著名专家谈客运专线与隧道工程.doc

客运专线与隧道工程为了迎接市场竞争的挑战，近期，铁道部启动了以250km/h、300km/h和350km/h速度为目的的客运专线的建设工程，我国的铁路建设又进入了一个新阶段。由于速度的跨越，对构成线路的各种结构物，涉及桥梁、隧道、轨道、路基等，提出了更加严格的规定和标准，也提出来许多前所未有的新课题。由于规划建设的几条客运专线，都有大量的隧道工程涌现。在客运专线条件下，如何结识和解决隧道工程面临的新问题，其中涉及结构物的耐久性、建成后的维修管理以及隧道洞口、洞内轨道（涉及基底结构）等如何适应高速度运营的规定等新问题。 下面就其中一些问题作些说明。一、隧道结构的耐久性问题隧道结构物的耐久性问题，是一个共性的问题。目前各国都按设计基如期12023进行修建的。在12023设计基如期内，在高速运营的条件下，隧道工程会出现那些问题是值得研究的。以日本为例，由于1995年的阪神大地震和1999年的隧道衬砌混凝土掉块事故的发生，对隧道结构物的安全性、耐久性的结识有了很大的变化，归结起来有2点：结构物的性能随时间逐渐减少；结构物设计时考虑的荷载具有不的确性，在长时间运营过程中也许发生超过预计荷载的情况而导致结构物的损伤和破坏。因此，提出了必须考虑维修管理的设计理念。1、日本近期发生的3次衬砌混凝土掉块事故概况最近一段时期，日本的铁路隧道相继发生3次重大的混凝土掉块事故，引起了日本运送省的重视。1999年6月27日，山阳新干线福岗隧道，发生衬砌混凝土剥落，导致列车破损的重大事故（图1），运送省立即委托京都大学的足立纪尚专家为首的“隧道安全问题研讨会”，进行对策研究，推定事故的因素、提出此后维修管理的方法等建议。接着，同年10月9日，山阳新干线北九州隧道的边墙上端又发生混凝土剥落事故（图2）。为此，对山阳新干线的所有隧道进行了史无前例的大规模的安全总检查。11月28日室兰本线礼文宾隧道，再次发生重达2t的拱部衬砌混凝土的剥落，导致货品列车脱轨事故（图3）。隧道安全问题研讨会，在7个月的时间内，召开了7次会议，于2023年2月28日提出了最终报告。图1图2 图32、事故发生因素的分析日本的这3次隧道衬砌混凝土掉块事故是作为对社会有重大影响的问题来解决的。他导致人们对铁路运送安全性的信赖的损失。事故发生的因素通过理论分析、实地实验等，大体如下：福冈隧道：施工缝的形成（混凝土灌注中断）；施工缝下侧的内部有很大范围的开裂发生（灌注时的支撑振动或模板脱模时的影响）；结合面渐渐开裂的发展（长时间漏水、温度变化、空气压变动）最终因空气压变动、列车振动而剥落。 北九州隧道：突起部在灌注时会产生沉降，初期脱模会产生异常的拉应力，因此，突起部和边墙间有一部分开裂；长时期的漏水、温度变化等的影响，再加上列车振动的影响，开裂渐渐发展；而后，支持的两端开裂扩大，最终由于自重而剥落。礼文宾隧道：混凝土灌注后，比较初期的上部围岩松弛，拱顶附近的突出岩块局部地作用在衬砌上；在此地压的作用下，以突出岩块为中心产生放射状开裂，而后导致剪切破坏，形成破坏面；由于列车振动和冻融的反复作用，破坏面的前端的开裂渐渐发展；最终，因自重而掉落。从发生因素看，列车振动和空气压（列车运营引起的）变动是一个重要因素。因此在新干线隧道中进行了几次列车运营的实验。关于列车振动和空气压变动，在事故发生地点，对列车走行时衬砌混凝土的动态进行了种种量测，其结果如下。列车振动： 最大0.3kine（衬砌表面切线方向）最大0.1kine（衬砌表面法向方向）空气压变动：最大6kPa（列车尾部通过时的压力下降）应变： 最大12（衬砌表面切线方向）；因此，进行了空气压反复变动影响的实验。