隧道构造设计及结构设计

隧道工程,隧道平面设计,隧道纵断面设计,曲线上隧道缺点,曲线隧道设计要点,坡道形式坡度大小坡段长度坡段间的衔接,公路隧道平面线形设计要点,公路隧道纵断面线形,公路隧道引线的平、纵断面线形,设计要素,前情回顾,问题,1.公路隧道长度怎么确定？,2.曲线隧道有何缺点？,3.曲线两端设缓曲，缓曲设洞外，缓直点(或直缓点)应A.设在洞口B.距洞口一定距离,4.必须设两条曲线时，其间应有足够长的夹直线，一般是车辆长度几倍以上？A.2B.3C.4,铁路3排水要求,5.隧道最大限制坡度是怎么规定的？,公路不大于3%，不小于0.3%,隧道构造设计,1衬砌形式及适用条件,2隧道衬砌的一般构造要求,4隧道洞身支护结构构造,5明洞的构造,6隧道洞门结构构造,7隧道附属建筑物,8隧道内部装饰,9隧道噪声的降低,3隧道衬砌横断面设计,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,请观察隧道组成,隧道结构构造,主体构造物,附属构造物,洞身衬砌,洞门构造物,洞身衬砌平、纵、横断面形状由隧道几何设计确定,衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定,明洞,通风,照明,排水、消防、通讯等,隧道构造设计,本节两个问题,地层、毛洞与衬砌,衬砌形式,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,1.整体式模筑混凝土衬砌,2.装配式衬砌,3.锚喷支护,4.复合式衬砌,开挖,衬砌,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,一、地层、毛洞与衬砌,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,一、地层、毛洞与衬砌,防水层,开挖地层平衡破坏变形坍塌衬砌-支护围岩的结构,支护方式,外部支护从围岩外部,内部支护对围岩内加固,混合支护,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,一、地层、毛洞与衬砌,*隧道的关键就是支护结构与围岩相互作用！,二、衬砌形式Lining,1.整体式模筑混凝土衬砌,就地灌筑混凝土衬砌,工艺：立模浇灌养生拆模,模板：木模、钢模、模板台车,特点：适应性强、易于按需成形、整体性好、抗渗性强,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,模板台车,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,模板台车,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,模板台车安装,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,模板台车安装,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,模板台车进洞,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,模板台车安装,二、衬砌形式,2.装配式衬砌,衬砌分成块预制运输拼装成环,特点：受力快、便于机械化施工、改善劳动,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,用于：盾构法隧道,浇筑,养生、存储,管片Segment,二、衬砌形式,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,成环试验,隧道内运输,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,管片拼装录像,管片拼装,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,管片拼装录像,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,管片拼装成型,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,管片局部接缝,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,管片衬砌洞口,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,管片衬砌设计及分块,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,隧道管片衬砌设计,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,管片衬砌设计,二、衬砌形式,3.锚喷支护,拌浆喷射凝结锚杆挂网,特点：围岩密贴、支护及时、柔性好、控制围岩变形,适用性：适用各种围岩地质条件，若作为永久衬砌，一般考虑在、级等围岩良好、完整、稳定的地段中采用。,类型,喷砼锚杆挂网联合,锚杆支护,喷射砼支护,喷钢纤维砼支护,喷砼挂网联合支护,加型钢或钢格栅支撑,锚杆,混凝土,钢筋网,型钢,钢纤维砼,钢格栅,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,不宜采用喷锚支护作为永久支护的情况：,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,二、衬砌形式,对衬砌有特殊要求的隧道或者地段，如洞口,辅助坑道或其他隧道与主隧道的连接处及附近地段；,有很高防水要求的隧道；,围岩及覆盖层太薄，且其上已有建筑，不能沉落或者拆除的地段；,地下水有侵蚀性，可能对喷射混凝土和锚杆材料造成腐蚀的地段；,最冷月平均气温低于-5地区的冻害地段。,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,典型喷锚支护设计,毛洞,喷砼,挂网,支撑,打锚杆,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,典型喷锚支护设计,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,钢格栅支撑,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,钢格栅支撑,二、衬砌形式,4.