第二节 高速铁路路基与桥隧结构物
路基和桥隧建筑物都是轨道的基础，它们直接承受轨道的重量以及车车辆及其荷载的压力。路基与桥隧建筑物的状态与线路质量的关系极其密切。所以，路基和桥隧建筑物应当平顺，应有足够的宽度，符合轨道的铺设、附属构筑物的设置和线路养护维修作业的要求。
一、高速铁路路基
（一）高速铁路路基的特点
路基是铁路线路的重要组成部分。它直接承受轨道传递来的压力，路基的稳定性与坚固性直接关系到整个线路的质量与列车的正常运行及安全。因此，高速铁路要保证线路的快速、安全、平稳运行，就必须具备良好的路基基础。与普通铁路路基相比，高速铁路路基主要有以下特点。
1.高速铁路路基的多层结构系统
高速铁路线路结构，已经突破了传统的轨道、道床、土路基这种结构形式，既有有砟轨道也有无砟轨道。对于有砟轨道，在道床和土路基之间，已抛弃了将道砟层直接放在土路基上的结构形式，做成了多层结构系统（见图2-3～图2-8）。
图2-3 德国高速铁路无砟轨道路堤的断面形式
2.控制变形是路基设计的关键
高平顺性是高速铁路得以正常运营的保证。因此，高速铁路对轨道的不平顺管理标准要求非常严格。路基是铁路基础工程的重要组成部分，承受着轨道结构重量和列车荷载，路基的变形，自然会引起轨道的几何不平顺。特别是有砟轨道，其轨下基础是散体材料组成的道床与路基，它是整个线路结构中最薄弱、最不稳定的环节，是轨道变形的主要来源。它在多次重复荷载作用下所产生的累积永久下沉（残余变形）将造成轨道的不平顺，同时其刚度对轨道面的弹性变形也起关键性的作用，因而对列车的高速走行有重要影响。因此，高速铁路路基除了应具备一般铁路路基基本性能外，还需要满足高速铁路轨道对基础的性能要求，满足静态平顺和列车运行状态下的动态平顺。
图2-4 德国高速铁路有砟轨道路堤的断面形式
图2-5 法国高速铁路路堤的断面形式（单位：m）
图2-6 法国高速铁路路堑的断面形式（基床土质差）（单位：m）
图2-7 法国高速铁路路堑的断面形式（基床土质好）（单位：m）
图2-8 日本高速铁路板式轨道路基的断面形式
所以，在路基设计中，一般铁路路基是以强度控制设计的，对于高速铁路路基，控制变形是路基设计的关键。因为路基在达到强度破坏前，可能已经出现了过大的有害变形。
3.保证路基刚度的均匀性
列车速度越高，路基的刚度要求越大，弹性变形越小。因此，弹性变形过大，就会导致高速行驶的列车无法正常运行；同样，刚度也不能过大，刚度过大就会导致列车的振动和噪声加大，也不利车辆的平稳运行。研究表明，由刚度变化引起的列车振动和速度的平方成正比。列车速度越高，刚度变化越急剧，引起的列车振动越强烈，影响列车高速运行的舒适性和安全性。所以，高速铁路要求路基在线路上做到刚度均匀、变化缓慢，不允许出现刚度突变。
4.路基结构的稳定性
在列车运营时，路基不仅要承受轨道结构和附属建筑物的静荷载，还要承受列车多次的反复作用。同时，还要抵抗气温变化、雨雪作用、地震破坏等自然因素的侵蚀和破坏。因此，为了保证高速行车，路基工程必须要具有抵抗这些不良因素的能力，保证强度不降低，弹性不改变，变形不加大。真正做到寿命长、维修少。只有这样，才能保证高速行车，减少维修费用，并增加行车的舒适性与安全性。
（二）高速铁路路基结构
高速铁路路基工程主要由路基本体工程、路基排水工程、路基防护与加固工程三部分组成。
1.高速铁路路基的基本形式
在高速铁路线路工程中，路基常见的两种基本形式是路堤与路堑，如图2-9所示。
图2-9 路基的基本形式
（1）路堤
当路肩的设计标高高于地面标高时，路基以填筑的方式构成，形成路堤。路堤的组成包括路基面、边坡、护道、取土坑或纵向排水沟等。
（2）路堑
当路肩的设计标高低于地面标高时，路基以挖方的方式构成，形成路堑。路堑的组成包括路基面、边坡、护道、弃土坑或截水沟等。
2.高速铁路路基本体工程
