《隧道工程》教案

1、教 案20112012 学年第二学期分院(系、部)：教 研 室：课 程 名 称：授 课 班 级：主 讲 教 师：职 称： 使 用 教 材：隧道工程第一章 绪论授课内容绪论授课学时教学目的1、了解隧道的概念，分类2、了解隧道工程的历史，现状，前景以及目前存在的问题教学重点1、隧道的概念，分类2、隧道工程的现状及目前存在的问题教学难点1、支护设计计算理论的发展教 具 和媒体使用多媒体课件教学后记教学内容与过程教学提纲：一、隧道的概念及分类（25分）二、隧道工程的历史及发展现状简况（65分）三、我国隧道建设中应注意的问题（10分）第一章 绪论第一节 隧道的概念及种类一、隧道的概念定义：以某种用途、在

2、地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2m2的洞室二、隧道的分类地质条件：土质隧道、石质隧道埋置深度：浅埋隧道、深埋隧道隧道位置：山岭隧道、水底隧道、城市隧道隧道用途：(一)交通隧道铁路隧道、公路隧道、水底隧道、地下铁道、航运隧道、人行地道(二)水工隧道(隧洞)引水隧洞、尾水隧洞、导流隧洞或泄洪隧洞、排沙隧道(三)市政隧道给水隧道、污水隧道、管路隧道、线路隧道、人防隧道将前四种隧道合建称为“共同沟”(四)矿山隧道运输巷道、给水巷道、通风巷道第二节 隧道工程的历史及发展现状简况一、隧道工程的历史1、我国最早用于交通的隧道为“石门”隧道，建于东汉明帝永平九年(公元66年)。 2、迄今已知

3、的最早用于交通的隧道为古巴比伦城幼发拉底河下修筑的人行隧道3、法国的马尔派司(Malpas)运河隧道，是最早用火药开凿的航运隧道4、我国第一条铁路隧道是1890年建成的台湾狮球岭隧道。5、第一座用于现代交通的水底隧道是1807年开工的伦敦泰晤士河下公路隧道。6、我国第一条水底公路隧道是1970年建成的上海黄浦江水底隧道7、19世纪初欧洲法、意、瑞士等国就已在山区修建公路隧道。8、2001年投入运营的挪威西部的拉达尔隧道是目前世界上最长的公路隧道（24、5km）。9、古代一直使用“火焚法” 和铁锤钢钎等原始工具进行开挖10、19世纪才开始采用钻爆作业，至今大约有一百多年的历史，钻眼工具和爆破技术

4、也不断发展。11、机械开挖法：软土地层的盾构机，中等坚硬岩石地层的岩石隧道掘进机。二、隧道设计与计算理论的发展1、隧道设计：包括隧道位置设计，隧道支护结构和附属设施设计两大部分。2、隧道位置设计：包括选定隧道的穿山高程和洞口位置，确定隧道的平、纵剖面及横断面形状等。 3、支护结构设计特点1)支护系统的组成和类型不断扩大和完善临时支护：木支撑、钢支撑、喷锚支护；超前预支护和地层加固技术永久衬砌：砖石砌体、模筑混凝土（素砼 钢筋砼）复合衬砌隧道断面：直墙、曲墙、仰拱；小断面、大断面、双连拱大断面、超大断面2)支护系统的设计计算理论不断发展经验设计和工程类比法支护结构受力分析：刚性结构阶段、弹性结构

5、阶段、连续介质阶段坑道稳定性的位移判别：允许相对位移、极限相对位移3)支护系统承载能力及安全度评定不断完善允许应力法：截面上的最大应力不超过材料的允许应力破损阶段法：考虑材料的塑性性质计算承载能力概率极限状态法：将可靠度方法引入隧道设计4)支护系统设计周期大大缩短，计算精度大大提高5)支护系统的设计计算模型还处于经验类比为主，其他模型共存的状况经验法、荷载-结构模型、连续介质模型、收敛约束法(以测试为依据的实用法)三、我国隧道工程的发展现状1、交通隧道1)铁路隧道(截止2002年)运营隧道6876座，总长度约3670km，总数已列世界第一。 隧道集中的线路：襄渝线：隧道长度占线路长度的30%成

6、昆线：隧道长度占线路长度的31、6%西康线：隧道长度占线路长度的50、42%10km以上的长大隧道：秦岭隧道18、4km大瑶山隧道14、295km东秦岭隧道12、668km乌鞘岭隧道20、05km 2)公路隧道截至2002年，我国公路隧道总数已达1782座，总长度704km。 运营隧道1684座以上，总长628km以上。10km以上的长大隧道：锦屏隧道14、7km陕西秦岭终南山隧道全长约18、04km 3)地下铁道目前仅有北京、天津、上海、广州四城市约80km正在运营。而在建工程除上述四城市外，还有南京、重庆、青岛、深圳、杭州、武汉等。北京：规划了20条线路共700km上海：规划了17条线路共

7、450km天津：规划了4条线路共248km广州：规划了7条线路共206、5km深圳：规划了9条线路共254km 完成规划的城市：大连、长春、哈尔滨、鞍山、乌鲁木齐、合肥、成都、佛山、桂林、昆明、西安、济南、福州、宁波。2、水利水电国内外已建成的10km以上的水工隧洞达90座，中国占11座。国内已建成长度5km以上的引水发电隧道20座。小浪底水利枢纽三条导流隧洞；清江隔河岩水利枢纽导流隧洞；李家峡水电站导流隧洞；公伯峡水电站导流隧洞；水布垭水利枢纽导流隧洞。已建成的由青海大通河引水至甘肃的调水工程总干线全长168、9km，其中隧道33座，总长75、11km；万家寨水利枢纽引黄河水穿过海河流域至太

