《隧道工程 第3版》 课件 第3章 隧道主体及附属建筑结构

『第三章▎主体及附属建筑结构3『3.1▎隧道衬砌材料与构造『3.2▎隧道洞身衬砌结构『3.3▎隧道洞门结构隧道工程SUIDAOGONGCHENG『3.4▎隧道明洞结构『3.5▎隧道附属建筑设施『3.6▎隧道防排水设施『3.7▎铁路隧道底部结构与附属设施『3.1▎隧道衬砌材料与构造『3.1.1▎隧道衬砌材料的种类

(1)混凝土与钢筋混凝土(2)喷射混凝土(3)锚杆和钢架

隧道衬砌材料种类：

锚杆与钢架锚杆工字钢钢筋网喷射混凝土(4)片石混凝土(5)块石混凝土(6)装配式材料

隧道衬砌材料种类：

(6)装配式材料『3.1.2▎隧道衬砌材料的选用

(1)隧道衬砌材料的选用

隧道衬砌材料的强度等级满足规范。(2)隧道衬砌材料选用应考虑的因素

1)

强度、耐久性、抗冻、抗渗性和抗侵蚀性。

2)当有侵蚀性的水作用时，用具有抗侵蚀性能的特种水泥。

3)在寒冷及严寒地区，采用整体式混凝土衬砌，提高混凝土标号。『3.2▎隧道洞身衬砌构造洞身衬砌结构喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌、装配式衬砌、连拱式衬砌衬砌作用

1.保证隧道断面的使用净空

2.防止岩体质量恶化

3.承受荷载，有足够的安全度.

喷锚衬砌作用原理：喷射混凝土充填裂隙、封闭围岩壁面，靠喷层与围岩的粘结力及自身的抗剪能力组成一个新的承载结构体系通过锚杆的悬吊效应、组合梁效应、加固效应以发挥围岩自承能力

形成一种柔性衬砌结构，与围岩合成一体，共同作用，充分调动或发挥围岩的自稳能力1.喷锚衬砌

喷射混凝土:是利用空压机的高压空气作动力，把混凝土混合料直接喷射到隧道围岩表面上的支护方法。锚杆支护施工与加固作用2.整体式衬砌

工艺流程：立模－灌筑－养生－拆模优点：◆

对地质条件和施工条件的适应性较强◆易于按需要成型◆整体性好◆抗渗性强缺点：◆

需要养生时间◆受力较慢2.整体式衬砌

直墙式衬砌拱部围岩荷载较小，侧压力较小时，采用直墙式衬砌。曲墙式衬砌

严寒地区与温差变化大的地区，增设伸缩缝。3.复合式衬砌

初期支护(外衬)中间防水层二次衬砌（内衬）复合衬砌

在不同的时间分层先后施作，它可以是两层、三层或更多的层

，目前实践的都只外衬和内衬两层，因此又称之“双层衬砌”图3-1复合式衬砌Φ22锚杆，长3.0m9066520405252%路线设计标高20154520C25号素混凝土隧底填充C10号素混凝土307021085154R=465328140隧道中线线路中线R=1270200R=50581C25素混凝土初期支护喷射C20号混凝土，厚20cm防水层预留沉降量5cmC25号素混凝土，模注二次衬砌预留变形量为了使衬砌所承受的变形压力最小，允许围岩产生一定的变形，释放一定的能量。其大小应根据围岩地质条件，采用工程类比法确定。无类比资料时预留变形量可参照表3-3，并应根据现场量测数据进行调整。现场量测确定Ⅵ50~8020~50Ⅲ100~12080~120Ⅴ10~50—Ⅱ80~12050~80Ⅳ——Ⅰ三车道隧道两车道隧道围岩级别三车道隧道两车道隧道围岩级别

表3-3

预留变形量保护围岩和加固围岩，促进围岩的应力调整，充分发挥围岩的自承作用衬砌结构受力状态：

外衬-初期支护受力状态在较坚硬的围岩地段，由于围岩具有自承能力，二次衬砌只是用来提高安全度的；在围岩比较软弱地段，则内、外衬砌是共同承载；而在一些特殊地质地段中(坍方、大变形)，二次衬砌的承载作用是主要的。内衬-二次衬砌受力状态4.装配式衬砌

