《隧道工程》课件第8讲隧道结构构造

隧道衬砌构造洞门与明洞附属建筑物高速铁路隧道空气动力学问题及工程措施第四章　隧道结构构造 第三节　附属建筑物第四章　隧道结构构造一、防排水设施水对隧道的危害：※降低围岩稳定性，引起支护困难，费用增加；※地下、地上水位下降及水环境的改变，影响农业生产和生活用水；或被迫停工，影响工程进展等；※水进入隧道后，造成洞内通风、照明、供电等设备锈蚀，使路面积水或结冰，造成打滑，危及行车安全。 第四章　隧道结构构造对于交通隧道，通过理论和实践经验的总结，提出了“防、堵、截、排，因地制宜，综合治理”的防治原则。1、“防”指衬砌防水，即防止地下水从衬砌背后渗入隧道内。其办法是充分利用混凝土结构的自防水能力，并在衬砌与支护之间设置防水层。 第四章　隧道结构构造(1)防水混凝土结构：(2)防水层：包括粘贴式防水层和喷涂式防水层。 第四章　隧道结构构造2、“堵”指向支护背后压注水泥砂浆，用以充填支护与围岩之间的空隙，以堵住地下水的通路，并使支护与围岩形成整体，改善支护受力条件。 第四章　隧道结构构造3、“截”指截断地表水或地下水流入隧道的通路。主要采取的措施：上游泄水洞、井点降水、开沟疏导等。泄水洞破碎岩层破碎岩层地面地下水位渗井透水层透水层 第四章　隧道结构构造深井抽水降水原地下水位降水后水位正面平面 第四章　隧道结构构造大避车洞或特设横洞钻孔洞内钻孔降水 第四章　隧道结构构造在洞口仰坡外缘5m以外，设置天沟，并加以铺砌。当岩石外露，地面坡度较陡时可不设天沟。仰坡上可种植草皮、喷抹灰浆或加以铺砌。对洞顶天然沟槽加以整治，使山洪渲泄畅通。对洞顶地表的陷穴、深坑加以回填，对裂缝进行堵塞。为了防止地表水渗入地层内，主要采取的措施： 第四章　隧道结构构造4、“排”将地下水排入隧道内，再经由洞内水沟排走。(1)排水沟排水沟的断面按排水量计算确定，但一般沟底宽不应小于40cm，沟深不应小于35cm。沟底纵坡宜与线路纵坡一致。水沟上面应设有预制的钢筋混凝土盖板，其顶面应与避车洞底面齐平。 第四章　隧道结构构造侧式水沟：设在线路的两侧或一侧，视水流量大小而定。当为一侧时，应设在来水的一侧；如为曲线隧道，则应设在曲线内侧。双侧水沟隔一定距离应设一横向联络沟，以平衡不均匀的水流量。图侧式水沟750间距403％泄水孔3×10(高×宽)52225151.3106020401240101512 第四章　隧道结构构造中心式水沟：隧道中心水沟设在线路中线的下方，或设在双线隧道两线路之间。图中心水沟402％～3%泄水槽每三根轨枕设一道轨面53013.26011.212.62234.611.2603010101252224028125152023.2 第四章　隧道结构构造(2)盲沟在衬砌背后，用片石或埋管设置环向或竖向盲沟，以汇集衬砌周围的地下水，并通过盲沟底部泄水孔(或预埋管)引入隧道侧沟排出。 第四章　隧道结构构造漏水处岩壁铅丝弹簧圈塑料薄膜铁窗纱喷混凝土水泥砂浆粘贴ⅠⅠⅠ—Ⅰ 第四章　隧道结构构造过滤性材料或防水卷材软管过滤性材料或防水卷材金属网 第四章　隧道结构构造盲沟宽100~150cm中心排水沟侧式排水沟外贴防水层渡槽 第四章　隧道结构构造客运专线铁路隧道横向排水系统断面 第四章　隧道结构构造环向排水盲管安装纵向排水管安装横向排水管预留出口 第四章　隧道结构构造二、铁路隧道附属建筑物1、避车洞当列车通过隧道时，为了保证洞内行人、维修人员及维修设备(小车、料具)的安全，在隧道两侧边墙上交错均匀修建的为人员躲避及放置车辆、料具的洞室叫避车洞。避车洞根据其断面尺寸的大小分为大避车洞及小避车洞两种。 第四章　隧道结构构造(1)避车洞的布置大避车洞在碎石(整体)道床的隧道内，每侧相隔300(420)m布置一个大避车洞。