[工学]隧道工程课件-第2章 隧道勘测设计.ppt

《隧道工程》 第2章隧道工程勘测设计1隧道工程调查3洞口位置选择2隧道线路确定隧道勘测设计的基本内容1隧道工程调查2隧道线路确定 隧道勘测的目的：查明隧道所处位置的工程地质条件和水文地质条件为规划、设计、施工提供资料对存在的岩土工程问题、环境问题进行分析评价提出合理的设计和施工建议隧道施工和运营对环境保护的影响提出意见 隧道勘测的两个阶段隧道勘测阶段的划分与公路设计阶段相适应，一般分为：初步勘测；定测阶段。长大隧道或复杂隧道采用两阶段勘测；简单的中小隧道可采用一阶段。 初步勘测收集资料工程地质选定隧道线位初步勘测资料整理取得隧道所在位置的初步总平面布置地形图及有关工程性质，规模的文件初测工作的任务是选择经济合理、技术可行的最优隧道位置方案工程地质勘测的原始资料，包括调查、测绘、勘探、试验等资料初步勘测： 定测阶段：定测阶段目的任务步骤为线位布设和编制施工图设计提供完整的工程地质资料在初勘基础上，进一步查明隧道沿线地质特征和不良地质规模、大小范围(1)前期的准备工作；(2)沿线地质勘察；(3)试验；(4)资料整理；(5)编写详勘报告 工程勘测主要内容一、自然地理概况调查：收集当地地形、地貌、气象、水文、环境等资料。二、地质调查：工程地质特征水文地质特征不良地质现象地震有害气体及放射性物质三、环境调查，对施工场地、生态环境调查，评价施工及运营对环境的影响。四、气象调查：考虑气候环境对设计、施工及运营的影响。2.1隧道工程勘测 地质勘察的主要手段一、挖探：2～3米二、简易钻探：3～10米三、钻探：冲击钻、回转钻等四、地球物理勘探 一、挖探优点:直观,取原状样缺点:一般3~4m,地下水以下危险 挖探：2～3米 二、简易钻探：3～10米 简易钻探：3～10米 钻探的取芯 钻探的取芯 钻探的取芯 三、钻探：冲击钻、回转钻等 常用的办法,可达100m以下划分地层确定地下水取样可以结合原位试验钻探回转式钻机泥浆槽沉淀槽 三、钻探：冲击钻、回转钻等 钻机可以悬挂9150m长的钻杆延伸到海洋底部8235m深的地方因为水深大不能锚定系留，必须使用DPS（DynamicPositioningSystem-动态定位系统）。JOIDESResolution 深水钻探 国家科技部“九五”曾提出8字方针：“上天、入地、下海、登极”都与钻探工程有关。 四、地球物理勘探－物探基本原理：利用岩土体材料的导电性和导磁性，根据接收信号判断地层缺陷及力学性质。 1地球物理勘探物探:根据密度、导电性等物理性质的差别，勘测地层分布、地质构造和地下水位置方法:重力场,磁电场,声,弹性波,放射性勘探,地震勘探(规范,剪切波速)优点:简单迅速缺点:间接判断,范围较大. 物探根据岩土物理性质不同的分类：电法勘探－隧道常用电磁法勘探（地质雷达）－隧道常用地震勘探－隧道常用声波探测重力勘探磁力勘探放射性勘探 物探的现场 物探的曲线 地质断面图地质钻孔图 水文勘察恶化围岩稳定状态导致施工困难增大工程造价造成工业用水和饮用水困难隧道内涌水地表枯水必须进行调查预测 建筑环境评价目的：明确环境现状，不因修建工程而使环境恶化，研究有关对环境影响的内容及其程度；提出防止破坏环境的措施等。 对现有生态环境保护的项目（1）水资源保护；（2）植被保护；（3）特殊区(名胜古迹、温泉、风景等)保护；（4）环境污染的保护(污水、烟尘、噪声、有害物等)（5）弃碴处理； 在山区修建铁路或高等级公路时，隧道的比重往往是很大的，因此，选择合理的隧道位置不仅是选线的重要组成部分，同时也关系着施工难易、工期长短、造价大小、运营安全和运输效率。第2章隧道工程勘测设计2.2隧道位置选择2.2.1概述1.隧道位置选择的重要性 根本性因素：◆工程地质和水文地质条件，因为它往往控制着线路方案的取舍和隧道位置的选择第2章隧道工程勘测设计2.选择隧道位置时考虑的主要因素（1）社会条件：政治、经济、国防、对自然环境的影响（2）自然条件：工程地质、水文地质、地形、地貌等◆地形条件也是选定隧道位置的重要条件之一。 越岭隧道地段，一般山峦起伏，地形陡峻，工程地质和水文地质条件均较复杂，交通运输条件也比较困难，施工及弃碴场地狭窄，隧道施工往往控制全线或部分地段的工期。