中日铁路隧道工程技术标准对比分析研究

曾满元,陈赤坤,赵东平

(中铁二院工程集团有限责任公司土建二院,成都 610031)

1 概述

自从 1964年世界上第一条高速铁路在日本问世以来,世界高速铁路发展很快,到 2005年底,全世界已开通运营的时速 250km以上高速铁路里程达6400km。我国从全长 120km、时速 350km的京津城际铁路在 2008年 8月 1日开通运营后,武广、郑西、石太等客运专线已相继投入使用。根据铁道部的最新规划,到 2012年底,我国客运专线和城际铁路的运营里程将达到 1.3万 km。届时,我国将超越日本和德国等高铁起步较早的国家,成为全球高速铁路运营里程最长的国家。

作为基础工程,隧道是高速铁路的重要组成部分。我国幅员辽阔,地形、地质、地貌复杂多样,高速铁路技术标准高、线路曲线半径大、隧道工程多,目前我国在建和拟建的客运专线和城际铁路项目中隧道总长度将超过1000km。为高标准、高质量、高效率地搞好高速铁路隧道建设,构建我国自己的高速铁路标准体系,借鉴已掌握高铁建设技术的日本、德国等国家的高铁隧道设计、施工及管理的经验教训,回顾我国铁路隧道100多年来的建设发展历程,尤其是隧道标准、规程、规范的编制、修改、完善的历史,开展《中日铁路隧道工程技术标准对比分析研究》具有十分重要的意义,也是非常及时和必要的。

2 我国铁路隧道设计标准历史及现状

2.1 普速铁路隧道标准(设计速度目标值 ＜160km/h)

1960年以前我国无铁路隧道设计的专业规范,1960年 3月才发布第一本《铁路隧道设计规范》。1975年 7月铁路隧道设计与施工的规定合编成《铁路工程技术规范◦第三篇 隧道》。20世纪 80年代批准发布的隧道技术标准主要有《铁路隧道设计规范》(TBJ3—85)、《铁路隧道施工规范》(TBJ204—86)、《铁路隧道施工技术安全规则》(TBJ404—87)、《铁路隧道工程质量检验评定标准》(TBJ417—87)和《铁路隧道锚杆喷射混凝土支护设计施工技术规则》(1980年)、《铁路隧道新奥法指南》(1988年)等。

20世纪 90年代,《中华人民共和国标准化法》规定我国标准其实施范围分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准 4级,并以其执行的属性划分为强制性标准和推荐性标准 2类。由此,原来的部标准要转变为行业标准,标准的体制将由单一的强制性标准体制改变为强制性与推荐性相结合的标准体制。

“八五”期间批准发布的铁路隧道工程技术标准有《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》(TBJ108—92)、《铁路瓦斯隧道技术暂行规定》(1994年)、《铁路隧道辅助坑道技术规范》(TB10109—95)、《铁路工程结构可靠度设计统一标准》(GB50216—94)等。

“九五”时期,对《铁路隧道设计规范》(TBJ3—85,含 1996年局部修订)、《铁路隧道施工规范》(TBJ204—86)、《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》(TBJ108—92)、《铁路瓦斯隧道技术暂行规定》等进行了全面修订,编制成《铁路隧道设计规范》(TBl0003—99)、《铁路隧道施工规范 》(TB10204— 2002)、《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》(TB10108—2002)、《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002)等。2001年 9月 1日,经修订后的《铁路隧道设计规范》(TBl0003—2001)经铁道部批准发布。

为贯彻铁路又好又快发展的要求,落实“强本简末”的原则,2003年 8月在《铁路隧道设计规范》(TB10003—2001)基础上,对其部分内容进行了补充、修订,编制成现行的《铁路隧道设计规范》(TBl0003—2005)。规范的适用范围调整为“旅客列车设计行车速度小于或等于 160km/h的Ⅰ、Ⅱ级新建、改建标准轨距客货共线铁路隧道的设计”。

2.2 高速铁路隧道标准(设计速度目标值≥160km/h)

2003年 10月,铁道部发布《新建时速 200km客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函[2003]439号),这是我国指导高速铁路设计的第一本暂规。以后,又陆续发布了《京沪高速铁路设计暂行规定》(铁建设[2004]157号),《新建时速 200km客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函[2005]285号),《新建时速200～250km客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2005]140号)等 3部高速铁路暂规,2007年发布《新建时速300～350km客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2007]47号)替代《京沪高速铁路设计暂行规定》,2009年 12月发布的《高速铁路设计规范(试行)》又替代了《新建时速 300～350km客运专线铁路设计暂行规定》,其中均有隧道章节。

