學習情境二-隧道的勘察與總體設(shè)計

1、,隧道工程,,重慶工程職業(yè)技術(shù)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(shè)計,2.1 隧道地質(zhì)、水文勘察,主要學習內(nèi)容：1、地質(zhì)勘察 1）地形、地貌 2）地質(zhì)構(gòu)造 3）地質(zhì)巖性 4）特殊地質(zhì)、不良地質(zhì) 2、水文勘察,一、地質(zhì)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(zhì)條件簡單的中、短隧道采用一階段勘測，但勘測工作應(yīng)按相應(yīng)要

2、求和深度，提供施工圖設(shè)計所需資料。地形地質(zhì)條件特別復(fù)雜的長大隧道也可采用多階段勘測。,1、初步勘察的基本內(nèi)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(guān)控制點的海拔。地形、地貌是由構(gòu)造應(yīng)力及外界長期影響的結(jié)果。,（2）地質(zhì)構(gòu)造 地質(zhì)構(gòu)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(gòu)造等，需查明其組合方式。,褶皺,斷層,節(jié)理,（3）地質(zhì)巖性 查明隧道通

3、過區(qū)域的地層層序、巖性、成因、年代、產(chǎn)狀、狀態(tài)、分布規(guī)律及其接觸關(guān)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(zhì)、不良地質(zhì) 特殊地質(zhì)、不良地質(zhì)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(shè)計所需的資料。,二、水文勘察 隧道與地下水的影響關(guān)系，主要出現(xiàn)兩種情況：一是隧道內(nèi)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(nèi)容：1、按地形及地質(zhì)條件進行選擇 2、不良地質(zhì)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(zhì)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(zhì)條件進行選擇1）單斜構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生坍方和順層滑動；在此情況下，如以明洞通過時應(yīng)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(chǎn)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(gòu)造與隧道位置的選擇 褶皺構(gòu)造有向斜和背斜兩種基本類型，當隧道通過褶皺構(gòu)造時，應(yīng)盡量避免將隧道置于向斜或背斜的軸部(a)、(b)，而應(yīng)將隧道置于翼部(c)，則隧道所處的地質(zhì)條件類似單斜構(gòu)造。如圖2.2.5所示。,3）斷裂構(gòu)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(yīng)注意繞避。當隧道線路必須通過斷層帶時，應(yīng)盡量使線路與斷層走向正交，同時應(yīng)避開嚴重破碎帶，并應(yīng)使通過斷層的地段最短。,二、不良地質(zhì)段隧道位置的選擇1. 滑坡地區(qū) 采用隧道避開滑坡時，應(yīng)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(yīng)避免從不穩(wěn)定的巖堆、崩坍、錯落、堆積層地區(qū)中通過，應(yīng)將洞身置于穩(wěn)定的地層，當隧道必須通過時，首先應(yīng)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(yīng)充分預(yù)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(yīng)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(yīng)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(gòu)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(cè)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(cè)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(zhì)和水文地質(zhì)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(guān)系。當?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)面傾向山一側(cè)時，地層比較穩(wěn)定，覆蓋厚度可以酌減。當?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)面傾向河流一側(cè)時，覆蓋厚度宜予加大。如圖2.2.11。,,（a）不利的結(jié)構(gòu)面傾向 （b）有利的結(jié)構(gòu)面傾向圖2.2.11 結(jié)構(gòu)面傾向?qū)λ淼牢恢玫挠绊?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(shè)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(yīng)盡可能地設(shè)在山體穩(wěn)定，地質(zhì)條件較好，地下水不太豐富的地方。隧道宜長不宜短，應(yīng)“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(shè)在埡口溝谷的中心或溝底低洼處，不要與水爭路。3）洞口應(yīng)盡可能設(shè)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(jié)構(gòu)物不致受到偏側(cè)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(nèi)時，隧道洞口標高應(yīng)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(yīng)慎重處理，當線路橫溝進洞時，設(shè)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(chǎn)活動的場所。,2.3 隧道線路設(shè)計,主要學習內(nèi)容：1、隧道平面設(shè)計 2