复合式衬砌,衬砌分两层或三层以上,常为外衬和内衬：“双层衬砌”,类型,喷锚支护与整体式模筑砼衬砌,喷锚支护与喷射砼衬砌,可缩性钢拱架、喷射砼与模筑砼衬砌,装配式衬砌与模筑砼,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,常用形式,二、衬砌形式,4.复合式衬砌,组成：,洞壁喷射早强砼,柔性支护结构,初期支护临时支护厚度520cm,优点,防水层,模筑砼衬砌,刚性的支护二次衬砌永久支护厚度2060cm,隧道构造设计-1衬砌形式级适用条件,防水功能,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,复合式衬砌,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,复合式衬砌,隧道构造设计-1衬砌形式及适用条件,防水板铺设,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,本节问题,隧道衬砌的建筑材料及要求,铁路隧道净空及要求,公路隧道净空,隧道衬砌的其他构造要求,一、隧道衬砌的建筑材料及要求,1.混凝土与钢筋混凝土,表现形式,喷射砼,现浇、模筑砼,优缺点,预制、装配砼,砼添加剂,要求,不低于C15，特殊情况提高,洞门不低于C20,常用C30、C35、C40、C50,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,整体性抗渗性好、便于预制与施工不能立即承载、较多的拱架和模板、化学稳定性差,2.片石混凝土,地层较好的边墙衬砌,起拱线以上1m以外部位的超挖回填,用处,要求,石料不低于MU40,石料完整坚硬,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,一、隧道衬砌的建筑材料及要求,3.石料和混凝土预制块,洞门挡墙、挡土墙,路缘石、人行道盖板,用处,要求,石料不低于MU60、砌筑砂浆不低于M10,石料完整不易风化,预制混凝土块不低于MU20,4.喷射混凝土,用处,特点,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,一、隧道衬砌的建筑材料及要求,4.喷射混凝土,要求,采用C20,粗集料:不得使用碱活性骨料、粒径不大于16mm；喷射钢纤维砼不大于10mm,水泥的要求,细集料:中砂或粗砂细度模数宜大于2.5含水率5-7,钢筋网:Q235、d=6-12mm,钢纤维:普通碳素钢、d等效=0.3-0.5mm长度20-25mm,长度/直径40-60抗拉强度不低于380MPa不油污不锈蚀,钢纤维掺量:1%-3%,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,一、隧道衬砌的建筑材料及要求,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,钢纤维,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,一、隧道衬砌的建筑材料及要求,5.锚杆,材料,锚杆种类很多，查阅专门资料,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,一、隧道衬砌的建筑材料及要求,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,(1)木锚杆。我国使用的木锚杆有两种，即普通木锚杆和压缩木锚杆。(2)钢筋或钢丝绳砂浆锚杆。以水泥砂桨作为锚杆与围岩的粘结剂。(3)倒楔式金属锚杆。这种锚杆曾经是使用最为广泛的锚杆形式之一。由于它加工简单，安装方便，具有一定的锚固力，因此这种锚杆在一定范围内至今还在使用。(4)管缝式锚杆。是一种全长摩擦锚固式锚杆。这种锚杆具有安装简单、锚固可靠、初锚力大、长时锚固力随围岩移动而增长等特点。(5)树脂锚杆。用树脂作为锚杆的粘结剂，成本较高。(6)快硬膨胀水泥锚杆。采用普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥加入外加剂而成，具有速凝、早强、减水、膨胀等特点。(7)双快水泥锚杆。是由成品早强水泥和双快水泥按一定比例混合而成的。具有快硬快凝、早强的特点。,一、隧道衬砌的建筑材料及要求,5.锚杆的种类(扩展),钻孔,安装锚杆,连接注浆机,注浆,中空注浆式锚杆,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,6.装配式材料,材料,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,一、隧道衬砌的建筑材料及要求,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,隧道横断面轮廓尺寸应设计成多大，使车辆能安全经济地通过隧道？,问题：,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,观察隧道空间与其容纳物的关系,1.直线隧道净空,净空概念,隧道衬砌内轮廓线所包围的空间,机车车辆限界,基本建筑限界,隧道建筑限界,限界,建筑限界建筑物不得侵入的一种限界,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,一种规定的轮廓线，保证列车安全运行,请观察隧道空间,1.直线隧道净空,机车车辆限界,机车车辆最外轮廓线的限界尺寸,基本建筑限界,线路上各种建筑物和设备不得侵入的轮廓线,目的：所有在线路行使车辆，沿车体所有部分都在此限界范围内,目的：保证机车车辆（包括超限车辆、最大级超限货物装载限界）安全运行及建筑物和设备不受损害,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,1.