切内里基线隧道——穿越瑞士阿尔卑斯山脉的平轨铁路线南段的施工经验

Davide Merlini * ,  Daniele Stocker ,  Matteo Falanesca ,  Roberto Schuerch

工程（英文） ›› 2018, Vol. 4 ›› Issue (2) : 235 -248.

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工程（英文） ›› 2018, Vol. 4 ›› Issue (2) : 235 -248. DOI: 10.1016/j.eng.2017.09.004

切内里基线隧道——穿越瑞士阿尔卑斯山脉的平轨铁路线南段的施工经验

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The Ceneri Base Tunnel: Construction Experience with the Southern Portion of the Flat Railway Line Crossing the Swiss Alps

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摘要

本文总结了在修建15.4 km 长切内里基线隧道（CBT）期间获得的经验，这条隧道为从北向南跨越瑞士阿尔卑斯山脉的平轨铁路线的南段。该项目由直径为9 m 的双管组成，双管之间每隔325 m设置一个联络通道。在线路中部及其南端，应后勤和运营要求，开挖了大型洞室。总开挖长度大约为40 km。隧道穿越阿尔卑斯山处的岩层由各种岩石类型和若干断层带组成。最大埋深达850 m。主隧道和联络通道的开挖通过钻爆法（D&B）进行。支护由锚杆、钢筋网、纤维增强喷射混凝土和（必要时的）钢拱架构成。为开挖进口隧洞，使用了敞开式隧道掘进机（TBM）。大埋深导致岩石受到挤压，这种状况的特征为在穿越较弱岩层时产生较大的各向异性收敛。较弱岩层要求安装可变形支护。在北洞口，隧道（断面增大）穿过A2 高速公路（连接瑞士北部和南部的主要道路轴线）下方，此处埋深较小，且隧道通过的是软地层。为限制地表沉降，成功采用了垂直和近水平喷射灌浆与分部开挖相结合的方法。南洞门位于人口密集的市区。开挖自南洞门开始，包括一

Abstract

This paper summarizes the experience that was gained during the construction of the 15.4 km long Ceneri Base Tunnel (CBT), which is the southern part of the flat railway line crossing the Swiss Alps from north to south. The project consisted of a twin tube with a diameter of 9 m interconnected by crosspassages, each 325 m long. In the middle of the alignment and at its southern end, large caverns were excavated for logistical and operational requirements. The total excavation length amounted to approximately 40 km. The tunnel crossed Alpine rock formations comprising a variety of rock typologies and several fault zones. The maximum overburden amounted to 850 m. The excavation of the main tunnels and of the cross-passages was executed by means of drill-and-blast (D&B) excavation. The support consisted of bolts, meshes, fiber-reinforced shotcrete and, when required, steel ribs. A gripper tunnel boring machine (TBM) was used in order to excavate the access tunnel. The high overburden caused squeezing rock conditions, which are characterized by large anisotropic convergences when crossing weaker rock formations. The latter required the installation of a deformable support. At the north portal, the tunnel (with an enlarged cross-section) passed underneath the A2 Swiss highway (the major road axis connecting the north and south of Switzerland) at a small overburden and through soft ground. Vertical and subhorizontal jet grouting in combination with partial-face excavation was successfully implemented in order to limit the surface settlements. The south portal was located in a dense urban area. The excavation from the south portal included an approximately 220 m long cut-and-cover tunnel, followed by about 300 m of D&B excavation in a bad rock formation. The very low overburden, poor rock quality, and demanding crossing with an existing road tunnel (at a vertical distance of only 4 m) required special excavation methods through reduced sectors and special blasting techniques in order to limit the blast-induced vibrations. The application of a comprehensive risk management procedure, the execution of an intensive surface survey, and the adaptability of the tunnel design to the encountered geological conditions allowed the successful completion of the excavation works.

