简介
马萨诸塞州波士顿的中央要道，在当地以“大挖掘”而闻名，是城市基础设施建设中的一个里程碑。挖掘隧道，是使建设过程中所产生的破坏达到最小化的一个至关重要的方法，同时，它也是迄今为止世界同类项目中最大、最复杂的。隧道建设规模庞大，但维护费用低，同时，它带来了重要的环境效应并为工程节约了超过300万美元的建设费用。
项目
大挖掘的一个关键部分是建设一个新的Ⅰ-90/Ⅰ-93州际立交。它要求在波士顿南站附近的地下建设一个多车道公路隧道，包含7股连接线，每天运送超过40000名通勤者和400趟火车。
最初的设计概念是随挖随填，这是一项以往已使用过的传统技术，比如沿伦敦舰队街下的地下系统而建的第一条隧道。但这项技术是一个干扰环境的过程，它对地面设施的影响尤为明显。对波士顿而言，由于地面空间十分有限，它将会使得5条铁路线重新布置，而这是铁路当局无法接受的。除此之外，每一阶段的建设都会涉及到大范围光缆控制系统的重建，同时，它也意味着在两股重新布置的临时铁轨间挖掘又深又窄的壕沟来建造的隧道应尽可能地短，所有这些，将会是强烈关注点和主要的安全焦点所在。
挖掘隧道提供了一个先进性的选择（图1）。意思非常简单：用移动结构物来代替原有的迁移铁轨的方案。这个提案要求作为州际高速公路隧道的一部分，靠近铁轨的部分应首先建造并挖掘到位。如果成功的话，便意味着没有铁轨的重新布置，没有火车限速，没有服务的中断。事实上，它也完全达到了改进铁路服务和出色安全记录的目标。
图1
挑战
项目位于Ⅰ-90/Ⅰ-93州际公路的交叉点上，这是整个中央大动脉工程中的一个最复杂的工程。它有着严格的空间上和操作上的限制：建造地点局限在州际高速公路、铁轨和Fort Point隧道的一片区域内（图2）。测量出的这片区域约300米×700米见方，看起来相当地大，实际上由于必须考虑不对铁路运营造成影响而受到了严格的限制。
虽然挖掘隧道能够解决铁路线重新布置的问题，但它也给自己带来了挑战。挖掘隧道，尤其是较长的隧道，都是典型的由几个单元建造起来的。这些隧道单元由中间的隧道站连接起来，并且通过一个叫“毛毛虫”(caterpillar)的作用安装起来，这个行动使得整个挖掘压力最小化。这些单元安装在一个可靠的基础上，他们除了要承受挖掘力，还要有足够的承受力以控制隧道的初始队列方向。
在隧道的前端有一个盾支撑着掘进面，在软土中，盾被分成一系列小的部分来穿过掘进面，通常盾的主要刀口会埋在土中以确保提供适当的支撑。挖掘会以人工或小型机械的方式在每一个部分进行。
隧道单元通常在挖掘前被浇注和排列好并置于推进的底部。一旦开始后，直到整个隧道到达了它的最终位置才能停下来。它避免了在长期的挖掘过程中，由于偶尔中断，在一个固定的隧道周围产生增压的危险，而这种风险将使隧道停顿在那个位置上。然而，即便是组合推进坑也不可能同时容纳所有的6个Ⅰ-90西进和东进隧道单元。解决这个约束的第一个方法是利用整个组合推进坑来完成Ⅰ-90的东进单元，然后将最后一个单元由西向东滑动，这样就可以保证挖掘的连续性。底部部分将会迟于西进单元进行，因为直到东进隧道的最后一个单元的组合推进坑被清理后方可进行施工。冻结法，正如下文所提到的，它为这个矛盾的解决带来了额外的好处，使得Ⅰ-90的两个隧道挖掘可以同时进行。
创新
提出的方案需要在运营的铁轨下挖掘3条巨大的隧道，总共约240米长，70000吨。
挖掘隧道单元时所建造的推进坑在几何尺寸和技术上是美国以往所试图建造的最大的地下支撑结构物，它可真正称得上世界范围内的艺术品。他们既采用单个高水平的钢撑（在那里，由于复杂的几何因素，支撑并不可行），也采用高刚度的墙体以便能够悬臂挑起整个深坑的高度。
