隧道工程

第一章绪论隧道分类：1、按用途分（常用分类方法）(1)交通隧道(2)水工隧道(3)市政隧道(4)矿山隧道2、按隧道长度分（公路隧道规范）：(1)特长隧道：L>3000m(2)长隧道：3000m≥L>1000m(3)中长隧道：1000m≥L>500m(4)短隧道：L≤500m3、按断面面积分：(1)特大断面隧道：断面积在100m2以上(2)大断面隧道：断面积在50~100m2之间(3)中等断面隧道：断面积在20~50m2之间(4)小断面隧道：断面积20m2以下4、按隧道所处的地理位置划分：(1)山岭隧道(2)水底隧道(3)城市隧道第二章隧道的勘察1、隧道勘察的三个阶段：可行性勘察；初步勘察；详细勘察。2、隧道勘察的主要方法：（1）收集研究既有资料（地形地貌、地质情况、区域水文情况、特殊地质、不良地质、植被及环境、地震资料、类似工程经验、其他资料）（2）调查与测绘自然概况；工程地质调查（*直接观测*访问群众）；工程地质测绘（调查测绘的内容：地形、地貌；地层、岩性；地质构造、地表水和地下水；特殊地质、不良地层；地震、工程经验；施工条件；施工方法）（3）勘探3、隧道勘察的主要手段：挖探、简易钻探、钻探、地球物理勘探4、地质勘察（1）可行性勘察目的是为可行性研究提供所需的地质资料。（2）初步勘察目的是为选择隧道方案作出工程地质论证（或条件）；任务是选择隧道位置。内容主要有地形、地貌；地质构造；地层岩性；特殊地质、不良地质。主要手段以调查和测绘为主，配合物探，并充分利用以往地质资料。（3）详细勘察目的是根据批准的初步设计，对选定隧道位置详勘，为施工图设计服务。主要手段有坑探、钻探、物探。5、水文勘察隧道水文的两种现象：涌水、枯水（1）为了预测涌水，要通过对构造裂隙、地下水露头的调查，判明含水层、透水层、隔水层的范围及其与隧道的关系和影响程度；调查地下水的类型及其与地表水的相互补给关系，地下水的动态变化规律；调查地下水的流量、流向及水质等。（划线部分为涌水调查内容）（2）枯水调查主要内容：地下水的利用状况、地下水季节性变化以及雨后变化、植被情况等。第三章隧道总体设计第一节隧道选址一、越岭隧道选址1、越岭隧道平面位置的选择（1）、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。（垭口是选定越岭隧道线路方案的控制点）（2）垭口选择着重考虑因素：①优先考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，此时垭口在两侧具备有良好展线的横坡时，一般越岭隧道较短。②虽远离线路总方向，但垭口两侧有良好的展线条件，又不损失越岭高程的垭口。③隧道一般选在分水岭垭口两边河谷标高相差不多，并且两边河谷平面位置接近处。④工程地质和水文地质条件良好的垭口。(3）越岭隧道标高选择：①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；②标高方案时运营条件的改善和通过能力的提高，但低标高隧道则与之相反，施工难度增加，施工期较长。 因此，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。2、傍山隧道的选址（1）傍山隧道选择着重考虑因素：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。②考虑河岸冲刷对山体和洞身稳定的影响。③考虑既有建筑物对洞身稳定的影响。④线路沿山嘴绕行应与直穿山嘴的隧道方案进行比较。（2）不良地质段的隧道位置选择：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。(书上是：滑坡、错落；松散堆积层；泥石流)（3）隧道洞口位置的选择一般原则和要求：⑴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；⑵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；⑶洞口应尽可能设在线路与地形等高线相垂直的地方，使隧道正面进入山体，洞门结构物不致受到偏侧压力；⑷、当线路位于有可能被淹没的河滩上或水库回水影响范围以内时，隧道洞口标高应在洪水位以上。⑸、为洞口稳定和安全,边坡及仰坡均不宜开挖过高,不使新开出的暴露面太大。⑹、若洞口附近遇有水沟或水渠横跨线路时，应慎重处理，设置桥涵净空不宜太小，以免后患。⑺、若洞口前方岩壁陡立，基岩裸露，此时，最好不刷动原生坡面；⑻、洞口以外应当留有生产活动的场所。第二节隧道的几何设计1、隧道平面设计隧道平面线形，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。2、隧道纵面设计（1）控制隧道纵坡大小的主要因素：①通风问题②排水问题③行车安全性④施工作业效率（2）隧道规范要求纵坡应不小于0.3％（排水），并不大于3％（排气）（但是过江或水底隧道不遵循）3、隧道净空断面与横断面设计（1）隧道净空：隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间，包括隧道建筑界限、通风及其他所需的断面积。