項目七 高速鐵路隧道構(gòu)造及特殊施工方法

1、項目八 高速鐵路隧道構(gòu)造及特殊施工方法第一節(jié)高速鐵路隧道凈空 斷面形式和尺寸一、概述在常速鐵路隧道的設(shè)計中，由于列車速度較低，可不考慮列車在隧道內(nèi)引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)問題，所以常速鐵路隧道斷面形式及尺寸主要是根據(jù)隧道建筑限界、襯砌結(jié)構(gòu)受力的合理性,并考慮施工與養(yǎng)護(hù)維修的方便及工程投資的經(jīng)濟等因素綜合確定的。高速鐵路隧道與常速鐵路隧道最大的區(qū)別就是當(dāng)列車以高速通過隧道時，所產(chǎn)生的空氣動力學(xué)效應(yīng)（行車阻力、瞬變壓力、微氣壓波、列車風(fēng)等）對行車安全、旅客舒適度和洞口環(huán)境有較大的影響，因此隧道斷面的確定必須考慮如何緩解和消減列車進(jìn)人隧道時誘發(fā)的空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響。隧道斷面設(shè)計主要應(yīng)考慮下列因素:（1

2、）隧道建筑限界；（2）軌道數(shù)量和線間距；（3）緩解空氣動力學(xué)效應(yīng)所需的空間；（4）需預(yù)留的空間；（5）設(shè)備安裝空間等。我國高速鐵路隧道凈空有效面積見下表。序號類別單線（m2）雙線（m2）1200km/h客運專線兼顧貨運52802250km/h高速鐵路58923300350km/h高速鐵路70100通常情況下 ，高速鐵路隧道考慮空氣動力學(xué)效應(yīng)，多采用單洞雙線斷面，較少采用雙洞單線斷面，在特殊條件下，如隧道較長，考慮養(yǎng)護(hù)維修，防災(zāi)救援等需要，有時也采用雙洞單線斷面。綜合比較，采用雙線斷面比單線斷面有利。二、建筑限界我國高速鐵路隧道建筑限界分為200km/h客貨共線、200km/h及以上 客運專線、

3、200km/h客貨共線雙層集裝箱運輸三種。圖8-1 200km/h客貨共線電力牽引鐵路隧道限界三、隧道斷面內(nèi)備空間的配置及襯砌內(nèi)輪廓(一)凈空斷面內(nèi)各種功能空間的配置 高速鐵路隧道由于行車速度高而引起的空氣動力學(xué)效應(yīng)對乘車的舒適度和周圍環(huán)境有較大影響。一方面，隧道建筑物按滿足100年正常使用的永久結(jié)構(gòu)物設(shè)計；另一方面，在客運專線上通行的列車全部為客車，列車一旦在隧道內(nèi)發(fā)生事故、失去動力或無法及時將列車?yán)龆赐鈺r，車上人員的緊急疏散、逃生和救援將成為非常重要的問題 。所以，在高速鐵路隧道凈空斷面設(shè)計時需要預(yù)留各種空間。1.安全空間 安全空間是為鐵路員工和特殊情況下養(yǎng)護(hù)人員預(yù)留的，安全區(qū)內(nèi)包括襯砌

4、側(cè)安放施工設(shè)施（寬0.3m）或開關(guān)柜（寬0.4m、長1.3m）的空間。2.救援通道 在隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)置貫通的救援通道，用于自救或外部救援。3.技術(shù)作業(yè)空間 用于安放施工輔助設(shè)施，作為預(yù)留加強襯砌或安放隔音板等得空間。（二）我國高鐵隧道襯砌內(nèi)輪廓 根據(jù)高鐵隧道建筑限界和隧道內(nèi)必須配置的各種功能空間的要求，結(jié)合隧道空氣動力學(xué)研究有關(guān)成果，我國統(tǒng)一制定了200km/h、250km/h、350km/h不同行車速度條件下的隧道襯砌內(nèi)輪廓，并編制了相應(yīng)的雙線隧道襯砌通用參考圖。四、單洞雙線和雙洞單線方案選擇 高速鐵路均設(shè)計為雙線，隧道工程設(shè)計需作設(shè)一座雙線隧道(單洞雙線)和設(shè)兩座單線隧道(雙洞單線)的方案比較

