客运专线隧道施工技术.docx
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客运专线隧道施工技术
客运专线隧道施工技术
石家庄铁道学院土木工程分院
二○○五年九月
1国外高速铁路和国内客运专线隧道概况
1.1国外高速铁路隧道概况
据统计，国外已经投入运营的高速铁路总长度超过6237km，已建成的高速铁路隧道大约有1149.2km（不含意大利的隧道），其中日本698.6km，法国59.7km，德国185.7km，西班牙15.8km，韩国189.4km，具体情况见表1。
表1国外已建成高速铁路隧道情况
国家
线别
线路长度/km
隧道长度/km
隧线比/%
建成时间
日本
东海道新干线
515.5
69
13.5
1964年10月
山阳新干线
553.7
281
50.7
1972年/1975年
东北新干线
496.5
112
24
1982年6月
上越新干线
269.5
106
39
1982年11月
北陆新干线
117.4
60
51
1997年10月
东北盛冈-八户段
96.6
70.6
73
2002年12月
小计
2049.1
698.6
34.1
法国
大西洋线
282
20.8
7.4
1989年
北方线
333
10.7
3.2
1993年
巴黎地区联络线
128
9.6
7.5
1994年
东南延伸线
148
6.3
4.3
1992年/1994年
地中海线
250
12.7
5.2
2001年
小计
1111
60.1
5.0
德国
汉诺威-维尔茨堡
327
121
37
1991年6月
曼海姆-斯图加特
99
31
31
1991年6月
科隆-法兰克福
219
47
21.3
2002年8月
小计
645
199
30.8
西班牙
马德里-塞维利亚
471
15.8
3.4
1992年4月
韩国
汉城-釜山
412
189.4
46
2004年
1.2国内客运专线隧道规划情况
2004年初，国务院批复了《中长期铁路网规划》，到2020年我国铁路营业里程将达到10万km，其中规划了“北京-沈阳-哈尔滨、北京-上海、北京-广州-深圳、杭州-宁波-深圳四条纵向和青岛-石家庄-太原、徐州-郑州-兰州、南京-武汉-重庆-成都、杭州-南昌-长沙四条横向”铁路快速客运通道以及京津、宁沪杭、广深珠3个城际快速客运系统，届时建设客运专线1.2万km以上，客车速度目标值达到200km/h及以上。
可见今后十几年时间，我国的路网规模和质量都将上一个新的台阶。
根据我国中长期路网规划，近十几年内将修建1200km的客运专线隧道工程，相当于国外已通车运营的高速铁路隧道的总长度，其中截止到2004年底国家已批复即将开工的客运专线隧道长度有663km，如表2所示。
表2截止到2004年底国家已批复客运专线隧道情况
线别
线路长度/km
隧道数量/座
隧道长度/km
隧线比/%
设计速度/km/h
武汉-广州
874
232
164
18.77
350
郑州-西安
485
38
77
15.88
350
石家庄-太原
190
27
73
38.58
250
宁波-温州
274
58
89
32.48
250
温州-福州
298
72
163
54.8
250
福州-厦门
263
31
33
14
250
合肥-武汉
356
37
64
18
250
合计
2740
495
663
24.2
根据我国的国情和路网现状，尤其是现在我国货运供需矛盾特别突出的实际情况，以上客运专线有些近期为客货共线铁路，远期发展为客运专线铁路。
如宁波-温州、温州-福州、福州-厦门和合肥-武汉线，近期为客货共线，并且满足双层集装箱通行条件的线路；石家庄-太原客运专线近期为客货共线铁路，客车速度目标直近期为200km/h，预留250km/h以上的条件。
有些为一次建成客运专线铁路，如武汉-广州和郑州-西安客运专线，线下工程设计速度目标值为350km/h。
2客运专线的主要技术特点
客运专线铁路以其运行速度高、线路要求平直、安全舒适、节约时间等特点，比其他交通工具有更多的优越性。
客运专线的隧道工程具有占地少、环境污染小、结构安全可靠、拆迁量和对城市干扰小等优点，从技术上有以下几个主要特点。
2.1空气动力学效应
列车在高速运行的条件下，对隧道结构的要求主要是空气动力学特性方面的。
高速列车通过隧道时会产生一系列的空气动力学效应，如压力波动、出口处微气压波、洞内行车阻力增大等，这些均是列车速度目标值比较高的客运专线隧道的显著特点。
当高速列车进入隧道时，强烈冲击处于隧道中的静止空气场，压力脉冲作为纵向运动的波，以声速通过隧道，并在隧道的另一端发生反射，由正压变为负压。
