瑞士隧道设计理念与施工技术探讨

1、瑞士隧道设计理念与施工技术探讨彭爱红1 罗淑芬2 杨为德3（1、江西省公路桥梁工程局 南昌 330009）（2、江西省交通厅外经办 南昌 330006）（3、江西省高等级公路管理局 南昌 330005）摘 要：通过作者2006年7月至8月，随江西省交通厅2号项目欧洲考察团对瑞士近半个月的实地考察，考察团走访了瑞士的公路建设、设计、咨询、监理、施工等部门，走遍了瑞士近90%的国土，行程近4000km，对瑞士的工程师们的建设、施工理念有了一个比较详细的了解，由于瑞士是一个多山国家，隧道在其交通中扮演了重要的角色，而该国在隧道建设方面也是闻名于世。在这半个月中重点参观了该国的隧道设计与施工及建设方面

2、的内容，本文主要介绍瑞士隧道的设计与施工方面的理念。相信这其中的理念值得我国隧道建设的同行们学习与探讨。关键词：隧道工程；瑞士；隧道；设计；施工；理念0 前 言瑞士简介闻名世界的阿尔卑斯山脉穿越风景优美的瑞士，作为一个多山的国家，瑞士在隧道及地下工程建设方面积累了丰富的经验，早在100多年前就修建了一条15km长的圣哥达铁路隧道，而现在正在修建世界上最长的隧道57km的安格达隧道。瑞士的公路交通非常发达， 40年来已累计建成160多座高速公路隧道，隧道总长度接近130km。1980年建成的圣哥达公路隧道长度17km，位居世界公路隧道之首位。在100多年的隧道建设历史中，瑞士逐步形成了自己的风格

3、和特色，并积累了丰富的经验，其技术和工艺始终处于世界的领先位置，其很多全新的设计理念和成熟的施工技术和经验值得我们公路建设者们借鉴和学习。下面就从两个方面来谈谈瑞士隧道全新的设计理念与先进的施工技术。1 瑞士隧道的全新设计理念 全新的隧道结构断面瑞士隧道结构断面到底新在哪里呢？我们先来看看下面两张隧道断面比较图，即目前我国公路隧道的典型断面图(图1)和瑞士公路隧道的典型断面图（图2）。从上面两张隧道横断面图可以看出，中国现行隧道与瑞士现行隧道应当存在较大的差别，而瑞士隧道结构断面新在哪里呢？下面就两者的不同处进行对比、分析：从断面外形比较：新在结构受力好 我国的隧道典型横断面外形，近似于一个椭

4、圆，而瑞士的隧道典型横断面外形，更接近于一个圆；这种设计的优点是隧道扁平率（高与最大跨度之比）较大，结构受力更加均匀；从整个隧道运营来说，具有更好、更长的使用寿命。图1 我国公路隧道典型横断面图图2 瑞士公路隧道典型横断面图从各部位功能分区比较：新在各部位功能齐全、界线明显 我国公路隧道净空包括公路建筑限界、通风、照明、安全、监控及内装等附属设施，各附属设施都不能侵入隧道建筑限界之内。隧道建筑限界由行车道宽、侧向宽度、人行道宽度或检修道（图3）宽度等组成。除照明、通讯、监控等管线内置在行车道右侧管线沟里外，其他如照明灯、通风机等设备从顺隧道方向看去都一览无余，它们与隧道建筑限界之间只有一种无形

5、的界线，从美观和视觉效果上来说存在缺陷。而瑞士公路隧道除隧道净空外在行车道底下还有一个独立的空间（这个空间可能还根据不同需要分成不同的几个小空间），图3 各种管道检修道所有的照明、通讯、监控等管线、消防管道、排水管道等都分门别类的设置在这个分离的空间里面，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，同时在该空间还能作为紧急情况下的逃逸通道。另外，在其行车道上方，即建筑限界顶部用混凝土作封闭处理，实际形成了一个独立的排风空间，此举不但可以保证汽车释放的废气在隧道最顶部的空间流通，最后通过通风竖井向外面排放，而且，风机等排风设施全在独立的排风空间里面，增加了行车上

