中德高速鐵路隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比分析研究

琚國全,陳赤坤,曹 彧,趙輝雄

(中國中鐵二院工程有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)、交通事業(yè)的快速發(fā)展,高速鐵路建設(shè)正面臨一個大規(guī)模的建設(shè)高潮。目前我國已建成并開始運營了包括鄭西、武廣、滬寧、滬杭等時速350 km的高速鐵路及石太、合武、福溫、福廈等多條客運專線,在建或計劃修建的高速鐵路超過1萬km。要建設(shè)高質(zhì)量的高速鐵路,必須有高標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)遵循。我國高速鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范隨著高速鐵路的發(fā)展從無到有、從簡單的暫規(guī)到具有很強(qiáng)操作性的標(biāo)準(zhǔn)快速發(fā)展起來。我國高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展已經(jīng)歷了下面的發(fā)展過程[1]。

2003年10月,鐵道部發(fā)布《新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函[2003]439號),這是我國指導(dǎo)全路高速鐵路設(shè)計的第一本暫行規(guī)定。以后,又陸續(xù)發(fā)布了《京滬高速鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2004]157號)、《新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函[2005]285號)、《新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2005]140號)等3部高速鐵路暫行規(guī)定。2007年發(fā)布《新建時速300～350 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2007]47號),替代《京滬高速鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》。2009年12月發(fā)布《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(試行)及條文說明(TB-10621-2009),原《新建時速300～350 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2007]47號)及《客運專線無砟軌道鐵路設(shè)計指南》(鐵建設(shè)函[2005]754號)廢止,原《新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2005]140號)中關(guān)于時速250 km的有關(guān)條文和內(nèi)容等標(biāo)準(zhǔn)中與《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》及條文說明(試行)不一致的有關(guān)內(nèi)容同時廢止[2]。

由于我國高速鐵路起步較晚,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難免與國外發(fā)達(dá)國家高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在差異；隨著我國大規(guī)模、高標(biāo)準(zhǔn)鐵路建設(shè)的不斷推進(jìn),深化開展中外鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比研究工作十分必要,這對于展示我國鐵路發(fā)展最新成果、加快實施我國鐵路“走出去“戰(zhàn)略具有重要意義。

2 我國鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)體系[2]

鐵路隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在我國隧道和地下工程領(lǐng)域中是發(fā)展較早的標(biāo)準(zhǔn)系列,目前已有較多的數(shù)量,已基本形成較完整的體系。這些標(biāo)準(zhǔn)包括勘測設(shè)計、施工驗收、養(yǎng)護(hù)維修和搶修搶建4類,可分為下列3個層次。

2.1 基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)在一定范圍內(nèi)作為其他標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)、具有普遍指導(dǎo)意義的標(biāo)準(zhǔn)。這一層標(biāo)準(zhǔn)主要有建筑限界標(biāo)準(zhǔn)、術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、圖形符號標(biāo)準(zhǔn)等。

2.2 通用標(biāo)準(zhǔn)

通用標(biāo)準(zhǔn)是針對某一類標(biāo)準(zhǔn)化對象制定的共性標(biāo)準(zhǔn)。其覆蓋面一般較大,常作為制定專用標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。如鐵路隧道工程通用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、施工及驗收標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)等。

2.3 專用標(biāo)準(zhǔn)

專用標(biāo)準(zhǔn)是針對某一具體標(biāo)準(zhǔn)化對象、根據(jù)有關(guān)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和通用標(biāo)準(zhǔn)制定的個性標(biāo)準(zhǔn)。其覆蓋面一般較小。如隧道輔助坑道技術(shù)規(guī)范,隧道運營通風(fēng)設(shè)計規(guī)范等。

由以上4類、3個層次的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了現(xiàn)行的鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)體系。其中基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)3項,通用標(biāo)準(zhǔn)10項,專用標(biāo)準(zhǔn)20項,共有標(biāo)準(zhǔn)33項。

目前,我國高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)日臻完善,隨著我國高速鐵路的發(fā)展,鐵道部于2009年12月頒布了《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》及其條文說明(TB10621—2009),作為此次中德高速鐵路隧道技術(shù)規(guī)范對比的基礎(chǔ)參考資料。

