鐵路客運專線隧道設計與施工

1、鐵路客運專線隧道的設計與施工7/25/202211、前言 在我國諸多的交通運輸方式中，鐵路運輸是交通運輸的主要方式 。鐵路運輸能力的嚴重不足，制約著各地經濟的發(fā)展。隨著國民經濟的發(fā)展，鐵路運力不足的矛盾越來越突出。修建客運專線是我國的鐵路發(fā)展的必然選擇，繼秦沈客運專線后，今年相繼九條客運專線的開工修建，標志我國建設世界一流的客運專線高潮的到來。 客運專線是一項建設規(guī)模龐大而又復雜的系統(tǒng)工程，具有技術新、標準高、施工工藝復雜、難度大、施工準備時間緊等特點。 由于行車速度的提高，曲線半徑的加大，使得隧道所占的比重越來越大。對于客運專線隧道的施工，大陸尚無工程實例，沒有成套的施工技術可借鑒，國外和臺

2、灣地區(qū)高速鐵路修建的技術和經驗、可供我們借鑒和參考。7/25/202222、國內外高速鐵路隧道的發(fā)展概況在日本已建成的4條新干線總長1818km中隧道長度為566km之多。正在修建的時速500km的中央新干線42.8km實驗線上，隧道總長為35km。在5條新干線的建設計劃中，隧道的工程量也是相當可觀的，北陸新干線輕井-長野段長83.6km，隧道約占44%（36.8km）；東北新干線宮內-八戶段長60.0km，隧道約占85%（ 51.5km）；九州新干線八代-西鹿兒島長125.2km，隧道約占70%（87.7km）。在這些線路上也出現了幾座10km以上的長大隧道。 （1) 日本高速鐵路隧道7/2

3、5/202232、國內外高速鐵路隧道的發(fā)展概況 中央新干線因列車速度達500km/h，隧道橫斷面積的高度從過去的7.6m增加到7.7m，寬度從9.4m增加到12.6m，堵塞比從0.18變?yōu)?.12。（1) 日本高速鐵路隧道7/25/202242、國內外高速鐵路隧道的發(fā)展概況 德國于80年代初期動工修建的漢諾威到威爾茲堡新干線長327km，隧道總長達118km，占線路長度的37%，包括長達10.7km的蘭得呂肯隧道。另一條從曼海姆到斯圖加特線路長100km，隧道占30%（30km）。第2代新線隧道高速鐵路的橫斷面積從64m2增加到82m2 （2) 德國高速鐵路隧道7/25/202252、國內外高

4、速鐵路隧道的發(fā)展概況 從羅馬到佛羅倫薩的線路長237km，其中穿越阿爾卑斯山的線路實際長度只有78.2km，而隧道的總長則達85km。其中，主隧道長度為73km，輔助隧道長達12km。 （3) 意大利高速鐵路隧道 隧道橫斷面比現有隧道橫斷面加大，軌面以上的斷面積為76m2?，F有隧道斷面積是54m2。7/25/202262、國內外高速鐵路隧道的發(fā)展概況 瑞士聯(lián)邦鐵路也計劃修建穿越阿爾卑斯山的新隧道。該計劃包括4條高速鐵路的比選方案，將要修建多座特長隧道，這些隧道分別是樂琴山隧道38.2km、新普郎隧道35.4km、圣哥達隧道49.3km、斯普林肯隧道46.7km和Y型隧道25.7km。（4) 瑞

5、士聯(lián)邦高速鐵路隧道7/25/202272、國內外高速鐵路隧道的發(fā)展概況 奧地利新建高速鐵路的隧道軌面以上的面積是66m2，單線是45m2。（5) 奧地利高速鐵路隧道7/25/202282、國內外高速鐵路隧道的發(fā)展概況 西班牙高速鐵路在列車速度為300km/h時，隧道100m2的橫斷面積視列車速度的不同，堵塞比大致變化在0.210.12之間。（6) 西班牙高速鐵路隧道7/25/202292、國內外高速鐵路隧道的發(fā)展概況 韓國擬修建的從漢城到釜山的高速鐵路全長409km，隧道約占34%。 橫斷面積采用100m2 （7) 韓國高速鐵路隧道7/25/2022102、國內外高速鐵路隧道的發(fā)展概況我國臺灣

