《隧道工程讲座》PPT课件

隧道工程讲座中铁十三局六公司 引言隧道的分类与基本组成第一部分隧道主体建筑第三部分隧道围岩分类第二部分隧道附属建筑第四部分隧道主要施工方法第五部分隧道施工作业第六部分隧道施工组织与管理 引言隧道的分类与基本组成一、公路隧道分类二、隧道的组成 近十多年来，随着我国的高速公路或高等级公路建设的快速发展，公路隧道的建造也取得了迅猛发展，每年都有十座以上的隧道建成。据不完全统计，目前我国已建成1700余座公路隧道，总长度已超过600km，隧道长1000m以上的有40多座。已动工的上海至瑞丽高速公路湖南境内的邵阳至怀化段将采用7km的隧道穿越雪峰山脉。而正在建造的终南山隧道，长18km多，它将是我国最长的公路隧道。 一、公路隧道分类1.按长度分特长隧道L>3000m长隧道3000≥L≥1000m中隧道1000>L>250m短隧道L≤250m2.按埋深分浅埋隧道顶部覆盖层<15～20m深埋隧道顶部覆盖层≥15～20m 二、隧道的组成(一)主体建筑物1.隧道洞门2.隧道洞身支护结构 (二)附属建筑物1.通风设施2.照明设施3.消防设施4.防排水设施5.附属洞室6.交通控制设施 第一部分隧道主体建筑一、隧道限界与断面形状二、隧道洞门三、洞身支护结构四、明洞结构 一、隧道限界与断面形状1．直线隧道建筑限界 依照《公路工程技术标准(JTJ001-97)》第3.0.12的规定取值。2．曲线隧道净空加宽 3.隧道断面形状目前公路隧道大多采用单心圆或三心圆的拱形断面，进一步分析，又可将其分为：单心圆、坦三心圆、尖三心圆3种拱形断面形状。其中以单心圆、坦三心圆两种断面应用最为普遍。 二、隧道洞门1．洞口位置的选择我国在多年实践的体会，总结出一个指导思想，叫做“早进晚出”。意思是在决定隧道洞口位置时，为了施工及运营的安全，宁可早一点进洞，晚一点出洞。这样做，虽然隧道稍稍长了一些，但却安全可靠得多。从全面观点出发，这样做是值得的。 (1)洞口应尽可能地设在山体稳定、地质较好、地下水不太丰富的地方。尽量避开崩塌、滑坡、岩堆、岩溶、流砂、泥石流、盐岩、多年冻土、雪崩、冰川等对结构物会造成危害的地方。 (2)洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处，不要与水争路。因为，在一般情况下，垭口沟谷在地质构造上是最薄弱的一环，常会遇到断层带或摺曲带、古坍方、冲积土等松散地质。此外，地面流水都汇集在沟底，再加上洞口路堑的开挖，破坏了山体原有的平衡，更容易引起坍方，甚至不能进洞。所以，洞口最好放在沟谷一侧，让出沟心，留出泄水的通路。 (3)洞口应尽可能设在线路与地形等高线相垂直的地方，使洞门结构物不致受到偏压力作用。傍山隧道限于地形，有时无法做到上述要求，只能斜交进洞时，也应使交角不太小，而且要有相应的补救措施，如采用斜洞门或台阶式洞门。切忌隧道中线与地形等高线平行。(4)当隧道附近有河流、湖泊、溪水等水源时，洞口标高应在洪水位安全线以上，以防洪水倒灌到隧道中去。 (5)为了保证洞口的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过高，不使山体开挖太甚，也不使新开出的暴露面太大。(6)环境保护是隧道洞口选择时应着重考虑的因素，过去多有所忽视，随着对环境保护的要求越来越高，在确定洞口位置时，必须认真考虑如何尽量少破坏天然植被，以便最大限度地保护自然景观。当洞口附近有居民点时，还应考虑施工爆破、噪音、水质污染对环境的影响，切实做好相应的工程措施。 2．洞门作用◆支挡山体、稳定洞口边仰坡----挡墙性质◆拦挡落石◆汇排水◆装饰美化作用 3．洞门类型与适用条件环框式Ⅵ类端墙式Ⅳ～Ⅵ类翼墙式≤Ⅲ类柱式：长大隧道、城市附近风景区Ⅲ类，地形条件限制不能设置翼墙，设2～4个大柱墩台阶式、斜交洞门：偏压地形其它类型：削竹式带遮阳棚式 台阶式洞门图 柱式洞门图2 柱式洞门图1 环框式洞门正视图 环框式洞门侧视图 三、洞身支护结构——衬砌(一)支护结构的基本类型临时支护永久支护(二)永久支护的主要类型1．模注混凝土衬砌2．装配式衬砌3．复合式衬砌 3．