东南大学隧道工程课程复习指南

Tunnel Engineering第一章 隧道勘察隧道勘察的目的：查明隧道所处位置的工程地质条件和水文地质条件为规划、设计、施工提供资料 为规划、设计、施工提供资料对存在的岩土工程问题、环境问题进行分析评价，提出合理的设计和施工建议隧道施工和运营对环境保护的影响提出意见隧道勘察的三个阶段可行性勘察（预可行性研究；工程可行性研究；桥隧可行性研究现状）初步勘察（收集资料；工程地质选定隧道线位；初步勘察资料整理）详细勘察（目的：为线位布设和编制施工图设计提供完整的工程地质资料；任务：在初勘基础上，进一步查明隧道沿线地质特征和不良地质规模、大小范围；步骤(1)前期的准备工作(2)沿线地质勘察(3)试验(4)资料整理(5)编写详勘报告）隧道勘察的主要方法收集研究既有资料P7；调查与测绘（1）自然概况（2）工程地质调查（3）工程地质测绘（4）调查测绘内容（地形、地貌、地层、岩性、地质构造；地表水和地下水、特殊地质、不良地层、地震；工程经验、施工条件、施工方法）隧道勘察的主要手段挖探 23米简易钻探 310米钻探 冲击钻、回转钻等可达100m以下地球物理勘探 物探根据密度、导电性等物理性质的差别勘测地层分布、地质构造、地下水位置；方法:重力场,磁电场,声,弹性波,放射性勘探,地震勘探；优点:简单迅速；缺点:间接判断，范围较大；物探根据岩土物理性质不同的分类：电法勘探、电磁法勘探、地震勘探、声波探测、重力勘探、磁力勘探、放射性勘探（前三个为隧道常用）地质勘察初勘：为隧道位置选择提供工程地质条件。目的任务：选定隧道位置；基本内容：查明控制隧道方案的工程地质问题；主要手段：以调查与测绘为主，配合物探。详勘：为隧道施工图设计提供地质条件。目的任务：根据批准的初步设计对选定隧道位置详勘为施工图设计服务；基本内容：对主要的重大工程地质问题作出可靠结论；主要手段：坑探 钻探 物探水文勘察隧道内涌水：恶化围岩稳定状态、导致施工困难、增大工程造价。地下水涌水调查内容：调查地下水的类型及其与地表水的相互补给关系；调查地下水的流量、流向及水质等；预测地下水的涌水量；利用钻探成果判断涌水情况；查明涌向隧道的地下水的范围。地表枯水：造成工业用水和饮用水困难。枯水调查：目的：明确由于修建隧道工程而使地下水及供水受到影响，造成工业地下水及供水受到影响，造成工业用水及居民饮水困难等；主要内容：地下水的利用状况、地下水季节性变化以及雨后变化、植被情况等；与隧道涌水有关联的物探调查建筑环境评价P14目的：明确环境现状，不因修建工程而使环境恶化，研究有关对环境影响的内容及其程度；提出防止破坏环境的措施等。对现有生态环境保护的项目：水资源保护植被保护特殊区(名胜古迹、温泉、风景等)保护环境污染的保护(污水、烟尘、噪声、有害物等)弃碴处理隧道工程周围环境现状的调查：地物地貌调查：洞口附近居民住宅，单位分布及规模地形地质调查：地形特征、地质构造及不稳定地层类型大气质量调查 气象资料 大气污染现状水质调查：水源类型、供水量及方式、水源补给情况噪声振动调查：运输装卸、通风机及爆破产生的噪声生态资源调查：森林、草场、水域面积、野生动物预测环境影响P15大气、水质、振动与噪声、地表沉陷、动物与植物、自然景观环境影响的评价隧道工程的修建对当地环境会造成什么样的影响？根据掌握情况，对照影响指标进行评价。第二章 隧道总体设计隧道位置选择 重要性：在山区修建铁路或高等级公路时，隧道的比重往往是很大的，因此选择合理的隧道位置不仅是选线的重要组成部分，同时也关系着施工难易、工期长短、造价大小、运营安全和运输效率。考虑的因素：隧道与线路的相互关系：中、短隧道：原则上应依从于线路的位置；长大隧道：线路应依从于隧道最优方案影响隧道位置选择的因素： 地质条件、水文地质条件、地形和地貌条件；投资条件、工期要求等； 最根本的因素是地质条件和地形条件按地形条件选择隧道位置：平原微丘、重丘、山岭，这类隧道统称为山岭隧道与其它可行的方案进行比较比较的内容主要为技术和造价；一般而言，要克服地形条件带来的高程障碍有三种方案：1绕行方案（优点：技术要求小，投资省，工期短；缺点：线路延长，弯道增多，形成高大边坡；只有在确认对运营不会造成不良影响时才考虑使用。）2路堑方案（优点：造价低，施工速度快；缺点：路堑病害多，破坏植被；应以不形成高大边坡为原则）3隧道方案（优点：线路平缓顺直、缩短线路、节省运输时间、最大限度的保护了自然贮备、维修养护简单；缺点：造价高、施工进度慢；当线路遇到地形高程障碍时，应该优先考虑）长隧道与短隧道群方案的比较短隧道群（优点：工作面多、技术难度较低、施工进度快；缺点：线路延长、洞口易形成高大边坡、隧道结构偏压留下病害隐患）长隧道（优点：线路短、安全；缺点：同上）从安全运营的眼光来看，应该选择长隧道，避免短隧道群单线隧道与双线隧道方案的比较两座单线隧道方案和一座双线隧道方案的比较，这主要是针对铁路复线隧道而言双线隧道（优点：隧道对周边环境的影响宽度小，选线时易于安排布置，总的洞室段面开挖面积较小，开挖跨度较大，工作面较宽敞，利于作业，施工通风环境较好，维修养护较方便；缺点：断面跨度大，所受围岩压力也就大，不利于围岩的稳定，对支护的要求较高，列车活塞风效应差，因而运营通风效果受到影响）单线隧道（优缺点：正好相反）地形条件对隧道位置的影响就地形条件而言，山岭隧道可以分为越岭隧道（通过山区的交通干线往往要翻越分水岭，从一个水系进入另一个水系，这段线路称之为越岭线，线路为穿越分水岭而修建的隧道称为越岭隧道，用于缩短线路，克服高程障碍）和河谷傍山隧道（山区铁路或公路除越岭地段以外，线路大多是沿河傍山而行，在地势陡峻的峡谷地段，常需修建的隧道即为傍山隧道，也有称之为河谷线隧道）两大类。