项目七 高速铁路隧道构造及特殊施工方法

1、项目八 高速铁路隧道构造及特殊施工方法第一节高速铁路隧道净空 断面形式和尺寸一、概述在常速铁路隧道的设计中，由于列车速度较低，可不考虑列车在隧道内引起的空气动力学效应问题，所以常速铁路隧道断面形式及尺寸主要是根据隧道建筑限界、衬砌结构受力的合理性,并考虑施工与养护维修的方便及工程投资的经济等因素综合确定的。高速铁路隧道与常速铁路隧道最大的区别就是当列车以高速通过隧道时，所产生的空气动力学效应（行车阻力、瞬变压力、微气压波、列车风等）对行车安全、旅客舒适度和洞口环境有较大的影响，因此隧道断面的确定必须考虑如何缓解和消减列车进人隧道时诱发的空气动力学效应的影响。隧道断面设计主要应考虑下列因素:（1

2、）隧道建筑限界；（2）轨道数量和线间距；（3）缓解空气动力学效应所需的空间；（4）需预留的空间；（5）设备安装空间等。我国高速铁路隧道净空有效面积见下表。序号类别单线（m2）双线（m2）1200km/h客运专线兼顾货运52802250km/h高速铁路58923300350km/h高速铁路70100通常情况下 ，高速铁路隧道考虑空气动力学效应，多采用单洞双线断面，较少采用双洞单线断面，在特殊条件下，如隧道较长，考虑养护维修，防灾救援等需要，有时也采用双洞单线断面。综合比较，采用双线断面比单线断面有利。二、建筑限界我国高速铁路隧道建筑限界分为200km/h客货共线、200km/h及以上 客运专线、

3、200km/h客货共线双层集装箱运输三种。图8-1 200km/h客货共线电力牵引铁路隧道限界三、隧道断面内备空间的配置及衬砌内轮廓(一)净空断面内各种功能空间的配置 高速铁路隧道由于行车速度高而引起的空气动力学效应对乘车的舒适度和周围环境有较大影响。一方面，隧道建筑物按满足100年正常使用的永久结构物设计；另一方面，在客运专线上通行的列车全部为客车，列车一旦在隧道内发生事故、失去动力或无法及时将列车拉出洞外时，车上人员的紧急疏散、逃生和救援将成为非常重要的问题 。所以，在高速铁路隧道净空断面设计时需要预留各种空间。1.安全空间 安全空间是为铁路员工和特殊情况下养护人员预留的，安全区内包括衬砌

4、侧安放施工设施（宽0.3m）或开关柜（宽0.4m、长1.3m）的空间。2.救援通道 在隧道内应设置贯通的救援通道，用于自救或外部救援。3.技术作业空间 用于安放施工辅助设施，作为预留加强衬砌或安放隔音板等得空间。（二）我国高铁隧道衬砌内轮廓 根据高铁隧道建筑限界和隧道内必须配置的各种功能空间的要求，结合隧道空气动力学研究有关成果，我国统一制定了200km/h、250km/h、350km/h不同行车速度条件下的隧道衬砌内轮廓，并编制了相应的双线隧道衬砌通用参考图。四、单洞双线和双洞单线方案选择 高速铁路均设计为双线，隧道工程设计需作设一座双线隧道(单洞双线)和设两座单线隧道(双洞单线)的方案比较

5、。 日本新干线上的隧道，考虑到空气动力学效应的影响，几乎全部采用单洞双线隧道断面，如新八甲田隧道(长度26.455km)、岩手一户隧道(长度25.81km)、饭山隧道(长度22.2km)等。 在单洞双线和双洞单线方案比较中，采用一座双线隧道的横断面积要比两座单线隧道横断面积总和小，经济性较好。这是日本新干线隧道采用一座双线隧道方案的主要原因。在欧洲，当隧道长度大于20 km时，考虑防灾救援等因素，一般采用两座单线隧道方案，其线间距一般为3050m，按250400m距离设置横通道用作救援通道。 在特长隧道方案设计时，选择两座单线隧道方案还是一座双线隧道方案，应从地质条件、建设工期、施工难度和方法

6、、运营通风、防灾救援和人员疏散、工程投资等多方面综合考虑，对高速铁路隧道还要考虑列车在隧道内运行的空气动力学效应。 采用单洞双线隧道方案和采用双洞单线隧道方案各有其优缺点。 对高速铁路隧道而言，采用单洞双线隧道方案,阻塞比较小，在满足洞内会车最不利条件的前提下，可有效地提高乘车舒适度；而采用双洞单线隧道方案十分有利于防灾救援，当一座隧道出现重大事故时，另一座可正常运营，且可利用其进行救援和旅客的疏散。从地质条件看，在软弱破碎围岩地段，考虑施工难度和风险，宜选用跨度较小的双洞单线隧道方案，当地质条件好时，可选用单洞双线隧道方案。从施工方法看，当采用TBM或盾构施工时，考虑施工风险，采用直径较小的

