歐洲長(zhǎng)而深的基線隧道

歐洲長(zhǎng)而深的基線隧道

1　歐洲基線隧道面臨的挑戰(zhàn)

在歐洲，21 世紀(jì)已成為基線隧道的世紀(jì)。以前所未有的深度開(kāi)挖穿過(guò)高大山區(qū)的7座長(zhǎng)而深的隧道，經(jīng)受著多方面的特殊挑戰(zhàn)。

首先要盡可能查明隧道穿越地層的地質(zhì)、水文地質(zhì)和土工特性。隧道在特大的埋深下，通常會(huì)遇到非常高的巖石應(yīng)力、巖石的塑性或擠壓、巖爆、斷層和剪切、極大的水壓力，以及巖石的高溫度。這些問(wèn)題影響到隧道的施工和日后的運(yùn)營(yíng)，必須研究解決這些復(fù)雜問(wèn)題的方法和措施。

其次要對(duì)工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制。隧道工程長(zhǎng)達(dá)數(shù)十公里，施工條件極為復(fù)雜，潛在風(fēng)險(xiǎn)頻仍，工期大都超過(guò) 10 年以上，對(duì)主體工程的風(fēng)險(xiǎn)必須重在預(yù)防，嚴(yán)加控制。此外，對(duì)社會(huì)、對(duì)周?chē)h(huán)境的影響應(yīng)該密切注意，如何采取相應(yīng)措施減小對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，如何與當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行信息溝通，以減小對(duì)工程開(kāi)展的阻力，應(yīng)該加以重視并納入議事日程。

再者是施工方面。包括修建非常長(zhǎng)的多用途的（勘查、服務(wù)、施工出入口）隧道，開(kāi)挖拼裝（拆卸）掘進(jìn)機(jī)的大型地下洞室，置備施工機(jī)械設(shè)備，完善施工通風(fēng)系統(tǒng)，安全運(yùn)送大型物件；優(yōu)選開(kāi)挖主隧道和橫通道的方法，控制開(kāi)挖速度和選擇相應(yīng)的支護(hù)襯砌系統(tǒng)。在高大山區(qū)選擇施工出入口特別困難，往往需要建造深達(dá)數(shù)百米的豎井或具有陡峭坡度的長(zhǎng)大的施工出入口。

主隧道的規(guī)劃設(shè)計(jì)必須把保證列車(chē)運(yùn)行安全與特殊情況下的應(yīng)急處置作為首要目標(biāo)。施工中必須重視工人的人身安全、施工安全和周?chē)h(huán)境安全。

2　7　座基線隧道工程的進(jìn)展

歐洲 7 座基線隧道的位置示意圖見(jiàn)圖 1。

圖 1 歐洲7座基線隧道的位置

2.1勒奇山隧道（Lotschberg Base Tunnel）

這是歐洲第1座穿越阿爾卑斯山的基線隧道，全長(zhǎng) 34.6 km，埋深 2 000 m。主隧道是 2 座平行的單線隧道，間距 40～60 m。兩主隧道之間用橫通道連接，其間距為 330 m。

在隧道施工中，主隧道 2 0% 的長(zhǎng)度采用直徑 9.43 m 的掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，80% 采用鉆爆法施工。施工中遇到的挑戰(zhàn)：在某區(qū)段含有熱泉的地層進(jìn)行注漿得以通過(guò)；在某區(qū)段石棉地層采用“水幕”的措施進(jìn)行施工；對(duì)碳化巖石采取了特殊的對(duì)策。

隧道 1999 年開(kāi)始施工，2007 年開(kāi)通時(shí)，因財(cái)政的原因沒(méi)有全部按原方案完成。西側(cè)仍有 5 km 長(zhǎng)的隧道未開(kāi)挖，西側(cè)的中部 14 km 長(zhǎng)的隧道尚未安裝機(jī)電設(shè)備。因此，至今列車(chē)只是在南端實(shí)現(xiàn)雙線運(yùn)行。2007 年該隧道投入運(yùn)營(yíng)后，運(yùn)輸需求急劇增加，每天通過(guò) 51 列客車(chē)，60 列貨車(chē)，已經(jīng)達(dá)到運(yùn)能的 80%。為了優(yōu)化列車(chē)發(fā)車(chē)的間隔時(shí)間，客車(chē)的速度只能達(dá)到 200 km/h，而不是設(shè)計(jì)的 250 km/h。

目前瑞士正在研究西側(cè)中部隧道的鋪軌和機(jī)電設(shè)備安裝問(wèn)題，還想繼續(xù)完成未開(kāi)挖的部分，以實(shí)現(xiàn)勒奇山隧道全長(zhǎng)雙線運(yùn)行。但設(shè)計(jì)可能要好幾年，完成設(shè)備升級(jí)需要 10 多年。

