武广客运专线隧道的若干关键技术问题.pptVIP

欢迎各位领导、专家 指导！,武广客运专线 隧道的若干关键技术问题 铁道第四勘察设计院 肖明清 王克金 2005年11月,1、概述,武广客运专线铁四院设计范围内正线线路全长715.2km，新建隧道187座，总长为112.2km，占线路总长度的15.7%。其中最长隧道为大瑶山一号隧道，全长10085m；长度小于500m的隧道有138座，占总座数的74。,武广客运专线隧道的特点与难点,1、概述,隧道断面大：内净空面积达100m2，需要开挖面积约160m2（有仰拱）。 工程可靠性和耐久性要求高：设计使用年限要求100年，主体结构要求“零缺陷”。 防排水要求高：防水等级要求达到一级，衬砌表面无湿渍。 环保与景观要求高：沿线隧道洞口植被发育，部分隧道穿越森林公园景区或自然保护区；线路与高速公路、国道并行段长，景观要求高。 防灾救援难度大：大瑶山一、二、三号隧道均为长度大于6km的隧道，洞口桥隧相连，相邻洞口距离分别仅为169m、45m。 工程地质条件复杂：隧道主要不良地质有岩溶、富水断层、高地应力、采空区等，短隧道一般覆土浅，地质条件差。,2、若干关键技术问题的处理,2.1 支护结构设计与基底处理,2、若干关键技术问题的处理,2.1 支护结构设计与基底处理,2、若干关键技术问题的处理,2.1 支护结构设计与基底处理,根据围岩级别、埋深、偏压等具体条件对围岩自稳能力和支护结构受力的影响，适当细化了支护结构类型：以往的习惯作法是浅埋段按降低一级围岩级别设计，这难以正确反应工程的实际特性，也不够经济，因为客运专线隧道跨度大，对应的浅埋段覆土厚度也增大，同时从环保要求出发，隧道洞口位置一般较以往外延较多，致使浅埋段长度较长，因此有必要专门设计浅埋段支护结构。 突出“加强基底”和注重“刚度变化”：针对以往隧道底部易发病害和高速列车运行要求，本线隧道加强了基底设计，、级围岩均采用有仰拱结构，且仰拱厚度较拱墙衬砌大；级围岩设计了有仰拱和无仰拱二种结构，前者用于可溶岩地段，后者用于非可溶岩地段。在不同工点中经常有围岩级别不连续变化的情况，如断层部位为级围岩，其前后则为级围岩，级围岩有仰拱结构，可用于这些突变部位，以利于基底的刚度变化。 二次衬砌部分采用钢筋混凝土结构：、级围岩和级围岩偏压段二衬砌均采用钢筋混凝土结构，主要是考虑列车长期的振动作用以及围岩蠕变对二次衬砌受力的影响，同时也可减少大跨混凝土结构的收缩裂缝。,2、若干关键技术问题的处理,2.2 隧道工程的耐久性,隧道结构物按设计基准期100年进行修建，对于客运专线隧道而言，除考虑普通铁路隧道所必须考虑的耐久性要求外，还有其独特的一些方面。 最近一段时期，日本的铁路隧道相继发生3次重大的混凝土掉块事故，引起了日本运输省的重视。事故发生的原因通过理论分析、实地试验后认为：列车振动和产生的空气压变动是一个重要原因。而日本新干线的列车速度，从客运专线角度看，是比较低的（通过隧道时大致在180220km/h之间）。 可见，客运专线铁路隧道在耐久性方面需注意减少列车振动的影响，可采取的措施是改善轨道结构构造和隧道底部结构，并适当加大内净空，减少空气压力变化。,2、若干关键技术问题的处理,2.2 隧道工程的耐久性,若干关键技术问题的处理,从传统的以“强度”为主导向以“性能”为主导的设计方法转变，但要消除“免维修或不能维修”的误解，建立起“把劣化构件或构件的性能恢复到设计意图的使用水准以上的补修、补强”的概念。,2、若干关键技术问题的处理,2.2 隧道工程的耐久性,隧道工程的耐久性设计施工与地面结构有明显的不同。 首先是设计寿命计算方法不同，地面结构一般以混凝土炭化深度达到钢筋处的时间作为使用年限，而隧道结构则不同，其极限状态由围岩、初期支护和二次衬砌共同确定，一定的混凝土炭化深度并不意味着隧道结构达到设计使用年限（结构仍可能维持稳定）； 再者隧道结构大量采用了素混凝土，其耐久性判别与钢筋混凝土也不同； 此外，除对模筑混凝土本身应提出耐久性指标要求外，对喷射混凝土、锚杆、防排水材料等也均应达到相应的耐久性要求，而目前对此研究相对欠缺。,若干关键技术问题的处理,2、若干关键技术问题的处理,2.2 隧道工程的耐久性,正确选择混凝土原材料及配合比，严格控制水胶比和水泥用量。 采用合理的结构及构造措施、严格控制裂缝宽度，其中在结构设计方面采取的措施有：隧道均采用单心圆断面，有利于结构受力；内净空预留工务工程技术作业空间，可以用于进一步采取耐久性加强措施；适当提高衬砌结构混凝土强度等级，隧道初期支护采用C25喷混凝土，二次衬砌采用C30素混凝土或C35钢筋混凝土。