隧道工程教案2010

1、隧 道 工 程（教案）2010中国矿业大学力学与建筑工程学院绪 论1.隧道的基本概念和作用隧道 隧道是一种地下工程结构物，通常是指修筑在地下或山体内部，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的地下通道。隧道工程是指从事研究和建造各种隧道的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，它是土木工程的一个分支。 隧道的分类 按围岩性质分：山岭隧道（岩石隧道），软土隧道。 按用途分： 交通隧道：铁路隧道，公路隧道，地铁隧道，航运隧道，人行隧道等。 矿山隧道：运输巷道，通风巷道，水仓，各类硐室等。 水工隧道：引水隧道，尾水隧道等。 市政隧道：污水隧道，管线隧道等。隧道的构成 主体建筑物：

2、洞身衬砌、洞门。 附属建筑物：通风、照明、防排水、安全设施等。本课程的主要教学内容 公路隧道、铁路隧道，包括隧道勘测设计，隧道施工技术和运营管理等基本知识。2.隧道工程的发展最早的隧道 世界：古代文明时期（公元前21802160年前后） 古巴比伦城 幼发拉底河下修筑的人行隧道； 公元前36年，意大利婆西里勃隧道。 中国：东汉明帝永平九年（公元66年） 陕西省汉中县褒谷口内，“石门”隧道； 宋末元初，安徽亳州古地下道。最长的隧道 世界：戈特哈尔德隧道全长57.600km，超过日本青函海底铁路隧道53.850 km纪录）；挪威洛达尔公路隧道：24.500 km. 中国：西康铁路秦岭铁路隧道：18.

3、400+19.500 km； 太行山隧道：27.839km； 渝长公路铁山坪公路隧道：5.424 km； 正在建设的辽宁引水隧道长度85.300km。最高的隧道 中国青藏铁路风火山隧道：1.333 km，海拔4905m。 该隧道创多项世界之最： 海拔最高：+4905m； 覆盖层最薄：局部仅 3m , 最大100m； 地质条件最差. 冰冻区最长、冻土层最厚：150m； 集含土冰层、饱冰冻土和千年冰川于一体的永冻土隧道。隧道的展望 世界：日韩隧道正在筹划： 日本下关韩国釜山，长度约100公里； 中国：渤海湾隧道： 烟台大连，长度约80公里； 台湾海峡隧道： 北线、中线和南线三个方案，长度12015

4、0公里。3.隧道工程施工技术古代隧道施工技术 人工开凿，劳动强度大。近代隧道施工技术 火药的发明使隧道施工技术得到了一定的发展。 炸药的发明和应用使隧道施工技术得到了迅速发展。现代隧道施工技术 钻眼机械和爆破技术的应用使隧道施工机械化得到了普遍的应用。 隧道施工机械化掘进是目前隧道施工的主要发展方向。隧道施工技术展望 钻爆技术将不断得到改进和完善。 TBM法将是隧道施工技术的未来发展方向。4.隧道工程课程学习和考核方法隧道工程课程学习方法 注意理论和实践相结合，在课堂听课的基础上，通过阅读大量参考文献来充实学习内容。 通过作业或思考题等进行练习和复习所学内容。 教师通过质疑等方式了解学生学习情

5、况，及时帮助学生掌握所学内容。 隧道工程课程考核方法 本课程平时采用作业、考勤、质疑等方式对平时学习进行考核。 本课程采用课程报告进行考核。本课程成绩平时考勤30课程研讨20课程报告50。5.隧道工程参考文献 a) 王毅才隧道工程北京：人民交通出版社 b) 陈秋南隧道工程北京：机械工业出版社 c) 冯卫星铁路隧道设计成都：西南交通大学出版社 d) 翁家杰地下工程北京：煤炭工业出版社 e) 公路隧道设计规范北京：人民交通出版社 f) 公路隧道施工技术规范北京：人民交通出版社 g) 铁路隧道技术规范北京：中国铁道出版社 h) 铁路工程设计技术手册隧道北京：中国铁道出版社 i) 现代隧道技术，期刊1

