中國高速鐵路隧道的發展及規劃

趙 勇， 田四明， 孫 毅

(1. 中國鐵路經濟規劃研究院， 北京 100038； 2. 中國鐵路總公司工程設計鑒定中心， 北京 100844；3. 北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室， 北京 100044)

中國高速鐵路隧道的發展及規劃

趙 勇1,2， 田四明1,2， 孫 毅1,3

(1. 中國鐵路經濟規劃研究院， 北京 100038； 2. 中國鐵路總公司工程設計鑒定中心， 北京 100844；3. 北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室， 北京 100044)

介紹了中國高速鐵路的發展歷程，論述了隧道工程在中國高速鐵路發展中的關鍵性作用，總結了中國高速鐵路隧道的主要特點： 分布區域廣且地質環境復雜； 隧道斷面凈空有效面積大； 采用復合式襯砌與明洞式鋼筋混凝土結構相結合的支護方式； 道床形式主要為無砟軌道。對運營、在建和規劃中的中國高速鐵路隧道進行了系統介紹，提出中國高速鐵路隧道的發展方向： 形成更加完善的技術體系； 優化隧道斷面尺寸和設計參數； 全面實施大型機械化配套施工； 提高隧道建設信息化管理水平。

高速鐵路隧道； 隧道設計與施工； 客運專線； 城際鐵路

0 引言

隨著中國高速鐵路的崛起，作為支撐高速鐵路基礎設施的重點學科——高速鐵路隧道工程也得到了快速發展，為中國高速鐵路的技術進步增添了動力。中國工程院院士王夢恕曾經說過： “正是有了長大隧道、各種復雜地質隧道修建技術的進步，才使高速鐵路采用大曲線半徑以及高速列車穿山越嶺成為可能。”以前修建的普速鐵路隧道，一般斷面較小，長大隧道少，遇到不良地質時盡量繞避，修建技術相對簡單。而高速鐵路需要采用直線或大曲線半徑，很難繞避不良地質或障礙物，需要采用隧道方案下穿通過，有時“明知山有虎，偏向虎山行”，這給隧道工程建設帶來很大的挑戰。高速鐵路隧道具有斷面大、長隧道多、施工風險大和耐久性要求高等特點，往往成為控制全線工期的重、難點工程，所以，高速鐵路隧道工程是高速鐵路工程建設的重中之重。

1 中國高速鐵路隧道發展歷程

1.1 中國高速鐵路發展歷程

長期以來，中國鐵路推行“速度、密度、重量合理匹配”的技術政策，絕大部分鐵路實行客貨混跑運行模式。從20世紀90年代初，中國開始進行高速鐵路的相關研究，并把“提高旅客列車速度”上升到鐵路發展的戰略高度，對高速鐵路的設計建造技術、高速列車、運營管理的基礎理論和關鍵技術組織開展了大量的科學研究和技術攻關。以此為基礎，中國鐵路進行了廣州至深圳鐵路提速改造，修建了秦皇島至沈陽客運專線，實施了既有鐵路的六次大提速等，為構建中國高速鐵路技術標準體系奠定了必要的基礎[1]。

2002年12月建成的秦皇島至沈陽客運專線，是中國自主研究、設計、施工的第一條客運專線鐵路，目標速度為200 km/h，基礎設施預留運行速度為250 km/h。自主研制的“中華之星”電動車組在秦沈客運專線創造了當時“中國鐵路第一速”— 321.5 km/h。

2005年以來，按照國家《中長期鐵路網規劃》(2008年調整，如圖1所示)和鐵路“十一五”、“十二五”規劃[2]，以“四縱四橫”快速客運網為主骨架的高速鐵路建設全面加快推進，建成北京至天津、上海至南京、北京至上海、北京至廣州、哈爾濱至大連、鄭州至西安等一批設計時速350 km、具有世界先進水平的高速鐵路，形成了比較完善的高速鐵路技術體系[3]。通過引進消化吸收再創新，系統掌握了時速200～250 km動車組制造技術，成功搭建了時速350 km的動車組平臺，研制生產了CRH(China railway high-speed)380型新一代高速列車； 正在研發的中國標準動車組列車，運營性能更好，已經成功下線并在大同至西安鐵路完成測試，不久也將批量生產。

