隧道工程第三章隧道线路及断面设计

2017年2月28第三章隧道线及断面设计隧道工程 上节课内容回顾——2.3围岩分级研究其挖除的难易程度和开挖方式研究其稳定能力、稳定影响因素及为保持围岩稳定所需要的支护、加固措施等。围岩被挖除的岩体原状岩体围岩：在岩石地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。 围岩分级的目的：①作为选择施工方法的依据；②确定结构上的荷载（松散荷载）；③给出衬砌结构的类型及其尺寸；④制定劳动定额、材料消耗标准基础等；⑤进行科学管理及正确评价经济效益； 2.3.1隧道围岩分级的因素指标及其选择围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素。单一的岩性指标抗压强度、抗拉强度、弹性模量、抗钻性、抗爆性一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级指标，具有试验简单，数据可靠的优点。但单一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，用来作为分级的唯一指标是不合适的。 单一的综合岩性指标岩体的完整性系数Kv：反映了岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合因素。岩石质量指标：10cm以上岩芯累计长度单位钻孔长度RQD（％）＝×100%综合反映岩体的强度和岩体破碎程度的指标。围岩的自稳时间：从隧道开挖到顶部开始发生可察觉的移动、松弛所经历的时间，是综合岩性指标。 （3）复合指标复合指标是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。具有代表性的复合指标分级，是巴顿（N.Barton）等人提出的岩体质量Q指标，Q指标综合表达了岩体质量的六个地质参数：Q＝(RQD/Jh)(Jr/Ja)(Jw/SRF)岩体质量Q指标实际上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力三者的复合指标。 2.3.2隧道围岩分级的方法对隧道围岩的分级时，应注意以下几点：首先应考虑选择对围岩稳定性有重大影响的主要因素，如岩石强度、岩体的完整性、地下水、地应力、结构面产状、以及他们的组合关系作为分级指标；其次选择测试设备比较简单、人为因素小、科学性较强的定量指标；在考虑分级指标要有一定的综合性，如复合指标等。总之，应有足够的实测资料为基础，能全面反映围岩的工程性质。 2.3.3我国公路隧道围岩分级围岩基本质量指标BQBQ=90+3Rc+250KvRc：岩石单轴饱和抗压强度，Mpa；Kv：岩体完整性系数。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围岩基本质量指标BQ，进行初步分级。[BQ]=BQ–100（K1+K2+K3）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。围岩基本质量指标BQ修正 K1地下水影响的修正地下水是造成施工塌方、使隧道围岩丧失稳定的最重要因素之一，地下水对围岩的影响主要表现在：软化围岩软化结构面产生流砂和潜蚀承压水作用K2软弱结构面产状影响的修正成层岩体、层面性状较大，为陡倾角且走向与洞轴线夹角很大时：对岩体稳定性无不利影响；倾角较缓且走向与洞轴线夹角较小时：容易发生沿层面的过大变形，甚至发生拱顶倒塌或侧壁滑移。 《工程岩体分级标准》（GB50218-2014）规范将隧道围岩分成六级，分别是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，（4）围岩分级数字越小的围岩性质越。好 山区公路线形设计受地形条件影响：高程障碍：公路前进方向遇到高山时，由于坡度的限制不能在一定距离内拔起越过山峰；平面障碍：山嘴伸出很急。第三章隧道线及断面设计 克服地形障碍高程障碍平面障碍绕行方案深堑方案隧道方案沿河傍山绕行方案隧道直穿方案该采取什么办法？路堑指从原地面向下开挖而成的路基形式。 绕行方案优缺点：优点：技术要求小，投资省、工期短；缺点：线路延长、弯道增多、形成高大边坡。只有在确认对运营不会造成不良影响时才考虑。路堑方案优缺点：优点：造价低，施工进度快；缺点：路堑病害多、破坏植被。应以不形成高大边坡为原则。 隧道方案优缺点：优点：能使线路平缓顺直，病害少，缩短线路，节省运输时间，不需用较大的坡度，不需设置太多、太急的曲线，还能最大限度地减少道路修建对自然植被的破坏。缺点：造价高、施工进度慢。一般情况下，采用隧道方案是比较有利的。当线路遇到地形高程障碍时，应该优先考虑隧道方案。 经验指出：“山体可穿而不宜大挖，大挖必坍”。只有在保证安全的前提下，才能谈到经济和技术的比较。以宝成线秦岭盘山道为例。那里本应用隧道通过的，但为了赶工期，图省钱，草率地改用明堑方案。深挖边坡为1:0.75和1:0.5的陡边坡，边坡的高度达60m，个别边坡达到90m，岩层虽为花岗岩，但属于风化破碎带。