隧道工程结构设计

隧道工程结构设计第一页，共八十二页，2022年，8月28日本节主要内容：隧道净空与限界的概念隧道建筑限界的确定

曲线隧道净空加宽3.1隧道净空与限界

第二页，共八十二页，2022年，8月28日1隧道净空与限界的基本概念

隧道净空：隧道衬砌内轮廓线所包围的空间，根据“隧道建筑限界”确定的。

隧道建筑限界：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。第三页，共八十二页，2022年，8月28日2铁路隧道建筑限界机车车辆或超限货物车辆的接近限界隧道建筑限界隧道净空铁路建筑接近限界第四页，共八十二页，2022年，8月28日第五页，共八十二页，2022年，8月28日第六页，共八十二页，2022年，8月28日3公路隧道建筑限界建筑限界组成部分：行车道宽度(W)

路缘带(S)

侧向宽度(L)

人行道(R)或检修道(J)

当设置人行道时，含余宽(C)

车道数第七页，共八十二页，2022年，8月28日公路隧道建筑限界图(尺寸单位：m)第八页，共八十二页，2022年，8月28日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

7.50

0.75

0.50

0.75

10.75

重

丘

7.50

0.50

0.50

0.75

10.25

山岭

7.50

0.50

0.25

0.75

9.75

7.00

0.50

0.25

0.75

9.25

一级

平原微丘

7.50

0.50

0.50

0.75

10.25

山岭重丘

7.00

0.50

0.25

0.75

9.25

二级

平原微丘

8.00

/

0.25

0.75

9.25

山岭重丘

7.50

0.25

0.75

8.75

一

般

公

路

二级

平原微丘

9.00

0.25

0.75

9.50

10.5

山岭重丘

7.00

0.25

7.50

8.50

三级

平原微丘

7.00

0.25

0.75

7.50

8.50

山岭重丘

7.00

0.25

7.50

8.50

四级

平原微丘

7.00

0.25

7.50

山岭重丘

7.00/4.50

0.25

7.50/5.00

第九页，共八十二页，2022年，8月28日注：汽车专用公路隧道只在左侧设检修道；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；四级公路一般可不设人行道。第十页，共八十二页，2022年，8月28日4曲线隧道净空加宽单线铁路隧道加宽示意图4.1铁路隧道加宽原因第十一页，共八十二页，2022年，8月28日

；

4.2单线铁路隧道加宽计算4.2.1车辆中间部分向曲线内侧的偏移—

车辆转向架中心距，取18mR—

曲线半径，单位m则：第十二页，共八十二页，2022年，8月28日4.2.2外轨超高使车体向曲线内侧倾斜偏移H—

隧道限界控制点自轨面起的高度，cmE—

外轨超高值，其最大不超过15cm，且d内2系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心转动角度：故可近似取第十三页，共八十二页，2022年，8月28日4.2.3车辆两端向曲线外侧的偏移L—

标准车辆长度，我国为26m，则则总加宽值：第十四页，共八十二页，2022年，8月28日4.3单线隧道(结构)中线与线路中线偏移距离第十五页，共八十二页，2022年，8月28日4.4双线铁路隧道加宽计算d内及d外计算与单线加宽值相同当外侧线路外轨超高大于内侧线路外轨超高时H—

车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360cmE—

外侧线路的外轨超高值，cm故其余情况时:第十六页，共八十二页，2022年，8月28日4.5双线隧道中线偏移第十七页，共八十二页，2022年，8月28日4.6曲线铁路隧道加宽平面设计第十八页，共八十二页，2022年，8月28日类别半径(m)

加宽值(m)汽车轴距加前悬(m)250~200200~150150~100100~7070~5050~3030~2525~2020~15150.40.60.81.01.21.41.82.22.5280.60.70.91.21.52.0——

35.3+8.80.81.01.52.02.5——

4.7公路隧道平曲线加宽取值注：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。第十九页，共八十二页，2022年，8月28日思考题：1、确定隧道建筑限界需要考虑哪些因素？2、比较铁路隧道与公路隧道在建筑限界与曲线加宽等方面的异同？第二十页，共八十二页，2022年，8月28日本节主要内容：隧道衬砌断面设计的主要内容和步骤铁路隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计3.2隧道衬砌断面设计

第二十一页，共八十二页，2022年，8月28日1隧道衬砌横断面设计

1.1设计基本内容

★内轮廓线★轴线★厚度1.2设计步骤★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、强度检算并评价内轮廓线第二十二页，共八十二页，2022年，8月28日1.3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。★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。1.4设计目的

★满足限界要求★满足受力要求★圬工最省第二十三页，共八十二页，2022年，8月28日第二十四页，共八十二页，2022年，8月28日2铁路隧道衬砌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φ1拱脚截面与竖直面的夹角φ2；内径r2的圆心o2至o1的水平和垂直距离a第二十五页，共八十二页，2022年，8月28日先给定b、f、φ1及a值后，再解出r1、r2及φ2。曲线地段需要加宽时，保持r2及φ2不变，φ1仍取45º，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、φ1、a、r1、r2、φ2共7个参数第二十六页，共八十二页，2022年，8月28日第二十七页，共八十二页，2022年，8月28日

