《隧道工程》课件第4讲隧道线路及断面设计

隧道位置的选择隧道洞口位置的选择隧道平、纵断面设计复习 隧道位置的选择隧道洞口位置的选择隧道平、纵端面设计隧道横断面设计高速铁路隧道单线双洞和双洞单线方案选择第三章隧道线路及断面设计 第四节隧道横断面设计第三章隧道线路及断面设计一、铁路隧道(一)直线隧道净空隧道净空的概念:指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。隧道净空←隧道建筑限界←基本建筑限界←机车车辆限界 第三章隧道线路及断面设计1.机车车辆限界机车车辆最外轮廓的限界尺寸。 第三章隧道线路及断面设计 第三章隧道线路及断面设计2.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。3.隧道建筑限界是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线。 第三章隧道线路及断面设计11001400200018752250225040008500400024402440600012101000150030003560300015001000244024403560(单线)(双线)轨面隧道建筑限界基本建筑限界 第三章隧道线路及断面设计11002000225022504000850040002440244065501000300042503000150023004250(单线)(双线)轨面隧道建筑限界基本建筑限界4000240055012501210170014001875230010001500 第三章隧道线路及断面设计4.直线隧道净空“直线隧道净空”要比“隧道建筑限界”稍大一些，除了满足限界要求外，考虑避让等安全空间、救援通道及技术作业空间，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。 第三章隧道线路及断面设计2200隧道衬砌内轮廓隧道建筑界限基本建筑界限机车车辆界限内轨面24350220024502450134566650 第三章隧道线路及断面设计曲墙衬砌内轮廓直墙衬砌内轮廓89008880400022502250190190内轨顶面118752450244024001702000234565432770040005501250750R=23004500R=230030001500500--1210--线路中线 第三章隧道线路及断面设计(二)曲线隧道净空加宽1.加宽原因(1)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)。 第三章隧道线路及断面设计O车辆轴线车辆长度L车辆前后转向架间距l线路中线曲线半径d内1d外d外 第三章隧道线路及断面设计(2)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。ABFd内2GHEFOC 第三章隧道线路及断面设计据此，曲线隧道净空的加宽值为内侧加宽W1=d内1＋d内2外侧加宽W2=d外总加宽W=W1＋W2＝d内1＋d内2＋d外 第三章隧道线路及断面设计2.加宽值的计算(1)单线曲线隧道加宽值的计算①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）。(cm) 第三章隧道线路及断面设计②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。(cm) 第三章隧道线路及断面设计③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(cm)E——曲线外轨超高值，其最大值不超过15cm(cm)其中，v为铁路远期行车速度（km/h）。 第三章隧道线路及断面设计在我国铁路隧道标准设计中，系将相应的隧道建筑限界绕内侧轨顶中心转动arctg(E/150)角求得，可近似取d内2＝2.7E(cm)。(cm)隧道内侧加宽值为隧道外侧加宽值为(cm) 第三章隧道线路及断面设计(cm)隧道总加宽值为(cm)或 第三章隧道线路及断面设计曲线隧道中心线加宽后隧道内轮廓线W内dW外直线隧道中心线直线隧道内轮廓线 第三章隧道线路及断面设计(cm)隧道总加宽值为(cm)或(2)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与单线隧道加宽值的计算相同。内外侧线路中线间的加宽值W3按以下情况计算。 第三章隧道线路及断面设计外侧线路中线内侧线路中线直墙衬砌内轮廓内轨顶面隧道中线曲墙衬砌内轮廓890＋Wd1d2245+W1400+W3245+W2 当外侧线路外轨超高大于内侧线路外轨超高时：第三章隧道线路及断面设计(cm)(cm)式中H——车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360cm；E——外侧线路的外轨超高值(cm)；R——同前。或(cm) 第三章隧道线路及断面设计(cm)式中H——车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取360cm；E——外侧线路的外轨超高值(cm)；R——同前。