目前多在使用盾构法施工的城市地铁中应用。

优点：◆可立即承受围岩压力◆工厂化、机械化，改善劳动条件◆不需临时支撑可节省大量材料及劳力◆速度快，工期短，造价低

缺点：◆接缝多，整体性差◆抗渗性差，防水困难◆需要足够的拼装空间◆制备构件尺寸上要求精度高5.连拱式衬砌——实属复合式衬砌

图3-2连拱隧道衬砌结构830440183507045107310202201655505204564640535501303345401362%左洞中线左线中线L=3.5mΦ25锚杆459958553502005050C25素混凝土201655初期支护喷射C20混凝土，厚20cm防水层，预留沉落量5cm模注二次衬砌，C25钢筋混凝土45163路线设计标高纵向塑料盲沟φ825535C252755025隧底填充C15混凝土40502%1545右线中线右洞中线580

将两隧道之间的岩体用混凝土取代，或者说是将两隧道相邻的边墙连接成一个整体。思考题：1、隧道衬砌有哪几种类型？2、复合衬砌的组成有哪些？『3.3▎隧道洞门构造『3.3.1▎概述

洞门可以拦截、汇集地表水并沿排水渠道排离洞门进入道路两侧的排水沟，防止地表水沿洞门漫流。洞门上方女儿墙应有一定高度。

洞门的作用如下:◆减少洞口土石方开挖量◆稳定边坡◆引离地表流水◆装饰洞口(1)环框式洞门当洞口岩层坚硬而稳定(Ⅰ级)围岩，地形陡峻而又无排水要求时，它能起到加固洞口和减少雨后洞口滴水的作用。『3.3.2▎洞门的类型(2)端墙式洞门适用于地形开阔、岩层稳定的Ⅰ～Ⅲ级围岩地区，其作用在于支护洞口仰坡，保持其稳定，并将仰坡水流汇集排出。(3)翼墙式洞门山体水平推力较大时，翼墙与端墙共同作用，以抵抗山体水平向推力，增加抗滑动抗倾覆的能力，适用于Ⅳ级及以下的围岩。翼墙式洞门检查梯(4)柱式洞门适用于地形较陡，地质条件较差，仰坡可能下滑的，而又受地形地质条件限制，不能设置翼墙时。柱墩，增加端墙的稳定性。(5)台阶式洞门

适用于洞门处于傍山侧坡地区，洞门一侧边坡较高。作用：减小仰坡高度及外露坡长，减少仰坡土石方开挖量。(6)削竹式洞门适用于隧道洞口段有一节较长的明洞衬砌时，由于洞门背后一定范围内是以回填土为主，山体的推滑力不大时，可采用削竹式洞门。

特点是，洞口边仰坡开挖量少，有利于山体的稳定，减少对植被的破坏和有利于保护环境，各种围岩类别均能适用。1:0.751:0.75设计标高2.0%I-I剖面ⅠⅠ1:0.751%(7)遮光棚式洞门有开放式和封闭式之分。形状上又有喇叭式与棚式之分。

洞口仰坡坡脚至洞门墙背距离应≥1.5m，防仰坡落石掉落到路面上；

洞门后水沟沟底到拱顶衬砌外缘≥1.5m，以免落石破坏拱圈；

洞门墙顶应高出仰坡坡脚≥0.5m，防水流溢出墙顶，防落石弹出；水沟底夯实，防水沟变形，产生漏水-影响衬砌强度；

基础深度土质≥1m，石质≥0.2m。『3.3.3▎洞门构造

洞门墙应根据情况设置伸缩缝、沉降缝和泄水孔，以防止洞门变形。洞门墙的厚度可按计算或结合其他工程类比确定，但墙身厚度最小不得小于0.5m。

洞门墙基础必须置于稳固地基上，土质不应小于1m，岩石不应小于0.5m。

松软地基上，可采用扩大基础、换土、桩基、压浆加固地基等措施。思考题：1、隧道洞门结构类型，适用范围及特点？2、分析以下各种情况下宜采用哪种隧道洞门？『3.4▎隧道明洞结构

明洞---明挖法修建的隧道。

明洞位置示意图适用条件：◆隧道的进出口处；◆地质条件差且覆盖层薄，暗挖法难进洞；◆洞口路堑边坡有落石而危及行车安全时；◆铁路、公路、河渠必须在铁路上方通过且不宜做立交桥或涵渠。开挖方式：◆放坡开挖/基坑围护开挖◆明拱暗墙明洞的结构类型拱式明洞箱式明洞棚式明洞路堑式拱形明洞半路堑式拱形明洞对称式偏压式偏压斜墙式单压耳墙式墙式刚架式柱式悬臂式『3.4.1▎明洞的类型1)路堑拱形明洞分为对称式和偏压式顶部设粘土隔水层，留有排水的沟槽，以防止地面水的渗入。图3-9对称式明洞

