中日鐵路隧道工程技術標準對比分析研究

曾滿元,陳赤坤,趙東平

(中鐵二院工程集團有限責任公司土建二院,成都 610031)

1 概述

自從 1964年世界上第一條高速鐵路在日本問世以來,世界高速鐵路發展很快,到 2005年底,全世界已開通運營的時速 250km以上高速鐵路里程達6400km。我國從全長 120km、時速 350km的京津城際鐵路在 2008年 8月 1日開通運營后,武廣、鄭西、石太等客運專線已相繼投入使用。根據鐵道部的最新規劃,到 2012年底,我國客運專線和城際鐵路的運營里程將達到 1.3萬 km。屆時,我國將超越日本和德國等高鐵起步較早的國家,成為全球高速鐵路運營里程最長的國家。

作為基礎工程,隧道是高速鐵路的重要組成部分。我國幅員遼闊,地形、地質、地貌復雜多樣,高速鐵路技術標準高、線路曲線半徑大、隧道工程多,目前我國在建和擬建的客運專線和城際鐵路項目中隧道總長度將超過1000km。為高標準、高質量、高效率地搞好高速鐵路隧道建設,構建我國自己的高速鐵路標準體系,借鑒已掌握高鐵建設技術的日本、德國等國家的高鐵隧道設計、施工及管理的經驗教訓,回顧我國鐵路隧道100多年來的建設發展歷程,尤其是隧道標準、規程、規范的編制、修改、完善的歷史,開展《中日鐵路隧道工程技術標準對比分析研究》具有十分重要的意義,也是非常及時和必要的。

2 我國鐵路隧道設計標準歷史及現狀

2.1 普速鐵路隧道標準(設計速度目標值 ＜160km/h)

1960年以前我國無鐵路隧道設計的專業規范,1960年 3月才發布第一本《鐵路隧道設計規范》。1975年 7月鐵路隧道設計與施工的規定合編成《鐵路工程技術規范?第三篇 隧道》。20世紀 80年代批準發布的隧道技術標準主要有《鐵路隧道設計規范》(TBJ3—85)、《鐵路隧道施工規范》(TBJ204—86)、《鐵路隧道施工技術安全規則》(TBJ404—87)、《鐵路隧道工程質量檢驗評定標準》(TBJ417—87)和《鐵路隧道錨桿噴射混凝土支護設計施工技術規則》(1980年)、《鐵路隧道新奧法指南》(1988年)等。

20世紀 90年代,《中華人民共和國標準化法》規定我國標準其實施范圍分為國家標準、行業標準、地方標準和企業標準 4級,并以其執行的屬性劃分為強制性標準和推薦性標準 2類。由此,原來的部標準要轉變為行業標準,標準的體制將由單一的強制性標準體制改變為強制性與推薦性相結合的標準體制。

“八五”期間批準發布的鐵路隧道工程技術標準有《鐵路隧道噴錨構筑法技術規則》(TBJ108—92)、《鐵路瓦斯隧道技術暫行規定》(1994年)、《鐵路隧道輔助坑道技術規范》(TB10109—95)、《鐵路工程結構可靠度設計統一標準》(GB50216—94)等。

“九五”時期,對《鐵路隧道設計規范》(TBJ3—85,含 1996年局部修訂)、《鐵路隧道施工規范》(TBJ204—86)、《鐵路隧道噴錨構筑法技術規則》(TBJ108—92)、《鐵路瓦斯隧道技術暫行規定》等進行了全面修訂,編制成《鐵路隧道設計規范》(TBl0003—99)、《鐵路隧道施工規范 》(TB10204— 2002)、《鐵路隧道噴錨構筑法技術規范》(TB10108—2002)、《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002)等。2001年 9月 1日,經修訂后的《鐵路隧道設計規范》(TBl0003—2001)經鐵道部批準發布。

為貫徹鐵路又好又快發展的要求,落實“強本簡末”的原則,2003年 8月在《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2001)基礎上,對其部分內容進行了補充、修訂,編制成現行的《鐵路隧道設計規范》(TBl0003—2005)。規范的適用范圍調整為“旅客列車設計行車速度小于或等于 160km/h的Ⅰ、Ⅱ級新建、改建標準軌距客貨共線鐵路隧道的設計”。

2.2 高速鐵路隧道標準(設計速度目標值≥160km/h)

2003年 10月,鐵道部發布《新建時速 200km客貨共線鐵路設計暫行規定》(鐵建設函[2003]439號),這是我國指導高速鐵路設計的第一本暫規。以后,又陸續發布了《京滬高速鐵路設計暫行規定》(鐵建設[2004]157號),《新建時速 200km客貨共線鐵路設計暫行規定》(鐵建設函[2005]285號),《新建時速200～250km客運專線鐵路設計暫行規定》(鐵建設[2005]140號)等 3部高速鐵路暫規,2007年發布《新建時速300～350km客運專線鐵路設計暫行規定》(鐵建設[2007]47號)替代《京滬高速鐵路設計暫行規定》,2009年 12月發布的《高速鐵路設計規范(試行)》又替代了《新建時速 300～350km客運專線鐵路設計暫行規定》,其中均有隧道章節。

