隧道底部结构及防排水设计

1、第四章 隧道底部结构及防排水设计 主讲老师：张俊儒隧道底部结构隧道底部结构先学习：有砟轨道先学习：有砟轨道用散体材料碎石组成道床的传统轨道形式，也叫普通轨道，即用散体材料碎石组成道床的传统轨道形式，也叫普通轨道，即我们最常说的有砟轨道。我们最常说的有砟轨道。特点：因在轨枕下铺设一层碎石组成的道床，减少了地面应力，特点：因在轨枕下铺设一层碎石组成的道床，减少了地面应力，碎石道床还提高了轨道的弹性和排水性能，使轨道便于维修。碎石道床还提高了轨道的弹性和排水性能，使轨道便于维修。无碴轨道概念无碴轨道概念无砟轨道无砟轨道前面学习到：常规铁路都在小块石头的基础上，再铺设枕木或前面学习到：常规铁路都在小块

2、石头的基础上，再铺设枕木或水泥钢轨，但这种铁路不适于列车高速行驶。世界高速铁路的水泥钢轨，但这种铁路不适于列车高速行驶。世界高速铁路的发展证实，高速铁路基础工程如果使用常规的轨道系统，道砟发展证实，高速铁路基础工程如果使用常规的轨道系统，道砟粉化严重，线路维修频繁，安全性、舒适性、经济性相对较差。粉化严重，线路维修频繁，安全性、舒适性、经济性相对较差。无砟轨道是高速铁路工程技术的发展方向。无砟轨道是高速铁路工程技术的发展方向。无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石，无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石，铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道是当今世界先进的铁轨、轨

3、枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道是当今世界先进的轨道技术。可以减少维护、降低粉尘、美化环境、轨道稳定性轨道技术。可以减少维护、降低粉尘、美化环境、轨道稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性强，而且列车时速可以达到高、刚度均匀性好、结构耐久性强，而且列车时速可以达到200200公里以上。公里以上。广泛采用！先看几张图片！广泛采用！先看几张图片！ 无碴轨道概念无碴轨道概念无碴轨道概念无碴轨道概念无碴轨道概念无碴轨道概念 隧道内隧道内板式轨道板式轨道结构由钢轨、扣件、轨道板、混凝土底座或混凝土结构由钢轨、扣件、轨道板、混凝土底座或混凝土支承层等组成。支承层等组成。隧道内铺设无碴轨道的基本要求隧道内铺设无碴

4、轨道的基本要求双块式无碴轨道双块式无碴轨道结构由钢轨、扣件、混凝土道床板、混凝土支承层结构由钢轨、扣件、混凝土道床板、混凝土支承层等组成。等组成。隧道内铺设无碴轨道的基本要求隧道内铺设无碴轨道的基本要求根据隧道仰拱和填充或底板的结构受力情况，可以利用隧道的仰拱或根据隧道仰拱和填充或底板的结构受力情况，可以利用隧道的仰拱或底板兼做无碴轨道的混凝土支承层或混凝土底座。底板兼做无碴轨道的混凝土支承层或混凝土底座。利用填充作为无碴轨道支承层的结构如下图所示利用填充作为无碴轨道支承层的结构如下图所示。隧道内铺设无碴轨道的基本要求隧道内铺设无碴轨道的基本要求利用底板作为无碴轨道混凝土支承层的结构如下图所示

5、。利用底板作为无碴轨道混凝土支承层的结构如下图所示。隧道内铺设无碴轨道的基本要求隧道内铺设无碴轨道的基本要求 隧道内混凝土支承层或混凝土底座在距隧道洞口隧道内混凝土支承层或混凝土底座在距隧道洞口200m200m范围内伸缩缝设置与露天区间一致，洞内其余地范围内伸缩缝设置与露天区间一致，洞内其余地段伸缩缝间距可适当加大，在隧道结构沉降缝处对应段伸缩缝间距可适当加大，在隧道结构沉降缝处对应设置伸缩缝。设置伸缩缝。 隧道混凝土回填层是基底内无碴轨道的直接承力层，隧道混凝土回填层是基底内无碴轨道的直接承力层，回填层混凝土强度等级不低于回填层混凝土强度等级不低于C20C20，以兼做支承层回，以兼做支承层回