由于在规模上有巨大的飞跃，隧道的挖掘方案包含有许多其他的创新，其中最为突出的便是铁轨下的球形冻结法和一种特别的反拖拽系统的发展。有史以来的最大的在运营的铁轨下将土体冻结，使得各种范围内的可压缩和潜在不稳定的地层转化为一种稳定的物质。对挖掘而言，它产生了一种更加统一的物质，使得平常看起来很费力的障碍物如木桩的移动都被冻结并固定起来，从而使事情变得简单明了。
冻结法也使通过推进坑的前墙进入隧道变得极为简单，在整个过程中，这是一个关键的方面。因为在推进坑的前墙必须破出一个大洞，那样每个隧道的前端单元的盾方可穿过并支撑住地面。由于这部分地面同时也支撑着其上的设施（本例中为铁轨），推进工作往往更多地采用一个水平倾斜的前墙。随着被冻结土体的稳定，这个矛盾得以避免。隧道粘土中的有透水性的沉淀物也会造成渗透污染，但冻结法有效地排除了这种危害，因为隧道的顶端需要人工持续作业，因而，他们需要更为安全和可行的工作环境。然而，尽管冻结法有如此吸引人的优点，最初它也并不为人所接受。人们更多关注的是规模以及可想而知的由于如此大范围应用而可能产生的地面隆起。人们更倾向于一些传统技术如土壤加筋和灌浆。最早它是在建设合同中作为一项有价值的工程提案被重新提出来的。
预约反拖拽系统（ADS）利用大约近千根钢绳拉在每个隧道的顶上（图4）。ADS的关键作用就是将隧道从地面和其上设施分离开来。它防止了挖掘隧道时产生侧向移动的趋势。ADS拥有高能力并在以往被广泛使用，它通过附加在隧道底部的钢绳提出了改进的队列控制。ADS绳索系在隧道的鼓形顶面和底面上，当隧道向前推进时，绳索是松开的，隧道在1～2分钟/趟的铁轨下安装时，上面的火车能够安全且不受干扰地运行。
团队
更深层次意义上的成功在于隧道的挖掘是建立在紧密的联合作业和指导上。这些指导不仅来自于设计师、承包商，还来自于当地和联邦的各种权威，这些权威包括铁路当局和其顾问。在签定建设合同以后，设计师便与承包商的队伍保持这种紧密的协作，以确保工程经济的推进并产生更多的节约效益。
整体合作给铁路当局和其顾问带来了额外的信心，联络委员会因此而成立。每一部分均有代表参加并且每周碰头，回顾并总结工程进展、管理可能出现的风险，同时密切监控在铁路上的建设效果。地面移动是如此巨大，它使轨道产生了约300毫米的水平和垂直方向的位移。位移的主要部分是由于冻结变形而产生的。虽然影响铁路的累积位移是如此的大，但其位移规模却在火车正常运行的可接受范围内，这同样也适用于冻融循环的沉降处理上。
结论
尺度、复杂性和隧道挖掘的创新吸引了设计师、学术界和广泛公众的兴趣和注意力，提高了建设中的创新意识和土木工程师在如何维护和改进有关生活品质的设施时的鉴赏力。
有别于传统的随挖随填，隧道挖掘产生了3个大尺寸的州际高速公路隧道——总长240米，单个隧道重达30000吨。它位于复杂的运营铁路下，没有铁轨的重新布置，没有火车限速，没有服务的中断，而且，还拥有出色的安全记录。同时，本项目由于其地质条件的限制带来了非同寻常的挑战和创新。伴随着项目的广泛成功和突出的荣誉，项目提升到了国际舞台，因而建立起一系列新的技术标准。项目强烈地证明了一点：对于空间和操作上的限制，在实施新设施建设时，隧道挖掘能提供最好的价值和回报。
有关数据
钢筋：4050吨
混凝土：27200立方米
隧道单元造价：15亿美元
隧道土木工程完成日期：2001年12月
中央大动脉正式开放通车：2003年1月
资料来源：Structural Engineering International November 2005
