隧道工程(3)

第三章隧道总体设计3.1隧道选址3.2隧道的几何设计3.3衬砌内轮廓线及几何尺寸拟定3.4道路隧道勘测设计文件的内容和组成3.1隧道选址1、公路隧道选址的基本原则：(1)必须与公路总体设计相协调适应(交通量、公路等级等)(2)隧道位置应选择在稳定的地层中；(3)越岭隧道应进行较大范围的方案选择，进行全面的技术、经济比较，选择在地质条件较好的地段穿越；(4)沿河傍山隧道，其位置宜向山侧内移，避免一侧洞壁过薄产生偏压；(5)选择隧道位置时，应注意洞口位置和有关工程的处理，一般宜采取“早进洞，晚出洞”原则。2、隧道方案与自然条件的关系当地的工程地质与水文地质条件、地形地貌条件、气象条件，一般而言是隧道方案主要考虑的问题。另外，还有工程的难易程度、经济、工期要求，甚至还有政治、经济、军事与地区发展都有关。根据隧道轴线与地形的关系，主要有：(1)坡面正交型；(2)坡面斜交型；(3)坡面平行型；(4)尾部进入型；(5)深入谷地型。3、越岭隧道的选址越岭隧道的位置主要以选择垭口和确定隧道高程为主要依据。(1)越岭隧道平面位置的选择※采用直线或大半径曲线为好；※优选考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，展线好，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；※工程地质和水文地质条件良好的垭口。(2)越岭隧道标高的选择(在山体中何位置)※尽可能把隧道埋于较好的地层中；※洞口位置处于较好的水文地质、工程地质处，便于施工场地的布设；※寒冷地区，隧道宜设在多年冻土上限和多年积雪线标高以下，以保持施工和运营安全；※隧道条件应考虑施工期限和施工技术条件；※考虑远景规划，在不多增加工程造价的情况下，宜尽可能的把标高降低一些。越岭方案的选择以选择越岭垭口为重点，从而解决越岭垭口、隧道高程和两侧展线这三个既相互联系又相互制约的问题。4、傍山隧道选址为改善线形，提高车速，缩短里程，节省时间，常修建傍山隧道。傍山隧道一般埋藏较浅，容易造成各种病害；山坡亦常有滑坡，松散堆积，泥石流等不良地质现象，地质情况较为复杂。选择傍山隧道时应注意：（1）傍山隧道的洞身覆盖厚度问题。为保持山体稳定和避免偏压产生，隧道位置宜往山体内侧靠--宁里勿外傍山隧道最小覆盖层厚度t(m)围岩类别最小覆盖层厚度(m)单线双线Ⅳ4~67~9Ⅲ7~1010~15Ⅱ11~2016~30（2）要考虑河岸冲刷对山体和洞身稳定的影响，如图所示。（3）应考虑施工便道设置和既有公路的位置，应注意既有公路边坡的可能坍塌和施工便道对洞身稳定的影响。如图所示。（4）线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。河岸受冲刷对洞身位置影响示意图道路对洞身稳定的影响示意图5、不良地质地段隧道位置的选择●研究地质条件的重要性：不论是沿河（溪）线还是越岭线，地质条件对隧道位置的选择往往起决定性作用。好的地层，对施工和营运均有利，亦可节省投资；对岩性不好的地层、断层破碎带、含水层等不良地段应避免穿越。若不能绕避而必须通过时，应采取可靠的工程处理措施，以确保隧道施工及营运安全。●常见不良地质条件有滑坡、崩坍、松散堆积、泥石流、岩溶及含盐、含煤、地下水发育等地质条件。(1)、滑坡、错落滑坡、错落对隧道的危害很大，在隧道通过滑坡地区时，必须查明滑坡类型范围、深度、滑动方向等。一般应避开滑坡体或错动体，或在可能滑动面以下一定深度通过。如图所示。(2)、松散堆积层堆积层常处在暂时稳定状态。一旦扰动，稳定即会丧失而造成崩坍。在这种地质条件下隧道应避开不稳定、松散的堆积层，使洞身处于基岩中，并具有足够的安全厚度。如图甲的位置上。滑坡地区隧道位置选择示意图松散堆积层中隧道位置选择示意图(3)、泥石流隧道通过泥石流地段时，应结合地质情况考虑泥石流沟的改道和最大下切深度，确保洞口和洞身的安全。隧道洞顶距基岩面或最大下切面要有一定的覆盖厚度，如图(b)乙的位置，隧道洞口应避开泥石流沟及泥石流可能扩展的范围。