6、 隧道结构与设计1.1 隧道勘测设计1.1.1 隧道勘测设计程序1.三阶段勘测设计工作程序2.二阶段勘测设计工作程序3.一阶段勘测设计工作程序4.勘测设计程序选择 对地形地质情况复杂，工程规模宏大，技术要求高、施工困难的工程项目，采用三阶段勘测设计程序。 对于工程规模一般、地形地质比较简单、施工技术不复杂，采用两阶段勘测设计程序。 对于工程简单、施工容易、原则明确，地形地质明了，采用一阶段勘测设计程序。1.1.2 隧道勘测设计内容1.隧道的工程调查文献资料收集 地形资料，地质资料，工程资料，气象资料，其他资料。地形地质的调查 初步调查，地质详查。气象调查 包括降雨、降雪、气温、风向、风速、雾、

7、雪崩、洪水等。环境调查 自然环境、地物、生活环境等。施工条件调查 施工设备、施工条件、工程条件、国家及地方各种法令法规、有关手续等。2.隧道定位及洞口位置选择隧道定位 在多个方案中，通过技术、经济比较而最终确定。 确定步骤：首先在1:500001:25000地形图上比较确定； 然后在1:5000地形图上比选确定。 规模较小时，可直接在1:5000地形图上比选。 比选考虑的因素：经济合理，技术可行，符合实际。 方案比较要点：线形适当(平面顺适、纵坡均衡、横面合理)，顺应地形，施工容易，协调环境。 设置越岭隧道 理想的越岭线路位置是：偏离主线路方向较小、距离短、线路顺直、选用垭口标高与主线路高差小

8、、两侧展线少、主要技术指标和地质条件都较好的位置。 垭口选择：隧道位置通常是选在接近线路控制点间航空距离最短、高差最小和两端引线的地形、地质条件等都较好的垭口处。 标高选定：全面衡量，从技术和经济两方面，尤其是在今后长远运营条件上，做出综合的比较，以作出合理的决定。 设置傍山隧道 傍山隧道又称河谷隧道，理想的傍山线路位置是：确保傍山隧道外山体边坡的稳定，最大限度地缩短隧道长度。 平面定位：根据山体岩石稳定性确定隧道位置，基本原则是“宁里勿外”，并注意控制隧道长度。 标高确定：满足桥隧的合理连接和泄洪等要求。 城市水底隧道 考虑城市港湾和河流有航运要求，需要设置城市水底隧道。一般根据城市道路发展

9、的规划、旅游等要求。线路设计应保证线形、坡度、视距等相关要求。隧道线形 隧道平面线形以采用直线或大半径曲线为好； 隧道纵坡通常不应小于0.3%，并不大于3%； 考虑通风时，最大纵坡应在2%以下。 根据施工方向，纵坡可设为一面坡或人字坡。 隧道引线应采用通视好的线形，纵坡与隧道一致。洞口位置 洞口部分通常岩石条件不稳定，因此洞口位置应考虑避开滑坡、崩塌、泥石流等不良地质段； 洞口位置不应设在沟谷低洼处和汇水处； 在隧道穿过悬崖陡壁时，应注意岩壁的稳定性； 洞口地形平缓时，一般也应早进洞、晚出洞。3.公路隧道几何设计平面线形 根据公路工程技术标准规定进行设计，同时应照顾隧道的特点。 平面线形原则上

10、采用直线，避免曲线，必须设置曲线时，其半径不宜小于不设超高的平面曲线半径，并应符合视距要求。纵断线形 隧道纵坡以不妨碍排水的缓坡为宜。 公路隧道控制坡度的主要因素是通风问题，一般在2以下，大于3是不可取的。 不存在通风问题的隧道，可以按普通道路设置纵坡。 为考虑排水，隧道不应采用平坡，一般用0.30.5的坡度。净空断面 隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。它包括公路建筑限界、通风及其他所需要的断面积。隧道公路建筑限界和横断面各级公路隧道建筑限界基本宽度 (单位: 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

11、人行道设人行道汽车专用公路高速平原微丘7.500.750.500.7510.75重 丘7.500.500.500.7510.25山 岭7.500.500.250.759.757.000.500.250.759.25一级平原微丘7.500.500.500.7510.25山岭重丘7.000.500.250.759.25二级平原微丘8.00/0.250.759.25山岭重丘7.500.250.758.75一般公路二级平原微丘9.000.250.759.5010.50山岭重丘7.000.257.508.50三级平原微丘7.000.250.757.508.50山岭重丘7.000.257.508.50四级

