客运专线隧道的设计与施工(赵勇)

1、客运专线隧道的设计与施工客运专线隧道的设计与施工报告人报告人 赵赵 勇勇铁道部工程设计鉴定中铁道部工程设计鉴定中心心20042004年年1212月月 主要内容主要内容 一、我国客运专线隧道的概况一、我国客运专线隧道的概况 二、客运专线隧道的特点二、客运专线隧道的特点 三、客运专线隧道的设计三、客运专线隧道的设计 四、客运专线的施工四、客运专线的施工 五、客运专线隧道几个的技术问题的探讨五、客运专线隧道几个的技术问题的探讨一、我国客运专线隧道的概况一、我国客运专线隧道的概况 根据国务院批准的中长期铁路网规划中长期铁路网规划： 到2020年全国铁路营业里程达到1010万公里，其中客运专线营业里程1

2、200012000公里。 包括： 新建客运专线1000010000公里； 新建城际客运系统20002000公里。 四纵四横客运专线 四纵： 北京-沈阳-哈尔滨 （含京秦沈快速客运通道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 四纵四横客运专线 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城际系统：京津、宁沪杭、广深、广珠等 城际客运系统2000km 截至目前国家已批复的客运专线项目截至目前国家已批复的

3、客运专线项目武广客专:已批复可研967km,投资690亿（不含两端枢纽）郑西客专：已批复可研454km,投资342亿温福：已批复可研312km,投资174.8亿。福厦：已批复项目建议书276km，投资约135亿。石太客专：已批复可研205km,投资128.5亿。合宁、合武：已批复可研166+357km,投资40+168亿京津：已批复可研115km,投资112亿广珠：已批项目建议书131km，约182亿。以上投资约2000亿元，计划2020年前,投资20000亿元据不完全统计，我国客运专线隧道的修建数量将超过1000km。 武广客运专线 165km 甬温福厦 280km 京沪高速 15km 石太

4、客专 76km 郑州西安客专 74km 武汉合肥 80km 武汉成都 300km 客运专线隧道的数量客运专线隧道的数量客运专线隧道的分类序号 类别标准 线 别 1200km/h客运专线城际客运系统 2200km/h近期客货共线 胶济、遂渝、徐郑 3250km/h近期客货共线 石太 4250km/h近期双箱运输 甬温福厦、合武、合宁 5350km/h客运专线京沪、武广、郑西l 空气动力学效应空气动力学效应l 可靠性和耐久性要求高可靠性和耐久性要求高l 更加重视对环境的影响更加重视对环境的影响l 防灾救援要求高防灾救援要求高二、客运专线隧道的特点二、客运专线隧道的特点空气动力学效应隧道微气压波的发

5、生高速列车在隧道内运行引起的问题高速列车在隧道内运行引起的问题 1. 由于瞬变压力造成旅客及乘务人员耳膜不适，舒适度降低，并对铁路员工和车辆产生危害； 2. 高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微气压波，发出轰鸣声，使附近房屋门窗嗄啦嗄啦作响，引起扰民问题； 3. 行车阻力增大，使运营能耗增大，并要求机车动力增大； 高速列车在隧道内运行引起的问题高速列车在隧道内运行引起的问题 4. 形成空气动力学噪声（与车速的68次方成正比）； 5. 列车风加剧，影响隧道维修养护人员的正常作业； 6. 列车克服阻力所作的功转化为热量，在洞内积聚引起温度升高等。 因此，在高速铁路设计时，应从车辆及隧道两方面采取

6、措施，以减缓空气动力学效应。 空气动力学效应 空气动力学效应的因素：空气动力学效应的因素： 车辆的因素车辆的因素 隧道的因素隧道的因素 列车速度 隧道横断面积 列车横断面积 隧道长度 列车长度 隧道道床类型 列车头部形状 洞口结构可靠性和耐久性可靠性可靠性：结构在规定的时间内，在正常规定的条件下，完成预定功能的能力，包括安全性、适用性和耐久性。当以概率来度量时，成为结构的可靠度。耐久性耐久性：在使用过程中经受（抵抗）各种破坏因素的作用（破坏力）而能保持其使用功能的能力。耐久性设计耐久性设计：通过控制内因即砼材料、钢筋性质和周围状态、砼施工使用过程、砼受力状态，以满足接触环境作用下耐久性的要求。