6、的美感和舒适感（如图2所示）。下图是即将完成的隧道（图4）。图4 隧道钢筋混凝土吊顶创新的人性化理念和独立的排风空间 我国的公路隧道一般在左、右洞之间每隔一定的设置人行横到和车行横道，其作用是作为两洞连接和若发生事故可做逃逸之用。而瑞士的公路隧道新建长大隧道一般在其边上或底下设置一条断面面积9m2的独立平行逃生洞，对于隧道长度很长且重要的、通车很久的隧道，尤其在1999年3月24日上午11时左右，一辆满载面粉和黄油的比利时卡车在勃朗峰隧道中部失火，大火持续燃烧了近3天，导致41人死亡、烧毁43辆车、交通被迫中断一年半以上的特大事故，损失惨重之后，瑞士政府在一些重要的隧道边上或底下仍要增设一个独

7、立的逃生通道（图5）。可见，瑞士隧道为了保证人的安全，花费很大精力和资金进行人性化设计和改造。图5 独立的逃逸通道对于隧道的排风，正如中所叙述的那样，我国一般采用风机、隧道超过一定的长度设置竖井排风。而瑞士的隧道在建筑界限顶部设计一般为20cm厚的水平弧形钢筋混凝土板，混凝土板上部空间为隧道通风的风道，风道中间设计为15cm厚竖向钢筋混凝土板墙，将上部空间分为送、排风道两部分。作为一个独立的排风空间，这样更有利于隧道的排风。隧道内对CO及烟雾浓度每六分钟检测一次，通过检测数据自行调整风机的运行状态，风机的备用电源为蓄电池。控制系统对火灾的响应时间为5分钟，火灾的探测采用感温和感烟两个系统，两个

8、系统对于火灾的检测均为100。为了保证更好的通风设计上采用扭曲的和竖直的两种不同的通风道，如图6、图7所示： 图6扭曲的竖井通风道 图7 竖直的竖井通风道 不拘泥于规范的隧道线形设计瑞士的隧道线形设计以公路设计规范为基准，并根据公路线形的需要确定隧道的纵向和平面线形。特别值得提出的是，在瑞士的隧道设计规范里，没有要求隧道部分按直线设计的硬性规定，事实上，绝大多数公路隧道都做成曲线型的(预防黑洞效应)，这有利于提高司机的注意力，减少事故的发生。特别是在洞口段尽量设置为曲线段，不仅有利于光线的过渡，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。有时因地形或地质原因

9、可能还会设计超规范的小半径曲线，但只要条件允许，瑞士的设计师们敢于创新，为了避免不良地质，他们敢于大胆设计，并不拘泥于规范的呆板限制。线形设计考虑的因素通常包括下面几个方面的内容：1、线路衔接的需要；2、避开不良地质带；3、减小偏压及其它地质灾害的影响（见图8、图9）。 图8虚线为隧道平面线形 图9 曲线隧道1.3 先进的防、排水设计瑞士的双向两车道隧道与中国典型的双向两车道隧道在横断面的设计上考虑的因素有所不同，瑞士在设计中除考虑经济合理、行车安全、方便维修等诸因素外，还重点考虑了环境保护方面的因素。瑞士的公路隧道通常采用复合衬砌，隧道一般以排为主，防、排、堵相结合。喷混凝土要求同时满足支撑

10、和防水的需要。隧道横坡都是按单向坡设计的，路面水先汇集在右侧边沟，再通过主排水管排出洞外，隧道基岩排水通过两侧纵向和横向盲沟以及侧壁排水管来完成，这种考虑是基于隧道路面污水、废油必须先处理后排放的环保意识。使用的防水材料等级很高，防水板材由内至外由油毛毡、塑料布和PVC板三层粘结组成，其厚度、硬度、强度等物理力学指标非常高，抗拉和抗老化能力非常强，阻水防水性能非常优越（见图10、图11）。图10 铺设整齐的防水材料 图11 防水板铺设中 形式多样的洞门设计瑞士的工程师们在洞口、洞门的设计上真是煞费苦心，他们并不机械的采用端墙式、削竹式等固定的洞门形式，而是总能采用不同的洞门形式让洞门能够充分的

11、溶入自然。同时，环保设计概念体现在任何工程设计中，隧道也不例外。隧道洞口尽量避免大开挖，争取“早进洞，晚出洞”。为了减少对植被的破坏，多处采用明洞、棚洞或其它明挖后回填的形式，洞门形式极为简明又贴近自然。许多开挖深度在10m左右的路段亦以隧道的形式(明挖或暗挖)处理。洞口处及其它开挖边坡一般很缓并植草植树。隧道所属通风机房结合洞门情况设置在地下，除洞门外几乎看不见任何混凝土痕迹。让你感觉到隧道与实际的环境如此的相协调，你行车在如画的自然中有时根本感觉不到有隧道的存在（见图12、图13）。 图12新颖独特的洞门 图13 形式多样的洞门 完善的照明和周密的监控设计为了能够使隧道安全的运营，并让行车