（1）高速铁路路基面形状
无砟轨道支承层（或底座）底部范围内路基面可水平设置，支承层（或底座）外侧路基面两侧设置不小于4％的横向排水坡。有砟轨道路基面形状应为三角形，由路基面中心向两侧设置不小于4％的横向排水坡。曲线加宽时，路基面仍应保持三角形。
（2）高速铁路路基面宽度
路基横断面宽度和布置形式要考虑路基稳定的需要、线间距、轨道结构形式、曲线超高设置、路肩宽度、通信信号和电力电缆布置、接触网立柱基础位置设置、声屏障基础等因素，并应综合考虑路基防排水问题。我国高速铁路路基直线地段标准路基面宽度应符合表2-10的规定。
表2-10 路基面标准宽度
路基面在无砟轨道正线曲线地段一般不加宽，当轨道结构和接触网支柱等设施的设置有特殊要求时，根据具体情况分析确定；有砟轨道正线曲线地段加宽值应在曲线外侧按表2-11的规定加宽。曲线加宽值应在缓和曲线内渐变。
表2-11 有砟轨道曲线地段路基面加宽值
（3）高速铁路路基标准横断面
①无砟轨道双线路堤标准横断面示意图（图2-10）。
图2-10 无砟轨道双线路堤标准横断面示意图
②无砟轨道双线路堑标准横断面示意图（图2-11）。
③无砟轨道单线路堤标准横断面示意图（图2-12）。
④有砟轨道双线路堤标准横断面示意图（图2-13）。
图2-11 无砟轨道双线路堑标准横断面示意图
图2-12 无砟轨道单线路堤标准横断面示意图
图2-13 有砟轨道双线路堤标准横断面示意图
⑤有砟轨道双线路堑标准横断面示意图（图2-14）。
⑥有砟轨道单线路堤标准横断面示意图（图2-15）。
（4）高速铁路路基基床结构
高速铁路路基基床是由基床表层和底层组成的两层结构。我国高速铁路路基基床表层厚度无砟轨道为0.4m，有砟轨道为0.7m，基床底层厚度为2.3m。其中，基床表层由5～10cm厚的沥青混凝土和60～65cm厚的级配碎石或级配砂砾石组成；基床底层一般采用A、B组填料或改良土填筑。基床以下路堤优先采用A、B组填料和C组块石、碎石、砾石类填料，当选用C组细粒土填料时，应根据填料的性质进行改良后填筑。
图2-14 有砟轨道双线路堑标准横断面示意图
图2-15 有砟轨道单线路基标准横断面示意图
3.路基排水
为保持路基经常处于干燥、坚固和稳定的状态，路基上设有一套完整的排水设备。包括地面排水设施与地下排水设施。
（1）面排水设施：纵向排水沟、侧沟、截水沟、天沟、跌水、急流槽、缓流井等，如图2-16所示。
（2）地下排水设施：为了拦截地下水，降低地下水位，采用明沟、排水槽、暗沟、渗沟、渗井和渗管等排水设施，如图2-17所示。
4.路基防护与加固
（1）路基防护工程
由岩土修筑的铁路路基，大面积地暴露与自然中，长期遭受各种自然因素的强烈作用，在这种不利的水、温条件下，岩土的物理力学性质常发生较大变化。雨水冲刷和地下水浸入，使路基浸水和表层失稳，易造成和加剧路基的水毁病害。在近旁河流的冲击、淘蚀和侵蚀作用下，路基也会被损坏。因此，路基防护就显得非常重要。路基防护是保证路基强度和稳定性的重要措施之一，其防护的重点是路基边坡，必要时也包括路肩表面，以及同路基稳定有直接关系的近旁河流与山坡。路基防护分坡面防护和冲刷防护两种。
图2-16 路基地面排水设备示意图
1—排水沟；2—侧沟；3—截水沟；4—天沟；5—急流槽；6—跌水；7—挡水墙
图2-17 明沟与排水槽
1—含水层；2—不透水层；3—渗水孔；4—填土夯实；5—反滤层
①坡面防护
坡面防护应根据路基边坡的土质、岩性、水文地质条件、边坡坡度与高度等，选用适宜的防护措施。路基边坡坡面防护工程常用类型有植物防护、喷护、挂网喷护、干砌片石护坡、浆砌片石护坡、浆砌片石或混凝土骨架护坡和浆砌片石护墙等，如图2-18所示。
图2-18 坡面防护类型
②冲刷防护