开挖后，表层岩石很快风化，边坡站立不住。施工期间就不断坍方，其中最大一次塌方就达10万m3。边坡顶上普遍出现纵向裂缝。以后多次刷方，刷到坡顶达130m仍不能稳定下来。直到铺轨时，才不得不增添明洞，但已造成不应有的损失，并使施工程序极度混乱。 （1）隧道走向？（2）洞门位置？（3）线形布置？（4）空间大小？——掌握公路隧道选址的原则和方法——隧道洞口位置选择的原则和方法——隧道平面和纵断面设计的要求——隧道横面设计的要求和方法修建隧道几点思考第三章隧道线路及断面设计 几个名词：垭口分水岭越岭隧道傍山隧道沿河线展线17 山顶1山顶2垭口垭口垭口在《辞源》里的解释是“两山间的狭窄地方”，即连续山梁的一块平坦且相对较低的位置，也可以说是高大山脊的鞍状坳口。垭口：即相连的两山顶之间较低的部分称为垭口。什么叫做垭口？ 较高的垭口较低的垭口 什么叫做越岭隧道？我国幅员辽阔，山川交错，通过山岭、重丘区的长大干线公路往往要翻越分水岭，为缩短里程，克服高度或地形障碍，往往要设置隧道。线路为穿越分水岭而修建的隧道称为越岭隧道。代表性：秦岭隧道 什么叫做分水岭？秦岭是长江和黄河的分水岭分水岭是指分隔相邻两个流域的山岭或高地，河水从这里流向两个相反的方向。在自然界中，分水岭较多的是山岭、高原。 长江流域图 山区道路通常傍山沿河而行，山区河流的特点是河床狭窄、弯曲，经过常年的河水侵蚀和风化作用，地势往往变得陡峻。为改善线形、提高车速、缩短里程、节省时间，常需修建隧道，这种隧道叫做傍山隧道，或称河谷线隧道。什么叫做傍山隧道？ 沿河线是沿着河岸布设的路线。优点：①路线走向明确。只能顺山沿水布线；②线形好。纵坡一般<5％，线形平缓、顺直，可达到较高的标准；③材料来源方便；④联系居民点多，服务性好； 缺点：①洪水威胁大。暴雨时水位猛涨猛落，冲刷力大。若线位高度设计的不合理时，公路常常受到水毁，使交通中断。②艰巨工程多。河谷一般含石头较多，悬崖陡壁多，而且间断出现，导致石方工程集中，开挖困难。③桥涵防护工程多。由于沿岸两侧地质、地形复杂，常常需要跨河换岸以避让艰巨工程。另外支沟多，使得桥涵多。路基支挡防护工程多。④占地多。主要指占用农田较多。山区良田大多是沿河两岸阶地分布，而线形也要利用阶地布线，所以占用良田较多。由于沿河线突出的优点，在山区各种路线中，一般应优先采用沿河线。 区分越岭隧道与傍山隧道方法：越岭隧道是穿越山岭的隧道，一般应该穿越山体，与山脊线近似正交。傍山隧道是沿着山体前进的隧道，一般与山脊线近似平行或大角度相交。傍山隧道不穿越山体的核心位置。 展线：所谓展线是“展长线路”的缩略说法。指的是在山岭地带，由于地面自然纵坡常大于道路设计容许最大纵坡，加上工程地质限制，就需要顺应地形，适当延伸线路长度沿山坡逐渐盘绕而上，以致达路线终点。这种减缓纵坡，延长起、终点间路线长度的设计定线，称为展线。一般来讲，展线只出现在因坡度限制或遇特殊地形条件的情况下，牺牲线路顺直程度来换取尽可能低的限制坡度。平坦地区基本不存在展线的问题，铁路的主要基本展线形式有：灯泡线、套线、螺旋线等。什么叫做展线？ 越岭线上，地形起伏陡峻，在展线时还可能需要修建专门的展线隧道。 关角隧道 二郎北展线，三列东风4型内燃机车牵引着货车 关角隧道洛北——二郎区间的螺旋形展线夜景 穷人的铁路展线——兴安岭展线——中国第一个螺旋形展线 贵州水柏铁路北盘江大桥贵州水柏铁路 贵州水柏铁路北盘江大桥 贵州水柏铁路（北盘江大桥） 秦岭铁路进入秦岭山区后沿清姜河盘旋迂回，从杨家湾站到秦岭大隧道直线距离只有6千米，但升高却达680米，即每千米上升110米。为了把坡度改为每千米只升高40米，能够通行火车，只能把铁路线反复迂回盘旋，在6千米的直线距离内盘绕了27千米；在观音山站和青石崖站之间的线路以33‰的大坡度急速爬升。秦岭铁路 为了克服地势高差，过杨家湾站后就以3个马蹄形和1个螺旋形（“8”字形）的迂回展线上升，线路层叠3层，高度相差达817米，即为著名的观音山展线，所以在观音山站就可以看到多层铁路重叠的场面。再经2364多米长的秦岭大隧道穿过秦岭垭口，即进入嘉陵江流域并到达秦岭站；越过秦岭后线路即用12‰的下坡道沿嘉陵江而下至四川省广元，秦岭至略阳间先后十四次跨过嘉陵江。 3.1隧道的选址38 3.1隧道选址根据地形图和调查资料，通常在多个路线方案中，进行技术经济比较确定一条线。隧道平面位置选择。隧道标高的选择。安全性、用地、建设投资、施工的难易、使用费以及与当地环境和景观相协调等。从克服高寒地区的雪害、多雾地区和事故多发地的管理，以及环境保护等方面，也往往需要考虑设置隧道。洞口附近确保视距和线形。39 3.1.1越岭隧道选址（1）越岭隧道平面位置的选择平面位置选择是指隧道穿越分水岭的不同高程及不同方向的垭口选择，垭口是选定越岭隧道线路方案的控制点。垭口位置的选择一般可利用小比例尺地形图、航空照片、卫星照片等。根据线路的总方向和克服越岭高程的不同要求在较大范围内选线，寻求可供越岭的几个垭口位置的比选。