直线隧道净空,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,隧道建筑限界,包围“基本建筑限界”外部的轮廓线,目的：用于安装通讯、照明、通风、电力等设备,按照GB146.2-83,1蒸汽及内燃牵引,2电力牵引,标准化,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,机车,基本建筑限界,最大级超限货物装载限界,隧限-1A,隧限-1B,蒸汽及内燃牵引,隧限-2A,隧限-2B,电力牵引,1.直线隧道净空,比“隧道建筑限界”大一些。,考虑不同围岩压力下，衬砌结构的合理受力形状,考虑施工方便,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,由隧道内轮廓线决定！,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓(隧道净空),双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓(隧道净空),隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,机车车辆限界,基本建筑限界,隧道建筑限界,隧道净空,机车车辆最外轮廓线的限界尺寸,线路上各种建筑物和设备不得侵入的轮廓线,包围“基本建筑限界”外部的轮廓线,比“隧道建筑限界”大一些,保证机车车辆的安全运行及建筑物和设备不受损害（包括超限车辆、最大级超限货物装载限界）,机车车辆尺寸,用于安装通讯、照明、通风、电力等设备施工误差、测量误差、线路敷设误差、车辆摇摆,考虑不同围岩压力下，衬砌结构的合理受力形状施工方便,2.曲线隧道净空加宽,加宽原因,(a)车辆通过曲线，转向架中心点沿线路运行，车身保持矩形形状。故其两端向曲线外侧偏移（d外），中间向曲线内侧偏移（d内1）。,(b)曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动一个距离（d内2）。,d内1车辆中间部分向曲线内侧的偏移,d外车辆两端向曲线外侧的偏移,d内2外轨超高使车体向曲线内侧倾移,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,车辆通过曲线的平面图,d内1车辆中间部分向曲线内侧的偏移,d外车辆两端向曲线外侧的偏移,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,车辆通过曲线的横断面图,d内2外轨超高使车体向曲线内侧倾移,2.曲线隧道净空加宽,加宽值的计算,(1)单线曲线隧道加宽值的计算,d内1车辆中间部分向曲线内侧的偏移,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,d外车辆两端向曲线外侧的偏移,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,2.曲线隧道净空加宽,(1)单线曲线隧道加宽值的计算,d内2外轨超高使车体向曲线内侧倾移,H隧道限界控制点自轨面起的高度,E曲线外轨超高值最大值不超过15,v铁路远期行车速度，km/h,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,2.曲线隧道净空加宽,(1)单线曲线隧道加宽值的计算,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,外侧加宽,内侧加宽,总加宽,二、铁路隧道净空及要求,2.曲线隧道净空加宽,(1)单线曲线隧道加宽值的计算,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,(2)双线曲线隧道加宽值的计算,外侧加宽W2,内侧加宽W1,总加宽W:,同单线,内、外侧线路中线间的加宽值W3,外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超高,其他情况,二、铁路隧道净空及要求,2.曲线隧道净空加宽,H=360cm,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,双线曲线隧道加宽值,(3)曲线隧道中线与线路中线偏移距离d,原因：内外侧加宽值不同，内侧加宽外侧加宽，隧道中线向曲线内侧偏移。,单线曲线隧道,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,2.曲线隧道净空加宽,二、铁路隧道净空及要求,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,(3)曲线隧道中线与线路中线偏移距离d,内侧线路中线与隧道中线的距离,双线曲线隧道,外侧线路中线与隧道中线的距离,2.曲线隧道净空加宽,(4)曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接,铁路隧道设计规范规定：,从圆曲线到缓和曲线中点，并向直线方向延伸13m,圆曲线段,缓和曲线段,按上述计算方法计算加宽,采用圆曲线加宽断面，加宽W,其余缓和段，从直缓分界点向直线方向延伸22m,采用缓和曲线中点加宽断面，加宽值取圆曲线加宽值一半，按W/2,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,2.曲线隧道净空加宽,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,二、铁路隧道净空及要求,曲线隧道与直线隧道的衬砌衔接,(1)从圆曲线到缓和曲线中点，并向直线方向延伸13m采用圆曲线加宽断面，加宽W,(2)其余缓和段，从直缓分界点向直线方向延伸22m采用缓和曲线中点加宽断面，加宽值取圆曲线加宽值一半，按W/2,1.公路隧道净空概念,公路隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间，包括通风、照明、消防、通讯等设备所占的空间。,为保证隧道内各种交通工具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限界。