在上述高速鐵路設計《暫規》中,隧道專業著重考慮了因高速列車在隧道內行駛帶來的空氣動力學問題,制定了不同速度目標值下隧道軌面以上最小有效內凈空面積、安全標準、救援方法以及混凝土襯砌的耐久性等相關條文。

2.3 我國鐵路隧道標準體系現狀

鐵路隧道技術標準在我國隧道和地下工程領域中是發展較早的標準系列,目前已有較多的數量,已基本形成較完整的體系。這些標準包括勘測設計、施工驗收、養護維修和搶修搶建 4類,可分為下列 3個層次。

第1層:基礎標準。它是在一定范圍內作為其他標準的基礎、具有普遍指導意義的標準。這一層次的標準主要有建筑限界標準、術語標準、圖形符號標準等。

第2層:通用標準。它是針對某一類標準化對象制定的共性標準,其覆蓋面一般較大,常作為制定專用標準的依據。如鐵路隧道工程通用的設計標準、施工及驗收標準、質量檢驗評定標準等。

第3層:專用標準。它是針對某一具體標準化對象、根據有關的基礎標準和通用標準制定的個性標準,其覆蓋面一般較小。如隧道輔助坑道技術規范、隧道運營通風設計規范等。

由以上 4類、3個層次的標準構成了現行的鐵路隧道標準體系。其中基礎標準 3項,通用標準 10項,專用標準 20項,共有標準 33項。

3 日本鐵路隧道標準體系及現狀

3.1 日本鐵路標準體系

日本鐵路標準體系由技術法規和技術標準 2個部分構成。技術法規由政府制定發布,其體系包括法律、省令、告示這 3個層次。技術標準分為國家標準(工業標準 JIS、農林標準 JAS)和行業標準,由國家行業部門、行業協會或專業團體制定。

日本鐵路隧道規范和設計標準都屬于行業標準,基本上是由土木學會和鐵道綜合技術研究所編制的。公路隧道規范和設計標準則是由日本道路協會編制的。編制單位具有相當的權威性,但編制的規范、技術標準、指南都不具有強制性和約束力,只有國家標準如JIS等才具有強制性和約束力。

除國家的法規、法令外,日本鐵路規范、技術標準大致可分為 4個層次。

第1層:規程、規范類,如:新干線線路構造實施標準規程、混凝土技術規范、隧道技術規范等;

第2層:準則、標準類,如:新干線建造物構造整備準則、鐵道構造物設計標準、公路隧道技術基準(構造編)等;

第3層:指南指針類,如:新奧法設計施工指南、噴混凝土指南(隧道編)、隧道混凝土施工指南、高性能噴混凝土設計施工指南、隧道施工通風技術指南等。這一層次的指南是對規范、技術標準的補充,包括新技術、新工法的應用等,其應用價值絲毫不遜于規范和技術標準。

第4層:手冊類,如:隧道實用手冊、隧道近接施工對策手冊、城市鐵道結構物近接施工對策手冊、鋼纖維混凝土設計施工手冊。這是集某種技術之大成而編寫的工具書。

由于管理體制的歷史原因,該系列標準以隧道、橋梁等站前專業為主,現有設計(含施工)標準和維護管理標準兩大類別,分別按專業劃分。日本鐵路基本上是以新干線為主體的,但沒有專門針對高速鐵路的規范,上述規范、標準、指南都可用于高速鐵路隧道。

3.2 日本鐵路隧道技術標準

在山嶺隧道中,日本目前具有權威性的規范就是由土木學會編制的《隧道標準示范書》(2006年版),分別按三大主流施工方法即礦山法、盾構法及明挖法分 3冊出版。本次中日鐵路隧道工程技術標準對比分析采用的規范標準有:

(1)隧道標準示范書?礦山法(2006)土木學會編制

(2)隧道標準示范書?明挖法(2006)土木學會編制

(3)鐵道結構物等設計標準?同解說城市暗挖法隧道(2002)鐵道綜合技術研究所編制

(4)鐵道結構物等設計標準?同解說混凝土結構(2004)鐵道綜合技術研究所編制

(5)山嶺隧道設計施工標準?同解說(2008,即原來的《新奧法指南》)鐵道建設?運輸設施整備機構編制

(6)礦山法山嶺隧道防水設計施工指南(1996)日本隧道協會編制

4 中日鐵路隧道設計標準對比分析研究

中國鐵路隧道設計規范與日本鐵路隧道設計規范相比較,不論從指導思想、編制方法、內容組成、工作成果以及對設計、施工、運營管理的指導作用方面,均有較明顯的差別。主要表現在以下方面。

