隧道工程結構設計

隧道工程結構設計本節(jié)主要內容：隧道凈空與限界的概念隧道建筑限界的確定

曲線隧道凈空加寬3.1隧道凈空與限界

1隧道凈空與限界的基本概念

隧道凈空：隧道襯砌內輪廓線所包圍的空間，根據(jù)“隧道建筑限界”確定的。

隧道建筑限界：為了保證隧道內各種交通的正常運行與安全，而規(guī)定在一定寬度和高度范圍內不得有任何障礙物的空間范圍。2鐵路隧道建筑限界機車車輛或超限貨物車輛的接近限界隧道建筑限界

隧道凈空鐵路建筑接近限界3公路隧道建筑限界建筑限界組成部分：行車道寬度(W)

路緣帶(S)

側向寬度(L)

人行道(R)或檢修道(J)

當設置人行道時，含余寬(C)

車道數(shù)公路隧道建筑限界圖(尺寸單位：m)各級公路隧道建筑限界基本寬度（m）

公

路

分

類

公

路

等

級

地

形

行車道

寬

度

（單洞）

W

側

向

寬

度

人

行

道

R

檢修道

(一側)

J

隧道建筑

限界凈寬

路

緣

帶

S

余

寬

C

設檢修道或

不設人行道

設

人

行

道

汽

車

專

用

公

路

高

速

平原微丘

7.50

0.75

0.50

0.75

10.75

重

丘

7.50

0.50

0.50

0.75

10.25

山嶺

7.50

0.50

0.25

0.75

9.75

7.00

0.50

0.25

0.75

9.25

一級

平原微丘

7.50

0.50

0.50

0.75

10.25

山嶺重丘

7.00

0.50

0.25

0.75

9.25

二級

平原微丘

8.00

/

0.25

0.75

9.25

山嶺重丘

7.50

0.25

0.75

8.75

一

般

公

路

二級

平原微丘

9.00

0.25

0.75

9.50

10.5

山嶺重丘

7.00

0.25

7.50

8.50

三級

平原微丘

7.00

0.25

0.75

7.50

8.50

山嶺重丘

7.00

0.25

7.50

8.50

四級

平原微丘

7.00

0.25

7.50

山嶺重丘

7.00/4.50

0.25

7.50/5.00

注：汽車專用公路隧道只在左側設檢修道；山嶺重丘區(qū)的四級公路，只有當路基寬度為4.5m時，行車道寬度可采用4.5m；四級公路一般可不設人行道。4曲線隧道凈空加寬單線鐵路隧道加寬示意圖4.1鐵路隧道加寬原因

；

4.2單線鐵路隧道加寬計算4.2.1車輛中間部分向曲線內側的偏移—

車輛轉向架中心距，取18mR—

曲線半徑，單位m則：4.2.2外軌超高使車體向曲線內側傾斜偏移H—

隧道限界控制點自軌面起的高度，cmE—

外軌超高值，其最大不超過15cm，且d內2系將相應的隧道建筑限界繞內側軌頂中心轉動角度：故可近似取

4.2.3車輛兩端向曲線外側的偏移L—

標準車輛長度，我國為26m，則則總加寬值：4.3單線隧道(結構)中線與線路中線偏移距離4.4雙線鐵路隧道加寬計算d內及d外計算與單線加寬值相同當外側線路外軌超高大于內側線路外軌超高時H—

車輛外側頂角距內軌頂面的高度，取360cmE—

外側線路的外軌超高值，cm故其余情況時:4.5雙線隧道中線偏移4.6曲線鐵路隧道加寬平面設計類別半徑(m)

加寬值(m)汽車軸距加前懸(m)250~200200~150150~100100~7070~5050~3030~2525~2020~15150.40.60.81.01.21.41.82.22.5280.60.70.91.21.52.0——

35.3+8.80.81.01.52.02.5——

4.7公路隧道平曲線加寬取值注：四級公路和山嶺重丘的三級公路采用第1類加寬值；其余各級公路采用第3類加寬值。對不經(jīng)常通行集裝箱運輸半掛車的公路，可采用第2類加寬值。思考題：1、確定隧道建筑限界需要考慮哪些因素？2、比較鐵路隧道與公路隧道在建筑限界與曲線加寬等方面的異同？本節(jié)主要內容：隧道襯砌斷面設計的主要內容和步驟鐵路隧道襯砌斷面設計公路隧道襯砌斷面設計3.2隧道襯砌斷面設計

