隧道位置的选定(铁三陈相君)

铁路隧道位置的选定

铁路是国民经济的大动脉，没有铁路就不会有国民经济的大发展，十二五规划奔小康也只是一句空话。美国是世界最发达的国家，现还有23万km铁路，重载铁路就有16万km，可谓世界之最。要想实现中国现代化，到本世纪50年代，中国就要有20~28万km的铁路，方能适应西部大开发的伟大战略。使铁路向多山的西部延伸，离开隧道的修筑，此战略是无法完成的，所以说当代的年轻人任重而道远。

铁路的布局要适应国民经济的发展和国防建设的应对，而隧道设置又控制着线路的走向和经济造价投入，因而隧道位置的选定就有着重大的经济意义、国际意义和政治意义，是当代隧道专业人的责任和光荣。

一、要有经济的眼光慎重选定隧道

隧道的选定是一个综合的学问，不仅要有工程地质、水文地质、环境地质、岩土的基本知识、经济和国防的基本概念，还必须要有经济的眼光，因此适宜地选定隧道，避免无知地取消隧道和盲目地追求国家之最、世界之最的长隧道。日本人修建青函海底隧道是从几次轮渡的海难中通过综合判断、保安避险、风险规避后，从上世纪30年代起就进行了导洞勘探、方案比较，经济和国际意义论证，70年代开工，85年青函隧道形成世界最长的东北新干线的海底隧道；英法海峡隧道也是在20世纪通过1个多世纪的综合勘探，多处导洞试挖，最终确定49km海底隧道。实际是1802年规划，1880年开挖试验洞2km，直到1987年三条隧道开工，1993年运营。双洞单线两侧直径7.8m，中间服务隧道直径4.8m，用了11台德法日本等国产的盾构机，进度达1400m/mon，总造价128亿美元；瑞士至意大利穿越阿尔彼斯山的果特哈德隧道是世界现有最长的铁路山岭隧道，方案选定达20年，修建用了14年，已于2001年10月贯通，单洞双线，中间设车站，设两座直径7.0m，深度近800m竖井，用于防灾通风和逃生。

以上陆路和海底隧道的设计都是用了几十年甚至是上世纪的理论研究、导洞试验和方案比选，都是勘探试验几经反复，多元素比选，严肃而慎重地确定隧道，而我国的特长隧道，无论是太行山、吕梁山，还是秦岭、乌鞘岭等铁路隧道和终南山公路隧道等，都是未经多方论证而匆忙定案，仅有速度快，但未经消化多有胀胃消化不良的毛病。我国是一个多山的国家，随着国民经济的飞速发展，交通和铁路隧道与日增多，隧道同行必须以经济、先进、成熟、安全、实用、工法创新、便于施工的基本精神慎重选定隧道。

二、隧道平面位置的确定

隧道是铁路线路的重要组成部分，尤其是在多山地域的铁路修筑隧道所占线路总长的比重越来越高，有的高达30~60%。因此，对隧道平面位置的确定必须依据国家颁布技术标准进行技术的、经济的、国防的、环境的、风险的等因素来进行慎重的选定。隧道平面位置应依地质条件、环境条件、地域条件、功能要求确定。除有国防要求的长和特长隧道外，隧道一般说来应选在直线上，除绕避恶劣环境和不良地质外，不能随意选在曲线上，因为曲线隧道断面要加宽，行车阻力和通风阻力要加大，钢轨磨耗要加大，测量和养护维修增加困难等不利条件。

三、隧道剖面位置的确定

隧道剖面位置必须依据地形地貌及穿越地层条件、环境条件和施工的难易程度来确定。一般说来单坡多用于回头曲线、螺旋线及短隧道和一般隧道，而长及特长的越岭隧道多用人字坡。

1.越岭地段又应依地形地貌的条件和环境来选定不同长度的隧道。

如是凸字形地形应选择长和特长隧道，如京广的大瑶山南岭；台阶状地形如京原线的北京至涞源，涞源至灵丘，灵丘至原平均呈现逐步上升的不同的台阶状地形，应选择中长和特长隧道；大秦线均呈逐步高低组合的锯齿状地形，应选定短隧道和中长隧道相结合的选定。

