对《高速铁路设计规范》等关于隧道部分标准优化建议

2021-10-11马志富杨昌贤马伟斌

铁道标准设计 2021年10期

马志富，杨昌贤，马伟斌

(1.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

引言

随着我国高速铁路系统技术的不断进步，有关组织部门和技术人员开展了高速铁路设计标准优化研究工作[1-3]，结合中国高速铁路标准的设计、建造和运营，研究了相关标准的科学性、包容性和可持续性，提出标准进一步优化的方向。而随着成渝中线等更高速度铁路的规划和建设，有必要对高速铁路设计标准进行再认识：我国是一个多山的国家，隧道工程占比一般随线路标准的提高而加大；随着铁路引入城市区域，隧道工程可很大程度上减轻对城市区域的分割；在复杂水域，水下隧道工程可以克服水域复杂环境对交通工程限制的难题。因此，隧道标准的尺度，对铁路工程建设期间的决策作用日益明显。与此同时，在高标准铁路对隧道工程质量提出了更高要求的背景下，对隧道设计标准的要求也随之提高。而设计标准提高，往往要求采取的设计措施更具全面性和包容性，随之而来的是施工工序不断增加，但在人工占据主导作用的隧道施工现场，在工期投资等压力条件下，施工现场工艺水平达到规范要求的难度极高。因此，本着“绿色环保，节约资源”的原则，针对高速铁路设计等规范中关于隧道的标准，通过分析研究，提出一些建议，期望对现行TB 10621—2014《高速铁路设计规范》等关于隧道技术标准进行优化与完善，起到抛砖引玉的作用。

1 高速铁路隧道断面内净空有效面积

1.1 对照分析

高速列车通过隧道所产生的气动效应，会产生一系列问题，其中，最主要的是车内气压的瞬间变化。为缓解瞬变压力对旅客舒适度造成影响，国际上有2类方式解决这一跨学科的技术问题。一是欧洲各国为代表的采用加大隧道断面以降低对列车密封性能严重依赖的方式；二是日本采用提高列车密封性能以减小隧道断面的方式[4-6]。这两种方式都围绕在一定的技术经济条件下，在土建工程和车辆设备之间选择平衡点。

我国高速铁路土建工程技术标准，主要源于国家八五科技攻关项目—《高速铁路线桥隧设计参数选择的研究报告》[7]成果，其中，高速铁路隧道内轮廓，是在满足高速铁路建筑限界的基础上，充分考虑了运输组织中不同气密性列车在隧道内运营，较低气密性列车内旅客舒适度仍然满足标准要求的情况。以单洞双线隧道为例，我国现行规范中时速250，300～350 km双线隧道内净空有效面积为分别为90，100 m2。对比世界各国高速铁路双线隧道设计运行速度与隧道断面面积见表1。

表1 世界各国高速铁路双线隧道设计运行速度与断面面积

由表1分析可知，我国高速铁路双线隧道断面净空有效面积，在设计时速250 km时相对较大，设计时速350 km时与欧洲相当。日本时速210～260 km高速铁路双线隧道断面净空有效面积，与我国设计时速120 km的电力牵引普速铁路双线隧道相当。

1.2 隧道气动效应测试

自2008年至今，开展了200～250，300～350 km/h隧道气动效应测试研究及大量的联调联试工作，并以CRH380A型动车组、中国标准动车组、长客标准动车组为计算车型，进行了列车空气动力学仿真计算，主要结论如下。

(1)对于时速250 km铁路隧道，当密封指数大于5 s时，隧道净空面积可由目前的92 m2优化至80 m2。

(2)对于时速300 km铁路隧道，当密封指数大于8 s时，隧道净空面积可由目前的92 m2优化至86 m2。

(3)对于时速350 km铁路隧道，当密封指数大于11 s时，隧道净空面积可由目前100 m2优化至92 m2；此时，车内外压差及当量荷载超过了6 000 Pa，但根据检算，车体可承受约365万次车内外压差8 000 Pa的气动载荷。

1.3 高速磁浮线路双线隧道断面净空有效面积

根据我国TB10630—2019《磁浮铁路技术标准(试行)》[8]，时速160 km以下常导短定子磁浮线路隧道的阻塞比，提出了时速200 km以上常导长定子磁浮线路隧道内车内压力变化容许值，但隧道断面净空有效面积尚未能完全确定。

