學習情境二-隧道的勘察與總體設計

1、,隧道工程,,重慶工程職業(yè)技術學院建筑工程學院,主講：莫勇剛,學習情境二 隧道的勘察與總體設計,2.1 隧道地質、水文勘察,主要學習內容：1、地質勘察 1）地形、地貌 2）地質構造 3）地質巖性 4）特殊地質、不良地質 2、水文勘察,一、地質勘察 隧道的勘察一般都采用兩階段勘測，即初步勘察與詳細勘察。對地形地質條件簡單的中、短隧道采用一階段勘測，但勘測工作應按相應要

2、求和深度，提供施工圖設計所需資料。地形地質條件特別復雜的長大隧道也可采用多階段勘測。,1、初步勘察的基本內容（1）地形、地貌 了解隧道通過地帶的自然地理概況，查明有關控制點的海拔。地形、地貌是由構造應力及外界長期影響的結果。,（2）地質構造 地質構造表現(xiàn)的形態(tài)有：單斜、褶曲、斷層、節(jié)理及其他面狀、線狀構造等，需查明其組合方式。,褶皺,斷層,節(jié)理,（3）地質巖性 查明隧道通

3、過區(qū)域的地層層序、巖性、成因、年代、產狀、狀態(tài)、分布規(guī)律及其接觸關系、接觸面特征，巖層風化破碎程度及抗風能力的強弱。,（4）特殊地質、不良地質 特殊地質、不良地質地區(qū)，須查明發(fā)生發(fā)展的原因、類型、范圍、并推斷其今后的發(fā)展趨勢對隧道的影響，提出整治意見及初步設計所需的資料。,二、水文勘察 隧道與地下水的影響關系，主要出現(xiàn)兩種情況：一是隧道內涌水，這將惡化圍巖穩(wěn)定狀態(tài)，導致施工困難，增加工程造價；二

4、是地表枯水，造成工業(yè)用水及飲水困難。,2.2 隧道位置的選擇,主要學習內容：1、按地形及地質條件進行選擇 2、不良地質段隧道位置的選擇3、按線路類別進行選擇 4、隧道洞口位置的選擇,一、按地形及地質條件進行選擇1. 按地形條件進行選擇 1）克服高程障礙 a. 繞行方案 b. 深塹方案 c. 隧道方案,2）克服平面障礙 a. 沿河傍山繞行方案 b. 隧道直穿方

5、案,2. 按地質條件進行選擇1）單斜構造與隧道位置的選擇a. 水平或緩傾角巖層——當隧道通過堅硬的厚層巖層時，較為穩(wěn)定。若通過很薄的巖層，則施工時頂部易產生掉塊現(xiàn)象，此時，以不透水的堅硬巖層作頂板為最好。如圖2.2.2所示。b. 陡傾角巖層——陡傾角巖層一般有偏壓和不均勻壓力存在，當有軟弱夾層伴以有害節(jié)理切割時，易產生坍方和順層滑動；在此情況下，如以明洞通過時應慎重對待,,圖2.2.2 緩傾角巖層隧道位置的選擇,c. 直立巖層

6、— 隧道通過直立巖層時，其中線宜垂直于巖層的走向穿過，在隧道開挖過程中，易產生坍塌，甚至會導致大的坍力，致使地面形成“天窗”。,直立巖層中隧道位置的選擇,2）褶皺構造與隧道位置的選擇 褶皺構造有向斜和背斜兩種基本類型，當隧道通過褶皺構造時，應盡量避免將隧道置于向斜或背斜的軸部(a)、(b)，而應將隧道置于翼部(c)，則隧道所處的地質條件類似單斜構造。如圖2.2.5所示。,3）斷裂構造，接觸帶與隧道位置的選擇

7、 在選擇隧道位置時，切忌沿著(或靠近平行)斷層帶或破碎帶修建隧道，特別是對于區(qū)域性大斷裂，尤應注意繞避。當隧道線路必須通過斷層帶時，應盡量使線路與斷層走向正交，同時應避開嚴重破碎帶，并應使通過斷層的地段最短。,二、不良地質段隧道位置的選擇1. 滑坡地區(qū) 采用隧道避開滑坡時，應使隧道洞身埋藏在滑床(可能的滑動面)以下一定厚度的穩(wěn)固地層中，以確保施工及運營過程中滑坡滑動時不致影響隧道安全。如圖2.2.7所示。

