铁路隧道设计：平面和纵断面

1．铁路隧道平面设计

（1）铁路隧道平面线形设计。

铁路隧道平面线形设计应满足《铁路线路设计规范》（TB 10098—2017）的各项设计指标。一般情况下，隧道内的线路最好采用直线。曲线隧道的施工、运营、养护及改建等工作条件均不利，尤其是小半径曲线隧道、曲线隧道群及长隧道问题更为突出。相比于直线隧道，曲线隧道有下列缺点：① 曲线上的隧道其建筑限界需要加宽，坑道的尺寸相应加大，不但增大了开挖土石数量，而且增加了衬砌的圬工量；② 在不同曲率曲线上的隧道建筑限界加宽不同，隧道的断面是变化的，因而施工时，支护和衬砌的尺寸均不一致，技术上较为复杂；③ 由于曲线关系，洞内进行施工测量时，操作变得复杂，精度也有所降低；④ 曲线隧道洞身弯曲，洞壁对气流的阻力加大，使通风条件变坏，内燃机车牵引力的损失大，降低了运营效率，甚至可能造成溜车事故；⑤ 列车在曲线上行驶，产生了离心力，再加上洞内空气潮湿，使得钢轨磨损加速，从而使洞内的养护工作量增大；⑥ 运营中为了保证隧道建筑限界的要求和正常的行车条件，需要经常检查线路平面和水平，曲线隧道也较直线隧道增加了维护作业量和难度。故从争取较好的通风条件，减少施工难度，改善维修养护人员和乘务员的工作环境及瞭望条件，简化洞内施工、养护作业程序并缩短作业时间，以及提高行车速度等方面来看，都是直线隧道优于曲线隧道。

但当受到地形的限制或是由于地质原因，特别是出于线路走向需要时，往往不得不采用曲线。例如，当线路绕行于山嘴时，为了避免直穿隧道太长，或是为了便于开辟辅助性的施工横洞，有时也会有意识地设置与地形等高线相接近的曲线隧道，如图3-4-1（a）。当隧道越岭时，线路常常是沿着垭口的一侧山谷转入山体后，又沿顺垭口的另一侧山谷转出，可以使隧道较长的中段放在直线上，但由于地形原因，隧道两端为了转向都要落在曲线上，这种情况是常见的。此时，如果垭口两侧沟谷地势开阔，则可将曲线放在洞口以外。如果地势条件要求必须把曲线引进隧道，那么，施工时先按主体的直线隧道开挖，两端暂开直的照准导坑，以补救曲线所形成的缺点，待全隧道的导坑开通后，再把两端按原设计的曲线调整过来，如图3-4-1（b）所示。有时，隧道已经施工，在开挖过程中发现前方有不良地质，不宜穿过。此时，不得不临时改线绕行，于是出现曲线，而且将是左转与右转两个曲线，才能回到原线上来。上述的情况，在山区的铁路中也是经常遇到的。

图3-4-1　曲线隧道设置示意

当因地形、地质等条件限制，隧道内线路设置为曲线时，应注意以下几方面的问题：① 应尽可能采用较短的曲线，或是半径较大的曲线，且以将曲线设置在隧道洞口附近为宜，以减小曲线的不利影响。② 在曲线两端应设缓和曲线时，最好不使洞口恰恰落在缓和曲线上，因为缓和曲线在平面上半径总在改变，竖向的外轨超高也在变化，这样，在双重变化下，列车行驶不平稳，所以，应尽可能将缓和曲线设在洞外一段适当距离以外。③ 隧道内若设置圆曲线，其长度不应短于一节车厢的长度。④ 在一座隧道内最好不设一条以上的曲线，尤其是内燃牵引隧道内不宜设置反向曲线，高速铁路隧道不宜设置在反向曲线上。⑤ 当必须设置两条曲线时，两曲线间应有足够长的夹直线，一般是要求在3倍车辆长度以上。

