高速铁路隧道技术发展现状存在问题及其展望Word下载.docx

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地铁工程目前仅有京、津、沪、穗四市约80km正在运营，而在建工程则很多，目前除上述四城市仍在继续扩建地铁外，南京、重庆、青岛、沈阳、深圳、成都等约20个大中城市进行了地铁和轻轨交通系统规划，部分项目正在全面施工。

我国公路隧道在80年代前，因公路等级较低，同时限于设计、施工及短期投资大等多种原因，很少设计长大隧道，且数量（总长度）上也不多，但改革开放以后，为了实现截弯、降坡、提速、提高运营安全及实现长期运营收益提高等，相继修建了一批长大公路隧道，如辽宁的八盘岭双线公路隧道（长1600m），吉林的小盘岭公路、，速公路建设的大规模展开和设计、施工总体水平的提高，公路隧道工程在总量、单体长度上有了突飞猛进的发展，隧道单体长度记录不断被刷新。

目前已提高到4km长度以上的水平，如川藏公路上的二郎山隧道全长4160m，目前我国海拔最高，2000年4月18日峻工通车的重庆铁山坪路隧道双线全长5424m，是目前我国最长的大跨度公路隧道，北京至八达岭高速公路上的潭峪沟公路隧道主隧道全长3455m，单向三车道，是目前国内最宽的公路隧道。

　水利水电隧洞

主要包括水工隧洞和地下厂房两大部分，水工隧洞主要包括引水隧道，导流隧洞，泄洪隧洞等，地下厂房指不过水的地下洞室，包括电站主副厂房洞室、开关站、闸门竖井等，我国自70年代中期以后，先后建成了一大批著名的水电工程，如二滩水电站、黄河小浪底、葛洲坝等，还有目前正在建设的世界最大的水电工程长江三峡工程，这标志着在水利水电系统地下工程和隧道建设已达到或接近世界先进水平。

目前水电地下工程建设中的一个明显特点是工程规模不断大型化，具体体现为:

引水隧洞埋深增大，导流、泄洪洞断面增大、跨度增大、边墙增高的地下洞室群体规模增大，隧洞承压水头增大，如正建的锦屏二级引水隧洞埋深达2600m（与目前世界上已建最大埋深的法国谢栏引水隧洞埋深2620m相近），已建成的二滩电站导流洞，断面达403m2，已建成的天湖抽水蓄能电站的水头则高达1074m，在长度方面，1991年建成的太平驿引水隧洞就达10km。

　地下工程

地下工程包括市政管线工程，地下仓储工程，我国隧道及地下工程发展现状和前景展望随着现代化城市高密度化、生活水准的高标准化、各种供给设施（如电信、电气、煤气、上下水等）的需求量将会急剧增加，需要改造和增设的供管线愈来愈多，解决这一问题的最好对策乃是进行统一规划与管理的城市地下共同沟（城市地下公用事业综合隧道），1994年上海浦东建成了我国第一条规模较大的张扬路共同沟。

城市地下空间开发利用，目前较广泛的有高层建筑物地下室，平战结合的人防工程，如上海人民广场地下商场，哈尔滨、长春地下商业街等。

利用地下工程恒温恒湿，受地面干扰小，防灾抗灾能力强等的特点，我国修建了许多地下储库，如地下粮库、油库、金库等。

随着我国经济和科技的发展，地下工程的应用领域和应用深度将不断拓展。

二、我国隧道及地下工程的主要开挖方法及新技术

世界发达国家已有的隧道和地下工程施工技术，大部分已在我国开发利用，并在工程实践中结合中国的国情得到不断的改进和发展。

由于隧道及地下工程类型、规模、地层、施工装备、技术水平等的不同，相应产生不同的开挖方法，按大类主要可分以下几种:

以1981年11月开工，1987年12月竣工的大瑶山双线铁路隧道的施工为代表和开始，成功地推广了锚喷支护新奥法大断面开挖施工技术，90年代采用新奥法又一次成功修建了号称“天下第一险洞”（高地应力、高地热、多瓦斯、多断层、多地层塌方）的南昆铁路家竹箐隧道，这标志着我国钻爆法隧道施工技术达到和接近了世界先进水平。

