高海拔超长铁路隧道TBM施工断面优化的探讨

时间：2024-07-28

刘长利

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

我国已成功修建多座长度超过20 km的特长铁路隧道，并规划有更多的特长隧道［1］。为准确表述当前隧道技术水平和修建难度，可以考虑将20 km以上的隧道定义为超长隧道［2］。这些规划的超长隧道多数处于我国西部高原地区，普遍面临高海拔、高地震烈度、工程地质复杂等问题［3］，并且沿线生态环境脆弱，高原缺氧，施工难度较大，因此需拓宽思路，多方论证，充分运用先进、可靠及成熟的技术来解决工程建设难题。

文献［4-9］从车内瞬变压力、洞口微气压波、隧道空气阻力等方面开展研究，并取得了列车动态密封指数、旅客舒适度标准、隧道断面优化等研究成果。另外，杨铭［10］针对穗莞深城际铁路运行CRH2型动车组，对已施工地下段的建筑限界进行校核并提出扩挖方案；赵勇等［11］给出了客运专线隧道内轮廓、底部结构、排水沟槽、无砟轨道基础垫层等优化成果；郑天中［12］分析了西康铁路秦岭特长隧道衬砌断面设计的主要因素，给出了圆形衬砌内轮廓的研究成果。TBM施工、刚性接触网在各自领域均有大量研究成果，但这2项技术用于隧道断面优化方面尚无文献涉及。

高海拔超长隧道是近期铁路建设领域的重难点，除了考虑将TBM施工、刚性接触网分别纳入隧道设计外，还考虑对隧道断面进行优化。本文对高海拔超长隧道断面优化需求、TBM+刚性接触网的适用性进行分析，采用TBM+刚性接触网对隧道内轮廓、TBM开挖断面以及隧道工程造价、隧道弃渣量等方面进行数值模拟和定量分析，提出160，200 km/h等级TBM施工隧道内轮廓和断面优化数据。

表1 高海拔超长隧道的基本技术条件

1 高海拔超长隧道断面优化需求

基于全寿命周期设计理念，铁路勘察设计应满足建设风险可控和运输安全可靠的要求。高海拔超长隧道的基本技术条件见表1。当隧道海拔高度大于3 000 m、辅助坑道条件较差、工期不满足要求、地质条件和场地条件适宜时，宜采用TBM施工。

现行TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》规定隧道内轮廓应满足建筑限界、空气动力学效应、列车密封性、接触网悬挂方式、轨道结构及维护形式、疏散救援等要求，160 km/h与200 km/h等级隧道最小净空有效面积分别为42，52 m2。对于高海拔超长隧道内轮廓须额外考虑高海拔接触网安装空间增大、增设中心排水沟等因素，当TBM开挖穿越Ⅳ，Ⅴ级围岩的硬质岩较破碎、软质岩或小型断层段落时需考虑加强初期支护、增大二次衬砌厚度等措施。因此，高海拔超长隧道不仅隧道净空有效面积增大，而且需要采用较大直径TBM施工，将涉及大直径TBM自主研制、施工难度、工期风险、工程投资、生态环保等一系列问题，有必要开展隧道断面的优化工作。

如果多座高海拔超长隧道拟采用TBM施工，由于这些隧道在海拔高度、工程地质、围岩级别及地震烈度等方面存在不同技术条件，将导致TBM开挖直径不一致。考虑到TBM设备寿命及整修利用问题，希望这些隧道尽量统一TBM开挖直径，可以考虑通过优化隧道断面来提高TBM通用性。

隧道通用图中疏散通道尺寸为1.25 m（宽）×2.20 m（高），是参考德国标准制定的，而TB 10020—2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》要求疏散通道宽度不小于0.75 m，因此隧道内轮廓存在优化空间。另外，法国高速铁路230 km/h单线隧道和德国客货共线铁路单线隧道净空有效面积均采用46 m2，西班牙马德里至塞维利亚铁路270 km/h单线隧道净空有效面积采用42 m2。我国客货共线铁路隧道净空有效面积是在列车密封水平较低的条件下制定的，随着我国列车密封性能的不断提升，当采用复兴号CR200J动力集中型动车组或动力分散型动车组上线运行时，隧道内轮廓的净空有效面积可以优化。

