高速铁路隧道隧道结构设计与技术标准

隧道结构设计与技术标准高速铁路目录一.境内外高铁建设情况二.国内高铁隧道主要设计原则及措施三.隧道设计的技术进步四.隧道使用需要注意的问题五.认识与建议一.境内外高铁隧道概况（一）境外高铁隧道概况全长219Km，设计时速300Km/h，共修建有长约47Km的隧道30座，其中24座隧道采用矿山法修建。全线隧道内均铺设无碴轨道。双线隧道有效面积为92m2，开挖面积为150m2，隧道采用复合式衬砌。矿山法隧道断面如图。1、德国科隆－莱茵/美因高速铁路一.境内外高铁隧道概况（一）境外高铁隧道概况马德里－巴塞罗那高速铁路全长611公里，设计最高速度为350Km/h,共有隧道26座。该线长大隧道断面面积采用74m2，短隧道断面面积109m2。2、西班牙马德里－巴塞罗那高速铁路一.境内外高铁隧道概况（一）境外高铁隧道概况那不勒斯-米兰新高速铁路为旅游专线，其中佛罗伦萨-博洛尼亚段49％线路位于线路位于亚宁山区，为克服地形障碍，采用隧道方式穿越，该段线路全长78Km，隧道全长71.5km/9座。3、意大利佛罗伦萨-博洛尼亚高速铁路图10日本Narashinodai隧道开挖步骤钢支撑喷混凝土20cm喷混凝土15cm钢支撑125H型钢支撑125H喷混凝土12.5cm型钢支撑125H工作面稳定锚杆φ25,l=2m拱脚锚杆φ25,l=2m超前钢管φ34,l=2.75m一.境内外高铁隧道概况（一）境外高铁隧道概况隧道采用分块开挖的方法(CRD)，在隧道拱部采用超前小钢管，钢管直径34mm，长2.75m，间距25cm，共用47根，临时支护结构采用125H型钢支撑，喷混凝土厚125mm，锁脚锚杆直径25mm，长2.0m，图中①~⑥表示开挖顺序。4、日本东京高速铁路线Narashinodai隧道一.境内外高铁隧道概况（一）境外高铁隧道概况台湾南北高速铁路全线长394km，设计时速350km/h，运行时速300km/h，其中暗挖施工隧道42座，总长39km。隧道净空有效面积为90m2。双线隧道净空跨度为15.35m，净高10.5m，线间距4.5m，实际开挖面积147~155m2。5、台湾台北－高雄高速铁路6、各地高速铁路隧道内净空面积对比地名线别运营速度(km/h)内净空面积(m2)日本新干线240～30061～64法国大西洋线30071北方线、东南延伸线300100地中海线350100德国汉诺威～维尔茨堡曼海姆～斯图加特汉诺威～柏林25082科隆～法兰克福30092西班牙马德里～塞维利亚27075韩国汉城～釜山350107中国台湾台北～高雄35090一.境内外高铁隧道概况（一）境外高铁隧道概况乌龙泉咸宁岳阳长沙株洲衡阳衡山郴州韶关武广客运专线位于中南、华南地区，线路自武汉经咸宁、岳阳、长沙、株洲、衡山、衡阳、郴州、韶关至广州，通过湖北、湖南、广东三省，构成京广客运专线的南段。正线全长869km。（二）国内高铁隧道概况1、武广客运专线广州武汉一.境内外高铁隧道概况项目隧道数（座）隧道总长度(km)隧线比特长隧道数(座-m)3～10km隧道数(座-m)最长隧道速度目标值名称长度数据22217219.8％1-1008112-67163大瑶山一号10081350km/h隧道概况如下：乌龙泉咸宁岳阳长沙株洲衡阳衡山郴州韶关广州武汉（二）国内高铁隧道概况1、武广客运专线一.境内外高铁隧道概况郑州荥阳三门峡西安北灵宝华山渭南巩义洛阳南渑池函谷关隧道秦东隧道张茅隧道郑西客运专线东起中原中心郑州市，向西经洛阳市、三门峡市、渭南市，西止西北门户西安市，经豫、陕两省，横贯中州大地和关中平原东部，正线全长458km。（二）国内高铁隧道概况2、郑西客运专线一.境内外高铁隧道概况郑州荥阳三门峡西安北灵宝华山渭南巩义洛阳南渑池函谷关隧道秦东隧道张茅隧道项目隧道数（座）隧道总长度(km)隧线比特长隧道数(座-m)3～10km隧道数(座-m)最长隧道速度目标值名称长度数据387716.8％无11-57299张茅隧道8483350km/h隧道概况如下：（二）国内高铁隧道概况2、郑西客运专线一.