其中形成的施工前、中、后的超前地质预报模式、围岩变形量测、预报、指导施工模式及围岩加固模式，为我国全面推广新奥法隧道设计与施工技术奠定了坚实基础，我国目前已建成的最长的单线铁路隧道西康铁路秦岭隧道施工中采用了（1997年12月18日）全断面隧道掘进机（TBM），使我国的交通隧道修建技术又上升到一个新台阶，而在上海、广州、北京地铁隧道施工中，盾构机得到了大面积使用，取得和积累了很多成功经验，用此法目前已建成了约100km长的各种用途的隧道。

3、当前国内铁路隧道施工主要存在技术问题

爆破精细控制技术

隧道开挖技术是隧道施工的核心技术之一，也是隧道工程界最为活跃的研究热点，机械开挖技术和控制爆破技术是主要研究方向。

为了充分发挥机械设备技术进步的优势、提高开挖作业的效率和安全性、降低人力劳动作业量，隧道开挖呈现出由分步（台阶法）开挖向全断面开挖发展的趋势。

其中，尤以精细爆破技术和软弱围岩预加固全断面开挖技术为代表，就石质围岩隧道的开挖而言，当前有两个问题较为突出，一是控制爆破能力不足、破碎围岩条件下的光面爆破效果差；

二是普遍采用的台阶法开挖工艺不能满足隧道施工工序安全步距的相关规定。

光面爆破效果差，不仅影响隧道开挖安全，还造成普遍存在的超挖现象。

现场的初步统计表明，因超挖造成的支护混凝土和二次衬砌混凝土超设计使用量平均达30%以上，还引起出碴量的无谓增加，给项目成本控制带来很大的压力，同时还造成支护背后空洞等质量安全事故。

针对上述问题展开精细爆破技术应用的研究，对隧道施工安全、质量和成本控制意义重大。

改进开挖技术

隧道开挖时，围岩级别优于III级时采用全断面法既可保证进度也利于降低成本，已成共识。

问题存在于Ⅳ、Ⅴ级围岩的开挖，当前普遍采用的台阶法开挖工艺有利于人员循环作业，进度和成本控制有保障，但台阶的存在造成仰拱跟进掌子面的距离超过相关规定，形成安全隐患。

调查统计表明，隧道开挖台阶长度过长是近年来国内隧道施工发生众多安全事故的主要原因之一。

为了确保铁路隧道施工安全，铁道部对仰拱与掌子面的距离要求越来越严格，《TB10304-2009铁路隧道工程施工安全技术规程》规定：

Ⅲ级围岩中仰拱与掌子面的距离不得超过90m，Ⅳ级围岩不得超过50m，Ⅴ级及以上围岩不得超过40m。

铁道部《铁建设[2010]120号关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》对隧道开挖掌子面与仰拱之间的距离做出了进一步的强制性规定：

隧道开挖后初期支护应及时施作并封闭成环，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩仰拱封闭位置距离掌子面不得大于35m。

当前铁路隧道施工中，无论围岩的稳定性如何，采用长台阶法施工都难以满足上述强制性工序间安全距离的要求；

采用短台阶法（长度小于一倍洞径）施工时，由于上、下台阶不能平行作业，工作效率大大降低，进度严重受阻。

各级安全检查结果表明，如果不改进开挖技术工艺，贯彻落实铁道部的上述要求将非常困难。

机制砂喷混凝土湿喷工艺

在新奥法施工理论体系下，支护技术、围岩加固和预加固技术成为特殊地质条件下隧道施工成败的关键。

锚喷与拱架结合的支护技术已较为成熟，注浆加固是围岩加固的主要方式，长钢管压浆（大管棚和超前小导管）则是超前支护的主要方式。

当前，业界对超前支护作用机理的新定义是：

开挖掌子面前方纵向具有梁作用，横向具有拱作用。

在此理论的指引下，用于稳定掌子面的柔性预衬砌和用于控制地面下沉的刚性预衬砌技术，以及水平喷射注浆技术等成为预支护技术研究的新方向。

喷射混凝土是隧道支护施工中的主要工序，根据《铁建设〔2010〕241号高速铁路隧道工程施工技术指南》规定，喷射混凝土应采用湿喷工艺，这一规定主要是从保障喷混凝土施工质量和人员劳动健康的角度出发的。

