单线铁路隧道全环整体模筑衬砌结构优化设计研究
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摘要
现场调查表明，铁路运营隧道病害严重，有的危及行车安全，其健康状况不容乐观。究其原因，仅就现行铁路隧道结构形式来说(尚未考虑到施工质量、运营环境的变化、水文地质条件劣化等因素)，隧道病害有两方面值得引起人们的关注。一方面，采用现行隧道标准图施工的隧道结构形式存在着不合理性和低适应性，特别是其下部存在弊端；另一方面，采用现行广为使用的普通台车衬砌质量难以保证。本文针对单线电化铁路隧道复合式衬砌标准图存在的问题进行了结构优化设计研究，提出了全环整体模筑衬砌的概念和若干种方案，并对其进行围岩稳定性分析、技术经济比较和综合受力分析，在此基础上提出了建议采用的设计方案。最后对相配套的施工设备--单线铁路隧道全环整体模筑衬砌台车和施工工艺进行了研究，并提出建议。
本文在以下几个方面进行了重点研究，并有一定的理论创新和技术突破：
1．通过调研国内外隧道设计现状发现，我国隧道设计中采用的标准图与国外相比存在差距。具体表现在：国外隧道重视底部结构，并在一定条件下(如高速)增加基底回填的弹性。我国铁路隧道设计中普遍存在“重拱轻底”的思想，由于基底结构薄弱而引起的隧道病害问题严重。因此，对标准图进行结构优化设计势在必行。
2．在满足优化设计原则的条件下进行了单线铁路隧道断面形式结构优化设计，提出了7种备选方案。并对7种方案和标准图方案进行了隧道全断面开挖后围岩稳定性比较，从中找出隧道开挖后对围岩稳定最有利的断面形式。
3．采用目前铁路隧道设计中常用的“荷载—结构”模式，以Ⅴ级围岩条件为例，对各种方案进行了衬砌结构受力安全度比较。计算结果表明，标准图方案在隧道底部水沟附近结构安全系数偏小，是隧道病害的多发部位，这与实际的观测结果也比较符合。建议采用的优化方案在隧道底部结构安全度满足要求，并且综合力学性能也强于标准图方案。
4．对单线铁路隧道全环整体模筑衬砌台车和施工工艺进行了研究。该台车不仅能消除目前铁路隧道施工中存在的施工纵缝，特别是能减少衬砌施工对装碴运输的影响，从而提高施工速度，保证隧道衬砌质量。
本文最后就主要结论、存在的问题、以及技术展望进行了论述，提出了自己的观
铁道科学研究院硕十学位论文
点和见解。
The site investigation has shown that operating tunnel disease is serious, even dangerous to operation. Without considering the quality of construction, the changes of operating conditions and geological condition, the reason for this is the abuse of the structure and the lining quality by the common lining platform if we consider it only on railway tunnel structure. The standard drawing of composite tunnel lining for single-track railway tunnel is improved, and the concept of full-circular monolithic lining and some kinds of primary scheme have been given. The design schemes are proposed after studying the stability of surrounding rock, comparing technique economy and analyzing all kinds of primary schemes. Finally, construction technology and the mechanical equipment matching, such as formwork of full-circular monolithic lining for single-line railway tunnel, are studied and some suggestions are given.
The followings have been paid more attention and some technical innovations have been introduced in the paper.
1. There are disparities between the standard drawing used in home and abroad after surveying and studying the actuality of the tunnel design. For example, the base structure of tunnel has been regarded and the resilience of the base is improved for satisfying some particular conditions (such as high velocity) abroad. But the base of tunnel is not regarded in tunnel design, which cause tunnel disease. Hence, the optimized design for the standard drawing must be carried on.
2. According to the rule of optimized design, structure shape of single-track railway tunnel is designed, then 7 kinds of schemes are brought forward. By comparing the stability characters of rock after excavated, the best stable section shape is found.
3. The security of lining is compared by load-structure model which is used in tunnel design. It shows that the K near the channel of tunnel's base is lower, and most tunnel diseases arise here, which is in agreement with the survey result. The proposed optimized scheme can meet the requirement of safety degree. Moreover, the synthetically mechanics
performance is also better than that of standard one.
4. The platform and the construction technology for full-circular monolithic lining are studied. The platform can not only get rid of vertical joints lying in construction of railway tunnel, but also decrease the effects of lining construction on mucking and transportation. Thereby it can advance construction velocity and guarantee the quality of lining.
Finally, the main conclusions, the problems, the technical innovation have been introduced and some opinion has been proposed in the paper.