40 垭口选择着重考虑以下因素：优先考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，此时垭口在两侧具备有良好展线的横坡时，一般越岭隧道较短。虽远离线路总方向，但垭口两侧有良好的展线条件；隧道一般选在分水岭垭口两边河谷标高相差不多，并且两边河谷平面位置接近处。工程地质和水文地质条件良好的垭口。经隧道长度、施工难度、运营条件等综合比选多个方案，最后确定最佳方案。41 选择的垭口路线总方向垭口如何选择垭口？42 43成昆线沙木拉打隧道的比选 沙马拉达隧道位于成昆铁路线上，1966年修成，全长6.387km，在这段越岭线路的设计中曾考虑过采用长为14.5km，19.5km和25.75km的瓦吉木、小相岭和阳糯雪山三个长大越岭隧道方案，虽然这能大大改善线路，但就当时的技术水平和成昆线的工期要求而言，要做出修建这类长大隧道的决策是不现实的。因此，最后采用了相对较短、垭口最低，两侧有良好展线条件的沙马拉达隧道方案。44 秦岭隧道平面位置的方案比选20.66km17.28km19.40km19.00km18.4km15.40kmF1F3F4F5F2西安安康线初测阶段秦岭地段45 雅西高速——双螺旋隧道46 47 起初的几条线路，虽然充分地利用了地形，却始终无法避开安宁河大断裂，工程地质条件并不好。为了减少连续纵坡，也为了规避不良地质和自然保护区，公路史上首座双螺旋隧道诞生了。双螺旋隧道最大的妙处就在于，以长度换取高度。48 “两个螺旋”分别是干海子隧道和铁寨子1号隧道。干海子隧道是爬坡时经过的第一个螺旋，进口海拔1889米；第二个螺旋铁寨子1号隧道，出口海拔2220米。两座隧道相距3735米，总长度约11423米。两个隧道都各有两个洞，限速80km/h，开车在拖乌山肚子里绕两圈，不过花了10分钟，就已上升了331米。这条线路虽然从利用地形条件上来说并不算最优，却远离了地质灾害区，从安全性上考虑，是最好的选择。双螺旋隧道采用半径600米的圆曲线，以螺旋展线的方式优化线形指标，完美地解决了线路爬升及避开地质不良地段的难题。49 2017年3月2日第三章隧道线及断面设计隧道工程 （2）越岭隧道标高选择在越岭位置选定后，越岭标高影响展线及越岭隧道方案：一般隧道标高越高，隧道长度越短，相应施工工期也短，但两端展线长度增加，且线路拔起高度大，运营条件差，线路通过能力降低；低标高隧道则与之相反，施工难度增加，施工期较长，运营条件好；在选择越岭隧道标高时，考虑运营条件的改善和通过能力的提高，宜采用低标高方案，但必须进行地形、地质、施工、运营、经济等多种因素综合比较确定最优隧道标高。51 不同标高位置选择52 马鞍山方案越岭隧道长2810m垭口地形陡峻，山梁薄，分水岭两例地面高差较大。选了三个方案：雷神坡方案越岭隧道长3490m凉风垭方案越岭隧道长4270m穿越娄山山脉分水岭的越岭隧道选线实例53 马鞍山方案越岭隧道长2810m马鞍山方案越岭隧道长2810m，隧道短。但洞口位置最高，线路需克服较大高差。因而线路迂回曲折、展线长、隧道群多、大中桥长而高。且离公路远、施工运输困难，运营条件相对较差；54 雷神坡方案越岭隧道长3490m雷神坡方案越岭隧道长3490m，其高程较马鞍山方案为低，线路条件有所改善，但该处为一大断层，地质条件不利；55 凉风垭方案越岭隧道长4270m凉风垭方案越岭隧道是在雷神破方案基础上，进一步压低越岭隧道位置而得到的较好方案，越岭隧道长4270m，拔起高度小、展线短、线路较顺直。该段线路内隧道总长度短，大中桥不多、与公路干扰小，造价最低，且避开不良地质地段，运营条件好。56 3.1.2傍山隧道的选址572017年3月2日 傍山隧道沿河路线58 傍山隧道问题：傍山隧道一般埋藏较浅，地层受风化影响较大，施工中容易破坏山体平衡，造成各种工程病害；山坡亦常有滑坡，松散堆积，泥石流等不良地质现象，地质情况较为复杂。另外，线路受河谷地形限制，隧道经常是沿河的浅埋隧道和隧道群，洞身覆盖里侧厚外侧薄，易产生不对称的偏压状态。当河流湍急，冲刷严重时，对山坡稳定和隧道安全威胁较大等等。59 傍山隧道选址需要考虑哪些问题？应根据地形地质，河流冲刷情况以及洞外的相关工程和运营条件等综合考虑。道路依山傍水60 1、傍山隧道在埋深较浅的地段，一定要注意洞身覆盖厚度问题。为保持山体稳定和避免偏压产生，隧道位置宜往山体内侧靠——宁里勿外。61 2、考虑河岸冲刷对山体和洞身稳定的影响。河道狭窄冲刷严重！62 河岸受冲刷对洞身位置影响示意图63 3、应考虑施工便道设置和既有公路的位置，应注意既有公路边坡的可能坍塌和施工便道对洞身稳定的影响。道路对洞身稳定的影响示意图64 4、线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。“裁弯取直”65 沿河线截弯取直作隧道：运营条件差，桥、隧、挡相连，工程复杂，施工干扰大；沿河线常碰到河道弯曲极大，山体凸出，形成山嘴；线路沿河绕行，线路长而弯曲；取直作长隧道，线路顺直。66 关村坝隧道截弯取直实例67关村坝隧道方案较绕行方案线路缩短10.1公里，减少25个弯道和一处车站，仅有43米长中桥1座和6107米的隧道1座。 