16、、隧道縱斷面設(shè)計,一、隧道平面設(shè)計 隧道平面線形原則上采用直線，避免曲線。須設(shè)置曲線時，其半徑也不宜小于不設(shè)超高的圓曲線最小半徑，見表2.3.1。,表2.3.1 不設(shè)超高的圓曲線最小半徑,隧道設(shè)置曲線時應(yīng)注意以下問題：1）應(yīng)盡可能采用較短的曲線，或是半徑較大的曲線，且將曲線設(shè)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(yīng)設(shè)緩和曲線時，最好不使洞口恰恰落在緩和曲線上。3）隧道內(nèi)若設(shè)置圓曲線，其長度不

17、應(yīng)短于一節(jié)車廂的長度。4）在一座隧道內(nèi)最好不設(shè)一個以上的曲線，尤其是不宜設(shè)置反向曲線或復(fù)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(shè)置兩條曲線時，兩曲線間應(yīng)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(shè)計 隧道內(nèi)線路坡度可設(shè)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(guān)系，要求1%以下，大于2

19、%，排量迅速增加；,2.4 隧道橫斷面設(shè)計,主要學習內(nèi)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(nèi)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(shè)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(shè)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(nèi)輪廓線所包圍的空間。隧道凈空的大小應(yīng)以不侵入隧道建筑限界為準。同時還應(yīng)考慮洞內(nèi)排水、通風、照明、防火、監(jiān)控、運營管理等附屬設(shè)施所需要的空間,《公路隧道設(shè)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(shè)計限界由行車道寬度（W）、路緣帶（S）、側(cè)向?qū)挾?L)、人行道（R）或檢修道（J）等組成，當設(shè)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(cè)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(yīng)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(cè)向?qū)挾龋咚俟?、一級公路的?cè)向?qū)挾葹橛猜芳鐚挾龋↙1或L2），其它各級公路的側(cè)向?qū)挾葹槁芳鐚挾葴p

22、去0.25m；J—檢修道（一側(cè)）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(shè)計為曲線隧道時，由于曲線外軌超高，致使車體內(nèi)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(shù)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(yīng)在曲線內(nèi)側(cè)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(shè)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(zhì)，另一段屬于接近圓曲線的性質(zhì)，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(yīng)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(jié)構(gòu)中線向曲線內(nèi)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(jié)構(gòu)中線向曲線內(nèi)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(jīng)過曲線時的示意圖,,1）由于曲線外軌超高引起車體內(nèi)傾所要求的加寬值 E=0.76V²/R d超內(nèi)=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(nèi)=4050/R d曲

26、外=（26²-18²）/8/R=4400/R d總= d超內(nèi)+d曲內(nèi)+d曲外=8450/R+H·E/150,三、襯砌內(nèi)輪廓線的擬定 采用工程類比方法擬定隧道襯砌結(jié)構(gòu)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(nèi)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(diào)整并保證襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。,1、內(nèi)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(jié)構(gòu)的內(nèi)輪廓的任何部位都不得侵入隧道建筑限界以內(nèi)。同時又應(yīng)盡量減小坑道土石的開挖量和襯砌結(jié)構(gòu)是圬工量。因此，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(nèi)輪廓，即可以簡化結(jié)構(gòu)外形，使施工簡單方便，又可以在避免凹陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使結(jié)構(gòu)受力均勻合理。,2、結(jié)構(gòu)軸線

28、（橫斷面形狀） 襯砌橫斷面的形狀是用結(jié)構(gòu)軸線來表示的，因此，結(jié)構(gòu)軸線的形狀不僅決定著襯砌橫斷面的形狀及襯砌結(jié)構(gòu)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(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)。 結(jié)構(gòu)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(yīng)力，而盡可能少地出現(xiàn)拉應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)軸線上部宜采用圓弧形或尖拱形，兩側(cè)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(jié)構(gòu)的軸線上部宜采用圓弧形或平拱形，兩側(cè)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(jié)構(gòu)軸線底部還應(yīng)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(jié)構(gòu)軸線確定以后的重點設(shè)計內(nèi)容，要判斷在設(shè)定的厚度下的截面是否有足夠的強度，從