(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)

讨论：这三者之间的关系？

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。

总结及思考第二十八页，共八十二页，2022年，8月28日3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：①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。②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。第二十九页，共八十二页，2022年，8月28日3.1单心圆断面设计单心圆衬砌内轮廓线第三十页，共八十二页，2022年，8月28日第三十一页，共八十二页，2022年，8月28日独立变量约束条件其它参数见限界要求。迭代求解面积最小为最优。

第三十二页，共八十二页，2022年，8月28日坦三心圆内轮廓线3.2坦三心圆断面设计第三十三页，共八十二页，2022年，8月28日◆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。第三十四页，共八十二页，2022年，8月28日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)

第三十五页，共八十二页，2022年，8月28日4衬砌截面厚度

铁路规范规定衬砌截面最小厚度(㎝)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

20

20

20

30

片石混凝土

50

50

浆砌粗料石或混凝土块

30

30

30

浆砌块石

30

30

浆砌片石

50

50

单线铁路隧道拱顶厚度一般为30～60㎝双线铁路隧道衬砌拱顶厚度为40～80㎝。仰拱厚度一般稍小于拱顶的厚度。衬砌可以等厚，也可将拱脚和边墙较拱顶加厚20%～50%。第三十六页，共八十二页，2022年，8月28日思考题：1、比较铁路隧道与公路隧道衬砌断面，思考有哪些因素会影响到断面形状？2、运用数学优化知识谈谈如何使断面满足各方面要求？第三十七页，共八十二页，2022年，8月28日本节主要内容：洞身支护结构的主要类型不同类型洞身支护结构的特点及其适用条件

整体式混凝土衬砌的结构特点3.3隧道洞身支护结构

第三十八页，共八十二页，2022年，8月28日1支护结构类型1.1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1.2内部支护◆锚杆◆注浆1.3混合支护◆喷锚支护◆复合式衬砌第三十九页，共八十二页，2022年，8月28日2整体式混凝土衬砌

工艺流程：立模－灌筑－养生－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◆抗渗性强◆需要养生时间◆受力较慢缺点：第四十页，共八十二页，2022年，8月28日2.1直墙式衬砌适用于：地质条件较好的Ⅰ、Ⅱ级(Ⅴ、Ⅵ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。第四十一页，共八十二页，2022年，8月28日半衬砌适用于：地质条件极好，整体岩层坚固；几乎无水平侧压力，也无地下水侵入。可不设边墙，但应把两侧岩壁表面喷浆敷面。第四十二页，共八十二页，2022年，8月28日在地质条件尚好，侧压力不大，但又不宜采用半衬砌时。简化边墙适用于：第四十三页，共八十二页，2022年，8月28日地质较差，岩体松散破碎，强度不高；有地下水；侧向水平压力也相当大。2.2曲墙式衬砌适用于：第四十四页，共八十二页，2022年，8月28日3装配式混凝土衬砌优点：◆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，造价低缺点：◆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因隧道施工工业化和机械化发展而出现了装配式隧道衬砌，目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中应用。

第四十五页，共八十二页，2022年，8月28日4锚喷支护喷射混凝土加设锚杆和金属网构成的一种支护形式，简称“喷锚支护”，是目前常用的一种围岩支护手段。4.1

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的自稳能力

喷射混凝土充填裂隙、封闭围岩壁面，靠喷层与围岩的粘结力及自身的抗剪能力组成一个新的承载结构体系通过锚杆的悬吊效应、组合梁效应、加固效应以发挥围岩自承能力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的裂损。第四十六页，共八十二页，2022年，8月28日4.2

锚喷支护类型◆锚杆支护◆喷射混凝土支护◆喷射混凝土锚杆联合支护◆喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护◆以上类型加设型钢支撑（或格栅）而成的联合支护4.3

优点◆充分发挥围岩的自承能力，因而有效地利用洞内净空◆施工简便，提高作业安全性和作业效率，◆使坑道断面缩小，从而减少了开挖量，也节省圬工第四十七页，共八十二页，2022年，8月28日5复合式衬砌在不同的时间分层先后施作，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：外衬、防水层、内衬内衬外衬混凝土衬砌喷锚支护格栅钢构拱架喷射混凝土混凝土衬砌混凝土衬砌装配式衬砌第四十八页，共八十二页，2022年，8月28日常用公路隧道Ⅳ级围岩复合衬砌结构第四十九页，共八十二页，2022年，8月28日复合衬砌防水层第五十页，共八十二页，2022年，8月28日◆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衬砌结构受力状态：外衬受力状态◆在较坚硬的围岩地段，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；而在一些特殊地质地段中(坍方、大变形)，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。内衬受力状态第五十一页，共八十二页，2022年，8月28日◆改善受力条件，相对单层同厚度模筑衬砌，承载能力提高20％～30％◆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，施工较复杂第五十二页，共八十二页，2022年，8月28日6支护结构基本要求