综上所述，高海拔超长隧道面临TBM开挖断面较大和TBM直径宜尽量统一的问题，考虑到疏散通道、空气动力学效应的技术更新情况，可以在缩小隧道内轮廓和开挖断面方面开展优化工作，并在不同超长隧道的TBM论证中灵活采用。

2 TBM+刚性接触网的适用性

TBM施工、刚性接触网在我国铁路特长隧道均有成熟应用经验。我国已投入运营的特长铁路隧道中，采用TBM施工的有3座，采用刚性接触网的有4座，见表2。典型的开敞式TBM和隧道内刚性接触网安装如图1所示。

表2 TBM、刚性接触网在我国铁路特长隧道的应用

图1 开敞式TBM（左）和隧道内刚性接触网（右）

TBM属于机械化程度高的隧道施工技术，刚性接触网是在隧道内架空安装的牵引供电设施。根据技术特性和工程实践的分析，发现TBM与刚性接触网之间有一些共性、关联性，各自有其局限性。这2项技术的兼容性分析见表3。

表3 TBM与刚性接触网的兼容性

在南疆铁路中天山隧道设计时，隧道开挖采用了经整修的西康秦岭隧道ϕ8.8 m开敞式TBM施工［13］，由于隧道断面尺寸不满足160 km/h柔性接触网的安装空间要求，配套采用了结构尺寸较小的刚性接触网。实践结果表明，TBM+刚性接触网在特长隧道上具有兼容性和适用性。

青藏铁路新关角隧道为160 km/h等级双洞单线隧道，按最小净空有效面积42 m2进行设计，隧道净空高度7.2 m［14］，不满足高海拔柔性接触网的安装空间要求，配套采用了结构尺寸较小的刚性接触网。实践结果表明，刚性接触网在高海拔隧道具有适用性，但TBM+刚性接触网在高海拔超长隧道的应用尚无先例，仍需开展相关研究。

3 TBM施工隧道内轮廓和断面优化

3.1 TBM施工隧道衬砌和底部结构模型

TBM施工的超长隧道考虑采用表1中的基本技术条件，衬砌结构按满足V级围岩的较破碎硬质岩或软质岩进行设计。初期支护采用喷C30高性能混凝土，厚度150 mm，预留变形量100 mm。二次衬砌厚度350 mm。预留施工误差考虑了模筑混凝土衬砌施工误差、掘进机施工误差、测量误差等因素，取值100 mm。洞内设双侧电缆槽、双侧水沟及中心水沟，通过仰拱预制块中预埋的进水管将侧沟水引至中心水沟。疏散通道宽度按不小于0.75 m进行优化。TBM施工隧道衬砌及底部结构模型如图2所示。

图2 TBM施工隧道衬砌及底部结构模型（单位：cm）

3.2 高海拔隧道内接触网模型

以典型的海拔4 000 m隧道为例，隧道内接触网空气绝缘间隙采用系数1.445进行修正，则接触网带电体至固定接地体间隙为0.434 m，接触线距轨面最低高度5.85 m，考虑到海拔修正后，隧道内直线区段的刚性接触网、柔性接触网模型见图3、图4。其中，刚性接触网的最小净空要求为6.65 m，柔性接触网的最小净空要求为7.15 m。

考虑到隧道内曲线外轨超高和锚段关节安装，柔性接触网至少应在图4尺寸的基础上再加高0.2 m，因此柔性接触网的最小净空要求为7.35 m。此最小净空值是为了优化隧道断面而采用的接触网设计困难值，相对于速度160～200 km/h等级的普速单线隧道内接触网最小净空要求6.85 m而言，海拔高度4 000 m隧道的接触网最小净空要求相应增加0.5 m。

