隧道工程课件隧道结构构造及设计

隧道工程

中南大学第2章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：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第1节隧道净空与限界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1节隧道净空与限界1.2铁路隧道建筑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

第1节隧道净空与限界第1节隧道净空与限界第1节隧道净空与限界1.3公路隧道建筑限界

建筑限界组成部分：行车道宽度(W)

路缘带(S)侧向宽度(L)

人行道(R)或检修道(J)

当设置人行道时，含余宽(C)车道数

第1节隧道净空与限界第1节隧道净空与限界注：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，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节隧道道净净空空与与限限界界1.4曲线线隧隧道道净净空空加加宽宽1.4.1铁路路隧隧道道加加宽宽原原因因第1节隧道道净净空空与与限限界界1.4.2单线线铁铁路路隧隧道道加加宽宽计计算算1.4.2.1车辆辆中中间间部部分分向向曲线线内内侧侧的的偏偏移移第1节隧道道净净空空与与限限界界1.4.2.2外轨轨超超高高使使车车体体向向曲曲线线内内侧侧倾倾斜斜偏偏移移第1节隧道道净净空空与与限限界界1.4.2.3车辆辆两两端端向向曲曲线线外外侧侧的的偏偏移移第1节隧道道净净空空与与限限界界1.4.3单线线隧道道(结构构)中线线与与线线路路中中线线偏偏移移距距离离第1节隧道道净净空空与与限限界界1.4.4双线线铁铁路路隧隧道道加加宽宽计计算算第1节隧道道净净空空与与限限界界1.4.5双线线隧隧道道中线线偏偏移移第1节隧道道净净空空与与限限界界1.4.6曲线线铁铁路路隧隧道道加加宽宽平平面面设设计计第1节隧道道净净空空与与限限界界1.4.7公路路隧隧道道平平曲曲线线加加宽宽取取值值注：：四四级级公公路路和和山山岭岭重重丘丘的的三三级级公公路路采采用用第第1类加加宽宽值值；；其其余余各各级级公公路路采采用用第第3类加加宽宽值值。。对对不不经经常常通通行行集集装装箱箱运运输输半半挂挂车车的的公公路路，，可可采采用用第第2类加加宽宽值值。。第1节隧道道净净空空与与限限界界小结结思考考题题：：1、确确定定隧隧道道建建筑筑限限界界需需要要考考虑虑哪哪些些因因素素？？2、比比较较铁铁路路隧隧道道与与公公路路隧隧道道在在建建筑筑限限界界与与曲曲线线加加宽宽等等方方面面的的异异同同？？第2节隧隧道道衬衬砌砌断断面面设设计计本节节主主要要内内容容：：隧道道衬衬砌砌断断面面设设计计的的主主要要内内容容和和步步骤骤铁路路隧隧道道衬衬砌砌断断面面设设计计公路路隧隧道道衬衬砌砌断断面面设设计计第2节隧隧道道衬衬砌砌断断面面设设计计2.1隧道道衬衬砌砌横横断断面面设设计计2.1.1设计计基基本本内内容容★内内轮轮廓廓线线★轴轴线线★厚厚度度2.1.2设计计步步骤骤★确确定定隧隧道道类类型型相相应应建建筑筑限限界界★根根据据围围岩岩初初步步拟拟定定截截面面厚厚度度★断断面面优优化化、、强强度度检检算算并并评评价价内内轮轮廓廓线线第2节隧隧道衬砌砌断面设设计2.1.3设计注意意事项★隧隧道内轮轮廓必须须符合隧隧道建筑筑净空限限界。