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隧道设计要求;
隧道施工技术;
隧道支护;
隧道衬砌
第一章绪论
铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具,是综合交通运输体系的骨干,在推动我国经济社会又好又快发展中发挥着重要作用。
国家“十一五”规划纲要强调“加快发展铁路运输。
重点建设客运专线、城际轨道交通、煤运通道,初步形成快速客运和煤炭运输网络”。
国家“十二五”规划纲要明确“基本建成国家快速铁路网”,“加快铁路客运专线、区际干线、煤运通道建设,发展高速铁路,形成快速客运网,强化重载货运网”。
2004年1月国务院审议通过了《中长期铁路网规划》。
2007年国务院批复的《综合交通网中长期发展规划》,确定到2020年铁路网总规模达到12万公里以上。
2008年根据国民经济发展新形势、新需求,国家及时调整了中长期铁路网规划,提出到2020年全国铁路营业里程达到12万公里以上,其中客运专线1.6万公里以上。
由于我国幅员辽阔,又是多山的国家,山地面积占60%以上,为发展高速铁路建设,必须修建大量隧道,而且势必修建很多长、大隧道和隧道群。
目前,我国已建成和在建的高速铁路隧道约800座,总延长超过1500公里李英杰,张顶立,刘保国,等.考虑围岩性质劣化的深埋软弱隧道破坏机理数值模拟研究[J.土木工程学报,2012,45(9):
156-166.
。
表为我国高速铁路长5公里以上的隧道统计情况。
表1-1已建成和在建的5公里以上我国高速铁路隧道一览表
序号隧道名称隧道长度/m所在线路贯通年月备注
1太行山隧道27839石太2007.12单线
2壁板坡隧道14756沪昆2016双线
3大别山隧道13256合武2007.06双线
4霞浦隧道13099温福2008.01双线
5大南山隧道12701厦深2009.12双线
6雪峰山1号隧道11679沪昆2014.12双线
7南梁隧道11526石太2007.06单双线
8狮子洋隧道10800广深港2011.03双线
9金寨隧道10766合武2007.11双线
10浏阳河隧道10115武广2008.12双线
11大瑶山1号隧道10081武广2008.06双线
12梁山隧道9898厦深2013.01双线
13鸡面山隧道9745温福2007.05双线
14分水关隧道9735温福2008.01双线
15栋梁坡隧道9294沪昆2013.11双线
16双鹰顶隧道9275厦深2010.04双线
17江门隧道9185广珠2016双线
18黄龙寺隧道8716石武2010.08双线
19梅林隧道8607厦深2013.01三线
20张茅隧道8483郑西2008.12双线
21大瑶山3号隧道8289武广2008.12双线
22凤凰山隧道7979甬台温2007.09双线
23红石岩隧道7857合武2007.07双线
24函谷关隧道7851郑西2008.09双线
25秦东隧道7684郑西2008.04双线
26石板山隧道7505石太2007.04双线
27太坤山隧道7006甬台温2008.04双线
28飞鸾隧道6718温福2007.07双线
29八仙仑隧道6713温福2007.08双线
30乌岩山隧道6208甬台温2008.01双线
31大瑶山2号隧道6027武广2008.06双线
32黄晶岭2号隧道5735福厦2007.12双线
高速铁路隧道的大量兴建,将推动我国铁路隧道建造技术的快速发展,但同时也给隧道设计和施工带来了诸多技术难题。
随着列车运行速度的提高,列车对轨道的冲击振动增大,传给隧道结构的振动波也相应加强,加上我国高速铁路隧道内一般采用板式无碴轨道结构形式,其刚度大,不利于振动波衰减,由轨道传递到隧道结构及基岩的振动冲击强度要比有碴轨道条件下大得多,因此,高速铁路隧道结构必须具有更高的动力稳定性梁小勇,扈世民,张春会.深埋大断面黄土隧道围岩失稳试验研究[J.岩土工程学报,2013,35(增2):
559-562.