不得有任何部件侵入。,2.公路隧道建筑限界,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,3.公路隧道建筑限界组成,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,公路隧道建筑限界图(尺寸单位：m),隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,执行公路工程技术标准,W行车道宽度,S行车道两侧路缘带宽度,C余宽,按计算行车速度,H净高一条公路应用一个净高,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,3.公路隧道建筑限界组成,L侧向宽度,E建筑限界顶角宽度,L1左侧硬路肩宽度,L2右侧硬路肩或应急停车带宽度,J检修道（一侧）宽度,高速公路和一级公路应设，一般为0.75m,R人行道宽度(一般公路),隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,3.公路隧道建筑限界组成,据行人密度、隧道长度、交通量及交通安全等确定设置与否,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,紧急停车带,组成部分用途,路缘带、余宽或人行道减少恐惧、安全运行,检修道检修工具车,车行道净高汽车载货限高和富裕量,紧急停车带长隧道和特长隧道救援、抢修疏散,宽高排水、通风、照明、防火、监控、运营等,宽高围岩压力影响、施工等必要的富裕量,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,4.标准的公路隧道限界,3.公路隧道建筑限界组成,根据常用的车道及个功能尺寸将公路隧道限界进行标准化,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,5.公路隧道内轮廓设计,应包括隧道建筑限界，还应满足路面、照明、排水、消防、监控、运营管理、装饰等设施所需的空间。考虑围岩变形、施工方法等影响的预留富裕量。安全、经济、合理。,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,2车道隧道标准内轮廓断面,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,2车道隧道标准内轮廓断面,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,3车道隧道标准内轮廓断面,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,3车道隧道标准内轮廓断面,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,车速不同，内轮廓尺寸也不同(2车道,60km/h),隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,车速不同，内轮廓尺寸也不同(2车道,60km/h),隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,车速不同，内轮廓尺寸也不同(2车道,80km/h),隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,车速不同，内轮廓尺寸也不同(2车道,80km/h),隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,3车道隧道圆形断面,三、公路隧道净空,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,武汉长江隧道,2车道隧道圆形断面,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,上海翔殷路隧道,三、公路隧道净空,2车道隧道圆形断面,三、公路隧道净空,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,日本东京湾海底隧道,2车道隧道圆形断面,三、公路隧道净空,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,丹麦斯特贝尔海峡隧道,铁路隧道圆形断面,青黄海底隧道,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,三、公路隧道净空,3车道隧道内轮廓标准断面,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,南京长江隧道,三、公路隧道净空,3车道隧道圆形断面,隧道洞口段加强衬砌长度,围岩较差段衬砌应向围岩较好地段延伸510m,偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段内5m以上,不设仰拱的隧道应做底板厚度,对衬砌有不良影响的硬软地层分界处，应设置变形缝,运营通风洞、联络通道等与主隧道连接处衬砌设计应加强处理,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,四、隧道衬砌的其他构造要求,隧道构造设计-2隧道衬砌的一般构造要求,四、隧道衬砌的其他构造要求,加强处理,本节问题,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,隧道衬砌横断面设计的基本内容与方法,铁路隧道衬砌横断面设计,公路隧道衬砌横断面设计,隧道衬砌的厚度,隧道横断面形式,1.隧道衬砌结构及横断面设计概况,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,设计断面,毛洞开挖,衬砌结构,结构计算,结构施工,隧道净空,行车及功能要求,隧道限界,2.