本文在以下几个方面进行了重点研究，并有一定的理论创新和技术突破：
1．通过调研国内外隧道设计现状发现，我国隧道设计中采用的标准图与国外相比存在差距。具体表现在：国外隧道重视底部结构，并在一定条件下(如高速)增加基底回填的弹性。我国铁路隧道设计中普遍存在“重拱轻底”的思想，由于基底结构薄弱而引起的隧道病害问题严重。因此，对标准图进行结构优化设计势在必行。
2．在满足优化设计原则的条件下进行了单线铁路隧道断面形式结构优化设计，提出了7种备选方案。并对7种方案和标准图方案进行了隧道全断面开挖后围岩稳定性比较，从中找出隧道开挖后对围岩稳定最有利的断面形式。
3．采用目前铁路隧道设计中常用的“荷载—结构”模式，以Ⅴ级围岩条件为例，对各种方案进行了衬砌结构受力安全度比较。计算结果表明，标准图方案在隧道底部水沟附近结构安全系数偏小，是隧道病害的多发部位，这与实际的观测结果也比较符合。建议采用的优化方案在隧道底部结构安全度满足要求，并且综合力学性能也强于标准图方案。
4．对单线铁路隧道全环整体模筑衬砌台车和施工工艺进行了研究。该台车不仅能消除目前铁路隧道施工中存在的施工纵缝，特别是能减少衬砌施工对装碴运输的影响，从而提高施工速度，保证隧道衬砌质量。
本文最后就主要结论、存在的问题、以及技术展望进行了论述，提出了自己的观
铁道科学研究院硕十学位论文
点和见解。
The site investigation has shown that operating tunnel disease is serious, even dangerous to operation. Without considering the quality of construction, the changes of operating conditions and geological condition, the reason for this is the abuse of the structure and the lining quality by the common lining platform if we consider it only on railway tunnel structure. The standard drawing of composite tunnel lining for single-track railway tunnel is improved, and the concept of full-circular monolithic lining and some kinds of primary scheme have been given. The design schemes are proposed after studying the stability of surrounding rock, comparing technique economy and analyzing all kinds of primary schemes. Finally, construction technology and the mechanical equipment matching, such as formwork of full-circular monolithic lining for single-line railway tunnel, are studied and some suggestions are given.
The followings have been paid more attention and some technical innovations have been introduced in the paper.
1. There are disparities between the standard drawing used in home and abroad after surveying and studying the actuality of the tunnel design. For example, the base structure of tunnel has been regarded and the resilience of the base is improved for satisfying some particular conditions (such as high velocity) abroad. But the base of tunnel is not regarded in tunnel design, which cause tunnel disease. Hence, the optimized design for the standard drawing must be carried on.
2. According to the rule of optimized design, structure shape of single-track railway tunnel is designed, then 7 kinds of schemes are brought forward. By comparing the stability characters of rock after excavated, the best stable section shape is found.
3. The security of lining is compared by load-structure model which is used in tunnel design. It shows that the K near the channel of tunnel's base is lower, and most tunnel diseases arise here, which is in agreement with the survey result. The proposed optimized scheme can meet the requirement of safety degree. Moreover, the synthetically mechanics
performance is also better than that of standard one.
4. The platform and the construction technology for full-circular monolithic lining are studied. The platform can not only get rid of vertical joints lying in construction of railway tunnel, but also decrease the effects of lining construction on mucking and transportation. Thereby it can advance construction velocity and guarantee the quality of lining.
Finally, the main conclusions, the problems, the technical innovation have been introduced and some opinion has been proposed in the paper.