隧道底部结构是隧道支护体系的重要组成部分,也是隧道病害发生最为严重的部位。
根据隧道病害现场调查结果,许多既有铁路隧道经过一段时间的运营之后,隧道底部结构出现不同程度的开裂、破损、下陷等病害,造成轨道不平顺,直接危及行车安全。
究其原因,一方面是由于隧道底部作为一种混凝土结构,本身不可避免地存在初始裂隙缺陷,在列车振动荷载反复作用下,这些裂隙不断扩展、贯通;
另一方面,隧道基底软弱围岩在列车动载及地下水的耦合作用下被碾磨成泥浆,基岩破损,隧道底部基础条件逐渐恶化,导致隧道底部结构受力增大,加快了裂隙扩展和新裂隙的形成。
两个方面的相互作用进一步加剧了底部结构的劣化程度,最终导致隧道底部结构破坏。
由于高速铁路隧道振动响应增大,这类病害会越发突出。
为了降低高速铁路隧道底部结构运营风险,我国现有高速铁路隧道设计中对底部结构进行了加强,在Ⅲ级及以上围岩条件下的隧道底部均设置了仰拱,而且采用了较大的仰拱矢跨比和仰拱厚度,这对降低高速铁路隧道底部病害的发生率将会起到一定的效果。
但这种设计是否还可以优化,在围岩条件较好的条件下是否可将仰拱厚度减薄或不设置仰拱;
在特殊的围岩条件下现有设计是否能够满足无碴轨道轨面的沉降要求,是否能保证隧道在使用年限内的安全运营,这些问题都亟待解决。
高速铁路对轨道结构的平顺度要求更高,对轨道基础的沉降要求非常严格,因此,隧道基底围岩长期沉降变形收敛可控是保证轨道良好运营状态的首要条件。
然而,已有工程实践表明,当隧道穿越软土、软岩等特殊地质地段,在长期列车荷载作用下软土和软弱基岩的累积变形及沉降问题一直未能得到有效解决,如我国上海地铁和法国高速铁路路基都出现了施工后沉降过大的问题。
这些问题的出现,对隧道的施工技术提出了很高的要求。
第二章高速铁路隧道工程设计要求
2.1隧道横断面有效净空尺寸的选择
隧道横断面净空尺寸的选择,需要考虑的因素:
隧道建筑限界、线路数量、线间距、应预留的空间、考虑空气动力学影响所需的空间、设备安装空间等。
2.1.1隧道建筑限界
普通铁道隧道、高铁、客运专线限界分为机车车辆限界、铁路建筑接近限界、标准轨距铁路隧道建筑限界。
同时,施工工艺及材料的要求都是随着行车速度的增加不断提高的。
随着列车时速的增加,隧道的内轮廓都有相应地增大。
高铁(客运专线)建筑限界是不变的,而普速则根据列车类型及运行速度的不同,建筑限界不同。
普通地铁建筑限界形式有矩形隧道建筑限界、马蹄形隧道建筑限界、圆形隧道建筑限界、高架线及地面线建筑限界、车辆段车场线建筑限界。
地铁的车辆限界与设备限界可由其车型得而统一,而其建筑限界还应根据隧道的具体形式根据公式计算得出。
普通铁路隧道、高铁、客运专线限界形式都较为单一。
高速铁路的曲线半径均较大,因此位于曲线上的隧道,原则上不考虑曲线加宽。
我国高速铁路隧道建筑限界基本尺寸及轮廓图
2.1.2线路数量和线间距
在通常情况下,高速铁路隧道考虑到空气动力学的特性,都采用单洞双线断面,较少采用双洞单线的断面。
长大隧道,考虑维修养护条件及防灾的需求等,有时也采用双洞单线方案。
单洞双线方案土建工程成本更高。
一般情况下线间距都应大于4m,我国高速铁路的线间距,目前暂定为5m。
2.1.3预留空间
安全空间:
至少高为2.2m,宽为0.80m;
避难和救援空间:
在线路两侧设置一个贯通的避难和救援通道直通到隧道外;
建筑维修空间;
架设接触网设备空间:
指在电气化铁道上需预留架设接触网等设备的空间。
2.1.4空气动力学所需空间
高速铁路隧道的设计特点主要体现在隧道横断面的设计上。
其横断面面积除了通常要考虑的隧道建筑限界和列车运营要求外,还必须考虑满足列车—隧道空气动力学的要求。
根据我国高速铁路隧道的规定,要满足最大瞬变压力控制标准
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