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《隧道工程》教案 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：2 第1章绪论1.1隧道在交通事业中的地位及发展概况1什么是隧道？隧道是指一种修建在地层中的地下工程建筑物公路隧道是指专供公路运输使用的地下工程结构物2隧道在交通事业中的地位（1）重要性：交通是国家基础建设重要的设施，在国民经济发展中占有十分重要的地位。（2）必要性：世界各国的经济发展经验表明，快速畅通交通网是经济发展的必不可少的条件。（3）紧迫性：目前我国高速公路总里程还很少（2001年底近2万公里），满足不了发展的需要，造成各种交通设施超负荷运转，交通事故、交通阻塞和交通公害等成为一大社会问题，阻碍了国家和地区经济的发展。3隧道工程的发展概况（1）隧道的发生和发展历史（2）隧道技术的发展与成就3隧道工程的发展前景及需要解决的难题（1）隧道工程发展前景：随着我国市场经济的发展，高速公路已从沿海地区向西部山区延伸，公路隧道的数量和建筑规模越来越大。城市化交通尚处于起步阶段，大规模交通事业方兴未艾，隧道事业发展前景十分广阔。（2）隧道工程发展方向：合理规划与环境保护、非爆破的机械化施工、设计可靠合理、使用安全等方面。（3）隧道工程需要解决的难题：1.2隧道的分类及其作用隧道分类方法很多，这里介绍按照用途、长度、断面分类1按照用途分类：交通隧道、水工隧道、城市隧道和矿山隧道（1）交通隧道公路隧道—专供汽车运输行驶的通道。铁路隧道—-专供火车运输行驶的通道。水底隧道—-修建于江、河、湖、海、洋下的隧道，供汽车和火车运输行驶的通道。地下铁道—-修建于城市地层中，为解决城市交通问题的火车运输的通道。航运隧道－-专供轮船运输行驶而修建的通道。人行隧道－专供行人通过的通道。（2）水工隧道引水隧道－是将水引入水电站的发电机组或水资源的调动而修建的孔道。尾水隧道—用将水电站发电机组排出的废水送出去而修建的隧道。导流隧道或泄洪隧道—水利工程中疏导水流并补充溢洪道流量超限后的泄洪而修建的隧道。排沙隧道——它是用来冲刷水库中淤积的泥沙而修建的隧道。（3）市政隧道26 给水隧道一为城市自来水管网铺设系统修建的隧道。污水隧道—为城市污水排送系统修建的隧道。管路隧道一为城市能源供给（煤气、暖气、热水等）系统修建的隧道。线路隧道—为系统修建的隧道。人防隧道一是为战时的防空目的而修建的防空避难隧道。（4）矿山隧道2公路隧道按照长度的分类（1）特长隧道：（2）长隧道：（3）中隧道：（4）短隧道：3按照隧道断面积（1）特大断面隧道（100m2以上）（2）大断面隧道（50～100m2）（3）中等断面隧道（10～50m2）（4）小断面隧道（3～10m2）（5）极小断面隧道（3m2以下）思考题1.什么叫隧道？试从隧道的广泛用途论述学习、研究与发展隧道技术的重要意义。2.在交通线路上修建隧道的意义？26 第2章隧道的勘察隧道勘察的目的，是在于查明隧道所处位置的工程地质条件和水文地质条件以及隧道施工和运营对环境保护的影响。2.1隧道勘察的几个阶段隧道勘察阶段的划分应与公路设计阶段相适应，一般分为（1）可行性研究勘察，（2）初步勘察，（3）详细勘察。1可行性研究勘察2初步勘察初勘是在批准的工程可行性研究报告推荐建设方案的基础上，在初步选定的路线内进行勘察，其任务是满足初步设计对资料要求。重点勘察不良地质地段，以明确隧道能否通过或如何通过。提供编制初步设计所需全部工程地质资料。3详细勘察（1）详勘的目的：是根据已批准的初步设计文件中所确定的修建原则、设计方案、技术指标等设计资料，通过详细工程地质勘察，为线位布设和编制施工图设计提供完整的工程地质资料。（2）详勘的任务：是在初勘的基础上，进行补充校对，进一步查明沿线的工程地质条件，以及重点工程与不良地质区段的工程地质特征，并取得必需的工程地质的数据，为确定隧道位置的施工图设计提供详细的工程地质资料。（3）详勘工作步骤：可按准备工作、沿线工程地质调绘勘探、试验、资料整理等顺序进行。2.2隧道勘察的主要方法1收集研究即有资料收集的资料一般应包括以下几个方面的内容：（1）地域地质资料，如地层、地质构造、岩性、土质等；（2）地形、地貌资料，如区域地貌类型及主要特征，不同地貌单元与不同地貌部位的工程地质评价等；（3）区域水文地质资料，如地下水的类型、分带及分布情况，埋藏深度、变化规律等；（4）各种特殊地质地段及不良地质现象的分布情况，发育程度与活动特点等；（5）地震资料，如沿线及其附近地区的历史地质情况，地震烈度、地震破坏情况及其与地貌、岩性、地质构造的关系等；（6）气象资料：如气温、降水、蒸发、温度、积雪、冻积深度及风速、风向等；（7）其它有关资料，如气候、水文、植被、土壤等；（8）工程经验、区内已有公路、铁路等其它土建工程的工程地质问题及其防治措施等。2调查与测绘调查与测绘是工程地质勘察的主要方法。通过观察和访问，对隧道通过地区的工程地质条件进行综合性的全面研究，将查明的地质现象和获得的资料，填绘于有关的图表与记录本中，这种工作统称为调查测绘（调绘）。