7、双洞单线隧道方案较为稳妥，施工风险相对较小。从运营通风看，双洞单线隧道方案可以充分利用列车活塞风改善隧道内的环境条件，而单洞双线隧道方案利用活塞风效果较差。就工程投资而言，双洞单线隧道方案通常较单洞双线隧道方案造价高20%40%，特别在硬岩地段，单洞双线隧道方案具有明显的价格优势。故在确定隧道方案时，应结合线路的隧道分布和隧道两端引线等相关工程的具体情况，综合考虑。在我国高速铁路隧道设计时，选择“单洞双线隧道方案”还是“双洞单线隧道方案”，通常可遵循下列原则：(1)当隧道长度小于10 km时，一般采用单洞双线隧道方案，可利用施工时的辅助坑道作为防灾救援和人员疏散的紧急出口，如郑西客运专线函谷关

8、隧道(长7851m)和秦东隧道（长7684）等。(2)当隧道长度为1020 km时，应结合隧道两端引线、车站布点等相关工程情况进行系统的经济技术比选，也可结合防灾救援及养护维修考虑，采用双线隧道加贯通平导的方案进行比较。如霞浦隧道(长13099m)采用双线隧道加贯通平导的设计方案，贯通平导对养护维修非常方便；武广客运专线大瑶山隧道群之大瑶山一号隧道(长10081m)为全线最长的山岭隧道，主要考虑隧道群及两端引线相关工程情况并结合空气动力学因素的影响，也设计为双线隧道，断面净空有效面积为100m2。（3）当隧道长度大于20km时，从防灾救援方面考虑，一般采用双洞单线隧道方案，如已经竣工通车的兰武

9、二线乌鞘岭隧道（长20050m）和石太客运专线太行山隧道（长27839m）等。单洞双线与双洞单线隧道方案比较表比较项目单洞双线隧道方案双洞单线隧道方案施工难度及风险断面大，在软弱围岩中发生坍塌的机会较多，容易发生变形，风险较大断面较小，发生坍塌、变形的机会较少，风险较小运营通风难以利用活塞风可以充分利用活塞风防灾救援当隧道内发生火灾时，消防灭火与救援难度大，线路将中断运营当一座隧道发生火灾时，可通过另一座隧道帮助灭火，并利用横通道疏散人员，仅中断一条线路的运营空气动力学影响相对小相对大环境影响相对小相对大工程投资较低比单洞双线方案多20%40%思考题1.高速铁路隧道断面设计主要考虑哪些因素？2

10、.单洞双线与双洞单线隧道方案各自的优缺点？3.我国高铁隧道设计方案选择原则？第二节隧道洞门形式及景观设计隧道洞口作为在铁路和公路中频繁出现的建筑结构物，与自然环境紧密相连，除了应发挥其结构功能外，还应该对周围的总体环境有一种符号和象征的意义，并起到隧道标志的作用。因此，景观设计应该成为高速铁路隧道洞口设计的重要内容之一。一、高速铁路隧道洞口形式 我国传统的铁路隧道洞门有端墙式、柱式、翼墙式、耳墙式、台阶式等结构形式，其组成始终未脱离端墙、翼墙等挡土结构。其设计也只是从力学和安全角度出发，按照标准图模式,为适应地形变化作一些小修改，在洞门结构形式上创新较少。同时，在目前常见的墙式洞口施工过程中，

11、开挖进洞均需不同程度地对洞口边坡和仰坡进行刷坡处理。过多的刷坡破坏了原有地貌及植被，有时甚至危及洞口山体的稳定。施工期间大面积的刷坡改变了洞口周边的生态环境，必然不能满足当前生态和环境保护等方面的要求。相对于传统的铁路隧道洞门，高速铁路隧道洞口结构的设计应本着“简洁大方，美观实用，保护环境”的原则，以不刷坡或少刷坡施作的突出于山体的切削式洞口为主要建筑形式。除个别工点(靠近城市、旅游景区等)外，一般不做更多的建筑修饰，体现自然美的环境意识。根据切削方式的不同及一些功能上的要求，铁路隧道洞口新型洞门的基本类型有直切、正切、倒切、弧形挡墙加切削等几种，又根据洞门与山体的相交关系分为正交和斜交两种情

