大断面隧道学习资料

大断面隧道学习资料第1章大断面隧道设计技术近年来,随着我国公路和高速铁路建设的快速发展，大断面大跨度隧道不断涌现。在大断面隧道修建中，如何选择正确的施工方法，以保证工程的安全建设和经济效益是一个非常重要的课题。大断面隧道的跨高比大，导致围岩和衬砌的稳定性变差，必须从各方面包括断面结构设计，超前支护设计、开挖方法和方案，施工技术等方面进行分析研究，提出相应的处理方法。目前我国已建成不少单洞三、四车道公路隧道，隧道跨度最大达到23m左右，开挖断面面积达到250m2以上，有的地方还提出建设单洞五车道，甚至六车道公路隧道的设想，其隧道断面积将进一步增大。我国铁路隧道断面与公路隧道相比要小得多，大断面铁路隧道主要出现在近年来出现的高速铁路双线隧道中。由于考虑到高速列车在高速通过隧道时产生的强大空气动力学效应，其隧道断面积随着列车速度而加大。例如，350/h客运专线铁路双线隧道净空最大跨度达到12.6m（见图2.1），净空面积（内轨顶面以上面积）达到近120m2，开挖面积达到160m2以上。我国最大断面的铁路隧道是位于设计时速达350公里的郑西高速铁路上的张茅隧道（全长8483米），其最大开挖断面积达164平方米，采用了三台阶七步流水作业法施工。大断面隧道的最大特征是隧道的力学问题。由于车道数的增加,宽度加大,而高度变化不大,使断面变得扁平。扁平大断面隧道与近圆形断面隧道相比，具有如下主要特征。l 开挖后的应力重分布变得不利。对于圆形隧道，在弹性介质、静水应力场中，开挖后周边的最大主应力是初始应力的2倍，当围岩强度小于围岩应力时，隧道周边围岩中将出现塑性区，需要施设支护结构来控制变形。而对扁平的大断面图隧道来说，随着高宽比（高度/宽度）的减少，围岩内的最大主应力和衬砌拱顶处的最大弯矩急剧增加（见图2.2），与近圆形隧道相比，将出现更大的塑性区和更大的变形，需要更强大的支护结构来保持隧道的稳定。l 底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。力学分析结果表明,开挖后围岩应力在侧壁处比较大。特别是侧压系数小时，开挖宽度越大,围岩中的切向应力越大，衬砌中轴力也越大。底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。l 拱顶不稳定。隧道宽度的扩大将大大增加拱顶围岩内的拉应力，导致拱顶掉块等失稳现象。同时，拱顶处衬砌弯矩增加，导致衬砌开裂。因此，隧道断面的增大造成拱顶不稳定。图2.1 350km/h客运专线铁路双线隧道建筑限界和内轮廓高宽比图2.2 隧道拱顶弯矩比与高宽比的关系l 较大的松弛地压。开挖宽度越大,要求产生拱作用的埋深越大,在埋深作用不能发挥作用时,就会产生很大的松弛压力。因此,大断面隧道支护结构将承受更大的松弛荷载。l 支护结构的承载力相对较小。跨度越大,扁平形状的拱形支护结构支护条件不利，相对承载力变小。云桂铁路隧道采用了大断面的双线隧道，所穿过地区的地质条件非常复杂，主要不良地质有：岩溶、危岩落石、顺层偏压、有害气体（瓦斯）、高地温、高地应力，软岩大变形等。本培训将结合云桂铁路的特点，针对大断面隧道的以上力学特点，谈谈大断面隧道设计施工技术。1隧道断面尺寸表2.1为我国高速铁路隧道净空有效面积标准。表2.2为国际隧道协会的断面划分标准。表2.1 我国高速铁路隧道净空有效面积标准（m2）序号类别单线双线1200km/h 客运专线兼顾货物运输52（53.6）80(85)2250km/h 高速铁路58(60)923300350km/h 高速铁路70100注：括号内数值为客运专线兼顾双层集装箱运输条件下，考虑特定接触网高度等因素的面积。表2.2 国际隧道协会的断面划分标准划分净空断面积（m2）超小断面1002大断面隧道设计内容大断面隧道设计包括：净空断面形式设计；衬砌结构设计；防排水设计；耐久性设计，隧道洞口形式及景观设计；通风照明和防灾救援设计；无咋轨道及隧道内相关设施设计等。由于时间的关系，为突出重点，本培训只谈净空断面形式设计和衬砌结构设计。