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1、铁路客运专线隧道技术综述,中国铁道科学研究院铁建所 邢厚俊 2006年6月,主要内容,一、铁路客运专线隧道技术标准 二、客运专线隧道的特点 三、客运专线隧道施工关键点 四、开挖施工方法简介（概略）,一、铁路客运专线隧道技术标准,概述,新建铁路客运专线隧道设计主要由限界、构造尺寸、使用空间和缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应两方面的要求确定。研究表明，当列车以200公里以上时速通过铁路隧道时，空气动力学效应对行车、旅客乘车舒适度、洞口环境的不利影响已十分明显且起控制作用，因此，隧道的设计除须遵照现行铁路隧道设计规范（TB10003）规定及提高防灾救援要求外，还应考虑下列因素：隧道内形成的
2、瞬变压力对乘员舒适度及相关车辆结构的影响；空气阻力的增大对行车的影响；隧道口所形成的微压波对环境的影响；列车风对隧道内作业人员待避条件的影响。,空气动力学效应,当列车进入隧道时，原来占据着空间的空气被排开。空气的粘性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能象在隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部流动，列车前方的空气受压缩，随之产生特定的压力变化过程,引起相应的空气动力学效应并随着行车速度的提高而加剧。在隧道端口处产生音爆并对乘客耳膜造成损伤，主要发生在隧道入口（非密封车辆)。,列车进入隧道引起的瞬变压力,列车进入隧道引起的压力变化是两部分的叠加：列车移动时从挤压、排开空气到
3、留下真空整个过程引起的压力变化；列车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(Mach波)。当双线隧道中同时有不同方向列车相向行驶时，叠加所产生的情况则更为复杂。列车在隧道中运行时(无相向行驶列车)车上测得的最大压力波动发生在第一个反射波到达列车时。,（一）隧道长度的影响,Mach波以声速传播，对于长隧道，来回反射的周期相应较长。同时，在反射的过程中能量有所衰减。而对于短隧道，Mach波反射的周期大为缩短。同时，在反射过程中能量损失也较少，致使压力波动程度加剧。试验表明，压力波动绝对值，并不随隧道长度的减小而减小。当隧道长度为1km时，压力波动
4、明显加剧，而当隧道长度进一步增大到3km时，压力波动则并无显著加剧，反而有缓解趋向。列车交会的双线隧道，最不利情况发生在列车交会在隧道中点时。,（二）列车速度的影响,根据研究报告，压力波动同列车速度平方成正比。,（三）隧道净空断面面积的影响,对于压力波动，诸因素中隧道横截面积的影响是最大的。ORE曾经系统地研究了各种因素对压力波动的影响。结果也表明，隧道净空断面面积，或者说，隧道阻塞比是最主要的因素。根据计算分析，提出压力波动与隧道阻塞比之间有下列关系:P=kv 单一列车在隧道中运行时，a=1.3O.25。考虑列车交会时，a=2.160.06。式中：P3秒钟内压力变化的最大值；v行车速度；阻塞
5、比；=列车横截面积/隧道内轨顶面以上净空面积。,（四）竖井的影响,竖井（斜井、横洞）的存在会缓解压力波动的程度。竖井位置对减压效果的影响很大，并不是处于任何位置的竖井都能有较好的效果。竖井断面积5lOm2即可，加大竖井的横断面积，并不能收到好的效果。根据Mach波叠加情况可以理论地得到竖井的最佳位置：X/L=2M/(1+M)式中 X竖井距隧道进口距离；L隧道长度；MMach数。,（五）列车交会的影响,双线隧道列车在隧道中交会引起压力波动的叠加，情况十分复杂。ORE研究报告说，列车交会时，压力波动最大值是单一列车运行情况的2.8倍。实际上，列车交会时所产生的压力波动同列车长度、隧道长度、会车位置
6、、车速等多种因素有关。,（六）列车密封条件对车内压力波动的影响,计算结果表明，车辆的密封对车内压力波动的影响可以归结为“缓解”和“滞后”两种效应。值得指出的是，在考虑到列车交会的情况下，就车外压力而言，洞口会车有时会成为最不利情况，然而在列车密封的条件下，洞口会车并非最不利情况。由于“滞后”效应，车内压力来不及“响应”列车就出洞了。,（七）压力波动程度阈值的取用,高速铁路隧道设计应通过正确地选择隧道设计参数，将压力波动控制到“允许”范围内。评定压力波动程度一般采用的参数有：“峰对峰（谷）”最大值。即最大压力变化的绝对值；压力变化率的最大值。（速率）目前较通用的评估参数是相应于某一指定短时间内的