境内外高铁隧道概况新广州新深圳西九龙站福田广深港客运专线广深段位于广东省中南部，该线北起广州铁路枢纽的新广州站，向南经番禺区的沙湾、黄阁等镇，经过东莞市沙田、虎门、长安等镇，进入深圳市的公明、光明、石岩、龙华等镇，并在龙华设深圳第二客站（新深圳站、本线设计终点），正线全长103km。（二）国内高铁隧道概况3、广深港客运专线一.境内外高铁隧道概况新广州新深圳西九龙站福田项目隧道数（座）隧道总长度(km)隧线比特长隧道数(座-m)3～10km隧道数(座-m)最长隧道速度目标值名称长度数据243231.1％1-108001-10800狮子洋隧道10800350km/h隧道概况如下：（二）国内高铁隧道概况3、广深港客运专线一.境内外高铁隧道概况二.主要设计原则及措施（一）建筑限界及内轮廓1、内轮廓需要考虑的因素隧道建筑限界；股道数及线间距；隧道设备空间；预留技术作业空间；机车车辆类型及其密封性；缓解空气动力学效应必须的断面积；轨道结构形式及其运营维护方式。二.主要设计原则及措施根据京沪高速铁路隧道前期研究和遂渝线关于隧道空气动力学研究成果，中国高速铁路隧道舒适度准则见下表：铁路类型隧道长度（占线路长度的比例）关系隧道密集程度(座/h)瞬变压力(kPa/3s)A（平原）单线＜10％而且＜42.0B（平原）双线＜10％而且＜43.0C（山丘）单线＞25％或者＞40.8D（山丘）双线＞25％或者＞41.25（一）建筑限界及内轮廓2、乘车舒适度和净空有效面积二.主要设计原则及措施有效净空面积：100m2线间距：5m双侧救援通道：1.5m技术作业空间：30cm线路中线距安全空间：3m3、国内客运专线隧道拟定的建筑限界及内轮廓（一）建筑限界及内轮廓二.主要设计原则及措施大断面隧道支护结构的安全性、适用性、耐久性与经济性；防排水技术措施的可靠性、施工可行性、运营可维护性；复杂地质条件下大断面隧道施工方法的安全性与经济性；新型、简洁的景观、环保洞门的开发；复杂地形条件下的洞口处理技术；隧道综合防救灾措施的系统性、高效性。4、客运专线隧道需要解决的技术问题（一）建筑限界及内轮廓二.主要设计原则及措施（二）结构设计二种类型结构的设计原则与支护参数有所不同。根据二次衬砌结构在运营期间是否承受水压力防水型衬砌型式排水型衬砌型式复合式衬砌结构不承受水压力承受水压力1、衬砌类型的选取二.主要设计原则及措施（二）结构设计1、衬砌类型的选取暗挖隧道采用复合式衬砌；明挖隧道采用整体式衬砌；Ⅲ～Ⅵ级围岩隧道衬砌应采用曲墙有仰拱的形式；Ⅱ级围岩隧道衬砌可采用曲墙式加底板的形式；边墙与仰拱应圆顺连接；二.主要设计原则及措施（二）结构设计2、排水型结构计算原则初期支护承担施工阶段大部分荷载或全部荷载；初期支护作用，是为确保施工安全，减少围岩松驰、及时控制地压发展和围岩自支护能力降低，与围岩一起共同承载；二次衬砌承担部分围岩形变压力以及由于初期支护可能劣化、软岩蠕变、环境条件变化等而作用于二次衬砌上的荷载，并作为安全储备。初期支护根据共同变形理论，按地层-结构模式进行计算；模筑衬砌按荷载-结构模式进行计算。细化隧道围岩级别、地形、地质条件；结合工程类比。二.主要设计原则及措施（二）结构设计3、排水型结构计算工况围岩级别工况计算模式地层—结构荷载—结构III级工况一对称20m对称8.6m工况二偏压中心20m偏压中心10m工况三300m深埋IV级工况一对称30m对称17.2m工况二偏压中心30m偏压中心20m工况三300m深埋V级工况一对称45m对称45m工况二对称10m偏压中心45m工况三——深埋二.主要设计原则及措施（二）结构设计4、排水型结构计算算例Ⅳ级围岩偏压工况Ⅳ级围岩偏压工况初期支护计算模型Ⅳ级围岩偏压工况二次衬砌弯矩图（KN·m）Ⅳ级围岩偏压工况二次衬砌轴力图（KN）二.