隧道主体建筑结构.doc

第二章 隧道主体建筑结构交通隧道结构由主体建筑物和附属建筑物两部分组成。隧道的主体建筑物是为了保持隧道的稳定，保证行车安全运行而修建的，它由洞身衬砌和洞门组成。在洞口地段容易坍塌或有落石危险时则需要加筑明洞。第一节 隧道限界与净空一、隧道净空与限界 隧道净空是指隧道衬砌内轮廓线所包围的空间。隧道净空是根据“隧道建筑限界”确定的。隧道建筑限界是为了保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间范围。总的来说，隧道建筑限界是指衬砌内缘不能侵入的轮廓线。(一) 铁路隧道建筑限界我国对全国铁路线上正在运行的各种型号机车和车辆，均作了全面的调查和统计，把它所需要保证的横断面规定为“机车车辆限界”，它能满足各种型号的机车和车辆在横断面尺寸上的最大需要。同时，还考虑了列车装载货物的不同情况，令全国的列车装载货物，包括规章所容许的扩大货物，装载后都不容许超过车辆限界范围以外。针对铁路上各种建筑物而言，规定了“铁路建筑接近限界”。这个限界是指全国铁路线上所以的建筑物都不容许侵入的净空范围，以保证列车往来行驶绝无刮碰并安全通过。隧道是铁路线上的永久性建筑物。一旦建成，就不便改动。如果某一部位或是某些附属设施不慎侵入了限界，就可能发生刮碰事故。因此，在一般的“建筑接近限界”的基础上，再适当地放大一点，留出少许空间，用以安装一些如照明、通讯和信号等设备。因此，我国国家标准局1983年11月7日颁布了以国标gb146.283为序号的 “标准轨距铁路隧道建筑限界”作为设计隧道支护结构的依据。其中虚线是机车车辆或超限货物车辆的接近限界。 此外，又考虑到：列车在运行中会发生左右的摇摆；隧道施工时，会有尺寸上的误差；衬砌建成后会有稍稍的固结变形；测量时，总会有在容许范围内的误差；线路敷设时会有偏离中心线的误差等等。为了预留这些可能因素的位置，在施工设计时，实际净空又比规定的“隧道建筑限界”稍稍放宽一些。对于新建或改建，行驶蒸汽机车或内燃机车的单线和双线隧道，分别采用隧道建筑限界“隧限1甲”和“隧限1乙”。对于新建或改建行驶电力机车的单线和双线铁路隧道，分别采用隧道建筑限界“隧限2甲”和“隧限2乙”。它们各自的形状和尺寸如图21(a) 及21(b)所示。图2-1 铁路隧道限界(二)公路隧道建筑限界 公路隧道建筑限界由行车道宽度(w)、路缘带(s)、侧向宽度(l)、人行道(r)或检修道(j)等组成，当设置人行道时，含余宽(c)。各级公路隧道建筑限界一般规定如图2-2所示，相应基本宽度的数值规定可参见公路隧道设计规范第2.6.2条和表2-1。在设计公路隧道限界时，应充分研究各种车道与公路设施之间所处之空间关系，任何部件(包括隧道本身的通风、照明、安全、监控及内装等附属设施所需要的必要富裕量)均不得侵入隧道建筑限界之内。图2-2 公路隧道建筑限界 (尺寸单位：m) 表2-1 各级公路隧道建筑限界基本宽度（m）公路分类公路等级地 形行车道宽 度（单洞）w侧 向宽 度人行道r检修道(一侧)j隧道建筑限界净宽路缘带s余宽c设检修道或不设人行道设人行道汽车专用公路高速平原微丘7.500.750.500.7510.75重 丘7.500.500.500.7510.25山岭7.500.500.250.759.757.000.500.250.759.25一级平原微丘7.500.500.500.7510.25山岭重丘7.000.500.250.759.25二级平原微丘8.00/0.250.759.25山岭重丘7.500.250.758.75一般公路二级平原微丘9.000.250.759.5010.50山岭重丘7.000.257.508.50三级平原微丘7.000.250.757.508.50山岭重丘7.000.257.508.50四级平原微丘7.000.257.50山岭重丘7.00/4.500.257.50/5.00注：1. 汽车专用公路隧道只在左侧设检修道； 2. 山岭重丘区的四级公路，只有当路基宽度为4.5m时，行车道宽度可采用4.5m； 3四级公路一般可不设人行道。二、曲线隧道的净空加宽(一)铁路隧道1加宽原因当列车在曲线上行使时，由于车体内倾和平移，使得所需横断面积有所增加。为了保证列车在曲线隧道中安全通过，隧道中曲线段的净空必须加大。铁路曲线隧道的净空加宽值是由以下的需要来决定的。(1) 车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运行，而车辆是刚性体，其矩形形状不会改变。这就使得车厢两端产生向曲线外侧的偏移()。车厢中间部分则向曲线侧偏移()。如图2-3所示。