圖1 2020年中長期鐵路網規劃(2008年調整)

中國高速鐵路堅持走“自主創新、集成創新和引進消化吸收再創新相結合”的創新之路。經過十多年堅持不懈的努力，中國高速鐵路在工務工程、高速列車、牽引供電、通信信號、客運樞紐、運營管理、安全監控和系統集成等技術領域，取得一系列重大成果，形成具有中國特色的高速鐵路技術體系，總體技術水平進入世界先進行列。

1.2 中國高速鐵路隧道發展歷程

中國高速鐵路隧道技術在近十幾年得到了快速發展。中國臺灣臺北至高雄高速鐵路，全長345 km，于2007年1月5日正式通車，共有隧道48座，總延長47 km，是中國最早通車的有隧道工程的高速鐵路。中國大陸第一條通車運營的有隧道工程的高速鐵路是滬漢蓉客運通道中合肥至南京鐵路，該項目全長148 km，于2008年4月18日開通運營，僅有2座隧道，全長2 005 m。截至2015年底，中國建成通車的高速鐵路隧道長度總計約3 200 km，數量超過2 200座，成為全世界擁有高速鐵路隧道最多的國家。中國已投入運營高速鐵路隧道通車數量和長度見表1[4]。此外，中國正在建設的高速鐵路隧道長度約2 900 km，加上正在設計和規劃的高速鐵路隧道，高速鐵路隧道總長度將超過10 000 km。中國已經成為名副其實的高速鐵路大國、隧道大國，并初步形成了一套完整的中國標準的高速鐵路隧道技術體系。

表1 中國已投入運營的高速鐵路隧道年度統計

Table 1 Annual statistics of high-speed railway tunnels in operation in China

年度座數長度/km2007年48472008年222009年3524042010年1653102011年5459年度座數長度/km2012年57612013年2052692014年72711292015年640917

注： 表中數據包含中國臺灣地區高速鐵路隧道。

2 中國已運營高速鐵路隧道概況

截至2015年底，中國已投入運營或建成的高速鐵路有66條，總長20 987 km。設計速度目標值為 300～350 km/h的高速鐵路有25條，總長12 828 km； 設計速度250 km/h的高速鐵路有32條，總長7 147 km； 其他客運專線或城際鐵路有9條，總長1 012 km。共有高速鐵路隧道2 202座，總長約3 151 km，其中長度大于10 km的特長隧道29座，總長約370 km。

2.1 已運營設計速度300～350 km/h高速鐵路隧道

截至2015年底，中國已投入運營的設計速度300～350 km/h的高速鐵路中，有隧道工程的項目共21個，共有設計速度為300 km/h及以上的隧道1 348座，累計長度為1 921 km。隧道分段統計見表2。

表2 設計速度300～350 km/h已運營高速鐵路隧道分段統計

Table 2 Statistics of high-speed railway tunnels in operation with design speed of 300-350 km/h

隧道長度l/m座數累計長度/km l<500645160 500≤l<3000518635 3000≤l<10000165880 l≥1000020246合計13481921

2.2 已運營設計速度250 km/h高速鐵路隧道

截至2015年底，中國己投入運營的設計速度250 km/h的高速鐵路隧道共808座，累計長度為1 151 km。隧道分段統計見表3。

2.3 已運營客運專線和城際鐵路隧道

截至2015年底，中國已投入運營的設計速度200 km/h及以下的客運專線和城際鐵路隧道共46座，累計長度為80 km。隧道分段統計見表4。

表3 設計速度250 km/h已運營高速鐵路隧道分段統計

Table 3 Statistics of high-speed railway tunnels in operation with design speed of 250 km/h

隧道長度l/m座數累計長度/km l<50035495 500≤l<3000346429 3000≤l<1000099503 l≥100009124合計8081151