（1）工程地质调查（2）工程地质测绘26 测绘的比例尺可在以下范围内选用：可行性研究阶段1:5000—1:50000，初勘阶段1:2000—1:10000，详勘阶段1:200—1:2000。下面分两种情况说明。无航测资料时：工程地质测绘主要依靠野外工作，为此需要讲究测绘方法与量测精度，以求用较少的工作获得符合要求的结果。根据不同比例尺的精度要求，对观察点、地质构造及种地质界线等的标测方法有以下三种：①目测法。②半仪器法。③仪器法。有航摄资料时：a）主体镜判释b）实地调查测绘c）绘制工程地质图。（3）调查测绘内容基本内容不外以下几个方面。地形、地貌：地形、地貌的类型、成因、特征与发展过程：地形、地貌与岩性、构造等地质因素的关系；地形、地貌与工程地质条件的关系。地层、岩性：地层的层序、厚度、时代、成因及分布情况；岩性、风化程度及风化层厚度；地质构造：断裂、褶曲的位置、构造线走向，产状等形态特征和地质力学特征；岩层的产状和接触关系，软弱结构面的发育情况及其与路线的关系，对路基的稳定影响等。第四纪地质：第四纪沉积物的成因类型，土的工程分类及其在水平与垂直方向上的变化规律；土的物理、水理、化学、力学性质；特殊土及地区性土的研究和评价。地表水及地下水：特殊地质、不良地层地震：根据沿线地震基本烈度的区域资料，结合岩性、构造、水文地质等条件，通过访问、确定≥7度的地震烈度界线。工程经验：对所在地区既有地下工程及其它建筑物的稳定情况和工程措施进行调查访问，以便借鉴。2.3隧道勘察的主要手段1挖探坑探——用机械或人力垂直向下掘进的土坑，或者称为试坑，深者称为探井。槽探——挖掘成狭长的槽形，其宽度一般为0.6—1.0米，长度视需要而定，2简易钻探简易钻探是工程地质勘探中经常采用的方法。其优点是工具轻、体积小、操作方便，进尺较快，劳动强度较小。缺点是不能采取原状土样或不能取样，在密实或坚硬的地层内不易钻进。2钻探根据钻进时破碎岩石的方法，钻探可分为:1)冲击钻进2)回转钻进3)冲击回旋钻进4)振动钻进3地球物理勘探26 凡是以各种岩土物理性质的差别为基础，采用专门的仪器，观测天然或人工的物理场变化，来判断地下地质情况的方法，统称为物探。2.4地质勘察山岭隧道是修建在天然地层中的建筑物，它从位置选择到具体设计，直到施工，均与地质条件有密切关系。地质条件包括岩层性质、地质构造、岩层产状、裂隙发育程度及风化程度，隧道所处深度及其与地形起伏的关系、地层含水程度、地温及有害气体情况、有无不良地质现象及其影响等。1初步勘察初勘应提交的资料l隧道工程地质说明书，对地质工作作一扼要叙述，并作出评价。l提出对隧道初步设计的各项建议及以后详测应进行的工作。l隧道工程地质平面图，图上应填绘物探、钻探等平面布置及挖探点位置，比例尺：1:2000～1:5000。l隧道工程地质纵断面图，图中应标明勘探点，若进行震探时，则应标明岩层的弹性纵波波速，比例尺1:500～1:5000；竖1:200～1:1000。l洞口、洞身工程地质横断面图，应标明勘探点，若进行震探，则应标明岩层的弹性纵波波速，比例尺为1:200～1:500。l提供钻孔地质柱状剖面图；试验资料汇总表；l航空照片地质解释资料及工程地质照片、野外素描图等；l严重影响隧道方案的特殊地质、不良地质地区，应编制专项资料。2详细勘察详勘应提交的资料：l详勘说明书，根据详勘提出对设计及施工方案的建议；l地质详勘成果书，包括地质平面图及剖面图，重大地质问题的评介；l钻探、试验资料整编等。思考题1.初步勘察和详细勘察在目的、任务、内容、方法、手段及提交的资料等方面有何要求？2.什么是物探，有何优、缺点？3.环境评价主要应完成哪些工作？26 第3章隧道总体设计3.1隧道选址l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。l隧道方位选择。长大隧道通风、照明及养护管理费用较大。l隧道标高的选择。l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。3.1.1越岭隧道选址通过山岭、重丘区的长大干线公路往往要翻越分水岭，线路为穿越分水岭而修建的隧道称为越岭隧道。（一）越岭隧道平面位置的选择越岭隧道平面位置选择:1、采用直线或大半径曲线为好；2、优选考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，展线好，隧道较短；3、虽远离线路总方向，但垭口两侧有良好的展线条件；4、工程地质和水文地质条件良好的垭口。（二）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：1、隧道标高越高，隧道越短，施工期短，两端展线长度增加，运营条件差；2、隧道标高低，隧道加长，施工期长，运营条件较好。3、选择越岭隧道标高时，综合考虑施工、运营等多因素比较确定最优隧道标高。（三）越岭隧道选址尚应考虑以下原则：1、逢山穿洞，宁长勿短，早进晚出--避免洞口深挖；2、宁里勿外，宁深勿浅，避软就硬--避免不良地质；3.1.2傍山隧道选址为改善线形，提高车速，缩短里程，节省时间，常常修建傍山隧道。傍山隧道一般埋藏较浅，容易造成各种病害；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。