第2章主体结构

1、隧道工程隧道工程第第2 2章章 隧道结构构造及设计隧道结构构造及设计第1节 隧道净空与限界本节主要内容：1.1 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。第第1节节 隧道净空与限界的基本概念隧道净空与限界的基本概念Longitudinal sections of heading1232sinrrrr22323112 ()crr rrrGeometry of a mouth profile22212312()()22Arrrrr c1

2、3Hrrc12Dr1.2 铁路隧道建筑限界 第第1 1节节 铁路隧道建筑限界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第1 1节节 铁路隧道建筑限界铁路隧道建筑限界第第1 1节节 铁路隧道建筑限界铁路隧道建筑限界1.3 公路隧道建筑限界 建筑限界组成部分：l 行车道宽度(W)l 路缘带(S)l 侧向宽度(L)l 人行道(R)或检修道(J) 当设置人行道时，含余宽(C)l 车道数第第1 1节节 公路隧道建筑限界公路隧道建筑限界 公路隧道建筑限界图(尺寸单位:m)第第1 1节节 公路隧道建筑限界公路隧道建筑限界各级公路隧道建筑限界基本宽度（各级公路隧道

3、建筑限界基本宽度（m m）公公路路分分类类公公路路等等级级地地 形形行车道行车道宽宽 度度（单洞）（单洞）W侧侧 向向宽宽 度度人人行行道道R检修道检修道(一侧一侧)J隧道建筑隧道建筑限界净宽限界净宽路路缘缘带带S余余宽宽C设检修道或设检修道或不设人行道不设人行道设设人人行行道道汽汽车车专专用用公公路路高高速速平原微丘平原微丘7.500.750.500.7510.75重重 丘丘7.500.500.500.7510.25山岭山岭7.500.500.250.759.757.000.500.250.759.25一级一级平原微丘平原微丘7.500.500.500.7510.25山岭重丘山岭重丘7.00

4、0.500.250.759.25二级二级平原微丘平原微丘8.00/0.250.759.25山岭重丘山岭重丘7.500.250.758.75一一般般公公路路二级二级平原微丘平原微丘9.000.250.759.5010.5山岭重丘山岭重丘7.000.257.508.50三级三级平原微丘平原微丘7.000.250.757.508.50山岭重丘山岭重丘7.000.257.508.50四级四级平原微丘平原微丘7.000.257.50山岭重丘山岭重丘7.00/4.500.257.50/5.00第第1 1节节 公路隧道建筑限界公路隧道建筑限界 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，

5、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1节 公路隧道建筑限界1.4 曲线隧道净空加宽1.4.1 铁路隧道加宽原因第1节 曲线隧道净空加宽1.4.2 单线铁路隧道加宽计算1.4.2.1 车辆中间部分向曲线内侧的偏移l 车辆转向架中心距，取18mR 曲线半径，单位m则：第1节 曲线隧道净空加宽1.4.2.2 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，cm E 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1节 曲线隧道净空加宽1.4.2.3 车辆两端向曲线外侧的偏移L 标

6、准车辆长度，我国为26m，则则总加宽值：第1节 曲线隧道净空加宽第1节 曲线隧道净空加宽类别半径(m) 加宽值(m)汽车轴距加前悬(m)2502002001501501001007070505030302525202015150.40.60.81.01.21.41.82.22.5280.60.70.91.21.52.035.3+8.80.81.01.52.02.51.4.7 注：注： 四级公路和山岭重丘的三级公路采用第四级公路和山岭重丘的三级公路采用第1 1类加宽值；其余各级公路采用第类加宽值；其余各级公路采用第3 3类加宽值。对不经常通行集装箱运输半挂车的公路，可采用第类加宽值。对不经常通行