表4 設計速度200 km/h及以下已運營客運專線和城際鐵路隧道分段統計

Table 4 Statistics of passenger-dedicated railway tunnels and inter-city railway tunnels in operation with design speed of less than 200 km/h

隧道長度l/m座數累計長度/km l<500164 500≤l<30001927 3000≤l<100001149 l≥1000000合計4680

3 中國在建高速鐵路隧道概況

截至2015年底，中國正在建設的有隧道工程項目的高速鐵路及城際鐵路共28條，總長8 452 km，共有隧道1 331座，累計長度約2 868 km。設計速度為300～350 km/h的高速鐵路項目10條，總長4 360 km； 設計速度為250 km/h的高速鐵路項目13條，總長3 545km； 其他客運專線或城際鐵路項目5條，總長547 km。

3.1 在建設計速度300～350 km/h高速鐵路隧道

截至2015年底，中國正在建設的高速鐵路中，共有設計速度300～350 km/h的隧道395座，累計長度為949 km。隧道分段統計見表5。

表5 設計速度300～350 km/h在建高速鐵路隧道分段統計

Table 5 Statistics of high-speed railway tunnels under construction with design speed of 300-350 km/h

隧道長度l/m座數累計長度/km l<50014541 500≤l<3000154187 3000≤l<1000073424 l≥1000023297合計395949

3.2 在建設計速度250 km/h高速鐵路隧道

截至2015年底，中國正在建設的高速鐵路中，共有設計速度250 km/h的隧道757座，累計長度為1 596 km。隧道分段統計見表6。

表6 設計速度250 km/h在建高速鐵路隧道分段統計

Table 6 Statistics of high-speed railway tunnels under construction with design speed of 250 km/h

隧道長度l/m座數累計長度/km l<50028571 500≤l<3000314420 3000≤l<10000126691 l≥1000032414合計7571596

3.3 在建客運專線和城際鐵路隧道

截至2015年底，中國正在建設的客運專線和城際鐵路中，共有設計速度200 km/h及以下的隧道180座，累計長度為323 km。隧道分段統計見表7。

表7 設計速度200 km/h及以下在建客運專線和城際鐵路隧道分段統計

Table 7 Statistics of passenger-dedicated railway tunnels and inter-city railway tunnels under construction with design speed of less than 200 km/h

隧道長度l/m座數累計長度/km l<5008022 500≤l<300074111 3000≤l<1000023122 l≥10000368合計180323

4 中國高速鐵路隧道的主要特點

4.1 高速鐵路隧道分布區域及地質環境

中國國土面積大，高速鐵路隧道在東北、華北、華東、中南、東南沿海、西南和西北地區均有分布，所通過地形及地質情況異常復雜。東北地區氣候寒冷，隧道工程要重點考慮防凍害問題； 西北地區黃土分布廣泛，要重點解決大斷面黃土隧道的施工技術問題； 東南沿海地區地層巖性比較堅硬，需要解決火成巖的不均勻風化技術難題； 中南地區江河較多，經常遇到長距離穿越江河的技術難題； 西南地區隧道巖溶發育，需要攻克巖溶隧道的突泥突水等地質災害問題。幾種復雜圍巖條件如圖2所示。

4.2 高速鐵路隧道斷面特征

高速鐵路隧道的斷面特點主要體現在其凈空有效面積上，斷面大小與相應的移動設備標準、乘車舒適度標準、防災救援以及經濟性有關，各國采用的標準相差比較大。以日本新干線隧道為代表，采用較小隧道斷面積方案，通過提高運營車輛的密封性能，達到節約工程投資的目的，其運營速度為270 km/h的雙線隧道斷面凈空有效面積為64 m2。以韓國高速鐵路隧道為代表，通過適當加大隧道斷面凈空有效面積的方法，緩解高速鐵路隧道的空氣動力學效應，首爾至釜山高速鐵路設計速度為350 km/h，雙線隧道斷面凈空有效面積為107 m2。德國科隆至法蘭克福高速鐵路設計速度為300 km/h，雙線隧道斷面凈空有效面積為92 m2。中國高速鐵路采用相對較大斷面積標準的方案，設計速度350 km/h的雙線隧道的斷面凈空有效面積為100 m2(見圖3)，設計速度250 km/h的雙線隧道的斷面凈空有效面積為92 m2[5-6]。

