高速鐵路隧道設計中的注意事項

劉志中 中鐵第五勘察設計院集團有限公司助理工程師

近年來，隨著經濟社會的高速發展，高速鐵路隧道建設邁入了全新的發展階段。我國疆域廣闊，地形千變萬化，“逢山開洞，遇水架橋”，隧道正在改變著這個山巒遍布的國家。截至2019 年，我國鐵路隧道達到16084 座，總里程超過18041 km。越來越多的鐵路項目面臨較復雜的建設環境，隧道設計也迎來了更大的挑戰，因此提高和改善現有的設計水平和設計質量顯得尤為重要。下面結合在建漢巴南鐵路隧道的設計與施工，詳細分享以下幾點注意事項。

1 工程概況

漢巴南鐵路南充至巴中段位于四川省東北部，沿線經過丘陵區和低山丘陵區兩大地貌單元。全線隧道穿越巖性主要為白堊系、侏羅系碎屑巖，以砂巖、粉砂巖、泥巖互層為主。巖層傾角一般為1°～5°，屬緩傾巖層。隧道通過地區地下水類型主要為基巖裂隙水，賦存于基巖的構造裂隙和風化裂隙中，水量受節理、裂隙發育程度影響較大。

鐵路正線設計速度目標值V=250 km/h，隧道建筑限界滿足《高速鐵路設計規范》（TB 10621—2014）要求，雙線隧道內軌頂面以上凈空面積為92 m2。

2 洞口工程設計

2.1 確定合理的洞口位置是安全進洞的前提

隧道洞口位置的選擇應盡量避開溝谷地形以及富水、淺埋、偏壓等段落。洞口位置的確定應貫徹“早進洞，晚出洞”的原則，同時應結合周邊地形、地層巖性、洞門開挖、外界環境等多種因素綜合確定。采用暗挖法施工的隧道洞口，應于拱部范圍內設置長約30 m的大管棚作為超前支護，確保安全進洞。

2.2 選取合適的洞門形式與周邊環境協調一致

漢巴南鐵路隧道共設置帽檐斜切式、倒切式、端墻式、單壓式和雙耳墻式5 種洞門結構。洞門形式應綜合考慮地形、地貌、洞口地質條件、周邊環境等因素，按照“確保安全、因地制宜、保護環境、簡約實用”的原則確定，優先選擇帽檐斜切式洞門以適合高速鐵路的特點。長度500 m 及以上的隧道，結合洞口地形及周邊環境，有條件的采用側邊開孔的緩沖結構洞門。

2.3 因地制宜采取合適的邊坡防護形式

漢巴南鐵路全線隧道洞口圍巖以全～弱風化砂巖、粉砂巖為主，巖體較破碎，工程地質條件體較差，易坍塌。洞口永久邊、仰坡開挖坡率為粉質黏土、全風化砂巖、粉砂巖采用1.0 ∶1.5，強風化砂巖、粉砂巖采用1.00 ∶1.25，弱風化砂巖、粉砂巖采用1 ∶1[1]。洞口開挖過程中應及時進行坡面防護，邊仰坡臨時防護采用噴錨網防護。對于永久防護，一般土質邊仰坡采用帶排水槽的拱形骨架護坡進行綠色防護，骨架采用C25 混凝土結構，中心綠化；石質邊坡采用錨桿框架梁防護。矮（高度不大于4 m）邊坡采用空心磚防護，磚內回填種植土與草籽混合料。配合施工階段依據成都鐵路局及路局工務部門意見，結合洞口周邊環境及地層巖性將空心磚防護變更為客土植草灌木防護或土工網墊植生防護。

2.4 合理確定洞口永久用地界，避免二次征地

漢巴南鐵路位于四川省東北部，以丘陵區和低山丘陵區地貌為主。山區隧道地形起伏較大，砂、泥巖風化差異明顯，坡面陡坎地形較多，而且洞口附近植被茂密，均易導致測量成果與實際地形有所偏差。定測階段應做好詳細調查，確保基礎資料的準確性。設計階段根據洞口結構、開挖線、截水天溝、防護柵欄以及防洪檢查通道等各項工程統籌考慮洞口用地范圍。另外，由于路基、橋梁的邊坡開挖坡率及防護形式與隧道不同，易在里程分界處存在用地不足。因此，設計施工圖階段應逐工點做好與相關專業的過渡，方能保證洞口處結構和諧過渡以及用地紅線合理。

3 洞身工程設計

隧道洞身設計包括施作初期支護、防水層、二次襯砌、洞內附屬構筑物及軌道。初期支護以噴錨支護配合其他輔助措施。一般隧道暗洞采用復合式襯砌，隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用曲墻帶仰拱的結構形式。

3.1 合理確定支護措施和參數，防止塌方

隧道工程的支護措施和參數，設計單位不能簡單地修正和套用通用參考圖，而應根據現場開挖揭示的圍巖情況以及超前地質預報的結果，對洞身設計參數適時進行調整。對于Ⅱ、Ⅲ級圍巖局部破碎、裂隙發育地段，可設置部分鋼架支護，防止圍巖掉塊；對于水平巖層，拱部輪廓難以控制，應加強拱部的初期支護。部分特殊圍巖段，支護參數難以確定時，應采取寧強勿弱的措施，確保施工安全。

