隧道工程第四章隧道结构构造

2017年03月14日第四章隧道结构构造隧道工程 学习本章的要求：了解公路隧道的洞身结构、洞门结构、明洞结构掌握防排水设施的构造原理；衬砌构造洞门与明洞隧道附属建筑物 隧道结构构造主体构造物附属构造物洞身衬砌洞门构造物洞身衬砌的平、纵、横断面的形状由道路隧道的几何设计确定衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌内力计算决定根据岩体的稳定性、通风方式、照明状况、地形地貌及环境条件来确定通风照明排水、消防、通讯等 第一节衬砌构造一、隧道衬砌的概述二、整体式模筑混凝土衬砌（单层衬砌）三、装配式衬砌四、锚喷式衬砌五、复合式衬砌 （一）衬砌概念为了保证施工的安全、加固岩体和阻止围岩的变形、坍塌而设置的临时支护措施，常用支护形式有木支撑、型钢支撑、格栅支撑、锚喷支护等为了保证隧道使用的净空和结构的安全而设置的永久性衬砌结构。在实际中，衬砌主要指能作为永久支护的结构。（衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。）衬砌一次支护二次支护（初期支护）（二次衬砌）（永久支护）一、隧道衬砌的概述 （二）衬砌材料1、混凝土2、片石混凝土3、钢筋混凝土4、石料和混凝土预制块5、喷射混凝土6、锚杆和钢架7、装配式材料应具有足够的强度、耐久性、抗渗性、耐腐蚀性和抗冻性等。从经济角度考虑，还应满足就地取材，降低造价，施工方便及易于机械化施工等。 二、整体式模筑混凝土衬砌（单层传统衬砌）整体式模筑混凝土衬砌，是在坑道内树立模板、拱架，然后浇灌混凝土而成，其工艺流程为：立模—灌筑—养护—拆模。整体式模筑混凝土衬砌是传统衬砌结构形式，采用传统矿山法施工的隧道，广泛使用整体式衬砌，不考虑围岩的承载作用，主要通过衬砌的结构刚度抵御地层的变形，承受围岩的压力，应用传统松弛荷载理论设计。整体式模筑混凝土衬砌主要是通过调整断面形状和衬砌厚度来适应不同的地质条件，即适应不同的围岩级别和围岩压力分布情况，因而，单层衬砌的形状和厚度变化较多。 （一）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围岩压力较小的情况，主要适用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围岩。适用条件 曲墙式衬砌适用于地质条件比较差，岩体松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水平压力也相当大的情况。主要适用于Ⅳ级及以上的围岩或Ⅲ级围岩双线。多线隧道也采用曲墙有仰拱的衬砌。（二）曲墙式衬砌适用条件 特点：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、钢模板或衬砌模板台车等；适用：技术成熟，适应多种围岩条件。在隧道洞口段、浅埋段及围岩条件很差的软弱围岩中采用整体式衬砌较为稳妥可靠。 装配式衬砌是将衬砌分解为若干块构件（也称管片），这些构件在现场或工厂预制，然后运到现场安装。适用条件：地质条件较好，围岩稳定，地下水很少，有场地，施工单位又有制造、运输和拼装衬砌的设备，并控制开挖和拼装工艺有一定的经验时，可采用拼装衬砌。三、装配式衬砌 装配式衬砌的优点（1）一经装配成环，不需养护时间，即可承受围岩压力；（2）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；（3）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；（4）拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，还有可能降低造价；（1）拼装衬砌的整体性较差，受力状态不太好，尤其是接缝缝多，防水性能较差，必须单独加设有效的防水层，在富水地层中应用时需要有较多的支持措施。（2）要求一定的机械化设备，施工工艺复杂。装配式衬砌的缺点 四、锚喷式衬砌锚喷式衬砌是指锚喷结构既作为隧道临时支护，又作为隧道永久结构的形式。 （1）喷射混凝土作用：封闭岩面、防止风化松动、填充坑凹及裂隙、维护和提高围岩的整体性、帮助围岩发挥自身的结构作用、调整围岩应力分布、防止应力集中、控制围岩变形、防止掉块、防止坍塌。