隧道工程第三章隧道线路及断面设计(1)

2017年2月28第三章隧道线及断面设计隧道工程上节课内容回顾——2.3围岩分级研究其挖除的难易程度和开挖方式研究其稳定能力、稳定影响因素及为保持围岩稳定所需要的支护、加固措施等。围岩被挖除的岩体原状岩体围岩：在岩石地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。围岩分级的目的：①作为选择施工方法的依据；②确定结构上的荷载（松散荷载）；③给出衬砌结构的类型及其尺寸；④制定劳动定额、材料消耗标准基础等；⑤进行科学管理及正确评价经济效益；2.3.1隧道围岩分级的因素指标及其选择围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素。单一的岩性指标抗压强度、抗拉强度、弹性模量、抗钻性、抗爆性一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级指标，具有试验简单，数据可靠的优点。但单一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，用来作为分级的唯一指标是不合适的。单一的综合岩性指标岩体的完整性系数Kv：2岩石岩体vvKv反映了岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合因素。岩石质量指标：10cm以上岩芯累计长度单位钻孔长度RQD（％）＝×100%综合反映岩体的强度和岩体破碎程度的指标。围岩的自稳时间：从隧道开挖到顶部开始发生可察觉的移动、松弛所经历的时间，是综合岩性指标。（3）复合指标复合指标是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。具有代表性的复合指标分级，是巴顿（N.Barton）等人提出的岩体质量Q指标，Q指标综合表达了岩体质量的六个地质参数：Q＝(RQD/Jh)(Jr/Ja)(Jw/SRF)岩体质量Q指标实际上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力三者的复合指标。2.3.2隧道围岩分级的方法对隧道围岩的分级时，应注意以下几点：首先应考虑选择对围岩稳定性有重大影响的主要因素，如岩石强度、岩体的完整性、地下水、地应力、结构面产状、以及他们的组合关系作为分级指标；其次选择测试设备比较简单、人为因素小、科学性较强的定量指标；在考虑分级指标要有一定的综合性，如复合指标等。总之，应有足够的实测资料为基础，能全面反映围岩的工程性质。2.3.3我国公路隧道围岩分级围岩基本质量指标BQBQ=90+3Rc+250KvRc：岩石单轴饱和抗压强度，Mpa；Kv：岩体完整性系数。根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量围岩基本质量指标BQ，进行初步分级。[BQ]=BQ–100（K1+K2+K3）K1——地下水影响修正系数；K2——主要软弱结构面产状影响修正系数；K3——初始应力状态影响修正系数。围岩基本质量指标BQ修正K1地下水影响的修正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，地下水对围岩的影响主要表现在：软化围岩软化结构面产生流砂和潜蚀承压水作用K2软弱结构面产状影响的修正成层岩体、层面性状较大，为陡倾角且走向与洞轴线夹角很大时：对岩体稳定性无不利影响；倾角较缓且走向与洞轴线夹角较小时：容易发生沿层面的过大变形，甚至发生拱顶倒塌或侧壁滑移。《工程岩体分级标准》（GB50218-2014）规范将隧道围岩分成六级，分别是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，（4）围岩分级数字越小的围岩性质越。好山区公路线形设计受地形条件影响：高程障碍：公路前进方向遇到高山时，由于坡度的限制不能在一定距离内拔起越过山峰；平面障碍：山嘴伸出很急。第三章隧道线及断面设计克服地形障碍高程障碍平面障碍绕行方案深堑方案隧道方案沿河傍山绕行方案隧道直穿方案该采取什么办法？