與 建 材裝 飾2014 年 8 月 概念規劃與巖土工程要素： 超級探測器選址 建設與 BNSF 喀斯喀特隧道通風改造工程 賀 均 （中鐵二局第六工程有限公司四川 成都610013） 中圖分類號： U453.5文獻標識碼： B 文章編號： 1673-0038 （2014） 32-0117-09 1 引 言 本概念設計文件介紹了如何聯合美國伯靈頓北方圣太菲鐵 路運輸公司 （BNSF） 在其喀斯喀特隧道系統附近修建一個大型探 測器 （如水契倫科夫探測器） 通道以便進行中微子研究。 同時還介紹了該工程與喀斯喀特隧道通風改造工程如何實 現互利共贏， 如將當前的單區隧道系統改造為雙區隧道系統。新 隧道系統將大大提高 BNSF 通過隧道運行列車的靈活性， 將東向 （上坡） 列車之間的最小間隔時間從 64min 減小到 34min， 從而幫 助緩解現已幾近飽和的重要運輸路線的壓力。本文件是華盛頓 大學、 Shannon & Wilson 公司和柏誠公司共同協作的產物。 BNSF 鐵路喀斯喀特隧道系統包括距離西雅圖 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在 用作排水洞的 5.35 英里長超前導洞。超前導洞與喀斯喀特隧道 西部的 2/3 平行。超前導洞東起于地表之下，米爾溪谷地下方， 1928 年建成而現已關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 美國最長的運輸隧道， 我們相信它也是美國最深的運輸隧道。超 前導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位置即 Cashmere 山以南 16 英里 和以西 16 英里建立深部科學與工程實驗室 （DUSEL） 的建議書 引起了物理學家對喀斯喀特隧道的興趣。DUSEL-喀斯喀特項目 一旦建成， 將會提供一個深度深、 清潔度高、 環境安靜的地方， 便 于安裝和運營多個用以探測和觀測中微子、暗物質和其他用途 的探測器或觀測臺。由于巖石頂部屏蔽了宇宙射線， 因此需要較 大的深度， 否則將會干擾這些觀測臺的運行。DUSEL-喀斯喀特 項目還包括一個復雜地表實驗室 （ “科學分部” 將坐落于華盛頓 州的 Leavenworth 鎮附近） ， 科學團隊將在此處構建探測器組件， 分析數據以及與學生和其他青年研究人員共事。DUSEL-喀斯喀 特項目在 Cashmere 山的選址是目前美國國家科學基金會考慮為 該設施選擇的六個地點之一。 物理界已經規劃了一個超大型探測器（ “超級探測器” ） 其中一種方案是采用一個裝滿超純水的 60m伊60m伊180m 洞 室將在 DUSEL 投入運營之后不久開始修建。該報告探討了 在喀斯喀特隧道附近修建該大型探測器的可能性， 并用 DUSEL- 喀斯喀特科學分部的設施對此進行了論證。該想法利用了一種 優勢條件： 該隧道幾乎直接從斯蒂文森山口的兩個山峰、 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 級探測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， 原因在于其地質條件更優越 （花 崗閃長巖） ， 距離西入口更近 （2.3 英里） 。 本施工計劃將要求翻新和擴建超前導洞， 安裝一個大功率通 風系統， 并在米爾溪附近修建一個通風井。這也是將當前的單區 通風系統改造成類似于加拿大太平洋鐵路麥克唐納德隧道的雙 區通風系統的必要步驟。 2 概念規劃： 探測器與 BNSF 通風系統 2.1 幾何結構 隧道的幾何結構與上覆巖層是概念規劃的兩個重要因素。 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 的集裝箱向東部運輸過程中的重要性。附近目前充當主鉆孔排 水管道的超前導洞比較容易接近， 為評估巖石條件、 實施原位巖 石試驗和將其作為鉆探孔進入擬建測試艙的始發區提供了絕佳 的機會。該隧道的大部分區域都沒有進行襯砌。 斯圖爾特山巖基不僅為 DUSEL-喀斯喀特項目提供了一個 適合的深挖點 （Cashmere 山） ， 還為類似于本規劃中的大型探測 器的大規模民用建筑工程提供了理想的淺挖點（牛仔山下的喀 斯喀特隧道、超前導洞） 。規劃的 DUSEL-喀斯喀特地表科學分 部， 將坐落在 Leavenworth 鎮附近， 可以為兩個挖掘點提供支持。 超前導洞約呈長方形， 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。超前導洞西入口 位置非常靠近喀斯喀特隧道西入口。標示為東端起點的前米爾 溪施工豎井的鉆孔深度為 622 英尺， 采用木質支護， 橫斷面為 8伊 24 英尺， 長軸與隧道平行。據我們了解， 喀斯喀特隧道擬建南側 隧道壁沿線的豎井已經被挖掉，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 挖出的巖石進行了回填。 本報告中的定位以 BNSF 對本隧道的定 位為基礎，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） 的測量距離。 一條道路連接了米爾溪豎井區域和 2 號高速公路。 