6、填混凝土的强度等级不低于填混凝土的强度等级不低于C25C25。隧道内铺设无碴轨道的基本要求隧道内铺设无碴轨道的基本要求 隧道仰拱基底不得有积水，必要时应采取注浆或其隧道仰拱基底不得有积水，必要时应采取注浆或其他措施治理，防止隧底基底软化或水土颗粒流失。隧他措施治理，防止隧底基底软化或水土颗粒流失。隧道内应设双侧水沟，并确保排水系统通畅，根据各隧道内应设双侧水沟，并确保排水系统通畅，根据各隧道的水文地质情况，预留必要的排水储备能力。道的水文地质情况，预留必要的排水储备能力。 不良地质地段，仰拱施工前应进行基底承载力检测。不良地质地段，仰拱施工前应进行基底承载力检测。当围岩基底承载力达不到当围岩基

7、底承载力达不到0.3 MPa0.3 MPa，或者预计发生沉，或者预计发生沉降变形时，应采取地基加固措施。一般情况下，活动降变形时，应采取地基加固措施。一般情况下，活动断层地段不宜铺设无碴轨道。如铺设无碴轨道。应采断层地段不宜铺设无碴轨道。如铺设无碴轨道。应采取方便维修或调整的相应措施。取方便维修或调整的相应措施。 隧道内铺设无碴轨道的基本要求隧道内铺设无碴轨道的基本要求 下图为博格板式无碴轨道在国外隧道中的应用情况。下图为博格板式无碴轨道在国外隧道中的应用情况。无碴轨道的应用情况无碴轨道的应用情况博格板是一块块长博格板是一块块长6.456.45米、高米、高2020厘米、重达厘米、重达9.69.

8、6吨的混凝土吨的混凝土承轨台，每一块的长、宽、高承轨台，每一块的长、宽、高误差都被严格控制在毫米以误差都被严格控制在毫米以内。实际上，每块博格板就相内。实际上，每块博格板就相当于连成一体的当于连成一体的1010块枕木。博块枕木。博格板全部铺设完成后，钢轨就格板全部铺设完成后，钢轨就被直接固定在博格板上。被直接固定在博格板上。我国在京津城际使用我国在京津城际使用！ 雷达雷达20002000型无碴轨道的结构图型无碴轨道的结构图 无碴轨道的应用情况无碴轨道的应用情况德国雷达型无碴轨道于德国雷达型无碴轨道于19721972年首次铺设于德国年首次铺设于德国比勒菲尔德至哈姆的一段比勒菲尔德至哈姆的一段线路

9、上，以线路上，以RhedaRheda车站车站而命名，属轨枕埋入式无而命名，属轨枕埋入式无碴轨道。雷达碴轨道。雷达20002000型无型无碴轨道是雷达型无碴轨道碴轨道是雷达型无碴轨道系统发展的最新型式，主系统发展的最新型式，主要由钢轨、扣件、预制双要由钢轨、扣件、预制双块式轨枕、混凝土道床板块式轨枕、混凝土道床板以及水硬性支承层组成。以及水硬性支承层组成。 雷达雷达20002000型无碴轨道的结构图型无碴轨道的结构图 无碴轨道的应用情况无碴轨道的应用情况雷达雷达20002000型无碴轨道的结构图型无碴轨道的结构图 无碴轨道的应用情况无碴轨道的应用情况雷达雷达20002000型无碴轨道的结构图型无

10、碴轨道的结构图 无碴轨道的应用情况无碴轨道的应用情况下图为日本新干线隧道内框型板式无碴轨道的应用实例。下图为日本新干线隧道内框型板式无碴轨道的应用实例。 无碴轨道的应用情况无碴轨道的应用情况 我国隧道内无碴轨道的研究始于我国隧道内无碴轨道的研究始于2020世纪世纪6060年代，正式推广应用年代，正式推广应用的仅有轨枕嵌入式（支承块式的仅有轨枕嵌入式（支承块式) )整体道床。整体道床。 无碴轨道的应用情况无碴轨道的应用情况路隧过渡段工程路隧过渡段工程 为减小过渡段线路的刚度突变，需要在路基与隧道连接处设置过渡为减小过渡段线路的刚度突变，需要在路基与隧道连接处设置过渡段，以实现过渡段范围内线路刚度

