学习资料4_理解隧道设计

1、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1.1 1.1 铁路隧道限界铁路隧道限界直线隧道净空与限界的概念直线隧道净空与限界的概念 隧道净空是指隧道衬砌的隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线内轮廓线所包围的空所包围的空间。铁路隧道净空是根据间。铁路隧道净空是根据“隧道建筑限界隧道建筑限界”确定确定的，而的，而“隧道建筑限界隧道建筑限界”是根据是根据“建筑接近限界建筑接近限界”制定的，制定的，“建筑接近限界建筑接近限界”又是根据又是根据“机车车辆机车车辆限界限界”制定的。制定的。 “限界限界”是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证列

2、车安全运行所必需的。内的空间是保证列车安全运行所必需的。“建筑建筑限界限界”是建筑物不得侵入的一种限界。是建筑物不得侵入的一种限界。机车车辆或超限货物车辆的接近限界铁路建筑接近限界 隧道建筑限界 隧道净空 1 1机车车辆限界机车车辆限界 它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。要求正在运行的它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。要求正在运行的各种型号机车和车辆各种型号机车和车辆都必须容纳在此限界范围内而不得超越。都必须容纳在此限界范围内而不得超越。车辆界限车辆界限A=A=车辆最大轮廓尺寸车辆最大轮廓尺寸+ +技术改造预留技术改造预留2 2建筑接近限界建筑接近限界 它是指线路上各种建筑物和设备（包括电力、

3、通风、照它是指线路上各种建筑物和设备（包括电力、通风、照明、安全、监控及内装等附属设施）均不得侵入的轮廓线。它明、安全、监控及内装等附属设施）均不得侵入的轮廓线。它的用途是保证机车车辆的安全运行及建筑物和设备不受损害。的用途是保证机车车辆的安全运行及建筑物和设备不受损害。建筑接近界限建筑接近界限B=A+B=A+线路铺设误差线路铺设误差+ +线路变形和位移线路变形和位移+ +列车摆幅列车摆幅+ +允许货物超限尺寸允许货物超限尺寸3 3隧道建筑限界隧道建筑限界 它是指包围它是指包围“建筑接近限界建筑接近限界”外部的轮廓线。外部的轮廓线。即要比即要比“建筑接近限界建筑接近限界”大一些，留出少许空间，

4、大一些，留出少许空间，用于安装通讯信号、照明、电力等设备。用于安装通讯信号、照明、电力等设备。建筑限界建筑限界C=B+C=B+设备最大尺寸设备最大尺寸+ +设备安装误差设备安装误差+ +衬砌施工误差衬砌施工误差+ +衬砌变形和位移衬砌变形和位移 对于时速对于时速120km/h120km/h新建和改建的蒸汽及内燃牵新建和改建的蒸汽及内燃牵引的单线和双线铁路隧道，采用引的单线和双线铁路隧道，采用“隧限隧限1 1甲甲”和和“隧限隧限1 1乙乙”。新建和改建的电力牵引的单线和。新建和改建的电力牵引的单线和双线铁路隧道，采用双线铁路隧道，采用“隧限隧限2 2甲甲”和和“隧限隧限2 2乙乙”。蒸汽及内燃牵

5、引的单线、双线铁路隧道限界图蒸汽及内燃牵引的单线、双线铁路隧道限界图 电力牵引的单线、双线铁路隧道限界图电力牵引的单线、双线铁路隧道限界图 4 4直线隧道净空直线隧道净空 “直线隧道净空直线隧道净空”要比要比“隧道建筑限界隧道建筑限界”稍大一些，稍大一些，除了满足限界要求外，考虑除了满足限界要求外，考虑避让、救援通道避让、救援通道，还考虑了，还考虑了在不同的围岩压力作用下，衬砌结构的合理在不同的围岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状受力形状（拱部采用三心圆，边墙采用直墙式或曲墙式）以及（拱部采用三心圆，边墙采用直墙式或曲墙式）以及施施工方便工方便等因素。图等因素。图4-44-4及图及图4-54

6、-5为时速为时速120km120km单线及双线单线及双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。图电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。图4-64-6为时速为时速200km200km单线单线及双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。图及双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。图4-74-7为武广客为武广客运专线设计时速运专线设计时速350km350km双线铁路隧道建筑限界及衬砌内双线铁路隧道建筑限界及衬砌内轮廓。轮廓。直线隧道净空直线隧道净空D=C+D=C+结构受力合理结构受力合理+ +形状便于施工形状便于施工图图4-4 4-4 单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓图单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓图 图图4-44-4为时速为时速120k