路基冲刷防护分为直接防护和间接防护两种。直接防护是对路基边坡直接加固，以抵抗水流的冲刷和淘刷作用，其类型有植物防护（铺草皮、种植防水林、挂柳）、抛石防护、干砌片石护坡、浆砌片石护坡、石笼防护和浸水挡土墙等。间接防护是用导流或阻流的方法来改变水流的性质，或者迫使主流流向偏离被防护的地段，或者减低被防护地段的流速，或者改变河槽中冲刷和淤积的部位，以间接地防护河岸或路基，其类型有丁坝（又称挑水坝）和顺坝等。
（2）路基加固工程
路基加固建筑物是指各种使路基本体稳定，或者使与路基本体性状有关的周围土体稳定而修建的建筑物，常用的有挡土墙。
根据挡土墙的结构形式可将挡土墙分为重力式挡土墙和轻型挡土墙。重力式挡土墙依靠墙体自重来维持稳定，如图2-19所示。轻型挡土墙有多种类型，常见的有锚杆挡土墙、锚定板挡土墙、桩板挡土墙、薄壁挡土墙和加筋土挡土墙等，如图2-20所示。
图2-19 重力式挡土墙
5.过渡段
铁路线路是由不同特点、性质迥异但又相互作用、相互依存、相互补充的构筑物（桥、隧、路基等）和轨道构成的。由于组成线路的结构物强度、刚度、变形、材料等方面的巨大差异，因此必然会引起轨道的不平顺。为了满足列车平稳舒适且不间断地运行，必须将其不平顺控制在一定范围之内。例如，与桥梁连接处的路堤一直是铁路路基的一个薄弱环节，由于路基与桥梁刚度差别很大，一方面引起轨道刚度的变化，另一方面，路基与桥台的沉降也不一致，在桥路过渡点附近极易产生沉降差，导致轨面发生弯折。当列车高速通过时，必然会增加列车与线路的振动，引起列车与线路结构的相互作用力的增加，影响线路结构的稳定，甚至危及行车安全。
图2-20 轻型挡土墙
在路基与桥梁之间设置一定长度的过渡段，可使轨道的刚度逐渐变化，并最大限度地减少路基与桥梁之间的沉降差，达到降低列车与线路的振动，减缓线路结构的变形，保证列车安全、平稳、舒适运行的目的。
二、高速铁路桥涵
铁路桥涵是跨越河流、山谷及其他障碍的建筑物，包括桥梁与涵洞。在修建铁路时，桥梁的工程量一般占有相当大的比重，而大桥的施工期限，往往还成为新建铁路能否按期通车的关键。在高速铁路线路中，桥梁的比重越来越大。我国京沪高速铁路中桥梁总延长占80％以上，合计超过1000km，尤以高架桥为主。
（一）高速铁路桥梁的特点
1.结构动力效应大。
2.桥上无缝线路与桥梁共同作用。
修建高速铁路要求一次铺设跨区间无缝线路，以保证轨道的平顺和稳定。桥上无缝线路可看作为不能移动的线上结构，而桥梁在列车荷载、列车制动作用下和温度变化时要产生位移。当梁、轨体系产生相对位移时，桥上钢轨会产生附加应力。
高速铁路桥梁必须考虑梁轨共同作用，尽量减小桥梁的位移与变形，以限制桥上钢轨的附加应力，保证桥上无缝线路的稳定和行车安全。
3.满足乘坐舒适度。
与普通铁路不同，高速铁路要求高速运行列车过桥时有很好的乘坐舒适度，舒适度的评价指标为车厢内的垂直振动加速度。
4.使用寿命长。
高速铁路桥梁首次提出在预定作用和预定的维修和使用条件下，主要承力结构要有100年使用年限的耐久性要求，设计者应据此进行耐久性设计。
5.维修养护时间少。
相比普通铁路，高速铁路采用全封闭行车模式，高速铁路桥梁维修养护的重点以检查为主，维修养护时间减少。
（二）铁路桥梁的类型
桥梁的种类很多，形式多样，一般可以按照桥梁的建筑材料、桥梁长度、桥梁外形以及桥梁跨越的障碍等加以分类。
（1）按建筑材料分，有钢桥、钢筋混凝土桥、石桥等。
（2）按桥梁长度（L）分，有小桥（L＜20m）、中桥（20m≤L＜100m）、大桥（100m≤L＜500m）和特大桥（L≥500m）等。
（3）按桥梁外形分，有梁桥、拱桥、桁架桥、斜拉桥、悬索桥等型式，如图2-21～图2-25所示。
图2-21 梁桥
图2-22 拱桥
图2-23 桁架桥
图2-24 斜拉桥
（4）按桥梁跨越的障碍分，有跨河桥——跨越江河、湖泊；跨线桥——又称立交桥，铁路、公路相互交叉时所建的桥梁；高架桥——又称栈桥或旱桥，跨越宽谷、深沟的桥梁，如图2-26、图2-27所示。
