铁路客运专线隧道主要技术标准与施工关键技术

铁路客运专线隧道技术综述主要内容一、铁路客运专线隧道技术标准二、客运专线隧道的特点三、客运专线隧道施工关键点四、隧道开挖施工方法一、铁路客运专线隧道技术标准1、概述：新建铁路客运专线隧道设计主要由限界、构造尺寸、使用空间和缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应两方面的要求确定。研究表明，当列车以200公里以上时速通过铁路隧道时，空气动力学效应对行车、旅客乘车舒适度、洞口环境的不利影响已十分明显且起控制作用，因此，隧道的设计除须遵照现行《铁路隧道设计规范》（TB10003）规定及提高防灾救援要求外，还应考虑下列因素：①隧道内形成的瞬变压力对乘员舒适度及相关车辆结构的影响；②空气阻力的增大对行车的影响；③隧道口所形成的微压波对环境的影响；④列车风对隧道内作业人员待避条件的影响。（一）空气动力学效应：高速列车隧道空气动力学效应高速列车进入隧道后将隧道内原有的部分空气排开，由于空气粘性和隧道内壁、列车外表面摩阻力的存在，被排开的空气不能象明线空气那样及时、顺畅地沿列车周侧形成绕流，列车前方的空气受到压缩，而列车尾部进入隧道后会形成一定的负压，因此产生了压力波动过程。这种压力波动以声速传播至隧道口，大部分发生反射，产生瞬变压力；而另一部分则形成向隧道外的脉冲状压力波辐射，即微气压波。这些都会对高速列车运营、人员舒适度和环境造成一系列影响：（1）高速列车经过隧道时，瞬变压力造成旅客和乘务人员耳膜明显不适、舒适度降低；（2）高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微气压波，发出轰鸣声，使隧道口附近建筑物门窗发生振动，产生扰民的环境问题；（3）行车阻力增大，从而使运营能耗增大；（4）形成空气动力学噪声；（5）列车克服阻力所作的功转化为热量，在隧道中积聚引起温度升高等。2空气动力学指标2.1舒适度标准高速列车在隧道中运行时的舒适度与高速列车通过隧道时产生的压力变化有关,其压力变化值与列车速度的平方成正比，列车速度越高、压力变化值就越大。当压力变化值达到一定的强度，列车外部的压力波传播到列车内部，瞬变压力传到人体时,会对耳膜产生影响，使乘客有不舒适的感觉。因此需要根据压力的变化值和人体对压力变化值的适应性制定出衡量舒适程度的标准，即舒适度。评估压力波动程度一般需考虑最大压力变化值和最大压力变化率两个参数。经研究发现，这两种指标单独使用都不能合理地反应乘客舒适度。因此目前较通用的评估参数是相应于某一指定短时间内的压力变化值，例如3s内最大压力变化值或4s内最大压力变化值。所谓3s或4s大致相当于完成耳腔压力调节所需的时间。下面简要介绍几个建有高速铁路国家的舒适度标准。2.1.1日本高速铁路舒适度标准日本是目前世界上高速铁路最发达的国家，由于其国土狭小多山，因此高速干线上隧道也较多，但隧道断面较小，阻塞比较高。日本铁路当局对其在新干线上运行的高速列车通过隧道时的舒适度标准定为最大压力变化绝对值＝1000Pa（适用于密闭车辆），最大压力变化频率＝200Pa/s近年来日本铁路当局出于经济角度考虑，将这一标准放宽到最大压力变化频率＝300Pa/s2.1.2英国铁路舒适度标准英国西海岸电气化高速铁路沿线地区隧道少，且长度多为中、短隧道，但隧道的断面积较小，高速列车通过时引起的压力瞬变相当强烈。1973年英国当局将舒适度标准定为最大压力变化值＝3000Pa/3s1986年英国铁路当局为城市间的运输又将舒适度标准修改为最大压力变化值＝4000Pa/4s英法海峡隧道在两条主隧道和一条辅助隧道间有很多横向通道，当列车以120km/h速度行驶时，每隔7s就能通过一个横通道，因此压力波容易得到释放，车辆前后的压力差较易趋于平衡，其舒适度指标比较严格：最大压力变化绝对值＝450Pa对于海峡联络线，考虑到隧道占铁路总长的30%，其舒适度指标定为单线隧道：最大压力变化值＝2500Pa/4s双线隧道：最大压力变化值＝3000Pa/4s2.1.3德国高速铁路舒适度标准德国在20世纪80年代初开始修建高速铁路网，路网上有大量隧道。