12、能够更加顺畅和舒适，工程师们对隧道采用了完善的照明设计，其公路隧道照明标准大多按CIE标准执行，照明设计速度采用100km/h的瑞士国家标准不折减。大多数洞口加强过度段采用逆光照明配光，高压钠灯光源，照明控制已经根据洞外情况实现实时全自动控制，洞内设置光度传感器，一般单洞内装备4个，进口3个，出口1个。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

13、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。瑞士的隧道监控系统称之为“电器自动化”系统，包括火灾报警系统，消防灭火子系统，闭路电视子系统，无线通讯子系统，交通信号子系统，紧急 子系统，通风控制子系统，照明控制子系统，车辆检测子系统及供电子系统。在紧急情况下，如发生交通事故、火灾时同步监视器、大屏幕监视器将自动切换至发生事故的位置，指挥中心即刻可以采取的相应救援措施，使事故得以迅速的得到控制（见图14、15）。 图14隧道监控中心的监控设备 图15隧道监控机组隧道内部机电设备、沿线设施的设置充分体现了以人为本的理念，着重考虑了车速控制、车辆间距、救援设施、交

14、通引导和交通管制等方面。例如，在一定距离范围内设置信号灯和情报板，紧急 采用明显的图例、灯光提醒司机，情报板提供的控制信息较为丰富；在洞内两侧的行人道上每隔一定距离的地面上安装有指示灯，隧道内标线采用虚线，允许变车道超车，隧道内外路段一般不设置突起路标。紧急 的标志为红底白字“SOS”及 图案标志，对港湾式紧急停车带的设置没有严格规定，甚至有超过2km长的隧道并没有紧急停车带。特别值得一提的是洞内视线较好，各种通道、设备上均有明显的灯光、图例；洞内交通标志明显、齐全，车速控制较为严格，车辆有序通行。洞口外一般设置隧道、长度提示牌和交通信号灯，重要的隧道洞口均设置可变限速标志。综上所述，可以看到

15、瑞士的隧道设计师们无不体现：以人为本、安全、环保、创新的设计理念。下面我们再来探讨一下瑞士建设者们如何采用的先进的技术来进行施工。2 瑞士的先进施工技术2.1 几种先进的施工技术在我国以前隧道施工中一般采用矿山法进行施工，在后来才引进了新奥法施工理念和技术。由于瑞士的隧道施工起步早，工艺成熟，设备先进，除新奥法外还有其他几种施工技术。新奥法施工技术 在20世纪40年代，瑞士就采用了新奥法进行施工。新奥法是应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基础，将锚杆和喷射混凝土集合在一起作为主要支护手段，及时进行支护，以便控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成以锚杆、喷射混凝土和

16、隧道围岩三位一体的承载结构，共同承载山体压力；同时，通过对围岩的现场量测，及时反馈围岩支护复合体的力学动态和变化状况，为二次支护提供合理的架设时机；通过监控量测反馈的信息来指导隧道的设计和施工。即其主要特点是：通过多种量测手段，对开挖后隧道围岩进行动态监测，并以此指导隧道支护结构的设计与施工。新奥法施工的基本原则为：少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭。根据地质情况细分为全断面开挖、上下分步开挖、侧壁导坑法等。瑞士30%的隧道是采用这种方法施工的，隧道横断面是圆形或马蹄形。此法适用范围广，几乎所有岩石隧道都可以采用，灵活省电，但效率低，工期长，劳动力多。钻爆法的适用受到工资昂贵的制约，瑞士道路工程建

17、设中的人工开支一般占到施工费用的50%，而我国一般占20%。全断面掘进机法（TBM法）施工技术 全断面岩石掘进机又称隧道掘进机，简称掘进机，它是一种由电动机驱动主轴旋转、对刀盘施加一定压力、使其贴近岩壁、通过刀盘上装设的盘形滚刀破碎岩石、使巷道断面一次成型的大型工程机械，也是目前掘进岩石最有发展规律潜力的机械之一。采用掘进机施工的方法，称为掘进机法。其施工方法又分为敞开式掘进机和护壁式掘进机两种。其特点是：快速、经济、安全、岩层适应性好（见图16、图17）。TBM法在瑞士应用已经有30-40年的历史，约50%的隧道使用该法，隧道断面是圆形。它的显著特点是：效率高，掘进速度快，无振动，对围岩干扰