2.2圣哥達(dá)隧道（Gotthard Base Tunnel）

這是在瑞士境內(nèi)穿越阿爾卑斯山的另一座基線隧道，全長(zhǎng) 57 km，大部分地段埋深 1 800 m，個(gè)別地段埋深 2 200 m。建設(shè)這座隧道的目的是要把國(guó)內(nèi)的貨運(yùn)從公路轉(zhuǎn)移到鐵路上來(lái)，并且將這一南北軸線的快速線納入歐洲高速客運(yùn)網(wǎng)。

主隧道是 2 座平行的外徑為 9.5 m 的單線隧道，相距 40 m，兩主隧道之間用橫通道連接，橫通道的間距為 325 m。

主要的開(kāi)挖工作在 1999 年開(kāi)始，2010 年主隧道貫通，到 2011 年共完成隧道開(kāi)挖總長(zhǎng) 150 km。其中施工的輔助工程包括：2 個(gè)鄰近南、北洞口的導(dǎo)坑，2 個(gè)側(cè)部的導(dǎo)坑以及深度達(dá) 800 m 的豎井。此外，還形成 2 個(gè)作為多功能車(chē)站的大型洞室，這 2 個(gè)洞室既是通風(fēng)等設(shè)備安置的場(chǎng)所，也是發(fā)生火災(zāi)或其他災(zāi)害時(shí)列車(chē)緊急?？康能?chē)站，旅客可以離開(kāi)列車(chē)到達(dá)另一側(cè)進(jìn)入應(yīng)急疏散的隧道或豎井。

施工中遇到的挑戰(zhàn)是，掘進(jìn)機(jī)一度被卡在“收斂”地層中；另外，“擠壓”地層使多功能車(chē)站不得不改變位置，移設(shè)在較好的巖層中。

自 2010 年以后，把工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到鋪軌、安裝調(diào)試信號(hào)、供電裝置、永久通風(fēng)等機(jī)電設(shè)備以及隧道出入口系統(tǒng)。

圣哥達(dá)隧道已于 2016 年 6 月進(jìn)行試運(yùn)營(yíng)，將于 2016年 12 月 11 日正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。

2.3塞內(nèi)里隧道（Ceneri Base Tunnel）

塞內(nèi)里隧道位于圣哥達(dá)隧道的南部，隧道全長(zhǎng)15.4 km。該隧道把阿爾卑斯山南部的露頭切割，埋深800 m，雖屬深埋隧道，但沒(méi)有產(chǎn)生“熱巖”問(wèn)題，巖爆的危險(xiǎn)也較小。

57 km 長(zhǎng)的圣哥達(dá)隧道，如果沒(méi)有它的小兄弟——15.4 km 長(zhǎng)的塞內(nèi)里隧道，圣哥達(dá)阿爾卑斯快速線工程將不能在蘇黎世和米蘭之間實(shí)現(xiàn)連續(xù)平坦的鐵路線，也不能在這兩城市之間實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間從 4 h 10 min 縮短到 3 h。

塞內(nèi)里隧道工程的主隧道是平行的 2 個(gè)直徑為 8.5 m的單線隧道，間距 40 m。2 座主隧道用橫通道連接，橫通道的間距為 325 m。

主隧道可分 3 個(gè)部分。2 個(gè)洞口段都并不很長(zhǎng)，但卻是地質(zhì)比較復(fù)雜的部分。最大的部分是主隧道中部。該隧道全部采用鉆爆法開(kāi)挖，這是一個(gè)例外。采用鉆爆法，地質(zhì)條件適合、經(jīng)濟(jì)，比預(yù)期提前完成。在鉆爆法施工時(shí)注意了防止振動(dòng)和噪聲對(duì)環(huán)境的影響。

主隧道南段長(zhǎng) 6 km 的隧道覆蓋層較小，但遇到了 1 km 長(zhǎng)的破碎巖層，采取了較強(qiáng)的支護(hù)得以通過(guò)。北段長(zhǎng) 8 km 的隧道覆蓋層為 900 m，遇到的麻煩是斷層，耽誤了整整 1 年時(shí)間。

為了加快施工進(jìn)度，采取了迂回的辦法，從已完成的南端西側(cè)隧道，超前施工緩慢的東側(cè)隧道 400 m，通過(guò)橫通道，進(jìn)入東側(cè)隧道開(kāi)辟新的工作面，目前尚有 1 000 m 的主隧道仍在掘進(jìn)中。洞口的工程和交叉渡線即將完成，2016 年開(kāi)始鋪軌和安裝機(jī)電設(shè)備。