图2-25 悬索桥
图2-26 高架桥
图2-27 跨线桥
（三）高速铁路桥梁结构组成
高速铁路桥梁的结构与普通桥梁基本相同，同样由桥跨、桥面、支座、墩台、基础等部分组成，如图2-28所示。
图2-28 桥梁的组成
1.桥跨
高速铁路桥梁常用跨度桥梁选择的考虑因素有刚度大、变形小，能够满足各种使用要求，品种、规格简洁，便于快速施工和质量保证，力求经济与美观的统一。
高速铁路桥梁桥跨的形式主要以箱型梁桥为主，另外还有桁架桥、斜拉桥与系杆拱桥等结构形式。
（1）应力混凝土简支箱梁桥
常用跨度桥梁以等跨布置的32m双线整孔预应力混凝土简支箱梁为主型结构，少量配跨采用24m简支箱梁。施工方法主要采用沿线设置预制梁厂进行箱梁预制，运梁车、架桥机运输架设，部分采用移动模架、膺架法桥位灌注。我国新建高速铁路桥梁中90％以上为32m预应力混凝土简支箱梁结构，如图2-29所示。
图2-29 预应力混凝土简支箱梁
（2）应力混凝土连续箱梁桥
跨越公路、站场、河流等跨度较大的桥梁主要采用预应力混凝土连续箱梁，预应力混凝土连续箱梁常见跨径根据结构跨度布置、类型和工期要求，多采用悬臂、膺架法施工，如图2-30所示。
图2-30 预应力混凝土连续箱梁
（3）其他大跨度及特殊桥梁结构
预应力混凝土连续刚构、各种拱结构、斜拉桥及梁—拱组合结构等。为保证列车的安全和乘坐舒适，对大跨度桥梁的竖向刚度提出了严格的限制。
2.桥面
（1）桥面布置规定
①桥上有砟轨道轨下枕底道砟厚度不应小于0.35m。
②桥上应设置挡砟墙或防护墙，其高度采用与相邻轨道轨面等高。直线和曲线，曲线内侧和外侧可采用不同的高度。
有砟轨道桥梁，直线上时线路中心线至挡砟墙内侧净距不应小于2.2m。
③曲线地段桥上建筑限界加宽按有关规范办理。
④桥面应为主要设备的安装预留位置。
⑤桥上栏杆高度不应小于1.0m。
⑥强风口地段应设置防风设施，当设置防风设施时，桥上栏杆或声屏障与防风设施要结合考虑，同时要考虑旅客观光需要。
⑦线路中心线距接触网支柱内侧最小距离不应小于3.0m。曲线地段接触网支柱内侧边缘至线路中心净距应满足建筑限界加宽的要求。当接触网支柱设置在桥面上时，不宜设在梁跨跨中。
⑧主梁翼缘悬臂板端部宜设遮板。
⑨桥面宽度应按照建筑限界、作业维修通道及电缆槽、接触网立柱构造宽度的要求计算确定。
桥长超过3km时，应结合地面道路条件，每隔3km（单侧6km）左右，在线路两侧交错设置1处可上下桥的救援疏散通道。救援疏散通道侧对应的桥上栏杆或声屏障位置应预留出口。
桥涵结构构造应便于检查和养护，根据需要设置检查设施；桥梁必须设置性能良好的防、排水设施。
梁部或墩台的表面形状应有利于排水，对于可能受雨淋或积水的水平面做成斜面。桥梁顶面宜设置不小于2％的横向排水坡。桥梁墩台的顶面应设置不小于3％的排水坡，桥梁端部应采取有效防水构造措施，防止污水回流污染支座和梁端表面。
（2）桥面布置图
时速为350km的高速铁路桥面布置如图2-31所示。
图2-31 时速350km高速铁路桥面布置（单位：mm）
3.支座
（1）桥梁支座的功能
桥梁支座设置在梁体与墩台之间，起承上启下的作用。
①传递梁体作用的反力：竖向力、水平力。
②适应桥梁的位移需要：温度伸缩位移（双向）；混凝土收缩徐变位移（单向性）；列车活载引起梁体下翼缘伸长所产生的位移。位移可分为顺桥向和横桥向。
③满足桥梁梁端转角的要求：恒载转角、活载转角、梁体安装误差引起的初始转角、转角设计余量。
（2）桥梁支座的类型
①按支座用材料可区分为：钢支座，橡胶支座，聚四氟乙烯滑板支座。
②按支座类型可区分为：钢铰轴、辊轴支座，板式橡胶支座，盆式橡胶支座，球形钢支座，柱面支座（双曲面支座）。
③按支座受力功能可区分为：固定支座，活动支座，纵向活动、横向活动和多向活动支座。