5、。 日本新干線上的隧道，考慮到空氣動力學(xué)效應(yīng)的影響，幾乎全部采用單洞雙線隧道斷面，如新八甲田隧道(長度26.455km)、巖手一戶隧道(長度25.81km)、飯山隧道(長度22.2km)等。 在單洞雙線和雙洞單線方案比較中，采用一座雙線隧道的橫斷面積要比兩座單線隧道橫斷面積總和小，經(jīng)濟性較好。這是日本新干線隧道采用一座雙線隧道方案的主要原因。在歐洲，當(dāng)隧道長度大于20 km時，考慮防災(zāi)救援等因素，一般采用兩座單線隧道方案，其線間距一般為3050m，按250400m距離設(shè)置橫通道用作救援通道。 在特長隧道方案設(shè)計時，選擇兩座單線隧道方案還是一座雙線隧道方案，應(yīng)從地質(zhì)條件、建設(shè)工期、施工難度和方法

6、、運營通風(fēng)、防災(zāi)救援和人員疏散、工程投資等多方面綜合考慮，對高速鐵路隧道還要考慮列車在隧道內(nèi)運行的空氣動力學(xué)效應(yīng)。 采用單洞雙線隧道方案和采用雙洞單線隧道方案各有其優(yōu)缺點。 對高速鐵路隧道而言，采用單洞雙線隧道方案,阻塞比較小，在滿足洞內(nèi)會車最不利條件的前提下，可有效地提高乘車舒適度；而采用雙洞單線隧道方案十分有利于防災(zāi)救援，當(dāng)一座隧道出現(xiàn)重大事故時，另一座可正常運營，且可利用其進(jìn)行救援和旅客的疏散。從地質(zhì)條件看，在軟弱破碎圍巖地段，考慮施工難度和風(fēng)險，宜選用跨度較小的雙洞單線隧道方案，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件好時，可選用單洞雙線隧道方案。從施工方法看，當(dāng)采用TBM或盾構(gòu)施工時，考慮施工風(fēng)險，采用直徑較小的

7、雙洞單線隧道方案較為穩(wěn)妥，施工風(fēng)險相對較小。從運營通風(fēng)看，雙洞單線隧道方案可以充分利用列車活塞風(fēng)改善隧道內(nèi)的環(huán)境條件，而單洞雙線隧道方案利用活塞風(fēng)效果較差。就工程投資而言，雙洞單線隧道方案通常較單洞雙線隧道方案造價高20%40%，特別在硬巖地段，單洞雙線隧道方案具有明顯的價格優(yōu)勢。故在確定隧道方案時，應(yīng)結(jié)合線路的隧道分布和隧道兩端引線等相關(guān)工程的具體情況，綜合考慮。在我國高速鐵路隧道設(shè)計時，選擇“單洞雙線隧道方案”還是“雙洞單線隧道方案”，通常可遵循下列原則：(1)當(dāng)隧道長度小于10 km時，一般采用單洞雙線隧道方案，可利用施工時的輔助坑道作為防災(zāi)救援和人員疏散的緊急出口，如鄭西客運專線函谷關(guān)

8、隧道(長7851m)和秦東隧道（長7684）等。(2)當(dāng)隧道長度為1020 km時，應(yīng)結(jié)合隧道兩端引線、車站布點等相關(guān)工程情況進(jìn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟技術(shù)比選，也可結(jié)合防災(zāi)救援及養(yǎng)護(hù)維修考慮，采用雙線隧道加貫通平導(dǎo)的方案進(jìn)行比較。如霞浦隧道(長13099m)采用雙線隧道加貫通平導(dǎo)的設(shè)計方案，貫通平導(dǎo)對養(yǎng)護(hù)維修非常方便；武廣客運專線大瑤山隧道群之大瑤山一號隧道(長10081m)為全線最長的山嶺隧道，主要考慮隧道群及兩端引線相關(guān)工程情況并結(jié)合空氣動力學(xué)因素的影響，也設(shè)計為雙線隧道，斷面凈空有效面積為100m2。（3）當(dāng)隧道長度大于20km時，從防災(zāi)救援方面考慮，一般采用雙洞單線隧道方案，如已經(jīng)竣工通車的蘭武

