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1、第二讲 隧道工程基础知识 （一）,主讲人 张俊儒 讲师,隧道的概念及交通隧道简介 隧道横断面 隧道支护结构 洞门与明洞 附属建筑物,主要内容,隧道的概念及交通隧道简介,隧道通常指用作地下通道的工程建筑物。 1970年国际经济合作与发展组织召开的隧道会议综合了各种因素，对隧道所下的定义为：“以某种用途、在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室。”,隧道的概念及交通隧道简介,隧道分类比较明确的是按照隧道的用途来划分，主要有以下四种：,（一）交通隧道,（二）水工隧道,（三）市政隧道,（四）矿山隧道,介绍此类 ！,1 铁路隧道 从1829年开始兴建铁路隧道以来到1990年的160
2、年间，在世界各国已建成超过12000km的铁路隧道，约占世界铁路总长的1%左右。修建铁路隧道可大幅度缩短线路长度，降低线路标高，改善通过不良地质地段的条件，降低铁路造价等。,交通隧道,隧道的概念及交通隧道简介,交通隧道,1 铁路隧道,乌鞘岭隧道,隧道的概念及交通隧道简介,交通隧道,1 铁路隧道,大瑶山隧道,隧道的概念及交通隧道简介,交通隧道,1 铁路隧道,军都山隧道,隧道的概念及交通隧道简介,2 公路隧道 随着社会生产的发展，高速公路的出现，要求线路顺直、平缓、路面宽敞，于是在穿越山区时，也常采用隧道方案。此外，在城市附近，为避免平面交叉，利于高速行车，也常采用隧道方式通过。,交通隧道,隧道的
3、概念及交通隧道简介,交通隧道,2 公路隧道,终南山隧道,隧道的概念及交通隧道简介,交通隧道,2 公路隧道,雪峰山隧道,隧道的概念及交通隧道简介,交通隧道,2 公路隧道,雁门关隧道,隧道的概念及交通隧道简介,3 水底隧道 当交通线横跨河道时，采用水底隧道，既不影响河道通航，也避免了风暴天气轮渡中断的情况，而且在战时不致暴露交通设施的目标，防护层厚，是国防上的较好选择。为横跨黄浦江，上海已修建了全长2793m的水底隧道，广州地铁穿越珠江，武汉地铁穿越长江都修建了水底隧道。,交通隧道,隧道的概念及交通隧道简介,交通隧道,3 水底隧道,武汉长江隧道,隧道的概念及交通隧道简介,4 地下铁道 地下铁道是解
4、决大城市交通拥挤、车辆堵塞等问题，且能大量快速运送乘客的一种城市交通设施。它可以使很大一部分地面客流转入地下，可以高速行车，且可缩短车次间隔时间，节省了乘车时间，便利了乘客的活动。在战时，还可以起到人防的功能。,交通隧道,隧道的概念及交通隧道简介,交通隧道,4 地下铁道,地铁车站,隧道的概念及交通隧道简介,5 航运隧道 当运河需要越过分水岭时，克服高程障碍成为十分困难的问题，一般需要绕行很长的距离。如果修建航运隧道，把分水岭两边的河道沟通起来，既可以缩短航程，又可以省掉船闸的费用，迅速而顺直地驶过，航运条件就大为改善了。,交通隧道,隧道的概念及交通隧道简介,6 人行地道 城市闹市区行人众多，而
5、且与车辆混行，偶有不慎便会发生交通事故。为了提高交通运送能力及减少交通事故，除架设街心高架桥外，也可以修建人行地道和地下立交车道。,交通隧道,隧道的概念及交通隧道简介,交通隧道,6 人行地道,青岛龙山地下商业街,隧道的概念及交通隧道简介,隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。铁路隧道净空是根据“隧道建筑限界”确定的，而“隧道建筑限界”是根据“基本建筑限界”制定的，“基本建筑限界”又是以“机车车辆限界”制定的。 “限界”是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证列车安全运行所必需的。 “建筑限界”是建筑物不得侵入的一种限界。,隧道横断面,（一）隧道净空,1.机车车辆限界 机车车辆最外轮