其它情况时 第三章隧道线路及断面设计3.曲线隧道中线与线路中线偏移距离(cm)曲线隧道内侧加宽大于外侧加宽，断面加宽后，隧道中线应向曲线内侧偏移一个d值。单线隧道双线隧道内侧线路中线至隧道中线的距离外侧线路中线至隧道中线的距离(cm)(cm) 第三章隧道线路及断面设计4.时速200km/h以上曲线隧道净空加宽时速200km的新建铁路单、双线隧道内净空面积和断面形式是经过优化比选的，既充分满足了空气动力学效应标准的要求，又完全满足建筑物接近限界及其它工程使用空间的需要，且留有富余量。 第三章隧道线路及断面设计(三)曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接方法位于曲线地段的隧道，断面加宽除圆曲线部分按上述计算值予以加宽外，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（即按W/2加宽）。 第三章隧道线路及断面设计缓和曲线中点加宽断面直线断面圆曲线加宽断面d13m缓和曲线中点缓和曲线终点d/222m线路中线隧道中线缓和曲线起点 第三章隧道线路及断面设计位于曲线地段的隧道，分别延长22m和13m的理由:当列车由直线进入曲线，车辆前面的转向架进到缓和曲线起点后，由于缓和曲线外轨设有超高，故车辆开始向内侧倾斜，车辆的后端点亦已偏离线路中心，所以从车辆的前转向架到车辆后端点的范围内应按圆曲线加宽值的一半(W/2)加宽，此段长度为两转向架间距离18m加转向架中心到车辆后端点距离4m共22m。 第三章隧道线路及断面设计当车辆的一半进入缓和曲线中点时，其车辆后端偏离中线值应根据前面的转向架所在曲线的半径及超高值决定。此时，前面转向架已接近圆曲线，故车辆后段（按切线支距法原理推算，近似取车长之半26/2＝13m）应按圆曲线加宽值（W）加宽。 第三章隧道线路及断面设计二、公路隧道公路隧道净空：是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；断面形状和尺寸应根据围岩压力求得最经济值。 第三章隧道线路及断面设计SWLJLSCCEE40002500H250专用公路 第三章隧道线路及断面设计WCCEELL40002500250一般公路 第三章隧道线路及断面设计W——行车道宽度S——行车道两侧路缘带宽度C——余宽，当计算行车速变＞100km／h时为0.50m，计算行车速度＜100km／h时为0.25mH——净高，汽车专用公路、一般二级公路为5m，三、四级公路为4.5mE——建筑限界顶角宽度，当L≤1m时，E=L；当L＞1m时，E=1mL——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——人行道宽度J——检修道宽度。 第三章隧道线路及断面设计隧道建筑限界：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。公路隧道的净空除包括公路建筑限界以外，还包括通风管道、照明设备、防灾设备、监控设备、运行管理设备等附属设备所需要的空间以及富余量和施工允许误差等。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。 第三章隧道线路及断面设计人行道内装1015建筑限界起拱线火灾报警器事故电话车行道消火栓人行道设备安装范围设备安装范围10100顶板照明器工作行道公路隧道横断面示意图 第三章隧道线路及断面设计墙效应：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。线路中线内轮廓线外轮廓线隧道中线路面高程0.020.02净高：高速公路、一级公路、二级公路取5.0m，三、四级公路取4.5m。 第三章隧道线路及断面设计错车道：单车道隧道，为保证错车和安全运输，长隧道时，应设错车道(最好能供汽车调头)，短隧道在进口能观察到出口引道时，洞内可不设错车道，但应在洞口外两端设错车道。加宽带：超过2km的长隧道，设紧急停车带，宽2.5m，长25~40m，间隔750m；大于10km隧道设U型回车道。交通量大的城市隧道，考虑到故障车的停车，路面宽度最小推荐为8~8.5m。 第三章隧道线路及断面设计人行道：一般公路隧道，特别是1km以下的隧道，都考虑自行车和行人的通过。一个自行车道的宽度为1.0m，自行车道数应根据交通量确定。人行道的宽度为0.75m或1m，大于1m时按0.5的倍数增加。人行道、自行车道或自行车人行道与车行道在同一隧道中时，为保证安全，应使其比车行道高出25cm。为了彻底解决安全问题，或者对汽车速度严加管制，或者把人行道等与车行道用护栏隔开或者把设在路肩上的人行道等置于lm以上的台阶上并加设护栏。 第三章隧道线路及断面设计两相邻隧道最小间距问题：一般公路隧道，由于地质条件的关系，隧道宽度过大则不经济，施工上也增加难度，所以高速公路、一级公路一般应设计为上，下行分离的两座独立隧道。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。 第三章隧道线路及断面设计从理论上，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。