关键词

Key words

Deep and long tunnel / Difficult ground conditions / Support design / Risk management / Tunnel monitoring / Large caverns / Low overburden / Overpass tunnel / Numerical analysis / Excavation in urban area

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Davide Merlini *,Daniele Stocker,Matteo Falanesca,Roberto Schuerch. 切内里基线隧道——穿越瑞士阿尔卑斯山脉的平轨铁路线南段的施工经验[J]. 工程（英文）, 2018, 4(2): 235-248 DOI:10.1016/j.eng.2017.09.004

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1.引言

切内里基线隧道（CBT）为阿尔卑斯铁路新干线（NRLA）的最南端部分，NRLA自北向南穿越瑞士阿尔卑斯山脉[1]。业主为代表瑞士政府的AlpTransit Gotthard Ltd.公司。NRLA的设计旨在建造一条连接巴塞尔与米兰的连续平轨铁路线，这条铁路线将缩短行程时间，提高货运效率和可持续性，并将瑞士与欧洲高速铁路网络连接起来（图1）。除CBT以外，NRLA还主要包括勒奇山基线隧道（Lötschberg Base Tunnel）和圣哥达基线隧道（Gotthard Base Tunnel），前者总长34.6 km，于1999—2006年建造并于2007年开通，后者总长57 km，于1999年开始建造并于2016年12月开通。CBT的特点是采用双管系统，单线铁路隧道长15.4 km，双管之间采用每隔约325 m设置的联络通道连接（图2）。总开挖长度达40 km左右，开挖土方量大约为4.0×106 m3。开挖工程的费用大约为21亿欧元。

图1.（a）NLRA项目；（b）圣哥达轴线纵断面图[1]。

图2.CBT布置图与洞口及锡吉里诺中间导坑照片[1]。

施工于1997年开始，大约在线路中部位置即锡吉里诺（Sigirino）采用钻爆法（D&B）开挖了地质勘探隧道（长3.1 km）。2008年，采用敞开式隧道掘进机（TBM）开挖了2.3 km长的中间坑道（几乎与勘探隧道平行）（图3）。出于后勤和运营考虑，开挖了两个大型洞室（横截面大约为270 m2）。大型洞室均与中间坑道和勘探隧道的末端相连。

图3.（a）开挖锡吉里诺辅助坑道采用的敞开式TBM；（b）Sarè洞室采用的D&B开挖。

主隧道开挖于2010年开始，起自位于锡吉里诺的中间导坑。北部隧道（约8.3 km）和南部隧道（约6.3 km)的开挖同时采用D&B进行（第852标段，约占总开挖量的90%）。在北洞口（第853标段）和南洞口（第854标段）的反向掘进标段内完成剩余部分的隧道工程。为尽量减少施工时间和费用，一共有8个开挖面同时作业。Sarè枢纽洞室（图3）位于CBT南段，长约400 m。这些洞室的特征为：断面几何形状多变，采用圆锥形，最大横断面面积约为260 m2。在Sarè洞室末端，有两条长约150 m的短隧道，以便能够修建未来通往意大利的NRLA项目延线。

南洞口和北洞口分别于2015年3月和2016年1月实现突破，标志着CBT开挖工程的完成。目前土建工程正处于竣工阶段，铁路基础设施系统安装于2017年夏季开始。CBT预计于2020年开通。

CBT断面图（图4）的开挖面积为48～87 m2，优化后的形状似马蹄[2]。此设计是为了满足由铁路线运营需求引起的多种要求，以及满足与项目执行及项目地质力学环境相关的其他要求。在整个CBT沿线建造了双层衬砌；外层衬砌在施工期间提供临时稳定性，而内层衬砌在整个项目寿命期（100年）内保证隧道的长期稳定性。

图4.（a）CBT断面图；（b）CBT竣工后的3D透视图。

内层衬砌环主要使用无筋混凝土建造，并且仅在具有不良地质条件或几何复杂区的隧道部分（如与联络通道相连的部分）使用钢筋加固。在两层衬砌环之间设置排水系统，并在拱圈处设置防水[3]。来自侧向排水道的地下水均汇集到中央排水管，并由此排向北洞口。最终衬砌的浇筑要远离开挖面。这样，岩体就能够经受较大的变形。因此，根据地面响应曲线，上述程序减小了内层衬砌承受的最终荷载，从而能够减小内层衬砌及其钢筋的厚度。施工期间，利用在开挖期间获得的核查信息，系统地对最终衬砌进行了静态验证。