喷层厚度一般5～30cm，施工时一般要求分几次喷射。具有不需模板、施作速度快、早期强度高、密实度好、与围岩紧密粘结、不留空隙的突出优点。锚喷式衬砌构造喷射混凝土是以压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土拌和料与水汇合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成的。 （2）锚杆锚杆是一种锚固在岩体内部的杆状体，是喷锚支护的主要组成部分。它通过锚入岩体内部的钢筋，与岩体融为一体，达到提高围岩的力学性能，改善围岩的受力状态，实现加固围岩、维护围岩稳定的目的。锚杆支护不仅对硬质围岩，而且对软质围岩也能起到良好的支护效果。 锚杆类型机械型：通过锚杆杆体或杆端锚头的膨胀将锚杆嵌固在围岩中粘结型：利用灌浆将锚杆杆体或杆端端部固定在岩体内。 锚杆加固的作用原理？利用锚杆的悬吊作用、组合拱作用、减跨作用、挤压加固作用，将围岩中的节理、裂隙串成一体，提高围岩的整体性，改善围岩的力学性能，从而发挥围岩的自承能力。 ①悬吊作用：将不稳定岩层悬吊在坚固岩层上，阻止围岩移动滑落。 ②减跨作用：在隧道顶板岩层中打入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度减小，从而使顶板岩体应力减小。 ③组合梁作用：在岩层中打入锚杆，将若干薄弱岩层锚固在一起，类似将叠合的板梁变成组合梁，提高岩层的承载力。 ④整体加固作用：锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成圆锥形压缩区，按照一定间距排列的锚杆在锚固力作用下构成承载环。 锚杆的布置局部布置系统布置它主要用在裂隙围岩。重点加固不稳定块体，隧道拱顶受拉破坏区为重点加固区域。在破碎和软弱围岩中，一般采用系统布置的锚杆，对围岩起到整个加固作用。 以下这个实验给著名岩石力学专家E.Hoek以很深的印象，看似简单的东西却能起到很好的效果，值得我们去学习和借鉴！a-岩石平均粒径；s-锚杆间距；L-锚杆长度；下面标示的与两个区域分别是被锚固力压缩的区域和没有被锚杆垫片支护到的区域； 用来装岩块的架子 带垫片的小锚杆模拟碎裂岩体用的小岩块 安装底板安装锚杆 安装完成铺上准备好的碎石 “机械压实”“锚固”使锚杆头部垫片与底板保持紧密 撤去底板 （3）锚喷式衬砌组成形式锚杆支护喷射混凝土支护喷射混凝土+锚杆联合支护喷射混凝土+钢筋网联合支护喷射混凝土+锚杆+钢筋网联合支护喷射钢纤维混凝土支护喷射钢纤维混凝土+锚杆联合支护上述几种类型加设型钢支撑（或格栅支撑）的联合支护等等 复合式衬砌不同于单层厚壁的模筑混凝土衬砌，它把衬砌分成两层或两层以上，可以是同一种形式、方法和材料施作的，也可以是不同型式、方法、时间和材料施作的。外衬主要是以喷射混凝土和锚杆为基本组合形式的一系列现代隧道支护。内衬则有多种材料和构造形式，但以就地模筑混凝土为主。按现代围岩承载理论设计和施作。五、复合式衬砌 1、复合衬砌的构造砂浆锚杆格栅钢架网喷混凝土厚20cm复合防水卷材预留变形量10cm40cm厚防水混凝土 ①喷锚支护与混凝土衬砌；②喷锚支护与喷射混凝土衬砌；③可缩性钢拱架（或格栅钢构拱架）喷射混凝土与混凝土衬砌；④装配式衬砌与混凝土衬砌。“初期支护”和“后期支护（二次衬砌）”“外层衬砌”和“内层衬砌”复合衬砌按内、外衬的组合情况可分为： 复合衬砌主要是通过调整断面形状和初期支护参数来适应地质条件变化，即适应不同的围岩级别以及围岩松弛范围和松弛程度变化，因而，复合衬砌中的初期支护参数变化幅度较大（如外衬为锚喷衬砌的厚度多在5～20cm之间），而内层衬砌厚度变化不大（如公路隧道多数在30-40cm之间）。内层衬砌一般均为等厚截面，只将两侧边墙下部稍作加厚，以降低基底应力。为防止地下水流入或渗入隧道，可以在内外层衬砌之间设防水层，其材料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。 2、复合式衬砌的支护机理①外衬（初期支护）：②内衬（二次衬砌）：允许大的约束变形，允许出现少量裂缝，吸收变形压力，稳定洞壁，与围岩共同形成支护体系。与外衬围岩共同承受围岩残余变形产生的压力，共同承受外部条件恶化产生的压力（作为整个结构的安全储备）。 