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隧道相关知识
隧道相关知识
——一、基础知识
一、隧道
隧道是地下通道。
设计给交通或其他用途使用，通常用来穿山越岭，若施做于地面下称作地下隧道。
隧道可能给行人、自行车、一般道路交通、机动车、铁路交通、或运河使用。
一些隧道只运送水或其他特定服务。
开挖隧道有数种模式。
深度浅的隧道可先开挖后覆盖。
潜盾隧道是地下持续开挖。
二、隧道的分类
隧道的种类很多，按用途分，有铁路隧道、公铁两用隧道、地铁隧道等；
按断面形状分，有圆形隧道、拱形隧道、卵形隧道、矩形隧道等；
按位置分，有傍山隧道、越岭隧道、水底隧道和地下隧道等；
按衬砌结构分，有之墙式衬砌隧洞、曲墙式衬砌隧道、曲边墙叫仰拱衬砌隧道等；
按隧道内铁路线路数分，有单线隧道、双线隧道和多线隧道等。
隧道的长度小于500延长米，称之为短隧道；在500-3000延长米之间，称之为中长隧道；在3000-10000延长米之间，称之为长隧道；而10000延长米以上的，称之为特长隧道。
对于公路隧道的划分：
隧道分类特长隧道长隧道中隧道短隧道
隧道长度L＞3000m3000≥L≥10001000＞L＞250L≤250
三、隧道相关名词
1
1、隧道净空：
指隧道衬砌的内轮廓所包围的空间。
隧道建筑限界:
指包围“基本建筑界限”外部的轮廓线。
基本建筑限界：
指线路上各
种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线。
机车车辆限界：
指机车车辆最
外轮廓的限界尺寸。
四者关系：
铁路隧道净空是根据隧道建筑限界确
定的，而隧道建筑限界是根据基本建筑限界制定的，基本建筑限界又
是根据机车车辆限界制定的。
2、限界：
是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证列车
安全运行所必需的。
建筑限界：
是建筑物不得侵入的一种限界。
3、仰拱：
为保证整体强度,在设计时通常要求在隧道顶底部衬砌一定
厚度的混凝土。
4、围岩：
指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指
隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体。
5、常见几个力学名词
初始应力：
指岩体在天然状态下所具有的内在应力。
构造应力：
由于构造运动的作用，使得岩体内积存了一定的应力，称
构造应力。
岩体的质量指标ROD：
以岩芯未破坏岩块的总长与所取岩芯总长L的
比值来决定,以百分数表示。
围岩压力：
从狭义上指围岩作用在支护结构上的压力。
松动压力：
由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护
结构上的压力。
形变压力：
是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑
2
制，而使围岩与支护结构在共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。
膨胀压力：
当岩体具有吸水、应力解除等膨胀性特征时，由于围岩膨胀所引起的压力。
冲击压力：
是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由于隧道的开挖，威严的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。
弹性抗力：
指由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩对支护结构的约束反力。
6、新奥法：
即奥地利隧道施工新方法，是以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，充分发挥围岩的自承能力的施工方法。
四、新奥法施工的基本原则
（1）少扰动，是指在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、强度、范围和持续时间。
（2）早支护,是指开挖后及时施做初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。
（3）勤量测，是指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩（或围岩加支护）的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法，确保施工安全和顺利进行。
（4）紧封闭，一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而导致强度和稳定性的衰减（尤其是对易风化的软弱围岩）；另一方面是指要适时对围岩施做封闭性支护，这样做不仅可以
3
及时阻止围岩变形，而且可以使支护和围岩能进入良好的共同工作状
态。
（早进洞、晚出洞）短进尺、弱爆破、勤支护、早成环、勤量测
五、隧道围岩等级划分
1、隧道围岩
公路隧道围岩分级
围
围岩或土体主要定性特征
围岩基本质量指标
岩
（BQ）或
级
修正的围岩基本质
别
量指标[BQ]
Ⅰ
坚硬岩，岩体完整，巨整体状或巨厚层状结构
>550
Ⅱ
坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构
550～451
较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构
Ⅲ
坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构
450～351
较坚硬岩或较软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚层结构
Ⅳ坚硬岩,岩体破碎,碎裂结构
350～251
较坚硬岩,岩体较破碎～破碎,镶嵌碎裂结构
较软岩或软硬岩互层
且以软岩为主,岩体较完整～较破碎
中薄
层状结构
土体：
1.压密或成岩作用的粘性土及砂性土
2.黄土（Q1、Q2）
3.一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土
Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；极破碎各类岩体。
≤250
碎、裂状、松散结构
一般第四系的半干硬至硬塑的黏性土及稍湿至潮湿的碎石土，卵
石土、圆砾、角砾土及黄土（Q3、Q4）。
非粘性土呈松散结构、
黏性土及黄土呈松软结构
Ⅵ软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等
注：
本表不适用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、多年冻土等。
