奧地利科拉爾姆高速鐵路隧道

1 工程概述

科拉爾姆隧道是奧地利南部的高速鐵路隧道，全長33 km（圖1）。它是奧地利的第三大城市格拉茨—克拉根福這段高速鐵路之間的重要組成部分，設(shè)計客運列車運行速度 250 km/h，將使 124 km 行程的運行時間縮短到 0.5 h，對貨運列車也能縮短運行時間，降低成本。值得注意的是，這段線路是歐盟確定的優(yōu)先運輸網(wǎng)中“波羅的?！獊喌美飦喓！边\輸走廊的一部分，線路起自波蘭的格但斯克、華沙，經(jīng)奧地利的維也納，而后穿過科拉爾姆隧道，到達(dá)意大利的威尼斯、博洛尼亞。

科拉爾姆隧道是歐洲 3 座最長的鐵路隧道之一，其他 2 座是長 57 km 的圣哥達(dá)隧道和長 55 km 的布倫納爾隧道。

2 隧道的規(guī)劃設(shè)計

科拉爾姆隧道由 2 個內(nèi)徑 8.2 m 的單線主隧道組成，2 個主隧道之間用橫通道（每 500 m 設(shè) 1 個）連接，作為隧道運營中應(yīng)急疏散和維修養(yǎng)護(hù)之用。在兩主隧道之間設(shè)長 900 m 的應(yīng)急車站，給旅客提供應(yīng)急避難場所，并接受對面另一線路的救援（圖2）。應(yīng)急車站與主隧道之間也用橫通道（每 25 m 設(shè) 1 個，相當(dāng)于 1 個車廂的長度）連接。在東、西洞口附近分別設(shè)有施工豎井，也是將來隧道運營時的通風(fēng)豎井。

3 施工安排

3.1 主隧道分段和施工方法

科拉爾姆隧道的施工分成東段（含東洞口）、中段和西段（含西洞口）。東段的地質(zhì)包含新第三紀(jì)/火山巖斷層；中段為火成巖（石英晶體）層；東段為新第三紀(jì)地層。東段的南、北隧道（各約 5 km）、西段的南隧道（約 10.6 km）均用新奧法施工，西段南隧道的施工兼有勘查地質(zhì)的作用。中段的南隧道（約 17.1 km）、北隧道（約15.7 km）自東向西采用掘進(jìn)機(jī)施工。西段北隧道除一小段（0.7 km）采用新奧法施工外，其余12.1 km 自西向東采用掘進(jìn)機(jī)施工（圖3）。

3.2 豎井施工和掘進(jìn)機(jī)拼裝室

圖1 科拉爾姆隧道總圖

圖2 兩側(cè)主隧道和中央應(yīng)急車站

圖3 隧道分段施工

在東洞口附近 60 m 深的施工豎井（圖4），是由2 個直徑 18 m 的豎井互相交疊呈“8”字形的的雙環(huán)結(jié)構(gòu)。豎井的上半部（離地面 18 m 深度）在咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)下開挖施工，接著其下半部用新奧法施工到離地面 60 m 深度，確定軟土與山脈硬巖的邊界線。隨著豎井工程的完成，采用新奧法向東、西 2 個方向開挖，向東開挖到東洞口，向西開挖到離豎井約 1 km 處的山脈硬巖邊界，開挖南、北 2 個大洞室，作為掘進(jìn)機(jī)的拼裝室。每個洞室長 40 m、高 20 m、寬 15 m。

圖4 豎井

3.3 掘進(jìn)機(jī)

主隧道開挖采用 Wirth 公司制造的 2 臺硬巖掘進(jìn)機(jī)，為了保證襯砌的強度和耐久性，根據(jù)獲得的巖石質(zhì)量資料，決定掘進(jìn)機(jī)開挖段全部采用復(fù)合襯砌（外層為砌塊拼裝環(huán)，內(nèi)層為現(xiàn)澆的內(nèi)襯），由于雙層襯砌段采用了防水膜，隧道無需設(shè)排水溝。

掘進(jìn)機(jī)在設(shè)計中考慮了在掘進(jìn)機(jī)尾部拼裝襯砌環(huán)時仍允許掘進(jìn)機(jī)連續(xù)向前推進(jìn)不斷開挖，掘進(jìn)機(jī)前部可以借助側(cè)部夾緊裝置向前推進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)后部可暫時停住進(jìn)行襯砌環(huán)拼裝。這也許可以視為標(biāo)準(zhǔn)模式，速度當(dāng)然會慢一點。

