铁路客运专线隧道设计与施工

1、铁路客运专线隧道的设计与施工7/25/202211、前言 在我国诸多的交通运输方式中，铁路运输是交通运输的主要方式 。铁路运输能力的严重不足，制约着各地经济的发展。随着国民经济的发展，铁路运力不足的矛盾越来越突出。修建客运专线是我国的铁路发展的必然选择，继秦沈客运专线后，今年相继九条客运专线的开工修建，标志我国建设世界一流的客运专线高潮的到来。 客运专线是一项建设规模庞大而又复杂的系统工程，具有技术新、标准高、施工工艺复杂、难度大、施工准备时间紧等特点。 由于行车速度的提高，曲线半径的加大，使得隧道所占的比重越来越大。对于客运专线隧道的施工，大陆尚无工程实例，没有成套的施工技术可借鉴，国外和台

2、湾地区高速铁路修建的技术和经验、可供我们借鉴和参考。7/25/202222、国内外高速铁路隧道的发展概况在日本已建成的4条新干线总长1818km中隧道长度为566km之多。正在修建的时速500km的中央新干线42.8km实验线上，隧道总长为35km。在5条新干线的建设计划中，隧道的工程量也是相当可观的，北陆新干线轻井-长野段长83.6km，隧道约占44%（36.8km）；东北新干线宫内-八户段长60.0km，隧道约占85%（ 51.5km）；九州新干线八代-西鹿儿岛长125.2km，隧道约占70%（87.7km）。在这些线路上也出现了几座10km以上的长大隧道。 （1) 日本高速铁路隧道7/2

3、5/202232、国内外高速铁路隧道的发展概况 中央新干线因列车速度达500km/h，隧道横断面积的高度从过去的7.6m增加到7.7m，宽度从9.4m增加到12.6m，堵塞比从0.18变为0.12。（1) 日本高速铁路隧道7/25/202242、国内外高速铁路隧道的发展概况 德国于80年代初期动工修建的汉诺威到威尔兹堡新干线长327km，隧道总长达118km，占线路长度的37%，包括长达10.7km的兰得吕肯隧道。另一条从曼海姆到斯图加特线路长100km，隧道占30%（30km）。第2代新线隧道高速铁路的横断面积从64m2增加到82m2 （2) 德国高速铁路隧道7/25/202252、国内外高

4、速铁路隧道的发展概况 从罗马到佛罗伦萨的线路长237km，其中穿越阿尔卑斯山的线路实际长度只有78.2km，而隧道的总长则达85km。其中，主隧道长度为73km，辅助隧道长达12km。 （3) 意大利高速铁路隧道 隧道横断面比现有隧道横断面加大，轨面以上的断面积为76m2。现有隧道断面积是54m2。7/25/202262、国内外高速铁路隧道的发展概况 瑞士联邦铁路也计划修建穿越阿尔卑斯山的新隧道。该计划包括4条高速铁路的比选方案，将要修建多座特长隧道，这些隧道分别是乐琴山隧道38.2km、新普郎隧道35.4km、圣哥达隧道49.3km、斯普林肯隧道46.7km和Y型隧道25.7km。（4) 瑞

5、士联邦高速铁路隧道7/25/202272、国内外高速铁路隧道的发展概况 奥地利新建高速铁路的隧道轨面以上的面积是66m2，单线是45m2。（5) 奥地利高速铁路隧道7/25/202282、国内外高速铁路隧道的发展概况 西班牙高速铁路在列车速度为300km/h时，隧道100m2的横断面积视列车速度的不同，堵塞比大致变化在0.210.12之间。（6) 西班牙高速铁路隧道7/25/202292、国内外高速铁路隧道的发展概况 韩国拟修建的从汉城到釜山的高速铁路全长409km，隧道约占34%。 横断面积采用100m2 （7) 韩国高速铁路隧道7/25/2022102、国内外高速铁路隧道的发展概况我国台湾