下文討論 的規劃要求在米爾溪重新建立一個超前導洞開孔用于通風排 氣。 2.2 超級探測器背景 中微子超強光束及其配套探測器的發展是物理界正在競相 交通建設 117 與 建 材裝 飾2014 年 8 月 討論的一個有效開展長基線 （-2500km） 中微子震蕩實驗的重要 機遇。這樣的計劃將利用用美國大陸境內可用的長基線中微子 束流以及 FermiLab 或 Brookhaven 的技術產生兆瓦級的質子驅動 力。可能的發現包括一個新的違反宇稱守恒的測量值， 可能會成 為理解物質起源的關鍵。在討論多種探測器技術的同時， 美國最 大的組織 （終極中微子觀測臺） 還將焦點集中在與神岡礦 （日本 超級神岡） 和薩德伯里礦 （加拿大薩德伯里中微子觀測站） 中使 用的探測器相似的水契倫科夫探測器，但其數量級遠比超級神 岡大。水探測器因其體積原因可能會對隧洞開挖處的巖石質量 以及進入挖掘點的便利性要求較高，這是因為在開發實驗設施 過程面臨的土建設計難題和施工難題都是巨大的。 如上所述， 針對該實驗的討論已經可以與 DUSEL （深部科學 與工程實驗室） 的討論相提并論， 以至于美國國家科學基本會希 望為 FY08 或 FY09 提供資助。DUSEL 將焦點主要集中在實驗的 物理學、 天體物理學、 地球科學和工程學方面， 很多情況下這些 方面都要求較大的深度和罕見的清潔度。超級探測器的規模跟 DUSEL 完全不同：高能物理咨詢委員會預計其施工成本為 6.5 億美元， 幾乎是 DUSEL 總成本的兩倍。此外， 美國能源部科學辦 公室 （即超級探測器的預期主辦單位） 的 20 年計劃建議從 DUSEL 投入運營后不久開始超級探測器的施工建設。 然而， 科學 界的很多人均將 DUSEL 視作超級探測器的鋪墊， 因為 DUSEL 可 以為該大型項目提供必要的國家級實驗室規模的基礎設施和社 區組織支持。 將喀斯喀特隧道視作潛在超級探測器選址的提議是由 DUSEL-喀斯喀特項目的支持者提出的， 他們給出了幾個重要原 因： （1） Cashmere 山靠近喀斯喀特隧道， 使得超級探測器在施工 時可以利用 DUSEL 的科技人員和基礎設施。華盛頓州 Leaven原 worth 鎮附近的 DUSEL-喀斯喀特科學分部將通過 2 號高速公路 連接喀斯喀特隧道的西入口， 43 英里的行程只需 50min 左右。 科 學分部同時也會靠近 BNSF 鐵路。探測器選址與 Leavenworth 小 鎮的鐵路距離為 35 英里。因此， DUSEL-喀斯喀特科學分部可用 作暫存區域，將人員與設備經主要交通干線門對門運輸至牛仔 山選址。 （2） 幸運的是兩個地下選址到科學分部都比較方便， 消除了 “深度與清潔度” 與超級探測器需求之間的潛在沖突。DUSEL-喀 斯喀特實現了前者， 提供了高清潔度高深度的地點。明確地說就 是超級探測器在同一地點的施工建設將在未來近 10 年的時間 內降低便利性、 無聲性與清潔度對 DUSEL-喀斯喀特項目中運營 的這些實驗的重要性。未開發選址將會失去很多原有的優勢， 因 為超級探測器的施工建設將產生一個與生產礦類似的環境。 （3） 第二個選址強調了超級探測器最重要的需求， 包括： 淤一 個優良的現有巖土工程數據庫；于容易進入深層巖體以便低成 本地進行深入試驗和建模并設計開挖方案；盂優良的鐵路和高 速公路水平通道。前兩點有助于在做出任何重要投資之前全面 評估項目的成本和可行性。水平鐵路通道將有助于在地下裝載 巖石挖方然后拖運至普吉特海灣地區，在此地區壓碎石是一種 有價值的商品。到達隧洞的鐵路和卡車通道在探測器施工建設 期間也是非常重要的，因為承包商可以以更低的成本更容易地 運輸材料和設備。 （4） 該選址提供了良好的深度。下文所述的規劃將探測器底 座建于牛仔山山峰下方 3660 英尺處或約 3240m 水當量 （mwe） 處。雖然長基線設備要求的深度較小， 但是美國國家研究委員會 中微子設施委員會仍要求深度達到 2000mwe 以防質子衰變。一 般規定 3000mwe 的深度為太陽能中微子研究 （如晝夜差異測量） 的適合深度。 HEPAP 將其對超級探測器的目標設置為 4000mwe。 （由于應力場一般隨著深度升高， 在確定最佳深度時應同時考慮 物理學目標和巖土工程支護成本。日本的超級探測器超級神岡 14001900mwe 的規劃深度部分是出于巖土工程要素考慮。 （5） 該選址相對于 FermiLad 位置較為優越： 在建議的質子驅 動力參數條件下， 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。 （6） 該選址位于美國林務局 （USFS） 土地上， 包括 BNSF 擁有 道路優先權的地區。該項目要求獲得 USFS 的使用許可和與 BNSF 的合作協議。USFS 土地的選定是合適的。所有權的穩定 性喀斯喀特隧道已經運營了 75 年在幾十年的超級探 測器物理計劃預期期限內是非常重要的。 （7） 由于 2 號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。 因為輸電線路也沿著米爾溪，因此米爾溪豎井區域也有可用的 電力。 超前導洞 （600gpm） 產生的排水質量高， 足以填滿超級探測 器。然而， 水權問題仍需進一步研究。 