隧道结构构造

『第三章▎隧道结构构造3隧道工程SUIDAOGONGCHENG学习本章的要求：（1）掌握公路隧道的洞身结构、洞门结构、明洞结构和防排水设施的构造原理（2）了解公路隧道斜井与竖井、内装修与路面结构隧道结构构造结构构造主体构造物附属构造物衬砌洞门（明洞）通风照明排水、消防、通讯等（永久性人工建筑物）（辅助设施）洞身衬砌洞门明洞斜井与竖井内装、顶棚与路面隧道的防水与排水第3章隧道结构构造第一节洞身衬砌1、衬砌概念2、衬砌材料3、洞身衬砌类型1、衬砌概念开挖后的隧道，为了保持围岩的稳定性，隧道必须有足够强度的支护结构称为衬砌。支护的方式①外部支护（混凝土衬砌、砌石衬砌、拼装式衬砌）②内部支护（锚杆支护、锚喷支护等）③混合支护2）从经济角度考虑，还应满足就地取材，降低造价，施工方便及易于机械化施工等。要求：1）应具有足够的强度、耐久性、抗渗性、耐腐蚀性和抗冻性等。2、衬砌材料隧道是埋藏在地层深处的构筑物，其衬砌一般要承受较大的围岩压力、地下水压力，有时还要受到化学物质的侵蚀，处于高寒地区的隧道往往还要受到冻害等。1．混凝土3.钢筋混凝土4．石料和混凝土预制块2．片石混凝土5．喷射混凝土7.装配式材料6.锚杆和钢架2、衬砌材料1．混凝土优点整体性好，既可以在现场浇筑，也可以在加工场预制，而且可以机械化施工。可以在水泥中掺入外加剂，以提高混凝土的性能。缺点灌注后不能立即承受荷载，需要进行养护，达到预定强度才能拆模，占用的模板和拱架较多。普通混凝土的耐侵蚀能力较差。工艺流程：立模－灌筑－养护－拆模3.钢筋混凝土主要用在洞门、明洞衬砌等明挖地段，或者当隧道通过地震区、偏压、通过断层破碎带或淤泥、流砂等不良地质地段。2．片石混凝土铁路隧道，为了节省水泥，在岩层较好地段的边墙衬砌，允许采用片石混凝土（片石的掺量不应超过总体积的20%）。此外，当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行回填。公路隧道衬砌一般不用，只在仰拱填充或超挖部分可以使用片石混凝土砌筑。片石掺用量不得超过总体积的30％。4．石料和混凝土预制块可就地取材、降低造价、可保证衬砌厚度并能较早地承受荷载，可以节省水泥和模板，耐久性和耐侵蚀性能较好。整体性、防水性能较差，施工进度较慢，而且砌筑技术要求高。优点缺点洞门挡墙、挡土墙、明线路缘石等仍可使用。5．喷射混凝土喷射混凝土是将混凝土干拌和料、速凝剂和水用混凝土喷射机高速喷射到洁净的岩石表面上凝结而成。其密实性强，能快速封闭围岩裂隙。密贴于岩石表面，早期强度高，能起到封闭岩面和支护作用，是一种较为理想的柔性支护。6.锚杆和钢架锚杆是一种插入到围岩岩体内的杆形构件，可加固围岩。可分为机械型锚杆、粘结型锚杆以及预应力锚杆。钢架是为了加强支护刚度而在初期支护或二次衬砌中放置的型钢支撑或格栅钢支撑。初期支护采用的钢架宜用H形、工字形、U形型钢制成，也可用钢管或钢轨制成。适用：盾构隧道、掘进机隧道缺点：①拼缝防水要求高②与围岩接触不够密贴，一般应注浆③结构整体性不如模筑④需要足够的拼装空间⑤制备构件尺寸上要求精度高优点：①无洞内养护时间，可立即承载；②洞外预制质量好；③用机械手拼装，速度快，改善劳动条件④不需临时支撑可节省大量材料及劳力7.装配式材料1．整体式混凝土衬砌3、锚喷式衬砌4、复合衬砌2、拼装式衬砌3、洞身衬砌类型5、连拱衬砌1．单层衬砌（整体式模筑混凝土衬砌）技术成熟，适应多种围岩条件。在隧道洞口段、浅埋段及围岩条件很差的软弱围岩中采用整体式衬砌较为稳妥可靠。采用混凝土或钢筋混凝土为材料就地灌注而成。其工艺流程为：立模—灌筑—养护—拆模特点：对地质条件的适用性较强，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，如可用木、钢模板或衬砌模板台车等适用：（一）直墙式衬砌（二）曲墙式衬砌整体式模筑混凝土衬砌主要是通过调整断面形状和衬砌厚度来适应不同的地质条件，即适应不同的围岩级别和围岩压力分布情况，因而，单层衬砌的形状和厚度变化较多。（一）直墙式衬砌适用于地质条件比较好，以垂直围岩压力为主而水平围岩压力较小的情况，主要适用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围岩。