采用较多、较长的隧道是今后山区道路发展的趋势68 隧道选址尚应考虑以下原则：逢山穿洞，宁长勿短，早进晚出——避免洞口深挖；宁里勿外，宁深勿浅，避软就硬——避免不良地质；“早进洞、晚出洞”隧道施工中，洞口段围岩一般比较破碎、地质条件较差，应遵循尽量减少对岩体扰动的原则，以提高洞口段岩体和边、仰坡的稳定性。《设计规范》及《施工规范》均作了洞口位置规范性要求，强调“早进洞、晚出洞”，即适当延长洞口和隧道的长度，尽量避免对山体的大挖大刷，提倡零开挖洞口。让隧道洞口周围的植被得到妥善保护，维护原有的生态地貌。69 3.1.3地质条件与隧道位置选择70 地质条件与隧道位置的关系无论是越岭线路或沿河傍山线路，都力求选择在地质构造简单，岩性较好的稳固地层中通过；尽量避免通过断层、崩塌、滑坡、流砂、溶洞、偏压显著、地下水丰富等地质不良地段；当绕避困难时，应尽量采取必要的工程措施。单斜构造与隧道位置的选择褶皱构造与隧道位置的选择断裂构造、接触带与隧道位置的选择其他不良地质段的隧道位置选择地质条件与隧道位置的选择71 在单斜构造的地区，岩层面间，有的是紧密贴附的，有的是出现裂缝又为一些细碎物质所填充（泥化、软化、破碎薄夹层）。层间接触面比之岩层实体总是较为薄弱的，称之为软弱结构面。单斜构造地质必须事先把岩层的构造和倾角大小调查清楚，一定要尽可能避开软弱结构面。(一)单斜构造与隧道位置的选择72 1．水平或缓倾角岩层当隧道通过坚硬的厚层岩层时，较为稳定。若通过很薄的岩层，则施工时顶部易产生掉块现象。经常会软硬不一73此时，以不透水的坚硬岩层作顶板为最好。 陡倾角岩层一般有偏压和不均匀压力存在，当有软弱夹层伴以有害节理切割时，易产生坍方和顺层滑坡。2．陡倾角岩层当隧道中线可能沿两种不同岩性的岩层走向通过时，应避免将隧道置于两种不同的岩层软弱构造(破碎)带，如图a(B)所示；而宜将隧道置于岩性较好的单一岩层中，如图a(A)．74 隧道通过直立岩层时，其中线宜垂直于岩层的走向穿过，仍应避开不同岩层接触带。当层状岩层较薄，并有软弱夹层，伴有微量地下水活动时，亦可产生不对称压力，在隧道开挖过程中，易产生坍塌，甚至会导致大的坍力，致使地面形成“天窗”。3．直立岩层75 在褶曲构造的地区，在施工时，极易发生掉块或坍方，对工程产生不利影响。当隧道通过褶皱构造时，应尽量避免将隧道置于背斜或向斜的轴部。如图(a)、(c)，而应将隧道置于翼部，如图(b)，则隧道所处的地质条件类似单斜构造。此外，地下水积聚凹底，也将增加施工的困难。隧道穿过褶曲构造时，选在背斜中要比在向斜中有利。(二)褶皱构造与隧道位置的选择76 选择隧道位置切忌沿着断层带或破碎带修建隧道。断裂构造及不同岩层的接触带，其裂隙发育，地下水量也较大，断裂构造地层压力变化较大，衬砌结构亦难处置；开挖隧道易坍塌，给施工带来困难。应避开严重破碎带，并使断层地段最短。(三)断裂构造、接触带与隧道位置的选择77 其他不良地质还有哪些？滑坡（四）其他不良地质段的隧道位置选择78 流沙地层79 软弱地层80 溶洞81 不良地质系指滑坡、错落、崩塌、岩堆、危岩、落石、岩溶、陷穴、泥石流、流砂、断层、涌水及第四纪堆积层等不良地段。如线路难以绕避或绕避而有损于线路的总体性时，在技术经济合理的条件下，亦可因地制宜地采取相应工程措施通过。隧道通过上述地区时的危害情况及隧道位置选择中应注意的事项分述如下:不良地质段的隧道位置选择82 1、滑坡地区沿某一软弱面有整体下滑的趋势。隧道通过时，将会受到土体推力，会把结构物挤压破坏，或是剪切断开。如果对滑坡面的位置已经了解清楚，可以把隧道置于滑坡面以下的稳定岩体中。83 2、崩塌地区山坡陡峻的地段，山体裂隙受风化而崩解，成块地从斜坡翻滚坠落。宝成线略阳至广元段132km，自1958年通车至1981年水害前，先后接长或增建明洞70座（处），计6km，80%以上皆因危岩、落石所致。1981年水害后，因危岩、落石又增加明、棚洞31座（处），计6.49km，尚不包括因支顶危岩及坡面防护平均每1m路基所费圬工16m3（已近于隧道每米衬砌圬工量），这足以说明防治危岩、落石的重要性。84 3、岩堆地区岩石经过风化作用，分解和剥离成为大小不一的块体，从山坡上方滚下，宜把隧道位置放在岩堆以下的稳定岩体之中。85 4、泥石流地区首先应判明泥石流的成因、规模、发展趋势，以决定隧道方案的可行性。充分考虑如下因素对隧道产生的最不利影响：预计河床最大下切及侵蚀基准面对隧道影响；泥石流可能的改道和变迁对洞身的影响；充分预计隧道防排水的处理难度；施工爆破可能带来的危害。86 87 5、溶洞地区当隧道通过岩溶地区时，应力求避免穿越岩溶严重发育的网状洞穴区。6、瓦斯地区7、黄土地区8、地下水9、地温88 3.2隧道洞口位置的选择隧道的进出口是隧道建筑物唯一的暴露部分，也是整个隧道的薄弱环节。由于洞口处地质条件差，多为严重风化的堆积体；覆盖层厚度较薄，若地形倾斜又易造成浅埋侧压；还受地表水的冲刷，加上隧道一旦开挖，山体受扰动等因素，容易造成山体失稳，产生滑动和坍塌。