2.4布倫納爾隧道（Brenner Base Tunnel）

這是穿越阿爾卑斯山長(zhǎng)度僅次于圣哥達(dá)隧道的第2 座長(zhǎng)隧道，也是從奧地利的因斯布魯克到意大利的福特扎的跨境隧道，全長(zhǎng) 55 km，最大覆蓋層達(dá) 1 800 m。隧道客車(chē)速度 250 km/h，貨車(chē)速度 160 km/h，最大坡度6.7‰。

如果采用另一種計(jì)算方法，55 km 長(zhǎng)的布倫納爾隧道加上翻新的 9 km 繞行隧道，列車(chē)將在地下隧道中運(yùn)行64 km，這是一個(gè)創(chuàng)世界紀(jì)錄的最長(zhǎng)隧道。

布倫納爾隧道的主隧道是2 座直徑為 8.1 m 的單線隧道，與圣哥達(dá)隧道相同的是，該隧道也遇到類(lèi)似的熱巖、巖爆和擠壓地層的問(wèn)題。

與圣哥達(dá)隧道不同的是，為了查清這一區(qū)域的地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，布倫納爾隧道在主隧道下面 12 m 深度，開(kāi)挖了與主隧道同樣長(zhǎng)度、直徑為 5.5 m 的勘查/服務(wù)隧道（稱第3隧道）。全面勘查的花費(fèi)是值得的，這不僅大大減小了地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，有利于主隧道的施工操作，而且在隧道運(yùn)營(yíng)期間可以作為服務(wù)和維修的通道。對(duì)長(zhǎng)隧道來(lái)說(shuō)，排水工作十分重要，在主隧道開(kāi)挖前對(duì)“地下水囊”進(jìn)行處理，建立易于清理的排水溝系統(tǒng)，保證列車(chē)不會(huì)因排水不暢造成中斷，第 3 隧道對(duì)主隧道的排水是有利的。

在主隧道的北端最初的 6 km 隧道采用掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，其圍巖具有收斂特性，實(shí)踐證明這是可以控制的，說(shuō)明高效的掘進(jìn)機(jī)也可用于南端 20 km 隧道的開(kāi)挖。

在主隧道南端 10 km 隧道用掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖穿過(guò)花崗巖。同時(shí)利用側(cè)向施工出入口隧道進(jìn)入劣質(zhì)地層，預(yù)期劣質(zhì)地層具有碎石類(lèi)特性，采用鉆爆法可以通過(guò)。

為了拼裝掘進(jìn)機(jī)，還開(kāi)挖了寬 33 m、高 19 m、長(zhǎng)180 m 的特大型拼裝洞室。

2.5科拉爾姆隧道（Koralm Base Tunnel）

科拉爾姆隧道全長(zhǎng) 33 km，有 2 000 m 隧道在阿爾卑斯山南部高聳的科拉爾姆區(qū)域通過(guò)，最大覆蓋層達(dá)1 250 m，地層有收斂特性，但沒(méi)有產(chǎn)生熱巖問(wèn)題，地層溫度保持在工作的極限溫度范圍以內(nèi)。

采用掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖主隧道。2 個(gè)洞口為軟土，中央山區(qū)為硬巖。2 個(gè)主隧道內(nèi)徑 8.2 m，間距為 40～50 m，主隧道之間用橫通道連接，橫通道間距為 500 m，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。中部主隧道之間有 900 m 長(zhǎng)的應(yīng)急車(chē)站隧道，應(yīng)急車(chē)站隧道與主隧道之間的連接橫通道的間距為25 m。拼裝式襯砌的厚度為 350 mm，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的襯砌強(qiáng)度和耐久性考慮，30% 長(zhǎng)度的隧道準(zhǔn)備增加現(xiàn)澆內(nèi)襯。

西段 12 km 隧道，有一隧道用作勘查隧道，采用傳統(tǒng)方法施工，另一隧道用掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，軟土中采用土壓平衡模式，硬巖中轉(zhuǎn)換成適應(yīng)硬巖的模式。

像其他基線隧道一樣，充分利用經(jīng)過(guò)化驗(yàn)合格的棄渣材料作為混凝土骨料，一是變廢為寶，二是減少卡車(chē)運(yùn)輸，保護(hù)環(huán)境。

2.6西梅林隧道（Semmering Base Tunnel）

西梅林隧道穿過(guò)阿爾卑斯山地質(zhì)最復(fù)雜的區(qū)域，它包括 13 種構(gòu)造單元、18 種地質(zhì)單元、42 種巖性單元，形成 60 種不同的巖石類(lèi)型。

從 15 個(gè)方案中選擇最佳的線路走向，考察環(huán)境因素，選擇設(shè)計(jì)的招投標(biāo)方案。把所有這些資料數(shù)據(jù)用來(lái)建立 3D 模型，用以展示地質(zhì)、隧道線路，識(shí)別具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

