隧道工程第2版陈秋南电子课件教学课件 2第3章 隧道主体及附属建筑结构.ppt

『第三章▎主体及附属建筑结构2『3.1▎隧道衬砌材料与构造『3.2▎隧道洞身衬砌结构『3.3▎隧道洞门结构隧道工程SUIDAOGONGCHENG『3.4▎隧道明洞结构『3.5▎隧道附属建筑设施『3.6▎隧道防排水设施『3.7▎铁路隧道底部结构与附属设施 隧道衬砌的作用：承受围岩压力、地下水压力和支护结构自身重力，阻止围岩向隧道内变形和防止隧道围岩的风化，有时还要承受化学物质的侵蚀，地处高寒地区的隧道还要承受冻害的影响等。隧道衬砌材料要求：应具有足够的强度、耐久性、抗渗性、耐腐蚀性和抗风化及抗冻性等，此外还要满足经济、就地取材、易于机械化施工等要求。『3.1▎隧道衬砌材料与构造『3.1.1▎隧道衬砌材料的种类隧道衬砌材料种类： (1)混凝土与钢筋混凝土(2)喷射混凝土(3)锚杆和钢架(4)片石混凝土(5)块石混凝土(6)装配式材料 锚杆与钢架 『3.1.2▎隧道衬砌材料的选用(1)隧道衬砌材料的选用隧道衬砌材料的强度等级满足规范。(2)隧道衬砌材料选用应考虑的因素1)强度和耐久性的要求，并考虑其抗冻、抗渗性和抗侵蚀性的需要。2)当有侵蚀性的水作用时，应选用具有抗侵蚀性能的特种水泥。3)在寒冷及严寒地区，宜采用整体式混凝土衬砌，且混凝土标号适当提高。 『3.2▎隧道洞身衬砌构造喷锚衬砌整体衬砌复合衬砌洞身衬砌结构装配式衬砌连拱式衬砌 喷射混凝土支护作用：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、发挥围岩自身的承载作用和调整围岩应力分布、防止应力集中、控制围岩变形、防止掉块、坍塌。锚杆利用锚杆的悬吊作用、组合梁作用、加固作用。1.喷锚衬砌喷射混凝土:是利用空压机的高压空气作动力，把混凝土混合料直接喷射到隧道围岩表面上的支护方法。 锚杆支护施工与加固作用 2.整体式衬砌直墙式衬砌、曲墙式衬砌严寒地区与酷热温差变化大的地区，增设伸缩缝。的抗冻胀能力较强。 3.复合式衬砌初期支护二次衬砌中间防水层复合衬砌 图3-1复合式衬砌Φ22锚杆，长3.0m9066520405252%路线设计标高20154520C25号素混凝土隧底填充C10号素混凝土307021085154R=465328140隧道中线线路中线R=1270200R=50581C25素混凝土初期支护喷射C20号混凝土，厚20cm防水层预留沉降量5cmC25号素混凝土，模注二次衬砌 3)为了使衬砌所承受的变形压力最小，允许围岩产生一定的变形，释放一定的能量。预留变形量的大小应根据围岩地质条件，采用工程类比法确定。无类比资料时预留变形量可参照表3-3，并应根据现场量测数据进行调整。现场量测确定Ⅵ50~8020~50Ⅲ100~12080~120Ⅴ10~50—Ⅱ80~12050~80Ⅳ——Ⅰ三车道隧道两车道隧道围岩级别三车道隧道两车道隧道围岩级别（单位：mm）表3-3预留变形量 4.装配式衬砌 5.连拱式衬砌图3-2连拱隧道衬砌结构830440183507045107310202201655505204564640535501303345401362%左洞中线左线中线L=3.5mΦ25锚杆459958553502005050C25素混凝土201655初期支护喷射C20混凝土，厚20cm防水层，预留沉落量5cm模注二次衬砌，C25钢筋混凝土45163路线设计标高纵向塑料盲沟φ825535C252755025隧底填充C15混凝土40502%1545右线中线右洞中线580 『3.3▎隧道洞门构造『3.3.1▎概述洞门可以拦截、汇集地表水并沿排水渠道排离洞门进入道路两侧的排水沟，防止地表水沿洞门漫流。