保持交通運營擴寬Montedomini隧道： Nazzano工法的演化

朱 琳， 王 凱， 王柏松， 譯

(1. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所， 四川 成都 610041)

0 引言

在保持交通運營的前提下擴寬雙洞并排公路隧道，以往采取的方法是預先開挖導洞進行交通分流或者暫時封閉一條隧道，而這些方法均會降低交通服務水平。

2000年初, G.Lunardi在意大利Nazzano高速公路隧道擴寬工程中提出一種新型技術[1]，該技術能夠保證在擴寬公路、鐵路等隧道的同時，不降低基礎設施服務水平。該技術無需耗費大量經濟成本修建新隧道以增加線路，而實際工程環境未必能提供修建新隧道所需的場地空間，且修建新隧道也并不總是具有實際可操作性。

本文首先對Nazzano隧道擴寬工程中新方法的首次成功試驗進行簡要介紹，并對新方法應用所需的技術數據進行分析，然后針對在建的Montedomini隧道(A14高速公路)對新方法的發展、修正和改進進行研究。

1 Nazzano工法概念

在隧道運營時進行隧道擴寬，首先必須對用戶穿行的安全性進行鑒定，同時由于隧道中部空間用于交通運輸，必須研制出可在狹窄空間工作的施工機械。

用戶的安全性可以通過設置一個特殊護盾來保證，通過護盾把施工區域與交通通道徹底分開。在Nazzano隧道中，實現這一功能的方法是，采用一種“隧道擴寬交通護盾”或者由鋼材制作的“復位隧道”，把施工區從高速公路中分隔出來[2]，如圖1所示。

圖1 Nazzano隧道：保持交通運營，對隧道進行擴寬的斷面型式

Fig. 1 Nazzano Tunnel: Tunnel cross-section type for widening in presence of traffic

設計的護盾裝置必須滿足以下要求： 1)能夠抵抗開挖過程中落到護盾上的土石體以及致命坍塌的沖擊。2)護盾的尺寸要能夠與其內部交通車輛相協調，并且與待擴寬的隧道尺寸相匹配。考慮到Nazzano隧道的規模大小與特點，所采用的護盾需要能夠提供雙車道供車輛通行，分別為一條3.50 m寬的重型車輛車道和一條3.00 m寬的輕型車輛超車道，用于緩解交通車輛的可能擁堵。3)能抵擋住過往車輛可能發生的撞擊。

一般情況下，該類型的護盾或鋼制護盾，長度比隧道短，能橫跨工作面連續自動行駛和定位(如Nazzano隧道)；或者是鋼筋混凝土護盾，長度比隧道長，不能自移動。

現有的交通運輸保護裝置對擴寬隧道的工作區域效果明顯，并且也會很大程度上影響施工方案的選擇。之前的標準隧道由鋼拱架和噴射混凝土組成初期支護，并且需要用隧道模板臺車在距離掌子面一定距離的位置進行永久襯砌，基本上與可用的空間不匹配。由于受到交通護盾的限制，隧道的初期支護和最終襯砌有2種類型的工法可供選擇，以適應施工場地布置。

1)對于隧道的初期支護，選擇的工法是機械預切槽法，在掌子面沿著待開挖隧道的拱背線切割出一個合適厚度和長度的切口，立即用纖維加強混凝土填充，從而形成一個截錐形狀的護殼，在護殼下進行隧道的掘進。在Nazzano隧道中，切割預切槽采用了一個在交通護盾上面能自行駛和操作的機械設備。

2)對于隧道的最終襯砌，選擇的工法是“主動拱”技術[3]，包括在預切槽護殼內弧面下面拼裝一個預制混凝土管片環。在頂推楔形管片的千斤頂作用下，管片拱能立即提供自支撐。該系統能夠在離掌子面很短的距離(3～6 m)極快地安裝最終內襯，形成自支撐。就像在Nazzano隧道一樣，利用機械預切槽中相同的機械設備進行預制混凝土管片的拼裝，使用相同的支撐結構形式進行操作、定位、撐扶管片，直到管片拱承受壓力。這種采用交通護盾的作業方式，很容易實現，并且能在保持交通運營的同時進行隧道擴寬，與建筑工地的特殊布局相協調。