6、廓的限界尺寸。 2.基本建筑限界 线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线。 3.隧道建筑限界 包围“基本建筑限界”外邻的轮廓线。要比“基本建筑限界”大，留出空间用于安装通讯信号、照明、电力(接触网)等设备。 4.直线隧道净空 “直线隧道净空”比“隧道建筑限界”稍大，除了满足限界要求外，考虑避让、救援通道，还考虑了衬砌结构的合理受力形状(拱部采用三心圆，边墙采用直墙式或曲墙式)及施工方便等因素。,隧道横断面,（一）隧道净空,隧道横断面,（一）隧道净空,隧道横断面,（一）隧道净空,隧道横断面,（二）曲线加宽,（1）车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运行，而车辆本身却不能随线路弯曲，仍保持其矩形形
7、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），如图2-4-8所示。,隧道横断面,（二）曲线加宽,（2）由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动了一个距离d内2，如图2-4-9所示。据此，曲线隧道净空的加宽值为,隧道衬砌构造,开挖后的隧道，为了保持围岩的稳定性，一般需要进行支护和衬砌。 支护的主要方式有：锚杆、钢架、钢筋网、喷射混凝土及其组合； 衬砌的主要方式有：整体式混凝土衬砌、拼装式衬砌、喷射混凝土衬砌和复合式衬砌等。,隧道支护,锚杆是将破碎或不稳定岩体(块)与牢固稳定的岩体连结在一起以提高整体稳定性的一种支护措施。,（一）锚杆,隧道
8、支护,（一）锚杆,隧道支护,（一）锚杆,隧道支护,当围岩软弱、破碎严重且自稳性差时，隧道开挖后，需要及时提供足够强的支护约束围岩变形。在初期支护内设置钢拱架将增大支护结构早期的刚度，阻止围岩的过度变形并承受部分的松弛荷载。钢架分为型钢和格栅钢架两种。,（二）钢架,隧道支护,（二）钢架（型钢）,型钢钢架接头(尺寸单位:mm),隧道支护,（二）钢架（格栅）,隧道支护,（二）钢架（格栅）,隧道支护,（三）钢筋网,钢筋网喷射混凝土是在喷射混凝土之前，在岩面上挂设钢筋网，然后再喷射混凝土。目前，我国在各类隧道工程中应用钢筋网喷射混凝土支护的比较多，主要用于软弱破碎围岩，而更多的是与锚杆或者钢拱架构成联合
9、支护。 钢筋网通常作环向和纵向布置。环向筋一般为受力筋，由设计确定，直径12mm左右；纵向筋一般为构造筋，直径610mm；网格尺寸一般为20cmx20cm, 20cmx25cm,25cmx25cm,25cmx30cm或30cmx30cm。,隧道支护,（三）钢筋网,隧道支护,（四）喷混凝土,喷射混凝土既是一种新型的支护结构，又是一种新的施工工艺。它是使用混凝土喷射机，按一定的混合程序，将掺有速凝剂的细石混凝土，喷射到岩壁表面上，并迅速固结成一层支护结构，从而对围岩起到支护作用。 喷射混凝土可以作为隧道工程的永久性或临时性支护，也可以与各种形式的锚杆、钢拱架、钢筋网等构成组合式支护结构。它的灵活性
10、也很大，可以根据需要分次追加厚度。,隧道支护,（四）喷混凝土,隧道支护,（五）多种措施组合支护,隧道支护,（五）多种措施组合支护,隧道衬砌,隧道开挖后，以较大厚度和刚度的整体模筑混凝土作为隧道的结构。 整体式衬砌按照工程类比、不同围岩级别采用不同的衬砌厚度。其形式有直墙式和曲墙式两种，而曲墙式又分为有仰拱和无仰拱两种。,（一）整体式混凝土衬砌,隧道衬砌构造,1）直墙式衬砌 适用于地质条件比较好，以垂直围岩压力为主而水平围岩压力较小的情况。主要适用于级围岩，直墙式衬砌由上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底三部分组合而成。,（一）整体式混凝土衬砌,拱顶,拱腰,拱脚,墙脚,铺底,隧道衬砌构造,（一）整体
11、式混凝土衬砌,隧道衬砌构造,2）曲墙式衬砌 曲墙式衬砌适用于地质较差，有较大水平围岩压力的情况。主要适用于级及以上的围岩，或级围岩双线隧道；多线隧道也采用曲墙有仰拱的衬砌。 曲墙式衬砌由顶部拱圈、侧面曲边墙和仰拱/底板(或铺底)组成。,（一）整体式混凝土衬砌,拱顶,拱腰,拱脚,墙脚,仰拱,隧道衬砌构造,2）曲墙式衬砌,（一）整体式混凝土衬砌,2）曲墙式衬砌 在级围岩无地下水，且基础不产生沉降的情况下可不设仰拱，只做铺底；一般均需设仰拱，以抵御隧道底部的围岩压力和防止衬砌沉降，并使衬砌形成一个环状的封闭整体结构，以提高衬砌的承载能力。,隧道衬砌构造,2）曲墙式衬砌,（一）整体式混凝土衬砌,隧道衬