（3）支座的设置
①桥梁支座宜采用盆式橡胶支座或钢支座，橡胶支座应水平设置。对于沉降难以控制区段的桥梁，经技术经济比较，可采用可调高支座。
②横向宽度较大的梁，其支座部分必须能横向移动及转动，否则在计算支座时应考虑端横梁和末端横框架固端弯矩在支承线上所引起的约束作用。
③对斜交梁，支座纵向位移方向应与梁轴线或切线一致。
④支座设置应满足检查、维修和更换的要求，采用架桥机架设箱形梁，要保证四支点在同一平面上。支承垫石到墩台边缘距离及垫石高度应考虑顶梁的空间。
⑤支座垫板纵向和横向最外边缘到墩台边缘的距离，应大于表2-12的规定。
表2-12 支座板边缘至墩台边缘的距离
⑥每孔简支箱梁的四个支座采用四种型号。四个支座分别为：固定、纵向活动、横向活动及多向活动。目前，我国高速铁路用的盆式橡胶支座主要有AL-GATMT、KTPZ、TGPZ等类型。预制简支箱梁采用改变上支座板顶面坡度的方式以适应梁体坡度（20‰）的要求，当坡度大于20‰时，采用梁底调整，现浇简支梁采用梁底调整，简支箱梁的每个支撑垫石内侧装有防落梁装置，并做接地处理。
4.桥梁墩台
桥梁墩台宜采用混凝土或钢筋混凝土结构。承台桩基布置在满足刚性角的情况下，承台底部应布置一层钢筋网，当钻孔桩桩径为ф1.00m时钢筋直径不小于20mm；当钻孔桩桩径为ф1.25m或ф1.50m时钢筋直径不小于25mm；钢筋间距均为10cm。
混凝土实体桥墩应设置护面钢筋，竖向护面钢筋直径不宜小于14mm，间距不大于15cm；环向箍筋直径不小于10mm，间距不大于20cm，墩底加密区采用10cm。空心桥墩的箍筋间距，在固端干扰区为10cm，其他区段不大于20cm。桥墩台顶面尺寸应满足架设、检查、养护、维修和支座更换及顶梁的要求，并应设排水坡。
5.基础
基础作为桥梁结构物的一个重要组成部分，它起着支承桥跨结构，保持体系稳定，把桥梁自重及各种动荷载传递给地基的重要作用。基础施工的质量直接决定着桥梁的强度、刚度、稳定性、耐久性和安全度。高速铁路桥梁主要的基础形式有扩大基础、钻孔灌注桩基础、沉井基础等形式。
（1）大基础
扩大基础的土方采用人工配合挖掘机开挖，石方开挖采用风动凿岩机钻眼，浅眼爆破法开挖，开挖时采用预裂控制爆破，以保证基岩的完整性不被破坏。做好开挖时的防水措施并及时浇筑混凝土，基础施工完成后及时回填，避免地基受到浸泡而降低承载力。施工时严禁基坑边堆碴，以防止发生边坡坍塌，如图2-32所示。
图2-32 扩大基础
（2）孔桩基础
陆上桩基础采用常规方法进行钻孔成桩施工，浅水钻孔桩采用填土筑岛、草袋围堰等方法施工；深水区钻孔桩采用双壁钢围堰或钢板桩围堰进行施工，在钢围堰上搭设钻孔平台，冲击钻机完成钻孔作业。桥址位于岩溶发育地段的钻孔桩施工时采用钢护筒跟进、注浆、开挖回填混凝土等方案施工，使钻孔顺利通过岩溶地层。钻孔桩成桩后采用无损检测法对其成桩质量进行检测，如图2-33所示。
（3）井基础
沉井是建造在墩址所在地面上或筑岛面上的井筒状结构物。它从井孔内取土，借自重克服土对井壁的摩擦力而沉入土中，这样逐节接筑、下沉，直至设计位置后封底，再进行井内填充及修筑顶盖。沉井基础的施工可概括为旱地施工、水上筑岛施工、浮运沉井三种方法，前两种方法是在无水或浅水处就地制造和下沉，后一种是在深水中采用的岸边制造、浮运就位下沉的特定施工方法，如图2-34所示。
图2-33 桩基础
图2-34 沉井基础
6.涵洞
涵洞顶至轨底的高度不宜小于1.5m，涵洞可布置成斜交，但斜交涵洞的斜交角度不宜大于45°。涵洞宜采用钢筋混凝土框架箱涵，沉降缝不应设在轨枕或无砟轨道板下方，可设在两线中间，轨下涵节长度不宜小于5m。软弱地基上的涵洞，涵洞地基处理方式应与两侧路基地基处理方式相协调。
三、高速铁路隧道