11、的渐进过渡。段，以实现过渡段范围内线路刚度的渐进过渡。 下图为韩国无碴轨道与有碴轨道路基过渡段结构。下图为韩国无碴轨道与有碴轨道路基过渡段结构。 洞外有碴轨道侧洞外有碴轨道侧33.6m33.6m范围内道床碎石按照不同的密实度捣固，形范围内道床碎石按照不同的密实度捣固，形成不同的刚度梯度。无碴轨道的素混凝土基础延伸到有碴轨道约成不同的刚度梯度。无碴轨道的素混凝土基础延伸到有碴轨道约60m60m长长度范围内，形成刚度的渐进过渡。度范围内，形成刚度的渐进过渡。 下图为德国无碴轨道路隧过渡段，在隧道出口铺设下图为德国无碴轨道路隧过渡段，在隧道出口铺设5cm5cm厚的硬泡厚的硬泡沫板，从隧道出口按照沫板

12、，从隧道出口按照5.75%5.75%的坡度填筑楔形水泥土，的坡度填筑楔形水泥土，. .逐步向普通填逐步向普通填筑路基过渡。筑路基过渡。 路隧过渡段工程路隧过渡段工程 我国的相关技术规定：为保证过渡段我国的相关技术规定：为保证过渡段无砟轨道末端支承层的可靠连接，自无砟无砟轨道末端支承层的可靠连接，自无砟轨道起点至洞内轨道起点至洞内25m25m范围内，对仰拱回填范围内，对仰拱回填层进行凿毛处理，并应预埋与底座的连接层进行凿毛处理，并应预埋与底座的连接钢筋。钢筋。 路隧过渡段工程路隧过渡段工程中国中国路隧过渡段工程路隧过渡段工程隧道内无碴轨道的防噪声措施隧道内无碴轨道的防噪声措施 与铺设有碴轨道相比

13、，铺设无碴轨道对隧道与铺设有碴轨道相比，铺设无碴轨道对隧道内压力波的传播和洞口微气压波均有明显的负面内压力波的传播和洞口微气压波均有明显的负面作用，不利于缓解隧道内空气动力学效应。作用，不利于缓解隧道内空气动力学效应。 采取措施：采取措施：尽量在洞内轨道上面或隧道边壁，尽量在洞内轨道上面或隧道边壁，采取一些增加壁面粗糙度或具有吸声作用的材料。采取一些增加壁面粗糙度或具有吸声作用的材料。另一种措施是在洞外设置加高的防声墙。另一种措施是在洞外设置加高的防声墙。隧道内无碴轨道的防噪声措施隧道内无碴轨道的防噪声措施荷兰某隧道为降低隧道内及洞口噪声，在两侧墙壁安装吸声板的措施。荷兰某隧道为降低隧道内及洞

14、口噪声，在两侧墙壁安装吸声板的措施。隧道内无碴轨道的防噪声措施隧道内无碴轨道的防噪声措施德国科隆德国科隆- -法兰克福某隧道内在无碴轨道面上铺设预制吸声材料，法兰克福某隧道内在无碴轨道面上铺设预制吸声材料，以减小无碴轨道对空气动力学效应的负面影响。以减小无碴轨道对空气动力学效应的负面影响。 隧道防排水设计隧道防排水设计（一）高速铁路隧道防水标准（一）高速铁路隧道防水标准 为了保证高速铁路安全运行和设备正常运转，根据为了保证高速铁路安全运行和设备正常运转，根据客运专线铁路隧道工程施工技术指南客运专线铁路隧道工程施工技术指南（TZ214-TZ214-20052005）和）和客运专线铁路隧道工程施工