掘進(jìn)機(jī)直徑 9.93 m。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)時，拼裝襯砌環(huán)由7 塊砌塊（包括 1 塊底部仰拱砌塊）組成，襯砌環(huán)外徑 9.5 m，縱向長度 1.9 m，砌塊厚度 350 mm；在舉重臂后方的若干環(huán)開始通過注漿孔向環(huán)隙注漿。向底部 1/3 環(huán)隙注漿時，還吹入豆礫石填充。

掘進(jìn)機(jī)施工進(jìn)入硬巖段長距離的開挖時，每日的進(jìn)度僅達(dá)到期望值 25 m 的一半，科拉爾普山的火成巖比想象的還要復(fù)雜，僅片麻巖就有 20 多種不同類型，而且不同類型一直在不斷變化。有的片狀結(jié)構(gòu)地段，巖石在盤刀壓力作用下破碎成尖銳的碎片，它對出渣的運輸帶造成過度的磨損以至破壞。在巖石破裂成塊的情況下有時巖石會卡住切削刀盤，不得不用傳統(tǒng)的人工方法將其清除，從而耽誤了工期。當(dāng)遇到強度 300 MPa 非常堅硬的巖石時，一次進(jìn)刀平常只需 30～40 min，但在這里卻用了 3 h。巖石類型邊界突然變化的混合斷面對切削刀盤產(chǎn)生巨大影響，有時造成盤刀崩裂。當(dāng)進(jìn)入最高的覆蓋層（1 250 m）地段，最高溫度可能會超過最大容許值 30 ℃，需要準(zhǔn)備冷卻系統(tǒng)作為施工通風(fēng)的補充。這么多的困難，有待掘進(jìn)機(jī)施工人員保持警覺，及時調(diào)整機(jī)械裝置，采取相應(yīng)措施。

4 環(huán)境保護(hù)和棄渣的再利用

整個棄渣運輸機(jī)網(wǎng)具有一系列的高架運輸帶通向2個方向（圖5）：一個方向是從篩分工廠輻射出去，通向棄渣再利用的骨料分級儲藏堆，工程需要生產(chǎn)拼裝式砌塊的混凝土共 42 萬 m3，其中所有粗細(xì)骨料都是經(jīng)過篩分的棄渣的再利用；另外一個方向是把不適合用作混凝土骨料的材料運到棄渣場，或作為專用線的路基填充材料，或用作美化環(huán)境的景觀材料。

圖5 輸送帶

巖石化學(xué)成分的測定在棄渣的再利用中十分重要，例如云母等材料是不適合作為混凝土材料的，因此，經(jīng)常對隧道工作面的巖石質(zhì)量進(jìn)行測定評估和做出恰當(dāng)?shù)倪\送處理，需要有專門的小組來負(fù)責(zé)。在這項工程中大約 70% 的棄渣可以用作混凝土骨料，棄渣再利用的目的是減少卡車的來回運輸，節(jié)省工程成本，減少工程對農(nóng)田和葡萄園的影響。

5 首次應(yīng)用砌塊的計算機(jī)管理系統(tǒng)

科拉爾姆主隧道使用的襯砌環(huán)分三大類型：標(biāo)準(zhǔn)型、加強型以及專門用于橫通道處容許將其打穿的一種類型。每一襯砌環(huán)又分 4 個種類：標(biāo)準(zhǔn)塊 3 塊、封頂塊1 塊、鄰接塊 2 塊，還有 1 塊底部仰拱塊。此外，砌塊在工地現(xiàn)場制造，施工場地狹小，只能修建 2 個預(yù)制工廠以及相應(yīng)的配料工廠，出廠的砌塊的存儲地也很緊張，從這個 50 m 寬的存儲地延伸到離豎井 150 m 處，2 個工廠各用一半。砌塊的科學(xué)管理成為亟待解決的突出問題。