最后，隧道仰拱建造完成也意味著隧道擴寬的完成。對于雙孔隧道，隧道仰拱可以在2個孔洞擴寬都完成以后進行建造，開通一個孔洞的所有交通，同時關閉另一個孔洞的交通并對其進行仰拱修建。對于單孔隧道或者交通量特別大的地方，隧道仰拱的修建可以按2個階段進行： 1)沿整個擴大隧道的一側修建仰拱，保持另一半隧道的交通流量； 2)對另一側做相同處理。在這種情況下，使用合適的帶套筒的連接筋把2個板塊連接起來。在Nazzano隧道中保持交通運營的同時進行擴寬的隧道斷面形式如圖1所示，中間是舊隧道和交通護盾[4]。

2 保持交通運營，擴寬Nazzano隧道

2.1 工程概況

Nazzano隧道是雙孔隧道，每個隧道長度約337 m，隧道位于 A1米蘭—那不勒斯的高速公路上，離羅馬大約40 km[5]。2004—2007年，隧道由2車道擴寬到3車道外加雙向應急車道，不含既有隧道、包括隧道仰拱在內的開挖區域面積是158 m2。目前隧道的內徑大約為9.50 m，有4條車道，其中3條用于交通，1條用于應急。

2.2 交通護盾

Nazzano隧道進行舊隧道擴寬的施工現場如圖2所示。由圖可以看到，安裝于預制鋼筋混凝土基礎上的自行式交通護盾布置在交通通道上方，具有特殊的輪廓，類似“New-Jersey”安全屏障。

圖2 Nazzano隧道：鋼護盾保護交通運營，同時擴寬舊隧道

Fig. 2 Nazzano Tunnel: Traffic protected by steel protection shield while old tunnel is being widened

護盾長60 m，對其中間20 m長度范圍進行適當加強。隨著隧道掌子面的推進，護盾依靠特殊的液壓油缸持續向前推進，保證護盾的加強段正好位于掌子面部位。

2.3 隧道的推進周期

Nazzano工法由一系列的施工階段組成，按照一定的順序進行循環，從而確定了隧道的推進周期。

擴寬Nazzano隧道的施工階段和循環順序如圖3所示。可以看到，每個循環由預切槽施工階段和隨后的4個交替進行的階段(開挖和預制鋼筋混凝土管片最終襯砌的拼裝)組成。每個推進循環長度是4 m，最后拼裝的內襯拱與開挖面之間的距離為4.5～6.5 m。

如前文所述，預切槽和永久內襯主動拱的拼裝采用一個單獨的機械完成，名為多功能機械(M.M.)，由2個拱形鋼結構組成，見圖4。

(a) 完成預切槽薄殼體(長度=5 m)(內襯距離掌子面4.5 m)

(b) 開挖掘進(長度=2.0 m)(內襯距離掌子面6.5 m)

(c) 拼裝第1環和第2環內襯拱(內襯距離掌子面4.5 m)

(d) 開挖掘進(長度=2.0 m)(內襯距離掌子面6.5 m)

(e) 拼裝第3環和第4環內襯拱(內襯距離掌子面4.5 m)

驅動箱安裝于第1個鋼拱上，承載預切槽的切割臂以及填充用的裝備。切割臂上裝配特殊設計的齒鏈，用于破碎泥土同時將泥土從切口帶出。裝有拼裝機的驅動箱在后面的鋼拱上運轉。為了安裝內襯的鋼筋混凝土管片，拼裝機經過特殊設計量身定制，夾持管片并將其放置到正確的位置上。固定在鋼拱上的伸縮結構(可伸縮臂)，配有傳感器以確保安全地執行所有基本動作，在襯砌管片環形成自支撐的過程中，在正確的位置支撐襯砌管片。