9、二線烏鞘嶺隧道（長20050m）和石太客運專線太行山隧道（長27839m）等。單洞雙線與雙洞單線隧道方案比較表比較項目單洞雙線隧道方案雙洞單線隧道方案施工難度及風(fēng)險斷面大，在軟弱圍巖中發(fā)生坍塌的機會較多，容易發(fā)生變形，風(fēng)險較大斷面較小，發(fā)生坍塌、變形的機會較少，風(fēng)險較小運營通風(fēng)難以利用活塞風(fēng)可以充分利用活塞風(fēng)防災(zāi)救援當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，消防滅火與救援難度大，線路將中斷運營當(dāng)一座隧道發(fā)生火災(zāi)時，可通過另一座隧道幫助滅火，并利用橫通道疏散人員，僅中斷一條線路的運營空氣動力學(xué)影響相對小相對大環(huán)境影響相對小相對大工程投資較低比單洞雙線方案多20%40%思考題1.高速鐵路隧道斷面設(shè)計主要考慮哪些因素？2

10、.單洞雙線與雙洞單線隧道方案各自的優(yōu)缺點？3.我國高鐵隧道設(shè)計方案選擇原則？第二節(jié)隧道洞門形式及景觀設(shè)計隧道洞口作為在鐵路和公路中頻繁出現(xiàn)的建筑結(jié)構(gòu)物，與自然環(huán)境緊密相連，除了應(yīng)發(fā)揮其結(jié)構(gòu)功能外，還應(yīng)該對周圍的總體環(huán)境有一種符號和象征的意義，并起到隧道標(biāo)志的作用。因此，景觀設(shè)計應(yīng)該成為高速鐵路隧道洞口設(shè)計的重要內(nèi)容之一。一、高速鐵路隧道洞口形式 我國傳統(tǒng)的鐵路隧道洞門有端墻式、柱式、翼墻式、耳墻式、臺階式等結(jié)構(gòu)形式，其組成始終未脫離端墻、翼墻等擋土結(jié)構(gòu)。其設(shè)計也只是從力學(xué)和安全角度出發(fā)，按照標(biāo)準(zhǔn)圖模式,為適應(yīng)地形變化作一些小修改，在洞門結(jié)構(gòu)形式上創(chuàng)新較少。同時，在目前常見的墻式洞口施工過程中，

11、開挖進(jìn)洞均需不同程度地對洞口邊坡和仰坡進(jìn)行刷坡處理。過多的刷坡破壞了原有地貌及植被，有時甚至危及洞口山體的穩(wěn)定。施工期間大面積的刷坡改變了洞口周邊的生態(tài)環(huán)境，必然不能滿足當(dāng)前生態(tài)和環(huán)境保護(hù)等方面的要求。相對于傳統(tǒng)的鐵路隧道洞門，高速鐵路隧道洞口結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)本著“簡潔大方，美觀實用，保護(hù)環(huán)境”的原則，以不刷坡或少刷坡施作的突出于山體的切削式洞口為主要建筑形式。除個別工點(靠近城市、旅游景區(qū)等)外，一般不做更多的建筑修飾，體現(xiàn)自然美的環(huán)境意識。根據(jù)切削方式的不同及一些功能上的要求，鐵路隧道洞口新型洞門的基本類型有直切、正切、倒切、弧形擋墻加切削等幾種，又根據(jù)洞門與山體的相交關(guān)系分為正交和斜交兩種情