图3-10偏式明洞

(1)拱式明洞分为路堑和半路堑式2)半路堑拱形明洞偏压斜墙式和单压耳墙式。由于受到单侧的压力，外墙需要相对加大，必须把基础放在稳固的基岩上。

(2)棚式明洞墙式、刚架式、柱式和悬臂式（如图等。(3)箱形明洞『3.4.2▎明洞衬砌

当明洞作为整治滑坡的措施时，应按支挡工程设计，充分考虑明洞上方滑坡体的推力，采取综合治理措施，如地表排水、减载、反压、支撑墙、抗滑桩、地下排水盲沟等，确保明洞与滑坡的稳定。

在气温变化较大的地区，应根据具体情况设置伸缩缝。『3.4.3▎明洞衬砌基础

基岩埋深较浅时，基础可设置于基岩上；

基础位于软弱地基上时，可采用仰拱、整体式钢筋混凝土底板，也可采用桩基、扩大基础、基础加深和地基加固处理等措施。思考题：1、比较明洞与暗洞的施工方式及结构型式。2、在明洞结构中，哪些情况下对地质条件有一定的要求？

『3.5▎隧道附属建筑设施『3.5▎隧道附属建筑设施『3.5.1▎紧急停车带『3.5.2▎横洞和预留洞室紧急停车带隧道空气污染来源影响能见度，妨碍行车安全汽车排出的废气汽车携带的尘土和卷起尘埃有害成分一氧化碳、煤烟、铝、磷化物、硫等，是气态和浮游固态微粒混合物危害使人体中毒，直至危及生命『3.5.3▎运营通风建筑物1.通风计标准(1)CO的设计含量(2)烟雾的设计含量(3)换气要求隧道隧道空间最小换气频率不应低于每小时３次。采用纵向通风的隧道，隧道换气风速不应低于1.5ｍ/s。2.需风量计算(1)按稀释CO浓度计算需风量(2)按稀释烟雾含量(体积分数)计算需风量隧道通风自然通风机械通风纵向式射流式风道式或喷嘴式竖井排风式半横向式送风式吸风式全横向式混合式3.通风方式

我国《公路隧道通风与照明设计规范》规定，宜设置机械通风的条件为：双向交通隧道(3-5)单向交通隧道(3-6)LN≥6×105LN≥2×106L

—

隧道长度，单位m；

N

—

设计交通流量，辆/h。（2）自然通风

利用洞内的自然风（由洞口间的温度差、大气压力差引起）和列车运行引起的活塞风以达到通风的目的。优点：简单，节能缺点：◆隧道两洞口的高差较小，总的热压差不足，不能形成有效风速、风压◆双向行车时活塞风效应受到影响(2)纵向式通风：在通风机的作用下使风流沿着隧道全长方向流动的通风方式。★纵向式通风具体方式◆

洞口风道式通风◆喷嘴式通风◆射流式通风◆竖井、斜井式通风1)射流式通风射流式通风a)对向交通b)单向交通a)b)行车方向风向风压p风速v污染物含量

c2)喷嘴式通风

它在隧道洞门衬砌上方设计一汇集新鲜空气的气室，开动通风机则洞外新鲜空气被压送到气室，积聚到一定压力时由喷咀以高速和极小的交角喷进隧道内，形成稳定风流。竖井、斜井式通风a)对向交通b)单向交通a)b)行车方向风向风压p风速v污染物含量c3)竖井、斜井式通风竖井通风平面示意图(3)半横向式通风这种通风系统是在隧道的顶部设置进风管，并在进风管的下部，沿隧道的长度方向每隔一定距离开一通风口，气流则沿通风口流向隧道内，然后隧道内的空气在新鲜气流的推动下，沿隧道的纵向排出洞外。图3-27半横向式通风工作原理送风式半横向通风是半横向通风的标准型式，新鲜空气经送风管吹向汽车的排气孔高度附近，直接稀释汽车排放的废气。污染空气在隧道上部扩散，经过两端洞口排出洞外，如图3-28。中性点a)b)中性点行车方向风向风压p风速v污染物含量c图3-28半横向式通风a)对向交通b)单向交通全横向式通风工作原理(4)全横向式通风