洞口位置选择好坏，将直接影响隧道施工、造价、工期和运营安全。89 洞口位置选择的一般原则和要求十点：（1）洞口部分在地质上通常是不稳定的。一般应设在山体稳定，地质条件好，排水有利的地方。隧道宜长不宜短，应“早进洞，晚出洞”，尽量避免大挖大刷，破坏山体稳定。（2）洞口不宜设在沟谷低洼处和汇水沟处，宜将洞口移到沟谷地质条件较好的一侧（图3-2-1中的B线）——不要与水争路。90选择时要结合洞口的地形，地质条件、施工、运营条件以及洞口的相关工程（桥涵、通风设施等）综合考虑，避免采用单纯的经济观点来选定隧道洞口。 （3）当洞口处为悬崖陡壁时，根据地质情况采用贴壁或采用接长明洞的办法，将洞口堆到坍方范围以外3~5m处。91 （4）洞口地形平缓时，一般也应早进洞晚出洞。这时洞口位置选择余地较大，应结合洞外路堑、填方、弃渣场地、工期等具体确定。需要时可接长明洞，以确保施工和运营安全。92（5）考虑洞口边仰坡不致开挖过高和洞口段衬砌结构受力，洞口位置宜与地形等高线大体上正交，使隧道正面进入山体（图3-2-4），洞门结构物不致受到偏侧压力；特别是在土质松软、岩层破碎、构造不利的傍山隧道，更应注意。 （6）长大隧道在洞门附近应考虑施工场地、弃渣场以及便道等的位置。（7）洞口附近有居民点时，考虑提前进洞，尽可能减少附近地上构筑物，地下埋设物与隧道的相互影响，及减少对环境（农业、交通、居民生活）的影响。（8）洞口路肩应高出设计洪水位（包括浪高）以上0.5m，以免洪水浸入隧道。93 （9）考虑通风设备排出的废气和噪声对周围环境的影响程度和解决办法。（10）考虑设置防雪工程、防风工程和防路面冻害工程的必要性。总之，选定隧道洞口位置时，首先要按照地质条件控制边坡和仰坡的高度和坡面长度，其次是避开不良地质区域和排水影响，最后才从经济方面进行比较。94 隧道具体位置选择的影响因素有哪些？越岭隧道与河谷隧道有何区别？它们在位置的选择上各采取什么原则？地质条件对隧道位置选择有哪些影响？隧道洞口位置的选择应遵循哪些原则？确定洞口位置考虑哪些因素？隧道长度的定义。重点、难点内容 2017年3月7日第三章隧道线及断面设计隧道工程 3.3隧道的几何设计973.3.1隧道的平面设计3.3.2隧道纵断面设计3.3.3隧道横断面设计 隧道由主体建筑物和附属建筑物两部分组成。主体建筑物包括洞门和洞身衬砌，以及需要在洞口地段接长的明洞。附属建筑物包括通风、照明、防排水、安全设备、电力、通信设备等。98 主体建筑物是从几何和结构两方面进行研究的。隧道的结构方面：用最小的投资，尽可能少的外来材料以及合理的养护力量，使它们能在围岩压力和汽车行驶所产生的各种力的作用下，在设计年限内保持使用质量。隧道的几何设计：主要是汽车行驶与隧道各个几何元素的关系，常把隧道中心线解剖为隧道的平面，纵断面及净空断面来分别研究。99 3.3.1隧道的平面设计隧道平面是指隧道中心线在水平面上的投影。平面设计的任务：决定隧道的平面位置，选定洞口位置。隧道是线路的一个组成部分，与公路一样，线形至少满足《公路工程技术标准》规定。同时应适当提高线形标准，因隧道内运营和养护条件明显比洞外差。100 1.铁路隧道隧道内的线路最好采用直线。应尽可能采用短曲线，或是半径较大的曲线。在曲线两端应设缓和曲线时，最好不使洞口恰恰落在缓和曲线上，应尽可能将缓和曲线设在洞外一个适当距离以外。圆曲线的长度也不应短于一节车厢的长度。在一座隧道内最好不设一个以上的曲线。尤其是不宜设置反向曲线或复合曲线。如果列车同时跨在两个曲线上两曲线间应有足够长的夹直线，一般是要求在三倍车辆长度以上。101 2.公路隧道原则上采用直线，避免曲线，若必须设置时，宜大于不设超高的平曲线半径，并应满足停车视距的要求。隧道平面线形应考虑行驶安全，在洞口不应使用小半径的引线与隧道衔接。隧道内尽量避免设反曲线。102 103公路停车视距与会车视距公路等级高速公路、一级公路二、三、四级公路设计速度（km/h)12010080608060403020停车视距（m)2101601107511075403020会车视距（m)220150806040会车视距通常取停车视距的两倍隧道线形应满足视距要求。隧道的行车视距与会车视距应符合《公路工程技术标准》JTGB01-2014。 隧道内不设超高的圆曲线最小半径(m)设计速度(km/h)路拱1201008060403020≤2.0%5500400025001500600350150＞2.0%7500525033501900800450200104当由于特殊条件限制隧道平面线形设计为需设超高的曲线时，其超高值不得大于4%，技术指标应符合《公路路线设计规范》（JTGD20—2006）的有关规定。 隧道及前后引线组成的路段应该做到线形平顺、行车安全舒适，并与环境景观协调一致。如果长大隧道需要利用竖井、斜井通风时，在设线时应同时考虑便于设置。*对高等级道路，往往是分向行驶，而单向行驶的长隧道，如果在出口一侧放入大半径曲线，面向驾驶者的出口墙壁反光亮度是逐渐增加的。尤其是当出口处阳光可以直接射入，以及洞门面向大海等亮度高的场合，有利于驾驶者的“亮适应”。