为欧洲铁路的未来挖掘隧道

在过去二、三十年里，全球范围内的隧道工程数量显著(见图1)，并不是由许多国家改善铁路网的需求决定的。改善人员和货物的流动性，同时实现更好的环境平衡，这一普遍高度重视的社会政治要求特别促进了这一方向。

表1所列的一些最近落成或仍在施工或规划中的超长隧道项目，属于最突出和最杰出的单一项目。它们的位置由图2和图3中的地图显示。

图1未来10-15年全球隧道掘进量¹

图2欧洲在建或设计中的超长铁路隧道

图3欧洲以外正在施工或设计的超长铁路隧道

在日本和欧洲，铁路交通自20世纪70年代和80年代以来经历了复兴。这主要适用于高速客运铁路线，速度在250至350公里/小时之间。在欧洲，先是法国，后来是德国，开始建造和运营这些线路，接着是意大利、西班牙和英国。就连奥地利和瑞士也在竭尽全力加快铁路连接，尽管这两个国家的地形极其险峻。1989/1990年铁幕打开后，中欧国家参与了跨欧洲铁路网(TEN-Rail)的规划，如图4所示。本文详细介绍了各路段的设计速度，其中> 250km/h高速线路集中在法国、德国、意大利和西班牙。法国、德国和西班牙的情况可以在图5、图6和图7中找到更详细的图片。那些非常快的铁路连接要求线路尽可能地直而平。因此，铁路沿线的隧道是不可避免的。有些路段有超过30-40%的隧道，在极端情况下高达80%(佛罗伦萨-博洛尼亚)。

图4 2009年横跨欧洲的铁路网(TEN-Rail

图5法国高铁线路

图6德国高速铁路线路

图7西班牙高铁线路

下面以德国为例，描述了发展符合现代工业社会要求的铁路网的技术流程。在德国，目前正在使用的运输隧道总长约为1400公里(见表2)。

1980年，德国联邦铁路公司(Deutsche Bahn AG，前德国联邦铁路公司)在汉诺威和Würzburg之间以及曼海姆和斯图加特之间的前两条高铁线路开始施工。1991年完工，同年两条线路开始提供ICE服务。隧道约占这些高速公路总长度的30-35%，这些高速公路一方面是为了促进这样的高速，但另一方面是出于生态原因。共建成87条双轨隧道，总长度约150公里，纵向坡度为12.5‰，货运列车也可在这些隧道上运行。沿着这两条新线路，隧道的透明横截面为80平方米，挖掘面积在110平方米至150平方米之间，这意味着它们的横截面要比当时服役的旧双轨铁路隧道大得多，后者的透明横截面约为46平方米。新的科隆-莱茵河/美因线和纽伦堡因戈尔斯塔特线(见图8和图10)纯粹是为时速高达300公里的客运列车设计的，由于空气动力学原因，这条线的清晰横截面甚至更大，达到92平方米。它们由30条隧道组成，总长度为47公里，纵向梯度为40‰，9条隧道分别长27公里。

图8纽伦堡至因戈尔施塔特新路线上的最新一代ICE列车

在过去的20年里，德国运营的运输隧道总长度从大约850公里增长到1400多公里。这一增长部分与正在进行的城市快速交通铁路建设有关，每年的完成率约为1公里(见图9)。另一方面，就铁路而言，自1990年以来，除了现有网络外，已经开通了约220公里的高度现代化隧道，主要与Hannover-Würzburg、曼海姆-斯图加特、科隆-莱茵/美因和慕尼黑-纽伦堡高速铁路连接。这一领域的年完工率也达到了长期平均11公里左右。最后，自1990年以来，大约8-9公里的额外隧道与联邦高速公路一起通车。

图9 1982年至2008年德国运输隧道施工合同，与驱动长度相关

干线铁路隧道的强大影响在图9中可以清楚地看到。该曲线总体上显示了合约的投放情况，并遵循了德国联邦铁路公司(Deutsche Bundesbahn/Deutsche Bahn AG)活动的总和曲线。在1982年至1984年大幅增加后，干线隧道在随后的两至三年内也出现了同样急剧的下降。最终，在20世纪80年代末，这条曲线达到了零标记，只是在1991/1992年、1995/1996年和1998年再次经历了短暂的高点。

预计在不久的将来(10-15年)的隧道体积是特别感兴趣的，结果是运输隧道约400公里。根据最新水平的规划，这一目标将在2025年基本实现。除了约40公里的地下、轻轨和快速运输隧道外，干线隧道的实际长度为200公里，公路隧道的长度为160公里。干线隧道的数量主要属于纽伦堡-埃尔福特高速铁路和埃尔福特-莱比锡/哈雷高速铁路，以及斯图加特21项目与温德林根-乌尔姆高速铁路的结合，隧道总长度为116公里。

