較高，這是因?yàn)樵陂_發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)施 過程面臨的土建設(shè)計(jì)難題和施工難題都是巨大的。 如上所述， 針對(duì)該實(shí)驗(yàn)的討論已經(jīng)可以與 DUSEL （深部科學(xué) 與工程實(shí)驗(yàn)室） 的討論相提并論， 以至于美國國家科學(xué)基本會(huì)希 望為 FY08 或 FY09 提供資助。DUSEL 將焦點(diǎn)主要集中在實(shí)驗(yàn)的 物理學(xué)、 天體物理學(xué)、 地球科學(xué)和工程學(xué)方面， 很多情況下這些 方面都要求較大的深度和罕見的清潔度。超級(jí)探測(cè)器的規(guī)模跟 DUSEL 完全不同：高能物理咨詢委員會(huì)預(yù)計(jì)其施工成本為 6.5 億美元， 幾乎是 DUSEL 總成本的兩倍。此外， 美國能源部科學(xué)辦 公室 （即超級(jí)探測(cè)器的預(yù)期主辦單位） 的 20 年計(jì)劃建議從 DUSEL 投入運(yùn)營后不久開始超級(jí)探測(cè)器的施工建設(shè)。 然而， 科學(xué) 界的很多人均將 DUSEL 視作超級(jí)探測(cè)器的鋪墊， 因?yàn)?DUSEL 可 以為該大型項(xiàng)目提供必要的國家級(jí)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施和社 區(qū)組織支持。 將喀斯喀特隧道視作潛在超級(jí)探測(cè)器選址的提議是由 DUSEL-喀斯喀特項(xiàng)目的支持者提出的， 他們給出了幾個(gè)重要原 因： （1） Cashmere 山靠近喀斯喀特隧道， 使得超級(jí)探測(cè)器在施工 時(shí)可以利用 DUSEL 的科技人員和基礎(chǔ)設(shè)施。華盛頓州 Leaven原 worth 鎮(zhèn)附近的 DUSEL-喀斯喀特科學(xué)分部將通過 2 號(hào)高速公路 連接喀斯喀特隧道的西入口， 43 英里的行程只需 50min 左右。 科 學(xué)分部同時(shí)也會(huì)靠近 BNSF 鐵路。探測(cè)器選址與 Leavenworth 小 鎮(zhèn)的鐵路距離為 35 英里。因此， DUSEL-喀斯喀特科學(xué)分部可用 作暫存區(qū)域，將人員與設(shè)備經(jīng)主要交通干線門對(duì)門運(yùn)輸至牛仔 山選址。 （2） 幸運(yùn)的是兩個(gè)地下選址到科學(xué)分部都比較方便， 消除了 “深度與清潔度” 與超級(jí)探測(cè)器需求之間的潛在沖突。DUSEL-喀 斯喀特實(shí)現(xiàn)了前者， 提供了高清潔度高深度的地點(diǎn)。明確地說就 是超級(jí)探測(cè)器在同一地點(diǎn)的施工建設(shè)將在未來近 10 年的時(shí)間 內(nèi)降低便利性、 無聲性與清潔度對(duì) DUSEL-喀斯喀特項(xiàng)目中運(yùn)營 的這些實(shí)驗(yàn)的重要性。未開發(fā)選址將會(huì)失去很多原有的優(yōu)勢(shì)， 因 為超級(jí)探測(cè)器的施工建設(shè)將產(chǎn)生一個(gè)與生產(chǎn)礦類似的環(huán)境。 （3） 第二個(gè)選址強(qiáng)調(diào)了超級(jí)探測(cè)器最重要的需求， 包括： 淤一 個(gè)優(yōu)良的現(xiàn)有巖土工程數(shù)據(jù)庫；于容易進(jìn)入深層巖體以便低成 本地進(jìn)行深入試驗(yàn)和建模并設(shè)計(jì)開挖方案；盂優(yōu)良的鐵路和高 速公路水平通道。前兩點(diǎn)有助于在做出任何重要投資之前全面 評(píng)估項(xiàng)目的成本和可行性。水平鐵路通道將有助于在地下裝載 巖石挖方然后拖運(yùn)至普吉特海灣地區(qū)，在此地區(qū)壓碎石是一種 有價(jià)值的商品。到達(dá)隧洞的鐵路和卡車通道在探測(cè)器施工建設(shè) 期間也是非常重要的，因?yàn)槌邪炭梢砸愿偷某杀靖菀椎?運(yùn)輸材料和設(shè)備。 （4） 該選址提供了良好的深度。下文所述的規(guī)劃將探測(cè)器底 座建于牛仔山山峰下方 3660 英尺處或約 3240m 水當(dāng)量 （mwe） 處。雖然長基線設(shè)備要求的深度較小， 但是美國國家研究委員會(huì) 中微子設(shè)施委員會(huì)仍要求深度達(dá)到 2000mwe 以防質(zhì)子衰變。一 般規(guī)定 3000mwe 的深度為太陽能中微子研究 （如晝夜差異測(cè)量） 的適合深度。 HEPAP 將其對(duì)超級(jí)探測(cè)器的目標(biāo)設(shè)置為 4000mwe。 （由于應(yīng)力場(chǎng)一般隨著深度升高， 在確定最佳深度時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮 物理學(xué)目標(biāo)和巖土工程支護(hù)成本。日本的超級(jí)探測(cè)器超級(jí)神岡 14001900mwe 的規(guī)劃深度部分是出于巖土工程要素考慮。 （5） 該選址相對(duì)于 FermiLad 位置較為優(yōu)越： 在建議的質(zhì)子驅(qū) 動(dòng)力參數(shù)條件下， 2630km 的距離為最佳距離。到 Brookhaven 的 距離為 3830km， 剛好在 10005000km 的可接受范圍內(nèi)。 （6） 該選址位于美國林務(wù)局 （USFS） 土地上， 包括 BNSF 擁有 道路優(yōu)先權(quán)的地區(qū)。該項(xiàng)目要求獲得 USFS 的使用許可和與 BNSF 的合作協(xié)議。USFS 土地的選定是合適的。所有權(quán)的穩(wěn)定 性喀斯喀特隧道已經(jīng)運(yùn)營了 75 年在幾十年的超級(jí)探 測(cè)器物理計(jì)劃預(yù)期期限內(nèi)是非常重要的。 （7） 由于 2 號(hào)高速公路是連接哥倫比亞河大壩和普吉特海灣 的主要電力通道， 隧道兩端入口有可用的電源連接和光纖連接。 因?yàn)檩旊娋€路也沿著米爾溪，因此米爾溪豎井區(qū)域也有可用的 電力。 超前導(dǎo)洞 （600gpm） 產(chǎn)生的排水質(zhì)量高， 足以填滿超級(jí)探測(cè) 器。