选择傍山隧道时应注意：（1）傍山隧道的洞身覆盖厚度问题。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（2）要考虑河岸冲刷对山体和洞身稳定的影响（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（4）线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。3.1.3不良地质地段隧道位置的选择l研究地质条件的重要性l常见不良地质条件有滑坡、崩坍、松散堆积、泥石流、岩溶及含盐、含煤、地下水发育等地质条件。3.1.4隧道洞口位置选择26 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。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。（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，一般宜将洞口移到沟谷地质条件较好的一侧有足够宽度的山嘴处。（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（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。（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。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。（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，隧道洞口和洞身是不可分的整体，在位置选择时不能顾此失彼，应该同样的重视。3.2隧道的几何设计l隧道由主体建筑物和附属建筑物两部分组成。l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。l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。l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。3.2.1隧道的平面设计1、隧道平面设计：隧道平面是指隧道中心线在水平面上的投影。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；2、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。3、具体原则：（1）原则上采用直线，避免曲线；（2）当必须设置曲线时，半径不宜小于不设超高的平面曲线半径。4、曲线隧道的不利因素：（1）行车视距问题；（2）加宽断面问题，造成变截面隧道，施工难度大；（3）曲线隧道内装修复杂；（4）增加通风阻抗，对自然通风不利；3.2.2隧道纵断面设计1、隧道纵断面：沿隧道中心线展开的垂直面上的投影。2、纵坡类型：26 （1）人字坡隧道（2）上行单坡隧道（3）下行单坡隧道1、控制隧道纵坡大小的主要因素（1）通风问题（2）排水问题2、纵坡坡度大小及其影响（1）隧道纵坡坡度范围：0.3%--3%（2）纵坡坡度与通风的关系，要求1%以下，大于2%，排量迅速增加；（3）与排水的关系，纵坡越大水流越快；（4）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；（5）综合通风和排水考虑，纵坡为不防碍排水的缓坡为宜；3.2.3隧道横断面设计3.2.4隧道接线1、保证有足够的视距和行驶安全2、注视点和注视时间3、隧道两端平面线形与道路线形相一致的最小长度有规定。3.3衬砌内轮廓线及几何尺寸拟定l什么是隧道衬砌：是一种超静定支护结构。l衬砌断面设计：主要解决内轮廓线，轴线和厚度三个问题。l设计内轮廓线的原则：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，还应考虑衬砌施工的简便。l隧道衬砌断面的轴线：应当尽量与断面压力曲线重合，使各截面主要承受压应力。l隧道衬砌厚度：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。3.3.1衬砌断面(1)衬砌内轮廓线：是衬砌的完成线，在内轮廓线之内的空间，即为隧道的净空断面。 (2)衬砌外轮廓线：指为保持净空断面的形状，衬砌必须有足够的厚度(或称最小衬砌厚度)的外缘线。(3)实际开挖线：为保证衬砌外轮廓，开挖时往往稍大，尤其用钻爆法开挖时，实际开挖线不可避免的成为不规则形状。3.3.2公路隧道衬砌内轮廓线的求法(1)圆形断面的作图确定道路隧道内轮廓线时，以公路建筑限界为基准，并附加上通风所需要的断面。(2)直墙式衬砌断面(3)曲墙式衬砌断面(顶板以上设置通风道时)3.3.3衬砌断面几何尺寸的拟定3.4道路隧道勘测设计文件的内容和组成道路隧道勘测设计的成果是相应的设计文件，应按交通部颁发的《公路基本建设工程设计文件编制办法》和《公路隧道勘测规程》的要求进行。 