12、况。新型洞门的适用条件建议如下:(1)直切式适用于洞口山体坡度较陡或距离城市较近或有风景要求的隧道。(2)倒切式适用于洞口岩层稳定、整体性好、洞口山体坡度很陡或峭壁岩体处的隧道。(3)正切式适用于洞口山体坡度较缓或距离城市较近或有风景要求或桥隧相连地段的隧道。如果洞口山体坡度很缓，且洞口外有路堑边坡时，可以考虑采用弧形挡墙式，使弧形挡墙与路堑边坡有机连接。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；弧形挡墙式隧道门采用加檐形排水形式。 计算机虚拟技术的发展，方便了方案的比选。新型洞门可以采用计算机静动态效果图，

13、在隧道洞口三维地形模型的基础上，进行隧道洞口段的建筑设计。设计中要注意洞旧与地形、地貌的紧密结合及与隧道周边自然环境的完美协调。高速铁路隧道洞口设计除考虑地形、地质、空气动力学效应、环境及排水等五项因素外，还应考虑以下因素,以降低施工和运营期间的风险：(1)洞口应尽量采用与地形等高线正交进洞；(2)避免将洞口设置于高地应力集中区,如山谷底部；(3)洞口位于滑坡活动区时,应采取措施稳定地层；(4)洞门应设置永久性纵向筋以防止施工中及完工后的移动；(5)洞口结构须适当回填,整体设计应与周围景观相协调。二、洞口景观设计的原则和景观要素 景观设计应突出工程与自然的和谐,第一条原则就是要尊重自然。此外,

14、景观设计还应遵循以下基本原则。1.适用性建筑景观的设计主要是以使用者的需求为对象来考虑的,各种设施、设各及配置均须符合人性化的要求,并综合考虑各项因素的影响,这样才能作出更合适的设计,以发挥结构物及其景观的最大功效。2.经济性在设计上要做到费用、空间和时间的合理利用，以达到“省本多利”的目的。3.美观性景观设计的美目前多偏重于视觉上的美观。景观设计应注重设计的社会性及经济实用性之后再论及美。景观设计的美实际上是指自然美加以人工模拟的自然美，因而可以由美的种类、美得表达方式及美得造型组合法则来表达。隧道洞口景观设计主要应考虑自然景观要素与人工景观要素（造园艺术）。自然景观要素主要包括地形和地貌两

15、个因素。地形因素是洞口景观要素必须考虑的内容之一。植被有无、植被组成发育程度、秃山岩石形态等是隧道洞口景观设计要考虑的地貌因素。人文景观要素主要包括：（1）当地地理、历史、文化；（2）隧道洞门造型几何图形体的选择和组合；（3）相关工程洞口相连工程（如桥隧相连、路隧相连），洞口设风机及辅助用房、双线水平之间有开阔地带可造园，双线高低、前后、错落等；（4）装饰材料（材质）条纹、色彩、光线等；（5）铭牌形式墙顶嵌入式、侧墙嵌入式、洞身侧壁镶嵌式、洞口架立式、洞口山体刻字、洞口孤石雕刻小品。在进行人工景观设计（造景）的同时，要注意与自然景观和谐一致，主张天人合一；各种人工景观（相邻）之间也应考虑相互之

16、间的协调关系；除此之外，硬质景观（隧道洞门结构）与软质景观（洞口及周围的装饰、绿化、植被等）的协调一致也是不容忽视的 。第三节高速铁路隧道特殊施工方法由于高速铁路隧道断面较大，施工技术要求高，在不良地质条件下，施工风险较大，为了确保快速、安全施工，实施机械化作业，在高速铁路隧道施工中还可采用TBM导坑超前扩挖法、预切槽法和仰拱栈桥施工等特殊方法。一、TBM导坑超前扩挖法TBM导坑超前扩挖法是针对超大断面隧道施工的，它是在开挖主洞之前先用TBM快速掘进一个超前导坑，进行地质调查、排水、围岩改良等作业，而后用爆破法进行扩挖的一种施工方法。即先由TBM开挖一个小直径洞室形成临空面，再使用钻爆法开挖，

17、其施工速度比没有临空面的方法可提高23倍。使用这种方法可以有多种形式，如单导坑法(包括上部导坑法和底部导坑法)、双导坑法等。我国高速铁路隧道中，由于大部分采用单洞双线隧道，开挖断面大，使用TBM全断面施工较为困难，采用此工法既可以充分吸收我国钻爆法施工成熟的经验，又可以利用TBM快速掘进的优越性，应该是我国高速铁路隧道的一个发展方向。(一)采用TBM导坑的目的(1)确认前方围岩的地质状况;(2)对前方围岩进行改良;(3)高速掘进;(4)形成后续爆破作业的临空面。(二)适用的地质条件TBM导坑超前扩挖法适应于围岩条件较好的地层，在较差围岩条件下,由于围岩崩塌、土砂流出、涌水等,会使掘进成为不可能

