第一讲隧道结构构造1

第一讲隧道结构构造李文江石家庄铁道学院Tel:13633310683Email:[e-mail]隧道结构分为主体建筑物和附属建筑物主体建筑物为了保持隧道的稳定，保证隧道正常使用而修建的，由洞身支护结构及洞门组成，在铁路线上洞口附近容易坍塌或有落石危险时则需要加筑明洞。附属建筑物指保证隧道正常使用所需的各种辅助设施,比如：防排水设备、避车洞、电力及通讯信号的安放设备及运营通风设施等。一、洞身衬砌结构类型开挖后的隧道，为了保持围岩的稳定性，一般需要进行支护和衬砌。支护的主要方式有：喷射混凝土、锚杆、钢架、钢筋网及其它的组合。衬砌的主要方式有：整体式混凝土衬砌、拼装式衬砌、喷射混凝土衬砌和复合式衬砌等。1、整体式混凝土衬砌(图1)特点：对地质条件的适应性较强，易于按需要成型，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件。隧道衬砌按照不同的围岩类别，有直墙式衬砌和曲墙式衬砌两种形式，而曲墙式又分为有仰拱和无仰拱两种。2、装配式衬砌(图2)特点：拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。但要求有一定的机械化设备，施工工艺复杂，衬砌的整体性及抗渗性差。3、锚喷式衬砌(图3)锚喷式衬砌是锚喷结构既作为隧道支护，又作为隧道永久结构的形式。具有隧道开挖后衬砌及时，施工方便和经济的显著特点。复合式衬砌把衬砌分成两层或两层以上，可以是同一种型式、方法和材料施作的，也可以是不同型式、方法、时间和材料施作的。目前最通用的是外衬为锚喷支护，内衬为整体式混凝土衬砌，如图4特点：可以满足初期支护施作及时、刚度小易变形的要求，且与围岩密贴，从而能保护和加固围岩，充分发挥围岩的自承作用。二衬后，衬砌内表面光滑平整，可以防止外层风化，装饰内壁，增强安全感。复合式衬砌常用参数，如下表4、复合式衬砌单线铁路隧道复合式衬砌支护参数表围岩级别初期支护二次衬砌喷射砼厚度（cm）锚杆格栅钢架/型钢拱墙（cm）仰拱/底板（cm）位置长度（m）间距（m）Ⅱ5－－－—25－Ⅲ7局部2.01.2~1.5—25－Ⅳ10拱墙2.0~2.51.0~1.2－3040Ⅴ15~22拱墙2.5~3.00.8~1格栅拱架3540Ⅵ通过试验确定双线铁路隧道复合式衬砌支护参数表围岩级别初期支护二次衬砌喷射砼厚度（cm）锚杆格栅钢架/型钢拱墙（cm）仰拱/底板（cm）位置长度（m）间距（m）Ⅱ5~8－2.0~2.51.5－25－Ⅲ8~10局部2.0~2.51.2~1.5－25－Ⅳ15~22拱墙2.5~3.01.0~1.2必要时拱墙设置3040Ⅴ20~25拱墙3.0~3.50.8~1.0全环设置3540Ⅵ通过试验确定客运专线双线隧道复合式衬砌支护参数表围岩级别初期支护二次衬砌预留变形量（cm）喷射砼厚度（cm）锚杆喷聚丙烯纤维砼/素喷砼格栅钢架/型钢拱墙（cm）仰拱/底板（cm）位置长度（m）间距（m）位置纤维掺量（kg/m3）钢筋网φ8直径（mm）每榀间距（m）Ⅱ8～10拱部2.51.5×1拱部/边墙0.9～1.2———35～4035～403Ⅲ10～18拱墙3.01.2×1拱墙/仰拱0.9～1.2拱局部25×25——40405Ⅳ18～23拱墙3.51.0×1拱墙/仰拱0.9～1.2拱墙25×25格栅φ22/1.0（拱墙）45458Ⅳ加23～25拱墙3.51.0×1拱墙/仰拱0.9～1.2拱墙25×25/I181.0（全环）45508～10Ⅴ25～28拱墙