隧道结构设计.docx

隧道结构设计.docx

《隧道结构设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隧道结构设计.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

隧道结构设计

一、衬砌

1衬砌形式

整体式模筑混凝土衬砌 —就地灌筑混凝土衬砌  

装配式衬砌—将衬砌分成若干块构件，这些构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。

喷锚支护—喷射混凝土和加设锚杆、金属网和钢架共同支护

复合式衬砌—外衬和内衬两层，所以也叫它为“双层衬砌”

2衬砌的适用条件

整体式模筑混凝土衬砌 — 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，如可用木模板、钢模板或衬砌模板台车等

装配式衬砌 — 拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。

目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。

喷锚支护 — 喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中采用。

复合式衬砌 — 是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条件，有其广阔的发展前途。

3衬砌的一般结构要求

混凝土与钢筋混凝土

隧道工程所用的混凝土强度等级不应低于C15 

洞门用混凝土整体灌筑，其强度不应低于C20 

强度等级对于衬砌段不应低于C20，对于洞门不应低于C15

片石混凝土

在岩层较好地段的边墙衬砌，可采用片石混凝土（片石的掺量不应超过总体积的20%）。

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。

选用的石料要坚硬，其强度等级不应低于MU40，有裂隙和易风化的石料不应采用。

石料和混凝土预制块

石料或混凝土预制块用强度等级不低于M10的水泥砂浆砌筑衬砌。

石料的强度等级不应低于MU60，并且有裂隙和易风化的石料不应采用。

混凝土预制块强度等级不应低于MU20。

喷射混凝土

喷射混凝土的强度等级采用C20，所用的水泥应优先采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 

喷射钢纤维混凝土中的钢纤维宜采用普通碳素钢制成，等效直径为0.3～0.5㎜的方形或圆形断面，长度宜为20～25㎜

锚杆

锚杆的杆体宜用20MnSi钢筋，也可采用Q235钢筋；缝管式锚杆宜采用16MnSi钢管，亦可采用Q235钢管；锚杆直径宜为18～22㎜，垫板可采用Q235钢板。

装配式材料

对于衬砌材料，可采用一些装配式材料，如钢筋混凝土大型预制块、加筋肋铸铁预制块等 

铁路隧道净空及要求

直线隧道净空

机车车辆限界 — 它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸

基本建筑限界 — 它是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线

隧道建筑限界 — 它是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线

直线隧道净空— 要比“隧道建筑限界”稍大一些，还考虑了在不同的围岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状（拱部采用三心圆，边墙采用直墙式或曲墙式）以及施工方便等因素。