越岭隧道的选址越岭隧道地段，一般山峦起伏，地形陡峻，工程地质和水文地质条件均较复杂，交通运输条件也比较困难，施工及弃碴场地狭窄，隧道施工往往控制全线或部分地段的工期。什么叫做垭口？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。理由：减少隧道长度，降低造价。常常有若干个垭口可供选择。垭口是选定越岭隧道线路方案的控制点。选定最为理想的垭口。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：路线总方向上的垭口；地质条件；隧道长度；两侧展线难易程度；工程量大小；路桥隧总体线形。选择垭口的方法：利用小比例尺地形图(如军用地图)、航空照片、卫星照片等；根据线路的航空线方向和克服越岭高程的不同要求进行大面积选线，录求可供越岭的几个垭口位置；然后进行可能通过的垭口、沟谷的比选。垭口比选的原则：1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。2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。3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。4工程地质和水文地质条件良好的垭口。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。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。傍山隧道的选址傍山隧道的缺点：1依山傍水修建时，施工中容易破坏山体平衡，造成各种病害2因是在山体表层范围内修建隧道，常常遇到崩塌、滑坡、错落、松散堆积及泥石流等不良地质现象，地质情况较为复杂3一般埋深较浅，属浅埋隧道和短隧道群，洞身覆盖薄、易产生不对称的偏压情况4河道狭窄，水流湍急冲刷力强，对山坡稳定和隧道安全威胁较大傍山隧道的位置选择要点：保证最小覆盖层厚；尽量内靠；注意周围既有建筑对隧道稳定的影响；尽可能“裁弯取直”。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。采用较多、较长的隧道是今后山区道路发展的趋势。地质条件与隧道所需要的地质情况主要有：地质构造、岩体强度、水文地质条件、不良地质。地质条件与隧道位置的关系：(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(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(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选择1单斜构造与隧道位置的选择在单斜构造的地区，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。1水平或缓倾角岩层：以不透水的坚硬岩层作顶板为最好。2陡倾角岩层：陡倾角岩层一般有偏压和不均匀压力存在。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，而宜将隧道置于岩性较好的单一岩层中。3直立岩层：隧道通过直立岩层时，其中线宜垂直于岩层的走向穿过，切忌与岩层面平行，否则层间的垂直错动可能使隧道产生沿线路纵向的裂缝，应将隧道纵轴线设计成与层理面垂直，或争取最大的交角；尽量避开层间软弱结构面；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。2褶皱构造与隧道位置的选择隧道穿过褶曲构造时，选在背斜中比在向斜中有利。如果恰在褶曲的两翼，将受到偏侧压力。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，而应将隧道置于翼部，则隧道所处的地质条件类似单斜构造。3断裂构造、接触带与隧道位置的选择断裂构造及不同岩层的接触带，裂隙发育，地下水量大，强度很低，往往是地下水的通道，一旦打穿就可能造成冒泥和涌水，开挖隧道易坍塌。尽量避开，无法避开时应尽量正交穿越，应做好各种施工应急措施并准备好紧急排水设备以应付突变情况。4不良地质段的隧道位置选择常见的不良地质条件及处理措施滑坡：尽量避开；若是多年静止的死滑坡或者古滑坡，不得已时可以把隧道置于滑坡体之内，但要进行上部剪裁，下部支档；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。崩塌：不要把隧道置于地表不厚的傍山位置。岩堆：尽量避开；设置明洞穿越岩堆；宜把隧道位置放在岩堆以下的稳定岩体之中。