7、如50年或100年等环境的影响环境包括：环境包括： 生态环境、自然环境和周边人文环境噪声的影响噪声的影响-减振降噪：减振降噪： 轮轨噪声、机械噪声、弓网噪声和空气动力学噪声。防灾救援问题影响列车安全运行的因素： 突发性的：突发性的：火灾、撞车、列车脱轨经常性的：经常性的：隧道病害l 隧道有效内净空面积隧道有效内净空面积l 洞门型式及缓冲结构洞门型式及缓冲结构l 结构支护参数和耐久性结构支护参数和耐久性l 防排水设计防排水设计l 环境保护环境保护l 防灾救援方案防灾救援方案三、客运专线隧道的设计三、客运专线隧道的设计隧道净空面积的影响因素：隧道净空面积的影响因素： 隧道建筑限界隧道建筑限界 线间

8、距线间距 应预留的空间：应预留的空间：安全空间、救援通道、 工程技术作业空间、内部配件空间等 考虑空气动力学影响所需的空间考虑空气动力学影响所需的空间 隧道有效内净空面积隧道有效内净空面积客运专线隧道限界各国高速铁路隧道内净空面积表各国高速铁路隧道内净空面积表 国 家 线 别运营速度(km/h) 断面积(m2) 日 本 新干线2403006164 法 国 大西洋线 30071北方线、东南延伸线 300100地中海线350100 德 国汉诺威维尔茨堡曼海姆斯图加特汉诺威柏林25082科隆法兰克福30092 西班牙马德里塞维利亚27075 韩 国汉城釜山350107中国台湾 台北高雄35090法国

9、的经验法国的经验法国法国TGV高速线的经验高速线的经验：隧道内净空面积，根据列车运行速度确定，一般不低于下述规定值：列车速度 230km/h 270km/h 300km/h双线隧道 63m2 83m2 100m2 单线隧道 46m2 59m2 70m2 当列车长度为360m时，隧道最不利长度如下：速度300km/h时为299m，484m，1254m速度350km/h时为257m，415m，1075m我国客运专线隧道内净空面积我国客运专线隧道内净空面积序号 类别标准单线双线1200km/h客专近期客货共线 53.06m283.7m22200km/h客专近期双箱运输 56.2m289.64m2 3

10、250km/h近期客货共线58m290.16m2 4250km/h近期双箱运输58.08m293.76m2 5350km/h客运专线70m2100m2设计原则：设计原则：早进晚出、确保安全、因地制宜、保护环境、简约实用缓冲结构缓冲结构：双线隧道原则不设缓冲结构，当洞口位于城市或有密集建筑物时，可采取防噪音措施或结合洞门型式适当设置缓冲结构。洞门型式及缓冲结构洞门型式及缓冲结构几种洞门型式几种洞门型式l 结构支护参数结构支护参数l 耐久性设计耐久性设计结构支护参数和耐久性结构支护参数和耐久性双线隧道复合式衬砌支护参数表双线隧道复合式衬砌支护参数表围围岩岩级级别别初期支护初期支护二次衬砌二次衬砌预

11、留预留变形变形量（量（cm）喷射喷射砼厚砼厚度度（cm）锚杆锚杆喷聚丙烯纤维砼喷聚丙烯纤维砼/素喷砼素喷砼格栅钢架格栅钢架/型钢型钢拱拱墙墙（cm）仰拱仰拱/底板底板（cm）位位置置长度长度（m）间距间距（m）位置位置纤维掺量纤维掺量（kg/m3）钢筋网钢筋网8直径直径（mm）每榀间每榀间距（距（m）810拱拱部部2.51.51拱部拱部/边墙边墙0.91.235403540/35*31018拱拱墙墙3.01.21拱墙拱墙/仰拱仰拱0.91.2拱局部拱局部25254040/51823拱拱墙墙3.51.01拱墙拱墙/仰拱仰拱0.91.2拱墙拱墙2525格栅格栅22/1.0（拱（拱墙）墙）4545*

