中德高速铁路隧道技术标准对比分析研究

琚国全,陈赤坤,曹 彧,赵辉雄

(中国中铁二院工程有限责任公司,成都 610031)

1 概述

随着我国经济、交通事业的快速发展,高速铁路建设正面临一个大规模的建设高潮。目前我国已建成并开始运营了包括郑西、武广、沪宁、沪杭等时速350 km的高速铁路及石太、合武、福温、福厦等多条客运专线,在建或计划修建的高速铁路超过1万km。要建设高质量的高速铁路,必须有高标准的行业规范、标准遵循。我国高速铁路行业标准、规范随着高速铁路的发展从无到有、从简单的暂规到具有很强操作性的标准快速发展起来。我国高速铁路标准的发展已经历了下面的发展过程[1]。

2003年10月,铁道部发布《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函[2003]439号),这是我国指导全路高速铁路设计的第一本暂行规定。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200 km客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函[2005]285号)、《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2005]140号)等3部高速铁路暂行规定。2007年发布《新建时速300～350 km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《高速铁路设计规范》(试行)及条文说明(TB-10621-2009),原《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2007]47号)及《客运专线无砟轨道铁路设计指南》(铁建设函[2005]754号)废止,原《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2005]140号)中关于时速250 km的有关条文和内容等标准中与《高速铁路设计规范》及条文说明(试行)不一致的有关内容同时废止[2]。

由于我国高速铁路起步较晚,技术标准难免与国外发达国家高速铁路技术标准存在差异；随着我国大规模、高标准铁路建设的不断推进,深化开展中外铁路技术标准对比研究工作十分必要,这对于展示我国铁路发展最新成果、加快实施我国铁路“走出去“战略具有重要意义。

2 我国铁路隧道标准体系[2]

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。

2.1 基础标准

基础标准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。这一层标准主要有建筑限界标准、术语标准、图形符号标准等。

2.2 通用标准

通用标准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。

2.3 专用标准

专用标准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。

目前,我国高速铁路技术标准日臻完善,随着我国高速铁路的发展,铁道部于2009年12月颁布了《高速铁路设计规范(试行)》及其条文说明(TB10621—2009),作为此次中德高速铁路隧道技术规范对比的基础参考资料。

3 德国铁路隧道技术标准[3]

3.1 德国铁路标准体系

德国铁路根据其多年的设计、施工、运营经验,已形成了一套完整的标准体系——德国工业标准(DIN)。德国铁路标准体系一般为：第一级为联邦铁路总署颁布的法律、规定、职责条例和规程；第二级为德国国家规范DIN；第三级为德铁公司的规定、规章和规程三个等级。其中作为国家铁路法,《AEG：一般铁路法》是最高法律,规定了铁路的地位、作用等,适用标准为德国铁路技术管理规程(EBD)及各专业规范(DS、Ril)系列。专业规范DS、Ril系列与工业标准DIN规范是相互兼容的,只补充与DIN规范不同或缺少的约定。随着欧洲的一体化,其部分标准由于通用性强,已纳入欧洲标准(EN)或与欧洲标准(EN)等效。德国铁路标准规范详见表1。

3.2 德国铁路隧道技术标准

根据对德国铁路隧道规范的掌握,了解到德国铁路隧道专业技术标准主要有以下3套。

(1)《铁路工程设计,一般设计原则》(DS 800 01 1993年3月1日生效)。

(2)《联邦德国铁路新线设计规范》(DS 800 02 1991年7月1日生效)。

(3)《德国联邦铁路规范：铁路隧道的设计,施工和养护》(Richtlinie 853 2003年8月1日生效)。

4 中德高速铁路隧道技术标准对比及分析

中国与德国铁路隧道设计规范相比较,从规范设计理念以人为本、编制方法、内容组成等多方面，既存在很多相同或者等效之处,但也存在差异,主要体现在以下几个方面。

4.1 单双线设计原则[4]

由于我国高速铁路隧道断面较大,从经济角度采用单洞双线隧道较单线双洞隧道经济；在大于10 km的隧道中,考虑到隧道防灾救援,采用两个单线隧道可以互为救援,采用双洞单线隧道。德国通常采用单线双洞隧道,只有在满足EBA准则中“修建和运行铁路隧道时防火防灾的要求”的规定、运行方案和规程Ril 413等前提下,才能设计单洞双线隧道。由于德国铁路隧道一般较短,埋深较浅,防灾救援主要措施为间隔1 km设紧急出口,紧急出口主要采用竖井形式。与我国设计原则不同之处主要在于更侧重于运营安全。

4.2 限界及净空断面[5]