隧道衬砌断面形式,钻爆法,交通隧道,盾构及TBM,沉管法,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,隧道衬砌横断面的一般选择,隧道衬砌承受径向分布的压力，采用圆形承受竖向压力为主，水平压力小，上部采用圆形或尖拱，下部直墙式承受竖向压力和水平压力，上部采用圆形或平拱，下部曲墙式，必要设仰拱,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,山岭隧道多采用三心圆或单心圆弧断面，较少采用四心圆或五心圆暗挖法公路隧道多采用三心圆，包括山岭隧道、城市隧道、水底隧道盾构和TBM隧道基本为单圆形断面沉管隧道为矩形断面,围岩压力与衬砌形状的关系,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,竖直压力,水平压力,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,3.隧道衬砌横断面设计的基本内容与方法,(1)设计基本内容,(2)设计步骤,衬砌内轮廓线结构轴线各截面厚度,确定隧道类型相应建筑限界根据围岩初步拟定截面厚度断面优化、强度检算评价内轮廓线,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,拟定结构截面形状及其尺寸(经验类比),内力分析,满足要求,确定尺寸,是,否,(3)设计注意事项,隧道内轮廓必须符合隧道建筑净空限界。内轮廓线应尽量减小洞室的体积。结构轴线应尽可能地符合压力线。施工方法能确保断面形状及尺寸有利于隧道的稳定。,(4)设计目的,满足限界要求满足受力要求圬工最省,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,3.隧道衬砌横断面设计的基本内容与方法,结构轴线,压力线,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,3.隧道衬砌横断面设计的基本内容与方法,4.衬砌断面厚度,各截面厚度随工程及水文地质条件不同而变化,单线铁路隧道衬砌拱顶截面厚度3060cm双线铁路隧道拱顶截面厚度4080cm仰拱厚度一般稍小于拱顶厚度衬砌可等厚，也可将拱脚和边墙较拱顶加厚20%-50%,经验:,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,5.铁路隧道衬砌断面设计,（1）内轮廓线,（2）外轮廓线,外轮廓线=内轮廓线+衬砌厚度,我国铁路隧道的建筑限界是统一固定的。在相同的围岩级别时，衬砌横断面形状和尺寸也是固定的。有通用的设计标准图，不需专门的设计。在有较大偏压、冻胀力、倾斜的滑动推力或大量塌方及七度以上地震等，应根据荷载特点进行个别设计。,5.铁路隧道衬砌断面设计,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,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,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,先给定b、f、1及a值后，再解出r1、r2及2。曲线地段需要加宽时，保持r2及2不变，1仍取45，b值根据加宽要求也是已知，故未知参数f、a、r1仍可求解。,衬砌断面几何关系有：,上式含b、f、1、a、r1、r2、2共7个参数,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,(1）衬砌内轮廓线(标准化)（2）衬砌外轮廓线(可变化)（3）衬砌截面厚度(可变化)结论（1）内轮廓线与厚度影响结构轴线；（2）外轮廓线决定是否变截面衬砌，亦影响结构轴线。,总结及思考,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,6.公路隧道衬砌断面设计,目前公路隧道以单心圆、坦三心圆两种断面应用最为普遍。公路隧道与铁路隧道的主要区别：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不定。公路隧道的附属设施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。,*基本原理：在公路隧道建筑限界各角点到隧道内轮廓线的距离满足最小值(行车安全)的前提下，使得内轮廓线包围的面积(开挖面积)最小.,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,（1）单心圆断面设计,单心圆衬砌内轮廓线,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,这些参数不独立！,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,独立变量,根据经验，对一般的限界d7为重要控制量(d7满足后，其它控制点的富裕量易满足),开挖面积(路面以上),隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,约束条件,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,约束条件,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,坦三心圆内轮廓线,（2）坦三心圆断面设计,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,独立变量,基本几何方程,约束条件,其余参数约束条件见限界要求参数求解需假定A1及A2，其余同单心圆优化。,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,与铁路隧道的异同点：内轮廓非标准化通风、照明等附属设施多设计特点：断面设计优化的必要性规范推荐断面形式(有标准化的趋势),6.公路隧道衬砌断面设计,除偏压比较明显的地段外，公路隧道衬砌结构大多采用等截面的形状。在确定了衬砌断面内轮廓线后，只要选定号节目厚度，设计外轮廓线和结果轴线即可确定。,衬砌外轮廓线和轴线,复习与回顾,铁路隧道净空及要求,公路隧道净空,隧道衬砌横断面设计的基本内容与方法,铁路隧道衬砌横断面设计,公路隧道衬砌横断面设计,隧道衬砌的厚度,隧道横断面形式,隧道内轮廓必须符合隧道建筑净空限界。