大断面隧道设计技术基本原理

1、大断面隧道设计技术基本原理大断面隧道高速铁路一般是：最高行车速度达到250km/h及以上的新建铁路,和最高行车速度200km/h及以上的既有线提速铁路。大断面隧道隧道断面一般以净空断面积（轨道以上内净空）来划分的。隧道断面划分标准划分净空断面积（m2）超小断面100大断面隧道我国高速铁路隧道净空有效面积标准（m2）类别单线双线200km/h 客运专线兼顾货物运输52（53.6）80(85)250km/h 高速铁路58(60)92300350km/h 高速铁路70100注：括号内数值为客运专线兼顾双层集装箱运输条件下，考虑特定接触网高度等因素的面积。 因此，我国高速铁路隧道均属于大断面隧道。大断

2、面隧道云桂铁路正线隧道属于大断面隧道。双线隧道92m2 单线隧道60m2大断面隧道隧道断面也有以开挖断面积来划分的，例如：日本隧道断面划分划分开挖断面积（m2）说明标准断面70-80双车道大断面100-140有人行横道的双车道超大断面140三车道隧道开挖面积约倍隧道净空断面积国外大断面隧道最大宽度：最大断面：252m2世上最早的地下工程公元前2180前2160年，巴比伦王朝修建了一条穿越幼发拉底河，从王宫到朱庇特庙的长约 900米的人行隧道.世界上最早的铁路隧道18291830年在英国建成的利物浦曼彻斯特铁路线上，出现了世界上最早的一座铁路隧道，全长达1190 米。从此，隧道偕同铁路一起在世界

3、各国修建开来。 日本青函隧道日本青函隧道：世界上最长的一条隧道。为双线隧道，全长为，其中海底部分为。隧道为双线设计，标准断面宽米，高9米，断面80平方米。于1971年4月正式动工开挖主坑道。经过12年的施工，1983年1月27日，青函隧道的先导坑道打通。1988年3月13日，青函隧道正式通车， 台湾海峡隧道世界级特大工程 世界最长的公路隧道洛达尔隧道挪威的洛达尔隧道：最长的单洞公路隧道，长。跨度最大的地下洞室挪威1994冬季奥运会地下冰上曲棍球场，长90m, 宽62m, 高25m。RQD=67%，Q=9，无模筑混凝土衬砌，仅用9个月建成。世界第一条地铁1863年1月10日，世界上第一条地铁伦敦

4、地铁运行长，由于当时电动机车尚未问世，机车牵引仍用蒸汽机车。尽管隧道里烟雾弥漫，但人们仍争着去坐，第一年就运载了乘客950万人。我国第一条地铁北京地铁北京地铁是我国第一条地铁，一期工程于1965年动工，1969年10月通车试运行，宣告了中国没有城市地铁历史的结束。 国内公路大断面隧道最大宽度：33 m世界海拔最高的隧道风火山隧道青藏铁路重点难点控制工程风火山隧道坐落于海拔超过5000米的青藏高原风火山上，全长1338米，轨面海拔高程为4905米，比秘鲁铁路的海拔最高点4817米高出88米，是世界海拔最高的隧道 。为修建该隧道，施工单位研制建成了两座每小时可生产24立方米医用氧的世界海拔最高的大

5、型医用制氧站，对洞内实行弥漫式供氧和氧吧车供氧。世界最长双洞公路隧道秦岭终南山公路隧道单洞全长公里，于2007年1月建成通车。隧道通车后，秦岭天堑变为通途，西安至秦岭深处的柞水县城行车时间由原来的3小时缩短为40分钟。我国埋深最大隧道锦屏辅助洞锦屏辅助洞是锦屏水电枢纽前期的控制性工程。其作用是沟通东、西雅砻江的交通，为上下行分离式双洞特长隧道，单洞长约。最大埋深2375m，其埋深大于1500m的洞段(12.8km)占隧洞全长的73.1%，位居世界之首。 锦屏辅助洞穿越的设计地质剖面图预测地下水位线2375m900m国内铁路大断面隧道最大宽度：最大断面：257m2狗磨湾隧道狗磨湾隧道位于襄渝铁路