路堑指从原地面向下开挖而成的路基形式。绕行方案优缺点：优点：技术要求小，投资省、工期短；缺点：线路延长、弯道增多、形成高大边坡。只有在确认对运营不会造成不良影响时才考虑。路堑方案优缺点：优点：造价低，施工进度快；缺点：路堑病害多、破坏植被。应以不形成高大边坡为原则。隧道方案优缺点：优点：能使线路平缓顺直，病害少，缩短线路，节省运输时间，不需用较大的坡度，不需设置太多、太急的曲线，还能最大限度地减少道路修建对自然植被的破坏。缺点：造价高、施工进度慢。一般情况下，采用隧道方案是比较有利的。当线路遇到地形高程障碍时，应该优先考虑隧道方案。经验指出：“山体可穿而不宜大挖，大挖必坍”。只有在保证安全的前提下，才能谈到经济和技术的比较。以宝成线秦岭盘山道为例。那里本应用隧道通过的，但为了赶工期，图省钱，草率地改用明堑方案。深挖边坡为1:0.75和1:0.5的陡边坡，边坡的高度达60m，个别边坡达到90m，岩层虽为花岗岩，但属于风化破碎带。开挖后，表层岩石很快风化，边坡站立不住。施工期间就不断坍方，其中最大一次塌方就达10万m3。边坡顶上普遍出现纵向裂缝。以后多次刷方，刷到坡顶达130m仍不能稳定下来。直到铺轨时，才不得不增添明洞，但已造成不应有的损失，并使施工程序极度混乱。（1）隧道走向？（2）洞门位置？（3）线形布置？（4）空间大小？——掌握公路隧道选址的原则和方法——隧道洞口位置选择的原则和方法——隧道平面和纵断面设计的要求——隧道横面设计的要求和方法修建隧道几点思考第三章隧道线路及断面设计几个名词：垭口分水岭越岭隧道傍山隧道沿河线展线17山顶1山顶2垭口垭口垭口在《辞源》里的解释是“两山间的狭窄地方”，即连续山梁的一块平坦且相对较低的位置，也可以说是高大山脊的鞍状坳口。垭口：即相连的两山顶之间较低的部分称为垭口。什么叫做垭口？较高的垭口较低的垭口什么叫做越岭隧道？我国幅员辽阔，山川交错，通过山岭、重丘区的长大干线公路往往要翻越分水岭，为缩短里程，克服高度或地形障碍，往往要设置隧道。线路为穿越分水岭而修建的隧道称为越岭隧道。代表性：秦岭隧道什么叫做分水岭？秦岭是长江和黄河的分水岭分水岭是指分隔相邻两个流域的山岭或高地，河水从这里流向两个相反的方向。在自然界中，分水岭较多的是山岭、高原。长江流域图山区道路通常傍山沿河而行，山区河流的特点是河床狭窄、弯曲，经过常年的河水侵蚀和风化作用，地势往往变得陡峻。为改善线形、提高车速、缩短里程、节省时间，常需修建隧道，这种隧道叫做傍山隧道，或称河谷线隧道。什么叫做傍山隧道？沿河线是沿着河岸布设的路线。优点：①路线走向明确。只能顺山沿水布线；②线形好。纵坡一般5％，线形平缓、顺直，可达到较高的标准；③材料来源方便；④联系居民点多，服务性好；缺点：①洪水威胁大。暴雨时水位猛涨猛落，冲刷力大。若线位高度设计的不合理时，公路常常受到水毁，使交通中断。②艰巨工程多。河谷一般含石头较多，悬崖陡壁多，而且间断出现，导致石方工程集中，开挖困难。③桥涵防护工程多。由于沿岸两侧地质、地形复杂，常常需要跨河换岸以避让艰巨工程。另外支沟多，使得桥涵多。路基支挡防护工程多。④占地多。主要指占用农田较多。山区良田大多是沿河两岸阶地分布，而线形也要利用阶地布线，所以占用良田较多。由于沿河线突出的优点，在山区各种路线中，一般应优先采用沿河线。区分越岭隧道与傍山隧道方法：越岭隧道是穿越山岭的隧道，一般应该穿越山体，与山脊线近似正交。傍山隧道是沿着山体前进的隧道，一般与山脊线近似平行或大角度相交。傍山隧道不穿越山体的核心位置。展线：所谓展线是“展长线路”的缩略说法。指的是在山岭地带，由于地面自然纵坡常大于道路设计容许最大纵坡，加上工程地质限制，就需要顺应地形，适当延伸线路长度沿山坡逐渐盘绕而上，以致达路线终点。这种减缓纵坡，延长起、终点间路线长度的设计定线，称为展线。一般来讲，展线只出现在因坡度限制或遇特殊地形条件的情况下，牺牲线路顺直程度来换取尽可能低的限制坡度。平坦地区基本不存在展线的问题，铁路的主要基本展线形式有：灯泡线、套线、螺旋线等。什么叫做展线？越岭线上，地形起伏陡峻，在展线时还可能需要修建专门的展线隧道。