3.2 根據隧道的地質條件，選擇適宜的設計施工方法

漢巴南鐵路隧道洞身穿越巖性以砂巖、粉砂巖為主。雙線隧道Ⅲ級圍巖地段采用臺階法，Ⅳ級圍巖地段采用三臺階法，Ⅴ級深埋段一般采用三臺階法，Ⅴ級洞口段、淺埋偏壓地段采用三臺階臨時仰拱法[2]。對于穿越重要建筑物、臨近建筑物基礎等對沉降、側斜、振動有嚴格控制標準的，采取銑挖法等機械法或非爆破法施工。

3.3 進行合理的機械化配套，加快施工的進度

目前，多數隧道施工工序以手工作業為主，勞動效率低。為適應我國鐵路隧道快速發展的新形勢，各建設項目需結合具體情況研究制定適合的機械化配套。考慮到光輝隧道和東華山隧道為漢巴南鐵路的重點控制工程，其斜井工區按照高度機械化配套設置。根據隧道機械化施工各作業工序的特點，綜合考慮整體工序之間銜接，按照“配套生產能力＞均衡生產能力、運輸能力＞1.2 倍挖裝渣能力、開挖能力≥施工組織要求能力”的配套原則；機械化配套宜優選具備自動化、信息化或智能化的設備。具體配置可參照《鐵路隧道工程施工機械配置技術規程》（Q/CR 9226—2015）并結合建設單位要求確定。

4 特殊設計

高速鐵路以高橋隧比著稱，因此隧道設計和施工中遇到的困難點隨之增加。在建漢巴南鐵路隧道洞身就穿越多處高風險點，如下穿既有構筑物、水（魚）塘、鐵路和公路隧道、道路、燃氣管道、輸水隧洞、臨近既有線、橋梁樁基、瓦斯以及淺埋偏壓等。在勘察設計階段，主要是通過各種手段，查清各種風險源對隧道建設安全的影響程度，有針對性地優化設計方案或采取工程措施，使安全風險控制在可以接受的范圍內[3]。

對淺埋、偏壓等地形、地質條件較差的隧道洞口、洞身段，應先預加固圍巖后再開挖，視地形地質條件可采用地面預注漿等措施加固圍巖，根據具體圍巖情況設置長管棚、超前小導管等超前支護措施。

對于隧道穿越地表零星或密集房屋的，結合隧道施工控制，一般對隧道埋深在20 m 以內、處于線路左右線兩側各30 m 范圍的地表房屋按拆遷處理。對于未拆遷的房屋加強過程中的監控量測，結合隧道埋深、地質條件、建筑物與隧道的平面間距等因素綜合考慮采取針對性的處理措施。

針對隧道近距離下穿鐵路、輸水明渠、輸水隧洞等構筑物時，根據構筑物的現狀，結合隧道埋深及地層條件，采取洞內加強支護，嚴格控制施工工藝，嚴格控制沉降等措施，如采取洞內超前管棚+小導管、控制爆破等措施，必要時應采取機械法開挖。同時，應加強采取監控量測和超前地質預報等措施，必要時進行第三方監控量測并計列費用[4]。

針對隧道臨近既有鐵路、近距離側穿構筑物基礎或重要建（構）筑物時，應采取機械開挖或控制爆破，必要時應設置圍護樁、隧道側邊超前注漿加固等措施加強對構筑物基礎的防護，加強臨近段隧道的支護結構及監控量測，并進行對既有構筑物的第三方監控量測。

針對隧道與水庫（或水塘）距離較近并存在水力聯系時，結合周邊環境，如存在居民點等，根據圍巖富水情況及地質條件采取超前帷幕注漿、超前周邊注漿或徑向注漿等注漿堵水措施。針對正穿地表水塘、且隧道埋深在25 m 以下的考慮抽排水并將地表水塘按廢棄處理，同時結合實際考慮水塘內夯填土石表層覆土綠化；對于臨近線路的隧道兩側水塘，結合隧道埋深、水塘相對隧道高差等因素，考慮采取洞身襯砌加強、洞身注漿堵水等措施[5]。

5 目前隧道設計存在的問題

勘察設計是工程項目的靈魂，任何一個建設項目，勘察設計都有其合理的周期，人為壓縮勘察設計周期，只會帶來勘察設計質量的降低，為工程建設帶來隱患。隧道工程是一個經驗性極強的學科，隨著隧道建設工程的不斷發展，受勘察手段制約，要想準確無誤地搞清工程地質情況基本是不可能的。設計人員憑借現有地質資料進行設計，必然會造成設計與施工現場不符。另外，隧道設計主要采用半經驗方法和工程類比，對隧道圍巖穩定性認識不夠深入，以及現場部分工序難以得到保證質量，均易導致施工安全事故發生。隧道設計除滿足使用功能和耐久性外，更應重視施工安全。隧道工程數量的確定是設計階段最重要的環節，限于計算方法陳舊，以及部分工程量的計算只能靠估算或者工程類比，工程措施過于保守設計，均增加了隧道投資不可控的風險。

6 結語

隧道工程在鐵路建設的諸多工程項目中屬高風險項目，應引起各方面足夠重視。設計者要強化工程設計安全，提高安全措施的針對性、可靠性，切實保證設計方案科學合理、安全可靠。同時，要根據現場實際，適時調整安全措施，避免安全風險擴大，釀成事故。