客运铁路隧道关键技术问题介绍

武广客运专线隧道的若干关键技术问题

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％。省别湖北湖南广东线路长度（km）108.243517.89288.975隧道数量L≤1000m1—37574—2636815—60981000m＜L≤3000m1—11799—172555—65123000m＜L≤6000m2—66016000m＜L≤10000m1—68612—14434L＞10000m1-10331总计（座—米）2-155486—5708523—37375隧线比（%）1.4411.0242.0武广客运专线隧道的特点与难点

1、概述

⑴隧道断面大：内净空面积达100m2，需要开挖面积约160m2（有仰拱）。⑵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”。⑶防排水要求高：防水等级要求达到一级，衬砌表面无湿渍。⑷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。⑸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。⑹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

衬砌类型初期支护二次衬砌预留变形量(cm)喷砼钢筋网(φ8)锚杆钢架拱墙(cm)仰拱/底板(cm)部位/厚度(cm)网格间距(cm)设置部位长度（m）间距（m）（环×纵）规格间距（m）Ⅱ（无仰拱）拱墙/10//2.51.5×1//35/30*3～5Ⅱ（有仰拱）拱墙/10//2.51.5×1//3535/3～5Ⅲ拱墙/1525×25拱部3.01.2×1//4055/5～8Ⅲ偏拱墙/1820×20拱部3.01.2×1型钢1.0(拱墙)40*55*/5～8Ⅳ拱墙/25仰拱/1520×20拱墙3.51.0×1格栅1.0(拱墙)45*55*/8～10Ⅳ加全环/2520×20拱墙3.51.0×1格栅或型钢1.0(全环)45*55*/8～10Ⅳ偏全环/2520×20拱墙3.51.0×1型钢0.8(全环)50*60*/8～10Ⅴ全环/2820×20拱墙4.01.0×0.8格栅或型钢0.6～0.8(全环)50*60*/10～15Ⅴ加全环/2820×20拱墙4.00.80×1.0型钢0.6(全环)50*60*/10～15Ⅴ偏全环/2820×20拱墙4.00.80×1.0型钢0.5(全环)55*65*/10～152、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

⑴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。⑵突出“加强基底”和注重“刚度变化”：①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，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩均采用有仰拱结构，且仰拱厚度较拱墙衬砌大；②Ⅱ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。③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Ⅴ级围岩，其前后则为Ⅱ级围岩，Ⅱ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。⑶二次衬砌部分采用钢筋混凝土结构：Ⅳ、Ⅴ级围岩和Ⅲ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180～220km/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