7、压力变化值，例如3S内最大压力变化值或4S内最大压力变化值。所谓3S或4S大致相当于完成耳腔压力调节所需的时间。,压力波动建议临界值（英国）,列车进入隧道引起的行车阻力,行车阻力由机械阻力和空气阻力两部分组成。机械阻力一般同行车速度成正比。空气阻力则同行车速度二次方成正比。在隧道中，空气阻力问题更为突出。,隧道条件对空气阻力的影响,隧道长度的影响 研究表明，空气阻力随隧道长度的增加而单调增加，但其增加率越来越小，最后趋于一常数。阻塞比越小，趋于常数所需的隧道长度越短。当=0.15时，隧道长度超过3km以后，空气阻力已变化不大；而对于=0.42的隧道在长度超过10km以后仍有较大的变化。阻塞比对
8、空气阻力的影响 空气阻力随的增加而单调增加，并且斜率越来越大。当以V=250km/h为例，从0.15增加到0.20时，空气阻力将增加工13%。而当从O.4增加到0.45时，空气阻力将增加16%。,隧道条件对空气阻力的影响,列车在隧道中交会的影响 以S=1OOm2、=0.1为例，当两列车车体重合时，空气阻力系数将增加23%(车长360m，隧道长3000m)。一般说来会车阻力只对确定机车最大牵引能力时有意义。竖井的影响 竖井的存在，可降低行车阻力。但这种影响并不很大。以设在隧道中断面积为5m2的竖井为例，当=0.42时，空气阻力减小7%，当=O.15时，空气阻力仅降低1.2%。,列车进入隧道引起的
9、微压波,微压波（sonic boom)是隧道出口微气压波的简称，是高速铁路隧道运营过程中产生的空气动力学问题之一。微压波表现为列车高速进入隧道时，在另一侧出口产生突然爆炸声响，对隧道出口附近的环境构成危害。,（一）国外有关国家的研究及应用情况简介,欧洲国家对此研究较少，而日本由于采用的隧道断面较小，微压波问题特别突出。针对这一现象，日本铁道技术研究所等在现场测试、模型实验、理论分析及工程措施等方面进行了全面地研究，并取得了成功的应用。研究认为，隧道出口的爆炸声响是由列车高速进入隧道产生的压缩波在隧道内传播到达出口时，由出口向外部放射脉冲状压力波而引起的。微压波的大小与列车进洞速度、隧道长度、道
10、床类型及隧道入口形式、出口地形等有关。,(二)降低隧道微压波的工程措施,采用特殊隧道入口形式(称为洞口缓冲结构)（主要方式）；采用道碴道床或具有相同效果的贴附有吸音材料的洞壁；连接相邻隧道并在连接部分适当开口，对单一隧道可在埋深浅的地方设窗孔；利用斜井、竖井、平行导坑等辅助坑道。,台湾高铁的缓冲结构物形式,台湾高铁的缓冲结构物形式,台湾高速铁路隧道缓冲结构,(三)高速铁路隧道微压波问题的提出及实态,1973年，Ham mitt通过对有关列车隧道空气动力学问题的理论研究，提出了微压波问题的预见。1975年，在日本新干线冈山以西段的试运营过程中首次观测到。此后，随着新干线投入运营和列车速度的提高，
11、在日本的其它地方也相继出现了由微压波产生的洞口气压噪声现象。,(四)微压波的产生,隧道微压波是列车高速进入隧道产生的压缩波在隧道内以音速传播，当到达隧道的出口时，向外放射的脉冲状压力波。其大小与到达出口的压缩波形态密切相关，在靠近低频段与压缩波波前的压力梯度成正比。,(五)微压波波形,其中U为列车的进洞速度，r为测点到洞口中心的距离。隧道短时，可能出现多个波峰，而对于长隧道来说，由于压缩波的反射波（即稀疏波，亦称膨胀波）波前较为模糊，使得第一个波峰最为显著。,微压波波形（r=20m）,(六)微压波和道床种类及列车进洞速度的关系,当隧道较短（如小于1km）时，道碴道床和板式道床几乎没什么差别，微
12、压波的大小基本上与U3(列车进洞速度)成正比，即 Pmax=KU3/r。其中，K为隧道出口地形影响系数。对于长隧道来说，道碴道床隧道的微压波较短隧道要小，基本上也符合U3关系。,(七)微压波和隧道长度的关系,比较短的隧道（小于1km）微压波的大小不受隧道长度的影响。较长的道碴道床隧道的微压波最大值随隧道长度的增加减少；相反，板式道床隧道的微压波最大值随隧道长度的增加而增加，到某一隧道长度时达最大值，其后随隧道长度的增加而减小。,空气动力学效应对高速铁路运营的影响,由于瞬变压力造成乘员舒适度降低，并对车辆产生危害微压波引起爆破噪声并危及洞口建筑物行车阻力加大空气动力学噪声列车风加剧（长度小于10