1、适用条件（一）直墙式衬砌上部拱圈竖直边墙下部铺底2、结构组成曲墙式衬砌适用于地质条件比较差，岩体松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水平压力也相当大的情况。主要适用于Ⅳ级及以上的围岩或Ⅲ级围岩双线。多线隧道也采用曲墙有仰拱的衬砌。（二）曲墙式衬砌1、适用条件（二）曲墙式衬砌2、结构组成仰拱的作用？①抵御底部围岩压力②防止衬砌沉降③使衬砌形成一个环状的封闭整体结构以提高衬砌的承载能力。顶部拱圈侧面曲边墙底部仰拱或铺底2、拼装式衬砌拼装式衬砌是将衬砌分解为若干块构件（也称管片），这些构件在现场或工厂预制，然后运到现场安装。1）地质条件较好，围岩稳定，地下水很少，有场地，施工单位又有制造、运输和拼装衬砌的设备，并控制开挖和拼装工艺有一定的经验时，可采用拼装衬砌。2）采用盾构施工，也宜采用拼装式衬砌，快速形成一次衬砌的强度。适用条件拼装式衬砌的优缺点（1）一经装配成环，不需养生时间，即可承受围岩压力；（2）预制的构件可以在工厂成批生产、在洞内可以机械化拼装，从而改善了劳动条件；（3）拼装时，不需要临时支撑如拱架、模板等，从而节省大量的支撑材料和劳力；（4）拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，还有可能降低造价；（6）拼装衬砌的整体性较差，受力状态不太好，尤其是接缝较多，防水性能较差，必须单独加设有效的防水层，在富水地层中应用时需要有较多的支持措施。（7）要求一定的机械化设备，施工工艺复杂。拼装式衬砌的构造要求（1）强度足够而且耐久；（2）能立即承受荷载；（3）管片形状简单，尺寸统一，便于工厂预制；（4）管片类型少、规格少、配件少，大小和重量合适，便于机械拼装；（5）管片的接头数目和接头总长要求尽量减少，以有利于防水、抗渗和防侵蚀等；若采用轻质混凝土装配式衬砌，则可以减轻砌块自重，容易同时满足几条设计原则要求。（6）必须加设有效的防水层及排水设施。3、锚喷式衬砌锚喷式衬砌是指锚喷结构既作为隧道临时支护，又作为隧道永久结构的形式。喷射混凝土是以压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土拌和料与水混合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成的。当岩壁不够稳定时，可加设锚杆、金属网和钢架，构成“锚喷式衬砌”，也称为“喷锚衬砌”。在IV-VI级围岩中不宜单独采用喷锚支护作永久衬砌，隧道洞口段不宜采用。适用：特点①与围岩密贴、支护及时、柔性好；②封闭围岩壁面防止风化；③充填裂隙加固围岩；④它能充分调动围岩本身的自稳能力，与围岩组成共同承载体系；⑤施工方便和经济一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中可以采用。在公路、铁路隧道设计规范中，都有根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可采用锚喷衬砌的规定。组成形式锚杆支护喷射混凝土支护喷射混凝土+锚杆联合支护喷射混凝土+钢筋网联合支护喷射混凝土+锚杆+钢筋网联合支护喷射钢纤维混凝土支护喷射钢纤维混凝土+锚杆联合支护上述几种类型加设型钢支撑（或格栅支撑）的联合支护等等4、复合衬砌复合式衬砌不同于单层厚壁的模筑混凝土衬砌，它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。外衬主要是以喷射混凝土和锚杆为基本组合形式的一系列现代隧道支护内层衬砌则有多种材料和构造形式，但以就地模筑混凝土为主。我国铁路隧道、高等级公路隧道已普遍采用复合式衬砌。复合衬砌按内、外衬的组合情况可分为：①喷锚支护与混凝土衬砌；②喷锚支护与喷射混凝土衬砌；③可缩性钢拱架（或格栅钢构拱架）喷射混凝土与混凝土衬砌；④装配式衬砌与混凝土衬砌。复合式衬砌的支护机理①外衬（初期支护）：允许大的约束变形，允许出现少量裂缝，吸收变形压力，稳定洞壁，与围岩共同形成支护体系。②内衬（二次衬砌）：与外衬围岩共同承受围岩残余变形产生的压力，共同承受外部条件恶化产生的压力（作为整个结构的安全储备）。复合衬砌的优缺点①复合衬砌是将整个支护结构分解为“初期支护”和“二次衬砌’两大部分，各部分分别起到不同的作用，两部分分别参与并与围岩共同工作，各有侧重。