(摘要) 瑞士圣哥达铁路超长隧道长57km，最大埋深达2500m，采用平行双线布置，设计洞径9.2m，TBM全断面施工。该项目曾进行技术经济反复论证，并在关键部位布置长5km、直径5m的试验洞，进行了大量科研试验，为设计施工提供了可靠技术数据资料。工程总投资100亿瑞士法郎，工期12年，分期分段实施。该工程的实施对南水北调西线工程规划设计有一定的参考借鉴意义。

(主题词) 超长隧道 选线 TBM施工 超前预报 试验洞

1 前言

    南水北调西线一期工程位于青藏高原，海拔高程3500m以上，在寒冷、缺氧地区建坝和修建深埋长隧洞是西线工程的特点和技术难点。南水北调西线一期工程引水线路全长260km,其中隧洞240km，洞径在8m以上，隧洞埋深达2000m以上，单段隧洞最长达73km。在高寒缺氧地区修建深埋长隧洞存在一系列的技术问题，在借鉴其他工程施工经验的基础上，对西线深埋长隧洞工程中的关键技术进行专题研究，提出切实可行、最能保证掘进速度和施工工期的经济合理的施工方案。隧洞掘进机施工的特点是作业环境条件好、掘进速度快、施工支洞少、成洞质量高、安全、经济、保护环境等，在世界各地，尤其是西方发达国家已得到广泛应用，并取得了丰富的施工经验。TBM 对不同岩层的适应能力增强，掘进速度加快，施工高效、经济、安全、环保这些显著优点使得掘进机在当今长隧洞施工中成为最优先考虑的施工设备。本文主要介绍ST.GOTTHARD超长隧道设计与施工的基本情况。

2 ST.GOTTHARD 超长隧洞工程概况

    由瑞士联邦政府批准兴建的ST.GOTTHARD铁路隧道工程是构成欧洲高速铁路网的有机组成部分。瑞士联邦政府授权由铁路交通运输部组建AlpTransit Gotthard项目业主公司，负责全国高速铁路网的建设、改造计划和实施，根据实施计划成立AlpTransit St.Gotthard 隧道建设公司负责现场建设管理工作。St.Gotthard铁路隧道北起Erstfeld，贯穿Alpes山分水岭经Amsteg, Sedrun, Faido,在南部Bodio出口，整个隧道全长57km。St.Gotthard铁路隧道是连接瑞士北部苏黎世(Zurich)至南部卢加洛(Lugano)的铁路大动脉，St.Gotthard铁路隧道的修建，也是连接德国柏林、法兰克福经瑞士至意大利米兰、罗马，英国伦敦、法国巴黎、比利时布鲁塞尔经瑞士至意大利米兰、罗马的高速铁路新干线，欧洲高速铁路运行速度将达到200～250km/h，将可大大缩短欧洲各国中心城市之间的旅行时间。St.Gotthard铁路隧道是当今世界最长的在建隧道。双线平行布置均采用全断面掘进机进行施工。

3 隧道选线和系统设计

    St.Gotthard隧道在规划和初步设计阶段对隧道的平纵线形作了充分的论证和研究。平面线形设计兼顾了地质条件(穿过不良地质的区段长度和尽量减少偏压)、环境保护、隧道对既有构造物的影响(山顶水库)、辅助坑道的设置(施工交通洞的位置)、高速铁路线形要求(最小曲线半径)等。纵面线形设计主要考虑了高速铁路对纵坡的要求和隧道排水。
    隧道系统设计是初步设计阶段的一项非常重要的内容。对不同隧道系统(单洞方案、双洞方案、是否设服务隧洞等见图1)进行了全面技术和经济比较。在综合考虑了隧道造价、隧道施工特别是掘进机施工技术难度、施工组织、施工通风、施工和运营安全、防灾和救援、隧道维护、工期风险等方面的因素之后，最后选定双洞平行隧道布置方案。开挖洞径约9.2米。

图1 隧道方案比较

4 St.Gotthard超长隧道工程布置
    St.Gotthard铁路隧道主干线由两条Ф9.2m圆形断面隧洞组成，每条隧洞内铺设单股道轨和电缆等辅助设施。在隧道中央分别于Sedrun和Faido设两个多功能服务站，负责洞内的日常维护、消防、人员紧急疏散、以及洞内车辆调度等服务。两条主线铁路隧道之间每300m设置1个连接洞，便于隧洞的正常运行、维护和检修，提供良好的通风、排水条件等。
    St.Gotthard铁路隧道在Alpes北部Erstfeld设隧洞进口，在南部Bodio设出口。在隧洞沿线中央分别布置3条施工交通洞和1座施工交通、通风竖井。隧洞进口高程为500m，出口高程为450m。竖井以北主洞长约21km，竖井以南主洞长36km，隧洞内以竖井部位为分水点分别向两个洞口方向排水；隧道底部设计采用标准预制混凝土，作为道轨基础，在标准预制混凝土轨道两侧内设计布置电力电缆、信号控制系统和辅助管路系统，边顶拱采用复合衬砌。3条施工交通洞将整个主洞划分成长度不超过20km的洞段，以满足分段施工和运行维护、检修、通风、紧急疏散的需要。