2.3 BNSF 通風系統 東向行駛的列車進入喀斯喀特隧道時必須從西入口 （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。 東入口的通風系統包括兩個大功率軸流風機和一個隧道洞門。 我們這里討論有兩列連續的東向行駛的列車的情況。當第一列 列車靠近西入口時， 關閉東入口隧道洞門， 開啟一個風機。隧道 洞門可以防止列車產生 “活塞效應” ， 推擠前方的空氣柱。風機產 生足夠的壓力迫使前進中的列車周圍的空氣向西流動，從而防 止列車機車過熱， 為引擎和列車人員提供充足的氧氣。當列車到 達距離東入口 3250 英尺的某個點時， 關閉該風機， 隧道洞門自 動開啟。當列車全部出了隧道之后， 跳到第二個信號， 指示關閉 隧道洞門開始吹掃循環：在下一列東向行駛的列車可以進入西 入口之前， 必須吹掃完隧道內的廢氣。在吹掃循環中兩個 BNSF 風機將同時工作。兩個風機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。 只有這時第 二列列車才可以進入西入口。這種單區通風系統要求兩列連續 的東向行駛的列車的最小間隔時間約為 65min。 這是隧道通行能 力的主要限制條件。 （1） 現有喀斯喀特隧道 （單區） 。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： 60min 的循環忽略了列車車身 長度和吹掃前關閉隧道洞門的約 20s 的時間。以 1 英里為例， 列 車需要 4min 才能完全通過東入口。一旦這種情況發生， 將會觸 發入口洞門關閉。只有在這之后才能開始吹掃 （綠色） 循環。因 此， 當列車標稱速度為 15 英里/時， 兩列東向行駛列車的最小間 隔時間約為 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 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輸量的增加， 該路線 的壓力將會繼續增大。普吉特海灣諸港處理的貨物量排名全國 第三 （僅次于紐約地區和洛杉磯地區） 。預計在未來十年早期通 行能力限制將變得至關重要。BNSF 擔心隧道的吞吐量受限， 已 經研究了一些解決方案。只有兩個辦法可以提高當前單區系統 的通行能力， 即減少通過時間 （加快列車速度） 或減少吹掃時間。 已經詳細檢驗了可能的改進措施，但是發現均存在邊際成本效 益。正在考慮中的區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， 使東向經過喀斯喀特隧道的列車可以經由史丹皮山口返回。 然而還有另一種可能， 即通過重新設計通風系統提高喀斯喀 特隧道的通行能力。若將當前的單區系統改造成多區系統， 則在 列車穿過一個隧道區時， 另一個隧道區可以同步完成吹掃。加拿 大境內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。該隧道有兩個隧道區， 兩組隧道洞門和兩套 通風系統。 （2） 擬建雙區系統的循環過程。 喀斯喀特隧道雙區系統的通風 循環過程。 除東入口現有的隧道洞門外， 還需要增加一個洞門將隧 道分成平均分成西段 （第一區） 和東段 （第二區） 。該規劃同時還要 求在中點建立通風系統給第一區供氧并將第二區的廢氣從超前導 洞排放至新建的米爾溪豎井中。多區系統的一般原則是各區的通 過時間和吹掃時間總和應相等， 確保隧道的正常運營。 圖 1 說明了擬定的通風方案。 超前導洞的西入口也將安裝一 個類似于喀斯喀特隧道東入口現有的 BNSF 系統的風機系統和 入口洞門。該系統將迫使空氣沿著超前導洞向東流動進入喀斯 喀特隧道第一區的東端， 然后向西流動進入喀斯喀特隧道， 參與 第一區的冷卻和吹掃循環。也就是說， 超前導洞將作為進氣口， 提供第一區東部邊緣的新鮮空氣。 其中一部分空氣會流向探測器區域， 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洞氣流中去。跟現有單 區系統一樣的是， 在喀斯喀特隧道范圍內， 第一區和第二區里面 的空氣總是從西向東流動的。 第一區和第二區通過一個喀斯喀特隧道中點的一個隧道洞 門以及一個將超前導洞分成西段 3.89 英里東段 1.46 英里的防 水壁隔開。超前導洞的東段用作喀斯喀特隧道第二區的排氣通 道，將廢氣從第二區西端向東排放至超前導洞東端起點的新建 排氣井中。此處的超前導洞從米爾溪谷地下方穿過， 其上覆巖層 厚度僅為 620 英尺。 當一列東向行駛列車自西進入第一區時， 新建通風系統將按 照現有 BNSF 系統在單風機 （ “通過” ） 模式中的方式朝列車吹掃 空氣。關閉中點處的隧道洞門， 以便削弱列車的活塞效應和隔離 第二區。 當列車穿過第一區時， BNSF 系統開啟吹掃模式，清除第二 區中前一列列車產生的廢氣。當列車靠近中點時，隧道洞門打 開， 第一區通風停止。冷卻則由通過模式中運行的現有 BSSF 系 統接替進行。當然， 第二區在列車到達該點時即已經完成吹掃。 當列車完全進入第二區后， 中點隧道洞門關閉， 第一區的風機系 統開始全速運行吹掃該區。新鮮空氣則經由超前導洞進入對第 一區進行吹掃。東向行駛列車的最小間隔時間為 30min。若仍假 設列車標稱速度為 15 英里/h，則考慮到一英里長的列車通過隧 道洞門所需時間， 最小間隔時間將增加至 34.3min。