3 高速列车通过隧道时产生的空气动力学效应3.1基本现象当高速列车进入隧道时，强烈冲击处于隧道中的静止空气场，空气的黏性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像在隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流。于是列车前方的空气受到压缩，列车后方则形成一定的负压。这就产生一个压力波动过程。这种压力波动又以声速传播至隧道口形成反射波，回传，叠加，产生一系列复杂的空气动力学效应，同时，压力波以声速传播在隧道出口，骤然膨胀，产生微压力波并伴有影响环境的爆破噪音，并会对临近建筑物产生危害。图2.3显示出列车进入隧道引起的压力波动实态。图2.3 列车进入隧道引起的压力波动实态3.2产生影响高速列车通过隧道时，产生的压力波动过程引起一系列与隧道设计和运营密切相关的空气动力学效应，如表2.3所示。图2.4所示为ICE列车以305km/h通过长度为5527m的Muhlberg隧道(净空有效面积为82)时的瞬变压力实测指。它反映了空气压力波动在隧道内传播、反射和叠加的实态。实际上，在高速列车通过隧道时，产生的压缩波实态和大小与许多因素有关。其中主要有：列车速度、列车断面积、列车长度、列车头部形状、隧道断面积、隧道长度、隧道内道床的类型等。因此研究压缩波的影响也必须综合众多因素确定。归纳起来，高速列车运行引起的问题有：l 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；l 高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微压波，发出轰鸣声，使附近房屋门窗嘎嘎啦作响，引起扰民问题；l 行车阻力增大。它运营能耗增大，并要求机车动力增大；l 形成空气动力学噪声（与车速的68次方成正比）；l 列车风加剧，影响隧道维修养护人员的正常作业；l 机车车体的形式与隧道断面间的相关动力学特性等。表 2.3 高速铁路隧道空气动力学效应 空气动力学效应 隧道设计和运营的意义瞬变压力车内瞬变压力旅客舒适度车上压力波动最大幅度乘客和乘务员的健康隧道内压力峰值衬砌和设施的气动荷载车内外压差车辆结构的气动荷载微气压波隧道口环境列车空气阻力平均阻力牵引计算阻力过程限坡空气流动列车风隧道中设备安全空气动压图2.4 压力波的传播、反射和叠加3.3影响因素影响高速铁路隧道空气动力学效应的因素主要有：阻塞比及隧道横断面，车速及隧道长度，（1）阻塞比及隧道横断面从各国的实践看，隧道横断面的决定主要是采用阻塞比，即采用列车断面积与隧道断面积的比值来决定。这里的隧道断面积，通常是指轨道面以上的断面积。也就是，在列车尺寸、形状一定的条件下，如何根据列车速度确定合理的阻塞比，而后根据列车断面积决定合理的隧道横断面积。为此，我们列举一些国家300km/h高速铁路隧道堵塞比的一些参数，见表2.4。表2.4一些国家高速铁路隧道的基本参数国家名称意大利法国中国台湾德国韩国日本西班牙列车断面积（m）9.881210.311.612.610隧道断面积（m）7610090921076475堵塞比0.130.120.110.120.20.13线间距（m）5.04.24.54.55.04.34.54.7（2）车速及隧道长度对瞬变压力的影响车速的影响影响瞬变压力的因素包括列车速度、列车长度、车形、列车横截面积、列车表面摩擦系数以及隧道净空有效而积、隧道长度、隧道壁面摩擦系数等。研究表明，诸因素中，列车速度和阻塞比是具有最大影响的因素。ORE曾经系统地研究了各种因素对压力波动的影响，用下列公式表达列车速度和阻塞比的影响： 单一列车在隧道中运行时，考虑列车交会时，。 此外，同列车速度v和阻塞比不同，隧道长度的影响呈现出比较复杂的非单调特性，这是需要加以特殊考虑的。隧道长度对压力波动程度的影响研究表明，压力波动程度并非单一地随着隧道长度的增加而加剧，对并考虑在隧道中点会车的情况得出，从3s内列车上瞬变压力变化角度考虑的“最不利长度”为（图2.5）。图2.5 隧道长度与压力波动间的关系图2.6 隧道长度与压力波动间的关系法国专家认为，碎石道床隧道压力波动的最大值出现在、0.3及0.88时（M为车速的马赫数）。