1B414000隧道工程概论

1.1隧道的定义通常指用作地下通道的工程建筑物。1970年，OECD(世界经济合作与发展组织)隧道会议从技术方面给隧道定义：以任何方式修建，最终使用于地表以下的条形建筑物，其内部空洞净空断面在2m2以上者均为隧道。1.2隧道工程的发展概况•原始时代即人类的出现到纪元前3000年的新石器时代，是人类利用隧道来防御自然威胁的穴居时代。隧道是用兽骨等工具开挖，修筑在可以自身稳定而无需支撑的地层中。•远古时代从纪元前3000年到5世纪，是为生活和军事防御目的而利用隧道的时代。这个时代隧道的开发技术形成了现代隧道开发技术的基础。例如，古埃及金字塔的建设就开始修建了地下建筑。纪元前2200年间的古代巴比伦王朝为连结宫殿和神殿而修建了约1km长的隧道，断面为3.6×4.5m，施工期间将幼发拉底河水流改道，采用明挖法建造，该隧道是一种砖砌建筑。·中世纪时代约从5世纪到14世纪的1000年左右。这个时期正是欧洲文明的低潮期，建设技术发展缓慢，隧道技术没有值得一提的进步。但由于对地下矿产资源铜、铁等的需求，开始了矿石开采。·近代和现代即从16世纪以后的产业革命开始。这个时期由于炸药的发明和应用，加速了隧道技术的发展。如有益矿物的开采，灌溉、运河、公路和铁路隧道的修建以及随着城市的发展修建地下铁道、上下水道等，使得隧道的技术得到极大的发展，其应用范围迅速扩大。1.3隧道技术的发展与成就•据现有资料记载，我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县的‘石门’隧道，建于公元66年，是供马车和行人通行的。•世界上最早的隧道是公元前2200年，巴比伦国王为连结宫殿而修建的隧道。•测量技术的出现，推动了隧道技术的进步。人们利用棚架支撑岩层和卷扬提升土石，从两端洞口开挖隧道，数量较多的各种用途的隧道和水工隧道开始增多。•14世纪发明了火药，推动了隧道技术发展。1679年用于法国拉恩开得克运河隧道开挖，获得极大成功，隧道挖掘技术得到飞速的发展。•19世纪的产业革命，隧道开挖出现了各种新方法，迎来了近代隧道开挖技术的新曙光。1818年布鲁内尔（Brune1）发明了盾构，意大利物理学家欧拉顿（Erardon）提出以压缩空气平衡软弱地层涌水压力。防止地层坍塌的方法后，英国的科克伦（Co-Chrane）利用这个原理发明用压缩空气开挖水底隧道的方法。·新中国成立以来，为改变国家的经济布局，发展内地和山区的经济，先后修建了数十条隧道比重较大的山区铁路。使得我国在铁路隧道的数量和施工技术上都有了较大发展，逐渐掌握了隧道建筑的近代技术，从人力为主体的施工转向以机械开挖为主体的施工，技术上有了质的飞跃。·1979年开始正式推广新奥法•我国公路隧道的建设发展相对迟缓。近几年由于高速公路建设的加快，公路隧道的数量已开始成倍的增长，据不完全统计，到1999年底，我国已建成的公路隧道达1217座，单洞总延长超过406km。。•隧道名称隧道长度（m）营运条件大溪岭隧道4100双向、双车道二郎山隧道4160单向、双车道华莹山隧道4770单向、双车道鹧鸪山隧道4400单向、双车道木鱼槽隧道3600双向、双车道八达岭隧道3455双向、双车道真武山隧道（重庆）3100单向、双车道中梁山隧道（重庆）3165单向、双车道牛郎河隧道3920单向、双车道猫狸岭隧道3600单向、双车道秦岭终南山隧道18100双洞、单向、双车道目前世界上已建成公路隧道，最长的瑞士16.918km的圣哥达隧道，而挪威正在修建的Aurland—Laerdal公路隧道，长度达24.5km。世界上长大公路隧道的概况列于表1.2。其中通过阿尔卑斯山最高峰下连接法国和意大利的勃朗峰(Mt.Blance)隧道，全长11.6km，道路宽7.0m，从顶板到路面高6m，断面呈马蹄形，衬砌厚80cm，法国侧入口标高为1274m，意大利侧标高为1381m，最大埋深约2500m，双车道相向运行，最高限速为80公里/小时。