瑞士及北欧公路隧道建设技术 |
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瑞士等欧洲国家在公路及铁路隧道建设方面有着很高的声誉，现世界上的第一、第二长大隧道分别位于挪威和瑞士。瑞士作为一个多山的国家在隧道及其地下工程建设方面积累了丰富的经验，早在100多前就修建了一条长15km的St.Gotthard铁路隧道。瑞士的公路交通亦非常发达，高速公路建设始于20世纪60年代初，现已建成高速公路总里程超过1550km，其中包括160多座高速公路隧道,隧道总长度达130多km，1980年建成的St.Gotthard公路隧道长达17km，在近20年内一直为世界上第一长大公路隧道。北欧国家由于气候条件和地质投机倒把独特，地下隧道被广泛应用。特别是挪威水工引水隧道及公路隧道尤为显著，在2000年建成并投入运营的Lserdal隧道长25km，成为世界最长的公路隧道。在100多年的隧道建设中，欧洲各国逐步形成了自己的风格和特色，并积累了丰富的经验。
1.瑞士及北欧国家隧道建设技术
1.1隧道工程和管理模式
瑞士及北欧等国家的工程项目基本上按照FIDIC条款实施，咨询公司、施工单位和业主之间通过合同条款的形式加以规范来确定管理模式，根据工程性质、复杂程度和规模大小，发展形成了以下3种合作模式。
（1）传统模式——通常业主首先邀请咨询公司投标，中标的咨询公司负责工程设计并代表业主进行施工监理。其特点是施工单位完全按照咨询公司提供的图纸施工。
（2）Smart模式——业主首先以招标形式委托一家咨询公司进行可行性研究和初步设计，然后在初设的基础上进行总承包商招标，中标的总承包商负责施工图设计、工程施工，并且建立质量自我监督机制。
（3）共同利益模式——首先由咨询公司根据业主提出的要求进行设计，施工单位在施工中可以根据自己的经验对咨询公司的设计方案进行修改和优化，优化后节省的资金由三方共享。
为了保证工程项目按计划执行，咨询公司、施工单位和业主内部还要各自建立一套有效的、与工程特点相适应的组织机构和质量保证体系，即项目管理。这种管理方式可要充分调动和发挥每个项目成员的主动性和创造性。
1.2地质勘测及超前预报
由于隧道工程地质有许多不可预见的因素，其建筑风险比地面工程大，因此地质勘测对隧道的投资预算、线路方案比选极为重要。在确定了隧道走廊后，一般先根据地形资料做线路设计方案以供挑选，在比选过程中需要进一步的地质资料（即钻孔取样）。考虑到经济投入，在布孔取样时，应考虑兼顾多条线路方案；此外，还应根据岩层的埋深条件来调整钻孔的角度和方向。当线路方案选定后，通常要在选定的线路轴线上补充少量钻孔，以便证实前期工作的结论。值得指出的是：决定地质调查范围和深度总是基于投入和收益之间的关系，资金的超前投入是为了减少地下工程建设阶段的资金投入以及施工中的风险。
此外，在施工过程中还要求做好超前地质预报和围岩量测等工作。目前，基于地震反射波原理的超前地质预报方法在瑞士得到广泛的应用。
1.3公路隧道的线形及横断面设计
欧洲国家公路隧道的线形设计虽然以公路设计规范为基准，但并不受设计规范的限制。一般根据公路线形的需要确定隧道的平、纵线形。值得指出的是：瑞士及北欧国家的公路隧道绝大多数都做成曲线形的，这有利于提高司机的注意力，减少事故的发生。线形设计考虑的因素通常包括以下几方面内容：
（1）线路衔接的需要；
（2）避开不良地带；
（3）减少偏压及其它地质灾害的影响。