該機械設備在特殊的運輸護盾上方從工作面移動到停放位置，移動時通過護盾將其與下部的車輛分隔開。

圖4 Nazzano隧道： 多功能機械Fig. 4 Nazzano tunnel: Multifunction machine

3 保持交通運營同時擴寬 Nazzano隧道方法獲得的生產數據分析

如前文所述，在保持交通運營的同時進行隧道擴寬，必然涉及到施工場地布局，而施工場地的工作空間又很小，所以對機械設備的尺寸有所限制，機械設備必須能夠在規定的高度(約10 m)內運轉。

Nazzano隧道在保持交通運營的同時進行隧道擴寬的施工場地布局如圖5所示。

(a) 縱剖面圖

(b) 平面圖

圖5 Nazzano隧道：保持交通運營的同時進行隧道擴寬的建筑工地布局

Fig. 5 Nazzano Tunnel: Layout of construction site for tunnel widening in presence of traffic

在擴寬隧道期間，施工場地的空間界限對施工效率有較大的影響。Nazzano隧道2個孔洞在擴寬期間的推進速度是0.75～0.90 m/d，高峰期接近1 m/d，如圖6所示。

根據對推進循環每個階段所用時間以及其對進度的相對影響的分析，綜合對Nazzano隧道中施工工序的客觀調查，對改進和優化這種工法提出一些思路。

為了得到前期生產循環中有意義的數據，將其分割成大的工作階段進行生產數據分析。通過測量每個操作過程的持續時間，可計算出每個操作步驟占推進循環總時間的平均百分比。計算每個階段在整個推進循環中的時間占比，從而得到其對施工進度的影響。

圖6 Nazzano隧道：擴寬面的推進速度(以最終襯砌完成演示隧道拓寬過程)

Fig. 6 Nazzano Tunnel: Advance speeds for widening face (showing progress of widened tunnel with final lining already in place)

預切槽、開挖和襯砌階段的時間占比見表1。可以看出，在循環周期內，最具影響的是最終內襯“主動拱”的拼裝階段，因為它幾乎占了總施工時間的50%。

表1預切槽、開挖、襯砌階段的時間占比

Table 1 Percentage distribution of time taken for precutting, excavation and lining stages

生產階段 時間占比/%機械預切槽22．0隧道開挖推進24．1最終內襯拼裝46．1生產輔助活動7．8

4 優化和改進Nazzano工法的可能性

Nazzano隧道在擴寬施工中經歷了各種各樣的困難，為了獲得更令人滿意的施工進度，對這一工法進行了改進：

1) 可用操作空間的優化。由于可用的空間位于開挖面和主動拱之間，而最終內襯不能被加大，因而預切槽殼體必須盡可能快地被內襯封閉起來；同時，不能任意增大開挖區域，這會對施工費用產生大的直接影響；所以，有必要利用交通護盾上方的可用空間，將防護物和安全裝置部件轉化為實際工作區域，為掌子面作業(運輸材料，采用皮帶機運出棄碴等)提供場地。車輛和材料由于尺寸較小，可沿著護盾側邊的通道通行，通過這種方式可以最大程度降低移動機具時與施工工人發生碰撞的風險。

2)提高主動拱、最終襯砌和拼裝階段的生產能力。前文數據表明，主動拱拼裝生產能力的提升對整體的生產能力的提升有重大影響。對主動拱拼裝階段進行優化必須從設計階段開始，而對另外2個階段(預切槽和開挖)的改進主要在執行階段和選擇新的、性能更好的機械設備上。

3)專用機械的優化和選擇。重點考慮將多功能機械用于開挖階段的可行性。其優點在于減少移動和停放多功能機械以及鋪設移動軌道所花費的時間，理論上可以將每個推進循環的時間減少約10%。然而，在掌子面采用多功能機械也有一些不利之處，即減少了可用的工作空間。可用工作空間的減少將影響棄渣的清除，斷面的預切與開挖以及二次襯砌預制混凝土管片的現場拼裝，這將導致開挖時間的延長。因此，需要根據工期進行費用效益分析，才能確定專用機械的選擇。

5 保持交通運營，Nazzano工法在擴寬Montedomini隧道中的應用

由于Nazzano工法在首次工程試驗中應用效果較好，業主單位希望能將Nazzano工法用于另一條隧道——Montedomini隧道的擴寬工程中。Montedomini隧道擴寬工程不僅屬于A14博洛尼亞—塔蘭托高速公路現代化建設的一部分，而且能為安科納北部和南部之間提供一條應急車道。