复合式衬砌是目前公路隧道中普遍采用的结构型式(1)结构组成：复合式衬砌=初期支护+(防水层)+二次衬砌 (2)初期支护类型纯锚杆支护喷素混凝土喷射混凝土+锚杆喷锚+钢筋网锚杆+喷钢纤维砼锚杆+格栅拱架+喷混凝土喷锚+钢支撑(管棚) 4.连拱衬砌按照公路隧道设计规范规定，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，一般在30m以上。从理论上讲是要将两相邻隧道分别置于围岩压力相互影响及施工影响范围之外。这对降低工程造价是有益的。 但在某些特定条件下，如路线分离困难或洞外地形条件复杂、土地紧张、拆迁数量大或采用上下行分离双孔隧道，其中一孔的隧道长度需要过分加长或造成路基工程数量急剧增加时，将使执行这一净距非常困难，尤其是桥隧相连更是如此。在这种情况下，采用连拱隧道衬砌结构，可以很好地解决这个问题。 连拱隧道，就是将两隧道之间的岩体用混凝土取代，或者说是将两隧道相邻的边墙连接成一个整体，形成双洞拱墙相连的一种结构形式。中间的连接部分通常称为中墙。连拱隧道的适用特点是：(1)洞口位置选择自由度大，适用于地形复杂，线路布设极为困难的情况；(2)引线占地面积少，接线难度小，可大大减少拆迁，降低工程费用； (3)较深挖高边坡稳定，由此可减少营运中的安全隐患；(4)便于桥隧相连。(5)可保持路线线形流畅，且断面造型美观；(6)便于营运管理；但是它也有一定的缺点，即增加了中墙结构，使造价相对独立双洞高，且开挖时分块多，工程进度较慢，故它一般只适用于长度不超过500m的短隧道。 (三)衬砌材料修建隧道衬砌的材料，应具有足够的强度和耐久性，在某些环境中，还必须具有抗冻、抗渗和抗侵害性。此外，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要求。 常用的隧道衬砌材料有：1.混凝土与钢筋混凝土隧道衬砌所用的混凝土强度等级，对于直墙式衬砌不低于C15，曲墙式衬砌及Ⅲ类围岩直墙式衬砌不低于C20。钢筋混凝土材料主要用在明洞衬砌及地震区、偏压、通过断层破碎带或淤泥、流砂等不良地质地段的隧道衬砌中，其强度等级不低于C20。在特殊情况下可采用旧钢轨或焊接钢筋骨架进行加强。 2.片石混凝土为了节省水泥，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％）。此外，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，其抗压强度不应低于30Mpa，严禁使用风化片石，以保证其质量。 3.喷射混凝土喷射混凝土材料用在喷锚支护中，混凝土强度等级不低于C28，使用的水泥标号不低于325号，并优先选用普通硅酸盐水泥，细骨料采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模量宜大于2.5，砂的含水率宜控制在5％～7％。粗骨料采用坚硬耐久的卵石或砾石，粒径不应大于15mm。 四、明洞结构1．适用条件(1)地表较浅，不能用暗挖法修建的隧道。(2)受坍方、落石、泥石流等危害的隧道洞口或路堑地段(如傍山，地质不良的地段)。(3)立交方式，以解决铁路与公路、渠道的交叉方式。 2．明洞类型(1)拱式明洞----单层整体式模注混凝土衬砌a)构造主要由内外边墙和顶拱组成一种较坚固的混凝土或钢筋混凝土或结构，可抵抗较大的坍方推力和一定范围内的滑坡下滑力，其适用范围较大。b)分类：路堑式：对称型、偏压型半路堑式：偏压型、单压型 c)特点：◆拱形明洞内净空与隧道一致，施工时可采用与隧道同一拱架和模板。◆结构整体性好，能承受较大的垂直力和侧力。◆内外墙基础相对位移对内力影响较大，对地基要求较高。d)适应点：当为洞口接长明洞或用明洞防塌、抗滑、支撑边坡稳定时，多采用此种类型。 (2)棚式明洞适用点:1）当山坡的塌方，落石数量较少；2）山体侧压力不大；3）因受地质地形条件(场地狭窄，外墙设置困难)的限制，难以修建拱式明洞时，可采用棚洞。结构特征：一般顶部为盖板式的形状，内侧一般为重力式挡墙，而外侧可分为墙式、钢架式、柱式（即沿纵向看）。 第二部分隧道附属建筑一.通风设施二.照明设施三.消防设施四.防排水设施五.预留洞室六.交通控制设施 自然通风一.