運行過程如 下： （1） 各區經歷著一個循環過程， 該循環包括 15min 通過模式、 4.3min 關閉模式和 15min 吹掃模式。 （2） 第一區通過循環結束后第二區立即開始通過循環。 （3） 前一列列車從東入口完全出來后下一列列車立即進入第 一區， 觸發關閉東入口隧道洞門。這牽涉一個簡單的安全協議： 若隧道已經被完全占用， 則列車不能進入隧道 （隨后討論的三區 系統則不受此限制） 。 若不更改當前的通風系統， 則單區系統仍然是默認方案。我 們在下文中也認為可以在不擾亂當前運營的前提下安裝雙區系 統。 所有需要進行的開挖工程都可以通過超前導洞完成。 該規劃 的其他效益包括提高安全性和排水能力，為超級探測器提供其 他選址難以匹敵的應急通風方案。 2.4 探測器和通風系統開發的概念規劃 探測器的深度是華盛頓大學 （UW） 集團考慮的幾個初始問 題之一。上述規劃恰好將探測器置于喀斯喀特隧道的坡度之下， 從超前導洞的西入口沿正向坡度水平進入。其他選址， 如亨德森 礦，都需要修建傾斜導坑以便為超級探測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， 將會限制輪胎 式車輛的水平進入， 產生 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， 使用超前導洞排放廢氣需要修建通風井， 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。華盛頓大學集團最后認為使用已知巖石的現有隧道非 常重要， 不應再追求位置深度更深需要修建傾斜導坑的方案。 我們擬將該項目分三個階段推進：第一階段對應于巖土工 程/設計階段。穿過超前導洞的現有通道的一個優勢是可以立馬 在擬建探測器洞室附近對應力進行現場測量。沒有現有通道， 一 般說來是不可能進行這種測試的，因為這種測試所采用的方法 在長鉆孔中是不能施展的。第一階段在某些地方也應包括提取 巖心， 用以探測擬建探測器位置喀斯喀特隧道正北方的巖體。由 于探測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 的條件下進行， 以便全面勘探探測器的容積。隨后 在本報告中我們將討論喀斯喀特隧道/超前導洞的現有巖土工程 數據庫以及進一步勘探可能獲得的數據。 第二階段是擴建和翻新超前導洞， 使其能夠充當通風源和排 氣通道以及舊米爾溪豎井排氣井的井口。 根據與 BNSF 建立的合 作伙伴關系， 第二階段可以多種方式推進。我們下文討論兩種基 本方案： 圖 1 雙區通風系統的示意圖視圖 交通建設 119 與 建 材裝 飾2014 年 8 月 （1） 方案 A 對 BNSF 有利， 因為將對超前導洞進行維修和安 全改造， 但不會改變當前的喀斯喀特隧道通風系統， 因此也不會 提高隧道的吞吐量。因其成本最低且實現的目標最有限， 可稱之 為最小方案。 （2） 雙區方案， 是一個同時優化了科學通道和配套的喀斯喀 特隧道通風改造工程的設計方案。 第二階段最小方案：其要求是建立一個可向實驗區域提供 150， 000cfm 空氣的通風系統和進行以下超前導洞改造工程。 （3） 翻新、 重新支護和擴建超前導洞。科學通道需要的西段 2.4 英里隧道寬度可以擴建至 5m， 拱頂也可以達到 5m， 使橫斷面 可以達到 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） 翻新和重新支護超前導洞剩下的 2.95 英里， 并采用光面爆 破技術做一些輕微擴建和抹平。 本部分隧道將作為一個排氣通道。 一 個橫斷面為 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） 在超前導洞米爾溪端點開挖一個混凝土襯砌的 620 英尺 深的排氣井。 約 8 英尺的內徑將產生一個約 3000 英尺/分的氣流 速度經濟型排氣井的一般氣流速度。 改造工程：淤2.4 英里隧道擴建至 260 平方英尺，成本基礎 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， 成本基礎 495 美元/英尺伊12， 672 英尺， 成 本 630 萬美元。盂2.95 英里隧道擴建至 100 平方英尺， 成本基礎 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，成本基礎 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 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 28， 248 英尺伊46 美元/英尺， 成本 130 萬美元。輿8 英尺通風井， 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 1915 萬美元。 根據 DUSEL-喀斯喀特預案， 我們已經使用了 63 美元/立方 碼的開挖成本，符合我們發現的類似隧道擴建項目（參見第 4 節） 的 5090 美元/立方碼的范圍要求。隧道西段的 2.4 英里的支 護成本包括 6 英寸厚的噴漿混凝土和預計 40 美元/英尺的最小 額外支護成本。 