12、況。新型洞門的適用條件建議如下:(1)直切式適用于洞口山體坡度較陡或距離城市較近或有風(fēng)景要求的隧道。(2)倒切式適用于洞口巖層穩(wěn)定、整體性好、洞口山體坡度很陡或峭壁巖體處的隧道。(3)正切式適用于洞口山體坡度較緩或距離城市較近或有風(fēng)景要求或橋隧相連地段的隧道。如果洞口山體坡度很緩，且洞口外有路塹邊坡時，可以考慮采用弧形擋墻式，使弧形擋墻與路塹邊坡有機連接。不同的洞口形式可以采用不同的排水形式。直切、正切式隧道洞口采用加檐形或喇叭口形排水形式；倒切式隧道洞口最好采用喇叭口形排水形式；弧形擋墻式隧道門采用加檐形排水形式。 計算機虛擬技術(shù)的發(fā)展，方便了方案的比選。新型洞門可以采用計算機靜動態(tài)效果圖，

13、在隧道洞口三維地形模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行隧道洞口段的建筑設(shè)計。設(shè)計中要注意洞舊與地形、地貌的緊密結(jié)合及與隧道周邊自然環(huán)境的完美協(xié)調(diào)。高速鐵路隧道洞口設(shè)計除考慮地形、地質(zhì)、空氣動力學(xué)效應(yīng)、環(huán)境及排水等五項因素外，還應(yīng)考慮以下因素,以降低施工和運營期間的風(fēng)險：(1)洞口應(yīng)盡量采用與地形等高線正交進(jìn)洞；(2)避免將洞口設(shè)置于高地應(yīng)力集中區(qū),如山谷底部；(3)洞口位于滑坡活動區(qū)時,應(yīng)采取措施穩(wěn)定地層；(4)洞門應(yīng)設(shè)置永久性縱向筋以防止施工中及完工后的移動；(5)洞口結(jié)構(gòu)須適當(dāng)回填,整體設(shè)計應(yīng)與周圍景觀相協(xié)調(diào)。二、洞口景觀設(shè)計的原則和景觀要素 景觀設(shè)計應(yīng)突出工程與自然的和諧,第一條原則就是要尊重自然。此外,

14、景觀設(shè)計還應(yīng)遵循以下基本原則。1.適用性建筑景觀的設(shè)計主要是以使用者的需求為對象來考慮的,各種設(shè)施、設(shè)各及配置均須符合人性化的要求,并綜合考慮各項因素的影響,這樣才能作出更合適的設(shè)計,以發(fā)揮結(jié)構(gòu)物及其景觀的最大功效。2.經(jīng)濟性在設(shè)計上要做到費用、空間和時間的合理利用，以達(dá)到“省本多利”的目的。3.美觀性景觀設(shè)計的美目前多偏重于視覺上的美觀。景觀設(shè)計應(yīng)注重設(shè)計的社會性及經(jīng)濟實用性之后再論及美。景觀設(shè)計的美實際上是指自然美加以人工模擬的自然美，因而可以由美的種類、美得表達(dá)方式及美得造型組合法則來表達(dá)。隧道洞口景觀設(shè)計主要應(yīng)考慮自然景觀要素與人工景觀要素（造園藝術(shù)）。自然景觀要素主要包括地形和地貌兩

15、個因素。地形因素是洞口景觀要素必須考慮的內(nèi)容之一。植被有無、植被組成發(fā)育程度、禿山巖石形態(tài)等是隧道洞口景觀設(shè)計要考慮的地貌因素。人文景觀要素主要包括：（1）當(dāng)?shù)氐乩?、歷史、文化；（2）隧道洞門造型幾何圖形體的選擇和組合；（3）相關(guān)工程洞口相連工程（如橋隧相連、路隧相連），洞口設(shè)風(fēng)機及輔助用房、雙線水平之間有開闊地帶可造園，雙線高低、前后、錯落等；（4）裝飾材料（材質(zhì)）條紋、色彩、光線等；（5）銘牌形式墻頂嵌入式、側(cè)墻嵌入式、洞身側(cè)壁鑲嵌式、洞口架立式、洞口山體刻字、洞口孤石雕刻小品。在進(jìn)行人工景觀設(shè)計（造景）的同時，要注意與自然景觀和諧一致，主張?zhí)烊撕弦?；各種人工景觀（相鄰）之間也應(yīng)考慮相互之

