中南大学隧道工程第2章 隧道结构构造及设计

隧道工程第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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节隧道净空与限界隧道净空与限界的基本概念第1节隧道净空与限界隧道净空与限界的基本概念1.2铁路隧道建筑限界第1节隧道净空与限界铁路隧道建筑限界机车车辆或超限货物车辆的接近限界隧道建筑限界隧道净空铁路建筑接近限界35603000356060003000850040001110121022501875轨面22502440（单线）4000140024402000100010001500150024402440（双线）行驶蒸汽机或内燃机车的单（双）线隧道限界第1节隧道净空与限界铁路隧道建筑限界6550400024403000425024403000425040004000850022501875111012102250轨面1250240020005501000150023001400（单线）1700100015002300（双线）新建或改建行驶电力机车的单（双）线隧道限界第1节隧道净空与限界铁路隧道建筑限界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节隧道净空与限界公路隧道建筑限界公路隧道建筑限界图(尺寸单位：m)各级公路隧道建筑限界基本宽度（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7.500.250.758.75一般公路二级平原微丘9.000.250.759.5010.5山岭重丘7.000.257.508.50三级平原微丘7.000.250.757.508.50山岭重丘7.000.257.508.50四级平原微丘7.000.257.50山岭重丘7.00/4.500.257.50/5.00第1节隧道净空与限界公路隧道建筑限界注：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节隧道净空与限界公路隧道建筑限界1.4曲线隧道净空加宽内2内2车辆长度（）车辆前后转向架间距（l）曲线半径（R）Dd内线路中心线车辆中心线d外单线铁路隧道加宽示意图1.4.1铁路隧道加宽原因第1节隧道净空与限界曲线隧道净空加宽；Rld821内1.4.2单线铁路隧道加宽计算1.4.2.1车辆中间部分向曲线内侧的偏移l—车辆转向架中心距，取18mR—曲线半径，单位m)(405010081821cmRRd内则：第1节隧道净空与限界曲线隧道净空加宽)(1502cmEHd＝内1.4.2.2外轨超高使车体向曲线内侧倾斜偏移)(76.02cmRVEH—隧道限界控制点自轨面起的高度，cmE—外轨超高值，其最大不超过15cm，且150Earctgd内2系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心转动角度：)(7.22cmEd＝内故可近似取第1节隧道净空与限界曲线隧道净空加宽RlLd822外)(44001008182622cmRRd＝外1.4.2.3车辆两端向曲线外侧的偏移L—标准车辆长度，我国为26m，则ERRERdddd7.2845044007.2405021＝＋＋外内内总则总加宽值：第1节隧道净空与限界曲线隧道净空加宽偏直线隧道中心线dd内隧道中心线加宽后加宽后d外内轮廓线直线隧道隧道内轮廓线2外内偏＝ddd1.4.3单线隧道(结构)中线与线路中线偏移距离第1节隧道净空与限界曲线隧道净空加宽)(21508450cmEHRd中)(8450cmRd中1.4.4双线铁路隧道加宽计算d内及d外计算与单线加宽值相同当外侧线路外轨超高大于内侧线路外轨超高时H—车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360cmE—外侧线路的外轨超高值，cm)(2.18450cmERd中故其余情况时:第1节隧道净空与限界曲线隧道净空加宽内轨顶面245+d内曲墙衬砌内轮廓直墙衬砌内轮廓内侧线路中线外侧线路中线245+d890+d400+d偏内d偏外d中外隧道中线2200中外内偏内－＋＝dddd2200中外内偏外＋＋＝dddd1.4.5双线隧道中线偏移第1节隧道净空与限界曲线隧道净空加宽d－圆曲线地段隧道中线偏移距离；R－圆曲线半径。缓和曲线中点加宽断面缓和曲线起点直线断面缓和曲线中点缓和曲线终点隧道中线线路中线R圆曲线加宽断面22m13mdd/21.4.6曲线铁路隧道加宽平面设计第1节隧道净空与限界曲线隧道净空加宽类别半径(m)加宽值(m)汽车轴距加前悬(m)250~200200~150150~100100~7070~5050~3030~2525~2020~15150.40.60.81.01.21.41.82.22.5280.60.70.91.21.52.0——35.3+8.80.81.01.52.02.5——1.4.7公路隧道平曲线加宽取值注：四级公路和山岭重丘的三级公路采用第1类加宽值；其余各级公路采用第3类加宽值。对不经常通行集装箱运输半挂车的公路，可采用第2类加宽值。第1节隧道净空与限界曲线隧道净空加宽小结第1节隧道净空与限界小结思考题：1、确定隧道建筑限界需要考虑哪些因素？2、比较铁路隧道与公路隧道在建筑限界与曲线加宽等方面的异同？第3节隧道净空与限界思考题第2节隧道衬砌断面设计本节主要内容：隧道衬砌断面设计的主要内容和步骤铁路隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计2.1隧道衬砌横断面设计2.1.1设计基本内容★内轮廓线★轴线★厚度2.1.2设计步骤★确定隧道类型相应建筑限界★根据围岩初步拟定截面厚度★断面优化、强度检算并评价内轮廓线第2节隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计2.1.3设计注意事项★隧道内轮廓必须符合隧道建筑净空限界。