②复合衬砌结构形式既能充分调动并利用围岩自我承载自我稳定的能力，又可以充分发挥支护结构的承载能力和支护材料的力学性能，结构稳定。④复合衬砌的极限承载能力比同等厚度的单层衬砌的极限承载能力可以提高20%-30%.而且，如果调整好内层衬砌的施作时间，还可以改善结构的受力条件。⑤复合衬砌初期支护施作及时、刚度小易变形，与围岩密贴，二次衬砌作为安全贮备，表面光滑平整，增强安全感。连拱隧道衬砌结构图5、连拱衬砌第二节隧道限界与净空1、隧道净空与限界2、曲线隧道净空加宽隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。（一）铁路隧道建筑限界、净空（二）公路隧道净空和建筑限界限界是指一种规定的轮廓线。1、隧道净空与限界“隧道建筑限界”是为了保证隧道内各种交通的正常运行与安全而规定的在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间范围。（一）铁路隧道建筑限界、净空1．机车车辆限界2．基本建筑限界3．隧道建筑限界4．直线隧道净空1．铁路机车车辆限界它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。它能满足各种型号的机车和车辆在横断面尺寸上的最大需要。要求全国的列车装载货物后都不允许超过车辆限界范围以外。A=机车车辆限界＝机车车辆最大轮廓尺寸＋机车车辆技术改造预留空间A2．铁路基本建筑限界（铁路建筑接近限界）它是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线，它的用途是保证机车车辆的安全运行及建筑物和设备不受损害。B=基本建筑限界＝A＋线路铺设误差＋线路变形和位移＋列车运行振动、摇动、摆动＋允许的货物超限尺寸AB隧道支护结构依据隧道建筑限界设计。3．隧道建筑限界它是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线。即要比“基本建筑限界”大一些，留出部分空间，用于安装通讯信号、照明、通风、电力等设备。C=隧道建筑限界＝B＋设备最大尺寸＋设备安装误差＋衬砌施工误差＋衬砌变形和位移ABC对于新建和改建的蒸汽及内燃牵引的单线和双线铁路隧道，分别采用隧道建筑限界“隧限-1A”和“隧限-1B”。对于新建和改建的电力牵引的单线和双线铁路隧道，分别采用“隧限-2A”和“隧限-2B”。4．直线隧道净空“直线隧道净空”是指轨面（路面）以上衬砌内轮廓线所包围的空间。铁路隧道净空的大小应以不侵入铁路隧道建筑限界为准。D=直线隧道净空=C十结构受力合理＋形状便于施工ABCD（二）公路隧道净空断面和建筑限界公路隧道净空包括公路建筑限界、通风及其他所需的断面积。断面形状和尺寸应根据围岩压力求得最经济值。1、公路隧道的建筑限界2、公路隧道的净空3、其它1、公路隧道的建筑限界公路隧道的建筑限界是指为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限界。公路隧道的净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间，除包括公路建筑限界以外，还包括通风管道、照明设备、防灾设备、监控设备、运行管理设备等附属设备所需要的空间以及富余量和施工允许误差等，见图2-13。2、公路隧道的净空（一）铁路曲线隧道净空加宽（二）公路隧道曲线加宽2、曲线隧道净空加宽（一）铁路曲线隧道净空加宽1．加宽原因2．加宽值的计算3、曲线隧道中线与线路中线偏移距离4、加宽平面布置E=曲线隧道净空＝D＋曲线隧道净空加宽①车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运行，而车辆本身却不能随线路弯曲仍保持其矩形形状。故其两端向曲线外侧偏移（d外），中间向曲线内侧偏移（d内1）。如图。②由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动了一个距离（d内2）。1．加宽原因据此，曲线隧道净空的加宽值为：内侧加宽W1=d内1+d内2外侧加宽W2=d外总加宽W=W1+W2=d内1+d内2+d外（1）单线曲线隧道加宽值的计算①车辆中间部分向曲线内侧的偏移d内1=l2/8R=4050/R式中l——车辆转向架中心距，可取18m；R——曲线半径（m）；②车