6、正在修建的台北到高雄的高速铁路，全长333km，共有50座隧道，总长39km，最长的隧道约6.4km，隧道比重为11.7%。其中36座隧道采用掘进机或钻爆法施工，其余11km采用明挖法施工。隧道横断面积采用90m2。（8) 台湾高速铁路隧道7/25/2022112、国内外高速铁路隧道的发展概况（9) 国内高速铁路隧道 时速350km/h：双线隧道有效断面100m2，单线隧道有效断面70m2。7/25/2022122、国内外高速铁路隧道的发展概况 时速250km/h：双线隧道有效断面不小于90m2，单线隧道有效断面不小于58m2 。（9) 国内高速铁路隧道7/25/2022132、国内外高速铁路

7、隧道的发展概况 时速200km/h：双线隧道有效断面不小于80m2，单线隧道有效断面不小于50m2（9)国内高速铁路隧道7/25/2022143、客运专线隧道与普通铁路隧道的差异 客运专线与普通铁路的不同主要表现在速度的目标值不同，随着速度目标值的不断提高，相应地提出了一些新的要求，主要归结为两个方面： （1）适应空气动力学变化的要求； （2）为保持轨道的持久稳定和高平顺性、供高速列车安全舒适的运行对轨下基础的要求。 7/25/2022153、客运专线隧道与普通铁路隧道的差异隧道的有效断面增大；隧道洞口设置缓冲结构；隧道的衬砌结构；（曲墙带仰拱、边墙与仰拱顺接、砼强度提高、耐久性100年）安全

8、空间和救援通道；（单向一侧、双向两侧）防灾与救援；（设置图像文字标志、紧急呼叫电话、紧急出口并设标示牌、利用辅助坑道）（1) 隧道的设计特点7/25/202216安全空间位置示意图救援通道位置示意图7/25/2022173、客运专线隧道与普通铁路隧道的差异 隧道断面大、受力较复杂 客运专线隧道按照断面大小划分，单线隧道断面大于50m2属大断面隧道，双线隧道断面大于100m2属超大断面隧道，比普通铁路隧道的断面大得多。由于隧道横断面较大，受力情况较为不利，尤其是隧道底部比较复杂，而两侧边墙底直角变化容易引起应力集中，需对边墙底与仰拱连接处进行加强。 （2) 隧道的差异7/25/2022183、客

9、运专线隧道与普通铁路隧道的差异 隧道衬砌结构的耐久性要求高 由于隧道断面较大，受力比较复杂，且列车的运行速度较高，隧道维修有一定的时间限制，对隧道衬砌的安全性、耐久性要求比普通铁路隧道有很大的提高，要求混凝土的耐久性达到100年，以保证隧道的运营安全。 （2) 隧道的差异7/25/2022193、客运专线隧道与普通铁路隧道的差异 注重隧底的处理 隧底结构由于长期在列车动荷载的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，不但增加养护维修的工作量，而且严重影响运营安全，故客运专线对隧道底部的强度要求比普通铁路更高；由于客运专线隧道的断面跨度较大，对底板厚度和仰拱、底

10、板的混凝土强度要求较普通铁路有所提高。 （2) 隧道的差异7/25/2022203、客运专线隧道与普通铁路隧道的差异 隧道防排水要求高 隧道渗漏水的危害主要是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入净空。从运营安全上对隧道防排水要求提高，隧道设计均为一级防水，混凝土的抗渗等级不小于P8，这是普通铁路所没有的。 （2) 隧道的差异7/25/2022213、客运专线隧道与普通铁路隧道的差异 隧道病害监测整治技术的需求 为减少养护维修的工作量，保障隧道的运营安全，需要对隧道病害进