2.开挖前的地质勘察活动和预期地质条件

整个CBT位于阿尔卑斯山南部的结晶基岩内（图5）[4]。隧道埋深从大约最小10 m到最大850 m不等。在1991—2008年开展了详细的调查活动，总钻孔长度几乎等于主隧道长度，单个钻孔长度达700 m。根据地质条件和岩土工程条件，对47个均质区段加以区分和表征，并对可能的风险情景进行评价，都是可行的[5]（图6）。

图5.CBT的预测地质纵断面。

图6.CBT设计阶段假设的风险情景。

隧道穿越的岩石地层单位可划分为两个区域：北部的切内里区域（10.4 km）以及南部的Val Colla区域（5.0 km）。切内里区域的岩石构成主要为片麻岩，其次为经历了大量变质（角闪岩相）作用的基性岩和超基性岩（如闪岩、蛇纹岩）。整个区域也受复杂构造影响。复杂构造的主要结果为大倾角片理、岩性接触和轴面褶皱。Val Colla区域还包括一系列副片麻岩和正片麻岩，连同中间的基性岩（角闪石页岩）。最重要的是，将这两个区域分隔开的是它们的构造几何形状。在Val Colla区域，面状构造呈近水平趋势发展，而切内里区域的面状构造更趋向于垂直发展。根据预测，这两个区域之间的界面厚600 m，由“Val Colla线”构成，主要岩石类型为糜棱岩（细粒片岩，通常云母含量较高），此类岩石由强烈的前-阿尔卑斯山柔性变形造成，这可能要追溯至距今2.4亿～2.9亿年前。正方断裂线贯穿于整个岩体，且项目穿越部分断层区（脆弱的阿尔卑斯期构造，尤其是因苏布鲁克期）。尽管岩体由冲积物、碎屑沉积物、冰水沉积物和冰川第四纪沉积物覆盖，但是基线隧道的开挖仅穿过北入口和南入口附近区域的疏松材料。在施工期间，预期只有较小的涌水量，且岩体的渗透性普遍较低。

3.开挖方法

开挖方法的依据为地质预测结果以及其他要求，如环境影响、后勤和时间/投资比等。除了洞口处两条较短的常规隧道掘进工程，主要的开挖自锡吉里诺中间导坑处的地下洞室开始。根据广泛的地质勘察，最终设计阶段结束时，对选择的CBT开挖方法有很高的信心。为总结这些方法，计划双管开挖采用TBM（南向采用单护盾TBM，北向采用双护盾TBM），而D&B仅限于从锡吉里诺入口到Val Colla线的短连接通道以及联络通道。

在最终设计的审核阶段，放弃采用TBM开挖CBT的北段，因为该段有断层带（22个断层带，其范围可能从10 m到110 m不等），护盾卡住的风险很高（预估的隧道径向收敛可达30 cm）。而对于南部隧道的开挖，提出的TBM开挖法和D&B都是可行的。出于经济考虑，获得主隧道（第852标段）施工合同的承包商选择用D&B开挖整条隧道，这种方案比TBM方案要便宜10%左右。业主和承包商共同决定采用高度机械化的D&B，使用高效且现代化的掘进装置[6]（图7）。每台装置均旨在从经济和技术上有所改进，具体包括可独立移动的通风平台、掘进平台、仰拱平台、破碎机、输送机及单轨（单线悬轨）[7]。

图7.CBT开挖采用的高度机械化D&B。

4.岩石支护等级

为了处理预计在CBT掘进沿线遇到的岩土工程条件，共设计了10个标准岩石支护等级（见图8中的横断面）。岩石支护等级从SPV 1到SPV 10不等；SPV 1至SPV 4等级的特征为采用平仰拱板、摩擦型锚杆和纤维增强喷射混凝土；SPV 5至SPV 6等级的特征为采用弧形仰拱板、全长黏结式砂浆锚杆和网喷混凝土或纤维增强喷射混凝土以及加强筋；SPV 7至SPV 10等级的特征为在前后采用伪圆形、全长灌浆或注浆锚杆，并采用网喷混凝土和带屈服构件的加强筋[8,9]。

