鐵路隧道建設理念和設計原則

一、前言交通發(fā)展，鐵路先行。隨著對環(huán)境、能源問題的深入認識，我國的鐵路建設進入了新的大發(fā)展時期，而隧道工程在我國鐵路建設中占有重要地位。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2005年末，我國共建成鐵路隧道6874座，總延長4158km，連同建國前修建的664座、總延長156km的鐵路隧道，已建成的鐵路隧道已有7538座、總延長4314km。在新一輪的鐵路建設中，在建和規(guī)劃建設的鐵路線有宜萬線、蘭渝線、貴廣線、大瑞線、成蘭線等，這些線路地質(zhì)條件復雜，隧道所占的比重大，隧道修建的難度也很大。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國鐵路隧道正以每天增加3km的速度向前推進，建設速度之快可想而知。在這種情況下，如何保證鐵路隧道建設的安全和之后的運營安全，需要在深刻總結以往建設經(jīng)驗和教訓的基礎上，進一步明確建設理念和設計原則。二、鐵路隧道建設理念（1）隧道與地下工程是不可逆工程，不具備拆除重建的條件，因此必須是遺產(chǎn)工程。不允許是遺憾工程和災害工程。（2）隧道與地下工程是風險性很大的工程，必須實事求是，科學地進行風險性評估。評估主要內(nèi)容為：施工安全評估、施工質(zhì)量評估、環(huán)境評估，最后是施工進度和施工成本評估。在建設全過程中應對可研階段、初步設計階段、施工階段、運營階段進行全方位工程風險分析。據(jù)國際隧道工程保險集團對施工現(xiàn)場發(fā)生安全事故原因的調(diào)查結果表明，將施工方作為工程安全唯一主體是不科學的，目前五個階段的風險界定不清，而這些風險往往到施工時才反映出來，由施工方完全承擔這些風險是不合理的。（3）合理工期、合理造價、合理合同、合理施工方案是隧道建設檢驗科學發(fā)展觀的4條標準。如青藏鐵路復線西格段的關角隧道（32km）設計，應考慮小TBM＋鉆爆法施工新模式。利用二線導洞快速施工＋橫通道模式，取消斜井，取消費工費時、造價高的向上運輸方式。（4）必須進行信息化動態(tài)反饋設計。通過支護參數(shù)調(diào)整，確保施工安全，不改變設計是不科學的，“精心設計，精心施工，在建設過程中會有錯誤和失敗，必須及時修正。”三、鐵路隧道主要設計原則（一）單洞雙線隧道和兩個單線隧道的選擇原則（1）鉆爆法施工時，有軌運輸獨頭通風最大長度7～8km；無軌運輸獨頭通風最大長度3.5km。（2）施工通風有兩種方式，洞口壓入式管道通風（傳統(tǒng)方式）適用條件可單洞壓入，但費電、通風長度短；洞內(nèi)射流巷道式通風，但必須有平行兩個洞，可省電、效率高，可實現(xiàn)獨頭10km以上通風，這是隧道施工通風的新成果。（3）從設備投入和快速施工考慮，有軌運輸設備投入大，管理復雜，充電電池滿足不了長距離運輸；無軌運輸設備投入小，配合洞內(nèi)射流巷道通風，是快速施工的最好模式。鑒于以上3點，建議優(yōu)先選用兩個單線隧道設計方案。不要任何斜豎井可實現(xiàn)特長、長隧道的安全、快速施工，也不破壞山體環(huán)境。該方案對建設過程和建成后都會帶來很大方便，尤其在軟弱、巖溶、煤系、淺埋、大變形地層更會減少風險和工程投資。若一定要用單洞雙線隧道，不設平導，采用無軌運輸，設計長度應小于7km；不設平導，有軌運輸，設計極限長度應小于15km，設備投入比無軌多2.5億元以上，綜合全面比較，該方案風險大，且投入大。