5.1 Montedomini隧道

雙孔 Montedomini 隧道全長280 m，目前有2條車道，每條車道寬3.5 m。這項在建工程是把隧道擴寬成3車道，每條車道寬3.75 m。此外，每個方向車行道外側需加一條 3.00 m寬的應急車道。在280 m隧道全長中，需要運用Nazzano工法擴寬的隧道長度為217 m，剩余未使用Nazzano工法擴寬的部分主要為隧道入口部分，該部分可由普通地下隧道改為人工隧道。與穿過砂層的Nazzano隧道不同，Montedomini 隧道穿過黏土層，因此降低了開挖期間遇到瓦斯的危險性。覆蓋層變化從幾m到最大25 m，需要開挖的面積(包含仰拱面積但不含原有隧道)為211 m2。

5.2 工法的改進以及Montedomini 隧道和Nazzano 隧道的差別

基于Nazzano隧道的建設經驗[6]，對Montedomini 隧道擴寬操作的流程提出一些改進。改進主要基于2個方面原因： 1)Montedomini 隧道挖掘區域的尺寸更大，且面臨的地質狀況與Nazzano隧道不同，例如Montedomini 隧道穿過的是黏土層而非砂層； 2)基于施工場地布局的研究和分析而進行的施工系統的改進和優化。開挖尺寸的增加和地質情況的差異決定了Montedomini 隧道擴寬必須采用較大的預切槽，厚度由Nazzano隧道的30 cm增大至50 cm，長度由Nazzano隧道的5.5 m增大至6 m。預切槽間的重疊部分的寬度從1.5 m增加至2 m。由于開挖尺寸增大，活動拱和最終襯砌的預制鋼筋混凝土管片的尺寸也相應增加(在基底厚度由2.2 m增大到2.8 m，在拱部厚度由60 cm增大到70 cm)，并且它們的最大質量也增加到了8 t。2條隧道斷面不同之處如圖7所示。

圖7 Nazzano隧道的截面(左)與Montedomini隧道截面(右)的對比(單位： cm)

Fig. 7 Comparison between cross-section type of Nazzano tunnel and that of Montedomini Tunnel (unit: cm)

相對于Nazzano隧道，Montedomini隧道離掌子面的最大距離和推進循環的長度保持6.5 m和4.0 m不變。但是，正如前文提到結構設計方面的因素在很大程度上減少了工地布局的工作空間，對于Montedomini隧道的擴寬進度造成了非常不利的影響。如圖8和圖9所示，設置交通防護盾有助于改善這一狀況。修建一個長度大約為400 m的拱部為方形輪廓的預制鋼筋混凝土護盾，在防護盾上部能夠形成一個實際可用的施工場地，掌子面需要的材料能夠通過這個施工場地被運送就位(如構成最終內襯拱的預制鋼筋混凝土管片和填充預切槽的混凝土利用施工場地內部的管狀輸送帶和泵系統進行運送)。

圖8 Montedomini隧道: 交通防護盾Fig. 8 Montedomini Tunnel: Traffic protection shield

設置交通防護盾首先能夠形成一個安全的工作環境，通過減少來往掌子面的運輸車輛，施工工人通過護盾的表面能夠自由行走到掌子面，不受待拓寬隧道路邊交通工具的影響，可以大量減少施工工人發生意外事故的風險。

圖9 Montedomini隧道： 護盾之上的施工區域

Fig. 9 Montedomini Tunnel: Construction site area above shield

該系統同樣具有以下優點： 1)瓦斯危險非常低。2)工作環境與下方的汽車交通通道分隔開來，噪音減少，空氣清潔。3)被擴寬的隧道兩邊更容易協作。由于在護盾兩側有2條簡單的連接匝道，便于材料運輸和開展維修、急救營救作業，而不必在極難環境中操作橋式吊機，掌子面的操作環境得到改善。