通风设施机械通风纵向式半横向式风道式和喷咀式全横向式混合式竖井排风式射流式送风式吸风式静电吸尘式 在选择通风方式时，首先应确定隧道内所需的通风量，然后论证自然通风能否满足要求，如果不能，则应当采用机械通风。从世界各国的隧道实例来看，长度在200m以下，甚至200～500m的对向交通隧道，在一定的交通量以下，可以考虑用自然通风。我国《公路隧道通风与照明设计规范》规定，宜设置机械通风的条件为：双向交通隧道单向交通隧道式中:L——隧道长度(m)；N——设计交通流量(辆/h)。 目前公路隧道中常采用的通风方式是射流式通风。风机均为轴流风机，因为采用的风机出口风速较大(达30m/s左右)，对隧道内的空气纵向流动起到了引射作用，故称为射流风机。射流风机的特点是体积小、风力大、风向可逆、设备费用少、但噪声大。 射流风机要占用隧道断面空间，但省去了洞口风道式通风的风道与风机房。公路隧道的射流风机通常是沿隧道纵向等距离布置，其间距宜在100～150m，可以保证风流均匀扩散，每个设置断面上设一至两台风机，一般悬于拱顶。在确定隧道建筑限界时，必须保证风机的位置。当隧道为中、长类型时，可集中布置在两端洞口。 二.照明设施公路隧道要求长度超过100m的高速公路、一、二级公路隧道设置昼夜不断的照明，而对于能通视、交通量较小、行人密度不大的短隧道可不设白天的照明。司机在开车接近、进入和开出隧道的过程中会遇到几种视觉问题，这些问题必须解决，否则将会导致严重的交通事故。 (一)照明区段的划分白天，由于隧道内外的亮度差别极大，当汽车当驶近洞口时，会感到洞口很黑，影响司机辨别洞口附近的情况，特别是从洞外进入洞内时，视觉会一下变得很黑，长隧道会看到“黑洞”，短隧道会看到“黑框”，这就是所谓的“黑洞效应”。汽车由明亮的外部进入即使是不太暗的隧道以后，要经过一定时间才能看清洞内的情况，这称为“适应的滞后现象”。 当车辆从亮度低的洞内接近出口处时，由于外部亮度极高，出口看上去是个“白洞”，这就是所谓的“白洞效应”。开出洞外时，还会感到极强的眩光，司机的眼镜会感到很不适应。解决这些视觉问题的方法是设置合理的灯光照明，长隧道的照明可以分为洞口接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段以及洞口接近段五个区段。 1.接近段公路隧道各照明区段中，在洞口(设有光过渡建筑时，则为其入口)前，从注视点到适应点之间的一段道路，在照明上称为接近段。2.入口段指进入隧道洞口的第一段，如设置了遮阳棚等光过渡建筑，则其入口为该段的开始点。设置此段的目的是使司机的视力开始适应隧道内的照明光线。 3.过渡段介入入口段和中间段之间的照明区段。其任务是解决从入口段的高亮度到中间段的低亮度之间的的剧烈变化(可差数十倍)给司机造成的不适应现象，使之能有充分的适应时间。4.中间段此时，司机已基本适应洞内的照明光线，中间段的基本任务就是保证行车照明，使司机能保证停车视距。 5．出口段在单向交通隧道中，应设置出口段照明，以便缓和白洞效应带来的不利影响。出口段长度宜取60m，亮度宜取中间段亮度的5倍。在双向交通隧道中，可不设出口段照明。因为此时隧道的两端均为入口，同时也均为出口，都可采用相同的照明标准。以上各照明区段的亮度标准和照明计算同样可参加《公路隧道通风照明设计规范》 (二)照明光源与照明灯具1．隧道照明光源按如下要求选择：◆一般情况下宜选择效率高、透雾性能较好的光源。◆短隧道、柴油车较少的城镇附近隧道、紧急停车带、人行横通道、车行横通道可选用显色指数较高的光源。◆光源使用寿命应不小于10000h。 2.隧道照明灯具应满足以下要求：◆防护等级应不低于IP65。◆应具有适合公路隧道特点的防眩装置。◆灯具结构应便于更换灯泡和附近。◆灯具零部件应具有良好的防腐性能。◆灯具配件安装应易于操作，并能调整安装角度。◆灯具不得侵入隧道建筑限界。 3.消防设施(1)灭火器一般隧道内每隔50米设置一个灭火箱，里面放置2～3个灭火器。(2)消火栓水枪。设置间隔为不小于120m设置一个。 (3)供水系统在隧道进、出口处各设置一套由集水池、加压泵站、蓄水池和供水管网组成的给水系统。在集水池附近设置取水泵房一座。