然而， 水權(quán)問題仍需進(jìn)一步研究。 2.3 BNSF 通風(fēng)系統(tǒng) 東向行駛的列車進(jìn)入喀斯喀特隧道時(shí)必須從西入口 （Scenic） 向東入口 （Berne） 爬升 1.57%的坡度。 出于本初始概念研 究之目的，我們假設(shè)東向行駛的載重列車的一般速度為 15 英里/h。 東入口的通風(fēng)系統(tǒng)包括兩個(gè)大功率軸流風(fēng)機(jī)和一個(gè)隧道洞門。 我們這里討論有兩列連續(xù)的東向行駛的列車的情況。當(dāng)?shù)谝涣?列車靠近西入口時(shí)， 關(guān)閉東入口隧道洞門， 開啟一個(gè)風(fēng)機(jī)。隧道 洞門可以防止列車產(chǎn)生 “活塞效應(yīng)” ， 推擠前方的空氣柱。風(fēng)機(jī)產(chǎn) 生足夠的壓力迫使前進(jìn)中的列車周圍的空氣向西流動(dòng)，從而防 止列車機(jī)車過熱， 為引擎和列車人員提供充足的氧氣。當(dāng)列車到 達(dá)距離東入口 3250 英尺的某個(gè)點(diǎn)時(shí)， 關(guān)閉該風(fēng)機(jī)， 隧道洞門自 動(dòng)開啟。當(dāng)列車全部出了隧道之后， 跳到第二個(gè)信號(hào)， 指示關(guān)閉 隧道洞門開始吹掃循環(huán)：在下一列東向行駛的列車可以進(jìn)入西 入口之前， 必須吹掃完隧道內(nèi)的廢氣。在吹掃循環(huán)中兩個(gè) BNSF 風(fēng)機(jī)將同時(shí)工作。兩個(gè)風(fēng)機(jī)總共可以向空隧道下方吹入 550， 000cfm 的空氣。 約 30min 后隧道即可完成吹掃。 只有這時(shí)第 二列列車才可以進(jìn)入西入口。這種單區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)要求兩列連續(xù) 的東向行駛的列車的最小間隔時(shí)間約為 65min。 這是隧道通行能 力的主要限制條件。 （1） 現(xiàn)有喀斯喀特隧道 （單區(qū)） 。說明了一系列東向行駛列車 的這一過程。為一種理想的狀態(tài)： 60min 的循環(huán)忽略了列車車身 長度和吹掃前關(guān)閉隧道洞門的約 20s 的時(shí)間。以 1 英里為例， 列 車需要 4min 才能完全通過東入口。一旦這種情況發(fā)生， 將會(huì)觸 發(fā)入口洞門關(guān)閉。只有在這之后才能開始吹掃 （綠色） 循環(huán)。因 此， 當(dāng)列車標(biāo)稱速度為 15 英里/時(shí)， 兩列東向行駛列車的最小間 隔時(shí)間約為 64.3min。 目前， 每日約有 2427 列列車通過此隧道， 接近隧道通行能 交通建設(shè) 118 與 建 材裝 飾2014 年 8 月 力。由于從西雅圖港到塔科馬港的集裝箱運(yùn)輸量的增加， 該路線 的壓力將會(huì)繼續(xù)增大。普吉特海灣諸港處理的貨物量排名全國 第三 （僅次于紐約地區(qū)和洛杉磯地區(qū)） 。預(yù)計(jì)在未來十年早期通 行能力限制將變得至關(guān)重要。BNSF 擔(dān)心隧道的吞吐量受限， 已 經(jīng)研究了一些解決方案。只有兩個(gè)辦法可以提高當(dāng)前單區(qū)系統(tǒng) 的通行能力， 即減少通過時(shí)間 （加快列車速度） 或減少吹掃時(shí)間。 已經(jīng)詳細(xì)檢驗(yàn)了可能的改進(jìn)措施，但是發(fā)現(xiàn)均存在邊際成本效 益。正在考慮中的區(qū)域性替代方案包括提高史丹皮山口隧道的 凈空， 使雙層集裝箱列車能夠通過該路線， 或讓列車單向行駛， 使東向經(jīng)過喀斯喀特隧道的列車可以經(jīng)由史丹皮山口返回。 然而還有另一種可能， 即通過重新設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)提高喀斯喀 特隧道的通行能力。若將當(dāng)前的單區(qū)系統(tǒng)改造成多區(qū)系統(tǒng)， 則在 列車穿過一個(gè)隧道區(qū)時(shí)， 另一個(gè)隧道區(qū)可以同步完成吹掃。加拿 大境內(nèi)的加拿大太平洋鐵路羅杰斯山口 （麥克唐納德山） 隧道采 用的就是這種方法。該隧道有兩個(gè)隧道區(qū)， 兩組隧道洞門和兩套 通風(fēng)系統(tǒng)。 （2） 擬建雙區(qū)系統(tǒng)的循環(huán)過程。 喀斯喀特隧道雙區(qū)系統(tǒng)的通風(fēng) 循環(huán)過程。 除東入口現(xiàn)有的隧道洞門外， 還需要增加一個(gè)洞門將隧 道分成平均分成西段 （第一區(qū)） 和東段 （第二區(qū)） 。該規(guī)劃同時(shí)還要 求在中點(diǎn)建立通風(fēng)系統(tǒng)給第一區(qū)供氧并將第二區(qū)的廢氣從超前導(dǎo) 洞排放至新建的米爾溪豎井中。多區(qū)系統(tǒng)的一般原則是各區(qū)的通 過時(shí)間和吹掃時(shí)間總和應(yīng)相等， 確保隧道的正常運(yùn)營。 圖 1 說明了擬定的通風(fēng)方案。 超前導(dǎo)洞的西入口也將安裝一 個(gè)類似于喀斯喀特隧道東入口現(xiàn)有的 BNSF 系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和 入口洞門。該系統(tǒng)將迫使空氣沿著超前導(dǎo)洞向東流動(dòng)進(jìn)入喀斯 喀特隧道第一區(qū)的東端， 然后向西流動(dòng)進(jìn)入喀斯喀特隧道， 參與 第一區(qū)的冷卻和吹掃循環(huán)。也就是說， 超前導(dǎo)洞將作為進(jìn)氣口， 提供第一區(qū)東部邊緣的新鮮空氣。 其中一部分空氣會(huì)流向探測(cè)器區(qū)域， 但是由于這部分空氣仍 然是清潔的， 因此可以向上返回至超前導(dǎo)洞氣流中去。跟現(xiàn)有單 區(qū)系統(tǒng)一樣的是， 在喀斯喀特隧道范圍內(nèi)， 第一區(qū)和第二區(qū)里面 的空氣總是從西向東流動(dòng)的。 第一區(qū)和第二區(qū)通過一個(gè)喀斯喀特隧道中點(diǎn)的一個(gè)隧道洞 門以及一個(gè)將超前導(dǎo)洞分成西段 3.89 英里東段 1.46 英里的防 水壁隔開。