学习情境二-隧道的勘察与总体设计.ppt

,隧道工程,,重庆工程职业技术学院建筑工程学院,主讲：莫勇刚,学习情境二 隧道的勘察与总体设计,2.1 隧道地质、水文勘察,主要学习内容： 1、地质勘察 1）地形、地貌 2）地质构造 3）地质岩性 4）特殊地质、不良地质 2、水文勘察,一、地质勘察 隧道的勘察一般都采用两阶段勘测，即初步勘察与详细勘察。对地形地质条件简单的中、短隧道采用一阶段勘测，但勘测工作应按相应要求和深度，提供施工图设计所需资料。地形地质条件特别复杂的长大隧道也可采用多阶段勘测。,1、初步勘察的基本内容 （1）地形、地貌 了解隧道通过地带的自然地理概况，查明有关控制点的海拔。地形、地貌是由构造应力及外界长期影响的结果。,（2）地质构造 地质构造表现的形态有：单斜、褶曲、断层、节理及其他面状、线状构造等，需查明其组合方式。,褶皱,断层,节理,（3）地质岩性 查明隧道通过区域的地层层序、岩性、成因、年代、产状、状态、分布规律及其接触关系、接触面特征，岩层风化破碎程度及抗风能力的强弱。,（4）特殊地质、不良地质 特殊地质、不良地质地区，须查明发生发展的原因、类型、范围、并推断其今后的发展趋势对隧道的影响，提出整治意见及初步设计所需的资料。,二、水文勘察 隧道与地下水的影响关系，主要出现两种情况：一是隧道内涌水，这将恶化围岩稳定状态，导致施工困难，增加工程造价；二是地表枯水，造成工业用水及饮水困难。,2.2 隧道位置的选择,主要学习内容： 1、按地形及地质条件进行选择 2、不良地质段隧道位置的选择 3、按线路类别进行选择 4、隧道洞口位置的选择,一、按地形及地质条件进行选择 1. 按地形条件进行选择 1）克服高程障碍 a. 绕行方案 b. 深堑方案 c. 隧道方案,2）克服平面障碍 a. 沿河傍山绕行方案 b. 隧道直穿方案,2. 按地质条件进行选择 1）单斜构造与隧道位置的选择 a. 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。如图2.2.2所示。 b. 陡倾角岩层——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动；在此情况下，如以明洞通过时应慎重对待,,图2.2.2 缓倾角岩层隧道位置的选择,c. 直立岩层 — 隧道通过直立岩层时，其中线宜垂直于岩层的走向穿过，在隧道开挖过程中，易产生坍塌，甚至会导致大的坍力，致使地面形成“天窗”。,直立岩层中隧道位置的选择,2）褶皱构造与隧道位置的选择 褶皱构造有向斜和背斜两种基本类型，当隧道通过褶皱构造时，应尽量避免将隧道置于向斜或背斜的轴部(a)、(b)，而应将隧道置于翼部(c)，则隧道所处的地质条件类似单斜构造。如图2.2.5所示。,3）断裂构造，接触带与隧道位置的选择 在选择隧道位置时，切忌沿着(或靠近平行)断层带或破碎带修建隧道，特别是对于区域性大断裂，尤应注意绕避。当隧道线路必须通过断层带时，应尽量使线路与断层走向正交，同时应避开严重破碎带，并应使通过断层的地段最短。,二、不良地质段隧道位置的选择 1. 滑坡地区 采用隧道避开滑坡时，应使隧道洞身埋藏在滑床(可能的滑动面)以下一定厚度的稳固地层中，以确保施工及运营过程中滑坡滑动时不致影响隧道安全。如图2.2.7所示。,2. 岩堆、崩坍、错落、堆积层以及危岩落石地区 选择隧道位置时，应避免从不稳定的岩堆、崩坍、错落、堆积层地区中通过，应将洞身置于稳定的地层，当隧道必须通过时，首先应分析并确认其具有稳定性，且一定要采取有效可靠的工程措施，方得以在如图2.2.8、2.2.9所示位置通过。,3. 泥石流 当线路通过泥石流地区时，首先应充分预计和判明泥石流的成因、规模、发展趋势和冲、淤变化规律，论证以路基、桥梁通过或者以隧道等方式绕道的合理性，并判定工程安全度，以决定隧道方案的可行性。