3、复合衬砌的特点①复合衬砌是将整个人工支护结构分解为“初期支护”和“内层衬砌”两大部分，各部分分别起到不同的作用，分别参与并与围岩共同工作，各有侧重。②复合衬砌结构形式既能充分调动并利用围岩自我承载稳定的能力，又可以充分发挥支护结构的承载能力和支护材料的力学性能，结构稳定。③复合衬砌比较符合隧道——地下工程结构体系的力学变化过程，尤其是能按受力和变形的规律，调整各项参数，适合多种地质条件。 ④复合衬砌的极限承载能力比同等厚度的单层衬砌的极限承载能力可以提高20%-30%。而且，如果调整好内层衬砌的施作时间，还可以改善结构的受力条件。⑥但是，复合衬砌尤其是初期支护的施工工艺特别复杂，要从概念上理解其作用比较困难，从技术上掌握其设置准则也比较困难，不像单层衬砌那样简单直观，容易理解。⑤与传统的模筑混凝土单层衬砌相比，能节约工程投资约5％~10%。 适用条件：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；在严重的冻害地区中时。 第二节隧道洞门与明洞 1、洞门的概念及作用洞门的概念：洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构。洞门的主要作用：保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定；减少洞口土石方开挖量，起到挡土墙的作用。引离地面流水，把流水引入侧沟排走，保证了洞口的正常干燥状态。装饰洞口，修建洞门也可以算是一种装饰。一、概述 洞口地段是隧道的咽喉，该地段地形地质均对隧道施工不利。其特点为：洞口地段地层一般较破碎，多属堆积、坡积、严重风化或节理裂隙发育的松软岩层，稳定性较差；洞口附近山体覆盖层较薄，一旦塌方可能塌穿到地表面；若隧道处于沟谷一侧或傍山时，通常会产生侧向压力。2、洞门与洞口段2~3m1~2D 1、环框型二、洞口类型适用于：洞口仰坡极为稳固，岩层坚硬，节理不发育，不易风化（Ⅰ~Ⅱ级围岩），且地形陡峻无排水要求 2、端墙式洞门适用：地形开阔、石质较稳定，端墙起到挡土墙的作用，主要抵抗山体纵向推力及支持洞口正面上的仰坡，保持其稳定。 翼墙式洞门俗称八字式洞门。适用于地质较差的IV级以下围岩，山体纵向推力较大时，以及需要开挖较深路堑的地方。3、翼墙式 4、台阶式洞门亦称偏压隧道门 5、消竹式洞门两侧边墙与翼墙一样能起到保护路堑边坡的作用，洞门四周恢复自然植被原状，或重新栽植根系发达的树木等，以使仰、边坡稳定。如果具备条件在引道两旁边沟外侧可以栽植乔木，形成林荫道，对洞外减光十分有益。倾斜的洞门还有利于向洞内散射自然光，增加入口段的亮度。与环框式非常相似，但洞门坡面较平缓，一般应与自然地形坡度相一致。 6、遮光式洞门 7、其它形式 第三节附属建筑物附属建筑物通风建筑物防排水建筑物安全避让设备电力和通讯设施照明设施公用设施消防设施等应急救援设施监控设施 一、防排水建筑物对地表水、地下水应采取妥善的处理，使洞内外形成一个完整、畅通的防排水系统。隧道防排水要求一般公路隧道应做到：拱部不滴水、边墙不淌水。路面不冒水、不积水、设备箱洞处不渗水。冻害地区隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结。 隧道防排水应视水文地质条件因地制宜地采取“”的综合治理原则，达到排水通畅、防水可靠、经济合理、不留后患的目的。隧道防排水设计原则以排为主，防、排、截、堵相结合 （一）防水措施防：它是指衬砌防水，即防止地下水从衬砌背后渗入隧道内。(1)防水混凝土结构：厚度不应小于30cm，抗渗等级不得低于P8，裂缝宽度不得大于0.2mm，并不得贯通；当为钢筋混凝土时，迎水面主筋保护层厚度不应小于5cm；结构施工缝和变形缝都应有防水设施。 (2)防水层：粘贴式防水层喷涂式防水层粘贴在衬砌的外表面：粘贴在初期支护与二次模筑衬砌之间沥青油毡（或麻布）软聚氯乙烯薄膜聚异丁烯片聚乙烯片喷水泥砂浆防水砂浆抹面"881”涂脱防水胶阳离子乳化沥青—内贴式防水层粘贴在内表面 （二）排水措施“排”：利用盲沟、泄水管、渡槽、中心排水沟或排水侧沟等排水设备，将水排出洞外。隧道排水设计一般考虑：1）隧道内纵向应设排水沟，横向应设排水坡。2）遇围岩地下水出露处所，宜在衬砌背后设竖向盲沟或排水管（槽）、集水钻孔等予以引排，对于颗粒易流失的围岩，不宜采用集中疏导排水。