最新客运专线隧道施工技术

客运专线隧道施工技

术

客运专线隧道施工技术

石家庄铁道学院土木工程分院

二○○五年九月

1 国外高速铁路和国内客运专线隧道概况

1.1 国外高速铁路隧道概况

据统计，国外已经投入运营的高速铁路总长度超过6237km，已建成的高速铁路隧道大约有1149.2km(不含意大利的隧道)，其中日本698.6km，法国59.7km，德国185.7km，西班牙15.8km，韩国189.4km，具体情况见表1。

1.2 国内客运专线隧道规划情况

2004年初，国务院批复了《中长期铁路网规划》，到2020年我国铁路营业里程将达到10万km，其中规划了“北京-沈阳-哈尔滨、北京-上海、北京-广州-深圳、杭州-宁波-深圳四条纵向和青岛-石家庄-太原、徐州-郑州-兰州、南京-武汉-重庆-成都、杭州-南昌-长沙四条横向”铁路快速客运通道以及京津、宁沪杭、广深珠3个城际快速客运系统，届时建设客运专线1.2万km以上，客车速度目标值达到200km/h及以上。可见今后十几年时间，我国的路网规模和质量都将上一个新的台阶。

根据我国中长期路网规划，近十几年内将修建1200km的客运专线隧道工程，相当于国外已通车运营的高速铁路隧道的总长度，其中截止到2004年底国家已批复即将开工的客运专线隧道长度有663km，如表2所示。

根据我国的国情和路网现状，尤其是现在我国货运供需矛盾特别突出的实际情况，以上客运专线有些近期为客货共线铁路，远期发展为客运专线铁路。如宁波-温州、温州-福州、福州-厦门和合肥-武汉线，近期为客货共线，并且满足双层集装箱通行条件的线路；石家庄-太原客运专线近期为客货共线铁路，客车速度目标直近期为200km/h ，预留250km/h 以上的条件。有些为一次建成客运专线铁路，如武汉-广州和郑州-西安客运专线，线下工程设计速度目标值为350km/h 。

2 客运专线的主要技术特点

客运专线铁路以其运行速度高、线路要求平直、安全舒适、节约时间等特点，比其他交通工具有更多的优越性。客运专线的隧道工程具有占地少、环境污染小、结构安全可靠、拆迁量和对城市干扰小等优点，从技术上有以下几个主要特点。 2.1 空气动力学效应

列车在高速运行的条件下，对隧道结构的要求主要是空气动力学特性方面的。高速列车通过隧道时会产生一系列的空气动力学效应，如压力波动、出口处微气压波、洞内行车阻力增大等，这些均是列车速度目标值比较高的客运专线隧道的显著特点。

当高速列车进入隧道时，强烈冲击处于隧道中的静止空气场，压力脉冲作为纵向运动的波，以声速通过隧道，并在隧道的另一端发生反射，由正压变为负压。同样以声速沿列车运行相反的方向向回运动，遇到列车后，空气阻力在大气压力(100 kPa)附近发生波动，使旅客的耳朵发生明显不适。

隧道的微气压波是列车突入隧道时形成的压缩波，在隧道内传播到达出口时向外放射脉冲状的压力波，其发生的实态如图1所示。

微气压波的发生实态和大小与许多因素有关，其中主要有：列车速度、列车横断面积、列车长度、列车头部形状、隧道横断面积、隧道长度、隧道内道床的类型等。

从测试结果看，在短隧道中，微气压波最大值与列车速度ν的3次方成正比例，与微气压波距隧道出口中心的距离r 成反比。考虑到隧道洞口地形的影响，可近似用下

式求出：r

Kv p 3

= (1)

式中：K 是考虑地形影响的系数。根据东海道的短隧道的测试结果：ν＝210km/h 、r ＝20m 、p ＝40Pa 得下式：

3)210

(80v r p = (2)

式中：p ——微气压波最大值（10Pa ）；

r ——微气压波距隧道出口中心的距离（m ）； ν——列车入洞速度（km/h ）。

图1 隧道微气压波的发生

在比较长的隧道中，微气压波最大值与壁面状态有很大关系。例如板式道床的大野（5.4km）、备后（8.9km）两隧道的微气压波最大值，在列车速度为200km/h，测点距离为20m时，是100Pa~150Pa。而同样条件的南乡山隧道（5.2km），因是碎石道床，微气压波最大值仅是10Pa,比短隧道的35Pa还小。

高速列车运行引起的问题有：

(1)由于瞬变压力造成旅客及乘务人员耳膜不适，舒适度降低，对人员和车辆产生危害；

(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，使附近房屋门窗嗄啦嗄啦作响，引起扰民问题，如果隧道断面内净空较小，洞口处没有缓冲结构时，还会发生强烈的爆破声：