(2) 由于曲线上存在外轨超高，导致车辆向曲线内侧倾斜，使车辆限界的各个控制点在水平方向上向内移动了一个距离 (图2-4)。因此，曲线隧道净空的加宽值由三部份: ， 组成。图2-4图2-32加宽计算(1) 单线铁路隧道的加宽计算(a) 车辆中间部分向曲线内侧的偏移为 (2-1)式中 车辆转向架中心距，取18m；曲线半径，m。则 (2-2)(b) 外轨超高使车体向曲线内侧倾斜偏移为 (2-3)式中 隧道限界控制点自轨面起的高度，cm； 外轨超高值，其最大值不超过15cm；且 (2-4)其中，铁路远期行车速度，km/h。在我国铁路隧道标准设计中，系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心转动角求得，可近视取故隧道内侧总加宽值为 (2-5)(c) 车辆两端向曲线外侧的偏移为 (2-6)式中 标准车辆长度，我国为26m；故隧道外侧加宽值为 (2-7)单线铁路曲线隧道总加宽的值为 (2-8)(2) 双线铁路曲线隧道的加宽值计算双线铁路曲线隧道的内侧加宽值及外侧加宽值与单线曲线隧道加宽值计算相同。内外侧线路中线间的加宽值按以下情况计算(图2-5)当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超高时 (2-9)式中 车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360cm； 外侧线路的外轨超高值，cm； 同前。故 或 (2-10)其它情况 (2-11) (3) 曲线隧道中线与线路中线偏移距离从以上计算可知，曲线隧道内外侧加宽值不同(内侧大于外侧)，断面加宽后，隧道中线向曲线内侧偏移了一个距离，单线隧道的偏移值为(如图2-6) (2-12)双线隧道的偏移情况则如图2-5所示，其中内侧线路中线至隧道中线的距离为 (2-13)其中内侧线路中线至隧道中线的距离为 (2-14)3铁路曲线隧道加宽的平面布置隧道曲线加宽段的范围按以下方式进行：位于曲线地段的隧道加宽的范围，除圆曲线部分按d总加宽以外，缓和曲线部分被视为既非直线，又非圆曲线，所以把它分为两段，一段属于接近直线的性质，另一段属于接近圆曲线的性质，分别给以不同的加宽值。具体说，自圆曲线终点至缓和曲线中点，并向直线方向延伸13m，这一段用圆曲线的加宽断面，即加宽。缓和曲线的其余半段，并自缓和曲线终点向直线方向延伸22m，这一段采用圆曲线加宽值的一半，即。上述规定的理由是：当列车由直线进入曲线，车辆前转向架跨进缓和曲线的起点以后，由于曲线外轨已经开始有了超高，车辆随之开始倾斜，车辆后端亦开始偏离线路中线，所以，车辆前转向架到车辆后端点的范围内，就该予以加宽，但可取一半定值。此长度为两转向架间距18m加转向架中心到车辆后端部点的距离4m。当车辆的一半进入缓和曲线中点时，其车辆后端偏离中线，应按前面转向架所在曲线的半径及超高值决定加宽值。此时，前面转向架中心已接近圆曲线，故车辆后半段，即车长之半26/2=13m的范围内，应按圆曲线的加宽值予以加宽，如图2-7所示。在直线段上，隧道衬砌的断面是一致的，到了曲线段上，隧道衬砌的断面是一致的，到了曲线段就要加宽。因此，断面就各自不同。在衔接处，可以用错台的方式突然变换，也可以在短距离内抹顺变换。前者施工方便，但突变台阶增大了隧道内风流的阻力，对通风有些不利。 (二)公路隧道依据公路工程技术标准(jtj 002-97)第3.0.12的规定，当隧道位于平面曲线半径等于或小于250m的地段时，应在曲线内侧加宽。双车道路面的加宽值规定如下表2-2；单车道路面加宽按表列数值的二分之一采用。表2-2 公路隧道平曲线加宽取值加宽类别加 平曲线宽 半径值 (m)汽 车 (m)轴距加前悬(m)250200 200150 150100 10070 7050 5030 3025 2520 2015150.40.60.81.01.21.41.82.22.5280.60.70.91.21.52.035.3+8.80.81.01.52.02.5注： 四级公路和山岭重丘的三级公路采用第1类加宽值；其余各级公路采用第3类加宽值。对不经常通行集装箱运输半挂车的公路，可采用第2类加宽值。第二节 隧道衬砌断面设计一、横断面设计的基本内容和方法(一)基本内容隧道的净空限界确定以后，就可以据此进行隧道衬砌断面的初步拟定。由于隧道衬砌是一个超静定结构，不能径直地用力学方法计算出应用的截面尺寸，而必须先拟定一种截面尺寸，按照这个截面尺寸来验算在荷载作用下的内力。如果截面强度不足，或是截面富裕太多，就得调整截面，重新计算，直至合适为止。所以，在设计隧道衬砌时，需要根据经验初步拟定一个用以计算的结构截面形状以及它的尺寸。