Lance A. Davis

世界上最長(zhǎng)的隧道

Lance A. Davis

Senior Advisor, US National Academy of Engineering

經(jīng)過20年的努力，世界上最長(zhǎng)、最深的隧道——57.1 km長(zhǎng)的圣哥達(dá)(Gotthard)基線隧道——于2016年6月1日正式開通[1,2]，如圖1[3,4]所示。這條隧道實(shí)際為雙洞隧道，穿過瑞士阿爾卑斯山的圣哥達(dá)山，連通了北部的埃斯特費(fèi)爾德(Erstfeld)與南部的博迪奧(Bodio)。通過這條高速度、高通量的客貨鐵路線，有效地連接了北歐與南歐。這條隧道每年的運(yùn)輸量相當(dāng)于100萬輛貨車每年的運(yùn)輸量，因此可實(shí)現(xiàn)鐵路的快速運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生積極的影響。隧道最深的位置在阿爾卑斯山脈下。

這條隧道完全由瑞士公民出資修建，并于1992年經(jīng)全民投票通過審批，共耗資120億美元。預(yù)計(jì)每天將有約260輛貨運(yùn)列車和65輛客運(yùn)列車通過隧道，以客運(yùn)列車的最高時(shí)速(250 km·h–1)計(jì)，大約需要20 min [5]。隧道開通時(shí)，通過抽獎(jiǎng)選中的一批乘客和一些公眾人物率先體驗(yàn)了隧道鐵路。目前，鐵路測(cè)試仍在繼續(xù)，預(yù)計(jì)將于2016年12月完全對(duì)公眾開放服務(wù)。屆時(shí)蘇黎世和米蘭之間的客運(yùn)行駛時(shí)間將為3 h左右，比目前的行駛時(shí)間(＞4 h)要少[5]。電氣化列車的運(yùn)行電壓為15 kV，頻率為16.7 Hz。

圖1.圣哥達(dá)基線隧道示意圖。穿過阿爾卑斯山脈的新修鐵路線(簡(jiǎn)稱NRLA)；綠色箭頭代表開挖方向 [3,4]；TBM：隧道掘進(jìn)機(jī)。

日本53.9 km的青函隧道是目前全世界第二長(zhǎng)的隧道，英國和法國之間50.5 km的英法海底隧道則為世界第三。雖然這令人印象深刻，但重要的并不是隧道的長(zhǎng)度本身，而是它們的功能。阿爾卑斯山脈是歐洲一道天然的貿(mào)易壁壘，自古羅馬時(shí)期起，許多商人和國家就開始為穿越阿爾卑斯山脈運(yùn)送貨物付出努力。那時(shí)，在冬季越過山道運(yùn)輸是不可能的。1882年出現(xiàn)了重大突破——首條供火車通行的圣哥達(dá)隧道修建完成。這條隧道較短，但海拔較高，因此人們需要迂回上山才能到達(dá)該隧道。1980年，又修建了一條用于公路交通的隧道，這兩條隧道在20世紀(jì)末期都處于最大運(yùn)輸負(fù)荷狀態(tài)。新修的圣哥達(dá)隧道是一條幾乎平直的隧道，而且在長(zhǎng)途貨運(yùn)方面取代了上述的兩條隧道。隧道北入口的海拔[5] 為 460 m，南入口為312 m。

對(duì)于這樣的長(zhǎng)隧道來說，運(yùn)行安全是一個(gè)關(guān)鍵問題[5]。第一大安全要素是雙洞單線隧道的施工。兩條隧道管每隔325 m以橫向通道相連通，以便必要時(shí)可從一條隧道管快速撤離至另外一條。在隧道全長(zhǎng)的三分之一處，即法伊多(Faido)站點(diǎn)和塞德龍(Sedrun)站點(diǎn)，每條隧道管內(nèi)均設(shè)有應(yīng)急停車站，而隧道管之間的連通則是在六條隧道的銜接下實(shí)現(xiàn)的。風(fēng)扇為應(yīng)急停車站提供新鮮空氣，熱煙氣通過抽氣口排出，正壓確保了隧道中空氣的無煙狀態(tài)。

