客专隧道技术标准及新奥法月PPT课件

,客运专线铁路隧道技术标准,中国铁道科学研究院铁道建筑研究所邢厚俊,主要内容,一、客运专线铁路隧道的特点二、客运专线铁路隧道技术标准三、新奥法简介,客运专线与高速铁路,国际上：最高运行速度大于等于200km/h的铁路称为高速铁路。日本全国新干线铁路整备法规定：列车在主要区间能以200km/h以上速度运行的干线铁路称为高速铁路。我国：把新建最高运营速度不小于250km/h和改建既有线最高运营速度不小于200km/h的铁路称为高速铁路（客运专线）,各客运专线隧道比例统计表,一、客运专线铁路隧道的特点,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，高速列车在隧道中运行时要遇到空气动力学问题，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，单洞双线开挖断面受力比较复杂，且列车运行速度较高，隧道维修有严格的时间限制，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单独采用喷锚衬砌。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。,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圆顺连接、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(负弯矩、剪力大）质量较差。,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。衬砌结构不允许发生开裂，裂缝的存在降低了混凝土耐久性能，在空气动力效应、列车动载的长期作用下，易发生疲劳破坏，出现结构局部剥落掉块。,二、客运专线铁路隧道技术标准,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：,隧道内空气动力学效应,隧道内形成的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；空气动力荷载对衬砌及隧道内的设备产生的影响；车致振动荷载：引起隧道衬砌发生振动响应并产生附加动力荷载。,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。,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。与乘客舒适度直接有关的是车辆内部的瞬变压力。隧道内的瞬变压力向车辆内传递规律一般来说取决于二个因素：车辆的密封性、车体的刚度。,（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（不考虑两车辆的速度差）。,（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、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。密封指数：将车内压力从3600Pa降低到1350Pa（38）所需的泄漏时间。,对我国舒适度准则的一点说明,由于双线隧道列车在隧道内交会的概率较小，特别是在相应于最大瞬变压力情况的最不利位置处会车的概率更小，因此考虑双线会车情况时可采用较宽容值，相应于国外准则中的“极端场合”。而对于单线隧道，则须采用较严格的阈值，相当于国外准则中的“正常场合”。,我国客运专线舒适度准则建议,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微压波,微压波（sonicboom)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。,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、道床类型及隧道入口形式、出口地形等有关。,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1000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。,主要隧道设计措施,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：空气压力变化满足舒适度标准，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%。据武广客专计算结果，密封系数10S即可满足成员舒适度要求。（现代技术可达15S）,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80m2。单线隧道断面有效面积不应小于52m2。,我国客运专线隧道有效净空面积,时速350单洞双线隧道断面内轮廓参考图,时速350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0.25m；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范围内无建筑物且出口外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。,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,1)隧道内列车消防设施；2）救援通道；3）紧急呼叫电话；4）紧急、逃生通道，斜井、横洞、竖井（标志牌要明显）；,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。,三、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