第1章隧道工程勘测设计2.2.2按地形选择隧道线路一、越岭隧道位置的选择通过山区的交通干线往往要翻越分水岭，从一个水系进入另一个水系，这段线路称之为越岭线，线路为穿越分水岭而修建的隧道称为越岭隧道。用于缩短线路，克服高程障碍。 第1章隧道工程勘测设计1.选择越岭隧道的两大要素平面位置与立面位置的选择(1)平面位置的选择——选择垭口 较高的垭口较低的垭口山岭（褶多山）什么叫做垭口？ 选择的垭口路线总方向垭口什么叫做垭口？如何选择垭口？ 当线路必须跨越分水岭时，分水岭的山脊线上总会有高程较低处，称之为垭口。常常有若干个垭口可以通过。通过上述因素的分析比较，选定最为理想的垭口。垭口是选定越岭隧道线路方案的控制点。什么叫做垭口？ 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，着重考虑以下因素：路线总方向上的垭口地质条件隧道长度两侧展线难易程度工程量大小路、桥、隧总体线形 沙木拉打越岭长隧道的选择 成昆线从大渡河水系的牛日河进入安宁河水系的孙水河，需穿越小凉山分水岭，该岭与两侧高差约900余米，线路需克服越岭的巨大高差，越岭地段计有沙木拉打、瓦吉木、小相岭、阳糯雪山四个垭口。例如：成昆线沙木拉打隧道的比选线路方案隧道长（km）高程（m）线路长（km）沙木拉打6.42188～2243141.5瓦吉木14.51950～2077109.3小相岭19.51782～1815109.3阳糯雪山25.81760～180083.5 2）越岭隧道立面选择---标高选择一般隧道标高越高，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。因此，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。 不同标高位置选择 穿越娄山山脉分水岭的越岭隧道选线实例凉风垭方案越岭隧道长4270m 马鞍山方案越岭隧道长2810m雷神坡方案越岭隧道长3490m凉风垭方案越岭隧道长4270m凉风垭垭口地形陡峻，山梁薄，分水岭两例地面高差较大。选了三个主要方案：马鞍山方案越岭隧道长2810m，洞口位置最高，隧道短，展线长，运营条件相对较差；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；凉风垭方案越岭隧道长4270m，越岭高程较前两方案均低．线路顺直，展线最短，但越岭隧道最长,运营条件好。经比选后采用了越岭隧道最长的凉风垭方案。 二、傍山隧道的线路选择 傍山隧道沿河路线 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 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。傍山隧道选址需要考虑哪些问题？山体滑坡 ②考虑河岸冲刷对山体和洞身稳定的影响。傍山隧道选址需要考虑哪些问题？河道狭窄冲刷严重！ ③考虑既有建筑物对洞身稳定的影响。傍山隧道选址需要考虑哪些问题？PoShanRoadConduitRoadNotewellRoad已有建筑影响 ④线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。傍山隧道选址需要考虑哪些问题？ 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。 关村坝隧道方案沿河线截弯取直作隧道实例一 沿河线截弯取直作隧道实例一关村坝隧道是裁弯取直的典型例子之一：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6,107米的隧道1座。线路顺直，工程单一，避开了不良地质，保证了运营安全。总体技术经济优。实践证明，效果良好。 隧道工程需要考虑的地质因素1.地质构造2.岩体强度3.水文地质条件不良地质2.2.3地质条件与隧道位置选择 (3)当绕避困难时，应尽量采取必要的工程措施。