当隧道（明洞）洞口位置毗邻泥石流沟时，应注意适当延长以避免泥石流可能扩散范围的影响。,4. 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、巨大空洞区及有利于岩溶发育的构造带，尽量避开洞身置于碳酸盐岩与非碳酸盐岩(可溶岩与非可溶岩)的接触带。当不可能时，应选择在较狭窄地段，以垂直或大角度穿过，使通过岩溶地段为最短。,5. 瓦斯地区 隧道开挖时，有害气体如甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)逸出；轻则致人窒息，重则引起爆炸，危害甚大。选择隧道位置时，最好能避开。不得已时，应做好通风稀释的措施。 6. 黄土地区 黄土具有干燥时甚坚固，遇水容易剥落和遭受侵蚀的特征。选择隧道时应避开沟壑及地下水活动和地面陷穴密集的地区。,三、按线路类别进行选择 1. 越岭线上隧道位置的选择 1）隧道平面位置的选择 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”。一般情况下，常常有若干个垭口可以通过，此时，就要分析比较，选定最为理想的垭口。,,比选时应考虑： ①优先考虑在路线总方向上或其附近的低垭口，因为这种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虽然远离线路总方向，但垭口两侧有良好的展线条件的河谷，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。,2）隧道立面位置的选择 分水岭的山体，一般是上部比较陡峭而下部比较平缓。隧道位置定得越高山体较薄，隧道越短，工程可以小一些，反之隧道位置定得越低，隧道将越长，工程规模要大一些。,2. 河谷线上隧道位置的选择 铁路沿河傍山而行时称之为河谷线。这种线路左右受到山坡和河谷的制约，上下受到标高和限制坡度的控制，比选方案时，可能移动的幅度不大。但是，虽然摆动的幅度很有限，可对工程的难易、大小都有关系。当地层结构面倾向山一侧时，地层比较稳定，覆盖厚度可以酌减。当地层结构面倾向河流一侧时，覆盖厚度宜予加大。如图2.2.11。,,（a）不利的结构面倾向 （b）有利的结构面倾向 图2.2.11 结构面倾向对隧道位置的影响,四、隧道洞口位置的选择 隧道洞口位置的选择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。,洞口位置选择的一般原则和要求： 1）洞口应尽可能地设在山体稳定，地质条件较好，地下水不太丰富的地方。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）洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处，不要与水争路。 3）洞口应尽可能设在线路与地形等高线相垂直的地方，使隧道正面进入山体，洞门结构物不致受到偏侧压力。 4）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（包括波浪高度）以上0.5m，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，不使山体扰动太甚，也不使新开出的暴露面太大。 6）若洞口附近遇有水沟或水渠横跨线路时，应慎重处理，当线路横沟进洞时，设置桥涵净空不宜太小，以免后患。 7）若洞口前方岩壁陡立，基岩裸露，此时，最好不刷动原生坡面，不挖开山体。若有坍方可能时，则采用接长明洞的办法。 