3 德國鐵路隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3]

3.1 德國鐵路標(biāo)準(zhǔn)體系

德國鐵路根據(jù)其多年的設(shè)計、施工、運營經(jīng)驗,已形成了一套完整的標(biāo)準(zhǔn)體系——德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)。德國鐵路標(biāo)準(zhǔn)體系一般為：第一級為聯(lián)邦鐵路總署頒布的法律、規(guī)定、職責(zé)條例和規(guī)程；第二級為德國國家規(guī)范DIN；第三級為德鐵公司的規(guī)定、規(guī)章和規(guī)程三個等級。其中作為國家鐵路法,《AEG：一般鐵路法》是最高法律,規(guī)定了鐵路的地位、作用等,適用標(biāo)準(zhǔn)為德國鐵路技術(shù)管理規(guī)程(EBD)及各專業(yè)規(guī)范(DS、Ril)系列。專業(yè)規(guī)范DS、Ril系列與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN規(guī)范是相互兼容的,只補(bǔ)充與DIN規(guī)范不同或缺少的約定。隨著歐洲的一體化,其部分標(biāo)準(zhǔn)由于通用性強(qiáng),已納入歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)或與歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)等效。德國鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范詳見表1。

3.2 德國鐵路隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)對德國鐵路隧道規(guī)范的掌握,了解到德國鐵路隧道專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下3套。

(1)《鐵路工程設(shè)計,一般設(shè)計原則》(DS 800 01 1993年3月1日生效)。

(2)《聯(lián)邦德國鐵路新線設(shè)計規(guī)范》(DS 800 02 1991年7月1日生效)。

(3)《德國聯(lián)邦鐵路規(guī)范：鐵路隧道的設(shè)計,施工和養(yǎng)護(hù)》(Richtlinie 853 2003年8月1日生效)。

4 中德高速鐵路隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比及分析

中國與德國鐵路隧道設(shè)計規(guī)范相比較,從規(guī)范設(shè)計理念以人為本、編制方法、內(nèi)容組成等多方面，既存在很多相同或者等效之處,但也存在差異,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

4.1 單雙線設(shè)計原則[4]

由于我國高速鐵路隧道斷面較大,從經(jīng)濟(jì)角度采用單洞雙線隧道較單線雙洞隧道經(jīng)濟(jì)；在大于10 km的隧道中,考慮到隧道防災(zāi)救援,采用兩個單線隧道可以互為救援,采用雙洞單線隧道。德國通常采用單線雙洞隧道,只有在滿足EBA準(zhǔn)則中“修建和運行鐵路隧道時防火防災(zāi)的要求”的規(guī)定、運行方案和規(guī)程Ril 413等前提下,才能設(shè)計單洞雙線隧道。由于德國鐵路隧道一般較短,埋深較淺,防災(zāi)救援主要措施為間隔1 km設(shè)緊急出口,緊急出口主要采用豎井形式。與我國設(shè)計原則不同之處主要在于更側(cè)重于運營安全。

4.2 限界及凈空斷面[5]

中德高速鐵路隧道軌面上有效凈空面積對比見表2。

表2 中德高速鐵路隧道凈空面積對比

隧道襯砌內(nèi)輪廓應(yīng)考慮建筑限界、股道數(shù)及線間距、設(shè)備空間、空氣動力學(xué)效應(yīng)、軌道結(jié)構(gòu)形式及其運營維護(hù)方式等因素綜合確定。根據(jù)國家“八五”科技公關(guān)項目,當(dāng)行車速度達(dá)到300 km/h時,在隧道凈空面積為100 m2時最大行車阻力只比明線增大15%～30%,會車時隧道內(nèi)的空氣阻力也比明線的增大值不超過30%。德國考慮隧道限界、輪廓及斷面布置考慮因素基本與我國相同,但增加了技術(shù)作業(yè)空間,確定斷面大小。我國《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2009)條文說明中增加了有關(guān)技術(shù)作業(yè)空間的內(nèi)容,與德國基本一樣。德國高速鐵路采用ICE3車型,車頭面積10.9 m2,與CRH3車頭面積、密封指數(shù)一樣,德國車體采用UIC限界,中德考慮因素相同,建議維持我國斷面大小不變。