泥石流：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；避免把隧道放在冲积扇范围以内，以免堵塞隧道洞口；或建明洞，使泥石流在明洞顶通过。溶洞：避免穿越岩溶严重发育的网状洞穴区；不能避开时，选择使隧道通过岩溶地段为最短，以安全的工程措施穿越。不良水文地质：避开富水地区；加强排水措施。发育的地下水往往是引起施工塌方或运营病害的重要原因。大量工程实践表明：不论是河谷线还是越岭线，在具体选定隧道位置时都必须详细研究地质条件的影响，力求使隧道在较好的地质条件下通过，尽量减少不良地质条件的影响是极为重要的。隧道洞口位置的选择合理确定洞口位置的重要性：1有利于施工进洞；2对运营有着及其重要的意义；3隧道的长度由洞口的位置决定（铁路隧道长度指洞口外表面与内轨面的交点之间的长度，公路隧道长度是指洞门外表面与路面中点的交点之间的长度）。洞口位置选定的总原则-早进晚出原则：在决定隧道洞口位置时，为了施工及运营的安全，宁可早一点进洞，晚一点出洞影响洞口位置的因素：1边仰坡的稳定：适当延伸洞口，以减低边仰坡高度；2工程造价：尽量缩短隧道长度，延长路堑长度。只有在确保边仰坡稳定的前提下，才能考虑工程造价衡量指标：边仰坡坡率、高度洞口位置选择的地质和地形要求：1洞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；2不应设在排水困难的沟谷低洼中心，不要与水争路。理由：(1)沟谷地势狭窄不利施工(2)不利防洪排水(3)洼地一般地质条件较差；3洞口应尽可能设在线路与地形等高线正交处,使隧道正面进入山体，洞门结构物不致受到偏侧压力；4线路与等高线斜交无法避免时：可采用斜交洞门，但围岩类别应不小于级且斜交角度一般不小于45；接长明洞；采用台阶式洞门；5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；6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；7当隧道穿过悬崖陡壁时，可贴壁进洞；8当隧道穿过悬崖陡壁时，岩壁稳定且落石或坍塌不可能时，一般不宜刷动原坡面，破坏地表植被，暴露风化破碎岩层，使洞口处于不利地位；9若洞顶危岩活石难以清除，或支护上有落石掉块危及行车安全时，应延伸洞口接长明洞至能坍落影响范围以外35m；10当洞口地形平缓时，由于选定洞口位置有较大的伸缩范围时，此时应结合洞外填方路堑施工难易、路堑排水支农要求、弃碴场地、施工力量及机械设备等情况全面考虑；11洞口以外应当留有生产活动的场所。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。隧道的几何设计(1)线路平面设计：根据公路规范要求进行设计，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。曲线隧道缺点：隧道建筑限界需要加宽，开挖面积增加；曲线隧道断面是变化的，因而施工技术较直线地段复杂；洞身弯曲，洞壁对气流的阻力加大、通风条件差；由于曲线关系，洞内进行施工测量时，操作变得复杂；曲线隧道的维修养护工作条件不如直线隧道曲线设计原则：采用较大的曲线半径和较短的曲线长度，以减小其不利影响；铁路隧道必须设置加宽和超高；公路隧道最好采用不设超高的，且能满足视距要求的曲线半径，不可设置加宽，否则必须设置加宽。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；一般情况可按表取值。分离式独立隧道的最小间距：围岩级别IIIIIIIVVVI 最小净距（m）1.0B1.5B2.0B2.5B3.5B4.0B(2)纵断面设计：隧道中心线在垂直面上的投影。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。纵坡类型：单向坡（优点：可以争取高程，有利于自然通风，低位洞口出渣有利，因它是往上坡方向掘进，空车上坡，重车下坡，水自然排出；缺点：不利于高位洞口段施工；适用于：紧坡地段指需要在较短的距离内拔高较大的高程）人字坡（优点：与山坡的自然坡形一致、隧道两端都是往上坡施工，因而掘进、排水都有利。缺点：施工废气自然集聚于工作面，不利于通风、运营时，废气也会聚集在坡顶；适用于：不需要争取高程的越岭隧道。）控制隧道纵坡大小的主要因素：通风问题、排水问题隧道的纵坡坡度：不小于0.3%，以利排水，也不大于3%，汽车上坡排放的有害物质急剧增加，为通风效果考虑，宜将坡度控制在2%以内。单向通行时，设置向下的单坡对通风有利。因为汽车下坡时，发动机处于低功率状态，产生的有害气体少，但坡度不要大于3%，否则施工时，高位洞口的施工会有困难。隧道如双向对头掘进，为施工排水，可采用“人”字坡。对采用自然通风的隧道，坡度宜尽量采用大值，但也不能大于3%。采用人字坡的隧道，隧道两端的出渣与排水都有利，但通风较差，所以一般将坡度控制在1%以下。综合考虑排水和通风，以不妨碍排水的缓坡为宜。(3)净空断面横断面设计：P25根据围岩压力和支护结构等因素求取最经济值。隧道净空：隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间,包括隧道建筑限界、通风、照明及其它所需要的面积。