在现有技术条件下，利用机制砂，采用湿喷工艺进行喷射混凝土施工需要解决好两个问题：

一是湿喷工艺施工成本比干喷工艺高，这给规范规定的优先采用湿喷工艺标准的贯彻执行和项目成本核算带来巨大的压力；

二是机制砂相对于天然砂在技术指标上存在的差异。

具体来讲，机制砂要满足规范要求的石粉含量限值必须经过水洗工艺，而水洗机制砂的共性问题是级配不好、拌制的混凝土和易性差，泵送效果差，规范规定混凝土坍落度应在80~130mm之间，实际施工中坍落度需放大到170mm以上方可泵送。

混凝土坍落度增大必然导致混凝土单位用水量增加、匀质性降低，不仅严重影响了混凝土的速凝效果和强度，而且降低了支护能力及外观质量，混凝土回弹量也大幅增加，施工成本加大，这也成为喷射混凝土湿喷工艺得不到贯彻执行的主要原因。

仰拱与掌子面进度的协调性

隧道仰拱是初期支护和二次衬砌的衔接工序，直接影响隧道的施工质量和工序安全步距。

当前铁路隧道施工中，在开挖进度正常的情况下（尤其是强于Ⅲ级的围岩），因没有理想的施工技术和配套设备，通常采用多开工作面或增加仰拱一次施工长度的方法来提高仰拱施工进度。

然而，这两种方法均存在工序间相互干扰大、洞内施工组织困难、循环时间长等难题，而且附加成本较高，仰拱施工的质量和进度难以保障，进而影响了防水系统、二次衬砌等后继工序的结构衔接质量和进度，安全步距不能满足相关规定的强制性要求，因此隧道仰拱成为隧道施工中控制性工序。

隧道沟槽施工工艺

隧道沟槽（中心水沟、侧沟、电缆槽）混凝土施工断面小，轮廓线条多，单位体积表面积大，施工困难。

但是，水沟电缆槽既是隧道的“形象工程”，又是通讯、信号、电力等运营设施的直接承载体，其实体质量和表观质量直接影响了隧道工程的整体形象和使用功能。

受前期隧道施工重主体、轻附属思想的影

响，隧道沟槽施工至今没有开发出理想的配套设备。

前普遍采用的小块组合钢模分段施工法存在整体性差、加固支撑多、工序繁杂、循环时间长、施工效率

低、对工人技能要求高等诸多问题。

而且造成施工成本高，外观质量和实体质量达标困难，作业面文明形象差。

通风及空气净化技术

在我国隧道施工以钻爆法和无轨运输为主导的大环境下，通风防尘技术是涉及人员生命健康的大事，是隧道施工水平的重要标志，也是影响隧道施工方案选取的控制因素之一[12]。

当前，用于压入式通风的射流风机和巷道式通风的轴流风机，以及两者的混合应用都已是成熟的产品和技术。

但是，因隧道施工时爆破飞石、开挖支护作业台架行走等原因，通风管不能通达掌子面，加上通风管长距离漏风，造成工作面新鲜空气不足，洞内的空气质量普遍不能达标，给洞内作业人员造成严重的健康危害。

已有的调查结果表明：

我国从事隧道施工的一线工人中，患尘肺病的比例达到%，比粉尘危害最严重的煤矿部门（%）仅相差%。

另一方面，从技术经济角度来讲，随着隧道工程在铁路线路总长度中所占比例的提高，长大隧道数量随之增加，开挖面的新鲜空气需从千米以外的洞口引入，通风阻力大、能耗高，单纯以通风来保持洞内空气质量，无论在技术上还是成本上都变得非常困难。