5 隧道地质超前预报

    St.Gotthard铁路隧道埋深达2500米，岩体多呈急倾斜产状。岩石主要为花岗岩和片麻岩。受阿尔卑斯造山运动的影响，岩体中有不少断层。设计阶段在局部特殊地段进行地质探洞和深孔取芯钻探。鉴于隧道埋深太大，设计阶段不可能将所有地质条件探明清楚，因此有必要在施工过程中进行进一步的超前地质测量。
    超前地质探测是St.Gotthard隧道施工的一项必不可少的工序，在对多种超前地质测量方法进行对比和测试后，St.Gotthard隧道最后选定 TSP探测技术作为隧道施工过程的超前地质探测方法。TSP探测技术是由安伯格测量技术公司研制成功的，这种测量技术是建立在对反射地震波信号的接收和处理的基础上的，它探测距离远，能准确预报隧道施工前方 150 m 范围内地质条件和岩石特性的变化，从而能较好地满足隧道掘进机施工技术对地质探测的需要，对保证隧道施工顺利进行具有较好的指导意义(见图2)。

图2 TSP探测技术的测量原理

6 隧道工程施工计划与安排

6.1 St.Gotthard隧道前期施工准备
    St.Gotthard隧道轴线初步选定后，项目业主于1993年开始进行地质勘探试验洞开挖，选定在工程地质关键部位布置长5km的试验洞，采用全断面掘进机TBM进行施工，洞径φ5.0m，在试验洞内进行了大量的勘探钻孔取芯样和系列科研试验，获得了大量详实可靠的地质资料，为主洞的设计与施工提供了十分重要可靠的基础数据。
    Sedrun施工交通洞长约1000m，于1996年4月开工，现已经打通，为主洞TBM施工创造有利条件。在Sedrun施工交通洞内设计布置1座φ12m、深800m的交通竖井，于1998年8月开始修建，现在已开挖完毕并自上而下进行混凝土衬砌。竖井采用钻爆法施工，升降平台作业，多臂钻造孔，吊笼出渣，锚喷支护，井壁混凝土衬砌。竖井下部与铁路主干线的多功能服务站相连通，布置有设备安装间和岔道区，负责提供交通、设备安装和紧急疏散车辆调度等。施工期竖井为主洞施工提供有效的通风条件。
    Sedrun施工段主洞长6.2km，分2个工作面同时采用德国制造TBM双护盾掘进机掘进施工，出渣全部采用封闭式皮带输送，使对环境破坏影响减少到最低程度。主洞2002年7月开始，计划2007年12月完成。
    Sedrun施工交通洞与竖井，Esfeld隧洞进口和Bodio隧洞出口是整个工程施工的关键项目，处于工程施工关键线路上提前开挖施工，为主洞掘进创造有利条件。
    Esfeld隧洞进口段包括洞口明挖和隧洞进口段的施工与安装工作。Esfeld施工段长7.4km。2001年1月开工，计划2005年12月完成，轨道铺装工作计划2004年7月开始，2006年6月结束。
    Amsteg施工段：设计布置施工交通洞长1800m，负责2条主洞的掘进施工、动力供应和铺轨安装等。施工交通洞于1999年7月开工，2001年12月完成。Amsteg施工段长11.4km，主洞开挖2002年1月开始，计划2006年6月完成；铺轨安装计划2006年7月开始2007年6月完成。
    Faido施工段：布置1条长2650m的施工交通洞，最大负坡13%。与第2个多功能服务站相连接。施工交通洞2000年1月开工，2001年12月完成。Faido施工段长15.1km，主洞及多功能服务站于2002年1月开始，计划2007年12月完成。
    Bodio出口施工段：包括明挖部分和洞挖部分。Bodio施工段长16.6km，该段于1999年7月开工，计划于2005年12月完成。
    Erstfeld进口段至竖井Sedrun段铺轨安装计划于2004年7月开始，2009年6月完成。Bodio出口至竖井Sedrun段铺轨安装计划于2006年1月开始，2009年6月完成。整个工程计划于2011年开始试运行。
6.2 隧道工程建设与管理
    AlpTransit Gotthard AG作为铁路项目业主由联邦政府授权在国家高速铁路网建设管理中行使政府管理职能。St.Gotthard铁路隧道建设公司负责St.Gotthard隧道的建设管理工作。整个欧洲高速铁路网瑞士境内的全部工程将耗资300亿瑞士法郎，计划于2022年之前全部完成。其中瑞士苏黎世Zurich到南部卢加洛Lugano铁路线的AlpTransit Gotthard AG负责的St.Gotthard铁路隧道建设将耗资33%约100亿瑞士法郎。工程前期准备工作于1994年开始，1999年底准备工作基本完成；招标文件准备、项目招标、合同授予从1998年开始，分期分段进行招标，到2001底完成主体项目招标；St.Gotthard隧道全部土建工程从1999年7月开始到2010年完成；道轨及配套设施于2006年开始进行铺装，于2011年结束。整个工程计划于2012年投入运行。

