客運(yùn)專線長大隧道設(shè)設(shè)計(jì)施工

1、客運(yùn)專線長大隧道設(shè)計(jì)施工 1 我國客運(yùn)專線隧道的概況 根據(jù)國院批準(zhǔn)的中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃到2020年全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到10萬km，其中客運(yùn)專線營業(yè)里程12 000km包括：新建客運(yùn)專線10 000km；新建城際客運(yùn)系統(tǒng)2 000km。 客運(yùn)專線隧道的數(shù)量：據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國客運(yùn)專線隧道的修建數(shù)量將超過1 000km。其中：武廣客運(yùn)專線165km，甬福廈280km，京滬高速15km，石太客專76km，鄭州西安客專74km，武漢合肥80km；武漢成都300km?？瓦\(yùn)專線隧道分類如表1：2 客運(yùn)專線隧道的特點(diǎn) 客運(yùn)專線隧道的特點(diǎn)是要重點(diǎn)考慮以下4個方面問題： (1)空氣動力學(xué)效應(yīng) (2)隧道斷面的設(shè)計(jì)

2、 (3)更加重視對環(huán)境的影響(4)防災(zāi)救援要求高2.1 空氣動力學(xué)效應(yīng)高速列車在隧道內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)生空氣動力學(xué)效應(yīng)，引起的問題有： (1)由于瞬變壓力造成旅客及乘務(wù)人員耳膜不適，舒適度降低，并對鐵路員工和車輛產(chǎn)生危害；(2)高速列車進(jìn)入隧道后，會在隧道出口產(chǎn)生微氣壓波，發(fā)出轟鳴聲，使附近房屋門窗嗄啦嗄啦作響，引起擾民問題，并危及洞口建筑物；(3)行車阻力增大，使運(yùn)營能耗增大，并要求機(jī)車動力增大；(4)形成空氣動力學(xué)噪聲(與車速的6-8次方成正比)； (5)列車風(fēng)加劇，影響隧道維修養(yǎng)護(hù)人員的正常作業(yè)； (6)列車克服阻力所作的功轉(zhuǎn)化為熱量，在洞內(nèi)積聚引起溫度升高等。 因此，在高速鐵路設(shè)計(jì)時，應(yīng)從車輛及

3、隧道兩方面采取措施，以減緩空氣動力學(xué)效應(yīng)。 影響空氣動力學(xué)效應(yīng)的因素：車輛的因素 隧道的因素列車速度 隧道橫斷面積列車橫斷面積 隧道長度列車長度 隧道道床類型列車頭部形狀 洞口結(jié)構(gòu)2.2 客運(yùn)專線隧道斷面的設(shè)計(jì) 隧道有效內(nèi)凈空面積洞門型式及緩沖結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)和耐久性 防排水設(shè)計(jì) 環(huán)境保護(hù) 防災(zāi)救援方案2.2.1 隧道有效內(nèi)凈空面積 隧道凈空面積的影響因素： 隧道建筑限界 線間距 應(yīng)預(yù)留的空間：安全空間、救援通道、工程技術(shù)作業(yè)空間、內(nèi)部配件空間等考慮空氣動力學(xué)影響所需的空間2.2.2 洞門型式及緩沖結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)原則：早進(jìn)晚出、確保安全、因地制宜、保護(hù)環(huán)境、簡約實(shí)用。緩沖結(jié)構(gòu)：雙線隧道原則不設(shè)緩

4、沖結(jié)構(gòu)，當(dāng)洞口位于城市或有密集建筑物時，可采取防噪音措施或結(jié)合洞門型式適當(dāng)設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)。緩沖棚：（國外緩沖棚的兩張圖片）2.2.3 雙線隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)表（見表4）2.2.4 耐久性：隧道施工也引入了耐久性概念，襯砌混凝土應(yīng)為高性能耐久性混凝土，特別是地下水豐富的地層。2.2.5 防排水設(shè)計(jì)：應(yīng)采取“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”原則。非含水層、弱含水層以及對環(huán)境影響不大的隧道或區(qū)段，地下水引排是隧道防排水的常規(guī)措施，亦可采用先排后堵的措施。以前在地下水發(fā)育的巖溶區(qū)修建隧道采用常規(guī)“排放”方案，是以犧牲環(huán)境為代價來換取暫時的工程進(jìn)度，隨即頻繁產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害對施工和運(yùn)營造成了重

5、大的威脅。現(xiàn)在最新理念是大堵小排、全封閉設(shè)計(jì)施工，保護(hù)水資源，使工程不留后患。2.2.6 環(huán)境保護(hù)：客專設(shè)計(jì)和施工均應(yīng)引進(jìn)循環(huán)經(jīng)驗(yàn)，減少環(huán)境污染，防止水土流失。2.2.7 防災(zāi)救援方案隧道防災(zāi)應(yīng)貫徹“以防為主、防消結(jié)合”的原則。我國客運(yùn)專線規(guī)定，隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)置貫通整個隧道的救援通道，單線隧道單側(cè)設(shè)置，雙線隧道雙側(cè)設(shè)置。雙線隧道可利用平導(dǎo)；兩個單線隧道設(shè)橫通道，間距400600m；圓形斷面隧道有縱向防災(zāi)通道。3 客運(yùn)專線長大隧道的設(shè)計(jì)施工原則3.1 設(shè)計(jì)、施工中必須建立綜合超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，作為正常工序并列人預(yù)算之中?？瓦\(yùn)專線施工技術(shù)指南強(qiáng)調(diào)了地質(zhì)超前預(yù)報，將開挖面地質(zhì)素描和監(jiān)控量測納入正常施工工