公路隧道横断面的形式亦是多种多样的，其布置形式一般根据施工方法来确定。常用的施工方法是钻爆法和掘进机法，因此最常见的开挖断面是马蹄形和圆形。隧道横断面的设计还必须考虑隧道建筑限界的要求、公路等级、隧道长度、通风方式、设计车速、交通量以及各种电缆管线和监控设施所需要的空间等。在横道面设计中除考虑经济合理、行车安全、方便维修等因素外，还要重点考虑环境保护方面的因素。例如隧道的横坡按单向坡设计，将路面水先汇集在右侧边沟，再通过主排水管排出洞外，隧道基岩排水则是通过两侧纵向和横向盲沟系统以及侧壁排水管来完成，这样使隧道路面污水、废油先处理后排出。此外瑞士隧道检修道及其电缆管线布置在行车道的下面，这种设计的优点是隧道扁平率（高与最在跨度之比）较大，结构受力更加均匀；另外，由于检修道与行车空间完全分开，可避免有害介质对电缆管线的侵蚀，有利于设备维护，同时检修道还可兼做通风道等。
1.4隧道与环境保护
瑞士山清水秀，风景如画，这与瑞士公民的高度环保意识有关。在过去的几年中，他们在公路与环境保护方面作为大量工作，在科研、航空红外测量及环境监测、计算机模拟、预测和评估方法等方面取得了大量成果，公路建设中的环境评估方法已远远超出了绿化、植被、噪音控制等项目的范围。在复杂的山区地形、地貌条件下，修建隧道不仅是线路设计的需要，而且从保护自然和生态环境的角度考虑也是值得提倡的。在瑞士高速公路上行驶，不时可见明挖隧道上种的植被，以便公路两边的动物往来无阻。评价隧道对环境的影响主要考虑以下几个方面：
（1）汽车废气对环境的影响；
（2）隧道废水对环境的影响；
（3）隧道施工弃渣对环境的影响；
（4）隧道洞门及其它构造物与环境的协调等。
1.5公路隧道的运营和监控设施
公路隧道运营和监控设施的完备程度直接关系到隧道的社会服务功能和服务水平，因此，公路管理部门考虑问题的出发点是如何最大限度地满足公众对行车安全、高效和舒适的需要。瑞士及北欧国家对运营监控设施的设计、安装和维护非常重视，在选择运营监控设施时，充分论证设备投资与运营维护费用之间的关系。长大隧道基本都有专门的监控设计和计算机程控管理，加之完善的标志和安全设施，使驾驶员没有丝毫的恐惧感和不适感。如何选择与中国国情和财力相适应的隧道运营和监控设施，满足公众对行车安全、高效和舒适的需要，值得我们深入研究和探讨。
2.两个长大公路隧道技术及地下试验场概况
2.1St.Gotthard隧道
1St.Gotthard隧道现为世界上第二大公路隧道，始建于1969年，1980年通车运行，全长16.3km，联结瑞士南部的Ticino州和北部的Uri州。隧道分为主洞和服务洞，主洞承担交通流，是典型的具有拱形洞顶的山区隧道。新鲜空气和废气管道放置在洞顶的拱圈内。服务及安全隧洞横截面为7.5m2（可供小吉普通行），装备有与交通隧道完全独立的通风系统。隧道通风采用完全的横向通风系统，设计通风量为2150m3/s，能满足每小时双向行驶3600辆车。相对于隧道延伸方向有4条垂直的或倾斜的竖井，它们分为2个通道，即一个是新鲜空气通道，一个是废气通道。风机室位于隧道上方，即隧道与竖井的连接处。
主隧道内每隔750m在隧道两侧设有停车带；每隔250m在主洞与服务之间设有行人安全洞。隧道内所有监控和安全系统通过专为1St.Gotthard隧道设计的软件和位于南、北部的2个管理中心的计算机实现控制，每个系统均可使用自身的自动系统或南、北控制中心面板进行人工方式控制。
遗憾的是：2001年10月24日在1St.Gotthard隧道南端1km处发生撞车并引起火灾，隧道被关闭。这极大地引起隧道界对长大公路隧道在监控、防火救援设施上的反响和思考，采取何种措施减少和避免灾害带来的损失将是急需解决的课题。令人振奋的是瑞士通过全民公决，1条长54km的铁路隧道已经在此处开工。
2.2Hagerbach地下试验场