18、少，无超欠挖，支护薄，机械化作业用工少；缺点是耗电大，设备投资大，灵活性差。TBM直径一般在8m-12m，一台直径15 m的TBM造价大约为200万瑞士法郎。全断面掘进速度为平均41m/d，特殊情况的极硬岩4.5 m/d，延米隧道的单价分析表明设备及开挖土石方费用约占总费用的50%。 图16全断面掘进机施工中 图17全断面掘进机自由断面掘进机法（TSM法）施工技术 多在中等硬度的沉积岩或土层中(Rb70MPa)使用，任何斜面都可使用，但是效率比TBM法低许多。一台30t-50t的自由断面掘进机造价为300万-500万瑞士法郎。根据情况可采用小断面掘进机先行掘进，后用钻爆法扩大断面，结合两者优点

19、的施工方法在瑞士非常普遍。纵观TBM和TSM法，其最大特点就是机械化程度高，现场管理井然有序，所用人工数量较少，施工环境较好，没有明显的烟尘和粉尘，可以说达到了工厂化作业。洞身开挖、初期支护到二次衬砌全部采用机械连续施工，弃渣、材料和混凝土运输均采用运输带连续运出、运入，有较长的自动化、连续化的工作平台，整个施工形成了连续化的流水作业链，施工所用的各种材料、半成品及成品构件均由工厂加工。例如，初期支护所用的钢筋网采用点焊连接，工厂集中加工，钢筋间距非常均匀。同时，在隧道中利用机械大园盘转动的方式解决各种车辆的调头问题。从施工的现场看，施工的工序、方法，以及质量控制的手段较为严格，需要工人手工作

20、业的工作量较少，减少了人为因素对质量的影响。 准确的超前地质预报技术隧道施工最大的困难就是其前方的围岩性质的不可知性，潜在的地质隐患诸如软弱岩带、断层带、破碎带、岩溶、含水地层等，在隧道开挖施工前若不能预知，则可能会导致坍塌、突泥涌水等灾害发生，从而造成人员伤害和设备损失，增加施工费用，影响工程进度。一种较好的解决方法就是通过准确的超前地质预报来预防。在实际中有几种不同的预报方法可以利用，如：导坑、钻探、无损探测方法（如地震法和地震雷达法等）。目前在瑞士流行的是准确性和距离误差方面具有突出优点的TSP法。TSP（Tunnel Seismic Prediction）意思是采用地震方方法对隧道地质

21、情况进行探测，属多波多分量高分辨率地震波探测技术（见图18、19）。与常规地震反射波探测技术不同之处，在于该系统为长距离隧道施工地质超前探测而设计，其最大预报范围大于150m。该技术主要是在隧道的左边墙或右边墙上布置一定数量的炮孔，通过小药量激发产生地震波（弹性波），地震波在岩石中以球面波形式传播，地震波遇到岩石波阻抗差异界面（例如裂隙带、断层或岩层变化等），有一部分信号会发生反射，反射信号将被布置在左右边墙上的二个高灵敏度的三分量加速度地震传感器（检波器）所接收并记录下来。同时利用配套的专用TSPWIN软件进行处理。TSPWIN软件中数据处理流程包括11个主要步骤，包括频谱分析、带通滤波、能

22、量均衡、纵横波分离、速度分析和偏移归位等。处理结果可以提供在探测范围内地震反射层的2D或3D空间分布，同时还可以显示与其相对应的岩石力学参数和岩石强度指标。根据反射波的组合特征及其动力特征、岩石物理力学参数等资料来解释和推断地质体的性质：岩层软弱带、断层带、节理裂隙带、含水等。其准确率相当的高，能够及时准确的指导施工，有效的控制地质灾害的发生，降低成本，提高隧道掘进的进度，将风险降低到最小。图18 TSP探测原理 图19 TSP超前地质预报实测中2.3 先进的施工量测技术隧道的施工量测对于隧道按图纸施工、最后的贯通并保证良好的运营具有重要的意义。隧道施工量测主要指施工放样测量、断面测量、和竣工