12、砌构造,复合式衬砌是指把衬砌分成两层或两层以上，可以是同一种形式、方法和材料施作的，也可以是不同形式、方法、时间和材料施作的。 目前大都采用内外两层衬砌。按内外衬砌的组合情况可分为：初期支护与二次衬砌。根据围岩条件不同，分别采用不同的断面形式和支护、衬砌参数。,（二） 复合式衬砌,隧道衬砌构造,复合式衬砌是先在开挖好的洞壁表面喷射一层早强的混凝土(有时也同时施作锚杆)，凝固后形成薄层柔性支护结构(称初期支护)。它既能容许围岩有一定的变形，又能限制围岩产生有害变形，其厚度多在520cm 之间。 一般待初期支护与围岩变形基本稳定后再施作内衬。为了防止地下水流入或渗入隧道内，可以在外衬和内衬之间设防
13、水层，其材料可采用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯等防水卷材，或用喷涂防水涂料等。,（二） 复合式衬砌,隧道衬砌构造,复合式衬砌可以满足初期支护施作及时、刚度小、易变形的要求，且与围岩密贴，从而能保护和加固围岩，充分发挥围岩的自承作用。 二次衬砌后，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，是一种合理的结构形式，也是目前公路、铁路隧道主要的结构形式。,（二） 复合式衬砌,隧道衬砌构造,（二） 复合式衬砌,隧道衬砌构造,锚喷式衬砌是指锚喷结构既作为隧道临时支护，又作为隧道永久结构（单层衬砌）的形式。它具有隧道开挖后衬砌及时、施工方便和经济的显著特点。 锚喷式衬砌在围岩整体性较
14、好的军事工程、各类用途的使用期较短及重要性较低的隧道中广泛使用。在公路、铁路隧道设计规范中，都有根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可采用锚喷衬砌的规定。,（三）锚喷式衬砌,隧道衬砌构造,铁路隧道设计规定中规定，锚喷衬砌设计应符合下列要求： 锚喷衬砌内轮廓线应适当加大，除考虑施工误差和位移量外，应再预留10 cm作为必要时补强用。 遇到下列情况时不应采用锚喷衬砌：地下水发育或大面积淋水地段；能造成衬砌腐蚀或特殊膨胀性围岩地段；最冷月平均气温低于-5地区的冻害地段；有其他要求的隧道。,（三）锚喷式衬砌,隧道衬砌构造,装配式衬砌是将衬砌分成若干块构件，这些构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用
15、机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。 这种衬砌的特点是：拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。 目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道和水底隧道中采用。在铁路、公路隧道中由于装配式衬砌要求有一定的机械化设备，施工工艺复杂，衬砌的整体性及抗渗性差而未能推广使用。,（四）装配式衬砌,洞门与明洞,（一）洞门,1）洞门的作用 减小洞口土石方开挖量 稳定边、仰坡 引离地表水流 装饰洞口,洞门与明洞,（一）洞门,1）洞门的形式 洞口环框 洞口石质坚硬稳定，地形陡峻无排水要求；,洞门与明洞,（一）洞门,1）洞门的形式 端墙式（一字式）洞门 适用于地形开阔，石质较稳定的地区；,洞门与明洞,
16、（一）洞门,1）洞门的形式 翼墙式（八字式）洞门 洞口地质较差（级及以上围岩），山体纵向推力较大时，在端墙式洞门的单侧或双侧设置翼墙。,洞门与明洞,（一）洞门,1）洞门的形式 柱式洞门,地形较陡（级围岩），仰拱有下滑的可能性，又受地形或地质条件限制，不能设置翼墙时，可在端墙中部设置2个（或4个）断面较大的柱墩，以增加端墙的稳定性。,洞门与明洞,（一）洞门,1）洞门的形式 台阶式洞门 当洞门位于傍山侧坡地区，洞门一侧边仰坡较高时，为了提高靠山侧仰坡起拔点，减少仰拱高度，将端墙顶部改为逐级升高的台阶形式。,洞门与明洞,（一）洞门,1）洞门的形式 斜交式洞门 当隧道洞口地面等高线斜交时，为了缩短隧道
