第3章-隧道总体设计PPT课件.ppt

第3隧道总体设计 2020 3 27 1 4 4 本章的学习要求 5 了解隧道设计文件的组成要求 1 掌握公路隧道选址的原则和方法 2 掌握隧道洞口位置选择的原则和方法 3 掌握隧道平面和纵断面设计的要求 4 掌握隧道横面设计的要求和方法 2 2020 3 27 3 3 1隧道选址 3 1 1越岭隧道的选址3 1 2傍山隧道选址3 1 3地质条件与隧道位置选择3 1 4隧道洞口位置的选择 3 2隧道的几何设计 3 2 1隧道的平面设计3 2 2隧道的纵断面设计3 2 3隧道的净空断面横断面设计3 2 4隧道接线 3 3衬砌内轮廓线及几何尺寸的拟定 3 4道路隧道勘察设计文件的内容和组成 本章主要内容 3 1 1越岭隧道的选址 4 较高的垭口 较低的垭口 山岭 褶多山 什么叫做垭口 5 选择的垭口 路线总方向 垭口 什么叫做垭口 如何选择垭口 6 当线路必须跨越分水岭时 分水岭的山脊线上总会有高程较低处 称之为垭口 常常有若干个垭口可以通过 通过上述因素的分析比较 选定最为理想的垭口 垭口是选定越岭隧道线路方案的控制点 什么叫做垭口 7 1 越岭隧道平面位置的选择 平面位置选择是指隧道穿越分水岭的不同高程及不同方向的垭口选择 着重考虑以下因素 8 优先考虑在路线总方向上或其附近的低垭口 此时垭口在两侧具备有良好展线的横坡时 一般越岭隧道较短 垭口位置的选择一般可利用小比例尺地形图 航空照片 卫星照片等 根据线路的总方向和克服越岭高程的不同要求在较大范围内选线 寻求可供越岭的几个垭口位置的比选 比选时应考虑以下原则 9 工程地质和水文地质条件良好的垭口 隧道一般选在分水岭垭口两边河谷标高相差不多 并且两边河谷平面位置接近处 虽远离线路总方向 但垭口两侧有良好的展线条件 又不损失越岭高程的垭口 经隧道长度 施工难度 运营条件等综合比选多个方案 最后确定最佳方案 10 秦岭隧道平面位置的方案比选 11 秦岭卫星遥感照片1 12 沙木拉打越岭长隧道的选择 13 沙木拉打越岭长隧道的选择 14 2 越岭隧道标高选择 一般隧道标高越高 隧道长度越短 相应施工工期也短 但两端展线长度增加 且线路拔起高度大 运营条件差 线路通过能力降低 低标高隧道则与之相反 施工难度增加 施工期较长 因此 在选择越岭隧道标高时 考虑运营条件的改善和通过能力的提高 宜采用低标高方案 但必须进行地形 地质 施工 运营 经济等多种因素综合比较确定最优隧道标高 15 不同标高位置选择 16 穿越娄山山脉分水岭的越岭隧道选线实例 凉风垭方案越岭隧道长4270m 17 凉风垭垭口地形陡峻 山梁薄 分水岭两例地面高差较大 选了三个主要方案 马鞍山方案越岭隧道长2810m 洞口位置最高 隧道短 展线长 运营条件相对较差 雷神坡方案越岭隧道长3490m 其高程较马鞍山方案为低 线路条件有所改善 凉风垭方案越岭隧道长4270m 越岭高程较前两方案均低 线路顺直 展线最短 但越岭隧道最长 运营条件好 经比选后采用了越岭隧道最长的凉风垭方案 18 3 1 2傍山隧道的选址 19 傍山隧道 沿河路线 20 傍山隧道选址需要考虑哪些问题 应根据地形地质 河流冲刷情况以及洞外的相关工程和运营条件等综合考虑 道路依山傍水 21 傍山隧道选址需要考虑哪些问题 傍山隧道在埋深较浅的地段 一定要注意洞身覆盖厚度问题 山体滑坡 22 傍山隧道选址需要考虑哪些问题 考虑河岸冲刷对山体和洞身稳定的影响 河道狭窄冲刷严重 23 傍山隧道选址需要考虑哪些问题 考虑既有建筑物对洞身稳定的影响 已有建筑影响 24 傍山隧道选址需要考虑哪些问题 线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较 25 沿河线截弯取直作隧道 运营条件差 桥 隧 挡相连 工程复杂 施工干扰大 沿河线常碰到河道弯曲极大 山体凸出 形成山嘴 线路沿河绕行 