假定设计时速350 km以上的磁浮线路为高速，世界上高速磁浮线路中包含隧道的当属日本东京至大阪中央新干线，设计时速达500 km，该线路山梨段已于2016年进入试验运营，全线计划于2027年开通运营。磁浮车辆方面，新干线磁浮车MU型列车车体宽约2.9 m，高约3.28 m[9-10]，单洞双线磁浮隧道轨面以上净空面积断面积约80 m2，阻塞比为0.12，阻塞比与我国高速铁路时速350 km/h的隧道相仿。目前，新干线列车已在MU的基础上，不断研究改进，历经MU系列、MLX系列，最新的车型为L0型，呈现不断缩小、且更轻量化的趋势。

1.4 时速400 km线路双线隧道断面分析

按照CRH380A动车组以不同速度在断面净空有效面积100 m2双线隧道中部交会时，按照车内3s压力变化幅值不大于1 250 Pa进行评价。研究表明[11]，中国标准动车组隧道内交会时车内压力变化极值和当量荷载见表2。

表2 标准动车组隧道内交会时车内压力变化和当量荷载

从表2分析可知，时速400 km线路上，断面净空有效面积100 m2双线隧道，密封指数10 s的中国标准动车组，可满足旅客舒适度要求。但因动车组车体承受的当量荷载超出了现行标准规定的±6 000 Pa，疲劳强度容许荷载冲击次数从现行标准的1 000万次下降至365万次。因此，在动车动力性能容许的情况下，现状标准动车组可在时速400 km断面净空有效面积100 m2双线隧道内运行，现行时速350 km隧道断面有效面积无需加大，但从疲劳强度耐受能力角度，车体强度需在现有标准动车组的基础上提高。

1.5 小结

我国现有高速铁路隧道断面净空面积标准在世界上处于较高水准，具备更高速度列车运行的条件，但运行车辆的研制需在中国标准动车组性能的基础上进一步改进，以适应更高速度列车通过隧道有限的空间环境。

综合以上分析，结合我国高速铁路标准现状及发展情况，高速铁路双线隧道断面面积标准建议见表3。双线隧道断面净空有效面积采用100 m2时，与之匹配的车辆应在现行标准的基础上提高车体强度。

表3 高速铁路双线隧道断面面积标准建议

2 洞口缓冲结构

2.1 微气压波及控制标准

高速列车在铁路隧道内运行时，压缩空气以波的形式传播到隧道洞口，由于气压瞬时变化，并以微压波向周边扩散，对周边环境造成一定影响。

我国高速铁路隧道洞口微气压波的控制基准要求，当洞口附近有建筑物或特殊环境要求时，宜通过设置洞口缓冲结构降低微气压波峰值，并满足表4要求。

2.2 控制措施

洞口微气压波和高速列车轮轨产生的振动及噪声对环境造成影响，应采取技术措施缓解微气压波、减振降噪。

隧道口缓解微气压波目前的方式有洞门型缓冲结构、辅助坑道型缓冲结构[12]。洞门型缓冲结构最为普遍，主要类型有斜切式、顶部开孔式、侧面开孔式、加大断面式及间缝式等。辅助坑道式缓冲结构使用较少，往往在洞口附近有施工辅助坑道并兼顾运营其他功能时采用。

2.3 设计原则

在高速铁路修建之初，曾提出高速铁路隧道空气动力学应一隧一算，这个意见的初衷是好的，隧道断面及缓冲结构可根据具体的隧道进行设计，但因我国是一个多山的国家，在我国高速铁路发展初期，尚无标准动车组，完全依靠隧道土建工程解决空气动力学问题是不经济的，也是不科学的，因此，考虑高速列车在短隧道内的空气动力学效应未剧烈放大的情况，设计原则要求时速350 km高速铁路，长度在500 m以上的隧道洞口设置缓冲结构。

2.4 目前存在的问题

(1)隧道缓冲结构设计范围有待进一步细化

目前，隧道洞口50 m内存在路外建筑物的情况极少，因此，规范表格中建筑物与洞口距离<50 m的标准使用情况很少。对于建筑物距离隧道洞口50 m及以上情况，按照现行规范要求，建筑物无环境要求时，可不设缓冲结构。然而，建筑物至洞口≥50 m的情形存在无数可能，且建筑物有无环境要求也很难判定，如全部按距洞口20 m处<50 Pa的标准控制，则隧道洞口为设置缓冲结构而增加的工程投资必然十分庞大。