为解决舒适度问题，德国铁路当局采取了加大隧道断面积，减小阻塞比的措施，效果比较明显，其舒适度标准与日本相同：最大压力变化绝对值＝1000Pa，最大压力变化频率＝200Pa/s同样也允许将这一标准放宽到：300～400Pa/s2.1.4美国地铁隧道美国运输部门制定的地铁舒适度标准为最大压力变化值＝700Pa/1.7s，最大压力变化频率＝410Pa/s2.1.5国际铁路联盟关于舒适度的研究为了研究高速列车在隧道中行驶时出现的生理学问题，国际铁路联盟的C149专家委员会专门成立了一个包括医生在内的工作小组，对英国铁路部门在1973年制定的有关高速列车旅客承受空气压力瞬变的舒适度标准进行检查，即在相对不太频繁的压力变化下，在3s内压力变化最大值不超过3000Pa。检查结果表明，英国铁路规定的3000Pa是旅客接受的舒适度限度值。2.1.6我国高速铁路南京长江隧道的控制标准从旅客乘车舒适度要求出发，我国正在研究中的京沪高速铁路南京长江隧道的控制标准为最大压力变化频率＝3000Pa/3s2.2隧道口环境要求隧道出口处的微气压波峰值控制标准参照日本资料并结合我国京沪高速铁路南京长江隧道出口处的控制标准(表1)。阻塞比等于列车的横断面积与隧道净空面积比。隧道的净空面积：在扣除轨道结构横断面积，沿隧道纵向布置的各类设备横断面积之后的隧道面积。从表2可以看出各国对高速隧道阻塞比的要求差别很大。在相同车速下，以日本新干线为代表的高速隧道净空面积相对较小，除历史原因外，日本认为依靠修建缓冲棚和密封车辆可以缓解瞬变压力和微气压波的影响；而以德国为代表的欧洲国家主要是通过扩大隧道净空面积来减缓空气动力学效应的影响，这增加了土建工程费用，但可在较大程度上改善列车的运营条件和舒适度指标。3降低空气动力学效应的措施3.1车辆方面的措施3.1.1车辆的密封性舒适度是车内旅客乘车的舒适度，因此我们更为关心的是车内压力变化情况。在其他条件相同的情况下，车辆密闭性能越好，车辆内的最大瞬变压力就越小。3.1.2车辆的外形车辆外形的改善可从车辆的横断面积和车头形状考虑：在隧道横断面净面积不变的前提下，减小车辆的横断面积可降低阻塞比，有效降低隧道内的瞬变压力，进而可缓解车内的瞬变压力。3.2隧道构造措施3.2.1设置缓冲段在隧道的口部设置缓冲段可减小列车进入隧道时产生压缩波的波前压力梯度，因为压缩波的波前压力梯度与列车速度的三次方成正比，所以减小压力梯度的效果可转换成降低列车速度的效果，进而可以明显地降低微气压波以及由此而产生的噪声和对环境的影响。缓冲段的横断面形状可为拱形或为门形，要求在其两侧可按一定的比例开孔；沿其纵向可做成逐渐扩大的型式或喇叭形。3.2.2设置横洞对于双洞单线隧道在每隔一定的距离采用横洞连通，以起到减压风道的作用。在英法海峡隧道中就采用了横向通道来释放压力波（其减压风道间距为250m，风道直径为2m），这种风道可减少对列车的空气动力阻力。3.2.3增加隧道断面面积增加隧道断面面积对于降低空气动力学效应是不言而喻的，其可以将隧道断面放大；也可以采用单洞双线的隧道。但是前者会增加造价，后者当列车在隧道中会车时，会加剧空气动力效应。3.2.4设置竖井在隧道内适当位置修建通风竖井（或斜井），以降低压缩波梯度。这种竖井应尽可能利用施工留下的工作井。该竖井的位置应兼顾到高速列车行车时降低瞬变压力的要求。3.2.5噪声隧道周壁采用吸音材料贴面，以降低空气动力学噪声。3.2.6隐蔽及设置隧道内设施应尽量隐蔽设置，对在隧道内必须设置的设施采取适当的防护措施，以防列车运行时产生的列车风对设施的破坏。3.2.7隔热设置列车克服阻力所做的功转化为热量，在隧道中积聚引起温度升高。为此可设置通风井，配置风机排出在隧道中因列车克服阻力而产生的热量或其他原因产生的热量，英法海峡隧道亦采用机械通风方法排出隧道内的热量。