事实上，现场常因通风成本高昂而减少通风时间或降低通风机功率，进一步恶化了洞内空气质量[13]。

机制砂加工技术

随着国家基础设施建设规模的扩大和环境保护要求的提高，可供混凝土使用的天然砂资源越来越匮乏。

在山区隧道工程中，利用隧道弃碴加工机制砂、碎石无论在技术上还是经济上都成为必然的选择。

当前，机制砂加工利用过程中存在着以下问题：

（1）机制砂、碎石生产线要经过：

母料精选→清除杂质（过振动筛）→鄂破→清洗→反击破碎→筛分→成品数量确认→检验→标识储存与保管等程序。

实际生产中，不同的生产设备或相同设备在不同的运转状态下所生产的成品在数量比例、技术指标和工程适用性上存在差异，例如：

生产的细骨料比例小于施工需求，而粗骨料比例大于施工需求，部分粗骨料浪费或需要二次加工成细骨料。

这就需要对机制砂、碎石生产线的设备选型和生产工艺状态指标进行研究，以确定最理想的生产设备和生产工艺。

（2）相关规范规定了混凝土用砂的含泥量和石粉（小于80微米的颗粒）含量的限值。

例如，用于C35～C55混凝土的机制砂中石粉含量不得大于7%。

一般地，不经清洗、由生产线直接筛分获取的机制砂中石粉含量在12%～16%之间，合格的机制砂生产线均需增加水洗或风洗设备以降低石粉含量。

水洗机制砂的共性问题是级配不好，对贵广铁路GGTJ-1标16个机制砂生产线生产的成品试验表明，水洗机制砂的细度模数普遍在~之间，个别批次细度模数达到，远远大于规范要求的理想值（~）。

这种细度模数指标不理想的机制砂与其它材料的配合比兼容性差，拌制的混凝土性能难以满足施工要求。

需要对机制砂石粉含量的控制指标、控制技术和机制砂应用配合比优化进行系统研究。

（3）从提高混凝土性能和经济性出发，混凝土中要求加入一定比例的粉煤灰和矿粉，石粉在混凝土拌制过程中与两者有类似的作用，但当前铁路规范要求严格控制其掺入量。

相关研究已表明，细骨料中的石粉含量可以适当提高，例如：

《DBJ52-55-2008贵州省高速公路机制砂高强混凝土技术规程》对用于高强混凝土（≥C50）机制砂中的石粉含量给予了适当放宽，达到10%。

所以，可以通过试验研究确定铁路工程混凝土细骨料中对石粉含量限制指标适当放宽的可行性。

（4）根据规范规定，机制砂不能用于梁体混凝土，例如，贵广铁路贵州境内梁体用砂就需火车从广西远运供应，采购单价远超过工程预算。

四、贵广铁路建设实例

以贵广铁路建设为例，结合当前隧道施工中存在的上述问题，列举一些解决上述问题的措施。

（1）引入精细爆破技术，实现爆破效果及爆破扰动围岩范围的有效控制。

（2）开发应用微台阶开挖工法，引进精细爆破设计技术，利用可适用于全断面和台阶法开挖的悬臂拼装式台架，实现上下台阶同步凿岩爆破、同步出碴支护，将全断面开挖工艺演化应用于台阶法开挖，成功地解决了Ⅳ、Ⅴ级石质围岩隧道开挖进度与工序安全距离之间的矛盾。

（3）初步试验结果表明，大渗量粉煤灰喷混凝土的应用可以有效地解决机制砂混凝土和易性改进问题。

（4）当前在贵广铁路建设中开发应用的高速铁路双线隧道仰拱快速施工的设备及工法，解决了隧道快速施工机械化配套课题中仰拱施工进度与掌子面掘进进度保持一致的关键性问题，从根本上改变了现有的隧道施工组织模式，使之成为保障隧道施工质量、进度、成本控制的技术基础和实现隧道施工标准化作业、人性化文明工地建设的技术基础。

所述的仰拱快速施工设备包括双车道仰拱栈桥、仰拱模架、中心沟模架、端头梁和走行设备五个部分，提供了双车道通行、仰拱一次性整体浇筑、填充与仰拱分次浇筑、仰拱模板和中心水沟模板自行整体移动就位等使用功能（图1）。

