保持交通运营扩宽Montedomini隧道： Nazzano工法的演化

朱 琳， 王 凯， 王柏松， 译

(1. 中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016； 2. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所， 四川 成都 610041)

0 引言

在保持交通运营的前提下扩宽双洞并排公路隧道，以往采取的方法是预先开挖导洞进行交通分流或者暂时封闭一条隧道，而这些方法均会降低交通服务水平。

2000年初, G.Lunardi在意大利Nazzano高速公路隧道扩宽工程中提出一种新型技术[1]，该技术能够保证在扩宽公路、铁路等隧道的同时，不降低基础设施服务水平。该技术无需耗费大量经济成本修建新隧道以增加线路，而实际工程环境未必能提供修建新隧道所需的场地空间，且修建新隧道也并不总是具有实际可操作性。

本文首先对Nazzano隧道扩宽工程中新方法的首次成功试验进行简要介绍，并对新方法应用所需的技术数据进行分析，然后针对在建的Montedomini隧道(A14高速公路)对新方法的发展、修正和改进进行研究。

1 Nazzano工法概念

在隧道运营时进行隧道扩宽，首先必须对用户穿行的安全性进行鉴定，同时由于隧道中部空间用于交通运输，必须研制出可在狭窄空间工作的施工机械。

用户的安全性可以通过设置一个特殊护盾来保证，通过护盾把施工区域与交通通道彻底分开。在Nazzano隧道中，实现这一功能的方法是，采用一种“隧道扩宽交通护盾”或者由钢材制作的“复位隧道”，把施工区从高速公路中分隔出来[2]，如图1所示。

图1 Nazzano隧道：保持交通运营，对隧道进行扩宽的断面型式

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

设计的护盾装置必须满足以下要求： 1)能够抵抗开挖过程中落到护盾上的土石体以及致命坍塌的冲击。2)护盾的尺寸要能够与其内部交通车辆相协调，并且与待扩宽的隧道尺寸相匹配。考虑到Nazzano隧道的规模大小与特点，所采用的护盾需要能够提供双车道供车辆通行，分别为一条3.50 m宽的重型车辆车道和一条3.00 m宽的轻型车辆超车道，用于缓解交通车辆的可能拥堵。3)能抵挡住过往车辆可能发生的撞击。

一般情况下，该类型的护盾或钢制护盾，长度比隧道短，能横跨工作面连续自动行驶和定位(如Nazzano隧道)；或者是钢筋混凝土护盾，长度比隧道长，不能自移动。

现有的交通运输保护装置对扩宽隧道的工作区域效果明显，并且也会很大程度上影响施工方案的选择。之前的标准隧道由钢拱架和喷射混凝土组成初期支护，并且需要用隧道模板台车在距离掌子面一定距离的位置进行永久衬砌，基本上与可用的空间不匹配。由于受到交通护盾的限制，隧道的初期支护和最终衬砌有2种类型的工法可供选择，以适应施工场地布置。

1)对于隧道的初期支护，选择的工法是机械预切槽法，在掌子面沿着待开挖隧道的拱背线切割出一个合适厚度和长度的切口，立即用纤维加强混凝土填充，从而形成一个截锥形状的护壳，在护壳下进行隧道的掘进。在Nazzano隧道中，切割预切槽采用了一个在交通护盾上面能自行驶和操作的机械设备。

2)对于隧道的最终衬砌，选择的工法是“主动拱”技术[3]，包括在预切槽护壳内弧面下面拼装一个预制混凝土管片环。在顶推楔形管片的千斤顶作用下，管片拱能立即提供自支撑。该系统能够在离掌子面很短的距离(3～6 m)极快地安装最终内衬，形成自支撑。就像在Nazzano隧道一样，利用机械预切槽中相同的机械设备进行预制混凝土管片的拼装，使用相同的支撑结构形式进行操作、定位、撑扶管片，直到管片拱承受压力。这种采用交通护盾的作业方式，很容易实现，并且能在保持交通运营的同时进行隧道扩宽，与建筑工地的特殊布局相协调。