8、原的引水工程，隧洞最长超过200km；近期将修建的辽宁省东水西调工程输水隧洞长86km。3、地下工程 城市：地下商场，地下车库，地下仓库、各大中型平战结合工程(赣州)地下共同管沟：如石家庄同其他城市一样供电线路基本要穿行于地下隧道中。四、我国隧道工程的发展前景（一）交通隧道发展前景经济发展，交通先行，西部大开发战略和通海战略的迫切需要(穿山、跨海)、国力增强，技术进步(二)水电隧道发展前景设计与施工能力达到或接近世界先进水平。我国西部大开发战略的需要。(三)地下工程发展前景充分利用城市地下资源是城市经济高速发展的客观需要；设计施工技术提供充分保障；我国经济发展水平达到发达国家地下工程建设高潮时

9、的标准。第三节 大力推进中国隧道建设技术创新发展1、推进城市隧道和水下隧道技术的发展2、提高隧道机械化施工水平，减轻劳动强度3、提高隧道防排水技术，减少隧道病害4、推进隧道信息化施工，发展地质超前预报技术，加强现场动态设计与科学的施工管理5、隧道防灾救援措施的系统化6、做好隧道洞口的景观设计第四节 本课程的主要内容及学习方法（一）主要内容交通类隧道设计原则和构造 围岩工程特性、围岩压力及围岩分级 隧道支护、衬砌结构设计原理和设计方法 隧道施工方法、工艺 隧道施工风、水、电等辅助施工作业（二）学习方法复习工程地质、力学、材料等已学课程注重本课的基本理论和方法广泛阅读有关期刊、报告等文献思考题与作

10、业1、隧道的定义，隧道的种类有哪些？2、我国隧道及地下工程设计与施工中应注意的问题有哪些？第二章 隧道工程地质环境及围岩分级授课内容隧道工程地质环境及围岩分级授课学时教学目的1、掌握隧道工程地质调查与勘测2、掌握施工地质超前预报3、掌握掩体的基本工程性质4、掌握围岩分级方法教学重点1、国外重要围岩分级方法2、我国铁路隧道围岩分级方法教学难点1、岩体的强度2、变形性质教 具 和媒体使用多媒体课件教学后记教学内容与过程提纲：一、复习旧课（5分）二、岩体基本工程性质（45分）三、围岩及围岩分级的概念（5分）四、围岩分级方法及发展趋势（20）五、我国铁路隧道围岩分级方法(25)第一节 岩体的基本工程性

11、质一、岩体的地质特性（一）、岩体处于一定的天然应力作用之下 在工程施工前岩体中就处于天然应力环境中。岩体在天然状态下所具有的内在应力，称为岩体的初始应力，也叫作地应力。 岩体的初始应力，主要是由于岩体的自重和地质作用引起的。影响岩体初始应力状态的因素有两类：第一类是岩体本身因素。如岩性，岩体的物理力学性质，地质构造形态和地形位置等。第二类是外界因素。如地壳运动、地下水活动、地下温度而引起的地震力、水压力、热应力等。1 重力应力场 假定岩体是均一连续介质，采用连续介质的理论来分析。设岩体为半无限体，地面为水平。距离地表深度为y处取出一单元体，如图所示。按平面问题来考虑。这时，岩体的初始应力状态应

12、满足平衡微分方程和相容方程 式中，称为侧压力系数。由上式知，岩体的自重应力场是y的函数，随着深度y的增长而呈线性增长。 2 构造应力场由于地壳构造运动的作用，使得岩体内积存了一定的应力，称它为构造应力。 构造应力的产生，可以用地壳运动处于相对静止状态所存储的能量来说明。 设单位体积的应变能增量为 则单位体积内的全部变形能为 在弹性极限内的变形能为 由此可见，岩体中储存的能量是通过弹性变形而获得的。若岩体中的应力达到弹性极限，岩体开始破坏。这时岩体除仍保存一部分残余变形外，岩体中所储存的能量将部分地或全部地释放出来。或者是岩体中的应力虽然尚未达到弹性极限，但由于流变性质，在长时期中也会使岩体中的

13、能量释放，甚至使岩体中的构造应力消失为零或仅剩下残余构造应力。 某些现场实测指出，岩体的构造应力往往与埋深密切相关，它随着深度的增加而增加。构造应力一般来讲，其水平应力大于垂直应力。（二）、岩体的物理力学性质的不均匀性由于生成岩体的物质来源、生成原因、周围的环境以及生成后的构造作用极其复杂，所形成岩体内部物质成分的分布和结构特征，都不可能是均匀一致的。（三）、岩体是由结构面分割的多裂隙体所谓结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低的地质界面(或带)。 原生结构面：指岩体形成过程中形成的结构面和构造面。 构造结构面：指岩体形成后，由于地壳构造运动在岩体中产生的各种断裂面。 次生结构面：指在