定测结束后应提出隧道勘测说明书，其内容如下： 1．沿线隧道概况及自然概况；26 2．工程地质(包括地震烈度资料)及水文地质情况；3．气象、环境和有关政策法令情况；4．施工条件；5．隧道方案；6．对运营通风、运营照明和防排水方式的选择建议；7．存在问题以及解决办法的建议，有关协议、纪要等；8.隧道线路方案平面图；9．隧道线路地质平面图；10．隧道纵断面图；11．隧道洞口地形平面图；12．洞口纵、横断面图；13．辅助坑道及运营通风风道工程所需地形，纵横断面图；14．明洞纵横断面图：除上述资料外，对长大隧道或复杂的隧道应将工程地质及水文地质调查成果附于说明书之后。思考题1．不良地质地段隧道选址时，主要应考虑哪些问题？2．隧道平面、纵断面设计时应注意什么问题？3．什么是隧道建筑限界？4．隧道接线的平面及纵断面线形有何要求？5．什么是衬砌内轮廓线，外轮廓线，实际开挖线？26 第4章隧道结构构造公路隧道结构构造，由主体构造物和附属构造物两大类组成。主体构造物通常指洞身衬砌和洞门构造物。附属构造物是主体构造物以外的其它建筑物，是为了运营管理、维修养护、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的构造物。4.1洞身衬砌4.1.1衬砌结构的类型出现各种适应不同的地质条件的结构类型，大致有下列几类。1．直墙式衬砌2．曲墙式衬砌3．喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌4．偏压衬砌5.喇叭口隧道衬砌6．圆形断面隧道7．矩形断面衬砌4.1.2支护结构在隧道及地下工程中，支护结构通常分为初期支护（一次支护）和永久支护（二次支护、二次衬砌）。一次支护是为了保证施工的安全、加固岩体和阻止围岩的变形。二次支护是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。4.2洞门4.2.1概述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，其作用是保证洞口边坡的安全和仰坡的稳定，引离地表流水，减少洞口土石方开挖量。洞门也是标志隧道的建筑物。洞门附近的岩(土)体通常都比较破碎松软，易于失稳，形成崩塌。为了保护岩(土)体的稳定和使车辆不受崩塌、落石等威胁，确保行车安全，应该根据实际情况，选择合理的洞门型式。洞门是各类隧道的咽喉，在保障安全的同时，还应适当进行洞门的美化和环境的美化。山岭隧道常用的洞门型式主要有端墙式、翼墙式和环框式；水底隧道的洞门通常与附属建筑物，如通风站，供、蓄、发电间，管理所等结合在一起修建，城市隧道既可能是山岭隧道，也可能是水底隧道，不过一般情况下交通量都比较大，对建筑艺术上的要求也较高。道路隧道在照明上有相当高的要求，为了处理好司机在通过隧道时的一系列视觉上的变化，有时考虑在入口一侧设置减光棚等减光构造物，对洞外环境作某些减光处理。这样洞门位置上就不再设置洞门建筑，而是用明洞和减光建筑将衬砌接长，直至减光建筑物的端部，构成新的入口。4.2.2洞门型式1．端墙式洞门2.翼墙式洞门 3.环框式洞门 4．遮光棚式洞门26 4.2.3隧道洞门构造4.3明洞当隧道埋深较浅，上覆岩(土)体较薄，难采用暗挖法时，则应采用明挖法来开挖隧道。用这种明挖法修筑的隧道结构，通常称明洞。明洞具有地面、地下建筑物的双重特点，既作为地面建筑物用以抵御边坡、仰坡的坍方、落石、滑坡、泥石流等病害。明洞净空必须满足隧道建筑限界要求，洞门一般作成直立端墙式洞门。明洞的结构形式应根据地形、地质、经济、运营安全及施工难易等条件进行选择，采用最多的是拱形明洞和棚式明洞；4.3.1拱形明洞隧道进出口两端的接长明洞或在路堑边坡不稳定地段修建的独立明洞等，多采用拱形明洞的形式。拱形明洞整体性好，能承受较大的垂直压力和侧压力。其形式有以下四种：(一)路堑对称型(二)路堑偏压型(三)半路堑偏压型 (四)半路堑单压型4.3.2棚式明洞当山坡坍方，落石数量较少，山体侧压力不大，或因受地质、地形条件的限制，难以修建拱形明洞时，可采用棚式明洞。4.3.3明洞基础明洞基础应置于稳固的地基上。当基岩埋深较浅时，基础可设置于基岩上；当基础位于软弱地基上时，基础可采用仰拱，整体式钢筋混凝土底板等结构。外墙基础趾部，应有一定的嵌入深度并应设在冻结线以下0.25m，且保证一定的护基宽度。明洞基础应遵守隧道衬砌基础的有关规定。当两侧边墙地基软硬不均时，应采取措施加以处理，以免引起过大的沉降和不均匀沉陷，使明洞结构产生裂缝或破坏。可采取下述措施：(1)基岩不深时可加深基础，设置于基岩上；(2)采用钢筋混凝土或混凝土仰拱；(3)采用钢筋混凝土底板，修筑整体式基础；(4)亦可采用桩基或加固地层等措施。4.3.4明洞填土明洞顶设计填土厚度，应根据山坡病害的情况，预计明洞顶可能出现的坍塌量及将来明洞所要起的作用来确定。4.4竖井、斜井一般隧道开挖是从两洞口或从其中一个方向洞口进行。但在长大隧道因工期限制、经济、施工、地形、环境等条件，有必要分成几个工程区段进行施工，多数情况下要设工作坑道。工作坑道按坡度区分为横洞、斜井、竖井和平行导坑。选择那种形式，决定于地形、地质、工期，运输能力，设置地点的当地条件。