2.依山傍水地形地貌，线路应尽量向山靠，不选隧道群而选长隧道。因为河流是历史上沿软弱结构而通过大面积的地表水的汇集和基岩裂隙层间水的出露补充，在自然应力的作用下而形成，两岸多次生构造，故而不做地质复杂的隧道群，而向山靠，做长隧道，以求结构的稳定。

四、不同地质环境和地质条件隧道位置的选定

隧道对地质等要素所构成的岩土工程来说比任何结构物对其关系都要密切的多，因为只有隧道与岩土共同构成承载结构，而其它结构只是作用岩土上的荷载，所以我们必须以不同的工程地质和环境地质条件来选定隧道位置。从围岩的地质条件来讲可分为火成岩、变质岩、沉积岩三种岩类。

火成岩质地坚硬，组织密，少节理裂隙，是最好的设置隧道的围岩，与支护结构可组成最好的共同承载结构，与火山的喷出有关，如花岗岩、玄武岩等

变质岩一般说来质地坚硬，但在高温高压的变质条件下节多构造形成的理裂隙，虽质地坚硬，但整体性远不如火成岩，在此区域地质条件下，多做方案比选。

沉积岩是由原岩风化剥落与其有生命的物质层沉积经亿万年的高温高压而形成的具有明

显层理的沉积岩。这与水的冲刷、搬运有关，所以又称为水成岩。其成分复杂，多构造裂隙和层理，整体性差，硬度稍软，隧道位置的设定要慎之又慎。

再者就是第四纪风化、洪积的新黄土和河湖或河海沉积的淤泥质岩土以及膨胀土、多年冻土等特殊围岩，都要慎重选定隧道位置。

1.就工程地质岩层的层位而论，不论水平成层，还是单斜构造，或是垂直构造，硬岩没什么区别。如是软弱或带有膨胀性围岩，应尽量避免将隧道选定在倾角较大的单斜构造或直立构造围岩之中。

2.向、背斜褶皱构造围岩隧道的选定。

褶皱是在地质力(如板块理论或海底扩张理论)的作用下岩体产生的变形，无论是背斜还是向斜，隧道均不应选在平行背向斜的轴部。背斜轴部上多张拉多裂隙，松散，地表水易渗入，对隧道结构物施工和受力均不好。而向斜轴底部变形挤压破碎，地下水沿构造易汇集，也给施工和支护结构带来困难。建议背向斜地层应将隧道选定在构造的两翼。

3.环境地质和水文地质条件下隧道选定

1>.隧道位置要远离水库不小于500m（坍岸岸线），并注意隧道设置高出库容储洪最高水位+浪高+0.5m（百年一遇水位）；

2>.隧道位置应避免穿越村庄、果园、井户、庙宇及文化古迹等；

3>.隧道位置不宜靠近靶场、导弹卫星发射场及广播电视发射场等重要军事科研机构驻地；

4>.隧道设置位置要远离采石场不少于500m。

五、不良地质和环境地质条件下的隧道选定

所谓不良地质是指滑坡、错落体、崩塌、岩堆、危落石、泥石流、冲积扇、湿陷性黄土、冻土、膨胀土、高应力软弱围岩大变形、岩溶、陷穴、流砂涌水、采空区等不良地质和环境地质。在不良地质地段隧道位置的选定首先是绕避，是不可免，要有风险规避、风险分析和风险措施及工程措施确保施工和运营的安全。

1.滑坡地层隧道位置的选定与措施：

此地层选定隧道首先要弄清滑坡的性质，是顺层滑动还是切层滑动，是推力式还是牵引式，还是岩层错落。原则是隧道位置必须在滑床和错落体下不小于5m，其工程措施首先应是通过滑体和滑床做好渗排水系统，如地表排水沟、支撑盲沟、泄水洞等，以疏干滑体，提高c，φ值，加大摩阻力；增大滑体的稳定，并以滑坡性质的不同采取不同的工程措施：

1>.牵引式滑坡以前沿设支挡结构、滑体清方，设抗滑明洞等通过；

2>.推力式滑坡多以抗滑桩来增加滑体的稳定，以减少下滑力；

3>.错落体，以清方、下挡、锚固、设抗滑桩或抗滑明洞通过。

2、崩坍、危石、落石，要以清理危石，锚固、设栏石网，以加强隧道或者明洞通过。衬砌要以50m高的1m3的落石冲击力进行结构检算，明洞要增厚不少于50cm的缓冲层，以保证隧道的安全。