图3 高海拔隧道内刚性接触网模型（单位：cm）

图4 高海拔隧道内柔性接触网模型（单位：cm）

3.3 TBM施工隧道断面的对比及优化

3.3.1 分析方法

分160，200 km/h两个等级对TBM施工隧道内轮廓和断面进行分析，采取数据与图形相结合的方法，各项因素经初始计算后以数值方式纳入隧道断面图中，并进行图形整合、比对和修正，提取数据进行分析。具体方法如下：

1）TBM施工隧道、接触网的参数经过初始计算后，建立模型，各项参数如图2—图4所示，提取刚性接触网、柔性接触网要求的最小净空值。

2）在图2基础上按线路等级对应的建筑限界、最小净空有效面积要求绘制TBM施工隧道内轮廓和断面图，提取建筑限界要求的最小净空值、最小净空有效面积对应的净空值。

3）将图3、图4分别纳入隧道断面图中，进行图形整合、数值比对，按净空值较大者对隧道断面图进行修正，最终得出刚性接触网、柔性接触网对应的隧道断面图，分析隧道内轮廓的控制因素。

4）提取隧道内轮廓直径、开挖断面直径、轨面以上净空横断面面积、开挖面积等数据进行对比分析。

3.3.2 160 km/h等级TBM施工隧道

对于160 km/h等级TBM施工隧道，在图2基础上按照建筑限界、净空有效面积42 m2要求绘制TBM施工隧道内轮廓和断面图，将刚性接触网、柔性接触网分别纳入断面图中进行数值比对和图形修正后，得出断面1和断面2如图5所示。从图5中提取TBM施工隧道断面对比见表4。可以看出，160 km/h等级TBM施工隧道断面尺寸受控于接触网安装要求，断面1和断面2的隧道内轮廓均可满足净空有效面积42 m2和隧道建筑限界的基本要求，断面2的隧道内轮廓和断面尺寸较大。TBM施工隧道断面优化可考虑改变接触网悬挂形式，当采用刚性接触网时，与柔性接触网相比，TBM直径可缩小0.66 m，TBM开挖断面面积可减小9.88 m2。

3.3.3 200 km/h等级TBM施工隧道

对于200 km/h等级TBM施工隧道，在图2基础上按照建筑限界、净空有效面积48 m2和52 m2要求绘制TBM施工隧道内轮廓和断面图，将刚性接触网、柔性接触网分别纳入断面图中并进行数值比对和图形修正后，得出断面3和断面4如图6所示。

图5 160 km/h等级TBM施工隧道内轮廓及断面（单位：cm）

图6 200 km/h等级TBM施工隧道内轮廓及断面（单位：cm）

表4 线路等级160 km/h的TBM施工隧道断面对比

表5 线路等级200 km/h的TBM施工隧道断面对比

从图6中提取TBM施工隧道断面对比数据见表5。可以看出，200 km/h等级TBM施工隧道断面尺寸受控于空气动力学要求，断面3和断面4的隧道内轮廓均可满足接触网安装要求，断面4的隧道内轮廓和断面尺寸较大。TBM施工隧道断面优化可考虑缩小净空有效面积，当隧道的内轮廓按净空有效面积48 m2进行设计时，与隧道设计规范的净空有效面积52 m2相比，TBM直径可缩小0.3 m，TBM开挖断面面积可减小4.64 m2。