在洞口附近的山涧溪水取水汇入集水池，采用压力过滤器过滤后存于高位蓄水池内，供灭火时用。蓄水池为钢筋砼结构，设有进出水管、放空管、溢流管、水位标尺及通气管，平时由其水位高低控制启动消防水泵供水。 火灾发生时，通过隧道内消火栓箱人工启动水泵经高位水池向管网供水。蓄水池容量应满足2h火灾延续时间内消防用水总量的要求。 (4)泡沫自动喷淋灭火系统主要用于特长隧道。该系统备用状态时，管道内充满压力水，发生火灾时，输出控制器上的热敏元件(玻璃泡)破裂喷水，水流指示器动作，报警阀开启，同时压力水经过控制阀管道使泡沫液控制阀自动开启。泡沫罐内的泡沫液通过比例混合器按一定的混合比进入系统管道至泡沫喷头进行灭火。 4.防排水设施保持干燥是隧道能够正常运营的重要条件之一。但隧道内经常会有一些地下水渗漏进来，且维修工作也会带来一些废水，致使隧道潮湿。由于洞内湿度大，从而降低了设备的使用寿命。隧道漏水还会引起漏电事故和造成金属的电蚀现象，危及行车安全。这些都增加了隧道维修养护的费用。因此隧道的防排水是隧道设计、施工和运营中的一个重要问题。 (1)隧道防排水的主要措施我国隧道工作者，通过理论和实践经验的总结。提出了“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的治水原则。 “防”：即在隧道衬砌结构本身上下功夫，使其具有一定的防水能力。◆采用防水混凝土使衬砌本身达到一定的抗渗强度，◆采用止水带封闭衬砌变形缝等。◆大量采用的是设置防水层。 a)外贴式防水层，如用沥青将油毡(或麻布)粘贴在衬砌的外表面(适用于明挖修建的地下工程)。b)内贴式防水层，如复合式衬砌在初期支护与二次模筑衬砌之间设置防水板(聚异丁烯片、聚乙烯片等塑料防水卷材)。c)喷涂式防水层，如“881”涂膜防水胶、阳离子乳化沥青等防水剂，内、外贴均可。 “排”：它是将地下水通过暗管、盲沟排入隧道内，再经由洞内水沟排走，通过排水可以减少渗水压力和渗水量。但大量排水也可能引起负面效果，如将衬砌背后的砂砾淘空，形成空洞，还可能造成当地农田灌溉和生活用水困难等，因此在落实过程中，务必调查清楚。 “截”：它是指截断地表水和地下水流入隧道的通路。为了防止地表水渗入地层内，主要采取以下措施：◆在洞口边仰坡开挖线5m以外，设置排水沟(称为“截水天沟”)，并加以铺砌。◆对洞顶地表的陷穴、深坑加以回填，对裂缝进行堵塞。处理隧道地表水时，要有全局观点，不应妨害当地农田水利规划，做到因地制宜，各方满意。 “堵”：即将地下水堵在围岩层中，不使其渗入隧道。普遍采用的方法是压浆，即向衬砌背后压注止水材料(水泥浆液、化学浆液等)，用以充填衬砌与围岩之间的空隙，以堵住地下水的通路，并使衬砌与围岩形成整体，改善衬砌受力条件。还可采用压浆分段堵水，使地下水集中在一处或几处后再引入隧道内排出。 ◆排水沟除且常年干燥无水的隧道以外，一般的隧道都应设置纵向排水沟，以便将渗漏到洞内的地下水和铁路道床内或公路车道上的积水，顺着线路方向排出洞外。(2)隧道内排水建筑物 ◆盲沟在衬砌背后砌筑片石盲沟或埋置弹簧软管盲沟。盲沟沿隧道环向设置，间距视水量大小而定，一般为4～10m。环向盲沟之间用纵向盲沟相连，汇集衬砌周围的地下水，引入隧道侧沟排出。 5.预留洞室设计规范规定，行车方向分离的双洞公路隧道，当长度超过400m时，宜设置行人横洞，长度超过800m时，宜设置行车横洞，以供巡查、维修、救援及车辆转换方向用。其设置的间距和尺寸下表所示。若隧道长度为400～600m时，可在隧道中间设一个行人横洞，长度小于400m时，可不设行人横洞；当隧道长度为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。横洞的衬砌类型，一般应和隧道相应部位衬砌类型相同，行人横洞的底面应与人行道或边沟盖板顶面平齐。行车横洞两端应与路缘顺坡，并设半径不小于5m的转弯喇叭口。另外，500m以上的高速公路、一级公路隧道，宜单独设置存放专用消防器材等的洞室，并做出明显标志。 横洞间距尺寸表名称间距尺寸宽高行人横洞200～3002.02.2行车横洞400～5004.04.5 6.