线路长而弯曲 取直作长隧道 线路顺直 26 沿河线截弯取直作隧道实例一 关村坝隧道是裁弯取直的典型例子之一 关村坝隧道方案较绕行方案线路缩短10 1公里 减少25个弯道和一处车站 仅有43米长中桥1座和6 107米的隧道1座 线路顺直 工程单一 避开了不良地质 保证了运营安全 总体技术经济优 实践证明 效果良好 27 关村坝隧道方案 沿河线截弯取直作隧道 实例一 28 20世纪80年代修建的衡 广复线上大瑶山隧道 全长14 295km 是河谷地段采用长隧道方案的一个范例 衡广线经过的广东北部 有一条武水河 发源于南岭 注入北江再汇珠江入海 在丛山峻岭中绕大弯 河谷弯多水急 两岸山峰陡立 全长30余公里 大瑶山隧道方案 沿河线截弯取直作隧道实例二 29 解放前就建成的京广线 是一段典型的靠河线路 标准极低 弯道很多 最小曲线半径只有250m 上支下挡 雨季病害不断 一直是制约广线运输能力的咽喉区 大瑶山隧道方案 沿河线截弯取直作隧道实例二 30 在20世纪70年代 国家实行改革开放 急需拓宽南北要道 决定建衡广复线 如何改扩建这一段低标准线段的问题 成为决策的首要关键 当时设计提出三个方案 大瑶山隧道方案 沿河线截弯取直作隧道实例二 31 大瑶山隧道方案 沿河线截弯取直作隧道实例二 32 这两种方案的取舍在国家有关部门曾引起激烈争论 争论的焦点是我国是否具备修建这样地质复杂特长隧道的技术水平和经济实力 还要长期保持良好的运营状态 当时我国建成的最长铁路隧道为7023m 最后国务院决定 采用裁弯取直的大瑶山方案 历时数年 建成了我国第一条10公里以上的双线铁路隧道 修建中 全面引进了勘察 设计新技术 使我国铁路隧道修建水平 历史性地上了 个台阶 大瑶山隧道方案 33 采用较多 较长的隧道是今后山区道路发展的趋势 日本的例子 34 3 1 3地质条件与隧道位置选择 35 3 当绕避困难时 应尽量采取必要的工程措施 地质条件与隧道位置的关系 2 尽量避免通过断层 崩塌 滑坡 流砂 溶洞 偏压显著 地下水丰富等地质不良地段 1 无论是越岭线路或沿河傍山线路 都力求选择在地质构造简单 岩性较好的稳固地层中通过 36 一 单斜构造与隧道位置的选择 二 褶皱构造与隧道位置的选择 三 断裂构造 接触带与隧道位置的选择 四 不良地质段的隧道位置选择 3 1 3地质条件与隧道位置的选择 37 在单斜构造的地区 岩层面间 有的是紧密贴附的 有的是出现裂缝又为一些细碎物质所填充 层间接触面比之岩层实体总是较为薄弱的 称之为软弱结构面 单斜构造地质必须事先把岩层的构造和倾角大小调查清楚 一定要尽可能避开软弱结构面 一 单斜构造与隧道位置的选择 38 1 水平或缓倾角岩层 当隧道通过坚硬的厚层岩层时 较为稳定 若通过很薄的岩层 则施工时顶部易产生掉块现象 此时 以不透水的坚硬岩层作顶板为最好 单斜构造 39 陡倾角岩层一般有偏压和不均匀压力存在 当有软弱夹层伴以有害节理切割时 易产生坍方和顺层滑坡 2 陡倾角岩层 当隧道中线可能沿两种不同岩性的岩层走向通过时 应避免将隧道置于两种不同的岩层软弱构造 破碎 带 如图a B 所示 而宜将隧道置于岩性较好的单一岩层中 如图a A 单斜构造 40 隧道通过直立岩层时 其中线宜垂直于岩层的走向穿过 如左下图所示 仍应避开不同岩层接触带 当层状岩层较薄 并有软弱夹层 伴有微量地下水活动时 亦可产生不对称压力 在隧道开挖过程中 易产生坍塌 如右下图所示 甚至会导致大的坍力 致使地面形成 天窗 3 直立岩层 单斜构造 41 在褶曲构造的地区 在施工时 极易发生掉块或坍方 对工程产生不利影响 此外 地下水积聚凹底 也将增加施工的困难 隧道穿过褶曲构造时 选在背斜中要比在向斜中有利 如果恰在褶曲的两翼 将受到偏侧压力 二 褶皱构造与隧道位置的选择 42 当隧道通过褶皱构造时 应尽量避免将隧道置于背斜或向斜的轴部 如图 a c 而应将隧道置于翼部 