7、集装箱运输半挂车的公路，可采用第2 2类加宽值。类加宽值。第1节 曲线隧道净空加宽小结小结第1节 隧道净空与限界 小结思考题：思考题：1 1、确定隧道建筑限界需要考虑哪些因素？、确定隧道建筑限界需要考虑哪些因素？2 2、比较铁路隧道与公路隧道在建筑限界与曲、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？线加宽等方面的异同？第3节 隧道净空与限界 思考题第2节 隧道衬砌断面设计 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2.1 隧道衬砌横断面设计2.1.1 设计基本内容 内轮廓线 轴线 厚度2.1.2 设计步骤 确定隧道类型相应建筑限界 根据

8、围岩级别初步拟定截面厚度 断面优化、强度检算并评价内轮廓线第2节 隧道衬砌横断面设计2.1.3 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。2.1.4 设计目的 满足限界要求 满足受力要求 圬工最省第2节 隧道衬砌断面设计 隧道衬砌横断面设计第2节 隧道衬砌横断面设计 (1 (1） 衬砌内轮廓线衬砌内轮廓线( (标准化标准化) ) （2 2） 衬砌外轮廓线衬砌外轮廓线( (可变化可变化) ) （3 3） 衬砌截面厚度衬砌截面厚度( (可变化可变化) ) 讨论：这三者之间

9、的关系？讨论：这三者之间的关系？ 结论结论 （1 1） 内轮廓线与厚度影响结构轴线；内轮廓线与厚度影响结构轴线； （2 2） 外轮廓线决定是否变截面衬砌，亦影响结构轴线。外轮廓线决定是否变截面衬砌，亦影响结构轴线。第2节 铁路隧道衬砌断面设计总结及思考总结及思考2.3 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： 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。第2节 公路隧道衬砌断面设计2.3.1 单心圆断面设计单心圆衬砌内轮廓线 第

10、2节 公路隧道衬砌断面设计第2节 公路隧道衬砌断面设计u 独立变量u 约束条件第2节 公路隧道衬砌断面设计坦三心圆内轮廓线 2.3.2 坦三心圆断面设计第2节 公路隧道衬砌断面设计 独立变量u 基本几何方程u 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2节 公路隧道衬砌断面设计与铁路隧道的异同点：与铁路隧道的异同点： u内轮廓非标准化内轮廓非标准化 u通风、照明等附属设施多通风、照明等附属设施多 设计特点：设计特点： u断面设计优化的必要性断面设计优化的必要性 u规范推荐断面形式规范推荐断面形式( (有标准化的趋势有标准化的趋势) ) 第2节 公路隧道衬

11、砌断面设计2.4 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20202030片石混凝土5050浆砌粗料石或混凝土块303030浆砌块石3030浆砌片石5050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%。第2节 衬砌截面厚度小结小结第2节 隧道衬砌断面设计 小结思考题：思考题：1 1、比较铁路隧道与公路隧道衬砌断面，思考、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？有哪些因素会影响到断

12、面形状？2 2、运用数学优化知识谈谈如何使断面满足各、运用数学优化知识谈谈如何使断面满足各方面要求？方面要求？第2节 隧道衬砌断面设计 思考题第3节 隧道洞身支护结构本节主要内容：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3.1 支护结构类型3.1.1 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3.1.2 内部支护 锚杆 注浆3.1.3 混合支护第3节 隧道洞身支护结构 支护结构类型 喷锚支护 复合式衬砌3.2 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

13、 需要养生时间 受力较慢缺点：第3节 隧道洞身支护结构 整体式混凝土衬砌3.2.1 直墙式衬砌第3节 隧道洞身支护结构 整体式混凝土衬砌 适用于：地质条件较好的、级(、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3节 隧道洞身支护结构 整体式混凝土衬砌半衬砌半衬砌 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。在地质条件尚好，侧压力不大，但又不宜采用半衬砌时。第3节 隧道洞身支护结构 整体式混凝土衬砌简化边墙适用于：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。3.2.2 曲墙式衬砌第3节

14、 隧道洞身支护结构 整体式混凝土衬砌 适用于：3.3 装配式混凝土衬砌第3节 隧道洞身支护结构 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。 3.4 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。3.4.1 作用原理u 形成一种柔性衬砌结构，与围岩合成一体，共同