关角隧道二郎北展线，三列东风4型内燃机车牵引着货车关角隧道洛北——二郎区间的螺旋形展线夜景穷人的铁路展线——兴安岭展线——中国第一个螺旋形展线贵州水柏铁路北盘江大桥贵州水柏铁路贵州水柏铁路北盘江大桥贵州水柏铁路（北盘江大桥）秦岭铁路进入秦岭山区后沿清姜河盘旋迂回，从杨家湾站到秦岭大隧道直线距离只有6千米，但升高却达680米，即每千米上升110米。为了把坡度改为每千米只升高40米，能够通行火车，只能把铁路线反复迂回盘旋，在6千米的直线距离内盘绕了27千米；在观音山站和青石崖站之间的线路以33‰的大坡度急速爬升。秦岭铁路为了克服地势高差，过杨家湾站后就以3个马蹄形和1个螺旋形（“8”字形）的迂回展线上升，线路层叠3层，高度相差达817米，即为著名的观音山展线，所以在观音山站就可以看到多层铁路重叠的场面。再经2364多米长的秦岭大隧道穿过秦岭垭口，即进入嘉陵江流域并到达秦岭站；越过秦岭后线路即用12‰的下坡道沿嘉陵江而下至四川省广元，秦岭至略阳间先后十四次跨过嘉陵江。3.1隧道的选址383.1隧道选址根据地形图和调查资料，通常在多个路线方案中，进行技术经济比较确定一条线。隧道平面位置选择。隧道标高的选择。安全性、用地、建设投资、施工的难易、使用费以及与当地环境和景观相协调等。从克服高寒地区的雪害、多雾地区和事故多发地的管理，以及环境保护等方面，也往往需要考虑设置隧道。洞口附近确保视距和线形。393.1.1越岭隧道选址（1）越岭隧道平面位置的选择平面位置选择是指隧道穿越分水岭的不同高程及不同方向的垭口选择，垭口是选定越岭隧道线路方案的控制点。垭口位置的选择一般可利用小比例尺地形图、航空照片、卫星照片等。根据线路的总方向和克服越岭高程的不同要求在较大范围内选线，寻求可供越岭的几个垭口位置的比选。40垭口选择着重考虑以下因素：优先考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，此时垭口在两侧具备有良好展线的横坡时，一般越岭隧道较短。虽远离线路总方向，但垭口两侧有良好的展线条件；隧道一般选在分水岭垭口两边河谷标高相差不多，并且两边河谷平面位置接近处。工程地质和水文地质条件良好的垭口。经隧道长度、施工难度、运营条件等综合比选多个方案，最后确定最佳方案。41选择的垭口路线总方向垭口如何选择垭口？4243成昆线沙木拉打隧道的比选沙马拉达隧道位于成昆铁路线上，1966年修成，全长6.387km，在这段越岭线路的设计中曾考虑过采用长为14.5km，19.5km和25.75km的瓦吉木、小相岭和阳糯雪山三个长大越岭隧道方案，虽然这能大大改善线路，但就当时的技术水平和成昆线的工期要求而言，要做出修建这类长大隧道的决策是不现实的。因此，最后采用了相对较短、垭口最低，两侧有良好展线条件的沙马拉达隧道方案。44秦岭隧道平面位置的方案比选19.40km15.40kmF1F3F4F5F2西安安康线初测阶段秦岭地段45雅西高速——双螺旋隧道4647起初的几条线路，虽然充分地利用了地形，却始终无法避开安宁河大断裂，工程地质条件并不好。为了减少连续纵坡，也为了规避不良地质和自然保护区，公路史上首座双螺旋隧道诞生了。双螺旋隧道最大的妙处就在于，以长度换取高度。48“两个螺旋”分别是干海子隧道和铁寨子1号隧道。干海子隧道是爬坡时经过的第一个螺旋，进口海拔1889米；第二个螺旋铁寨子1号隧道，出口海拔2220米。两座隧道相距3735米，总长度约11423米。两个隧道都各有两个洞，限速80km/h，开车在拖乌山肚子里绕两圈，不过花了10分钟，就已上升了331米。这条线路虽然从利用地形条件上来说并不算最优，却远离了地质灾害区，从安全性上考虑，是最好的选择。双螺旋隧道采用半径600米的圆曲线，以螺旋展线的方式优化线形指标，完美地解决了线路爬升及避开地质不良地段的难题。492017年3月2日第三章隧道线及断面设计隧道工程（2）越岭隧道标高选择在越岭位置选定后，越岭标高影响展线及越岭隧道方案：一般隧道标高越高，隧道长度越短，相应施工工期也短，但两端展线长度增加，且线路拔起高度大，运营条件差，线路通过能力降低；低标高隧道则与之相反，施工难度增加，施工期较长，运营条件好；在选择越岭隧道标