[工学]第二章 铁路隧道工程现状与发展趋势

1,第一节 隧道概念1、隧道基本概念 （1）隧道：修建于地面以下的通道。 （2）洞门：位于隧道进出口处，联系着隧道衬砌和路堑，是隧道工程唯一外露的部分，其主要作用是支挡洞口正面的仰坡和路堑的边坡，拦截边、仰坡上方的小量剥落和掉块，维持边、仰坡的稳定，并引排坡面流水，保障洞口线路安全。,端墙式洞门,2,柱式洞门,翼墙式洞门,3,高速公路隧道洞门,高速铁路隧道洞门,4,（3）衬砌：隧道开挖后在毛洞周围修建的支护结构，用以承载围岩压力，其形状有圆形、椭圆形、马蹄形等。分为： 整体式衬砌：在坑道内立模板、拱架，然后浇筑混凝土而成。直墙式和曲墙式衬砌。,5,装配式衬砌:由工厂或现场预先制备的构件，运入坑道内，用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。,6,复合式衬砌：即为多层衬砌，它是与喷锚支护和新奥法施工结合起来进行的。,锚喷支护：以压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土拌和料与水汇合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成，当围岩不稳定时，可加设锚杆和金属网，构成一种支护形式,7,（4）隧道分类 按地质分：岩石隧道、土质隧道 按埋深分：浅埋隧道、深埋隧道 按位置分：山岭隧道 城市隧道 水底隧道（深埋隧道、沉管隧道和悬浮隧道） 按功能分：交通隧道：铁路隧道、公路隧道、地下铁道、 航运隧道、人行通道 水工隧道：引水隧道(有压、无压)、尾水隧道、 泄洪隧道、排沙隧道 市政隧道：给水隧道、污水隧道、管线隧道、 人防隧道 矿山隧道：运输隧道、给水隧道、通风隧道,8,2、隧道施工基本概念 隧道施工=施工方法+施工技术+施工管理 (1) 施工方法：主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道特征选择。,9,(2) 施工技术：解决各种施工方法所需的技术方案和措施，隧道穿过特殊地质体时的施工手段（如：膨胀土、瓦斯地层、岩爆、溶洞、黄土、高地温、流沙等）以及施工中的通风和照明等； (3) 施工管理：解决施工组织设计，技术管理，计划管理，质量管理，经济管理没，安全管理等问题。,10,第二节 隧道建设的发展 1、清末时期（1888年1911年） 共修建隧道238座，总延长42km，其中1000m以上的隧道有4座，最长为兴安岭隧道3077m。标志性隧道有：,1888年我国在台湾基隆至台北铁路线(全长28km)上修建第一座铁路隧道（狮球岭隧道），长261m。1985年台湾当局定为三级古迹，并拨款整修。,11,1903年在滨洲线建成兴安岭隧道，按双线断面施工，铺设单线，长3077m，是我国第一座长度超过3km的铁路隧道。,兴安岭隧道(双线单铺，长3077m),八达岭隧道(单线，长1091m),1908年詹天佑主持修建京张铁路，是我国自行设计、施工的第一条铁路，在关沟地段建有4座隧道，总延长1645m，其中最长的八达岭隧道为1091m，是我国自力修建的第一座越岭铁路隧道。,12,2、中华民国时期（1912年1949年） 共修建隧道427座，总延长114km，其中1000m以上的隧道有18座，最长为杜草隧道3840m。标志性隧道有： 1939年为增建滨绥二线修建的杜草隧道，长3840m，是中华人民共和国成立前最长的铁路隧道，采用上下导坑法开挖，混凝土衬砌。,3、20世纪50年代（1950年1959年） 建成隧道多的铁路线主要有：宝成、天兰、丰沙线、石太复线、鹰厦、川黔、太焦等线。