6、正在修建的臺北到高雄的高速鐵路，全長333km，共有50座隧道，總長39km，最長的隧道約6.4km，隧道比重為11.7%。其中36座隧道采用掘進機或鉆爆法施工，其余11km采用明挖法施工。隧道橫斷面積采用90m2。（8) 臺灣高速鐵路隧道7/25/2022112、國內外高速鐵路隧道的發(fā)展概況（9) 國內高速鐵路隧道 時速350km/h：雙線隧道有效斷面100m2，單線隧道有效斷面70m2。7/25/2022122、國內外高速鐵路隧道的發(fā)展概況 時速250km/h：雙線隧道有效斷面不小于90m2，單線隧道有效斷面不小于58m2 。（9) 國內高速鐵路隧道7/25/2022132、國內外高速鐵路

7、隧道的發(fā)展概況 時速200km/h：雙線隧道有效斷面不小于80m2，單線隧道有效斷面不小于50m2（9)國內高速鐵路隧道7/25/2022143、客運專線隧道與普通鐵路隧道的差異 客運專線與普通鐵路的不同主要表現在速度的目標值不同，隨著速度目標值的不斷提高，相應地提出了一些新的要求，主要歸結為兩個方面： （1）適應空氣動力學變化的要求； （2）為保持軌道的持久穩(wěn)定和高平順性、供高速列車安全舒適的運行對軌下基礎的要求。 7/25/2022153、客運專線隧道與普通鐵路隧道的差異隧道的有效斷面增大；隧道洞口設置緩沖結構；隧道的襯砌結構；（曲墻帶仰拱、邊墻與仰拱順接、砼強度提高、耐久性100年）安全

8、空間和救援通道；（單向一側、雙向兩側）防災與救援；（設置圖像文字標志、緊急呼叫電話、緊急出口并設標示牌、利用輔助坑道）（1) 隧道的設計特點7/25/202216安全空間位置示意圖救援通道位置示意圖7/25/2022173、客運專線隧道與普通鐵路隧道的差異 隧道斷面大、受力較復雜 客運專線隧道按照斷面大小劃分，單線隧道斷面大于50m2屬大斷面隧道，雙線隧道斷面大于100m2屬超大斷面隧道，比普通鐵路隧道的斷面大得多。由于隧道橫斷面較大，受力情況較為不利，尤其是隧道底部比較復雜，而兩側邊墻底直角變化容易引起應力集中，需對邊墻底與仰拱連接處進行加強。 （2) 隧道的差異7/25/2022183、客

9、運專線隧道與普通鐵路隧道的差異 隧道襯砌結構的耐久性要求高 由于隧道斷面較大，受力比較復雜，且列車的運行速度較高，隧道維修有一定的時間限制，對隧道襯砌的安全性、耐久性要求比普通鐵路隧道有很大的提高，要求混凝土的耐久性達到100年，以保證隧道的運營安全。 （2) 隧道的差異7/25/2022193、客運專線隧道與普通鐵路隧道的差異 注重隧底的處理 隧底結構由于長期在列車動荷載的作用及地下水侵蝕的影響下極易產生破壞，從而引起基底沉陷、道床翻漿冒泥等病害，不但增加養(yǎng)護維修的工作量，而且嚴重影響運營安全，故客運專線對隧道底部的強度要求比普通鐵路更高；由于客運專線隧道的斷面跨度較大，對底板厚度和仰拱、底

10、板的混凝土強度要求較普通鐵路有所提高。 （2) 隧道的差異7/25/2022203、客運專線隧道與普通鐵路隧道的差異 隧道防排水要求高 隧道滲漏水的危害主要是引起洞內金屬設備及鋼軌銹蝕、隧道襯砌喪失承載力、隧底翻漿冒泥破壞道床或整體道床下沉開裂、有凍害地區(qū)的隧道襯砌背后積水引起襯砌凍脹開裂、襯砌漏水會引起襯砌掛冰而侵入凈空。從運營安全上對隧道防排水要求提高，隧道設計均為一級防水，混凝土的抗?jié)B等級不小于P8，這是普通鐵路所沒有的。 （2) 隧道的差異7/25/2022213、客運專線隧道與普通鐵路隧道的差異 隧道病害監(jiān)測整治技術的需求 為減少養(yǎng)護維修的工作量，保障隧道的運營安全，需要對隧道病害進