此外，護盾的長度大于隧道長度，使得在隧道推進的同時在其推進方向的對側修建隧道入口成為可能。當隧道擴寬長度超過500 m,比隧道長的護盾能夠允許組織起另一個施工單元以便能夠在2個工作面同時進行推進，加快施工進度。

就交通管理而言，在全長隧道的連續護盾保護之下，如同在一個恒定橫斷面的環境中旅行，減少了過往人員“分心”的危險，這與Nazzano隧道使用的自行式鋼護盾的功效是一樣的。但是，由于護盾不能被移動，需要警惕和防止比護盾高的車輛駛入，這類車輛有可能在護盾里被卡住，給交通造成大的麻煩。

基于先前敘述的推進分析結果，在設計階段進行改進，將拼裝的裝配式襯砌拱的數量減少，每4 m推進循環由4環(每環長度1 m)降低到3環(每環長度1.33 m)，從而減少了25%的安裝工作量并減少了用于管片安裝的多功能機械的數量，經濟效益明顯增加。實際上，如果用于管片安裝的多功能機械設計合理，管片尺寸對管片的安裝時間將影響甚微。

為了實施這項改進并在維護管理階段獲得更大的效益，對預切槽和拼裝主動拱的設備也進行了重大改進。與Nazzano隧道中使用的由2個部分拼裝到一起的多功能機械(M.M.)不同，在Montedomini隧道不中斷交通擴寬施工中采用2臺單獨的機械，一個專門進行機械預切槽，另一個專門進行主動拱的拼裝，見圖10。

預切槽機械如圖11所示，其主要部件為: 1)切割裝置； 2)前驅動箱支撐拱； 3)后輔助設備支撐拱； 4)右側和左側的底座； 5)工作平臺和操作艙； 6)噴射臂。

圖10 Montedomini隧道：保持交通運營用于擴寬隧道的2臺機械

Fig. 10 Montedomini Tunnel: Two machines used to widen tunnel in presence of traffic

圖11 機械預切槽機Fig. 11 Mechanical precutting machine

前拱由3個鋼結構組件(2個邊支柱和1個拱頂)構成。在施工期間，當切割臂位于拱頂一側時，邊支柱可以從對側升起，使棄碴從預切槽的切口中更容易移除。

管片拼裝機如圖12所示，其主要部件為： 1)起重臂； 2)移動平臺； 3)前拱和后拱； 4)托架； 5)左右底座。

圖12 管片拼裝機Fig. 12 Segment erection machine

與Nazzano隧道相比，對預切槽機械和管片拼裝機進行功能劃分，在隧道施工時能夠切割更大的預切槽并拼裝更重的混凝土管片。將這2個機械組裝在一起以便于管片拼裝機械能夠在預切槽機械上方移動，移向掌子面或返回到離掌子面30～40 m的停駐地點。最后，多功能機械停工期基本只出現在開挖階段，單個機械的停工期比多功能機械停工期長，因而新工法在維護管理上也存在優勢。

將預切槽和活動拱分開的結果也清楚地證明Nazzano隧道施工中一些決策的正確性，即在開挖階段和棄碴排除階段采用傳統的挖掘機和鏟車而非在2臺機械入口安裝工具。

Montedomini隧道的開挖循環類似Nazzano隧道采用的開挖循環。操作循環步驟為： 1)機械預切槽(切割面距離最后組裝襯砌環6.5 m)； 2)2個預制混凝土管片內襯拼裝，每個長度為1.33 m； 3)以2 m的步距進行開挖； 4)預制混凝土管片內襯拱拼裝，長度為1.33 m； 5)以2 m的步距進行開挖。

此外，另一個創新是采用自動吸塵裝置對預切槽棄碴進行清除，通過氯丁橡膠管道把棄碴運送到合適的載重汽車上。

5.3 施工過程

在保持交通運營條件下，對Montedomini 隧道進行擴寬施工于2013年9月開始。在寫本文時隧道僅開挖了幾個循環，因而尚有待進行更具意義的評估或者數據分析以證明擴寬工程中采用的改進工法的合理性和有效性。不過，交通護盾的優化已經表現出明顯的經濟效益，更重要的是能夠為工人提供安全和健康的工作環境。