2、围岩分级的主要因素
公路隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级，并按以下顺序进
4
行：
（1）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
征和定量的岩体基本质量指标（BQ），综合进行初步分级。
（2）对围
岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级基础上，考虑修正因素的
影响修正岩体基本质量指标值。
（3）按修正后的岩体基本质量指标
[BQ]，结合岩体的定性特征综合评判，确定围岩的详细分级。
3岩石坚硬程度
1、岩石坚硬程度可按下表定性划分。
岩石坚硬程度的定性划分
名称
定性鉴定
代表性岩石
硬质
坚
硬
锤击声清脆，有回弹，震手，难
未风化～微风化的花岗岩、正长岩、
岩
岩
击碎；浸水后，大多无吸水反应
闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、
片麻岩、石英片岩、硅质板岩、石
英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、
硅质石灰岩等
较
坚
锤击声较清脆，有轻微回弹，稍
1
弱风化的坚硬岩；
硬岩
震手，较难击碎；
2
未风化～微风化的熔结凝灰岩、
大
浸水后，有轻微吸水反应
理岩、板岩、白云岩、石灰岩、钙
质胶结的砂页岩等
软质
较
软
锤击声不清脆，无回弹，较易击
1
强风化的坚硬岩；
岩
岩
碎；浸水后，指甲可刻出印痕
2
弱风化的较坚硬岩；
3
未风化～微风化的凝灰岩、千枚
岩、砂质泥岩、泥灰岩、泥质砂岩、
粉砂岩、页岩等
软岩
锤击声哑，无回弹，有凹痕，易
1
强风化的坚硬岩；
击碎；浸水后，手可掰开
2
弱风化～强风化的较坚硬岩；
3
弱风化的较软岩；
4
未风化的泥岩等
极
软
锤击声哑，无回弹，有较深凹痕，
1
全风化的各种岩石；
岩
手可捏碎；浸水后，可捏成团
2
各种半成岩
2岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度（
Rc）表达。
Rc一般采用实测值，若无实测值时，可采用实测的岩石点荷载强度
5
指数Is（50）的换算值，即按下式计算：
Rc=Is
0.75
（50）
3Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系，可按表
Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系
Rc（MPa）>6060～3030～1515～5<5
坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩
1岩石完整程度可按表
表岩体完整程度的定性划分
名称
结构面发育程度
主要结构面
主要结构面类型
相应结构类型
组数
平均间距
的结合程度
（m）
完整
1～2
>1.0
好或一般
节理、裂隙、层面
整体状或巨厚层结
构
较完整
1～2
>1.0
差
节理、裂隙、层面
块状或厚层状结构
2～3
1.0～0.4
好或一般
块状结构
较破碎
2～3
1.0～0.4
差
节理、裂隙、层面、
裂隙块状或中厚层
小断层
结构
>3
0.4～0.2
好
镶嵌碎裂结构
一般
中、薄层状结构
破碎
>3
0.4～0.2
差
各种类型结构面
裂隙块状结构
<0.2
一般或差
碎裂状结构
极破碎
无序
很差
散体状结构
注：
平均间距指主要结构面（
1～2组）间距的平均值。
2岩体完整程度的定量指标用岩体完整性系数
（Kv）表达。
Kv一般
用弹性波探测值，若无探测值时，可用岩体体积节理数（Jv）按表
表Jv与Kv对照表
Jv（条/m3）
<3
3～10
10～20
20～35
＞35
6
Kv
＞0.75
0.75～0.55
0.55～0.35
0.35～0.15
＜0.15
3Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系，可按表
表Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系
Kv>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15
完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎
4岩体完整程度的定量指标Kv、Jv的测试和计算方法
岩体完整性指标Kv，应针对不同的工程地质岩组或岩性段，选
择有体表性的点、段，测试岩体弹性纵波速度，度应在同一岩体取样
测定岩石纵波速度。
按下式计算：
Kv=（Vpm/Vpr）2
式中：
Vpm——岩体弹性纵波速度（km/s）
Vpr——岩石弹性纵波速度（km/s）
岩体体积节理数Jv（条/m3），应针对不同的工程地质岩组或岩性段，选择有代表性的露头或开挖壁面进行节理（结构面）统计。
除成组节理外，对延伸长度大于1m的分散节理亦应予以统计。
已为硅质、铁质、钙质充填再胶结的节理不予统计。
每一测点的统计面积不应小于2m×5m。
岩体值Jv应根据节理统计结果按下式计算
Jv=S1+s2+⋯⋯+Sn+Sk
式中：
Sn——第n组节理每米长测线上的条数；
Sk——每立方米岩体非成组节理条数（条/m3）。
7
应根据分级因素的定量指标Rc值和Kv值，按式（
BQ=90+3Rc+250Kv
（
使用式（，应遵守下列限制条件：
1当Rc>90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值。
2当Kv>0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算
BQ值。
围岩详细定级时，如遇下列情况之一，应对岩体基本质量指标（BQ）
进行修正：
1有地下水；
2围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用；
3存在高初始应力。
围岩基本质量指标修正值[BQ]，可按式（
[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）
（
式中：
[BQ]——围岩基本质量指标修正值；
BQ——围岩基本质量指标；
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。
K1、K2、K3值，可分别按表，修正系数取零。
8
表地下水影响修正系数K1
BQ
>450
450～
350～
<250
351
251
地下水出水状态
潮湿或点滴状出
0
0.1
0.2～
0.4～
水
0.3
0.6
淋雨状或涌流状
出水,
水压
0.1
0.2～
0.4～
0.7～
<0.1Mpa或单位出
0.3
0.6
0.9
水量<10L/min?