当测车速为300km/h时，考虑会车，对于碎石道床、 的情况，采用TGV动车组，可用下式估算不同长度时的压力波动幅度：（式中ABS表示为绝对值）如图2.6所示，压力波动幅度将出现3个峰值，对应的隧道长度分别为、及，其中，与中国的研究结论是一致的。（3）密封指数为简单计，可以自然地假定车内压力的变化率与内外压差成正比，即 假定为常数，令，以t=0时作为边值条件，对上式积分得： 将常数写成即得： 其中为一个具有时间量纲的常数，称为“密封指数”。图2.7 密封指数的物理意义令，求得，从而得出密封指数的物理意义，即将车内外压差降低到初值的38所需的泄露时间（图2.7）。铁道部2001年200km/h及以上速度级列车密封设计及试验鉴定暂行规定将车内压力从3600Pa降低到1350Pa所需的泄漏时间定义为密封指数。很容易证明，两种定义实质是一致的。对于一般情况，有 按上式，即可根据泄漏试验来测定车辆的静态密封指数(表2.5)。表2.5 根据泄漏试验来测定车辆的静态密封指数(kPa)(kPa)(s)(s)B.Kssies30.130830.15014算例40.15013.640.14010.8国外资料给出了车辆密封指数情况（表2.6）。表2.6 车辆的密封程度车 辆 类 型密 封 指 数（）不密封车辆（例如用于支线）最低密封性（例如Eurocity）密封较好（例如ICE1,TGV）密封很好（例如ICE3,Transrapid）计算列车气动荷载时的密封假定图2.8 车辆密封效果（实测）资料表明，现代密封技术可以考虑s。车辆密封性对缓解压力波动程度的作用可以归为“滞后” 和“衰减”。图2.8为德国实测的列车内外瞬变压力资料。由图中可以看出，采用不密封的“标准”车辆，车内压力的变化情况同车外基本一致，而采用密封车辆后，车内压力的峰值滞后，同时压力变化幅度减小。图2.9所示为不同密封程度车辆对气压波动的缓解效果的计算结果。图2.9 不同密封程度车辆对气压波动的缓冲效果图2.10 列车通过不同长度隧道时的压力比较图2.11 隧道长度对密封效果的影响如上所述，当列车在大于临界长度的长隧道中行驶时，隧道中及列车外部压力波动的程度与短隧道相比，会有所缓解。但是，如果采用密封车辆，车内压力波动幅度却往往比短隧道大（图2.10），这是由于长隧道压力波之间的时间间隔较大，使得车内压力有足够的时间对外部压力波动作出响应。可以说，相同密封指数的车辆，在段隧道中的“动态”密封效果比长隧道好（图2.11）。因此，在根据旅客舒适度设计断面时，对长隧道要给与充分的注意，特别是采用无碴轨道的隧道。（4）车头形状的影响取=52计算长细比不同的车头引起的第一压缩波的时态曲线可以看出，车头形状对第一压缩波的峰值影响很大。以=350km/h为例，长细比为1、2及3的流线形车头，压力峰值分别为钝形车头的73%、58%及50%。相应地，压力梯度亦呈下降趋势。因此，选择长细比大的流线形车头是缓解微气压波的一个重要措施。3.4解决方案（1）舒适度准则瞬变压力会造成旅客耳朵不适，必须采取加大净空有效面积、提高车辆密封指数等措施，控制车厢内压力瞬变的程度。因此，需要从旅客乘车舒适度出发，对压力波动程度进行评估并提出相关舒适度准则。目前，在国外高速铁路设计中，通常采用一定时间内压力单调变化值来制订舒适度准则。这就克服了单纯用气压变化幅度或单纯气压变化率的局限性，从生理学角度较科学地给出了同舒适度相关联的压力波动阈值（表2.7、表2.8和图2.12）。表2.7 荷兰采用的舒适度准则时 间（s）压力变化（kPa ）单线隧道双线隧道10.500.8540.851.35101.402.10202.003.00302.403.60402.804.20503.204.80表2.8 ERRI和UIC采用的舒适度准则时 间（s）压力变化（Pa）ERRI基本舒适度准则UIC活页文件660新型高速列车1100050038004160010200010006030002000图2.12 ERRI和UIC采用的舒适度准则G耳道；T耳膜；TE耳咽管图2.13 人耳构造人的鼻咽腔通过一个称为耳咽管（Eustachin管）的器官同中耳相连（图2.13)。通常，耳咽管是关闭的。当鼻咽腔的压力比中耳的压力低将近2 kPa时，耳咽管会因收缩而自动打开，在外界气压降低的情况下，中耳和外部气压不平衡即得以消除，则不会作用于鼓膜的两边。