12、/8加加2325拱拱墙墙3.51.01拱墙拱墙/仰拱仰拱0.91.2拱墙拱墙2525/I181.0（全（全环）环）45*50*/8102528拱拱墙墙4.00.81拱墙拱墙/仰拱仰拱0.91.2拱墙拱墙2020/I201.0（全（全环）环）50*50*/1012加加2830拱拱墙墙4.06.010.8拱墙拱墙/仰拱仰拱0.91.2拱墙拱墙2020/HW1750.8（全（全环）环）5055*50*55*/1015混凝土耐久性设计混凝土耐久性设计混凝土的耐久性的指标：混凝土的耐久性的指标： 主要有抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗碳化、主要有抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗碳化、 抗磨蚀、抗钢筋锈蚀及防止碱骨料反应等抗

13、磨蚀、抗钢筋锈蚀及防止碱骨料反应等 几项指标。几项指标。混凝土耐久性设计混凝土耐久性设计混凝土的耐久性破坏原因：混凝土的耐久性破坏原因：外部因素： 物理作用物理作用-严寒侵蚀、冻溶循环、火灾、对收缩敏感骨料严寒侵蚀、冻溶循环、火灾、对收缩敏感骨料 化学作用化学作用-海水、氯离子、硫酸盐、碱海水、氯离子、硫酸盐、碱-骨料反应等骨料反应等 物理化学作用物理化学作用-钢筋腐蚀开裂、电解作用钢筋腐蚀开裂、电解作用内部因素： 混凝土材料混凝土材料-包括组成材料的性质、组成比例包括组成材料的性质、组成比例 钢筋性质和周围状态钢筋性质和周围状态-钢筋表面状况、保护层性质和状态钢筋表面状况、保护层性质和状态

14、混凝土施工使用过程混凝土施工使用过程-浇捣、养护、维护浇捣、养护、维护 混凝土受力状态混凝土受力状态-受力大小、性质和历史受力大小、性质和历史混凝土耐久性设计混凝土耐久性设计混凝土结构的破坏机理及控制措施：混凝土结构的破坏机理及控制措施：u冻溶作用冻溶作用-掺加引气剂、降低水灰比、加硅粉或粉煤灰掺加引气剂、降低水灰比、加硅粉或粉煤灰u有害盐对混凝土的侵蚀有害盐对混凝土的侵蚀 硫酸盐硫酸盐- - 设法提高混凝土的密实度，改善混凝土的孔隙结构，设法提高混凝土的密实度，改善混凝土的孔隙结构， 镁盐镁盐 以使混凝土介质不易渗入混凝土内部；或采用外部以使混凝土介质不易渗入混凝土内部；或采用外部 氯盐氯盐

15、- - 保护措施以隔离腐蚀介质不与混凝土相接触保护措施以隔离腐蚀介质不与混凝土相接触u碳化作用碳化作用-掺入粉煤灰或选择优质水泥及提高养护措施掺入粉煤灰或选择优质水泥及提高养护措施u钢筋锈蚀钢筋锈蚀-增加密实性、选用矿渣硅酸盐水泥、加大保护层厚度等增加密实性、选用矿渣硅酸盐水泥、加大保护层厚度等u碱骨料反应碱骨料反应-选用非活性骨料、掺非活性材料、选含碱量低的水泥选用非活性骨料、掺非活性材料、选含碱量低的水泥u混凝土的磨蚀混凝土的磨蚀-砼的坍落度尽可能小、选用耐磨蚀的骨料砼的坍落度尽可能小、选用耐磨蚀的骨料耐久性设计的思路和方法建议耐久性设计的思路和方法建议等级环境作用设计阶段 设计层次 内