仰拱快速施工设备及施工工法的应用使得隧道施工变得更为快捷，达到了如下效果：

仰拱施工的效率显著提高，只需一个工作面可满足每月180～300m的进度要求；

模板系统可自行移动，人力劳动强度降低，机械化水平提高；

模板定位不需要加固钢筋，人力及附加成本大幅降低；

工程质量显著提高，生产成品内实外美；

利于前后工序的衔接，容易实现开挖掌子面、仰拱和二次衬砌等工序间安全步距的保持，为隧道快速掘进提供了保障；

提

供双车道通行，优化了洞内施工组织和工序分区，利于标准化作业和安全文明施工。

（5）开发的隧道沟槽施工配套设备和工艺技术，成功地解决了前期隧道沟槽施工中存在的主要问题，应用效果良好；

当前在贵广铁路建设中开发应用的适用于高速铁路隧道沟槽施工工艺要求的隧道沟槽快速施工设备（图2）和配套施工技术，成功地解决了前期隧道沟槽施工中存在的上述问题，填补了隧道快速施工机械化配套研究的空白。

现场应用效果表明，该设备的使用使得隧道中心水沟、侧沟和电缆槽施工变得更为快捷，生产成品结构美观，作业面整洁，从质量、工期、成本、标准化作业、人性化管理、文明施工等方面均取得了良好效果。

（6）空气净化设备与通风设备配合使用，可以更有效地改善长隧道洞内空气质量，节约成本。

在隧道施工污染源相对集中的开挖支护作业面，采用空气净化设备并与通风设备配合使用，可以更有效地改善洞内空气质量。

先进的除尘设备效率高达99%以上，空气净化设备以高效率和低成本除去洞内大部分污染源，净化后的空气可返回工作面循环利用，使通风量大幅减小。

通风机的功率与通风量

三次方成正比，如果通风量减少一半，功率则下降%，通风机的功率可以得到大幅度降低。

国外研究资料表明，使用循环风以后，通风机的功率可以节约60%以上。

可见，空气净化设备与通风设备配合使用，不仅有很好的社会效益，经济效益也很明

五、我国隧道及地下工程的发展前景

　隧道发展前景

随着我国经济的持续发展综合国力不断增强，高新技术不断发展，我国隧道发展前景是非常广阔的，同时隧道的发展也是我国国民经济发展、国家西部大开发战略、开边通海战略的迫切需要。

交通设施、水电工程越来越成为制约一个地区经济发展的瓶颈所在。

在交通隧道方面，随着我国高速公路干线网的不断完善，特别是向我国西部多山地区的不断延伸，海南岛与陆地的跨海延伸，以及辽东半岛、胶东半岛之间的跨海连接，崇明岛与上海之间等长江沿线的地下连接都需要巨大的隧道工程来支撑，随着西部的开发，我国铁路隧道、公路隧道的单体长度及数量记录，都将不断被刷新，如1999年竣工的秦岭铁路隧道长度已达，2000年5月竣工的重庆铁山坪公路隧道长度为。

在跨海、跨江隧道方面，目前我国国内已对琼州海峡隧道完成了可行性研究，不少有识人士也已提出了跨越渤海湾联接辽东与胶州半岛的南桥北隧固定联络隧通道，跨越长江入海口连接上海—崇明—启东的江底隧道、京沪、京广高速铁路跨越长江的沉管隧道，甚至提出了兴建台弯海峡隧道的设想。

日本的青函海底隧道（全长海底部分长，英法海底隧道（全长50km，海底38km）的建成运营，以及其它国家，　　明挖法以它施工简单，安全快速、造价较低，仍然是除山岭隧道，江湖河底隧道外首选的施工方法，其中的盖挖法是市区修建地铁车站的主要方法，北京、上海、南京、广州有近10座地铁车站采用此法，并取得了很多宝贵经验，逆作法或半逆作法也已从局部试点转入工程实际应用，如深圳地王大厦、上海金茂大厦地下室，除主楼外全部采用半逆作法施工，使工期大大提高。

暗挖法适应范围广、铁路、公路、水利水电隧道、矿山巷道以及城市繁华市区下地铁、地下工程广泛采用此法，沉箱（管）法则主要用于跨越江湖河流等水体隧道的施工。

我国的隧道及地下工程施工技术自80年代以来，得到了快速发展，代表隧道工程施工新技术发展

（1）必须加强前期的工程地质勘察和可行性研究工作，加强从选择设计、施工单位，实行监理制度等各阶段的科学管理，管理体制应同国际接轨。

（2）进一步完善隧道及地下工程设计施工的法规和技术规程建设，做到有法可依。

（3）进一步通过科学实验和计算，完善在动静荷载作用下，地下结构与围岩介质的共同作用理论，明确隧道和地下工程周边各阶段的荷载分布，使结构内力分析、断面设计方法更符合实际。