有困难时，可修建一段明洞，使泥石流在明洞顶通过。隧道通过泥石流时的位置选择示意图6、隧道洞口位置的选择洞口位置选择好坏，将直接影响隧道施工、造价、工期和运营安全。选择时要结合洞口的地形，地质条件、施工、运营条件以及洞口的相关工程（桥涵、通风设施等）综合考虑。（1）洞口部分在地质上通常是不稳定的。一般应设在山体稳定，地质条件好，排水有利的地方。隧道宜长不宜短，应“早进洞，晚出洞”，尽量避免大挖大刷，破坏山体稳定。（2）洞口不宜设在沟谷低洼处和汇水沟处，一般宜将洞口移到沟谷地质条件较好的一侧有足够宽度的山嘴处，如图中的B线。（3）当洞口处为悬崖陡壁时，根据地质情况采用贴壁（见图）或采用接长明洞的办法，将洞口堆到坍方范围以外3—5m处，见图沟谷附近洞口平面位置示意图贴壁进洞时洞口纵断面示意图陡壁下接长明洞纵断面示意图缓坡洞口纵断面示意图(4)洞口地形平缓时，一般也应早进洞晚出洞。这时洞口位置选择余地较大，应结合洞外路堑、填方、弃渣场地、工期等具体确定(见图)。需要时可接长明洞，以确保施工和运营安全。(5)考虑洞口边仰坡不致开挖过高和洞口段衬砌结构受力，洞口位置宜与地形等高线大体上正交见图(a)。道路隧道一般不宜设计斜交洞门，见图(b)。若为斜交时，应尽可能加大斜交角度（一般不小于450），或采取工程措施，以降低垂直等高线方向的开挖高度。正交洞门平面示意图斜交洞门平面示意图(6)长大隧道在洞门附近应考虑施工场地、弃渣场等的位置。(7)洞口附近有居民点时，考虑提前进洞，尽可能减少附近地上构筑物，地下埋设物与隧道的相互影响，及减少对环境（农业、交通、居民生活）的影响。(8)洞口路肩应高出设计洪水位（包括浪高）以上0.5m，以免洪水浸入隧道。(9)考虑通风设备排出的废气和噪声对周围环境的影响程度和解决办法。(10)考虑设置防雪工程、防风工程和防路面冻害工程的必要性。总之，隧道洞口和洞身是不可分的整体，在位置选择时不能顾此失彼，应该同样的重视。总结：隧道选址的基本原则：1、隧道长度最短；2、隧道两侧展线良好；3、工程地质、水文地质条件良好。3.2隧道几何设计隧道主体建筑物附属建筑物洞门洞身衬砌洞口地段接长的明洞(据地形地质情况需要)通风、照明、防排水安全设备、电力、通信设备等1、隧道的平面设计(1)、隧道平面是指隧道中心线在水平面上的投影。隧道是线路的组成部分，线形也应满足《公路工程技术标准》规定；(2)、任务：决定隧道的平面位置，选定洞口位置及洞内各种地下管线埋设位置；(3)、基本要求：①原则上采用直线，避免曲线；②隧道平面线形以采用直线或大半径曲线为好，并应考虑行驶安全，隧道全长较短、施工容易等，在洞口不应使用小半径的引线与隧道衔接；③一座隧道内最好不设一个以上的曲线，尤其是避免反曲线；④当必须设置两条曲线时，两曲线之间应有足够长的夹直线。(4)、曲线隧道的不利因素：①行车视距问题；②加宽断面问题，造成变截面隧道，施工难度大；③曲线隧道内装修复杂；④增加通风阻抗，对自然通风不利；2、隧道纵断面设计隧道纵断面是指沿隧道中心线展开的垂直面上的投影(1)、纵坡类型：※人字坡隧道※上行单坡隧道※下行单坡隧道(2)、控制隧道纵坡大小的主要因素※通风问题※排水问题下行单坡隧道人字坡隧道(3)、纵坡坡度大小及其影响※隧道纵坡坡度范围：0.3%--3%；※纵坡坡度与通风的关系，要求1%以下，大于2%，排量迅速增加；※与排水的关系，纵坡越大水流越快；※纵坡坡度与施工运营的关系，采用大竖曲线半径和竖曲线长度；※综合通风和排水考虑，纵坡为不防碍排水的缓坡为宜。3、隧道净空断面横断面设计下图所示断面形状和尺寸应根据围岩压力求得最经济值专用公路一般公路W一行车道宽度；S一行车道两侧路缘带宽度；C一余宽，当计算行车速变＞100km／h时为0.50m，计算行车速度＜100km／h时为0.25m；H—净高，汽车专用公路、一般二级公路为5m，三、四级公路为4.5m;E—建筑限界顶角宽度，当L≤1m时，E=L；当L＞1m时，E=1m；L一侧向宽度，高速公路、一级公路短隧道，其侧向宽度宜取硬路肩宽度；R一人行道宽度;J一检修道宽度。