内轮廓线应尽量减小洞室的体积。结构轴线应尽可能地符合压力线。施工方法能确保断面形状及尺寸有利于隧道稳定,满足限界要求满足受力要求圬工最省,隧道构造设计,1衬砌形式及适用条件,2隧道衬砌的一般构造要求,4隧道洞身支护结构构造,5明洞的构造,6隧道洞门结构构造,7隧道附属建筑物,8隧道内部装饰,9隧道噪声的降低,3隧道衬砌横断面设计,隧道结构构造,主体构造物,附属构造物,洞身衬砌,洞门构造物,洞身衬砌洞身衬砌的平、纵、横断面的形状由隧道的几何设计确定,衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定,明洞,通风,照明,排水、消防、通讯等,隧道构造设计,本节问题,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,整体式混凝土衬砌,装配式混凝土衬砌,锚喷支护,复合式衬砌,支护结构类型,支护结构的基本要求,衬砌结构的一般规定,一、支护结构的基本要求,保证隧道断面使用净空，防止岩体质量恶化承受荷载，使隧道支护体系有足够安全度,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,支护结构的基本作用:,支护结构应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工可能性,与周围岩体大面积地牢固接触，即保证支护一围岩作为一个统一的支护体系而共同工作。要允许围岩及支护结构产生有限制的变形，以充分发挥围岩自承载作用而减少支护结构受力，但又必须保证支护结构及时施作。,理想支护结构基本要求:,二、衬砌结构的一般规定,足够强度和耐久性，在某些环境中，还必须具有抗冻、抗渗和抗侵害性。,衬砌结构伸缩缝、沉降缝:,一般不设伸缩缝，但严寒地区整体式衬砌、锚喷衬砌或复合式衬砌应在洞口和易受冻害地段设置伸缩缝。在对隧道衬砌有不良影响的软硬地层分界处应设置沉降缝,衬砌结构材料:,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,三、支护结构类型,外部支护,整体式混凝土衬砌砌石衬砌拼装式衬砌喷射混凝土支护,内部支护,混合支护,锚杆注浆,喷锚支护复合式衬砌,四、整体式混凝土衬砌,工艺流程:,优点:,缺点:,立模灌筑养生拆模,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,分类,主要与水平围岩压力有关！,四、整体式混凝土衬砌,适用条件:,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。,地质条件较好的、级(、类)围岩,1.直墙拱形衬砌,组成部分,拱圈等厚,三心圆,素混凝土,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,排水沟,侧压力很小,四、整体式混凝土衬砌,1.直墙拱形衬砌,(1)半衬砌不设边墙,适用条件:,应把两侧岩壁表面喷浆敷面,侧壁喷浆,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,四、整体式混凝土衬砌,1.直墙拱形衬砌,(2)大拱脚薄边墙,适用条件:,侧壁喷浆或模筑薄混凝土,使拱脚稳固的直接支承在两侧围岩上，以改善拱圈的受力条件，减少边墙的开挖及衬砌圬工数量，降低造价。,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,(3)简化边墙:,四、整体式混凝土衬砌,1.直墙拱形衬砌,直墙开挖拱形孔洞,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,适用：地质条件尚好，侧压力不大，但又不宜采用半衬砌。,简化边墙:,四、整体式混凝土衬砌,1.直墙拱形衬砌,特点：直墙开挖拱形孔洞边墙形成带支墩的连拱支墩纵向尺寸2m拱形孔洞纵向尺寸不大于5m墙拱顶至拱圈起拱线的距离100cm,直墙拱形衬砌的尺寸,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,双孔式四线隧道衬砌,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,四、整体式混凝土衬砌,适用条件:,2.曲墙拱形衬砌,组成部分,有仰拱结构闭合！,有地下水,地质较差，岩体松散破碎强度不高,侧向水平压力也相当大,无仰拱结构不闭合！,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,拱圈不等厚拱圈薄拱脚厚,边墙变厚度,仰拱等厚度,五心圆,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,单线非电气化铁路隧道曲墙拱衬砌,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,隧道构造设计-3隧道衬砌横断面设计,五、装配式混凝土衬砌,优点：,缺点：,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,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,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,管片拼装录像,六、锚喷支护,喷射混凝土加设锚杆和金属网构成，简称“喷锚支护”，是目前常用的一种围岩支护手段。,*作用原理,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自稳能力,喷射混凝土充填裂隙、封闭围岩壁面，靠喷层与围岩粘结力及自身抗剪能力组成一个新的承载结构体系,适应软弱和膨胀性地层隧道开挖及可用于整治坍方和隧道衬砌裂损。,通过锚杆悬吊效应、组合梁效应、加固效应以发挥围岩自承能力,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,重要！