（2）建筑限界：是为保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定的一定宽度和高度规范内不得有任何障碍物的空间界限。（3）墙效应：隧道边墙给驾驶员带来唯恐与之冲撞的心理影响。（4）隧道行车限界：保证隧道中行车安全，在一定高度和宽度范围内任何物体不得侵入的限界（5）紧急停车带的设置间距不宜大于750m。第三节衬砌内轮廓线及几何尺寸拟定（1）隧道衬砌：它是一种超静定支护结构,是隧道的主体建筑物（2）衬砌断面设计主要解决内轮廓线、轴线和厚度三个问题。（3）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。该线又称为最小开挖线。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。第三章隧道围岩工程性质、分级与围岩压力第一节概述1、隧道与建筑同是地面的结构体系，但它们在存在的环境和力学作用机理等方面存在明显差异。2、（1）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。其性质、大小、方向以及发生和发展的规律，对正确地进行隧道设计与施工有很重要的影响。（2）地质环境：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。第二节隧道围岩的工程性质1、隧道围岩：是指隧道周围一定范围内，对隧道稳定性能产生影响的岩体2、围岩的工程性质包括三个方面：物理性质；水理性质；力学性质。 2、岩体的变形性质：（1）岩体的受压变形：（1）压密阶段（OA）（2）弹性阶段（AB）（3）塑性阶段（BC）（4）破裂和破坏阶段（CD）容易看出岩体并非单纯的弹性体或者塑性体，而是复杂的弹塑性体（2）岩体的剪切变形三种方式：A.沿结构面滑动；B.结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂；C.在结构面影响下，沿岩石剪断。3、岩体的强度包括：抗压强度和抗剪强度。4、破坏准则：摩尔库伦准则5、隧道围岩失稳破坏：脆性破坏、块状运动、弯曲折断破坏、松动解脱、塑性变形和剪切破坏第三节隧道围岩分级及其应用1、隧道围岩分级是正确惊醒隧道设计与施工的基础。我国隧道围岩分级主要分六级，其中I~V级为岩质围岩，IV~VI级为土质围岩。2、隧道围岩分级的因素指标及其选择：⑴单一的岩性指标A.岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量、泊松比等物理力学参数岩石质量指标分级认为：90％5m,取i＝0.1。习题：某公路隧道进口30米处围岩是V级，容重25kN/m3，开挖断面宽度12米，隧道上覆岩体厚度8米，试计算并判断该处隧道属深埋还是浅埋？⑵浅埋隧道围岩松散压力的计算①深、浅埋隧道的判定原则Hp＝（2～2.5）hq式中:Hp—深浅埋隧道分界深度;hq—荷载等效高度，按下式计算：hq＝q/γq—深埋隧道竖向均布压力kN／m2；γ—围岩容重（kN／m2）。在矿山法施工的条件下I～Ⅲ级围岩取Hp＝2hqⅣ～Ⅵ级围岩取Hp＝2.5hq第五节影响围岩稳定性的因素 1、地质因素的影响⑴岩土体结构状态⑵岩石的工程性质⑶地下水的作用和影响⑷围岩的初应力状态2、设计和施工因素（人为因素）⑴隧道的形状和尺寸⑵支护方法及时间⑶施工方法⑷隧道的埋深第五章隧道结构构造第一节洞身衬砌与洞门构造1、洞身衬砌的类型：形状类型：直墙衬砌；曲墙式衬砌；偏压衬砌；喇叭口衬砌；圆形断面衬砌；矩形断面衬砌组合类型：喷锚衬砌；复合衬砌2、洞门：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。3、洞门类型（1）端墙式洞门：适用于岩性较好的稳定的围岩；（2）翼墙式洞门：适用于地质较差的围岩以及需要开挖路堑的地方；（3）削竹式洞门：洞门岩层坚硬、整体性好、节理不发育，且不易风化，路堑开挖后仰坡极为稳定，并没有较大的排水要求；（4）遮光棚式洞门：当洞外需要设置遮光棚时。第三节明洞1、明洞：采用明挖法修筑的隧道结构2、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、仰坡的塌方、落石、滑坡、泥石流等病害，又作为地下建筑物用于在深路堑、浅埋地段不适宜暗挖隧道时，取代隧道的作用。3、明洞常用类型：拱形明洞和棚式明洞。第四节隧道的防水与排水1、采取“截、堵、排相结合”的综合治理原则2、(1)截水措施：在地表水上游设截水导流沟；地下水上游设泄水洞或洞外井点降水；(2)堵水措施：喷射混凝土堵水、塑料板堵水、混凝土衬砌堵水；（3)排水措施：利用盲沟、泄水管、渡槽、中心排水沟或排水侧沟等，将水排出洞外。