折中方案是單洞雙線隧道加平導全貫通，但該方案更不經(jīng)濟。（二）隧道縱坡設置原則（1）應高位選線（如南昆線），可避免許多災害。（2）禁止在巖層交界面上選線，如深圳福田車站上軟下硬，很難施工。（3）富水地區(qū)必須采用人字坡，以利于防災和排水。關于富水的定義：水量＞2臺最大抽水泵的排水量。（4）鐵路進城市應按深埋選線，減少對環(huán)境的破壞。石家莊市客運專線的選擇是一成功范例。

（三）隧道輔助導洞設置原則（1）利用平導增設工作面、解決施工通風是最好的方法。不設斜豎井施工，可增設多條平導和橫洞。如終南山隧道、瑞士阿爾卑斯山隧道等。（2）深層巖溶及富水地區(qū)，必須根據(jù)環(huán)境評價增設泄水洞和大流水溶洞相連，釋能減壓，以利于營運安全。（3）利用射流巷道式通風方式，可改變輔助坑道的理念，可改變長大隧道設計的方法。采用平行雙洞射流通風模型，可解決長大隧道施工通風難題。采用無軌運輸模式，施工通風可達10km以上。（4）施工分段應考慮施工通風的方式，從隧道中部分段優(yōu)點很多，不允許像TBM施工中的單條分割法。

（四）支護結構設計原則（1）初期支護是保證施工安全的關鍵，要有足夠的剛度和強度，承受二襯砌施作前施工期間的全部土壓力荷載，不計水壓力。（2）軟弱、破碎圍巖（Ⅴ，Ⅵ級）按普氏拱理論計算壓力；Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級圍巖按爆破松動圈2～2.5m厚計算壓力。（3）初期支護由噴網(wǎng)、網(wǎng)構鋼拱架、鎖腳錨管、縱向鏈接筋組成，形成永久承載結構，二次混凝土襯砌作為安全儲備。（4）不同圍巖的穩(wěn)定由初期支護進行調(diào)整，可加強或減弱，當在5～6倍洞徑處通過量測證明已穩(wěn)定的情況下，方可進行二次襯砌拱墻的混凝土灌注。二次襯砌分三次施工：一是底層混凝土和仰拱可以跟在工作面1倍洞徑以外，二是襯砌邊墻基礎緊跟，目的是增加一次支護的安全系數(shù)。三是拱墻模板臺車襯砌。（5）二次襯砌作為安全儲備，從有利百年大計出發(fā)可不設鋼筋（當斷面輪廓為小偏心受壓時，襯砌厚度一般定為30～40cm，不隨圍巖改變而改變）。（6）必須取消拱部錨桿；必須采用網(wǎng)構鋼拱架；軟弱地層不提倡濕噴混凝土；必須取消中部排水溝；有鋼拱架的地方可不設系統(tǒng)錨桿，而在接頭處設置鎖腳錨管。（7）暗挖隧道不設變形縫；防水隔離層背后設系統(tǒng)盲管，防水隔離層不允許全包，只包到邊墻底基礎上，和兩側(cè)排水溝形成排水系統(tǒng)；取消止水板，施工縫處設置BW防水條。（8）在二襯及防水板鋪設前應進行初期支護，背后充填灌漿，確保二襯在無水下施工。（9）高地應力、大變形地段采用圓形輪廓斷面襯砌是最簡單有效的方法。（五）快速施工原則（1）隧道的出路在于機械化。（2）應配置鉆孔作業(yè)線、裝碴運輸作業(yè)線、一次襯砌作業(yè)線、防水及二次襯砌作業(yè)線4條主線。應配置施工通風作業(yè)線、注漿防排水作業(yè)線，兩條輔助線。（3）采用光面爆破工藝、導洞超前、全斷面擴大，可實現(xiàn)減震、光爆、快速施工。全斷面開挖改為小TBM超前打通，后部用鉆爆法擴大的優(yōu)點是：a.可以進行超前地質(zhì)預報；b.爆破振動減小30％，炸藥比全斷面爆破減少5％～10％；c.