引文
【1】王建宇，对隧道工程中两个问题的讨论，第三届海峡两岸隧道与地下工程学术与技术研讨会，2003年，成都；
【2】蔡申夫，梁羽腾，关于铁路隧道技术进步的分析与思考，隧道和地下工程第四届科技动态报告会报告文集；
【3】朱万听，李兰勒，隧道基底病害现状与成因分析，现代隧道技术，2001年第5期；
【4】朱传华，王建宇提高南昆铁路隧道技术水平，铁路隧道及地下工程科技动态报告文集，1993年，中国铁道出版社；
【5】孙钧，地下工程设计理论与实践，上海科学技术出版社，1996年；
【6】王奇湘译，对于确定高速铁路隧道断面的研究，世界隧道，1995(3)；
【7】中华人民共和国铁道部标准图：单线电化铁路复合式衬砌，图号专隧(01)0014，铁道专业设计院，2001年，北京：
【8】朱维申，何满潮著，复杂条件下围岩稳定性于岩体动态施工力学，科学出版社，1995年；
【9】杨林德，岩土工程问题的反演理论与工程实践，科学出版社，1999年；
【10】关宝树编，隧道力学概论，西南交大出版社，1993年；
【11】关宝树，麦倜周，日本隧道标准规范(山岭篇)及解释，西南交大出版社，1980年；
【12】梅志荣，高菊如等，新建铁路隧道全环整体模筑衬砌设备方案研究报告，中铁西南科学研究院，2003年1月，成都；
【13】潘昌实，隧道力学数值方法，中国铁道出版社，1995年；
【14】王桂芳，隧道计算—共同变形理论，成都科技大学出版社，1992年12月；
【15】张厚美，吕国梁，圆形隧道讨砌结构计算模型综述，世界隧道，2002年第2期；
【16】高渠清，我国的铁路隧道，刘启山、高渠清隧道及地下工程论文集，中国铁
道出版社，1996年；
【17】罗衍检，铁路隧道结构设计理论与方法存在的问题，世界隧道，1997年第5期；
【18】王华译，隧道衬砌与软地层的相互作用，隧道译丛，1993第5期；
【19】先明启等译，日本盾构隧道新技术；
【20】K.Kovari, SWITZERLAND TUNNELLING, Copyright 2001 by Swiss Tunneling Socity;
【21】Dipl.-Ing.Peter Teuscher Teuscher, Stand der projektierung des Lotschber-Baseistunnels Leverl of planning for the Lotscherberg Base Funnel,TUNNEL, 5/94;
【22】Dipl.-Ing.M.Rehbock-Sander Stand der projektierung des Gotthard-Baseistunnels Leverl of planning for the Gotthard Base Tunnel,TUNNEL,5/94;
【23】熊火耀译，穿越阿尔卑斯山的铁路隧道设计，隧道译丛，1991(4)：
【24】K.Kovari, SWITZERLAND TUNNELLING, Copyright 2001by Swiss Tunneling Socity;
【25】日本研究新的衬砌方法的评论，喷混凝土支护在隧道工程中的应用和发展．隧道译从，1991(2)；
【26】Dipl.-Ing.Peter Teuscher Teuscher, Stand der projektierung des Lotschber-Baseistunnels Leverl of planning for the Lotscherberg Base Tunnel,TUNNEL,5/94;
【27】中华人民共和国铁道部标准图：单线电化铁路复合式衬砌，图号专隧(01)0014，铁道专业设计院，2001年，北京；
【28】圆形衬砌结构形式及附属结构研究报告，秦岭特长隧道修建技术(E)圆形衬砌结构研究报告，铁道第一勘测设计院，2002年1月，兰州；
【29】渝怀铁路圆凉山隧道富水地段乙型衬砌结构图，铁道第二勘测设计院，成都；
【30】王建宇等，高速铁路设计参数研究，中铁西南科学研究院，1998年；
【31】冯卫星等，铁路隧道设计，西南交大出版社，1998年3月；
【32】铁路隧道施工规范，中华人民共和国铁道部，2002年3月；
【33】公路隧道设计规范，中华人民共和国交通部发布，1990年6月；
【34】方德平，公路隧道衬砌技术的发展，探矿工程，2002年增刊；
【35】中国水工隧洞和地下厂房，水利水电科学技术情报研究所，1987年4月
【36】于书翰，杜谟远，隧道施工，人民交通出版社，2001年5月；
【37】徐干成等，地下工程支护结构，中国水利出版社，2002年1月，p108～109；
【38】潘昌实，隧道力学数值方法，中国铁道出版社，1995年，p17；
【39】谢康和，周健，岩土工程有限元分析理论应用，科学出版社，2002年；
【40】徐干成等，地下工程支护结构，中国水利出版社，2002年1月，p122～124；