隧道通常是指修建在地层中的地下通道等工程建筑物。由于隧道的修建使用，克服了平面、高程、江河等障碍，改善了运输条件，缩短了历程，节省了运费，提高了运输能力，使线路更加平缓顺直，从而能更好地满足高速行车的要求，取得理想的经济效果，因而大量隧道应用于铁路和公路等交通运输中。目前隧道不断向长隧道发展，首先在技术上要解决一系列重大问题，而单座隧道长度是衡量隧道工程技术发展水平的重要标志之一。
（一）铁路隧道分类
（1）按隧道所处的地质条件，可以分为土质隧道和石质隧道。
（2）按隧道的长度，可以分为短隧道（L≤500m）、中长隧道（500m＜L≤3000m）、长隧道（3000m＜L≤10000m）和特长隧道（L＞10000m）。
（3）按隧道横断面积的大小，可以分为极小断面隧道（2～3m2）、小断面隧道（3～10m2）、中等断面隧道（10～50m2）、大断面隧道（50～100m2）和特大断面隧道（大于100m2）。
依隧道所在位置，可以分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道。依埋置的深度，可以分为浅埋隧道和深埋隧道。
（二）隧道的基本构造
隧道能充分利用岩土地层的固有性质，达到最有效修建隧道的目的，从而获得良好的社会、经济效益。隧道一般有主体结构物和附属结构物两大部分组成，如图2-35所示。
图2-35 隧道结构图
1.隧道主体结构物
主体结构物由围岩和支护结构共同组成，用来保持岩体的稳定和隧道在使用中的安全。支护结构又包括初期支护和二次衬砌，如图2-36所示。
图2-36 隧道的初期支护与二次衬砌（单位：cm）
（1）初期支护
隧道开挖后，为了有效控制和约束围岩的变形，根据不同围岩的稳定状态，及时施作喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢纤维混凝土、钢支撑等结构组成起来的初期支护，以充分调动和发挥围岩的自承能力。同时，凭借初期支护良好柔性的特点，使的它在与围岩共同变形的过程中，能有效地调整围岩应力，控制围岩作有限度的变形，进而将围岩与初期支护构成统一的承载体系，提高围岩与支护的共同作用。
（2）二次衬砌
二次衬砌可以用喷射混凝土柔性支护，也可以采用模筑混凝土施作，起到增加安全度，保护防水层，防止喷射混凝土层或围岩的风化并作为安全储备的作用，确保隧道主体结构的永久稳定和安全。
2.隧道附属结构物
为了使隧道能够正常使用，保证车辆安全通行，还要设置一些附属结构物来配合。其中包括：隧道通风建筑物，安全避让设备，避难救援通道，防排水设备，照明设施和电力及通信信号的安全设备等。由此可见，隧道附属结构物是为运营管理、维修养护、给水排水、供需发电、通风、照明、通信、安全而设置的。隧道主体结构物与附属结构物一同构成隧道永久性的建筑物。
（三）隧道施工方法简介
在长期的隧道工程实践中，已经积累了相当丰富的理论和经验，特别是新奥法“充分利用围岩自身的支护能力，及时施工初期支护”原则，在隧道工程中的推广运用。伴随着施工机械的不断现代化，高效易行的支护技术的巨大进步，逐步形成了“爱护围岩，内实外美，重视环境，动态施工”的施工理念。
当前，隧道施工方法有矿山法、明挖法、掘进机法、盾构法、沉管法等。
1.矿山法
矿山法仍是我国应用最广、最成熟的山岭隧道修建方法。施工时严格按照“钻孔→装药→爆破→通风→出碴”的顺序，一步一步循环开挖，并趋向大断面少分部开挖，辅以简单易行、安全可靠的强有力的支护结构。如全断面法、台阶法、环形开挖预留核心土法、中隔壁法（CD，CRD法），双侧壁导坑法都是当前主要开挖方法。
2.明挖法
明挖法是在露天的路堑地面上，或是从地表向下开挖的基坑内，先修建衬砌结构物，然后敷设外贴式防水层，再回填覆盖土石。明挖法多用于地下铁道、城市市政隧道、山岭隧道等埋深浅但难以暗挖的地段。
3.掘进机法