★内内轮廓线线应尽量量减小洞洞室的体体积。。★结结构轴线线应尽可可能地符符合压力力线。★采采用的施施工方法法能确保保断面形形状及尺尺寸有利利于隧道道的稳定定。2.1.4设计目的的★满满足限界界要求★满满足受力力要求★圬圬工最省省第2节隧隧道衬砌砌断面设设计第2节隧隧道衬砌砌断面设设计2.2铁路隧道道衬砌断断面设计计第2节隧隧道衬砌砌断面设设计衬砌断面面几何关关系有：：上式含b、f、φ1、a、r1、r2、φ2共7个参数先给定b、f、φ1及a值后，再再解出r1、r2及φ2。曲线线地段需需要加宽宽时，保保持r2及φ2不变，φ1仍取45º，b值根据加加宽要求求也是已已知，故故未知参参数f、a、r1仍可求解解。第2节隧隧道衬砌砌断面设设计第2节隧隧道衬砌砌断面设设计总结及思思考：(1）衬砌内轮轮廓线(标准化)（2）衬砌外轮轮廓线(可变化)（3）衬砌截面面厚度(可变化)讨论：这这三者之之间的关关系？结论（1）内内轮廓线线与厚度度影响结结构轴线线；（2）外外轮廓线线决定是是否变截截面衬砌砌，亦影影响结构构轴线。。第2节隧隧道衬砌砌断面设设计2.3公路隧道道衬砌断断面设计计目前公路路隧道以以单心圆、、坦三心心圆两种断面面应用最最为普遍遍。公路隧道道与铁路路隧道的的主要区区别：①铁铁路隧道道建筑限限界是固固定统一一的，而而公路隧隧道的建建筑限界界则不定定。②公公路隧道道的附属属设施比比铁路隧隧道多且且要求高高，且每每一座隧隧道均会会因交通通流量和和长度不不同而要要求不同同。第2节隧隧道衬砌砌断面设设计单心圆衬衬砌内轮轮廓线第2节隧隧道衬砌砌断面设设计第2节隧隧道衬砌砌断面设设计第2节隧隧道衬砌砌断面设设计2.3.2坦三心圆圆断面设设计坦三心圆圆内轮廓廓线第2节隧隧道衬砌砌断面设设计第2节隧隧道衬砌砌断面设设计与铁路隧隧道的异异同点：：内轮廓非非标准化化通风、照照明等附附属设施施多设计特点点：断面设计计优化的的必要性性规范推荐荐断面形形式(有标准化化的趋势势)第2节隧隧道衬砌砌断面设设计2.4衬砌截面面厚度单线铁路隧道道拱顶厚度一般般为30～60㎝双线铁路隧道道衬砌拱顶厚度为40～80㎝。仰拱厚度一般般稍小于拱顶顶的厚度。。衬砌可以以等厚，，也可将将拱脚和和边墙较较拱顶加加厚20%～50%。第2节隧隧道衬砌砌断面设设计小结：思考题：：1、比较铁铁路隧道道与公路路隧道衬衬砌断面面，思考考有哪些些因素会会影响到到断面形形状？2、运用数学学优化知识识谈谈如何何使断面满满足各方面面要求？第3节隧道道洞身支护护结构本节主要内内容：洞身支护结结构的主要要类型不同类型洞洞身支护结结构的特点点及其适用用条件整体式混凝凝土衬砌的的结构特点点第3节隧道道洞身支护护结构3.1支护结构类类型3.1.1外部支护◆整体体式混凝土土衬砌◆砌石石衬砌◆拼装装式衬砌◆喷射射混凝土支支护3.1.2内部支护◆锚杆杆◆注浆浆3.1.3混合支护◆喷锚锚支护◆复合合式衬砌第3节隧道道洞身支护护结构3.2整体式混凝凝土衬砌工艺流程：：立模－灌筑－养养生－拆模模优点：◆对地地质条件和和施工条件件的适应性性较强◆易于于按需要成成型◆整体体性好◆抗渗渗性强缺点：◆需要要养生时间间◆受力力较慢第3节隧道道洞身支护护结构3.2.1直墙式衬砌砌适用于：地质条件较较好的Ⅰ、Ⅱ级(Ⅴ、Ⅵ类)围岩。围岩压力以以竖向为主主，几乎没有或或仅有很小小的水平侧向压压力。第3节隧道道洞身支护护结构适用于：地质条件极极好，整体岩层坚坚固；几乎无水平平侧压力，，也无地下水水侵入。可不设边墙，但应把两侧岩壁表表面喷浆敷敷面。第3节隧道道洞身支护护结构适用于：在地质条件件尚好，侧侧压力不大大，但又不宜采采用半衬砌砌时。