Hagerbach地下试验场是瑞士安伯格公司专为大型地下工程进行岩石和混凝土试验的世界最大的公开地下试验基地。安伯格公司在过去的年月中所取得的成绩得益于自始至终地对新的建筑理论和施工方法的探索，并在该试验场率先试验。Hagerbach地下试验场成立于1970年，座落在硬质岩和软质岩相交的岩层中，以便进行在不同岩性中隧道施工方法的试验。如今已拥1个4km长的地下试验场洞室群，设有材料测试试验室、爆破试验室、岩性和化学分析试验室、高温高压试验室以及喷射混凝土工艺试验场。在试验场可在仿真条件下试验、优化各种新材料、新机械和测量仪器，以及各种新方法、新工艺。试验场还设有供研讨、观摩的学习讨论会场。
2.3Laeral隧道
Laeral隧道位于挪威Oslo和Bergen之间的公路上，始建于1995年，并于2000年通车运营。隧道全长24.5km，为单洞双向行驶。隧道区地质条件较好，岩性主要为前寒武纪片麻岩，岩石坚固且渗透水较少，仅很少的地方设置防渗层。隧道采用钻爆法施工，洞身仅采用喷锚支护，洞内随处可见锚杆端头。值得一提的是隧道通风采用纵向通风，在距离Aurland端18km处设一空气排放竖井，在10km处设置了空气净化厂，将隧道内的有害气体成分清除，即使在最繁重的交通时间内仍然保持洞内的空气质量。同时挪威在运营监控方面也下了很大精力。配备了大量的紧急救援设备。各指标如下：
（1）每隔250m设置急救电话；
（2）每隔125m安放消防设备；
（3）每隔6000m设置可供车辆调头的大洞室，调头时将显示明显的标志；
（4）每隔500m设置路边停车带；
（5）每隔125m安放消主设备；
（6）专供警察、救火和救护用的独立紧急通道；
（7）计算机系统全程监控，并配有无线广播系统，随时向司机提供隧道内发生的紧急情况。
如此周到的设计，行驶在最长的隧道中，丝毫没有恐惧感，明亮的灯光、柔和的平曲线及宽敞的停车休息室（调头洞室共有3处），反而使行人更加兴奋和激动。赞许之余令人感慨设计师和施工者的智慧和伟大。
3.几点体会
（1）国外没有隧道线平直线的要求，而大多数为曲线隧道。特别是在洞口段尽量设置为曲线段，不仅有利地光线的过渡，而且能有效地调节司机的心理，不至于受出口“白洞”影响加速出洞，避免引起交通事故。同时通过曲线隧道避开不良地段。国内现行隧道设计规范中要求“隧道内应避免设置平曲线”应值得探讨，在今后的隧道设计规范修订中应考虑借鉴国外资料。
（2）隧道尽量适应地形和地质条件，注重环境保护，避免高填深挖。国外不提倡在山区修建连拱隧道，所修建的连拱隧道多为明洞或有特殊用途，这不仅是因为连拱隧道技术复杂，而且施工对对围岩扰动较大、工期较长。因此，国内在规划和设计山岭区公路隧道时，可考虑小间距隧道形式，其优点一是独立双洞造价低、工期快，另外具有连拱隧道接线方便、占地少的优点。
（3）长大公路隧道的通风以往大多采用横向或半横向通风，如今则尽量采用纵向射流通风。这是因为汽车排污限制标准的提高，公路隧道通风量的控制因素逐渐从CO浓度转变为烟雾浓度，通过加以静电除尘器的分段纵向通风方式可适应长大隧道的通风要求。纵观国内相关规范还停留在20世纪80年代水平，因修改和完善公路隧道相关规范迫在眉睫。
（4）注重前期资金的投入。国外对于长大隧道，有的设计周期可能达7、8年。同时认为翔实的地勘资料是设计可靠的保证。而且地质勘测一直要服务到工程竣工。因此从隧道建设费用来讲相对要比国内投入高。值得赞许的是国外在资金利用上十分合理，如隧道洞口简单实用；洞身只在软弱或渗水地带增加二次衬砌或止水材料。
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