基本建筑限界

最大级超限货物装载限界

单线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓

双线电力牵引铁路隧道衬砌内轮廓

曲线隧道净空加宽

加宽原因

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）。

车辆通过曲线时的平面图

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）。

加宽值的计算

- 单线曲线隧道加宽值的计算

• 车辆中间部分向曲线内侧的偏移d内1

式中l—  车辆转向架中心距，取18m；

   R—  曲线半径（m）

车辆通过曲线时的横断面图

车辆两端向曲线外侧的偏移d外

式中 L— 标准车辆长度，我国为26m。

外轨超高使车体向曲线内侧倾移d内2

式中H—— 隧道限界控制点自轨面起的高度

    E—— 曲线外轨超高值，其最大值不超过15㎝，且

在我国铁路标准设计中，d内2系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心转动arctg

角求得，可近似取d内2=2.7E（㎝）。

对于单线曲线隧道净空的加宽值为：

内侧加宽：

外侧加宽：

总加宽：

双线曲线隧道加宽值的计算：

双线曲线隧道的内侧加宽值W1及外侧加宽值W2与单线曲线隧道加宽值的计算相同。

即

内侧加宽：

外侧加宽：

当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超高时 

式中 H—— 车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360㎝；

         E—— 外侧线路的外轨超高值（㎝）；

         R—— 曲线半径（m）。

其它情况时

总加宽

曲线隧道中线与线路中线偏移距离

单线曲线隧道如图3-10所示，隧道中线与线路中线偏移距离d为：

d=（W1－ W2）（㎝）

双线曲线隧道如图3-11所示，内侧线路中线至隧道中线的距离为d1=200－（W1－ W2－ W3） （㎝）

双线曲线隧道外侧线路中线至隧道中线的距离为

d2=200+（W1－ W2+W3） （㎝）

单线曲线隧道中线偏移

曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接方法

《铁路隧道设计规范》规定：

位于曲线地段的隧道，其缓和曲线部分可分两段加宽，即自圆曲线至缓和曲线中点，并向直线方向延长13m，采用圆曲线加宽断面（按W值加宽）；其余缓和曲线，并自直缓分界点向直线段延长22m，采用缓和曲线中点加宽断面，其加宽值取圆曲线之半（按W/2值加宽） 

双线曲线隧道中线偏移

曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接

公路隧道的净空

公路隧道建筑限界一般规定如图所示。

图中各符号的含义如下：

W—行车道宽度；

S—行车道两侧路缘带宽度；

C—余宽，当计算行车速度≥100km/h时为0.5m，小于100km/h时为0.25m；

H—净高，一条公路应用一个净高，高速公路和一级、二级公路为5.0m；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—侧向宽度，高速公路、一级公路的侧向宽度为硬路肩宽度（L1或L2），其它各级公路的侧向宽度为路肩宽度减去0.25m；

公路隧道建筑限界

隧道衬砌的其它构造要求

一般单线隧道洞口应设置不小于5m长的模筑混凝土衬砌，双线和多线隧道应适当加长；

围岩较差段的衬砌应向围岩较好地段延伸5～10m；

偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段内5m以上；

不设仰拱的隧道应做底板，单线隧道其厚度不得小于20㎝，双线隧道其厚度不得小于25㎝；

对衬砌有不良影响的硬软地层分界处，应设置变形缝；

电力牵引的隧道，其长度大于2000m及位于隧道群地段和车站两端时，为了使接触网有良好的工作和维修条件，应根据需要设置接触网补偿下锚的衬砌段。

运营通风洞、联络通道等与主隧道连接处的衬砌设计应做加强处理。

二、洞身支护结构的构造

1整体式模筑混凝土衬砌

直墙式衬砌

适用于地质条件比较好，属于我国铁路隧道围岩分类中的Ⅱ、Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围岩；

围岩压力以竖向为主，几乎没有或仅有很小的水平侧向压力；

衬砌由上部拱圈.两侧竖直边墙和下部铺底三部分组合而成； 

单线直墙式衬砌

在地质条件较好时，为了节省圬工，直墙式衬砌在构造上采取若干改进措施。

例如在整体岩层坚固的情况下，几乎没有什么水平侧压力，也没有地下水侵入，则可采用大拱脚喷混凝土（或喷砂浆）边墙衬砌；

在地质条件尚好，侧压力不大，但又不宜采用大拱脚喷混凝土（或喷砂浆）边墙衬砌时，为了节省边墙圬工，可以简化边墙 

大拱脚喷混凝土边墙衬砌

2曲墙式衬砌

适用于地质比较差，岩石松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水平压力也相当大的Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级围岩情况 • 由顶部拱圈，侧面曲边墙和底部仰拱（或铺底）所组成 • 除在Ⅳ级围岩无地下水，且基础不产生沉降的情况下可不设仰拱，只做平铺底外，一般均设仰拱。