11、行监测、诊断及评定，做出准确的判断，采取有针对性的整治措施，故对隧道病害的监测及整治技术的需求是非常大的，要求的精度和技术的先进性是非常高的。 （2) 隧道的差异7/25/2022224、施工技术与方法概述 客运专线隧道的施工技术和方法与普通铁路隧道的施工技术和方法基本相同。由于对质量和使用要求的提高，致使对施工机械、工艺水平、质量监控检测、地质超前预报、施工量测、隧底处理、信息化施工提出了更高的要求。无碴轨道施工与隧道施工的一起安排，也为项目施工增加了新内容。7/25/2022234、施工技术与方法概述 （1）开挖 开挖方法：全断面法、台阶法（上下台阶、三台阶、短台阶、微台阶）、预留核心土环

12、形开挖法、侧壁导坑法（单、双侧壁）中隔壁法（CD、CRD）、中洞法等。 在选择开挖方法时，应对隧道断面大小、形状及围岩的工程地质条件、支护条件、工期要求、工程量、机械配备能力、经济性等相关因素进行综合分析，采用科学、合理的开挖方法，尤其要与支护条件相适应。 7/25/2022244、施工技术与方法概述 （2）支护 支护分为超前支护和初期支护 超前支护：大管棚、超前小导管、超前锚杆 初期支护：锚杆（拱部中空、边墙砂浆）、钢筋网、钢架（型钢、钢筋）、喷射混凝土（湿喷） （3）衬砌 采用全液压自行式钢模板台车，长度不小于12m；仰拱必须超前，仰拱与填充不能同时施工，以仰拱栈桥进行跨越。7/25/20

13、22254、施工技术与方法概述 （4）防排水 隧道设计等级为一级，混凝土抗渗等级不小于P8。防水板采用无射钉铺设技术。施工缝防水结构图变形缝防水结构图7/25/2022264、施工技术与方法概述 （5）不良地质及特殊地质 隧道穿越的不良地质地层主要表现为岩堆、高地温、高地应力、瓦斯、溶洞及暗河等，特殊地质主要表现为软岩、岩溶、黄土等。 岩堆 清除地表孤石，采用小导管或自进式注浆锚杆进行地表注浆加固，采用超前小导管和管棚进行超前支护。 高地温 对于高地温地段隧道施工应加强地温监测及施工通风，做好人员防护措施。 7/25/2022274、施工技术与方法概述 高地应力 高地应力硬岩地段可能发生岩爆，

14、若岩爆段采用洒水、局部加深炮眼，中等岩爆地段采用局部增设钢筋网，强岩爆地段采用超前钻孔预爆破以释放地应力等措施。 隧道深埋断层破碎带地段可能存在高地应力引起的软塑性变形问题，可采用适当加大预留变形、加长锚杆及加强支护结构等措施。 施工中加强监测及试验，并根据监测数据判定地应力的影响，以便设计应对措施，并做好施工人员及设备的防护措施。 7/25/2022284、施工技术与方法概述 瓦斯 隧道在穿越煤系地层时，制定监测计划，配备监测设备，隧道衬砌结构采用气密性混凝土、全包双层防水层，并加强施工监测、通风、人员防护及预留运营通风条件等措施。 软岩 软岩地段隧道的基底应予以加强，可采用围岩注浆、钢管桩

15、、旋喷桩或其他加固措施，确保衬砌有足够的强度、刚度和抗裂性。 7/25/2022294、施工技术与方法概述 岩溶及溶洞、暗河 对于岩溶发育的长大隧道，根据隧道环境要求，具体围岩状况、水压、水量等采用恰当的注浆堵水措施。 对于溶洞、暗河发育的地段，根据隧道地质及环境调查具体情况，采用超前预注浆、超前帷幕注浆、后注浆等多种措施加固围岩、截堵地下水，结合防水混凝土衬砌结构，共同保证运营安全、满足环保要求。 尽量维系岩溶暗河的既有通路，在暗河与设计路肩高程相近的情况下，采用打设泄水洞，提前截排暗河水，确保结构运营安全。 7/25/2022304、施工技术与方法概述 黄土 对于黄土隧道，开挖宜采用短台阶