施工中可能遇到的困難包括：剪切斷層區(qū)，飽和的石灰?guī)r，嚴(yán)重?cái)嗔训膸r層。隧道上方 300 m 的高水位，意味著隧道將承受 30 bar 的高水壓。

水的問(wèn)題，很容易成為地區(qū)爭(zhēng)議的環(huán)境問(wèn)題，人們擔(dān)心工程的建設(shè)會(huì)不會(huì)改變水的流域？會(huì)不會(huì)導(dǎo)致變更原有的排水溝渠系統(tǒng)？

混亂的地質(zhì)條件意味著隧道的開(kāi)挖最初適宜采用新奧法，然而畢竟還有 9 km 適于掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖的地段。

西梅林隧道全長(zhǎng) 27.3 km，埋深 800 m。中央段在400 m 深的豎井底部建造掘進(jìn)機(jī)拼裝洞室，這一洞室必須在 2017 年掘進(jìn)機(jī)開(kāi)始開(kāi)挖前建成。該洞室將成為中央安全車(chē)站用作避難的場(chǎng)所，豎井還將成為通風(fēng)或火災(zāi)中的應(yīng)急排煙通道。此外，在東端洞口需建至少 2 個(gè) 250 m深的豎井，在西端需建 100 m 深的豎井。施工中采取的技術(shù)措施有：采用滑動(dòng)摩擦拱支護(hù)得以通過(guò)破碎的擠壓地層；采用深孔注漿法得以通過(guò)飽和石灰?guī)r。深孔注漿的目的不是為了完全密封巖石，而是減小水流量。采用普通水泥漿進(jìn)行深孔注漿是瑞典對(duì)付滲水的一種辦法，可望減少滲水 30 % 。

根據(jù)目前的施工進(jìn)度估計(jì)，該隧道將于 2024 年開(kāi)通。

2.7 里昂—都靈隧道（Lyon—Turin Base Tunnel）

里昂—都靈隧道是法國(guó)和意大利之間的跨境隧道。全長(zhǎng) 57 km。主隧道是 2 座內(nèi)徑為 8.4 m 的單線隧道，用間距為 330 m 的橫通道連接。3 個(gè)安全車(chē)站的間距不大于 20 km。穿梭列車(chē)的凈空類(lèi)似于英法海峽隧道凈空。

設(shè)置了多個(gè)應(yīng)急點(diǎn)，中央洞室的功能是：供列車(chē)通過(guò)；設(shè)置交叉渡線軌道；應(yīng)急避險(xiǎn)。其他應(yīng)急點(diǎn)布置在側(cè)部，與 10 m 寬的施工出入口隧道相連。

法國(guó)一方所有的勘查隧道于 2010 年完成，它有助于對(duì)復(fù)雜地質(zhì)進(jìn)行廣泛研究。意大利一方的勘查隧道只是在 2013 年開(kāi)始施工，由于受到抵制性的示威而中斷，經(jīng)調(diào)解后恢復(fù)施工。

在法國(guó)遇到的困難是：2.3 km 長(zhǎng)的施工出入口隧道，需要穿過(guò)碳酸巖、晶體砂巖和含碳頁(yè)巖，后者引起直徑 10 m 的隧道發(fā)生 2 m 的擠壓變形，這對(duì)主隧道開(kāi)挖來(lái)說(shuō)是不祥之兆。然而巖石的走向允許掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行9 km的隧道開(kāi)挖。為了降低成本，先沿著主隧道的線路用掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖成全直徑的斷面，最終擴(kuò)大為主隧道的斷面。掘進(jìn)機(jī)是法國(guó)設(shè)計(jì)制造的，將它設(shè)計(jì)成能對(duì)付擠壓地層，可以向掌子面周邊適度超挖。拼裝式襯砌與“可壓縮漿液”一起，可以產(chǎn)生一定的變形。

3　總結(jié)

將上述各隧道的基本情況列表，見(jiàn)表 1。

表 1 歐洲長(zhǎng)而深的基線隧道一覽表

［1］ Adrian Greeman. Long and Deep［J］. Tunnel and Tunnelling International， 2015（9）：37-39.

［2］ Adrian Greeman. The Move to Mechanisation［J］. Tunnel and Tunnelling International，2015（9）：40-41.

［3］ Adrian Greeman. The Power of Protest［J］. Tunnel and Tunnelling International， 2015（9）：42-43.

［4］ Adrian Greeman. European Base Tunnel Family［J］. Tunnel and Tunnelling International， 2015（9）：45-50.

邵根大 編譯

責(zé)任編輯 冒一平

2016-07-08