高速铁路隧道技术发展现状存在问题及其展望

读书报告高速铁路隧道技术发展现状存在问题及其展望目录一、我国遂道及地下工程的发展现状 (1)1.1 交通隧道 (1)1.2 水利水电隧洞 (2)1.3 地下工程 (2)二、我国隧道及地下工程的主要开挖方法及新技术 (2)三、当前国内铁路隧道施工主要存在技术问题 (3)3.1 爆破精细控制技术 (3)3.2 改进开挖技术 (3)3.3 机制砂喷混凝土湿喷工艺 (4)3.4 仰拱与掌子面进度的协调性 (4)3.5 隧道沟槽施工工艺 (4)3.6 通风及空气净化技术 (5)四、贵广铁路建设实例 (6)五、我国隧道及地下工程的发展前景 (7)5.1 隧道发展前景 (7)六、高速铁路隧道的研究几个热点问题 (8)6.1 高速铁路隧道的空气动力学效应 (8)6.2 高速铁路隧道的瞬变压力 (9)6.3 高速铁路隧道的微压波 (9)高速铁路隧道技术发展现状，存在问题及其展望自1978年我国改革开放以来，我国在交通、水利水电、市政等基础设施领域取得了令人瞩目的成就，特别是近十年来，更取得了突飞猛进的发展，同时在设计和施工技术水平上也有了很大提高。

但是由于我国东西高差大、地势复杂，隧道工程是铁路工程中不可缺少的重要项目，例如最近刚开通的兰新高铁，隧道比例达到60%以上。

我国大力发展高速铁路，列车运行速度的提高势必造成列车振动荷载进一步加大，从而对隧道结构的动力稳定性提了更高的要求。

伴随着铁路的出现和发展，铁路隧道也逐渐发展起来，但受制于技术条件的限制，在很长的时间内，铁路隧道的规模都很有限，直到20 世纪，随着人类科技水平和技术装备的进步，才开始出现了一些大型隧道，世界铁路隧道的世界记录也不断被更新。

我国高速铁路已进入实质性的建设阶段，全国各铁路干线列车提速正在进行之中。

一、我国遂道及地下工程的发展现状1.1 交通隧道交通隧道主要包括铁路隧道、公路隧道及城市地铁工程，铁路隧道目前在数量、长度、设计及施工技术上在我国处于领先地位，截至1997年，在我国的铁路线上已建成并正式交付运营的隧道大约5200座，总长度2457.89km，平均占铁路网总长度的4.7‰。

目前我国已建成铁路中隧道占线路长度在30%以上的就有襄渝线34.3%，成昆线31.6%，在建铁路中隧道占线路长度比例最大的达到50.42%(西康线)。

目前已建成的最长隧道是西康线的秦岭单线隧道，长18.4km，其它较长的还有衡广铁路复线上的大瑶山双线隧道，长14.295km，于1987年建成。

南昆线上的米花岭隧道，长9.383km。

地铁工程目前仅有京、津、沪、穗四市约80km正在运营，而在建工程则很多，目前除上述四城市仍在继续扩建地铁外，南京、重庆、青岛、沈阳、深圳、成都等约20个大中城市进行了地铁和轻轨交通系统规划，部分项目正在全面施工。

我国公路隧道在80年代前，因公路等级较低，同时限于设计、施工及短期投资大等多种原因，很少设计长大隧道，且数量(总长度)上也不多，但改革开放以后，为了实现截弯、降坡、提速、提高运营安全及实现长期运营收益提高等，相继修建了一批长大公路隧道，如辽宁的八盘岭双线公路隧道(长1600m)，吉林的小盘岭公路、，速公路建设的大规模展开和设计、施工总体水平的提高，公路隧道工程在总量、单体长度上有了突飞猛进的发展，隧道单体长度记录不断被刷新。

目前已提高到4km长度以上的水平，如川藏公路上的二郎山隧道全长4160m，目前我国海拔最高，2000年4月18日峻工通车的重庆铁山坪路隧道双线全长5424m，是目前我国最长的大跨度公路隧道，北京至八达岭高速公路上的潭峪沟公路隧道主隧道全长3455m，单向三车道，是目前国内最宽的公路隧道。

