[分享]中国铁路 、隧道与地下空间发展概况

发表于2018-12-04     1255人浏览     1人跟帖     总热度:222  


中国铁路 、隧道与地下空间发展概况-Snap10



0 引言

21世纪人类面 临着人口增长 、土地砂化 、能源紧张 、水资源减少 、环境变坏 、气候变暖六大挑战 。“可持续发展 ”作为国策提出来了 ,摆在每个学科 、每个产业的面前 ,谁违背了六大难题的挑战 ,谁就会被调整掉。

土木工程也应顺潮流而检讨自己 ,大量的土建工程拔地而起 ,人们要进入城市 ,大量的交通 、房屋要建 ,大片良田被钢筋混凝土所取代 。能否把地面沃土多留点给农业和环境 ,把地下岩土多开发点给道路交通 、工厂和仓库 ,从而使地下空间成为人类在地球上安全舒适生活的第二个空间 。

随着城市人口急剧膨胀所带来的生存空间拥挤、交通阻塞、环境恶化等问题的凸显 ,地下空间的开发、城市地铁的快速修建已迫在眉睫 ,我国城市化的速度在2010年要从35%达到45%,如果听任城市无限制地蔓延扩张 ,将会严重危害我国土地资源 。

城市共同沟的修建 ,地下铁道 、地下停车场 、地下仓库 、地下商业街 、地下娱乐场所等都在进行设计 、施工 ,但很少统筹。城市地下设施很多,谁占什么标高 ,也需要技术立法 ,以人为本的思想应贯穿在当前地下工程的设计中。

图1为世界闻名的巴黎共同沟 。天津首条穿越海河 “共同沟 ”隧道 (穿越海河的管线将由隧道通过 ,隧道将分为4个功能区间 ,分别供电力、通信、热力自来水、中水和煤气管线通过 )。图2为某地下停车场。图3为某地下商业街。

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图 1 城市共同管沟

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图 2 地下停车场

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图 3 地下商业街

综观当今世界 ,有识之士已把对地下空间开发利用作为解决城市资源与环境危机的重要措施 ,是解决我国可持续性发展的重要途径。可以预测21世纪末将有1/3的世界人口工作、生活在地下空间中 。


1 中国是世界上隧道和地下工程最多 、发展速度最快 、地质及结构形式最复杂的国家

1.1 山区铁路

山岭隧道向长大发展 ,早进晚出 ;中吉乌通道 、泛亚铁路 、城市铁路入地 。正在施工的山区隧道5000km,待开工的山区隧道有9000km,如兰渝铁路线路总长800km,其中隧道长度占600km,被称为地下铁路 。用钻爆法施工的目前中国最长的铁路隧道关角隧道32km,用 TBM施工的有中天山隧道长22km和秦岭隧道长29km。开工和即将开工的超过10km长的隧道有 76座 ,其中高丽贡山隧道长34km在中缅线路上,穿越高温区,采 用一端钻爆法,另一端用开敞式TBM法。

1.2 城市交通

以地下铁道、城市轻轨为主 ,已开工的 20座城市是北京、广州、深圳、上海、南京、重庆、成都、天津、沈阳、哈尔滨、杭州、西安、武汉、苏州、郑州、无锡、宁波、温州、大连、长沙,待批的12座城市是合肥、石家庄、青岛、长春、厦门等。

1.3 城际铁路

介于大铁路与城市地铁之间的快速交通网络,如珠江三角洲、长江三角洲、京津唐地区以及省内主要城市之间快速轨道交通,是节省土地、节省能源、经济、减少污染、绿色环保的快速交通工具。

1.4 山区公路

公路隧道 ,多跨、非连拱隧道、多个单跨结构为宜 。最长的终南山隧道长18.4km,公路隧道以300km/年隧道里程增加 。

1.5 水电工程

压力隧道、交通隧道、大型调压竖井、各种大洞室、尾水洞室等也大量出现 。

1.6 西气东输工程 、南水北调及各种水利工程

如已建成的长86km隧洞 ———沈阳大伙房引水 、供水工程 ,即将开工的长84km长隧洞引汉济渭供水工程。吉林110km供水工程等采用钻爆法和TBM法相继开工 。