如图 b 则隧道所处的地质条件类似单斜构造 褶皱构造 43 断裂构造及不同岩层的接触带 其裂隙发育 地下水量也较大 开挖隧道易坍塌 给施工带来困难 三 断裂构造 接触带与隧道位置的选择 44 断裂构造地层压力变化较大 衬砌结构亦难处置 选择隧道位置切忌沿着断层带或破碎带修建隧道 应避开严重破碎带 并使断层地段最短 断裂构造 45 什么是不良地质 四 不良地质段的隧道位置选择 滑坡 46 什么是不良地质 流沙地层 47 什么是不良地质 软弱地层 48 什么是不良地质 溶洞 49 不良地质系指滑坡 错落 崩塌 岩堆 危岩 落石 岩溶 陷穴 泥石流 流砂 断层 涌水及第四纪堆积层等不良地段 如线路难以绕避或绕避而有损于线路的总体性时 在技术经济合理的条件下 亦可因地制宜地采取相应工程措施通过 隧道通过上述地区时的危害情况及隧道位置选择中应注意的事项分述如下 不良地质段的隧道位置选择 50 1 滑坡地区沿某一软弱面有整体下滑的趋势 隧道通过时 将会受到土体推力 会把结构物挤压破坏 或是剪切断开 如果对滑坡面的位置已经了解清楚 可以把隧道置于滑坡面以下的稳定岩体中 不良地质段 51 2 崩塌地区山坡陡峻的地段 山体裂隙受风化而崩解 成块地从斜坡翻滚坠落 不良地质段 52 3 岩堆地区岩石经过风化作用 分解和剥离成为大小不一的块体 从山坡上方滚下 宜把隧道位置放在岩堆以下的稳定岩体之中 不良地质段 53 4 泥石流地区首先应判明泥石流的成因 规模 发展趋势 以决定隧道方案的可行性 充分考虑如下因素对隧道产生的最不利影响 1 预计河床最大下切及侵蚀基准面对隧道影响 2 泥石流可能的改道和变迁对洞身的影响 3 充分预计隧道防排水的处理难度 4 施工爆破可能带来的危害 不良地质段 54 不良地质段 55 5 溶洞地区当隧道通过岩溶地区时 应力求避免穿越岩溶严重发育的网状洞穴区 不良地质段 56 3 1 4隧道洞口位置的选择 57 洞口应尽可能地设在山体稳定 地质较好地下水不太丰富的地方 洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处 不要与水争路 洞口应尽可能设在线路与地形等高线相垂直的地方 使隧道正面进入山体 洞门结构物不致受到偏侧压力 洞口位置选择的一般原则和要求 58 当线路位于有可能被淹没的河滩上或水库回水影响范围以内时 隧道洞口标高应在洪水位以上 为洞口稳定和安全 边坡及仰坡均不宜开挖过高 不使新开出的暴露面太大 若洞口附近遇有水沟或水渠横跨线路时 应慎重处理 设置桥涵净空不宜太小 以免后患 洞口位置选择的一般原则和要求 59 若洞口前方岩壁陡立 基岩裸露 此时 最好不刷动原生坡面 洞口以外应当留有生产活动的场所 洞口位置选择的一般原则和要求 总之 选定隧道洞口位置时 首先要按照地质条件控制边坡和仰坡的高度和坡面长度 其次是避开不良地质区域和排水影响 最后才从经济方面进行比较 60 61 62 3 2隧道的几何设计 63 3 2隧道的几何设计 3 2 1隧道的平面设计 3 2 2隧道纵断面设计 3 2 3隧道净空断面横断面设计 64 3 2 1隧道的平面设计 公路隧道的平面线形和普通道路一样 根据公路规范要求进行设计 隧道平面线形 一般采用直线 避免曲线 如必须设置曲线时 应尽量采用大半径曲线 并确保视距要求 65 3 2 1隧道的平面设计 不设超高的圆曲线最小半径 m 66 公路停车视距与会车视距 67 双洞间距问题 对于高速公路 一级公路的隧道应设计为上 下行分离的独立双洞 最小净距按对两洞结构彼此不产生有害影响的原则 结合隧道平面线形 围岩地质条件 断面形状和尺寸 施工方法等因素确定 一般情况可按表1 2 3取值 68 分离式独立隧道的最小间距 69 隧道纵断面设计 70 隧道纵断面设计 71 隧道纵断面设计 72 隧道内纵面线形设计应综合考虑行车安全性 营运通风规模 