高速鐵路隧道設計中的注意事項

劉志中 中鐵第五勘察設計院集團有限公司助理工程師

近年來，隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，高速鐵路隧道建設邁入了全新的發(fā)展階段。我國疆域廣闊，地形千變萬化，“逢山開洞，遇水架橋”，隧道正在改變著這個山巒遍布的國家。截至2019 年，我國鐵路隧道達到16084 座，總里程超過18041 km。越來越多的鐵路項目面臨較復雜的建設環(huán)境，隧道設計也迎來了更大的挑戰(zhàn)，因此提高和改善現(xiàn)有的設計水平和設計質量顯得尤為重要。下面結合在建漢巴南鐵路隧道的設計與施工，詳細分享以下幾點注意事項。

1 工程概況

漢巴南鐵路南充至巴中段位于四川省東北部，沿線經(jīng)過丘陵區(qū)和低山丘陵區(qū)兩大地貌單元。全線隧道穿越巖性主要為白堊系、侏羅系碎屑巖，以砂巖、粉砂巖、泥巖互層為主。巖層傾角一般為1°～5°，屬緩傾巖層。隧道通過地區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水，賦存于基巖的構造裂隙和風化裂隙中，水量受節(jié)理、裂隙發(fā)育程度影響較大。

鐵路正線設計速度目標值V=250 km/h，隧道建筑限界滿足《高速鐵路設計規(guī)范》（TB 10621—2014）要求，雙線隧道內軌頂面以上凈空面積為92 m2。

2 洞口工程設計

2.1 確定合理的洞口位置是安全進洞的前提

隧道洞口位置的選擇應盡量避開溝谷地形以及富水、淺埋、偏壓等段落。洞口位置的確定應貫徹“早進洞，晚出洞”的原則，同時應結合周邊地形、地層巖性、洞門開挖、外界環(huán)境等多種因素綜合確定。采用暗挖法施工的隧道洞口，應于拱部范圍內設置長約30 m的大管棚作為超前支護，確保安全進洞。

2.2 選取合適的洞門形式與周邊環(huán)境協(xié)調一致

漢巴南鐵路隧道共設置帽檐斜切式、倒切式、端墻式、單壓式和雙耳墻式5 種洞門結構。洞門形式應綜合考慮地形、地貌、洞口地質條件、周邊環(huán)境等因素，按照“確保安全、因地制宜、保護環(huán)境、簡約實用”的原則確定，優(yōu)先選擇帽檐斜切式洞門以適合高速鐵路的特點。長度500 m 及以上的隧道，結合洞口地形及周邊環(huán)境，有條件的采用側邊開孔的緩沖結構洞門。

2.3 因地制宜采取合適的邊坡防護形式

漢巴南鐵路全線隧道洞口圍巖以全～弱風化砂巖、粉砂巖為主，巖體較破碎，工程地質條件體較差，易坍塌。洞口永久邊、仰坡開挖坡率為粉質黏土、全風化砂巖、粉砂巖采用1.0 ∶1.5，強風化砂巖、粉砂巖采用1.00 ∶1.25，弱風化砂巖、粉砂巖采用1 ∶1[1]。洞口開挖過程中應及時進行坡面防護，邊仰坡臨時防護采用噴錨網(wǎng)防護。對于永久防護，一般土質邊仰坡采用帶排水槽的拱形骨架護坡進行綠色防護，骨架采用C25 混凝土結構，中心綠化；石質邊坡采用錨桿框架梁防護。矮（高度不大于4 m）邊坡采用空心磚防護，磚內回填種植土與草籽混合料。配合施工階段依據(jù)成都鐵路局及路局工務部門意見，結合洞口周邊環(huán)境及地層巖性將空心磚防護變更為客土植草灌木防護或土工網(wǎng)墊植生防護。

2.4 合理確定洞口永久用地界，避免二次征地

漢巴南鐵路位于四川省東北部，以丘陵區(qū)和低山丘陵區(qū)地貌為主。山區(qū)隧道地形起伏較大，砂、泥巖風化差異明顯，坡面陡坎地形較多，而且洞口附近植被茂密，均易導致測量成果與實際地形有所偏差。定測階段應做好詳細調查，確?；A資料的準確性。設計階段根據(jù)洞口結構、開挖線、截水天溝、防護柵欄以及防洪檢查通道等各項工程統(tǒng)籌考慮洞口用地范圍。另外，由于路基、橋梁的邊坡開挖坡率及防護形式與隧道不同，易在里程分界處存在用地不足。因此，設計施工圖階段應逐工點做好與相關專業(yè)的過渡，方能保證洞口處結構和諧過渡以及用地紅線合理。

3 洞身工程設計

隧道洞身設計包括施作初期支護、防水層、二次襯砌、洞內附屬構筑物及軌道。初期支護以噴錨支護配合其他輔助措施。一般隧道暗洞采用復合式襯砌，隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用曲墻帶仰拱的結構形式。

3.1 合理確定支護措施和參數(shù)，防止塌方

隧道工程的支護措施和參數(shù)，設計單位不能簡單地修正和套用通用參考圖，而應根據(jù)現(xiàn)場開挖揭示的圍巖情況以及超前地質預報的結果，對洞身設計參數(shù)適時進行調整。對于Ⅱ、Ⅲ級圍巖局部破碎、裂隙發(fā)育地段，可設置部分鋼架支護，防止圍巖掉塊；對于水平巖層，拱部輪廓難以控制，應加強拱部的初期支護。部分特殊圍巖段，支護參數(shù)難以確定時，應采取寧強勿弱的措施，確保施工安全。