1.7 城市地下空间开发

地下商场、地下会议室、地下停车场、地下仓库、地下共同沟、地下过街道、地 下公交隧道 (如南京、杭州等水下隧道 )。

1.8 LPG地下水封液体库

如1000万t汽油库、1万亿t原油库等 ,可提供全国90d的用油储量 。

1.9 江河隧道

如高速铁路过狮子洋盾构隧道 ,武汉、南京市内公交水底隧道,沿江铁路的渤海湾通道 110 km,琼州海峡隧道,厦门、青岛海底隧道 ,浏阳河湘江底隧道等已开工和建成。待开工水下隧道有50多座 。

1.10 军工 、人防工程

地下军事设施及人均1平方地下防护设施 。


2 铁路快速发展概况

2.1 2007年以来铁路快速、高效发展路网规模、质量实现重大跨越 

截止 2008年底 ,营业里程达8万 km,机车 、客车拥有量分别达1.8万台、4.5万辆 ,动车组达到193组 ,货车拥有量达57.8万辆 。近几年铁路营业里程见图4。

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图 4 近几年铁路营业里程

复线率 、电气化率均显著提高 ,复线率 、复线里程分别达36.2%,2.9万 km,电气化率、电气化里程分别达34.6%,2.8万 km。近几年铁路复线率 、电气化率见图 5。

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图 5 近几年铁路复线率 、电气化率

2008年 ,中国铁路完成旅客发送量14.6亿人 ,旅客周转量7779亿人 km;完成货物发送量 33亿 t,货物周转量25118亿 t·km。近几年中国铁路完成旅客发送量 、旅客周转量见图 6,货物发送量 、货物周转量见图 7。

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图 6 近几年中国铁路完成旅客发送量 、旅客周转量

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图 7 近几年中国铁路完成货物发送量 、货物周转量

2.2 技术创新实现重大突破

成功搭建了时速250~350km高速铁路技术平台、时速200~250km既有线提速技术台、高原冻土铁路技术平台和铁路重载运输技术平台。

2.2.1 高速铁路和客运专线技术平台

在建高等级铁路规模接 近 10 000 km,其中时速300 ~350 km的有 7 000 km,时速 200 ~250 km的近3 000 km。

已建成开通运营的京津城际铁路时速 350 km,合宁 、合武 、石太客运专线时速也按 350 km进行基础设施修建 ,按 200 km时速运营 。

京津城际铁路 2005年 7月 4日开工建设 ,2008年8月 1日正式运营 ,列车最高时速 350 km,正常运行进速为 270 ~310 km,旅客乘坐平稳 、舒适 ,京津之间30min到达 ;对我国 高速铁路建设、运营具有示范性意义 。与世界同类铁路技术比较 ,总体水平国际领先 ,见表 1。

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表 1 世界有关国家客专技术标准对比

京津城际铁路解决了许多关键技术难题 :

1)系统设计及整体优化 ;

2)线路高平顺及高稳定 ;

3)动车组列车安全与舒适 ;

4)运行控制系统可靠与高效 ;

5)系统集成与联调联试 。

2.2.2 既有线时速 200 km等级提速技术平台

该类线路延展里程达到6227 km,其中时速 250km延展里程1019 km,相当于欧洲 9国同类铁路总规模 。该类线路布局见图8。既有线经过6次提速的试验研究和应用 ,所取得的成果为快速建成高速铁路打下了坚实的基础 ,是百万职工共同努力的结果 。

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图 8 既有线时速 200 km等级提速线路分布

成功实现了主要提速干线列车追踪间隔动车组5min、客车6min、货车7min与 5000t级货物列车、25t轴重双层集装箱列车共线运行 ,日行车量达260列以上 ,最大区段达294列 。创造了客货共线铁路运输速度 、密度 、质量的世界纪录 。

2.2.3 高原冻土铁路技术平台

青藏铁路格拉段海拔4000 m以上960 km,多年冻土地段550 km。经过5年艰苦奋战 ,突破 “高原缺氧 ,多年冻土 ,生态脆弱 ”三大建设难题 。开通运营以来 ,受到社会各方广泛赞誉 。青藏铁路格拉段纵断面示意见图 9。

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图 9 青藏铁路格拉段纵断面示意图

2.2.4 铁路重载运输技术平台

大秦铁路采用集成 创新的机车无 线同步操控技术 ,国产9600,10000kW和谐号大功率机车和大吨位货车技术 ,大量开行 1万 t和 2万 t重载组合列车 ,运能由 2002年的1亿t增长到4亿 t,创下世界铁路重载技术领先水平 。大秦铁路集疏运示意见图10。