超前導(dǎo)洞的東段用作喀斯喀特隧道第二區(qū)的排氣通 道，將廢氣從第二區(qū)西端向東排放至超前導(dǎo)洞東端起點(diǎn)的新建 排氣井中。此處的超前導(dǎo)洞從米爾溪谷地下方穿過， 其上覆巖層 厚度僅為 620 英尺。 當(dāng)一列東向行駛列車自西進(jìn)入第一區(qū)時(shí)， 新建通風(fēng)系統(tǒng)將按 照現(xiàn)有 BNSF 系統(tǒng)在單風(fēng)機(jī) （ “通過” ） 模式中的方式朝列車吹掃 空氣。關(guān)閉中點(diǎn)處的隧道洞門， 以便削弱列車的活塞效應(yīng)和隔離 第二區(qū)。 當(dāng)列車穿過第一區(qū)時(shí)， BNSF 系統(tǒng)開啟吹掃模式，清除第二 區(qū)中前一列列車產(chǎn)生的廢氣。當(dāng)列車靠近中點(diǎn)時(shí)，隧道洞門打 開， 第一區(qū)通風(fēng)停止。冷卻則由通過模式中運(yùn)行的現(xiàn)有 BSSF 系 統(tǒng)接替進(jìn)行。當(dāng)然， 第二區(qū)在列車到達(dá)該點(diǎn)時(shí)即已經(jīng)完成吹掃。 當(dāng)列車完全進(jìn)入第二區(qū)后， 中點(diǎn)隧道洞門關(guān)閉， 第一區(qū)的風(fēng)機(jī)系 統(tǒng)開始全速運(yùn)行吹掃該區(qū)。新鮮空氣則經(jīng)由超前導(dǎo)洞進(jìn)入對(duì)第 一區(qū)進(jìn)行吹掃。東向行駛列車的最小間隔時(shí)間為 30min。若仍假 設(shè)列車標(biāo)稱速度為 15 英里/h，則考慮到一英里長的列車通過隧 道洞門所需時(shí)間， 最小間隔時(shí)間將增加至 34.3min。運(yùn)行過程如 下： （1） 各區(qū)經(jīng)歷著一個(gè)循環(huán)過程， 該循環(huán)包括 15min 通過模式、 4.3min 關(guān)閉模式和 15min 吹掃模式。 （2） 第一區(qū)通過循環(huán)結(jié)束后第二區(qū)立即開始通過循環(huán)。 （3） 前一列列車從東入口完全出來后下一列列車立即進(jìn)入第 一區(qū)， 觸發(fā)關(guān)閉東入口隧道洞門。這牽涉一個(gè)簡單的安全協(xié)議： 若隧道已經(jīng)被完全占用， 則列車不能進(jìn)入隧道 （隨后討論的三區(qū) 系統(tǒng)則不受此限制） 。 若不更改當(dāng)前的通風(fēng)系統(tǒng)， 則單區(qū)系統(tǒng)仍然是默認(rèn)方案。我 們?cè)谙挛闹幸舱J(rèn)為可以在不擾亂當(dāng)前運(yùn)營的前提下安裝雙區(qū)系 統(tǒng)。 所有需要進(jìn)行的開挖工程都可以通過超前導(dǎo)洞完成。 該規(guī)劃 的其他效益包括提高安全性和排水能力，為超級(jí)探測(cè)器提供其 他選址難以匹敵的應(yīng)急通風(fēng)方案。 2.4 探測(cè)器和通風(fēng)系統(tǒng)開發(fā)的概念規(guī)劃 探測(cè)器的深度是華盛頓大學(xué) （UW） 集團(tuán)考慮的幾個(gè)初始問 題之一。上述規(guī)劃恰好將探測(cè)器置于喀斯喀特隧道的坡度之下， 從超前導(dǎo)洞的西入口沿正向坡度水平進(jìn)入。其他選址， 如亨德森 礦，都需要修建傾斜導(dǎo)坑以便為超級(jí)探測(cè)器獲取額外的上覆巖 層。 這也可以在喀斯喀特隧道中完成。 坡度為-3% （仍能夠允許通 過列車水平進(jìn)入的坡度）的一條 2.3 英里長隧道將提供 4200 英 尺/3700mwe 的上覆巖層。選擇更陡的-10%坡度， 將會(huì)限制輪胎 式車輛的水平進(jìn)入， 產(chǎn)生 4920 英尺/4350mwe 的上覆巖層。然而 500mwe 或 1000mwe 的增益必須與一系列的弊端兩廂平衡： 新建 隧道帶來的成本增加， 使用超前導(dǎo)洞排放廢氣需要修建通風(fēng)井， 喀斯喀特隧道無法再作為避難所以及與 BNSF 攜手合作的可能 性降低。華盛頓大學(xué)集團(tuán)最后認(rèn)為使用已知巖石的現(xiàn)有隧道非 常重要， 不應(yīng)再追求位置深度更深需要修建傾斜導(dǎo)坑的方案。 我們擬將該項(xiàng)目分三個(gè)階段推進(jìn)：第一階段對(duì)應(yīng)于巖土工 程/設(shè)計(jì)階段。穿過超前導(dǎo)洞的現(xiàn)有通道的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以立馬 在擬建探測(cè)器洞室附近對(duì)應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。沒有現(xiàn)有通道， 一 般說來是不可能進(jìn)行這種測(cè)試的，因?yàn)檫@種測(cè)試所采用的方法 在長鉆孔中是不能施展的。第一階段在某些地方也應(yīng)包括提取 巖心， 用以探測(cè)擬建探測(cè)器位置喀斯喀特隧道正北方的巖體。由 于探測(cè)器將建于隧道坡度下方，因此可以在角度不超過 30毅， 距 離約為 250m 的條件下進(jìn)行， 以便全面勘探探測(cè)器的容積。隨后 在本報(bào)告中我們將討論喀斯喀特隧道/超前導(dǎo)洞的現(xiàn)有巖土工程 數(shù)據(jù)庫以及進(jìn)一步勘探可能獲得的數(shù)據(jù)。 第二階段是擴(kuò)建和翻新超前導(dǎo)洞， 使其能夠充當(dāng)通風(fēng)源和排 氣通道以及舊米爾溪豎井排氣井的井口。 根據(jù)與 BNSF 建立的合 作伙伴關(guān)系， 第二階段可以多種方式推進(jìn)。我們下文討論兩種基 本方案： 圖 1 雙區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的示意圖視圖 交通建設(shè) 119 與 建 材裝 飾2014 年 8 月 （1） 方案 A 對(duì) BNSF 有利， 因?yàn)閷?duì)超前導(dǎo)洞進(jìn)行維修和安 全改造， 但不會(huì)改變當(dāng)前的喀斯喀特隧道通風(fēng)系統(tǒng)， 因此也不會(huì) 提高隧道的吞吐量。因其成本最低且實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)最有限， 可稱之 為最小方案。 （2） 雙區(qū)方案， 是一個(gè)同時(shí)優(yōu)化了科學(xué)通道和配套的喀斯喀 特隧道通風(fēng)改造工程的設(shè)計(jì)方案。 第二階段最小方案：其要求是建立一個(gè)可向?qū)嶒?yàn)區(qū)域提供 150， 000cfm 空氣的通風(fēng)系統(tǒng)和進(jìn)行以下超前導(dǎo)洞改造工程。 （3） 翻新、 重新支護(hù)和擴(kuò)建超前導(dǎo)洞。科學(xué)通道需要的西段 2.4 英里隧道寬度可以擴(kuò)建至 5m， 拱頂也可以達(dá)到 5m， 使橫斷面 可以達(dá)到 260 平方英尺左右。 這要求每英尺隧道要移除約 6.9 立 方碼的巖石。該區(qū)段隧道將采用噴漿混凝土， 軌道采用混凝土地 面。 （4） 翻新和重新支護(hù)超前導(dǎo)洞剩下的 2.95 英里， 并采用光面爆 破技術(shù)做一些輕微擴(kuò)建和抹平。 本部分隧道將作為一個(gè)排氣通道。 一 個(gè)橫斷面為 100 平方英尺的隧道將允許隧道在 15 英尺/min 的合 理氣流速度下輸送 150， 000cfm 的空氣。 （5） 在超前導(dǎo)洞米爾溪端點(diǎn)開挖一個(gè)混凝土襯砌的 620 英尺 深的排氣井。 約 8 英尺的內(nèi)徑將產(chǎn)生一個(gè)約 3000 英尺/分的氣流 速度經(jīng)濟(jì)型排氣井的一般氣流速度。 改造工程：淤2.4 英里隧道擴(kuò)建至 260 平方英尺，成本基礎(chǔ) 6.9 元/英尺伊12， 672 英尺伊63 美元/元， 成本 550 萬美元。于2.4 英 里噴漿混凝土和支護(hù)， 成本基礎(chǔ) 495 美元/英尺伊12， 672 英尺， 成 本 630 萬美元。盂2.95 英里隧道擴(kuò)建至 100 平方英尺， 成本基礎(chǔ) 1 元/英尺伊15， 576 英尺伊63 美元/元， 成本 100 萬美元。榆2.95 英 里支護(hù)，成本基礎(chǔ) 15， 576 英尺伊150 美元/英尺，成本 230 萬美 元。 虞2.4 英里混凝土地面， 成本基礎(chǔ) 0.46 元/英尺伊12， 672 英尺伊 200 美元/元，成本 120 萬美元。愚5.35 英里軌道，成本基礎(chǔ) 28， 248 英尺伊46 美元/英尺， 成本 130 萬美元。輿8 英尺通風(fēng)井， 620 英尺深， 成本 70 萬美元。余碎屑/木屑批量清理， 成本 85 萬 美元。俞合計(jì) 1915 萬美元。 根據(jù) DUSEL-喀斯喀特預(yù)案， 我們已經(jīng)使用了 63 美元/立方 碼的開挖成本，符合我們發(fā)現(xiàn)的類似隧道擴(kuò)建項(xiàng)目（參見第 4 節(jié)） 的 5090 美元/立方碼的范圍要求。隧道西段的 2.4 英里的支 護(hù)成本包括 6 英寸厚的噴漿混凝土和預(yù)計(jì) 40 美元/英尺的最小 額外支護(hù)成本。 對(duì)于隧道剩余的未翻新部分， 其平均 150 美元/英 尺的支護(hù)成本源于對(duì) 88%的隧道需要微型支護(hù)（40 美元/英尺） 而剩余 12%的隧道需要重大支護(hù) （960 美元/英尺） 的估計(jì)。這包 括一段已經(jīng)廢棄的超前導(dǎo)洞： 這段 1.4 英里的廢棄隧道最近沒有 進(jìn)行過勘探。擬挖方 （包括米爾溪的天井鉆） 的所有廢石將經(jīng)由 超前導(dǎo)洞運(yùn)送： 軌道將連接至 BNSF 干線， 將碎石運(yùn)送至西雅圖 市場(chǎng)。 超前導(dǎo)洞改造工程將允許增加新的通風(fēng)系統(tǒng)， 用以從西入口 吸入 150， 000cfm 的空氣， 輸送進(jìn)科學(xué)區(qū)， 隨后將廢氣沿著超前導(dǎo) 洞向東輸送，而空氣流經(jīng)超前導(dǎo)洞時(shí)將通過米爾溪的新建通風(fēng) 井排出。盡管最小方案并未提高 BNSF 喀斯喀特隧道吞吐量， 但 是我們發(fā)現(xiàn)本方案中的合作給 BNSF 和科學(xué)分部運(yùn)營帶來的許 多好處： （1） Shannon & Wilson 公司 1998 年就建議 BNSF 翻新超前 導(dǎo)洞使其能夠繼續(xù)發(fā)揮其對(duì)主隧道的重要排水功能。這個(gè)被推 遲的維修工程占上述開挖成本的 640 萬美元左右。一旦超前導(dǎo) 洞修復(fù)完成， 現(xiàn)在堵住的排水口就能重新開啟。 （2） 由于喀斯喀特隧道和超前導(dǎo)洞現(xiàn)在已經(jīng)各自擁有通風(fēng)系 統(tǒng)， 將大大提高隧道的安全性。若主隧道發(fā)生事故， 工作人員可 以在超前導(dǎo)洞中避難，如果修建了足夠的帶有密封門的人行通 道， 則也可以通過該隧道撤離。同樣地， 喀斯喀特隧道也可以充 當(dāng)科學(xué)分部運(yùn)營的避難所。 （3） 如果科學(xué)分部區(qū)域如果在緊急情況能夠連接大功率喀斯 喀特隧道通風(fēng)系統(tǒng)， 則會(huì)很有幫助， 這樣就能產(chǎn)生 700， 000cfm 的 通風(fēng)氣流用以吹掃探測(cè)器上方的空間。雖然一般情況下以這種 方式使用 BNSF 系統(tǒng)會(huì)有一定的延遲 （隧道中的任何列車都必須 能夠撤離隧道） ， 但是這種額外的應(yīng)急能力卻證明可以滿足可能 的使用標(biāo)準(zhǔn)。 第二階段雙區(qū)方案：上文所述的最小方案在于設(shè)立一個(gè)基 準(zhǔn)， 與推薦的雙區(qū)方案進(jìn)行對(duì)比。我們認(rèn)為雙區(qū)方案， 盡管會(huì)帶 來一些額外成本，但是會(huì)因提高了喀斯喀特隧道的通行能力而 帶來額外的價(jià)值。該方案要求超前導(dǎo)洞通風(fēng)系統(tǒng)的空氣輸送能 力達(dá)到 550， 000cfm。開挖步驟包括： （1） 將整個(gè)超前導(dǎo)洞擴(kuò)建至橫斷面約 325 平方英尺。 例如， 這 將對(duì)應(yīng)于一條 16 英尺寬拱頂弧度達(dá) 22 英尺的馬蹄形隧道。這 種隧道可以向第一區(qū)東端輸送 555， 000cfm 的空氣，氣流速度可 達(dá) 1800 英尺/秒， 處于被占用隧道的可接受范圍。該隧道的最初 2.4 英里， 即通向?qū)嶒?yàn)區(qū)的通道， 將采用噴漿混凝土、 輕度錨固和 混凝土地面。