11、行監(jiān)測、診斷及評定，做出準確的判斷，采取有針對性的整治措施，故對隧道病害的監(jiān)測及整治技術的需求是非常大的，要求的精度和技術的先進性是非常高的。 （2) 隧道的差異7/25/2022224、施工技術與方法概述 客運專線隧道的施工技術和方法與普通鐵路隧道的施工技術和方法基本相同。由于對質量和使用要求的提高，致使對施工機械、工藝水平、質量監(jiān)控檢測、地質超前預報、施工量測、隧底處理、信息化施工提出了更高的要求。無碴軌道施工與隧道施工的一起安排，也為項目施工增加了新內容。7/25/2022234、施工技術與方法概述 （1）開挖 開挖方法：全斷面法、臺階法（上下臺階、三臺階、短臺階、微臺階）、預留核心土環(huán)

12、形開挖法、側壁導坑法（單、雙側壁）中隔壁法（CD、CRD）、中洞法等。 在選擇開挖方法時，應對隧道斷面大小、形狀及圍巖的工程地質條件、支護條件、工期要求、工程量、機械配備能力、經濟性等相關因素進行綜合分析，采用科學、合理的開挖方法，尤其要與支護條件相適應。 7/25/2022244、施工技術與方法概述 （2）支護 支護分為超前支護和初期支護 超前支護：大管棚、超前小導管、超前錨桿 初期支護：錨桿（拱部中空、邊墻砂漿）、鋼筋網、鋼架（型鋼、鋼筋）、噴射混凝土（濕噴） （3）襯砌 采用全液壓自行式鋼模板臺車，長度不小于12m；仰拱必須超前，仰拱與填充不能同時施工，以仰拱棧橋進行跨越。7/25/20

13、22254、施工技術與方法概述 （4）防排水 隧道設計等級為一級，混凝土抗?jié)B等級不小于P8。防水板采用無射釘鋪設技術。施工縫防水結構圖變形縫防水結構圖7/25/2022264、施工技術與方法概述 （5）不良地質及特殊地質 隧道穿越的不良地質地層主要表現為巖堆、高地溫、高地應力、瓦斯、溶洞及暗河等，特殊地質主要表現為軟巖、巖溶、黃土等。 巖堆 清除地表孤石，采用小導管或自進式注漿錨桿進行地表注漿加固，采用超前小導管和管棚進行超前支護。 高地溫 對于高地溫地段隧道施工應加強地溫監(jiān)測及施工通風，做好人員防護措施。 7/25/2022274、施工技術與方法概述 高地應力 高地應力硬巖地段可能發(fā)生巖爆，

14、若巖爆段采用灑水、局部加深炮眼，中等巖爆地段采用局部增設鋼筋網，強巖爆地段采用超前鉆孔預爆破以釋放地應力等措施。 隧道深埋斷層破碎帶地段可能存在高地應力引起的軟塑性變形問題，可采用適當加大預留變形、加長錨桿及加強支護結構等措施。 施工中加強監(jiān)測及試驗，并根據監(jiān)測數據判定地應力的影響，以便設計應對措施，并做好施工人員及設備的防護措施。 7/25/2022284、施工技術與方法概述 瓦斯 隧道在穿越煤系地層時，制定監(jiān)測計劃，配備監(jiān)測設備，隧道襯砌結構采用氣密性混凝土、全包雙層防水層，并加強施工監(jiān)測、通風、人員防護及預留運營通風條件等措施。 軟巖 軟巖地段隧道的基底應予以加強，可采用圍巖注漿、鋼管樁

15、、旋噴樁或其他加固措施，確保襯砌有足夠的強度、剛度和抗裂性。 7/25/2022294、施工技術與方法概述 巖溶及溶洞、暗河 對于巖溶發(fā)育的長大隧道，根據隧道環(huán)境要求，具體圍巖狀況、水壓、水量等采用恰當的注漿堵水措施。 對于溶洞、暗河發(fā)育的地段，根據隧道地質及環(huán)境調查具體情況，采用超前預注漿、超前帷幕注漿、后注漿等多種措施加固圍巖、截堵地下水，結合防水混凝土襯砌結構，共同保證運營安全、滿足環(huán)保要求。 盡量維系巖溶暗河的既有通路，在暗河與設計路肩高程相近的情況下，采用打設泄水洞，提前截排暗河水，確保結構運營安全。 7/25/2022304、施工技術與方法概述 黃土 對于黃土隧道，開挖宜采用短臺階