其结果是：随着荷载的反复作用，开裂的端部的混凝土发生疲劳，微细的开裂渐渐发生；最终是开裂急剧发展，而剥落；开裂的深度越深，在少许的反复次数就破坏了。根据这个结果，预计实际的剥落形状、荷载的形态、荷载的水平（5kPa），反复次数（剥落发生预计120万次），认为疲劳破坏是导致剥落的也许性的重要因素。 应当指出，日本的新干线的列车速度，从客运专线角度看，是比较低的（通过隧道的速度大体在180220km/h之间）。因此，进行更高速度的列车运营实验，摸清空气压变动和振动的影响是很必要的。从施工角度看，控制混凝土初期开裂也是很重要的。这一点，对耐久性设计是很重要的。减少列车振动的影响，可以从列车自身着手，但更重要的是：改善轨道结构构造和隧道底部结构。为了消除和减小列车运营的影响，适当扩大隧道的净空断面积也是一个办法。但扩大断面会导致初期建设投资的增长。因此，要通过经济技术比较决定。3、隧道结构的耐久性决定于设计基准，而能否实现规定的规定又决定于施工技术和管理的水平。因此，编制适合客运专线的隧道工程设计施工准则是很重要的。4、客运专线隧道工程结构耐久性设计施工研究的必要性1）研究现状混凝土结构物的设计方法，目前正在从传统的以“强度“设计为主导的设计方法，向以”性能“为主导的设计方法转变。例如日本从1998年起，先后颁布的混凝土结构技术规范，就是按照“结构性能核查”（1998年）、“施工”（2023年）、“维修管理”（2023年）等编制的。把结构物的耐久性考虑，贯穿在从设计、施工到维修管理的全过程。这是设计思想和观念的重大转变。我国的混凝土结构的设计理论研究也开始了关注这方面的研究，并逐步地引入到设计中来。 最近 日本一些有识之士提出“2023年的警钟”。即 “日本将从土建大国变成修缮大国”。2023年的结构物维护费和改建费，仅建设省就超过2兆亿（日元），是今天的3倍，维护费用将成为国家财政的巨大承担。因此，不管是新建还是既有结构物，都要消除“免维修或不能维修”的误解。而建立起“把劣化构件或构件的性能恢复到设计意图的使用水准以上的补修、补强”的概念。也就是说，要构筑一个把设计、施工、维修管理统合到一起的设计体系。这也是目前各国土建工程设计的重要发展趋势。目前在耐久性设计中研究的重点有2个：一个是劣化外力的拟定和其对耐久性的影响；所谓的劣化外力有：活荷载、地震、风、气温、湿度、日射、炭化、冻融、盐害等等。这些都是导致混凝土结构劣化的因素。也就是说，结构物的劣化，决不单纯的决定于过去概念上的荷载。在有些情况下环境条件的影响也许是重要的。对客运专线的隧道工程来说，列车风压及列车振动对耐久性的影响是不能完全忽视的。因此，在设计中必须把这种概念考虑进去。这种设计概念，就是结构物在设计基如期内，受到劣化外力作用（环境条件的变化等），而把劣化状态控制在允许水准以内为目的。同时，开裂经济性，来设定材料规格、设计基准和施工工艺，并决定相应的维修管理基准。这种设计概念就是耐久性设计的概念。2）研究内容结构物的耐久性与结构物的使用年限、所处的环境条件、施工技术以及维修管理的水平有密切关系，因此，结构物耐久性设计方法的研究，涉及四个基本内容：即：1规定的结构物使用年限：2结构物所处的环境条件；如一般环境、冻融环境、海洋环境、有侵入性物质的环境等等；3施工的保障技术；如混凝土、喷混凝土的施工工艺、保证混凝土的透水性、防火性、抗冻性等技术措施等；4维修管理的水平；如不维修或少维修或常维修等规定不同，对结构物耐久性的影响等。3）技术关键研究的关键是如何针对客运专线的隧道结构物拟定劣化外力的影响及其评价基准和方法。如不拟定性的荷载、地震、炭化、冻融、腐蚀、列车振动等等。