剩余 2.95 英里則不進(jìn)行襯砌。整個(gè)隧道將鋪設(shè)軌 道， 便于翻修。最初 2.4 英里的軌道將用作進(jìn)入大型探測(cè)器的通 道， 剩余軌道則用作維修通道。對(duì)最初 2.4 英里隧道和緊接著的 1.5 英里未襯砌但相對(duì)光面的隧道采用光面襯砌隧道常用摩擦 系數(shù)， 我們估計(jì)這 3.9 英里隧道的壓降將達(dá)到 9 英寸水流量。也 就是說， 這是從超前導(dǎo)洞西入口到第一區(qū)東端的壓降值。 （2） 在超前導(dǎo)洞米爾溪端點(diǎn)開挖一個(gè)混凝土襯砌的 620 英尺 深直徑約為 15 英尺的排氣井。其所產(chǎn)生的約 3100 英尺/分的氣 流速度是經(jīng)濟(jì)型排氣井的一般氣流速度。 其隧道成本可以與最小方案的成本進(jìn)行比較。 改造工程：淤2.4 英里隧道擴(kuò)建至 325 平方英尺，成本基礎(chǔ) 9.4 元/英尺伊12， 672 英尺伊63 美元/元， 成本 750 萬美元。于2.4 英 里噴漿混凝土和支護(hù)， 成本基礎(chǔ) 600 美元/英尺伊12， 672 英尺， 成 本 760 萬美元。盂2.95 英里隧道擴(kuò)建至 325 平方英尺， 成本基礎(chǔ) 9.4 元/英尺伊15， 576 英尺伊63 美元/元，成本 920 萬美元。榆2.95 英里支護(hù)， 成本基礎(chǔ) 15， 576 英尺伊150 美元/英尺， 成本 230 萬美 元。 虞2.4 英里混凝土地面， 成本基礎(chǔ) 0.46 元/英尺伊12， 672 英尺伊 200 美元/元，成本 120 萬美元。愚5.35 英里軌道，成本基礎(chǔ) 28， 248 英尺伊46 美元/英尺， 成本 130 萬美元。輿15 英尺通風(fēng)井， 620 英尺深， 成本 120 萬美元。余碎屑/木屑批量清理， 成本 85 萬 美元。俞合計(jì) 3115 萬美元。 該方案的安全性和排水優(yōu)勢(shì)與最小方案相似， 但是在操作上 會(huì)有細(xì)微差別。 如圖 2 所示， 超前導(dǎo)洞東段的 1.46 英里現(xiàn)在已經(jīng) 成為喀斯喀特隧道第二區(qū) （至米爾溪豎井） 的排氣通道。第一區(qū) 將通過超前導(dǎo)洞吸入新鮮空氣進(jìn)行通風(fēng)，然后通過喀斯喀特隧 道排氣。 雖然第一區(qū)通風(fēng)方案可以確保超前導(dǎo)洞西端 3.9 英里的 清潔度，但是東端 1.46 英里的大氣卻不會(huì)與主隧道的大氣隔離 交通建設(shè) 120 與 建 材裝 飾2014 年 8 月 開來。然而， 如果列車要在喀斯喀特隧道東半段停下， 則應(yīng)急模 式可能包括默認(rèn)主隧道進(jìn)入單區(qū)模式，并采用第一區(qū)通風(fēng)系統(tǒng) 迅速吹掃超前導(dǎo)洞的東段部分。 該步驟可以在 4.6min 內(nèi)完成， 因 此超前導(dǎo)洞可以繼續(xù)作為一個(gè)可行的避難所。 由于整個(gè)超前導(dǎo)洞將會(huì)進(jìn)行大幅度擴(kuò)建， 因此應(yīng)考慮安裝連 接喀斯喀特隧道的改良排水口?，F(xiàn)有配套主要設(shè)計(jì)用來彌補(bǔ) 7 英尺的隧道地面海拔差在超前導(dǎo)洞擴(kuò)建時(shí)該差異可能被消 除。 在第三階段， 如圖 2 所示， 探測(cè)器區(qū)域?qū)⑾虺皩?dǎo)洞第一區(qū) 區(qū)段之外擴(kuò)展。其施工建設(shè)將通過鐵路支持： BNSF 通風(fēng)功能所 要求的大隧道橫斷面也滿足科學(xué)分部對(duì)優(yōu)良水平鐵路和公路通 道的需求。超前導(dǎo)洞軌道可以看作是 BNSF 鐵路之外的一個(gè)分 支， 連接了西入口外面的干線。大型探測(cè)器位于喀斯喀特隧道北 側(cè)上覆巖層最厚的區(qū)域。 探測(cè)器洞室將在地下進(jìn)行挖掘。 超前導(dǎo) 洞南部的結(jié)構(gòu)可能稍微比較簡單，只損失了約 300 英尺的上覆 巖層。 超前導(dǎo)洞下方的部分通風(fēng)氣流將轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)區(qū)域， 然后返回隧 道上游。 常規(guī)氣流約為 175， 000cfm， 在整個(gè)隧道中產(chǎn)生一個(gè)通向 探測(cè)器的 500 英尺/分的氣流， 其速度足以防止煙氣逆流。 如果證 明有必要，則可以在超級(jí)探測(cè)器洞室的所有入口安裝一個(gè)空氣 過濾器， 用以提高空氣清潔度 （安裝之后， 將會(huì)很容易限制入口 與清潔車或電動(dòng)車之間的空氣流動(dòng)，從而消除大部分或全部的 碳?xì)浠衔铮?。 地下洞室的適用標(biāo)準(zhǔn)一般要求應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)足夠使室內(nèi) 空氣每小時(shí)換氣六次。由于一個(gè)大型水契倫科夫探測(cè)器可能約 有 300， 000m3的水上空間，因此本要求對(duì)應(yīng)的氣流量為 100 萬 cfm。盡管大型水契倫科夫探測(cè)器由于自身的良好性能可能不受 此標(biāo)準(zhǔn)約束，但是大功率雙區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是在短暫延 遲后仍可以滿足應(yīng)急要求。超前導(dǎo)洞第一區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的所 有 （若第一區(qū)未被占用） 或幾乎所有 （第一區(qū)被占用） 的 550， 000cfm 的氣流量可能立即轉(zhuǎn)向探測(cè)器。一旦喀斯喀特隧道 吹掃完成，如果探測(cè)器和喀斯喀特隧道之間增加了一條通風(fēng)通 道（增加到圖 2 中） ，則 BNSF（第二區(qū)） 系統(tǒng)產(chǎn)生的額外的 550， 000cfm 氣流量將可能改變輸送方向。 洞室開挖將花費(fèi) 35 年的時(shí)間。水平鐵路通道的一個(gè)優(yōu)勢(shì) 是可以將碎石運(yùn)到西雅圖， 使碎石能夠在施工中發(fā)揮價(jià)值。這可 以與 BNSF 的施工進(jìn)度協(xié)調(diào)一致， 而無需使用主隧道。