施工作业效率和排水要求 3 2 2隧道纵断面设计 综合各方面要求 隧道规范要求纵坡应不小于0 3 并不大于3 隧道如双向对头掘进 为施工排水 可采用 人 字坡 单向通行时 设置向下的单坡对通风有利 73 隧道的纵坡类型 单向坡人字坡 隧道的纵坡 不小于0 3 也不大于3 隧道纵断面设计 74 控制隧道纵坡大小的主要因素 通风问题 排水问题 隧道纵断面设计 75 隧道内竖曲线最小半径和最小长度 隧道内纵坡坡率超标后 必须对行车安全性 通风设备和运营费用 施工效率的影响等作充分的技术经济综合论证 隧道纵断面设计 76 3 2 3隧道净空断面与横断面设计 隧道断面设计需要解决什么问题 根据围岩压力和支护结构等因素求取最经济值 隧道横断面设计 77 隧道横断面设计 78 隧道洞口段 隧道横断面设计 79 二次衬砌钢模 隧道横断面设计 80 什么是隧道净空 什么是隧道建筑限界 隧道横断面设计 81 什么是隧道净空 什么是隧道建筑限界 隧道横断面设计 82 什么是隧道净空和隧道建筑限界 隧道净空 隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间建筑限界 是指隧道衬砌等任何建筑物不得侵入的一种限界 隧道横断面设计 83 隧道行车限界 保证隧道中行车安全 在一定高度和宽度范围内任何物体不得侵入的限界 墙效应 隧道边墙给驾驶员造成危险的心理影响 行车偏左减少行车道 隧道横断面设计 84 隧道建筑限界设计规范规定 当设置检修道或人行道时 不设余宽 当不设置检修道或人行道时 应设不小于25cm的余宽 限界高度 二级公路以上等级取5 0m 三 四级公路取4 5m 隧道路面横坡 一般可采用1 5 2 0 隧道横断面设计 85 隧道建筑限界详图 隧道横断面设计 86 检修道或人行道宜双侧设置 检修道或人行道的宽度按规定选取 检修道或人行道的高度可按20 80cm取值 并综合考虑以下因素 紧急情况时 驾乘人员拿取消防设备方便 满足其下放置电缆 给水管等的空间尺寸要求 检修人员步行时的安全 隧道断面设计 87 对于长 特长隧道应在行车方向的右侧设置紧急停车带 紧急停车带的设置间距不宜大于750m 隧道横断面设计 88 紧急停车带 89 净空断面大小 隧道内轮廓形状和几何尺寸设计 90 3 3衬砌内轮廓线及几何尺寸拟定 什么是隧道衬砌 Lining 它是一种超静定支护结构 是隧道的主体建筑物 隧道内轮廓线拟定 91 1 衬砌断面设计 主要解决内轮廓线 轴线和厚度三个问题 隧道内轮廓线拟定 92 2 设计内轮廓线的原则 衬砌的内轮廓线应尽可能地接近建筑限界 力求开挖和衬砌的数量最小 衬砌内表面力求平顺 考虑衬砌施工的简便 隧道内轮廓线拟定 93 3 隧道衬砌断面的轴线 应当尽量与断面压力线重合 使各截面主要承受压应力 1 当衬砌受径向分布的水压时 轴线以圆形最好 2 主要承受竖向压力或同时承受不大的水平侧压力时 可采用三心圆拱和直墙式衬砌 隧道内轮廓线拟定 94 3 当承受竖向压力和较大侧压力时 宜采用五心圆曲墙式衬砌 4 当有沉陷可能受底压力时 宜加设仰拱的曲墙式衬砌 隧道内轮廓线拟定 95 4 隧道衬砌厚度随所处地质条件和水文地质条件不同而有较大变化 并且与隧道的跨径 荷载大小 衬砌材料以及施工条件等有关 隧道内轮廓线拟定 96 根据以往经验 拱圈可以采取等截面 也可采取在拱脚部分加厚20 50 的变截面 仰拱厚度一般略小于拱顶厚度 隧道内轮廓线拟定 97 隧道衬砌截面最小厚度 cm 隧道内轮廓线拟定 98 5 衬砌断面 1 衬砌断面的形状 直墙式圆弧拱 三心圆拱 单圆拱 隧道内轮廓线拟定 99 2 衬砌断面的轮廓线 隧道内轮廓线拟定 100 隧道内轮廓线拟定 101 隧道内轮廓线拟定 102 隧道内轮廓线拟定 103 2 衬砌断面的轮廓线 衬砌内轮廓线 是衬砌的完成线 在内轮廓线之内的空间为隧道的净空断面 衬砌外轮廓线 