17、度度、减少挖方数量，可采用平行于等高线与线路呈斜交的洞口。,洞门与明洞,（一）洞门,1）洞门的形式 喇叭口式洞门 高速铁路隧道，为了减缓高速列车的空气动力学效应，对单线隧道，一般设喇叭口缓冲段，同时兼作隧道洞门。,洞门与明洞,（二）明洞,明洞是隧道的一种变化形式，它用明挖法修筑。所谓明挖是指把岩体挖开，在露天修筑衬砌，然后回填土石。这样修筑的构筑物，外形几乎与隧道无异，有拱圈、边墙和底板，净空与隧道相同，和地表相连处，也设有洞门、排水设施等。,洞门与明洞,（二）明洞,洞门与明洞,（二）明洞,明洞一般修筑在隧道的进出口处，当遇到地质差且洞顶覆盖层较薄，用暗挖法难以进洞时，或洞口路堑边坡上有落石而
18、危及行车安全时，均需要修建明洞。它是隧道洞口或线路上起防护作用的重要建筑物，在铁路线上使用的较多。 明洞的结构类型常因地形、地质和危害程度的不同，有多种形式，采用最多的为拱式明洞和棚式明洞两种。,洞门与明洞,（二）明洞,地质差且洞顶覆盖层较薄，用暗挖法难以进洞时,洞门与明洞,（二）明洞,（1）拱式明洞 拱式明洞由拱圈、边墙和仰拱(或铺底)组成，它的内轮廓与隧道相一致，但结构厚度要比隧道大。 路堑式对称型 路堑式偏压型,洞门与明洞,（二）明洞,（1）拱式明洞 半路堑式偏压型 半路堑式单压型,洞门与明洞,（二）明洞,（2）棚式明洞 有些傍山隧道，地形的自然横坡比较陡，外侧没有足够的场地设置外墙及基
19、础或确保其稳定，这时采用另一种建筑物棚式明洞。 棚式明洞常见的结构形式： 盖板式 刚架式 悬臂式,洞门与明洞,（二）明洞,（2）棚式明洞,钢架式明洞,盖板式明洞,附属建筑物,为了使隧道正常使用，保证列车安全运营，除主体建筑物外，还必须修筑一些附属建筑物。其中包括：防排水设施，电力及通信信号的安放设施等。,附属建筑物,隧道的永久性防排水是通过防排水工程措施实现的。 经过理论和实践经验的总结，提出了“截、防、堵、排结合，因地制宜，综合治理”的原则。,（一）防排水设施,附属建筑物,截：截断地表水和地下水流入隧道的通道，洞口地表设天沟等截水沟以及地表陷穴等整治； 防：防止地下水从衬砌背后渗入隧道内，充
20、分利用混凝土自防水能力，以及在衬砌与支护之间设置的防水层；,（一）防排水设施,附属建筑物,堵：向支护背后压注水泥砂浆，用以充填支护与围岩间的空隙，以堵住地下水的通道，并使支护与围岩形成整体，改善支护受力条件； 排：将地下水排入隧道内，再经由洞内排水沟（排水沟及盲沟）排走。,（一）防排水设施,附属建筑物,（一）防排水设施,附属建筑物,1）避车洞 当列车通过隧道时，为了保证洞内行人、维修人员及维修设备(小车、料具)的安全，在隧道两侧边墙上交错均匀修建的人员躲避及放置车辆、料具的洞室叫避车洞。 避车洞根据其断面尺寸的大小分为大避车洞及小避车洞两种。,（二）铁路隧道附属建筑物,附属建筑物,（二）铁路隧
21、道附属建筑物,附属建筑物,（二）铁路隧道附属建筑物,附属建筑物,(1)大避车洞 在碎石道床的隧道内，每侧相隔300 m布置一个大避车洞，在整体道床的隧道内，因人员行车待避较方便，且线路维修工作量较小，可相隔420 m布置。 (2)小避车洞 无论在碎石道床或整体道床的隧道内，每侧边墙上应在大避车洞之间间隔60m (双线隧道按30m)布置一个小避车洞。,（二）铁路隧道附属建筑物,附属建筑物,（二）铁路隧道附属建筑物,2）电力及通信设施 电缆槽：电缆槽用混凝土浇筑，可与水沟同侧并与水沟并行，或设置在水沟的异侧。槽内铺以细砂做垫层，低压电缆可直接放在垫层面上，高压电缆则吊在槽边预埋的托架上。槽顶设有盖板防护。,附属建筑物,（二）铁路隧道附属建筑物,2）电力及通信设施 信号继电器箱和无人增音站洞：隧道内如需设置信号继电器箱时，则应在电缆槽同侧设置信号继电器箱洞；根据电讯传输衰耗和通讯设计要求，在隧道内设置无人增音站时。其位置可根据通讯要求确定。可与大避车洞结合使用，如不能结合时，则另行修建。,