而当外界气压增高时，鼻咽腔随之增高的气压不会自动传到中耳，因此在耳膜的两边产生压力差。在这种情况下必须通过吞咽、打呵欠或挤捏鼻子等动作来人为地开启耳咽管，以消除耳膜两边的不平衡压力。因此，也有采用特定时间内(3s或4s)压力单调变化值作为瞬变压力波动特征参数，其特定时间（3s或4s）正是自动或人为地（通过生理反应）开启耳咽管，建立中耳和外界的压力平衡所需要的时间。在京沪高速铁路隧道设计时，考虑京沪高速铁路的隧线比较小，从经济、技术的合理性出发，采用较为宽容的舒适度准则3 kPa/3s(英国British Railway Board,1976)，俾使降低对车辆密封性的要求。与此同时，根据国外高速铁路隧道设计参数的发展趋势，采用了相对比较富裕的净空有效面积(=100、=70)，预留了远期通过车辆密封进一步提高乘车舒适度的余地。（2）扩大隧道断面从经济、技术的合理性出发，采用相对比较富裕的净空有效面积。（3）密封车辆通过提高车辆的密封性来减小瞬变压力对乘客的影响。（4）辅助坑道合理设置的辅助坑道(斜井、竖井和横洞)能缓解压力波动的程度。计算表明，竖井位置对减压效果的影响很大。并不是设置在任何位置的竖井都能有很好的效果。根据压力波叠加的情况，可以理论地得到竖井的最佳位置：式中 竖井距隧道进口距离； 隧道长度； Mach数，其中为车速，为声速。以=1140m、=110m、=250km/h、=82为例，将竖井位置和个数对瞬变压力的影响计算结果示于表2.9。表2.9 竖井位置和个数对缓解瞬变压力的影响（竖井净空面积为5）竖井位置无竖井隧道中部最佳位置（距隧道口380m）1个竖井2个竖井列车头部（）1.881.501.181.69列车尾部（）1.831.311.040.61除了竖井位置外，竖井横断面积也存在最佳值。无端加大竖井横断面积并不能取得理想的效果(表2.10)。表2.10 竖井横断面积对缓解瞬变压力的影响竖井位置在隧道中部)竖井净空面积（）5101525列车头部（）1.51.381.441.68列车尾部（）1.311.211.061.11荷兰高速铁路隧道设计中提供了利用辅助坑道缓解瞬变压力的例子。图2.14所示的水下隧道从防灾要求出发，用隔墙将结构分成两个单线隧道空间。为了缓解瞬变压力，不但在隧道两端修建了竖井，而且在隔墙上开设小孔，开孔面积为0.01/m。研究表明，通过这两个措施，在满足同等旅客乘车舒适度的情况下，净空有效面积可以减小(表2.11)，这就使工程造价大为降低。计算参数：m2、m（日本新干线E2系车)。图2.14 竖井和带孔隔墙表2.11 竖井和带孔隔墙的作用隧道名称设计车速（km/h）隧道长度（m）净空有效面积（）无竖井隔墙不开孔有竖井隔墙不开孔有竖井隔墙开孔Groene Hart3007200280260250Oude Maas3001369259249245（5）入口缓冲结构为减小高速列车进入隧道产生的空气动力学效应对洞口周围环境的影响，在隧道入口处，设置缓冲结构，并满足表2.12的设置标准，其设置长度满足表2.13的要求。表2.12 洞口缓冲结构设置标准建筑物与洞口距离建筑物有无特殊环境要求基准点微压波峰值标准50m有建筑物按要求无20Pa50m有距洞口20m处160km/h时，危险区为3.0m。车速200km/h时，人员可以在隧道内停留，大于200km/h时，一般人员则不能在隧道内停留。隧道内安全空间应在距线路中线3.0m 以外，单线隧道设在电缆沟一侧，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。图2.15安全空间（2）救援通道隧道内应设置贯通的救援通道（图2.16)，用于自救或外部救援。图2.16 救援通道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。根据德国规范，两端洞口救援通道的长度，在配备救援列车时为1000m，无救援列车时为500m，因为无车辆和带有呼吸面罩的工作人员不能及时走完较远的距离。根据德国规范，救援通道的最小宽度应不小于1.25m，通常情况下应为1.251.6m，根据断面宽度情况，在此规定为1.5m，其中靠边墙一边的0.25m范围内可部分被占用，用于安装专业设施。