在上述高速铁路设计《暂规》中,隧道专业着重考虑了因高速列车在隧道内行驶带来的空气动力学问题,制定了不同速度目标值下隧道轨面以上最小有效内净空面积、安全标准、救援方法以及混凝土衬砌的耐久性等相关条文。

2.3 我国铁路隧道标准体系现状

铁路隧道技术标准在我国隧道和地下工程领域中是发展较早的标准系列,目前已有较多的数量,已基本形成较完整的体系。这些标准包括勘测设计、施工验收、养护维修和抢修抢建 4类,可分为下列 3个层次。

第1层:基础标准。它是在一定范围内作为其他标准的基础、具有普遍指导意义的标准。这一层次的标准主要有建筑限界标准、术语标准、图形符号标准等。

第2层:通用标准。它是针对某一类标准化对象制定的共性标准,其覆盖面一般较大,常作为制定专用标准的依据。如铁路隧道工程通用的设计标准、施工及验收标准、质量检验评定标准等。

第3层:专用标准。它是针对某一具体标准化对象、根据有关的基础标准和通用标准制定的个性标准,其覆盖面一般较小。如隧道辅助坑道技术规范、隧道运营通风设计规范等。

由以上 4类、3个层次的标准构成了现行的铁路隧道标准体系。其中基础标准 3项,通用标准 10项,专用标准 20项,共有标准 33项。

3 日本铁路隧道标准体系及现状

3.1 日本铁路标准体系

日本铁路标准体系由技术法规和技术标准 2个部分构成。技术法规由政府制定发布,其体系包括法律、省令、告示这 3个层次。技术标准分为国家标准(工业标准 JIS、农林标准 JAS)和行业标准,由国家行业部门、行业协会或专业团体制定。

日本铁路隧道规范和设计标准都属于行业标准,基本上是由土木学会和铁道综合技术研究所编制的。公路隧道规范和设计标准则是由日本道路协会编制的。编制单位具有相当的权威性,但编制的规范、技术标准、指南都不具有强制性和约束力,只有国家标准如JIS等才具有强制性和约束力。

除国家的法规、法令外,日本铁路规范、技术标准大致可分为 4个层次。

第1层:规程、规范类,如:新干线线路构造实施标准规程、混凝土技术规范、隧道技术规范等;

第2层:准则、标准类,如:新干线建造物构造整备准则、铁道构造物设计标准、公路隧道技术基准(构造编)等;

第3层:指南指针类,如:新奥法设计施工指南、喷混凝土指南(隧道编)、隧道混凝土施工指南、高性能喷混凝土设计施工指南、隧道施工通风技术指南等。这一层次的指南是对规范、技术标准的补充,包括新技术、新工法的应用等,其应用价值丝毫不逊于规范和技术标准。

第4层:手册类,如:隧道实用手册、隧道近接施工对策手册、城市铁道结构物近接施工对策手册、钢纤维混凝土设计施工手册。这是集某种技术之大成而编写的工具书。

由于管理体制的历史原因,该系列标准以隧道、桥梁等站前专业为主,现有设计(含施工)标准和维护管理标准两大类别,分别按专业划分。日本铁路基本上是以新干线为主体的,但没有专门针对高速铁路的规范,上述规范、标准、指南都可用于高速铁路隧道。

3.2 日本铁路隧道技术标准

在山岭隧道中,日本目前具有权威性的规范就是由土木学会编制的《隧道标准示范书》(2006年版),分别按三大主流施工方法即矿山法、盾构法及明挖法分 3册出版。本次中日铁路隧道工程技术标准对比分析采用的规范标准有:

(1)隧道标准示范书◦矿山法(2006)土木学会编制

(2)隧道标准示范书◦明挖法(2006)土木学会编制

(3)铁道结构物等设计标准◦同解说城市暗挖法隧道(2002)铁道综合技术研究所编制

(4)铁道结构物等设计标准◦同解说混凝土结构(2004)铁道综合技术研究所编制

(5)山岭隧道设计施工标准◦同解说(2008,即原来的《新奥法指南》)铁道建设◦运输设施整备机构编制

(6)矿山法山岭隧道防水设计施工指南(1996)日本隧道协会编制

4 中日铁路隧道设计标准对比分析研究

中国铁路隧道设计规范与日本铁路隧道设计规范相比较,不论从指导思想、编制方法、内容组成、工作成果以及对设计、施工、运营管理的指导作用方面,均有较明显的差别。主要表现在以下方面。