第3节隧道道洞身支护护结构适用于：地质较差，，岩体松散散破碎，强度度不高；有地下水；；侧向水平压压力也相当大。。第3节隧道道洞身支护护结构3.3装配式混凝凝土衬砌因隧道施工工工业化和和机械化发发展而出现现了装配式式隧道衬砌砌，目前多多在使用盾盾构法施工工的城市地地下铁道中中应用。优点：◆可立立即承受围围岩压力◆工厂厂化、机械械化，改善善劳动条件件◆不需需临时支撑撑可节省大大量材料及及劳力◆速度度快，工期期短，造价价低缺点：◆接缝缝多，整体体性差，◆抗渗渗性差，防防水困难◆需要要足够的拼拼装空间◆制备备构件尺寸寸上要求精精度高第3节隧道道洞身支护护结构3.4锚喷支护喷射混凝土土加设锚杆杆和金属网网构成的一一种支护形形式，简称称“喷锚支护”，是目前常常用的一种种围岩支护护手段。适应软弱和和膨胀性地地层隧道开开挖及可用用于整治坍坍方和隧道道衬砌的裂裂损。3.4.1作用原理形成一种柔性衬砌结结构，与围岩合合成一体，，共同作用用，充分调调动或发挥挥围岩的自稳能力喷射混凝土土充填裂隙隙、封闭围围岩壁面，，靠喷层与与围岩的粘粘结力及自自身的抗剪剪能力组成成一个新的的承载结构构体系通过锚杆的的悬吊效应应、组合梁梁效应、、加固效应应以发挥围围岩自承能能力第3节隧道道洞身支护护结构3.4.2锚喷支护类类型◆锚杆支支护◆喷射混凝凝土支护◆喷射混凝凝土锚杆联联合支护◆喷射混凝凝土与锚杆杆及钢筋网网联合支护护◆以上类型型加设型钢支撑（（或格栅））而成的联合合支护3.4.3优点◆充分发挥挥围岩的自自承能力，，因而有效效地利用洞洞内净空◆施工简便便，提高作作业安全性性和作业效效率，◆使坑道断断面缩小，，从而减少少了开挖量量，也节省省圬工第3节隧道道洞身支护护结构3.5复合式衬砌砌在不同的时时间分层先先后施作，，它可以是是两层、三三层或更多多的层，目前实践践的都只外外衬和内衬衬两层，因因此又称之之“双层衬砌”基本组成：：外衬、防水水层、内衬衬第3节隧道道洞身支护护结构第3节隧道道洞身支护护结构复合合衬衬砌砌防防水水层层第3节隧隧道道洞洞身身支支护护结结构构衬砌砌结结构构受受力力状状态态：：外衬衬受受力力状状态态◆保保护护围围岩岩和和加加固固围围岩岩，，促促进进围围岩岩的的应应力力调调整整，，充充分分发发挥挥围围岩岩的的自自承承作作用用内衬衬受受力力状状态态◆在在较较坚坚硬硬的的围围岩岩地地段段，，由由于于围围岩岩具具有有自自承承能能力力，，它它与与初初期期支支护护组组合合在在一一起起能能起起到到永永久久建建筑筑物物的的作作用用，，所所以以二二次次衬衬砌砌只只是是用用来来提提高高安安全全度度的的；；◆在在围围岩岩比比较较软软弱弱地地段段，，则则内内、、外外衬衬砌砌是是共共同同承承载载；；而而在在一一些些特特殊殊地地质质地地段段中中(坍方方、、大大变变形形)，二二次次衬衬砌砌的的承承载载作作用用是是主主要要的的，，它它不不仅仅稳稳定定围围岩岩的的变变形形而而且且在在整整个个衬衬砌砌结结构构中中占占有有主主导导地地位位。。第3节隧隧道道洞洞身身支支护护结结构构优点点：：◆改改善善受受力力条条件件，，相相对对单单层层同同厚厚度度模模筑筑衬衬砌砌，，承承载载能能力力提提高高20％～～30％◆防防止止外外层层衬衬砌砌风风化化，，使使喷喷层层内内钢钢筋筋网网和和锚锚杆杆端端部部免免于于锈锈蚀蚀◆表表面面光光洁洁平平整整，，利利于于通通风风◆防防水水效效果果好好缺点点：：◆造造价价较较高高，，施施工工较较复复杂杂第3节隧隧道道洞洞身身支支护护结结构构3.6支护护结结构构基基本本要要求求支护护结结构构的的基基本本作作用用在在于于保证证隧隧道道断断面面的的使使用用净净空空，，防防止止岩岩体体质质量量恶恶化化；；承承受受可可能能的的各各种种荷荷载载，，使使隧隧道道支支护护体体系系有有足足够够的的安安全全度度。。