3.2 根據(jù)隧道的地質條件，選擇適宜的設計施工方法

漢巴南鐵路隧道洞身穿越巖性以砂巖、粉砂巖為主。雙線隧道Ⅲ級圍巖地段采用臺階法，Ⅳ級圍巖地段采用三臺階法，Ⅴ級深埋段一般采用三臺階法，Ⅴ級洞口段、淺埋偏壓地段采用三臺階臨時仰拱法[2]。對于穿越重要建筑物、臨近建筑物基礎等對沉降、側斜、振動有嚴格控制標準的，采取銑挖法等機械法或非爆破法施工。

3.3 進行合理的機械化配套，加快施工的進度

目前，多數(shù)隧道施工工序以手工作業(yè)為主，勞動效率低。為適應我國鐵路隧道快速發(fā)展的新形勢，各建設項目需結合具體情況研究制定適合的機械化配套?？紤]到光輝隧道和東華山隧道為漢巴南鐵路的重點控制工程，其斜井工區(qū)按照高度機械化配套設置。根據(jù)隧道機械化施工各作業(yè)工序的特點，綜合考慮整體工序之間銜接，按照“配套生產(chǎn)能力＞均衡生產(chǎn)能力、運輸能力＞1.2 倍挖裝渣能力、開挖能力≥施工組織要求能力”的配套原則；機械化配套宜優(yōu)選具備自動化、信息化或智能化的設備。具體配置可參照《鐵路隧道工程施工機械配置技術規(guī)程》（Q/CR 9226—2015）并結合建設單位要求確定。

4 特殊設計

高速鐵路以高橋隧比著稱，因此隧道設計和施工中遇到的困難點隨之增加。在建漢巴南鐵路隧道洞身就穿越多處高風險點，如下穿既有構筑物、水（魚）塘、鐵路和公路隧道、道路、燃氣管道、輸水隧洞、臨近既有線、橋梁樁基、瓦斯以及淺埋偏壓等。在勘察設計階段，主要是通過各種手段，查清各種風險源對隧道建設安全的影響程度，有針對性地優(yōu)化設計方案或采取工程措施，使安全風險控制在可以接受的范圍內[3]。

對淺埋、偏壓等地形、地質條件較差的隧道洞口、洞身段，應先預加固圍巖后再開挖，視地形地質條件可采用地面預注漿等措施加固圍巖，根據(jù)具體圍巖情況設置長管棚、超前小導管等超前支護措施。

對于隧道穿越地表零星或密集房屋的，結合隧道施工控制，一般對隧道埋深在20 m 以內、處于線路左右線兩側各30 m 范圍的地表房屋按拆遷處理。對于未拆遷的房屋加強過程中的監(jiān)控量測，結合隧道埋深、地質條件、建筑物與隧道的平面間距等因素綜合考慮采取針對性的處理措施。

針對隧道近距離下穿鐵路、輸水明渠、輸水隧洞等構筑物時，根據(jù)構筑物的現(xiàn)狀，結合隧道埋深及地層條件，采取洞內加強支護，嚴格控制施工工藝，嚴格控制沉降等措施，如采取洞內超前管棚+小導管、控制爆破等措施，必要時應采取機械法開挖。同時，應加強采取監(jiān)控量測和超前地質預報等措施，必要時進行第三方監(jiān)控量測并計列費用[4]。

針對隧道臨近既有鐵路、近距離側穿構筑物基礎或重要建（構）筑物時，應采取機械開挖或控制爆破，必要時應設置圍護樁、隧道側邊超前注漿加固等措施加強對構筑物基礎的防護，加強臨近段隧道的支護結構及監(jiān)控量測，并進行對既有構筑物的第三方監(jiān)控量測。

針對隧道與水庫（或水塘）距離較近并存在水力聯(lián)系時，結合周邊環(huán)境，如存在居民點等，根據(jù)圍巖富水情況及地質條件采取超前帷幕注漿、超前周邊注漿或徑向注漿等注漿堵水措施。針對正穿地表水塘、且隧道埋深在25 m 以下的考慮抽排水并將地表水塘按廢棄處理，同時結合實際考慮水塘內夯填土石表層覆土綠化；對于臨近線路的隧道兩側水塘，結合隧道埋深、水塘相對隧道高差等因素，考慮采取洞身襯砌加強、洞身注漿堵水等措施[5]。

5 目前隧道設計存在的問題

勘察設計是工程項目的靈魂，任何一個建設項目，勘察設計都有其合理的周期，人為壓縮勘察設計周期，只會帶來勘察設計質量的降低，為工程建設帶來隱患。隧道工程是一個經(jīng)驗性極強的學科，隨著隧道建設工程的不斷發(fā)展，受勘察手段制約，要想準確無誤地搞清工程地質情況基本是不可能的。設計人員憑借現(xiàn)有地質資料進行設計，必然會造成設計與施工現(xiàn)場不符。另外，隧道設計主要采用半經(jīng)驗方法和工程類比，對隧道圍巖穩(wěn)定性認識不夠深入，以及現(xiàn)場部分工序難以得到保證質量，均易導致施工安全事故發(fā)生。隧道設計除滿足使用功能和耐久性外，更應重視施工安全。隧道工程數(shù)量的確定是設計階段最重要的環(huán)節(jié)，限于計算方法陳舊，以及部分工程量的計算只能靠估算或者工程類比，工程措施過于保守設計，均增加了隧道投資不可控的風險。

6 結語

隧道工程在鐵路建設的諸多工程項目中屬高風險項目，應引起各方面足夠重視。設計者要強化工程設計安全，提高安全措施的針對性、可靠性，切實保證設計方案科學合理、安全可靠。同時，要根據(jù)現(xiàn)場實際，適時調整安全措施，避免安全風險擴大，釀成事故。