(2)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；(1)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； (一)单斜构造与隧道位置的选择(二)褶皱构造与隧道位置的选择(三)断裂构造、接触带与隧道位置的选择(四)不良地质段的隧道位置选择一、典型地质构造的影响 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。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 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，此时，以不透水的坚硬岩层作顶板为最好。单斜构造 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)．单斜构造 隧道通过直立岩层时，其中线宜垂直于岩层的走向穿过，如左下图所示。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(如右下图所示)，甚至会导致大的坍力，致使地面形成“天窗”。3．直立岩层单斜构造 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。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。如果恰在褶曲的两翼，将受到偏侧压力.(二)褶皱构造与隧道位置的选择 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。褶皱构造 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，开挖隧道易坍塌，给施工带来困难(三)断裂构造、接触带与隧道位置的选择 断裂构造地层压力变化较大，衬砌结构亦难处置;选择隧道位置切忌沿着断层带或破碎带修建隧道;应避开严重破碎带，并使断层地段最短。断裂构造 什么是不良地质？二、不良地质段的隧道位置选择滑坡 什么是不良地质？流沙地层 什么是不良地质？软弱地层 什么是不良地质？溶洞 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 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。不良地质段 2.危岩、落石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。不良地质段 3.岩堆、崩塌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。不良地质段 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：(1)预计河床最大下切及侵蚀基准面对隧道影响；(2)泥石流可能的改道和变迁对洞身的影响；(3)充分预计隧道防排水的处理难度；(4)施工爆破可能带来的危害。不良地质段 不良地质段 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。不良地质段 6、瓦斯致人窒息，引起爆炸尽量避开，避不开采取加强通风。 第2章隧道工程勘测设计2.2隧道洞口位置的选定2.2.2洞口位置选定的重要性◆是隧道勘测设计的重要环节之一。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)综合考虑。 ◆要避免单纯经济观点(所谓“等价点”)来选定隧道洞口第2章隧道工程勘测设计等价点的概念：每米路堑的造价是随着路堑的挖深增大而显著增大的，当路堑挖深达到某一程度时，其每米造价就会与每米隧道的造价相等，甚至超过。因此认为在二者造价相等的点就是路堑转入隧道最经济合理的地方。 1.洞口应尽可能设在山体稳定、地质较好处，不应设在排水困难的沟谷低洼中心。