初步拟定结构形状和尺寸可以采取经验类比的方法，或是推论制订的方法。拟定衬砌结构尺寸，需要考虑三个方面：第一是选定什么样的净空形状，也就是选定结构的内轮廓；第二是选定什么样的计算结构轴线，也就是抽象出来据以进行计算的几何体系；第三是选定各个截面的厚度，换句话说，就是用以核算强度的截面面积。在隧道断面形状设计时需考虑的因素有以下几点1隧道的内轮廓必须符合前述的隧道建筑净空限界，结构的任何部位都不应侵入限界以内。同时，隧道内轮廓还应考虑通风、照明、安全、监控等内部装修设施所必需的富余量。2采用的施工方法能确保断面形状及尺寸有利于隧道的稳定。3从经济观点出发，内轮廓线应尽量减小洞室的体积，即使土石开挖量与圬工砌筑量为最省。因此，内轮廓线一般紧贴限界。但其形状又不能如限界般曲折，要平顺圆滑，以使结构在受力及围岩稳定方面均处于有利条件。4结构的轴线应尽可能地符合在荷载作用下所决定的压力线。若是两线重合，结构的各个截面都只承受单纯的压力而无拉力，当然最为理想。但事实上很难做到。一般总是结构的轴线接近于压力线，使各个截面上主要承受压力，而极少断面承受很小的拉力，从而充分地利用混凝土材料的受压性能。总之，内轮廓线应最大限度地保证所确定的断面形式及尺寸安全、经济、合理。从以往的理论和工程实践得出，当隧道衬砌承受径向分布的静水压力时，结构轴线以圆形为最合宜。当衬砌主要承受竖向荷载和不大的水平荷载时，结构轴线上部宜采用圆弧形或尖拱形，下部可以做成直线形(即直墙式)；当衬砌在承受竖向荷载的同时，又承受较大的水平荷载时，衬砌结构的轴线上部宜采用圆弧形或平拱形，下部可采用凸向外方的圆弧形(即曲墙式)。如果还有底鼓压力，则结构底部应有凸向下方的仰拱为宜。山岭隧道衬砌的断面形状根据围岩压力的性质和目前的一些施工方法，通常采用圆拱直墙式或曲墙式、全断面圆形或接近圆形等形式。当围岩的侧压力较小时，可采用直墙式侧壁断面，而在地质条件差的地层采用接近圆形断面。因此，目前山岭交通隧道大多采用三心圆或单心圆的拱形断面，偶尔也有采用四心圆或五心圆的情况。(二)主要设计步骤从上面分析可知，衬砌断面结构断面设计的大致可分为以下主要步骤： 1确定隧道类型，选定相应建筑限界； 2根据围岩类别初步拟定截面厚度； 3编制计算机程序，对拟定的各种衬砌断面方案分别进行优化计算比较，得出它们最优解时所对应的断面几何参数； 4应用结构分析程序，对得出的衬砌结构断面最优解进行力学检算，并对有关结果作出评价。 二、铁路隧道衬砌断面基本尺寸1.衬砌内轮廓线我国铁路隧道的建筑限界是统一固定的，因此，相同围岩类别情况下，其衬砌结构的断面形状和也是固定的，这些衬砌结构均有通用的设计标准图，不需做专门的设计，但当有较大偏压、冻胀力、倾斜的滑动推力或施工中出现大量坍方以及七度以上地震区等情况时，则应根据荷载特点进行个别设计。因而对铁路隧道衬砌内轮廓线设计的基本方法应有所了解。拟定衬砌拱部内轮廓线的有关参数为(图2-6)，轨顶面至拱顶高度h、拱顶至拱脚矢高f；衬砌拱部净宽之半b，拱圈第一个内径r1和第二个内径r2；内径人所画出的第一段圆曲线的终点截面与竖直面的夹角1，拱脚截面与竖直面的夹角2；内径r2的圆心o2至o1的水平和垂直距离a(当1=45时，此二值相等)。其中h和b主要与限界的尺寸和形状有关，在叁标隧0010标准图中取h=615cm，b=615cm。其它参数可根据有关要求给出或通过计算确定。从图2-8中可得出以下几个关系： (2-15-1) (2-15-2) (2-15-3)上面三个方程中，共有7个参数，故必须先给定4个参数才能解出另外三个参数。拟定标准图尺寸时，是先给定b、f、1及a值后，再由式(2-7)解出r1、r2、及2。曲线地段衬砌内轮廓线需要加宽时，为了便于调整拱架，应保持r2及2的数值不变，1仍取45，b值根据加宽要求也是已知的，三个未知参数f、a、r1仍可由式(2-15)求解。曲墙式衬砌拱部内轮廓线尺寸和直墙式是一致的。而边墙的内径r2由参数h1及b1确定(图2-9)。由图2-6可知，h1=385+c，b1=245-b2。为了保证道碴面上在机车车辆限界以外留出人行道的宽度，故b2不得小于220cm(直线隧道取b2=220cm)。c值在曲线的内侧和外侧不同，并随外轨超高值而变化；为使不同加宽断面曲墙式衬砌内轮廓线尺寸一致起见，设计时以曲线内侧(设侧沟的一侧)的c值为准，取定数为25cm。h1及b1值确定后，就可导出r3的计算公式： (2-16)式中， 2.衬砌外轮廓线和轴线对于等截面的直墙式或曲墙式衬砌，在确定了内轮廓线的曲线半径后，只要给定断面的厚度，计算外轮廓线和轴线的半径并不困难。但变截面曲墙式衬砌有关半径的计算则比较费事，因公式较多，这里不再详述，在使用时可参阅铁路隧道设计手册。