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图 10 大秦铁路集疏运示意图


3 今后一段时期铁路发展规划

3.1 中长期铁路网规划

到 2020年全 国铁 路营业 里程达 到 12万 km以上 ,其中高速铁 路和客运 专线达到 1.6万 km以 上 ,复线率和电 化率 分别 达到 50%和 60%以上 。2008年调整的中长期铁路网规划见图 11。远期规划应超过美国 27.2万 km的 铁路总里 程 ,以满足发 展的需要 。

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图 11 2008年调整的中长期铁路网规划

3.1.1 完善快速客运网络

快速客运网总规模5万km以上 ,加大繁忙干线客货分线力度 ,扩大客运专线覆盖面 。市域或区域客运铁路扩展到长株潭、成渝、中原、武汉、关中、海峡西岸城镇群等经济发达和人口稠密地区 。快速客运网将连接50万人口以上城市 ,覆盖全国90%以上人口 ,省会城市间总旅行时间节省50%以上 。

3.1.2 建设开发性新线完善路网布局

进一步扩大西部路网规模 ,加强区际联系通道 ,完善东北 、西北 、西南地区进出境国际铁路通道 ,规划建设新线 4.1万 km,路网覆盖全国 20万人口以上城市 。铁路“瓶颈 ”制约状况将得到根本解决 。

3.1.3 完善既有线技术改造

对京九 、陆桥 、沪汉蓉和沪昆等主要干线及国家规划的 “五纵五横 ”综合运输大通道内既有铁路干线完善复线建设和电气化改造 ,进一步强化通道内铁路运输能力 。

加强主要客货枢纽及集装箱中心站建设 ,实现旅客运输 “便捷换乘 ”、货物换装 “无缝衔接 ”。

3.2 2030年前后将实施的重大工程

3.2.1 跨海铁路通道

1)琼州海峡通道。有公铁合建桥梁中线 、西线方案和中线铁路隧道与西线公路桥梁分建方案用于比选 ,见图12。目前对比中线隧道方案最优 。

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图 12 琼州海峡通道方案示意

2)台湾海峡通道。跨海长 200余 km,工程较琼州海峡跨海通道更为艰巨复杂 。台湾海峡通道方案示意见图 13。其中北线铁路隧道方案最优 。

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图 13 台湾海峡通道方案示意图

3)烟大跨海通道 。跨海长 100余 km,将烟台至大连通道缩短了1600余 km,是沿海通道的重要组成部分 。烟大跨海通道示意见图14。

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图 14 烟大跨海通道示意图

跨海铁路通道面临诸多技术难题 ,需要深化工程场地的断层 活动性与地壳稳定性 及地震安全性、海峡土层岩性与工程地质条件 、海洋水文条件与海床稳定性等多项专题研究工作 ,特别在实现超大跨径桥梁结构 、软弱地基深水桥梁基础 、耐高水压大直径盾构设备及深水施工技术等重大关键技术方面要加强攻关 。

3.2.2 川 、滇进藏铁路

规划的川藏铁路约1600 km、滇藏铁路约1900km。川藏铁路雅安至波密段 、滇藏铁路香格里拉至林芝段等 ,沿线地形地质特别复杂 、工程艰巨 ,需要进一步做好地质调查和技术经济比较 ,探索复杂高原铁路项目的勘察设计 、环境保护 、修建技术及运营管理成套技术 。

3.2.3 国际铁路通道

图 15为亚欧陆桥规划示意图 。

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图 15 亚欧陆桥规划示意图

从中 、吉 、乌铁路延伸到欧州东部 ,恢复丝绸之路 ,深受各国支持 ,对西部发展作用很大 。

从西南修建亚泛铁路 ,将东南亚各国联网 ,深受各国技持 ,中缅 、中老铁路已相继开工 ,对发展我国西南作用也很大 。

从东北 、内蒙经西伯利亚到欧州东部 、东北部 ,对俄罗斯等国及东北发展均很有利 。

高铁外交的输出 ,高速修建技术 、标准 ,机车车辆的输出对我国全面提升国力很有好处 。

3.2.4 综合交通枢纽

调结构 、提品质 、促发展 ,形成 “客内货外 、客货分线 、多站乘降 、能力充足 、功能完善 、节能环保 、铁路进城走地下 ”并与各种交通方 式紧密衔接的现代化的 、可持续发展的综合交通枢纽 。

