Lance A. Davis

世界上最長的隧道

Lance A. Davis

Senior Advisor, US National Academy of Engineering

經(jīng)過20年的努力，世界上最長、最深的隧道——57.1 km長的圣哥達(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。這條隧道實際為雙洞隧道，穿過瑞士阿爾卑斯山的圣哥達山，連通了北部的埃斯特費爾德(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。這條隧道每年的運輸量相當于100萬輛貨車每年的運輸量，因此可實現(xiàn)鐵路的快速運輸，對環(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。預計每天將有約260輛貨運列車和65輛客運列車通過隧道，以客運列車的最高時速(250 km·h–1)計，大約需要20 min [5]。隧道開通時，通過抽獎選中的一批乘客和一些公眾人物率先體驗了隧道鐵路。目前，鐵路測試仍在繼續(xù)，預計將于2016年12月完全對公眾開放服務(wù)。屆時蘇黎世和米蘭之間的客運行駛時間將為3 h左右，比目前的行駛時間(＞4 h)要少[5]。電氣化列車的運行電壓為15 kV，頻率為16.7 Hz。

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

日本53.9 km的青函隧道是目前全世界第二長的隧道，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，自古羅馬時期起，許多商人和國家就開始為穿越阿爾卑斯山脈運送貨物付出努力。那時，在冬季越過山道運輸是不可能的。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世紀末期都處于最大運輸負荷狀態(tài)。新修的圣哥達隧道是一條幾乎平直的隧道，而且在長途貨運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。

對于這樣的長隧道來說，運行安全是一個關(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，以便必要時可從一條隧道管快速撤離至另外一條。在隧道全長的三分之一處，即法伊多(Faido)站點和塞德龍(Sedrun)站點，每條隧道管內(nèi)均設(shè)有應急停車站，而隧道管之間的連通則是在六條隧道的銜接下實現(xiàn)的。風扇為應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)。

隧道施工是個工程壯舉。該工程使用了四臺海瑞克撐靴式硬巖掘進機，每條隧道管各兩臺，從北端和南端分別掘進。首先修建了四條進口隧道，使施工可以在埃斯特費爾德、阿姆施泰格(Amsteg)、塞德龍和法伊多(圖1)四處同時啟動。隨后在博迪奧又增加了第五條進口隧道。地下巖石情況多變，當巖體較軟時，機器推進非常緩慢，但在最佳條件下，這種巨型的直徑10 m、長400 m的隧道掘進機每天可推進40 m，創(chuàng)下了紀錄。隧道修建方阿爾卑斯樞紐計劃圣哥達股份公司(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也足以證明這項工程的危險性和困難程度。

這些掘進機本身也是一項工程奇跡。刀盤對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，再通過傳送帶運至機器后方。兩臺鉆機為刀盤附近的鋼錨栓鉆出多個4 m深的孔。隨著機器鉆頭向前移動，在其后方，由鋼網(wǎng)或鋼環(huán)或混凝土環(huán)制成的加強支撐結(jié)構(gòu)，通過大型機械手安裝在一起，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2.83×107t，它們被運離機器鉆頭，然后進一步壓碎，并用來制作加強管中環(huán)形段的混凝土拱。掘進機的操作動畫詳見參考文獻[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.

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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