4.3 洞門緩沖結(jié)構(gòu)及設(shè)計原則[5]

在列車行車速度達(dá)到300 km/h后,加大斷面對防止微壓波不能起到顯著作用,考慮洞口設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)。我國高速鐵路隧道洞口設(shè)置考慮了緩解微壓波的要求,微壓波變化最大值不超過50 Pa。確定緩沖結(jié)構(gòu)的主要因素主要有緩沖結(jié)構(gòu)的斷面積、開孔率、隧道的長度,這些與德國基本一致。我國洞門緩沖結(jié)構(gòu)形式多樣化如設(shè)緩沖井等,德國隧道普遍較短,主要采用洞門斜率緩于45°的斜切式洞門作為緩沖結(jié)構(gòu)。

4.4 材料

德國噴射混凝土為達(dá)到及時起到支護(hù)作用、二襯模筑混凝土為保證后期強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求,對早期強(qiáng)度的發(fā)展都有要求,噴射混凝土的早期抗壓強(qiáng)度應(yīng)至少達(dá)到：12 h后?W0.5=5 MPa；24 h后：?W1.0=10 MPa；二襯模筑混凝土12 h強(qiáng)度一般不應(yīng)超過6 MPa,且一般都采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；德國噴混凝土一般設(shè)雙層鋼筋網(wǎng),且規(guī)定了最小配筋率不得小于1.88 cm2/m；我國目前噴射混凝土采用濕噴工藝,在特殊工點采用噴射早高強(qiáng)混凝土,對早期噴混凝土強(qiáng)度有明確要求。德國對二襯混凝土的養(yǎng)護(hù)有明確的要求,且每版混凝土之間設(shè)T型施工縫。建議我國增加噴混凝土、二襯混凝土施工工藝的條文,確保初期支護(hù)和二次襯砌的施工質(zhì)量。

4.5 襯砌設(shè)計原則

我國鐵路隧道復(fù)合式襯砌初期支護(hù)、二次襯砌共同作為承載體系。根據(jù)圍巖級別不同,初期支護(hù)和二次襯砌分別承擔(dān)不同的圍巖壓力。德國考慮初期支護(hù)的耐久性一般情況下達(dá)不到設(shè)計使用100年的年限,初期支護(hù)僅在施工階段考慮承載作用,運營階段僅考慮二次襯砌作為承載體系。我國初期支護(hù)一般采用經(jīng)驗設(shè)計,德國初期支護(hù)根據(jù)理論進(jìn)行計算,確定初期支護(hù)的參數(shù)。

德國鐵路隧道荷載作用比我國鐵路隧道考慮的荷載種類要多,我國隧道規(guī)范對結(jié)構(gòu)承受的荷載的計算有明確的規(guī)定,設(shè)計荷載非震區(qū)主要考慮圍巖壓力,結(jié)構(gòu)自重及圍巖約束襯砌變形的彈性反力,震區(qū)考慮地震力的影響,不考慮列車活載、凍脹力及地下水壓力(特殊工點除外)。德國鐵路荷載包括主要荷載、附加荷載及特殊荷載。主要荷載包括恒載及有規(guī)律出現(xiàn)的活荷載。其中恒載包括：①襯砌自重和隧道內(nèi)部其他所有設(shè)備結(jié)構(gòu)部件的自重；②線路上部結(jié)構(gòu)自重；③接觸網(wǎng)導(dǎo)線系統(tǒng)的各部件荷載；④圍巖產(chǎn)生的作用；⑤水壓力；⑥預(yù)應(yīng)力措施產(chǎn)生的荷載；⑦襯砌的收縮徐變產(chǎn)生的作用(規(guī)范DIN1045,DIN4227)；⑧地面上持續(xù)作用的荷載和相鄰洞室的影響。對于隧道內(nèi)和隧道上方交通道路的活載而言,其設(shè)計應(yīng)按照DS804或者DIN1072來考慮,同時也應(yīng)考慮由于列車的行駛對隧道內(nèi)各密封的內(nèi)部設(shè)備以及隧道各內(nèi)墻作用的、空氣動力學(xué)方面的壓力變化Δp及由于變化了的空氣流暢引起的空氣阻力q。附加荷載包括：①無規(guī)律出現(xiàn)的交通荷載；②施工期間的臨時荷載；③熱效應(yīng)；④由地表變化和相鄰洞室引起的臨時作用荷載。特殊荷載包括①撞擊荷載；②接觸網(wǎng)導(dǎo)線和其他相連導(dǎo)線的斷裂；③地震對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響；④將來可能出現(xiàn)的巖土侵蝕現(xiàn)象的作用。