8）洞口以外必须留有生产活动的场所。,2.3 隧道线路设计,主要学习内容： 1、隧道平面设计 2、隧道纵断面设计,一、隧道平面设计 隧道平面线形原则上采用直线，避免曲线。须设置曲线时，其半径也不宜小于不设超高的圆曲线最小半径，见表2.3.1。,表2.3.1 不设超高的圆曲线最小半径,隧道设置曲线时应注意以下问题： 1）应尽可能采用较短的曲线，或是半径较大的曲线，且将曲线设置在隧道洞口附近为宜，使曲线的影响小一些。 2）在曲线两端应设缓和曲线时，最好不使洞口恰恰落在缓和曲线上。 3）隧道内若设置圆曲线，其长度不应短于一节车厢的长度。 4）在一座隧道内最好不设一个以上的曲线，尤其是不宜设置反向曲线或复合曲线。如果列车同时跨在两个曲线上，行驶很不稳当。 5）当必须设置两条曲线时，两曲线间应有足够长的夹直线，一般是要求在三倍车辆长度以上。,二、隧道纵断面设计 隧道内线路坡度可设置为单向坡（即向隧道一端上坡或下坡）或人字坡（即从隧道中间向洞口两端下坡）两种，如图2.3.1所示。,,图2.3.1 坡道形式,一般单向坡多数出现在越岭线路的展线及沿河（溪）线隧道中，单向坡隧道对运行的通风、排水有利，尤其是下行单向隧道通风条件好，但是在上方洞施工困难，特别在有较大地下水时更困难。人字坡常出现在越岭隧道中，人字坡有利于从两端施工时的出渣和排水，但对运营通风不利。,控制隧道纵坡大小的主要因素 ※ 通风问题 ※ 排水问题 纵坡坡度大小及其影响 ※ 隧道纵坡坡度范围： 0.3%--3%； ※ 纵坡坡度与通风的关系，要求1%以下，大于2%，排量迅速增加；,2.4 隧道横断面设计,主要学习内容： 一、隧道建筑限界和净空 二、曲线隧道的净空加宽 三、衬砌内轮廓线的拟定,一、隧道建筑限界和净空 机车车辆限界 — 它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸 建筑接近限界 — 它是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线 隧道建筑限界 —铁路/公路线上所有的建筑物不得侵入的范围，以保证提供足够的设备的安装空间和列车（汽车）往来行驶绝无刮碰并安全通过 直线隧道净空—铁路（公路）隧道净空是指轨面（路面）以上衬砌内轮廓线所包围的空间。隧道净空的大小应以不侵入隧道建筑限界为准。同时还应考虑洞内排水、通风、照明、防火、监控、运营管理等附属设施所需要的空间,《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）第2.6.2条也对各级公路隧道建筑限界做了一般的规定。公路隧道设计限界由行车道宽度（W）、路缘带（S）、侧向宽度(L)、人行道（R）或检修道（J）等组成，当设置人行道时，含余宽（C），如图2.4.1所示。,,图2.4.1 公路隧道建筑限界（单位：cm）,W—行车道宽度； S—行车道两侧路缘带宽度； C—余宽，当计算行车速度≥100km/h时为0.5m，小于100km/h时为0.25m； H—净高，一条公路应用一个净高，高速公路和一级、二级公路为5.0m；三、四级公路为4.5m； E—建筑限界顶角宽度，当L≤1m时，E=L；当L＞1m时，E=1m； L—侧向宽度，高速公路、一级公路的侧向宽度为硬路肩宽度（L1或L2），其它各级公路的侧向宽度为路肩宽度减去0.25m； J—检修道（一侧）宽度，一般为0.75m；,,,,图2.4.2 公路隧道横断面示意图（单位：m）,二、曲线隧道的净空加宽 铁路隧道若设计为曲线隧道时，由于曲线外轨超高，致使车体内倾和平移，使得所需横断面面积有所增加。因此，为了保证列车在曲线隧道中安全通过，隧道曲线段的净空必须加大，且主要是加宽（一般不需要加高）。 