m
淋雨状或涌流状
出
水
水
0.4～
0.7～
压>0.1Mpa或单位
0.2
1.0
0.6
0.9
出水量>10L/min?
m
表
主要软弱结构面产状影响修正系数
K2
结构面产状及其与结构面走向与洞结构面走向与洞其它组合
洞轴线的组合关系轴线夹角<30°,轴线夹角>60°,
结构面倾角结构面倾角>75°
30°～75°
9
K20.4～0.60～0.20.2～0.4
表
BQ
>550
550～
450～
350～
<250
451
351
251
初始应力状态
极高应力区
1.0
1.0
1.0～
1.0～
1.0
1.5
1.5
高应力区
0.5
0.5
0.5
0.5～
0.5～
1.0
1.0
围岩极高及高初始应力状态的评估，可按表
表
应力情况主要现象Rc/σmax
1.硬质岩：
开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差
极高应力2.软质岩：
岩芯常有饼化现象，开挖过<4
程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，
甚至发生大位移，持续时间长，不易成
洞
10
1.硬质岩：
开挖过程中可能出现岩爆，
洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝
较多，成洞性较差
高应力4～7
2.软质岩：
岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差
注:
σmax为垂直洞轴线方向的最大初始应力。
宜通过室内或现场试验获取，无试验数据和初步分级时，可按表2.2选用（同铁路隧道）；岩体结构面抗剪断峰值强度参数，可按表
表
序号
两侧岩体的坚硬程度及结
内摩擦角φ
粘聚力C
构面的结合程度
（o）
（MPa）
1
坚硬岩,结合好
>37
>0.22
2
坚硬～较坚硬岩,结核一
37～29
0.22～0.12
般;
较软岩,结合好
3
坚硬～较坚硬岩,结核差;
29～19
0.12～0.08
较软岩～软岩,结合一般
4
较坚硬～较软岩,结核差～
19～13
0.08～0.05
结合很差;
软岩,结合差;软质岩的泥
11
化面
5较坚硬岩及全部软质岩,结<13
<0.05
合很差;
软质岩泥化层本身
宜根据围岩变形量测和理论计算分析来评定，也可按表
表3.2.5隧道各级围岩自稳能力判断
围岩
自稳能力
级别
Ⅰ跨度20m,可长期稳定,偶有掉块,无塌方
跨度10m～20m,可基本稳定,局部可发生掉块或小塌
Ⅱ方
跨度10m,可长期稳定,偶有掉块
跨度10m～20m,可稳定数日～1个月,可发生小～中塌
方
Ⅲ跨度5m～20m,可稳定数月,可发生局部块体位移及小～中塌方
跨度5m,可基本稳定
跨度5m,一般无自稳能力,数日～数月内可发生松动
变形位移、小塌方，进而发展为及中～大塌方
Ⅳ
埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏；
12
跨度小于5m,可稳定数日～1个月
Ⅴ无自稳能力，跨度5m或更小时，可稳定数日
Ⅵ无自稳能力
3
注：
①小塌方：
塌方高度<3m，或塌方体积<30m。
3
②中塌方：
塌方高度3～6m，或塌方体积30～100m。
3
③大塌方：
塌方高度>6m，或塌方体积>100m。
六、隧道超前支护主要方法
1、超前锚杆
2、管棚
3、超前注浆小导管
4、超前深孔帷幕注浆
5、水平旋喷预支护
6、机械预切槽法
七、隧道开挖方法类型及适用条件：
隧道开挖开挖方法分为明挖法和暗挖法。
明挖法多用于浅埋隧道或城市铁路隧道，而山岭铁路隧道多用暗挖法。
按开挖断面大小、位置分，有分部开挖法和全断面开挖法。
在石质岩层中采用钻爆法最为广泛，采用掘进机直接开挖也逐渐推广。
在松软地质中采用盾构法开挖较多。
钻爆法在隧道岩面上钻眼，并装填炸药爆破，用全断面开挖
或分部开挖等将隧道开挖成型的施工方法。
钻爆法开挖作业程序包括测量、钻孔、装药、爆破、通风、出碴、锚杆、立架、挂网、喷锚等工序。
1、全断面开挖法：
13
（1）Ⅰ~Ⅳ级围岩，在用于Ⅳ级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初期支护前这段时间内，保持其自身稳定的条件。