支护结构的基本作用在于保证隧道断面的使用净空，防止岩体质量恶化；承受可能的各种荷载，使隧道支护体系有足够的安全度。因此，任何一种类型的支护结构都应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工可能性。按现代支护理论，理想支护结构应满足如下基本要求：

必须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，以充分发挥围岩的承载作用而减少支护结构的受力，但又必须保证支护结构及时施作。第五十三页，共八十二页，2022年，8月28日7衬砌结构一般规定隧道衬砌材料，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。

7.2

衬砌结构伸缩缝、沉降缝隧道衬砌一般不设伸缩缝，但严寒地区的整体式衬砌、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。7.1

衬砌结构材料第五十四页，共八十二页，2022年，8月28日思考题：1、衬砌结构的仰拱如何改善其受力条件？2、对于拼装式衬砌，可以采取哪些措施改善其防水性能？第五十五页，共八十二页，2022年，8月28日本节主要内容：洞门定义洞门作用洞口位置选定的原则和要求

洞门结构类型3.4隧道洞门结构

第五十六页，共八十二页，2022年，8月28日1洞门定义在隧道洞口用圬工砌筑并加以一定建筑装饰的支挡结构物。2洞门作用◆减少洞口土石方开挖量◆稳定边坡◆引离地表流水◆装饰洞口第五十七页，共八十二页，2022年，8月28日◆洞口环框式洞门◆端墙式洞门◆翼墙式洞门◆柱式洞门◆台阶式洞门◆斜交洞门◆削竹式洞门3洞门结构类型第五十八页，共八十二页，2022年，8月28日适用于Ⅵ类或Ⅰ级围岩，地形陡峻而又无排水要求3.1洞口环框式洞门作用：不承载，加固洞口减少雨后洞口滴水简单装饰第五十九页，共八十二页，2022年，8月28日适于地形开阔，岩质基本稳定的Ⅰ～Ⅲ级围岩。结构特点：能有效抵抗山体纵向推力。3.2端墙式洞门第六十页，共八十二页，2022年，8月28日

端墙的作用：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；◆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0.6～1.0m左右；◆墙厚按挡土墙计算，宽度与路堑横断面相适应。第六十一页，共八十二页，2022年，8月28日适用于山体纵向推力较大,洞口地质较差的Ⅳ级及以上的围岩，增加洞门的抗滑动和抗倾覆能力。3.3翼墙式洞门第六十二页，共八十二页，2022年，8月28日特点：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。

3.4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。第六十三页，共八十二页，2022年，8月28日适于傍山侧坡地区，洞门一侧边坡较高时作用：减小仰坡高度及外露坡长，减少开挖量。3.5台阶式洞门第六十四页，共八十二页，2022年，8月28日3.6斜交洞门斜交洞门第六十五页，共八十二页，2022年，8月28日适用：线路方向与地形等高线斜交时。

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，但衬砌洞口段和洞门相对于线路呈斜交形式。

注意事项：1斜洞门与线路中线的交角不应小于45°2一般斜洞门与衬砌斜口段是整体砌筑的3由于斜洞门及衬砌斜口段的受力情况复杂，施工也不方便，所以，只有在十分必要时才采用它。第六十六页，共八十二页，2022年，8月28日3.7削竹式洞门第六十七页，共八十二页，2022年，8月28日

削竹式在公路隧道中被普遍使用

适用于洞口段有较长的明洞衬砌，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峻。

特点：

1洞口边仰坡开挖量少

2减少对植被的破坏和有利于保护环境

3适用各种围岩类别第六十八页，共八十二页，2022年，8月28日思考题：1、隧道洞门结构类型，适用范围及特点？2、分析以下各种情况下宜采用的隧道洞门结构型式。第六十九页，共八十二页，2022年，8月28日本节主要内容：明洞施工方法及其适用条件明洞结构类型3.5隧道明洞结构

第七十页，共八十二页，2022年，8月28日明洞---明挖法修建的隧道。开挖方式：◆大开挖◆明拱暗墙1明洞及其适用条件明洞位置示意图

第七十一页，共八十二页，2022年，8月28日适用条件：◆隧道的进出口处；◆地质条件差且覆盖层薄，暗挖法难进洞；◆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。第七十二页，共八十二页，2022年，8月28日2.1拱式明洞(通常所说的明洞均指这种)

◆

路堑式路堑对称式(图)

路堑偏压式(图)

◆

半路堑式半路堑偏压斜墙式(图)

半路堑单压耳墙式(图)

2.2棚式明洞

◆

盖板式(图)

◆

悬臂式(图)

2明洞结构类型第七十三页，共八十二页，2022年，8月28日3.1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