這個工程首次采用由計算機(jī)管理的粘貼條形碼和追蹤砌塊的系統(tǒng)，屬于虛擬存儲技術(shù)（VMT），稱作砌塊資料記錄系統(tǒng)（SDS）。這個系統(tǒng)的工作是把條形碼粘貼在每個鋼筋籠和模具上，條形碼的每個細(xì)節(jié)的信息數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中。制成的砌塊也有專門的條形碼，記錄砌塊的細(xì)節(jié)信息。采用手持的條形碼閱讀器可對砌塊進(jìn)行經(jīng)常的檢查和監(jiān)視，從那時起，砌塊生產(chǎn)的每個細(xì)節(jié)信息存儲在實時數(shù)據(jù)庫。它可以查找每個砌塊備料、使用的模具以及激光掃描的尺寸，并組織砌塊的存儲，使存儲空間得到充分利用。2 環(huán) 12 塊砌塊摞成一摞，相應(yīng)的仰拱砌塊也摞成 12 塊一摞（圖6）。

圖6 在存儲場的砌塊

2 個制造砌塊的工廠均為 2 層建筑。鋼筋籠的綁扎和焊接在上層進(jìn)行，隨后放到下層的鋼模具中，灌混凝土及其養(yǎng)護(hù)由傳送帶輸送，8 h 蒸汽養(yǎng)護(hù)后短期內(nèi)封閉存放，防止冬夏季節(jié)冷熱的影響，24 h 后將砌塊移送至室外存儲場。由于實時數(shù)據(jù)庫保存著所有砌塊的信息數(shù)據(jù)，可以很快將每一砌塊放到它應(yīng)該放的存儲堆。使用4 臺門式吊機(jī)將襯砌環(huán)的砌塊吊進(jìn)、吊出。門式吊機(jī)寬 50 m，起吊高度 12 m，2 臺吊機(jī)起吊重量各 35 t，另 2 臺吊機(jī)起吊重量各 60 t。砌塊的位置通過指令從數(shù)據(jù)庫發(fā)送給吊車操作員，屏幕上顯示吊車要去的位置坐標(biāo)，每臺吊車有雷達(dá)定位系統(tǒng)，定位精度可以達(dá)到幾公分。

另外，還有一個軟件系統(tǒng)，稱作風(fēng)險與信息綜合管理系統(tǒng)（IRIS），設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)中。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)向前推進(jìn)時，它保持對地質(zhì)情況、橫通道位置和砌塊安裝歷史記錄的追蹤，會選擇下一個需要拼裝的襯砌環(huán)，指令發(fā)到虛擬存儲技術(shù)（VMT）系統(tǒng)，查找、提取所需的襯砌環(huán)，它在存儲場的齡期正好使它具有了必要的強度。

把這 2 個系統(tǒng)整合在一起，使砌塊的存放和使用過程達(dá)到無縫連接，并使有限的存儲空間得到充分利用。工廠每天生產(chǎn) 16 環(huán)，存儲場可以存儲 1 個月的產(chǎn)品，這應(yīng)該能保證工程進(jìn)展的需要。目前掘進(jìn)機(jī)開挖的速度有所加快，但不大可能超過砌塊生產(chǎn)的速度。

6 結(jié)束語

對于數(shù)十公里的長隧道來說，采用 2 個主隧道并用若干橫通道將其連通的方案，是一項正確、明智的決策，這對于運營中維修隧道和應(yīng)急疏散十分重要，而且可以減小高速列車的行車阻力。這已經(jīng)成為人們的共識，并被普遍采用。

隧道施工中把保護(hù)環(huán)境與棄渣的再利用結(jié)合起來是一個絕妙的主意。棄渣來自于隧道工程，又用之于隧道工程，一方面大量的棄渣有待處理，另一方面隧道襯砌的混凝土需要大量的粗細(xì)骨料，把“需要”與“供給”完美地結(jié)合起來，既保護(hù)了環(huán)境，又“變廢為寶”，并且可以大幅度減少卡車的來回運輸，所有這些必將為降低工程成本起到重要作用。需要注意的是，一定要把握好對棄渣巖石質(zhì)量和化學(xué)成分的鑒定關(guān)。

襯砌環(huán)及其砌塊種類繁多，存儲場地狹小，促使“砌塊計算機(jī)管理系統(tǒng)”在這項工程中實際應(yīng)用。從砌塊的制造、存儲到使用，形成一條無縫連接的流程，這也是這項工程在科學(xué)管理方面的一大亮點。它不僅把砌塊的生成、存儲和拼裝就位各個環(huán)節(jié)管理得井井有條，而且使存儲場地得到充分的利用。

［1］ Adrain Greeman.Koralm catch up［J］.Tunnels and Tunnelling International，2015（4）：26-32.

邵根大 編譯

責(zé)任編輯 冒一平

2016-02-26