15、作用，充分调动或发挥围岩的自稳能力u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u 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 第3节 隧道洞身支护结构 锚喷支护 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。 3.4.2 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）而成的联合支护第3节 隧道洞身支护结构 锚喷支护 3.4.3 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

16、了开挖量，也节省圬工3.5 复合式衬砌第3节 隧道洞身支护结构 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3节 隧道洞身支护结构 复合式衬砌常用公路隧道级围岩复合衬砌结构复合衬砌防水层复合衬砌防水层 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：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

17、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3节 隧道洞身支护结构 复合式衬砌 改善受力条件，相对单层同厚度模筑衬砌，承载能 力提高2030 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u 防水效果好优点：缺点： 造价较高，施工较复杂第3节 隧道洞身支护结构 复合式衬砌第3节 隧道洞身支护结构 支护结构基本要求3.6 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；

18、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： u 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 。u 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。 3.7 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。 3.7.2 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

19、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。3.7.1 衬砌结构材料第3节 隧道洞身支护结构 一般规定小结小结第3节 隧道洞身支护结构 小结思考题：思考题：1 1、衬砌结构的仰拱如何改善其受力条件？、衬砌结构的仰拱如何改善其受力条件？2 2、对于拼装式衬砌，可以采取哪些措施改善、对于拼装式衬砌，可以采取哪些措施改善其防水性能？其防水性能？第3节 隧道洞身支护结构 思考题衬砌台车衬砌台车管片拼装图装配式衬砌内景喷射混凝土 钢花拱钢花拱第4节 隧道洞门结构本节主要内容： 洞门定义 洞门作用 洞口位置选定的原则和要求 洞门结构类型第4节 隧道洞门结

20、构4.1 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。4.2 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4节 隧道洞门结构 洞门定义和洞门作用 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4.3 洞门结构类型第4节 隧道洞门结构 洞门结构类型适用于级围岩，地形陡峻而又无排水要求4.3.1 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4节 隧道洞门结构 洞门结构类型适于地形开阔，岩质基本稳定的 级围岩。结构特点：能有效抵抗山体纵向推力。4.3.2 端墙式洞门第4节 隧道洞门结构 洞门结构类型第4

21、节 隧道洞门结构 洞门结构类型端墙端墙第4节 隧道洞门结构 洞门结构类型 端墙式洞门端墙式洞门 端墙的作用：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：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0.61.0m左右； 墙厚按挡土墙计算 ，宽度与路堑横断面相适应。 第4节 隧道洞门结构 洞门结构类型 适用于山体纵向推力较大,洞口地质较差的级及以上的围岩，增加洞门的抗滑动和抗倾覆能力。

22、4.3.3 翼墙式洞门第4节 隧道洞门结构 洞门结构类型南昆线二梓坡隧道翼墙式洞门翼墙式洞门翼墙式洞门检查梯检查梯特点：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。 4.3.4 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4节 隧道洞门结构 洞门结构类型 连拱隧道柱式洞门柱式洞门适于傍山侧坡地区，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。4.3.5 台阶式洞门第4节 隧道洞门结构 洞门结构类型莲花山隧道台阶式洞门台阶式洞门4.3.6 斜交洞门斜交洞门第4节 隧道洞门结构 洞门结构类型适用：适用：线路方向与地形

23、等高线斜交时。特点特点：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。注意事项注意事项：1 斜洞门与线路中线的交角不应小于452 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4节 隧道洞门结构 洞门结构类型4.3.7 削竹式洞门第4节 隧道洞门结构 洞门结构类型 削竹式在公路隧道中被普遍使用 适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4节 隧道洞门结构 洞门结构类型削竹式洞门削竹式洞门 削竹式洞门削竹式洞门削竹式洞门施工现场小结小结第4节 隧道洞门结构 小结思考题：思考题：1 1、隧道洞门结构类型，适用范围及特点？、隧道洞门结构类型，适用范围及特点？2 2、分析以下各种情