6、白河旬阳间。隧道长1285米，分别由米单线隧道,140米渡线隧道及米三线隧道组成。最大开挖断面高米,宽22米。 1990年6月开工，1993年5月竣工。我国最早的隧道 褒斜道石门。位于陕西汉中市，隧洞长米，宽米。石门开凿于公元一世纪，始于汉明帝六年（公元63年），到九年（公元66年）4月建成，距今已有1900多年的历史，也是世界上最早的人工穿山隧道。 我国最早的铁路隧道台湾岛内的狮球岭隧道长261m，最大埋深61m，于年春开工，1890年夏建成。创下以下记录：中国最早建成的铁路隧道；中国最早建成的窄轨铁路隧道；中国最早建成的铁路单线隧道；中国最早建成的窄轨铁路单线隧道；二十世纪初成为历史古迹隧

7、道设计和施工的发展趋势断面向着更大、更宽的形式发展铁路隧道：170m2公路隧道：230m2大断面隧道施工方法的选择岩性较好的地层，采用台阶法；岩性较差的地层，采用分部开挖法。在浅埋、软弱地带需增加辅助施工方法开挖后的应力重分布变得不利。对于扁平的大断面图隧道来说，随着高宽比（高度/宽度）的减少，围岩内的最大主应力和衬砌拱顶处的最大弯矩急剧增加，与近圆形隧道相比，将出现更大的塑性区和更大的变形，需要更强大的支护结构来保持隧道的稳定 ；底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。力学分析结果表明,开挖后围岩应力在侧壁处比较大。特别是侧压系数小时，开挖宽度越大,围岩中的切向应力越大，衬砌中轴力也越大

8、。底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。拱顶不稳定。隧道宽度的扩大将大大增加拱顶围岩内的拉应力，导致拱顶掉块等失稳现象。同时，拱顶处衬砌弯矩增加，导致衬砌开裂。因此，隧道断面的增大造成拱顶不稳定。大断面隧道的力学特点较大的松弛地压。开挖宽度越大,要求产生拱作用的埋深越大,在埋深作用不能发挥作用时,就会产生很大的松弛压力。因此,大断面隧道支护结构将承受更大的松弛荷载。支护结构的承载力相对较小。跨度越大,扁平形状的拱形支护结构支护条件不利，相对承载力变小。位移大断面隧道最大主应力最大主应力大断面隧道大断面隧道设计高速铁路的大断面隧道与公路大断面隧道相比要小得多。高速公路隧道断面积达到170

9、- 200m2，局部断面积甚至达230m2开挖宽度达23m以上。我国最大断面的铁路隧道是位于设计时速达350公里的郑西高速铁路上的张茅隧道（全长8483米），其最大开挖断面面积达164平方米。 大断面隧道设计大断面隧道设计包括：净空断面形式设计；衬砌结构设计；辅助坑道设计；防排水设计；隧道洞口形式及景观设计；防灾救援设计；隧道内相关设施设计。大断面隧道设计隧道断面设计主要考虑下列因素：隧道建筑限界；轨道数量和线间距；缓解空气动力学效应所需的空间；需预留的空间,如安全空间、避难和救援空间、养护维修及工程技术作业空间、其他使用要求所需的空间；设备安装空间等。 大断面隧道净空设计 高速度带来的隧道空

10、气动力学问题： 隧道空气阻力、瞬变压力、洞口微气压波等增大增强：需要加大隧道断面积、改善洞口及辅助结构的设置等。空气动力学效应空气动力学效应高速铁路隧道空气动力学效应 空气动力学效应空气动力学效应影响因素：阻塞比：列车断面积/隧道断面积阻塞比越大，影响越大车速与车速成二次方正比关系隧道长度车辆密封指数车内压力从3600Pa降低到1350Pa所需的泄漏时间；采用密封车辆后，车内压力的峰值滞后，同时压力变化幅度减小；密封效果短隧道比长隧道好。车头形状选择长细比大的流线形车头是缓解微气压波的一个重要措施 空气动力学效应空气动力学效应影响的解决办法：扩大隧道断面从经济、技术的合理性出发，采用相对比较富