第2章隧道工程勘测设计2.2.2洞口位置选定的原则和要求总的原则：早进洞、晚出洞目的：确保施工、运营的安全理由：(1)沟谷地势狭窄，不利施工；(2)不利防洪、排水；(3)洼地一般地质条件较差。 线路与等高线斜交无法避免时：◆可采用斜交洞门，但围岩类别应不小于Ⅲ级。且斜交角度一般不小于45º◆接长明洞◆采用台阶式洞门第2章隧道工程勘测设计2.洞口应尽可能设在线路与地形等高线正交处 理由：不使山体受扰动太甚，不使新开出的暴露面太大第2章隧道工程勘测设计3.隧道洞口的路肩设计标高，应高于洪水设计标高Ⅰ、Ⅱ级铁路、高速公路为100年一遇Ⅲ级与其他公路为50年一遇设计标高=水位+0.5(壅水+波浪)4.边坡、仰坡不宜开挖过高，以保证洞口安全 第2章隧道工程勘测设计5.当隧道穿过悬崖陡壁时，可贴壁进洞◆当隧道穿过悬崖陡壁时，岩壁稳定且落石或坍塌不可能时，一般不宜刷动原坡面，破坏地表植被，暴露风化破碎岩层，使洞口处于不利地位。 6.当洞口地形平缓时第2章隧道工程勘测设计由于选定洞口位置有较大的伸缩范围此时，此时应结合洞外填方路堑施工难易、路堑排水支农要求、弃碴场地、施工力量及机械设备等情况全面考虑。7.注重环境保护 ◆隧道长度(起迄点)的计算铁路：洞门外表面与轨顶面的交点公路：洞门外表面与路线中线的交点第2章隧道工程勘测设计2.3隧道线路设计◆概念：隧道平面是指隧道中心线在水平面的投影隧道纵断面是中心线展直后在垂直面的投影 2.3.1隧道的平面设计公路隧道的平面线形和普通道路一样，根据公路规范要求进行设计。隧道平面线形，一般采用直线、避免曲线。如必须设置曲线时，应尽量采用大半径曲线，并确保视距要求。 曲线设计的缺点1、建筑限界需要加宽。增加工程量。2、施工复杂。3、通风条件差。4、测量精度低。5、维修养护条件差。6、对于铁路隧道会抵消一部分机车牵引力，加速钢轨磨损。 铁路隧道平面设计尽量设计成直线。如果设计成曲线，必须设置加宽和超高。不宜设置反向曲线，其维护复杂、行车不平稳。 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%7500525033501900800450200公路隧道平面设计1、为了保证视距，曲线半径不能太小，必要时也可以考虑加宽。为了施工方便不宜设置超高。单向隧道出口设计成曲线比较有利。 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 双洞间距问题对于高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的独立双洞;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;一般情况可按下表取值。 分离式独立隧道的最小间距围岩级别IIIIIIIVVVI最小净距（m）1.0×B1.5×B2.0×B2.5×B3.5×B4.0×B 铁路隧道纵断面设计2.3.2隧道纵断面设计隧道内纵面线形设计应综合考虑行车安全性、营运通风规模、施工作业效率和排水要求及高程等因素。 1、纵坡类型：单坡人字坡 单坡用于线路紧坡地段或展线地区。单坡有利于自然通风。施工过程中低洞口有利。适合进出口高差较大的隧道及短隧道。人字坡隧道如双向对头掘进，为施工排水，可采用“人”字坡。但不利于通风。适合长大隧道。 2、坡道大小控制隧道纵坡大小的主要因素※通风问题※排水问题综合各方面要求，隧道规范要求纵坡应不小于0.3％，并不大于3％。铁路因为湿度和空气阻力的影响考虑折减。 3、坡段长度坡段宜长些，或不短于列车长度。保证旅客舒适性。4、坡段连接相邻坡段代数差有一定限制。在变坡点设置竖曲线。以防止车钩受扭产生破坏。 隧道内竖曲线最小半径和最小长度设计速度（km/h)1201008060403020凸形竖曲线半径一般值170001000045002000700400200极限值11000650030001400450250100凹形竖曲线半径一般值6000450030001500700400200极限值4000300020001000450250100竖曲线长度100857050352520隧道内纵坡坡率超标后，必须对行车安全性，通风设备和运营费用、施工效率的影响等作充分的技术经济综合论证。 