（2）单、双线隧道方案的选择。

新建双线或增建第二线时，应进行修建一座双线隧道和两座单线隧道的比较；当遇到特长隧道及在松软地层、不良地质或黄土地区修建隧道时，跨度大小对隧道工程的影响较其他地区更为显著，往往修建两座单线隧道较修建一座双线隧道较易于保证施工质量和施工安全，且工程费用所增亦不多，宜修建两座单线隧道；其他有条件的长隧道，考虑到运营期间一旦发生事故，能有效防灾、救援且尽量控制损失，则选用两座单线隧道，相互间设置联络通道的方案是最佳选择。

两相邻隧道的最小净距，应按围岩地质条件、隧道断面尺寸及施工方法等因素确定，一般情况下，可采用表3-4-1的中值，困难情况下，通过采取控制爆破、加强支护等措施可采用表3-4-1的下限值。

表3-4-1　两相邻单线隧道间的最小净距

注：B为隧道开挖断面的宽度（m）。在地应力影响地段，相邻隧道净距应适当加大。

高速铁路均设计为双线，也需要进行单洞双线和双洞单线的比较，一般从地质条件、建设工期、施工难度和方法、运营通风、防灾救援、工程投资、空气动力学影响等方面综合考虑进行选择。单洞双线阻塞比小，能有效提高乘车舒适度；双洞单线有利于防灾救援。地质条件差时，考虑到施工难度和风险，宜选用跨度小的双洞单线；地质条件好时，可选用单洞双线。在施工方法选择上，采用TBM或者盾构法施工的，考虑施工风险，采用双洞单线。在运营通风方面，双洞单线利用活塞风更有利。具体二者的优缺点比较见表3-4-2。

表3-4-2　单洞双线和双洞单线隧道方案比较

① 当隧道长度小于10 km时，一般采用单洞双线方案并利用施工时的辅助坑道作为防灾救援和人员疏散的紧急出口，如郑西线的函谷关隧道（7 851 m）、秦东隧道（7 684 m）。

② 当隧道长度为10～20 km时，应结合两端引线、车站布点等相关情况进行系统的经济技术比选，也可结合防灾救援及养护维修考虑，采用双线隧道加贯通平导的方案进行比较。如霞浦隧道（13 099 m）采用双线加贯通平导方案，贯通平导使养护维修非常方便；武广客专大瑶山隧道群的大瑶山一号隧道（10 081 m）为全线最长隧道，考虑隧道群及两端引线工程，结合空气动力学因素影响，设计为单洞双线。

③ 当隧道长度大于20 km时，从防灾救援方面考虑，一般采用双洞单线方案，如兰武二线乌鞘岭隧道（20 050 m）、石太客专太行山隧道（27 839 m）。

修建两座单线隧道时，一线隧道宜选靠山里的一侧，留着外侧给二线，可以减少对一线的影响和干扰。

2．铁路隧道纵断面设计

隧道纵断面设计的主要内容包括选定隧道内线路的坡道形式、坡度大小、坡段长度和坡段间的衔接等，设计内容用隧道纵断面图表示。铁路隧道纵断面线形设计应满足《铁路线路设计规范》（TB 10098—2017）的各项设计指标。(www.xing528.com)

（1）坡道形式。

隧道处于地层之内，除地质有变化以外，线路的坡型不受什么限制，用不着采用复杂多变的形式。一般可采用简单的单坡型或不复杂的人字坡型，如图3-4-2所示。

图3-4-2　坡道形式

单坡可以争取高程，拔起或降落一定的高度；此外，单坡隧道两洞口的高程差较大，由此而产生的气压差和热位差也大，能促进洞内的自然通风；单坡道的优点还有施工及测量上都比较方便。它的缺点是：在施工阶段，下坡进洞的一端，出于上部的水自然地流向下部开挖工作面，使开挖工作受到干扰，不但需要随时抽水外排，而且影响到电爆破的绝缘质量；此外，运渣时，空车下坡重车上坡，运输效率低。因此，对于位于紧坡地段的隧道、要争取高程的区段上的隧道、位于越岭隧道两端展线上的隧道、地下水不大的隧道或是可以单口掘进的短隧道，可以采用单坡型。

