重载铁路隧道设计技术探讨

赵晋友，周 鲁，周书明

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

重载铁路由于其高效率性，已成为世界各国铁路货运发展的方向，也是我国解决目前铁路运输能力紧张的重要措施。目前我国重载运输线路长1．6万km，其中京广、京沪、京哈、朔黄等线列车轴质量25 t，单列质量超过5 000 t;而1992年运营的大秦线，列车轴质量达27 t，近8年来运量都超过了1．5亿t。

如今隧道在铁路线路中比例越来越大(截至2009年12月运营铁路隧道8 900座(约6 000 km)、在建隧道约2 500座(约4 600 km)、规划隧道约5 000座(约9 000km))，而铁路隧道病害频发(据统计约30%隧道因病害影响运营［1］)。对于此，国内相关研究较多，如:文献［2］从选线、设计、施工养护等各阶段对铁路隧道病害进行了初步归纳并分析了其成因;文献［3］通过沈阳铁路局管段隧道为例，对隧道限界小、漏水、衬砌裂损及排水沟年久失修等病害做了介绍，并阐述了整治方案;文献［4］针对某运营隧道边墙鼓裂，拱脚开裂、排水沟淤积等病害研究了整治方案;文献［5］根据成因的不同，将隧道病害分为水害、衬砌裂损、衬砌腐蚀、隧道冻害等多种，并对其原因及整治做了探讨，为隧道设计提供了经验参考。但对重载铁路隧道的病害缺乏系统研究，且国内尚无重载铁路隧道设计相关的规范及标准，重载标准下铁路隧道设计缺少参考及依据。因此，总结既有重载铁路隧道病害，并分析研究重载标准下隧道修建技术，为以后重载铁路设计提供参考，是非常有必要的。

1 重载铁路标准

重载铁路(Heavy Haul Railways)是用于运载大宗散货的总质量大、轴质量大的列车、货车行驶或行车密度和运量特大的铁路。

国际重载协会先后于1986年、1994年和2005年对重载铁路标准进行了3次修订。1994年的标准要求重载铁路满足以下至少2条:1)列车质量至少达到5 000 t;2)轴质量达到或超过25 t;3)在长度至少为150 km的线路上年运量不低于2 000万t。

2005年的标准要求新申请加入国际重载协会的重载铁路，满足以下至少2条:1)列车重量不小于8 000t;2)轴质量达27 t以上;3)在长度不小于150 km线路上年运量不低于4 000万t。

我国对重载铁路暂定义为:“牵引质量≥10 000t，轴质量≥30 t(改建铁路轴质量≥25 t)，年运量＞50 Mt的铁路。”

2 重载铁路隧道病害

2002年铁道部运输局组织对大秦铁路隧道病害调研资料显示，大秦线共有52座隧道，总延长67．197 km，其中隧道严重漏水13座、衬砌严重腐蚀裂损2座、隧道内线路翻浆冒泥4座、大多数隧道洞内煤粉污染严重［6］。

重载铁路值得关注的是基底病害。据大秦病害调研及部分工务段秋检显示:大秦线茶坞工务段管41座隧道中4座隧道已经出现不同程度的隧道基底脱空病害，其中军都山、大黑山隧道最典型;九山隧道部分地段过车时除翻冒、流淌白浆外，个别地段还出现石碴快速下沉、流失的现象;团尖隧道铺底出现顺线路方向长1 m，深0．7 m的陷槽，对应两侧的边墙有多条水平裂纹;景忠山隧道出现铺底已全部损坏，道床严重积水下沉。

隧道基底病害原因为:

1)水是产生隧道基底病害的根源。大量实地调研发现，隧道基底发生翻浆冒泥或脱空病害一般都发生在富水地层。地下水造成隧道围岩强度降低，在列车冲击荷载下或造成隧底地层破碎泥化形成翻浆冒泥，或者长期掏蚀基底，造成隧底结构脱空;另一方面，地下水也是造成隧道化学侵蚀和冻害的必要条件。

2)列车荷载是产生隧道基底病害的重要因素。根据既有经验和相关试验研究［7-8］，在列车振动冲击荷载的长期反复作用下，隧道基底的结构和围岩受力复杂，既有压应力，也有剪应力及弯拉应力。长期作用下，围岩强度比原设计值大大降低，而隧道基底结构也将产生疲劳破坏。