4.00.8×1拱墙/仰拱0.9～1.2拱墙20×20/I201.0（全环）505010～12Ⅴ加28～30拱墙4.0～6.01×0.8拱墙/仰拱0.9～1.2拱墙20×20/HW1750.8（全环）50～5550～5510～15二、洞门与明洞(一)洞门1、洞门的作用(1)减少洞口土石方开挖量(2)稳定边、仰坡(3)引离地表水流(4)装饰洞口2、洞门的形式(1)洞口环框当洞口石质坚硬稳定(Ⅰ级围岩)，且地形陡峻无排水要求时，可仅修建洞口环框，如图5(2)端墙式(一字式)洞门适用于地形开阔、石质较稳定(Ⅱ～Ⅲ级围岩)的地区，由端墙和洞门顶排水沟组成,如图6端墙的作用是抵抗山体纵向推力及支持洞口正面上的仰坡，保持其稳定。(3)翼墙式(八字式)洞门当洞口地质较差(Ⅳ级及以上围岩)，山体纵向推力较大时，可以在端墙式洞门的单侧或双侧设置翼墙，如图7所示翼墙在正面起到抵抗山体纵向推力，增加洞门的抗滑及抗倾覆能力的作用。两侧面保护路堑边坡起挡土墙作用。(4)柱式洞门当地形较陡(Ⅳ级围岩)，仰坡有下滑的可能性，又受地形或地质条件限制，不能设置翼墙时，可在端墙中部断面较大的柱墩，以增加端墙的稳定性，如图8所示(5)台阶式洞门当洞门位于傍山侧坡地区，洞门一侧边仰坡较高时，为了提高靠山侧仰坡起坡点，减少仰坡高度，将端墙顶部改为逐级升高的台阶形式，以适应地形的特点，减少洞门圬工及仰坡开挖数量，也能起到一定的美化作用，如图9所示(7)突出式洞门高速铁路隧道，为减缓高速列车的空气动力学效应，在单线隧道洞口一般设喇叭口洞口缓冲段，同时兼作隧道洞门，如图11所示公路隧道采用较多，主要目的是减少洞口工程量和装饰洞口，如图12所示(6)斜交式洞门当隧道洞口线路与地面等高线斜交时，为了缩短隧道长度，减少挖方数量，可采用平行于等高线与线路呈斜交的洞口(洞门与线路中线的交角不应小于45°)，如图10所示(二)明洞明洞是隧道的一种变化型式，用明挖法修筑。明洞一般修筑在隧道的进出口处，或铁路、公路、河渠必须在铁路上方通过，且不宜做立交桥或涵渠时。明洞的结构类型常因地形、地质和危害程度的不同，有多种形式，采用最多的为拱式明洞和棚式明洞两种。1、拱式明洞适用于路堑边坡处于对称或接近对称，边坡岩层基本稳定，仅防止边坡有少量坍塌、落石，或用于隧道洞口岩层破碎，覆盖层较薄而难以用暗挖法修建隧道时。(1)路堑式对称型适用于两侧边坡高差较大的不对称路堑。(2)路堑式偏压型适用于地形倾斜，低侧处路堑外侧有较宽敞的地面供回填土石，以增加明洞抵抗侧向压力的能力。(3)半路堑式偏压型适用于傍山隧道洞口或傍山线路上半路堑地段(4)半路堑式单压型2、棚式明洞(简称棚洞)有些傍山隧道，地形的自然横坡比较陡，外侧没有足够的场地设置外墙及基础或确保其稳定，这时可考虑采用另一种建筑物——棚式明洞，其外形如图所示(1)盖板式棚洞由内墙、外墙及钢筋混凝土盖板组成简支结构。其上回土石，以保护盖板不受山体落石的冲击。(2)刚架式棚洞当地形狭窄，山坡陡峻，基岩埋置较深而上部地基稳定性差时，为了使基础置于基岩上且减小基础工程，可采用刚架式外墙，此时称明洞为刚架式明洞。由外侧刚架、内侧重力式墩台结构、横顶梁、底横撑和顶部盖板组成。(3)悬臂式棚洞对稳定而陡峻的山坡，外侧地形难以满足一般棚洞的地基要求，且落石不太严重的情况，可修建悬臂式棚洞。由重力式内墙、悬臂横梁、盖板及内端平衡重组成。当洞口50m范围内无建筑物、洞口外20m处的微压波峰值大于50pa时，须设置洞口缓冲结构；当洞口50m范围内有建筑物时，一般情况下当建筑物处的微压波大于20pa，须设置洞口缓冲结构；当对建筑物处的峰值有特殊要求时，洞口缓冲结构应进行特殊设计。