16、容一严重环境初步设计阶段 材料设计混凝土材料组成、强度等级、水胶比、胶凝材用量、原材料选择、矿物掺和料、引气剂等二腐蚀环境技术设计耐久性指标和计算分析设计抗冻等级、扩散系数、渗透系数、使用年限预 测三一般环境施工设计施工质量的控制、构造措施与裂缝控制、维修与检测保护层厚度、钢筋防护措施，坍塌落度、浇捣养护，裂缝宽度、位置，验收手段和要求，维护观测、检测手段和要求系统设计的理念：系统设计的理念：“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则。特殊要求时采取“以堵为主，限量排放”的原则。防：衬砌结构的自防水，防止地下水渗入排：排水设施要通畅截：防止地表水渗入、防止岩溶水涌入堵：封堵较大的地下水、

17、围岩裂隙水和衬砌局部漏水防排水设计防排水设计防排水设计防排水设计防水标准:地下工程一级防水标准 1 衬砌不渗水衬砌不渗水,安装设备的孔眼不渗水；安装设备的孔眼不渗水； 2 道床排水畅通，不浸水；道床排水畅通，不浸水； 3 在有冻害地段的隧道，衬砌背后不积在有冻害地段的隧道，衬砌背后不积 水、水、排水沟不冻结。排水沟不冻结。主要防水措施 工程部位 防 水 措 施主体结构混凝土自防水、防水板截排水系统排水盲沟、泄水洞、地表截水系统施工缝变形缝中埋式止水带、遇水膨胀橡胶止水条、外贴式止水带、可维护注浆管、可卸式排水槽堵水系统围岩注浆、防水板背后注浆、局部漏水混凝土自防水普通混凝土：强度等级不小于C2

18、5，抗渗等级不小于P6；当为钢筋混凝土时强度等级不小于C30，抗渗等级不小于P8。防水混凝土：抗渗等级不小于P8，根据地下水压力情况，可适当提高。施工配合比应通过现场试验确定，抗渗等级要比设计提高一级（0.2MPa)。塑料防水板u塑料防水板可选用EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)、ECB（乙烯-共聚物沥青）、HDPE（高密度聚乙烯）、LDPE（低密度聚乙烯）或其他性能相近的材料。u塑料防水板应符合下列规定： 幅宽24m; 厚度1.22mm； 耐穿刺性好； 物理力学性能符合要求 耐久性、耐水性、耐腐蚀性、耐久性好。几种常用塑料防水板的性能 品种项目ECBEVA LLDPE LDPE HDPE P型P

19、VC优等品拉伸强度 （MPa)15.52020162015断裂延伸率 （%）560600600500600250热处理变化率 （%）2.522222低温弯折性35无裂纹20无裂纹抗渗透性0.2MPa 24h无渗水不透水常用施工缝防水示意图止水条止水条外贴止水带中埋止水带1 先浇混凝土先浇混凝土 3 后浇混凝土后浇混凝土（1） （2） （3）改进改进施工缝防水示意图止水条止水条外贴止水带中埋止水带1 先浇混凝土先浇混凝土 3 后浇混凝土后浇混凝土 4 可维护止水管可维护止水管444（1） （2） （3）中埋式止水带与外贴防水层复合使用的变形缝外贴式止水带外贴式止水带L300 外贴防水卷材外贴防水

