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1、客运专线长大隧道设计施工 1 我国客运专线隧道的概况 根据国院批准的中长期铁路网规划到2020年全国铁路营业里程达到10万km，其中客运专线营业里程12 000km包括：新建客运专线10 000km；新建城际客运系统2 000km。 客运专线隧道的数量：据不完全统计，我国客运专线隧道的修建数量将超过1 000km。其中：武广客运专线165km，甬福厦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。客运专线隧道分类如表1：2 客运专线隧道的特点 客运专线隧道的特点是要重点考虑以下4个方面问题： (1)空气动力学效应 (2)隧道断面的设计
2、 (3)更加重视对环境的影响(4)防灾救援要求高2.1 空气动力学效应高速列车在隧道内运行产生空气动力学效应，引起的问题有： (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)高速列车进入隧道后，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，并危及洞口建筑物；(3)行车阻力增大，使运营能耗增大，并要求机车动力增大；(4)形成空气动力学噪声(与车速的6-8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
3、隧道两方面采取措施，以减缓空气动力学效应。 影响空气动力学效应的因素：车辆的因素 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2.2 客运专线隧道断面的设计 隧道有效内净空面积洞门型式及缓冲结构 结构支护参数和耐久性 防排水设计 环境保护 防灾救援方案2.2.1 隧道有效内净空面积 隧道净空面积的影响因素： 隧道建筑限界 线间距 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2.2.2 洞门型式及缓冲结构 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：双线隧道原则不设缓
4、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。缓冲棚：（国外缓冲棚的两张图片）2.2.3 双线隧道复合式衬砌支护参数表（见表4）2.2.4 耐久性：隧道施工也引入了耐久性概念，衬砌混凝土应为高性能耐久性混凝土，特别是地下水丰富的地层。2.2.5 防排水设计：应采取“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”原则。非含水层、弱含水层以及对环境影响不大的隧道或区段，地下水引排是隧道防排水的常规措施，亦可采用先排后堵的措施。以前在地下水发育的岩溶区修建隧道采用常规“排放”方案，是以牺牲环境为代价来换取暂时的工程进度，随即频繁产生的地质灾害对施工和运营造成了重
5、大的威胁。现在最新理念是大堵小排、全封闭设计施工，保护水资源，使工程不留后患。2.2.6 环境保护：客专设计和施工均应引进循环经验，减少环境污染，防止水土流失。2.2.7 防灾救援方案隧道防灾应贯彻“以防为主、防消结合”的原则。我国客运专线规定，隧道内应设置贯通整个隧道的救援通道，单线隧道单侧设置，双线隧道双侧设置。双线隧道可利用平导；两个单线隧道设横通道，间距400600m；圆形断面隧道有纵向防灾通道。3 客运专线长大隧道的设计施工原则3.1 设计、施工中必须建立综合超前地质预报系统，作为正常工序并列人预算之中。客运专线施工技术指南强调了地质超前预报，将开挖面地质素描和监控量测纳入正常施工工
6、序。3.2 必须采取动态信息化设计和信息化施工，以及信息化动态管理。客运专线施工技术指南要求隧道施工要实现信息化管理，对施工期地质预测、预报的内容提出了要求，明确要求施工中应该将几种预报手段（洞内地质测绘、物探(TSP探测、声波检测、雷达探测等)超前预报、水平超前钻探等）综合运用、取长补短、相互补充和印证，做到有疑必探、先探后掘。3.3 复合式衬砌是地下工程也是铁路隧道的重要结构形式，不论长、短隧道均应采用复合式衬砌结构形式，中间设防水隔离层。设防水隔离层有三个目的是防水、防裂、一次支护和二次模筑衬砌之间剪应力为零。一次支护必须从上向下施作，二次模筑衬砌必须从下向上浇注。客专隧道的初期支护参数
7、有所加强，钢筋网的钢筋直径加大、间距减小、保护层加厚（不小于3cm）；二衬的施作时间分三种情况不同对待：分深埋隧道、浅埋隧道和围岩变形过大或初期支护变形不收敛又难以及时补强时的三种情况。3.4 从环境保护出发，尤其在岩溶地区隧道防排水设计原则，必须将以排为主改为以堵为主，限排为辅。3.5 取消洞门或设计简易洞门 洞门应设在早进晚出地段，按不受力洞门设计。挡墙式洞门，必然造成大的刷坡而破坏洞顶环境。在桥隧相联处，陡壁处可不设洞门，洞口易选在鼻梁上，洞口处取消深路堑。3.6 5km以上隧道设置平行导坑是确保安全、质量、进度的重要措施，也是今后运营隧道所必需。3.7 辅助坑道的设置原则3.7.1 辅
