关于铁路客运专线长大隧道采用全环整体模筑衬砌结构的探讨 PPT课件

1,关于铁路客运专线长大隧道采用全环整体模筑衬砌结构的探讨,高菊如教授级高工,中铁西南科学研究院,2,报告主要内容,1.目前铁路隧道衬砌存在的问题1.1衬砌结构存在诸多问题1.2普通衬砌台车存在的问题2.客运专线采用全环整体模筑衬砌结构的必要性2.1国内外隧道衬砌结构现状2.2国内外隧道衬砌设备现状2.3客运专线隧道采用全环整体模筑衬砌结构的必要性3.采用全环整体模筑衬砌结构的优势4.采用全环整体模筑衬砌结构已具备的条件5.采用全环整体模筑衬砌结构急待解决的问题6.结束语,3,1目前铁路隧道衬砌存在的问题,采用传统的衬砌结构形式和普通的衬砌设备施筑衬砌存在两方面的问题：(1)传统的衬砌结构存在着底部薄弱等诸多问题；(2)普通衬砌作业设备存在着与掘进施工不相匹配等问题。,4,1.1衬砌结构存在诸多问题,据不完全统计，截至1998年底，全路约5336座正式运营的隧道中，病害隧道3379座，占63.3。主要病害为衬砌裂损、落石、渗漏水、限界不足、底部断裂、翻浆冒泥等。在隧道病害中，大部分为仰拱病害或由于隧道底部薄弱引起隧道其他部位发生病害。到2003年底，建成的铁路隧道达7407座，总延长4207km。存在问题不容忽视。,5,铁路隧道衬砌结构现状调查,调查对象1运营铁路隧道：成昆、枝柳、丰沙II线、太焦、京原、京广等干线既有隧道重点调查喷锚衬砌结构共46座，总长度为17460m。主要结论病害隧道29座，总长为11226m；病害总数1216m，占被调查总数的10%左右；在总数为1216m的病害中，拱部病害只占5%，边墙占33%，而水沟、道床、仰拱等占62%。,6,7,道床裂损,8,翻浆冒泥,9,调查对象2新建铁路隧道普通存在的问题普通衬砌在矮边墙存在纵向施工缝，不少地段施工缝有严重渗水现象；环向缝有渗水现象；仰拱施工质量差，问题多，有的底部变形隆起；沿隧道方向断面直墙、曲墙形式变化太多，衬砌台车反复更换模板，影响施工速度。,10,渗漏水严重,11,施工缝渗水,断面变换复杂,12,青藏线某隧道,2004816,2003119,20031219,13,病害发生的主要原因：,运营隧道病害很多是发生在底部结构或由底部结构质量问题所诱发，究其原因，主要表现在：设计方面的不足施工工艺和质量监控存在问题运营环境不断发生变化,14,（1）设计上的不足标准图设计理论单一落后现行标准衬砌结构设计主要采用“坍落拱”泰沙基理论，主要以防止拱部上方坍落为重点。现行复合式衬砌结构设计上仍然沿用这一思想。“重拱轻底”通常在软弱围岩中才设仰拱，并且往往轻视仰拱的作用，有“重拱轻底”的思想。不设仰拱的隧道，由于长期受列车荷载及地下水侵蚀的影响，基底岩体易发生开裂破坏，造成隧道病害，在运营过程中常常发生地鼓、翻浆冒泥、道床断裂等病害。,15,现行隧道衬砌结构设计标准图,普通衬砌结构(II类围岩,1986年),普通衬砌结构(II类围岩,1986年),16,(2)施工工艺和质量监控存在问题线路超高、加宽、围岩分类等造成隧道内衬砌结构断面形式繁多，使得施工难度大大增加，成本加大。由于仰拱施工干扰严重，往往造成仰拱施作不能及时。有的把仰拱作为后序附带作业项目进行实施，其质量管理存在着薄弱环节，有的质量控制基本上为零。通常先施作衬砌拱墙，后施作仰拱。仰拱的施作多采用人工开挖分块浇筑，其施工工艺相对落后。普通衬砌台车在施工前先施作矮边墙，使隧道底部增加纵向工作缝。,17,(3)运营环境不断发生变化提速（高速）1990年以来铁路实施“全面提速”战略。