共建成隧道1005座，总延长306km，其中1000m以上的隧道有46座，最长为凉风垭隧道4270m。标志性隧道有：,13,1957年川黔线凉风垭隧道，是我国建国后修建的第一座最长的隧道，也是首次采用平行导坑施工，也是由人工施工到轻型机械化施工的转折点。,凉风垭隧道（单线，长4270m）,14,1966年成昆线上长度最长、埋深最大的沙木拉打隧道，长6379m，埋深600m，主要地质为砂页岩。59年3月开工，采用上下导坑法施工，63年4月停工，64年12月复工，采用蘑菇形开挖。出现过4次大涌水，最大达 12000m3/d；发生过瓦斯喷出。,4、20世纪60年代（1960年1969年） 建成一批隧道多的山区铁路，相继建成：贵昆、成昆、京原以及东川、镜铁山、嫩林、盘西、水大、渡口等干支线，这一时期共修建隧道1113座，总延长660km，其中3000m以上的隧道有20座，最长为京原线的驿马岭隧道7032m。标志性隧道有：,15,沙木拉打隧道（单线，长6379m）,16,关村坝隧道（单线，长6107m，使线路缩短10.1km）,1966年成昆线上的关村坝隧道，长6107m，使线路缩短了10.1km，地质为灰岩，采用上下导坑漏斗棚架法施工，组织均衡生产，快速施工，创双口月成洞672.71m的最快隧道施工记录。中共中央1965年3月9日特发电报祝贺。发生过7次岩爆。,17,1965年贵昆线上关寨隧道，三线大跨车站隧道，65年11月邓小平给隧道题名。,三线车站,18,1969年京原线上的驿马岭隧道，长7032m，是我国60年代修建的最长的隧道。地质为灰岩，两端软弱地质采用上下导坑施工，硬岩段采用正台阶先墙后拱法施工。,驿马岭隧道（单线，长7032m）,19,长沙隧道（双线，长714m）,1965年京广线上的长沙隧道，长714m，埋深15m，是我国60年代地质最坏，塌方事故最多，施工方案多次变更，施工时限最长的双线隧道，塌方199次，工期5年半。地质为砂页岩、粘土砂层、砂卵石层、红粘土等，地下水丰富。采用上下导坑先拱后墙法施工。,20,5、20世纪70年代（1970年1979年） 主要是会战：焦枝、枝柳、襄渝、京通、阳安、湘黔等线，这一时期共建成隧道1954座，总延长1034Km，是铁路隧道史上隧道最多的时期。其中3000m以上的隧道有33座，最长为南疆线的奎先隧道6152m。标志性隧道有： 1977年青藏铁路西宁格尔木段的关脚隧道，长4010m，路肩海拔3690m，是当时我国海拔最高的隧道。地质为片岩和石灰岩，地下水发育，最大涌水量10000m3/d，最低气温-40C，最大冻结深度3m。58年8月开工，61年3月停工，74年复工，采用上下导坑先拱后墙法施工。,21,1977年南疆线的奎先隧道，长6152m，海拔3470m，是当时我国海拔第二座高海拔隧道，也是70年代最长的隧道。地质为花岗岩、片麻岩，最低气温-37,关脚隧道（单线，长4010m，路肩海拔3690m）,22,1972年襄渝线的中梁山隧道，长3984m，地质为石灰岩、砂页岩，岩溶发育，穿越8处煤层，采用上下导坑先拱后墙法施工。施工与运营过程中少见的病害(主要水害)较多隧道。 1972年襄渝线的大巴山隧道，长5334m，最大埋深800m，地质极为复杂，主要为石灰岩，岩溶发育，地下水极为丰富，最大涌水量110000m3/d，采用弧形导坑正台阶大断面开挖，先墙后拱法衬砌。 1979年皖赣线的下坑隧道，长65m，岩层为破碎的千枚岩，为科研试验隧道，科研试验内容：软弱围岩大断面光面爆破和锚喷支护技术。取得了预期效果，为软弱围岩隧道修建方法积累了经验，也为新奥法的推广应用起到示范作用。