表5中净空有效面积48 m2是基于动车组的动态密封指数不小于6 s、高原地区大气压较低及疏散通道宽度减小等因素提出的优化值。

4 断面优化经济效益分析

4.1 降低工程造价

以一座典型的海拔4 000 m超长隧道为例。算例为：隧道长度20 km，采用双洞单线的分修模式；采用2台TBM错洞对打或同向掘进方案，每洞TBM施工段长度为15 km，其余以钻爆法辅助施工。工程造价分析采取的方法为：采用表4、表5中断面1—断面2、断面3—断面4进行工程造价增减计算；钻爆法施工段马蹄形断面、TBM设备购置费差异等不纳入对比分析。工程造价分析的内容参照中天山隧道，分TBM开挖断面及衬砌、下锚洞扩挖断面及衬砌、刚性接触网增加费3个项目，进行开挖土石方量计算及初期支护、二次衬砌、仰拱等钢筋混凝土用量计算，开挖土石方及衬砌施工采用400元/m3综合指标，刚性接触网比柔性接触网增加费采用90万元/km指标。

工程造价分析如表6所示。可以看出，160 km/h超长隧道采用断面1比断面2降低工程造价约8 713万元；200 km/h超长隧道采用断面3比断面4降低工程造价约2 425万元。TBM+刚性接触网可降低工程造价，并且160 km/h超长隧道的经济效果更为显著。

表6 典型20 km超长隧道的工程造价分析万元

4.2 减少隧道弃渣量

根据表4、表5中TBM开挖断面面积，160 km/h等级超长隧道采用断面1比断面2每延米可减少隧道弃渣量9.88 m3，200 km/h等级超长隧道采用断面3比断面4每延米可减少隧道弃渣量4.64 m3。对于长度20 km的双洞单线隧道，按TBM施工各15 km进行测算，160 km/h等级超长隧道采用断面1比断面2减少隧道弃渣量达29.64万m3，200 km/h等级超长隧道采用断面3比断面4减少隧道弃渣量13.92万m3。TBM+刚性接触网可减少隧道弃渣量，并且160 km/h超长隧道的经济效果更为显著。

隧道弃渣量的减少，相应地减少洞内出渣运输、洞外运渣工作量，从而节省工期；由于弃渣场规模的缩小，相应地减小了对生态环境的影响。

5TBM相关技术分析

在表4、表5中断面1—断面4的TBM直径分别为9.20，9.86，9.70，10.00 m。随着TBM直径的增大，设备研制难度、高原地区施工难度及风险也将增大。目前高黎贡山隧道采用我国自主研制的ϕ9.03 m开敞式TBM施工，我国已具备大直径TBM设备的创新能力［15］。从隧道规划设计角度讲，希望尽量减小TBM开挖直径以节省投资并减少弃渣量；从TBM研制和施工角度讲，希望开展大直径TBM研制和工艺工法创新。因此，确定TBM直径需综合考虑高海拔超长隧道建设要求、TBM技术掌握程度、设备自主研发能力等因素。从统筹兼顾的角度看，TBM直径采用9.7 m可以兼容160，200 km/h两个等级超长隧道，TBM设备重复利用率较高，并在降低工程造价、减少隧道弃渣量方面取得一定的经济效益。

中天山隧道和西秦岭隧道采用了TBM同步衬砌技术［16］。中天山隧道为160 km/h隧道，采用整修的TB880E开敞式TBM施工，刚性接触网不设下锚洞。西秦岭隧道为通行双层集装箱列车的200 km/h隧道，采用中外联合设计制造的ϕ10.2 m开敞式TBM施工，隧道断面较大因此柔性接触网未设下锚洞。总体而言，隧道内接触网不设下锚洞有利于TBM同步衬砌技术实施，进而缩短隧道施工工期。

TBM+刚性接触网具有防灾能力强的优点，是超长隧道运营须要考虑的内容。TBM施工隧道的圆形断面具有良好的结构抗震安全性，TBM施工隧道衬砌成形质量较好，可减少隧道二次衬砌脱空、开裂掉块等病害发生概率。而刚性接触网的结构特点表明其受隧道衬砌病害的影响较小，在隧道火灾、地震的情况下能够为动车组持续供电，在乌鞘岭隧道内机车火灾时车头自行驶离隧道是其成功案例。