1959年开工，1965年开始运营表1.2世界各国已建成和在建的长度大于10km的公路隧道隧道名称国家长度（m）勃朗峰（Mt.Blance）法国－意大利11600弗雷儒斯（Frejus）法国－意大利12901圣哥达（St.Gothard）瑞士16918阿尔贝格（Arlberg）奥地利13927格兰萨索（GranSasso）意大利10173关越I（Kan-Etsu）日本10920关越II（Kan-Etsu）日本11010居德旺恩（Gudvanga）挪威11400Folgefonn挪威11100AurlandLaerdal挪威24500坪林（Pinglin）中国台湾12900Hida日本10750秦岭终南山隧道中国181001.4隧道的分类及其作用1、按用途分（常用分类方法）(1)交通隧道：提供运输的孔道和通道，主要有：铁路隧道、公路隧道、水底隧道、地下铁道、人行地道。(2)水工隧道：是水利工程和水利发电枢纽的一个重要组成部分。主要包括：引水隧道：把水引入水电站发电机组产生动力资源。尾水隧道：把发电机组排出的废水送出去的隧道。导流隧道（泄洪隧道）：疏导水流排沙隧道：用于冲刷水库中淤积的泥沙而修建的隧道水工隧道(3)市政隧道：是城市中为安置各种不同市政设施的地下孔道。主要有：给水隧道、污水隧道、管路隧道、线路隧道、人防隧道。(例如：综合管网、海底设施隧道等)(4)矿山隧道：其作用主要是为采矿服务的。主要有：运输巷道、给水隧道、通风隧道。地下电缆隧洞隧洞开挖图2、按隧道长度分（公路隧道规范）：(1)特长隧道：L3000m(2)长隧道：3000m≥L1000m(3)中长隧道：1000m≥L500m(4)短隧道：L≤500m3、按断面面积分：(1)特大断面隧道：断面积在100m2以上(2)大断面隧道：断面积在50~100m2之间(3)中等断面隧道：断面积在20~50m2之间(4)小断面隧道：断面积20m2以下4、按隧道所处的地理位置划分：山岭隧道水底隧道城市隧道隧道是交通线上的重要组成部分，是国家重要的基础设施；重要性1.5隧道在交通建设中有哪些作用？快速畅通的交通网是经济发展的前提，低等级公路已不适应高速经济发展的需要；必要性隧道使公路里程大大缩短目前我国高速公路相对较少，与我国人口、经济发展相比，太少。社会经济发展，交通必先行。紧迫性1.6隧道的力学特点隧道力学研究围岩体的强度、变形和渗流特性以及与此有关的工程问题连续介质力学的知识岩土力学的理论实验规律及工程实践经验隧道工程的隐蔽性隧道的特点隧道工程的施工环境差隧道的特点隧道工程的大量涌水隧道的特点隧道结构构造主体构造物附属构造物洞身衬砌洞门构造物洞身衬砌的平、纵、横断面的形状由道路隧道的几何设计确定衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定明洞通风照明排水、消防、通讯等1.7洞身衬砌（1）洞身衬砌的类型（2）支护结构衬砌结构形式，主要根据地质地形条件，考虑结构受力的合理性、施工方法等因素来确定。1.7.1衬砌结构的类型(1)直墙衬砌(2)曲墙式衬砌(3)喷锚衬砌(4)复合衬砌(5)偏压衬砌(6)喇叭口衬砌(7)圆形断面衬砌(8)矩形断面衬砌（1）直墙式衬砌适用条件：垂直围岩压力为大、水平围岩压力小的情况下；一般适用于Ⅱ、Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围岩.割圆拱：r1=r2、坦三心圆拱:r1r2、尖三心圆拱:r1r2（2）曲墙式衬砌适用条件：通常用在Ⅳ级以下的围岩水平压力较大的情况下（3）喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌(4)偏压衬砌当山体地面坡陡于l：2.5，线路外侧山体覆盖较薄，或于地质构造造成的偏压，衬砌为承受这种不对称围岩压力而采用(5)喇叭口隧道衬砌(6)圆形断面隧道为了抵御膨胀性围岩压力，山岭隧道也可以采用圆形或近似圆形断面;盾构法沉管法施工的隧道。(7)矩形断面衬砌沉管法、明挖法施工时，广泛采用矩形断面衬砌▲初期支护(一次支护):木支撑、型钢支撑、格栅支撑、锚喷支护等。▲永久支护(二次支护、二次衬砌):整体衬砌、复合式衬砌、拼装衬砌及锚喷衬砌等4种。