三、公路隧道衬砌断面设计公路隧道与铁路隧道的主要区别在于：铁路隧道建筑限界是固定统一的，而公路隧道的建筑限界则取决于公路等级、地形、车道数等条件；公路隧道的附属设施如通风、照明、消防、报警等也均比铁路隧道多且要求高，且每一座隧道均会因交通流量和长度不同而要求不同。因此，公路隧道的衬砌断面不能象铁路隧道那样编出标准设计图，需根据其具体的要求对每一座隧道进行单独设计。图 2-10目前公路隧道大多采用单心圆或三心圆的拱形断面，进一步分析，又可将其分为：单心圆、坦三心圆、尖三心圆3种拱形断面形状。其中以单心圆、坦三心圆两种断面应用最为普遍，下面介绍这2种断面几何参数计算分析比较过程。(一) 单心圆断面 1基本几何方程单心圆的内轮廓形状如图2-10所示。图2-2 单心园内轮廓线与内轮廓线有关的参数有：r、a、d0、d1、d2、d3、d4、d6、d7、d8 、h1。这些参数并不是完全独立的，它们存在以下关系： （2-17-1） （2-17-1） （2-17-3） （2-17-4） （2-17-5） （2-17-6） （2-17-7） （2-17-8）其中： （2-17-9）道路中线与隧道中线的距离圆心距路线设计标高的距离；内轮廓半径；如图2-2所示、如图2-10所示2挑选出独立变量根据经验可知：对于一般的限界d7为重要控制点：即d7的富余量满足要求后，其余的控制点的富余量易满足。在此，可挑选出独立变量： 相应的内轮廓所含开挖面积(路面以上)可表示为： （2-18）其中： （2-19） （2-20）3约束条件(1)自变量的范围 从实际工程来讲d7、a、d0只有在一定的范围内才有意义。为了提高计算效率，可使d7固定于一个较合适的值(如5cm)。由此自变量的约束条件可如下表示（单位以cm计）：（） 最小富余量见建筑限界约束条件说明。(2) 建筑限界约束条件 设（）为各限界控制点至内轮廓线的水平间歇最大值，可根据实际选取。如图2-8，存在下列关系式： 4. 求解各参数建立以上关系式后，便可采用迭代的方式来求解以上各参数。即先假定一个初始值，代入以上各公式中求出其余各参数，并使它们满足约束条件，然后由式(2-18)和(2-19)求出内轮廓所包含的面积；再给一个增量值(,的值可以固定不变)后，重复计算各参数和值，如此循环，便可得到一组开挖面积的值为循环次数)，其中面积最小者即为所求最佳解。以上过程可以通过编制计算机程序来完成。(二)坦三心圆1基本几何方程图 2-11坦三心圆的内轮廓形状如图2-11。与单心圆内轮廓相比，由于增加了一个半径，描述内轮廓线的形状的参数增加为：r1、a1、1、r2、a2、 2、a、b、h1、d0、d1、d2、d3、d4、d6、d7、d8。为了使优化问题简化，可认为d7处是第一段弧和第二段弧的分割点。因此这些参数的几何关系如下所示： （2-21-1） （2-21-2） （2-21-3） （2-21-4） （2-21-5） （2-21-6） （2-21-7） （2-21-8） （2-21-9） （2-21-10） （2-21-11） （2-21-12） （2-21-13）其中：定义见式（2-17-9），其它符号见图2-9所示。2独立变量挑选出作为独立变量，如下： 相应开挖面积可表示为： （2-22）其中： （2-23-1） （2-23-2） （2-24） 3约束条件(1)变量的范围 （） (2)建筑限界约束条件 见单心园定义4. 求解各参数求解上述各参数的方法和过程与单心园相同,只不过需预先假定的循环量有两个。(三) 衬砌外轮廓线和轴线目前，除偏压比较明显的地段外，公路隧道的衬砌结构大多采用等截面的形状，因此在确定了衬砌断面的内轮廓线后，只要选定好截面的厚度，计算外轮廓线和结构轴线同样不困难。四、衬砌截面厚度衬砌各截面的厚度随工程及水文地质条件不同而变化。根据以往的经验，单线铁路隧道衬砌拱顶紧截面的厚度一般为3060，双线铁路隧道衬砌拱顶截面厚度为4080。衬砌可以是等厚的，也可以将拱脚和边墙较拱顶加厚20%50%。仰拱可以改善衬砌整体受力条件，尤其隧道底部地质不良时更是如此。其厚度一般稍小于拱顶的厚度。所确定的各截面厚度尺寸最后应通过内力分析检算决定。铁路隧道设计规范规定，承载的隧道建筑物各部分结构的截面最小厚度不应小于表2-3所列的数值，以满足构造上的要求。公路隧道的截面厚度可参照双线铁路隧道与表2-3的标准拟定。表2-3 衬砌截面最小厚度()建筑材料种类隧道和明洞衬砌洞门端墙、翼墙和洞口挡土墙拱 圈边 墙仰 拱混 凝 土20202030片石混凝土5050浆砌粗料石或混凝土块303030浆砌块石3030浆砌片石5050第三节 隧道洞身支护结构一、洞身衬砌结构类型隧道开挖后，坑道周围地层原有平衡遭到破坏，引起坑道的变形以致崩塌。