歐洲長而深的基線隧道

歐洲長而深的基線隧道

1　歐洲基線隧道面臨的挑戰

在歐洲，21 世紀已成為基線隧道的世紀。以前所未有的深度開挖穿過高大山區的7座長而深的隧道，經受著多方面的特殊挑戰。

首先要盡可能查明隧道穿越地層的地質、水文地質和土工特性。隧道在特大的埋深下，通常會遇到非常高的巖石應力、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。這些問題影響到隧道的施工和日后的運營，必須研究解決這些復雜問題的方法和措施。

其次要對工程進行風險評估和風險控制。隧道工程長達數十公里，施工條件極為復雜，潛在風險頻仍，工期大都超過 10 年以上，對主體工程的風險必須重在預防，嚴加控制。此外，對社會、對周圍環境的影響應該密切注意，如何采取相應措施減小對周圍環境的影響，如何與當地居民進行信息溝通，以減小對工程開展的阻力，應該加以重視并納入議事日程。

再者是施工方面。包括修建非常長的多用途的（勘查、服務、施工出入口）隧道，開挖拼裝（拆卸）掘進機的大型地下洞室，置備施工機械設備，完善施工通風系統，安全運送大型物件；優選開挖主隧道和橫通道的方法，控制開挖速度和選擇相應的支護襯砌系統。在高大山區選擇施工出入口特別困難，往往需要建造深達數百米的豎井或具有陡峭坡度的長大的施工出入口。

主隧道的規劃設計必須把保證列車運行安全與特殊情況下的應急處置作為首要目標。施工中必須重視工人的人身安全、施工安全和周圍環境安全。

2　7　座基線隧道工程的進展

歐洲 7 座基線隧道的位置示意圖見圖 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 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% 的長度采用直徑 9.43 m 的掘進機開挖，80% 采用鉆爆法施工。施工中遇到的挑戰：在某區段含有熱泉的地層進行注漿得以通過；在某區段石棉地層采用“水幕”的措施進行施工；對碳化巖石采取了特殊的對策。

隧道 1999 年開始施工，2007 年開通時，因財政的原因沒有全部按原方案完成。西側仍有 5 km 長的隧道未開挖，西側的中部 14 km 長的隧道尚未安裝機電設備。因此，至今列車只是在南端實現雙線運行。2007 年該隧道投入運營后，運輸需求急劇增加，每天通過 51 列客車，60 列貨車，已經達到運能的 80%。為了優化列車發車的間隔時間，客車的速度只能達到 200 km/h，而不是設計的 250 km/h。

目前瑞士正在研究西側中部隧道的鋪軌和機電設備安裝問題，還想繼續完成未開挖的部分，以實現勒奇山隧道全長雙線運行。但設計可能要好幾年，完成設備升級需要 10 多年。

2.2圣哥達隧道（Gotthard Base Tunnel）

這是在瑞士境內穿越阿爾卑斯山的另一座基線隧道，全長 57 km，大部分地段埋深 1 800 m，個別地段埋深 2 200 m。建設這座隧道的目的是要把國內的貨運從公路轉移到鐵路上來，并且將這一南北軸線的快速線納入歐洲高速客運網。

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。

主要的開挖工作在 1999 年開始，2010 年主隧道貫通，到 2011 年共完成隧道開挖總長 150 km。其中施工的輔助工程包括：2 個鄰近南、北洞口的導坑，2 個側部的導坑以及深度達 800 m 的豎井。此外，還形成 2 個作為多功能車站的大型洞室，這 2 個洞室既是通風等設備安置的場所，也是發生火災或其他災害時列車緊急停靠的車站，旅客可以離開列車到達另一側進入應急疏散的隧道或豎井。

施工中遇到的挑戰是，掘進機一度被卡在“收斂”地層中；另外，“擠壓”地層使多功能車站不得不改變位置，移設在較好的巖層中。

自 2010 年以后，把工作重點轉移到鋪軌、安裝調試信號、供電裝置、永久通風等機電設備以及隧道出入口系統。

圣哥達隧道已于 2016 年 6 月進行試運營，將于 2016年 12 月 11 日正式開通運營。

2.3塞內里隧道（Ceneri Base Tunnel）

塞內里隧道位于圣哥達隧道的南部，隧道全長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，但沒有產生“熱巖”問題，巖爆的危險也較小。

57 km 長的圣哥達隧道，如果沒有它的小兄弟——15.4 km 長的塞內里隧道，圣哥達阿爾卑斯快速線工程將不能在蘇黎世和米蘭之間實現連續平坦的鐵路線，也不能在這兩城市之間實現運行時間從 4 h 10 min 縮短到 3 h。

塞內里隧道工程的主隧道是平行的 2 個直徑為 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 個部分。2 個洞口段都并不很長，但卻是地質比較復雜的部分。最大的部分是主隧道中部。該隧道全部采用鉆爆法開挖，這是一個例外。采用鉆爆法，地質條件適合、經濟，比預期提前完成。在鉆爆法施工時注意了防止振動和噪聲對環境的影響。

主隧道南段長 6 km 的隧道覆蓋層較小，但遇到了 1 km 長的破碎巖層，采取了較強的支護得以通過。北段長 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 年時間。

為了加快施工進度，采取了迂回的辦法，從已完成的南端西側隧道，超前施工緩慢的東側隧道 400 m，通過橫通道，進入東側隧道開辟新的工作面，目前尚有 1 000 m 的主隧道仍在掘進中。洞口的工程和交叉渡線即將完成，2016 年開始鋪軌和安裝機電設備。