105 3.3.2隧道纵断面设计什么是隧道纵断面?沿隧道中心线展开的垂直面上的投影。隧道纵断面设计的主要内容:包括选定隧道内线路的坡道型式、坡度大小、坡段长度和坡段间的衔接等。106 （一）隧道的坡道形式：单向坡：洞内只有一个朝向的坡度双向坡：洞内有两个朝向的坡度一般宜采用单向坡；地下水发育的长隧道、特长隧道可采用双向坡。山岭隧道一般是指中间高两端洞口低，呈“人”字型，所以也称之为“人字坡”。只有在跨越江河海湾的水下隧道时才会采用倒坡，即中间低两端洞口高的形式。1071、铁路隧道 控制隧道纵坡大小的主要因素通风排水出渣越岭高程108抬高高程与翻越分水岭利用自然气压通风利用水的重度自由排水轻车上坡，重车下坡 单面坡与人字坡的优缺点：单面坡：优点：可以争取高程、有利于自然通风、低位洞口出渣、排水有利；缺点：高位洞口段的施工困难，特别是地下水丰富地区；运渣时，空车上坡重车下坡，运输效率低。适用于：紧坡地段，即需要在较短的距离内拔高较大的高程。人字坡优点：与山坡的自然坡型一致，隧道两端都是往上坡施工，因而对掘进、排水都有利；空车上坡，重车下坡，运输率高。缺点：施工废弃自然聚集于工作面上，不利用通风，运营时，废弃也会聚集在坡顶；适用于：不需要争取高程的越岭隧道。 （二）坡度大小：1、排水问题隧道内纵断面线形设置应考虑行车安全性、营运通风规模、施工作业效率和排水要求，以不妨碍排水的缓坡为宜。隧道纵坡不应小于0.3％，一般情况不应大于3％，且以控制在2％以下为好；受地形等条件限制限时，高速公路、一级公路的中、短隧道可适当加大，但不宜大于4％；当隧道较长时，应小于2.5%。短于l00m的隧道纵坡可以与该公路隧道外的路线指标相同。110 （二）坡度大小：2、通风问题对于单向通行的隧道，设计成单坡（下坡）对通风是有利的，但坡度不要大于3％，否则高位洞口的施工会有困难。对采取自然通风方式的隧道，坡度可尽量采用上限值，但也不能大于3％。采用人字坡的隧道，施工时隧道两端的出渣与排水都有利，但通风较差，要特别注意坡度不要太大，一般将坡度控制在1％以下为宜。 （四）坡段联接：隧道不宜把坡段定得太长；隧道内的线路坡段也不宜太短；坡段长度最好不小于列车的长度。考虑到长远的发展，坡段长度最好不小于远期到发线的长度。两个相邻坡段坡度的代数差值不宜太大；在设计坡度时，坡间的代数差要有一定的限制。从安全的观点出发，两坡段间的代数差不应大于重车方向的限坡值。否则，就需要在两个坡段之间插入一段缓和坡段。（三）坡段长度： （一）坡道形式：人字坡、单面坡（二）控制隧道纵坡大小的主要因素通风问题排水问题1132、公路隧道 （三）纵坡坡度大小及其影响：隧道纵坡坡段范围：0.3%~3%；纵坡坡度与通风的关系，要求1%以下，若大于2%，排量迅速增加；与排水的关系，纵坡越大，水流越快；纵坡坡度与施工运营的关系，采用大竖曲线半径和竖曲线长度；综合通风和排水考虑，纵坡为不妨碍排水的缓坡为宜。114 隧道横断面形式115马蹄形3.3.3隧道横断面设计 116圆形拱形双连拱 117矩形单跨双层单层多跨 （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界限基本建筑限界机车车辆限界118一、铁路隧道3.3.3隧道横断面设计 1.机车车辆限界机车车辆最外轮廓的限界尺寸。119 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。4.直线隧道净空“直线隧道净空”要比“隧道建筑界限”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。120 (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（图3-4-15），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）。（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侧移动了一个距离d内2。如（图3-4-16）121 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122 二、公路隧道 124 什么是隧道建筑限界？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。125在设计中，应充分研究各种车道与公路设施之间所处的空间关系，任何部件（包括隧道本身的通风、照明、安全、监控及内装附属设施）均不得侵入隧道建筑限界之内。 隧道建筑限界由行车宽度W、侧向宽度L、人行道R或检修道J等组成，当设计人行道时，含余宽C，H为建筑限界高度；h为检修道或人行道的高度。126 什么是隧道净空？公路隧道的净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。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。