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1、客运专线长大隧道设计与施工石家庄铁道学院,一、高速铁路中的隧道比例,1.日本新干线高速铁路：东海道516KM隧道比重13%，山阳562KM隧道比重50%，东北470KM隧道比重24%，上越270KM隧道比重39%。2.德国:汉诺威威若斯堡327KM,隧道全长118KM,比重37%;漫海姆斯图加特100KM,隧道比重30%。3.意大利：罗马佛罗伦萨327KM，隧道长85KM。4.台湾:台北高雄333KM,隧道总长39KM,比重11.7%。,5 武广客运专线隧道工程概况 本段正线线路长715.110km，新建隧道110座，明洞1座，隧道(含明洞)总96.014km，占线路总长的13.42%。其中长
2、度小于1km的隧道90座，总长32.841km；长度的隧道15座，总长24.946km；长度3.06.0km的隧道2座，总长6.601km；长度6.010.0km的隧道3座，总长21.295km；长度大于10.0km的隧道1座，长11.331km。沿线分布于湖北境内的隧道2座，总长1.554k，隧线比1.44%；湖南境内86座，长57.085km，隧线比11.02%；广东境内23座，长37.375km，隧线比42.0%。,6.石太客运专线隧道概况石家庄至太原客运专线新建线路全长190.278km，其中双线隧道共18座，隧道总延长36.865km；单线隧道共2座，隧道总延长55.769km，双线
3、+2单线隧道1座，隧道长11.451km。隧道双延米合计76.208km（以左线为准），隧道总延长占线路总长的40.05%。全线共有隧道20座，L500m的隧道有6座，500mL3km的隧道有7座，3kmL10km的隧道有4座，L10km的特长隧道有3座，太行山隧道长27.892km，南梁隧道长11.451km，东凌井隧道长10.882km。石太线客运专线隧道分布情况见表1。,太行山隧道概况太行山特长隧道位于石太客运专线孤山车站和盂县车站之间，是本线的重点控制工程，隧道通过该段太行山山脉的主峰越宵山，越宵山最高高程为1320m，隧道最大埋深445m，太行山隧道设计为双洞单线隧道，两线线间距35
4、m。隧道左线进口里程为DK69+276，出口里程为DK97+168，隧道全长27892 m；隧道右线进口里程为右DK69+286，出口里程为右DK97+163，隧道全长27877 m。,表3 太行山隧道行山隧道施工斜井参数表,a在高速铁路上，隧道工程的大量涌现是必然的，这主要与线路的标准有关。b高速铁路隧道的勘测、设计、施工与维修养护管理的基本考虑与一般铁路隧道的情况有许多共同点。c这里仅结合高速铁路隧道的一些特点，说明空气动力学对隧道设计的影响。,二、我国铁路的发展方向,我国铁路已经运行6万km。2020年规划铁路总里程10万km，其中，客运专线1.2万km；复线5万km；电气化铁路5万km
5、。京广客运专线2230km，其中，准备开工武汉广州段。徐州兰州客运专线1400km，即将开工郑州西安段。,根据国务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10万公里，其中客运专线营业里程12000公里。包括：新建客运专线10000公里；新建城际客运系统2000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
6、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,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,
7、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,客运专线隧道的分类,三.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；,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，
8、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措施，以减缓空气动力学效应。,已开展的相关科研工作“高速铁路隧道设计参数的研究”“8.5”攻关 85-402-02-02“高速铁路隧道合理断面形式的研究”96G08“时速160-200km隧道设计参数的研究”“时速160km新建铁路线桥隧站设计暂行规 定的研究与编制”（隧道部分）高速铁路隧道空气动力学相关技术的研究和试验2003G001,1、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、洞内行车阻力增大等。隧道的微气压波是列车突入隧道时形成
9、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，其形态发生的实态见下图,四、空气动力学效应,空气动力学效应,隧道微气压波的发生,从测试结果看，在短隧道中，微气压波最大值与的3次方成正比例，与r成反比。考虑到隧道洞口地形的影响，可近似用下式求出：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：210km/h、r20m、p40Pa得下式：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）；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
10、为200km/h，测点距离为20m时，是100Pa150Pa。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。以上所述，微气压波的发生实态与许多因素有关，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。因此，研究微压波的影响也必须综合众多因素确定。,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,竖井的影响,车形的影响,V=200km/h,V=160km/h单线,V=160km/h双线,五、