,若干关键技术问题的处理,2、若干关键技术问题的处理,2.2 隧道工程的耐久性,武广客专耐久性设计施工措施,其他材料耐久性要求：对锚杆的保护层厚度、注浆饱满度、防水材料等的耐久性均提出相应要求。 施工有关要求：围岩本身是整个承载体系的一部分，施工中应注意“爱护围岩”。 结构检测及维护：在设计使用年限内，应定期对隧道结构及材料的使用状态、环境条件的变化进行检测及监测，并进行综合评估。,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,从目前总体情况来看，隧道渗漏水问题十分严重。据铁道部工务部门2002年秋检数据统计，我国至2002年底，共有铁路隧道5 711座，总延长2 833 km出现渗漏，其中严重渗漏水的隧道有1 620座、23400处、150 km；占总座数的28.4%，总长度的5.3%。 而据交通部2002年数据统计，我国至2002年底，共有公路隧道1 700座，总延长704 km出现渗漏，其中严重渗漏水隧道达500余座，约占总座数的30%。,防排水设计施工中存在的问题,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,防排水设计施工中存在的问题,不同隧道规范对防水等级的划分不同,英国隧道防水分级标准,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,防排水设计施工中存在的问题,不同隧道规范对防水等级的划分不同,德国铁路隧道的防水等级（DS 853）,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,防排水设计施工中存在的问题,不同隧道规范对防水等级的划分不同,我国地下工程防水等级标准,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,防排水设计施工中存在的问题,不同隧道规范对防水等级的划分不同,从国内外防水等级标准的对照中可以发现，国外隧道各防水等级均以渗水量来定量地分级。隧道防水等级越高，则对渗水量的控制也越严格，且都是通过测定渗水量来检验最后的防水效果。,根据国内外的观点：一级标准的结构内壁是有少量渗水的，但是由于渗水量极少，且随时都为正常的通风所带走，因此量测极为困难，对验收工作带来困难。因此没有必要规定定量指标，只通过感观的检查也可以判断工程是否达到一级标准。我国地下工程防水技术规范中也以渗水量为指标来确立防水等级，但对于渗水量极少的一级防水工程，考虑到实际量测的操作性，仍然还是以感观目测为手段。,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,防排水设计施工中存在的问题,隧道防水施工、监理及验收不规范。 隧道防水的设计依据不充分：勘察资料不足，理论依据不足。 对高水压、岩溶地区等特殊地段，没有提出明确的设计与施工规定。 在隧道设计规范中，没有考虑复合式衬砌所承受的水压力问题，但当地下水补给与排除不均衡时，可能承受水压力。 与欧美、日本等发达国家相比，我国隧道的防排水技术相对比较落后，归纳起来就是措施少、材料性能差、施工工艺与管理不够严格等。,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,武广客专隧道防排水设计,根据客运专线铁路一级防水标准的要求，隧道工程需从设计、施工、运营维护三个方面来达到“防水可靠、排水通畅、系统可维护”的目标。 防水系统设计 二次衬砌混凝土抗渗等级不得小于S8，由于隧道跨度大，混凝土内掺加具有补充收缩功能的防水剂，减少收缩裂缝。 拱墙部位敷设防水板土工布。 喷射混凝土中掺加合成纤维，既可减少回弹量，也可减少喷射混凝土早期裂缝，有利于减少初期支护渗漏水。 加强施工缝和变形缝的防排水措施。,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,武广客专隧道防排水设计,防排水综合布置图,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,武广客专隧道防排水设计,洞内采用双侧水沟加中心管沟排水，中心水沟的主要作用是增加排水能力，并有效疏干级围岩底板下积水。 