最后，隧道仰拱建造完成也意味着隧道扩宽的完成。对于双孔隧道，隧道仰拱可以在2个孔洞扩宽都完成以后进行建造，开通一个孔洞的所有交通，同时关闭另一个孔洞的交通并对其进行仰拱修建。对于单孔隧道或者交通量特别大的地方，隧道仰拱的修建可以按2个阶段进行： 1)沿整个扩大隧道的一侧修建仰拱，保持另一半隧道的交通流量； 2)对另一侧做相同处理。在这种情况下，使用合适的带套筒的连接筋把2个板块连接起来。在Nazzano隧道中保持交通运营的同时进行扩宽的隧道断面形式如图1所示，中间是旧隧道和交通护盾[4]。

2 保持交通运营，扩宽Nazzano隧道

2.1 工程概况

Nazzano隧道是双孔隧道，每个隧道长度约337 m，隧道位于 A1米兰—那不勒斯的高速公路上，离罗马大约40 km[5]。2004—2007年，隧道由2车道扩宽到3车道外加双向应急车道，不含既有隧道、包括隧道仰拱在内的开挖区域面积是158 m2。目前隧道的内径大约为9.50 m，有4条车道，其中3条用于交通，1条用于应急。

2.2 交通护盾

Nazzano隧道进行旧隧道扩宽的施工现场如图2所示。由图可以看到，安装于预制钢筋混凝土基础上的自行式交通护盾布置在交通通道上方，具有特殊的轮廓，类似“New-Jersey”安全屏障。

图2 Nazzano隧道：钢护盾保护交通运营，同时扩宽旧隧道

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

护盾长60 m，对其中间20 m长度范围进行适当加强。随着隧道掌子面的推进，护盾依靠特殊的液压油缸持续向前推进，保证护盾的加强段正好位于掌子面部位。

2.3 隧道的推进周期

Nazzano工法由一系列的施工阶段组成，按照一定的顺序进行循环，从而确定了隧道的推进周期。

扩宽Nazzano隧道的施工阶段和循环顺序如图3所示。可以看到，每个循环由预切槽施工阶段和随后的4个交替进行的阶段(开挖和预制钢筋混凝土管片最终衬砌的拼装)组成。每个推进循环长度是4 m，最后拼装的内衬拱与开挖面之间的距离为4.5～6.5 m。

如前文所述，预切槽和永久内衬主动拱的拼装采用一个单独的机械完成，名为多功能机械(M.M.)，由2个拱形钢结构组成，见图4。

(a) 完成预切槽薄壳体(长度=5 m)(内衬距离掌子面4.5 m)

(b) 开挖掘进(长度=2.0 m)(内衬距离掌子面6.5 m)

(c) 拼装第1环和第2环内衬拱(内衬距离掌子面4.5 m)

(d) 开挖掘进(长度=2.0 m)(内衬距离掌子面6.5 m)

(e) 拼装第3环和第4环内衬拱(内衬距离掌子面4.5 m)

驱动箱安装于第1个钢拱上，承载预切槽的切割臂以及填充用的装备。切割臂上装配特殊设计的齿链，用于破碎泥土同时将泥土从切口带出。装有拼装机的驱动箱在后面的钢拱上运转。为了安装内衬的钢筋混凝土管片，拼装机经过特殊设计量身定制，夹持管片并将其放置到正确的位置上。固定在钢拱上的伸缩结构(可伸缩臂)，配有传感器以确保安全地执行所有基本动作，在衬砌管片环形成自支撑的过程中，在正确的位置支撑衬砌管片。

该机械设备在特殊的运输护盾上方从工作面移动到停放位置，移动时通过护盾将其与下部的车辆分隔开。

图4 Nazzano隧道： 多功能机械Fig. 4 Nazzano tunnel: Multifunction machine

3 保持交通运营同时扩宽 Nazzano隧道方法获得的生产数据分析

如前文所述，在保持交通运营的同时进行隧道扩宽，必然涉及到施工场地布局，而施工场地的工作空间又很小，所以对机械设备的尺寸有所限制，机械设备必须能够在规定的高度(约10 m)内运转。

Nazzano隧道在保持交通运营的同时进行隧道扩宽的施工场地布局如图5所示。

(a) 纵剖面图

(b) 平面图

图5 Nazzano隧道：保持交通运营的同时进行隧道扩宽的建筑工地布局

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

在扩宽隧道期间，施工场地的空间界限对施工效率有较大的影响。Nazzano隧道2个孔洞在扩宽期间的推进速度是0.75～0.90 m/d，高峰期接近1 m/d，如图6所示。