【41】孙钧，地下工程设计理论与实践，上海科学技术出版社，1996年，p108～109；
【42】铁路工程设计手册 隧道，铁道第二勘测设计院院，1995年，p16～21；
【43】冯卫星等，铁路隧道设计，西南交大出版社，1998年3月，p25～28；
【44】铁路工程设计手册 隧道，铁道第二勘测设计院院，1995年，p76～80；
【45】陶全心，李著，结构优化设计方法，清华大学出版社，1985年9月，p1；
【46】徐林生，孙钧．洋碰隧道断面形状设计优化问题研究，岩土工程技术，2001年，No3：p180—184；
【47】关宝树，隧道力学概论，西南交大出版社，1991年；
【48】吕爱中 地下洞室最优开挖形状的确定方法，岩石力学与工程学报，1996，15(3)；
【49】田韶英 陈学峰 小断面隧道结构优化设计，铁道标准设计，2000年，20(12)；
【50】黄晓华等 整体式隧道衬砌的非线性优化设计方法，现代隧道技术，2001年8月，38(4)：
【51】杨万斌，薛玺成，南水北调双线隧洞优化设计，国家自然科学基金资助项目(59779015)；
【52】铁路工程设计手册 隧道，铁道第二勘测设计院院，1995年，p78-79；
【53】铁路隧道设计规范，中国铁道出版社，2001年，p19；
【54】严松宏等，南京地铁区间交叉隧道空间弹塑性分析，现代隧道技术，2002年增刊；
【55】高峰等，南京地铁近距离隧道复合式衬砌有限元分析，现代隧道技术，2002年增刊；
【56】冯婉冬等，从技术经济比较理论看投资估算在设计方案比较中的作用，经营
管理与论坛，2002年1月；
【57】赵万强，莫文卿等，隧道洞口位置与综合环境效应分析，西部探矿工程，1998年7月；
【58】张祉道，隧道工程设计中的若干岩石力学问题，世界隧道，1995(40)；
【59】胡元芳，隧道工程钢纤维喷混凝土支护力学原理，铁科院博士学位论文，2002年10月；
【60】王兵，谢锦昌，偏压隧道模型试验及可靠度分析，工程力学，第15卷1期，1998年1月；
【61】杨小礼等，偏压隧道结构稳定性评价的信息优化分析，岩石力学与工程学报，第21卷4期，2002年4月；
【62】铁路隧道施工规范，中华人民共和国铁道部，2002年3月；
【63】于书翰，杜谟远，隧道施工，人民交通出版社，2001年5月；
【64】梅志荣，高菊如等，新建铁路隧道全环整体模筑衬砌设备方案研究报告，中铁西南科学研究院，2003年1月，成都；
【65】刘启探译，隧道衬砌，隧道译丛，1985(6)。
【2】蔡申夫，梁羽腾，关于铁路隧道技术进步的分析与思考，隧道和地下工程第四届科技动态报告会报告文集；
【3】朱万听，李兰勒，隧道基底病害现状与成因分析，现代隧道技术，2001年第5期；
【4】朱传华，王建宇提高南昆铁路隧道技术水平，铁路隧道及地下工程科技动态报告文集，1993年，中国铁道出版社；
【5】孙钧，地下工程设计理论与实践，上海科学技术出版社，1996年；
【6】王奇湘译，对于确定高速铁路隧道断面的研究，世界隧道，1995(3)；
【7】中华人民共和国铁道部标准图：单线电化铁路复合式衬砌，图号专隧(01)0014，铁道专业设计院，2001年，北京：
【8】朱维申，何满潮著，复杂条件下围岩稳定性于岩体动态施工力学，科学出版社，1995年；
【9】杨林德，岩土工程问题的反演理论与工程实践，科学出版社，1999年；
【10】关宝树编，隧道力学概论，西南交大出版社，1993年；
【11】关宝树，麦倜周，日本隧道标准规范(山岭篇)及解释，西南交大出版社，1980年；
【12】梅志荣，高菊如等，新建铁路隧道全环整体模筑衬砌设备方案研究报告，中铁西南科学研究院，2003年1月，成都；
【13】潘昌实，隧道力学数值方法，中国铁道出版社，1995年；
【14】王桂芳，隧道计算—共同变形理论，成都科技大学出版社，1992年12月；
【15】张厚美，吕国梁，圆形隧道讨砌结构计算模型综述，世界隧道，2002年第2期；
【16】高渠清，我国的铁路隧道，刘启山、高渠清隧道及地下工程论文集，中国铁
道出版社，1996年；
【17】罗衍检，铁路隧道结构设计理论与方法存在的问题，世界隧道，1997年第5期；
【18】王华译，隧道衬砌与软地层的相互作用，隧道译丛，1993第5期；
【19】先明启等译，日本盾构隧道新技术；
【20】K.Kovari, SWITZERLAND TUNNELLING, Copyright 2001 by Swiss Tunneling Socity;
【21】Dipl.-Ing.Peter Teuscher Teuscher, Stand der projektierung des Lotschber-Baseistunnels Leverl of planning for the Lotscherberg Base Funnel,TUNNEL, 5/94;