风在隧道的横断面方向流动，一般不发生纵向流动，有利于防止火灾蔓延和处理烟雾。全横向式通风a)对向交通b)单向交通a)b)行车方向风压

p风速v污染物含量c

通常情况下，可以认为送风量与吸风量是相等，设计时也把送风管道和吸风管道的断面积设计成一样。4.通风方式的选择

公路隧道对运营通风的要求较高，可供选择的通风方式也较多，选择时主要考虑因素是隧道的长度和交通流量，还应适当考虑当地气象、环境、地形等条件。(5)混合式通风混合式通风没有固定的格局，可以由上述几种基本通风型式组合而成，一般都是用于公路隧道。5.通风机的选择

通风机类型：离心式通风机和轴流式通风机。

通风机的选择：通风棚的类型、通风机的型号、通风机的联合运转方式以及通风机的机号、转速和叶片安装角。

通风机选择的依据：隧道的通风阻力和要求的通风量Q(m3/s)以及其他的一些隧道条件。图3-29轴流式风机个体特性曲线图3-30离心式风机个体特性曲线R604043002001000N/kWη

/(%)020ηη静全全静hh321501001502000h/kPa020015010050501001502000580Q/(m3.s-1)Q/(m3.s-1)Q/(m3.s-1)h/kPa080604020123Q/(m3.s-1)hh静全全静ηη6040204060800η/(%)N/kW0806040200100200300480100NQ/(m3.s-1)Q/(m3.s-1)a)b)c)a)b)c)『3.5.4▎运营照明设施

公路隧道的照明，是为了把必要的视觉信息传递给司机，防止因视觉信息不足而出现交通事故，提高驾驶上的安全性和增加舒适感。隧道照明与道路照明的显著不同是白天也需要照明，而且白天照明问题比夜间更加复杂。规范规定：长度大于100m的隧道应设置照明。1.隧道照明的必要性『3.5.4▎运营照明设施1.隧道照明的必要性

汽车司机在白天从明亮的环境接近、进入和通过隧道过程中，将产生种种视觉问题：

1)进入隧道前的视觉问题（白天）。

黑洞（长隧道）黑框（短隧道现象）2)进入隧道立即出现的视觉问题（白天）。适应的滞后现象。3)隧道内部的视觉问题（白天、夜间）：汽车排出的废气无法迅速消散，形成烟雾，降低能见度。4)隧道出口处的视觉问题，眩光。

夜间与白天正好相反，隧道出口看到的不是亮洞而是黑洞，这样就看不出外部道路的线型及路上的障碍物。

特长隧道还要设置特殊照明？防止疲劳2.照明区段的划分

长隧道的照明可以分为洞口接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段以及五个区段。各照明段亮度与长度4.洞外接近段的减光建筑物与减光措施(1)遮阳棚棚——设置在洞口外，是为减弱自然光亮度而建筑的拱棚状构造物。分开放式构造和封闭式构造。不允许阳光直接投射到路面上。(2)遮光格栅——主要特点是允许阳光直接投射到路面上，这是与遮阳棚的根本区别。(3)植被减光——人类对植被的反射光有舒适感。植被大致可以分为草地、农作物类和树木类。较经济、简便。5.亮度曲线的组成亮度曲线

沿道路轴线，由入口洞外的接近段经入口段、过渡段、中间段直至出口段，司机在白天所需要的路面亮度变化曲线。6.照明设计

道路隧道的内部照明，不仅要有足够的亮度，而且要有符合要求的质量。『3.5.5▎洞门及洞身装饰

内装材料，应尽量采用淡黄和浅绿色，要具有良好的反射率，减少眩光，并使这种反射呈漫反射，还应具有吸收噪声的作用。思考题：1、公路隧道通风方式主要有哪些类型，其一般适用条件是什么？2、公路隧道照明设计中照明段如何划分，其各自的基本作用是什么？『3.6▎隧道防排水设施『3.6.1▎水对隧道的危害水对地下水的危害是多方面的：施工阶段——影响施工，如劣化围岩，涌水等运营阶段——危害衬砌的耐久性，恶化运营条件严寒地区——衬砌会冻胀开裂,形成冰楞清入限界城市——影响周边地表沉陷等『3.6.2▎隧道防排水的要求