8、,2. 巖堆、崩坍、錯落、堆積層以及危巖落石地區(qū) 選擇隧道位置時，應避免從不穩(wěn)定的巖堆、崩坍、錯落、堆積層地區(qū)中通過，應將洞身置于穩(wěn)定的地層，當隧道必須通過時，首先應分析并確認其具有穩(wěn)定性，且一定要采取有效可靠的工程措施，方得以在如圖2.2.8、2.2.9所示位置通過。,3. 泥石流 當線路通過泥石流地區(qū)時，首先應充分預計和判明泥石流的成因、規(guī)模、發(fā)展趨勢和沖、淤變化規(guī)律，論證以路基、橋

9、梁通過或者以隧道等方式繞道的合理性，并判定工程安全度，以決定隧道方案的可行性。當隧道（明洞）洞口位置毗鄰泥石流溝時，應注意適當延長以避免泥石流可能擴散范圍的影響。,4. 溶洞地區(qū) 當隧道通過巖溶地區(qū)時，應力求避免穿越巖溶嚴重發(fā)育的網(wǎng)狀洞穴區(qū)、巨大空洞區(qū)及有利于巖溶發(fā)育的構造帶，盡量避開洞身置于碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖(可溶巖與非可溶巖)的接觸帶。當不可能時，應選擇在較狹窄地段，以垂直或大角度穿過，使通過巖溶地段為最

10、短。,5. 瓦斯地區(qū) 隧道開挖時，有害氣體如甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)逸出；輕則致人窒息，重則引起爆炸，危害甚大。選擇隧道位置時，最好能避開。不得已時，應做好通風稀釋的措施。6. 黃土地區(qū) 黃土具有干燥時甚堅固，遇水容易剝落和遭受侵蝕的特征。選擇隧道時應避開溝壑及地下水活動和地面陷穴密集的地區(qū)。,三、按線路類別進行選擇1. 越嶺線上隧道位置的選擇1）隧道平面位置的選擇

11、 當線路必須跨越分水嶺時，分水嶺的山脊線上總會有高程較低處，稱之為“埡口”。一般情況下，常常有若干個埡口可以通過，此時，就要分析比較，選定最為理想的埡口。,,比選時應考慮：①優(yōu)先考慮在路線總方向上或其附近的低埡口，因為這種埡口在兩側具備有良好展線的橫坡時，一般越嶺隧道較短。②雖然遠離線路總方向，但埡口兩側有良好的展線條件的河谷，又不損失越嶺高程的埡口。③隧道一般選在分水嶺埡口兩邊河谷標高相差不多，并且兩邊河谷平面位置

12、接近處。④工程地質和水文地質條件良好的埡口。,2）隧道立面位置的選擇 分水嶺的山體，一般是上部比較陡峭而下部比較平緩。隧道位置定得越高山體較薄，隧道越短，工程可以小一些，反之隧道位置定得越低，隧道將越長，工程規(guī)模要大一些。,2. 河谷線上隧道位置的選擇 鐵路沿河傍山而行時稱之為河谷線。這種線路左右受到山坡和河谷的制約，上下受到標高和限制坡度的控制，比選方案時，可能移動的幅度不大。但是，雖然

13、擺動的幅度很有限，可對工程的難易、大小都有關系。當?shù)貙咏Y構面傾向山一側時，地層比較穩(wěn)定，覆蓋厚度可以酌減。當?shù)貙咏Y構面傾向河流一側時，覆蓋厚度宜予加大。如圖2.2.11。,,（a）不利的結構面傾向 （b）有利的結構面傾向圖2.2.11 結構面傾向對隧道位置的影響,四、隧道洞口位置的選擇 隧道洞口位置的選擇是隧道勘測設計的重要環(huán)節(jié)之一。洞口位置選擇好壞，將直接影響隧道施工、造價、工期和運營安全。,洞口位置

14、選擇的一般原則和要求：1）洞口應盡可能地設在山體穩(wěn)定，地質條件較好，地下水不太豐富的地方。隧道宜長不宜短，應“早進洞，晚出洞”，盡量避免大挖大刷，破壞山體穩(wěn)定。2）洞口不宜設在埡口溝谷的中心或溝底低洼處，不要與水爭路。3）洞口應盡可能設在線路與地形等高線相垂直的地方，使隧道正面進入山體，洞門結構物不致受到偏側壓力。4）當線路位于有可能被淹沒的河灘上或水庫回水影響范圍以內時，隧道洞口標高應在洪水位（包括波浪高度）以上0.5m，以防