第六章隧道结构计算第一节概述1、弹性抗力：衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓“抗力区”，在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩相应地产生被动抵抗力2、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线性关系，即为围岩弹性抗力系数3、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。第二节隧道结构上得荷载类型第三节半衬砌的计算1、半衬砌：拱圈直接支承在坑道围岩侧壁上时，称为半衬砌。第四节曲墙式衬砌计算1、假定（1）上零点b（即脱离区与抗力区的分界点）与衬砌垂直对称中线的夹角假定为（2）下零点a在墙脚（3）最大抗力点h假定发生在最大跨度处附近，计算时一般取为简化计算可假定在分段的接缝上。ha段：bh段：(4)抗力图形的分布假定为二次抛物线 第七章隧道的喷锚支护第一节概述1、现代支护理论①一切方法、手段和措施都围绕围岩稳定为目的；②支护与围岩视作统一的复合体，支护和围岩共同作用；③在复合体中，围岩是承载主体，最大限度的发挥围岩的自承能力，同时也要发挥支护结构的承载能力；④凭借现场试验和监测手段，划定围岩级别，获得力学参数，指导施工；⑤对不同的地质条件，力学特征的围岩，灵活采用不同支护方式和相应的力学计算模型。2、新奥法三大支柱：喷射混凝土、锚杆、现场监控。3、锚杆支护的特点：⑴及时性：喷射砼，如早强，能迅速给围岩提供支护抗力；⑵粘贴性：喷射砼与围岩能全面密贴粘结，粘结力一般可达70kg/cm3；⑶柔韧性：容易调节围岩变形，可控制围岩塑性变形适度发展，发挥自承能力；⑷深入性：锚杆可深入围岩一定深度加固围岩，形成承载圈；⑸灵活性：支护类型、参数、数量可灵活调整。⑹封闭性：可阻止水对围岩的侵蚀而引起风化等。第三节喷锚支护的力学作用1、锚杆支护结构的作用：（1）联接作用；（2）减跨作用；（3）组合作用；（4）整体加固作用数根中性轴（轴向应力变化复杂）一根中性轴（轴向应力规律性好）联接与减跨组合整体加固第四节支护与围岩共同作用的力学原理1、第一次衬砌：喷锚联合支护不同于传统的开挖、支撑、模注衬砌的施工方法，它是将隧道全断面一次掘出，在开挖洞室的同时，尽可能迅速地连续观测围岩的位移和变形，并以及时的喷锚作为临时支护，称其为第一次衬砌。2、所谓“及时”，对差得围岩是指“尽快”，对好得围岩是指“适时”。3、围岩支护特性曲线较佳的支护工作点应当在D点以左，邻近D点处，如图E点。第五节喷锚支护施工原则（1）采取各种措施，确保围岩不出现有害松动；（2）使围岩变形适度发展，最大限度发挥围岩自承能力；（3）保证喷锚支护与围岩形成共同体；（4）选择合理的支护类型与参数并充分发挥其功效；（5）采取正确的施工方法；（6）依据现场检测数据指导施工。第八章隧道施工方法1、新奥法施工流程图及施工过程主要作业p1572、基本施工方法：（1）全断面法：按照隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法。（适用于I-III级围岩）（2）台阶法（3）分部分开挖法3、炮眼布置：掏槽眼、辅助眼、周边眼4、新奥法施工预支护技术：（1）超前锚杆、小钢管（2）管棚（3）超前小导管注浆（4）预注浆加固围岩初期支护：（1）喷射混凝土（2）锚杆（3）钢支撑（4）喷锚支护5、隧道施工中的不良地质类型：溶洞、断层、松散地层、流沙、黄土、膨胀土围岩、岩暴、瓦斯地层6、岩溶地段隧道常用处理溶洞的方法，有“引、堵、越、绕”四种引：遇到暗河或溶洞的水流，宜排不宜堵。引即是通过暗管、涵洞、小桥等将水引流，排出洞外。堵：对已停止发育、跨径较小，无水的溶洞，可根据其与隧道相交的位置及其充填情况，采用混凝土、浆砌片石或干砌片石予以回填封闭；或加深边墙基础，加固隧道底部。 越：当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞，可加深该侧的边墙基础通过。绕：在岩溶区施工，个别溶洞处理耗时且困难时，可采取迂回导坑绕过溶洞，继续进行隧道前方施工，并同时处理溶洞，以节省时间，加快施工进度。绕行开挖时，应防止洞壁失稳。7、其他隧道的施工方法：（1）明挖法；（2）盾构法；（3）掘进机法；（4）沉管法第八章隧道通风与照明1、通风的目的：（1）对有害气体（主要是CO）进行稀释，保证隧洞内卫生条件；（2）对烟雾进行稀释，保证隧洞内行车安全；（3）对异味惊醒稀释，极高隧道内行车的舒适性。2、隧道通风方式：A.自然通风：LN<（双向车道）或LN<(单向车道)（其中L是隧道长度(m)，N是隧道的设计交通量(辆/h)）B.机械通风：（1）全射流纵向通风（2）集中排风的纵向式通风（3）排风组合式纵向通风（4）横向通风（最好但造价最高）（5）半横向通风第十章隧道工程质量检测1、公路隧道的常见质量问题：①衬砌渗漏；②衬砌开裂；③限界受侵；④结合部不密实；⑤通风照明不良2、隧道检测：A.材料检测：（1）防排水材料检测（2）支护材料检测（3）衬砌材料检测B.施工检测：（1）施工质量检测（2）施工监控检测C.环境检测：（1）施工环境检测（2）运营环境检测第十一章隧道常见病害与预防常见病害：水害；衬砌裂损；冰害