洞门上方女儿墙应有一定高度。洞门上方岩土体若有可能滑落或崩塌时，一般采用接长明洞，尽量减少对边、仰坡的扰动。 (1)环框式洞门当洞口岩层坚硬而稳定(Ⅰ级)围岩，地形陡峻而又无排水要求时，它能起到加固洞口和减少雨后洞口滴水的作用。『3.3.2▎洞门的类型 (2)端墙式洞门适用于地形开阔、岩层稳定的Ⅰ～Ⅲ级围岩地区，其作用在于支护洞口仰坡，保持其稳定，并将仰坡水流汇集排出。 (3)翼墙式洞门当洞口地质较差，山体水平推力较大时，翼墙与端墙共同作用，以抵抗山体水平向推力，增加抗滑动抗倾覆的能力，适用于Ⅳ级及以下的围岩。 (4)柱式洞门当地形较陡，地质条件较差，仰坡有下滑的可能性，而又受地形地质条件限制，不能设置翼墙时，可以在端墙中部设置两个断面较大的柱墩，以增加端墙的稳定性。这种洞门墙面有凸出线条，较为美观，适宜在城市附近或风景区内采用。对于较长大的隧道，采用柱式洞门比较壮观。 (5)台阶式洞门当洞门处于傍山侧坡地区，洞门一侧边坡较高时，为减小仰坡高度及外露坡长，可以将端墙一侧顶部改为逐步升级的台阶形式，以适应地形特点，减少仰坡土石方开挖量，同时也有一定的美化作用。 (6)削竹式洞门当隧道洞口段有一节较长的明洞衬砌时，由于洞门背后一定范围内是以回填土为主，山体的推滑力不大时，可采用削竹式洞门，其名称是由于结构型式类似竹筒被斜向削砍断的样子，故得其名。特点是，洞口边仰坡开挖量少，有利于山体的稳定，减少对植被的破坏和有利于保护环境，各种围岩类别均能适用。其使用条件是：地形相对比较对称和不太陡峻。1:0.751:0.75设计标高2.0%I-I剖面ⅠⅠ1:0.751% 削竹式洞门效果图 (7)遮光棚式洞门有开放式和封闭式之分。形状上又有喇叭式与棚式之分。 洞口仰坡坡脚至洞门墙背应有不小于1.5m的水平距离，以防仰坡土石掉落到路面上，危及安全。洞门端墙与仰坡之间水沟的沟底与衬砌拱顶外缘的高度不应小于1.5m，以免落石破坏拱圈。洞门墙顶应高出仰坡脚0.5m以上，以防水流溢出墙顶，也可防止掉落土石弹出。水沟底下填土应夯实，否则会使水沟变形，产生漏水，影响衬砌强度。『3.3.3▎洞门构造 洞门墙应根据情况设置伸缩缝、沉降缝和泄水孔，以防止洞门变形。洞门墙的厚度可按计算或结合其他工程类比确定，但墙身厚度最小不得小于0.5m。洞门墙基础必须置于稳固地基上，土质不应小于1m，岩石不应小于0.5m。松软地基上，可采用扩大基础、换土、桩基、压浆加固地基等措施。 『3.4▎隧道明洞结造当隧道顶部覆盖层较薄难以用暗挖法修建时，或隧道洞口、路堑地段受塌方、落石、泥石流、雪害等危害时，或道路之间、公路与铁路之间形成立体交叉，但又不宜修建立交桥时，通常修建明洞。 明洞的结构类型拱式明洞箱式明洞棚式明洞路堑式拱形明洞半路堑式拱形明洞对称式偏压式偏压斜墙式单压耳墙式墙式刚架式柱式悬臂式『3.4.1▎明洞的类型 1)路堑拱形明洞分为对称式和偏压式图3-9对称式明洞图3-10偏式明洞(1)拱式明洞分为路堑和半路堑式 2)半路堑拱形明洞偏压斜墙式和单压耳墙式。 (2)棚式明洞墙式、刚架式、柱式和悬臂式（如图等。 (3)箱形明洞 『3.4.2▎明洞衬砌当明洞作为整治滑坡的措施时，应按支挡工程设计，充分考虑明洞上方滑坡体的推力，采取综合治理措施，如地表排水、减载、反压、支撑墙、抗滑桩、地下排水盲沟等，确保明洞与滑坡的稳定。在气温变化较大的地区，应根据具体情况设置伸缩缝。 『3.4.3▎明洞衬砌基础基岩埋深较浅时，基础可设置于基岩上；基础位于软弱地基上时，可采用仰拱、整体式钢筋混凝土底板，也可采用桩基、扩大基础、基础加深和地基加固处理等措施。 