到目前为止，我国铁路旅客列车最高运行速度由原来长期徘徊的80100km/h，提高到140160km/h,非提速区段快速列车运营速度达120km/h，其它线路的旅客列车的速度也有一定幅度的提高，并且相应地提高了货物列车的速度。重载在实施全面提速的同时，我国铁路重载运输也迅速发展。目前，我国铁路主干线已形成了5000吨级的重载列车，并且达到了相当的规模。提高列车速度和增加轴重，都加大了列车作用在轨道上的荷载，加剧了线路的变形和轨下基础的破坏，使路基基床病害日趋严重，维修工作量增加。这种病害在隧道内尤为严重。,18,1.2普通衬砌台车存在的问题,(1)普通模板台车难以克服现行的衬砌结构的不足传统的衬砌结构采用普通模板台车施筑，在边墙与矮边墙、底部与矮边墙之间一共会留下四条施工缝，这种施工缝会大大减弱隧道底部的结构强度，在运营中很可能成为地下水上翻的通道，底部的破坏又会引起上部乃至整个衬砌结构的破坏，从而给衬砌结构带来严重质量隐患。,19,普通模板台车施工图,1衬砌结构2衬砌台车3施工纵缝,20,(2)衬砌作业设备落后，与掘进施工不相匹配传统隧道断面形式和衬砌结构不适应大型机械化施工及掘进与衬砌的平行作业。对于长大铁路隧道，由于工期的要求，隧道掘进与衬砌不得不采用平行作业模式，如采用传统的衬砌施工设备施筑仰拱时下部不能通过运输车辆，这样，模筑衬砌作业往往与其它作业特别是运输作业发生干扰，从而严重影响隧道施工进度。,21,普通衬砌台车现场施工,22,2、客运专线采用全环整体模筑衬砌结构的必要性,2.1国内外隧道衬砌结构现状2.2国内外隧道衬砌设备现状2.3客运专线隧道采用全环整体模筑衬砌结构的必要性,23,2.1国内外衬砌结构形式现状,特点：1、仰拱较厚，加强了衬砌底部的结构强度；2、边墙与仰拱圆滑过渡，减小墙脚的应力集中。,德国双线铁路隧道衬砌断面（普通）,24,德国双线铁路隧道衬砌断面（高速92m2）,25,瑞士菲尔艾那（Vereina）隧道衬砌断面图,a)为采用TBM施工的衬砌断面,b)为采用矿山法施工的断面形式,26,瑞士勒奇山(lotschbeng)隧道,瑞士勒奇山(lotschbeng)隧道衬砌断面,27,瑞士新圣哥达隧道衬砌断面,TBM施工标准断面图,Tavetscher中间地层采用常规法施工,28,秦岭铁路隧道（铁一院设计）,我国秦岭铁路隧道TBM施衬砌断面图,29,渝怀线圆梁山隧道（铁二院设计）,渝怀线圆梁山隧道乙型结构断面图,30,德国高速铁路隧道断面有效净空,德国第二代高速铁路隧道断面有效净空(100m2),31,德国科隆法兰克福高速铁路费安塔尔隧道,仰拱下面设排水沟,32,总结(衬砌结构断面):,1、净空面积逐渐加大；2、开始重视底部的结构强度：（1）底部仰拱加厚（2）墙脚（边墙与仰拱连接处）圆滑过渡3、有的把排水沟设置于仰拱下面。,33,2.2国内外隧道衬砌设备现状,（1）衬砌施工机械化设备主要有衬砌模板台车、混泥土输送泵、混凝土搅拌站和混凝土搅拌输送车等，直接影响衬砌质量的设备为衬砌模板台车。（2）衬砌模板台车形式较多，主要有平移式、穿行式和针梁式等等，平移式和穿行式模板台车用于施作不带仰拱的隧道衬砌；针梁式模板台车主要用于施作水工隧洞的全圆衬砌，它只能在隧洞开挖完工后进行施工。（3）目前国内外尚无既能够实现隧道开挖于衬砌平行施工又能够实现全环一次浇筑的全环整体模筑衬砌台车（新型台车）。,34,国内外衬砌设备施工实例,35,国内外现状,秦岭铁路隧道圆形衬砌台车,36,国内外现状,法国大西洋线隧道衬砌施工,37,国内外现状,德国曼海母斯图加特高速铁路隧道衬砌施工,38,国内外现状,西班牙（马德里-塞维利亚）高速铁路正在施工的隧道,39,2.3客运专线隧道采用全环整体模筑衬砌结构的必要性,（1）客运专线隧道对衬砌结构的要求近期铁道部明确了加快铁路客运专线建设的工作任务，铁路客运专线必将是以高起点、高技术、高速度的建设要求为标准，特别是给隧道修建技术提出了更高的要求。