6、序。3.2 必須采取動態(tài)信息化設(shè)計(jì)和信息化施工，以及信息化動態(tài)管理?？瓦\(yùn)專線施工技術(shù)指南要求隧道施工要實(shí)現(xiàn)信息化管理，對施工期地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報的內(nèi)容提出了要求，明確要求施工中應(yīng)該將幾種預(yù)報手段（洞內(nèi)地質(zhì)測繪、物探(TSP探測、聲波檢測、雷達(dá)探測等)超前預(yù)報、水平超前鉆探等）綜合運(yùn)用、取長補(bǔ)短、相互補(bǔ)充和印證，做到有疑必探、先探后掘。3.3 復(fù)合式襯砌是地下工程也是鐵路隧道的重要結(jié)構(gòu)形式，不論長、短隧道均應(yīng)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式，中間設(shè)防水隔離層。設(shè)防水隔離層有三個目的是防水、防裂、一次支護(hù)和二次模筑襯砌之間剪應(yīng)力為零。一次支護(hù)必須從上向下施作，二次模筑襯砌必須從下向上澆注。客專隧道的初期支護(hù)參數(shù)

7、有所加強(qiáng)，鋼筋網(wǎng)的鋼筋直徑加大、間距減小、保護(hù)層加厚（不小于3cm）；二襯的施作時間分三種情況不同對待：分深埋隧道、淺埋隧道和圍巖變形過大或初期支護(hù)變形不收斂又難以及時補(bǔ)強(qiáng)時的三種情況。3.4 從環(huán)境保護(hù)出發(fā)，尤其在巖溶地區(qū)隧道防排水設(shè)計(jì)原則，必須將以排為主改為以堵為主，限排為輔。3.5 取消洞門或設(shè)計(jì)簡易洞門 洞門應(yīng)設(shè)在早進(jìn)晚出地段，按不受力洞門設(shè)計(jì)。擋墻式洞門，必然造成大的刷坡而破壞洞頂環(huán)境。在橋隧相聯(lián)處，陡壁處可不設(shè)洞門，洞口易選在鼻梁上，洞口處取消深路塹。3.6 5km以上隧道設(shè)置平行導(dǎo)坑是確保安全、質(zhì)量、進(jìn)度的重要措施，也是今后運(yùn)營隧道所必需。3.7 輔助坑道的設(shè)置原則3.7.1 輔

8、助坑道有豎井、斜井、平導(dǎo)、橫洞、泄水洞五種主要形式，輔助坑道的選擇次序應(yīng)為橫洞、平導(dǎo)、斜井、豎井，特殊地區(qū)可設(shè)一水洞。橫洞和平導(dǎo)不需要特殊提升設(shè)備，風(fēng)險不大，施工后還可為運(yùn)營服務(wù)，應(yīng)優(yōu)先選擇。3.7.2 豎井一般超過40m就要特殊設(shè)計(jì)，吊繩也要選無旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和各種絞車、穩(wěn)繩，其效率很低，隨著豎井的加深而成平方減低，工程實(shí)踐證明投資大，危險，效率很低，是正洞進(jìn)出口效率的10左右，建議不考慮，尤其當(dāng)豎井深度超過百米更沒有比選價值。3.7.3斜井按有軌提升考慮，極限安全長度應(yīng)為1000m以內(nèi)，超過該長度，牽引困難，易脫軌。成本也很高，合理斜井長度通過工程實(shí)踐和理論計(jì)算，考慮效率按進(jìn)出口的50計(jì)算，斜

9、井長度在1000m左右為宜。每個斜井的投入設(shè)備包括三通一平需投入2000萬元左右，因此在6km長雙線隧道不設(shè)任何輔助坑道而加大進(jìn)出口設(shè)備投入，效果會比較好。3.7.4 平導(dǎo)是提倡的輔助坑道，是進(jìn)、出口的得力助手，相輔相成，增加平導(dǎo)可加快進(jìn)、出口進(jìn)度2倍以上，可預(yù)報地質(zhì)、釋放風(fēng)險、提前處理不良地層，施工結(jié)束也為運(yùn)營多提供了一個維修救援通道，平導(dǎo)也可提前進(jìn)入正洞開挖下導(dǎo)洞，為正洞開挖提高進(jìn)度23倍，米花嶺隧道有成功實(shí)例，不需要單獨(dú)開辟施工場地和三通一平，投人費(fèi)用少，開工快，尤其在復(fù)雜山區(qū)更需要設(shè)置。3.7.5 橫洞在有條件的情況下長度不超過200m，橫洞進(jìn)口有道路和棄碴條件時可設(shè)置，開挖從里向外施