（3）工程技术作业空间工程技术作业空间用来预留设备安装或加强衬砌以及安装降噪声护墙板。其允许在有限的长度范围内设置一些设备，如接触导线张力调整器和接触导线开关以及接头的紧回装置等。工程技术作业空间在安全空间和救援通道之外，其宽度应为0.3m。不得用工程技术作业空间来满足隧道建设的施工误差。4.3内轮廓拟定 根据各控制因素，确定单洞双线隧道断面有效面积为l00 m2，内轮廓尺寸见图2.17，单线隧道断面有效面积为70 m2，内轮廓尺寸见图2.18。图2.17 双线隧道内轮廓尺寸图2.18单线隧道内轮廓尺寸5 结构设计高速铁路隧道的横断面较大，受力比较复杂，且列车运行速度较高，隧道维修有一定的时间限制，复合衬砌比喷锚衬砌安全，且永久性较好，所以隧道衬砌采用复合式衬砌。考虑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，故一般隧道在边墙底均加强。研究与试验证明，边墙与仰拱若采用顺接则可改善受力状况，故隧道采用曲墙式衬砌。5.1复合式衬砌（1） 无仰拱衬砌结构形式图2.19为无仰拱衬砌结构形式，适用于II级围岩无水地段。图2.19 无仰拱衬砌（2）有仰拱衬砌结构形式图2.20为有仰拱衬砌结构形式，适用于II级围岩有水地段以及III、IV、V级围岩地段。图2.20 有仰拱衬砌（3）复合式衬砌支护参数高速铁路隧道围岩级别为II、III、IV、V级，全部按新奥法原理设计与施工，采用喷混凝土初期支护与模筑混凝土二次衬砌的复合式衬砌，具体设计参数见表2.15。5.2洞内附属构筑物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。洞室尺寸宜参照铁道部现行铁路隧道设计规范（TB10003)大避车洞尺寸设计。隧道内应设置双侧电缆槽，电缆槽的结构外缘至同侧轨道中线的距离不应小于2.30m。电缆槽可设在安全通道下，但盖板必须坚固、平整，与安全通道地面齐平。隧道长度大于500m时，应在洞内设置余长电缆腔。余长电缆腔应沿隧道两侧交错布置，每侧布置间距应为500m。5001000m的隧道，可只在中间设置一处。余长电缆腔尺寸应参照铁道部现行铁路隧道设计规范(TB10003）大避车洞尺寸设计，并满足有关专业的技术要求。当隧道长度大于2000m时，应根据接触网专业要求在洞内设置下锚区段。其长度及位置应按接触网专业要求办理。锚固设备不应侵入隧道预留空间。下锚区段宜布置在直线及地质较好、地下水较少地段。表2.15 衬砌设计参数表围岩级别初期支护二次衬砌预留变形量（CM）喷混凝土钢筋网（8）锚杆钢架拱墙（CM）仰拱/底板（CM）设置部位/厚度（CM）网格间距（CM）（环纵）设置部位长度（M）间距（环纵）（M）规格每榀间距（M）拱墙/102.51.513530（*）35拱墙/152525拱部31.21405558拱墙/25仰拱/152020拱墙3.51.01格栅10（拱墙）45（*）55（*）810加拱墙、仰拱/252020拱墙3.51.01格栅10（拱墙）45（*）55（*）810拱墙、仰拱/282020拱墙410.8格栅或型钢07（全环）50（*）60（*）1015加拱墙、仰拱/282020拱墙40.81格栅或型钢07（全环）50（*）60（*）10156 底部结构（无碴道床）6.1高速铁路隧道内无碴轨道结构形式由于隧道开挖面积是影响隧道工程造价的主要因素，应当把降低隧道内轨道结构高度作为重要的技术经济指标。另外，由于隧道内空间有限，特别是单线隧道内空间更小，轨道结构的施工方便性也是一个基本要求。板式无碴轨道结构与轨枕埋入式无碴轨道结构相比，前者结构高度低(钢轨顶部到底座上部距离，板式轨道约为456mm，双块式轨枕埋入式无碴轨道约为476mm)、宽度小（板式轨道为2.4 m，双块式轨枕理人式无碴轨道为2.8rn)、现场施工工作量小，更适合在隧道内应用。图2.21为博格板式无碴轨道在国外隧道中的应用情况，在隧道和明洞里不设水硬性混凝土支承层，而是直接铺设在结构底板上。图2.22为德国科隆法兰克福高速铁路隧道采用雷达2000型无碴轨道的结构图。图2.23为日本新干线隧道框架型板式无碴轨道的应用实例。