7、m120km单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。图图4-5 双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓图双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓图 图图4-54-5为时速为时速120km120km双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓。图图4-6 时速时速200km新建铁路隧道衬砌内轮廓图新建铁路隧道衬砌内轮廓图 图图4-7 时速时速350km双线铁路隧道建筑限界及内轮廓双线铁路隧道建筑限界及内轮廓 +1.2 1.2 公路隧道建筑限界公路隧道建筑限界 建筑限界组成部分：行车道宽度行车道宽度(W)(W)路缘带路缘带(S) (S) 侧向宽度侧向宽度(L) (L) 人行

8、道人行道(R)(R)或检修道或检修道(J) (J) 当设置人行道时，含余宽当设置人行道时，含余宽(C) (C) 车道数车道数 +1.3 1.3 曲线隧道净空加宽曲线隧道净空加宽+1 1加宽原因加宽原因 （1 1）车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运）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，仍保持其矩形行，而车辆本身却不能随线路弯曲，仍保持其矩形形状，故其两端向曲线外侧偏移（形状，故其两端向曲线外侧偏移（ d d 外外 ），中间），中间向曲线内侧偏移（向曲线内侧偏移（ d d 内内1 1 ）。）。图图4-8 曲线隧道净空加宽平面示意图曲线隧道净空加宽平面示意图+(2)

9、 (2) 由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，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一个距离 d d内内2 2 。图图4-9 曲线隧道净空加宽断面示意图曲线隧道净空加宽断面示意图+据此，曲线隧道净空的加宽值为据此，曲线隧道净空的加宽值为+内侧加宽内侧加宽 W W 1 1 = d = d 内内1 1 + d + d 内内2 2 +外侧加宽外侧加宽 W W 2 2 = d = d 外外 +总加宽总加宽 W= W W= W 1 1 + W + W 2 2 = d = d 内内1 1 + d + d 内内2

10、2 + d + d 外外+2 2加宽值计算加宽值计算图图4-9 单线隧道曲线加宽示意图单线隧道曲线加宽示意图3 3曲线隧道中线与线路中线偏移距离曲线隧道中线与线路中线偏移距离 从以上可知，曲线隧道内外侧加宽值不同（内从以上可知，曲线隧道内外侧加宽值不同（内侧加宽大于外侧加宽），断面加宽后，隧道中线应侧加宽大于外侧加宽），断面加宽后，隧道中线应向内侧偏移向内侧偏移一个一个 d d 值。值。 单线隧道偏移值为单线隧道偏移值为 d= 1/2 ( W 1 d= 1/2 ( W 1 W 2) W 2) 4 4时速时速200km200km以上曲线隧道净空加宽以上曲线隧道净空加宽 最高时速最高时速200km

11、200km的新建铁路单、双线隧道内净的新建铁路单、双线隧道内净空面积采用空面积采用5252和和8080断面形式也是经过优化比断面形式也是经过优化比选的，既充分满足了空气动力学效应标准的要求，选的，既充分满足了空气动力学效应标准的要求，又完全满足建筑物接近限界及其他工程使用空间又完全满足建筑物接近限界及其他工程使用空间的需要，且留有富余量，考虑道最高时速的需要，且留有富余量，考虑道最高时速200km200km新新建铁路隧道线路采用最小圆曲线半径建铁路隧道线路采用最小圆曲线半径2200m2200m，推荐，推荐圆曲线半径为圆曲线半径为350035006000m6000m，按，按铁路隧道设计规铁路隧道

12、设计规范范曲线隧道的加宽也是较小的，完全在富余量曲线隧道的加宽也是较小的，完全在富余量以内，可以不考虑内轮廓加宽。以内，可以不考虑内轮廓加宽。三）曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接方法三）曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接方法 根据根据铁路隧道设计规范铁路隧道设计规范规定：规定： 位于曲线地段隧道，断面加宽除圆曲线位于曲线地段隧道，断面加宽除圆曲线部分按上述计算值予以加宽外，缓和曲线部部分按上述计算值予以加宽外，缓和曲线部分可分分可分两段加宽两段加宽，即自圆曲线至缓和曲线中，即自圆曲线至缓和曲线中点，并向直线方向延长点，并向直线方向延长13m13m（13=2613=262 2），采，采用圆曲线加宽断面（按

13、用圆曲线加宽断面（按W W值加宽）；其余缓和值加宽）；其余缓和曲线，自直缓分界点向直线段延长曲线，自直缓分界点向直线段延长22m22m（22=18+422=18+4），采用缓和曲线中点加宽断面，采用缓和曲线中点加宽断面，其加宽值取圆曲线之半（即按其加宽值取圆曲线之半（即按W/2W/2加宽）。加宽）。图图4-12 曲线隧道与直线隧道衔接方法平面示意图曲线隧道与直线隧道衔接方法平面示意图 当列车由直线进入曲线，车辆前面的转向架进到当列车由直线进入曲线，车辆前面的转向架进到缓和曲线起点后，由于缓和曲线外轨设有超高，故车缓和曲线起点后，由于缓和曲线外轨设有超高，故车辆开始向内侧倾斜，车辆的后端点亦已偏