因此，有必要规定隧道洞口周围≮50 m范围内有建筑物时，隧道洞口产生的微气压波最大影响半径，当建筑物处于该影响范围时，洞口应设置缓冲结构。

(2)缓冲结构型式有待进一步扩展

缓冲结构型式也不能只局限于隧道洞门结构自身或辅助坑道等，如路基或桥梁声屏障，也可以作为缓冲结构的一种型式。

2.5 建议缓冲结构设计范围

(1)必须设计缓冲结构隧道范围

相关研究认为[13-14]，时速350 km双线隧道，铺设无砟轨道时，隧道洞口微气压波随隧道长度增加而增大，当长度超过4 km时增长明显，在7 km左右达到最大值，其后随隧道长度增加而逐渐减小。

基于以上分析，建议在现有规范要求基础上，无论洞口有无环境要求，时速350 km的高速铁路项目，长度4～10 km隧道应设置缓冲结构。

(2)建筑物与无缓冲结构洞口微气压波安全距离

研究认为，无缓冲结构压力梯度峰值在350 km/h时为13.7 kPa，在400 km/h时为22.05 kPa。据此测算当隧道口空间角为0.75π、1.5π时，对应距离洞口20 m处的微气压波：300 km/h时分别为108.0，54.0 Pa；350 km/h时分别为171.2，85.6 Pa；400 km/h时分别为275.4，137.7Pa[15]。

显然，洞口20 m处微气压波明显超出了50 Pa。当建筑物无特殊环境的明确要求，且当隧道口空间角为0.75π、1.5π时，建筑物处微气压波一般按不超过20 Pa考虑相应的距离：350 km/h时分别为108.0，54.0 m；350 km/h时分别为171.2，85.6 m；400 km/h时分别为275.4，137.7 m。因此，建筑物距离无缓冲结构洞口的微气压波安全距离建议见表5。

综上，当隧道洞口在表5中安全距离以外有建筑物，且环境无特殊要求时，可不设缓冲结构。

3 衬砌结构

矿山法施工的铁路隧道衬砌施工缝质量问题十分突出，是长期困扰铁路隧道施工质量控制的重点和难点。主要表现“月牙形”裂缝、缺棱掉角、施工缝空洞、中埋式止水带切割混凝土等[16-17]，其中，以月牙形裂缝和中埋式止水带切割混凝土危害最大，这些质量问题既影响隧道的防水质量，又影响隧道结构运营安全。

针对上述问题，一方面需进一步研究优化隧道防水结构及衬砌结构的施工工艺，通过工艺的改进，消除初期支护和防水层之间空隙，保证二次衬砌灌注的连续性、密实度与饱满度；另一方面，隧道防水及结构设计也需进一步优化，通过针对性设计，保障施工质量。

(1)隧道二次衬砌纵向非连续设计

对于一座隧道而言，洞口往往属于浅埋地段，围岩地质条件受自然应力影响明显，软弱围岩占比高，一般情况下，初期支护全环封闭，拱墙或全环设置钢支撑，二次衬砌为钢筋混凝土。这种支护措施决定了隧道支护、衬砌等工序时间长，进度慢，加之洞口段受力复杂，防排水、二次衬砌往往随掌子面掘进而有序推进，施工质量易控制。

但进入洞身段以后，由于围岩地质条件相对好转，支护措施相对简单，开挖进尺加大，衬砌与掌子面距离虽然也随之加大，为使衬砌与开挖相协调，衬砌台车周转快，混凝土养护时间短，二次衬砌施工质量控制难度加大。

同时，一般情况下Ⅱ、Ⅲ级围岩初期支护承担全部荷载，二次衬砌仅作为安全储备，该安全储备可视为附属工程的安全储备，如接触网悬挂、专用洞室设置、附属设施安装等。因此，在该地段二次衬砌布置，可结合附属工程设计。

为此，对于围岩地质条件较好、地下水不发育的隧道，可考虑局部衬砌不连续设计。同时创新防排水设计思想，地下水不发育的隧道可优化防排水标准与措施，以满足工程施工进展需要。

(2)衬砌端头圆顺形设计

目前，模筑衬砌模与模之间按连续结构设计，两模混凝土之间为黏结，由于两模混凝土间隔时间大于混凝土终凝时间，因此，两模之间的接缝为完全型冷缝，其黏结强度取决于混凝土浇筑质量与接触面的糙度。衬砌端头呈直角，当浇筑混凝土振捣不到位，容易形成高水灰比低强度浆液凝固体，台车脱模及就位时，看似棱角分明直角边容易破坏。

为解决端头衬砌尖角破坏问题，目前采用的方法有：模板端头部位加橡胶条做成V形缝；衬砌完成后切割成V形缝；在敲击检查中敲掉接缝附近的低强度材料。这些措施干预对缝施工质量的效果，目前均不明显。故建议在衬砌不连续设计的基础上，模板端头采用圆弧形设计，如图1所示。