(a) 凍土條件

(b) 黃土條件

(c) 硬巖條件

(d) 巖溶條件

4.3 高速鐵路隧道施工工法及支護形式

由于高速鐵路的安全性要求極高，隧道的支護結構必須滿足安全可靠和耐久性要求； 所以，中國高速鐵路暗挖法施工的隧道均采用復合式襯砌，明挖法施工的隧道采用明洞式鋼筋混凝土結構，盾構法施工的隧道采用管片式襯砌。常用隧道襯砌形式如圖4所示。隧道主要施工方法以礦山法為主[7]。復合式襯砌的初期支護承擔施工階段全部荷載和運營階段的主要荷載，二次襯砌作為安全儲備，承擔由于初期支護可能劣化而作用于二次襯砌上的荷載或由于軟巖蠕變、環境條件變化等引起的附加荷載。

圖3 設計速度350 km/h單洞雙線高速鐵路隧道進口(斷面凈空有效面積100 m2)

Fig. 3 Entrance of double-track single-tube high-speed railway tunnel with speed of 350 km/h (effective cross-section clearance area of 100 m2)

(a) 復合襯砌

(b) 管片式襯砌

4.4 高速鐵路隧道道床結構形式

由于中國是人口大國，高速鐵路客流量巨大，列車運行密度大，可用于運營維護的天窗時間非常短； 另外，中國高速鐵路隧道數量多、里程長，運營維護工作量也比較大。為盡量減少高速鐵路隧道的運營維護工作量，中國高速鐵路隧道道床形式采用易于養護的無砟軌道為主[8-9]。設計速度目標值為350 km/h的高速鐵路隧道，全部采用無砟軌道； 設計速度目標值為250 km/h的長度大于1 km的高速鐵路隧道，一般采用無砟軌道； 其他隧道也可采用有砟軌道。有砟軌道和無砟軌道如圖5所示。

(a) 有砟軌道

(b) 無砟軌道

5 中國高速鐵路隧道規劃

按照國務院批復的《中長期鐵路網規劃》，在原“四縱四橫”的高速鐵路基礎上，補充增加標準適宜、發展需要的高速鐵路，形成以“八縱八橫”主通道為骨架、區域連接線和城際鐵路為補充的高速鐵路網(如圖6所示)，實現省會城市高速鐵路通達、區際之間高速鐵路相連。其中，高速鐵路主通道將達45 000 km，高速鐵路連接線約10 000 km，城際鐵路達10 000 km以上。根據規劃，到2020年，鐵路網規模將達到150 000 km，其中高速鐵路達30 000 km以上。按此規劃，展望到2030年，將繼續建設一大批高速鐵路和城際鐵路隧道，預計總規模在10 000 km以上。

截至2015年底，正在開展設計的高速鐵路隧道有貴陽至南寧客運專線、太原至焦作城際鐵路、銀川至西安客運專線、重慶至昆明客運專線、福州至廈門客運專線、贛州至深圳客運專線、佳木斯至牡丹江客運專線、張家界至吉首至懷化鐵路、川南城際鐵路、崇禮鐵路、魯南高速鐵路、長白山至敦化客運專線等。

圖6 中長期高速鐵路網規劃(2030年)

6 結語

近10年，伴隨著大規模的高速鐵路建設，已積累了大量的高速鐵路隧道工程科技成果和實踐經驗，并形成中國自主的高速鐵路隧道標準技術體系，為高速鐵路隧道技術水平和建設能力的進一步發展奠定了堅實的基礎。