12、平原微丘7.000.257.50山岭重丘7.00/4.500.257.50/5.00 隧道数目与车道数目 一般为对向两车道；交通量大时可采用两条隧道，每个隧道内为单向一车道； 不宜设置对向交通的三车道； 大于四车道时，应修建多个隧道，每个隧道内各为单向两车道。 隧道内错车场 单车道隧道，距离较长时，应在洞口两端设置错车场。短隧道在进口能看到出口时，在洞口两端设置错车场。 隧道内加宽带 长隧道（超过2km），一般在150170m的间隔上设置加宽带，其宽度为2.5m，长度为25m。 隧道内自行车道和人行道 一般隧道，尤其是1.0km以下的隧道，考虑行人和自行车，人行道宽度0.75或1.0m，自行车

13、宽度1.0m。有迂回路时，自行车和人不应通过隧道。 隧道联合布置 特殊条件下，隧道内可考虑行车道、人行道、自行车道、通风管道、电缆管线等联合布置，以充分利用隧道断面。断面设计 u衬砌内轮廓线 根据隧道净空断面要求确定。 v衬砌外轮廓线 根据内轮廓线和衬砌厚度确定。 w实际开挖线 根据外轮廓线和开挖误差要求确定。平行隧道或其他结构物间距 平行隧道的中心距 若将地层作为完全弹性体时，其距离为最大开挖宽度的两倍。 在粘土等软土地层中，其距离一般为开挖宽度的五倍。 实际设计时还要考虑施工方法的影响。钻爆法大一些，机械掘进法小一些。隧道引线 隧道洞口以外的引线部分，设计应保证有足够的视距，另外应考虑接近

14、洞口的桥梁、路堤等的要求。4.公路隧道勘测设计文件内容 1)沿线隧道概况 2)工程地质 3)气象、环境和有关法令政策 4)施工条件 5)隧道方案（2个以上） 6)通风、照明、排水方案建议 7)存在问题及解决方法 8)隧道线路方案平面图，方案比较说明 9)隧道线路地质平面图、地质构造、水文、地物、地貌 10)隧道纵断面图 11)洞口地形平面图 12)洞口纵、横断面图 13)辅助坑道等地形 14)明洞纵、横断面图 15)长大隧道分工点施工说明1.2 隧道结构构造 公路隧道结构构造由主体构造物和附属构造物组成。 主体构造物是为了保持岩体稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物，一般指洞身和洞门构造物。

15、附属构造物是为了运营管理、维修养护、给水排水、供电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。1.2.1 隧道衬砌结构1.现浇混凝土整体式衬砌 目前应用最广泛的隧道衬砌结构，对地质条件适应性强，易于成形，适合多种施工方法，承载能力大，必要时还可以加入钢筋。具体有两种形式：直墙式和曲墙式。 直墙式：R1R2: 坦三心拱； R160MPa：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱结构面(或夹层)；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆4.5硬质岩石，Rc30MPa：受地质构造影响较重，节理发育，有少量软弱结构面(或夹层)和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动

16、；层状岩层为中层或厚层，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大块状砌体结构暴露时间长，可能会出现局部小坍塌，侧壁稳定，层间结合差的平缓岩层，顶板易冒落3.54.5软质岩石，Rc30MPa：受地质构造影响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构硬质岩石，Rc30MPa：受地质构造影响严重，节理发育，有层状软弱结构面(或夹层)，但其产状及组合关系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多有分离现象；或为硬、软质岩石互层呈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，爆破震动过大易坍塌2.54软质岩石，Rc=5MPa30MPa：受地质构

17、造影响较重，节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合一般呈大块状砌体结构硬质岩石，Rc30MPa：受地质构造影响很严重，节理很发育，层状软弱面(或夹层)已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软质岩石，Rc=5MPa30MPa：受地质构造影响严重，节理发育呈块石碎石状镶嵌结构土：1. 略具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、大块石土1、2呈大块状压密结构；3呈巨块状整体结构石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹土或土夹石状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，