建筑限界：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。隧道衬砌等任何建筑物不得侵入的一种限界。隧道净空除了包括隧道建筑限界以外，还包括通风管道、照明设施、防灾设备、监控设备、运行管理等附属设备所需要的足够空间，以及富余量和施工允许误差等。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，行车偏左减少了车道的有效宽度，从而导致隧道中交通容量的降低。隧道接线：保证有足够的视距和行驶安全注视点和注视时间：开始注视的点为注视点，从注视点到安全视距点所需时间为注视时间衬砌内轮廓线及几何尺寸拟定隧道衬砌：一种超静定支护结构，是隧道的主体建筑(1)衬砌断面设计主要解决内轮廓线、轴线和厚度三个问题。衬砌内轮廓线：尽量贴近隧道建筑限界衬砌截面厚度：尽量减小衬砌截面厚度衬砌轴线：应满足受力要求实际上拱轴线是由前两者决定的，故独立因素为内轮廓线和衬砌厚度基本原则：当围岩的侧压力较小时，采用直墙式衬砌断面，当地质条件差时采用曲墙式断面。主要设计步骤：确定隧道类型，选定相应的建筑限界；根据围岩类别初步拟定截面厚度；编制计算机程序，对拟定的衬砌断面进行优化计算比较，得出他们最优解时所对应的断面几何参数；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验算，并对有关结果做出评价。(2)内轮廓线设计衬砌的内轮廓线应尽可能地接近建筑限界，结构的任何部位不应侵入限界以内。同时，隧道内轮廓应考虑通风、照明、安全、监控等内部装修设施所必需的富余量。从经济的观点，内轮廓先应尽量减小洞室的体积，即使土石开挖量最省。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，使结构在受力及围岩稳定方面处于有利条件。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。若两线重合，结构的各个截面都只承受单纯的压力而无拉力，最理想。事实较难做到。一般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，充分利用混凝土材料的受压性能。设计目的：衬砌内轮廓线应满足限界要求、满足受力要求、开挖量最优当衬砌受径向分布的水压时，轴线以圆形最好；当衬砌主要承受竖向压力或同时承受不大的水平侧压力时，结构轴线上部采用圆弧形或尖供形心圆拱），下部可以采用直墙式衬砌； 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（上部采用圆弧形或者平供形，下部采用凸向外方的圆弧形，即曲墙）；当有沉陷可能受底压力时，宜加设仰拱的曲墙式衬砌。(3)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。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2050的变截面。仰拱厚度一般略小于拱顶厚度。(4)衬砌断面衬砌断面的形状：直墙式圆弧拱三心圆拱单圆拱衬砌断面的轮廓线： 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。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。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？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。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。公路隧道设计规范JTG D70-2004规定隧道内轮廓统一标准，即拱部为单心圆拱，拱墙为大半径圆拱，仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。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。 (1)隧道勘测说明书。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 )；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；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。11隧道洞口地形平面图，一般为洞口前后及两侧各宽约60m。(2)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。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。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。7辅助坑道结构设计图。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附属建筑物的结构设计图。