14、外应力作用下产生的风化裂隙面及卸荷裂隙面等。 （四）、岩体具有各向异性岩体中由于岩石的结构、构造具有方向性，使岩体强度、变形、甚至渗透等性质在不同方向上显示出差异，称为岩体的各向异性。 （五）、岩体具有可变性 地壳总是处在不停的运动和变化之中，岩体必然也是在各种地质作用下不断变化的。主要研究工程使用年限内的风化作用和地下水作用。风化岩石按风化剧烈的程度分成若干级(或带)：风化极严重、风化严重、风化颇重、风化轻微和未经风化五级。风化系统分为全风化带、强风化带、半风化带、弱风化带和微风化带(新鲜)五带。岩石在水的作用下强度会下降，一般岩石的强度随着含水量增大量的不同而降低的程度也不同。这主要取决于

15、岩石中亲水矿物和易溶性矿物的含量以及裂隙发育情况。通常用软化系数来表示岩石的软化性，即一般规定软化系数小于0.75的岩石，叫软化岩石。 岩体中水对岩石的软化作用不仅表现在强度上，也表现在使岩石变形增大。此外，当岩体中存在着承压水时，由于孔隙水压力作用，抵消外界的正压力而使岩石抗剪强度降低。二、岩石的力学性质岩石的力学性质主要指强度和变形性质。强度性质包括抗压、抗拉、抗剪性能以及描述这些性质的指标；变形性质包括描述岩石变形特征的物理量和岩石在不同荷载作用下的应力应变关系。 (一)岩石的强度性质岩石强度通常有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度包括(内摩擦角和粘聚力)等。岩石的单轴抗压强度是以单轴试验得到

16、的破坏前的最大应力定义的。抗拉强度是指试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力，一般可用劈裂试验确定。 抗压强度与抗拉强度之比谓之脆性度。 抗剪强度(或称抗剪断强度)是指岩石抵抗剪切破坏的最大能力，以剪断时剪切面上的极限剪应力表示。岩石的抗剪强度用下式表示 和C是表征岩石抗剪性能的基本指标。 (二)单向应力状态下岩石的变形特征1.单轴压缩时应力应变曲线 由单轴压缩试验测得的应力应变曲线，一般可分成图所示的三种形态。A表示线性弹性的特征， B表示凸向应力轴的形状， C表示凸向应变轴的形状。2.弹性模量 对于应力应变曲线为非线性的岩石，由于它的弹性模量各点不同，一般取它的弹性模量为：初始切线模量，平均切

17、线模量和割线模量，如图。3.横向变形和横向变形比 岩石在轴向荷载作用下，不但要产生纵向变形，同时还要产生横向变形泊松比即是横向应变与轴向应变的比值。在大多数情况，横向应变和轴向应力，以及轴向应变和轴向应力的关系是非线性的。一般泊松比是随着轴向应力的增加而增大。 第二节 围岩分级一、概述围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体(这里所指的岩体是土体与岩体的总称)。在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的性态是不同的，可归纳为充分稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定四种。 各种围岩的物理性质之间存在一定的内在联系和规律，依照这些联系和规律，可将围岩

18、划分为若干级，这就是围岩分级。 围岩分级的目的是：作为选择施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的荷载(松散荷载)；给出衬砌结构的类型及其尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。 对理想的分级方法的要求是：准确客观，有定量指标，尽量减少因人而异的随机性；便于操作使用，适于一般勘测单位所具备的技术装备水平；最好在挖开地层前得到结论。 二、围岩的分级方法分级的基本要素大致有三大类： 第类：与岩性有关的要素 第类：与地质构造有关的要素 第类：与地下水有关的要素 (一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法 1.以岩石强度为基础的分级方法 认为坑道开挖后，其稳定性主要取决于

19、岩石的强度。岩石愈坚硬，坑道愈稳定；反之，岩石愈松软，坑道的稳定性就愈差。 2.以岩石的物性指标为基础的分级方法 “岩石坚固性系数 f ”是一个综合的物性指标值，表示岩石在采矿中各个方面的相对坚固性，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等。 第二节 围岩分级一、概述围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体(这里所指的岩体是土体与岩体的总称)。围岩分级在当前以经验判断为主的技术水平的情况下，显得尤为重要。因此各国都研究实施了众多的分级方法，人们从使用的角度，要求比较理想的分级方法是：准确客观，有定量指标，尽量减少因人而异的随机性；便于操作使用，适于

20、一般勘测单位所具备的技术装备水平；最好在挖开地层前得到结论。二、围岩的分级方法围岩分级的原则有多种，它是在人们的不断实践和对围岩的地质条件逐渐加深了解的基础上发展起来的。不同的国家，不同的行业根据各自的工程特点提出了各自的围岩分级原则。现行的许多围岩分级方法中，作为分级的基本要素大致有三大类：第类：与岩性有关的要素，例如分为硬岩、软岩、膨胀性岩类等。其分级指标是采用岩石强度和变形性质等。例如岩石的单轴抗压强度、岩石的变形模量或弹性波速度等。第类：与地质构造有关的要素，如软弱结构面的分布与性态、风化程度等。其分级指标采用诸如岩石的质量指标、地质因素评分法等等。这些指标实质上是对岩体完整性或结构状

21、态的评价。这类指标在划分围岩的级别中一般占有重要的地位。第类：与地下水有关的要素。目前国内外围岩的分级方法，考虑上述三大基本要素，按其性质主要分为如下几种：(一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法1.以岩石强度为基础的分级方法这种围岩分级方法，单纯以岩石的强度为依据。例如我国解放前及解放初期(如修成榆线时)的土石分级法，即把岩石分为坚石、次坚石、松石及土四类，并设计出相应的四种隧道衬砌结构类型。在国外，如日本初期采用的“国铁铁石分级法”。这种分级方法认为坑道开挖后，它的稳定性主要取决于岩石的强度。岩石愈坚硬，坑道愈稳定；反之，岩石愈松软，坑道的稳定性就愈差。实践证明，这种认识是不全面的

