欧洲长而深的基线隧道

欧洲长而深的基线隧道

1　欧洲基线隧道面临的挑战

在欧洲，21 世纪已成为基线隧道的世纪。以前所未有的深度开挖穿过高大山区的7座长而深的隧道，经受着多方面的特殊挑战。

首先要尽可能查明隧道穿越地层的地质、水文地质和土工特性。隧道在特大的埋深下，通常会遇到非常高的岩石应力、岩石的塑性或挤压、岩爆、断层和剪切、极大的水压力，以及岩石的高温度。这些问题影响到隧道的施工和日后的运营，必须研究解决这些复杂问题的方法和措施。

其次要对工程进行风险评估和风险控制。隧道工程长达数十公里，施工条件极为复杂，潜在风险频仍，工期大都超过 10 年以上，对主体工程的风险必须重在预防，严加控制。此外，对社会、对周围环境的影响应该密切注意，如何采取相应措施减小对周围环境的影响，如何与当地居民进行信息沟通，以减小对工程开展的阻力，应该加以重视并纳入议事日程。

再者是施工方面。包括修建非常长的多用途的（勘查、服务、施工出入口）隧道，开挖拼装（拆卸）掘进机的大型地下洞室，置备施工机械设备，完善施工通风系统，安全运送大型物件；优选开挖主隧道和横通道的方法，控制开挖速度和选择相应的支护衬砌系统。在高大山区选择施工出入口特别困难，往往需要建造深达数百米的竖井或具有陡峭坡度的长大的施工出入口。

主隧道的规划设计必须把保证列车运行安全与特殊情况下的应急处置作为首要目标。施工中必须重视工人的人身安全、施工安全和周围环境安全。

2　7　座基线隧道工程的进展

欧洲 7 座基线隧道的位置示意图见图 1。

图 1 欧洲7座基线隧道的位置

2.1勒奇山隧道（Lotschberg Base Tunnel）

这是欧洲第1座穿越阿尔卑斯山的基线隧道，全长 34.6 km，埋深 2 000 m。主隧道是 2 座平行的单线隧道，间距 40～60 m。两主隧道之间用横通道连接，其间距为 330 m。

在隧道施工中，主隧道 2 0% 的长度采用直径 9.43 m 的掘进机开挖，80% 采用钻爆法施工。施工中遇到的挑战：在某区段含有热泉的地层进行注浆得以通过；在某区段石棉地层采用“水幕”的措施进行施工；对碳化岩石采取了特殊的对策。

隧道 1999 年开始施工，2007 年开通时，因财政的原因没有全部按原方案完成。西侧仍有 5 km 长的隧道未开挖，西侧的中部 14 km 长的隧道尚未安装机电设备。因此，至今列车只是在南端实现双线运行。2007 年该隧道投入运营后，运输需求急剧增加，每天通过 51 列客车，60 列货车，已经达到运能的 80%。为了优化列车发车的间隔时间，客车的速度只能达到 200 km/h，而不是设计的 250 km/h。

目前瑞士正在研究西侧中部隧道的铺轨和机电设备安装问题，还想继续完成未开挖的部分，以实现勒奇山隧道全长双线运行。但设计可能要好几年，完成设备升级需要 10 多年。

2.2圣哥达隧道（Gotthard Base Tunnel）

这是在瑞士境内穿越阿尔卑斯山的另一座基线隧道，全长 57 km，大部分地段埋深 1 800 m，个别地段埋深 2 200 m。建设这座隧道的目的是要把国内的货运从公路转移到铁路上来，并且将这一南北轴线的快速线纳入欧洲高速客运网。

主隧道是 2 座平行的外径为 9.5 m 的单线隧道，相距 40 m，两主隧道之间用横通道连接，横通道的间距为 325 m。

主要的开挖工作在 1999 年开始，2010 年主隧道贯通，到 2011 年共完成隧道开挖总长 150 km。其中施工的辅助工程包括：2 个邻近南、北洞口的导坑，2 个侧部的导坑以及深度达 800 m 的竖井。此外，还形成 2 个作为多功能车站的大型洞室，这 2 个洞室既是通风等设备安置的场所，也是发生火灾或其他灾害时列车紧急停靠的车站，旅客可以离开列车到达另一侧进入应急疏散的隧道或竖井。