铁路客运专线隧道施工断面大，建设标准要求高，运营速度快，衬砌结构的底部必须要能承受高速带来的附加动载荷。,40,（2）客运专线隧道施工对衬砌设备的要求,采用传统的衬砌结构、衬砌施工工艺及施工设备将会给衬砌质量带来严重质量后患，而这些铁路客运专线长大隧道的施工将是客运专线控制工期的关键工程，其施工速度要求高。采用普通的衬砌施工设备施工，仰拱和衬砌的施筑就会严重干扰工作面开挖的运输作业，在很大程度上影响隧道施工速度的提高。鉴于以上原因，客运专线长大隧道施工要求衬砌设备既能消除衬砌的薄弱环节施工纵缝，又能实现衬砌与掘进的平行作业。,41,（3）客运专线隧道施工采用全环衬砌结构的必要性,鉴于以上两方面的要求，非常有必要在铁路客运专线长大隧道的施工中采用一种既能浇注消除衬砌病害的全环衬砌结构，又能在浇筑过程中不影响工作面掘进运输的施作全环衬砌结构的全环衬砌设备，确保隧道衬砌结构坚固耐用，并消除开挖与运输的干扰，提高隧道施工速度。,42,3采用全环整体模筑衬砌结构的优势,采用全环整体模筑衬砌结构与设备具有如下的优势:（1）由于采用了合理的衬砌结构形式和与合理衬砌结构形式相匹配的衬砌施工设备，将大大消除衬砌结构的质量隐患，提高隧道底部的抗病害能力，满足客运专线高速动载提出的要求。（2）客运专线长大隧道施工中，采用隧道全环整体模筑衬砌设备，可以在不设置或少设辅助坑道的情况下，确保开挖和快速衬砌作业的平行施工，提高施工速度，并可节约大量的辅助坑道投资。,43,4采用全环整体模筑衬砌结构已具备的条件,为避免铁路客运专线长大隧道衬砌出现病害，提高施工速度，中铁西南院做了如下工作：（1）主持完成铁道部科研项目“新建铁路隧道全环整体模筑衬砌设备方案研究”（2002G46)；（2）主持研究的铁道部科研项目“新建铁路隧道全环整体模筑衬砌设备研制”(2003G040)；（3）主持研究国家科技部项目“新建铁路隧道全环整体模筑衬砌结构研究”。,44,阶段性成果,目前已完成：（1）全环整体模筑衬砌结构施工工艺研究；（2）全环衬砌结构优化设计与模型试验；（3）全环整体模筑衬砌设备全部技术设计。为开展“铁路客运专线长大隧道全环整体模筑衬砌设备试制及应用研究”打下了良好的基础。,45,方案6(maxs1=-0.1Mpa),方案7(maxs1=-0.1Mpa),46,模型试验,47,模型试验,48,5采用全环整体模筑衬砌结构急待解决的问题,要在铁路客运专线长大隧道施工中采用全环整体模筑衬砌结构与设备，还要针对铁路客运专线长大隧道的特点对以下几方面的问题加以研究解决：（1）优化设计全环整体模筑衬砌结构；（2）编制全环整体模筑衬砌结构施工工艺；（3）优化全环整体模筑衬砌设备的具体参数；（4）全环整体模筑衬砌设备样机制造及工业性试验。,49,6.结束语,根据以上研究得出如下结论：（1）现行铁路隧道衬砌结构形式单一，底部存在薄弱环节，运营隧道病害严重，存在着行车安全隐患，难以适应高速、重载、提速铁路发展的需要，有必要进行变革。（2）圆形衬砌结构形式结构受力状态合理，地质条件适应性强，但开挖断面稍大，适应TBM或盾构法施工，建议采用。多心圆全环衬砌结构形式（方案6）适用于全环整体模筑衬砌施工，受力状态和地质条件适应性比现行相关衬砌结构要好，建议采用。,50,（3）随着我国社会经济的发展，人们对环境要求提高，新建铁路隧道（特别是客运专线隧道）应对隧道建筑限界外的净空余量予以重视，以改善铁路隧道运营环境和维修养护施工条件。建议行车速度大200km/h，