13、00米的短隧道尤其严重）,高速铁路隧道空气动力学效应的影响因素,机车车辆方面：行车速度，车头和车尾形状，列车横断面，列车长度，列车外表面形状和粗糙度，车辆的密封性等。隧道方面：隧道净空断面面积，双线单洞还是单线双洞，隧道壁面的粗糙度，洞口及辅助结构物形式，竖井、斜井和横洞，道床类型等。其它方面：列车在隧道中的交会等。,主要设计措施,缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应的主要设计措施是：在列车相关参数一定的条件下，适当加大隧道内轨顶面以上净空面积（减小阻塞比），优化断面形状和尺寸，在洞口修建缓冲结构，利用辅助坑道等。,一、隧道断面内轮廓的确定,隧道断面内轮廓主要根据下列条件确定：隧道净空横
14、断面面积应满足空气动力学效应影响标准；满足铁路建筑接近限界要求，双线隧道还应满足线间距要求；养护、维修和救援空间要求。空气动力学效应影响标准为：空气压力最大变化值P3KPa/3s（舒适度标准），列车在隧道内运行时的空气阻力增量一般不超过明线上空气阻力的30%。,各国高速铁路隧道断面一览表,总结,发展趋势：除日本外，目前欧洲、美国等国家均逐渐采用较大的隧道净空面积，或长、短隧道采用大小不同的断面积，来缓解空气动力学效应。日本也有部分专家提出了增大隧道净空断面的建议，断面积也建议采用100平米。长短隧道采用不同断面大小：短隧道扩大的净空面积用于降低列车在通过隧道时进洞期间和两列列车在隧道内会车时的
15、空气动力学效应。,德国隧道有效净空断面,德国双线铁路隧道结构标准断面DS853-2003）该隧道断面适用于双线运营行车速度230300Km/h，线间距4.5m条件。隧道净空断面积92m2。,德国铁路隧道断面,德国单线铁路隧道结构标准断面（DS853-2003）,该隧道断面适用于单线运营行车速度230300Km/h，隧道净空断面积60m2,西班牙双线隧道横断面图,列车时速300km/h断面积100m2,韩国铁路隧道横断面(双线107平米）,降低隧道空气动力效应的结构工程措施,为了降低及缓解空气动力学效应，除了采用密封车辆及减小车辆横断面积外，必须采取有力的结构工程措施，增大隧道有效净空面积及在洞
16、口增设缓冲结构；另外还有其它辅助措施，如在复线上双孔单线隧道设置一系列横通道；以及在隧道内适当位置修建通风竖井、斜井或横洞。增大隧道有效净空面积其效果显著。但因增加工程数量，从而提高了造价；在洞口增设缓冲结构、将隧道出入口作成喇叭型、增设混凝土明洞或钢结构的棚洞等，并且在其洞壁上开设通气孔洞或窗口，既可降低洞内瞬变压力，又可减弱微压波产生洞口附近的“爆炸”声。,降低隧道空气动力效应的结构工程措施,理论及试验研究表明，影响隧道中压力变化的因素有：列车的速度、头部及尾部形式、横断面面积、长度；车辆外表型式及粗糙度；隧道的有效净空面积大小及突变、长度及洞壁的粗糙度等。而在这些影响因素中列车的速度和阻
17、塞比二者是至关重要的。研究还表明，隧道中最大压力变化与列车速度的平方成正比，同时也与阻塞比的a次方成正比。因此列车速度确定之后，阻塞比就成为关键的因素。而当列车车型选定以后（列车横断面面积已确定），隧道有效净空面积就又成为决定性因素。,200公里暂规,单线隧道内轨顶面以上净空面积应不小于50m2；双线隧道内轨顶面以上净空面积应不小于80m2。,京沪高速铁路暂轨,单洞双线隧道断面有效面积为100m2。单线隧道断面有效面积为70m2。限速地段当检算行车速度200km/h时，可采用较小的隧道断面有效面积，但双线隧道断面有效面积不应小于80 m2。单线隧道断面有效面积不应小于52 m2。,单洞双线隧道
18、断面内轮廓参考图,单线隧道断面内轮廓,二、安全空间,高速暂规规定：隧道内安全空间应在距线路中线3.0m以外，单线隧道设在电缆槽一侧，多线隧道必须设在两侧。安全空间尺寸：高度不应小于2.2m，宽度不应小于0.8m。安全区的地面应不低于轨面规定高度，必须平整，允许有3的横向排水坡。安全空间的地面与接触网设备的带电部件之间的距离不小于3.95m。,三、隧道衬砌,隧道衬砌采用复合式衬砌或整体衬砌，不得采用喷锚衬砌；隧道均应采用曲墙式衬砌，其中边墙与仰拱内轮廓的连接宜采用顺接断面；仰拱矢跨比应结合隧道衬砌受力和沟槽设置情况确定，取1/121/15为宜。IIIVI级围岩应采用曲墙带仰拱的衬砌，I、II级围
19、岩地段可采用曲墙不带仰拱的衬砌。各级围岩隧道结构及仰拱填充混凝土强度等级不应低于C25，钢筋混凝土强度等级不应低于C30；I、II级围岩底板厚度不应小于30cm，混凝土强度等级不应低于C25。,四、救援通道,200公里暂规规定：长度在500m以上的隧道应设贯通整个隧道的救援通道，双线隧道在两侧设置，单线隧道在单侧设置；救援通道宽1.25m，高2.2m，外侧距线路中线不得小于2.2m。高速暂规规定：隧道内应设置贯通的救援道路，用于自救或外部救援。救援通道应设在安全空间一侧，距线路中线不应小于2.3m。救援通道走行面应不低于轨面高程。救援通道宽度不应小于1.5m，在装设专业设施处，宽度可减少0.2