22、。例如我国陕北的老黄土，无水时直立性很强，稳定性相当高，在无支护条件下可维持十几年、几十年之久，但其单轴抗压强度却很低；又如在江西、福建一带的红砂岩，整体性好，坑道开挖后稳定性较好，但其强度却不高。因此单纯以岩石强度为基础的分级方法需要改进完善。2.以岩石的物性指标为基础的分级方法在这类分级方法中具有代表性的是前苏联普洛托奇雅柯诺夫教授提出的“岩石坚固性系数”分级法(或谓之“f”值分级法，或叫普氏分级法)，把围岩分成十类。这种分级法曾在我国的隧道工程中得到广泛的应用。“f”值是一个综合的物性指标值，它表示岩石在采矿中各个方面的相对坚固性，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等。但以往人们确定“f”值主

23、要采用强度试验方法，再兼顾其它指标，即用(为岩石饱和单轴极限抗压强度)表示，它仍是岩石强度指标的反映。我国把“f”值应用到隧道工程的设计、施工时，考虑了地质条件的影晌，即考虑了围岩的节理、裂隙、风化等条件，实质上是把由强度决定的“f”值适当降低，即：(K为地质条件折减系数)。(二)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法1.泰沙基分级法这种分级法是在早期提出的，限于当时条件，仅把不同岩性、不同构造条件的围岩分成九类，每类都有一个相应的地压范围值和支护措施建议。在分级时是以坑道有水的条件为基础的，当确认无水时，47类围岩的地压值应降低50。这一分级方法曾长期被各国采用，至今仍有广泛的影响。2.以岩体

24、综合物性为指标的分级方法60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”。并于1975年经修正后正式作为铁路隧道围岩分级方法，后来多次修订后列入我国现行的铁路隧道设计规范(见后详述)。(三)与地质勘探手段相联系的分级方法1.按弹性波(纵波)速度的分级方法随着工程地质勘探方法，尤其是物探方法的进展，1970年前后，日本提出按围岩弹性波速度进行分级的方法。围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可反映岩石软硬，又可表达岩体结构的破碎程度。根据岩性、构造状况及土压状态，将围岩分成七类。我国从1986年起，也开始将围岩弹性波(纵波)速度引入我

25、国围岩分级法中。2.以岩石质量为指标的分级方法RQD方法所谓岩石质量指标RQD是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。岩芯复原率即单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例，可写为RQD% (4-2-1)这个分级方法将围岩分成五类。(四)组合多种因素的分级方法比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿等人提出的“岩体质量Q”的分级方法。这个分级方法是把表明岩体质量的六个地质参数之间的关系表达为： (4-2-2)式中 RQD岩石质量指标，取值方法见式(4-2-1)；Jk节理组数目；Jr节理粗糙度；Ja节理蚀变值；Jw节理含水折减系数；SRF应力折减系数。通过进一步的分析发现，RQD/Jh表示岩块的大小

26、；Jr/Ja表示岩块间的抗剪强度；Jw/ SRF表示作用应力。所以岩体质量值Q实质上是岩块尺寸、抗剪强度和作用力的复合指标。根据不同的Q值，将岩体质量评为九级。综上所述，围岩分级是多种多样的，至今还没有一个统一的分级方法。但从发展趋势看，围岩的分级方法有以下几方面发展趋势：1.分级应主要以岩体为对象。单一的岩石只是分级中的一个要素，岩体则包括岩块和各岩块之间的软弱结构面。因此分级的重点应放在岩体的研究上。2.分级宜与地质勘探手段有机地联系起来，这样才有一个方便而又较可靠的判断手段。随着地质勘探技术的发展，这将使分级指标更趋定量化。3.分级要有明确的工程对象和工程目的。目前多数的分级方法都与坑道

27、支护相联系。坑道围岩的稳定性、坑道开挖后暂时稳定时间等与支护方法和类型密切相关。因而进行分级时以此来体现工程目的是不可缺少的。4.分级宜逐渐定量化。目前大多数的分级指标是经验或定性的，只有少数分级是半定量化的。这是由于客观条件的地质体非常复杂。值得注意的是，近年国内外有关学者提出采用模糊数学分级；根据坑道周边量测的收敛值分级；采用人工智能专家系统分级等等的建议。这些设想都将使围岩分级方法日趋完善。三、我国铁路隧道围岩分级方法我国现行的铁路隧道设计规范中明确规定，目前铁路隧道围岩分级采用围岩稳定为基础的分级方法。 (一)以围岩稳定性为基础的分级方法1.围岩分级的基本因素围岩基本分级应由岩石坚硬程

28、度和岩体完整程度两个因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法确定。(1)岩石坚硬程度将岩浆岩、沉积岩和变质岩三大岩类按岩性、物理力学参数、耐风化能力划分为硬质岩和软质岩两大类。然后根据单轴饱和极限抗压强度Rc再分为5级，即极硬岩、硬质岩、较软岩、软岩、极软岩，如表4-2-1。这些量级的规定是与工程实践密切联系的，其中强度在 60 MPa以上的围岩完整性较好，开挖后的洞室一般在较长时间将能稳定而不坍塌；而30 MPa的限界是岩石能否取之做为建筑材料的限界指标；5.0 MPa是岩石能否成岩的限界。(2)岩体的完整程度这一指标所包含的内容十分丰富，其中主要是指围岩被各种结