主要设计原则及措施（二）结构设计4、排水型结构计算算例Ⅴ级围岩偏压工况Ⅴ级围岩偏压工况计算模型Ⅴ级围岩偏压工况二次衬砌弯矩图（KN·m）Ⅴ级围岩偏压工况二次衬砌轴力图（KN）二.主要设计原则及措施（二）结构设计4、排水型结构计算算例底板结构计算底板按弹性地基梁进行计算，弹性抗力系数取1200MPa/m；荷载及冲击系数按“ZK标准活载（二）”作为设计活载；动力系数按涵洞结构计算。二.主要设计原则及措施（二）结构设计4、排水型结构计算算例底板结构计算单列作用弯矩图（KN.m）双列作用弯矩图（KN.m）单列作用应力图（KPa）双列作用应力图（KPa）衬砌类型初期支护二次衬砌预留变形量(cm)喷砼钢筋网(φ8)锚杆钢架拱墙(cm)仰拱/底板(cm)部位/厚度(cm)网格间距(cm)设置部位长度（m）间距（m）（环×纵）规格间距（m）Ⅱ（无仰拱）拱墙/10//2.51.5×1//35/30*3～5Ⅱ（有仰拱）拱墙/10//2.51.5×1//3535/3～5Ⅲ拱墙/1525×25拱部3.01.2×1//4055/5～8Ⅲ偏拱墙/1820×20拱部3.01.2×1型钢1.0(拱墙)40*55*/5～8Ⅳ拱墙/25仰拱/1520×20拱墙3.51.0×1格栅1.0(拱墙)45*55*/8～10Ⅳ加全环/2520×20拱墙3.51.0×1格栅或型钢1.0(全环)45*55*/8～10Ⅳ偏全环/2520×20拱墙3.51.0×1型钢0.8(全环)50*60*/8～10Ⅴ全环/2820×20拱墙4.01.0×0.8格栅或型钢0.6～0.8(全环)50*60*/10～15Ⅴ加全环/2820×20拱墙4.00.80×1.0型钢0.6(全环)50*60*/10～15Ⅴ偏全环/2820×20拱墙4.00.80×1.0型钢0.5(全环)55*65*/10～15注：①表中带*号表示为钢筋砼；②所有拱墙喷射混凝土中掺加合成纤维；③加强衬砌用于浅埋隧道段；④喷射混凝土强度等级C25，钢筋混凝土强度等级C35，素混凝土强度等级C30。二.主要设计原则及措施（二）结构设计排水型结构支护参数表二.主要设计原则及措施（二）结构设计5、排水型结构断面示例二.主要设计原则及措施（二）结构设计6、素混凝土结构加筋设计国外高铁建设起步较早，在早期建设的高铁隧道中地层条件较好地段的二次衬砌，曾采用素混凝土结构，但随着运营时间的推移，内衬裂缝的扩展也在不断加大、加密，导致后期维护工程量的加大、甚至影响铁路运营安全。鉴于此，欧洲近期建设的高铁隧道内衬均采用加筋结构，韩国则在高铁隧道交付运营前对每座隧道的每一条裂缝进行检查及处理。（1）国外高铁隧道现状二.主要设计原则及措施（二）结构设计6、素混凝土结构加筋设计从结构计算角度看，Ⅱ、Ⅲ级围岩隧道二次衬砌采用素混凝土结构均能满足承载要求，但从使用耐久性性能分析则存在一定问题。鉴于混凝土材质的特性及施工工艺的原因，干缩或温差引起的微裂缝存在不可避免，微裂缝在高铁运营过程中受频繁的动荷载及围岩蠕变影响，使裂缝逐步开展、扩大、交错贯通，易引起混凝土掉块事故，给铁路运营的安全造成威胁。因此需要寻求适当的措施以抑制裂缝的产生与扩展，满足运营安全要求。（2）原因分析二.主要设计原则及措施（二）结构设计6、素混凝土结构加筋设计从经济技术比较，采用单层护面钢筋的结构型式实施质量易于控制，且施工方便，但造价较高，设计在距洞口150m范围内受温度变化影响较大的Ⅱ、Ⅲ级围岩段采用单层护面钢筋混凝土结构，其它地段Ⅱ、Ⅲ级围岩衬砌混凝土内掺加合成纤维，合成纤维类型选择建议根据现场试验确定。（3）加筋方案二.主要设计原则及措施（二）结构设计6、素混凝土结构加筋设计二.主要设计原则及措施（二）结构设计7、防水型衬砌结构设计时速350km/h双线铁路隧道防水型复合式衬砌内轮廓断面与排水型完全相同，但根据水压力大小调整了仰拱深度与厚度，由于防水型隧道二次衬砌承受的水压力为主要荷载，一般远大于围岩压力，为提高经济性，支护参数的设计原则是：初期支护按满足施工安全和控制地面沉降的要求确定，二次衬砌承担全部围岩压力