由于當(dāng)前 的巖石成本約為 6.50 美元/t， 因此總價(jià)值約為 2000 萬美元。 其他 大部分超級(jí)探測(cè)器施工選址提案都建議用卡車裝運(yùn)巖石或直接 將巖石丟棄在施工現(xiàn)場(chǎng)。 人們希望超級(jí)探測(cè)器的施工進(jìn)度可以在時(shí)間上與 BNSF 喀 斯喀特隧道的需求保持一致?？赡艹袚?dān)開挖工程的承包商可以 提供自己的通風(fēng)系統(tǒng)。新系統(tǒng)更有可能在開挖完成之后安裝， 在 探測(cè)器施工期間同時(shí)為 BNSF 和科學(xué)家們服務(wù)。 探測(cè)器施工應(yīng)與 BNSF 通風(fēng)需求保持一致。 2.5 變量及其他升級(jí)潛力 在確立方案的合理性之前， 2.4 節(jié)討論的所有內(nèi)容都必須進(jìn) 行更量化的說明。建立雙區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模型和設(shè)計(jì)可以同 時(shí)服務(wù)科學(xué)分部和第一區(qū)通風(fēng)需求的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)將變得至關(guān)重 要。 在估算成本時(shí)也要重視對(duì)超前導(dǎo)洞進(jìn)行詳細(xì)勘探。 同時(shí)可以 探索幾個(gè)概念問題： （1） 第二區(qū)廢氣： 我們已經(jīng)使用了 25%的超前導(dǎo)洞來將第二 區(qū)廢氣輸送至米爾溪， 以便將廢氣通過一個(gè)短的 （約 620 英尺） 混凝土襯砌通風(fēng)井排放至地表。另一種方案是在隧道中點(diǎn)鉆一 個(gè)長得多的豎井 （約 3000 英尺） ， 但需要對(duì) 1.45 英里的隧道進(jìn)行 不必要的翻新。 兩種方案的成本非常具有可比性。 我們支持超前 導(dǎo)洞方案， 因?yàn)樵撠Q井距離一條公路很方便， 而且遠(yuǎn)離史蒂文森 山口滑雪場(chǎng)。正如我們上文所述， 超前導(dǎo)洞改造工程將有助于解 決其他問題， 例如喀斯喀特隧道的排水問題。 （2） 通風(fēng)支線： 當(dāng)我們將焦點(diǎn)集中在連續(xù)東向行使列車的瓶 頸問題上時(shí)，此處所述的改造工程將可能會(huì)提高其他組合列車 的效率?？梢蕴剿饕环N可能， 即在一開始或在將來的某個(gè)時(shí)點(diǎn)將 超前導(dǎo)洞東段的 1.4 英里隧道作為西向行使列車的支線使用。 一 種通風(fēng)方案可能允許東向行駛和西向行駛的列車使用支線同時(shí) 交錯(cuò)通過隧道中點(diǎn)。我們認(rèn)為這將使通過時(shí)間得到最適度的提 升。如果 BNSF 有興趣探討這種可能性， 則需要在將來的工程研 究中對(duì)這種想法進(jìn)行仔細(xì)和詳細(xì)的評(píng)估。 （3） 三區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)： 由于牛仔山和米爾溪有效地將喀斯喀特 隧道分成了三個(gè)大致相等的區(qū)段，因此可以采用一個(gè)三區(qū)通風(fēng) 系統(tǒng)。三個(gè)喀斯喀特隧道區(qū)段都自東向西進(jìn)行吹掃 （按照跟雙區(qū) 系統(tǒng)相同的方式） 。超前導(dǎo)洞東半段將第二區(qū)東端的廢氣輸送到 米爾溪排氣井。該排氣井同時(shí)也為第三區(qū)服務(wù)。如圖 3 所示， 這 將進(jìn)一步縮小兩列東向行駛列車的間距，從 34.3min 縮減至 24.3min。 該方案要求在米爾溪附近建立第二個(gè) （吸入） 通風(fēng)井 （以 便給第二區(qū)通風(fēng)） 、 一個(gè)吸入空氣用的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和一個(gè)能夠輸送 約 850， 000cfm 氣流量的米爾溪排氣井（將第二區(qū)和第三區(qū)的廢 氣都輸送出去） 。由于三區(qū)系統(tǒng)將充分利用超前導(dǎo)洞為雙區(qū)系統(tǒng) 所做的所有改造工程， 包括新建的第一區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)， 因此可以看 作是將來雙區(qū)系統(tǒng)可能實(shí)現(xiàn)的一種升級(jí)。 3 巖石條件、 地質(zhì)圖與地形圖 3.1 巖石條件 87%以上的超前導(dǎo)洞區(qū)段的巖石條件可能與修建直徑更大 的混凝土襯砌喀斯喀特隧道期間遇到的巖石條件幾乎是相同 圖 2 探測(cè)器和通風(fēng)系統(tǒng)概念規(guī)劃 注： 大型探測(cè)器在牛仔山下的一個(gè)可能的布局示意圖， 增加了一個(gè)雙區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)用以提高喀斯喀特隧道的 效率。一個(gè)擴(kuò)建和翻新過的超前導(dǎo)洞將提供到達(dá)探測(cè)器區(qū)域的科學(xué)分部專用通道， 通向第一區(qū)東端的通 風(fēng)系統(tǒng)以及從第二區(qū)西端至超前導(dǎo)洞米爾溪端點(diǎn)排氣井的排氣通道。 圖 3 三區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的示意圖視圖 交通建設(shè) 121 與 建 材裝 飾2014 年 8 月 的，而且與超級(jí)探測(cè)器隧洞和通道隧道可能遇到的巖石條件也 非常相似。 喀斯喀特隧道系統(tǒng)坐落于斯圖爾特巖基最北端， 該巖基是 一塊 20 英里伊13 英里的花崗巖 （主要是花崗閃長巖和石英閃長 巖） ， 是 8300 萬9400 萬年前 （白堊紀(jì)晚期） 形成的山心。 在露頭 中， 大部分的巖基都是相當(dāng)巨大的， 有著很寬的裂縫或節(jié)理 （縫 隙 從 1 英 尺 到 30 多 英 尺 不 等） ， 巖 石 強(qiáng) 度 約 15， 000 25， 000psi。 巖基在侵入時(shí)， 臨近的巖體會(huì)遭到剪切發(fā)生蝕變， 形 成了 Chiwaukum 片巖雜巖。大量變質(zhì)片巖和片麻巖熔融進(jìn)花崗 巖巖體。 