3）根据工程地质和水文地质条件，应在衬砌外设环向盲沟、纵向盲沟和隧底排水盲沟、组成完整的排水系统，保证道床不积水。4）当地下水发育，含水层明显，又有长期补给来源，洞内水量较大时，可利用辅助坑道或设置泄水洞等作为截、排水设施。 1、盲沟（管）：盲沟（管）是在衬砌与围岩之间设置的汇水、过水通道，使之汇入泄水孔。它主要用于引导较为集中的局部渗流水。可根据需要设置纵向和环向盲沟，间距视水量大小而定，一般为4~10m。但必须将水流引入到衬砌墙脚的泄水孔中。2、泄水孔：泄水孔是设于衬砌边墙下部的出水孔道，它将盲沟流来的水直接泄入隧道内的纵向排水沟。3、排水沟：排水沟承接泄水孔泄出的水，并将其排出隧道。4、渡槽：在隧道衬砌的内表面的环形凹槽引排渗水。5、洞顶防排水6、洞门排水 （三）截水措施截：就是在隧道以外将地表水和地下水疏导截流，使不进入隧道工程范围内。 （四）堵水措施（1）喷射混凝土堵水（2）塑料板堵水（3）模筑混凝土衬砌堵水（4）注浆堵水堵：针对渗漏水地段，采用注浆、喷涂、堵水墙等办法，充填支护与围岩之间的空隙，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。原则：分段堵水、堵排结合 地铁盾构隧道怎么防水？隧道盾构同步注浆施工 二、公路隧道附属建筑物（一）公路安全避让及消防救援设施（二）内装、顶棚、路面 *超过2km的长、特长隧道应设置车道加宽带或紧急停车带。1、紧急停车带（加宽带）与方向转换场*长大隧道中，还应设置横通道（单向交通时）和方向转换（即掉头）场（或称回车道设施）（对向交通时）。（一）公路安全避让及消防救援设施 PIARC隧道委员会推荐设宽2.5m，长25m以上的加宽带，间隔750m。在我国，双向行车隧道的紧急停车带应双侧交错设置。紧急停车带的设置间距不宜大于750m，一般不小于150m。紧急停车带的宽度，包含右侧向宽度应取3.5m，长度应取40m，其中有效长度不得小于30m。 2、人行横通道和车行横通道相邻双孔隧道之间，宜按规定设置供巡查、维修、救援及车辆转换方向用的行人横洞及行车横洞。注：①隧道长度为400-600m时，可在隧道中间设一行人横洞，长度小于400m时，可不设行人横洞。②隧道长度为800-1000m时，可在隧道中间设一行车横洞，长度小于800m时，可不设行车横洞。 3、消防设施高速公路、一级公路的隧道，根据隧道等级，可参照下表设置紧急救灾设施。其他紧急设施：①排烟设备②避难设备③紧急电源④紧急闸门 （二）内装、顶棚、路面1．内装2、顶棚3．路基路面 1．内装公路隧道内装的作用：增强照明效果美观作用便于清洗吸收噪声隧道的内装材料(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(5)防火涂料 公路隧道内壁装饰应结合隧道位置、使用要求进行，力求安全、经济耐用、易于保养，并适当考虑美观，并符合下列规定：内壁装饰不得侵入建筑限界。内壁装饰材料应具有无毒、耐火、吸水膨胀率低、反光率高、便于清洗、耐磨和耐用的特点，并符合室外建筑材料相关规范的要求。内壁装饰高度不宜低于路面以上2m。 2、顶棚顶棚的反射率对提高照明效果有利；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，所以应该是浅色的，但是又应有别于墙面，在色调和饱和度上可以有所不同。顶棚是背景的一部分，特别是在有坡度处和变坡点附近对识别障碍物和察觉隧道内异常现象颇有帮助。顶棚可以美化隧道，特别是与整齐排列的灯具相互衬托，更可以起到美化的效果，并有明显的诱导作用。根据实际需要可以把顶棚做成平顶或拱顶。 3．路基路面1)隧道在地层中穿越，其埋置条件、地应力条件与洞外路堑段有较大的受力特征的不同。2)隧道路基（底板）处于山体中，地下水对隧道路基路面的影响比洞外大。3)隧道为管状构造物，空间狭小，存在汽车排放废气、积聚等现象，这些废气、油烟、粉尘在路面表面的粘附比洞外路段大。油渍的污染、粉尘的粘聚使路面抗滑性能变差，且得不到天然降雨的冲洗，长期影响路面的抗滑性能。公路隧道内路基路面的特殊性： 4)洞内发生火灾时，其温度对路面的影响比洞外严重。5)洞内行车条件总体上光线差，视觉环境差，对行车不利。6)洞内路基路面受场地条件影响大，施工条件差，维护难度大。7)行车安全受气候环境影响大。在雨天时，多使洞口段冷热空气变换，产生水珠，路面积雾，降低路面抗滑性能。公路隧道内路基路面的特殊性：