同样以声速沿列车运行相反的方向向回运动，遇到列车后，空气阻力在大气压力（100kPa）附近发生波动，使旅客的耳朵发生明显不适。
隧道的微气压波是列车突入隧道时形成的压缩波，在隧道内传播到达出口时向外放射脉冲状的压力波，其发生的实态如图1所示。
微气压波的发生实态和大小与许多因素有关，其中主要有：
列车速度、列车横断面积、列车长度、列车头部形状、隧道横断面积、隧道长度、隧道内道床的类型等。
从测试结果看，在短隧道中，微气压波最大值与列车速度ν的3次方成正比例，与微气压波距隧道出口中心的距离r成反比。
考虑到隧道洞口地形的影响，可近似用下式求出：
（1）
式中：
K是考虑地形影响的系数。
根据东海道的短隧道的测试结果：
ν＝210km/h、r＝20m、p＝40Pa得下式：
（2）
式中：
p——微气压波最大值（10Pa）；
r——微气压波距隧道出口中心的距离（m）；
ν——列车入洞速度（km/h）。
在比较长的隧道中，微气压波最大值与壁面状态有很大关系。
例如板式道床的大野（5.4km）、备后（8.9km）两隧道的微气压波最大值，在列车速度为200km/h，测点距离为20m时，是100Pa~150Pa。
而同样条件的南乡山隧道（5.2km），因是碎石道床，微气压波最大值仅是10Pa,比短隧道的35Pa还小。
图1隧道微气压波的发生
高速列车运行引起的问题有：
（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，对人员和车辆产生危害；
（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，如果隧道断面内净空较小，洞口处没有缓冲结构时，还会发生强烈的爆破声：
（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在洞内通车情况下作业；
（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，在客运专线铁路设计时，应从车辆及隧道两方面采取措施，以减缓空气动力学效应。
2.2可靠性和结构耐久性要求高
所谓可靠性，是指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。
所谓结构耐久性，是指结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其应有性能的能力。
客运专线隧道由于其运营速度比较高，对结构和各种运营设施所产生的作用影响也就越大，对相应工程结构的可靠性和耐久性的要求也就越高。
例如，客运专线隧道内对衬砌混凝土的裂缝要求就特别严格，因为客运专线隧道内空气压力在不断的变化，特别是洞内会车情况下，压力的波动对结构的表层稳定是不利的。
欧洲及日本的研究成果表明：
同样的一条裂纹，对普速铁路隧道来说在外荷载停止发展后，将不再继续变化，而客运专线隧道就不同了，即使外荷载停止了发展，但在频繁变化的洞内空气压力波的作用下，裂缝还将继续发展，从而降低隧道衬砌耐久性和使用功能，甚至危及行车安全。
因此，在客运专线隧道设计中，要采取有效措施减少隧道衬砌裂缝。
2.3对环境的影响更加明显
环境包括自然环境、生态环境和周边人文环境，客运专线列车以较高的速度运行，其产生的轮轨噪声、机械噪声、弓网噪声和空气动力学等噪声将比普速列车明显，对环境的影响也比普速列车大。
例如，列车进入隧道后，形成压缩波，当压缩波传到隧道出口突然释放形成微气压波时，会对洞口的环境造成一定的影响，严重时会产生爆破音，影响附近的建筑物和居民的正常生活。
所以客运专线隧道的修建就应该更加重视对环境的影响，围绕降低噪声、减少对自然环境、生态环境和周边人文环境的破坏，采取不同于普速铁路隧道的工程措施。
2.4防灾救援要求高
客运专线隧道中运行的主要是高速度的旅客列车，一旦发生事故和灾害，后果比一般铁路要严重的多。
如何尽量避免高速度的旅客列车在隧道内发生事故和灾害，以及旅客列车在隧道内因故停车时，如何快速疏散乘客，发生灾害事故时如何快速救援等，是客运专线隧道应该重点考虑的问题，相对普速客货共线的铁路隧道来讲，客运专线隧道对防止发生事故和灾害以及快速救援的要求更高。
3客运专线隧道的技术要求
3.1高速列车在隧道中运行时的舒适度
高速列车在隧道中运行时的舒适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产生的主要效应，而微气压波正是这种压力波向外产生的辐射，因此所有效应及危害的根源在于压力波动，特别是在极短时间内的压力突变（称为瞬变压力）传到人体时，会产生生理上的不适，从而大大降低乘车的舒适度。