Shannon & Wilson 公司已經(jīng)提供了凈空與翻修建議，并為 BNSF 鐵路公司繪制了喀斯喀特隧道和超前導(dǎo)洞在幾種情況下 的地質(zhì)條件分布圖。由于喀斯喀特隧道全部是采用混凝土襯砌 的，因此我們必須依賴于 1926 年和 1929 年施工建設(shè)期間遇到 的地質(zhì)條件的相關(guān)歷史記錄?？傊?隧道施工建設(shè)的黑白照片顯 示地質(zhì)條件為 “好到極好” ， 無或僅有少量臨時(shí)支護(hù)， 有塊狀巖和 少量地下水。 然而， 據(jù)報(bào)道， 喀斯喀特隧道中間的 1/3 段包含花崗 巖斷層帶或嚴(yán)重碎裂帶區(qū)段，并且水壓相當(dāng)高 （Bauhof， 1989 年） 。施工期間首次遇到了短暫的地下水涌水，水量高達(dá) 10， 000gpm。然而， 近期測(cè)量流出主鉆孔兩個(gè)入口和超前導(dǎo)洞西 入口的地下水時(shí)發(fā)現(xiàn)總水流量低于 600gpm。根據(jù)我們先前對(duì)超 前導(dǎo)洞的測(cè)繪，我們預(yù)計(jì)該斷層帶或碎裂帶應(yīng)該更靠近超級(jí)探 測(cè)器隧洞選定區(qū)域以東更遠(yuǎn)的 3， 000 英尺左右的區(qū)域。 在一次針對(duì)超前導(dǎo)洞的局部勘察中，采用了 Barton 等人 （1974 年） 提出的 Q 系統(tǒng)來對(duì)兩個(gè)地點(diǎn)的巖石進(jìn)行分類。兩個(gè)地 點(diǎn)的 Q 值為 21.3。 該值與附近的 DUSEL-喀斯喀特項(xiàng)目選址的巖 石露頭的 Q 值相似。在擬建 DUSEL 選址處， Q 值從 4.047.5 不 等， 53 個(gè)巖石露頭的 Q 值平均值為 19.3（Shannon & Wilson 公 司， 2004 年） 。根據(jù) Q 系統(tǒng)， 巖石分級(jí)從 “中等” 到 “非常好” 不等， 平均水平為 “較好” 。 3.2 地質(zhì)圖和地形圖回顧 雖然喀斯喀特山脈的區(qū)域地質(zhì)條件比較復(fù)雜， 但是超級(jí)探測(cè) 器隧洞區(qū)域和通道隧道的地質(zhì)條件預(yù)計(jì)將相對(duì)比較均勻。根據(jù) Skykomish 河地質(zhì)圖 （USGS， 1993 年） 回顧， 到擬建超級(jí)探測(cè)器隧 洞選址 （超前導(dǎo)洞西半段） 的通道和隧洞選址本身均處于斯圖爾 特山巖基的花崗巖和變質(zhì)巖分布區(qū)域和 Chiwaukum 片巖變質(zhì)巖 分布區(qū)域。具體地， 隧洞處于牛仔山下的一大塊花崗閃長巖上， 還可能夾雜有片巖和片麻巖。母質(zhì)沉積物和形成 Chiwaukum 片 巖的變質(zhì)作用可能與白堊紀(jì)晚期時(shí)的斯圖爾特山巖基入侵有 關(guān)。下面匯總了隧道區(qū)域內(nèi)的地圖單元， 包括地質(zhì)圖和地質(zhì)剖面 圖上使用的縮寫、 全稱和主要的巖石類型： 淤斯圖爾特山巖基的 巖石， 東部巖體的石英閃長巖和花崗閃長巖， 西部巖體的石英閃 長巖和花崗閃長巖。于Chiwaukum 片巖， 黑云母片巖和黑云母片 巖和閃巖。 使用 4 張?jiān)搮^(qū)域的 USGS 地圖編制圖 4 所示的地質(zhì)剖面圖 和地面剖面圖。使用的地圖清單作為注釋列于圖中。剖面圖顯 示的地質(zhì)信息是根據(jù) Skykomish 河地質(zhì)圖 （USGS， 1993 年） 和我 們先前對(duì)超前導(dǎo)洞的測(cè)繪 （Shannon & Wilson 公司， 1998 年） 編 制的。 4 概念建議 4.1 超級(jí)探測(cè)器隧洞和輔助建筑物 超級(jí)探測(cè)器綜合體由一個(gè)已經(jīng)發(fā)展成熟的約 60m伊60m伊 180m 的隧洞和一個(gè)將超前導(dǎo)洞橫斷面面積擴(kuò)大到 325 平方英尺 左右的通道隧道構(gòu)成。盡管超前導(dǎo)洞很多區(qū)域是不需要支護(hù)的， 但是需要支護(hù)的區(qū)域通常位于片巖區(qū)域內(nèi)。因此，花崗閃長巖 （Kse） 更適合大面積開挖。上覆巖層最厚的地點(diǎn)牛仔山位于花崗 閃長巖的延伸區(qū)域， 距離片巖西部一角約 3000 英尺。沿喀斯喀 特隧道線向的剖面和垂直于線向并穿過超級(jí)探測(cè)器隧洞的截面 及預(yù)期的地質(zhì)條件。顯示了與喀斯喀特隧道相同海拔附近的優(yōu) 選位置和更深的備選位置： 強(qiáng)烈推薦深度較淺的選址， 因?yàn)樗?以提供與 BNSF 合作開發(fā)運(yùn)營的機(jī)會(huì)。進(jìn)一步說， 因靠近喀斯喀 特隧道而具有的巖石偏干燥條件，正梯度的水平通道和可以將 喀斯喀特隧道用作避難所都是其優(yōu)勢(shì)。將與 BNSF 共同合作， 擴(kuò) 建和改良超前導(dǎo)洞， 將其用作進(jìn)入探測(cè)器區(qū)域的通道， 用于通風(fēng) 和排氣。 4.2 超前導(dǎo)洞擴(kuò)建工程 采用 BNSF 超前導(dǎo)洞在深度超過 3000 英尺的地方提供容易 獲得的巖石條件以便采用多種鉆井方法進(jìn)行原位巖石條件評(píng)價(jià) 和原位屬性測(cè)試， 并提供到達(dá)目標(biāo)巖體區(qū)域的便利通道。若決定 繼續(xù)進(jìn)行探測(cè)器施工，超前導(dǎo)洞將從當(dāng)前 8 英尺寬伊9 英尺高的 剖面擴(kuò)建至橫斷面面積約 325 平方英尺， 如 16 英尺寬拱高不超 過 22 英尺的馬蹄形隧道。 早期勘探包括將牛仔山下的超前導(dǎo)洞擴(kuò)寬 12 個(gè)點(diǎn)，形成 試驗(yàn)區(qū)。這些試驗(yàn)區(qū)位于 281+00 站附近， 用作導(dǎo)向巖心鉆井作 業(yè)和取樣的鉆土?xí)捍鎱^(qū)域， 為大規(guī)模實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、 原位應(yīng)力測(cè)量 和其他原位試驗(yàn)和測(cè)繪采集樣本，以便更好地對(duì)巖體性質(zhì)進(jìn)行 分類。根據(jù)與一個(gè)專業(yè)從事地下空間鉆井作業(yè)的鉆井公司的討 論結(jié)果， 空間面積可減少至最小約 15 英尺伊15 英尺， 并且仍可提 供足夠的作業(yè)空間。