,23,6、20世纪80年代（1980年1989年） 共建成隧道319座，总延长199km，从数量上看虽然比60、70年度大为减少，但建成的长大隧道特别是双线隧道增多。其中3000m以上的隧道有10座，其中衡广复线大瑶山隧道（14.29km）是我国已建成最长的双线隧道；大秦铁路的军都山（8.46km）、白家湾（5.06km）等隧道都是在这一时期建成。 1987年京广铁路衡广段复线的大瑶山隧道，双线隧道，长14.29km。地质为白云质灰岩、泥灰岩及砂岩，断层14条，涌水量高达51000m3/d。设计、施工均按新奥法原则进行，大断面机械化作业，首次采用复合衬砌。是隧道发展史上的里程碑工程。,24,大瑶山隧道于1981年8月正式开工，1988年12月通车。隧道洞身地层以变质砂岩、板岩为主，中部班古坳地区穿越泥盆系自云质灰岩、泥灰岩及砂岩，穿越大小断层14条，其中9号断层影响带宽465m，隧道涌水量高达5.1万m3d，地质条件复杂。 采用3座斜井、1座竖井及部分平导，分成5段6个工区施工。在隧道较好围岩地段，采用大型4臂液压台车、装载机、载重汽车及全断面模板衬砌台车等机械化施工。对于9号断层带，采用平导排水降压、超前地质预报、周边浅孔预注浆等整套技术措施。全隧最高年成洞4 245m，最高月成洞521m，单口最高月成洞218 m。单口月开挖最高达205 m，单口月衬砌最高达303 m。 大瑶山隧道的建设，是新奥法原理在中国铁路隧道施工中的成功典范，也是中国铁路隧道建设新旧方法的转折是铁路隧道修建技术的一次大飞跃。,25,1988年大秦线的军都山隧道，电气化双线隧道，长8.46km。地质为花岗岩和安山岩为主。按新奥法原则进行施工，IV、V类采用钻爆法全断面掘进，II、III类采用台阶法开挖。针对地质复杂多变的特点，实行以地质素描为主的超前地质预报。施工中在岩层交界面处出现过大量的突水突泥现象。,大瑶山隧道（双线，长14.29km，缩短11km ）,26,7、 20世纪90年代（1990年1999年） 建设的铁路干线有：侯月、宝中、京九、南昆、神朔、朔黄、达成、横南、广大、西康、神延、内昆等线，同时还对宝成、兰新、宝天、株六等线增建第二线。南昆线米花岭和家竹菁隧道、西康线秦岭线隧道、京九线的五指山隧道以及朔黄线的长梁山隧道等均在这一时期建成。90年代共建成隧道1822座，总延长1311km，其中3km以上的隧道66座。是我国建成铁路隧道总延长最多、隧道平均长度最长的时期。,军都山隧道 （双线，长8.46km）,27,秦岭隧道（双洞单线，长18.46km）,1999年西安安康铁路的秦岭隧道，双洞单线隧道，长18.46km。地质为混合片麻岩和混合花岗岩。I线两端采用TBM掘进，中间由II线平导及横洞进入I线正洞采用钻爆法开挖；II线等平导贯通后采用钻爆法扩挖。也是隧道史上的里程碑工程。,28,秦岭I、线铁路隧道是两条并行的单线隧道，位于西安安康铁路青岔站至营盘站之间。隧道全长18456 m是20世纪中国最长的铁路隧道。该隧道于1995年1月开工I线隧道于2000年5月建成，线隧道于2003年12月建成。 秦岭I、线隧道线间距为30m，进口l5.2 km为11 上坡，出口3.2 km为3下坡。隧道最大埋深l 600 m，地质构造复杂，断裂构造发育。 主要的地质灾害有：断层、涌水、高地应力、岩爆、高地热、高辐射等。隧道采用弹性支承块式整体道床，超长无缝线路。,29,秦岭I线隧道进出口各采用1台TBM施工； 线隧道先期采用平导贯通，为I线隧道提前探明地质条件，后期扩挖成线隧道。I线TBM掘进进口最高日进尺达40.5 m，最高月进尺达528.1 m；出口最高日进尺达35.2 m，最高月进尺达509 m。