当隧道长度在300~400m时，可在隧道中间布置一个大避车洞；隧道长度在300m以下时，可不布置大避车洞；如果两端洞口接桥或路堑，当桥上无避车台或路堑两边侧沟外无平台时，应与隧道一并考虑布置大避车洞。 第四章　隧道结构构造60606060606060隧道中线小避车洞30606030大避车洞150150300碎石道床避车洞平面布置图 第四章　隧道结构构造3060606060306060小避车洞隧道中线大避车洞6060606060603030420210210整体道床避车洞平面布置图 第四章　隧道结构构造小避车洞无论在碎石道床或整体道床的隧道内，每侧边墙上应在大避车洞之间间隔60m(双线隧道按30m)布置一个小避车洞。如隧道邻近有农村市镇，或曲线半径小，视距较短时，小避车洞可适当加密。不同衬砌类型或不同加宽断面衔接处，或沉降缝、工作缝、伸缩缝处应避开设置避车洞。 第四章　隧道结构构造为了使避车洞的位置明显，应将洞内全部及洞周边30cm刷成白色。在洞的两侧各10m处的边墙上标一白色箭头指向避车洞。避车洞周边粉刷10照明灯粉刷0.3m宽白边内轨顶面道碴面或人行道面1.5A3.5101.50.3A0.80.150.150.8 第四章　隧道结构构造(2)避车洞的净空尺寸及衬砌类型大避车洞4.0m(宽)×2.5m(深)×2.8m(中心高)。280E250内轨顶面i=2%h10275dd110dR=250280d180d40030 第四章　隧道结构构造小避车洞2.0m(宽)×1.0m(深)×2.2m(中心高)。内轨顶面100d1i=2%h22010218Ed200R=125d2201017095dd 第四章　隧道结构构造2、电力及通讯设施(1)电缆槽电缆槽用混凝土浇筑，可与水沟同侧并与水沟并行，或设置在水沟的异侧。槽内铺以细砂做垫层，低压电缆可直接放在垫层面上，高压电缆则吊在槽边预埋的托架上。槽顶设有盖板防护。盖板顶面应与避车洞底面或道床顶面齐平。当电缆槽与水沟同侧并行时，应与水沟盖板齐平。 第四章　隧道结构构造(2)信号继电器箱和无人增音站洞隧道内如需设置信号继电器时，则应在电缆槽同侧设置信号继电器箱洞，其宽度为2m，深度为2m，中心宽度为2.2m。根据电讯传输衰耗和通讯设计要求，在隧道内设置无人增音站时，其位置可根据通信要求确定，尺寸与大避车洞相同。 第四章　隧道结构构造三、公路隧道附属建筑物1、避车洞当公路隧道内不设人行道时，应根据隧道长短和车流量考虑是否设置避车洞。避车洞尺寸为：高×宽×深＝2.2m×2.0m×1.0m。避车洞设置间距：50~60m。 第四章　隧道结构构造2、内装为了确保行车安全，在道路隧道中必须采取措施，使墙面亮度在长期的运营中保持在必要的水平以上，墙面须用适当的材料加以内装处理。其作用如下：①改善隧道内环境，起诱导作用；②提高墙面的反射率，增强照明效果；③吸收噪音(通风机、汽车行驶发出的噪音等)。 第四章　隧道结构构造(1)常用的内装材料①块状混凝土材料；②饰面板、镶板等质地致密材料；③瓷砖镶面材料；④油漆材料。(2)内装材料应具有如下性质①耐火性，在高温条件下仍能维持原状，不燃烧、不分解有害成分等；②耐蚀性，长期在油垢及有害气体作用下不变质，在洗涤剂等化学物质作用下不被侵蚀； 第四章　隧道结构构造③不怕水，大多数隧道都存在漏水问题，在水的浸泡下，在潮湿环境中不变质、不霉烂；④材料来源广泛，价格相对便宜，隧道是大型构造物，用材量很大，价格高昂的材料不适于作隧道内装；⑤能吸收噪音；⑥颜色淡，易清洁；⑦具有阻燃性。 第四章　隧道结构构造3、顶棚※色彩的选择：顶棚用漫反射材料可以避免产生眩光，其颜色的明亮程度直接影响到路面亮度(浅色的，避免弦光)※美化隧道，并且起视觉诱导作用※顶棚可做成平顶或者拱顶：①在自然通风或诱导通风时，可以用拱顶；②在半横向或横向通风时可以用平顶。