重載鐵路隧道設計技術探討

趙晉友，周 魯，周書明

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

重載鐵路由于其高效率性，已成為世界各國鐵路貨運發展的方向，也是我國解決目前鐵路運輸能力緊張的重要措施。目前我國重載運輸線路長1．6萬km，其中京廣、京滬、京哈、朔黃等線列車軸質量25 t，單列質量超過5 000 t;而1992年運營的大秦線，列車軸質量達27 t，近8年來運量都超過了1．5億t。

如今隧道在鐵路線路中比例越來越大(截至2009年12月運營鐵路隧道8 900座(約6 000 km)、在建隧道約2 500座(約4 600 km)、規劃隧道約5 000座(約9 000km))，而鐵路隧道病害頻發(據統計約30%隧道因病害影響運營［1］)。對于此，國內相關研究較多，如:文獻［2］從選線、設計、施工養護等各階段對鐵路隧道病害進行了初步歸納并分析了其成因;文獻［3］通過沈陽鐵路局管段隧道為例，對隧道限界小、漏水、襯砌裂損及排水溝年久失修等病害做了介紹，并闡述了整治方案;文獻［4］針對某運營隧道邊墻鼓裂，拱腳開裂、排水溝淤積等病害研究了整治方案;文獻［5］根據成因的不同，將隧道病害分為水害、襯砌裂損、襯砌腐蝕、隧道凍害等多種，并對其原因及整治做了探討，為隧道設計提供了經驗參考。但對重載鐵路隧道的病害缺乏系統研究，且國內尚無重載鐵路隧道設計相關的規范及標準，重載標準下鐵路隧道設計缺少參考及依據。因此，總結既有重載鐵路隧道病害，并分析研究重載標準下隧道修建技術，為以后重載鐵路設計提供參考，是非常有必要的。

1 重載鐵路標準

重載鐵路(Heavy Haul Railways)是用于運載大宗散貨的總質量大、軸質量大的列車、貨車行駛或行車密度和運量特大的鐵路。

國際重載協會先后于1986年、1994年和2005年對重載鐵路標準進行了3次修訂。1994年的標準要求重載鐵路滿足以下至少2條:1)列車質量至少達到5 000 t;2)軸質量達到或超過25 t;3)在長度至少為150 km的線路上年運量不低于2 000萬t。

2005年的標準要求新申請加入國際重載協會的重載鐵路，滿足以下至少2條:1)列車重量不小于8 000t;2)軸質量達27 t以上;3)在長度不小于150 km線路上年運量不低于4 000萬t。

我國對重載鐵路暫定義為:“牽引質量≥10 000t，軸質量≥30 t(改建鐵路軸質量≥25 t)，年運量＞50 Mt的鐵路。”

2 重載鐵路隧道病害

2002年鐵道部運輸局組織對大秦鐵路隧道病害調研資料顯示，大秦線共有52座隧道，總延長67．197 km，其中隧道嚴重漏水13座、襯砌嚴重腐蝕裂損2座、隧道內線路翻漿冒泥4座、大多數隧道洞內煤粉污染嚴重［6］。

重載鐵路值得關注的是基底病害。據大秦病害調研及部分工務段秋檢顯示:大秦線茶塢工務段管41座隧道中4座隧道已經出現不同程度的隧道基底脫空病害，其中軍都山、大黑山隧道最典型;九山隧道部分地段過車時除翻冒、流淌白漿外，個別地段還出現石碴快速下沉、流失的現象;團尖隧道鋪底出現順線路方向長1 m，深0．7 m的陷槽，對應兩側的邊墻有多條水平裂紋;景忠山隧道出現鋪底已全部損壞，道床嚴重積水下沉。

隧道基底病害原因為:

1)水是產生隧道基底病害的根源。大量實地調研發現，隧道基底發生翻漿冒泥或脫空病害一般都發生在富水地層。地下水造成隧道圍巖強度降低，在列車沖擊荷載下或造成隧底地層破碎泥化形成翻漿冒泥，或者長期掏蝕基底，造成隧底結構脫空;另一方面，地下水也是造成隧道化學侵蝕和凍害的必要條件。