『3.5▎隧道附属建筑设施 『3.5▎隧道附属建筑设施『3.5.1▎紧急停车带『3.5.2▎横洞和预留洞室紧急停车带 隧道空气污染来源影响能见度，妨碍行车安全汽车排出的废气汽车携带的尘土和卷起尘埃有害成分一氧化碳、煤烟、铝、磷化物、硫等，是气态和浮游固态微粒混合物危害使人体中毒，直至危及生命『3.5.3▎运营通风建筑物 1.通风计标准(1)CO的设计含量(2)烟雾的设计含量(3)换气要求隧道隧道空间最小换气频率不应低于每小时３次。采用纵向通风的隧道，隧道换气风速不应低于1.5ｍ/s。 2.需风量计算(1)按稀释CO浓度计算需风量(2)按稀释烟雾含量(体积分数)计算需风量 隧道通风自然通风机械通风纵向式射流式风道式或喷嘴式竖井排风式半横向式送风式吸风式全横向式混合式3.通风方式 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(3-5)单向交通隧道(3-6)LN≥6×105LN≥2×106 (3-7)(1)自然通风目前还没有可靠的计算自然通风的隧道最大容许长度的一般算式。因为，由隧道两个洞口的大气条件和高差引起的压头差值导致隧道内自然风是不稳定的。大气条件在隧道内引起的总压头，可由下式计算： 由于交通风比自然风作用大，在单向交通情况下，即使隧道相当长，也有可能进行足够的通风。交通通风力可按下式计算： 通风阻抗力可按下式计算：(3-9)由上所述，自然风方向，隧道内的风向以及交通方向之间可以有不同的组合方式。 (2)纵向式通风纵向通风时，可以认为隧道内沿纵向流动的气流从入口至出口都是匀速的。纵向式通风的类型有：射流式通风、风道式通风和集中排气式通风等，根据交通方式不同又可以有不同的具体设计。 1)射流式通风 射流式通风a)对向交通b)单向交通a)b)行车方向风向风压p风速v污染物含量c 竖井、斜井式通风a)对向交通b)单向交通a)b)行车方向风向风压p风速v污染物含量c2)竖井、斜井式通风 竖井通风平面示意图 全横向式通风工作原理(3)全横向式通风 全横向式通风a)对向交通b)单向交通a)b)行车方向风压p风速v污染物含量c通常情况下，可以认为送风量与吸风量是相等，设计时也把送风管道和吸风管道的断面积设计成一样。 (4)半横向式通风工作原理如图3-27，这种通风系统是在隧道的顶部设置进风管，并在进风管的下部，沿隧道的长度方向每隔一定距离开一通风口，气流则沿通风口流向隧道内，然后隧道内的空气在新鲜气流的推动下，沿隧道的纵向排出洞外。半横向式通风效果比纵向好，但没有全横向式通风能力强。图3-27半横向式通风工作原理 纵向式通风的污染浓度不均匀，进风口最低，出风口最高。半横向式通风，可使污染浓度大体上接近一致。送风式半横向通风是半横向通风的标准型式，新鲜空气经送风管吹向汽车的排气孔高度附近，直接稀释汽车排放的废气。污染空气在隧道上部扩散，经过两端洞口排出洞外，如图3-28。中性点a)b)中性点行车方向风向风压p风速v污染物含量c图3-28半横向式通风a)对向交通b)单向交通 双向交通时，不论是送风方式还是吸风方式如果双方的交通流量相等，两洞口的气象条件也相同，则隧道内的风压分布为中间最大，两洞口排出或送入的空气为等量。因此，在隧道的中点，空气是静止的，风速为零，该点称为中性点。除该点外，风速向两洞口呈直线增加。污染浓度在送风方式中各处是相同的，而在吸风方式中是中性点处最大。(5)混合式通风混合式通风没有固定的格局，可以由上述几种基本通风型式组合而成，一般都是用于公路隧道。国外采用混合式通风的隧道不乏先例，其组合方式有多种，也必须符合一般性的设计原则，力求既经济，又实用。 4.