建議我國鐵路隧道結(jié)合高速鐵路隧道空氣動力學(xué)相關(guān)的理論計算和現(xiàn)場測試,增加不同速度目標(biāo)值、隧道有效凈空面積下相應(yīng)的動壓力q和壓力變化Δp標(biāo)準(zhǔn)值,作為洞內(nèi)突出物及設(shè)備安裝強(qiáng)度、基礎(chǔ)要求、隧道襯砌耐久性設(shè)計的依據(jù)。開展對初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)化設(shè)計的研究。

4.6 設(shè)計方法

我國鐵路隧道復(fù)合式襯砌初期支護(hù)及二次襯砌的設(shè)計參數(shù),采用工程類比、并通過理論分析進(jìn)行計算,當(dāng)無類比資料時,在選取合適設(shè)計參數(shù)基礎(chǔ)上通過現(xiàn)場圍巖量測信息對支護(hù)參數(shù)作必要的調(diào)整。德國鐵路隧道根據(jù)每座隧道的詳細(xì)地勘資料,對每一座隧道進(jìn)行工點設(shè)計,做到理論計算、工程類比相結(jié)合,對中硬巖石質(zhì)深埋隧道采用全支永彈性地基圓環(huán)有限元法、連續(xù)介質(zhì)或收斂—約束法進(jìn)行計算；對噴錨鋼支撐軟土質(zhì)隧道,當(dāng)覆蓋層厚<2D(D為隧道開挖輪廓直徑),采用頂部無約束的彈性地基圓環(huán)；當(dāng)覆蓋層厚>3D,采用全支承彈性地基圓環(huán)、有限元法；根據(jù)交流咨詢,二次襯砌設(shè)計方法基本與我們一致,但初期支護(hù)德國根據(jù)詳盡的地勘資料,經(jīng)過計算來確定初期支護(hù)參數(shù),較我國更詳盡。

4.7 防排水

4.7.1 設(shè)計原則

我國鐵路隧道防排水設(shè)計方案應(yīng)結(jié)合隧道洞身水環(huán)境要求和水文地質(zhì)條件確定。隧道采取“防、堵、截、排,因地制宜,綜合治理”的原則。地下水環(huán)境保護(hù)要求高,埋深淺的隧道采用抗水壓襯砌,采用全斷面封閉防水。

德國新建鐵路隧道對于承壓水一般采用全斷面封閉防水,對于可以無淤阻滲流的滲流水采用拱墻防水。在高水壓條件下,在得到企業(yè)內(nèi)部和聯(lián)邦鐵路總署EBA批準(zhǔn)的情況下,可以采用安裝水壓機(jī)控制系統(tǒng)限量排放,使局部水壓不超過設(shè)計值。

4.7.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

我國高速鐵路隧道防水標(biāo)準(zhǔn)為“一級”,即隧道二襯表面不允許滲水,結(jié)構(gòu)表面無濕漬。德國規(guī)范要求凍害危險區(qū)及緊急出口“基本干燥——支護(hù)內(nèi)面必須密封到內(nèi)側(cè),只有個別部位呈現(xiàn)輕微濕潤(根據(jù)變色判別)”；其他區(qū)域只能零星出現(xiàn)不大于單個區(qū)段表面10%、可讓手濕潤的區(qū)域,但不得有淌下的水及水滴。