127 128 公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度要求129 高速公路、一级公路隧道左右侧侧向宽度为何不一致？隧道内一般有2％的横坡，右侧向宽度较左侧向宽度大一点，两个车道实际行车的空间感更接近。 同时符合以下规定：高速公路、一级公路、二级公路的建筑界限高度取5.0m；三、四级公路取4.5m。当设置检修道或人行道时，不设余宽；当不设置检修道或人行道时，应设不小于25cm的余宽。隧道路面横坡，当隧道为单向交通时，应取单面坡；当隧道为双向交通时，可取双面坡。坡度应根据隧道长度，平、纵线形等因素综合分析确定，一般可采用1.5%~2.0%。当路面采用单面坡时，建筑界限底边与路面重合；当采用双面坡时，建筑界限底边应水平置于路面最高处。131 各级公路行车道的宽度，均按“限界”的规定设置，隧道内的车道宽度原则上应与前后道路一致，一般应避免产生“瓶颈”，并在车道两侧设置足够富余量。在每个车行隧管中，原则上规定采用对向交通的最小单位为2车道。如果交通量超过对向2车道的容量，则应设置两条各为单向交通的2车道，即合计4车道的隧道。从交通安全上考虑，不应设置对向交通的3车道隧道。（1）车行隧道132 大于4车道时，原则上仍应建成2车道隧道，隧道个数可以增加为3条或4条。一般单车道隧道是很少见的。在不得已非修建单车道不可时，单车道隧道，为保证错车和安全运输，长隧道时，应设置错车道、回车道，以供错车和调头；短隧道在进口能观察到出口引线时，洞内可不设错车道，但应在洞口外两端设错车道。最好能在两端设置自动交通信号灯。133 超过2km的长、特长隧道应在行车方向的右侧间隔150~750m设置紧急停车带。超过10km的特长隧道，还应设置可供大型车辆使用的U形回车场。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。134 设置路缘带的目的：设置余宽的目的：①诱导驾驶员视线，增加行车安全；②为行车道提供一部分必需的侧向净宽，保证行车道的充分使用，其下部空间还常用来安装管道、缆线等。①作为防止汽车驶出车道外的防冲设施；②养护工维修时的通道。135路缘带、余宽或人行道(检修道) 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。为消除墙效应，保证一定车速的安全通行，应于行车道两侧设置一定宽度的路缘带、余宽或人行道，以满足侧向净空的需要。136 检修道或人行道宜双侧设置；检修道或人行道的宽度按规定选取。检修道宽度0.75m，人行道宽度不小于0.75m，高度可按20～80cm取值，并综合考虑以下因素：⑴紧急情况时，驾乘人员拿取消防设备方便；⑵满足其下放置电缆、给水管等的空间尺寸要求。⑶检修人员步行时的安全；137 （2）车行道的净高车行道的净高，通常由汽车载货限制高度和富余量决定。另外，由于隧道内的路面全部更换很难，一般应估计到将来可能进行罩面，其厚度通常按20cm预留。（罩面指的是为改善沥青路面的使用质量，提高路面的防水、抗滑能力和平整度，在原有沥青路面上加铺的细石薄沥青面层）138 还应估计冬季积雪等可能减少净高。对不能满足净高要求的路段，应设标志牌，标明该处净高，并指明迂回道路。人行道、自行车道及自行车人行道的净高为2.5m。隧道的内轮廓线在施工中不可避免的要产生凸凹不平，一般还应考虑5cm的误差。重要的长大隧道和高速公路隧道内的许多设施都是悬吊在路面上方的，像信号灯、标志牌、通风机、照明器材、防灾设备（如火灾传感器、烟雾透过滤计）、闭路电视监视器等，也要占有空间。作为设计者，要考虑各种设施的悬挂高度的富裕量。139 隧道的净空断面受通风方式影响很大。自然通风的隧道，断面应适当大些。假如采用射流通风机进行纵向通风时，应考虑射流通风机本身的直径、悬吊架的高度和富余量，总计约为1.5m的高度。在平顶以上设置通风管道时，应保证顶板的厚度，还应考虑到顶板的挠度以及富裕量。140 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。（3）隧道宽度141因此公路隧道设计规范规定：高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的独立双洞。 分离式独立双洞的最小净距，按对两洞结构彼此不产生有害影响的原则，结合隧道平面线形、围岩地质条件、断面形状和尺寸、施工方法等因素确定，按下表取值。142分离式独立双洞的最小净距从理论上说，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，或者说其中间岩柱具有足够的强度和稳定性，不致危及相邻隧道的施工及结构的安全，保证车辆安全运营。但由于影响两相邻隧道间距的因素很多，而这些因素的影响也难以定量，因此还需根据经验通过工程类比分析确定。 按分离式双洞考虑的隧道净距，除直接与围岩级别有关外，还间接与隧道长度有关。分离式双洞断面积比单洞断面积大，洞口展线长，但有利于运营通风与防灾，也有利于隧道施工。