中德高速铁路隧道轨面上有效净空面积对比见表2。

表2 中德高速铁路隧道净空面积对比

隧道衬砌内轮廓应考虑建筑限界、股道数及线间距、设备空间、空气动力学效应、轨道结构形式及其运营维护方式等因素综合确定。根据国家“八五”科技公关项目,当行车速度达到300 km/h时,在隧道净空面积为100 m2时最大行车阻力只比明线增大15%～30%,会车时隧道内的空气阻力也比明线的增大值不超过30%。德国考虑隧道限界、轮廓及断面布置考虑因素基本与我国相同,但增加了技术作业空间,确定断面大小。我国《高速铁路设计规范》(TB 10621—2009)条文说明中增加了有关技术作业空间的内容,与德国基本一样。德国高速铁路采用ICE3车型,车头面积10.9 m2,与CRH3车头面积、密封指数一样,德国车体采用UIC限界,中德考虑因素相同,建议维持我国断面大小不变。

4.3 洞门缓冲结构及设计原则[5]

在列车行车速度达到300 km/h后,加大断面对防止微压波不能起到显著作用,考虑洞口设缓冲结构。我国高速铁路隧道洞口设置考虑了缓解微压波的要求,微压波变化最大值不超过50 Pa。确定缓冲结构的主要因素主要有缓冲结构的断面积、开孔率、隧道的长度,这些与德国基本一致。我国洞门缓冲结构形式多样化如设缓冲井等,德国隧道普遍较短,主要采用洞门斜率缓于45°的斜切式洞门作为缓冲结构。

4.4 材料

德国喷射混凝土为达到及时起到支护作用、二衬模筑混凝土为保证后期强度达到设计要求,对早期强度的发展都有要求,喷射混凝土的早期抗压强度应至少达到：12 h后ßW0.5=5 MPa；24 h后：ßW1.0=10 MPa；二衬模筑混凝土12 h强度一般不应超过6 MPa,且一般都采用钢筋混凝土结构；德国喷混凝土一般设双层钢筋网,且规定了最小配筋率不得小于1.88 cm2/m；我国目前喷射混凝土采用湿喷工艺,在特殊工点采用喷射早高强混凝土,对早期喷混凝土强度有明确要求。德国对二衬混凝土的养护有明确的要求,且每版混凝土之间设T型施工缝。建议我国增加喷混凝土、二衬混凝土施工工艺的条文,确保初期支护和二次衬砌的施工质量。

4.5 衬砌设计原则

我国铁路隧道复合式衬砌初期支护、二次衬砌共同作为承载体系。根据围岩级别不同,初期支护和二次衬砌分别承担不同的围岩压力。德国考虑初期支护的耐久性一般情况下达不到设计使用100年的年限,初期支护仅在施工阶段考虑承载作用,运营阶段仅考虑二次衬砌作为承载体系。我国初期支护一般采用经验设计,德国初期支护根据理论进行计算,确定初期支护的参数。

德国铁路隧道荷载作用比我国铁路隧道考虑的荷载种类要多,我国隧道规范对结构承受的荷载的计算有明确的规定,设计荷载非震区主要考虑围岩压力,结构自重及围岩约束衬砌变形的弹性反力,震区考虑地震力的影响,不考虑列车活载、冻胀力及地下水压力(特殊工点除外)。德国铁路荷载包括主要荷载、附加荷载及特殊荷载。主要荷载包括恒载及有规律出现的活荷载。其中恒载包括：①衬砌自重和隧道内部其他所有设备结构部件的自重；②线路上部结构自重；③接触网导线系统的各部件荷载；④围岩产生的作用；⑤水压力；⑥预应力措施产生的荷载；⑦衬砌的收缩徐变产生的作用(规范DIN1045,DIN4227)；⑧地面上持续作用的荷载和相邻洞室的影响。对于隧道内和隧道上方交通道路的活载而言,其设计应按照DS804或者DIN1072来考虑,同时也应考虑由于列车的行驶对隧道内各密封的内部设备以及隧道各内墙作用的、空气动力学方面的压力变化Δp及由于变化了的空气流畅引起的空气阻力q。附加荷载包括：①无规律出现的交通荷载；②施工期间的临时荷载；③热效应；④由地表变化和相邻洞室引起的临时作用荷载。特殊荷载包括①撞击荷载；②接触网导线和其他相连导线的断裂；③地震对结构构件的影响；④将来可能出现的岩土侵蚀现象的作用。

建议我国铁路隧道结合高速铁路隧道空气动力学相关的理论计算和现场测试,增加不同速度目标值、隧道有效净空面积下相应的动压力q和压力变化Δp标准值,作为洞内突出物及设备安装强度、基础要求、隧道衬砌耐久性设计的依据。开展对初期支护力学参数化设计的研究。