为了保持围岩稳定。确保使用行车与运营安全，隧道必须有足够强度的支护结构即隧道衬砌。支护的方式有：外部支护，即从外部支撑着坑道的围岩，如整体式混凝土衬砌、砌石衬砌、拼装式衬砌、喷射混凝土支护等)；内部支护，即对围岩进行加固以提高其稳定性，如锚杆支护、喷锚支护、压入浆液等；混合支护，即内部与外部支护混合一起的衬砌。隧道衬砌的构造与围岩的地质条件和施工方法是密切相关的。归纳起来，可以有以下几种：(一) 整体式混凝土衬砌它是指就地灌筑混凝土衬砌，也称模筑混凝土衬砌。其工艺流程为：立模灌筑养生拆模。模筑衬砌的特点是：对地质条件的适应性较强，易于按需要成型，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌台车等。为此，在我国隧道工程中被广泛采用。依照不同的地质条件，或是按照不同的围岩类别，又有：整体式混凝土直墙式和曲墙式衬砌两种形式。1直墙式衬砌这种形式的衬砌适用于地质条件比较好，属于我国交通隧道围岩分类中的、级(、类)围岩。围岩压力以竖向为主，几乎没有或仅有很小的水平侧向压力。图2-12为我国单线非电化铁路隧道直墙式衬砌的断面标准图的主要尺寸。衬砌由上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组合而成。拱圈以大小两种不同半径分别作成三心圆弧线，当中左右45内用较小的半径，两边用较大的半径。拱圈是等厚的，所以外弧的半径是各自增加了一个拱圈厚度的尺寸。由于它们是同心圆弧，所以内外半径的圆心是重合的。两侧边墙是与拱圈等厚的竖直墙。与拱圈平齐衔接。洞内一侧设有排出洞内积水的排水沟，所以有水沟一侧的边墙深度要大一些。整个结构是敞口的，并不闭合，只是以贫混凝土作成平槽，称之为铺底，以便安放线路的道碴。在地质条件极好，整体岩层坚固的情况下，几乎没有什么水平侧压力，也没有地下水侵入时，则可只设拱圈，省去边墙圬工，称之为半衬砌，如图2-13(同样为单线非电化铁路隧道)。此时，为了保证洞壁岩体有足够能力以支承拱圈传来的压力，在洞壁顶上应留有1520cm的平台。在侧向压力甚小且无地下水的情况下，如不设边墙，则应把两侧岩壁表面喷浆敷面，以保护岩面不受风化作用的剥蚀，也可以阻止少量地下水的渗透。在地质条件尚好，侧压力不大，但又不宜采用半衬砌时，为了节省边墙圬工，可以简化边墙。一种方法是降低边墙建筑材料的等级，如将混凝土边墙改为石砌边墙；另一种方法是采用柱式边墙，或连拱式边墙，统称为花边墙。柱式边墙是做成一排均匀间隔的立柱，其间是孔洞，立柱的尺寸一般不宜小于3m，柱间间隔不宜大于3m。连拱墙做成带支墩的连拱形式，支墩的纵向尺寸不小于2m，墙上拱形孔洞的纵向跨度不宜大于5m，墙拱顶至拱圈起拱线的高度距离不宜小于100cm，如图2-14。2曲墙式衬砌曲墙式衬砌适用于地质比较差，岩体松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水平压力也相当大的情况。图2-15为单线非电化铁路隧道曲墙式衬砌的标准图。它由顶部拱圈、侧面曲边墙和底部仰拱所组成。顶部拱圈的内轮廓与直边墙衬砌的拱部一样，但它的拱圈截面是变厚度的，拱顶处薄面而拱脚处厚。因而不但拱部的外弧与内弧的半径不同，而且它们各自的圆心位置也是相互不重合的。侧墙内轮廓也是一段圆弧，圆心在水平直径的高度上，半径是另一个较大的尺度。侧墙外侧，在水平直径以上的部分，也是一个圆弧，圆心也在水平直径高度上，但半径不同。水平直径以下部分为直线形，稍稍向内偏斜。对于级(类)围岩，有地下水，可能会产生基础下沉的情况，则曲墙应予加宽，且必须设置仰拱，以抵抗上鼓力，也防止了整个结构的下沉。仰拱是用另一个半径做出的弧段。对于级或级(类或类)围岩，压力很大，则侧墙外轮廓自水平直径以下的部分，作成竖直直线形状，不再向内倾斜，使侧墙底宽度更大，以阻止受压下沉。仰拱虽然是圆弧形，但由于洞内一侧需设排水沟，因而仰拱对中轴线也不是对称的，而是偏向有水沟的一边。(二) 装配式衬砌就地模柱的整体式混凝土衬砌虽然在我国被广泛地采用，但是，它在灌注以后不能立即承受荷载，必须经过一个养生的时期，因而施工进度受到一定的限制。随着社会不断地向着工业化和机械化发展，隧道施工也提出向工业化和机械化改进。于是，出现了装配式的隧道衬砌。这种衬砌由若干在工厂或现场预先制备的构件，运入坑道内，用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。