4.1 指导思想

日本国土交通省于 2002年提出了“土木、建筑设计的基本方针”,并以此方针为指导对铁路技术标准进行了全面的革新。该方针的指导思想有 2个。

一个是结构物的设计要从“构筑一个结构物”的思想,转变为“更好地使用一个结构物”的思想;也就是说,结构物设计要从单纯的力学设计转变为性能设计,或者说转变为以力学性能为对象的性能设计。

另一个是结构物设计必须是包括从勘查、规划、设计、施工及营运全过程的设计,即必须把结构物的维修管理纳入设计中。

日本目前使用的《混凝土标准示范书》、《隧道标准示范书》、《铁道结构物等设计标准》、《山岭隧道设计施工标准》、《铁道结构物等维护管理标准》等技术标准就是根据上述指导思想重新编制的。

目前我国的铁路隧道设计规范是以结构物力学设计为基础编制的。

4.2 编制方法

日本的规范、技术标准,基本上都是由政府部门(国土交通省)委托有关行业协会(如道路协会等)或研究单位(如铁道综合技术研究所等)编写的。受托单位组建由知名学者、教授、研究人员、公司人员等构成的修订委员会(下设各个专业委员会)主持修订、审查工作,经过初稿、征求意见稿、最终稿几个阶段,最后由国土交通省将标准以通知的形式发布。通常约每10年修订一次;由于伴随有试验等研究项目,每次修订费时约 3年。这与我国规范的编制方法截然不同。

4.3 标准体系及内容组成

日本隧道技术标准体系比较完善,门类齐全,内容详细具体,指导性较强。其内容大体上由前言、编写人员名单、目录、条文及解说和参考资料几部分构成。以土木学会2006年编写发布的《隧道标准示范书◦矿山法》为例,其编写具有以下特点。

(1)该规范适用于所有采用矿山法修筑的隧道,如铁路隧道、公路隧道、水工隧洞及地下铁道等,而不只是单独针对铁路隧道。

(2)该规范是把设计、施工合并在一起编写的。日本的隧道工程界始终认为:隧道设计的成果是由施工来实现的,不管设计如何好,但施工不到位或不良也得不到满意的结构物。因此,把规范施工行为的准则与设计有机地结合在一起,是非常必要的。此外,日本的设计施工体制与我国不同:没有独立的设计单位,设计与施工都由一家承包单位承担,这可能也是在规范中把设计施工合并在一起的一个原因。

(3)每个条文紧接着都有一个比较详细的解说。规范的条文比较简洁、明确,而解说则详细地说明了条文的“来龙去脉”,提供了许多确保条文实施的建议和要求。

(4)参考资料给出了许多研究成果、统计数据以及实用的设计方法等,是规范标准的重要组成部分,具有相当的使用价值。

我国规范标准体系也较完善且层次分明,但我国的规范多是原则性的规定,对工作的指导性不强,这一点与日本规范有很大的差别。内容构成上基本相同。但我国的铁路隧道、公路隧道、地铁等不同类别的隧道都有相应的规范及技术标准,设计规范和施工规范也是单独分开的。

4.4 具体设计参数

4.4.1 围岩分级

日本铁路隧道和公路隧道围岩分级,充分利用了物探、钻探等地质勘察方法获得的地质数据,主要依据定量指标(表1)来分级。而我国的围岩分级基本上是定性的,缺少定量的指标,对围岩级别的判定主观成分较重。

日本铁路隧道的围岩分级,比较重视低级别围岩和特殊围岩的划分,例如Ⅰ级围岩细分为ⅠN、ⅠS、ⅠL三级,特殊围岩细分为特 S和特 L两级。

建议我国加强地质勘察,充分统计整理、分析利用获得的地质数据,建立围岩分级的定量指标体系,使围岩分级更加的科学、客观。

4.4.2 设计方法

日本规范中明确规定了隧道的 3种设计方法(即标准支护模式设计法、类比设计法和解析设计法)及其适用条件(表2)、适用范围(表3)、注意事项等。我国隧道设计虽然也是采用的上述 3种方法,但在什么条件下应该采用什么方法,在隧道规范中没有明确规定。

表2 隧道设计方法的适用条件

表3 标准支护模式的适用范围

4.4.3 单双线隧道设置原则

日本新干线隧道一律采用双线断面,即使长度超过 20km的隧道也是如此。2008年版的《山岭隧道设计施工标准》甚至都没有与单线隧道有关的内容。我国规范则要求长度超过 10km的隧道分修,采用双洞单线断面。