16、法或分部開挖法（留核心土法），初期支護應緊跟開挖面，開挖后及時施做初期支護，必要時可采用超前錨桿、小導管、管棚加固，待初期支護基本穩(wěn)定后，進行永久襯砌施工，襯砌背后要回填密實，尤其是拱頂回填一定要做好。 做好洞頂、洞門及洞口的防排水系統(tǒng)工程，并妥善處理好陷穴、裂縫，以免地面積水侵蝕洞體周圍，造成土體坍塌。 在含有地下水的黃土層中施工時，洞內應施做良好的排水設施。在干燥無水的黃土層中施工，應管理好施工用水，不使廢水漫流。 對于黃土隧道的基底處理的方法主要有換填、樹根樁、注漿、灰土擠密樁等多種。 7/25/2022315、隧道內軟弱地基的處理 對于黃土隧道內軟弱地基的處理方法有灰土擠密樁、樹根樁、

17、壓漿、換填等多種方法。灰土擠密樁相對于其他方法容易實施、經濟使用、安全可靠，施工質量可控性強，但施工時對其他工序作業(yè)影響較大。 7/25/2022325、隧道內軟弱地基的處理 換填施工時仰拱和邊墻不能同時進行，可以以隧道中線分左右幅進行換填，但左右兩側也不能同時進行，要錯開左右交替分段施工，分段的長度應根據現場情況、施工的速度等因素來考慮，在施工過程中要對隧道進行監(jiān)控量測，確保施工安全。換填部分采用挖掘機人工配合進行施工，采用小型機具或人工夯實。7/25/2022335、隧道內軟弱地基的處理 樹根樁采用洛陽鏟進行施工，用洛陽鏟人工進行成孔，然后在孔內插入鋼筋籠，澆注混凝土，并進行養(yǎng)護至設計強度

18、，在未達到設計強度前不允許在其上部堆積重載，避免造成破壞。7/25/2022345、隧道內軟弱地基的處理 基底按照復合地基要求進行計算，樁徑取0.5m，樁間距23d，樁土應力比45，仰拱底部樁間距1.21.2m，邊墻底部樁間距1.01.0m，梅花型布置，樁長34m。 灰土擠密樁在隧道內施工時，由于作業(yè)空間受限，需要采用體積適當、高度合適的設備進行施工。 7/25/2022355、隧道內軟弱地基的處理 壓漿的范圍與樹根樁的處理范圍基本一致，在邊墻底部采用42小導管進行壓漿，處理深度4.0m左右，布置間距1.21.2m，仰拱底部按8.0m范圍進行夯實。 壓漿施工質量不易控制，漿液中的水對地層參數有

19、不利影響。7/25/2022366、超前地質預報及監(jiān)控量測 超前水平鉆探 該方法是在開挖面布設超前探孔，采用鉆機進行超前鉆探，根據鉆機在鉆進過程中的推力、扭距、鉆速、成孔難易及鉆孔出水情況來確定前方的地層和巖性，同時進行涌水量和水壓測試及水質分析，判斷掌子面前方地層含水情況及性質。 可以探明開挖面前方3050m范圍內有無涌水、瓦斯和溶洞等不良地質情況。（1) 超前地質預報7/25/2022376、超前地質預報及監(jiān)控量測 紅外遙感 在施工現場，通過測試掌子面的場強分布值，根據場強的變化規(guī)律預報掌子面前方可能出現的巖層，已經臨近的不良地質體的性質、位置、巖溶裂隙、地下水的活動規(guī)律、地下水的壓力、儲

20、量等含水構造。 紅外遙感技術是一種短距離超前預報的方法，一般為掌子面前方30m內，最多50m范圍內進行較為準確的預報。（1) 超前地質預報7/25/2022386、超前地質預報及監(jiān)控量測 TSP203地質預報系統(tǒng) 測試原理是利用地震波的反射原理進行超前地質預報 。有效預測距離可達100150m，探測距離達300m。（1) 超前地質預報7/25/2022396、超前地質預報及監(jiān)控量測 現場監(jiān)控量測是在隧道施工過程中，對圍巖和支護系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進行監(jiān)測，為噴錨支護和二次襯砌砼的參數調整提供依據，把量測的資料經整理和分析得到信息及時反饋到設計和施工中，進一步優(yōu)化設計和施工方案，以達到安全、經濟、快速施工的目的。 監(jiān)控量測的要求、方法與內容、數據處理與分析等根據現場實際情況參照施工規(guī)范執(zhí)