通风方式的选择公路隧道对运营通风的要求较高，可供选择的通风方式也较多，选择时主要考虑因素是隧道的长度和交通流量，还应适当考虑当地气象、环境、地形等条件。 5.通风机的选择通风机类型：离心式通风机和轴流式通风机。通风机的选择：通风棚的类型、通风机的型号、通风机的联合运转方式以及通风机的机号、转速和叶片安装角。通风机选择的依据：隧道的通风阻力和要求的通风量Q(m3/s)以及其他的一些隧道条件。 图3-29轴流式风机个体特性曲线图3-30离心式风机个体特性曲线R604043002001000N/kWη/(%)020ηη静全全静hh321501001502000h/kPa020015010050501001502000580Q/(m3.s-1)Q/(m3.s-1)Q/(m3.s-1)h/kPa080604020123Q/(m3.s-1)hh静全全静ηη6040204060800η/(%)N/kW0806040200100200300480100NQ/(m3.s-1)Q/(m3.s-1)a)b)c)a)b)c) 『3.5.4▎运营照明设施公路隧道的照明，是为了把必要的视觉信息传递给司机，防止因视觉信息不足而出现交通事故，提高驾驶上的安全性和增加舒适感。隧道照明与道路照明的显著不同是白天也需要照明，而且白天照明问题比夜间更加复杂。规范规定：长度大于100m的隧道应设置照明。1.隧道照明的必要性 『3.5.4▎运营照明设施1.隧道照明的必要性汽车司机在白天从明亮的环境接近、进入和通过隧道过程中，将产生种种视觉问题：1)进入隧道前的视觉问题（白天）。黑洞（长隧道及黑框（短隧道现象。 2)进入隧道立即出现的视觉问题（白天）。适应的滞后现象3)隧道内部的视觉问题（白天、夜间），降低能见度。4)隧道出口处的视觉问题，眩光.夜间与白天正好相反，隧道出口看到的不是亮洞而是黑洞，这样就看不出外部道路的线型及路上的障碍物。 2.照明区段的划分长隧道的照明可以分为洞口接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段以及五个区段。(1)接近段长度，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)入口段长度，入口段指进入隧道洞口的第一段，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。入口段照明长度可按下式计算： (2)过渡段长度，介于入口段和中间段之间的照明区段为过渡段，可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。过渡段由过渡１段Dtr1、过渡２段Ｄtr2、过渡３段Ｄtr3三个照明段组成，各段照明长度查表。 (4)中间段长度，过了过渡段，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)出口段长度，出口段宜划分为ex1、ex2两个照明段，每段长度宜取30ｍ。 3.照明区段的亮度隧道的照明可以分为洞口接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段五个区段。 3.照明区段的亮度(1)接近段亮度，可不设照明设施。影响洞内设置与费用(2)入口段亮度(3)过渡段亮度过渡段由过渡1段、过渡2段、过渡3段三个照明段组成，各段照明亮度查表。(4)中间段亮度中间段亮度可查表。(5)出口段亮度在单向交通隧道中，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。 4.洞外接近段的减光建筑物与减光措施(1)遮阳棚(2)遮光格栅(3)植被减光 5.亮度曲线的组成 6.