20、5m；净高不应小于2.2m。,五、缓冲结构物,200公里暂规规定：进口缓冲结构的设置应根据出口微压波峰值的大小来确定。当出口外50m范围内无建筑物、出口外20m处的微压波峰值大于50Pa时，应设置缓冲结构；当出口外50m范围内有建筑物且建筑物处的微压波峰值大于20Pa，应设置缓冲结构；当建筑物对微压波峰值有特殊要求时，缓冲结构应进行特殊设计。,五、缓冲结构物,高速暂规规定：一般情况下，隧道洞口可不设置缓冲结构。隧道洞口有建筑物或特殊环境要求时，可考虑设置缓冲结构。缓冲结构设计应符合下列规定：隧道洞口设置缓冲结构应考虑的因素为：列车类型及长度、隧道长度及横断面净空面积、隧道内轨道类型、隧道洞口附
21、近地形和洞口附近居民情况。缓冲结构形式应从实用美观角度出发，结合洞口附近的地理环境确定。缓冲结构侧面或顶面应开减压孔，开孔面积根据实际情况确定，一般开孔面积为隧道断面有效面积的0.20.3倍。缓冲结构宜采用钢筋混凝土。,无开口的全封闭缓冲结构,日本针对备后隧道（长89O0m，板式道床，断面面积60.4m2）进行了一系列较为完善的全封闭缓冲结构不同截面和不同长度的模型试验，研究了各种条件下的微压波降低效果。缓冲结构的截面积约为隧道的1.55倍时，便可使微压波的第一波和第二波均呈较小值。对于没有开口的全封闭缓冲结构，取其截面积为隧道截面积的l.55倍，长度大于隧道直径即可。,有开口的缓冲结构,开口
22、部分设在缓冲结构的侧面，为长方形。对于全长开口，随着开口面积的增加，微压波第一波减小而第二波增加。在某一试验条件下，微压波最大值比在缓冲结构开口率为0时约为0.5，而在开口面积/隧道断面积=0.2且1/2长开口时为0.30.35左右。,开槽式缓冲结构是指断面与隧道断面相同而在其侧面沿全长设置一定宽度的开口（槽）。,开槽式缓冲结构,图中的纵线为最佳开口率范围，此时的微压波最大值比用白圈表示。由图可以看出，缓冲结构越长，效果越好，其长度L和隧道直径D之比L/D为1.5左右时，微压波最大值比约为1/2，而当L/D为6左右时，微压波最大值比约为1/4。,缓冲结构的槽长/隧道直径,喇叭口型缓冲结构,以上
23、的缓冲结构均是在主体隧道基础上的附加结构，而喇叭口型的缓冲结构则是靠改变主体隧道的入口形式来直接降低微压波的大小。直线型和曲线型多少有些差别，但具有共同的趋势。圆形断面条件下，缓冲结构长度/隧道直径=3.33、缓冲结构开口直径/隧道直径=2.5时的微压波最大值为无缓冲结构时的0.20.3倍。,山阳新干线隧道标准洞口缓冲结构之一，该图为五日市隧道东口的缓冲结构。整个框架为钢结构，其上安装盖板，断面积比为1.55，长11l2m，在沿纵向中央部位的侧面设置窗口，在靠近进洞列车侧窗口宽高4m1.8m，另一侧窗口宽x高4m2.4m。该洞口缓冲结构使列车进洞时压缩波波前的压力梯度降为原来的0.5倍左右，相
24、当于列车进洞速度降低为原速度0.8（0.51/3）倍左右的效果。,缓冲结构长15m，侧面开口面积约15m2（大部分为左右各7.5m2）。通过试验量测认为，长15m的缓冲结构开口面积稍稍过大，改为1112m2为好。,采用与隧道同一断面的洞口缓冲结构形式（断面比1），长2 0m，顶部开口，隧道长750m，开口位置任选。微压波最大值比约为0.45，相当于列车进洞速度降为0.77（0.451/3）倍的效果。,六、辅助洞室,隧道内可不设置供维修人员使用的避车洞，但应考虑设置存放维修工具和其他业务部门需要的专用洞室。洞室应沿隧道两侧交错布置，每侧布置间距应为500m左右。洞室尺寸宜参照现行铁路隧道设计规范
25、大避车洞尺寸设计，并满足有关专业的技术要求。,七、隧道防排水,采用复合式衬砌隧道，初期支护与二次衬砌之间应铺设防水板。隧道内均应设置双侧排水沟。单洞双线隧道，根据地下水量，可增设中心深排水沟。富水地层隧道应采用深排水沟，水沟水位应在铺底面20cm以下，并符合下列规定：单线隧道，深排水沟可设在两侧原水沟下方；双线隧道，应设中心深排水沟，深排水沟应设置在仰拱或底版中心下面。隧道衬砌背后应设置与深排水沟配套的纵、环向排水盲沟。纵向排水盲沟设在两侧边墙下部，其高度不应低于隧道内水沟底面；环向排水盲沟应与纵向排水盲沟连通。,八、防灾与救援,高速铁路条件下的隧道灾害，主要表现为火灾、水灾空气动力学问题、隧