15、质量验收暂行标客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准准（铁建设（铁建设20051602005160号），隧道衬砌和设备洞室衬号），隧道衬砌和设备洞室衬砌的防水等级应达到砌的防水等级应达到地下工程防水技术规范地下工程防水技术规范（GB50108-2001GB50108-2001）规定的一级防水标准，即二次衬砌）规定的一级防水标准，即二次衬砌不允许渗水、二次衬砌表面无湿渍。不允许渗水、二次衬砌表面无湿渍。 （二）防排水原则（二）防排水原则 高速铁路隧道防排水应遵循高速铁路隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合，防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理因地制宜，综合治理”的原则，在设计时需要考虑以下因

16、素：的原则，在设计时需要考虑以下因素： 1 1 水文和气候因素；水文和气候因素； 2 2 地下水类型、水位，以及补给径流和排泄特征；地下水类型、水位，以及补给径流和排泄特征； 3 3 地下水化学成分（是否具有侵蚀性或腐蚀性）；地下水化学成分（是否具有侵蚀性或腐蚀性）； 4 4 地下水排放对周围生态环境的影响；地下水排放对周围生态环境的影响； 5 5 隧道开挖方法和隧道衬砌设计等。隧道开挖方法和隧道衬砌设计等。 隧道可分为防水型隧道和排水型隧道。隧道可分为防水型隧道和排水型隧道。 在下列条件下，需优先设计防水型隧道：在下列条件下，需优先设计防水型隧道： 1 1 地面生态和社会环境敏感，要求严格限

17、制排水以免地面生态和社会环境敏感，要求严格限制排水以免对其造成影响，特别是在隧道地区居民分布密集或存在地下对其造成影响，特别是在隧道地区居民分布密集或存在地下水供水水源，大量排放会对环境等造成重大影响的场合；水供水水源，大量排放会对环境等造成重大影响的场合； 2 2 地表下沉影响较大，从而危及结构物正常使用及周地表下沉影响较大，从而危及结构物正常使用及周边环境的场合；边环境的场合； 3 3 地下水具有腐蚀性，需要将地下水与混凝土隔离的地下水具有腐蚀性，需要将地下水与混凝土隔离的场合。场合。 （二）防排水原则（二）防排水原则（三）防水工程措施（三）防水工程措施防水工程措施包括：防水工程措施包括：

18、 初期支护喷射混凝土防渗；初期支护喷射混凝土防渗； 防水层；防水层； 施工缝及变形缝防水；施工缝及变形缝防水； 衬砌混凝土自防水；衬砌混凝土自防水； 衬砌背后回填注浆。衬砌背后回填注浆。 （三）防水工程措施（三）防水工程措施初期支护喷射混凝土防渗：为提高其防水质量，应初期支护喷射混凝土防渗：为提高其防水质量，应做好以下几点：做好以下几点： 对喷射混凝土的围岩基面进行处理；对喷射混凝土的围岩基面进行处理； 对喷射混凝土背后孔隙进行注浆；对喷射混凝土背后孔隙进行注浆； 对突出的锚杆头进行处理；对突出的锚杆头进行处理； 加强喷射混凝土的湿润养护，减少裂纹；加强喷射混凝土的湿润养护，减少裂纹； 调整混

19、凝土配合比或掺加外加剂等，提高混凝土的抗调整混凝土配合比或掺加外加剂等，提高混凝土的抗渗能力。渗能力。 （三）防水工程措施（三）防水工程措施防水层：防水层： 复合式衬砌中的防水层是隧道防排水技术的核心；复合式衬砌中的防水层是隧道防排水技术的核心； 防水层为不透水表面光滑的高分子防水卷材，不仅起到防水层为不透水表面光滑的高分子防水卷材，不仅起到将地层渗水拒于二次衬砌之外的防水作用，而且对初期支护将地层渗水拒于二次衬砌之外的防水作用，而且对初期支护与二次衬砌还起到隔离与润滑作用，使初期支护喷射混凝土与二次衬砌还起到隔离与润滑作用，使初期支护喷射混凝土对二次衬砌模筑混凝土的约束应力减少，从而避免二衬

