隧道工程 前四章教案

绪论1.隧道的基本概念和作用⑴隧道隧道是一种地下工程结构物，通常是指修筑在地下或山体内部，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的地下通道。隧道工程是指从事研究和建造各种隧道的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，它是土木工程的一个分支。⑵隧道的分类①按围岩性质分：山岭隧道（岩石隧道），软土隧道。②按用途分：交通隧道：铁路隧道，公路隧道，地铁隧道，航运隧道，人行隧道等。矿山隧道：运输巷道，通风巷道，水仓，各类硐室等。水工隧道：引水隧道，尾水隧道等。市政隧道：污水隧道，管线隧道等。⑶隧道的构成①主体建筑物：洞身衬砌、洞门。②附属建筑物：通风、照明、防排水、安全设施等。⑷本课程的主要教学内容公路隧道、铁路隧道，包括隧道勘测设计，隧道施工技术和运营管理等基本知识。2.隧道工程的发展⑴最早的隧道世界：古代文明时期（公元前2180～2160年前后）古巴比伦城幼发拉底河下修筑的人行隧道；公元前36年，意大利婆西里勃隧道。中国：东汉明帝永平九年（公元66年）陕西省汉中县褒谷口内，“石门”隧道；宋末元初，安徽亳州古地下道。⑵最长的隧道世界：戈特哈尔德隧道全长57.600km，超过日本青函海底铁路隧道53.850km纪录）；挪威洛达尔公路隧道：24.500km.中国：西康铁路秦岭铁路隧道：18.400+19.500km；太行山隧道：27.839km；渝长公路铁山坪公路隧道：5.424km；正在建设的辽宁引水隧道长度85.300km。⑶最高的隧道中国青藏铁路风火山隧道：1.333km，海拔4905m。该隧道创多项世界之最：①海拔最高：+4905m；②覆盖层最薄：局部仅3m,最大100m；③地质条件最差.④冰冻区最长、冻土层最厚：150m；集含土冰层、饱冰冻土和千年冰川于一体的永冻土隧道。⑷隧道的展望世界：日韩隧道正在筹划：日本下关—韩国釜山，长度约100公里；中国：渤海湾隧道：烟台—大连，长度约80公里；台湾海峡隧道：北线、中线和南线三个方案，长度120～150公里。3.隧道工程施工技术⑴古代隧道施工技术人工开凿，劳动强度大。⑵近代隧道施工技术火药的发明使隧道施工技术得到了一定的发展。炸药的发明和应用使隧道施工技术得到了迅速发展。⑶现代隧道施工技术钻眼机械和爆破技术的应用使隧道施工机械化得到了普遍的应用。隧道施工机械化掘进是目前隧道施工的主要发展方向。⑷隧道施工技术展望钻爆技术将不断得到改进和完善。TBM法将是隧道施工技术的未来发展方向。4.《隧道工程》课程学习和考核方法⑴《隧道工程》课程学习方法注意理论和实践相结合，在课堂听课的基础上，通过阅读大量参考文献来充实学习内容。通过作业或思考题等进行练习和复习所学内容。教师通过质疑等方式了解学生学习情况，及时帮助学生掌握所学内容。⑵《隧道工程》课程考核方法本课程平时采用作业、考勤、质疑等方式对平时学习进行考核。本课程采用课程报告进行考核。本课程成绩＝平时考勤×30％＋课程研讨×20％＋课程报告×50％。5.《隧道工程》参考文献a)王毅才．隧道工程．北京：人民交通出版社b)陈秋南．隧道工程．北京：机械工业出版社c)冯卫星．铁路隧道设计．成都：西南交通大学出版社d)翁家杰．地下工程．北京：煤炭工业出版社e)公路隧道设计规范．北京：人民交通出版社f)公路隧道施工技术规范．北京：人民交通出版社g)铁路隧道技术规范．北京：中国铁道出版社h)铁路工程设计技术手册《隧道》．北京：中国铁道出版社i)现代隧道技术，期刊1隧道结构与设计1.1隧道勘测设计1.1.1隧道勘测设计程序1.三阶段勘测设计工作程序2.二阶段勘测设计工作程序3.一阶段勘测设计工作程序4.勘测设计程序选择※对地形地质情况复杂，工程规模宏大，技术要求高、施工困难的工程项目，采用三阶段勘测设计程序。※对于工程规模一般、地形地质比较简单、施工技术不复杂，采用两阶段勘测设计程序。※对于工程简单、施工容易、原则明确，地形地质明了，采用一阶段勘测设计程序。