4.1 指導思想

日本國土交通省于 2002年提出了“土木、建筑設計的基本方針”,并以此方針為指導對鐵路技術標準進行了全面的革新。該方針的指導思想有 2個。

一個是結構物的設計要從“構筑一個結構物”的思想,轉變為“更好地使用一個結構物”的思想;也就是說,結構物設計要從單純的力學設計轉變為性能設計,或者說轉變為以力學性能為對象的性能設計。

另一個是結構物設計必須是包括從勘查、規劃、設計、施工及營運全過程的設計,即必須把結構物的維修管理納入設計中。

日本目前使用的《混凝土標準示范書》、《隧道標準示范書》、《鐵道結構物等設計標準》、《山嶺隧道設計施工標準》、《鐵道結構物等維護管理標準》等技術標準就是根據上述指導思想重新編制的。

目前我國的鐵路隧道設計規范是以結構物力學設計為基礎編制的。

4.2 編制方法

日本的規范、技術標準,基本上都是由政府部門(國土交通省)委托有關行業協會(如道路協會等)或研究單位(如鐵道綜合技術研究所等)編寫的。受托單位組建由知名學者、教授、研究人員、公司人員等構成的修訂委員會(下設各個專業委員會)主持修訂、審查工作,經過初稿、征求意見稿、最終稿幾個階段,最后由國土交通省將標準以通知的形式發布。通常約每10年修訂一次;由于伴隨有試驗等研究項目,每次修訂費時約 3年。這與我國規范的編制方法截然不同。

4.3 標準體系及內容組成

日本隧道技術標準體系比較完善,門類齊全,內容詳細具體,指導性較強。其內容大體上由前言、編寫人員名單、目錄、條文及解說和參考資料幾部分構成。以土木學會2006年編寫發布的《隧道標準示范書?礦山法》為例,其編寫具有以下特點。

(1)該規范適用于所有采用礦山法修筑的隧道,如鐵路隧道、公路隧道、水工隧洞及地下鐵道等,而不只是單獨針對鐵路隧道。

(2)該規范是把設計、施工合并在一起編寫的。日本的隧道工程界始終認為:隧道設計的成果是由施工來實現的,不管設計如何好,但施工不到位或不良也得不到滿意的結構物。因此,把規范施工行為的準則與設計有機地結合在一起,是非常必要的。此外,日本的設計施工體制與我國不同:沒有獨立的設計單位,設計與施工都由一家承包單位承擔,這可能也是在規范中把設計施工合并在一起的一個原因。

(3)每個條文緊接著都有一個比較詳細的解說。規范的條文比較簡潔、明確,而解說則詳細地說明了條文的“來龍去脈”,提供了許多確保條文實施的建議和要求。

(4)參考資料給出了許多研究成果、統計數據以及實用的設計方法等,是規范標準的重要組成部分,具有相當的使用價值。

我國規范標準體系也較完善且層次分明,但我國的規范多是原則性的規定,對工作的指導性不強,這一點與日本規范有很大的差別。內容構成上基本相同。但我國的鐵路隧道、公路隧道、地鐵等不同類別的隧道都有相應的規范及技術標準,設計規范和施工規范也是單獨分開的。

4.4 具體設計參數

4.4.1 圍巖分級

日本鐵路隧道和公路隧道圍巖分級,充分利用了物探、鉆探等地質勘察方法獲得的地質數據,主要依據定量指標(表1)來分級。而我國的圍巖分級基本上是定性的,缺少定量的指標,對圍巖級別的判定主觀成分較重。

日本鐵路隧道的圍巖分級,比較重視低級別圍巖和特殊圍巖的劃分,例如Ⅰ級圍巖細分為ⅠN、ⅠS、ⅠL三級,特殊圍巖細分為特 S和特 L兩級。

建議我國加強地質勘察,充分統計整理、分析利用獲得的地質數據,建立圍巖分級的定量指標體系,使圍巖分級更加的科學、客觀。

4.4.2 設計方法

日本規范中明確規定了隧道的 3種設計方法(即標準支護模式設計法、類比設計法和解析設計法)及其適用條件(表2)、適用范圍(表3)、注意事項等。我國隧道設計雖然也是采用的上述 3種方法,但在什么條件下應該采用什么方法,在隧道規范中沒有明確規定。

表2 隧道設計方法的適用條件

表3 標準支護模式的適用范圍

4.4.3 單雙線隧道設置原則

日本新干線隧道一律采用雙線斷面,即使長度超過 20km的隧道也是如此。2008年版的《山嶺隧道設計施工標準》甚至都沒有與單線隧道有關的內容。我國規范則要求長度超過 10km的隧道分修,采用雙洞單線斷面。