未來很有可能將護盾作為一個施工區域，隨著施工區域空間效率的提高，日進度也會加快，將會帶來可觀的經濟效益。在推進循環的2個主要階段(機械預切槽和拼裝內襯管片)采用2臺機器單獨施工，其實用性仍然需要通過產生的實際效益進行評估。然而，在連續地層中經常性地進行大尺寸(3 m3/延米)的預切操作需要使用一種強動力、高性能的施工機械。

6 結論

Nazzano工法是在不中斷交通的情況下擴寬公路、高速公路、鐵路和地鐵隧道的方法。隨著在施工領域的第2次運用，Nazzano工法正在逐步發展，目前正用于意大利Montedomini隧道A14高速公路擴寬工程中。其首次應用只是解決了在狹窄空間內進行機械施工的一些問題，在Montedomini隧道中，已努力致力于改進設計階段及施工組織階段存在的主要問題。

交通復位護盾從一個障礙物和限制物變成可利用的條件，并且在掌子面構成了主要的安全交通通道。混凝土管片環的拼裝數量由每循環4環減到3環以及在其他操作階段的改進，均與過去10年間的技術進步息息相關。相較于在不中斷交通情況下擴寬Nazzano隧道已經達到的目標，這些改進將有利于實現更大的目標。

Nazzano隧道和 Montedomini 隧道的經驗表明，在不中斷交通的情況下進行隧道擴寬是切實可行的。當需要提升基礎設施能力以適應新的更為復雜的交通狀況時，可以考慮選擇Nazzano工法。對于城市隧道、公路隧道、鐵路隧道的出口處有高架橋或其他人工建筑的情況，當沒有其他擴寬方案可供選擇時，考慮Nazzano工法及其后續的創新和改進工法將是一個不錯的選擇。

采用Nazzano工法和修建第3條隧道進行隧道擴寬時每延米隧道開挖成本比較見表2。數據結果表明，在完全相同的基礎上，2種隧道擴寬方案的成本很接近，二者有3.65%的差額。擴寬現有隧道(交通護盾)的額外安全成本約占整個工程成本的8.9%，因此不會對項目本身的財務可行性產生實質性的影響。隨著隧道擴寬長度的增加，工程總成本增加，而額外安全成本占工程總成本的百分比則會下降。

表2采用Nazzano工法和修建第3條隧道進行隧道擴寬時每延米隧道開挖成本比較

Table 2 Comparison of costs of widening an existing tunnel with Nazzano Method and widening with a third tunnel per linear meter of tunnel excavation

隧道擴寬方法隧道擴寬每延米成本/歐元Nazzano工法57350．00修建第3條隧道55350．00

：

[1] LUNARDI P. Unemethode de construction innovante pour elargir les tunnels routiers, autoroutiers et ferroviaires sans interrompre la circulation; son application au tunnel de Nazzano sur l′ autoroute A1 Milan-Naples[C]// Proceedings of the Conference on Instandsetzung von Tunneln-Olten. [S.l.]: [s.n.], 1999: 71.

[2] LUNARDI P, CALCERANO G. A new construction method for

widening highway and railway tunnels[C]//Proceedings of the International Congress on Progress in Tunneling after 2000. Milan: [s.n.], 2001: 665.

[3] LUNARDI P. Construction des stations de grandes portées pour métro [C]// Proceedings of the ETH-Tunnelbau-Symposium 99. Zurich: [s.n.], 1999: 39.

[4] LUNARDI P. Widening the load at Nazzano[J]. Tunnels & Tunnelling International, 2003: 16.

[5] LUNARDI P, LUNARDI G, CASSANI G. Widening the Nazzano motorway tunnel from two to three lanes + an emergency lane without interrupting traffic[C]//Proceedings of the International Conference on Tunnels: Drivers of Change. Madrid: [s.n.], 2007: 894.

[6] LUNARDI P, CANGIANO M, BELFIORE A. Il metodo Nazzano tra passato e future: Storia e risultati della prima sperimentazione del sistema di ampliamento delle gallerie in presenza di traffic[J]. Gallerie e Grandi Opere Sotterranee, 2011(100): 77.