铁路隧道设计简介

1、隧道设计简介11.概述 我国的隧道建设，尤其是长大隧道的建设主要集中在铁路隧道，如西安安康铁路上的秦岭隧道长18456米，最近修通的公路秦岭终南山隧道长度也在18公里以上。这些隧道的建成对缩短行车距离、减少行车时间、提高行车速度、降低事故发生率、减少养护维修工作、保护环境等绪多方面发挥了积极作用，取得了良好的经济和社会效益。 在此仅对铁路隧道、公路隧道和地铁矿山法施工的隧道作一简略的介绍和对比，目的是希望通过讲座对初次涉足隧道工程的同仁在设计山岭隧道时有一点慨念性的认识和对地铁岩性隧道设计有一点帮助，不当和错误之处请大家提出宝贵意见。22.隧道长度划分 铁 路 规 范 公 路 规 范 地 铁

2、规 范分 类长度（m）分 类长度（m）特长隧道L10000特长隧道L3000无规定长隧道10000L3000长隧道3000L1000中长隧道3000L500中隧道1000L500短隧道L500短隧道L50033.隧道围岩分级 从三个设计规范对围岩分级，都是由好到差的地层排序，都分为六级，只是文字描述上的差别，按各自的判别程序进行，其最终结果是一致的。4围岩级别铁 路 规 范公 路 规 范地 铁 规 范围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态（单线）围岩弹性纵波速度Up（s）围岩或土体主要定性特征基本质量指标BQ或修正的围岩基本质量指标BQ基本判别条件同铁路规范主要工程地质特征 结构特征和完整状

3、态极硬岩：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面；巨厚或厚层，层间结合良好，岩体完整呈巨块状整体结构围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆 4.5坚硬岩，岩体完整，巨整体状或巨厚层状结构550地铁级等同铁路级 （）硬质岩：受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面和贯通微张开节理，其产状不致产生滑动；层状岩层为中厚层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象或为硬质岩石偶夹软质岩石呈巨块或大块状结构长，可能会出现局部小坍塌；侧壁稳定；层间结合差的平缓岩层，顶板易塌落3.54.5坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构；较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构550451地铁级等同铁路级 （）硬质岩：受地质构造影响严

4、重，节理发育，有层状软弱面，其产状不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多有分离现象；硬、软质岩石互层块（石）碎（石）状镶嵌结构拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易塌2.54.0坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构；较坚硬岩或较软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚层结构450351地铁级等同铁路级 （）较软岩：受地质构造影响较重，节理较发育；层状岩层为薄、中厚或厚层，层间结合一般呈大块状结构5围 岩 级 别3.铁 路 规 范公路规范地铁规范围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态 （单线）围岩弹性纵波速度 p（km/s)围岩和土体主要定性特征围岩基本质量指

5、标BQ或修正的围岩基本质量指标BQ基本判别条件同铁路规范主要工程地质特征结构特征和完整状态硬质岩：受地质构造影响极严重，节理很发育；层状软弱面（或夹层）己基本破坏呈碎石状压碎结构拱部无支护时，可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定1.53.0坚硬岩，岩体破碎，碎裂结构；较坚硬岩，岩体较破碎破碎，镶嵌碎裂结构；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整较破碎，中薄层状结构350251地铁级等同铁路级（ ）软质岩：受地质构造影响严重，节理发育呈块碎石状镶嵌结构土体：1.具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土；2.黄土（Q1、Q2）;3.一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土1和2呈大块状压密结

6、构，3呈巨块状整体结构土体：1.压密或成岩作用的粘性土及砂性土；2.黄土（Q1、Q2）；3.一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土及大块石土 岩体：软岩，岩体破碎至极破碎全部极软岩及全部极破碎岩；呈角砾碎石状松散结构围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁常小坍；浅埋时易出现地表下沉（陷）或塌至地表1.02.0较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎；极破碎各类岩体，碎、裂状，松散结构250地铁级等同铁路级 （）土体：一般第四系坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍湿或潮湿的碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土（Q3、Q4）非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍湿至潮湿

7、的碎石土，卵石、圆砾、角砾土及黄土。非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构 岩体：受构造影响严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带粘性土呈易蠕动的松软结构，砂性土呈潮湿松散结构围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一齐涌出；浅埋时易塌至地表1.0（饱和状态的土1.5）软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等 地铁级等同铁路级 （）土体：软塑状粘性土、饱和的粉土、砂类土等64.各类围岩的物理力学指标铁路、公路围岩级别重度（kN/m3）弹性反力系数K（MPa/m）变形模量E（GPa）泊松比内摩擦角（）黏聚力C（MPa）计算摩擦角c（）地铁围岩级别*262818002800330.2602.1782

8、5271200180020330.20.2550601.52.17078232550012006200.250.339500.71.5607020232005001.360.30.3527390.20.750601720100200120.350.4520270.050.24050151710010.40.5220.13040*地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范中的围岩分级编号与地铁设计规范是相反的75.两平行隧道间的净距 两平行隧道间的净距，应按围岩地质条件、隧道埋深、隧道断面尺寸及施工方法等多种因素确定，一般情况下，应大于下表数值。围岩级别铁 路 规 范公 路 规 范地 铁 规 范相邻单线