29、构面切割成单元体的特征及其被切割后的块度大小。它是评价围岩稳定程度最直接、最重要的指标。此外，地质构造变动的特征(如性质、类型、规模、强弱和次数等)，也控制着围岩的结构特征和完整状态，影响着围岩强度和稳定性。显然地质构造愈剧烈，规模愈大，次数愈多，则围岩的节理、裂隙、断裂、褶曲愈发育，围岩愈破碎，其稳定性也愈差。为了衡量围岩的完整程度要考虑以下几方面的因素：对于受软弱面控制的岩体，按照软弱面的产状、贯通性以及充填物的情况，可将围岩分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。由于围岩的完整性与其所受的地质构造变动的程度有关，因此，按照围岩受地质构造影响的程度，可将围岩分为：构造变动轻微、较重、严重

30、、很严重四个等级。由于围岩的完整性还与节理(裂隙)的发育程度有关，因此，按照节理(裂隙)发育程度的不同又分为：节理不发育、节理较发育、节理发育及节理很发育四级来作为围岩完整性的定量指标。当风化作用使结构发生变化时，还应按照岩体风化程度的不同将围岩分为：风化轻微、较重、严重、极严重四级。对层状围岩，成层厚度对围岩的稳定有明显的影响，因此以厚层(厚度大于0.5m)、中层(厚度为0.10.5m)及薄层(厚度小于0.1m)来表示其定量化标准。岩体完整程度应按表4-2-2划分。2.围岩基本分级及其修正(1)基本分级根据以上分级的因素及指标，给出各类围岩的主要工程地质特征、结构特征和完整性及围岩弹性纵波速

31、度等要素。铁路隧道设计规范将单、双线铁路隧道的围岩划分为六级，见表4-2-3。(2)隧道级别的修正围岩级别应在基本分级的基础上，结合隧道工程的特点，考虑地下水状态、初始地应力状态等必要的因素进行修正。地下水影响的修正大量的施工实践表明，地下水是造成施工塌方、使隧道围岩丧失稳定的最重要因素之一，因此，在围岩分级中不能忽视地下水的影响。地下水对围岩的影响主要表现在：软化围岩：使岩质软化、强度降低，对软岩尤其突出，对土体则可促使其液化或流动，但对坚硬致密的岩石则影响较小，故水的软化作用与岩石的性质有关。软化结构面：在有软弱结构面的岩体中，水会冲走充填物或使夹层软化，从而减少层间摩阻力，促使岩块滑动。

32、承压水作用：承压水可增加围岩的滑动力，使围岩失稳。根据单位时间的渗水量可将地下水状态分为3级，如表 4-2-4。表4-2-4 地下水状态的分级级别状态渗水量(l/(min10m)干燥或湿润10偶有渗水1025经常渗水25125根据地下水状态对围岩级别的修正如表4-2-5。表4-2-5 地下水影响的修正地下水状态分级围岩级别围岩初始地应力状态修正围岩初始地应力状态，当无实测资料时，可根据隧道工程埋深、地貌、地形、地质、构造运动史、主要构造线与开挖过程中出现的岩爆、岩芯饼化等特殊地质现象，按表4-2-6做出评估。表4-2-6 初始地应力状态评估初始应力状态主要现象评估基准Rc/max极高应力硬质岩

33、：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差4软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不宜成洞高应力硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差47软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差初始地应力对围岩级别的修正宜按表4-2-7进行。风化作用的影响隧道洞深埋深较浅，应根据围岩受地表的影响情况进行围岩级别修正。当围岩为风化层时应按风化层的围岩基本分级考虑。围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低12级。表4-2-7 初始地应力影响的修正初始地

34、应力状态围岩级别极高应力或*高应力或*注：*围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，定为级；围岩岩体为完整的较软岩、较完整的软硬互层时，定为级。*围岩岩体为破碎的极硬岩、较破碎及破碎的硬岩时，定为级；围岩岩体为完整及较完整软岩、较完整及较破碎的较软岩时，定为级。在隧道施工过程中，根据对隧道围岩的直接观察、量测和试验结果，可进一步核定岩层构造、岩性及地下水等情况，从而可以判断围岩的稳定程度。当发现设计文件与实际情况不相符合时，应及时修改围岩级别，并变更支护设计。思考题与作业思考题：（1）RQD的概念；（2）岩体质量Q；（3）岩体完整性指数；（4）岩石软化系数作 业：1、简述我国铁路隧道围岩分级

35、方法。2、围岩和围岩分类的定义？3、我国铁路隧道围岩分类的方法？第三章 隧道线路及断面设计授课内容隧道线路及断面设计授课学时教学目的1、 掌握隧道位置的选择2、 隧道平纵横断面设计3、掌握限界、净空及曲线隧道横断面加宽原因及办法教学重点1、平纵横断面的设计2、限界、净空及曲线隧道横断面加宽原因及办法教学难点1、曲线隧道横断面加宽计算，衔接办法，衬砌构造教 具 和媒体使用多媒体课件教学后记教学内容与过程提纲：一、隧道平纵断面设计二、隧道横断面设计三、讨论第三章 隧道线路及断面设计第一节 隧道位置的选择 一、越岭线上隧道位置的选择1、选择垭口定义：当线路跨越分水岭时，分水岭的山脊线上总会有高程低处