从旅客乘车舒适度要求出发，最大瞬变压力临界值控制标准在一般情况下，可取为不大于3.0kpa/3s，即每3s内最大压力变化值在3kpa以内。
表3给出了相应的“不舒适度”极限值。
表3建议的临界值
运营类型
极端情况（kpa/4s）
正常情况（kpa/4s）
不舒适度
A常规型隧道占全长10%，不密闭车辆
4.0
2.5
4.5
B常规型隧道占全长25%，不密闭车辆
3.0
2.0
3.5
C高舒适度型隧道占全长25%，密闭车辆
1.25
0.8
2.5
D地铁及城市轨道运输隧道占全长50%，不密闭车辆
1.0
0.7
2.0
参照国外经验，中铁西南科学研究院曾提出我国高速铁路舒适度准则，如表4所示。
表4我国高速铁路舒适度准则建议值
线路类型
隧道长度
（占线路比例）
隧道密集程度（座/h）
瞬变压力/（kPa/3s）
A（平原）
单线
<10%
AND
<4
2.0
B（平原）
双线
<10%
AND
<4
3.0
C（山丘）
单线
>25%
OR
>4
0,8
D（山丘）
双线
>25%
Or
>4
1.25
3.2建筑限界和隧道内净空面积
3.2.1堵塞比的概念
从各国的实践看，隧道横断面的决定主要是采用堵塞比，即采用列车横断面面积与隧道横断面面积的比值来决定。
这里的隧道横断面积，通常指轨道面以上的断面积。
表5列出了一些国家高速铁路隧道采用的参数。
表5一些国家高速铁路隧道的基本参数
国家
法国
德国
意大利
日本
西班牙
列车最高速度（km/h）
270
250
250
300
220
240
300
列车横断面（m）
10
10.3
9.7
12.6
12.6
10
隧道端面积（m）
71
82
53.8
76
60.5
63.8
75
隧道端面积（m）
71
82
53.8
76
60.5
63.8
75
堵塞比
0.13~0.15
0.13
0.18
0.13
0.21~0.22
0.20~0.21
0.13
线间距（m）
4.2
4.7
4.0
5.0
4.2
4.3
4.5~4.7
3.2.2国外已建成高速铁路隧道内净空面积
克服空气动力学效应对旅客舒适度、车辆结构（瞬变压力）、洞口环境（微压气波）和行车阻力的影响是确定隧道横断面设计的关键。
目前世界上高速铁路对隧道设计参数的确定基本上有两种模式：
以日本新干线为代表，隧道断面比较小以求降低土建造价，而提高车辆密封性和修建洞口缓冲结构的办法来缓解脉冲压力和微气压波引起的负面影响；以德国高速铁路为代表在高速隧道修建时，主要通过放大隧道断面积来解决上述问题。
世界上已建成的高速铁路隧道的设计运营速度和相应的有效内净空断面积对照，如表6所示。
表6各国高速铁路隧道内净空面积
国家
线别
运营速度（km/h
断面积（m2）
日本
新干线
240~300
61~64
法国
大西洋线
300
71
北方线、东南延伸线
300
100
地中海线
350
100
德国
汉诺威～维尔茨堡
250
82
曼海姆～斯图加特
汉诺威～柏林
科隆～法兰克福
300
92
西班牙
马德里～塞维利亚
270
75
韩国
汉城～釜山
350
107
3.2.3我国客运专线隧道的内净空面积
我国客运专线隧道的建筑限界根据不同的速度目标值、不同种类的货运限界组合，共分为速度目标值200km/h以及250km/h客运专线兼顾普通货物运输和双层集装箱运输的单、双线隧道建筑限界，速度速度目标值350km/h客运专线单、双线隧道建筑限界。
在满足上述限界和速度目标值的条件下，考虑空气动力学效应和各种安全预留空间，拟定相应的隧道有效内净空面积，如表7所示。
表7我国客运专线隧道内净空面积
序号
类别标准
单线
双线
1
200km/h客专近期客货共线
52.86m2
85.8m2
2
200km/h客专近期双箱运输
56.67m2
92.94m2
3
250km/h近期客货共线
58m2
90.16m2
4
250km/h近期双箱运输
58m2
95.06m2
5
350km/h客运专线
70m2
100m2
注：
隧道内净空面积是指轨面以上部分的面积
各种预留空间要求如下：
（1）安全空间。
在隧道侧边位置设置尺寸为0.8m（宽）×2.2m（高）的安全空间。
安全空间内包括安放施工设施（0.3m宽）或开关柜（0.4m宽）的空间。
（2）救援通道。
在隧道侧边位置设置贯通的救援通道，用于自救或外部久远，尺寸为1.5m（宽）×2.2m（高），要求距中心线至少2.3m，在救援通道位置内包括安放施工设施（0.3m宽）或开关柜（0.4m宽）的空间。