對于隧道剩余的未翻新部分， 其平均 150 美元/英 尺的支護成本源于對 88%的隧道需要微型支護（40 美元/英尺） 而剩余 12%的隧道需要重大支護 （960 美元/英尺） 的估計。這包 括一段已經廢棄的超前導洞： 這段 1.4 英里的廢棄隧道最近沒有 進行過勘探。擬挖方 （包括米爾溪的天井鉆） 的所有廢石將經由 超前導洞運送： 軌道將連接至 BNSF 干線， 將碎石運送至西雅圖 市場。 超前導洞改造工程將允許增加新的通風系統， 用以從西入口 吸入 150， 000cfm 的空氣， 輸送進科學區， 隨后將廢氣沿著超前導 洞向東輸送，而空氣流經超前導洞時將通過米爾溪的新建通風 井排出。盡管最小方案并未提高 BNSF 喀斯喀特隧道吞吐量， 但 是我們發現本方案中的合作給 BNSF 和科學分部運營帶來的許 多好處： （1） Shannon & Wilson 公司 1998 年就建議 BNSF 翻新超前 導洞使其能夠繼續發揮其對主隧道的重要排水功能。這個被推 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 洞修復完成， 現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洞現在已經各自擁有通風系 統， 將大大提高隧道的安全性。若主隧道發生事故， 工作人員可 以在超前導洞中避難，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 當科學分部運營的避難所。 （3） 如果科學分部區域如果在緊急情況能夠連接大功率喀斯 喀特隧道通風系統， 則會很有幫助， 這樣就能產生 700， 000cfm 的 通風氣流用以吹掃探測器上方的空間。雖然一般情況下以這種 方式使用 BNSF 系統會有一定的延遲 （隧道中的任何列車都必須 能夠撤離隧道） ， 但是這種額外的應急能力卻證明可以滿足可能 的使用標準。 第二階段雙區方案：上文所述的最小方案在于設立一個基 準， 與推薦的雙區方案進行對比。我們認為雙區方案， 盡管會帶 來一些額外成本，但是會因提高了喀斯喀特隧道的通行能力而 帶來額外的價值。該方案要求超前導洞通風系統的空氣輸送能 力達到 550， 000cfm。開挖步驟包括： （1） 將整個超前導洞擴建至橫斷面約 325 平方英尺。 例如， 這 將對應于一條 16 英尺寬拱頂弧度達 22 英尺的馬蹄形隧道。這 種隧道可以向第一區東端輸送 555， 000cfm 的空氣，氣流速度可 達 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， 即通向實驗區的通道， 將采用噴漿混凝土、 輕度錨固和 混凝土地面。剩余 2.95 英里則不進行襯砌。整個隧道將鋪設軌 道， 便于翻修。最初 2.4 英里的軌道將用作進入大型探測器的通 道， 剩余軌道則用作維修通道。對最初 2.4 英里隧道和緊接著的 1.5 英里未襯砌但相對光面的隧道采用光面襯砌隧道常用摩擦 系數， 我們估計這 3.9 英里隧道的壓降將達到 9 英寸水流量。也 就是說， 這是從超前導洞西入口到第一區東端的壓降值。 （2） 在超前導洞米爾溪端點開挖一個混凝土襯砌的 620 英尺 深直徑約為 15 英尺的排氣井。其所產生的約 3100 英尺/分的氣 流速度是經濟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行比較。 改造工程：淤2.4 英里隧道擴建至 325 平方英尺，成本基礎 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， 成本基礎 600 美元/英尺伊12， 672 英尺， 成 本 760 萬美元。盂2.95 英里隧道擴建至 325 平方英尺， 成本基礎 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， 成本基礎 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 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 28， 248 英尺伊46 美元/英尺， 成本 130 萬美元。輿15 英尺通風井， 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 3115 萬美元。 該方案的安全性和排水優勢與最小方案相似， 但是在操作上 會有細微差別。 如圖 2 所示， 超前導洞東段的 1.46 英里現在已經 成為喀斯喀特隧道第二區 （至米爾溪豎井） 的排氣通道。第一區 將通過超前導洞吸入新鮮空氣進行通風，然后通過喀斯喀特隧 道排氣。 雖然第一區通風方案可以確保超前導洞西端 3.9 英里的 清潔度，但是東端 1.46 英里的大氣卻不會與主隧道的大氣隔離 交通建設 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， 則應急模 式可能包括默認主隧道進入單區模式，并采用第一區通風系統 迅速吹掃超前導洞的東段部分。 該步驟可以在 4.6min 內完成， 因 此超前導洞可以繼續作為一個可行的避難所。 