擴大爆破孔的炮眼利用率為100％，所以提高開挖速度2～3倍；d.炮眼半孔保存率80％，線形超挖小于10cm；e.爆破碴堆、碴塊均勻、集中，便于快速出碴；f.縱向爆破沖擊波小，對后部工序影響小。（4）按無軌運輸、雙洞、射流巷道式通風實現(xiàn)特長隧道無斜豎井設計和施工。四、其他有關問題（一）洞門及洞口段設計理念（1）洞口位置不當，易產(chǎn)生塌方、偏壓，應特別重視洞口位置選擇。（2）洞口間距過大，不利管理和節(jié)約土地，可以設置小間距。（3）洞口不設深路塹（應小于10m）。（4）優(yōu)選切削式洞門。（5）應美化洞口及周邊環(huán)境。（6）上下行洞口錯開，設擋墻防止廢氣進入另一洞口、氣流短路。（7）洞口段、洞門、明洞之間應比選合理施工方法。（8）洞口變坡點要合理設置。（二）巖溶區(qū)超前地質(zhì)預報必須重視巖溶地區(qū)的綜合地質(zhì)超前預報。長短結合以短為主，并列入工序，預報范圍前方大于30m、隧道周邊以外1倍洞徑。（三）噴混凝土軟弱地層必須采用潮噴混凝土，不提倡濕噴混凝土。（四）臺階長度正臺階法隧道施工不允許分長、中、微臺階，臺階長度為一倍洞徑，第一個上臺階高度必須為2.5m，小導管長度為臺階高度加1m。（五）輔助施工工法常用的輔助施工措施有：環(huán)形開挖留核心土、噴射混凝土封閉開挖工作面、超前錨桿及超前小導管支護、超前小導管周邊注漿支護、設置上臺階臨時仰拱、跟蹤注漿加固地層、水平旋噴超前支護、洞內(nèi)真空泵降水、洞內(nèi)超前降排水、洞外深井泵降水、地面高壓旋噴加固、先注漿后凍結法。要注意全斷面帷幕注漿應改為上半斷面周邊注漿，下半斷面降水、排水。采用上堵下排的原理。（六）大跨隧道施工大跨隧道施工應選擇變大跨為小跨的施工方法，如CD法、雙CD法、CRD法、雙側(cè)壁法、柱洞法、中洞法、側(cè)洞法等。臨時側(cè)壁應拉直，以減少中間跨度。（七）管棚的應用隧道內(nèi)一般不設長管棚，只在洞口設置。長管棚的直徑應和地層剛度相匹配，當直徑超過150mm時，直徑的增加對控制地表下沉作用很小。

（八）聯(lián)拱隧道隧道宜近不宜聯(lián)，可采用小間距隧道，反對雙聯(lián)拱、多聯(lián)拱，取消盾構隧道的橫通道。（九）導洞超前大斷面硬巖隧道宜采用小導洞超前爆破，可減震30％，也可采用小TBM超前鉆爆法擴大。注意隧道及路塹邊坡應采用光面爆破，不能預裂爆破。（十）隧道頂部空洞隧道頂部允許塌方空洞存在，拱頂上方要有2m厚土層保護，對于上部空洞中的水應設法排出，隧道支護應加強，并應配合超前支護。（十一）盾構和掘進機的選擇及施工

1.盾構施工的經(jīng)濟效益問題（1）一臺6.23m的盾構需6000萬元，3.5～4年可把6000萬收回（不計利息），第五年可開始盈利，每年最多能盈利1000萬元。（2）一般情況，盾構在城市之間搬運，每次需300萬～400萬元。（3）盾構從豎井拆除再組裝，每次需30萬～50萬元。（4）適用盾構法施工的隧道應該是一個盾構掘進長度為6km以上，這是發(fā)揮盾構快速施工，性價比最好的工程籌劃。（5）一般配2～3臺盾構才能提高穩(wěn)定技術人員、高級技工的施工能力，這是施工單位合理部署的舉措。因此，應合理、慎重規(guī)劃和應用盾構。盾構法與鉆爆法、淺埋暗挖法相比，經(jīng)濟效益要低10倍左右。2.TBM硬巖掘進機（1）機型方案選擇方面。開敞式TBM優(yōu)于雙護盾式和單護盾式，其優(yōu)點：a.