因此此，，任任何何一一种种类类型型的的支支护护结结构构都都应应具具有有与上上述述作作用用相相适适应应的的构构造造、、力力学学特特性性和和施施工工可可能能性性。。按现现代代支支护护理理论论，，理理想想支支护护结结构构应应满满足足如如下下基基本本要要求求：：必须须与与周周围围岩岩体体大大面面积积地地牢牢固固接接触触，，即即保保证证支支护护一一围围岩岩作作为为一一个个统统一一的的支支护护体体系系而而共共同同工工作作。要允允许许围围岩岩及及支支护护结结构构产产生生有有限限制制的的变变形形，，以以充充分分发发挥挥围围岩岩的的承承载载作作用用而而减减少少支支护护结结构构的的受受力力，，但但又又必必须须保保证证支支护护结结构构及及时时施施作作。。第3节隧隧道道洞洞身身支支护护结结构构3.7衬砌砌结结构构一一般般规规定定3.7.1衬砌砌结结构构材材料料隧道道衬衬砌砌材材料料，，应应具具有有足足够够的的强强度度和和耐耐久久性性，，在在某某些些环环境境中中，，还还必必须须具具有有抗抗冻冻、、抗抗渗渗和和抗抗侵侵害害性性。。3.7.2衬砌砌结结构构伸伸缩缩缝缝、、沉沉降降缝缝隧道道衬衬砌砌一一般般不不设设伸伸缩缩缝缝，，但但严严寒寒地地区区的的整整体体式式衬衬砌砌、、锚锚喷喷衬衬砌砌或或复复合合式式衬衬砌砌应应在在洞洞口口和和易易受受冻冻害害地地段段设设置置伸伸缩缩缝缝。。在对对隧隧道道衬衬砌砌有有不不良良影影响响的的软软硬硬地地层层分分界界处处应应设设置置沉沉降降缝缝。。第3节隧隧道道洞洞身身支支护护结结构构小结结：：思考考题题：：1、衬衬砌砌结结构构的的仰仰拱拱如如何何改改善善其其受受力力条条件件？？2、对对于于拼拼装装式式衬衬砌砌，，可可以以采采取取哪哪些些措措施施改改善善其其防防水水性性能能？？第3节隧隧道道洞洞身身支支护护结结构构第3节隧隧道道洞洞身身支支护护结结构构衬砌砌台台车车第3节隧隧道道洞洞身身支支护护结结构构第3节隧隧道道洞身身支护护结构构第3节隧隧道道洞身身支护护结构构衬砌台台车第3节隧隧道道洞身身支护护结构构第3节隧隧道道洞身身支护护结构构第3节隧隧道道洞身身支护护结构构管片拼拼装图图第3节隧隧道道洞身身支护护结构构管片安安装：：第3节隧隧道道洞身身支护护结构构装配式式砌衬衬内景景：第3节隧隧道道洞身身支护护结构构喷射混混凝土土第3节隧隧道道洞身身支护护结构构第3节隧隧道道洞身身支护护结构构第4节隧隧道道洞门门结构构本节主主要内内容：：洞门定定义洞门作作用洞口位位置选选定的的原则则和要要求洞门结结构类类型第4节隧隧道道洞门门结构构4.1洞门定定义在隧道道洞口口用圬圬工砌砌筑并并加以以一定定建筑筑装饰饰的支支挡结结构物物。4.2洞门作作用◆减减少少洞口口土石石方开开挖量量◆稳稳定定边坡坡◆引引离离地表表流水水◆装装饰饰洞口口第4节隧隧道道洞门门结构构4.3洞门结结构类类型◆洞洞口口环框框式洞洞门◆端端墙墙式洞洞门◆翼翼墙墙式洞洞门◆柱柱式式洞门门◆台台阶阶式洞洞门◆斜斜交交洞门门◆削削竹竹式洞洞门第4节隧隧道道洞门门结构构4.3.1洞口环环框式式洞门门适用于于Ⅵ类或Ⅰ级围岩岩，地地形陡陡峻而而又无无排水水要求求作用：：不承承载，，加固固洞口口减少雨雨后洞洞口滴滴水简单装装饰第4节隧隧道道洞门门结构构4.3.2端墙式式洞门门适于地地形开开阔，，岩质质基本本稳定定的Ⅰ～Ⅲ级围岩岩。结构特特点：：能有有效抵抵抗山山体纵纵向推推力。。