同理，公路曲线隧道的净空也要加宽。,1. 公路曲线隧道净空加宽值 公路隧道依据《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）第3.0.12的规定，按公路等级进行加宽：当隧道位于平面曲线半径等于或小于250m的地段时，应在曲线内侧加宽。,表2.4.1 公路平曲线隧道加宽取值（m）,2. 铁路曲线隧道净空加宽范围及其中线偏移 《铁路隧道设计规范》（TB 10003-2001）中，对曲线部分加宽段的范围，做了如下规定：位于曲线地段的隧道加宽的范围，除圆曲线部分按d总加宽以外，缓和曲线部分被视为既非圆曲线，又非直线，所以把它分为两段，一点属于接近直线的性质，另一段属于接近圆曲线的性质，分别给以不同的加宽值，如图2.4.3所示。具体的起止点相应的加宽值以及中线偏移量如下： 自圆曲线终点至缓和曲线中点，并向直线方向延伸13m，这一段用圆曲线的加宽断面，即加宽d总，隧道结构中线向曲线内偏移量为d偏。缓和曲线的其余半段，自缓和曲线终点向直线方向延伸22m，这一段采用圆曲线加宽值的一半，即d总/2，隧道结构中线向曲线内偏移量为d偏/2。,,图2.4.3 曲线隧道净空加宽,3. 加宽原因及加宽计算 铁路曲线隧道的净空加宽值是由两个方面的需要来决定的。,,图2.4.4 车辆经过曲线时的示意图,,1）由于曲线外轨超高引起车体内倾所要求的加宽值 E=0.76V²/R d超内=H·E/150 （或近似用公式 d=2.7E计算 ） 2）由于车体平移所要求的加宽值 d曲内=4050/R d曲外=（26²-18²）/8/R=4400/R d总= d超内+d曲内+d曲外=8450/R+H·E/150,三、衬砌内轮廓线的拟定 采用工程类比方法拟定隧道衬砌结构断面形状和尺寸，需要作出三个方面的选择：第一是选定衬砌断面的大小，即确定所需内轮廓（即净空）的尺寸大小，保证车辆安全通过;第二是选定衬砌断面计算轴线的形状，调整并保证衬砌结构受力合理且形状简单；第三是；选定衬砌的厚度，检算并保证衬砌结构有足够的强度、刚度和稳定性。,1、内轮廓线（横断面净空） 衬砌的净空必须保证车辆安全通过，即衬砌结构的内轮廓的任何部位都不得侵入隧道建筑限界以内。同时又应尽量减小坑道土石的开挖量和衬砌结构是圬工量。因此，衬砌结构的内轮廓线总是在隧道建筑限界以外但不侵入限界，贴近限界但不随着限界曲折。圆顺的内轮廓，即可以简化结构外形，使施工简单方便，又可以在避免凹陷处产生应力集中，使结构受力均匀合理。,2、结构轴线（横断面形状） 衬砌横断面的形状是用结构轴线来表示的，因此，结构轴线的形状不仅决定着衬砌横断面的形状及衬砌结构受力的合理性，也影响着坑道横断面的形状及围岩的二次应力状态和稳定状态。 结构轴线尽可能地接近荷载压力线，使各个截面上主要承受压应力，而尽可能少地出现拉应力，即使出现也是比较小的。,①当衬砌承受径向分布的静水压力时，结构轴线以圆形为最合适； ②当衬砌主要承受竖向荷载和不大的水平荷载时，衬砌结构轴线上部宜采用圆弧形或尖拱形，两侧可以做成直线形（即直边墙）； ③当衬砌在承受竖向荷载的同时，又承受较大的水平荷载时，衬砌结构的轴线上部宜采用圆弧形或平拱形，两侧可采用凸向外方的圆弧形（即曲边墙）； ④如果还有底鼓压力，则衬砌结构轴线底部还应有凸向下方的仰拱为宜。,,,3、截面厚度（截面强度能力） 衬砌各截面的厚度是结构轴线确定以后的重点设计内容，要判断在设定的厚度下的截面是否有足够的强度，从施工的角度出发，截面的厚度不允许太薄，太薄将使施工操作困难且不易保证质量。隧道设计规范中，列举了衬砌各部分最小厚度的数值，可供参考，见表2.4.2。最小厚度是一个限制性要求，而不是设计值。,表2.4.2 圬工截面最小厚度表（cm）,,谢谢！,