“一般为30m”。两相邻隧道最小间距 第三章隧道线路及断面设计隧道断面轮廓线线路中线内轮廓线外轮廓线隧道中线路面高程0.020.02 第三章隧道线路及断面设计隧道中线线路中线隧道中线线路中线O2O1O2直墙式圆弧拱形内空断面三心圆拱形内空断面 第三章隧道线路及断面设计隧道中线线路中线紧急停车带中线O1O2O2紧急停车带内空断面(无仰拱) 第三章隧道线路及断面设计隧道中线线路中线紧急停车带中线O1O2O2O3O3紧急停车带内空断面(有仰拱) 第三章隧道线路及断面设计主要解决内轮廓线、轴线和厚度三个问题。三、隧道衬砌断面的初步拟定1.内轮廓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，考虑衬砌施工的简便。 第三章隧道线路及断面设计应当尽量与断面压力线重合，使各截面主要承受压应力。2.结构轴线(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)当有沉陷可能受底压力时，宜加设仰拱的曲墙式衬砌。 第三章隧道线路及断面设计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。3.截面厚度根据以往经验，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。 第三章隧道线路及断面设计 第三章隧道线路及断面设计 第五节高速铁路隧道单洞双线和双洞单线方案选择第三章隧道线路及断面设计在单洞双线和双洞单线方案比较中，采用一座双线隧道的横断面积要比两座单线隧道横断面积总和小，经济性较好。在满足空气动力学要求的前提下，双线断面要比单线断面更有利一些。两座单线隧道断面积总和要比一座双线隧道断面积大。法国比较结果：列车速度300km/h时，单洞100m2，双洞2×70m2；列车速度250km/h时，单洞72m2，双洞2×50m2。 第三章隧道线路及断面设计在特长隧道方案设计时，选择两座单线隧道方案还是一座双线隧道方案，应从地质条件、建设工期、施工难度和方法、运营通风、防灾救援和人员疏散、工程投资等多方面综合考虑，对高速铁路隧道还要考虑列车在隧道内运行的空气动力学效应。高速铁路隧道而言，采用单洞双线隧道方案，阻塞比较小，在满足洞内会车最不利的前提下，可有效地提高乘车舒适度；而采用双洞单线隧道方案十分有利于防灾救援，当一座隧道出现重大事故时，另一座可正常运营，且可利用其进行救援和旅客的疏散。 第三章隧道线路及断面设计从地质条件看，在软弱破碎围岩地段，考虑施工难度和风险，宜选用跨度较小的双洞单线隧道方案，当地质条件好时，可选用单洞双线隧道方案。从施工方法看，当采用TBM或盾构施工时，考虑施工风险，采用直径较小的双洞单线隧道方案较为稳妥，施工风险相对较小。 第三章隧道线路及断面设计从运营通风看，双洞单线隧道方案可以充分利用列车活塞风改善隧道内的环境条件，而单洞双线隧道方案利用活塞风效果较差。就工程投资而言，双洞单线隧道方案通常较单洞双线隧道方案造价高20％~40％，特别在硬岩地段，单洞双线隧道方案具有明显的价格优势。故在确定隧道方案时，应结合线路的隧道分布和隧道两端引线等相关工程的具体情况，综合考虑。 第三章隧道线路及断面设计 第三章隧道线路及断面设计遵循的原则：当隧道长度小于10km时，一般采用单洞双线方案，可利用施工时的辅助坑道作为防灾救援和人员疏散的紧急出口。当隧道长度为10~20km时，应结合隧道两端引线、车站布点等相关工程情况进行系统的经济技术比选，也可结合防灾救援及养护维修考虑，采用双线隧道加贯通平导的方案进行比较。当隧道长度大于20km时，从防灾救援方面考虑，一般采用双洞单线隧道方案。 第三章隧道线路及断面设计 第三章隧道线路及断面设计各国高速铁路隧道内净空面积表国家线别运营速度(km/h)断面积(m2)日本新干线240～30061～64法国大西洋线30071北方线、东南延伸线300100地中海线350100德国汉诺威～维尔茨堡曼海姆～斯图加特汉诺威～柏林25082科隆～法兰克福30092西班牙马德里～塞维利亚27075韩国汉城～釜山350107中国台湾台北～高雄35090 第三章隧道线路及断面设计我国客运专线隧道内净空面积序号类别标准单线双线1200km/h客专近期客货共线53.06m283.7m22200km/h客专近期双箱运输56.2m289.64m23250km/h近期客货共线58m290.16m24250km/h近期双箱运输58.08m293.76m25350km/h客运专线70m2100m2 重点、难点内容1.隧道净空的概念2.铁路隧道的横断面是根据什么设计的？3.曲线铁路隧道加宽的原因，加宽的方法。4.曲线铁路隧道与直线隧道的衔接方法是什么？向直线方向延长13m和22m的理由是什么？5.公路隧道的建筑限界包含的内容。6.隧道衬砌断面设计的原则。 第三章隧道线路及断面设计习题某单线电化铁路隧道位于圆曲线半径R=1000m，缓和曲线长lc=100m的曲线上，曲线全长L=309.44m，隧道进口里程为DK276+844，ZH点里程为DK276+958，设计最高行车速度为Vmax=120km/h，试计算隧道加宽值W，中线偏移值d，并绘图说明隧道断面的变化位置、线路中线与隧道中线的关系。