16、間的協(xié)調(diào)關(guān)系；除此之外，硬質(zhì)景觀（隧道洞門結(jié)構(gòu)）與軟質(zhì)景觀（洞口及周圍的裝飾、綠化、植被等）的協(xié)調(diào)一致也是不容忽視的 。第三節(jié)高速鐵路隧道特殊施工方法由于高速鐵路隧道斷面較大，施工技術(shù)要求高，在不良地質(zhì)條件下，施工風(fēng)險較大，為了確?？焖?、安全施工，實施機械化作業(yè)，在高速鐵路隧道施工中還可采用TBM導(dǎo)坑超前擴挖法、預(yù)切槽法和仰拱棧橋施工等特殊方法。一、TBM導(dǎo)坑超前擴挖法TBM導(dǎo)坑超前擴挖法是針對超大斷面隧道施工的，它是在開挖主洞之前先用TBM快速掘進(jìn)一個超前導(dǎo)坑，進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查、排水、圍巖改良等作業(yè)，而后用爆破法進(jìn)行擴挖的一種施工方法。即先由TBM開挖一個小直徑洞室形成臨空面，再使用鉆爆法開挖，

17、其施工速度比沒有臨空面的方法可提高23倍。使用這種方法可以有多種形式，如單導(dǎo)坑法(包括上部導(dǎo)坑法和底部導(dǎo)坑法)、雙導(dǎo)坑法等。我國高速鐵路隧道中，由于大部分采用單洞雙線隧道，開挖斷面大，使用TBM全斷面施工較為困難，采用此工法既可以充分吸收我國鉆爆法施工成熟的經(jīng)驗，又可以利用TBM快速掘進(jìn)的優(yōu)越性，應(yīng)該是我國高速鐵路隧道的一個發(fā)展方向。(一)采用TBM導(dǎo)坑的目的(1)確認(rèn)前方圍巖的地質(zhì)狀況;(2)對前方圍巖進(jìn)行改良;(3)高速掘進(jìn);(4)形成后續(xù)爆破作業(yè)的臨空面。(二)適用的地質(zhì)條件TBM導(dǎo)坑超前擴挖法適應(yīng)于圍巖條件較好的地層，在較差圍巖條件下,由于圍巖崩塌、土砂流出、涌水等,會使掘進(jìn)成為不可能

18、，軟弱的圍巖也會造成機體下沉等，因此需要輔以一定的輔助工法。(三)TBM導(dǎo)坑的施工長度及掘進(jìn)速度 從出渣等考慮,TBM導(dǎo)坑的施工長度最好在1.5km以上，如考慮經(jīng)濟性，則最好在5km以上。 另外，超大斷面隧道采用TBM導(dǎo)坑超前擴挖法時，如果考慮到TBM的機械費用，其施工長度大概在2km以上是比較適宜的。 從施工情況看,TBM導(dǎo)坑的月掘進(jìn)速度約在4001600m,但遇到不良地質(zhì)時，速度會大幅度降低。(四)TBM的形式 適合于導(dǎo)坑掘進(jìn)的TBM的形式有開敞式、復(fù)合地質(zhì)式、全地質(zhì)式等，目前采用的TBM有50%以上屬于全地質(zhì)式，越來越多地采用全地質(zhì)式掘進(jìn)機是一個趨勢。(五)TBM開挖直徑 TBM導(dǎo)坑的開

19、挖直徑應(yīng)根據(jù)其目的、力學(xué)穩(wěn)定性、施工性、工期及經(jīng)濟性等綜合考慮決定。在地質(zhì)條件和工作面穩(wěn)定性條件的容許范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能地采用較大開挖直徑的TBM。 在圍巖穩(wěn)定性較好的隧道中，根據(jù)配套設(shè)施布置的需要，一般采用直徑3.56.0m的TBM較為適用。日本大斷面隧道施工的經(jīng)驗認(rèn)為，在超大斷面隧道中，為了能夠確保主洞圍巖改良和補強的空間，最好采用直徑5.9m的掘進(jìn)機。(六)TBM導(dǎo)坑的設(shè)置位置 TBM導(dǎo)坑的設(shè)置基本上有以下四個位置可以考慮,即設(shè)置在上半斷面的頂部(頂設(shè)方式)、下半斷面的底部(底設(shè)方式)、兩側(cè)壁部(側(cè)壁方式)或其他位置。1.設(shè)置在上半斷面的頂部(頂設(shè)方式) 在國外,特別是在歐洲,TBM導(dǎo)坑設(shè)