这种衬砌具备下列优点：（1）一经装配成环，不需养生时间，即可承受围岩压力；（2）预制的构件可以在工厂成批生产、在洞内可以机械化拼装，从而改善了劳动条件；（3）拼装时，不需要临时支撑如拱架、模板等，从而节省大量的支撑材料及劳力；（4）拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，还有可能降低造价。装配式衬砌的构造应满足下列条件：（1）强度足够而且耐久；（2）能立即承受荷载；（3）装配简便，构件类型少，形式简单，尺寸统一，便于工业化制做和机械化拼装；（4）构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力；（5）有防水的设施。国外早在19世纪就已开始试用，尤其在地下铁道工程中采用较多。在我国宝兰铁路线上曾试用过半圆形拱部的拼装式衬砌。在黔贵线上试用过“t”字形镶嵌式拼装衬砌。但它们还存在着一些缺点，如需要坑道内有足够的拼装空间；制备构件尺寸上要求一定的精度；它的接缝多，防水较困难等。由于以上的原因，目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中应用，在我国铁路和公路隧道上，未能推广使用。相信在科学技术发展的将来，克服了上述的缺点后，拼装式衬砌将是一个有前途的衬砌形式。(三) 喷锚支护喷射混凝土是以压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土拌和料和水汇合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成的。在围岩不够稳定时，可加设锚杆和金属网，构成一种支护形式。简称“喷锚支护”。喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段。采用喷锚支护可充分发挥围岩的自承能力，并有效地利用洞内净空，提高作业安全性和作业效率，并能适应软弱和膨胀性地层中的隧道开挖。还能用于整治坍方和隧道衬砌的裂损。喷锚支护包括锚杆支护，喷射混凝土支护，喷射混凝土锚杆联合支护，喷射混凝土钢筋网联合支护，喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护，以及上述几种类型假设型钢支撑（或格栅支撑）而成的联合支护等等。相对于模筑混凝土衬砌而言，喷锚支护是一种与模筑混凝土衬砌本质不同的支护方式。从作用原理上看，它不是以一个刚度强大的结构物来抵抗围岩所给予它的压力荷载，而是施加一种措施以发挥围岩本身的自稳能力，与围岩合成一体，共同作用，成为柔性的衬砌。从施工方法来看，它不用拱架和模板来灌筑和盛装建筑材料，而是直接把建筑材料喷到岩壁上，径直凝成支护层。它节约了大量的木材，降低了工人劳动强度，使坑道断面缩小，从而减少了开挖量，圬工量也因减薄而节省。可以说，它是一种极有发展前途而带有改革性质的方向性进步。目前在我国，不但在隧道工程中已基本取代厚体的模筑混凝土衬砌，而且在许多其它土建工程中，也在大力推广使用，取得了很好的效果。(四) 复合式衬砌复合式衬砌不同于单层厚壁的模筑混凝土衬砌，它是把衬砌结构分成不止一层，在不同的时间上先后施作的。顾名思义，它可以是两层、三层或更多的层，但是目前实践的都是外衬和内衬两层，所以也有人叫它为“双层衬砌”。按内、外衬的组合情况可分为：喷锚支护与混凝土衬砌；喷锚支护与喷射混凝土衬砌；格栅钢构供架喷射混凝土与混凝土衬砌；装配式衬砌与混凝土衬砌等多种组合形式。最通用的是外衬喷锚支护，内衬为整体式混凝土衬砌。图2-16为目前在公路隧道中比较常见的复合式衬砌结构(类围岩)。复合式衬砌是先在开挖好的洞壁表面喷射一层早强的混凝土(有时也同时施作锚杆)，凝固后形成薄层柔性支护结构(称初期支护)。它既能容许围岩有一定变形，又能限制围岩产生有害变形。其厚度多在520cm之间。一般待初期支护与围岩变形基本稳定后再施作内衬，通常为就地灌筑混凝土衬砌(称二次衬砌)。为了防止地下水流入或渗入隧道内，可以在外衬和内衬之间设防水层，其材料可采用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁稀片、聚乙烯等防水卷材，或用喷涂乳化沥青及“881”等防水剂。根据模型试验和理论分析的结果表明：复合式衬砌的极限承载能力比同等厚度的单层模筑混凝土衬砌可提高2030，如能调整好内衬的施作时间，还可以改善结构的受力条件。关于复合式衬砌内外层结构受力状态，一种认为：在比较坚硬的围岩地段，由于围岩具有自承能力，它与初期支护组合在一起能起到永久建筑物的作用，所以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、外衬砌是共同承载受力的；而在一些特殊地质地段中(坍方地段、围岩产生大变形地段)，则二次衬砌的承载作用是主要的，它不仅稳定围岩的变形而且在整个衬砌结构中占有主导地位。