※顶棚以上可作为通风道和供管理人员使用的通道，因此设计荷载可按(据国外资料)10MPa考虑。 第四章　隧道结构构造4、路面(1)路面材料应具备如下性能：①路面材料应具有抵御水冲刷和含有化学物质的水的浸蚀能力;②车辆在隧道内的减速及制动次数较高，路面材料应具有较高的抗侧滑的能力；③抗裂性、耐久性；④容易修补。(2)路面材料主要有两种：砼和改性沥青； 第四章　隧道结构构造⑶路面与车道分隔线等交通标志之间应保证有明显的亮度对比和鲜明的颜色对比⑷路基应具有足够的承载力，尤其要求在有丰富地下水的条件下也能满足要求，这就要求有良好的排水设施。 第四章　隧道结构构造5、噪声的消减※隧道内噪声水平应保持在60分贝以下；※采取的措施：①内装材料的制作②墙面材料的制作③路面材料的制作※利用原理：主要利用声波的反射原理 第四章　隧道结构构造6、紧急停车带紧急停车带是为故障车辆离开干道进行避让，专供紧急停车使用的停车位置。隧道内紧急停车带单侧设置间距：500~800m。 第四章　隧道结构构造隧道内紧急停车带的有效长度，应满足停放车辆进入所需的长度，宽度一般为3.0m。隧道内的缓和路段施工复杂，所以通常是将停车带两端各延长5m左右。约750m紧急停车带约40m转换场3m 第四节高速铁路隧道空气动力学问题及工程措施第四章　隧道结构构造一、列车进入隧道诱发的空气动力学效应空气的黏性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像在隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流。于是，列车前方的空气受到压缩，列车的后方则形成一定的负压。这就产生一个压力波动过程。 第四章　隧道结构构造高速铁路隧道空气动力学效应瞬变压力微气压波列车空气阻力空气流动车内瞬变压力车内压力波动最大幅度隧道内压力峰值车内外压差旅客舒适度旅客和乘务员健康衬砌和设施气动荷载车辆结构气动荷载隧道口环境平均阻力阻力过程牵引计算限坡列车风空气动压隧道中设备安全 第四章　隧道结构构造对隧道设计而言，在以上一系列空气动力学效应中，瞬变压力和微气压波问题是关注的重点。瞬变压力关系到旅客和乘务员健康以及旅客乘车的舒适度，是确定隧道净空断面尺寸的制约因素并据以对车辆密封性提出要求。微气压波则有可能对隧道口的环境造成危害，必须通过缓冲结构加以消减。 第四章　隧道结构构造列车车型、长度、表面摩擦系数、隧道长度、壁面摩擦系数等也对瞬变压力产生影响。直接影响旅客舒适度的因素是车辆车辆内部的瞬变压力。而车辆的密封性对缓解车内压力波动程度又有很大影响。我国参照国外经验，针对不同场合制定出了3秒时间内瞬变压力数值作为舒适度标准。试验和分析研究表明，列车运行速度和阻塞比β(β＝隧道净空有效面积Av/列车截面积At)对洞内瞬变压力变化率影响十分显著。 第四章　隧道结构构造合理设置辅助坑道（斜井、竖井和横洞）能缓解瞬变压力的波动程度。竖井位置对减压效果影响最大，可以根据压力波叠加情况，计算出竖井距洞口的最佳位置。竖井横断面积也存在最佳值，无端加大面积也起不到好效果。在两个单线隧道之间的隔墙上开设孔洞，也可缓解瞬变压力。 第四章　隧道结构构造二、隧道口的微气压波和缓冲结构设计1.微气压波的传播高速列车进入隧道，前方的空气受到挤压，这种挤压状态以声速传播至隧道出口，骤然膨胀，产生一个被称为微气压波的次生波。由于微气压波的产生伴有影响环境的爆破噪声，并会对临近建筑物产生危害，因此，微气压波的控制与消减瞬变压力一样，成为高速铁路隧道设计中的重要课题。 第四章　隧道结构构造微气压波的发生形态主要与列车速度、列车横断面积、列车长度、列车头部形状、隧道横断面积、隧道长度、隧道内道床的类型等有关。 第四章　隧道结构构造研究表明，压缩波在隧道中的传播规律随道床有所差别。