15、洪水倒灌到隧道中去。,5）為了保證洞口的穩(wěn)定和安全，邊坡及仰坡均不宜開挖過高，不使山體擾動太甚，也不使新開出的暴露面太大。6）若洞口附近遇有水溝或水渠橫跨線路時，應慎重處理，當線路橫溝進洞時，設置橋涵凈空不宜太小，以免后患。7）若洞口前方巖壁陡立，基巖裸露，此時，最好不刷動原生坡面，不挖開山體。若有坍方可能時，則采用接長明洞的辦法。8）洞口以外必須留有生產活動的場所。,2.3 隧道線路設計,主要學習內容：1、隧道平面設計 2

16、、隧道縱斷面設計,一、隧道平面設計 隧道平面線形原則上采用直線，避免曲線。須設置曲線時，其半徑也不宜小于不設超高的圓曲線最小半徑，見表2.3.1。,表2.3.1 不設超高的圓曲線最小半徑,隧道設置曲線時應注意以下問題：1）應盡可能采用較短的曲線，或是半徑較大的曲線，且將曲線設置在隧道洞口附近為宜，使曲線的影響小一些。2）在曲線兩端應設緩和曲線時，最好不使洞口恰恰落在緩和曲線上。3）隧道內若設置圓曲線，其長度不

17、應短于一節(jié)車廂的長度。4）在一座隧道內最好不設一個以上的曲線，尤其是不宜設置反向曲線或復合曲線。如果列車同時跨在兩個曲線上，行駛很不穩(wěn)當。5）當必須設置兩條曲線時，兩曲線間應有足夠長的夾直線，一般是要求在三倍車輛長度以上。,二、隧道縱斷面設計 隧道內線路坡度可設置為單向坡（即向隧道一端上坡或下坡）或人字坡（即從隧道中間向洞口兩端下坡）兩種，如圖2.3.1所示。,,圖2.3.1 坡道形式,一般單向坡多數(shù)出現(xiàn)在

18、越嶺線路的展線及沿河（溪）線隧道中，單向坡隧道對運行的通風、排水有利，尤其是下行單向隧道通風條件好，但是在上方洞施工困難，特別在有較大地下水時更困難。人字坡常出現(xiàn)在越嶺隧道中，人字坡有利于從兩端施工時的出渣和排水，但對運營通風不利。,控制隧道縱坡大小的主要因素 ※ 通風問題 ※ 排水問題縱坡坡度大小及其影響※ 隧道縱坡坡度范圍： 0.3%--3%；※ 縱坡坡度與通風的關系，要求1%以下，大于2

19、%，排量迅速增加；,2.4 隧道橫斷面設計,主要學習內容：一、隧道建筑限界和凈空二、曲線隧道的凈空加寬三、襯砌內輪廓線的擬定,一、隧道建筑限界和凈空機車車輛限界 — 它是指機車車輛最外輪廓的限界尺寸 建筑接近限界 — 它是指線路上各種建筑物和設備均不得侵入的輪廓線 隧道建筑限界 —鐵路/公路線上所有的建筑物不得侵入的范圍，以保證提供足夠的設備的安裝空間和列車（汽車）往來行駛絕無刮碰并安全通過 直線隧道凈空—鐵路（公路）隧

20、道凈空是指軌面（路面）以上襯砌內輪廓線所包圍的空間。隧道凈空的大小應以不侵入隧道建筑限界為準。同時還應考慮洞內排水、通風、照明、防火、監(jiān)控、運營管理等附屬設施所需要的空間,《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）第2.6.2條也對各級公路隧道建筑限界做了一般的規(guī)定。公路隧道設計限界由行車道寬度（W）、路緣帶（S）、側向寬度(L)、人行道（R）或檢修道（J）等組成，當設置人行道時，含余寬（C），如圖2.4.1所示。,,圖2.4.1

21、 公路隧道建筑限界（單位：cm）,W—行車道寬度；S—行車道兩側路緣帶寬度；C—余寬，當計算行車速度≥100km/h時為0.5m，小于100km/h時為0.25m；H—凈高，一條公路應用一個凈高，高速公路和一級、二級公路為5.0m；三、四級公路為4.5m；E—建筑限界頂角寬度，當L≤1m時，E=L；當L＞1m時，E=1m；L—側向寬度，高速公路、一級公路的側向寬度為硬路肩寬度（L1或L2），其它各級公路的側向寬度為路肩寬度減