由于整個超前導洞將會進行大幅度擴建， 因此應考慮安裝連 接喀斯喀特隧道的改良排水口。現有配套主要設計用來彌補 7 英尺的隧道地面海拔差在超前導洞擴建時該差異可能被消 除。 在第三階段， 如圖 2 所示， 探測器區域將向超前導洞第一區 區段之外擴展。其施工建設將通過鐵路支持： BNSF 通風功能所 要求的大隧道橫斷面也滿足科學分部對優良水平鐵路和公路通 道的需求。超前導洞軌道可以看作是 BNSF 鐵路之外的一個分 支， 連接了西入口外面的干線。大型探測器位于喀斯喀特隧道北 側上覆巖層最厚的區域。 探測器洞室將在地下進行挖掘。 超前導 洞南部的結構可能稍微比較簡單，只損失了約 300 英尺的上覆 巖層。 超前導洞下方的部分通風氣流將轉向實驗區域， 然后返回隧 道上游。 常規氣流約為 175， 000cfm， 在整個隧道中產生一個通向 探測器的 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，則可以在超級探測器洞室的所有入口安裝一個空氣 過濾器， 用以提高空氣清潔度 （安裝之后， 將會很容易限制入口 與清潔車或電動車之間的空氣流動，從而消除大部分或全部的 碳氫化合物） 。 地下洞室的適用標準一般要求應急通風系統應足夠使室內 空氣每小時換氣六次。由于一個大型水契倫科夫探測器可能約 有 300， 000m3的水上空間，因此本要求對應的氣流量為 100 萬 cfm。盡管大型水契倫科夫探測器由于自身的良好性能可能不受 此標準約束，但是大功率雙區通風系統的一個優勢是在短暫延 遲后仍可以滿足應急要求。超前導洞第一區通風系統產生的所 有 （若第一區未被占用） 或幾乎所有 （第一區被占用） 的 550， 000cfm 的氣流量可能立即轉向探測器。一旦喀斯喀特隧道 吹掃完成，如果探測器和喀斯喀特隧道之間增加了一條通風通 道（增加到圖 2 中） ，則 BNSF（第二區） 系統產生的額外的 550， 000cfm 氣流量將可能改變輸送方向。 洞室開挖將花費 35 年的時間。水平鐵路通道的一個優勢 是可以將碎石運到西雅圖， 使碎石能夠在施工中發揮價值。這可 以與 BNSF 的施工進度協調一致， 而無需使用主隧道。由于當前 的巖石成本約為 6.50 美元/t， 因此總價值約為 2000 萬美元。 其他 大部分超級探測器施工選址提案都建議用卡車裝運巖石或直接 將巖石丟棄在施工現場。 人們希望超級探測器的施工進度可以在時間上與 BNSF 喀 斯喀特隧道的需求保持一致。可能承擔開挖工程的承包商可以 提供自己的通風系統。新系統更有可能在開挖完成之后安裝， 在 探測器施工期間同時為 BNSF 和科學家們服務。 探測器施工應與 BNSF 通風需求保持一致。 2.5 變量及其他升級潛力 在確立方案的合理性之前， 2.4 節討論的所有內容都必須進 行更量化的說明。建立雙區通風系統的數值模型和設計可以同 時服務科學分部和第一區通風需求的風機系統將變得至關重 要。 在估算成本時也要重視對超前導洞進行詳細勘探。 同時可以 探索幾個概念問題： （1） 第二區廢氣： 我們已經使用了 25%的超前導洞來將第二 區廢氣輸送至米爾溪， 以便將廢氣通過一個短的 （約 620 英尺） 混凝土襯砌通風井排放至地表。另一種方案是在隧道中點鉆一 個長得多的豎井 （約 3000 英尺） ， 但需要對 1.45 英里的隧道進行 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 導洞方案， 因為該豎井距離一條公路很方便， 而且遠離史蒂文森 山口滑雪場。正如我們上文所述， 超前導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） 通風支線： 當我們將焦點集中在連續東向行使列車的瓶 頸問題上時，此處所述的改造工程將可能會提高其他組合列車 的效率。可以探索一種可能， 即在一開始或在將來的某個時點將 超前導洞東段的 1.4 英里隧道作為西向行使列車的支線使用。 一 種通風方案可能允許東向行駛和西向行駛的列車使用支線同時 交錯通過隧道中點。我們認為這將使通過時間得到最適度的提 升。如果 BNSF 有興趣探討這種可能性， 則需要在將來的工程研 究中對這種想法進行仔細和詳細的評估。 （3） 三區通風系統： 由于牛仔山和米爾溪有效地將喀斯喀特 隧道分成了三個大致相等的區段，因此可以采用一個三區通風 系統。三個喀斯喀特隧道區段都自東向西進行吹掃 （按照跟雙區 系統相同的方式） 。超前導洞東半段將第二區東端的廢氣輸送到 米爾溪排氣井。該排氣井同時也為第三區服務。如圖 3 所示， 這 將進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 （吸入） 通風井 （以 便給第二區通風） 、 一個吸入空氣用的風機系統和一個能夠輸送 約 850， 000cfm 氣流量的米爾溪排氣井（將第二區和第三區的廢 氣都輸送出去） 。由于三區系統將充分利用超前導洞為雙區系統 所做的所有改造工程， 包括新建的第一區通風系統， 因此可以看 作是將來雙區系統可能實現的一種升級。 3 巖石條件、 地質圖與地形圖 3.1 巖石條件 87%以上的超前導洞區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 探測器和通風系統概念規劃 注： 大型探測器在牛仔山下的一個可能的布局示意圖， 增加了一個雙區通風系統用以提高喀斯喀特隧道的 效率。