较长隧道的施工图设计一般应包括如下内容： (1) 隧道平面图； (2) 隧道纵断面图； (3) 隧道进出口平面图； (4) 隧道进出口洞门设计图； (5) 隧道衬砌结构设计图(6) 隧道防排水设计图 (7) 辅助坑道结构设计图； (8) 运营通风系统的结构设计图； (9) 运营照明系统的设计图； (10) 监控与管理系统的结构设计图； (11) 附属建筑物的结构设计图。 在整个施工图设计文件中应有隧道设计说明书。对隧道概况、设计意图及原则、施工方法及注意事项等做概括说明。中小隧道的设计内容酌减。隧道展线：螺旋线隧道和套线隧道是常用的隧道形式洞身覆盖厚度：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。为保持山体稳定和避免冲刷偏压、隧道位置宜往山体内侧靠，一般要求隧道外侧最小覆盖厚度应满足规范。尽量内靠：河岸中存在冲刷现象或河道窄、水流急，冲刷力强的地段，要考虑河岸受冲刷对山体和洞身稳定的影响，隧道位置宜往山体内侧靠一些，最好设在稳定的岩层中。周围既有建筑对隧道稳定的影响：傍山隧道位置应考虑施工便道设置和既有公路的位置，应注意既有公路边坡年可能坍塌和便道施工对洞身稳定的影响。沿河线截弯取直作隧道：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；运营条件差，桥、隧、挡相连，工程复杂，施工干扰大；取直作长隧道，线路顺直。线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。如山嘴地段地形陡峻、地质复杂，河岸冲刷严重，以路堑或短隧道通过难以长期保证运营安全时，应尽可能用“裁弯取直”，以较长隧道方案通过。 第三章 隧道结构构造1洞身衬砌洞身支护结构：是指施作在隧道洞身，对开挖坑道进行支护和保护的结构护和保护的结构。 开挖坑道后，由于坑道所在范围内的岩体被挖掉被挖掉，这部分被开挖的岩体对周围岩体这部分被开挖的岩体对周围岩体的支撑作用被解除，周边岩体发生向洞内净空的收敛变形净空的收敛变形，此时除了稳定性特别好此时除了稳定性特别好的围岩，一般都应做支护。 支护结构类型：外部支护。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。内部支护对围岩进行加固以提高其稳定性，如锚杆支护，喷锚支护喷锚支护、压入浆液等压入浆液等混合支护。将外部支护将外部支护和内部支护结合使用的支护类型内部支护结合使用的支护类型，如如整体式衬砌 衬砌结构类型：衬砌结构形式，主要根据要根据地质地形条件，考虑结构受力的合理性、施工方法等因素来确定。整体式衬砌。整体式衬砌是传统衬砌结构型式，在新奥法（NATM）闻世前广泛应用于隧道工程中，目前在山岭隧道中还有不少工程事例。该方法不考虑围岩的承载作用，主要通过衬砌的结构刚度抵御地层的变形，承受围岩的压力。整体式衬砌采用就地整体模筑混凝土，其方法是在隧道内树立模板、拱架，然后浇灌混凝土而成（立模浇注养护拆模）。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；抗渗性好抗渗性好。缺点：需要养护时间；受力较慢；断层带和含粘土层岩中采用这种整体式混；凝土衬砌成本高凝土衬砌成本高，受到时间的制约。分类：按照结构特点：1直墙式衬砌。适用条件：竖向围岩压力大、水平围岩压力很小的情况下的情况；地质条件较好，一般适用于级围岩，有时也可用于 级围岩。衬砌由上部拱圈、两侧竖直边墙、下部铺底组成。对于道路隧道，直墙式衬砌结构的拱部可采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。三心圆拱指轴线由三段圆弧组成，其轴线形状比较平坦(r1 r2 )时称为坦三心圆拱，形状较尖 (r2 r1 )时称为尖三心圆拱，若r1r2r 时即为割圆拱。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些。整个结构是敞口的，不闭合，只是以混凝土作为平槽，称之为槽底。半衬砌：在地质条件极好，整体岩层坚固的情况下，几乎没有水平侧压力，没有地下水侵入，可以只设拱圈，称之为半衬砌。半衬砌使用不多。简化边墙：在侧向压力不大，地质条件好，不采用半衬砌时，可以简化边墙用连拱式边墙，边墙可以采用连拱或柱，称为连拱边墙或柱式边墙。2曲墙式衬砌。通常为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。当地基条件较差时，为防止衬砌沉陷，抵御底鼓压力。使衬砌形成环状封闭结构，可以设置仰拱。由顶部拱圈、侧面曲边墙、底部仰拱组成，适用于地质差、岩体松散破碎、强度不高，有地下水，侧向水平力大。装配式衬砌预制管片衬砌：按照衬砌的几何形状，将衬砌分为若干个部分在洞外或工厂成批预制好外或工厂成批预制好，再运到洞内运用机械拼装再运到洞内运用机械拼装。适用于：盾构隧道、掘进机隧道。优点：一经装配成环经装配成环，不需要养护时间即可以承受围岩压力；预制的构件可以在工厂成批生产、在洞内机械化拼装，改善了劳动条件；拼装时，不需要临时支撑如拱架、模板等，从而从而节省支撑材料和劳力；拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，降低造价 。 