高速铁路隧道设计中的注意事项

刘志中 中铁第五勘察设计院集团有限公司助理工程师

近年来，随着经济社会的高速发展，高速铁路隧道建设迈入了全新的发展阶段。我国疆域广阔，地形千变万化，“逢山开洞，遇水架桥”，隧道正在改变着这个山峦遍布的国家。截至2019 年，我国铁路隧道达到16084 座，总里程超过18041 km。越来越多的铁路项目面临较复杂的建设环境，隧道设计也迎来了更大的挑战，因此提高和改善现有的设计水平和设计质量显得尤为重要。下面结合在建汉巴南铁路隧道的设计与施工，详细分享以下几点注意事项。

1 工程概况

汉巴南铁路南充至巴中段位于四川省东北部，沿线经过丘陵区和低山丘陵区两大地貌单元。全线隧道穿越岩性主要为白垩系、侏罗系碎屑岩，以砂岩、粉砂岩、泥岩互层为主。岩层倾角一般为1°～5°，属缓倾岩层。隧道通过地区地下水类型主要为基岩裂隙水，赋存于基岩的构造裂隙和风化裂隙中，水量受节理、裂隙发育程度影响较大。

铁路正线设计速度目标值V=250 km/h，隧道建筑限界满足《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）要求，双线隧道内轨顶面以上净空面积为92 m2。

2 洞口工程设计

2.1 确定合理的洞口位置是安全进洞的前提

隧道洞口位置的选择应尽量避开沟谷地形以及富水、浅埋、偏压等段落。洞口位置的确定应贯彻“早进洞，晚出洞”的原则，同时应结合周边地形、地层岩性、洞门开挖、外界环境等多种因素综合确定。采用暗挖法施工的隧道洞口，应于拱部范围内设置长约30 m的大管棚作为超前支护，确保安全进洞。

2.2 选取合适的洞门形式与周边环境协调一致

汉巴南铁路隧道共设置帽檐斜切式、倒切式、端墙式、单压式和双耳墙式5 种洞门结构。洞门形式应综合考虑地形、地貌、洞口地质条件、周边环境等因素，按照“确保安全、因地制宜、保护环境、简约实用”的原则确定，优先选择帽檐斜切式洞门以适合高速铁路的特点。长度500 m 及以上的隧道，结合洞口地形及周边环境，有条件的采用侧边开孔的缓冲结构洞门。

2.3 因地制宜采取合适的边坡防护形式

汉巴南铁路全线隧道洞口围岩以全～弱风化砂岩、粉砂岩为主，岩体较破碎，工程地质条件体较差，易坍塌。洞口永久边、仰坡开挖坡率为粉质黏土、全风化砂岩、粉砂岩采用1.0 ∶1.5，强风化砂岩、粉砂岩采用1.00 ∶1.25，弱风化砂岩、粉砂岩采用1 ∶1[1]。洞口开挖过程中应及时进行坡面防护，边仰坡临时防护采用喷锚网防护。对于永久防护，一般土质边仰坡采用带排水槽的拱形骨架护坡进行绿色防护，骨架采用C25 混凝土结构，中心绿化；石质边坡采用锚杆框架梁防护。矮（高度不大于4 m）边坡采用空心砖防护，砖内回填种植土与草籽混合料。配合施工阶段依据成都铁路局及路局工务部门意见，结合洞口周边环境及地层岩性将空心砖防护变更为客土植草灌木防护或土工网垫植生防护。

2.4 合理确定洞口永久用地界，避免二次征地

汉巴南铁路位于四川省东北部，以丘陵区和低山丘陵区地貌为主。山区隧道地形起伏较大，砂、泥岩风化差异明显，坡面陡坎地形较多，而且洞口附近植被茂密，均易导致测量成果与实际地形有所偏差。定测阶段应做好详细调查，确保基础资料的准确性。设计阶段根据洞口结构、开挖线、截水天沟、防护栅栏以及防洪检查通道等各项工程统筹考虑洞口用地范围。另外，由于路基、桥梁的边坡开挖坡率及防护形式与隧道不同，易在里程分界处存在用地不足。因此，设计施工图阶段应逐工点做好与相关专业的过渡，方能保证洞口处结构和谐过渡以及用地红线合理。

3 洞身工程设计

隧道洞身设计包括施作初期支护、防水层、二次衬砌、洞内附属构筑物及轨道。初期支护以喷锚支护配合其他辅助措施。一般隧道暗洞采用复合式衬砌，隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩采用曲墙带仰拱的结构形式。

3.1 合理确定支护措施和参数，防止塌方

隧道工程的支护措施和参数，设计单位不能简单地修正和套用通用参考图，而应根据现场开挖揭示的围岩情况以及超前地质预报的结果，对洞身设计参数适时进行调整。对于Ⅱ、Ⅲ级围岩局部破碎、裂隙发育地段，可设置部分钢架支护，防止围岩掉块；对于水平岩层，拱部轮廓难以控制，应加强拱部的初期支护。部分特殊围岩段，支护参数难以确定时，应采取宁强勿弱的措施，确保施工安全。