1.1.2隧道勘测设计内容1.隧道的工程调查⑴文献资料收集地形资料，地质资料，工程资料，气象资料，其他资料。⑵地形地质的调查初步调查，地质详查。⑶气象调查包括降雨、降雪、气温、风向、风速、雾、雪崩、洪水等。⑷环境调查自然环境、地物、生活环境等。⑸施工条件调查施工设备、施工条件、工程条件、国家及地方各种法令法规、有关手续等。2.隧道定位及洞口位置选择⑴隧道定位在多个方案中，通过技术、经济比较而最终确定。确定步骤：首先在1:50000～1:25000地形图上比较确定；然后在1:5000地形图上比选确定。规模较小时，可直接在1:5000地形图上比选。比选考虑的因素：经济合理，技术可行，符合实际。方案比较要点：线形适当(平面顺适、纵坡均衡、横面合理)，顺应地形，施工容易，协调环境。①设置越岭隧道理想的越岭线路位置是：偏离主线路方向较小、距离短、线路顺直、选用垭口标高与主线路高差小、两侧展线少、主要技术指标和地质条件都较好的位置。垭口选择：隧道位置通常是选在接近线路控制点间航空距离最短、高差最小和两端引线的地形、地质条件等都较好的垭口处。标高选定：全面衡量，从技术和经济两方面，尤其是在今后长远运营条件上，做出综合的比较，以作出合理的决定。②设置傍山隧道傍山隧道又称河谷隧道，理想的傍山线路位置是：确保傍山隧道外山体边坡的稳定，最大限度地缩短隧道长度。平面定位：根据山体岩石稳定性确定隧道位置，基本原则是“宁里勿外”，并注意控制隧道长度。标高确定：满足桥隧的合理连接和泄洪等要求。③城市水底隧道考虑城市港湾和河流有航运要求，需要设置城市水底隧道。一般根据城市道路发展的规划、旅游等要求。线路设计应保证线形、坡度、视距等相关要求。⑵隧道线形①隧道平面线形以采用直线或大半径曲线为好；②隧道纵坡通常不应小于0.3%，并不大于3%；考虑通风时，最大纵坡应在2%以下。根据施工方向，纵坡可设为一面坡或人字坡。③隧道引线应采用通视好的线形，纵坡与隧道一致。⑶洞口位置①洞口部分通常岩石条件不稳定，因此洞口位置应考虑避开滑坡、崩塌、泥石流等不良地质段；②洞口位置不应设在沟谷低洼处和汇水处；③在隧道穿过悬崖陡壁时，应注意岩壁的稳定性；④洞口地形平缓时，一般也应早进洞、晚出洞。3.公路隧道几何设计⑴平面线形根据《公路工程技术标准》规定进行设计，同时应照顾隧道的特点。平面线形原则上采用直线，避免曲线，必须设置曲线时，其半径不宜小于不设超高的平面曲线半径，并应符合视距要求。⑵纵断线形隧道纵坡以不妨碍排水的缓坡为宜。公路隧道控制坡度的主要因素是通风问题，一般在2％以下，大于3％是不可取的。不存在通风问题的隧道，可以按普通道路设置纵坡。为考虑排水，隧道不应采用平坡，一般用0.3～0.5％的坡度。⑶净空断面隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。它包括公路建筑限界、通风及其他所需要的断面积。隧道公路建筑限界和横断面各级公路隧道建筑限界基本宽度(单位:m)公路分类公路等级地形行车道宽度(单洞)W侧向宽度人行道R检修道(一侧)J隧道建筑限界净宽路缘带S余宽C设检修道或不设人行道设人行道汽车专用公路高速平原微丘7.500.750.500.7510.75重丘7.500.500.500.7510.25山岭7.500.500.250.759.757.000.500.250.759.25一级平原微丘7.500.500.500.7510.25山岭重丘7.000.500.250.759.25二级平原微丘8.00/0.250.759.25山岭重丘7.500.250.758.75一般公二级平原微丘9.000.250.759.5010.50山岭重丘7.000.257.508.50三平原微丘7.000.250.757.508.50路级山岭重丘7.000.257.508.50四级平原微丘7.000.257.50山岭重丘7.00/4.500.257.50/5.00①隧道数目与车道数目一般为对向两车道；交通量大时可采用两条隧道，每个隧道内为单向一车道；不宜设置对向交通的三车道；大于四车道时，应修建多个隧道，每个隧道内各为单向两车道。