连拱式边墙衬砌

图为单线非电气化铁路隧道衬砌Ⅴ级围岩直线断面曲墙式衬砌标准图，其内部轮廓线由五心圆曲线组成。

单线非电气化铁路隧道衬砌 

双线或三线隧道的洞身衬砌，可以采取单孔式，四线隧道可采取双孔式。

单孔式衬砌应满足双线或三线隧道衬砌净空要求。

双孔式四线隧道衬砌

3装配式衬砌

优点

经装配成环，不需养生时间，即可承受围岩压力； 

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；

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；

拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，还有可能降低造价。

应满足的条件

强度足够而且耐久；

能立即承受荷载；

装配简便，构件类型少，形式简单，尺寸统一，便于工业化制做和机械化拼装；

构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力；

有防水的设施 

4喷锚支护

喷射混凝土支护层

喷射混凝土的拌和材料是：

标号不低于325号的普通硅酸盐水泥和粒经不应大于16mm的坚硬耐久的卵石或碎石，以及不含土质或杂物的河沙，再加上少量的速凝剂

喷层的厚度一般最薄不应小于125px,最厚应不大于625px，

在比较松散软弱的岩层中，可以加金属网或钢支撑，使之结合成一体，变为钢筋混凝土层 

5锚杆

锚杆是一种插入到围岩岩体内的杆形构件；

利用锚杆杆体或杆端锚头的膨胀作用，或利用灌浆粘结，把锚杆固定在岩体内；

增加了岩体的紧密程度，补强了抗剪能力，起到了组合、悬吊及挤压加固的作用，提高了围岩的自稳能力。

6复合式衬砌

外衬（亦称初次衬砌）— 使用能达到早强的喷射混凝土和锚杆，使柔性的外衬既能容许围岩有所变形，而又约束它不让它变形发展太大太快

内衬（亦称二次衬砌）— 内衬可以用喷射混凝土层柔性结构，也可以用较厚的模筑混凝土

防水层 — 内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材，或用喷涂乳化沥青等防水剂  

复合式衬砌最适宜在Ⅱ～Ⅵ级围岩中使用，但遇到下列情况时，应慎重对待。

必要时应辅以相应的加固措施。

拱顶以上覆盖厚度小于隧道直径时;有明显偏压力时； 在无自稳能力的未胶结砂砾石地层中时；在大膨胀性的地层中时；在大涌水的地层中时； 在严重冻害的地区中时。

三、明洞的构造

明洞是用明挖法修建的隧道，是在露天的路堑地面上，或是在敞口的基坑内，先修筑结构物，然后再回填覆盖土石。

如图所示。

明洞位置示意图                路堑式拱形明洞

1拱式明洞

路堑式拱形明洞

路堑式拱形明洞位于两侧都有高边坡的路堑中；

路堑式拱形明洞适用于路堑边坡处于对称或接近对称，边坡岩层基本稳定，仅防边坡有少量坍塌、落石，或用于隧道洞口岩层破碎，覆盖层较薄而难以用暗挖法修建隧道时；

承受对称荷载，拱、墙均为等截面，边墙为直墙式。

偏压直墙式拱形明洞 

适用于两侧边坡高差较大的不对称路堑。

承受不对称荷载，拱圈为等截面，边墙为直墙式，外侧边墙厚度大于内侧边墙的厚度。

偏压斜墙式拱形明洞

适用于地形倾斜，低侧处路堑外侧有较宽敞的地面供回填土石，以增加明洞抵抗侧向压力的能力。

承受偏压荷载，拱圈为等截面，内侧边墙为等厚直墙式，外侧边墙不等厚斜墙式。

半路堑单压式拱形明洞

受单侧的压力，结构内轮廓与隧道一致，左右对称，结构截面左右不同，内侧边墙为等厚直墙，外墙需要相对地加大，而且必须把基础放在稳固的基岩上；

拱圈也可能采用变截面，以抵抗单侧的压力。

当外侧地形低下，不能保持回填土的天然稳定坡度，或是按天然稳定坡度则边坡将延伸很远时，可以在结构的外墙顶上，接高一段挡墙，用以拦截土石的流走，称之为耳墙式拱形明洞 

当外侧边墙基底地质不好，不足以承受外墙传来的压力而必须把基础放到下方较深的基岩上时，外墙可以延伸直达基岩，成为内、外墙不同，内短外长的形式，称为长腿式拱形明洞

如果明洞外侧覆盖土不厚，还可以掏成侧洞，使露天的光线可以射进来，外界的新