岩石隧道掘进机法（Tunnel Boring Machine）是利用岩石隧道掘进机在岩石地层中暗挖隧道的一种施工方法。它是利用刀具一次便将隧道整个断面切削成型，掘进同时，还兼有出碴及自动推进功能。1999年建成的全长18.457km秦岭隧道的1号线隧道则是用直径为8.8m的全断面掘进机开挖，实现了隧道施工机械化。岩石隧道掘进机的断面外径大，可达10m多，小则仅1.8m，并且岩石掘进机和辅助施工技术日臻完善，以及现代高科技成果的应用（液压新技术、电子技术和材料科学技术等），大大提高了岩石掘进机对各种困难条件的适用性。
4.盾构法
盾构法（Shield）应用于软土、流沙、淤泥等特殊地层。盾构法隧道施工的基本原理是用一个有形的刚质组件沿隧道设计轴线开挖土体，并向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的土体，保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件简称为盾构。盾构的另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。上海、广州地铁线的施工表明，盾构施工不仅不受地面交通、河道、潮汐、气候条件影响，而且盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实现自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低，并且有显著的环保功能。
5.沉管法
沉管法是将预制好的隧道管段拖航浮运到隧址，沉入基槽并进行水下连接，从而形成隧道。珠江和涌江这两座水下隧道的成功修建，标志着我国已具备了用管段沉放法修建水下隧道的能力，并掌握了相关技术。
（四）高速列车在隧道内运行引起的空气动力学效应问题
1.空气动力学效应产生的影响
高速列车进入隧道后将隧道内原有的部分空气排开，由于空气黏性和隧道内壁、列车外表面摩阻力的存在，被排开的空气不能像明线空气那样及时、顺畅地沿列车周侧形成绕流，列车前方的空气受到压缩，而列车尾部进入隧道后会形成一定的负压，因此产生了压力波动过程。这种压力波动以声速传播至隧道口，大部分发生反射，产生瞬变压力；而另一部分则形成向隧道外的脉冲状压力波辐射，即微气压波。这些都会对高速列车运营、人员舒适度和环境造成一系列影响：
（1）高速列车经过隧道时，瞬变压力造成旅客和乘务人员耳膜明显不适、舒适度降低，并对铁路员工和车辆产生危害；
（2）高速列车进入隧道时，会在隧道出口产生微气压波，发出轰鸣声，使隧道口附近建筑物门窗发生振动，产生扰民的环境问题；
（3）行车阻力增大，从而使运营能耗增大，并要求机车动力增大；
（4）形成空气动力学噪声（与车速的6～8次方成正比）；
（5）列车风加剧，影响隧道维修养护人员的正常作业；
（6）列车克服阻力所做的功转化为热量，在隧道中积聚引起温度升高等。
因此，在高速铁路设计时，应从车辆及隧道两方面采取措施，以减缓空气动力学效应。
2.降低空气动力学效应的措施
（1）车辆方面的措施
①车辆的密封性
舒适度是车内旅客乘车的舒适度，因此我们更为关心的是车内压力变化情况。在其他条件相同的情况下，车辆密闭性能越好，车辆内的最大瞬变压力就越小。
②车辆的外形
车辆外形的改善可从车辆的横断面积和车头形状考虑：在隧道横断面净面积不变的前提下，减小车辆的横断面积可降低阻塞比，有效降低隧道内的瞬变压力，进而可缓解车内的瞬变压力。
（2）隧道构造措施
①设置缓冲段
在隧道的口部设置缓冲段可减小列车进入隧道时产生压缩波的波前压力梯度，因为压缩波的波前压力梯度与列车速度的三次方成正比，所以减小压力梯度的效果可转换成降低列车速度的效果，进而可以明显地降低微气压波以及由此而产生的噪声和对环境的影响。