图8.CBT开挖所用标准横断面与相关的风险情景。

值得注意的是，岩石支护安装位置和掌子面之间的距离取决于岩石支护等级。一般而言，岩石支护等级越高，掌子面和岩石支护安装之间的距离就越小。在施工期间构思采用的岩石支护等级为SPV 3-加速级和SPV6A级；标准支护等级SPV 3-加速级是SPV 2和SPV 3之间的中间等级，能够加快掘进速度（尤其是向北的掘进速度），而SPV 6A级支护的特征为安装TH型加强筋且超挖较大。超挖较大，便允许产生较大的岩体收敛（在隧道拱顶为15 cm，在隧道壁为23 cm），这样就减小了衬砌承受的荷载，从而减缓了安装较重的且更费时的SPV 7-SPV 10级支护。

图9所示为各标准岩石支护等级的费用和每日平均掘进速度，并对比了在设计阶段预见的岩石支护等级的累积隧道长度与施工期间安装的岩石支护等级的累积隧道长度。由于遇到的岩土工程条件，在施工期间未采用较轻的SPV 1和SPV 2级支护。在隧道长度的大部分均设置了“中等-重”的横断面（SPV 4-SPV 10）。

图9.（a）预测的每日掘进速度；（b）预测标准横断面与实施的横断面的对比。

选择最合适的岩石支护对保证施工安全，同时遵循项目时间安排和成本要求（即项目风险最小化）至关重要。图10中的流程图说明了CBT采用的决策过程的各阶段；根据参考文献[10]，此决策过程旨在减轻和管理风险，同时确保最佳的支护选择。决策过程涉及设计单位、施工现场经理和承包商。

图10.岩石支护等级选择流程图。

岩石支护等级的选择过程有如下6个步骤：

(1)规划。该流程中需要解释地质调查（纵断面沿线且从表面开始）、实验室研究结果、以前的监测数据和数值计算结果，以便评估最可能的风险情景。

(2)选择标准横断面。该流程以设计阶段的考虑因素为依据，并选择标准横断面。选择是在设计单位、施工现场经理和承包商同意的情况下做出的，且与开挖相关的所有信息（即设置的安全措施的类型和数量、遇到的风险情景、隧道掘进长度等）均收集在安全措施模块内。

(3)开挖。按照选择的标准横断面进行开挖。

(4)检查选择的标准横断面是否正确。通过解释岩土勘测与监测数据来检查选择的标准横断面是否正确。在检测成功的情况下，有可能继续按选择的标准横断面进行。在支护太保守或太轻的情况下，必须更新标准横断面。

(5)验证结构的安全性及可用性。如果标准横断面太轻，导致变形增加和混凝土内可能出现裂缝等，那么需要检查结构的安全性。如果结构安全性达不到标准，那么可采用新的、更坚固的横断面继续掘进工作。若未达到结构安全性，则要在继续开挖前采取更换措施并安装额外的支护。在经设计单位、施工现场经理和承包商同意的情况下做出选择。

(6)设计和实施更换措施。工程必须在确保最佳安全条件的情况下，尽可能在最短的时间内实施。只有在完成更换措施并安装好额外的支护后，才能够继续进行隧道开挖。

在隧道施工期间，通过系统性的钻探，评价了掌子面之前的地质条件。仅在进入已知的主要断层带之前进行了岩芯钻探。在每个爆破进尺之后绘制了详细的掌子面地图。

5.隧道施工经验

从总体上看，开挖期间遇到的岩体条件与设计阶段预期的岩体条件（以广泛的调查活动为依据）吻合较好。然而，由于深长隧道的内在复杂性以及某些岩层的复杂性状，在开挖期间发生了一些突发事件。下面各部分描述了在开挖期间遇到的主要挑战。