3、岩堆、泥石流、冲击扇的隧道位置的选定：

原则是绕避，如不经济或无法绕避，则以清理、垂直注浆加固、管棚通过来保证隧道设置的安全。

4、第四纪湿陷性黄土地层隧道位置的选定：

第四纪湿陷性黄土属于特殊围岩，请参见本人编写的《黄土隧道勘测设计注意点》，此不赘述。

5、冻土地层的隧道位置的选定：

按气象学及有关规范规定：在最冷月平均气温在-5℃以上者为一般地区，在-5℃~-15℃之间为寒冷地区，最冷月平均气温低于-15℃者为严寒地区。在严寒地区凡温度等于或低于0℃且含有固态水的岩土称之为冻土，连续保持冻结状态三年或以上者，称之为多年冻土。多年冻土常存在于地面下一定的深度，接近地表部分，因受季节性影响而出现周期性的冻融，此部分称季节融化层。隧道不宜设置在季节融化层，宜设置在永冻层。设在季节融化层的隧道，全隧道均应采取加强和保温措施，而设在永冻层的隧道，其两端也不少于200~300m的衬砌采用钢筋混凝土加强和采取保温措施。详见本人参编的《铁路工程设计技术手册“隧道”第十六章第二节》。

6、膨胀岩土中的隧道位置的选定：

所说的膨胀岩土系指含有细颗粒遇水膨胀的岩土，如高岭土、蒙脱土、粘土、泥岩、绿泥石、石膏和膏融角砾岩等地层。隧道的修建要完全绕避这种地层似乎是不可能的，只能做到少穿越，穿越要有工程安全措施，重点是防水，预留不少于10cm的变形量。衬砌加强宜采用钢筋混凝土或添加钢纤维、微纤维或碳纤维等。详见本人编写的《膨胀围岩地层隧道设计注意点》。

7、岩溶陷穴地层隧道位置的选定：

我国碳酸盐地层分布极广，尤其甚者是广西、四川、湘西、云贵一带，由于铁路向祖国的西南延伸，该地层是不可避开的。铁路穿越该地层的原则是，在摸清地层的前提下，如不能绕开，要穿下不穿上，左右要保持距离，正穿要有依据，预留变形量、支护要提高一级。详见本人编写的《岩溶地层隧道的勘察与设计》。

8、高应力地层隧道位置的选定：

所说地应力是储存于地层中的内力，其产生的原因，不同的学派有着不同的理论，如板块挤压理论（地球分六大板块）和地质力学地球自转过程中的不同速度产生的挤压和拉伸，以及地球自转离心力和天体引潮力等理论。隧道位置的选定总的原则是要平行主应力方向设置，不可垂直主应力方向，以利于隧道结构受力和施工安全。在高地应力下，不同性质的围岩所呈现的破坏形态是不同的。对坚硬完整的围岩来说，由隧道的埋深不同，所呈现的破坏形态是岩爆；而对具有膨胀性的软弱围岩来说，在高地应力的作用下所呈现的破坏形态是大变形。这就给隧道位置的选定和设计带来极其不利的影响。在这种工况下，隧道断面要预留不少于10~15cm的变形量，施工中要进行超前应力释放，并加强支护和施工监测，以确保结构和施工安全。

9、采空区地段的隧道位置的选定：

采空区属于环境地质的现象。隧道设置不利，会给勘察设计和施工带来麻烦，处理不好将会造成在运营中车毁人亡的恶果，隧道选定必须给予高度重视。隧道穿越采空区最好的方案是绕避，实不能绕避或者绕避不经济，则应本着穿下不穿上，穿侧不穿中的原则来选定隧道位置，并视不同的工况采用相应的工程措施，如采用压砂压浆、基底换填、洞内以桥代路等手段来确保隧道结构和运营的安全。

总之，隧道位置的选定是一个复杂的系统工程，要求专业人员要有较高的素质，要有多学科的知识，尤其是工程地质、水文地质、环境地质以及岩土力学的知识，还是那句老话：“要想做一名合格的隧道工程师，首先应当是一名合格的地质工程师”；同时还应具有物候学、气象学、弹性力学、构造地质、土力学等最起码的知识，才能成为一名合格的、有造诣的隧道工程师，也才有能力选定好合理的隧道位置。

铁三院城交分院地下结构所

陈相君编写

2012.1.29

参考文献略