根据对推进循环每个阶段所用时间以及其对进度的相对影响的分析，综合对Nazzano隧道中施工工序的客观调查，对改进和优化这种工法提出一些思路。

为了得到前期生产循环中有意义的数据，将其分割成大的工作阶段进行生产数据分析。通过测量每个操作过程的持续时间，可计算出每个操作步骤占推进循环总时间的平均百分比。计算每个阶段在整个推进循环中的时间占比，从而得到其对施工进度的影响。

图6 Nazzano隧道：扩宽面的推进速度(以最终衬砌完成演示隧道拓宽过程)

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

预切槽、开挖和衬砌阶段的时间占比见表1。可以看出，在循环周期内，最具影响的是最终内衬“主动拱”的拼装阶段，因为它几乎占了总施工时间的50%。

表1预切槽、开挖、衬砌阶段的时间占比

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

生产阶段 时间占比/%机械预切槽22．0隧道开挖推进24．1最终内衬拼装46．1生产辅助活动7．8

4 优化和改进Nazzano工法的可能性

Nazzano隧道在扩宽施工中经历了各种各样的困难，为了获得更令人满意的施工进度，对这一工法进行了改进：

1) 可用操作空间的优化。由于可用的空间位于开挖面和主动拱之间，而最终内衬不能被加大，因而预切槽壳体必须尽可能快地被内衬封闭起来；同时，不能任意增大开挖区域，这会对施工费用产生大的直接影响；所以，有必要利用交通护盾上方的可用空间，将防护物和安全装置部件转化为实际工作区域，为掌子面作业(运输材料，采用皮带机运出弃碴等)提供场地。车辆和材料由于尺寸较小，可沿着护盾侧边的通道通行，通过这种方式可以最大程度降低移动机具时与施工工人发生碰撞的风险。

2)提高主动拱、最终衬砌和拼装阶段的生产能力。前文数据表明，主动拱拼装生产能力的提升对整体的生产能力的提升有重大影响。对主动拱拼装阶段进行优化必须从设计阶段开始，而对另外2个阶段(预切槽和开挖)的改进主要在执行阶段和选择新的、性能更好的机械设备上。

3)专用机械的优化和选择。重点考虑将多功能机械用于开挖阶段的可行性。其优点在于减少移动和停放多功能机械以及铺设移动轨道所花费的时间，理论上可以将每个推进循环的时间减少约10%。然而，在掌子面采用多功能机械也有一些不利之处，即减少了可用的工作空间。可用工作空间的减少将影响弃渣的清除，断面的预切与开挖以及二次衬砌预制混凝土管片的现场拼装，这将导致开挖时间的延长。因此，需要根据工期进行费用效益分析，才能确定专用机械的选择。

5 保持交通运营，Nazzano工法在扩宽Montedomini隧道中的应用

由于Nazzano工法在首次工程试验中应用效果较好，业主单位希望能将Nazzano工法用于另一条隧道——Montedomini隧道的扩宽工程中。Montedomini隧道扩宽工程不仅属于A14博洛尼亚—塔兰托高速公路现代化建设的一部分，而且能为安科纳北部和南部之间提供一条应急车道。

5.1 Montedomini隧道

双孔 Montedomini 隧道全长280 m，目前有2条车道，每条车道宽3.5 m。这项在建工程是把隧道扩宽成3车道，每条车道宽3.75 m。此外，每个方向车行道外侧需加一条 3.00 m宽的应急车道。在280 m隧道全长中，需要运用Nazzano工法扩宽的隧道长度为217 m，剩余未使用Nazzano工法扩宽的部分主要为隧道入口部分，该部分可由普通地下隧道改为人工隧道。与穿过砂层的Nazzano隧道不同，Montedomini 隧道穿过黏土层，因此降低了开挖期间遇到瓦斯的危险性。覆盖层变化从几m到最大25 m，需要开挖的面积(包含仰拱面积但不含原有隧道)为211 m2。

5.2 工法的改进以及Montedomini 隧道和Nazzano 隧道的差别

基于Nazzano隧道的建设经验[6]，对Montedomini 隧道扩宽操作的流程提出一些改进。改进主要基于2个方面原因： 1)Montedomini 隧道挖掘区域的尺寸更大，且面临的地质状况与Nazzano隧道不同，例如Montedomini 隧道穿过的是黏土层而非砂层； 2)基于施工场地布局的研究和分析而进行的施工系统的改进和优化。开挖尺寸的增加和地质情况的差异决定了Montedomini 隧道扩宽必须采用较大的预切槽，厚度由Nazzano隧道的30 cm增大至50 cm，长度由Nazzano隧道的5.5 m增大至6 m。预切槽间的重叠部分的宽度从1.5 m增加至2 m。由于开挖尺寸增大，活动拱和最终衬砌的预制钢筋混凝土管片的尺寸也相应增加(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)，并且它们的最大质量也增加到了8 t。2条隧道断面不同之处如图7所示。