目前，全长约230公里的新高速铁路纽伦堡-埃尔福特-莱比锡/哈勒4号线正在建设中，计划于2015年至2017年开通。沿线将建设25条主要为双轨的隧道，全长56.4公里(见图11)。它们的最大行驶速度为300公里/小时(参见图10中的表格)，并从南部的伊尔梅瑙和北部的科堡之间的Thueringer Wald的低山脉下穿过。这些隧道的开挖采用钻孔爆破法。

图10德国铁路基础设施的主要运营和在建或设计项目资料来源:DB Netz AG

图11a高铁Ebensfeld-Erfurt4 -南部隧道部分纵断面

图11b高铁Ebensfeld-Erfurt4 -北隧道部分纵断面

这条长6.970米的芬恩隧道是全长123km的纽伦堡-埃尔福特高速铁路北段和埃尔福特-莱比锡/哈雷高速铁路的一部分。芬恩隧道是唯一采用隧道掘进机5 (TBM)建造的隧道(见图12、13和14)。隧道由两条平行管道组成，每500米通过维护和应急通道连接。两根管子由两个交错的tbm平行驱动。盾构机外径10.82m。部分厚度达45厘米-给定的环宽度为2米-内径为9.60米。Herrenknecht AG公司生产的两台tbm被设计成可转换的混合防护罩。

图12隧道掘进机的刀盘

图13细孔隧道的两个平行孔

图14细孔隧道TBM的后侧

在开挖的前1 500米，掘进机以流体支撑的封闭模式作为水盾运行，然后在地下从封闭模式转换为开放模式。为此，将刀盘调整为无转换腔。拆除了锁等液压屏蔽组件，并安装了特定的开放式组件，如皮带传输。

在前1500米，主要的地质特征是粘土、灰岩和砂岩的交替层，在第一和第二Finne断裂带完全分解。此外，在隧道的前250米范围内，还发现了中下部的keuper。由于地下水位于隧道顶部60米以上，从隧道0米到1500米，地下水流入量非常高，这些地区必须通过水盾来解决。从隧道1500米到隧道6822米，主要是砂岩和粘土的稳定间歇层，可以使用开放式TBM模式进行驱动。这里的地下水也存在于隧道顶部60米以上，并通过钻孔组成的排水系统从隧道1500米降低到6000米。在最后的800米，水位位于隧道轴线以下。挖掘工作将于2010年初夏结束。

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高速铁路沿线安全高效的现代铁路隧道大大有助于加快客运速度，并有助于减少空中交通，从而保护环境。欧洲、亚洲和北美的工业国家利用这项技术，并辅以国际铁路工业。

参考文献

1.哈克:为未来而建;世界隧道工程10(2008)7/8，页28-29。

2.哈克，A.:欧洲高速铁路隧道;全球铁路评论12(2006)4，第68-72页。

3.Haack, A.:德国隧道统计、分析与展望;德国地下建筑，由STUVA- Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen e. V，科隆和DAUB - Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen e. V，科隆，p. 87-93出版，以纪念2009年在德国汉堡举行的STUVA-会议。

4.费尔德维希，W./ Drescher, O./ Flügel, M./ Lies, S.: Die Tunnel der Neu und Ausbaustrecke Nürnberg -埃尔福特-莱比锡/哈雷;(2010) 4, p. 186-190。

5.Azer, H./ Engel, B.等:《德国铁路隧道》;德国地下建筑，由STUVA - Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen e. V，科隆和DAUB - Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen e. V，科隆，p. 124-149出版，以纪念在德国汉堡举行的stuvacconference ' 09, 2010年12月1日至3日。

作者简介

Dr.-Ing教授。阿尔弗雷德·哈克

Dr.-Ing教授。阿尔弗雷德·哈克(Alfred Haack)是一名土木工程师，曾在汉诺威和柏林技术大学学习。1971年，他因研究隧道防火而获得博士学位。他在STUVA工作了40多年，涉及隧道和微型隧道的广泛领域，如排水方法、防水技术、各种衬砌系统、职业健康与安全、防火和灭火。1995年至2007年，他一直担任STUVA的执行董事会成员;1996年以来，他担任布伦瑞克技术大学土木工程领域的荣誉教授。1995年至2004年，哈克教授担任国际隧道与地下空间协会执行委员会成员;1998年至2001年，担任国际隧道与地下空间协会主席。自2008年退休以来，他担任STUVA的免费顾问。