5.1.锡吉里诺中间导坑和CBT北段的挤压状况及强烈的不对称性收敛

后勤洞室（CAOP）和附近向北的CBT的开挖均在Giumello片麻岩（GiuG）地层内进行，该地层的埋深大，最大值约为800 m。

使用二维（2D）离散元程序UDECTM[11]对遇到的不同类型岩体的应力-应变性状进行了评价。根据对各宏观结构区域的预测以及根据几何特征（即隧道方向和覆盖厚度），确定了主要的地质构造和岩土结构（节理、断层系和扰动带）。对于CBT开挖，根据数值结果，最大位移将发生在断层带附近，并达到10 cm左右。

在Giumello片麻岩地质层中进行开挖期间，观察到地层要高于预期的地层[12]。与预测相比，岩体的地质响应表明：受断层带（即由厚度达1 m的碎裂岩或者由厚度达20 cm的碎裂岩和角砾破碎岩构成的断层和剪切带）强烈影响的性状与开挖方向和大幅增强结构各向异性的片理均近似平行（图11）。根据通过三维（3D）监测站和多点伸长计进行的位移监测，CBT西北向掘进的最高变形值为30～40 cm。同时发现变形呈现强烈的不对称模式，即使明显离掌子面很远，其速度值也不会降低（图12）[13]。因此，在一次衬砌内发生了明显的裂缝（图12）。为了获得对岩体变形特性的最佳认识，使用数值计算进行了几次反分析[14]（图13）。通过数值计算，能够验证缓解措施是否正确并重新设计一次衬砌和二次衬砌。

图11.研究区地质平面图。（a）预测；（b）核查。

图12.CBT西北向Giumello片麻岩（GiuG）地层内掘进时，在一次衬砌内监测到的位移（单位：mm）和裂缝。

图13.（a）使用2D UDECTM程序进行的反分析；（b）施工中采用的更换措施。

由于岩体具有结构各向异性，所以在CBT北段进行开挖期间，频繁出现不对称性收敛（造成底层衬砌内局部形成裂缝）。隧道拱顶东侧和隧道壁西侧的收敛均较高。因为存在不对称性收敛，所以CBT整个北部开挖段的15%～20%部分均需安装较长的锚杆（与标准岩石支护等级对比）和（或）增加锚杆安装密度。

5.2.CBT南段大覆盖厚度条件下的大断层带开挖——ValColla线

预计在CBT开挖期间会遇到的大断层带为所谓的Val Colla线（VCL）[15,16]，这是一个强烈构造活动带，在东管和西管内的长度分别为658 m和529 m。开挖期间，遇到VCL的位置比预期要提前大约200 m（图14）。就地质预测和遇到的地质之间的偏差而言，与此偏差相关的主要问题和较大的覆盖厚度（大约450 m，而不是350 m）有关，因此也与高应力状态有关。遇到的岩层是因强烈的构造活动而形成的，具体如下：

图14.研究区地质平面图。预测的（绿色）和核查的（红色）VCL限值。

（1）岩层1a：千枚岩、糜棱岩和云母片岩相间；

（2）岩层1b：片麻岩；

（3）岩层2：由岩型1a和1b与角砾破碎岩型断层角砾岩和断层泥组成的非均匀混合物；

（4）岩层3：角砾破碎岩型断层泥。

岩土工程条件最不利的开挖段（由断层角砾岩和断层泥型角砾破碎岩、糜棱岩和碎裂岩交替组成，达几米厚）长约250 m。开挖岩层2和岩层3时，采用了SPV 7-SPV 10级横断面。这些横断面的特征为：形状为伪圆形，采用径向和掌子面注浆锚杆、网喷混凝土和加强筋，以及带槽的可缩性支架。

极差的岩体条件与较大的覆盖厚度相结合，导致强烈的各向异性变形（峰值达到大约80 cm，图15）、松动，并最终导致严重的掌子面失稳（约150 m3材料）。为控制发生坍塌的部分，设置了桩、网喷混凝土、加强筋（TH29型）和径向及灌浆掌子面锚杆（图16）。为检查掌子面的稳定状况，也进行了分析计算（以参考文献[17]为依据）。