10、工，其功能是縮短棄碴運(yùn)距和有利施工通風(fēng)，投入費(fèi)用少，能提高正洞效率。3.7.6 巖溶地區(qū)在洞底下部附近56m處設(shè)泄水導(dǎo)洞，將巖溶水通過泄水洞排出，在圓梁山出口非常成功。巖溶地區(qū)當(dāng)把溶洞、溶管挖斷挖通時，應(yīng)采用心臟搭橋方式進(jìn)行聯(lián)道處理為主，以注漿堵水為輔，盡量不破壞原有水系，所以泄水洞可做成各種大小和形式。3.8 長隧道的開挖方法 (1)全斷面鉆爆法(2)導(dǎo)洞超前、后部擴(kuò)大鉆爆法。導(dǎo)洞可超前1015m爭取臨孔面，為后部擴(kuò)大加快速度，節(jié)約炸藥，減少超欠挖、減少振速提供條件，應(yīng)優(yōu)先考慮（見圖3）。優(yōu)化掏槽方案：通過試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)出多種掏槽方案，進(jìn)行對比，創(chuàng)造出一種硬巖方形五大孔(102mm)掏槽模式，

11、中間大空孔裝藥（見圖4）。(3)小直徑TBM(34m)加鉆爆法擴(kuò)大，為推薦方法，以提高科技含量。 (4)軟弱地層段，采用正臺階開挖加超前支護(hù)進(jìn)行。 (5)有軌運(yùn)輸、無軌裝碴。(6)長隧施工通風(fēng)方法：采用壓人式和射流正洞式通風(fēng)，可實(shí)現(xiàn)左、右洞調(diào)節(jié)，通風(fēng)效果很好。表5、表6和表7給出國內(nèi)外長隧的各種參數(shù)供參考。3.9 設(shè)備投入是加快長隧道施工的關(guān)鍵 鉆爆作業(yè)線，裝碴運(yùn)輸作業(yè)線、噴錨支護(hù)作業(yè)線、防水板和混凝土襯砌作業(yè)線是四條正洞和平導(dǎo)的必須配套設(shè)備，注漿作業(yè)線、通風(fēng)作業(yè)線、排水作業(yè)線為3條輔助作業(yè)線，7條作業(yè)線的設(shè)備投入費(fèi)用應(yīng)占隧道施工總費(fèi)用的20左右。否則，隧道施工是實(shí)現(xiàn)不了安全、優(yōu)質(zhì)和快速。3.

12、10 引進(jìn)循環(huán)經(jīng)驗(yàn)的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)3.10.1 全面推進(jìn)節(jié)約能耗的設(shè)計(jì)，提高資源利用效益。如水、電、油、砂、石、水泥、木材、鋼材原材料如何節(jié)約，地下水如何為施工服務(wù)，建成后可否長期應(yīng)用，全面推廣液壓臺車打眼取消風(fēng)鉆電老虎，采用有軌電力牽引節(jié)約油耗，砂石自制，水泥加30粉煤灰，網(wǎng)構(gòu)鋼拱架取代工字鋼、H型鋼等。 3.10.2 注意環(huán)境保護(hù)的設(shè)計(jì)：如何棄碴造田變廢為寶，如何減少施工環(huán)境污染，如何保護(hù)地面植被，廢水處理，從源頭減少污染源。3.11 利用新設(shè)備、新儀器、新技術(shù)、新材料、新工藝，提高和改善傳統(tǒng)的鉆爆法施工配套技術(shù)的設(shè)計(jì)；符合人性化的三通一平設(shè)計(jì)，引進(jìn)小斷面TBM；施工的各個工序都要進(jìn)行交叉學(xué)

13、科的應(yīng)用和研究等。設(shè)計(jì)方案的研究在前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在后。3.12 增加安全風(fēng)險評估的設(shè)計(jì) 安全、風(fēng)險設(shè)計(jì)是確保施工安全、質(zhì)量的關(guān)鍵，在預(yù)可研、可研報告中都增加這個內(nèi)容，設(shè)計(jì)風(fēng)險、施工風(fēng)險、運(yùn)營風(fēng)險均應(yīng)反映在建設(shè)的全過程中。對此，北京地鐵建設(shè)的安全、風(fēng)險咨詢已交某大學(xué)隧道中心負(fù)責(zé)。 以上12條設(shè)計(jì)和施工原則是國內(nèi)專家長期研究的結(jié)晶，只要按照此12條進(jìn)行鐵路建設(shè)，隧道就會健康發(fā)展。4. 幾個技術(shù)問題的討論4.1 雙線隧道和兩個單線隧道的比較(見表8)，經(jīng)比較，各有利弊。4.2 斷面形式客專隧道斷面有馬蹄形斷面、蛋形斷面和圓形斷面，圓形斷面受力好，可不設(shè)避人洞，運(yùn)行空氣阻力小。仰拱所有地層均應(yīng)設(shè)置。4.3 合理經(jīng)濟(jì)速度V>2