5、最小行车速度考虑机车动力情况及旅客身体原因设置最小行车速度。内燃机考虑，电力机车不必考虑。 公路隧道纵断面设计单坡：0.3%-3%。短隧道最大可以做到4%。人字坡0.3%-1%。 2.4隧道横断面设计隧道净空与限界的概念隧道建筑限界的确定曲线隧道净空加宽隧道衬砌横断面设计 2.4.1隧道净空与限界的基本概念隧道净空：隧道衬砌内轮廓线所包围的空间，根据“隧道建筑限界”确定的。隧道建筑限界：为了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范围。隧道净空与限界的基本概念隧道净空与限界的基本概念 铁路隧道建筑限界铁路隧道建筑限界机车车辆或超限货物车辆的接近限界隧道建筑限界隧道净空铁路建筑接近限界 铁路隧道建筑限界 铁路隧道建筑限界 公路隧道建筑限界建筑限界组成部分：行车道宽度(W)路缘带(S)侧向宽度(L)人行道(R)或检修道(J)当设置人行道时，含余宽(C)车道数公路隧道建筑限界 公路隧道建筑限界图(尺寸单位：m) 2.4.2曲线隧道净空加宽单线铁路隧道加宽示意图铁路隧道加宽原因：车体内倾和平移曲线隧道净空加宽 曲线铁路隧道加宽平面设计曲线隧道净空加宽断面衔接方式-------错台式、1M范围逐渐过渡 类别半径(m)加宽值(m)汽车轴距加前悬(m)250~200200~150150~100100~7070~5050~3030~2525~2020~15150.40.60.81.01.21.41.82.22.5280.60.70.91.21.52.0——35.3+8.80.81.01.52.02.5——公路隧道平曲线加宽取值注：四级公路和山岭重丘的三级公路采用第1类加宽值；其余各级公路采用第3类加宽值。对不经常通行集装箱运输半挂车的公路，可采用第2类加宽值。曲线隧道净空加宽平面曲线半径小于或等于250M时，应在曲线内侧加宽。 2.4.3隧道衬砌横断面设计设计目的★满足限界要求★满足受力要求★圬工最省超静定结构，无法直接用力学方法计算出截面尺寸。因此采用迭代法。隧道衬砌横断面设计 隧道衬砌横断面设计 隧道衬砌横断面设计设计基本内容★内轮廓线★轴线★厚度设计步骤★确定隧道类型相应建筑限界★根据围岩初步拟定截面厚度★断面优化、强度检算并评价内轮廓线隧道衬砌横断面设计 设计注意事项★隧道内轮廓必须符合隧道建筑净空限界。★内轮廓线应尽量减小洞室的体积。★结构轴线应尽可能地符合压力线。★采用的施工方法能确保断面形状及尺寸有利于隧道的稳定。隧道衬砌横断面设计 结构轴线形状的确定轴线形状和地质、水文情况有关只承受径向分布的静水压力时-----圆形轴线竖向荷载大、水平荷载小时----上部圆弧形或尖拱形，下部做成直线型（直墙式）竖向、水平荷载均较大时-----上部圆形或平拱形，下部做成圆弧形（曲墙式）如有底鼓压力，则要做成仰拱。 铁路隧道衬砌断面基本尺寸铁路隧道建筑限界是统一固定的，因此在围岩级别相同的情况下，其衬砌结构的断面形状和厚度也是固定的。采用标准设计图。 公路隧道衬砌断面设计目前公路隧道以单心圆、坦三心圆两种断面应用最为普遍。公路隧道与铁路隧道的主要区别：①铁路隧道建筑限界是固定统一的，而公路隧道的建筑限界则不定。②公路隧道的附属设施比铁路隧道多且要求高，且每一座隧道均会因交通流量和长度不同而要求不同。公路隧道衬砌断面设计 与铁路隧道的异同点：内轮廓非标准化通风、照明等附属设施多设计特点：断面设计优化的必要性规范推荐断面形式(有标准化的趋势)公路隧道衬砌断面设计 衬砌截面厚度---由材料水文地质情况确定铁路规范规定衬砌截面最小厚度(㎝)建筑材料种类隧道和明洞衬砌洞门端墙、翼墙和洞口挡土墙拱圈边墙仰拱混凝土20202030片石混凝土5050浆砌粗料石或混凝土块303030浆砌块石3030浆砌片石5050单线铁路隧道拱顶厚度一般为30～60㎝双线铁路隧道衬砌拱顶厚度为40～80㎝。仰拱厚度一般稍小于拱顶的厚度。衬砌可以等厚，也可将拱脚和边墙较拱顶加厚20%～50%。衬砌截面厚度