施工中遇到的挑战是，掘进机一度被卡在“收敛”地层中；另外，“挤压”地层使多功能车站不得不改变位置，移设在较好的岩层中。

自 2010 年以后，把工作重点转移到铺轨、安装调试信号、供电装置、永久通风等机电设备以及隧道出入口系统。

圣哥达隧道已于 2016 年 6 月进行试运营，将于 2016年 12 月 11 日正式开通运营。

2.3塞内里隧道（Ceneri Base Tunnel）

塞内里隧道位于圣哥达隧道的南部，隧道全长15.4 km。该隧道把阿尔卑斯山南部的露头切割，埋深800 m，虽属深埋隧道，但没有产生“热岩”问题，岩爆的危险也较小。

57 km 长的圣哥达隧道，如果没有它的小兄弟——15.4 km 长的塞内里隧道，圣哥达阿尔卑斯快速线工程将不能在苏黎世和米兰之间实现连续平坦的铁路线，也不能在这两城市之间实现运行时间从 4 h 10 min 缩短到 3 h。

塞内里隧道工程的主隧道是平行的 2 个直径为 8.5 m的单线隧道，间距 40 m。2 座主隧道用横通道连接，横通道的间距为 325 m。

主隧道可分 3 个部分。2 个洞口段都并不很长，但却是地质比较复杂的部分。最大的部分是主隧道中部。该隧道全部采用钻爆法开挖，这是一个例外。采用钻爆法，地质条件适合、经济，比预期提前完成。在钻爆法施工时注意了防止振动和噪声对环境的影响。

主隧道南段长 6 km 的隧道覆盖层较小，但遇到了 1 km 长的破碎岩层，采取了较强的支护得以通过。北段长 8 km 的隧道覆盖层为 900 m，遇到的麻烦是断层，耽误了整整 1 年时间。

为了加快施工进度，采取了迂回的办法，从已完成的南端西侧隧道，超前施工缓慢的东侧隧道 400 m，通过横通道，进入东侧隧道开辟新的工作面，目前尚有 1 000 m 的主隧道仍在掘进中。洞口的工程和交叉渡线即将完成，2016 年开始铺轨和安装机电设备。

2.4布伦纳尔隧道（Brenner Base Tunnel）

这是穿越阿尔卑斯山长度仅次于圣哥达隧道的第2 座长隧道，也是从奥地利的因斯布鲁克到意大利的福特扎的跨境隧道，全长 55 km，最大覆盖层达 1 800 m。隧道客车速度 250 km/h，货车速度 160 km/h，最大坡度6.7‰。

如果采用另一种计算方法，55 km 长的布伦纳尔隧道加上翻新的 9 km 绕行隧道，列车将在地下隧道中运行64 km，这是一个创世界纪录的最长隧道。

布伦纳尔隧道的主隧道是2 座直径为 8.1 m 的单线隧道，与圣哥达隧道相同的是，该隧道也遇到类似的热岩、岩爆和挤压地层的问题。

与圣哥达隧道不同的是，为了查清这一区域的地质和水文地质情况，布伦纳尔隧道在主隧道下面 12 m 深度，开挖了与主隧道同样长度、直径为 5.5 m 的勘查/服务隧道（称第3隧道）。全面勘查的花费是值得的，这不仅大大减小了地质风险，有利于主隧道的施工操作，而且在隧道运营期间可以作为服务和维修的通道。对长隧道来说，排水工作十分重要，在主隧道开挖前对“地下水囊”进行处理，建立易于清理的排水沟系统，保证列车不会因排水不畅造成中断，第 3 隧道对主隧道的排水是有利的。

在主隧道的北端最初的 6 km 隧道采用掘进机开挖，其围岩具有收敛特性，实践证明这是可以控制的，说明高效的掘进机也可用于南端 20 km 隧道的开挖。

在主隧道南端 10 km 隧道用掘进机开挖穿过花岗岩。同时利用侧向施工出入口隧道进入劣质地层，预期劣质地层具有碎石类特性，采用钻爆法可以通过。

为了拼装掘进机，还开挖了宽 33 m、高 19 m、长180 m 的特大型拼装洞室。

2.5科拉尔姆隧道（Koralm Base Tunnel）

科拉尔姆隧道全长 33 km，有 2 000 m 隧道在阿尔卑斯山南部高耸的科拉尔姆区域通过，最大覆盖层达1 250 m，地层有收敛特性，但没有产生热岩问题，地层温度保持在工作的极限温度范围以内。