竖井与斜井比较，当高差相同时，长度约为斜并的1/4左右，在遇不良地质和涌水等机率低时，是有利的。但是从运输效率方面比起斜井来，就需加大断面才能满足。而且对于大型机械进入也较困难。另外开挖中处理涌水也困难，开挖能力受地质和涌水状况变化影响大。除作业中的堕落，落石等外，在隧道主坑道开挖时万一出现大涌水，停电等事故时，安全度均较低。因此应考虑这些因素后，才决定采用斜井或是竖井。26 竖井、斜井除作为施工作业坑道外，常使用于公路隧道的通风井；水底隧道的扬排水和维修保养通道；扬水式发电站的调压水槽和压力管道闸门等。4.4.1竖井竖井的位置选择必须考虑地形、地质，与主坑道的衔接，完工后的处理等条件来决定。特别是设在山谷部分的竖井多数延长短，要研究防止井口附近地表水和泥沙的流入措施。4.4.2斜井确定斜井位置时，考虑以下因索：洞口设置在地形简单，地质良好，涌水量不大，能保证洞外碴罐、卷扬机安装等洞外设备布置的用地需要；与主坑道连接要合适，长度尽可能短，能提供适合运输方式的坡度。4.4.3使用于通风的竖井公路隧道通风设备的规模的决定，是以汽车排放的有害物质即对生理上有害的一氧化碳和走行上产生视觉障碍的烟雾为对象的，因此随着隧道长度和交通量的增加，所需通风设备的送风量也增加。4.5内装、顶棚及路面4.5.1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。以改善隧道内的环境，提高能见度和吸收噪声。通常用于隧道的张贴内装材料有：块状混凝土材料其表面粗糙，容易污染而且不好清洗，但衬砌表面不需特殊处理即可设置，比较经济。饰面板、镶板等质地致密材料不容易污染，清洗效果好，洗净率高。板背后的渗漏水很隐蔽，既使外露也容易洗净。各种管线容易在板背后隐蔽设置。板背后的空间有利于吸收噪声。瓷砖镶面材料表面光滑，容易洗净且效果良好；要求衬砌平整，以便镶砌整齐；隧道漏水部位可以考虑用排水管道疏导；镶面后面可以埋设小管线；但这种材料没有任何吸声作用。油漆材料比块状混凝土材料容易清洗，但不及其它两种材料，对衬砌表面要求很高，需要压光、平整；隧道不能有漏水现象，浸湿的油漆损坏很快；这种材料也没有吸声作用。4.5.2顶棚顶棚的反射率对提高照明效果有利，经过顶棚的反射光使路面产生二次反射，能明显的增加路面亮度。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。4.5.3路面对隧道内路面的讨沦是在其具有足够强度和耐久性的前提下进行的。作为特殊要求，有以下各点：1.路面材料应具有抵御水的冲刷和含有化学物质的水的浸蚀能力。尤其地下水可能为承压水时，更为突出。路面的坡度应能迅速排除清洗用水。2.因为车辆在隧道内的减速及制动次数较高，横向抗滑要求更高，以确保车体横向稳定。3.容易修补。4.路面漫反射率高，颜色明亮，才能获得良好的照明效果。路面作为发现障碍物的背景，比墙面和顶棚有更大的、关键性的作用。26 路面材料主要有两种，即混凝土和沥青混凝土。由于混凝土的反射率较沥青混凝土路面高，横向抗滑性好，是过去广泛使用的材料。其最大缺点是产生裂缝时不容易修补，更换时要停止交通。在高寒地区还要受到防滑链的损害，必需考虑设置磨耗层。沥青路面的反射率较低，为了改善路面亮度，需要在面层加入石英和铝的混合物。有的加人浅色石子和氧化钛做填充料。4.5.4噪声的消减 隧道内的混响时间(噪声源发音瞬间的声能衰减到1/106。时所需时间，即衰减60分贝所需时间)为洞外的数千倍。而洞外仅为数百分之一秒。对于交通量大的重要隧道，往往需要设置应急电话等安全设备，这种隧道，噪声至少应当控制在可以用电话与管理所通话的程度。噪声水平(SL)与汽车交通量(N)之间的关系可按下式计算；SL＝181gN十13(dB)(4.5.1)式中：N——小时交通量(辆／h)。4.6隧道的防水与排水水，不仅是影响隧道正常施工的因素之一，也是影响隧道正常运营的重要因素之一。为避免和减少水的危害，我国隧道工作者已总结出“截、堵、排相结合”的综合治水原则，并以模筑混凝土衬砌作为防水(堵水)的基本措施。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。堵，就是以衬砌混凝土为基本防水层，以其它防水材料为辅助防水层，阻隔地下水，使之不能进人隧道内的防水措施，必要时还可以采用注浆堵水措施。堵水措施可以较好地保护地下水环境。排，就是人为设置排水系统，将地下水排出隧道。思考题1．整体衬砌，复合式及锚喷衬砌各适用于什么场合？2．洞门有何作用，有哪些洞门形式，各适用于什么地质条件？3．什么是明洞？明洞有哪几种类型？4．明洞基础和顶土有些什么要求？5．什么情况下，要考虑采用斜井和竖井？6．如何做好隧道的防水与排水？26 第5章隧道围岩分级与围岩压力隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水状况、开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态、地温梯度等。因此，隧道围岩的稳定性是反映地质环境的综合指标。隧道围岩压力是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌结构的主要荷载之一。