缺点：接缝多，整体性差，抗渗性差，构件尺寸要有高精度。应满足的条件：强度足够而且耐久；能立即承受荷载；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；构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力；有防水的设施。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合料和水汇合成浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成。施作步骤：开挖喷混凝土打入锚杆。不是用刚度强大的结构物抵抗围岩所给予的压力荷载，而是作为柔性衬砌，与围岩合为一体，共同作用，调动或者发挥围岩的自稳能力。喷射混凝土的拌和材料是：标号不低于32.5号的普通硅酸盐水泥和粒径不应大于16mm的坚硬耐久的卵石或碎石，以及不含土质或杂物的河砂，再加上少量的速凝剂。喷层的厚度一般最薄不应小于5cm,最厚应不大于25cm。在比较松散软弱的岩层中，可以加金属网或钢支撑，使之结合成一体，变为钢筋混凝土层，构成一种支护形式，简称喷锚支护。 锚杆：是一种插入到围岩岩体内的杆形构件，利用锚杆杆体或杆端锚头的膨胀作用，或利用灌浆粘结，把锚杆固定在岩体内，增加了岩体的紧密程度，补强了抗剪能力，起到了组合、悬吊及挤压加固的作用，提高了围岩的自稳能力。优点：充分发挥围岩的自承能力；有效利用洞内净空有效利用洞内净空；高作业安全性和作用效率；能适应软弱和膨胀性地层中的隧道开挖及用于整治坍方和隧道衬砌的裂损及用于整治坍方和隧道衬砌的裂损。采用锚喷衬砌后内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车中视觉感观。在高等级道路或城镇及附近的隧道，应根据需要考虑内装，以消除上述缺点外，也便于照明、通风的安装，提高洞内照明、防水、通风、视线诱导、减少噪音等的效果。锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式，是为了使开挖时外轮廓线圆顺，尽可能减少围岩中的应力集中，减小围岩内缘的拉应力，尽可能消除围岩对支护的集中荷载，使支护只承受较均匀的形变压力，使喷层支护都处在受压状态而不产弯矩。锚喷衬砌外轮廓线除考虑锚喷变形量外宜再预留10cm。其理由是：锚喷支护作为永久衬砌目前在设计和施工都经验不足，需要完善的地方还很多，尤其是公路部门，这样的施工实例还不多；锚喷支护作为柔性支护结构，厚度较薄，变形量较大，预留变形量能保证以后有可能进行补强和达到应有的补强厚度而留有余地；另外，还估计到如锚喷衬砌改变为复合衬砌时，能保证复合衬砌的二次衬砌最小厚度20cm。 不适用情况：在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段不宜采用锚喷衬砌作为永久衬砌。大面积涌水地段，喷射混凝土很难成型且即使成型，其强度及与围岩的粘结力无法保证；锚杆与围岩的粘结，锚杆的锚固力也极难保证固力也极难保证，难于发挥锚喷支护所应有的作用难于发挥锚喷支护所应有的作用。膨胀性围岩和不良地质围岩，如粘土质胶结的砂岩、粉砂岩、泥砂岩、泥岩等软岩，开挖后极易风化、潮解，遇水泥化、软化、膨胀，造成大的围岩压力，稳定性极差，甚至流坍堆积层、破碎带等不良地质，往往有水，施工时缺乏足够的自稳能力和一定的稳定时间。这样，锚杆无法同膨胀性围岩和有水堆积层、破碎带形成可靠的粘结，喷射混凝土与围岩面也很难形成良好的粘贴。因此，锚喷支护就难于阻止围岩的迅速变形和通过锚喷支护形成可靠、稳定的承载圈。不宜采用锚喷支护作为永久衬砌的情况还包括：对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌内轮廓很整齐要求衬砌内轮廓很整齐、平整；辅助坑道或其它隧道与主隧道的连接处及附近地段；有很高的防水要求的隧道；还有围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者等沉落或拆除者等；地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀料的腐蚀；寒冷和严寒地区有冻害的地方等。 类型：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、钢架喷射混凝土联合支护。以上介绍的几种衬砌类型都是单层衬砌，如果衬砌不只如果衬砌不只一层层，则是复合式衬砌。复合式衬砌新奥法：衬砌结构不止一层，而是两层、三层或更多的层，在不同的时间上先后施作的。目前大多使用外衬和内衬两层。基本组成：外衬、防水层、内衬。外衬 （亦称初次衬砌）：使用能达到早强的喷射混凝土和锚杆，使柔性的外衬既能容许围岩有所变形，而又约束它不让它变形发展太大太快。内衬（亦称二次衬砌） 内衬可以用喷射混凝土层柔性结构，也可以用较厚的模筑混凝土。防水层 内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材，或用喷涂乳化沥青等防水剂。