图2.24为桃花铺一号隧道铺设的弹性支承块式无碴轨道。图2.21 隧道内的博格板式无碴轨道 图2.22 雷达2000无碴轨道在隧道中的应用图2.23 日本隧道内框架型板式无碴轨道图2.24 弹性支承块式无碴轨道6.2隧道内铺设无碴轨道的基本要求 隧道内板式轨道结构由钢轨、扣件、轨道板、混凝土底座或混凝土支承层等组成(图2.25)，双块式无碴轨道结构由钢轨、扣件、混凝土道床板、混凝土支承层等组成(图2.26)。轨道板可在混凝土支承层或混凝上底座上构筑，混凝土道床板在混凝土支承层上构筑。 根据隧道仰拱和填充或底板的结构受力情况，可以利用隧道的仰拱或底板兼做无碴轨道的混凝上支承层或混凝土底座。利用填充作为无碴轨道支承层的结构如图2.27所示。利用底板作为无碴轨道混凝上支承层的结构如图2.28所示。直线区段的混凝土底座或混凝土支承层厚度为300mm，曲线区段根据实设超高具体确定。 图2.25隧道内II型板式无碴轨道横断面 图2.26隧道内双块式无碴轨道横断面图2.27 利用填充作为无碴轨道支承层的断面结构图2.28 利用底板作为无碴轨道混凝土支承层的结构 隧道内混凝土支承层或混凝土底座在距隧道洞口200m范围内伸缩缝设置与露天区间一致，洞内其余地段伸缩缝间距可适当加大，在隧道结构沉降缝处对应设置伸缩缝。 隧道混凝土回填层是基底内无碴轨道的直接承力层，回填层混凝土强度等级不低于C20，兼做支承层回填混凝上的强度等级不低于C25。 隧道仰拱基底不得有积水，必要时应采取注浆或其他措施治理，防止隧底基底软化或水土颗粒流失。隧道内应设双侧水沟，并确保排水系统通畅，根据各隧道的水文地质情况，预留必要的排水储备能力。 不良地质地段，仰拱施工前应进行基底承载力检测。当围岩基底承载力达不到0.3 MPa，或者预计发生沉降变形时，应采取地基加固措施。一般情况下，活动断层地段不宜铺设无碴轨道。如铺设无碴轨道。该采取方便维修或调整的相应措施。6.3路隧过渡段工程为减小过渡段线路的刚度突变，需要在路基与隧道连接处设置过渡段，以实现过渡段范围内线路刚度的渐进过渡。路隧过渡分为隧道内无碴轨道与隧道外有碴轨道之间的过渡和隧道内外均为无碴轨道的过渡，前者需要线路和基础都设置过渡装置，后者仅需要考虑基础间的过渡。图2.29为韩国无碴轨道与有碴轨道路基过渡段结构。由图中可以清楚看出，该路隧过渡段全长接近60m。线路上部铺设20m长的辅助轨，其中伸入隧道5m、隧道外15m。洞外有碴轨道侧33.6m范围内道床碎石按照不同的密实度捣固，形成不同的刚度梯度。无碴轨道的素混凝上基础延伸到有碴轨道约60m长度范围内，形成刚度的渐进过渡。图2.29 韩国路隧过渡段结构图2.30 德国无碴轨道路隧过渡段图2.30为德国无碴轨道路隧过渡段，在隧道出口铺设5cm厚的硬泡沫板，从隧道出口按照5.75%的坡度填筑楔形水泥土，.逐步向普通填筑路基过渡。我国相关技术条件规定，为保证过渡段无碴轨道末端支承层的可靠连接，自无碴轨道起点至洞内25m范围内，对回填层进行凿毛处理，并应预埋与底座的连接钢筋。由于隧道与桥梁基础变形差异不大，隧道与桥梁过渡时，下部基础可考虑采用直接过渡方式。6.4隧道内无碴轨道的防噪声措施与铺设有碴轨道相比，铺设无碴轨道对隧道内压力波的传播和洞口微气压波均有明显的负面作用，不利于缓解隧道内空气动力学效应。所以，如有条件，应尽量在洞内轨道上面或隧道边壁，采取一些增加壁面粗糙度或具有吸声作用的材料。另一种措施是在洞外设置加高的防声墙。图2.31是荷兰某隧道为降低隧道内及洞口噪声，在两侧墙壁安装吸声板的措施。图2.32是德国科隆-法兰克福某隧道内在无碴轨道面上铺设预制吸声材料，以减小无碴轨道对空气动力学效应的负面影响。 图2.31 洞壁安装吸声板 图2.32 无碴轨道上面铺设吸声材料具体采用何种形式的吸声措施对于减低噪声效果更好，日本新干线隧道进行过专题的研究和试验，主要采用加高防声墙对策和在洞内贴附吸声材料对策。第2章 大断面隧道施工技术高速铁路隧道施工的最大特点是开挖断面积大,因而施工难度大为增加。大断面隧道的施工方法要根据断面形状、隧道长度、工期、地质、周围环境等条件综合确定。