(3)行车阻力增大，使运营能耗增大，并要求机车动力增大：

(4)形成空气动力学噪声(与车速的6—8次方成正比)；

(5)列车风加剧，影响隧道维修养护人员的在洞内通车情况下作业；

(6)列车克服阻力所作的功转化为热量，在洞内积聚引起温度升高等。

因此，在客运专线铁路设计时，应从车辆及隧道两方面采取措施，以减缓空气动力学效应。

2.2 可靠性和结构耐久性要求高

所谓可靠性，是指结构在规定的时间内，在正常规定的条件下，完成预定功能的能力，包括安全性、适用性和耐久性。当以概率来度量时，成为结构的可靠度。

所谓结构耐久性，是指结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其应有性能的能力。客运专线隧道由于其运营速度比较高，对结构和各种运营设施所产生的作用影响也就越大，对相应工程结构的可靠性和耐久性的要求也就越高。

例如，客运专线隧道内对衬砌混凝土的裂缝要求就特别严格，因为客运专线隧道内空气压力在不断的变化，特别是洞内会车情况下，压力的波动对结构的表层稳定是不利的。欧洲及日本的研究成果表明：同样的一条裂纹，对普速铁路隧道来说在外荷载停止发展后，将不再继续变化，而客运专线隧道就不同了，即使外荷载停止了发展，但在频繁变化的洞内空气压力波的作用下，裂缝还将继续发展，从而降低隧道衬砌耐久性和使用功能，甚至危及行车安全。因此，在客运专线隧道设计中，要采取有效措施减少隧道衬砌裂缝。

2.3 对环境的影响更加明显

环境包括自然环境、生态环境和周边人文环境，客运专线列车以较高的速度运

行，其产生的轮轨噪声、机械噪声、弓网噪声和空气动力学等噪声将比普速列车明显，对环境的影响也比普速列车大。例如，列车进入隧道后，形成压缩波，当压缩波传到隧道出口突然释放形成微气压波时，会对洞口的环境造成一定的影响，严重时会产生爆破音，影响附近的建筑物和居民的正常生活。所以客运专线隧道的修建就应该更加重视对环境的影响，围绕降低噪声、减少对自然环境、生态环境和周边人文环境的破坏，采取不同于普速铁路隧道的工程措施。

2.4 防灾救援要求高

客运专线隧道中运行的主要是高速度的旅客列车，一旦发生事故和灾害，后果比一般铁路要严重的多。如何尽量避免高速度的旅客列车在隧道内发生事故和灾害，以及旅客列车在隧道内因故停车时，如何快速疏散乘客，发生灾害事故时如何快速救援等，是客运专线隧道应该重点考虑的问题，相对普速客货共线的铁路隧道来讲，客运专线隧道对防止发生事故和灾害以及快速救援的要求更高。

3 客运专线隧道的技术要求

3.1 高速列车在隧道中运行时的舒适度

高速列车在隧道中运行时的舒适度与列车通过隧道时产生的压力波动有关，这也是高速列车通过隧道时产生的主要效应，而微气压波正是这种压力波向外产生的辐射，因此所有效应及危害的根源在于压力波动，特别是在极短时间内的压力突变（称为瞬变压力）传到人体时，会产生生理上的不适，从而大大降低乘车的舒适度。

从旅客乘车舒适度要求出发，最大瞬变压力临界值控制标准在一般情况下，可取为不大于3.0kpa/3s，即每3s内最大压力变化值在3kpa以内。表3给出了相应的“不舒适度”极限值。

参照国外经验，中铁西南科学研究院曾提出我国高速铁路舒适度准则，如表4所示。

3.2 建筑限界和隧道内净空面积

3.2.1堵塞比的概念

从各国的实践看，隧道横断面的决定主要是采用堵塞比，即采用列车横断面面积与隧道横断面面积的比值来决定。这里的隧道横断面积，通常指轨道面以上的断面积。表5列出了一些国家高速铁路隧道采用的参数。

3.2.2 国外已建成高速铁路隧道内净空面积

克服空气动力学效应对旅客舒适度、车辆结构(瞬变压力)、洞口环境(微压气波)和行车阻力的影响是确定隧道横断面设计的关键。目前世界上高速铁路对隧道设计参数的确定基本上有两种模式：以日本新干线为代表，隧道断面比较小以求降低土建造价，而提高车辆密封性和修建洞口缓冲结构的办法来缓解脉冲压力和微气压波引起的负面影响；以德国高速铁路为代表在高速隧道修建时，主要通过放大隧道断面积来解决上述问题。

世界上已建成的高速铁路隧道的设计运营速度和相应的有效内净空断面积对照，如表6所示。