然而， 稍微大一點(diǎn)的面積可能有助于提供生 產(chǎn)率， 為進(jìn)行額外的地層特性原位試驗(yàn)提供一個(gè)洞室。由于巖石 裂隙間距和洞室尺寸的比例關(guān)系，較大的高度范圍導(dǎo)致巖石荷 載明顯增加， 所需的支護(hù)也明顯增加。 4.2.1 初期開挖和支護(hù)要求 由于現(xiàn)有超前導(dǎo)洞洞室的存在和相應(yīng)位置的支護(hù)系統(tǒng)的范 圍較大， 隧道可能將采用鉆爆法進(jìn)行擴(kuò)建。因隧道也可以用于增 圖 4 喀斯喀特隧道地質(zhì)剖面圖簡圖 A-A憶 交通建設(shè) 122 與 建 材裝 飾2014 年 8 月 強(qiáng)喀斯喀特隧道的通風(fēng)， 要求采用光面爆破技術(shù)， 利用間距相對(duì) 較近的爆破孔和大量微秒爆炸延遲減小表面粗糙度。 決定超前導(dǎo)洞的支護(hù)需求的控制因子包括： 巖石強(qiáng)度、 裂隙 間距、 巖石定向、 巖石粗糙度和巖石空隙填料； 巖石應(yīng)力； 以及地 下水涌水。已經(jīng)根據(jù)這些特征提出了幾種巖體和支護(hù)的分類系 統(tǒng)， 包括 Barton 提出的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià) （Q 系統(tǒng)） 。 目前約 13%的超前導(dǎo)洞采用了某種形式的支護(hù)。該值是在 我們先前測(cè)繪期間的可用隧道區(qū)段基礎(chǔ)上計(jì)算的，并未考慮因 巖崩而堵塞的區(qū)域。由于以西的巖崩特征和以東的一大池水的 存在，很難說我們沒有進(jìn)入的 5， 500 英尺左右的超前導(dǎo)洞中究 竟有多少采用了支護(hù)多少?zèng)]有采用支護(hù)。在采用了支護(hù)的區(qū)段 中， 62%由混凝土支護(hù)或襯墊構(gòu)成， 37%由木質(zhì)支護(hù)構(gòu)成， 1%由 鋼支架構(gòu)成。 在擴(kuò)建過程中需要移除現(xiàn)有支護(hù)。 預(yù)計(jì)這些區(qū)域與 發(fā)生巖崩的區(qū)段將比當(dāng)前未采用支護(hù)的隧道區(qū)段采用更多的巖 石支護(hù)。作為指南并根據(jù)我們對(duì)超前導(dǎo)洞的記錄，我們預(yù)計(jì)約 87%的隧道可以不采用支護(hù)， 只需采用臨時(shí)巖石錨桿支護(hù)固定塊 石和楔塊。再次， 該值忽略了巖崩堵塞通道的區(qū)段。若巖石表面 過于粗糙， 則要求采用噴漿混凝土涂抹洞壁， 便于通風(fēng)。若當(dāng)前 采用了木質(zhì)支護(hù)，我們預(yù)計(jì)將需要在間距 1.31.6m 厚度 45cm 的無鋼筋噴漿混凝土上安裝 2.4m 長的巖石錨桿。若使用了混凝 土支護(hù)、 混凝土襯砌或鋼支架， 則需要的支護(hù)可能包括在間距 1m 長 2.4m 的巖石錨桿配合使用厚度 912cm 的鋼纖維噴漿混凝 土。這些區(qū)段可能也要求采用格構(gòu)桁架。這些建議都是初步的， 僅用于成本估算， 對(duì)最終圖紙或施工并不適用。最終支護(hù)需求要 根據(jù)另外的隧道測(cè)繪和施工期間觀察到的具體情況確定。 若大量的巖崩堵塞了超前導(dǎo)洞， 則要求添加地面支護(hù)， 重新 開啟隧道。 Shannon & Wilson 公司已經(jīng)針對(duì)全部或部分崩塌堵塞 隧道的區(qū)段設(shè)計(jì)了幾種翻新方案。一般來說， 已經(jīng)證明碎石與巖 屑灌漿與錨桿支護(hù)有助于建造穩(wěn)定的拱頂， 隨后可以挖除， 然后 再采用鋼肋或格構(gòu)桁架以及噴漿混凝土支護(hù)。 4.2.2 施工成本初步估算 假設(shè)隧道擴(kuò)建工程包括一個(gè)拱頂， 則隧道的成本規(guī)模將按約 9.4 元/英尺隧道的速度增加。根據(jù)最近的隧道擴(kuò)建工程， 預(yù)計(jì)開 挖土石方的招標(biāo)價(jià)約為 5090 美元/人民幣（我們對(duì)第 3 標(biāo)段的 估價(jià)取 63 美元/人民幣的標(biāo)稱值） 。因此，挖方成本可能約為 470850 美元/英尺。針對(duì) 88%的隧道， 我們建議在進(jìn)行初期成本 估算時(shí)假設(shè)采用定點(diǎn)巖石錨桿， 如每個(gè)定點(diǎn)巖石錨桿為 5 英尺伊 5 英尺長， 造價(jià) 40 美元/英尺。我們建議對(duì)超前導(dǎo)洞西部將作為 人行通道的 2.5 英里進(jìn)行噴漿混凝土澆筑。 假設(shè)每 325 平方英尺 橫斷面面積的隧道需要 6 英寸的噴漿混凝土， 估算成本約為 560 美元/英尺。 在約 12%的未襯砌 （通風(fēng)） 隧道區(qū)段， 我們希望找到需要規(guī) 則形狀的巖石錨桿也可能需要鋼纖維噴漿混凝土和格構(gòu)桁架的 區(qū)段。支護(hù)成本可能為高達(dá) 1200 美元/英尺。對(duì)于這 12%我們采 用 860 美元/英尺的平均值。我們預(yù)計(jì)該值也適用于發(fā)生巖崩堵 塞通向超前導(dǎo)洞的通道的區(qū)段。 4.3 米爾溪豎井 根據(jù)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的回顧和與 BNSF 工作人員的討論， 已經(jīng)采 用巖石對(duì)米爾溪豎井進(jìn)行填塞和回填。雖然技術(shù)上可以重新開 啟該豎井，但是我們認(rèn)為重新建造一個(gè)豎井的成本可能更低安 全性也更高。 米爾溪豎井周圍的巖石條件尚不清楚， 可能已經(jīng)被豎井原先 的施工作業(yè)擾亂了。此外， 豎井位置與喀斯喀特隧道的相對(duì)距離 也是一個(gè)潛在的問題。重新開啟豎井要求在現(xiàn)有喀斯喀特隧道 中作業(yè)， 但由于 BNSF 可能存在限制， 因此可能并不具有可行性。 可以采用天井鉆孔技術(shù)修建豎井， 從地表面向超前導(dǎo)洞鉆一 個(gè)直徑 612 英寸的導(dǎo)向孔，安裝一個(gè)直徑 1520 英尺的刀盤， 并將豎井鉆到需要的尺寸。鉆屑將經(jīng)由超前導(dǎo)洞運(yùn)走， 然后對(duì)已 挖好的隧道進(jìn)行混凝土襯砌。在優(yōu)質(zhì)巖石里修建相似的直徑 15 英尺深約 1， 000 英尺的