图15.（a）在不同目标内监测到的径向位移；（b）CBT桩号945~1100之间东管段的地质力学模型。

图16.VCL开挖采用的带可缩性支架、伪圆形的SPV10级横断面。

在VCL的剩余部分，遇到的岩土工程条件比预期的更有利（表1）。

表1 设计阶段计划的岩层与岩石支护等级和竣工的岩层与岩石支护等级对比（VCL东南部开挖管段）

为了获得对岩体变形特性的最佳认识，使用有限元法（FEM）分析，进行了几次反分析。通过FEM分析，能够验证缓解措施的正确性，并能够重新设计一次衬砌和二次衬砌[18]。

5.3.CBT北段大覆盖厚度条件下的大断层带开挖——Val Mara带

Val Mara带（VMZ）长约150 m，最大覆盖厚度大约为800 m，在复片麻岩内普遍存在角砾破碎岩和碎裂岩，且构造活动强烈。

在此开挖段，正如设计阶段预测那样，采用了SPV 7-SPV 10级横断面。这些横断面的特征为：形状为伪圆形，采用径向和掌子面注浆锚杆、网喷混凝土和加强筋，以及带槽的可缩性支架。

开挖期间，比预期要提前大约140 m遇到VMZ（图17）。恶劣的地面条件导致强烈的各向异性变形（峰值达到40 cm），并最终导致250 m3的掌子面失稳（图18）。在重新开始开挖前，设置了管棚、网喷混凝土、加强筋（TH 29型）以及径向和掌子面注浆锚杆（图19）。为了检查外层衬砌和对内层衬砌的影响，使用FEM计算，进行了几次反分析；同时进行了分析计算，以检查掌子面稳定状况（以参考文献[17]为依据）。

图17.地质纵断面图。（a）预测；（b）核查。

图18.在VMZ内发生的掌子面失稳。

图19.VMZ开挖采用的带可缩性支架、伪圆形的SPV10级横断面。

5.4.CBT南段困难岩体条件下的大洞室开挖——Sarè枢纽

Sarè枢纽位于CBT的南段（图2），其由一个400 m长的双隧道系统组成，形状为圆锥形，最大横断面面积为260 m2，覆盖厚度为150 m。在Sarè洞室的末端，有两条大约150 m长的短隧道，通过这两条短隧道，能够开挖未来通往意大利的延长线，同时把对CBT的干扰降至最低。根据自表面进行的岩芯钻孔、实验室和现场调查，预测了片麻岩地层和正片麻岩地层以及两个受干扰的地带（图20）。采用离散元法程序进行了数值计算，预测的最大位移为80 mm。因此在外环上未预料到任何问题。在实施中，在开挖前80 m之后立即发现了强烈的各向异性岩体，其具有小倾角序列层，由碎裂断层岩与片状片麻岩交替构成，岩石基质特性较好[19]。与设计阶段的分析相比，在全断面隧道拱顶开挖期间，一次衬砌内发生的变形和裂缝更大（图21）。通过对从水平岩芯钻孔中获得的大量变形监测和地质力学数据进行后分析，建立了准确的地质力学模型（图22）。使用这个新模型，对全断面隧道拱顶开挖和分部隧道拱顶开挖进行了对比数值分析。根据分析结果，决定在进行剩余部分的开挖时，采用分部拱顶开挖（图23）。安装的支护由采用两层钢筋网加固的35 cm喷射混凝土衬砌构成；与设计阶段不同的是，采用了10 m和8 m的注浆锚杆，每隔1.2 m设置4个Φ32 mm格栅拱架。双隧道由仅3 m宽的岩柱隔开，与Sarè枢纽的末端部对应，为了开挖双隧道的特殊横断面，做了进一步分析。短隧道和CBT的外层衬砌由25 cm的纤维增强喷射混凝土构成。与设计阶段不同的是，安装了8 m的注浆锚杆和TH 25型加强筋（间隔为1 m）。洞室的开挖采用机械法（即冲击式凿岩机）进行，以便将附近开挖的影响降至最低。归功于安装的支护和采用的开挖技术，在喷射混凝土衬砌内未发现明显的裂缝，且测量的最大收敛为3 cm左右。由于设计了新的隧道支护和开挖方法，所以开挖于2013年3月开始，并于2013年10月顺利完工。尽管地质存在不确定性，但战略性地应用观测设计[10]能保证大洞室施工的经济性和安全性，同时符合进度计划。