14、离线路中心，辆开始向内侧倾斜，车辆的后端点亦已偏离线路中心，所以从车辆的前转向架到车辆后端点的范围内应按圆所以从车辆的前转向架到车辆后端点的范围内应按圆曲线加宽值的一半加宽，此段长度为两转向架间距离曲线加宽值的一半加宽，此段长度为两转向架间距离18m18m加转向架中心到车辆后端点距离加转向架中心到车辆后端点距离4m4m共共22m22m。当车辆。当车辆的一半进入缓和曲线中点时，其车辆后端偏离中线值的一半进入缓和曲线中点时，其车辆后端偏离中线值应根据前面的转向架所在曲线的半径及超高值决定。应根据前面的转向架所在曲线的半径及超高值决定。此时，前面转向架已接近圆曲线，故车辆后段（按切此时，前面转向架已

15、接近圆曲线，故车辆后段（按切线支距法原来推算，近似取车长之半线支距法原来推算，近似取车长之半26/2=13m26/2=13m）应按）应按圆曲线加宽值加宽。圆曲线加宽值加宽。（详见教材（详见教材P68P68） 位于曲线车站上的隧道，断面加宽应根据站位于曲线车站上的隧道，断面加宽应根据站场线路具体要求计算确定。场线路具体要求计算确定。 当隧道位于反向曲线上且其间夹直线长度小当隧道位于反向曲线上且其间夹直线长度小于于44m44m时，重叠部分按两端不同的曲线半径分别计时，重叠部分按两端不同的曲线半径分别计算内外侧加宽值，算内外侧加宽值，取其中较大者。取其中较大者。 隧道衬砌施工中，对不同宽度衬砌断面的

16、衔隧道衬砌施工中，对不同宽度衬砌断面的衔接，可采用在衬砌断面变化点错成直角台阶的接，可采用在衬砌断面变化点错成直角台阶的错错台法台法及自加宽断面终点向不加宽断面延伸及自加宽断面终点向不加宽断面延伸1m1m范围范围内内逐渐过渡逐渐过渡的顺坡法。的顺坡法。 本节主要内容：隧道衬砌断面设计的主要内容和步骤 铁路与公路隧道衬砌断面设计比较2.1 隧道衬砌横断面设计2.1.1 设计基本内容 内轮廓线 （横断面净空） 结构轴线（横断面形状） 截面厚度（截面强度）2.1.2 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2.1.3 设计注意事项 隧道内轮廓必须

17、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。2.1.4 设计目的 满足限界要求 满足受力要求 圬工最省“大小够用为度，形状受力合理，施工简单方便”。2.1.5 隧道衬砌结构和断面尺寸的确定(工程类比法） 选定衬砌断面的大小，即确定所需净空尺寸大小，保证车辆安全通过。 选定衬砌断面计算轴线的形状，调整并保证衬砌受力合理，形状尽量简单。 选定衬砌厚度，验算结构强度、刚度和稳定性。 2.1.6 具体原则 减少挖方，不侵入限界，形状尽量圆顺。 尽量符合自然成拱条件，轴线、压力线尽可能重合（圆形、圆弧、尖拱

18、、平拱的选取）。 最小厚度/设计值。“大小够用为度，形状受力合理，施工简单方便”。2.2 铁路（公路）隧道衬砌断面设计 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。2.3 衬砌截面厚度 单线铁路隧道拱顶厚度一般为3060 双线铁路隧道衬砌拱顶厚度为4080。 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%。本节主要内容：支护的作用和结构设计的基本原则支护结构的设计方法支护的结构组成初期支护的选择原则及组合形式锚喷支护工程特

19、点、作用和效果一、支护的作用和结构设计的基本原则一、支护的作用和结构设计的基本原则1 1、支护的作用、支护的作用 基于对围岩基于对围岩“三位一体三位一体”特性的认识，隧道工作者进一特性的认识，隧道工作者进一步认识到围岩与支护的基本关系：步认识到围岩与支护的基本关系：围岩是工程加固的对象，支护是加固的手段；围岩是工程加固的对象，支护是加固的手段；围岩是隧道结构体系的围岩是隧道结构体系的基本承载基本承载部分，支护是隧道结构体系部分，支护是隧道结构体系的辅助承载部分；的辅助承载部分；围岩是不可替代的天然的围岩是不可替代的天然的结构主体结构主体，支护是可以选择的，支护是可以选择的人工人工的结构部分；的