图7 Nazzano隧道的截面(左)与Montedomini隧道截面(右)的对比(单位： cm)

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

相对于Nazzano隧道，Montedomini隧道离掌子面的最大距离和推进循环的长度保持6.5 m和4.0 m不变。但是，正如前文提到结构设计方面的因素在很大程度上减少了工地布局的工作空间，对于Montedomini隧道的扩宽进度造成了非常不利的影响。如图8和图9所示，设置交通防护盾有助于改善这一状况。修建一个长度大约为400 m的拱部为方形轮廓的预制钢筋混凝土护盾，在防护盾上部能够形成一个实际可用的施工场地，掌子面需要的材料能够通过这个施工场地被运送就位(如构成最终内衬拱的预制钢筋混凝土管片和填充预切槽的混凝土利用施工场地内部的管状输送带和泵系统进行运送)。

图8 Montedomini隧道: 交通防护盾Fig. 8 Montedomini Tunnel: Traffic protection shield

设置交通防护盾首先能够形成一个安全的工作环境，通过减少来往掌子面的运输车辆，施工工人通过护盾的表面能够自由行走到掌子面，不受待拓宽隧道路边交通工具的影响，可以大量减少施工工人发生意外事故的风险。

图9 Montedomini隧道： 护盾之上的施工区域

Fig. 9 Montedomini Tunnel: Construction site area above shield

该系统同样具有以下优点： 1)瓦斯危险非常低。2)工作环境与下方的汽车交通通道分隔开来，噪音减少，空气清洁。3)被扩宽的隧道两边更容易协作。由于在护盾两侧有2条简单的连接匝道，便于材料运输和开展维修、急救营救作业，而不必在极难环境中操作桥式吊机，掌子面的操作环境得到改善。

此外，护盾的长度大于隧道长度，使得在隧道推进的同时在其推进方向的对侧修建隧道入口成为可能。当隧道扩宽长度超过500 m,比隧道长的护盾能够允许组织起另一个施工单元以便能够在2个工作面同时进行推进，加快施工进度。

就交通管理而言，在全长隧道的连续护盾保护之下，如同在一个恒定横断面的环境中旅行，减少了过往人员“分心”的危险，这与Nazzano隧道使用的自行式钢护盾的功效是一样的。但是，由于护盾不能被移动，需要警惕和防止比护盾高的车辆驶入，这类车辆有可能在护盾里被卡住，给交通造成大的麻烦。

基于先前叙述的推进分析结果，在设计阶段进行改进，将拼装的装配式衬砌拱的数量减少，每4 m推进循环由4环(每环长度1 m)降低到3环(每环长度1.33 m)，从而减少了25%的安装工作量并减少了用于管片安装的多功能机械的数量，经济效益明显增加。实际上，如果用于管片安装的多功能机械设计合理，管片尺寸对管片的安装时间将影响甚微。

为了实施这项改进并在维护管理阶段获得更大的效益，对预切槽和拼装主动拱的设备也进行了重大改进。与Nazzano隧道中使用的由2个部分拼装到一起的多功能机械(M.M.)不同，在Montedomini隧道不中断交通扩宽施工中采用2台单独的机械，一个专门进行机械预切槽，另一个专门进行主动拱的拼装，见图10。

预切槽机械如图11所示，其主要部件为: 1)切割装置； 2)前驱动箱支撑拱； 3)后辅助设备支撑拱； 4)右侧和左侧的底座； 5)工作平台和操作舱； 6)喷射臂。