20、混凝对二次衬砌模筑混凝土的约束应力减少，从而避免二衬混凝土产生裂缝，提高了二次衬砌的防水抗渗能力；土产生裂缝，提高了二次衬砌的防水抗渗能力； 防水层通常由缓冲垫层与防水板两部分组成。防水层通常由缓冲垫层与防水板两部分组成。（三）防水工程措施（三）防水工程措施施工缝与变形缝：施工缝与变形缝： 施工缝是由于隧道衬砌混凝土施工所产生的冷接缝，是施工缝是由于隧道衬砌混凝土施工所产生的冷接缝，是防水薄弱环节之一，施工缝若处理不好，不仅造成衬砌混凝防水薄弱环节之一，施工缝若处理不好，不仅造成衬砌混凝土裂缝及洞内漏水，还会降低结构的强度和耐久性；土裂缝及洞内漏水，还会降低结构的强度和耐久性； 为防止由于衬砌

21、不均匀下沉而引起裂缝，在地质条件变为防止由于衬砌不均匀下沉而引起裂缝，在地质条件变化显著、衬砌受力不匀地段，应设置沉降缝，为防止由于温化显著、衬砌受力不匀地段，应设置沉降缝，为防止由于温度变化剧烈或混凝土凝结时的收缩影响而引起衬砌开裂，应度变化剧烈或混凝土凝结时的收缩影响而引起衬砌开裂，应设置伸缩缝，这两种结构缝统称为变形缝；变形缝应采用柔设置伸缩缝，这两种结构缝统称为变形缝；变形缝应采用柔性材料做防水处理。性材料做防水处理。 下页图！下页图！（三）防水工程措施（三）防水工程措施施工缝与变形缝：施工缝与变形缝：高速铁路隧道施工缝构造形式高速铁路隧道施工缝构造形式高速铁路隧道带接水盒高速铁路隧道

22、带接水盒的变形缝构造形式的变形缝构造形式（三）防水工程措施（三）防水工程措施防水混凝土：防水混凝土： 二次衬砌混凝土既是外力的承载结构，也是防水的最后二次衬砌混凝土既是外力的承载结构，也是防水的最后一道防线，因此要求衬砌具有一定的抗渗性；一道防线，因此要求衬砌具有一定的抗渗性； 防水混凝土是以水泥、砂、石为原料，通过规定的及配防水混凝土是以水泥、砂、石为原料，通过规定的及配比，并掺入少量外加剂，通过调整配合比、抑制或减少空隙比，并掺入少量外加剂，通过调整配合比、抑制或减少空隙率、改变孔隙特征、增加各原料界面间的密实性等方法，配率、改变孔隙特征、增加各原料界面间的密实性等方法，配置具有一定抗渗能

23、力的防水混凝土；置具有一定抗渗能力的防水混凝土； 根据根据客运专线铁路隧道工程施工技术指南客运专线铁路隧道工程施工技术指南要求，二要求，二次衬砌防水混凝土抗渗等级不低于次衬砌防水混凝土抗渗等级不低于P8P8。（三）防水工程措施（三）防水工程措施衬砌背后回填注浆：衬砌背后回填注浆： 回填注浆是二次衬砌完成后，为了填充二次衬砌与防水回填注浆是二次衬砌完成后，为了填充二次衬砌与防水板之间的空隙而进行的注浆；回填注浆应在衬砌混凝土强度板之间的空隙而进行的注浆；回填注浆应在衬砌混凝土强度达到达到70%70%后进行；一般来说，通过在浇筑二次衬砌时拱顶后进行；一般来说，通过在浇筑二次衬砌时拱顶按一定间距预埋的垂向注浆管可进行回填注浆；按一定间距预埋的垂向注浆管可进行回填注浆； 衬砌背后注浆宜选用水泥浆液、水泥砂浆或掺有石灰、衬砌背后注浆宜选用水泥浆液、水泥砂浆或掺有石灰、黏土、膨润土、粉煤灰的水泥浆液；黏土、膨润土、粉煤灰的水泥浆液； 回填注浆及衬砌内注浆的压力应小于回填注浆及衬砌内注浆的压力应小于0.5MPa0.5MPa。（四）排水工程措施（四）排水工程措施在排水型隧道中，必须做好衬砌背后的排水系统，在排水型隧道中，必须做好衬砌背后的排水系统，使水能通畅排出。隧道排水系统主要包括环向排水使水能通畅排出。隧道排水系统主要包括环向排水盲沟、纵向排水盲沟、侧沟、横向排水盲管