（3）技术作业空间。
沿隧道衬砌预留宽为0.3m的环形空间，用于安放施工辅助设施（如立脚手架），作为余留的衬砌补强或安装建筑材料的空间。
但不能利用预留的空间来满足隧道建设的施工误差。
隧道建筑限界和预留空间位置关系如图2所示。
图1隧道建筑限界和预留空间位置关系
3.3洞门型式及缓冲结构
3.3.1洞门型式
我国传统隧道洞门采用定型图模式，但是这种洞门设计往往需要在洞口开挖大量的边坡和仰坡，人为地破坏洞口的植被。
根据我国科学发展观和环境保护的要求，客运专线的隧道洞门应综合考虑地形、地貌、洞口地质条件及附近建筑物、周边自然环境等因素，在确保运营安全的前提下，因地制宜地设计新型洞门结构。
3.3.2缓冲结构
为降低微气压波的影响，在列车进洞速度超过160km/h时，都要采取相应措施。
一种措施是扩大隧道横断面到一定程度，如我国台湾、韩国等，均采用90m2～100m2隧道横断面积。
另一种是不增大隧道断面积，而在隧道入口设置相应的缓冲段。
入口缓冲段的结构形式主要有：
横断面积不变，具有一定长度的缓冲段；横断面积扩大，具有一定长度的及侧面开口的缓冲段等。
洞口缓冲段主要有以下几种形式：
（1）无侧面开口或开槽的扩大断面型；
（2）有侧面开口或开槽的扩大断面型；
（3）喇叭型：
分直线型和曲线型两种，如图3所示。
Lh
减小微气压波影响的措施的主体是隧道入口缓冲段。
要处理好列车速度和缓冲段长度的关系。
例如，列车进洞速度为160km/h时，基本上可不考虑微气压波问题。
隧道入口的缓冲长度为nD（D为隧道直径＝10m；n为系数），列车进入隧道时的压缩波的压力坡度大致为1/（n+1）,而压力坡度与进洞速度ν3成正比，依此求出的所需的缓冲段最小长度列于表8。
表8使列车速度降到160km/h以下所需的缓冲段的最小长度
进洞速度ν（km/h）
速度降低度160/ν
压力坡度降低度
缓冲段最小长度
200
0.8
0.51
10
230
0.7
0.34
20
260
0.62
0.23
35
310
0.52
0.14
65
除在入口设置缓冲段外，具体还可采取以下方法：
a.利用斜井、竖井；
b.做带有开口的防护棚；
c.车辆方面的措施，如采用密闭车辆等；
d.隧道壁面的措施；
e.也可在埋深小的洞口开挖竖井来降低压缩波的坡度。
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。
3.4衬砌支护类型和支护参数
根据隧道围岩的变形和松弛由围岩和支护共同抑制最终形成稳定结构的理念，对于质量要求较高的客运专线隧道，暗挖部分宜采用复合式衬砌，明挖部分采用整体式衬砌。
由于以往我国缺乏大断面客运专线隧道支护参数的研究，也没有成熟可靠的支护参数可供借鉴，根据各设计单位拟定的参数，广泛征求专家建议，结合国内外工程实例的类比，形成了断面内净空为100m2的暗挖隧道的衬砌支护参数，如表9所示。
表9100m2复合式衬砌支护参数
3.5防水和排水措施
（1）防排水设计原则
山岭客运专线隧道的防排水仍应采取“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，采取切实可靠的设计、施工措施，保障结构物和设备的正常使用和行车安全。
对地表水和地下水应作妥善处理，洞内外应形成一个完整的防排水系统。
达到《地下工程防水技术规范》（GB50108）规定的一级防水标准，衬砌不允许渗水，结构表面无湿渍。
（2）防排水措施
客运专线隧道应重视初期支护的防水，防水应以混凝土自防水为主体，以施工缝、变形缝防水为重点，并辅以注浆防水和防水层加强防水，满足结构使用功能。
地下水发育和较发育地区隧道以及浅埋隧道的衬砌混凝土一般应采用防水混凝土结构，抗渗等级不小于P8，防水混凝土结构的衬砌厚度不应小于30cm；一般隧道拱墙背后均应设置防水板，对地下水流失敏感地段隧道防排水宜全环设置防水板，并采取分区防水的办法，衬砌结构敷设封闭式分区注浆防水板，防水板的厚度不应小于1．5mm，材质宜选用耐久性和抗老化性能较好的EVA或ECB防水板；对于允许排水的隧道在防水板背后应设置环向和纵向排水盲管，盲管分别引入侧沟，堵塞时应可以疏通；隧道环向施工缝设置中埋式橡胶止水带，纵向施工缝设置缓膨型遇水膨胀橡胶止水条；在有条件的隧道还应在施工缝处设置可维护的防水系统。
（3）注意事项
①对于隧道穿过持水层、断裂破碎带，预计地下水较大，当采用以排为主而影响生态环境时，根据实际情况采用注浆堵水的措施，达到堵水有效、防水可靠、经济合理的目的。
②在防水板铺设之前，应对初期支护的渗漏水情况进行检查，如有股流，应进行局部注浆堵水，如有渗水情况，宜采用盲管进行引排。