当隧道口无建筑物，无特殊环境要求时，双线隧道可不设置洞口缓冲结构。单线隧道应设置长度5.0m的洞口缓冲结构。(三)洞口缓冲结构隧道口缓冲结构尽量采用与隧道内轮廓形式相似的断面，也可采用棚式结构断面。洞口缓冲结构纵向宜做成渐变的喇叭状，开口处最大净空断面面积为隧道净空断面面积的1.5倍，在缓冲结构纵向中心附近沿两侧对称分布开孔，孔长为1／2缓冲棚长，开孔面积为隧道净空横断面面积的0.2－0.3倍。洞口缓冲结构宜采用钢筋混凝土结构。系统锚杆加喷射混凝土联合支护系统锚杆喷层系统锚杆系统锚杆喷层喷射混凝土钢拱架构造格栅钢架断面竖向网构架立筋水平网构架立筋主筋45o35o31’格栅组合示意轨顶面b=245b=245404080385118h=615a=70a4078°51′铁路隧道Ⅱ级围岩整体式衬砌标准图(单位：cm)直墙式衬砌(单位:cm)149152220内轨顶面43703401437526072163H50399h2′67φ1=45°φ2=78°51′7023(a)38511325铁路隧道级围岩整体曲墙式衬砌标准图隧中线线中线内轨顶面O2O2r3O1r145°8027BO3O3Hh1h1d二次衬砌防水层网喷混凝土锚杆铁路隧道复合式衬砌示意图图4图1图3图2公路路环框式洞门图511d内轨面铁路环框式洞门内轨面1-1剖面图5铁路端墙式洞门图6图6图7公路隧道柱式洞门图8铁路隧道柱式洞门图9台阶式洞门斜交式洞门内轨顶面1－1正面平面11图10图11图12明洞图路堑式对称型拱形明洞0.021:51:100.55实际填土坡线0.451:0.50.55路堑式对称型图路堑式偏压型拱形明洞实际填土坡线1：0.31:1.51:51:50.451:100.550.900.75路堑式偏压型实际填土坡线1:1.51:51:51:101:0.50.551.100.650.651.251.55图半路堑式偏压型拱形明洞半路堑式偏压型实际填土坡线1:1.51:51:51:101:0.30.651.251.002.300.55图半路堑式单压型拱形明洞半路堑式单压型拱形明洞棚洞图盖板式明洞钢筋混凝土盖板棚洞中线夯填土水泥砂浆垫层防水层粘土隔水层线路中线侧洞外墙盖板Ⅰ-Ⅰ断面ⅠⅠ钢筋混凝土梁盖板式明洞刚架式悬臂式图侧式水沟750间距403％泄水孔3×10(高×宽)52225151.3106020401240101512图中心水沟402％～3%泄水槽每三根轨枕设一道轨面53013.26011.212.62234.611.2603010101252224028125152023.2图避车洞平面布置图3060606060306060小避车洞隧道中线大避车洞6060606060603030420210(b)整体道床小避车洞306060606030大避车洞6060606060150150300隧道中线(a)碎石道床210图避车洞周边粉刷(单位：m)0.80.3A0.80.150.1510照明灯粉刷0.3m宽白边内轨顶面道碴面或人行道面1.5A3.5101.5图大避车洞尺寸280E250内轨顶面i=2%h10275dd1dR=25010280d180d40030图小避车洞尺寸内轨顶面100d1i=2%h22010218Ed200R=125d2201017095dd空气动力隧道缓冲结构开口井洞口缓冲结构示意洞口缓冲结构DD0LhDD0Lh洞口缓冲段纵向断面形式洞口缓冲段纵向断面形式