⑴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。⑵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：①隧道均采用单心圆断面，有利于结构受力；②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；③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、若干关键技技术问题的的处理2.2隧道工程的的耐久性武广客专耐耐久性设计计施工措施施⑶其他材料耐耐久性要求求：对锚杆的的保护层厚厚度、注浆浆饱满度、、防水材料料等的耐久久性均提出出相应要求求。⑷施工有关要要求：围岩本身身是整个承承载体系的的一部分，，施工中应应注意“爱爱护围岩””。⑸结构检测及及维护：在设计使使用年限内内，应定期期对隧道结结构及材料料的使用状状态、环境境条件的变变化进行检检测及监测测，并进行行综合评估估。2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计从目前总体体情况来看看，隧道渗渗漏水问题题十分严重重。据铁道道部工务部部门2002年秋检数据据统计，我我国至2002年底，共有有铁路隧道道5711座，总延长长2833km出现渗漏，，其中严重重渗漏水的的隧道有1620座、23400处、150km；占总座数数的28.4%，总长度的的5.3%。而据交通部部2002年数据统计计，我国至至2002年底，共有有公路隧道道1700座，总延长长704km出现渗漏，，其中严重重渗漏水隧隧道达500余座，约占占总座数的的30%。防排水设计计施工中存存在的问题题2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计防排水设计计施工中存存在的问题题⑴不同隧道规规范对防水水等级的划划分不同英国隧道防防水分级标标准级别最大容许渗水量（L/m2∙d）O肉眼观察不到（NOTHINGVISIBLE）A1B3C10D30E100U不作限制（UNLIMITED）2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计防排水设计计施工中存存在的问题题⑴不同隧道规规范对防水水等级的划划分不同德国铁路隧隧道的防水水等级（DS853）防水等级潮湿情况说明1完全干燥衬砌密实，内表面无潮湿情况2很干燥衬砌密实，内表面仅有轻微潮湿存在(例如根据颜色)，不允许滴漏渗水。标准：轻微潮湿处用干手触摸无水痕，将一张吸墨纸或能吸水的报纸贴放不致因吸水而变色3毛细渗透衬砌密实，内表面仅个别和局部有手感潮湿。手感潮湿处显然系渗透所致，贴放吸墨纸或吸水的报纸亦会因吸水而变色，但无滴水2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计防排水设计计施工中存存在的问题题⑴不同隧道规规范对防水水等级的划划分不同我国地下工工程防水等等级标准防水等级标准一级不允许渗水，结构表面无湿渍二级不允许漏水，结构表面可有少量湿渍工业与民用建筑：湿渍总面积不应大于总防水面积的1‰，单个湿渍面积不大于0.1m2，任意100m2防水面积不超过1处。其他地下工程：湿渍总面积不应大于总防水面积的6‰，单个湿渍面积不大于0.2m2，任意100m2防水面积不超过4处三级有少量漏水点，不得有线流和漏泥砂单个湿渍面积不大于0.3m2，单个漏水点的漏水量不大于2.5L/d，任意100m2防水面积不超过7处四级有漏水点，不得有线流和漏泥砂整个工程平均漏水量不大于2Lm2∙d，任意100m2防水面积的平均漏水量不大于4L／m2∙d2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计防排水设计计施工中存存在的问题题⑴不同隧道规规范对防水水等级的划划分不同从国内外防防水等级标标准的对照照中可以发发现，国外外隧道各防防水等级均均以渗水量来来定量地分级。隧隧道防水等等级越高，，则对渗水水量的控制制也越严格格，且都是是通过测定定渗水量来来检验最后后的防水效效果。根据国内外外的观点：：一级标准准的结构内内壁是有少少量渗水的的，但是由由于渗水量量极少，且且随时都为为正常的通通风所带走走，因此量量测极为困困难，对验验收工作带带来困难。。因此没有有必要规定定定量指标标，只通过过感观的检检查也可以以判断工程程是否达到到一级标准准。我国《地下工程防防水技术规规范》中也以渗水水量为指标标来确立防防水等级，，但对于渗渗水量极少少的一级防防水工程，，考虑到实实际量测的的操作性，，仍然还是是以感观目目测为手段段。2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计防排水设计计施工中存存在的问题题⑵隧道防水施施工、监理理及验收不不规范。⑶隧道防水水的设计依依据不充分分：勘察资资料不足，，理论依据据不足。⑷对高水压压、岩溶地地区等特殊殊地段，没没有提出明明确的设计计与施工规规定。⑸在隧道设设计规范中中，没有考考虑复合式式衬砌所承承受的水压压力问题，，但当地下下水补给与与排除不均均衡时，可可能承受水水压力。与欧美、日日本等发达达国家相比比，我国隧隧道的防排排水技术相相对比较落落后，归纳纳起来就是是措施少、、材料性能能差、施工工工艺与管管理不够严严格等。