5.1隧道围岩分级及其应用隧道的破坏，主要取决于围岩的稳定性，而影响围岩稳定性的因素是多方面的，其中隧道围岩结构特征和完整状态，是影响围岩稳定性的主要因素。隧道围岩体的强度，对隧道的稳定性有着重要的影响，地下水、风化程度也是隧道围岩丧失稳定性的重要原因。5.1.1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，大体有以下几种：1．单一的岩性指标2．单一的综合岩性指标3．复合指标5.1.2隧道围岩分级的方法国内外隧道围岩分级的方法较多，所采用的指标也不同，但都是在隧道工程的实践基础上逐步建立起来的，随着人们对隧道工程、地质环境之间相互关系的认识和理解，其围岩分级方法也在逐步深化和提高。发展过程大体有以下几类型：1．按岩石强度为单一岩性指标的分级法2．按岩体构造和岩性特征为代表的分级法3．与地质勘察手段相联系的分级法4．多种因素的组合分级法5．以工程对象为代表的分类法5.2围岩压力的确定5.2.1围岩压力的概念5.2.2围岩压力的产生围岩压力的产生是隧道工程的一个重要的力学特征，隧道是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的。所以，围岩的初始应力场的状态极大地影响着在其中发生的一切力学现像，这是和地面工程极其不同的。（一）围岩的初始地应力场通常所指的初始应力场泛指隧道开挖前岩体的初始静应力场，它的形成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系。在隧道开挖前是客观存在的，在这种应力场中修建隧道就必须了解它的状态及其影响。（二）隧道开挖后的应力场隧道的开挖，移走了隧道内原来受力的部分岩体，破坏了围岩初始应力场的平衡状态，围岩从相对静止的状态转变为变动的状态。围岩力图达到一个新的平衡，其应力和应变开始一个新的变化运动，运动的结果，使得围岩的应力重新分布并向开挖的隧道空间变形。隧道的开挖，破坏了围岩原有的平衡，产生了变形和应力重新分布。26 但是这种变化发展不是无限的，它总是为了达到新的平衡而处在一种新的应力状态中。5.2.3围岩压力的确定方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：1．直接量测法2．经验法或工程类比法3．理论估算法（一）深埋隧道围岩压力的确定（二）浅埋隧道围岩压力的计算（三）围岩应力的现场量测5.3影响围岩稳定性的因素隧道围岩分级的是对隧道开挖后，围岩稳定程度的分级和评价。构成围岩分级的前提是大量的隧道工程实践，在归纳、统计分析类似地质条件的基础，通过定量和定性确定影响隧道围岩稳定性的因素，就得到隧道围岩的分级。因此，围岩分级的因素，也就是影响隧道围岩稳定性的因素。5.3.1地质因素的影响5.3.2施工因素的影响思考题1．围岩的初始应力场的基本概念，如何评价初始应力场？2．围岩完整性包括什么内容？在围岩分级中的作用？3．决定隧道围岩稳定性的因素有哪些？如何认识这些因素的影响？4．为什么要进行围岩分级和怎样进行围岩分级？5．隧道各阶段围岩分级考虑的因素有哪些不同？26 第6章隧道结构计算6.1概述6.1.1引言局部变形理论是以温克尔（E.Winkler）假定为基础的。它认为应力（）和变形（）之间呈直线关系，即，为围岩弹性抗力系数。这一假定，相当于认为围岩是一组各自独立的弹簧，每个弹簧表示一个小岩柱。虽然实际的弹性体变形是互相影响的，施加于一点的荷载会引起整个弹性体表面的变形，即共同变形。但温克尔假定能反映衬砌的应力与变形的主要因素，且计算简便实用，可以满足工程设计的需要。共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间变形的相互影响。它用纵向变形系数E和横向变形系数表示地层特征，并考虑粘结力C和内摩擦角的影响。但这种方法所需围岩物理力学参数较多，而且计算颇为繁杂，计算模型也有严重缺陷，另外还假定施工过程中对围岩不产生扰动等，更是与实际情况不符。因而，我国很少采用。6.1.2隧道结构体系的计算模型国际隧道协会(ITA)在1987年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国目前采用的地下结构设计方法。经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下4种设计模型：（1）以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；（2）以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法。例如，以洞周位移量测值为根据的收敛约束法；（3）作用与反作用模型，即荷载—结构模型。例如，弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；（4）连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。