日本新干線是按照列車時速 250km設計的,雙線隧道軌面以上有效凈空面積為 64m2。在相同條件下我國隧道的凈空斷面積是 92m2,兩者相差甚大。

鑒于我國的機車車輛參數與日本的相差較大,且空氣動力學效應尚待深入研究,建議維持我國現有標準不變。

4.4.4 隧道襯砌

(1)材料

日本混凝土的性能指標要求符合《混凝土技術規范》的規定。與我國不同的是:混凝土不是按強度等級而是用按混凝土的設計基準強度值(單軸抗壓強度)來分級的,其 18、24、30、40N/mm2大致相當于我國的 C20、C25、C30、C40標準。日本在隧道工程中,混凝土等級最低采用 18N/mm2,但在大斷面隧道如三車道公路隧道,已經改為采用 36N/mm2的設計基準強度。噴混凝土等級與混凝土相同,即最低采用設計基準強度 18N/mm2。

(2)設計原則

在一般情況下,日本的二次襯砌是按照不承載(安全儲備)的原則設計的,采用素混凝土。只在特殊圍巖、特殊地形條件下,才考慮二次襯砌承載。我國隧道的二次襯砌則都是按承載結構設計的。以凈空跨度10m左右的隧道為例,我國與日本的規定比較列于表4。從我國國情和目前的施工、管理技術水平出發,建議暫時維持現狀不變。

表4 二次襯砌厚度比較 cm

日本隧道標準示范書對仰拱異常重視,從 1994年版開始就與二次襯砌并列單獨成章,對仰拱的形狀、厚度(表5)以及混凝土配比等做出了相應的規定。而我國規范僅在隧道襯砌中列出了 1條。通過客運專線隧道的建設,我國也已經充分認識到仰拱在設計和施工中的作用,建議進一步加強。

表5 新干線鐵路隧道仰拱設置基準

4.4.5 隧道防排水

日本沒有專門的鐵路隧道防排水技術規范,對隧道也沒有防水等級的規定,僅僅在規范條文中要求隧道襯砌不漏水。在規范中對防水、排水的基本方法、材料、適用范圍做了一些規定,但缺乏具體的性能指標。日本隧道主要采用防水板防水,要求防水板具有一定的強度、耐久性和施工性,材料多為 EVA、ECB、PVC這 3種,選定標準如表6所示。混凝土的防水性能,日本稱為“水密性”,需要滿足《混凝土技術規范》的要求(表7),在隧道規范中沒有專門的規定。我國要求隧道結構防水達到一級標準,防水板厚度不小于 1.5 mm,都比日本標準高且防排水標準比較齊全,建議維持我國標準不變。

表6 日本防水板選定的大致標準

表7 日本要求水密性的混凝土容許開裂寬度 mm

4.4.6 施工方法

日本規范是把設計、施工合并在一起編制的,針對不同的圍巖類別給出了建議的施工方法(表8)。他們認為:配合標準設計,施工方法也應逐步標準化,這也是當前設計技術發展的一個趨勢。日本隧道施工主要采用全斷面法和臺階法,只有凈空在 12.5m以上的大跨斷面,才考慮采用其他方法。日本隧道標準示范書還給出了不同圍巖類別、不同凈空跨度的隧道洞身、洞口的標準支護參數表(表9),將支護參數與凈空跨度、施工方法聯系在一起,非常方便實用。目前我國規范還沒有這方面的規定,建議通過科研和施工現場的總結補充完善。

表8 日本圍巖級別與開挖方法的標準

表9 日本新干線隧道標準支護參數

表9僅列出初期支護參數,因為二次襯砌是按安全儲備設計的,其厚度與圍巖級別無關,全部采用30cm。

5 結論及建議

通過對比分析研究可見,我國鐵路隧道設計規范與日本規范在指導思想、編制方法、標準體系、內容組成、工作成果等諸多方面存在較明顯的差別。總的說來,日本規范體系完整、內容具體、指導性較強,我國規范雖然體系完全,但原則性的規定較多,對工作的指導作用較小。

建議更新設計理念,結合我國國情和技術發展水平,進一步開展基礎科學和現場試驗研究,逐步完善細化設計指標,提高規范對設計、施工的指導作用,促進我國鐵路建設事業更好更快的發展。

本次研究工作,承蒙西南交通大學關寶樹教授的熱情指導和大力支持,謹此表示衷心的感謝!

[1]TB10003— 2005,鐵路隧道設計規范[S].

[2]TB10621— 2009,高速鐵路設計規范[S].

[3]TZ204—2008,鐵路隧道工程施工技術指南[S].

[4]TB10119—2000,鐵路隧道防排水技術規范[S].