一個擴建和翻新過的超前導洞將提供到達探測器區域的科學分部專用通道， 通向第一區東端的通 風系統以及從第二區西端至超前導洞米爾溪端點排氣井的排氣通道。 圖 3 三區通風系統的示意圖視圖 交通建設 121 與 建 材裝 飾2014 年 8 月 的，而且與超級探測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 （白堊紀晚期） 形成的山心。 在露頭 中， 大部分的巖基都是相當巨大的， 有著很寬的裂縫或節理 （縫 隙 從 1 英 尺 到 30 多 英 尺 不 等） ， 巖 石 強 度 約 15， 000 25， 000psi。 巖基在侵入時， 臨近的巖體會遭到剪切發生蝕變， 形 成了 Chiwaukum 片巖雜巖。大量變質片巖和片麻巖熔融進花崗 巖巖體。 Shannon & Wilson 公司已經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洞在幾種情況下 的地質條件分布圖。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 年施工建設期間遇到 的地質條件的相關歷史記錄。總之， 隧道施工建設的黑白照片顯 示地質條件為 “好到極好” ， 無或僅有少量臨時支護， 有塊狀巖和 少量地下水。 然而， 據報道， 喀斯喀特隧道中間的 1/3 段包含花崗 巖斷層帶或嚴重碎裂帶區段，并且水壓相當高 （Bauhof， 1989 年） 。施工期間首次遇到了短暫的地下水涌水，水量高達 10， 000gpm。然而， 近期測量流出主鉆孔兩個入口和超前導洞西 入口的地下水時發現總水流量低于 600gpm。根據我們先前對超 前導洞的測繪，我們預計該斷層帶或碎裂帶應該更靠近超級探 測器隧洞選定區域以東更遠的 3， 000 英尺左右的區域。 在一次針對超前導洞的局部勘察中，采用了 Barton 等人 （1974 年） 提出的 Q 系統來對兩個地點的巖石進行分類。兩個地 點的 Q 值為 21.3。 該值與附近的 DUSEL-喀斯喀特項目選址的巖 石露頭的 Q 值相似。在擬建 DUSEL 選址處， Q 值從 4.047.5 不 等， 53 個巖石露頭的 Q 值平均值為 19.3（Shannon & Wilson 公 司， 2004 年） 。根據 Q 系統， 巖石分級從 “中等” 到 “非常好” 不等， 平均水平為 “較好” 。 3.2 地質圖和地形圖回顧 雖然喀斯喀特山脈的區域地質條件比較復雜， 但是超級探測 器隧洞區域和通道隧道的地質條件預計將相對比較均勻。根據 Skykomish 河地質圖 （USGS， 1993 年） 回顧， 到擬建超級探測器隧 洞選址 （超前導洞西半段） 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巖分布區域和 Chiwaukum 片巖變質巖 分布區域。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。母質沉積物和形成 Chiwaukum 片 巖的變質作用可能與白堊紀晚期時的斯圖爾特山巖基入侵有 關。下面匯總了隧道區域內的地圖單元， 包括地質圖和地質剖面 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 張該區域的 USGS 地圖編制圖 4 所示的地質剖面圖 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 示的地質信息是根據 Skykomish 河地質圖 （USGS， 1993 年） 和我 們先前對超前導洞的測繪 （Shannon & Wilson 公司， 1998 年） 編 制的。 4 概念建議 4.1 超級探測器隧洞和輔助建筑物 超級探測器綜合體由一個已經發展成熟的約 60m伊60m伊 180m 的隧洞和一個將超前導洞橫斷面面積擴大到 325 平方英尺 左右的通道隧道構成。盡管超前導洞很多區域是不需要支護的， 但是需要支護的區域通常位于片巖區域內。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牛仔山位于花崗 閃長巖的延伸區域， 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探測器隧洞的截面 及預期的地質條件。顯示了與喀斯喀特隧道相同海拔附近的優 選位置和更深的備選位置： 強烈推薦深度較淺的選址， 因為它可 以提供與 BNSF 合作開發運營的機會。進一步說， 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勢。將與 BNSF 共同合作， 擴 建和改良超前導洞， 將其用作進入探測器區域的通道， 用于通風 和排氣。 4.2 超前導洞擴建工程 采用 BNSF 超前導洞在深度超過 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行原位巖石條件評價 和原位屬性測試， 并提供到達目標巖體區域的便利通道。