3.2.8防水设置其他措施还有如在隧道内设置水幕、喷水滴等。空气的动力学效应：由许多因素决定，在隧道方面主要有：1、隧道内轨顶面以上净空面积、隧道壁面的粗糙度、洞口及缓冲结构形式、辅助坑道的设置、道床类型等。瞬变压力：影响其大小的因素是：行车速度、隧道横断面的大小和阻塞比以及列车的密封系数洞口的微气压波：主要取决于行车速度和隧道净空面积（当行车速度达到300km/h以上，加大断面对防止微气压波不能起到显著作用。）解决行车阻力：加大隧道断面积减缓或消减列车进入隧道诱发空气动力学效应主要技术措施:缓解或消减列车进入隧道诱发的空气动力学效应的主要设计措施是：在列车相关参数一定的条件下，适当加大隧道内轨顶面以上净空面积（减小阻塞比），优化断面形状和尺寸，在洞口修建缓冲结构，利用辅助坑道等。加大隧道横断面面积对空气动力学效应有整体减缓作用对道断面内轮廓主要根据下列条件确定:①隧道净空横断面面积应满足空气动力学效应影响标准；②满足铁路建筑接近限界要求，双线隧道还应满足线间距要求；③养护、维修和救援空间要求。空气动力学效应影响标准为：空气压力最大变化值ΔP＜3KPa/3s（舒适度标准），列车在隧道内运行时的空气阻力增量一般不超过明线上空气阻力的30%。在设计中除应满足以上条件外，还应从围岩稳定、结构受力及空间利用等角度对断面形状和尺寸进行优化。隧道断面净空面积既充分满足空气动力学效应标准的要求，又要满足救援通道空间的需要。200公里暂规单线隧道内轨顶面以上净空面积应不小于50m2；双线隧道内轨顶面以上净空面积应不小于80m2。京沪高速铁路暂轨单洞双线隧道断面有效面积为100m2。单线隧道断面有效面积为70m2。限速地段当检算行车速度200km/h时，可采用较小的隧道断面有效面积，但双线隧道断面有效面积不应小于80m2。单线隧道断面有效面积不应小于50m2。单洞双线隧道断面内轮廓单线隧道断面内轮廓二、安全空间《高速暂规》规定：隧道内安全空间应在距线路中线3.0m以外，单线隧道设在电缆槽一侧，多线隧道必须设在两侧。安全空间尺寸：高度不应小于2.2m，宽度不应小于0.8m。安全区的地面应不低于轨面规定高度，必须平整，允许有3‰的横向排水坡。安全空间的地面与接触网设备的带电部件之间的距离不小于3.95m。三、隧道衬砌隧道衬砌采用复合式衬砌或整体衬砌，不得采用喷锚衬砌；隧道均应采用曲墙式衬砌，其中边墙与仰拱内轮廓的连接宜采用顺接断面；仰拱矢跨比应结合隧道衬砌受力和沟槽设置情况确定，取1/12～1/15为宜。III～VI级围岩应采用曲墙带仰拱的衬砌，I、II级围岩地段可采用曲墙不带仰拱的衬砌。各级围岩隧道结构及仰拱填充混凝土强度等级不应低于C25，钢筋混凝土强度等级不应低于C30；I、II级围岩底板厚度不应小于30cm，混凝土强度等级不应低于C25。四、救援通道《200公里暂规》规定：长度在500m以上的隧道应设贯通整个隧道的救援通道，双线隧道在两侧设置，单线隧道在单侧设置；救援通道宽1.25m，高2.2m，外侧距线路中线不得小于2.2m。《高速暂规》规定：隧道内应设置贯通的救援道路，用于自救或外部救援。救援通道应设在安全空间一侧，距线路中线不应小于2.3m。救援通道走行面应不低于轨面高程。救援通道宽度不应小于1.5m，在装设专业设施处，宽度可减少0.25m；净高不应小于2.2m。五、缓冲结构物《200公里暂规》规定：进口缓冲结构的设置应根据出口微压波峰值的大小来确定。当出口外50m范围内无建筑物、出口外20m处的微压波峰值大于50Pa时，应设置缓冲结构；当出口外50m范围内有建筑物且建筑物处的微压波峰值大于20Pa，应设置缓冲结构；当建筑物对微压波峰值有特殊要求时，缓冲结构应进行特殊设计。五、缓冲结构物《高速暂规》规定：一般情况下，隧道洞口可不设置缓冲结构。隧道洞口有建筑物或特殊环境要求时，可考虑设置缓冲结构。缓冲结构设计应符合下列规定：①隧道洞口设置缓冲结构应考虑的因素为：列车类型及长度、隧道长度及横断面净空