2)列車荷載是產生隧道基底病害的重要因素。根據既有經驗和相關試驗研究［7-8］，在列車振動沖擊荷載的長期反復作用下，隧道基底的結構和圍巖受力復雜，既有壓應力，也有剪應力及彎拉應力。長期作用下，圍巖強度比原設計值大大降低，而隧道基底結構也將產生疲勞破壞。

3)隧道底部結構設計薄弱，排水措施不當。以往我國鐵路隧道設計重拱墻，輕基底。在Ⅱ級和Ⅲ級圍巖地段鋪底普遍采用10～20 cm素混凝土，或不設底板。但由于在長期列車動載作用下，隧道鋪底極易破壞;在Ⅳ～Ⅵ級圍巖地段，即使隧道設置仰拱，但考慮經濟因素，仰拱矢跨比也較小(僅為1/14)。這些積弊也導致以往我國鐵路隧道基底設計薄弱。另外，我國鐵路隧道的排水溝設在隧道內，且以往多采用單側水溝。水溝不僅排泄隧道內產生的各種積水，而且通過邊墻設置的泄水孔排泄隧道周圍的圍巖滲水。以往設計的水溝底一般高于道床，一旦排水溝破壞堵塞，水就進入道床或浸泡隧底填充，在運營期間易造成隧底結構的破壞。

4)化學侵蝕及凍害。在巖溶地區或酸雨地區修建隧道，對地下水腐蝕性調查不清楚，隧道混凝土抗腐蝕措施不當或不足，造成隧道結構受硫酸鹽侵蝕破壞。

5)隧道基底施工質量控制不嚴。施工單位對基底工程缺乏應有的重視。混凝土澆注前，浮渣未清理干凈、在有水的情況下澆注混凝土、隧道底板或仰拱分幅施工等均造成隧底隱患。

6)隧道維護不到位。對隧道的各種病害調查分析不夠，監測不力，隧道及隧道內水溝定期清淤不徹底。

3 重載鐵路隧道關鍵技術

3．1 單、雙洞方案

重載長大隧道應特別重視方案研究，宜將隧道選在地層單一、地質條件好的地段，避開地下水富集區及地層松軟地帶。

關于雙線鐵路隧道單、雙洞方案的選擇，目前國內主要按長度來確定單線隧道、雙線隧道的設置，如京廣線大瑤山隧道(14．29 km)、朔黃線長梁山隧道(12．78 km)和西南鐵路東秦嶺隧道(12．28 km)等均采用單洞雙線方案;另外，西康線、蘭新線、石太客專、山西中南部鐵路中也只是在16 km以上的隧道采用2座單線隧道方案。

針對重載鐵路貨運為主、軸質量大、運量大等特點，重載鐵路隧道方案宜考慮以下幾個方面:

1)在富水地層中，宜修建2座單線隧道。宜將輕車隧道放在地下水徑流的上游，標高低于重車線，并加強截排水設計。

2)在軟弱地層、不良地質地段或黃土地區修建隧道時，跨度對隧道工程的影響較大。建議軟弱破碎圍巖段長大于1 000 m或軟巖高地應力段長大于500 m的隧道、4 km以上突水突泥風險等級較高的巖溶隧道，采用2個單線隧道方案。

3)從運營通風效果和減少煤粉污染的角度考慮，1 km以上的隧道，雙洞方案能利用列車的“活塞作用”起到一定的通風作用，從而減少粉塵堆積、洞內污染，從而減少排水溝堵塞。