中國高速鐵路建設方興未艾，但也存在許多不足之處，在很多方面還需要進一步完善和提高。今后中國高速鐵路隧道的發展重點主要有以下幾個方面。

1)形成更加完善的技術體系。中國高速鐵路隧道雖然初步形成了自主的技術體系，但對有些技術標準的研究還不夠深入，理論基礎還需要加強。未來中國高速鐵路隧道應立足國情，自主創新，形成科學的設計標準、施工技術、建設管理和運營維護標準等更加完善的技術體系。

2)隧道斷面尺寸和設計參數的進一步優化。經過十幾年的高速鐵路快速發展，中國已經成為名副其實的高速鐵路大國，中國高速動車組的研發和制造技術已經達到國際領先水平。隨著這些移動裝備水平的提高，應進一步研究并優化高速鐵路隧道的斷面凈空有效面積和隧道結構的設計參數，在確保安全可靠的前提下，提高中國高速鐵路隧道的經濟性。

3)全面實施大型機械化配套施工。由于中國高速鐵路隧道建設迅猛，隧道大型機械需求量大，而國內成熟的隧道施工大型專用機械比較少[10]，以至于很多隧道采用人工操作小型機具進行開挖和支護施工作業。隨著大型隧道施工機械國產化程度以及中國勞動力成本的不斷提高，今后中國高速鐵路隧道施工的發展方向應該是采用大型機械化配套作業的模式，形成地質超前預報、施工超前支護、開挖作業、初期支護作業、仰拱施工、防水板鋪設、二次襯砌的澆筑和養護作業等多條機械化配套作業線。有條件的隧道建議采用TBM、盾構等大型機械化非鉆爆作業方式，從而節約人力資源，更好地保證施工安全和質量。

4)提高隧道建設信息化管理水平。利用信息化手段對高速鐵路隧道建設過程中的勘察、設計、施工和監測等方面的數據進行集中、高效管理[11]，借助于虛擬現實、地理信息空間分析等技術手段為高速鐵路隧道的建設、管理、運營和維護等提供信息共享方式，實現對隧道全生命周期的數字化管理是未來高速鐵路隧道的發展方向[12]。隨著計算機技術、數據庫技術、GIS技術、空間信息技術、三維仿真與模擬技術和數控技術等高新技術在鐵路隧道研究與應用中的不斷深入，以及物聯網技術和云計算技術的逐步引入，將隧道的建設和運營全生命周期運用信息化、數字化的手段進行管理是必然發展趨勢。

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Development and Planning of High-speed Railway Tunnels in China

ZHAO Yong1, 2， TIAN Siming1, 2， SUN Yi1, 3

(1.ChinaRailwayEconomicandPlanningResearchInstitute,Beijing100038,China;2.EngineeringDesignandAppraisalCenterofChinaRailway,Beijing100844,China;3.KeyLaboratoryofUrbanUndergroundEngineering,MinistryofEducation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

The development process of high-speed railway in China is introduced. The key roles of tunnel engineering are discussed. The main characteristics of high-speed railway in China are summarized as follows: 1) Nationwide distribution and complex geological environment. 2) Large effective area of tunnel cross-section clearance. 3) Support system of compound lining and open-cut reinforced concrete structure. 4) Ballastless track. Meanwhile, the general situation of high-speed railway tunnels in operation, under construction and planning in China is systematically introduced. The development directions of high-speed railway tunnels in China are put forward as follows: 1) Optimum technical system. 2) Optimization of tunnel cross-section size and design parameters. 3) Mechanized construction. 4) Improvement of informatized management of tunnel construction.

high-speed railway tunnel; tunnel design and construction; passenger-dedicated railway line; inter-city railway

2016-12-19

中國鐵路總公司重大課題(2009G005， 2014G004-C)； 中國鐵路總公司重點課題(2015T004-B)

趙勇(1969—)，男，河南夏邑人，2012年畢業于北京交通大學，橋梁與隧道工程專業，博士，教授級高級工程師，主要從事鐵路隧道的課題研究、技術咨詢和設計審查等方面工作。E-mail： jdzxzhaoyong@sina.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.002

U 45

A

1672-741X(2017)01-0011-07