采用掘进机开挖主隧道。2 个洞口为软土，中央山区为硬岩。2 个主隧道内径 8.2 m，间距为 40～50 m，主隧道之间用横通道连接，横通道间距为 500 m，符合国际标准。中部主隧道之间有 900 m 长的应急车站隧道，应急车站隧道与主隧道之间的连接横通道的间距为25 m。拼装式衬砌的厚度为 350 mm，从长远的衬砌强度和耐久性考虑，30% 长度的隧道准备增加现浇内衬。

西段 12 km 隧道，有一隧道用作勘查隧道，采用传统方法施工，另一隧道用掘进机开挖，软土中采用土压平衡模式，硬岩中转换成适应硬岩的模式。

像其他基线隧道一样，充分利用经过化验合格的弃渣材料作为混凝土骨料，一是变废为宝，二是减少卡车运输，保护环境。

2.6西梅林隧道（Semmering Base Tunnel）

西梅林隧道穿过阿尔卑斯山地质最复杂的区域，它包括 13 种构造单元、18 种地质单元、42 种岩性单元，形成 60 种不同的岩石类型。

从 15 个方案中选择最佳的线路走向，考察环境因素，选择设计的招投标方案。把所有这些资料数据用来建立 3D 模型，用以展示地质、隧道线路，识别具有挑战性的问题。

施工中可能遇到的困难包括：剪切断层区，饱和的石灰岩，严重断裂的岩层。隧道上方 300 m 的高水位，意味着隧道将承受 30 bar 的高水压。

水的问题，很容易成为地区争议的环境问题，人们担心工程的建设会不会改变水的流域？会不会导致变更原有的排水沟渠系统？

混乱的地质条件意味着隧道的开挖最初适宜采用新奥法，然而毕竟还有 9 km 适于掘进机开挖的地段。

西梅林隧道全长 27.3 km，埋深 800 m。中央段在400 m 深的竖井底部建造掘进机拼装洞室，这一洞室必须在 2017 年掘进机开始开挖前建成。该洞室将成为中央安全车站用作避难的场所，竖井还将成为通风或火灾中的应急排烟通道。此外，在东端洞口需建至少 2 个 250 m深的竖井，在西端需建 100 m 深的竖井。施工中采取的技术措施有：采用滑动摩擦拱支护得以通过破碎的挤压地层；采用深孔注浆法得以通过饱和石灰岩。深孔注浆的目的不是为了完全密封岩石，而是减小水流量。采用普通水泥浆进行深孔注浆是瑞典对付渗水的一种办法，可望减少渗水 30 % 。

根据目前的施工进度估计，该隧道将于 2024 年开通。

2.7 里昂—都灵隧道（Lyon—Turin Base Tunnel）

里昂—都灵隧道是法国和意大利之间的跨境隧道。全长 57 km。主隧道是 2 座内径为 8.4 m 的单线隧道，用间距为 330 m 的横通道连接。3 个安全车站的间距不大于 20 km。穿梭列车的净空类似于英法海峡隧道净空。

设置了多个应急点，中央洞室的功能是：供列车通过；设置交叉渡线轨道；应急避险。其他应急点布置在侧部，与 10 m 宽的施工出入口隧道相连。

法国一方所有的勘查隧道于 2010 年完成，它有助于对复杂地质进行广泛研究。意大利一方的勘查隧道只是在 2013 年开始施工，由于受到抵制性的示威而中断，经调解后恢复施工。

在法国遇到的困难是：2.3 km 长的施工出入口隧道，需要穿过碳酸岩、晶体砂岩和含碳页岩，后者引起直径 10 m 的隧道发生 2 m 的挤压变形，这对主隧道开挖来说是不祥之兆。然而岩石的走向允许掘进机进行9 km的隧道开挖。为了降低成本，先沿着主隧道的线路用掘进机开挖成全直径的断面，最终扩大为主隧道的断面。掘进机是法国设计制造的，将它设计成能对付挤压地层，可以向掌子面周边适度超挖。拼装式衬砌与“可压缩浆液”一起，可以产生一定的变形。

3　总结

将上述各隧道的基本情况列表，见表 1。

表 1 欧洲长而深的基线隧道一览表

［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 编译

责任编辑 冒一平

2016-07-08