线隧道平导钻爆法施工进口最高月进尺达456 m，出口最高月进尺达426 m，全隧道大断面导坑单口平均月进尺为250m。 秦岭隧道的设计与施工以“高起点、高标准、高速度、高效益，决策科学化、施工规范化、作业标准化、管理现代化”为指导方针，使我国隧道由钻爆法施工上升到采用敞开式全断面掘进机(TBM)施工的新台阶。标志着中国铁路隧道机械化施工跨人世界先进行列，在2O世纪末为中国铁路隧道史树立起一座跨世纪的里程碑。,30,2000年朔黄铁路的长梁山隧道，双线隧道，长12.78km，是我国第二长双线隧道。为近乎水平的砂岩和泥岩。IV采用全断面开挖，II、III采用台阶法开挖。,长梁山隧道（双线隧道，长12.78km）,建国50年，共建成铁路隧道6211座，总延长3514km；平均每年建成的铁路隧道超过120座，长度超过70km。,31,我国已建隧道密度（隧线比率）较大的铁路（长度超过200km）有：西安安康线，隧线比率为45.9，居全路之首。其次是襄渝线为33.4。第三是成昆线31.5。除此外丰沙、候月、京原、南昆、枝柳等线隧线比率也都在20以上。正在修建的渝怀线为38.6%。,中国各时期铁路隧道修建数量,32,8、 21世纪2000年今 建设的铁路干线有：遂渝、渝怀、青藏、宜万、洛湛、兰武复线、客运专线等线。 渝怀线：全长约645km，共有隧道约190座，总长约241km，占线路总长的37%，其中大于3km的隧道25座，最长的为圆梁山隧道隧道长11.07km。,圆梁山隧道（长11068m）,33,宜万线：全长约386km，共有隧道约127座，总长约200km，占线路总长的52%，其中大于3km的隧道17座，最长的野三关隧道长13.792km，全线约70%的隧道位于灰岩地区，岩溶十分发育。,34,青藏线：全长约1100km，共有两座多年冻土隧道。,风火山隧道（轨面高程4905m，长1380m）,35,青藏铁路风火山隧道是目前世界上海拔最高的多年冻土隧道，全长1380 m，山顶海拔高度4995m。洞内轨面高程4905 m，隧道区多年冻土层厚80100 m。该隧道于2001年l0月18日开工建设，2002年l0月19日胜利贯通，青藏铁路昆仑山隧道是目前世界上最长的多年冻土隧道，全长1686 m。该隧道于2001年9月开工，2002年9月26日胜利贯通。 以上两座隧道是青藏铁路典型的多年冻土隧道，处于高寒、缺氧，环境恶劣，氧分压低于生命极限的地区。在生命禁区中修建隧道，具有许多与修建常规隧道不同的难点与特点，设计和施工中采用双层模筑混凝土、多道防水措施、保温隔热措施、低温早强耐久性防水混凝土、洞内空调和丁作面供氧等多项新技术，创新了中国高原冻土隧道修建技术。,36,（3）乌鞘岭隧道 乌鞘岭隧道位于兰新铁路增建二线兰州至武威段全长20050 m，设计为2座单线隧道，线间距40m，隧道限界满足通行双层集装箱条件，旅客列车设计行车速度160 kmh。隧道洞身在海拔2400 m以上，最大埋深1100 m，穿越F4、F5、F6、F7 四条区域性大断层组成的挤压构造带和长约3 000 m的高致密千枚岩地层，地质构造复杂、变异频繁，在高及极高地应力作用下，极易发生软岩大变形。 乌鞘岭隧道设计为11o的单面下坡，I、线均采用钻爆法施工。I线隧道先期开通，线隧道施工前期为平行导坑尽早贯通，为I线隧道探明地质并辅助I线隧道施工最后再扩挖为线隧道。隧道于2003年3月开工，I线、线分别于2006年3月30日和8月12日开通运营。,37,乌鞘岭隧道在较短的时间内顺利建成，在技术上又有新的突破。1）创造了单线隧道施工进度最快的记录。