初期支护是限制围岩在施工期间的变形，达到围岩的暂时稳定；二次支护则是提供结构的安全储备或承受后期围岩压力。 优点：极限承载能力比同等厚度的单层混凝土衬砌提高20-30%，如能调整好内衬的制作时如能调整好内衬的制作时间，还可以既改善结构的受力条件。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，采用防水层，防水效果好。缺点：造价高，施工复杂，复合式衬砌遇到下列情况时，应慎重对待，必要时应辅以相应的加固措施：拱顶以上覆盖厚度小于隧道直径时；有明显偏压力时；在无自稳能力的未胶结砂砾石地层中时在无自稳能力的未胶结砂砾石地层中时；在大膨胀性的地层中时；在大涌水的地层中时；在严重冻害的地区中时。复合衬砌的设计，目前以工程类比为主，理论验算为辅，结合施工，通过测量、监控取得数据，不断修改和完善设计。复合衬砌设计和施工密切相关，应通过量测及时支护，并掌握好围岩和支护的形变和应力状态，以便最大限度发挥由围岩和支护组成的承载结构的自承能力。通过量测，掌握好断面的闭合时间；保证施工期安全。确定恰当的支护标淮和合适的二次衬砌时间，达到作用在承载结构上的形变压力最小，且又十分安全和稳定。在确定开挖尺寸时，应预留必要的初期支护变形量，以保以保证初期支护稳定后二次衬砌的必要厚度。当围岩呈“塑性”时，变形量是比较大的。由于预先设定的变形量与初期支护稳定后的实际变形量往往有差距，故应经常量测校正，使延续各衬砌段预留变形量更符合围岩及支护变形实际。两层衬砌之间宜采用缓冲两层、隔离的防水夹层，其目的是，当第一层产生形变压力较大时仍给予极少量形变的可能，可降低形变压力。而当一次衬砌支护力不够时，可将少量形变压力均匀传布到二次衬砌上，并依靠二次衬砌进一步制止继续变形，且不使一次衬砌出现裂缝时，二次衬砌也出现裂缝。由于二层衬砌之间有了隔离层（即防水夹层），则防水效果良好，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。连拱式衬砌：将两隧道之间的岩体用混凝土取代或者说将两隧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。中墙最关键。优点：引线占地面积少，尤其应用于城市中时，可大大减少拆迁可大大减少拆迁，降低降低工程费用程费用，便于公路桥隧和铁路站隧相连，可保持路线线性流畅可保持路线线性流畅，且断面造型美观且断面造型美观，便于营运管理便于营运管理。缺点 ：对中墙的要求高；造价相对独立双洞高；开挖需顾及对邻洞的影响，工程进度较慢，适用于洞口线路衔接困难、长度不超过500m的短隧道。 洞门 洞门的概念及其作用：洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构。稳定边坡；减少洞口土石方开挖量；装饰洞口；引离地表流水引离地表流水。洞门的形式 ：端墙式洞门翼墙式洞门环框式洞门台阶式洞门削竹式洞门遮光棚式洞门端墙式洞门一字式 适于地形开阔，岩质基本稳定岩质基本稳定II-III级围岩 结构特点：能抵抗山体纵向推力。端墙的作用 支护洞口仰坡，保持其稳定；并将仰坡水流汇集排出。构造要求 端墙高度应使洞身衬砌上方尚有1m以上回填层；洞顶水沟深度应不小于0.4m；应设置挡碴防护墙，高度从仰坡坡脚算起应不小于0.5m，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，一般应在一般应在0.61.0m左右；墙厚按挡土墙计算 ，宽度与路堑横断面相适应。一般采用等厚的直墙。墙身微向后倾斜，斜度约为1：0.1。翼墙式洞门八字式 适用于山体的纵向推力较大，洞口地质较差的IV级及以上的围岩。构造特点：在端墙式洞门以外，增加单侧或双侧的翼墙。作用：翼墙与端墙的共同作用，以抵抗山体纵向推力，增加洞门的抗滑动和抗倾覆的能力。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： 0.1。翼墙前面与端墙垂直，顶面斜度与仰坡坡度一致。顶面上一般均设置排水沟，将端墙背面排水沟汇集的地表水排至路堑边沟内。柱式洞门适用于地形较陡、地质条件较差，仰坡有下滑的可能性、而同时受到地形或地质条件限制，不能设置翼墙构造特点：可以在端墙中部设置两个或4个断面较大的柱墩，以增加端墙的稳定性环框式洞门 适用于：洞口石质坚硬而稳定的I级围岩，地形陡峭而又无排水要求。作用：加固洞口、减少雨后洞口滴水、简单的装饰。是一种不承载的简单洞口。环框微向后倾，其倾斜度与顶上的仰坡一致，宽度与洞口外观相匹配，一般不小于70cm削竹式洞门 在公路隧道中被普遍使用，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；地形相对比较对称和不太陡峭。特点：洞口边仰坡开挖量少、减少对植被的破坏和有利于环境保护。适用各种围岩类别。台阶式洞门 适用于：洞门处于傍山侧坡地区，洞门一侧边坡较高时。作用：减小仰坡高度及外露坡长，减少仰坡土石开挖量，美化环境。构造特点：可以将端墙一侧顶部改为逐步升级的台阶形式。斜交洞门 适用于：线路方向与地形等高线斜交。特点：将洞门做成与地形等高线一致，使洞门左右可以仍保持近似对称。 