2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计武广客专隧隧道防排水水设计根据客运专专线铁路一一级防水标标准的要求求，隧道工工程需从设设计、施工工、运营维维护三个方方面来达到到“防水可靠、、排水通畅畅、系统可可维护”的目标。⑴防水系统统设计①二次衬砌砌混凝土抗抗渗等级不不得小于S8，由于隧道道跨度大，，混凝土内内掺加具有有补充收缩缩功能的防防水剂，减减少收缩裂裂缝。②拱墙部位位敷设防水水板＋土工工布。③喷射混凝凝土中掺加加合成纤维维，既可减减少回弹量量，也可减减少喷射混混凝土早期期裂缝，有有利于减少少初期支护护渗漏水。。④加强施工工缝和变形形缝的防排排水措施。。2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计武广客专隧隧道防排水水设计防排水综合布置图2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计武广客专隧隧道防排水水设计①洞内采用双双侧水沟加加中心管沟沟排水，中中心水沟的的主要作用用是增加排排水能力，，并有效疏疏干Ⅱ级围岩底板板下积水。。②防水板背背后纵环向向设置排水水盲沟系统统，设置方方式和选材材满足运营营期可维护护的要求。。③施工缝和和变形缝处处设置必要要的导水措措施，作到到“引水归归槽”。⑵隧道排水系系统设计2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计武广客专隧隧道防排水水设计⑵隧道排水系系统设计施工缝防水图2、若干关键技技术问题的的处理2.3隧道防排水水设计武广客专隧隧道防排水水设计在地下水发发育、地下下水大量排排放可能影影响地表生生态环境时时采用注浆浆堵水，将将大量地下下水截堵于于注浆圈外外，少量渗渗入水进行行引排，二二次衬砌考考虑一定的的水压力。。⑶堵水设计2、若干关键技技术问题的的处理2.4隧道洞门及及洞口处理理2、若干关键技技术问题的的处理2.4隧道洞门及及洞口处理理隧道洞口处处理主要采采用延长明明洞、回填填进洞、填填挖平衡等等方法。⑴延长明洞本线有相当当多的隧道道洞口位于于漫坡地段段，为减少少洞口开挖挖，一般采采取延长明明洞的方式式处理。在在长浅埋段段，综合考考虑施工安安全和工程程造价因素素，明洞设设计了浅回回填土（2～5m）和深回填填土（5～8m）二种结构构。⑵回填进洞当洞口景观观要求较高高需采用斜斜切式洞门门，但由于于地面横坡坡相对较陡陡，路堑两两侧边坡不不平衡（一一侧较高、、一侧较低低）而影响响洞门效果果时，采用用填挖平衡衡的方式处处理。⑶填挖平衡2、若干关键技技术问题的的处理2.5大瑶山长大大隧道群地地段的防灾灾与救援大瑶山地段段为三座长长大隧道组组成的隧道道群，相邻邻洞口距离离分别仅为为169m、45m，洞口之间间的明线长长度小于列列车长度，，且为桥梁梁，即使列列车停靠在在明线上，，列车头尾尾部可能位位于隧道内内，不利于于人员逃生生。2、若干关键技技术问题的的处理2.5大瑶山长大大隧道群地地段的防灾灾与救援大瑶山地段段为三座长长大隧道组组成的隧道道群，相邻邻洞口距离离分别仅为为169m、45m，洞口之间间的明线长长度小于列列车长度，，且为桥梁梁，即使列列车停靠在在明线上，，列车头尾尾部可能位位于隧道内内，不利于于人员逃生生。2、若干关键技技术问题的的处理2.5大瑶山长大大隧道群地地段的防灾灾与救援防灾救援的的基本原则则由于大部分分火灾系由由车辆引起起，机车丧丧失牵引能能力的可能能性较小，，而火灾发发生后前7min内其影响相相对较小，，以300km/h车速计，5min（扣除火灾灾通报时间间2min）内列车行行驶距离可可达25km，大瑶山隧隧道群地段段最长隧道道为10.08km，因此完全全可使列车车驶离隧道道在隧道外外实现消防防及救援。。为此，应应以“消灭火灾于于初期，尽尽量使列车车驶离隧道道，实施洞洞外救援”为第一原则。2、若干关键技技术问题的的处理2.5大瑶山长大隧道道群地段的防灾灾与救援防灾救援措施⑴报警系统与火灾灾初期消防⑵逃生通道设置⑶洞口消防设施⑷事故通风3、有待进一步深化化研究的问题3.1支护参数的可靠靠性经济性及其其与施工方法的的相互影响武广客运专线隧隧道属超大断面面隧道，隧道支支护参数设计系系根据工程类比比辅以必要的理理论计算得出。。由于目前国内内已建成的超大大断面隧道工程程实例较少，因因而类比结果的的可靠性与经济济性有待于实践践检验。同时支支护参数与施工工方法密切相关关，当地质条件件相同、支护参参数相同，但施施工方法不同时时，支护参数的的安全度则不同同。为此，有必必要在现场结合合施工方法对隧隧道支护参数进进行系统的理论论分析与试验研研究，以充分了了解和验证支护护参数的合理性性、可靠性与经经济性。Ⅴ级围岩大断面隧隧道复合式衬砌砌支护参数表项目初期支护二次衬砌喷砼钢筋网(φ8)锚杆钢架拱墙(cm)仰拱(cm)厚度(cm)网格间距(cm)设置部位长度（m）间距（m）规格间距（m）武广线全环/2820×20拱墙4.01.0×0.8全环格栅或型钢0.6～0.850*60*中国高速公路三车道拱墙20～30双层20×20拱墙3.5～50.5～1全环格栅60*60*日本三车道公路D2级拱墙25不详不详4.01.2×1.5拱墙H200小于1m40*50*3、有待进一步深化化研究的问题3.2工程的耐久性目前对混凝土结结构耐久性的研研究成果难以满满足隧道设计的的需要，主要原原因是隧道工程程的健康状态受受围岩、初期支支护、二次衬砌砌、防排水等多多种因素控制，，决非单纯取决决于混凝土的炭炭化深度。因此此有必要从环境境作用、