4.7.3 隧道防水層

德國單層人工材料防水板KDB在無壓滲流的情況下厚度至少為2 mm,以密封阻擋滲流水；在有壓滲流的情況下厚度至少為3 mm,以密封防止承壓水。對于雙層KDB,每層厚度應(yīng)為2 mm,在水柱高60 m的水壓條件下,靠山側(cè)的厚度應(yīng)為3 mm。單層KDB和保護(hù)層的搭接長度必須至少100 mm。我國高速鐵路隧道防水板厚度不得小于1.5 mm。此外德國要求設(shè)置信號層,分離鋪設(shè)防水層和無紡布,我國則沒有此項要求。

德國考慮到環(huán)境保護(hù)要求和減小運營階段的養(yǎng)護(hù)工作量,一般采用全斷面封閉防水措施,我國一般采用“以排為主,限量排放”的原則,兩國的原則體現(xiàn)了本國的國情,因此在建議維持我國現(xiàn)有設(shè)計原則不變的前提下,提高我國隧道防水的施工工藝和防水材料的性能指標(biāo)。

4.8 防災(zāi)救援

我國隧道內(nèi)的主要救援設(shè)施為貫通的救援通道,部分長大隧道設(shè)置了緊急出口及引導(dǎo)標(biāo)志。德國隧道救援設(shè)施除了貫通的救援通道外,還包括500 m一處的緊急出口、每80～100 km線路區(qū)段的救援列車,洞口消防水池、救援場所、洞內(nèi)消防水管、救援小推車等。德國隧道的防災(zāi)救援已成系統(tǒng)并有相關(guān)法律條文規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)由消防局制定。

我國隧道的防災(zāi)救援隨著我國客運專線和高速鐵路的發(fā)展也已經(jīng)逐步完善,《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB10020—2009)中有明確的規(guī)定。隧道防災(zāi)救援應(yīng)貫徹“以人為本,應(yīng)急有備,方便自救,安全疏散”的工作方針,并規(guī)定了救援站之間的長度不應(yīng)大于20 km,長度在10～20 km的隧道應(yīng)設(shè)避難所,長度10～3 km的隧道可結(jié)合輔助坑道情況設(shè)緊急出口。隨著我國客運專線和高速鐵路的不斷開通運行,建議在維持目前防災(zāi)救援的基礎(chǔ)上,根據(jù)運行需求逐步提高。

4.9 其他

德國接觸網(wǎng)設(shè)備的固定及其荷載、列車運行對內(nèi)部結(jié)構(gòu)和隧道內(nèi)表面的動壓力q和壓力變化ΔP、熱效應(yīng)以及洞門擋護(hù)、兩座隧道之間的距離等都作了詳細(xì)的規(guī)定。建議根據(jù)相關(guān)專業(yè)要求,經(jīng)理論分析和實驗后確定相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論及建議

通過中德高速鐵路隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比可見,我國高速鐵路隧道設(shè)計規(guī)范與德國規(guī)范設(shè)計理念、體系構(gòu)成、編制內(nèi)容等方面與德國鐵路隧道設(shè)計相同或者等效；但在某些具體操作方面,由于國情和考慮因素不同,也存在差別。德國鐵路隧道規(guī)范體系完整,標(biāo)準(zhǔn)高、內(nèi)容具體,對工作的指導(dǎo)性較強(qiáng)；我國規(guī)范雖然體系完整、標(biāo)準(zhǔn)較高,但原則性較多,對工作的指導(dǎo)性相對較弱。建議我國鐵路隧道規(guī)范盡量減少原則性規(guī)定,明確具體、準(zhǔn)確的指標(biāo)參數(shù),增加規(guī)范的指導(dǎo)性及可操作性。

[1]中國鐵路隧道史編纂委員會.中國鐵路隧道史[M].北京：中國鐵道出版社,2004.

[2]曾滿元,陳赤坤,趙東平.中日鐵路隧道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比分析研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2010(S1)：27-32.

[3]曾滿元,喻 渝.中德鐵路工程隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比分析研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2008(6)：60-63.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5]中華人民共和國鐵道部.TB10020—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2009.