选择施工方法时要注意以下几点:l 地形、地质的特殊性，如洞口段、浅埋段、易变形地段的地质状况等;l 是否有限制条件,如对地表沉降的限制、地基承载力不足等;l 必要时要与辅助工法配合;l 要尽量采用能避免围岩松弛的施工方法,如在泥岩或黄土中采用机械开挖;l 应尽量使支护及早封闭,避免多次扰动围岩,控制初期支护位移、变形;l 施工组织的统一协调,在同一隧道中尽量减少工法的频繁变换;l 尽量采用机械化施工,提高作业效率,加快施工速度。高速铁路隧道施工方法的选择,关键在于要和隧道的地质条件相匹配,这就要求提供给高速铁路隧道设计的地质资料要齐全完整、真实可靠。要求隧道地质勘察要查明隧道通过地段的地形、地貌、地层、岩性和地质构造；岩质隧道应着重查明岩层层理、片理、节理等软弱结构面的产状、密度及组合形式、断层、褶曲的性质、产状、宽度及破碎程度；土质隧道应着重查明土的地层年代、成因类型、结构特征、物质成分、料径大小、密实度及潮湿程度；查明不良地质、特殊岩土的分布及对隧道的影响,特别是对洞口及边仰坡的影响，据此选择合适的施工方法。从目前的施工技术水平出发,适合大断面隧道的开挖方法主要有以下三类(图4.1):l 以爆破开挖为主导的施工方法,如全断面法、台阶法、双侧壁导坑法、中壁法等;l 以机械开挖为主导的施工方法,如掘进机法、盾构法、铣挖法等;l 爆破与机械开挖相结合的施工方法,如TBM导坑超前扩挖法等。图4.1 大断面隧道施工方法分类不管采用哪种施工方法，在不良地质条件下，都需要配合采用各种辅助工法。特别是在大断面隧道的施工中，辅助工法显得更为重要。我国绝大多数铁路隧道是采用钻爆法修建的，积累了极为丰富的施工经验，创造了许多施工奇迹。但在高速铁路大断面隧道，特别是超大断面隧道中，如何运用这种施工方法，还有待实践。1全断面法按照隧道设计轮廓线一次开挖成形的施工方法叫全断面开挖法(简称全断面法)。该工法的特点是有较大的作业空间，有利于大型机械化配套作业,提高施工速度,且工序少、干扰小，便于施工组织和管理。其缺点是由于开挖断面大,对地质条件要求严格,围岩必须有足够的自稳能力，且每循环工作量相对较大，要求施工单位应具有较强的开挖、出咋、运输及支护能力。在高速铁路隧道中,全断面法主要用于IIII级围岩的单线隧道，在IVV级围岩采用全断面法施工时，必须辅以辅助工法，如正面喷射混凝土、打设正面锚杆等。在双线铁路隧道中，由于开挖面积达140170m2，受施工机械作业能力的限制，难以采用全断面法。全断面开挖法的操作工序比较简单,主要有钻孔、爆破、出碴、支护、防水层铺设、衬砌和地板混凝土施工等。该方法的施工组织要求底板混凝土作业尽量超前,这是确保施工安全、质量和文明施工的重要做法。采用全断面法施工应注意以下事项:l 加强对开挖面前方的工程地质和水文地质调查。对不良地质情况,要及时预测预报、分析研究，随时准备好应急措施(包括改变施工方法)，以确保施工安全和工程进度。l 各种施工机械设备务求配套,以充分发挥机械设备的效率。各工序机械设备要配套,如钻孔、装碴、运输、防水层铺设、衬砌等主要机械和相应的辅助机具,在尺寸、性能和生产能力上都要相互配合,工序能环环紧扣,不致彼此互受牵制而影响掘进,以充分发挥机械设备的使用效率和各工序间的协调作用,并注意经常维修设备及备有足够的易损零部件,确保各项工作的顺利进行。l 加强对各种辅助作业和辅助施工方法的设计与施工检查。尤其在软弱破碎围岩中使用全断面法开挖时,应对支护后围岩的动态进行量测与监控,对各种辅助作业的三管两线(即高压风管、高压水管、通风管、电线和运输路线)要求保持技术状态良好。l 重视和加强对施工操作人员的技术培训,使其能熟练掌握各种机械和推广新技术,不断提高工效，改进施工管理，加快施工速度。l 全断面法开挖选择支护类型时，应优先考虑锚杆和锚喷混凝土、挂网等支护。l 加强施工中的各项辅助作业，尤其是加强施工通风，保证工作面有足够的新鲜空气。2台阶法各国高速铁路隧道施工实践证明,台阶法已成为大断面隧道施工的主流施工方法。日本在修建第二东名一名神高速公路隧道(隧道开挖断面积为150200m2)中,80%的隧道采用了各种台阶法。中国台湾台北一高雄高速铁路隧道(隧道净空有效面积为90m2,开挖断面积为13015Om2)大部分也是采用台阶法修建的。德国科隆一法兰克福高速铁路上的隧道工程，虽然地质条件比较差，但多数隧道仍采用台阶法施工。