3)隧道底部结构设计薄弱，排水措施不当。以往我国铁路隧道设计重拱墙，轻基底。在Ⅱ级和Ⅲ级围岩地段铺底普遍采用10～20 cm素混凝土，或不设底板。但由于在长期列车动载作用下，隧道铺底极易破坏;在Ⅳ～Ⅵ级围岩地段，即使隧道设置仰拱，但考虑经济因素，仰拱矢跨比也较小(仅为1/14)。这些积弊也导致以往我国铁路隧道基底设计薄弱。另外，我国铁路隧道的排水沟设在隧道内，且以往多采用单侧水沟。水沟不仅排泄隧道内产生的各种积水，而且通过边墙设置的泄水孔排泄隧道周围的围岩渗水。以往设计的水沟底一般高于道床，一旦排水沟破坏堵塞，水就进入道床或浸泡隧底填充，在运营期间易造成隧底结构的破坏。

4)化学侵蚀及冻害。在岩溶地区或酸雨地区修建隧道，对地下水腐蚀性调查不清楚，隧道混凝土抗腐蚀措施不当或不足，造成隧道结构受硫酸盐侵蚀破坏。

5)隧道基底施工质量控制不严。施工单位对基底工程缺乏应有的重视。混凝土浇注前，浮渣未清理干净、在有水的情况下浇注混凝土、隧道底板或仰拱分幅施工等均造成隧底隐患。

6)隧道维护不到位。对隧道的各种病害调查分析不够，监测不力，隧道及隧道内水沟定期清淤不彻底。

3 重载铁路隧道关键技术

3．1 单、双洞方案

重载长大隧道应特别重视方案研究，宜将隧道选在地层单一、地质条件好的地段，避开地下水富集区及地层松软地带。

关于双线铁路隧道单、双洞方案的选择，目前国内主要按长度来确定单线隧道、双线隧道的设置，如京广线大瑶山隧道(14．29 km)、朔黄线长梁山隧道(12．78 km)和西南铁路东秦岭隧道(12．28 km)等均采用单洞双线方案;另外，西康线、兰新线、石太客专、山西中南部铁路中也只是在16 km以上的隧道采用2座单线隧道方案。

针对重载铁路货运为主、轴质量大、运量大等特点，重载铁路隧道方案宜考虑以下几个方面:

1)在富水地层中，宜修建2座单线隧道。宜将轻车隧道放在地下水径流的上游，标高低于重车线，并加强截排水设计。

2)在软弱地层、不良地质地段或黄土地区修建隧道时，跨度对隧道工程的影响较大。建议软弱破碎围岩段长大于1 000 m或软岩高地应力段长大于500 m的隧道、4 km以上突水突泥风险等级较高的岩溶隧道，采用2个单线隧道方案。

3)从运营通风效果和减少煤粉污染的角度考虑，1 km以上的隧道，双洞方案能利用列车的“活塞作用”起到一定的通风作用，从而减少粉尘堆积、洞内污染，从而减少排水沟堵塞。

4)从维修角度考虑，重载铁路隧道轨下结构难免出现病害，由于双洞方案2条线的轨下结构相对独立，更利于运营期间的大修。

3．2 隧道结构型式

针对铁路隧道基底病害情况，我国在2005年对《铁路隧道设计规范》进行了修订，提出“单线Ⅲ级以上、双线Ⅲ级及以上地段均应设置仰拱……不设置仰拱的地段应设置底板，底板厚度不得小于30 cm，并应设置钢筋……”;在《高速铁路设计规范》中，也提出“Ⅰ级和Ⅱ级围岩隧道衬砌宜采用曲墙带底板的结构形式，Ⅲ～Ⅵ级围岩隧道衬砌应采用曲墙有仰拱的结构形式……Ⅰ级和Ⅱ级围岩隧道衬砌底板厚度不应小于30 cm，混凝土强度等级不应低于C35，并应配置双层钢筋。仰拱填充混凝土强度等级不应低于C20”。

由上述规定可知，我国已经对基底设计进行了很大加强。对于重载铁路，货运轴重标准由原来的22 t、25 t增加到30 t，列车速度仍维持120 km/h。针对这一特点，国内有研究［9］通过计算验证，30 t轴质量列车对隧道衬砌和基底围岩的附加应力并不大，这与文献［4-5］的结论基本相同。因此，重载铁路隧道结构形式可以参照上述规范执行。

山西中南部铁路隧道地层主要是湿陷性黄土、具弱-中膨胀性的黏土、砂岩、泥岩(或砂泥岩互层)、页岩、灰岩及粗(细)圆砾土等。经计算验证:本线Ⅱ级围岩地段采用曲墙带钢筋混凝土底板的结构形式;Ⅲ级及以上围岩段均采取曲墙带仰拱衬砌断面形式，仰拱矢跨比，单线隧道取1/6．5，双线隧道取1/10．5。

对富水段落的砂质、泥岩等软弱围岩地层(或土质地层)单线Ⅴ级、双线Ⅳ级及以上围岩地段，隧道二次衬砌拱墙及仰拱均采用钢筋混凝土结构，其中拱墙40 cm，仰拱厚45 cm(双线黄土Ⅴ级仰拱厚50 cm)。

