国内外高速铁路概况.

2020/1/3国内外高速铁路隧道概况北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心报告人：骆建军2020/1/31、概述高速铁路定义：高速行车是铁路现代化的重要标志，高速铁路是一个具有国际性和时代性的概念。1970年5月，日本在第71号法律《全国新干线铁路整备法》中规定：“列车在主要区间能以200km/h以上速度运行的干线铁道称为高速铁路”。这是世界上第一个以国家法律条文的形式给高速铁路下的定义。2020/1/31985年5月，联合国欧洲经济委员会将高速铁路的列车最高运行速度规定为：客运专线300km/h，客货混线250km/h。1986年1月，国际铁路联盟秘书长勃莱认为，高速列车最高运行速度至少应达到200km/h。因此，国际上目前对列车运行速度达到200km/h及以上的铁路称为高速铁路；运行速度达到140～160km/h时铁路称为快速铁路；运行速度为120km/h的铁路称为常速铁路。2020/1/31.1、高速铁路的发展高速铁路的优点：（1）具有运输能力大、环境污染少、行车速度高、安全性能好、占用土地少等特点。（2）高速铁路还具有旅行时间短，准点率高，能源消耗低，外部运输成本低等优点。2020/1/3高速铁路的发展状况（1）世界上第一条高速铁路—日本东海道新干线（1964年开通）。（2）继日本之后法国、德国、西班牙、意大利、英国、韩国、瑞典等国的高速铁路相继新建或改建完成。（3）据不完全统计，到2005年底，全世界已开通运营的高速铁路里程已达到6393km。其中日本2176km,韩国292km，法国1559km，德国917km，西班牙952km，意大利254km，比利时88km，英国70km，英法海峡隧道52km,丹麦瑞典33km。2020/1/3（4）我国一直密切跟踪世界高速铁路技术的发展，上世纪80年代结合京沪高速铁路开始了大量的研究工作。2004年初，国务院批复了《中长期铁路网规划》。按此规划，到2020年全国铁路营业里程将达到10万公里。其中要建设“四纵四横”铁路快速客运通道以及3个城际快速客运系统，计修建设客运专线1.2万km以上，客车运行速度目标值达到200km/h及以上。2020/1/3中国铁路快速客运通道及城际快速客运系统规划表项目线别线路长度（km）“四纵”客运专线北京—上海约1300北京—武汉—广州—深圳约2230北京—沈阳—哈尔滨（大连）约1860杭州—宁波—福州—深圳约1600“四横”客运专线徐州—郑州—兰州约1400杭州—南昌—长沙约880青岛—石家庄—太原约770南京—武汉—重庆—成都约19003个城际客运系统环渤海地区城际客运系统约2000环长江三角洲地区城际客运系统环珠江三角洲地区城际客运系统合计约138602020/1/31.2、高速铁路隧道现状和特点1、各国高速铁路隧道现状各国高速铁路的发展，截至到2005年底，全世界已经建成的高速铁路隧道总长度已经超过1400km。其中日本783.6km，法国59.7km，德国201km，西班牙15.8km，意大利71km，英国26km，中国台湾44km。2020/1/32、高速铁路隧道特点高速铁路隧道与一般铁路隧道相比有较多的不同，高速铁路隧道的特点主要是与空气动力学相关方面的，它涉及到隧道的洞口形状、隧道及列车的横断面积、列车头部形状、车辆密封性、隧道结构的耐久性、洞内设施及轨道道床类型等一系列的问题。2020/1/32、各国高速铁路隧道技术要点2.1、日本新干线高速铁路隧道日本建设高速铁路隧道历史最长，数量最多；日本新干线高速铁路隧道多采用单洞双线断面，断面有效净空面积只有62～64m2，是目前世界各国双线高速铁路隧道中最小的；为解决乘车舒适度和降低洞口微气压波，日本新干线高速铁路隧道采用了提高列车密封性能和在洞口设置缓冲结构的措施；早期的新干线隧道内一般采用碎石道床，后来修建的隧道内一般采用无碴轨道结构，并且以板式无碴轨道居多；隧道主要采用复合式衬砌，初期支护为主要受力结构，多采用型钢支护，二次衬砌主要作用是安全储备，厚度一般采用30cm。