总之，复合式衬砌可以满足初期支护施作及时、刚度小易变形的要求，且与围岩密贴，从而能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。二次衬砌完成后，衬砌内表面光滑平整，可以防止外层风化，装饰内壁，增强安全感，是一种较为合理的结构型式，因此，目前在我国的各种隧道工程中已被普遍应用。以上喷锚支护与复合式衬砌结构的设计参数可参见附录二。 (五)连拱衬砌按照公路隧道设计规范规定，高速公路、一级公路一般应设计为上、下行分离的两座独立隧道。两相邻隧道最小净距视围岩类别、断面尺寸、施工方法、爆破震动影响等因素确定，一般在30m以上。从理论上讲是要将两相邻隧道分别置于围岩压力相互影响及施工影响范围之外。这对降低工程造价是有益的，在条件许可的情况下，可以采用这种上、下行分别布设的分离式隧道，但在某些特定条件下，如路线分离困难或洞外地形条件复杂、土地紧张、拆迁数量大或采用上下行分离双孔隧道，其中一孔的隧道长度需要过分加长或造成路基工程数量急剧增加时，将使执行这一净距非常困难，尤其是桥隧相连更是如此。在这种情况下，采用连拱隧道衬砌结构，可以很好地解决这个问题。此外，在山区铁路中，许多中小车站的(三线或四线)股道不得不延伸至隧道内时，也多采用连拱隧道的结构型式。连拱隧道，就是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，形成双洞拱墙相连的一种结构形式。中间的连接部分通常称为中墙。图2-17即为一个市政快速交通主干道上的连拱隧道衬砌结构实例。它的适用特点是：(1) 洞口位置选择自由度大，适用于地形复杂，线路布设极为困难的情况；(2) 引线占地面积少，接线难度小，尤其应用于城市中时，可大大减少拆迁，降低工程费用；(3) 较深挖高边坡稳定，由此可减少营运中的安全隐患；(4) 便于公路桥隧和铁路站隧相连。(5) 可保持路线线形流畅，且断面造型美观；(6) 便于营运管理；由于具有以上等特点，使它越来越受到隧道工程界的青睐。但是它也有一定的缺点，即增加了中墙结构，使造价相对独立双洞高，且开挖时分块多，工程进度较慢，故它一般只适用于长度不超过500m的短隧道。二、衬砌材料修建隧道衬砌的材料，应具有足够的强度和耐久性，在某些环境中，还必须具有抗冻、抗渗和抗侵害性。此外，还应满足就地取材，降低造价，施工方便及易于机械化施工等要求。常用的铁路隧道衬砌材料有： 1.混凝土与钢筋混凝土隧道衬砌所用的混凝土强度等级，对于直墙式衬砌不低于c15，曲墙式衬砌及类围岩直墙式衬砌不低于c20。钢筋混凝土材料主要用在明洞衬砌及地震区、偏压、通过断层破碎带或淤泥、流砂等不良地质地段的隧道衬砌中，其强度等级不低于c20。在特殊情况下可采用旧钢轨或焊接钢筋骨架进行加强。2.片石混凝土为了节省水泥，在岩层较好地段的边墙衬砌，可采用片石混凝土（片石的掺量不应超过表2-4 洞门建筑材料 材料种类工程部位混凝土或钢筋混凝土片石混凝土砌 体端 墙c15c15m10水泥砂浆砌片石、块石镶面或混凝土预制块镶面顶 帽c15m10水泥砂浆砌粗料石翼墙和洞口挡土墙c15c15m7.5水泥砂浆砌片石(严寒地区用m10水泥砂浆砌片石)侧沟、截水沟、护坡等m5水泥砂浆砌片石(严寒地区用m7.5水泥砂浆砌片石)表2-5 衬砌建筑材料 材料种类工程部位混凝土片石混凝土钢筋混凝土喷混凝土砌体拱 圈c15c20c20m10水泥砂浆粗料石或混凝土块边 墙c15c15c20c20m10水泥砂浆砌片石仰 拱c15c15c20棚洞盖板c20铺 底c8仰拱填充c8c8水沟沟身及电缆槽身c15水沟盖板及电缆槽盖板c15注： 砌体包括石砌体和混凝土块砌体； 严寒地区洞门用混凝土整体灌筑时，其强度等级不应低于c20； 片石砌体的胶结材料采用小石子混凝土灌筑时，其最低强度等级及相应的适用范围与水泥砂浆同。总体积的20）。此外，当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行回填。选用的石料要坚硬，其抗压强度不应低于30mpa，严禁使用风化片石，以保证其质量。3料石或混凝土块料石或混凝土预制块用强度等级不低于m10的水泥砂浆砌筑衬砌。其优点是：能就地取材，大量节约水泥和模板，可保证衬砌厚度并能较早地承受荷载。缺点是：整体性和防水性差，施工进度慢，要求砌筑技术高。4.喷射混凝土喷射混凝土材料用在喷锚支护中，混凝土强度等级不低于c28，使用的水泥标号不低于325号，并优先选用普通硅酸盐水泥，细骨料采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模量宜大于2.5，砂的含水率宜控制在57。