2）软岩深埋复杂应力隧道的修建技术取得突破。针对F4-F7区域性压性断裂带遇到的高地应力、软岩大变形、富水等地质难题开展了多项科研工作摸清了围岩应力状态和变形机理，确定了设计参数、结构形式和施工方案成功地解决了困扰乌鞘岭隧道修建的软岩深埋复杂应力变形控制技术的难题。,38,客运专线：中国铁路中长期规划的有四纵、四横。 四纵： 北京-沈阳-哈尔滨 (含京秦沈700km; 天津-秦皇岛，哈尔滨-大连1160km) 北京-上海 1300km 北京-广州-深圳 2230km 杭州-宁波-深圳 1600km 四横： 青岛-石家庄-太原 770km 徐州-郑州-兰州 1400km 南京-武汉-重庆-成都 1900km 杭州-南昌-长沙 880km,39,40,据不完全统计，客运专线隧道数量将超过1000km。 武广客运专线 165km 甬温福厦 280km 京沪高速 15km 石太客专 76km 郑州西安客专 74km 武汉合肥 80km 武汉成都 300km,41,2000年后在建及规划中大于10km的隧道,42,第三节 隧道施工技术的发展1、1949年以前 基本是人工开挖、手工操作衬砌、机具简单、技术落后的时期。当时铁路隧道建设既没有固定专业技术队伍，也没有完整的设计、施工规范，设备机具少，方法简单，工人劳动强度大，效率很低。,人工打眼 木排架支撑,43,2、20世纪50年代 （1）隧道施工由人力为主转入小型机械施工； （2）制定了施工规范； （3）测量方法采用两条基线的三角网和导线法； （4）辅助坑道采用斜、竖井和平行导坑，竖井最深达130m余； （5）施工方法以上下导坑先拱后墙法为主； （6）开始采用平行导坑和管道进行施工通风； （7）较长隧道试用后翻式装碴机装碴，用电瓶车牵引轨道运输出碴； （8）逐步采用水泥砂浆注浆防水。,44,3、20世纪6070年代 （1）推广采用机械设备，以中小型机械施工为主； （2）平面控制测量采用闭合导线法和一条基线的三角网； （3）施工方法以漏斗棚架先墙后拱法为主，部分采用全断面开挖； （4）试用光面爆破； （5）对整治岩溶、岩爆、坍塌、涌水和瓦斯突出等也逐步积累经验。,干风钻打眼 湿风钻打眼,45,4、20世纪80年代 （1）普遍采用新奥法施工； （2）开挖方法普遍采用全断面、半断面法； （3）采用光面深孔爆破、预裂爆破、弱爆破技术减少对围岩的扰动； （4）喷锚支护技术大发展； （5）编制铁路隧道新奥法指南； （6）应用监控量测进行信息化设计和施工； （7）进入大型机械配套时期，引入凿岩台车、装运碴机械、喷锚及灌浆机械； （8）在软弱围岩施工中由新奥法的发展出现浅埋暗挖法。,46,5、20世纪90年代以来 （1）制定铁路隧道喷锚构筑法技术规则，形成有中国特色的隧道修建新方法； （2）湿喷混凝土技术、工艺及湿喷机； （3）自进式锚杆支护技术的发展； （4）单线铁路长隧道快速施工配套技术与设备；,47,（5）浅埋暗挖法进一步发展，由台阶法演变为单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法(CD法)、交叉中隔壁法(CRD法)； （6）采用隧道掘进机（TBM）施工，标志着我国单线铁路长隧道的修建技术，也达到了国际先进水平。,48,6、进入21世纪以来 我国地域广大，地形、地质复杂、多条铁路干线所经地区被誉为“地质博物馆”。近十年来，铁路隧道修建曾遇到并成功克服的不良地质有：岩溶、岩堆、岩爆、泥石流、滑坡、断层、黄土、古河槽、膨胀岩、瓦斯、毒气、有害射线、高温、高应力蠕变地层、高压富水带等；铁路隧道曾多次穿越高原、高寒、风沙地区，并爬上了“世界屋脊”。 