铁路隧道设计的基本原则和理念20090818.ppt
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1、铁路隧道建设理念及主要设计原则,中国工程院院士 王梦恕,一、 建立五个理念 (一)地下工程是不可逆工程,不具备拆除重建的条件,因此必须是遗产工程。不允许是遗憾工程和灾害工程。,1、不合理工期、不合理造价、限额设计、轻方案研究是产生根本性遗憾之源。 2、取消单线建设,修建复线、多线或局部多线,全面合理提速。 3、用技术条件取代规范,多搞指南少搞规范,为创新构建平台。,(二)地下工程是风险性很大工程,必须实事求是,科学地进行风险性评估。评估内容为:施工安全评价、施工质量评估、环境评估,最后是施工进度和施工成本评估。 在建设全过程中应对可研阶段、初步设计阶段、施工阶段、运营阶段进行全方位工程风险、环
2、境等分析。,(三)必须进行信息化动态反馈设计。通过支护参数调整,确保施工安全,不改变设计是不对的。 毛泽东主席在65年对北京地铁修建的批示“精心设计、精心施工,在建设过程中会有不少错误失败,随时注意修正”。隧道工程不定因素很多,设计者必须实事求是,及时修改图纸。这是衡量设计水平高低的标准之一。,(四)合理工期、合理造价、合理合同、合理施工方案、是隧道建设检验科学发展观的四条标准。 如渝兰线32公里关角隧道设计,应考虑小TBM+钻爆法施工新模式。利用二线导洞快速施工+横通道模式取消斜井。取消费工费时、造价高向上运输方式的理念。,(五)风险责任主体与风险转化 据国际隧道工程保险集团对施工现场发生安
3、全事故的原因的调查结果表明,将施工方作为工程安全唯一主体是不对的,目前五个阶段的风险界定不清,而这些风险往往到施工时才反映出来,由施工方完全承担这些风险是不合理的。,设计失误41%,不可抗力18%,施工缺陷21%,地质勘探不足12%,信息缺乏8%,二、主要设计原则 (一)单洞双线隧道和两个单线隧道的选择原则 选择前提,应遵守的原则 1、钻爆法施工时,有轨运输堵头通风最大长度78Km;无轨运输堵头通风最大长度3.5Km。,2、施工通风有两种方式 洞口压入式管道通风(传统方式)适用条件可单洞压入,费电,通风长度短; 洞内射流巷道式通风,必须平行两个洞,省电。效率高,可实现堵头10Km以上,是通风新
4、成果。,隧道施工洞口无主扇风机,U形气流射流风机,通风技术 该技术适用于上下行、分离式双洞隧道。这是打破常规的新模式,取消了在洞口采用大功率主扇压入式向洞内输送新风的模式。采用在洞内横通道之间设置射流风机(1530KW/台), 风机本身产生高速气流(30米秒)的卷吸作用,产生很大的压力差,从而强迫诱导大量新风,在U型风道中产生单向巨大风流,达到换气目的。,建议隧道设计采用上、下行分洞设计,或正洞加平导设计,能实现长距离施工通风。,3、从设备投入,快速施工考虑,有轨运输设备投入大,管理复杂,充电电池满足不了长距离运输;无轨运输设备投入小,配合洞内射流巷道通风,是快速施工的最好模式。,鉴于以上三个
5、前提,建议优选两个单线隧道设计方案。可不要任何斜竖井实现特长、长隧道的安全、快速施工。不破坏山体环境。该方案对建设过程和建成后都会带来很大方便,尤其在软弱、岩溶、煤系、浅埋、大变形地层更会减少风险和工程投资。也可设计单洞双线隧道加平导贯通方案。,若一定要用单洞双线隧道,不设平导,采用无轨运输,设计长度应7Km;不设平导,有轨运输,设计极限长度应15Km,设备投入比无轨多2.5亿以上,综合全面比较,该方案风险大,不省钱。 折中方案是单洞双线隧道加平导全贯通。该方案更贵。,(二)隧道纵坡设置问题 1、应高位选线(如南昆线),可避免许多灾害。 2、禁止在岩层交界面上选线,如福田车站上软下硬,很难施工
6、。,3、富水地区必须采用人字坡,以利于防灾和排水。(富水定义:水量2台最大抽水泵量) 4、铁路进城市应按深埋选线,减少对环境的破坏。(如石家庄市客运专线),平行既有线采用明挖法施工,对运营、施工安全影响很大,城市交通路口采用盖挖逆作法施工,严重影响交通和环境,(三)隧道辅助导洞设置问题 1、利用平导增设工作面、解决施工通风是最好的方法。不设斜竖井施工,可增设多条平导和横洞。如终南山隧道、瑞士阿尔比斯山隧道。,平行双洞特长隧道施工多工作面圆梁山隧道11公里,无斜、竖井施工实例。,终南山公路隧道18.4公里,利用铁路平导及8个横通道建成,没有设置任何竖井、斜井,节约造价3.6亿、一年半建成上行线。