2.4布倫納爾隧道（Brenner Base Tunnel）

這是穿越阿爾卑斯山長度僅次于圣哥達隧道的第2 座長隧道，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 55 km，最大覆蓋層達 1 800 m。隧道客車速度 250 km/h，貨車速度 160 km/h，最大坡度6.7‰。

如果采用另一種計算方法，55 km 長的布倫納爾隧道加上翻新的 9 km 繞行隧道，列車將在地下隧道中運行64 km，這是一個創世界紀錄的最長隧道。

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

與圣哥達隧道不同的是，為了查清這一區域的地質和水文地質情況，布倫納爾隧道在主隧道下面 12 m 深度，開挖了與主隧道同樣長度、直徑為 5.5 m 的勘查/服務隧道（稱第3隧道）。全面勘查的花費是值得的，這不僅大大減小了地質風險，有利于主隧道的施工操作，而且在隧道運營期間可以作為服務和維修的通道。對長隧道來說，排水工作十分重要，在主隧道開挖前對“地下水囊”進行處理，建立易于清理的排水溝系統，保證列車不會因排水不暢造成中斷，第 3 隧道對主隧道的排水是有利的。

在主隧道的北端最初的 6 km 隧道采用掘進機開挖，其圍巖具有收斂特性，實踐證明這是可以控制的，說明高效的掘進機也可用于南端 20 km 隧道的開挖。

在主隧道南端 10 km 隧道用掘進機開挖穿過花崗巖。同時利用側向施工出入口隧道進入劣質地層，預期劣質地層具有碎石類特性，采用鉆爆法可以通過。

為了拼裝掘進機，還開挖了寬 33 m、高 19 m、長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 33 km，有 2 000 m 隧道在阿爾卑斯山南部高聳的科拉爾姆區域通過，最大覆蓋層達1 250 m，地層有收斂特性，但沒有產生熱巖問題，地層溫度保持在工作的極限溫度范圍以內。

采用掘進機開挖主隧道。2 個洞口為軟土，中央山區為硬巖。2 個主隧道內徑 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，符合國際標準。中部主隧道之間有 900 m 長的應急車站隧道，應急車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，從長遠的襯砌強度和耐久性考慮，30% 長度的隧道準備增加現澆內襯。

西段 12 km 隧道，有一隧道用作勘查隧道，采用傳統方法施工，另一隧道用掘進機開挖，軟土中采用土壓平衡模式，硬巖中轉換成適應硬巖的模式。

像其他基線隧道一樣，充分利用經過化驗合格的棄渣材料作為混凝土骨料，一是變廢為寶，二是減少卡車運輸，保護環境。

2.6西梅林隧道（Semmering Base Tunnel）

西梅林隧道穿過阿爾卑斯山地質最復雜的區域，它包括 13 種構造單元、18 種地質單元、42 種巖性單元，形成 60 種不同的巖石類型。

從 15 個方案中選擇最佳的線路走向，考察環境因素，選擇設計的招投標方案。把所有這些資料數據用來建立 3D 模型，用以展示地質、隧道線路，識別具有挑戰性的問題。

施工中可能遇到的困難包括：剪切斷層區，飽和的石灰巖，嚴重斷裂的巖層。隧道上方 300 m 的高水位，意味著隧道將承受 30 bar 的高水壓。

水的問題，很容易成為地區爭議的環境問題，人們擔心工程的建設會不會改變水的流域？會不會導致變更原有的排水溝渠系統？

混亂的地質條件意味著隧道的開挖最初適宜采用新奧法，然而畢竟還有 9 km 適于掘進機開挖的地段。

西梅林隧道全長 27.3 km，埋深 800 m。中央段在400 m 深的豎井底部建造掘進機拼裝洞室，這一洞室必須在 2017 年掘進機開始開挖前建成。該洞室將成為中央安全車站用作避難的場所，豎井還將成為通風或火災中的應急排煙通道。此外，在東端洞口需建至少 2 個 250 m深的豎井，在西端需建 100 m 深的豎井。施工中采取的技術措施有：采用滑動摩擦拱支護得以通過破碎的擠壓地層；采用深孔注漿法得以通過飽和石灰巖。深孔注漿的目的不是為了完全密封巖石，而是減小水流量。采用普通水泥漿進行深孔注漿是瑞典對付滲水的一種辦法，可望減少滲水 30 % 。

根據目前的施工進度估計，該隧道將于 2024 年開通。

2.7 里昂—都靈隧道（Lyon—Turin Base Tunnel）

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

設置了多個應急點，中央洞室的功能是：供列車通過；設置交叉渡線軌道；應急避險。其他應急點布置在側部，與 10 m 寬的施工出入口隧道相連。

法國一方所有的勘查隧道于 2010 年完成，它有助于對復雜地質進行廣泛研究。意大利一方的勘查隧道只是在 2013 年開始施工，由于受到抵制性的示威而中斷，經調解后恢復施工。

在法國遇到的困難是：2.3 km 長的施工出入口隧道，需要穿過碳酸巖、晶體砂巖和含碳頁巖，后者引起直徑 10 m 的隧道發生 2 m 的擠壓變形，這對主隧道開挖來說是不祥之兆。然而巖石的走向允許掘進機進行9 km的隧道開挖。為了降低成本，先沿著主隧道的線路用掘進機開挖成全直徑的斷面，最終擴大為主隧道的斷面。掘進機是法國設計制造的，將它設計成能對付擠壓地層，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，可以產生一定的變形。

3　總結

將上述各隧道的基本情況列表，見表 1。

表 1 歐洲長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

責任編輯 冒一平

2016-07-08