16、法或分部开挖法（留核心土法），初期支护应紧跟开挖面，开挖后及时施做初期支护，必要时可采用超前锚杆、小导管、管棚加固，待初期支护基本稳定后，进行永久衬砌施工，衬砌背后要回填密实，尤其是拱顶回填一定要做好。 做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水侵蚀洞体周围，造成土体坍塌。 在含有地下水的黄土层中施工时，洞内应施做良好的排水设施。在干燥无水的黄土层中施工，应管理好施工用水，不使废水漫流。 对于黄土隧道的基底处理的方法主要有换填、树根桩、注浆、灰土挤密桩等多种。 7/25/2022315、隧道内软弱地基的处理 对于黄土隧道内软弱地基的处理方法有灰土挤密桩、树根桩、

17、压浆、换填等多种方法。灰土挤密桩相对于其他方法容易实施、经济使用、安全可靠，施工质量可控性强，但施工时对其他工序作业影响较大。 7/25/2022325、隧道内软弱地基的处理 换填施工时仰拱和边墙不能同时进行，可以以隧道中线分左右幅进行换填，但左右两侧也不能同时进行，要错开左右交替分段施工，分段的长度应根据现场情况、施工的速度等因素来考虑，在施工过程中要对隧道进行监控量测，确保施工安全。换填部分采用挖掘机人工配合进行施工，采用小型机具或人工夯实。7/25/2022335、隧道内软弱地基的处理 树根桩采用洛阳铲进行施工，用洛阳铲人工进行成孔，然后在孔内插入钢筋笼，浇注混凝土，并进行养护至设计强度

18、，在未达到设计强度前不允许在其上部堆积重载，避免造成破坏。7/25/2022345、隧道内软弱地基的处理 基底按照复合地基要求进行计算，桩径取0.5m，桩间距23d，桩土应力比45，仰拱底部桩间距1.21.2m，边墙底部桩间距1.01.0m，梅花型布置，桩长34m。 灰土挤密桩在隧道内施工时，由于作业空间受限，需要采用体积适当、高度合适的设备进行施工。 7/25/2022355、隧道内软弱地基的处理 压浆的范围与树根桩的处理范围基本一致，在边墙底部采用42小导管进行压浆，处理深度4.0m左右，布置间距1.21.2m，仰拱底部按8.0m范围进行夯实。 压浆施工质量不易控制，浆液中的水对地层参数有

19、不利影响。7/25/2022366、超前地质预报及监控量测 超前水平钻探 该方法是在开挖面布设超前探孔，采用钻机进行超前钻探，根据钻机在钻进过程中的推力、扭距、钻速、成孔难易及钻孔出水情况来确定前方的地层和岩性，同时进行涌水量和水压测试及水质分析，判断掌子面前方地层含水情况及性质。 可以探明开挖面前方3050m范围内有无涌水、瓦斯和溶洞等不良地质情况。（1) 超前地质预报7/25/2022376、超前地质预报及监控量测 红外遥感 在施工现场，通过测试掌子面的场强分布值，根据场强的变化规律预报掌子面前方可能出现的岩层，已经临近的不良地质体的性质、位置、岩溶裂隙、地下水的活动规律、地下水的压力、储

20、量等含水构造。 红外遥感技术是一种短距离超前预报的方法，一般为掌子面前方30m内，最多50m范围内进行较为准确的预报。（1) 超前地质预报7/25/2022386、超前地质预报及监控量测 TSP203地质预报系统 测试原理是利用地震波的反射原理进行超前地质预报 。有效预测距离可达100150m，探测距离达300m。（1) 超前地质预报7/25/2022396、超前地质预报及监控量测 现场监控量测是在隧道施工过程中，对围岩和支护系统的稳定状态进行监测，为喷锚支护和二次衬砌砼的参数调整提供依据，把量测的资料经整理和分析得到信息及时反馈到设计和施工中，进一步优化设计和施工方案，以达到安全、经济、快速施工的目的。 监控量测的要求、方法与内容、数据处理与分析等根据现场实际情况参照施工规范执