对于长度超过3 000 m的长大隧道，尤其是越岭隧道、地下水丰富而抽水设备不足的隧道、出渣量很大的隧道，设计为人字坡型往往比较有利。因为越岭无须争取高程，而垭口两端都是沟谷地带，同是向下的人字形坡道，正好符合地形条件。人字坡的优点是：施工时，水自然流向洞外，排水措施相应地简化；而且重车下坡，空车上坡，运输效率高。它的缺点是列车通过时排出的有害气体聚集在两坡间的顶峰处，尽管用机械通风，有时也排除不干净，长时间积累，浓度渐渐增大，使列车司乘人员以及洞内维修人员的健康受到影响，为此，长大隧道往往在坡顶设置通风竖井以利运营通风。

两种不同的坡型适用在不同的隧道，设计时应结合隧道所在地段的地形、工程地质与水文地质、线路纵断面、牵引类型、隧道长度、施工条件、运营要求等具体情况全面考虑。

（2）坡度大小。

铁路隧道就行车条件来说，线路的坡度以平坡为最好。但是考虑到隧道排水的需要，隧道需要设置一定的坡度。铁路隧道设计规范规定，隧道内线路不得设置为平坡，最小的允许坡度应不小于3‰，在最冷月平均气温低于－5 °C的地区、地下水发育的隧道宜适当加大坡度。如果受车站设置位置等因素控制，隧道洞口段设置为平坡或坡度小于3‰，应采取调整结构、加深水沟措施，保证隧道排水纵坡不小于3‰。

不同等级的铁路线路有不同的最大允许限制坡度，高速铁路隧道、城际铁路隧道的最大纵坡限制与明线相同，按《铁路线路设计规范》（TB 10098—2017）要求设置。考虑列车车轮与钢轨踏面间的黏着系数降低、洞内空气阻力增大，客货共线铁路隧道、重载铁路隧道的最大纵坡需要根据牵引方式、隧道长度等在明线最大纵坡限制基础上进行折减（减缓）。当隧道内有曲线时，应先进行隧道坡度折减（减缓），再进行曲线坡度减缓。折减（减缓）的要求如下：

① 长度大于400 m的内燃牵引铁路隧道、电力牵引重载铁路单洞单线隧道和160 km/h及以下客货共线铁路单洞单线隧道内的线路坡度，不得大于最大坡度乘以表3-4-3规定的系数所得的数值。

表3-4-3　内燃、电力牵引铁路隧道内线路最大坡度折减系数

② 长度大于1 000 m的电力牵引客货共线铁路120 km/h及以上单洞双线和200 km/h单洞单线隧道内的线路坡度，不得大于最大坡度减去表3-4-4规定的减缓值所得的数值。

表3-4-4　电力牵引客货共线铁路隧道内线路最大坡度减缓值（‰）

③ 长度大于5 000 m的电力牵引重载铁路单洞双线隧道内线路允许最大坡度减缓值为：5 000 m＜L≤10 000 m时，0.06‰；10 000 m＜L≤15 000 m时，0.14‰；L＞10 000 m时，0.20‰。

隧道内线路坡度不但要按上述情况考虑，内燃牵引的还要检算列车在相应坡段上的行车速度，长度在1 000 m及以下的隧道检算车速不应小于机车的最低计算速度vjmin，长度在1 000 m以上的隧道检算车速不应小于vjmin+5 km/h ，当检算车速小于上述值时，应在洞外设置加速缓坡。

（3）坡段长度。

隧道坡段长度与明线相同，宜设置长坡段，隧道内坡段长度最好不小于列车的长度。考虑到长远的发展，坡段长度最好不小于远期到发线的长度。

（4）坡段连接。

为了行车平顺安全，两个相邻坡段坡度的代数差值不宜太大，要有一定限制。当相邻坡度差大于一定限值时，应根据设计速度、相邻坡段坡度差，设置缓和坡段或设置圆曲线形竖曲线连接。这些要求与洞外明线相同，具体方法按《铁路线路设计规范》（TB 10098—2017）进行。