（2）有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备。
（3）隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于1km，否则采用大型机械化施工时其经济型较差。
2、台阶法
（1）长台阶法开挖断面小，有利于维持开挖面的稳定，适用范围较全断面法广，一般适用Ⅰ~Ⅴ级围岩。
（2）短台阶法适用于Ⅲ~Ⅴ级围岩，台阶长度定为10~15m，即1~2
倍开挖宽度。
（3）微台阶法是全断面开挖的一种变异形式，适用于Ⅴ~Ⅵ级围岩，
一般台阶长度为3~5m。
3、分部开挖法
（1）环形开挖预留核心法常用于Ⅴ~Ⅵ级围岩双线隧道掘进。
（2）双侧壁导坑法适用于Ⅴ~Ⅵ级围岩双线或多线隧道掘进。
（3）中洞法适用于双连拱隧道。
（4）中隔壁法适用于Ⅴ~Ⅵ级围岩的双线隧道。
（5）交叉中隔壁法适用于Ⅴ~Ⅵ级围岩浅埋的双线或多线隧道。
八、隧道爆破中炮眼的种类和各自的作用
目前隧道控制爆破是指光面爆破和预裂爆破
1、掏槽眼，作用是先在开挖面上炸出一个槽腔，为后续炮眼的爆破
创造新的临空面。
14
2、辅助眼，作用是扩大掏槽眼炸出的槽腔，为周边眼爆破创造临空
面
3、周边眼，作用是炸出较平整的隧道断面轮廓。
九、隧道施工的洞内运输（出碴和进料）的方式及它们各自的特点
（1）有轨运输。
特点：
有轨运输基本上不排放有害气体，对空气污染较轻；占用空间小而固定。
（2）无轨运输。
特点：
无轨运输不需要铺设复杂的运输轨道，具有运输速度、管理简单、配套设备少等特点。
但由于内燃机排放大量废气，对洞内空气污染较为严重，尤其长期在长大隧道中使用，需要有强大的通风设施。
十、初期支护
为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，隧道开挖后立即施做刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层，称为初期支护。
1、初期支护（锚喷支护）的组成
初期支护一般由锚杆、喷射混凝土、钢架、钢筋网等及其它们的组合
组成
2、喷锚支护的工程特点
1、灵活性2、及时性3、密贴性4、深入性5、柔性6、封闭性
3、锚杆的支护作用
1、支承围岩2、加固围岩3、提高层间摩阻力，形成“组合梁”4、
“悬吊”作用。
15
4、锚杆的种类
1、端头固定式2、全长黏结式3、摩擦式4、混合式
5、喷射混凝土的作用
1、支撑围岩2、“卸载”作用3、填平补强围岩4、覆盖围岩表面5、
防止围岩松动6、分配外力
6、喷射混凝土的工艺流程种类
干喷、潮喷、湿喷和混合喷四种。
7、干喷、潮喷、湿喷和混合喷射混凝土的施工工艺流程
8、钢拱架的性能特点
（1）钢拱架的整体刚度较大，可以提供较大的早期支护强度；型钢拱架较格栅钢架能更早承载。
（2）钢拱架可以很好地与锚杆、钢筋网、喷射混凝土相结合，构成联合支护，增强支护的有效性，且受力条件较好。
尤以格栅钢架结合最好。
（3）格栅钢架采用现场加工制作，技术难度和要求并不高；对隧道断面变化适应性好。
（4）钢拱架的安装架设方便。
十一、二次衬砌
1、模注混凝土衬砌常用的模板及各自的特点
（1）整体移动式模板台车
特点：
生产能力大，尺寸大小比较固定，可调范围较小，一次性设备投资较大。
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（2）穿越式模板台车
特点：
走行机构的利用率较高，可以多段衬砌同时施作。
（3）拼装式拱架模板。
特点：
灵活性大，适应性强，尤其适用于曲线地段。
因其安装架设较费时费力，故生产能力较模板台车低。
2、隧道衬砌的主要方式及适用条件，复合式衬砌的主要组成部分
主要方式：
（一）整体式混凝土衬砌
1）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
水平压力比较小的情况，主要适用于Ⅰ～Ⅲ级围岩。
2）曲墙式衬砌：
适用于地质较差，有较大水平围岩压力的情况，
适用于Ⅳ级及以上的围岩，或Ⅲ级围岩双线。
（二）装配
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