(1)、隧道净空：指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间，包括通风、照明、消防、通讯等设备所占空间；(2)、隧道建筑限界：是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；(3)、隧道行车限界：保证隧道中行车安全，在一定高度和宽度范围内任何物体不得侵入的限界；(4)、墙效应：隧道边墙给驾驶员造成危险的心理影响，行车偏左减少行车道；(5)、加宽带：大于2公里隧道，设紧急停车带，宽2.5m，长25—40米，间隔750米；大于10公里隧道设U型回车道；(6)、净高：一般高速公路、一级公路5米，二级以下公路4.5米；(7)、建筑限界顶角宽：小于等于1米；(8)、两相邻隧道最小间距问题：两相邻隧道最小净距视围岩类别，断面尺寸、施工方法、爆破震动影响等因素确定。两相邻隧道最小间距一般情况可按下表的规定选用。从理论上说，两相邻隧道应分别置于围岩压力相互影响及施工影响范围之外。因此还需根据经验通过工程类比分析确定。《公路道路勘测规程》（JTJ063—85）规定：“一般为30m”。两相邻隧道最小间距围岩类别VIV～IVIIIIII净距(m)(1.5～2.0)B(2.0～2.5)B(2.5～3.0)B(3.0～5.0)B＞5.0B公路隧道横断面示意图（尺寸单位：m）4、隧道接线(1)、隧道洞口的连接线平面及断面线形应与隧道线形相配合，应保证有足够的视距和行驶安全；(2)、隧道两端平面线形与路线线形相一致，必须有一定的连接线长度过渡(其规定如表所示)；(3)、隧道两端的接线纵坡应有一段距离与隧道纵坡保持一致，以满足设置竖曲线和保证各级公路停车或会车视距的要求；(4)、当隧道净宽大于所在公路的路基宽度时，两端接线应有不短于50m的同隧道等宽的加宽段，并设计过渡段加以衔接。3.3衬砌内轮廓线及几何尺寸拟定什么是隧道衬砌(Lining)？它是一种超静定支护结构，是隧道的主体建筑物1、衬砌断面设计：主要解决内轮廓线，轴线和厚度三个问题。(1)、内轮廓线设计原则:衬砌的内轮廓线应尽可能地接近建筑限界，力求开挖和衬砌的数量最小。衬砌内表面力求平顺，还应考虑衬砌施工的简便。(2)、隧道衬砌断面的轴线：应当尽量与断面压力曲线重合，使各截面主要承受压应力。①、当衬砌受径向分布的水压时，轴线以圆形最好；②、主要承受竖向压力或同时承受不大的水平侧压力时，可采用三心圆拱和直墙式衬砌；③、当承受竖向压力和较大侧压力时，宜采用五心圆曲墙式衬砌；④、当有沉陷可能和受底压力时，宜加设仰拱的曲墙式衬砌。(3)、隧道衬砌厚度：随所处地质条件和水文地质条件不同而有较大变化，并且与隧道的跨径，荷载大小，衬砌材料以及施工条件等有关。根据以往经验，拱圈可以采取等截面，也可采取在拱脚部分加厚20—50％的变截面。仰拱厚度一般略小于拱顶厚度。截面最小厚度（cm）隧道和明洞衬砌建筑材料种类拱圈边墙仰拱洞门端墙、翼墙和洞口挡土墙混凝土20202030片石混凝土505050浆砌粗料石或混凝土块303030浆砌块石3030浆砌片石50505、衬砌断面：(1)、衬砌断面的形状(主要有)①直墙式圆弧拱；②三心圆拱；③单圆拱。(2)、衬砌断面的轮廓线①衬砌内轮廓线：②衬砌外轮廓线：③实际开挖线：隧道断面轮廓线6、公路隧道衬砌内轮廓线的求法(1)确定建筑限界；(2)确定弧形；(3)计算验证、调整。即：初步拟定尺寸计算内力检算强度(安全量)结束满足否初步拟定结构形状和尺寸可采用经验类比法，考察的因素有：(1)、内轮廓——选定净空形状原则：紧贴限界，衬砌表面平顺圆滑。(2)、结构轴线——抽象出进行计算的几何形状隧道衬砌是一种受压结构，结构的轴线尽可能的符合荷载作用下的压力线。(3)、截面厚度——检算强度要求设计的截面厚度具有足够的强度，同时衬砌的最小厚度应满足施工要求。3.4道路隧道勘测设计文件的内容和组成道路隧道勘测设计的成果是相应的设计文件，应按交通部颁发的《公路基本建设工程设计文件编制办