2020/1/31、东海道新干线隧道东海道新干线是日本第一条高速铁路，全长515.4km，1959年4月20日正式开工，于1964年10月1日正式开通运营，设计列车运营速度为270km/h，有隧道67座，总长度约68.5km。2020/1/3（1）地质情况天童川以东为洪积层，第三纪地层和新期火山岩类，以软石为主；断层发育显著，伴有大量涌水，特别是以新丹那隧道为中心的火山岩地区，除断层和地下水之外，还存在着由于热水溶液而产生的变质岩等不良地质。天童川以西主要是古生层水成岩，但伴随有大量的断层破碎带。2020/1/3（2）净空断面东海道新干线的隧道全部采用复线型。轨道间距为1435mm。下图1是直线隧道的标准断面。图2是曲线标准断面。起拱线的内宽都一样为9.6m。起拱线到路面的高度，直线断面是3.05m，曲线断面是3.35m。隧道净空断面积为64m2。2020/1/3直线隧道标准断面曲线隧道标准断面2020/1/32020/1/3（3）设计情况1）支护新干线修建初期采用支护的原则是：1.除特殊地质条件外，支护一律采用钢支撑；2.钢支撑采用旧钢轨制作；3.标准钢支撑由4构件构成。2020/1/3形式构件（旧钢轨）间距（m）衬砌厚度（m）拱部边墙甲1@50kg2@30kg1.50.5乙2@302@50丙2@372@501.2～0.90.5～0.7丁2@30kg垫板2I－250·125·100.60.72020/1/32）衬砌结构1、衬砌厚度在地质较好时采用50cm，不良时为70cm，特别恶劣时采用90cm，在膨胀性地层双层拱圈，外圈厚70cm；内圈厚40cm。2、隧道的开挖采用先拱后墙法施工。为了边墙混凝土灌注的安全，在起拱线以上1.1m的地方，采用扩大拱脚的办法。2020/1/3拱圈厚度（cm）分布长度（km）占隧道总长的比例（%）5029.1427033.248904.771100.83其他0.7合计68.51002020/1/33）衬砌背后压浆1、地质不良地段的衬砌背后要进行压浆。回填压浆时采用砂浆，砂浆为加气砂浆，最初配合比为1:3，掺入10～15%的加气剂。在工程后半期将水泥减少而采用1:4，掺入20～25%的加气剂。最后又再次将砂减少而尽量增大加气剂，采用1:1,掺入60%的加气剂。2、围岩压浆时采用水泥浆。2020/1/3（4）施工概要东海道新干线多在复杂、变化频繁的地质中开挖隧道，因此，几乎都采用了导坑超前的开挖方式，在地质条件良好而且均质的场合，以及比较短的隧道也采用其它开挖方式的。2020/1/31）开挖方式东海道新干线的隧道工程主要采用以下五种开挖方式。①开挖方式A：是下导坑开挖方式。在地质有急剧变化、经常涌水的地质中采用，也是新干线的标准方式。地质较好时改为上半断面和下导坑同时开挖的方式。地质较差的场合可改为只开挖上部半断面，留下核心土的的开挖方式。开挖顺序及开挖方式见下图。2020/1/3开挖方式A工序上半断面与下导坑同时开挖2020/1/3上断面留核心土开挖下导坑和上半断面同时开挖2020/1/3②开挖方式B：开挖方式B是开挖方式A的下导坑和上半断面同时开挖的方式。在节理少、均质的泥岩中，几乎无涌水的牧原隧道中采用过。上页右图表示其开挖顺序。③开挖方式C：是侧壁导坑超前的开挖方式。在膨胀性地质、围岩承载力不足的场合采用，有泉越等8个工区采用此开挖方式。下图为其开挖顺序及开挖状况。2020/1/3开挖方式C的开挖顺序开挖方式C的状况2020/1/3④开挖方式D：开挖方式D是上半断面超前工法。地质良好、隧道比较短的场合采用。下图为其开挖顺序。⑤开挖方式E是明挖方法，在短隧道中采用。2020/1/32）施工工序①开挖：各隧道都采用凿岩机、装碴机、斗车等。出碴方式有无轨的，也有有轨的和两种都采用的3种。采用有轨运输的场合，初期多用电瓶车，后期则改为内燃机车。