20、结构部分；“支护支护”是用来是用来“帮助帮助”围岩获得稳定的人工结构。围岩获得稳定的人工结构。 这正是现代隧道围岩承载理论解决隧道工程问题的思路。这正是现代隧道围岩承载理论解决隧道工程问题的思路。 2 2、支护结构设计的基本原则：、支护结构设计的基本原则： 基于对基于对“围岩与支护的基本关系围岩与支护的基本关系”的认识，人们针的认识，人们针对围岩稳定能力不足的工程实际，提出了利用对围岩稳定能力不足的工程实际，提出了利用“支护支护”来来“帮助帮助”围岩获得稳定隧道支护结构设计的基本原则围岩获得稳定隧道支护结构设计的基本原则和隧道施工的工程措施：和隧道施工的工程措施：围岩不稳，支护帮助；围岩不稳，

21、支护帮助；遇强则弱，遇弱则强；遇强则弱，遇弱则强；按需提供，先柔后刚；按需提供，先柔后刚；量测监控，动态调整。量测监控，动态调整。二、支护结构的设计方法二、支护结构的设计方法1 1、工程类比法、工程类比法 工程类比设计法主要是在编制围岩分级表的基础上，比工程类比设计法主要是在编制围岩分级表的基础上，比照已建类似工程的锚喷支护参数、内层衬砌参数，以及施工照已建类似工程的锚喷支护参数、内层衬砌参数，以及施工方法和工艺流程等经验，结合拟建工程的围岩等级与工程尺方法和工艺流程等经验，结合拟建工程的围岩等级与工程尺寸等条件，直接确定拟建工程的寸等条件，直接确定拟建工程的初期支护参数、内层衬砌参初期支护参

22、数、内层衬砌参数数，并同时提出施工方法和工艺流程的建议的设计方法。，并同时提出施工方法和工艺流程的建议的设计方法。2 2、现场监控设计法、现场监控设计法 现场监控设计法又称信息设计法，它是以现场监控设计法又称信息设计法，它是以现场量测现场量测为手为手段、以量测信息为设计依据，来确定支护参数、支护时机、段、以量测信息为设计依据，来确定支护参数、支护时机、施工方法和工艺流程的设计方法。施工方法和工艺流程的设计方法。( (围岩动态判断的准确度围岩动态判断的准确度难以把握，工程量大，耗资多，对施工有一定扰动难以把握，工程量大，耗资多，对施工有一定扰动) )3 3、理论计算设计法、理论计算设计法理论计算

23、设计法是在测得岩体和支护力学参数的前提下，理论计算设计法是在测得岩体和支护力学参数的前提下，根据围岩和支护的力学特性及共同工作的关系，应用根据围岩和支护的力学特性及共同工作的关系，应用弹塑性理论和有限单元分析法，建立力学模型，通过弹塑性理论和有限单元分析法，建立力学模型，通过计算确定支护参数的设计方法。（结合计算确定支护参数的设计方法。（结合围岩位移特性围岩位移特性曲线曲线和和支护特性曲线支护特性曲线，寻找最佳共同作用点）。，寻找最佳共同作用点）。4 4、综合设计法、综合设计法由以上三种方法可知，隧道支护结构设计的方法各有利由以上三种方法可知，隧道支护结构设计的方法各有利弊，单独每一种方法都有

24、其局限性。从实际的发展情弊，单独每一种方法都有其局限性。从实际的发展情况来看，三种方法并用将是今后发展的方向，从而形况来看，三种方法并用将是今后发展的方向，从而形成了成了“综合设计法综合设计法”。三、支护的结构组成三、支护的结构组成根据现代围岩承载理论，可将隧道支护结构体系中的为帮助围岩获根据现代围岩承载理论，可将隧道支护结构体系中的为帮助围岩获得稳定的人工支护结构分为得稳定的人工支护结构分为“初期支护初期支护（外层衬砌）（外层衬砌）”和和“后期后期支护支护（内层衬砌）（内层衬砌）”两部分，构成两部分，构成“复合衬砌复合衬砌”。1 1、初期支护（外层衬砌）、初期支护（外层衬砌）初期支护的作用主要是承受初期支护的作用主要是承受“早期围岩压力早期围岩压力”，帮助围岩达成，帮助围岩达成“基本稳定基本稳定”，以便安全、顺利地，以便安全、顺利地挖除坑道内岩体，保证隧道在施工挖除坑道内岩体，保证隧道在施工期间的稳定和安全。期间的稳定和安全。（喷锚支护、（喷锚支护、超前支护、地层改良）超前支护、地层改良）2 2、二次衬砌（内层衬砌）、二次衬砌（内层衬砌）内层衬砌的作用主要是承受后期围岩压力，并提供内层衬砌的作用主要是承受后期围岩压力，并提供“安全储备安全储备