26、道内掉块、侵限和结构失稳。其中隧道内掉块、侵限和结构失稳问题是铁路隧道的共有问题，即隧道病害问题，在非特大灾害条件下(如爆炸、地震、山体滑坡等)一般来说发展较为缓慢，有一定的时间发现和整治，且可通过提高设计标准和施工工程质量来相应提高其抗灾能力，有关隧道病害的监测、检测、状态评估和整治能够独立进行操作；空气动力学问题可以通过对隧道断面和隧道洞口形式等采取一系列构造技术措施来解决；水灾问题在水底隧道中最为突出，危害也大；火灾具有突发性，常常造成灾难性后果。,隧道内列车消防设施,1、辅助洞室 避车洞主要用于长隧道维修养护人员避车，放置维修养护材料及设备，灭火设备等。避车洞是永久性建筑物，是作业人员
27、和设备的安全待避所，可以为作业人员和行车提供可靠的安全保障。2、给排水设施 给水主要用于消火栓用水,可照有关消防法设置,排水应综合考虑隧道渗漏排水和消防排水的要求设计。洞口应考虑有能满足消防用水要求的水源或专用蓄水池或水井。并保持有足够的水量。3、通讯联络设备 为保证养护维修人员的联络,或与最近车站及控制中心等的联络应沿全线分布设置,并应充分利用车载无线通讯设备。4、照明设施5、灭火设施6、标志牌及报警装置,200公里暂规规定,200公里暂规规定：隧道内两侧应设紧急呼叫电话，单侧两部电话的距离为500m，隧道两侧错开设置。电话应安装在器材洞内，并设标示牌。当隧道长度大于1000m时，在有条件的
28、情况下宜设置紧急出口。紧急出口上方设标示牌；有条件时，应在两单线隧道间设置联络通道，间距不宜小于500m。紧急出口通道横断面尺寸为：宽度不小于2.3m；高度不小于2.5m；纵向仰角不大于35；竖井作为出口时井内应设阶梯和送风设备。,高速暂规规定,高速暂规规定：双线隧道内两侧应设置贯通整个隧道的救援通道。隧道内两侧均应设置紧急呼叫电话。当隧道长度大于1000m时，在有条件的情况下宜设置紧急出口。紧急出口上方应设标示牌。紧急出口通道断面最小尺寸应符合下列规定：宽度不应小于2.3m；高度不小于2.5m；纵向仰角不应大于25。竖井作为出入口时井内应设旋梯。满足以上条件的施工辅助坑道应保留，并改造为紧急
29、出口。,九、照明,200公里暂规规定：长度在500m以上的隧道应设固定式照明设施。500m以下的隧道应在洞内装设照明插座。高速暂规规定：隧道内照明设置应考虑维修养护、满足紧急情况下的人员疏散及救援人员的通行要求。同时也应考虑列车进入隧道后的亮度变化对旅客乘车舒适度的影响。并满足下列规定：长度大于1000m的隧道内应设固定的电力照明。长度不小于500m的隧道内应设置应急照明设备，应急照明灯具安装间隔不大于50m，该设备必须在供电中断时能自动接通并能连续工作2小时以上。紧急呼叫电话处及紧急出口处、紧急出口通道内均应设置应急照明灯具。,十、抗震设计,基本烈度为度时的VVI级围岩的双线隧道和基本烈度为
30、8、9度时的IVVI级围岩的单线隧道与IIIVI级围岩的双线隧道应考虑抗震设防措施，单线隧道设防段长度不宜小于25m，双线隧道不宜小于35m。设防地段的隧道宜采用带仰拱的曲墙式衬砌，其中IVVI级围岩地段宜采用钢筋混凝土。隧道洞门宜采用翼墙式，洞门结构宜采用混凝土浇注。,二、客运铁道专线隧道的特点,客运专线铁路隧道的特点,在高速运行的条件下，对隧道技术的要求，主要是空气动力学特性方面的。其次才是由于断面的扩大和长大隧道的增加，使得隧道工程量、施工难度增加，常常成为全线控制工期的关键工程。,客运专线铁路隧道的特点,1 客运专线线上的隧道不同于一般的铁路隧道，当高速列车在隧道中运行时要遇到空气动力
31、学问题，主要表现为空气动力效应所产生的新特点及现象。为了降低及缓解空气动力学效应，除了采用密封车辆及减小车辆横断面积外，必须采取有力的结构工程措施，增大隧道有效净空面积及在洞口增设缓冲结构；另外还有其它辅助措施，如在复线上双孔单线隧道设置一系列横通道；以及在隧道内适当位置修建通风竖井、斜井或横洞。为了降低隧道的空气动力效应，增大隧道有效净空面积是较好的结构工程措施，也是当前世界各国高速铁路发展的总趋势。,客运专线铁路隧道的特点,2 客运专线线隧道的横断面较大，受力比较复杂，且列车运行速度较高，隧道维修有一定的时间限制，复合衬砌和整体式衬砌比喷锚衬砌安全，且永久性好，故永久性衬砌一般不采用喷锚衬