11、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3秒内最大压力变化值在3kpa以内。下表给出了相应的“不舒适度”极限值。,建 议 的 临 界 值,六、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
12、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。下表列出了一些国家高速铁路隧道采用的参数。,一些国家高速铁路隧道的基本参数,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,七.高速铁路隧道设计内容,时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定 7.1.1 隧道设计除应遵守铁道部现行的铁路隧道设计规范（TBJ3）规定外，还应考虑下列因素:1 隧道内形成的瞬变压力对旅客乘车数舒适度及车辆结构的影响；2 空气阻力的增大对行车的影响；3 隧道口所形成的微压波对环境的影响;4 列车风对隧道内
13、作业人员待避条件的影响。,7.2.1 隧道净空横断面面积单线隧道不应小于52m2,双线隧道不应小于80m2.单线隧道断面的内轮廓如图1，与建筑限界的关系如图2。双线隧道的内轮廓如图3，与建筑限界的关系如图4。7.2.2 双线隧道内线间距与洞外相同。曲线地段线间距不予加宽。7.2.3 曲线上的隧道，内轮廓不考虑曲线加宽。7.3.1 隧道设计时应根据洞口微压波峰值的大小来确定是否设置缓冲结构。当洞口50 m范围内无建筑物、洞口外20m处的微压波峰值大于50pa时，须设置洞口缓冲结构；当洞口50m范围内有建筑物时，一般情况下当建筑物处的微,压波大于20pa，须设置洞口缓冲结构；当对建筑物处的峰值有特
14、殊要求时，洞口缓冲结构应进行特殊设计。7.3.2 当隧道口无建筑物，无特殊环境要求时，双线隧道可不设置洞口缓冲结构。单线隧道应设置长度5.0m的洞口缓冲结构。7.3.3 隧道口缓冲结构尽量采用与隧道内轮廓形式相似的断面，也可采用棚式结构断面。洞口缓冲结构纵向宜做成渐变的喇叭状，开口处最大净空断面面积为隧道净空断面面积的1.41.5倍，在缓冲结构纵向中心附近沿两侧对称分布开孔，孔长为12缓冲棚长，开孔面积为隧道净空横断面面积的0.20.3倍。洞口缓冲结构宜采用钢筋混凝土结构。,7.3.4 必要时隧道可根据隧址的具体条件设置竖井、斜井和横洞等辅助坑道，此时隧道净空横断面面积可适当减少。7.4.1
15、隧道内供养护维修人员使用的待避区中列车风风速不得大于14m/s。7.4.2 在双线隧道内可设置距隧道边墙1.2m的人员待避区中应设置扶手、保护栏杆等安全设施。,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,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,我国客运专线隧道内净空面积,1、双线隧道和两个单线隧道的比较,客运专线隧道几个技术问题的讨论,双线隧道和两个单线隧道的比较,2、断面形式（1）马蹄形断面（2）蛋形断面（3）圆形断面,3、缓冲结构是否设置？,洞口缓冲结构示意图,断
16、面90m2可不设置，双线隧道可不设置，两个单线应于设置。,4、防灾方案,双线隧道设平导，横通道间距400600m两个单线隧道横通道间距400600m圆形断面隧道有纵向防灾通道,表5 国内外隧道列车火灾事故一览表,消防定点（有避难所）,方案的比较,注1,：定点处投资估算中均加入了全隧道联络通道加密的投资。注2：总投资包括防灾救援与安全疏散的设备、土建及安装等费用。,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90m2100m2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
17、。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。,洞门型式及缓冲结构,洞口缓冲段主要有以下几种形式：a.无侧面开口或开槽的扩大断面型；b.有侧面开口或开槽的扩大断面型；c.喇叭型：分直线型和曲线型两种，见下图 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3成正比，依此求出的所需的缓冲段最小长度
18、列于下表。使列车速度降到160km/h以下所需的缓冲段的最小长度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。,双线隧道复合式衬砌支护参数表,1)、设计、施工中必须建立综合超前预报系统作为工序并列入预算之中。2)、设计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。3)、复合式衬砌是地下工程也是铁路隧道的重要结构形式,客运专线长大隧
19、道的设计原则,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。5)、取消洞门或设计简易洞门 洞门应设在早进晚出这地，按不受力洞门设计，挡墙式洞门，必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。,6)、5km以上隧道设置辅助导坑是确保安全、质量、进度的重要措施，也是今后运营隧道所必须。,八、大断面隧道施工概况,我国铁路系统从20世纪60年代起修建大断面隧道，其数量相对较少，技术也相对落后，主要是一些三线或车站隧道。20世纪80年代以后，高速公路隧道相继出现，大断面隧道也日渐增多。表2为所收集的我国大陆地区交通类大断面隧道工程概况。我国台湾的高速铁路已于2003年完工，改线修建了许多大断面隧道。,九、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,（3）小直径TBM（3-4m）加钻爆法扩大（4）软弱地层段，采用正台阶开挖加超前支护进行。,台阶法施工示意图（断面方130m2),十、隧道施工的主要设备及配套 钻爆作业线 装碴运输作业线 喷锚支护作业线 防水板 混凝土衬砌作业线 注浆作业线 通风作业线 排水作业线,主要施工设备,支护架设机,仰拱栈桥,自动喷浆机,钻孔台车,衬砌台车,暗洞,明洞,管棚钻机,工作平台车,洞内防水板铺设,90,谢谢大家！,