36、，称为垭口。选择：从平面上考虑，当然是与连接两端控制点的航空直线方向越靠近越好，这样线路距离最短。还要考虑垭口两端沟谷的分布情况和台地的开敞程度，主沟高程是否相差不大和沟谷是否靠近，以便设计必要的展线。2、选定高程 隧道位置定得越高山体越薄，隧道越短，工程可以小一些。但是，两端的引线却要迂回盘绕以凑必要的高程。这样，就使得线路坡陡弯多，技术条件恶化。反之，隧道位置定得越低，隧道将越长，工程规模要大一些。二、河谷线上隧道位置的选择“宁里勿外”，意思是在河谷线上，隧道位置以稍向内靠为好。三、地质条件对隧道位置的影响单斜构造的层面大体平行而有同一倾角，当层间的抗剪强度不足时，岩层在外力作用下将会发生

37、层间相对错动。如果隧道的位置恰在层间软弱面上，岩层滑动将使隧道结构受到很大的剪力，把结构物损坏。如果隧道恰在层间软弱面的上方，岩层滑动会使隧道的某一段发生横向推移，而与邻段断开。如果层间较弱面正在隧道的上部，或是距上部不太厚的地方，常会把隧道的拱部挤裂，如图所示隧道穿过褶曲构造时，选在背斜中要比在向斜中有利。如果恰在褶曲的两翼，将受到偏侧压力，结构需加强，如图所示。1、不良地质的影响1)滑坡地区 把隧道置于滑坡面以下的稳定岩体中2)崩塌地区 选择隧道位置时，最好不要沿这类山坡通过。不得已时，应当尽可能地把隧道置于山体之中，穿过稳定的岩层。 3)岩堆地区 宜把隧道位置放在岩堆以下的稳定岩体之中。

38、 4)泥石流 在选择隧道位置时，务必躲开泥石流泛滥区，如躲避不开，也应选在泥石流下切深度以下的基岩中。 5)溶洞地区 选择隧道位置时，应尽可能避开。 6)瓦斯地区 选择隧道位置时，最好能避开。 第二节 隧道洞口位置的选择选择隧道洞口位置时应注意以下几个原则：B A图2-2-1 沟底附近洞口平面位置示意图1.洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处(如图2-2-1中的A线)，在一般情况下，垭口沟谷在地质构造上是最薄弱的环节，常会遇到断层带、古坍方、冲积土等不良地质。此外，地表流水都汇集在沟底，再加上洞口路堑开挖，破坏了山体原有的平衡，更容易引起坍方，甚至不能进洞。所以，洞口最好选在沟谷一侧(如图2

39、-2-1中的B线)。2.洞口应避开不良地质地段，如断层、滑坡、岩堆、岩溶、流砂、泥石流、盐岩、多年冻土、雪崩、冰川等，以及避开地表水汇集处。3.当隧道线路通过岩壁陡立，基岩裸露处时，最好不刷动或少刷动原生地表，以保持山体的天然平衡。此时，洞口位置应根据具体情况，采取贴壁进洞(图2-2-2)或设置一段明洞(当山坡上有落石、掉块而难以清除时)(图2-2-3)；或修建特殊结构洞门，如悬臂式洞门、钢筋混凝土锚杆洞门、洞门桥台联合结构、悬臂式托盘基础洞门或长腿式洞门等。图2-2-2 贴壁进动时洞口纵断面示意图图2-2-3 陡壁下接常明洞时纵断面示意图4.减少洞口路堑段长度，延长隧道，提前进洞。对处于漫坡

40、地形的隧道，其洞口位置变动范围较大，一般应采取延长隧道的办法，以解决路堑弃土及排水的困难。5.洞口线路宜与等高线正交。使隧道正面进入山体(如图2-2-4)，洞口结构物不致受到偏侧压力。对于傍山隧道因限于地形，有时无法与等高线正交，只能斜交进洞时，其交角不应太小(不小45)，并根据具体情况，采取斜交洞门、台阶式正交洞门或修建一段明洞。图2-2-4洞门平面示意图a) 正交洞门b) 斜交洞门6.当线路位于有可能被水淹没的河滩或水库回水影响范围以内时，隧道洞口标高应高出洪水位加波浪高度，以防洪水灌入隧道。7.为了确保洞口的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过高。过去，从单纯的经济观点出发，把隧道洞口位置

41、选定在所谓隧道与明挖的等价点上，即开挖每米路堑的造价和每延米隧道的造价相等时的 “经济洞口”位置上。此时，往往隧道定得偏短，路堑挖得过深，边、仰坡很高。这样，不仅施工时容易发生坍方，行车后边坡也常滚石掉块、失稳，危及行车安全，最后不得不再修建明洞接长隧道。这不但增加了投资，还对施工和运营造成后患，教训十分深刻。例如，宝天段隧道共123座，修建明洞接长隧道的有59座，占隧道总数的48；天兰段隧道共43座，修建明洞接长隧道的有18座，占隧道总数的42；川黔线隧道共66座，修建明洞接长隧道的有27座，占隧道总数的41。所以，应根据开挖控制高度及坡度(参考表2-2-1)来决定洞口位置。8.当洞口附近遇