23、测量。在量测技术不断发展，其主要表现是自动化程度越来越高，测量仪器的体积越来越小，重量越来越轻，测量速度越来越快，工效越来越高。最有代表性的发展是全站仪和GPS的广泛应用，以及这两种技术的融合。现在我们所说的施工放样测量并不是简单的中线测量，还包括：掌子面炮孔放样、超前注浆孔位放样、激光导向测量、隧道轮廓线放样、钢拱定位、锚杆定位测量、模板放样以及避车洞、横道洞放样等；断面测量主要包括断面放样、超欠挖控制、净空检查、实际断面形状测量及断面图绘制等内容。这些测量项目以前一般用经纬仪或全站仪来完成，但进入21世纪，随着全自动全站仪技术的发展，使得以全站仪为基础的隧道断面测量成为可能。瑞士人发明了一

24、种新的LEICA TMS隧道测量系统应运而生，LEICA TMS隧道测量系统是安伯格测量技术公司与莱卡测量系统股份公司强强联合的结晶，它吸取了前几代隧道断面测量的精髓，并赋予全新的设计理念，以智能化的应用软件配合LEICA TPS1100/1200系列的通用全站仪，实现一机多用，该仪器能按照钻爆作业的质量要求，炮孔放样需要按设计打眼，掏槽孔深度和孔位、周边外插角、孔间距和平行度、精度以及实际打眼总数都有详细的描述和要求。能同时及时准确的完成隧道断面测量和施工放样测量等多种测量任务。使用LEICA TMS按照预先就在办公室中定义好的炮孔布置图开始逐个放样炮孔点位。在钻孔的过程中，红色的激光自动的

25、指出炮孔点位，并且调整凿岩台车的位置以达到正确钻孔插角。使用TMS PROLILE同样使工作变得简单，机载应用程序TMS PROSCAN可在无反射棱镜测距模式下，全自动的扫描表面。TMS PROSCAN内置了标准测量顺序和过程，可引导无测量经验的施工人员正确完成操作、获得精确的专业测量结果。测量结果自动保存在记忆卡上。配合原先在办公室就输入的工程数据来完成断面评估的目的，TMS PROFILE有两种比较方法：1、实际测量断面和预先定义的理论断面的比较，以获得对超欠挖的评估；2、相同里程上两次的实际测量断面的比较，以获得混凝土衬砌的厚度。即使是在隧道的施工现场，如果发现预先输入的工程数据需要调整

26、，测量员就可以马上解决这个问题，因为TMS可以实现在全站仪上管理工程数据。现场人员可以在全站仪上看到图形表示的比较结果。有问题的部位还可通过红色可见激光直接指示在隧道工作面上。即它能指示出超挖和欠挖区域在开挖断面上的具体位置，进而能达到知道和优化隧道施工的目的，控制隧道的超欠挖。在隧道施工中的钢拱架放样，瑞士人也采用TMS SETOUT自动放样技术，通过在掌子面后方的一定距离范围内固定安装一台LEICA TCRA1205全站仪来完成对钢拱架安装位置的自动放样（见图20、图21）。 图20 全自动全站仪测量中 图21 全自动全站仪定位钢拱架每次开始开挖循环作业前，隧道施工人员先通过TMS SET

27、OUT中的一个称为“轮廓线放样”的“任务”精确的获得开挖部位的设计断面位置，然后根据TMS SETOUT的红色可见激光的指示将钢拱安放和调整到需要的位置。当完成混凝土喷射后，还需要再检查一次，检查实际断面与设计断面的差异，是否符合设计要求。采用上述隧道轮廓线放样和钢拱架安装测量方法极大的提高了隧道施工效率，整个钢拱架的定位只需要大约15分钟，而传统的方法可能需要几个小时或更多时间（包括等待测量员的停工时间）。 3 结 语通过这次考察，我们学到了瑞士工程师们有关隧道设计方面的新理念和施工方面的新技术，通过对比我们现在的隧道设计与施工同他们之间还有差距，需要我们根据实际情况去不断的改进与创新。在高速公路快速发展的今天，我们的线路大都由平坦地区转向了向山区发展，所以高速公路的隧道比例不断增加，长大及特长隧道也越来越多，如现在正在修建中的武吉高速公路建设项目就有隧道24座，单洞里程59km,最长的隧道为5432m，创造了江西省隧道史的长度之最。我们需要吸取国外一些好的设计经验和先进的施工