9、隧道间的最小净距分离式独立双洞的最小净距1.52.0B1.0XB1.用盾构法施工的平行隧道间的净距宜不小于隧道外轮廓直径；2.矿山法或新奥法施工的平行隧道间的净距可比照铁路规范执行2.02.5B1.5XB2.02.5B2.0XB2.53.0B2.5XB3.05.0B3.5XB5.0B4.0XB注B为隧道开挖断面宽度86.荷载 1）荷载分类荷载分类荷 载 名 称铁路规范公路规范地铁规范备 注永久荷载结构自重有有有结构附加恒载有有设备自重围岩压力有有地层压力土压力有有砼收缩和徐变的影响有有有水压力有水压及浮力结构上部建筑对地铁有影响的外载有地基下沉影响力有可变荷载列车活载有有有活载所产生的土压力有

10、有有公路（铁路）活荷载有有冲击力冲击力有有温度变化的影响有有有施工荷载有有有渡槽流水力（设计渡槽明洞时）有有冻胀力有有灌浆压力有偶然荷载落石冲击力有有地震力有有有92）深、浅埋隧道的判断 铁 路 规 范公 路 规 范地 铁 规 范 按隧道拱顶以上覆土厚度大致为2.5倍塌方高度，为深、浅埋隧道的分界值（米） 按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。 按荷载等效高度判别式： Hp=(22.5)hq式中：Hp浅埋隧道分界深度（米）； hq荷载等效高度（米）： hq=q/ q用深埋隧道垂直均布压力公式计算（kN/m2）； 围岩重度（kN/m3）。在矿山法施工条件下，级围岩取 Hp=2

11、.5hq 级围岩取 Hp=2hq 按铁路隧道设计规范确定。围岩级别单线隧道5710141825双线隧道8101520303510C）荷载计算铁 路 隧 道 规 范公 路 规 范地铁规范1.采用概率极限状态法进行结构计算时： 1）荷载设计值： Fd=fFk 式中：f荷载分项系数； Fk荷载标准值。 2）基本组合为： 结构自重围岩压力或土压力 基本组合系数为1.0 3）围岩压力： 按松散压力考虑 （1）垂直匀布压力（q） q=h； h=0.411.79s 式中 ： q围岩垂直匀布压力（kpa）； 围岩重度（kN/m3）； h围岩压力计算高度（m）； S围岩级别。 （2）水平匀布压力（e） 围岩水平

12、匀布压力（e）表2.采用破损阶段法或容许应力法进行结构计算时： 围岩压力按松散压力考虑 （1）垂直匀布压力（q） q=h； h=0.452S-1 式中 宽度影响系数，=1i（B5）； B坑道宽度（m）； iB每增减1m时的围岩压力增减率：当B5m时，取i=0.2；B5m时 可取i=0.1； 其余符号含义同上。 （2）水平匀布压力同“1”。1.级围岩压力计算：其值可按释放荷载计算。围岩压力为主要形变压力，详见设计规范附录D国。2.级围岩压力计算：级围岩中的深埋隧道的围岩压力为松散荷载时，其垂直均布压力和水平均布压力可按下列公式计算：（1）垂直均布压力 q=h； h=0.452S-1 式中：q、S

13、、含意同左； （2）围岩水平均布压力 围岩水平均布压力同铁路隧道设计规范。无具体规定。 可按铁路隧道设计规范办理围岩级别e（kpa）00.15q（0.150.3）q（0.30.5）q（0.51.0）q117.隧道设计模式 目前在隧道设计中还没有统一的设计模式。国内常用的有以下几种： 荷载结构设计模式：是假定已知地层压力和地层对结构变形的约束抗力条件下，按弹性地基上杆系的结构力学原理进行衬砌内力计算。在过去隧道设计中起到了一定的作用，但这种设计模式不能反映隧道的实际情况，致使支护结构厚度偏大，造成浪费。 2.信息化设计模式：在二十世纪六七十年代，各种隧道开挖方法不断涌现，建设者们逐渐发现地下结构

14、远比地上结构复杂得多，因而在建设的过程中根据地质和围岩的反馈信息对隧道支护结构进行调整和修改结构设计很有必要。就形成了信息化设计模式，其中典型代表就是新奥法。新奥法是在隧道开挖中把围岩和支护系统力学形态的动态变化作为判定围岩稳定的依据，把施工监测中所获得的信息加以处理分析并与工程类比相结合，建立一些必要的判别标准，对隧道在开挖过程中修改支护设计。这种集设计、施工、现场量测为一体 ，并通过信息反馈修改支护设计和施工安全决策的方法就是信息化设计。 3.连续介质模型岩石力学解析法和数值法：解析法分为常规的数值解析算法及有限元法、离散元法、边界元法等，常规数值解析法很难计算多个断面或多种复杂情况下的隧

15、道结构内力，在支护结构中应用较少。而采用计算机作有限元、离散元、边界元等解析方法能较好地分析各种荷载作用下的隧道支护结构的受力特征，可得到内力和变形判断稳定或不稳定区域，但由于计算参数和计算模型的取舍、结果分析方法的复杂性，一般利用这种结果对隧道结构进行校核，目前很少直接用设计计算中据此确定支护结构。12续 4.典型类比分析法：此法是目前在隧道工程设计中应用较多的一种方法，尤其是新奥法在中国隧道建设中的大量应用，不仅仅是一种同类、同地区、相似地质构造的隧道进行类比分析，并与信息化设计原理相结合，在隧道开挖前，用此法对围岩的变形特性与破坏形态做出分析和预测，在施工的过程中利用对围岩量测数据进行位移反分析，修改设计，并应用变形速率变化判别围岩的稳定性和支护效果做出定量判断。 5.全寿命智能设计方法：此法是国际上近年提出的一种全新的方法，全寿命智能设计方法是在充分考虑结构的耐久性的基础上，对周围地层的影响、地层的长久作用