8、助坑道有竖井、斜井、平导、横洞、泄水洞五种主要形式，辅助坑道的选择次序应为横洞、平导、斜井、竖井，特殊地区可设一水洞。横洞和平导不需要特殊提升设备，风险不大，施工后还可为运营服务，应优先选择。3.7.2 竖井一般超过40m就要特殊设计，吊绳也要选无旋转钢丝绳和各种绞车、稳绳，其效率很低，随着竖井的加深而成平方减低，工程实践证明投资大，危险，效率很低，是正洞进出口效率的10左右，建议不考虑，尤其当竖井深度超过百米更没有比选价值。3.7.3斜井按有轨提升考虑，极限安全长度应为1000m以内，超过该长度，牵引困难，易脱轨。成本也很高，合理斜井长度通过工程实践和理论计算，考虑效率按进出口的50计算，斜
9、井长度在1000m左右为宜。每个斜井的投入设备包括三通一平需投入2000万元左右，因此在6km长双线隧道不设任何辅助坑道而加大进出口设备投入，效果会比较好。3.7.4 平导是提倡的辅助坑道，是进、出口的得力助手，相辅相成，增加平导可加快进、出口进度2倍以上，可预报地质、释放风险、提前处理不良地层，施工结束也为运营多提供了一个维修救援通道，平导也可提前进入正洞开挖下导洞，为正洞开挖提高进度23倍，米花岭隧道有成功实例，不需要单独开辟施工场地和三通一平，投人费用少，开工快，尤其在复杂山区更需要设置。3.7.5 横洞在有条件的情况下长度不超过200m，横洞进口有道路和弃碴条件时可设置，开挖从里向外施
10、工，其功能是缩短弃碴运距和有利施工通风，投入费用少，能提高正洞效率。3.7.6 岩溶地区在洞底下部附近56m处设泄水导洞，将岩溶水通过泄水洞排出，在圆梁山出口非常成功。岩溶地区当把溶洞、溶管挖断挖通时，应采用心脏搭桥方式进行联道处理为主，以注浆堵水为辅，尽量不破坏原有水系，所以泄水洞可做成各种大小和形式。3.8 长隧道的开挖方法 (1)全断面钻爆法(2)导洞超前、后部扩大钻爆法。导洞可超前1015m争取临孔面，为后部扩大加快速度，节约炸药，减少超欠挖、减少振速提供条件，应优先考虑（见图3）。优化掏槽方案：通过试验研究设计出多种掏槽方案，进行对比，创造出一种硬岩方形五大孔(102mm)掏槽模式，
11、中间大空孔装药（见图4）。(3)小直径TBM(34m)加钻爆法扩大，为推荐方法，以提高科技含量。 (4)软弱地层段，采用正台阶开挖加超前支护进行。 (5)有轨运输、无轨装碴。(6)长隧施工通风方法：采用压人式和射流正洞式通风，可实现左、右洞调节，通风效果很好。表5、表6和表7给出国内外长隧的各种参数供参考。3.9 设备投入是加快长隧道施工的关键 钻爆作业线，装碴运输作业线、喷锚支护作业线、防水板和混凝土衬砌作业线是四条正洞和平导的必须配套设备，注浆作业线、通风作业线、排水作业线为3条辅助作业线，7条作业线的设备投入费用应占隧道施工总费用的20左右。否则，隧道施工是实现不了安全、优质和快速。3.
12、10 引进循环经验的概念进行设计3.10.1 全面推进节约能耗的设计，提高资源利用效益。如水、电、油、砂、石、水泥、木材、钢材原材料如何节约，地下水如何为施工服务，建成后可否长期应用，全面推广液压台车打眼取消风钻电老虎，采用有轨电力牵引节约油耗，砂石自制，水泥加30粉煤灰，网构钢拱架取代工字钢、H型钢等。 3.10.2 注意环境保护的设计：如何弃碴造田变废为宝，如何减少施工环境污染，如何保护地面植被，废水处理，从源头减少污染源。3.11 利用新设备、新仪器、新技术、新材料、新工艺，提高和改善传统的钻爆法施工配套技术的设计；符合人性化的三通一平设计，引进小断面TBM；施工的各个工序都要进行交叉学
13、科的应用和研究等。设计方案的研究在前，结构设计在后。3.12 增加安全风险评估的设计 安全、风险设计是确保施工安全、质量的关键，在预可研、可研报告中都增加这个内容，设计风险、施工风险、运营风险均应反映在建设的全过程中。对此，北京地铁建设的安全、风险咨询已交某大学隧道中心负责。 以上12条设计和施工原则是国内专家长期研究的结晶，只要按照此12条进行铁路建设，隧道就会健康发展。4. 几个技术问题的讨论4.1 双线隧道和两个单线隧道的比较(见表8)，经比较，各有利弊。4.2 断面形式客专隧道断面有马蹄形断面、蛋形断面和圆形断面，圆形断面受力好，可不设避人洞，运行空气阻力小。仰拱所有地层均应设置。4.3 合理经济速度V270kmh时，牵引力90用于克服空气阻力；V300kmh时，牵引力95用于克服空气阻力；V=300350kmh时，轨道、道岔、区间半径、外轨超高、线间距、隧道、桥梁技术要求很高。欧洲的实践经验经济合理速度270kmh，速度200、250、300、400kmh噪声分别为82、85、89、102分贝。4.4 洞口缓冲结构的设置断面大于90可不设置缓冲结构，双线隧道可不设置缓冲结构，两个单线隧道应予设置。13