②隧道内错车场单车道隧道，距离较长时，应在洞口两端设置错车场。短隧道在进口能看到出口时，在洞口两端设置错车场。③隧道内加宽带长隧道（超过2km），一般在150～170m的间隔上设置加宽带，其宽度为2.5m，长度为25m。④隧道内自行车道和人行道一般隧道，尤其是1.0km以下的隧道，考虑行人和自行车，人行道宽度0.75或1.0m，自行车宽度1.0m。有迂回路时，自行车和人不应通过隧道。⑤隧道联合布置特殊条件下，隧道内可考虑行车道、人行道、自行车道、通风管道、电缆管线等联合布置，以充分利用隧道断面。⑷断面设计衬砌内轮廓线根据隧道净空断面要求确定。衬砌外轮廓线根据内轮廓线和衬砌厚度确定。实际开挖线根据外轮廓线和开挖误差要求确定。⑸平行隧道或其他结构物间距平行隧道的中心距若将地层作为完全弹性体时，其距离为最大开挖宽度的两倍。在粘土等软土地层中，其距离一般为开挖宽度的五倍。实际设计时还要考虑施工方法的影响。钻爆法大一些，机械掘进法小一些。⑹隧道引线隧道洞口以外的引线部分，设计应保证有足够的视距，另外应考虑接近洞口的桥梁、路堤等的要求。4.公路隧道勘测设计文件内容1)沿线隧道概况2)工程地质3)气象、环境和有关法令政策4)施工条件5)隧道方案（2个以上）6)通风、照明、排水方案建议7)存在问题及解决方法8)隧道线路方案平面图，方案比较说明9)隧道线路地质平面图、地质构造、水文、地物、地貌10)隧道纵断面图11)洞口地形平面图12)洞口纵、横断面图13)辅助坑道等地形14)明洞纵、横断面图15)长大隧道分工点施工说明1.2隧道结构构造公路隧道结构构造由主体构造物和附属构造物组成。主体构造物是为了保持岩体稳定和行车安全而修建的人工永久建筑物，一般指洞身和洞门构造物。附属构造物是为了运营管理、维修养护、给水排水、供电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。1.2.1隧道衬砌结构1.现浇混凝土整体式衬砌目前应用最广泛的隧道衬砌结构，对地质条件适应性强，易于成形，适合多种施工方法，承载能力大，必要时还可以加入钢筋。具体有两种形式：直墙式和曲墙式。直墙式：R1R2:坦三心拱；R1R2:尖三心拱；R1=R2:割(切)圆拱。曲墙式：由6段圆弧构成。直墙式：应用于III类以上围岩；曲墙式：应用于III类以下围岩。2.装配式衬砌隧道装配式衬砌结构，主要用于软土隧道盾构法施工时的衬砌支护，其强度大，承载能力好。3.锚喷衬砌锚喷衬砌结构，主要用于山岭隧道施工第一次支护，一般都必须结合二次衬砌（支架、混凝土）等。锚喷衬砌类型有：喷混凝土、喷混凝土加锚杆、喷混凝土加锚杆加金属网。4.砌块衬砌砌块衬砌结构，主要是料石和混凝土块，用于山岭隧道衬砌，一般其围岩条件较好，或隧道规模较小的情况。5.矩形衬砌矩形衬砌结构，主要采用钢筋混凝土结构，目前主要用于明挖隧道衬砌，沉管隧道管段预制等。6.衬砌材料混凝土、钢筋混凝土、喷射混凝土、锚杆、料石等。1.2.2隧道洞门结构1.端墙式洞门用于岩石稳定的IV类以上围岩和地形开阔地区。2.翼墙式洞门用于地质条件较差的III类以下围岩。3.环框式洞门用于洞口岩石坚硬、整体性好、路堑稳定，无较大排水要求的情况。4.遮光棚式洞门隧道洞口需要设置遮光棚时，结合遮光棚修建洞门。一般有开放式和封闭式两种。5.建筑物洞门隧道洞口与建筑物相结合，可以结合建筑物修建洞门，其形式多样。1.2.3隧道明洞结构1.拱式明洞路堑式拱形明洞半路堑式拱形明洞2.棚洞1.2.4隧道内装、顶棚及路面1.内装要求：保持墙面亮度，提高能见度，吸收噪声。内装材料：应当光洁、颜色明亮、减少眩光；不易污染、容易清洗；美观、便于更换和修复；吸收噪声。常见内装材料：块状混凝土材料，（用于一般情况、且要求不高）饰面板、镶板等质地致密材料，（无污染、易清洗、吸噪声）瓷砖镶面材料，（效果较好）油漆材料，（对衬砌表面要求高，且不能吸收噪声）2.顶棚是