日本新干线是按照列车时速 250km设计的,双线隧道轨面以上有效净空面积为 64m2。在相同条件下我国隧道的净空断面积是 92m2,两者相差甚大。

鉴于我国的机车车辆参数与日本的相差较大,且空气动力学效应尚待深入研究,建议维持我国现有标准不变。

4.4.4 隧道衬砌

(1)材料

日本混凝土的性能指标要求符合《混凝土技术规范》的规定。与我国不同的是:混凝土不是按强度等级而是用按混凝土的设计基准强度值(单轴抗压强度)来分级的,其 18、24、30、40N/mm2大致相当于我国的 C20、C25、C30、C40标准。日本在隧道工程中,混凝土等级最低采用 18N/mm2,但在大断面隧道如三车道公路隧道,已经改为采用 36N/mm2的设计基准强度。喷混凝土等级与混凝土相同,即最低采用设计基准强度 18N/mm2。

(2)设计原则

在一般情况下,日本的二次衬砌是按照不承载(安全储备)的原则设计的,采用素混凝土。只在特殊围岩、特殊地形条件下,才考虑二次衬砌承载。我国隧道的二次衬砌则都是按承载结构设计的。以净空跨度10m左右的隧道为例,我国与日本的规定比较列于表4。从我国国情和目前的施工、管理技术水平出发,建议暂时维持现状不变。

表4 二次衬砌厚度比较 cm

日本隧道标准示范书对仰拱异常重视,从 1994年版开始就与二次衬砌并列单独成章,对仰拱的形状、厚度(表5)以及混凝土配比等做出了相应的规定。而我国规范仅在隧道衬砌中列出了 1条。通过客运专线隧道的建设,我国也已经充分认识到仰拱在设计和施工中的作用,建议进一步加强。

表5 新干线铁路隧道仰拱设置基准

4.4.5 隧道防排水

日本没有专门的铁路隧道防排水技术规范,对隧道也没有防水等级的规定,仅仅在规范条文中要求隧道衬砌不漏水。在规范中对防水、排水的基本方法、材料、适用范围做了一些规定,但缺乏具体的性能指标。日本隧道主要采用防水板防水,要求防水板具有一定的强度、耐久性和施工性,材料多为 EVA、ECB、PVC这 3种,选定标准如表6所示。混凝土的防水性能,日本称为“水密性”,需要满足《混凝土技术规范》的要求(表7),在隧道规范中没有专门的规定。我国要求隧道结构防水达到一级标准,防水板厚度不小于 1.5 mm,都比日本标准高且防排水标准比较齐全,建议维持我国标准不变。

表6 日本防水板选定的大致标准

表7 日本要求水密性的混凝土容许开裂宽度 mm

4.4.6 施工方法

日本规范是把设计、施工合并在一起编制的,针对不同的围岩类别给出了建议的施工方法(表8)。他们认为:配合标准设计,施工方法也应逐步标准化,这也是当前设计技术发展的一个趋势。日本隧道施工主要采用全断面法和台阶法,只有净空在 12.5m以上的大跨断面,才考虑采用其他方法。日本隧道标准示范书还给出了不同围岩类别、不同净空跨度的隧道洞身、洞口的标准支护参数表(表9),将支护参数与净空跨度、施工方法联系在一起,非常方便实用。目前我国规范还没有这方面的规定,建议通过科研和施工现场的总结补充完善。

表8 日本围岩级别与开挖方法的标准

表9 日本新干线隧道标准支护参数

表9仅列出初期支护参数,因为二次衬砌是按安全储备设计的,其厚度与围岩级别无关,全部采用30cm。

5 结论及建议

通过对比分析研究可见,我国铁路隧道设计规范与日本规范在指导思想、编制方法、标准体系、内容组成、工作成果等诸多方面存在较明显的差别。总的说来,日本规范体系完整、内容具体、指导性较强,我国规范虽然体系完全,但原则性的规定较多,对工作的指导作用较小。

建议更新设计理念,结合我国国情和技术发展水平,进一步开展基础科学和现场试验研究,逐步完善细化设计指标,提高规范对设计、施工的指导作用,促进我国铁路建设事业更好更快的发展。

本次研究工作,承蒙西南交通大学关宝树教授的热情指导和大力支持,谨此表示衷心的感谢!

[1]TB10003— 2005,铁路隧道设计规范[S].

[2]TB10621— 2009,高速铁路设计规范[S].

[3]TZ204—2008,铁路隧道工程施工技术指南[S].

[4]TB10119—2000,铁路隧道防排水技术规范[S].