这些都也许是导致混凝土结构劣化的因素。但如何评价，用什么基准评价都需要解决。另一个是维修管理水平对耐久性的影响。例如：结构物的寿命与维修管理的关系，以及检测结构物使用过程中状态变化的技术及基准等。二、隧道洞口的结构形式 1964年日本铁路新干线的运营标志着铁路高速技术进人了实用化阶段。80年代初法国巴黎东南新干线的建成，又将铁路运送高速化推向一个新阶段。90年代第一春，法国新一代TGV电动车组在新建大西洋干线上运营实验时，又连续突破轮轨系最高速度500km/h，1990年5月9日达成510.6km/h。目前时速200250km的高速铁路在欧、美、日等国已是一项相称成熟的技术。我国在秦沈客运专用线上，列车实验速度已超过250km/h。日本、法国正在研究和开发的是时速500km的超高速铁路，预计21世纪初开通的日本中央新干线就是一例。 预计21世纪运营时速500km的中央新干线，正在修建长42.8km的实验线，其中隧道总延长35km，明线地段只有8km。这是由于线路的最小曲线半径采用8000m的原故。 在日本5条新干线的整备计划中，隧道工程量也是相称可观的。北陆新干线轻井一长野段，长83.6km，隧道约占44(36.8km)；东北新干线宫内八代段，长60.0km，隧道约占85(51.5km)；九州新干线八代一西鹿儿岛段，长125.2km，隧道约占70(87.7km)。在这些线路上也出现了几座长隧道，如岩手隧道长25.8km，紫尾山隧道长10.0km等。 德国于80年代初期动工修建的从汉诺威到威尔兹堡新干线，长327km，隧道总延长达118km，占线路长度的37。涉及长达10.7km的兰得吕肯隧道。另一条从曼海姆到斯图加特线路，长100km，隧道约占30(30km)。 瑞士联邦铁路也计划修建穿越阿尔卑斯山的新隧道。该计划涉及4条高速铁路比选方案。将要修建多座专长隧道。这些隧道分别是：乐琴山隧道（38.2km）、辛普郎隧道(35.4km)、圣哥达隧道(49.3km)、斯普林肯隧道(46.7km)和Y型隧道（25.7km）。 意大利从罗马到佛罗伦萨的线路，长度237km，其中穿越阿尔卑斯山的线路实际长度只有78.2km，并且隧道的总延长则达85km。其中，主隧道长度为73km，辅助隧道长度达12km。 台湾正在修建的台北到高雄的高速铁路，全长333km，共有总延长39km的50座隧道，最长的隧道约8.4km，隧道比重为11.7。其中36座隧道将采用掘进机法或钻爆法施工，其余11km用明挖法修建。高速铁路隧道的重要问题之一是：在结构上，特别是洞口结构上如何减缓微压波的影响。因此，各国都把减缓微压波的措施作为重要的课题，予以研究。纵观各国在已建的高速铁路隧道上，采用的措施重要有：增设各种类型的洞口缓冲结构；扩大隧道轨面以上的净空断面积；提高车辆的密封性和改善车头的形状；设立减压通道或竖井等。其中，的方法采用最多，则次之。也是各国关注的焦点。是在条件具有时，也可以采用的方法。我国的客运专线是以250km/h、300km/h、350km/h的运营速度为目的的。从我国目前的技术水平看，无疑地前两种方法是首选。但究竟以为主，还是以为主，就应当通过研究做出合理选择和决策。例如日本在目前的几条高速铁路上，隧道的轨面以上净空断面积是64m2（双线断面）左右。其运营结果是，当列车进洞速度超过160km/h时，就需要采用相应当减压措施。因此，有一些隧道（并表达所有）设立了洞口缓冲结构，有的隧道如东北新干线的第一利府隧道，因列车进洞速度的进一步提高，而将原11m的缓冲结构接长7m。应当指出，日本车辆的密封性是比较好的。这也是它采用比较小的断面的一个因素。