4)從維修角度考慮，重載鐵路隧道軌下結構難免出現病害，由于雙洞方案2條線的軌下結構相對獨立，更利于運營期間的大修。

3．2 隧道結構型式

針對鐵路隧道基底病害情況，我國在2005年對《鐵路隧道設計規范》進行了修訂，提出“單線Ⅲ級以上、雙線Ⅲ級及以上地段均應設置仰拱……不設置仰拱的地段應設置底板，底板厚度不得小于30 cm，并應設置鋼筋……”;在《高速鐵路設計規范》中，也提出“Ⅰ級和Ⅱ級圍巖隧道襯砌宜采用曲墻帶底板的結構形式，Ⅲ～Ⅵ級圍巖隧道襯砌應采用曲墻有仰拱的結構形式……Ⅰ級和Ⅱ級圍巖隧道襯砌底板厚度不應小于30 cm，混凝土強度等級不應低于C35，并應配置雙層鋼筋。仰拱填充混凝土強度等級不應低于C20”。

由上述規定可知，我國已經對基底設計進行了很大加強。對于重載鐵路，貨運軸重標準由原來的22 t、25 t增加到30 t，列車速度仍維持120 km/h。針對這一特點，國內有研究［9］通過計算驗證，30 t軸質量列車對隧道襯砌和基底圍巖的附加應力并不大，這與文獻［4-5］的結論基本相同。因此，重載鐵路隧道結構形式可以參照上述規范執行。

山西中南部鐵路隧道地層主要是濕陷性黃土、具弱-中膨脹性的黏土、砂巖、泥巖(或砂泥巖互層)、頁巖、灰巖及粗(細)圓礫土等。經計算驗證:本線Ⅱ級圍巖地段采用曲墻帶鋼筋混凝土底板的結構形式;Ⅲ級及以上圍巖段均采取曲墻帶仰拱襯砌斷面形式，仰拱矢跨比，單線隧道取1/6．5，雙線隧道取1/10．5。

對富水段落的砂質、泥巖等軟弱圍巖地層(或土質地層)單線Ⅴ級、雙線Ⅳ級及以上圍巖地段，隧道二次襯砌拱墻及仰拱均采用鋼筋混凝土結構，其中拱墻40 cm，仰拱厚45 cm(雙線黃土Ⅴ級仰拱厚50 cm)。

3．3 隧道防排水

重載鐵路防排水設計重點是隧底排水通暢性及排水系統的可維護性。一般鐵路隧道內縱向排水坡度與線路坡度相同。綜合以往的實踐經驗，重載鐵路隧道內坡度不應小于3‰，建議在富水地層最小縱坡按5‰考慮。

以往隧道很少在隧道底板設排水盲溝(管)，這樣便造成隧道基底有水排不出，有時甚至會在隧道基底形成較大水壓;因此，重載鐵路隧道中在隧底設縱橫盲管型排水系統。排水系統要與縱向盲管連通。為防止巖層細粒流失，隧底所有盲管均應采用無紡布包裹。隧底縱向盲管間隔10～15 m設反濾裝置。

隧道內應設深水溝，按水面在軌道基床底板下進行設計，并考慮5 cm的富余。水溝側壁進行配筋設計。防止隧道水溝淤積，排水能力不足及溝壁破壞造成的水流漫流至隧道基床。

為實現隧道內外排水系統的可維護性，隧道拱墻環向排水盲溝采用寬幅凸點型板帶取代原盲管型盲溝;另外，對于縱向盲管的清洗維護，既可以在隧道內小避車洞內設檢查井定期進行疏通，也可以采用縱向盲管分段(10～15 m)45°角折入隧道內水溝的設置方式進行日后疏通。

3．4 隧道軌下結構

在中南部鐵路通道隧道設計中，對于6 km以上的隧道均采用無砟軌道。針對到本線重載要求，對隧道內軌下結構進行了加強設計，并按“彈性地基上的梁-板模型”進行了驗算。

在驗算中，列車軸質量取30 t，動力系數3．0，鋼軌扣件按剛度取50 kN/mm，板下底板或仰拱填充彈性系數取1 200 MPa/m。經驗算，道床板結構采用30 cm厚C40鋼筋混凝土，配筋率取縱向0．53%、橫向0．72%，軌下結構能滿足重載要求。道床板彎矩計算結果見表1。