图10 Montedomini隧道：保持交通运营用于扩宽隧道的2台机械

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

图11 机械预切槽机Fig. 11 Mechanical precutting machine

前拱由3个钢结构组件(2个边支柱和1个拱顶)构成。在施工期间，当切割臂位于拱顶一侧时，边支柱可以从对侧升起，使弃碴从预切槽的切口中更容易移除。

管片拼装机如图12所示，其主要部件为： 1)起重臂； 2)移动平台； 3)前拱和后拱； 4)托架； 5)左右底座。

图12 管片拼装机Fig. 12 Segment erection machine

与Nazzano隧道相比，对预切槽机械和管片拼装机进行功能划分，在隧道施工时能够切割更大的预切槽并拼装更重的混凝土管片。将这2个机械组装在一起以便于管片拼装机械能够在预切槽机械上方移动，移向掌子面或返回到离掌子面30～40 m的停驻地点。最后，多功能机械停工期基本只出现在开挖阶段，单个机械的停工期比多功能机械停工期长，因而新工法在维护管理上也存在优势。

将预切槽和活动拱分开的结果也清楚地证明Nazzano隧道施工中一些决策的正确性，即在开挖阶段和弃碴排除阶段采用传统的挖掘机和铲车而非在2台机械入口安装工具。

Montedomini隧道的开挖循环类似Nazzano隧道采用的开挖循环。操作循环步骤为： 1)机械预切槽(切割面距离最后组装衬砌环6.5 m)； 2)2个预制混凝土管片内衬拼装，每个长度为1.33 m； 3)以2 m的步距进行开挖； 4)预制混凝土管片内衬拱拼装，长度为1.33 m； 5)以2 m的步距进行开挖。

此外，另一个创新是采用自动吸尘装置对预切槽弃碴进行清除，通过氯丁橡胶管道把弃碴运送到合适的载重汽车上。

5.3 施工过程

在保持交通运营条件下，对Montedomini 隧道进行扩宽施工于2013年9月开始。在写本文时隧道仅开挖了几个循环，因而尚有待进行更具意义的评估或者数据分析以证明扩宽工程中采用的改进工法的合理性和有效性。不过，交通护盾的优化已经表现出明显的经济效益，更重要的是能够为工人提供安全和健康的工作环境。

未来很有可能将护盾作为一个施工区域，随着施工区域空间效率的提高，日进度也会加快，将会带来可观的经济效益。在推进循环的2个主要阶段(机械预切槽和拼装内衬管片)采用2台机器单独施工，其实用性仍然需要通过产生的实际效益进行评估。然而，在连续地层中经常性地进行大尺寸(3 m3/延米)的预切操作需要使用一种强动力、高性能的施工机械。

6 结论

Nazzano工法是在不中断交通的情况下扩宽公路、高速公路、铁路和地铁隧道的方法。随着在施工领域的第2次运用，Nazzano工法正在逐步发展，目前正用于意大利Montedomini隧道A14高速公路扩宽工程中。其首次应用只是解决了在狭窄空间内进行机械施工的一些问题，在Montedomini隧道中，已努力致力于改进设计阶段及施工组织阶段存在的主要问题。

交通复位护盾从一个障碍物和限制物变成可利用的条件，并且在掌子面构成了主要的安全交通通道。混凝土管片环的拼装数量由每循环4环减到3环以及在其他操作阶段的改进，均与过去10年间的技术进步息息相关。相较于在不中断交通情况下扩宽Nazzano隧道已经达到的目标，这些改进将有利于实现更大的目标。

Nazzano隧道和 Montedomini 隧道的经验表明，在不中断交通的情况下进行隧道扩宽是切实可行的。当需要提升基础设施能力以适应新的更为复杂的交通状况时，可以考虑选择Nazzano工法。对于城市隧道、公路隧道、铁路隧道的出口处有高架桥或其他人工建筑的情况，当没有其他扩宽方案可供选择时，考虑Nazzano工法及其后续的创新和改进工法将是一个不错的选择。

采用Nazzano工法和修建第3条隧道进行隧道扩宽时每延米隧道开挖成本比较见表2。数据结果表明，在完全相同的基础上，2种隧道扩宽方案的成本很接近，二者有3.65%的差额。扩宽现有隧道(交通护盾)的额外安全成本约占整个工程成本的8.9%，因此不会对项目本身的财务可行性产生实质性的影响。随着隧道扩宽长度的增加，工程总成本增加，而额外安全成本占工程总成本的百分比则会下降。

表2采用Nazzano工法和修建第3条隧道进行隧道扩宽时每延米隧道开挖成本比较

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

隧道扩宽方法隧道扩宽每延米成本/欧元Nazzano工法57350．00修建第3条隧道55350．00

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[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

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[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.