,六、锚喷支护,不低于32.5级的普通硅酸盐水泥粒径16mm的卵石或碎石,不含杂质,需添加速凝剂,喷射类型,喷层材料,干拌和料喷嘴前与水混合层浆液,喷射前拌和成浆液,喷层厚度,5cm25cm,与爆破的光滑程度有关,有时加钢筋网,提高喷层的强度和稳定性,钢筋直径6-12mm间距200mm,钢筋网与岩壁绑扎或焊接牢固,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,七、复合式衬砌,在不同时间分层先后施作，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”,基本组成,喷射混凝土或钢筋网喷混凝土,模筑混凝土或喷射混凝土,高分子防水卷材,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,常用公路隧道的级围岩复合式衬砌结构,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,七、复合式衬砌,保护围岩和加固围岩，促进围岩应力调整，充分发挥围岩自承作用。,外衬受力状态,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)，二次衬砌承载作用是主要的，它不仅稳定围岩变形而且在整个衬砌结构中占有主导地位。,内衬受力状态,监控量测,内衬施作最佳时机,很重要！,较坚硬围岩地段，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；,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,七、复合式衬砌,改善受力条件，相对单层同厚度模筑衬砌，承载能力提高2030防止外层衬砌风化，使喷层内钢筋网和锚杆端部免于锈蚀表面光洁平整，利于通风防水效果好,优点：,缺点：,造价较高，施工较复杂,设计方法,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,七、复合式衬砌,*仰拱重要性设计上,仰拱作用,级及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱!,解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓隆起变形，调整衬砌应力作用；封闭围岩，制止围岩过大松弛变形，将围岩塑性变形和形变压力控制在允许范围，提高结构整体承载力；增加底部和墙部的支护抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏。,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,七、复合式衬砌,*仰拱重要性施工中,仰拱,二衬跟进,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,喇叭口隧道衬砌,在山区双线隧道，有时为绕过困难地形或避开复杂地质地段，减少工程量，可将一条双幅公路隧道分建为二个单线隧道或二条单线并建为一条双幅的情况，（或车站隧道中的渡线部分），衬砌产生了一个过渡区段，这部分隧道衬砌的断面及线间距均有变化，相应成了一个喇叭型，称为喇叭口隧道衬砌。,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,八、特殊情况衬砌,偏压隧道衬砌,当山体地面坡陡于1:2.5，线路外侧山体覆盖较薄，或由于地质构造造成的偏压，不对称围岩压力,衬砌不对称。,隧道构造设计-4隧道洞身支护结构的构造,八、特殊情况衬砌,隧道构造设计-5明洞的构造,主要内容：,明洞结构类型,明洞施工方法及其适用条件,拱式明洞,棚式明洞,明洞结构特点及衬砌材料,一、明洞施工方法及其适用条件,明洞,开挖方式,明挖法修建的隧道,大开挖明拱暗墙,特点,在露天的路堑地面上或敞口的基坑内，先修筑结构再回填土石,是隧道的一种变化形式,隧道构造设计-5明洞的构造,适用条件：,隧道进出口处；地质条件差且覆层薄,暗挖难以进洞；洞口路堑边坡有落石危及行车安全；河渠必须在铁路上方通过，且不宜做立交桥或涵渠。生态环境保护及恢复,隧道构造设计-5明洞的构造,明洞形式,隧道构造设计-5明洞的构造,隧道构造设计-5明洞的构造,隧道构造设计-5明洞的构造,二、明洞结构类型,隧道构造设计-5明洞的构造,棚式明洞,拱式明洞,位于两侧都有高边坡的路堑中,位于一侧有高边坡的路堑中,二、明洞结构类型,隧道构造设计-5明洞的构造,拱形明洞组成,由拱圈、边墙和仰拱或铺底组成内轮廓和隧道一致周围回填土石，得不到可靠围岩抗力支持，截面尺寸略大,隧道构造设计-5明洞的构造,适用：路堑边坡对称或接近对称，边坡基本稳定，有少量坍塌、落石洞口破碎，覆盖层较薄而难以用暗挖修建的隧道,适用：两侧边坡高差较大的不对称路堑特点：承受不对称荷载，拱圈为等截面，边墙外侧厚度视所处位置的地质和地形情况而定。,(1)路堑式拱形明洞,此种明洞承受偏压荷载，拱圈和内侧边墙为等厚，外侧边墙为不等厚的斜墙式。,隧道构造设计-5明洞的构造,外侧地面较宽敞，能回填土以形成反压边坡的条件,(2)半路堑式拱形明洞,偏压斜墙式,隧道构造设计-5明洞的构造,回填土是为了缓冲落石对衬砌的冲击而设的，它的厚度应视落石下坠的实际情况而定。一般不应小于1.5m,不小于1:1.5的流水坡,如果明洞外侧覆盖土不厚，还可以掏成侧洞，使露天的光线可以射进来，外界的新鲜空气也可以流进来,外侧地形低下，不能保持回填土的天然稳定坡度按天然稳定坡度则边坡将延伸很远,特点：在结构外墙顶上，接高一段挡墙(用以拦截土石流走)，可以采用钢筋砼拱圈。外墙体积很大，可用混凝土或石料,(2)半路堑式拱形明洞,单压耳墙式,耳墙,2.棚式明洞,盖板式棚式明洞,山坡塌方、落石较少，山体侧向压力不大受地质、地形限制，难以修建拱式明洞时,由内墙、外墙及钢筋砼盖板组成简支结构,刚架式明洞（长腿式明洞）,地形狭窄，山坡较陡，基岩埋深大而上部地基稳定性差,悬臂式明洞,稳定而陡峻山坡，外侧地形难以满足一般明洞的地基要求，且落石不太严重的情况,内墙为重力式，上端接悬臂式横梁，其上铺盖板，盖板内侧设平衡重来维持结构受外荷载作用下的稳定性,适用,适用,使基础置于基岩上且减小基础工程,作用,采用刚架式外墙,适用,特点,隧道构造设计-5明洞的构造,2.