表1 道床板彎矩計算結果Table 1 Calculation results of the bending moments of the track beds(kN·m)/m

隧道內軌道板下結構有仰拱及無仰拱2種型式，其中有仰拱段道床板下仰拱填充按2層設置:上層C30混凝土，厚30 cm，下層為C20混凝土;無仰拱段設30 cm厚C35鋼筋混凝土底板。有仰拱段隧道軌下結構設計見圖1。

圖1 隧道軌下結構設計(有仰拱)Fig．1 Design of structure under tunnel track(with tunnel crown)

3．5 隧道基底處理

依據關于山西中南部鐵路設計活載標準的批復，該線活荷載標準采用中-活載(2005)ZH標準(Z=1．2)。活荷載圖示見圖2。

圖2 活荷載圖示Fig．2 Live load

通過計算，在列車動荷載作用下，隧道基底地層豎向附加豎應力增加約25 kPa。由于隧道修建過程是一個對原巖(土)土應力卸載重分布的過程，列車動荷載造成的附加豎應力對隧道基底圍巖影響不大。因此，在山西中南部重載鐵路設計中，考慮到全線地質復雜，位于富水軟弱圍巖、巖溶或土質地層段落的隧道，會由于隧道開挖擾動以及隧道排水造成隧底薄弱，隧道基底普查應作為重要工序納入施工。基底普查及處理流程見圖3。

圖3 基底普查及處理流程Fig．3 General investigation process of tunnel foundation

1)仰拱或底板施工前，采用地質雷達及風槍探測探空洞、不密實性及軟弱夾層等不均勻地質體，測線原則上沿隧道軸線、左右線中線及邊墻腳等布置，開挖過程中分段探查。

2)當有異常時，應進一步采取鉆探及高密度電法進一步查明隧道基底圍巖情況。針對基底薄弱、軟弱環節，采取注漿或換填方式處理:①對于富水軟弱砂質、泥巖地層或其他土質地層的隧道，基底采取鉆孔注漿或樹根樁加固，處理后隧道基底地層承載力不小于250 kPa;②對Ⅱ級以上濕陷性黃土，基底通過擠密樁或柱捶沖擴樁進行處理，對于低等級濕陷性黃土，主要通過灰土換填(換填深度50 cm)消除濕陷性。

3．6 過渡段設計措施

3．6．1 不同基底結構過渡處理

為保障線路平順過渡，隧道內外不同基底結構相接處做過渡處理。隧道底板結構下按1∶2．5坡率做超挖，超挖部分采用C30混凝土填充。洞外路基面采用30 cm厚的M10的水泥砂漿砌片石鋪砌。對于橋隧相連時，隧道仰拱應延伸到橋臺臺尾，并預留變形縫。隧道不同基底結構過渡段設計見圖4。

圖4 隧道不同基底結構過渡設計Fig．4 Designs of connection sections

3．6．2 有、無砟軌道過渡段

軌道過渡段設在隧道內，過渡段長度為20 m，碎石道直接鋪在隧道回填層上，過渡段內碎石道砟厚度為350mm。過渡段設置2根25 m長60 kg/m的鋼軌作為輔助軌，其中輔助軌在無軌道范圍5m，有砟軌道范圍20 m。輔助軌與基本軌中心距為500 mm。軌采用有擋肩2．6m過渡段軌枕，按1 667根/km鋪設，基本軌扣件采用彈條型扣件。為減小輪軌的相互作用，改善過渡段的線路條件，鋼軌焊接接頭避在過渡段范圍內。隧道內有砟軌道與無砟軌道過渡段設計見圖5。

圖5 隧道內有砟軌道與無砟軌道過渡段設計Fig．5 Design of connection section between ballast track and ballastless track