3．3 隧道防排水

重载铁路防排水设计重点是隧底排水通畅性及排水系统的可维护性。一般铁路隧道内纵向排水坡度与线路坡度相同。综合以往的实践经验，重载铁路隧道内坡度不应小于3‰，建议在富水地层最小纵坡按5‰考虑。

以往隧道很少在隧道底板设排水盲沟(管)，这样便造成隧道基底有水排不出，有时甚至会在隧道基底形成较大水压;因此，重载铁路隧道中在隧底设纵横盲管型排水系统。排水系统要与纵向盲管连通。为防止岩层细粒流失，隧底所有盲管均应采用无纺布包裹。隧底纵向盲管间隔10～15 m设反滤装置。

隧道内应设深水沟，按水面在轨道基床底板下进行设计，并考虑5 cm的富余。水沟侧壁进行配筋设计。防止隧道水沟淤积，排水能力不足及沟壁破坏造成的水流漫流至隧道基床。

为实现隧道内外排水系统的可维护性，隧道拱墙环向排水盲沟采用宽幅凸点型板带取代原盲管型盲沟;另外，对于纵向盲管的清洗维护，既可以在隧道内小避车洞内设检查井定期进行疏通，也可以采用纵向盲管分段(10～15 m)45°角折入隧道内水沟的设置方式进行日后疏通。

3．4 隧道轨下结构

在中南部铁路通道隧道设计中，对于6 km以上的隧道均采用无砟轨道。针对到本线重载要求，对隧道内轨下结构进行了加强设计，并按“弹性地基上的梁-板模型”进行了验算。

在验算中，列车轴质量取30 t，动力系数3．0，钢轨扣件按刚度取50 kN/mm，板下底板或仰拱填充弹性系数取1 200 MPa/m。经验算，道床板结构采用30 cm厚C40钢筋混凝土，配筋率取纵向0．53%、横向0．72%，轨下结构能满足重载要求。道床板弯矩计算结果见表1。

表1 道床板弯矩计算结果Table 1 Calculation results of the bending moments of the track beds(kN·m)/m

隧道内轨道板下结构有仰拱及无仰拱2种型式，其中有仰拱段道床板下仰拱填充按2层设置:上层C30混凝土，厚30 cm，下层为C20混凝土;无仰拱段设30 cm厚C35钢筋混凝土底板。有仰拱段隧道轨下结构设计见图1。

图1 隧道轨下结构设计(有仰拱)Fig．1 Design of structure under tunnel track(with tunnel crown)

3．5 隧道基底处理

依据关于山西中南部铁路设计活载标准的批复，该线活荷载标准采用中-活载(2005)ZH标准(Z=1．2)。活荷载图示见图2。

图2 活荷载图示Fig．2 Live load

通过计算，在列车动荷载作用下，隧道基底地层竖向附加竖应力增加约25 kPa。由于隧道修建过程是一个对原岩(土)土应力卸载重分布的过程，列车动荷载造成的附加竖应力对隧道基底围岩影响不大。因此，在山西中南部重载铁路设计中，考虑到全线地质复杂，位于富水软弱围岩、岩溶或土质地层段落的隧道，会由于隧道开挖扰动以及隧道排水造成隧底薄弱，隧道基底普查应作为重要工序纳入施工。基底普查及处理流程见图3。

图3 基底普查及处理流程Fig．3 General investigation process of tunnel foundation

1)仰拱或底板施工前，采用地质雷达及风枪探测探空洞、不密实性及软弱夹层等不均匀地质体，测线原则上沿隧道轴线、左右线中线及边墙脚等布置，开挖过程中分段探查。

2)当有异常时，应进一步采取钻探及高密度电法进一步查明隧道基底围岩情况。针对基底薄弱、软弱环节，采取注浆或换填方式处理:①对于富水软弱砂质、泥岩地层或其他土质地层的隧道，基底采取钻孔注浆或树根桩加固，处理后隧道基底地层承载力不小于250 kPa;②对Ⅱ级以上湿陷性黄土，基底通过挤密桩或柱捶冲扩桩进行处理，对于低等级湿陷性黄土，主要通过灰土换填(换填深度50 cm)消除湿陷性。

3．6 过渡段设计措施

3．6．1 不同基底结构过渡处理

为保障线路平顺过渡，隧道内外不同基底结构相接处做过渡处理。隧道底板结构下按1∶2．5坡率做超挖，超挖部分采用C30混凝土填充。洞外路基面采用30 cm厚的M10的水泥砂浆砌片石铺砌。对于桥隧相连时，隧道仰拱应延伸到桥台台尾，并预留变形缝。隧道不同基底结构过渡段设计见图4。