②支护：因为围岩承载力不足，钢支撑发生下沉的事例不少，因此钢支撑变形大的场合多在支撑拱脚打混凝土加固，扩大拱脚的底面积是很有效的。如果还不充分，开挖过后要立即浇注拱部衬砌混凝土。③混凝土：拱部衬砌混凝土全部采用泵送混凝土。边墙混凝土多采用运输机输送。④回填压浆：压浆机械采用压浆泵。衬砌背后回填压浆，压浆压力要小，最高压力在5kg/cm2左右。围岩固结压浆，最高压力设定为10～20kg/cm2。压浆孔只在拱部交错配置，每米0.5～3.0个。2020/1/3新干线隧道主要技术标准日本是第一个修建高速铁路的国家，隧道在高速铁路工程中占的比重较大。考虑经济性，同时由于对隧道空气动力学缺乏相关的实践经验，日本新干线隧道的断面积较小。空气动力学效应很明显。采取了加强列车密封性等措施，仍无法根本缓解较为明显的车内压力波动，列车通过隧道时乘客仍有耳鸣等不适现象。因此，在适应小断面隧道的条件下，高速列车头设计变更为流线型，车体也加强了密封性。其次在隧道口增设缓冲结构。2020/1/31、新干线隧道断面基本参数日本新干线隧道断面的基本参数如下表所示。各条新干线隧道的标准断面图如下图所示。2020/1/3项目东海道新干线山阳新干线东北新干线上越新干线北陆新干线冈山以东冈山以西运行速度（km/h）270300300275245275隧道高度H（m）7.157.47.47.47.47.25隧道宽度L（m）9.69.69.69.69.69.5高跨比H/L0.750.770.770.770.770.76隧道断面积（m2）646464646464线间距（m）4.24.34.34.34.34.32020/1/32020/1/32020/1/3采用以单洞双线为主的隧道断面结构在通常情况下，采用单洞双线断面，能较好解决空气动力学效应。较少采用双洞单线的断面。但如果隧道长度很长，考虑防灾疏散的需求等，也往往采用双洞单线方案。日本新干线上的隧道，几乎全部采用单洞双线隧道断面结构。即使长度大于20km的隧道，如八甲田隧道、饭山隧道等，也没有采用两单线隧道方案。另外，2个单线隧道横断面积总和要比1个双线隧道横断面积大，也就是说采用单洞双线隧道比采用双洞单线隧道方案更加经济。这也正是日本新干线隧道采用单洞双线隧道断面结构的主要原因。2020/1/3支护结构由整体式衬砌逐渐发展变为复合式衬砌1、初期，由于锚杆和喷射混凝土的技术还没有得到推广应用，多采用整体式衬砌，施工过程中的支护形式主要采用插板法，如东海道新干线、山阳新干线、上越新干线等，拱圈混凝土衬砌厚度一般采用50cm～70cm。2、随着隧道修建技术的进步，对新奥法理论研究逐步深入，从北陆新干线开始，新奥法原理得到广泛应用，支护结构采用复合式衬砌。在支护结构设计时，充分发挥隧道周围围岩的支护功能。2020/1/33、新干线隧道的钢支撑的材料多采用H型钢或U型钢，主要原因是，能用喷射混凝土很好填充其与围岩间的空隙，在有很大荷载作用时，不易产生屈服及扭曲。对于U型钢来说，喷射混凝土的填充性好，在遇到膨胀岩地层，可设计成可伸缩接头形式。在小断面隧道多采用L型钢、钢管等。组合钢筋加工成的格栅，虽与喷射混凝土的粘着好，但刚性小易弯曲。2020/1/34、新干线衬砌混凝土的厚度，除去围岩不稳定的情况和隧道洞口附近等情况外，一般设计厚度采用30cm左右。对于围岩差的情况、埋深小的情况、偏压的情况及期待衬砌有较大承载能力的情况时，增加衬砌厚度不仅使隧道开挖断面增大，反而引起土压的增加，此外，增加抗拉强度小的素混凝土，从防止弯曲破坏看也是有限度的。所示增加衬砌厚度，不如改变力学上的有利的衬砌形状或采用钢筋混凝土、钢纤维混凝土等提高弯曲强度的材料。2020/1/3支护构件围岩类别锚杆喷混凝土厚度钢支撑布置长度（m）×根数纵距（m）拱、墙仰拱类型VN——————5（平均）————IVN拱2×0～8（任意）5（平均）————ⅢN拱2×121.510（平均）————ⅡN拱、墙3×161.2硬岩10