【22】Dipl.-Ing.M.Rehbock-Sander Stand der projektierung des Gotthard-Baseistunnels Leverl of planning for the Gotthard Base Tunnel,TUNNEL,5/94;
【23】熊火耀译，穿越阿尔卑斯山的铁路隧道设计，隧道译丛，1991(4)：
【24】K.Kovari, SWITZERLAND TUNNELLING, Copyright 2001by Swiss Tunneling Socity;
【25】日本研究新的衬砌方法的评论，喷混凝土支护在隧道工程中的应用和发展．隧道译从，1991(2)；
【26】Dipl.-Ing.Peter Teuscher Teuscher, Stand der projektierung des Lotschber-Baseistunnels Leverl of planning for the Lotscherberg Base Tunnel,TUNNEL,5/94;
【27】中华人民共和国铁道部标准图：单线电化铁路复合式衬砌，图号专隧(01)0014，铁道专业设计院，2001年，北京；
【28】圆形衬砌结构形式及附属结构研究报告，秦岭特长隧道修建技术(E)圆形衬砌结构研究报告，铁道第一勘测设计院，2002年1月，兰州；
【29】渝怀铁路圆凉山隧道富水地段乙型衬砌结构图，铁道第二勘测设计院，成都；
【30】王建宇等，高速铁路设计参数研究，中铁西南科学研究院，1998年；
【31】冯卫星等，铁路隧道设计，西南交大出版社，1998年3月；
【32】铁路隧道施工规范，中华人民共和国铁道部，2002年3月；
【33】公路隧道设计规范，中华人民共和国交通部发布，1990年6月；
【34】方德平，公路隧道衬砌技术的发展，探矿工程，2002年增刊；
【35】中国水工隧洞和地下厂房，水利水电科学技术情报研究所，1987年4月
【36】于书翰，杜谟远，隧道施工，人民交通出版社，2001年5月；
【37】徐干成等，地下工程支护结构，中国水利出版社，2002年1月，p108～109；
【38】潘昌实，隧道力学数值方法，中国铁道出版社，1995年，p17；
【39】谢康和，周健，岩土工程有限元分析理论应用，科学出版社，2002年；
【40】徐干成等，地下工程支护结构，中国水利出版社，2002年1月，p122～124；
【41】孙钧，地下工程设计理论与实践，上海科学技术出版社，1996年，p108～109；
【42】铁路工程设计手册 隧道，铁道第二勘测设计院院，1995年，p16～21；
【43】冯卫星等，铁路隧道设计，西南交大出版社，1998年3月，p25～28；
【44】铁路工程设计手册 隧道，铁道第二勘测设计院院，1995年，p76～80；
【45】陶全心，李著，结构优化设计方法，清华大学出版社，1985年9月，p1；
【46】徐林生，孙钧．洋碰隧道断面形状设计优化问题研究，岩土工程技术，2001年，No3：p180—184；
【47】关宝树，隧道力学概论，西南交大出版社，1991年；
【48】吕爱中 地下洞室最优开挖形状的确定方法，岩石力学与工程学报，1996，15(3)；
【49】田韶英 陈学峰 小断面隧道结构优化设计，铁道标准设计，2000年，20(12)；
【50】黄晓华等 整体式隧道衬砌的非线性优化设计方法，现代隧道技术，2001年8月，38(4)：
【51】杨万斌，薛玺成，南水北调双线隧洞优化设计，国家自然科学基金资助项目(59779015)；
【52】铁路工程设计手册 隧道，铁道第二勘测设计院院，1995年，p78-79；
【53】铁路隧道设计规范，中国铁道出版社，2001年，p19；
【54】严松宏等，南京地铁区间交叉隧道空间弹塑性分析，现代隧道技术，2002年增刊；
【55】高峰等，南京地铁近距离隧道复合式衬砌有限元分析，现代隧道技术，2002年增刊；
【56】冯婉冬等，从技术经济比较理论看投资估算在设计方案比较中的作用，经营
管理与论坛，2002年1月；
【57】赵万强，莫文卿等，隧道洞口位置与综合环境效应分析，西部探矿工程，1998年7月；
【58】张祉道，隧道工程设计中的若干岩石力学问题，世界隧道，1995(40)；
【59】胡元芳，隧道工程钢纤维喷混凝土支护力学原理，铁科院博士学位论文，2002年10月；
【60】王兵，谢锦昌，偏压隧道模型试验及可靠度分析，工程力学，第15卷1期，1998年1月；
【61】杨小礼等，偏压隧道结构稳定性评价的信息优化分析，岩石力学与工程学报，第21卷4期，2002年4月；
【62】铁路隧道施工规范，中华人民共和国铁道部，2002年3月；
【63】于书翰，杜谟远，隧道施工，人民交通出版社，2001年5月；
【64】梅志荣，高菊如等，新建铁路隧道全环整体模筑衬砌设备方案研究报告，中铁西南科学研究院，2003年1月，成都；
【65】刘启探译，隧道衬砌，隧道译丛，1985(6)。