32、砌。目前，世界隧道界对喷锚衬砌做为永久性衬砌尚有不同看法，随着对喷锚技术的不断深入研究和技术质量的不断提高，喷锚衬砌的应用也会更加广泛。但在目前情况下，特别在高速铁路隧道中仍不宜采用喷锚衬砌。,客运专线铁路隧道的特点,3 大断面隧道的受力情况不利，尤以隧道底部较为复杂，而两侧边墙底直角变化容易引起应力集中，需要对边墙底与仰拱连接处进行加强。必须注意仰拱和边墙底连接部位的工程质量，从目前的情况看，主要的问题是经常出现受力最不利位置(剪力最大）工程质量最差。,客运专线铁路隧道的特点,4 隧底结构由于在长期列车重载作用及地下水侵蚀的影响下极易产生破坏，从而引起基底沉陷、道床翻浆冒泥等病害，不但增加养
33、护维修工作量，而且严重影响运营安全，尤其是高速铁路对隧道底部的强度较普通铁路要求更高，且高速铁路隧道的断面跨度较大，因此要求高速铁路对底板厚度和仰拱、底板混凝土强度要求提高。,客运专线铁路隧道的特点,5 隧道渗漏水的危害主要会引起洞内金属设备及钢轨锈蚀、隧道衬砌丧失承载力、隧底翻浆冒泥破坏道床或使整体道床下沉开裂、有冻害地区的隧道衬砌背后积水引起衬砌冻胀开裂、衬砌漏水会引起衬砌挂冰而侵人净空。从运营安全上对隧道防排水要求提高。,客运专线铁路隧道的特点,6 提出了隧道衬砌混凝土的耐久性控制要求。隧道衬砌混凝土的地质环境复杂，对耐久性、抗渗性、抗冻性等耐久性指标应严格控制。,客运专线铁路隧道的特点
34、,7 为减低养护维修工作量、保障运营安全对隧道病害的监测、诊断及评定、整治技术需求。,三、客运专线铁路隧道施工关键点,隧道施工关键控制点,1 以确定合理的初期支护参数、控制塌方，保证隧道施工经济合理、结构安全。2 以隧道防排水施工达到预期目的、不产生渗漏水现象保证营运安全。3 以隧道净空、宽度、平面和纵面指标满足设计、施工规范要求，保证工程外观及内在质量，创优质工程。,支护参数设计,岩石在开挖成洞后，由于受力结构平衡体系的破坏和应力的重分布，应及时采取支护，在隧道的设计过程中都要进行支护参数设计，如何选定既安全有效又节省的支护参数，对隧道塌方的预防起着不可忽视的作用。由于地质围岩的分类只是一个
35、定性的概念，不是定量的，同一类围岩，其结构产状不尽相同，其自稳能力就不一致，此时支护参数的设计尤为重要，支护参数过大，增加工程的投入，支护参数过小，相同级别围岩自稳能力较差可能因支护强度不够，或要求更换支撑造成地应力再一次重分布，而引起塌方。特别是在临时支护方面，为减少工程投入，支护参数一般都较小，达不到国家标准要求。,动态施工,与地面结构物不同，隧道开挖前所提出的设计在严格意义上说只能称做“预设计”。根据对隧道开挖过程中围岩和支护系统力学行为的量测来论证和调整设计参数也是隧道设计、施工中的一个十分重要的环节。在隧道工程监测和信息化设计方面，中国在发展以位移测试为主体的隧道施工监测系统以及监测
36、信息的反馈理论方面都有长足的进展。,塌方产生的原因,地质条件的复杂多变，支护的不及时而暴露时间过长，导致围岩风化严重。或软弱围岩地段断面没有及时封闭，下沉或变形过大造成塌方；通过断层，突然遇到较高水压富水洞段，地下水向洞室内漏出，淘空了断层构造带中破碎岩体和充填物；由于岩层产状不利或因岩爆等诸多地质原因；工程管理和人的原因,工程管理和人的原因1）抢工期心切，忽视地质、地下水状况；2）不良地质条件下长距离不衬砌，片面追求进尺；3）破碎围岩中不设超前支护；4）出现塌方迹象时不采取或被动采取辅助措施；5）支护不到位，能省的就省；6）施工工艺控制不严，质量差。,不良地质段预防塌方的方法,一般常用主要方
37、法有：1.超前导洞法，可以探明前方地质条件，确定本段开挖和支护方法，或采用其它辅助工法加固、保护围岩；2.强支护是预防塌方的可行措施。对地质不良地段主要采取“锚喷、网喷、喷混凝土与钢支撑或格栅钢架相结合”的支护方法。3.加强围岩变形观测是预防塌方的有效方法之一。洞室开挖后，岩体的重新稳定过程中，围岩都存在变形，当变形超过允许范围时，就发生塌方。在隧道新奥法施工中，通过量测仪器对围岩的变形量和变形速率的观测分析，推测其最大变形量，估算是否会发生塌方，提前作出预告，以决定采取合理的支护。目前采取的观测方法有位移观测、收敛位移观测、压力量测等，最常用是收敛位移量测，即量测隧洞周边或结构物内部净空尺寸
38、的变化。,岩爆引起塌方的预防方法,岩爆产生机理：岩爆是高应力区，地下洞室开挖中围岩脆性破坏时应变能突然释放所造成的一种动力失稳现象，由于岩体中储藏的能量通常以弹性变形的形式储聚，高应力集中区内，弹性变形越大，储备的能量越多，开挖后围岩表面应力被解除，具有高度弹性的脆性岩层由于爆破冲击波的作用，动应力和应变静应力瞬量叠加和释放产生了脆性断裂，形成了岩爆，对岩爆的及时支护，既保障施工安全，还可以减少因岩爆所引起塌方的产生。当洞室埋深较大、开挖岩体完整性较好，且干燥无水时，应预防岩爆的发生。,岩爆引起塌方的预防方法,开挖时的预防 隧洞爆破开挖，既可以使围岩应力得到部分释放，也可以产生新的应力集中，发