交通控制设施监控系统信号指示灯摄像头烟雾检测器报警系统报警电话 各种营运管理设施的设置标准隧道等级设施名称特长隧道长隧道中隧道短隧道通报设施√√√警报设施√√√交通信号设施√√√灭火设施√√监控设施√消音设施高速公路和一级公路宜设，但短隧道可不设。注：√表示需要设置，否则不需设置。 第三部分隧道围岩分类一、围岩的概念二、围岩分类的意义三、围岩分类的基本要素四、分类因素五、总的分类 隧道围岩是指隧道开挖后周围一定范围内对其稳定性产生影响的那部分岩体或土体，亦即开挖后产生应力重分布范围内的岩土体。围岩既可以是岩体，也可以是土体。一、围岩的概念这里所定义的围岩并不具有尺寸大小的限制。它所包括的范围是相对的，视研究对象而定，从力学分析的角度看，围岩的边界应划在因开挖隧道而引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零，这个范围在横断面上约为6～10倍的洞径。 二、围岩分类的意义1.是进行隧道结构设计基本依据2.是选择正确施工方法的依据3.是评价经济效益和科学管理的基础三、围岩分类的基本要素分类档数分类界限分类判据 四、分类因素----围岩的稳定性(一)地质因素1.围岩的结构特征和完整状态●  岩体结构特征：整体结构块状结构破碎(镶嵌)结构疏松结构松软结构 土体围岩岩体整体状大块状块石状碎石块土石状松散状松软状d＞1.0md=0.4～1.0md=0.2～0.4d＜0.2m土体围岩岩体整体状大块状块石状碎石块土石状松散状松软状d＞1.0md=0.4～1.0md=0.2～0.4d＜0.2m围岩岩体土体整体状大块状块石状碎石块土石状松散状松软状d＞1.0md=0.4～1.0md=0.2～0.4d＜0.2m●RQD指标： 2.岩石强度＞90％为优质，75％＜＜90％为良好，50％＜＜75％为好，25％＜＜50％为差，＜25％为很差。 3.地下水：实践证明，地下水是使隧道围岩丧失稳定的最重要因素之—，在围岩分类中不可忽视。(1)使岩质软化，强度降低，对软岩尤其突出；(2)在有软弱结构面的岩体中，会冲走充填物质或使夹层软化，减少层间摩阻力促使岩块滑动；(3)在某些岩体中，如含有生石膏、岩盐，或以蒙脱土为主的粘土岩，遇水后将产生膨胀。分类处理措施:遇水降级 地下水对围岩稳定性的影响系数硬质岩石软质岩石比较完整比较破碎比较完整比较破碎0～1001.00.91.00.9101～10000.90.80.80.7＞10000.80.70.70.6(L/min) 4.岩体的弹性波速度Vp如有弹性波(纵波)传播速度的测试资料，亦可作为判断围岩类别的根据。见《隧道设计规范(JTJ026-90)》附表1.2 (二)人为因素施工等人为因素也是造成围岩失稳的重要条件。其中尤其以坑道的尺寸(主要指跨度)形状以及施工中所采用的开挖方法等影响较为显著。l.坑道尺寸和形状实践证明，在同—类围岩中，坑道跨度愈大，坑道围岩的稳定性就愈差，因为岩体的破碎程度相对加大了。 坑道的形状主要影响开挖隧道后围岩的应力状态。圆形或椭圆形隧道围岩应力状态以压应力为主，这对维持围岩的稳定性是有好处的。而矩形或梯形隧道，在顶板处的围岩中将出现较大的拉应力，从而导致岩体张裂破坏。但是，在目前的各种分类法中都没有考虑这个因素，可能是因为深埋隧道的断面形状绝大部分都接近圆形或椭圆形的缘故。 2.施工中所采用的开挖方法从目前的施工技术水平来看,开挖方法对隧道围岩稳定性的影响较为明显，在分类中必须予以考虑。例如，在同一类岩体中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用矿山法和采用掘进机法，采用全断面一次开挖和采用小断面分部开挖，对隧道围岩的影响都各不相同。所以，目前大多数围岩分类法都是建立在相应的施工方法的基础上的。 五、总的分类详见《隧道设计规范(JTJ026-90)》附表1.1总体：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ差------------------好Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为软岩Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ为硬岩