（4）在准确理解的基础上，全面推广应用“新奥法”新奥法不能简单地理解为一种具体的施工方法，实际上它是一种新理念下的从设计施工直到运营的隧道及地下工程建设的指导思想原则，再配合一些必要的工法。

（5）先进施工机械的引进和研制，先进的各类工法和专家系统的提出。

如隧道凿岩机，各种盾构机和微型自动导航地下施工机械等。

（6）加强施工队伍技术素质的提高，加强经济技术管理，降低工程造价。

（7）加强环境保护意识，注意隧道和地下工程施工运营中不产生对环境不利的影响和公害或采取适当措施，将影响减到可以接受的程度。

应逐步建立建全大型隧道及地下工程施工监测、监控、环境病害预测防治系统。

在水电隧道方面，随着以世纪工程三峡水利水电工程等一大批大型、超大型水电工程项目的实施与完成，我国在深埋、长大隧道及大跨度地下厂房的设计与施工能力上，都已经或将要达到或接近世界先进水平，随着我国西部大开发的进行，雅鲁藏布江、金沙江等水力资源丰富的江河上梯级电站建设，我国水利水电隧道的建设也将进入一个全新的发展时期。

六、高速铁路隧道的研究几个热点问题

高速铁路隧道的空气动力学效应

当高速行驶的列车进入隧道后，原来占据着隧道空间的气体被排开。

由于空气的粘性和隧道壁面与列车表面的摩阻作用，被排开的气体不能像在隧道外那样可以及时顺畅地沿着列车两侧和上部形成绕流。

结果是，列车前方的气体受到极大的压缩，列车后方则相应地形成负压。

这就产生了一个压力波动过程，而这种压力波动又会以声速传播到隧道口，形成反射波，又由于回传，叠加，从而诱发一系列负面影响的空气动力学效应：

如由于瞬变压力的产生，造成旅客身体不适，并可能会对铁路员工和车辆产生一定的危害；

当高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微压波，可能会引起爆破噪声同时危及到洞口建筑物；

当行车阻力加大，对列车动力以及能耗的特殊要求将会提高；

列车风的加剧将会影响在隧道中的作业人员；

除此之外，还会产生隧道内热量积聚，空气动力学噪声等不利影响。

高速铁路隧道的空气动力学效应受多种因素影响，主要包括几个方面的因素：

（1）机车车辆方面。

其中又包含了：

列车外表面形状和粗糙度、行车速度、车头形状、列车横断面、列车长度、车尾形状、车辆的密封性等对空气动力学效应的影响。

（2）隧道方面。

其中有包含了：

单双线、单双洞、隧道壁面粗糙度、竖井、斜井和横洞、隧道净空断面、洞口及辅助结构物形式、道床类型等。

（3）列车在隧道中的交会方面。

高速铁路隧道的瞬变压力

列车移动时从挤压、排开空气到留下真空整个过程引起的压力变化和列车头进入隧道产生的压缩波以及车尾进入隧道产生的膨胀波在隧道两洞口之间来回反射产生的压力变化共同组成了高速列车进入隧道所引起的瞬时压力变化。

而且，当双线隧道中同时有列车相向行驶时，所产生的情况更为复杂。

列车高速运行时的乘客的舒适程度与列车通过隧道时产生的压力波动有关，这也是高速列车通过隧道时所产生的主要效应。

压力波动时，特别是在极短时间内的压力突变传到人体时，会使人耳膜的压力感觉不适，大大降低乘客的舒适度。

然而人们对这种瞬变压力的舒适感是有值域区分的，超过一定值时，会明显不适。

因此，控制压力波动的阀值是以乘客乘车舒适度为基准的。

高速铁路隧道的微压波

隧道出口微气压波，是高速铁路隧道运营过程中产生的另一个空气动力学问题，简称微压波。

微压波是列车进入隧道时产生的压缩波在另一端释放时产生爆破声，影响周围环境，严重的可使建筑物的玻璃破碎，对环境造成声音污染。