1隧道襯砌橫斷面設計

1.1設計基本內容

★內輪廓線★軸線★厚度1.2設計步驟★確定隧道類型相應建筑限界★根據(jù)圍巖初步擬定截面厚度★斷面優(yōu)化、強度檢算并評價內輪廓線1.3設計注意事項

★隧道內輪廓必須符合隧道建筑凈空限界?！飪容喞€應盡量減小洞室的體積?！锝Y構軸線應盡可能地符合壓力線。★采用的施工方法能確保斷面形狀及尺寸有利于隧道的穩(wěn)定。1.4設計目的

★滿足限界要求★滿足受力要求★圬工最省2鐵路隧道襯砌斷面設計軌頂面至拱頂高度h拱頂至拱腳矢高f；襯砌拱部凈寬之半b拱圈第一個內徑r1和第二個內徑r2第一段圓曲線的終點截面與豎直面的夾角φ1拱腳截面與豎直面的夾角φ2；內徑r2的圓心o2至o1的水平和垂直距離a先給定b、f、φ1及a值后，再解出r1、r2及φ2。曲線地段需要加寬時，保持r2及φ2不變，φ1仍取45o，b值根據(jù)加寬要求也是已知，故未知參數(shù)f、a、r1仍可求解。襯砌斷面幾何關系有：上式含b、f、φ1、a、r1、r2、φ2共7個參數(shù)

(1）襯砌內輪廓線(標準化)

（2）襯砌外輪廓線(可變化)

（3）襯砌截面厚度(可變化)

討論：這三者之間的關系？

結論

（1）內輪廓線與厚度影響結構軸線；（2）外輪廓線決定是否變截面襯砌，亦影響結構軸線。

總結及思考3公路隧道襯砌斷面設計

目前公路隧道以單心圓、坦三心圓兩種斷面應用最為普遍。

公路隧道與鐵路隧道的主要區(qū)別：①鐵路隧道建筑限界是固定統(tǒng)一的，而公路隧道的建筑限界則不定。②公路隧道的附屬設施比鐵路隧道多且要求高，且每一座隧道均會因交通流量和長度不同而要求不同。3.1單心圓斷面設計單心圓襯砌內輪廓線獨立變量約束條件其它參數(shù)見限界要求。迭代求解面積最小為最優(yōu)。

坦三心圓內輪廓線3.2坦三心圓斷面設計◆獨立變量基本幾何方程約束條件其余參數(shù)約束條件見限界要求參數(shù)求解需假定A1及A2，其余同單心圓優(yōu)化。與鐵路隧道的異同點：

內輪廓非標準化通風、照明等附屬設施多

設計特點：

斷面設計優(yōu)化的必要性規(guī)范推薦斷面形式(有標準化的趨勢)

4襯砌截面厚度

鐵路規(guī)范規(guī)定襯砌截面最小厚度(㎝)建筑材料種類

隧道和明洞襯砌

洞門端墻、翼墻

和洞口擋土墻

拱圈

邊墻

仰拱

混凝土

20

20

20

30

片石混凝土

50

50

漿砌粗料石或混凝土塊

30

30

30

漿砌塊石

30

30

漿砌片石

50

50

單線鐵路隧道拱頂厚度一般為30～60㎝雙線鐵路隧道襯砌拱頂厚度為40～80㎝。仰拱厚度一般稍小于拱頂?shù)暮穸?。襯砌可以等厚，也可將拱腳和邊墻較拱頂加厚20%～50%。思考題：1、比較鐵路隧道與公路隧道襯砌斷面，思考有哪些因素會影響到斷面形狀？2、運用數(shù)學優(yōu)化知識談談如何使斷面滿足各方面要求？本節(jié)主要內容：洞身支護結構的主要類型不同類型洞身支護結構的特點及其適用條件

整體式混凝土襯砌的結構特點3.3隧道洞身支護結構

1支護結構類型1.1外部支護◆整體式混凝土襯砌◆砌石襯砌◆拼裝式襯砌◆噴射混凝土支護1.2內部支護◆錨桿◆注漿1.3混合支護◆噴錨支護◆復合式襯砌2整體式混凝土襯砌