③洞顶及其附近有水塘、水库、水渠及河沟时，要考虑因修建隧道而引起地表水流失而影响居民正常生产生活的可能，可采取稳妥的防止水源漏失的措施。
3.6消防和防灾救援
考虑到隧道发生灾害位置的不确定性和后果的严重性，在设计中要考虑完善的消防系统和防灾救援措施。
在隧道两侧设置贯通的救援通道，以备发生灾害时的人员疏散和救援工作。
在隧道辅助洞室内设置简易的消防器具和报警电话。
对长度大于6km的隧道，结合隧道的辅助坑道，设置紧急出口，供灾害情况时人员疏散逃生。
在隧道内消防洞室和紧急出口处设置醒目的标示牌。
对长度超过20km的隧道或总长超过20km的隧道群，宜在隧道中部适当位置设置定点疏散和消防系统。
对平行的双洞单线隧道，间隔400～500m设置横向连接通道，以备灾害发生时互为救援和疏散通道。
在远离水源长度大于6km的隧道洞口和紧急出口处设置储水池或地下水罐，以备洞内发生火灾时消防用水。
3.7环境保护
尽量在隧道洞口减少大的挖方，可适当接长明洞，对于受地形限制在施工过程中破坏的植被尽量予以恢复，对有条件的边仰坡进行植被防护。
隧道洞门宜选用有利于缓解空气动力学效应的洞门型式，靠近城市或风景区的隧道洞口宜结合景观进行设计，必要时可根据洞门型式适当设置缓冲结构，减小微气压波对周围居民和建筑物的影响。
对噪声要求严格的部分隧道洞口段，于隧道内壁边墙上可以设置厚度不大于10cm的吸音板，在铺设无碴轨道洞内底部设置吸引材料，把噪声降到最低限度。
4隧道施工技术
4.1施工工法的选择
4.1.1隧道施工方法分类
隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。
隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。
根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类：
4.1.2山岭隧道的常规施工方法
山岭隧道的常规施工方法又称为矿山法，因最早应用于采矿坑道而得名。
在矿山法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。
从隧道工程的发展趋势来看，钻爆法仍将是今后山岭隧道最常用的开挖方法。
在矿山法中，坑道开挖后的支护方法，大致可以分为钢木构件支撑和锚杆喷射混凝土支护两类。
作为施工方法，人们习惯上将采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工方法称为“传统的矿山法”；而将采用钻爆开挖加锚喷支护的施工方法称之为“新奥法”。
（1）矿山法
传统的矿山法是人们在长期的施工实践中发展起来的。
它是以木或钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成形后，逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式衬砌作为永久性支护的施工方法。
木构件支撑由于其耐久性差和对坑道形状的适应性差，支撑撤换工作既麻烦又不安全，且对围岩有所扰动，因此，目前已很少采用。
钢构件支撑由于具有较好的耐久性和对坑道形状的适应性等优点，施工中可以撤换，也更为安全。
日本隧道界将以钢构件作为临时支撑的矿山法称为“背板法”。
钢木构件支撑类似于地上的“荷载－结构”力学体系。
它作为一种维持坑道稳定的措施，是很直观和奏效的，也容易被施工人员理解和掌握。
因此这种方法常被应用于不便采用锚喷支护的隧道中，或处理坍方等。
由于衬砌的设计工作状态与实际工作状态不一致，以及临时支撑存在的一些缺陷等，在一定程度上限制了它的发展和应用。
（2）新奥法
新奥法即奥地利隧道施工新方法（NewAustrianTunnellingmethod－NATM），是以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。
它是在锚喷支护技术的基础上由奥地利学者腊布塞维奇首先提出的，并于1954~1955年首次应用于奥地利的普鲁茨——伊姆斯特电站的压力输水隧洞中。
以后，经瑞典、意大利以及其他国家的同行们的理论研究和实践，于1963年在奥地利的萨尔茨堡召开的第八次土力学会议上正式命名为新奥法，并取得了专利权。
之后在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中得
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