1.7.2支护结构初期支护结构永久支护结构1.8.1洞门的概念及其作用※洞门的概念：洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构。※洞门的主要作用①保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定；②汇集在洞口附近的仰、边坡上的地表水，并引离隧道，减少洞口土石方开挖量；③作为隧道的标志性建筑物，应与隧道的规模、使用特性以及周围建筑物、地形条件等要相协调。1.8洞门1.8.2洞门的形式（1）端墙式洞门（2）翼墙式洞门（3）环框式洞门（4）台阶式洞门（5）遮光棚式洞门(1)端墙式洞门(2)翼墙式洞门(3)环框式洞门－削竹式洞门(4)台阶式洞门(5)遮光棚式洞门端墙式洞门柱式洞门台阶洞门翼墙式洞门柱式路堑明洞隧道门翼墙式路堑明洞隧道门半路堑偏压明洞隧道门半路堑单压式明洞隧道门削竹式隧道门图2高速公路削竹式隧道门1．仰坡坡脚至洞门端墙顶帽背的水平距离，一般不小于1.5m。2．洞门端墙顶宜高出仰坡坡脚不小于0.5m。3．洞门端墙与仰坡之间水沟沟底至衬砌拱顶外缘的高度，一般不小于1m。4．一般隧道门端墙、翼墙、挡土墙设计为仰斜式墙身时，墙背坡度不宜缓于1:0.3。1.8.3洞门的构造要求1.8.3洞门的构造要求5.洞门端墙、翼墙和挡土墙截面厚度应满足规范要求。6．洞门端墙、翼墙和挡土墙应根据情况设置伸缩缓和沉降缝。7．洞门翼墙和挡土墙身应设置泄水孔。洞门的构造要求1.8.4洞门的基础1、洞门端墙、翼墙、挡土墙基础必须置于稳固地基上，基底松碴应清除干净，以防止滑动和不均匀沉陷。2、在松软地基上设置基础，当地基承载力不足时，可结合具体条件采取换填。扩大基础、桩基、地基加固等措施。3．基础埋置深度(1)洞门端墙、翼墙、挡土墙基础应埋入路基面以下一定深度。土质地基埋置深度不应小于1米。且应符合基底应力的要求。(2)洞门端墙嵌入路堑边坡的深度根据坡度不同取值30－50厘米。(3)在洞门端墙厚度范围内的洞口衬砌基础埋置深度，应与端墙基础相同。(4)为保证洞门稳固和施工方便，衬砌边墙外侧的洞门端墙基础宽度一般不小于0.5m．(5)当墙基础砌筑在稳定坚硬的基岩斜坡上时．基础可切割成台阶状。4．当洞门挡(翼)墙受滑动控制时．可采用倾斜基底或凸形基底等防滑措施．基底倾斜度，土质地基一般不大于0.2:1，稳定岩石地基不大于0.3：1。5．检算倾斜基底稳定时，除检算沿基底的滑动稳定外，尚应检算沿地基上层的水平剪切应力。1.8.5洞门施工要求1．洞门宜尽早修建，并尽可能避免在雨季施工．洞门修筑前应作好洞口及仰坡周围的排水、截水设施，以保护边、仰坡的稳定。2．当洞口边、仰坡土石有剥落可能时，坡面应清理并予以防护．3．洞门端墙厚度范围内的结构，应与洞口环节衬砌采用同一材料整体灌筑。4．翼墙和洞口挡土墙应与端墙同时砌筑．当翼墙需分段修建时，其墙身应留施工缝，并应检算施工状态稳定性。5.洞门端墙,翼墙,挡土墙墙身砌出地面后,基坑必须及时回填夯实，顶面作成不小于4%的排水坡。1.8.6洞门的结构计算隧道洞门计算原理及方法洞门是支挡洞口正面仰坡和路堑边坡的结构物，洞门视为墙背承受土压力的挡土墙结构，根据挡土墙理论设计。端墙式洞门可按计算挡土墙的方法分别核算如图所示A、B、C、D、E、F、G各不同墙高截面的稳定性和强度，以此决定端墙的厚度和尺寸。翼墙式洞门与端墙式洞门一样，也可采用分条方法取条带计算。在计算端墙时，应考虑翼墙对端墙的支撑作用。洞门墙的主要检算规定墙身截面压应力σ≤容许应力墙身截面偏心距e≤0.3倍截面厚度基底应力σ≤地基容许承载力基底偏心距e岩石地基≤B/4土质地基≤B/6（B——基底厚度）滑动稳定系数Kc≥1.3倾覆稳定系数Ko≥1.51.9明洞1.9.1概述什么是明洞？采用明挖法修筑的隧道结构明洞特点：地面建筑地下建筑明洞要求：符合地形、地质、经济、安全、施工难易等条件(1)路堑对称型适用于洞顶地势平缓,路堑两侧地质条件基本相同(2)路堑偏压型适用于两侧山坡高差较大的路堑，高侧边坡有坍塌，落石或泥石流。(3)半路堑偏压型适用于半路堑靠山侧