★内轮廓线应尽量减小洞室的体积。★结构轴线应尽可能地符合压力线。★采用的施工方法能确保断面形状及尺寸有利于隧道的稳定。2.1.4设计目的★满足限界要求★满足受力要求★圬工最省第2节隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计第2节隧道衬砌断面设计隧道衬砌横断面设计2.2铁路隧道衬砌断面设计（单位：cm）（单位：cm）hbfaa213o道碴面内轨顶面ooorrrrbcφφφbo轨顶面至拱顶高度h拱顶至拱脚矢高f；衬砌拱部净宽之半b拱圈第一个内径r1和第二个内径r2第一段圆曲线的终点截面与竖直面的夹角φ1拱脚截面与竖直面的夹角φ2；内径r2的圆心o2至o1的水平和垂直距离a第2节隧道衬砌断面设计铁路隧道衬砌断面设计先给定b、f、φ1及a值后，再解出r1、r2及φ2。曲线地段需要加宽时，保持r2及φ2不变，φ1仍取45º，b值根据加宽要求也是已知，故未知参数f、a、r1仍可求解。frar221cosbar22sin211sinrar第2节隧道衬砌断面设计铁路隧道衬砌断面设计衬砌断面几何关系有：上式含b、f、φ1、a、r1、r2、φ2共7个参数φ3DH1CO曲墙衬砌r3计算图)cossin(23131113bHbHr2390第2节隧道衬砌断面设计铁路隧道衬砌断面设计(1）衬砌内轮廓线(标准化)（2）衬砌外轮廓线(可变化)（3）衬砌截面厚度(可变化)讨论：这三者之间的关系？结论（1）内轮廓线与厚度影响结构轴线；（2）外轮廓线决定是否变截面衬砌，亦影响结构轴线。第2节隧道衬砌断面设计铁路隧道衬砌断面设计总结及思考2.3公路隧道衬砌断面设计目前公路隧道以单心圆、坦三心圆两种断面应用最为普遍。公路隧道与铁路隧道的主要区别：①铁路隧道建筑限界是固定统一的，而公路隧道的建筑限界则不定。②公路隧道的附属设施比铁路隧道多且要求高，且每一座隧道均会因交通流量和长度不同而要求不同。第2节隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计2.3.1单心圆断面设计单心圆衬砌内轮廓线第2节隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计2221)25(SBARd2222)275(SBARd)()400(2223jSBARd)()(1224ESBAHRd)()(2226jESBAHRd1227)400(SBARd1228)25(SBARdHARh1012dSCWSB022djSCWSB第2节隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计)(2)(21SSXS2121RS)(21222ARAS)()400(2712dSBAR3000A6000dTAddX),,(70独立变量7d7d约束条件其它参数见限界要求。迭代求解面积最小为最优。第2节隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计坦三心圆内轮廓线2.3.2坦三心圆断面设计第2节隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计211121RS222221RSaAAS)(21!24271211)()400(dSBAR30001A40021AA6000d)(21222223ARASTAAddX),,,(2107◆独立变量)(2)(4321SSSSXS基本几何方程7d7d约束条件其余参数约束条件见限界要求参数求解需假定A1及A2，其余同单心圆优化。第2节隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计与铁路隧道的异同点：内轮廓非标准化通风、照明等附属设施多设计特点：断面设计优化的必要性规范推荐断面形式(有标准化的趋势)第2节隧道衬砌断面设计公路隧道衬砌断面设计2.4衬砌截面厚度铁路规范规定衬砌截面最小厚度(㎝)建筑材料种类隧道和明洞衬砌洞门端墙、翼墙和洞口挡土墙拱圈边墙仰拱混凝土20202030片石混凝土5050浆砌粗料石或混凝土块303030浆砌块石3030浆砌片石5050单线铁路隧道拱顶厚度一般为30～60㎝双线铁路隧道衬砌拱顶厚度为40～80㎝。仰拱厚度一般稍小于拱顶的厚度。衬砌可以等厚，也可将拱脚和边墙较拱顶加厚20%～50%。第2节隧道衬砌断面设计衬砌截面厚度小结第2节隧道衬砌断面设计小结思考题：1、比较铁路隧道与公路隧道衬砌断面，思考有哪些因素会影响到断面形状？2、运用数学优化知识谈谈如何使断面满足各方面要求？第2节隧道衬砌断面设计思考题第3节隧道洞身支护结构本节主要内容：洞身支护结构的主要类型不同类型洞身支护结构的特点及其适用条件整体式混凝土衬砌的结构特点3.1支护结构类型3.1.1外部支护◆整体式混凝土衬砌◆砌石衬砌◆拼装式衬砌◆喷射混凝土支护3.1.2内部支护◆锚杆◆注浆3.1.3混合支护第3节隧道洞身支护结构支护结构类型◆喷锚支护◆复合式衬砌3.2整体式混凝土衬砌工艺流程：立模－灌筑－养生－拆模优点：◆对地质条件和施工条件的适应性较强◆易于按需要成型◆整体性好◆抗渗性强◆需要养生时间◆受力较慢缺点：第3节隧道洞身支护结构整体式混凝土衬砌轨顶面直墙式衬砌拱圈直边墙铺底3.2.1直墙式衬砌第3节隧道洞身支护结构整体式混凝土衬砌适用于：地质条件较好的Ⅰ、Ⅱ级(Ⅴ、Ⅵ类)围岩。围岩压力以竖向为主，几乎没有或仅有很小的水平侧向压力。直墙式衬砌第3节隧道洞身支护结构整体式混凝土衬砌半衬砌适用于：地质条件极好，整体岩层坚固；几乎无水平