指为保持净空断面的形状 衬砌必须有足够的厚度 或称最小衬砌厚度 的外缘线 该线又称为最小开挖线 隧道内轮廓线拟定 104 实际开挖线为保证衬砌外轮廓 开挖时往往稍大 尤其用钻爆法开挖时 实际开挖线不可避免的成为不规则形状 隧道内轮廓线拟定 105 隧道内轮廓线控制 隧道超挖严重 106 隧道内轮廓线控制 隧道超挖严重 107 实际开挖线超挖线 超挖部分的大小叫超挖量 一般不应超过10cm 实际上凸凹不平 这样10cm的限制线只能是平均线 它是设计时进行工程量计算的依据 用钻爆法施工时 很难掌握刚好达到平均线 常常比它大 造成了不必要的工程量 如何控制它 隧道内轮廓线拟定 108 实际开挖线如何控制超挖 至今仍是一个难题 按设计要求所有超挖部分 都须用片石回填密实 由于施工上的困难 不容易作到密实 但这是设计及施工中都应着重强调的问题 隧道内轮廓线拟定 109 6 公路隧道衬砌内轮廓线的求法 主要步骤如下 1 确定建筑限界 2 确定弧形 3 计算验证 调整 以上过程是个反复循环的过程 隧道内轮廓线拟定 110 1 圆形断面 隧道衬砌内轮廓线的求法 111 2 直墙式衬砌断面 隧道衬砌内轮廓线的求法 112 3 曲墙式衬砌断面 隧道衬砌内轮廓线的求法 113 隧道衬砌内轮廓线 114 3 4隧道勘测设计文件的内容 公路隧道勘测设计的成果是设计文件 应按交通部颁发的 公路基本建设工程设计文件编制办法 和 公路隧道勘测规程 的要求进行编制 115 提出隧道勘测说明书其内容如下 1 沿线隧道概况及自然概况 2 工程地质及水文地质情况 3 气象 环境和有关政策法令情况 4 施工条件 包括施工场地 工程设备 给排水 动力 施工道路 弃渣场 建筑材料来源等 隧道勘测设计文件内容 116 5 隧道方案 2个或2个以上 的比选情况和在设计注意事项 6 对运营通风 运营照明和防排水方式的选择建议 7 存在问题以及解决办法的建议 有关协议 纪要等 隧道勘测设计文件内容 117 8 隧道线路方案平面图 比较方案 2条以上 应绘入图内 并附有方案比较说明 采用方案的理由 9 隧道线路地质平面图 显示地质构造 岩层产状 不同地质的分界线 水文地质情况 地物 地貌等 10 隧道纵断面图 显示隧道全貌 埋置深度 地质和水文地质以及线路条件 图上除注明里程 地面标高外 尚应注明设计坡度 设计标高及线路曲线要素 隧道勘测设计文件内容 118 11 隧道洞口地形平面图显示边坡开挖情况 选定洞口位置 确定明洞长度 布置排水 施工场地及防护工程设施等 一般洞口地形平面图的施测范围为洞口前后及两侧各宽约60m左右 有不良地质现象时 其施测范围应酌情加宽 隧道勘测设计文件内容 119 施工图设计文件1 隧道平面图 显示地质平面 隧道平面位置及路线里程和进出口位置等 设U形回车场 错车道 爬坡车道时 应显示其位置和长度 2 隧道纵断面图 显示隧道地质概况 衬砌类型 有加宽或设U形回车场时 应显示加宽值及加宽段长度 埋深 路面中心设计标高 有高路肩时显示路肩标高 设计坡度 地面标高 里程桩等 隧道勘测设计文件内容 120 3 隧道进口 出口 纵横断面图 显示设置洞门处的地形 地质情况 边仰坡开挖坡度及高度等 4 隧道进口 出口 平面图 显示洞门附近的地形 洞顶排水系统 有平导时 与平导的相互关系等 洞门广场的减光设计等 隧道勘测设计文件内容 121 5 隧道进口 出口 洞门图 显示洞门的构造 类型及具体尺寸 采用建筑材料 施工注意事项 工程数量等 有遮光棚等构造物时 应显示其与洞身连结关系及完整的遮光棚构造设计图 6 隧道衬砌设计图 显示衬砌类型 构造和具体尺寸 采用的建筑材料 施工注意事项 工程数量等 设回车场 错车道 爬坡车道时应单独设计 隧道勘测设计文件内容 122 7 辅助坑道结构设计图 8 运营通风系统的结构设计图 9 运营照明系统的结构设计图 10 监控与管理系统结构设计图 11 附属建