隧道防排水设计应对地表水、地下水妥善处理，洞内外应形成一个完整通畅的防排水系统。

1.一般规定高速/一级/二级公路隧道防排水应满足要求：

1)拱部、边墙、路面、设备箱洞不渗水。

2)冻害地段隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结。

3)车行横通道、人行横通道等服务通道拱部不滴水，边墙不淌水。1)拱部、边墙不滴水,路面不积水,设备箱洞不渗水2)冻害地段隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结。三级公路、四级公路隧道应做到：

2.防水要求

隧道采用复合式衬砌时，在初期支护与二次衬砌之间应设置防水板及无纺布。

要求：①无纺布密度不小于300g/m2；②防水板应采用易于焊接的防水卷材，厚度不小于1.0mm，接缝搭接长度不小于100mm。二次衬砌应满足抗渗要求。混凝土的抗渗等级，不宜小于P8。无纺布

防水层铺设分为有钉冷毡和无定热铺。有钉接缝要做成圆形的。防水板

施工缝、沉降缝、伸缩缝应采取可靠的防水措施。一般，施工缝为遇水膨胀橡胶止水条；

沉降缝和伸缩缝为(钢边缘)橡胶止水带。a)施工缝处止水条b)变形缝处止水带构造

施工缝与变形缝处防水构造

3.排水要求

按地下水和营运清洗污水、消防污水分离排放的原则设置纵向排水系统，应能保证排水畅通，避免洞内积水。

1)

路面两侧应设纵向排水沟，引排营运清洗水、消防水和其它废水。

2)

隧道纵向排水坡宜与隧道纵坡一致。

3)

路侧边沟可设置为开口式明沟或暗沟。当边沟为暗沟时，应设沉沙池、滤水篦，其间距宜为25～30m。

4)

检修道或人行道的道面应考虑排水，可酌情设0.5%～1.5%的横坡，亦可在墙脚与检修道交角处设宽50mm、深30mm的纵向凹槽，以利道面清洁排水。路面排水沟a）矩形开口式；b）圆形开口式；c）固定盖板；d）活动盖板隧道路基排水a）无仰拱；b）有仰拱隧道路基排水a）中央沟；b）中央沟+路基边缘沟隧道衬砌外排水设施应符合下列规定：

1)在衬砌两侧边墙背后底部应设沿隧道的纵向排水盲管（沟），其孔径不应小于80mm。

2)沿衬砌背后环向应设置导水盲管，其纵向间距不应大于20m，遇水量较大时，环向盲管应加密。

3)环向盲管、竖向盲管应与边墙底部的纵向排水盲管（沟）连通；纵向排水盲管（沟）应与横向导水管连通，以形成完整的纵横向排水系统。并用无纺布包裹。

4)当地下水发育，含水层明显，又有长期充分补给来源时，可利用辅助坑道排水或设置泄水洞等截、排水设施。

5)当洞内水质有侵蚀时，应采取适当措施，防止排水造成环境污染。

4.洞口与明洞防排水要求

洞口及明洞应设置截水沟和排水沟，洞口边坡、仰坡应采取防护措施，防止地表水的下渗和冲刷。为防止洞外水流人隧道内，可在洞口外设置反向排水边沟或采取截流措施。

1)明洞顶部应设置必要的截、排水系统。

2)回填土表面宜铺设隔水层，并与边坡搭接良好。

3)靠山侧边墙底或边墙后宜设置纵向和竖向盲沟，将水引至边墙泄水孔排出。

4)衬砌外缘应敷设外贴式防水层。

5)明洞与隧道接头处应做好防水处理。『3.6.3▎隧道防排水的原则防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理防：防水层、二次衬砌-多道防线排：环/纵盲管、排水管、排水沟截：截（排）水沟堵：注浆防水型、排水型、限量排放型『3.6.4▎隧道防排水措施

1.防水措施

1)喷射混凝土防水。

2)塑料防水板防水。

3)模筑混凝土衬砌防水。

4)涂料防水。

5)防水砂浆抹面

6)注浆堵水。

7)防止地表水的下渗。

8)有侵蚀性时，采用抗侵蚀性措施。

9)寒冷高海拔地区，对地下水的处理应以堵为主。

2.排水措施1）隧道内纵向应设排水沟。2）遇围岩地下水出露处所，设竖向盲沟或排水管（槽）、集水钻孔等予以引排，对于颗粒易流失的围岩，不宜采用集中疏导排水。3）根在衬砌外设环向盲沟、纵向盲沟和隧底排水盲