4 結論與討論

通過對大秦線鐵路隧道病害的調查，歸納隧道水溝及基底排水不暢、列車重載反復作用、隧道底部結構設計薄弱以及化學侵蝕、凍害等因素是誘發隧道病害的主要因素。通過對重載鐵路設計實踐及研究，對重載鐵路隧道設計提出了以下經驗:

1)軟弱破碎圍巖段長大于1 000 m或軟巖高地應力段長大于500 m的隧道、4 km以上突水突泥風險等級較高的巖溶隧道優選采用2個單線隧道方案，既可以降低施工風險，又可以利用活塞風效應減少粉塵堆積，也利于日后維修。

2)Ⅱ級圍巖地段采用曲墻帶鋼筋混凝土底板的結構形式;Ⅲ級及以上圍巖段均采取曲墻帶仰拱襯砌斷面形式，單線隧道仰拱矢跨比取1/6．5，雙線隧道取1/10．5，可以滿足30 t列車軸質量要求。

3)重載鐵路隧道內坡度不應小于3‰、富水地層不小于5‰的最小坡度要求。隧道基底設置縱橫盲管，防止隧道基底積水。同時，利用小避車洞設置檢查井或采用分段角折入隧內水溝的方式實現排水系統運營期間的可維護性。

4)通過梁-板模型計算后，確定30 t軸質量下，無砟軌道道床板結構采用30 cm厚C40鋼筋混凝土，配筋率取縱向0．53%、橫向0．72%可滿足荷載要求。

5)對隧道內軌道結構過渡段、軌下及隧底結構過渡段采取了設計措施，可保證運營穩定。

6)重載鐵路隧道應將隧底普查納入施工工序。本文根據實際設計經驗，提出了隧道基底普查要求及基底承載要求。

7)目前按30 t軸質量設計的鐵路僅有山西中南部鐵路通道，工程尚在建設中，上述經驗可滿足本線要求，能否推廣尚待進一步實踐。

［1］ 郭衛社，何君茹．淺談鐵路隧道病害防止［J］．隧道建設，2003，23(3):55-58．

［2］ 陳禮偉．淺析隧道病害產生的原因［J］．隧道建設，2004，24(2):83-85．

［3］ 王忠國．既有線隧道病害的整治方法［J］．鐵道標準設計2002(5):40-41．

［4］ 劉福．某鐵路隧道病害整治的技術探討［J］．鐵道工程學報，2005(4):55-58．(LIU Fu．Technical exploration on treatment of tunnel disease for one railway line［J］．Journal of Railway Engineering Society，2005(4):55-58．(in Chinese))

［5］ 劉新民．鐵路隧道常見病害分析及預防整治技術［J］．內蒙古科技與經濟，2009(23):93-94．

［6］ 張大偉．大秦線重點隧道病害調查情況及建議［J］．鐵道標準設計，2002(4):32-35．(ZHANG Dawei．Investigation of defects in major tunnels on Datong-Qinhuangdao railway and suggestions about treatment［J］．Railway Standard Design，2002(4):32-35．(in Chinese))

［7］ 施成華，彭立敏．鐵路隧道基底破壞力學形態的試驗研究［J］．試驗力學，2005(1):57-64．(SHI Chenghua，PENG Limin．An experimental study on mechanics pattern of bed disease in railway tunnel［J］．Journal of Experimental Mechanics，2005(1):57-64．(in Chinese))

［8］ 彭立敏，覃長炳，施成華，等．鐵路隧道基底病害整治現場試驗研究［J］．中國鐵道科學，2005(2):39-43．(PENG Limin，TAN Changbing，SHI Chenghua，et al．Field test study on the disease treatment of foundation base in railway tunnel［J］．China Railway Society，2005(2):39-43．(in Chinese))

［9］ 王秀英，龔增進，劉維寧．30 t軸重條件下隧道技術標準研究［J］．鐵道工程學報，2009(5):54-58．(WANG Xiuying，GONG Zengjin，LIU Weining．Research on the tunnel technical standard under 30 t axis load［J］．Journal of Railway Engineering Society，2009(5):54-58．(in Chinese))