图20.（a）预测的横断面地质平面图；（b）Sarè3模型与采用UDECTM程序计算的预测位移（单位：mm）。

图21.（a）开挖期间监测的位移与核查地质平面图；（b）一次衬砌内的裂缝。

图22.在UDECTM程序中核查信息和实施后的地质力学模型。

图23.Sarè洞室的各开挖阶段。（a）分部开挖隧道拱顶；（b）开挖由仅3 m宽的岩柱隔开的双隧道，与Sarè枢纽的末端部对应；（c）Sarè洞室开挖末端，CBT开挖（左）和短隧道（右）视图。

5.5.与既有公路隧道相互影响的城区内开挖——南洞口

第854标段内包含的南洞口位于靠近韦齐亚（卢加诺）的特别重要的城市区域，这里有建筑物存在（最小覆盖厚度为11 m），包括一座历史建筑。南洞口坐落在一个由A2高速公路、Vedeggio-Cassarate公路隧道（卢加诺环线）和既有联邦铁路线环绕的狭窄通道内（图24）。

图24.切内里隧道南洞口全貌图。（a）施工阶段；（b）最终阶段。

地下工程涉及用D&B开挖相对隧道，该隧道的覆盖厚度非常小，从5 m到35 m不等。西管和东管的长度分别为303 m和340 m，横断面面积大约为80 m2。用勘探钻孔和地震勘探法进行了勘探，发现项目区内的地质层为Stabiello片麻岩形式。Stabiello片麻岩由非均质节理序列的片状片麻岩和绢云母-绿泥石片岩组成。

新结构跨过离其洞口的垂直距离有大约4 m至几十米的Vedeggio-Cassarate公路隧道，绕过卢加诺[20]和该公路隧道的逃生及救援坑道；公路隧道的最终衬砌是在CBT开挖开始时完成的。为了评价此种干扰，需要对各干扰构筑物的特点进行预测性研究，并使用特殊的开挖方法和支护方法，以及使用复杂的隧道监控系统进行沉降和振动控制（图25）。在设计阶段，通过使用离散元二维UDECTM程序进行数值模拟，能够预测岩体的应力-应变性状和地面开挖的影响；对监测到的变形（6～7 mm）和从数值模拟中获得的变形（5～10 mm）进行了较好的对比，并做了记录。为管理爆破振动的风险[21]，采用了以下措施：

图25.公路隧道和CBT南段相对隧道交会区轴测图。（a）钻孔内安装的多点伸长计能够持续传输测量值；（b）采用UDEC程序进行数值计算。

（1）采用比瑞士标准更加严格的限值（即在频率<30 Hz时，最低值为6 mm·s–1）；

（2）采用复杂的监控系统，通过地震检波器进行持续的联合评估；

（3）对钻爆过程进行技术限制（即每天仅在特定时段进行钻爆作业，一般将每次起爆的炸药量限制在<0.25 kg·delay–1起爆，对开挖断面进行分区，并减少爆破进尺）。

由于使用了先进的技术方案和组织方案，而且地质条件和岩土工程条件均有利，所以比工程计划中商定的预计日期提前大约10个月顺利完成开挖，同时还保证了环境和经济的可持续性。

5.6.在覆盖厚度极小且地质条件复杂的情况下下穿主要公路——北洞口

北洞口（第853标段）的特征为在大型洞室的入口区内进行施工，该大型洞室下穿瑞士五车道A2公路，与公路形成锐角（约30°）[22]。

在隧道掘进工程期间，公路仍在不断运行。在洞室附近还建了一条与该洞室平行的Bretella Lugano-Bellinzona单轨铁路隧道。对于第853标段的开挖，在开挖大约50 m的软地层之后，采用常规D&B向南掘进大约800 m。软地层的最小覆盖厚度为8 m，岩石的最大覆盖厚度为150 m。最关键的因素为软地层内洞室的设计和施工，软地层由高速公路路堤构成，最大跨度为24 m，高度为17 m（图26）[22]。在采用分析计算法和有限元数值计算法进行了大量的研究之后，才得出以下设计方案：