7、,2、深层岩溶及富水地区,必须增设泄水洞和大流水溶洞相联,释能减压,以利营运安全。 3、利用射流巷道式通风方式,可改变辅助坑道的理念,可改变长大隧道设计的方法。,采用平行双洞射流通风模型,可解决长大隧道施工通风难题。采用无轨运输模式,施工通风可达10公里以上。,4、施工分段应考虑施工通风的方式,从隧道中部分段优点很多。不允许像TBM施工中的单条分割法。,(四)支护结构设计原则 1、初期支护是保证施工安全的关键,要有足够的刚度和强度,承受二衬砌施作前施工期间的全部土压力荷载。不计水压力(以绕排降压)。,2、软弱、破碎围岩(、级)按普式拱理论计算压力;、级围岩按爆破松动圈22.5m厚计算。 3、初
8、期支护由喷网、网构钢拱架、锁脚锚管、纵向链接系组成,形成永久承载结构,二次混凝土衬砌作为安全储备。,全部采用网构钢拱架,取消型钢拱架,靠近工作面的第一排钢拱架不受力。网构钢拱架在X、Y方向能做到等强度、等刚度、等稳定度。喷混凝土后的网构拱架承受10倍荷载,工钢则承受4倍荷载;工刚后部混凝土喷不上,渗漏水;耐久性好;便宜省钢材;安装容易;宜和小导管、锁脚锚管结合。,4、不同围岩的稳定由初期支护进行调整,可加强或减弱,当在56倍洞经处通过量测证明已稳定的情况下,方可进行二次衬砌边顶的混凝土灌注。二次衬砌分三次施工:一是底层混凝土和仰拱可以跟在工作面1倍洞经以外,二是衬砌边墙基础紧跟,目的是增加一次
9、支护的安全系数。三是边顶拱模板台车衬砌。,5、二次衬砌作为安全储备,从有利百年大计出发可不设钢筋(当断面轮廓为小偏心受压时),衬砌厚度一般定为3040cm,不随围岩改变而改变。,6、必须取消拱部锚杆;必须采用网构钢拱架;必须取消湿喷混凝土;必须取消中部排水沟;有钢拱架之地可不设系统锚杆,而在接头处设置锁脚锚管。,取消系统锚杆,目前锚杆结构不是永久锚杆,只是临时锚杆。 软弱地层不设锚杆,只设索脚锚管。有钢拱架区段不设临时锚杆。 级围岩不设锚杆。 级围岩局部破碎设置锚杆和钢筋网。 锚杆在设计计算中是无法作为支护结构来考虑的。 锚杆是施工时临时加固的手段。 锚杆施作的时空效应很难实现。,7、全隧道不
10、设变形缝;防水隔离层背后设系统盲管,防水隔离层不允许全包,只包在边墙底基础上,和两侧排水沟形成排水系统;取消止水板,施工缝处设置BW防水条。,8、在二衬及防水板铺设前应进行初期支护,背后充填灌浆,确保二衬在无水下施工。 9、大变形、大地应力地段采用圆形轮廓及衬砌是最简单的方法。,(五)快速施工原则 1、隧道的出路在于机械化。 2、应配属钻孔作业线、裝碴运输作业线、一次衬砌作业线、防水及二次衬砌作业线,四条主线。应配属施工通风作业线、注浆防排水作业线,两条辅助线。 3、采用光面爆破工艺、导洞超前、全断面扩大、二次钻爆法实现减震、光爆、快速。,全断面开挖改为小TBM超前打通,后部用钻爆法扩大。 优
11、点: (1)可以超前预报; (2)爆破减振30%,炸药比全断面爆破减少510%; (3)扩大爆破,炮眼利用率为100%,所以提高开挖速度23倍; (4)炮眼半孔保存率80%,线形超挖10cm; (5)爆破碴堆、碴块均匀、集中,便于快速出碴; (6)纵向爆破冲击波小,对后部工序影响小.,4、按无轨运输、双洞、射流巷道式通风实现特长隧道无斜竖井设计和施工。,六、其它 1、洞门洞口段设计。,()洞口位置不当,产生塌方、偏压的理念 ()洞口间距过大,不利管理和节约土地,可以小间距的理念 ()洞口不设深路堑(应小于)的理念,()优选切削式不受力洞门的理念 ()美化洞口及周边环境的理念 ()上下行洞口错开
12、,设挡墙防止废气进入另一洞口、气流短路的理念,()洞口段、洞门、明洞之间合理施工方法的理念 ()洞口变坡点合理设置的理念,2、必须重视岩溶地区的综合地质超前预报。长短结合以短为主,预报范围前方30m,隧道周边外1倍洞径做为工序列入。,3、软弱地层必须采用潮喷混凝土,不提倡湿喷混凝土。,4、正台阶施工不允许分长、中、微台阶,台阶长度为一倍洞径,第一个上台阶高度必须为2.5m,小导管长度为台阶高度加1 m。,纵向承载拱 上台阶过长引起松动荷载 开挖过程纵向变位影响长度,微台阶引起工作面失稳,5、选择适宜的辅助施工工法: 常用的有:环形开挖留核心土、喷射混凝土封闭开挖工作面、超前锚杆式、超前小导管支
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