在碎石道床隧道中，不但“首波”峰值有较明显的衰减，而且压力变化梯度在传播过程中逐渐变得平缓。而对于板式轨道，当隧道长度增加时，压力梯度反而有一定程度的加大。在压缩波镶嵌传播的过程中，空气的密度和温度随之增加，引起声速的提高。压缩波的后部比前端传播得更快。 第四章　隧道结构构造2.缓冲结构物的设计在是否需要设置缓冲结构物，可根据洞口微压波峰值的大小来确定。在隧道入口设置净空断面积大于隧道有效净空面积的缓冲结构物（如棚洞），是消减微压波的主要措施。可以通过数值计算和模型试验来探讨缓冲结构的合理参数和形式。隧道缓冲结构開口井 第四章　隧道结构构造缓冲结构物设置基准条件微压波峰值pmax日本DB京沪暂规洞口有建筑物建筑物无特殊环境要求建筑物处pmax<20Pa最近住宅处pmax<20Pa距洞口50m处pmax<20Pa建筑物处pmax<20Pa建筑物有特殊环境要求按要求按要求洞口无建筑物（或住宅距洞口大于50m）距洞口20m处pmax<50Pa建筑物有特殊环境要求距洞口20m处pmax<50Pa建筑物有特殊环境要求不设断面＞90m2可不设置，双线隧道可不设置，两个单线应于设置。 第四章　隧道结构构造缓冲结构的形式：按断面变化的规律可分为两类：断面渐变的喇叭形以及断面突变的阶梯形。但不同形状的缓冲结构对缓解微压波的效果差别不显著，缓冲结构的形状对减压效果的影响不大。缓冲结构的长度：关于缓冲结构的长度Lh，日本新干线曾采用1d2d时，缓解效果不再有进一步改善。而模型试验又出现Lh=1d、2d、3d时，减压效果不断改善，这与数值分析结果有差别。 第四章　隧道结构构造适用于碎石道床的缓冲结构长度开口率：数值计算和模型试验都表明在缓冲结构上开口可增强缓解微气压波的效果，最佳开口率为0.3。 第四章　隧道结构构造缓冲结构的净空面积：数值计算表明，当缓冲结构断面面积/隧道净空有效面积＝1.6时，效果最佳。这同日本隧道模型试验资料当缓冲结构断面面积/隧道净空有效面积＝1.55时，阶梯式缓冲结构效果最佳的结论基本一致。根据计算结果，当缓冲结构断面面积/隧道净空有效面积＝1.3时，开窗的缓冲结构即有显著效果。 第四章　隧道结构构造当洞口50m范围内无建筑物、洞口外20m处的微压波峰值大于50pa时，须设置洞口缓冲结构；当洞口50m范围内有建筑物时，一般情况下当建筑物处的微压波大于20pa，须设置洞口缓冲结构；当对建筑物处的峰值有特殊要求时，洞口缓冲结构应进行特殊设计。当隧道口无建筑物，无特殊环境要求时，双线隧道可不设置洞口缓冲结构。单线隧道应设置长度5.0m的洞口缓冲结构。 第四章　隧道结构构造隧道口缓冲结构尽量采用与隧道内轮廓形式相似的断面，也可采用棚式结构断面。洞口缓冲结构纵向宜做成渐变的喇叭状，开口处最大净空断面面积为隧道净空断面面积的1.5倍，在缓冲结构纵向中心附近沿两侧对称分布开孔，孔长为1／2缓冲棚长，开孔面积为隧道净空横断面面积的0.2~0.3倍。洞口缓冲结构宜采用钢筋混凝土结构。 洞口缓冲段主要有以下几种形式：a.无侧面开口或开槽的扩大断面型；b.有侧面开口或开槽的扩大断面型；c.喇叭型：分直线型和曲线型两种，见下图减小微气压波影响的措施的主体是隧道入口缓冲段。DD0LhDD0Lh 除在入口设置缓冲段外，具体还可采取以下方法。a.利用斜井、竖井；b.做带有开口的防护棚；c.车辆方面的措施，如采用密闭车辆等；d.隧道壁面的措施；e.也可在埋深小的洞口开挖竖井来降低压缩波的坡度。双线隧道原则不设缓冲结构，当洞口位于城市或有密集建筑物时，可采取防噪音措施或结合洞门型式适当设置缓冲结构。 第四章　隧道结构构造 第四章　隧道结构构造 第四章　隧道结构构造 第四章　隧道结构构造 重点、难点内容1.公路隧道内装的作用，常用的内装材料。内装材料应具有的性质。2.公路隧道路面材料的性能，常用的路面材料。