1.2 水利水电隧洞主要包括水工隧洞和地下厂房两大部分，水工隧洞主要包括引水隧道，导流隧洞，泄洪隧洞等，地下厂房指不过水的地下洞室，包括电站主副厂房洞室、开关站、闸门竖井等，我国自70年代中期以后，先后建成了一大批著名的水电工程，如二滩水电站、黄河小浪底、葛洲坝等，还有目前正在建设的世界最大的水电工程长江三峡工程，这标志着在水利水电系统地下工程和隧道建设已达到或接近世界先进水平。

目前水电地下工程建设中的一个明显特点是工程规模不断大型化，具体体现为:引水隧洞埋深增大，导流、泄洪洞断面增大、跨度增大、边墙增高的地下洞室群体规模增大，隧洞承压水头增大，如正建的锦屏二级引水隧洞埋深达2600m(与目前世界上已建最大埋深的法国谢栏引水隧洞埋深2620m相近)，已建成的二滩电站导流洞，断面达403m2，已建成的天湖抽水蓄能电站的水头则高达1074m，在长度方面，1991年建成的太平驿引水隧洞就达10km。

1.3 地下工程地下工程包括市政管线工程，地下仓储工程，我国隧道及地下工程发展现状和前景展望随着现代化城市高密度化、生活水准的高标准化、各种供给设施(如电信、电气、煤气、上下水等)的需求量将会急剧增加，需要改造和增设的供管线愈来愈多，解决这一问题的最好对策乃是进行统一规划与管理的城市地下共同沟(城市地下公用事业综合隧道)，1994年上海浦东建成了我国第一条规模较大的张扬路共同沟。

城市地下空间开发利用，目前较广泛的有高层建筑物地下室，平战结合的人防工程，如上海人民广场地下商场，哈尔滨、长春地下商业街等。

利用地下工程恒温恒湿，受地面干扰小，防灾抗灾能力强等的特点，我国修建了许多地下储库，如地下粮库、油库、金库等。

随着我国经济和科技的发展，地下工程的应用领域和应用深度将不断拓展。

二、我国隧道及地下工程的主要开挖方法及新技术世界发达国家已有的隧道和地下工程施工技术，大部分已在我国开发利用，并在工程实践中结合中国的国情得到不断的改进和发展。

由于隧道及地下工程类型、规模、地层、施工装备、技术水平等的不同，相应产生不同的开挖方法，按大类主要可分以下几种:以1981年11月开工，1987年12月竣工的大瑶山双线铁路隧道的施工为代表和开始，成功地推广了锚喷支护新奥法大断面开挖施工技术，90年代采用新奥法又一次成功修建了号称“天下第一险洞”(高地应力、高地热、多瓦斯、多断层、多地层塌方)的南昆铁路家竹箐隧道，这标志着我国钻爆法隧道施工技术达到和接近了世界先进水平。

其中形成的施工前、中、后的超前地质预报模式、围岩变形量测、预报、指导施工模式及围岩加固模式，为我国全面推广新奥法隧道设计与施工技术奠定了坚实基础，我国目前已建成的最长的单线铁路隧道西康铁路秦岭隧道施工中采用了(1997年12月18日)全断面隧道掘进机(TBM)，使我国的交通隧道修建技术又上升到一个新台阶，而在上海、广州、北京地铁隧道施工中，盾构机得到了大面积使用，取得和积累了很多成功经验，用此法目前已建成了约100km长的各种用途的隧道。

三、当前国内铁路隧道施工主要存在技术问题3.1 爆破精细控制技术隧道开挖技术是隧道施工的核心技术之一，也是隧道工程界最为活跃的研究热点，机械开挖技术和控制爆破技术是主要研究方向。

为了充分发挥机械设备技术进步的优势、提高开挖作业的效率和安全性、降低人力劳动作业量，隧道开挖呈现出由分步（台阶法）开挖向全断面开挖发展的趋势。

其中，尤以精细爆破技术和软弱围岩预加固全断面开挖技术为代表，就石质围岩隧道的开挖而言，当前有两个问题较为突出，一是控制爆破能力不足、破碎围岩条件下的光面爆破效果差；二是普遍采用的台阶法开挖工艺不能满足隧道施工工序安全步距的相关规定。