但衬砌洞门段和洞门相对于线路呈斜交形式，斜洞门与线路中线的交角不应小于45度 一般斜洞门与衬砌斜口段是整体砌筑的。由于斜洞门及衬砌斜口段的受力情况复杂，施工不方便，所以只有在十分必要时才采用。突出式洞门 铁路隧道为了减缓高速列车的空气动力学效应，在单线隧道洞一般设喇叭口洞口缓冲段，同时兼做隧道洞口。公路隧道采用较多，主要是为了减少洞口工程量和装饰洞口。对于山体本身的破坏是较小的，对于自然环境的保护是有利的。遮光棚式洞门 遮光构造物有开放式和封闭式，形状上又有喇叭式与棚式之分景观洞门 作用：装饰洞口，美化环境，多在城市近郊或重大工程中，和环境融为一体弧形洞门将端墙、翼墙合二为一，稳定山体，阻挡落石，防止流水洞门的构造要求 仰坡坡脚至洞门端墙顶帽背的水平距离，一般不小于1.5m。洞门端墙顶宜高出仰坡坡脚不小于坡坡脚不小于0.5m。洞门端墙与仰坡之间、水沟沟底至衬砌拱顶外缘的高度，一般不小于1m。洞门端墙、翼墙和挡土墙截面厚度应满足规范要求。洞门端墙、翼墙和挡土墙应根据情况设置伸缩缝和沉降缝。洞门翼墙和挡土墙身应设置泄水孔。洞门基础：门端墙、翼墙、挡土墙基础必须置于稳固地基上；在松软地基上设置基础 ，当地基承载力不足时，可结合具体条件采取换填、扩大基础、换土、桩基、地基加固等措施。基础埋置深度：洞门端墙、翼墙、挡土墙基础应埋入路基面以下一定深度。土质地基埋置深度不应小于1米。且应符合基底应力的要求。洞门端墙嵌入路堑边坡的深度根据坡度不 同取值3050厘米。在洞门端墙厚度范围内的洞口衬砌基础埋置深度，应与端墙基基础相同。洞门施工要求：洞门宜尽早修建，并尽可能避免在雨季施工；当洞口边、仰坡土石有剥落可能时，坡面应清理并予以防护；洞门端墙厚度范围内的结构，应与洞口环节衬砌采用同一材料整体灌筑。翼墙和洞口挡土墙应与端墙同时砌筑当翼墙需分段修建时，其墙身应留施工缝，并应检算施工状态稳定性。洞门端墙,翼墙,挡土墙墙身砌出地面后,基坑必须及时回填夯实，顶面作成不小于4%的排水坡明洞明洞及其适用条件：明洞是隧道的一种变化形式，明挖法修筑、明洞特点：在露天的路堑地面上在露天的路堑地面上 ，或在敞口的基坑内，先修筑结构物然后再回填覆盖土；地面建筑、地面建筑；费用要比暗挖的隧道高费用要比暗挖的隧道高。适用条件： 隧道的进出口；地质条件差且覆盖层薄地质条件差且覆盖层薄，暗挖法难进洞暗挖法难进洞；洞口路堑边坡有落石而危及行车安全时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。类型：拱式明洞：路堑式（路堑对称式、路堑偏压式）半路堑式半路堑式（半路堑偏压斜墙式、半路堑单压耳墙式）棚式明洞：盖板式悬臂式拱式明洞 由拱圈、边墙和铺底组成；内轮廓线与隧道也一致； 结构的截面尺寸要结构的截面尺寸要略大略大一些。 内外墙身采用混凝土结构，拱顶采用钢筋混凝土结构；必要时加设仰拱； 拱形明洞整体性好，能承受较大的垂直压力和侧压力。 隧道进出口两端的接长明洞；路堑边坡不稳定地段修建的独立明洞等。路堑式拱形明洞 位于两侧都有高边坡的路堑中。 分为对称式和偏压式。适用于 洞顶地面平缓，路堑两侧地质条件基本相同；原山坡有少量坍塌、落石； 隧道洞口岩层破碎，洞顶覆盖较薄，难以暗挖法修建隧道的地段；两侧山坡高差较大的路堑； 高侧边坡有坍塌，落石或泥石流；低侧边坡明洞墙顶以下部分为挖方，且能满足外侧边墙嵌入基岩要求的地段。半路堑式拱形明洞 适用于：傍山隧道的洞口或傍山线路上，一侧边坡陡立且有坍方、落实的可能；隧道通过不良地质段需要提前进洞。结构特点： 内轮廓与隧道一致，左右对称； 外墙相对加大；基础在稳固的基岩上；拱圈可是变截面偏压斜墙式 适用于：地下倾斜，一侧处路堑有较宽敞的地面供回填石的地面供回填石，单压耳墙式用于靠山侧边坡或原山坡有坍塌原山坡有坍塌、落石等情况，外侧地形陡峻无法填土地段。结构特点：在结构的外墙顶上，接高一段挡墙，可以用钢筋混凝土做拱圈，外边墙体积大，可以用混凝土或石料棚式明洞 用于当山坡坍方，落石的数量少，山体侧压力不大，因受地质、地形条件的限制，外侧没有足够的场地设置外墙及基础，难以修建拱形明洞时。 棚式明洞的类型主要取决于外侧边墙的结构形式。通常有墙式、钢架式，柱式和悬柱式和悬臂式等棚式明洞墙式明洞 内墙、外墙、钢筋混凝土盖板组成钢架式明洞 地形狭窄，山坡较陡，基岩埋置较深而上部地基稳定性较差时。采用钢架式外墙，外墙结构为连续框架；因此对地基承载力要求较高柱式明洞 外墙为独立柱和纵梁方式，结构简单 ，预制吊装方便，但整体性较差悬臂式明洞 当山坡较陡，坡面有少量落石，且外侧地基不良或不宜设基础时，为了保持棚洞的稳定，要求悬臂必须深要求悬臂必须深入稳定的基岩内。抗震性能差，施工要求较高。明洞建材：拱圈应采用钢筋混凝土，内边墙视情况而定，可以是钢筋混凝土，或者是素混凝土。当外边墙有足够的地方时，可以用石料建成厚墙体，以节约混凝土明洞边墙基础必须置于稳固的地基上当基础位于软弱地基上时，基础可采用仰拱 ，整体式钢筋混凝土底板整体式钢筋混凝土底板等结等结构，或者采用桩基、扩大基础、基加深和地基加固处理等措施。外墙基础趾部，应有应有一定的嵌入深度 明洞基础应遵守隧道衬砌基础的有关规定明洞填土 在拆除外模后应立即做好防水层及纵向盲沟向盲沟，保保