工藝流程：立模－灌筑－養(yǎng)生－拆模優(yōu)點：◆對地質條件和施工條件的適應性較強◆易于按需要成型◆整體性好◆抗?jié)B性強◆需要養(yǎng)生時間◆受力較慢缺點：2.1直墻式襯砌適用于：地質條件較好的Ⅰ、Ⅱ級(Ⅴ、Ⅵ類)圍巖。圍巖壓力以豎向為主，幾乎沒有或僅有很小的水平側向壓力。半襯砌適用于：地質條件極好，整體巖層堅固；幾乎無水平側壓力，也無地下水侵入?？刹辉O邊墻，但應把兩側巖壁表面噴漿敷面。在地質條件尚好，側壓力不大，但又不宜采用半襯砌時。簡化邊墻適用于：地質較差，巖體松散破碎，強度不高；有地下水；側向水平壓力也相當大。2.2曲墻式襯砌適用于：3裝配式混凝土襯砌優(yōu)點：◆可立即承受圍巖壓力◆工廠化、機械化，改善勞動條件◆不需臨時支撐可節(jié)省大量材料及勞力◆速度快，工期短，造價低缺點：◆接縫多，整體性差，◆抗?jié)B性差，防水困難◆需要足夠的拼裝空間◆制備構件尺寸上要求精度高因隧道施工工業(yè)化和機械化發(fā)展而出現(xiàn)了裝配式隧道襯砌，目前多在使用盾構法施工的城市地下鐵道中應用。

4錨噴支護噴射混凝土加設錨桿和金屬網(wǎng)構成的一種支護形式，簡稱“噴錨支護”，是目前常用的一種圍巖支護手段。4.1

作用原理形成一種柔性襯砌結構，與圍巖合成一體，共同作用，充分調動或發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力

噴射混凝土充填裂隙、封閉圍巖壁面，靠噴層與圍巖的粘結力及自身的抗剪能力組成一個新的承載結構體系通過錨桿的懸吊效應、組合梁效應、加固效應以發(fā)揮圍巖自承能力適應軟弱和膨脹性地層隧道開挖及可用于整治坍方和隧道襯砌的裂損。4.2

錨噴支護類型◆錨桿支護◆噴射混凝土支護◆噴射混凝土錨桿聯(lián)合支護◆噴射混凝土與錨桿及鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護◆以上類型加設型鋼支撐（或格柵）而成的聯(lián)合支護4.3

優(yōu)點◆充分發(fā)揮圍巖的自承能力，因而有效地利用洞內凈空◆施工簡便，提高作業(yè)安全性和作業(yè)效率，◆使坑道斷面縮小，從而減少了開挖量，也節(jié)省圬工5復合式襯砌在不同的時間分層先后施作，它可以是兩層、三層或更多的層

，目前實踐的都只外襯和內襯兩層，因此又稱之“雙層襯砌”基本組成：外襯、防水層、內襯內襯

外襯

混凝土襯砌

噴錨支護

格柵鋼構拱架噴射混凝土

混凝土襯砌

混凝土襯砌

裝配式襯砌

常用公路隧道Ⅳ級圍巖復合襯砌結構復合襯砌防水層◆保護圍巖和加固圍巖，促進圍巖的應力調整，充分發(fā)揮圍巖的自承作用襯砌結構受力狀態(tài)：外襯受力狀態(tài)◆在較堅硬的圍巖地段，由于圍巖具有自承能力，它與初期支護組合在一起能起到永久建筑物的作用，所以二次襯砌只是用來提高安全度的；◆在圍巖比較軟弱地段，則內、外襯砌是共同承載；而在一些特殊地質地段中(坍方、大變形)，二次襯砌的承載作用是主要的，它不僅穩(wěn)定圍巖的變形而且在整個襯砌結構中占有主導地位。內襯受力狀態(tài)◆改善受力條件，相對單層同厚度模筑襯砌，承載能力提高20％～30％◆防止外層襯砌風化，使噴層內鋼筋網(wǎng)和錨桿端部免于銹蝕◆表面光潔平整，利于通風防水效果好優(yōu)點：缺點：◆造價較高，施工較復雜6支護結構基本要求

支護結構的基本作用在于保證隧道斷面的使用凈空，防止巖體質量惡化；承受可能的各種荷載，使隧道支護體系有足夠的安全度。因此，任何一種類型的支護結構都應具有與上述作用相適應的構造、力學特性和施工可能性。按現(xiàn)代支護理論，理想支護結構應滿足如下基本要求：

必須與周圍巖體大面積地牢固接觸，即保證支護一圍巖作為一個統(tǒng)一的支護體系而共同工作

。

要允許圍巖及支護結構產(chǎn)生有限制的變形，以充分發(fā)揮圍巖的承載作用而減少支護結構的受力，但又必須保證支護結構及時施作。7襯砌結構一般規(guī)定隧道襯砌材料，應具有足夠的強度和耐久性，在某些環(huán)境中，還必須具有抗凍、抗?jié)B和抗侵害性。