11、裕的净空有效面积。 密封车辆通过提高车辆的密封性来减小瞬变压力对乘客的影响。 设置辅助坑道合理设置的辅助坑道(斜井、竖井和横洞)能缓解压力波动的程度。 入口缓冲结构减小高速列车进入隧道产生的空气动力学效应对洞口周围环境的影响。噪音处理措施通过在洞内洞壁上贴吸音板来吸收噪音。隧道洞口设计斜切式洞口设计：降低瞬变压力与微气压波。需要时设置洞口缓冲结构。隧道洞口景观设计和谐成为亮丽的风景单线隧道：净空断面积60m2双线隧道：净空断面积92m2采用250km/h铁路隧道衬砌内轮廓设计隧道净空设计隧道净空设计单洞双线和双洞单线方案选择比较项目单洞双线隧道方案双洞单线隧道方案施工难度及风险断面大，在软弱围

12、岩中发生坍塌的机会较多，容易发生变形，风险较大断面较小，发生坍塌，变形的机会相对较少，风险较小运营通风难以利用活塞风可以充分利用活塞风防灾救援当隧道内发生火灾时，消防灭火与救灾难度大，线路将中断运营当一座隧道内发生火灾时，可通过另一座隧道帮助灭火，并利用横通道紧急疏散人员，仅中断一条线路运营空气动力学影响相对小相对大环境影响相对小相对大工程投资较低大2040隧道净空设计单洞双线和双洞单线方案选择原则：当隧道长度小于10km时，一般采用单洞双线隧道方案,可利用施工时的辅助坑道作为防灾救援和人员疏散的紧急出口。当隧道长度为1020km时，应结合隧道两端引线、车站布点等相关工程情况进行系统的经济技术

13、比选。也可结合防灾救援及养护维修考虑,采用双线隧道加贯通平导的方案进行比较。当隧道长度大于20km时，从防灾救援方面考虑，一般采用双洞单线隧道方案。大断面隧道设计衬砌结构设计现代隧道衬砌结构设计的特点：采用岩石力学模型，而不采用传统的荷载结构模型；围岩既是荷载的来源，又是承载结构；围岩是主要的承载结构；锚喷支护只是用来加固围岩，提高围岩的承载能力；二次衬砌作为安全储备，视具体情况决定是否施设；强调信息化施工。大断面隧道设计衬砌结构设计衬砌结构类型有：单层衬砌；复合式衬砌；拼装式衬砌等。拼装式衬砌（管片衬砌）一般用于盾构掘进机法施工；对于钻爆法施工的隧道,多采用单层衬砌和复合式衬砌。大断面隧道设

14、计衬砌结构设计单层衬砌和复合式衬砌的本质区别：单层衬砌各支护层间不设置隔离层（防水板），而是采用自防水措施。图14.大断面隧道设计衬砌结构设计单层衬砌和复合式衬砌的一般适用性：单层衬砌更适用于围岩自稳能力较好，地下水不丰富的岩石隧道；复合式衬砌更适合地下水丰富的土质或软弱围岩隧道。大断面隧道设计衬砌结构设计复合式衬砌结构设计排水型复合式衬砌防水型复合式衬砌新建和改建隧道防排水，应采用“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则大断面隧道设计衬砌结构设计排水型复合式衬砌二次衬砌不承受水压力；初期支护承担施工阶段全部荷载；二次衬砌承担附加荷载以及作为安全储备。 防水型复合式衬砌二次衬砌承受水压

15、力，一般远大于围岩压力；初期支护承担施工阶段全部荷载；二次衬砌承担全部后期围岩压力。大断面隧道设计衬砌结构设计复合式衬砌设计与施工中应注意的问题：衬砌断面形状应力求圆顺，减少围岩和衬砌在荷载作用下产生应力集中； 采用分部开挖时,应加强各连接点的强度和刚度，防止接头受力变形破坏；大断面隧道衬砌设计参数应根据施工方法及现场监控量测适当调整；合理设置二次衬砌纵向施工缝位置，施工缝处宜设置加强钢筋；加强施工中的监控量测通过监控量测结果合理调整支护参数。大断面隧道设计衬砌结构设计单层衬砌结构设计单层衬砌结构设计方法目前有：基于挪威法的Q系统支护设汁法极限状态设计法基于能量守恒的能量原理设计法。挪威Q值法