18、，软弱的围岩也会造成机体下沉等，因此需要辅以一定的辅助工法。(三)TBM导坑的施工长度及掘进速度 从出渣等考虑,TBM导坑的施工长度最好在1.5km以上，如考虑经济性，则最好在5km以上。 另外，超大断面隧道采用TBM导坑超前扩挖法时，如果考虑到TBM的机械费用，其施工长度大概在2km以上是比较适宜的。 从施工情况看,TBM导坑的月掘进速度约在4001600m,但遇到不良地质时，速度会大幅度降低。(四)TBM的形式 适合于导坑掘进的TBM的形式有开敞式、复合地质式、全地质式等，目前采用的TBM有50%以上属于全地质式，越来越多地采用全地质式掘进机是一个趋势。(五)TBM开挖直径 TBM导坑的开

19、挖直径应根据其目的、力学稳定性、施工性、工期及经济性等综合考虑决定。在地质条件和工作面稳定性条件的容许范围内，应尽可能地采用较大开挖直径的TBM。 在围岩稳定性较好的隧道中，根据配套设施布置的需要，一般采用直径3.56.0m的TBM较为适用。日本大断面隧道施工的经验认为，在超大断面隧道中，为了能够确保主洞围岩改良和补强的空间，最好采用直径5.9m的掘进机。(六)TBM导坑的设置位置 TBM导坑的设置基本上有以下四个位置可以考虑,即设置在上半断面的顶部(顶设方式)、下半断面的底部(底设方式)、两侧壁部(侧壁方式)或其他位置。1.设置在上半断面的顶部(顶设方式) 在国外,特别是在欧洲,TBM导坑设

20、置在顶部的事例比较多。其优缺点是:(1)能够确认隧道上半断面的地质状况,取得主洞掘进时的工作面稳定与否最实用的资料;(2)对从上半断面进行围岩改良,这是改良拱部围岩的最佳位置;(3)主洞开挖一开始就可以利用导坑作为通风坑道，同时主洞石渣对导坑的影响比底设方式、侧壁方式都小;(4)设置在上半断面有利于排除地下水，但开挖下半断面时，要另外采取排水对策;(5)顶设方式与主洞同时并进比较困难，因为同时进行上半断面开挖出渣非常困难，最好在导坑贯通后进行主洞的扩挖。 在顶设方式中，因上半断面的扩挖高度约8m左右，因此导坑的设置有设在上半断面上部和下部两个位置。2.设置在下半断面的底部(底设方式)TBM导坑

21、设置在底部的优缺点如下:(1)作为超前导坑确认地质状况，在上下断面地质条件各异的围岩中，要特别注意对上半断面地质条件的判定;(2)因导坑设置在底部,进行拱顶部分围岩改良时，改良范围和施工区域都比顶设方式大;(3)导坑可以有效地被用作主洞扩挖时的通风坑道，但上半断面的通风效果比顶设方式差;(4)排除地下水效果比较好;(5)导坑的施工有可能与主洞同时并进，特别是在工期受到限制的场合。3.设置在两侧壁部(侧壁方式) 日本、捷克等国家都有在隧道两侧设置导坑的实例。此方式的特征如下:(1)可以在主洞扩挖前确认隧道地质状况,这与侧壁导坑法是一样的；(2)导坑位于隧道断面下部,特别是设2个导坑时,排水效果好

22、；(3)扩挖上半断面时,可以从2个导坑同时进行上半断面围岩的改良作业；(4)因是超大断面,上半断面的支撑有可能产生下沉,侧壁方式可以防止墙脚部下沉；(5)导坑的施工有可能与主洞同时并进,特别是在工期有限制的场合。综合上述分析认为,采用TBM导坑超前扩挖法施工，由于先开挖一个导坑，因此具有以下优点:(1)适时获取地质资料，便于制订相关计划;(2)节省约35%的爆破费用;(3)降低爆破对地层的扰动;(4)减少通风量,降低风险。 在隧道的全断面施工方法中，全断面隧道掘进机施工与钻爆法施工相比各有优缺点，因此，在相当长的时间内，在施工环境允许的情况下，将是两者并存。二、预切槽法(一)预切槽法原理 机械预切槽法是用专用的预切槽机沿隧道横断面周边预先切割或钻一条有限宽度的沟槽。在硬岩中,切槽可作为爆破的临空面,起爆顺序与传统爆破相反,