22、去0.25m；J—檢修道（一側）寬度，一般為0.75m；,,,,圖2.4.2 公路隧道橫斷面示意圖（單位：m）,二、曲線隧道的凈空加寬 鐵路隧道若設計為曲線隧道時，由于曲線外軌超高，致使車體內傾和平移，使得所需橫斷面面積有所增加。因此，為了保證列車在曲線隧道中安全通過，隧道曲線段的凈空必須加大，且主要是加寬（一般不需要加高）。 同理，公路曲線隧道的凈空也要加寬。,1. 公路曲線隧道凈空加寬

23、值 公路隧道依據(jù)《公路工程技術標準》（JTG B01-2003）第3.0.12的規(guī)定，按公路等級進行加寬：當隧道位于平面曲線半徑等于或小于250m的地段時，應在曲線內側加寬。,表2.4.1 公路平曲線隧道加寬取值（m）,2. 鐵路曲線隧道凈空加寬范圍及其中線偏移 《鐵路隧道設計規(guī)范》（TB 10003-2001）中，對曲線部分加寬段的范圍，做了如下規(guī)定：位于曲線地段的隧道加寬的范圍，除圓曲線部分按d

24、總加寬以外，緩和曲線部分被視為既非圓曲線，又非直線，所以把它分為兩段，一點屬于接近直線的性質，另一段屬于接近圓曲線的性質，分別給以不同的加寬值，如圖2.4.3所示。具體的起止點相應的加寬值以及中線偏移量如下： 自圓曲線終點至緩和曲線中點，并向直線方向延伸13m，這一段用圓曲線的加寬斷面，即加寬d總，隧道結構中線向曲線內偏移量為d偏。緩和曲線的其余半段，自緩和曲線終點向直線方向延伸22m，這一段采用圓曲線加寬值的一半，即d

25、總/2，隧道結構中線向曲線內偏移量為d偏/2。,,圖2.4.3 曲線隧道凈空加寬,3. 加寬原因及加寬計算 鐵路曲線隧道的凈空加寬值是由兩個方面的需要來決定的。,,圖2.4.4 車輛經過曲線時的示意圖,,1）由于曲線外軌超高引起車體內傾所要求的加寬值 E=0.76V²/R d超內=H·E/150 （或近似用公式 d=2.7E計算 ）2）由于車體平移所要求的加寬值d曲內=4050/R d曲

26、外=（26²-18²）/8/R=4400/R d總= d超內+d曲內+d曲外=8450/R+H·E/150,三、襯砌內輪廓線的擬定 采用工程類比方法擬定隧道襯砌結構斷面形狀和尺寸，需要作出三個方面的選擇：第一是選定襯砌斷面的大小，即確定所需內輪廓（即凈空）的尺寸大小，保證車輛安全通過;第二是選定襯砌斷面計算軸線的形狀，調整并保證襯砌結構受力合理且形狀簡單；第三是；選定襯砌的厚度，檢算

27、并保證襯砌結構有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。,1、內輪廓線（橫斷面凈空） 襯砌的凈空必須保證車輛安全通過，即襯砌結構的內輪廓的任何部位都不得侵入隧道建筑限界以內。同時又應盡量減小坑道土石的開挖量和襯砌結構是圬工量。因此，襯砌結構的內輪廓線總是在隧道建筑限界以外但不侵入限界，貼近限界但不隨著限界曲折。圓順的內輪廓，即可以簡化結構外形，使施工簡單方便，又可以在避免凹陷處產生應力集中，使結構受力均勻合理。,2、結構軸線

28、（橫斷面形狀） 襯砌橫斷面的形狀是用結構軸線來表示的，因此，結構軸線的形狀不僅決定著襯砌橫斷面的形狀及襯砌結構受力的合理性，也影響著坑道橫斷面的形狀及圍巖的二次應力狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)。 結構軸線盡可能地接近荷載壓力線，使各個截面上主要承受壓應力，而盡可能少地出現(xiàn)拉應力，即使出現(xiàn)也是比較小的。,①當襯砌承受徑向分布的靜水壓力時，結構軸線以圓形為最合適；②當襯砌主要承受豎向荷載和不大的水

29、平荷載時，襯砌結構軸線上部宜采用圓弧形或尖拱形，兩側可以做成直線形（即直邊墻）；③當襯砌在承受豎向荷載的同時，又承受較大的水平荷載時，襯砌結構的軸線上部宜采用圓弧形或平拱形，兩側可采用凸向外方的圓弧形（即曲邊墻）；④如果還有底鼓壓力，則襯砌結構軸線底部還應有凸向下方的仰拱為宜。,,,3、截面厚度（截面強度能力） 襯砌各截面的厚度是結構軸線確定以后的重點設計內容，要判斷在設定的厚度下的截面是否有足夠的強度，從