39、生岩爆。在可能发生岩爆区段内采取二次开挖，先开挖上半断面，减少光面爆破的周边眼间距，且尽量分布均匀，以使开挖轮廓线相对圆顺，减少新的应力集中。周边眼采用小药卷或间隔装药，爆破时导爆管段位增加，降低同段起爆药量，以尽量减少爆破对围岩的扰动，诱发岩爆的产生。,岩爆引起塌方的预防方法,开挖后，岩爆洞段的处理方法(1)爆破后立即向工作面、爆破面喷水，充分湿润围岩，可以很好缓释围岩应力。(2)清除松动围岩后，素喷混凝土支护，厚度为5cm左右，目的是将表部破裂岩块连固在一起，进一步圆顺开挖轮廓线，缓解应力集中，有很好的削减岩爆的作用，对轻微岩爆还可以取到一次防护成功，避免诱发中强岩爆。实验表明，含钢纤维混
40、凝土，其抗拉强度明显强，能取得很好的支护效果。(3)对中强岩爆洞段，在初期喷护后，应尽快采用浅孔密锚网喷混凝土的补强支护，锚杆可用22，长度为2.03.0m，间距1.02.0m梅花型交错布置，尾部加垫紧贴岩面，挂20cm20cm，6或8钢筋网，喷混凝土1015cm支护。,富水洞段塌方的预防,在地下水丰富的断层破碎带，大量的渗水、淋水甚至于涌水的部位，不仅影响施工的进度和质量，还容易造成塌方。在此种地段施工时，及时排水是预防塌方的关键。在了解岩石节理裂隙破碎带的走向、倾向和倾角后，对于少量集中渗水、淋水地段，在将要通过的透水层部位布置一定数量的排水孔或埋设排水管，将渗、淋水集中到排水孔内导出，称
41、为排水孔法或排水管法。通过在钢筋网背后铺过滤层或隔水层，将其固定在围岩上，通过软管边排水、边喷射混凝土，称为金属网法。如遇较大涌水，在支护时对主要涌水出水口暂不进行封堵支护，待涌水减小或没有时，再进行支护或进行固结封堵，迫使水流改变流向。,尽量消除人为因素的影响,-抢施工进度，对围岩的自稳能力过于乐观，或由于地质条件一直较好，思想上过于麻痹，对突然出现的断层等估计不足，准备不充分，很容易造成塌方。-要对工期作合理的安排，在思想上要有对可能出现的各种不良地质情况有打持久战的准备，在技术上对可能遭遇的塌方有详细对应的技术措施。-当出现断层或其它不良地质现象时，一定要对地质情况作详细的分析，充分了解
42、围岩和其稳定性，按照就低不就高的原则进行开挖和支护，并且加强围岩的变形观测和分析，对超过允许范围的较严重变形洞段应及时采取相应的支护，抑制围岩的进一步变形，能很好预防塌方的发生。,防水体系问题,有治标的、治本的、也有纯理论方案。应把隧道与地下工程防水视为一个系统工程，根据工程具体要求和情况，建立起完整的防水体系。将防水原则、防水设计、材料选择、防水施工工艺、防水施工管理、防水施工队伍选择等都纳入防水体系中。解决了原材料的质量而解决不了施工工艺，即优良环境下的高级材料实验、恶劣环境下的低级质量施工；理想完善的防水方案、现实缺陷的防水效果，总是无法实现设计意图，达不到较理想的防水效果。防水根本在于
43、“混凝土结构自防水”。确保防水混凝土达到规定的密实性、抗渗性和抗裂性，才能有效地防水、防腐，从而提高耐久性。,结构耐久性,我国土建结构的设计与施工规范，重点放在各种荷载作用下的结构强度要求，而对环境因素作用（如干湿、冻融等大气侵蚀以及工程周围水、土中有害化学介质侵蚀）下的耐久性要求则相对考虑较少。混凝土结构因钢筋锈蚀或混凝土腐蚀导致的结构安全事故，其严重程度已远过于因结构构件承载力安全水准设置偏低所带来的危害，所以这个问题必须引起格外重视。我国规范规定的与耐久性有关的一些要求，如保护钢筋免遭锈蚀的混凝土保护层最小厚度和混凝土的最低强度等级，都明显著低于国外规范。损害结构承载力的安全性只是耐久性
44、不足的后果之一；提高结构构件承载能力的安全设置水准，在一些情况下也有利于结构的耐久性与结构使用寿命。客运专线-高度关注,混凝土耐久性,我国铁路隧道用低强度的C15混凝土作衬砌材料，密实度和抗渗性差，不耐地下水与机车废气侵蚀，开裂与渗漏严重。对几个路局所辖的隧道进行抽样调查表明，漏水的占50.4%，其中1/3渗漏严重，并导致钢轨等配件锈蚀以及电力牵引地段漏电，影响正常运行。,混凝土结构的耐久性问题,使混凝土结构的耐久性问题进一步加剧的原因有：1 由于混凝土的质量检验习惯上以单一的强度指标作为衡量标准，导致水泥工业对水泥强度的不适当追求，使水泥细度增加，早强的矿物成份比例提高，这些都不利于混凝土的