粗骨料采用坚硬耐久的卵石或砾石，粒径不应大于15mm。隧道中建筑材料的强度等级不应低于表2-4和表2-5的规定。第四节 隧道洞门结构一、洞门的作用隧道两端洞口处应设置洞门。洞门的作用有以下几方面：1. 减少洞口土石方开挖量洞口段范围内的路堑是依照地形与地质条件以一定的边坡而来开挖的。当隧道埋深较大时，开挖量就很大。设置隧道洞门，起到挡土墙的作用，可以减少土石开挖量。2. 稳定边坡由于边坡上的岩体不断受到风化，坡面松石极易脱落滚下。边坡太高，难于自身稳定。仰坡上的石块也会沿着坡面向下滚落。有时会堵塞洞口，甚至破坏线路轨道，对行车造成威胁。建立了洞门就可以减少引线路堑的边坡高度，缩小正面仰坡的坡面长度，从而使边坡及仰坡得以稳定。3. 引离地表流水地表流水往往汇集在洞口，如不予以排除，将会浸及线路，妨碍行车安全。修建洞门，可以把流水引入侧沟，保证了洞口的正常干燥状态。4. 装饰洞口洞口是隧道唯一的外露部分，是隧道正面的外观。修建洞门也可以算是一种装饰。在城市附近的隧道，尤其应当配合城市的美化，予以艺术处理。二、洞门的类型洞门的型式有以下几种：1洞口环框当洞口石质坚硬而稳定(类或级)围岩，地形陡峻而又无排水要求时，可以设置一种不承载的简单洞口环框。它能起到加固洞口和减少雨后洞口滴水的作用。并对洞口作出简单的装饰。环框微向后倾，其倾斜度与顶上的仰坡一致。环框的宽度与洞口外观相匹配，一般不小于70cm，突出仰坡坡面不少于30cm，使仰坡上流下的水从洞口正面淌下，如图2-18所示。2端墙式洞门端墙式洞门适用于地形开阔，岩质基本稳定的类类(级)地区。端墙的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。这种洞门只在隧道口正面设置一面能抵抗山体纵向推力的端墙。它的作用不仅仅是起御土墙的作用，而且能支持洞口正面上仰坡，并将从仰坡流下来的地面水，汇集到排水沟中去。端墙的构造一般是采用等厚的直墙。直墙圬工体积比其它型式都小，而且施工方便。墙身微向后倾斜，斜度约为1:10。这样可以受到较竖直墙为小的土石压力，而且对端墙的倾覆稳定有好处。如图2-19所示。端墙构造有以下的要求：(1) 端墙的高度应使洞身衬砌的上方尚有1m以上的回填层，以减缓山坡滚石对衬砌的冲击，洞顶水沟深度应不小于0.4m；为保证仰坡滚石不致跳跃超过洞门落到线路上去，端墙应适当上沿形成挡碴防护墙，其高度从仰坡坡脚算起，应不小于0.5m，在水平方向不宜小于1.5m；端墙基础应设置在稳固的地基上，其深度视地质条件、冻害程度而定，一般应在0.61.0m左右。按照上述要求，端墙的高度约在11.0m上下。(2) 端墙厚度应按挡土墙的方法计算，但不应小于表2-3的要求。(3) 端墙宽度与路堑横断面相适应。下底宽度应为路堑底宽加上两侧水沟及马道底宽度。上方则依边坡坡度按高度比例增宽。端墙两侧还要嵌入边坡以内约30cm以增加洞门的稳定。3. 翼墙式洞门当洞口地质较差，山体纵向推力较大时，可以在端墙式洞门以外，增加单侧或双侧的翼墙，称为翼墙式洞门，如图2-19所示。翼墙与端墙共同作用，以抵抗山体纵向推力，增加洞门的抗滑动和抗倾覆的能力，故翼墙式洞门适用于类(级)及以下的围岩。翼墙的正面端墙一般采用等厚的直墙，微向后方倾斜，斜度为1:10。翼墙前面与端墙垂直，顶面斜度与仰坡坡度一致。墙顶上设流水凹槽，将洞顶上的水从凹槽引至路堑边沟内。翼墙基础应设在稳固的地基上，其埋深与端墙基础相同。洞门顶上，端墙与仰坡坡脚之间的排水沟一般采用60cm宽，40cm深的槽形，沟底应有不小于3的排水坡。排水沟的形式视洞口的地形和洞门构造型式而定。较多使用的是单向顺坡排水，把水引到洞门一侧以外的低洼山体处，或引到路堑侧沟中。当地形不容许向一侧排水时，则可采用双向排水，把水引到端墙两侧，水从端墙后面沿预留的泄水孔流出墙外，俗称“龙咀”或“吊沟”。也可以引到翼墙顶上，沿着倾斜的凹槽流入路堑边沟。4柱式洞门当地形较陡，地质条件较差，仰坡有下滑的可能性。而又受地形或地质条件限制，不能设置翼墙时，可以在端墙中部设置两个断面较大的柱墩，以增加端墙的稳定性。如图2-21所示。这种洞门墙面有凸出线条，较为美观，适宜在城市附近或风景区内采用。对于较长大的隧道，采用柱式洞门比较壮观。图2-22即为一柱式洞门(连拱隧道)的实例。5台阶式洞门当洞门处于傍山侧坡地区，洞门一侧边坡较高时，为减小仰坡高度及外露坡长，可以将端墙一侧顶部改为逐步升级的台阶形式，以适应地形的特点，减少仰坡土石方开挖量，这种洞门也有一定的美化作用。如图2-23所示。6斜交洞门图222当线路方向与