从各国的地下结构设计实践看，目前，在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型，一类是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型。另一类则相反，视围岩为承载主体，支护结构则为约束围岩变形的模型。6.2隧道衬砌上的荷载类型及其组合围岩压力与结构自重力是隧道结构计算的基本荷载。明洞及明挖法施工的隧道，填土压力与结构自重力是结构的主要荷载。《公路隧道设计规范》（JTJ026-90）中在对隧道结构进行计算时，按其可能出现的最不利组合考虑。其他各种荷载除公路车辆荷载之外，在结构计算时考虑的机率很小，有的也很难准确的表达与定量，表中所列荷载不论机率大小，力求其全，是为了体现荷载体系的完整，也是为了在结构计算时荷载组合的安全系数取值，并与《铁路隧道设计规范》（JBJ3-85）的取值保持一致。同时又本着公路隧道荷载分类向公路荷载分类方法靠的原则，在形式上与《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—89）保持一致，在取用荷载组合安全系数时又能与铁路隧道荷载分类相对应。6.3半衬砌的计算6.3.1正则方程建立如下正则方程式：26 （6.3.1）式中：是单位变位，即在基本结构上，因作用时，在方向上所产生的变位；为荷载变位，即基本结构因外荷载作用，在方向的变位；f为拱圈的矢高；拱脚截面的最终转角和水平位移。6.3.2单位变位及荷载变位的计算由结构力学求变位的方法（轴向力与剪力影响忽略不计）知道：（6.3.2）式中：是基本结构在作用下所产生的弯矩；是基本结构在作用下所产生的弯短；是基本结构在外荷载作用下所产生的弯知，EJ是结构的刚度。在进行具体计算时，由于结构对称、荷载对称，只需计算半个棋圈。在很多情况下，衬砌厚度是改变的，给积分带来不便，这时可将拱圈分成偶数段，用抛物线近似积分法代替，式（6.3.2）可以改写为：（6.3.3）利用式（6.3.3），求得下列变位：(6.3.4)26 式中：是半供弧长等分后的每段弧长。计算表明，当拱厚d＜l／10（l为拱的跨度）时，曲率和剪力的影响可以略去。当矢跨比时，轴向力影响可以略去。26 第7章锚喷支护结构的设计与施工7.1概述喷射混凝土是利用高压空气将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合喷射到岩面上迅速凝结而成的，锚喷支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土等结构组合起来的支护形式，可以根据不同围岩的稳定状况，采用锚喷支护中的一种或几种结构的组合。7.2锚喷支护结构的受力与计算7.2.1锚杆支护结构1、锚杆类型（1）全长粘结型（2）端头锚固型（3）摩擦型（4）预应力型2、锚杆的力学作用锚杆对围岩所起的力学效应主要有以下作用：（1）吊悬作用：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：在隧道顶板岩层中大入锚杆，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）组合作用：在岩层中大入锚杆，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）挤压加固作用（整体加固作用）：预应力锚杆群锚入围岩后，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预应力作用下构成一个均匀的压缩带，即承载环。压缩带中的岩体处于三向应力状态，显著提高围岩强度。3、锚杆的设计与计算（1）锚杆长度的确定：锚杆总长度（2）锚杆间距的确定：若等间距布置，每根锚杆所负担的岩体重量即为所受荷载。其中，是岩体容重；锚杆间距，一般>2；k安全系数，2~3。（3）支护块状围岩：围岩塌落总是从危石开始，可能形成连锁反应。利用正弦定理：；；26 由此可确定锚杆直径：（7.2.2）砂浆锚杆的承载力：（3）加固裂隙围岩：若在隧道顶部出现裂隙，为防止进一步扩展危及顶部岩体稳定，可采用预应力锚杆加固。7.2.2喷混凝土支护结构喷射混凝土结构通过局部稳定围岩和整体稳定围岩起支护作用。1、局部稳定原理2、整体稳定原理三、锚喷联合支护1、锚喷联合支护修建隧道的基本概念锚杆是深层加固围岩，喷射混凝土是表层及局部加固围岩（1）围岩是隧道稳定的基本部分，尽量维护围岩体的强度特性（2）保证初期支护具有柔性，并与围岩密贴（3）设计和施工中要正确估计围岩特性及其随时间的变化2、支护与围岩共同作用的力学原理（1）锚喷支护结构设计的力学原理共同作用的弹塑性理论（2）弹塑性理论的基本概念基于材料试验弹塑性曲线（3）均质围岩中圆形隧道的弹性解（4）均质围岩中圆形隧道的塑性解（5）弹性区与塑性区边界上的连续条件（6）塑性区半径与支护抗力的关系（7）由洞周位移计算围岩压力3、锚喷支护结构承载力计算4、隧道围岩位移量的容许值5、二次衬砌支护时间选择原则（1）各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定；（2）已产生的各项位移已达预计总位移量的80%~90%；（3）周边位移速率小于0.1~0.