第4节隧隧道道洞门门结构构第4节隧隧道道洞门门结构构第4节隧隧道道洞门门结构构端墙的的作用用：支护洞洞口仰仰坡，，并将将仰坡坡水流流汇集集排出出。构造要要求：：◆端端墙墙高度度应使使洞身身衬砌砌上方方尚有有1m以上回回填层层；◆洞洞顶顶水沟沟深度度应不不小于于0.4m；◆应应设设置挡挡碴防防护墙墙，高高度从从仰坡坡坡脚脚算起起应不不小于于0.5m，水平平方向向不宜宜小于于1.5m；◆端端墙墙基础础应设设置在在稳固固的地地基上上，其其深度度视地地质条条件、、冻害害程度度而定定，一一般应应在0.6～1.0m左右；；◆墙墙厚厚按挡挡土墙墙计算算，，宽度度与路路堑横横断面面相适适应。。第4节隧隧道道洞门门结构构4.3.3翼墙式式洞门门适用于于山体体纵向向推力力较大大,洞口地地质较较差的的Ⅳ级及以以上的的围岩岩，增增加洞洞门的的抗滑滑动和和抗倾倾覆能能力。。第4节隧隧道道洞门门结构构第4节隧隧道道洞门门结构构翼墙式式洞门门第4节隧道道洞门结构构4.3.4柱式洞门适用于地形形较陡，地地质条件较较差，仰坡坡可能下滑滑，而又受受地形或地地质条件限限制，不能能设置翼墙墙时。特点：可以在端墙墙中部设置置两个断面面较大的柱柱墩，以增增加端墙的的稳定性。。第4节隧道道洞门结构构连拱隧道柱柱式洞门第4节隧道道洞门结构构柱式洞门第4节隧道道洞门结构构4.3.5台阶式洞门门适于傍山侧侧坡地区，，洞门一侧侧边坡较高高时作用：减小小仰坡高度度及外露坡坡长，减少少开挖量。。第4节隧道道洞门结构构莲花山隧道道台阶式洞洞门第4节隧道道洞门结构构台阶式洞门门第4节隧道道洞门结构构4.3.6斜交洞门第4节隧道道洞门结构构适用：线路方向与与地形等高高线斜交时时。特点：将洞门做成成与地形等等高线一致致，使洞门门左右可以以仍保持近近似对称，，但衬砌洞洞口段和洞洞门相对于于线路呈斜斜交形式。。注意事项：1斜洞门与线线路中线的的交角不应应小于45°2一般斜洞门门与衬砌斜斜口段是整整体砌筑的的3由于斜洞门门及衬砌斜斜口段的受受力情况复复杂，施工工也不方便便，所以，，只有在十十分必要时时才采用它它。第4节隧道道洞门结构构4.3.7削竹式洞门门第4节隧道道洞门结构构削竹式在公公路隧道中中被普遍使使用适用于洞口段有有较长的明明洞衬砌，，由于洞门门背后一定定范围内是是以回填土土为主，山山体的推滑滑力不大；；地形相对对比较对称称和不太陡陡峻。特点：1洞口边仰坡坡开挖量少少2减少对植被被的破坏和和有利于保保护环境3适用各种围围岩类别第4节隧道道洞门结构构削竹式洞门门第4节隧道道洞门结构构削竹式洞门门第4节隧道道洞门结构构削竹式洞门门第4节隧道道洞门结构构削竹式洞门门施工现场场第4节隧道道洞门结构构第4节隧道道洞门结构构小结：思考题：1、隧道洞门门结构类型型，适用范范围及特点点？2、分析以下下各种情况况下宜采用用的隧道洞洞门结构型型式。第4节隧道道洞门结构构第5节明洞洞结构本节主要内内容：明洞施工方方法及其适适用条件明洞结构类类型第5节明洞洞结构5.1明洞及其适适用条件明洞---明挖法修建建的隧道。。开挖方式：：◆大开开挖◆明拱拱暗墙明洞位置示示意图第5节明洞洞结构适用条件：：◆隧道道的进出口口处；◆地质质条件差且且覆盖层薄薄，暗挖法法难进洞；；◆洞口口路堑边坡坡有落石而而危及行车车安全时；；◆铁路路、公路、、河渠必须须在铁路上上方通过且且不宜做立立交桥或涵涵渠。第5节明洞洞结构5.2明洞结构类类型5.2.1拱式明洞(通常所说的的明洞均指指这种)◆路堑式路堑对称式式(图)路堑偏压式式(图)◆半路堑式半路堑偏压压斜墙式(图)半路堑单压压耳墙式(图)5.2.2棚式明洞◆盖板式(图)◆悬臂式(图)第5节明洞洞结构5.3