42、有水沟或水渠横跨线路时，可设置拉槽开沟的桥梁或涵洞，排泄水流。9.当洞口地势开阔，有利于施工场地布置时，可利用弃碴有计划、有目的地改造洞口场 地，以便布置运输便道、材料堆放场、生产设施用地及生产、生活用房等。另外，在桥隧相 连时，应注意防止因弃碴乱堆造成堵塞桥孔或推坏桥梁墩台建筑物。 总之，隧道洞口位置的选择，应根据地形、地质条件，考虑边坡、仰坡的稳定，结合洞外有关工程及施工难易程度，本着“早进晚出”的指导思想，全面综合地分析确定。 第三节 隧道平、纵断面设计隧道内线路设计时，首先应满足整体线路规定的各种技术指标。而隧道内的环境条件比较差，无论是车辆运行，还是维修养护，都处于不利的条件下。所以

43、，在设计隧道内线路时，还要附上为适应隧道特点的一些技术要求。一、隧道平面设计1.铁路隧道一般情况下隧道内的线路最好采用直线，但是，受到某些地形的限制，或是地质的原因，往往不得不采用曲线。例如，当线路绕行于山咀时，为了避免直穿隧道太长，或是为了便于开辟辅助性的横洞，有时也会有意识地设置与地形等高线相接近的曲线隧道。当隧道越岭时，线路常常是沿着垭口的一侧山谷转入山体后，又沿顺垭口另一侧山谷转出。这样可以使隧道较长的中段放在直线上，但两端为了转向都要落在曲线上。如果垭口两侧沟谷地势开阔，则可将曲线放在洞口以外。有时，隧道已经施工，在开挖前进中发现前方有不良地质，不宜穿过。此时，不得不临时改线绕行，于

44、是出现曲线，而且将是左转与右转两个曲线，才能回到原线上来。上述情况，在山区的线路中是常遇到的。设计时，应尽可能采用较短的曲线，或是半径较大的曲线，使它的影响小一些。铁路隧道在曲线两端应设缓和曲线时，最好不使洞口恰恰落在缓和曲线上。缓和曲线在平面上半径总在改变，竖向的外轨超高也在变化，这样，在双重变化下，列车行驶不平稳。所以，应尽可能将缓和曲线设在洞外一个适当距离以外，圆曲线的长度也不应短于一节车厢的长度。在一座隧道内最好不设一个以上的曲线。尤其是不宜设置反向曲线或复合曲线。如果列车同时跨在两个曲线上，行驶很不稳当。所以，两曲线间应有足够长的夹直线，一般是要求在三倍车辆长度以上。2公路隧道公路隧

45、道设计规范规定，应根据地质、地形、路线的走向、通风等因素确定隧道的平、曲线线形。当设为曲线时，不宜采用设超高的平曲线，并不应采用设加宽的平曲线。隧道不设超高的圆曲线最小半径应符合表2-3-1的规定。隧道的行车视距与会车视距应符合表2-3-2的规定。表2-3-1 不设超高的圆曲线最小半径（m）设计速度(km/h)路拱12010080604030202.055004000250015006003501502.07500525033501900800450200表2-3-2 公路停车视距与会车视距公路等级高速公路、一级公路二、三、四级公路设计速度(km/h)12010080608060403020停

46、车视距(km/h)2101601107511075403020会车视距(km/h)220150806040公路隧道设计规范规定，高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的独立双洞。分离式独立双洞的最小净距，按对两洞结构彼此不产生有害影响的原则，结合隧道平面线形、围岩地质条件、断面形状和尺寸、施工方法等因素确定，一般情况可按表2-3-3取值。表2-3-3 分离式独立双洞间最小净距围岩类别IIIIIIIVVVI最小净距1.0B1.5B2.0B2.5B3.5B4.0B分离式双洞有利于运营通风与防灾，也有利于隧道施工。但双洞单面积比单洞断面积大，洞口展线长。在受洞口地形限制，围岩条件较好时，也可以

47、选用大断面的连拱式单洞隧道。目前，在公路隧道出现了数量不少的大断面的连拱隧道形式。二、隧道纵断面设计隧道内线路纵断面设计就是要选定隧道内线路的坡道型式、坡度大小、坡段长度和坡段间的衔接等。(一)铁路隧道1.坡道型式隧道处于岩层之中，除了地质有变化以外，线路走向不受任何限制，不必采用复杂多变的型式。一般可采用单面坡型(图2-3-1(a)或人字坡型（图2-3-1(b)）。图2-3-1 坡道型式示意图(a)单面坡(b)人字坡单面坡多用于线路的紧坡地段或是展线的地区，因为单面坡可以争取高程，拔起或降落一定的高度。单面坡隧道两洞口的高程差较大，由此而产生的气压差和热位差也大，能促进洞内的自然通风。它的缺

48、点是：在施工阶段，由于下坡开挖，洞内的水自然地流向开挖工作面，使开挖工作受到干扰，需要随时抽水外排。此外，运碴时，空车下坡重车上坡，运输效率低。人字型坡道多用于长隧道，尤其是越岭隧道。因为越岭无需争取高程，而垭口两端都是沟谷地带，同是向下的人字型坡道，正好符合地形条件。人字坡的优点是：施工时水自然流向洞外，排水措施相应地简化，而且重车下坡，空车上坡，运输效率高。它的缺点是：列车通过时排出的有害气体聚集在两坡间的顶峰处，尽管用机械通风，有时也排除不干净，长时间积累，浓度渐渐增大，使司机以及洞内维修人员的健康受到影响。两种不同的坡型适用于不同的隧道。对位于紧坡地段，要争取高程的区段上的隧道、位于越