3.2.5 数字铁路与智能运输

综合利 用地理信息技术 、卫星 定位技术 、遥感技术 、智能图像处理技术等手段 ,对新建和既有铁路有效数据集中 、高效管理 ,为各类服务提供共享数据平台 。

提升铁路智能运输系统 (RITS)水平 ,包括行车控制与调度系统 、电子商务系统及旅客服务系统等 ,提供高安全 、高效率 、高品质铁路运输服务 。


4 隧道及地下工程面临的十大技术领域

1)江 、河 、海底隧道技术 。

2)钻爆法施工技术 。

3)浅埋 、超浅埋暗挖法施工技术 。

4)开敞式 TBM全断面掘进机施工技术。

5)盾构法施工 技术 :插刀盾构法 ;土压平衡盾构法 ;泥水盾构法 ;气垫式泥水盾构法 ;复合式盾构法 ;开敞式压缩混凝土盾构法 ;开敞网格式盾构法。

6)沉管法施工技术 :沉埋管段法 ;悬浮管段法 。

7)辅助工法 :注浆法 (单液 、双液 );管棚法 ;超前小导管法 ;水平旋喷法 ;先 注后冻法 ;降水法 (轻型井点 、深井泵降水 );降水回灌法 ;先注后降法 。

8)明挖法地下深基坑围护结构施工技术 :地下连续墙法 ;钻孔桩法 ;人工挖孔桩法 ;咬合挤压钻孔桩法;锚钉墙法 ;SMW法 ;水泥搅拌桩法 ;高压旋喷法 ;粉喷桩 ;钢板桩 。

9)地铁车站施工技术 :暗挖法 (柱 洞法 、中洞法 、侧洞法 、CD法 、CRD法 );明挖法 (敞口明挖法 、复工板明挖法 、钢支撑法 、锚索法 );盖挖法 (盖挖逆筑法 、盖挖半逆筑法 )。

10)环境保 护施工技术 :防 沉降 、防塌 技术 、防水技术 、文明施工无燥音 、无粉尘施工技术 、弃碴利用造田技术 。

11)高新技术改造 、提高隧道施工质量技术 :不留后患耐久性施工技术 ;非接触量测技术 ;高性能防水混凝土施工技术 ;各种复杂地层 、各种工法机械配套快速施工技术 ;自动化管理 、控制系统等 。

4.1 江 、河 、海底隧道

4.1.1 厦门公路越海隧道 (长 6.1 km)

由于隧道在海水区段穿越地层为质地良好的花岗岩 ,决定采用双向六车道钻爆法施工 ,两端地质软弱采用浅埋暗挖法施工 ,两洞中间设管廊式服务通道 。图16为厦门市东通道工程地理位置图 ,图 17为厦门市东通道工程纵断面图及效果图 。2010年 4月已通车运营 。

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图 16 厦门市东通道工程地理位置图

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图 17 厦门市东通道工程纵断面图及效果图

4.1.2 武汉长江第一隧

由于隧道穿越粉细沙不稳定地层 ,决定采用双向四车道 、泥水气垫式加压盾构 ,盾构直径11.4m,采用复合式刀具 ,以实现长距离 (2.5 km)不换刀掘进 。图18为武汉长江第一隧的平面图和横断面图 。

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图 18 武汉长江第一隧的平面图和横断面图

4.1.3 联结青岛 —黄岛胶州湾湾口海底隧道

由于穿越优质花岗岩地层 ,采用双通道六车道钻爆法施工方案 ,已进行了安全 、风险评估 ,设计合理 ,在青岛侧的交通联结方式采用地下通道穿越城区 ,减少了环境影响 。图19为胶州湾海底隧道地理位置图 。

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图 19 胶州湾海底隧道地理位置图

4.1.4 港 、珠 、澳海上大通道

全长36km,由6km沉埋管段和大桥相联后 ,用3.6km盾构或 浅埋暗挖法 修建隧道 ,在珠 海拱北上岸 ,再用桥和6km长的山岭隧道相联 ,并和太澳公路相联 ,工程规模为双向六车道 。图20为港 、珠 、澳海上大通道地理位置图 ,图21为沉管法隧道纵横断面示意图 。