20、卷材L400 外涂防水层外涂防水层 L4001混凝土结构；混凝土结构；2中埋式止水带；中埋式止水带；3填缝材料填缝材料 4外贴防水层外贴防水层中埋式止水带与遇水膨胀橡胶条、嵌缝材料复合使用的变形缝中埋式止水带与遇水膨胀橡胶条、嵌缝材料复合使用的变形缝 1混凝土结构；2填缝材料；3嵌缝材料； 4背衬材料；5遇水膨胀橡胶条；6中埋式止水带边墙变形缝防水示意图中埋式止水带衬垫板20背贴式止水带240隔离膜水泥钉接水盒嵌缝膏303015嵌缝膏30拱部变形缝防水示意图中埋式止水带嵌缝膏2403030衬垫板嵌缝膏30隔离膜15水泥钉接水盒3020隔离膜嵌缝膏引排水和堵水引排水和堵水局部注浆堵水北京地铁防水

21、设计喷射混凝土初支0.8厚保护钢板注浆导管土工布缓冲层顶纵梁纵向施工缝水膨胀嵌缝胶ECB防水板预埋注浆管北京地铁防水防水毯和中埋止水带防水板背后注浆管多道防水系统预留施工缝注浆管隧道工程环境保护的具体措施：隧道工程环境保护的具体措施：1 1 早进晚出，减少边仰坡的开挖，减少对早进晚出，减少边仰坡的开挖，减少对植被的破坏植被的破坏2 2 基岩裂隙水以堵为主，减少地下水流失基岩裂隙水以堵为主，减少地下水流失3 3 弃碴的利用与处理，减少水土流失弃碴的利用与处理，减少水土流失4 4 洞口适当设置减震、减噪声的措施洞口适当设置减震、减噪声的措施环境保护环境保护降低噪声洞内边强及洞外挡墙采取吸音措施洞内

22、边强及洞外挡墙采取吸音措施降低噪声洞内道床采取吸音措施洞内道床采取吸音措施列车在隧道内的几种情况：列车在隧道内的几种情况： 正常通行、洞内停车、灾害事故正常通行、洞内停车、灾害事故 逃生逃生 疏散疏散 救援救援防灾救援方案防灾救援方案防灾救援方案客运专线隧道内防灾救援方案的原则： 可能的情况下列车应开出洞外，洞内采取 “以引导旅客疏散为主”的设计原则。具体措施： 洞内设置救援通道疏散、救援 长隧道可利用辅助坑道设置紧急出口 考虑 特长隧道设置专用紧急出口 防灾 大于20km的隧道设置定点疏散点 通风l 施工方法的选择施工方法的选择l 辅助施工措施辅助施工措施四、客运专线隧道的施工四、客运专线隧

23、道的施工施工方法施工方法的选择施工方法的选择明挖法明洞法明拱暗墙法暗挖法全断面法 台阶法分部开挖法CD法CRD法双侧壁导坑法辅助施工措施 辅助坑道的设置 长管棚施工 基础处理 注浆加固 明挖边坡的处理 临时仰拱施工工法 仰拱施工防干扰措施 玻璃纤维锚杆加固工作面1)上台阶開挖土方開挖:70m3/m噴凝土:20m2/m2)下台阶開挖土方開挖:46m3/m噴凝土:7m2/m3)仰拱開挖土方開挖:14m3/m噴凝土:12m2/m台阶法施工示意图（断面方台阶法施工示意图（断面方130m2)W h e e l L o a d e rB a c k h o eH y d r a u l i c B r e

24、 a k e rD u m p T r u c kT o p H e a d i n gB a c k h o eD u m p T r u c kB e n c hI n v e r t B r i d g eR e b a r F a b r i c a t e S t a g eS h e e t S t a g eC o n c r e t e p u m pT r u c k M i x e r破 碎 機出 碴 卡 車傾 卸 車挖 土 機混 凝 土 泵 浦 車混 凝 土 拌 合 車防 水 膜 安 裝鋼 筋 組 立S l i d i n g F o r m襯 砌 鋼 模仰 拱 棧 橋出 碴 卡 車挖 土 機台 階上 半 斷 面D u s t C o l l e c t o rD r i l l J u m b oT r u c k M i x e rC o m p r e s s o rC u b i c l e混 凝 土 拌 合 車鑽 堡集 塵 機受 電 台 車空 壓