照明设计道路隧道的内部照明，不仅要有足够的亮度，而且要有符合要求的质量。 『3.5.5▎洞门及洞身装饰内装材料，应尽量采用淡黄和浅绿色，要具有良好的反射率，减少眩光，并使这种反射呈漫反射，还应具有吸收噪声的作用。 『3.6▎隧道防排水设施『3.6.1▎水对隧道的危害水对地下水的危害是多方面的：施工阶段——影响施工，如劣化围岩，涌水等运营阶段——危害衬砌的耐久性，恶化运营条件严寒地区——衬砌会冻胀开裂,形成冰楞清入限界城市——影响周边地表沉陷等 『3.6.2▎隧道防排水的要求隧道防排水设计应对地表水、地下水妥善处理，洞内外应形成一个完整通畅的防排水系统。1.一般规定2.防水要求隧道采用复合式衬砌时，在初期支护与二次衬砌之间应设置防水板及无纺布。要求：①无纺布密度不小于300g/m2；②防水板应采用易于焊接的防水卷材，厚度不小于1.0mm，接缝搭接长度不小于100mm。 3.排水要求按地下水和营运清洗污水、消防污水分离排放的原则设置纵向排水系统，应能保证排水畅通，避免洞内积水。路面结构底部排水设施应符合下列规定：隧道衬砌外排水设施应符合下列规定：隧道内排水应符合相关规定。 路面排水沟a）矩形开口式；b）圆形开口式；c）固定盖板；d）活动盖板 隧道路基排水a）无仰拱；b）有仰拱隧道路基排水a）中央沟；b）中央沟+路基边缘沟 4.洞口与明洞防排水要求洞口及明洞应设置截水沟和排水沟，洞口边坡、仰坡应采取防护措施，防止地表水的下渗和冲刷。为防止洞外水流人隧道内，可在洞口外设置反向排水边沟或采取截流措施。明洞防排水要求符合相关规定。 『3.6.3▎隧道防排水的原则防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理防：防水层、二次衬砌-多道防线排：环/纵盲管、排水管、排水沟截：截（排）水沟堵：注浆防水型、排水型、限量排放型 『3.6.4▎隧道防排水措施1.防水措施1)喷射混凝土防水。2)塑料防水板防水。3)模筑混凝土衬砌防水。4)涂料防水。5)防水砂浆抹面6)注浆堵水。7)防止地表水的下渗。8)有侵蚀性时，采用抗侵蚀性措施。9)寒冷高海拔地区，对地下水的处理应以堵为主。 2.排水措施1）隧道内纵向应设排水沟。2）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，保证路基不积水。4）利用辅助坑道或设置泄水洞等作为截、排水设施。5）盲沟—泄水孔—排水沟，其排水过程是：水从围岩裂隙进入衬砌背后的盲沟，盲沟下接泄水孔水从泄水孔泄出后，进入隧道内的纵向排水沟，并经纵向排水沟排出洞外。 6）在洞口仰坡外缘5m以外，设置天沟。仰坡上可种植草皮、喷抹灰浆或加以铺砌。7）对洞顶天然沟槽加以整治，使山洪宣泄畅通。8）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，一改多利，各方满意。9）在地表水上游设截水导流沟，地下水上游设泄水洞，洞外井点降水或洞内井点降水。 1.排水沟『3.6.5▎隧道内防排水建筑物单侧、双侧、中心式三种形式。排水沟的施作，与仰拱混凝土或底板混凝土同时模筑。 2.盲沟在衬砌与围岩之间提供过水通道，并使之汇入泄水孔，用于引导较为集中的局部渗流水。(1)弹簧软管盲沟(2)化学纤维渗滤布盲沟 3.泄水孔是设于衬砌边墙下部的出水孔道，它将盲沟流出的水直接泄入隧洞内的纵向排水沟。 有砟轨道和无砟轨道2种型式。『3.7.1▎高速铁路隧道底部结构『3.6▎铁路隧道底部结构及附属设施 （1）避车洞，分大避车洞和小避车洞两种。（2）电力及通讯设施电缆槽、信号继电器箱和无人增音站洞『3.7.2▎隧道附属设施