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图 20 港 、珠 、澳海上大通道地理位置图

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图 21 沉管法隧道纵横断面示意图

4.1.5 上海浦东至长兴岛水底隧道

双向六通道 ,采用盾构法施工 ,盾构直径 15.18m,长距离 4 km掘进 ,风险 很大 ,需 认真 研究 ,尤 其不易在江中设置横通道 ,应 充分利 用主洞 行车道 下面的很大空间进 行疏 散救 援 ,取消 横通 道对 减少 2个主体隧道的结构沉降制 约 ,防止 结构开 裂非常 有利 。图 22为上海浦东至长兴岛水底隧道横断面示意图 。

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图 22 上海浦东至长兴岛水底隧道横断面示意图

4.1.6 广州市区地铁和城市交通多条穿越珠海水底隧道

正在设计 、施工的有 5条 ,采用双向六通道方案沉埋管段法 。图23为靠近哥本哈根的沉管隧道单元制造工地的总布置图 ,图24为沉管隧道节段图 。

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图 23 沉管隧道管段制造工地的总布置图

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图 24 沉管隧道节段图

4.1.7 琼州海峡 34 km跨海隧道

采用盾构法修建铁路海底隧道 ,正在论证中 ,目前轮渡过渡 。图 25为琼州海峡隧道中线方案纵断面图 。

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图 25 琼州海峡隧道中线方案纵断面图

4.1.8 其他

台湾海峡海底铁路隧道 、渤海湾大连至 烟台 110km跨海铁路隧道正在论证中 ,可能采用 TBM法钻爆法和盾构法 。

4.2 钻爆法施工技术

快速单线 120 m/月 、双线 150 m/月 ,应变能力强 ,其防水原则正从 “以排为主 ”向 “以堵为主 、以排为辅 ”过渡 。采用复合式衬砌结构 。

4.3 浅埋 、超浅埋暗挖法施工技术

可穿越各种软岩 、土质隧道 。

4.4 TBM全断面掘进机施工技术

主要有开敞式 TBM(单护盾法 、双护盾法不推荐应用 )、小TBM加钻爆法 ,主要用于硬岩 。采用复合式衬砌结构 。

TBM由8大主要技术系统组成 :

1)刀盘、刀具切割系统 ;

2)精确导向系统 ;

3)支撑推进系统 ;

4)液压控制系统 ;

5)运碴转载系统 ;

6)电器控制系统 ;

7)通风消音系统 ;

8)拼装与支护系统 。

4.5 盾构法施工技术

插刀盾构 、开敞式盾构 、压缩混凝土盾构 、土压平衡盾构 、泥水盾构 、气垫式泥水盾构 、复合式盾构 、顶管法 。采用管片式衬砌结构 、临时管片加二次模筑衬砌结构 、压缩式混凝土结构3种类型 。

盾构整机由 8大系统构成 :

1)液压传 动系统 ;

2)电气控制系统 ;

3)集中润滑系统 ;

4)同步注浆系统 ;

5)盾尾密封系统 ;

6)地面监控系统 ;

7)发泡加泥系统 ;

8)油温冷却系统 。

盾构整机有 7项支持技术 :

1)土压平衡自动控制技术 ;

2)衬砌拼装遥控技术 ;

3)刀盘驱动密封技术 ;

4)注油润滑技术 ;

5)盾构姿态控制技术 ;

6)PLC程序控制技术 ;

7)施工数据管理技术 。

4.6 沉管法施工技术

沉管法包括沉埋管段法和悬浮管段法 。

沉埋管段建设关键技术包括 :

1)干坞制 造 ;

2)管段制造 ;

3)通风竖井施工 ;

4)水下基槽开挖 ;

5)浮运与就位 ;

6)接头联接方式 ;

7)注浆 ;

8)回填与防护 ;

9)引道的浅埋暗挖法施工技术 。

4.7 辅助工法

辅助工法包括:注浆法 (单液、双液 );管棚法;超前小导管法;水平旋喷法;冻结法;降水法 (轻型井点 、深井泵降水 );降水回灌法 。辅助工法 种类及适用范围见表 2。

表 2 辅助工法种类及适用范围

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4.8 明挖法

明挖法施工技术包括 4个方面 :

1)地下深基坑围护结构施工技术 ;

2)地铁车站明挖法施工技术 ;

3)防塌下沉环保施工技术 ;

4)提高施工质量加快施工机械快速施工技术 。


5 展望

1)钻爆法和浅埋暗挖法是今后永恒的施工方法 。

2)TBM是实现快速施工的新的机械化程度很高的施工方法 。

3)小TBM或小导洞超前 +钻爆法扩大是经济快速的施工方法 。


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