18、侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉(陷)或坍塌至地表1.02.0一般第四系的半干硬硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土、圆砾、角砾土及黄土(Q3 ，Q4)非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥松软体呈松软结构围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一齐涌出，浅埋时易坍塌至地表1.0(饱和状态的土1.5)软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等粘性土呈易蠕动的松软结构；砂性土呈潮湿松散结构岩石等级划分 根据岩石饱和抗压极限强度和耐风化能力划分： 极硬岩、硬质岩、软质岩、极软岩。围岩受地质构造影响程度划分 较轻级、较重级、严重级、很严重。围岩节理（裂隙）发育

19、程度划分 节理不发育、节理较发育、节理发育、节理很发育。层状岩层的层厚划分 厚层：0.5m 中层：0.10.5m 薄层：0.1m 铁路隧道围岩分类不适用于特殊围岩，如膨胀性岩层、冻土等。2.1.2 隧道围岩压力1.隧道围岩压力 围岩压力概念： 围岩对支护结构施加的荷载称为围岩压力。 岩体力学中，把由于开挖而引起的围岩或支护结构上的力学效应统称为广义的围岩压力。 工程实践中，把作用在支护结构上的这部分围岩压力称为狭义的围岩压力。 围岩压力的大小，不仅与岩体的初始地应力状态、岩体的物理力学性质和岩体结构有关，同时还与工程性质、支护结构类型及支护时间等因素有关。 隧道开挖过程中，围岩压力的变化形式与

20、岩体的特征有十分密切的关系。围岩压力可表现为四类形式：松动压力 由于开挖而引起围岩松动或坍塌的岩体以重力形式作用在支护结构上的压力称为松动压力，亦称散体压力。变形压力 开挖必然引起围岩变形，支护结构为抵抗围岩变形而承受的压力称为变形压力。冲击压力 冲击压力是围岩中积累的大量弹性变形能，受开挖的扰动，这些能量突然释放所产生的巨大压力。膨胀压力 某些岩体由于遇水后体积发生膨胀，从而产生膨胀压力。 膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是围岩吸水膨胀引起的。 一般情况下，隧道开挖后，围岩压力包括： 垂直压力，作用在隧道顶部； 侧压力，作用在隧道的两侧； 底压力，作用在隧道的底板。2.隧道围岩压力确定 一

21、般情况下，隧道围岩压力确定有三种方法： 直接量测，是比较切合实际的方法； 根据实际资料统计和总结，提出经验公式； 在实践基础上，从理论上研究围岩压力估算办法。深、浅埋隧道分界深度的确定 深埋隧道就是指隧道开挖引起的应力重新分布不涉及到地表的隧道，深、浅埋隧道分界深度 HP 为： HP(22.5)hq式中 hq荷载等效高度，hq0.452(6 -S )； S隧道围岩类别； 隧道宽度影响系数，1i (B-5)； B隧道宽度； i B增减 1 m时围岩压力增减率；B5m时，i=0.2；B=515m时，i=0.1. 深埋隧道围岩压力的确定 用矿山法施工的深埋隧道，围岩压力按松驰荷载考虑，其垂直均布压力

22、 q 为： q0.452(6-S )式中 隧道围岩容重； 其他符号意义同前。 水平均布压力 e 见下表：水平围岩压力计算表围岩类别水平均布压力078677855664354314230 埋深大于等效荷载高度，小于深浅埋隧道分界深度时 这种情况，隧道上覆岩层或土体下滑时要考虑滑面阻力的影响，否则计算压力过大。 基本假定： 土体中形成的破裂面是一条与水平成角的斜直线。 EFHG岩土体下沉，带动两侧三棱岩土体FDB、ECA下沉，整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力。 AC、BD为假定破裂面，其内聚力为C，计算摩擦角为；另一滑面FH或EG则并非破裂面，该滑面的摩擦角为，则应小于。取值为： 类围岩： 0.9 类围岩： (0.70.9) 类围岩： (0.50.7) I 类围岩： (0.30.5) 作用在支护结构上总的垂直压力 Q 为： QW12Tsin 取三棱体BDF(或ACE)作为脱离体分析，按正弦定理有： 三棱体