图1 模板端头圆弧形设计示意

(3)耐久性初期支护设计

初期支护的耐久性，目前在铁路工程耐久性设计规范中未涉及，但高性能初期支护一直是矿山法隧道的发展方向，也是隧道工程的关键。

高性能初期支护应具备2个条件：力学性能好、耐久性高。对于开挖洞室初期受力要求高的隧道，往往采用钢架、锚杆、锚索等措施，这些措施受力性能好，但耐久性不足问题也较为突出，因此，高性能初期支护的关键是支护体系钢制构件，耐久性。

喷射混凝土作为初期支护的主要结构，其耐久性需在配合比设计、掺和料及外加剂、喷射工艺、养护、裂缝控制等方面进行耐久性设计。

(4)喷锚支护防水标准与排水设计

喷锚支护防水标准取决于其裂缝控制标准，C30以上强度等级的高性能喷射混凝土，抗渗系数约为1.0×10-9cm/s，与抗渗等级P12以上二次衬砌防水混凝土抗渗系数相当。目前，因影响喷射混凝土质量的因素多，喷射混凝土抗渗等级不单独提出。现行GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》也认为，锚喷衬砌可作为防水等级为三级的结构[18]。

随着高性能喷锚支护质量提高，结合良好的围岩及喷层抗渗性能，以及喷层针对性的排水设计，喷锚支护防水等级达到二级甚至一级是可能的。

(5)二次衬砌混凝土浇筑时机

二次衬砌的浇筑时机，主要看是否留够对地下水入渗情况检验的时间。当围岩条件较好时，隧道可在开挖支护贯通并经地下水入渗情况检验后，再进行衬砌施工，做到初期支护和二次衬砌在工序上的完全分开。因此，岩溶发育的隧道地下水状态宜经历至少一个雨季的检验，寒区隧道宜至少经历一个冬季检验，真正做到“因地制宜，综合治理”。

4 防排水

现行TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》规定，高速铁路隧道拱墙及寒区隧道抗冻设防段防水等级为一级，高速铁路隧道隧底及非寒区普速铁路隧道防水等级为二级[19]。与现行GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》类似，该规范对各等级条件下的防水措施进行了详细规定，存在项目设计时防水设计针对性不强的情况。基于以上原因，建议根据山岭隧道的工程特点，优化防水设计。

(1)分区防水

同一座隧道的防水设防等级只有1个，结构防水措施往往也是统一的，但隧道各个段落地质条件和富水情况有所差异，如排水型隧道的排水系统畅通时，一般显示不出防水效果的差异性。但在排水系统堵塞失效后，渗漏问题往往在防水薄弱的环节出现。这种现象说明富水段的防水措施可能不足，其他段落的防水措施可能有优化之处。

为有效解决上述问题，一座隧道按不同的富水条件，采取分区防水是必要的，富水段通过强化防水排水措施，减少渗漏缺陷，同时在富水段边界设置阻水措施，避免地下水纵向窜流。

(2)分区检验

防排水系统的实施，需视隧道开挖支护后地下水运移情况采取针对性措施，最简单的办法是隧道开挖支护贯通后，先不施工防排水系统及二次衬砌，待一个年份的自然检验，发现支护结构的渗漏情况，针对性实施防排水体系。

但隧道施工各工序随掌子面掘进，为协调施工，重点对岩溶发育及抗冻设防段初期支护进行地下水入渗情况检验。

5 防灾疏散救援

现行TB 10020—2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》提出的20 km以上隧道及隧道群，应设置紧急救援站[20]。目前，国内外火灾事故列车的残余运行能力，一般按照时速80 km，行驶15 min，亦即20 km作为规范的依据。不少专家学者结合线路坡度、车辆性能研究紧急救援站的合理距离，但由于列车火灾事故具有偶发性特点，很难预测。因此，隧道或隧道群2座紧急救援站按照20 km是合理的。

紧急救援站最典型的设计是瑞士圣哥达隧道，其中设置了2座紧急救援站，但救援站之间的2条单洞，设置了间隔325 m横通道，紧急情况下人员疏散时间约9 min。日本青函隧道海底段2处应急停车点之间也增加了局部疏散通道。

建议重视超长隧道或隧道群防灾疏散救援，超长隧道或隧道群目前虽然无定义，但可认为是隧道或隧道群内至少设置2座紧急救援站，这种情况下，2座紧急救援站之间的区间隧道建议强化疏散功能设计。