光面爆破效果差，不仅影响隧道开挖安全，还造成普遍存在的超挖现象。

现场的初步统计表明，因超挖造成的支护混凝土和二次衬砌混凝土超设计使用量平均达30%以上，还引起出碴量的无谓增加，给项目成本控制带来很大的压力，同时还造成支护背后空洞等质量安全事故。

针对上述问题展开精细爆破技术应用的研究，对隧道施工安全、质量和成本控制意义重大。

3.2 改进开挖技术隧道开挖时，围岩级别优于III 级时采用全断面法既可保证进度也利于降低成本，已成共识。

问题存在于Ⅳ、Ⅴ级围岩的开挖，当前普遍采用的台阶法开挖工艺有利于人员循环作业，进度和成本控制有保障，但台阶的存在造成仰拱跟进掌子面的距离超过相关规定，形成安全隐患。

调查统计表明，隧道开挖台阶长度过长是近年来国内隧道施工发生众多安全事故的主要原因之一。

为了确保铁路隧道施工安全，铁道部对仰拱与掌子面的距离要求越来越严格，《TB10304-2009 铁路隧道工程施工安全技术规程》规定：Ⅲ级围岩中仰拱与掌子面的距离不得超过90m，Ⅳ级围岩不得超过50 m，Ⅴ级及以上围岩不得超过40 m。

铁道部《铁建设[2010]120 号关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》对隧道开挖掌子面与仰拱之间的距离做出了进一步的强制性规定：隧道开挖后初期支护应及时施作并封闭成环，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩仰拱封闭位置距离掌子面不得大于35 m。

当前铁路隧道施工中，无论围岩的稳定性如何，采用长台阶法施工都难以满足上述强制性工序间安全距离的要求；采用短台阶法（长度小于一倍洞径）施工时，由于上、下台阶不能平行作业，工作效率大大降低，进度严重受阻。

各级安全检查结果表明，如果不改进开挖技术工艺，贯彻落实铁道部的上述要求将非常困难。

3.3 机制砂喷混凝土湿喷工艺在新奥法施工理论体系下，支护技术、围岩加固和预加固技术成为特殊地质条件下隧道施工成败的关键。

锚喷与拱架结合的支护技术已较为成熟，注浆加固是围岩加固的主要方式，长钢管压浆（大管棚和超前小导管）则是超前支护的主要方式。

当前，业界对超前支护作用机理的新定义是：开挖掌子面前方纵向具有梁作用，横向具有拱作用。

在此理论的指引下，用于稳定掌子面的柔性预衬砌和用于控制地面下沉的刚性预衬砌技术，以及水平喷射注浆技术等成为预支护技术研究的新方向。

喷射混凝土是隧道支护施工中的主要工序，根据《铁建设〔2010〕241 号高速铁路隧道工程施工技术指南》规定，喷射混凝土应采用湿喷工艺，这一规定主要是从保障喷混凝土施工质量和人员劳动健康的角度出发的。

在现有技术条件下，利用机制砂，采用湿喷工艺进行喷射混凝土施工需要解决好两个问题：一是湿喷工艺施工成本比干喷工艺高，这给规范规定的优先采用湿喷工艺标准的贯彻执行和项目成本核算带来巨大的压力；二是机制砂相对于天然砂在技术指标上存在的差异。

具体来讲，机制砂要满足规范要求的石粉含量限值必须经过水洗工艺，而水洗机制砂的共性问题是级配不好、拌制的混凝土和易性差，泵送效果差，规范规定混凝土坍落度应在80~130 mm 之间，实际施工中坍落度需放大到170mm 以上方可泵送。

混凝土坍落度增大必然导致混凝土单位用水量增加、匀质性降低，不仅严重影响了混凝土的速凝效果和强度，而且降低了支护能力及外观质量，混凝土回弹量也大幅增加，施工成本加大，这也成为喷射混凝土湿喷工艺得不到贯彻执行的主要原因。