图4 隧道不同基底结构过渡设计Fig．4 Designs of connection sections

3．6．2 有、无砟轨道过渡段

轨道过渡段设在隧道内，过渡段长度为20 m，碎石道直接铺在隧道回填层上，过渡段内碎石道砟厚度为350mm。过渡段设置2根25 m长60 kg/m的钢轨作为辅助轨，其中辅助轨在无轨道范围5m，有砟轨道范围20 m。辅助轨与基本轨中心距为500 mm。轨采用有挡肩2．6m过渡段轨枕，按1 667根/km铺设，基本轨扣件采用弹条型扣件。为减小轮轨的相互作用，改善过渡段的线路条件，钢轨焊接接头避在过渡段范围内。隧道内有砟轨道与无砟轨道过渡段设计见图5。

图5 隧道内有砟轨道与无砟轨道过渡段设计Fig．5 Design of connection section between ballast track and ballastless track

4 结论与讨论

通过对大秦线铁路隧道病害的调查，归纳隧道水沟及基底排水不畅、列车重载反复作用、隧道底部结构设计薄弱以及化学侵蚀、冻害等因素是诱发隧道病害的主要因素。通过对重载铁路设计实践及研究，对重载铁路隧道设计提出了以下经验:

1)软弱破碎围岩段长大于1 000 m或软岩高地应力段长大于500 m的隧道、4 km以上突水突泥风险等级较高的岩溶隧道优选采用2个单线隧道方案，既可以降低施工风险，又可以利用活塞风效应减少粉尘堆积，也利于日后维修。

2)Ⅱ级围岩地段采用曲墙带钢筋混凝土底板的结构形式;Ⅲ级及以上围岩段均采取曲墙带仰拱衬砌断面形式，单线隧道仰拱矢跨比取1/6．5，双线隧道取1/10．5，可以满足30 t列车轴质量要求。

3)重载铁路隧道内坡度不应小于3‰、富水地层不小于5‰的最小坡度要求。隧道基底设置纵横盲管，防止隧道基底积水。同时，利用小避车洞设置检查井或采用分段角折入隧内水沟的方式实现排水系统运营期间的可维护性。

4)通过梁-板模型计算后，确定30 t轴质量下，无砟轨道道床板结构采用30 cm厚C40钢筋混凝土，配筋率取纵向0．53%、横向0．72%可满足荷载要求。

5)对隧道内轨道结构过渡段、轨下及隧底结构过渡段采取了设计措施，可保证运营稳定。

6)重载铁路隧道应将隧底普查纳入施工工序。本文根据实际设计经验，提出了隧道基底普查要求及基底承载要求。

7)目前按30 t轴质量设计的铁路仅有山西中南部铁路通道，工程尚在建设中，上述经验可满足本线要求，能否推广尚待进一步实践。

［1］ 郭卫社，何君茹．浅谈铁路隧道病害防止［J］．隧道建设，2003，23(3):55-58．

［2］ 陈礼伟．浅析隧道病害产生的原因［J］．隧道建设，2004，24(2):83-85．

［3］ 王忠国．既有线隧道病害的整治方法［J］．铁道标准设计2002(5):40-41．

［4］ 刘福．某铁路隧道病害整治的技术探讨［J］．铁道工程学报，2005(4):55-58．(LIU Fu．Technical exploration on treatment of tunnel disease for one railway line［J］．Journal of Railway Engineering Society，2005(4):55-58．(in Chinese))

［5］ 刘新民．铁路隧道常见病害分析及预防整治技术［J］．内蒙古科技与经济，2009(23):93-94．

［6］ 张大伟．大秦线重点隧道病害调查情况及建议［J］．铁道标准设计，2002(4):32-35．(ZHANG Dawei．Investigation of defects in major tunnels on Datong-Qinhuangdao railway and suggestions about treatment［J］．Railway Standard Design，2002(4):32-35．(in Chinese))

［7］ 施成华，彭立敏．铁路隧道基底破坏力学形态的试验研究［J］．试验力学，2005(1):57-64．(SHI Chenghua，PENG Limin．An experimental study on mechanics pattern of bed disease in railway tunnel［J］．Journal of Experimental Mechanics，2005(1):57-64．(in Chinese))

［8］ 彭立敏，覃长炳，施成华，等．铁路隧道基底病害整治现场试验研究［J］．中国铁道科学，2005(2):39-43．(PENG Limin，TAN Changbing，SHI Chenghua，et al．Field test study on the disease treatment of foundation base in railway tunnel［J］．China Railway Society，2005(2):39-43．(in Chinese))

［9］ 王秀英，龚增进，刘维宁．30 t轴重条件下隧道技术标准研究［J］．铁道工程学报，2009(5):54-58．(WANG Xiuying，GONG Zengjin，LIU Weining．Research on the tunnel technical standard under 30 t axis load［J］．Journal of Railway Engineering Society，2009(5):54-58．(in Chinese))