7.2

襯砌結構伸縮縫、沉降縫隧道襯砌一般不設伸縮縫，但嚴寒地區(qū)的整體式襯砌、錨噴襯砌或復合式襯砌應在洞口和易受凍害地段設置伸縮縫。在對隧道襯砌有不良影響的軟硬地層分界處應設置沉降縫。7.1

襯砌結構材料思考題：1、襯砌結構的仰拱如何改善其受力條件？2、對于拼裝式襯砌，可以采取哪些措施改善其防水性能？本節(jié)主要內容：洞門定義洞門作用洞口位置選定的原則和要求

洞門結構類型3.4隧道洞門結構

1洞門定義在隧道洞口用圬工砌筑并加以一定建筑裝飾的支擋結構物。2洞門作用◆減少洞口土石方開挖量◆穩(wěn)定邊坡◆引離地表流水◆裝飾洞口◆洞口環(huán)框式洞門◆端墻式洞門◆翼墻式洞門◆柱式洞門◆臺階式洞門◆斜交洞門◆削竹式洞門3洞門結構類型適用于Ⅵ類或Ⅰ級圍巖，地形陡峻而又無排水要求3.1洞口環(huán)框式洞門作用：不承載，加固洞口減少雨后洞口滴水簡單裝飾適于地形開闊，巖質基本穩(wěn)定的Ⅰ～Ⅲ級圍巖。結構特點：能有效抵抗山體縱向推力。3.2端墻式洞門

端墻的作用：支護洞口仰坡，并將仰坡水流匯集排出。構造要求：◆端墻高度應使洞身襯砌上方尚有1m以上回填層；◆洞頂水溝深度應不小于0.4m；◆應設置擋碴防護墻，高度從仰坡坡腳算起應不小于0.5m，水平方向不宜小于1.5m；◆端墻基礎應設置在穩(wěn)固的地基上，其深度視地質條件、凍害程度而定，一般應在0.6～1.0m左右；◆墻厚按擋土墻計算，寬度與路塹橫斷面相適應。適用于山體縱向推力較大,洞口地質較差的Ⅳ級及以上的圍巖，增加洞門的抗滑動和抗傾覆能力。3.3翼墻式洞門特點：可以在端墻中部設置兩個斷面較大的柱墩，以增加端墻的穩(wěn)定性。

3.4柱式洞門適用于地形較陡，地質條件較差，仰坡可能下滑，而又受地形或地質條件限制，不能設置翼墻時。適于傍山側坡地區(qū)，洞門一側邊坡較高時

作用：減小仰坡高度及外露坡長，減少開挖量。

3.5臺階式洞門3.6斜交洞門斜交洞門適用：線路方向與地形等高線斜交時。

特點：將洞門做成與地形等高線一致，使洞門左右可以仍保持近似對稱，但襯砌洞口段和洞門相對于線路呈斜交形式。

注意事項：1斜洞門與線路中線的交角不應小于45°2一般斜洞門與襯砌斜口段是整體砌筑的3由于斜洞門及襯砌斜口段的受力情況復雜，施工也不方便，所以，只有在十分必要時才采用它。3.7削竹式洞門

削竹式在公路隧道中被普遍使用

適用于洞口段有較長的明洞襯砌，由于洞門背后一定范圍內是以回填土為主，山體的推滑力不大；地形相對比較對稱和不太陡峻。

特點：

1洞口邊仰坡開挖量少

2減少對植被的破壞和有利于保護環(huán)境

3適用各種圍巖類別思考題：1、隧道洞門結構類型，適用范圍及特點？2、分析以下各種情況下宜采用的隧道洞門結構型式。本節(jié)主要內容：明洞施工方法及其適用條件明洞結構類型

3.5隧道明洞結構

明洞---明挖法修建的隧道。開挖方式：◆大開挖◆明拱暗墻1明洞及其適用條件明洞位置示意圖

適用條件：◆隧道的進出口處；◆地質條件差且覆蓋層薄，暗挖法難進洞；◆洞口路塹邊坡有落石而危及行車安全時；◆鐵路、公路、河渠必須在鐵路上方通過且不宜做立交橋或涵渠。2.1拱式明洞(通常所說的明洞均指這種)

◆

路塹式路塹對稱式(圖)

路塹偏壓式(圖)

◆

半路塹式半路塹偏壓斜墻式(圖)

半路塹單壓耳墻式(圖)

2.2棚式明洞

◆

蓋板式(圖)

◆

懸臂式(圖)

2明洞結構類型3.1拱式明洞

◆

結構特點

（1）整體性好，承載能力強。（2）除對稱型