若決定 繼續進行探測器施工，超前導洞將從當前 8 英尺寬伊9 英尺高的 剖面擴建至橫斷面面積約 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洞擴寬 12 個點，形成 試驗區。這些試驗區位于 281+00 站附近， 用作導向巖心鉆井作 業和取樣的鉆土暫存區域， 為大規模實驗室試驗、 原位應力測量 和其他原位試驗和測繪采集樣本，以便更好地對巖體性質進行 分類。根據與一個專業從事地下空間鉆井作業的鉆井公司的討 論結果， 空間面積可減少至最小約 15 英尺伊15 英尺， 并且仍可提 供足夠的作業空間。然而， 稍微大一點的面積可能有助于提供生 產率， 為進行額外的地層特性原位試驗提供一個洞室。由于巖石 裂隙間距和洞室尺寸的比例關系，較大的高度范圍導致巖石荷 載明顯增加， 所需的支護也明顯增加。 4.2.1 初期開挖和支護要求 由于現有超前導洞洞室的存在和相應位置的支護系統的范 圍較大， 隧道可能將采用鉆爆法進行擴建。因隧道也可以用于增 圖 4 喀斯喀特隧道地質剖面圖簡圖 A-A憶 交通建設 122 與 建 材裝 飾2014 年 8 月 強喀斯喀特隧道的通風， 要求采用光面爆破技術， 利用間距相對 較近的爆破孔和大量微秒爆炸延遲減小表面粗糙度。 決定超前導洞的支護需求的控制因子包括： 巖石強度、 裂隙 間距、 巖石定向、 巖石粗糙度和巖石空隙填料； 巖石應力； 以及地 下水涌水。已經根據這些特征提出了幾種巖體和支護的分類系 統， 包括 Barton 提出的巖體質量評價 （Q 系統） 。 目前約 13%的超前導洞采用了某種形式的支護。該值是在 我們先前測繪期間的可用隧道區段基礎上計算的，并未考慮因 巖崩而堵塞的區域。由于以西的巖崩特征和以東的一大池水的 存在，很難說我們沒有進入的 5， 500 英尺左右的超前導洞中究 竟有多少采用了支護多少沒有采用支護。在采用了支護的區段 中， 62%由混凝土支護或襯墊構成， 37%由木質支護構成， 1%由 鋼支架構成。 在擴建過程中需要移除現有支護。 預計這些區域與 發生巖崩的區段將比當前未采用支護的隧道區段采用更多的巖 石支護。作為指南并根據我們對超前導洞的記錄，我們預計約 87%的隧道可以不采用支護， 只需采用臨時巖石錨桿支護固定塊 石和楔塊。再次， 該值忽略了巖崩堵塞通道的區段。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。若當前 采用了木質支護，我們預計將需要在間距 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、 混凝土襯砌或鋼支架， 則需要的支護可能包括在間距 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。這些區段可能也要求采用格構桁架。這些建議都是初步的， 僅用于成本估算， 對最終圖紙或施工并不適用。最終支護需求要 根據另外的隧道測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洞， 則要求添加地面支護， 重新 開啟隧道。 Shannon & Wilson 公司已經針對全部或部分崩塌堵塞 隧道的區段設計了幾種翻新方案。一般來說， 已經證明碎石與巖 屑灌漿與錨桿支護有助于建造穩定的拱頂， 隨后可以挖除， 然后 再采用鋼肋或格構桁架以及噴漿混凝土支護。 4.2.2 施工成本初步估算 假設隧道擴建工程包括一個拱頂， 則隧道的成本規模將按約 9.4 元/英尺隧道的速度增加。根據最近的隧道擴建工程， 預計開 挖土石方的招標價約為 5090 美元/人民幣（我們對第 3 標段的 估價取 63 美元/人民幣的標稱值） 。因此，挖方成本可能約為 470850 美元/英尺。針對 88%的隧道， 我們建議在進行初期成本 估算時假設采用定點巖石錨桿， 如每個定點巖石錨桿為 5 英尺伊 5 英尺長， 造價 40 美元/英尺。我們建議對超前導洞西部將作為 人行通道的 2.5 英里進行噴漿混凝土澆筑。 假設每 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） 隧道區段， 我們希望找到需要規 則形狀的巖石錨桿也可能需要鋼纖維噴漿混凝土和格構桁架的 區段。支護成本可能為高達 1200 美元/英尺。對于這 12%我們采 用 860 美元/英尺的平均值。我們預計該值也適用于發生巖崩堵 塞通向超前導洞的通道的區段。 4.3 米爾溪豎井 根據對現有文獻的回顧和與 BNSF 工作人員的討論， 已經采 用巖石對米爾溪豎井進行填塞和回填。雖然技術上可以重新開 啟該豎井，但是我們認為重新建造一個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， 可能已經被豎井原先 的施工作業擾亂了。此外， 豎井位置與喀斯喀特隧道的相對距離 也是一個潛在的問題。重新開啟豎井要求在現有喀斯喀特隧道 中作業， 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修建豎井， 從地表面向超前導洞鉆一 個直徑 612 英寸的導向孔，安裝一個直徑 1520 英尺的刀盤， 并將豎井鉆到需要的尺寸。鉆屑將經由超前導洞運走， 然后對已 挖好的隧道進行混凝土襯砌。在優質巖石里修建相似的直徑 15 英尺深約 1， 000 英尺的