棚式明洞,隧道构造设计-5明洞的构造,回填土石，以保护盖板受山体落石冲击,内侧应置于基岩或稳定地基上，一般为重力式墩台结构，厚度较大，以抵抗山体侧向压力。当基岩层完整，坡面较陡，地下水不大，采用重力式内墙开挖量较大时，可采用钢筋混凝土锚杆式内墙。,外墙只承受由盖板传来垂直压力，厚度较薄，要求地基承载力较小。外墙也可做成梁式(即中间留有侧洞)以适应地形和节省圬工。,隧道构造设计-5明洞的构造,拱式明洞结构特点（1）整体性好，承载能力强。（2）除对称型外，外墙承载强度大于内墙。衬砌形式：整体式衬砌。结构材料：素混凝土、钢筋混凝土，以后者居多。,三、明洞结构特点及衬砌材料,棚式明洞结构特点（1）承载能力比拱式明洞弱；（2）内墙承载强度大于外墙。衬砌形式：现浇件、预制件结构材料：钢筋混凝土,隧道构造设计-5明洞的构造,隧道构造设计-5明洞的构造,明洞洞门图,明洞实录,隧道构造设计-5明洞的构造,立模,明洞施工,明洞实录,隧道构造设计-5明洞的构造,明洞实录,隧道构造设计-6洞门的构造,主要内容：,洞门定义,洞门作用,洞门位置选定原则和要求,洞门结构类型,顺序：地形、地质条件考虑边坡、仰坡的稳定性不良地质和排水经济性考虑,正交进山、早进晚出、处稳避险减少扰动、让水高水、和谐自然,隧道选址,一、洞门定义,确定隧道长度联系衬砌和路堑隧道进出口的标志减少洞口土石方开挖量稳定边坡和仰坡引离地表流水装饰洞口,隧道构造设计-6洞门的构造,有洞门的刷坡线,铁路隧道长度：洞门墙外表面与线路内轨顶面线的交点间距离,隧道洞口用以保护洞口、排放流水并加以装饰的支挡结构物。,公路隧道长度：洞门墙外表面与路面中线的交点间距离,二、洞门作用,L,无洞门的刷坡线,隧道构造设计-6洞门的构造,确定隧道长度联系衬砌和路堑隧道进出口的标志减少洞口土石方开挖量稳定边坡和仰坡引离地表流水装饰洞口,1.洞口环框式洞门2.端墙式洞门3.翼墙式洞门4.耳墙式洞门5.柱式洞门6.台阶式洞门7.斜交洞门8.削竹式洞门9.突出式洞门10.景观洞门11.弧形洞门12.遮光棚洞门,三、洞门结构类型,隧道门,明洞门-把洞门建在明洞上,拱式明洞门,棚式明洞门,大多数都是拱形明洞门！,隧道构造设计-6洞门的构造,适用：级或类围岩，地形陡峻而又无排水要求,1.洞口环框式洞门,作用：不承载，加固洞口减少雨后洞口滴水简单装饰,外凸的环框,凸出仰坡不少于30cm,微后倾,隧道构造设计-6洞门的构造,隧道构造设计-6洞门的构造,环框,环框,适于：地形开阔，岩质基本稳定的级围岩,结构特点：能有效抵抗山体纵向推力,2.端墙式洞门,端墙,排水沟汇集流水,端墙等厚微后倾,挡碴防护墙,隧道构造设计-6洞门的构造,端墙作用：支护洞口仰坡，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；防止滚石下落！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；墙厚按挡土墙计算，宽度与路堑横断面相适应。,隧道构造设计-6洞门的构造,适用：山体纵向推力较大,洞口地质较差的级及以上围岩，增加洞门抗滑动和抗倾覆能力。可在端墙一侧或两侧设置翼墙，保护路堑边坡。,3.翼墙式洞门,隧道构造设计-6洞门的构造,翼墙,翼墙,特点：冀墙两侧带耳墙，有利于排泄仰、边坡地表汇水，阻挡洞顶风化剥落体，减少对坡面的冲刷，洞口宽敞，结构式样比较美观,耳墙式洞门翼墙洞门的改进,耳墙,隧道构造设计-6洞门的构造,翼墙,隧道构造设计-6洞门的构造,南昆线二梓坡隧道,特点：可以在端墙中部设置两个断面较大柱墩，以增加端墙稳定性。,4.柱式洞门,适用于地形较陡，地质条件较差，仰坡可能下滑，而又受地形或地质条件限制，不能设置翼墙时。,柱墩,隧道构造设计-6洞门的构造,隧道构造设计-6洞门的构造,柱式洞门,隧道构造设计-6洞门的构造,创新柱式洞门,连拱隧道柱式洞门,适用：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，减少开挖量。,5.台阶式洞门,台阶,隧道构造设计-6洞门的构造,隧道构造设计-6洞门的构造,台阶式洞门,莲花山隧道台阶式洞门,台阶式洞门,6.斜交洞门,隧道构造设计-6洞门的构造,适用：线路方向与地形等高线斜交时,注意事项：斜洞门与线路中线交角不小于45一般斜洞门与衬砌斜口段整体砌筑斜洞门及衬砌斜口段受力情况复杂，施工也不方便，十分必要时采用。,特点：洞门与地形等高线一致，洞门左右近似对称，但衬砌洞口段和洞门相对线路呈斜交。,特点：1.洞口边仰坡开挖量少2.减少对植被破坏和有利于保护环境3.适用各种围岩类别,削竹式在公路隧道中被普遍使用,适用：洞口段有较长明洞衬砌，由于洞门背后一定范围内是以回填土为主，山体推滑力不大；地形比较对称和不太陡峻。,隧道构造设计-6洞门的构造,7.削竹式洞门,隧道构造设计-6洞门的构造,削竹式洞门施工现场,8.突出式洞门,高速铁路隧道，为减缓空气动力学效应，在单线隧道一般设喇叭口洞口缓冲段，同时兼作隧道洞门。,公路隧道采用，主要目的是减少洞口工程量和装饰洞口。,隧道构造设计-6洞门的构造,8.突出式洞门,隧道构造设计-6洞门的构造,台湾高速铁路隧道缓冲结构,隧道构造设计-6洞门的构造,突出式与削竹式结合,9.景观洞门,作用：装饰洞口美化环境，城市和重大工程多用,隧道构造设计-6洞门的构造,10.弧形洞门,作用：端墙、翼墙合二为一，稳定山体、阻挡落石、防止流水,隧道构造设计-6洞门的构造,11.遮光棚式洞门,对公路隧道，当洞外需要设置遮光棚时，其出入口通常外伸很远。,遮光构造物有开放式和封闭式之分，开放式的遮光板之间是透空的，封闭式则用透光材料将透空部封闭。,隧道构造设计-6洞门的构造,公路隧道中普遍使用,隧道构造设计-6洞门的构造,11.遮光棚式洞门,隧道构造设计-6洞门的构造,遮光棚式洞门,明洞和洞门小结,明洞结构类型,洞门结构类型,明洞是隧道的延长明洞是隧道的转化,洞门有时建在隧道上洞门有时建在明洞上,隧道构造设计-7隧道附属建筑物,主要内容：,铁路隧道附属建筑物,公路隧道附属建筑物,隧道内防排水设施,一、铁路隧道附属建筑物,1.避车洞,列车通过隧道时，为保证洞内人员及维修设备安全，在隧道两侧边墙上交错均匀地修建洞室，用于躲避列车，称为避车洞。,根据避车洞大小,大避车洞：存放维修设备与材料小避车洞：方便人员躲避列车,隧道构造设计-7隧道附属建