45、耐久性。我国对水泥质量的检验在强度上只要求不低于规定的最低许可值，而国外则同时还要求不高于规定的最高值，如果强度超过了也被认为不合格，这种要求还有利于水泥产品质量的均匀性。,混凝土结构的耐久性问题,2工程施工单位不适当地加快施工进度，尤其是政府行政领导对工程进度的不适当干预。混凝土的耐久性质量尤其需要有足够的施工养护期加以保证，早产有损生命健康的概念同样适用于混凝土。当前隧道工程的养护质量堪忧。抢工献礼工程，很可能就是今后注定要花掉更多资金进行大修的短命工程。提前完成合同规定施工期限的在国外要被罚款，因为意味着工程质量有遭到损害的可能。,混凝土结构的耐久性问题,为了提高混凝土耐久性，在混凝土中
46、合理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺合料是重要的技术手段，国外有的规范甚至规定在桥梁等混凝土结构中必须加入粉煤灰等掺合料。外加剂的碱含量？工程技术界的一些过时的看法，对改善混凝土的耐久性能造成阻力。如顾虑会影响混凝土强度而不愿使用引气剂，而引气本应作为改善混凝土耐久性和工作性的常规手段；又如，希望加大水泥用量来保证混凝土强度，而尽可能低的水泥用量本应是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途径。,混凝土结构的耐久性问题,重视混凝土结构的耐久性也是可持续发展的需要。生产混凝土所需的水泥、砂、石等原材料均需大量消耗国土资源并破坏植被与河床，水泥生产排放的二氧化碳已占人类活动排放总量的1/5-1/6，而我国排放的二
47、氧化碳量已居世界第二。我国现在每年生产5亿多吨水泥，与之相伴的是年耗20多亿方的砂石，长此以往实难以为继。延长结构使用寿命意味着节约材料，而耐久的混凝土一般又应是水泥用量较低和矿物掺合料（工业废料）用量较高的混凝土，所以耐久的混凝土正适应环境保护的需要。国际上对桥梁、隧道等土木工程的设计工作寿命多为100年，有的如英国为120年。考虑到耐久性不足所造成的巨大经济损失和资源浪费，国际上近年来有要求将这些工程的最低工作寿命进一步延长的趋势，如提出城市环境中的桥梁至少应有150年。,四、开挖施工方法简介,新奥法概念,新奥法是六十年代奥地利专家腊布希维兹(L.V.Rabccwicz)总结前人在隧道施工
48、中累积的经验后所提出来的一套隧道设计、施工的新技术。1948年提出，并于1962年奥地利第八届土力学会议（萨尔茨堡）得到正式命名的隧道施工方法。新奥法就是施工过程中充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护，使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。,新奥法遵循原则,为使围岩形成中空筒状支承环结构，应遵循下述原则：（1）应当考虑岩体的力学特性。（2）应当在适宜的时机构筑适宜的支护结构，避免在围岩中出现不利的应力应变状态。（3）为使围岩形成力学上十分稳定的中空筒状支承环结构，必须构筑一个闭合的支护结构。（4）由
49、现场量测监控围岩动态，根据容许变形量求得最适宜的支护结构。,“新奥法”适用的围岩条件,“新奥法”适用的围岩条件是具有粘性、塑性、弹性的连续介质，而对于那些粘性较差、非塑性、非弹性的松散体，用“新奥法”理论就值得研究。必须根据具体情况，采取一些特殊施工工艺，才能满足工程要求。,新奥法所使用的支护手段,新奥法所使用的支护手段中，除了喷锚支护外，还有钢拱支架、U型可缩性支架、钢筋网、二次模注砼等，在特殊情况下，还要配合使用注浆加固、冻结加固等特殊手段，并且这些支护手段的最终目的是约束围岩变位，使围岩和支护结构共同形成支承结构。另外，新奥法构筑支护手段的时间效应和空间效应对形成支承环结构、保障围岩稳定
50、有很重要的意义。施工经验表明，采用喷锚支护如果忽视时间效应和空间效应，不仅达不到预期效果，甚至会造成工程事故。,“新奥法”一词的内涵,新奥法是一种“概念”、“哲学”、“原则”或“途径”，而不是一种固定不变的具体施工方法或技术。阐明这一点，有重要的现实意义。事实上，在一些工程中，由于照搬某些新奥法工程中具体施工方法而不注意结合本工程的实际来体现新奥法的原则而遭到失败。新奥法概念的内涵，只有一条，那就是保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力。从这样一个原则出发，可以根据隧道工程具体条件灵活地选择开挖方法、爆破技术、支护形式、支护施作时机和辅助工法。至于对围岩变形的控制，根据不同情况，有时应强调释放，有