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.07~0.15mm/d7.3锚喷支护施工原则1、采取各种措施确保围岩不出现有害松动（1）采用控制爆破技术：减少对围岩的扰动强度（2）减少对围岩的扰动次数：尽可能采用全断面一次开挖（3）初期支护及时快速：及时是抑制围岩变形的有害发展（4）合理利用开挖面空间效应抑制围岩变形：什么是开挖面空间效应？由于开挖面的约束开挖面附近不能释放全部位移。如果在空间效应范围内支护就可以围岩有害变形。（5）尽量减少其他外界因素（水、潮）对围岩的影响：对有地下水的裂隙岩体，要防止大的渗透压力。2、使围岩变形适度发展，最大限度发挥围岩自承能力26 （1）初期支护采用分次施作的方法；（2）调节支护封底时间，控制围岩变形；（3）适当延迟支护时间，控制围岩变形；3、保证锚喷支护与围岩形成共同体（1）施工方法和施工措施上保证；（2）列入施工质量检测项目；4、选择合理支护类型和参数，并充分发挥其功效（1）综合考虑各种因素确定支护类型；（2）合理选择锚杆类型和参数，在围岩中有效形成承载圈（3）合理选择喷层厚度，充分发挥喷层与围岩自身承载力5、合理安排施工程序6、依据现场监测数据指导施工26 第8章隧道通风8.1概述1、隧道内污染的形成2、改善隧道内污染的途径（1）消除污染源---改造汽车（2）滤毒滤烟设备，还原被污染空气（3）将污染空气稀释到容许浓度值以下（4）突发事件应急措施研究、隧道结构研究、路面结构研究3、隧道通风设计要考虑的主要问题（1）空气中有害物质的容许浓度：人的忍受程度、行车安全视距（2）需风量计算问题：考虑交通量、排放量（3）通风方式及通风设备选择：经济性和耐久性8.2空气中有害物质容许浓度1、确定隧道内污染空气中有害物的设计浓度需要研究的问题2、CO2设计浓度8.3需风量计算1、按稀释CO2浓度计算新风量2、按稀释烟雾浓度计算新风量烟雾排放量是以柴油车作为计算依据，当交通流组成柴油车比例大到某一限度以后，烟雾危害超过CO危害，因此，根据烟雾排放量计算所需通风量成为重要问题。（1）烟雾排放量计算烟雾排放量按下式计算：（8.3.3）其中：是隧道全长烟雾排放量（）；为烟雾基准排放量辆km)，可取2.5辆km)；为考虑烟雾的车况系数，对高速公路、一级公路取1.0，对二、三、四级公路取1.2~1.5；是考虑烟雾的海拔高度系数，按图8.3.2取值；为考虑烟雾的纵坡-车速系数，按表8.3.4取值；是考虑烟雾的车型系数，按表8.3.5取值；是柴油车车型类别系数；（2）稀释烟雾到容许浓度所需的新风量计算26 所需新鲜风量按下式计算：（8.3.4）为隧道全长稀释烟雾的需风量（）；为烟雾设计浓度（）。26 第9章隧道照明9.1概述1、隧道照明的目的：把必要的视觉信息传递给司机，保证行车安全。2、人对光强变化的视觉问题3、我国隧道照明状况9.2隧道照明基础1、光的度量2、司机的视觉3、影响视觉的主要因素9.3道路照明质量9.4隧道亮度曲线9.5隧道照明设计思考与练习汽车进入并通过隧道过程中，司机的视觉会出现哪些效应？2．说明以下常用照明术语的定义、单位：（1）光通量（2）光强（3）照度（4）光出射度（5）亮度说明材料反射系数、透射系数和吸收系数的含义，并说明它们之间的关系。简单说明光的几种反射状态。什么是明视觉、暗视觉和中介视觉？明适应和暗适应有何区别？6．常用照明电光源分几类？各类的常见光源有哪些？7．低压钠灯和高压钠灯各有哪些优点？隧道照明中常用在哪些场合？8．照明器配光曲线的用途是什么？不对称的照明器光强在空间的分布如何表示？9．什么是等光强曲线？10．什么是照明器的保护角？26 第10章隧道施工10.1概述1、隧道施工的特点（1）全部为隐蔽工程，地质和水文十分重要；（2）隧道结构为一扁平结构物，施工工作面少，工期长；（3）施工环境差，应采取有效措施加以改善；（4）工程施工不受季节变换及气候变化的影响；2、隧道施工应遵循的基本精神少扰动，早喷锚，勤量测，紧封闭3、隧道施工方法及其选择（1）隧道施工方法l矿山法：传统方法、新奥法（钻暴法）l掘进机法：TBM法、盾构法l明挖法：浅埋隧道，先开挖，做隧道结构后填土的方法；l沉管法：l顶管法（2）施工方法选择需要考虑的因素l工程的重要性l地质和水文条件l施工技术和设备条件l投资效益l施工安全状况l环境污染及地面沉降要求等4、隧道施工技术的发展（1）加强施工中地质勘探工作（2）加快隧道施工机械化（3）加强隧道施工新技术研究（4）加强隧道施工现代化管理10.2新奥法施工1、全断面开挖方法：按隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法2、台阶法3、分部开挖法（1）台阶分部开挖（2）单侧壁导坑法（3）双侧壁导坑法4、施工中可能出现的问题及对策思考与练习1.公路隧道施工的特点?2.全断面法、台阶法、分部开挖法的优缺点及适用条件？26 3.试叙新奥法施工中喷混凝土、锚杆、钢支撑各自所起的作用。4.漏斗棚架法和上、下导坑先拱后墙法各自的优缺点及适用条件？5.简述隧道塌方处理的一般原则。6.隧道的超前支护有哪几种？试述其原理。7.隧道的预加固一般采用的形式，26