143 分离式独立双洞的距离也不是越大越好，只有在地形非常狭窄时不得不在大范围采用分离式路基，甚至需要选择在不同路径各行其路，一般尽量使隧道之间的间距，保持在“标准范围”之内为好。双线隧道的路面大体上应保持在同一标高上，横通道的纵坡以小于2％为宜，否则载重车的排烟量会很多，这对于发生交通事故需要疏散车辆来说不利较多。如果地形条件相当困难，隧道长度比较短时，为了保护植被免遭破坏，可选用连拱隧道。说明：144 小净距隧道145 连拱隧道146 长隧道与短隧道群方案的比较双线单隧道和单线两隧道的比较3.5隧道几种方案比较147 短隧道群方案的优、缺点长隧道方案的优、缺点长隧道与短隧道群方案的比较148 1、短隧道群方案的优点①一般说来，短隧道是比较容易施工的。有时可以只用简单的设备就可以进行施工，技术上困难也不多；②一群短隧道并不相连，这一座与那一座之间留有长短不等的明线部分。这样，它们各自有自己的出口和入口，可以开辟较多的工作面，容纳较多的人同时工作，施工进度较快；④运营成本低，车上旅客长时间处于地下的不舒服感觉可以减轻。③建成后，由于隧道短，多半可以只靠自然通风，不必另配机械通风系统；149 2、短隧道群方案的缺点①河谷边坡的地质多是比较复杂的，尤其是地表覆盖层更是风化地带，岩体松散破碎，节理切割严重。短隧道在此通过，坑道多不稳定，围岩压力很大，开挖时易致坍方；②隧道外侧覆土太薄，形成偏侧压力，使隧道的支护结构处于不利的受力状态中。若是岩体的，层理是向外下倾的，更易发生剪切破坏，对隧道的稳定形成威胁；③多个隧道相距不远，有时前一座隧道的出口，隔不了多远就是另一座隧道的进口，施工时互相干扰，洞口场地也不好布置；④多条隧道要多建许多洞门建筑物，在工程造价上不经济。150 3、长隧道方案的优点①它将位于岩体深处坚固稳定的地层中，围岩压力小，坑道稳定，无偏压受力的情况；②支护可以简单，施工比较安全；③工程单一，施工不受干扰；④洞门建筑物只有两个，比多座短隧道为少。151 4、长隧道方案的缺点隧道长，技术上要复杂一些，工程造价可能要贵一些。多年实践指出，线路还是倾向于向里靠一些，宁愿隧道长一些，但只是一座为好。虽然各个隧道的条件不同，不能把它绝对化，但是这一倾向是经过许多教训而凝成的。152 成昆线大火夹至柳田坝段，沿大渡河峡谷而行，地形陡峻，并有断续的悬岩峭壁，原拟短隧道群通过，则线路挂在岩边，上有落石，下有冲刷，上下均有病害隐息，桥隧相连，在1km多范围内有隧道7座，计0.77km，大桥2座，小桥8座，挡墙5处，洞门多，工程类别复杂，施工便道与正线工程干扰，危岩落石难以处理，运营安全不易保证。经慎重较后采用线路内移方案，避开了不良地质地段。内移后的线路有隧道2座，计1.297km，小桥涵4座，挡墙1处，线路顺直，施工干扰小，运营安全。实例153 双线单隧道：优、缺点单线两隧道：优、缺点双线单隧道和单线两隧道的比较154 1．双线单隧道的优点①一座双线隧道所需的地位宽度比两座单线隧道的地位宽度要小，选线时易于安排布置；②一座双线隧道的开挖面面积比两座单线隧道的开挖总面积为小。也就是工程量要小，而施工的相互干扰也少些；③双线隧道的净空较大，坑道宽敞，有条件使用大型机械施工；④双线隧道的通风条件好，维修养护都较方便。⑤双线隧道的阻塞比小，在满足洞内会车最不利前提下，可有效提高乘车舒适度。⑥高速铁路空气动力学影响较小155 ①双线隧道断面跨度大，所受围岩压力也就大。因此需要更为有力的支护结构；②隧道施工时，因为压力大，临时支护困难，发生坍方事故的威胁较大；③双线隧道的一次工程投资比两座单线隧道先后修建的初期投资大，如高铁等一次修建总投资小。④双线隧道断面积大，不能充分利用列车活塞风。2．双线单隧道的缺点⑤防灾救援难度大156 ①断面小，压力小，坑道的稳定性好，施工容易，支护简单而且安全；②对于近期尚不准备修第二线的新建隧道来说，可以先修第一线的单线隧道，预留第二线，待需要时才修。如此则初期一次投资较少；3．单线两隧道的优点③若第一线隧道施工时采用了平行导坑，则平导即可作为第二线隧道的前进导坑。④对于长大隧道来说，两隧道对防灾救援有利。⑤单线隧道断面积小，能充分利用列车活塞风。157 ①两座单线隧道必须横向相隔一定的安全距离，才能保证两隧道间的围岩土柱有足够的支承能力，以避免在修筑第二线隧道的施工中，对第一线隧道有影响；②两座单线隧道无论是同时施工还是先后施工，施工时总会有些相互干扰。尤其是在修第二线隧道时，多半是在已成第一线不间断行车的条件下进行的，这就增加了施工的困难。4．单线两隧道的缺点158 在松软地层、不良地质或黄土地区修建隧道时，跨度大小对隧道工程的影响较其它地区更为显著，往往修建两座单线隧道较修建一座双线隧道较易于保证施工质量和施工安全，且工程费用所增亦不多。应当指出，近年来修建大跨度隧道已经不是什么困难的问题了。在一次修建复线的新建铁路上，多半倾向于修建一座双线隧道，对于长度不大，地质较好的隧道，一次修筑双线隧道也是适当的。当复线本身相距一个相当的横向距离时，当然要各自修建单线隧道。但要保证两座隧道之间有足够的安全距离。双线单隧道和单线两隧道的比较159