进口缓冲结构的设置应根据出口微压波峰值的大小来确定。当出口外50m范围内无建筑物、出口外20m处的微压波峰值大于50Pa时，应设置缓冲结构；当出口外50m范围内有建筑物且建筑物处的微压波峰值大于20Pa，应设置缓冲结构；当建筑物对微压波峰值有特殊要求时，缓冲结构应进行特殊设计。
缓冲段的横断面形状可为拱形或为门形，要求在其两侧可按一定的比例开孔；沿其纵向可做成逐渐扩大的型式或喇叭形。
②设置横洞
对于双洞单线隧道在每隔一定的距离采用横洞连通，以起到减压风道的作用。在英法海峡隧道中就采用了横向通道来释放压力波（其减压风道间距为250m，风道直径为2m），这种风道可减少对列车的空气动力阻力。
③增加隧道断面面积
增加隧道断面面积对于降低空气动力学效应是不言而喻的，其可以将隧道断面放大；也可以采用单洞双线的隧道。但是前者会增加造价，后者当列车在隧道中会车时，会加剧空气动力效应。
④设置竖井
在隧道内适当位置修建通风竖井（或斜井），以降低压缩波梯度。这种竖井应尽可能利用施工留下的工作井。该竖井的位置应兼顾到高速列车行车时降低瞬变压力的要求。
⑤噪声
隧道周壁采用吸音材料贴面，以降低空气动力学噪声。
⑥隐蔽及设置
隧道内设施应尽量隐蔽设置，对在隧道内必须设置的设施采取适当的防护措施，以防列车运行时产生的列车风对设施的破坏。
⑦隔热设置
列车克服阻力所做的功转化为热量，在隧道中积聚引起温度升高。为此可设置通风井，配置风机排出在隧道中因列车克服阻力而产生的热量或其他原因产生的热量，英法海峡隧道亦采用机械通风方法排出隧道内的热量。
⑧防水设置
其他措施还有如在隧道内设置水幕等。
（五）高速铁路隧道断面
1.高速铁路隧道净空有效面积
我国根据不同的行车速度目标值和运行列车的限界，考虑空气动力学效应等各种情况，拟定的隧道净空有效面积，如表2-13所示。
表2-13 高速铁路隧道净空有效面积标准（m2）
注：括号内数值为高速铁路兼顾双层集装箱运输条件下，考虑特定接触网高度等因素的面积。
2.高速铁路隧道内轮廓
新建高速铁路隧道内轮廓如图2-37、图2-38所示。
图2-37 250km/h高速铁路双线隧道内轮廓（单位：cm）
图2-38 350km/h双线隧道内轮廓（单位：cm）
大断面隧道对维修管理的检测技术提出了较高的要求，发现结构变异更加困难。因此，一些检测技术都向着自动化、数值化等方向发展。
（六）高速铁路隧道进出口缓冲段的设置
在高速运行的条件下，高速列车通过隧道时会产生一系列的空气动力学效应，如压力波动、出口微压波、洞内行车阻力增大等，这些对隧道横断面的确定具有重要意义。
当高速列车进入隧道时，强烈冲击处于隧道中的静止空气柱，压力脉冲作为纵向运动的波以声速通过隧道，并在隧道的另一端（即开放端）发生反射，由正压变为负压，同样以声速沿列车运行相反的方向向回运动，遇到列车后空气阻力在大气压力（100kPa）附近发生波动，使旅客的耳朵发生明显不适。研究表明：这种现象，当车速愈快、堵塞比（列车断面积与隧道断面积之比）愈大，愈明显。
隧道的微气压波是列车突入隧道时形成的压缩波，在隧道内传播到达出口时向外放射脉冲状的压力波，其发生的实态如图2-39所示。
图2-39 隧道压力波的产生过程
隧道的横断面面积通常是根据隧道建筑限界和列车运营的要求决定的。但在高速铁路的条件下，还必须考虑满足列车空气动力学的要求。
应该指出，为降低微气压波的影响，在列车进洞速度超过160km/h时，都要采取相应措施。一种措施是扩大隧道断面到一定程度，采用90～100m2的隧道断面积。一种方法是不增加隧道断面积，而在隧道入口设置相应的缓冲段。如图2-40所示为隧道洞口形式及缓冲结构。表2-14、表2-15分别为缓冲段设置基准和缓冲段建议长度。
表2-14 缓冲段设置基准
图2-40 隧道洞口及缓冲结构图
表2-15 缓冲段建议长度