所谓台阶法，就是为了控制围岩变形而采用的纵向分部开挖法。它将结构断面分成两步或多步开挖，具有上下两个工作面或多台阶时有多个工作面开挖。其优点是灵活多变、适用性强。视围岩条件及机械配套情况派生出的各种台阶法,可根据工程实际、围岩条件及机械条件,选择适合的方式。部分台阶法的比较列于表4.1。2.1导坑超前扩挖台阶法台阶法有许多变化方案,如导坑超前扩挖法。它在开挖主洞之前,先用钻爆法快速掘进一个超前导坑,进行地质调查、排水以及围岩改良等作业,而后再次用钻爆法进行扩挖的一种施工方法,即先由爆破法开挖一个小导坑形成临空面,再使用钻爆法开挖。导坑超前是为了提高开挖工作面的自稳性,以及为地质预报、排水等目的而实施的。导坑超前的距离,从发挥机械效率出发,可取1030m，当大量涌水时可延长到100m。导坑超前扩挖法的施工顺序,可按照图4.2中的各分部顺序进行。整个隧道断面的爆破分为导坑爆破和扩大爆破。导坑超前扩挖法的特点是:(1)开挖工作面稳定性高,辅助工法规模小;(2)有涌水的场合,导坑可以作为排水坑道;(3)可从导坑进行围岩补强。其缺点是:(1)导坑和扩挖交互掘进,施工干扰大；(2)导坑需要通风；(3)导坑支护要废除。表4.1 大断面隧道台阶施工法比较2.2多层台阶法当隧道断面较高时,可以用多层台阶法开挖,如图4.3所示。台阶长度一般不超过1.5倍洞径。多层台阶法通常用在单层台阶上半断面掘进的导坑尺寸较大、开挖面难以自稳的情况。由于在低强度的围岩中,整个开挖断面要分为三部开挖,故开挖造成的应力重分布的次数较多,而且台阶多,断面闭合的时间也加长。所以,在选择这种方法时,先要进行充分研究,在采用稳定开挖面的辅助工法(开挖面超前锚杆与喷射混凝土、小型管棚、改良围岩等)分两步开挖仍很困难时才采用。在地表有建筑物等情况,预计地表、洞内下沉(位移)超过允许限值时,应同时采用临时仰拱控制变形的发展。2.3短台阶和超短台阶法大断面隧道施工中也经常采用短台阶法(图4.4)和超短台阶法(图4.5)等。短台阶法的长度约在15m。这种方法由于上、下半断面的开挖面较接近,两个开挖面作业有干扰,而且存在上半断面出碴打乱开挖循环平衡的问题。上半断面的出碴可用斜坡道、皮带输送机、装载转运机等组合起来使用。超短台阶法的台阶长度约为58m,适用于膨胀性围岩和土质围岩需及早封闭断面的情况。在以全断面开挖法为主要方法的硬质围岩中,由于一部分地质条件变化而需要采用分部开挖时,也可用此方法。超短台阶法施工时的上、下半断面的开挖面是同时掘进的,出碴也是同时进行的。图4.2 导坑超前扩挖法施工示意图4.2图4.3 多层台阶法开挖图4.4 短台阶法施工示意图4.5 超短台阶法施工示意图4.6 中隔墙台阶法示意2.4中隔墙台阶法当开挖工作面地层自稳能力较差,上台阶开挖后拱脚支承在未开挖岩体上的自稳时间较短且开挖断面跨度较大时,可采用中隔墙台阶法(通常配合临时仰拱使用)。通过中隔墙的分载作用,可减轻两侧拱脚的压力,降低地表沉陷值,以确保施工安仝。采用中隔墙台阶法开挖时,上台阶开挖长度一般控制在1.5倍洞径以内,并辅之以超前小导管注浆加固围岩、留核心土环形开挖等措施。由于中隔墙的限制,一般上台阶采用人工开挖、人工出碴,下台阶采用机械开挖、机械出碴,开挖方式及顺序示于图4.6。2.5临时仰拱封闭台阶法临时仰拱封闭台阶法是以控制地表和洞内下沉(位移)为目的,在整个断面闭合的过程中对分部开挖断面用临时仰拱闭合的方法。开挖方法采用上部弧形导坑开挖,留核心土,上导坑初期支护设置大拱脚,并设拱脚支承桩(钢管桩、旋喷桩等),喷混凝30cm，设临时仰拱,无管棚支护范围设长度6m的锚杆,格栅钢架间距0.51.0m,如图4.7所示。图4.7 临时仰拱封闭台阶法施工示意采用台阶法施工应注意以下事项:l 台阶法开挖具有足够的作业空间和较快的施工速度。台阶有利于开挖面的稳定性,尤其是上部开挖支护后,下部作业较为安全。l 台阶法开挖的缺点是上下部作业互相有干扰,应注意下部作业时对上部稳定性的影响,台阶开挖会增加对围岩的扰动次数等。l 台阶法开挖宜采用轻型凿岩机钻孔,而不宜采用大型凿岩台车。l 采用台阶法时,台阶数不宜过多,台阶长度要适当,一般以一个台阶垂直开挖到底、保持平台长35m为好;为便于掌握炮眼深度