4.6 设计方法

我国铁路隧道复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数,采用工程类比、并通过理论分析进行计算,当无类比资料时,在选取合适设计参数基础上通过现场围岩量测信息对支护参数作必要的调整。德国铁路隧道根据每座隧道的详细地勘资料,对每一座隧道进行工点设计,做到理论计算、工程类比相结合,对中硬岩石质深埋隧道采用全支永弹性地基圆环有限元法、连续介质或收敛—约束法进行计算；对喷锚钢支撑软土质隧道,当覆盖层厚<2D(D为隧道开挖轮廓直径),采用顶部无约束的弹性地基圆环；当覆盖层厚>3D,采用全支承弹性地基圆环、有限元法；根据交流咨询,二次衬砌设计方法基本与我们一致,但初期支护德国根据详尽的地勘资料,经过计算来确定初期支护参数,较我国更详尽。

4.7 防排水

4.7.1 设计原则

我国铁路隧道防排水设计方案应结合隧道洞身水环境要求和水文地质条件确定。隧道采取“防、堵、截、排,因地制宜,综合治理”的原则。地下水环境保护要求高,埋深浅的隧道采用抗水压衬砌,采用全断面封闭防水。

德国新建铁路隧道对于承压水一般采用全断面封闭防水,对于可以无淤阻渗流的渗流水采用拱墙防水。在高水压条件下,在得到企业内部和联邦铁路总署EBA批准的情况下,可以采用安装水压机控制系统限量排放,使局部水压不超过设计值。

4.7.2 设计标准

我国高速铁路隧道防水标准为“一级”,即隧道二衬表面不允许渗水,结构表面无湿渍。德国规范要求冻害危险区及紧急出口“基本干燥——支护内面必须密封到内侧,只有个别部位呈现轻微湿润(根据变色判别)”；其他区域只能零星出现不大于单个区段表面10%、可让手湿润的区域,但不得有淌下的水及水滴。

4.7.3 隧道防水层

德国单层人工材料防水板KDB在无压渗流的情况下厚度至少为2 mm,以密封阻挡渗流水；在有压渗流的情况下厚度至少为3 mm,以密封防止承压水。对于双层KDB,每层厚度应为2 mm,在水柱高60 m的水压条件下,靠山侧的厚度应为3 mm。单层KDB和保护层的搭接长度必须至少100 mm。我国高速铁路隧道防水板厚度不得小于1.5 mm。此外德国要求设置信号层,分离铺设防水层和无纺布,我国则没有此项要求。

德国考虑到环境保护要求和减小运营阶段的养护工作量,一般采用全断面封闭防水措施,我国一般采用“以排为主,限量排放”的原则,两国的原则体现了本国的国情,因此在建议维持我国现有设计原则不变的前提下,提高我国隧道防水的施工工艺和防水材料的性能指标。

4.8 防灾救援

我国隧道内的主要救援设施为贯通的救援通道,部分长大隧道设置了紧急出口及引导标志。德国隧道救援设施除了贯通的救援通道外,还包括500 m一处的紧急出口、每80～100 km线路区段的救援列车,洞口消防水池、救援场所、洞内消防水管、救援小推车等。德国隧道的防灾救援已成系统并有相关法律条文规定,标准由消防局制定。

我国隧道的防灾救援随着我国客运专线和高速铁路的发展也已经逐步完善,《高速铁路设计规范》(TB10020—2009)中有明确的规定。隧道防灾救援应贯彻“以人为本,应急有备,方便自救,安全疏散”的工作方针,并规定了救援站之间的长度不应大于20 km,长度在10～20 km的隧道应设避难所,长度10～3 km的隧道可结合辅助坑道情况设紧急出口。随着我国客运专线和高速铁路的不断开通运行,建议在维持目前防灾救援的基础上,根据运行需求逐步提高。

4.9 其他

德国接触网设备的固定及其荷载、列车运行对内部结构和隧道内表面的动压力q和压力变化ΔP、热效应以及洞门挡护、两座隧道之间的距离等都作了详细的规定。建议根据相关专业要求,经理论分析和实验后确定相关的技术标准。

5 结论及建议

通过中德高速铁路隧道技术标准对比可见,我国高速铁路隧道设计规范与德国规范设计理念、体系构成、编制内容等方面与德国铁路隧道设计相同或者等效；但在某些具体操作方面,由于国情和考虑因素不同,也存在差别。德国铁路隧道规范体系完整,标准高、内容具体,对工作的指导性较强；我国规范虽然体系完整、标准较高,但原则性较多,对工作的指导性相对较弱。建议我国铁路隧道规范尽量减少原则性规定,明确具体、准确的指标参数,增加规范的指导性及可操作性。

[1]中国铁路隧道史编纂委员会.中国铁路隧道史[M].北京：中国铁道出版社,2004.

[2]曾满元,陈赤坤,赵东平.中日铁路隧道工程技术标准对比分析研究[J].铁道标准设计,2010(S1)：27-32.

[3]曾满元,喻 渝.中德铁路工程隧道技术标准对比分析研究[J].现代隧道技术,2008(6)：60-63.

[4]中华人民共和国铁道部.TB10003—2005 铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[5]中华人民共和国铁道部.TB10020—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2009.