3.2 根据隧道的地质条件，选择适宜的设计施工方法

汉巴南铁路隧道洞身穿越岩性以砂岩、粉砂岩为主。双线隧道Ⅲ级围岩地段采用台阶法，Ⅳ级围岩地段采用三台阶法，Ⅴ级深埋段一般采用三台阶法，Ⅴ级洞口段、浅埋偏压地段采用三台阶临时仰拱法[2]。对于穿越重要建筑物、临近建筑物基础等对沉降、侧斜、振动有严格控制标准的，采取铣挖法等机械法或非爆破法施工。

3.3 进行合理的机械化配套，加快施工的进度

目前，多数隧道施工工序以手工作业为主，劳动效率低。为适应我国铁路隧道快速发展的新形势，各建设项目需结合具体情况研究制定适合的机械化配套。考虑到光辉隧道和东华山隧道为汉巴南铁路的重点控制工程，其斜井工区按照高度机械化配套设置。根据隧道机械化施工各作业工序的特点，综合考虑整体工序之间衔接，按照“配套生产能力＞均衡生产能力、运输能力＞1.2 倍挖装渣能力、开挖能力≥施工组织要求能力”的配套原则；机械化配套宜优选具备自动化、信息化或智能化的设备。具体配置可参照《铁路隧道工程施工机械配置技术规程》（Q/CR 9226—2015）并结合建设单位要求确定。

4 特殊设计

高速铁路以高桥隧比著称，因此隧道设计和施工中遇到的困难点随之增加。在建汉巴南铁路隧道洞身就穿越多处高风险点，如下穿既有构筑物、水（鱼）塘、铁路和公路隧道、道路、燃气管道、输水隧洞、临近既有线、桥梁桩基、瓦斯以及浅埋偏压等。在勘察设计阶段，主要是通过各种手段，查清各种风险源对隧道建设安全的影响程度，有针对性地优化设计方案或采取工程措施，使安全风险控制在可以接受的范围内[3]。

对浅埋、偏压等地形、地质条件较差的隧道洞口、洞身段，应先预加固围岩后再开挖，视地形地质条件可采用地面预注浆等措施加固围岩，根据具体围岩情况设置长管棚、超前小导管等超前支护措施。

对于隧道穿越地表零星或密集房屋的，结合隧道施工控制，一般对隧道埋深在20 m 以内、处于线路左右线两侧各30 m 范围的地表房屋按拆迁处理。对于未拆迁的房屋加强过程中的监控量测，结合隧道埋深、地质条件、建筑物与隧道的平面间距等因素综合考虑采取针对性的处理措施。

针对隧道近距离下穿铁路、输水明渠、输水隧洞等构筑物时，根据构筑物的现状，结合隧道埋深及地层条件，采取洞内加强支护，严格控制施工工艺，严格控制沉降等措施，如采取洞内超前管棚+小导管、控制爆破等措施，必要时应采取机械法开挖。同时，应加强采取监控量测和超前地质预报等措施，必要时进行第三方监控量测并计列费用[4]。

针对隧道临近既有铁路、近距离侧穿构筑物基础或重要建（构）筑物时，应采取机械开挖或控制爆破，必要时应设置围护桩、隧道侧边超前注浆加固等措施加强对构筑物基础的防护，加强临近段隧道的支护结构及监控量测，并进行对既有构筑物的第三方监控量测。

针对隧道与水库（或水塘）距离较近并存在水力联系时，结合周边环境，如存在居民点等，根据围岩富水情况及地质条件采取超前帷幕注浆、超前周边注浆或径向注浆等注浆堵水措施。针对正穿地表水塘、且隧道埋深在25 m 以下的考虑抽排水并将地表水塘按废弃处理，同时结合实际考虑水塘内夯填土石表层覆土绿化；对于临近线路的隧道两侧水塘，结合隧道埋深、水塘相对隧道高差等因素，考虑采取洞身衬砌加强、洞身注浆堵水等措施[5]。

5 目前隧道设计存在的问题

勘察设计是工程项目的灵魂，任何一个建设项目，勘察设计都有其合理的周期，人为压缩勘察设计周期，只会带来勘察设计质量的降低，为工程建设带来隐患。隧道工程是一个经验性极强的学科，随着隧道建设工程的不断发展，受勘察手段制约，要想准确无误地搞清工程地质情况基本是不可能的。设计人员凭借现有地质资料进行设计，必然会造成设计与施工现场不符。另外，隧道设计主要采用半经验方法和工程类比，对隧道围岩稳定性认识不够深入，以及现场部分工序难以得到保证质量，均易导致施工安全事故发生。隧道设计除满足使用功能和耐久性外，更应重视施工安全。隧道工程数量的确定是设计阶段最重要的环节，限于计算方法陈旧，以及部分工程量的计算只能靠估算或者工程类比，工程措施过于保守设计，均增加了隧道投资不可控的风险。

6 结语

隧道工程在铁路建设的诸多工程项目中属高风险项目，应引起各方面足够重视。设计者要强化工程设计安全，提高安全措施的针对性、可靠性，切实保证设计方案科学合理、安全可靠。同时，要根据现场实际，适时调整安全措施，避免安全风险扩大，酿成事故。