20、置在頂部的事例比較多。其優(yōu)缺點是:(1)能夠確認(rèn)隧道上半斷面的地質(zhì)狀況,取得主洞掘進(jìn)時的工作面穩(wěn)定與否最實用的資料;(2)對從上半斷面進(jìn)行圍巖改良,這是改良拱部圍巖的最佳位置;(3)主洞開挖一開始就可以利用導(dǎo)坑作為通風(fēng)坑道，同時主洞石渣對導(dǎo)坑的影響比底設(shè)方式、側(cè)壁方式都小;(4)設(shè)置在上半斷面有利于排除地下水，但開挖下半斷面時，要另外采取排水對策;(5)頂設(shè)方式與主洞同時并進(jìn)比較困難，因為同時進(jìn)行上半斷面開挖出渣非常困難，最好在導(dǎo)坑貫通后進(jìn)行主洞的擴挖。 在頂設(shè)方式中，因上半斷面的擴挖高度約8m左右，因此導(dǎo)坑的設(shè)置有設(shè)在上半斷面上部和下部兩個位置。2.設(shè)置在下半斷面的底部(底設(shè)方式)TBM導(dǎo)坑

21、設(shè)置在底部的優(yōu)缺點如下:(1)作為超前導(dǎo)坑確認(rèn)地質(zhì)狀況，在上下斷面地質(zhì)條件各異的圍巖中，要特別注意對上半斷面地質(zhì)條件的判定;(2)因?qū)Э釉O(shè)置在底部,進(jìn)行拱頂部分圍巖改良時，改良范圍和施工區(qū)域都比頂設(shè)方式大;(3)導(dǎo)坑可以有效地被用作主洞擴挖時的通風(fēng)坑道，但上半斷面的通風(fēng)效果比頂設(shè)方式差;(4)排除地下水效果比較好;(5)導(dǎo)坑的施工有可能與主洞同時并進(jìn)，特別是在工期受到限制的場合。3.設(shè)置在兩側(cè)壁部(側(cè)壁方式) 日本、捷克等國家都有在隧道兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)坑的實例。此方式的特征如下:(1)可以在主洞擴挖前確認(rèn)隧道地質(zhì)狀況,這與側(cè)壁導(dǎo)坑法是一樣的；(2)導(dǎo)坑位于隧道斷面下部,特別是設(shè)2個導(dǎo)坑時,排水效果好

22、；(3)擴挖上半斷面時,可以從2個導(dǎo)坑同時進(jìn)行上半斷面圍巖的改良作業(yè)；(4)因是超大斷面,上半斷面的支撐有可能產(chǎn)生下沉,側(cè)壁方式可以防止墻腳部下沉；(5)導(dǎo)坑的施工有可能與主洞同時并進(jìn),特別是在工期有限制的場合。綜合上述分析認(rèn)為,采用TBM導(dǎo)坑超前擴挖法施工，由于先開挖一個導(dǎo)坑，因此具有以下優(yōu)點:(1)適時獲取地質(zhì)資料，便于制訂相關(guān)計劃;(2)節(jié)省約35%的爆破費用;(3)降低爆破對地層的擾動;(4)減少通風(fēng)量,降低風(fēng)險。 在隧道的全斷面施工方法中，全斷面隧道掘進(jìn)機施工與鉆爆法施工相比各有優(yōu)缺點，因此，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，在施工環(huán)境允許的情況下，將是兩者并存。二、預(yù)切槽法(一)預(yù)切槽法原理 機械預(yù)切槽法是用專用的預(yù)切槽機沿隧道橫斷面周邊預(yù)先切割或鉆一條有限寬度的溝槽。在硬巖中,切槽可作為爆破的臨空面,起爆順序與傳統(tǒng)爆破相反,