16、是一种较成熟的单层衬砌结构设计方法。由巴顿于1974年提出，并于1993年，2002年两次更新完善。特别适用于钻爆法施工的，大跨度岩石隧道。在国外得到广泛应用。大断面隧道设计衬砌结构设计挪威隧道方法的特点重视前期的地质调查，两步地质调查；施工中对每个开挖面进行地质素描和支护设计；非常系统定量的设计方法Q值法；锚喷为主要永久性支护；施喷湿钢纤维混凝土，采用自立式锚杆；施工及支护设计一体化，对现场施工人员要求高；采用悬吊式防水板或自防水混凝土衬砌；强调离散单元法（UDEC，3DEC）应用 。大断面隧道设计衬砌结构设计与新奥法NATM相比，挪威法NMT优点有：快速施工；安全施工；造价低，综合经济效益

17、可节省达2030%；可操作性强；维修费用低。世界最长公路隧道- 挪威拉达尔隧道大断面隧道设计衬砌结构设计挪威Q值法支护结构设计两步骤：1、Q值的计算其中：RQD: 岩石质量；节理组数Jn；节理粗糙度 Jr；节理填充物Ja；地下水Jw；地应力SRF。2、支护结构选择按支护结构设计图， 基于Q值，隧道跨度设计：锚杆长度，间距；喷混凝土（钢纤维混凝土）厚度；混凝土衬砌。大断面隧道设计衬砌结构设计锚杆长度隧道跨度或高度Q值岩石分类支护设计大断面隧道设计衬砌结构设计离散单元法的应用大断面隧道设计衬砌结构设计有限单元法模拟离散单元法模拟大断面隧道设计衬砌结构设计1994冬季奥运会地下冰上曲棍球场 (挪威,

18、 锚喷支护)长90米, 宽62米, 高25米RQD=67%，Q=9大断面隧道设计衬砌结构设计斯德哥尔摩地铁车站（瑞典）只有喷混凝土大断面隧道设计衬砌结构设计竣工后的地下洞室(新加坡, 锚喷支护), 长100米, 宽27米, 高11米大断面隧道设计新意法新意法（ADECO-RS法）：是一种系统的全断面机械化开挖的隧道设计、施工技术。该工法适用于软弱地层大断面隧道开挖、强调掌子面的作用及掌子面稳定的重要性；被意大利公路及铁路领域纳入规范并且被广泛采用；欧洲国家的大型项目施工也较多地采用此工法。大断面隧道设计底部结构设计多采用无咋轨道结构；降低隧道内轨道结构高度；从而减少开挖面积，降低工程造价；施工

19、方便；缺点是噪音大，有条件时，采取消音措施。大断面隧道设计防排水设计满足一级防水标准，即二次衬砌不允许渗水、二次衬砌表面无湿渍；高速铁路隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则 优先设计防水型隧道情况地面生态和社会环境敏感地区；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； 地下水具有腐蚀性，需要将地下水与混凝土隔离的场合。 大断面隧道设计防排水设计防排水措施以施工缝、变形缝防水为重点，施工缝防水同时采用背贴式止水带与中埋式止水带或遇水膨胀止水条的防水措施；变形缝防水同时采用中埋式止水带及其他两种可靠的防水措施；应重视初期支护的防水，并辅以注浆防水、防水层、

20、膨胀止水胶加强防水，满足结构设计和使用要求；隧道内均应设置双侧排水沟。单洞双线隧道，根据地下水量，可增设中心水沟；富水地层隧道应采用深排水沟（水沟水位在铺底面20cm以下）；大断面隧道设计衬砌结构耐久性设计影响高速铁路隧道衬砌结构耐久性的因素： 环境因素：环境类别分为碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境和磨蚀环境；列车运行因素：高速列车运行引起的压力波动以及列车振动作用也是影响结构耐久性的主要因素。有初始裂纹的衬砌结构,在气动压力波正压、负压的反复作用下，衬砌结构将产生疲劳，裂纹不断扩展，直到断裂破坏;同时,衬砌结构底部在列车振动荷载的作用下，也容易出现疲劳性破坏。 大断面隧道设计衬砌结构耐久性设