我国铁路隧道修建技术堪称“百科全书”。特殊的地理环境和地质条件促成了中国铁路隧道的技术发展，也造就了世界上最庞大的隧道建设队伍。,49,综上所述，通过近50年的发展，我国已经形成了修建铁路隧道的成套技术和雄厚实力。铁路隧道施工方法从传统的矿山法施工，利用导坑先行、分布开挖，到现在利用新奥法原理设计与施工，充分利用支护和围岩自身的承载作用，大大提高了隧道施工的安全性；施工机械从传统的手工或小型机械化施工为主，发展到配套成龙的钻岩装运、喷锚支护、衬砌注浆等大型机械化作业线。可以说，近年来隧道工程的施工机械化水平有了显著的进步，隧道机械化作业示意见下图 。,50,51,近半个世纪以来，中国铁路隧道修建技术虽然有很大发展，但与世界一些工业发达国家比较，还有一定差距。 （1）特长和超长隧道的设计理论和施工技术还有待开发研究和提高； （2）大量500m以下的短隧道，施工机械化程度还不高；目前国内铁路隧道施工装备水平普遍低下， 主要表现在钻孔、装药、挖底、喷锚等工序上。洞内工人劳动强度大，工作效率低，能源消耗多，进而也影响到工程质量水平的提高。 （3）对于隧道环境工程、防灾技术以及山区铁路隧道普遍存在的各种地质灾害防治技术也需要研究和加强；,52,（4）运营隧道病害整治 运营隧道养护维修的重点是整治隧道缺陷和病害，主要是堵漏、治渗、裂缝处理和隧底翻浆冒水。及时、适当的补修可以延长隧道设施的寿命和保持隧道的使用功能。铁路隧道防灾技术应该得到有关部门的重视。长大铁路隧道的设计，洞内应有火灾监控预报和自动断电的装置；洞口应有及时救治灾害、防止事故扩大的装备；重要的铁路隧道应设有可靠的避难设施。 。,53,（5）新型铁路隧道支护结构的研究和运用 客观地讲我国铁路隧道的总体质量水平是不高的。据有关统计资料显示，已投入运营的铁路隧道，存在裂缝、掉块、渗漏水、挤压变形、限界不足、底部翻浆冒泥等病害的占隧道总数的12左右。 造成总体质量水平不高的原因无外乎两个方面：设计和施工。隧道支护结构工厂化生产是提高工程质量的良好途径， 目前在国外已比较普遍地采用，而国内铁路隧道除秦岭I线的仰拱块外，几乎没有他例。 采用国内传统的现浇、现喷隧道支护方式很难进一步提高工程质量水平，而国内外盾构隧道无论是海底、江下或浅埋，其支护质量、防水能力普遍高于其他隧道，主要原因是支护管片的工厂化生产和防水结构的可控实施。 对于特长铁路隧道，尤其是地质情复杂、治水难度较大的长大铁路隧道，应该考虑预制管片支护的方案。但是国内目前的铁路隧道支护方式只有喷锚构筑、整体衬砌和复合衬砌三种形式。,54,（6）铁路隧道项目的建设管理 1）抢工期 对于重点长大隧道的谋划要提前进行。一条铁路线上，不论是否控制项目同时开工，并要求同时完工的做法弊多利少，但一直没能改变。抢工期不但造成成本增加，而且危害工程质量。 2）将长大隧道分段分块招标会造成人、财、物、机资源的浪费，施工装备水平和管理水平也难以提高。 3）无限制分包 在现行铁路建设预算定额的标准下，无限制的分包、偷工减料，违规作业是造成工程质量低下、事故频出的首要原因。由于长大隧道建设需要信息化、专业化的特点，铁路隧道建设应尽可能地推行设计、施工总承包、培养和造就大型专业化集团队伍，以利于建设管理和工程创优。,55,第4节 我国铁路隧道建设面临的创新 我国对铁路运输的需求极其急切和巨大，新一轮的铁路大建设的高潮即将到来。由于建设的重点在国家中西部和客运快速专线，铁路线路等级标准相应提高，那么铁路隧道建设的比重一定会加大，长大铁路隧道、特长铁路隧道会成为建设工作的重点。因此可以说这些重点隧道工程的建设水平关乎新一轮铁路大建设的成果，要经得起历史的检验。铁路隧