長度與直徑之比＜1，可靈活調(diào)方向，可確?！?0mm的調(diào)整誤差；b.能及時支護，有利于洞室穩(wěn)定，護盾式不利于及時支護，易塌方；c.不易被高地應力地層卡死護盾；d.造價比雙護盾便宜10％～30％；e.襯砌支護比管片便宜2倍以上。（2）支護結構方面。a.開敞式TBM用復合式襯砌，最易適應不同地層和富水地層，支護壽命長，可確保100年，維護方便；b.雙護盾式TBM必須采用軟弱地層管片的厚度，不適應土壓、水壓多變的山嶺隧道，管片厚度不能調(diào)整，管片壽命不可靠，且造價高于復合初砌數(shù)倍以上，因此不宜采用。3.盾構和TBM的生產(chǎn)必須重視盾構和TBM的國產(chǎn)化。建議對國外采購要設立強有力的評價體系、規(guī)定和制度；要建立項目業(yè)主、裝備制造企業(yè)和保險公司風險同擔，利益共享的重大技術裝備保險機制；國產(chǎn)化率中的關鍵部件必須進口，國產(chǎn)率在50％～60％為宜。4.盾構類型選擇不同地層應選擇不同類型的盾構，應遵循以下原則。（1）少水地層、砂卵石地層宜選擇開敞式網(wǎng)格盾構。少水或無水地層，地層具有較好的自穩(wěn)性，降水下沉量?。ㄈ缟蜿?、成都等地層），土體顆粒對刀盤刀具磨損也很大，選擇開敞式盾構、網(wǎng)格盾構比較適宜。（2）土壓平衡盾構不是全能的，應同時考慮選用泥水盾構與土壓盾構。a.不穩(wěn)定的粉細砂地層是最適合使用土壓平衡盾構，在含水的黃土地層，攪拌后形成塑性好的泥漿會將刀盤全部糊死，該地層不適合土壓平衡盾構，應采用降水配合開敞式網(wǎng)格盾構；b.泥水加壓盾構的考慮：對于不穩(wěn)定的軟弱地層或地下水位高、含水砂層、黏土層、沖積層以及洪積層等流動性高的地層，使用泥水加壓盾構的效果較好。泥水加壓平衡盾構具有土層適應性強、對周圍土體影響小、施工機械化程度高等優(yōu)點；在砂層中進行大斷面、長距離推進時，大多采用泥水加壓式盾構機。實踐證明，掘進斷面越大，用泥水加壓式盾構機的效果越好；泥水加壓式盾構機除在控制開挖面穩(wěn)定以減少地面沉降方面較為有利外，還在減少刀頭磨損、適應長距離推進方面顯示出優(yōu)越性；泥水加壓盾構存在盾尾的漏水以及難以確認開挖面狀態(tài)等缺點，另外還需要較大的泥水處理場地。5.刀盤類型的選擇不同地層應選擇不同的刀盤類型。目前有兩種刀盤形式，開口面板式刀盤和輻條式刀盤。刀盤特性的比較見表1。表1兩種類型刀盤特性比較

6.盾構和TBM支護形式常用的支護形式有如下幾種，可根據(jù)具體情況采用。（1）管片襯砌。管片襯砌廣泛應用于軟土地層盾構隧道的支護，管片接頭部位是防水薄弱環(huán)節(jié)，應研究接頭型式及防水材料，管片形狀及分塊形式，管片厚度及鋼筋配置與地層壓力的關系。（2）噴混凝土襯砌。應用于開敞式TBM隧道，能及時支護，很好地適應軟弱破碎圍巖，在秦嶺隧道及磨溝嶺隧道中得到了成功應用。（3）壓縮混凝土襯砌。壓縮混凝土襯砌（extru-dedconcretelining，ECL），就是以現(xiàn)澆混凝土作襯砌來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管片襯砌。ECL工法具有以下特點：a.ECL工法筑造的襯砌質(zhì)量高；b.ECL極大地抑制了地層沉降，無須降低地下水；c.采用全機械化施工，節(jié)省人員、安全性高，作業(yè)環(huán)境好；d.ECL工法采用一次襯砌，材料