7 收获与体会

    St.Gotthard隧道是当今世界最长的铁路隧洞。也是连接欧洲高速铁路网的里程碑工程。通过Amberg 工程咨询公司的专家全面系统的介绍，现场实地参观访问，对St.Gotthard超长隧道的规划、工程地质勘探与研究、工程布置与选线、重大问题的科学研究与试验、施工准备、工程建设与管理、现场TBM施工组织与管理、工程环境保护与可持续发展等方面，有较为系统全面的了解。
7.1 Alpes山脉几百万年以前也是一片海洋，随着地壳运动，欧洲板块与非洲板块撞击，使该地区隆起陆地不断抬升，成为莱茵河与罗纳河的发源地和显著的分水岭。雪线高程约2000m，山顶终年积雪、有现代冰川和冻土。地质构造复杂。
7.2 St.Gotthard超长隧道的实施，也经历了一个很长的争论和摸索过程。最早提出这个设想是在1947年，第一次提出工程规划是在1962年，半个世纪后梦想终于变成了现实。1992年政府新的铁路运输部完成了详细规划，1998年联邦政府批准了这项宏伟计划。
7.3 St.Gotthard超长隧道的工程布置始终受地质因素的制约。为此，进行了大量的地质调查，并对关键部位布置钻孔，进行超长地质钻探和取芯研究。取得了大量的可靠的工程地质数据资料。为了科学决策，为了进一步揭示地质构造，选择布置了1个长5km、Ф5.0m的TBM施工的地质试验洞，政府的科研机构、大学、工程技术专家、设计咨询单位在洞内进行了大量的岩土工程地质和各种观测分析研究，从而获得了直接可靠的技术资料，为工程的设计、决策和实施提供了十分有力的依据。
7.4 在St.Gotthard超长隧道设计中非常重视对不同隧道系统(单洞方案、双洞方案、是否设服务隧洞等)的技术和经济论证工作。系统选择建立在综合分析评估工程造价、隧道施工特别是掘进机施工技术难度、施工组织、施工通风、施工和运营安全、防灾和救援、隧道维护、工期风险等方面的因素的基础上。
7.5 鉴于St.Gotthard隧道埋深大(达2500米)，设计阶段不可能将所有地质条件探明清楚，因此，施工过程中的超前地质探测极其重要，这是保证隧道顺利施工的重要手段。超前地质测量和预报是St.Gotthard隧道施工的一项必不可少的工序， TSP探测技术将作为St.Gotthard隧道施工中的主要超前地质探测手段。
7.6 瑞士一方面属多山国家，另一方面高速公路、铁路十分发达。各类隧道工程十分众多。Amberg工程咨询公司与国内外著名大公司合作创立欧洲最大的地下工程大型科研试验基地，可进行工程地质、岩石力学、锚喷支护技术、混凝土衬砌、工程设备、材料等综合科学试验，为进行各类地下工程技术的试验、技术开发和教学提供了一个难得的场所。为地下工程技术的不断创新、不断进步创造了良好的条件。
7.7 施工期环境保护十分重视。施工营地周围全部绿化，营地区的给水、排水措施完全与城市标准相同。所有污水均按要求进行净化处理。施工占地线以外不得进行植被破坏，场内道路全部进行硬化。由于隧洞开挖总量达13300000m3，开挖弃渣成为一个很大的环境问题。经工程技术人员的攻关，TBM开挖料一部分将用于混凝土骨料，其他根据各地区的环境要求将进行回填堆存。所有皮带运输必须全封闭运输。
7.8 工程施工进展情况将定期对公众开放。项目业主在每一个施工营地设立有公共信息部，提供有图文、影象资料、工程模型、施工进展、施工安全与环境检测数据。接待公众询问，接受公众监督。

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