而韩国、台湾等，从一开始就采用比较大的断面，如90100m2（双线断面），或者更大一些。但总的来说，采用这样大断面的事例，还是比较少的。例如正在修建的穿越阿尔匹斯山的新圣格达隧道（57km），其单线隧道断面积为41.6m2，阿尔匹斯隧道（51.1km）也是采用内径4.0m的圆形断面（单线）。这几座隧道都是以运营速度300km/h为目的的。因此，从经济技术上看选择大断面未必是一个最佳选择。在客运专线上，隧道洞口结构的研究，应按照运营舒适性和尽也许地把微压波的效应减少到可接受的限度的原则，进行规划和设计。隧道微气压波的大小，与到达隧道洞口的压缩波的压力坡度成比例。因此，从列车突入隧道时起到压缩波到达隧道另一洞口时止，减小压缩波的压力坡度，是减少对策的基本方法。其方法有以下几种（图3.1）。图3.1减少微气压波对策的示意图1在入口设立人工缓冲结构，减少突入时的压缩波压力坡度的方法；2采用斜井、竖井等，分散隧道内压缩波减少压力坡度的方法；3连续的隧道用品有开口的壳连接，减少微气压波的方法；4改善车辆形状，减小列车突入时的隧道内压缩波的压力坡度的方法；5敷设衰减隧道内压缩波压力坡度的材料的方法；其中1、2、3方法是已经实行的方法，第4种方法也开始采用，第5种方法是考虑在隧道内敷设可以减少微气压波的碎石道床或同样的材料。从目前的工程实绩看，采用第一种方法居多。日本的工程实践表白：原则上以160km/h为界，进行洞口缓冲结构的设计。即按列车进洞速度为160km/h，设计不采用洞口缓冲结构的洞口结构。当进洞速度超过160km/h时，为减少微压波的影响，需设立不同长度、不同类型的缓冲结构。日本在新干线中设立的各种类型的缓冲结构。图3.5是山阳、东北新干线设立的缓冲结构的外观。缓冲结构的类型配合洞口和施工状况有许多类型。在图3.5中，（a）是混凝土拱形结构，（b）也是混凝土拱形结构，但拱背高些，（c）和（d）是钢制的门形结构。图3.5缓冲结构实例图3.6是缓冲结构的设计例（钢制、六角型）。缓冲结构与隧道的断面积比为1.41.55.在侧面设有开口。在山阳新干线开业初期，有20多个隧道洞口设立了缓冲结构，长度1018m左右，其后的东北新干线，在开业前就采用了缓冲结构。缓冲结构的长度基本同样。从1992到现在，山阳新干线共有38个洞口，东北新干线有39个洞口设立了缓冲结构。分别相应速度提高到240km/h和270km/h的场合。图3.6缓冲结构的设计例图3.7是目前最长的缓冲结构，长约50m。从实测资料可以看出，因设立缓冲结构，微气压波最大值大幅度地减少。图3.7长约50m的缓冲结构为了获得最大的减少效果，最佳开口的数目、位置、面积可以在现场根据实际状况加以调整。开口采用启动式的。开口部可以设在侧面，也可以设在上面。缓冲结构的荷载，应考虑最大压力变动幅度导致的荷载。缓冲结构的材质，可以采用混凝土、钢骨、钢板等。在隧道群地段，可以在两座隧道之间设立连接隧道的壳体结构。如上越新干线就采用了图13的措施。把隧道和隧道连接为一体的壳体结构，其侧面设有开口，对减少微气压波是非常有效的（图13）。图13隧道和隧道连接的壳体结构图14缓冲结构外观。图15是设计图例意大利初期的隧道断面积只有53.8m2，断面偏小。为了减少微气压波的影响，在一座隧道中设立洞口缓冲段，如图20所示。图20意大利隧道洞口缓冲段结构总之，加强隧道洞口缓冲结构的研究，对客运专线来说，是极为重要的课题。对洞口缓冲结构的研究应涉及以下内容：不同进洞速度条件下，缓冲结构的设立基准；不同类型缓冲结构的结构形式及其缓冲效果；决定不同类型缓冲结构长度的实用计算方法；缓冲结构与洞口结构的协调以及与周边环境的协调（建筑景观设计）。