49、岭隧道两端展线上的隧道、地下水不大的隧道、或是可以单口掘进的短隧道，可以采用单面坡型。对于长大隧道、越岭隧道、地下水丰富而抽水设备不足的隧道，宜采用人字坡型。2.坡度大小铁路隧道对于行车来说线路的坡度以平坡为最好。但是，天然地形是起伏不定的，为了能适应天然地形的形状以减少工程数量，只好随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。但依据地形设计坡度时，注意应不超过限制坡度，如果在平面上有曲线，还需为克服曲线的阻力，再减去一个曲线的当量坡度，即i允i限i曲式中 i允设计中允许采用的最大坡度（）；i限按照线路等级规定的限制最大坡度（）；i曲曲线阻力折算的坡度当量（）。隧道内行车条件要比明线差，对线路最大

50、限制坡度的要求更为严格。因此，隧道内线路的最大允许坡度要在明线最大限制坡度上乘以一个折减系数。考虑坡度折减有以下原因：(l)列车车轮与钢轨踏面间的粘着系数降低机车的牵引能力有时是由车轮与轨面之间的粘着力来控制的。隧道内空气的相对湿度较露天处大，因而钢轨踏面上凝成一层薄膜，使轮轨之间的粘着系数降低，于是机车的牵引力也随之降低。此外，如果是蒸汽机车牵引，机车喷出的煤烟渣滓落在轨面上，也会使粘着系数降低。因此，隧道内线路的限制坡度应比明线的限制坡度有所减小。(2)洞内空气阻力增大列车在隧道内行驶，其作用犹如一个活塞，洞内空气将像活塞那样给前进的列车以空气阻力，使列车的牵引力减弱。所以，隧道内的限制坡

51、度要比明线的限制坡度小。由于上述原因，隧道内线路的限制坡度要在明线限制坡度上乘以一个小于1的折减系数。按现行铁路隧道设计规范，除隧道长度小于400m时，上述影响不太显著，坡度可以不折减以外，其它凡长度大于 400 m的隧道都要考虑坡度的折减。折减的方法按下式进行：i允m i限i曲其中，m为隧道内线路的坡度折减系数，它与隧道的长度有关。当隧道内有曲线时，注意要先进行隧道内线路坡度的折减，然后再扣除曲线折减，如上式所列。另外，不但隧道内的线路应按上述方式予以折减，洞口外一段距离内，也要考虑相应的折减。因为当列车的机车一旦进入隧道，空气阻力就增加，粘着系数也开始减少。所以在上坡进洞前半个远期货物列车

52、长度范围内，也要按洞内一样予以折减。至于列车出洞，机车已达明线，就不存在折减的问题了。如图2-3-2所示。除了最大坡度的限制以外，还要限制最小坡度。因为隧道内的水全靠排水沟向外流出。铁路隧道设计规范规定，隧道内线路不得设置平坡，最小的允许坡度应不小于3。3.坡段长度铁路隧道内线路的坡型单一，但不宜把坡段定得太长，尤其是单坡隧道，坡度已用到了最大限度。如果是一气上大坡，列车就必须用尽机车的全部潜在能力，持续奋进。这样，会越爬越慢，以至有停车的可能或出现车轮打滑的情况，容易发生事故。在下坡时，由于坡段太长，制动时间过久，机车闸瓦摩擦发热，将使燃油失效，以致刹不住车，发生溜车事故。所以，在限坡地段，

53、坡段不宜太长。如果隧道很长，坡度又不想变动，为了不使机车爬长坡，可以设缓坡段，使机车有一个喘息和缓和的时间。此外，顺坡设排水沟时，如果坡段太长，水沟就难以布置。不是流量太大，就是沟槽太深，有时为此需要设置许多抽水、扬水设施，分级分段排水。这也给今后的运营和维修增加了工作量。所以，隧道内线路的坡段不宜太长。与此相反，隧道内的线路坡段也不宜太短。因为，坡段太短就意味着变坡点多而密集，列车行驶就不平稳，司机操纵要随时调整。列车过变坡点时，受力情况也随之变化，车辆间会发生相互的冲撞，车钩产生附加的应力。如果坡段过短，一列车在行驶中，同时跨越两个变坡点，车体、车钩都在同时受到不利的影响，有时会因此发生事

54、故。实践指出，坡段长度最好不小于列车的长度。考虑到长远的发展，坡段长度最好不小于远期到发线的长度。4.坡段联接对于铁路隧道来说，为了行车平顺两个相邻坡段坡度的代数差值不宜太大，否则会引起车辆之间仰俯不一，车钩受到扭力，容易发生断钩。因此，在设计坡度时，坡间的代数差要有一定的限制。从安全的观点出发，两坡段间的代数差值i不应大于重车方向的限坡值i。铁路隧道设计规范规定，旅客列车设计行车速度小于160km/h的铁路段，相邻坡段的坡度差大于3时，应以圆曲线型竖曲线连接，竖曲线的半径应采用10000m；旅客列车设计行车速度为160km/h的铁路段，相邻坡段的坡度差大于1时，应以圆曲线型竖曲线连接，竖曲线的半径应采用15000m，竖曲线不宜与平面圆曲线重叠设置，困难条件下，竖曲线可与半径不小于2500m的圆曲线重叠设置；特殊困难条件下，经技术经济比较，竖曲线可与半径小于1600m的圆曲线重叠设置。隧道内线路坡度不但要考虑上述因素，还要检算列车在相应坡段上的行车速度。因为列车上坡需要有一定的速度，才能将动能转为势能。如果列车开