隧道施工是個(gè)工程壯舉。該工程使用了四臺(tái)海瑞克撐靴式硬巖掘進(jìn)機(jī)，每條隧道管各兩臺(tái)，從北端和南端分別掘進(jìn)。首先修建了四條進(jìn)口隧道，使施工可以在埃斯特費(fèi)爾德、阿姆施泰格(Amsteg)、塞德龍和法伊多(圖1)四處同時(shí)啟動(dòng)。隨后在博迪奧又增加了第五條進(jìn)口隧道。地下巖石情況多變，當(dāng)巖體較軟時(shí)，機(jī)器推進(jìn)非常緩慢，但在最佳條件下，這種巨型的直徑10 m、長(zhǎng)400 m的隧道掘進(jìn)機(jī)每天可推進(jìn)40 m，創(chuàng)下了紀(jì)錄。隧道修建方阿爾卑斯樞紐計(jì)劃圣哥達(dá)股份公司(Alp Transit Gotthard AG)于2010年10月15日打通了東邊的隧道管，并于2011年3月23日打通了西邊的隧道管。為了修建兩條隧道管，共雇傭了2600名工人，其中9人不幸遇難，這一令人悲傷的事實(shí)也足以證明這項(xiàng)工程的危險(xiǎn)性和困難程度。

這些掘進(jìn)機(jī)本身也是一項(xiàng)工程奇跡。刀盤對(duì)掌子面施加的壓力為26 t(2.55×105N)。巖屑由安裝在刀盤上的滾刀接住，通過刀盤落下，再通過傳送帶運(yùn)至機(jī)器后方。兩臺(tái)鉆機(jī)為刀盤附近的鋼錨栓鉆出多個(gè)4 m深的孔。隨著機(jī)器鉆頭向前移動(dòng)，在其后方，由鋼網(wǎng)或鋼環(huán)或混凝土環(huán)制成的加強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)，通過大型機(jī)械手安裝在一起，形成一條連續(xù)的隧道管，來支撐被鉆的巖體。部分巖屑重達(dá)2.83×107t，它們被運(yùn)離機(jī)器鉆頭，然后進(jìn)一步壓碎，并用來制作加強(qiáng)管中環(huán)形段的混凝土拱。掘進(jìn)機(jī)的操作動(dòng)畫詳見參考文獻(xiàn)[6]。

[1] Imogen Foulkes. Gotthard tunnel: world’s longest and deepest rail tunnel opens in Switzerland [Internet]. 2016 Jun 1 [cited 2016 Sep 1]. Available form: http://www.bbc.com/news/world-europe-36423250.

[2] Imogen Foulkes. Swiss Gotthard rail tunnel—an engineering triumph [Internet]. 2016 Jun 1 [cited 2016 Sep 1]. Available form: http://www.bbc.com/ news/world-europe-36416506.

[3] Gotthard Base Tunnel [Internet]. San Francisco: Wikimedia Foundation Inc. [cited 2016 Sep 1]. Available form: https://en.wikipedia.org/wiki/Gotthard_ Base_Tunnel.

[4] User: Cooper.ch [Internet]. San Francisco: Wikimedia Foundation Inc. [cited 2016 Sep 1]. Available form: https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Cooper.ch.

[5] The Gotthard Base Tunnel—questions and answers [Internet]. [cited 2016 Sep 1]. Available form: http://files.gadmin.ch/84697?CFID=546c515f-46e4-4621-92fe-9fec017cfab1&CFTOKEN=0.

[6] AlpTransit Gotthard AG. Animation tunnel drilling machine—Gotthard Base Tunnel [Internet]. 2012 Jun 12 [cited 2016 Sep 1]. Available form: https:// www.youtube.com/watch?v=LdIm-ebJOfI.

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(3): 263–264

Lance A. Davis. The World’s Longest Tunnel. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.013