防水板背后纵环向设置排水盲沟系统，设置方式和选材满足运营期可维护的要求。 施工缝和变形缝处设置必要的导水措施，作到“引水归槽”。,隧道排水系统设计,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,武广客专隧道防排水设计,隧道排水系统设计,施工缝防水图,2、若干关键技术问题的处理,2.3 隧道防排水设计,武广客专隧道防排水设计,在地下水发育、地下水大量排放可能影响地表生态环境时采用注浆堵水，将大量地下水截堵于注浆圈外，少量渗入水进行引排，二次衬砌考虑一定的水压力。,堵水设计,2、若干关键技术问题的处理,2.4 隧道洞门及洞口处理,2、若干关键技术问题的处理,2.4 隧道洞门及洞口处理,隧道洞口处理主要采用延长明洞、回填进洞、填挖平衡等方法。,延长明洞 本线有相当多的隧道洞口位于漫坡地段，为减少洞口开挖，一般采取延长明洞的方式处理。在长浅埋段，综合考虑施工安全和工程造价因素，明洞设计了浅回填土（25m）和深回填土（58m）二种结构。,回填进洞,当洞口景观要求较高需采用斜切式洞门，但由于地面横坡相对较陡，路堑两侧边坡不平衡（一侧较高、一侧较低）而影响洞门效果时，采用填挖平衡的方式处理。,填挖平衡,2、若干关键技术问题的处理,2.5 大瑶山长大隧道群地段的防灾与救援,大瑶山地段为三座长大隧道组成的隧道群，相邻洞口距离分别仅为169m、45m，洞口之间的明线长度小于列车长度，且为桥梁，即使列车停靠在明线上，列车头尾部可能位于隧道内，不利于人员逃生。,2、若干关键技术问题的处理,2.5 大瑶山长大隧道群地段的防灾与救援,大瑶山地段为三座长大隧道组成的隧道群，相邻洞口距离分别仅为169m、45m，洞口之间的明线长度小于列车长度，且为桥梁，即使列车停靠在明线上，列车头尾部可能位于隧道内，不利于人员逃生。,2、若干关键技术问题的处理,2.5 大瑶山长大隧道群地段的防灾与救援,防灾救援的基本原则,由于大部分火灾系由车辆引起，机车丧失牵引能力的可能性较小，而火灾发生后前7min内其影响相对较小，以300km/h车速计，5min（扣除火灾通报时间2min）内列车行驶距离可达25km，大瑶山隧道群地段最长隧道为10.08km，因此完全可使列车驶离隧道在隧道外实现消防及救援。为此，应以“消灭火灾于初期，尽量使列车驶离隧道，实施洞外救援”为第一原则。,2、若干关键技术问题的处理,2.5 大瑶山长大隧道群地段的防灾与救援,防灾救援措施,报警系统与火灾初期消防,逃生通道设置,洞口消防设施,事故通风,3、有待进一步深化研究的问题,3.1 支护参数的可靠性经济性及其与施工方法的相互影响,武广客运专线隧道属超大断面隧道，隧道支护参数设计系根据工程类比辅以必要的理论计算得出。由于目前国内已建成的超大断面隧道工程实例较少，因而类比结果的可靠性与经济性有待于实践检验。同时支护参数与施工方法密切相关，当地质条件相同、支护参数相同，但施工方法不同时，支护参数的安全度则不同。为此，有必要在现场结合施工方法对隧道支护参数进行系统的理论分析与试验研究，以充分了解和验证支护参数的合理性、可靠性与经济性。,级围岩大断面隧道复合式衬砌支护参数表,3、有待进一步深化研究的问题,3.2 工程的耐久性,目前对混凝土结构耐久性的研究成果难以满足隧道设计的需要，主要原因是隧道工程的健康状态受围岩、初期支护、二次衬砌、防排水等多种因素控制，决非单纯取决于混凝土的炭化深度。因此有必要从环境作用、不同支护构件对结构安全性能的影响、施工质量控制、健康状态判别、养护维修标准等多方面进行系统研究，特别应加强对初期支护的劣化机理及其对使用年限的影响研究。,3、有待进一步深化研究的问题,3.3 防排水技术,隧道防排水是一项综合工程，需要材料匹配、设计合理、施工精良、检验有力、维护有效。从工程结构方面来说，它是初期支护、防水层、排水网络、衬砌结构共同作用的结果，哪一方面出现问题，都可能导致整个防水体系的失效。而且事实证明，在前期（设计和施工阶段）就要对隧道防排水工程的质量进行严格控制，才能从根本上减少或避免隧道渗漏水，事后补救效果往往欠佳。因此，在材料、设计、施工、检验、维护、管理等多方面均需加强研究。,3、有待进一步深化研究的问题,3.3 防排水技术,3、有待进一步深化研究的问题,3.3 防排水技术,3、有待进一步深化研究的问题,3.4 长大隧道综合防灾技术,自上个世纪八十年代以来，我国在铁路隧道防灾技术方面进行了