（1）钻进两侧隧道，开挖面积达60 m2；

（2）采用垂直单液喷射灌浆柱作为拱座支护；

（3）在两侧隧道范围内修筑混凝土拱座；

（4）采用喷射灌浆拱棚和喷射混凝土壳体进行分段拱顶掘进，开挖面积达到160 m2；

图26.（a）施工中的北洞口；（b）安装的最终支护。

（5）进行台阶和仰拱开挖，开挖面积为140 m2。

由于天然地基的性状不良，所以在垂直喷射灌浆柱体上修筑拱顶混凝土拱座（图27）。凭借这些构件，拱顶承受的载荷先转移至混凝土拱座内，随后通过喷射灌浆地基体直接转移至坚硬的基岩内。通过对钢筋柱进行灌浆来保证掌子面支护。钢锚件在隧道的纵向提供可靠的支护，同时喷射灌浆体在潜在不稳定块体的滑动表面提供剪切阻力。根据参考文献[17]进行了稳定性分析计算。

图27.（a）洞室开挖施工阶段；（b）沉降监测系统；（c）掌子面位移监测用反测头（RH）伸长计。

风险管理以下列三个要素为依据：工程质量控制、结构变形监测和当开挖工作在下方进行时封闭行车道。

最重要的因素为喷射灌浆作业，在各单液水平喷射灌浆试验场地分析了喷射灌浆作业；进行灌浆试验不仅是为了寻找喷射参数，而且也分析了安装顺序以及高压注浆造成的表面冻胀-沉降运动。对喷射灌浆试验场地的不同部位进行了分析。经验证，密度、抗压强度和凝聚力均符合设计要求。在喷射灌浆作业开始时，发生了一些意想不到的沉降，是由地质原因（即对极软地基进行注浆）造成的，在各实施阶段均要求特别注意地质条件。通过创建流程图，改进了水平喷射灌浆作业的操作和组织流程。在流程图中，承包商的工作为提供仪器和方法，现场监督工作为进行控制和监测；这样，设计师们便能够确保在施工现场完全遵循设计。在进行掌子面位移监测时，采用了最新研制的反测头（RH）伸长计。为监测沉降，提供了一些高速公路路堤连续监测系统，包括两台全站仪、测斜仪、压力计、伸长计和反测头伸长计（图27）。

由于在大量喷射灌浆柱施工期间进行了井井有条的质量控制，所以在一定程度上限制了地表沉降，正如根据结构计算预期的那样。沉降的扩散直径大约为100 m，这并未妨碍瑞士A2公路上每天将近60 000辆车辆的通行。除了设计活动外，系统性的工程监测以及掌子面处和拱顶内喷射灌浆柱的优化也至关重要。第853标段的工程在2008年开工，并于2015年顺利竣工（图28），正如在工作计划中协商的那样，同时还保证了环境和经济可持续性。

图28.（a）Camorino枢纽与CBT北洞口指示照片；（b）竣工后的北洞口。

6.结论

从CBT的施工经验中获得的主要结论如下：

（1）在CBT开挖期间遇到的地质条件的主要特征为非均质性强，导致风险情景的发生存在巨大可变性。这些因素导致在开挖期间发生了一些意外事件。

（2）由于在设计阶段和施工阶段采用了足够的调查技术，所以能够在项目设计阶段建立可靠的岩土力学模型，从而能够精心地进行项目的优化设计。

（3）采用提供的设计工具，项目经理能够在不停止施工活动的情况下应对意外事件。

（4）在困难岩土工程条件下进行开挖时，采用高度机械化的钻爆开挖法，能够保证良好的整体性能和高度的灵活性。

（5）现代且灵活的合同制度，结合业主、承包商、设计团队和现场监督团队之间强有力的合作，都是该工程得以顺利完工的关键因素（就质量、时间和费用而言）。

Acknowledgements

The authors thank the AlpTransit Gotthard Ltd Company for granting permission to publish the data contained in the article.

Compliance with ethics guidelines

Davide Merlini,Daniele Stocker,Matteo Falanesca,and Roberto Schuerch declare that they have no conflict of interest orfinancial conflicts to disclose.

参考文献

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